激光雷达：905与1550的战争

随着市场竞争逐步进入深水区，“机械旋转”“半固态”“转镜”“棱镜”“MEMS”这些围绕着扫描方式做文章的词汇已经没有多少新意，甚至也无法引起别人参与讨论的兴趣。激光的发射与接收系统，正在成为市场新的关注点。

根据系统集成度的不同，已进入量产阶段的TOF激光雷达的激光发射系统可分为EEL与VCSEL，接收系统可分为APD与SPAD；而根据光源波长的不同，激光收发系统则主要分为905与1550两个大类。因为触及“人眼安全”“探测距离”“功耗”“成本”等关键点，905与1550这个分类值得拿出来讨论一番。

905nm和1550nm都是光的波长，每一种波长都有其特性，比如收的特性、发的特性、被干扰的特性、对人眼影响的特性等，其实本身并没有优劣之分，但在应用到激光雷达产品中时，在不同侧面会呈现出各自的“优劣势”。

当前，905与1550激光雷达均有产品开始进入量产交付阶段，究竟哪种技术路线“更好”，激光雷达厂商们自然是各执一词，并且，若只从某个单一角度看，厂商们的说法往往也“绝对真实”，但据某激光雷达厂商负责人的说法，“车企现在对905和1550都不是特别满意”。

站在第三方的角度，简单轻率地说“谁比谁牛逼”这样的话是毫不负责任的，与此相比，更有意义的是，通过层层抽丝剥茧，澄清很多误解和疑问。

为进一步探明“真相”，在这篇文章撰写的过程中， 九章智驾既采访了多家以905激光雷达为主的厂商，也采访了三家专注于1550激光的厂商，采访总人数超过15人。本文事实上已成为两派力量的“辩论平台”。

为避免任何一条技术路线被个别受访对象“夹带私货”的言论误伤，当然也为了避免自己被任何受访对象的“一面之词”误导，笔者已将文章初稿交给多家不同技术路线的激光雷达厂商确认，这不仅给了“被攻击对象”一次“申辩的机会”，也使文章内容最大程度地接近客观。

一.1550的优势，不止于“探测距离”

提起1550激光雷达，大家的第一反应是，跟905相比，1550最明显的优势是可在确保人眼安全的前提下以更高的发光功率工作，因而可实现更长的探测距离。

图达通CEO鲍君威认为，对车辆安全而言，激光雷达的探测距离达到250米是“及格线”，但在当前，“只有1550才能达到这个水平”。

那么，除此之外呢？

回答这个问题之前，我们需要先普及一个极容易被忽略的基础知识——1550波段在激光雷达领域的应用要早于905，如高端测绘领域用的激光雷达，就是1550的，而这在二三十年前就开始了。

而高端测绘领域之所以更偏向于采用1550，最关键的因素并不是“探测距离”，而是1550的光束发散角比905小得多。

发散角大，意味着光束传播越远，光斑越大，进而可能会导致光束照在远处小物体上后返回的能量不够大，从而导致测不到。其次，也会影响复杂场景下的点云精度，如果光斑大到同时打到前后两个相隔很近的物体，并在激光雷达内部无法解码区分这两个物体，那可能会在两个物体中间形成一个“假点”；遇到斑马线或者棋盘格这种高低相隔的物体，甚至会测出来“波浪线”。

据禾赛技术负责人解释，905激光器的发光面有几百微米，而1550光纤激光器的发光面只有10微米左右，发光面越小，光斑的远场发散角就可以抑制得越小。这意味着，与905相比，1550在激光发散角层面，可以对远距离的小物体有更好的测量。

此外，许多公司认为，1550的抗干扰能力要比905强许多。

1550为光纤激光器，光能量是集中到很细的单膜光纤激光器的波形头里发出来的，这样发出来的光能力密度高，亮度是极高的。激光雷达发出的光需要在亮度上压倒外部的其他光源，才能抵抗后者的干扰，因而，1550光纤激光器发出的光在亮度上相比于905优势，也意味其抗阳光等干扰的能力更强。

不过，禾赛方面称，这个观点是片面的，是否抗环境光干扰主要还是由探测器大小来决定，因此不能得出“1550抗干扰更强”的结论。

二．1550“容易被水吸收”的问题有解吗？

先上答案：这个问题客观存在，无解，但并不算严重。

去年9月份，在笔者调研FMCW公司时，多数厂商都提到，1550纳米的光波很容易被水雾吸收（几毫米厚的水层就可以把1550纳米激光的能量全部吸收，在光通信领域中的专业名词是“水空吸收”），难以被反射回来，因而在雨天难以正常工作。

