一直以來，是否采用激光雷達(dá)都是區(qū)分自動(dòng)駕駛技術(shù)派系的「三八線」，相比 Waymo、Cruise 等中規(guī)中矩采用激光雷達(dá)方案的傳統(tǒng)派，馬斯克一直秉持著 AI 視覺方案+毫米波雷達(dá)取代激光雷達(dá)的思路。
這背后的核心原因在于激光雷達(dá)有兩大致命短板：
一是目前成本十分昂貴。二是在雨雪霧等極端天氣下精度會(huì)下降的很厲害。
一般來說，一臺(tái)自動(dòng)駕駛汽車不只需要一臺(tái)激光雷達(dá)，才能導(dǎo)航并避開包括行人在內(nèi)的障礙物，之類傳感器不僅塊頭大立在車頂影響美觀，而且目前價(jià)格也處在 8,000 至 30,000 美元左右。
年初 CES 期間，大疆所收購的 Livox 公司一舉推出 599 美元起步的激光雷達(dá)產(chǎn)品線，讓市場(chǎng)頗為激動(dòng)。說到底，還是激光雷達(dá)太貴了！
撰文 | 力琴、吳昕
編輯 | 四月
近日，學(xué)術(shù)界傳來好消息，來自斯坦福大學(xué)工程學(xué)院的教授 Jelena Vuckovic 及其團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法——將車頂那顆難看又顯眼的「煙囪」縮小到單顆硅芯片上，并且以數(shù)百美元的價(jià)格批量生產(chǎn)。
如果這項(xiàng)成果被證明在商業(yè)上可行，那么它將有助于開創(chuàng)自動(dòng)駕駛汽車的新時(shí)代。

斯坦福大學(xué)工程學(xué)院教授 Jelena Vuckovic
Jelena Vuckovic 及其團(tuán)隊(duì)的研究成果已經(jīng)發(fā)表于三月份《Nature》的子刊《Nature Photonics（自然 光子學(xué)）》，論文題為《Inverse-designed non-reciprocal pulse router for chip-based LiDAR》（逆向設(shè)計(jì)的片上激光雷達(dá)非互易性脈沖路由器）。
所謂激光雷達(dá)，實(shí)際上是「光檢測(cè)和測(cè)距」的簡寫，在概念上與雷達(dá)相同，只是它使用光代替無線電波來「看到」人眼不可見的事物，根據(jù)光脈沖向前發(fā)送和光束反射回探測(cè)器之間的延遲來測(cè)量汽車和物體之間的距離。
與雷達(dá)單元相比，激光雷達(dá)單元在檢測(cè)人和狗等生物方面做得更好，但是雷達(dá)在穿透霧，煙霧，雨水和其他大氣異常方面表現(xiàn)更好。

Vuckovic 教授的研究突破在于：研究人員使用一種稱為逆向設(shè)計(jì)的過程，創(chuàng)建了一種強(qiáng)大的算法，該算法可以沿一個(gè)方向向外發(fā)送一束紅外光，并測(cè)量反射回來需要多長時(shí)間。這些信息有助于揭示光束路徑中的物體。（補(bǔ)充背景：由于硅對(duì)紅外線是透明的，就像玻璃對(duì)可見光是透明的一樣。）
換句話說，算法為實(shí)際的光子電路繪制藍(lán)圖，光子電路執(zhí)行特定的功能，將激光束發(fā)射到汽車前方，以定位道路上的物體，并將反射光反射回探測(cè)器。
研究表明，這種以硅為基礎(chǔ)的芯片級(jí)非互易器件的發(fā)展，可能會(huì)為光通信和激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）的應(yīng)用帶來新的非線性器件和系統(tǒng)。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為基于χ（3）的互易性器件從根本上受到時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性和熱力學(xué)因素的限制，但它們的無源、無偏壓，簡單的體系結(jié)構(gòu)使其特別適合集成光子學(xué)，這對(duì)芯片級(jí)激光雷達(dá)具有特殊的意義。
一
更小的激光雷達(dá)器件如何實(shí)現(xiàn)？
這項(xiàng)研究主要基于硅基光電子技術(shù)，在上個(gè)世紀(jì) 80 年代被提出了，并取得了一些成果。但是由于硅的特性，使得硅基有源器件一直無法發(fā)展。直到 2004 年 Intel 公司在《nature》上發(fā)表硅基 MOS 結(jié)構(gòu)的調(diào)制器，真正商業(yè)化的硅光技術(shù)才開始發(fā)展，到目前，硅光技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。
Vuckovic 教授團(tuán)隊(duì)的論文提到，諸如隔離器和循環(huán)器之類的非互易性器件是微波和光頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵啟用技術(shù)，將非互易性器件小型化并提高其性能，能夠使其在光學(xué)通信、信號(hào)處理、光譜學(xué)和傳感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用成為可能。
盡管基于電磁效應(yīng)的非互易性器件可用于自由空間和光纖通信系統(tǒng)，但它們的片上集成仍然具有挑戰(zhàn)性，主要是由于伴隨著高插入損耗、弱磁光效應(yīng)和材料不兼容的緣故。
而新的研究表明，χ（3）非線性器件消除了這種需求，可以在單片集成平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)無源、低損耗、無偏置的非互易傳輸，適用于芯片級(jí)激光雷達(dá)的應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)在研究χ（3）非線性器件的同時(shí)，還利用逆設(shè)計(jì)研究了級(jí)聯(lián) Fano Lorentzian 諧振器系統(tǒng)，在保持高傳輸率的同時(shí)增加非互易強(qiáng)度范圍。

