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激光雷达系统利用红外脉冲光测量距离并高分辨率地绘制三维场景图，使自动驾驶车辆能够快速应对行驶路径上的障碍物。但传统的激光雷达传感器价格昂贵、体积庞大，且包含许多会随时间推移而老化的活动部件，这限制了传感器的部署方式。
麻省理工学院研究人员的一项新研究有望助力开发出下一代紧凑、耐用且无移动部件的激光雷达传感器。这项研究的关键进展在于一种新型硅光子芯片设计，这种芯片是一种半导体器件，它操控的是光而非电。
通常情况下，这种基于硅光子芯片的系统视场角有限，因此基于硅光子芯片的激光雷达无法扫描周边角度。现有的解决方法会增加噪声并降低精度。
为了避免这些缺点，麻省理工学院的研究人员设计并演示了一种集成天线阵列，该阵列能够最大限度地减少天线之间的串扰。与其他基于硅光子学的方案相比，他们的创新使得激光雷达芯片能够在保持低噪声运行的同时，扫描更广阔的视野。
这项新颖的演示可能会推动先进激光雷达传感器的发展，以用于自动驾驶车辆导航、航空测量和建筑工地监测等高要求应用。
“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问题，使未来的激光雷达传感器能够实现比我们之前展示的性能高得多的性能，”麻省理工学院电子工程与计算机科学系 (EECS) 罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员、该创新论文的资深作者耶莱娜·诺塔罗斯 (Jelena Notaros) 说。
这篇论文的共同作者包括第一作者、电子工程与计算机科学系研究生亨利·克劳福德-恩格，以及电子工程与计算机科学系研究生安德烈斯·加西亚·科莱托、本杰明·M·马祖尔、丹尼尔·M·德桑蒂斯和塔尔·斯内赫。该研究成果于今日发表在《自然通讯》杂志上。
调整天线阵列
许多传统的激光雷达系统使用一个笨重的旋转盒子来绘制场景地图，该盒子会向多个方向发射光脉冲。光线从附近的物体反射回来，返回到传感器，从而提供用于重建环境的数据。
相反，基于硅光子学的激光雷达传感器使用称为集成光学相控阵 (OPA) 的系统，以非机械的方式系统地在多个方向上扫描发射的光束。
光参量放大器 (OPA) 的关键在于其集成天线阵列，这些天线沿长度方向周期性地分布着微小的扰动。这些波纹使天线能够将来自输入光源的光散射到光子芯片之外。
研究人员通过调整传输到每个天线的光的相位，可以改变光从阵列中发射出来的角度。这样，他们就能在没有任何移动部件的情况下控制光束方向。
但如果工程师将天线放置得太近，天线之间就会相互耦合，导致它们发出的光变得杂乱无章。为了避免这种情况，科学家通常会增大天线之间的距离，但这也有缺点。
如果天线间距过大，阵列就会以不同角度发射多束光束。研究人员只能将主光束向任一方向调整到一定程度，直到它与相邻的光束无法区分为止。
“这限制了我们的视野，因此自动驾驶汽车现在只能在一定的角度范围内知道前方的情况，”加西亚·科莱托解释说。
这些光束副本，被称为光栅瓣，会干扰传感器，从而导致误报。它们还会浪费电能。
麻省理工学院的研究人员通过设计一组可减少串扰的天线解决了这个问题，这些天线可以紧密放置在一起而不会产生明显的耦合效应。
在标准的运算放大器（OPA）中，所有天线都采用相同的设计，即相同的波纹排列方式。这些相同的天线紧密排列时会产生非常强的耦合。
为了解决这一根本性难题，麻省理工学院的研究人员设计了一组三种几何形状不同的天线，每根天线的宽度以及波纹的大小和排列方式都各不相同。不同的几何形状使得每根天线都具有不同的传播系数，从而决定了光在天线中的传播方式。
“由于这些天线的传播系数差异很大，当我们把它们放得很近时，实际上每个天线都‘看不到’旁边的天线。因此，它不会与相邻的天线耦合，”加西亚·科莱托说。
光子平衡之举
尽管这些天线的传播系数不同，但研究人员仍然需要它们以相同的方式发射光。
他们通过精心设计天线以满足三个参数来实现这一目标。
首先，每个天线必须发射相同数量的光。其次，对于相同波长的光，每个天线必须以相同的角度发射光束。第三，当研究人员调整天线方向时，整个阵列的发射角度必须均匀变化。
“我们面临的挑战是，为了减少串扰，我们需要天线具有不同的几何形状，但同时又需要使这些天线具有相同的发射特性。虽然理论上可以实现这一点，但这极其困难，因为通常情况下，当天线采用不同的几何形状设计时，它们的性能往往会有所不同，”克劳福德-恩格说道。
研究人员首先建立了辐射模式耦合的基本电磁理论。他们以此理论为指导，设计和模拟了天线。
基于这些分析，他们制造了串扰减少的 OPA，其天线间距比传统 OPA 中的天线间距要小得多，然后对该系统进行了实验测试。
在本实验中，典型的光参量放大器（OPA）耦合率约为100%，而他们设计的OPA将耦合率降低至约1%，同时生成单一且精确的光束。利用这种设计，他们展示了在宽视场范围内实现精确的光束控制，且无任何栅瓣。
未来，研究人员计划进一步改进这项技术，以实现更广阔的视野。此外，他们还在探索一种在构建基础理论过程中发现的、能够实现更广阔视野功能的新方案。
“这项工作解决了集成光学相控阵领域长期存在的一个难题：如何同时实现宽视场（这需要密集的天线间距）和高波束质量（这需要相邻天线之间低串扰）。作者通过一种巧妙的天线设计解决了这个问题。他们的创新是芯片级固态波束控制技术向前迈出的重要一步，”多伦多大学电子与计算机工程教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon说道，她并未参与这项工作。
（来源：编译自MIT）
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