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告別機械旋轉！MIT 發表「低串擾光學相控陣列」晶片：打造全固態、超廣角車載與無人機 LiDAR 感測器



圖靈學院編輯部
2026-7-30

 

一、 前言與產業痛點：傳統 LiDAR 的「大笨重」與固態 OPA 的終極願景

 

    在自動駕駛車輛、先進無人機（UAV）、工業移動機器人（AGV/AMR）以及擴增實境（AR/VR）等前沿領域中，光線探測和測距（LiDAR，光達）系統被譽為機器視覺的「眼睛」。然而，現今市面上主流的高效能 LiDAR 系統，大多仍依賴傳統的機械旋轉式結構或微機電系統（MEMS）鏡面來掃描雷射光束。這些光機電結構不僅體積龐大、造價昂貴，更易受機械震動、磨損與環境溫差影響，嚴重限制了其在惡劣工業環境與輕量化無人機上的推廣。

 

為了解決此一痛點，晶片級的「光學相控陣列」（Optical Phased Array, OPA）被視為實現「全固態（Solid-state）、無機械移動部件」LiDAR 的終極解答。OPA 透過在矽光子（Silicon Photonics）晶片上整合數十至數千個微型光學天線，並藉由電光相移器（Electro-optic phase shifters）精確控制各天線發射光的相位，便能在自由空間中實現超高速、非機械性的動態雷射光束偏轉與聚焦。除了 LiDAR 之外，OPA 在自由空間光通訊、微型 3D 顯示、光學捕捉（光鑷）、生醫光學（光遺傳學）以及晶片級 3D 列印等領域同樣具有巨大的應用潛力。

 

長期以來，光學相控陣列技術一直面臨著一個難以克服的光學物理瓶頸：「廣視角（Wide Field of View, FOV）與高訊噪比（SNR）無法兼得」。麻省理工學院（MIT）電子學研究實驗室（Research Laboratory of Electronics, RLE）Jelena Notaros 教授領導的研究團隊，於 2026 年 5 月在國際頂尖期刊《Nature Communications》上發表了突破性研究，成功破解了這一困擾光電學界多年的根本難題。


二、 關鍵物理瓶頸：旁波瓣干涉與漸逝波串擾的「雙面刃」

 

    要理解 MIT 團隊的突破，首先必須明白傳統光學相控陣列的設計困境。當 OPA 晶片上的光學天線陣列以固定間距（Pitch, d）排列時，其遠場發射圖樣由「天線因子」（Array Factor）與「單一天線圖樣」（Element Factor）共同決定：

 

  • 旁波瓣（Grating Lobes）的產生：若天線間距 d 大於雷射波長 λ（即 d >λ），光波在空間中干涉時會產生多個高能量的偽干涉峰（即旁波瓣）。這些旁波瓣不僅會嚴重的限制無混淆視角（Alias-free FOV），還會分散主光束的能量，急劇降低系統的訊噪比（SNR）。
  • 半波長間距（Half-wavelength Pitch）的代價：波動光學理論指出，要完全消除遠場中的旁波瓣，實現高達 180° 的全景無混淆視野，天線間距必須縮小至「半波長」——即 d = λ / 2。（以工作波長 λ = 1550 nm計算，天線間距僅為 775 nm）。
  • 近場漸逝波串擾（Evanescent Coupling & Crosstalk）：當天線間距被強行壓縮至 775 nm 時，相鄰光波導（Waveguide）內傳播的光場漸逝尾（Evanescent tails）會發生極強的重疊，導致天線之間產生高達 100% 的能量跨道串擾（Crosstalk）。光線會在相鄰天線間來回跳躍，徹底破壞所編程的相位陣列，導致發射光束質量嚴重惡化。

 

過去過渡方案的局限與缺陷

 

    先前各國研究團隊曾嘗試多種折衷方案以試圖解決旁波瓣，但各自存在不可忽視的缺點：

 

1. 非週期性天線間距（Aperiodic Spacing）：雖然能破壞干涉條件以抑制旁波瓣，但無法充分填補晶片光學孔徑，使得能量散布於背景噪聲中，顯著降低 SNR。