与此同时，某TOF激光雷达厂商负责人也说，1550对人眼安全影响小的原因正是它容易被液态水吸收——激光还没有打到视网膜，就被眼球里面的水给吸收了；而容易被液态水吸收，确实也会导致，在地面车道线上有水的情况下，使用1550纳米激光器的激光雷达就测不了，或者是探测能力下降。

不过，某商用车无人驾驶公司技术VP的说法是：1550激光雷达并不是在遇到雨水时就“看不见了”，只是在被吸收一部分能量后，探测距离会变短。

按某1550激光雷达厂商人士的说法，1550容易被水吸收的问题，是可以通过将激光器的功率提高来克服的，“你被吸水，衰减了一半，那我把功率提高一倍就行了”。不过，功率提高往往也同时意味着散热难度加大、可靠性降低、寿命缩短。

昂纳车载激光雷达负责人党娜认为，提高功率这一做法并不合算，“比如你将发射功率提高了10W，但反射回来的信号，跟你把发射功率增加了1W没啥区别，相当于‘产出的增加与投入的增加不成正比例’，因而不会产生多大的效果。”

为什么呢？党娜说：1550波段它的特性就是会被水吸收，因此，哪怕你把功率提高了，发出去的光波大部分还是无法逃开被水吸收的“命运”。

禾赛技术负责人也说：提高激光发射功率，被水吸收的问题会有一定改善，但这个是治标不治本，“水的吸收能力是很强的，几毫米厚的水，就可以吸收掉1550 90%以上的光能量。”

万集激光雷达总工程师胡攀攀博士认为，提升功率只是一方面，还有信号处理的一些策略和算法都可以提升一些。“但是对于极端的大雾和瓢泼大雨来说，无论如何也提升不了。”

不过，在图达通CEO鲍君威看来，1550被水吸收的问题，是被过分夸大了，实际上，这并不算是一个多么严重的问题。

党娜也持类似的观点。“面对前向的雨水，1550跟905没有多大区别。”

三．1550“散热难”的问题有解吗？

1550的探测距离比905长，是以更高的发光功率为代价的。如905的典型功耗在20W左右，而1550的典型功耗则在30W以上。高功率便意味着高功耗，甚至意味着散热更难。由于散热问题并不好处理，主机厂希望由Tier 1来解决，而Tier 1则希望由激光雷达厂商自己来解决。

1.1550的电光转换效率更低

诸多受访专家都指出，如果把功率控制到跟905同等的水平，1550在探测距离上并无优势，甚至还不如905。因为，总体上，1550的电光转换效率比905低。

据禾赛提供的数据，905的VCSEL激光器的电光转化效率在消费类电子里面可能达到40%，在激光雷达里面为可以达到接近20%，而1550的电光转换效率则只有10%出头。

所谓“电光转换效率”，指激光雷达将电能转换为光波的效率。这个转换的过程中，会发生一定程度的能量损耗，而损耗的多少，便决定了电光转换效率的高低。

据匡国华解释，光的波长越长，则其每一个光子的能量越低，相应地，载流子吸收也会比较多，而载离子吸收多则意味着损耗很大，因此，1550的能量效率天然就没有905高。

此外，匡国华、禾赛技术负责人、鲍君威、胡攀攀及党娜等人都指出，905用的是半导体激光器，而1550采用的则是光纤激光器，这两种激光器在原理上的差异也影响到了电光转换效率。

简单地说，半导体激光器的发光机理是粒子在导带和价带之间跃迁产生光子，直接实现电光转换；而光纤激光器有一个种子激光器（仍然为半导体激光器），先把电转化成1550纳米的种子光脉冲，还有一个大功率的940/980纳米泵浦激光器打到增益光纤作为增益介质，将种子光给放大，因而多了一个“光光转换”的过程，这个过程中不可避免地会产生能量损耗。

光纤激光器系统比较复杂，如泵浦激光器的电光转换效率大概是40%，之后光纤放大过程的转化效率有可能是30%多，这两个乘积累积起来看，电光转换效率便只有12%左右了。禾赛表示：“在工业界，光纤激光器的电光转换效率，大概都只有10%出头。”

那么，1550可否做成半导体激光器，省掉“光纤耦合放大”的过程呢？也可以，但据党娜的说法，如此一来，就只有种子激光器了，那其发光功率就远弱于905了，相应地，探测距离也远不如905了。

