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編者按：本文轉自松禾資本，作者白興 ，策劃鄭先敏、周世坤，轉載請聯繫原作者。
激光雷達行業一直是近些年投資的熱門領域，在眾多的路徑中間，有一個類別一直伴隨著爭議在發展，就是OPA（Optical Phased Array, 光學相控陣）雷達。
我們通過與眾多激光雷達及上下游合作方、學術機構溝通和交流，希望可以把我們對於該領域的瞭解進行一定的總結。
松禾可可松基金團隊出品
撰稿人：白興 策劃：鄭先敏、周世坤
核心觀點：
?激光雷達市場目前處在市場爆發前期的孕育階段，還沒有確定的市場格局，適合具有技術領先性的初創公司成長。
?OPA激光雷達在成本、集成性、可靠性方面具有突出優勢，會是該領域極具競爭力的技術方案。
?OPA激光雷達將原本的產業鏈打破而轉為硅光芯片設計/加工的模式，具有很高的技術門檻，有硅光領域設計和工藝經驗的團隊應是關注的重點。
?OPA激光雷達目前距離商用還比較遠，技術成熟度低，開發仍存在一定不確定性，存在研發或量產不達預期風險。
一、激光雷達行業與為什麼是OPA激光雷達
整個激光雷達的市場預測已經在很多研究中提到過了，在此我們不再贅述，值得一提的是從應用方的角度回溯，我們為什麼需要激光雷達。激光雷達作為“測距”的應用，普遍認為是跟隨自動駕駛、智能駕駛趨勢發展的核心零部件，具體分解到高級別輔助駕駛的應用領域，激光雷達主要集中在AP（自動泊車）、AEB（自動剎車輔助）、LKA（車道保持輔助）、PA（部分自動駕駛）、ACC（自適應巡航）等功能上，尤其是在高級別輔助駕駛中，儘管有其他的傳感器可以提供類似的功能，但是在提高安全冗餘的考慮下，激光雷達仍舊是不可替代的。
傳感器在各級別自動駕駛的功能中的應用舉例
激光雷達主要由光束掃描器和探測系統組成，目前我們在市場上看到多樣的技術路徑，也是因為在這兩個維度上選擇了不同的實現方式，從而排列組合出不同的方案。
按照掃描方式來分，分成了機械旋轉式、MEMS（微振鏡）、微距移動、Flash、光學相控陣（OPA）等；
按照探測方式來分，分成了非相干測量（典型代表是脈衝飛行時飛行時間）和相干測量（典型代表FMCW調頻連續波）。
不管是哪種實現方式，激光雷達目前有一系列的問題需要解決：性能、可靠性、可量產性、成本等。各技術路線的優劣勢對比如下：
可見，OPA路徑最明顯的特點是其在可量產性、可靠性、成本方面具備優勢以外，技術的突破難度大，另一方面說，一旦突破了技術環節，該路徑大概率會成為激光雷達的最終方案。相應的，整個激光雷達的產業鏈也將從目前的製造型轉向為半導體型的結構：
芯片型激光雷達的產業鏈結構：
二、OPA激光雷達的技術可行性分析
OPA激光雷達儘管從價值分析中看上去很美，但是為什麼多年來始終沒有突破呢？以下我們做一些技術層面的探討：
OPA光學相控陣的結構原理
激光器功率均分到多路相位調製器陣列，光場通過光學天線發射，在空間遠場相干疊加形成一個具有較強能量的光束。經過特定相位調製後的光場在發射天線端產生波前的傾斜，從而在遠場反映成光束的偏轉，通過施加不同相位，可以獲得不同角度的光束形成掃描的效果，無需機械掃描。簡單來說，相控陣利用到的是波的干涉效應，多個波相互疊加時，有的方向增強，有的方向抵消，通過控制天線的相位差，就可以控制主光束的角度。
OPA光學相控陣的原理示意圖
液晶（LC）相控陣
