雷射雷達技術通過發射紅外光脈衝來計算距離，並繪製周圍環境的精細三維地圖，從而幫助自動駕駛汽車識別前方障礙物並快速作出響應。然而，傳統雷射雷達傳感器體積大、成本高，且許多依賴機械運動部件，容易隨時間磨損，這些局限性使其難以在更廣泛的場景中應用。
麻省理工學院（MIT）的研究人員近日開發出一種新方法，有望實現體積更小、更耐用、且無需任何運動部件的雷射雷達傳感器。這一突破的核心在於一款全新的矽光子晶片——一種通過控制光而非電信號來工作的半導體器件。
現有基於矽光子晶片的雷射雷達系統通常視野較窄，難以掃描場景邊緣區域。此前嘗試擴大視野的方案往往引入額外噪聲，並導致測量精度下降。
MIT研究團隊通過設計一種集成天線陣列，有效解決了上述難題。該陣列大幅降低了相鄰天線之間的串擾干擾，使晶片能夠在更寬廣的視野範圍內掃描，同時產生的噪聲低於其他矽光子方案。
更小體積，更寬視野
這一進展有望推動雷射雷達傳感器在自動駕駛導航、航空測繪以及建築工地監控等高難度應用場景中實現更強性能。
"我們在這項研究中所展示的功能，解決了集成光學相控陣技術的一個根本性問題，為未來的雷射雷達傳感器實現遠超以往的更高性能奠定了基礎。"MIT電氣工程與電腦科學系勞勃·J·希爾曼職業發展副教授、電子學研究實驗室成員、論文通訊作者Jelena Notaros表示。
該研究的第一作者為電氣工程與電腦科學系博士生Henry Crawford-Eng，參與研究的還有博士生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。相關成果近日發表於《自然·通訊》期刊。
雷射雷達如何繪製環境地圖
許多傳統雷射雷達系統通過一個大型旋轉裝置向四周發射光脈衝。光線照射到附近物體後反射回傳感器，利用這些返回信號即可重建出詳細的環境地圖。
基於矽光子的雷射雷達工作方式有所不同。它不依賴機械旋轉裝置，而是通過一種名為集成光學相控陣（OPA）的系統，以電子方式在多個方向控制光束掃描。
OPA的核心是一組集成天線，每根天線沿其長度方向分布著細小且規則排列的變化結構，稱為"刻槽"。這些刻槽使來自輸入光源的光向上散射並射出光子晶片。
研究人員可通過改變發送到各天線的光相位，來控制出射光束的方向。調整相位可改變陣列出射光的角度，從而無需移動任何物理部件即可實現光束的轉向控制。
天線間距難題
將天線緊密排列會帶來嚴峻挑戰：相鄰天線之間會發生耦合，導致各自輸出的光信號相互干擾。工程師傳統上通過增大天線間距來防止這種干擾，但間距過大又會引發另一系列問題。
當天線間距過大時，陣列會在不同角度產生多個相同光束的副本。主光束的可移動範圍受限，難以從這些額外副本中分辨出來。
"這限制了視野範圍，導致自動駕駛車輛只能感知一定角度範圍內正前方的資訊。"Garcia Coleto解釋道。
這些不需要的光束副本被稱為"柵瓣"，它們可能使傳感器產生混亂並導致誤檢測，同時還會消耗本可集中於主光束的能量。
為突破這一兩難困境，MIT研究人員設計出一種低串擾天線，可在天線靠近排列的同時，有效抑制相互之間的強耦合。
三種天線形狀降低干擾
在傳統OPA中，每根天線的結構完全相同，採用相同的刻槽圖案。當這些相同結構的天線緊密排列時，相互作用非常強烈。
MIT團隊轉而設計了一組由三種不同形狀天線構成的重複單元。他們改變了天線的寬度，以及刻槽的大小和位置。由於三根天線的幾何形狀不同，各自的傳播係數——即描述光在結構中傳播方式的參數——也有所差異。
"由於天線的傳播係數差異較大，當它們靠近排列時，每根天線實際上'感知'不到旁邊的天線，因此不會與相鄰天線發生耦合。"Garcia Coleto說道。
讓不同天線保持一致的輻射特性
降低耦合只是挑戰的一部分。儘管天線需要不同的傳播係數，但它們仍須以一致的方式出射光線。
研究團隊圍繞三項核心要求設計了這些天線：每根天線必須輻射等量的光；在接收相同波長時，每根天線需以相同角度出射光束；在光束轉向過程中，整個陣列的出射角度變化必須均勻。
"我們面臨的挑戰在於：需要天線具有不同的幾何形狀以減少串擾，同時又需要所有天線具有相同的輻射特性。雖然在理論上可以實現，但實際操作極為困難，因為通常情況下，幾何形狀不同的天線往往表現各異。"Crawford-Eng說道。
研究人員首先建立了描述輻射模式耦合的基本電磁理論，再以此為指導進行天線的設計與電腦仿真模擬。
基於上述計算，團隊製造出一套包含低串擾天線的OPA器件。該器件中天線的排列間距遠小於傳統系統，隨後對完成製造的器件進行了實驗測試。
串擾從約100%降至約1%
在實驗條件下，傳統OPA的耦合程度約為100%，而MIT的設計將其降低至約1%，同時仍能生成一束清晰、精準的光束。
該系統在寬廣視野範圍內實現了精確的光束控制，且未產生任何柵瓣。寬掃描範圍、低干擾與高光束質量的三重結合，攻克了集成雷射雷達技術面臨的核心難題之一。
研究人員計劃進一步優化該方法，以實現更寬的掃描範圍。他們還在探索另一種在理論研究過程中發現的、可實現寬視野性能的潛在方案。
"這項工作解決了集成光學相控陣領域長期存在的難題：如何同時實現寬視野（需要密集天線間距）與高光束質量（需要相鄰天線間低串擾）。作者以精巧的天線設計解決了這一問題，是晶片級固態光束控制技術的重要進步。"多倫多大學電氣與電腦工程系教授、馬克斯·普朗克微結構物理研究所所長Joyce Poon評價道。她未參與本項研究。
本研究由半導體研究公司、美國國家科學基金會、MIT MathWorks獎學金、美國國防部及MIT Rolf G. Locher冠名捐贈獎學金共同資助，部分研究工作在MIT.nano實驗室完成。
Q&A
Q1：MIT新型雷射雷達晶片是如何解決視野受限問題的？
A：傳統矽光子雷射雷達晶片視野窄，主要原因是天線間距過大會產生"柵瓣"干擾。MIT團隊設計了三種不同幾何形狀的天線組成重複單元，使各天線傳播係數不同，從而在緊密排列時大幅降低相互耦合。實驗證明，串擾從約100%降至約1%，同時保持光束清晰，實現了寬視野、低噪聲、高精度的掃描效果。
Q2：這款新型雷射雷達晶片相比傳統雷射雷達有哪些優勢？
A：相比傳統雷射雷達，MIT新型矽光子雷射雷達晶片具有三大優勢：一是無需機械旋轉部件，結構更緊湊、更耐用；二是天線串擾極低（約1%），光束質量更高；三是視野更寬廣，不會產生影響測量準確性的柵瓣。這些特點使其更適合自動駕駛、航空測繪和工地監控等實際應用場景。
Q3：MIT雷射雷達晶片研究成果發表在哪裡，由誰主導？
A：該研究由MIT電氣工程與電腦科學系副教授Jelena Notaros擔任通訊作者，第一作者為博士生Henry Crawford-Eng，團隊還包括多位博士生。研究成果近日正式發表於國際學術期刊《自然·通訊》。
