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自动驾驶中的传感器技术36——Lidar（11）

news 2025/8/30 10:16:50

本章节重点介绍和FMCW+OPA Lidar强相关的硅光技术。

1、硅光技术概述（Silicon Photonics）

硅光技术主要是用在光通信中，利用硅作为光学介质，通过光传输和处理数据。与依赖电子进行数据传输的传统电子电路不同，硅光子学利用光子实现高速通信、降低功耗并增加带宽。

硅光子学（SiPh）是一种可用于制造光子集成电路（PIC）的材料平台。它采用绝缘体上硅（SOI）晶圆作为半导体衬底材料，可应用大多数标准CMOS制造工艺。

硅长期以来一直是半导体产业的基础，使其成为光子应用的自然之选。硅光子技术之所以被广泛采用，是因为其易于获取、与现有制造技术的兼容性以及独特的光学特性。作为储量最丰富的元素之一，硅既经济高效又具有可持续性。与磷化铟或砷化镓等昂贵材料不同，硅受益于电子工业的大规模生产，显著降低了制造成本。

除了成本效益之外，硅还与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术高度兼容。这种兼容性使得光子电路能够轻松地与单芯片上的电子元件集成，同时降低功耗并最大限度地减少信号损耗。尽管硅本身发光效率不高，但它在引导和调制光信号方面却表现出色。

此外，混合集成技术的最新进展使得硅光子电路可以与标准 CMOS 电子器件共封装，同时仍嵌入有源光学元件（例如片上激光器和光电探测器），从而克服了传统的局限性。此外，可扩展性是硅光子学的一大优势。随着纳米制造技术的不断进步，硅光子器件可以在不影响性能的情况下以最小的规模制造。

PIC 能够实现、扩展和提升数据传输。与传统电子电路相比，PIC 功耗更低、发热量更低，有望实现节能的带宽扩展。SiPh 与 CMOS（电子）制造工艺兼容，这使得 SiPh PIC 能够利用现有的代工厂基础设施进行制造。鉴于光子学的物理特性，较老的 CMOS 节点非常适合光子器件和电路的图案化和制造。

硅光子在光学数据通信、传感、生物医学、汽车、天文学、航空航天、AR/VR 和人工智能等领域的应用日益广泛。汽车应用的一个例子是用于自动驾驶汽车的集成激光雷达芯片。

1.1 硅光模块

光波导：光波导通过引导和限制光信号构成了硅光子电路的基础。这些由硅或氮化硅制成的结构能够以最小的损耗实现高效的信号传输。光波导的设计对于决定整个系统的性能至关重要，因为波导的宽度、高度和材料成分等参数都会影响传播损耗。

波导是电路中光子器件之间的互连，由硅芯制成，并有多种形状：例如肋状或条状，底部包层采用SOI衬底的氧化物，顶部包层采用空气或另一层氧化硅。光在这些波导中传输，由于硅的材料特性，只有红外信号才能在不产生显著损耗的情况下传输。如今，硅光子PIC工艺通常包含以氮化硅为芯层材料的附加波导，这使得能够传输更宽范围的波长，包括可见光。

光学谐振器：光学谐振器（例如环形谐振器）可以增强硅光子器件内的光相互作用，使其成为滤波、调制和波长选择的关键。通过将光捕获在受限结构内，这些谐振器可以提高效率并实现高精度光学处理。光学谐振器广泛应用于光学传感器、激光器和多路复用系统等应用。

电光调制器：电光调制器利用铌酸锂和PLZT等材料来控制光的属性（相位、强度和偏振），以实现高速光通信。虽然硅调制器通过载流子效应实现，但它们在速度和插入损耗方面的表现通常不如专用电光材料。

光电探测器：光电探测器将光信号转换为电信号，用于通信和传感应用。InGaAs 器件在红外探测方面表现出色，而硅光电探测器则凭借单片集成能力，适用于可见光和近红外应用。灵敏度、响应时间和噪声特性决定了系统在数据传输和成像应用中的性能。

