日前，2021年北京地區(qū)廣受關(guān)注的學(xué)術(shù)成果報(bào)告會(huì)(集成電路領(lǐng)域)在京舉行。北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部副教授解意洋帶來(lái)了關(guān)于半導(dǎo)體光電子器件的最新研究進(jìn)展——他所在團(tuán)隊(duì)公開(kāi)了一種VCSEL耦合陣列與表面光學(xué)相控陣片上集成的光束掃描芯片，具有微型化、集成化優(yōu)點(diǎn)，且成本較低。

光束掃描技術(shù)更新迭代

光束掃描技術(shù)是指對(duì)激光光束傳播方向進(jìn)行精準(zhǔn)控制的技術(shù)，在光互聯(lián)、激光雷達(dá)、無(wú)人駕駛、激光顯示、激光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用價(jià)值。

“舉例來(lái)說(shuō)，基于光束掃描技術(shù)的激光雷達(dá)首先向目標(biāo)物體發(fā)射一束激光，由于光速已知，根據(jù)接收反射光束的時(shí)間間隔確定目標(biāo)物體的實(shí)際距離，然后根據(jù)距離及激光發(fā)射的角度，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何變化就可以推導(dǎo)出物體的位置信息。”解意洋解釋說(shuō)。

早期的光束掃描技術(shù)主要是機(jī)械式掃描技術(shù)，即通過(guò)旋轉(zhuǎn)或者振動(dòng)反射鏡來(lái)改變光束的傳播方向。這種掃描技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)較大的掃描角度，但是系統(tǒng)體積龐大、笨重、響應(yīng)速度慢，而且由于存在機(jī)械磨損，可靠性較低，不能滿足高端應(yīng)用的要求。相對(duì)于機(jī)械式掃描，非機(jī)械式掃描采用純電控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，在可靠性和響應(yīng)速度等方面更有優(yōu)勢(shì)。

目前，非機(jī)械光束掃描技術(shù)主要包括聲光式掃描技術(shù)、電光式掃描技術(shù)以及熱光式掃描技術(shù)。其中，基于熱光式的硅基相控陣是這幾年比較流行的，它主要是通過(guò)給硅基光學(xué)相控陣各個(gè)單元外加不同的熱場(chǎng)，來(lái)改變各個(gè)單元的折射率，從而實(shí)現(xiàn)光束的掃描。

“這種方法的好處是激光源可以通過(guò)光纖或者光波導(dǎo)與相控陣耦合，相對(duì)于聲光式和電光式掃描，不需要體積較大的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，可以進(jìn)一步壓縮掃描裝置的體積，更加適應(yīng)于微型化、集成化光束掃描技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。”解意洋說(shuō)，盡管優(yōu)勢(shì)明顯，但其也面臨耦合效率和封裝困難的問(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，激光源產(chǎn)生相干光后，必須要經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)或者光纖才能入射到光學(xué)相控陣上，它們?nèi)咴诳臻g上是分離的，導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且難以微型化。此外，激光源和相控陣之間的耦合效率也是比較低的。

解意洋表示，要想解決這個(gè)問(wèn)題，就必須突破一個(gè)瓶頸——將激光源和光學(xué)相控陣直接集成。這樣對(duì)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長(zhǎng)穩(wěn)定，相干性好，光束質(zhì)量高等。

新型芯片具有潛在應(yīng)用價(jià)值

“垂直腔面發(fā)射激光器，也就是VCSEL，是相對(duì)于普通的邊發(fā)射激光器提出來(lái)的。”解意洋介紹，這種激光器已在光通信、光互聯(lián)和車載雷達(dá)等方面開(kāi)展廣泛應(yīng)用，從iphoneX 開(kāi)始，它已經(jīng)被應(yīng)用于人臉識(shí)別技術(shù)中。

基于此，解意洋所在團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列相關(guān)研究，并由此提出了一種微型化的電控激光光束掃描芯片，這個(gè)芯片在掃描過(guò)程中具有功率波長(zhǎng)穩(wěn)定的特點(diǎn)，技術(shù)相對(duì)成熟，成本較低。在激光雷達(dá)、空間光互聯(lián)、3D傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

VCSEL和光束掃描芯片之間有何區(qū)別呢?解意洋表示，一般的面發(fā)射激光器，也就是常說(shuō)的垂直腔面發(fā)射激光器，它的陣列單元之間是不耦合的，單元相位之間沒(méi)有固定的相位差。這種激光不同角度的疊加，使得光束質(zhì)量和光譜質(zhì)量都比較差，必須通過(guò)內(nèi)部耦合的方式，才能讓光束質(zhì)量更高。而光束掃描芯片光源采用的是質(zhì)子注入型同相耦合陣列，它較好地克服了上述的各種問(wèn)題，是光束掃描芯片的理想激光光源之一。

“在與相控陣集成的過(guò)程中，我們首先解決的問(wèn)題是大規(guī)模同相耦合陣列的制備。傳統(tǒng)的激光源與相控陣集成技術(shù)，通常需要通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)，體積沒(méi)法做的很小，而我們的研究是一種片上集成，把半導(dǎo)體激光器芯片與相控陣集成，極大減小體積的同時(shí)，耦合效率也特別高。”解意洋坦言，目前該技術(shù)還不夠成熟，一是激光器本身的功率還有待提高;二是相控陣采用的是液晶調(diào)控，它的角度掃描范圍還是有一些限制。

光束掃描芯片成本較低，具有一定潛在應(yīng)用價(jià)值。關(guān)于光束掃描的更多研究進(jìn)展，解意洋向科技日?qǐng)?bào)記者透露：“光束掃描是這幾年比較熱門的研究領(lǐng)域，我們還在做超表面相關(guān)的工作，角度偏轉(zhuǎn)可以做到正負(fù)60度，但超表面最大的問(wèn)題是不可調(diào)諧，我們想通過(guò)液晶和超表面的集成來(lái)實(shí)現(xiàn)更大角度的動(dòng)態(tài)光束掃描。”(記者 朱麗)

關(guān)鍵詞： 光束掃描芯片 微型化 集成化 光束掃描技術(shù)