2007年，用于自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)首次亮相。5年后，這項(xiàng)技術(shù)正朝著大眾市場乘用車更廣泛的商業(yè)化方向發(fā)展。去年12月，梅賽德斯-奔馳公司宣布，首款提供3級自動(dòng)駕駛功能的車型將配備激光雷達(dá)。未來幾年，隨著激光雷達(dá)支持更多具有2級或3級自主性乘用車，有關(guān)激光雷達(dá)的合同數(shù)量將增長得更快。

該技術(shù)的加速商業(yè)化凸顯了激光雷達(dá)已經(jīng)超越了早期架構(gòu)的發(fā)展程度，在早期架構(gòu)中，數(shù)十個(gè)激光發(fā)射器和光電二極管被組裝到一個(gè)360度旋轉(zhuǎn)底座上。此后開發(fā)了許多創(chuàng)新的激光雷達(dá)架構(gòu)和傳感器技術(shù)。在各種架構(gòu)中流行的掃描方法包括基于MEMS的激光點(diǎn)2D掃描、旋轉(zhuǎn)鏡線束1D轉(zhuǎn)向、混合2D機(jī)械掃描和無需任何掃描的閃光照明。

一個(gè)統(tǒng)一的主題是開發(fā)激光雷達(dá)技術(shù)的多樣性基礎(chǔ)，即該技術(shù)的持續(xù)商業(yè)化需要激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前，適用于汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)有常用的四種激光類型，邊緣發(fā)射激光器(EEL)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSSL)和脈沖光纖激光器。

汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)通常利用四種激光器類型：邊緣發(fā)射激光器 (EEL)、垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)、二極管泵浦固態(tài)激光器 (DPSSL) 和脈沖光纖激光器。每種都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（上），并且每種都不同程度地被激光雷達(dá)開發(fā)人員采用（下）

與EEL和VCSE相比，固態(tài)和光纖激光器在短波紅外范圍內(nèi)提供相對更高的脈沖能量、對人眼安全的發(fā)射以及更高的光束質(zhì)量。但后兩種激光技術(shù)另有優(yōu)勢。

EEL和VCSEL主要基于砷化鎵(GaAs)化合物，是主要在近紅外波長（例如905nm、940nm）下工作的半導(dǎo)體激光器，以卓越的轉(zhuǎn)換效率、簡單性和與汽車標(biāo)準(zhǔn)的兼容性而聞名，并且適用于與其他激光雷達(dá)源相比，提供更緊湊的外形尺寸。因此，半導(dǎo)體激光技術(shù)在汽車激光雷達(dá)市場中占有很高的市場份額，其中又以EEL占據(jù)了主導(dǎo)份額。

然而，VCSEL已成為一種日益增長的替代方案。VCSEL廣泛用于電信和數(shù)據(jù)通信收發(fā)器，以及最近用于3D傳感的消費(fèi)電子設(shè)備。制造商已開發(fā)出多結(jié)VCSEL器件，最新的器件包含多達(dá)五個(gè)或六個(gè)結(jié)，可產(chǎn)生數(shù)倍高的峰值功率密度以滿足對激光雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

VCSEL的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常明顯。雖然它們的每個(gè)激光區(qū)域的功率密度比EEL低一個(gè)數(shù)量級，但它們表現(xiàn)出顯著降低的波長溫度依賴性，并且不太容易出現(xiàn)刻面損壞，這意味著更高的可靠性。最終由于高效的晶圓級涂層、測試和篩選過程，VCSEL技術(shù)可能成為大批量生產(chǎn)中最具成本效益的選擇。

光束整形

盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但VCSEL和EEL在應(yīng)用于激光雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)仍面臨一些挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體激光器相形見絀的光束質(zhì)量和其高光學(xué)效率同樣聞名。

120W脈沖功率的典型10×200μm納米堆棧EEL發(fā)射器的光束發(fā)散角在垂直軸上為25°，在水平軸上為10°，定義為半峰全寬(FWHM)，結(jié)果是遠(yuǎn)場中的橢圓光束圖案。相比之下，典型的VCSEL無論其尺寸如何，通常在兩個(gè)軸上都具有25°左右的對稱發(fā)散角，定義為FWHM。

這些糟糕的參數(shù)使半導(dǎo)體激光器不足以直接應(yīng)用于主流激光雷達(dá)系統(tǒng)。因此，確保它們具有適當(dāng)?shù)墓馐喂鈱W(xué)設(shè)計(jì)，以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)激光光子將原始光束形狀轉(zhuǎn)換為所需的光束模式，變得至關(guān)重要。

一種常見的方法是，基于MEMS的激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的納米堆棧EEL結(jié)合了快軸和慢軸準(zhǔn)直。這種組合需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)，以在兩個(gè)軸上實(shí)現(xiàn)最佳準(zhǔn)直，同時(shí)限制光束尺寸并確保它在 MEMS反射鏡的通光孔徑內(nèi)。隨著激光雷達(dá)技術(shù)和架構(gòu)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了另外兩種先進(jìn)的光束整形技術(shù)：線束概念和閃光照明概念。

