CN116736437A - 涉及co2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法及应用 - Google Patents

涉及co2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法及应用。本发明将光学有源和无源元件单片集成在单个晶片上的硅光子，然后实现硅光子晶片列阵，具有高带宽密度、高能效和低延迟。本发明同时设计金属纳米粒子、光学衍射光栅和纳米孔径为主要材料的谐振器。本发明将激光器结构内部的缺陷密度降至足够低的值，并选择量子点结构对缺陷不敏感的III‑V增益介质。本发明绝缘体上铝镓砷微梳源来结合来驱动互补硅光子晶片引擎。本发明可以实现微梳和SiPh集成组件的协同作用。本发明所涉及的绝缘体上硅光子集成电路实现了多波长源。

Description

涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法及应用
技术领域：
本发明涉及雷达测算技术领域，尤其涉及涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法及应用。
背景技术：
激光雷达是一种向被测目标发射探测信号，然后测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度等参数，以确定目标的距离、方位、运动状态及表面光学特征的雷达系统。目前大气气体遥感分析技术可以分为被动式和主动式。被动式气体遥感技术，如傅里叶红外光谱仪、光栅光谱仪等，已广泛应用于地基、机载和星载平台，实现广域乃至全球范围的气体监测。这些方法只能获得几公里乃至几百公里整个气柱的总吸收光谱，难以直接获得距离分辨信息。主动式遥感技术中，激光雷达因具有远距离非接触式探测、高时空分辨率等特点，备受关注。现有的气体探测主动激光雷达主要包括两种：一种是距离分辨差分吸收激光雷达，通过比较待测气体光谱强吸收位置和弱吸收位置的激光后向散射信号强度的差异，实现有距离分辨率的气体浓度遥感，但是数据反演时需要已知气体光谱线型。另一种是路径积分差分吸收激光雷达，探测远端目标反射信号的强度来实现。当增加激光波长采样数量时，可获得路径积分的平均光谱，但无法获得距离分辨信息。
发明内容：
本发明的目的在于提供涉及涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法及应用，以解决现有技术的不足。
本发明由如下技术方案实施：涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片，包括纳米硅光子晶片基层和集成在其上的光栅天线、MEMS致动器和开关耦合器；
所述光栅天线包括128×128单元的焦平面开关阵列，所述焦平面开关阵列的两个方向的间距为55μm，整体阵列尺寸为7×7mm2；
所述开关耦合器采用多晶硅耦合器。
进一步的，所述每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm。
本发明公开了涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，包括以下步骤：
在纳米硅光子晶片上集成光栅天线、MEMS致动器、非线性纳米谐振器和开关耦合器，实现硅光子晶片列阵；所述光栅天线在350纳米厚的纳米硅光子晶片上图案化，部分蚀刻为250纳米，所述每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm；所述开关耦合器采用多晶硅耦合器；
优化所述MEMS致动器和开关耦合器的设计，减少当前像素的占地面积，提升角分辨率；其中f＝5mm镜头提高到0.11°，f＝25mm镜头提高到0.02°。
进一步的，还包括使用由DFB片上激光器直接泵浦的绝缘体上铝镓砷微谐振器，生成暗脉冲微梳。
进一步的，还包括基于微梳-SiPh收发器形成数据链路，具有100-Gbps脉冲幅度四级调制PAM4传输和2-Tbps聚合速率。
进一步的，所述硅光子晶片列阵的集成方法，包括混合集成、基于晶圆键合的异质集成和直接外延。
进一步的，所述光栅天线在350纳米厚的纳米硅光子晶片上图案化采用光刻胶回流工艺和优化的干法蚀刻工艺。
