4種常用車載激光雷達光源技術的優(yōu)缺點解析

  激光光源是車載激光雷達的核心器件之一。激光光源的選擇需綜合考慮實際應用環(huán)境、激光雷達技術方案、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)

  用于激光雷達的邊發(fā)射激光器，最常用的是InGaAs/GaAs應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用的必然選擇，性價比更高。

  因此，為了實現(xiàn)遠距離的測距，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。同時對于高精度的激光雷達方案，激光脈沖的寬度和上升沿質(zhì)量對后續(xù)時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，包括機械旋轉(zhuǎn)式和MEMS固態(tài)激光雷達。

  905 nm 脈沖激光二極管在測距領域已廣泛應用很多年，技術也是突飛猛進。激光器芯片的發(fā)射單元結構已由單層發(fā)展到兩疊層或三疊層甚至四疊層。隨著激光雷達對905 nm 脈沖激光二極管輸出功率及光學點陣云要求的提高，激光雷達所需的芯片結構也由單通道發(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，由單通道結構約75 W提高到多通道結構400 W甚至近千瓦。

  常見的905 nm PLD的封裝結構是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，封裝結構涉及到塑料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, 單個通道電流40 A，峰值光功率最高達125 W，能效高達33%。而四通道的芯片具有四個發(fā)射區(qū)，如圖1所示，光功率高達480W，使得激光的探測范圍要遠得多。

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構，可以滿足車規(guī)級的使用要求。

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。

  激光雷達廠商在使用多通道高峰值功率PLD時，需要解決納秒級大電流驅(qū)動電源及光學準直兩個技術難題，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，光學整形的一體化雷達光源模塊，該模塊產(chǎn)品可實現(xiàn)900W峰值功率輸出，0.1x 25 °的準直光斑輸出。這樣的高度集成光源模塊為激光雷達廠商解決了光源使用中的技術難題，降低了使用高功率PLD光源的技術門檻，是遠距離車載激光雷達產(chǎn)品的優(yōu)選光源。

圖3 炬光科技 8通道905 nm激光雷達光源模塊

  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的生長結構更易于芯片級的二維VCSEL陣列，不僅可以提高輸出功率，還為設計各種復雜結構的點陣光源提供了可能。

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

  近年來，車載激光雷達及3D感知發(fā)展非常迅速，引得國內(nèi)外大量廠商在VCSEL領域布局，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，適用于飛行時間(ToF)和結構光(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(Flash LiDAR)技術路線的激光光源方案。閃光式激光雷達是真正意義上的固態(tài)面激光雷達，激光雷達內(nèi)部沒有任何掃描或運動部件。

  用于Flash LiDAR的固體激光光源在設計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級點光源通過特殊的光場勻化技術進行勻化，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)級高低溫、震動、壽命等可靠性要求。目前市場公開報道能夠提供車規(guī)級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)品可實現(xiàn)1064 nm/1.5 mJ/3 ns/單脈沖能量輸出，重復頻率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)

  閃光式激光雷達低時延、高分辨率顯著特點，特別適合于高速行駛路況下中遠距離的激光雷達探測。業(yè)內(nèi)領先的汽車零配件公司已經(jīng)布局該技術路線，最先進入市場的汽車零配件廠商預計將于2020年進入量產(chǎn)實現(xiàn)L2+級智能駕駛。

  光纖激光器

  1550 nm波長的激光光源也是某些車載激光雷達產(chǎn)品選擇的光。原因是1550 nm激光遠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的功率下，905 nm激光雷達很難在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，不僅可以檢測距離，同時可以利用多普勒頻移來測量物體的速度。大氣穿透能力強，人眼安全性高是1550 nm激光光源的顯著特點，但是相較于905 nm激光雷達，1550 nm激光雷達在光源及探測器成本、體積以及供應鏈成熟度上還有明顯的不足。

  1550 nm激光雷達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

  車載激光雷達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)，首席科學家。

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