雪崩光电二极管的创新技术，应对激光雷达的成本挑战
2024-07-07 06:24:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
Phlux Technology的InGaAs技术可以使雪崩光电二极管（APD）在1550 nm波长下工作，灵敏度是传统APD的12倍，并且克服了905 nm激光器相关的许多挑战。
据麦姆斯咨询介绍，Phlux Technology的InGaAs技术可以使雪崩光电二极管（APD）在1550 nm波长下工作，灵敏度是传统APD的12倍，并且克服了905 nm激光器相关的许多挑战。
假如没有传感器，自动驾驶汽车将无法感知周围环境及潜在危险。同样地，大量高级驾驶辅助系统（ADAS）也同样如此。某些ADAS功能（例如盲点检测和自适应巡航控制）需要探测不同的距离，这促使汽车工程师选择合适的传感器技术，例如超声波传感器、雷达（RADAR）和激光雷达（LiDAR）。越来越多的传感器融合技术，使多种探测方法获得的数据被“融合”在一起，以创建一个更精确、更多维的车辆周围环境图像。
激光雷达是一种常用的探测物体的方法——通过激光器发射红外光并检测反射光，利用飞行时间（ToF）计算出激光雷达和物体之间的距离，通常可以探测到200米远的物体。最初，激光雷达的扫描子系统非常昂贵，特别是那些使用旋转机械马达来控制视场（FOV）的子系统。然而，随着激光雷达的日益普及，以及基于MEMS微镜的视场控制的发展，成本已经大大降低。
APD在反向电压下工作，使其工作电压略低于击穿电压，以实现最大增益
与很多传感应用一样，该传感器的规格决定了整个子系统的性能特征。激光雷达中的接收传感器通常是光电二极管，其将反射光转换为电信号。APD的敏感度高，因为其涉及雪崩过程产生乘数因子，从给定数量的反射光子中产生更多的电子输出。
成本仍然是一个主要考虑因素
迄今为止，APD的制造常会用到铟镓砷（InGaAs）工艺。Phlux Technology宣布已经开发出一种能够在1550 nm波长下工作的InGaAs技术，其灵敏度比传统APD高12倍，并且克服了905 nm激光器相关的许多挑战。据麦姆斯咨询报道，近期，EE Times Europe采访了Phlux Technology首席执行官（CEO）兼联合创始人Ben White，以了解1550nm波长为汽车传感应用提供更好性能的奥秘。
Ben White
Ben White告诉EE Times Europe：“最初，Phlux Technology技术是谢菲尔德大学（The University of Sheffield）的一个研究项目，我和我的联合创始人兼教授取得了早期的突破——发现一种特殊的锑合金成分表现出一些独特的电子特性，这种特性的噪声非常低，可以用于探测器”。
他接着说：“激光雷达在汽车领域中的应用越来越多，然而，激光器的成本仍然是大规模推出激光雷达的限制性挑战。利用我们的高灵敏度APD，子系统设计人员可以使用成本更低的激光器来实现与传统InGaAs APD匹配的昂贵激光器相同的传感性能。如此即可将整体材料成本降低到可以批量生产的程度。”
EE Times Europe问Ben White，除了成本之外，是否还有其它限制因素。他回答：“可靠性对汽车行业来说是一个重大指标，考虑到召回成本，即使只是数个部件的故障，也会造成实质性的负面影响。因此，产品的整个生命周期中，无论何种情况下，保证极低的故障率至关重要，据我们所知，这是当今激光雷达系统的挑战之一。”
905 nm vs. 1550 nm
Ben White告诉EE Times Europe，目前，激光雷达行业在使用最佳波长方面似乎分为两大阵营。“在905 nm波长方面，人们可以使用廉价的砷化镓激光器和低成本的硅探测器。”
然而，他警告说：“905nm波长，非常接近人眼可吸收的波长，因为人眼角膜仍然可以将光聚焦到视网膜上，所以人们必须使用低功率激光器。但是这样做的话，没有所需的光子预算，无法在一个合理的视野范围内使用单一通道看到所需的250米远。我们注意到大部分公司使用256线激光探测器来解决这个问题。虽然人们可以采用低成本的组件，但最终需要使用大量的组件来弥补性能不足。所以采用廉价组件的方案使得系统变得更加复杂。”
Ben White表示，Phlux Technology的高灵敏度Aura Noiseless InGaAs APD系列专注于1550 nm波长。“在这个波长工作，人们可以使用更大的激光功率而不会损害人眼。角膜不会聚焦光线，而且人眼中的粘液也会吸收这种波长。”
Phlux Technology研发的Aura Noiseless InGaAs APD
1550 nm APD性能得到改进
虽然1550 nm的波长对人眼更加安全，但许多APD对短波红外波长并不特别敏感。Ben Ben White说：“有了Aura Noiseless APD，我们将更有竞争力，与更便宜的硅基雪崩光电二极管相比，低成本激光器在系统权衡设计上得到平衡。回看过去的25年，目前使用的探测器并没有太大的变化。而如激光雷达的新应用，在性能上带来了更高的要求。我们与其它制造1550 nm探测器公司的不同之处在于，我们在制造过程中向化合物半导体中添加了锑合金。对于给定的激光功率，激光雷达图像分辨率提高了12倍，APD增益高达120，我们可以识别连接的跨阻抗放大器（TIA）的本底噪声之上的最小信号，并减小尺寸、降低重量以及物料清单（BOM）成本。”
延伸阅读：
《单光子雪崩二极管（SPAD）期刊文献检索与分析-2023版》
上一篇：基于二维材料的非线性光学镜，实现红外光上转换成像
下一篇：最后一页