2026年5月7日 -- 激光雷达系统利用红外光脉冲测量距离并以高分辨率绘制3D场景，使自动驾驶车辆能够快速应对其路径中出现的障碍物。但传统的激光雷达传感器体积庞大、价格昂贵，且拥有许多会随时间老化的运动部件，这限制了传感器的部署方式。

麻省理工学院（MIT）研究人员的一项新研究可能有助于实现下一代紧凑、耐用且无运动部件的激光雷达传感器。其关键进展是一种硅光子芯片的新型设计，这是一种操纵光而非电的半导体器件。

通常，这种基于硅光子芯片的系统视场有限，因此基于硅光子的激光雷达无法扫描外围角度。现有针对此问题的解决方法会增加噪声并降低精度。

为避免这些缺点，MIT研究人员设计并展示了一种集成天线阵列，该阵列能最大限度地减少天线之间不必要的串扰。与其他基于硅光子学的方法相比，他们的创新使得激光雷达芯片能够在保持低噪声运行的同时扫描更宽的视场。

这项新颖的演示可推动用于自动驾驶车辆导航、航空测量和施工现场监控等要求严苛应用的先进激光雷达传感器的发展。

“我们在这项工作中展示的功能解决了集成光学相控阵技术的一个基本问题，使得未来的激光雷达传感器能够实现比我们之前所能展示的高得多的性能，”MIT电气工程与计算机科学系（EECS）Robert J. Shillman职业发展副教授、电子研究实验室成员、该创新论文的资深作者Jelena Notaros说。

该论文的共同作者包括第一作者、EECS研究生Henry Crawford-Eng，以及EECS研究生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。这项研究今天发表在《自然·通讯》上。

调整天线阵列

许多传统激光雷达系统使用一个旋转的笨重盒子向多个方向发射光脉冲来绘制场景。光从附近物体反射并返回传感器，提供用于重建环境的数据。

相反，基于硅光子学的激光雷达传感器使用一种称为集成光学相控阵（OPA）的系统，非机械地系统性地向多个方向扫描发射的光束。

OPA的关键是一个集成天线阵列，这些天线沿其长度周期性地放置微小的扰动。这些波纹状结构使天线能够将来自输入源的光向上散射出光子芯片。

通过调整路由到每个天线的光的相位，研究人员可以改变光从阵列中发射出的角度。这样，该团队可以在没有运动部件的情况下操纵光束。

但如果工程师将天线放置得过于靠近，天线之间会发生耦合，它们发射的光会变得混乱。为避免这种情况，科学家通常将天线间隔得更远，但这也有缺点。

如果天线间隔太远，阵列将以不同角度发射多个光束副本。研究人员只能在任一方向上操纵主光束一定角度，直到它与其相邻副本无法区分。

“这限制了我们的视场，因此自动驾驶车辆现在只知道其前方一定角度范围内的信息，”Garcia Coleto解释道。

这些被称为栅瓣的光束副本可能会混淆传感器，导致误报。它们也会浪费功率。

MIT研究人员通过设计一组可紧密放置、不会引起显著耦合效应的低串扰天线解决了这个问题。

在标准的OPA中，所有天线都具有相同的设计，即相同的波纹排列。这些相同的天线在紧密放置时耦合非常强。

为应对这一根本性障碍，MIT研究人员设计了一组三种几何形状不同的天线，改变了每个天线的宽度以及波纹的尺寸和排列。由于几何形状不同，每个天线具有不同的传播系数，这决定了光如何沿天线传播。

“由于天线具有非常不同的传播系数，当我们将它们紧密放置时，本质上每个天线“看不到”相邻的天线。因此，它不会与其邻居耦合，”Garcia Coleto说。

光子学的平衡之举

但尽管天线具有不同的传播系数，研究人员仍需要它们以相同的方式发射光。

该团队通过精心设计天线以满足三个参数来实现这一点。

首先，每个天线必须发射相同量的光。其次，对于相同波长的光，每个天线必须以相同角度发射光束。第三，随着研究人员操纵光束，发射角度必须在整个阵列中均匀变化。

“我们面临的挑战是，我们需要天线具有不同的几何形状以减少串扰，但同时需要设计它们具有相同的发射特性。虽然这在工程上是可能的，但极其困难，因为通常当设计具有不同几何形状的天线时，它们往往表现不同，”Crawford-Eng说。

研究人员首先开发了关于辐射模式如何耦合的基础电磁理论。该团队利用该理论作为指导来设计和模拟其天线。

基于这些分析，该团队制造了具有低串扰天线的OPA，其间距比传统OPA中明显更近，然后对系统进行了实验测试。

在此实验中，典型的OPA耦合度约为100%，而他们的OPA将耦合度降低到约1%，同时产生单束精确的光束。利用这种设计，该团队在没有栅瓣的情况下，在宽视场上演示了精确的光束操纵。

未来，研究人员计划进一步改进其技术，以实现更宽的视场。此外，该团队正在探索在开发基础理论时发现的一种针对宽视场功能的新潜在解决方案。

“这项工作解决了集成光学相控阵中的一个长期挑战：同时实现宽视场（需要密集的天线间距）和高光束质量（需要相邻天线间的低串扰）。作者们用一种优雅的天线设计解决了这个问题。他们的创新是迈向芯片级固态光束操纵技术的重要一步，”多伦多大学电气与计算机工程教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon说，她没有参与这项工作。

这项研究部分得到了半导体研究公司、国家科学基金会、MIT MathWorks奖学金、美国陆军部以及MIT Rolf G. Locher捐赠奖学金的支持。