通過外加電壓改變液晶的取向，實現不同陣元的相位調節，可以獲得遠場光束的偏轉效果。液晶的光學相控陣有驅動電壓較小、易於大面積陣列集成的優點，目前較大規模商用的空間光調製器（spatial light modulator，SLM）得到了產業界的檢驗，但是液晶光學相控陣的最大掃描角度大約±10°，掃描速度在毫秒量級，目前的性能指標遠遠不能達到高速（百kHz量級以上）、大角度掃描（40度以上）的需求。這在很大程度上是因為液晶材料本身的物理特性造成的，液晶是大分子材料，可以通過大分子的極化來改變相位，但是問題就是速度比較慢。參考我們看到的液晶顯示器，專業的遊戲顯示屏最高的刷新率不過200 FPS級別（即每秒掃描的像素數），如果要達到微秒級的掃描速度，需要液晶的刷新率達到十萬級的FPS，這從材料物理特性上是很難實現的。
液晶相控陣的工作原理
反射型相控陣（空間光）
光束照射在覆有特殊材料的相控陣陣列上，通過驅動陣列相位的變化，進行反射控制遠場光斑位置變化。典型的使用團隊為Lumotive，使用的覆蓋材料為液晶，國內也有團隊採用其他材料，例如三五族的砷化鎵等。空間光方案的優勢在於光的能量轉化效率較高，可以達到60%以上，但是挑戰有以下兩方面：
1）反射光的相位移動是通過改變折射率來實現的，但是使用液晶材料，就會遇到與SLM一樣的響應速度的問題，如果使用三五族材料（本身的折射率低），為了達到2π的相位變化就會使覆蓋材料變得非常厚（1到2毫米級別），這在wafer上很難實現，存在加工工藝上的巨大難度。
2）另外在一個較長的穿越距離裡，因為沒有光波導的設計，保證光不發散也是很大的挑戰。
空間光方案的示意圖 圖片來源:力策科技
集成光波導型相控陣
集成光波導是片上激光直接打在陣列芯片光柵上，激光的相位是在波導傳輸時進行調製。集成光波導採用硅基半導體實現，具有CMOS工藝兼容、集成度高、價格便宜等優點，同時硅材料具有較高的熱光係數，可以設計基於熱光效應的相位調製器。
集成光波導樣片的展示
資料來源：《Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays》on Optics Letters (Doc. ID 300540)
基於熱光效應的相位調製器原理較為簡單，在波導過程中對每根光波導進行加熱，從而通過硅的熱光效應產生相位差。此方法原理雖然簡單，且響應時間基本達到微秒級（MIT發表在自然雜誌上的世界上首款OPA就是基於此方案，響應時間為2.3us），但是存在功耗的問題，目前看每個波導需要10mw左右的功耗，考慮到1000個天線以上的陣列設計，整個OPA需要10w左右的功耗，繼而產生髮熱問題，同時硅材料在-20度和40度的區間範圍內會存在體積的膨脹，溫度補償也會存在一定困難。
此外，集成光波導方案的挑戰還有光損耗比較大，由於硅材料本身的電光效應，光打在光柵上會出現偏離，耦合的損耗較大，光進入波導時會損失50%的能量效率，出光時又會損失20%左右，整體20%-25%的光使用率是比較低的。
光學相控陣的主要挑戰
不管是採用那種方案設計的相控陣，其主要的挑戰可以總結為以下幾點：
1）旁瓣（sidelobe）：光束經過光學相控陣器件後的光束合成實際是光波的相互干涉形成的，干涉效果易形成旁瓣，使得激光能量被分散。
旁瓣的示意圖
2）視場角：視場角的影響因素比較多。首先，當出現明顯的旁瓣時，為了區分主瓣，就只能將分散的旁瓣擋住，繼而導致視場角縮小。另外，在設計上，視場角與天線陣列的密度呈反比關係。而選擇合理的襯底材料（繼而選擇了折射率），決定了在天線間不存在串擾的情況下可以排列的最小密度。
