Nature | 60万器件实现单片集成：全球首款纯固态相干激光雷达

在自动驾驶与机器人感知中，传统的被动成像将机器视野限制在扁平的二维图像中。如何让它们真正“看见”空间中的移动目标？激光雷达（LiDAR）赋能的主动式四维（4D）成像，正让汽车与机器人超越人类视觉，在强光或黑夜中瞬间看清三维环境与移动目标。产业界一直在试图将具备4D成像功能但庞大昂贵的激光雷达彻底“芯片化”，为汽车和机器人打造一双微型、廉价、可量产的“4D慧眼”。

调频连续波（FMCW）体制的相干激光雷达无惧杂散光干扰，还能直接测出目标速度，被认为是实现真4D感知的理想方案。然而，这种复杂的干涉系统真的能单片集成并大规模量产吗？在拥挤的大规模焦平面像素阵列中，如何导光，如何防光电串扰？另外，在缺乏集成环形器的硅光工艺中，是向芯片面积妥协、采用安全的“双站”收发分离架构，还是直面反射光烧毁风险、挑战极高难度的“单站”自发自收？

近日，来自瑞士Pointcloud GmbH公司的研究团队成功破解了上述多重技术难题。研究团队依托45 nm硅光集成工艺，研发出超60万个光子器件大规模集成的纯固态FMCW激光雷达焦平面阵列（FPA）芯片，在创纪录的逾6万像素成像规模下实现单点探测功耗仅46 nJ的商业级真4D点云成像。这标志着激光雷达领域正式迎来FMCW方案的“硅光时刻”。这项成果以“A large-scale coherent 4D imaging sensor”为题发表于Nature，被Nature应用与物理科学主编评论为“令人印象深刻的光电工程领域成就”。低功耗、低成本、微型化的真4D成像传感器，正加速走向自动驾驶、机器人和消费电子市场。

硅光平台中难以实现紧凑的集成光环形器，传统硅光激光雷达多基于收发分离的双站架构。这不仅带来了成倍的芯片面积开销，更造成了严峻的收发光路对准问题和距离依赖盲区，此外相邻像素间的光串扰也严重制约了阵列尺寸扩展。

为此，研究团队大胆地在每个像素内集成了两组光栅耦合器，利用同一组光栅处理发射和回波光脉冲，从物理源头彻底杜绝了光束对准需求。同时，团队在单像素面积内高度集成平衡探测器、跨阻放大器和定向耦合器，实现了有效抑制共模噪声的平衡相干探测。

这种收发一体的单像素单站架构，使得团队成功集成超60万个光子器件，构建了352×176像素的片上FPA阵列，规模达到此前最先进水平的五倍！

片上集成架构示意：（a）单像素块结构总览；（b）单像素中的单站光路；（c）沉积微透镜结构改善单像素出光收光。（来源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10183-6/figures/2）

当像素阵列从1万单元跃升至6万单元规模，若采用传统并行波导布线，不仅将引发严重光传输损耗，还会造成芯片面积不得不被波导“撑大”。如何实现高效低损耗的片上光寻址，成为了超大规模FPA走向实用的核心工程瓶颈。

研究团队设计了两级级联的热光开关树结构：第一级开关网络置于阵列外部，负责将光束宏观导引至512个像素区块；第二级网络则嵌入区块内部，精准导向具体的像素行列。配合每一级开关末端集成的监测光电二极管，实现了自动相位偏移校准。

凭借这种“立交桥”般的片上光寻址方案，团队通过16个光纤输入通道，将总开关网络插入损耗控制在了4 dB水平。系统不仅实现了高效光寻址，还支持多通道并行工作，单次可同时点亮128个像素。

FPA架构本可使能类似“图像传感器+可更换镜头”的灵活设计；但由于硅光光栅面外发射角固定，芯片出光具有发散角极小和方向倾斜的特点。若直接使用复杂的定制外部组件匹配商用镜头，往往会出现孔径填充不完全，引发像差和边缘暗角，这严重限制了系统视场角与探测距离，更丢失了灵活重配和拓展的可能。

为解决这一问题，团队在芯片后段制造工艺中，在单片表面为每一像素定制沉积了凹面微透镜。这不仅校正了面外发射角，更将光束完美扩束，从而充分匹配了外部成像镜头的孔径。实验证明，只需更换不同焦距镜头，系统的视场角就能完全按需切换，实现对激光雷达的探测平面加镜头的可拓展和可变成像设计。

示例点云与实景图：（a）单次采集的办公室场景点云；（b）多次相干平均的远距离建筑点云；（c）附带速度标注的旋转圆盘点云；（d-f）对应的场景照片。（来源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10183-6/figures/3）

传统飞行时间激光雷达在远距离探测时需要微焦（uJ）级别的脉冲能量，在实现高分辨率扫描要求下，激光功率逼近人眼安全标准极限。降低单点探测能耗，成为了功率控制与分辨率权衡的核心。

研究团队采用调频连续波单像素相干混频体制，依托45 nm单片集成工艺，将探测器和放大器直接塞入像素，使信号在无干扰下直接放大，极大抑制了底噪。同时，单站自发自收的光路设计带来了高度的选择性，将自然光、环境光源等进行自然滤除，彻底消除了用高功率脉冲抑制干扰光的需求。

结合4次极低功率（单次11 nJ）的相干平均探测，团队将单点探测能耗拉低至46 nJ，比此前工作降低了整整十倍！在15 fps实时帧率下，系统实现了65 m探测距离；此外在25 mm距离分辨率的物理限制下，基于脉冲峰值频率插值实现了3.9 mm的距离精度和3.0 mm/s的速度精度，全面达到商业级应用标准。

基于硅基光电子学与微纳光学设计的融合创新，这项工作解决了多项关键技术难题，让真4D视觉传感器从技术愿景走向现实应用。凭借微型化、低成本、高性能、可量产、可拓展等优势，FPA激光雷达芯片正式迎来“硅光时刻”，助力自动驾驶和机器人行业开启“视力”升级！

作者在同期Nature Research Briefing 报道中预测，未来通过引入多层芯片架构以及低非线性材料，系统将有效攻克硅波导横截面受限导致的片上光功率限制，使得探测距离直接跃升至200 m以上。随着片上光源和放大器的进一步集成，兼具更优分辨率和能效的单芯片4D成像即将到来。届时，单芯片4D成像系统将拥有比肩传统相机的集成度，推动传统成像技术迈向真4D时代。

从芯片级微透镜的光场精准调控，到复杂环境下的4D点云相干计算成像，微纳光学与计算成像的交叉融合正在催生下一代视觉革命。

为集中展示相关领域的最新研究进展，推动学术交流和技术创新，《激光与光电子学进展》将于2026年9月（第63卷第18期）推出“微纳计算成像”专题，现公开征集相关领域的研究论文和综述，诚挚邀请国内外专家投稿，共同助力微纳计算成像技术的深入发展。征稿类型：研究论文或综述。

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征稿方向（包括但不限于)：

1、微纳光学元件计算成像

2、超表面多维成像技术（偏振成像、光谱成像、3D成像及其融合等）

3、微纳超分辨成像

4、人工智能赋能超表面设计

5、超表面器件新型应用

6、微纳全光图像处理

科学编辑 | 戴炜杰

编辑 | 徐睿