繼法雷奧之后，全球數(shù)家激光雷達(dá)公司的前裝量產(chǎn)項(xiàng)目，已經(jīng)是板上釘釘。不過，真正的革命性市場機(jī)會(huì)，或許還沒有真正到來。

硅光子學(xué)是20世紀(jì)最重要的兩項(xiàng)發(fā)明——硅集成電路和半導(dǎo)體激光器的結(jié)合，也就是通常所說的基于硅芯片的光子學(xué)技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)路線相比，可以在更長的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)充分利用芯片制造的效率和成本優(yōu)勢。

“在縮小激光雷達(dá)的尺寸和成本方面，芯片級激光雷達(dá)系統(tǒng)突破，有助于大幅降低實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛的傳感器組合成本。”Mobileye首席執(zhí)行官Amnon Shashua預(yù)計(jì)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)將在2025年左右。

Mobileye給出的解決方案是，基于硅光子學(xué)技術(shù)將激光器與芯片集成（SoC），再結(jié)合調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，可以同時(shí)計(jì)算目標(biāo)的距離和速度，這比現(xiàn)有的飛行時(shí)間（ToF）法更加有效。

這種可以直接產(chǎn)生4D數(shù)據(jù)的激光雷達(dá)技術(shù)路線，意味著汽車制造商可以用更低的成本得到更高的性能。

一、

“硅光子學(xué)的優(yōu)勢在于體積小、元器件集成度高，而傳統(tǒng)激光雷達(dá)大多數(shù)依靠更多的離散組件，組合成本和供應(yīng)鏈保障難度更高?！睒I(yè)內(nèi)人士表示，當(dāng)然如果沒有特殊工藝的晶圓廠配合，制造成本反而會(huì)更高。

Shashua此前透露，預(yù)計(jì)每個(gè)激光雷達(dá)SoC的成本在數(shù)百美元左右，比目前可量產(chǎn)系統(tǒng)的成本低一個(gè)數(shù)量級。更關(guān)鍵的是，依靠母公司英特爾的自有晶圓工廠，可以將成本的主動(dòng)權(quán)掌握在自己手里。

激光雷達(dá)SoC也是英特爾所謂的“XPU”戰(zhàn)略的最典型案例之一，超越CPU并著眼于各種形式的計(jì)算，從數(shù)據(jù)中心、AI加速到感知智能計(jì)算。

目前，硅光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)開始用于數(shù)據(jù)中心，收發(fā)器（能夠發(fā)送和接收的設(shè)備）將電信號轉(zhuǎn)換成光，然后通過光纖發(fā)送。在另一端，這些光信號又被轉(zhuǎn)換回電信號。

但是傳統(tǒng)的光收發(fā)器價(jià)格昂貴，它們的發(fā)射器和接收器組件體積較大，而且需要高等級的組件集成以及封裝保護(hù)，硅光子學(xué)就是用高度集成的芯片來解決問題，同時(shí)采用類似處理器芯片的生產(chǎn)工藝和設(shè)備。

2016年，英特爾推出了首款基于半導(dǎo)體激光器的100Gb/s收發(fā)器系列產(chǎn)品，很快就拿到了微軟Azure云計(jì)算等對性能敏感的客戶青睞。目前，已經(jīng)出貨約400多萬個(gè)模塊。

此外，英特爾正在著手將光學(xué)I/O容量提高幾個(gè)數(shù)量級，從而實(shí)現(xiàn)板級應(yīng)用，直接進(jìn)入目前由電子I/O控制的計(jì)算引擎，這項(xiàng)技術(shù)被稱為集成光子學(xué)，未來有機(jī)會(huì)應(yīng)用于量子計(jì)算。

我們回到基本的發(fā)射接收原理上來看，傳統(tǒng)的發(fā)射端，激光產(chǎn)生的光通過調(diào)制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼?，F(xiàn)有的調(diào)制器體積大、價(jià)格高。而英特爾推出的新型微環(huán)調(diào)制器將組件的面積縮小了1000倍以上。

另一端的探測器將光的存在或缺失解釋為0和1?，F(xiàn)有的光收發(fā)器中的光電二極管依靠鍺或磷化銦等材料來“采集”用于移動(dòng)數(shù)據(jù)的波長中的光。英特爾則采用全硅微環(huán)結(jié)構(gòu)作為光電探測器，工作速度為112Gb/s，同時(shí)大幅降低材料與加工成本。

此外，英特爾通過從一束激光中捕獲多波長（或多種顏色）的光，使每一根光纖的帶寬成倍增加，這種技術(shù)也被稱為波分多路復(fù)用。

比如，從一個(gè)光通道捕獲四個(gè)不同的波長來傳輸四個(gè)比特的數(shù)據(jù)。在早期，這需要四種不同的激光器加上一個(gè)多路復(fù)用器。而半導(dǎo)體光放大器的增加有助于優(yōu)化集成光子學(xué)系統(tǒng)的功耗，因?yàn)榉糯笃魈峁┑墓夤β时燃す馄鞲行А?/p>

