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自動駕駛系統(tǒng)的皇冠-光電半導(dǎo)體的技術(shù)原理和發(fā)展趨勢

2019-09-14 20:03:22·  來源：厚勢  
　
從最主要的幾個國家和代表性公司及產(chǎn)品入手，盤點全球自動駕駛的進展現(xiàn)狀，系列文章分為發(fā)展現(xiàn)狀綜述、Waymo 篇、Tesla 篇、激光雷達的應(yīng)用和構(gòu)成、激光雷達技術(shù)
從最主要的幾個國家和代表性公司及產(chǎn)品入手，盤點全球自動駕駛的進展現(xiàn)狀，系列文章分為發(fā)展現(xiàn)狀綜述、Waymo 篇、Tesla 篇、激光雷達的應(yīng)用和構(gòu)成、激光雷達技術(shù)指標(biāo)、導(dǎo)航和定位等主題文章，本文是第六篇--激光雷達的皇冠--光電半導(dǎo)體，分別從光源、接收探測器和光學(xué)系統(tǒng)依次闡述。讓我們在成為技術(shù)大牛的路上奮勇前進。
一、綜述
CMOS 技術(shù)發(fā)展到了今天，摩爾定律所面臨的物理極限已經(jīng)非常明朗。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)靠提升性能來拉動消費者需求的路線面臨巨大的挑戰(zhàn)。2015 年以來，自動駕駛的蓬勃發(fā)展，大有替代個人電腦、移動通信，成為拉動整個消費者電子產(chǎn)業(yè)的終極載體之勢。如何在這片藍海中撈到一桶金？筆者今天來說說自動駕駛系統(tǒng)的皇冠-激光雷達上的明珠：光電半導(dǎo)體。
考慮到讀者的耐心，先說結(jié)論。
表1 不同激光器對比
表2 不同感應(yīng)器對比
表3 激光雷達對比
二、光源
發(fā)射光源有很多中，固體（此處敲黑板-不是固態(tài)，說的是紅寶石、玻璃、各種石榴石）、氣體、半導(dǎo)體（固態(tài)）等。固體脈沖功率大，轉(zhuǎn)換效率最低（10%）。氣體激光器效率低（20%）、功率低，體積龐大，但是可靠性好、光束質(zhì)量高。半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量較差，但是轉(zhuǎn)換效率高（30%-40%），功耗、體積和成本都適合車載應(yīng)用。如果對光束質(zhì)量要求高，則可以采用半導(dǎo)體泵浦的光纖激光器（轉(zhuǎn)換效率20%-30%）。
光源部分主要介紹：
  • 1. 激光原理
  • 2. EEL激光器
  • 3. VCSEL激光器
  • 4. 光纖激光器
2.1激光原理
所謂激光，就是激發(fā)態(tài)的原子（黑色），受到某一外來光子（紅色）的作用，而且外來光子的能量恰好滿足 hv=E2-E1，原子就有可能從激發(fā)態(tài) E2 躍遷至低能態(tài) E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子（另外一個紅色粒子）。這一過程被稱為受激輻射。 這就是激光產(chǎn)生的第一條件：受激輻射占主導(dǎo)地位。
 受激輻射
（https://wenku.baidu.com/view/e11dab7ebfd5b9f3f90f76c66137ee06eff94ed4.html）
常溫下，高能態(tài)上的粒子總少于低能態(tài)上的粒子數(shù)。這樣是沒辦法產(chǎn)生激光的。只有當(dāng)高能級的粒子多于低能級時，才能發(fā)生雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致大多數(shù)粒子發(fā)光。這就是激光產(chǎn)生的第二條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
受激輻射的光是各個方向的，只有當(dāng)激光的能量聚集于一個方向時，才能產(chǎn)生可以使用的單一波長光源，所以我們需要一個諧振腔。這就是激光產(chǎn)生的第三條件：諧振。半導(dǎo)體激光器的反射鏡為兩種材料之間的界面。
諧振腔
 
