在 MIT 的光子微系統(tǒng)組（ Photonic Microsystems Group ），正在開發(fā)一種片上激光雷達（ lidar-on-a-chip ）系統(tǒng)，它比一角硬幣還小，沒有活動式零件，而且能以低成本進行大規(guī)模生產(chǎn)，可用于自動駕駛汽車、無人機和機器人。
激光探測與測距，或者說是激光雷達（ Lidar ），是一種基于激光的感知技術。它類似于雷達（ radar ），但是分辨率更高，因為光的波長大約比無線電的波長小 10 萬倍。這對機器人很重要：因為雷達不能精確地反映細微的特征，只裝備了雷達模塊的機器人很難捕捉復雜的物體。目前，Lidar 主要應用于自動駕駛汽車和機器人，也用于繪制陸地和海洋的地圖以及無人機。對于幾乎所有自動駕駛汽車，以及在商業(yè)或工業(yè)環(huán)境中自動化操作的機器人而言，Lidar 系統(tǒng)是必不可少的。
Lidar 系統(tǒng)測量 3D 空間中每個像素到發(fā)射器間的距離和方向，這能通過傳感器創(chuàng)造出真實世界完整的 3D 模型。操作 Lidar 系統(tǒng)的基本方法是發(fā)射一束光，然后測量光在物體表面反射而返回來的信號。Lidar 模塊接收到反射回來的信號所需的時間提供了一種直接測量 Lidar 系統(tǒng)與物體之間的距離的手段。關于物體的額外的信息，比如它的速率或材料成分，也可以通過測量反射回來的信號中的某些特性而得以確定，這些特性包括誘導多普勒頻移（ induced Doppler shift ）。最后，通過操控發(fā)射出去的光，可以測量出環(huán)境中許多不同的點，從而創(chuàng)建出完整的 3D 模型。
大多數(shù) Lidar 系統(tǒng)——比如你通常能在自動駕駛汽車上看到的 Lidar 系統(tǒng)——使用離散的自由空間光學組件，比如激光器，透鏡和外部服務器。為了找到一個有用的觀察視野，激光器/接收器機械地四處旋轉(zhuǎn)，通常還會上下振動。這種機械裝置限制了 Lidar 系統(tǒng)的掃描率，同時增加了掃描的范圍和復雜性，導致人們擔心其長期可靠性，尤其是在惡劣的環(huán)境中?，F(xiàn)在，市場上銷售的高端 Lidar 系統(tǒng)價位在一千美元到七萬美元之間，這會限制它們在成本最小化領域內(nèi)的應用。
自動駕駛汽車和機器人等應用領域過度依賴 Lidar ，而且昂貴的 Lidar 模塊是阻礙其應用于商業(yè)產(chǎn)品的主要因素。我們在 MIT 的光子微系統(tǒng)組中的工作是嘗試將這些大型的、昂貴的、機械的 Lidar 系統(tǒng)融合在一個微芯片上，實現(xiàn)在商業(yè)化 CMOS 生產(chǎn)車間里的大規(guī)模生產(chǎn)。
我們使用 300 毫米的晶片生產(chǎn) Lidar 芯片，讓潛在的生產(chǎn)成本大約為每個芯片 10 美元，每年單位生產(chǎn)量可達到百萬臺。這些片上設備用非機械化的光束進行操控，在速度上比當前機械的 Lidar 系統(tǒng)所能達到的速度快一千倍，而且允許更快的圖象掃描速率。這對精確追蹤微小的高速運動的物體是有用的，這些物體只在 Lidar 的視野中短暫出現(xiàn)，對于高速前行的無人機避開障礙物而言至關重要。
在 MIT ，我們的此項工作首先從 300 毫米硅光子（ silicon photonics ）的發(fā)展入手的。硅光子學是一種使用橫截面為幾百納米的硅波導管去創(chuàng)建「光用電線」的芯片技術，其特性類似于光學纖維，但是它們的尺寸更小。然后將這些波導管融合進芯片上的光子線路。將電子與硅光子類比，這就像將分離的電器元件（比如銅導線和電阻器）融合進帶有銅線路以及納米晶體管的微芯片里。
