滨松:为成就更好的激光雷达技术,核心光电器件该如何发展?

微访谈:滨松激光雷达项目产品技术负责人鲍泽宇、滨松激光雷达项目市场负责人张杰

采访背景:日本滨松光子学株式会社(以下简称:滨松)是全球光子技术、“光”产业的领导者。自1953年成立以来,滨松将超过15000种光电产品销往全球100多个国家和地区,这些产品被广泛应用于生物医疗、高能物理、宇宙探测、精密分析、工业计测、民用消费等领域。多种产品以其优异质量著称并享有高市场占有率,如光电倍增管系列产品的市场占有率高达90%。在激光雷达(LiDAR)领域,滨松是世界上为数不多的可同时为车载激光雷达提供各类核心光学器件的企业,如激光器、MEMS微镜和光电探测器等,并不断优化性能,推进更高级别自动驾驶的实现。

麦姆斯咨询:首先非常感谢滨松接受麦姆斯咨询的采访!请您向大家介绍滨松的发展历程和主营业务,谢谢!

张杰:滨松光子学商贸(中国)有限公司是日本滨松光子学株式会社在中国的全资子公司,中国的销售、技术支持、售后服务等市场活动中心。

成立于1953年的日本滨松光子学株式会社(简称:滨松),是具有高科技水平、高市场占有率的光科学、光产业公司。主要的产品为光电元器件以及设备,产品种类超过15000种,其中光电倍增管闻名世界,占有率达90%以上。目前拥有电子管事业部、固体事业部、系统事业部及激光事业部,并设有从事前沿、基础光学及应用研究的中央研究所。滨松十分注重技术的发展,秉承“产品技术应该先于应用的发展”的理念,因此每年都将销售额的9%左右投入在技术研发之中。滨松的产品被广泛应用于分析仪器、医疗设备、核技术应用、科学研究、安全检查、民用消费电子等领域,其中滨松的光电倍增管、光电半导体产品曾三次助澜诺贝尔物理学奖的诞生,为中微子、希格斯波色子的探测做出重要贡献。

滨松曾三次助澜诺贝尔物理学奖的诞生
滨松曾三次助澜诺贝尔物理学奖的诞生
滨松曾三次助澜诺贝尔物理学奖的诞生
滨松曾三次助澜诺贝尔物理学奖的诞生

滨松于1988年与北京核仪器厂共同投资兴建了北京滨松光子技术有限公司(简称:北京滨松),现为国内著名的光产业基地。为了进一步贡献于中国光产业,并应对中国国内需求的不断扩大,于2011年10月在北京成立全资子公司“滨松光子学商贸(中国)有限公司”(简称:滨松中国),次年滨松中国上海分公司成立,2017年滨松中国深圳分公司成立。上海、北京设有产品测试实验室。滨松中国全面负责滨松产品以及北京滨松部分产品在中国的销售、技术支持、售后服务等市场活动,为中国客户提供更好、更贴近的服务。

麦姆斯咨询:滨松的光电产品在多个领域享有盛誉,能谈谈滨松的成功秘诀吗?

鲍泽宇:我们相信每一个企业,基于其核心技术和能力,为其用户提供满意的产品和服务都是事业成功过程中最重要的基点。讲一个案例,滨松自创社以来,获得的第一单量产业务,是和美国一家高精密分析仪器的公司合作,开发当时市面上暂时没有合适提供方的一款光电探测器。通过和客户前期密切沟通,充分理解客户的诉求,以及诉求背后的缘由后,滨松在当时社长的带领下,克服时差、语言、技术瓶颈等多重障碍,和客户一起工作并以诚恳的方式及时高效地与客户一同处理问题,最终在经历了多次试制、测试、改良环节后定型并小批量试产,最终逐步走向了批量交付。此产品的出现,瞬间使得合作客户的仪器具有了市场同类产品都没有的超高探测精度和动态范围,帮助客户在获得超额的订单和社会认可的同时,也为仪器的最终使用者提供了便利。这款产品历久弥新,到今天其改良款依旧活跃在高端分析仪器的市场上。通过这个小故事,我们想表达滨松的一种理念——通过滨松的技术和能力,基于滨松人的智慧和经验,为用户提供价值增量服务,以客户诉求为出发点,实现双方合作的共赢!

