出货量突破10亿颗的VCSEL，能给下一代车载感知带来什么？

 

激光雷达是当前感知领域最尖端技术之一，其种类非常多，按介质分：有气体、固体、半导体和二极管激光泵浦固体激光雷达等；按发射波形分：有脉冲式、连续波和混合型激光雷达等；按显示方式分：有模拟或数字显示和成像激光雷达；按搭载平台分：有固定式、车载、手持式激光雷达等；按功能分：有测距、测速、测角、跟踪和成像等。

不同技术的组合搭配可以设计出不同类型、不同功能的激光雷达。这些技术如何组合搭配的确是大有学问。作为领先的3D传感光学解决方案提供商，Lumentum一直致力于将新技术结合到单个VCSEL芯片中，实现新型3D传感应用。

该公司3D传感业务高级产品线经理芦勇表示：“手机让VCSEL腾飞，将通信用VCSEL芯片用到消费类产品，也使VCSEL在3D方面的应用场景越来越多，包括人脸安全解锁和支付，以及物联网和无人车等。”

 

出货量突破10亿颗VCSEL

Lumentum是美国纳斯达克上市的激光芯片公司，其主营业务不是传感领域，而是光通信和数据通信。公司2022财年营收约17亿美元，其中60%来自上述两个领域。3D传感约占公司销售额30%，剩下部分来自于高功率激光器等。作为全球最大的3D传感器供应商，Lumentum为生态系统合作伙伴提供创新芯片、集成封装和模组以及参考设计，并基于最高质量和可靠性建立了大规模制造基础设施。其产品为智能手机、AI面部识别、物联网市场、汽车等应用的3D传感开辟了广阔应用空间。

 

Lumentum丰富的产品族类

 

芦勇认为，VCSEL是具有高可靠性和设计冗余的一种光源，激光雷达用VCSEL具有多结堆叠结构、多通道发射、多波长、多重连接等特点。将新技术结合到单个VCSEL芯片中，利用芯片设计的灵活性，以及组件、模块、子系统的相互优化，有助于推动激光雷达产品的差异化，满足不同的应用诉求。

据他介绍，到2021年中，Lumentum的VCSEL芯片出货量已经突破10亿颗，在全球处于领先地位，而且没有出现过任何客户端失效问题。“这也和产品本身的设计冗余和可靠性优点有关，而工艺控制、质量体系也起到了非常关键的作用。”他说。

 

车载应用战略浮出水面

近年来，汽车智能化，特别是自动驾驶带火了车载激光雷达，其市场呈现高速增长态势，也将Lumentum推入行业视野。纵观公司发展历程，Lumentum很契合汽车行业对高质量、高可靠的产品需求，在具有挑战性的条件下（温度、振动），证明了产品的卓越性；具备大批量生产能力，每周稳定交付VCSEL数百万颗。

经过长期积累，Lumentum有很多产品适配车载应用。汽车应用的代表性产品来自于公司不同产品线和不同部门。从底层芯片到模组、封装器件，再到设备和测试，都有针对不同客户需求的服务方式。针对车载应用，公司有不同部门来支撑，如基于砷化镓的VCSEL和EEL光源可以支持i-ToF、d-ToF、结构光和泛光照明；基于磷化铟的器件可以用在FMCW光源和接收端；还有对应波段的放大器来支持功率提升。

从产品体系看，Lumentum的车载产品为单独管理，量产出货的VCSEL芯片也都经过了AEC-Q102可靠性认证，生产线通过IATF16949认证。

 

ToF激光雷达照明的挑战

科技的发展给人们的生活带来了很多便利，提高舒适性的同时也提升了安全性。车载激光雷达对激光器光源有一些特殊要求，首先要看得远，所以功率要足够高，这是最直接的需求。但高功率会有潜在人眼安全的问题，所以光源也需要具备快速响应能力，让系统将激光脉冲时间压缩到小于10纳秒级别，提升测距精度的同时，满足人眼安全需要。

Lumentum的车载激光雷达应用包括广泛的产品组合，产品涵盖座舱到远距离感测、补盲等应用领域。产品线能够适应客户特定的技术规格和市场需求，并以最高可靠性进行大规模生产。

芦勇认为，纯固态方案是下一代短距离补盲激光雷达比较好的选择，因为没有移动部件，利用可寻址的多分区VCSEL，实现全固态点扫描激光雷达，方案也能兼顾可靠性和低成本要求。

 

为什么推荐多结？

他表示，虽然都是VCSEL，但也有一定区别，设计上有所差异。常规VCSEL结构就像一个个柱子或小岛，为了提高可靠性，Lumentum采用平面结构来设计VCSEL，可以避免小岛之间的深坑。让整个发光区（包括多结、单结）的侧面可以被包住，实现应力平衡的密封保护效果，在散热和可靠性方面都有提高。

 

dToF的VCSEL与EEL的优缺点对比

 

