MIT開發全新光達系統　可投入CMOS進行芯片量產

　　美國麻省理工學院(MIT)日前開發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，其優點之一是可利用現有CMOS設備量產。

　　據IEEESpectrum報導，光達是利用雷射光進行感測的技術，雖類似雷達但卻可獲得更高解析度，因為光線波長比無線電波長小10萬倍。光達系統借由測量在3D空間內的每一個畫素離發光元件的距離以及畫素方向來形成全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間，可用來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測量環境中不同的點而形成全3D模型。

　　包括自駕車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元件，但其機械化設計不僅限制光達系統掃描率也會增加尺寸與復雜度，加上市售高階光達系統價格介于1,000~7萬美元之間，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(PhotonicMicrosystemsGroup)便利用機械化光達系統，并整合至微芯片上，以便能在CMOS廠內量產。

　　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，對于高速無人飛行載具閃躲障礙物相當重要。

　　該校研發的光達芯片是先開發300mm矽光子(SiliconPhotonics)技術，該技術是指利用橫切面僅幾百納米的矽波導(Waveguide)來形成光的線條，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晶圓技術來達到低成本量產，過去10年來，許多CMOS晶圓廠也開發出專屬矽光子制程并可生產復雜光子系統。

　　美國國防高等研究計劃署(DARPA)過去由于對微縮與整合與矽光子學及電子有興趣，因此在2011年成立電子光子異質整合(Electronic-PhotonicHeterogeneousIntegration)計劃，并陸續推出大型光學相控陣列(OpticalPhasedArray)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線電光束操控，因此，光學相控陣列也可能成為小型、低成本固態光達理想解決方案。

　　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碰到矽上被視為天線的凹槽(Notch)，再將讓光散射進入自由空間。

　　由于受限于天線之間的間距，目前光束操控范圍約51度，該校技術雖可支援到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，目前則可利用在車上采用多個光達感測器取得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差測距(time-of-flight)方式，因此可降低陽光的干擾，同時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(SiliconNitride)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統一與精準制造，但預計隨著微影技術提升制造能力也可獲得改善。