作者：苏清涛
本文是 FMCW 激光雷达科普系列的第二篇，点击超链接查阅上一篇：FMCW 激光雷达科普（上）：基本概念、技术路线、优势及争议和误解。
FMCW 激光雷达主要由激光器、探测器、相干光路及扫描部件构成。这些关键部分，最值得关注的是以下几点 ——
激光器波长：1550
为什么是 1550？
目前，TOF 激光雷达的激光器以 905 纳米为主，Luminar、图达通及一径科技等用的是 1550 纳米，而 FMCW 激光雷达的激光器，则全部都是清一色的 1550 纳米。那么，其中的缘由是？
洛微 CTO Andy Sun 说：我们做任何一个产品，首先要看供应链的成熟度吧，因为你不可能所有零部件都自己造。
具体到 FMCW 激光雷达，从原理上来说，激光器不是非得用 1550 nm，905 nm 也可以，并且，用 1550 nm 做还是 905 nm 做，技术上没有本质区别；只不过，在光通信领域，跟 FMCW 搭配的都是基于 1550 nm 波段的器件，这些器件的供应链相对成熟，成本也可控，相比之下，基于 905 nm 做 FMCW 的成本就太高了。
此外，考察连续光的人眼安全要求，1550 nm 的光功率上限要比 905 nm 大 40 倍，在 FMCW 的相干放大原理下，理论上 1550 nm 可以比 905 nm 测试 40 倍远的距离。
多家 FMCW 激光雷达公司的创始人及技术负责人均认可 「供应链成熟度」 这一说法。
其中，一位技术负责人说：FMCW 要保证回光能和本地光进行干涉，只有干涉了才能检测到目标，因此，对激光器的 「相干性」 要求很高（哪怕回光和反射光之间有几微秒的时延，也有很好的相干性）。在业界，相干性比较好的激光器别被称为 「窄线宽激光器」，而现阶段，窄线宽激光器只有基于 1550 纳米的。
此外，这位负责人还说，FMCW 激光雷达需要提高集成度，可高集成度的多通道产品通常要基于硅光做，而硅光只能跟 1550 搭配。
不过，挚感光子 IC 设计总监吴雷说，他们用的激光器是 1310 的纳米的，「通信里面对这种激光器用量很大，很便宜」。
话说，用于 FMCW 激光雷达上的激光器，跟用在 TOF 激光雷达上面的 1550 纳米激光器，材质是相同的（磷化铟），但结构并不一样 ——FMCW 要求窄线宽（保证自相干性）、低噪声，这就导致两者的性能、良率、成本等完全不一样。
一位从业者业称，目前，FMCW 激光雷达的 1550 激光器要比用于 TOF 的 1550 激光器贵得多，国内还没有能够量产的。
1550 纳米激光器的优点
1550 纳米激光器的优点，在关于 TOF 激光雷达的介绍中已经提得很多了，最关键的一点就是：不会影响人眼安全，因而可以把功率做得很高，进而实现比 905 纳米激光器更长的探测距离。
此外，哪怕在 TOF 中，1550 克服阳光噪声的能力也比 905 强。
1550 纳米激光器的缺点及存在的争议
（1）成本太高，且短期内很难降下来
1550 纳米激光器使用的材料不是硅 CMOS，而是磷化铟，并且，它还需要外部电源和复杂的电子控制装置，因此，成本居高不下。此外，1550 纳米激光器还需要跟昂贵的铟镓砷 APD 配对使用。
某激光雷达厂商架构师认为，1550 尽管在光通信领域中的用量已经不小了，但成本也没有降下来，因此，很难指望在激光雷达中就能降下来。
这位架构师说：「你有几百万台的量之后，相比于目前的几百几千台，成本肯定可以低不少，但相比于 905，它还是要贵得多。这就类似于，你不能说金戒指我买很多，它的价格就能降到铜戒指的水平吧？这是由材料的物理特性决定的。」
