激光雷達(dá)上下游產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)解析

01. 從1到10新階段，激光雷達(dá)開始規(guī)模上車

目前搭載激光雷達(dá)的小鵬P5、極狐阿爾法S全新HI版等車型已正式交付，威馬M7、智己L7、小鵬G9、哪吒S、阿維塔11等搭載激光雷達(dá)的車型，也將在今年上市交付?？梢哉f(shuō)，2022年是激光雷達(dá)應(yīng)用到車型的量產(chǎn)年。

L4級(jí)別自動(dòng)駕駛催化消費(fèi)意愿，激光雷達(dá)搭載的車型還將繼續(xù)以高端車型為主。

我們認(rèn)為，自動(dòng)駕駛的發(fā)展速度最終取決于能否解放駕駛員雙手，既達(dá)到L4級(jí)別。在算力、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)速度等綜合技術(shù)能夠支撐L4的應(yīng)用之前，即使有政策支持和車企的激進(jìn)嘗試，整個(gè)自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)難言爆發(fā)。因此在L4之前的階段，激光雷達(dá)滲透率的主要?jiǎng)恿?lái)源于車企的搭載意愿。由于激光雷達(dá)的成本較高，搭載的車型還將繼續(xù)以高端車型為主。

綜合麥肯錫咨詢、IHS的預(yù)測(cè)，以及2022年搭載激光雷達(dá)的車型，假設(shè)2022年全球自動(dòng)駕駛L3級(jí)別汽車滲透率0.4%，至2027年L3滲透7%，L4滲透率1%，測(cè)算2022年激光雷達(dá)全球市場(chǎng)約44億元，至2027年達(dá)到633億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率70%。

國(guó)內(nèi)中游領(lǐng)先，提前卡位下游

國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)制造商禾賽科技和速騰聚創(chuàng)的市占率目前領(lǐng)先全球，建議關(guān)注均勝電子、均普智能、萬(wàn)集科技。

上游行業(yè)中，國(guó)內(nèi)有較多供應(yīng)商在收發(fā)芯片和器件布局。發(fā)射端建議關(guān)注長(zhǎng)光華芯、炬光科技、富信科技；接收端建議關(guān)注奧比中光；主控和信號(hào)處理端建議關(guān)注安路科技；硅光器件屬未來(lái)發(fā)展方向，建議關(guān)注聲光電科、光庫(kù)科技。

激光雷達(dá)模塊解析

激光雷達(dá)主要由光發(fā)射、光掃描、光接收三大模塊組成。光發(fā)射模塊集成了驅(qū)動(dòng)、開關(guān)和光源等芯片。光接收模塊集成了SPAD傳感器、ADC、TIA、TDC芯片等。

激光雷達(dá)處于從1到10階段，存多種演變路徑

激光雷達(dá)在早期0到1的車載探索階段主要依靠機(jī)械式激光雷達(dá)在Robotaxi進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，Robotaxi測(cè)試車隊(duì)由于會(huì)定期對(duì)車輛進(jìn)行專業(yè)維護(hù)，因此機(jī)械式激光雷達(dá)體積大、壽命短、成本高的缺點(diǎn)對(duì)于此類B端客戶并非不可接受，也因此承擔(dān)了激光雷達(dá)車載應(yīng)用探索的角色。

目前，半固態(tài)激光雷達(dá)在成本、體積、耐用性等方面逐漸改善，激光雷達(dá)逐步進(jìn)入乘用車市場(chǎng)的商用起步階段，除性能指標(biāo)外，集成度、可量產(chǎn)、成本等都是此階段需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

未來(lái)，如果固態(tài)雷達(dá)技術(shù)逐漸成熟，價(jià)格降至200美元以下，固態(tài)激光雷達(dá)將成為成熟的車載商用傳感器。