微電子技術，特別是 CMOS 技術，已經(jīng)支持大量生產(chǎn)更小的復式電子電路，并且在電子工業(yè)中，硅光子有代替微電子的潛能。硅光子能利用商業(yè) CMOS 生產(chǎn)車間技術，這也是開發(fā)電腦硅基微處理器的技術，能夠以級低的成本進行量產(chǎn)。在過去的十幾年里，幾個 CMOS 生產(chǎn)車間已經(jīng)研發(fā)出獨立的硅光子制造工藝。通過該制造工藝，波導管損耗和光學隔離等基本問題得到解決，并且現(xiàn)在該技術支持構建復式光子系統(tǒng)。
技術相控陣
一幅 MIT 固態(tài) Lidar 的掃描電子顯微鏡圖。該設備使用熱移向器，通過激光傳輸來加熱波導管，改變了通過它們的光的速度與相位。硅上的刻凹痕作為天線，將光散布到空閑空間，并且相長干涉會代替鏡頭聚集光束。
美國國防高級研究計劃局（DARPA）對電子工業(yè)的硅光子擴展與集成感興趣，并在 2011 年啟動為光電多相集成（E-PHI）項目。該項目的兩個重要成果是第一個大規(guī)模光學相控陣和第一個廣角可操縱光束陣。這些設備證明了商業(yè) CMOS 生產(chǎn)車間能像幾十年來制造電子相控陣一樣，生產(chǎn)實用的光學相控陣。電子相控陣已經(jīng)被用于非機械射電波束控制的雷達應用，并且光學相控陣被看作是小型，低成本的固態(tài) Lidar 的極佳解決方案。
我們的設備是一塊帶有可控傳輸與接收相控陣，及片上鍺光電探測器的 0.5 mm x 6 mm 硅光子集成電路板。激光本身并不是這些特別的集成電路板的一部分，但是我們及其他團隊已經(jīng)證明了片上激光在未來能被集成到其中。為了操控激光束探測穿過 Lidar 整個視野的物體，每個天線的相位必須可控。在這個設備的迭代中，熱移向器直接通過激光傳輸加熱波導管。硅的折射指數(shù)取決于它的溫度，決定了穿過它的光的速度與相位的變化量。隨著激光穿過波導管，它遭遇了一個刻蝕在硅上的，作為天線的刻凹痕，將光從波導管中散播到空閑空間。每個天線都有它自己的發(fā)射圖樣，在所有發(fā)射圖樣相長干涉的地方，一道聚焦光束就產(chǎn)生了，該過程不需要鏡頭。
光學顯微圖象下的 MIT 固態(tài) Lidar，一塊帶有可控傳輸與接收相控陣，及片上鍺光電探測器的 0.5 mm x 6 mm 硅光子集成電路板。
受天線之間間隔的限制，現(xiàn)在光束的操控范圍約為 51°。減小間隔是一個難題，因為間隔也受到限制，太小的硅波導管沒法適當?shù)鼐惺馐?，雖然我們的技術應該能支持將近 100° 的操控范圍。即使受操控范圍限制，也可以通過在媒介上放置多個 Lidar 感應器獲得 360° 的圖象。
我們的 Lidar 的探測方法基于相干法，而不是直接測量飛行時間，這樣系統(tǒng)就只能對那些由設備傳播出的光束做出反應。這減小了太陽光的影響，大大減小了 Lidar 系統(tǒng)中的噪聲系數(shù)，使其成為物美價廉的光電探測器而不是昂貴的雪崩光電探測器或很難集成在硅光電平臺上的光電倍增管。
現(xiàn)在，我們的片上 Lidar 系統(tǒng)可以探測到長達兩米內(nèi)的物體，我們希望在一年內(nèi)能將范圍擴大到 10 米。最小范圍差不多是 5 厘米。我們展示了厘米級的縱向分辨率，并期望在 2 米的距離有 3 厘米的橫向分辨率。片上 Lidar 技術的發(fā)展路徑很清晰，它能達到 100 米的范圍，并有可能更遠。
