一直以來，是否採用激光雷達都是區分自動駕駛技術派系的「三八線」，相比 Waymo、Cruise 等中規中矩採用激光雷達方案的傳統派，馬斯克一直秉持著 AI 視覺方案+毫米波雷達取代激光雷達的思路。
這背後的核心原因在於激光雷達有兩大致命短板：
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下降的很厲害。
一般來說，一臺自動駕駛汽車不只需要一臺激光雷達，才能導航並避開包括行人在內的障礙物，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產品線，讓市場頗為激動。說到底，還是激光雷達太貴了！
撰文 | 力琴、吳昕
編輯 | 四月
近日，學術界傳來好消息，來自斯坦福大學工程學院的教授 Jelena Vuckovic 及其團隊提出了一種新方法——將車頂那顆難看又顯眼的「煙囪」縮小到單顆硅芯片上，並且以數百美元的價格批量生產。
如果這項成果被證明在商業上可行，那麼它將有助於開創自動駕駛汽車的新時代。
斯坦福大學工程學院教授 Jelena Vuckovic
Jelena Vuckovic 及其團隊的研究成果已經發表於三月份《Nature》的子刊《Nature Photonics（自然 光子學）》，論文題為《Inverse-designed non-reciprocal pulse router for chip-based LiDAR》（逆向設計的片上激光雷達非互易性脈衝路由器）。
所謂激光雷達，實際上是「光檢測和測距」的簡寫，在概念上與雷達相同，只是它使用光代替無線電波來「看到」人眼不可見的事物，根據光脈衝向前發送和光束反射回探測器之間的延遲來測量汽車和物體之間的距離。
與雷達單元相比，激光雷達單元在檢測人和狗等生物方面做得更好，但是雷達在穿透霧，煙霧，雨水和其他大氣異常方面表現更好。
Vuckovic 教授的研究突破在於：研究人員使用一種稱為逆向設計的過程，創建了一種強大的算法，該算法可以沿一個方向向外發送一束紅外光，並測量反射回來需要多長時間。這些信息有助於揭示光束路徑中的物體。（補充背景：由於硅對紅外線是透明的，就像玻璃對可見光是透明的一樣。）
換句話說，算法為實際的光子電路繪製藍圖，光子電路執行特定的功能，將激光束髮射到汽車前方，以定位道路上的物體，並將反射光反射回探測器。
研究表明，這種以硅為基礎的芯片級非互易器件的發展，可能會為光通信和激光雷達（光探測和測距）的應用帶來新的非線性器件和系統。
研究團隊認為基於χ（3）的互易性器件從根本上受到時間反轉對稱性和熱力學因素的限制，但它們的無源、無偏壓，簡單的體系結構使其特別適合集成光子學，這對芯片級激光雷達具有特殊的意義。
一 更小的激光雷達器件如何實現？
這項研究主要基於硅基光電子技術，在上個世紀 80 年代被提出了，並取得了一些成果。但是由於硅的特性，使得硅基有源器件一直無法發展。直到 2004 年 Intel 公司在《nature》上發表硅基 MOS 結構的調製器，真正商業化的硅光技術才開始發展，到目前，硅光技術也得到了迅速的發展。
Vuckovic 教授團隊的論文提到，諸如隔離器和循環器之類的非互易性器件是微波和光頻通信系統的關鍵啟用技術，將非互易性器件小型化並提高其性能，能夠使其在光學通信、信號處理、光譜學和傳感領域的廣泛應用成為可能。
儘管基於電磁效應的非互易性器件可用於自由空間和光纖通信系統，但它們的片上集成仍然具有挑戰性，主要是由於伴隨著高插入損耗、弱磁光效應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中實現無源、低損耗、無偏置的非互易傳輸，適用於芯片級激光雷達的應用。
