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由韓國浦項科技大學和法國蔚藍海岸大學組成的國際研究團隊開發(fā)的基于納米光子學的LiDAR技術作為特邀論文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）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物體。通過測量反射光脈沖的返回時間（稱為飛行時間 (time of flight, TOF) ），可以計算物距。LiDAR技術，傳統(tǒng)上分為地面、機載和航天LiDAR，在1960年代激光器發(fā)明后開始認真發(fā)展。機載LiDAR通常安裝在飛機和衛(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，如今已被認為是諸如自動駕駛汽車、人工智能機器人和無人飛行器偵察等各種應用中的關鍵組件。消費類電子設備包括Apple公司的iPhone和iPad，微軟公司的Kinect室內運動捕捉傳感器等，包括用于增強或虛擬現(xiàn)實顯示器的LiDAR傳感器。面向行業(yè)的應用包括用于自動駕駛汽車的LiDAR傳感器或制造工廠中的機器人視覺。最后，航空應用在無人機監(jiān)視中利用LiDAR傳感器進行地形測繪，在航天器中利用行星探測器。

幾個激光雷達系統(tǒng)已經過優(yōu)化，以滿足考慮中的應用的各種要求。例如，對于消費類電子產品而言，設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)耐用性對于精密設備至關重要?？紤]到LiDAR在現(xiàn)實世界中的使用及其潛在的經濟影響，即使是在短期內，隨著許多新創(chuàng)公司的出現(xiàn)，硬件和軟件領域的研究與開發(fā)也已大量增加。

作為一個特定但極為相關的示例，自動駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)決策時間必須足夠快，以使其在發(fā)生危險時安全地完全停止。與人類安全有關的某些要求尚未同時滿足：測量范圍≥150μm（或TOF約1μs），能夠分辨10μcm大小的物體，360°實時操作范圍以及 一種光學系統(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，預計LiDAR系統(tǒng)將被制造為緊湊且價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)都是基于大型機械掃描儀和微機電系統(tǒng)（MEMS），這些系統(tǒng)體積龐大且容易受到外部沖擊。

當前，自動駕駛汽車車頂上的高端機械LiDAR系統(tǒng)的大小大約是兩個成年人拳頭堆疊在一起的大小，需要花費數(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，研究團隊提出了一種基于納米光子學的超緊湊LiDAR技術。研究人員解釋了這種納米光子技術如何在各個方面創(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，以及納米光子設備（例如超表面，孤子微梳和光波導）。

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

圖1. 納米光子LiDAR系統(tǒng)的概念示意圖

▲圖解：LiDAR的一項有前途的應用是在自動駕駛汽車中，其中LiDAR可以檢測道路上的周圍物體。自動駕駛車輛中使用的傳統(tǒng)LiDAR技術包括上述的大型機械掃描儀或微機電系統(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)不僅可以縮小設備的外形尺寸，而且可以顯著提高設備的功能。利用可擴展的芯片規(guī)模制造，進一步改善FOV并實現(xiàn)更快掃描的下一個突破可能并不遙遠。

圖2. 激光雷達成像基礎

圖解：脈沖激光用作光源，來自物體（汽車）的延時后向散射信號由光電二極管檢測。往返時間（或時間延遲）直接給出TOF，而先進的測量技術（如FMCW）可以同時測量運動物體的速度。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，在給定介質中的光透射率。通過適當?shù)膱D像處理和渲染，可以重建測量的3D對象。

激光雷達的照明方法

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，在實施基于納米光子的方法時必須考慮這些差異。

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設備的硬件組件。光源由數(shù)十個發(fā)射器產生，并且使用電動機旋轉設備。需要額外的光源以增加垂直分辨率。c, MEMS型LiDAR設備的硬件組件。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, 片上設計集成LiDAR系統(tǒng)。分布式反饋激光器用于驅動系統(tǒng)。使用發(fā)射器（TX）和接收器（RX）的兩個通道過程，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：建立雙梳實驗的實驗方案。底部：以150m s-1（參考10）的速度運動的子彈的測量輪廓，虛線表示測量極限。DKS，耗散克爾孤子態(tài)；OCT，光學相干斷層掃描用于比較結果。

c，使用孤子微梳的大規(guī)模平行相干激光測距。單梳子光子標記和應用的頻率調制功能。下：設置（左）和測距實驗（右）。E（t）和E（ω）分別對應于時域和頻域中的電場。trep，調制周期；ωp，中心頻率；μ，光譜極限；AFG，任意函數(shù)發(fā)生器；EOM，電光調制器；DEMUX，解復用器；CIRC，光學循環(huán)器。d，在絕緣體上硅上反向設計的洛倫茲諧振器，以實現(xiàn)不可逆?zhèn)鬏?。左：?zhí)行實驗的光路示意圖。右：諧振器的設計。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單元中。本綜述中討論的納米光子解決方案的設計者能力在光束整形、偏振和工作波長方面，將在不久的將來實現(xiàn)真實、快速、超薄、輕巧和高端的LiDAR系統(tǒng)。目前，最先進的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個點光源），以控制來自每個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，從而使整個系統(tǒng)變得笨重。超緊湊型納米光子LiDAR不僅應具有與商用同行相當?shù)男阅?，而且還應為新興應用（例如具有完整4π球形空間測量的室內機器人或無人機、全向相機、智能手機和閉路電視）提供更好的解決方案。對于那些應用，應開發(fā)球形探測器陣列或納米光子增強的角度敏感納米線光電探測器。

除了提高性能之外，替代當前的LiDAR技術還需要價格低廉的新型、廉價解決方案，從構思到交付，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行主動光束控制的新創(chuàng)業(yè)公司和公司而言，這無疑是一個挑戰(zhàn)。

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