光束扫描芯片成长迈向微型化集成化

科技日报记者 朱丽

日前，2021年北京地方广受关注的学术成就陈诉会（集成电路范围）在京举行。北京工业大学信息学部副传授解意洋带来了关于半导体光电子器件的最新研究进展——他地址团队公开了一种VCSEL耦合阵列与外貌光学相控阵片上集成的光束扫描芯片，具有微型化、集成化长处，且本钱较低。

光束扫描技术更新迭代

光束扫描技术是指对激光光束流传偏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、激光存储等范围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方针物体发射一束激光，由于光速已知，按照接收反射光束的时间间隔确定方针物体的实际距离，然后按照距离及激光发射的角度，通过简单的几何变革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流传偏向。这种扫描技术虽然可以实现较大的扫描角度，但是系统体积复杂、粗笨、响应速度慢，并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。相对付机械式扫描，非机械式扫描接纳纯电控的方法来实现光束偏转，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罗声光式扫描技术、电光式扫描技术以及热光式扫描技术。个中，基于热光式的硅基相控阵是这几年比力风行的，它主要是通过给硅基光学相控阵各个单位外加差异的热场，来改变各个单位的折射率，从而实现光束的扫描。

“这种办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，相对付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成长的趋势。”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，激光源发生相干光后，必需要经过光学系统或者光纤才气入射到光学相控阵上，它们三者在空间上是疏散的，导致装置布局比力庞大，并且难以微型化。别的，激光源和相控阵之间的耦合效率也是比力低的。

解意洋暗示，要想解决这个问题，就必需打破一个瓶颈——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，好比激光源出射的光束功率波长不变，相干性好，光束质量高档。

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，是相对付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，解意洋地址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不变的特点，技术相对成熟，本钱较低。在激光雷达、空间光互联、3D传感等范围具有潜在的应用价值。

VCSEL和光束扫描芯片之间有何区别呢？解意洋暗示，一般的面发射激光器，也就是常说的垂直腔面发射激光器，它的阵列单位之间是不耦合的，单位相位之间没有固定的相位差。这种激光差异角度的叠加，使得光束质量和光谱质量都比力差，必需通过内部耦合的方法，才气让光束质量更高。而光束扫描芯片光源接纳的是质子注入型同相耦合阵列，它较好地克服了上述的各类问题，是光束扫描芯片的抱负激光光源之一。

“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，凡是需要通过光纤实现，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，耦合效率也出格高。”解意洋坦言，目前该技术还不足成熟，一是激光器自己的功率还有待提高；二是相控阵接纳的是液晶调控，它的角度扫描范畴还是有一些限制。

光束扫描芯片本钱较低，具有必然潜在应用价值。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力热门的研究范围，我们还在做超外貌相关的工作，角度偏转可以做到正负60度，但超外貌最大的问题是不行调谐，我们想通过液晶和超外貌的集成来实现更大角度的动态光束扫描。”