MIT开发全新光达系统 可投入CMOS进行芯片量产

2016-09-12 09:35:15来源: Digitimes
美国麻省理工学院(MIT)日前开发出比目前市面上光达(LiDAR)更轻薄与低成本的光达系统,而且由于不采用运动机件将更为耐用,其非机械式光束操控速度更比目前机械光达系统快上1,000倍。另外,其优点之一是可利用现有CMOS设备量产。
 
据IEEE Spectrum报导,光达是利用雷射光进行感测的技术,虽类似雷达但却可获得更高解析度,因为光线波长比无线电波长小10万倍。光达系统借由测量在3D空间内的每一个画素离发光元件的距离以及画素方向来形成全3D世界模型。
 
光达系统基本操作方式是传输光束并测量光反射某物体后的讯号,反射讯号回到光达模组的时间,可用来直接测量与物体的距离。另外,分析反射讯号也可获得诸如物体速度或材料成分等其他资讯,最后借由操控传输光来测量环境中不同的点而形成全3D模型。
 
包括自驾车采用的多数光达系统都是采用雷射、镜头与外部接受器等独立自由空间光学元件,但其机械化设计不仅限制光达系统扫描率也会增加尺寸与复杂度,加上市售高阶光达系统价格介于1,000~7万美元之间,因此在成本必须最小的应用上便受到限制。
 
因此MIT光子微系统研究群(Photonic Microsystems Group)便利用机械化光达系统,并整合至微芯片上,以便能在CMOS厂内量产。
 
该校设计的元件比目前光达系统更小、轻盈与便宜,而且不采运动机件设计而更加坚固耐用,其非机械光束操控更比目前机械光达系统速度快1,000倍,可望加快影像扫描率,因此适合准确追踪小型高速物体,对于高速无人飞行载具闪躲障碍物相当重要。
 
该校研发的光达芯片是先开发300mm矽光子(Silicon Photonics)技术,该技术是指利用横切面仅几百纳米的矽波导(Waveguide)来形成光的线条,之后再将波导整合至芯片上的光子电路。
 
研究人员认为,矽光子也可利用现有CMOS晶圆技术来达到低成本量产,过去10年来,许多CMOS晶圆厂也开发出专属矽光子制程并可生产复杂光子系统。
 
美国国防高等研究计划署(DARPA)过去由于对微缩与整合与矽光子学及电子有兴趣,因此在2011年成立电子光子异质整合(Electronic-Photonic Heterogeneous Integration)计划,并陆续推出大型光学相控阵列(Optical Phased Array)以及拥有广角可操控光束的阵列。
 
由于电子相控阵列已被使用在非机械无线电光束操控,因此,光学相控阵列也可能成为小型、低成本固态光达理想解决方案。
 
至于MIT设计的元件则包括0.5x6mm矽光子芯片、可操控传输与接收相控阵列以及锗光侦测器组成。
 
该元件的热移相器可直接让波导加热来让雷射传送,而矽折射率则可依温度而定,改变穿越的光的速度与相,当雷射穿越波导之后会碰到矽上被视为天线的凹槽(Notch),再将让光散射进入自由空间。
 
由于受限于天线之间的间距,目前光束操控范围约51度,该校技术虽可支援到100度操控,但若要再缩小间距必须先确定保留光的矽波导最小能缩小到多小。不过,目前则可利用在车上采用多个光达感测器取得360度影像加以克服。
 
该校的光达侦测方式是采连续方法,而非采用系统只能反应元件传输光的时差测距(time-of-flight)方式,因此可降低阳光的干扰,同时可采用适度的光侦测器,取代昂贵且不易整合至光电子平台的雪崩式光侦测器或光电倍增管。
 
研究人员也指出,在芯片中采用诸如氮化矽(Silicon Nitride)等材料也可将功率输出大幅增加,采用大型相控阵列也可减少光束绕射。至于目前挑战则包括如何让矽波导与天线统一与精准制造,但预计随着微影技术提升制造能力也可获得改善。
 

关键字:MIT

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/article_201609121874.html
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