01. 從1到10新階段，激光雷達開始規(guī)模上車

目前搭載激光雷達的小鵬P5、極狐阿爾法S全新HI版等車型已正式交付，威馬M7、智己L7、小鵬G9、哪吒S、阿維塔11等搭載激光雷達的車型，也將在今年上市交付。可以說，2022年是激光雷達應(yīng)用到車型的量產(chǎn)年。

L4級別自動駕駛催化消費意愿，激光雷達搭載的車型還將繼續(xù)以高端車型為主。

我們認為，自動駕駛的發(fā)展速度最終取決于能否解放駕駛員雙手，既達到L4級別。在算力、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)速度等綜合技術(shù)能夠支撐L4的應(yīng)用之前，即使有政策支持和車企的激進嘗試，整個自動駕駛產(chǎn)業(yè)難言爆發(fā)。因此在L4之前的階段，激光雷達滲透率的主要動力來源于車企的搭載意愿。由于激光雷達的成本較高，搭載的車型還將繼續(xù)以高端車型為主。

綜合麥肯錫咨詢、IHS的預(yù)測，以及2022年搭載激光雷達的車型，假設(shè)2022年全球自動駕駛L3級別汽車滲透率0.4%，至2027年L3滲透7%，L4滲透率1%，測算2022年激光雷達全球市場約44億元，至2027年達到633億元，年復(fù)合增長率70%。

國內(nèi)中游領(lǐng)先，提前卡位下游

國內(nèi)激光雷達制造商禾賽科技和速騰聚創(chuàng)的市占率目前領(lǐng)先全球，建議關(guān)注均勝電子、均普智能、萬集科技。

上游行業(yè)中，國內(nèi)有較多供應(yīng)商在收發(fā)芯片和器件布局。發(fā)射端建議關(guān)注長光華芯、炬光科技、富信科技；接收端建議關(guān)注奧比中光；主控和信號處理端建議關(guān)注安路科技；硅光器件屬未來發(fā)展方向，建議關(guān)注聲光電科、光庫科技。

激光雷達模塊解析

激光雷達主要由光發(fā)射、光掃描、光接收三大模塊組成。光發(fā)射模塊集成了驅(qū)動、開關(guān)和光源等芯片。光接收模塊集成了SPAD傳感器、ADC、TIA、TDC芯片等。

激光雷達處于從1到10階段，存多種演變路徑

激光雷達在早期0到1的車載探索階段主要依靠機械式激光雷達在Robotaxi進行測試應(yīng)用，Robotaxi測試車隊由于會定期對車輛進行專業(yè)維護，因此機械式激光雷達體積大、壽命短、成本高的缺點對于此類B端客戶并非不可接受，也因此承擔(dān)了激光雷達車載應(yīng)用探索的角色。

目前，半固態(tài)激光雷達在成本、體積、耐用性等方面逐漸改善，激光雷達逐步進入乘用車市場的商用起步階段，除性能指標(biāo)外，集成度、可量產(chǎn)、成本等都是此階段需要重點考慮的問題。

未來，如果固態(tài)雷達技術(shù)逐漸成熟，價格降至200美元以下，固態(tài)激光雷達將成為成熟的車載商用傳感器。

02. 核心技術(shù)壁壘——收發(fā)模塊

激光雷達的性能指標(biāo)，主要取決于收發(fā)模塊；可靠性主要由掃描模塊決定；成本由兩者共同決定。

掃描模塊的本質(zhì)是機械，由它帶來的可靠性問題需要通過工程方式來解決，主要靠時間。相比之下，收發(fā)模塊的壁壘，則是電子技術(shù)的演進，是技術(shù)壁壘+工程壁壘，其中的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)能力非常重要。在選擇可靠穩(wěn)定的掃描模塊基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化收發(fā)模塊，將是一款優(yōu)秀激光雷達的必經(jīng)之路。

降本關(guān)鍵——收發(fā)芯片集成化

收發(fā)芯片是激光雷達的主要成本構(gòu)成。收發(fā)模塊包括各種光學(xué)鏡頭、激光器、探測器、激光器驅(qū)動、模擬前端等。收發(fā)模塊的降本，主要通過激光器、探測器、激光器、激光驅(qū)動、模擬前端等電子部件的芯片化來實現(xiàn)。

發(fā)射芯片降本：將數(shù)十個光學(xué)通道在集成光學(xué)芯片上一次制作完成，用集成式模組替代需要逐一通道進行調(diào)試的分立式模組，可大幅度降低了物料成本和調(diào)試成本，降本幅度達到 70% 以上，并同時提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、一致性。

