集成光子激光雷达的威力

除了通信应用之外，光子技术在传感和成像应用中也发挥着重要作用。其中最著名的传感应用是激光雷达（LIDAR），它是利用光波的雷达系统的“光子版”，而雷达系统则使用无线电波。

简单来说：激光雷达的原理是发射一束光脉冲，接收反射回来的光脉冲，然后利用计算机分析环境如何改变这束光脉冲。这是一个简单却非常强大的概念。

图 1：飞行时间激光雷达系统示意图

如果我们向墙壁发射光脉冲，并测量光脉冲返回所需的时间，就能知道墙壁的距离。这就是飞行时间（TOF）激光雷达的原理。如果我们向物体发射包含多种波长的光脉冲，就能知道物体的位置以及它是靠近还是远离我们。这就是下一代激光雷达，称为调频连续波激光雷达（FMCW LiDAR）。这些技术已被应用于自动驾驶汽车，用于确定其他车辆的位置和距离。

尽管激光雷达系统用途广泛，但其尺寸、重量和功耗（SWAP）要求限制了其更广泛地应用。或者更直白地说，它们体积庞大且价格昂贵。例如，您可能见过自动驾驶汽车的图片和视频，车顶上装有大型激光雷达传感器和扫描仪，如下图所示。

图 2：自动驾驶汽车车顶上的激光雷达传感器和摄像头。

要使激光雷达系统更经济、更轻便，就需要更紧密地集成光学元件并提高生产规模。不出所料，这听起来像是集成光子学可以解决的问题。

用“芯片级激光雷达”取代传统散装激光雷达

早在2019年，特斯拉首席执行官埃隆·马斯克就曾说过一句名言：“任何依赖激光雷达的人都注定要失败。”他的怀疑并非毫无道理。激光雷达传感器笨重且昂贵，而且当时人们并不清楚它是否比使用普通摄像头配合大量视觉分析软件更胜一筹。然而，主导汽车行业未来的诱惑实在太大，一场旨在将激光雷达系统小型化到单个光子芯片上的技术竞赛早已拉开帷幕。

我们举个关键例子。典型的激光雷达系统需要一个机械装置来移动光源以扫描环境。这可以很简单，比如使用360度旋转的激光雷达扫描仪，或者使用小型扫描镜来控制光束方向。然而，更好的解决方案是制造一种没有移动部件的激光雷达扫描仪，并利用典型的半导体工艺进行大规模生产。

这就是光相控阵（OPA）系统发挥作用的地方。OPA系统将可调谐激光器的输出分成多个通道，并为每个通道设置不同的时间延迟。然后，OPA会将这些通道重新组合，根据设定的时间延迟，最终的光束会以不同的角度射出。换句话说，OPA系统无需任何移动部件即可控制来自半导体芯片的光束。

图2 芯片上光学相控阵的示意图

光参量放大器（OPA）要达到成熟阶段，仍需大量研发工作。埃因霍温理工大学（TU/e）的研究员维克托·多洛雷斯·卡尔萨迪拉解释说：“OPA是实现真正固态单片激光雷达的最大瓶颈。许多激光雷达的组成模块，例如光电探测器和光放大器，都是多年前为其他应用（例如电信）而开发的。尽管它们通常尚未针对激光雷达进行优化，但原则上是可用的。电信领域并不需要OPA，因此对其的研究起步较晚。这个组件也是最不成熟的。”

激光雷达系统的规模经济

晶圆级光子制造需要更高的前期投资，但由此产生的大规模生产线能够降低单个器件的成本。这种规模经济原理与电子制造的原理相同，同样适用于光子学。我们能够在单个芯片上集成的光学元件越多，每个元件的价格就越低。单个晶圆上能够容纳的光学系统级芯片 (SoC) 器件越多，每个 SoC 的价格就越低。 

埃因霍温理工大学和JePPIX联盟的研究人员进行了一些建模，展示了这种规模经济原理如何应用于光子学领域。如果年产量能从几千片芯片提高到几百万片，那么每片光芯片的价格就能从几千欧元降至几十欧元。这应该是激光雷达和汽车行业努力的目标。

通过将所有光学元件集成到单个芯片上，我们将复杂性从组装工艺转移到了效率更高、可扩展性更强的半导体晶圆工艺上。通过互连多个光子芯片来组装和封装器件会增加组装的复杂性和成本。另一方面，在晶圆上大规模组合和对准光学元件要容易得多，这可以降低器件的成本。

将成熟的光子技术应用于汽车标准

光子技术面临的另一项挑战是，它们需要适应汽车行业的参数和规范，而这些参数和规范通常比电信/数据通信行业更为严苛。例如，汽车行业通常要求目标温度范围为-40°C至125°C，这比电信行业常用的工业温度范围要宽得多。光子集成电路（PIC）的封装及其与光纤和自由空间的耦合对这些温度变化尤为敏感。

表1：不同温度硬化标准的温度范围比较，包括工业和汽车/全军用应用

幸运的是，目前已有大量知识足以使集成光子学技术与外太空等严苛环境兼容。毕竟，光子集成电路 (PIC) 使用的材料与其电子器件类似，而后者已通过了航天和汽车应用的认证。 目前， PHIX Photonics Assembly、  Technobis IPS和 PIXAPP Photonic Packaging Pilot Line等公司提供的商业解决方案已经面世。

要点总结

光子技术必须建立在晶圆级工艺之上，这种工艺每月能够生产数百万个芯片。当我们能够向市场证明光子技术可以像电子产品一样易于使用时，这将引发全球光子技术应用的革命。

光子器件的广泛应用将推动光子技术进入新的领域，例如激光雷达和汽车行业。随着集成光子产业的蓬勃发展，激光雷达可以变得更轻便，无需移动部件，并能大规模生产，从而降低成本。集成光子技术是让激光雷达惠及更多人的途径。