11/01/2024，光纖在線訊，激光技術的前世今生，是從象牙塔陽春白雪到接入滿滿地氣的過程。愛因斯坦的粒子數(shù)反轉和受激輻射預言了半個世紀后激光器的誕生，激光雷達緊接著應運而生。探月，看木星，水星表面形貌，探測海洋和大氣，最后是飛機和汽車的導航。從天上到地下，走過星辰大海。而今，斗轉星移，舊時王謝門前燕，飛入尋常百姓家。2020年后激光雷達開始大規(guī)模普及，華夏大地見證了車載激光雷達的崛起。一時間群雄逐鹿，風起云涌。經歷一系列激光器的探索和競爭，面發(fā)射已然成為當今車載一大主流。其中，常州縱慧芯光半導體有限公司推出的顛覆性創(chuàng)新技術，增透腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL），改寫了傳統(tǒng)教科書中的VCSEL一維結構，以創(chuàng)紀錄的近衍射極限發(fā)散角，卓越的光束質量和超強亮度，把基于VCSEL的激光雷達探測距離從150米增加到300米，一經問世就伴隨大規(guī)模的應用，如今已載入近百萬輛車
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       感謝《自然·通訊》雜志的邀請，我們在這篇文章分析了各類激光器技術在車載激光雷達的優(yōu)缺點，詳細討論了面發(fā)射激光器在半固態(tài)和全固態(tài)（1D和2D）的應用，以及AR-VCSEL給這一領域帶來的顛覆性革新。文章展示了縱慧在激光雷達領域的幾個代表性量產產品，以及為何AR-VCSEL代表了車載激光雷達未來的方向。

本文英文原版（Evolution of laser technology for automotive LiDAR, an industrial viewpoint）鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51975-6
AR-VCSEL的英文原版（Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR）鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44754-w

以下是中文版本：
       近年來，激光雷達技術不斷創(chuàng)新，眾多激光技術和系統(tǒng)解決方案激烈競爭�；�于垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）和增透腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL）的解決方案逐漸展現(xiàn)出優(yōu)勢并開始占據(jù)主流市場。本文立足于行業(yè)現(xiàn)實，介紹了商用汽車激光雷達激光技術的歷史軌跡，尤其是VCSEL和AR-VCSEL 技術的興起及其未來前景。

1、激光雷達簡介
       上個世紀60年代，在Theodore Maiman 和他所在的Hughes公司的研發(fā)團隊做出世界第一臺紅寶石激光器之后，LiDAR（光探測與測距）就應運而生了。它最初應用于氣象學、海洋和地形測繪。1971年，美國國家航空航天局（NASA）在阿波羅15號上安裝了一臺名為月球激光測距反射器（LRRR）的激光雷達，用于繪制月球表面地圖。后來又在飛往火星和水星的航天器中推廣使用。直到 2010 年代，激光雷達才開始應用于商用汽車。到了 2020 年代，車載激光雷達在高端電動汽車中開始流行。激光雷達可提供富含物體深度和速度數(shù)據(jù)的實時點云圖像，是輔助駕駛和自動駕駛的關鍵組成部分。全球有上百家激光雷達公司。北美是汽車激光雷達商業(yè)化的先驅，也是 LiDAR 公司 IPO 最多的地區(qū)。其中Velodyne 在2010 年左右為硅谷的眾多自動駕駛公司提供機械旋轉激光雷達 HDL-64E。近年來在亞洲，尤其是在智能電動汽車發(fā)展的浪潮中，激光雷達公司顯著崛起。與之形成鮮明對比的是，歐洲則是傳統(tǒng)巨頭企業(yè)的天下。激光雷達行業(yè)在 2022 年經歷了一些動蕩，其標志是激光雷達先驅 Quanergy 和Ibeo的倒閉。但在 2023 年，中國電動汽車的崛起推動了LiDAR 的大規(guī)模使用和整體行業(yè)的反彈。目前，全球激光雷達市場的主要參與者包括歐洲的Valeo、北美的 Luminar 和 Ouster，以及亞洲的 Hesai、RoboSense、Seyond 和 Innoviz。

       典型的汽車激光雷達系統(tǒng)包括掃描激光器、接收器、相關的光學元件以及集成驅動和處理器電路，與攝像頭、傳感器以及定位和導航系統(tǒng)協(xié)同工作。在功能上，汽車激光雷達分為負責遠距離前方感知的主雷達和用于外圍環(huán)境感知輔助激光雷達。兩者結合可實現(xiàn) 360° 全方位感知，消除盲點。主雷達所需的探測距離從 150 米到 350 米不等，主要受幾個因素的影響：最高車速限制、自動駕駛級別 (汽車工程師協(xié)會將其分為六級） 和地區(qū)法規(guī)。

