作為一項(xiàng)高精尖技術(shù)，激光雷達(dá)被用于航天、測(cè)繪、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域，但體積、成本、工作環(huán)境等因素仍對(duì)其有所制約。

其實(shí)早在2016年8月，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）就聯(lián)合美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）給出了一個(gè)解決方案：將激光雷達(dá)傳感器封裝到單塊芯片上，尺寸僅為0.5mm×6mm。下圖是激光雷達(dá)傳感器和一枚十美分硬幣的對(duì)比圖。

■激光雷達(dá)傳感器放在一枚十美分硬幣上

這一設(shè)計(jì)被稱(chēng)為“lidar-on-a-chip”，采用了CMOS晶圓廠的300mm制造工藝。當(dāng)前一顆傳感器的生產(chǎn)成本在10美元左右，相比市面上的激光雷達(dá)傳感器來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是“白菜價(jià)”。據(jù)美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)旗艦出版物IEEE Spectrum當(dāng)時(shí)報(bào)道，商用高端激光雷達(dá)系統(tǒng)的價(jià)格在1000-70000美元之間。

那時(shí)，MIT光子微系統(tǒng)小組就希望將體積大、價(jià)格高的機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到微芯片上，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。如今，MIT和DARPA的激光雷達(dá)傳感器研發(fā)工作仍在繼續(xù)。不久前MIT展示了新型固態(tài)lidar-on-a-chip。2020年12月1日，IEEE Spectrum又發(fā)表了一篇報(bào)道，講述了MIT在下一代激光雷達(dá)傳感器上的發(fā)展進(jìn)程。

■MIT成立Kyber Photonic應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

激光雷達(dá)（LiDAR）是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的一種雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)傳感器通過(guò)掃描波長(zhǎng)850nm-1550nm的光束、利用反射的光信號(hào)建立區(qū)域三維地圖，從而提供空間信息。不論是白天還是夜間，激光雷達(dá)都能提供高分辨率及明確的范圍和速度信息。

激光雷達(dá)的工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，將反射回來(lái)的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較并作適當(dāng)處理，從而獲得目標(biāo)的眾多參數(shù)。激光雷達(dá)能夠獲取三維地理信息，不僅能作軍事用途，相關(guān)數(shù)據(jù)也被廣泛用于資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通通訊、防震減災(zāi)等眾多方面。

在工業(yè)界，自動(dòng)駕駛、機(jī)器人（比如掃地機(jī)器人、物流機(jī)器人）、無(wú)人機(jī)、乃至iPad Pro 2020 和iPhone 12 Pro系列中，均有激光雷達(dá)加持。激光雷達(dá)傳感器可幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)探測(cè)到其他車(chē)輛、自行車(chē)、行人以及道路上任何構(gòu)成潛在危險(xiǎn)的障礙物，它獲取到的信息至關(guān)重要，因而也被稱(chēng)為是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的“眼睛”。

誠(chéng)然，測(cè)距激光雷達(dá)有望使得機(jī)器以非常高的精度觀察世界并對(duì)機(jī)器進(jìn)行導(dǎo)航，但在激光雷達(dá)被自動(dòng)駕駛車(chē)輛和機(jī)器人廣泛使用之前，激光雷達(dá)傳感器需要大量生產(chǎn)，性能需要提升，成本也需要比目前的商用系統(tǒng)成本（幾千美元上下）低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

MIT表示：全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的應(yīng)用空間更加凸顯了激光雷達(dá)行業(yè)面臨的性能與發(fā)展挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)面臨的具體要求比如：?jiǎn)挝怀杀炯s100美元；200米范圍以外反射率在10%左右；最小視野（FOV）為水平120°、垂直20°；角分辨率0.1°；每秒至少10幀，每幀10萬(wàn)像素；制造速度每年數(shù)百萬(wàn)個(gè)。

2020 年年初，MIT成立了一家名為Kyber Photonic的公司，旨在通過(guò)新的集成光子設(shè)計(jì)來(lái)解決上述挑戰(zhàn)。Kyber Photonic聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO Josué J. López在萊斯大學(xué)獲物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，在MIT獲理學(xué)碩士學(xué)位，目前在MIT攻讀電子工程博士學(xué)位。

他在下一代成像和傳感技術(shù)方面擁有10年的經(jīng)驗(yàn)，是非營(yíng)利組織Activate 2020成員，獲得了由DARPA支持的一項(xiàng)為期兩年的獎(jiǎng)學(xué)金（這項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金旨在幫助科學(xué)家將創(chuàng)新成果推向市場(chǎng)）。

■Kyber Photonic聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO Josué J. López介紹

在DARPA的支持下，MIT在Kyber Photonic的一個(gè)小組設(shè)計(jì)了新型固態(tài)lidar-on-a-chip結(jié)構(gòu)。MIT表示：與目前最先進(jìn)的激光雷達(dá)相比，這一設(shè)計(jì)視野相當(dāng)廣闊、控制方法簡(jiǎn)單，并有希望通過(guò)集成光子學(xué)產(chǎn)業(yè)的晶片規(guī)模制造方法，將規(guī)模擴(kuò)大到數(shù)百萬(wàn)個(gè)單元。

