以下文章來源于九章智駕 ，作者蘇清濤

本文是FMCW激光雷達科普系列的第二篇，點擊超鏈接查閱上一篇：FMCW激光雷達科普（上）：基本概念、技術(shù)路線、優(yōu)勢及爭議和誤解。

FMCW激光雷達主要由激光器、探測器、相干光路及掃描部件構(gòu)成。這些關(guān)鍵部分，最值得關(guān)注的是以下幾點——

一．激光器波長：1550

1.為什么是1550？

目前，TOF激光雷達的激光器以905納米為主，Luminar、圖達通及一徑科技等用的是1550納米，而FMCW激光雷達的激光器，則全部都是清一色的1550納米。那么，其中的緣由是？

洛微CTO Andy Sun說：我們做任何一個產(chǎn)品，首先要看供應(yīng)鏈的成熟度吧，因為你不可能所有零部件都自己造。

具體到FMCW激光雷達，從原理上來說，激光器不是非得用1550nm，905nm也可以，并且，用1550nm做還是905nm做，技術(shù)上沒有本質(zhì)區(qū)別；只不過，在光通信領(lǐng)域，跟FMCW搭配的都是基于1550nm波段的器件，這些器件的供應(yīng)鏈相對成熟，成本也可控，相比之下，基于905nm做FMCW的成本就太高了。

此外，考察連續(xù)光的人眼安全要求，1550nm的光功率上限要比905nm大40倍，在FMCW的相干放大原理下，理論上1550nm可以比905nm測試40倍遠的距離。

多家FMCW激光雷達公司的創(chuàng)始人及技術(shù)負責人均認可“供應(yīng)鏈成熟度”這一說法。

其中，一位技術(shù)負責人說：FMCW要保證回光能和本地光進行干涉，只有干涉了才能檢測到目標，因此，對激光器的“相干性”要求很高（哪怕回光和反射光之間有幾微秒的時延，也有很好的相干性）。在業(yè)界，相干性比較好的激光器別被稱為“窄線寬激光器”，而現(xiàn)階段，窄線寬激光器只有基于1550納米的。

此外，這位負責人還說，F(xiàn)MCW激光雷達需要提高集成度，可高集成度的多通道產(chǎn)品通常要基于硅光做，而硅光只能跟1550搭配。

不過，摯感光子IC設(shè)計總監(jiān)吳雷說，他們用的激光器是1310的納米的，“通信里面對這種激光器用量很大，很便宜”。

話說，用于FMCW激光雷達上的激光器，跟用在TOF激光雷達上面的1550納米激光器，材質(zhì)是相同的（磷化銦），但結(jié)構(gòu)并不一樣——FMCW要求窄線寬（保證自相干性）、低噪聲，這就導致兩者的性能、良率、成本等完全不一樣。

一位從業(yè)者業(yè)稱，目前，F(xiàn)MCW激光雷達的1550激光器要比用于TOF的1550激光器貴得多，國內(nèi)還沒有能夠量產(chǎn)的。

2.1550納米激光器的優(yōu)點

1550納米激光器的優(yōu)點，在關(guān)于TOF激光雷達的介紹中已經(jīng)提得很多了，最關(guān)鍵的一點就是：不會影響人眼安全，因而可以把功率做得很高，進而實現(xiàn)比905納米激光器更長的探測距離。

此外，哪怕在TOF中，1550克服陽光噪聲的能力也比905強。

3.1550納米激光器的缺點及存在的爭議

（1）成本太高，且短期內(nèi)很難降下來

1550納米激光器使用的材料不是硅CMOS，而是磷化銦，并且，它還需要外部電源和復雜的電子控制裝置，因此，成本居高不下。此外，1550納米激光器還需要跟昂貴的銦鎵砷 APD配對使用。

某激光雷達廠商架構(gòu)師認為，1550盡管在光通信領(lǐng)域中的用量已經(jīng)不小了，但成本也沒有降下來，因此，很難指望在激光雷達中就能降下來。

這位架構(gòu)師說：“你有幾百萬臺的量之后，相比于目前的幾百幾千臺，成本肯定可以低不少，但相比于905，它還是要貴得多。這就類似于，你不能說金戒指我買很多，它的價格就能降到銅戒指的水平吧？這是由材料的物理特性決定的。”

