本文是FMCW激光雷达科普系列第二篇,点击超链接查阅上一篇:FMCW激光雷达科普(上):基本概念、技术路线、优势、争议和误解。
FMCW激光雷达主要由激光器、探测器、相关光路和扫描部件组成。最值得注意的是以下几点——
一.
目前,TOF以905纳米为主的激光雷达激光器,Luminar、图达通和一径科技使用1550纳米,而图达通和一径科技使用1550纳米FMCW激光雷达的激光器都是1550纳米。那么,原因是什么呢?
洛微CTO Andy Sun说:我们做任何产品,首先要看供应链的成熟度,因为你不可能自己做所有的零件。
具体到FMCW原则上,激光雷达不必使用1550nm,905nm也可以,用1550nm做还是905nm这样做,技术上没有本质区别;然而,在光通信领域,FMCW基于1550的搭配nm与波段设备相比,这些设备的供应链相对成熟,成本可控,基于905nm做FMCW成本太高了。
此外,检查连续光的人眼安全要求,1550nm的光功率上限要比905nm大40倍,在FMCW在相关放大原理下,理论上是1550nm可以比905nm测试40倍的距离。
多家FMCW激光雷达公司的创始人和技术负责人都承认供应链成熟度。
一位技术负责人说:FMCW要保证回光能和本地光进行干涉,只有干涉了才能检测到目标,因此,对激光器的“相干性”要求很高(哪怕回光和反射光之间有几微秒的时延,也有很好的相干性)。在业界,相干性比较好的激光器别被称为“窄线宽激光器”,而现阶段,窄线宽激光器只有基于1550纳米的。
此外,负责人还表示,FMCW激光雷达需要提高集成度,高集成度的多通道产品通常基于硅光,硅光只能与1550相匹配。
然而,真挚的光子IC设计总监吴磊说,他们使用的激光器是1310纳米,通信中使用的激光器非常大,非常便宜。
话说,用于FMCW用于激光雷达的激光器TOF激光雷达上的1550纳米激光器材质相同(磷化镓),但结构不同——FMCW要求窄线宽(保证自相干)和低噪音,导致性能、良率、成本完全不同。
一位从业者表示,目前,FMCW1550激光器用于激光雷达比TOF1550激光器要贵得多,国内还没有量产。
关于1550纳米激光器的优点TOF激光雷达的介绍已经提到了很多,最重要的是:不会影响眼睛的安全,所以功率可以很高,然后实现比905纳米激光器更长的探测距离。
另外,即使在TOF1550克服阳光噪声的能力也比905强。
用于1550纳米激光器的材料不是硅CMOS,它是磷化镓,还需要外部电源和复杂的电子控制装置,所以成本很高。此外,1550纳米激光器还需要昂贵的镓砷 APD配对使用。
某激光雷达厂商架构师认为,1550尽管在光通信领域中的用量已经不小了,但成本也没有降下来,因此,很难指望在激光雷达中就能降下来。
架构师说:你有几百万台之后,成本肯定会比现在的几百台低很多,但是比905贵很多。这类似于,你不能说我买了很多金戒指,它的价格可以降到铜戒指的水平。这是由材料的物理特性决定的。
(2)
大多数激光雷达制造商在与程中,大多数激光雷达制造商提到1550纳米激光器容易被水雾吸收(几毫米厚的水层可以吸收1550纳米激光器的所有能量,光通信领域的专业术语是水空吸收),难以反射,雨天难以正常工作。
不愿透露姓名的人FMCW激光雷达公司创始人
我们圈子里的人睁着眼睛说谎,说1550‘穿透能力好,抗干扰能力强’。我做了测试,往墙上泼水。在1550纳米激光器眼里,墙是黑色的,水流下来就好了。