2. 振幅與相位複合調變：透過強制調變每個天線的振幅來補償串擾，但非均勻的孔徑照明同樣會損失遠場光束品質與 SNR。


3. 單一衍射板（Slab Grating）：無法產生複雜的二維相位圖樣（例如聚焦或全息發射）。


4. 端射型天線（End-fire Antennas）超晶格：僅適用於一維發射，光束發散角極大且缺乏波長色散特性，必須依賴昂貴且笨重的外接光學鏡片來聚焦。


三、 MIT 團隊的核心創新：有損耦合理論與「三重幾何交錯天線」

 

    為了打破這一物理僵局，MIT 研究團隊從最基礎的古典光學理論出發，提出了全新的解決方案。

 

1. 突破百年傳統：首創「有損耦合模態理論」（Lossy Coupled-Mode Theory）

 

    傳統的耦合模態理論（Coupled-Mode Theory, CMT）建立於無損耗（Lossless）系統上。然而，光學相控陣列天線本質上是透過微結構將波導內的能量散射（發射）至自由空間，因此天線波導本身具有顯著且不可忽略的傳播損耗（Radiative propagation loss, αi）。MIT 團隊推導出通用的「有損耦合模態方程式」，成功加入了模態損耗失配項 γ = (α1 - \α2)/2 與相位傳播常數失配項 δ = (β1 - β2)/2：

 

 

該數學模型不僅能完美擬合包含輻射損耗的近場耦合現象，更提供了精準設計低串擾天線陣列的理論基石。

 

2. 巧妙破解相位匹配：三重幾何結構交錯排列（Tri-Geometry Interleaved Array）

 

    根據耦合模態理論，兩根波導之間的能量轉移效率取決於相位匹配條件。若相鄰波導的傳播常數 β 存在足夠大的差異（即失配量 δ 遠大於耦合係數 κ），漸逝波耦合效應將被極大地抑制。研究團隊設計了三種不同寬度的矽光子波導天線：天線 1（寬度 550 nm）、天線 2（寬度 600 nm）、天線 3（寬度 650 nm），並以 1-2-3-1-2-3... 的循環週期交錯排列成陣列（間距嚴格保持為 775 nm）。這樣一來，任何相鄰的天線都具備完全不同的寬度與傳播常數，從物理機制上切斷了串擾的發生路徑。

 

3. 關鍵挑戰：完美保持發射特性的一致性

 

    降低串擾固然重要，但若三種天線發射出來的光束角度不同或散射強弱不一，遠場干涉依然會潰敗。團隊利用 Lumerical FDTD（時域有限差分法）進行了極其精密的幾何結構優化：

 

 

四、 實驗驗證：串擾驟降 99%、60 度動態掃描與 180 度無旁波瓣

 

    MIT 團隊在美國 AIM Photonics 300mm 矽光子晶圓商業化代工平台上完成了晶片製作與測試驗證，取得令業界矚目的實驗數據：

 

  • 串擾抑制比高達 100 倍：實驗測量顯示，在相同的 775 nm（半波長）緊密間距下，傳統單一幾何天線的能量轉移率高達 ~100%；而採用 MIT 三重幾何交錯天線後，相鄰天線間的跨道串擾急劇下降至僅 ~1%（量級降低達 2 個數量級 / 20 dB）。此結果完全驗證了新理論與幾何設計的有效性。
  • 180 度無旁波瓣視野（Grating-lobe-free）：團隊成功將該低串擾天線陣列整合入 16 通道光學相控陣列晶片中。在紅外線顯微系統成像下，全空間 180° 範圍內完全沒有出現任何偽干涉旁波瓣，僅呈現單一高清主光束。
  • 主動式電光 60 度掃描：透過控制晶片上的 16 組熱光相移器（Thermo-optic phase shifters），團隊展示了在陣列維度上進行 60° 範圍內的高精度動態光束偏轉，實測光束發散角為 6.1° x 0.3°，與理論預測高度吻合。
  • 雙維波長光束偏轉：結合波長可調式雷射（1415 nm ~ 1495 nm，跨度 80 nm），在天線維度上實現了額外 15° 的波長控制色散掃描，展現出完整的二維光束操控能力。

