提起激光雷达，人们很自然地将它与自动驾驶联系在一起。激光雷达作为三维测量的有效载体，在其发展过程中借鉴了很多传统的无线电雷达技术，并且，相比于无线电雷达，它可以实现更高的分辨率。

但是，与摄像头和无线电雷达传感器相比，目前激光雷达的尺寸、重量、成本、功耗等方面还有很大的优化空间，各技术路线也还处在同步探索的阶段。因此，是否可以不断地小型化并集成在单个芯片上成为激光雷达领域的关键性挑战。

图丨激光从连接到微机电系统开关的光栅天线发出，（来源：加利福尼亚大学伯克利分校）

近日，美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）电气工程和计算机科学系吴明强（Ming C. Wu）教授团队设计了一个集成激光雷达（光探测和测距）系统，能以高分辨率测量距离，具有大视场角，同时还保持了小面积和低功耗。

他们将焦平面开关阵列（FPSA，Focal Plane Switch Array）集成到 1c㎡ 芯片中，实现了16384（128×128）像素尺寸，这是迄今为止文献报道中最大规模的焦平面开关阵列[1]。

3 月 9 日，相关论文以《一种基于大规模微机电系统的硅光子激光雷达》（A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR）为题发表在Nature 上。

图丨相关论文（来源：Nature）

清华大学付红岩副教授、北京大学李倩副教授同期在 Nature 发表了评论文章。他们认为，该工作在集成激光雷达系统方面提供了突破。随着加工技术的成熟，进一步的小型化和性能的改进，将使焦平面开关阵列成为一种很有前途的技术，其应用领域包括百万像素 3D 激光雷达和光通信[2]。

研发迄今文献报道的最大焦平面开关阵列，速度可达微秒量级

自 2018 年，该团队经过四年的不懈努力，研制了这个 16384 像素的调频连续波（FMCW，Frequency-Modulated Continuous Wave）成像激光雷达，单片集成了 128×128 个硅光子 MEMS 焦平面开关和光栅天线（实验中引线键合并测试了其中一个 128×96 子阵列）。

他们采用 5mm 焦距复合透镜，该系统可以在 70°×70° 的角度范围中随机将激光束定向到 16384 个不同方向，具有 0.6° 角分辨率，0.05° 光束发散角和微秒量级切换时间。

此外，实验中研究人员还通过将焦平面开关阵列与 FMCW 测距结合，实现了三维成像，验证了 10 米的测距距离，距离分辨率达 1.7 厘米。

图丨FPSA 的结构和工作原理（来源：Nature）

这不是偶然的收获，而是持续性探索的发现。吴明强教授团队在 10 年前就开始了 MEMS 光开关技术的研究，长期的尝试、技术经验及成果的积累为该研究奠定了良好的基础。

随着研究的深入，他们开始意识到，焦平面开关阵列在实现激光雷达光束扫描时具备独特的优势，而光开关则是其中至关重要的技术。

该团队的 MEMS 光开关技术，可以非常好地应用在焦平面开关阵列，结合该团队此前各方面的相关研究，他们开始便开始着手激光雷达和焦平面开关阵列的研究。

研究伊始，他们先设计加工了一个 20×20 的阵列，进行了原理和技术方面的验证。虽然当时成功地实现了预期的效果，但是，其阵列的每个像素单元的尺寸仍然较大。

随后，该团队开始尝试减小单元的尺寸，通过仿真和实验尝试对 MEMS 开关的设计和工艺进行不断探索与优化。最终，他们将该器件的像素面积缩小为原理验证阶段的六分之一。

图丨从左至右依次为：该论文共同一作张晓声博士、该论文共同一作权暻睦博士（来源：张晓声）

该论文的共同第一作者张晓声见证了该器件“从 0 到 1”的实现。“从最初的设计到器件加工，再到实验室做测试，当我第一次看到器件通过光束扫描成功地探测出三维图像、看到自己设计的器件按照预期工作时，那种喜悦感瞬间油然而生。”他说。

研究人员通过 MEMS 的光开关实现了激光雷达光束扫描，通过该系统实现了准确的三维成像。该研究的主要优势是具备较好的可扩展性以及较高的灵活性。

从扩展性方面来看，该阵列开关为数字化开关（面积为 55×55μm2），相比于其他方式，数字化开关的控制复杂度较低。与此同时，它还兼具亚兆赫兹的响应速度，可进行随机访问寻址。

张晓声认为，“传统的方法一般通过热效应控制干涉式光开关，而我们使用了基于 MEMS 技术的开关。MEMS 光开关具备面积较小、对光的损耗较低、消耗的功率较低、开关速度可以达微秒量级等优势。”

