2016-09-05摘自：大國重器

      近日，美國麻省理工學院（MIT）光子微系統研究團隊在美國國防先期研究計劃局（DARPA）的支持下，研制出體積小于十美分硬幣的微型單片集成激光雷達傳感器，具有體積小、集成度高，沒有活動部件、可以極低成本實現量產等優點，在自動駕駛汽車、無人機和機器人等領域擁有廣闊應用前景。

圖為單片集成激光雷達傳感器

激光雷達概述

      與基于無線電波的雷達探測技術不同，激光雷達利用激光進行探測。由于光的波長比無線電波小十萬倍，因此激光雷達擁有更高的探測精度。對于機器人等應用，傳統無線電雷達由于精度不高而往往使機器人無法精準感知細微物件。而如果裝備了高探測分辨率激光雷達，機器人就可以輕松分辨并抓取復雜微小的物件。此外，激光雷達還主要應用在無人駕駛汽車、地形和海洋測繪、無人機等領域。

激光雷達原理

     激光雷達能夠同時獲取被探測單元與發光元件之間的距離和方位信息，并生成一個完整的三維模型。其原理是激光雷達系統向外界環境發射出激光束，激光束遇到被探測物體后發生反射并被系統檢測。通過激光從發射到反射被接收之間的時間差，可以計算出被探測物體到雷達模塊之間的距離；通過提取反射激光的特定信號如獲取多普勒頻移參量等，可以獲得被測物的速度或者材料等特性。最后通過對探測激光束進行動態轉向，可以實現對周邊環境的全方位探測，從而創建出全景的三維模型。

激光雷達現有局限

      現有大多數激光雷達系統，如廣泛用于自動駕駛中的系統，其自由空間光學組件像激光器、接收透鏡和接收處理模塊等往往是離散的。而出于擴展探測視場的目的，這些激光/接收模塊采用的還是旋轉設計。這樣一來，不但結構件會發生機械的上下震動，限制了激光雷達的掃描速率，還增加了系統的尺寸和設計的復雜性，使系統難以長時間可靠地運行，更不用說在極端環境中系統的壽命會大為減短。此外，如今商用的高端激光雷達系統價格從1000美元到70000美元不等，這對于一些低成本的應用而言這無疑太過于昂貴。

研究目標

      對于像無人駕駛汽車和機器人這樣高度依賴雷達進行探測感知的應用，過于昂貴的激光雷達系統將會是其商業化推廣路途上的一個重要絆腳石。而麻省理工學院開展此項研究的目的正是要將這些大型、昂貴和機械化的激光雷達系統給整合至單個微型芯片上，提升激光雷達系統的性能和降低成本，使其能夠被CMOS生產廠商規模化生產，進而推進商業化應用的速度。

研究基礎

      此次研制出的單片集成激光雷達傳感器是在300毫米硅光子晶圓基礎上進行開發。硅光子技術是一種在半導體材料橫截面中埋入硅基光波導的芯片技術。硅基光波導的作用有點類似于光纖，只不過是被集成到了片上光子電路中。硅光子集成類似于將分立的電子器件，如銅線和電阻，集成到帶有銅線和納米級晶體管的微芯片中。

      微電子學特別是CMOS技術，使得大規模生產小而復雜的集成電路成為現實。而硅光子學對于光電子領域的意義則一點都不亞于微電子學對于電子領域的意義。對于CMOS晶圓代工廠而言，硅光子技術將會撬動用于微處理器生產的傳統硅基生產工藝，以實現低成本規?；a的目的。過去幾十年中，一些CMOS生產廠商推出了專用的硅光子制造工藝。在這些生產流程下，諸如波導損耗和光隔離等的一些基本難題得到了解決，如今已能夠制造出復雜光電系統。

      DARPA有意于研究硅光子的電子集成及其拓展性，并于2011年啟動了電子-光子異構集成項目(E-PHI)。時至今日，該項目獲得了兩個主要的成就：首個大規模光學相控陣列和首個廣角可操控的陣列。這些設備展示了商業CMOS晶圓代工廠具備生產制造實用化的光學相位陣列的條件，而類似的電子相控陣列雷達已經進行商業化生產數十年以上了。對比已經被廣泛應用于雷達的電子相控陣列，光學相控陣列能夠為小尺寸、低成本的固態激光雷達提供一個不錯的選擇。

