更快并不總是更好，尤其是在采用先進技術的3D傳感器方面。隨著在自動駕駛汽車、機器人和無人機、安全系統(tǒng)等領域的應用，研究人員正在努力尋找一種緊湊且易于使用的3D傳感器。來自日本橫濱國立大學的一個研究小組認為，他們已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以利用慢速光來獲得這種傳感器，慢速光在速度通常高于其他變量的領域中是意料之外的。
光檢測和測距 (Light detection and ranging, LiDAR) ，也稱為激光雷達，有望作為一種3D傳感器用于自動駕駛汽車、機器人和無人機；在安全系統(tǒng)；在測繪和測量以及某些娛樂領域。許多LiDAR系統(tǒng)由激光源、光電探測器和光束控制設備組成。對于光束轉向，通常使用諸如旋轉鏡之類的機械系統(tǒng)，這使得系統(tǒng)大型、昂貴且不穩(wěn)定。近來，微機電系統(tǒng)反射鏡已被用來減小尺寸和降低成本，但是在尺寸、光束發(fā)散（或分辨率）和速度之間需要權衡。因此，人們一直在尋求完整的非機械（固態(tài)）器件，并為此廣泛開發(fā)了使用硅（Si）光子，互補金屬氧化物半導體 (complementary metal oxide semiconductor , CMOS) 工藝制造的光學相控陣(optical phased arrays, OPAs) 。然而，在光學天線的大規(guī)模集成、復雜且耗電的光學相位控制以及在操縱范圍、分辨率和效率之間的權衡中，OPAs仍然面臨許多挑戰(zhàn)。因此，來自日本橫濱國立大學研究了一種更簡單的配置，其中將OPAs用于二維光束控制的一個軸，將衍射光柵用于另一軸，并將衍射光柵和準直透鏡組合在一起。由于Si波導衍射光柵的角散度較小，通常為0.14°/ nm，因此，在制造波導材料時，需要Δ> 140nm的寬帶波長掃描激光源和/或波導中Δ> 0.5的不切實際的大折射率變化，轉向范圍為Δ>20°。
近年來，越來越多的工程師轉向光學相控陣，這種光學相控陣無需機械部件即可引導光束。但是， 本文主要作者Toshihiko Baba認為，由于所需的光學天線數(shù)量巨大，以及校準每塊天線所需的時間和精度，這種方法可能變得復雜。Toshihiko Baba表示，在該研究中，他們采用了另一種方法，稱之為“慢光”。Toshihiko Baba和他的團隊使用了一種特殊的波導“光子晶體”，瞄準的是經(jīng)過硅蝕刻的介質(zhì)。當被迫與光子晶體相互作用時，光被放慢并發(fā)射到自由空間。研究人員使用了棱鏡透鏡，然后將光束引導到所需的方向。
研究人員介紹了（I）一種特別淺蝕刻的衍射光柵，以及（II）定制棱鏡鏡片。Si層上的淺刻蝕光柵減小了向下的發(fā)射損耗，并且通過減小減小了內(nèi)部反射損耗和準直損耗。研究人員還介紹了（III）LSPCW上光入射方向的切換，以擴展轉向范圍。
▲圖1. 慢光束轉向裝置和2D光束轉向的示意圖，其中（I）–（III）是先前研究中的問題和較寬的2D光束轉向的解決方案。（a）具有淺光柵的LSPCW，可提高較高的發(fā)射強度。（b）通過LSPCW陣列和棱鏡透鏡進行的二維光束控制，可在的寬范圍內(nèi)保持準直條件。（c）通過從其陣列中選擇一個LSPCW沿方向進行光束轉向，這與參考文獻1中的概念相同。（d）通過使用棱鏡將converting轉換成'并切換LSPCW上的光入射方向，在包括'=0的±'方向上進行連續(xù)光束轉向。
▲圖2. 預制設備和一維光束轉向。(a) 制成芯片的俯視圖。(b) LSPCW的SEM圖像。放大視圖顯示了第三行晶格移位和淺光柵。(c) 棱鏡透鏡裝在設備上方。(d) 不帶透鏡的扇形光束的一維轉向，用于波長掃描。FFP以0.1°的間隔重疊。(e) Wave的波長依賴性。連接的FFP顯示出扇形光束和點光束在 = 1.53m。(f) , (g) 光束發(fā)散度和。帶和不帶鏡頭的紅色和黑色分別顯示。
對于制造，研究人員使用了直徑為200 mm的SOI和Si光子CMOS工藝，該工藝通過采用KrF受激準分子激光曝光和相移掩模實現(xiàn)了小于130nm的最小特征尺寸。圖2 (a) 顯示了尺寸為5.5×4.0mm的已制造器件芯片。在中央，以80 m的間距集成了32個= 1.2mm的LSPCW。該節(jié)距由寬度小于10μm的LSPCW和在每個LSPCW上集成有Al電極的加熱器確定，本研究中未使用。如果忽略加熱器，則節(jié)距可以減小到10 m。圖2 (b) 顯示了LSPCW的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。其放大圖顯示了淺刻蝕后形成的淺光柵和均勻的孔。該LSPCW與六級TO Mach-Zehnder（MZ）硅線光學開關相連，用于選擇一個LSPCW和入射方向。對于LSPCW和Si線之間的結，使用了理論耦合損耗為0.3 dB的錐形結構。圖2 (c) 示出了通過丙烯酸切割形成的24.0mm寬和18.7mm高的棱鏡。在最小偏差條件下，焦距為15.3 mm。
在該實驗中，由于電子控制電路的限制，僅使用了16個激光掃描點，并且波長掃描被限制在棱鏡透鏡的輪廓不規(guī)則性不影響光束輪廓的范圍內(nèi)。如果32個集成式LSPCW全部運行，則方向上的光束轉向范圍將加倍。此外，如果如上所述減少1/3，將獲得17,000多個分辨率點。
非機械轉向被認為對于LiDAR傳感器至關重要。最終的方法和設備體積小巧、沒有移動的機械結構，為固態(tài)LiDAR奠定了基礎。這樣的設備被認為更小、制造成本更便宜并且更具彈性，特別是在諸如自動駕駛汽車的移動應用中。接下來，Baba和他的團隊計劃更充分地展示固態(tài)LiDAR的潛力，并致力于將其商業(yè)化的最終目標是提高其性能。
本文來源：Hiroyuki Ito et al, Wide beam steering by slow-light waveguide gratings and a prism lens, Optica (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.381484
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