纵慧光芯最新自然子刊文章介绍：车载激光雷达光源的演进
光纤在线编辑部 2024-11-01 09:12:41 文章来源：本站消息 版权所有,未经许可严禁转载.
导读：文章展示了纵慧在激光雷达领域的几个代表性量产产品，以及为何AR-VCSEL代表了车载激光雷达未来的方向。
11/01/2024，光纤在线讯，激光技术的前世今生，是从象牙塔阳春白雪到接入满满地气的过程。爱因斯坦的粒子数反转和受激辐射预言了半个世纪后激光器的诞生，激光雷达紧接着应运而生。探月，看木星，水星表面形貌，探测海洋和大气，最后是飞机和汽车的导航。从天上到地下，走过星辰大海。而今，斗转星移，旧时王谢门前燕，飞入寻常百姓家。2020年后激光雷达开始大规模普及，华夏大地见证了车载激光雷达的崛起。一时间群雄逐鹿，风起云涌。经历一系列激光器的探索和竞争，面发射已然成为当今车载一大主流。其中，常州纵慧芯光半导体有限公司推出的颠覆性创新技术，增透腔面发射激光器（AR-VCSEL），改写了传统教科书中的VCSEL一维结构，以创纪录的近衍射极限发散角，卓越的光束质量和超强亮度，把基于VCSEL的激光雷达探测距离从150米增加到300米，一经问世就伴随大规模的应用，如今已载入近百万辆车
。
感谢《自然·通讯》杂志的邀请，我们在这篇文章分析了各类激光器技术在车载激光雷达的优缺点，详细讨论了面发射激光器在半固态和全固态（1D和2D）的应用，以及AR-VCSEL给这一领域带来的颠覆性革新。文章展示了纵慧在激光雷达领域的几个代表性量产产品，以及为何AR-VCSEL代表了车载激光雷达未来的方向。
本文英文原版（Evolution of laser technology for automotive LiDAR, an industrial viewpoint）链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51975-6
AR-VCSEL的英文原版（Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR）链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44754-w
以下是中文版本：
近年来，激光雷达技术不断创新，众多激光技术和系统解决方案激烈竞争。基于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和增透腔面发射激光器（AR-VCSEL）的解决方案逐渐展现出优势并开始占据主流市场。本文立足于行业现实，介绍了商用汽车激光雷达激光技术的历史轨迹，尤其是VCSEL和AR-VCSEL 技术的兴起及其未来前景。
1、激光雷达简介
上个世纪60年代，在Theodore Maiman 和他所在的Hughes公司的研发团队做出世界第一台红宝石激光器之后，LiDAR（光探测与测距）就应运而生了。它最初应用于气象学、海洋和地形测绘。1971年，美国国家航空航天局（NASA）在阿波罗15号上安装了一台名为月球激光测距反射器（LRRR）的激光雷达，用于绘制月球表面地图。后来又在飞往火星和水星的航天器中推广使用。直到 2010 年代，激光雷达才开始应用于商用汽车。到了 2020 年代，车载激光雷达在高端电动汽车中开始流行。激光雷达可提供富含物体深度和速度数据的实时点云图像，是辅助驾驶和自动驾驶的关键组成部分。全球有上百家激光雷达公司。北美是汽车激光雷达商业化的先驱，也是 LiDAR 公司 IPO 最多的地区。其中Velodyne 在2010 年左右为硅谷的众多自动驾驶公司提供机械旋转激光雷达 HDL-64E。近年来在亚洲，尤其是在智能电动汽车发展的浪潮中，激光雷达公司显著崛起。与之形成鲜明对比的是，欧洲则是传统巨头企业的天下。激光雷达行业在 2022 年经历了一些动荡，其标志是激光雷达先驱 Quanergy 和Ibeo的倒闭。但在 2023 年，中国电动汽车的崛起推动了LiDAR 的大规模使用和整体行业的反弹。目前，全球激光雷达市场的主要参与者包括欧洲的Valeo、北美的 Luminar 和 Ouster，以及亚洲的 Hesai、RoboSense、Seyond 和 Innoviz。
典型的汽车激光雷达系统包括扫描激光器、接收器、相关的光学元件以及集成驱动和处理器电路，与摄像头、传感器以及定位和导航系统协同工作。在功能上，汽车激光雷达分为负责远距离前方感知的主雷达和用于外围环境感知辅助激光雷达。两者结合可实现 360° 全方位感知，消除盲点。主雷达所需的探测距离从 150 米到 350 米不等，主要受几个因素的影响：最高车速限制、自动驾驶级别 (汽车工程师协会将其分为六级） 和地区法规。
