一种只有1平方厘米的基于硅光子芯片的固态激光雷达

当谷歌在2010年推出其第一款自动驾驶汽车时，安装在车顶上的旋转激光雷达(又称“瞭望塔”)一下子成为了焦点。与摄像机和雷达一起，激光雷达可以绘制周围环境的3D地图，以帮助这些汽车避开障碍和安全驾驶。

从那时起，廉价的芯片摄像头和雷达系统就成为了防撞和高速公路自动驾驶的主流。不过，不少激光雷达导航系统仍然是笨重的机械设备，成本高达数千美元，不少在可靠性也难以满足车规级的要求。

固态激光雷达还能不能再再小一点、再轻薄一点？近日，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的研究人员宣布开发出一种只有1平方厘米的基于硅光子芯片的固态激光雷达，他们的成果本周三发表在《自然》（Nature）杂志上。

示意图：固态激光雷达芯片发射激光从一个光学天线连接到一个小开关，反射光被同一天线捕获，依次打开阵列中的开关即可获得三维图像。

（图片来源：UC Berkeley）

该校电气工程和计算机科学教授、这项研究的负责人Ming Wu表示，为了克服这些瓶颈，他们开发出了一种可以使激光雷达技术更便宜、更紧凑的方案，同时保持其高性能。

这项任务的主要挑战之一是制造一个集成的光束扫描仪，它可以“控制”输出的激光向不同的方向扫描整个场景。

研究人员们在10毫米×11毫米的硅光子芯片上制造了一个集成波束扫描器的激光雷达，他们称之为焦平面开关阵列（focal plane switch array，FPSA）。这一阵列是一种基于半导体的微米级天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光，最终将激光雷达系统小型化并集成到单个芯片中，1厘米平方的芯片上就集成了16384个像素。

Ming Wu补充称，单芯片使激光雷达类似于智能手机摄像头。但是，LiDAR比智能手机相机更复杂，因为每个像素都需要接收光线，但也需要发射“从目标反弹回来的激光”。

该小组的设计使用了微型微机电系统(MEMS)开关，而不是更常见的热光开关。与热光开关相比，它们更小，使用更少的功率，切换更快，且光损耗非常低。新型激光雷达的性能与32线激光雷达相当，能耗却降低10000倍。

该研究的两位共同第一作者Xiaosheng Zhang和Kyungmok Kwon解释称，MEMS开关物理上移动波导(一种引导电磁波的管)，将光上下传送到每个像素点，这将像素大小从几百微米缩小到了50微米。随后，该团队能够将1平方厘米芯片上的像素数从512增加到16384，同时能耗显著降低。

通过使用类似的硅技术，他们打算将这项技术应用在更高分辨率、更远测距的激光雷达系统中，并将其推向商用市场。Ming Wu认为，苏日安该系统的测距目前只有10米，但他们确信这一距离可以达到100米，甚至300米。

该设计采用了用于生产计算机处理器的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，可扩展到百万像素大小。这可能会为自动驾驶汽车、无人机、机器人甚至智能手机带来新一代功能强大、成本低廉的3D传感器。

审核编辑 ：李倩