耦合元件：耦合元件有助于硅光子系统中不同组件之间实现高效的光传输。无论是耦合来自外部光纤的光，还是耦合片上波导之间的光，这些元件都能最大限度地降低光损耗并提高信号完整性。就常用技术而言，光栅耦合器和边缘耦合器因其独特的优势而应用最为广泛。

光开关：利用温度、与其他光源的相互作用以及微空化效应来引导光线的装置。光开关的速度比机械开关、微机电 (MEMS) 开关或电子开关快得多。

滤波器：利用光的一系列物理特性，使光在所需频率范围内通过的各种元件。无源滤波器的频率由几何形状决定，有源滤波器的频率由电输入决定。

光源：由于硅材料具有间接带隙（即材料价带和导带之间的水平位移），目前无法用硅制造光源（激光器，光子电路和系统的“电源”）。为了产生光，材料需要具有直接带隙。因此，其他具有直接带隙的材料（III-V族材料），例如磷化铟 (InP)，最常用于制造用于远程和数据通信波长（1550 和 1310nm）的半导体激光器。目前有多种技术可以将 III-V族材料或完整的激光器集成到硅光子晶圆（芯片）中，以驱动光子电路中的光子元件。

Ref：https://www.photonics.com/Articles/Silicon-on-Insulator_Substrates_The_Basis_of/a63021

1.2 对硅光器件的性能评估

光子集成电路 (PIC) 的特性表征面临着独特的挑战，尤其是在业界转向晶圆级特性表征 (WLC) 以缩短开发时间和降低成本的背景下。与传统的芯片切割和单独测试方法不同，WLC 可以直接在晶圆上进行特性表征，从而只有性能最佳的器件才能进入封装和量产阶段。然而，WLC 也带来了一些技术障碍：

有效耦合光：由于波导缺陷、耦合效率低下以及设计偏差等因素，PIC 通常会表现出较高的插入损耗 (IL)。过去，这个问题导致难以注入足够的光功率进行测试。Santec 的 TSL Type-H 可调谐激光器通过提供高光功率（>100 mW 或 20 dBm）解决了这一问题，即使在 IL 较大的情况下也能确保足够的信号强度。这使得在晶圆级测试期间能够有效地将光耦合到 PIC 中。

测量重复性：WLC 的一个关键方面是保持高重复性，尤其是在将光纤对准耦合接口时。光纤位置的细微变化都会显著影响测量结果。虽然电容式传感器通常用于测量光纤与晶圆之间的距离，但它们在晶圆边缘附近会失效，而晶圆边缘的 PIC 通常需要精确的测量。

极化依赖性：随着PIC的小型化，输入光的偏振状态 (SOP) 变得至关重要。某些波导或元件可能无法有效地传输光，除非SOP正确对准。匹配不良可能表现为较高的耦合损耗，但实际上这是由于偏振相关损耗 (PDL) 造成的。

检测制造缺陷：在大规模生产中，波导不连续性或元件缺陷等制造误差可能会损害电路完整性。需要检测异常背向反射峰值，帮助识别波导断裂或元件加工不当等故障。

https://photonics.intec.ugent.be/download/pub_4128.pdf

虽然使用SOI晶圆简化了制造工艺，但硅限制了所用光的频率，并且这种材料无法用于制造激光器和其他所需组件。因此，研究人员正在寻找方法，加入氮化硅 (SiN) 和磷化铟 (InP) 等新材料，以拓宽波长范围。其他研究则侧重于将砷化镓 (GaAs) 等 III-V 族材料集成到制造流程中，以构建片上光源。光子电路中的能量损耗是设计人员必须理解和控制的另一个挑战。即使是像光波导的弯曲半径这样简单的因素，也必须考虑损耗与紧凑性之间的权衡。同样，决定使用哪种类型的光调制器或滤波器也可能具有挑战性。随着人们探索硅光子学在传感领域的应用，他们需要克服灵敏度和小型化方面的限制。尽管比其他替代方案成本更低，但采用硅光子器件的成本仍然过高，难以实现大规模应用。目前，使用该技术生产的芯片数量已达数百万颗。为了降低成本并在数据中心和电信网络等领域实现广泛应用，光子器件需要达到每年数十亿颗芯片的规模。光学系统的需求也必须与光电子学中电子部分的需求相平衡。如果电子元件位于同一芯片上，则制造方法必须平衡每种信号处理的需求。或者，如果使用独立的电子元件，通常使用先进的半导体封装技术将两者连接起来。在这两种方法中，电子元件的发热都会影响光子学。

