传统激光雷达系统虽然能为自动驾驶汽车提供高精度的三维环境感知能力，但其昂贵的价格、庞大的体积以及依赖易磨损的机械旋转部件，限制了更广泛的应用。近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员设计了一种新型硅光子芯片，在无需任何移动部件的前提下，成功解决了芯片级激光雷达长期存在的视野狭窄和信号干扰问题。相关成果已于近期发表在权威期刊《自然·通讯》上。

激光雷达如何绘制其周围环境

许多传统激光雷达系统使用大型旋转单元将光脉冲引导到场景中。当光线照射到附近物体时，会反射回传感器方向。回传信号提供了重建环境详细地图所需的信息。

基于硅光子学的激光雷达工作原理不同。它不是旋转机械装置，而是通过一种称为集成光学相控阵（OPA）的系统，电子扫描光束向多个方向。

OPA的核心是一组集成天线。每个天线沿长度都包含微小且规律分布的变异。这些特征被称为波纹，使输入源的光向上散射并向光子芯片散射出去。

研究人员可以通过改变发送到每个天线的光相位来控制发射光束的方向。调整这些相位改变阵列释放光的角度，使得在不移动任何物理部件的情况下引导光束成为可能。

天线间距问题

天线靠近会造成严重障碍。相邻的天线可以相互耦合，导致它们产生的光线扰。工程师传统上通过增加天线间距来防止干扰，但更宽的间距则带来了另一套问题。

当天线距离过远时，阵列会以不同角度产生多个相同的波束复制。主束只能移动有限距离，之后很难与这些额外复制品区分。

“这限制了我们的视野，所以自动驾驶车辆现在只能在一定角度范围内知道前方的景象，”加西亚·科莱托解释道。

这些不需要的光束复制体称为光栅瓣，会干扰传感器并产生误探。它们还消耗了本可引导到主束的能量。

为克服这一权衡，麻省理工学院的研究人员开发了减少串扰的天线，这些天线可以靠近放置而不会产生强烈耦合。

三种天线形状减少干扰

在传统的OPA中，每个天线结构相同，使用相同的波纹图案。当这些匹配的天线靠近放置时，它们相互作用非常强烈。

麻省理工团队则设计了一组三根形状各异的重复天线。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，用于描述光如何在结构中传播。

“由于天线传播系数差异很大，当我们将它们靠近时，基本上每个天线都无法'看到'旁边的天线。因此，它不会与邻居结合，“加西亚·科莱托说。

让不同的天线表现相同

减少联结只是挑战的一部分。尽管天线需要不同的传播系数，但它们仍需以相同一致的方式释放光线。

MIT的研究团队围绕三个基本需求设计了天线。每个天线必须发射相同量的光。每个天线接收相同波长时，也必须以相同角度释放波束。最后，随着束流的引导，发射角度必须在整个阵列均匀变化。

“我们面临一个挑战，要求天线具有不同的几何形状以减少串扰，但同时又需要设计天线使其具有相同的发射特性。虽然工程设计是可能的，但极其困难，因为通常天线设计成不同几何形状时，表现往往不同，“Crawford-Eng说。

研究人员首先发展了描述辐射模耦合的基本电磁理论。随后，他们利用这一理论框架指导天线的设计和计算机模拟。

基于这些计算，团队制造了一个包含减少串扰天线的OPA。天线之间的距离比传统系统更近，完成的设备随后进行了实验测试。

干扰率从大约100%降至1%

在实验条件下，典型的OPA会产生约100%的耦合。MIT设计将耦合率降低到约1%，同时仍能产生一束干净且精准的束流。

该系统能够准确地引导光束穿越宽广视场，且不产生任何光栅叶瓣。这种宽扫描、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，使系统能够覆盖更广泛的观看范围。他们还在研究在构建基础理论时出现的另一种可能的广域视野表现方法。

“这项工作解决了集成光学相控阵长期以来的一个挑战：同时实现宽视场（需要密集天线间距）和高波束质量（需要邻近天线间低串扰）的双重要求。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束控技术的重要进步，“多伦多大学电气与计算机工程教授、马克斯·普朗克微观结构物理研究所所长乔伊斯·潘说，她并未参与这项工作。