随着光子集成链路的应用连结到车子的方向盘，自动驾驶可能有助于实现未来的交通。
图1: 固态PIC扫描仪
电子学领域集成的成功即将在光学领域重现，为一个新时代铺平道路：光子集成。自20世纪80年代出现以来，硅基光电子学一直是一项核心技术。硅基光电子学已被广泛认为是电信、数据中心、人工智能 (AI) 和量子计算领域的下一个大事件，它还显示出用于自动驾驶的激光雷达（LiDAR）的巨大潜力。
光子集成链路 (PIC)通过将包括激光器和探测器在内的光学元件放置于硅芯片上， 正在突破高成本效益的批量制造能力和车规级可靠性的瓶颈。这种技术的飞跃显示了尺寸和成本降低的机会，以及大规模生产的可扩展性。硅基光电子学提供了一个全新的系统集成水平，应该能够实现固态、频率调制、连续波 (FMCW) 片上激光雷达（LiDAR-on-Chip）的成果。
与航行时间 (Time-of-Flight) LiDAR 相比，FMCW LiDAR 技术具有独特的工作原理和较低的激光功率要求，被普遍认为是对自动驾驶更有利的传感器，它与集成光子元件高度兼容。人工智能和电子集成电路的共同集成是由系统集成技术实现的，如倒装芯片和三维芯片堆叠。这种结合产生了高效和强大的光子和电子性能，并消除了纤维，因为光纤通常是成本密集型的，而且对车辆每天在路上面临的严格环境条件很脆弱。
Scantinel Photonics 公司目前正在开发一种基于 CMOS 兼容的光子集成平台的 FMCW 光电核心模块 (OCM)。该模块由固态扫描 PIC 组成（见图 1），具有多个并行的 FMCW 通道，Scantinel 已成功地展示了它极其可靠的扫描性能（见图 2）。与先进的光学系统相结合，该模块提供了出色的扫描结果，同时提供了一个紧凑的模块化方法，可以很容易地适应任何应用生态系统。
图2：PIC扫描仪的扫描模型
它是如何工作的？
该扫描 PIC 芯片非常紧凑 — 小于 2 × 2 cm — 并且在固态快速扫描轴上有 256 条扫描线。基于 PIC 的扫描机制对于 FMCW 传感应用至关重要，它具有若干优势。
扫描概念是实现汽车 FMCW LiDAR 的关键挑战。无需在目标上快速移动光束的固态扫描方法是扫描 FMCW LiDAR 的先决条件，以避免相干检测系统的高损耗。这需要在非常小的面积上安装大量的光学和电子元件，包括探测器，而这只能通过光子集成来实现。
Scantinel 的 PIC 设置允许大规模并行化，以丰富像素密度，而机械扫描仪的设置是没有这个特点的。PIC 扫描机制还允许用户设计和定制 PIC 出口间距，以便根据应用的具体情况，在垂直视场上拥有不同分辨率的感兴趣区域。光子集成大大减少了光学精密对准步骤的数量，因为许多光子元件是在芯片上通过光刻技术对准的。
固态 PIC 扫描仪不仅对于满足和超越车规至关重要，它还可以用 CMOS 兼容技术在晶圆级加工和制造。 这降低了 LiDAR 系统的成本、尺寸、重量和功耗，因此它可以用于各种不同的大批量的自主移动应用。 这样的实施确保了 FMCW 技术的优势可以在一个有吸引力和竞争力的价格点上实现。
更广泛采用硅基光电子学
PIC 为每个芯片带来了更多的光子功能，而且还可以与其他技术，特别是微电子技术集成 — 使用混合和单片的方法。更高集成度的趋势有利于在LiDAR等应用中采用硅基光电子技术，因为这种集成具有明显的价格和体积优势，并有助于加速LiDAR进入自动驾驶领域。
如图 3 所示，FMCW LiDAR 的分区表明，通过 OCM 方法达到所有必需的电气、光电和光子部件的高度集成是一条清晰的道路。在 FMCW LiDAR 中，所有有源和无源电子功能都可以集成到单个 LiDAR 应用专用集成电路（LiDAR ASIC，红框）中。标准 PIC 技术将被用于来产生所有的集成无源光学元件（蓝框）。像激光器和光放大器这样的光生成和放大元件可以通过混合/异构的方式进行集成（绿框）。同时，倒装芯片技术可用于将 LiDAR ASIC 添加到 PIC 载体上，实现超集成。额外的光学元件，如准直器或镜子系统，如果不能进一步缩小尺寸的话，将使用标准的光学安装技术与PIC载体组装（黄框）。
图3： FMCW LiDAR光电核心模块（OCM）
FMCW 雷达传感器的历史表明了从分立元件（如移动天线和专用信号处理单元）转变为高度集成的雷达芯片（Radar-on-Chip）概念的趋势。其结果是压倒性的：把信号处理和控制 IC、专用射频模块和天线阵列的进行分区，是现在低成本汽车 FMCW 雷达系统的最先进的方法。同样地，FMCW LiDAR被分割成电子、光子/光电和光学部件，将导致密集的系统集成，最终大大降低终端应用的成本。
光电子行业的供应链也在迎头赶上。主要的商业代工厂正在逐步建立新的业务，朝着硅基光电子学的标准工艺发展，以实现低成本和可扩展的可制造性。用于光子集成的封装和制造程序也正在开发，以满足严格的车规级的机械、电气和热要求，同时最大限度地减少元件的尺寸和重量。与CMOS 兼容的硅基光电子学方法将受益于硅产业，这要归功于其成熟的工艺和在全球范围内的大规模采用。
趋势是非常明确的：FMCW LiDAR 中用于自动驾驶的传感器必须价格合理、结构紧凑、功能强大且可靠。光子集成将通过量产来实现此类技术的产业化。
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