微系统|在DARPA支持下，MIT基于硅光子技术，成功实现单片集成激光雷达传感器

2016-09-05摘自：大国重器

      近日，美国麻省理工学院（MIT）光子微系统研究团队在美国国防先期研究计划局（DARPA）的支持下，研制出体积小于十美分硬币的微型单片集成激光雷达传感器，具有体积小、集成度高，没有活动部件、可以极低成本实现量产等优点，在自动驾驶汽车、无人机和机器人等领域拥有广阔应用前景。

图为单片集成激光雷达传感器

激光雷达概述

      与基于无线电波的雷达探测技术不同，激光雷达利用激光进行探测。由于光的波长比无线电波小十万倍，因此激光雷达拥有更高的探测精度。对于机器人等应用，传统无线电雷达由于精度不高而往往使机器人无法精准感知细微物件。而如果装备了高探测分辨率激光雷达，机器人就可以轻松分辨并抓取复杂微小的物件。此外，激光雷达还主要应用在无人驾驶汽车、地形和海洋测绘、无人机等领域。

激光雷达原理

     激光雷达能够同时获取被探测单元与发光元件之间的距离和方位信息，并生成一个完整的三维模型。其原理是激光雷达系统向外界环境发射出激光束，激光束遇到被探测物体后发生反射并被系统检测。通过激光从发射到反射被接收之间的时间差，可以计算出被探测物体到雷达模块之间的距离；通过提取反射激光的特定信号如获取多普勒频移参量等，可以获得被测物的速度或者材料等特性。最后通过对探测激光束进行动态转向，可以实现对周边环境的全方位探测，从而创建出全景的三维模型。

激光雷达现有局限

      现有大多数激光雷达系统，如广泛用于自动驾驶中的系统，其自由空间光学组件像激光器、接收透镜和接收处理模块等往往是离散的。而出于扩展探测视场的目的，这些激光/接收模块采用的还是旋转设计。这样一来，不但结构件会发生机械的上下震动，限制了激光雷达的扫描速率，还增加了系统的尺寸和设计的复杂性，使系统难以长时间可靠地运行，更不用说在极端环境中系统的寿命会大为减短。此外，如今商用的高端激光雷达系统价格从1000美元到70000美元不等，这对于一些低成本的应用而言这无疑太过于昂贵。

研究目标

      对于像无人驾驶汽车和机器人这样高度依赖雷达进行探测感知的应用，过于昂贵的激光雷达系统将会是其商业化推广路途上的一个重要绊脚石。而麻省理工学院开展此项研究的目的正是要将这些大型、昂贵和机械化的激光雷达系统给整合至单个微型芯片上，提升激光雷达系统的性能和降低成本，使其能够被CMOS生产厂商规模化生产，进而推进商业化应用的速度。

研究基础

      此次研制出的单片集成激光雷达传感器是在300毫米硅光子晶圆基础上进行开发。硅光子技术是一种在半导体材料横截面中埋入硅基光波导的芯片技术。硅基光波导的作用有点类似于光纤，只不过是被集成到了片上光子电路中。硅光子集成类似于将分立的电子器件，如铜线和电阻，集成到带有铜线和纳米级晶体管的微芯片中。

      微电子学特别是CMOS技术，使得大规模生产小而复杂的集成电路成为现实。而硅光子学对于光电子领域的意义则一点都不亚于微电子学对于电子领域的意义。对于CMOS晶圆代工厂而言，硅光子技术将会撬动用于微处理器生产的传统硅基生产工艺，以实现低成本规模化生产的目的。过去几十年中，一些CMOS生产厂商推出了专用的硅光子制造工艺。在这些生产流程下，诸如波导损耗和光隔离等的一些基本难题得到了解决，如今已能够制造出复杂光电系统。

      DARPA有意于研究硅光子的电子集成及其拓展性，并于2011年启动了电子-光子异构集成项目(E-PHI)。时至今日，该项目获得了两个主要的成就：首个大规模光学相控阵列和首个广角可操控的阵列。这些设备展示了商业CMOS晶圆代工厂具备生产制造实用化的光学相位阵列的条件，而类似的电子相控阵列雷达已经进行商业化生产数十年以上了。对比已经被广泛应用于雷达的电子相控阵列，光学相控阵列能够为小尺寸、低成本的固态激光雷达提供一个不错的选择。

