4種常用車載雷射雷達光源技術的優缺點解析

  雷射光源是車載雷射雷達的核心器件之一。雷射光源的選擇需綜合考慮實際應用環境、雷射雷達技術方案、性能需求以及成本需求，需要多種類型的雷射光源來適應不同的道路環境。目前常見的幾種光源主要包括邊發射雷射器(EEL)、垂直腔面發射雷射器(VCSEL)、固體雷射器以及光纖雷射器等。

  邊發射雷射器(EEL)

  用於雷射雷達的邊發射雷射器，最常用的是InGaAs/GaAs應變量子阱脈衝雷射二極體(PLD, Pulsed laser diode)，波長以905 nm最為流行。

  相較於1550 nm波長，905 nm的主要優點是矽在該波長處吸收光子，而矽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，為了實現遠距離的測距，首先選擇905 nm脈衝雷射二極體，再使雷射脈衝的峰值功率儘可能大。同時對於高精度的雷射雷達方案，雷射脈衝的寬度和上升沿質量對後續時間間隔的精確測量具有重要意義。905 nm脈衝雷射二極體常見於掃描式雷射雷達，包括機械旋轉式和MEMS固態雷射雷達。

  905 nm 脈衝雷射二極體在測距領域已廣泛應用很多年，技術也是突飛猛進。雷射器晶片的發射單元結構已由單層發展到兩疊層或三疊層甚至四疊層。隨著雷射雷達對905 nm 脈衝雷射二極體輸出功率及光學點陣雲要求的提高，雷射雷達所需的晶片結構也由單通道發展到4通道，甚至6通道或8通道。這樣，905 nm 雷射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晶片等。德國歐司朗(Osram)公司是全球905 nm PLD主要的生產商，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晶片，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%。而四通道的晶片具有四個發射區，如圖1所示，光功率高達480W，使得雷射的探測範圍要遠得多。

圖1 歐司朗四通道雷射器產品

  日本濱松光子公司也發布了4通道905 nm脈衝雷射二極體，圖2即是典型的基座上直接封裝晶片的結構，可以滿足車規級的使用要求。

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。

  雷射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，高速驅動，光學整形的一體化雷達光源模塊，該模塊產品可實現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雷射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，是遠距離車載雷射雷達產品的優選光源。

圖3 炬光科技 8通道905 nm雷射雷達光源模塊

  垂直腔面發射雷射器(VCSEL)

  VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一種垂直表面出光的新型雷射器，其製造工藝與邊發射半導體雷射器相兼容，且大規模製造的成本很低。另一方面，VCSEL的生長結構更易於晶片級的二維VCSEL陣列，不僅可以提高輸出功率，還為設計各種複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、智慧機器人等中長距領域也逐步開始得到應用。

  近年來，車載雷射雷達及3D感知發展非常迅速，引得國內外大量廠商在VCSEL領域布局，國外廠商包括Lumentum、Finisar、Osram、II-VI等，國內蘇州長光華芯建成投產了國內首條具有完整生產工藝的VCSEL晶片生產線，提供850～940 nm波段的VCSEL產品，適用於飛行時間(ToF)和結構光(Structured light)的方案。

  固體雷射器

  固體雷射器是閃光式車載雷射雷達(Flash LiDAR)技術路線的雷射光源方案。閃光式雷射雷達是真正意義上的固態面雷射雷達，雷射雷達內部沒有任何掃描或運動部件。

  用於Flash LiDAR的固體雷射光源在設計和工藝上具有很大的挑戰，首先需要形成大角度視場(如125°x 25°)均勻照射市場，這需要將固體雷射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，需要讓固體雷射器滿足車規級高低溫、震動、壽命等可靠性要求。目前市場公開報導能夠提供車規級固體雷射光源的是西安炬光科技的AL01系列光源，如圖4所示。該產品可實現1064 nm/1.5 mJ/3 ns/單脈衝能量輸出，重複頻率30-50H。

圖4 炬光科技固體雷射光源產品及雷射照射視場能量分布數據

  閃光式雷射雷達低時延、高解析度顯著特點，特別適合於高速行駛路況下中遠距離的雷射雷達探測。業內領先的汽車零配件公司已經布局該技術路線，最先進入市場的汽車零配件廠商預計將於2020年進入量產實現L2+級智能駕駛。

  光纖雷射器

  1550 nm波長的雷射光源也是某些車載雷射雷達產品選擇的光。原因是1550 nm雷射遠離人眼吸收的可見光光譜，相比於905 nm雷射, 同等功率的1550 nm雷射人眼安全性提高40倍。

  在相同人眼安全等級的功率下，905 nm雷射雷達很難在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雷射雷達卻可以將檢測距離提高到300 m以上。此外，1550 nm配合調頻連續波(FMCW)的技術，不僅可以檢測距離，同時可以利用都卜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雷射光源的顯著特點，但是相較於905 nm雷射雷達，1550 nm雷射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雷射雷達一般採用光纖雷射器作為光源， 主要廠家有法國Lumibird、昂納（訊石備註：海創光電、AOI）此外也有一些雷射雷達公司採用自已開發的光纖雷射器，如美國Luminar、鐳神智能等。

  總結

  車載雷射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展，車載雷射雷達光源的發展方興未艾，根據不同的駕駛環境需要，邊發射型半導體雷射器，VCSEL雷射器，固體雷射器，光纖雷射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務拓展總監;李勇，汽車事業部副總經理;王警衛，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理;吳真林，工程師，副總經理。