指尖上的硅光子激光雷达

时间:2019-07-25 16:27来源:电子技术设计作者:weixiang 点击:
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摘要:激光雷达(LiDAR)是机器人和自动驾驶汽车感知周围世界的关键技术之一,不过,目前的激光器和传感器等激光雷达元件通常都具有很大的尺寸。据报道,激光雷达创新厂商Voyant Photonics提出了一种不同的方案,它们打造了一款可以放在指尖上的激光雷达系统。

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  激光雷达(LiDAR)是机器人和自动驾驶汽车感知周围世界的关键技术之一,不过,目前的激光器和传感器等激光雷达元件通常都具有很大的尺寸。据报道,激光雷达创新厂商Voyant Photonics提出了一种不同的方案,它们打造了一款可以放在指尖上的激光雷达系统。

  激光雷达常被用于中距离的环境感知,因为远距离应用,雷达有优势;近距离应用,超声波等其它方案更紧凑。但是,从数米到数百米的范围,就是激光雷达的舞台了。

  不幸的是,即使是目前最紧凑的激光雷达解决方案仍然约有巴掌那么大,并且,已为汽车应用做好量产准备的激光雷达通常尺寸要更大。如果激光雷达尺寸足够小,它们可以隐藏在汽车的每个角落,甚至可以安装在汽车内部,提供关于汽车内部和周围所有环境的丰富位置信息。此外,尺寸小同时也意味着更低的功耗,无需破坏现有的线路和设计。如果能够实现这样的微尺寸和功耗,激光雷达还将进入汽车以外更广泛的应用领域。

  传统的机械式激光雷达一般通过每秒多次扫描场景,然后测量其反射以跟踪物体的距离。但这种机械扫描激光雷达通常体积较大,速度慢且易于失效,因此创新的开发商正在尝试各种其它技术方案,例如瞬间照亮整个场景的Flash激光雷达,或是利用超构材料进行光束转向的方案等等。

  硅光子学方案似乎已经准备好在激光雷达领域参与竞争,它本质上就是为了各种目的而在芯片上操纵光,例如,在逻辑门中取代电节点以提供超快、低热的信号处理。Voyant Photonics正是开创了一种将硅光子学应用于激光雷达的解决方案。

  过去,基于芯片的光子学研究试图从光波导表面(用于转向光或发射光的元件)发射相干激光光束的尝试,但由于光倾向于在近距离处自身干涉,而受限于低视场和低功率。

  Voyant Photonics开发的“光学相控阵”技术方案,通过仔细研究改变穿过芯片的光波相位来绕开这个问题。其结果得到了一个完全没有运动元件,且比指尖还小的芯片,能够在很宽广的环境中发射高速扫描的非可见光。

  “这是一项突破性的赋能技术,利用该技术实现的激光雷达是如此之小,”Voyant Photonics联合创始人Steven Miller说,“这里我们讨论的可是立方厘米级别的尺寸。很多电子产品根本无法容纳目前市场上像垒球大小的激光雷达,例如无人机,对重量很敏感的产品,或机器人技术,它需要将激光雷达嵌入机器手臂的尖端。”

  Steven Miller及其联合创始人Chris Phare来自美国哥伦比亚大学(Columbia University)的Lipson纳米光子学研究组。哥伦比亚大学电气工程教授Michal Lipson,是硅光子学领域的主要先驱之一。

  “基本可以说是这个实验室发明了硅光子学,”Chris Phare说,“我们在物理学和器件级研究领域深耕多年。在此背景下,我们回过头来审视激光雷达,思考如何利用硅光子学来改善激光雷达,使其具有更小的尺寸和更好的性能。”

  Voyant Photonics解决了上述干涉问题,并利用了调频连续波技术(FMCW),使其激光雷达不仅能够测量物体的距离,还能够测量物体的运动速度(另一家激光雷达创新厂商Blackmore也是这样做的)。他们独特的芯片光束发射和转向方案使他们打造了一款不仅结构超紧凑,而且将发射器和接收器整合在一起的芯片,不仅缩小了尺寸,还具有很好的性能。

  “小尺寸激光雷达就意味着低性能完全是一种误解,”Phare解释说,“我们采用的硅光子架构使我们可以在芯片上构建非常高灵敏的接收器,这种接收器难以在传统光学器件中集成。因此,我们能够将高性能激光雷达装配到如此小巧的封装中,而无需任何额外的或特异的组件。我们的激光雷达可以达到市场上其它厂商相当的规格参数,只是我们的尺寸要小得多。”

  不仅如此,它甚至可以像其它光子芯片一样以常规方式制造。当我们试图从实验研究转向产品开发时,这是一个巨大的加分项。

  通过此轮430万美元融资,该团队计划将这项技术从实验室转移到工程和开发人员手中。根据不同的应用和行业,激光雷达的规格、尺寸和功率要求等有很大差异,因此,Voyant Photonics将根据各个领域的反馈来做产品开发决策。

  除了汽车之外(“这是一个如此庞大的应用市场,开发激光雷达的厂商永远无法忽视这个市场,”Miller表示),该团队还在和其它众多潜在合作伙伴沟通。

  相比Innoviz和Luminar等公司动则过亿美元的融资,Voyant Photonics仍处于刚刚起步的阶段,但Voyant Photonics的优势在于它们打造了一种完全不同的技术方案。面对其它领先厂商已经占据先机的大尺寸激光雷达,Voyant Photonics的产品无需畏惧竞争。

  “我们已经在与无人机、机器人以及增强现实等很多应用领域的巨头洽谈,把它们最感兴趣的优势展现给它们,”Phare说道,“我们这款指尖激光雷达所带来的意义,就像当年把房间大小的计算机缩小到一颗芯片上一样。”

  Voyant Photonics此轮融资的投资方包括Contour Venture Partners、LDV Capital和美国国防高级研究项目计划局(DARPA)。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:weixiang )
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