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麦姆斯咨询: 大众对OPA激光雷达误解太多,专访国科光芯进行释疑!

微访谈:国科光芯董事长刘敬伟


采访背景国科光芯(海宁)科技股份有限公司(以下简称“国科光芯)”作为浙江省海宁经济开发区泛半导体产业重点引进的企业,于2019年4月4日在海宁成立。公司愿景是基于核心硅光芯片,开发低成本、高可靠、高性能的固态相干&相控阵(OPA)激光雷达,建成国内顶级水平的硅光芯片和器件研发及设计平台,成为世界领先的激光雷达企业,并逐渐成为硅光领域的世界领先企业。



为适应车载OPA激光雷达应用和量产的需求,国科光芯前身(北京中科天芯、厦门和奕华)经过两年时间的开发,搭建了全新的硅基材料体系,并与世界领先的科技企业进行流片及知识产权(IP)合作,解决了此前车载OPA激光雷达中承载光功率不足、旁瓣干扰等若干国际性技术难题,完成了可大规模量产的OPA激光雷达扫描芯片,为真正车载OPA激光雷达的应用扫清了关键性技术障碍。

在麦姆斯咨询与中国光博会CIOE刚结束的"2020智能驾驶激光雷达行业调查"中发现,受调查者对OPA激光雷达技术路线的信心正在下降。这其中,与OPA扫描芯片迟迟未用于车载激光雷达有一定的关系;也有很多对OPA技术的理解误区。今年9月10日,国科光芯董事长刘敬伟博士将参加
『第二十九届“微言大义”研讨会:激光雷达技术与应用』并发表题为《重新认识硅基相控阵激光雷达》的演讲。他对激光雷达产业和OPA技术路线有哪些独特的见解?麦姆斯咨询特意提前采访了刘敬伟博士!


国科光芯董事长刘敬伟


麦姆斯咨询:刘总,您好,感谢您接受麦姆斯咨询的采访!首先请您介绍自己的从业经历以及成立国科光芯的初衷!谢谢!

刘敬伟:我的经历很简单。2005年从中科院半导体所拿到博士学位,2005年到2014年在京东方集团工作,然后就是自己创业至今。在自己求学和工作的过程中,很感激带领我的导师和领导,没有他们就没有现在的我。

成立国科光芯的初衷就是想做一家专门从事硅光技术的公司。硅光技术是我博士期间的研究内容,我们研究组也是中国最早从事这项技术的团队之一,至今已有超过20年的经验。这项技术有非常广阔的应用前景,未来可以在多个领域提供很多革命性的创新应用,比如激光雷达(LiDAR)。但硅光技术发展有很多问题需要解决。有应用前景,有需求,有痛点,是一个很好的创业机会。

麦姆斯咨询:接下来,请您介绍国科光芯的团队情况吧。

刘敬伟:目前国科光芯的团队约100人。团队主要来自这么几部分:一部分是我原来的校友和同事;一部分是我们按业务需要聘请的各类优秀人才;此外今年我们招聘了一批应届生。由此形成了公司比较合理的团队梯队。

麦姆斯咨询:目前,国科光芯主要布局了哪些产品?面向哪些应用?

刘敬伟:结合这些年的创业经历,我们对产品方向的选择总结有三条:(1)市场要足够大且规模快速扩大;(2)我们能提供足够的差异化竞争优势;(3)在我们能力范围内是可以实现的产品。由此我们选择近期从消费类应用切入,远期重点是自动驾驶应用。其它市场,比如商业类和工业类应用,我们会根据行业的变化和自身的发展来考虑,但三条原则不会变。

麦姆斯咨询:国科光芯的团队是在什么时候选择进入激光雷达行业?选择OPA技术路线是基于哪些方面深思熟虑的结果?

