光子技术可以降低激光雷达的成本

光子技术作为长途通信的得力技术，如今正扮演着截然不同的角色。

利用光在更短距离内传输数据正变得越来越普遍，这既是因为需要传输的数据量大幅增加，也因为光子比电子更快、更凉爽（指发热少）。

使用光纤进行关键任务通信已经非常成熟。几十年来，它一直是长途通信的首选物理层（PHY），因为它不会遭受铜线的衰减损失。此外，光纤还已成为服务器和存储之间数据往返传输的主要方式，因为它几乎不受中断影响、速度极快，且比铜线消耗的能量更少。如今，所有主要代工厂都在生产光子集成电路（PICs），而这些设备正在成为降低激光雷达成本的重要途径。

PICs执行将光连接在一起的处理工作，从光谱分割到光电转换。它们能够在低信号损失的情况下实现更高的带宽，并提供更凉爽的工作环境。设计师根据预期应用选择PICs的波长，这可以通过从包括Si/SiO2、氮化硅和磷化铟在内的多种材料中进行选择来实现。

Cadence公司杰出工程师Gilles Lamant表示：“由于数据中心推动了代工厂的发展，光子芯片正变得越来越便宜且更易获得。如果大型代工厂开始拥有专门用于光子技术的生产线，它们将希望保持这些生产线的满负荷运行，这将推动光子芯片的价格下降，并极大地帮助其他市场。”

▲图1：使用光子集成电路的领域。来源：Synopsys

新的光子应用包括从量子计算机的编码和网络到工厂检查、医疗设备和高级驾驶辅助系统（ADAS）中的传感设备等各种应用。

Synopsys光子解决方案执行总监Twan Korthorst表示：“大多数人知道这些光子集成电路被用于数据中心中的收发器，在那里你将电信号、高速信号转换为光信号。一旦你进入光域，你就可以几乎免费地传输非常长的距离。这是每个人都感到兴奋的地方——特别是现在随着人工智能的兴起，因为每个人都在投资更大的数据中心，连接更多的计算能力和内存来训练和推断AI模型。为此，人们正在加速使用集成光子芯片的光学收发器的活动。这是起点，但如果你能制造一个允许光传输、处理和操纵的芯片，你也可以在光学收发器以外的其他地方使用它。”

使用光子技术降低激光雷达成本

光子技术的一个常见用例是激光雷达（Light Detection and Ranging），它是大多数先进ADAS传感技术的基础，但它在工厂地面管理、无人机探测用于反情报和海底测绘（又称测深学）等方面也有应用。激光雷达对于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的数据收集和研究装配线上的重复性运动同样至关重要。

雷达和激光雷达都利用电磁波从表面反射的能力来检测和详细描述物体和拓扑特征。虽然实现这些系统的物理学很复杂，但原理很容易理解。

Synopsys网站称：“激光雷达本质上是一种测距装置，用于测量到目标的距离。通过发送短激光脉冲并记录发射光脉冲与检测反射（后向散射）光脉冲之间的时间差来测量距离。”

结果是一个看起来像地形风格3D图像的点云，光的波长和每秒激光脉冲的数量决定了细节的精细度。激光雷达使用的波长在194THz到750THz之间，也称为近红外（NIR，800nm至1550nm）、可见光（400nm至700nm）和中红外（Mid-IR，高于2000nm）。波长的选择取决于应用、所需范围、分辨率和环境条件。由于长波长散射较少，传统观点认为1550nm更适合穿透雾。然而，一项研究表明，在雾中发射相同功率的情况下，“905nm和1550nm的消光系数之间的差异小于10%”。

然而，有人可能会争辩说，从制动启动的角度来看，即使这种微小的区别也是至关重要的。西门子EDA产品营销经理Tom Daspit表示：“我们在湾区看到了很多使用光子的激光雷达实现方式。一种是汽车顶部的旋转盘。它是一个旋转的激光器，并且有一个随其旋转的接收器。还有一些激光雷达设备正在开发中，将被嵌入到后视镜、前照灯或汽车的其他位置。特斯拉不使用激光雷达，但它使用光学技术。它查看图片并尝试处理它们。其他一些自动驾驶汽车将使用激光雷达。这取决于它们打算如何实现自己的目标。为了将其安装在汽车中，必须提高可靠性并大幅降低成本。”