（2）容易被水雾吸收，在雨天无法正常工作
多数激光雷达厂商在跟《九章智驾》交流的过程中都提到，1550 纳米激光器很容易被水雾吸收（几毫米厚的水层就可以把 1550 纳米激光的能量全部吸收，在光通信领域中的专业名词是 「水空吸收」），难以被反射回来，因而在雨天难以正常工作。
一位不愿具名的 FMCW 激光雷达公司创始人说：
「我们圈子的人都是睁着眼睛说瞎话，说什么 1550「穿透能力好、抗干扰能力强」。我做过测试，往墙上泼水，在 1550 纳米激光器的眼里，墙是黑乎乎的一片，水流下来之后就好了。」
「多次实验表明，只要遇上两毫米的水薄膜，我们的 FMCW 激光雷达就瞎了。这个问题是无解的。因此，FMCW 激光雷达只能在阴天、晴天和小雨天用，大雨天就用不了。」
某 TOF 激光雷达厂商负责人也说，1550 对人眼安全影响小的原因正是它容易被液态水吸收 —— 激光还没有打到视网膜，就被眼球里面的水给吸收了；而容易被液态水吸收，确实也会导致，在地面车道线上有水、行人身上的衣服被淋湿的情况下，使用 1550 纳米激光器的激光雷达就测不了，或者是探测能力下降。
但光勺科技 CEO 姚建并不完全认可上述说法。姚建说：「FMCW 的相干有两种，一直是调频，一直是调相。如果是调频，那 1550 纳米激光器受雨水的影响确实比较比较大，比如，探测距离从平时的 500 米衰减到 50 米；但我们用的调相技术，遇到大雨天气，探测距离还能达到平时的的 50% 左右。」
不过，某 FMCW 激光雷达公司 CEO 奚先生则说：「在 TOF 中，1550 纳米激光器易被雨雾吸收，会导致探测距离大大衰减，并且产生严重的噪点；而在 FMCW 中，有用使用相干检测，信噪比更高，因而，在同样使用 1550 nm 激光，激光雷达穿透雨雾产生稳定点云的能力会更强。」
此外，洛微 CTO Andy Sun 认为，只看不同波段对水的吸收率是不完整的，因为，激光在遇见雨水后，被吸收只是一部分情况，还有很多变化是跟散射、折射相关的，在这两部分，不同波长的表现也是不一样的，比如短波的散射更强，因此要综合考虑。
Andy Sun 称，2019 年法国科研团队做了大量的理论分析和实验，结果发现，其实 905 nm 和 1550 nm 两个波段的激光器在雨雾天的表现是差不多的 ——1550 nm 的总体吸收率只比 905 nm 高不到 10%。这完全被人眼安全的考虑下 1550 nm 可以提供更大出光功率的优势所掩盖。
某 FMCW 激光雷达公司 CEO 奚先生也提到了这组来自法国的实验。
但无论如何，沃尔沃、奥迪这些已经算是很保守的车企，都计划用 Luminar 基于 1550 的 TOF 激光雷达了，这或许意味着，在这些车企眼里，1550 在雨天无法正常工作，并不算是一个多严重的问题？
（3）并非绝对能确保 「人眼安全」
采访中，笔者提到一个问题：如果几辆搭载激光雷达的自动驾驶车辆聚集在一起，激光同时发射，正好汇集到一起，正对着人眼了，那瞬时功率就很高了，应该也会影响人眼安全？
对此，某 TOF 激光雷达厂商负责人的回答是：905 纳米功率大的话是会伤害到视网膜，但视网膜类似于手机的感光图像的一个像素，激光从不同的地方打过去，影响到的是视网膜上不同的像素，因此，哪怕功率比较高，也不会把这几千万个像素都烧坏；而 1550 就不一样了，要烧坏，就整个区域都烧坏了 —— 人眼对 905 纳米波段的敏感点在于其打在某个像素上的能量，而对 1550 纳米波段的敏感点在于其总能量。
