根据世界卫生组织的数据，汽车事故每年造成1万人死亡。这就像每年失去布拉格市一样。转向自动驾驶汽车和卡车，配备各种类型的电子传感器和复杂的计算机，可以挽救无数生命。但是，尽管有大量的研究投入和相当大的技术进步，但将这项有前途的技术交到人们手中一直很困难。

(相关资料图)

那么，自动驾驶汽车什么时候才能真正出现在你附近的车道上呢？答案部分取决于这些汽车是否需要一种称为激光雷达的传感器，即“光检测和测距”的缩写。大多数开发自动驾驶汽车的团队将激光雷达视为安全操作所需的传感器套件的关键部分，因为它允许构建车辆环境的详细3D地图，其保真度比摄像头高得多。

不过，埃隆·马斯克（Elon Musk）一直在推动特斯拉采用一种有争议的仅使用摄像头的自动驾驶方法。马斯克在 2021 年的推特上写道：“人类用眼睛和生物神经网络开车，所以摄像头和硅神经网络是实现自动驾驶通用解决方案的唯一途径，这是有道理的。大多数激光雷达传感器的机械复杂性和高成本——不久前还会使每辆车的价格增加数万美元——无疑有助于塑造马斯克的观点。早在2016年，他就宣称“所有出厂的特斯拉汽车都有5级自动驾驶所需的硬件”——这意味着仅配备摄像头和电脑的汽车就拥有完全自动驾驶所需的硬件。

七年后，特斯拉发生了多次撞车事故，但还没有超过2级自动驾驶，交通安全专家正在质疑马斯克拒绝激光雷达。然而，需要昂贵的传感器将减缓高级驾驶辅助系统和全自动驾驶的广泛推广。但是，将这些传感器的成本降低到满足汽车制造商的水平仍然是激光雷达制造商难以实现的目标，他们还必须考虑如何在不损害车辆美观的情况下将其设备添加到汽车中。

我们和我们公司Analog Photonics的其他人于2016年从麻省理工学院剥离出来，希望打破这一僵局。我们正在开发一种小型芯片级相控阵激光雷达，有望降低成本并简化集成。在这里，我们想解释一下我们遇到的一些技术挑战，以及我们离商业化有多近。

从雷达到激光雷达

如今，超过一半的新车配备了一个或多个雷达传感器。这些传感器是固态的，每个制造商的成本不到100美元，并且足够小，可以不显眼地放置在车辆周围。它们用于各种用途，包括自动紧急制动和自适应巡航控制，以及车道保持和其他高级驾驶员辅助功能。

但情况并非总是如此。早期的汽车雷达很大，机械转向，发射短脉冲无线电波，性能有限。但是，汽车雷达向电子扫描和连续波发射的转变带来了性能进步和成本降低，这反过来又迎来了它们的广泛使用。

激光雷达现在正在经历同样的演变。该技术在2016年左右开始成为头条新闻，因为许多公司受到十年前参加DARPA大挑战赛的车辆激光雷达传感器成功的刺激，开始为自动驾驶汽车开发定制系统。这些系统往往是由现成的组件拼凑而成的。

该动画显示了如何使用延迟从一系列发射器发送的信号来引导不同方向的传输。这种发射器相控阵通常用于雷达，但也可用于在激光雷达系统中控制光束。

这些第一代激光雷达只走了这么远。旋转或扫描镜增加了它们的高成本，并使它们难以集成到车辆中。它们还存在可靠性问题，它们的脉冲操作导致在阳光直射下出现问题，并导致对邻近激光雷达干扰的固有敏感性。因此，可用的激光雷达传感器无法满足汽车行业严格的性能、可靠性和成本目标。

汽车制造商正在寻找高性能、远程激光雷达传感器，每个传感器的成本不到500美元。虽然激光雷达制造商已经取得了进展，但该行业尚未取得进展。

我们公司选择通过设计完全建立在芯片上的激光雷达传感器来正面解决这些问题 - 一种由普通硅制成的光子集成电路。它没有移动部件，无需外部硬件即可产生、发射和接收光线。其小巧的尺寸使其易于融入道路上最时尚的汽车的车身中。

激光雷达很像雷达，但它在光谱的红外部分工作，波长通常在905到1，550纳米之间（相比之下，汽车雷达只有几毫米）。这种波长差异为激光雷达提供了更好的空间分辨率，因为从传感器发出的波可以更紧密地聚焦。