刘敬伟:在2017年下半年,我们开始介入激光雷达业务,最初的目标是依靠我们在硅光领域二十多年的积累,做一款用于自动驾驶激光雷达的相控阵(OPA)扫描芯片。那时激光雷达才开始崭露头角,在国内关于激光雷达应用的开发也刚刚起步。我们集中学习了行业里激光雷达的相关知识,也参考学习了国际上公开的OPA技术资料,同时中间穿插了很多实验性验证,整个前期的调研过程持续了大半年时间,才开始真正介入实质性的相关产品开发阶段。但这对我们非常重要,通过前期大量的调研,并结合我们在硅基光电子领域多年的经验,由此总结并进一步明确了我们自己的战略目标:(1)激光雷达必须芯片化;(2)OPA是个很美妙的方案,虽然技术难度很大,但是值得我们坚持做下去。

激光雷达必须芯片化,是行业里一直都在呼吁固态化最好的实现方式。但固态化是一个结果,如何通过芯片化来实现,是我们要重点思考的。近年来行业里对此的讨论很多,其优点是显而易见的,特别是针对自动驾驶领域,比如无运动机械机构带来的高可靠性,满足车规要求、体积小、易于集成等。但在我们的理解中,芯片化除此之外更重要的一点是可以真正实现低成本优势。2017年我们刚开始做激光雷达的时候,采购了一台国外公司的工业级16线机械式激光雷达样品做分析,当时的价格大约8万块人民币,如果要采购64线,差不多要80万,这样的价格水平是批量进入最终用户市场所无法接受的。通过和业内客户的多次接触交流,我们认为只有将激光雷达成本降到整车一套小几千元人民币级别,才能真正进入市场需求爆发式增长的阶段。而要达到这样的目标,只有芯片化并采用成熟的半导体工艺,最好是成熟的CMOS工艺,才是最有机会达成这个目标的。在我们后续业务的推进中,越来越证明了当时的判断是正确的。

麦姆斯咨询:OPA芯片的实现方法有很多:硅波导光调制、空间光调制(spatial light modulator,SLM)、硅基MEMS OPA等。请详细谈谈你们选择的实现方式及其优缺点。

刘敬伟:OPA确实有很多实现方法,大体上可以分为两类,一类是波导类OPA,比如硅波导OPA和化合物波导OPA等;另一类的空间光调制,比如最早的液晶空间光、化合物单元阵列、还有新兴的超材料空间光调制等。每种技术路线都有自己的优缺点,我们选择硅波导OPA是基于以下原因:(1)可集成化,就是可以把尽可能多的功能集成在一颗芯片里;(2)可利用CMOS工艺,这是目前成本最低、产能最大的半导体工艺。基于以上考虑,我们选择硅波导OPA路线。选择这条路线还有个好处,就是可以利用现有很多成熟的光通信技术和工艺,这对落实产业化、保证供应链有很大的好处。

但对于激光雷达,还是有一些特别的设计和工艺需要开发,这是我们需要重点解决的问题。

麦姆斯咨询:国科光芯的硅光OPA激光雷达芯片开发进展如何?

刘敬伟:本来今年我们在年初就要开始进行量产CMOS工艺的导入,但因为疫情推迟到7月份送出第一批在量产CMOS工艺流片的设计,这基本是一颗完整的相控阵激光雷达芯片。顺利的话在今年年底可以拿到结果,以后就是根据结果进行产品迭代。

国科光芯2020年4月发布的相控阵激光雷达芯片样品图片


麦姆斯咨询:在普通大众的认知中,在OPA技术只是激光雷达实现固态快速扫描的一种方式。您是否认可这种看法?有哪些深入见解?

刘敬伟:起初,我们和行业同行一样,认为OPA技术只是激光雷达实现固态快速扫描的一种方式,这是一个很大的误区。随着研究的深入,我们发现OPA的作用远远不止扫描元件,这点非常非常重要!

