激光雷达核心元器件持续演进，中国初创企业成绩斐然
2020-09-29 08:44:13   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

『第二十九届“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』专题报道

——车载激光雷达核心元器件技术进展

车载激光雷达（LiDAR）核心元器件技术不成熟、价格昂贵、供应链尚未完全成熟，中国“缺芯少魂”……作为构建激光雷达系统的底层基石，核心元器件产业存在的问题依然制约着激光雷达走进自动驾驶。探讨激光雷达核心元器件技术进展，一直是麦姆斯咨询的关注重点。2020年9月10日，『第二十九届“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』（同期展会：2020 CIOE）在深圳国际会展中心举办。在本次研讨会下午半场中，CDA、灵明光子、炬佑智能、安森美半导体（ON Semiconductor）、博升光电、纵慧芯光、柠檬光子等国内外激光雷达核心元器件厂商分享了近年来所做出的努力和成绩。不管是国际企业（如CDA、安森美半导体），还是国内初创企业（如灵明光子、炬佑智能、博升光电、纵慧芯光、柠檬光子），都在为激光雷达追求“过车规、易量产、高性价比”的元器件要求而努力奋斗！

『第二十九届“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』会场气氛热烈

1．CDA《CDA先进微纳光学技术在激光雷达领域的应用》

CDA销售总监董诚先生介绍微纳光学元件生产流程

CDA总部位于光学工业最发达的城市德国图林根州，于2018年进入中国市场。董诚先生表示：经过两年多来中国本土团队与德国团队的协调，德国总部已经适应中国“996”的工作方式，能够快速响应客户需求，为中国客户提供灵活、经济有效的定制化服务。

CDA为不同应用领域提供灵活多样的微纳光学产品及服务

CDA对激光雷达技术路线做了深入研究，看好OPA激光雷达、MEMS激光雷达和Flash激光雷达。目前CDA可为上述激光雷达发射端提供微纳光学元件（包括DOE、ROE、HOE）定制服务，保证光源的光束整形功能和发散角度。CDA采用的全塑料材料、已有的车规级产品量产经验都有利于为中国激光雷达客户带来更优质的产品和服务。

CDA微纳光学元件在激光雷达中的角色

董诚先生介绍了CDA在样品试制阶段和量产阶段为客户提供服务的具体情况。他谈到：为保证量产阶段产品质量的一致性，CDA确保在样品阶段采用与量产阶段完全相同的生产机台；样品交付周期为4~6周，今年已经创造了3周向中国客户交付样品的记录；样品阶段提供完整的测试项目。董诚先生很自豪地向在场观众宣布：CDA能够以“中国速度”为激光雷达企业提供车规级微纳光学元件！

2．灵明光子《打造激光雷达理想单光子接收端》

灵明光子联合创始人兼首席执行官贾捷阳先生分享激光雷达光电接收端产品进展

贾捷阳先生首先分析了SiPM技术的市场发展趋势。SPAD具有感光灵敏和时间精确的双重优势，SPAD的团簇化形态——SiPM被视为远程激光雷达光电探测器的最佳选择。通过与APD的各项参数对比，SiPM具有能耗更低、系统可靠性更高、对弱信号灵敏度更高、系统成本更低的诸多优势。

SiPM与APD的参数性能对比

灵明光子虽然是一家2018年成立的初创企业，但面向激光雷达开发的SiPM产品性能已经达到了国际领先水平。贾捷阳先生向在场观众详细展示了灵明光子经过三次迭代打造的单点及1 x 16线阵SiPM产品的实际测试结果：业界最高的PDE @ 905 nm、最低DCR、最低功耗和超低电压等。而基于SiPM的系统验证结果再次展现了灵明光子SiPM产品在长距离精准度、反射率误差修正方面的独特优势。

灵眀光子SiPM产品总览

最后，贾捷阳先生分享了灵明光子的未来努力方向：（1）SiPM产品技术革新，在今年第四季度将推出第四代产品（PDE提升到15%~20%），计划于2021年第三季度推出第五代产品（集成ASIC，PDE提升到25%~35%）；（2）SiPM工程方法革新，从设计和测试表征方法进行多项革新，从而保障长期的快速产品优化迭代；（3）SiPM产品量产能力建设，可为客户提供WLCSP、PLCC、CLCC、QFN、LGA、BGA等多种封装方案选项，并与第三方建立了月产能达1万片的CP测试量产保障。

