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                    汽車制造

                    半導體激光器為汽車激光雷達發展注入“燃料”

                    星之球科技 來源:國際工業激光商情2022-03-31 我要評論(0 )   

                    2007年,用于自動駕駛汽車的激光雷達首次亮相。5年后,這項技術正朝著大眾市場乘用車更廣泛的商業化方向發展。去年12月,梅賽德斯-奔馳公司宣布,首款提供3級自動駕駛功...

                    2007年,用于自動駕駛汽車的激光雷達首次亮相。5年后,這項技術正朝著大眾市場乘用車更廣泛的商業化方向發展。去年12月,梅賽德斯-奔馳公司宣布,首款提供3級自動駕駛功能的車型將配備激光雷達。未來幾年,隨著激光雷達支持更多具有2級或3級自主性乘用車,有關激光雷達的合同數量將增長得更快。


                    該技術的加速商業化凸顯了激光雷達已經超越了早期架構的發展程度,在早期架構中,數十個激光發射器和光電二極管被組裝到一個360度旋轉底座上。此后開發了許多創新的激光雷達架構和傳感器技術。在各種架構中流行的掃描方法包括基于MEMS的激光點2D掃描、旋轉鏡線束1D轉向、混合2D機械掃描和無需任何掃描的閃光照明。


                    一個統一的主題是開發激光雷達技術的多樣性基礎,即該技術的持續商業化需要激光技術的進一步發展。目前,適用于汽車激光雷達系統有常用的四種激光類型,邊緣發射激光器(EEL)、垂直腔面發射激光器(VCSEL)、二極管泵浦固態激光器(DPSSL)和脈沖光纖激光器。


                    汽車激光雷達系統通常利用四種激光器類型:邊緣發射激光器 (EEL)、垂直腔面發射激光器 (VCSEL)、二極管泵浦固態激光器 (DPSSL) 和脈沖光纖激光器。每種都有優點和缺點(上),并且每種都不同程度地被激光雷達開發人員采用(下)


                    與EEL和VCSE相比,固態和光纖激光器在短波紅外范圍內提供相對更高的脈沖能量、對人眼安全的發射以及更高的光束質量。但后兩種激光技術另有優勢。


                    EEL和VCSEL主要基于砷化鎵(GaAs)化合物,是主要在近紅外波長(例如905nm、940nm)下工作的半導體激光器,以卓越的轉換效率、簡單性和與汽車標準的兼容性而聞名,并且適用于與其他激光雷達源相比,提供更緊湊的外形尺寸。因此,半導體激光技術在汽車激光雷達市場中占有很高的市場份額,其中又以EEL占據了主導份額。


                    然而,VCSEL已成為一種日益增長的替代方案。VCSEL廣泛用于電信和數據通信收發器,以及最近用于3D傳感的消費電子設備。制造商已開發出多結VCSEL器件,最新的器件包含多達五個或六個結,可產生數倍高的峰值功率密度以滿足對激光雷達系統的需求。


                    VCSEL的優點和缺點都非常明顯。雖然它們的每個激光區域的功率密度比EEL低一個數量級,但它們表現出顯著降低的波長溫度依賴性,并且不太容易出現刻面損壞,這意味著更高的可靠性。最終由于高效的晶圓級涂層、測試和篩選過程,VCSEL技術可能成為大批量生產中最具成本效益的選擇。

                    光束整形


                    盡管有許多優點,但VCSEL和EEL在應用于激光雷達系統時仍面臨一些挑戰。半導體激光器相形見絀的光束質量和其高光學效率同樣聞名。


                    120W脈沖功率的典型10×200μm納米堆棧EEL發射器的光束發散角在垂直軸上為25°,在水平軸上為10°,定義為半峰全寬(FWHM),結果是遠場中的橢圓光束圖案。相比之下,典型的VCSEL無論其尺寸如何,通常在兩個軸上都具有25°左右的對稱發散角,定義為FWHM。


                    這些糟糕的參數使半導體激光器不足以直接應用于主流激光雷達系統。因此,確保它們具有適當的光束整形光學設計,以適當地引導激光光子將原始光束形狀轉換為所需的光束模式,變得至關重要。


