火狐体育首页进入:半导体激光器和光学整形的开展助力轿车激光雷达

　　初次露脸。5年后，这项技能正朝着群众商场乘用车更广泛的商业化方向开展。上一年12月，梅赛德斯－奔驰公司宣告，首款供给L3级自动驾驶功用的车型将装备雷达。未来几年，跟着激光雷达支撑更多具有L2级或L3级自主性乘用车，有关激光雷达的合同数量将增长得更快。

　　该技能的加速商业化凸显了激光雷达现已逾越了前期架构的开展程度，在前期架构中，数十个激光发射器和探测器被拼装到一个360度旋转底座上。尔后开发了许多立异的激光雷达架构和传感器技能。在各种架构中盛行的扫描办法包括根据MEMS的激光点2D扫描、旋转镜线D混合固态和无需任何扫描的亮光式照明。

　　一个一致的主题是开发激光雷达技能的多样性，即该技能的持续商业化需求激光技能的进一步开展。现在，适用于轿车激光雷达体系有常用的四种激光类型，边际发射激光器（EEL）、笔直腔面发射激光器（VCSEL）、半导体激光器泵浦固态激光器（DPSSL）和脉冲光纤激光器。

　　轿车激光雷达体系一般选用四种激光器类型：边际发射激光器 （EEL）、笔直腔面发射激光器 （VCSEL）、半导体激光器泵浦固态激光器 （DPSSL） 和脉冲光纤激光器。每种都有长处和缺点（上），而且每种都不同程度地被激光雷达开发人员选用（下）。

　　与EEL和VCSEL比较，固体激光器和光纤激光器在短波红外规模内供给相对更高的脉冲能量、人眼更安全以及更高的光束质量。但EEL和VCSEL还有优势。

　　EEL和VCSEL首要根据砷化镓（GaAs）化合物，是首要在近红外波长（例如905nm、940nm）下作业的半导体激光器，以杰出的转化功率、简单性和与轿车规范的兼容性而出名，与其他光源比较，能供给更紧凑的外形尺度。因而，半导体激光技能在轿车激光雷达商场中占有很高的商场份额，其间又以EEL占有了主导份额。

　　可是，VCSEL已成为一种日益增长的新方案。VCSEL广泛用于电信和数据通信收发器，以及最近用于3D传感的消费电子设备。VCSEL供货商们已开宣布多结VCSEL器材，最新的器材包括多达五个或六个结，可发生数倍高的峰值功率密度以满意对激光雷达体系的需求。

　　VCSEL的长处和缺点都十分显着。虽然它们的每个激光区域的功率密度比EEL低一个数量级，但它们表现出对波长温度的依赖性低许多，而且不太简单呈现腔面损坏，这意味着更高的可靠性。终究由于高效的晶圆级的镀膜、测验和挑选进程，VCSEL技能或许成为大批量出产中最具本钱效益的挑选。

　　虽然有许多长处，但VCSEL和EEL在运用于激光雷达体系时仍面对一些应战。半导体激光器相形见绌的光束质量和其高光学功率相同出名。

　　120W脉冲功率的典型10×200μm纳米仓库EEL发射器的光束发散角在笔直轴上为25°，在水平轴上为10°，界说为半峰全宽（FWHM），输出远场是一个椭圆形光斑。比较之下，典型的VCSEL不管其尺度怎么，一般在两个轴上都具有25°左右的对称发散角，界说为FWHM。

　　这些参数使半导体激光器不太可以直接运用于干流激光雷达体系。因而，保证它们具有恰当的光束整形规划，将光源光原始光斑转化成运用所需的功率密度、光斑形状和强度散布，变得至关重要。

　　一种常见的办法是，根据MEMS的激光雷达体系中运用的纳米仓库EEL结合了快轴和慢轴准直。这种组合需求精巧的规划，以在两个轴上完成最佳准直，一起约束光束尺度并保证它在 MEMS反射镜的通光孔径内。跟着激光雷达技能和架构的开展，半导体激光器呈现了别的两种先进的光束整形技能：线光斑和面光斑概念。

　　线光斑一般选用纳米仓库EEL发射器线性阵列光源。线光斑整形规划一般包括一个长焦距非球面快轴准直透镜，可发生小于0．1°的水平发散角，以及一个可发生典型值是25°（可定制）的笔直发散角的线光斑光场匀化器，到达很高的光斑均匀性。

　　跟着激光雷达技能和架构的开展，半导体激光器呈现了先进的光束整形技能。VCSEL的面光斑概念（上图）运用两个方向的微透镜阵列作为VCSEL前面的广角匀化扩散器，然后生成具有高均匀性的矩形视场（下图）。

　　将这些光束整形技能与转镜和探测器端的新式硅光电倍增管（SiPM）或单光子雪崩二极管（SPAD）阵列相结合，可完成新一代混合固态高分辨率线光斑扫描激光雷达。为了完成这样的线光斑，要害是要发生极窄、均匀和无余光的线激光束，即在快轴上发生十分小的发散度、高均匀性的光强散布以及在视场角以外尽或许小的光损耗。

　　面光斑概念一般运用两个方向微透镜阵列作为VCSEL前面的广角匀化扩散器，然后生成具有高均匀性的矩形视场，或许在有些情况下生成具有清晰界说的光强散布的视场。Focuslight 最近开发的超广角匀化扩散器，它可以发生挨近160°视场角的蝙蝠翼强度散布，为激光雷达或舱内传感运用供给超宽视场。

　　这些光束整形概念和解决方案，经过下降体系复杂性和前进体系信噪比推动半导体激光器在激光雷达范畴的运用。

　　激光雷达不存在完美的激光解决方案。可是，激光和光学制作商们正在加速立异和研讨脚步，以应对技能应战并满意激光雷达商场快速增长的需求。半导体激光技能的一些潜在前发展现出远景。

