據(jù)麥姆斯咨詢報道，由性能卓越的大功率激光器驅(qū)動的激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)如今儼然已成為自動駕駛汽車背后的主要驅(qū)動力。激光雷達的光源采用紅外激光器，通過創(chuàng)建世界的實時3D圖像來為自動駕駛汽車提供導航能力。脈沖激光器與單點像素光電探測器，或飛行時間（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。激光雷達系統(tǒng)通過測量激光往返于自動駕駛車輛與目標物體的時間，換算為兩者間的距離。

增加激光器功率，可以讓3D地圖從更遠的距離捕捉更多的物體和場景，對激光雷達制造商來說很有吸引力。不過，人眼安全是主要考量點，因此極短的脈沖至關(guān)重要。高頻發(fā)射的脈沖（每秒超過100萬次）產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)點，信號質(zhì)量更佳，這是因為信噪比與脈沖數(shù)量的平方根成正比。因此，快速上升和下降的時間至關(guān)重要。最近，歐司朗和GaN Systems（位于加拿大Kanata）合作，采用每個通道為120 W的激光器進行四通道表面貼裝（SMT）封裝，峰值功率大于480 W，約2ns的半高全寬（FWHM）脈沖，上升和下降時間小于1 ns（見圖1）。

圖1：905 nm四通道SMT封裝的激光器峰值功率超過480 W

為什么選擇905 nm單片式隔離激光器？

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

表1：波長為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獨立的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，因此可以單獨或同時驅(qū)動，陣列內(nèi)沒有光學串擾。當同時驅(qū)動時，四個通道的輸出組合為一個高達480 W的高功率激光脈沖（見圖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光電探測器（Thorlabs DET08）測量。

每個激光器為三個單腔（三結(jié)）結(jié)構(gòu)，生長在GaAs（砷化鎵）襯底上，當160 A的電流同時作用于四個通道時，每個通道產(chǎn)生120 W的功率。激光二極管安裝在無引線層壓板載體基板上以實現(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)，滿足汽車對封裝的嚴苛認證并保護精密激光面。SMT封裝提供了可大批量制造產(chǎn)品，通過受控的芯片定位法放置于參考面之上。這四個通道為單片式，通道間距和對準通過標準的光刻和掩模工藝實現(xiàn)微米級的精度控制。激光設(shè)計為上升和下降時間小于1 ns。不過，驅(qū)動電路的布局和封裝電感起著主導作用，并面臨重大挑戰(zhàn)。

圖2：GaN Systems的高功率激光驅(qū)動器使歐司朗的四個激光通道同時發(fā)射時光峰值功率可達480 W

單片激光器間隔緊湊，由于連接各個通道的走線（電流路徑）接近（<500 μm），同時工作時可能導致電感耦合。不斷變大的電流迅速變化，通過寬度較小走線的高電流會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)進一步加劇，從而使短脈沖更難實現(xiàn)。電流的變化會引起反向電壓，并在四個通道的走線周圍產(chǎn)生小磁場。根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，通過電路的磁通量的任何變化都會引起感應(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“反電動勢”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“對立性”，成為一項真正的挑戰(zhàn)。

寬帶隙半導體

最初，歐司朗的工程師們試圖通過使用間距很近的硅基場效應(yīng)晶體管（FET）來解決這個問題，使電流在開啟時通過激光二極管，但并不奏效。對于這種大功率產(chǎn)品，驅(qū)動器離激光二極管的距離遠近并不重要，因為硅在大電流和大節(jié)點電壓（>200 V）下會發(fā)生擊穿，克服鍵合引線固有的電感。硅基場效應(yīng)晶體管也有較大的柵極電容，限制了短脈沖的工作。最后，從被動熱管理的角度來看，將驅(qū)動器集成到激光器的封裝方式不是理想的選擇，因為在汽車應(yīng)用中，水冷或熱電冷卻器（TECs）不是經(jīng)濟有效的選擇。

電動汽車和光通信行業(yè)多年來一直享受著寬帶隙半導體（能量大于2 eV，將電子激發(fā)到導帶）為超快速開關(guān)和高功率電池充電電路帶來的“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）是一種常見的寬帶隙（帶隙為3.2 eV）半導體，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體，能夠在汽車認證溫度條件下提供高電子遷移率（見表2）。此外，SiC和GaN都具有較高的臨界場值，從而防止擊穿，降低漏電流。GaN的熱導率高（300 K時，約為硅熱導率的3.5倍）、電場擊穿強度高（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)場效應(yīng)晶體管的理想材料，場效應(yīng)晶體管被驅(qū)動后，允許電流同時通過四個高功率激光通道，從而在短脈沖時間內(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)動四通道激光器提供理想的GaN場效應(yīng)晶體管。

表2：常見場效應(yīng)晶體管襯底材料特性對比

即使采用了使用高性能GaN，要達到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。因此，GaN Systems開發(fā)了一款特殊版本的經(jīng)典諧振增強模式電路，用以驅(qū)動歐司朗的四通道激光器（見圖3）。有效的電路布局至關(guān)重要，而這正是GaN Systems帶來的知識補充。歐司朗的新產(chǎn)品已在CES 2019和SPIE Photonics West兩個展會上展出。GaN Systems為高電流橫向GaN功率晶體管申請專利的焊盤下電路（circuit-under-pad，簡稱CUP）器件拓撲，顯示出非常有效的熱管理。雖然電路同時驅(qū)動所有四個通道，GaN Systems還將開發(fā)可獨立尋址的解決方案。

圖3：增強型諧振模式電路，用于驅(qū)動四通道激光器

關(guān)于接收器的一些考量

激光雷達的探測距離精度可以近似表達為信號寬度除以濾波后的信噪比（SNR），不一定處于最佳條件。當信號從噪聲（高信噪比）中濾除，同時對接收到的脈沖寬度引入最小失真時，探測性能最佳。這最好是通過使用“白化”匹配的濾波或相同原理的其他濾波來實現(xiàn)。

獲得這樣的最佳濾波（模擬或數(shù)字），需要在接收信號的振幅、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信號和噪聲進行估算。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到飽和，在幾米的距離內(nèi)才能恢復，因此會產(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，匹配接收器來探測非常短的脈沖可能并非最佳，因為較寬的接收器頻譜將在最終處理信號時引入更多的噪聲。因此，由短脈沖和較長持續(xù)時間接收“窗口”組成的混合模式誕生了，可以提供更強大的系統(tǒng)。

隨著歐司朗和GaN Systems的進一步戰(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。激光雷達技術(shù)的長期障礙是保持高峰值功率的同時以短脈沖發(fā)射激光�，F(xiàn)在，這一障礙已經(jīng)被克服，這項技術(shù)的進步將加速普通民眾乘坐自動駕駛汽車的進程。