據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由性能卓越的大功率激光器驅(qū)動(dòng)的激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)如今儼然已成為自動(dòng)駕駛汽車背后的主要驅(qū)動(dòng)力。激光雷達(dá)的光源采用紅外激光器，通過(guò)創(chuàng)建世界的實(shí)時(shí)3D圖像來(lái)為自動(dòng)駕駛汽車提供導(dǎo)航能力。脈沖激光器與單點(diǎn)像素光電探測(cè)器，或飛行時(shí)間（ToF）圖像傳感器與高功率激光器提供的閃光照明，用以創(chuàng)建3D圖像。激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量激光往返于自動(dòng)駕駛車輛與目標(biāo)物體的時(shí)間，換算為兩者間的距離。

增加激光器功率，可以讓3D地圖從更遠(yuǎn)的距離捕捉更多的物體和場(chǎng)景，對(duì)激光雷達(dá)制造商來(lái)說(shuō)很有吸引力。不過(guò)，人眼安全是主要考量點(diǎn)，因此極短的脈沖至關(guān)重要。高頻發(fā)射的脈沖（每秒超過(guò)100萬(wàn)次）產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，信號(hào)質(zhì)量更佳，這是因?yàn)樾旁氡扰c脈沖數(shù)量的平方根成正比。因此，快速上升和下降的時(shí)間至關(guān)重要。最近，歐司朗和GaN Systems（位于加拿大Kanata）合作，采用每個(gè)通道為120 W的激光器進(jìn)行四通道表面貼裝（SMT）封裝，峰值功率大于480 W，約2ns的半高全寬（FWHM）脈沖，上升和下降時(shí)間小于1 ns（見(jiàn)圖1）。

圖1：905 nm四通道SMT封裝的激光器峰值功率超過(guò)480 W

為什么選擇905 nm單片式隔離激光器？

激光雷達(dá)主要采用兩種波長(zhǎng)的激光器：905 nm和1550 nm，兩者各有優(yōu)勢(shì)。905 nm激光可利用CMOS傳感器或其它硅基探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，從而顯著降低成本和復(fù)雜性。硅光電倍增管（SiPMs）和InGaAs探測(cè)器通常用于探測(cè)1550 nm激光，但要通過(guò)車規(guī)認(rèn)證要求的高溫條件即105℃，還存在巨大的挑戰(zhàn)。不過(guò)，采用1550 nm激光器，人眼安全問(wèn)題顯著降低。正如今年CES 2019期間所發(fā)生的，數(shù)字單反相機(jī)中的一顆感光元件被激光雷達(dá)損壞。這是典型的千瓦級(jí)激光所引起，其能量密度很低，如果要達(dá)到更高的能量密度需要三個(gè)PN結(jié)結(jié)構(gòu)（三個(gè)p-n三明治結(jié)構(gòu)），尚未在寬帶隙晶體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。在霧、雪和雨等自動(dòng)駕駛的常態(tài)環(huán)境下，1550 nm激光的穿透能力更強(qiáng)（見(jiàn)表1）。因此，多通道激光器顯得非常理想：在采用八個(gè)激光器，每個(gè)激光器將產(chǎn)生1%的分辨率或15 cm的臺(tái)階，其中當(dāng)飛行時(shí)間為1 ns時(shí)，振幅最小，動(dòng)態(tài)范圍約為18 dB。顯然，納秒級(jí)脈沖的905 nm多通道高功率激光雷達(dá)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

表1：波長(zhǎng)為905 nm和1550 nm的激光在不同條件下的大氣消光系數(shù)

歐司朗的905 m表面貼裝芯片由四個(gè)獨(dú)立的InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱激光器組成單片式陣列，由于采用了隔離的V型槽，因此可以單獨(dú)或同時(shí)驅(qū)動(dòng)，陣列內(nèi)沒(méi)有光學(xué)串?dāng)_。當(dāng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，四個(gè)通道的輸出組合為一個(gè)高達(dá)480 W的高功率激光脈沖（見(jiàn)圖2）。光電二極管響應(yīng)率R（λ）的定義是電流（IDP）與入射光功率（Plight）的比值，使用InGaAs光電探測(cè)器（Thorlabs DET08）測(cè)量。

