出自Katherine Skipper 的调研，讨论芯片级激光雷达开始浮上台面，以及是否找到切入车用设备应用的路径。
2021 年 3 月，本田推出了一款部分自动驾驶汽车，据称可以在交通拥堵中取代人类驾驶员。这款特别版的本田传奇 (Honda Legend) 使用激光雷达的激光照明以及雷达和摄像头，在低速进行导航。激光雷达通过计算激光束的往返时间来测量与附近物体的距离，从而建立周围环境的 3D 地图。尽管目前汽车激光雷达仅占整个激光雷达市场的一小部分，但从事激光雷达市场研究超过五年的分析师YoléDevéloppment预测，到 2026 年，它可能价值23亿美元，占市场份额的一半以上。
但我们中的大多数人短期内不会把视线从道路上移开。本田传奇的零售价为10.2万美元，仅生产了 100 辆。无论是为汽车、卡车制造系统，还是为智能城市制造基础设施，激光雷达公司所面临的挑战，不仅仅是制造一台可以与人眼竞争的机器，而是制造一种可以规模化生产的东西，并且成本与产品的其他部分相当。
PeterStern 是 Voyant Photonics 的首席执行官，这家激光雷达初创公司成立于 2018 年。他认为，就成本而言，现有技术正在接近其下限。“当你把这些设备拆开并分析后，你会发现很难在几年内把一台 5 000 美元的设备变成 100 美元的设备，”他说道。
Voyant 是少数几家在硅基光电子技术上冒险创新的公司之一，硅基光电子技术将是将激光雷达置于微电子芯片上。该公司最近获得了 1540 万美元的资金，用于商业化开发其技术，并正在为潜在客户构建原型和开发套件。
Voyant 与其他芯片级激光雷达公司一起正在努力开发一种称为调频连续波 (FMCW) 的激光雷达系统，该系统更适合芯片集成。就在一年多前，FMCW 激光雷达公司 Aeva 宣布与汽车供应商Denso合作，但使用该技术的汽车尚未出现在道路上。FMCW 激光雷达引起了极大的轰动，但将其推向市场存在仍存在相当大的技术挑战。
激光雷达的圣杯
另一家开发芯片级 FMCW 激光雷达的公司是位于硅谷的SiLC。SiLC 的业务开发和营销副总裁 Ralf Muenster 认为，未来激光雷达不仅用于自动驾驶汽车，还将用于送货机器人、运动员分析和智能农业。在拉斯维加斯的Consumer Electronics Show后不久发表讲话时，他甚至推测激光雷达传感器可用于赌场维安摄像头，以检测出爆发的打斗行为。在 CES 上，SiLC 展示了其Eyeonic 视觉传感器，该公司称这是世界上第一个商用芯片集成 FMCW 激光雷达系统。
在公司成立 20 年前， Si LC 的首席执行官Mehdi Asghari 是 Bookham 的研发副总裁，该公司开创了由光子而不是电子驱动的硅电路。Muenster说， SiLC 的波导技术使该公司能够将原本需要数米光纤用于 FMCW 的东西缩小到单个芯片上。硅基光电子学的一大优势在于，它利用了现有的半导体制造技术，以及数十亿美元和数十年的研究和投资。
然而，当 SiLC 开始将激光雷达技术集成到硅光芯片上时，他们遇到了问题。本田、谷歌和其他自动驾驶汽车公司使用的激光雷达利用飞行时间原理，使用短激光脉冲照亮周围环境。然而，根据 Muenster 的说法，基于飞行时间原理的激光器峰值功率“不适合集成在单个芯片上”。他们需要一个替代方案，这就是 FMCW 的用武之地。
在 FMCW 激光雷达中，激光连续发射，光束被分成两部分。一半的光被发射，其余的保留在芯片上并与返回的信号混合。当光照射到光电探测器时，FMCW 的频率调制会产生往返时间。当它离开激光器时，光通过上下扫频而产生啁啾，因此激光频率与时间的关系图是一个周期性的波形，具有自己的频率和振幅。这个啁啾波形的相移用于计算返回光已经传播了多远。由于 FMCW 使用光的相位和频率，传感器可以滤除阳光和来自其他激光雷达的信号。这也意味着它可以在比飞行时间更低的峰值功率下运行，这使其成为在半导体波导中实施的理想选择。
Muenster 认为这种抗干扰性只是 FMCW 的众多优势之一，并将其描述为 3D 传感的圣杯。FMCW 的另一个强大特性是它可以计算瞬时速度，这可能会改变自动驾驶汽车的游戏规则。从运动物体反射的单个光子将表现出与物体速度成比例的频移，这种现象称为多普勒效应。除了速度，SiLC 的点云还生成有关返回光子偏振的信息，他们认为这些信息可用于识别结冰的道路，或者在智能农业中，检查农作物是否需要浇水。
Muenster 还认为 FMCW 可以在精度方面超越飞行时间。他用飞行时间描述了他所谓的“对准问题”，即使是一个短暂的 3 纳秒脉冲的开始和结束也会散布在几英尺范围内，从而造成物体位置的不确定性。Muenster 说 Eyeonic 视觉传感器可以在 30m 的范围内达到毫米级的精度，而通常情况下，飞行时间可以提供厘米级的精度。
FMCW 的另一个优点是返回信号在与本地振荡器混合时会被放大，因此可以将昂贵的雪崩光电探测器换成灵敏度较低的 PIN 二极管。
