一种新型激光雷达，能大幅降低成本

来源:半导体行业观察发布时间:2023-08-21746浏览

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。

据世界卫生组织称，每年有 130 万人因车祸死亡。这就像每年失去布拉格市一样。改用配备各种电子传感器和先进计算机掌舵的自动驾驶汽车和卡车可以挽救无数生命。尽管投入了大量的研究资金并取得了相当大的技术进步，但将这种有前景的技术交到人们手中仍然很困难。

那么，自动驾驶汽车什么时候才能真正开到你附近的车道上呢？答案部分取决于此类汽车是否需要一种称为激光雷达的传感器，激光雷达是“光检测和测距”的缩写。大多数开发自动驾驶汽车的团队都将激光雷达视为安全操作所需的传感器套件的关键部分，因为它可以比摄像头更保真地构建车辆环境的详细 3D 地图。

不过，埃隆·马斯克一直在推动特斯拉采用有争议的仅使用摄像头的自动驾驶方法。马斯克在 2021 年发推文称：“人类通过眼睛和生物神经网络来驾驶，因此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。

在之前，大多数激光雷达传感器的机械架构很复杂且成本很高，这就导致采用激光雷达的每辆车的价格就会增加数万美元——这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配备了 5 级自动驾驶所需的硬件”，这意味着仅配备摄像头和计算机的汽车就具备完全自动驾驶所需的硬件。

然而，七年过去了，特斯拉的汽车发生了多次撞车事故，该公司仍未达到 2 级自动驾驶水平，交通安全专家正在质疑马斯克对激光雷达的拒绝。然而，需要昂贵的传感器会减缓先进驾驶辅助系统和全自动驾驶的广泛推广。但将这些传感器的成本降低到令汽车制造商满意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影响车辆美观的情况下将其设备添加到汽车中。

Analog Photonics 公司于 2016 年从麻省理工学院分离出来，他们和公司的其他人希望打破这一僵局。我们正在开发一种微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距离商业化还有多远。

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，而且足够小，可以不显眼地放置在车辆周围。它们用于多种用途，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先进的驾驶员辅助功能。

但情况并非总是如此。早期的汽车雷达体积庞大，机械操纵，发射短脉冲无线电波，性能有限。但汽车雷达转向电子扫描和连续波发射带来了性能提升和成本降低，从而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。该技术于 2016 年左右开始成为头条新闻，十年前参加DARPA 挑战赛的车辆上的激光雷达传感器取得了成功，许多公司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组装而成。

这些第一代激光雷达的作用也仅限于此。旋转镜或扫描镜导致其成本高昂，并使其难以集成到车辆中。它们还存在可靠性问题，其脉冲操作会在阳光直射的情况下出现问题，并导致对邻近激光雷达干扰的固有敏感性。因此，现有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、长距离激光雷达传感器，每个传感器的成本低于 500 美元。虽然激光雷达制造商已经取得了进展，但该行业还没有达到目标。

我们公司选择通过设计完全构建在芯片（由普通硅制成的光子集成电路）上的激光雷达传感器来正面解决这些问题。它没有移动部件，无需外部硬件即可产生、发射和接收光。其微小的尺寸使其可以轻松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 至 1,550 纳米之间（汽车雷达的波长为几毫米）。这种波长的差异使激光雷达具有更好的空间分辨率，因为从传感器发出的波可以更紧密地聚焦。

大多数早期的汽车激光雷达与大多数早期的雷达一样，都使用所谓的飞行时间 (ToF) 检测。发出电磁能短脉冲，撞击物体，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，该装置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，基于此原理构建的激光雷达很容易受到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都不同。它们不发出脉冲，而是连续发射无线电波。这些发射的频率并不固定。相反，它们在一定频率范围内来回扫频。

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：您最初混合的两个频率的和与差。这一过程称为外差法，于 1901 年首次演示，此后广泛应用于无线电设备。

调频连续波 (FMCW) 雷达利用了以下事实：两个不同频率的信号以这种方式混合时，会产生一个频率为前两个频率之差的信号。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，通常称为本地振荡器）和反射信号之间完成的，它们的频率不同，因为正如我们提到的，输出信号是扫过一系列频率。因此，当反射信号返回传感器时，传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。

如果反射信号往返需要很长时间，则频率差异将会很大。如果反射信号只需要很短的时间就反弹回来，则频率差异将会很小。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。

虽然 FMCW 系统比基于 ToF 的系统更复杂，但它更灵敏，基本上不受干扰，并且除了距离之外还可用于测量目标的速度。

汽车激光雷达现在也采用类似的方法。FMCW 激光雷达涉及稍微改变传输光的频率，从而改变波长，然后将反向散射光与本地振荡器以传输光的频率组合。通过测量接收到的光与本地振荡器之间的频率差，系统可以确定目标范围。此外，还可以提取移动目标的任何多普勒频移，从而揭示目标朝向或远离传感器的速度。