接收芯片降本：目前的接收模組光芯片方案有PIN/APD/SPAD，它們都是模擬芯片，為提高信噪比，需要放大器對模擬信號進行放大，然后進入ADC變換電路。目前主流的APD方案，由于單顆接收芯片較大，不適合CMOS集成。而SPAD尺寸小，利于和readout電路集成，從而降低了成本。

降本關(guān)鍵——收發(fā)芯片集成化

據(jù)激光雷達供應(yīng)商Ouster，由于使用了高度集成的Vcsel激光陣列，和SPAD接收方案，其固態(tài)激光雷達模組的價格和體積將具備優(yōu)勢，如果使用單車裝備5個雷達的方案，總售價可以降到1000美元。

高脈沖速度和高功率激光是車載LiDAR必要條件

激光驅(qū)動電路作為半導(dǎo)體二極管泵浦，用來驅(qū)動半導(dǎo)體二極發(fā)出指定的激光，這個生成的激光，進一步激發(fā)激光器光路上的激光，增加激光器光路上激光的強度，改變激光器光路上激光的頻率等功能。

高頻脈沖提高分辨率。激光的速度對制成具極高分辨率的圖像非常重要，而極高分辨率的圖像是安全的全自動駕駛運輸所必需的。因此，需要短至幾納秒甚至更短時間的脈沖來實現(xiàn)必要的距離分辨率。脈沖通常由激光二極管產(chǎn)生。

高功率提高探測距離。激光的反射系數(shù)低，為實現(xiàn)遠距離探測，需要為系統(tǒng)提供更多的能量，這意味著激光二極管電流峰值為10~100A。

由于激光二極管溫度升高將增大流過它的電流值，增加的電流又進一步的增加溫度，增加的溫度又進一步增加電流，器件很容易損壞。因此，必須采用必要的散熱措施，以保證器件工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。

03. 發(fā)射器：驅(qū)動IC壁壘高，Vcsel產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟 溫控不容忽視

激光雷達的激光器是由專門設(shè)計的電路所驅(qū)動的。常見的激光驅(qū)動器是諧振電容放電驅(qū)動器，Q1通過雜散電感L1和激光器DL對電容C1諧振放電。為了克服電感L1，達到所需的快速電流上升時間， C1被充電到相對較高的電壓（通常25V~150V）。Q1必須能夠承受該電壓，傳導(dǎo)峰值電流，并在1ns或更少的時間內(nèi)打開。

在傳統(tǒng)的LiDAR系統(tǒng)中，通常會找到一個硅驅(qū)動器IC，該驅(qū)動器可驅(qū)動GaN FET，然后將電流泵入LiDAR激光系統(tǒng)。但是硅驅(qū)動器限制了整個電路的速度。

氮化鎵（GaN）器件的電子遷移率是硅器件的數(shù)百倍，

其能隙為3.4eV。與同類的硅產(chǎn)品相比，GaN MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗、更高的開關(guān)速度、更好的熱性能，以及更小的尺寸和成本。

EPC、德州儀器等公司將GaN驅(qū)動器和GaN FET集成到單個IC上，從而消除了互連電感，并消除了傳統(tǒng)LiDAR電路的速率限制方面。德州儀器的TIDA-01573驅(qū)動，能夠產(chǎn)生頻率1.5納秒以下、功率100W以上的高頻高功率激光。國內(nèi)尚無成熟的激光驅(qū)動供應(yīng)商。

發(fā)射器：Vcsel產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，有望打破國外代工壟斷

Vcsel激光器始于蘋果人臉識別和短距光通訊的應(yīng)用，自從蘋果供應(yīng)商Lumentum培養(yǎng)了代工廠之后，國內(nèi)FABLESS模式的公司如雨后春筍般成長，但生產(chǎn)依賴外部代工，主要在LUMENTUM的代工廠—IQE代工外延，穩(wěn)懋代工芯片。

在車載激光雷達領(lǐng)域，不同激光雷達制造商、不同方案對Vcsel陣列的大小、排列需求不同。目前，Vcsel陣列還處于定制化階段，在有成熟的掃描和光源方案前，車用Vcsel陣列既不能形成規(guī)模生產(chǎn)，也沒有穩(wěn)定的良率支撐，當(dāng)前車載Vcsel陣列的盈利能力較弱。國內(nèi)企業(yè)開始逐漸往上游制造滲透，非上市公司有唐晶量子、縱慧芯光、長瑞光電（中際旭創(chuàng)參股），建議關(guān)注的上市公司有長光華芯、炬光科技、聲光電科。

