Nature Communications | 车用激光雷达激光技术的演进：行业视角

逍遥设计自动化

引言
激光雷达技术在先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶汽车的发展中扮演着重要角色。本文探讨车用激光雷达中使用的激光技术的演进，关注从行业角度看到的最新进展和未来前景，原文来自纵慧芯光，推荐有兴趣的读者进一步阅读[1]。
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激光雷达简介
0 L' P+ \9 U; s+ `1 p, f2 x激光雷达技术起源于20世纪60年代，最初应用于气象学和地形测绘。美国宇航局在阿波罗15号任务中集成激光雷达标志着其发展的重要里程碑。直到2010年代，激光雷达才开始应用于商用汽车，并在2020年代逐渐在高端电动汽车中普及。
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激光雷达系统提供实时点云图像，包含物体深度和速度数据，对辅助驾驶和自动驾驶车辆都非常重要。全球激光雷达市场显着增长，北美、亚洲和欧洲都涌现出了关键参与者。
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图1：四种基于VCSEL的激光雷达扫描方案及其性能。此图展示了使用VCSEL进行激光雷达应用的各种扫描方法。

1 m( E1 j+ F" Y& O) s/ M+ J1 M+ O商用激光雷达的激光技术
商用激光雷达系统采用不同的激光技术，每种技术适用于特定的探测范围：

1550纳米光纤激光器：由于具有更高的眼睛安全功率限制，适合长距离探测。例如Luminar Iris和Seyond Falcon激光雷达产品。

905纳米边发射激光器(EELs)：与光纤激光器相比，为中长距离激光雷达提供更经济的解决方案。OSRAM的905纳米三结EELs在第一代混合激光雷达系统中取得了成功。

垂直腔面发射激光器(VCSELs)：最初用于短距离激光雷达和手机及消费电子设备的3D传感。多结技术的最新进展提高了功率密度和效率。

抗反射垂直腔面发射激光器(AR-VCSELs)：这项突破性技术降低了发散度并增强了亮度，扩展了基于905纳米和940纳米激光雷达的探测范围和分辨率。
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: Y4 _4 q2 y6 w9 M! a( I$ E图2：VCSEL功率和效率随结数增加而提高。此图显示了VCSEL的功率密度和功率转换效率如何随结数增加而改善。

扫描方法的演进
激光雷达系统可以根据扫描方法分类：

机械激光雷达：涉及激光器、透镜和传感器的运动。

混合固态激光雷达：只有扫描MEMS/镜子移动。

全固态激光雷达：无机械运动，扫描光束通过电控制。
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行业正从纯机械激光雷达向混合和全固态解决方案转移。混合固态激光雷达结合固态光源和MEMS或镜子进行扫描，已经获得了普及。

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图3：光束参数积(BPP)与激光功率的关系。该图比较了激光雷达系统中使用的各种激光技术的光束质量和功率输出。

未来激光雷达激光技术的关键要求
1. 功率密度和功率转换效率(PCE)
更高的峰值功率可实现更大的信噪比和更长的探测范围。多结VCSELs在功率密度和PCE方面显示出显着改进。商用VCSEL激光雷达的结数预计每18个月增加约两个，类似于半导体行业的摩尔定律。
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2. 光束参数积(BPP)
3 |7 H$ s: ?+ d) l8 hBPP是决定激光雷达系统空间分辨率和范围的关键因素。较低的BPP值可实现更好的分辨率、更长的范围，并使用更小的透镜。AR-VCSELs展示了出色的BPP和M2值，与传统VCSELs相比，能够实现更长的距离和更高的分辨率。

$ D5 Y% T" }4 `1 N9 q2 a3. 可靠性
汽车激光雷达激光器必须通过严格的可靠性测试，包括AEC-Q102标准。这涉及高温工作寿命(HTOL)测试、湿度测试、温度循环等。AR-VCSELs展示了令人印象深刻的可靠性，样品经受住了6000小时的HTOL测试，远超AEC-Q102要求。
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图4：250微米直径6结AR-VCSEL圆形阵列在加速条件下的HTOL可靠性测试。该图显示了AR-VCSELs在可靠性测试期间的归一化功率和电压随时间的变化。

成本降低
激光雷达行业正专注于平衡距离能力和成本降低。过去十年，激光雷达成本已从超过10,000美元降至目前的500至1,000美元范围。目标是在未来几年将成本进一步降低到约100美元，这可能将乘用车激光雷达的渗透率从目前的0.5%提高到10%以上。
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VCSELs和AR-VCSELs在与光纤激光器和EELs的成本降低竞争中处于有利地位。较小的面积/功率比和在消费市场已建立的成本效益使之成为有望与4D毫米波雷达达到成本平价的候选者，同时提供更优的角度分辨率和准确性。

' \1 u$ Q5 O1 p* Y, @( ]* v, [未来趋势和挑战
( v- a+ X) K; W+ M) o1. 替代1550纳米光纤激光器：预计在短期内，905纳米/940纳米VCSELs将迅速替代1550纳米光纤激光器。
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2. EELs和AR-VCSELs之间的竞争：905纳米EELs与MEMS解决方案在成本方面可能会与VCSEL解决方案竞争一段时间。
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3. 注重成本降低：一旦满足200-300米距离要求，行业将优先考虑成本降低，而非进一步提高分辨率和范围。


+ @# M( ~3 ]. q. N# h4. VCSEL技术的进步：多结和AR-VCSEL技术正在解决VCSELs的历史局限性，提供更高的功率密度、更优的光束质量和更高的亮度。

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6 f) a0 `# l5 p/ y& U) H5. 与其他传感器的集成：预计激光雷达将与视觉摄像头和其他传感器协同工作，为自动驾驶车辆提供全面的环境感知。
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6. 监管挑战：随着激光雷达技术的进步，监管框架需要发展以确保汽车行业的安全性和标准化。
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结论
) _  S2 x9 _% N8 u5 j车用激光雷达的激光技术演进迅速且多方面。从早期的机械系统到当前向全固态解决方案的趋势，每一步进展都使我们更接近实现安全可靠的自动驾驶车辆的梦想。

1 ~1 K4 U: Y7 ]  r1 l, ?4 N+ \' }+ j; pVCSELs和AR-VCSELs已成为车用激光雷达未来的重要技术。高功率密度、优秀的光束质量和成本效益使其在竞争激烈的汽车激光雷达市场中占据有利地位。
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随着行业继续推动更长的探测范围、更高的分辨率和更低的成本，可以期待激光技术的进一步创新。最终目标仍然明确：开发不仅技术先进，而且在经济上适合自动驾驶车辆大规模市场采用的激光雷达系统。
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激光雷达从小众技术到汽车行业关键组件的发展历程展示了创新的力量和变革的潜力。展望未来，很明显，车用激光雷达激光技术的演进将在塑造交通和移动性领域发挥关键作用。

参考文献
[1] D. Liang et al., "Evolution of laser technology for automotive LiDAR, an industrial viewpoint," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 7660, Feb. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-51975-6.

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- }5 S' Y, ?8 E6 G深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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