新型固態(tài)lidar-on-a-chip結(jié)構(gòu)

IEEE Spectrum拆解了該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)關(guān)鍵概念。一是固態(tài)，即不使用活動(dòng)部件，消除了機(jī)械模式的故障；二是lidar-on-a-chip，指將激光、電子、探測(cè)器和光學(xué)光束控制機(jī)制全部集成到芯片上。

正是由于這一架構(gòu)可以充分利用與CMOS兼容的材料、半導(dǎo)體行業(yè)建立的晶片規(guī)模制造方法，現(xiàn)存的激光雷達(dá)難題有望被解決。正如IEEE Spectrum在報(bào)道中所說(shuō)的那樣：一旦最終的解決方案被證實(shí)，我們就可以預(yù)期，激光雷達(dá)傳感器就像電腦、手機(jī)內(nèi)部的集成電路一樣，每年生產(chǎn)數(shù)億個(gè)。

具體來(lái)講，MIT光子學(xué)團(tuán)隊(duì)和MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作開(kāi)發(fā)了固態(tài)光束轉(zhuǎn)向的替代解決方案。過(guò)去3年，研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造并在實(shí)驗(yàn)中成功演示了一種新的固態(tài)波束控制架構(gòu)，這一架構(gòu)可在近紅外環(huán)境下工作。

下圖是基于平面透鏡的光束轉(zhuǎn)向架構(gòu)示意圖：近紅外激光通過(guò)光纖耦合到芯片上，激光穿過(guò)由馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI，主要用于觀測(cè)從單獨(dú)光源發(fā)射的光束分裂成兩道準(zhǔn)直光束之后，經(jīng)過(guò)不同路徑與介質(zhì)所產(chǎn)生的相對(duì)相移變化）開(kāi)關(guān)樹(shù)形成的光開(kāi)關(guān)矩陣，然后光線被饋送到一個(gè)平面透鏡中，平面透鏡既可準(zhǔn)直光，也可將光轉(zhuǎn)向，通過(guò)光柵將其散射到平面外。

■基于平面透鏡的光束轉(zhuǎn)向架構(gòu)示意圖

基于此，一個(gè)分辨率為 0.1°的100°最小視野激光雷達(dá)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)�？梢哉f(shuō)，這一架構(gòu)能夠滿足激光雷達(dá)應(yīng)用所需的最小視野和分辨率要求。實(shí)際上，這一方案的其中一處?kù)`感來(lái)自于羅特曼透鏡（Rotman lens）。

■基于平面透鏡的光束轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的電磁仿真

1950年代后，隨著跟蹤雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域?qū)Χ嗄繕?biāo)應(yīng)用環(huán)境的要求增加，基于準(zhǔn)光學(xué)原理的透鏡多波束技術(shù)出現(xiàn)，而羅特曼透鏡則是其中最著名的一項(xiàng)技術(shù)。無(wú)需有源電子相位控制，羅特曼透鏡就能在微波環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無(wú)源波束形成網(wǎng)絡(luò)。

與此同時(shí)，為滿足激光雷達(dá)200米的射程要求，研究人員還為相干檢測(cè)方案（MIT稱(chēng)之為調(diào)頻連續(xù)波，F(xiàn)MCW）設(shè)計(jì)了系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的利用飛行時(shí)間（ToF）的檢測(cè)方式。

據(jù)了解，F(xiàn)MCW的優(yōu)勢(shì)是可提供瞬時(shí)速度信息、不易受其他光源干擾。盡管成本、產(chǎn)量等因素還未得到驗(yàn)證，幾家射程超過(guò)300米的激光雷達(dá)廠商已成功演示了FMCW。

研究人員使用光纖耦合可調(diào)激光器對(duì)波長(zhǎng)1500nm-1600nm的平面透鏡光束轉(zhuǎn)向進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試證實(shí)，新型固態(tài)lidar-on-a-chip的最小視野可達(dá)到水平40°、垂直12°。經(jīng)過(guò)一番調(diào)整后，其最小視野甚至達(dá)到了水平160°、垂直20°。下圖顯示了芯片在平面透鏡光束的控制下紅外圖像組成的動(dòng)畫(huà)。

■由紅外圖像組成的動(dòng)畫(huà)顯示平面透鏡光束控制芯片的操作。a）通過(guò)端口選擇進(jìn)行光束控制，（b）通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)諧進(jìn)行光束控制

展望未來(lái)，MIT Kyber Photonic研究人員表示：我們的最終目標(biāo)是在未來(lái)的兩到三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)錢(qián)包大小的激光雷達(dá)芯片單元，并且擁有一條清晰的生產(chǎn)路徑，實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、高性能和可擴(kuò)展性，適用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)等行業(yè)。