線束通常由編造納米堆棧EEL發(fā)射器線性陣列的EEL迷你棒產(chǎn)生。線束整形設(shè)計(jì)通常包括一個(gè)長焦距非球面快軸準(zhǔn)直透鏡，可產(chǎn)生小于0.1°的水平發(fā)散角，以及一個(gè)可產(chǎn)生典型且可定制的25°垂直發(fā)散角的線光束均質(zhì)器，具有高強(qiáng)度分布的均勻性。

隨著激光雷達(dá)技術(shù)和架構(gòu)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了先進(jìn)的光束整形技術(shù)。VCSEL的閃光照明光束整形概念（上圖）利用兩個(gè)定向微透鏡陣列作為VCSEL前面的漫射器，以生成具有高均勻性的矩形視場（下圖）

將這些光束整形技術(shù)與機(jī)械旋轉(zhuǎn)鏡和探測器端的新型硅光電倍增管(SiPM)或單光子雪崩二極管(SPAD)陣列相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)新一代混合固態(tài)高分辨率光束控制激光雷達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的線束整形配置，關(guān)鍵是要產(chǎn)生窄、均勻和干凈的線激光束，在快軸上具有非常低的發(fā)散度、高均勻性和設(shè)計(jì)視域之外的最小強(qiáng)度。

閃光照明光束整形概念通常利用兩個(gè)定向微透鏡陣列作為VCSEL前面的漫射器，以生成具有高均勻性的矩形視域，或者在其他情況下生成具有明確定義的強(qiáng)度分布的視域。Focuslight 最近開發(fā)了超廣角漫射器，它可以產(chǎn)生接近160°視域的蝙蝠翼強(qiáng)度分布，為激光雷達(dá)或艙內(nèi)傳感應(yīng)用提供超寬視域。

這些光束整形概念和解決方案，通過降低系統(tǒng)復(fù)雜性和提高系統(tǒng)信噪比推進(jìn)半導(dǎo)體激光器在激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。

工作進(jìn)展

激光雷達(dá)不存在完美的激光解決方案。然而，激光和光學(xué)制造商正在加快創(chuàng)新和研究步伐，以應(yīng)對技術(shù)挑戰(zhàn)并滿足激光雷達(dá)市場快速增長的需求。半導(dǎo)體激光技術(shù)的一些潛在進(jìn)步顯示出前景。

例如，脈沖EEL通常封裝在特殊的四方扁平無引線(QFN)或晶體管外形(TO)罐配置中，用于汽車認(rèn)證和客戶應(yīng)用。兩種激光器封裝類型都存在缺陷，例如在短脈沖操作期間熱性能受損或寄生電感較高。

正在開發(fā)的另一種方法是將EEL裸片直接鍵合到驅(qū)動(dòng)器印刷電路板(PCB)或陶瓷基板上，待進(jìn)一步封裝。EEL裸芯片鍵合技術(shù)可以為基于EEL minibars的激光雷達(dá)提供改進(jìn)的激光芯片封裝解決方案。另一個(gè)新興進(jìn)步涉及與VCSEL相當(dāng)?shù)臏囟纫蕾囆蕴匦缘腅EL。

具有與VCSEL相當(dāng)?shù)牟ㄩL偏移系數(shù)（例如，0.07nm/℃）的波長穩(wěn)定EEL可以減少對熱電冷卻器的溫度控制需求。它們還可以幫助縮小激光雷達(dá)系統(tǒng)接收器端使用帶通濾波器的光譜范圍，提高系統(tǒng)的信噪比。

半導(dǎo)體激光器制造商還通過在EEL和VCSEL架構(gòu)中添加更多結(jié)來為激光雷達(dá)應(yīng)用定制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率?？梢哉fEEL具有優(yōu)勢。但VCSEL技術(shù)正在迎頭趕上，廠商們已經(jīng)開發(fā)出最多包含8個(gè)結(jié)的器件。具有4個(gè)或5個(gè)結(jié)的EEL也正在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行開發(fā)和測試。

與VCSEL不同，具有更多結(jié)的EEL提供了更大的有源發(fā)射面積，增加了光束整形的挑戰(zhàn)。具有更多激光結(jié)的半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)對激光雷達(dá)開發(fā)人員具有吸引力，因?yàn)榧す庑屎头逯倒β拭芏榷紩S著結(jié)的數(shù)量成比例地增加。重要的是，增加結(jié)也給熱設(shè)計(jì)、制造良率、和長期可靠性。因此，在將這些激光器用于商業(yè)激光雷達(dá)系統(tǒng)前，必須完成對這些激光器的全面鑒定。

另一個(gè)潛在的突破涉及背發(fā)射VCSEL設(shè)計(jì)。此類設(shè)備將允許VCSEL生產(chǎn)利用表面貼裝技術(shù)，這將減少VCSEL封裝常見的引線鍵合和寄生電感，并允許更快的上升和下降時(shí)間和更短的激光脈沖。背發(fā)射VCSEL還可以直接在GaAs晶圓上蝕刻微光學(xué)器件。這可能會改變游戲規(guī)則，因?yàn)樗梢栽鰪?qiáng)光學(xué)性能并降低激光雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