 
視頻3 激光的原理是什么？聽聽工程師的介紹，或許你就能懂了
半導(dǎo)體激光器，目前主流的產(chǎn)品有 EEL\VCSEL\ 光纖激光器。EEL 為邊發(fā)光激光器， VCSEL 為面發(fā)光激光器。
2.2 EEL邊緣發(fā)射激光器
EEL 也有許多子型號，筆者有點亂。例如 DFB（distributed feedback laser diodes），F(xiàn)P（Fabry-Perot Edge Emitting Laser），DBR（Distributed Bragg Reflector Laser），雙異質(zhì)結(jié)，量子阱。
請看高通如何介紹自己的 LD：The 293B20 is a capped mesa buried hetero-structure （CMBH） grown on n-type substrate with multi-quantum well （MQW）active layers, and distributed-feedback （DFB） grating layer，哎暈暈。
EEL 的光斑是橢圓的，特點是功率高，光電效率是這三種類型中最高的、且照度也高（峰值功率 125W），但是激光的光譜稍寬。
 
激光器剖面及光斑
EEL激光器實物（SPL DS90A_3）
DFB激光器（Finisar Eudyna ELD5401）
    EEL（左）與VCSEL（右）光譜圖對比
（https://dammedia.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-7209242/SPL%20DS90A_3_EN.pdf）
2.3 VCSEL
VCSEL 稱為垂直腔表面發(fā)射激光器。VCSEL 從垂直襯底的面發(fā)射激光，因此很容易通過平面工藝實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)光陣列；發(fā)射激光的束散角較小，光斑近似于圓形；對于光學(xué)系統(tǒng)的要求低；工藝與 LED 兼容，有利于大規(guī)模制造，降低成本。
VCSEL 主要問題是工藝復(fù)雜，且功率低（0.6W，而 EEL 是 125W, 你們喜歡的便宜貨）。目前，VCSEL 已經(jīng)廣泛用于光纖通信和 TOF 相機（當(dāng)年有個家伙，一直在筆者旁邊叨叨 TOF 相機，Lidar 與相機，傻傻分不清楚），主要生產(chǎn)廠家有 Finisar，Lumentum。VCSEL 也可以用于近距離的激光雷達。
 
VCSEL激光器剖面圖
VCSEL激光器陣列（Finisar）
VCSEL 發(fā)射光譜圖（波長電流可控）
VCSEL與EEL陣列制造方法比較，VCSEL適合制作高密度陣列
2.4 光纖激光器
光纖激光器
光纖激光器與半導(dǎo)體激光器不同的地方主要在諧振腔。半導(dǎo)體激光器使用不同介質(zhì)的分界面作為反射面，從而形成諧振腔。而光纖激光器直接使用光纖作為諧振腔。
光纖激光器結(jié)構(gòu)
光纖激光器光譜圖
如果是 IFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）體制的 Lidar，對激光器的要求很高：
  • 要求光譜窄，穩(wěn)定，以降低相位噪聲；
  • 要求回波相干性好，便于解調(diào)；
  • 要求能夠?qū)崿F(xiàn)線性調(diào)頻。在這種情況下，一般的脈沖式激光器不能滿足要求，而光纖激光器則能滿足上述要求。
III-V族化合物
2.5 材料
筆者查到的資料，只有一句話：沒有硅。III-V 族是橫在全固態(tài) Lidar 面前的一座大山。
三、接收探測器
接收探測器有 PIN、APD（雪崩二極管）、SiPM（硅光電倍增管）、SPAD（單光子雪崩二極管）等等。
3.1 PIN
PIN，為 P-I-N 結(jié)構(gòu)。I 就是本征半導(dǎo)體。由于沒有雪崩效應(yīng)，其靈敏度較低。接收面積也小，溫度穩(wěn)定性不佳。由于其響應(yīng)速度很快（可高達 10GHZ），結(jié)電容低，一般用于光纖通信，也可用于連續(xù)波探測。
PIN結(jié)構(gòu)
使用PIN管制作的傳感器
3.2 APD
早期的機械式激光雷達采用 APD 為主，APD 是可以是硅也可以是 III-V 材料制成。他是一種 p-n 結(jié)型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。主要缺點是偏置電壓高，增益一般小于 100，APD 對熱和磁都比較敏感。III-V 材料的靈敏度要高于 Si 材料，頻段也不同。
 
