日前，2021年北京地區廣受關注的學術成果報告會(集成電路領域)在京舉行。北京工業大學信息學部副教授解意洋帶來了關于半導體光電子器件的最新研究進展——他所在團隊公開了一種VCSEL耦合陣列與表面光學相控陣片上集成的光束掃描芯片，具有微型化、集成化優點，且成本較低。
光束掃描技術更新迭代
光束掃描技術是指對激光光束傳播方向進行精準控制的技術，在光互聯、激光雷達、無人駕駛、激光顯示、激光存儲等領域有著很好的應用價值。
“舉例來說，基于光束掃描技術的激光雷達首先向目標物體發射一束激光，由于光速已知，根據接收反射光束的時間間隔確定目標物體的實際距離，然后根據距離及激光發射的角度，通過簡單的幾何變化就可以推導出物體的位置信息。”解意洋解釋說。
早期的光束掃描技術主要是機械式掃描技術，即通過旋轉或者振動反射鏡來改變光束的傳播方向。這種掃描技術雖然可以實現較大的掃描角度，但是系統體積龐大、笨重、響應速度慢，而且由于存在機械磨損，可靠性較低，不能滿足高端應用的要求。相對于機械式掃描，非機械式掃描采用純電控的方式來實現光束偏轉，在可靠性和響應速度等方面更有優勢。
目前，非機械光束掃描技術主要包括聲光式掃描技術、電光式掃描技術以及熱光式掃描技術。其中，基于熱光式的硅基相控陣是這幾年比較流行的，它主要是通過給硅基光學相控陣各個單元外加不同的熱場，來改變各個單元的折射率，從而實現光束的掃描。
“這種方法的好處是激光源可以通過光纖或者光波導與相控陣耦合，相對于聲光式和電光式掃描，不需要體積較大的光學元件和光學系統，可以進一步壓縮掃描裝置的體積，更加適應于微型化、集成化光束掃描技術發展的趨勢。”解意洋說，盡管優勢明顯，但其也面臨耦合效率和封裝困難的問題。
具體來說，激光源產生相干光后，必須要經過光學系統或者光纖才能入射到光學相控陣上，它們三者在空間上是分離的，導致裝置結構比較復雜，而且難以微型化。此外，激光源和相控陣之間的耦合效率也是比較低的。
解意洋表示，要想解決這個問題，就必須突破一個瓶頸——將激光源和光學相控陣直接集成。這樣對激光源就提出了一些新的要求，比如激光源出射的光束功率波長穩定，相干性好，光束質量高等。
新型芯片具有潛在應用價值
“垂直腔面發射激光器，也就是VCSEL，是相對于普通的邊發射激光器提出來的。”解意洋介紹，這種激光器已在光通信、光互聯和車載雷達等方面開展廣泛應用，從iphoneX 開始，它已經被應用于人臉識別技術中。
基于此，解意洋所在團隊進行了一系列相關研究，并由此提出了一種微型化的電控激光光束掃描芯片，這個芯片在掃描過程中具有功率波長穩定的特點，技術相對成熟，成本較低。在激光雷達、空間光互聯、3D傳感等領域具有潛在的應用價值。
VCSEL和光束掃描芯片之間有何區別呢?解意洋表示，一般的面發射激光器，也就是常說的垂直腔面發射激光器，它的陣列單元之間是不耦合的，單元相位之間沒有固定的相位差。這種激光不同角度的疊加，使得光束質量和光譜質量都比較差，必須通過內部耦合的方式，才能讓光束質量更高。而光束掃描芯片光源采用的是質子注入型同相耦合陣列，它較好地克服了上述的各種問題，是光束掃描芯片的理想激光光源之一。
“在與相控陣集成的過程中，我們首先解決的問題是大規模同相耦合陣列的制備。傳統的激光源與相控陣集成技術，通常需要通過光纖實現，體積沒法做的很小，而我們的研究是一種片上集成，把半導體激光器芯片與相控陣集成，極大減小體積的同時，耦合效率也特別高。”解意洋坦言，目前該技術還不夠成熟，一是激光器本身的功率還有待提高;二是相控陣采用的是液晶調控，它的角度掃描范圍還是有一些限制。
光束掃描芯片成本較低，具有一定潛在應用價值。關于光束掃描的更多研究進展，解意洋向科技日報記者透露：“光束掃描是這幾年比較熱門的研究領域，我們還在做超表面相關的工作，角度偏轉可以做到正負60度，但超表面最大的問題是不可調諧，我們想通過液晶和超表面的集成來實現更大角度的動態光束掃描。”(記者 朱麗)
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