2022年，被稱為激光雷達(dá)規(guī)模化生產(chǎn)的元年，根據(jù)Yole發(fā)布的《2022年汽車與工業(yè)領(lǐng)域激光雷達(dá)報(bào)告》顯示，中國廠商已成為全球車載激光雷達(dá)賽道的重要玩家，預(yù)計(jì)2022年有超過20萬臺(tái)的激光雷達(dá)交付上車。隨著激光雷達(dá)性能、成本、可靠性等不斷優(yōu)化，2023年激光雷達(dá)有望出現(xiàn)爆發(fā)性的增長。
作為激光雷達(dá)的重要組成之一的光源也隨著各種技術(shù)路線的競爭，引發(fā)了廣泛的關(guān)注和討論，EEL、VCSEL和MOPA光纖激光器是當(dāng)前三種主流激光器，在機(jī)械掃描、棱鏡旋轉(zhuǎn)掃描和MEMS掃描系統(tǒng)中，EEL覆蓋了長中短距的各種應(yīng)用，是最理想的光源。在全區(qū)域爆閃模式下的固態(tài)激光雷達(dá)，則根據(jù)距離的要求而選擇VCSEL或EEL。而應(yīng)用在分區(qū)控制等固態(tài)激光雷達(dá)應(yīng)用則可以充分利用VCSEL的多發(fā)光孔的特性，實(shí)現(xiàn)1D/2D控制，在短距固態(tài)應(yīng)用中成為優(yōu)選。
激光雷達(dá)發(fā)射端占比，來源：Yole, 觀研天下等
綜合Yole等機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)前激光雷達(dá)的光源仍然以EEL為主，占據(jù)55%的市場份額，VCSEL占有18%的份額。光源的制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)成熟度、人眼安全等因素，綜合來看，905nm EEL仍是目前激光雷達(dá)應(yīng)用綜合性能的最優(yōu)解，同時(shí)是市場的選擇。
但是，常規(guī)的EEL也存在一些性能缺點(diǎn)，例如波長溫漂系數(shù)通常為0.28 nm/K，遠(yuǎn)高于VCSEL的0.07 nm/K，這也成為限制EEL發(fā)展的重要因素，尤其在滿足車規(guī)級的-40℃~125℃溫度范圍內(nèi)，光源本身的波長變化率越小，探測器的帶通濾波器的波長范圍就可以設(shè)置得更窄。鑒于此，作為國內(nèi)激光雷達(dá)發(fā)射芯片的領(lǐng)先供應(yīng)商瑞波光電日前推出具備自主核心技術(shù)的新一代3J和4J的低溫漂65W、135W、165W 905nm芯片系列，波長隨溫度變化系數(shù)小于0.09 nm/K，部分型號達(dá)到0.06 nm/K，在溫度漂移特性已經(jīng)接近甚至優(yōu)于VCSEL，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)905nm EEL芯片的重大技術(shù)突破，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，同時(shí)削弱了VCSEL的競爭優(yōu)勢。
瑞波光電新一代905nm EEL芯片系列有四個(gè)特點(diǎn)：
● 溫漂系數(shù)低，即波長隨溫度的變化率低。一般市面上905nm的EEL激光器，波長隨溫度變化率在0.28 nm/K，而瑞波新一代65W、135W、165W 905nm芯片系列的溫漂系數(shù)小于0.09 nm/K，部分型號的溫漂系數(shù)為0.06 nm/K。光源本身的波長變化率越小，探測器的帶通濾波器的波長范圍就可以設(shè)置得更窄，對于激光雷達(dá)整體的抗噪性能和測量精度的提高都有很大幫助。
● 功率密度高、功率高。在3J 65W等級產(chǎn)品里面實(shí)現(xiàn)了110μm業(yè)界超窄的發(fā)光線寬，在3J 135W和4J 165W等級實(shí)現(xiàn)220μm業(yè)界超窄的發(fā)光線寬，有助于支持實(shí)現(xiàn)長距離測距和高精度測距。激光器本身的發(fā)光尺寸越窄，經(jīng)過透鏡之后得到的平行光斑就越小，光斑中心部分光強(qiáng)就越強(qiáng)，可以打得更遠(yuǎn)，測的精度也越高。3J芯片和4J芯片的斜率效率分別達(dá)到了3.5W/A和4.5W/A， 其中新一代4J芯片實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)芯片里最高的輸出功率165W。
● 快軸和慢軸發(fā)散角得到優(yōu)化。瑞波公司新一代905nm芯片快軸發(fā)散角為22°，慢軸發(fā)散角為10°，而常規(guī)905nm芯片的快軸發(fā)散角通常為30°，慢軸發(fā)散角17°，這樣意味經(jīng)過準(zhǔn)直后的實(shí)際等效功率密度會(huì)得到大大提升。
● 高溫下功率穩(wěn)定性全球最佳。瑞波公司新一代905nm芯片在環(huán)境溫度從25變化到125攝氏度，功率變化量小于30%，而該指標(biāo)的行業(yè)普遍水平為40-50%。高溫下功率穩(wěn)定意味著高熱負(fù)載下功率穩(wěn)定。據(jù)評估，瑞波芯片在500kHz高重頻下仍然有優(yōu)秀的輸出功率。