02. 核心技術(shù)壁壘——收發(fā)模塊

激光雷達(dá)的性能指標(biāo)，主要取決于收發(fā)模塊；可靠性主要由掃描模塊決定；成本由兩者共同決定。

掃描模塊的本質(zhì)是機(jī)械，由它帶來(lái)的可靠性問(wèn)題需要通過(guò)工程方式來(lái)解決，主要靠時(shí)間。相比之下，收發(fā)模塊的壁壘，則是電子技術(shù)的演進(jìn)，是技術(shù)壁壘+工程壁壘，其中的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)能力非常重要。在選擇可靠穩(wěn)定的掃描模塊基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化收發(fā)模塊，將是一款優(yōu)秀激光雷達(dá)的必經(jīng)之路。

降本關(guān)鍵——收發(fā)芯片集成化

收發(fā)芯片是激光雷達(dá)的主要成本構(gòu)成。收發(fā)模塊包括各種光學(xué)鏡頭、激光器、探測(cè)器、激光器驅(qū)動(dòng)、模擬前端等。收發(fā)模塊的降本，主要通過(guò)激光器、探測(cè)器、激光器、激光驅(qū)動(dòng)、模擬前端等電子部件的芯片化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

發(fā)射芯片降本：將數(shù)十個(gè)光學(xué)通道在集成光學(xué)芯片上一次制作完成，用集成式模組替代需要逐一通道進(jìn)行調(diào)試的分立式模組，可大幅度降低了物料成本和調(diào)試成本，降本幅度達(dá)到 70% 以上，并同時(shí)提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、一致性。

接收芯片降本：目前的接收模組光芯片方案有PIN/APD/SPAD，它們都是模擬芯片，為提高信噪比，需要放大器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)入ADC變換電路。目前主流的APD方案，由于單顆接收芯片較大，不適合CMOS集成。而SPAD尺寸小，利于和readout電路集成，從而降低了成本。

降本關(guān)鍵——收發(fā)芯片集成化

據(jù)激光雷達(dá)供應(yīng)商Ouster，由于使用了高度集成的Vcsel激光陣列，和SPAD接收方案，其固態(tài)激光雷達(dá)模組的價(jià)格和體積將具備優(yōu)勢(shì)，如果使用單車裝備5個(gè)雷達(dá)的方案，總售價(jià)可以降到1000美元。

高脈沖速度和高功率激光是車載LiDAR必要條件

激光驅(qū)動(dòng)電路作為半導(dǎo)體二極管泵浦，用來(lái)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體二極發(fā)出指定的激光，這個(gè)生成的激光，進(jìn)一步激發(fā)激光器光路上的激光，增加激光器光路上激光的強(qiáng)度，改變激光器光路上激光的頻率等功能。

高頻脈沖提高分辨率。激光的速度對(duì)制成具極高分辨率的圖像非常重要，而極高分辨率的圖像是安全的全自動(dòng)駕駛運(yùn)輸所必需的。因此，需要短至幾納秒甚至更短時(shí)間的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的距離分辨率。脈沖通常由激光二極管產(chǎn)生。

高功率提高探測(cè)距離。激光的反射系數(shù)低，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，需要為系統(tǒng)提供更多的能量，這意味著激光二極管電流峰值為10~100A。

由于激光二極管溫度升高將增大流過(guò)它的電流值，增加的電流又進(jìn)一步的增加溫度，增加的溫度又進(jìn)一步增加電流，器件很容易損壞。因此，必須采用必要的散熱措施，以保證器件工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。

03. 發(fā)射器：驅(qū)動(dòng)IC壁壘高，Vcsel產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟 溫控不容忽視

激光雷達(dá)的激光器是由專門設(shè)計(jì)的電路所驅(qū)動(dòng)的。常見(jiàn)的激光驅(qū)動(dòng)器是諧振電容放電驅(qū)動(dòng)器，Q1通過(guò)雜散電感L1和激光器DL對(duì)電容C1諧振放電。為了克服電感L1，達(dá)到所需的快速電流上升時(shí)間， C1被充電到相對(duì)較高的電壓（通常25V~150V）。Q1必須能夠承受該電壓，傳導(dǎo)峰值電流，并在1ns或更少的時(shí)間內(nèi)打開。

在傳統(tǒng)的LiDAR系統(tǒng)中，通常會(huì)找到一個(gè)硅驅(qū)動(dòng)器IC，該驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)GaN FET，然后將電流泵入LiDAR激光系統(tǒng)。但是硅驅(qū)動(dòng)器限制了整個(gè)電路的速度。

