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Sep 26, 2023

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Naturaleza volumen 603, páginas

Nature volumen 603, páginas 253–258 (2022)Citar este artículo

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Detalles de métricas

Los sensores de imágenes tridimensionales (3D) permiten que las máquinas perciban, mapeen e interactúen con el mundo circundante1. El tamaño de los dispositivos de detección y alcance de luz (LiDAR) a menudo está limitado por escáneres mecánicos. Los sensores 3D basados ​​en conjuntos de planos focales son candidatos prometedores para los LiDAR de estado sólido porque permiten el escaneo electrónico sin partes mecánicas móviles. Sin embargo, sus resoluciones se han limitado a 512 píxeles o menos2. En este artículo, informamos sobre un LiDAR de 16 384 píxeles con un campo de visión amplio (FoV, 70° × 70°), una resolución de direccionamiento fina (0,6° × 0,6°), una divergencia de haz estrecho (0,050° × 0,049° ) y un direccionamiento de haz de acceso aleatorio con una velocidad de funcionamiento inferior a MHz. El conjunto de interruptores de plano focal (FPSA) de 128 × 128 elementos de antenas de rejilla y los interruptores ópticos accionados por sistemas microelectromecánicos (MEMS) están monolíticamente integrados en un chip fotónico de silicio de 10 × 11 mm2, donde un subarreglo de 128 × 96 está conectado por cable y probado en experimentos. Las imágenes en 3D con una resolución de distancia de 1,7 cm se logran con una onda continua modulada en frecuencia (FMCW) en configuración monoestática. El FPSA se puede producir en masa en fundiciones complementarias de semiconductores de óxido de metal (CMOS), lo que permitirá sensores 3D ubicuos para su uso en automóviles autónomos, drones, robots y teléfonos inteligentes.

Los sistemas autónomos impulsados ​​por inteligencia artificial tendrán un impacto transformador en nuestra sociedad. Los sensores 3D que miden directamente las coordenadas, formas y velocidades de los objetos han visto un número creciente de aplicaciones en vehículos autónomos, drones y robots3,4. Los sistemas LiDAR pueden funcionar en la oscuridad y ofrecer alta resolución y alta precisión gracias a la longitud de onda corta de la luz5. Los LiDAR de factor de forma pequeño con matrices de diodos de avalancha de un solo fotón6,7,8 han comenzado a aparecer en teléfonos inteligentes y otros productos electrónicos de consumo; sin embargo, sus rangos son limitados debido a la iluminación de las inundaciones. Los LiDAR de escaneo con rayos láser colimados tienen un alcance mucho mayor, pero a menudo requieren escáneres voluminosos que son difíciles de integrar.

Recientemente, ha habido una investigación intensiva sobre escáneres de haz óptico integrados capaces de operar a alta velocidad en un campo de visión grande con alta resolución y bajo consumo de energía, que son los requisitos clave para los LiDAR de estado sólido. Dos arquitecturas comunes son la matriz en fase óptica (OPA) y la FPSA. Los OPA se han demostrado en plataformas de circuitos integrados fotónicos9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 y plataformas MEMS20,21,22. Son capaces de escanear haces de acceso aleatorio, pero requieren un control preciso de amplitud y fase de todas las antenas ópticas del conjunto, lo que dificulta el escalado. Hasta ahora, la mayoría de las OPA con una gran cantidad de píxeles y un gran campo de visión son solo matrices 1D. El escaneo en la dirección ortogonal se logra ajustando la longitud de onda utilizando un láser ampliamente sintonizable. Por ejemplo, Chung et al. demostraron un OPA 1D de 1024 elementos con 45° FoV en 2018 (ref. 13) y Poulton et al. demostró un OPA 1D de 8192 elementos con 100° FoV en 2020 (ref. 19). Se han informado OPA 2D con una gran cantidad de píxeles en plataformas MEMS21,22, pero su campo de visión suele ser pequeño, debido al gran paso de la matriz para acomodar los actuadores MEMS. Los rendimientos de algunos OPA de última generación se resumen en la Tabla 1 de datos ampliados.