进一步的，所述多晶硅耦合器的尖端由静电MEMS致动器物理移动以控制光路。
一种如上述涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法得到的纳米硅光子晶片在激光雷达上的应用。
本发明的优点：
本发明具有高带宽密度、高能效和低延迟。将激光器结构内部的缺陷密度降至足够低的值，并选择量子点结构对缺陷不敏感的III-V增益介质。绝缘体上铝镓砷微梳源来结合来驱动互补硅光子晶片引擎可以实现微梳和SiPh集成组件的协同作用。所涉及的绝缘体上硅(SOI)光子集成电路(PIC)实现了多波长源。硅光子晶片的显着优势是能够利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，并允许以低成本进行大规模生产。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的晶片结构示意图；
图2为本发明实施例的碳纳米谐振器结构示意图；
图3为本发明实施例的晶片分层示意图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片，包括纳米硅光子晶片基层和集成在其上的光栅天线、MEMS致动器和开关耦合器；
光栅天线包括128×128单元的焦平面开关阵列，焦平面开关阵列的两个方向的间距为55μm，整体阵列尺寸为7×7mm2；
开关耦合器采用多晶硅耦合器。
本实施例中，每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm。
本发明还公开了涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，包括以下步骤：
在纳米硅光子晶片上集成光栅天线、MEMS致动器、非线性纳米谐振器和开关耦合器，实现硅光子晶片列阵；光栅天线在350纳米厚的纳米硅光子晶片上图案化，部分蚀刻为250纳米，每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm；开关耦合器采用多晶硅耦合器；
优化MEMS致动器和开关耦合器的设计，减少当前像素的占地面积，提升角分辨率；其中f＝5mm镜头提高到0.11°，f＝25mm镜头提高到0.02°。
光栅天线在350纳米厚的多晶硅层上图案化，部分蚀刻为250纳米。每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm。我们根据阵列中的光栅位置定制光栅周期，使输出光指向透镜孔径的中心，这将提高透镜收集效率并减少像差。
非线性纳米谐振器可用于实现全无源、低损耗、无偏置的非互易传输，适用于晶片级LiDAR等光子系统中的应用。多端口非线性纳米谐振器用作片上非互易脉冲路由器，用于基于频率梳的光学测距。
通过增加芯片尺寸和/或缩小像素的占用空间，通过优化MEMS致动器和开关耦合器的设计，减少当前像素的占地面积(55×55μm2)。百万像素激光雷达采用1×1cm2焦平面开关阵列FPSA可以将像素缩小到10×10um2，这将使角分辨率提高到0.11°(f＝5mm镜头)或0.02°(f＝25mm镜头)。
本发明所涉及的硅光子晶片用于MEMS致动器、多晶硅耦合器波导和光栅天线的额外多晶硅层的沉积。
本发明涉及多晶硅耦合器的尖端由静电MEMS致动器物理移动以控制光路。设计了一个128×128单元的FPSA，两个方向的间距为55μm，因此整体阵列尺寸为7×7mm2。包括路由波导、输入/输出耦合器和焊盘在内的整个芯片尺寸为10×11mm2。该器件在具有220纳米厚器件层的绝缘体上硅(SOI)晶圆上制造。
本发明的整个芯片的光学显微镜图像，分别包括光栅天线和列选择开关的单元格。
本发明使用可由DFB片上激光器直接泵浦的绝缘体上铝镓砷微谐振器，生成暗脉冲微梳，具有最先进的效率，操作简单和长期稳定性。
本发明基于微梳-硅光子收发器的数据链路，具有100-Gbps脉冲幅度四级调制(PAM4)传输和2-Tbps聚合速率，适用于数据中心。通过片上多抽头延迟线处理实现数十微秒级重构速度的紧凑型微波滤波器。通过将微梳源与硅光子芯片相结合实现数据传输、微波光子信号处理、光束控制和光子计算等多个集成光电系统，通过III-V硅基光子集成，芯片可以实现激光微梳生成、无源和有源光学元件，以及支持信号处理和系统控制的电子元件等功能。
