由韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)和法國蔚藍(lán)海岸大學(xué)組成的國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于納米光子學(xué)的LiDAR技術(shù)作為特邀論文2021年5月6日在nature nanotechnology上發(fā)表。

光檢測和測距（LiDAR）是繼無線電檢測和測距（雷達(dá)）的發(fā)展之后出現(xiàn)的一種測量方法。傳統(tǒng)的LiDAR方法利用脈沖光源來照亮目標(biāo)物體。通過測量反射光脈沖的返回時(shí)間（稱為飛行時(shí)間 (time of flight, TOF) ），可以計(jì)算物距。LiDAR技術(shù)，傳統(tǒng)上分為地面、機(jī)載和航天LiDAR，在1960年代激光器發(fā)明后開始認(rèn)真發(fā)展。機(jī)載LiDAR通常安裝在飛機(jī)和衛(wèi)星上，主要用于測量大氣條件和環(huán)境觀測。星載LiDAR已在航天器中用于空間站對接距離測量，或用于空間探索的探測機(jī)器人中。

最初用于簡單測量（主要是距離和車速）的基于地面的LiDAR，如今已被認(rèn)為是諸如自動(dòng)駕駛汽車、人工智能機(jī)器人和無人飛行器偵察等各種應(yīng)用中的關(guān)鍵組件。消費(fèi)類電子設(shè)備包括Apple公司的iPhone和iPad，微軟公司的Kinect室內(nèi)運(yùn)動(dòng)捕捉傳感器等，包括用于增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器的LiDAR傳感器。面向行業(yè)的應(yīng)用包括用于自動(dòng)駕駛汽車的LiDAR傳感器或制造工廠中的機(jī)器人視覺。最后，航空應(yīng)用在無人機(jī)監(jiān)視中利用LiDAR傳感器進(jìn)行地形測繪，在航天器中利用行星探測器。

幾個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)過優(yōu)化，以滿足考慮中的應(yīng)用的各種要求。例如，對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品而言，設(shè)備成本和占地面積很重要，但是測量精度、可測量距離和系統(tǒng)耐用性對于精密設(shè)備至關(guān)重要?？紤]到LiDAR在現(xiàn)實(shí)世界中的使用及其潛在的經(jīng)濟(jì)影響，即使是在短期內(nèi)，隨著許多新創(chuàng)公司的出現(xiàn)，硬件和軟件領(lǐng)域的研究與開發(fā)也已大量增加。

作為一個(gè)特定但極為相關(guān)的示例，自動(dòng)駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)決策時(shí)間必須足夠快，以使其在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)安全地完全停止。與人類安全有關(guān)的某些要求尚未同時(shí)滿足：測量范圍≥150μm（或TOF約1μs），能夠分辨10μcm大小的物體，360°實(shí)時(shí)操作范圍以及 一種光學(xué)系統(tǒng)，可以克服惡劣的天氣條件，并且對不同的太陽光照條件具有魯棒性。除了這些要求之外，預(yù)計(jì)LiDAR系統(tǒng)將被制造為緊湊且價(jià)格合理的芯片級傳感器。但是，到目前為止，還沒有商用的LiDAR傳感器能夠滿足所有這些要求。大多數(shù)市售的LiDAR系統(tǒng)都是基于大型機(jī)械掃描儀和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），這些系統(tǒng)體積龐大且容易受到外部沖擊。

當(dāng)前，自動(dòng)駕駛汽車車頂上的高端機(jī)械LiDAR系統(tǒng)的大小大約是兩個(gè)成年人拳頭堆疊在一起的大小，需要花費(fèi)數(shù)萬美元。此外，還有許多挑戰(zhàn)需要克服，例如消耗大量電力和熱量管理的充電過程。作為對此的解決方案，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于納米光子學(xué)的超緊湊LiDAR技術(shù)。研究人員解釋了這種納米光子技術(shù)如何在各個(gè)方面創(chuàng)新LiDAR傳感器系統(tǒng)，從LiDAR的基本測量原理到最新的超快速和超精確的納米光子測量方法，以及納米光子設(shè)備（例如超表面，孤子微梳和光波導(dǎo)）。

納米光子技術(shù)的最新進(jìn)展最近被認(rèn)為是傳統(tǒng)LiDAR系統(tǒng)的支持甚至替代技術(shù)（圖1）。特別是，一些小型化的光束控制平臺，例如芯片級光學(xué)相控陣和基于超表面的平面光學(xué)設(shè)備，可以切實(shí)縮小設(shè)備的占地面積。納米光子LiDAR平臺還可以在掃描速度和圖像信息內(nèi)容方面提供改進(jìn)的成像功能。

圖1. 納米光子LiDAR系統(tǒng)的概念示意圖

▲圖解：LiDAR的一項(xiàng)有前途的應(yīng)用是在自動(dòng)駕駛汽車中，其中LiDAR可以檢測道路上的周圍物體。自動(dòng)駕駛車輛中使用的傳統(tǒng)LiDAR技術(shù)包括上述的大型機(jī)械掃描儀或微機(jī)電系統(tǒng)，它們體積龐大且容易受到外部撞擊。新提出的納米光子LiDAR系統(tǒng)不僅可以縮小設(shè)備的外形尺寸，而且可以顯著提高設(shè)備的功能。利用可擴(kuò)展的芯片規(guī)模制造，進(jìn)一步改善FOV并實(shí)現(xiàn)更快掃描的下一個(gè)突破可能并不遙遠(yuǎn)。