同時(shí)，英特爾利用3D封裝技術(shù)，將CMOS電路與硅光子集成，“這種整合是提供性能和成本優(yōu)化光收發(fā)器的關(guān)鍵?！蓖瑫r(shí)，通過將硅光子學(xué)模塊與計(jì)算資源集成，可以打破目前使用更多I/O引腳的弊端，從而實(shí)現(xiàn)更低功耗、更大的計(jì)算單元之間的吞吐量和更少的引腳數(shù)量。

自1998年Bookham發(fā)布第一個(gè)使用硅光子學(xué)平臺(tái)的產(chǎn)品以來，硅光子學(xué)的主要應(yīng)用一直是光通信，此后，2008年Luxtera（現(xiàn)在的思科）發(fā)布了第一臺(tái)使用硅光電子的光收發(fā)器。到了去年，英特爾在用于數(shù)據(jù)通信的硅光子收發(fā)器市場上占有53%的份額。

硅光子學(xué)的新應(yīng)用也在過去幾年進(jìn)一步滲透新的細(xì)分市場。在Mobileye之前，另一家激光雷達(dá)Aeva也是選擇了FMCW+硅光子學(xué)的激光雷達(dá)技術(shù)路線。

二、

而基于FMCW測距方式，被視為一種可能改變未來游戲規(guī)則的新型“4D激光雷達(dá)”，在原有3D基礎(chǔ)上增加第四個(gè)維度——速度。

目前，大多數(shù)激光雷達(dá)都是基于飛行時(shí)間(ToF)技術(shù)來做測距。ToF LiDAR本質(zhì)上是發(fā)送多個(gè)激光脈沖，并測量這些脈沖返回傳感器需要的時(shí)間，從而間接獲得周圍障礙物的距離。

連續(xù)調(diào)頻波(FMCW)的技術(shù)，與ToF路線不同，主要通過發(fā)送和接收連續(xù)激光束，并測量發(fā)送和接收的頻率差異，來測量物體的距離。換句話說，ToF使用時(shí)間來測量距離，而FMCW使用頻率來測量距離。

這其中，ToF發(fā)送的激光脈沖是受噪聲影響的波動(dòng)信號，不能直接捕獲速度信息。而FMCW提供連續(xù)激光束，提供的流體信號噪聲明顯更小，可以同時(shí)捕獲速度信息。

在成本方面，F(xiàn)MCW的優(yōu)勢在于，它利用了光子學(xué)和通訊技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度，使其達(dá)到更高的性能水平。比如，更低成本的光電探測器，而ToF經(jīng)常使用APD和其他更昂貴的探測器。

在今年一季報(bào)發(fā)布的同時(shí)，Aeva公司宣布拿到了一家未披露公司名稱的客戶訂單協(xié)議，為后者的自動(dòng)駕駛項(xiàng)目提供4D激光雷達(dá)方案。

考慮到奧迪ARTEMIS項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在關(guān)鍵時(shí)刻加入了Aeva公司的顧問委員會(huì)，也透露出這個(gè)未披露客戶名單的項(xiàng)目關(guān)聯(lián)性。

奧迪預(yù)計(jì)2024年前后量產(chǎn)全新一代旗艦車型、大眾ID Buzz自動(dòng)駕駛車隊(duì)也計(jì)劃在2025年前后投入規(guī)模化商用，這與Aeva的量產(chǎn)時(shí)間點(diǎn)基本吻合，大概率秘密項(xiàng)目來自于大眾或者奧迪。

在Aeva公司看來，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)，避免了高峰值功率對眼睛的危害，同時(shí)，這種類型的相干檢測也比直接檢測靈敏得多，而且性能更好，包括單脈沖速度測量和抗眩光、其他光源的干擾。

目前，Aeva公司的FMCW激光雷達(dá)就是搭載一顆高度集成化的光子芯片，一方面降低了設(shè)備的尺寸和功率數(shù)量級，同時(shí)在低反射物體上實(shí)現(xiàn)超過300米的全范圍性能，并能夠測量每個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度。

Aeva公司在芯片上集成了多個(gè)光束，每個(gè)光束都能在超過300米的距離內(nèi)以每秒超過200萬個(gè)點(diǎn)的速度測量。目前，該公司已經(jīng)完成了第三代芯片模塊的設(shè)計(jì)研發(fā)，測距范圍也提高至500米。

此前，自動(dòng)駕駛公司Aurora也宣布收購了另一家FMCW激光雷達(dá)公司Blackmore，同樣聲稱：“這種改變游戲規(guī)則的技術(shù)使這一切成為可能。”

同時(shí)，對于傳統(tǒng)AM激光雷達(dá)存在諸如“幽靈”對象或報(bào)告在錯(cuò)誤位置的對象等問題，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)不需要增加額外的硬件、復(fù)雜的軟件和更多的計(jì)算能力來處理干擾數(shù)據(jù)。

如果返回的光不匹配最初傳輸?shù)臅r(shí)間、頻率和波長，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)知道過濾掉那個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的目標(biāo)檢測。