蘋果加持？純固態激光雷達新革命
汽車級激光雷達，在邁向純固態的道路上迎來了全新的突圍機會。
去年，Ibeo公司與長城汽車簽訂了一份固態激光雷達量產合同，該系統將基於奧地利AMS公司生產的垂直腔面發射激光器(VCSELs)，這是全球首個採用類似技術方案，並用於高速公路L3級自動駕駛的案例。
此前，蘋果公司新款iPad Pro和iPhone 12配備的激光雷達就是採用VCSELs SPADs方案，有行業人士表示，隨著智能手機帶動相關供應鏈產能釋放，VCSELs的成本進入快速下降區間。
「蘋果公司的率先示範應用，已經帶動全球產業鏈增加VCSELs的供應能力。」Opsys Tech公司創始人表示，「過去半年時間，成本下降了一個數量級，從幾美元下降到幾美分正在成為可能，對汽車行業應用正在產生積極影響。」
Opsys Tech公司是全球幾家研發基於VCSELs的汽車級激光雷達的初創公司之一，迄今已融資3,100萬美元，現代汽車是公司股東之一。該公司從去年12月開始向中國客戶交付了第二代激光雷達。
一、異軍突起
垂直腔面發射激光器（VCSEL）是一種半導體激光二極體。與邊緣發射激光二極體不同的是，VCSEL向上發射，因此可以很容易地封裝成在單個晶元上包含數百個發射器的發射器陣列。
VCSEL最初用於電信行業，如今在消費類電子產品中已經開始廣泛應用，主要集中於低功率應用包括面部和手勢識別、增強現實等等。而大功率應用則主要瞄準汽車激光雷達。
通常，半導體激光器可以分為兩類型：邊發射激光器（EEL）和VCSEL。其中，邊發射激光器是目前市面上大多數激光雷達選擇的方案之一。不過，VCSEL的優勢更為明顯，比如更緊湊的尺寸、高可靠性、低功耗以及較低的製造成本。
與EEL相比，VCSEL提供更好的激光束質量，更高的耦合效率和空腔反射率。VCSEL能夠以二維陣列進行，使單個晶元可以包含數百個單獨的光源，以增加最大輸出功率和提升可靠性。
此外，製造邊緣發射激光器通常需要切割晶圓以暴露發射面，這增加了製造過程的成本和複雜性，並限制了可以在一個晶圓上製造的激光器數量。相反，VCSELs發出垂直於晶圓的光，因此它們不需要單獨切割或封裝。
這意味著晶圓級封裝的晶元可以容納幾十個，幾百個，甚至上千個VCSELs，如果大規模生產，一個擁有數千個VCSELs的晶元成本不會超過幾美元。
眼下，基於VCSEL的面部識別3D感測是智能手機的關鍵應用，一部手機可以集成多達3個VCSEL模塊。新興的汽車應用，如人臉識別、駕駛員監控和激光雷達，將為VCSEL市場提供額外的推動力。
Opsys Tech公司將VCSEL視為激光雷達行業的第三次迭代升級革命。1.0時代，帶有移動部件的機械式激光雷達撐起了L4級自動駕駛測試市場，但這種方案並不適用於大規模量產上車。
2.0時代，固態激光雷達有多種類型，包括MEMS、Flash等，但仍然在成本、性能、組件集成度等方面存在缺陷。VCSEL的導入意味著可以在一個晶圓上封裝2000到3000個微型激光器，在沒有移動部件的情況下控制光束移動。
「傳統的固態激光雷達，存在距離和解析度上的限制。」Opsys Tech公司負責人表示，相比而言VCSEL允許每秒1000幀的信息捕捉，相比傳統的每秒30到60幀有了幾個數量級的能力提升。
按照最新披露的數據，該公司已經推出的第二代激光雷達可以探測150米外的物體，即將亮相的第三代產品將可以探測200米外的物體。「未來激光雷達的真正價值在於遠程感知。」
二、未來走向
Lumentum公司是蘋果激光雷達VCSELs組件的主要供應商之一，該公司最新表示，用於汽車激光雷達應用的組件需求開始穩定增長。「我們預計2022年基於VCSEL方案的汽車級激光雷達將進入量產窗口期」。
近年來，全球主要的VCSELs組件供應商正在開始通過收購來加大技術投入和產能提升。比如，II-VI收購Finisar、Lumentum收購Oclaro，去年Lumentum更是耗資57億美元收購激光製造商Coherent。
AMS在三年前以現金收購VCSEL供應商Princeton Optronics公司100%股權，隨後宣布與Ibeo、采埃孚合作推進基於VCSEL的固態激光雷達量產計劃。
此外，另一家公司TriLumina也在幾年前推出了940 nm VCSEL照明模組的多款應用產品，其中就包括一款新型固態3D LiDAR系統。該公司隨後證實正在與激光雷達公司LeddarTech合作，與法雷奧、安波福進行聯合研發。
而對於率先啟動的大規模汽車行業需求，Lumentum公司認為，將是來自於無人配送領域，尤其是服務最後一公里的無人小車。這意味著，低速短距離探測市場將首先受益。
與此同時，Lumentum公司的低功率產品方案已經通過了汽車級認證，預計最快在艙內監控應用中率先導入量產。而對於大功率VCSEL陣列，該公司正在進行最後的測試驗證，以滿足更為嚴格的車規級安全要求。
有行業人士指出，VCSELs SPADs的一大賣點是它們可以使用傳統半導體工藝技術來製造，這意味著將直接受益於半導體行業的巨大規模效應，成本下降空間巨大。
相比而言，傳統的機械式激光雷達安裝了幾十個甚至上百個單獨封裝的激光器，每一束激光都有一個匹配的探測器。這種設計的複雜性，以及需要精確地將每個激光器與對應的探測器對齊，是高成本的原因之一。
此後，通過升級微振鏡方案，只需要一個激光器就可以操控光束，但仍然不可避免的需要一個移動裝置，而不是純固態。而Flash技術路線，目前僅限於短距離探測。
不過，幾條技術路線仍有各自的優劣勢。
以Luminar為代表的1550nm MEMS方案，已經可以實現250米以外的探測性能，但面臨的最大問題是成本難題，該公司曾表示仍需要數年時間才可以下降到幾百美元。
相比之下，Ibeo選擇VCSELs方案在降低成本應該不會有太大的困難。最大的挑戰可能是能否在滿足功能要求的前提下實現250米以外的目標物探測。
目前，ibeoNEXT的性能參數是在11.2度水平視場角實現260米目標物探測，32度視場角仍在開發中。
而Luminar的MEMS激光雷達已經可以在120度水平視場角實現250米（低於10%反射率）目標物探測，並且最遠可以提升至500米。
有業內人士評價，如果未來幾年VCSELs方案可以實現寬視場角的遠距離探測能力，那麼半導體工藝的低成本可能會帶來決定性的優勢。如果做不到，可能會被降級到窄視場中遠距離、寬視場的短距離探測市場以及艙內監控、交互應用。