                    一種常見的方法是,基于MEMS的激光雷達系統中使用的納米堆棧EEL結合了快軸和慢軸準直。這種組合需要仔細的設計,以在兩個軸上實現最佳準直,同時限制光束尺寸并確保它在 MEMS反射鏡的通光孔徑內。隨著激光雷達技術和架構的發展,半導體激光器出現了另外兩種先進的光束整形技術:線束概念和閃光照明概念。


                    線束通常由編造納米堆棧EEL發射器線性陣列的EEL迷你棒產生。線束整形設計通常包括一個長焦距非球面快軸準直透鏡,可產生小于0.1°的水平發散角,以及一個可產生典型且可定制的25°垂直發散角的線光束均質器,具有高強度分布的均勻性。


                    隨著激光雷達技術和架構的發展,半導體激光器出現了先進的光束整形技術。VCSEL的閃光照明光束整形概念(上圖)利用兩個定向微透鏡陣列作為VCSEL前面的漫射器,以生成具有高均勻性的矩形視場(下圖)


                    將這些光束整形技術與機械旋轉鏡和探測器端的新型硅光電倍增管(SiPM)或單光子雪崩二極管(SPAD)陣列相結合,可實現新一代混合固態高分辨率光束控制激光雷達。為了實現這樣的線束整形配置,關鍵是要產生窄、均勻和干凈的線激光束,在快軸上具有非常低的發散度、高均勻性和設計視域之外的最小強度。


                    閃光照明光束整形概念通常利用兩個定向微透鏡陣列作為VCSEL前面的漫射器,以生成具有高均勻性的矩形視域,或者在其他情況下生成具有明確定義的強度分布的視域。Focuslight 最近開發了超廣角漫射器,它可以產生接近160°視域的蝙蝠翼強度分布,為激光雷達或艙內傳感應用提供超寬視域。


                    這些光束整形概念和解決方案,通過降低系統復雜性和提高系統信噪比推進半導體激光器在激光雷達領域的應用。

                    工作進展


                    激光雷達不存在完美的激光解決方案。然而,激光和光學制造商正在加快創新和研究步伐,以應對技術挑戰并滿足激光雷達市場快速增長的需求。半導體激光技術的一些潛在進步顯示出前景。


                    例如,脈沖EEL通常封裝在特殊的四方扁平無引線(QFN)或晶體管外形(TO)罐配置中,用于汽車認證和客戶應用。兩種激光器封裝類型都存在缺陷,例如在短脈沖操作期間熱性能受損或寄生電感較高。


                    正在開發的另一種方法是將EEL裸片直接鍵合到驅動器印刷電路板(PCB)或陶瓷基板上,待進一步封裝。EEL裸芯片鍵合技術可以為基于EEL minibars的激光雷達提供改進的激光芯片封裝解決方案。另一個新興進步涉及與VCSEL相當的溫度依賴性特性的EEL。


                    具有與VCSEL相當的波長偏移系數(例如,0.07nm/℃)的波長穩定EEL可以減少對熱電冷卻器的溫度控制需求。它們還可以幫助縮小激光雷達系統接收器端使用帶通濾波器的光譜范圍,提高系統的信噪比。


                    半導體激光器制造商還通過在EEL和VCSEL架構中添加更多結來為激光雷達應用定制設備,以實現更高的峰值功率??梢哉fEEL具有優勢。但VCSEL技術正在迎頭趕上,廠商們已經開發出最多包含8個結的器件。具有4個或5個結的EEL也正在實驗室中進行開發和測試。


                    與VCSEL不同,具有更多結的EEL提供了更大的有源發射面積,增加了光束整形的挑戰。具有更多激光結的半導體激光器設計對激光雷達開發人員具有吸引力,因為激光效率和峰值功率密度都會隨著結的數量成比例地增加。重要的是,增加結也給熱設計、制造良率、和長期可靠性。因此,在將這些激光器用于商業激光雷達系統前,必須完成對這些激光器的全面鑒定。


