探秘理想L9上的禾赛128线激光雷达

理想L9车顶前方的突出物就是禾赛的128线激光雷达，即AT128。除了理想，百度旗下的集度汽车也会使用这款激光雷达。禾赛科技早期生产与Velodyne近似的360度旋转激光雷达，但性能超越Velodyne，特别是独出心裁的40线激光雷达实测效果不逊于Velodyne老旧的64线激光雷达。

禾赛早期的360度旋转激光雷达价格比较高，主要销往国外。但360度旋转激光雷达难以在量产车上落地，主要原因是体积太大，车辆外观造型无法满足其安装空间，同时价格也太高。360度旋转激光雷达硬件成本中大约80%来自激光二极管，车规级激光二极管大约20美元一个，128线360度旋转激光雷达仅激光二极管一项就要2560美元，但硬件成本就超3000美元，显然无法落地。与360度旋转激光雷达近似的转镜式激光雷达，如华为和法雷奥的，线束增加后，成本会快速上升。这也是其主要缺陷。

禾赛的128线激光雷达，最与众不同的地方是其用VCSEL代替了传统的激光二极管，解决了体积与成本的问题。

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AT128参数如上，禾赛也是全球范围内第一个采用VCSEL做光源的量产激光雷达厂家。根据专利推测禾赛AT128是属于一颗转镜式混合固态激光雷达，一维转镜通过旋转的多面体反射镜，将激光反射到不同的方向；未来禾赛可能会缩减阵列规模，或者用光纤激光或者用几个激光二极管（LD）代替这个成本应该不低的VCSEL。

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这是平视图，摆镜可能是做垂直扫描的，多边形棱镜做水平扫描。

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这是内部框架图，用摆镜和多边形棱镜代替MEMS振镜。

VCSEL的功率面积密度自然不如激光二极管，这就需要更高效率的接收光电元件，非SiPM莫属，不过1550纳米激光才能发挥SiPM全部潜力，而VCSEL是做不到1550纳米的。从专利推测，禾赛也在做光纤激光雷达，即1550纳米激光雷达。

此外，禾赛应该用了模块化发射与接收，VCSEL阵列比较适合做模块化。

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模块化减少装配时间，光路调整时间，提高生产效率，能有效降低成本，也有助于提升产品质量。

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我们主要来看AT128的关键，VCSEL阵列。

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激光雷达的光源按技术类型主要有4种。第一种为最常见的激光二极管，简称LD；第二种是用于FMCW的连续频率调制激光，用于硅光和FMCW激光雷达，成本极高，成熟度非常低；第三种是VCSEL；最后是光通信常用的光纤激光。

按波长分为NIR和SWIR两种。‍NIR为近红外，即常见的905纳米；SWIR为短波红外，即常见的1550纳米。一般来说SPAD或SiPM要配合SWIR才能发挥最大潜力。SWIR几乎是全天候的，雨雪雾天也没问题，缺点一是贵，二是容易受阳光干扰。

按发光类型分EEL边缘发光与VCSEL垂直发光。边缘发射激光器(EEL)中，又包含DFB (DistributedFeedback Laser Diodes分布式反馈)、FP (Fabry-Perot Edge Emitting Laser法布里-泊罗)、DBR（Distributed Bragg Reflector Laser）、双异质结、量子阱等。EEL的光斑是椭圆的，特点是功率高——光电效率高、照度高（峰值功率125W），激光雷达用的通常是DFB型。

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1977 年，日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 的概念，VCSEL称为垂直腔表面发射激光器。VCSEL从垂直衬底的面发射激光，因此很容易通过平面工艺实现大规模发光阵列；发射激光的束散角较小，光斑近似于圆形；对于光学系统的要求低；工艺与LED兼容，有利于大规模制造，降低成本。缺点是输出功率低，腔长短。长波长的外延很难做，比如光通讯用的1310nm、1550nm。需要使用砷化镓GaAs衬底，这是复合半导体领域，熟悉此领域的厂家很少。

VCSEL器件有两种基本结构：

1)、顶发射结构。采用MOCVD技术在n 型GaAs 衬底上生长而成，以DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR 和p-DBR 之间。

2)、底发射结构。一般用于产生976-1064nm 波段，通常将衬底减薄到150μm以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。

制造工艺是通过MBE（分子束外延生长）或MOCVD在砷化镓的基板上，交替生长GaAs和AlAs，交替生长层最终形成布拉格反射镜。GaAs和AlAs有这显著不同的折射率，但二者的晶格常数基本相同，因此可以交替生长很多层而不产生位错，这也是为什么可以做出高反射率的镜面效果。

全球VCSEL市场集中度极高，Lumentum市场占有率大约42%，II-VI市场占有率约37%，AMS在收购欧司朗后大约有8%，前三强有87%的市场占有率。顺便说一句，II-VI在热门的SiC衬底领域也有一席之地。

Lumentum目前有两种激光雷达用VCSEL阵列。一种针对Flash设计；一种针对机械式或MEMS设计，即M51-100。II-VI目前主要精力放在短距离激光雷达领域，其VCSEL波长是比较罕见的840纳米或940纳米，而Lumentum是常见的905纳米。

M51-100参数