根据探测方法，激光雷达技术可分为频率调制连续波(FMCW) 和飞行时间 (ToF)。FMCW利用返回光与频率调制的发射光的混合来确定运动物体的距离和速度， ToF 则通过计算发射脉冲与返回脉冲之间的时间间隔来确定距离。ToF 也是最早用于激光雷达的技术，例如在 LRRR 中。目前，大多数激光雷达制造商都倾向于使用 ToF 技术，因为它操作简单、成本较低。因此，下文将主要讨论 ToF及相关激光技术。
2、商用激光雷达的激光器和其探测距离
激光技术与先进光学技术相结合的创新成果不胜枚举。这些创新技术，尤其是纳米光子解决方案，实现了激光与扫描的更高集成度，使系统进一步微型化，并为激光雷达系统的长远未来带来了希望。本文将重点关注成功应用于商用汽车激光雷达的激光解决方案，和未来几年的动态趋势。
表 1 展示了不同探测距离下的商用激光雷达系统中采用的激光技术。1550 nm 光纤激光器在远距离探测方面效果突出，这是因为该波长的人眼安全的功率阈值较高。典型的激光雷达产品包括 Luminar Iris 和Seyond Falcon。虽然这种解决方案在探测范围和分辨率方面表现出色，但也面临着很多重大挑战，比如激光器和 InGaAs 探测器的高成本、高功率导致的散热问题、可靠性风险以及光纤激光器庞大的物理尺寸。
在中长距离激光雷达领域，905 nm EEL（边缘发射激光器）与光纤激光器相比，在成本和尺寸方面都提供了更经济的解决方案。欧司朗的 905 nm 3J EEL通过改善温度稳定性 ，与 MEMS 反射镜相结合，成功应用于第一代混合扫描激光雷达系统。905 nm 激光雷达的探测距离在近年来也得到了显著提高，得益于更高效率的探测器。例如，索尼公司于 2021 年底发布的 IMX459 叠加式 SPAD 深度传感器，光子探测效率高达 24%，已成为最受欢迎的激光雷达传感器之一。
VCSEL 最先应用于手机和消费类设备的短距离激光雷达和三维传感手机和消费类设备，由飞利浦、Lumentum、Coherent（II-VI 和 Finisar）以及 AMS-Orsram（Princeton + Vixar）率先使用。与 EEL 相比，VCSEL有许多优势：1. 灵活照明，如可形成 1D/2D 可寻址阵列；2. 内在波长温度稳定性(0.07 nm/°C）；3.圆形光束，适用简易光学元件；4. 更易于封装；5. 以阵列取代单个发射器，增加冗余可靠性；6. 成本效益高，6 英寸砷化镓代工厂已在智能手机 3D 传感大规模生产中建立了良好的基础。传统VCSEL仅有的缺点是功率密度和亮度通常较低。多结技术的出现大大提高了功率密度和功率转换效率（PCE)，克服了以前在中长距离激光雷达应用中的瓶颈。例如，Lumentum 用于 Hesai AT128 的 905 nm 5 结 VCSEL。但亮度依然需要提高，仅仅依靠更多结数仍然不够。
增透腔面发射激光器（AR-VCSEL）是激光雷达领域最近出现的一种具有竞争力的技术，在减少发散和提高亮度方面取得了显著突破。AR-VCSEL 的诞生极大扩展了 905 nm 和 940 nm 激光雷达的探测范围和分辨率，涵盖了汽车激光雷达所需的所有探测距离范围。尽管相关的研发进展在2024年才发表，AR-VCSEL 早在 2021 年就已研发成功，如今已在商用远程激光雷达中大规模采用。
3、扫描方法和激光技术的共同发展
根据扫描方法的不同，商用车载激光雷达可分为三种类型：机械式激光雷达（涉及激光器、透镜和传感器的转动）、混合固态激光雷达（其中只有扫描 MEMS/镜片移动），以及全固态激光雷达（没有机械运动，扫描光束由电子控制）。
图 1 显示了四种基于 VCSEL 的激光雷达扫描方案，包括一种混合扫描（图 1a）和三种固态扫描（图 1d、g 和 j）。每种方案都各有利弊。其他扫描方法包括光相控阵列(OPA)、焦平面开关阵列、声光光束扫描、平面透镜、MEMS集成超表面、液晶超表面（LCM）装置等。其中，OPA 和 LCM 在逐步商业化但仍未量产，其他器件仍处于研究阶段。
3.1混合固态：EEL vs. AR-VCSEL
纯机械激光雷达在 L2和L3高级驾驶辅助系统（ADAS）中几乎已经淘汰。（L2，部分自动驾驶，L3，有条件自动驾驶）混合固态激光雷达登上了舞台的中心。
混合固态激光雷达制造商最初将点光源（如 1550 nm 光纤激光器或 905 nm EEL）与 2D-MEMS 或反射镜相结合。最近流行的一种解决方案是，在一个方向上对固态光源进行电控制扫描，在另一个方向上用一维多边形转镜实现机械扫描。这种固态光源由一系列小型VCSEL / AR-VCSEL 芯片（如 Hesai AT128）或一连串 VCSEL / AR-VCSEL窄阵列。这种演变不需要MEMS，从而消除了激光器和 MEMS 之间精确对准的需要，也避免了 MEMS相关的视场 (FOV) 不足的问题 （例如，Robosense M1 需要五个 EEL 模块才能实现 120° 的视场角），并将电机数量从两个减少到一个。
