付靜 發表於 2020-12-08 16:50:51
作為一項高精尖技術，「雷射雷達」被用於航天、測繪、自動駕駛等領域，但體積、成本、工作環境等因素仍對其有所制約。
其實早在 2016 年 8 月，MIT（美國麻省理工學院）就聯合 DARPA（美國國防部高級研究計劃局）給出了一個解決方案：將雷射雷達傳感器封裝到單晶片上，尺寸僅 0.5 毫米 × 6 毫米（下圖是雷射雷達和一枚十美分硬幣的對比圖）。
這一設計被稱為 lidar-on-a-chip，採用 CMOS 晶圓廠的 300mm 製造工藝，一顆傳感器的生產成本在 10 美元左右，相比市面上的雷射雷達傳感器來說簡直是白菜價——據美國電氣電子工程師學會旗艦出版物 IEEE Spectrum 當時報導，商用高端雷射雷達系統的價格在 1000 到 70000 美元之間。
那時，MIT光子微系統小組就希望將體積大、價格高的機械雷射雷達系統集成到微晶片上，實現量產。
如今，MIT和 DARPA 的雷射雷達傳感器研發工作仍在繼續。不久前 MIT展示了新型固態 lidar-on-a-chip。2020 年 12 月 1 日，IEEE Spectrum 發表了一篇報導，講述了 MIT是如何推進下一代雷射雷達傳感器發展的。
MIT成立 Kyber Photonic 應對挑戰
所謂雷射雷達即 LiDAR，是以發射雷射束探測目標的位置、速度等特徵量的一種雷達系統。雷射雷達傳感器通過掃描波長 850-1550 納米的光束、利用反射的光信號建立區域三維地圖，從而提供空間信息。不論是白天還是夜間，雷射雷達都能提供高解析度及明確的範圍和速度信息。
其工作原理是，向目標發射探測信號，將反射回來的信號與發射信號進行比較並作適當處理，從而獲得目標的眾多參數。
雷射雷達能夠獲取三維地理信息，不僅能作軍事用途，相關數據也被廣泛用於資源勘探、城市規劃、農業開發、環境監測、交通通訊、防震減災等眾多方面。
工業界，自動駕駛、機器人（比如掃地機器人、物流機器人）、無人機、乃至 iPad Pro 2020 和 iPhone 12 Pro 系列中，均有雷射雷達加持。
雷射雷達傳感器可幫助自動駕駛汽車探測到其他車輛、自行車、行人以及道路上任何構成潛在危險的障礙物，它獲取到的信息至關重要，因而也被稱為是自動駕駛汽車的眼睛。
誠然，測距雷射雷達有望使得機器以非常高的精度觀察世界並對機器進行導航，但在雷射雷達被自動駕駛車輛和機器人廣泛使用之前，雷射雷達傳感器需要大量生產，性能需要提升，成本也需要比目前的商用系統成本（幾千美元上下）低兩個數量級。
MIT表示：
全自動駕駛汽車的應用空間更加凸顯了雷射雷達行業面臨的性能與發展挑戰。
雷射雷達面臨的具體要求比如：
單位成本約 100 美元；
200 米範圍以外反射率在 10% 左右；
最小視野（FOV）為水平 120°、垂直 20°；
角解析度 0.1°；
每秒至少 10 幀，每幀十萬像素；
製造速度每年數百萬個。
2020 年年初，MIT成立了一家名為 Kyber Photonic 的公司，旨在通過新的集成光子設計來解決上述挑戰。
Kyber Photonic 聯合創始人、CEO Josué J. López 在萊斯大學獲物理學學士學位，在 MIT獲理學碩士學位，目前在 MIT攻讀電子工程博士學位。
他在下一代成像和傳感技術方面擁有十年的經驗，是非營利組織 Activate 2020 Fellow，獲得了由 DARPA 支持的一項為期兩年的獎學金（這項獎學金旨在幫助科學家們將創新成果推向市場）。
在 DARPA 的支持下，MIT在 Kyber Photonic 的一個小組設計了新型固態 lidar-on-a-chip 結構。MIT表示：
與目前最先進的雷射雷達相比，這一設計視野相當廣闊、控制方法簡單，並有希望通過集成光子學產業的晶片規模製造方法，將規模擴大到數百萬個單元。
新型固態 lidar-on-a-chip 結構
IEEE Spectrum 拆解了該結構的兩個關鍵概念。
一是固態，即不使用活動部件，消除了機械模式的故障。
二是 lidar-on-a-chip，指將雷射、電子、探測器和光學光束控制機制全部集成到晶片上。
正是由於這一架構可以充分利用與 CMOS 兼容的材料、半導體行業建立的晶片規模製造方法，現存的雷射雷達難題有望被解決。正如 IEEE Spectrum 在報導中所說的那樣：
一旦最終的解決方案被證實，我們就可以預期，雷射雷達傳感器就像電腦、手機內部的集成電路一樣，每年生產數億個。
具體來講，MIT光子學團隊和 MIT林肯實驗室的研究人員合作開發了固態光束轉向的替代解決方案。
過去 3 年，研究人員已經設計、製造並在實驗中成功演示了一種新的固態波束控制架構，這一架構可在近紅外環境下工作。
下圖是基於平面透鏡的光束轉向架構示意圖：近紅外雷射通過光纖耦合到晶片上，雷射穿過由馬赫 - 曾德爾幹涉儀（MZI，主要用於觀測從單獨光源發射的光束分裂成兩道準直光束之後，經過不同路徑與介質所產生的相對相移變化）開關樹形成的光開關矩陣，然後光線被饋送到一個平面透鏡中，平面透鏡既可準直光，也可將光轉向，通過光柵將其散射到平面外。
下圖是晶片的二維橫截面，整個水平視場被從波導發射的光束覆蓋。
基於此，一個解析度為 0.1° 的 100° FOV 雷射雷達系統也能實現了。可以說，這一架構能夠滿足雷射雷達應用所需的 FOV 和解析度要求。
實際上，這一方案的其中一處靈感來自於羅特曼透鏡（Rotman lens）。
20 世紀 50 年代後，隨著跟蹤雷達、衛星通信等領域對多目標應用環境的要求增加，基於準光學原理的透鏡多波束技術出現，而羅特曼透鏡則是其中最著名的一項技術。無需有源電子相位控制，羅特曼透鏡就能在微波環境下實現無源波束形成網絡。
與此同時，為滿足雷射雷達 200 米的射程要求，研究人員還為相干檢測方案（MIT稱之為調頻連續波，FMCW）設計了系統，而不是傳統的利用飛行時間（ToF）的檢測方式。
據了解，FMCW 的優勢在於：可提供瞬時速度信息、不易受其他光源幹擾。儘管成本、產量等因素還未得到驗證，幾家射程超過 300 米的雷射雷達廠商已成功演示了 FMCW。
那麼，該結構效果如何？
研究人員使用光纖耦合可調雷射器對波長 1500-1600 nm 的平面透鏡光束轉向進行了測試。測試證實，新型固態 lidar-on-a-chip 的 FOV 可達到水平 40°、垂直 12°。經過一番調整後，其 FOV 甚至達到了水平 160°、垂直 20°。
下圖顯示了晶片在平面透鏡光束的控制下紅外圖像組成的動畫。
展望未來，MITKyber Photonic 研究人員表示：
我們的最終目標是，在未來的兩到三年內實現一個錢包大小的雷射雷達晶片單元，並且擁有一條清晰的生產路徑，實現低成本、高可靠性、高性能和可擴展性，適用於自動駕駛汽車等行業。
編輯：hfy
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