再回到您的问题上,简要概括下来,我们事业支撑的基础在于以下几个方面:

1、专业度高,专注于“光”,在公司成立以来,66年来一直致力于光子技术和光子探测技术的研发及生产;

2、技术优先,通过持续不断的投入研发,追求产品力的提高;

3、用户满意,和客户共同工作,提供增量价值服务;

4、稳定的产品品质和持续的供货能力;

5、“匠人”精神和靠谱的团队文化。

麦姆斯咨询:滨松对激光雷达系统及核心元器件都做了不少功课。这几年在开拓激光雷达市场的过程中,也一定感受颇深。可以和读者分享一下吗?

张杰:激光雷达是一种光学测距的应用技术,LiDAR是它的英文称呼,维基百科的定义是“LiDAR is a surveying method that measures distance to a target by illuminating the target with laser light and measuring the reflected light with a sensor.”,翻译为“通过发送激光,并通过探测器接收反射光而进行距离测量的系统”。最近几年激光雷达伴随着智能网联汽车与无人驾驶应用的强劲势头而兴起。目前,在北京、深圳、上海、长沙、武汉、广州等地都建立了自动驾驶测试区,作为车的“眼睛”,激光雷达起到了实时发现和定位周边物体的功能。滨松在激光测距的应用可以追溯到早期的单线防撞雷达,该雷达一般搭载在汽车前方,用于前向碰撞的规避,其内置了激光器和探测器对,实现光的高速发收。到现在我们耳熟能详的多线激光雷达,可以说是一种升级,通过多线扫描实现了3D场景的点云探测,从而真正获得纵深方向的高分辨率目标感知能力。

滨松在开展激光雷达业务的过程中,基本上是既有技术应用的升级,从产品经验和可塑性来讲应该是颇具优势的。在开发市场的过程中,我们遇到的问题是,既有的团队无法满足爆发性的需求,从2016年开始,我们针对激光雷达的咨询和产品的诉求就一直不断,在2018年初到达顶峰,到目前2019年相对稳定,这其中我们通过协同日方,强化国内团队,逐步找到了节奏,满足了客户一个又一个基于滨松器件的诉求。整个过程中,我感受到激光雷达行业的巨大潜力和市场前进速度的特点。尤其是在中国地区,我们在没有传统强势Tier-1公司的生态环境下,BATH(编者注:指阿里巴巴、腾讯、百度、华为)等公司联合整车厂的入局起到了资源整合的决定性作用,加速了中国的激光雷达技术和自动驾驶技术的应用落地。同时,技术流派从一开始的机械旋转式入局,到新的固态激光雷达的研发和推出,也仅仅发生在短短几年间,对探测器和光源产品的诉求也从一开始的针对产品参数到产品的封装、定制及车规等诉求进行转化。我们相信,在未来的应用落地中,滨松的产品一定可以从各方面为客户提供长期稳定的可信赖支持,滨松团队也一直尽最大努力帮助用户,与客户一同成长。

麦姆斯咨询:滨松一直致力于为车载激光雷达提供性能优异的光电器件。到目前为止,滨松已经推出了哪些产品?

鲍泽宇:我们推出的产品包含了光电收发的核心元器件。就发射端来讲,目前可以提供的产品有21W~120W的905nm激光器、4通道车规级905nm激光器、高功率940nm VCSEL(垂直腔面发射激光器)、同时可以提供TO、陶瓷等多种自有封装工序。从探测器来讲,包括PD(光电二极管)、PIN-PD(PIN光电二极管)、APD(雪崩光电二极管)、MPPC/SiPM(硅光电倍增管)以及基于上述探测器的阵列化产品;此外针对PD、APD产品,滨松可以提供InGaAs(铟镓砷)材料的产品。针对探测器的集成化方向,目前可以提供内置TIA(跨阻放大器)、TDC(时间数字转换器)等集成功能型器件。

