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中年|4种常用车载激光雷达光源技术的优缺点解析


张雪峰、李勇、王警卫（西安炬光科技股份有限公司）
闵大勇、吴真林（苏州长光华芯光电技术有限公司）
激光光源是车载激光雷达的核心器件之一 。 激光光源的选择需综合考虑实际应用环境、激光雷达技术方案、性能需求以及成本需求 ， 需要多种类型的激光光源来适应不同的道路环境 。 目前常见的几种光源主要包括边发射激光器（EEL）、垂直腔面发射激光器（VCESL）、固体激光器以及光纤激光器等 。
边发射激光器（EEL）
用于激光雷达的边发射激光器 ， 最常用的是InGaAs/GaAs应变量子阱脉冲激光二极管(PLD, Pulsed laser diode) ， 波长以905 nm最为流行 。
相较于1550 nm波长 ， 905 nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子 ， 而硅基光电探测器通常比探测1550 nm光所需的铟镓砷(InGaAs)近红外探测器更加成熟 ， 从成本和整体成熟度方面来讲是大批量应用的必然选择 ， 性价比更高 。
因此 ， 为了实现远距离的测距 ， 首先选择905 nm脉冲激光二极管 ， 再使激光脉冲的峰值功率尽可能大 。 同时对于高精度的激光雷达方案 ， 激光脉冲的宽度和上升沿质量对后续时间间隔的精确测量具有重要意义 。 905 nm脉冲激光二极管常见于扫描式激光雷达 ， 包括机械旋转式和MEMS固态激光雷达 。

905 nm 脉冲激光二极管在测距领域已广泛应用很多年 ， 技术也是突飞猛进 。 激光器芯片的发射单元结构已由单层发展到两叠层或三叠层甚至四叠层 。 随着激光雷达对905 nm 脉冲激光二极管输出功率及光学点阵云要求的提高 ， 激光雷达所需的芯片结构也由单通道发展到4通道 ， 甚至6通道或8通道 。 这样 ， 905 nm 激光器的峰值功率随之显著增加 ， 由单通道结构约75 W提高到多通道结构400 W甚至近千瓦 。
常见的905 nm PLD的封装结构是TO、蝶式、尾纤以及更好的散热基座上直接安装芯片等 。 德国欧司朗(Osram)公司是全球905 nm PLD主要的生产商 ， 封装结构涉及到塑料TO-can、金属TO-can ， 以及陶瓷基座上直接封装芯片 ， 峰值功率75 W到400 W不等, 单个通道电流40 A ， 峰值光功率最高达125 W ， 能效高达33% 。 而四通道的芯片具有四个发射区 ， 如图1所示 ， 光功率高达480W ， 使得激光的探测范围要远得多 。
中年|4种常用车载激光雷达光源技术的优缺点解析
本文插图

图1 欧司朗四通道激光器产品
日本滨松光子公司也发布了4通道905 nm脉冲激光二极管 ， 图2即是典型的基座上直接封装芯片的结构 ， 可以满足车规级的使用要求 。
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本文插图

图2 滨松陶瓷封装的4通道 PLD

此外 ， 还有Excelitas Technologies、Laser Components、OSI LaserDiode Inc.、Wavespectrum Laser Group、瑞波光电等 。
激光雷达厂商在使用多通道高峰值功率PLD时 ， 需要解决纳秒级大电流驱动电源及光学准直两个技术难题 ， 西安炬光科技推出了集成了8通道PLD ， 如图3所示 ， 高速驱动 ， 光学整形的一体化雷达光源模块 ， 该模块产品可实现900W峰值功率输出 ， 0.1x 25 °的准直光斑输出 。 这样的高度集成光源模块为激光雷达厂商解决了光源使用中的技术难题 ， 降低了使用高功率PLD光源的技术门槛 ， 是远距离车载激光雷达产品的优选光源 。
图3 炬光科技 8通道905 nm激光雷达光源模块
垂直腔面发射激光器（VCSEL）
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser）是一种垂直表面出光的新型激光器 ， 其制造工艺与边发射半导体激光器相兼容 ， 且大规模制造的成本很低 。 另一方面 ， VCSEL的生长结构更易于芯片级的二维VCSEL阵列 ， 不仅可以提高输出功率 ， 还为设计各种复杂结构的点阵光源提供了可能 。
VCSEL目前已广泛应用在消费电子、工业控制、光通信等领域 ， 是3D传感的主要光源技术 ， 随着光功率的不断提升 ， VCSEL在车载雷达、智能机器人等中长距领域也逐步开始得到应用 。