3）功耗：從整個雷達系統來看，影響功耗的部分既包括掃描方式也包括檢測方案，只是考慮OPA設計中的影響時，我們可以直觀的從視場角過小推測，當視場角過小時，為了擴大掃描區間，就需要使用多個OPA陣列，導致整個雷達的功耗增加。另外，採用熱光效應的調製器、光損耗過高等本身也會影響整體的功耗。
4）掃描速度：目前認為激光雷達的掃描速度要達到微秒級，而通過我們上文的分析，目前只有採用集成光波導的OPA可以達到這個級別的掃描速度。
5）光損耗：光的損耗需要被考慮在雷達系統整體功耗可以接受的範圍內。
6）集成性：當採用非硅基的OPA設計時，掃描與探測器材料的集成是重要的考慮，如果採用APD/SPAD等非硅基的三五族材料的探測器，是無法滿足標準半導體的加工工藝的。
檢測方案
目前市場上常用的檢測方案主要有兩類，一類採用非相干測距法（例如ToF，計算脈衝飛行時間），一類採用相干測距法（調製連續波）。檢測系統由硬件（探測器）和軟件（算法）組成。
非相干測距法（ToF）
飛行時間法3D成像，是通過給目標連續發送光脈衝，然後用探測器接收從物體返回的光，通過探測光脈衝的飛行（往返）時間來得到目標物距離。ToF一般選用的探測器為單光子探測器（APD）或者雪崩光電二極管（SPAD）等對光信號感測靈敏的傳感器。ToF的優勢在於系統集成的難度較小，依賴於傳感器的精度接收信號。主要的問題包括：
1）ToF的峰值功率要幾百瓦甚至上千瓦，是不適宜做芯片級的設計的。
2）探測器需要使用SPAD、APD等靈敏的傳感器，但是這類傳感器通常是在非硅基的材料上製作的，導致探測器無法與OPA集成。
3）光源選擇上，採用1550nm波長的激光光源成本非常高，但是採用905nm波長的激光光源又無法在硅基完成波導，因為硅對905nm波長的光會完全吸收。
相干測距法（調頻連續波FMCW）
FMCW測速的原理是在掃頻週期內發射頻率變化的連續波，被物體反射後的回波與發射信號有一定的頻率差，通過測量頻率差可以獲得目標與雷達系統之間的距離與速度信息。FMCW測速的優勢在於敏感度相對於ToF要高很多，功率要求小，可同時探測物體的速度與距離信息，同時探測器可以採用常見的PIN管光電探測器（PD）等，主要的難點是在於系統集成和信號處理算法方面的要求會比較高。FMCW也是近兩年激光雷達創業公司的主要方向。
OPA激光雷達的成本
參考硅光開發的一般經驗，芯片晶元加工的一般成本在1美分/平方毫米，如果光芯片的大小設計為600平方毫米時，光學芯片的成本約為6美元，加上其他驅動電路和光學模組部分的設計，整個原材料成本預計可以控制在40美元以內。
三、OPA激光雷達的行業公司
OPA激光雷達首次大規模進入視野是從Quanergy開始的，這家2012年創立於硅谷的初創公司估值高達20億美元。此外，OPA技術的發明人，前MIT的教授Machael Watt也創立了Analog Photonics公司，開發基於集成光波導的OPA激光雷達產品，且相關的成果進行了部分展示。另外國內外還有數家團隊在進行OPA激光雷達的開發。各家公司在具體的技術路徑、產品進度、上下游合作伙伴、估值等方面各有不同，在此先不做展開了。
四、總結
通過我們的分析，可以看出，儘管OPA激光雷達具有在成本、量產性、可靠性、可集成性方面的巨大潛力，但是要真正走向市場還需要克服重重技術方面的困難，期待可以看到該領域的創業者持續優化技術方案，讓激光雷達真正實現芯片化，在千億級的市場中找到自己的位置。
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