                    另一個潛在的突破涉及背發射VCSEL設計。此類設備將允許VCSEL生產利用表面貼裝技術,這將減少VCSEL封裝常見的引線鍵合和寄生電感,并允許更快的上升和下降時間和更短的激光脈沖。背發射VCSEL還可以直接在GaAs晶圓上蝕刻微光學器件。這可能會改變游戲規則,因為它可以增強光學性能并降低激光雷達系統的復雜性。


                    半導體激光器制造商也在開發發射波長在1340nm至1550nm之間的人眼安全的短波紅外(SWIR)波長設備。半導體激光器通常工作的近紅外波長(例如905nm或940nm)僅在能量密度和眼睛暴露的特定上限下才對眼睛安全。


                    相比之下,1470nm和1550nm波長允許的能量密度上限高出數倍。最近開發的具有多個結的基于磷化銦(InP)的EEL旨在為汽車激光雷達應用提供SWIR范圍內的更高峰值功率。最新出現的器件在200μm的條帶寬度上表現出超過100W的峰值功率,具有1550nm的三結InP EEL,這是一項重大進步。


                    盡管如此,它仍遠未達到1.5μm脈沖光纖激光器所能產生的峰值功率,因此,它尚未使半導體源成為在這些波長下工作的商業化激光雷達的主要選擇。生產出在SWIR波長下工作的高功率VCSEL也一直具有挑戰性。

                    量產


                    基于半導體激光的激光雷達系統或其組件和子組件,必須通過四個里程碑才能與車規級量產應用兼容。首先,系統必須從車規級性能出發設計。這意味著半導體激光器及其光束整形光學器件必須在每個汽車等級的寬工作溫度范圍被嚴格執行。


                    在寬工作溫度范圍的EEL光束指向和方向性轉變是實現這一目標的最大挑戰之一。并且需要對這些系統的光機械設計和熱機械設計進行大量研究和開發,以最大限度地降低光學性能對溫度的依賴性。


                    其次,半導體激光系統必須經過測試和認證,能夠提供車規級的可靠性。盡管分立半導體激光器和光學器件已準備就緒,但集成激光光學組件的定制車規級認證仍然是大多數激光雷達開發人員面臨的最大挑戰。


                    汽車可靠性認證計劃通常從幾十個激光系統的較小樣本量的設計驗證階段開始,然后是基于幾百個樣本的產品驗證步驟,該步驟可以持續6個月到12個月。在高溫操作條件下通過這些嚴格的耐久性認證,例如或經受高濕度測試,需要仔細注意激光、光學、熱和機械設計,以確保完成的組裝達到足夠的可靠性。光學元件的堅固安裝和可靠的粘合接頭對于通過這些測試至關重要。


                    激光裝配面臨的第三個里程碑是建設具有高度過程自動化的車規級大批量生產線。對于關鍵流程,汽車零部件制造商應用流程能力指數(Cpk)來衡量和監控流程滿足目標規格的能力。車規級半導體激光器組件也不例外。它們必須具有符合汽車標準的Cpk值,以確保連續生產的樣品能夠以零故障通過產品驗證資格或者以零缺陷交付給汽車客戶。任何資格測試的失敗都將導致汽車級資格的失敗。只有通過使用高水平的過程自動化,才有可能達到通過的Cpk 值。


                    最后一個里程碑必須按照國際汽車工作組的16949標準建立嚴格且完善的車規級質量管理流程,以確保連續大批量生產和交付的零缺陷。這個過程對于汽車零部件供應商來說并不是什么新鮮事。但對于大多數服務于中低產量工業市場的激光和光學制造商來說,實施它可能是一個相當大的挑戰。


                    隨著激光或光學技術的成熟和接近大規模生產,最終挑戰都會涉及成本。針對汽車市場的激光雷達開發商面臨光子行業從未見過的成本挑戰。半導體激光器本質上具有高效率、高簡單性和大批量成本效益等優點,使其成為汽車激光雷達開發人員的首選。隨著激光雷達的進一步商業化,這些設備的市場份額將繼續擴大。


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                    制造業激光激光技術半導體激光器

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