深度的行业观察，离不开一线从业者的经验分享、观点碰撞。这一期，我们推出了《激光雷达：成功“破圈”，驶入量产快车道》的行研文，同时也和该赛道的创业者——国科光芯创始人刘敬伟进行了访谈，对赛道中的前沿技术进行抽丝剥茧、探本溯源，分享一些一线专家对行业现状、趋势的观察与思考。
国科光芯创始人 刘敬伟
国科光芯，2019年4月成立，依托中科院强大的技术和人才优势，以硅光技术作为基础平台性技术，基于核心硅光芯片，开发颠覆性的相干&相控阵固态激光雷达产品及解决方案，将建成国内顶级水平的硅光芯片和器件研发及设计平台。
什么是硅光激光雷达？
与传统激光雷达相比，硅光激光雷达（或者叫硅光片上激光雷达）是一种极具性价比的颠覆性产品。简而言之，就是利用在通讯和数传领域相对成熟的硅基光子技术，将复杂的光学器件组成的激光雷达系统集成（或大部分集成）于一颗硅光芯片上，并采用CMOS工艺进行加工，在实现很低成本的同时获得卓越性能。
我们可以分发射和接收两端来看。发射端可以采用CoC（Chip on Chip）工艺，将激光器集成于硅光芯片上，然后利用光栅等结构实现光束整形，发射准直光、特定角度和能量分布的线光源和面光源，也可以加上相控阵技术（OPA）实现1维或2维的扫描。在接收端，同样可以采用光栅、PD/APD等结构，实现信号光的收集。接收方式可以采用ToF或相干技术，如果要采用相干接收（FMCW或AMCW等），则可把混频器、平衡探测器等结构集成于硅光芯片上。
还有一点需要强调的是，由于硅光芯片采用硅材料作为衬底，现在的技术已可以把IC部分也集成于硅光芯片上，或分开两片进行加工，再用Flip Chip、BSI或TSVs等成熟工艺进行贴合。所有这些芯片和贴合技术都可以在成熟的CMOS工艺里实现。这就赋予了硅光芯片技术领先性和成本最小化。
而硅光芯片本身也是一个很丰富的技术库，在这里可以找到激光雷达需要的大部分技术，也可以与其他技术结合，开发出最适用的激光雷达产品。
如何理解相控阵技术（OPA）？
这边我想澄清下行业里一些不是很正确的观点。
首先，我个人不同意把OPA等同于一种激光雷达类型。OPA只是硅光芯片上可采用的一种扫描技术。当然相对于传统机械、微机械（MEMS，我们更倾向于这也是一种准机械结构），OPA有很多天然优势，比如全固态、扫描速度快（可达GHz）、可实现感兴趣区域扫描等。
当然，之前有些同行做的工作中，会发现OPA也有一些问题，比如旁瓣问题。早期OPA发展过程中，阵列数不是很大，旁瓣、发散角、扫描角度等问题很严重。但近期的工作可以看到，随着阵列数的增加，这些问题能被极大改善，这也有赖于CMOS工艺的发展。但在硅光芯片技术中，扫描还有别的方式，比如光开关阵列方式、波长色散扫描等。
其次，第二个误解是OPA只能应用于车载雷达。这可能是因为传统硅光主要工作波长是1310nm、1550nm等短红外波段。相对于850nm、905nm、940nm等近红外波段来说，短红外波段的激光器、探测器都比较昂贵，常用的消费类应用难以负担。
但近期的技术发展带来了变化。采用硅的化合物材料可以完全兼容近红外波段，这就为近红外波段的应用提供了可能。比如，国科光芯采用的新材料体系，可以实现波长从400nm到2000nm的覆盖，而且可承载光功率比传统技术提升了几百倍，达到W级，同时耦合损耗也下降了1个数量级。这里预告一下，我们公司将在2021年内，量产一款消费级近红外波段的OPA扫描产品，目前原型机的验证已经实现，3D云图精细度非常高，可以实现我们原本不敢想象的一些应用。
当然，车载应用中采用1550nm波段，我个人认为是非常合适的选择。主要有2点原因：第一，该波段相对于近红外波段，人眼安全范围内的最大功率可提升两个数量级，这对于远距离探测非常有帮助。第二，由于波长较长，可对空气中的颗粒物更好衍射，所以在雾霾天气中也可以更好地工作。至于成本问题，一方面CMOS工艺中，完全可以实现1550nm波段探测器的集成，成本就非常低；另一方面，大规模应用起来后，半导体器件的成本会迅速下降。
FMCW是什么技术？
FMCW，也就是调频连续波探测技术，是相干技术的一种。在硅光芯片中，调频只是其中一种相干探测技术，实际中也可采用调幅连续波（AMCW）或者啁啾（Chirp）模式等。
我个人不认同把FMCW也归类为一种激光雷达形式，这只是测距的一种方式，甚至于只是一种相干测距方式。
相比ToF（飞行时间法）测距，相干测距有很多天然优势，比如可实现高抗干扰的高灵敏度探测，以及准单光子探测的灵敏度。我们实验室已可以实现-90dbm的探测灵敏，相比普通的APD高了6个数量级。
传统的单光子探测器（SPAD），可响应环境光或相近波长其他激光雷达的光，所以需要特别的信号加载来进行区分。而相干探测几乎探测不到除自身激光源以外的光信号，这是从物理上带来的好处。由于灵敏度高，现在已经可实现200m左右的相干测距。在调频信号带宽足够时，甚至可以实现亚mm级的探测。因此也有人用这种技术来进行细微结构的探测，这在生物、精细工业里有应用。值得注意的是，远距离和高精度探测，对于相干技术来说，有时可以兼容。
