美国开发新技术：可帮助激光雷达高分辨率地检测附近快速移动的物体

据美国普渡大学官网近日报道，该校与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员创造出一种方法，让调频连续波激光雷达可以通过硅芯片上的机械控制与光调制，高分辨率地检测附近快速移动的物体。

背景

如今，许多无人驾驶汽车都配备了激光雷达（LiDAR），激光雷达被人们形象地比喻为无人驾驶汽车的“眼睛”。它是一种利用激光来测量物体之间距离的遥感技术，通过激光光波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置（距离、方位和高度）、运动状态（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。

可是，有时当一个蹒跚学步的孩子和一个牛皮纸袋突然出现在视野中，无人驾驶汽车却很难辨别二者之间的差异，因为激光雷达识别物体时有一定的局限性。无人驾驶汽车行业正在探索“调频连续波”（FMCW）激光雷达来解决这一问题。

调频连续波技术的工作原理，是通过相位检测的方法来测量反射激光与发射激光之间的频率差，利用该方法从理论上可以实现同时测速、测距。另外，调频连续波技术还有一个优点，就是可以避免阳光和其他激光雷达系统的干扰，因此它将成为更有前景的激光雷达技术。

创新

近日，美国普渡大学 OxideMEMS 实验室和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）光子与量子测量实验室的研究人员创造出一种方法，让调频连续波激光雷达可以通过硅芯片上的机械控制与光调制，高分辨率地检测附近快速移动的物体。相关论文发表在《自然（Nature）》杂志上。

新技术采用声学更好地控制激光脉冲分裂为频率梳，有望帮助激光雷达检测附近高速移动的物体。（图片来源：WoogieWorks graphic/Alex Mehler）

技术

调频连续波激光雷达，是通过来自无人驾驶汽车顶部的扫描激光来检测物体的。单个激光束拆分为一系列其他的波长来扫描一片区域，这些频谱线的分布如同我们日常生活中使用的梳子，梳齿之间保持着相等的距离，因此这种激光源也称为“微梳”。光线从物体上反射回来，通过光隔离器或光环行器进入探测器，光隔离器和光环行器确保所有的反射光最终到达光探测器阵列。

普渡大学和瑞士洛桑联邦理工学院研究人员开发的技术，采用声波来更快速地调谐这些组件，对附近物体进行更高分辨率的调频连续波激光雷达检测。

研究人员打造一个高次谐波体声波谐振驱动的光隔离器，可使激光雷达更好地检测从物体反射回来的光线。（图片来源：Purdue University image/Hao Tian）

这项技术集成了由氮化铝制成的微机电系统（MEMS）换能器，在兆赫到千兆赫兹的高频率范围内调节微梳。作为这项工艺的一部分，该团队开发的光隔离器，在《自然通信（Nature Communications）》期刊上发表的一篇论文中有进一步的介绍。

相控 MEMS 换能器阵列通过将螺旋状的应力波发射到硅芯片中来搅动光线，这种换能器也可以在手机中用来识别蜂窝频段。

普渡大学电气与计算机工程系教授 Sunil Bhave 表示：“这种搅动调制光线，使之只能向一个方向传播。”

普渡大学电气与计算机工程系博士生 Hao Tian 在普渡大学位于探索公园的比尔克纳米技术中心的 Scifres 纳米制造设施中打造出这款 MEMS 换能器。他将换能器与在瑞士洛桑联邦理工学院开发的氮化硅光子晶圆集成到一起。

Tian 表示：“严格垂直限制的声体波，可以防止串扰，并且可以近距离放置致动器。”

采用相同技术的其他换能器激发了一个声波，以兆赫频率振动芯片，演示了对于激光脉冲微梳或者孤子的亚微秒控制和调谐。

价值

《自然》论文的第一作者、在瑞士洛桑联邦理工学院领导氮化硅光子芯片制造的 Junqiu Liu 表示：“这一成就在集成光子学、MEMS 工程以及非线性光学之间架起了桥梁，代表新兴的芯片基微梳技术的一个新的里程碑。”

研究人员称，这种光调制技术不仅将力学与光学结合到一起，而且涉及到的制造工艺使得这项技术更具商业可行性。MEMS 换能器可以通过最少的处理在氮化硅光子晶圆上简单地制造。

瑞士洛桑联邦理工学院物理系教授 Tobias Kippenberg 表示：“随着目前未能预见到的应用将在多个领域出现，再一次证明这种混合系统可以获得超越单一系统的优势和功能。”

据研究人员称，这项新技术将推动在功率关键型系统例如在太空、数据中心和便携式原子钟或者低温等极端环境中的微梳应用。

Bhave 表示：“没有这种多学科的洲际合作，就没有我们的成果。”