麻省理工學院的新型雷射雷達晶片可以為自動駕駛汽車提供更廣闊的視野

麻省理工學院的研究人員現已開發出一種方法，可以生產更小、更耐用的光達感測器，無需移動部件即可運作。他們的突破基於新型矽光子晶片，這是一種控制光而不是電訊號的半導體裝置。

使用矽光子晶片建構的雷射雷達系統通常具有狹窄的視野。因此，他們嘗試掃描位於場景邊緣的區域。先前擴展該視場的嘗試常常會導致額外的雜訊並降低測量精度。

麻省理工學院的團隊透過創建一系列整合天線來解決這些問題，這些天線限制了相鄰天線相互幹擾時發生的大量不必要的串擾。該設計允許在更寬的視野內掃描晶片，同時比其他基於矽光子的方法產生更少的雜訊。

更小的光達系統，視野更廣

這項突破有助於開發更強大的光達感測器，用於具有挑戰性的用途，包括自動駕駛車輛導航、航空測繪和建築工地監控。

「我們在這項工作中展示的功能解決了整合光學相控陣技術的一個基本問題，使未來的雷射雷達感測器能夠實現比我們之前展示的更高的性能，」麻省理工學院電氣工程和電腦科學 (EECS) 職業發展、實驗室電子研究論文研究員和麻省理工學院高級研究員 Jelena Notaros 說。

該研究還涉及主要作者和 EECS 研究生 Henry Crawford-Eng，以及 EECS 研究生 Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis 和 Tal Sneh。研究結果已於近日發表 自然通訊。

光達如何繪製周圍環境的地圖

傳統的光達系統使用大型旋轉單元將光脈衝引導到整個場景。當光線照射到周圍物體時，它會反射回感測器。返回的訊號提供重建準確的環境地圖所需的資訊。

基於矽光子學的雷射雷達的工作原理有所不同。它不是旋轉機械設備，而是使用稱為集成光學相位 (OPA) 的系統在多個方向上電子掃描光束。

OPA 的核心是一組整合天線。每個天線都有沿其長度規則分佈的微小變化。這些被稱為波紋的特徵導致來自輸入源的光向上散射並離開光子晶片。

研究人員可以透過改變發送到每個天線的光的相位來控制輸出光束的方向。調整這些相位可以改變光的發射角度，從而可以在不移動任何物理組件的情況下引導光束。

天線間距問題

將天線彼此相鄰放置會產生嚴重的干擾。側面天線可以連接在一起，混合它們產生的光。工程師傳統上透過增加天線之間的距離來避免這種幹擾，但更寬的間距會產生一系列不同的問題。

當天線相距太遠時，陣列會以不同角度建立同一波束的多個副本。主光束只能移動有限的距離，然後就很難將其與這些附加副本區分開來。

加西亞·科萊托解釋說：“這限制了我們的視野，因此自動駕駛汽車現在只能知道在特定角度範圍內前方的物體。”

不需要的光束反射（稱為柵瓣）會使感測器混亂並導致錯誤檢測。它們也消耗原本會傳遞到主光束的能量。

為了克服這種權衡，麻省理工學院的研究人員開發了串擾減少的天線，可以靠近放置而無需強耦合。

三種天線形狀減少干擾

在傳統的OPA中，每個天線具有相同的結構並使用相同的波紋圖案。當這些匹配的天線彼此靠近放置時，它們的相互作用非常強烈。

麻省理工學院的團隊創建了一個由三個不同形狀的重複天線組成的陣列。他們改變了天線的寬度以及電波的大小和位置。由於天線具有不同的幾何形狀，因此每個天線還具有描述光如何穿過結構的傳播係數。

「由於天線具有非常不同的傳播係數，當我們將它們彼此靠近時，基本上每個天線都不會『看到』旁邊的天線。因此，它不會與其鄰居耦合，」加西亞·科萊託說。

不同天線的行為方式相同

減少耦合只是挑戰的一部分。儘管天線需要不同的傳播係數，但它們必須以相同的相干方式釋放光。

該團隊圍繞著三個關鍵要求設計了天線。

每個天線必須發射相同量的光。每個天線在接收相同波長時必須以相同角度發射波束。最後，在引導光束穿過整個陣列時，發射角必須均勻變化。

「我們面臨的挑戰是採用不同的天線幾何形狀來減少串擾，但同時我們必須將天線設計為具有相同的傳輸特性。雖然這在工程上是可能的，但非常困難，因為通常當設計不同的天線幾何形狀時，它們的行為會有所不同，」Crawford-Eng 說。

研究人員開始發展基本電磁理論，該理論描述了輻射模式如何耦合。然後他們使用這個理論架構來指導天線設計和電腦模擬。

根據這些計算，該團隊製作了一種具有減少串擾天線的 OPA。天線的放置位置比傳統系統要近得多，然後對完成的設備進行實驗測試。

幹擾從 100% 降至 1%

在實驗條件下，典型的 OPA 將產生約 100% 的耦合。麻省理工學院的設計將這種耦合降低到 1%，同時產生乾淨、精確的光束。

該系統將光束精確地聚焦在寬闊的視場上，而不會產生柵瓣。這種寬掃描、低幹擾和強大光束品質的結合解決了整合雷射雷達技術面臨的主要障礙之一。

研究人員現在計劃改進該方法，使系統具有更廣闊的視野。他們也正在探索在發展基礎理論時出現的另一種可能的寬視野表現方法。

Joy-Stester教授表示：「這項工作解決了集成光學相控陣中長期存在的挑戰：同時實現寬視場（這需要密集的天線間距）和高波束質量（這需要相鄰天線之間的低串擾）。作者通過優雅的天線設計解決了這個問題。他們的創新是芯片規模向前邁出的重要一步。」多倫多大學電氣和計算機研究所研究研究科

該研究得到了半導體研究公司、國家科學基金會、麻省理工學院 MathWorks 獎學金、美國戰爭部和麻省理工學院 Rolf G. Locher 捐贈獎學金的部分支持。

一些工作已經使用 MIT.nano 設施完成。