據美國普渡大學官網近日報道，該校與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員創造出一種方法，讓調頻連續波激光雷達可以通過硅芯片上的機械控制與光調制，高分辨率地檢測附近快速移動的物體。

背景

如今，許多無人駕駛汽車都配備了激光雷達（LiDAR），激光雷達被人們形象地比喻為無人駕駛汽車的“眼睛”。它是一種利用激光來測量物體之間距離的遙感技術，通過激光光波先向目標發射探測信號，然后將其接收到的信號與發射信號相比較，從而獲得目標的位置（距離、方位和高度）、運動狀態（速度、姿態）等信息，實現對目標的探測、跟蹤和識別。

可是，有時當一個蹣跚學步的孩子和一個牛皮紙袋突然出現在視野中，無人駕駛汽車卻很難辨別二者之間的差異，因為激光雷達識別物體時有一定的局限性。無人駕駛汽車行業正在探索“調頻連續波”（FMCW）激光雷達來解決這一問題。

調頻連續波技術的工作原理，是通過相位檢測的方法來測量反射激光與發射激光之間的頻率差，利用該方法從理論上可以實現同時測速、測距。另外，調頻連續波技術還有一個優點，就是可以避免陽光和其他激光雷達系統的干擾，因此它將成為更有前景的激光雷達技術。

創新

近日，美國普渡大學 OxideMEMS 實驗室和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）光子與量子測量實驗室的研究人員創造出一種方法，讓調頻連續波激光雷達可以通過硅芯片上的機械控制與光調制，高分辨率地檢測附近快速移動的物體。相關論文發表在《自然（Nature）》雜志上。

新技術采用聲學更好地控制激光脈沖分裂為頻率梳，有望幫助激光雷達檢測附近高速移動的物體。（圖片來源：WoogieWorks graphic/Alex Mehler）

技術

調頻連續波激光雷達，是通過來自無人駕駛汽車頂部的掃描激光來檢測物體的。單個激光束拆分為一系列其他的波長來掃描一片區域，這些頻譜線的分布如同我們日常生活中使用的梳子，梳齒之間保持著相等的距離，因此這種激光源也稱為“微梳”。光線從物體上反射回來，通過光隔離器或光環行器進入探測器，光隔離器和光環行器確保所有的反射光最終到達光探測器陣列。

普渡大學和瑞士洛桑聯邦理工學院研究人員開發的技術，采用聲波來更快速地調諧這些組件，對附近物體進行更高分辨率的調頻連續波激光雷達檢測。

研究人員打造一個高次諧波體聲波諧振驅動的光隔離器，可使激光雷達更好地檢測從物體反射回來的光線。（圖片來源：Purdue University image/Hao Tian）

這項技術集成了由氮化鋁制成的微機電系統（MEMS）換能器，在兆赫到千兆赫茲的高頻率范圍內調節微梳。作為這項工藝的一部分，該團隊開發的光隔離器，在《自然通信（Nature Communications）》期刊上發表的一篇論文中有進一步的介紹。

相控 MEMS 換能器陣列通過將螺旋狀的應力波發射到硅芯片中來攪動光線，這種換能器也可以在手機中用來識別蜂窩頻段。

普渡大學電氣與計算機工程系教授 Sunil Bhave 表示：“這種攪動調制光線，使之只能向一個方向傳播。”

普渡大學電氣與計算機工程系博士生 Hao Tian 在普渡大學位于探索公園的比爾克納米技術中心的 Scifres 納米制造設施中打造出這款 MEMS 換能器。他將換能器與在瑞士洛桑聯邦理工學院開發的氮化硅光子晶圓集成到一起。

Tian 表示：“嚴格垂直限制的聲體波，可以防止串擾，并且可以近距離放置致動器。”

采用相同技術的其他換能器激發了一個聲波，以兆赫頻率振動芯片，演示了對于激光脈沖微梳或者孤子的亞微秒控制和調諧。

價值

《自然》論文的第一作者、在瑞士洛桑聯邦理工學院領導氮化硅光子芯片制造的 Junqiu Liu 表示：“這一成就在集成光子學、MEMS 工程以及非線性光學之間架起了橋梁，代表新興的芯片基微梳技術的一個新的里程碑。”

研究人員稱，這種光調制技術不僅將力學與光學結合到一起，而且涉及到的制造工藝使得這項技術更具商業可行性。MEMS 換能器可以通過最少的處理在氮化硅光子晶圓上簡單地制造。

瑞士洛桑聯邦理工學院物理系教授 Tobias Kippenberg 表示：“隨著目前未能預見到的應用將在多個領域出現，再一次證明這種混合系統可以獲得超越單一系統的優勢和功能。”

據研究人員稱，這項新技術將推動在功率關鍵型系統例如在太空、數據中心和便攜式原子鐘或者低溫等極端環境中的微梳應用。

Bhave 表示：“沒有這種多學科的洲際合作，就沒有我們的成果。”