最后，由于相干探测本身具有多普勒效应，因此在测距的同时，也可同时测速度（特别强调，不是靠算法后期算出来），这对于自动驾驶这样的场景非常有帮助。
不管FMCW还是相干探测，以前都是很昂贵的技术。比如我们实验室最早采用分离器件搭建的FMCW测距系统，仅一个混频器就几万元，而一个平衡探测器也需几千。但利用硅光芯片技术，就都变得很简单，混频器是简单的干涉单元，平衡探测器也可集成一起流片，附加成本很低。这样就有机会在激光雷达量产中应用。
我们看到国外很多同行在这方面开发速度都很快，比如自动驾驶领域的ANALOG PHOTONICS、消费领域的AEVA、Point Cloud等公司。相信在未来2、3年左右，一定有可量产的产品可以问世。
激光雷达的技术路线如何选择？
我们一直坚持将硅光芯片技术作为公司激光雷达的发展战略。首先，我们在硅光技术领域拥有超过20年的技术积累，这非常重要。硅光技术里有很多坑，多年的技术积累是必须的。
其次，我们认为硅光技术是实现激光雷达的最好路径。如前所说，硅光芯片技术可以在发射端和接收端、在不同波长范围内有很多组合的选择，可以针对不同的应用制定不同的最佳方案。比如自动驾驶应用，可能就是OPA加FMCW的组合。而不同的方案，往往都可以整合在一个CMOS工艺平台里。
光子集成（PIC）的方案必定是未来的趋势，就像之前集成电路（IC）的发展。而由于CMOS工艺的发展，硅光是实现光子集成的最佳路径。
我们在国外同行的工作中，看到越来越明显的趋势，这给我们很强的信心。相反，国内从事该类技术的公司太少，不加以追赶，未来的差距会越来越大。常常有人说，国内某某公司也用硅光技术做雷达了，你们担心吗？我会回答，那是好事，国内更多人做才能把产业带起来。
目前硅光激光雷达有哪些难点？
首先是材料。传统的硅光技术主要在SOI（绝缘体上硅）上制作，比如通讯和数传应用，往往十几MW就够了，远距离传输还可以加中继放大。但激光雷达不同，几十、上百米的自由空间传输，接收的是目标物体的漫反射（甚至于低反射率）回来的光，信号衰减很大，往往需要几百MW甚至W级的光功率出射，在脉冲形势下，还需要KW级的脉冲光功率。这么强的光，普通的硅材料会发生非常强的非线性效应，波导瞬间就会烧毁。
我们在2017年最开始做硅光激光雷达的时候，就被这个问题困扰了很久。后来设计了一套新的复合材料体系来解决，并和国际合作伙伴进行长时间合作，最终确定最合适的材料。完成首次流片后，效果很不错，不仅实现了高光功率的承载问题，且损耗比传统材料还低一个数量级，可以获得3个数量级的可用光功率。
到现在，我们一直坚持自己的路径深入挖掘，逐步解决或即将解决CMOS工艺兼容的问题、该材料体系下快速调制问题等。2019年底，我们也顺利拿到了国际合作伙伴的IP授权。3年下来，收获很大，信心也更加坚定。有了这个基础，后面实现硅光激光雷达的量产就比较容易水到渠成。
其次是工艺。硅光芯片技术可以和CMOS工艺完全兼容，但还是要在Fab线上利用CMOS设备进行一些特色工艺的开发，这要比最为传统的CMOS工艺更困难。而且硅光技术虽然非常好，但之前硅光芯片所需要的量还太小（相比较IC来说），所以一直以来很难得到Fab厂的大力支持。反过来没有Fab的支持，硅光技术又很难落地。
好在目前国内陆续打通了硅光工艺平台，也陆续传出各地都有建设硅光Fab平台的计划，这必将为硅光激光雷达的快速量产打好基础。而一旦激光雷达应用起来，所需要消耗的晶圆是传统硅光应用的几百倍，这又将大大推动Fab平台对硅光的支持，从而实现良性循环。
第三是光源集成。硅光芯片可以集成大部分激光雷达器件，但目前光源还很难在短时间内单片集成于硅光芯片上，因此大都采用片外耦合或混合集成的方法。但在大多数应用中，片外耦合不仅体积上不紧凑，而且可靠性上会变差（比如车规可靠性要求），在消费电子等某些应用中，更不太可能带光纤的耦合方式。
可行的路径是片上混合集成，把激光器芯片直接封装在硅光芯片上，而这是一个世界性难题，全球真正有能力做好的公司很少。这不仅是激光雷达需要解决的痛点，也是几乎所有硅光应用面临的挑战。我们也一直在解决其技术上的难点，所幸我们采用的材料体系本身就更加容易实现片上混合集成。我们有信心在2021年内，和合作伙伴一起打通这一量产上关键环节。
您如何看硅光技术的发展前景？
硅光技术在激光雷达领域应用的优势很大，但要面临的问题也不少。我们从2017年开始，逐步攻克了材料体系、版图设计、工艺设计等环节中的各种困难及瓶颈，目前正在全力打通完成量产准备的最后一公里，争取在一到两年内取得突破，得以与国外同行差不多的时间段推出可以商用的产品。我们相信在可见的将来，基于硅光芯片的激光雷达必能灿烂绽放。
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