雷射雷達前線: Berkeley與MIT發布基於65nmCMOS工藝的光學相位陣列雷射雷達晶片

2021-02-24 力策雷射雷達

前言：今年六月份在日本舉行的Symposium on VLSI Circuits上，加州伯克利（UC Berkeley）和麻省理工學院（MIT）一篇共同撰寫的論文，發布了他們最新的基於65nm CMOS工藝的基於光學相位陣列（OPA）的雷射雷達晶片。

今年六月在日本召開的學術會議Symposium on VLSI Circuits上，加州伯克利（UC Berkeley）V. Stojanović研究組和麻省理工學院（MIT）Michael Watts研究組一篇共同撰寫的論文，發布了他們最新的基於65nm CMOS工藝的基於光學相位陣列（OPA）的雷射雷達晶片。我們來看看他們這款晶片的新亮點吧。

工藝平臺：65nm CMOS平臺+193nm SOI矽光子平臺，300mm（12寸）晶圓流片，通過氧化物鍵合（Oxide Bond）的辦法將光和電做集成。由於光電晶片分開製作，光子晶片上集成了其他材料，例如鍺（Ge）、氮化矽等。鍺主要用作探測器，製作的片上探測器可以達到0.9A/W的響應。

技術內容：該晶片集成了調頻連續波測距（FMCW）和OPA掃描成像。探測器實現了片上集成，調頻雷射依然是通過光纖耦合到片上。雷射的發射效率約為24%，掃描角度16度，天線陣列尺寸為500um*254um，2um的天線周期（Pitch）比以往更為緊湊，使得旁瓣抑制的效果相比以往也有改善。掃描角度可以通過更緊湊的天線距離得到擴大。

FMCW測距方面，用的是一個外腔雷射，通過注入電流的調製實現頻率三角波調諧（Chirp rate 9THz/s）。光斑發散角FWHM為0.15度/0.3度，對應100m處衍射極限解析度為26cm/52cm。

系統層面的參數可以看到的是測距解析度是3.3cm。

最後附上一張近幾年的一些矽光OPA方案的對比參數表：

點評：由於OPA雷射雷達在性能上的巨大吸引力，矽光OPA方案在MIT、Stanford等著名研究組的推動下，系統工藝層面每年都在往前發展。但是基礎性的問題卻一直得不到明顯突破，包括今年發布的這些研究成果。我們可以看到幾點問題依舊存在：

1. 矽片上集成雷射依然沒有突破，所用的光源依然是片外耦合進去，整體出射效率還是低於30%；

2. 矽的相位調製還是採用了傳統熱調製，速度慢的問題依然存在；

3. 雙軸掃描依然要依賴調頻光源來實現；

4. 天線間距依然較大，給掃描角度和旁瓣抑制帶來影響，天線間距進一步減少會受限於矽波導的Cross talk。

5. FMCW實現成本不菲，單是窄線寬的外腔雷射器官方售價就兩萬多塊人民幣。

參考文獻：

1. P. Bhargava， Symposium on VLSI Circuits (2019)

2. T. Kim etc. ISSCC (2019)

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