激光雷达可以感知目标物体的距离、速度、形貌等特征，已被广泛应用于人脸识别、智能机器人和地形测绘等诸多领域，尤其是智能驾驶汽车，对激光雷达的需求十分迫切。基于空间多光束干涉原理的硅基光学相控阵（Optical Phased Array，OPA）芯片，可实现快速、灵活、无惯性的光束扫描，被视为下一代全固态激光雷达的最佳解决方案。然而，OPA激光雷达在视场、旁瓣光束干扰和收发链路等方面的一些问题还亟待解决。
近日，吉林大学宋俊峰教授团队在Laser & Photonics Reviews期刊上发表了一篇论文，题为“SiN-On-SOI Optical Phased Array LiDAR for Ultra-Wide Field of View and 4D Sensing”，展示了在OPA激光雷达领域的重要进展。他们提出了一种游标型收发一体OPA芯片激光雷达架构和链式光栅天线结构，避免了栅瓣光束的干扰和大角度光束扫描功率下降的问题，与调频连续波（FMCW）测距技术相结合，研制出一款全固态激光雷达样机，实现了横向160°的3D成像，以及含有速度信息的4D成像。
吉林大学宋俊峰教授团队长期致力于OPA固态激光雷达技术的前沿探索研究，涵盖了OPA高速控制系统、FMCW雷达系统以及OPA激光雷达与计算机视觉融合等多个核心技术领域。本文第一作者是吉林大学博士研究生陈柏松，合作单位有鹏城实验室和新加坡AMF公司。

游标型收发一体OPA芯片架构：消除栅瓣干扰

受级联微环滤波器游标效应的启发，在芯片上集成了具有不同天线周期的发射（Tx）OPA和接收（Rx）OPA，当两个OPA的主瓣在目标方向对准时，其他栅瓣被抑制，实现无混淆光束扫描。

链式光栅天线：展宽扫描包络

扫描光束的功率受到光栅天线扫描包络的调制，随着转向角度扩大，主瓣功率将不可避免地降低，导致OPA的有效视场小于预期。针对这一问题，团队研制了链式光栅天线结构，显著拓宽了扫描包络，优化了扫描光束的功率分布。实验验证，具有链式光栅天线结构的OPA在160°的视场内保持均匀一致的主瓣功率。

OPA固态激光雷达原型样机：实现大视场4D成像

游标型OPA架构结合链式光栅天线，制作出具有128通道Tx-OPA和128通道Rx-OPA的游标型OPA芯片收发器。紧密排列的发射和接收天线构成了准同轴系统，避免了复杂的光学对准和链路中光学反射的干扰。将该芯片与调频连续波（FMCW）探测技术相结合，研制了全固态的OPA激光雷达样机。

基于OPA的固态FMCW激光雷达横向135°视场的高分辨率3D成像，包含超过7000个可分辨点，在整个视场内表现出一致的3D探测质量，窗帘的褶皱清晰可见（图4c）。得益于游标OPA架构和平坦的主瓣功率分布，该游标型OPA的成像视场最大可以达到160°（见原文支持信息Fig. S12）

根据反射光的多普勒频移，激光雷达系统可以实现距离和径向速度的同时测量，即4D传感技术，如图5所示。基于团队研制的OPA激光雷达样机，演示了实时4D成像，如图6所示。

总结与展望

目前，该系统在室内测试中已实现22米的测距，下一步，基于先进的SiN-on-SOI工艺，OPA的规模可扩展至数千通道，从而能显著提升探测距离。另外，目前系统中FMCW光源的调制周期为200 ms，因此实时成像的点频仅为5 kHz。目前团队在FMCW光源方面取得一定进展，OPA激光雷达的点频有望提高到100 kHz以上。

论文信息

B. Chen, Y. Li, Q. Xie, Q. Na, M. Tao, Z. Wang, Z. Zhi, H. Hu, X. Li, H. Qu, Y. He, X. Hu, G. Lo, J. Song, SiN-On-SOI Optical Phased Array LiDAR for Ultra-Wide Field of View and 4D Sensing. Laser Photonics Rev 2024, 2301360. 

（文章来源于https://doi.org/10.1002/lpor.202301360，如有侵权请联系删除）