（2）容易被水霧吸收，在雨天無法正常工作

多數(shù)激光雷達廠商在跟《九章智駕》交流的過程中都提到，1550納米激光器很容易被水霧吸收（幾毫米厚的水層就可以把1550納米激光的能量全部吸收，在光通信領(lǐng)域中的專業(yè)名詞是“水空吸收”），難以被反射回來，因而在雨天難以正常工作。

“多次實驗表明，只要遇上兩毫米的水薄膜，我們的FMCW激光雷達就瞎了。這個問題是無解的。因此，F(xiàn)MCW激光雷達只能在陰天、晴天和小雨天用，大雨天就用不了?！?/p>

某TOF激光雷達廠商負責人也說，1550對人眼安全影響小的原因正是它容易被液態(tài)水吸收——激光還沒有打到視網(wǎng)膜，就被眼球里面的水給吸收了；而容易被液態(tài)水吸收，確實也會導致，在地面車道線上有水、行人身上的衣服被淋濕的情況下，使用1550納米激光器的激光雷達就測不了，或者是探測能力下降。

但光勺科技CEO姚建并不完全認可上述說法。姚建說：“FMCW的相干有兩種，一直是調(diào)頻，一直是調(diào)相。如果是調(diào)頻，那1550納米激光器受雨水的影響確實比較比較大，比如，探測距離從平時的500米衰減到50米；但我們用的調(diào)相技術(shù)，遇到大雨天氣，探測距離還能達到平時的的50%左右?！?/p>

不過，某FMCW激光雷達公司CEO奚先生則說：“在TOF中，1550納米激光器易被雨霧吸收，會導致探測距離大大衰減，并且產(chǎn)生嚴重的噪點；而在FMCW中，有用使用相干檢測，信噪比更高，因而，在同樣使用1550nm激光，激光雷達穿透雨霧產(chǎn)生穩(wěn)定點云的能力會更強。”

此外，洛微CTO Andy Sun認為，只看不同波段對水的吸收率是不完整的，因為，激光在遇見雨水后，被吸收只是一部分情況，還有很多變化是跟散射、折射相關(guān)的，在這兩部分，不同波長的表現(xiàn)也是不一樣的，比如短波的散射更強，因此要綜合考慮。

Andy Sun稱，2019年法國科研團隊做了大量的理論分析和實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其實905nm和1550nm兩個波段的激光器在雨霧天的表現(xiàn)是差不多的——1550nm的總體吸收率只比905nm高不到10%。這完全被人眼安全的考慮下1550nm可以提供更大出光功率的優(yōu)勢所掩蓋。

某FMCW激光雷達公司CEO奚先生也提到了這組來自法國的實驗。

但無論如何，沃爾沃、奧迪這些已經(jīng)算是很保守的車企，都計劃用Luminar基于1550的TOF激光雷達了，這或許意味著，在這些車企眼里，1550在雨天無法正常工作，并不算是一個多嚴重的問題？

（3）并非絕對能確?！叭搜郯踩?/p>

采訪中，筆者提到一個問題：如果幾輛搭載激光雷達的自動駕駛車輛聚集在一起，激光同時發(fā)射，正好匯集到一起，正對著人眼了，那瞬時功率就很高了，應(yīng)該也會影響人眼安全？

對此，某TOF激光雷達廠商負責人的回答是：905納米功率大的話是會傷害到視網(wǎng)膜，但視網(wǎng)膜類似于手機的感光圖像的一個像素，激光從不同的地方打過去，影響到的是視網(wǎng)膜上不同的像素，因此，哪怕功率比較高，也不會把這幾千萬個像素都燒壞；而1550就不一樣了，要燒壞，就整個區(qū)域都燒壞了——人眼對905納米波段的敏感點在于其打在某個像素上的能量，而對1550納米波段的敏感點在于其總能量。

