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光束扫描芯片发展迈向微型化集成化

来源:  科技日报       作者:朱丽      发布时间:2021-6-8 18:05  |  

日前,2021年北京地区广受关注的学术成果报告会(集成电路领域)在京举行。北京工业大学信息学部副教授解意洋带来了关于半导体光电子器件的最新研究进展——他所在团队公开了一种VCSEL耦合阵列与表面光学相控阵片上集成的光束扫描芯片,具有微型化、集成化优点,且成本较低。

光束扫描技术更新迭代

光束扫描技术是指对激光光束传播方向进行精准控制的技术,在光互联、激光雷达、无人驾驶、激光显示、激光存储等领域有着很好的应用价值。

“举例来说,基于光束扫描技术的激光雷达首先向目标物体发射一束激光,由于光速已知,根据接收反射光束的时间间隔确定目标物体的实际距离,然后根据距离及激光发射的角度,通过简单的几何变化就可以推导出物体的位置信息。”解意洋解释说。

早期的光束扫描技术主要是机械式扫描技术,即通过旋转或者振动反射镜来改变光束的传播方向。这种扫描技术虽然可以实现较大的扫描角度,但是系统体积庞大、笨重、响应速度慢,而且由于存在机械磨损,可靠性较低,不能满足高端应用的要求。相对于机械式扫描,非机械式扫描采用纯电控的方式来实现光束偏转,在可靠性和响应速度等方面更有优势。

目前,非机械光束扫描技术主要包括声光式扫描技术、电光式扫描技术以及热光式扫描技术。其中,基于热光式的硅基相控阵是这几年比较流行的,它主要是通过给硅基光学相控阵各个单元外加不同的热场,来改变各个单元的折射率,从而实现光束的扫描。

“这种方法的好处是激光源可以通过光纤或者光波导与相控阵耦合,相对于声光式和电光式扫描,不需要体积较大的光学元件和光学系统,可以进一步压缩扫描装置的体积,更加适应于微型化、集成化光束扫描技术发展的趋势。”解意洋说,尽管优势明显,但其也面临耦合效率和封装困难的问题。

具体来说,激光源产生相干光后,必须要经过光学系统或者光纤才能入射到光学相控阵上,它们三者在空间上是分离的,导致装置结构比较复杂,而且难以微型化。此外,激光源和相控阵之间的耦合效率也是比较低的。

解意洋表示,要想解决这个问题,就必须突破一个瓶颈——将激光源和光学相控阵直接集成。这样对激光源就提出了一些新的要求,比如激光源出射的光束功率波长稳定,相干性好,光束质量高等。

新型芯片具有潜在应用价值

“垂直腔面发射激光器,也就是VCSEL,是相对于普通的边发射激光器提出来的。”解意洋介绍,这种激光器已在光通信、光互联和车载雷达等方面开展广泛应用,从iphoneX 开始,它已经被应用于人脸识别技术中。

基于此,解意洋所在团队进行了一系列相关研究,并由此提出了一种微型化的电控激光光束扫描芯片,这个芯片在扫描过程中具有功率波长稳定的特点,技术相对成熟,成本较低。在激光雷达、空间光互联、3D传感等领域具有潜在的应用价值。

VCSEL和光束扫描芯片之间有何区别呢?解意洋表示,一般的面发射激光器,也就是常说的垂直腔面发射激光器,它的阵列单元之间是不耦合的,单元相位之间没有固定的相位差。这种激光不同角度的叠加,使得光束质量和光谱质量都比较差,必须通过内部耦合的方式,才能让光束质量更高。而光束扫描芯片光源采用的是质子注入型同相耦合阵列,它较好地克服了上述的各种问题,是光束扫描芯片的理想激光光源之一。

“在与相控阵集成的过程中,我们首先解决的问题是大规模同相耦合阵列的制备。传统的激光源与相控阵集成技术,通常需要通过光纤实现,体积没法做的很小,而我们的研究是一种片上集成,把半导体激光器芯片与相控阵集成,极大减小体积的同时,耦合效率也特别高。”解意洋坦言,目前该技术还不够成熟,一是激光器本身的功率还有待提高;二是相控阵采用的是液晶调控,它的角度扫描范围还是有一些限制。

光束扫描芯片成本较低,具有一定潜在应用价值。关于光束扫描的更多研究进展,解意洋向科技日报记者透露:“光束扫描是这几年比较热门的研究领域,我们还在做超表面相关的工作,角度偏转可以做到正负60度,但超表面最大的问题是不可调谐,我们想通过液晶和超表面的集成来实现更大角度的动态光束扫描。”

(编辑:于思洋

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