中金|激光雷达快速发展，半导体激光器酝酿新机半导体

中金 | 激光雷达快速发展，半导体激光器酝酿新机

半导体激光器定义

激光器一般根据增益介质的不同，划分为气体、固体、光纤和半导体激光器。半导体激光器是以特殊的半导体材料（如砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌）作为增益介质的激光器，其工作原理为采用电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式等激励方式，实现半导体物质能带之间的非平衡载流子的粒子数反转，粒子数反转状态下，大量电子和空穴复合便产生受激发射作用。

► 固体激光器一般以刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙以及铝酸钇、铍酸镧等作为增益介质，如常用的红宝石激光器。

► 光纤激光器一般以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光电转换效率比气体激光器低一些，但是操作简单、日常维护成本较低，是目前较为主流的激光器。

► 气体激光器一般以二氧化碳或其他气体作为增益介质，优点是光电转换效率比较高，缺点是对操作员有比较高的要求，日常使用及维护成本比较高。

► 半导体激光器一般以特殊的半导体材料（如砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌）作为增益介质，目前大部分场景是以固体或光纤激光器的泵浦源的形式存在。

半导体激光器，根据功率可以划分为高功率半导体激光器（输出功率>1W）和低功率半导体激光器（输出功率≤1W）。

激光雷达工作原理及技术路径

激光雷达的原理，是通过激光装置发送一定波形的激光，经过目标物体的反射或散射后的回波号光被接收器件接收并被转化成电号，通过分析比较回波号相对于原始号的各种变化来获得目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等息。

当前车载激光雷达技术路径尚未收敛，我们认为“固态化”为发展主旋律。激光雷达的扫描方式主要可以分为ToF（Time of Flight，飞行时间）和FMCW（frequency modulated continuous wave，调频连续波）两大类。其中，ToF又可以细分为机械式、半固态式（转镜、MEMS等）、固态式（OPA、Flash等）。不同的扫描方式对应不同的扫描部件

► 机械式技术较为成熟，其特征是具有一个裸露的可以360°旋转的筒状结构。但机械式激光雷达具有成本较高、装配调制困难、扫描频率低、生产周期长、机械零部件寿命不长等缺点，我们认为该方案激光雷达较难应用在规模量产车型中。

► 转镜式（半固态）最早通过车规、并实现上路的方案，我们认为有望阶段性率先起量。转镜方案没有外露的旋转部分，通过一个内置可旋转的镜子能够实现约120°范围的扫描。我们认为转镜方案满足车规要求，达到成本可控、可批量供货的条件，但目前尚未实现大规模上车的原因在于1）线数难做高，视场角和角分辨率受到限制；2）尺寸较大且功耗较高；3）成本下降空间有限。

► MEMS（半固态）通过MEMS（Micro-electro-mechanical-system，微机电系统）技术将镜面、转轴等机械零部件集成化至芯片级别，具有尺寸小、可靠性高、成本可控、分辨率高等优势，我们认为有望在未来几年占据主导地位。但其同样存在噪比低、有效距离短、FOV（Field of view，视场角）窄、寿命短，因此可能仍然只是一种过渡方案。

► 纯固态FLASH、OPA等纯固态设计中没有任何运动部件，在颠簸、震动、高低温等严苛环境中具备寿命优势；且理论体积可进一步缩小、并可以进行较高程度的芯片化，理论成本亦可以达到100美元以下。我们认为，当前纯固态方式仍较多处于实验室或初步测试阶段，距离技术成熟、大规模量产上车仍需要5年左右时间，但或成为激光雷达终局形态。

图表10主要激光雷达方案原理

资料来源Li, You and J. Ibañez-Guzmán. “Lidar for Autonomous DrivingThe Principles, Challenges, and Trends for Automotive Lidar and Perception Systems.” IEEE Signal Processing Magazine 37 (2020)50-61.，中金公司研究部

激光器是激光雷达发射模块的重要组成部分，主要方案有边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和光纤激光器三种，其中EEL和VCSEL均属于半导体激光器。