發(fā)射器：溫控不容忽視，關(guān)注TEC制冷技術(shù)

散熱空間有限，溫度影響激光器性能。激光器的發(fā)展方向為小型化、高功率化、高速化，造成散熱空間減少而發(fā)熱量增長。溫度升高將影響器件的性能和激光質(zhì)量，需要體積小、可靠性高的制冷器件進行散熱。

半導(dǎo)體制冷（TEC）是一種固態(tài)制冷技術(shù)，不需要任何制冷劑，具備體積小、無振動、精度高、可靠性高的特點。其利用材料內(nèi)部載流子的運動，直接將電能轉(zhuǎn)換為冷能。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時，若給回路一個直流電，則回路中的一個節(jié)點溫度升高，另一個節(jié)點溫度降低，稱為帕爾貼效應(yīng)。

TEC已廣泛應(yīng)用于光通信激光器散熱，下游有望延伸至激光雷達，建議關(guān)注賽格瑞（未上市）、富信科技。

04. 探測器：APD較成熟，SPAD和SiPM是未來方向

APD 是ToF類激光雷達目前主要使用的較為成熟的探測技術(shù)。

SPAD可實現(xiàn)低激光功率下的遠距離探測能力，但過于靈敏的接收也會導(dǎo)致通道串?dāng)_大、寄生脈沖等問題電路設(shè)計等工藝難題帶來較高的制造成本。

SiPM是由多個獨立且?guī)в写銣?a target="_blank">電阻的SPAD組成，每個單元是獨立的，最終輸出的信號是多個像素輸出信號疊加，有幅度變化，照射到SiPM的光子數(shù)越多，幅度越大。但存在串?dāng)_、較大的暗電流，恢復(fù)時間與溫度有關(guān)，雪崩電壓、增益與溫度有關(guān)。

SiPM和SPAD可探測距離超過200m、5%的低反射率目標(biāo)，在明亮的陽光下也能工作，分辨率極佳，且盡可能小的光圈和固態(tài)設(shè)計實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)勢，正成為新興的LiDAR探測器。

探測器：SPAD vs SiPM

如果LiDAR的設(shè)計更加關(guān)注分辨率，SPAD是更好的選擇；如果更加關(guān)注幀速和信號提取速度， MPPC是更好的選擇。

SPAD是single photon avalanche diode的簡稱， MPPC是multi-pixel photon counter的簡稱。兩種探測器的基礎(chǔ)原理都是蓋革模式下的雪崩光電二極管。如果以單點探測器為例，SPAD是一個單像素蓋革模式的探測器，探測器尺寸較小。

而MPPC是由多個蓋革模式的探測器同時信號輸出，相對探測器尺寸較大。因此，以9×9的陣列為例，在相同的分辨率要求下，SPPC陣列的面積更小，MPPC陣列的面積較大。

SPAD的輸出信號幅值相同，相當(dāng)于只輸出1或0電平信號，以致于單次測量時無法直接得出是否是真正的信號位置。而MPPC由于是多個蓋革模式探測器同時感光輸出，輸出的信號會有幅度級別的區(qū)分。

因此，在進行信號提取時，SPAD陣列需要從時間和空間兩個維度對信號進行相關(guān)度分析提取真實信號。而MPPC由于直接輸出信號幅值，可以按照閾值的設(shè)置完成信號的提取。

探測器：國內(nèi)初創(chuàng)公司進軍SPAD、SiPM

據(jù)麥姆斯咨詢，目前大多數(shù)領(lǐng)先的APD供應(yīng)商都將905nm作為自動駕駛激光雷達的標(biāo)準波長，以實現(xiàn)經(jīng)濟高效且可靠的解決方案。該市場的主要領(lǐng)導(dǎo)者濱松（Hamamatsu Photonics）、埃賽力達（Excelitas Technologies）和First Senor等正在提供905nm APD，而SemiNex和Voxtel正在為汽車LiDAR開發(fā)1550 nm APD。

SiPM和SPAD技術(shù)基于蓋革模式雪崩原理，是實現(xiàn)LiDAR系統(tǒng)中緊湊、高增益的接收傳感器的關(guān)鍵。目前，索尼已開發(fā)出IMX459 SPAD接收器，實現(xiàn)了SPAD和readout電路的集成；安森美收購SensL進行技術(shù)布局；濱松在APD、SPAD、SiPM布局全面。

國內(nèi)供應(yīng)商中，芯視界、靈明光子、阜時科技等非上市公司，專注于SPAD/SiPM的研發(fā)。上市公司中，建議關(guān)注奧比中光，公司SPAD芯片實現(xiàn)流片；聲光電科，公司擁有InGaAs APD芯片及探測器。

