2016-09-05摘自：大國重器

      近日，美國麻省理工學(xué)院（MIT）光子微系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)在美國國防先期研究計(jì)劃局（DARPA）的支持下，研制出體積小于十美分硬幣的微型單片集成激光雷達(dá)傳感器，具有體積小、集成度高，沒有活動(dòng)部件、可以極低成本實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)和機(jī)器人等領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。

圖為單片集成激光雷達(dá)傳感器

激光雷達(dá)概述

      與基于無線電波的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)不同，激光雷達(dá)利用激光進(jìn)行探測(cè)。由于光的波長比無線電波小十萬倍，因此激光雷達(dá)擁有更高的探測(cè)精度。對(duì)于機(jī)器人等應(yīng)用，傳統(tǒng)無線電雷達(dá)由于精度不高而往往使機(jī)器人無法精準(zhǔn)感知細(xì)微物件。而如果裝備了高探測(cè)分辨率激光雷達(dá)，機(jī)器人就可以輕松分辨并抓取復(fù)雜微小的物件。此外，激光雷達(dá)還主要應(yīng)用在無人駕駛汽車、地形和海洋測(cè)繪、無人機(jī)等領(lǐng)域。

激光雷達(dá)原理

     激光雷達(dá)能夠同時(shí)獲取被探測(cè)單元與發(fā)光元件之間的距離和方位信息，并生成一個(gè)完整的三維模型。其原理是激光雷達(dá)系統(tǒng)向外界環(huán)境發(fā)射出激光束，激光束遇到被探測(cè)物體后發(fā)生反射并被系統(tǒng)檢測(cè)。通過激光從發(fā)射到反射被接收之間的時(shí)間差，可以計(jì)算出被探測(cè)物體到雷達(dá)模塊之間的距離；通過提取反射激光的特定信號(hào)如獲取多普勒頻移參量等，可以獲得被測(cè)物的速度或者材料等特性。最后通過對(duì)探測(cè)激光束進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的全方位探測(cè)，從而創(chuàng)建出全景的三維模型。

激光雷達(dá)現(xiàn)有局限

      現(xiàn)有大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)，如廣泛用于自動(dòng)駕駛中的系統(tǒng)，其自由空間光學(xué)組件像激光器、接收透鏡和接收處理模塊等往往是離散的。而出于擴(kuò)展探測(cè)視場(chǎng)的目的，這些激光/接收模塊采用的還是旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。這樣一來，不但結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生機(jī)械的上下震動(dòng)，限制了激光雷達(dá)的掃描速率，還增加了系統(tǒng)的尺寸和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)難以長時(shí)間可靠地運(yùn)行，更不用說在極端環(huán)境中系統(tǒng)的壽命會(huì)大為減短。此外，如今商用的高端激光雷達(dá)系統(tǒng)價(jià)格從1000美元到70000美元不等，這對(duì)于一些低成本的應(yīng)用而言這無疑太過于昂貴。

研究目標(biāo)

      對(duì)于像無人駕駛汽車和機(jī)器人這樣高度依賴?yán)走_(dá)進(jìn)行探測(cè)感知的應(yīng)用，過于昂貴的激光雷達(dá)系統(tǒng)將會(huì)是其商業(yè)化推廣路途上的一個(gè)重要絆腳石。而麻省理工學(xué)院開展此項(xiàng)研究的目的正是要將這些大型、昂貴和機(jī)械化的激光雷達(dá)系統(tǒng)給整合至單個(gè)微型芯片上，提升激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能和降低成本，使其能夠被CMOS生產(chǎn)廠商規(guī)?；a(chǎn)，進(jìn)而推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用的速度。

研究基礎(chǔ)

      此次研制出的單片集成激光雷達(dá)傳感器是在300毫米硅光子晶圓基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。硅光子技術(shù)是一種在半導(dǎo)體材料橫截面中埋入硅基光波導(dǎo)的芯片技術(shù)。硅基光波導(dǎo)的作用有點(diǎn)類似于光纖，只不過是被集成到了片上光子電路中。硅光子集成類似于將分立的電子器件，如銅線和電阻，集成到帶有銅線和納米級(jí)晶體管的微芯片中。