和军事领域里应用的电磁波相控阵雷达一样,OPA技术其实可以构建一套相对独立的雷达系统。当然,OPA首先是一种扫描元件,就是通过电驱动调控(热光、电光、弹光等相位调制方法)阵列中若干子单元的相位,实现一种无任何机械(含MEMS)元件的光束扫描。这种调控速度可以非常快,比如采用电光调制,可以很轻松达到MHz甚至GHz的点扫描速度,同时功耗很小,单个单元可以达到微瓦级别,这在光通讯领域已经是很成熟的技术了。其次,OPA采用阵列光栅收发结构,本身就是很好的准直光学结构、光学接收结构、窄带滤波和自对准结构,不仅仅可以省去大量昂贵的光学元件,同时避免了后期生产过程中费时费力费钱的对准工艺(这种工艺的节省在越多线激光雷达产品生产过程中体现越明显)。第三,利用CMOS工艺和硅光技术,很容易实现探测系统的集成。这种探测系统可以采用通常的飞行时间(ToF)探测原理,也可以采用相干探测原理,比如调频连续波(FMCW),不仅可以提供单光子探测级别的灵敏度,而且不受环境光或同类激光雷达的干扰,信噪比很好。我们也可以很容易集成混频器、平衡探测器等关键元件。而这些探测机制的实现是在流片过程中同时制备出来,是单片集成,而且工艺已经很成熟。在成熟的CMOS工艺里,成本的主要比重在于芯片的面积,而功能的复杂程度对其影响不大,所以即使集成了如此多的功能,但并不需要额外增加成本。相比较而言,如果采用非芯片化、非集成化的方案,探测系统将会是很昂贵的,比如对于FMCW激光雷达系统来说,独立混频器和平衡探测器都是万元级别的。

此外还有一些重要的功能是目前激光雷达没有的,未来也很可能集成在硅光OPA中。比如多波段同时扫描,这将有可能将激光雷达的扫描点数推到10M/s以上水平,甚至再高一个数量级都有可能。这里面将应用光通信里的多波段分束/合束技术,这些技术是早已存在且已经在规模化应用了。这完全可能集成在OPA芯片里,并且不增加太多成本。

总体来说,一套包含发射、准直、滤波、接收、对准、耦合、探测等一系列复杂元件的激光雷达系统,可以相对容易地采用一颗集成芯片,用成熟经济的CMOS工艺集成在一起,在实现低成本的同时获得很好的性能,这是采用硅光OPA技术做激光雷达的巨大魅力所在。

麦姆斯咨询:OPA激光雷达真正用于自动驾驶尚需时日。在此之前,专注于OPA技术的企业如何保证“活下去”的财务指标?

刘敬伟:目前,我们除了按计划推进核心硅光芯片的开发工作外,同时也在生产机械式激光雷达模组产品,主要是针对消费类应用,如家用扫地机。目前已经通过了一些国内外知名客户的认可,并实现了批量供货。今年下半年产能基本排满,明年产销量能够再增加几倍,后续几年也将继续保持高增长趋势。

为什么选择消费类激光雷达模组产品?这也是我们慎重考虑后的决策!家用扫地机激光雷达的应用从前两年开始起步,现在发展已经具备了良好的基础,未来几年的增长态势也非常可观。通过开拓这个领域,可以保证公司在自动驾驶应用市场成熟前的正常经营。更重要的一点还是要回归到硅光激光雷达芯片本身来考虑,因为硅光OPA激光雷达芯片完全可以降维在非自动驾驶应用领域。芯片行业里很重要的一点是要有大规模的应用才能发挥最大的优势,只有消费类市场才具备这样的应用基础。

以家用扫地机器人市场为例,中国2019年生产和销售的家用扫地机器人近2000万台,而带激光雷达导航的产品差不多有400~500万台,并且比重会迅速增长,这个量足以证明消费类市场是可以支撑芯片开发的。其次,目前最大的激光雷达应用市场其实是以家用扫地机器人为代表的消费类服务型机器人市场,未来是可以和自动驾驶一起成为市场份额最大的两大应用市场。第三,我们所能提供的芯片,从设计、流片和封装几乎是一样的,也就是说我们所打造的平台完全可以兼容从消费类、工业类到自动驾驶全系列的应用,那么从已有的大规模应用作为切入点是个现实可行的选择。最后,通过消费类市场,可以大大增强我们对激光雷达行业的理解,锻炼队伍,保证“活下去”的财务指标,并验证我们战略正确与否,这些对我们也很重要。目前来看,虽然疫情对我们有不少影响,但总体进展还比较顺利。

麦姆斯咨询:在您看来,OPA技术还可以实现混合式激光雷达。可以谈谈具体的实现方案吗?