简言之，1550 纳米激光器其实也存在人眼安全问题 —— 激光是没打到视网膜，但被角膜吸收了，如果功率过高，角膜也会受伤。
激光器和探测器的芯片化、集成化
单光子、通道数与点频
在采访的过程中，《九章智驾》反复问到一个问题：FMCW 激光雷达会像一些 TOF 那样有许多个激光器，还是只有一个激光器？多数人的答案都是：理论上，激光器也可以有几十个、上百个，但在实践中，厂商们出于成本考虑，往往只会用 1 个激光器，FMCW 激光雷达也被称为 「单光子激光雷达」。
不过，尽管激光器的数量很少，但在分光器的协助下，实际发出的线数却可以很多，如 Mobileye 的 FMCW 激光雷达，号称是 184 线。激光器的数量也许不止一个，但肯定不会有几十、上百。
洛微 CTO Andy Sun 说：「能使用多少个通道，跟激光器的总光功率和分光器的何设置处理有关。」（需要注意的是，发射端可以只有一个激光器，但在接收端，探测器的数量跟通道数是完全一致的。）
「用分光器把一束光分成成百上千束，这会不会导致每一束光的功率过低？」 当笔者向某激光雷达公司创始人提出这个疑问时，对方的回答是：「我在前端把功率提高不就行了？我 1 个 1 瓦的分成 10 束，跟你用 10 个 100 毫瓦的，总功率不是一样的吗？不过，前者的成本肯定要比后者低得多。 」
在 TOF 激光雷达中，总点频 = 单个激光器的发射频率 X 激光器的数量，那么，在 FMCW 中，激光器的数量会不会限制了点频？
按某 TOF 激光雷达厂商负责人的说法，FMCW 激光雷达的点频确实比 TOF 低，但原因并不在于激光器的数量更少，而在于 「TOF 测距一次需要 2 微秒，而 FMCW 测距一次需要 20 微秒」。
对此，某 FMCW 激光雷达公司 CEO 奚先生的解释是：不同于 TOF，FMCW 激光雷达的点频并不依赖于激光本身的发射频率，而是依赖于后端信号调制解调的数据处理速度。因为激光持续在发射，后端的数据处理也在持续，后端的数据处理越快，前端产生的点频就越多。
简单地说，TOF 激光雷达的点频是 「供给推动型」，而 FMCW 激光雷达的点频则是 「需求拉动型」。
不过，不管怎么说，FMCW 激光雷达的点频比 TOF 低，却是大家都承认的事实。
对这个问题，光勺科技 CEO 姚建的说法是：我们现在可以做到每秒 10-15 帧，做到这个程度就够用了。对 TOF 激光雷达来说，是点频越高越好，但对 FMCW 激光雷达来说，因为每个点都有速度信息，不惜一切代价把点云密度做高的意义不大。
（为什么有了速度信息，点云密度就没有那么重要了？请参考本系列的第一篇文章《FMCW 激光雷达科普（上）：基本概念、技术路线、优势及争议和误解》）
而洛微 CMO 贺润芃的说法则是：FMCW 激光雷达因为信噪比更高，所以，哪怕分辨率（点云密度）没那么高，也可以实现很好的探测效果。
简言之，速度维数据和信噪比，共同降低了 FMCW 激光雷达对点频的要求。
低成本的探测器
不同于 TOF 激光雷达的探测器要用成本高昂的 APD（雪崩光二极管）和 SPAD（单光子雪崩光二极管），FMCW 激光雷达的探测器只需成本更低的 PIN 就可以了。 为何？
据挚感光子 IC 设计总监吴雷介绍，在 TOF 中，光束发出去之后，信号会有近 100db 的损耗，为保证探测效果，探测器需要将折损了的信号放大，这个放大系数，被称为 「增益」，APD 和 SPA 便属于增益比较大的探测器，因而比较贵；而在 FMCW 中，光束在发出去之前，留了一半在本地，尽管回光也有折损，但本地光还在，这两部分一结合，就把光信号给放大了（光学芯片里面已经有增益了，这被称为 「相干增益」）。
