4種常用車載激光雷達(dá)光源技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)解析

  激光光源是車載激光雷達(dá)的核心器件之一。激光光源的選擇需綜合考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、激光雷達(dá)技術(shù)方案、性能需求以及成本需求，需要多種類型的激光光源來適應(yīng)不同的道路環(huán)境。目前常見的幾種光源主要包括邊發(fā)射激光器(EEL)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、固體激光器以及光纖激光器等。

  邊發(fā)射激光器(EEL)

  用于激光雷達(dá)的邊發(fā)射激光器，最常用的是InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱脈沖激光二極管(PLD, Pulsed laser diode)，波長以905 nm最為流行。

  相較于1550 nm波長，905 nm的主要優(yōu)點(diǎn)是硅在該波長處吸收光子，而硅基光電探測器通常比探測1550 nm光所需的銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測器更加成熟，從成本和整體成熟度方面來講是大批量應(yīng)用的必然選擇，性價(jià)比更高。

  因此，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測距，首先選擇905 nm脈沖激光二極管，再使激光脈沖的峰值功率盡可能大。同時(shí)對(duì)于高精度的激光雷達(dá)方案，激光脈沖的寬度和上升沿質(zhì)量對(duì)后續(xù)時(shí)間間隔的精確測量具有重要意義。905 nm脈沖激光二極管常見于掃描式激光雷達(dá)，包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)式和MEMS固態(tài)激光雷達(dá)。

  905 nm 脈沖激光二極管在測距領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用很多年，技術(shù)也是突飛猛進(jìn)。激光器芯片的發(fā)射單元結(jié)構(gòu)已由單層發(fā)展到兩疊層或三疊層甚至四疊層。隨著激光雷達(dá)對(duì)905 nm 脈沖激光二極管輸出功率及光學(xué)點(diǎn)陣云要求的提高，激光雷達(dá)所需的芯片結(jié)構(gòu)也由單通道發(fā)展到4通道，甚至6通道或8通道。這樣，905 nm 激光器的峰值功率隨之顯著增加，由單通道結(jié)構(gòu)約75 W提高到多通道結(jié)構(gòu)400 W甚至近千瓦。

  常見的905 nm PLD的封裝結(jié)構(gòu)是TO、蝶式、尾纖以及更好的散熱基座上直接安裝芯片等。德國歐司朗(Osram)公司是全球905 nm PLD主要的生產(chǎn)商，封裝結(jié)構(gòu)涉及到塑料TO-can、金屬TO-can，以及陶瓷基座上直接封裝芯片，峰值功率75 W到400 W不等, 單個(gè)通道電流40 A，峰值光功率最高達(dá)125 W，能效高達(dá)33%。而四通道的芯片具有四個(gè)發(fā)射區(qū)，如圖1所示，光功率高達(dá)480W，使得激光的探測范圍要遠(yuǎn)得多。

圖1 歐司朗四通道激光器產(chǎn)品

  日本濱松光子公司也發(fā)布了4通道905 nm脈沖激光二極管，圖2即是典型的基座上直接封裝芯片的結(jié)構(gòu)，可以滿足車規(guī)級(jí)的使用要求。

圖2 濱松陶瓷封裝的4通道 PLD

  此外，還有Excelitas Technologies、Laser Components、OSI LaserDiode Inc.、Wavespectrum Laser Group、瑞波光電等。

  激光雷達(dá)廠商在使用多通道高峰值功率PLD時(shí)，需要解決納秒級(jí)大電流驅(qū)動(dòng)電源及光學(xué)準(zhǔn)直兩個(gè)技術(shù)難題，西安炬光科技推出了集成了8通道PLD，如圖3所示，高速驅(qū)動(dòng)，光學(xué)整形的一體化雷達(dá)光源模塊，該模塊產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)900W峰值功率輸出，0.1x 25 °的準(zhǔn)直光斑輸出。這樣的高度集成光源模塊為激光雷達(dá)廠商解決了光源使用中的技術(shù)難題，降低了使用高功率PLD光源的技術(shù)門檻，是遠(yuǎn)距離車載激光雷達(dá)產(chǎn)品的優(yōu)選光源。

圖3 炬光科技 8通道905 nm激光雷達(dá)光源模塊

  垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

  VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一種垂直表面出光的新型激光器，其制造工藝與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相兼容，且大規(guī)模制造的成本很低。另一方面，VCSEL的生長結(jié)構(gòu)更易于芯片級(jí)的二維VCSEL陣列，不僅可以提高輸出功率，還為設(shè)計(jì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣光源提供了可能。

