麻省理工新研发的激光雷达芯片，让自动驾驶汽车“看得更远”

麻省理工学院研究人员提出一种可制造更小、更耐用、无运动部件的激光雷达传感器的新方案。核心是一片新的硅光子芯片，它是一种用半导体控制光信号而非电信号的设备。传统的硅光子激光雷达通常视场角较窄，难以扫描场景边缘；扩大视场时又往往带来额外噪声并降低测量精度。MIT团队通过设计一组紧密排列的集成天线，显著抑制相邻天线之间的串扰，从而在更宽视场内扫描光波束，同时保持更低噪声和更高精度。

这种技术有望服务于自动驾驶汽车导航、航空测绘、施工现场监测等对性能要求较高的应用。论文资深作者、MIT电子工程与计算机科学系副教授、电子学研究实验室成员Jelena Notaros表示，该成果解决了集成光学相控阵技术中的一个基础难题，使未来芯片级激光雷达传感器能达到远高于以往的性能。研究团队还包括第一作者、EECS研究生Henry Crawford-Eng，以及研究生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。相关结果近期发表于《Nature Communications》。

传统激光雷达常借助旋转部件将光脉冲扫描到环境中。光打在物体上后反射回传感器，传感器通过回波的时间、强度等信息重建周围三维地图。硅光子激光雷达不使用旋转机械，而采用集成光学相控阵（OPA）在多个方向上电子控制光束。OPA的核心是若干集成天线。天线表面有规则间隔的微小凹凸结构，称为波纹，可让输入光从芯片内向上散射并离开芯片。研究人员通过改变输入到各天线的相位，调整天线阵列释放光的角度，从而无需移动任何物理部件就能引导光束方向。

关键难点在于天线间距。如果天线彼此靠得太近，相邻天线会互相耦合，使光信号混乱；传统上工程师通过加大天线间距避免耦合，但间距过大会产生多个同角度方向的复制光束，称为栅瓣。主光束只能移动有限距离，否则难以与栅瓣区分。这样会限制视场角，使自动驾驶车辆只能在一定角度范围内感知前方信息。栅瓣还会混淆传感器、造成虚假检测，并消耗本可注入主光束的能量。

MIT团队开发了串扰更低、可近距离排列的天线。常规OPA中所有天线结构和波纹图案相同，靠近时相互作用很强。团队设计了重复的三种天线组合，每根天线在宽度和波纹大小、位置方面不同。由于几何形状不同，每根天线的传播系数也不同。传播系数描述光在结构中的传播速度或相位变化。Garcia Coleto解释，传播系数差异足够大时，天线在电磁上几乎“看不见”彼此，因此不会与邻居耦合。

但降低耦合只是挑战之一。不同天线还需以一致方式发光，即同等输出功率、相同波长下相同出射角度、光束转向时整阵出射角均匀变化。Crawford-Eng说，设计难点在于既要不同几何形状来抑制串扰，又要保持相同发射特性，这非常困难。团队先建立描述辐射模式耦合的电磁理论，再用该理论指导设计和计算机仿真。基于计算，他们制造了包含低串扰天线的OPA，实验测试显示，在相同条件下典型OPA的耦合约100%，而MIT设计把耦合降到约1%，同时仍能产生干净、精确的单束光。系统能在宽视场内准确转向光束，没有栅瓣。

研究人员计划进一步优化方法，实现更宽视场，并探索另一种在理论开发过程中出现的可能路径。多伦多大学教授、Max Planck微结构物理研究所所长Joyce Poon评价，这项工作优雅地解决了集成光相控阵的长期难题：既要靠密排天线获得大视场，又要靠低串扰获得高光束质量，是芯片级固态光束转向技术的重要进展。研究部分由半导体研究公司、美国国家科学基金会、MIT MathWorks奖学金、美国战争部（Department of War）、MIT Rolf G. Locher奖学金等资助，并在MIT.nano设施开展部分实验。