潮科技 | 美国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

编者按:本文来自微信公众号“MEMS”(ID:MEMSensor),作者麦姆斯咨询殷飞,原文题目《二维MEMS光栅引领光学相控阵变革:高速、宽谱、高分辨率》,36氪经授权发布。

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。相关论文已发表于Optica期刊,详细了解请参阅:https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000557。

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

MEMS二维光学相控阵的光栅横向运动

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。

本文来自网络,不代表立场,转载请注明出处:http://www.sousuoqun.cn/4604.html

作者: admin

友情链接: 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群 微信群

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

Copyright ©2019 红包活动 & 保留所有版权
联系我们

联系我们

在线咨询: QQ交谈

邮箱: email@wangzhan.com

工作时间:周一至周五,9:00-17:30,节假日休息

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们