图 1b 显示了一个长 2.6 毫米、窄 85 μm（发射区域）的 6 结 AR-VCSEL 阵列，峰值输出功率为 400W，D86 的发散度为 16 度 （图 1c 所示）。低发散多结 AR-VCSEL窄阵列在其短边方向保持了很好的光束质量（BPP），实现了高水平分辨率。同时，通过延长垂直长度来提高总功率。在这种情况下，垂直分辨率取决于接收器的像素尺寸和密度。
尽管我们在图 1中 主要关注基于 VCSEL 的解决方案，需要补充的是EEL 和光纤激光器也可以被集成到混合固态激光雷达系统中。值得注意的是，EEL 与 2D-MEMS 技术相结合，也得到了大规模应用，如Robosense M1 和 MX 等激光雷达产品。在未来几年中，我们预计 EEL 和基于 AR-VCSEL 的解决方案之间将展开竞争。基于 EEL 的激光雷达将通过减少EEL 的数量实现降本，同时增加透镜解决数量减少带来的角度覆盖问题。而 AR-VCSEL则在功率密度和亮度方面有更大的提升空间，同时缩小器件面积。性能方面，基于 EEL 的激光雷达通常射程一般超不过 200 米，而目前已经量产的6 结 AR-VSCEL 激光雷达已经超过这一距离，未来8-10 结量产有望将探测距离进一步扩大到300-400m。此外，与 EEL 相比，VCSEL、AR-VCSEL 的应用对整个激光雷达系统的降本更有帮助。这表明 AR-VCSEL 可能具有显著的长期优势。
3.2全固态激光雷达
全固态激光雷达消除了移动部件，以电子扫描取代机械扫描。商业上可行的解决方案包括 带有用于闪光照明的散焦透镜的 VCSEL（图 1d）、以及带有散焦透镜的 1D/2D 可寻址 VCSEL（图 1g、j）。其他方案包括Lumotive 的包含LCM 的 VCSEL / EEL，以及Quanergy、Aeva、LightIC、Scantinel Photonics 等公司展示的带有 OPA 的 FMCW EEL LiDAR。这些解决方案尚未实现规模化生产，而用于激光雷达的可寻址 VCSEL 阵列正逐步进入量产阶段。Flash VCSEL 最初应用于智能手机上的 ToF 摄像头，为整个视场提供泛光照明。然而，它们的探测范围有限，通常只能探测短距离。中长距离激光雷达利用一维和二维可寻址 VCSEL 阵列进行循环扫描。如图 1h、i 所示，1D 技术可视为一组具有单独阳极和共同阴极的 VCSEL 窄阵列群。二维可寻址 VCSEL 阵列矩阵（图 1k）可单独控制阳极和阴极，照明策略更加灵活。不过，其金属互联增加了制造的复杂性，与一维解决方案相比，面临的挑战稍多一些。图 1l 显示了可寻址 VCSEL 阵列的单个区域的 LI 性能、NF 和 FF 图像。目前开发的大多数全固态激光雷达解决方案都首先瞄准的是中短程。我们相信要实现全固态长距离激光雷达，AR-VCSEL 必将在其中发挥关键作用。AR-VCSEL、 VCSEL 解决方案在技术准备和成本效益方面都取得了快速进展，成为全固态激光雷达光源的最具竞争力的竞争者。
4、未来激光雷达技术的关键要求
接下来我们将探讨未来激光雷达对光源的几个关键性能要求，包括：高功率密度、高 PCE、良好的光束质量、高可靠性和低成本。
4.1功率密度和能量转换效率PCE
峰值功率越高，信噪比就越大，激光雷达的探测距离就更远。结数和量子效率成正比，更多结数的VCSEL确保了更高的量子效率，在相同的驱动电流下，功率密度可以更高（图 2a）。在相同的光功率下，PCE 会更高（图 2b）。目前市场上用于LiDAR的量产的 VCSEL 结数为 5-6 个，并且有可能每隔 18 个月增加 2 个，类似摩尔定律。出于研发目的，我们已在实验中展示了最多可达 14 结的小发散角AR-VCSEL。尽管理论上结的数量没有上限，在实际应用中，更多结数会带来在高厚度高应力外延生长、高深度开口比例的沟槽蚀刻，以及在更高功率下的可靠运行等方面的挑战。
4.2光束参数积 (BPP)
BPP 的定义是激光光束的发散角 θ（半角）与光束最窄处半径 r（光束腰）的乘积。
腰）的乘积。其数学表达式为其中 M2 表示光束质量，λ 是波长。对于 M2 = 1 的理想高斯光束，BPP 的最小值为 λ/π。当θ 较小时，x和y方向的BPP的乘积与激光的亮度成反比。对于具有足够传感器分辨率的激光雷达系统来说，空间分辨率极限大约等于准直后激光束的大小，可表示为
其中，D 是透射镜头的直径，R 是到目标的距离。因此，BPP 越小，分辨率越高。对于相同的光学器件，BPP 越小，分辨率越高。较小的 BPP 或 M2 允许使用较小的透镜，便于实现更远的距离和更高分辨率。