针对光学组件,目前可以提供诸如MEMS微镜、BPF(带通滤光片)、FAC-LENS(快轴准直透镜)等产品。当然针对BPF和FAC-LENS,目前主要是提供定制品,考虑到成本和量产,暂时还没有对外供应标准品的计划。

滨松为激光雷达提供的各类光电元器件
滨松为激光雷达提供的各类光电元器件

麦姆斯咨询:针对车载激光雷达,请您谈谈该领域激光光源的要求和发展趋势的理解,以及滨松在这方面的布局。

鲍泽宇:针对光源的要求,我们的观点概括为以下几点:

1、小尺寸+高输出(高电光转换效率)。这样多线激光雷达功耗就会比较低,同时尺寸会随之降低,能对角分辨率有一定的提升。当然这个方向是通用性的,合理的性价比也需要考虑。

2、高品质的光束质量。比如NFP(近场光斑)的光斑功率均匀度、出光功率的温度稳定性以及中心波长的漂移特性,都会影响最终激光雷达产品的工作环境可靠性,滨松的激光器产品在这几个特性上优势明显。

3、高封装规格,通过AEC认证的可靠性高封装产品。滨松已经针对车规级封装的产品线完成了布局,针对未来的车用产品,封装方式会和目前产品有所区别。滨松开始了针对特定产品的AEC认证工作,预计2020年会发布相关信息。

4、阵列化光源。包括线阵4ch(四通道)、以及高功率面阵VCSEL产品;目前滨松已经确定将在12月份发售4ch产品,同时会在2020年初发售高功率VCSEL。

5、高集成度和定制化。针对特殊的激光器光源阵列需要进行完全不一样的定制化,以满足特定的要求。由于滨松具备晶圆级全流程生产制造技术,定制化业务一直是滨松的优势所在。

麦姆斯咨询:对于用于车载激光雷达的光电探测器,滨松主要布局了哪几类产品?性能如何?

张杰:光电探测器的种类之前已提到,主要是硅基的PD、PIN-PD、APD、MPPC,和基于InGaAs材料的PD、APD和MPPC产品,以及基于既有产品的阵列化和定制化的产品。性能表现如何?还是用户有发言权。我们只能阐述基于事实的判断,目前成熟的应用中内置我们APD/PD的体外诊断设备、内置MPPC的PET(正电子发射型计算机断层显像)在高端精密医疗领域均具有领先优势。

麦姆斯咨询:905nm雪崩光电二极管(APD)是目前激光雷达中常见的光电探测器,而单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)在激光雷达中的应用也为业界所看好!您能讲讲目前SPAD和SiPM在激光雷达应用的主要问题吗?滨松计划如何解决?

鲍泽宇:如前所说,APD基于既有的多元化业务场景,目前是使用最为广泛的光电探测器件。而SPAD和SiPM主要是为了解决两个问题而存在的。第一个问题是增益能力,目前APD的典型增益是100倍,而在远距离测试的时候,需要大幅提高光源光强才能确保APD有信号,而SPAD或者SiPM是工作在盖革模式下的APD,理论增益可以是APD的一百万倍以上;第二个问题是大尺寸阵列的实现,SiPM是多个SPAD的阵列形式,可以通过多个SPAD获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术。针对SiPM(滨松注册称呼为MPPC),目前遇到的诉求最多的是PDE(光子探测效率)的提升问题。为此,滨松制定了三步战略:第一步实现从7%到10%的提高,第二步从10%提高到15%,第三步从15%提高到30%,通过逐步迭代,优先供应有MPPC应用经验和合作的用户群体。

SiPM/MPPC:多个SPAD的阵列形式
SiPM/MPPC:多个SPAD的阵列形式

麦姆斯咨询:就光电探测器的衬底材料而言,主要有硅(Si)和铟镓砷(InGaAs)。目前滨松已经推出了基于这两种材料的光电探测器。请您为读者科普基于上述两种材料的光电探测器的性能差异,以及在激光雷达的应用前景等。谢谢!