在絕緣體硅平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的級(jí)聯(lián) Fano-Lorentzian 諧振器的 SEM 圖像
目前，絕大多數(shù)非線性非互易超表面都基于 Fano 諧振原理，依賴于電磁波與超表面非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的諧振作用，原理簡單、實(shí)現(xiàn)成本較低。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置了兩端口 Fano 諧振裝置，在諧振器耦合區(qū)域的波導(dǎo)中設(shè)計(jì)了一個(gè)部分傳輸元件（PTE），以在響應(yīng)函數(shù)中創(chuàng)建 Fano 線形。
雖然 PTE 的寄生損耗、固有的腔損耗會(huì)嚴(yán)重降低，但是反向設(shè)計(jì)使他們能夠通過 PTE 減輕額外的腔損耗，同時(shí)并行管理腔-波導(dǎo)的耦合強(qiáng)度。最后證明，F(xiàn)ano 諧振器所具有的尖銳的線形以及較低的固有損耗仍可以在中等功率水平上提供非互易性傳輸。
基于級(jí)聯(lián)的非線性諧振，可在較寬的功率范圍內(nèi)工作。與在任何輸入功率下工作的線性互易性器件不同，基于單個(gè)諧振器的非線性無源器件只能在有限的信號(hào)功率（NRIR）范圍內(nèi)導(dǎo)致不可逆?zhèn)鬏敚鴥蓚€(gè)諧振器級(jí)聯(lián)器件可以設(shè)計(jì)成打破 NRIR 內(nèi)任何功率值的單諧振器界限。
二
距離測(cè)量穩(wěn)定性如何保證？
除此外，研究團(tuán)隊(duì)還演示了非互易基于傳輸和全光路由的光學(xué)測(cè)距測(cè)量，以確保測(cè)量的穩(wěn)定性。

用于光學(xué)測(cè)距的實(shí)驗(yàn)原理圖
為了產(chǎn)生鎖模脈沖，研究團(tuán)隊(duì)使用光纖環(huán)形諧振器，該諧振器由光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、偏振控制器和帶通濾波器組成。
鎖模是光學(xué)里一種用于產(chǎn)生極短時(shí)間激光脈沖的技術(shù)，脈沖的長度通常在皮秒甚至飛秒。5 MHz 的脈沖重復(fù)頻率允許測(cè)量距離長達(dá) 60 m，并且可以使用帶通濾波器將脈沖的中心頻率調(diào)整為 Fano 器件的工作范圍。
生成的脈沖流由基于光纖的耦合器分流，一部分脈沖流直接發(fā)送到設(shè)備端口 1。另一部分脈沖流首先通過光纖延遲線，然后發(fā)送到端口 2。鑒于 Fano 諧振器所起的作用，耦合到端口 2 的脈沖流不會(huì)傳播到端口 1。
而來自端口 1 的脈沖流傳輸?shù)皆O(shè)備的端口 2。該設(shè)備將脈沖流從端口 2 到與 Fano 諧振器耦合的另一個(gè)波導(dǎo)中的端口 3。在此處與來自端口 1 的輸入脈沖流結(jié)合以生成雙脈沖流的電信號(hào)跡線。

距離與時(shí)間的關(guān)系圖，其中時(shí)間增量是參考脈沖周期，顯示距離測(cè)量的穩(wěn)定性
研究通過測(cè)量距離跡線的放大視圖，證明了這種光學(xué)距離測(cè)量的穩(wěn)定性。
研究表明，F(xiàn)ano 非互易發(fā)射器-路由器設(shè)備可以保護(hù)脈沖激光源免受反射脈沖流的影響，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)將來自這些反射脈沖的光路由到另一個(gè)波導(dǎo)。如果另一個(gè) Fano 諧振器串聯(lián)連接，且延時(shí)對(duì)應(yīng)于脈沖寬度的一半，則即使在同時(shí)激發(fā)的情況下，反射脈沖也可以被隔離。
基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)證明已實(shí)現(xiàn)的無源非對(duì)等發(fā)射機(jī)和路由器，在完全集成的芯片級(jí)激光雷達(dá)系統(tǒng)中作為基本組件的可行性。
三
激光雷達(dá)能否大規(guī)模運(yùn)用在無人駕駛汽車
當(dāng)然，在芯片上建立這種測(cè)距機(jī)制，只是制造廉價(jià)激光雷達(dá)的第一步。研究人員表示，目前正在研究下一個(gè)里程碑，確保激光束可以旋轉(zhuǎn)而不使用昂貴的機(jī)械部件。
該研究的下一步是研制「單芯片激光雷達(dá)」，以擴(kuò)大其覆蓋范圍，直到包括完整的 360 度圓角，而無需使用機(jī)械零件。
Vuckovic 預(yù)計(jì)，她的實(shí)驗(yàn)室離建造一個(gè)供道路測(cè)試使用的原型機(jī)還有大約三年的時(shí)間?！肝覀冋圃煲粋€(gè)激光雷達(dá)芯片的方向發(fā)展，這種芯片的價(jià)格非常便宜，足以幫助為自動(dòng)汽車創(chuàng)造大眾市場(chǎng)?！?br/>迄今為止，馬斯克拒絕使用激光雷達(dá)，他說，一套攝像頭和雷達(dá)傳感器可以在沒有激光雷達(dá)限制的情況下做得更好。如果激光雷達(dá)的成本大幅下降，他可能會(huì)改變自己的曲調(diào)。對(duì)于完整的自我駕駛，似乎更多的信息總應(yīng)該比少好。