       根據(jù)探測方法，激光雷達技術可分為頻率調制連續(xù)波(FMCW) 和飛行時間 (ToF)。FMCW利用返回光與頻率調制的發(fā)射光的混合來確定運動物體的距離和速度， ToF 則通過計算發(fā)射脈沖與返回脈沖之間的時間間隔來確定距離。ToF 也是最早用于激光雷達的技術，例如在 LRRR 中。目前，大多數(shù)激光雷達制造商都傾向于使用 ToF 技術，因為它操作簡單、成本較低。因此，下文將主要討論 ToF及相關激光技術。

2、商用激光雷達的激光器和其探測距離
       激光技術與先進光學技術相結合的創(chuàng)新成果不勝枚舉。這些創(chuàng)新技術，尤其是納米光子解決方案，實現(xiàn)了激光與掃描的更高集成度，使系統(tǒng)進一步微型化，并為激光雷達系統(tǒng)的長遠未來帶來了希望。本文將重點關注成功應用于商用汽車激光雷達的激光解決方案，和未來幾年的動態(tài)趨勢。

      
       表 1 展示了不同探測距離下的商用激光雷達系統(tǒng)中采用的激光技術。1550 nm 光纖激光器在遠距離探測方面效果突出，這是因為該波長的人眼安全的功率閾值較高。典型的激光雷達產品包括 Luminar Iris 和Seyond Falcon。雖然這種解決方案在探測范圍和分辨率方面表現(xiàn)出色，但也面臨著很多重大挑戰(zhàn)，比如激光器和 InGaAs 探測器的高成本、高功率導致的散熱問題、可靠性風險以及光纖激光器龐大的物理尺寸。

       在中長距離激光雷達領域，905 nm EEL（邊緣發(fā)射激光器）與光纖激光器相比，在成本和尺寸方面都提供了更經濟的解決方案。歐司朗的 905 nm 3J EEL通過改善溫度穩(wěn)定性 ，與 MEMS 反射鏡相結合，成功應用于第一代混合掃描激光雷達系統(tǒng)。905 nm 激光雷達的探測距離在近年來也得到了顯著提高，得益于更高效率的探測器。例如，索尼公司于 2021 年底發(fā)布的 IMX459 疊加式 SPAD 深度傳感器，光子探測效率高達 24%，已成為最受歡迎的激光雷達傳感器之一。

       VCSEL 最先應用于手機和消費類設備的短距離激光雷達和三維傳感手機和消費類設備，由飛利浦、Lumentum、Coherent（II-VI 和 Finisar）以及 AMS-Orsram（Princeton + Vixar）率先使用。與 EEL 相比，VCSEL有許多優(yōu)勢：1. 靈活照明，如可形成 1D/2D 可尋址陣列；2. 內在波長溫度穩(wěn)定性(0.07 nm/°C）；3.圓形光束，適用簡易光學元件；4. 更易于封裝；5. 以陣列取代單個發(fā)射器，增加冗余可靠性；6. 成本效益高，6 英寸砷化鎵代工廠已在智能手機 3D 傳感大規(guī)模生產中建立了良好的基礎。傳統(tǒng)VCSEL僅有的缺點是功率密度和亮度通常較低。多結技術的出現(xiàn)大大提高了功率密度和功率轉換效率（PCE)，克服了以前在中長距離激光雷達應用中的瓶頸。例如，Lumentum 用于 Hesai AT128 的 905 nm 5 結 VCSEL。但亮度依然需要提高，僅僅依靠更多結數(shù)仍然不夠。

       增透腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL）是激光雷達領域最近出現(xiàn)的一種具有競爭力的技術，在減少發(fā)散和提高亮度方面取得了顯著突破。AR-VCSEL 的誕生極大擴展了 905 nm 和 940 nm 激光雷達的探測范圍和分辨率，涵蓋了汽車激光雷達所需的所有探測距離范圍。盡管相關的研發(fā)進展在2024年才發(fā)表，AR-VCSEL 早在 2021 年就已研發(fā)成功，如今已在商用遠程激光雷達中大規(guī)模采用。

3、掃描方法和激光技術的共同發(fā)展

      
       根據(jù)掃描方法的不同，商用車載激光雷達可分為三種類型：機械式激光雷達（涉及激光器、透鏡和傳感器的轉動）、混合固態(tài)激光雷達（其中只有掃描 MEMS/鏡片移動），以及全固態(tài)激光雷達（沒有機械運動，掃描光束由電子控制）。

