由韩国浦项科技大学和法国蔚蓝海岸大学组成的国际研究团队开发的基于纳米光子学的LiDAR技术作为特邀论文2021年5月6日在nature nanotechnology上发表。

光检测和测距（LiDAR）是继无线电检测和测距（雷达）的发展之后出现的一种测量方法。传统的LiDAR方法利用脉冲光源来照亮目标物体。通过测量反射光脉冲的返回时间（称为飞行时间 (time of flight, TOF) ），可以计算物距。LiDAR技术，传统上分为地面、机载和航天LiDAR，在1960年代激光器发明后开始认真发展。机载LiDAR通常安装在飞机和卫星上，主要用于测量大气条件和环境观测。星载LiDAR已在航天器中用于空间站对接距离测量，或用于空间探索的探测机器人中。

最初用于简单测量（主要是距离和车速）的基于地面的LiDAR，如今已被认为是诸如自动驾驶汽车、人工智能机器人和无人飞行器侦察等各种应用中的关键组件。消费类电子设备包括Apple公司的iPhone和iPad，微软公司的Kinect室内运动捕捉传感器等，包括用于增强或虚拟现实显示器的LiDAR传感器。面向行业的应用包括用于自动驾驶汽车的LiDAR传感器或制造工厂中的机器人视觉。最后，航空应用在无人机监视中利用LiDAR传感器进行地形测绘，在航天器中利用行星探测器。

几个激光雷达系统已经过优化，以满足考虑中的应用的各种要求。例如，对于消费类电子产品而言，设备成本和占地面积很重要，但是测量精度、可测量距离和系统耐用性对于精密设备至关重要。考虑到LiDAR在现实世界中的使用及其潜在的经济影响，即使是在短期内，随着许多新创公司的出现，硬件和软件领域的研究与开发也已大量增加。

作为一个特定但极为相关的示例，自动驾驶汽车的LiDAR系统决策时间必须足够快，以使其在发生危险时安全地完全停止。与人类安全有关的某些要求尚未同时满足：测量范围≥150μm（或TOF约1μs），能够分辨10μcm大小的物体，360°实时操作范围以及 一种光学系统，可以克服恶劣的天气条件，并且对不同的太阳光照条件具有鲁棒性。除了这些要求之外，预计LiDAR系统将被制造为紧凑且价格合理的芯片级传感器。但是，到目前为止，还没有商用的LiDAR传感器能够满足所有这些要求。大多数市售的LiDAR系统都是基于大型机械扫描仪和微机电系统（MEMS），这些系统体积庞大且容易受到外部冲击。

当前，自动驾驶汽车车顶上的高端机械LiDAR系统的大小大约是两个成年人拳头堆叠在一起的大小，需要花费数万美元。此外，还有许多挑战需要克服，例如消耗大量电力和热量管理的充电过程。作为对此的解决方案，研究团队提出了一种基于纳米光子学的超紧凑LiDAR技术。研究人员解释了这种纳米光子技术如何在各个方面创新LiDAR传感器系统，从LiDAR的基本测量原理到最新的超快速和超精确的纳米光子测量方法，以及纳米光子设备（例如超表面，孤子微梳和光波导）。

纳米光子技术的最新进展最近被认为是传统LiDAR系统的支持甚至替代技术（图1）。特别是，一些小型化的光束控制平台，例如芯片级光学相控阵和基于超表面的平面光学设备，可以切实缩小设备的占地面积。纳米光子LiDAR平台还可以在扫描速度和图像信息内容方面提供改进的成像功能。

图1. 纳米光子LiDAR系统的概念示意图

▲图解：LiDAR的一项有前途的应用是在自动驾驶汽车中，其中LiDAR可以检测道路上的周围物体。自动驾驶车辆中使用的传统LiDAR技术包括上述的大型机械扫描仪或微机电系统，它们体积庞大且容易受到外部撞击。新提出的纳米光子LiDAR系统不仅可以缩小设备的外形尺寸，而且可以显着提高设备的功能。利用可扩展的芯片规模制造，进一步改善FOV并实现更快扫描的下一个突破可能并不遥远。