05. LiDAR制造：國內(nèi)需求較強，本土供應(yīng)商市占率暫時領(lǐng)先 硅光集成芯片逐漸成熟，激光雷達應(yīng)用待突破

據(jù)yole，全球范圍內(nèi)，中國激光雷達供應(yīng)商占ADAS前裝定點數(shù)量的50%。主要因為中國的激光雷達廠商與汽車OEM 建立起了緊密的合作關(guān)系，中國政策更加開放，車廠搭載激光雷達更加激進。

從前裝量產(chǎn)供應(yīng)商來看，禾賽獲得截至目前全球27% 的前裝定點數(shù)量，排名全球第一。禾賽的車規(guī)級半固態(tài)遠距激光雷達AT128 獲得包括理想、集度、高合、路特斯等汽車品牌旗下的多款車型定點，并在已經(jīng)開始生產(chǎn)和交付。

國內(nèi)供應(yīng)商在L4自動駕駛暫時領(lǐng)先。

在L4 自動駕駛市場營收上占比58%，排名全球第一，是第二名Waymo 份額的兩倍以上。禾賽的高性能激光雷達產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋國內(nèi)外幾乎所有頭部L4 自動駕駛公司，包括Cruise、TuSimple 等，以及國內(nèi)的百度Apollo、美團無人車、文遠知行、AutoX 、小馬智行等。上市公司中，建議關(guān)注均勝電子、均普智能、萬集科技。

硅光集成芯片逐漸成熟，激光雷達應(yīng)用待突破

激光雷達中短期的壁壘在光學(xué)技術(shù)，從長期看，性能的提升及成本的降低都仰賴于半導(dǎo)體及光子集成技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)行業(yè)內(nèi)確定了激光雷達收發(fā)標(biāo)準化方案后，光子集成工藝可以幫助激光雷達整體實現(xiàn)小型化、低成本化，最終形成與車載攝像頭相似的鏡頭、芯片模塊化生產(chǎn)組裝工序。

目前ADC、DSP等微電子器件發(fā)展成熟，芯片兼容性強，前端光學(xué)方案的變化對微電子器件芯片設(shè)計框架影響較小，因此可率先通過CMOS工藝實現(xiàn)成本及體積的降低。然而激光雷達整體體積及成本的降低仍需光子集成工藝對各光電器件進行集成。

硅光芯片基于絕緣襯底上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）平臺， 兼容互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS） 微電子制備工藝，同時具備了CMOS 技術(shù)超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢。

硅光芯片商業(yè)化至今較為成熟的領(lǐng)域為數(shù)據(jù)中心、通信基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性價比較為突出。未來隨著技術(shù)逐漸成熟，激光雷達、光子計算等領(lǐng)域的應(yīng)用有望實現(xiàn)突破。

異質(zhì)集成是當(dāng)前主流硅光方案

硅光芯片中的光器件分為有源器件和無源器件，有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測器；無源器件包括平面波導(dǎo)、光柵或邊緣耦合器等?；谶@些元器件，可以構(gòu)成光發(fā)射 / 接收芯片，并開展陣列化的應(yīng)用，最終通過光子集成技術(shù)

（Photonic IntegratedCircuit, PIC）來實現(xiàn)硅光芯片。

當(dāng)前的硅光器件依然處于初步的集成階段，從異質(zhì)材料集成向單片集成演進。走在硅光最前沿的英特爾的方案中，激光器發(fā)光部分是III-V材料，通過硅晶圓工藝和硅光集成到一起，屬于異質(zhì)集成，但芯片效率和峰值功率不高。

單片集成技術(shù)是對制作好的硅晶圓開槽，直至單晶硅襯底，而后使用選取外延的方式在單晶硅襯底上生長 III-V 族材料，工藝難度大，但損耗低、易于封裝、可靠性強、集成度高，被認為是未來實現(xiàn)硅光大規(guī)模生產(chǎn)的一種最可行的方案。

異質(zhì)集成是當(dāng)前主流硅光方案

光電集成芯片要實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要依托硅材料與不同種類光電材料的異質(zhì)集成，以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異特性。Ⅲ-Ⅴ族材料制作的光源、鈮酸鋰制作的調(diào)制器和YIG材料制作的隔離器相比于硅基器件具有較大優(yōu)勢。

英特爾引領(lǐng)硅光發(fā)展，國內(nèi)材料、器件實現(xiàn)供應(yīng)

編輯：黃飛

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