更快并不总是更好，尤其是在采用先进技术的3D传感器方面。随着在自动驾驶汽车、机器人和无人机、安全系统等领域的应用，研究人员正在努力寻找一种紧凑且易于使用的3D传感器。来自日本横滨国立大学的一个研究小组认为，他们已经开发出一种方法，可以利用慢速光来获得这种传感器，慢速光在速度通常高于其他变量的领域中是意料之外的。

光检测和测距 (Light detection and ranging, LiDAR) ，也称为激光雷达，有望作为一种3D传感器用于自动驾驶汽车、机器人和无人机；在安全系统；在测绘和测量以及某些娱乐领域。许多LiDAR系统由激光源、光电探测器和光束控制设备组成。对于光束转向，通常使用诸如旋转镜之类的机械系统，这使得系统大型、昂贵且不稳定。近来，微机电系统反射镜已被用来减小尺寸和降低成本，但是在尺寸、光束发散（或分辨率）和速度之间需要权衡。因此，人们一直在寻求完整的非机械（固态）器件，并为此广泛开发了使用硅（Si）光子，互补金属氧化物半导体 (complementary metal oxide semiconductor , CMOS) 工艺制造的光学相控阵(optical phased arrays, OPAs) 。然而，在光学天线的大规模集成、复杂且耗电的光学相位控制以及在操纵范围、分辨率和效率之间的权衡中，OPAs仍然面临许多挑战。因此，来自日本横滨国立大学研究了一种更简单的配置，其中将OPAs用于二维光束控制的一个轴，将衍射光栅用于另一轴，并将衍射光栅和准直透镜组合在一起。由于Si波导衍射光栅的角散度较小，通常为0.14°/ nm，因此，在制造波导材料时，需要Δ> 140nm的宽带波长扫描激光源和/或波导中Δ> 0.5的不切实际的大折射率变化，转向范围为Δ>20°。

近年来，越来越多的工程师转向光学相控阵，这种光学相控阵无需机械部件即可引导光束。但是， 本文主要作者Toshihiko Baba认为，由于所需的光学天线数量巨大，以及校准每块天线所需的时间和精度，这种方法可能变得复杂。Toshihiko Baba表示，在该研究中，他们采用了另一种方法，称之为“慢光”。Toshihiko Baba和他的团队使用了一种特殊的波导“光子晶体”，瞄准的是经过硅蚀刻的介质。当被迫与光子晶体相互作用时，光被放慢并发射到自由空间。研究人员使用了棱镜透镜，然后将光束引导到所需的方向。

研究人员介绍了（I）一种特别浅蚀刻的衍射光栅，以及（II）定制棱镜镜片。Si层上的浅刻蚀光栅减小了向下的发射损耗，并且通过减小减小了内部反射损耗和准直损耗。研究人员还介绍了（III）LSPCW上光入射方向的切换，以扩展转向范围。

▲图1. 慢光束转向装置和2D光束转向的示意图，其中（I）–（III）是先前研究中的问题和较宽的2D光束转向的解决方案。（a）具有浅光栅的LSPCW，可提高较高的发射强度。（b）通过LSPCW阵列和棱镜透镜进行的二维光束控制，可在的宽范围内保持准直条件。（c）通过从其阵列中选择一个LSPCW沿方向进行光束转向，这与参考文献1中的概念相同。（d）通过使用棱镜将converting转换成'并切换LSPCW上的光入射方向，在包括'=0的±'方向上进行连续光束转向。

▲图2. 预制设备和一维光束转向。(a) 制成芯片的俯视图。(b) LSPCW的SEM图像。放大视图显示了第三行晶格移位和浅光栅。(c) 棱镜透镜装在设备上方。(d) 不带透镜的扇形光束的一维转向，用于波长扫描。FFP以0.1°的间隔重叠。(e) Wave的波长依赖性。连接的FFP显示出扇形光束和点光束在 = 1.53m。(f) , (g) 光束发散度和。带和不带镜头的红色和黑色分别显示。

对于制造，研究人员使用了直径为200 mm的SOI和Si光子CMOS工艺，该工艺通过采用KrF受激准分子激光曝光和相移掩模实现了小于130nm的最小特征尺寸。图2 (a) 显示了尺寸为5.5×4.0mm的已制造器件芯片。在中央，以80 m的间距集成了32个= 1.2mm的LSPCW。该节距由宽度小于10μm的LSPCW和在每个LSPCW上集成有Al电极的加热器确定，本研究中未使用。如果忽略加热器，则节距可以减小到10 m。图2 (b) 显示了LSPCW的扫描电子显微镜（SEM）图像。其放大图显示了浅刻蚀后形成的浅光栅和均匀的孔。该LSPCW与六级TO Mach-Zehnder（MZ）硅线光学开关相连，用于选择一个LSPCW和入射方向。对于LSPCW和Si线之间的结，使用了理论耦合损耗为0.3 dB的锥形结构。图2 (c) 示出了通过丙烯酸切割形成的24.0mm宽和18.7mm高的棱镜。在最小偏差条件下，焦距为15.3 mm。

在该实验中，由于电子控制电路的限制，仅使用了16个激光扫描点，并且波长扫描被限制在棱镜透镜的轮廓不规则性不影响光束轮廓的范围内。如果32个集成式LSPCW全部运行，则方向上的光束转向范围将加倍。此外，如果如上所述减少1/3，将获得17,000多个分辨率点。

非机械转向被认为对于LiDAR传感器至关重要。最终的方法和设备体积小巧、没有移动的机械结构，为固态LiDAR奠定了基础。这样的设备被认为更小、制造成本更便宜并且更具弹性，特别是在诸如自动驾驶汽车的移动应用中。接下来，Baba和他的团队计划更充分地展示固态LiDAR的潜力，并致力于将其商业化的最终目标是提高其性能。

本文来源：Hiroyuki Ito et al, Wide beam steering by slow-light waveguide gratings and a prism lens, Optica (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.381484