编者按：本文来自微信大众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询殷飞，原文标题《二维MEMS光栅引领光学相控阵革新：高速、宽谱、高分辩率》，36氪经授权发布。
据麦姆斯咨询报导，来自美国加州大学伯克利分校（以下简称：伯克利）MEMS专家团队的研讨成果初次完结了高速可编程、大阵列的二维光学相控阵（2-D Optical Phased Array, OPA）芯片。与传统的硅光、液晶等OPA技能比较，该芯片立异性地将新式光栅结构与硅基MEMS技能相结合，具有更经济、更高速、更高可靠性等长处。此外，该MEMS OPA的光学调制在自由空间完结，可完结无插损的光学耦合。特别需求指出的是，其光栅结构可一起使用于从可见光到近红外的宽带光谱，不受硅光片上集成的波长约束，然后可直接使用于新一代医疗成像设备、光通信和全息电视等广泛范畴，并为自动驾驶轿车供给更强壮的激光雷达（LiDAR）传感器。相关论文已发表于Optica期刊，具体了解请参阅：https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000557。
光学相控阵的概念现已提出了数十年，现在用于医疗成像和光通信等范畴。伯克利研讨人员的思路是构建一种光发射器阵列，并经过改动它们的相位，或许改动它们发生的光波的摆放，然后取得一种没有物理运动，但可以向任何方向发射激光束的光源。这种灵敏的光束偏转在LiDAR技能中十分有用。LiDAR正是经过向各个方向发射激光束，并丈量它们回来所需求的时刻来确认邻近物体的间隔。
现在，运用最广泛的LiDAR是安装在自动驾驶车辆顶部的机械旋转式LiDAR传感器，例如由Velodyne推出的最广为人知的“全家桶”HDL-64E。这种LiDAR生产本钱高且可靠性堪忧，由于尚不清楚这种机械旋转组织能否接受多年的车辆日常运用。这便是为什么许多工业专家以为光学相控阵作为一种固态LiDAR技能，更具远景。
伯克利电子工程与计算机科学教授Ming Wu及其科研团队王佑民博士（手持二维光学相控阵）
“现在，光学相控阵使用于LiDAR的最大应战，是其逐点扫描相对较慢的光束偏转速度，以及其有限的全体孔径，这决议了体系的光学分辩率。”前伯克利博士后研讨员、该论文榜首作者王佑民博士表明。
王佑民博士指出，在传统的光学相控阵规划中，调制光束强度的空间光调制器大多由十分小的运动部件组成，因而这些器材仅在某些波长下作业，而且受限于可扫描的规模。这约束了它们的功率和可靠性，由于它们的信号会遭到周围环境的影响，特别是温度急剧改变的环境。
为了战胜这些约束，王佑民博士及其研讨团队开发了一种运用MEMS执行器横向移动光栅元件的硅基芯片，该光栅元件可在各个方向上衍射光线。这种移相运动为输出激光束添加了推迟，创建了一种全息图画，将光引导到预界说的图画中。这种作业机制根本上相似空间光调制器，使研讨人员可以明显下降旁瓣强度，然后进步该技能的光学传输功率。
伯克利研讨人员开发的硅基MEMS可编程二维光学相控阵
伯克利研讨人员运用构建一切微处理器根本单元的老练CMOS技能使该芯片具有可编程的功用。这意味着用户可以在芯片上预编程不同的全息图画。经过在MEMS执行器顶部堆叠160 x 160阵列的微调多晶硅移相器，研讨人员可以削减光束发散并添加可分辩点的数量。这使得该芯片可以完结大视场角，构建其周围环境的高分辩率3D全息图。此外，经过运用现有的制造工艺，该芯片的制造本钱比较由液晶制成的光学相控阵更低。
（a）MEMS光学相控阵的顶部光栅层；（b）底部横向梳状驱动结构的MEMS执行器；（c）顶部光栅层移相元件和MEMS执行器集成；（d）MEMS可编程二维光学相控阵芯片
MEMS二维光学相控阵的光栅横向运动
伯克利研讨人员在原型演示中完结了55 KHz的谐振频率，对应于5.7 us的呼应时刻（光学相控阵将一个全息图画变为另一个全息图画所需求的时刻），该呼应速度几乎是传统根据液晶的光学相控阵的1000倍。经过运用封装在3.1mm x 3.2mm芯片上的25600像素大阵列，这款MEMS二维光学相控阵可以捕捉周围环境的高分辩率图画。
（a）25美分硬币上的MEMS二维光学相控阵芯片；（b）展现光学孔径的共聚集光学显微照片；（c）MEMS二维光学相控阵芯片的扫描电子显微镜（SEM）图画；（d）单个MEMS光栅元件；（e）光栅下方的梳状驱动执行器，光栅连接在可动梳齿梁（蓝色）上；（f）氢氟酸（HF）开释前的光学相控阵元件的横截面SEM图
“可以对这些芯片进行编程，使咱们可以逾越光学相控阵的传统扫描使用，咱们可以经过编程使这些阵列更像人眼。运用该芯片制造的激光雷达可以像人眼相同生成并感知恣意图画，并可以盯梢单个目标而不仅仅是旋转扫描。”伯克利电子工程与计算机科学教授、该论文通讯作者Ming Wu教授表明。
