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激光雷达应用落地过程中的核心光电器件发展方向

激光雷达(LiDAR)是一种光学测距的应用技术。最近几年激光雷达伴随着智能网联汽车与无人驾驶应用的强劲势头而兴起。目前,在北京、深圳、上海、长沙、武汉、广州等地都建立了自动驾驶测试区,作为车的"眼睛",激光雷达起到了实时发现和定位周边物体的功能。滨松在激光测距的应用可以追溯到早期的单线防撞雷达。该雷达一般搭载在汽车前方,用于前向碰撞的规避,其内置了激光器和探测器对,实现光的高速发收。到现在耳熟能详的多线激光雷达,可以说是一种升级,通过多线扫描实现了3D场景的点云探测,从而真正获得纵深方向的高分辨率目标感知能力。


激光雷达行业有着巨大潜力,市场前进迅速。尤其在中国地区,在没有传统强势Tier-1公司的生态环境下,BATH(阿里巴巴、腾讯、百度、华为)等公司联合整车厂的入局,起到了资源整合的决定性作用,加速了中国的激光雷达技术和自动驾驶技术的应用落地。同时,技术流派从一开始的机械旋转式入局,到新的固态激光雷达的研发和推出,也仅仅发生在短短几年间。其中,对探测器和光源产品的诉求也从一开始的针对产品参数到产品的封装、定制及车规等诉求进行转化。本文将展开介绍面对激光雷达应用,滨松核心光电器件的发展方向。


滨松用于激光雷达的主要产品


发射端:

可提供21W~120W的905nm激光器、4通道车规级905nm激光器、高功率940nm VCSEL(垂直腔面发射激光器)、同时可以提供TO、陶瓷等多种自有封装工序。


探测端:

可提供PD(光电二极管)、PIN-PD(PIN光电二极管)、APD(雪崩光电二极管)、MPPC/SiPM(硅光电倍增管,滨松根据其原理,将其称为MPPC)以及基于上述探测器的阵列化产品。此外PD、APD产品上,还可以提供InGaAs(铟镓砷)材料的产品。针对探测器的集成化方向,目前可以提供内置TIA(跨阻放大器)、TDC(时间数字转换器)等集成功能型器件。


光学组件:

可提供MEMS微镜、BPF(带通滤光片)、FAC-LENS(快轴准直透镜)等产品。当然针对BPF和FAC-LENS,目前主要是提供定制品,考虑到成本和量产,暂时还没有对外供应标准品的计划。


 

滨松为激光雷达提供的主要光电元器件


滨松近两年的产品技术推进计划


1、车规级器件。目前随着诉求向封装和可靠性转换,滨松将会列举最新封装技术的产品给用户;


2、高性能。针对电光效率、高灵敏度、抗串扰、高PDE等不同器件的核心参数都有一定程度的提高;


3、高稳定性。随着批量业务的增加,很多实验阶段、小规模阶段客户向批量阶段转移过程中都会遇到各种各样的问题,批次一致性会给客户快速转产提出挑战,我们改善后的新生产技术可以在制造过程中提升产品的一致性,同时可以支持关键客户的失效分析等售后服务。


探测器方面


# 基于硅(Si)和铟镓砷(InGaAs)衬底材料的探测器的差异,以及在激光雷达的应用前景

目前的探测器主要有基于硅(Si)和铟镓砷(InGaAs)衬底材料的。它们主要的差异是适用的光谱不同,从应用角度而言,原理上差别不大。探测器是配合光源使用的,硅基探测器配合最多的是850nm、870nm、905nm、940nm等波段光源。同时作为第一代半导体,硅材料晶圆更加成熟,从成本和可获得性来讲是大范围应用的必然选择。相比之下,作为化合物半导体的InGaAs材料由于工艺难度、晶圆尺寸和使用场景的限制,远没有硅的整体成熟度高。但滨松一直都在致力于InGaAs APD的性能和成本优化,配合其使用的光源在人眼安全、阳光背景噪声等方面的优势,在更远距离的测量方面优势更明显。2018年,成立了专门的"化合物材料中心",也在红外材料的研发上进行了大量投入。


 