氮化鎵（GaN）器件的電子遷移率是硅器件的數(shù)百倍，

其能隙為3.4eV。與同類的硅產(chǎn)品相比，GaN MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗、更高的開關(guān)速度、更好的熱性能，以及更小的尺寸和成本。

EPC、德州儀器等公司將GaN驅(qū)動(dòng)器和GaN FET集成到單個(gè)IC上，從而消除了互連電感，并消除了傳統(tǒng)LiDAR電路的速率限制方面。德州儀器的TIDA-01573驅(qū)動(dòng)，能夠產(chǎn)生頻率1.5納秒以下、功率100W以上的高頻高功率激光。國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的激光驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商。

發(fā)射器：Vcsel產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，有望打破國(guó)外代工壟斷

Vcsel激光器始于蘋果人臉識(shí)別和短距光通訊的應(yīng)用，自從蘋果供應(yīng)商Lumentum培養(yǎng)了代工廠之后，國(guó)內(nèi)FABLESS模式的公司如雨后春筍般成長(zhǎng)，但生產(chǎn)依賴外部代工，主要在LUMENTUM的代工廠—IQE代工外延，穩(wěn)懋代工芯片。

在車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，不同激光雷達(dá)制造商、不同方案對(duì)Vcsel陣列的大小、排列需求不同。目前，Vcsel陣列還處于定制化階段，在有成熟的掃描和光源方案前，車用Vcsel陣列既不能形成規(guī)模生產(chǎn)，也沒(méi)有穩(wěn)定的良率支撐，當(dāng)前車載Vcsel陣列的盈利能力較弱。國(guó)內(nèi)企業(yè)開始逐漸往上游制造滲透，非上市公司有唐晶量子、縱慧芯光、長(zhǎng)瑞光電（中際旭創(chuàng)參股），建議關(guān)注的上市公司有長(zhǎng)光華芯、炬光科技、聲光電科。

發(fā)射器：溫控不容忽視，關(guān)注TEC制冷技術(shù)

散熱空間有限，溫度影響激光器性能。激光器的發(fā)展方向?yàn)樾⌒突?、高功率化、高速化，造成散熱空間減少而發(fā)熱量增長(zhǎng)。溫度升高將影響器件的性能和激光質(zhì)量，需要體積小、可靠性高的制冷器件進(jìn)行散熱。

半導(dǎo)體制冷（TEC）是一種固態(tài)制冷技術(shù)，不需要任何制冷劑，具備體積小、無(wú)振動(dòng)、精度高、可靠性高的特點(diǎn)。其利用材料內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)，直接將電能轉(zhuǎn)換為冷能。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時(shí)，若給回路一個(gè)直流電，則回路中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度升高，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度降低，稱為帕爾貼效應(yīng)。

TEC已廣泛應(yīng)用于光通信激光器散熱，下游有望延伸至激光雷達(dá)，建議關(guān)注賽格瑞（未上市）、富信科技。

04. 探測(cè)器：APD較成熟，SPAD和SiPM是未來(lái)方向

APD 是ToF類激光雷達(dá)目前主要使用的較為成熟的探測(cè)技術(shù)。

SPAD可實(shí)現(xiàn)低激光功率下的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，但過(guò)于靈敏的接收也會(huì)導(dǎo)致通道串?dāng)_大、寄生脈沖等問(wèn)題電路設(shè)計(jì)等工藝難題帶來(lái)較高的制造成本。

SiPM是由多個(gè)獨(dú)立且?guī)в写銣?a target="_blank">電阻的SPAD組成，每個(gè)單元是獨(dú)立的，最終輸出的信號(hào)是多個(gè)像素輸出信號(hào)疊加，有幅度變化，照射到SiPM的光子數(shù)越多，幅度越大。但存在串?dāng)_、較大的暗電流，恢復(fù)時(shí)間與溫度有關(guān)，雪崩電壓、增益與溫度有關(guān)。