近年来 ， 车载激光雷达及3D感知发展非常迅速 ， 引得国内外大量厂商在VCSEL领域布局 ， 国外厂商包括Lumentum、Finisar、Osram、II-VI等 ， 国内苏州长光华芯建成投产了国内首条具有完整生产工艺的VCSEL芯片生产线 ， 提供850～940 nm波段的VCSEL产品 ， 适用于飞行时间（ToF）和结构光（Structured light）的方案 。
固体激光器
固体激光器是闪光式车载激光雷达（Flash LiDAR）技术路线的激光光源方案 。 闪光式激光雷达是真正意义上的固态面激光雷达 ， 激光雷达内部没有任何扫描或运动部件 。
用于Flash LiDAR的固体激光光源在设计和工艺上具有很大的挑战 ， 首先需要形成大角度视场（如125°x 25°）均匀照射市场 ， 这需要将固体激光MW级点光源通过特殊的光场匀化技术进行匀化 ， 在三维空间形成均匀照射大视场 。
其次 ， 需要让固体激光器满足车规级高低温、震动、寿命等可靠性要求 。 目前市场公开报道能够提供车规级固体激光光源的是西安炬光科技的AL01系列光源 ， 如图4所示 。 该产品可实现1064 nm/1.5 mJ/3 ns/单脉冲能量输出 ， 重复频率30-50H 。
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图4 炬光科技固体激光光源产品及激光照射视场能量分布数据

闪光式激光雷达低时延、高分辨率显著特点 ， 特别适合于高速行驶路况下中远距离的激光雷达探测 。 业内领先的汽车零配件公司已经布局该技术路线 ， 最先进入市场的汽车零配件厂商预计将于2020年进入量产实现L2+级智能驾驶 。
光纤激光器
1550 nm波长的激光光源也是某些车载激光雷达产品选择的光 。 原因是1550 nm激光远离人眼吸收的可见光光谱 ， 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 。
在相同人眼安全等级的功率下 ， 905 nm激光雷达很难在200 m以外的高速公路上看到高度为10 cm左右的物体 ， 但是1550 nm激光雷达却可以将检测距离提高到300 m以上 。 此外 ， 1550 nm配合调频连续波(FMCW)的技术 ， 不仅可以检测距离 ， 同时可以利用多普勒频移来测量物体的速度 。 大气穿透能力强 ， 人眼安全性高是1550 nm激光光源的显著特点 ， 但是相较于905 nm激光雷达 ， 1550 nm激光雷达在光源及探测器成本、体积以及供应链成熟度上还有明显的不足 。
1550 nm激光雷达一般采用光纤激光器作为光源 ，主要厂家有法国Lumibird、昂纳此外也有一些激光雷达公司采用自已开发的光纤激光器 ， 如美国Luminar、镭神智能等 。
总结
车载激光雷达是未来智能辅助驾驶、无人驾驶汽车多传感器体系中必不可少的核心传感器之一 ， 随着无人驾驶市场的高速发展 ， 车载激光雷达光源的发展方兴未艾 ， 根据不同的驾驶环境需要 ， 边发射型半导体激光器 ， VCSEL激光器 ， 固体激光器 ， 光纤激光器都有各自的用武之地 。
【来源：历史如画】
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