這款基於MEMS技術的微型光束操縱器件有望實現更輕、更低成本的激光雷達
激光雷達（LiDAR）是自動駕駛汽車探測和識別周圍物體的關鍵技術之一。據麥姆斯諮詢報道，瑞典KTH皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）的一支研究團隊長期致力於研究激光雷達系統核心的光束操縱技術，開發出了一種比以往各種技術方案更經濟、更小巧、資源利用率更高效的光束操縱器件。
KTH微納米系統學院的博士後Carlos Errando-Herranz表示，憑藉我們的技術方案，這種激光雷達大規模量產之後，成本可以大幅下降至約10美元，重量僅為幾克（包括外設組件），功耗可低至數百毫瓦。這項研究成果已發表於Optics Letters雜誌。
光束操縱技術的應用需求很廣泛，例如高速光通信、激光雷達以及醫學成像。傳統的激光雷達光束操縱系統利用電動馬達來偏轉反射鏡，並在特定區域上掃描激光束，這種系統通常尺寸和重量都較大，功耗較高，成本高達數千美元。因而，這種傳統光束操縱系統無法應用於電池供電的機器人、智能手機、無人機、體內光學相干斷層掃描（OCT）探頭以及小型化、低成本的空分複用（SDM）系統。
近年來，通過利用MEMS微鏡和光柵縮小了光束操縱系統的尺寸，從而顯著降低了成本和重量。然而，這些激光雷達系統的組件（如激光器、掃描裝置、探測器及其它電子器件）仍然是獨立製造的，並且組裝成本較高。因此，進一步的多組件集成小型化有潛力以低成本提供更小、更輕、功耗更低的激光雷達系統。
集成光子學，尤其是硅光子學，可以通過電氣處理和控制、光束操縱和光學信號處理器件、光源及探測器的高密度集成來應對這些挑戰。這使得集成光子系統不僅在尺寸和重量方面優於自由空間光學系統，而且在成本、集成密度和魯棒性方面也優於自由空間光學系統。
集成光子學的光束操縱方案主要集中在光學相控陣。光學相控陣由發射器陣列（通常為光柵耦合器）組成，使遠場衍射圖案高度依賴於發射波的相對相位。通過使用波導移相器調諧這些波的相對相位，調整輸出光束的角度。這種系統可以非常嚴格地控制光束的形狀和方向，之前的研究工作已經展示了1D光束操縱、超高角度光束分辨率2D操縱和激光雷達測量。不過，常用的熱光移相器具有一個很重要的缺陷：功耗非常高。
據Carlos Errando-Herranz介紹，其研究團隊首次利用MEMS可調諧波導光柵在實驗中成功演示了低功率光束操縱技術。研究結果顯示，在1550 nm波長，驅動電壓低於20 V，靜態功耗低於uW的條件下，光束轉向可達5.6°。
這款光束操縱器件基於利用MEMS執行器改變波導光柵耦合器梳齒之間的間距。圖1（a）展示了該器件的示意圖。KTH的研究人員設計了一個形成摺疊彈簧的懸浮光柵，一端連接到錐形波導，以進行光耦合，另一端連接到MEMS梳狀驅動執行器。梳狀驅動執行器的水平致動拉伸了懸浮的光柵，改變了光柵梳齒之間的距離，從而導致光柵的面外角發射發生變化。圖1（b）為MEMS可調諧光柵的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖1（a）展示了這款MEMS可調諧光柵驅動前後的工作原理。（b）這款MEMS器件的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。光柵作為軟彈簧的一部分，通過梳齒驅動執行器拉伸，改變光柵齒之間的間距。（c）光柵齒間距增加對光束轉向影響的模擬結果（顏色：發射光強度）疊加分析估算（白線）。（d）梳齒驅動執行器件的分析致動估算。
“我們採用了和智能手機加速度計、陀螺儀相同的MEMS製造工藝，”他說，“這意味著大規模量產的成本可能非常低。”
Errando-Herranz稱，該技術可以使更多的機器人或無人機能夠自主運行或自主飛行。
KTH副教授Kristinn B. Gylfason說：“這項技術可以使無人機無需遠程控制，例如運送除顫器等緊急醫療設備的無人機。”
“機器人和無人機是絕對可能的應用領域，”Gylfason說，“目前的激光雷達系統對於自動駕駛汽車而言成本過於高昂，而汽車產業對成本非常敏感。其他可能的應用，還包括智能手機的3D人臉識別，例如蘋果（Apple）的Face ID。”
KTH激光雷達方案的獨特之處在於它採用了新型MEMS光束操縱技術，但是又不同於MEMS微鏡。
“傳統的機械式激光雷達基於在旋轉塔上安裝一系列激光器，如激光雷達領先廠商Velodyne推出的‘全家桶’和‘超級冰球’，”Gylfason說，“我們激光雷達的研究方案基於集成的微光力學，我們在硅芯片表面構建了一個可調諧光柵。通過改變光柵週期，可以決定光束的掃描方向。”
與自由空間光學技術相比，KTH的技術方案要更小、更輕幾個數量級，並且成本更低、更不易受機械噪聲影響，此外，需要的組裝要求也非常有限。集成熱光（thermo-optic）相控陣系統的功耗比KTH的這款器件至少高5個數量級（受測量限制，KTH研究人員估算約達7個數量級），並且會受到熱串擾問題的困擾，而KTH的技術方案本身就可以避免這個問題。
與電光調諧技術相比，KTH這款器件的功耗至少低1個數量級（更可能是3個數量級）。此外，KTH實現的光束操縱，比之前報道的熱光可調諧單光柵大兩倍，隨著未來MEMS器件的設計改進，具有更大角度調諧的潛力。
KTH研究人員開發的這種光束操縱技術，可以提供產業長期以來一直尋求的低成本和低功耗，以將人工視覺擴展到智能手機或無人機在內的電池供電設備，還有用於體內醫學成像的有源探頭，以及通過空分複用（SDM）提高光通信帶寬。
培訓課程簡介：http://www.mems.me/mems/conference_201902/7764.html
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