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激光雷達(dá)光源 — 1550nm短波紅外

2021-05-14 21:14:48·  來源:Astroys  
 
激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),對(duì)人眼就越安全,并且可以實(shí)現(xiàn)單光子靈敏度和更高的性能,但在使用較短波長(zhǎng)的激光達(dá)到非人眼安全水平時(shí),不需要額外的激光功率。這潛在地指向了
激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),對(duì)人眼就越安全,并且可以實(shí)現(xiàn)單光子靈敏度和更高的性能,但在使用較短波長(zhǎng)的激光達(dá)到非人眼安全水平時(shí),不需要額外的激光功率。這潛在地指向了比NIR激光更高的性能。

最新的AEye 4Sight LiDAR達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的1公里探測(cè)距離,可探測(cè)200米范圍內(nèi)的行人,反射率為10%時(shí)可探測(cè)小物體的距離為120米。

FMCW和光譜掃描激光雷達(dá)也需要1550nm光纖激光器。

1500nm的主要開發(fā)公司有:Aeva、AEye、Argo AI(收購(gòu)了Princeton Lightwave)、Aurora(收購(gòu)了Blackmore)、Baraja、Blickfeld、禾賽、Innovusion、Luminar、Lumotive、NepTec、Pioneer、Psionic、SiLC、Waymo。

成本高昂
1550nm光纖激光器價(jià)格非常昂貴,因?yàn)樗鼈冃枰獠侩娫春蛷?fù)雜的電子控制裝置,因此體積龐大,且很重。

光纖激光器是在較小晶片上的銦鎵砷化物(InGaAs)上制造的,而不是硅CMOS,這增加了成本。由于硅不能吸收1550nm的光,因此需要將1550nm的InGaAs激光器與昂貴的InGaAs APD配對(duì)。它們?cè)诖笮蛡鞲衅麝嚵猩弦簿哂刑魬?zhàn)性。因此,只有少數(shù)公司使用1550nm激光器,其中激光二極管供應(yīng)商和相關(guān)的供應(yīng)鏈更喜歡使用EEL和VCSEL。

1550nm光纖激光器的功耗較高,可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳感,功耗約為200W,因此需要昂貴且龐大的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。因此,1550nm激光雷達(dá)不能與新型的電動(dòng)車兼容。

據(jù)說,目前1550nm的高成本已抵消了其性能優(yōu)勢(shì)。但AEye使用了更具成本效益的光纖激光器,該激光器使用的功率更少,因此降低了熱管理要求。

技術(shù)局限性
由于還需要信號(hào)處理、拼接電纜,容錯(cuò)光學(xué)器件和多個(gè)激光脈沖,因此它們也面臨著更大的復(fù)雜性,從而增加了不可靠的風(fēng)險(xiǎn)。

為了克服這些挑戰(zhàn),光纖激光器可能至少還需要5-7年才能獲得汽車行業(yè)的認(rèn)可。一些受訪者表示,要使光纖激光器的技術(shù)進(jìn)步進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量子飛躍將具有挑戰(zhàn)性。以上就是為什么基于光纖激光器的激光雷達(dá)不太可能提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)并進(jìn)入大眾市場(chǎng)。

雖然1550nm光纖激光器可以提高激光雷達(dá)的性能,但新的接收器技術(shù)也可以增強(qiáng)脈沖激光激光雷達(dá)的性能,脈沖激光的發(fā)展也抵消了其在人眼安全的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)法雷奧的說法,1550nm激光也可以被吸收到水中,使得這種激光雷達(dá)無法檢測(cè)到潮濕路面上的車道標(biāo)記。

除大陸之外,幾乎沒有其他Tier1使用1550nm激光器,這表明用基于這種技術(shù)設(shè)計(jì)激光雷達(dá)并通過車規(guī)驗(yàn)證具有很大挑戰(zhàn)。

1550nm光纖激光器最初是為了在電信行業(yè)的光纖電纜上傳輸數(shù)據(jù)而開發(fā)的,不符合車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因此,要提高性能和降低成本的任何發(fā)展都取決于另一個(gè)行業(yè)的進(jìn)展。

最新進(jìn)展
但是,1550nm光纖激光器有許多發(fā)展,旨在解決上述問題。

Luminar承認(rèn)使用1550nm光纖激光器具有潛在的性能優(yōu)勢(shì)。為了克服成本增加的問題,該公司開發(fā)了一種專有的激光芯片設(shè)計(jì),外形尺寸小巧,使用了一小塊InGaAs晶片,可降低成本并提高性能。InGaAs也被接收器采用,使得BOM的成本為500美元(具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)要求100美元)。通過使用單個(gè)15W激光器和接收器,而不是使用多個(gè)接收器,還可以進(jìn)一步降低成本,同時(shí)仍能夠在200米外以10%的反射率檢測(cè)物體。
激光雷達(dá)光源 — 1550nm短波紅外
SWIR Vs. NIR

AEye了解開發(fā)高分辨率激光雷達(dá)的最大挑戰(zhàn)是熱管理。它使用一種新型的光纖激光器,平均功耗僅為0.3W,輸出功率約為4W。這種單光纖激光器可以提供足夠的功率輸出,而不是905nm激光器的倍數(shù),并且不需要驅(qū)動(dòng)它所需的兩級(jí)放大器。結(jié)果是,新的光纖激光器的成本在100美元左右,而現(xiàn)有光纖激光器大約為200-300美元。通過使用具有成本效益的PIN二極管陣列IP,AEye聲稱已將BOM成本降低了95%。

愛爾蘭的Eblana Photonics正在開發(fā)適用于1550nm應(yīng)用的離散模式(DM)激光技術(shù),與現(xiàn)有的ridge Fabry-Perot(FP)光纖激光器相比,該技術(shù)有望提高功效,降低功耗并降低成本。

DM技術(shù)可以使生產(chǎn)工藝更加簡(jiǎn)化,從而降低成本,提供一致性較高的產(chǎn)品,從而提高了操作和性能的可靠性,激光結(jié)構(gòu)的單線寬度小(大約在50-100kHz的頻率范圍內(nèi)工作)以限制噪聲,彎曲的輸出以減少反射,以及更大的靈活性和可伸縮性,這將帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)并將該應(yīng)用推向大眾市場(chǎng)。Eblana在瞄準(zhǔn)電信行業(yè)的同時(shí),它也在尋找激光雷達(dá)領(lǐng)域的合作伙伴。

京都大學(xué)和Hokuyo Automatic也在開發(fā)光子晶體(PC)激光器,該激光器可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)直的激光束,并聲稱可以以較低的成本生產(chǎn)。但DM和PC激光器仍然是由昂貴的InGaAs材料制成的。 
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