芯片上實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)！MIT 在讀博士拿獎(jiǎng)學(xué)金創(chuàng)立公司，產(chǎn)品 3 年內(nèi)或?qū)⒙涞?

本文作者：付靜

2020-12-08 09:46

導(dǎo)語：MIT 和 DARPA 的激光雷達(dá)傳感器研發(fā)工作仍在繼續(xù)。

作為一項(xiàng)高精尖技術(shù)，「激光雷達(dá)」被用于航天、測繪、自動駕駛等領(lǐng)域，但體積、成本、工作環(huán)境等因素仍對其有所制約。

其實(shí)早在 2016 年 8 月，MIT（美國麻省理工學(xué)院）就聯(lián)合 DARPA（美國國防部高級研究計(jì)劃局）給出了一個(gè)解決方案：將激光雷達(dá)傳感器封裝到單芯片上，尺寸僅 0.5 毫米×6 毫米（下圖是激光雷達(dá)和一枚十美分硬幣的對比圖）。

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這一設(shè)計(jì)被稱為 lidar-on-a-chip，采用 CMOS 晶圓廠的 300mm 制造工藝，一顆傳感器的生產(chǎn)成本在 10 美元左右，相比市面上的激光雷達(dá)傳感器來說簡直是白菜價(jià)——據(jù)美國電氣電子工程師學(xué)會旗艦出版物 IEEE Spectrum 當(dāng)時(shí)報(bào)道，商用高端激光雷達(dá)系統(tǒng)的價(jià)格在 1000 到 70000 美元之間。

那時(shí)，MIT 光子微系統(tǒng)小組就希望將體積大、價(jià)格高的機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到微芯片上，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

如今，MIT 和 DARPA 的激光雷達(dá)傳感器研發(fā)工作仍在繼續(xù)。不久前 MIT 展示了新型固態(tài) lidar-on-a-chip。2020 年 12 月 1 日，IEEE Spectrum 發(fā)表了一篇報(bào)道，講述了 MIT 是如何推進(jìn)下一代激光雷達(dá)傳感器發(fā)展的。

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MIT 成立 Kyber Photonic 應(yīng)對挑戰(zhàn)

所謂激光雷達(dá)即 LiDAR，是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的一種雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)傳感器通過掃描波長 850-1550 納米的光束、利用反射的光信號建立區(qū)域三維地圖，從而提供空間信息。不論是白天還是夜間，激光雷達(dá)都能提供高分辨率及明確的范圍和速度信息。

其工作原理是，向目標(biāo)發(fā)射探測信號，將反射回來的信號與發(fā)射信號進(jìn)行比較并作適當(dāng)處理，從而獲得目標(biāo)的眾多參數(shù)。

激光雷達(dá)能夠獲取三維地理信息，不僅能作軍事用途，相關(guān)數(shù)據(jù)也被廣泛用于資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、交通通訊、防震減災(zāi)等眾多方面。

工業(yè)界，自動駕駛、機(jī)器人（比如掃地機(jī)器人、物流機(jī)器人）、無人機(jī)、乃至 iPad Pro 2020 和 iPhone 12 Pro 系列中，均有激光雷達(dá)加持。

激光雷達(dá)傳感器可幫助自動駕駛汽車探測到其他車輛、自行車、行人以及道路上任何構(gòu)成潛在危險(xiǎn)的障礙物，它獲取到的信息至關(guān)重要，因而也被稱為是自動駕駛汽車的眼睛。

誠然，測距激光雷達(dá)有望使得機(jī)器以非常高的精度觀察世界并對機(jī)器進(jìn)行導(dǎo)航，但在激光雷達(dá)被自動駕駛車輛和機(jī)器人廣泛使用之前，激光雷達(dá)傳感器需要大量生產(chǎn)，性能需要提升，成本也需要比目前的商用系統(tǒng)成本（幾千美元上下）低兩個(gè)數(shù)量級。

MIT 表示：

全自動駕駛汽車的應(yīng)用空間更加凸顯了激光雷達(dá)行業(yè)面臨的性能與發(fā)展挑戰(zhàn)。

激光雷達(dá)面臨的具體要求比如：

單位成本約 100 美元；
200 米范圍以外反射率在 10% 左右；
最小視野（FOV）為水平 120°、垂直 20°；
角分辨率 0.1°；
每秒至少 10 幀，每幀十萬像素；
制造速度每年數(shù)百萬個(gè)。

2020 年年初，MIT 成立了一家名為 Kyber Photonic 的公司，旨在通過新的集成光子設(shè)計(jì)來解決上述挑戰(zhàn)。

Kyber Photonic 聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO Josué J. López 在萊斯大學(xué)獲物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，在 MIT 獲理學(xué)碩士學(xué)位，目前在 MIT 攻讀電子工程博士學(xué)位。

