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欧司朗与GaN Systems联手为激光雷达打造单片式多通道激光器_网新
2019-08-24 01:01    来源: 未知      点击:

  据麦姆斯咨询报道,最近,欧司朗和GaN Systems合作,采用每个通道为120 W的激光器进行四通道表面贴装(SMT)封装,峰

  据麦姆斯咨询报道,由性能卓越的大功率激光器驱动的激光雷达(LiDAR)系统如今俨然已成为自动驾驶汽车背后的主要驱动力。激光雷达的光源采用红外激光器,通过创建世界的实时3D图像来为自动驾驶汽车提供导航能力。脉冲激光器与单点像素光电探测器,或飞行时间(ToF)图像传感器与高功率激光器提供的闪光照明,用以创建3D图像。激光雷达系统通过测量激光往返于自动驾驶车辆与目标物体的时间,换算为两者间的距离。

  增加激光器功率,可以让3D地图从更远的距离捕捉更多的物体和场景,对激光雷达制造商来说很有吸引力。不过,人眼安全是主要考量点,因此极短的脉冲至关重要。高频发射的脉冲(每秒超过100万次)产生更多的数据点,信号质量更佳,这是因为信噪比与脉冲数量的平方根成正比。因此,快速上升和下降的时间至关重要。最近,欧司朗和GaN Systems(位于加拿大Kanata)合作,采用每个通道为120 W的激光器进行四通道表面贴装(SMT)封装,峰值功率大于480 W,约2ns的半高全宽(FWHM)脉冲,上升和下降时间小于1 ns(见图1)。

  激光雷达主要采用两种波长的激光器:905 nm和1550 nm,两者各有优势。905 nm激光可利用CMOS传感器或其它硅基探测器进行探测,从而显著降低成本和复杂性。硅光电倍增管(SiPMs)和InGaAs探测器通常用于探测1550 nm激光,但要通过车规认证要求的高温条件即105℃,还存在巨大的挑战。不过,采用1550 nm激光器,人眼安全问题显著降低。正如今年CES 2019期间所发生的,数字单反相机中的一颗感光元件被激光雷达损坏。这是典型的千瓦级激光所引起,其能量密度很低,如果要达到更高的能量密度需要三个PN结结构(三个p-n三明治结构),尚未在宽带隙晶体结构中实现。在雾、雪和雨等自动驾驶的常态环境下,1550 nm激光的穿透能力更强(见表1)。因此,多通道激光器显得非常理想:在采用八个激光器,每个激光器将产生1%的分辨率或15 cm的台阶,其中当飞行时间为1 ns时,振幅最小,动态范围约为18 dB。显然,纳秒级脉冲的905 nm多通道高功率激光雷达具有显著的优势。

  表1:波长为905 nm和1550 nm的激光在不同条件下的大气消光系数

  欧司朗的905 m表面贴装芯片由四个独立的InGaAs/GaAs应变量子阱激光器组成单片式阵列,由于采用了隔离的V型槽,因此可以单独或同时驱动,阵列内没有光学串扰。当同时驱动时,四个通道的输出组合为一个高达480 W的高功率激光脉冲(见图2)。光电二极管响应率R()的定义是电流(IDP)与入射光功率(Plight)的比值,使用InGaAs光电探测器(Thorlabs DET08)测量。

  每个激光器为三个单腔(三结)结构,生长在GaAs(砷化镓)衬底上,当160 A的电流同时作用于四个通道时,每个通道产生120 W的功率。激光二极管安装在无引线层压板载体基板上以实现卓越的热管理,在大功率脉冲期间提供冷却。封装材料采用塑封环氧树脂,非常适合大批量生产,满足汽车对封装的严苛认证并保护精密激光面。SMT封装提供了可大批量制造产品,通过受控的芯片定位法放置于参考面之上。这四个通道为单片式,通道间距和对准通过标准的光刻和掩模工艺实现微米级的精度控制。激光设计为上升和下降时间小于1 ns。不过,驱动电路的布局和封装电感起着主导作用,并面临重大挑战。

  图2:GaN Systems的高功率激光驱动器使欧司朗的四个激光通道同时发射时光峰值功率可达480 W

  单片激光器间隔紧凑,由于连接各个通道的走线(电流路径)接近(500 m),同时工作时可能导致电感耦合。不断变大的电流迅速变化,通过宽度较小走线的高电流会受到铜走线电感的影响,从而阻碍电流的变化。随着变化率的增加,这种效应进一步加剧,从而使短脉冲更难实现。电流的变化会引起反向电压,并在四个通道的走线周围产生小磁场。根据法拉第感应定律,通过电路的磁通量的任何变化都会引起感应电压的变化。感应电压与走线中电流变化的比值被定义为电感。根据楞次定律,随着电流的涌入,被称为“反电动势”的感应电压产生于电流的相反方向。考虑到相邻激光器的接近性,较短脉冲增加了“对立性”,成为一项真正的挑战。

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