光子学的进步有望实现紧凑、高性能激光雷达传感器

激光雷达系统利用红外脉冲测量距离并高分辨率绘制三维场景，使自动驾驶车辆能够快速应对路径上的障碍物。但传统的激光雷达传感器成本高昂且体积庞大，拥有许多活动部件，随着时间老化，限制了传感器的部署。

麻省理工学院研究人员的一项新研究可能有助于实现下一代激光雷达传感器，这些传感器体积紧凑、耐用且无活动部件。关键进展是硅光子芯片的一种新颖设计，这是一种半导体器件，主要操控光而非电流。

通常，这种基于硅光子芯片的系统视野有限，因此基于硅光子学的激光雷达无法扫描周边角度。现有的解决方法会增加噪声并降低精度。

为了避免这些缺点，麻省理工学院的研究人员设计并演示了一组集成天线，以最大限度地减少天线间不必要的串扰。他们的创新使激光雷达芯片能够扫描更广的视野，同时保持低噪声运行，相较于其他基于硅光子学的方法。

这一新颖的演示有望推动先进激光雷达传感器的发展，应用于自动驾驶导航、航空测量和施工现场监控等高要求应用。

“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根本性问题，使未来的激光雷达传感器能够实现远超以往性能的激光雷达传感器，”麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员耶莲娜·诺塔罗斯表示， 以及关于这项创新论文的高级作者。

她与第一作者、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共同参与了这篇论文。该研究发表在《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笨重的盒子来绘制场景，该箱子旋转以向多个方向发送光脉冲。光线反射到附近物体后返回传感器，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通过一种称为集成光学相控阵（OPA）的系统性地非机械地向多个方向扫描发射光束。

OPA的关键是一组集成天线阵列，这些天线沿长度周期性地布置微小扰动。这些波纹使天线能够将输入源的光线向上散射并散射出光子芯片。

通过调整光线的相位，研究人员可以改变光线从阵列发射的角度。这样，它们可以在没有活动部件的情况下引导梁。

但如果工程师把天线放得太近，天线会相互耦合，发出的光会变得混乱。为了避免这种情况，科学家通常会把天线间隔拉开，但这也有缺点。

如果天线间距过远，阵列会以不同角度发射多条光束。研究人员只能将主束流朝任意方向引导到一定程度，直到它与邻近的复制体无法区分。

“这限制了我们的视野，所以自动驾驶车辆现在只能在一定角度范围内知道前方的景象，”加西亚·科莱托解释道。

这些光束复制体称为光栅瓣，可能通过干扰传感器引起假阳性。它们还浪费了电力。

麻省理工学院的研究人员通过设计一套可近距离放置且不产生显著耦合效应的减少串扰天线解决了这一问题。

在标准OPA中，所有天线设计相同，即波纹排列相同。这些相同的天线在靠近时会非常强地耦合。

为了解决这一根本障碍，麻省理工学院的研究人员设计了一组三款几何形状不同的天线，分别改变每个天线的宽度以及波纹的大小和排列。由于几何形状不同，每个天线的传播系数不同，决定了光线如何通过天线传播。

“由于天线传播系数差异很大，当我们将它们靠近时，基本上每个天线都无法'看到'旁边的天线。因此，它不会与邻居结合，“加西亚·科莱托说。

光子平衡的艺术

但即使天线传播系数不同，研究人员仍需它们以相同方式发光。

他们通过精心设计天线以满足三个参数实现了这一点。

首先，每个天线必须发射相同量的光。其次，每个天线必须以相同角度、相同波长的光发射光束。第三，发射角度必须在研究人员引导阵列时均匀变化。

“我们面临一个挑战，要求天线具有不同的几何形状以减少串扰，但同时又需要设计天线使其具有相同的发射特性。虽然工程设计是可能的，但极其困难，因为通常天线设计成不同几何形状时，表现往往不同，“Crawford-Eng说。

研究人员首先提出了辐射模耦合的基本电磁理论。他们以该理论为指导，设计和模拟了天线。

基于这些分析，他们制造了带有明显比传统OPA更间距的减弦天线的OPA，然后对系统进行了实验测试。

在该实验中，典型的OPA耦合率约为100%，而他们的OPA则将耦合率降低到约1%，同时产生了单一且精确的束流。利用该设计，他们展示了在宽视场内无光栅叶片的精确波束转向。

未来，研究人员计划进一步改进技术，实现更广阔的视野。此外，他们还在探索在开发基础理论时发现的一种新的潜在宽视场功能解决方案。

“这项工作解决了集成光学相控阵长期以来的一个挑战：同时实现宽视场（需要密集天线间距）和高波束质量（需要邻近天线间低串扰）的双重要求。作者通过优雅的天线设计解决了这个问题。

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、未参与本项工作但未参与该项工作，Joyce Poon表示：“他们的创新是芯片级固态束流导引技术的重要进步。”

出版信息

Henry Crawford-Eng 等，《无光栅瓣和广视场集成光相控阵的减弦天线》，Nature Communications（2026）。DOI：10.1038/s41467-026-71832-y

期刊信息：自然通讯 

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