用於非機械光束操縱和掃描的微型硅光子芯片
隨著高級駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛（AV）技術的發展，人們總是希望可以實現更快的探測、傳輸和計算，以實現更快的環境感知，從而為更安全的駕駛決策提供冗餘。所謂“天下武功，唯快不破”。不過更快或許並不總是好事，尤其是對於採用先進技術的3D傳感領域。3D傳感在自動駕駛、機器人、無人機以及安防系統等領域的應用越來越廣泛，研究人員正在努力探尋一種緊湊且易於使用的3D傳感器。
據麥姆斯諮詢報道，日本橫濱國立大學（Yokohama National University）的一支研究小組開發了一種利用晶格位移光子晶體波導（lattice-shifted photonic crystal waveguide, LSPCW）慢光來打造3D傳感器的方案，這對於通常速度優先級較高的3D傳感領域可謂出人意表。
激光雷達（LiDAR）傳感器利用發射激光束來測量與物體之間的距離，繪製周圍環境的3D地圖。目前的激光雷達系統中，大多包含一個激光源；一個將光信號轉換為電信號的光電探測器；以及將激光束引導到目標位置的光束操縱裝置。
該研究成果負責人橫濱國立大學電氣與計算機工程系教授Toshihiko Baba說：“大部分激光雷達系統目前的光束操縱都採用了某種機械結構，例如旋轉鏡。這使得設備體積較大、笨重、整體速度有限、成本也很高。所有這些缺點同時也使激光雷達系統的穩定性堪憂，尤其是對於汽車等移動應用，這阻礙了激光雷達傳感器的更廣泛應用。”
近年，越來越多的激光雷達創新廠商開始轉向光學相控陣技術，這種技術無需機械部件即可引導並操縱光束。不過，Toshihiko Baba對此也持保留態度，他認為由於光學相控陣所需要的光學天線數量龐大，加上校準每個天線所需要的時間和精度，這種方案可能會變得非常複雜。
Toshihiko Baba說：“在我們的這項研究中，我們採用了另一種稱之為‘慢光’的技術方案。”
Toshihiko Baba及其團隊採用了一種特殊的“光子晶體波導”。當激光與這種光子晶體相互作用時，會被放慢併發射到自由空間。研究人員利用一種稜鏡透鏡，操縱光束指向所需要的方向。
光子晶體是折射率按照週期性分佈的一種新型人工材料，其主要特徵是具有光子禁帶和光子局域。根據光子局域理論，若在光子晶體中引線缺陷，光子帶隙中會出現局域化的缺陷模式，頻率落在缺陷態中的光波將呈現很強的局域態，因而只能沿線缺陷傳播，從而形成光子晶體波導。由於光子晶體波導布里淵區邊界存在強烈的結構色散，會產生較為平坦的缺陷模式，群速度較小，從而形成慢光。
光子晶體慢光結構與其它慢光結構相比具有更多的優點。光子晶體慢光系統可在常溫下操作，不受溫度限制，有利於光學器件集成，而且，光子晶體利用結構色散來實現慢光，工作波長不受材料的限制，理論上可實現任意波長的慢光，具有更大的潛在帶寬，因此光子晶體慢光系統備受關注。
“非機械式光束操縱對於激光雷達傳感器至關重要。”Toshihiko Baba說。
慢光光束操縱器件和2D光束操縱示意圖。（a）淺光柵LSPCW，可提高上發射強度；（b）通過LSPCW陣列和稜鏡透鏡進行的2D光束操縱，可在較寬的θ範圍內保持準直條件；（c）通過在陣列中選擇一個LSPCW沿φ方向進行光束操縱；（d）通過使用稜鏡將θ轉換為θ’並切換LSPCW上的光入射，實現沿±θ’方向（包括θ’= 0°）的連續光束操縱 。
Toshihiko Baba及其團隊提出了一種基於LSPCW的固態2D光束操縱器件，可成為實現硅光子非機械激光雷達系統的關鍵。在這項研究中，硅淺刻蝕光柵將上發光效率提高了2~8倍，稜鏡透鏡維持了操縱範圍內的準直條件，並轉換了光束角，從而可通過切換光入射方向將連續操縱範圍擴大一倍。
該研究方案最終獲得的器件體積非常小巧，沒有任何運動的機械結構，為開發純固態激光雷達奠定了基礎。這種純固態激光雷達可以尺寸更小、靈活性更高、成本更低，特別適用於自動駕駛汽車等移動應用。
接下來，Toshihiko Baba及其團隊將充分證明這種純固態激光雷達的潛力，並進一步提高其性能，最終目標是將其商業化。
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