认识到相控阵的物理特性适用于电磁频谱的所有频率，我们决定在固态激光雷达中使用这种方法。

大多数早期的汽车激光雷达，就像大多数早期的雷达一样，使用所谓的飞行时间（ToF）检测。一小段电磁能量脉冲被发出，击中物体，然后反射回传感器，传感器测量脉冲完成此往返所需的时间。然后，该单元使用空气中已知的光速计算到物体的距离。这些系统都存在一些固有的局限性。特别是，基于这一原理构建的激光雷达容易受到太阳光和来自其他激光雷达的光脉冲的干扰。

大多数现代雷达系统的工作方式不同。它们不是发出脉冲，而是连续发射无线电波。这些排放的频率不是固定的。相反，它们在一系列频率上来回扫荡。

要理解这样做的原因，重要的是要知道当两个不同频率的信号以非纯粹相加的方式组合时会发生什么。这样做将生成两个新频率：最初混合的两个频率的总和和差。这个过程被称为外差，于1901年首次展示，此后被广泛用于无线电设备。

调频连续波（FMCW）雷达利用了这样一个事实，即两个不同频率的信号以这种方式混合时，会产生一个频率是前两个频率差的信号。在这些雷达中，混合是在输出信号（或者实际上是它的衰减版本，通常称为本振）和反射信号之间进行的，反射信号的频率不同，因为输出信号，正如我们提到的，被扫过一系列频率。因此，当反射信号回到传感器时，输出信号的频率将与现在反射的波首次离开雷达天线时的频率不同。

如果反射信号需要很长时间才能进行往返，则频率差异会很大。如果反射信号只用很短的时间反弹，则频率差异将很小。因此，输出信号和反射信号之间的频率差异可以衡量目标的距离。

激光雷达由两部分组成：硅光子芯片和半导体芯片[左边的电子显微照片]。后者包含 控制许多光子元件的电子设备。更高的放大倍率 显微照片详细介绍了用于制造电气的微小铜凸块 这两个芯片之间的连接[右]

虽然它们比基于ToF的系统更复杂，但FMCW系统更灵敏，基本上不受干扰，除了距离之外，还可用于测量目标的速度。

汽车激光雷达现在正在采用类似的方法。FMCW激光雷达涉及稍微改变透射光的频率，从而改变波长，然后将背散射光与透射光频率的局部振荡器相结合。通过测量接收到的光和本振之间的频率差，系统可以确定目标范围。更重要的是，还可以提取来自移动目标的任何多普勒频移，从而显示目标朝向或远离传感器的速度。

此功能可用于快速识别移动目标并区分以不同速度移动的紧密间隔的对象。速度测量还可用于预测其他车辆运动，甚至可以感知行人的手势。ToF系统无法提供的这种数据的额外维度是FMCW系统有时被称为4D激光雷达的原因。

正如您可能想象的那样，FMCW 激光雷达系统使用的激光源与 ToF 系统非常不同。 FMCW 激光雷达连续发光，并且该光的峰值功率相对较低。激光功率水平类似于许多通信应用中使用的功率水平，这意味着光可以通过光子集成电路产生和处理。这种微小的激光系统是实现基于芯片的激光雷达的关键因素之一。

带相控阵的转向灯

我们设计的光子集成电路可以使用光刻技术在标准的300毫米直径硅晶圆上制造，就像大多数集成电路一样。因此，我们可以利用CMOS半导体制造行业的成熟度，将完整激光雷达系统所需的所有各种片上光学元件结合起来：激光器、光放大器、波导、分路器、调制器、光电探测器，在我们的例子中，还有光学相控阵。

半导体制造的经济性削减了这些组件的成本。将它们全部集成到单个芯片上也有帮助。您会看到，所有激光雷达系统既发射光又接收光，发射和接收光学器件必须对齐良好。在使用分立光学元件构建的系统中，对精确对准的需求增加了复杂性、制造时间和成本。当物体偏离对齐时，激光雷达可能会失败。使用集成光子学，精确对准是固有的，因为携带光的波导是光刻定义的。

这些渲染图显示了目前正在开发的激光雷达模型预计会是什么样子。左边的那个设计用于窄视野的远距离，而右边的那个将在短距离和宽视野下运行。

虽然少数公司正在努力开发基于光子IC的激光雷达，但只有Analog Photonics已经找到了如何消除使用其单芯片激光雷达机械扫描场景的需要。我们没有使用机械扫描，而是使用所谓的光学相控阵，它允许电子控制光束。