刘敬伟:OPA技术只能做固态激光雷达,这其实是一种误解。之前我们有个结论是:“包含发射、准直、滤波、接收、对准、耦合、探测等一系列复杂元件的激光雷达系统,可以很容易采用一颗集成芯片,用成熟便宜的CMOS工艺集成在一起,在实现低成本的同时获得很好的性能”。这个优势和是否固态并没有直接关系,如之前所述全固态只是一个结果。一种二维扫描的激光雷达系统,往往一个维度需要很快的扫描速度,这个速度常常会超出机械或微机械系统(MEMS)的稳定性极限,而OPA技术则很容易实现;而另一个维度是慢速扫描,采用机械或MEMS结构问题不大,成本也不高。在必须要使用360度探测的场景,我们制作一维相控阵芯片,结合机械旋转部件做成混合式激光雷达,集成化的优势依然很大,可能也是一个很好的选择。此外,OPA结合闪光(Flash)技术也能提供一些很好的选择。

麦姆斯咨询:OPA激光雷达在选择激光光源方面是否存在局限?比如,只能搭配1550nm光源……

刘敬伟:事实上,OPA激光雷达的光源选择是非常广泛的。这可能也是因为OPA技术源于硅光学技术,硅光学技术之前主要应用于光通信,而光通信常用波长之一是1550nm。其实利用我们的材料体系,完全可以兼容400nm~2000nm的波段,也可以在CMOS工艺里实现流片。选用哪个波段更好,取决于实际应用的需求和供应链的成熟度。

麦姆斯咨询:这两年,全球激光雷达产业开始降温,OPA激光雷达的成熟时间点也一推再推。对此您有何感悟?

刘敬伟:现在OPA激光雷达在国外的研发进展很快,希望国内的同行们一起加油。常常有人告诉我们,听说谁谁也在做OPA技术了,我们会把这当成一个好消息。相对于其它激光雷达技术,OPA技术做的人不是太多而是太少。我们预计在两年内,国际上OPA激光雷达一定会有快速的发展,落地应用会比我们想象的快得多。这样高性能、低成本的技术实现了大规模应用,对如今起步时间不长却已如火如荼的中国激光雷达市场一定会是一个很大的冲击。之前大家对OPA技术有不少的误解,但等真正看懂看见后,可能为时已晚。希望行业里能够未雨绸缪,功成不必在我,望共同致力于中国激光雷达事业的发展壮大!

麦姆斯咨询:请您畅谈国科光芯未来五年的发展目标和规划,谢谢!

刘敬伟:今后五年我们还是会从应用和技术两方面着手。应用方面,我们会先聚焦在消费类市场。首先是在已有的基础上把销售额和利润跑出来,能够形成自我造血能力,保证公司能活下去,能活得好;然后是在确保自动驾驶用激光雷达的硅光芯片按计划推进的前提下,让我们的硅光芯片技术在消费类市场应用里先落地并产品化,这点对于CMOS工艺的打通是非常重要的。技术层面,还是会持续进行自动驾驶类芯片的开发,用五年的时间完成自动驾驶用OPA芯片的量产导入、车规认证等工作。要完成这两方面的工作还有很多困难要克服,不容易。

麦姆斯咨询:今年9月10日,国科光芯将参加『第二十九届“微言大义”研讨会:激光雷达技术与应用』并发表演讲。在这场研讨会上,您将与观众分享哪些方面的内容呢?

刘敬伟:很高兴可以参与“微言大义”研讨会。届时我将和大家分享OPA技术的发展历程和现状,解释大家对OPA技术的一些理解误区,希望行业能重新认识OPA技术。