MIT教授：新芯片解決光相控陣根本問題，激光雷達將更小更耐用

在MIT電子學研究實驗室里，一塊比拇指蓋還小的硅光子芯片正安靜地躺在一個光學測試臺的核心位置。沒有旋轉的馬達，沒有嗡嗡作響的鏡面，甚至連肉眼能捕捉到的一絲光斑都沒有——但它正在對著一個虛擬的街景做一件事，一件能讓所有正在路上測試的自動駕駛汽車都羨慕的事：把一束人眼看不見的紅外激光，像用一支絕不打彎的手指一樣，精準地掃過面前超過140度的寬闊扇區，同時把周圍每一個障礙物用三維點云清楚地畫出來。而就在兩年前，用同類型的硅光子激光雷達做這件事幾乎還意味著要承受滿屏的噪點和虛影。

負責這項研究的Jelena Notaros教授——她是MIT電子工程與計算機科學系的Robert J. Shillman職業發展副教授，也是實驗室里把硅光子玩得像樂高一樣熟練的人——在最新一期《自然·通訊》上很罕見地用一種“我們把一個根本問題從物理層面給拆掉了”的口吻講了一句話：“我們在這項工作中演示的功能，解決了集成光學相控陣技術的一個根本性難題，使得未來的激光雷達傳感器可以達到遠高于我們此前能演示的指標。”這種從物理學底層理順一件事情的篤定，在芯片光學的圈子里，大概就相當于你說“我們修好了橋上那塊讓所有人摔跤的松動木板”——之后到底能跑多快，可以留點想象空間。

這篇論文的第一作者是MIT的博士生Henry Crawford-Eng，和他并肩完成實驗的還有Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。五位年輕的研究者在一段時間里反復折磨著一個非常簡單但又極其棘手的問題：在不犧牲信號質量的前提下，能不能讓一組緊密排列的微型天線，同時朝著不同的角度彼此不串臺，就像在一桌子都在說話的人中間只清楚地聽見其中一個人的低語？

如果你對這個問題的重量還沒有太直觀的感受，可以先把時間往回撥個二三十年，溫習一下激光雷達是怎么從一個笨重的旋轉鐵盒子，慢慢進化到可以在芯片上做文章的。這樣你就知道，這次解決串擾的方式，也許是整個產業鏈里那些盼著激光雷達價格能再降兩個數量級的工程師們，最近聽到的最具安撫效果的消息之一了。

旋轉木馬時代的遺產

在硅光子還沒辦法光明正大進入激光雷達的討論范圍之前，激光雷達的樣貌基本就是一組看起來像咖啡機大小的機械裝置，有些還隱約帶著來自測繪儀器的嚴苛工業氣質。它們的工作原理非常直白：一個紅外激光發射器周期性地打出脈沖光束，一面旋轉的鏡子或者一整個旋轉的激光掃描頭讓這道光束在水平方向上掃出一條弧線，同時一個非常靈敏的光電探測器負責捕捉從物體表面彈回來的光子，通過計算光子往返的時間差——也就是時間飛行法——來得出距離信息。這個過程每秒鐘重復數千甚至數十萬次，最終縫合出一張由海量三維數據點構成的點云圖。

這種機械旋轉結構在很長一段時間內就是激光雷達最主要的形態。它很可靠，角度分辨率可以做得很高，掃描速度也足夠快，以至于在21世紀頭一個十年里，幾乎所有自動駕駛的原型車車頂上都頂著一個呼呼旋轉的圓柱體，成為了人們對未來交通的第一幀視覺記憶。但這套結構自帶的物理局限性也同樣頑固：旋轉部件本身有重量、有慣性、有磨損，不僅限制了整個傳感器的極限尺寸和成本控制的末端，也天然地決定了它是一個對環境振動相當敏感的精密機械系統。一輛在碎石路上反復彈跳的測試車，車頂那臺昂貴的激光雷達基本上就是在用持續加速的方式消耗自己的機械壽命。更不用說要把這種結構微型化、集成到消費級車輛的前保險杠里時，所需要面對的成本和封裝難題了。