Por el contrario, la FPSA utiliza un sistema óptico similar a una cámara que asigna cada ángulo dentro del FoV a un píxel en el plano focal posterior de una lente de imagen. En lugar de integrar una unidad de medida en cada píxel, la red de interruptores ópticos en la FPSA permite que todos los píxeles compartan una (o más) unidades de medida LiDAR. Cada píxel consiste solo en una antena óptica y un interruptor, lo que permite integrar una gran matriz en un solo chip. Se han demostrado FPSA a pequeña escala con decenas de píxeles utilizando interruptores de interferómetro Mach-Zehnder (MZI) ajustados térmicamente23,24,25,26,27,28,29. Sin embargo, su densidad de integración está limitada por la gran huella de los MZI y el alto consumo de energía de los cambiadores de fase termoópticos. Los interruptores fotónicos de silicio basados ​​en MEMS ofrecen muchas ventajas, incluido el tamaño reducido, la pérdida baja (pérdida casi nula en el estado APAGADO), el bajo consumo de energía y el tiempo de conmutación rápido. Estas ventajas se han demostrado en conmutadores ópticos a gran escala para redes de comunicaciones ópticas30,31. Recientemente se informaron escáneres de prueba de concepto con una pequeña cantidad de píxeles (≤400)32,33. Los rendimientos de los FPSA informados se resumen en la Tabla de datos ampliados 2 y en la Figura 1 de datos ampliados.

En este artículo, demostramos experimentalmente un LiDAR de imágenes FMCW de 16 384 píxeles con un MEMS fotónico de silicio de 128 × 128 elementos monolíticamente integrado (un subarreglo de 128 × 96 está conectado por cable y probado en experimentos). Con una lente compuesta de distancia focal de 5 mm, el sistema puede dirigir aleatoriamente el rayo láser a 16 384 direcciones distintas en un campo de visión de 70° × 70° con un ángulo de divergencia de 0,05° y un tiempo de conmutación de microsegundos. Hasta donde sabemos, este es el FPSA 2D integrado más grande jamás informado. Las imágenes en 3D se obtienen combinando la FPSA con el rango FMCW. El FPSA presentado aquí es altamente escalable. LiDAR de imágenes 3D de megapíxeles es posible aprovechando la escala similar a la ley de Moore que ha impulsado el crecimiento explosivo de los sensores de imágenes CMOS en las últimas décadas.

El esquema de la FPSA se muestra en la Fig. 1a. El principio de funcionamiento del escáner de haz se muestra en la Fig. 1b utilizando un FPSA 1D como ejemplo. Se coloca un conjunto de antenas ópticas en el plano focal posterior de una lente convexa con una distancia focal de f y cada antena se conecta a la fuente de luz de entrada por medio de un interruptor óptico. Cuando se enciende uno de los interruptores ópticos, la luz de entrada se dirige a la antena correspondiente. La luz emitida por la antena se convierte luego en un haz colimado por la lente. El ángulo entre el haz de salida y el eje óptico de la lente es θ = tan−1(−x/f), en el que x es la coordenada de la antena emisora ​​relativa al eje óptico. Al encender las antenas en diferentes ubicaciones, el haz de salida se puede dirigir a los ángulos correspondientes. El FoV es 2tan−1(L/2f), en el que L es el tamaño total de la matriz. El ángulo de divergencia del haz de salida se puede estimar mediante l/f, en el que l es el tamaño de una antena de rejilla individual. La resolución angular se puede estimar por p/f, en la que p es el tono de la matriz.

a, Esquema de vista en perspectiva del FPSA 2D con la lente y el haz de salida. La luz se acopla al chip FPSA por medio de uno de los puertos de entrada y luego se enruta a la antena de rejilla seleccionada activando los interruptores de selección de fila y selección de columna correspondientes. La lente convierte la luz emitida en un haz colimado. b, Esquema de un escáner de haz 1D FPSA que demuestra el principio de funcionamiento. c, Esquema de vista superior del diseño FPSA 2D. d, Esquemas de los interruptores ópticos MEMS y antenas de rejilla en los estados ON y OFF. En el estado ENCENDIDO, la punta de la guía de ondas del acoplador de polisilicio (verde) se tira hacia abajo cerca de las guías de ondas del bus (amarillo) para acoplar la luz a la antena de rejilla.

La arquitectura del FPSA 2D se muestra en la Fig. 1c usando una matriz de 4 × 4 como ejemplo. Cada antena óptica (rejilla) está conectada a una guía de ondas de fila por medio de un interruptor óptico MEMS (en adelante llamado interruptor de selección de columna) y cada guía de onda de fila está conectada a una de las dos guías de ondas de entrada por medio de un interruptor óptico MEMS (de aquí en adelante llamado interruptor de selección de columna). llamado interruptor de selección de fila). Para reducir el número total de señales de control de N2 a 2N en un FPSA N × N, utilizamos un esquema de direccionamiento de filas y columnas: todos los interruptores en la misma columna están conectados eléctricamente, mientras que el interruptor de selección de filas se direcciona individualmente. Al encender un interruptor de selección de fila y un interruptor de selección de columna, la luz de uno de los dos puertos de entrada se enruta a la antena de rejilla seleccionada y se emite al ángulo prescrito en el espacio libre.

