雷射雷達系統利用紅外脈衝光測量距離並高解析度地繪製三維場景圖，使自動駕駛車輛能夠快速應對行駛路徑上的障礙物。但傳統的雷射雷達感測器價格昂貴、體積龐大，且包含許多會隨時間推移而老化的活動部件，這限制了感測器的部署方式。
麻省理工學院研究人員的一項新研究有望助力開發出下一代緊湊、耐用且無移動部件的雷射雷達感測器。這項研究的關鍵進展在於一種新型矽光子晶片設計，這種晶片是一種半導體器件，它操控的是光而非電。
通常情況下，這種基於矽光子晶片的系統視場角有限，因此基於矽光子晶片的雷射雷達無法掃描周邊角度。現有的解決方法會增加噪聲並降低精度。
為了避免這些缺點，麻省理工學院的研究人員設計並演示了一種整合天線陣列，該陣列能夠最大限度地減少天線之間的串擾。與其他基於矽光子學的方案相比，他們的創新使得雷射雷達晶片能夠在保持低噪聲運行的同時，掃描更廣闊的視野。
這項新穎的演示可能會推動先進雷射雷達感測器的發展，以用於自動駕駛車輛導航、航空測量和建築工地監測等高要求應用。
“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根本問題，使未來的雷射雷達感測器能夠實現比我們之前展示的性能高得多的性能，”麻省理工學院電子工程與電腦科學系 (EECS) 羅伯特·J·希爾曼職業發展副教授、電子研究實驗室成員、該創新論文的資深作者耶萊娜·諾塔羅斯 (Jelena Notaros) 說。
這篇論文的共同作者包括第一作者、電子工程與電腦科學系研究生亨利·克勞福德-恩格，以及電子工程與電腦科學系研究生安德烈斯·加西亞·科萊托、本傑明·M·馬祖爾、丹尼爾·M·德桑蒂斯和塔爾·斯內赫。該研究成果於今日發表在《自然通訊》雜誌上。
調整天線陣列
許多傳統的雷射雷達系統使用一個笨重的旋轉盒子來繪製場景地圖，該盒子會向多個方向發射光脈衝。光線從附近的物體反射回來，返回到感測器，從而提供用於重建環境的資料。
相反，基於矽光子學的雷射雷達感測器使用稱為整合光學相控陣 (OPA) 的系統，以非機械的方式系統地在多個方向上掃描發射的光束。
光參量放大器 (OPA) 的關鍵在於其整合天線陣列，這些天線沿長度方向周期性地分佈著微小的擾動。這些波紋使天線能夠將來自輸入光源的光散射到光子晶片之外。
研究人員通過調整傳輸到每個天線的光的相位，可以改變光從陣列中發射出來的角度。這樣，他們就能在沒有任何移動部件的情況下控制光束方向。
但如果工程師將天線放置得太近，天線之間就會相互耦合，導致它們發出的光變得雜亂無章。為了避免這種情況，科學家通常會增大天線之間的距離，但這也有缺點。
如果天線間距過大，陣列就會以不同角度發射多束光束。研究人員只能將主光束向任一方向調整到一定程度，直到它與相鄰的光束無法區分為止。
“這限制了我們的視野，因此自動駕駛汽車現在只能在一定的角度範圍內知道前方的情況，”加西亞·科萊托解釋說。
這些光束副本，被稱為光柵瓣，會干擾感測器，從而導致誤報。它們還會浪費電能。
麻省理工學院的研究人員通過設計一組可減少串擾的天線解決了這個問題，這些天線可以緊密放置在一起而不會產生明顯的耦合效應。
在標準的運算放大器（OPA）中，所有天線都採用相同的設計，即相同的波紋排列方式。這些相同的天線緊密排列時會產生非常強的耦合。
為瞭解決這一根本性難題，麻省理工學院的研究人員設計了一組三種幾何形狀不同的天線，每根天線的寬度以及波紋的大小和排列方式都各不相同。不同的幾何形狀使得每根天線都具有不同的傳播係數，從而決定了光在天線中的傳播方式。
“由於這些天線的傳播係數差異很大，當我們把它們放得很近時，實際上每個天線都‘看不到’旁邊的天線。因此，它不會與相鄰的天線耦合，”加西亞·科萊托說。
光子平衡之舉
儘管這些天線的傳播係數不同，但研究人員仍然需要它們以相同的方式發射光。
他們通過精心設計天線以滿足三個參數來實現這一目標。
首先，每個天線必鬚髮射相同數量的光。其次，對於相同波長的光，每個天線必須以相同的角度發射光束。第三，當研究人員調整天線方向時，整個陣列的發射角度必須均勻變化。
“我們面臨的挑戰是，為了減少串擾，我們需要天線具有不同的幾何形狀，但同時又需要使這些天線具有相同的發射特性。雖然理論上可以實現這一點，但這極其困難，因為通常情況下，當天線採用不同的幾何形狀設計時，它們的性能往往會有所不同，”克勞福德-恩格說道。
研究人員首先建立了輻射模式耦合的基本電磁理論。他們以此理論為指導，設計和模擬了天線。
基於這些分析，他們製造了串擾減少的 OPA，其天線間距比傳統 OPA 中的天線間距要小得多，然後對該系統進行了實驗測試。
在本實驗中，典型的光參量放大器（OPA）耦合率約為100%，而他們設計的OPA將耦合率降低至約1%，同時生成單一且精確的光束。利用這種設計，他們展示了在寬視場範圍內實現精確的光束控制，且無任何柵瓣。
未來，研究人員計畫進一步改進這項技術，以實現更廣闊的視野。此外，他們還在探索一種在建構基礎理論過程中發現的、能夠實現更廣闊視野功能的新方案。
“這項工作解決了整合光學相控陣領域長期存在的一個難題：如何同時實現寬視場（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低串擾）。作者通過一種巧妙的天線設計解決了這個問題。他們的創新是晶片級固態波束控制技術向前邁出的重要一步，”多倫多大學電子與電腦工程教授、馬克斯·普朗克微結構物理研究所所長Joyce Poon說道，她並未參與這項工作。 (半導體行業觀察)