通用汽車剛剛收購Strobe公司的激光雷達晶元技術如何工作

通用汽車公司已經收購了Strobe，一家激光雷達初創公司，可以讓巨型汽車製造商在比賽中站起來，使自駕車成為主流技術。自主開車的Cruise（去年通用汽車公司收購）的創始人凱爾·沃格特（Kyle Vogt ）在星期一的博客文章中宣布收購。

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輕型雷達的激光雷達被廣泛視為自駕車的關鍵感測器技術。通過發出激光脈衝並測量它們反彈需要多長時間，激光雷達建立了汽車周圍的詳細三維地圖。

汽車激光雷達的第一代坐在汽車的頂部，圍繞車輛的周圍環繞360度視野。這些機械系統對於建造自駕駕駛汽車原型工作已經很好，但是它們的複雜性使得難以實現大眾市場所需的低成本和耐久性。

頻閃是許多初創公司主要技術之一，都一直在努力開發重新設計的激光雷達，其廉價和耐用的主流商業用途。頻閃沒有透露它的技術如何工作，但是我們可以通過觀察斯泰爾斯董事會成員約翰·鮑爾斯（John Bowers）的學術研究，進行有根據的猜測。鮑爾斯是加利福尼亞大學聖巴巴拉分校電氣和計算機工程系的教授，他花了幾年時間研究如何將激光雷達感測器的關鍵元件放在硅晶元上。

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激光雷達的自駕車可追溯到2005年，當時一家音響設備公司Velodyne的創始人大衛·霍爾（David Hall）決定參加DARPA的第二屆自駕車比賽。他的車沒有贏，但競爭對手注意到他為比賽打造的定製激光雷達。在DARPA 2007年第三場比賽之前，Velodyne的激光雷達安裝在成功完成挑戰的幾輛車上。Velodyne的激光雷達自那以來一直是行業標準。

霍爾的設計在概念上是簡單的，但技術上卻很難製造。霍爾在旋轉萬向節上安裝了一系列激光。每秒旋轉幾次，將通過車輛周圍的物體距離收集數據。

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360度的觀點是有非常正確的，在今天仍然廣泛使用 ，但是這種設計具有一些顯著的缺點。一方面早期Velodyne單位的精密機械部件和數十種激光器價格昂貴。在2010年初，用於原始自駕車的Velodyne激光雷達耗資約75000美元。此後，Velodyne已經建造了更小，更簡單的旋轉激光雷達，每台約8000美元，但對於大規模採購來說，仍然太貴了。

還不清楚這種機械激光雷達是否能夠承受日常使用的嚴酷程度。消費者預計他們的汽車可以在各種氣候和道路條件下開車數十萬英里。

許多專家認為，解決方案是建立「固態」激光雷達，無需物理旋轉激光。許多公司 包括Velodyne本身 - 一直在努力開發售價低於1000美元的固態激光雷達。這些激光雷達固定在一個地方，通常具有更窄的視野，需要幾個激光雷達才能得到由屋頂裝置提供的相同的360度可見度。然而，這些設備造價便宜得多，所以應該可以購買幾個固態激光雷達，並且又節省了超過旋轉激光雷達的成本。

固態激光雷達的關鍵挑戰是找到一種在不同方向照射光線的方法，而不會在周圍發出激光。一些公司包括德國晶元製造商英飛凌，在微電子機械系統（MEMS）周圍建立了雷達。一個微小的鏡子沿兩個軸線旋轉，在掃描場景時引導固定的激光束。

被稱為閃光激光雷達的第二種方法完全不需要掃描。相反，它用單個閃光燈照亮整個場景，然後使用二維數組的微小感測器來檢測來自不同方向的光線。這種方法的一個重大缺點：由於它更廣泛地分散光，可能難以檢測遠處的物體或具有低反射率的物體。

Bowers在加利福尼亞大學聖芭芭拉分校實驗室構建的系統採用了第三種方法，可以實現MEMS類掃描功能，而無需使用任何機械零件 ，即使是微小的掃描功能。他們的方法在2015年的論文「全集成混合硅二維光束掃描儀」中有所描述。

Bowers和他的UCSB同事使用一種技術將激光上下瞄準，並採用不同的技術將激光指向一側。對於第一維度，UCSB團隊使用了一種稱為光相控陣列的技術。相控陣是一排發射器，通過調整從一個發射機到下一個發射機的信號的相對相位可以改變電磁波的方向。

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如果發射機全部同步發射電磁波，則波束將被直接發送出去，即垂直於陣列。為了將光束引導到左邊，發射器偏移每個天線發出的信號的相位，所以來自左側發射機的信號在右側的發射機的後面。為了將光束指向右側，陣列相反，將最左側元素的相位向前移動到右側。維基百科有一個有用的例證說明它是如何工作的。

這種技術已經在雷達系統中使用了數十年，其中發射機是雷達天線。光學相控陣列對於激光採用相同的原理，將激光發射器陣列包裝到足夠小的空間以適合單個晶元。

在理論上，您可以構建一個二維光學相控陣列來創建可以沿兩個不同軸線瞄準的激光。但鮑爾斯和他的合著者認為這不實際。如果一維相控陣列需要n個發送元件（32是典型數字），則二維相控陣列將需要n個平方元件（在本示例中為1,024）。這是硅的大量浪費。

相反，鮑爾斯和他的同事們通過改變激光的頻率來實現瞄準的第二個維度，然後將光通過光柵陣列，就像老式的稜鏡一樣，將其在稍微不同的方向引導光。

因此，UCSB團隊建立了一個可以在兩個維度上上下左右的激光，沒有任何機械部件。他們知道如何將這個整體設計嵌入到面積小於一平方厘米的單晶元上。

非機械激光轉向是負擔起堅固的固態激光雷達的關鍵技術之一，但建立實際系統需要更多的技術。2016年被稱為「用於相干激光的光子集成電路」描述了改進晶元製造技術如何使激光雷達系統的越來越多的部件被包裝在單個晶元上。

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光子集成電路（PICs）在組件功能，損耗減少和高級功能集成方面完成了革命。「這部分是由與傳統CMOS製造工藝兼容的器件設計的發展驅動的。我們現在處於組件分集，低損耗和低成本製造的一個方面，使我們能夠考慮圍繞光子學的相干激光雷達系統的開發集成電路技術「。

在非常巧合的情況下，用於生產傳統計算機晶元的數十億美元的CMOS代工廠投資 - 」使得相同的製造基礎設施能夠生產傳播光的器件，這些器件可以很好地適用於許多電光通信和感測應用「。

然而，雖然硅是一些「被動」組件的良好材料，但它對激光和探測器等有源部件也不起作用。對於這些組件，更多異乎尋常的材料，如磷化銦，砷化鎵和鍺工作更好。

幸運的是，異構集成技術正在成熟。半導體工程師們將傳統的硅基組件與其他材料製成的光學組件結合得越來越好。

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