车载激光雷达的波长选择,本质上是在“大气吸收窗口”与“可见光隔离带”之间找交集。能同时满足不被大气吸收、又不与可见光混淆的波长,在光谱图上只有四条,其中具备成熟产业基础的只有905nm与1550nm两条。波长越往长波走,大气吸收率的波动越剧烈:0.8μm处约10%,1.2μm处约95%,1.3μm处达到100%。可用窗口的稀缺,直接决定了光源、滤光片与探测端各自的技术门槛。
可用窗口为何如此稀缺
从大气吸收光谱看,0.8μm附近吸收率约10%,尚属可用;但到1.2μm已升至约95%,1.3μm更是达到100%,几乎完全阻断。1.4μm处仍有约90%,直到1.9μm以后才回落到个位数区间。这意味着近红外波段中真正“通透”的窗口非常窄,再叠加“不能与可见光混淆”的要求,可选范围进一步收窄。
也正因如此,905nm与1550nm之所以被产业选中,除了客观条件限制,还各自背靠既有产业基础:905nm对应消费电子,1550nm对应光通信。
光源与镀膜环节的门槛
选定波长只是起点,真正的壁垒落在器件与工艺上。
光源侧,1550nm激光器在材料中用到磷化铟(InP),而905nm路线常用砷化镓(GaAs),材料体系不同带来显著的成本差异。结构上,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:EEL平行于衬底侧面发光,须在晶圆形成后再切割并对侧面处理、镀膜;VCSEL垂直于衬底上表面发射,工艺与主流半导体产业更接近。据Yole统计,后道工序成本上EEL至少高出VCSEL一倍以上。
探测端则与光源严格匹配。受硅材料限制,SiPM(硅光电倍增管)只能探测波长在1100nm以下的光子,对1550nm光源无能为力,该波段只能用APD(雪崩光二极管);而在905nm下,更敏感的SPAD(单光子雪崩光二极管)与SiPM更具优势,其代价是容易受到强光干扰。
| 波长 | 材料/结构 | 探测端 | 主要约束 |
|---|---|---|---|
| 905nm | GaAs;EEL、VCSEL | SPAD、SiPM | 探测端易受强光干扰 |
| 1550nm | InP | APD | 材料成本较高 |
常见问题
为什么车载激光雷达不选吸收率更低的更长波长?
虽然2.0μm以后大气吸收率趋近于零,但还要同时满足“不与可见光混淆”,且需具备产业基础。目前具备产业基础的只有905nm与1550nm两条,前者对应消费电子,后者对应光通信,脱离既有产业链的波长缺乏器件与工艺支撑。
1550nm探测距离和人眼安全更有优势,为什么没有全面取代905nm?
核心在于成本。1550nm激光器使用磷化铟(InP),相比常见的砷化镓(GaAs)成本高出很多,且探测端只能用APD。对制造业而言成本与效益的结合始终优先,因此905nm目前仍是主流选择。
1550nm路线的机会在哪里?
机会主要在测距逻辑从TOF转向FMCW之后。FMCW目前被广泛运用在光通信领域,而该领域使用的光源恰恰是1550nm,具备产业链基础,这为1550nm路线提供了新的落地条件。