使用其他材料制作集成電路板（比如氮化硅），可能會將輸出功率提高 2 到 3 個數(shù)量級。我們的制造工藝包括加入了硅的氮化硅層，兩者系統(tǒng)都可利用。另外，一個更大的相控陣將降低光束的衍射，以增加范圍和橫向分辨率。這里的難題是所能制造的硅波導管及天線的統(tǒng)一度和精確度，制造工藝很可能在未來因平板印刷術而改善。雖然我們承諾可以為 Lidar 應用造出范圍非常大的相控陣，但以現(xiàn)有的技術，到底能造多大仍然是不明確的，而且這很可能成為未來該技術在范圍上的限制因素。
DARPA 最近啟動了一個后續(xù)項目，叫做模塊化的光學孔徑構建塊（MOABB），該項目專注于在即將到來的幾年里擴展該硅光電 Lidar 的工作。雖然 MOABB 項目不是我們學術研究小組的一部分，但我們計劃在 E-PHI 項目結束后，將我們的相控陣工作擴展至空閑空間交流，以支持多個內(nèi)部傳輸速度大于 40Gb/s 的光子晶片。我們也在利用像 Li-Fi 和全息攝影這樣可以被人眼所見的應用來開發(fā)可見光相控陣。
我們相信商業(yè)的片上 Lidar 解決方案將在近幾年出現(xiàn)。低成本的，低調(diào)的 Lidar 系統(tǒng)會被廣泛應用于無人駕駛汽車和機器人。那時一輛車或一個機器人能安裝多個價格低廉的 Lidar 模塊。由于高分辨率，低形狀系數(shù)和低成本，這些片上 Lidar 系統(tǒng)甚至能安裝在機器人的手指上，使其看到自己抓的是什么。這些技術的發(fā)展能改變 Lidar 系統(tǒng)設備的操作方式，帶來許多我們想都沒想過的 Lidar 系統(tǒng)的應用方式，這可能會改變 Lidar 系統(tǒng)的格局。
激光探測與測距，或者說是激光雷達（ Lidar ），是一種基于激光的感知技術。它類似于雷達（ radar ），但是分辨率更高，因為光的波長大約比無線電的波長小 10 萬倍。這對機器人很重要：因為雷達不能精確地反映細微的特征，只裝備了雷達模塊的機器人很難捕捉復雜的物體。目前，Lidar 主要應用于自動駕駛汽車和機器人，也用于繪制陸地和海洋的地圖以及無人機。對于幾乎所有自動駕駛汽車，以及在商業(yè)或工業(yè)環(huán)境中自動化操作的機器人而言，Lidar 系統(tǒng)是必不可少的。
Lidar 系統(tǒng)測量 3D 空間中每個像素到發(fā)射器間的距離和方向，這能通過傳感器創(chuàng)造出真實世界完整的 3D 模型。操作 Lidar 系統(tǒng)的基本方法是發(fā)射一束光，然后測量光在物體表面反射而返回來的信號。Lidar 模塊接收到反射回來的信號所需的時間提供了一種直接測量 Lidar 系統(tǒng)與物體之間的距離的手段。關于物體的額外的信息，比如它的速率或材料成分，也可以通過測量反射回來的信號中的某些特性而得以確定，這些特性包括誘導多普勒頻移（ induced Doppler shift ）。最后，通過操控發(fā)射出去的光，可以測量出環(huán)境中許多不同的點，從而創(chuàng)建出完整的 3D 模型。
Lidar系統(tǒng)
Velodyne HDL-64 lidar 鑲嵌在自動駕駛汽車上。這個設備使用了能機械地四處旋轉(zhuǎn)的激光器/接收器模塊，這種方法限制了系統(tǒng)的掃描率，同時增加了掃描范圍、復雜性和成本。
