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(dá)（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(dá)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(dǎo)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(dá)系統(tǒng)通過測量激光往返于自動駕駛車輛與目標(biāo)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(yuǎn)的距離捕捉更多的物體和場景，對激光雷達(dá)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(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(dá)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(jìn)行探測，從而顯著降低成本和復(fù)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(rèn)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(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(qiáng)（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(dāng)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(dá)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(xué)串?dāng)_。當(dāng)同時驅(qū)動時，四個通道的輸出組合為一個高達(dá)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(dāng)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(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(zhǔn)通過標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(dá)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(yuǎn)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(jì)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(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(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(dǎo)率高（300 K時，約為硅熱導(dǎo)率的3.5倍）、電場擊穿強(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(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。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(bǔ)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?fù)�，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(qiáng)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(dá)的探測距離精度可以近似表達(dá)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(dāng)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(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(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(jìn)步將加速普通民眾乘坐自動駕駛汽車的進(jìn)程。