3．炬佑智能《ToF的侘寂》

炬佑智能首席执行官刘洋先生分享对ToF技术的理解

“侘寂”来源于日本美学，指事物看起来表面朴实、自然甚至粗糙、残缺，但蕴藏着内在之美。在热爱艺术的刘洋先生看来，ToF技术则具有“侘寂”的美感。

“侘寂”之美

刘洋先生谈到：随着ToF传感器面阵尺寸越来越大，带来的问题也是越来越复杂，如多物体反射率干扰、多路径干扰（MPI）、温度飘移……ToF模组并不是简单的接收器装置，而是由发射器、接收器和处理器组成。炬佑智能在成立初期就针对上述三方面做了具体的布局，从系统角度整体优化ToF模组以满足不同应用场景的需求。

在传感器端，炬佑智能不断进行创新，最小像素将达到业内最佳水平：2.8μm，并同时布局iToF和dToF传感器，已经注册了混合型的动态像素方案——mToF。在发射端，VCSEL驱动器的作用显得越来越重要，炬佑智能可以为客户提供完整的VCSEL驱动系统，提供12V/10A大电流高电压驱动、智能动态脉冲整形的产品，可适配业内所有主流传感器，目前已经得到欧美大企业的认可。在处理器端，炬佑智能秉承“推进超感知类人眼ToF开发”的理念，已经发布了全球首款ToF专用处理器OPN6001，2021年还将内置像素级运算功能，实现算法联动。

炬佑智能产品竞争力：发射-接收-处理三体联动，行业唯一

4．安森美半导体《面向激光雷达和4D成像的核心传感器：SPAD和SiPM》

安森美半导体智能感知部中国区技术主管钱团结先生分析激光雷达光电探测器

钱团结先生在简单介绍安森美半导体智能感知部、安森美半导体汽车产品市场份额后，向在场观众比较了激光雷达光电探测器的主要类型和优缺点。相比于当前的主流产品APD阵列，SiPM的工作电压低、均匀性好、增益高、多光子探测等多项独特优势，更能满足汽车激光雷达远距离探测的要求。钱团结先生认为“SiPM一定是激光雷达光电探测技术趋势”。SiPM本身是一项在医疗、军工等领域得到验证的技术，凭借在车规级元器件方面多年积累的经验，安森美半导体更有信心将SiPM成功用于汽车激光雷达。安森美半导体已经创造了在过去三年里将SiPM的PDE性能提升六倍的记录，同时制定了在未来两年将PDE参数增倍的目标。

汽车激光雷达对光电探测器的要求：SiPM更能满足远距离测距要求

钱团结先生介绍了已经推出的SiPM产品系列，包括RD系列、RDM系列的具体参数，以及集成SiPM的激光雷达系统Demo（演示）。最后，向观众重点介绍利用SPAD阵列Pandion实现的4Di功能。4Di功能指在X/Y/Z轴3D点云数据上增加光子密度数据，即传感器实现深度值和强度值的4D图像输出，非常适合作为远距离激光雷达的光电探测器。

安森美半导体激光雷达Demo路线图

5．博升光电《新型高功率、抗干扰激光雷达光源》

博升光电总经理沈志强先生介绍新型高功率、抗干扰激光雷达光源

沈志强先生首先向观众分析了传统940 nm DBR-VCSEL的主要问题：（1）工艺方面，DBR需要生长200多层（约9 um）的外延结构，大概需要8小时的工艺时间，这对产品制造环节来说生产周期压力较大；（2）性能方面，VCSEL发散角较大（大概为22°）会限制激光雷达探测距离，还存在信噪比低、强光下的抗干扰能力差、单位面积功率密度不够高等缺点。

博升光电虽然是一家成立不到两年的初创企业，但对VCSEL的研究已超过十年。经过多年的思考和研究，从法拉第效应中获得了灵感，提出了高对比度光栅（High Contrast Grating，简称HCG）垂直腔面发射激光器（VCSEL）概念，并致力于该新兴技术的商业化。博升光电采用单层HCG取代百层DBR，前者厚度只有后者的5%，工艺简单，降低了成本，提升了稳定性。沈志强先生在会上向大家展示了HCG-VCSEL窄光束、强偏振的特点，并透露博升光电将于今年10月份正式发布940 nm HCG-VCSEL产品。

DBR-VCSEL与HCG-VCSEL结构对比，外延层厚度大大降低

除了HCG-VCSEL产品，博升光电也布局了丰富的DBR-VCSEL，目前已经给很多代表性客户送样，并且在下游应用领域开始量产导入。沈志强先生展示了客户测试结果、可靠性测试结果，充分证明了博升光电DBR-VCSEL均匀性和高温性能的优异表现。