许多实验表明,只要我们遇到两毫米的水膜,我们的FMCW激光雷达瞎了。这个问题没有解决。FMCW激光雷达只能在阴天、晴天和小雨天使用,不能在大雨天使用。
但光勺科技CEO姚建并不完全同意上述说法。姚建说:FMCW有两种相关性,一直是调频,一直是调相。如果是调频,1550纳米激光器确实会受到雨水的影响。比如检测距离从500米衰减到50米;但是我们使用的调相技术,在大雨天,检测距离可以达到平时的50%左右。
不过,某FMCW激光雷达公司CEO习先生说:在TOF1550纳米激光器易被雨雾吸收,会导致探测距离大大衰减,产生严重噪声;FMCW相关检测有用,信噪比较高,所以也用1550nm激光,激光雷达穿透雨雾产生稳定点云的能力会更强。
此外,洛微CTO Andy Sun认为只看不同波段对水的吸收率是不完整的,因为遇到雨后激光的吸收率只是一部分,很多变化都与散射和折射有关。在这两部分,不同波长的表现也不同,比如短波散射更强,要综合考虑。
Andy Sun法国科研团队在2019年做了大量的理论分析和实验,发现905nm和1550nm雨雾天两个波段的激光器性能相似-1550nm总吸收率仅为905nm不到10%。这完全是人眼安全的考虑nm可以掩盖更大出光功率的优点。
某FMCW激光雷达公司CEO习先生还提到了法国的这组实验。
但无论如何,沃尔沃和奥迪都计划使用这些已经非常保守的汽车公司Luminar基于1550的TOF激光雷达,这可能意味着在这些汽车公司眼里,1550在雨天不能正常工作,不是一个严重的问题吗?
在采访中,作者提到了一个问题:如果几辆带有激光雷达的自动驾驶车辆聚集在一起,激光同时发射,只是聚集在一起,面对人眼,那么功率很高,也应该影响人眼的安全?
对此,某TOF激光雷达制造商负责人的回答是:905纳米功率会损坏视网膜,但视网膜类似于手机感光图像像像素,激光从不同地方,影响视网膜上的不同像素,因此,即使功率高,也不会烧坏数千万像素;1550不同,烧坏,人眼对905纳米波段的敏感点905纳米波段的敏感点在于它击中像素的能量,而对1550纳米波段的敏感点在于它的总能量。
简言之,1550纳米激光器也存在人眼安全问题——激光器没有击中视网膜,但被角膜吸收。如果功率过高,角膜也会受伤。
二.
在采访的过程中,《九章智驾》反复问到一个问题:FMCW激光雷达会像一些TOF那样有许多个激光器,还是只有一个激光器?多数人的答案都是:理论上,激光器也可以有几十个、上百个,但在实践中,厂商们出于成本考虑,往往只会用1个激光器,FMCW激光雷达也被称为“单光子激光雷达”。
不过,尽管激光器的数量很少,但在分光器的协助下,实际发出的线数却可以很多,如Mobileye的FMCW激光雷达,号称是184线。激光器的数量也许不止一个,但肯定不会有几十、上百。
洛微CTO Andy Sun说:“能使用多少个通道,跟激光器的总光功率和分光器的何设置处理有关。”(需要注意的是,发射端可以只有一个激光器,但在接收端,探测器的数量跟通道数是完全一致的。)
“用分光器把一束光分成成百上千束,这会不会导致每一束光的功率过低?”当笔者向某激光雷达公司创始人提出这个疑问时,对方的回答是:“我在前端把功率提高不就行了?我1个1瓦的分成10束,跟你用10个100毫瓦的,总功率不是一样的吗?不过,前者的成本肯定要比后者低得多。 ”
在TOF激光雷达中,总点频=单个激光器的发射频率X激光器的数量,那么,在FMCW中,激光器的数量会不会限制了点频?
