激光雷達（LiDAR）已成為自動駕駛汽車領(lǐng)域極具前景的解決方案。在光束偏轉(zhuǎn)機制方面，采用微機電系統(tǒng)（MEMS）和光學(xué)相控陣（OPA）的固態(tài)激光雷達，已被證明是相較于采用360°旋轉(zhuǎn)反射鏡的機械式激光雷達更加穩(wěn)健且緊湊的替代方案。二維（2D）光學(xué)超構(gòu)表面可通過調(diào)控相移來改變激光雷達的光束偏轉(zhuǎn)角度。如果激光雷達系統(tǒng)僅需固定光束方向，則可采用靜態(tài)超構(gòu)表面；如果激光雷達系統(tǒng)需要光束掃描，則必須使用動態(tài)（可調(diào)諧）超構(gòu)表面以實現(xiàn)高效和靈活的操作。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國橋水州立大學(xué)（Bridgewater State University）研究團隊在Sensors期刊上發(fā)表了題為“A Review of Solid-State LiDAR Principles and Metasurface-Based LiDAR Sensors”的綜述論文，探討了超構(gòu)表面光束偏轉(zhuǎn)機制的基本原理，并闡述了超構(gòu)表面如何調(diào)控入射光的相位和偏轉(zhuǎn)角度。基于超構(gòu)表面的激光雷達憑借其平面光學(xué)特性、魯棒性以及無機械運動部件等特性，提供了極具前景的解決方案。此外，研究人員還討論并比較了基于超構(gòu)表面的激光雷達的視場角（FOV）。激光雷達系統(tǒng)中的可調(diào)諧超構(gòu)表面對于實時光束掃描至關(guān)重要，與傳統(tǒng)機械掃描機制相比，它具備掃描速度更快、可靠性更高、結(jié)構(gòu)更緊湊以及視場角更寬廣等顯著優(yōu)勢。

激光雷達原理

假設(shè)目標(biāo)為理想朗伯體（hard-Lambertian object），接收器收到的激光雷達信號可按以下方式計算：朗伯表面是指一種物理表面，無論從何種角度觀測，都能將光線均勻地反射向各個方向。存在兩種典型方案（如圖1）：（a）接收器視場角全覆蓋（FOV-filled），即整個接收范圍被入射信號完全覆蓋；（b）接收器視場角未完全覆蓋（FOV-underfilled），即接收器感光面積大于輸入信號范圍且未被完全覆蓋。

圖1 理想朗伯體兩種方案示意圖

飛行時間（ToF）激光雷達的工作原理是測量從發(fā)射器（TX，即激光器）發(fā)射的光脈沖經(jīng)目標(biāo)物體反射到接收器（RX，探測器）所檢測到的時間間隔。幅度調(diào)制連續(xù)波（AMCW）激光雷達采用連續(xù)激光束代替脈沖激光束；AMCW激光雷達測量發(fā)射器調(diào)制幅度與接收器探測到的幅度之間的相位差。頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）激光雷達則使用頻率在特定范圍內(nèi)振蕩的連續(xù)激光束；FMCW激光雷達采用相干探測技術(shù)，即將接收器探測到的頻率與發(fā)射器發(fā)出的參考信號頻率進行比較。

圖2 三類激光雷達的探測原理對比

激光雷達掃描平臺

機械掃描式激光雷達系統(tǒng)由處理器控制電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)鏡，該旋轉(zhuǎn)鏡具有脈沖激光系統(tǒng)，從而實現(xiàn)360°視場。圖3展示了機械式激光雷達的示意圖。該技術(shù)的優(yōu)點在于其歷史悠久且技術(shù)最成熟，但其笨重的結(jié)構(gòu)限制了可擴展性。如果缺乏合適的光學(xué)元器件，可能需要配備多對激光器和探測器，這也導(dǎo)致其成本高昂。

圖3 機械掃描式激光雷達系統(tǒng)示意圖

第二種技術(shù)路線是微機械或MEMS激光雷達，利用基于MEMS的反射鏡來掃描環(huán)境。如圖4所示，其采用一維（1D）MEMS反射鏡與多臺激光器，生成垂直光線并實現(xiàn)水平掃描。該技術(shù)已達到半成熟階段，與機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達相比，其制造可擴展性更強、成本更低，但在車規(guī)可靠性方面存在挑戰(zhàn)。

圖4 MEMS激光雷達系統(tǒng)示意圖

第三種技術(shù)路線是采用集成光子學(xué)與OPA相結(jié)合的固態(tài)激光雷達。OPA由激光器和用于分光的功率分路器構(gòu)成。圖5展示了OPA的示意圖。OPA系統(tǒng)是目前成本最低、魯棒性最強的激光雷達方案。其硅基制造技術(shù)非常成熟，這也允許極高的制造可擴展性，盡管這些器件的設(shè)計技術(shù)仍受到一定限制且處于半成熟階段。