本发明所涉及的硅片上的主要集成方法，包括混合集成、基于晶圆键合的异质集成和直接外延。III-V族材料在Si衬底上的直接外延对于在硅衬底上集成III-V族激光器具有低成本和高集成度的吸引力。
本发明结合AlGaAs极高的三阶非线性系数(n2≈2.6×10-17m2 W-1)，具有中等质量(Q)因子(一百万到两百万)的AlGaAsOI微谐振器产生克尔梳表现出创纪录的低至几十微瓦的参量振荡阈值和在几毫瓦级泵浦功率下的相干梳状态生成。
纳米硅光子晶片的环形波导设计用于在C波段的正常色散范围内工作，尺寸为400nm×1000nm。小平面处总线波导的宽度设计为200nm，以实现高效的芯片到光纤耦合。
在纳米硅光子晶片中可以获得大于2000万的Q因子，对应于<0.3dB cm-1的波导损耗。铝的比例为0.2，对应于约1,480nm的双光子吸收波长。外延晶圆生长是使用分子束外延生长完成的。光刻使用248nm深紫外线步进器。
光刻胶回流工艺和优化的干法蚀刻工艺应用于波导图案化，以最大限度地减少波导散射损失。
本发明的硅基光电子集成芯片，包括其硅调制器和Si-Ge PD，是在200毫米SOI晶片上制造的，硅层厚度为220nm，掩埋氧化物层厚度为2μm，使用CompoundTek Pte(服务商名称)的CMOS兼容工艺一对一的200毫米晶圆运行与标准的90纳米光刻SOI工艺。
本发明选择了具有不同模场直径的透镜光纤；耦合损耗约为每面3–5dB，而对于硅波导，耦合损耗约为每面2–3dB。本发明使用的144μm半径环的FSR(路由协议)约为90GHz。
本发明使用干法蚀刻工艺制造了尺寸为7.7μm×300nm×800nm的硅纳米束谐振器，包括铂(Pt)NW谐振器和铑(Rh)NW机电阵列。这种方法有利于NEMS器件的晶圆级制造。
本发明基于自下而上合成Si NW的NEMS谐振器，其中Si NW使用蒸汽在预定义的微沟槽上生长-液-固(VLS)外延生长，形成具有六边形横截面且直径为30nm的Si NW NEMS谐振器。
本发明所涉及的碳纳米管具有非常干净的表面(没有额外的化学处理)，这种谐振器已用于表面科学研究。这样，也可以制造非常长(毫米级)的碳纳米管谐振器。
如图3所示，其中两个腔在固态激光增益介质处光学耦合。第一个腔体是用于Yb:YAG内部泵浦的VECSEL。第二个腔体用于包含Yb:YAG。
基于InGaAs量子阱(λ>＝>940nm)的VECSEL腔包括两端的两个高反射(HR)层和中间的部分反射(PR)层。HR层是p型分布式布拉格反射器(p-DBR)，另一层是介于Yb:YAG和Cr:YAG之间的介电涂层。中间PR层是n型DBR(n-DBR)。
除了Yb:YAG中的吸收外，VECSEL腔没有输出耦合。被动调Q激光腔(λ＝>1030nm)在两端包括两个反射层，其中一个是HR层，另一个是PR层，用作激光发射的输出耦合器(OC)。Yb:YAG被选为固态增益介质，在940nm泵浦和1030nm调Q激光振荡的组合中有望实现高量子效率。通过向VECSEL腔内的InGaAs量子阱注入电流，940nm泵浦激光器和1030nm被动调Q激光器相继振荡，从而导致具有高峰值功率的短脉冲的发射。
本发明的应用实例如下：
实例1
一种16,384像素的激光雷达，它具有宽视场(FoV，70°×70°)、精细寻址分辨率(0.6°×0.6°)、窄光束发散角(0.050°×0.049°))和具有亚MHz操作速度的随机接入波束寻址。
光栅天线的128×128元焦平面开关阵列(FPSA)和微机电系统(MEMS)驱动的光开关单片集成在10×11mm2硅光子芯片上，其中128×96子阵列采用引线键合和在实验中测试。距离分辨率为1.7cm的3D成像是通过单站配置的调频连续波(FMCW)测距实现的。
本发明的系统可以在黑暗中工作，并由于光波长短而提供高分辨率和高精度。激光雷达主要用于探测周边物体的距离和速度。在激光雷达的发射端，由激光半导体产生一种高能量的激光束，激光与周围的目标发生碰撞后，再被反射回来，由激光雷达接收端捕获并进行运算，得到目标的距离和速度，最终形成周围环境的点云数据。
