麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一种新方法，有望制造出更小、更耐用且没有任何运动部件的激光雷达传感器。他们的进展核心在于一种新型硅光子芯片，这是一种控制光而非电信号的半导体器件。
现有的由硅光子芯片构建的激光雷达系统通常视场角较窄。因此，它们难以扫描场景边缘的区域。此前扩大这一观察范围的尝试往往会引入额外的噪声并降低测量精度。
麻省理工学院的团队通过创建集成天线阵列解决了这些问题，该阵列极大地限制了不必要的串扰——即相邻天线相互干扰的现象。该设计允许芯片在更宽的视场角范围内进行扫描，同时产生的噪声少于其他基于硅光子的方法。
视野更广的小型激光雷达系统
这一进展有助于为具有挑战性的用途开发功能更强大的激光雷达传感器，包括自动驾驶车辆导航、航空测绘和建筑工地监测。
麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）Robert J. Shillman职业发展副教授、电子学研究实验室成员、关于这一创新的论文资深作者Jelena Notaros表示：“我们在工作中展示的功能解决了集成光学相控阵技术的一个基本问题，使未来的激光雷达传感器能够实现比我们以前展示的显著更高的性能。”
该研究还包括主要作者、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。这些发现最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。
激光雷达如何绘制周围环境
许多传统的激光雷达系统使用大型旋转装置来引导光脉冲扫过场景。当光照射到附近的物体时，它会反射回传感器。返回的信号提供了重建环境详细地图所需的信息。
基于硅光子的激光雷达工作方式不同。它不是旋转机械装置，而是利用一种称为集成光学相控阵（OPA）的系统，在多个方向上以电子方式扫描光束。
OPA的核心是一组集成天线。每个天线沿其长度方向包含微小的、规则间隔的变化。这些特征被称为波纹结构，使来自输入源的光向上散射并射出光子芯片。
研究人员可以通过改变发送到每个天线的光的相位来控制出射光束的方向。调整这些相位会改变阵列释放光的角度，从而可以在不移动任何物理组件的情况下引导光束。
天线间距问题
将天线紧密放置会产生严重的障碍。相邻天线可能相互耦合，扰乱它们产生的光。工程师传统上通过增加天线之间的距离来防止这种干扰，但更宽的间距会产生另一组问题。
当天线相距太远时，阵列会在不同角度产生同一光束的多个副本。主光束只能移动有限的距离，之后就会变得难以与这些额外的副本区分开来。
“这限制了我们的视场角，因此自动驾驶车辆现在只能知道一定角度范围内前方的情况，”Garcia Coleto解释道。
这些不需要的光束副本称为栅瓣，可能会干扰传感器并产生错误检测。它们还消耗本可以导向主光束的能量。
为了克服这种权衡，麻省理工学院的研究人员开发了串扰降低的天线，可以将它们紧密放置而不会发生强烈耦合。
三种天线形状减少干扰
在传统的OPA中，每个天线具有相同的结构并使用相同的波纹图案。当这些匹配的天线紧密放置时，它们之间的相互作用非常强烈。
麻省理工学院的团队转而创建了一组重复的、具有不同形状的三种天线。他们改变了天线的宽度以及波纹的大小和位置。由于天线具有不同的几何形状，每个天线也有不同的传播系数，该系数描述了光如何在结构中传播。
“因为天线的传播系数非常不同，当我们把它们放在一起时，本质上每个天线都不会‘看到’它旁边的天线。因此，它不会与相邻天线耦合，”Garcia Coleto说。
让不同的天线表现一致
减少耦合只是挑战的一部分。虽然天线需要不同的传播系数，但它们仍然必须以相同的一致方式释放光。
团队围绕三个基本要求设计了天线。
每个天线必须发射相同量的光。每个天线在接收相同波长时也需要以相同的角度释放其光束。最后，随着光束的引导，整个阵列的发射角度必须均匀变化。
“我们面临的挑战是，我们需要天线具有不同的几何形状以减少串扰，但同时我们需要设计天线具有相同的发射特性。虽然工程上可以实现这一点，但这极其困难，因为通常当天线设计成不同的几何形状时，它们的行为往往也会不同，”Crawford-Eng说。
研究人员首先开发了描述辐射模式如何耦合的基本电磁理论。然后，他们利用这一理论框架指导天线的设计和计算机仿真。
基于这些计算，团队制造了一个包含低串扰天线的OPA。天线的放置距离比传统系统中的近得多，然后对完成的器件进行了实验测试。
干扰从约100%降至1%
在实验条件下，典型的OPA会产生大约100%的耦合。麻省理工学院的设计将耦合降低到约1%，同时仍然产生一个干净、精确的光束。
该系统在宽视场角范围内精确引导光束，没有产生任何栅瓣。宽扫描、低干扰和强光束质量的结合解决了集成激光雷达技术面临的核心障碍之一。
研究人员现在计划改进该方法，以便系统可以覆盖更广的观察范围。他们还在研究另一种可能实现宽视场角性能的方法，该方法是在开发基础理论时出现的。
未参与此项工作的多伦多大学电气与计算机工程教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon表示：“这项工作解决了集成光学相控阵中长期存在的挑战：同时实现宽视场角（这需要密集的天线间距）和高光束质量（这需要相邻天线之间的低串扰）。作者通过优雅的天线设计解决了这个问题。他们的创新是芯片级固态光束引导技术向前迈出的重要一步。”
半导体研究公司、国家科学基金会、MIT MathWorks奖学金、美国战争部以及MIT Rolf G. Locher捐赠奖学金为这项研究提供了部分支持。
部分工作是在MIT.nano设施中完成的。