如图 3 所示，EEL 的 BPP 在快慢轴之间有所不同。与慢轴相比，快轴的角度大 3 倍至 8 倍，但直径通常小 10 倍至 1000 倍，因此快轴的 BPP 较小。虽然多结 EEL 能提供更高的单发射极功率，但随着结的数量从 1 个增加到 5 个，快轴的 BPP 会明显降低，从而限制了远距离的分辨率。
VCSEL / AR-VCSEL 的圆形孔径确保了对称的 BPP。它们的氧化孔径（OA）大小决定了光束的半径。氧化孔径越大，相同驱动电流密度下输出光功率也越高，但也会同时增加发散角和 BPP。因此，必须谨慎选择 OA 大小，以平衡功率和 BPP 要求。尽管多结有助于提供足够的功率，但一旦结的数量达到 5 个或更多，且OA 达到 20 μm 以上时，传统 VCSEL 在 BPP 方面就会遇到困难。与传统 VCSEL 相比，具有出色 BPP 和 M2 的 AR-VCSEL 可实现更长的距离和更高的分辨率。如图 3 所示，一个 6J AR-VCSEL发光孔在BPP 略优于传统的 5J VCSEL的同时 ，输出功率可以是后者的五倍。或者在相同功率水平下，6J AR-VCSEL的 BPP 可以做到传统 5J VCSEL 的四分之一。
与表 1 的范围相呼应，我们在图3中标出了实现30 米、100 米、200 米、300 米和400 米探测距离对BPP的 最低要求（假设空间分辨率要求为10cm，准直透镜直径为 5 厘米）。例如200 米处 10 厘米的空间分辨率对应 0.03°的角度分辨率，需要 6.25 的 BPP。允许最多两列 40 μm AR-VCSEL发光孔或多达六列 20 μm AR-VCSEL 发光孔，以同时提供足够的功率。图3中右下的区域，即高功率和低BPP，是长距离激光雷达的理想光源，从传统 VCSEL 到 AR-VCSEL，是一步显著的跨越。
4.3可靠性
安全第一。为确保激光雷达在车辆的整个使用寿命期间可靠运行，激光器必须通过汽车标准可靠性测试，即 AEC-Q102测试，其中包括高温工作寿命(HTOL) 1000 小时、在 85 °C 和 85% 湿度环境下 1000 小时、低温工作寿命 (LTOL) 500 小时、通断电温度循环、有害气体测试、Dew测试、ESD 测试等。在AEC-Q102标准之上 ，激光雷达制造商通常会有更高的要求，例如FIT失效率，即在 10 亿设备运行小时内预计发生故障的次数。图 4 显示，42 个 AR-VCSEL 阵列芯片全部都通过了 6000 小时 HTOL 测试，远高于 AEC-Q102 的要求。这相当于在客户的现场使用条件下工作 300 多年，足够的冗余。除了长期老化研究外，数以万计的 AR-VCSEL 阵列芯片还接受了FIT 研究。我们的测试表明，在近 30 亿个等效器件小时的使用过程中，没有出现任何故障。在 90% 的置信度下，FIT 值小于 0.8。虽然未来激光雷达对功率密度的要求更高，可能会对 AR-VCSEL 的寿命造成一定压力，但它似乎有足够的冗余来应对挑战。另外，我们在传统多结VCSEL 阵列上也实现了类似的使用寿命。
4.4降本
在短期内，我们预计 905 nm/940 nm VCSEL 将迅速取代 1550 nm 光纤激光器。MEMS + 905nm EEL 的方案可能会在一段时间内会与 VCSEL 解决方案竞争。1550 纳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纤激光器，但其成本仍高于基于砷化镓的EEL和VCESL激光器。在目前的激光雷达技术开发中，重点是平衡性能和成本。一旦200-300 米探测距离得到满足后，更高分辨率和更远探测距离的带来的边际效益与降低成本相比，就比较有限了。在过去十年中，激光雷达的成本从从 10,000 多美元急剧下降到目前的 500 至 1,000 美元。预计这一下降趋势还将继续，未来有可能达到100 美元。目前，我们估计全球激光雷达的普及率约为乘用车总数的 0.5%，预计随着激光雷达的成本接近 100 美元，这一数字将超过 10%。VCSEL 因其面积/功率比小、成本效益高和可靠性高而得到广泛认可。与光纤激光器和 EEL 相比，VCSEL 在降低成本方面处于优势地位。我们预计，基于 VCSEL 和 AR-VCSEL 的激光雷达的成本将有可能与 4D 毫米波雷达持平。
总结
我们认为激光雷达与纯视觉方案将长期并存，相互补充。但是对于 ADAS L3 及以上级别而言，激光雷达显的越来越有必要。由于激光雷达在物体定位方面具有极高的精确度，而且受环境光的影响小。随着 ADAS L3 消费型车辆的发展速度加快，汽车制造商正越来越多地采用激光雷达技术。同时，激光芯片制造商也不断的致力于高可靠性，高功率密度、高能量转换效率和高光束质量的低成本解决方案。虽然长距离激光雷达最初使用 1550 nm 高功率光纤激光器和 905 nm EEL 解决方案，但这些解决方案逐渐面临制造成本方面的挑战。而在智能手机和消费电子市场经过大量量产以成本效益著称的VCSEL逐渐占据舞台中心。多结技术和 AR-VCSEL 技术解决了 VCSEL 的局限性，提供更高的功率密度、更优越的光束质量和更高的亮度，解决了 VCSEL 在功率和亮度上的不足，加上面发射阵列的灵活排布和可寻址功能在混合固态和全固态解决方案中大放异彩， VCSEL如今几乎可以覆盖激光雷达应用的所有场景，成为汽车激光雷达光源的最有力竞争者。
