中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
2022年，被稱(chēng)為激光雷達規?；a(chǎn)的元年，根據Yole發(fā)布的《2022年汽車(chē)與工業(yè)領(lǐng)域激光雷達報告》顯示，中國廠(chǎng)商已成為全球車(chē)載激光雷達賽道的重要玩家，預計2022年有超過(guò)20萬(wàn)臺的激光雷達交付上車(chē)。隨著(zhù)激光雷達性能、成本、可靠性等不斷優(yōu)化，2023年激光雷達有望出現爆發(fā)性的增長(cháng)。
作為激光雷達的重要組成之一的光源也隨著(zhù)各種技術(shù)路線(xiàn)的競爭，引發(fā)了廣泛的關(guān)注和討論，EEL、VCSEL和MOPA光纖激光器是當前三種主流激光器，在機械掃描、棱鏡旋轉掃描和MEMS掃描系統中，EEL覆蓋了長(cháng)中短距的各種應用，是最理想的光源。在全區域爆閃模式下的固態(tài)激光雷達，則根據距離的要求而選擇VCSEL或EEL。而應用在分區控制等固態(tài)激光雷達應用則可以充分利用VCSEL的多發(fā)光孔的特性，實(shí)現1D/2D控制，在短距固態(tài)應用中成為優(yōu)選。
來(lái)源：Yole, 觀(guān)研天下等
綜合Yole等機構的統計數據，當前激光雷達的光源仍然以EEL為主，占據55%的市場(chǎng)份額，VCSEL占有18%的份額。光源的制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)成熟度、人眼安全等因素，綜合來(lái)看，905nm EEL仍是目前激光雷達應用綜合性能的最優(yōu)解，同時(shí)是市場(chǎng)的選擇。
但是，常規的EEL也存在一些性能缺點(diǎn)，例如波長(cháng)溫漂系數通常為0.28 nm/K，遠高于VCSEL的0.07 nm/K，這也成為限制EEL發(fā)展的重要因素，尤其在滿(mǎn)足車(chē)規級的-40℃~125℃溫度范圍內，光源本身的波長(cháng)變化率越小，探測器的帶通濾波器的波長(cháng)范圍就可以設置得更窄。鑒于此，作為國內激光雷達發(fā)射芯片的領(lǐng)先供應商瑞波光電日前推出具備自主核心技術(shù)的新一代3J和4J的低溫漂65W、135W、165W 905nm芯片系列，波長(cháng)隨溫度變化系數小于0.09 nm/K，部分型號達到0.06 nm/K，在溫度漂移特性已經(jīng)接近甚至優(yōu)于VCSEL，實(shí)現了國產(chǎn)905nm EEL芯片的重大技術(shù)突破，填補了國內空白，同時(shí)削弱了VCSEL的競爭優(yōu)勢。
瑞波光電新一代905nm EEL芯片系列有四個(gè)特點(diǎn)：
● 溫漂系數低，即波長(cháng)隨溫度的變化率低。一般市面上905nm的EEL激光器，波長(cháng)隨溫度變化率在0.28 nm/K，而瑞波新一代65W、135W、165W 905nm芯片系列的溫漂系數小于0.09 nm/K，部分型號的溫漂系數為0.06 nm/K。光源本身的波長(cháng)變化率越小，探測器的帶通濾波器的波長(cháng)范圍就可以設置得更窄，對于激光雷達整體的抗噪性能和測量精度的提高都有很大幫助。
● 功率密度高、功率高。在3J 65W等級產(chǎn)品里面實(shí)現了110μm業(yè)界超窄的發(fā)光線(xiàn)寬，在3J 135W和4J 165W等級實(shí)現220μm業(yè)界超窄的發(fā)光線(xiàn)寬，有助于支持實(shí)現長(cháng)距離測距和高精度測距。激光器本身的發(fā)光尺寸越窄，經(jīng)過(guò)透鏡之后得到的平行光斑就越小，光斑中心部分光強就越強，可以打得更遠，測的精度也越高。3J芯片和4J芯片的斜率效率分別達到了3.5W/A和4.5W/A， 其中新一代4J芯片實(shí)現了量產(chǎn)芯片里最高的輸出功率165W。