大多數(shù) Lidar 系統(tǒng)——比如你通常能在自動駕駛汽車上看到的 Lidar 系統(tǒng)——使用離散的自由空間光學組件，比如激光器，透鏡和外部服務器。為了找到一個有用的觀察視野，激光器/接收器機械地四處旋轉(zhuǎn)，通常還會上下振動。這種機械裝置限制了 Lidar 系統(tǒng)的掃描率，同時增加了掃描的范圍和復雜性，導致人們擔心其長期可靠性，尤其是在惡劣的環(huán)境中?，F(xiàn)在，市場上銷售的高端 Lidar 系統(tǒng)價位在一千美元到七萬美元之間，這會限制它們在成本最小化領域內(nèi)的應用。
自動駕駛汽車和機器人等應用領域過度依賴 Lidar ，而且昂貴的 Lidar 模塊是阻礙其應用于商業(yè)產(chǎn)品的主要因素。我們在 MIT 的光子微系統(tǒng)組中的工作是嘗試將這些大型的、昂貴的、機械的 Lidar 系統(tǒng)融合在一個微芯片上，實現(xiàn)在商業(yè)化 CMOS 生產(chǎn)車間里的大規(guī)模生產(chǎn)。
我們使用 300 毫米的晶片生產(chǎn) Lidar 芯片，讓潛在的生產(chǎn)成本大約為每個芯片 10 美元，每年單位生產(chǎn)量可達到百萬臺。這些片上設備用非機械化的光束進行操控，在速度上比當前機械的 Lidar 系統(tǒng)所能達到的速度快一千倍，而且允許更快的圖象掃描速率。這對精確追蹤微小的高速運動的物體是有用的，這些物體只在 Lidar 的視野中短暫出現(xiàn)，對于高速前行的無人機避開障礙物而言至關重要。
系統(tǒng)技術
在 MIT ，我們的此項工作首先從 300 毫米硅光子（ silicon photonics ）的發(fā)展入手的。硅光子學是一種使用橫截面為幾百納米的硅波導管去創(chuàng)建「光用電線」的芯片技術，其特性類似于光學纖維，但是它們的尺寸更小。然后將這些波導管融合進芯片上的光子線路。將電子與硅光子類比，這就像將分離的電器元件（比如銅導線和電阻器）融合進帶有銅線路以及納米晶體管的微芯片里。
微電子技術，特別是 CMOS 技術，已經(jīng)支持大量生產(chǎn)更小的復式電子電路，并且在電子工業(yè)中，硅光子有代替微電子的潛能。硅光子能利用商業(yè) CMOS 生產(chǎn)車間技術，這也是開發(fā)電腦硅基微處理器的技術，能夠以級低的成本進行量產(chǎn)。在過去的十幾年里，幾個 CMOS 生產(chǎn)車間已經(jīng)研發(fā)出獨立的硅光子制造工藝。通過該制造工藝，波導管損耗和光學隔離等基本問題得到解決，并且現(xiàn)在該技術支持構建復式光子系統(tǒng)。
技術相控陣
一幅 MIT 固態(tài) Lidar 的掃描電子顯微鏡圖。該設備使用熱移向器，通過激光傳輸來加熱波導管，改變了通過它們的光的速度與相位。硅上的刻凹痕作為天線，將光散布到空閑空間，并且相長干涉會代替鏡頭聚集光束。
美國國防高級研究計劃局（DARPA）對電子工業(yè)的硅光子擴展與集成感興趣，并在 2011 年啟動為光電多相集成（E-PHI）項目。該項目的兩個重要成果是第一個大規(guī)模光學相控陣和第一個廣角可操縱光束陣。這些設備證明了商業(yè) CMOS 生產(chǎn)車間能像幾十年來制造電子相控陣一樣，生產(chǎn)實用的光學相控陣。電子相控陣已經(jīng)被用于非機械射電波束控制的雷達應用，并且光學相控陣被看作是小型，低成本的固態(tài) Lidar 的極佳解決方案。
