MIT開(kāi)發(fā)全新光達系統　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(kāi)發(fā)出比目前市面上光達(LiDAR)更輕薄與低成本的光達系統，而且由于不采用運動(dòng)機件將更為耐用，其非機械式光束操控速度更比目前機械光達系統快上1,000倍。另外，其優(yōu)點(diǎn)之一是可利用現有CMOS設備量產(chǎn)。

　　據IEEE Spectrum報導，光達是利用雷射光進(jìn)行感測的技術(shù)，雖類(lèi)似雷達但卻可獲得更高解析度，因為光線(xiàn)波長(cháng)比無(wú)線(xiàn)電波長(cháng)小10萬(wàn)倍。光達系統借由測量在3D空間內的每一個(gè)畫(huà)素離發(fā)光元件的距離以及畫(huà)素方向來(lái)形成全3D世界模型。

　　光達系統基本操作方式是傳輸光束并測量光反射某物體后的訊號，反射訊號回到光達模組的時(shí)間，可用來(lái)直接測量與物體的距離。另外，分析反射訊號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(lái)測量環(huán)境中不同的點(diǎn)而形成全3D模型。

　　包括自駕車(chē)采用的多數光達系統都是采用雷射、鏡頭與外部接受器等獨立自由空間光學(xué)元件，但其機械化設計不僅限制光達系統掃描率也會(huì )增加尺寸與復雜度，加上市售高階光達系統價(jià)格介于1,000~7萬(wàn)美元之間，因此在成本必須最小的應用上便受到限制。

　　因此MIT光子微系統研究群(Photonic Microsystems Group)便利用機械化光達系統，并整合至微芯片上，以便能在CMOS廠(chǎng)內量產(chǎn)。

　　該校設計的元件比目前光達系統更小、輕盈與便宜，而且不采運動(dòng)機件設計而更加堅固耐用，其非機械光束操控更比目前機械光達系統速度快1,000倍，可望加快影像掃描率，因此適合準確追蹤小型高速物體，對于高速無(wú)人飛行載具閃躲障礙物相當重要。

　　該校研發(fā)的光達芯片是先開(kāi)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(Waveguide)來(lái)形成光的線(xiàn)條，之后再將波導整合至芯片上的光子電路。

　　研究人員認為，矽光子也可利用現有CMOS晶圓技術(shù)來(lái)達到低成本量產(chǎn)，過(guò)去10年來(lái)，許多CMOS晶圓廠(chǎng)也開(kāi)發(fā)出專(zhuān)屬矽光子制程并可生產(chǎn)復雜光子系統。

　　美國國防高等研究計劃署(DARPA)過(guò)去由于對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)計劃，并陸續推出大型光學(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械無(wú)線(xiàn)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)光達理想解決方案。

　　至于MIT設計的元件則包括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加熱來(lái)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，當雷射穿越波導之后會(huì )碰到矽上被視為天線(xiàn)的凹槽(Notch)，再將讓光散射進(jìn)入自由空間。

　　由于受限于天線(xiàn)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最小能縮小到多小。不過(guò)，目前則可利用在車(chē)上采用多個(gè)光達感測器取得360度影像加以克服。

　　該校的光達偵測方式是采連續方法，而非采用系統只能反應元件傳輸光的時(shí)差測距(time-of-flight)方式，因此可降低陽(yáng)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。至于目前挑戰則包括如何讓矽波導與天線(xiàn)統一與精準制造，但預計隨著(zhù)微影技術(shù)提升制造能力也可獲得改善。