2、硅光系统

Ref：https://epic-photonics.com/wp-content/uploads/2023/01/Marcus-Yang-Intel.pdf

图11 (a) Simplified schematic of a typical silicon photonics platform consisting a bulk silicon substrate and a buried oxide layer (BOX). Optical components are fabricated using the silicon layer on the BOX. (b) Singlemode dielectric channel waveguide, mostly used to route a guid

2.1 Passive（无源部分）

滤波器（可以进行光波长的筛选）

Ref：https://photonics.intec.ugent.be/download/pub_4128.pdf

以上可以通过加入热控电路对Filtering Function进行控制。

Splitter

Coupler

图16 Polarization Splitter-Rotator Based on Multimode Waveguide Grating

Ref：https://www.mdpi.com/2073-4352/11/10/1170

Ref：https://www.researchgate.net/publication/338997988_A_Silicon_Photonics_Computational_Lensless_Active-Flat-Optics_Imaging_System

2.2 Active（有源部分）

Laser

Modulator

硅光子学中的器件使用植入掺杂剂通过具有过量电子或空穴的材料进行光学相位和幅度调制，该材料在复折射率中经历波长依赖性变化。因此，通过改变波导中的自由载流子浓度，可以调制内部光的相位和幅度。

Ref：https://encyclopedia.pub/entry/19107

Ref：1. Introduction — Luceda Academy 2025.06 documentation

Ref：Polymer modulators in silicon photonics: review and projections

3、硅光集成电路系统

如下图所示，硅光只是集成电路系统中一部分，有源硅光器件需要集成电路系统进行控制，硅光中的光信号需要和集成电路中的电信号进行互相转换。

由于该技术将光学元件与电路集成在同一芯片上，因此光电器件的封装尺寸比单独的光电解决方案更小。由于光在波导中传播时损耗极小，且尺寸极小，硅光子器件的能耗低于电子器件或独立的光学器件。

硅光集成电路系统流程（从硅光视角看）

图26 PICs in different system-level applications with integrated on-chip lasers via different integration techniques.

Ref：https://epic-photonics.com/wp-content/uploads/2023/01/Marcus-Yang-Intel.pdf

对于Lidar技术的未来，FMCW和OPA的专项技术也是硅光领域的研究重点。

4、FMCW

在Laser光源领域有专门的名称：Wavelength Swept Laser（WSL）。

Ref：wavelength-swept lasers – intracavity bandpass filter, Fourier domain mode locking, application, optical coherence tomography, operation principles

其实现方式有以下几种：

驱动电流调谐

当前调谐许多激光二极管在某种程度上可以通过调节其驱动电流来进行波长调谐，这主要是因为这会影响结温。由于所涉及的活性体积相对较小，结温能够迅速响应驱动电流的变化。因此，相对快速的波长调谐是可能的。在没有额外措施的情况下，通常无法实现精确的线性频率调制。可以对输入电流的时间形式进行预失真以改善这一点。此外，通过应用光电反馈，可以提高频率扫描的精度。

激光谐振腔中的波长调谐滤波器

基本原理如下：有一个激光，具有相对较大的增益带宽的增益介质，并且在其激光谐振腔中有一个快速带通滤波器。如果滤波器的透射波长被调谐，激光波长会相应跟随，除非达到某些速度限制。对于高频调谐，谐振腔的光子寿命较短是有利的，即理想情况下是一个短谐振腔结合高往返功率损耗。当接近调谐速度的极限时，激光不会达到稳态性能参数，例如其瞬时带宽，但这对于应用而言可能并不是问题。另一方面，慢频率调谐很容易实现。