 

五、 跨領域產業影響：從自駕車到量子光線操控

 

    這項來自 MIT 的突破性成果，不單單是光子學理論的成功，更為多個高度依賴精密光學感知與操控的產業帶來革命性的影響：

 

1. 自動駕駛車輛（Automotive & LiDAR）

 

    現有自駕車的高階 LiDAR 系統單價昂貴，且車頂大型旋轉「雷達罩」嚴重影響車身空氣力學與美觀。MIT 的半波長低串擾 OPA 晶片能以低成本的矽光子晶圓級製程量產，將整個光學掃描頭縮小至指甲蓋大小。無機械移動部件意味著極高的耐震度與耐久性，且 180° 無旁波瓣廣角視野能輕易實現盲區偵測（Blind-spot Detection）與高解析度行人辨識。

 

2. 無人機（Drones）與微型移動機器人

 

    對於微型無人機與倉儲物流機器人（AGV/AMR），功耗與重量是生死關鍵。固態 OPA 晶片大幅降低了感測器的體積與重量，同時提供了超快反應速度（微秒級動態光束轉向），使無人機在狹窄的工業管道、森林或室內避障時具備更高的安全性。

 

3. 工業 4.0 精密自動化與晶片級 3D 列印

 

    在工業量測與非破壞性檢測中，高 SNR 且無雜散旁波瓣的光束至關重要。此外，該技術可直接應用於基於矽光子學的晶片級 3D 列印機（Chip-based 3D Printers），透過晶片表面發射精確聚焦的光束，在極微小空間內對光敏樹脂進行高精度 3D 固化曝光。

 

4. 自由空間光通訊（FSO）與量子光學

 

    自由空間光通訊（Free-Space Optical Communications）是低軌衛星網際網路與高頻寬機密通訊的關鍵。廣視角 OPA 能在無機械晃動的情況下，實現極快速的光束追蹤與對準。此外，在量子運算領域，該晶片可作為離子阱（Trapped-ion Quantum Systems）或光學夾（Optical Tweezers）的高精度多通道雷射定址工具，精準操控單一細胞或微觀離子。


六、 未來展望與商業化挑戰

 

    儘管成果斐然，研究團隊也在論文中指出了未來的優化方向：

 

1. 元件圖樣（Element Factor）發射角擴展：目前主動動態掃描受限於單一天線的元件圖樣強度，範圍暫為 60°。未來透過工程化設計更窄的天線幾何結構，可將主動偏轉角度擴展至完整的 180°。

 

2. 單向與均勻發射天線設計：導入單向發射（Unidirectional emission）結構，可避免雷射向矽基底反射造成的干涉盲點，進一步提高光功率利用效率。

 

3. 晶片級大規模陣列擴充：配合 3D CMOS-矽光子電子光子整合技術（Electronic-Photonic Integration），未來可將天線通道數自 16 通道擴展至 1024 通道甚至更高，實現超高解析度的遠距離雷射掃描。

 

MIT 團隊提出的低串擾矽光子天線架構，徹底解決了固態光學相控陣列面臨數十年的光學干涉與近場串擾矛盾。隨著矽光子晶圓代工產業鏈（如 AIM Photonics、TSMC 等）的成熟，這項技術預計將在未來 3 至 5 年內加速走向商業化落地，成為次世代車載 LiDAR、無人機感知與光通訊的核心基石。

 

 

參考文獻

Crawford-Eng, H., Coleto, A. G., Mazur, B. M., DeSantis, D. M., Sneh, T., & Notaros, J. (2026). Reduced-crosstalk antennas for grating-lobe-free and wide-field-of-view integrated optical phased arrays. Nature Communications, 17, Article 3942. https://www.google.com/search?q=https://doi.org/10.1038/s41467-026-71832-y