我們的設備是一塊帶有可控傳輸與接收相控陣，及片上鍺光電探測器的 0.5 mm x 6 mm 硅光子集成電路板。激光本身并不是這些特別的集成電路板的一部分，但是我們及其他團隊已經(jīng)證明了片上激光在未來能被集成到其中。為了操控激光束探測穿過 Lidar 整個視野的物體，每個天線的相位必須可控。在這個設備的迭代中，熱移向器直接通過激光傳輸加熱波導管。硅的折射指數(shù)取決于它的溫度，決定了穿過它的光的速度與相位的變化量。隨著激光穿過波導管，它遭遇了一個刻蝕在硅上的，作為天線的刻凹痕，將光從波導管中散播到空閑空間。每個天線都有它自己的發(fā)射圖樣，在所有發(fā)射圖樣相長干涉的地方，一道聚焦光束就產(chǎn)生了，該過程不需要鏡頭。
光學顯微圖象下的 MIT 固態(tài) Lidar，一塊帶有可控傳輸與接收相控陣，及片上鍺光電探測器的 0.5 mm x 6 mm 硅光子集成電路板。
受天線之間間隔的限制，現(xiàn)在光束的操控范圍約為 51°。減小間隔是一個難題，因為間隔也受到限制，太小的硅波導管沒法適當?shù)鼐惺馐?，雖然我們的技術應該能支持將近 100° 的操控范圍。即使受操控范圍限制，也可以通過在媒介上放置多個 Lidar 感應器獲得 360° 的圖象。
我們的 Lidar 的探測方法基于相干法，而不是直接測量飛行時間，這樣系統(tǒng)就只能對那些由設備傳播出的光束做出反應。這減小了太陽光的影響，大大減小了 Lidar 系統(tǒng)中的噪聲系數(shù)，使其成為物美價廉的光電探測器而不是昂貴的雪崩光電探測器或很難集成在硅光電平臺上的光電倍增管。
現(xiàn)在，我們的片上 Lidar 系統(tǒng)可以探測到長達兩米內(nèi)的物體，我們希望在一年內(nèi)能將范圍擴大到 10 米。最小范圍差不多是 5 厘米。我們展示了厘米級的縱向分辨率，并期望在 2 米的距離有 3 厘米的橫向分辨率。片上 Lidar 技術的發(fā)展路徑很清晰，它能達到 100 米的范圍，并有可能更遠。
使用其他材料制作集成電路板（比如氮化硅），可能會將輸出功率提高 2 到 3 個數(shù)量級。我們的制造工藝包括加入了硅的氮化硅層，兩者系統(tǒng)都可利用。另外，一個更大的相控陣將降低光束的衍射，以增加范圍和橫向分辨率。這里的難題是所能制造的硅波導管及天線的統(tǒng)一度和精確度，制造工藝很可能在未來因平板印刷術而改善。雖然我們承諾可以為 Lidar 應用造出范圍非常大的相控陣，但以現(xiàn)有的技術，到底能造多大仍然是不明確的，而且這很可能成為未來該技術在范圍上的限制因素。
DARPA 最近啟動了一個后續(xù)項目，叫做模塊化的光學孔徑構建塊（MOABB），該項目專注于在即將到來的幾年里擴展該硅光電 Lidar 的工作。雖然 MOABB 項目不是我們學術研究小組的一部分，但我們計劃在 E-PHI 項目結束后，將我們的相控陣工作擴展至空閑空間交流，以支持多個內(nèi)部傳輸速度大于 40Gb/s 的光子晶片。我們也在利用像 Li-Fi 和全息攝影這樣可以被人眼所見的應用來開發(fā)可見光相控陣。
我們相信商業(yè)的片上 Lidar 解決方案將在近幾年出現(xiàn)。低成本的，低調(diào)的 Lidar 系統(tǒng)會被廣泛應用于無人駕駛汽車和機器人。那時一輛車或一個機器人能安裝多個價格低廉的 Lidar 模塊。由于高分辨率，低形狀系數(shù)和低成本，這些片上 Lidar 系統(tǒng)甚至能安裝在機器人的手指上，使其看到自己抓的是什么。這些技術的發(fā)展能改變 Lidar 系統(tǒng)設備的操作方式，帶來許多我們想都沒想過的 Lidar 系統(tǒng)的應用方式，這可能會改變 Lidar 系統(tǒng)的格局。
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