以上工作原理通常应用于光纤激光器和二极管激光器，后者通常以外腔二极管激光器（ECDLs）的形式存在。增益介质可以看作是半导体光放大器（SOA）。迄今为止，最高的扫频率是由半导体激光器实现的，这些激光器具有短的谐振腔和低光子寿命。另一方面，光纤激光器可以产生显著更高的输出功率，并且可以进入一些额外的波长区域。常用的波长调谐元件如下：法布里-珀罗干涉仪可以配备压电传感器，通常可以达到数十千赫兹的扫描频率，有时甚至达到数百千赫兹（通过机械共振激励）。对于较低的扫描速度，还可以使用在激光谐振腔中倾斜的衍射光栅，该光栅由压电致动器驱动。一些设备基于MEMS技术（微电机械系统）；低质量的系统本质上更快。

Ref：https://www.researchgate.net/publication/273307629_Dynamic_sensors_based_on_wavelength-swept_lasers

傅里叶域模锁定

傅里叶域模锁定（FDML）类似于主动模锁定，但其并不是简单地调制腔内损耗，而是调制腔内滤波器的传输波长。除了前一部分所描述的类似操作原理外，这里还精确地将传输波长的调制与谐振腔的往返时间同步。因此，激光器在稳态下运行，谐振腔模式中的光功率保持不变。周期性变化的只是输出波长，但在这种类型的激光器中，所有波长的激光发射是同时发生的。与之前解释的扫频激光源的操作原理相比，这种操作模式受到的激光噪声要小得多，因为在每个谐振腔的往返中并不需要重新建立在特定波长上的激光发射。光子寿命不再是限制因素。

当然，傅里叶域模锁原理引入了某些限制。调制频率需要与谐振腔的往返时间精确同步。实际上，它也可以是往返频率的整数倍，从而导致相应更高的扫描频率。对于非常低的扫描频率，您需要一个非常长的谐振腔，这可能不切实际；然而，这种激光对于高扫描频率非常有用。

具有色散调谐的光源

可以实现不需要腔内带通滤波器的波长扫频激光光源。相反，它们可以基于色散调谐。本质上，这意味着对激光的主动模式锁定，其中谐振腔包含具有大色散的元件。对于一个恒定的调制频率，激光将以激光选择的波长发出短脉冲（通常为皮秒），使得往返时间与调制频率匹配。通过在某个狭窄范围内调节调制频率，可以调节激光在不同波长上工作。调谐速度受到激光需要找到新的稳态的限制。

模式锁定激光加色散延迟线

另一种可能性是使用飞秒激光，并将其输出脉冲通过具有强色散的延迟线。这会导致输出脉冲变得更长且强烈啁啾，同时也进行频率扫描。与其他扫描光源相比，输出功率并不是大致恒定的，而是随着扫描频率经历强烈的调制。尽管这种技术方法可能相对昂贵，但它可以应用于非常宽带的激光，从而获得最高可能的轴向图像分辨率。

波长校准

一般来说，不能期望波长扫动激光器表现出极其恒定的频率扫动速率，因为这对于光谱学应用来说是理想的。然而，可以将这样的激光源与自参考频率梳结合，用于波长校准。

以下是

图31 基于“孤子微梳”的相干激光测距、测速系统。a) 装置示意图;b)该装置所得距离及速率参数。

Ref：瑞士科研团队利用光子集成电路实现FMCW LiDAR小型化

Ref：wavelength-swept lasers – intracavity bandpass filter, Fourier domain mode locking, application, optical coherence tomography, operation principles