圖2. 激光雷達(dá)成像基礎(chǔ)

圖解：脈沖激光用作光源，來自物體（汽車）的延時(shí)后向散射信號由光電二極管檢測。往返時(shí)間（或時(shí)間延遲）直接給出TOF，而先進(jìn)的測量技術(shù)（如FMCW）可以同時(shí)測量運(yùn)動(dòng)物體的速度。Nlaser，透射光子數(shù)；β，角散射概率；A / R2，表示收集概率的立體角；T，在給定介質(zhì)中的光透射率。通過適當(dāng)?shù)膱D像處理和渲染，可以重建測量的3D對象。

激光雷達(dá)的照明方法

LiDAR系統(tǒng)的檢測性能取決于掃描和檢測方法以及可用于處理TOF信息的各種方法（圖3a）。因此，在實(shí)施基于納米光子的方法時(shí)必須考慮這些差異。

圖3. 傳統(tǒng)的宏掃描儀和MEMS型LiDAR系統(tǒng)的示意圖

▲圖解：a, LiDAR掃描和3D深度識別的原理。b, 宏掃描儀型LiDAR設(shè)備的硬件組件。光源由數(shù)十個(gè)發(fā)射器產(chǎn)生，并且使用電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)設(shè)備。需要額外的光源以增加垂直分辨率。c, MEMS型LiDAR設(shè)備的硬件組件。二極管激光器發(fā)出的光通過MEMS反射鏡快速掃描，并且漫射器可以改善水平或垂直方向的FOV。IC，集成芯片。

圖4. 光子集成LiDAR方法

▲圖解：a, 片上設(shè)計(jì)集成LiDAR系統(tǒng)。分布式反饋激光器用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。使用發(fā)射器（TX）和接收器（RX）的兩個(gè)通道過程，可以使用快速傅立葉測量60m的速度（左下方）和距離（右下方），而僅發(fā)射5 mW的激光功率變換光譜以增加范圍。FM DFB，調(diào)頻分布式反饋激光器；BPD，平衡光電二極管；DLI，延遲線干涉儀；iPH，移相器通道；E，發(fā)射場；R，反射場；BPD，平衡光電二極管；FC，光纖循環(huán)器；LO，本地振蕩器。b，基于微梳的LiDAR。上圖：建立雙梳實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案。底部：以150m s-1（參考10）的速度運(yùn)動(dòng)的子彈的測量輪廓，虛線表示測量極限。DKS，耗散克爾孤子態(tài)；OCT，光學(xué)相干斷層掃描用于比較結(jié)果。

c，使用孤子微梳的大規(guī)模平行相干激光測距。單梳子光子標(biāo)記和應(yīng)用的頻率調(diào)制功能。下：設(shè)置（左）和測距實(shí)驗(yàn)（右）。E（t）和E（ω）分別對應(yīng)于時(shí)域和頻域中的電場。trep，調(diào)制周期；ωp，中心頻率；μ，光譜極限；AFG，任意函數(shù)發(fā)生器；EOM，電光調(diào)制器；DEMUX，解復(fù)用器；CIRC，光學(xué)循環(huán)器。d，在絕緣體上硅上反向設(shè)計(jì)的洛倫茲諧振器，以實(shí)現(xiàn)不可逆?zhèn)鬏?。左：?zhí)行實(shí)驗(yàn)的光路示意圖。右：諧振器的設(shè)計(jì)。EDFA，摻fiber光纖放大器；PD，光電二極管。該圖改編自ref。

與液晶、LED和VCSEL結(jié)合的超表面可以大大減少LiDAR器件的占地面積，將發(fā)射、掃描和接收組件集成到一個(gè)單元中。本綜述中討論的納米光子解決方案的設(shè)計(jì)者能力在光束整形、偏振和工作波長方面，將在不久的將來實(shí)現(xiàn)真實(shí)、快速、超薄、輕巧和高端的LiDAR系統(tǒng)。目前，最先進(jìn)的LiDAR通常使用VCSEL陣列型直接TOF傳感器。照明組件由10,000–20,000 VCSEL陣列組成（但為了提高信噪比，單次照明約5,000個(gè)點(diǎn)光源），以控制來自每個(gè)激光單元的光束路徑，微透鏡陣列是需要，并且根據(jù)期望的目的，需要附加的外部鏡頭，從而使整個(gè)系統(tǒng)變得笨重。超緊湊型納米光子LiDAR不僅應(yīng)具有與商用同行相當(dāng)?shù)男阅?，而且還應(yīng)為新興應(yīng)用（例如具有完整4π球形空間測量的室內(nèi)機(jī)器人或無人機(jī)、全向相機(jī)、智能手機(jī)和閉路電視）提供更好的解決方案。對于那些應(yīng)用，應(yīng)開發(fā)球形探測器陣列或納米光子增強(qiáng)的角度敏感納米線光電探測器。

除了提高性能之外，替代當(dāng)前的LiDAR技術(shù)還需要價(jià)格低廉的新型、廉價(jià)解決方案，從構(gòu)思到交付，其成熟速度都將推向市場。對于專注于利用納米光子組件進(jìn)行主動(dòng)光束控制的新創(chuàng)業(yè)公司和公司而言，這無疑是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本文來源：nki Kim et al, Nanophotonics for light detection and ranging technology, Nature Nanotechnology (2021).