      微電子學(xué)特別是CMOS技術(shù)，使得大規(guī)模生產(chǎn)小而復(fù)雜的集成電路成為現(xiàn)實(shí)。而硅光子學(xué)對(duì)于光電子領(lǐng)域的意義則一點(diǎn)都不亞于微電子學(xué)對(duì)于電子領(lǐng)域的意義。對(duì)于CMOS晶圓代工廠而言，硅光子技術(shù)將會(huì)撬動(dòng)用于微處理器生產(chǎn)的傳統(tǒng)硅基生產(chǎn)工藝，以實(shí)現(xiàn)低成本規(guī)?；a(chǎn)的目的。過去幾十年中，一些CMOS生產(chǎn)廠商推出了專用的硅光子制造工藝。在這些生產(chǎn)流程下，諸如波導(dǎo)損耗和光隔離等的一些基本難題得到了解決，如今已能夠制造出復(fù)雜光電系統(tǒng)。

      DARPA有意于研究硅光子的電子集成及其拓展性，并于2011年啟動(dòng)了電子-光子異構(gòu)集成項(xiàng)目(E-PHI)。時(shí)至今日，該項(xiàng)目獲得了兩個(gè)主要的成就：首個(gè)大規(guī)模光學(xué)相控陣列和首個(gè)廣角可操控的陣列。這些設(shè)備展示了商業(yè)CMOS晶圓代工廠具備生產(chǎn)制造實(shí)用化的光學(xué)相位陣列的條件，而類似的電子相控陣列雷達(dá)已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)數(shù)十年以上了。對(duì)比已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)的電子相控陣列，光學(xué)相控陣列能夠?yàn)樾〕叽?、低成本的固態(tài)激光雷達(dá)提供一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

技術(shù)突破概述

      對(duì)比現(xiàn)有市場(chǎng)上的雷達(dá)設(shè)備，該激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅尺寸更小更輕而且更加便宜。

1、該研究團(tuán)隊(duì)所研制的激光雷達(dá)芯片使用300mm晶圓生產(chǎn)工藝，在年產(chǎn)數(shù)百萬片的規(guī)模下每片的生產(chǎn)成本可降至10美元。

2、采用高集成設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)無離散的部件，工作性能更加穩(wěn)定。

3、激光束采用非機(jī)械控制，大幅提升圖像掃描速率，幾乎是機(jī)械旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)激光雷達(dá)系統(tǒng)的1000倍。

圖為2016年5月DARPA“展示日”上所展出的激光雷達(dá)傳感器原型

技術(shù)細(xì)節(jié)

      該團(tuán)隊(duì)研制的硅光子芯片尺寸為0.5mmx6mm，具有可操縱的傳輸和接收相位陣列，并且片上集成鍺光電探測(cè)器。但是激光器本身并不集成在這批芯片上，但研究人員表示未來可以實(shí)現(xiàn)一體化集成。

      為了在激光雷達(dá)的整個(gè)視野里面引導(dǎo)激光束檢測(cè)物體，每個(gè)天線的相位都需要被控制。系統(tǒng)在不斷迭代的工作狀態(tài)下，熱移相器會(huì)直接加熱波導(dǎo)。由于溫度會(huì)改變硅的折射率，使得波導(dǎo)中光束速度和相位發(fā)生變化。波導(dǎo)中由硅制造的凹槽相當(dāng)于天線，激光通過其后從波導(dǎo)中散射出并進(jìn)入自由空間。每個(gè)發(fā)射天線都具有特定的出射方式，在所有出射光發(fā)生相長干涉的地方，不需要發(fā)射透鏡就可以將一束光線聚焦。

