千亿级的激光雷达市场投资机会在哪里

激光雷达行业一直是近些年投资的热门领域，在众多的路径中心，有一个种别一直伴随着争议在生长，就是OPA（Optical Phased Array, 光学相控阵）雷达。

我们通过与众多激光雷达及上下游互助方、学术机构相同和交流，希望可以把我们对于该领域的领会举行一定的总结。

焦点看法：

激光雷达市场现在处在市场发作前期的孕育阶段，还没有确定的市场款式，适合具有手艺领先性的初创公司发展。

OPA激光雷达在成本、集成性、可靠性方面具有突出优势，会是该领域极具竞争力的手艺方案。

OPA激光雷达将原本的产业链打破而转为硅光芯片设计/加工的模式，具有很高的手艺门槛，有硅光领域设计和工艺履历的团队应是关注的重点。

OPA激光雷达现在距离商用还比较远，手艺成熟度低，开发仍存在一定不确定性，存在研发或量产不达预期风险。

一、激光雷达行业与为什么是OPA激光雷达

整个激光雷达的市场预测已经在许多研究中提到过了，在此我们不再赘述，值得一提的是从应用方的角度回溯，我们为什么需要激光雷达。激光雷达作为“测距”的应用，普遍以为是追随自动驾驶、智能驾驶趋势生长的焦点零部件，详细剖析到高级别辅助驾驶的应用领域，激光雷达主要集中在AP（自动泊车）、AEB（自动刹车辅助）、LKA（车道保持辅助）、PA（部门自动驾驶）、ACC（自适应巡航）等功效上，尤其是在高级别辅助驾驶中，只管有其他的传感器可以提供类似的功效，然则在提高平安冗余的思量下，激光雷达仍旧是不能替换的。

传感器在各级别自动驾驶的功效中的应用举例

资料泉源：北汽产投研究部

激光雷达主要由光束扫描器和探测系统组成，现在我们在市场上看到多样的手艺路径，也是由于在这两个维度上选择了差别的实现方式，从而排列组合出差别的方案。

根据扫描方式来分，分成了机械旋转式、MEMS（微振镜）、微距移动、Flash、光学相控阵（OPA）等；

根据探测方式来分，分成了非相关丈量（典型代表是脉冲航行时航行时间）和相关丈量（典型代表FMCW调频延续波）。

不管是哪种实现方式，激光雷达现在有一系列的问题需要解决：性能、可靠性、可量产性、成本等。各手艺门路的优劣势对比如下：

可见，OPA路径最显著的特点是其在可量产性、可靠性、成本方面具备优势以外，手艺的突破难度大，另一方面说，一旦突破了手艺环节，该路径大概率会成为激光雷达的最终方案。响应的，整个激光雷达的产业链也将从现在的制造型转向为半导体型的结构：

芯片型激光雷达的产业链结构：

二、OPA激光雷达的手艺可行性剖析

OPA激光雷达只管从价值剖析中看上去很美，然则为什么多年来始终没有突破呢？以下我们做一些手艺层面的探讨：

OPA光学相控阵的结构原理

激光器功率均分到多路相位调制器阵列，光场通过光学天线发射，在空间远场相关叠加形成一个具有较强能量的光束。经由特定相位调制后的光场在发射天线端发生波前的倾斜，从而在远场反映成光束的偏转，通过施加差别相位，可以获得差别角度的光束形成扫描的效果，无需机械扫描。简朴来说，相控阵利用到的是波的过问效应，多个波相互叠加时，有的偏向增强，有的偏向抵消，通过控制天线的相位差，就可以控制主光束的角度。

OPA光学相控阵的原理示意图

液晶（LC）相控阵

通过外加电压改变液晶的取向，实现差别阵元的相位调治，可以获得远场光束的偏转效果。液晶的光学相控阵有驱动电压较小、易于大面积阵列集成的优点，现在较大规模商用的空间光调制器（spatial light modulator，SLM）获得了产业界的磨练，然则液晶光学相控阵的最大扫描角度约莫±10°，扫描速率在毫秒量级，现在的性能指标远远不能到达高速（百kHz量级以上）、大角度扫描（40度以上）的需求。这在很大程度上是由于液晶质料自己的物理特征造成的，液晶是大分子质料，可以通过大分子的极化来改变相位，然则问题就是速率比较慢。参考我们看到的液晶显示器，专业的游戏显示屏最高的刷新率不外200 FPS级别（即每秒扫描的像素数），若是要到达微秒级的扫描速率，需要液晶的刷新率到达十万级的FPS，这从质料物理特征上是很难实现的。

液晶相控阵的事情原理

反射型相控阵（空间光）

光束照射在覆有特殊质料的相控阵阵列上，通过驱动阵列相位的转变，举行反射控制远场光斑位置转变。典型的使用团队为Lumotive，使用的笼罩质料为液晶，海内也有团队接纳其他质料，例如三五族的砷化镓等。空间光方案的优势在于光的能量转化效率较高，可以到达60%以上，然则挑战有以下两方面：

1）反射光的相位移动是通过改变折射率来实现的，然则使用液晶质料，就会遇到与SLM一样的响应速率的问题，若是使用三五族质料（自己的折射率低），为了到达2π的相位转变就会使笼罩质料变得异常厚（1到2毫米级别），这在wafer上很难实现，存在加工工艺上的伟大难度。

2）另外在一个较长的穿越距离里，由于没有光波导的设计，保证光不发散也是很大的挑战。

集成光波导型相控阵

集成光波导是片上激光直接打在阵列芯片光栅上，激光的相位是在波导传输时举行调制。集成光波导接纳硅基半导体实现，具有CMOS工艺兼容、集成度高、价格便宜等优点，同时硅质料具有较高的热光系数，可以设计基于热光效应的相位调制器。