研究團隊在研究χ（3）非線性器件的同時，還利用逆設計研究了級聯 Fano Lorentzian 諧振器系統，在保持高傳輸率的同時增加非互易強度範圍。
在絕緣體硅平臺上實現的級聯 Fano-Lorentzian 諧振器的 SEM 圖像
目前，絕大多數非線性非互易超表面都基於 Fano 諧振原理，依賴於電磁波與超表面非對稱結構的諧振作用，原理簡單、實現成本較低。
研究團隊設置了兩端口 Fano 諧振裝置，在諧振器耦合區域的波導中設計了一個部分傳輸元件（PTE），以在響應函數中創建 Fano 線形。
雖然 PTE 的寄生損耗、固有的腔損耗會嚴重降低，但是反向設計使他們能夠通過 PTE 減輕額外的腔損耗，同時並行管理腔-波導的耦合強度。最後證明，Fano 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。
基於級聯的非線性諧振，可在較寬的功率範圍內工作。與在任何輸入功率下工作的線性互易性器件不同，基於單個諧振器的非線性無源器件只能在有限的信號功率（NRIR）範圍內導致不可逆傳輸，而兩個諧振器級聯器件可以設計成打破 NRIR 內任何功率值的單諧振器界限。
二 距離測量穩定性如何保證？
除此外，研究團隊還演示了非互易基於傳輸和全光路由的光學測距測量，以確保測量的穩定性。
用於光學測距的實驗原理圖
為了產生鎖模脈衝，研究團隊使用光纖環形諧振器，該諧振器由光纖放大器、半導體光放大器、偏振控制器和帶通濾波器組成。
鎖模是光學裡一種用於產生極短時間激光脈衝的技術，脈衝的長度通常在皮秒甚至飛秒。5 MHz 的脈衝重複頻率允許測量距離長達 60 m，並且可以使用帶通濾波器將脈衝的中心頻率調整為 Fano 器件的工作範圍。
生成的脈衝流由基於光纖的耦合器分流，一部分脈衝流直接發送到設備端口 1。另一部分脈衝流首先通過光纖延遲線，然後發送到端口 2。鑑於 Fano 諧振器所起的作用，耦合到端口 2 的脈衝流不會傳播到端口 1。
而來自端口 1 的脈衝流傳輸到設備的端口 2。該設備將脈衝流從端口 2 到與 Fano 諧振器耦合的另一個波導中的端口 3。在此處與來自端口 1 的輸入脈衝流結合以生成雙脈衝流的電信號跡線。
距離與時間的關係圖，其中時間增量是參考脈衝週期，顯示距離測量的穩定性
研究通過測量距離跡線的放大視圖，證明了這種光學距離測量的穩定性。
研究表明，Fano 非互易發射器-路由器設備可以保護脈衝激光源免受反射脈衝流的影響，從而使系統穩定運行，同時將來自這些反射脈衝的光路由到另一個波導。如果另一個 Fano 諧振器串聯連接，且延時對應於脈衝寬度的一半，則即使在同時激發的情況下，反射脈衝也可以被隔離。
基於這些發現，研究團隊的實驗證明已實現的無源非對等發射機和路由器，在完全集成的芯片級激光雷達系統中作為基本組件的可行性。
三 激光雷達能否大規模運用在無人駕駛汽車
當然，在芯片上建立這種測距機制，只是製造廉價激光雷達的第一步。研究人員表示，目前正在研究下一個里程碑，確保激光束可以旋轉而不使用昂貴的機械部件。
該研究的下一步是研製「單芯片激光雷達」，以擴大其覆蓋範圍，直到包括完整的 360 度圓角，而無需使用機械零件。
Vuckovic 預計，她的實驗室離建造一個供道路測試使用的原型機還有大約三年的時間。「我們正朝著製造一個激光雷達芯片的方向發展，這種芯片的價格非常便宜，足以幫助為自動汽車創造大眾市場。」
迄今為止，馬斯克拒絕使用激光雷達，他說，一套攝像頭和雷達傳感器可以在沒有激光雷達限制的情況下做得更好。如果激光雷達的成本大幅下降，他可能會改變自己的曲調。對於完整的自我駕駛，似乎更多的信息總應該比少好。