滨松化合物材料中心


# 新型探测器SPAD和MPPC(SiPM)在应用中的问题和解决办法


目前,APD基于既有的多元化业务场景,目前是使用最为广泛的光电探测器件。而SPAD和SiPM/MPPC主要是为了解决两个问题而存在。


1、增益能力。目前APD的典型增益是100倍,而在远距离测试的时候,需大幅提高光源光强才能确保APD有信号,而SPAD或者SiPM/MPPC是工作在盖革模式下的APD,理论上,增益可是APD的一百万倍以上;


2、大尺寸阵列的实现。SiPM/MPPC是多个SPAD的阵列形式,可通过多个SPAD获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术。


针对SiPM/MPPC,目前遇到的诉求最多的是PDE(光子探测效率)的提升问题。为此,滨松制定了三步战略:第一步:实现从7%到10%的提高,第二步从10%提高到15%,第三步从15%提高到30%。并与用户建立紧密联系,从实际的产品应用中,不断完善产品性能。


 


 

硅光电倍增管(MPPC/SiPM):多个SPAD的阵列形式 

 

滨松根据其原理,将其命名为MPPC(多像素光子计数器,Multi-pixel Photon Counter),点击阅读《【FAQ】MPPC(硅光电倍增管)基础知识》可了解该产品更多详细技术信息。


# 滨松激光雷达用探测器的发展方向


1、全类别:包括PD、APD、MPPC(SPAD)在内的全类别探测器发展的推进,材料上则为Si和InGaAs两种;


2、大面阵:由线阵向面阵化过渡;


3、集成化:Hybrid型集成TIA/ADC/ASIC器件;


4、小封装:小尺寸高可靠性COB封装及BPF集成化封装;


5、定制化:协助激光雷达厂商评估定制探测器的可能性,开展更深入的合作。


激光器方面


# 滨松激光雷达用激光器的发展方向

1、小尺寸+高输出(高电光转换效率)。这样多线激光雷达功耗就会比较低,同时尺寸会随之降低,能对角分辨率有一定的提升。当然这个方向是通用性的,合理的性价比也需要考虑;


2、高品质的光束质量。比如NFP(近场光斑)的光斑功率均匀度、出光功率的温度稳定性以及中心波长的漂移特性,都会影响最终激光雷达产品的工作环境可靠性,滨松的激光器产品在这几个特性上优势明显;


3、高封装规格,通过AEC认证的可靠性高封装产品。滨松已经针对车规级封装的产品线完成了布局,针对未来的车用产品,封装方式会和目前产品有所区别。滨松开始了针对特定产品的AEC认证工作,预计2020年会发布相关信息;


4、阵列化光源。包括线阵4ch(四通道)PLD、以及高功率面阵VCSEL产品。目前滨松已经确定将在2019年12月正式发售4ch PLD,同时会在2020年初发售高功率VCSEL;


5、高集成度和定制化。针对特殊的激光器光源阵列需要进行完全不一样的定制化,以满足特定的要求。由于滨松具备晶圆级全流程生产制造技术,定制化业务一直是我们的优势所在。


 

滨松陶瓷封装的4ch PLD


目前,激光雷达的技术路线问题尚未有定论。滨松作为器件级别的核心供应商,并不会决定激光雷达技术路线,与其说看好哪些路线,不如说看哪些路线能更加适应自己的应用场景落地,并推动该应用场景的持续进步。机械式激光雷达虽然被诟病"贵、大、过车规难"等等,但是也看到当前市面上的路测均需要360°可探测范围的事实,以及两年来该类激光雷达价格的明显下降。同样,未来的多传感器融合的概念既有激光雷达和其他方法,也有多种方法的激光雷达集成在一辆车的趋势。


在技术的过程中,作为核心光电厂商滨松将会做的,是与客户保持持续高效的联系和沟通,保证稳定的产品质量与持续供货能力,同时提供增量价值服务,从最基础的技术开始,驱动迈向激光雷达应用落地,以及最终自动驾驶实现的步伐。


# 更多资料



滨松拥有APD、PD阵列、硅光电倍增管(MPPC)、距离传感器、MEMS-mirror、半导体激光器等一系列产品,适用于自动驾驶激光雷达。


# 相关工程师


 

针对以上内容,如您有任何问题,欢迎联系我们



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