SiPM和SPAD可探測(cè)距離超過(guò)200m、5%的低反射率目標(biāo)，在明亮的陽(yáng)光下也能工作，分辨率極佳，且盡可能小的光圈和固態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)勢(shì)，正成為新興的LiDAR探測(cè)器。

探測(cè)器：SPAD vs SiPM

如果LiDAR的設(shè)計(jì)更加關(guān)注分辨率，SPAD是更好的選擇；如果更加關(guān)注幀速和信號(hào)提取速度， MPPC是更好的選擇。

SPAD是single photon avalanche diode的簡(jiǎn)稱， MPPC是multi-pixel photon counter的簡(jiǎn)稱。兩種探測(cè)器的基礎(chǔ)原理都是蓋革模式下的雪崩光電二極管。如果以單點(diǎn)探測(cè)器為例，SPAD是一個(gè)單像素蓋革模式的探測(cè)器，探測(cè)器尺寸較小。

而MPPC是由多個(gè)蓋革模式的探測(cè)器同時(shí)信號(hào)輸出，相對(duì)探測(cè)器尺寸較大。因此，以9×9的陣列為例，在相同的分辨率要求下，SPPC陣列的面積更小，MPPC陣列的面積較大。

SPAD的輸出信號(hào)幅值相同，相當(dāng)于只輸出1或0電平信號(hào)，以致于單次測(cè)量時(shí)無(wú)法直接得出是否是真正的信號(hào)位置。而MPPC由于是多個(gè)蓋革模式探測(cè)器同時(shí)感光輸出，輸出的信號(hào)會(huì)有幅度級(jí)別的區(qū)分。

因此，在進(jìn)行信號(hào)提取時(shí)，SPAD陣列需要從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)度分析提取真實(shí)信號(hào)。而MPPC由于直接輸出信號(hào)幅值，可以按照閾值的設(shè)置完成信號(hào)的提取。

探測(cè)器：國(guó)內(nèi)初創(chuàng)公司進(jìn)軍SPAD、SiPM

據(jù)麥姆斯咨詢，目前大多數(shù)領(lǐng)先的APD供應(yīng)商都將905nm作為自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效且可靠的解決方案。該市場(chǎng)的主要領(lǐng)導(dǎo)者濱松（Hamamatsu Photonics）、埃賽力達(dá)（Excelitas Technologies）和First Senor等正在提供905nm APD，而SemiNex和Voxtel正在為汽車LiDAR開發(fā)1550 nm APD。

SiPM和SPAD技術(shù)基于蓋革模式雪崩原理，是實(shí)現(xiàn)LiDAR系統(tǒng)中緊湊、高增益的接收傳感器的關(guān)鍵。目前，索尼已開發(fā)出IMX459 SPAD接收器，實(shí)現(xiàn)了SPAD和readout電路的集成；安森美收購(gòu)SensL進(jìn)行技術(shù)布局；濱松在APD、SPAD、SiPM布局全面。

國(guó)內(nèi)供應(yīng)商中，芯視界、靈明光子、阜時(shí)科技等非上市公司，專注于SPAD/SiPM的研發(fā)。上市公司中，建議關(guān)注奧比中光，公司SPAD芯片實(shí)現(xiàn)流片；聲光電科，公司擁有InGaAs APD芯片及探測(cè)器。

05. LiDAR制造：國(guó)內(nèi)需求較強(qiáng)，本土供應(yīng)商市占率暫時(shí)領(lǐng)先 硅光集成芯片逐漸成熟，激光雷達(dá)應(yīng)用待突破

據(jù)yole，全球范圍內(nèi)，中國(guó)激光雷達(dá)供應(yīng)商占ADAS前裝定點(diǎn)數(shù)量的50%。主要因?yàn)橹袊?guó)的激光雷達(dá)廠商與汽車OEM 建立起了緊密的合作關(guān)系，中國(guó)政策更加開放，車廠搭載激光雷達(dá)更加激進(jìn)。