此外，在 TOF 中，APD 在将信号放大的同时，把噪音也给放大了，相比之下，FMCW 中，「相干增益」 是不带噪声的。
因此，在 FMCW 激光雷达中，增益很小、也更便宜的探测器已足以 「胜任」。
将探测器跟激光器集成到一起
现在，禾赛、Ouster 等 TOF 激光雷达厂商都在谈激光收发的芯片化，那么，FMCW 激光雷达收发模块的芯片化是怎么做的呢？
在 TOF 激光雷达中，哪怕实现了很高的集成度，探测器和激光器都是部署在不同的芯片上，那么，在 FMCW 中，探测器和激光器有可能被集成到同一个芯片上吗？在本系列访谈中，《九章智驾》反复追问了这个问题。
答案无一例外是：可以。
据某 TOF 激光雷达厂商负责人介绍，目前，FMCW 激光雷达探测器已经可集成到硅光芯片（该硅谷芯片上集成了分光器、调频器、偏振控制、相干混频阵列等功能）上了，大多数厂商都是这么做的，而激光器是三五族产品，没法直接集成到硅光芯片中；不过，激光器在另一块晶圆上加工好之后，可以再通过一些特殊工艺被贴到硅光芯片上。
洛微 CTO Andy Sun 说，目前厂商们的做法是，将激光器独立封装，然后通过光纤耦合到硅光芯片上，这种工艺被称为 「激光器外置」。Andy Sun 认为，激光器外置只是个过渡形态，英特尔等公司已经在朝着 「激光器内置」 的方向发展了。
某国内 FMCW 激光类公司 CEO 奚先生也说，他们目前正在探索将探测器和激光器集成到同一颗 ASIC 芯片的工艺，「首先实现收发模块的芯片化」。
据挚感光子 IC 设计总监吴雷介绍，挚感光子也已经自研开发了集成光学芯片及与其配套的光学模组（集成激光器，探测器及镜头），并在开发 ASIC 电芯片（集成模拟前端及数字信号处理），首先实现收发器的芯片化。
不过，今年 5 月份，微源光子董事长兼总经理朱晓琪在题为《从硅光通信技术看 FMCW lidar 的集成挑战》的演讲中指出，要将三五族的激光器芯片跟硅基芯片集成到一起，难度非常大。「不管是光纤输出的波导，还是直接输出的波导，它们的模场都远远大于硅基单模波导模场，同时，这些材料的系数完全不同。」
Andy Sun、朱晓琪等人都承认，英特尔公司已经有办法把激光器集成到硅光芯片中去了。他们说：「这是英特尔的专利」。
据朱晓琪在演讲中的说法，在英特尔的方案中，激光器发光部分本身仍是 III-V 材料，但通过硅晶圆工艺和硅光集成到一起，被称为 「异质集成」。这种方案的工艺是：
1） 拿一个硅的晶圆，在晶圆上做好掩埋层跟单晶硅以后，在单晶硅上刻蚀单模波导；
2） 准备一个外延片，包括衬底，把延片切成一个一个的芯片；
3） 把该芯片倒装贴在做好的硅单模波导上，做好以后先要用一些化学办法把 InP 衬底去掉，然后去做刻蚀；
4） 掺杂 n 极，做 n 极的电镀，p 极和 p 极的电镀，做一些等离子的退火；
5） 在已经做好的单模波导上出光。
Andy Sun 说，从长期看，大家都是要把激光器跟探测器集成到同一颗硅光芯片上的。目前各大提供硅光工艺的代工厂（Foundry），也正在开发各自的激光器集成工艺，相信很快会有相应的工艺选择出现。某 TOF 激光雷达厂商负责人也认为，如果能避开英特尔的知识产权，这种工艺，其他厂商最终也是有可能搞定的。
不过，Andy Sun 也承认，将激光器集成到硅光芯片上的难度很高。他说，英特尔这种方案的代价是，芯片的效率不高，而且能达到的峰值功率不高，「所以它可能需要集成很多个激光器在上面」。
