下一代激光雷達(dá)光源新秀VCSEL

近期造車新勢(shì)力廠商發(fā)布的新款車型都加入了新的功能，那就是基于激光雷達(dá)（LiDAR）的自動(dòng)駕駛方案。激光雷達(dá)是一種很早就被大眾所了解的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的傳感器解決方案之一，我們?cè)诮诮K于看到了量產(chǎn)落地。盡管目前自動(dòng)駕駛的技術(shù)路線依然眾說紛紜，百家爭鳴，但是激光雷達(dá)越來越被方案廠商和主機(jī)廠商所選擇。

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)有機(jī)械式激光雷達(dá)方案、MEMS激光雷達(dá)方等。傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)方案的光源和接收探測(cè)器采用器件物料堆疊的方式，對(duì)成本和組裝維護(hù)等來講都面臨著不小的挑戰(zhàn)。MEMS激光雷達(dá)在小型化和量產(chǎn)方面現(xiàn)在也逐步開始落地，但是MEMS激光雷達(dá)在后端軟件算法處理和MEMS微鏡的可靠性方面也面臨著一些問題。激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)大批量量產(chǎn)，對(duì)可靠性和成本的要求非常高，業(yè)內(nèi)激光雷達(dá)方案廠商為了解決上述兩個(gè)問題，開始把目光移向新興的基于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）光源的激光雷達(dá)方案。

自從2017年蘋果將VCSEL應(yīng)用在前置結(jié)構(gòu)光方案實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別功能之后，VCSEL開始在消費(fèi)電子領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。2020年，蘋果在新款iPad Pro和iPhone 12 Pro上先后采用后置激光雷達(dá)方案，依然采用了VCSEL作為核心的激光光源。

iPhone X前置結(jié)構(gòu)光方案實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別

iPhone 12 Pro系列的后置激光雷達(dá)方案

經(jīng)過在消費(fèi)電子領(lǐng)域大批量使用，VCSEL開始被汽車電子應(yīng)用關(guān)注，相關(guān)廠商開始研究直接替代傳統(tǒng)邊緣激光發(fā)射器（EEL）的可行性。VCSEL用于汽車應(yīng)用，需要在可靠性和光功率密度方面都達(dá)到車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)的要求。

在可靠性方面，VCSEL由于其結(jié)構(gòu)具備比EEL更大的天然優(yōu)勢(shì)。麥姆斯咨詢了解到，國內(nèi)常州縱慧芯光半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡稱：縱慧芯光）已經(jīng)于2020年完成AEC-Q102第三方車規(guī)認(rèn)證，也是目前國內(nèi)唯一一家通過該認(rèn)證的廠商。

縱慧芯光于2020年8月通過AEC-Q102認(rèn)證

據(jù)了解，縱慧芯光送AEC-Q102認(rèn)證的VCSEL產(chǎn)品直接采用裸芯片方式，并沒有經(jīng)過密封封裝，由此可看出縱慧芯光的VCSEL器件在可靠性方面具備強(qiáng)足的實(shí)力。

在光功率密度方面，VCSEL可以憑借增大陣列發(fā)光點(diǎn)個(gè)數(shù)來增加光功率。但是在激光雷達(dá)應(yīng)用中，通過增加面積的方式增加光功率，對(duì)系統(tǒng)帶來的收益并不大，只有更高的光功率密度才能讓激光的探測(cè)距離更遠(yuǎn)。2020年，各大VCSEL廠商紛紛發(fā)布多結(jié)VCSEL技術(shù)方案。所謂多結(jié)VCSEL技術(shù)就是通過增多發(fā)光量子層部分來提升單位電流下的光功率，從而提高器件的光功率密度。

多結(jié)VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

VCSEL的多結(jié)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)單結(jié)結(jié)構(gòu)，最大的變化是在外延結(jié)構(gòu)的調(diào)整。麥姆斯咨詢了解到，縱慧芯光于2018年在常州自建外延產(chǎn)線，帶來的直接效益則是縱慧芯光在產(chǎn)品研發(fā)迭代速度方面遠(yuǎn)快于采用無晶圓廠（Fabless）模式的VCSEL廠商。

通常情況下，VCSEL外延設(shè)備完成一輪外延生長只需要6個(gè)小時(shí)左右，而如果采用代工的方式開發(fā)新的結(jié)構(gòu)，至少需要提前一個(gè)季度預(yù)定窗口期。在當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)能吃緊的情況下，傳統(tǒng)Fabless廠商的研發(fā)迭代速度會(huì)受到巨大的影響。我們了解到，縱慧芯光的多結(jié)VCSEL產(chǎn)品性能已處于世界第一梯隊(duì)：光功率密度達(dá)到了5000W/mm2，已經(jīng)接近于傳統(tǒng)EEL產(chǎn)品?？v慧芯光已經(jīng)開發(fā)出808nm、850nm、905nm、940nm等各個(gè)波長的VCSEL產(chǎn)品系列，并且各系列產(chǎn)品都已具備多結(jié)技術(shù)儲(chǔ)備。目前，縱慧芯光已經(jīng)獲得了IATF 16949體系符合性認(rèn)證，為汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)的爆發(fā)做好了充分的準(zhǔn)備。

麥姆斯咨詢相信，經(jīng)過VCSEL廠商的努力，能夠?qū)⒓す饫走_(dá)的成本大大降低，價(jià)格做到平民化，讓激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正的大批量量產(chǎn)，保護(hù)駕駛員和乘客生命安全。

編輯：jq