大规模微电机电系统的基于硅光子学LIDAR

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　　扩展数据表1比较了文献中报道的最先进的OPA的性能。扩展数据表2和扩展数据图1将此处报告的FPSA的性能与文献中报道的其他1D和2D FPSA进行了比较。请注意，尽管某些1D FPSA和OPA中的某些使用波长调谐将梁沿正交方向引导，但在这里，我们仅在FPSA或OPA方向上汇总了它们的梁弯曲性能。　　FPSA设备的制造工艺从SOI上的标准硅光子过程开始，然后是MEMS执行器，多硅耦合器波导和刺激天线的额外的多硅层层的沉积和图案，类似于参考文献中所述。30。扩展数据图2显示了制造的FPSA设备的共聚焦显微镜图像。　　除了图3D中所示的13个像素外的远场梁曲线以距离镜头为0.71 m的红外摄像头（与图3D相同的条件）和横截面显示在扩展的数据4中显示的光束差异7在范围7中显示0. 0. 0. 0. 0.标准偏差为0.0026°×0.0029°。　　FPSA梁扫描仪的256个像素（第22行22和128像素中的128像素和128像素）的自由空间输出功率在设备镜头之后通过光学功率计和归一化光学功率的直方图测量的扩展数据显示。输出功率变化5 dB。输出功率变化部分是由光损耗的变化引起的。也就是说，从不同位置的螺旋天线发出的光经历了不同的波导传播损失，发射损失和镜头收集损失，这将在“光学效率”部分中进一步讨论。制造缺陷也有助于输出功率变化。减少光损失并改善制造过程将有助于提高功率均匀性。没有测量的输出功率的像素（对应于图3a中的暗斑）归因于受损的MEMS执行器或由制造和处理缺陷引起的电气连接，我们希望通过专业的纳米制剂铸造厂可以在很大程度上提高产量。　　光栅天线在350 nm厚的多硅层层上具有250 nm的部分蚀刻。每个光栅天线具有七个凹槽，恒定宽度为290 nm。我们根据阵列中的光栅位置自定义光栅周期，以便输出灯针对镜头光圈的中心。这将提高镜头收集效率并降低畸变。在扩展数据中显示了光栅发射角和效率随着光栅周期的函数的有限差分时间域（FDTD）模拟结果。另一方面，当输出角度小于-20°时，光刻宽度将接近我们光刻的最小特征大小（ASML DUV步进5500/300）。考虑到这些权衡，我们将光栅天线的输出方向设置为距垂直方向的-10°至-20°，对应于550-580 nm范围内的光栅周期。这绝不是光栅天线设计的基本限制，并且通过优化的光栅几何设计设计可以实现更高的发射效率38,39。　　此处报道的FPSA的片上光损耗主要来自三个来源：（1）波导传播损失（3.8 dB cm-1）；请注意，在不同位置的光栅天线连接到不同的波导长度，因此具有不同的波导传播损失。（2）行选择 - 开关损耗（2 dB）和柱状切换损失（2.5 dB）；（3）天线发射损耗（约1.9 dB，取决于光栅天线位置，如图3所示）。例如，具有1厘米波导的光栅天线的片上损失为10.2 dB。通过为同一设备布局的制造过程中的参数优化，我们可以将波导传播损失降低到1 dB cm-1，而对于行截面和列截面开关的开关损耗均小于1 dB，因此，用1 cM波导的芯片上的芯片损失可以将1 cm波导的片段损失降低至4.9 db。片上光学效率可以通过优化螺纹天线和MEMS开关执行器的设计进一步提高。　　除了芯片损失外，所示的激光雷达设置还具有两个外片损耗：（1）纤维到芯片耦合损失（每个耦合5 dB）和（2）由于设备透镜的透射率和收集效率有限，因此损失了，损失了，并收集了栅格发射天线发射光（总计3 db）。如果将LIDAR范围系统组件集成在CHIP34上，则可以消除纤维到芯片耦合损耗。可以通过在操作波长中施加抗反射涂层来减少设备镜头损耗，并改善光学设计以更好地匹配镜头孔径与光栅天线发射模式。　　将FPSA芯片连接到256针陶瓷PGA上。由于用于光学I/O耦合的平面纤维阵列，PGA上的一些电垫被纤维阵列阻塞，因此可用垫的总数小于所需的控制信号（256+接地）。除了缺少阵列的连续块，阵列的每个第四行都会跳过电线键合，而所有列都是电线粘合的，因此在实验中测试了128×96个子阵列。具有两个HV583的驾驶员电路板（128通道低压串行到高压并行转换器）芯片会生成FPSA的电气控制信号，并且输出由FPGA控制。驾驶员电路板可以以高达1.25 MHz的速度更新FPSA电气控制信号，以进行随机访问光束转向。使用片外纤维阵列和片上光栅耦合器，将光耦合在基于外部光纤的光学设置和FPSA芯片之间。　　图3A所示的70°×70°FOV中的光束传导模式是通过将输出光束从一张纸上的5 mm-cocal长度镜头投射为扩散器屏幕的，并使用3.5mm-MM-MM-MM-Focal-Focal-Focal-Forcal-Fenge-Enterge-Fenth-egnth-glad-angens-angy-angy-angy-angy-angy-angy-angens-angens-angens-lens将屏幕图案作为扩散器屏幕进行成像。光学设置显示在扩展数据中图6A中。　　图3C中所示的远场梁驱动图案是通过使用30毫米 - 焦距长度镜头作为傅立叶透镜从设备镜头中收集的输出梁来测量的，并使用红外摄像机传感器捕获傅立叶镜头焦平面上的强度分布的强度分布，这实际上是远场强度梁扫描仪的远场强度。光学设置显示在扩展数据中图6B中。　　图3D和扩展数据中所示的光束轮廓图4由裸露的红外摄像头传感器捕获，距离设备镜头0.71 m，并且光学设置在扩展数据中显示。　　在扩展数据中显示了3D成像演示的光学和电气设置。图7显示。DFB激光器（OPTILAB DFB-1550）通过迭代学习前术前过程获得的预先延续的电流波形线性调节频率35。掺杂的纤维放大器增强了光学功率，以补偿沿光路的损失。放大的光穿过纤维循环器，然后通过50/50的分离器将两个输入波导（用于5 m和10 m的激光痛测量值）分成两条路径，将光耦合到其中一个输入波导中）。通过成角度的抛光纤维阵列和片上光栅耦合器将光与FPSA芯片耦合，然后通过成像镜从一个光栅天线从一个镜头引导到目标。来自目标的返回的光是由FPSA上的同一光栅天线接收的，并耦合回纤维阵列。FPSA芯片上的纤维阵列方面和光栅耦合器的表面在一起具有约-34 dB的反射，用作FMCW Lidar的参考路径（本地振荡器）。参考光和探针光通过循环器到达光电探测器（Thorlabs pdb480c-ac），产生由模数转换器采样的节拍信号（国家仪器PXIE-5114）。数据传输到笔记本电脑，通过执行快速的傅立叶变换来提取与目标距离成比例的节拍频率。对于每个光束方向，重复距离测量值十次，并将结果平均以提高测量精度。FPSA芯片还由笔记本电脑通过FPGA和驾驶员电路板控制。

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