另一个设计方向是多结结构。多结的优点在于，在相同芯片尺寸下可以实现更高的峰值功率，芯片效率更高，功耗更低。为了提高功率，现在已经有五结和六结平台，最新的产品功率密度，五结已经达到1500W/mm2；六结可以接近2000W/mm2。在实际应用中不能一味追求高功率，还需要考虑发光效率或其他一些因素。斜效率方面，取决于应用的优化方向，五结可以达到5.9 W/A，六结可以到6.1 W/A。

 

多结的优点

多结产品的效果不仅是提升功率，发散角度也会有相应提升。五结的发射角大概在17到18度，六结则可再降低，这将有助于改善整个光学系统的性能。

 

多结EPI改进

 

Lumentum有三个代表性芯片M51、M52和M53系列产品，分别对应到点扫描、线扫描和面阵类型激光雷达应用，三个系列都已经通过了AEC-Q102认证，成熟量产。

 

1D和2D方案对比

未来纯固态的演化方向有几种设想，首先是比较简单的闪光方式，闪光在系统层面也有一些挑战，比如发射端需要非常大的功率一次性点亮全部场景，同时，因为一次读取的信息非常多，接收端通常也很难同步处理。还有一些演化出的新方案，一种是1D寻址方案，使用可寻址芯片分区点亮，每个区域对应场景中的某一条横、竖区域；另一种是2D方案，在XY轴上做分区寻址，用电寻址扫描实现全场景覆盖和灵活扫描。

 

激光雷达架构示例

 

1D和2D芯片在使用和配置上有一些不同特点。2D可以分更多的区。同样芯片大小，1D芯片可以分100个区，每个区只有一百微米，对于引线焊盘、芯片工艺、打线、驱动布置都是很大的挑战。2D是乘法关系，图中显示的是8×12的96区芯片，同样是100区左右，2D的分区会非常均匀和平衡，驱动并不像100个分区要匹配100个通路，只用20个驱动就够了。

 

1D/2D可寻址VCSEL阵列点亮建议

 

不同于1D芯片，2D芯片将所有的阳极和阴极都放在同一个平面上，方便驱动连接。2D分区的寻址灵活性也比1D更高，缺点是芯片更加复杂，工艺制程更多。不过“好处留给大家，困难留给自己，”芦勇风趣地说。

 

可寻址VCSEL阵列

 

满足车内应用需求

除了车外激光雷达应用，车内应用也需要VCSEL。这些应用包括DMS、OMS和一些用户友好功能。如手势互动或非触摸操作，可以给用户带来便利和舒适性。欧盟和美国已经对DMS和OMS有明确的法规实施时间节点，新车必须具备这些功能，主要目的是防止疲劳驾驶或一些不安全动作，以确保乘客和司机的人身安全。

现在，这类应用的常见方案是LED加IR摄像头的2D成像，用来实现疲劳监控或动作分析。补光照明从LED更换为VCSEL，会有如下优点。第一，VCSEL波长很窄，可以与接收端更好匹配，加上温度漂移特性比较好，对提高系统对比度有很大帮助；其次，VCSEL效率高、散热小，可以节省安装空间；更重要的是，VCSEL可以支持车内iToF应用，这是LED无法做到的，因为LED上升沿时间非常长，无法快速点亮和快速熄灭。今年，理想新发布的车型已经搭载了i-ToF功能，后排乘客可以用手势操控中间大屏，是一种非常好的体验。

 

VCSEL在车内应用上的优势

 

除了DMS、OMS和i-ToF手势功能，还有一个功能有待发掘，即将结构光或主动光学测量用于车内人脸识别和支付，这些方便功能可以提升用户体验，因此，3D应用可能在车上各个角落铺开。

Lumentum的车载模组包括3W、2W功率；还有一款10W完全集成的泛光照明模块，可以用一颗芯片照亮整个车厢，用一颗芯片搞定DMS、OMS。

 

总有一款适合你

基于VCSEL的照明器提供了各种可能性，为激光创新带来了新的解决方案、新的功能和新的应用。未来一段时间，VCSEL主要优化方向包括：继续提升多结VCSEL的功率密度，减低系统功耗；通过可寻址VCSEL设计，实现更低成本的固态扫描激光雷达；通过底部侧发射结构设计，在芯片层级实现人眼安全；适合不同类别新应用需求，扩展VCSEL的波长选择等等。

 

VCSEL的新技术路径

 

在车载领域，Lumentum提供丰富的产品选择。产品涵盖iTOF用VCSEL芯片，照明模组；半固体激光雷达VCSEL芯片；全固态激光雷达VCSEL芯片；光纤激光器的泵浦组件；FMCW激光雷达用的窄线光激光器、相干收发器、SOA放大器和集成组件等。这些技术和芯片涵盖下一代激光雷达各种不同路径，可供用户选择，相信总有一款可以满足需要。