高昂的成本抑制了人们对激光雷达的热情。Cadence的Lamant表示：“激光雷达最大的争议在于价格点。要将其安装在汽车上，它必须比现在更便宜。目前，它太贵了。大多数激光雷达公司都在取得良好进展，但它们仍然面临价格点的问题。”

其他人也持相同观点。埃隆·马斯克（Elon Musk）拒绝在特斯拉汽车上使用激光雷达（Lidar），声称它太贵了。相反，特斯拉利用的是二维计算机视觉。激光雷达供应商则反驳说，二维成像无法全面捕捉世界，无法在道路上实现完全安全。“由于太阳的反射或迎面驶来的车辆的前照灯，相机可能会错过某个物体，但激光雷达会消除这种反射，并能探测到道路中间的人，”赛灵思（Xilinx）当时的软件与人工智能产品企业副总裁苏迪普·纳格（Sudip Nag）写道。（纳格现在是AMD人工智能集团的企业副总裁。）

尽管如此，相机也不应被排除在外。去年，英伟达（NVIDIA）的研究人员发表了一篇论文，展示了基于相机的系统如何处理三维感知。

目前，激光雷达的主要硬件是紧凑型固态技术和更庞大的机械技术的结合。

据Yole Research称，MEMS技术正在挑战这一组合，其中速腾聚创（RoboSense）是领头羊。MEMS技术可以制造更小的设备，这些设备最终将取代车辆上的大型旋转盘，并有助于降低成本。这一演变类似于后院卫星天线被桌面天线所取代。不过，仍有人担心MEMS对于道路检测来说太小了。德国Blickfeld等MEMS激光雷达供应商则认为，通过扩大MEMS并进行精细的空间滤波，这个问题可以轻易解决。

尽管存在担忧，但一些人仍预计激光雷达将成为未来的技术。Yole预测，到2029年，全球汽车激光雷达市场将以38%的复合年增长率从2023年的5.38亿美元增长到36亿美元。目前，激光雷达市场主要由中国的速腾聚创和禾赛科技等公司主导，预计全球增长将继续由中国原始设备制造商推动，他们将在今年和明年推出128款配备激光雷达的车型。

根据《自然·通讯》最近的一篇论文，目前激光雷达的成本范围估计在500美元至1000美元之间。“这种下降趋势预计将持续下去，未来几年内可能降至100美元左右，”作者表示。“目前，全球激光雷达的渗透率在所有售出的乘用车中仅占0.5%。我们预计，随着激光雷达的售价接近100美元，这一数字将激增超过10%。”

降低制造成本的一个答案是硅光子技术，因为这种芯片可以用CMOS工艺制造。“激光雷达是迄今为止数据中心所做一切的自然演变，”新思科技（Synopsys）的科霍斯特（Korthorst）表示。“如果你在谷歌上搜索固态激光雷达或硅光子激光雷达，你会找到大量的研究、初创公司、成功和失败。在硅光子领域有很多活动。你现在可以构建一个固态激光雷达，其制造方式与光收发器和设计工具相同。但另一方面，你也需要考虑到，因为你看不到它，所以你需要适当的眼睛保护。”

行业对眼睛安全问题的回答是，激光雷达产品遵循1类眼睛安全（IEC 60825-1:2014）标准，通过降低激光功率与波长（通常为1550纳米）之间的平衡来进一步确保安全，以保持眼睛安全的参数范围内。然而，Blickfeld表示，尽管不太可能，但在某些不寻常的情况下，功率可能会放大。

目前，光子/光子技术仍然扮演着较小的角色，但它有望增长。“根据Yole的说法，包括调频连续波雷达（FMCW）在内的光学技术应在2028年之前谨慎使用，且仅在小批量中使用。‘这项技术仍在兴起，并且必须提供更好的成本效益比，才能超越混合固态技术。’”

事实上，激光雷达的大部分成本来自于数据处理的高计算要求，FMCW供应商正在通过更多集成来降低这一成本，而FPGA供应商也在集成DSP。

FMCW用于激光雷达和雷达。虽然它的第一项专利是在1928年颁发的，但最近它作为可能解决激光雷达成本问题的技术正在被开发。该行业的经典技术是飞行时间（ToF）。

“飞行时间基本上就像回声定位，”FMCW激光雷达初创公司SiLC的首席执行官梅赫迪·阿斯卡里（Mehdi Asghari）表示。“你发送光脉冲，观察反射回来的时间有多长。根据这个延迟，你可以确定物体离你有多远。市场上95%的产品都使用飞行时间技术。雷达行业最初也是使用飞行时间技术，现在已经完全转向了FMCW。激光雷达和雷达之间的主要区别在于电磁波的频率。这反过来又迫使两者在技术应用上发生了许多变化。”

