MIT研发新型激光雷达芯片，或为自动驾驶提供更宽广视野

激光雷达技术通过发射红外光脉冲来计算距离，并绘制周围环境的精细三维地图，从而帮助自动驾驶汽车识别前方障碍物并快速作出响应。然而，传统激光雷达传感器体积大、成本高，且许多依赖机械运动部件，容易随时间磨损，这些局限性使其难以在更广泛的场景中应用。

麻省理工学院（MIT）的研究人员近日开发出一种新方法，有望实现体积更小、更耐用、且无需任何运动部件的激光雷达传感器。这一突破的核心在于一款全新的硅光子芯片——一种通过控制光而非电信号来工作的半导体器件。

现有基于硅光子芯片的激光雷达系统通常视野较窄，难以扫描场景边缘区域。此前尝试扩大视野的方案往往引入额外噪声，并导致测量精度下降。

MIT研究团队通过设计一种集成天线阵列，有效解决了上述难题。该阵列大幅降低了相邻天线之间的串扰干扰，使芯片能够在更宽广的视野范围内扫描，同时产生的噪声低于其他硅光子方案。

更小体积，更宽视野

这一进展有望推动激光雷达传感器在自动驾驶导航、航空测绘以及建筑工地监控等高难度应用场景中实现更强性能。

"我们在这项研究中所展示的功能，解决了集成光学相控阵技术的一个根本性问题，为未来的激光雷达传感器实现远超以往的更高性能奠定了基础。"MIT电气工程与计算机科学系罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子学研究实验室成员、论文通讯作者Jelena Notaros表示。

该研究的第一作者为电气工程与计算机科学系博士生Henry Crawford-Eng，参与研究的还有博士生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。相关成果近日发表于《自然·通讯》期刊。

激光雷达如何绘制环境地图

许多传统激光雷达系统通过一个大型旋转装置向四周发射光脉冲。光线照射到附近物体后反射回传感器，利用这些返回信号即可重建出详细的环境地图。

基于硅光子的激光雷达工作方式有所不同。它不依赖机械旋转装置，而是通过一种名为集成光学相控阵（OPA）的系统，以电子方式在多个方向控制光束扫描。

OPA的核心是一组集成天线，每根天线沿其长度方向分布着细小且规则排列的变化结构，称为"刻槽"。这些刻槽使来自输入光源的光向上散射并射出光子芯片。

研究人员可通过改变发送到各天线的光相位，来控制出射光束的方向。调整相位可改变阵列出射光的角度，从而无需移动任何物理部件即可实现光束的转向控制。

天线间距难题

将天线紧密排列会带来严峻挑战：相邻天线之间会发生耦合，导致各自输出的光信号相互干扰。工程师传统上通过增大天线间距来防止这种干扰，但间距过大又会引发另一系列问题。

当天线间距过大时，阵列会在不同角度产生多个相同光束的副本。主光束的可移动范围受限，难以从这些额外副本中分辨出来。

"这限制了视野范围，导致自动驾驶车辆只能感知一定角度范围内正前方的信息。"Garcia Coleto解释道。

这些不需要的光束副本被称为"栅瓣"，它们可能使传感器产生混乱并导致误检测，同时还会消耗本可集中于主光束的能量。

为突破这一两难困境，MIT研究人员设计出一种低串扰天线，可在天线靠近排列的同时，有效抑制相互之间的强耦合。

三种天线形状降低干扰

在传统OPA中，每根天线的结构完全相同，采用相同的刻槽图案。当这些相同结构的天线紧密排列时，相互作用非常强烈。

MIT团队转而设计了一组由三种不同形状天线构成的重复单元。他们改变了天线的宽度，以及刻槽的大小和位置。由于三根天线的几何形状不同，各自的传播系数——即描述光在结构中传播方式的参数——也有所差异。

"由于天线的传播系数差异较大，当它们靠近排列时，每根天线实际上'感知'不到旁边的天线，因此不会与相邻天线发生耦合。"Garcia Coleto说道。

让不同天线保持一致的辐射特性

降低耦合只是挑战的一部分。尽管天线需要不同的传播系数，但它们仍须以一致的方式出射光线。

研究团队围绕三项核心要求设计了这些天线：每根天线必须辐射等量的光；在接收相同波长时，每根天线需以相同角度出射光束；在光束转向过程中，整个阵列的出射角度变化必须均匀。

"我们面临的挑战在于：需要天线具有不同的几何形状以减少串扰，同时又需要所有天线具有相同的辐射特性。虽然在理论上可以实现，但实际操作极为困难，因为通常情况下，几何形状不同的天线往往表现各异。"Crawford-Eng说道。

研究人员首先建立了描述辐射模式耦合的基本电磁理论，再以此为指导进行天线的设计与计算机仿真模拟。

基于上述计算，团队制造出一套包含低串扰天线的OPA器件。该器件中天线的排列间距远小于传统系统，随后对完成制造的器件进行了实验测试。

串扰从约100%降至约1%

在实验条件下，传统OPA的耦合程度约为100%，而MIT的设计将其降低至约1%，同时仍能生成一束清晰、精准的光束。

该系统在宽广视野范围内实现了精确的光束控制，且未产生任何栅瓣。宽扫描范围、低干扰与高光束质量的三重结合，攻克了集成激光雷达技术面临的核心难题之一。

研究人员计划进一步优化该方法，以实现更宽的扫描范围。他们还在探索另一种在理论研究过程中发现的、可实现宽视野性能的潜在方案。

"这项工作解决了集成光学相控阵领域长期存在的难题：如何同时实现宽视野（需要密集天线间距）与高光束质量（需要相邻天线间低串扰）。作者以精巧的天线设计解决了这一问题，是芯片级固态光束控制技术的重要进步。"多伦多大学电气与计算机工程系教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon评价道。她未参与本项研究。

本研究由半导体研究公司、美国国家科学基金会、MIT MathWorks奖学金、美国国防部及MIT Rolf G. Locher冠名捐赠奖学金共同资助，部分研究工作在MIT.nano实验室完成。

Q&A

Q1：MIT新型激光雷达芯片是如何解决视野受限问题的？

A：传统硅光子激光雷达芯片视野窄，主要原因是天线间距过大会产生"栅瓣"干扰。MIT团队设计了三种不同几何形状的天线组成重复单元，使各天线传播系数不同，从而在紧密排列时大幅降低相互耦合。实验证明，串扰从约100%降至约1%，同时保持光束清晰，实现了宽视野、低噪声、高精度的扫描效果。

Q2：这款新型激光雷达芯片相比传统激光雷达有哪些优势？

A：相比传统激光雷达，MIT新型硅光子激光雷达芯片具有三大优势：一是无需机械旋转部件，结构更紧凑、更耐用；二是天线串扰极低（约1%），光束质量更高；三是视野更宽广，不会产生影响测量准确性的栅瓣。这些特点使其更适合自动驾驶、航空测绘和工地监控等实际应用场景。

Q3：MIT激光雷达芯片研究成果发表在哪里，由谁主导？

A：该研究由MIT电气工程与计算机科学系副教授Jelena Notaros担任通讯作者，第一作者为博士生Henry Crawford-Eng，团队还包括多位博士生。研究成果近日正式发表于国际学术期刊《自然·通讯》。