微型激光雷达传感器：封装在单芯片上
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麻省理工学院的光子微系统项目组，开发了在单芯片上的激光雷达系统，只有10美分的硬币那么大，没有移动的部分，进行量产的成本很低，可应用于无人驾驶汽车，无人机和机器人。
（图片来源于: Christopher V. Poulton）
激光雷达技术简介
光探测和测距，或者激光雷达，是一种基于激光的技术。它和无线电雷达相似，但是却有更高的分辨率，因为光的波长比无线电波长小十万倍。对于机器人来说，这十分重要：因为雷达无法对于细微特征精准成像，装备了雷达模块的机器人，很难抓住一个复杂对象。目前，激光雷达的主要应用，在于无人驾驶汽车和机器人，也包括地形和海洋测绘，以及无人机。激光雷达系统，对于所有的无人驾驶汽车，以及在商业或者工业环境中，进行自动化操作的机器人，都是不可或缺的。
激光雷达系统原理
激光雷达系统，测量三维空间中，每个像素点和发射装置之间的距离，以及那个像素点的方向，创建了传感器周围世界的三维模型。操作激光雷达系统的基本方法是发送一束光，然后当光从物体上发射后，测量返回信号。根据发射信号返回激光雷达模块所需要的时间，从而直接测量这个物体的距离。这个物体的其他信息，例如速度或者材料成分，可以通过测量反射信号的某些属性决定，例如感应的多普勒频移。最终，通过对于传输的光线进行转向，环境中许多不同的点可以被测量，创建一张全景三维模型。
传统的激光雷达系统的弊病
大多数的激光雷达系统，例如那些普遍应用在无人驾驶汽车中的，使用离散的自由空间光学组件，像激光器，镜头，以及外部接收器。为了获取有用的视野，这种激光/接收器模块，是机械旋转的，通常上下振动。这种机械装置，限制了激光雷达的扫描速率，同时也增加了尺寸，复杂度，导致了对于可靠性的长期担忧，特别是在极端环境中。今天，可以商用的高端激光雷达系统，价格从1000美元到70000美元不等，然而对于低成本的应用来说，这些太贵了。
新型单芯片激光雷达的特点
这些应用，包括“无人驾驶汽车”和“高度依赖激光雷达的机器人”。昂贵的激光雷达模块，是它们在商用产品中使用的主要障碍。 "MIT’s Photonic Microsystems Group"麻省理工学院光子微系统组(http://www.rle.mit.edu/pmg/)的任务，就是尝试将这些大型，昂贵，机械化的激光雷达系统，整合到一个微芯片上，可以在商业的CMOS制造厂进行大规模量产。
这种雷达芯片，使用300毫米晶圆生产工艺生产成本是每片10美元，每年的生产容量达数以百万计。这些芯片上的设备，可以比目前市场上的雷达系统，尺寸更小，更轻，且更便宜。同时，由于缺乏运动部件，他们可以变得更加强健。设备中非机械的光束控制，比目前使用的机械激光雷达系统，快1000倍，同时也带来了更快的图像扫描速率。这有利于精准追踪小型而且高速的物体，它们只是很短的时间出现在激光雷达的视野中，这对于高速无人机的避障来说是十分重要的。
（图片来源于: Evan Ackerman/IEEE Spectrum）
新型的单芯片激光雷达制造工艺
麻省理工学院的这种单芯片的激光雷达，首先在300毫米硅光子基础上开发。硅光子，是一种芯片技术，使用硅在横截面波导几百个纳米，创造“光线”，属性类似于光纤，除了规模小的多。这些波导，然后被集成进芯片上光子电路中。硅光学的电子模拟，就像离散的电子元器件，例如铜导线和电阻，并且通过铜线和纳米级的晶体管，集成进微芯片中。
“硅光子”的意义
微电子学，特别是CMOS技术，带来了更小并且复杂的电子电路，可以进行大规模生产，并且硅光子对于光子来说，就像微电子对于电子工业一样。硅光子
可以影响商用的CMOS制造厂的技术，同样的技术开发了计算机中基于硅的微处理器。这种开发工艺处理了基本的问题，例如“波导损耗”和“光学隔离”，并且这项技术可以创造复杂的光子系统。
（图片来源于: Christopher V. Poulton）
硅光子异构集成项目
美国国防部高级研究计划局（DARPA），对于电子的硅光子集成和拓展性感兴趣，于2011年创建了电子光子异构集成项目。这个项目的两个主要的成就是：首个大规模的光学相控阵列和首个具有广角可操控的阵列。这些设备展示了，实用性的光学相位阵列，可以在商用CMOS制造厂进行制造，就像电子相控阵列已经在雷达上应用了几十年一样。电子相控阵列已经用于雷达，来进行机械的无线电波束转向，并且光学相控阵列，是作为小型，低成本，固态激光雷达的优质解决方案。
硅光子芯片特性