扫描是激光雷达的一个重要方面，也是该技术的主要挑战之一。该系统通过使用一个或多个激光束扫描场景来构建其周围环境的图像。为了快速检测和识别目标，激光雷达必须快速扫描其整个视野，并以足够高的分辨率来区分不同的物体。

最初，激光雷达传感器通过旋转传感器本身或将旋转镜引入光束路径进行扫描。由此产生的硬件笨重、昂贵且通常不可靠。

尽管有些雷达也以机械方式指向天线（正如您在机场和码头无疑注意到的那样），但有些雷达使用相控天线阵列以电子方式操纵雷达波束。这种技术调整离开几个天线中的每一个的信号的相位，使无线电波在一个方向上相互干扰，在其他方向上破坏性地相互干扰。通过调整每个天线的信号相位，雷达可以改变这些信号建设性地组合形成波束的方向。

电子相控阵是汽车雷达的首选波束控制技术。认识到相控阵的物理特性适用于电磁频谱的所有频率，包括光学频率，我们决定在固态激光雷达中使用这种方法。在美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency）的模块化光学孔径构建模块计划的帮助下，在几个汽车合作伙伴（我们还不能透露其名称）的帮助下，模拟光子学公司开发了片上光相控阵。

对于这些阵列，芯片的顶面既用作发射孔径，也用作接收孔径，这是能量离开并返回芯片的地方。片上光移相器和发射器通过定制电子设备单独控制，以控制宽度仅为几毫米的极其紧凑的光束。

实现足够大的转向范围需要数千个紧密间隔的移相器。例如，对于波长为 1，550 nm 的激光雷达，移相器必须相距仅 1.5 微米，以实现 60 度转向范围。

您可能想知道所有这些光学相移是如何完成的。它需要改变芯片许多微米级光波导内部透明材料的光学特性，这些光波导将光从产生激光的光引导到发射的孔径。如果可以改变该材质中的光速，则将改变离开波导的光波的相位。

这里的材料只是硅，它在红外波长下对光是透明的。改变硅中光速的一种方法是让声波通过它，华盛顿大学的研究人员正在寻求将这种技术用于激光雷达。另一种方法是改变温度：硅越热，通过它的光就越慢。这就是所谓的热光学移相器背后的原理。

由于芯片上有数千个移相器，因此每个移相器消耗的功率非常小，只有微瓦，这一点至关重要。当你必须加热东西时，这很难做到。我们通过使用电光而不是热光学移相器来避免加热的需要。这种方法还使我们能够更快地控制光束，使其能够以超过每秒一百万条扫描线的速度穿过视野。

然而，如何将许多紧密间隔的光波导与调整其中光速所需的电子设备连接起来仍然存在挑战。我们使用倒装芯片技术解决了这个问题：一个CMOS芯片有数千个焊接涂层的铜凸块，相距约75微米，或大约是人类头发宽度的一半。该方案允许我们的硅光子学芯片与包含所需数字逻辑和一组匹配铜凸块的半导体电子芯片永久配接。然后，对电子芯片的简单命令以适当的方式驱动数千个光子组件来扫描光束。

激光雷达丰富的未来

远程激光雷达的这个工作原型比成品要大得多

Analog Photonics现已为其行业合作伙伴制造并交付了世界上第一个全固态光束扫描激光雷达的原型，这些合作伙伴是直接向汽车制造商提供汽车设备的公司。我们已经解决了大部分基础和工程挑战，现在专注于提高激光雷达的性能以满足生产规范。我们预计到2025年，我们将把我们的创造转化为实际产品，并为汽车行业生产大量样品。

我们目前正在开发两种不同版本的激光雷达：一种是远程版本，旨在安装在汽车前部，用于高速公路速度，另一种是具有更宽视野的短程版本，以提供车辆周围的完整覆盖。这两个传感器在其光子IC中具有不同的光学相控阵，同时共享相同的后端信号处理。

我们预计，来自一些竞争对手（如Cepton和Luminar）的相对低成本的激光雷达传感器最早将在明年开始出现在一些顶级汽车中。在低成本固态传感器的推动下，像我们正在研究的那些，到本世纪末，激光雷达将在新车中普及。

但激光雷达的未来不会就此结束。市场预测者预计激光雷达将用于许多其他应用，包括工业自动化和机器人、移动设备应用、精准农业、测量和游戏。我们和其他人正在用硅光子IC所做的工作应该有助于使光明的，充满激光雷达的未来更快地到来。