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        指尖上的硅光子激光雷達

        發布:opticseditor    |    2019-07-31 14:54    閱讀:499
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        激光雷達(LiDAR)是機器人和自動駕駛汽車感知周圍世界的關鍵技術之一,不過,目前的激光器和傳感器等激光雷達元件通常都具有很大的尺寸。據報道,激光雷達創新廠商Voyant Photonics提出了一種不同的方案,它們打造了一款可以放在指尖上的激光雷達系統。


        激光雷達常被用于中距離的環境感知,因為遠距離應用,雷達有優勢;近距離應用,超聲波等其它方案更緊湊。但是,從數米到數百米的范圍,就是激光雷達的舞臺了。

        不幸的是,即使是目前最緊湊的激光雷達解決方案仍然約有巴掌那么大,并且,已為汽車應用做好量產準備的激光雷達通常尺寸要更大。如果激光雷達尺寸足夠小,它們可以隱藏在汽車的每個角落,甚至可以安裝在汽車內部,提供關于汽車內部和周圍所有環境的豐富位置信息。此外,尺寸小同時也意味著更低的功耗,無需破壞現有的線路和設計。如果能夠實現這樣的微尺寸和功耗,激光雷達還將進入汽車以外更廣泛的應用領域。

        傳統的機械式激光雷達一般通過每秒多次掃描場景,然后測量其反射以跟蹤物體的距離。但這種機械掃描激光雷達通常體積較大,速度慢且易于失效,因此創新的開發商正在嘗試各種其它技術方案,例如瞬間照亮整個場景的Flash激光雷達,或是利用超構材料進行光束轉向的方案等等。

        硅光子學方案似乎已經準備好在激光雷達領域參與競爭,它本質上就是為了各種目的而在芯片上操縱光,例如,在邏輯門中取代電節點以提供超快、低熱的信號處理。Voyant Photonics正是開創了一種將硅光子學應用于激光雷達的解決方案。

        過去,基于芯片的光子學研究試圖從光波導表面(用于轉向光或發射光的元件)發射相干激光光束的嘗試,但由于光傾向于在近距離處自身干涉,而受限于低視場和低功率。

        Voyant Photonics開發的“光學相控陣”技術方案,通過仔細研究改變穿過芯片的光波相位來繞開這個問題。其結果得到了一個完全沒有運動元件,且比指尖還小的芯片,能夠在很寬廣的環境中發射高速掃描的非可見光。

        “這是一項突破性的賦能技術,利用該技術實現的激光雷達是如此之小,”Voyant Photonics聯合創始人Steven Miller說,“這里我們討論的可是立方厘米級別的尺寸。很多電子產品根本無法容納目前市場上像壘球大小的激光雷達,例如無人機,對重量很敏感的產品,或機器人技術,它需要將激光雷達嵌入機器手臂的尖端。”

        Steven Miller及其聯合創始人Chris Phare來自美國哥倫比亞大學(Columbia University)的Lipson納米光子學研究組。哥倫比亞大學電氣工程教授Michal Lipson,是硅光子學領域的主要先驅之一。

        “基本可以說是這個實驗室發明了硅光子學,”Chris Phare說,“我們在物理學和器件級研究領域深耕多年。在此背景下,我們回過頭來審視激光雷達,思考如何利用硅光子學來改善激光雷達,使其具有更小的尺寸和更好的性能。”

        Voyant Photonics解決了上述干涉問題,并利用了調頻連續波技術(FMCW),使其激光雷達不僅能夠測量物體的距離,還能夠測量物體的運動速度(另一家激光雷達創新廠商Blackmore也是這樣做的)。他們獨特的芯片光束發射和轉向方案使他們打造了一款不僅結構超緊湊,而且將發射器和接收器整合在一起的芯片,不僅縮小了尺寸,還具有很好的性能。

        “小尺寸激光雷達就意味著低性能完全是一種誤解,”Phare解釋說,“我們采用的硅光子架構使我們可以在芯片上構建非常高靈敏的接收器,這種接收器難以在傳統光學器件中集成。因此,我們能夠將高性能激光雷達裝配到如此小巧的封裝中,而無需任何額外的或特異的組件。我們的激光雷達可以達到市場上其它廠商相當的規格參數,只是我們的尺寸要小得多。”

        不僅如此,它甚至可以像其它光子芯片一樣以常規方式制造。當我們試圖從實驗研究轉向產品開發時,這是一個巨大的加分項。

        通過此輪430萬美元融資,該團隊計劃將這項技術從實驗室轉移到工程和開發人員手中。根據不同的應用和行業,激光雷達的規格、尺寸和功率要求等有很大差異,因此,Voyant Photonics將根據各個領域的反饋來做產品開發決策。

        除了汽車之外(“這是一個如此龐大的應用市場,開發激光雷達的廠商永遠無法忽視這個市場,”Miller表示),該團隊還在和其它眾多潛在合作伙伴溝通。

        相比Innoviz和Luminar等公司動則過億美元的融資,Voyant Photonics仍處于剛剛起步的階段,但Voyant Photonics的優勢在于它們打造了一種完全不同的技術方案。面對其它領先廠商已經占據先機的大尺寸激光雷達,Voyant Photonics的產品無需畏懼競爭。

        “我們已經在與無人機、機器人以及增強現實等很多應用領域的巨頭洽談,把它們最感興趣的優勢展現給它們,”Phare說道,“我們這款指尖激光雷達所帶來的意義,就像當年把房間大小的計算機縮小到一顆芯片上一樣。”

        Voyant Photonics此輪融資的投資方包括Contour Venture Partners、LDV Capital和美國國防高級研究項目計劃局(DARPA)。

        來源:電子技術設計

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