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感谢《自然·通讯》杂志的邀请，我们在这篇文章分析了各类激光器技术在车载激光雷达的优缺点，详细讨论了面发射激光器在半固态和全固态（1D和2D）的应用，以及AR-VCSEL给这一领域带来的颠覆性革新。文章展示了纵慧在激光雷达领域的几个代表性量产产品，以及为何AR-VCSEL代表了车载激光雷达未来的方向。
本文英文原版（Evolution of laser technology for automotive LiDAR, an industrial viewpoint）链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51975-6
AR-VCSEL的英文原版（Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR）链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44754-w
以下是中文版本：
近年来，激光雷达技术不断创新，众多激光技术和系统解决方案激烈竞争。基于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和增透腔面发射激光器（AR-VCSEL）的解决方案逐渐展现出优势并开始占据主流市场。本文立足于行业现实，介绍了商用汽车激光雷达激光技术的历史轨迹，尤其是VCSEL和AR-VCSEL 技术的兴起及其未来前景。
1、激光雷达简介
上个世纪60年代，在Theodore Maiman 和他所在的Hughes公司的研发团队做出世界第一台红宝石激光器之后，LiDAR（光探测与测距）就应运而生了。它最初应用于气象学、海洋和地形测绘。1971年，美国国家航空航天局（NASA）在阿波罗15号上安装了一台名为月球激光测距反射器（LRRR）的激光雷达，用于绘制月球表面地图。后来又在飞往火星和水星的航天器中推广使用。直到 2010 年代，激光雷达才开始应用于商用汽车。到了 2020 年代，车载激光雷达在高端电动汽车中开始流行。激光雷达可提供富含物体深度和速度数据的实时点云图像，是辅助驾驶和自动驾驶的关键组成部分。全球有上百家激光雷达公司。北美是汽车激光雷达商业化的先驱，也是 LiDAR 公司 IPO 最多的地区。其中Velodyne 在2010 年左右为硅谷的众多自动驾驶公司提供机械旋转激光雷达 HDL-64E。近年来在亚洲，尤其是在智能电动汽车发展的浪潮中，激光雷达公司显著崛起。与之形成鲜明对比的是，欧洲则是传统巨头企业的天下。激光雷达行业在 2022 年经历了一些动荡，其标志是激光雷达先驱 Quanergy 和Ibeo的倒闭。但在 2023 年，中国电动汽车的崛起推动了LiDAR 的大规模使用和整体行业的反弹。目前，全球激光雷达市场的主要参与者包括欧洲的Valeo、北美的 Luminar 和 Ouster，以及亚洲的 Hesai、RoboSense、Seyond 和 Innoviz。
典型的汽车激光雷达系统包括扫描激光器、接收器、相关的光学元件以及集成驱动和处理器电路，与摄像头、传感器以及定位和导航系统协同工作。在功能上，汽车激光雷达分为负责远距离前方感知的主雷达和用于外围环境感知辅助激光雷达。两者结合可实现 360° 全方位感知，消除盲点。主雷达所需的探测距离从 150 米到 350 米不等，主要受几个因素的影响：最高车速限制、自动驾驶级别 (汽车工程师协会将其分为六级） 和地区法规。
根据探测方法，激光雷达技术可分为频率调制连续波(FMCW) 和飞行时间 (ToF)。FMCW利用返回光与频率调制的发射光的混合来确定运动物体的距离和速度， ToF 则通过计算发射脉冲与返回脉冲之间的时间间隔来确定距离。ToF 也是最早用于激光雷达的技术，例如在 LRRR 中。目前，大多数激光雷达制造商都倾向于使用 ToF 技术，因为它操作简单、成本较低。因此，下文将主要讨论 ToF及相关激光技术。
2、商用激光雷达的激光器和其探测距离
激光技术与先进光学技术相结合的创新成果不胜枚举。这些创新技术，尤其是纳米光子解决方案，实现了激光与扫描的更高集成度，使系统进一步微型化，并为激光雷达系统的长远未来带来了希望。本文将重点关注成功应用于商用汽车激光雷达的激光解决方案，和未来几年的动态趋势。