簡言之，1550納米激光器其實也存在人眼安全問題——激光是沒打到視網(wǎng)膜，但被角膜吸收了，如果功率過高，角膜也會受傷。

二．激光器和探測器的芯片化、集成化

1.單光子、通道數(shù)與點頻

在采訪的過程中，《九章智駕》反復問到一個問題：FMCW激光雷達會像一些TOF那樣有許多個激光器，還是只有一個激光器？多數(shù)人的答案都是：理論上，激光器也可以有幾十個、上百個，但在實踐中，廠商們出于成本考慮，往往只會用1個激光器，F(xiàn)MCW激光雷達也被稱為“單光子激光雷達”。

不過，盡管激光器的數(shù)量很少，但在分光器的協(xié)助下，實際發(fā)出的線數(shù)卻可以很多，如Mobileye的FMCW激光雷達，號稱是184線。激光器的數(shù)量也許不止一個，但肯定不會有幾十、上百。

洛微CTO Andy Sun說：“能使用多少個通道，跟激光器的總光功率和分光器的何設(shè)置處理有關(guān)?！保ㄐ枰⒁獾氖?，發(fā)射端可以只有一個激光器，但在接收端，探測器的數(shù)量跟通道數(shù)是完全一致的。）

“用分光器把一束光分成成百上千束，這會不會導致每一束光的功率過低？”當筆者向某激光雷達公司創(chuàng)始人提出這個疑問時，對方的回答是：“我在前端把功率提高不就行了？我1個1瓦的分成10束，跟你用10個100毫瓦的，總功率不是一樣的嗎？不過，前者的成本肯定要比后者低得多。 ”

在TOF激光雷達中，總點頻=單個激光器的發(fā)射頻率X激光器的數(shù)量，那么，在FMCW中，激光器的數(shù)量會不會限制了點頻？

按某TOF激光雷達廠商負責人的說法，F(xiàn)MCW激光雷達的點頻確實比TOF低，但原因并不在于激光器的數(shù)量更少，而在于“TOF測距一次需要2微秒，而FMCW測距一次需要20微秒”。

對此，某FMCW激光雷達公司CEO奚先生的解釋是：不同于TOF，F(xiàn)MCW激光雷達的點頻并不依賴于激光本身的發(fā)射頻率，而是依賴于后端信號調(diào)制解調(diào)的數(shù)據(jù)處理速度。因為激光持續(xù)在發(fā)射，后端的數(shù)據(jù)處理也在持續(xù)，后端的數(shù)據(jù)處理越快，前端產(chǎn)生的點頻就越多。

簡單地說，TOF激光雷達的點頻是“供給推動型”，而FMCW激光雷達的點頻則是“需求拉動型”。

不過，不管怎么說，F(xiàn)MCW激光雷達的點頻比TOF低，卻是大家都承認的事實。

對這個問題，光勺科技CEO姚建的說法是：我們現(xiàn)在可以做到每秒10-15幀，做到這個程度就夠用了。對TOF激光雷達來說，是點頻越高越好，但對FMCW激光雷達來說，因為每個點都有速度信息，不惜一切代價把點云密度做高的意義不大。

（為什么有了速度信息，點云密度就沒有那么重要了？請參考本系列的第一篇文章《FMCW激光雷達科普（上）：基本概念、技術(shù)路線、優(yōu)勢及爭議和誤解》）

而洛微CMO賀潤芃的說法則是：FMCW激光雷達因為信噪比更高，所以，哪怕分辨率（點云密度）沒那么高，也可以實現(xiàn)很好的探測效果。

簡言之，速度維數(shù)據(jù)和信噪比，共同降低了FMCW激光雷達對點頻的要求。

2.低成本的探測器

不同于TOF激光雷達的探測器要用成本高昂的APD（雪崩光二極管）和SPAD（單光子雪崩光二極管），F(xiàn)MCW激光雷達的探測器只需成本更低的PIN就可以了。 為何？

據(jù)摯感光子IC設(shè)計總監(jiān)吳雷介紹，在TOF中，光束發(fā)出去之后，信號會有近100db的損耗，為保證探測效果，探測器需要將折損了的信號放大，這個放大系數(shù)，被稱為“增益”，APD和SPA便屬于增益比較大的探測器，因而比較貴；而在FMCW中，光束在發(fā)出去之前，留了一半在本地，盡管回光也有折損，但本地光還在，這兩部分一結(jié)合，就把光信號給放大了（光學芯片里面已經(jīng)有增益了，這被稱為“相干增益”）。