圖5 OPA激光雷達系統(tǒng)示意圖

超構(gòu)表面

超構(gòu)表面是一種人工設(shè)計的二維結(jié)構(gòu)，由周期性或準(zhǔn)周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)單元組成，這些亞波長結(jié)構(gòu)單元可在其界面處靈活調(diào)控光的振幅、相位或偏振。與制備難度大的傳統(tǒng)三維（3D）超構(gòu)材料不同，超構(gòu)表面具有平面化平臺和緊湊型結(jié)構(gòu)，因此更易集成到其它光電子和光子系統(tǒng)中。

圖6 用于光束偏轉(zhuǎn)的硅基超構(gòu)表面設(shè)計

超構(gòu)表面依賴于先進的光刻技術(shù)（例如電子束光刻、等離子體蝕刻、原子層沉積）制備而成。根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，部分超構(gòu)表面在制備完成后即具有固定的光學(xué)電磁響應(yīng)，這類結(jié)構(gòu)稱為靜態(tài)超構(gòu)表面。反之，如果超構(gòu)表面被設(shè)計成為可在制備后可通過外部激勵來改變其功能，這類結(jié)構(gòu)則稱為動態(tài)（可調(diào)諧）超構(gòu)表面。

圖7 超構(gòu)表面示例

靜態(tài)超構(gòu)表面為特定應(yīng)用（例如具有預(yù)設(shè)功能的鏡頭、濾光片和偏振器）提供固定的波前調(diào)控能力。靜態(tài)超構(gòu)表面可作為超構(gòu)透鏡用于光束偏轉(zhuǎn)，可提供超過150°的寬視場角。此外，靜態(tài)超構(gòu)表面還可用于回波信號帶通濾波、光束分割與合并以及光束整形。

圖8 靜態(tài)超構(gòu)表面示例

動態(tài)（可調(diào)諧）超構(gòu)表面為緊湊、高速、高分辨率的激光雷達系統(tǒng)提供可變化的光束偏轉(zhuǎn)與波前調(diào)控。動態(tài)超構(gòu)表面材料的光學(xué)特性可以通過電、熱、光和機械等外部激勵來調(diào)控，從而實現(xiàn)快速、高效且精確的光調(diào)制。

圖9 動態(tài)（可調(diào)諧）超構(gòu)表面示例

基于超構(gòu)表面的激光雷達傳感器

這篇綜述中介紹了多項基于超構(gòu)表面的激光雷達研究進展。Chang等研究人員通過將超構(gòu)透鏡與硅光子微環(huán)發(fā)射器陣列相結(jié)合，實現(xiàn)了二維光束偏轉(zhuǎn)（如圖10a）。Martins等研究人員展示了利用大面積超構(gòu)表面作為窄視場（low-FOV）光源的偏轉(zhuǎn)角放大器，可實現(xiàn)150°的寬視場（如圖11a）。Park等研究人員演示了電可調(diào)諧超構(gòu)表面陣列的360°連續(xù)掃描，該陣列探測距離可達4.7 m；該系統(tǒng)采用帶鋁鏡的納米諧振器作為單端口諧振器，并測得其反射系數(shù)r（如圖12a）。利用超構(gòu)表面作為偏振分束器以增強系統(tǒng)視場，從而實現(xiàn)精確的距離測量和速度測量（如圖13a）。

圖10 Chang等人研發(fā)的基于超構(gòu)表面的激光雷達傳感器

圖11 Martins等人研發(fā)的基于超構(gòu)表面的激光雷達傳感器

圖12 Park等人研發(fā)的基于超構(gòu)表面的激光雷達傳感器

圖13 基于超構(gòu)表面的激光雷達傳感器示例

總結(jié)及展望

展望未來，為實現(xiàn)緊湊、高速且低成本的激光雷達，需將III-V族激光二極管、超構(gòu)表面光束轉(zhuǎn)向平臺以及高速探測器集成于單芯片上。盡管硅基超構(gòu)表面和鍺基探測器可直接在硅襯底上單片生長，但III-V族激光二極管的集成卻頗具挑戰(zhàn)。目前，諸如單片集成和異質(zhì)集成等III-V族激光器在硅平臺上的集成技術(shù)已得到廣泛研究，以實現(xiàn)激光器結(jié)構(gòu)的有源區(qū)與硅材料的高效耦合。將垂直腔面發(fā)射器（VCSEL）等III-V族激光器倒裝鍵合至硅平臺，可實現(xiàn)高輸出功率、低閾值電流及穩(wěn)定運行。總體而言，在硅平臺上實現(xiàn)硅基超構(gòu)表面與III-V激光器的異質(zhì)集成，是未來固態(tài)激光雷達傳感應(yīng)用極具潛力的解決方案。