文章来源：MEMS

激光雷达（LiDAR）已成为自动驾驶汽车领域极具前景的解决方案。在光束偏转机制方面，采用微机电系统（MEMS）和光学相控阵（OPA）的固态激光雷达，已被证明是相较于采用360°旋转反射镜的机械式激光雷达更加稳健且紧凑的替代方案。二维（2D）光学超构表面可通过调控相移来改变激光雷达的光束偏转角度。如果激光雷达系统仅需固定光束方向，则可采用静态超构表面；如果激光雷达系统需要光束扫描，则必须使用动态（可调谐）超构表面以实现高效和灵活的操作。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国桥水州立大学（Bridgewater State University）研究团队在Sensors期刊上发表了题为“A Review of Solid-State LiDAR Principles and Metasurface-Based LiDAR Sensors”的综述论文，探讨了超构表面光束偏转机制的基本原理，并阐述了超构表面如何调控入射光的相位和偏转角度。基于超构表面的激光雷达凭借其平面光学特性、鲁棒性以及无机械运动部件等特性，提供了极具前景的解决方案。此外，研究人员还讨论并比较了基于超构表面的激光雷达的视场角（FOV）。激光雷达系统中的可调谐超构表面对于实时光束扫描至关重要，与传统机械扫描机制相比，它具备扫描速度更快、可靠性更高、结构更紧凑以及视场角更宽广等显著优势。

假设目标为理想朗伯体（hard-Lambertian object），接收器收到的激光雷达信号可按以下方式计算：朗伯表面是指一种物理表面，无论从何种角度观测，都能将光线均匀地反射向各个方向。存在两种典型方案（如图1）：（a）接收器视场角全覆盖（FOV-filled），即整个接收范围被入射信号完全覆盖；（b）接收器视场角未完全覆盖（FOV-underfilled），即接收器感光面积大于输入信号范围且未被完全覆盖。

图1 理想朗伯体两种方案示意图

飞行时间（ToF）激光雷达的工作原理是测量从发射器（TX，即激光器）发射的光脉冲经目标物体反射到接收器（RX，探测器）所检测到的时间间隔。幅度调制连续波（AMCW）激光雷达采用连续激光束代替脉冲激光束；AMCW激光雷达测量发射器调制幅度与接收器探测到的幅度之间的相位差。频率调制连续波（FMCW）激光雷达则使用频率在特定范围内振荡的连续激光束；FMCW激光雷达采用相干探测技术，即将接收器探测到的频率与发射器发出的参考信号频率进行比较。

图2 三类激光雷达的探测原理对比

机械扫描式激光雷达系统由处理器控制电机驱动旋转镜，该旋转镜具有脉冲激光系统，从而实现360°视场。图3展示了机械式激光雷达的示意图。该技术的优点在于其历史悠久且技术最成熟，但其笨重的结构限制了可扩展性。如果缺乏合适的光学元器件，可能需要配备多对激光器和探测器，这也导致其成本高昂。

图3 机械扫描式激光雷达系统示意图

第二种技术路线是微机械或MEMS激光雷达，利用基于MEMS的反射镜来扫描环境。如图4所示，其采用一维（1D）MEMS反射镜与多台激光器，生成垂直光线并实现水平扫描。该技术已达到半成熟阶段，与机械旋转式激光雷达相比，其制造可扩展性更强、成本更低，但在车规可靠性方面存在挑战。

图4 MEMS激光雷达系统示意图

第三种技术路线是采用集成光子学与OPA相结合的固态激光雷达。OPA由激光器和用于分光的功率分路器构成。图5展示了OPA的示意图。OPA系统是目前成本最低、鲁棒性最强的激光雷达方案。其硅基制造技术非常成熟，这也允许极高的制造可扩展性，尽管这些器件的设计技术仍受到一定限制且处于半成熟阶段。

图5 OPA激光雷达系统示意图

超构表面是一种人工设计的二维结构，由周期性或准周期性排列的亚波长结构单元组成，这些亚波长结构单元可在其界面处灵活调控光的振幅、相位或偏振。与制备难度大的传统三维（3D）超构材料不同，超构表面具有平面化平台和紧凑型结构，因此更易集成到其它光电子和光子系统中。

图6 用于光束偏转的硅基超构表面设计

超构表面依赖于先进的光刻技术（例如电子束光刻、等离子体蚀刻、原子层沉积）制备而成。根据设计标准，部分超构表面在制备完成后即具有固定的光学电磁响应，这类结构称为静态超构表面。反之，如果超构表面被设计成为可在制备后可通过外部激励来改变其功能，这类结构则称为动态（可调谐）超构表面。

图7 超构表面示例

静态超构表面为特定应用（例如具有预设功能的镜头、滤光片和偏振器）提供固定的波前调控能力。静态超构表面可作为超构透镜用于光束偏转，可提供超过150°的宽视场角。此外，静态超构表面还可用于回波信号带通滤波、光束分割与合并以及光束整形。

图8 静态超构表面示例

动态（可调谐）超构表面为紧凑、高速、高分辨率的激光雷达系统提供可变化的光束偏转与波前调控。动态超构表面材料的光学特性可以通过电、热、光和机械等外部激励来调控，从而实现快速、高效且精确的光调制。

图9 动态（可调谐）超构表面示例

这篇综述中介绍了多项基于超构表面的激光雷达研究进展。Chang等研究人员通过将超构透镜与硅光子微环发射器阵列相结合，实现了二维光束偏转（如图10a）。Martins等研究人员展示了利用大面积超构表面作为窄视场（low-FOV）光源的偏转角放大器，可实现150°的宽视场（如图11a）。Park等研究人员演示了电可调谐超构表面阵列的360°连续扫描，该阵列探测距离可达4.7 m；该系统采用带铝镜的纳米谐振器作为单端口谐振器，并测得其反射系数r（如图12a）。利用超构表面作为偏振分束器以增强系统视场，从而实现精确的距离测量和速度测量（如图13a）。

图10 Chang等人研发的基于超构表面的激光雷达传感器

图11 Martins等人研发的基于超构表面的激光雷达传感器

图12 Park等人研发的基于超构表面的激光雷达传感器

图13 基于超构表面的激光雷达传感器示例

展望未来，为实现紧凑、高速且低成本的激光雷达，需将III-V族激光二极管、超构表面光束转向平台以及高速探测器集成于单芯片上。尽管硅基超构表面和锗基探测器可直接在硅衬底上单片生长，但III-V族激光二极管的集成却颇具挑战。目前，诸如单片集成和异质集成等III-V族激光器在硅平台上的集成技术已得到广泛研究，以实现激光器结构的有源区与硅材料的高效耦合。将垂直腔面发射器（VCSEL）等III-V族激光器倒装键合至硅平台，可实现高输出功率、低阈值电流及稳定运行。总体而言，在硅平台上实现硅基超构表面与III-V激光器的异质集成，是未来固态激光雷达传感应用极具潜力的解决方案。

论文链接：

https://doi.org/10.3390/s26010001