► 边发射EEL的激光沿平行于衬底表面方向发出，具有较高的发光功率密度（峰值功率120W），但光斑呈椭圆形，发散角较大，且集成度偏低，仅适用于一维阵列。

► 垂直腔面发射VCSEL垂直于衬底发射激光，较易通过平面工艺实现二维发光阵列。和EEL相比，VCSEL拥有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小，与光纤的耦合效率较高。此外，VCSEL可实现机器量产，且在封装前可对芯片进行测试，生产良率可控，极大降低产品成本。但VCSEL由于功率被分摊，发光功率密度低于EEL（峰值为10W），直接影响激光雷达的探测距离。

► 光纤激光器主要应用于1550nm波长的激光雷达中，可实现超过250m的远距离传感，但由于需要外部电源且电子控制装置结构复杂，光纤激光器存在体积较大、成本高企、供应链成熟度欠佳等问题。此外，1550nm光纤激光器需要提高功耗以提升探测距离，带来较复杂的热管理问题，综合成本或进一步上升。因此，1550nm光纤激光器离实现规模量产还有一段距离，其发展较大程度取决于1550nm技术的突破与下游应用端需求的拉动。

为了提高传统单结VCSEL的发光功率，各大激光器以及激光芯片厂商致力于开发多结VCSEL，助力车规级激光雷达性能升级。多结VSCEL利用隧道结隧穿原理串联多个发光结，在性能、稳可靠性、集成度等方面优势突出1）有效提升电光转换效率，降低整体热负荷；2）可实现更高的峰值功率，提升探测距离；3）具有较高的斜率效率，减小脉冲电流，对驱动和电源更加友好，产品可靠性改善；4）提供更高的发光功率密度，简化光学设计和系统架构。全球领先厂商纷纷布局多结VCSEL，海外龙头Lumentum在2021年首发五结和六结VCSEL阵列；欧司朗的940nm多结VCSEL产品功率转换效率可达60%（单结效率为46％）；国内厂商纵慧芯光VCSEL产品已通过AEC-Q、IATF16949认证，我们预计其有望于2022年实现乘用车前装量产。

图表13EEL与VCSEL激光器对比

资料来源欧司朗光电半导体，MEMS咨询，中金公司研究部

当前实现上车的激光雷达主要采用EEL激光器，我们认为，长期来看多结VCSEL阵列有望逐渐取代EEL。EEL凭借较高的技术成熟度已广泛应用于半固态激光雷达，如速腾聚创MEMS激光雷达M1等，未来2-3年将充分受益下游激光雷达装车量产浪潮。随着高功率多结VCSEL技术的日臻成熟，我们认为VCSEL有望依托其性能和成本优势，逐渐渗透车载激光雷达市场。Ouster、Ibeo、Opsys均基于VCSEL推出Flash固态产品，其中Ibeo Next已获得长城汽车的定点，预计将在2022-2023年实现量产。禾赛科技将VCSEL的应用范围从固态拓展至半固态，与VCSEL领先供应商Lumentum合作打造基于VCSEL阵列的半固态激光雷达解决方案，其推出的AT128为业界首个采用VCSEL激光器的长距半固态激光雷达，已拿到理想、高合等车企定点。根据Yole预测，VCSEL在汽车领域（激光雷达和DMS）的市场规模将从2021年的110万美元快速扩容至2026年的5700万美元，CAGR达122%。

图表14采用VCSEL激光器的激光雷达产品（部分）一览

资料来源各公司官网，中金公司研究部；注“/”表示尚未公开披露

激光雷达市场情况

车载激光雷达进入商用元年，搭载激光雷达的量产车型将于2021至2023年密集上市。2020年以前，全球唯一一款搭载激光雷达的量产车型是2017年发布的奥迪A8，此后由于L3+高等级自动驾驶进展缓慢，激光雷达“上车”出现断层。2021年开始，激光雷达再次成为车企标榜高端的卖点，我们统计2021-23年新款车型中，至少有20余款宣布搭载激光雷达上市。

图表15部分搭载激光雷达车型上市时间表

资料来源佐思汽研，盖世汽研，半导体行业观察，广州车展，中金公司研究部