鲍泽宇:目前主要的差异是适用的光谱不同。从应用角度而言,原理上没有太大差别。探测器是配合光源的,硅基探测器配合最多的是850nm、870nm、905nm、940nm等波段光源。同时作为第一代半导体,硅材料晶圆更加成熟,从成本和可获得性来讲是大范围应用的必然选择。相比之下,作为化合物半导体的InGaAs材料由于工艺难度、晶圆尺寸和使用场景的限制,远没有硅的整体成熟度高。但滨松仍然致力于InGaAs APD的性能和成本优化,配合其使用的光源在人眼安全、阳光背景噪声等方面的优势,在更远距离的测量方面优势更明显。

麦姆斯咨询:滨松在用于医疗成像、高能物理学等领域的光电探测器已经取得了巨大的成功。已有的成功经验,为滨松开拓激光雷达的光电探测市场带来了哪些优势?但不同应用对光电探测器的要求差异较大,给你们带来了哪些挑战?

张杰:目前滨松的APD、MPPC/SiPM在高端医疗诊断行业的使用十分广泛,目前内置我司的MPPC的PET-MR或者PET-CT设备在高端医疗环境下的使用十分广泛。据我所知,在这个行业,滨松的产品市场具备绝对的占有率,而且还在不断增长。同时内置我司APD/PD的产品在高端血液诊断设备中,也有着绝对领先的地位,每年为全球体外诊断行业提供着稳定的输出结果。

我们也思考为什么?我想PET对单光子计数的探测器能力的高要求,血液诊断装置对APD的高探测能力的和信噪比的要求,加上我们持续稳定的价值服务,是我们成功的核心原因。这些研发过程都使我们在MPPC和APD弱光探测应用上积累了宝贵的成功经验。而激光雷达探测远距离的回波光是十分微弱的,在这种场景中,滨松的产品优势不言而喻。当然,正如您提到的,目前应用场景不同,对我们在近红外探测灵敏度、性能一致性水平、车规级别的工作环境、器件集成化程度等各个方面提出了不少改良和调整的要求,这方面的应对需要与客户保持持续高效的联系和沟通。

麦姆斯咨询:激光雷达的技术路线很多,例如机械式、MEMS、相控阵(OPA)、Flash、FMCW,您更看好哪些技术路线?为什么?

张杰:我们作为器件级别的核心供应商,并不会决定激光雷达技术路线,与其说看好哪些路线,不如说看哪些路线能更加适应自己的应用场景落地并推动该应用场景的持续进步。机械式激光雷达虽然被诟病“贵、大、过车规难”等等,但是我们也看到当前市面上的路测均需要360°可探测范围的事实,以及两年来该类激光雷达价格的明显下降。同样,未来的多传感器融合的概念既有激光雷达和其它方法,也有多种方法让激光雷达集成在一辆车的趋势。

麦姆斯咨询:可以谈谈近两年滨松针对激光雷达应用的新品计划吗?

鲍泽宇:敬请关注麦姆斯咨询将在12月19日举办的『第二十八届“微言大义”研讨会:激光雷达技术及应用』,我们会公布具体的信息。

简单谈一下我们进入2020年的准备。首先是车规级器件,目前随着诉求向封装和可靠性转换,我们将会列举最新封装技术的产品给用户;其次是高性能,针对电光效率、高灵敏度、抗串扰、高PDE等不同器件的核心参数都有一定程度的提高;再次是高稳定性,随着批量业务的增加,很多实验阶段、小规模阶段客户向批量阶段转移过程中都会遇到各种各样的问题,批次一致性会给客户快速转产提出挑战,我们改善后的新生产技术可以在制造过程中提升产品的一致性,同时可以支持关键客户的失效分析等售后服务。

麦姆斯咨询:今年12月19日,滨松将受邀再次出席『第二十八届“微言大义”研讨会:激光雷达技术及应用』。届时,滨松将会向观众分享哪些新动态?能否提前透露一些信息,谢谢!

鲍泽宇:本次分享内容主题为《激光雷达的升级之路——滨松核心光电器件的前行方向》,内容包含了上述分析内容,敬请关注MEMS公众号、研讨会官网(https://www.MEMSeminar.com/28/)以及滨松公众号。

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