圖為固態(tài)激光雷達(dá)的電鏡掃描圖

圖為固態(tài)激光雷達(dá)的光學(xué)顯微圖

技術(shù)突破詳述

      對(duì)比現(xiàn)有的激光雷達(dá)，MIT團(tuán)隊(duì)研制的片上集成激光雷達(dá)傳感器具有以下改進(jìn)：

更寬的轉(zhuǎn)向范圍

      目前傳統(tǒng)激光雷達(dá)的光束轉(zhuǎn)向范圍受限于天線之間的距離，只有51°左右。而該片上集成激光雷達(dá)傳感器能達(dá)到接近100°的轉(zhuǎn)向。但如需進(jìn)一步減少天線間隔來提升轉(zhuǎn)向方位，則會(huì)由于硅波導(dǎo)大小的限制而變得困難。即便是如此有限的轉(zhuǎn)向范圍，依然可以通過重復(fù)布置激光雷達(dá)傳感器來獲得完整360°視野的探測(cè)成像。

先進(jìn)的探測(cè)手段

      對(duì)比傳統(tǒng)的激光雷達(dá)采用激光運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行探測(cè)的手段，該新型激光雷達(dá)選擇相干探測(cè)的方式。相干探測(cè)只需對(duì)初始出射光束進(jìn)行處理，這樣可以減少在大型激光雷達(dá)系統(tǒng)中太陽光噪聲干擾，提高探測(cè)精準(zhǔn)度；同時(shí)相干探測(cè)也使系統(tǒng)可用性能適中光電探測(cè)器來替換價(jià)格昂貴的雪崩光電探測(cè)器或者光電倍增管，以降低成本。

更大的探測(cè)范圍

     該片上集成的激光雷達(dá)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)2米范圍內(nèi)的物體探測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)表示有望在一年內(nèi)將探測(cè)范圍提升至10米。目前該片上集成激光雷達(dá)傳感器的技術(shù)路線表明，未來能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)范圍100米甚至更遠(yuǎn)。

更低功耗和更高探測(cè)精度

      在芯片生產(chǎn)工藝中摻入其他材料例如氮化硅，可以使輸出功率增加兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。該芯片制造工藝則同時(shí)使用了氮化硅層和硅，因而芯片功耗得到降低。另外，更大的相控陣使得激光束的衍射（擴(kuò)散）影響程度變輕，因而系統(tǒng)的探測(cè)分辨率更高。目前該新型激光雷達(dá)的分辨率達(dá)到了厘米級(jí)，縱向探測(cè)精度在5厘米左右，2米內(nèi)橫向探測(cè)精度在3厘米內(nèi)。

應(yīng)用

     高穩(wěn)定性、高掃描速率和高探測(cè)精度的特點(diǎn)使得系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)追蹤高速運(yùn)動(dòng)的微小物體，而這種性能正是目前像無人機(jī)、無人駕駛汽車和機(jī)器人等諸多領(lǐng)域應(yīng)用所急需的，如將其內(nèi)置在機(jī)器人的手指上，可以大大提升機(jī)器人的感知能力。

未來展望

      近日，DARPA創(chuàng)建了一個(gè)相關(guān)的后續(xù)項(xiàng)目--模塊化的光學(xué)孔徑積木(MOABB)項(xiàng)目，項(xiàng)目在未來幾年中專注于擴(kuò)展研究硅光子激光雷達(dá)。盡管MOABB項(xiàng)目并未包含MIT硅光子激光雷達(dá)學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，但該小組表示在E-PHI項(xiàng)目結(jié)束以后，他們會(huì)跟進(jìn)研究如何拓展相位陣列，針對(duì)多光子芯片使接口間的通信數(shù)據(jù)速率大于40Gb/s，并將其應(yīng)用于自由空間光通信。研究人員也研發(fā)了基于可見光的相位陣列，以滿足Li-Fi、裸眼全息技術(shù)等應(yīng)用的需求。

目前看來，未來幾年內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)商用單片集成激光雷達(dá)傳感器的生產(chǎn)。

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