华为激光雷达专题研究报告:巨龙入海,天眼初开( 六 )
VCSEL 激光器降低成本和量产难度的同时 , 也带来了发光功率密度低的缺陷 。 近年来 国内外多家 VCSEL 激光器公司纷纷开发了多层结 VCSEL 激光器 , 将其发光功率密度 提升了 5~10 倍 , 这为应用 VCSEL 开发长距激光雷达提供了可能 。 结合其平面化所带 来的生产成本和产品可靠性方面的收益 , VCSEL 未来将有望逐渐取代 EEL 。
以光纤激光器发射 1550nm 激光替代 905nm 激光可提高性能 。 905nm 激光使用半导 体激光器即可发射 , 成本较低 , 但易穿透晶状体 , 伤害视网膜 , 因此使用功率受限 , 进 而导致其探测距离和分辨率等性能较差 。 而 1550nm 激光则需使用光纤激光器 , 成本较 高 , 但功率限制较小 , 因此在该波长下 , 激光雷达性能较好 。
接收模组:灵敏度更高的单光子雪崩二极管探测器 SAPD 有望搭配 VCSEL 使用 。VCSEL 作为发射端激光器结构存在发光功率密度低的弊病 , 而功率下降会导致探测距 离和分辨率下降 , 该弊病可通过提高接收端的探测器敏感度进行对冲 。 单光子雪崩二极 管(SPAD , Single Photon Avalanche Diode)比传统激光雷达中的线性雪崩二极管(APD ,Avalanche Photo-Diode)灵敏度更高 , 响应速度快 , 探测效率高 , 易于阵列集成 。
除探测器类型外 , 探测器基底材料的选择也影响着接收端的性能 。 目前主流接收端探测 器基底均选用成本较低的 Si 基 , 检测范围为可见光到 1150nm 波长以内的近红外 , 该波长范围内的激光功率限制较大 , 严重限制了激光雷达的各项性能 。 除 Si 基外 , InGaAs 也可用作基底材料 , 其检测范围最高可达 1700nm , 且 InGaAs 高信噪比的特性可补足 SPAD 灵敏度上升带来信噪比下降的弊病 。
华为已布局上游 VCSEL 和 SPAD 领域
垂直整合产业链亦可降低成本 , 华为已在 VCSEL 和 SPAD 领域进行部署 。 华为通过全 资子公司哈勃科技投资有限公司分别于 2020 年 6 月 11 日和 2020 年 10 月 19 日投资 常州纵慧芯光半导体科技有限公司和南京芯视界微电子科技有限公司 。
本文插图
常州纵慧芯光半导体科技有限公司成立于 2015 年 , 公司主要提供高功率和高速 VCSEL (650nm 至 1000nm)解决方案 , 其产品广泛应用于生物医学、工业、汽车、消费类产 品中 。 截至华为 2020 年 6 月投资入股 , 全球可实现 VCSEL 量产的仅 5 家厂商 , 纵慧 芯光是中国第一家拥有自主知识产权的 VCSEL 芯片公司 。
南京芯视界微电子科技有限公司成立于 2018 年 , 公司拥有先进的光电转换器件设计和 单光子检测成像技术 , 主营固态激光雷达芯片、大数据中心超高速光电互联芯片及系统 解决方案 。 针对当前激光雷达成本功耗高、可靠性低、系统设计复杂等痛点,南京芯视界 研发了基于大规模单光子检测阵列的全集成芯片,该芯片在 CMOS 工艺上实现了高灵敏 度、高分辨率单光子检测阵列,集成了自主研发的超高精度测距电路和抗干扰数字算法, 基于该芯片的激光雷达系统可实现精确测距,功耗成本低、灵敏度高、可靠性高,在技术 和实用性上处于领先地位 。
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