全固态硅基OPA激光雷达芯片的产业化新路径

中国是全球最大的汽车市场，也是智能网联汽车的重要发展战略之一。在智能汽车、无人机等多个下游市场需求拉动下，激光雷达作为中国智能制造战略大力发展的关键基础技术之一，将会迎来广阔的市场空间。

2020年中国激光雷达市场规模约为18.5亿元，在政策利好和市场需求的双重驱动下，中国激光雷达市场规模增速将会高于全球市场增速，市场空间潜力无限。初步预测2023年全年中国激光雷达市场规模有望达到20亿元。

激光雷达主流技术路线

当前激光雷达市场已有众多参与方，各家的研究方向、技术路线都存在着差异，因此对激光雷达的种类划分也需明确统一。激光雷达可根据探测方式、扫描方式和激光波长的不同进行分类。激光雷达扫描系统目前技术上主要分为四大类：机械式激光雷达、MEMS、Flash和OPA激光雷达技术。

机械式激光雷达技术相对成熟，已经达到量产化，但其本身含有大量机械部件，从而导致成体积大、成本高、高价格，不适用于集成度要求高的措施。

MEMS激光雷达技术，体积小，结构简单，相较于机械式体积做了很大改善，结构简单价格也相对便宜，但是由于本身还是含有部分机械，从而导致装配复杂、寿命短、扫描角度受限等。

Flash和OPA激光雷达技术相比前两者，不含任何机械部件，均为全固态激光雷达。但Flash的扫描方式为面扫，这也就导致Flash激光雷达功率密度较低、探测距离短，因此Flash通常不能当主传感器，只能当作辅助传感器来使用。对比之下OPA激光雷达技术的优势就很明显，具有全固态、成本低、尺寸小、灵活性强的特点。

全固态OPA激光雷达技术

OPA激光雷达技术的原理是，在单一芯片上由多个激光发射单元组成发射阵列，通过调节发射阵列中各个单元的相位差，来改变激光光束的发射角度，在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度的指向光束，完成扫描。

OPA激光雷达内部没有任何运动部件，激光发射与接收完全通过芯片完成，灵活性强、精度高、尺寸小、响应速度快，这些独特的外界环境感知能力，使得OPA激光雷达具有统一自动驾驶激光雷达行业的潜力。

目前在自动驾驶领域激光雷达应用火热，但仍旧满足不了L4及以上的自动驾驶水平。受限于半固态技术路线更无法在交叉领域实现应用如路网监控、工业机器人、空间光通信等，所以OPA芯片技术的突破首先带来的利好是为车载领域提供了L4及以上的可能，同时OPA芯片重新定义了激光雷达的应用范围拓宽了使用场景。

当前国内外布局OPA激光雷达的企业正逐渐增多，国外Quanergy、Innoviz、Analog Photonics等都已推出各自的产品并已经取得了一定的市场认可；国内对于OPA的研究刚刚进入起步阶段，如洛微科技、万集科技、速腾聚创等，但均未能推出成熟的OPA激光雷达芯片，群发光芯现已完成2D OPA芯片研制并开始3D OPA芯片的试制，并且和国内知名激光雷达厂商展开合作共同研制OPA激光雷达样机，预计明年向市场推出3D OPA芯片的同时将OPA激光雷达样机同步推向市场。

探索全固态OPA激光雷达芯片产业化新路径

当前OPA激光雷达市场普遍认为仍处于研发阶段，距离产业化至少还需5-10年时间，这是基于传统OPA技术路线给出的预期。传统OPA技术路线主要为电光调制和热光调制。这两者相比机械式、MEMS等方案仍具有全固态、扫描速度快、精度高、多目标监控等压倒性优势。但其本身存在工艺路线复杂、额外散热、旁瓣抑制等问题，极大的影响了进入产业化进程。

扬州群发光芯科技有限公司（以下简称“群发光芯”）自主研发的全固态硅基OPA激光雷达芯片开辟了一条新的OPA技术路线——波长调制。该方案解决了中国科协发布的“2023年度光子领域15个重大科技问题”中关于感存算一体光电集成芯片、光学系统的体积极限、光电子芯片的集成度极限、打造成熟的硅基光电异质集成工艺平台、中高端传感器实现自主可控、谱写智能网联汽车的“中国方案”等六大前沿难题。

该方案首先解决了传统OPA的额外散热问题，热光调制需要改变每根波导的温度从而改变折射率调制相位差，这就增加了芯片本身散热的难度；电光调制需要在每根波导上增设电极，电极额外的热累计也是散热难题。群发光芯波长调制OPA采用纯硅基材料制备，既不需要改变波导温度也不用增设电极，仅需改变入射光波长即可实现对出射光的相位调制。

在旁瓣抑制上，群发光芯波长调制OPA通过非等间距结构的设计极大的改善了旁瓣电平抑制效果；同时，制备工艺上相比电光的增设电极和热光的空间结构，群发光芯OPA制备工艺简单非常适合后期产业化，这也将极大的缩短OPA激光雷达进入市场的时间。

群发光芯OPA硅光芯片本身采用纯光学系统结构，制备材料均为硅基材料，不含任何电子部件，对现有光学系统体积进一步放缩可以提供实例验证模型。群发光芯OPA硅光芯片不仅适配当前TOF算法，更适配调频连续波（FMCW）算法，搭配FMCW在远程探测和精确探测将对现有激光雷达扫描产生划时代影响。

全固态OPA激光雷达技术包含光源、扫描芯片、接收芯片和数据处理芯片，OPA芯片和SPAD接收芯片、PSoC处理芯片等电子芯片进行集成是纯光学系统和电子系统集成的探索。群发光芯自主研发的OPA硅光芯片作为高端智能传感器激光雷达的核心部件，完全实现了技术自主可控。OPA全固态激光雷达的落地，将极大改变现有智能网联汽车市场格局。

群发光芯在国内第三方加工平台经过了多轮迭代流片工作，流片均由其公司内部工程师独立操作完成，形成了自主硅光工艺路线并积累的一系列自主知识产权。目前2D OPA硅光芯片的试制已全部完成，各项技术指标均已达到设计要求已进入市场导入阶段。3D OPA硅光芯片试制正在进行中，预计今年年底完成试制。公司目前正积极筹备硅光中式平台建设，当前已完成初期调研工作，相关设计院和重要设备厂商已介入，预计2025年前硅光中式平台投入使用。