Utilizamos un diseño de interruptor óptico MEMS similar a los informados en las refs. 30, 31, en el que la punta de un acoplador de polisilicio se mueve físicamente mediante un actuador MEMS electrostático para controlar la trayectoria de la luz, como se muestra en la Fig. 1d. El interruptor de selección de filas tiene dos actuadores que acoplan la luz entre las guías de ondas de entrada y de fila, mientras que el interruptor de selección de columnas tiene un solo actuador, ya que la rejilla está conectada directamente a la guía de ondas de polisilicio.

Diseñamos un FPSA de 128 × 128 elementos con un paso de 55 μm en ambas direcciones, por lo que el tamaño total de la matriz es de 7 × 7 mm2. El chip total, incluidas las guías de ondas de enrutamiento, los acopladores de entrada/salida y las almohadillas de unión, tiene un tamaño de 10 × 11 mm2. El dispositivo está fabricado en una oblea de silicio sobre aislante (SOI) con una capa de dispositivo de 220 nm de espesor. La Figura 2a–c muestra las imágenes del microscopio óptico de todo el chip, las celdas unitarias que comprenden antenas de rejilla e interruptores de selección de columnas, y los interruptores de selección de filas, respectivamente. Las micrografías electrónicas de barrido de la matriz se muestran en la Fig. 2d, con las vistas de primer plano de la celda unitaria y la antena de rejilla en la Fig. 2e, f, respectivamente. Las imágenes microscópicas confocales del dispositivo se muestran en Datos ampliados, Fig. 2. Las guías de ondas se definen en la capa del dispositivo de la oblea SOI mediante un grabado parcial. Las antenas de rejilla están modeladas en la capa de polisilicio con una forma curva de enfoque de alrededor de 10 × 5 μm2 de tamaño. La orientación y el período de rejilla de cada antena se adaptan individualmente para que el haz de salida apunte hacia el centro de la lente para aumentar la eficiencia de recolección de luz y reducir los efectos de aberración de la lente. Las eficiencias de emisión de todas las rejillas se mantienen por encima del 65%. Los detalles del diseño de la antena de rejilla se describen en Métodos y datos extendidos, Fig. 3. La lente del dispositivo (Thorlabs MVL5M23, f = 5 mm, F/2.8) asigna cada antena de rejilla a un ángulo de campo lejano distintivo, lo que da como resultado un ángulo de 70 ° × 70° FoV, resolución de 0,6° y ángulo de divergencia de 0,05°.

a–c, imágenes microscópicas que muestran el chip FPSA (a), las antenas de rejilla con interruptores de selección de columna (b) y el interruptor de selección de fila (c). d-f, micrografías electrónicas de barrido del chip FPSA (d), los interruptores de selección de columna (e) y las antenas de rejilla (f). Barras de escala: a, 2 mm; b y c, 40 μm; d, 100 µm; e, 20 µm; f, 4 micras.

El dispositivo FPSA fabricado está unido por cable a una matriz de rejilla de clavijas de cerámica (PGA) y controlado por una matriz de puerta programable en campo (FPGA) y una placa de circuito de controlador (los detalles se describen en Métodos). Debido al recuento limitado de pines de PGA, solo tres cuartas partes de las señales de direccionamiento de filas y todas las señales de direccionamiento de columnas están unidas, omitiendo cada cuarta fila de la FPSA.