本发明对能够在大FoV上高速运行、高分辨率和低功耗的集成光束扫描仪，这是本发明固态LiDAR的关键核心。光学相控阵(OPA)和FPSA。OPA已在光子集成电路平台和MEMS平台上进行了演示。它们能够进行随机访问波束扫描，但需要对阵列中的所有光学天线进行精确的幅度和相位控制，这使得缩放具有挑战性。
在正交方向上的扫描是通过使用广泛可调谐激光器的波长调谐实现的。FPSA中的光开关网络不是在每个像素处集成一个测距单元，而是允许所有像素共享一个(或多个)LiDAR测距单元。每个像素只包含一个光学天线和一个开关，这使得在单个芯片上集成大型阵列成为可能。
实例2
光学天线阵列放置在焦距为f的凸透镜的后焦平面上，每个天线通过光学开关连接到输入光源。当打开其中一个光开关时，输入光被路由到相应的天线。
从天线发射的光然后被透镜转换成准直光束。输出光束与透镜光轴的夹角为θ>＝>tan-1(-x/f)，其中x为发射天线相对于光轴的坐标。通过打开不同位置的天线，可以将输出波束转向相应的角度。
一个16,384像素FMCW成像LiDAR，它具有单片集成的128×128元硅光子MEMSFPSA。借助5毫米焦距的复合透镜，该系统可以将激光束以70°×70°FoV随机引导至16,384个不同方向，发散角为0.05°，切换时间为微秒级。3D成像是通过将FPSA与FMCW测距相结合来实现的。FPSA具有高度可扩展性。百万像素3D成像LiDAR可以通过利用类似摩尔定律的缩放比例来实现。
激光器产生短至450ps的脉冲，估计峰值功率为57.0kW，激光芯片尺寸为0.13毫米。
本发明所设计的CO2激光雷达探测硅光子晶片具有许多优势，包括面积小、损耗低、低功耗和快速切换时间。本发明所涉及的多片集成半导体和固态激光增益介质以实现紧凑型高峰值功率激光器。
FoV为2tan-1(L/2f)，其中L是阵列的整体尺寸。输出光束的发散角可以通过l/f来估计，其中l是单个光栅天线的尺寸。角分辨率可以通过p/f来估计，其中p是阵列间距。
该设备的共聚焦显微图像显示在扩展数据中。通过部分蚀刻在SOI晶圆的器件层上定义波导。光栅天线在多晶硅层上图案化，聚焦弯曲形状的尺寸约为10×5um2。
每个天线的方向和光栅周期都是单独定制的，使输出光束指向透镜的中心，以提高光收集效率并减少透镜的像差影响。
本发明的成像LiDAR是通过将FPSA与调频激光器和相干接收器相结合而构建的。
实例3
本发明的CO2激光雷达探测可以集成在硅光子晶片上，通过使用从迭代学习方法获得的预失真波形直接调制1,550nm波长的分布式反馈(DFB)激光器，生成偏移为8.6GHz和斜坡时间为80μs的线性频率线性调频。
来自目标的返回光在光电探测器处与参考光混合。然后傅里叶变换提取与目标距离成比例的拍频。我们使用单基地配置，其中FPSA上的相同光栅天线用于传输FMCW光并接收从目标返回的信号。
3D成像，我们将25毫米焦距的F/1.4镜头(Navitar SWIR-25)与FPSA结合使用，实现了16°×16°FoV和0.13°寻址分辨率。设备镜头的输出功率对于0.8米测量约为1毫瓦，对于5米和10米测量约为2毫瓦。通过与FPSA匹配的横向分辨率和与频率漂移一致的距离分辨率，实现了良好的3D图像保真度。
本发明通过选择具有不同焦距的成像镜头，可以轻松调整FoV和角分辨率，利用专为各种焦距和图像传感器尺寸设计的大型优化相机镜头库。
本发明使用128×128硅光子FPSA的大规模(16,384像素)成像LiDAR的性能，其中128×96子阵列采用引线键合并在实验中进行了测试。每个像素中的光栅天线由集成的MEMS光开关在55×55um2的区域内进行数字控制。具有70°×70°FoV、双向0.6°寻址分辨率、0.05°光束发散度和sub-MHz操作速度的随机访问光束控制通过0.5毫米焦距成像实现镜片。本发明具有1.7厘米范围分辨率的3D成像。本发明除了3D传感应用外，FPSA还可用于其他需要光束控制的应用，例如自由空间光通信和俘获离子量子计算。FPSA光束扫描仪的256个像素(第22行128个像素和第62行128个像素)的自由空间输出功率在器件透镜通过光功率计测量后，归一化光功率。
所提出的激光器由VECSEL、固态激光增益介质和可饱和吸收器组成，每个界面和发射端都有介电多层涂层。关于VECSEL，p-DBR(GaAs/AlGaAs)、活性层(InGaAs量子阱)和n-DBR(GaAs/AlGaAs)生长在具有p-/n-接触层(GaAs)的GaAs衬底上使用金属有机化学气相沉积。
