硅光芯片级调频连续波(FMCW)4D激光雷达(LiDAR)领先企业LuminWave(洛微科技)宣布推出新一代FMCW OE和OPA OE产品,这两款芯片光引擎将会应用于洛微科技硅光芯片级FMCW 4D LiDAR产品中。

激光雷达量产已经进入倒计时,无论是对激光雷达供应商还是主机厂来说,近两年都是抢位的关键期。然而,车规认证、成本下降空间、量产成熟度等诸多现实问题仍然摆在行业所有从业企业的面前。

面对这些问题,洛微科技推出了成熟的自研硅光子OPA和FMCW芯片技术方案。OPA+FMCW方案量产的一致性高,可靠性好,成本更低,被认为有潜力成为终极固态激光雷达的方案。同时可实现大视角和高分辨率的纯固态芯片级光扫描,解决传统机械式扫描和微机械扫描的成本和可靠性难题,并避免Flash方案的人眼安全和高光功率问题。

洛微采用了具有自主知识产权的天线阵列单元优化排列方式,在芯片设计上,利用算法优化天线阵列数目和布局,较为理想地解决了分辨率和天线阵元数量的问题,同时在每个阵元相移器的设计上做了大量器件优化。最终,洛微的OPA方案可以在小于1W的功耗下实现小于0.1°的分辨率。

洛微科技坚信,未来的LiDAR将如摄像头一样到处可见,用于自动驾驶、机器人、智慧城市、消费产品等各类场景,为边缘的AI算法和智能控制提供直接、线D信息,极大提高感知能力和计算效率。

但是,由于LiDAR是主动发光系统,未来各类LiDAR之间的干扰将成为严重问题,影响性能甚至造成事故。而FMCW是一种利用相干原理过滤和放大信号的方法,从原理上对其他信号光和环境光的具备极强的抗干扰能力。

另外,其包含的多普勒效应可以直接获得速度,这几个优点决定了FMCW在无线电波和毫米波的各类应用中成为最终的方案,该优势可以在LiDAR中完美复刻。

在光学波段,采用现有光通信的组件搭建一个FMCW系统并配合扫描平台进行点云测量,并不是很困难的,但这类系统完全无法满足自动驾驶和ADAS行业对帧率、分辨率、成本、可靠性和可生产性的要求。

洛微科技认为,只有利用基于CMOS的硅光子集成技术,在单芯片上实现高密度、多通道的FMCW光计算引擎,才能推出真正适合这个市场的解决方案。

然而,在硅光芯片上实现高集成度的FMCW SoC芯片是一项技术壁垒很高的工作。

FMCW的相干探测原理包含了比较复杂的光学系统,需要进行光线性调频、信号光和本振光的混频和平衡探测、以及非线性的一些矫正处理等。目前市面上存在的传统的FMCW光学系统都是基于光通信领域使用的宏观光学或者微光学组件搭建系统,尺寸、成本和可靠性都存在问题,更无法制作多通道的FMCW系统。

同时,FMCW相较于基于APD的d-ToF技术,单点需要较长的测试时间,这和SPAD需要做多次探测提高探测概率和信噪比或者和i-ToF需要做积分时间提高信噪比的情况类似,需要多通道阵列型的探测才能满足实用中对帧率的要求。

而洛微的硅光子团队在光通信行业有多年的相干通信芯片的经历,积累了大量研发和量产的经验,在公司成立后便快速设计完成了两代的芯片迭代。

洛微的多通道FMCW SoC芯片集成了FMCW计算、调频、补偿、冗余等众多功能,在单芯片上实现了很多个传统大型光学系统的功能,解决了测距的距离、高角分辨率和抗干扰等关键问题。信号光的扫描将由硅光芯片提供的另一个核心技术,光学相控阵(OPA)来完成,实现大角度、高扫描频率的能力。

另外,借助成熟的IC产业链来自研芯片,洛微科技已成功突破了行业内普遍面临的“核心部件卡脖子”问题,将激光雷达的零售价格降至数百美金。

洛微科技推出的第二代OPA OE(光引擎)和FMCW OE(光引擎)解决方案,采用自研新型的光封装形式,形成模块化,具备完整功能的光引擎,可以更加方便地使用在公司的各类LiDAR产品中。

其中,第二代OPA光扫描模块baseline设计实现了120度FOV的扫描和0.1度的角分辨率。相比于第一代OPA芯片,第二代芯片的专利设计具备更大的可扩展性,并采用了专利的相移器设计,在不牺牲任何性能下将降低功耗70%以上,使芯片对激光雷达(LiDAR)产品整体性能的提高将起到关键作用。

而第二代FMCW SoC芯片相比去年完成的第一代芯片,并行的FMCW计算单元数目提高4倍,高达128通道,除FMCW的功能外,芯片上同时集成其他关键的光信号处理单元,如信号光调频、非线性补偿等,单个芯片集成数千个光学器件,单芯片实现传统光学系统需要上千倍尺寸和成本才有可能达到的功能,是全球目前集成度最高的硅光芯片之一。

“我们认为,只有采用多通道、高集成的FMCW方案,才能真正实现具备绝对优势的产品方案,而FMCW系统的复杂性决定这个方案必须是要采用硅光自芯片集成才能完成,这正是洛微多年来致力于研发硅光子技术和坚持自研核心硅光芯片的原因。”

在成本方面,复杂光学系统的一大成本来源在于众多独立光学组件及 其高精度对准封装,尤其对于多通道的设计,动辄数百上千个组件,而这正是光子芯片集成所要解决的问题,能从根本上成数量级的降低成本。此外,洛微基于团队之前在光通信产业的经验,大量应用2.5D集成、光电共封装等新兴的芯片级光电集成技术,大大简化封装成本和产品复杂度。

目前,第二代的FMCW和OPA芯片和光引擎产品正在进行芯片级和系统级的光电测试,并完善下一步产品化的封装、控制和系统集成等技术,将成为公司未来前向长距激光雷达(LiDAR)的核心技术。

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