激光雷达系统利用红外光脉冲测量距离并高分辨率地绘制三维场景，使自动驾驶车辆能够快速反应道路上的障碍物。然而，传统的激光雷达传感器往往体积庞大、价格昂贵，且具有许多易磨损的移动部件，限制了其应用。麻省理工学院的研究者们在一项新研究中提出了一种新型硅光子芯片设计，可能推动下一代紧凑、耐用且无移动部件的激光雷达传感器的研发。该新进展的关键在于一种集成天线阵列的设计，能够最小化天线间的干扰，从而让激光雷达芯片在保持低噪声操作的同时，扫描更广的视野。这一创新为自动驾驶导航、空中测绘和建筑工地监测等高要求应用的激光雷达传感器发展提供了动力。
传统激光雷达系统使用旋转的庞大设备以多角度发射光脉冲，光线反射后返回传感器，提供重建环境的数据。相较之下，基于硅光子的激光雷达传感器使用集成光相位阵列（OPA）以非机械方式系统地扫描发射的光束。OPA的核心是具有周期性微小扰动的集成天线阵列，这些波纹使得天线能够将输入源的光散射到光子芯片外。通过调整传递到每个天线的光的相位，研究者们能够改变光从阵列发射的角度，从而实现无移动部件的光束引导。
然而，如果天线之间间距过近，天线之间会相互耦合，发射的光会混乱。为了避免这一问题，科学家通常会将天线间距增大，但这样会造成多个不同角度的光束副本，从而限制视野。麻省理工的研究者们通过设计一种低耦合天线来解决这一问题，允许天线在不造成显著耦合效应的情况下靠得更近。研究者们设计了三种不同几何形状的天线，改变了每个天线的宽度及波纹的大小和排列，使得每个天线具有不同的传播系数，进而避免相邻天线之间的耦合。
为了确保不同几何形状的天线能够以相同方式发射光，研究者们精心设计了天线以满足三个参数：每个天线发射相同量的光、在相同波长下以相同角度发射光束，以及在引导光束时，发射角度在阵列中均匀变化。通过这种设计，研究者们成功地在没有光束副本的情况下，通过较近的天线间距实现了准确的光束引导。未来，研究者们计划进一步改进这一技术，以实现更广的视野，并探索在开发基础理论时发现的潜在解决方案。
“这项工作解决了集成光相位阵列中的一个长期挑战：同时实现广视野（需要密集的天线间距）和高光束质量（需要低耦合）的目标。”
博主点评： 这项研究的突破展现了光子技术在激光雷达领域的巨大潜力，尤其是在自动驾驶等高要求应用中的重要性。通过创新的天线设计，研究者们不仅克服了传统激光雷达的局限，更为未来的智能交通系统奠定了基础。期待这项技术的进一步发展与实际应用。