光子学的进展有望催生高性能的激光雷达

激光雷达系统利用红外光脉冲测量距离，并以高分辨率绘制三维场景，使自动驾驶汽车能对行进路径中出现的障碍物做出快速反应。但传统的激光雷达传感器价格昂贵、体积庞大，且含有许多会随时间磨损的活动部件，限制了其部署方式。麻省理工学院研究人员的一项新研究，或有助于催生下一代激光雷达传感器，这类传感器紧凑、耐用且无活动部件。其关键突破是一种新颖的硅光子芯片设计，这是一种操控光而非电的半导体器件。

通常，这类基于硅光子芯片的系统视场受限，因此基于硅光子学的激光雷达无法扫描周边角度。针对此问题的现有变通方法会增加噪声并损害精度。

为避免这些缺陷，麻省理工的研究人员设计并展示了一种集成天线阵列，能将天线间无用的串扰降至最低。与其他基于硅光子学的方法相比，这一创新使激光雷达芯片能在保持低噪声工作的同时扫描更宽的视场。

这项新展示可推动先进激光雷达传感器的发展，满足自动驾驶汽车导航、航空测量和建筑工地监测等严苛应用的需求。

“我们在本项工作中展示的功能，解决了集成光学相控阵技术的一个根本性问题，使未来的激光雷达传感器能够实现远超我们此前展示的性能，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员、相关论文的资深作者Jelena Notaros表示。

与她共同完成该论文的还有第一作者、电气工程与计算机科学系研究生Henry Crawford-Eng，以及电气工程与计算机科学系研究生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。该研究发表于《自然·通讯》。

调整天线阵列

许多传统激光雷达系统通过一个旋转的笨重盒子向多个方向发射光脉冲来绘制场景。光从附近物体反射回传感器，提供用于重建环境的数据。

而基于硅光子学的激光雷达传感器，则利用集成光学相控阵系统，以非机械方式系统地扫描多个方向的发射光束。

光学相控阵的关键是一个集成天线阵列，这些天线沿其长度方向周期性地设有微小的扰动结构。这些波纹结构使天线能将来自输入源的光向上散射，并射出光子芯片。

通过调节传输到每根天线的光相位，研究人员可以改变光从阵列发射出去的角度。这样，他们就能在没有活动部件的情况下操控光束。

但如果工程师将天线放置得太近，天线之间就会发生耦合，其发射的光会变得杂乱。为避免这种情况，科学家通常将天线间隔得更远，但这也有缺点。

如果天线间距过大，阵列会以不同角度发射出多份光束副本。研究人员只能在某个方向上操纵主光束到一定程度，直到它与相邻的副本无法区分。

“这限制了我们的视场，因此自动驾驶汽车现在只能知晓其前方一定角度范围内的情况，”加西亚·科莱托解释道。

这些光束副本被称为栅瓣，会混淆传感器，导致误报。它们还会浪费功率。

麻省理工的研究人员通过设计一组低串扰天线解决了这一问题，这些天线可以紧密放置而不引起显著的耦合效应。

在标准的光学相控阵中，所有天线设计相同，即波纹结构排列一致。这些完全相同的天线在靠得很近时会产生非常强的耦合。

为解决这一根本障碍，麻省理工的研究人员设计了一组三种具有不同几何结构的天线，改变了每根天线的宽度以及波纹的大小和排列方式。由于几何结构各异，每根天线具有不同的传播系数，这决定了光沿天线传播的方式。

“因为天线的传播系数差异很大，当我们将它们靠近放置时，基本上每根天线‘看不见’旁边的天线。因此，它不会与近邻发生耦合，”加西亚·科莱托说。

光子平衡的艺术

但即使天线具有不同的传播系数，研究人员仍需它们以相同的方式发射光。

他们通过对天线进行精心设计，使其满足三个参数来实现这一点。

首先，每根天线必须发射出相同数量的光。第二，对于同一波长的光，每根天线必须以相同的角度发射光束。第三，当研究人员操控光束时，整个阵列的发射角度必须均匀变化。

Crawford-Eng说道：“我们面临一个挑战：我们要求天线具有不同的几何结构以减少串扰，同时我们又需要将它们设计得具有相同的发射特性。虽然做到这一点是可能的，但极其困难，因为通常情况下，当天线设计成不同几何结构时，它们的行为会倾向于不同。”

研究人员首先建立了辐射模式耦合背后的基本电磁理论。他们利用该理论作为指导，来设计和仿真他们的天线。

在这些分析的基础上，他们制作了低串扰天线的光学相控阵，天线间距比传统光学相控阵要近得多，然后对系统进行了实验测试。

在此次实验中，典型的光学相控阵耦合率约为100%，而他们的光学相控阵将耦合降低到了约1%，同时生成了单一的精确光束。利用这种设计，他们展示了在整个宽视场内进行精确光束操控，且未产生任何栅瓣。

未来，研究人员计划进一步改进他们的技术，以实现更宽的视场。此外，他们还在探索在完善基础理论时发现的一种实现宽视场功能的新潜在解决方案。

这项工作解决了集成光学相控阵领域一个长期存在的挑战：即同时实现宽视场（需要密集的天线间距）和高光束质量（需要相邻天线间低串扰）。作者通过一种精巧的天线设计解决了这个问题。

多伦多大学电子与计算机工程教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon表示：“他们的创新是芯片级固态光束操控技术向前迈出的重要一步”。她未参与此项研究。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-71832-y