激光雷达技术利用红外脉冲光来计算距离并创建周围环境的详细三维地图。这使得自动驾驶车辆能够探测路径上的物体并快速做出反应。然而，传统的激光雷达传感器通常体积庞大、成本高昂，而且许多传感器依赖于会随着时间推移而磨损的移动部件。这些局限性使得该系统难以在更广泛的应用场景中得到应用。

麻省理工学院的研究人员开发出一种方法，有望制造出更小巧、更耐用且无需任何移动部件的激光雷达传感器。他们的突破性进展在于一种新型硅光子芯片，这是一种控制光信号而非电信号的半导体器件。

现有的基于硅光子芯片的激光雷达系统通常视场角较窄。因此，它们难以扫描场景边缘区域。以往扩展视场角的尝试往往会引入额外的噪声并降低测量精度。

麻省理工学院的研究团队通过设计集成天线阵列解决了这些问题，该阵列能够显著降低串扰——即相邻天线相互干扰时产生的信号。这种设计使得芯片能够在更广阔的视野范围内进行扫描，同时产生的噪声也低于其他基于硅光子学的方案。

这项进展可以支持开发功能更强大的激光雷达传感器，用于具有挑战性的应用，包括自动驾驶车辆导航、航空测绘和建筑工地监测。

“我们在这项工作中展示的功能解决了集成光学相控阵技术的一个根本问题，使未来的激光雷达传感器能够实现比我们之前能够展示的性能高得多的性能，”麻省理工学院电子工程与计算机科学系 (EECS) 罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员、该创新论文的资深作者耶莱娜·诺塔罗斯 (Jelena Notaros) 说。

许多传统激光雷达系统使用大型旋转装置将光脉冲投射到场景中。当光线照射到附近物体时，会反射回传感器。返回的信号提供了重建环境详细地图所需的信息。

基于硅光子学的激光雷达的工作原理不同。它不是旋转机械装置，而是利用一种称为集成光学相控阵（OPA）的系统，以电子方式向多个方向扫描光束。

光参量放大器（OPA）的核心是一组集成天线。每个天线在其长度方向上都包含微小的、规则排列的波纹状结构。这些被称为波纹的结构会使来自输入光源的光向上散射并射出光子芯片。

研究人员可以通过改变发送到每个天线的光的相位来控制出射光束的方向。调整这些相位会改变阵列释放光的角度，从而无需移动任何物理组件即可控制光束的方向。

天线放置过近会造成严重问题。相邻天线之间会发生耦合，导致它们发出的光相互干扰。工程师们传统上通过增加天线之间的距离来防止这种干扰，但更大的间距又会带来另一系列问题。

当天线间距过大时，阵列会产生多个角度不同的同一波束副本。主波束的移动距离有限，超过一定范围后，就难以将其与这些额外的副本区分开来。

“这限制了我们的视野，因此自动驾驶汽车现在只能在一定的角度范围内知道前方的情况，”加西亚·科莱托解释说。

这些被称为栅瓣的非预期光束副本会干扰传感器并产生误检。它们还会消耗原本可以用于主光束的能量。

为了克服这种权衡，麻省理工学院的研究人员开发了串扰减少的天线，这些天线可以彼此靠近放置而不会产生强耦合。

在传统的运算放大器中，每个天线的结构都相同，并且采用相同的波纹图案。当这些匹配的天线放置得很近时，它们之间会产生非常强烈的相互作用。

麻省理工学院的研究团队另辟蹊径，设计了一组由三个形状各异的重复天线组成的结构。他们改变了天线的宽度，以及波纹的大小和位置。由于天线的几何形状不同，每个天线的传播系数也不同，该系数描述了光在结构中的传播方式。

“由于这些天线的传播系数差异很大，当我们把它们放得很近时，实际上每个天线都‘看不到’旁边的天线。因此，它不会与相邻的天线耦合，”加西亚·科莱托说。

降低耦合只是挑战的一部分。尽管天线需要不同的传播系数，但它们仍然必须以相同且一致的方式释放光。

该团队围绕三个基本要求设计了天线。

每个天线必须发射相同数量的光。每个天线在接收相同波长的光时，也必须以相同的角度发射波束。最后，随着波束的偏转，整个阵列的发射角度必须均匀变化。

“我们面临的挑战是，为了减少串扰，我们需要天线具有不同的几何形状，但同时又需要使这些天线具有相同的发射特性。虽然理论上可以实现这一点，但这极其困难，因为通常情况下，当天线采用不同的几何形状设计时，它们的性能往往会有所不同，”克劳福德-恩格说道。

研究人员首先建立了描述辐射模式耦合的基本电磁理论。然后，他们利用这一理论框架指导天线的设计和计算机仿真。

基于这些计算结果，研究团队制造了一种包含低串扰天线的运算放大器（OPA）。与传统系统相比，这种OPA的天线间距要小得多，随后对成品进行了实验测试。

在实验条件下，典型的光参量放大器（OPA）会产生约100%的耦合。麻省理工学院的设计将耦合降低到约1%，同时仍然产生一束清晰而精确的光束。

该系统能够精确地控制光束在宽广的视场范围内移动，且不会产生任何栅瓣。这种宽扫描范围、低干扰和高光束质量的组合，解决了集成激光雷达技术面临的核心难题之一。

研究人员计划改进该方法，使系统能够覆盖更广阔的视野范围。他们还在研究另一种实现宽视野性能的可能方法，这种方法是在他们开发基本理论的过程中产生的。

“这项工作解决了集成光学相控阵领域长期存在的一个难题：如何同时实现宽视场（这需要密集的天线间距）和高波束质量（这需要相邻天线之间低串扰）。作者通过一种巧妙的天线设计解决了这个问题。他们的创新是芯片级固态波束控制技术向前迈出的重要一步，”多伦多大学电气与计算机工程教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon说道，她并未参与这项工作。