从产业视角看，汽车激光雷达激光器技术的发展趋势
2024-09-08 20:57:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文立足产业视角，探讨了商用汽车激光雷达激光器技术的发展趋势，并重点关注了VCSEL和AR-VCSEL技术的最新应用和未来前景。
过去十年是汽车激光雷达（LiDAR）蓬勃创新的十年。众多激光器技术和系统解决方案在激烈的竞争中争夺市场份额。最近的趋势表明，基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）和增透垂直腔面发射激光器（AR-VCSEL）的解决方案正日益趋同。据麦姆斯咨询介绍，常州纵慧芯光半导体科技有限公司（以下简称“纵慧芯光”）近期在Nature Communications期刊上发表了一篇题为“Evolution of laser technology for automotive LiDAR, an industrial viewpoint”的评论文章。文章立足产业视角，探讨了商用汽车激光雷达激光器技术的发展趋势，并重点关注了VCSEL/AR-VCSEL技术的最新应用和未来前景。
激光雷达简介
激光雷达最早由Hughes在20世纪60年代发明，它最初应用于气象学、海洋传感和地形测绘。1971年，美国国家航空航天局（NASA）在阿波罗15号中集成了一个称为月球激光测距反射器（LRRR）的激光雷达，用于测绘月球表面地图，后来又在飞往火星和水星的航天器中推广使用。直到2010年代，激光雷达才开始应用于商用汽车。到了2020年代，汽车激光雷达在高端电动汽车中开始普及。激光雷达可提供包含物体深度和速度数据的实时点云图，已成为辅助驾驶和自动驾驶的重要组件。
2023年，在中国电动汽车制造商激烈竞争的推动下，激光雷达销量激增。目前，全球激光雷达市场的主要供应商包括亚洲的禾赛科技（Hesai）、速腾聚创（RoboSense）、图达通（Seyond）和Innoviz，北美的Luminar和Ouster，以及欧洲的法雷奥（Valeo）等。
典型的汽车激光雷达系统包括一个扫描激光器、一个接收器、相关光学元件以及集成驱动和处理器电路。它与摄像头、传感器以及定位和导航系统协同工作。从功能上讲，汽车激光雷达可分为两大类：负责远距离前方感知的主激光雷达，和用于周边环境感知的辅助激光雷达。两者结合可消除盲点，实现车辆360°全方位感知。
根据探测方法，激光雷达技术可分为两类，即调频连续波（FMCW）和飞行时间（ToF）。FMCW利用混合反射光与频率调制发射光来确定移动物体的距离和速度。而ToF则通过计算发射脉冲与返回脉冲之间的时间间隔来确定距离。ToF也是最早用于激光雷达的技术之一。目前，大多数激光雷达制造商都倾向于使用ToF技术，因为该技术操作简单、成本较低。因此，本文主要讨论了ToF及相关激光器技术。
商用激光雷达应用的激光器技术
激光器技术与先进光学技术相结合的创新成果层出不穷。这些创新技术，尤其是纳米光子解决方案，实现了激光器与扫描的高度集成，使激光雷达系统进一步微型化，并为其长远发展带来了希望。
表1 不同探测距离商用激光雷达的主流激光器技术
VCSEL最早应用于智能手机和消费类设备的短距离激光雷达和3D传感，由飞利浦、Lumentum、Coherent（II-V和Finisar）以及ams（Princeton和Vixar）率先推出。与边发射激光器（EEL）相比，VCSEL具有许多优势，主要包括：（1）灵活的照明方式，如1D/2D可寻址阵列；（2）固有的温度稳定性（0.07 nm/℃）；（3）圆形光束，有利于简化光学元件；（4）更易于封装；（5）用阵列代替单个发射器，增加冗余可靠性；（6）成本效益高，6英寸砷化镓（GaAs）代工厂在应用于智能手机3D传感的大规模生产中已经很成熟。VCSEL唯一的缺点是功率密度和亮度。不过，多结技术的出现大大提高了它们的功率密度和功率转换效率（PCE），克服了过去在中长距离激光雷达应用中的瓶颈，例如Lumentum为禾赛科技AT128提供的5结905 nm VCSEL。
在激光雷达领域，最近兴起了一种极具竞争力的AR-VCSEL技术，在减小发散角和提高亮度方面取得了显著突破。AR-VCSEL的引入进一步扩展了905 nm和940 nm激光雷达的探测距离和分辨率，覆盖了汽车激光雷达需要的所有范围。AR-VCSEL于2021年研制成功，虽然发布没多久，但已在商用长距离激光雷达中得到采用。
激光器和扫描技术的协同发展
根据扫描方法，商用汽车激光雷达可以分为三种类型：机械式激光雷达（涉及激光器、透镜和传感器的运动）、混合固态激光雷达（其中只有扫描式MEMS微镜或转镜运动）和全固态激光雷达（没有任何机械运动，扫描光束由电子控制）。
图1 四种基于VCSEL的激光雷达扫描方案及其性能
混合固态激光雷达：EEL vs AR-VCSEL
随着混合固态解决方案逐渐在市场占据主导地位，纯机械激光雷达在Level 2和Level 3高级驾驶辅助系统（ADAS）中几乎已被淘汰。
