通过GM收购OEwaves子公司Strobe来浅析窄线宽激光器在激光雷达中的应用

2017年10月，美国通用汽车公司（GM）旗下的子公司 Cruise Automation收购了激光雷达公司Strobe，Strobe是一家美国加州帕萨迪娜市的激光雷达研发制造公司。该公司研发的激光雷达技术，可将整个激光雷达阵列缩减到一个芯片上，使得激光雷达的体积更小，制造成本更是下降的惊人，达到了99%。相比于市面上激光雷达依靠激光信号发射和返回之间的微小延迟来判断距离的方式，Strobe的激光雷达发射线性调频激光，测量距离只需计算返回激光的相位和频率即可，雷达性能表现更优秀、抗干扰能力也更强，可以说是小巧价廉而性能却丝毫不减。

Strobe公司的FM LiDAR原型产品

目前主流的LiDAR（激光雷达）系统通过发射激光，并测量物体反射激光的飞行时间（ToF）来测量与物体之间的距离。这种ToF测量方法能够在毫秒内分辨300米外物体厘米级的尺寸差异。不过，这种传统LiDAR单元采用的ToF测量方法也有其共性问题。例如，简单的ToF测量技术容易受到其它信号源的干扰，并且，随着距离的延长、信号的减弱，这种干扰带来的影响会更大。因此，基于ToF测量的LiDAR的有效测距范围，主要依赖于其对相对较弱的反射信号的探测能力。而简单地提高LiDAR光电探测器的灵敏度，同时也会使其更易于受到干扰信号的影响。因此，这些当前主流LiDAR所面临的源生技术挑战，或许是促使GM（通用汽车）近期收购Strobe的原因之一。Strobe被通用收购时仅有12名员工，该公司专注于为自动驾驶汽车开发100美元以下的固态LiDAR。Strobe的LiDAR技术方案与其它制造商不同，它模仿线性调频雷达开发了一种线性频率调制（FM）激光，其线性脉冲的频率能够线性变化。探测器通过测量反射的线性调频脉冲激光的相位和频率，不仅能够获得物体的距离信息，还能测量其相对运动速度。此外，该技术方案还使LiDAR单元更抗干扰（因为干扰信号通常为非调制信号），并且，不需要灵敏度超高的探测器便能实现信号探测。

Strobe通过采用另一家名为OEwaves的公司的技术，解决了FM LiDAR的相关问题。实际上，Strobe是从OEwaves独立出来的一家专注于自动驾驶汽车LiDAR开发的创业公司。OEwaves由Strobe公司主要创始人之一创办于2000年8月，总部位于美国加州帕萨迪那，公司致力于微波光子领域的研究，处于国际领先地位，公司的核心技术包括光电振荡器（OEO）和“回音壁模式（whispering gallery mode）”光学谐振腔。这种被称为回音壁模式的光学谐振腔技术，能够通过光反馈降低激光器的线宽。回音壁模式，顾名思义，参考了声波在曲面上反射传播的原理。该原理在北京天坛的回音壁以及很多教堂中都有应用，它也能够应用于光波的传输，光在微型玻璃球体或圆形面内可以几无损耗的往复传播。从OEwaves申请的专利，我们可以一窥其回音壁模式光学谐振腔的运行原理，Strobe公司的FM LiDAR很可能应用了该专利技术。

如上图所示，激光器发射的激光束，通过一个相位旋转器和透镜，利用第一光学耦合器（4a）耦合进入一个回音壁模式（WGM）谐振腔，并沿顺时针循环。第二光学耦合器（4b）将光学谐振器中沿顺时针方向循环的光耦合出光学谐振器以作为输出光束，经过透镜和反射镜（8a）后，再将反射光束的至少一部分沿逆时针方向再次耦合到光学谐振器中，以增加在光学谐振器沿逆时针循环的光的光学能量。与此同时，第一光学耦合器（4a）将光学谐振器中沿逆时针循环的光耦合出光学谐振器，作为反馈到激光器的反馈光，以稳定激光器频率，并减小激光器的线宽；由此构成线宽极窄的高稳定性小体积激光器，可以应用于LiDAR系统中。如此看来，该技术确是调制回音壁模式光学谐振器光学特性的良策。谐振器光学特性的频率调制，为LiDAR系统提供了所需的高线性、可重复的光学线性调频脉冲激光。

OEwaves应用于ADAS（先进驾驶辅助系统）的LiDAR系统框图

和其它专利申请中的实施例介绍一样，专利中对OEwaves公司LiDAR设计的技术细节介绍也很含糊。例如，针对FM技术，专利中仅称利用一款变频器（通过电极、电阻加热器和/或压电器件）可以改变回音壁模式光学谐振器的光学特性（例如折射率等）。Oewaves称，在所有实施例中，所有这些组件，即使是球形或环形谐振腔，都可以集成在一个单一衬底上。

OEwaves芯片集成微型激光器的实施例

OEwaves在专利中称，这种光注入锁定激光器的线宽在某些实施例中可以低于100 Hz。这个特性非常重要，因为较窄的线宽可以帮助确保线性调频脉冲激光的频率的可重复性。这种激光光源可以提供具有15 GHz或以上带宽的线性调频脉冲激光，使LiDAR系统的距离分辨能力可以下探至厘米级以下。

OEwaves和Strobe这两家公司都有共同的创始人Julie Schoenfeld和Lute Maleki。Julie 是一位连续创业者，担任过多家公司的CEO。Lute是在NASA喷漆推进实验室担任了近三十年的主管。依靠Lute在微波光子技术上的研究，二人于2000年创建了OEwaves，产品主要应用于通信、雷达等领域。2014年OEwaves从积累的激光雷达技术中衍生出Strobe。Cruise Automation则是通用汽车收购的自动驾驶公司，它成立于 2013 年。在2014 的时候，该公司公开了它的第一款产品Cruise RP-1，这是一个自动驾驶套件，可以在高速公路上接管司机进行自动驾驶，但跟谷歌的无人驾驶相比还有很长的一段距离要走。而这次收购Strobe，也是通用汽车在收购Cruise Automation后的又一布局，将会进一步加速通用的自动驾驶汽车进度，并降低整车的成本，利于自动驾驶汽车的规模化。而随着通用2021年开始出售无人驾驶汽车这一目标的临近，相信在接下来的时间里通用还会有更多的动作，以谋求在自动驾驶汽车这个大蛋糕里占据更大份额，而Strobe手里的激光雷达技术凭借独特的价格优势，或许可以充当通用夺取蛋糕的刀子。