技术突破概述

      对比现有市场上的雷达设备，该激光雷达系统不仅尺寸更小更轻而且更加便宜。

1、该研究团队所研制的激光雷达芯片使用300mm晶圆生产工艺，在年产数百万片的规模下每片的生产成本可降至10美元。

2、采用高集成设计，该系统无离散的部件，工作性能更加稳定。

3、激光束采用非机械控制，大幅提升图像扫描速率，几乎是机械旋转设计激光雷达系统的1000倍。

图为2016年5月DARPA“展示日”上所展出的激光雷达传感器原型

技术细节

      该团队研制的硅光子芯片尺寸为0.5mmx6mm，具有可操纵的传输和接收相位阵列，并且片上集成锗光电探测器。但是激光器本身并不集成在这批芯片上，但研究人员表示未来可以实现一体化集成。

      为了在激光雷达的整个视野里面引导激光束检测物体，每个天线的相位都需要被控制。系统在不断迭代的工作状态下，热移相器会直接加热波导。由于温度会改变硅的折射率，使得波导中光束速度和相位发生变化。波导中由硅制造的凹槽相当于天线，激光通过其后从波导中散射出并进入自由空间。每个发射天线都具有特定的出射方式，在所有出射光发生相长干涉的地方，不需要发射透镜就可以将一束光线聚焦。

图为固态激光雷达的电镜扫描图

图为固态激光雷达的光学显微图

技术突破详述

      对比现有的激光雷达，MIT团队研制的片上集成激光雷达传感器具有以下改进：

更宽的转向范围

      目前传统激光雷达的光束转向范围受限于天线之间的距离，只有51°左右。而该片上集成激光雷达传感器能达到接近100°的转向。但如需进一步减少天线间隔来提升转向方位，则会由于硅波导大小的限制而变得困难。即便是如此有限的转向范围，依然可以通过重复布置激光雷达传感器来获得完整360°视野的探测成像。

先进的探测手段

      对比传统的激光雷达采用激光运动时间进行探测的手段，该新型激光雷达选择相干探测的方式。相干探测只需对初始出射光束进行处理，这样可以减少在大型激光雷达系统中太阳光噪声干扰，提高探测精准度；同时相干探测也使系统可用性能适中光电探测器来替换价格昂贵的雪崩光电探测器或者光电倍增管，以降低成本。

更大的探测范围

     该片上集成的激光雷达传感器能够实现2米范围内的物体探测，研究团队表示有望在一年内将探测范围提升至10米。目前该片上集成激光雷达传感器的技术路线表明，未来能够实现探测范围100米甚至更远。

更低功耗和更高探测精度

      在芯片生产工艺中掺入其他材料例如氮化硅，可以使输出功率增加两到三个数量级。该芯片制造工艺则同时使用了氮化硅层和硅，因而芯片功耗得到降低。另外，更大的相控阵使得激光束的衍射（扩散）影响程度变轻，因而系统的探测分辨率更高。目前该新型激光雷达的分辨率达到了厘米级，纵向探测精度在5厘米左右，2米内横向探测精度在3厘米内。

应用

     高稳定性、高扫描速率和高探测精度的特点使得系统能够精准追踪高速运动的微小物体，而这种性能正是目前像无人机、无人驾驶汽车和机器人等诸多领域应用所急需的，如将其内置在机器人的手指上，可以大大提升机器人的感知能力。

未来展望

      近日，DARPA创建了一个相关的后续项目--模块化的光学孔径积木(MOABB)项目，项目在未来几年中专注于扩展研究硅光子激光雷达。尽管MOABB项目并未包含MIT硅光子激光雷达学术研究团队，但该小组表示在E-PHI项目结束以后，他们会跟进研究如何拓展相位阵列，针对多光子芯片使接口间的通信数据速率大于40Gb/s，并将其应用于自由空间光通信。研究人员也研发了基于可见光的相位阵列，以满足Li-Fi、裸眼全息技术等应用的需求。

目前看来，未来几年内即可实现商用单片集成激光雷达传感器的生产。

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