1550 nm的半导体激光器，作为一种性能优越的光源，早在20世纪80年代开始就已经被广泛应用于光纤通信领域，随后又被应用于光纤传感系统，在21世纪初开始被逐渐应用于激光雷达(Lidar)，其中包括测风激光雷达、测距激光器雷达、车辆避障用的激光雷达和无人驾驶系统中的激光雷达等，本文以测风激光雷达和无人驾驶激光雷达的应用为例，主要介绍了1550 nm的半导体激光器在激光雷达领域中的应用情况，最后针对行业同仁关心的激光雷达相关问题尝试作答，因目前搜集到的问题和信息有限，如有疏漏和不足之处欢迎批评指正。

基于1550nm CW 半导体激光器的测风激光雷达

2008年成立的丹麦Windar Photonics公司，作为全球风电行业内一个领先的激光雷达生产商，于2010年左右与风电巨头Vestas（1898年成立）在欧洲的风电市场展开了合作，为Vestas的智能风机提供多普勒激光雷达，150米以上的远距离测风激光雷达采用1550 nm MOPA式光纤激光器作为激光雷达的光源，80-150米的近距离激光雷达的光源则采用高集成化的1550 nm MOPA半导体激光器。

智能风机采用激光雷达测风后， 可以及时调整风机叶片的方向，不但提升发电量约1%~4%，还能使风机的叶片长期安全运转，延长风机寿命，带来很大的经济效益。

图1 相干光原理的多普勒测风激光雷达

图片来源： Windar Photonics公司官网

图2 激光在实际测风中的调配

图片来源：Windar公司产品手册

图3 实时风速和风向的推导

图片来源：Windar公司产品手册

图4 LiDAR双光束激光测风仪

图片来源：Windar公司官网

图5 LiDAR四光束激光测风仪

图片来源：Windar Photonics公司官网

测风雷达的核心部件—1550 nm集成MOPA（(Master- Oscillator Power Amplifier,主控振荡器的功率放大器)）单模单频半导体激光器，由QPC Lasers (波科激光) 公司提供，CW（直流连续波）工作模式下保偏光纤输出的线偏振光功率500-700 mW，线宽典型值600 KHz, 内置TEC、热敏电阻、光隔离器和MPD，典型封装形式为14 pin蝶形，也可以采用其他封装形式。

图6 1550 nm单模单频集成MOPA半导体激光器芯片

图7 1550 nm单模单频集成MOPA蝶形激光器

图片来源：QPC Lasers(波科激光)公司

车载激光雷达

雷达作为车辆避障的重要手段，现在已经从最初仅有超声波雷达发展到超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达互补共存的阶段，激光雷达以其分辨率高的优势，迎来快速增长的时期，无人驾驶技术已是大势所趋，车载的激光雷达近几年出现爆发式增长的局面。

图8 无人驾驶汽车上的主要安全设施

图片资料来源：The Economist

目前车载激光雷达的光源跟扫地机中的激光雷达一样, 大多采用905 nm的激光器，存在人眼安全问题， 特别是在工作距离达到150 m以上，905 nm的激光器的光功率超过了人眼安全的阈值时，必须采用人眼安全波段的激光器，1550 nm就是人眼安全波段的典型代表，在同样的光斑大小和脉宽条件下，1550 nm激光的最大允许曝光量和最大允许峰值光功率值均比905 nm激光高出几个数量级。

图9 1550 nm激光与905 nm激光的人眼安全对比

图片来源：国际网络

作为无人驾驶汽车雷达的理想光源，应该同时具备以下几个条件：

1） 高功率、短脉冲: 高的分辨率以及更远的探测距离

2） 高光束质量: 方便系统采用小型高速的扫描器件

3） 可靠性高、价格低廉: 半导体激光优于固体或光纤激光， 成为首选方案

4） 人眼安全: 如果降低功率来达到目的则同时缩小探测距离， 最佳方案是采用人眼安全波段的激光器

5） 体积大小：半导体激光优于固体或光纤激光， 成为首选方案

综上所述，无人驾驶汽车激光雷达的理想光源是高亮度、高功率、人眼安全的1550 nm半导体激光器。 QPC Lasers（波科激光）的1550 nm 集成MOPA半导体激光器，具备上述所有的特征， 已经被多家客户用于无人驾驶汽车上的激光雷达光源， 目前反馈的情况良好，正在小批量应用中。

图10 1550 nm集成MOPA C-mount封装激光器产品

图片来源：QPC Lasers(波科激光)公司

图11 激光雷达用1550 nm集成MOPA CoS（Chip On Submount）封装半导体激

图片来源：QPC Lasers(波科激光)公司

常见问题问答

问题一：激光雷达的分类

问题二：车载激光雷达技术路线主要有哪些？

车载激光雷达按技术路线分为TOF（Time of Flight）测距配合传统机械扫描式激光雷达、MEMS激光雷达和全固态激光雷达，全固态激光雷达又分为OPA激光雷达、FLASH激光雷达和FMCW激光雷达。

问题三：激光雷达的关键部件有哪些？

关键部件包括：激光发射子系统、发射/接受的光学子系统、激光接收子系统、信号处理子系统和伺服控制子系统。

图12 激光雷达系统的主要构成

图片来源：国际网络

问题四：无人驾驶车载激光雷达要进入普及应用阶段还有哪些问题需要解决？

目前需解决的问题包括：国家相关法律法规的颁布、符合车规的安全及可靠性稳定性等要求以及价格在整车成本中的占比下降到可以接受的程度，目前的占比大都超过30%甚至到50%以上，需要降低至15%甚至是10%以内， 市场需求容量的扩大会对降低占比起到很好的推动作用。

问题五：比较一下激光雷达的各种光源，它们分别适合什么应用领域？

对比情况见下表

问题六：激光雷达各种接收探测器的特点分别是什么？

对比情况见下表

问题七：激光雷达的光源选择需要关注哪些方面？

需关注人眼安全问题、 稳定性和可靠性、成本、量产的可能性。

问题八：激光雷达的光源要求线宽指标是必须的吗？

对于相干探测激光雷达，光源要求线宽指标是必须的， 相同的光功率条件下，线宽越窄， 探测距离越远； 而直接探测激光雷达则不要求线宽指标。

问题九：激光雷达光源的主要厂商有哪些？

905 nm 半导体激光器的主要供应商是欧司朗， 1550 nm半导体激光器的供应商主要是 QPC Lasers （波科激光）。 此外还有众多的1550 nm 光纤激光器的供应商，比如上海瀚宇、昂纳信息和镭神智能等。

作者简介

梁民，现任波科激光研发总监，具有超过25年的光电子器件和组件行业的工作经验，熟悉光纤通信、光纤传感和工业加工的光有源(特别是各种半导体激光器)/光无源器件和组件的产品设计开发和封装生产工艺技术。

胡文涛博士，现任QPC Lasers副总裁、工业激光事业部总经理和波科激光公司总经理。1995年获中科院上海光学精密机械研究所工学博士学位。2004年，加盟QPC Lasers，负责高功率激光产品的研发工作，2009年后兼管生产和销售。他领衔研发的产品已经广泛运用于医疗、工业加工、激光泵浦和科研等领域。