值得关注的是，在以往的研究中，焦平面开关阵列规模极限为 512 像素数[3]。较之前的数据指标，该团队技术的像素为其 32 倍，为迄今文献报道中最大规模的焦平面开关阵列。

图丨制造的 FPSA 器件的显微图像（来源：Nature）

从灵活性角度来看，该团队用使用焦平面开关阵列做光束扫描，光的扫描范围和角分辨率可通过采用不同镜头的方式进行调整。

这与现在的相机相似，通过使用不同参数的镜头，相机可以实现各种不同的拍摄视角和分辨率。基于同样的原理，使用同一个焦平面开关阵列芯片，可以利用不同的镜头，实现不同的光束扫描范围和分辨率。

初步产品有望两年内落地，或将实现百万像素尺寸

光开关作为该系统每个像素单元中面积最大的组件，是焦平面开关阵列是否可小型化发展的关键因素。对此，Nature 的评论文章也提到，虽然 128×128 已经是目前最大的阵列，但是，要想与激光雷达的实际需求相匹配，还需要进一步地提升相关技术指标。

因此，该团队的未来研究重点是进一步缩小每个单元的尺寸、提高阵列中像素单元的总数量以及继续优化 MEMS 光开关和其它光路系统的设计等，继续提升像素数、分辨率和测距距离。

据悉，该技术目前已申请相关专利，并且该团队的相关公司也在积极推进技术的成果转化。未来，该团队希望结合互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary metal Oxide Semiconductor）技术，实现百万（1000×1000）级别的像素尺寸、角分辨率 0.02 度以及测距距离 100 米以上。“我们期待可以在两年内落地初步的产品，然后循序渐进地实现规模化生产。”张晓声说。

图丨FPSA 光束扫描器的表征（来源：Nature）

随着激光雷达传感器的小型化发展，其在自动驾驶以外的应用场景越来越多。例如手机和其他的电子产品、无人车、无人机、机器人等各个与智能系统相关的领域。并且，部分智能手机已经率先开始搭配激光雷达传感器。

现在一部手机上已经可以集成一个或多个相机，这与相机传感器技术的快速发展息息相关。这使人们在生活中可拍摄大量照片，再通过图像处理的相关技术从照片中提取各种信息。

张晓声表示，与相机传感器的集成类似，如果将激光雷达也做成类似尺寸，把测距方面的参数提升到比较理想的指标，那便可以在更多的场景中运用到激光雷达的三维成像功能。

对于激光雷达的未来发展，张晓声认为，现在业内对各种不同的技术路线还在不断地研究，目前还没有出现被普遍认可的主导技术路径。

但是，可以借鉴的是，集成电路领域在缩小尺寸和降低成本方面，已经走过了一条成功的道路。“因此，学术界和业界也都希望未来能向全固态激光雷达方向发展，把激光雷达通过微纳加工的方式集成到一个芯片上，并且提高各种参数，届时激光雷达的成本也将下降。”他说。

从事激光雷达技术研发工作，不断收获新的知识

张晓声长期专注于激光雷达系统、集成光子学和光学计量学等领域的研究。他本科毕业于清华大学精密仪器系，师从吴冠豪教授。在此阶段学习的光学知识与在实验室进行的激光测距等方面的科研训练为他奠定了科研基础。

研究生阶段他就读于加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系，在课程学习中增加了集成光学、MEMS 等方面的知识储备。在加入吴明强教授的研究团队之前，他已经被团队 MEMS 光开关相关的前沿技术吸引。因此，他选择继续攻读博士学位，并参与了激光雷达、光学相控阵和焦平面开关阵列等方面的系列研究。

图丨吴明强教授团队（来源：张晓声）

该团队的成员具备不同的科研背景，包括电子电路、微纳加工、光学测试、系统搭建、信号和数据处理等。张晓声认为，在做科研的同时不断增加新的知识也是另一种收获。

博士毕业后，他选择留在该团队担任工程师，继续从事技术研发方面的工作。张晓声认为，在科研的过程中学会“取长补短”是非常重要的。“当我不擅长某项工作时，我会向其他同学或老师请教、讨论，将我们所擅长的方面进行有机结合。”、

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参考：

1.Zhang, X., Kwon, K., Henriksson, J. et al. A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR. Nature 603, 253–258 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-00642-1
3.Rogers, C., Piggott, A.Y., Thomson, D.J. et al. A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform. Nature 590, 256–261 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03259-y