对此,某FMCW激光雷达公司CEO奚先生的解释是:不同于TOF,FMCW激光雷达的点频并不依赖于激光本身的发射频率,而是依赖于后端信号调制解调的数据处理速度。因为激光持续在发射,后端的数据处理也在持续,后端的数据处理越快,前端产生的点频就越多。
简单地说,TOF激光雷达的点频是“供给推动型”,而FMCW激光雷达的点频则是“需求拉动型”。
不过,不管怎么说,FMCW激光雷达的点频比TOF低,却是大家都承认的事实。
对这个问题,光勺科技CEO姚建的说法是:我们现在可以做到每秒10-15帧,做到这个程度就够用了。对TOF激光雷达来说,是点频越高越好,但对FMCW激光雷达来说,因为每个点都有速度信息,不惜一切代价把点云密度做高的意义不大。
(为什么有了速度信息,点云密度就没有那么重要了?请参考本系列的第一篇文章《FMCW激光雷达科普(上):基本概念、技术路线、优势及争议和误解》)
而洛微CMO贺润芃的说法则是:FMCW激光雷达因为信噪比更高,所以,哪怕分辨率(点云密度)没那么高,也可以实现很好的探测效果。
简言之,速度维数据和信噪比,共同降低了FMCW激光雷达对点频的要求。
不同于TOF激光雷达的探测器要用成本高昂的APD(雪崩光二极管)和SPAD(单光子雪崩光二极管),FMCW激光雷达的探测器只需成本更低的PIN就可以了。 为何?
据挚感光子IC设计总监吴雷介绍,在TOF中,光束发出去之后,信号会有近100db的损耗,为保证探测效果,探测器需要将折损了的信号放大,这个放大系数,被称为“增益”,APD和SPA便属于增益比较大的探测器,因而比较贵;而在FMCW中,光束在发出去之前,留了一半在本地,尽管回光也有折损,但本地光还在,这两部分一结合,就把光信号给放大了(光学芯片里面已经有增益了,这被称为“相干增益”)。
此外,在TOF中,APD在将信号放大的同时,把噪音也给放大了,相比之下,FMCW中,“相干增益”是不带噪声的。
因此,在FMCW激光雷达中,增益很小、也更便宜的探测器已足以“胜任”。
现在,禾赛、Ouster等TOF激光雷达厂商都在谈激光收发的芯片化,那么,FMCW激光雷达收发模块的芯片化是怎么做的呢?
在TOF激光雷达中,哪怕实现了很高的集成度,探测器和激光器都是部署在不同的芯片上,那么,在FMCW中,探测器和激光器有可能被集成到同一个芯片上吗?在本系列访谈中,《九章智驾》反复追问了这个问题。
答案无一例外是:可以。
据某TOF激光雷达厂商负责人介绍,目前,FMCW激光雷达探测器已经可集成到硅光芯片(该硅谷芯片上集成了分光器、调频器、偏振控制、相干混频阵列等功能)上了,大多数厂商都是这么做的,而激光器是三五族产品,没法直接集成到硅光芯片中;不过,激光器在另一块晶圆上加工好之后,可以再通过一些特殊工艺被贴到硅光芯片上。
洛微CTO Andy Sun说,目前厂商们的做法是,将激光器独立封装,然后通过光纤耦合到硅光芯片上,这种工艺被称为“激光器外置”。Andy Sun认为,激光器外置只是个过渡形态,英特尔等公司已经在朝着“激光器内置”的方向发展了。
某国内FMCW激光类公司CEO奚先生也说,他们目前正在探索将探测器和激光器集成到同一颗ASIC芯片的工艺,“首先实现收发模块的芯片化”。
据挚感光子IC设计总监吴雷介绍,挚感光子也已经自研开发了集成光学芯片及与其配套的光学模组(集成激光器,探测器及镜头),并在开发ASIC电芯片(集成模拟前端及数字信号处理),首先实现收发器的芯片化。
不过,今年5月份,微源光子董事长兼总经理朱晓琪在题为《从硅光通信技术看FMCW lidar的集成挑战》的演讲中指出,要将三五族的激光器芯片跟硅基芯片集成到一起,难度非常大。“不管是光纤输出的波导,还是直接输出的波导,它们的模场都远远大于硅基单模波导模场,同时,这些材料的系数完全不同。”