Para demostrar la dirección del haz óptico, las antenas de rejilla de 128 × 96 con dirección eléctrica se encienden una a la vez. Las imágenes capturadas de la proyección del haz de salida en una pantalla de papel se superponen y se muestran en la Fig. 3a. Esto demuestra claramente que el FPSA fabricado puede dirigir el haz de salida a través del FoV de 70° × 70° según lo diseñado, aunque con una pequeña cantidad de puntos oscuros causados ​​por defectos menores en el dispositivo. Para demostrar la capacidad de dirección del haz de acceso aleatorio, programamos el FPSA para encender secuencialmente 475 antenas de rejilla seleccionadas para mostrar un logotipo 'Cal', como se muestra en la Fig. 3b. La Figura 3c muestra un patrón de campo lejano ampliado con el ráster del haz de salida escaneado a 100 kHz y capturado por un solo cuadro de la cámara infrarroja funcionando a 33 cuadros por segundo. También caracterizamos la calidad del haz midiendo el perfil del haz de campo lejano con una cámara infrarroja a 0,71 m de distancia de la lente. La Figura 3d muestra que el ancho completo medido a la mitad de la divergencia máxima del haz es de 0,050° × 0,049°, lo que coincide bien con el límite de difracción de la apertura de la lente. Los perfiles de haz medidos de más píxeles se muestran en Datos extendidos Fig. 4 y los resultados de medición de variación de potencia de salida se muestran en Datos extendidos Fig. 5. Los detalles de las configuraciones de caracterización óptica se describen en Métodos y Datos extendidos Fig. 6.

a, Patrón de dirección del haz proyectado en una pantalla de papel que muestra un FoV de 70° × 70°. b, Un patrón de logotipo 'Cal' escaneado con 475 direcciones de haz de salida distintas proyectadas en una pantalla de papel. c, patrón de dirección del haz ampliado capturado en el plano focal de una lente de Fourier. d, Perfil del haz medido a 0,71 m del escáner de haz FPSA. e, f, Respuestas dinámicas del interruptor de selección de filas (promedio de 22 mediciones de potencia óptica medidas en el puerto de caída) (e) y el interruptor de selección de columnas (promedio de 32 mediciones de potencia óptica medidas en el puerto pasante) ( f) en la FPSA. Las curvas rojas muestran la forma de onda del voltaje aplicado y las curvas azules muestran la potencia óptica medida.

Las respuestas temporales de los interruptores de selección de fila y selección de columna se caracterizan por medir la potencia óptica en los puertos de salida del interruptor mientras se aplica una señal de voltaje de onda cuadrada, como se muestra en la Fig. 3e, f, respectivamente. Los tiempos de respuesta de encendido y apagado del interruptor de selección de filas son de 1,1 μs y 0,6 μs, respectivamente. Los tiempos de respuesta del interruptor de selección de columna son ligeramente más largos (2,7 μs y 2,0 μs para el encendido y apagado, respectivamente), debido al diseño más compacto del actuador MEMS. Los resultados indican que el dispositivo puede funcionar a una frecuencia inferior a MHz para la dirección del haz, lo que es adecuado para escanear LiDAR.

Un LiDAR de imágenes se construye combinando el FPSA con un láser de frecuencia modulada y un receptor coherente. En la Fig. 4a se muestra un esquema del sistema, con más detalles descritos en la Fig. 7 de Métodos y datos extendidos. Los componentes del sistema de determinación de distancia FMCW están fuera del chip en esta demostración; sin embargo, también podrían integrarse en el chip, como lo demostraron Bhargava et al.34. Se generan chirridos de frecuencia lineal con una excursión de 8,6 GHz y un tiempo de rampa de 80 μs mediante la modulación directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB) de longitud de onda de 1550 nm con una forma de onda predistorsionada obtenida a partir de un método de aprendizaje iterativo35. La luz devuelta del objetivo se mezcla con una luz de referencia en el fotodetector. Luego, una transformada de Fourier extrae la frecuencia de latido que es proporcional a la distancia objetivo. Usamos una configuración monoestática en la que se usa la misma antena de rejilla en el FPSA para transmitir la luz FMCW y recibir la señal devuelta del objetivo.

a, Esquema del FMCW LiDAR con el escáner de haz FPSA. b, espectro FMCW LiDAR representativo con un objetivo a 0,84 m. c, d, Nubes de puntos e imágenes de cámara de los blancos compuestas por tres letras en el mismo plano (c) y en diferentes planos (d) a unos 0,8 m. e, f, espectros FMCW LiDAR representativos con objetivos a 5,5 m (e) y 10,8 m (f). g, h, Nubes de puntos e imágenes de cámara de objetivos a unos 5,2 m (g) y 10 m (h). Las nubes de puntos están codificadas por colores según los valores de las coordenadas z.