“我們認(rèn)為激光雷達(dá)中的EEL和VCSEL技術(shù)，屬于既競爭又補(bǔ)充的關(guān)系，就像VCSEL在不斷提升光功率密度一樣，EEL也在不斷優(yōu)化溫漂特性、發(fā)散角特性等性能，同時(shí)不斷降低成本，瑞波光電一直致力于開發(fā)高性能的EEL芯片，在保持高功率密度的前提下，不斷提升光學(xué)性能和溫度特性，為激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)帶來系統(tǒng)性革新。”深圳瑞波光電子有限公司市場負(fù)責(zé)人于占濤表示。
“EEL相比VCSEL的最大技術(shù)優(yōu)勢是光功率密度非常高，比VCSEL至少高1個(gè)數(shù)量級。目前瑞波光電開發(fā)的905nm EEL芯片的功率密度可以達(dá)到50 kW/mm2，而當(dāng)前VCSEL通過多結(jié)工藝將功率密度最高提升到2 kW/mm2，但仍與EEL有很大的差距。”
低溫漂EEL和VCSEL性能對比表（來源：瑞波光電）
從上述表中我們可以發(fā)現(xiàn)，多結(jié)VCSEL相比低溫漂EEL，仍存在功率密度的短板，并且低溫漂優(yōu)勢被追平，EEL可將溫漂降系數(shù)低到0.06 nm/K甚至更低，VCSEL僅剩低成本、二維特性方面的優(yōu)勢，但是EEL仍可以通過性能改進(jìn)和規(guī)模化制造，抵消VCSEL的優(yōu)勢。例如EEL可以通過規(guī)模效應(yīng)和自動(dòng)化制造技術(shù)將成本降低至VCSEL同等級別；EEL可以通過封裝實(shí)現(xiàn)二維可尋址陣列；新一代EEL的快軸發(fā)散角寬度已經(jīng)比上一代減少1/3，未來還有改善的空間；同時(shí)EEL有個(gè)優(yōu)勢是偏振態(tài)固定，而VCSEL的偏振態(tài)比較隨機(jī)、影響測距的精度。另外，VCSEL陣列在高功率輸出的同時(shí)工作電流需要達(dá)到數(shù)百A，這也對驅(qū)動(dòng)電源形成很大的挑戰(zhàn)。
未來瑞波光電將持續(xù)優(yōu)化溫漂系數(shù)，進(jìn)一步做窄發(fā)射區(qū)尺寸，提升光功率密度，提升出光效率，繼續(xù)鞏固905nm EEL的技術(shù)優(yōu)勢。
在過去的2022年，瑞波905nm EEL激光雷達(dá)發(fā)射芯片通過車規(guī)AEC-Q102里四項(xiàng)測試項(xiàng)目，包括HTOL、WHTOL、PTC和ESD-HBM。瑞波還積累了超過500萬器件小時(shí)的長期壽命測試數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)建立的壽命模型預(yù)測器件的壽命超過100萬小時(shí)。憑借優(yōu)異的性能和高可靠性，瑞波光電目前已經(jīng)與國內(nèi)多家頭部激光雷達(dá)廠商展開深度合作，并實(shí)現(xiàn)批量的應(yīng)用。
作為可以探測更遠(yuǎn)距離或更廣視角并立體成像的傳感器，車規(guī)激光雷達(dá)已經(jīng)被證明是高級別輔助駕駛不可或缺的關(guān)鍵部件。隨著像素密度愈來愈高，體積越來越小，成本越來越低，激光雷達(dá)在ADAS及自動(dòng)駕駛傳感器中的比重會(huì)越來越大，同時(shí)也對激光芯片提出更高要求，瑞波光電愿與業(yè)界同仁一起，開發(fā)出滿足市場需求的高性能、高可靠性、低成本的激光雷達(dá)。
關(guān)于瑞波光電
深圳瑞波光電子有限公司是專業(yè)從事高端大功率半導(dǎo)體激光芯片研發(fā)和生產(chǎn)的國家高新技術(shù)企業(yè)，擁有半導(dǎo)體激光芯片外延設(shè)計(jì)、芯片制造工藝，芯片封裝、表征測試等全套核心技術(shù)，可向市場提供高性能、高可靠性大功率半導(dǎo)體激光芯片，封裝模塊及測試表征設(shè)備，并可提供研發(fā)咨詢服務(wù)。
公司芯片產(chǎn)品形式包括：①單管芯片（single-emitter）和bar條，功率從瓦級到數(shù)百瓦級，波長覆蓋從可見光到近紅外波段（635nm—1550nm），性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、部分國際領(lǐng)先水平，替代進(jìn)口高端激光芯片；②封裝產(chǎn)品包括C-Mount、COS（Chip on Submount）、TO/SF等；③表征測試設(shè)備種類齊全、自動(dòng)化程度高，包括Bar條綜合性能測試機(jī)、Full-bar 綜合性能測試機(jī)、全自動(dòng)COS綜合性能測試機(jī)、半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊綜合性能測試機(jī)、大功率半導(dǎo)體激光芯片器件老化/壽命測試機(jī)等。
公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、醫(yī)療美容、工業(yè)加工、激光顯示、科研等領(lǐng)域。瑞波光電的發(fā)展遠(yuǎn)景是成為世界一流的半導(dǎo)體激光芯片解決方案供應(yīng)商，使命是“激光創(chuàng)造美好生活，用芯成就無限可能”。