       圖 1 顯示了四種基于 VCSEL 的激光雷達掃描方案，包括一種混合掃描（圖 1a）和三種固態(tài)掃描（圖 1d、g 和 j）。每種方案都各有利弊。其他掃描方法包括光相控陣列(OPA)、焦平面開關陣列、聲光光束掃描、平面透鏡、MEMS集成超表面、液晶超表面（LCM）裝置等。其中，OPA 和 LCM 在逐步商業(yè)化但仍未量產，其他器件仍處于研究階段。

3.1混合固態(tài)：EEL vs. AR-VCSEL
       純機械激光雷達在 L2和L3高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中幾乎已經淘汰。（L2，部分自動駕駛，L3，有條件自動駕駛）混合固態(tài)激光雷達登上了舞臺的中心。

       混合固態(tài)激光雷達制造商最初將點光源（如 1550 nm 光纖激光器或 905 nm EEL）與 2D-MEMS 或反射鏡相結合。最近流行的一種解決方案是，在一個方向上對固態(tài)光源進行電控制掃描，在另一個方向上用一維多邊形轉鏡實現(xiàn)機械掃描。這種固態(tài)光源由一系列小型VCSEL / AR-VCSEL 芯片（如 Hesai AT128）或一連串 VCSEL / AR-VCSEL窄陣列。這種演變不需要MEMS，從而消除了激光器和 MEMS 之間精確對準的需要，也避免了 MEMS相關的視場 (FOV) 不足的問題 （例如，Robosense M1 需要五個 EEL 模塊才能實現(xiàn) 120° 的視場角），并將電機數(shù)量從兩個減少到一個。

       圖 1b 顯示了一個長 2.6 毫米、窄 85 μm（發(fā)射區(qū)域）的 6 結 AR-VCSEL 陣列，峰值輸出功率為 400W，D86 的發(fā)散度為 16 度 （圖 1c 所示）。低發(fā)散多結 AR-VCSEL窄陣列在其短邊方向保持了很好的光束質量（BPP），實現(xiàn)了高水平分辨率。同時，通過延長垂直長度來提高總功率。在這種情況下，垂直分辨率取決于接收器的像素尺寸和密度。

       盡管我們在圖 1中 主要關注基于 VCSEL 的解決方案，需要補充的是EEL 和光纖激光器也可以被集成到混合固態(tài)激光雷達系統(tǒng)中。值得注意的是，EEL 與 2D-MEMS 技術相結合，也得到了大規(guī)模應用，如Robosense M1 和 MX 等激光雷達產品。在未來幾年中，我們預計 EEL 和基于 AR-VCSEL 的解決方案之間將展開競爭�；�于 EEL 的激光雷達將通過減少EEL 的數(shù)量實現(xiàn)降本，同時增加透鏡解決數(shù)量減少帶來的角度覆蓋問題。而 AR-VCSEL則在功率密度和亮度方面有更大的提升空間，同時縮小器件面積。性能方面，基于 EEL 的激光雷達通常射程一般超不過 200 米，而目前已經量產的6 結 AR-VSCEL 激光雷達已經超過這一距離，未來8-10 結量產有望將探測距離進一步擴大到300-400m。此外，與 EEL 相比，VCSEL、AR-VCSEL 的應用對整個激光雷達系統(tǒng)的降本更有幫助。這表明 AR-VCSEL 可能具有顯著的長期優(yōu)勢。

3.2全固態(tài)激光雷達
       全固態(tài)激光雷達消除了移動部件，以電子掃描取代機械掃描。商業(yè)上可行的解決方案包括 帶有用于閃光照明的散焦透鏡的 VCSEL（圖 1d）、以及帶有散焦透鏡的 1D/2D 可尋址 VCSEL（圖 1g、j）。其他方案包括Lumotive 的包含LCM 的 VCSEL / EEL，以及Quanergy、Aeva、LightIC、Scantinel Photonics 等公司展示的帶有 OPA 的 FMCW EEL LiDAR。這些解決方案尚未實現(xiàn)規(guī)�；�生產，而用于激光雷達的可尋址 VCSEL 陣列正逐步進入量產階段。Flash VCSEL 最初應用于智能手機上的 ToF 攝像頭，為整個視場提供泛光照明。然而，它們的探測范圍有限，通常只能探測短距離。中長距離激光雷達利用一維和二維可尋址 VCSEL 陣列進行循環(huán)掃描。如圖 1h、i 所示，1D 技術可視為一組具有單獨陽極和共同陰極的 VCSEL 窄陣列群。二維可尋址 VCSEL 陣列矩陣（圖 1k）可單獨控制陽極和陰極，照明策略更加靈活。不過，其金屬互聯(lián)增加了制造的復雜性，與一維解決方案相比，面臨的挑戰(zhàn)稍多一些。圖 1l 顯示了可尋址 VCSEL 陣列的單個區(qū)域的 LI 性能、NF 和 FF 圖像。目前開發(fā)的大多數(shù)全固態(tài)激光雷達解決方案都首先瞄準的是中短程。我們相信要實現(xiàn)全固態(tài)長距離激光雷達，AR-VCSEL 必將在其中發(fā)揮關鍵作用。AR-VCSEL、 VCSEL 解決方案在技術準備和成本效益方面都取得了快速進展，成為全固態(tài)激光雷達光源的最具競爭力的競爭者。