表 1 展示了不同探测距离下的商用激光雷达系统中采用的激光技术。1550 nm 光纤激光器在远距离探测方面效果突出，这是因为该波长的人眼安全的功率阈值较高。典型的激光雷达产品包括 Luminar Iris 和Seyond Falcon。虽然这种解决方案在探测范围和分辨率方面表现出色，但也面临着很多重大挑战，比如激光器和 InGaAs 探测器的高成本、高功率导致的散热问题、可靠性风险以及光纤激光器庞大的物理尺寸。
在中长距离激光雷达领域，905 nm EEL（边缘发射激光器）与光纤激光器相比，在成本和尺寸方面都提供了更经济的解决方案。欧司朗的 905 nm 3J EEL通过改善温度稳定性 ，与 MEMS 反射镜相结合，成功应用于第一代混合扫描激光雷达系统。905 nm 激光雷达的探测距离在近年来也得到了显著提高，得益于更高效率的探测器。例如，索尼公司于 2021 年底发布的 IMX459 叠加式 SPAD 深度传感器，光子探测效率高达 24%，已成为最受欢迎的激光雷达传感器之一。
VCSEL 最先应用于手机和消费类设备的短距离激光雷达和三维传感手机和消费类设备，由飞利浦、Lumentum、Coherent（II-VI 和 Finisar）以及 AMS-Orsram（Princeton + Vixar）率先使用。与 EEL 相比，VCSEL有许多优势：1. 灵活照明，如可形成 1D/2D 可寻址阵列；2. 内在波长温度稳定性(0.07 nm/°C）；3.圆形光束，适用简易光学元件；4. 更易于封装；5. 以阵列取代单个发射器，增加冗余可靠性；6. 成本效益高，6 英寸砷化镓代工厂已在智能手机 3D 传感大规模生产中建立了良好的基础。传统VCSEL仅有的缺点是功率密度和亮度通常较低。多结技术的出现大大提高了功率密度和功率转换效率（PCE)，克服了以前在中长距离激光雷达应用中的瓶颈。例如，Lumentum 用于 Hesai AT128 的 905 nm 5 结 VCSEL。但亮度依然需要提高，仅仅依靠更多结数仍然不够。
增透腔面发射激光器（AR-VCSEL）是激光雷达领域最近出现的一种具有竞争力的技术，在减少发散和提高亮度方面取得了显著突破。AR-VCSEL 的诞生极大扩展了 905 nm 和 940 nm 激光雷达的探测范围和分辨率，涵盖了汽车激光雷达所需的所有探测距离范围。尽管相关的研发进展在2024年才发表，AR-VCSEL 早在 2021 年就已研发成功，如今已在商用远程激光雷达中大规模采用。
3、扫描方法和激光技术的共同发展
根据扫描方法的不同，商用车载激光雷达可分为三种类型：机械式激光雷达（涉及激光器、透镜和传感器的转动）、混合固态激光雷达（其中只有扫描 MEMS/镜片移动），以及全固态激光雷达（没有机械运动，扫描光束由电子控制）。
图 1 显示了四种基于 VCSEL 的激光雷达扫描方案，包括一种混合扫描（图 1a）和三种固态扫描（图 1d、g 和 j）。每种方案都各有利弊。其他扫描方法包括光相控阵列(OPA)、焦平面开关阵列、声光光束扫描、平面透镜、MEMS集成超表面、液晶超表面（LCM）装置等。其中，OPA 和 LCM 在逐步商业化但仍未量产，其他器件仍处于研究阶段。
3.1混合固态：EEL vs. AR-VCSEL
纯机械激光雷达在 L2和L3高级驾驶辅助系统（ADAS）中几乎已经淘汰。（L2，部分自动驾驶，L3，有条件自动驾驶）混合固态激光雷达登上了舞台的中心。
混合固态激光雷达制造商最初将点光源（如 1550 nm 光纤激光器或 905 nm EEL）与 2D-MEMS 或反射镜相结合。最近流行的一种解决方案是，在一个方向上对固态光源进行电控制扫描，在另一个方向上用一维多边形转镜实现机械扫描。这种固态光源由一系列小型VCSEL / AR-VCSEL 芯片（如 Hesai AT128）或一连串 VCSEL / AR-VCSEL窄阵列。这种演变不需要MEMS，从而消除了激光器和 MEMS 之间精确对准的需要，也避免了 MEMS相关的视场 (FOV) 不足的问题 （例如，Robosense M1 需要五个 EEL 模块才能实现 120° 的视场角），并将电机数量从两个减少到一个。
图 1b 显示了一个长 2.6 毫米、窄 85 μm（发射区域）的 6 结 AR-VCSEL 阵列，峰值输出功率为 400W，D86 的发散度为 16 度 （图 1c 所示）。低发散多结 AR-VCSEL窄阵列在其短边方向保持了很好的光束质量（BPP），实现了高水平分辨率。同时，通过延长垂直长度来提高总功率。在这种情况下，垂直分辨率取决于接收器的像素尺寸和密度。