Andy Sun、朱晓琪等人都承认,英特尔公司已经有办法把激光器集成到硅光芯片中去了。他们说:“这是英特尔的专利”。
据朱晓琪在演讲中的说法,在英特尔的方案中,激光器发光部分本身仍是III-V材料,但通过硅晶圆工艺和硅光集成到一起,被称为“异质集成”。这种方案的工艺是:
1).拿一个硅的晶圆,在晶圆上做好掩埋层跟单晶硅以后,在单晶硅上刻蚀单模波导;
2).准备一个外延片,包括衬底,把延片切成一个一个的芯片;
3).把该芯片倒装贴在做好的硅单模波导上,做好以后先要用一些化学办法把InP衬底去掉,然后去做刻蚀;
4).掺杂n极,做n极的电镀,p极和p极的电镀,做一些等离子的退火;
5).在已经做好的单模波导上出光。
Andy Sun说,从长期看,大家都是要把激光器跟探测器集成到同一颗硅光芯片上的。目前各大提供硅光工艺的代工厂(Foundry),也正在开发各自的激光器集成工艺,相信很快会有相应的工艺选择出现。某TOF激光雷达厂商负责人也认为,如果能避开英特尔的知识产权,这种工艺,其他厂商最终也是有可能搞定的。
不过,Andy Sun也承认,将激光器集成到硅光芯片上的难度很高。他说,英特尔这种方案的代价是,芯片的效率不高,而且能达到的峰值功率不高,“所以它可能需要集成很多个激光器在上面”。
对英特尔这种方案,朱晓琪的观点跟Andy Sun一致。
朱晓琪在演讲中说:“硅的波导仍然有一个尺寸特别小、模场做不大的限制,因此即便能够通过这样的方案出光,出的光也非常非常小——我看到文献以及报道一般都不到10毫瓦,同时量子效率也非常非常低,只能拿来做一些短距离的传输,如果要用它做一些大出光,实际上非常难。”
朱晓琪也承认“英特尔做得比较好”,但他并不太看好其他厂商复制这条道路的前景。“工艺难度非常高,激光器的出光功率非常非常低,也不适合做FMCW激光雷达。”
姚建此前在一次演讲中提到,TOF激光雷达由于体制限制,除了信号处理及MEMS扫描外,其他部分很难芯片化。言外之意,光学镜头也很难被芯片化。那么,在FMCW激光雷达中又是怎样的情况呢? 在本系列访谈中,这也是一个被《九章智驾》反复追问的问题。
某FMCW激光雷达公司CEO并不认同“TOF中的光学镜头无法被集成化”这一说法,在他看来,哪怕在TOF中,光学镜头也是可以被集成化的。“单晶硅的光学化技术就可以用于光学镜头的半导体化,这跟激光雷达是TOF还是FMCW是没有关系的。”
但无论如何,大家一致认为,在FMCW中,光学镜头是可以被芯片化的。
某不愿具名的FMCW激光雷达公司创始人说:“光学镜头是可以被芯片化的,“有个专业名词叫‘麦卡伦斯超透镜’,就是把镜片做得很薄很薄,然后贴在芯片上就行了,相当于把两个硅片黏在一起,但这个技术目前还不成熟”。
Andy Sun说:“实际上,用OPA做扫描的时候是不需要单独的镜头的,因为OPA的阵列本身就是镜头,有入光孔和出光孔。”某TOF激光雷达厂商负责人也持同样的观点。
1.
TOF激光雷达的扫描方式有转镜、MEMS、棱镜、Flash和MEMS等,那FMCW呢? 比较明显的是,目前,多数FMCW激光雷达厂商都选择了OPA扫描方案。
不过,诸多受访者都认为,上述扫描方式均可跟FMCW搭配,某FMCW激光雷达公司创始人说:“你可以说FMCW天生更搭配OPA扫描,但是没有OPA扫描,不代表FMCW就做不出来,它可以用转镜、也可以用MEMS、棱镜。”
如国内某公司目前的FMCW及激光雷达就采用了双棱镜扫描、MEMS扫描,挚感光子采用了棱镜扫描,而光勺科技目前用的是机械扫描,明年会换成MEMS(光勺自己只做收发系统,扫描系统是外购的)。
姚建说:“要做长探测距离,OPA只能跟FMCW搭配,但FMCW不一定非得跟OPA搭配。”
不过,各受访者一致认为,OPA是FMCW激光雷达最理想的扫描方案,“是终极形态”。
为什么大家如此看好OPA,它的优势在哪里?