p-DBR和n-DBR的反射率分别设计为99.9％和96.1％。用于电流和光学限制的氧化物层位于有源层附近，其孔径为150μm，使用选择性氧化工艺产生。在p-/n-接触层上形成电极。
为了减少940nm波长处的吸收损耗，将GaAs衬底减薄至0.1mm，其表面涂有抗反射涂层(940nm处R<1％)。对于机械组装激光器，增益介质是[111]切割Yb:YAG，厚度为0.5mm，掺杂浓度为4at。％。对于集成芯片级激光器，厚度为0.35mm，掺杂浓度为10at。％。
可饱和吸收体是0.2mm厚的切割Cr:YAG，机械组装激光器的初始透射率为95％，集成芯片级激光器的初始透射率为97％。
短波通滤波器(R<1％at 940nm,R>98％at 1030nm)和长波通滤波器(R>98％at940nm,R<1％at 1030nm)被涂在Yb:YAG的两个表面之一(VECSEL侧)和Yb:YAG的另一个表面(Cr:YAG侧)。在Cr:YAG的激光发射表面形成OC(对于机械组装和集成芯片级激光器，分别在1030nm处，R＝>85％和80％)。
本发明使用传统沉积方法在GaAs基板、Yb:YAG和Cr:YAG的每个表面上形成介电涂层22。其次，使用晶圆键合技术将每个基板一个接一个地键合到集成结构上，其总厚度为0.65mm。
键合工艺完成后，通过划片将集成器件切割成1mm见方的芯片。最后，使用Au-Sn焊膏将制造的激光芯片安装到TO-can上，并通过引线键合进行电气连接。
片上光源的工作条件
(1)电泵浦连续波(CW)激光覆盖现代硅电子芯片的工作温度范围为-40至85℃。
(2)低能耗运行，足够高的输出功率，每千兆能耗成本低。
(3)在O波段(～1310nm)和C波段(～1550nm)等电信和数据通信波长波段运行，以实现与当前光纤网络的无缝互连。
4)直接集成到兼容成熟CMOS加工技术的硅平台上，实现大规模制造。
本发明的硅基PIC的应用将其领域从数据通信扩展到传感技术，例如汽车LiDAR、生物传感器和设想的未来技术，包括集成量子技术、光学计算、基于人工智能(AI)的技术和神经形态光子学。
实例4
本发明所涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法得到的纳米硅光子晶片主要应用于激光雷达方面。本发明制备的纳米硅光子晶片具有高带宽密度、高能效和低延迟。将激光器结构内部的缺陷密度降至足够低的值，并选择量子点结构对缺陷不敏感的III-V增益介质。绝缘体上铝镓砷微梳源来结合来驱动互补硅光子晶片引擎可以实现微梳和SiPh集成组件的协同作用。所涉及的绝缘体上硅(SOI)光子集成电路(PIC)实现了多波长源。硅光子晶片的显着优势是能够利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，并允许以低成本进行大规模生产。
本发明所涉及的雷达感知是一种无线感知技术。通过分析接收到的目标回波特性，提取并发现目标的位置、形状、运动特性和运动轨迹，并且可以进一步推断目标和环境的特征。其作用类似于人类的眼睛和耳朵。
与其它传感器相比，雷达感知具有许多独特的优势。例如，与视觉传感器相比，雷达不受光线明暗的影响，具有穿透遮挡物的能力，可以更好地保护个人隐私；与超声技术相比，雷达感知的距离更远，而且不会对人和动物造成伤害。
雷达感知可以支持非常丰富的应用场景。比如，毫米波雷达就已经被广泛应用在汽车辅助驾驶领域，用以检测行人和前车，实现防撞预警。此外，雷达在居家、智能大厦、自动驾驶以及可穿戴设备等领域也有很多潜在的应用。
以智能家居场景为例，雷达传感器可以被用于开关控制、入侵检测、智能开门器等方面，方便大众生活。在音响系统中，雷达能够探测到某一区域的人与音响之间的距离，从而调整音响在某个区域的声音大小；在空调系统中，雷达可以根据人的远近，自动调节室内温度；当雷达探测到吹风机离头发太近时，还可以自动调节吹风机的温度。智能开关中，雷达感知能实现非接触手势识别(近距轻扫)、人体近距唤醒、运动感知等和人体存在感知功能。
随着新型低功耗、小型化雷达传感器的诞生和产品化，雷达技术在各种智能设备和消费类电子产品中的应用将成为一种必然趋势。