混合固态激光雷达制造商最初将点光源（如1550 nm光纤激光器或905 nm EEL）与二维MEMS微镜或转镜相结合。最近流行的一种解决方案是，固态光源在一个方向上进行电子扫描，而一维多边形/反射镜则在另一个方向上进行扫描。这种固态光源包含一系列小型VCSEL/AR-VCSEL芯片（如禾赛科技AT128）或VCSEL/AR-VCSEL窄阵列。这种演变消除了激光器和MEMS微镜之间精确对准的需求，解决了与MEMS微镜相关的视场角（FoV）问题（例如，速腾聚创M1需要五个EEL模块才能实现120°的视场角），并将电机数量从两个减少到一个。
未来几年，预计EEL和基于AR-VCSEL的解决方案之间将展开竞争。基于EEL的低成本激光雷达可将EEL的数量降至最低，并通过额外的透镜解决角度覆盖问题。另一方面，AR-VCSEL在缩小器件面积的同时，在功率密度和亮度方面也有更大的提升空间。就性能而言，基于EEL的激光雷达的最大探测距离通常为200 m，而基于AR-VSCEL的激光雷达，采用当前的6结技术，就已经超越了这一范围，而8~10结AR-VSCEL技术的进步，有望将探测距离进一步推向300~400 m。
终极目标：全固态激光雷达
全固态激光雷达完全消除了运动部件，以电子扫描取代机械扫描。商业上可行的解决方案包括配备散焦透镜的VCSEL闪光照明，以及配备散焦透镜的1D/2D可寻址VCSEL。其它方案包括Lumotive开发的带液晶超构表面（LCM）的VCSEL/EEL，以及Quanergy、Aeva、LightIC、Scantinel Photonics等公司展示的光学相控阵（OPA）激光雷达的FMCW EEL。这些解决方案尚未实现规模化生产，而用于激光雷达的可寻址VCSEL阵列正逐步进入量产阶段。
目前正在开发的大多数全固态激光雷达解决方案首先瞄准的是中短距离应用。相信，一旦在较短距离内得到验证，全固态长距离激光雷达就会登场，而AR-VCSEL很可能会在其中发挥关键作用。全固态激光雷达的VCSEL解决方案在技术成熟度和成本效益方面都取得了快速进展，正在成为实现终极目标的最具竞争力的候选方案。
未来激光雷达技术的关键要求
功率密度和PCE
更高的峰值功率可以实现更高的信噪比和更远的探测距离。更多的结可以确保更高的外部量子效率，这与结的数量成正比。因此，在相同驱动电流下，功率密度更高，相同光功率下的PCE更大。目前市场上基于VCSEL的激光雷达结数为5~6个，未来有可能像摩尔定律一样每18个月增加2个。出于研究和开发目的，纵慧芯光已经通过实验展示了高达14个结的小发散角AR-VCSEL。理论上，结数没有上限。然而，在实际应用中，加入更多的结可能会带来以下方面的挑战：厚外延生长、高纵横比沟槽/台面蚀刻和涂层制造，以及更高功率密度和材料应力下的可靠性问题等。
图2 VCSEL功率和效率随结数的增加而增大
光束参数积（BPP）
BPP的定义是激光光束发散角θ（半角）与光束最窄处的半径r（束腰）的乘积。
图3 BPP vs激光功率
虽然多结EEL能提供更高的单发射极功率，但随着结的数量从1个增加到5个，快轴的BPP会明显降低，从而限制了远距离的分辨率。与传统VCSEL相比，具有出色BPP和M2的AR-VCSEL可实现更远的距离和更高的分辨率。从传统VCSEL到AR-VCSEL的发展趋势（向右和向下），与未来长距离激光雷达激光器的预期轨迹一致。
可靠性
安全始终是第一位的。为确保激光雷达在整个汽车使用寿命期间可靠运行，激光器必须通过汽车标准可靠性测试AEC-Q102，其中包括1000小时的高温工作寿命（HTOL）、在85℃和85%湿度环境下1000小时的高温工作寿命（HTOL）、500小时的低温工作寿命（LTOL）、通电/断电温度循环、有害气体测试、露水测试、静电放电（ESD）测试等。
降成本
短期内，预计905 nm/940 nm VCSEL将迅速取代1550 nm光纤激光器。采用MEMS微镜解决方案的950 nm EEL在成本上可能会与VCSEL解决方案竞争一段时间。1550 nm激光器的低成本替代解决方案是基于磷化铟（InP）的高功率EEL，但相比基于GaAs的激光器其成本仍然偏高。
VCSEL因其小面积/功率比，以及在消费市场中数十亿颗器件确立的成本效益和可靠性而备受认可，在降低成本方面完全有能力与光纤激光器和EEL竞争。预计，基于VCSEL和AR-VCSEL的激光雷达未来在成本方面有望与4D毫米波雷达持平，同时大幅提高角分辨率和精度。
总结
随着ADAS Level 3消费级汽车的加速发展，汽车制造商正越来越多地采用激光雷达技术。激光器制造商在开发具有成本效益和可靠性的解决方案方面取得了长足进步，从而实现了高功率密度、高能量转换效率和高光束质量。VCSEL技术在智能手机和消费电子市场以成本效益著称，目前正在继续发展，并在汽车激光雷达混合固态和全固态解决方案中找到新应用。多结和AR-VCSEL技术通过提供更高的功率密度、更优越的光束质量和更高的亮度，解决了VCSEL的历史局限。这些进步大大扩展了VCSEL激光雷达的探测距离，并使VCSEL技术成为成本竞争激烈的汽车激光雷达市场的有力竞争者。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51975-6
延伸阅读：
上一篇：综述：VCSEL助力先进集成光子器件和系统的发展
下一篇：最后一页