每個(gè)激光器為三個(gè)單腔（三結(jié)）結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)在GaAs（砷化鎵）襯底上，當(dāng)160 A的電流同時(shí)作用于四個(gè)通道時(shí)，每個(gè)通道產(chǎn)生120 W的功率。激光二極管安裝在無(wú)引線層壓板載體基板上以實(shí)現(xiàn)卓越的熱管理，在大功率脈沖期間提供冷卻。封裝材料采用塑封環(huán)氧樹脂，非常適合大批量生產(chǎn)，滿足汽車對(duì)封裝的嚴(yán)苛認(rèn)證并保護(hù)精密激光面。SMT封裝提供了可大批量制造產(chǎn)品，通過(guò)受控的芯片定位法放置于參考面之上。這四個(gè)通道為單片式，通道間距和對(duì)準(zhǔn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的光刻和掩模工藝實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的精度控制。激光設(shè)計(jì)為上升和下降時(shí)間小于1 ns。不過(guò)，驅(qū)動(dòng)電路的布局和封裝電感起著主導(dǎo)作用，并面臨重大挑戰(zhàn)。

圖2：GaN Systems的高功率激光驅(qū)動(dòng)器使歐司朗的四個(gè)激光通道同時(shí)發(fā)射時(shí)光峰值功率可達(dá)480 W

單片激光器間隔緊湊，由于連接各個(gè)通道的走線（電流路徑）接近（<500 μm），同時(shí)工作時(shí)可能導(dǎo)致電感耦合。不斷變大的電流迅速變化，通過(guò)寬度較小走線的高電流會(huì)受到銅走線電感的影響，從而阻礙電流的變化。隨著變化率的增加，這種效應(yīng)進(jìn)一步加劇，從而使短脈沖更難實(shí)現(xiàn)。電流的變化會(huì)引起反向電壓，并在四個(gè)通道的走線周圍產(chǎn)生小磁場(chǎng)。根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，通過(guò)電路的磁通量的任何變化都會(huì)引起感應(yīng)電壓的變化。感應(yīng)電壓與走線中電流變化的比值被定義為電感。根據(jù)楞次定律，隨著電流的涌入，被稱為“反電動(dòng)勢(shì)”的感應(yīng)電壓產(chǎn)生于電流的相反方向�？紤]到相鄰激光器的接近性，較短脈沖增加了“對(duì)立性”，成為一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)。

寬帶隙半導(dǎo)體

最初，歐司朗的工程師們?cè)噲D通過(guò)使用間距很近的硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，使電流在開啟時(shí)通過(guò)激光二極管，但并不奏效。對(duì)于這種大功率產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)器離激光二極管的距離遠(yuǎn)近并不重要，因?yàn)楣柙诖箅娏骱痛蠊?jié)點(diǎn)電壓（>200 V）下會(huì)發(fā)生擊穿，克服鍵合引線固有的電感。硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管也有較大的柵極電容，限制了短脈沖的工作。最后，從被動(dòng)熱管理的角度來(lái)看，將驅(qū)動(dòng)器集成到激光器的封裝方式不是理想的選擇，因?yàn)樵谄�車�?yīng)用中，水冷或熱電冷卻器（TECs）不是經(jīng)濟(jì)有效的選擇。

電動(dòng)汽車和光通信行業(yè)多年來(lái)一直享受著寬帶隙半導(dǎo)體（能量大于2 eV，將電子激發(fā)到導(dǎo)帶）為超快速開關(guān)和高功率電池充電電路帶來(lái)的“甜蜜”。硅（帶隙為1.1 eV）由于帶隙窄而引發(fā)缺陷，不能滿足這種要求。碳化硅（SiC）是一種常見(jiàn)的寬帶隙（帶隙為3.2 eV）半導(dǎo)體，盡管表現(xiàn)出卓越的熱性能，但不能提供快速開關(guān)所需的高電子遷移率（見(jiàn)表2）。

