欧司朗与GaN Systems联手，为激光雷达打造单片式多通道激光器
2019-08-18 07:07:20   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

四通道激光器和超快驱动器在2 ns内提供峰值功率超过480 W的脉冲。

据麦姆斯咨询报道，由性能卓越的大功率激光器驱动的激光雷达（LiDAR）系统如今俨然已成为自动驾驶汽车背后的主要驱动力。激光雷达的光源采用红外激光器，通过创建世界的实时3D图像来为自动驾驶汽车提供导航能力。脉冲激光器与单点像素光电探测器，或飞行时间（ToF）图像传感器与高功率激光器提供的闪光照明，用以创建3D图像。激光雷达系统通过测量激光往返于自动驾驶车辆与目标物体的时间，换算为两者间的距离。

增加激光器功率，可以让3D地图从更远的距离捕捉更多的物体和场景，对激光雷达制造商来说很有吸引力。不过，人眼安全是主要考量点，因此极短的脉冲至关重要。高频发射的脉冲（每秒超过100万次）产生更多的数据点，信号质量更佳，这是因为信噪比与脉冲数量的平方根成正比。因此，快速上升和下降的时间至关重要。最近，欧司朗和GaN Systems（位于加拿大Kanata）合作，采用每个通道为120 W的激光器进行四通道表面贴装（SMT）封装，峰值功率大于480 W，约2ns的半高全宽（FWHM）脉冲，上升和下降时间小于1 ns（见图1）。

图1：905 nm四通道SMT封装的激光器峰值功率超过480 W

为什么选择905 nm单片式隔离激光器？

激光雷达主要采用两种波长的激光器：905 nm和1550 nm，两者各有优势。905 nm激光可利用CMOS传感器或其它硅基探测器进行探测，从而显著降低成本和复杂性。硅光电倍增管（SiPMs）和InGaAs探测器通常用于探测1550 nm激光，但要通过车规认证要求的高温条件即105℃，还存在巨大的挑战。不过，采用1550 nm激光器，人眼安全问题显著降低。正如今年CES 2019期间所发生的，数字单反相机中的一颗感光元件被激光雷达损坏。这是典型的千瓦级激光所引起，其能量密度很低，如果要达到更高的能量密度需要三个PN结结构（三个p-n三明治结构），尚未在宽带隙晶体结构中实现。在雾、雪和雨等自动驾驶的常态环境下，1550 nm激光的穿透能力更强（见表1）。因此，多通道激光器显得非常理想：在采用八个激光器，每个激光器将产生1%的分辨率或15 cm的台阶，其中当飞行时间为1 ns时，振幅最小，动态范围约为18 dB。显然，纳秒级脉冲的905 nm多通道高功率激光雷达具有显著的优势。

表1：波长为905 nm和1550 nm的激光在不同条件下的大气消光系数

欧司朗的905 m表面贴装芯片由四个独立的InGaAs/GaAs应变量子阱激光器组成单片式阵列，由于采用了隔离的V型槽，因此可以单独或同时驱动，阵列内没有光学串扰。当同时驱动时，四个通道的输出组合为一个高达480 W的高功率激光脉冲（见图2）。光电二极管响应率R（λ）的定义是电流（I_DP）与入射光功率（P_light）的比值，使用InGaAs光电探测器（Thorlabs DET08）测量。给定波长的入射光功率定义为：

以焦耳为单位的光功率（Ophir PD10-C，每个脉冲的光能量约为1.2 μJ），波形如图2所示（FWHM约为2 ns），可以利用以下公式计算峰值功率：

每个脉冲的能量除以脉冲时间内的总输出电压，得到光峰值功率：

每个激光器为三个单腔（三结）结构，生长在GaAs（砷化镓）衬底上，当160 A的电流同时作用于四个通道时，每个通道产生120 W的功率。激光二极管安装在无引线层压板载体基板上以实现卓越的热管理，在大功率脉冲期间提供冷却。封装材料采用塑封环氧树脂，非常适合大批量生产，满足汽车对封装的严苛认证并保护精密激光面。SMT封装提供了可大批量制造产品，通过受控的芯片定位法放置于参考面之上。这四个通道为单片式，通道间距和对准通过标准的光刻和掩模工艺实现微米级的精度控制。激光设计为上升和下降时间小于1 ns。不过，驱动电路的布局和封装电感起着主导作用，并面临重大挑战。

图2：GaN Systems的高功率激光驱动器使欧司朗的四个激光通道同时发射时光峰值功率可达480 W

单片激光器间隔紧凑，由于连接各个通道的走线（电流路径）接近（<500 μm），同时工作时可能导致电感耦合。不断变大的电流迅速变化，通过宽度较小走线的高电流会受到铜走线电感的影响，从而阻碍电流的变化。随着变化率的增加，这种效应进一步加剧，从而使短脉冲更难实现。电流的变化会引起反向电压，并在四个通道的走线周围产生小磁场。根据法拉第感应定律，通过电路的磁通量的任何变化都会引起感应电压的变化。感应电压与走线中电流变化的比值被定义为电感。根据楞次定律，随着电流的涌入，被称为“反电动势”的感应电压产生于电流的相反方向。考虑到相邻激光器的接近性，较短脉冲增加了“对立性”，成为一项真正的挑战。