半導(dǎo)體激光器制造商也在開發(fā)發(fā)射波長在1340nm至1550nm之間的人眼安全的短波紅外（SWIR）波長設(shè)備。半導(dǎo)體激光器通常工作的近紅外波長（例如905nm或940nm）僅在能量密度和眼睛暴露的特定上限下才對眼睛安全。

相比之下，1470nm和1550nm波長允許的能量密度上限高出數(shù)倍。最近開發(fā)的具有多個(gè)結(jié)的基于磷化銦(InP)的EEL旨在為汽車激光雷達(dá)應(yīng)用提供SWIR范圍內(nèi)的更高峰值功率。最新出現(xiàn)的器件在200μm的條帶寬度上表現(xiàn)出超過100W的峰值功率，具有1550nm的三結(jié)InP EEL，這是一項(xiàng)重大進(jìn)步。

盡管如此，它仍遠(yuǎn)未達(dá)到1.5μm脈沖光纖激光器所能產(chǎn)生的峰值功率，因此，它尚未使半導(dǎo)體源成為在這些波長下工作的商業(yè)化激光雷達(dá)的主要選擇。生產(chǎn)出在SWIR波長下工作的高功率VCSEL也一直具有挑戰(zhàn)性。

量產(chǎn)

基于半導(dǎo)體激光的激光雷達(dá)系統(tǒng)或其組件和子組件，必須通過四個(gè)里程碑才能與車規(guī)級量產(chǎn)應(yīng)用兼容。首先，系統(tǒng)必須從車規(guī)級性能出發(fā)設(shè)計(jì)。這意味著半導(dǎo)體激光器及其光束整形光學(xué)器件必須在每個(gè)汽車等級的寬工作溫度范圍被嚴(yán)格執(zhí)行。

在寬工作溫度范圍的EEL光束指向和方向性轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最大挑戰(zhàn)之一。并且需要對這些系統(tǒng)的光機(jī)械設(shè)計(jì)和熱機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行大量研究和開發(fā)，以最大限度地降低光學(xué)性能對溫度的依賴性。

其次，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)必須經(jīng)過測試和認(rèn)證，能夠提供車規(guī)級的可靠性。盡管分立半導(dǎo)體激光器和光學(xué)器件已準(zhǔn)備就緒，但集成激光光學(xué)組件的定制車規(guī)級認(rèn)證仍然是大多數(shù)激光雷達(dá)開發(fā)人員面臨的最大挑戰(zhàn)。

汽車可靠性認(rèn)證計(jì)劃通常從幾十個(gè)激光系統(tǒng)的較小樣本量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段開始，然后是基于幾百個(gè)樣本的產(chǎn)品驗(yàn)證步驟，該步驟可以持續(xù)6個(gè)月到12個(gè)月。在高溫操作條件下通過這些嚴(yán)格的耐久性認(rèn)證，例如或經(jīng)受高濕度測試，需要仔細(xì)注意激光、光學(xué)、熱和機(jī)械設(shè)計(jì)，以確保完成的組裝達(dá)到足夠的可靠性。光學(xué)元件的堅(jiān)固安裝和可靠的粘合接頭對于通過這些測試至關(guān)重要。

激光裝配面臨的第三個(gè)里程碑是建設(shè)具有高度過程自動(dòng)化的車規(guī)級大批量生產(chǎn)線。對于關(guān)鍵流程，汽車零部件制造商應(yīng)用流程能力指數(shù)(Cpk)來衡量和監(jiān)控流程滿足目標(biāo)規(guī)格的能力。車規(guī)級半導(dǎo)體激光器組件也不例外。它們必須具有符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的Cpk值，以確保連續(xù)生產(chǎn)的樣品能夠以零故障通過產(chǎn)品驗(yàn)證資格或者以零缺陷交付給汽車客戶。任何資格測試的失敗都將導(dǎo)致汽車級資格的失敗。只有通過使用高水平的過程自動(dòng)化，才有可能達(dá)到通過的Cpk 值。

最后一個(gè)里程碑必須按照國際汽車工作組的16949標(biāo)準(zhǔn)建立嚴(yán)格且完善的車規(guī)級質(zhì)量管理流程，以確保連續(xù)大批量生產(chǎn)和交付的零缺陷。這個(gè)過程對于汽車零部件供應(yīng)商來說并不是什么新鮮事。但對于大多數(shù)服務(wù)于中低產(chǎn)量工業(yè)市場的激光和光學(xué)制造商來說，實(shí)施它可能是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

隨著激光或光學(xué)技術(shù)的成熟和接近大規(guī)模生產(chǎn)，最終挑戰(zhàn)都會涉及成本。針對汽車市場的激光雷達(dá)開發(fā)商面臨光子行業(yè)從未見過的成本挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體激光器本質(zhì)上具有高效率、高簡單性和大批量成本效益等優(yōu)點(diǎn)，使其成為汽車激光雷達(dá)開發(fā)人員的首選。隨著激光雷達(dá)的進(jìn)一步商業(yè)化，這些設(shè)備的市場份額將繼續(xù)擴(kuò)大。