尽管我们在图 1中 主要关注基于 VCSEL 的解决方案，需要补充的是EEL 和光纤激光器也可以被集成到混合固态激光雷达系统中。值得注意的是，EEL 与 2D-MEMS 技术相结合，也得到了大规模应用，如Robosense M1 和 MX 等激光雷达产品。在未来几年中，我们预计 EEL 和基于 AR-VCSEL 的解决方案之间将展开竞争。基于 EEL 的激光雷达将通过减少EEL 的数量实现降本，同时增加透镜解决数量减少带来的角度覆盖问题。而 AR-VCSEL则在功率密度和亮度方面有更大的提升空间，同时缩小器件面积。性能方面，基于 EEL 的激光雷达通常射程一般超不过 200 米，而目前已经量产的6 结 AR-VSCEL 激光雷达已经超过这一距离，未来8-10 结量产有望将探测距离进一步扩大到300-400m。此外，与 EEL 相比，VCSEL、AR-VCSEL 的应用对整个激光雷达系统的降本更有帮助。这表明 AR-VCSEL 可能具有显著的长期优势。
3.2全固态激光雷达
全固态激光雷达消除了移动部件，以电子扫描取代机械扫描。商业上可行的解决方案包括 带有用于闪光照明的散焦透镜的 VCSEL（图 1d）、以及带有散焦透镜的 1D/2D 可寻址 VCSEL（图 1g、j）。其他方案包括Lumotive 的包含LCM 的 VCSEL / EEL，以及Quanergy、Aeva、LightIC、Scantinel Photonics 等公司展示的带有 OPA 的 FMCW EEL LiDAR。这些解决方案尚未实现规模化生产，而用于激光雷达的可寻址 VCSEL 阵列正逐步进入量产阶段。Flash VCSEL 最初应用于智能手机上的 ToF 摄像头，为整个视场提供泛光照明。然而，它们的探测范围有限，通常只能探测短距离。中长距离激光雷达利用一维和二维可寻址 VCSEL 阵列进行循环扫描。如图 1h、i 所示，1D 技术可视为一组具有单独阳极和共同阴极的 VCSEL 窄阵列群。二维可寻址 VCSEL 阵列矩阵（图 1k）可单独控制阳极和阴极，照明策略更加灵活。不过，其金属互联增加了制造的复杂性，与一维解决方案相比，面临的挑战稍多一些。图 1l 显示了可寻址 VCSEL 阵列的单个区域的 LI 性能、NF 和 FF 图像。目前开发的大多数全固态激光雷达解决方案都首先瞄准的是中短程。我们相信要实现全固态长距离激光雷达，AR-VCSEL 必将在其中发挥关键作用。AR-VCSEL、 VCSEL 解决方案在技术准备和成本效益方面都取得了快速进展，成为全固态激光雷达光源的最具竞争力的竞争者。
4、未来激光雷达技术的关键要求
接下来我们将探讨未来激光雷达对光源的几个关键性能要求，包括：高功率密度、高 PCE、良好的光束质量、高可靠性和低成本。
4.1功率密度和能量转换效率PCE
峰值功率越高，信噪比就越大，激光雷达的探测距离就更远。结数和量子效率成正比，更多结数的VCSEL确保了更高的量子效率，在相同的驱动电流下，功率密度可以更高（图 2a）。在相同的光功率下，PCE 会更高（图 2b）。目前市场上用于LiDAR的量产的 VCSEL 结数为 5-6 个，并且有可能每隔 18 个月增加 2 个，类似摩尔定律。出于研发目的，我们已在实验中展示了最多可达 14 结的小发散角AR-VCSEL。尽管理论上结的数量没有上限，在实际应用中，更多结数会带来在高厚度高应力外延生长、高深度开口比例的沟槽蚀刻，以及在更高功率下的可靠运行等方面的挑战。
4.2光束参数积 (BPP)
BPP 的定义是激光光束的发散角 θ（半角）与光束最窄处半径 r（光束腰）的乘积。
腰）的乘积。其数学表达式为其中 M2 表示光束质量，λ 是波长。对于 M2 = 1 的理想高斯光束，BPP 的最小值为 λ/π。当θ 较小时，x和y方向的BPP的乘积与激光的亮度成反比。对于具有足够传感器分辨率的激光雷达系统来说，空间分辨率极限大约等于准直后激光束的大小，可表示为
其中，D 是透射镜头的直径，R 是到目标的距离。因此，BPP 越小，分辨率越高。对于相同的光学器件，BPP 越小，分辨率越高。较小的 BPP 或 M2 允许使用较小的透镜，便于实现更远的距离和更高分辨率。
如图 3 所示，EEL 的 BPP 在快慢轴之间有所不同。与慢轴相比，快轴的角度大 3 倍至 8 倍，但直径通常小 10 倍至 1000 倍，因此快轴的 BPP 较小。虽然多结 EEL 能提供更高的单发射极功率，但随着结的数量从 1 个增加到 5 个，快轴的 BPP 会明显降低，从而限制了远距离的分辨率。