  VCSEL目前已廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、光通信等領(lǐng)域，是3D傳感的主要光源技術(shù)，隨著光功率的不斷提升，VCSEL在車載雷達(dá)、智能機(jī)器人等中長距領(lǐng)域也逐步開始得到應(yīng)用。

  近年來，車載激光雷達(dá)及3D感知發(fā)展非常迅速，引得國內(nèi)外大量廠商在VCSEL領(lǐng)域布局，國外廠商包括Lumentum、Finisar、Osram、II-VI等，國內(nèi)蘇州長光華芯建成投產(chǎn)了國內(nèi)首條具有完整生產(chǎn)工藝的VCSEL芯片生產(chǎn)線，提供850～940 nm波段的VCSEL產(chǎn)品，適用于飛行時(shí)間(ToF)和結(jié)構(gòu)光(Structured light)的方案。

  固體激光器

  固體激光器是閃光式車載激光雷達(dá)(Flash LiDAR)技術(shù)路線的激光光源方案。閃光式激光雷達(dá)是真正意義上的固態(tài)面激光雷達(dá)，激光雷達(dá)內(nèi)部沒有任何掃描或運(yùn)動(dòng)部件。

  用于Flash LiDAR的固體激光光源在設(shè)計(jì)和工藝上具有很大的挑戰(zhàn)，首先需要形成大角度視場(如125°x 25°)均勻照射市場，這需要將固體激光MW級(jí)點(diǎn)光源通過特殊的光場勻化技術(shù)進(jìn)行勻化，在三維空間形成均勻照射大視場。

  其次，需要讓固體激光器滿足車規(guī)級(jí)高低溫、震動(dòng)、壽命等可靠性要求。目前市場公開報(bào)道能夠提供車規(guī)級(jí)固體激光光源的是西安炬光科技的AL01系列光源，如圖4所示。該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)1064 nm/1.5 mJ/3 ns/單脈沖能量輸出，重復(fù)頻率30-50H。

圖4 炬光科技固體激光光源產(chǎn)品及激光照射視場能量分布數(shù)據(jù)

  閃光式激光雷達(dá)低時(shí)延、高分辨率顯著特點(diǎn)，特別適合于高速行駛路況下中遠(yuǎn)距離的激光雷達(dá)探測。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的汽車零配件公司已經(jīng)布局該技術(shù)路線，最先進(jìn)入市場的汽車零配件廠商預(yù)計(jì)將于2020年進(jìn)入量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)L2+級(jí)智能駕駛。

  光纖激光器

  1550 nm波長的激光光源也是某些車載激光雷達(dá)產(chǎn)品選擇的光。原因是1550 nm激光遠(yuǎn)離人眼吸收的可見光光譜，相比于905 nm激光, 同等功率的1550 nm激光人眼安全性提高40倍。

  在相同人眼安全等級(jí)的功率下，905 nm激光雷達(dá)很難在200 m以外的高速公路上看到高度為10 cm左右的物體，但是1550 nm激光雷達(dá)卻可以將檢測距離提高到300 m以上。此外，1550 nm配合調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)的技術(shù)，不僅可以檢測距離，同時(shí)可以利用多普勒頻移來測量物體的速度。大氣穿透能力強(qiáng)，人眼安全性高是1550 nm激光光源的顯著特點(diǎn)，但是相較于905 nm激光雷達(dá)，1550 nm激光雷達(dá)在光源及探測器成本、體積以及供應(yīng)鏈成熟度上還有明顯的不足。

  1550 nm激光雷達(dá)一般采用光纖激光器作為光源， 主要廠家有法國Lumibird、昂納（訊石備注：海創(chuàng)光電、AOI）此外也有一些激光雷達(dá)公司采用自已開發(fā)的光纖激光器，如美國Luminar、鐳神智能等。

  總結(jié)

  車載激光雷達(dá)是未來智能輔助駕駛、無人駕駛汽車多傳感器體系中必不可少的核心傳感器之一，隨著無人駕駛市場的高速發(fā)展，車載激光雷達(dá)光源的發(fā)展方興未艾，根據(jù)不同的駕駛環(huán)境需要，邊發(fā)射型半導(dǎo)體激光器，VCSEL激光器，固體激光器，光纖激光器都有各自的用武之地。

  作者簡介

  張雪峰，西安炬光科技股份有限公司總公司業(yè)務(wù)拓展總監(jiān);李勇，汽車事業(yè)部副總經(jīng)理;王警衛(wèi)，首席科學(xué)家。

  閔大勇，蘇州長光華芯光電技術(shù)有限公司董事長兼總經(jīng)理;吳真林，工程師，副總經(jīng)理。