图2. 激光雷达成像基础

图解：脉冲激光用作光源，来自物体（汽车）的延时后向散射信号由光电二极管检测。往返时间（或时间延迟）直接给出TOF，而先进的测量技术（如FMCW）可以同时测量运动物体的速度。Nlaser，透射光子数；β，角散射概率；A / R2，表示收集概率的立体角；T，在给定介质中的光透射率。通过适当的图像处理和渲染，可以重建测量的3D对象。

激光雷达的照明方法

LiDAR系统的检测性能取决于扫描和检测方法以及可用于处理TOF信息的各种方法（图3a）。因此，在实施基于纳米光子的方法时必须考虑这些差异。

图3. 传统的宏扫描仪和MEMS型LiDAR系统的示意图

▲图解：a, LiDAR扫描和3D深度识别的原理。b, 宏扫描仪型LiDAR设备的硬件组件。光源由数十个发射器产生，并且使用电动机旋转设备。需要额外的光源以增加垂直分辨率。c, MEMS型LiDAR设备的硬件组件。二极管激光器发出的光通过MEMS反射镜快速扫描，并且漫射器可以改善水平或垂直方向的FOV。IC，集成芯片。

图4. 光子集成LiDAR方法

▲图解：a, 片上设计集成LiDAR系统。分布式反馈激光器用于驱动系统。使用发射器（TX）和接收器（RX）的两个通道过程，可以使用快速傅立叶测量60m的速度（左下方）和距离（右下方），而仅发射5 mW的激光功率变换光谱以增加范围。FM DFB，调频分布式反馈激光器；BPD，平衡光电二极管；DLI，延迟线干涉仪；iPH，移相器通道；E，发射场；R，反射场；BPD，平衡光电二极管；FC，光纤循环器；LO，本地振荡器。b，基于微梳的LiDAR。上图：建立双梳实验的实验方案。底部：以150m s-1（参考10）的速度运动的子弹的测量轮廓，虚线表示测量极限。DKS，耗散克尔孤子态；OCT，光学相干断层扫描用于比较结果。

c，使用孤子微梳的大规模平行相干激光测距。单梳子光子标记和应用的频率调制功能。下：设置（左）和测距实验（右）。E（t）和E（ω）分别对应于时域和频域中的电场。trep，调制周期；ωp，中心频率；μ，光谱极限；AFG，任意函数发生器；EOM，电光调制器；DEMUX，解复用器；CIRC，光学循环器。d，在绝缘体上硅上反向设计的洛伦兹谐振器，以实现不可逆传输。左：执行实验的光路示意图。右：谐振器的设计。EDFA，掺fiber光纤放大器；PD，光电二极管。该图改编自ref。

与液晶、LED和VCSEL结合的超表面可以大大减少LiDAR器件的占地面积，将发射、扫描和接收组件集成到一个单元中。本综述中讨论的纳米光子解决方案的设计者能力在光束整形、偏振和工作波长方面，将在不久的将来实现真实、快速、超薄、轻巧和高端的LiDAR系统。目前，最先进的LiDAR通常使用VCSEL阵列型直接TOF传感器。照明组件由10,000–20,000 VCSEL阵列组成（但为了提高信噪比，单次照明约5,000个点光源），以控制来自每个激光单元的光束路径，微透镜阵列是需要，并且根据期望的目的，需要附加的外部镜头，从而使整个系统变得笨重。超紧凑型纳米光子LiDAR不仅应具有与商用同行相当的性能，而且还应为新兴应用（例如具有完整4π球形空间测量的室内机器人或无人机、全向相机、智能手机和闭路电视）提供更好的解决方案。对于那些应用，应开发球形探测器阵列或纳米光子增强的角度敏感纳米线光电探测器。

除了提高性能之外，替代当前的LiDAR技术还需要价格低廉的新型、廉价解决方案，从构思到交付，其成熟速度都将推向市场。对于专注于利用纳米光子组件进行主动光束控制的新创业公司和公司而言，这无疑是一个挑战。

本文来源：nki Kim et al, Nanophotonics for light detection and ranging technology, Nature Nanotechnology (2021).