新型光栅结构与硅基MEMS技术相结合的光学相控阵

据麦姆斯咨询报道，来自美国加州大学伯克利分校（以下简称：伯克利）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（2-D Optical Phased Array， OPA）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（LiDAR）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！

伯克利电子工程与计算机科学教授Ming Wu及其科研团队王佑民博士（手持二维光学相控阵）

“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

伯克利研究人员利用构建所有微处理器基本单元的成熟CMOS技术使该芯片具有可编程的功能。这意味着用户可以在芯片上预编程不同的全息图案。通过在MEMS执行器顶部堆叠160 x 160阵列的微调多晶硅移相器，研究人员能够减少光束发散并增加可分辨点的数量。这使得该芯片可以实现大视场角，构建其周围环境的高分辨率3D全息图。此外，通过使用现有的制造工艺，该芯片的制造成本相比由液晶制成的光学相控阵更低。

（a）MEMS光学相控阵的顶部光栅层；（b）底部横向梳状驱动结构的MEMS执行器；（c）顶部光栅层移相元件和MEMS执行器集成；（d）MEMS可编程二维光学相控阵芯片

伯克利研究人员在原型演示中实现了55 KHz的谐振频率，对应于5.7 us的响应时间（光学相控阵将一个全息图案变为另一个全息图案所需要的时间），该响应速度几乎是传统基于液晶的光学相控阵的1000倍。通过利用封装在3.1mm x 3.2mm芯片上的25600像素大阵列，这款MEMS二维光学相控阵能够捕捉周围环境的高分辨率图像。

（a）25美分硬币上的MEMS二维光学相控阵芯片；（b）展示光学孔径的共聚焦光学显微照片；（c）MEMS二维光学相控阵芯片的扫描电子显微镜（SEM）图像；（d）单个MEMS光栅元件；（e）光栅下方的梳状驱动执行器，光栅连接在可动梳齿梁（蓝色）上；（f）氢氟酸（HF）释放前的光学相控阵元件的横截面SEM图

“能够对这些芯片进行编程，使我们可以超越光学相控阵的传统扫描应用，我们可以通过编程使这些阵列更像人眼。利用该芯片制作的激光雷达能够像人眼一样生成并感知任意图案，并可以跟踪单个对象而不仅仅是旋转扫描。”伯克利电子工程与计算机科学教授、该论文通讯作者Ming Wu教授表示。