Para demostrar las imágenes en 3D, utilizamos una lente F/1,4 de distancia focal de 25 mm (Navitar SWIR-25) con FPSA, logrando un FoV de 16° × 16° y una resolución de direccionamiento de 0,13°. Los objetivos reflectantes hechos de materiales similares a los que se utilizan para las señales de tráfico se colocan a distancias de aproximadamente 0,8 m, 5 my 10 m de la lente de formación de imágenes. El haz de salida se escanea secuencialmente en el FoV. La resolución de alcance de LiDAR es de 1,7 cm y la potencia de salida en la lente del dispositivo es de aproximadamente 1 mW para las mediciones de 0,8 my 2 mW para las mediciones de 5 my 10 m. Los espectros de señal de latido de ejemplo de las mediciones FMCW LiDAR se muestran en la Fig. 4b, e, f y las nubes de puntos medidas se muestran en las Figs. 4c, d, g, h. Se logra una buena fidelidad de imagen 3D con una resolución lateral igual a la del FPSA y una resolución de distancia que concuerda bien con la excursión de frecuencia.

Para aumentar aún más la resolución, podemos aumentar el tamaño del chip y/o reducir la huella del píxel. La huella del píxel actual (55 × 55 μm2) se puede reducir optimizando el diseño de los actuadores MEMS y los acopladores de interruptores. Es factible reducir el píxel a 10 × 10 μm2 para megapíxeles LiDAR con un FPSA de 1 × 1 cm2, lo que mejorará la resolución angular a 0,11° con una lente f = 5 mm o 0,02° con una lente f = 25 mm . Para tal FPSA de alta resolución, es importante minimizar la pérdida del interruptor, ya que hay una gran cantidad de interruptores (1000) a lo largo de cada fila. Una característica destacada de nuestro FPSA es que los interruptores accionados por MEMS tienen una pérdida casi nula en el estado APAGADO (la única pérdida es la pérdida de propagación de la guía de ondas), a diferencia de los interruptores termoópticos basados ​​en MZI. Esto hace posible mantener baja la pérdida de inserción óptica para FPSA de alta densidad. El FPSA se fabrica utilizando procesos de semiconductores estándar y se puede producir en masa en fundiciones comerciales de CMOS.

Una ventaja única del FPSA LiDAR es su flexibilidad. El FoV y la resolución angular se pueden ajustar fácilmente seleccionando lentes de imágenes con diferentes distancias focales, aprovechando la gran biblioteca de lentes de cámara bien optimizados diseñados para una amplia gama de distancias focales y tamaños de sensores de imagen. Por ejemplo, las lentes compactas de las cámaras de los teléfonos móviles son adecuadas para chips FPSA pequeños que buscan un espacio reducido y un campo de visión grande, mientras que las lentes diseñadas para cámaras profesionales son adecuadas para chips FPSA grandes que buscan una divergencia baja y una resolución angular alta. También se puede lograr un campo de visión completo de 180° o incluso mayor con lentes de ojo de pez.

Hemos presentado el rendimiento de un LiDAR de imágenes a gran escala (16 384 píxeles) utilizando un FPSA fotónico de silicio de 128 × 128, en el que un subarreglo de 128 × 96 está conectado por cable y probado en experimentos. La antena de rejilla en cada píxel está controlada digitalmente por un interruptor óptico MEMS integrado dentro de un área de 55 × 55 μm2. La dirección del haz de acceso aleatorio con un FoV de 70° × 70°, una resolución de direccionamiento de 0,6° en ambas direcciones, una divergencia del haz de 0,05° y una velocidad de funcionamiento inferior a MHz se logra con una imagen de longitud focal de 5 mm lente. También se han demostrado imágenes en 3D con una resolución de rango de 1,7 cm. La resolución angular del sistema actual se puede aumentar aún más mediante la optimización del diseño óptico y la tecnología de fabricación. Además de las aplicaciones de detección 3D, el FPSA también se puede utilizar en otras aplicaciones que requieren la dirección del haz óptico, como la comunicación óptica en el espacio libre36 y el cálculo cuántico de iones atrapados37.

Datos ampliados La Tabla 1 compara el rendimiento de los OPA de última generación informados en la literatura. La tabla 2 de datos ampliados y la figura 1 de datos ampliados comparan el rendimiento de las FPSA informadas aquí con otras FPSA 1D y 2D informadas en la literatura. Tenga en cuenta que, aunque algunos de los FPSA y OPA 1D utilizan el ajuste de longitud de onda para dirigir el haz en la dirección ortogonal, aquí solo resumimos sus actuaciones de dirección del haz en la dirección FPSA u OPA.

