（示意圖/取自pixabay）
作為一項高端技術，「雷射雷達」被用於航太、測繪、自動駕駛等領域，但體積、成本、工作環境等因素仍對其有所制約。
其實早在2016年8月，MIT（美國麻省理工學院）就聯合DARPA（美國國防高等研究計劃署）給出了一個解決方案，就是將雷射雷達感測器封裝到單晶片上， 尺寸僅0.5毫米×6毫米（下圖是雷射雷達和一枚十美分硬幣的對比圖）。
這一設計被稱為「lidar-on-a-chip」，採用CMOS晶圓廠的300mm製造工藝，一顆感測器的生產成本在10美元左右，相比市面上的雷射雷達感測器來說，簡直是平價。據美國電氣電子工程師學會旗艦出版物 IEEE Spectrum當時報導，商用高端雷射雷達系統的價格，在1000到70000美元之間。
那時，MIT光子微系統小組就希望，將體積大、價格高的機械雷射雷達系統，集成到微晶片上，實現量產。
如今，MIT和DARPA的雷射雷達感測器研發工作仍在繼續。不久前 MIT展示了新型固態lidar-on-a-chip。
2020年12月1日，IEEE Spectrum發表了一篇報導，講述了MIT是如何推進下一代雷射雷達感測器發展的。
MIT成立Kyber Photonic應對挑戰
所謂雷射雷達即LiDAR，是以發射雷射光束探測目標的位置、速度等特徵量的一種雷達系統。
雷射雷達感測器通過掃描波長850～1550奈米的光束、利用反射的光訊號建立區域3D地圖，從而提供空間資訊。不論是白天還是夜晚，雷射雷達都能提供高分辨率及明確的範圍和速度資訊。
其工作原理是，向目標發射探測訊號，將反射回來的訊號與發射訊號進行比較並作適當處理，從而獲得目標的眾多參數。
雷射雷達能夠獲取3D地理資訊，不僅能作軍事用途，相關數據也被廣泛用於資源勘探、城市規劃、農業開發、環境監測、交通通訊、防震減災等眾多方面。
在工業界，自動駕駛、機器人（比如掃地機器人、物流機器人）、無人機、乃至iPad Pro 2020和iPhone 12 Pro系列中，均有雷射雷達的加持。
雷射雷達感測器可以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成潛在危險的障礙物，它獲取到的資訊至關重要，因而也被稱為是自動駕駛汽車的眼睛。
誠然，測距雷射雷達有望使機器以非常高的精度觀察世界，並對機器進行導航，但在雷射雷達被自動駕駛車輛和機器人廣泛使用之前，雷射雷達感測器需要大量生產，性能需要提升，成本也需要比目前的商用系統成本（幾千美元上下）低兩個數量級。
MIT 表示：「全自動駕駛汽車的應用空間，更加凸顯了雷射雷達產業面臨的性能與發展挑戰。」
雷射雷達面臨的具體要求比如：
- 單位成本約100美元；
- 200公尺範圍以外反射率在10%左右；
- 最小視野（FOV）為水平120度、垂直20度；
- 角分辨率0.1度；
- 每秒至少10幀，每幀十萬像素；
- 製造速度每年數百萬個。
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計，來解決上述挑戰。
Kyber Photonic聯合創始人、CEO Josué J. López，在萊斯大學獲得物理學學士學位、在MIT獲得物理學碩士學位，目前在MIT攻讀電子工程博士學位。
他在下一代成像和感測技術方面擁有十年的經驗，是非營利組織Activate 2020 Fellow，獲得了由DARPA支持的一項為期兩年的獎學金（這項獎學金旨在幫助科學家們將創新成果推向市場）。
在DARPA的支持下，MIT在Kyber Photonic的一個小組設計了新型固態lidar-on-a-chip結構。MIT表示：「與目前最先進的雷射雷達相比，這一設計視野相當廣闊、控制方法簡單，並有希望通過集成光子學產業的晶片規模製造方法，將規模擴大到數百萬個單元。」
新型固態lidar-on-a-chip結構
IEEE Spectrum拆解了該結構的兩個關鍵概念。
一是固態，即不使用活動部件，消除了機械模式的故障。
二是lidar-on-a-chip，指將雷射、電子、探測器和光學光束控制機制，全部集成到晶片上。
正是由於這一架構可以充分利用與CMOS兼容的材料、半導體產業建立的晶片規模製造方法，現存的雷射雷達難題有望被解決。正如 IEEE Spectrum在報導中所說的那樣：「一旦最終的解決方案被證實，我們就可以預期，雷射雷達感測器就像電腦、手機內部的集成電路一樣，每年生產數億個。」
具體來講，MIT光子學團隊和MIT林肯實驗室的研究人員，合作開發了固態光束轉向的替代解決方案。
過去3年，研究人員已經設計、製造並在實驗中，成功演示了一種新的固態波束控制架構，這一架構可在近紅外線環境下工作。
下圖是基於平面透鏡的光束轉向架構示意圖：近紅外線雷射通過光纖耦合到晶片上，雷射穿過由馬赫－曾德爾干涉儀（MZI，主要用於觀測從單獨光源發射的光束分裂成兩道準直光束之後，經過不同路徑與介質所產生的相對相移變化）開關樹形成的光開關矩陣，然後光線被饋送到一個平面透鏡中，平面透鏡既可準直光，也可將光轉向，通過光柵將其散射到平面外。
下圖是晶片的2D橫截面，整個水平視場被從波導發射的光束覆蓋。
基於此，一個分辨率為0.1度的100度FOV雷射雷達系統也能實現了。可以說，這一架構能夠滿足雷射雷達應用所需的FOV和分辨率要求。
實際上，這一方案的其中一處靈感來自於羅特曼透鏡（Rotman lens）。
20世紀50年代後，隨著追蹤雷達、衛星通訊等領域，對多目標應用環境的要求增加，基於準光學原理的透鏡多波束技術出現，而羅特曼透鏡則是其中最著名的一項技術。無需有源電子相位控制，羅特曼透鏡就能在微波環境下，實現無源波束形成網路。
與此同時，為滿足雷射雷達200公尺的射程要求，研究人員還為相干檢測方案（MIT稱之為調頻連續波，FMCW）設計了系統，而不是傳統的利用飛行時間（ToF）的檢測方式。
據瞭解，FMCW的優勢在於：可提供瞬時速度資訊、不易受其他光源干擾。儘管成本、產量等因素還未得到驗證，幾家射程超過300公尺的雷射雷達廠商，已成功演示了FMCW。
那麼，該結構效果如何？
研究人員使用光纖耦合可調雷射器，對波長1500-1600 nm的平面透鏡光束，轉向進行了測試。測試證實，新型固態lidar-on-a-chip的FOV 可達到水平40度、垂直12度。經過一番調整後，其FOV甚至達到了水平160度、垂直 20度。
下圖顯示了晶片在平面透鏡光束的控制下，紅外圖像組成的動畫。
展望未來，MIT Kyber Photonic研究人員表示：「我們的最終目標是，在未來的兩到三年內，實現一個錢包大小的雷射雷達晶片單元，並且擁有一條清晰的生產路徑，實現低成本、高可靠性、高性能和可擴展性，適用於自動駕駛汽車等產業。」
本文為雷鋒網授權刊登，原文標題為「芯片上實現激光雷達！MIT 在讀博士拿獎學金創立公司，產品 3 年內或將落地」