4、未來激光雷達技術的關鍵要求
       接下來我們將探討未來激光雷達對光源的幾個關鍵性能要求，包括：高功率密度、高 PCE、良好的光束質量、高可靠性和低成本。

4.1功率密度和能量轉換效率PCE
       峰值功率越高，信噪比就越大，激光雷達的探測距離就更遠。結數(shù)和量子效率成正比，更多結數(shù)的VCSEL確保了更高的量子效率，在相同的驅動電流下，功率密度可以更高（圖 2a）。在相同的光功率下，PCE 會更高（圖 2b）。目前市場上用于LiDAR的量產的 VCSEL 結數(shù)為 5-6 個，并且有可能每隔 18 個月增加 2 個，類似摩爾定律。出于研發(fā)目的，我們已在實驗中展示了最多可達 14 結的小發(fā)散角AR-VCSEL。盡管理論上結的數(shù)量沒有上限，在實際應用中，更多結數(shù)會帶來在高厚度高應力外延生長、高深度開口比例的溝槽蝕刻，以及在更高功率下的可靠運行等方面的挑戰(zhàn)。

      
4.2光束參數(shù)積 (BPP)
       BPP 的定義是激光光束的發(fā)散角 θ（半角）與光束最窄處半徑 r（光束腰）的乘積。
      
       腰）的乘積。其數(shù)學表達式為其中 M² 表示光束質量，λ 是波長。對于 M² = 1 的理想高斯光束，BPP 的最小值為 λ/π。當θ 較小時，x和y方向的BPP的乘積與激光的亮度成反比。對于具有足夠傳感器分辨率的激光雷達系統(tǒng)來說，空間分辨率極限大約等于準直后激光束的大小，可表示為
      
       其中，D 是透射鏡頭的直徑，R 是到目標的距離。因此，BPP 越小，分辨率越高。對于相同的光學器件，BPP 越小，分辨率越高。較小的 BPP 或 M² 允許使用較小的透鏡，便于實現(xiàn)更遠的距離和更高分辨率。

      
       如圖 3 所示，EEL 的 BPP 在快慢軸之間有所不同。與慢軸相比，快軸的角度大 3 倍至 8 倍，但直徑通常小 10 倍至 1000 倍，因此快軸的 BPP 較小。雖然多結 EEL 能提供更高的單發(fā)射極功率，但隨著結的數(shù)量從 1 個增加到 5 個，快軸的 BPP 會明顯降低，從而限制了遠距離的分辨率。

       VCSEL / AR-VCSEL 的圓形孔徑確保了對稱的 BPP。它們的氧化孔徑（OA）大小決定了光束的半徑。氧化孔徑越大，相同驅動電流密度下輸出光功率也越高，但也會同時增加發(fā)散角和 BPP。因此，必須謹慎選擇 OA 大小，以平衡功率和 BPP 要求。盡管多結有助于提供足夠的功率，但一旦結的數(shù)量達到 5 個或更多，且OA 達到 20 μm 以上時，傳統(tǒng) VCSEL 在 BPP 方面就會遇到困難。與傳統(tǒng) VCSEL 相比，具有出色 BPP 和 M² 的 AR-VCSEL 可實現(xiàn)更長的距離和更高的分辨率。如圖 3 所示，一個 6J AR-VCSEL發(fā)光孔在BPP 略優(yōu)于傳統(tǒng)的 5J VCSEL的同時 ，輸出功率可以是后者的五倍�；蛘咴谙嗤�功率水平下，6J AR-VCSEL的 BPP 可以做到傳統(tǒng) 5J VCSEL 的四分之一。