Ref：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3813

Ref：Optoplex Corporation

5、OPA

光学移相器本质是通过电控或者热控，改变通过该器件的光的相位/幅度，从而在组成阵列的情况下实现幅度和相位可以被控制，进而通过干涉产生任意形状的发射辐射模式。

2009年，根特大学展示了第一个基于硅光子学的光子学相控阵（OPA）。通过调整加热电极，在1550纳米处实现了2.3°的横向扫描范围，并通过将波长从1500调节至1600纳米获得了14.1°的纵向扫描范围。2013年，麻省理工学院的J. Sun等人展示了一种具有复杂远场图样的大规模二维（2D）OPA，其中添加了可调加热器以实现12°×12°的视场。2015年，加州大学圣巴巴拉分校的Hulme等人发表了第一个在异构平台上完全集成的二维自由空间光束调节芯片。该光子集成电路（PIC）包含164个组件，涵盖9种不同的组件类型，包括2个可调激光器、34个放大器和32个光电二极管。同年，USC的Abediasl等人展示了第一个由CMOS电子驱动的单片2D光学相位阵列（OPA），采用商用CMOS制造工艺。这款紧凑的芯片包含超过300个光学组件和超过74,000个电子组件。每个光学组件都有一个独立的幅度和相位控制器，以生成任意放射方向模式。然而，这些报告的OPA系统主要基于均匀波导或光栅阵列，当均匀发射器间距大于大约半个波长时，会产生强烈的建设性干涉（栅瓣），从而限制了分辨率和波束转向范围。2016年，为了实现超宽的波束转向范围和高分辨率，英特尔提出并展示了一种基于非均匀稀疏波导阵列的OPA。该OPA表现出卓越的性能，横向转向范围为80°，纵向转向范围为17°，在小点尺寸下记录到的最小发散角为0.14°。随后，英特尔宣布了其用于自主驾驶汽车的激光雷达芯片设计，这些激光雷达PIC内集成了超过6000个单独的组件。在2019年，谢等人演示了一个基于III-V/硅相位移阵列的OPA系统，该系统的间距小于4微米，成功实现了具有0.78° × 0.02°波束宽度和22° × 28°视场的2D可调远场波束。基于异质硅光子学平台，这个用于芯片级激光雷达系统的OPA具有极低的静态功耗（< 3 nW）和高速操作（> 1 GHz）。同年，麻省理工学院的瓦特团队报告了首个电气和光学封装的基于OPA的相干激光雷达，该系统基于硅光子学平台。这个一维512元件的OPA以创纪录的低功耗运作（< 1mW总功耗）和高速波束调节（< 30微秒相位移时常）进行演示。封装的基于OPA的相干激光雷达系统具有185米的2D探测范围和在测量漫反射目标上10米的3D扫描范围。在2021年消费电子展上，Mobile Eye推出了一种基于硅光子平台的集成FMCW LiDAR，能够在一个微小的芯片上每次扫描产生184条垂直线。这种原型集成了LiDAR所需的主动和被动组件及驱动电路，使基于硅光子的LiDAR在商业化方面迈出了重要的一步。随后，提出了首个具有芯片级阵列校准能力的大规模基于OPA的硅光子LiDAR。阵列校准的加入克服了光相位阵列的固有不匹配，从而进一步提高了基于硅光子的LiDAR的可靠性。

即使取得了以上的进展，但在广泛应用于汽车驾驶之前仍面临一些挑战。对于片上光源，对窄带宽、高频调制线性、调谐响应速度和高产量生产的低成本都有严格要求。由于需要冗余以缓解风险以备不时之需，并保证覆盖所有不利条件，因此在实际系统中部署的激光雷达的检测范围应超过200米。因此，天线发射的功率需要支持激光安全规范设定的最大允许辐射功率（在C波段内IEC60825-1 Class 1约为10 dBm），这意味着激光发射的功率应支持超过10 dBm的足够输出功率，以及光路中的功率损失。对于OPAs内部的损失，相位移器的损失将当前基于OPA的激光雷达的范围限制在1公里以下的应用。在这方面，Si3N4 可以通过异构集成技术实现具有低光学传播损耗、温度不敏感和高光学功率处理能力的光学放大器（OPA）。此外，需要在相移器之后密集集成片上半导体光放大器（SOA），以有效补偿 OPA 损耗。OPA 的密度要求至少比典型的电信/数据通信产品高一个数量级，通常接近半波长间距。因此，放大器集成必须极其密集以满足该应用。此外，针对商业车辆中激光雷达（LiDAR）的实施，需要与当前解决方案相比降低至少一个数量级的成本。唯一可行的方法是密集光子集成与片上激光器和放大器，以及在 300 毫米半导体铸造厂进行晶圆级测试的大规模生产。至今，基于OPA的FMCW LiDAR仍在研究中，具有200米的探测范围、高抗干扰能力、厘米级的尺寸以及在硅光子平台上的低成本。通过对芯片增益进行密集器件集成，未来在一个小芯片上构建先进的LiDAR系统以用于自动驾驶是可行的。