2.一个间接原因：1550的激光器数量太少

在禾赛的905+VCSEL激光雷达中，激光器的数量往往跟“线数”有一一对应的关系，如128线就有128个激光器，而从公开信息可知，Luminar的1550激光雷达尽管号称640线，但只用了1颗激光器，也有一些1550激光雷达上用了2颗激光器。

据禾赛方面的说法，由于整台机器只有1-2个激光器，为了实现“128线”“640线”的效果，1550激光雷达扫描部件的机械运动频率自然要远超那些有许多颗激光器的905激光雷达，这样，扫描镜的口径便需要做得特别小才行。如此一来，接收光子便比较难，而为了降低接收光子的难度（即提高光接收效率），便只能提高发射端的功率了。

党娜亦持类似观点。

上面提到，只有1-2个激光器，也是1550被迫在更高功率下工作的间接原因，那么，1550有没有可能如禾赛128一样，“有多少线，就有多少个激光器”呢？

答案是：无论从成本的角度，还是技术工程的角度看，均不可行。

首先，1550半导体激光器的成本通常在905半导体激光器的数倍，如果高线的1550激光雷达采用跟905同样数量的激光器，在成本上就吃不消。

其次，技术工程层面，光纤激光器体积大、功耗高，如果采用很多激光器，不仅集成难度会特别大，而且还会导致激光雷达整机的体积过大，因而无法安装至整车。

3.另一个间接原因：探测端

激光雷达是一个系统工程，因此，功耗不仅受制于激光发射端，也受制于探测端。

当前，905的探测端目前已经有成熟的单光子探测器了（仅需几个光子即可探测），就是硅基材料的SPAD，而1550的探测端采用的则是铟镓砷，铟镓砷的感光灵敏度要比硅基材料低不少（需要上百个光子才能探测），因此，为了实现比较长的探测距离，发射端的功率自然要比905高许多才行。

综合以上三点的分析看，1550激光器功耗高、散热难这个问题基本上是无解的，因而，功耗也无法降低至跟905同等的水平。

四．单激光器方案&多激光器方案

上一小节提到，905的VCSEL可以“有多少线，就有多少个激光器”，而1550普遍只有1-2个激光器，并且，在短期内，1550也不大可能做出多激光器方案。

鲍君威等1550厂商的人士认为，1550nm光纤激光器本身就具备更高的脉冲功率和重复频率，只需要一个激光收发装置就可以完成高重频的探测。

不过，有905激光雷达厂商指出，1550在更高的脉冲功率和重复频率下工作，会有如下两个弊端：

每个点的功率大幅提高的代价，就是1550无法做到和905同样多的每秒点云数量，进而会影响分辨率。

为了做大FOV和点云数，单一激光器方案基本都采用二维转镜，这导致其结构比多激光器方案（通常采用一维转镜）复杂得多，相应地，为了保持性能和稳定性，所需要投入的研发成本也更高。

不过，对一些905激光雷达厂商所说的单个1550激光器“工作负荷过重（是905激光器负荷的几倍、几十倍），会使其寿命和可靠性、鲁棒性受到影响”的问题，鲍君威的回应是：目前激光雷达所需要的负荷，即使点频增加十倍以上，对于1550nm光纤激光器也谈不上“负荷过重”。只要设计工艺做得好，这点负荷根本不是问题。

五．1550可否做成VCSEL芯片方案？

上文反复提到，1550体积太大，导致激光器数量上不去，那么，1550可否做成VCSEL芯片（用多个激光器）方案，实现跟905同样高的集成度呢？

先上答案：不行。

半导体激光芯片根据谐振腔制造工艺的不同分为EEL（边发射激光芯片）和VCSEL（面发射激光芯片）两种。EEL是在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔，沿平行于衬底表面发射激光，而VCSEL是在芯片的上下两面镀光学膜，能够实现垂直于芯片表面发射激光。VCSEL有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频 调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点，但输出功率及电光效率较边EEL低。

胡攀攀说，确有一些有研究机构和厂家在做1550的VCSEL，也已经有样品出来了，但功率比较小。

不过，多数受访者认为，1550不大可能做成VCSEL。

某1550激光雷达厂商一位研发人员说：“1550用的是光纤激光器，需要一个增益光纤放大的过程，其输出功率远高于VCSEL——VCSEL就只是激光二极管，而且大多是阵列形式的空间光直接耦合，没有放大的过程。”