       與表 1 的范圍相呼應，我們在圖3中標出了實現(xiàn)30 米、100 米、200 米、300 米和400 米探測距離對BPP的 最低要求（假設空間分辨率要求為10cm，準直透鏡直徑為 5 厘米）。例如200 米處 10 厘米的空間分辨率對應 0.03°的角度分辨率，需要 6.25 的 BPP。允許最多兩列 40 μm AR-VCSEL發(fā)光孔或多達六列 20 μm AR-VCSEL 發(fā)光孔，以同時提供足夠的功率。圖3中右下的區(qū)域，即高功率和低BPP，是長距離激光雷達的理想光源，從傳統(tǒng) VCSEL 到 AR-VCSEL，是一步顯著的跨越。

4.3可靠性
       安全第一。為確保激光雷達在車輛的整個使用壽命期間可靠運行，激光器必須通過汽車標準可靠性測試，即 AEC-Q102測試，其中包括高溫工作壽命(HTOL) 1000 小時、在 85 °C 和 85% 濕度環(huán)境下 1000 小時、低溫工作壽命 (LTOL) 500 小時、通斷電溫度循環(huán)、有害氣體測試、Dew測試、ESD 測試等。在AEC-Q102標準之上 ，激光雷達制造商通常會有更高的要求，例如FIT失效率，即在 10 億設備運行小時內預計發(fā)生故障的次數(shù)。圖 4 顯示，42 個 AR-VCSEL 陣列芯片全部都通過了 6000 小時 HTOL 測試，遠高于 AEC-Q102 的要求。這相當于在客戶的現(xiàn)場使用條件下工作 300 多年，足夠的冗余。除了長期老化研究外，數(shù)以萬計的 AR-VCSEL 陣列芯片還接受了FIT 研究。我們的測試表明，在近 30 億個等效器件小時的使用過程中，沒有出現(xiàn)任何故障。在 90% 的置信度下，F(xiàn)IT 值小于 0.8。雖然未來激光雷達對功率密度的要求更高，可能會對 AR-VCSEL 的壽命造成一定壓力，但它似乎有足夠的冗余來應對挑戰(zhàn)。另外，我們在傳統(tǒng)多結VCSEL 陣列上也實現(xiàn)了類似的使用壽命。

      
4.4降本
       在短期內，我們預計 905 nm/940 nm VCSEL 將迅速取代 1550 nm 光纖激光器。MEMS + 905nm EEL 的方案可能會在一段時間內會與 VCSEL 解決方案競爭。1550 納米激光器的低成本方案是用基于 InP 的高功率激光器代替光纖激光器，但其成本仍高于基于砷化鎵的EEL和VCESL激光器。在目前的激光雷達技術開發(fā)中，重點是平衡性能和成本。一旦200-300 米探測距離得到滿足后，更高分辨率和更遠探測距離的帶來的邊際效益與降低成本相比，就比較有限了。在過去十年中，激光雷達的成本從從 10,000 多美元急劇下降到目前的 500 至 1,000 美元。預計這一下降趨勢還將繼續(xù)，未來有可能達到100 美元。目前，我們估計全球激光雷達的普及率約為乘用車總數(shù)的 0.5%，預計隨著激光雷達的成本接近 100 美元，這一數(shù)字將超過 10%。VCSEL 因其面積/功率比小、成本效益高和可靠性高而得到廣泛認可。與光纖激光器和 EEL 相比，VCSEL 在降低成本方面處于優(yōu)勢地位。我們預計，基于 VCSEL 和 AR-VCSEL 的激光雷達的成本將有可能與 4D 毫米波雷達持平。

總結
       我們認為激光雷達與純視覺方案將長期并存，相互補充。但是對于 ADAS L3 及以上級別而言，激光雷達顯的越來越有必要。由于激光雷達在物體定位方面具有極高的精確度，而且受環(huán)境光的影響小。隨著 ADAS L3 消費型車輛的發(fā)展速度加快，汽車制造商正越來越多地采用激光雷達技術。同時，激光芯片制造商也不斷的致力于高可靠性，高功率密度、高能量轉換效率和高光束質量的低成本解決方案。雖然長距離激光雷達最初使用 1550 nm 高功率光纖激光器和 905 nm EEL 解決方案，但這些解決方案逐漸面臨制造成本方面的挑戰(zhàn)。而在智能手機和消費電子市場經過大量量產以成本效益著稱的VCSEL逐漸占據(jù)舞臺中心。多結技術和 AR-VCSEL 技術解決了 VCSEL 的局限性，提供更高的功率密度、更優(yōu)越的光束質量和更高的亮度，解決了 VCSEL 在功率和亮度上的不足，加上面發(fā)射陣列的靈活排布和可尋址功能在混合固態(tài)和全固態(tài)解決方案中大放異彩， VCSEL如今幾乎可以覆蓋激光雷達應用的所有場景，成為汽車激光雷達光源的最有力競爭者。