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Whoscored中文官网 | 编译自 Effect Photonics

 

在通信应用之外，光子学可以在传感和成像应用中发挥重要作用。这些传感应用中最著名的是光探测和测距（LIDAR），它是采用无线电波的雷达系统的光基兄弟。 

说得简单一点。激光雷达包括发出一个光脉冲，接收它的反馈，并使用计算机来研究环境如何改变了该脉冲。这是一个简单但十分强大的概念。

 

图1：飞行时间 (TOF) 激光雷达系统的示意图

 

如果我们向一堵墙发送光脉冲，并倾听它们需要多长时间才能回来，我们就知道那堵墙有多远。这就是飞行时间（TOF）激光雷达的基本概念。如果我们向一个物体发送多个波长的光脉冲，我们就知道这个物体在哪里，以及它是在向你移动还是在远离你。这就是下一代激光雷达，被称为FMCW激光雷达。这些技术已经被用于自动驾驶汽车，以识别其他汽车的位置和距离。下面的视频提供了一个简短的解释，说明激光雷达在自动驾驶汽车中的工作原理。

 

 

尽管激光雷达系统很有用，但由于其尺寸、重量和功率（SWAP）的要求，激光雷达系统的广泛应用受到了限制。或者直截了当地说，它们是笨重和昂贵的。例如下图所示的自动驾驶汽车的图片，车顶上有两个大的激光雷达传感器和扫描仪。

 

图2：自动驾驶汽车车顶的LiDAR传感器和摄像头

 

要使激光雷达系统更经济、更轻便，就需要更紧密地集成光学元件，并能够大量的生产。这听起来像是一个可以由集成光子技术解决的问题。

用 "片上激光雷达 " 取代分离器件激光雷达

 

早在2019年，特斯拉首席执行官埃隆-马斯克曾说过一句著名的话："任何依赖激光雷达的人都是注定要失败的"。他的怀疑是有一定道理的。激光雷达传感器既笨重又昂贵，而且不清楚它们是否是比采用普通相机和大量视觉分析软件更好的解决方案。然而，想主导未来汽车行业的商机太大，一场将激光雷达系统小型化为单一光子芯片的技术竞赛已经开始了。 

让我们来看看一个关键的例子。一个传统的激光雷达系统需要一个机械系统，使光源四处移动以扫描环境。这可能是一个简单的360度旋转的激光雷达扫描仪或使用小型扫描镜来引导光束。然而，一个更好的解决方案是创造一个没有移动部件的激光雷达扫描仪，而且可以在已有的半导体工艺上大规模的制造。 

光学相控阵（OPA）系统就出现在这里。OPA系统将一个可调谐激光器的输出分成多个通道，并在每个通道上设置不同的时间延迟。然后，OPA将重新组合这些通道，根据分配的时间延迟，产生的光束将以不同的角度射出。换句话说，OPA系统可以在没有任何移动部件的情况下引导半导体芯片的发出光束。

 

图3：芯片上的光学相控阵示意图

 

要使OPA进入成熟期，仍然需要大量的开发工作。埃因霍温科技大学（TU/e）的研究员Victor Dolores Calzadilla解释说："OPA是实现真正的固态、单片激光雷达的最大瓶颈。许多激光雷达构件，如光电探测器和光放大器，是多年前为其他应用开发的，例如电信。尽管它们通常还没有为激光雷达进行优化，但它们在原理上是可用的。OPA在电信方面是不需要的，所以关于它们的工作开始得更晚，因此这个组件是最不成熟的"。

 

激光雷达系统的规模经济

 

晶圆级别的光子学制造需要较高的前期投资，但后续的大批量生产会使每个器件的成本下降。这种规模经济原则也是电子制造业背后的原则，同样也必须适用于集成光子芯片。我们能在单个芯片中集成的光学元件越多，每个元件的价格就越能下降；单个晶圆中能集成的光学系统芯片（SoC）越多，每个SoC的价格就越能降低。 

埃因霍温技术大学和JePPIX联盟的研究人员已经做了一些模型，以显示这种规模经济原则将如何适用于集成光子芯片。如果生产量能从每年几千个芯片增加到几百万个，那么每个集成光子芯片的价格就能从几千欧元降到几十欧元。这必须作为激光雷达和汽车工业的目标。

图4：集成光子芯片（PIC）的成本是每年生产的PIC芯片总数的函数。产量的指数式增长导致成本的指数式下降。 资料来源：模型和图表由埃因霍温大学的Meint Smit教授提供。

 

通过在单个芯片上集成所有的光学元件，我们也将复杂性从组装过程转移到更高效和可扩展的半导体晶圆工艺上。 通过互连多个光子芯片来组装和包装一个设备会增加组装的复杂性和成本。另一方面，在晶圆上大批量地组合和排列光学元件要容易得多，这就降低了设备的成本。

 

经过验证的集成光子芯片将符合汽车车规要求

 

集成光子芯片的另一个挑战是，它们需要遵从汽车领域的参数和规格，而这些参数和规格往往比电信/数据通信领域更苛刻。例如，通常需要-40°C至125°C的目标温度范围，这比电信部门使用的典型工业温度范围要宽得多。PIC芯片的封装以及它与光纤和自由空间的耦合对这些温度变化特别敏感。

 

表1：不同温度强化的标准温度范围比较表，包括工业、汽车、以及全面军事应用。

 

幸运的是，已经有大量的知识可以使集成光子芯片兼容外层空间那样的恶劣环境。因为光子集成电路（PIC）使用的材料与它们的电子芯片类似，而电子芯片已经有资格用于太空和汽车应用。商业解决方案，如PHIX Photonics Assembly公司、Technobis IPS公司和PIXAPP公司的光子封装试验线所提供的解决方案，现在已经可以使用。

 

总结

 

集成光子芯片必须建立在晶圆规模的工艺上，可以在一个月内生产数百万个芯片。当我们能够向市场展示光子技术可以像电子技术一样容易使用时，这将引发全球光子技术应用的革命。 

集成光子芯片的广泛使用将使光子技术进入新的应用领域，如激光雷达和汽车领域的应用。 随着集成光子芯片产业的发展，激光雷达可以变得更轻，避免移动部件，并以更大的批量制造，从而降低激光雷达设备的成本。应用集成光子技术是使激光雷达更容易被大家接受的途径。