氮化鎵（GaN）則是一種完美集合了各向關(guān)鍵特性的寬帶隙半導(dǎo)體，能夠在汽車認(rèn)證溫度條件下提供高電子遷移率（見(jiàn)表2）。此外，SiC和GaN都具有較高的臨界場(chǎng)值，從而防止擊穿，降低漏電流。GaN的熱導(dǎo)率高（300 K時(shí)，約為硅熱導(dǎo)率的3.5倍）、電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度高（是硅的12倍）和帶隙寬（是硅的3倍），使其成為高溫、高功率和高頻環(huán)境下的理想材料。GaN成為制造高功率、快速開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理想材料，場(chǎng)效應(yīng)晶體管被驅(qū)動(dòng)后，允許電流同時(shí)通過(guò)四個(gè)高功率激光通道，從而在短脈沖時(shí)間內(nèi)獲得所需的480 W的光功率。為此，歐司朗與GaN Systems建立了合作關(guān)系，為驅(qū)動(dòng)四通道激光器提供理想的GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

表2：常見(jiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管襯底材料特性對(duì)比

即使采用了使用高性能GaN，要達(dá)到480 W的峰值功率和小于2.5 ns的FWHM也需要特定的電路設(shè)計(jì)。因此，GaN Systems開發(fā)了一款特殊版本的經(jīng)典諧振增強(qiáng)模式電路，用以驅(qū)動(dòng)歐司朗的四通道激光器（見(jiàn)圖3）。有效的電路布局至關(guān)重要，而這正是GaN Systems帶來(lái)的知識(shí)補(bǔ)充。歐司朗的新產(chǎn)品已在CES 2019和SPIE Photonics West兩個(gè)展會(huì)上展出。GaN Systems為高電流橫向GaN功率晶體管申請(qǐng)專利的焊盤下電路（circuit-under-pad，簡(jiǎn)稱CUP）器件拓?fù)洌�顯示出非常有效的熱管理。雖然電路同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有四個(gè)通道，GaN Systems還將開發(fā)可獨(dú)立尋址的解決方案。

圖3：增強(qiáng)型諧振模式電路，用于驅(qū)動(dòng)四通道激光器

關(guān)于接收器的一些考量

激光雷達(dá)的探測(cè)距離精度可以近似表達(dá)為信號(hào)寬度除以濾波后的信噪比（SNR），不一定處于最佳條件。當(dāng)信號(hào)從噪聲（高信噪比）中濾除，同時(shí)對(duì)接收到的脈沖寬度引入最小失真時(shí)，探測(cè)性能最佳。這最好是通過(guò)使用“白化”匹配的濾波或相同原理的其他濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)。

獲得這樣的最佳濾波（模擬或數(shù)字），需要在接收信號(hào)的振幅、脈沖寬度、由傾斜襯底反射產(chǎn)生的彌散、噪聲、背景輻射、約翰遜噪聲和1/f噪聲等不完美條件下對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行估算。氣溶膠中的脈沖散射在接收器中產(chǎn)生了連續(xù)的直流背向反射，轉(zhuǎn)化為散粒噪聲。這種反射也可以使接收器在極端條件下達(dá)到飽和，在幾米的距離內(nèi)才能恢復(fù)，因此會(huì)產(chǎn)生具有挑戰(zhàn)性的接收條件。

很明顯，在具有挑戰(zhàn)性的條件下，匹配接收器來(lái)探測(cè)非常短的脈沖可能并非最佳，因?yàn)檩^寬的接收器頻譜將在最終處理信號(hào)時(shí)引入更多的噪聲。因此，由短脈沖和較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間接收“窗口”組成的混合模式誕生了，可以提供更強(qiáng)大的系統(tǒng)。

隨著歐司朗和GaN Systems的進(jìn)一步戰(zhàn)略合作，短脈沖將能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的人眼安全、熱管理和高分辨率。激光雷達(dá)技術(shù)的長(zhǎng)期障礙是保持高峰值功率的同時(shí)以短脈沖發(fā)射激光。現(xiàn)在，這一障礙已經(jīng)被克服，這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步將加速普通民眾乘坐自動(dòng)駕駛汽車的進(jìn)程。