從前裝量產(chǎn)供應(yīng)商來(lái)看，禾賽獲得截至目前全球27% 的前裝定點(diǎn)數(shù)量，排名全球第一。禾賽的車規(guī)級(jí)半固態(tài)遠(yuǎn)距激光雷達(dá)AT128 獲得包括理想、集度、高合、路特斯等汽車品牌旗下的多款車型定點(diǎn)，并在已經(jīng)開始生產(chǎn)和交付。

國(guó)內(nèi)供應(yīng)商在L4自動(dòng)駕駛暫時(shí)領(lǐng)先。

在L4 自動(dòng)駕駛市場(chǎng)營(yíng)收上占比58%，排名全球第一，是第二名Waymo 份額的兩倍以上。禾賽的高性能激光雷達(dá)產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋國(guó)內(nèi)外幾乎所有頭部L4 自動(dòng)駕駛公司，包括Cruise、TuSimple 等，以及國(guó)內(nèi)的百度Apollo、美團(tuán)無(wú)人車、文遠(yuǎn)知行、AutoX 、小馬智行等。上市公司中，建議關(guān)注均勝電子、均普智能、萬(wàn)集科技。

硅光集成芯片逐漸成熟，激光雷達(dá)應(yīng)用待突破

激光雷達(dá)中短期的壁壘在光學(xué)技術(shù)，從長(zhǎng)期看，性能的提升及成本的降低都仰賴于半導(dǎo)體及光子集成技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)行業(yè)內(nèi)確定了激光雷達(dá)收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化方案后，光子集成工藝可以幫助激光雷達(dá)整體實(shí)現(xiàn)小型化、低成本化，最終形成與車載攝像頭相似的鏡頭、芯片模塊化生產(chǎn)組裝工序。

目前ADC、DSP等微電子器件發(fā)展成熟，芯片兼容性強(qiáng)，前端光學(xué)方案的變化對(duì)微電子器件芯片設(shè)計(jì)框架影響較小，因此可率先通過(guò)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)成本及體積的降低。然而激光雷達(dá)整體體積及成本的降低仍需光子集成工藝對(duì)各光電器件進(jìn)行集成。

硅光芯片基于絕緣襯底上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）平臺(tái)， 兼容互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS） 微電子制備工藝，同時(shí)具備了CMOS 技術(shù)超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)。

硅光芯片商業(yè)化至今較為成熟的領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)中心、通信基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性價(jià)比較為突出。未來(lái)隨著技術(shù)逐漸成熟，激光雷達(dá)、光子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)突破。

異質(zhì)集成是當(dāng)前主流硅光方案

硅光芯片中的光器件分為有源器件和無(wú)源器件，有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器；無(wú)源器件包括平面波導(dǎo)、光柵或邊緣耦合器等?；谶@些元器件，可以構(gòu)成光發(fā)射 / 接收芯片，并開展陣列化的應(yīng)用，最終通過(guò)光子集成技術(shù)

（Photonic IntegratedCircuit, PIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光芯片。

當(dāng)前的硅光器件依然處于初步的集成階段，從異質(zhì)材料集成向單片集成演進(jìn)。走在硅光最前沿的英特爾的方案中，激光器發(fā)光部分是III-V材料，通過(guò)硅晶圓工藝和硅光集成到一起，屬于異質(zhì)集成，但芯片效率和峰值功率不高。

單片集成技術(shù)是對(duì)制作好的硅晶圓開槽，直至單晶硅襯底，而后使用選取外延的方式在單晶硅襯底上生長(zhǎng) III-V 族材料，工藝難度大，但損耗低、易于封裝、可靠性強(qiáng)、集成度高，被認(rèn)為是未來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光大規(guī)模生產(chǎn)的一種最可行的方案。

異質(zhì)集成是當(dāng)前主流硅光方案

光電集成芯片要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要依托硅材料與不同種類光電材料的異質(zhì)集成，以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異特性。Ⅲ-Ⅴ族材料制作的光源、鈮酸鋰制作的調(diào)制器和YIG材料制作的隔離器相比于硅基器件具有較大優(yōu)勢(shì)。

英特爾引領(lǐng)硅光發(fā)展，國(guó)內(nèi)材料、器件實(shí)現(xiàn)供應(yīng)

編輯：黃飛

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