濱松APD 二極管
         硅APD（感光面積1mm）       InGaAs APD（感光面積0.2mm）
  (硅的頻段、靈敏度和InGaAs都有較大差異)
如下圖所示，雪崩二極管工作在線性區(qū)。當(dāng)光子入射時，電子-空穴對分離（光電子效應(yīng)）。一般的二極管，分離出的電子無法分裂其他電子空穴對。但是雪崩二極管的電子空穴對可以被分離出的電子、空穴繼續(xù)激發(fā)其他電子空穴對，電子、空穴成倍增加，電流不斷增大。
線性區(qū)的APD
使用 APD 的激光雷達，由于 APD 是分立元件，所以體積都比較大。像 Velodyne 的 64 和傳統(tǒng)的 32E，都使用了 APD。
濱松的APD陣列
3.3 SPAD
單光子雪崩二極管探測器,是工作在擊穿區(qū)的 APD。他的靈敏度很高，一個光子就可以使得二極管激發(fā)出大電流（APD 需要 20 個），增益可達 10e6。 
Wiki 上SPAD的結(jié)構(gòu)圖
所謂擊穿區(qū)，就是二極管反向直流偏置電壓大于擊穿電壓。此時，一個光子就可是得的的 APD 發(fā)生雪崩現(xiàn)象，即一個電子在很短的時間內(nèi)，一路上打散無數(shù)個電子空穴對才被捕獲（線性模式下孤電子和孤空穴會很快的被其他空穴、電子捕獲），所以電流成指數(shù)級增加（而不是成倍增加）。
擊穿區(qū)的APD
不過高性能的 III-V SPAD 禁運，硅的可以。SPAD 對太陽噪聲更加敏感，但是靈敏度高，可以降低 LD 發(fā)射功率，減少接收透鏡面積，適合夜間和陰雨天線。SPAD 由于在接收一次光子后必須關(guān)斷，因此不適合連續(xù)波。
3.4 SiPM
硅基陣列模式的 SPAD，我們稱為 SiPM（SiliconPhotomultiplier）。每平方毫米可以集成 100 到 1000 個二極管。
SiPM 每個二極管上都會串聯(lián)一個電阻。這個電阻的作用是自偏置（self bias）。當(dāng)光子激發(fā)大電流時，電流通過電阻，二極管偏置電壓迅速降低到線性區(qū)甚至正偏，防止二極管內(nèi)的空穴電子對耗盡，延長其壽命。
SiPM陣列
接收管的廠家方面，筆者知道愛爾蘭的 SensL（現(xiàn)在屬于安森美）和日本的濱松做的很好。
3.5 CMOS and CCD
CMOS 和 CCD 屬于照相機使用的傳感器技術(shù)，就其光電傳感器而言，采用了 PIN 或者 PN 結(jié)器件。為實現(xiàn)時間飛行法的測量，就需要傳感器廠商制作相應(yīng)的讀出電路。例如 SONY 開發(fā)出的 CAPD（Current Assisted Photonic Demodulator 電流輔助光子解調(diào)器）技術(shù)，通過計算反射光的相位來計算飛行時間。
濱松TOF陣列
https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/201706/17-059E/index02.html
四、光學(xué)系統(tǒng)
光學(xué)系統(tǒng)主要作用包括準(zhǔn)直和分光。所謂激光，就是受激輻射產(chǎn)生的光。激光形成的時候，并不是直直的一束，和手電筒產(chǎn)生的光一樣，也是發(fā)散的。激光發(fā)射出來的時候，其發(fā)散角度有 8（慢軸）到 30 度（快軸），要通過光學(xué)系統(tǒng)將束散角控制到 mrad（0.1°）這個量級，才能有效的聚集能量。對于要求高的激光器，甚至需要通過光纖進行準(zhǔn)直。
Lidar的光路
快軸的準(zhǔn)直原理
快軸的準(zhǔn)直系統(tǒng)（濱松）
 
準(zhǔn)直系統(tǒng)實物
準(zhǔn)直后的光斑形狀（濱松）
 
致謝：本文專業(yè)性較強，涉及基本元器件的知識。

特別感謝：南航微波光子實驗室、上海瀚宇、北京雙虹（杜爾潤博）、深圳志奮領(lǐng)還有兩位匿名專家朋友的大力支持。 
 
作者：斛律哥，厚勢專欄作家，資深汽車行業(yè)分析師。曾在某超大型汽車集團自動駕駛團隊從事對標(biāo)分析和系統(tǒng)設(shè)計多年
編輯：啜小雪
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