新型 MIT 设计的激光雷达芯片利用特殊设计的天线，减少干扰并拓宽传感器的视场
从穿梭于繁忙街道的自动驾驶汽车，到勘察灾区的无人机，激光雷达（lidar）已成为帮助机器以三维方式感知世界的最重要技术之一。激光雷达系统通过发射快速红外光脉冲并测量其反射，能够实时构建周围环境的高精度地图。
但当前最强大的激光雷达传感器往往存在重大缺陷：体积庞大、价格昂贵，且依赖会随时间磨损的运动机械部件。
现在，MIT 的研究人员展示了一种潜在的解决方案。他们开发出一种新型硅光子芯片，可以制造出没有运动部件的紧凑、耐用的激光雷达系统。硅光子学利用半导体技术操控光而非电，为制造更小、更便宜且更易大规模生产的激光雷达传感器打开了大门。
硅光子激光雷达面临的最大障碍之一是其有限的视场。现有的芯片级系统难以扫描广角，而扩大覆盖范围的方法通常会引入噪声并降低测量精度。
为克服这一挑战，MIT 团队设计了一种集成天线阵列，能够大幅减少相邻天线之间被称为串扰的有害干扰。他们的方法使激光雷达芯片能够扫描更宽广的区域，同时保持自动驾驶汽车、航空测绘和建筑工地监控等高要求应用所需的低噪声、高精度性能。
固态激光雷达或将改变自主导航
这一突破有望支持开发用于自动驾驶、航空测量和建筑工地监控等领域的先进激光雷达传感器。
“我们在这项工作中展示的功能，解决了集成光学相控阵技术的一个根本性问题，使未来的激光雷达传感器能够实现远超以往的性能，”MIT 电气工程与计算机科学系 Robert J. Shillman 职业发展副教授、电子研究实验室成员及该创新论文的资深作者 Jelena Notaros 表示。
论文第一作者是 EECS 研究生 Henry Crawford-Eng。合著者包括 EECS 研究生 Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis 和 Tal Sneh。研究成果发表于《自然·通讯》。
传统激光雷达系统通常依赖一个旋转单元向多个方向发射光脉冲。反射光返回传感器，系统据此重建环境地图。
硅光子激光雷达如何操控光
硅光子激光雷达系统则使用集成光学相控阵（OPA）以电子方式操控光，从而省去运动部件。
OPA 包含一系列集成天线，其表面有微小的周期性波纹。这些波纹将入射光向上并向外散射出光子芯片。
通过改变发送到每个天线的光的相位，研究人员可以控制出射光束的方向并以电子方式操控它。
然而，天线放置得太近会产生干扰，导致出射光发生畸变。为避免这种情况，工程师通常将天线间距拉大，但这又会产生另一个问题。
栅瓣限制视场
当天线间距过大时，阵列会在不同角度生成多个光束副本。如此一来，主光束只能在有限范围内扫描，否则便难以与相邻光束区分。
“这限制了我们的视场，所以自动驾驶汽车现在只知道前方某个角度范围内的情况，”Garcia Coleto 解释道。
这些名为栅瓣的重复光束会混淆传感器、产生误报并浪费能量。
为解决这个问题，MIT 研究人员设计了低串扰天线，它们可以彼此靠得更近而不会产生显著干扰。
MIT 的低串扰天线创新
在传统 OPA 中，每根天线都使用相同的几何形状和波纹图案，当它们密集排列时会导致强耦合。
MIT 团队通过设计三种宽度和波纹布局各不相同的天线来解决这一问题。这些差异赋予每根天线独特的传播系数，从而影响光通过它的方式。
“由于天线的传播系数截然不同，当我们把它们靠得很近时，每根天线基本上‘看不见’旁边的天线。因此，它不会与邻居发生耦合，”Garcia Coleto 说。
即便传播特性不同，天线仍需以均匀的方式发射光。
设计均匀光束发射的天线
研究人员精心设计了天线以满足三个要求。
每根天线必须发出相同数量的光，在给定波长下将光束指向同一角度，并且当光束在阵列上扫描时，发射角度要发生一致的变化。
“我们面临这样一个挑战：需要让天线拥有不同的几何形状以减少串扰，但同时又必须将它们设计成具有相同的发射特性。虽然这可以通过工程实现，但极其困难，因为通常情况下，不同几何形状的天线往往会表现不同，”Crawford-Eng 说道。
团队首先建立了描述辐射模式如何相互作用的电磁理论，然后利用这些发现来设计和仿真天线。
实验结果显示出重大性能提升
运用这一方法，研究人员构建了一个天线间距远小于传统系统的 OPA，并对该器件进行了实验测试。
在传统 OPA 中，类似条件下的耦合几乎接近 100%。而在 MIT 系统中，耦合降至约 1%，同时仍能产生单一、精确的光束。该设计还实现了在宽广视场内的精确光束扫描，且没有产生栅瓣。
研究人员现在计划进一步改进技术，以继续扩大视场。他们还在探索另一项可能的广角功能解决方案，这是他们在发展基础理论时出现的。
“这项工作解决了集成光学相控阵领域一个长期存在的挑战：同时实现需要密集天线间距的广视场，以及需要低相邻天线串扰的高光束质量。作者们用精巧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操控技术