此外，在TOF中，APD在將信號放大的同時，把噪音也給放大了，相比之下，F(xiàn)MCW中，“相干增益”是不帶噪聲的。

因此，在FMCW激光雷達中，增益很小、也更便宜的探測器已足以“勝任”。

3.將探測器跟激光器集成到一起

現(xiàn)在，禾賽、Ouster等TOF激光雷達廠商都在談激光收發(fā)的芯片化，那么，F(xiàn)MCW激光雷達收發(fā)模塊的芯片化是怎么做的呢？

在TOF激光雷達中，哪怕實現(xiàn)了很高的集成度，探測器和激光器都是部署在不同的芯片上，那么，在FMCW中，探測器和激光器有可能被集成到同一個芯片上嗎？在本系列訪談中，《九章智駕》反復追問了這個問題。

答案無一例外是：可以。

據(jù)某TOF激光雷達廠商負責人介紹，目前，F(xiàn)MCW激光雷達探測器已經(jīng)可集成到硅光芯片（該硅谷芯片上集成了分光器、調(diào)頻器、偏振控制、相干混頻陣列等功能）上了，大多數(shù)廠商都是這么做的，而激光器是三五族產(chǎn)品，沒法直接集成到硅光芯片中；不過，激光器在另一塊晶圓上加工好之后，可以再通過一些特殊工藝被貼到硅光芯片上。

洛微CTO Andy Sun說，目前廠商們的做法是，將激光器獨立封裝，然后通過光纖耦合到硅光芯片上，這種工藝被稱為“激光器外置”。Andy Sun認為，激光器外置只是個過渡形態(tài)，英特爾等公司已經(jīng)在朝著“激光器內(nèi)置”的方向發(fā)展了。

某國內(nèi)FMCW激光類公司CEO奚先生也說，他們目前正在探索將探測器和激光器集成到同一顆ASIC芯片的工藝，“首先實現(xiàn)收發(fā)模塊的芯片化”。

據(jù)摯感光子IC設(shè)計總監(jiān)吳雷介紹，摯感光子也已經(jīng)自研開發(fā)了集成光學芯片及與其配套的光學模組（集成激光器，探測器及鏡頭），并在開發(fā)ASIC電芯片（集成模擬前端及數(shù)字信號處理），首先實現(xiàn)收發(fā)器的芯片化。

不過，今年5月份，微源光子董事長兼總經(jīng)理朱曉琪在題為《從硅光通信技術(shù)看FMCW lidar的集成挑戰(zhàn)》的演講中指出，要將三五族的激光器芯片跟硅基芯片集成到一起，難度非常大?！安还苁枪饫w輸出的波導，還是直接輸出的波導，它們的模場都遠遠大于硅基單模波導模場，同時，這些材料的系數(shù)完全不同?！?/p>

Andy Sun、朱曉琪等人都承認，英特爾公司已經(jīng)有辦法把激光器集成到硅光芯片中去了。他們說：“這是英特爾的專利”。

5）.在已經(jīng)做好的單模波導上出光。

Andy Sun說，從長期看，大家都是要把激光器跟探測器集成到同一顆硅光芯片上的。目前各大提供硅光工藝的代工廠（Foundry），也正在開發(fā)各自的激光器集成工藝，相信很快會有相應(yīng)的工藝選擇出現(xiàn)。某TOF激光雷達廠商負責人也認為，如果能避開英特爾的知識產(chǎn)權(quán)，這種工藝，其他廠商最終也是有可能搞定的。

不過，Andy Sun也承認，將激光器集成到硅光芯片上的難度很高。他說，英特爾這種方案的代價是，芯片的效率不高，而且能達到的峰值功率不高，“所以它可能需要集成很多個激光器在上面”。

對英特爾這種方案，朱曉琪的觀點跟Andy Sun一致。

朱曉琪在演講中說：“硅的波導仍然有一個尺寸特別小、模場做不大的限制，因此即便能夠通過這樣的方案出光，出的光也非常非常小——我看到文獻以及報道一般都不到10毫瓦，同時量子效率也非常非常低，只能拿來做一些短距離的傳輸，如果要用它做一些大出光，實際上非常難?！?/p>