　　例如，脉冲EEL一般封装成QFN或TO－CAN ，用于轿车认证和客户运用。两种激光器封装类型都存在缺点，例如在短脉冲作业期间热功能受损或寄生电感较高。

　　正在开发的另一种办法是将EEL裸片直接键合到驱动器电路板（PCB）或陶瓷基板上，待进一步封装。EEL裸芯片键合技能可以为根据EEL minibars的激光雷达供给改善的激光芯片封装解决方案。另一个新式发展是开宣布与VCSEL适当的温度依赖性特性的EEL。

　　具有与VCSEL适当的波长偏移系数（例如，0．07nm／℃）的波长安稳EEL可以削减对TEC的温度操控需求。它们还可以协助缩小激光雷达体系接纳端运用带通滤波器的光谱规模，前进体系的信噪比。

　　半导体激光器制作商还经过在EEL和VCSEL结构中添加更多结来为激光雷达运用定制芯片，以完成更高的峰值功率。可以说虽然现在EEL技能具有优势，但VCSEL技能正在迎头赶上，厂商们现已开宣布最多包括8个结的器材。具有4个或5个结的EEL也正在实验室中进行开发和测验。

　　与VCSEL不同，具有更多结的EEL将增大有源发光区面积，添加了对光束整形的应战。具有更多激光结的半导体激光器规划对激光雷达开发人员具有吸引力，由于激光功率和峰值功率密度都会跟着结的数量成份额地添加。可是，添加结也给热规划、制作良率、和长时刻可靠性带来的更大的应战。因而，在将这些激光器用于商业激光雷达体系前，有必要完成对这些激光器的全面验证。

　　另一个潜在的打破触及背发射VCSEL规划。此类器材将答应VCSEL出产运用外表贴装技能，这将削减VCSEL封装常见的引线键合和寄生电感，并答应更快的上升沿和下降沿时刻和更短的激光脉冲。背发射VCSEL还可以直接在GaAs晶圆上蚀刻微光学器材。这或许会改动游戏规则，由于它可以增强光学功能并下降激光雷达体系的复杂性。

　　半导体激光器制作商也在开发波长在1340nm至1550nm之间的人眼安全的短波红外（SWIR）波长器材。半导体激光器一般作业的近红外波长（例如905nm或940nm）仅在能量密度和人眼曝光在的特定上限内才对人眼安全。

　　比较之下，1470nm和1550nm波长答应的能量密度上限高出数倍。最近开发的具有多个结的根据磷化铟（InP）的EEL旨在为轿车激光雷达运用供给SWIR规模内的更高峰值功率。最新呈现的1550nm器材在200μm的条宽上表现出超越100W的峰值功率，经过三结InP EEL完成，这是一项严重前进。

　　虽然如此，它仍远未到达1550nm脉冲光纤激光器所能发生的峰值功率，因而，它没有使半导体源成为在这些波长下作业的商业化激光雷达的首要挑选。出产出在SWIR波长下作业的高功率VCSEL也一向具有应战性。

　　根据半导体激光的激光雷达体系或其组件和子体系，有必要经过四个里程碑才能与车规级量产运用兼容。首要，体系有必要从车规级功能动身规划。这意味着半导体激光器及其光束整形光学器材有必要可以在车规的温度规模内作业。

　　在宽作业温度规模的EEL光束指向性和方向性改动是完成这一方针的最大应战之一。而且需求对这些体系的光机规划和热机规划进行很多研讨和开发，以最大极限地下降光学功能对温度的依赖性。

　　其次，半导体激光体系有必要经过测验和验证，可以供给车规级的可靠性。虽然分立半导体激光器和光学器材已准备就绪，但集成激光和光学模组的定制车规级认证仍然是大多数激光雷达开发人员面对的最大应战。

　　轿车可靠性认证方案一般从几十个较小样本量的规划验证阶段开端，然后是根据几百个样本的产品验证进程，该进程将持续6个月到12个月。在高温作业条件下经过严厉的耐久性验证，例如高湿度测验，需求细心留意激光、光学、热和机械规划，以保证全体模组到达满意的可靠性。牢固地对光学元件进行拼装和粘接关于经过这些测验至关重要。

　　激光雷达面对的第三个里程碑是建造具有高度进程自动化的车规级大批量出产线。关于要害流程，轿车零部件制作商运用流程才能指数（Cpk）来衡量和监控流程满意方针规范的才能。车规级半导体激光器模组也不破例。它们有必要具有契合轿车规范的Cpk值，以保证接连出产的样品可以以零毛病经过产品验证资历或许以零缺点交给给轿车客户。任何资历测验的失利都将导致车规资历的失利。只要经过运用高水平的进程自动化，才有或许到达要求的Cpk 值。

　　终究一个里程碑有必要依照IATF16949规范树立严厉且完善的车规级质量办理流程，以保证接连大批量出产和交给的零缺点。这个进程关于轿车零部件供货商来说并不是什么新鲜事。但关于大多数服务于中低产值工业商场的激光和光学制作商来说，施行它或许是一个适当大的应战。

　　跟着激光或光学技能的老练和挨近大规模出产，终究应战都会触及本钱。针对轿车商场的激光雷达开发商面对光子职业从未见过的本钱应战。半导体激光器本质上具有高功率、高简单性和大批量本钱效益等长处，使其成为轿车激光雷达开发人员的首选。跟着激光雷达的进一步商业化，这些设备的商场份额将持续扩展。

　　关于作者：李勇，西安炬光科技股份有限公司轿车业务部担任人，在炬光科技曾任商场出售担任人、事业部担任人、新产品研制办理等岗位，现在在轿车事业部担任高功能车规级激光雷达光源模组产品和技能的开发与推行。