雷射雷達技術利用紅外光脈衝計算距離，並建立周遭環境的詳細3D地圖，使自動駕駛車輛能偵測路徑上的物體並迅速反應。然而，傳統雷射雷達感測器通常體積龐大且成本高昂，且多依賴會隨時間磨損的活動零件，限制了其在更多場景的應用。
麻省理工學院（MIT）研究人員現已開發出一種新方法，能打造更小型且耐用的雷射雷達感測器，且無需任何活動零件。此突破核心在於一款新型矽光子晶片，這是一種控制光訊號而非電訊號的半導體裝置。
現有基於矽光子晶片的雷射雷達系統視野通常狹窄，難以掃描場景邊緣區域。過去擴大視野的嘗試往往帶來額外噪音並降低測量精度。
MIT團隊透過設計一組整合天線陣列，大幅降低鄰近天線間的串擾干擾，使晶片能在更廣視野範圍內掃描，且噪音低於其他矽光子技術。
更小型且視野更廣的雷射雷達系統
此突破有助於開發更強大的雷射雷達感測器，應用於自動駕駛導航、空中測繪及工地監控等挑戰性場景。
「我們在此研究中展示的功能解決了整合光學相控陣技術的根本問題，讓未來雷射雷達感測器能達到遠超過以往的性能。」MIT電機工程與電腦科學系（EECS）Robert J. Shillman職業發展副教授Jelena Notaros表示，她同時是電子研究實驗室成員及此創新論文的資深作者。
研究團隊還包括第一作者、EECS研究生Henry Crawford-Eng，以及EECS研究生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。研究成果近期發表於《自然通訊》期刊。
許多傳統雷射雷達系統使用大型旋轉裝置將光脈衝導向場景。光線碰觸物體後反射回感測器，回波訊號用以重建環境詳細地圖。
基於矽光子的雷射雷達則不同，它不旋轉機械裝置，而是利用整合光學相控陣（OPA）電子掃描光束至多個方向。
OPA核心為一組整合天線，每個天線沿長度有微小且規則的凹槽，稱為波紋，能使輸入光向上散射並從晶片射出。
研究人員透過改變送至各天線的光相位，控制光束方向。調整相位改變陣列發射光的角度，實現無需移動物理元件即可操控光束。
天線間距過近會造成嚴重問題，鄰近天線間會互相耦合，干擾光線。工程師通常透過拉大天線間距避免干擾，但過寬間距會產生多個相同光束的副本，限制主光束移動範圍，難以辨識主光束。
「這限制了視野範圍，導致自駕車只能在有限角度範圍內感知前方。」Garcia Coleto說。
這些不想要的光束副本稱為光柵葉瓣，會混淆感測器並產生誤偵測，同時消耗本可用於主光束的能量。
為克服此矛盾，MIT團隊設計出低串擾天線，能緊密排列卻不強烈耦合。
三種天線形狀降低干擾
傳統OPA中，每個天線結構相同，波紋模式一致，鄰近時互相強烈干擾。
MIT團隊則創造出三種不同形狀的天線重複排列，改變天線寬度及波紋大小與位置。由於幾何結構不同，每個天線的光傳播係數也不同，描述光在結構中的傳播方式。
「因為天線傳播係數差異大，當它們緊密排列時，基本上每個天線不會『看到』鄰近天線，因此不會耦合。」Garcia Coleto說。
讓不同天線表現一致
降低耦合只是挑戰之一。雖然天線需有不同傳播係數，但仍須以相同方式發射光束。
團隊設計天線時考量三大要點：每個天線必須發射相同光量；接收相同波長時，光束發射角度一致；且光束掃描時，發射角度在整個陣列中均勻變化。
「我們面臨的挑戰是，為降低串擾需要不同幾何形狀的天線，但又必須讓它們發射特性一致。雖然可行，但非常困難，因為不同幾何形狀的天線通常表現不同。」Crawford-Eng說。
研究人員先建立描述輻射模式耦合的電磁理論，並以此理論指導天線設計與電腦模擬。
根據計算結果，團隊製造出包含低串擾天線的OPA，天線間距遠小於傳統系統，並進行實驗測試。
干擾從約100%降至1%
實驗條件下，典型OPA耦合約為100%，MIT設計將耦合降至約1%，同時產生一束乾淨且精準的光束。
系統能在廣闊視野內精確操控光束，且無光柵葉瓣產生。寬掃描範圍、低干擾與高光束品質的結合，解決了整合雷射雷達技術的核心難題之一。
研究團隊計畫進一步優化方法，擴大視野範圍，並研究另一種在理論發展過程中浮現的寬視野技術。
多倫多大學電機與電腦工程教授、微結構物理馬克斯普朗克研究所所長Joyce Poon表示：「此研究解決了整合光學相控陣長期面臨的挑戰：同時實現寬視野（需密集天線間距）與高光束品質（需低串擾）。作者以優雅的天線設計解決此問題，對晶片級固態光束操控技術是一大進展。」
部分研究由半導體研究公司、國家科學基金會、MIT MathWorks獎學金、美國戰爭部及MIT Rolf G. Locher捐贈獎學金支持。
部分工作在MIT.nano設施完成。
