中年4种常用车载激光雷达光源技术的优缺点解析 |激光|光源|

张雪峰、李勇、王警卫（西安炬光科技股份有限公司）
闵大勇、吴真林（苏州长光华芯光电技术有限公司）
激光光源是车载激光雷达的核心器件之一。激光光源的选择需综合考虑实际应用环境、激光雷达技术方案、性能需求以及成本需求，需要多种类型的激光光源来适应不同的道路环境。目前常见的几种光源主要包括边发射激光器（EEL）、垂直腔面发射激光器（VCESL）、固体激光器以及光纤激光器等。
边发射激光器（EEL）
用于激光雷达的边发射激光器，最常用的是InGaAs/GaAs应变量子阱脉冲激光二极管(PLD, Pulsed laser diode) ，波长以905 nm最为流行。
相较于1550 nm波长， 905 nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子，而硅基光电探测器通常比探测1550 nm光所需的铟镓砷(InGaAs)近红外探测器更加成熟，从成本和整体成熟度方面来讲是大批量应用的必然选择，性价比更高。
因此，为了实现远距离的测距，首先选择905 nm脉冲激光二极管，再使激光脉冲的峰值功率尽可能大。同时对于高精度的激光雷达方案，激光脉冲的宽度和上升沿质量对后续时间间隔的精确测量具有重要意义。 905 nm脉冲激光二极管常见于扫描式激光雷达，包括机械旋转式和MEMS固态激光雷达。
905 nm 脉冲激光二极管在测距领域已广泛应用很多年，技术也是突飞猛进。激光器芯片的发射单元结构已由单层发展到两叠层或三叠层甚至四叠层。随着激光雷达对905 nm 脉冲激光二极管输出功率及光学点阵云要求的提高，激光雷达所需的芯片结构也由单通道发展到4通道，甚至6通道或8通道。这样， 905 nm 激光器的峰值功率随之显著增加，由单通道结构约75 W提高到多通道结构400 W甚至近千瓦。
常见的905 nm PLD的封装结构是TO、蝶式、尾纤以及更好的散热基座上直接安装芯片等。德国欧司朗(Osram)公司是全球905 nm PLD主要的生产商，封装结构涉及到塑料TO-can、金属TO-can ，以及陶瓷基座上直接封装芯片，峰值功率75 W到400 W不等, 单个通道电流40 A ，峰值光功率最高达125 W ，能效高达33% 。而四通道的芯片具有四个发射区，如图1所示，光功率高达480W ，使得激光的探测范围要远得多。

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图1 欧司朗四通道激光器产品
日本滨松光子公司也发布了4通道905 nm脉冲激光二极管，图2即是典型的基座上直接封装芯片的结构，可以满足车规级的使用要求。

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图2 滨松陶瓷封装的4通道 PLD
此外，还有Excelitas Technologies、Laser Components、OSI LaserDiode Inc.、Wavespectrum Laser Group、瑞波光电等。
激光雷达厂商在使用多通道高峰值功率PLD时，需要解决纳秒级大电流驱动电源及光学准直两个技术难题，西安炬光科技推出了集成了8通道PLD ，如图3所示，高速驱动，光学整形的一体化雷达光源模块，该模块产品可实现900W峰值功率输出， 0.1x 25 °的准直光斑输出。这样的高度集成光源模块为激光雷达厂商解决了光源使用中的技术难题，降低了使用高功率PLD光源的技术门槛，是远距离车载激光雷达产品的优选光源。
图3 炬光科技 8通道905 nm激光雷达光源模块
垂直腔面发射激光器（VCSEL）
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser）是一种垂直表面出光的新型激光器，其制造工艺与边发射半导体激光器相兼容，且大规模制造的成本很低。另一方面， VCSEL的生长结构更易于芯片级的二维VCSEL阵列，不仅可以提高输出功率，还为设计各种复杂结构的点阵光源提供了可能。