固态激光雷达或将超越现有机电式方案

相信大家都熟悉传统旋转雷达天线，该设备常用于飞机、船舶追踪及运动目标监测（图 1）。这款已成熟应用数十年的天线包含大量运动部件，其中滑环负责在固定基座与顶部旋转组件之间传输电力与信号。

但在多数应用场景下，这类旋转雷达天线已逐步被相控阵天线取代，后者依靠电子方式实现波束转向。波束赋形技术具备无运动部件的优势，还能动态调节雷达波束宽度与扫描方向。

射频雷达存在光学领域的同类技术：激光雷达（LiDAR，光探测与测距）。其工作原理与早期雷达相似（雷达英文缩写 RADAR 现已无需全大写，通用小写书写）。传统激光雷达依靠精密但结构复杂的机构驱动旋转反射镜完成扫描。

激光雷达的应用难点进一步加剧：大量设备搭载于自动驾驶车辆等移动载体，长期承受冲击、振动等恶劣工况。因此，采用光学相控阵、完全无运动部件的固态方案具备极高实用价值。

基于硅光芯片的激光雷达传感器

麻省理工学院（MIT）研究团队基于硅光子芯片阵列，研发出一套全新激光雷达传感方案。该集成光学相控阵（OPA）无需机械结构，即可对发射光束进行多方向全域扫描。研究人员通过调节各路光波的相位，改变光束从阵列射出的角度，以此实现纯电控波束转向，全程无任何机械运动部件。

该方案逻辑看似简单，为何迟迟未能大规模落地？核心在于性能取舍。若发射单元（光学天线）排布间距过小，各通道输出光场会发生倏逝波耦合，光束信号相互干扰、波形紊乱（图 2）。

为规避光耦合干扰，工程师通常会拉大天线间距，但此举又会衍生新缺陷：阵元间距过宽时，阵列会朝多个角度发射同源光束。主波束仅能在极小角度范围内清晰识别，超出区间后便与旁瓣光束无法区分。这类旁瓣光束被称为栅瓣，不仅会造成传感器误检测，还会无谓消耗发射功耗。

麻省理工团队设计出一类低串扰光学天线，即便密集排布也不会产生显著光耦合效应，以此攻克上述难题（图 3）。

常规集成光学相控阵中，所有光学天线采用完全相同的波纹结构设计；同种天线近距离排布时，光场耦合效应极强。

多异型几何结构光学天线

为突破这一核心瓶颈，MIT 团队设计出三种几何形态各异的光学天线，分别调整天线宽度、波纹尺寸与排布方式。差异化结构使每种天线拥有独特光传输系数（决定光波在天线内的传播特性），各天线之间互不产生光场耦合干扰。

这套天线设计必须同时满足三项硬性指标：

1. 所有天线输出光功率保持一致；

2. 同一波长入射光下，全部天线光束发射角度相同；

3. 阵列电控转向时，光束发射角度可均匀同步偏移。

三项要求严苛且存在一定矛盾：想要降低串扰，天线必须采用差异化结构；但同时又要求所有天线发射性能完全统一。工程上虽可实现该目标，但难度极大 —— 不同几何结构的光学天线，光学特性天然存在差异。

研究团队深入辐射模耦合基础电磁场理论，以此为理论指导完成天线建模与仿真。基于这套理论，团队加工出低串扰集成光学相控阵，其天线排布密度远高于传统方案，并完成整机实物测试（图 4）。

该相控阵可将通道间光耦合度控制在 1% 左右，同时输出单一、高精度定向光束。实测可在无栅瓣干扰的前提下，实现大视场范围内精准电控波束扫描（图 5）。

需说明：该方案视场覆盖角度为 180°，不及机电旋转式激光雷达的 360° 全域扫描；但可通过多阵列组合方案弥补这一局限。