他在下一代成像和傳感技術(shù)方面擁有十年的經(jīng)驗(yàn)，是非營利組織 Activate 2020 Fellow，獲得了由 DARPA 支持的一項(xiàng)為期兩年的獎(jiǎng)學(xué)金（這項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金旨在幫助科學(xué)家們將創(chuàng)新成果推向市場）。

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在 DARPA 的支持下，MIT 在 Kyber Photonic 的一個(gè)小組設(shè)計(jì)了新型固態(tài) lidar-on-a-chip 結(jié)構(gòu)。MIT 表示：

與目前最先進(jìn)的激光雷達(dá)相比，這一設(shè)計(jì)視野相當(dāng)廣闊、控制方法簡單，并有希望通過集成光子學(xué)產(chǎn)業(yè)的晶片規(guī)模制造方法，將規(guī)模擴(kuò)大到數(shù)百萬個(gè)單元。

新型固態(tài) lidar-on-a-chip 結(jié)構(gòu)

IEEE Spectrum 拆解了該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)關(guān)鍵概念。

一是固態(tài)，即不使用活動部件，消除了機(jī)械模式的故障。

二是 lidar-on-a-chip，指將激光、電子、探測器和光學(xué)光束控制機(jī)制全部集成到芯片上。

正是由于這一架構(gòu)可以充分利用與 CMOS 兼容的材料、半導(dǎo)體行業(yè)建立的晶片規(guī)模制造方法，現(xiàn)存的激光雷達(dá)難題有望被解決。正如 IEEE Spectrum 在報(bào)道中所說的那樣：

一旦最終的解決方案被證實(shí)，我們就可以預(yù)期，激光雷達(dá)傳感器就像電腦、手機(jī)內(nèi)部的集成電路一樣，每年生產(chǎn)數(shù)億個(gè)。

具體來講，MIT 光子學(xué)團(tuán)隊(duì)和 MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作開發(fā)了固態(tài)光束轉(zhuǎn)向的替代解決方案。

過去 3 年，研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造并在實(shí)驗(yàn)中成功演示了一種新的固態(tài)波束控制架構(gòu)，這一架構(gòu)可在近紅外環(huán)境下工作。

下圖是基于平面透鏡的光束轉(zhuǎn)向架構(gòu)示意圖：近紅外激光通過光纖耦合到芯片上，激光穿過由馬赫-曾德爾干涉儀（MZI，主要用于觀測從單獨(dú)光源發(fā)射的光束分裂成兩道準(zhǔn)直光束之后，經(jīng)過不同路徑與介質(zhì)所產(chǎn)生的相對相移變化）開關(guān)樹形成的光開關(guān)矩陣，然后光線被饋送到一個(gè)平面透鏡中，平面透鏡既可準(zhǔn)直光，也可將光轉(zhuǎn)向，通過光柵將其散射到平面外。

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下圖是芯片的二維橫截面，整個(gè)水平視場被從波導(dǎo)發(fā)射的光束覆蓋。

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基于此，一個(gè)分辨率為 0.1° 的 100° FOV 激光雷達(dá)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)了?？梢哉f，這一架構(gòu)能夠滿足激光雷達(dá)應(yīng)用所需的 FOV 和分辨率要求。

實(shí)際上，這一方案的其中一處靈感來自于羅特曼透鏡（Rotman lens）。

20 世紀(jì) 50 年代后，隨著跟蹤雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域?qū)Χ嗄繕?biāo)應(yīng)用環(huán)境的要求增加，基于準(zhǔn)光學(xué)原理的透鏡多波束技術(shù)出現(xiàn)，而羅特曼透鏡則是其中最著名的一項(xiàng)技術(shù)。無需有源電子相位控制，羅特曼透鏡就能在微波環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無源波束形成網(wǎng)絡(luò)。

與此同時(shí)，為滿足激光雷達(dá) 200 米的射程要求，研究人員還為相干檢測方案（MIT 稱之為調(diào)頻連續(xù)波，F(xiàn)MCW）設(shè)計(jì)了系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的利用飛行時(shí)間（ToF）的檢測方式。

據(jù)了解，F(xiàn)MCW 的優(yōu)勢在于：可提供瞬時(shí)速度信息、不易受其他光源干擾。盡管成本、產(chǎn)量等因素還未得到驗(yàn)證，幾家射程超過 300 米的激光雷達(dá)廠商已成功演示了 FMCW。

那么，該結(jié)構(gòu)效果如何？

研究人員使用光纖耦合可調(diào)激光器對波長 1500-1600 nm 的平面透鏡光束轉(zhuǎn)向進(jìn)行了測試。測試證實(shí)，新型固態(tài) lidar-on-a-chip 的 FOV 可達(dá)到水平 40°、垂直 12°。經(jīng)過一番調(diào)整后，其 FOV 甚至達(dá)到了水平 160°、垂直 20°。

下圖顯示了芯片在平面透鏡光束的控制下紅外圖像組成的動畫。

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展望未來，MIT Kyber Photonic 研究人員表示：