我们的设备，只有0.5 mm x 6 mm硅光子芯片，具有可操纵的传输和接受相位阵列，并且芯片上的锗光电探测器。激光雷达本身，并不是这些特殊芯片的一部分。但是，研究小组和其他项目组，已经展示了芯片上的激光雷达，可以在未来集成。为了在激光雷达的整个视野里面，引导激光束检测物体，每个天线的相位都必须被控制。在这种设备的迭代中，热相移，通过激光传输，直接加热波导。硅的折射率依赖于它的温度，改变了通过它的光线的速度和相位变化。因为激光穿过波导，它遇到由硅制造的凹槽，它作为天线使用，将光从波导中散射出，进入自由空间。每个天线，具有它自己的发射图样，所有的这些发射模式相长干涉，不需要镜头就可以将一束光线聚焦。
光学显微照片展示了麻省理工学院的固态激光雷达，0.5 mm x 6 mm硅光子芯片，具有可操纵的传输，和接收相控阵列以及芯片上的锗光电探测器。
（图片来源于: Christopher V. Poul）
转向范围的增加
目前的光束的转向范围差不多是51°，受于天线之间的距离的限制。减少这种间隔很具有挑战性，因为对于硅波导的大小有限制，虽然我们的技术需要支持近100°的转向。甚至在有限的转向范围之内，某人可以想象在汽车上放置多重激光雷达传感器，你得到全部360°的图片。
新型探测手段
这种激光雷达的探测手段，基于相干法，而不是直接的飞行时间测量，后者的条件下，系统只对最初的光传输设备反应。这样减少的可以在大型激光雷达系统里面，太阳光带来的噪音因素，让适度的光电探测器，取代昂贵的雪崩光电探测器或者具有挑战性的昂贵光电倍增管，集成进入硅光子平台。
探测范围的增加
此刻，芯片上的激光雷达系统，可以检测的物体范围达2米，尽管我们一年内希望完成10米范围。最小的范围在5厘米左右。我们达到了厘米级别的纵向分辨率，并且期望3厘米的横向分辨率达2米。对于激光雷达的开发途径很清晰，在芯片上的技术，可以达到100米的范围，甚至更远。
功率和分辨率的增加
使用其他芯片上的材料（例如氮化硅），将增加功率输出达到两到三个数量级。该制造工艺，包括氮化硅层和硅，二者系统都需要使用。另外，更大的相控阵将允许更少的光束衍射（扩散），所以范围更大，分辨率更高。这里具有挑战性的是，如何统一和精确硅波导和天线制造工艺，并且随着光刻技术的改善，这个能力未来有可能会增加。尽管，在创造非常大规模的相控阵激光雷达的应用方面，已经有了较好的成果。但是，问题是他们制造的信赖度尚不明确，并且这可能是这项技术未来的限制性因素。
未来展望
DARPA最近创建了一个跟进项目，叫做“模块化的光学孔径积木(MOABB)”(http://www.darpa.mil/news-events/2015-12-04)，它在未来几年，专门扩展了这个硅相位雷达。尽管MOABB项目，不是学术研究组的一部分，在激光雷达的E-PHI项目结束以后，对于自由空间通信来说，研究人员计划拓展相位阵列，来针对多光子芯片，让它们之间接口的数据速率大于40Gb/s。
研究人员也开发了可见光相位阵列，以适配Li-Fi，裸眼全息技术等应用的要求。
商用芯片上的激光雷达解决方案，在未来几年将可以获取。低功耗，型面高度不大的激光雷达系统，将在无人驾驶汽车和机器人方面有很多的应用。
这些芯片上的雷达系统，因为高分辨率，小的外形和低功耗，将来可以放置在机器人的手指上，来判断它们在抓什么。这些开发，通过改变设备的操作方式，动态改变激光雷达系统的视野，这项技术将开放给许多新的应用，一些是我们今天未曾想到的。
Christopher V. Poulton(http://www.mit.edu/%7Ecpoulton/)是研究光学相移阵列，以及它们在激光雷达上面的应用，和自由空间通信方面的博士生，也参与了麻省理工学院Michael Watts教授领导的光子微系统项目组。他目前领导光子研究，在DARPA的E-PHI 项目和DARPA Riser(http://www.darpa.mil/news-events/2015-09-09a)项目上进行相位阵列相关研究。
Michael R. Watts（http://www.rle.mit.edu/people/directory/michael-watts/）,是
电子研究实验室 (http://www.rle.mit.edu/)的首席调查员，以及麻省理工学院电子工程和计算机系的一员。他目前是MIT DARPA E-PHI 项目和DODOS项目的首席调查员，最近成为 AIM光子（http://www.aimphotonics.com/）的CTO。
消息来源：
http://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/optoelectronics/mit-lidar-on-a-chip
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