科学家开发具有蛇形光学相控阵的硅芯片,可实现激光雷达经济化生产!

我是你的大树 2020-08-19 16:36:41

据悉,由科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发的具有蛇形光学相控阵(SOPA)的硅芯片可以提高激光雷达系统的分辨率和扫描速度,同时减小体积,使其可扩展到自动驾驶汽车、智能手机等多种应用。


无人驾驶汽车目前是一个价值500亿美元的产业,预计到2026年其价值将超过5,000亿美元。尽管现在的许多汽车已经具有一些自动驾驶辅助功能,例如增强的巡航控制和自动车道居中,但真正的自动驾驶汽车就是要创造一辆无需驾驶员亲自操作负责,汽车可以完全自动控制车辆,全程检测交通环境,实现所有的驾驶目标。在过去的15年左右的时间里,工程师和厂商已经意识到,要做到这一点,汽车需要的不仅是传统的摄像头和雷达,而是一项新技术:激光雷达许多人将这项技术形象地比喻为无人驾驶汽车的“眼睛”


光检测和测距(激光雷达)的英文名称为:Light Detection and Ranging (Lidar)。激光雷达是一种遥感方法,它使用激光束(不可见光脉冲)来测量距离。这些光束从其路径上的所有物体上反射回来,一个传感器收集这些反射光,实时生成周围环境的精确三维图像。


激光雷达就像是光的回声定位:它可以告诉你图像中每个像素的距离。它已经在卫星和飞机上使用了至少50年,用于进行大气感应并测量水体的深度和地形的高度。如今的激光雷达使用复杂的机械零件来发送手电筒大小的红外激光,就像老式的泡泡糖灯一样在警车上旋转。


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Cruise Automation 无人驾驶汽车车顶上有五个 Velodyne LiDAR 模块。(图片来源:维基百科)


尽管在激光雷达系统的尺寸上已经有了很大的进步,但到目前为止,它仍然是自动驾驶汽车中最昂贵的部分,费用在8,000—30,000美元区间,导致每辆自动驾驶汽车的价格高达7万美元。


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innovusion激光雷达


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装载在车上


图片来源:图达通激光


为了能在消费市场上广泛应用,激光雷达必须变得更便宜,更小且更简单。现在一些公司正在尝试使用硅光子学来实现这一壮举。这是电气工程领域的新兴领域,它使用可以处理光的硅芯片。


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一种新的基于芯片的导航技术可以使自动驾驶汽车更加经济实用。图片来源:ScienceSource / Andrzej Wojcicki


来自美国科罗拉多大学波尔得分校的研究人员于《Optica》杂志上发表的《Serpentine optical phased arrays for scalable integrated photonic lidar beam steering》一文中描述的具有蛇形光学相控阵(SOPA)的硅芯片(不含运动部件或电子元件)是用于激光雷达系统的硅芯片技术的重要进步。可以提高激光雷达系统的分辨率和扫描速度,同时减小体积,使其嵌入到最新的电子产品例如智能手机或者平板电脑中,让它们可以绘制三维图像,或者用于提升电子游戏中的增强现实效果。


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具有蛇形光学相控阵(SOPA)“小瓷砖”阵列的硅芯片。在8乘4的阵列中,32个“小瓷砖”的光栅设计略有不同,这里显示了一对匹配的“小瓷砖”在这个视角下“发光”。所绘制的叠加图像是来自两块匹配的“小瓷砖”的光线和以及远场光束干涉图案,显示了“小瓷砖”光束的形成。


这项研究的第一作者——最近完成在电气与计算机工程系博士学位的Nathan Dostart表示他们正在找寻一个理想的方案,就是用这个扁平的小芯片取代庞大笨重的激光雷达系统。


目前商用的激光雷达系统使用大型旋转镜来引导激光光束,从而创造出三维图像。过去三年中,Nathan Dostart和其他研究人员一直在研究一种引导激光光束的新方法,称为“波长转向(wavelength steering)”。在这种方法中,每个波长或者说“颜色”的激光指向一个独特的角度。


研究团队不但实现了可以同时沿着两个维度(而不是只有一个维度)制作这个图像的方法,而且还实现了彩色,采用“彩虹”图案来拍摄三维图像。因为光束很容易通过改变颜色来控制,因此可以同时控制多个相控阵以创造出更大光圈以及更高分辨率的图像。“我们已经找到了如何将二维‘彩虹’集成到一颗小芯片的方法。”电子和计算机工程教授Kelvin Wagner教授说。


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操纵2D波长的单个SOPA瓦片示意图。(a)单个SOPA瓦片拓扑示意图;M行光栅波导阵列(红色)呈蛇形排布,与反激(蓝色)串行连接。每行有N个光栅周期。(b)对光束的粗略(慢)操纵。(c)对光束的精细(快)操纵。(d)沿θx的粗略操纵,每个光栅波导将光衍射到与波长相关的齿到齿相位延迟决定的角。(e)沿θy方向的精细微调,光栅阵列将光衍射到与波长相关的行到行相位延迟决定的角度。


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通过波长控制的硅光子光学相控阵解决的光栅扫描图案。该图案的弯曲是片上波导系统中色散的指标。图片来源:Nathan Dostart


波士顿大学工程学院副教授、论文合著者之一的 Milo Popovi 表示:“电通信已经达到了绝对极限。光学必须发挥作用,并且这就是为什么所有这些大玩家都在致力于让硅光子学技术在工业上可行。”


有传言说,即将面世的iPhone 12PRO将采用激光雷达摄像头,就像iPad Pro中的相机一样。这项技术不仅可以提高面部识别的安全性,而且有一天可以帮助创建攀登路线图,测量距离甚至识别动物的踪迹或植物。


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研究人员认为,SOPA设计是一种非常有前景的解决方案,可实现易于控制的大孔径、2D光束操纵,服务于远距离集成光子激光雷达等应用。无论是安装在自动驾驶汽车车顶,还是嵌入到智能手机或增强现实(AR)游戏设备,激光雷达都是面向消费者和企业的未来技术。


参考文献:


Ki Youl Yang et al, Inverse-designed non-reciprocal pulse router for chip-based LiDAR, Nature Photonics(2020).


本文来源:www.doi.org/10.1364/OPTICA.389006



来源:江苏激光产业创新联盟

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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