此功能对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物体非常有用。速度测量还可用于预测其他车辆的运动，甚至可以感知行人的手势。ToF 系统无法提供这种额外的数据维度，这就是 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 激光雷达系统使用与 ToF 系统截然不同的激光源。FMCW 激光雷达连续发光，并且该光的峰值功率相对较低。激光功率水平与许多通信应用中使用的功率水平相似，这意味着光可以由光子集成电路产生和处理。这种微型激光系统是实现基于芯片的激光雷达的关键因素之一。

使用相控阵列

Analog Photonics设计的光子集成电路可以使用光刻技术在标准 300 毫米直径硅晶圆上制造，就像大多数集成电路所做的那样。因此，他们可以利用 CMOS 半导体制造行业的成熟优势，将完整激光雷达系统所需的所有各种片上光学组件结合起来：激光器、光放大器、波导、分路器、调制器、光电探测器，并且在其产品中案例，还有光学相控阵。

半导体制造的经济性降低了每个组件的成本。将它们全部集成在单个芯片上也有帮助。您会看到，所有激光雷达系统都发射光和接收光，并且发射和接收光学器件必须良好对准。在使用分立光学元件构建的系统中，精确对准的需求增加了复杂性、制造时间和成本。当事情失去对准时，激光雷达可能会失败。对于集成光子学，精确对准是固有的，因为承载光的波导是通过光刻来定义的。

虽然少数公司正在致力于开发基于光子 IC 的激光雷达，但只有 Analog Photonics 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。我们不使用机械扫描，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，也是该技术的关键挑战之一。该系统通过用一束或多束激光扫描场景来构建周围环境的图像。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来进行扫描。由此产生的硬件笨重、昂贵，而且往往不可靠。

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控制雷达波束。该技术调整离开多个天线中的每一个的信号的相位，使得无线电波在一个方向上产生相长干扰，而在其他方向上产生破坏性干扰。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首选的波束控制技术。认识到相控阵的物理原理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。在国防高级研究计划局通过其模块化光学孔径构建模块计划的帮助下，以及在多家汽车合作伙伴（我们尚未透露其名称）的帮助下，Analog Photonics 开发了片上光学相控阵。

对于这些阵列，芯片的顶面既用作发射孔又用作接收孔，这就是能量离开和返回芯片的地方。片上光学移相器和发射器由定制电子设备单独控制，以控制极其紧密的光束（宽度仅为几毫米）。

要实现足够大的有用转向范围，需要数千个紧密间隔的移相器。例如，对于工作波长为 1,550 nm 的激光雷达，移相器必须间隔仅 1.5 微米才能实现 60 度的转向范围。

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

这里的材料就是硅，它对红外波长的光是透明的。改变硅中光速的一种方法是让声波穿过硅，华盛顿大学的研究人员正在寻求将这项技术用于激光雷达。另一种方法是改变温度：硅越热，穿过它的光就越慢。这就是所谓的热光移相器背后的原理。

芯片上有数千个移相器，因此每个移相器的功耗非常低（仅微瓦），这一点至关重要。当你必须加热东西时，这是很难做到的。我们通过使用电光移相器而不是热光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，使其能够以每秒超过一百万条扫描线的速度跨过视场。

然而，如何将许多紧密间隔的光波导与调节其中光速所需的电子设备连接起来仍然是一个挑战。Analog Photonics 使用倒装芯片技术解决了这个问题：一个 CMOS 芯片有数千个焊锡涂层的铜凸块，这些铜凸块的间距约为 75 微米，约为人类头发宽度的一半。该方案允许我们的硅光子芯片与包含所需数字逻辑和一组匹配的铜凸块的半导体电子芯片永久配合。对电子芯片发出简单的命令，然后以适当的方式驱动数千个光子元件来扫描光束。

激光雷达丰富的未来

Analog Photonics 现已制造并向其行业合作伙伴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供应汽车设备的公司。他们已经解决了大部分基本和工程挑战，现在专注于提高激光雷达的性能以满足生产规格。Analog Photonics预计，在 2025 年将我们的创作转化为实际产品，并为汽车行业生产大量样品。

据介绍，Analog Photonics目前正在开发两种不同版本的激光雷达：一种是远距离版本，旨在安装在汽车前部，以便在高速公路上行驶；另一种是短距离版本，具有更宽的视野，可提供全面的覆盖范围机动车。这两个传感器的光子 IC 中具有不同的光学相控阵，但共享相同的后端信号处理。

Analog Photonics预计，他们的一些竞争对手（例如Cepton和Luminar ）的相对低成本激光雷达传感器最早将于明年开始出现在一些顶级汽车中。在其正在开发的低成本固态传感器的推动下，到本世纪末，激光雷达将在新车中普遍使用。

但激光雷达的未来不会就此结束。市场预测人士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。我们和其他人在硅光子 IC 方面所做的工作应该有助于让充满激光雷达的光明未来更快到来。

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