集成光波导样片的展示

资料泉源：《Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays》on Optics Letters (Doc. ID 300540)

基于热光效应的相位调制器原理较为简朴，在波导过程中对每根光波导举行加热，从而通过硅的热光效应发生相位差。此方式原理虽然简朴，且响应时间基本到达微秒级（MIT揭晓在自然杂志上的天下上首款OPA就是基于此方案，响应时间为2.3us），然则存在功耗的问题，现在看每个波导需要10mw左右的功耗，思量到1000个天线以上的阵列设计，整个OPA需要10w左右的功耗，继而发生发烧问题，同时硅质料在-20度和40度的区间范围内会存在体积的膨胀，温度抵偿也会存在一定难题。

此外，集成光波导方案的挑战另有光消耗比较大，由于硅质料自己的电光效应，光打在光栅上会泛起偏离，耦合的消耗较大，光进入波导时会损失50%的能量效率，出光时又会损失20%左右，整体20%-25%的光使用率是比较低的。

光学相控阵的主要挑战

不管是接纳那种方案设计的相控阵，其主要的挑战可以总结为以下几点：

1）旁瓣（sidelobe）：光束经由光学相控阵器件后的光束合成现实是光波的相互过问形成的，过问效果易形成旁瓣，使得激光能量被涣散。

旁瓣的示意图

2）视场角：视场角的影响因素比较多。首先，当泛起显著的旁瓣时，为了区分主瓣，就只能将涣散的旁瓣盖住，继而导致视场角缩小。另外，在设计上，视场角与天线阵列的密度呈反比关系。而选择合理的衬底质料（继而选择了折射率），决议了在天线间不存在串扰的情况下可以排列的最小密度。

3）功耗：从整个雷达系统来看，影响功耗的部门既包罗扫描方式也包罗检测方案，只是思量OPA设计中的影响时，我们可以直观的从视场角过小推测，当视场角过小时，为了扩大扫描区间，就需要使用多个OPA阵列，导致整个雷达的功耗增添。另外，接纳热光效应的调制器、光消耗过高等自己也会影响整体的功耗。

4）扫描速率：现在以为激光雷达的扫描速率要到达微秒级，而通过我们上文的剖析，现在只有接纳集成光波导的OPA可以到达这个级别的扫描速率。

5）光消耗：光的消耗需要被思量在雷达系统整体功耗可以接受的范围内。

6）集成性：当接纳非硅基的OPA设计时，扫描与探测器质料的集成是主要的思量，若是接纳APD/SPAD等非硅基的三五族质料的探测器，是无法知足尺度半导体的加工工艺的。

检测方案

现在市场上常用的检测方案主要有两类，一类接纳非相关测距法（例如ToF，盘算脉冲航行时间），一类接纳相关测距法（调制延续波）。检测系统由硬件（探测器）和软件（算法）组成。

非相关测距法（ToF）

航行时间法3D成像，是通过给目的延续发送光脉冲，然后用探测器吸收从物体返回的光，通过探测光脉冲的航行（往返）时间来获得目的物距离。ToF一样平常选用的探测器为单光子探测器（APD）或者雪崩光电二极管（SPAD）等对光信号感测敏捷的传感器。ToF的优势在于系统集成的难度较小，依赖于传感器的精度吸收信号。主要的问题包罗：

1）ToF的峰值功率要几百瓦甚至上千瓦，是不适宜做芯片级的设计的。

2）探测器需要使用SPAD、APD等敏捷的传感器，然则这类传感器通常是在非硅基的质料上制作的，导致探测器无法与OPA集成。

3）光源选择上，接纳1550nm波长的激光光源成本异常高，然则接纳905nm波长的激光光源又无法在硅基完成波导，由于硅对905nm波长的光会完全吸收。

相关测距法（调频延续波FMCW）

FMCW测速的原理是在扫频周期内发射频率转变的延续波，被物体反射后的回波与发射信号有一定的频率差，通过丈量频率差可以获得目的与雷达系统之间的距离与速率信息。FMCW测速的优势在于敏感度相对于ToF要高许多，功率要求小，可同时探测物体的速率与距离信息，同时探测器可以接纳常见的PIN管光电探测器（PD）等，主要的难点是在于系统集成和信号处置算法方面的要求会比较高。FMCW也是近两年激光雷达创业公司的主要偏向。

OPA激光雷达的成本

参考硅光开发的一样平常履历，芯片晶元加工的一样平常成本在1美分/平方毫米，若是光芯片的巨细设计为600平方毫米时，光学芯片的成本约为6美元，加上其他驱动电路和光学模组部门的设计，整个原质料成本预计可以控制在40美元以内。

三、OPA激光雷达的行业公司

OPA激光雷达首次大规模进入视野是从Quanergy最先的，这家2012年创立于硅谷的初创公司估值高达20亿美元。此外，OPA手艺的发明人，前MIT的教授Machael Watt也创立了Analog Photonics公司，开发基于集成光波导的OPA激光雷达产物，且相关的功效举行了部门展示。另外海内外另有数家团队在举行OPA激光雷达的开发。各家公司在详细的手艺路径、产物进度、上下游互助伙伴、估值等方面各有差别，在此先不做展开了。

四、总结

通过我们的剖析，可以看出，只管OPA激光雷达具有在成本、量产性、可靠性、可集成性方面的伟大潜力，然则要真正走向市场还需要战胜重重手艺方面的难题，期待可以看到该领域的创业者连续优化手艺方案，让激光雷达真正实现芯片化，在千亿级的市场中找到自己的位置。

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