但据光通信领域专家、自媒体《光通信女人》运营者匡国华的观点，光纤激光器功率大、体积大，做成VCSEL面发射会存在一个电子电路的限制孔，这会导致可靠性风险。

此外，匡国华在写于2019年的《为什么很少见到1310/1550的VCSEL》一文也对这个话题做了详实解释，笔者提炼其核心观点如下：

VCSEL的谐振腔依靠的是DBR反射镜，而DBR反射镜则由折射率有高有低的两种材料组成（反射镜的材质在VCSEL里边用的是一样的——GaAs和AlAs，它只要调厚度就可以调整不同波长的反射）。

要实现比较高的总反射率，如果两种材料的折射率差大比较，只需要做比较少的几层就可以；如果两种材料的折射率差比较小，则需要做好多层才可以。

摘自《光通信女人》

发光波长在850—905的材料（不同配比的AlGaAs）中，相对容易找到折射率差比较大的两种材料，而1550波段的磷化铟系材料中，几种材料之间的折射率差都很小（  3.21、3.37、3.35）。这意味着，用1550做VCSEL，对材料的需求量会比905大得多，这导致成本巨高。

图片摘自《光通信女人》

此外，几种1550材料（铟镓砷或铝镓铟砷）的导热率也远低于905材料，如果做成VCSEL，容易“一上电就烧”。

这个怎么理解？如果选择1550的话，它的发光材料就不能用砷化镓系列的了，他要用铟磷系列的用铟镓砷或铝镓铟砷。但铟镓砷的的折射率差非常小，不太适合做DBR，如果要做的话，因为折射率差比较小，所以它单层的反射率是比较低的，它需要叠加非常多的层，才能够达到接近100%的一个反射率。也就是说，用铟镓砷材料来配合1550的增益层做反射层的话，那么它的热就很难来。

据党娜说，昂纳也曾尝试过1550的VCSEL方案，但发现“走不通”，就放弃了。

不过，按照镭神智能董事长胡小波的说法，1550做成VCSEL“没有任何意义”，因为，“1550的光纤激器的光束质量是非常好的，我们要用1550的光激光器做光源，主要就是看重光纤激光器的光束质量，如果做成VCSEL，那就跟905的半导体激光器没啥区别了”。

六．探测端的提升，1550比905更难

前面说过，1550发射功率高的一个原因是探测端灵敏度比较低，为了实现比较长的探测距离，发射端自然需要比905更高的功率。这意味着，1550降低功耗的一个路径是提高探测端的灵敏度，这个设想是否可行呢？

由于905的硅基探测器不能吸收1550nm的光，因此，需要拿铟镓砷材料的探测器与1550nm的铟镓砷激光器配对。鲍君威和党娜都说，依托光通信产业的发展，1550的探测端已经很成熟了。党娜认为，接下来的重点，就是争取将其温度范围做大、可靠性提高，使其能更好地满足车载场景的需求。

不过，现阶段，即便抛开良率、成本因素，就探测效率、响应速度、工作温度范围几方面而言，与1550相比，针对905nm的硅探测器也具有明显优势。

图片出处：https://www.ledinside.cn/qiye/20211222-51334.html

禾赛认为，虽然905激光器的功率最终受到人眼安全的限制，但可以通过提升探测器的效率来实现更长的探测距离。当前，主流的905已经开始用感光灵敏度更高的SPAD或SPiM取代APD，未来，905在探测器上的提升主要就是持续提升单光子的探测效率。

SPAD或SPiM都是“单光子探测器”。“单光子探测器”这个概念是相对于光电二极管(如雪崩光电二极管APD)、CMOS image sensor这一类探测下限在在几十到几百个光子的探测器而言的。相比于后一类，单光子探测器的最主要优势是：感光灵敏度更高。 

在解释探测效率前，先解释一下单光子探测器的工作原理。SPAD和SPiM在本质上都是光电二极管（PD），PD通过不断加大反向电压，会进入雪崩模式（又称为“盖格模式”）。在雪崩模式下，一个光子入射探测器，能产生10的6次方增益。所以能达到单光子探测的效果。

单光子探测器的探测效率是一个概率性的指标，就是说我收到一个光子，有概率触发雪崩，也有概率没反应，比如探测效率为10%，就是100个光子进来，概率上其中有10个能够触发雪崩。