OPA即光学相控阵,通过对阵列移相器中每个移相器相位的调节,利用干涉原理(类似的是两圈水波相互叠加后,有的方向会相互抵消,有的会相互增强))实现激光按照特定方向发射。
姚建的解释是:人在看东西的时候,尽管视场角很大,但有一个蚊子飞过来时,我的眼光马上就聚焦(凝视)到这只蚊子身上了,我不需要逐行扫描;因为,逐行扫描不仅效率太低,而且,在飞进飞出的蚊子数量比较多的情况下,很容易有遗漏。OPA就相当于,有100只蚊子飞过来后,我的光束能马上聚焦到这100只蚊子身上,我每时每刻都如此聚焦,这样就不会有目标物被遗漏掉,而且效率特别高。
某TOF激光雷达厂商负责人并不认可这一观点:电子扫描还不会智能到这个程度吧。你已经判断出这有一只蚊子了,才聚焦于这个方向,这相当于“先知道结果,再去追求过程”,你已经知道目标物及其位置了,为什么还要去扫描它呢?
奚先生也认为,OPA不具备聚焦功能,“它原来是平行光,出去还是平行光,只不过换一个角度”。奚先生说,OPA其实利用的是光的衍射相干原理,通过改变材料的折射率或介电常数实现光的偏转,改变有多快,偏转就有多快。
某TOF激光雷达厂商负责人称,理论上,OPA在成熟后,是可以作为光学镜头来使用的。
一位不愿具名的FMCW激光雷达公司创始人说:“诚然,FMCW不一定非得跟OPA搭配,但FMCW的收发系统需要用硅光技术来降成本,如果扫描模块也用基于硅光技术的OPA,那收发和扫描的集成岂不是更容易了?”
Andy Sun也认为,FMCW和OPA都需要通过硅光技术平台来实现,因此,无论是刚开始的两个芯片,还是最终变成同一颗芯片,FMCW+OPA都是一个自然而然的技术选择。
不过,尽管OPA被认为是“最性感的终极路线”,但其实现的过程会比较漫长。
姚建说:“十年后,激光雷达一定是FMCW+OPA,但OPA现在还停留在实验室里。”
上述不具名人士说:“在2030年之前,FMCW+OPA的方案都很难成熟。”
2.
既然OPA跟发射端都是基于硅光技术平台做,那么,将两个模块集成到一起,就成了题中应有之义。这并非一个大胆的猜想,而是已经有公司在这么实践了。
微源光子董事长兼总经理朱晓琪说,将OPA扫描部件跟相干光路、探测器集成到同一个硅片上,是通信产业已经在做的事情了。接下来,只要能解决将三五族芯片(激光器)跟硅基芯片的集成问题,将扫描和收发集成到一起,就是一个自然而然的结果了。
业界普遍认为,英特尔的FMCW激光雷达中,扫描系统就跟激光收发系统集成到同一颗芯片上了。
为什么英特尔可以做到?一位FMCW激光雷达公司创始人向笔者介绍道:“英特尔的硅光上面是带光源的(只有他们有这个东西),所以他们的硅光已经不再是传统意义上的硅光了,因为它上面既有磷化铟也有硅,它的硅光,我觉得应该叫做‘异质光’,就是两不同的异常的材料。所以,只有他们能走这个路线。”
不过,据称硅谷公司LightIC也在尝试这条技术路线了。
国内公司中,洛微CTO Andy Sun人等均称,这也是他们努力的方向。
据Andy Sun的说法,毫米波雷达的扫描跟收发就是集成到一起的,而它的调制方式就是FMCW。
由于扫描系统可以跟收发系统集成到一起,光勺CEO姚建多次强调,FMCW激光雷达“可实现比TOF更高程度的芯片化”,姚建甚至将其称为“真正的芯片化”。
不过,朱晓琪曾在之前的演讲中指出,OPA跟光源之间的耦合会有一个很大的插损,“这是整个业界都很难解决的问题”。而这一难题的解决进度,将在很大程度上决定FMCW激光雷达“真正的芯片化”的进度。
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