朱曉琪也承認“英特爾做得比較好”，但他并不太看好其他廠商復制這條道路的前景。“工藝難度非常高，激光器的出光功率非常非常低，也不適合做FMCW激光雷達?！?/p>

4.光學鏡頭跟激光器、探測器集成到到一起

姚建此前在一次演講中提到，TOF激光雷達由于體制限制，除了信號處理及MEMS掃描外，其他部分很難芯片化。言外之意，光學鏡頭也很難被芯片化。那么，在FMCW激光雷達中又是怎樣的情況呢？ 在本系列訪談中，這也是一個被《九章智駕》反復追問的問題。

某FMCW激光雷達公司CEO并不認同“TOF中的光學鏡頭無法被集成化”這一說法，在他看來，哪怕在TOF中，光學鏡頭也是可以被集成化的?！皢尉Ч璧墓鈱W化技術(shù)就可以用于光學鏡頭的半導體化，這跟激光雷達是TOF還是FMCW是沒有關(guān)系的?！?/p>

但無論如何，大家一致認為，在FMCW中，光學鏡頭是可以被芯片化的。

某不愿具名的FMCW激光雷達公司創(chuàng)始人說：“光學鏡頭是可以被芯片化的，“有個專業(yè)名詞叫‘麥卡倫斯超透鏡’，就是把鏡片做得很薄很薄，然后貼在芯片上就行了，相當于把兩個硅片黏在一起，但這個技術(shù)目前還不成熟”。

Andy Sun說：“實際上，用OPA做掃描的時候是不需要單獨的鏡頭的，因為OPA的陣列本身就是鏡頭，有入光孔和出光孔?！蹦砊OF激光雷達廠商負責人也持同樣的觀點。

三．掃描方案&掃描與收發(fā)的集成

1.掃描方案：OPA是終極形態(tài)

TOF激光雷達的掃描方式有轉(zhuǎn)鏡、MEMS、棱鏡、Flash和MEMS等，那FMCW呢？ 比較明顯的是，目前，多數(shù)FMCW激光雷達廠商都選擇了OPA掃描方案。

不過，諸多受訪者都認為，上述掃描方式均可跟FMCW搭配，某FMCW激光雷達公司創(chuàng)始人說：“你可以說FMCW天生更搭配OPA掃描，但是沒有OPA掃描，不代表FMCW就做不出來，它可以用轉(zhuǎn)鏡、也可以用MEMS、棱鏡。”

如國內(nèi)某公司目前的FMCW及激光雷達就采用了雙棱鏡掃描、MEMS掃描，摯感光子采用了棱鏡掃描，而光勺科技目前用的是機械掃描，明年會換成MEMS（光勺自己只做收發(fā)系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)是外購的）。

姚建說：“要做長探測距離，OPA只能跟FMCW搭配，但FMCW不一定非得跟OPA搭配。”

不過，各受訪者一致認為，OPA是FMCW激光雷達最理想的掃描方案，“是終極形態(tài)”。

為什么大家如此看好OPA，它的優(yōu)勢在哪里？

OPA即光學相控陣,通過對陣列移相器中每個移相器相位的調(diào)節(jié),利用干涉原理（類似的是兩圈水波相互疊加后，有的方向會相互抵消，有的會相互增強））實現(xiàn)激光按照特定方向發(fā)射。

包括摯感光子IC設(shè)計總監(jiān)吳雷在內(nèi)的多位專家都認為，OPA沒有機械部件，是真正的固態(tài)掃描。

姚建的解釋是：人在看東西的時候，盡管視場角很大，但有一個蚊子飛過來時，我的眼光馬上就聚焦（凝視）到這只蚊子身上了，我不需要逐行掃描;因為，逐行掃描不僅效率太低，而且，在飛進飛出的蚊子數(shù)量比較多的情況下，很容易有遺漏。OPA就相當于，有100只蚊子飛過來后，我的光束能馬上聚焦到這100只蚊子身上，我每時每刻都如此聚焦，這樣就不會有目標物被遺漏掉，而且效率特別高。