于是，全固態激光雷達這個方向被看作改變局面的必經之路。所謂全固態，就是徹底拋棄機械旋轉部件，轉而用電子或光學的方式控制激光束的指向。這當中，片上集成激光雷達——也就是直接在芯片上構建光路和天線陣列，用電路來控制光束的掃描——因為有機會利用半導體晶圓級的制造工藝來壓縮成本，同時又能把體積縮到指甲蓋級別，一直被認為是通往量產車上廣泛搭載激光雷達的圣杯之一。

硅光子學在這個方向上的位置尤為特殊。硅作為半導體行業已經錘煉到極致的基礎材料，在光波導、光調制器和光電探測器等器件的制造上有著天然的可擴展性優勢。用硅波導可以去引導和操縱近紅外波段的光，原理在某種程度上類同于用銅導線引導電流——但光在這種微米級甚至亞微米寬度的波導里展示出的行為，可比電子要麻煩得多，同時也美妙得多。這使得基于硅光子的片上激光雷達一方面承載著工業界巨大的降本預期，另一方面也在技術上留下了一系列讓研究者頭疼不已的光學串擾、相位噪聲和功率損耗難題。

從窄縫里看世界的光相控陣

如果你把一塊硅光子激光雷達芯片放在顯微鏡下，能看到的大致是這樣一種景象：在硅襯底上蝕刻出極其纖細的光波導，這些波導就像高速公路上精確設計好的匝道系統，把從片外耦合進來的激光分路、調制，再送至遠處的天線陣列。每一個天線都是一個納米級別的光發射端口，能在芯片平面上方將光釋放到自由空間里。當陣列中所有天線發出的光波前被精密調控到彼此干涉增強的方向上時，就形成了一束可以被明確定義的、指向某一特定角度的激光束。改變陣列中相鄰天線之間的相位差，就可以讓這束光在空間中完成掃描——這，就是光學相控陣的核心精髓。

和雷達里的相控陣類似，片上光學相控陣完全不需要任何機械移動，只要能精確控制每一路天線發射光波的相對相位，理論上就可以像用手指輕點水面一樣，在芯片上方連續地調整光束方向，掃描出一副三維點云圖。因為這種芯片可以批量生產，工藝上又有可能兼容CMOS生產線，它在商用成本上的想象空間相當驚人：一塊芯片上裝進成百上千個天線，再搭配上小型化的激光光源和探測部分，整個激光雷達模組就可能同今天的一些短距毫米波雷達一樣普遍地成為車輛的標配。

但過去幾年里，當研究人員把這種美好的設想往實驗室外推進的時候，很快就被一張窄得讓人焦慮的視場角潑了冷水。基于傳統設計的光學相控陣芯片，一般只能在相當有限的視角范圍內完成干凈的掃描。一旦想把光束推向更大的角度——比如水平方向上超過40度甚至60度時——光波導和天線之間就會產生強烈的互擾。這種現象在工程上稱為串擾。在光學相控陣里，串擾的本質是相鄰天線發射的光信號彼此溢散到對方的波導中，干擾了原本應該精準受控的相位關系。結果就是，原本應該集中在一個清晰方向的激光束，能量開始向周圍泄漏，導致主瓣功率下降，方向性變渾濁，更糟糕的是會在空間中產生多余的“偽目標”反射，讓本應是干凈的三維圖變成一團亂糟糟的散斑。

這種串擾直接導致了一個兩難境地：如果天線離得足夠遠，串擾雖然小了，但由于天線陣列整體的物理孔徑尺寸有限（尤其當你想把芯片做到毫米級尺寸時），掃描出來的角分辨率就會下降，而且當光束被拉向大角度的時候還可能產生強烈的副瓣干擾；如果把天線排得很密，保持孔徑尺寸和分辨率，并且讓光束能以更低的畸變掃到寬角度，那么天線之間的串擾就會急劇惡化，大角度下的信噪比會跌到完全沒有實際使用價值的程度。在很多已經發布的研究中，即使是頂尖課題組演示的片上光學相控陣，要么在大角度下可靠的工作距離被壓縮到只有幾米，要么整個掃描