再比如，本发明的纳米硅光子晶片可以应用于BSD(盲区监测系统)，可以包括两种功能。常规的BSD检测相邻车道上盲点中的其他车辆，帮助车辆安全变道。RCTA这是检测从本车后方通过的其他车辆，防止在停车场内发生碰撞。RCTA也被认为与倒车AEB相同。
通常是在车辆后部两侧各安装一个宽视场的SRR，通常为80°H以上，典型探测距离为30m以上。
距离预警雷达cover许多前向ADAS功能，如距离预警。包括ACC、AEB和FCW。
FCW和AEB现在已成为多数车辆的标配，以确保符合法规或NCAP评级需求。同时车厂会把ACC作为同一传感器套件的选配。这意味着前置LRR应该成为标配，但许多车辆使用性价比更高的MRR。LRR的FoV可以为60°H，探测距离达到500m。但MRR通常为200m，因此不适用于类似德国高速公路的场景。
但一些车厂也在用纯视觉的策略来控制成本。比如本田思域和日产的ProPilot系统都仅使用了Mobileye的前视，靠物体识别来避免前碰撞。我们也都知道Tesla也已经抛弃了雷达。
然而，每种传感器都有其优缺点。摄像头可以更好进行物体分类(尽管成像雷达有更高的分辨率可以提供一些物体分类功能，但与摄像头和LiDAR相比还不可同日而语)，但雷达在恶劣天气和低光照条件下更强大，且在高速ACC应用中具有更长的传感距离。
因此，大多数车厂采用的常见解决方案是同时使用前视和前向雷达，沃尔沃甚至曾经发布过在前挡风玻璃上安装摄像头和雷达的集成模块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片，其特征在于，包括纳米硅光子晶片基层和集成在其上的光栅天线、MEMS致动器、非线性纳米谐振器和开关耦合器；
所述光栅天线包括128×128单元的焦平面开关阵列，所述焦平面开关阵列的两个方向的间距为55μm，整体阵列尺寸为7×7mm2；
所述开关耦合器采用多晶硅耦合器。
2.根据权利要求1所述的涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片，其特征在于，所述每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm。
3.涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在纳米硅光子晶片上集成光栅天线、MEMS致动器、非线性纳米谐振器和开关耦合器，实现硅光子晶片列阵；所述光栅天线在350纳米厚的纳米硅光子晶片上图案化，部分蚀刻为250纳米，所述每个光栅天线有七个凹槽，宽度恒定为290nm；所述开关耦合器采用多晶硅耦合器；
优化所述MEMS致动器和开关耦合器的设计，减少当前像素的占地面积，提升角分辨率；其中f＝5mm镜头提高到0.11°，f＝25mm镜头提高到0.02°。
4.根据权利要求3所述的涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，其特征在于，还包括使用由DFB片上激光器直接泵浦的绝缘体上铝镓砷微谐振器，生成暗脉冲微梳。
5.根据权利要求3所述的涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，其特征在于，还包括基于微梳-SiPh收发器形成数据链路，具有100-Gbps脉冲幅度四级调制PAM4传输和2-Tbps聚合速率。
6.根据权利要求3所述的涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，其特征在于，所述硅光子晶片列阵的集成方法，包括混合集成、基于晶圆键合的异质集成和直接外延。
7.根据权利要求3所述的涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，其特征在于，所述光栅天线在350纳米厚的纳米硅光子晶片上图案化采用光刻胶回流工艺和优化的干法蚀刻工艺。
8.根据权利要求3所述的涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法，其特征在于，所述多晶硅耦合器的尖端由静电MEMS致动器物理移动以控制光路。
9.一种如权利要求3-8所述涉及CO2激光雷达探测纳米硅光子晶片制备方法得到的纳米硅光子晶片在激光雷达上的应用。
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