对英特尔这种方案，朱晓琪的观点跟 Andy Sun 一致。
朱晓琪在演讲中说：「硅的波导仍然有一个尺寸特别小、模场做不大的限制，因此即便能够通过这样的方案出光，出的光也非常非常小 —— 我看到文献以及报道一般都不到 10 毫瓦，同时量子效率也非常非常低，只能拿来做一些短距离的传输，如果要用它做一些大出光，实际上非常难。」
朱晓琪也承认 「英特尔做得比较好」，但他并不太看好其他厂商复制这条道路的前景。「工艺难度非常高，激光器的出光功率非常非常低，也不适合做 FMCW 激光雷达。」
光学镜头跟激光器、探测器集成到到一起
姚建此前在一次演讲中提到，TOF 激光雷达由于体制限制，除了信号处理及 MEMS 扫描外，其他部分很难芯片化。言外之意，光学镜头也很难被芯片化。那么，在 FMCW 激光雷达中又是怎样的情况呢？ 在本系列访谈中，这也是一个被《九章智驾》反复追问的问题。
某 FMCW 激光雷达公司 CEO 并不认同 「TOF 中的光学镜头无法被集成化」 这一说法，在他看来，哪怕在 TOF 中，光学镜头也是可以被集成化的。「单晶硅的光学化技术就可以用于光学镜头的半导体化，这跟激光雷达是 TOF 还是 FMCW 是没有关系的。」
但无论如何，大家一致认为，在 FMCW 中，光学镜头是可以被芯片化的。
某不愿具名的 FMCW 激光雷达公司创始人说：「光学镜头是可以被芯片化的，「有个专业名词叫「麦卡伦斯超透镜」，就是把镜片做得很薄很薄，然后贴在芯片上就行了，相当于把两个硅片黏在一起，但这个技术目前还不成熟」。
Andy Sun 说：「实际上，用 OPA 做扫描的时候是不需要单独的镜头的，因为 OPA 的阵列本身就是镜头，有入光孔和出光孔。」 某 TOF 激光雷达厂商负责人也持同样的观点。
扫描方案 & 扫描与收发的集成
扫描方案：OPA 是终极形态
TOF 激光雷达的扫描方式有转镜、MEMS、棱镜、Flash 和 MEMS 等，那 FMCW 呢？ 比较明显的是，目前，多数 FMCW 激光雷达厂商都选择了 OPA 扫描方案。
不过，诸多受访者都认为，上述扫描方式均可跟 FMCW 搭配，某 FMCW 激光雷达公司创始人说：「你可以说 FMCW 天生更搭配 OPA 扫描，但是没有 OPA 扫描，不代表 FMCW 就做不出来，它可以用转镜、也可以用 MEMS、棱镜。」
如国内某公司目前的 FMCW 及激光雷达就采用了双棱镜扫描、MEMS 扫描，挚感光子采用了棱镜扫描，而光勺科技目前用的是机械扫描，明年会换成 MEMS（光勺自己只做收发系统，扫描系统是外购的）。
姚建说：「要做长探测距离，OPA 只能跟 FMCW 搭配，但 FMCW 不一定非得跟 OPA 搭配。」
不过，各受访者一致认为，OPA 是 FMCW 激光雷达最理想的扫描方案，「是终极形态」。
为什么大家如此看好 OPA，它的优势在哪里？
OPA 即光学相控阵，通过对阵列移相器中每个移相器相位的调节，利用干涉原理（类似的是两圈水波相互叠加后，有的方向会相互抵消，有的会相互增强））实现激光按照特定方向发射。
包括挚感光子 IC 设计总监吴雷在内的多位专家都认为，OPA 没有机械部件，是真正的固态扫描。
除 OPA 外，TOF 激光雷达的 Flash 也被认为是 「纯固态」，但实际上，Flash 发射的是面阵光，没有独立的扫描部件。OPA 与 Flash 的关键区别在于，「Flash 像手电筒一样，一下打出来就是一个面，光的能力比较分散，每个点上的能量很小，因而探测距离比较短；而 OPA 是点扫描，能力比较集中，因而可在同等功率下更实现更长的探测距离」。
