基于光子-電子集成回路的相干激光雷達引擎設計

芯片級集成是推動光子技術部署的一個關鍵因素。相干激光測距或調頻連續波（FMCW）激光雷達（LiDAR）是一種光電探測技術，具有瞬時速度和距離檢測、人眼安全、遠距離和抗干擾等優點。然而，相干激光雷達系統的晶圓級集成受到了對激光相干性、頻率捷變性和光學放大器的嚴格要求的挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）和美國普渡大學（Purdue University）的研究人員組成的團隊提出了一種光子-電子激光雷達源，由基于微電子的高壓任意波形發生器（HV-AWG）、具有PZT壓電執行器的基于混合光子回路的可調諧Vernier激光器以及摻鉺波導放大器（EDWA）構成。重要的是，所有系統均采用晶圓級制造兼容工藝實現，包括III-V族半導體、氮化硅光子集成回路和130 nm SiGe雙極互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術。

研究人員在10 m距離進行了測距實驗，實現了厘米級的精度水平和50 kHz采集速率的。該激光源是一站式方案且無需線性化，并且可以與現有焦平面和光學相控陣（OPA）激光雷達方案無縫集成。相關研究成果近日以“Photonic-electronic integrated circuit-based coherent LiDAR engine”為題發表于Nature Communications期刊上。

光子-電子激光雷達源

光子-電子激光雷達由三個主要組件構成（圖1a）：激光器、ASIC和片上放大器。通常，分布式反饋（DFB）激光器被用作FMCW激光雷達中的光源。在本研究工作中，研究人員采用了一種基于Vernier環形濾波器的外腔混合集成激光器。該激光器（圖1c）的工作波長為1566 nm，包括一個反射式半導體光放大器（RSOA），其邊緣耦合到具有基于微諧振器的Vernier濾波器的Si?N?光子集成回路。壓電鋯鈦酸鉛（PZT）執行器被異質集成在微環頂部，通過應力光學效應進行快速激勵，從而實現快速激光頻率調諧。為了獲得更好的穩定性，整個組件被封裝在蝶形14引腳封裝內，并放置在Peltier元件上，光被耦合到SMF輸出光纖。

圖1 光子-電子激光雷達源的概念

為了使激光器在FMCW模式下運行（圖1b），需要對其頻率進行GHz的調諧，這對于PZT集成執行器來說需要10 V以上的電壓，而傳統的CMOS電子器件無法實現這一點。此外，傳統的線性調制激光調諧需要反饋以保持波形的線性。為了消除反饋或后處理的必要性，并克服電壓的限制，研究人員設計并制造了一種HV-AWG集成電路（圖1e），它能產生20 V的鋸齒波形以驅動PZT執行器，而供電電壓僅為3.3 V。

FMCW激光雷達有多種實現方式。通常，它使用三角啁啾波形，但也可以使用隨機相位編碼調制。圖1b顯示了實驗中使用的啁啾波形。最后，研究人員采用一個芯片級集成EDWA（圖1f）將激光放大至超過20 mW的光功率，以滿足魯棒和遠距離相干測距的功率要求。

高壓任意波形發生器ASIC

HV-AWG通常以單個甚至多個分立組件的形式提供，由于其與支持先進電子器件的技術不兼容，因此通常難以集成。研究人員展示了一種新穎的架構，它可以使用標準CMOS技術在3.3 V供電電壓下生成高壓任意波形。圖2a顯示了該集成電路的原理架構圖。該ASIC由一個電壓控制的環形振蕩器（VCRO）構成，用于驅動一系列Dickson電荷泵級的時鐘。

圖2b說明了波形生成的原理。當電路在不同的VCRO輸入序列下工作時，可產生不同形狀、振幅、頻率和偏移值的波形，如圖2c所示。圖2d顯示了FMCW激光雷達測距實驗中使用的45 kHz鋸齒波形。

圖2 采用130nm SiGe-BiCMOS技術制造的高壓任意波形發生器集成電路

電光轉換和線性度

圖3a顯示了ASIC產生的電波形。相同的鋸齒信號被施加到Vernier激光器的兩個壓電執行器上。使用輔助激光器進行的外差測量顯示了激光啁啾的時頻圖（圖3b）。

為了實現長距離、魯棒的測量，FMCW激光雷達要求光波形具有較高的啁啾線性度。為了獲得所需的任意波形發射器信號，研究人員采用延遲零差檢測法對光波形進行了迭代線性化處理。通過對拍頻電信號的希爾伯特變換（Hilbert transformation），研究人員計算出了啁啾的瞬時頻率（圖3e），從中推斷出的激光啁啾的非線性度如圖3f所示。

延遲零差檢測的傅里葉變換如圖3g所示。拍頻的半峰全寬（FWHM）決定了激光雷達的分辨率。拍頻線寬幾乎受到傅里葉變換的限制，寬度為60 kHz。圖3h顯示了2?×?10?次測量的統計數據。從中可以推斷，激光雷達最可能的分辨率值為11.5 cm，而固有分辨率為9.3 cm，對應于1.61 GHz（1.78 GHz的90%）。

圖3 光子集成激光雷達源的電光轉換和線性度

光學測距

圖4a顯示了FMCW光子-電子激光雷達實驗設置。圖4b顯示了由約10,000個像素組成的點云。測量目標由聚苯乙烯泡沫塑料甜甜圈和圓錐體、C和S紙質字母以及放置在距準直器10 m處的平面背景組成。每個像素都是通過分析23 μs的單鋸齒波周期獲得的。圖4c描繪了應用Blackman-Harris窗檢測到的信號的周期圖。啁啾偏移量是通過使用輔助干涉儀進行自零差測量獲得的。研究人員對目標拍頻進行高斯擬合以推斷測距精度。根據對約2?×?10?次實測的單點測量統計數據，研究人員估計該實驗設置測距的精度約為1.5 cm。

圖4 測距實驗設置

綜上所述，這項研究提出了一種基于光子-電子集成回路的相干激光雷達源。該系統級架構代表了一種具有ASIC定義的FMCW激光調諧功能的嵌入式頻率捷變激光器。研究表明，將帶有快速PZT執行器的混合集成Vernier環形激光器、高壓任意波形發射器ASIC和摻鉺波導放大器Si?N?芯片組合在一起，可在50 kHz速率下實現2 GHz掃頻，輸出功率超過20 mW。所提出的激光雷達引擎實現了12 cm的深度測距分辨率，啁啾非線性度小于0.1%。采用傳統的2D機械振鏡掃描，研究人員在10米的距離上演示了1.5 cm精度的測距?？傊?，集成激光器、HV-AWG ASIC和芯片級EDWA的組合構成了一個魯棒的相干激光雷達源，可應用于現有的硅成像3D傳感器，并為實現完全集成的相干激光雷達系統奠定了基礎。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47478-z