FMCW激光雷达科普（中）：激光器、探测器与扫描
本文是FMCW激光雷达科普系列的第二篇，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、优势及争议和误解。
FMCW激光雷达主要由激光器、探测器、相干光路及扫描部件构成。这些关键部分，最值得关注的是以下几点——
一．激光器波长：1550
1.为什么是1550？
目前，TOF激光雷达的激光器以905纳米为主，Luminar、图达通及一径科技等用的是1550纳米，而FMCW激光雷达的激光器，则全部都是清一色的1550纳米。那么，其中的缘由是？
洛微CTO Andy Sun说：我们做任何一个产品，首先要看供应链的成熟度吧，因为你不可能所有零部件都自己造。
具体到FMCW激光雷达，从原理上来说，激光器不是非得用1550nm，905nm也可以，并且，用1550nm做还是905nm做，技术上没有本质区别；只不过，在光通信领域，跟FMCW搭配的都是基于1550nm波段的器件，这些器件的供应链相对成熟，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的相干放大原理下，理论上1550nm可以比905nm测试40倍远的距离。
多家FMCW激光雷达公司的创始人及技术负责人均认可“供应链成熟度”这一说法。
其中，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，这位负责人还说，FMCW激光雷达需要提高集成度，可高集成度的多通道产品通常要基于硅光做，而硅光只能跟1550搭配。
不过，挚感光子IC设计总监吴雷说，他们用的激光器是1310的纳米的，“通信里面对这种激光器用量很大，很便宜”。
话说，用于FMCW激光雷达上的激光器，跟用在TOF激光雷达上面的1550纳米激光器，材质是相同的（磷化铟），但结构并不一样——FMCW要求窄线宽（保证自相干性）、低噪声，这就导致两者的性能、良率、成本等完全不一样。
一位从业者业称，目前，FMCW激光雷达的1550激光器要比用于TOF的1550激光器贵得多，国内还没有能够量产的。
2.1550纳米激光器的优点
1550纳米激光器的优点，在关于TOF激光雷达的介绍中已经提得很多了，最关键的一点就是：不会影响人眼安全，因而可以把功率做得很高，进而实现比905纳米激光器更长的探测距离。
此外，哪怕在TOF中，1550克服阳光噪声的能力也比905强。
3.1550纳米激光器的缺点及存在的争议
（1）成本太高，且短期内很难降下来
1550纳米激光器使用的材料不是硅CMOS，而是磷化铟，并且，它还需要外部电源和复杂的电子控制装置，因此，成本居高不下。此外，1550纳米激光器还需要跟昂贵的铟镓砷 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。
这位架构师说：“你有几百万台的量之后，相比于目前的几百几千台，成本肯定可以低不少，但相比于905，它还是要贵得多。这就类似于，你不能说金戒指我买很多，它的价格就能降到铜戒指的水平吧？这是由材料的物理特性决定的。”
（2）容易被水雾吸收，在雨天无法正常工作
多数激光雷达厂商在跟《九章智驾》交流的过程中都提到，1550纳米激光器很容易被水雾吸收（几毫米厚的水层就可以把1550纳米激光的能量全部吸收，在光通信领域中的专业名词是“水空吸收”），难以被反射回来，因而在雨天难以正常工作。
“多次实验表明，只要遇上两毫米的水薄膜，我们的FMCW激光雷达就瞎了。这个问题是无解的。因此，FMCW激光雷达只能在阴天、晴天和小雨天用，大雨天就用不了。”
某TOF激光雷达厂商负责人也说，1550对人眼安全影响小的原因正是它容易被液态水吸收——激光还没有打到视网膜，就被眼球里面的水给吸收了；而容易被液态水吸收，确实也会导致，在地面车道线上有水、行人身上的衣服被淋湿的情况下，使用1550纳米激光器的激光雷达就测不了，或者是探测能力下降。
但光勺科技CEO姚建并不完全认可上述说法。姚建说：“FMCW的相干有两种，一直是调频，一直是调相。如果是调频，那1550纳米激光器受雨水的影响确实比较比较大，比如，探测距离从平时的500米衰减到50米；但我们用的调相技术，遇到大雨天气，探测距离还能达到平时的的50%左右。”
不过，某FMCW激光雷达公司CEO奚先生则说：“在TOF中，1550纳米激光器易被雨雾吸收，会导致探测距离大大衰减，并且产生严重的噪点；而在FMCW中，有用使用相干检测，信噪比更高，因而，在同样使用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，激光在遇见雨水后，被吸收只是一部分情况，还有很多变化是跟散射、折射相关的，在这两部分，不同波长的表现也是不一样的，比如短波的散射更强，因此要综合考虑。
Andy Sun称，2019年法国科研团队做了大量的理论分析和实验，结果发现，其实905nm和1550nm两个波段的激光器在雨雾天的表现是差不多的——1550nm的总体吸收率只比905nm高不到10%。这完全被人眼安全的考虑下1550nm可以提供更大出光功率的优势所掩盖。
某FMCW激光雷达公司CEO奚先生也提到了这组来自法国的实验。
但无论如何，沃尔沃、奥迪这些已经算是很保守的车企，都计划用Luminar基于1550的TOF激光雷达了，这或许意味着，在这些车企眼里，1550在雨天无法正常工作，并不算是一个多严重的问题？
（3）并非绝对能确保“人眼安全”
采访中，笔者提到一个问题：如果几辆搭载激光雷达的自动驾驶车辆聚集在一起，激光同时发射，正好汇集到一起，正对着人眼了，那瞬时功率就很高了，应该也会影响人眼安全？
对此，某TOF激光雷达厂商负责人的回答是：905纳米功率大的话是会伤害到视网膜，但视网膜类似于手机的感光图像的一个像素，激光从不同的地方打过去，影响到的是视网膜上不同的像素，因此，哪怕功率比较高，也不会把这几千万个像素都烧坏；而1550就不一样了，要烧坏，就整个区域都烧坏了——人眼对905纳米波段的敏感点在于其打在某个像素上的能量，而对1550纳米波段的敏感点在于其总能量。
简言之，1550纳米激光器其实也存在人眼安全问题——激光是没打到视网膜，但被角膜吸收了，如果功率过高，角膜也会受伤。
二．激光器和探测器的芯片化、集成化
1.单光子、通道数与点频
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？
按某TOF激光雷达厂商负责人的说法，FMCW激光雷达的点频确实比TOF低，但原因并不在于激光器的数量更少，而在于“TOF测距一次需要2微秒，而FMCW测距一次需要20微秒”。
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。
2.低成本的探测器
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”。
3.将探测器跟激光器集成到一起
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。”
4.光学镜头跟激光器、探测器集成到到一起
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。
三．扫描方案&扫描与收发的集成
1.扫描方案：OPA是终极形态
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。
包括挚感光子IC设计总监吴雷在内的多位专家都认为，OPA没有机械部件，是真正的固态扫描。
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.扫描跟收发的集成
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。
正文结束
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