6．纵慧芯光《面向下一代激光雷达的光源解决方案：VCSEL》

纵慧芯光联合创始人兼首席产品官Ryan首先介绍了公司概况。纵慧芯光在全球拥有100余家客户，其中在消费电子领域，客户包括国内多家手机OEM厂商、方案商和模组厂。车载应用是纵慧芯光关注的另一个核心应用领域，已经与多家Tier-1厂商展开密切合作，公司预计在2020年年底通过车规级质量体系认证。

Ryan分享了纵慧芯光对汽车激光雷达光源要求的理解：高可靠性、低成本和高功率密度。纵慧芯光的单结VCSEL在75℃下PCE（电光转换效率）为40%，105℃下PCE超过30%，可满足汽车激光雷达光源对较宽温度范围（-40 ~ 105℃）的高PCE性能要求。其中，单结2W VCSEL的加速老化测试结果为2600小时，等效于全天24小时工作的条件下持续发光24年，产品已通过AEC-Q102认证。

纵慧芯光单结2W VCSEL的可靠性表现非常优秀

同时，纵慧芯光也提前布局了下一代VCSEL产品：多结VCSEL，可实现分区点亮。相比单结VCSEL，多结VCSEL具有更高的峰值功率、更佳的信噪比、工作电流更小且在相同光功率需求下可减小芯片尺寸，因此成为未来激光雷达光源的最佳选择。Ryan向在场观众展示了纵慧芯光多结VCSEL的LIV性能、短脉冲下温度稳定性、输出峰值功率、远场发散角和可靠性测试等方面的主要优势。目前，纵慧芯光为激光雷达主要提供两种VCSEL光源解决方案：（1）多颗VCSEL集成封装在一起，从而提高最终的输出功率；（2）分区点亮VCSEL方案，包括已经完成开发的850 nm波段和在研的940 nm波段。

纵慧芯光为激光雷达提供的VCSEL光源解决方案示例

7．柠檬光子《新型面发射半导体激光器在激光雷达中的应用》

柠檬光子创始人兼首席执行官肖岩先生分析HCSEL的独特优势

作为本场研讨会最后一位演讲嘉宾，柠檬光子带来的一道“新菜”——水平腔表面发射激光器（HCSEL）技术让在场观众回味无穷。肖岩先生简单分析了众多技术路线的激光雷达，认为其所用光源的形态主要分为点光源、线光源和面光源，而目前常用的线光源只是一种过渡形态，面光源是未来激光雷达的最佳光源形态。利用EEL、VCSEL和HCSEL都可以形成面光源，是近期研究的热点。

激光雷达光源分类

肖岩先生介绍了柠檬光子已全面进入量产的高性能近红外VCSEL产品系列：940 nm VCSEL芯片PCE（电光转化效率）达到50%，多结VCSEL的开发也正在进行。

HCSEL是怎样的结构？出光方式有何特别之处？独特优势在哪里？肖岩先生在研讨会上做了详细的讲解和分享。EEL的出光方式是“水平谐振、水平出光”，“水平谐振”带来的优势是腔长长、增益大、出光口径小、功率密度高；VCSEL的出光方式是“垂直谐振、垂直出光”，“垂直出光”带来的优势是晶圆级制造和测试，量产成本低，贴片形式简单，DBR形成的谐振腔会降低波长温漂。而HCSEL则扬长避短，通过在水平谐振腔中接入反射镜或衍射光学元件（DOE），实现垂直出光，从而完美地集成了EEL和VCSEL的优势。肖岩先生也展示了柠檬光子HCSEL芯片的实际测试数据，以及基于HCSEL实现准直点光源、线光源、面光源的各种丰富应用。

柠檬光子独家HCSEL芯片技术优势

结束语

激光雷达最终是否成功上车，核心元器件供应链提供的保障能力是决定因素之一！『“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』举办到第四年，我们欣喜地看到车载核心元器件不再是国际巨头的独领风骚，而是巨头厂商与中小型企业共存共赢的局面。而中国激光雷达元器件厂商这几年默默的努力，如今已经取得亮眼的成绩，不仅在技术领先性、前沿技术研判能力，还在供应链管理、质量管理体系等方面的布局能力，都已经表现出不输于国际大厂的前瞻性和预见性。2021年，期待当我们再次相聚时，能共同见证国内外激光雷达核心元器件厂商在车规级道路迈出的更为稳健的步伐！

公开版演讲报告下载地址：https://www.memseminar.com/29/

延伸阅读：

《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》

《自动驾驶技术及市场-2020版》

《传感器技术和市场趋势-2020版》

《激光雷达（LiDAR）技术及市场趋势-2019版》

《激光雷达产业及核心元器件-2020版》