MIT開發(fā)全新光達(dá)系統(tǒng)　可投入CMOS進(jìn)行芯片量產(chǎn)

　　美國麻省理工學(xué)院(MIT)日前開發(fā)出比目前市面上光達(dá)(LiDAR)更輕薄與低成本的光達(dá)系統(tǒng)，而且由于不采用運(yùn)動(dòng)機(jī)件將更為耐用，其非機(jī)械式光束操控速度更比目前機(jī)械光達(dá)系統(tǒng)快上1,000倍。另外，其優(yōu)點(diǎn)之一是可利用現(xiàn)有CMOS設(shè)備量產(chǎn)。

　　據(jù)IEEE Spectrum報(bào)導(dǎo)，光達(dá)是利用雷射光進(jìn)行感測的技術(shù)，雖類似雷達(dá)但卻可獲得更高解析度，因?yàn)楣饩€波長比無線電波長小10萬倍。光達(dá)系統(tǒng)借由測量在3D空間內(nèi)的每一個(gè)畫素離發(fā)光元件的距離以及畫素方向來形成全3D世界模型。

　　光達(dá)系統(tǒng)基本操作方式是傳輸光束并測量光反射某物體后的訊號(hào)，反射訊號(hào)回到光達(dá)模組的時(shí)間，可用來直接測量與物體的距離。另外，分析反射訊號(hào)也可獲得諸如物體速度或材料成分等其他資訊，最后借由操控傳輸光來測量環(huán)境中不同的點(diǎn)而形成全3D模型。

　　包括自駕車采用的多數(shù)光達(dá)系統(tǒng)都是采用雷射、鏡頭與外部接受器等獨(dú)立自由空間光學(xué)元件，但其機(jī)械化設(shè)計(jì)不僅限制光達(dá)系統(tǒng)掃描率也會(huì)增加尺寸與復(fù)雜度，加上市售高階光達(dá)系統(tǒng)價(jià)格介于1,000~7萬美元之間，因此在成本必須最小的應(yīng)用上便受到限制。

　　因此MIT光子微系統(tǒng)研究群(Photonic Microsystems Group)便利用機(jī)械化光達(dá)系統(tǒng)，并整合至微芯片上，以便能在CMOS廠內(nèi)量產(chǎn)。

　　該校設(shè)計(jì)的元件比目前光達(dá)系統(tǒng)更小、輕盈與便宜，而且不采運(yùn)動(dòng)機(jī)件設(shè)計(jì)而更加堅(jiān)固耐用，其非機(jī)械光束操控更比目前機(jī)械光達(dá)系統(tǒng)速度快1,000倍，可望加快影像掃描率，因此適合準(zhǔn)確追蹤小型高速物體，對(duì)于高速無人飛行載具閃躲障礙物相當(dāng)重要。

　　該校研發(fā)的光達(dá)芯片是先開發(fā)300mm矽光子(Silicon Photonics)技術(shù)，該技術(shù)是指利用橫切面僅幾百納米的矽波導(dǎo)(Waveguide)來形成光的線條，之后再將波導(dǎo)整合至芯片上的光子電路。

　　研究人員認(rèn)為，矽光子也可利用現(xiàn)有CMOS晶圓技術(shù)來達(dá)到低成本量產(chǎn)，過去10年來，許多CMOS晶圓廠也開發(fā)出專屬矽光子制程并可生產(chǎn)復(fù)雜光子系統(tǒng)。

　　美國國防高等研究計(jì)劃署(DARPA)過去由于對(duì)微縮與整合與矽光子學(xué)及電子有興趣，因此在2011年成立電子光子異質(zhì)整合(Electronic-Photonic Heterogeneous Integration)計(jì)劃，并陸續(xù)推出大型光學(xué)相控陣列(Optical Phased Array)以及擁有廣角可操控光束的陣列。

　　由于電子相控陣列已被使用在非機(jī)械無線電光束操控，因此，光學(xué)相控陣列也可能成為小型、低成本固態(tài)光達(dá)理想解決方案。

　　至于MIT設(shè)計(jì)的元件則包括0.5x6mm矽光子芯片、可操控傳輸與接收相控陣列以及鍺光偵測器組成。

　　該元件的熱移相器可直接讓波導(dǎo)加熱來讓雷射傳送，而矽折射率則可依溫度而定，改變穿越的光的速度與相，當(dāng)雷射穿越波導(dǎo)之后會(huì)碰到矽上被視為天線的凹槽(Notch)，再將讓光散射進(jìn)入自由空間。

　　由于受限于天線之間的間距，目前光束操控范圍約51度，該校技術(shù)雖可支援到100度操控，但若要再縮小間距必須先確定保留光的矽波導(dǎo)最小能縮小到多小。不過，目前則可利用在車上采用多個(gè)光達(dá)感測器取得360度影像加以克服。

　　該校的光達(dá)偵測方式是采連續(xù)方法，而非采用系統(tǒng)只能反應(yīng)元件傳輸光的時(shí)差測距(time-of-flight)方式，因此可降低陽光的干擾，同時(shí)可采用適度的光偵測器，取代昂貴且不易整合至光電子平臺(tái)的雪崩式光偵測器或光電倍增管。

　　研究人員也指出，在芯片中采用諸如氮化矽(Silicon Nitride)等材料也可將功率輸出大幅增加，采用大型相控陣列也可減少光束繞射。至于目前挑戰(zhàn)則包括如何讓矽波導(dǎo)與天線統(tǒng)一與精準(zhǔn)制造，但預(yù)計(jì)隨著微影技術(shù)提升制造能力也可獲得改善。