宽带隙半导体

最初，欧司朗的工程师们试图通过使用间距很近的硅基场效应晶体管（FET）来解决这个问题，使电流在开启时通过激光二极管，但并不奏效。对于这种大功率产品，驱动器离激光二极管的距离远近并不重要，因为硅在大电流和大节点电压（>200 V）下会发生击穿，克服键合引线固有的电感。硅基场效应晶体管也有较大的栅极电容，限制了短脉冲的工作。最后，从被动热管理的角度来看，将驱动器集成到激光器的封装方式不是理想的选择，因为在汽车应用中，水冷或热电冷却器（TECs）不是经济有效的选择。

电动汽车和光通信行业多年来一直享受着宽带隙半导体（能量大于2 eV，将电子激发到导带）为超快速开关和高功率电池充电电路带来的“甜蜜”。硅（带隙为1.1 eV）由于带隙窄而引发缺陷，不能满足这种要求。碳化硅（SiC）是一种常见的宽带隙（带隙为3.2 eV）半导体，尽管表现出卓越的热性能，但不能提供快速开关所需的高电子迁移率（见表2）。

氮化镓（GaN）则是一种完美集合了各向关键特性的宽带隙半导体，能够在汽车认证温度条件下提供高电子迁移率（见表2）。此外，SiC和GaN都具有较高的临界场值，从而防止击穿，降低漏电流。GaN的热导率高（300 K时，约为硅热导率的3.5倍）、电场击穿强度高（是硅的12倍）和带隙宽（是硅的3倍），使其成为高温、高功率和高频环境下的理想材料。GaN成为制造高功率、快速开关场效应晶体管的理想材料，场效应晶体管被驱动后，允许电流同时通过四个高功率激光通道，从而在短脉冲时间内获得所需的480 W的光功率。为此，欧司朗与GaN Systems建立了合作关系，为驱动四通道激光器提供理想的GaN场效应晶体管。

表2：常见场效应晶体管衬底材料特性对比

即使采用了使用高性能GaN，要达到480 W的峰值功率和小于2.5 ns的FWHM也需要特定的电路设计。因此，GaN Systems开发了一款特殊版本的经典谐振增强模式电路，用以驱动欧司朗的四通道激光器（见图3）。有效的电路布局至关重要，而这正是GaN Systems带来的知识补充。欧司朗的新产品已在CES 2019和SPIE Photonics West两个展会上展出。GaN Systems为高电流横向GaN功率晶体管申请专利的焊盘下电路（circuit-under-pad，简称CUP）器件拓扑，显示出非常有效的热管理。虽然电路同时驱动所有四个通道，GaN Systems还将开发可独立寻址的解决方案。

图3：增强型谐振模式电路，用于驱动四通道激光器

关于接收器的一些考量

激光雷达的探测距离精度可以近似表达为信号宽度除以滤波后的信噪比（SNR），不一定处于最佳条件。当信号从噪声（高信噪比）中滤除，同时对接收到的脉冲宽度引入最小失真时，探测性能最佳。这最好是通过使用“白化”匹配的滤波或相同原理的其他滤波来实现。

获得这样的最佳滤波（模拟或数字），需要在接收信号的振幅、脉冲宽度、由倾斜衬底反射产生的弥散、噪声、背景辐射、约翰逊噪声和1/f噪声等不完美条件下对信号和噪声进行估算。气溶胶中的脉冲散射在接收器中产生了连续的直流背向反射，转化为散粒噪声。这种反射也可以使接收器在极端条件下达到饱和，在几米的距离内才能恢复，因此会产生具有挑战性的接收条件。

很明显，在具有挑战性的条件下，匹配接收器来探测非常短的脉冲可能并非最佳，因为较宽的接收器频谱将在最终处理信号时引入更多的噪声。因此，由短脉冲和较长持续时间接收“窗口”组成的混合模式诞生了，可以提供更强大的系统。

随着欧司朗和GaN Systems的进一步战略合作，短脉冲将能够实现最佳的人眼安全、热管理和高分辨率。激光雷达技术的长期障碍是保持高峰值功率的同时以短脉冲发射激光。现在，这一障碍已经被克服，这项技术的进步将加速普通民众乘坐自动驾驶汽车的进程。

延伸阅读：

《激光雷达技术及核心元器件-2019版》

《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》

《法雷奥SCALA激光扫描仪》

《GaN Systems氮化镓HEMT：GS61004B》

《GaN Systems 650V硅基GaN高迁移率晶体管：GS66508P》

《适用于激光雷达的GaN增强型场效应管：EPC2040》