基于集成光学相控阵(OPA)的LiDAR系统

CEA-Leti为开发适用于广泛商业应用的LiDAR系统迈出了关键的一步，它已经开发了用于校正高通道数光学相控阵（OPA）的遗传算法，以及能够进行晶圆级OPA表征的高级测量装置。
 
OPA是一种新兴技术，由紧密排列（约1 0 8m）的光学天线阵列构成，并在宽角度范围内发射相干光。然后可以通过调节每个天线发射的光的相对相位来改变产生的干涉图样。例如，如果天线之间的相位梯度是线性的，则将形成定向波束。通过改变线性梯度的斜率，可以控制光束的方向，从而可以进行固态光束转向。
 
与当前LiDAR中使用的笨重，耗电且昂贵的机械光束转向系统相比，这可以提高扫描速度，电源效率和分辨率的性能。基于OPA的LiDAR系统的另一个特点是它们没有活动部件，因为仅通过对天线进行相位调整就可以实现固态波束控制，从而大大降低了这些系统的尺寸和成本。
 
CEA-Leti在题为“基于硅光子学的光学相控阵的开发，校准和表征”的论文中，在Photonics West 2021数字论坛上报告了校准和表征结果。
 
该论文的主要作者西尔万·古伯（Sylvain Guerber）表示：“高性能OPA的开发将为自动驾驶汽车，全息显示器，生物医学成像和许多其他应用的廉价LiDAR系统铺平道路。“但是，LiDAR的广泛采用将取决于更低的系统成本和更小的外形尺寸。”
 
代表光检测和测距的LiDAR已经成为未来传感和视觉系统的关键启用技术。除汽车和医疗用途外，它们还可以使无人机和机器人以及工业自动化实现自主移动。商业LiDAR系统必须满足严格的要求，尤其是在汽车应用中。特别地，需要高功率和低发散光束以准确地解决场景。例如，要在100m处分辨出10cm的物体，则需要OPA工作在波长为1-0.8m的电路中，该电路至少应包含1,000根天线，每根天线的间隔为1.00-8m。因此，对于基于商业OPA的LiDAR系统，必须开发高通道数的OPA。
 
Guerber说，可以利用成熟的硅光子学平台的优势来生产具有固态光束控制功能的集成芯片级OPA。但是，这只是迈向全功能OPA的第一步，因为光束扫描需要初步校准。由于需要大量的光学天线，此校准过程可能会花费大量时间，这与大规模部署技术不兼容。因此，CEA-Leti团队开发了可能是第一个晶圆级OPA表征装置，这是迈向基于OPA的LiDAR工业化的重要一步。此外，已经开发了基于达尔文进化论的遗传算法来快速可靠地校准高通道数OPA。与以前使用的算法相比，它们可以使校准速度提高多达1,000倍。
 
Guerber指出，汽车行业和其他市场对LiDAR技术的广泛商业应用预计将持续数年。OPA是至关重要的一步，CEA-Leti将继续努力。
 
他解释说：“仍然存在很多挑战，尤其是在系统级别。” “ LiDAR由许多元素组成：激光器，电子驱动器，OPA转向系统，检测器和数据处理能力。他们都必须共同努力；OPA只是系统的一部分。”
 
这项工作部分由法国ANR通过卡诺特资助，ECSEL Vizta欧洲项目和法国国家计划“ IRD Nanoelec的d’investissement d’avenir计划”（n°ANR-10-AIRT-05）资助。