不管是在自動駕駛汽車上還是嵌入在最新的小工具中，光檢測和測距（激光雷達）系統都可能在我們的技術未來中發揮重要作用，使車輛能夠實時“查看”手機地圖三維圖像并增強視頻游戲中的增強現實。但是目前面臨一些挑戰：這些3D成像系統可能體積龐大，昂貴且難以縮小到這些新興應用所需的尺寸。

但是科羅拉多大學博爾德分校的研究人員離解決方案又邁出了一大步。在Optica上發表的一篇新論文中，他們描述了一種新的硅芯片-無活動部件或電子設備-可以提高激光雷達系統所需的分辨率和掃描速度。

該研究的主要作者內森·多斯達恩（Nathan Dostart）表示：“我們正在尋求用這種扁平的小芯片來理想地取代笨重的大型激光雷達系統?！?

當前的商用激光雷達系統使用大的旋轉鏡來操縱激光束，從而產生3D圖像。在過去的三年中，Dostart和他的同事一直在研究一種新的轉向激光束的方法，稱為波長轉向-該方法將激光的每個波長或“顏色”都指向一個唯一的角度。

他們不僅開發了一種同時沿兩個維度進行此版本的方法，而且不僅開發了一種方法，而且還使用“彩虹”圖案拍攝3D圖像，從而實現了彩色化。由于只需更改顏色即可輕松控制光束，因此可以同時控制多個相控陣以創建更大的光圈和更高分辨率的圖像。

這項新研究的合著者，電氣和計算機工程學教授凱爾文·瓦格納說：“我們已經找到了如何將二維彩虹放入一個很小的芯片中的方法?！?

電氣通訊的終結

無人駕駛汽車目前是一個價值500億美元的產業，預計到2026年其價值將超過5,000億美元。盡管當今道路上的許多汽車已經具有一些自動駕駛輔助功能，例如增強的巡航控制和自動車道居中，但真正的競賽就是要創造一種無需駕駛員親自輸入也不負責的自動駕駛汽車。在過去的15年左右的時間里，創新者已經意識到，要做到這一點，汽車將不僅需要照相機和雷達，還需要激光雷達。

通過波長控制的硅光子光學相控陣解決的光柵掃描圖案。該圖案的彎曲是片上波導系統中色散的指標。圖片來源：Nathan Dostart

激光雷達是一種遙感方法，它使用激光束（不可見光脈沖）來測量距離。這些光束從其路徑上的所有物體反射回來，并且傳感器收集這些反射，以實時創建周圍環境的精確三維圖像。

激光雷達就像是光的回聲定位：它可以告訴您圖像中每個像素的距離。它已經在衛星和飛機上使用了至少50年，用于進行大氣感應并測量水體的深度和地形的高度。

盡管在激光雷達系統的尺寸上取得了長足的進步，但到目前為止，它們仍然是自動駕駛汽車中最昂貴的部分-每輛汽車的價格高達7萬美元。

為了有一天在消費市場上廣泛工作，激光雷達必須變得更便宜，更小且更簡單。一些公司正在嘗試使用硅光子學來實現這一壯舉：電氣工程領域的新興領域，它使用可以處理光的硅芯片。

該研究小組的新發現是用于激光雷達系統的硅芯片技術的重要進步。

波士頓大學工程合著者兼副教授米洛什·波波維奇（Milo?Popovi?）表示：“電子通信已達到極限，光學必須發揮作用，這就是所有這些大公司都致力于使硅光子技術在工業上可行的原因。”

這些硅芯片可以制造得更簡單，更小，同時保持其成像的高分辨率和準確性，并且可以應用更多的技術，包括自動駕駛汽車和智能手機。

有傳言稱，即將面世的iPhone 12將采用激光雷達相機，就像iPad Pro中的相機一樣。這項技術不僅可以提高面部識別的安全性，而且有一天可以幫助創建攀登路線圖，測量距離甚至識別動物的蹤跡或植物。

Dostart表示：“我們正在提出一種使用芯片技術的激光雷達可擴展方法。這是該方法的第一步，也是其第一步，還有很長的路要走。”