【时讯】芯片上实现激光雷达技术，量产价钱低至数百美元

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原创力琴，吴昕机器的能力

以往，是否使用激光雷达是区分自动驾驶技术派的“三八线”，但与waymo和cruise等中规使用激光雷达的方式的以往的传统派相比，掩模代替激光雷达使用ai视觉方式+毫米波雷达的想法

这背后的中心原因是激光雷达有两个大致命的短板。

第一个现在非常贵。 二是极端天气(如雨和雪雾)导致精度下降。

一般来说，自动驾驶车不仅需要激光雷达来导航和避开包括行人在内的障碍物，而且在天花板上竖起很大的头来损害美观，现在的价格也在8，000美元到30，000美元左右。

年初的ces期间，大疆收购的livox企业一举推出了以599美元开始的激光雷达产品线，使市场兴奋不已。 毕竟，激光雷达太贵了！

写文章|力琴，吴昕

编辑|四月

最近，学术界传来了好消息，斯坦福工程学院教授jelena vuckovic及其团队提出了一种新的方法，将屋顶难看显眼的“烟囱”缩小到一个硅片，同时以几百美元的价格大量生产。

如果这一成果表明商业上是可能的，将有助于开辟自动驾驶车的新时代。

斯坦福大学工程学院教授jelena vuckovic

jelena vuckovic及其团队的研究成果已经发表在3月的《nature》的副刊《nature photonics (自然光子学)》上，论文发表在《inverse-designed non-reciProcalPulsere》上

激光雷达实际上是“光检测和测距”的缩写，概念上与雷达相同，但用光代替电波“看”人眼看不见的东西，根据光脉冲的前方发送和光束的反射检测器之间的延迟测量汽车和物体之间的距离。

与雷达单元相比，激光雷达单元在检测人和狗等生物方面做得更好，但雷达在透过雾、烟、雨水和其他大气异常方面表现得更好。

vuckovic教授的研究突破是，研究者采用了一个称为反向设计的过程，创建了一个强大的算法，可以单向发射红外光，测量反射返回的时间。 这些消息有助于揭示光路径中的物体。 (补充背景:因为硅对红外线是透明的，所以就像玻璃对可见光是透明的一样。 ）

也就是说，算法制作了实际光子电路的蓝图，光子电路执行特定的功能，将激光束发射到汽车的前方以确定道路上的物体，并将反射光反射到检测器上。

研究表明，这种基于硅的芯片级有损器件的迅速发展可能会给光通信和激光雷达(光检测和测距)的应用带来新的非线性器件和系统。

研究小组认为基于χ(3)的互质器件基本上受到时间反转对称性和热力学要素的限制，但它们的被动、无偏差，简单的架构特别适合光子学的集成，对芯片级激光雷达具有特别的意义

一

更小的激光雷达设备怎么实现？

这项研究主要基于硅基光电子技术，在20世纪80年代提出，取得了一些成果。 但是，由于硅的特点，硅系有源元件没有迅速发展。 直到2004年英特尔企业在“nature”上发布硅基mos结构的调制器，真正商业化的硅光技术才开始迅速发展，到现在为止，硅光技术也迅速发展。

根据vuckovic教授小组的论文，隔离器和循环器等不可逆器件是微波和光频率通信系统的重要有效化技术，通过使不可逆器件小型化、提高性能，实现了光通信、信号解决、光谱学、传感器

基于电磁效应的非互换性器件可以用于自由空之间和光纤通信系统，但这些片上集成依然具有挑战性，主要是因为伴随着高插入损耗、弱磁光效应和材料的兼容性。

新的研究表明χ(3)非线性器件消除了这一指控，在单片集成平台上实现了无源、低损耗、无偏差的无损传输，适合芯片级激光雷达的应用。

研究小组研究χ(3)非线性器件，采用逆设计研究级联fano lorentzian谐振器系统，在维持高传输率的同时增加了非互强度范围。

在绝缘体硅平台上实现的级联fano-lorentzian谐振器的sem图像

现在大部分非线性非互易超表面都是基于fano共振原理，依赖于电磁波和超表面不对称结构的共振作用，原理简单，价格低廉。

研究小组设置了2端口fano谐振装置，在谐振器耦合区的波导上设计了传输元件( pte )的一部分，在响应函数上制作了fano线性。

pte的寄生损失、固有的空洞损失大幅减少，但通过逆设计，可以通过pte减轻追加的空洞损失，并行管理空洞波导的耦合强度。 最后说明fano谐振器具有的尖锐的线性和低的固有损耗依然可以在中功率电平上提供非互助性传输。

级联连接引起的非线性谐振可以在很大的功率范围内工作。 与以任意输入功率工作的线性互助性器件不同，基于单谐振器的非线性无源器件只能在有限的信号功率( nrir )范围内引起不可逆传输，两个谐振器级联器件打破了nrir内的任意功率值单谐振器极限

二

如何保证距离测量的稳定性？

另外，研究小组为了确保测量的稳定性，展示了基于传输和全光路径的非相互容易的光学测距。

光学测距的实验原理图

为了生成锁模脉冲，研究小组采用了由光纤放大器、半导体光放大器、偏振控制器、带通滤波器构成的光纤环形谐振器。

锁模是光学上产生极短时间的激光脉冲的技术，脉冲的长度通常是皮秒到飞秒。 5 mhz的脉冲重复频率允许测量距离长到60 m，同时可以使用带通滤波器将脉冲的中心频率调整到fano器件的事业范围。

生成的脉冲流被光纤耦合器分流，有些脉冲流直接送到设备端口1。 其他部分脉冲流首先通过光纤延迟线，然后送到端口2。 考虑到fano谐振器所起的作用，耦合到端口2的脉冲流不会传递到端口1。

来自端口1的脉冲流被传输到设备的端口2。 装置从端口2向耦合到fano谐振器的另一个波导中的端口3发送脉冲流。 在此，与来自端口1的输入脉冲流结合来生成双脉冲流的电信号跟踪。

距离和时间的关系图，时间增量是基准脉冲周期，表示距离测量的稳定性。

这种光学距离测量的稳定性通过测量距离轨迹线的放大视图来说明。

fano有损发射机-路由器设备表示可以保护脉冲激光光源免受反射脉冲流的影响，使系统稳定工作，并将来自这些反射脉冲的光路由到不同的波导。 如果另一个fano谐振器串联连接，延迟对应于脉冲宽度的一半，即使被激励，也可以分离反射脉冲。

基于这些发现，研究小组的实验表明了实现的无源非对等发射机和路由器在完全集成的芯片级激光雷达系统中作为基本组件的可能性。

三

激光雷达能大规模应用于无人驾驶汽车吗？

当然，在芯片上建立这样的测距机制只是制造廉价激光雷达的第一步。 研究人员表示，现在正在研究下一个里程碑，以便激光束可以旋转而无需昂贵的机械部件。

这项研究的下一步是开发“单芯片激光雷达”，以扩大其范围，直到包括完整的360度圆角，而不采用机械部件。

vuckovic预测她的实验室建设道路测试用的样机大约需要三年。 “我们正在朝着制造激光雷达芯片的方向迅速发展。 这个芯片的价格非常便宜，足以创造汽车的大众市场。 "。

到目前为止掩模拒绝采用激光雷达，他说照相机和雷达传感器的组合可以在没有激光雷达限制的情况下做得更好。 如果激光雷达的价格大幅下降，他可能会改变自己的曲子。 对于完美的自我驾驶，似乎越来越少的消息比较好。

原标题:“斯坦福研究刊登在nature副刊上:在芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元。”

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