OPA激光雷達的最新進展

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）自動駕駛激光雷達的路線之爭，現(xiàn)階段來看MEMS振鏡掃描+ToF測距是最大的贏家。實際上，MEMS和機械轉(zhuǎn)鏡式的掃描結(jié)構(gòu)也是目前唯二可以實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)的，并且體積足夠小，可以安裝在乘用車上的激光雷達產(chǎn)品。

但未來通往純固態(tài)激光雷達的道路上，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為OPA（光學(xué)相控陣）掃描+FMCW測距的激光雷達會是最終的最佳方案。只是問題在于，OPA雖然從各方面來看都是掃描效率最高的形式，但截至目前還未有實用的產(chǎn)品落地，相比于其他的比如Flash、FMCW等實現(xiàn)純固態(tài)激光雷達的技術(shù)，落地進度顯然要落后一大截。

OPA激光雷達的新進展

最近丹麥技術(shù)大學(xué)研究小組兩名成員Hao Hu和Yong Liu在《光學(xué)》期刊中發(fā)布了文章，介紹了一款基于芯片的新型光束控制技術(shù)。Hao Hu表示，他們的成果將為基于OPA的低成本緊湊型激光雷達奠定了基礎(chǔ)。

在激光雷達中，光束控制是最關(guān)鍵的技術(shù)之一，目前MEMS、轉(zhuǎn)鏡等機械式的光束控制系統(tǒng)都有一些局限性，由于機械部件的存在對震動較為敏感，且掃描速度有限?；谛酒腛PA激光雷達，則可以不需要機械結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)快速精準(zhǔn)控制光線，但由于技術(shù)原因，目前的大多OPA設(shè)備的光束質(zhì)量較差，視場角也難以突破100°。

OPA激光雷達的原理是，通過多個激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中各個單元的相位差，來改變激光光束的發(fā)射角度，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強的干涉從而實現(xiàn)高強度的指向光束，完成掃描。

一直以來，OPA激光雷達進展緩慢的一個重要原因是旁瓣效應(yīng)難以解決。旁瓣效應(yīng)是由于光學(xué)衍射產(chǎn)生的一種鄰近效應(yīng)。在OPA激光雷達上，光束通過OPA器件后的光束合成實際是由光波的相互干涉形成的，因此容易形成陣列干擾，令激光能量被分散，在最終出現(xiàn)光學(xué)偽影等問題。也正是因為這種原因，OPA視場和光束質(zhì)量之間難以平衡。

所以這次該研究小組設(shè)計了一種新型的OPA結(jié)構(gòu)，用平板光柵取代傳統(tǒng)的OPA多個發(fā)射器。由于平板光柵中的相鄰?fù)ǖ辣旧砜梢苑浅＝咏?，可以在靠近單個發(fā)射器中進行干涉和光束形成，所以相鄰?fù)ǖ乐g的耦合在平板光柵中不會產(chǎn)生干擾，可以消除疊混誤差。同時，研究人員還采用其他的光學(xué)技術(shù)，以降低背景噪聲并減少旁瓣效應(yīng)等光學(xué)偽影等。

在實測中，這套新型的OPA系統(tǒng)可以實現(xiàn)±70°光束轉(zhuǎn)向無混疊，但也出現(xiàn)了一些光束衰減的情況。而通過將光源波長從1480nm調(diào)諧至1580nm來測試垂直方向上的光束控制，最終實現(xiàn)13.5°垂直方向的調(diào)諧范圍。測試是在光束寬度為2.1°的情況下進行的，目前該研究小組還正在努力降低光束寬度，希望實現(xiàn)更高分辨率和更遠范圍內(nèi)的波束控制。

各大廠商進展如何？

國外方面，Quanergy是最早進入OPA激光雷達領(lǐng)域的公司，2012年創(chuàng)立于硅谷。今年5月，Quanergy公布了其OPA激光雷達實現(xiàn)250米的檢測距離，而15個月前這個數(shù)字是100米。據(jù)Quanergy官方介紹，其OPA技術(shù)基于CMOS工藝兼容的硅光芯片，可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。但截至目前，Quanergy的S系列OPA激光雷達依然難以達到大規(guī)模量產(chǎn)的同時滿足客戶要求。除此之外，Analog Photonics、Voyant Photonics、Scantinel Photonics 等國外OPA激光雷達玩家均預(yù)計要到2025年后才實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。

國內(nèi)也有很多激光雷達廠商以及科研機構(gòu)在OPA方向進行投入，包括洛微科技、萬集科技、力策科技等等。在OPA激光雷達的關(guān)鍵硅光芯片上，今年7月，揚州群發(fā)換熱器有限公司和美國密歇根大學(xué)合作，表示經(jīng)過多年研發(fā)掌握OPA 2D/3D激光雷達全新專利技術(shù)，并在國內(nèi)完成多輪迭代的流片工作，其中OPA 2D激光雷達試制芯片各項技術(shù)指標(biāo)均達到設(shè)計要求，即將進入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。同時OPA 3D激光雷達芯片的研發(fā)也在進行中。

另一家在國內(nèi)走得較前的OPA激光雷達公司洛微科技，在去年9月完成了第二代硅光FMCW SoC和OPA激光雷達硅光芯片的流片。前面也提到FMCW+OPA可能是激光雷達的終極形態(tài)嗎，洛微科技也是在創(chuàng)立之初確立了采用FMCW和OPA技術(shù)的純固態(tài)激光雷達發(fā)展方向。據(jù)洛微科技官網(wǎng)顯示，采用了LuminScan光束控制系統(tǒng)的D系列純固態(tài)激光雷達已經(jīng)推出，基于自研硅光芯片，探測距離達30m，視場角120°×90°，角分辨率為0.3°×0.3°。

力策科技在2019年時表示2020年將實現(xiàn)OPA激光雷達完全的定型量產(chǎn)，而目前官網(wǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一款遠距離OPA激光雷達，型號為LT-X。LT-X掃描視場角為60°×60°，采用了波長905nm的光源，測量距離最高可大于200m，旁瓣抑制《30db。

總體而言，OPA激光雷達相比與其他純固態(tài)激光雷達，比如采用Flash、FMCW等技術(shù)的產(chǎn)品大規(guī)模落地進度可能要晚2-3年。但芯片化、集成度高，未來規(guī)模量產(chǎn)后成本較低、且具備抗干擾能力強、探測距離遠、掃描頻率高等優(yōu)勢，OPA技術(shù)未來有一統(tǒng)自動駕駛激光雷達產(chǎn)業(yè)的潛力。隨著硅光芯片工藝提升、以及光束質(zhì)量的進一步提高，相信OPA技術(shù)會被更多激光雷達廠商選擇。