探测效率=量子效率*光子雪崩概率*填充因子。

对于硅材料的探测器而言，量子效率基本超过90%；光子雪崩概率跟生产工艺有关；填充因子，滨松的探测器超过70%。

据阜时科技董事长助理王李子冬说：“提升探测效率，一是通过SPAD器件设计，结构上提高捕捉光子概率，二是材料参杂，工艺层面改善。但这两者不是立竿见影的，因为伴随着效率提升，噪声也会被放大；所以多数时候，效率和噪声要做一个综合考虑，并不是效率越高越好，比如日本某大厂，就是噪声压制得非常好，即便探测效率低一点，也不影响什么。”

目前，单光子探测器的探测效率在10%左右，即每收到10个光子会触发一次雪崩。据禾赛表示，后续，这个数值会逐步提升到20%、30%。

不过，按禾赛的说法，能享受到成单光子探测器这一红利的，主要是905，1550要做成车载环境下可正常使用的单光子探测器“难度极大”（目前，1550的探测端用的主要是PD、APD）。

相比之下，905使用的硅材料单光子探测器在消费类电子领域已被充分验证。

今年4月底，禾赛技术负责人在微信朋友圈发了一段话，除了提到1550很难做成适合车载环境的单光子探测器外，

不过，鲍君威认为，感光灵敏度高是单光子探测器的特性，“但这在激光雷达在实际自动驾驶的应用中根据具体系统设计可能并不是优势所在”。

七．1550有可能应用于Flash吗？

笔者在此前一两年的采访中了解到，业界普遍认为，TOF激光雷达的终局就是Flash，现阶段，Flash激光雷达采用的激光器基本都是905nm的（Ouster采用的是865），那么，在未来，Flash有没有可能做成1550呢？

鲍君威及Ouster中国区市场总监刘志刚等人均认为，技术上是可行的，但实际上并么有必要。其中，鲍君威说这样成本太高，程正西说这是无人买单的“过度设计”，刘志刚认为这是“高射炮打蚊子”“1550的发散角小，光斑质量高，非常适合点光源， 但FLASH 是面光源，不需要任何可动的扫描器”。

八．生产制造

除了上面所谈及的性能、可靠性之外，生产制造是激光雷达量产交付的关键。

总结

在被问及“随着需求量的上升，1550的成本能否下降到接近905的水平呢”这一问题时，某激光雷达厂商的人士说：“需求量大了之后，金戒指的价格会降低，但无论怎么降，也不可能跟铜戒指一样便宜啊，原材料的BOM成本在那摆着呢。”但鲍君威的说法是：“这个要看差价多少了 –——就像目前很少有人会为了省几百人民币买一台黑白屏的智能手机。”

据九章智驾了解，尽管多数激光雷达厂商都储备了1550技术，但他们仍然认为，在相当长的一段时间里，905都会是主流。博世、电装、法雷奥等传统Tier 1主推的激光雷达，都以905为主。当然了，鲍君威的说法是：“除了法雷奥因为很早定型了，其它几家并不是主流激光雷达提供商，而法雷奥的应用也算不上成功。”

尤其是，华为在光通信领域里已有深厚积累，被同行认为是“最懂1550”，按说，他们会押注1550，但实际上，据业内人士透露，华为的激光雷达也以905为主。“他们肯定是做了非常详尽的比较后才得出这样的结论。”

有人说，激光雷达产业里60%以上的资金都砸向905了，钱多了，产业链的成熟度就提升得快。

禾赛技术负责人认为，在激光雷达核心三要素里性能、可靠性、成本方面，1550方案皆不如905，因此1550不会是未来的趋势，仅仅是近两年在单点测距能力上还有一定优势的过渡方案。随着905硅基单光子探测器性能的进一步提升，905相比于1550的优势会随时间越拉越大。

当然，上述讨论都是针对TOF激光雷达而言的，等FMCW技术路线成熟之后，就会出现905和1550分庭抗礼的局面——因为，FCMW有速度维信息，并且在抗干扰方面的能力比TOF强许多，这些都是905的TOF所不具备的优势，而FMCW天然就是1550。

参考资料

为什么很少见到1310/1550 的VCSEL？

https://mp.weixin.qq.com/s/x7JRJTVnH4EX1FE3C9O0Sw

基于905nm边发射激光器的波长稳定技术助力激光雷达系统低成本小型化

https://www.ledinside.cn/qiye/20211222-51334.html

原文始发于微信公众号（九章智驾）：激光雷达：905与1550的战争