激光雷達（LiDAR）已成為自動駕駛汽車領域極具前景的解決方案。在光束偏轉機制方面，采用微機電系統（MEMS）和光學相控陣（OPA）的固態激光雷達，已被證明是相較于采用360°旋轉反射鏡的機械式激光雷達更加穩健且緊湊的替代方案。二維（2D）光學超構表面可通過調控相移來改變激光雷達的光束偏轉角度。如果激光雷達系統僅需固定光束方向，則可采用靜態超構表面；如果激光雷達系統需要光束掃描，則必須使用動態（可調諧）超構表面以實現高效和靈活的操作。
據麥姆斯咨詢報道，近日，美國橋水州立大學（Bridgewater State University）研究團隊在Sensors期刊上發表了題為“A Review of Solid-State LiDAR Principles and Metasurface-Based LiDAR Sensors”的綜述論文，探討了超構表面光束偏轉機制的基本原理，并闡述了超構表面如何調控入射光的相位和偏轉角度。基于超構表面的激光雷達憑借其平面光學特性、魯棒性以及無機械運動部件等特性，提供了極具前景的解決方案。此外，研究人員還討論并比較了基于超構表面的激光雷達的視場角（FOV）。激光雷達系統中的可調諧超構表面對于實時光束掃描至關重要，與傳統機械掃描機制相比，它具備掃描速度更快、可靠性更高、結構更緊湊以及視場角更寬廣等顯著優勢。
激光雷達原理
假設目標為理想朗伯體（hard-Lambertian object），接收器收到的激光雷達信號可按以下方式計算：朗伯表面是指一種物理表面，無論從何種角度觀測，都能將光線均勻地反射向各個方向。存在兩種典型方案（如圖1）：（a）接收器視場角全覆蓋（FOV-filled），即整個接收范圍被入射信號完全覆蓋；（b）接收器視場角未完全覆蓋（FOV-underfilled），即接收器感光面積大于輸入信號范圍且未被完全覆蓋。
圖1 理想朗伯體兩種方案示意圖
飛行時間（ToF）激光雷達的工作原理是測量從發射器（TX，即激光器）發射的光脈沖經目標物體反射到接收器（RX，探測器）所檢測到的時間間隔。幅度調制連續波（AMCW）激光雷達采用連續激光束代替脈沖激光束；AMCW激光雷達測量發射器調制幅度與接收器探測到的幅度之間的相位差。頻率調制連續波（FMCW）激光雷達則使用頻率在特定范圍內振蕩的連續激光束；FMCW激光雷達采用相干探測技術，即將接收器探測到的頻率與發射器發出的參考信號頻率進行比較。
圖2 三類激光雷達的探測原理對比
激光雷達掃描平臺
機械掃描式激光雷達系統由處理器控制電機驅動旋轉鏡，該旋轉鏡具有脈沖激光系統，從而實現360°視場。圖3展示了機械式激光雷達的示意圖。該技術的優點在于其歷史悠久且技術最成熟，但其笨重的結構限制了可擴展性。如果缺乏合適的光學元器件，可能需要配備多對激光器和探測器，這也導致其成本高昂。
圖3 機械掃描式激光雷達系統示意圖
第二種技術路線是微機械或MEMS激光雷達，利用基于MEMS的反射鏡來掃描環境。如圖4所示，其采用一維（1D）MEMS反射鏡與多臺激光器，生成垂直光線并實現水平掃描。該技術已達到半成熟階段，與機械旋轉式激光雷達相比，其制造可擴展性更強、成本更低，但在車規可靠性方面存在挑戰。
圖4 MEMS激光雷達系統示意圖
第三種技術路線是采用集成光子學與OPA相結合的固態激光雷達。OPA由激光器和用于分光的功率分路器構成。圖5展示了OPA的示意圖。OPA系統是目前成本最低、魯棒性最強的激光雷達方案。其硅基制造技術非常成熟，這也允許極高的制造可擴展性，盡管這些器件的設計技術仍受到一定限制且處于半成熟階段。
圖5 OPA激光雷達系統示意圖
超構表面
超構表面是一種人工設計的二維結構，由周期性或準周期性排列的亞波長結構單元組成，這些亞波長結構單元可在其界面處靈活調控光的振幅、相位或偏振。與制備難度大的傳統三維（3D）超構材料不同，超構表面具有平面化平臺和緊湊型結構，因此更易集成到其它光電子和光子系統中。
圖6 用于光束偏轉的硅基超構表面設計
超構表面依賴于先進的光刻技術（例如電子束光刻、等離子體蝕刻、原子層沉積）制備而成。根據設計標準，部分超構表面在制備完成后即具有固定的光學電磁響應，這類結構稱為靜態超構表面。反之，如果超構表面被設計成為可在制備后可通過外部激勵來改變其功能，這類結構則稱為動態（可調諧）超構表面。
圖7 超構表面示例
靜態超構表面為特定應用（例如具有預設功能的鏡頭、濾光片和偏振器）提供固定的波前調控能力。靜態超構表面可作為超構透鏡用于光束偏轉，可提供超過150°的寬視場角。此外，靜態超構表面還可用于回波信號帶通濾波、光束分割與合并以及光束整形。
圖8 靜態超構表面示例
動態（可調諧）超構表面為緊湊、高速、高分辨率的激光雷達系統提供可變化的光束偏轉與波前調控。動態超構表面材料的光學特性可以通過電、熱、光和機械等外部激勵來調控，從而實現快速、高效且精確的光調制。
圖9 動態（可調諧）超構表面示例
基于超構表面的激光雷達傳感器
這篇綜述中介紹了多項基于超構表面的激光雷達研究進展。Chang等研究人員通過將超構透鏡與硅光子微環發射器陣列相結合，實現了二維光束偏轉（如圖10a）。Martins等研究人員展示了利用大面積超構表面作為窄視場（low-FOV）光源的偏轉角放大器，可實現150°的寬視場（如圖11a）。Park等研究人員演示了電可調諧超構表面陣列的360°連續掃描，該陣列探測距離可達4.7 m；該系統采用帶鋁鏡的納米諧振器作為單端口諧振器，并測得其反射系數r（如圖12a）。利用超構表面作為偏振分束器以增強系統視場，從而實現精確的距離測量和速度測量（如圖13a）。
圖10 Chang等人研發的基于超構表面的激光雷達傳感器
圖11 Martins等人研發的基于超構表面的激光雷達傳感器
圖12 Park等人研發的基于超構表面的激光雷達傳感器
圖13 基于超構表面的激光雷達傳感器示例
總結及展望
展望未來，為實現緊湊、高速且低成本的激光雷達，需將III-V族激光二極管、超構表面光束轉向平臺以及高速探測器集成于單芯片上。盡管硅基超構表面和鍺基探測器可直接在硅襯底上單片生長，但III-V族激光二極管的集成卻頗具挑戰。目前，諸如單片集成和異質集成等III-V族激光器在硅平臺上的集成技術已得到廣泛研究，以實現激光器結構的有源區與硅材料的高效耦合。將垂直腔面發射器（VCSEL）等III-V族激光器倒裝鍵合至硅平臺，可實現高輸出功率、低閾值電流及穩定運行。總體而言，在硅平臺上實現硅基超構表面與III-V激光器的異質集成，是未來固態激光雷達傳感應用極具潛力的解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/s26010001
