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激光雷达行业长期发展趋势:芯片化降本增效,纯固态VCSEL+SPAD路线未来可期

发布时间:2023-01-16  来源:立鼎产业研究网  点击量: 795 

当前激光雷达产品(机械+半固态)通常采用大量分立器件,存在生产成本高、可靠性低等问题,同时堆砌通道数目已接近瓶颈。当前大部分ToF激光雷达产品采用分立器件,即发射端采用边发射激光器(EEL+分立多通道驱动器,接收端采用线性雪崩二极管探测器(APD+多通道跨阻放大器(TIA)的方案,但使用分立器件存在零部件多、生产成本高、可靠性低等问题,而激光雷达大规模普及需要满足低成本+高可靠性两大基础条件。此外,当前市场对激光雷达产品的测远能力和点频要求不断提升,但由于受到激光安全阈值和产品功耗发热的限制,目前难以通过堆砌通道数目满足行业升级迭代需求。

收发器件是激光雷达核心,亦是激光雷达芯片化降本增效主战场。从性能角度看,激光雷达的精度、点频、功耗、测距、体积等性能指标主要由收发模块决定,激光雷达的可靠性主要由扫描模块决定(扫描模块本质为机械)。从成本构成看,收发模组占据着分立式激光雷达60%的成本,人工调试占据25%的成本,机械、控制模组等其它零部件仅占据15%的成本;对于半固态激光雷达,收发器件(激光器、探测器)及芯片占据70%以上的成本,而光学等其他部件占比不足30%。规模效应和收发模块电子部件芯片化是行业降本的主要驱动。规模效应即激光雷达厂商通过扩大量产规模来分摊研发等成本,并通过大规模采购降低上游物料成本,收发模块及扫描模块均遵从规模效应规律。同时,也可以通过简化模块设计和集成来进行结构性降本。具体来看,扫模模块结构优化空间较小,进一步简化可能会导致性能下降;光学镜头等已几乎没有成本下降空间;而收发器件具有可观降本空间,即通过将激光器、探测器、激光驱动、模拟前端等收发电子部件芯片化,而芯片化能够让摩尔定律在激光雷达领域生效,进而大幅降低激光雷达的物料成本和调试成本。分析认为收发器件是激光雷达核心部件,亦是激光雷达芯片化降本增效主战场,收发器件的芯片化设计和集成将是激光雷达未来重要的发展方向。

机械式激光雷达中,收发模块占据着60%的成本


资料来源:公开资料

规模效应、芯片化设计和模块化是激光雷达降本的主要驱动


资料来源:公开资料

——发射端:VCSEL有望逐渐取代传统EEL器件

相较于分离芯片级EEL,晶圆级VCSEL激光器具备低成本&高可靠性的优势,随着发光密度的持续提升,未来VCSEL激光器有望逐步取代传统EEL器件。EEL(边发射激光器)具有高发光功率密度的优势,但由于其发光面位于半导体晶圆侧面,使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜等多个工艺步骤,并只能通过单颗分别贴装的方式和电路板整合,而这需要使用分立光学器件进行光束发散角和独立手工装调,生产成本较高且难以保障产品一致性。而VCSEL(垂直腔面发射激光器)发光面与半导体晶圆平行,具有面上发光的特性,在精度层面由半导体加工设备保障,无需进行激光器的单独装调,能够有效降低成本并保障产品稳定性,且VCSEL激光器易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合,提升光束质量。传统VCSEL激光器虽存在发光密度低的缺陷,但多层结技术有望大幅提升VCSEL性能。由于传统VCSEL激光器存在发光密度低的缺陷,导致当下VCSEL激光器只能用于短距激光雷达产品(通常<50m),但近年来国内外多家VCSEL激光器公司纷纷开发多层级结VCSEL激光器,将其发光功率密度提升了5~10倍,为长距激光雷达应用提供了可能。考虑到VCSEL激光器低成本&高可靠性的天然优势,叠加多层结技术驱动发光功率密度持续提升,未来VCSEL有望逐渐取代传统EEL器件。

相较于分离芯片级EEL,晶圆级VCSEL激光器具备低成本&高可靠性的优势


资料来源:公开资料

——接收端:SPAD探测器灵敏度优势显著

相较于传统分立器件APD探测器,基于CMOS工艺的SPAD探测器灵敏度优势显著,同时搭配VCSEL。使用能够提升激光雷达探测性能。接收系统探测器是利用光电效应将光信号转化为电信号,进而实现对光信号的探测,雪崩二极管(APD)是当下主流激光雷达厂商采用的探测器,但单光子雪崩二极管(SPAD)芯片在性能方面具备较大优势,目前备受关注。从性能角度看,SPAD优势在于:1)相较于APD10~100倍的光电增益,SPAD光电增益在100万倍以上,十分灵敏,适合远距离下微弱回波信号的探测;2SPAD工作电压在20~30V之间,能够与各种芯片进行适配;3SPAD系统复杂度较低,输出信号仅需要通过TDC处理,可有效减少外围元器件数量;4SPADSiCMOS工艺兼容,集成度高、制作成本低。虽然相较于APDSPAD存在抗环境光较弱的问题,但随着SPAD探测器像素分辨率的提高将会有效的提升激光雷达的探测范围和分辨率。此外SPAD阵列传感器与VCSEL激光器相配合,亦能够使得激光雷达探测灵敏度大幅提升,认为随着SPAD探测器的发展有望加速固态VCSEL+SPAD等方案率先在中远距离探测中商用化落地。

相较于传统分立器件APD探测器,基于CMOS工艺的SPAD探测器灵敏度优势显著


资料来源:公开资料

定制化开发VCSELSPAD”探测器专用芯片能够进一步实现“降本提效”。针对激光雷达应用特性,定制化开发VCSELSPAD探测器的专用芯片能够进一步的提升激光雷达系统性能、增强可靠性以及降低成本,且有利于实现关键元器件的自主可控,是激光雷达厂商核心壁垒和竞争力的体现,具体为:1VCSEL多通道芯片采用CMOS工艺,能够满足激光雷达探测需求,且通过对VCSEL阵列和驱动芯片封装级别的集成,能够有效提高光电转换效率,从而进一步提升激光雷达的测距精度和测远能力;2)将接收系统中探测器、前端电路、算法处理电激光脉冲控制等模块集成为SOC芯片,能够逐步代替主控芯片FPGA的功能,同时随着线列、面阵规模的不断增大,通过CMOS工艺能够实现更高运算能力、低功耗和高集成度。


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