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MIT開發(fā)全新光達(dá)系統(tǒng) 可投入CMOS進行芯片量產(chǎn)

作者: 時間:2016-09-12 來源:Digitimes 收藏

  美國麻省理工學(xué)院()日前開發(fā)出比目前市面上光達(dá)(LiDAR)更輕薄與低成本的光達(dá)系統(tǒng),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(dá)系統(tǒng)快上1,000倍。另外,其優(yōu)點之一是可利用現(xiàn)有設(shè)備量產(chǎn)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201609/296847.htm

  據(jù)IEEE Spectrum報導(dǎo),光達(dá)是利用雷射光進行感測的技術(shù),雖類似雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)借由測量在3D空間內(nèi)的每一個畫素離發(fā)光元件的距離以及畫素方向來形成全3D世界模型。

  光達(dá)系統(tǒng)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(dá)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(huán)境中不同的點而形成全3D模型。

  包括自駕車采用的多數(shù)光達(dá)系統(tǒng)都是采用雷射、鏡頭與外部接受器等獨立自由空間光學(xué)元件,但其機械化設(shè)計不僅限制光達(dá)系統(tǒng)掃描率也會增加尺寸與復(fù)雜度,加上市售高階光達(dá)系統(tǒng)價格介于1,000~7萬美元之間,因此在成本必須最小的應(yīng)用上便受到限制。

  因此光子微系統(tǒng)研究群(Photonic Microsystems Group)便利用機械化光達(dá)系統(tǒng),并整合至微芯片上,以便能在廠內(nèi)量產(chǎn)。

  該校設(shè)計的元件比目前光達(dá)系統(tǒng)更小、輕盈與便宜,而且不采運動機件設(shè)計而更加堅固耐用,其非機械光束操控更比目前機械光達(dá)系統(tǒng)速度快1,000倍,可望加快影像掃描率,因此適合準(zhǔn)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(dāng)重要。

  該校研發(fā)的光達(dá)芯片是先開發(fā)300mm矽光子(Silicon Photonics)技術(shù),該技術(shù)是指利用橫切面僅幾百納米的矽波導(dǎo)(Waveguide)來形成光的線條,之后再將波導(dǎo)整合至芯片上的光子電路。

  研究人員認(rèn)為,矽光子也可利用現(xiàn)有晶圓技術(shù)來達(dá)到低成本量產(chǎn),過去10年來,許多CMOS晶圓廠也開發(fā)出專屬矽光子制程并可生產(chǎn)復(fù)雜光子系統(tǒng)。

  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(xué)及電子有興趣,因此在2011年成立電子光子異質(zhì)整合(Electronic-Photonic Heterogeneous Integration)計劃,并陸續(xù)推出大型光學(xué)相控陣列(Optical Phased Array)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(xué)相控陣列也可能成為小型、低成本固態(tài)光達(dá)理想解決方案。

  至于設(shè)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(dǎo)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(dāng)雷射穿越波導(dǎo)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(shù)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(dǎo)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(dá)感測器取得360度影像加以克服。

  該校的光達(dá)偵測方式是采連續(xù)方法,而非采用系統(tǒng)只能反應(yīng)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(Silicon Nitride)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(zhàn)則包括如何讓矽波導(dǎo)與天線統(tǒng)一與精準(zhǔn)制造,但預(yù)計隨著微影技術(shù)提升制造能力也可獲得改善。



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