指甲蓋大小的硅光子芯片激光雷達！清華特獎得主成果，登上Nature

賈浩楠 2022-03-11 12:52:24 來源：量子位

賈浩楠 發自 副駕寺智能車參考 | 公眾號 AI4Auto

激光雷達，究竟能做多小？

最新進展：1平方厘米。

沒錯，體積幾乎可以不計，只算面積，因為這是一款基于硅光子芯片的激光雷達。

這意味著，如果實現量產，自動駕駛將擺脫鑲嵌或外掛，直接將激光雷達隱藏進車身。

更重要的，這種集成在光子芯片上的激光雷達，能耗、效率、集成度與傳統激光雷達相比，理論上能有3-4數量級的提升。

這項成果來自伯克利電子計算機系，并發表在Nature，共同一作張曉聲，還是2017級清華大學特獎獲得者。

性能與32線Lidar相當，能耗卻降低10000倍

集成在芯片上的激光雷達，到底能不能看清東西？

直接看結果。

這組實驗中，演示了一個最高具有128 × 128硅光子的MEMS FPSA（基于微機電系統的焦平面開關陣列），也就是說，這個設備將激光束隨機引導到視場范圍內中的16384個不同的點，而且切換時間為微秒級別。

把交通標志常用材料制成的“CAL”字樣的3D目標，放置在距離雷達0.8m遠處，返回的雷達點云圖中可以清楚看出目標的形狀、尺寸、景深特征。

另一組實驗，把目標分別移到5.2m、10m的距離，激光雷達點云圖依然能探測到物體信息。

光子芯片激光雷達的視場范圍達到70°×70°，最高角分辨率為0.6° × 0.6°，和32線傳統激光雷達相當。

成像仍然是2D平面，并且有效探測范圍在10m左右，小于目前車規級激光雷達200m的范圍。

但在兩組實驗中，這種激光雷達的發射功率分別為1mW和2mW*（連續波功率）*。

作為對比，一個2代機械式32線激光雷達，典型功率在12W左右。

無論這12w是指額定功率還是峰值功率，至少也比硅光子芯片激光雷達高數千至10000倍。

所以，這種激光雷達就算是通過提高功率達到百米級有效探測距離，能耗依然會比傳統激光雷達小得多。

而且據團隊介紹，這種新型激光雷達，不需要新的量產設備，常規的CMOS代工廠就能大規模生產。

實現這些優異性能的關鍵，就是前面說到的FPSA：焦平面開關陣列。

技術解讀

首先要明白硅光子芯片是什么。

電子是費米子，是有質量的物質，所以在傳輸信號時會因為質量的慣性產生較多的能量損耗，但光是玻色子，是物質之間的相互作用力，靜止質量為零，傳輸信號時能量損耗小。

所以與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優勢：超高速度（數十TB/s）、超強的并行性（信息容量比電子高3-5個數量級）、超高帶寬、超低能耗。

也正是因為光子的特殊性質，使得相同性能的前提下，光子芯片對制程工藝的要求低得多。

這也是為什么CMOS產線就能量產硅光子芯片的原因。

至于光子芯片的本質，就是在硅基底片上集成大量的光運算邏輯門，基礎構成依然是“或”、“與”、“非”…

只不過，光運算邏輯門是通過微型光束的“開關”來表示基礎的0和1。

具體到這項研究上，團隊正是把光子開關用在了激光上，實現對激光的人為控制，這才將一個傳統意義上需要復雜機械、光學結構的激光雷達集成在一個1厘米見方的硅基底片上。

FPSA上的每個“光開關”都能引導微型光束中的一束，充當“交警”。

由于光子開關需要的能量很少，并且不會產生任何熱量，所以它們不會面臨電氣開關那樣的極限。

FPSA中，光束穿過縱橫交錯的納米薄度的溝道陣列，然后到達某個光開關，開關關閉時，光線直接穿過溝道。打開開關，會降低一個小斜坡，把光引導到上面的溝道，然后右再轉，使用第二個斜坡將光線降低回來。

這樣的方法與傳統透鏡式光開關相比，幾乎不會產生劇烈的反射折射，最大程度保存光束攜帶的信息。

而控制進入FPSA光束，則是通過靜電作用來物理移動MEMS（微機電系統）執行器實現。

由于實驗中所用的激光雷達上的FPSA集成了128*128的開關陣列，所以可以實現對兩個維度各128條光束的自動控制。

最終能在一個16384像素點的平面上實現激光束的發射和接收。

最后，來談談這項技術的意義。

首先是應用在智能汽車方面。

如果激光雷達尺寸足夠小，它就可以隱藏在汽車的每個角落，甚至可以安裝在汽車內部。

此外，尺寸小同時也意味著更低的功耗，無需破壞車輛現有的線路和設計。

國內量產車規級激光雷達進度較快的禾賽科技，曾經介紹過激光雷達技術未來走向。

他們認為，市場對激光雷達產品的測遠能力以及點頻的要求在不斷提升，但由于受到激光安全閾值的限制以及產品功耗與發熱的限制，目前已經很難通過簡單堆砌通道數目去滿足這個需求。

所以激光雷達的芯片化，是最好的出路。

不過，對于這個“芯片化”，是把激光雷達收發單元全都集成在一塊SoC上，還是把傳統激光雷達后端功能模塊做集成，禾賽也沒有定論。

所以現在很多相關公司的路線都是聚焦固態激光雷達，而一些有實力有資金的公司，會同時在光子芯片路線做部署規劃。

無論是哪種路線，最終的目標都是實現激光雷達的微尺寸和低功耗。

如果能夠實現，那么就可以運用到汽車以外更廣泛的應用領域，比如機器人、工程測距、地形測繪等等領域。

作者介紹

文章共同一作張曉聲，2021年剛在加州大學伯克利分校電子計算機系取得博士學位，研究方向是激光雷達、硅光子學、光學 MEMS 器件。

張曉聲本科就讀于清華大學精密儀器系，長期保持專業第一的優異成績。2016年，他獲得了清華授予在校學生的最高榮譽：特等獎學金。

張曉聲博士向我們透露，目前團隊正在計劃將硅光子芯片激光雷達商業化，他本人畢業后也會留在當前團隊繼續研究。

本文通訊作者Ming C. Wu，IEEE Fellow，加州大學伯克利分校電子計算機系特聘教授，是硅光子學領域的著名學者，也是最早把Optoelectronic Tweezers技術商業化的人，公司已經在納斯達克上市。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04415-8#auth-Xiaosheng-Zhang