虽然他还讨论了 FMCW 的高范围、低噪声潜力，但 Stern 认为即使 FMCW 激光雷达在性能方面无法超越飞行时间，硅基光电子的低成本和可扩展性使其成为卓越的技术。他将其比作真空管与晶体管；真空管比晶体管快，但它们仅用于非常专业的应用，因为它们既昂贵又笨重。Stern 认为 FMCW 将取代飞行时间，因为它支持硅光激光雷达，并表示 FMCW 足够有效，再加上它的低成本，“它将是无与伦比的”。
商业化挑战
英特尔也在关注硅基光电子激光雷达，希望在 2025 年之前让自动驾驶汽车上路。但并非每个人都认为是时候改变了。Yolé 估计，在大约 80 家运营的激光雷达公司中，约有 80% 仍在使用基于飞行时间原理的激光雷达。
FMCW 面临的一个挑战是它需要非常稳定的激光器。在飞行时间中，增加激光功率会增加感应距离，但由于 FMCW 使用光子的相位和频率来测量距离，因此激光的相干长度设定了最大感应距离。可以使用选择单一激光模式的光栅来实现单频操作，尽管与脉冲操作相比，这增加了激光雷达的复杂性和成本。平衡光电探测器混合本地和返回信号并提取相位和频率，还需要额外的硬件。虽然峰值功率可能低于飞行时间原理，但激光器仍然需要几百毫瓦的平均功率来克服硅波导中的损耗。
FMCW 芯片上的激光器发出的光通常具有与飞行时间不同的波长。905nm 的光通常用于飞行时间，因为激光器广泛且具有成本效益，但它们与硅波导不兼容。相反，FMCW 通常使用 1550nm，它有自己的优点和缺点。1550nm 的一个优势是它在比 905nm 更高的功率水平下对眼睛是安全的，这可以使 FMCW 适用于更远距离的应用。另一方面，当 905nm 的光被水反射时，1550nm 的光被吸收。这意味着 FMCW 激光雷达的功率必须在雨天或雾天中增加，尽管 Muenster 认为这比在光线到达附近物体之前散射更可取。
物流是芯片级激光雷达应用的一个领域
虽然硅芯片比离散的 FMCW 组件便宜，但光子在小尺度上的操作比电子更棘手。Stern 将设计光子芯片比作建造火箭，其中每个组件的形状都必须经过精心设计，以实现空气动力学和散热。在描述将硅光从实验室带到代工厂的挑战时，他说：“纸上的任何人都可以设计硅光激光雷达系统。他们可以运行 50 个晶圆，与三个研究生一起测试它们，然后找到一个可以工作的芯片。显然，这不适用于商业实体。
当CMOS代工厂生产大量芯片时，它们的性能总是会略有不同；这些效应对于电子电路来说是能被充分理解的，但对于光子学却不是。Stern说，每次 Voyant 将光子电路送去制造时，他们总能观察到代工厂以前从未见过的光子效应。
固态激光雷达
一家目前坚持利用飞行时间原理的公司是总部位于西雅图的Lumotive，该公司成立于 2018 年，投资者中包括比尔盖茨。Lumotive 的重点是固态激光雷达，这意味着它的系统可以在没有移动部件的情况下控制激光束。Lumotive 的创始人 Gleb Akselrod 表示，该公司是“各式各样激光雷达的喜好粉丝”。然而，其在 CES 上推出的 M30 系统是飞行时间系统，Akselrod 认为该公司的产品比硅基光电子方法具有优势。
Lumotive 通过完全取消波导解决了硅波导损耗的问题。该公司已获得镜面超表面专利；液晶像素和纳米天线的平面阵列，可以在不移动激光的情况下调整反射角。
Akselrod 指出，FMCW 激光雷达通常使用额外的硬件进行光束控制，这意味着它们还不是单芯片解决方案。光学相控阵 (OPA) 是一种很有前途的基于硅光的光束控制方法，但减少能量损失、在 2D 中控制光束并增加检测范围是在实验室外实施它们的实际挑战。
Lumotive 的技术与 FMCW 兼容，并且有 FMCW 的合作伙伴，但 Akselrod 表示：“坦率地说，基于飞行时间原理的激光雷达在汽车以外有更多的应用。”
但他也认为这两种技术是互补的。他认为高精度，远距离，但高成本和复杂性FMCW使其适合单个激光雷达与低成本、高视场、中距离、飞行时间的激光雷达一起工作。
FMCW 展望
Pierrick Boulay 是 Yolé 的分析师，虽然他预见到 FMCW 最终有可能取代飞行时间，但他认为车用的 FMCW 技术不会在 2025 年之前上架。Boulay 表示，漫长的开发周期使 利用FMCW 的公司在短期内会远离车用激光雷达市场。SiLC 与 OEM 和一级供应商以及工业应用建立了合作伙伴关系，但 Voyant 专注于工业。Stern认为这是一个机会，他说：“现在，我们的目标市场是工业安全、工业机器人、物流等领域——目前这些领域，由于成本因素都还不使用激光雷达。”
我们大多数人第一次把手从方向盘上移开时，可能不会是因为 FMCW 激光雷达在主导发挥作用，但硅基光电子技术将持续进步，它可能会使激光雷达出现在意想不到的地方。
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