激光雷达技术利用红外光脉冲计算距离并创建周围环境的详细3D地图。这使得自动驾驶车辆能够检测其路径中的物体并迅速做出反应。然而，常规激光雷达传感器通常体积庞大且成本高昂，且许多传感器依赖于可随着时间磨损的移动组件。这些限制使得系统在更广泛的环境中难以使用。麻省理工学院的研究人员现在开发出一种方法，可能导致更小、更耐用的激光雷达传感器，且不需要任何移动部件。他们的进展集中在一种新的硅光子芯片上，这是一种控制光而非电信号的半导体设备。现有的基于硅光子的激光雷达系统通常视野狭窄。因此，它们在扫描场景边缘的区域时会遇到困难。先前扩大视野的尝试往往会引入额外噪声并降低测量精度。麻省理工学院的小组通过创建一个集成天线阵列，极大地限制了不必要的串扰，解决了这些问题，因为串扰是指相邻天线彼此干扰的现象。该设计允许芯片在更宽的视野内扫描，同时产生的噪声低于其他基于硅光子的方式。支持更广视野的小型激光雷达系统这一进展可能支持开发更强大的激光雷达传感器，用于包括自动驾驶汽车导航、航空制图和建筑工地监控等挑战性用途。麻省理工学院电气工程与计算机科学系的罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员以及这项创新论文的资深作者耶莱娜·诺塔罗斯表示：“我们在这项工作中演示的功能解决了集成光学相位阵列技术的一个基本问题，使未来的激光雷达传感器能够实现比我们以前展示的显著更高的性能。”该研究还包括第一作者以及电气工程与计算机科学系的研究生亨利·克劳福德-恩，以及电气工程与计算机科学系的研究生安德烈斯·加西亚·科莱托、本杰明·M·马祖尔、丹尼尔·M·德桑蒂斯和塔尔·斯内赫。研究结果最近发表于《自然通讯》。激光雷达如何绘制周围环境许多传统激光雷达系统使用一个大型旋转装置在场景中引导光脉冲。当光线击中附近物体时，它会反射回传感器。返回的信号提供了重建环境详细地图所需的信息。基于硅光子的激光雷达工作方式不同。它采用一种称为集成光学相位阵列（OPA）的系统，以电子方式在多个方向上扫描光束，而不是旋转机械设备。OPA的核心是一组集成天线。每个天线长度上都有微小的、规律间隔的变化。这些特征称为波纹，使来自输入源的光线向上散射并出射到光子芯片外。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来光束的方向。调整这些相位改变了阵列释放光的角度，使得可以在不移动任何物理组件的情况下引导光束。天线间距问题将天线排列得过于紧密会造成重大障碍。相邻天线可能相互耦合，混淆它们所产生的光。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，但过大的间距会产生不同的一组问题。当天线之间距离过远时，阵列会在不同角度上产生多个相同光束的副本。主要光束只能在有限距离内移动，之后就难以区分这些附加的副本。“这限制了我们的视野，因此自动驾驶车辆只能了解前方一定角度范围内的情况，”加西亚·科莱托解释说。被称为光栅旁瓣的不必要光束副本会干扰传感器并导致错误检测。它们还消耗了本可以直接用于主光束的能量。为了克服这一权衡，麻省理工学院的研究人员开发了具有降低串扰的天线，这使得它们可以紧密排列而不会强烈耦合。三种天线形状减少干扰在传统的OPA中，每个天线具有相同的结构并使用相同的波纹图案。当这些匹配的天线紧密放置时，它们会强烈相互作用。而麻省理工学院的团队则创建了一个重复的三种不同形状的天线组。他们改变了天线的宽度以及波纹的大小和位置。由于天线具有不同的几何形状，每个天线的传播系数也不同，这描述了光在结构中的运动方式。