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Array|激光雷达的“芯”革命

Array|激光雷达的“芯”革命
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今年上半年 ， 在苹果发布的最新iPad Pro产品线中 ， 最大的看点无疑是新iPad Pro上增加的一个激光雷达 ， 基于940nm 3W VCSEL光源（垂直腔面发射激光器） ， 采用直接式ToF ， 感测距离为5米 。
事实上 ， 低成本激光雷达传感器商业化一直是汽车行业聚焦的话题 。
由于VCSEL的微小尺寸、与大规模生产的大型化合物半导体晶圆的兼容性 ， 被一些人视为制造汽车级激光雷达组件的关键之一 ， 特别适合体积紧凑、可靠性高和低成本要求的汽车行业 。
另一方面 ， VCSEL具备没有任何移动部件的波束转向技术 ， 相对较低的功率输出也可以保证人眼安全 。此外 ， 传统机械式激光雷达（包括MEMS）通过物理移动以改变光束方向 ， 而纯固态激光雷达能够通过改变其光发射的模式来调整方向 。
一年前 ， 激光雷达公司Ibeo宣布与ams（艾迈斯半导体）合作研发VCSEL技术 ， 用于汽车激光雷达应用 。“这将是固态激光雷达的一个转折点 。”Ibeo公司首席执行官Ulrich Lages表示 。
上周 ， ams和Ibeo公司确认 ， VCSEL技术将作为Ibeo固态激光雷达解决方案ibeoNEXT的核心组件 ， 从2022年起供货给长城汽车用于L3级自动驾驶量产方案 。一、VCSEL自带光环
目前 ， 可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种：红外LED、红外LD-EEL（边发射激光二极管）和VCSEL（垂直腔面发射激光器） 。
传统的光电转换技术一般多采用边缘发射 ， 体积大 ， 难以和半导体技术结合 。VCSEL则在光束质量、光纤耦合效率、腔面反射率上都具有优势 。
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且因为VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底 ， 因此能够实现二维阵列而边发射激光器不行 。边缘发射具有高发散角 ， 而VCSEL具有圆形光束 ， 只需要更低的电流阈值就可 ， 对温度的敏感性较低 ， 这也是汽车电子的一个关键指标 。
此外 ， VCSEL还具备非常特殊的制造优势 ， 因为其可以直接在晶片上进行测试 ， 大大降低了生产成本 。而标准边缘发射激光器只能在生产过程的后期进行测试 ， 在此之前 ， 需要将其切割成单个单元并将其进行封装后测试 。
以Ibeo的ibeoNEXT方案为例 ， 通过布置一组128列100行的VCSEL光源来实现高分辨率 。这些激光光源被多路复用 ， 然后反射的光束被当作点云接收 ， 从中计算出周围的图像 。
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这种方法允许非常短的激光脉冲与高峰值功率 ， 这也意味着ibeoNEXT可以达到200米的远距探测 ， 宽视场 ， 甚至能探测到体积很小的障碍物 。
此外 ， 这种设计可以实现单独控制单个激光光源 ， 从而根据需要改变扫描的顺序 ， 例如 ， 增加临界点的扫描频率 ， 以消除干扰 ， 获得更准确的图像 。
在成本下降空间方面 ， 由于VCSEL已经开始在消费类电子领域持续放量 ， 加上本身基于现有的成熟半导体工艺来大规模生产 ， 这意味着基于VCSEL的激光雷达成本可以快速下降至200美元或以下 。
同时 ， 在最关键的车规级方面 ， 940nm VCSEL模块化激光技术可以通过用于汽车AEC-Q100等级1的温度范围（从-40℃到+125℃） ， 因为这项技术已经在通讯领域部署了20多年 ， 具有很高的可靠性 。
一般情况下 ， 905nm边缘发射器(EELs)激光光源由于人眼安全的风险 ， 通常被限制在大约100米的范围内 ， 而1550纳米激光器可以用于实现远距离探测的人眼安全 。然而 ， 成本仍然非常高昂 。


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