● 快軸和慢軸發(fā)散角得到優(yōu)化。瑞波公司新一代905nm芯片快軸發(fā)散角為22°，慢軸發(fā)散角為10°，而常規905nm芯片的快軸發(fā)散角通常為30°，慢軸發(fā)散角17°，這樣意味經(jīng)過(guò)準直后的實(shí)際等效功率密度會(huì )得到大大提升。
● 高溫下功率穩定性全球最佳。瑞波公司新一代905nm芯片在環(huán)境溫度從25變化到125攝氏度，功率變化量小于30%，而該指標的行業(yè)普遍水平為40-50%。高溫下功率穩定意味著(zhù)高熱負載下功率穩定。據評估，瑞波芯片在500kHz高重頻下仍然有優(yōu)秀的輸出功率。
“我們認為激光雷達中的EEL和VCSEL技術(shù)，屬于既競爭又補充的關(guān)系，就像VCSEL在不斷提升光功率密度一樣，EEL也在不斷優(yōu)化溫漂特性、發(fā)散角特性等性能，同時(shí)不斷降低成本，瑞波光電一直致力于開(kāi)發(fā)高性能的EEL芯片，在保持高功率密度的前提下，不斷提升光學(xué)性能和溫度特性，為激光雷達的設計帶來(lái)系統性革新?！鄙钲谌鸩ü怆娮佑邢薰臼袌?chǎng)負責人于占濤表示。
“EEL相比VCSEL的最大技術(shù)優(yōu)勢是光功率密度非常高，比VCSEL至少高1個(gè)數量級。目前瑞波光電開(kāi)發(fā)的905nm EEL芯片的功率密度可以達到50 kW/mm2，而當前VCSEL通過(guò)多結工藝將功率密度最高提升到2 kW/mm2，但仍與EEL有很大的差距?！?/p>
低溫漂EEL和VCSEL性能對比表（來(lái)源：瑞波光電）
從上述表中我們可以發(fā)現，多結VCSEL相比低溫漂EEL，仍存在功率密度的短板，并且低溫漂優(yōu)勢被追平，EEL可將溫漂降系數低到0.06 nm/K甚至更低，VCSEL僅剩低成本、二維特性方面的優(yōu)勢，但是EEL仍可以通過(guò)性能改進(jìn)和規?；圃?，抵消VCSEL的優(yōu)勢。例如EEL可以通過(guò)規模效應和自動(dòng)化制造技術(shù)將成本降低至VCSEL同等級別；EEL可以通過(guò)封裝實(shí)現二維可尋址陣列；新一代EEL的快軸發(fā)散角寬度已經(jīng)比上一代減少1/3，未來(lái)還有改善的空間；同時(shí)EEL有個(gè)優(yōu)勢是偏振態(tài)固定，而VCSEL的偏振態(tài)比較隨機、影響測距的精度。另外，VCSEL陣列在高功率輸出的同時(shí)工作電流需要達到數百A，這也對驅動(dòng)電源形成很大的挑戰。
未來(lái)瑞波光電將持續優(yōu)化溫漂系數，進(jìn)一步做窄發(fā)射區尺寸，提升光功率密度，提升出光效率，繼續鞏固905nm EEL的技術(shù)優(yōu)勢。
在過(guò)去的2022年，瑞波905nm EEL激光雷達發(fā)射芯片通過(guò)車(chē)規AEC-Q102里四項測試項目，包括HTOL、WHTOL、PTC和ESD-HBM。瑞波還積累了超過(guò)500萬(wàn)器件小時(shí)的長(cháng)期壽命測試數據，以此數據建立的壽命模型預測器件的壽命超過(guò)100萬(wàn)小時(shí)。憑借優(yōu)異的性能和高可靠性，瑞波光電目前已經(jīng)與國內多家頭部激光雷達廠(chǎng)商展開(kāi)深度合作，并實(shí)現批量的應用。
作為可以探測更遠距離或更廣視角并立體成像的傳感器，車(chē)規激光雷達已經(jīng)被證明是高級別輔助駕駛不可或缺的關(guān)鍵部件。隨著(zhù)像素密度愈來(lái)愈高，體積越來(lái)越小，成本越來(lái)越低，激光雷達在A(yíng)DAS及自動(dòng)駕駛傳感器中的比重會(huì )越來(lái)越大，同時(shí)也對激光芯片提出更高要求，瑞波光電愿與業(yè)界同仁一起，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的高性能、高可靠性、低成本的激光雷達。