Ref：https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00027-x

图33 MEMS phase shifters based on evanescent field perturbation by (a) a silicon beam above the bus waveguide, (b) a cutoff width silicon beam is next to the bust waveguide; confined optical mode modulation through (c) slot waveguide, (d) dual slot waveguide; and modulating optic

图34 Various structures of thermo-optics phase shifters. (a) Traditional thermo-optics phase shifter, (b) thermo-optics phase shifter with air trench, (c) thermo-optics phase shifter with 2D material heaters, (d) thermo-optics phase shifter with doping silicon heater

图35 (a) Schematic of an 8 × 8 active phased array utilizing thermo-optics phase shifter (reprinted with permission from [29] © 2013 Spring Nature). (b) Schematic of a mesh structure multipurpose signal processor core

Ref：https://www.mdpi.com/2072-666X/13/9/1509

Ref：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-24-44029&id=521781

系统集成

Ref：https://www.researchgate.net/publication/331290561_A_Nonuniform_Sparse_2-D_Large-FOV_Optical_Phased_Array_With_a_Low-Power_PWM_Drive

Ref：SiEPIC Shuksan: Optical phased array (OPA) — Luceda Academy 2025.06 documentation

Ref：https://www.analogphotonics.com/wp-content/uploads/2025/06/OPA-B1-RevA.pdf

6、基底汇总

这里再补充一下基底相关材料。

光子学电路的制造需要使用各种类型的基板。这些基板通常是根据所需的光学特性来选择的，包括折射率、透明度以及与制造技术的兼容性。用于制造光子学无源电路的一些常见基板包括：

Silicon (Si): 由于其高折射率，硅是基于波导的器件的理想基板。硅还与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术兼容，可实现大规模、低成本生产。
Silicon-on-Insulator (SOI): SOI 衬底由绝缘层（通常是二氧化硅）顶部的薄硅层组成，然后绝缘层位于硅片顶部。这种结构有助于将光限制在薄硅层中，减少传播损耗并提高器件性能。
Silica (SiO2) or Glass: 因其在可见光和近红外范围内的优异透明度而经常使用。二氧化硅通常用于光纤和平面光波电路。
III-V Semiconductors (e.g., Gallium Arsenide (GaAs), Indium Phosphide (InP)): 这些材料通常用于需要有源功能（如发光或放大）的设备，因为它们可以掺杂以创建直接带隙材料。然而，它们也用于一些无源光子电路。
Lithium Niobate (LiNbO3): 这种晶体基板由于其高电光系数而经常用于调制器和其他电光器件。
Silicon Nitride (Si3N4): 氮化硅以其低光损耗而闻名，通常用于需要低损耗波导或高Q谐振器的应用。
Polymer substrates: 聚合物可以设计为具有广泛的光学特性，其灵活性使其适用于某些应用，例如柔性光学互连。它们还与低成本制造方法兼容。
Sapphire (Al2O3): 这是一种坚硬而坚固的基板，具有低光散射，使其适合需要耐用性的应用。
Chalcogenide Glasses: 这些玻璃是基于硫、硒或碲的玻璃，具有独特的性能，例如高非线性折射率和红外范围内的高透明度。