VCSEL / AR-VCSEL 的圆形孔径确保了对称的 BPP。它们的氧化孔径（OA）大小决定了光束的半径。氧化孔径越大，相同驱动电流密度下输出光功率也越高，但也会同时增加发散角和 BPP。因此，必须谨慎选择 OA 大小，以平衡功率和 BPP 要求。尽管多结有助于提供足够的功率，但一旦结的数量达到 5 个或更多，且OA 达到 20 μm 以上时，传统 VCSEL 在 BPP 方面就会遇到困难。与传统 VCSEL 相比，具有出色 BPP 和 M2 的 AR-VCSEL 可实现更长的距离和更高的分辨率。如图 3 所示，一个 6J AR-VCSEL发光孔在BPP 略优于传统的 5J VCSEL的同时 ，输出功率可以是后者的五倍。或者在相同功率水平下，6J AR-VCSEL的 BPP 可以做到传统 5J VCSEL 的四分之一。
与表 1 的范围相呼应，我们在图3中标出了实现30 米、100 米、200 米、300 米和400 米探测距离对BPP的 最低要求（假设空间分辨率要求为10cm，准直透镜直径为 5 厘米）。例如200 米处 10 厘米的空间分辨率对应 0.03°的角度分辨率，需要 6.25 的 BPP。允许最多两列 40 μm AR-VCSEL发光孔或多达六列 20 μm AR-VCSEL 发光孔，以同时提供足够的功率。图3中右下的区域，即高功率和低BPP，是长距离激光雷达的理想光源，从传统 VCSEL 到 AR-VCSEL，是一步显著的跨越。
4.3可靠性
安全第一。为确保激光雷达在车辆的整个使用寿命期间可靠运行，激光器必须通过汽车标准可靠性测试，即 AEC-Q102测试，其中包括高温工作寿命(HTOL) 1000 小时、在 85 °C 和 85% 湿度环境下 1000 小时、低温工作寿命 (LTOL) 500 小时、通断电温度循环、有害气体测试、Dew测试、ESD 测试等。在AEC-Q102标准之上 ，激光雷达制造商通常会有更高的要求，例如FIT失效率，即在 10 亿设备运行小时内预计发生故障的次数。图 4 显示，42 个 AR-VCSEL 阵列芯片全部都通过了 6000 小时 HTOL 测试，远高于 AEC-Q102 的要求。这相当于在客户的现场使用条件下工作 300 多年，足够的冗余。除了长期老化研究外，数以万计的 AR-VCSEL 阵列芯片还接受了FIT 研究。我们的测试表明，在近 30 亿个等效器件小时的使用过程中，没有出现任何故障。在 90% 的置信度下，FIT 值小于 0.8。虽然未来激光雷达对功率密度的要求更高，可能会对 AR-VCSEL 的寿命造成一定压力，但它似乎有足够的冗余来应对挑战。另外，我们在传统多结VCSEL 阵列上也实现了类似的使用寿命。
4.4降本
在短期内，我们预计 905 nm/940 nm VCSEL 将迅速取代 1550 nm 光纤激光器。MEMS + 905nm EEL 的方案可能会在一段时间内会与 VCSEL 解决方案竞争。1550 纳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纤激光器，但其成本仍高于基于砷化镓的EEL和VCESL激光器。在目前的激光雷达技术开发中，重点是平衡性能和成本。一旦200-300 米探测距离得到满足后，更高分辨率和更远探测距离的带来的边际效益与降低成本相比，就比较有限了。在过去十年中，激光雷达的成本从从 10,000 多美元急剧下降到目前的 500 至 1,000 美元。预计这一下降趋势还将继续，未来有可能达到100 美元。目前，我们估计全球激光雷达的普及率约为乘用车总数的 0.5%，预计随着激光雷达的成本接近 100 美元，这一数字将超过 10%。VCSEL 因其面积/功率比小、成本效益高和可靠性高而得到广泛认可。与光纤激光器和 EEL 相比，VCSEL 在降低成本方面处于优势地位。我们预计，基于 VCSEL 和 AR-VCSEL 的激光雷达的成本将有可能与 4D 毫米波雷达持平。
总结
我们认为激光雷达与纯视觉方案将长期并存，相互补充。但是对于 ADAS L3 及以上级别而言，激光雷达显的越来越有必要。由于激光雷达在物体定位方面具有极高的精确度，而且受环境光的影响小。随着 ADAS L3 消费型车辆的发展速度加快，汽车制造商正越来越多地采用激光雷达技术。同时，激光芯片制造商也不断的致力于高可靠性，高功率密度、高能量转换效率和高光束质量的低成本解决方案。虽然长距离激光雷达最初使用 1550 nm 高功率光纤激光器和 905 nm EEL 解决方案，但这些解决方案逐渐面临制造成本方面的挑战。而在智能手机和消费电子市场经过大量量产以成本效益著称的VCSEL逐渐占据舞台中心。多结技术和 AR-VCSEL 技术解决了 VCSEL 的局限性，提供更高的功率密度、更优越的光束质量和更高的亮度，解决了 VCSEL 在功率和亮度上的不足，加上面发射阵列的灵活排布和可寻址功能在混合固态和全固态解决方案中大放异彩， VCSEL如今几乎可以覆盖激光雷达应用的所有场景，成为汽车激光雷达光源的最有力竞争者。
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