技術突破概述

      對比現有市場上的雷達設備，該激光雷達系統不僅尺寸更小更輕而且更加便宜。

1、該研究團隊所研制的激光雷達芯片使用300mm晶圓生產工藝，在年產數百萬片的規模下每片的生產成本可降至10美元。

2、采用高集成設計，該系統無離散的部件，工作性能更加穩定。

3、激光束采用非機械控制，大幅提升圖像掃描速率，幾乎是機械旋轉設計激光雷達系統的1000倍。

圖為2016年5月DARPA“展示日”上所展出的激光雷達傳感器原型

技術細節

      該團隊研制的硅光子芯片尺寸為0.5mmx6mm，具有可操縱的傳輸和接收相位陣列，并且片上集成鍺光電探測器。但是激光器本身并不集成在這批芯片上，但研究人員表示未來可以實現一體化集成。

      為了在激光雷達的整個視野里面引導激光束檢測物體，每個天線的相位都需要被控制。系統在不斷迭代的工作狀態下，熱移相器會直接加熱波導。由于溫度會改變硅的折射率，使得波導中光束速度和相位發生變化。波導中由硅制造的凹槽相當于天線，激光通過其后從波導中散射出并進入自由空間。每個發射天線都具有特定的出射方式，在所有出射光發生相長干涉的地方，不需要發射透鏡就可以將一束光線聚焦。

圖為固態激光雷達的電鏡掃描圖

圖為固態激光雷達的光學顯微圖

技術突破詳述

      對比現有的激光雷達，MIT團隊研制的片上集成激光雷達傳感器具有以下改進：

更寬的轉向范圍

      目前傳統激光雷達的光束轉向范圍受限于天線之間的距離，只有51°左右。而該片上集成激光雷達傳感器能達到接近100°的轉向。但如需進一步減少天線間隔來提升轉向方位，則會由于硅波導大小的限制而變得困難。即便是如此有限的轉向范圍，依然可以通過重復布置激光雷達傳感器來獲得完整360°視野的探測成像。

先進的探測手段

      對比傳統的激光雷達采用激光運動時間進行探測的手段，該新型激光雷達選擇相干探測的方式。相干探測只需對初始出射光束進行處理，這樣可以減少在大型激光雷達系統中太陽光噪聲干擾，提高探測精準度；同時相干探測也使系統可用性能適中光電探測器來替換價格昂貴的雪崩光電探測器或者光電倍增管，以降低成本。

更大的探測范圍

     該片上集成的激光雷達傳感器能夠實現2米范圍內的物體探測，研究團隊表示有望在一年內將探測范圍提升至10米。目前該片上集成激光雷達傳感器的技術路線表明，未來能夠實現探測范圍100米甚至更遠。

更低功耗和更高探測精度

      在芯片生產工藝中摻入其他材料例如氮化硅，可以使輸出功率增加兩到三個數量級。該芯片制造工藝則同時使用了氮化硅層和硅，因而芯片功耗得到降低。另外，更大的相控陣使得激光束的衍射（擴散）影響程度變輕，因而系統的探測分辨率更高。目前該新型激光雷達的分辨率達到了厘米級，縱向探測精度在5厘米左右，2米內橫向探測精度在3厘米內。

應用

     高穩定性、高掃描速率和高探測精度的特點使得系統能夠精準追蹤高速運動的微小物體，而這種性能正是目前像無人機、無人駕駛汽車和機器人等諸多領域應用所急需的，如將其內置在機器人的手指上，可以大大提升機器人的感知能力。

未來展望

      近日，DARPA創建了一個相關的后續項目--模塊化的光學孔徑積木(MOABB)項目，項目在未來幾年中專注于擴展研究硅光子激光雷達。盡管MOABB項目并未包含MIT硅光子激光雷達學術研究團隊，但該小組表示在E-PHI項目結束以后，他們會跟進研究如何拓展相位陣列，針對多光子芯片使接口間的通信數據速率大于40Gb/s，并將其應用于自由空間光通信。研究人員也研發了基于可見光的相位陣列，以滿足Li-Fi、裸眼全息技術等應用的需求。

目前看來，未來幾年內即可實現商用單片集成激光雷達傳感器的生產。

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