光達技術使用紅外光脈衝來計算距離並創建周圍環境的詳細 3D 地圖。這使得自動駕駛車輛能夠偵測路徑中的物體並快速回應。然而，傳統的光達感測器通常體積龐大、價格昂貴，而且許多都依賴隨著時間的推移而磨損的移動組件。這些限制使得系統難以在各種設定中使用。
現在，麻省理工學院的研究人員開發出了一種方法，可以製造出更小、更耐用的光達感測器。他們的進步集中在新型矽光子晶片上。它是一種控制光而不是電訊號的半導體元件。
現有的採用矽光子晶片建構的雷射雷達系統通常視野很窄。因此，他們很難掃描場景邊緣的區域。先前擴展該視場的嘗試常常會引入額外的雜訊並降低測量精度。
麻省理工學院的團隊透過創建一系列內建天線來解決這些問題，這些天線可以顯著限制不必要的干擾。當相鄰天線相互幹擾時就會發生這種情況。該設計允許晶片以更寬的視野進行掃描，同時產生比其他方法更少的雜訊。使用矽光子學
小型光達系統，視野更廣
這項進步可以支持開發功能更強大的光達感測器，以應對具有挑戰性的應用。包括自動駕駛車輛的導航。建築工地的航空測繪與檢查
麻省理工學院電氣工程與計算機科學 (EECS) 職業發展副教授、電子研究實驗室成員、該創新論文的資深作者 Jelena Notaros 表示：“我們在這項工作中展示的功能解決了集成相控陣光學技術的基本問題。這使得未來的激光雷達傳感器能夠具有比我們之前展示的更高的性能。”
研究的主要作者和 EECS 研究生 Henry Crawford-Eng，以及 EECS 研究生 Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis 和 Tal Sneh。結果最近發表在 大自然交流。
光達如何繪製環境圖？
許多傳統的雷射雷達系統使用大型旋轉單元來脈衝光方向穿過場景。當光線照射到附近的物體時，光線會反射回感光元件。傳回的訊號提供建立詳細環境地圖所需的資訊。
基於矽光子的雷射雷達的工作原理有所不同。該系統不是旋轉機械設備，而是使用稱為整合光學相控陣 (OPA) 的系統在多個方向上電子掃描光束。
OPA 的核心是其整合天線陣列。每個天線都很小，並且沿其長度均勻分佈。這些特徵稱為捲髮。這導致來自輸入源的光向上散射並遠離光子晶片。
研究人員可以透過改變發送到每個天線的光的相位來控制輸出光束的方向。調整這些距離會改變陣列發光的角度。這允許在不移動任何物理組件的情況下控制光束。
天線間距問題
將天線靠近放置會造成嚴重的障礙物。附近的天線可以相互連接以競爭產生的光。工程師通常會透過增加天線之間的距離來防止這種幹擾。但更遠的距離會產生不同的問題。
當天線相距太遠時，陣列會以不同角度建立同一波束的多個副本。主梁只能移動有限的距離。以前很難區分這些額外的副本。
「這限制了我們的視野。因此，自動駕駛汽車只能知道某個角度範圍內的前方情況，」Garcia Coleto 解釋道。
不需要的光束複製它被稱為篩子篩子。這可能會混淆感測器並造成錯誤檢測。它也使用原本會被引導至主光束的能量。
為了克服這一優勢，麻省理工學院的研究人員開發了串擾減少的天線，可以靠近放置而無需緊密耦合。
三種天線形狀可減少干擾。
在傳統的OPA中，所有天線都具有相同的結構。並使用相同的捲曲圖案，當這些成對的天線靠近放置時，它們會彼此劇烈地相互作用。
相反，麻省理工學院的團隊創造了一組三個不同形狀的天線。它們改變天線的寬度以及捲曲的大小和位置。因為天線有不同的形狀。因此，每個天線具有不同的傳播係數。它描述了光如何穿過結構。
「這是因為天線具有非常不同的傳播係數。當我們將它們靠近時，每個天線都看不到它旁邊的天線，因此它不會與其鄰居配對，」加西亞·科萊託說。
使不同的天線以相同的方式工作。
減少連線只是挑戰的一部分。儘管天線必須具有不同的傳播係數，但它仍然必須以相同一致的方式發射光。
該團隊根據三個關鍵要求設計了天線。
每個天線必須發射相同量的光。每個天線也需要在給定相同波長的情況下以相同角度發射波束。最終，發射角度必須均勻變化。當光束被引導時穿過陣列。
「我們遇到了這個挑戰，我們希望天線具有不同的形狀以減少串擾。但我們需要設計具有相同發射特性的天線。雖然可以設計這個，但非常困難。因為一般來說，當天線設計成不同的形狀時，它們往往表現不同，」Crawford-Eng 說。
研究人員首先開發了一種基本的電磁理論來解釋輻射模式如何耦合在一起。然後他們使用這個理論架構來指導天線的設計和電腦模擬。
根據這樣的計算，團隊生產出了縮小串擾天線的 OPA。與典型系統中的天線相比，這些天線的放置距離更近。然後對完成的設備進行測試。
幹擾從大約 100% 下降到 1%。
在實驗條件下，典型的 OPA 實現大約 100% 的耦合。麻省理工學院的設計將耦合減少到大約 1%，同時仍產生乾淨、精確的光束。
該系統精確地引導光束穿過寬闊的視野。不產生任何光柵寬掃描、低幹擾和強光束品質的結合解決了整合雷射雷達技術面臨的關鍵障礙之一。
研究人員現在計劃改進該方法，使系統能夠涵蓋更廣泛的觀看範圍。他們正在研究另一種可能的解決方案，以提高在發展基礎理論時出現的寬視野的有效性。
多倫多大學電機與電腦工程教授兼馬克斯普朗克微物理研究所所長 Joyce Poon 表示：「這項工作解決了同步相控光學陣列中長期存在的挑戰：既要實現寬視場，需要密集的天線間距，又要實現高波束質量，這需要相鄰天線之間的低串擾。」作者透過優雅的天線設計解決了這個問題。他們的創新標誌著晶片級固態光束控制技術向前邁出了重要一步，」多倫多大學電氣和電腦工程教授、馬克斯·普朗克微物理研究所所長喬伊斯·潘（Joyce Poon）說，她沒有參與這項工作。
半導體研究公司、美國國家科學基金會、麻省理工學院 MathWorks 獎學金、美國國防部和麻省理工學院 Rolf G. Locher 獎學金為本研究提供了部分支持。
其中一些工作是使用 MIT.nano 設施進行的。