El proceso de fabricación del dispositivo FPSA comienza con un proceso fotónico de silicio estándar en SOI, seguido de la deposición y el patrón de una capa adicional de polisilicio para actuadores MEMS, guías de ondas de acoplador de polisilicio y antenas de rejilla, similar a la descrita en la ref. 30. Datos ampliados La Figura 2 muestra imágenes microscópicas confocales del dispositivo FPSA fabricado.

Los perfiles de haz de campo lejano de 13 píxeles además del que se muestra en la Fig. 3d se miden con una cámara infrarroja a una distancia de 0,71 m de la lente (la misma condición que para la Fig. 3d) y los perfiles de haz y Las secciones transversales se muestran en Datos extendidos, Fig. 4. Los resultados muestran que los ángulos de divergencia del haz son consistentes en toda la matriz, con una divergencia promedio de 0,048° × 0,047° y una desviación estándar de 0,0026° × 0,0029°.

La potencia de salida de espacio libre de 256 píxeles (128 píxeles en la fila 22 y 128 píxeles en la fila 62) del escáner de haz FPSA después de medir la lente del dispositivo con un medidor de potencia óptica y los histogramas de la potencia óptica normalizada se muestran en Datos extendidos Fig. 5. Los datos muestran que 105 de 128 píxeles (82 %) en la fila 22 y 86 de 128 píxeles (67 %) en la fila 62 tienen una variación de potencia de salida de 5 dB. La variación de la potencia de salida se debe en parte a la variación de las pérdidas ópticas; es decir, la luz emitida por antenas de rejilla en diferentes ubicaciones experimenta diferentes pérdidas de propagación de guía de ondas, pérdidas de emisión de rejilla y pérdidas de recolección de lentes, que se analizarán con más detalle en la sección 'Eficiencia óptica'. Las imperfecciones de fabricación también contribuyen a la variación de potencia de salida. Reducir las pérdidas ópticas y mejorar el proceso de fabricación ayudará a mejorar la uniformidad de potencia. Los píxeles sin potencia de salida medida (correspondientes a puntos oscuros en la Fig. 3a) son atribuibles a actuadores MEMS dañados o conexiones eléctricas causadas por imperfecciones de fabricación y manejo, y esperamos que el rendimiento se pueda mejorar en gran medida con fundiciones profesionales de nanofabricación.

Las antenas de rejilla están modeladas en la capa de polisilicio de 350 nm de espesor con un grabado parcial de 250 nm. Cada antena de rejilla tiene siete ranuras con un ancho constante de 290 nm. Personalizamos los períodos de rejilla de acuerdo con las ubicaciones de rejilla en la matriz para que la luz de salida se dirija hacia el centro de la apertura de la lente. Esto aumentará la eficiencia de recolección de la lente y reducirá las aberraciones. Los resultados de la simulación de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) del ángulo de emisión de la rejilla y la eficiencia en función del período de la rejilla se muestran en Datos extendidos Fig. 3. Las simulaciones muestran que la eficiencia de la emisión de la rejilla disminuirá notablemente cuando la salida esté cerca. a 0° (dirección vertical). Por otro lado, el ancho del patrón de rejilla se acercará al tamaño mínimo de la característica de nuestra litografía (ASML DUV Stepper Model 5500/300) cuando el ángulo de salida sea inferior a −20°. Teniendo en cuenta estas compensaciones, establecemos las direcciones de salida de las antenas de rejilla para que sean de −10° a −20° desde la dirección vertical, lo que corresponde a períodos de rejilla en el rango de 550 a 580 nm. Esto no es de ninguna manera un límite fundamental para el diseño de antenas de rejilla, y se puede lograr una mayor eficiencia de emisión con un diseño optimizado de geometría de rejilla38,39.

Las pérdidas ópticas en el chip del FPSA reportadas aquí provienen principalmente de tres fuentes: (1) pérdida de propagación de la guía de ondas (3,8 dB cm−1); tenga en cuenta que las antenas de rejilla en diferentes ubicaciones están conectadas a diferentes longitudes de guía de ondas y, por lo tanto, tienen diferentes pérdidas de propagación de guía de ondas; (2) pérdida del interruptor de selección de fila (2 dB) y pérdida del interruptor de selección de columna (2,5 dB); (3) pérdida de emisión de la antena de rejilla (alrededor de 1,9 dB, dependiendo de las ubicaciones de la antena de rejilla, como se muestra en la Fig. 3 de datos ampliados). Por ejemplo, una antena de rejilla con una guía de ondas de 1 cm tiene una pérdida en el chip de 10,2 dB. Al optimizar los parámetros en el proceso de fabricación para el mismo diseño de dispositivo, podemos reducir la pérdida de propagación de la guía de ondas a 1 dB cm−1 y las pérdidas del interruptor a menos de 1 dB para los interruptores de selección de fila y selección de columna, por lo tanto, el encendido -La pérdida de chip de una antena de rejilla con una guía de ondas de 1 cm se puede reducir a 4,9 dB. La eficiencia óptica en el chip se puede mejorar aún más mediante la optimización del diseño de las antenas de rejilla y los actuadores de conmutación MEMS.

