实现片上激光雷达:麻省理工学院正在研究设立公司的奖学金

“激光雷达”作为一种尖端技术，应用于航空航天、测绘、自动驾驶等领域，但其体积、成本、工作环境等因素仍然制约着它的发展。

事实上，早在2016年8月，麻省理工学院(麻省理工学院)和美国国防高级研究计划局(DARPA)(美国国防部高级研究计划局，Advanced Research Projects Agency，美国国防部)就给出了一个解决方案：将激光雷达传感器封装在一个只有0.5 mm 6 mm大小的单芯片上(下图是激光雷达和一角硬币的对比)。

这个设计叫做片上激光雷达，采用CMOS晶圆厂的300mm制作工艺。传感器的生产成本约为10美元，与市场上的激光雷达传感器相比，这只是卷心菜的价格。根据美国电气和电子工程师协会的旗舰出版物IEEE Spectrum，商用高端激光雷达系统的价格在1000美元到70000美元之间。

当时，麻省理工学院光子微系统集团希望将一个大而昂贵的机械激光雷达系统集成到微芯片中进行大规模生产。

如今，麻省理工学院(MIT)和美国国防高级研究计划局(DARPA)对激光雷达传感器的研究和开发仍在进行中。不久前，麻省理工学院展示了一种新的芯片固态激光雷达。2020年12月1日，IEEE Spectrum发表了一篇关于麻省理工学院如何推动下一代激光雷达传感器发展的报告。

MIT成立 Kyber Photonic 应对挑战

所谓的激光雷达是一种通过发射激光束来检测目标位置、速度和其他特征量的雷达系统。激光雷达传感器通过扫描波长为850-1550纳米的光束并使用反射光信号构建该区域的三维地图来提供空间信息。激光雷达可以提供高分辨率和清晰的距离和速度信息，无论是在晚上还是白天。

其工作原理是将探测信号传输到目标上，将反射信号与传输信号进行比较并进行适当的处理，从而获得目标的多个参数。

激光雷达可以获取三维地理信息，不仅可以用于军事目的，还可以用于资源勘探、城市规划、农业发展、环境监测、交通通信、防震减灾等诸多方面。

在工业领域，激光雷达的支持有自动驾驶、机器人(比如扫地机器人、物流机器人)、无人机，甚至iPad Pro 2020、iPhone 12 Pro系列。

激光雷达传感器可以帮助自动车辆检测其他车辆、自行车、行人和道路上任何构成潜在危险的障碍物。它得到的信息非常重要，所以也被称为自主车的眼睛。

诚然，测距激光雷达有望使机器能够观察世界，并以非常高的精度导航机器。但是，在激光雷达被自主车辆和机器人广泛使用之前，激光雷达传感器需要大规模生产，性能需要提高，成本需要比目前的商业系统成本低两个数量级(几千美元左右)。

麻省理工学院说：

全自主飞行器的应用空间凸显了激光雷达行业面临的性能和发展挑战。

激光雷达面临的具体要求包括：

单位成本100美元左右；

200m以上反射率约10%。

最小视场(FOV)为水平120，垂直20。

角分辨率0.1；

每秒至少10帧，每帧10万像素；

制造速度每年几百万。

2020年初，麻省理工学院成立了一家名为Kyber Photonical的公司，旨在通过新的集成光子设计解决上述挑战。

凯伯光子公司的联合创始人兼首席执行官霍苏埃洛佩斯获得了莱斯大学的物理学学士学位和麻省理工学院的理学硕士学位，目前正在麻省理工学院攻读电子工程博士学位。

他在下一代成像和传感技术方面有十年的经验，是一个非营利组织“激活2020研究员”，并获得了美国国防高级研究计划局(DARPA)支持的两年奖学金(该奖学金旨在帮助科学家将创新推向市场)。

在美国国防高级研究计划局(DARPA)的支持下，麻省理工学院(MIT)在基伯光子学(Kyber Photonic)的一个小组设计了一种新的固态片上激光雷达结构。麻省理工学院说：

与目前最先进的激光雷达相比，该设计视野开阔，控制方法简单，希望通过集成光子工业的晶圆级制造方法，将规模扩大到百万单位。

新型固态 lidar-on-a-chip 结构

IEEE Spectrum拆解了这种结构的两个关键概念。

一是坚固，即不使用运动部件，消除了机械模式的失效。

另一种是片上激光雷达，是指将激光、电子、探测器和光束控制机制集成在芯片上。

正是因为这种架构能够充分利用半导体行业确立的CMOS兼容材料和晶圆级制造方法，所以现有的激光雷达问题有望得到解决。正如IEEE频谱在报告中所说：

一旦最终解决方案得到确认，我们可以预计激光雷达传感器每年将生产数亿个，就像计算机和手机内部的集成电路一样。

具体来说，麻省理工学院光子学团队与麻省理工学院林肯实验室的研究人员合作，开发了一种固态光束控制的替代解决方案。

在过去的三年里，研究人员设计、制造并成功演示了一种新的固态光束控制架构，该架构可以在近红外环境中工作。

下图是基于平面透镜的光束转向架构示意图：近红外激光器通过光纤耦合到芯片，激光通过马赫-曾德尔干涉仪(MZI，主要用于观察单个光源发出的光束经过不同路径后与介质之间的相对相移变化)的开关树形成的光开关矩阵， 然后光被输入平面透镜，平面透镜不仅可以准直光，还可以通过光栅将光转向并散射出平面。

下图是芯片的二维横截面，整个水平视场被波导发出的光束覆盖。

在此基础上，还可以实现分辨率为0.1的100 FOV激光雷达系统。可以说，该架构能够满足激光雷达应用的FOV和分辨率要求。

实际上，这个方案的灵感之一来自罗特曼透镜。

20世纪50年代以后，随着跟踪雷达、卫星通信等领域对多目标应用环境的要求越来越高，出现了基于准光学原理的透镜多波束技术，罗特曼透镜是其中最著名的技术之一。在没有有源电子相位控制的情况下，rotman透镜可以在微波环境下实现无源波束形成网络。

同时，为了满足激光雷达200米范围的要求，研究人员还设计了一种用于相干探测的系统方案(麻省理工学院称之为FMCW)，代替了传统的利用飞行时间(t of)的探测方法。

据了解，FMCW的优点是可以提供瞬时速度信息，不易受到其他光源的干扰。虽然成本和产量等因素尚未得到验证，但几家射程超过300米的激光雷达制造商已经成功演示了FMCW。

那么，这种结构有什么作用呢？

研究人员使用光纤耦合可调激光器来测试波长为1500-1600纳米的平面透镜的光束控制。测试表明，新的固态片上激光雷达的FOV横向可达40，纵向可达12。经过一些调整，它的FOV甚至水平达到160，垂直达到20。

下图是平面透镜光束控制下的红外图像动画。

展望未来，米切尔伯光子研究人员说：

我们的最终目标是在未来两到三年内实现钱包大小的激光雷达芯片单元，并有明确的生产路径来实现低成本、高可靠性、高性能和可扩展性，适用于自主车等行业。