從消費電子走進汽車，VCSEL應用的下一次飛躍

本文來源：智車科技

／ 導讀 ／

據(jù)市場分析公司Yole預測，汽車領域的激光雷達（LiDAR）將是繼蘋果幾年前引爆移動應用激光雷達市場之后，VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）的下一個典型應用場景。Yole《VCSEL——2021年技術和市場趨勢》報告指出，盡管目前VCSEL最大的市場是手機和消費電子，其全球市場將在2026年達到24億美元，年復合增長率為13．6％，但汽車領域的應用正在加速，并有可能成為VCSEL應用的下一次飛躍。

VCSEL是啥？

VCSEL是一種半導體器件，其激光垂直于頂面發(fā)射，與一般切開式獨立芯片工藝的邊緣射出型激光器不同。由于VCSEL激光垂直于反應區(qū)，與邊射型激光平行于反應區(qū)相反，所以可以在3英寸大小的砷化鎵芯片上制造出數(shù)以萬計的VCSEL，密度之大可想而知。

激光器從邊射型到現(xiàn)在的VCSEL走了很長一段路，早在2000年，就有了VCSEL公司，不過它已不復存在；直到蘋果在iPhone12 Pro和iPad Pro上增加了一個激光雷達傳感器，才掀起了VCSEL進入消費產(chǎn)品的風潮，讓VCSEL從“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”，也讓VCSEL再次獲得了關注。

iPhone12 Pro激光雷達傳感器

當然，VCSEL具有光電轉換效率高、光束質量好、發(fā)散角小、波長穩(wěn)定、可靠性高、閾值電流小、功耗低等優(yōu)點，易于與光纖耦合，可以單縱模發(fā)射和實現(xiàn)高調(diào)制頻率；而且在大批量生產(chǎn)方面成本可控。這是不少廠商對其不斷投入的重要理由。

為什么是VCSEL加SPAD架構？

目前，自動駕駛少不了激光雷達已是行業(yè)共識，盡管特斯拉CEO埃隆·馬斯克對其嗤之以鼻，但絕大多數(shù)主機廠都還是以搭載激光雷達為榮，一方面是因為性能，另一方面搭載激光雷達確實也給品牌提氣。

現(xiàn)在，激光雷達還存在很多技術路線之爭，而基于VCSEL和SPAD（單光子陣列）的緊湊型全固態(tài)解決方案是眾多方案之一，Apple的激光雷達掃描儀就是采用這樣的搭配，很多人對這個方案抱有極大的希望。

理由很簡單，VCSEL加SPAD架構基于純芯片，沒有移動機械結構，且只有純芯片方案才能夠受益于摩爾定律的發(fā)展。VCSEL和半導體晶圓工藝非常吻合，摩爾定律的每一步都伴隨半導體芯片的發(fā)展，會讓VCSEL加SPAD的生態(tài)方案一起發(fā)展。當然，現(xiàn)在的競爭者還有905nm、1500nm和MEMS等，所使用的半導體材料各不不同，性能各有利弊。

VCSEL加SPAD架構

過去幾年，VCSEL進一步滲透汽車激光雷達市場，在性能、可靠性和成本方面顯示出一定優(yōu)勢，在視野、發(fā)射角度、探測范圍和對象分類方面效果很好。現(xiàn)在的問題在于，相比發(fā)射范圍僅為10m的消費類產(chǎn)品，自動駕駛車輛激光雷達的發(fā)射范圍至少需要200m，功率也必須大幅提高。

車載應用的幾個要求

此外，為了大規(guī)模商用落地，還要解決目前VCSEL和激光雷達缺乏相關標準，只能根據(jù)客戶要求進行定制，廠商各自為政的問題，通過應用廠商和上下游生產(chǎn)廠商的更多合作，盡量達成共識，提升VCSEL的使用量，實現(xiàn)應用的市場化和規(guī)模化。

用到的感測模式有哪些？

VCSEL的應用場景絕大多數(shù)與3D感測有關，汽車應用也是。3D感測模式包括：被動雙目、主動雙目、結構光和飛行時間，幾乎涵蓋了現(xiàn)在VCSEL 3D感測的應用場景。

被動雙目：使用兩個攝像頭模擬人眼，從兩個點看同一個物體，然后經(jīng)大腦進行簡單幾何運算，用VCSEL或算法也可以實現(xiàn)。

3D感測應用場景

主動雙目：用兩個攝像頭加上投影儀主動投射光斑，由兩個攝像頭接收這些光斑，再進行計算。

結構光：只保留一個攝像頭，用投影儀投射光斑，以攝像頭接收光斑。蘋果Face ID采用的就是這個原理。

飛行時間：包括直接飛行時間（dToF）和間接飛行時間（iToF），是汽車激光雷達主要采用的基本原理。

根據(jù)不同應用場景，以上三種結構有不同優(yōu)勢，結構光在短距離時非常精確，超過一定距離（1米左右）精度就會下降，因為是刷臉，蘋果Face ID用的是結構光。

iToF是監(jiān)測發(fā)射光和接收光之間的相位差，開始時精度不如結構光，超過1米后就優(yōu)于結構光了，所以很多遠距離應用經(jīng)常采用。dToF是計算飛出去返回來的時間，對距離不太敏感，特別是長距離非常有優(yōu)勢，超過10米精度很好，所以汽車激光雷達用dToF比較多，這也是蘋果激光雷達掃描儀選中它構建外界3D VR環(huán)境的原因。

以上VCSEL采用的幾個方案并不是相互競爭的，而會在不同場景下有不同的選擇，而VCSEL都可以扮演很重要角色。