尽管飞行时间技术非常普遍，但阿斯卡里表示，无论是雷达还是激光雷达，它都存在与精度相关的性能漏洞。“例如，当你有一个脉冲系统，测量反射回来的光时，系统无法区分你的脉冲和其他用户发出的每个脉冲。你可能会测量到其他系统的脉冲，误以为是自己的脉冲反射回来。这被称为多用户干扰。飞行时间系统也容易受到背景光（如直射阳光）导致的性能下降的影响。”

FMCW通过发送一个恒定振幅的高度相干光束来解决这个问题，仅随时间线性改变频率。“你接收到的反射光与发送出的光之间存在有效延迟，然后你将它们相干地混合在一起，”他表示。“返回的光束是你之前发出的，可能只是几微秒前，因此与你当前产生的频率不同。当你在相干混频器中合并这两个光束时，你会得到一个与发射光束和返回光束之间的频率差成正比的拍频信号。当你在相干接收器中检测到这一点时，你会测量拍频信号，因为时间/频率与距离成正比，所以你可以通过测量光的频率来获得深度信息。”

换句话说，FMCW测量的是光的频率变化，而不是飞行时间技术测量的光脉冲的时间延迟。能够测量光频率的微小变化，还可以让你直接测量物体的速度或运动。

“当你向移动物体发送光时，反射回来的光会压缩频率。如果物体远离你，反射回来的光会扩展频率。如果你能测量到光频率的这种多普勒频移，你就可以同时直接测量距离和速度，”阿斯卡里表示。

使用飞行时间（ToF）系统获取这些信息更为困难。“你必须进行连续测量，然后根据物体距离的变化，判断它们是在向你靠近还是远离，以及距离变化了多少，然后判断是否存在速度，”阿什加里（Asghari）说。“如果你没有准确测量一个点，或者你有缺失的点或其他不准确之处，那么你的速度测量就会出现问题。”

而这正是飞行时间系统可能变得昂贵的地方。为了弥补这一点，它们将这些系统的刷新率推向了非常高的水平，以便它们可以非常快速地进行测量，然后取平均值以获得准确的速度测量。但问题是这会产生大量数据，然后需要对其进行处理。使用调频连续波（FMCW）技术可以解决这个问题，它产生的数据较少但非常准确，从而减少了计算量。

这种即时、直接的速度测量的一个关键好处是，它能够实现快速且可预测的系统反应。例如，它可以让系统检测到道路上追逐球的孩子。即使只是提前几毫秒的警告或更快的反应，也可能意味着生死之别。

▲图2：ToF与FMCW 来源：SiLC

结论

展望未来，Cadence的拉曼特（Lamant）认为，积极的变化即将到来，因为数据通信正在迫使代工厂提高产量，这将降低芯片的价格点。“由于价格大幅降低，这将带来机遇，因为目前并非所有人都能支付服务器的价格。这将推动应用的爆发式增长。”

然而，仍有一些经常被忽视的挑战。“电子设计自动化（EDA）可以在解决这些挑战方面发挥作用，”拉曼特说。“光子/光子技术本身没有目的。你不能只做光子/光子技术。你需要围绕它构建电子系统，这是最大的挑战之一。我所看到的失败的初创公司中，大多数都是因为集成问题而失败，而不是因为他们没有好的光子器件。他们失败是因为他们无法构建系统并实现大规模生产。这并不是说我们在光子/光子技术方面缺乏想法。而是说这些聪明人在一个领域很聪明，但他们忘记了他们还需要另一个领域的知识。我有一个晴雨表。当我看到一家初创公司的首席执行官、首席技术官和大多数其他人员都是光子工程师时，我强烈怀疑他们不会成功。每个人都需要记住，无论组件是数据通信的一部分，还是传感器，该组件都需要与整个系统通信。这就是EDA可以发挥作用的地方。我们拥有整个生态系统，而光子/光子技术只是其中的一部分。”

文章参考：https://semiengineering.com/photonics-could-reduce-the-cost-of-lidar/