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简述激光雷达Lidar里面的激光

芯片工艺技术 2021-06-30 09:27 次阅读

雷达作为车辆避障的重要手段,现在已经从最初仅有超声波雷达发展到超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达互补共存的阶段,激光雷达以其分辨率高的优势,迎来快速增长的时期,无人驾驶技术已是大势所趋,车载的激光雷达近几年出现爆发式增长的局面。

目前车载激光雷达的光源跟扫地机中的激光雷达一样, 大多采用905 nm的激光器,存在人眼安全问题, 特别是在工作距离达到150 m以上,905 nm的激光器的光功率超过了人眼安全的阈值时,必须采用人眼安全波段的激光器,1550 nm就是人眼安全波段的典型代表,在同样的光斑大小和脉宽条件下,1550 nm激光的最大允许曝光量和最大允许峰值光功率值均比905 nm激光高出几个数量级。

2、介绍一下几种常见的雷达激光器

2.1 EEL激光器

用于激光雷达的边发射激光器,最常用的是InGaAs/GaAs应变量子阱脉冲激光二极管(PLD, Pulsed laser diode),波长以905 nm最为流行。

相较于1550 nm波长,905 nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子,而硅基光电探测器通常比探测1550 nm光所需的铟镓砷(InGaAs)近红外探测器更加成熟,从成本和整体成熟度方面来讲是大批量应用的必然选择,性价比更高。

因此,为了实现远距离的测距,首先选择905 nm脉冲激光二极管,再使激光脉冲的峰值功率尽可能大。同时对于高精度的激光雷达方案,激光脉冲的宽度和上升沿质量对后续时间间隔的精确测量具有重要意义。905 nm脉冲激光二极管常见于扫描式激光雷达,包括机械旋转式和MEMS固态激光雷达。

905 nm 脉冲激光二极管在测距领域已广泛应用很多年,技术也是突飞猛进。激光器芯片的发射单元结构已由单层发展到两叠层或三叠层甚至四叠层。

随着激光雷达对905 nm 脉冲激光二极管输出功率及光学点阵云要求的提高,激光雷达所需的芯片结构也由单通道发展到4通道,甚至6通道或8通道。这样,905 nm 激光器的峰值功率随之显著增加,由单通道结构约75 W提高到多通道结构400 W甚至近千瓦。

常见的905 nm PLD的封装结构是TO、蝶式、尾纤以及更好的散热基座上直接安装芯片等。德国欧司朗(Osram)公司是全球905 nm PLD主要的生产商,封装结构涉及到塑料TO-can、金属TO-can,以及陶瓷基座上直接封装芯片,峰值功率75 W到400 W不等, 单个通道电流40 A,峰值光功率最高达125 W,能效高达33%。

而四通道的芯片具有四个发射区,光功率高达480W,使得激光的探测范围要远得多。

日本滨松光子公司也发布了4通道905 nm脉冲激光二极管,典型的基座上直接封装芯片的结构,可以满足车规级的使用要求。

此外,还有Excelitas Technologies、Laser Components、OSI LaserDiode Inc.、Wavespectrum Laser Group、瑞波光电等。

激光雷达厂商在使用多通道高峰值功率PLD时,需要解决纳秒级大电流驱动电源及光学准直两个技术难题,西安炬光科技推出了集成了8通道PLD,如图3所示,高速驱动,光学整形的一体化雷达光源模块,该模块产品可实现900W峰值功率输出,0.1x 25 °的准直光斑输出。

这样的高度集成光源模块为激光雷达厂商解决了光源使用中的技术难题,降低了使用高功率PLD光源的技术门槛,是远距离车载激光雷达产品的优选光源。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一种垂直表面出光的新型激光器,其制造工艺与边发射半导体激光器相兼容,且大规模制造的成本很低。另一方面,VCSEL的生长结构更易于芯片级的二维VCSEL阵列,不仅可以提高输出功率,还为设计各种复杂结构的点阵光源提供了可能。

VCSEL目前已广泛应用在消费电子、工业控制、光通信等领域,是3D传感的主要光源技术,随着光功率的不断提升,VCSEL在车载雷达、智能机器人等中长距领域也逐步开始得到应用。

近年来,车载激光雷达及3D感知发展非常迅速,引得国内外大量厂商在VCSEL领域布局,国外厂商包括Lumentum、Finisar、Osram、II-VI等,国内苏州长光华芯建成投产了国内首条具有完整生产工艺的VCSEL芯片生产线,提供850~940 nm波段的VCSEL产品,适用于飞行时间(ToF)和结构光(Structured light)的方案。

编辑:jq

原文标题:激光雷达Lidar里面的激光

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