Además de las pérdidas en el chip, la configuración LiDAR demostrada también tiene dos pérdidas fuera del chip: (1) pérdida de acoplamiento de fibra a chip (5 dB para cada acoplamiento) y (2) pérdida debido a la transmisión limitada de la lente del dispositivo y eficiencia de recolección de la luz emitida por la antena de rejilla (un total de aproximadamente 3 dB). La pérdida de acoplamiento de fibra a chip puede eliminarse si los componentes del sistema de medición de distancia LiDAR están integrados en el chip34. La pérdida de la lente del dispositivo se puede reducir aplicando un revestimiento antirreflectante para la longitud de onda operativa, así como mejorando el diseño óptico para que coincida mejor con la apertura de la lente con el patrón de emisión de la antena de rejilla.

El chip FPSA está conectado y conectado por cable a un PGA cerámico de 256 pines. Debido a la matriz de fibra en el plano para el acoplamiento de E/S ópticas, la matriz de fibra bloquea algunos pads eléctricos en el PGA, por lo tanto, el número total de pads disponibles es menor que las señales de control requeridas (256 + tierra). En lugar de perder un bloque contiguo de la matriz, cada cuarta fila de la matriz se omite para la unión de cables, mientras que todas las columnas están unidas por cables, por lo que se prueba un subarreglo de 128 × 96 en los experimentos. Una placa de circuito controlador con dos chips HV583 (convertidor de serie de bajo voltaje a paralelo de alto voltaje de 128 canales) genera las señales de control eléctrico para el FPSA y la salida es controlada por un FPGA. La placa de circuito del controlador puede actualizar la señal de control eléctrico FPSA a una velocidad de hasta 1,25 MHz para la dirección del haz de acceso aleatorio. La luz se acopla entre la configuración óptica externa basada en fibra y el chip FPSA utilizando una matriz de fibra fuera del chip y acopladores de rejilla en el chip.

Los patrones de dirección del haz en el FoV de 70° × 70° que se muestra en la Fig. 3a, b se capturan al proyectar el haz de salida de la lente de distancia focal de 5 mm en una hoja de papel como una pantalla difusora y obtener imágenes de la pantalla. patrón usando una cámara infrarroja (Xenics Bobcat 320) con una lente gran angular de 3,5 mm de longitud focal. La configuración óptica se muestra en Datos extendidos Fig. 6a.

El patrón de dirección del haz de campo lejano ampliado que se muestra en la Fig. 3c se mide recopilando el haz de salida de la lente del dispositivo utilizando una lente de distancia focal de 30 mm como lente de Fourier y capturando la distribución de intensidad en el plano focal de la lente de Fourier utilizando el sensor de la cámara infrarroja, que es efectivamente la distribución de intensidad de campo lejano del escáner de haz. La configuración óptica se muestra en Datos extendidos Fig. 6b.

Los perfiles de haz que se muestran en la Fig. 3d y la Fig. 4 de datos extendidos son capturados por el sensor de la cámara de infrarrojos desnudo a una distancia de 0,71 m de la lente del dispositivo, y la configuración óptica se muestra en la Fig. 6c de datos extendidos.

