“激光雷达光源新秀”亮点光电详解激光雷达的诞生和发展
发布时间：2021-12-03
1917年，爱因斯坦提出了受激辐射理论，为激光的诞生提供了理论依据；10年后被英国著名物理学家，剑桥大学教授保罗·狄拉克首次实验证明；1953年美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯和他的学生阿瑟·肖洛制成了第一台微波量子放大器，并逐步把激光波长从微波领域逐步推向光频领域；1960年梅曼在实验室制造出了世界上第一台红宝石激光器，为激光从理论向实际应用迈出坚实一步。此后气体激光器，燃料激光器、半导体激光器、光纤激光器的出现极大的丰富了激光的波长以及功率范围。经过100多年的发展，现在激光已经被广泛应用在工业、医疗、科研、通信、探测、军事等领域。
图一：受激辐射过程
激光雷达是激光在探测领域的一个重要分支，它同时集合了激光技术与雷达技术，将光、机、电融合一体，形成了一种崭新的雷达体制。尤其在最近比较火的汽车自动驾驶领域，激光雷达的应用是对汽车环境感知能力（物体探测、物体识别、多物体追踪、动态预测）的一个强有力的补充。
激光雷达的组成及两个技术方向
激光雷达系统可以简单分为四个部分：激光光源、光探测器、发射接收透镜组、信息运算处理电路模块，我们可以人体眼睛工作原理为参照进行简单理解：
1、激光光源：它是激光的发生装置，可以近似理解成太阳或者手电筒的“灯泡”，区别就是这种光源的光谱成分更为纯净而且通常以脉冲形式或者是调频连续波形式发射。
2、光探测器：用于将被照亮物体反射的光转化为电信号的探测器,主要有Pin光敏二极管、雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩二极管（SPAD）、硅基光电倍增管（SIPM）等，类似与人眼的视网膜。
3、发射接收透镜组：发射镜头类似于手电筒的弧形反射镜的作用，目的是让光束以比较集中的方式照向被探测物体；接收透镜类似与眼球的作用，将接收到的反射光聚焦到光电探测器上，使得探测结果更为灵敏，通常结合扫描系统获得一个较大的视场角（FOV）。
4、信息处理电路：类似于大脑的功能，对接收到的信号比如距离、速度等进行综合分析，并根据分析结果给出下一步动作的指令或者预警。
激光雷达技术方向主要分为两个大类：一类是直接探测，它是利用脉冲激光的飞行时间(ToF)来实现距离的探测;另一类通常被叫做相干探测，他是利用调制连续波(FMCW)的多普勒效应来间接探测。相干探测相比于直接探测的优势体现在于能够同时解调出物体的距离和速度，而且探测过程抗干扰能力比较强，不太容易受到阳光以及其他车辆激光光源的干扰，但是技术门槛相对较高；而直接探测的优势主要在结构以及处理过程较为简单方面，更为有利于实际工程实践。所以目前的汽车自动驾驶激光雷达厂家大多数采用的是直接探测方式的雷达系统，只有少数厂家采用的是相干探测方式的雷达系统。
图二，直接探测与相干探测单次测距示意图。Tx：发射端；Rx：接收端
直接探测激光雷达系统中光源
直接探测激光雷达探测系统需要一个脉冲（调幅）激光信号，通常是脉冲激光二极管或者是光纤激光器。激光二极管又分为边射型(EEL)和垂直腔面型(VCSEL)；边射型二极管已经在在光通讯领域应用很长一段时间了，而常用的905nm边射型激光二极管发射的光功率大小由注入其PN结的电流大小决定，电流大小与频率可以通过MOSFET晶体管以及电容的相互配合进行灵活调制。
目前，905nm二极管以其紧凑的体积以及低廉的价格深受市场欢迎，但是由于人眼安全波段功率等级的限制以及其本身材料的限制无法以高频率窄脉冲方式运行，在一定程度上可能会成为其进一步发展的瓶颈。垂直腔面型以其独特的圆形光束发射能力在提高雷达分辨率方面具有一定的优势，而且会极大的简化其光束整形的成本，但是其发展历史相对较短而且发射功率也比较小，所以极大限制了其在激光雷达方向的应用。激光雷达厂商们逐渐把目光移向了虽然体积稍大，成本稍高但是光束质量极佳，脉宽较窄，频率较高的1550nm波长光纤激光器，其较长的波长决定了此波长的激光人眼安全功率等级更高，探测距离更远，探测分辨率更精确。
随着1550nm光纤激光器光源的不断发展，相信有一天1550nm光纤激光器会成为激光雷达系统最合适的“阳光”。
1550nm激光雷达光源实现小批量供货
被业界誉为“激光雷达光源新秀”的江苏亮点光电集团（Lumispot）成立于苏州工业园区，总投资过亿，拥有1.4万平方米的办公和生产面积，设有北京亮度、无锡亮源、泰州亮点三个子公司。公司专注于激光信息应用领域，研发、生产及销售半导体激光器、光纤激光器、固体激光器及相关激光应用系统。公司获得高功率激光器工程中心、省部级创新人才称号、多项国家级创新基金和军工科研计划支持等。
目前亮点光电正进行B轮融资，准备扩大公司的激光雷达光源产业线。亮点光电研制的1550nm红外激光人眼安全的上限远大于905nm（约2个数量级），背景光干扰问题相对较小，可以实现远距离探测；同时采用相干技术，探测器只对自身发射的激光回波响应，信噪比远高于905nm-ToF激光雷达，最大探测距离可以达到1000米以上，特殊场景下可以达到数公里。目前该司研制的1550nm激光雷达光源已给国内众多知名激光雷达厂商供货。
江苏亮点除了常规圆盘式模块化光源，还推出了比业界常见的更小体积的模块化小型光纤激光器，该产品结构紧凑、体积小巧、重量轻、工作温度范围宽，通过外接TTL触发信号实现脉冲输出，非常适合系统集成。目前，该款产品做到体积70mm×50mm×19mm，且更小体积、更轻重量的产品目前仍在不断开发中，将体积、性能不断做到极致，成为激光雷达、遥感勘测、激光测距的理想光源。
亮点光电研制的1550nm小型化激光雷达光源指标
江苏亮点还立足于军工领域，推出的产品具有军工品质。同时，具备领先国内的全国产化技术，可以实现所有器件国产化，不受国际经济环境影响，保证产品性能的同时，可以保证产品交付时间，并控制产品成本。
据介绍，该司优势还在于其子公司——无锡亮源，具有完整的半导体封装技术和生产基地，光纤激光器的核心半导体激光器可以自主独立封装，根据客户要求定制，将最低的成本、最优的品质提供给客户。
来源：江苏亮点光电集团
