光谱吸收率直接决定激光雷达的可用波长窗口,进而影响光源、探测器与镀膜工艺的选型成本。根据大气吸收光谱数据,1.5μm 附近吸收率约为 70%,而 2.0μm 附近降至约 2%——吸收率越低,大气对光信号的衰减越小,但对应波长的光源与探测器产业链成熟度也越低,成本随之上升。车载光学的盈利模式,核心取决于光学元件良率与整机集成环节的价值分配。

吸收率梯度如何影响器件选型成本

大气吸收光谱显示,0.8μm 附近吸收率约 10%,0.9μm 约 25%,1.0μm 约 45%,1.1μm 约 75%,1.2μm 约 95%,1.3μm 达到 100%,1.5μm 回落至约 70%,2.0μm 则降至约 2%。这一梯度意味着:波长越长,大气吸收越弱,但可选光源与探测器的产业基础也越薄弱。 目前具备产业基础的波长主要是 905nm 和 1550nm,前者对应消费电子,后者对应光通信领域。

从成本角度看,1550nm 激光器在材料中用到磷化铟(InP),相比常见的砷化镓(GaAs)成本更高。以 4 寸 InP 与 6 寸 GaAs 的对比数据为例,后道工序(Process BE)成本前者为 100%、后者为 62%(VCSEL)与 58%(EEL);外延环节前者为 25%、后者为 18% 与 8%;衬底环节前者为 5%、后者均为 2%。若按相同尺寸比较,两者差距还会更大。因此,905nm 凭借性价比优势在较长时间内保持主流地位,而 1550nm 的机会更多出现在测距逻辑从 ToF 转向 FMCW 之后。

车载光学的成本结构与价值分配

激光雷达硬件分为发射、扫描、接收三个模块。从 2021 年激光雷达物料(BOM)结构看,发射模块与接收模块各占 30%,人工调试占 25%,机械装置等其他配件占 8%,控制模块占 5%,其他占 2%。收发模块合计占比明显高于扫描模块,这也是二级市场上收发环节更受关注的原因。

在发射端,905nm 波长下主要有 EEL(边发射激光器)与 VCSEL(垂直腔面发射器)两种结构。EEL 因侧面发光,需在晶圆形成后切割并对侧面处理镀膜;按 Yole 统计,EEL 在后道工序成本上至少高出 VCSEL 一倍以上。VCSEL 工艺与主流半导体产业更接近,并可通过堆叠激光器弥补功率短板,华为、禾赛等厂商目前以 VCSEL 路线为主。

在接收端,探测器与光源相互匹配。受硅材料限制,SiPM(硅光电倍增管)只能探测 1100nm 以下光子,无法用于 1550nm 光源;1550nm 只能用 APD(雪崩光二极管)。905nm 下,更敏感的 SPAD(单光子雪崩光二极管)与 SiPM 更具优势,但缺点是易受强光干扰。

盈利的关键变量在于:光学元件良率能否支撑规模化交付,以及整机集成环节能否在价值分配中获取合理份额。 元件端看工艺成熟度与后道成本控制,整机端看集成复杂度与调试效率——人工调试在 BOM 中占比达 25%,说明集成环节本身仍占据较高价值量。

常见问题

为什么 1550nm 探测距离和人眼安全更有优势,却没有成为主流?

1550nm 在探测距离和人眼安全角度确有优势,主要短板是成本。其激光器材料用到磷化铟(InP),相比砷化镓(GaAs)成本更高;同时 1550nm 探测器只能用 APD,而 905nm 下可选用更敏感的 SPAD 与 SiPM。制造业优先考虑成本与效益的结合,因此 905nm 在较长时间内保持主流。

吸收率越低是否意味着器件越便宜?

并非如此。吸收率低只说明大气衰减小,不等于器件成本低。2.0μm 附近吸收率虽仅约 2%,但该波长的光源与探测器产业基础薄弱,选型成本反而更高。目前具备产业基础的主要是 905nm 和 1550nm,前者对应消费电子、后者对应光通信,产业基础才是成本的决定性因素。

VCSEL 为什么被认为更可能主导未来产业链?

一是制作工艺与主流半导体产业更接近,EEL 因侧面发光需额外切割、侧面处理与镀膜,按 Yole 统计其后道工序成本至少高出 VCSEL 一倍以上;二是 VCSEL 可通过堆叠激光器弥补功率较低的缺点。华为、禾赛等厂商目前以 VCSEL 路线为主。