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加州大学伯克利分校首次实现高速可编程、大阵列二维光学相控阵芯片

Source:Author: Addtime:2019-09-06

据麦姆斯咨询报道,来自美国加州大学伯克利分校MEMS专家团队的研究成果首次实现了高速可编程、大阵列的二维光学相控阵芯片。与传统的硅光、液晶等OPA技术相比,该芯片创新性地将新型光栅结构与硅基MEMS技术相结合,具有更经济、更高速、更高可靠性等优点。此外,该MEMS OPA的光学调制在自由空间完成,可实现无插损的光学耦合。尤其需要指出的是,其光栅结构可同时应用于从可见光到近红外的宽带光谱,不受硅光片上集成的波长限制,从而可直接应用于新一代医疗成像设备、光通信和全息电视等广泛领域,并为自动驾驶汽车提供更强大的激光雷达传感器。

光学相控阵的概念已经提出了数十年,目前用于医疗成像和光通信等领域。伯克利研究人员的思路是构建一种光发射器阵列,并通过改变它们的相位,或者改变它们产生的光波的排列,从而获得一种没有物理运动,但可以向任何方向发射激光束的光源。这种灵活的光束偏转在LiDAR技术中非常有用。LiDAR正是通过向各个方向发射激光束,并测量它们返回所需要的时间来确定附近物体的距离。

如今,使用最广泛的LiDAR是安装在自动驾驶车辆顶部的机械旋转式LiDAR传感器,例如由Velodyne推出的最广为人知的“全家桶”HDL-64E。这种LiDAR生产成本高且可靠性堪忧,因为尚不清楚这种机械旋转机构能否承受多年的车辆日常使用。这就是为什么许多产业专家认为光学相控阵作为一种固态LiDAR技术,更具前景。

“目前,光学相控阵应用于LiDAR的最大挑战,是其逐点扫描相对较慢的光束偏转速度,以及其有限的整体孔径,这决定了系统的光学分辨率。”前伯克利博士后研究员、该论文第一作者王佑民博士表示。

王佑民博士指出,在传统的光学相控阵设计中,调制光束强度的空间光调制器大多由非常小的运动部件组成,因此这些器件仅在某些波长下工作,并且受限于可扫描的范围。这限制了它们的效率和可靠性,因为它们的信号会受到周围环境的影响,尤其是温度急剧变化的环境。

为了克服这些限制,王佑民博士及其研究团队开发了一种利用MEMS执行器横向移动光栅元件的硅基芯片,该光栅元件可在各个方向上衍射光线。这种移相运动为输出激光束增加了延迟,创建了一种全息图案,将光引导到预定义的图案中。这种工作机制基本上类似空间光调制器,使研究人员能够显著降低旁瓣强度,从而提高该技术的光学传输效率。


伯克利研究人员开发的硅基MEMS可编程二维光学相控阵