姚建的解释是：人在看东西的时候，尽管视场角很大，但有一个蚊子飞过来时，我的眼光马上就聚焦（凝视）到这只蚊子身上了，我不需要逐行扫描；因为，逐行扫描不仅效率太低，而且，在飞进飞出的蚊子数量比较多的情况下，很容易有遗漏。OPA 就相当于，有 100 只蚊子飞过来后，我的光束能马上聚焦到这 100 只蚊子身上，我每时每刻都如此聚焦，这样就不会有目标物被遗漏掉，而且效率特别高。
某 TOF 激光雷达厂商负责人并不认可这一观点：电子扫描还不会智能到这个程度吧。你已经判断出这有一只蚊子了，才聚焦于这个方向，这相当于 「先知道结果，再去追求过程」，你已经知道目标物及其位置了，为什么还要去扫描它呢？
奚先生也认为，OPA 不具备聚焦功能，「它原来是平行光，出去还是平行光，只不过换一个角度」。奚先生说，OPA 其实利用的是光的衍射相干原理，通过改变材料的折射率或介电常数实现光的偏转，改变有多快，偏转就有多快。
某 TOF 激光雷达厂商负责人称，理论上，OPA 在成熟后，是可以作为光学镜头来使用的。
一位不愿具名的 FMCW 激光雷达公司创始人说：「诚然，FMCW 不一定非得跟 OPA 搭配，但 FMCW 的收发系统需要用硅光技术来降成本，如果扫描模块也用基于硅光技术的 OPA，那收发和扫描的集成岂不是更容易了？」
Andy Sun 也认为，FMCW 和 OPA 都需要通过硅光技术平台来实现，因此，无论是刚开始的两个芯片，还是最终变成同一颗芯片，FMCW+OPA 都是一个自然而然的技术选择。
不过，尽管 OPA 被认为是 「最性感的终极路线」，但其实现的过程会比较漫长。
姚建说：「十年后，激光雷达一定是 FMCW+OPA，但 OPA 现在还停留在实验室里。」
上述不具名人士说：「在 2030 年之前，FMCW+OPA 的方案都很难成熟。」
扫描跟收发的集成
既然 OPA 跟发射端都是基于硅光技术平台做，那么，将两个模块集成到一起，就成了题中应有之义。这并非一个大胆的猜想，而是已经有公司在这么实践了。
微源光子董事长兼总经理朱晓琪说，将 OPA 扫描部件跟相干光路、探测器集成到同一个硅片上，是通信产业已经在做的事情了。接下来，只要能解决将三五族芯片（激光器）跟硅基芯片的集成问题，将扫描和收发集成到一起，就是一个自然而然的结果了。
业界普遍认为，英特尔的 FMCW 激光雷达中，扫描系统就跟激光收发系统集成到同一颗芯片上了。
为什么英特尔可以做到？一位 FMCW 激光雷达公司创始人向笔者介绍道：「英特尔的硅光上面是带光源的（只有他们有这个东西），所以他们的硅光已经不再是传统意义上的硅光了，因为它上面既有磷化铟也有硅，它的硅光，我觉得应该叫做「异质光」，就是两不同的异常的材料。所以，只有他们能走这个路线。」
不过，据称硅谷公司 LightIC 也在尝试这条技术路线了。
国内公司中，洛微 CTO Andy Sun 人等均称，这也是他们努力的方向。
据 Andy Sun 的说法，毫米波雷达的扫描跟收发就是集成到一起的，而它的调制方式就是 FMCW。
由于扫描系统可以跟收发系统集成到一起，光勺 CEO 姚建多次强调，FMCW 激光雷达 「可实现比 TOF 更高程度的芯片化」，姚建甚至将其称为 「真正的芯片化」。
不过，朱晓琪曾在之前的演讲中指出，OPA 跟光源之间的耦合会有一个很大的插损，「这是整个业界都很难解决的问题」。而这一难题的解决进度，将在很大程度上决定 FMCW 激光雷达 「真正的芯片化」 的进度。
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