指甲盖大小的硅光子芯片激光雷达！清华特奖得主成果，登上Nature

贾浩楠 2022-03-11 12:52:24 来源：量子位

贾浩楠 发自 副驾寺智能车参考 | 公众号 AI4Auto

激光雷达，究竟能做多小？

最新进展：1平方厘米。

没错，体积几乎可以不计，只算面积，因为这是一款基于硅光子芯片的激光雷达。

这意味着，如果实现量产，自动驾驶将摆脱镶嵌或外挂，直接将激光雷达隐藏进车身。

更重要的，这种集成在光子芯片上的激光雷达，能耗、效率、集成度与传统激光雷达相比，理论上能有3-4数量级的提升。

这项成果来自伯克利电子计算机系，并发表在Nature，共同一作张晓声，还是2017级清华大学特奖获得者。

性能与32线Lidar相当，能耗却降低10000倍

集成在芯片上的激光雷达，到底能不能看清东西？

直接看结果。

这组实验中，演示了一个最高具有128 × 128硅光子的MEMS FPSA（基于微机电系统的焦平面开关阵列），也就是说，这个设备将激光束随机引导到视场范围内中的16384个不同的点，而且切换时间为微秒级别。

把交通标志常用材料制成的“CAL”字样的3D目标，放置在距离雷达0.8m远处，返回的雷达点云图中可以清楚看出目标的形状、尺寸、景深特征。

另一组实验，把目标分别移到5.2m、10m的距离，激光雷达点云图依然能探测到物体信息。

光子芯片激光雷达的视场范围达到70°×70°，最高角分辨率为0.6° × 0.6°，和32线传统激光雷达相当。

成像仍然是2D平面，并且有效探测范围在10m左右，小于目前车规级激光雷达200m的范围。

但在两组实验中，这种激光雷达的发射功率分别为1mW和2mW*（连续波功率）*。

作为对比，一个2代机械式32线激光雷达，典型功率在12W左右。

无论这12w是指额定功率还是峰值功率，至少也比硅光子芯片激光雷达高数千至10000倍。

所以，这种激光雷达就算是通过提高功率达到百米级有效探测距离，能耗依然会比传统激光雷达小得多。

而且据团队介绍，这种新型激光雷达，不需要新的量产设备，常规的CMOS代工厂就能大规模生产。

实现这些优异性能的关键，就是前面说到的FPSA：焦平面开关阵列。

技术解读

首先要明白硅光子芯片是什么。

电子是费米子，是有质量的物质，所以在传输信号时会因为质量的惯性产生较多的能量损耗，但光是玻色子，是物质之间的相互作用力，静止质量为零，传输信号时能量损耗小。

所以与电子相比，光子作为信息载体具有先天的优势：超高速度（数十TB/s）、超强的并行性（信息容量比电子高3-5个数量级）、超高带宽、超低能耗。

也正是因为光子的特殊性质，使得相同性能的前提下，光子芯片对制程工艺的要求低得多。

这也是为什么CMOS产线就能量产硅光子芯片的原因。

至于光子芯片的本质，就是在硅基底片上集成大量的光运算逻辑门，基础构成依然是“或”、“与”、“非”…

只不过，光运算逻辑门是通过微型光束的“开关”来表示基础的0和1。

具体到这项研究上，团队正是把光子开关用在了激光上，实现对激光的人为控制，这才将一个传统意义上需要复杂机械、光学结构的激光雷达集成在一个1厘米见方的硅基底片上。

FPSA上的每个“光开关”都能引导微型光束中的一束，充当“交警”。

由于光子开关需要的能量很少，并且不会产生任何热量，所以它们不会面临电气开关那样的极限。

FPSA中，光束穿过纵横交错的纳米薄度的沟道阵列，然后到达某个光开关，开关关闭时，光线直接穿过沟道。打开开关，会降低一个小斜坡，把光引导到上面的沟道，然后右再转，使用第二个斜坡将光线降低回来。

这样的方法与传统透镜式光开关相比，几乎不会产生剧烈的反射折射，最大程度保存光束携带的信息。

而控制进入FPSA光束，则是通过静电作用来物理移动MEMS（微机电系统）执行器实现。

由于实验中所用的激光雷达上的FPSA集成了128*128的开关阵列，所以可以实现对两个维度各128条光束的自动控制。

最终能在一个16384像素点的平面上实现激光束的发射和接收。

最后，来谈谈这项技术的意义。

首先是应用在智能汽车方面。

如果激光雷达尺寸足够小，它就可以隐藏在汽车的每个角落，甚至可以安装在汽车内部。

此外，尺寸小同时也意味着更低的功耗，无需破坏车辆现有的线路和设计。

国内量产车规级激光雷达进度较快的禾赛科技，曾经介绍过激光雷达技术未来走向。

他们认为，市场对激光雷达产品的测远能力以及点频的要求在不断提升，但由于受到激光安全阈值的限制以及产品功耗与发热的限制，目前已经很难通过简单堆砌通道数目去满足这个需求。

所以激光雷达的芯片化，是最好的出路。

不过，对于这个“芯片化”，是把激光雷达收发单元全都集成在一块SoC上，还是把传统激光雷达后端功能模块做集成，禾赛也没有定论。

所以现在很多相关公司的路线都是聚焦固态激光雷达，而一些有实力有资金的公司，会同时在光子芯片路线做部署规划。

无论是哪种路线，最终的目标都是实现激光雷达的微尺寸和低功耗。

如果能够实现，那么就可以运用到汽车以外更广泛的应用领域，比如机器人、工程测距、地形测绘等等领域。

作者介绍

文章共同一作张晓声，2021年刚在加州大学伯克利分校电子计算机系取得博士学位，研究方向是激光雷达、硅光子学、光学 MEMS 器件。

张晓声本科就读于清华大学精密仪器系，长期保持专业第一的优异成绩。2016年，他获得了清华授予在校学生的最高荣誉：特等奖学金。

张晓声博士向我们透露，目前团队正在计划将硅光子芯片激光雷达商业化，他本人毕业后也会留在当前团队继续研究。

本文通讯作者Ming C. Wu，IEEE Fellow，加州大学伯克利分校电子计算机系特聘教授，是硅光子学领域的著名学者，也是最早把Optoelectronic Tweezers技术商业化的人，公司已经在纳斯达克上市。

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