某TOF激光雷達廠商負責人并不認可這一觀點：電子掃描還不會智能到這個程度吧。你已經(jīng)判斷出這有一只蚊子了，才聚焦于這個方向，這相當于“先知道結(jié)果，再去追求過程”，你已經(jīng)知道目標物及其位置了，為什么還要去掃描它呢？

奚先生也認為，OPA不具備聚焦功能，“它原來是平行光，出去還是平行光，只不過換一個角度”。奚先生說，OPA其實利用的是光的衍射相干原理，通過改變材料的折射率或介電常數(shù)實現(xiàn)光的偏轉(zhuǎn)，改變有多快，偏轉(zhuǎn)就有多快。

某TOF激光雷達廠商負責人稱，理論上，OPA在成熟后，是可以作為光學鏡頭來使用的。

一位不愿具名的FMCW激光雷達公司創(chuàng)始人說：“誠然，F(xiàn)MCW不一定非得跟OPA搭配，但FMCW的收發(fā)系統(tǒng)需要用硅光技術(shù)來降成本，如果掃描模塊也用基于硅光技術(shù)的OPA，那收發(fā)和掃描的集成豈不是更容易了？”

Andy Sun也認為，F(xiàn)MCW和OPA都需要通過硅光技術(shù)平臺來實現(xiàn)，因此，無論是剛開始的兩個芯片，還是最終變成同一顆芯片，F(xiàn)MCW+OPA都是一個自然而然的技術(shù)選擇。

不過，盡管OPA被認為是“最性感的終極路線”，但其實現(xiàn)的過程會比較漫長。

姚建說：“十年后，激光雷達一定是FMCW+OPA，但OPA現(xiàn)在還停留在實驗室里。”

上述不具名人士說：“在2030年之前，F(xiàn)MCW+OPA的方案都很難成熟。”

2.掃描跟收發(fā)的集成

既然OPA跟發(fā)射端都是基于硅光技術(shù)平臺做，那么，將兩個模塊集成到一起，就成了題中應(yīng)有之義。這并非一個大膽的猜想，而是已經(jīng)有公司在這么實踐了。

微源光子董事長兼總經(jīng)理朱曉琪說，將OPA掃描部件跟相干光路、探測器集成到同一個硅片上，是通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在做的事情了。接下來，只要能解決將三五族芯片（激光器）跟硅基芯片的集成問題，將掃描和收發(fā)集成到一起，就是一個自然而然的結(jié)果了。

業(yè)界普遍認為，英特爾的FMCW激光雷達中，掃描系統(tǒng)就跟激光收發(fā)系統(tǒng)集成到同一顆芯片上了。

為什么英特爾可以做到？一位FMCW激光雷達公司創(chuàng)始人向筆者介紹道：“英特爾的硅光上面是帶光源的（只有他們有這個東西），所以他們的硅光已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上的硅光了，因為它上面既有磷化銦也有硅，它的硅光，我覺得應(yīng)該叫做‘異質(zhì)光’，就是兩不同的異常的材料。所以，只有他們能走這個路線。”

不過，據(jù)稱硅谷公司LightIC也在嘗試這條技術(shù)路線了。

國內(nèi)公司中，洛微CTO Andy Sun人等均稱，這也是他們努力的方向。

據(jù)Andy Sun的說法，毫米波雷達的掃描跟收發(fā)就是集成到一起的，而它的調(diào)制方式就是FMCW。

由于掃描系統(tǒng)可以跟收發(fā)系統(tǒng)集成到一起，光勺CEO姚建多次強調(diào)，F(xiàn)MCW激光雷達“可實現(xiàn)比TOF更高程度的芯片化”，姚建甚至將其稱為“真正的芯片化”。

不過，朱曉琪曾在之前的演講中指出，OPA跟光源之間的耦合會有一個很大的插損，“這是整個業(yè)界都很難解決的問題”。而這一難題的解決進度，將在很大程度上決定FMCW激光雷達“真正的芯片化”的進度。

正文結(jié)束，文章來源：九章智駕

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