受苹果公司加持，纯固态激光雷达或迎来快速发展期

汽车级激光雷达，在迈向纯固态的道路上迎来了全新的突围机会。2020年，Ibeo公司与长城汽车签订了一份固态激光雷达量产合同，该系统将基于奥地利AMS公司生产的垂直腔面发射激光器（VCSELs），这是全球首个采用类似技术方案，并用于高速公路L3级自动驾驶的案例。

此前，苹果公司新款iPad Pro和iPhone 12配备的激光雷达就是采用VCSELs+SPADs方案。有行业人士表示，随着智能手机带动相关供应链产能释放，VCSELs的成本进入快速下降区间。

“苹果公司的率先示范应用，已经带动全球产业链增加VCSELs的供应能力，”Opsys Tech公司创始人表示，“过去半年时间里，VCSELs的成本下降了一个数量级，从几美元下降到几美分正在成为可能，对汽车行业正在产生积极影响。”

Opsys Tech公司是全球几家研发基于VCSELs的汽车级激光雷达的初创公司之一，迄今已融资3100万美元，“现代汽车”是公司股东之一。该公司从2020年12月开始向中国客户交付了第二代激光雷达。

VCSEL异军突起

垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种半导体激光二极管。与边缘发射激光二极管不同的是，VCSEL向上发射，因此可以很容易地封装成在单个芯片上包含数百个发射器的发射器阵列。

VCSEL最初用于电信行业，如今在消费类电子产品中已经开始广泛应用，主要集中于低功率应用包括面部和手势识别、增强现实等等。而大功率应用则主要瞄准汽车激光雷达。

通常，半导体激光器可以分为两类型：边缘发射激光器（EEL）和VCSEL。其中，边缘发射激光器是目前市面上大多数激光雷达选择的方案之一。不过，VCSEL的优势更为明显，比如更紧凑的尺寸、高可靠性、低功耗以及较低的制造成本。

与EEL相比，VCSEL能提供更好的激光束质量，更高的耦合效率和空腔反射率。VCSEL能够以二维阵列进行，使单个芯片可以包含数百个单独的光源，以增加最大输出功率和提升可靠性。

此外，制造边缘发射激光器通常需要切割晶圆以暴露发射面，这增加了制造成本和复杂性，并限制了可以在一个晶圆上制造激光器的数量。相反，VCSELs发出垂直于晶圆的光，因此它们不需要单独切割或封装。

这意味着晶圆级封装的芯片可以容纳几十个，几百个，甚至上千个VCSELs，如果大规模生产，一个拥有数千个VCSELs的芯片成本不会超过几美元。

眼下，基于VCSEL的面部识别3D传感是智能手机的关键应用，一部手机可以集成多达3个VCSEL模块。新兴的汽车应用，如人脸识别、驾驶员监控和激光雷达，将为VCSEL市场提供额外的推动力。

Opsys Tech公司将VCSEL视为激光雷达行业的第三次迭代升级革命。1.0时代，带有移动部件的机械式激光雷达撑起了L4级自动驾驶测试市场，但这种方案并不适用于大规模量产上车。

2.0时代，固态激光雷达有多种类型，包括MEMS、Flash等，但仍然在成本、性能、组件集成度等方面存在缺陷。VCSEL的导入意味着可以在一个晶圆上封装2000到3000个微型激光器，在没有移动部件的情况下控制光束移动。

“传统的固态激光雷达，存在距离和分辨率上的限制。”Opsys Tech公司负责人表示，相比而言VCSEL允许每秒1000帧的信息捕捉，相比传统的每秒30到60帧有了几个数量级的能力提升。

按照最新披露的数据，该公司已经推出的第二代激光雷达可以探测150米外的物体，即将亮相的第三代产品将可以探测200米外的物体。

VCSEL未来走向

Lumentum公司是苹果激光雷达VCSELs组件的主要供应商之一。该公司表示，用于汽车激光雷达应用的组件需求开始稳定增长。该公司预计，2022年基于VCSEL方案的汽车级激光雷达将进入量产窗口期。

近年来，全球主要的VCSELs组件供应商正在开始通过收购来加大技术投入和产能提升。比如II-VI收购Finisar，Lumentum收购Oclaro，以及耗资57亿美元收购Coherent相干公司。

AMS在三年前以现金收购VCSEL供应商Princeton Optronics公司100%股权，随后宣布与Ibeo、采埃孚合作推进基于VCSEL的固态激光雷达量产计划。

此外，另一家公司TriLumina也在几年前推出了940 nm VCSEL照明模组的多款应用产品，其中就包括一款新型固态3D LiDAR系统。该公司随后证实正在与激光雷达公司LeddarTech合作，与法雷奥、安波福进行联合研发。

而对于率先启动的大规模汽车行业需求，Lumentum公司认为，将是来自于无人配送领域，尤其是服务最后一公里的无人小车。这意味着，低速短距离探测市场将首先受益。

与此同时，Lumentum公司的低功率产品方案已经通过了汽车级认证，预计最快在舱内监控应用中率先导入量产。而对于大功率VCSEL阵列，该公司正在进行最后的测试验证，以满足更为严格的车规级安全要求。

有行业人士指出，VCSELs+SPADs的一大卖点是它们可以使用传统半导体工艺技术来制造，这意味着将直接受益于半导体行业的巨大规模效应，成本下降空间巨大。

相比而言，传统的机械式激光雷达安装了几十个甚至上百个单独封装的激光器，每一束激光都有一个匹配的探测器。这种设计的复杂性，以及需要精确地将每个激光器与对应的探测器对齐，是高成本的原因之一。

此后，通过升级微振镜方案，只需要一个激光器就可以操控光束，但仍然不可避免地需要一个移动装置而不是纯固态。Flash技术路线目前仅限于短距离探测。

以Luminar为代表的1550nm MEMS方案，已经可以实现250米以外的探测性能，但面临的最大问题是成本难题，该公司曾表示仍需要数年时间才可以下降到几百美元。

相比之下，Ibeo选择VCSELs方案在降低成本应该不会有太大的困难。最大挑战可能是能否在满足功能要求的前提下实现250米以外的目标物探测。目前，ibeoNEXT的性能参数是在11.2度水平视场角实现260米目标物探测，32度视场角仍在开发中。

而Luminar的MEMS激光雷达已经可以在120度水平视场角实现250米（低于10%反射率）目标物探测，并且最远可以提升至500米。

有业内人士评价，如果未来几年VCSELs方案可以实现宽视场角的远距离探测能力，那么半导体工艺的低成本可能会带来决定性的优势。如果做不到，可能会被降级到窄视场中远距离、宽视场的短距离探测市场以及舱内监控、交互应用。