La configuración óptica y eléctrica para la demostración de imágenes en 3D se muestra en Datos extendidos Fig. 7. El láser DFB (Optilab DFB-1550) tiene modulación de frecuencia lineal mediante una forma de onda de corriente predistorsionada obtenida mediante el proceso de predistorsión de aprendizaje iterativo35. Un amplificador de fibra dopada con erbio aumenta la potencia óptica para compensar la pérdida a lo largo del camino óptico. La luz amplificada pasa a través de un circulador de fibra y luego se divide en dos caminos por un divisor 50/50 para las dos guías de onda de entrada (para mediciones LiDAR de 5 m y 10 m, la luz se acopla a una de las guías de onda de entrada). La luz se acopla al chip FPSA por medio de una matriz de fibra pulida en ángulo y acopladores de rejilla en el chip, y luego se dirige al objetivo desde una de las antenas de rejilla a través de la lente de imagen. La misma antena de rejilla en el FPSA recibe la luz devuelta del objetivo y se vuelve a acoplar a la matriz de fibra. La faceta de la matriz de fibra y la superficie del acoplador de rejilla en el chip FPSA juntas tienen alrededor de −34 dB de reflexión, que se utiliza como ruta de referencia (oscilador local) del FMCW LiDAR. La luz de referencia y de la sonda pasa a través del circulador al fotodetector (Thorlabs PDB480C-AC), generando una señal de pulso muestreada por un convertidor de analógico a digital (National Instruments PXIe-5114). Los datos se transfieren a una computadora portátil y la frecuencia de latido que es proporcional a la distancia objetivo se extrae mediante la realización de una transformada rápida de Fourier. Para cada dirección del haz, las mediciones de distancia se repiten diez veces y los resultados se promedian para aumentar la precisión de la medición. El chip FPSA también es controlado por la computadora portátil por medio del FPGA y la placa de circuito del controlador.

Los datos utilizados para producir los gráficos de este documento y los gráficos de datos ampliados están disponibles en Dryad con el identificador https://doi.org/10.6078/D1HB0C.

El código utilizado para analizar los datos y producir los gráficos está disponible en Dryad con el identificador https://doi.org/10.6078/D1HB0C.

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Este proyecto de investigación está financiado por el programa Bakar Fellows de UC Berkeley. Los dispositivos se fabrican en el Laboratorio de Nanofabricación Marvell en UC Berkeley. Agradecemos a V. Stojanovic y P. Bhargava por sus útiles debates, ya J. Tremblay y K. Yu por el diseño de la placa de circuito del controlador.

Estos autores contribuyeron por igual: Xiaosheng Zhang, Kyungmok Kwon

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad de California, Berkeley, Berkeley, CA, EE. UU.

Xiaosheng Zhang, Kyungmok Kwon, Johannes Henriksson, Jianheng Luo y Ming C. Wu

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XZ contribuyó al diseño de la disposición de la FPSA, probó las caracterizaciones ópticas de los dispositivos y realizó las mediciones LiDAR. KK contribuyó al diseño de la disposición de la FPSA, fabricó los dispositivos y probó el rendimiento mecánico de los dispositivos. JH contribuyó al diseño del interruptor óptico MEMS y las simulaciones ópticas. JL contribuyó al diseño de interruptores ópticos MEMS y simulaciones mecánicas. MCW concibió la arquitectura FPSA y supervisó el proyecto.

Correspondencia a Ming C. Wu.

Todos los autores, con la excepción de JH y JL, son accionistas de nEYE Systems Inc., una empresa emergente que fabrica sensores 3D.

Nature agradece a Hongyan Fu y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Los arreglos 1D y 2D se indican con puntos y cuadrados, respectivamente, y este trabajo se indica con una estrella.

a, Imagen microscópica confocal que muestra las antenas de rejilla con interruptores de selección de columna. b, Imagen microscópica confocal que muestra el interruptor de selección de fila.

El ángulo de emisión y la eficiencia en función del período de rejilla se simulan para una antena de rejilla curva de enfoque de 10 μm × 5 μm de tamaño. La región sombreada en verde muestra los períodos de rejilla seleccionados para el diseño de antena de rejilla FPSA.

Los perfiles de haz se miden a 0,71 m de distancia del escáner de haz FPSA.

La potencia de salida se mide a partir de 128 píxeles en la fila 22 (a) y 128 píxeles en la fila 62 (b). Las barras a −27 dB representan píxeles sin potencia de salida medida.

a, Esquema de la configuración para capturar el patrón de dirección del haz en el FoV de 70° × 70°. b, Esquema de la configuración para capturar el patrón de dirección del haz ampliado. c, Esquema de la configuración para medir los perfiles de viga.

El LiDAR funciona en una configuración monoestática, en la que se usa la misma antena de rejilla en el FPSA para transmitir la luz FMCW y recibir la señal devuelta del objetivo.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Zhang, X., Kwon, K., Henriksson, J. et al. Un LiDAR fotónico de silicio basado en sistemas microelectromecánicos a gran escala. Naturaleza 603, 253–258 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

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Recibido: 03 Septiembre 2021

Aceptado: 12 de enero de 2022

Publicado: 09 marzo 2022

Fecha de emisión: 10 de marzo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04415-8

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