理想的激光雷达该是什么样？拥有至少200米的有效距离，足够高的信噪比，全固态，全部系统集成在一块芯片内，价格不超过50美元。这就是单光子加VCSEL激光雷达。
对于激光雷达有几个参数尤为重要，激光器的接收功率与效率，很大程度决定了激光雷达的信噪比。激光脉冲宽度决定了激光雷达的深度（也就是Z轴）分辨率，一般来说10纳秒就等于深度分辨率1.6米。脉冲重复频率决定了理论最大探测距离，如重复频率必须低于160Khz才能达到1000米的探测距离。激光雷达还有光束发散角的参数，即毫弧度mrad。1mrad的发散角在光束的1公里处，光束直径为1米，这个数值自然是越小越好。光束角很大程度上决定了X轴的分辨率，光束角越窄，X轴分辨率越高，也对有效距离有一定影响。
激光雷达接收部分对性能影响最为明显。最常见的是传统的PIN型光电二极管，一般使用硅材料，成本低廉，技术成熟，市场上很容易买到，通常对应905纳米硅激光二极管，机械激光雷达都使用这种光电检测元件。其次是线性APD，常见的有硅、锗、InGaAs三种。成本方面，硅的成本还是最低，Ge与InGaAs差不多。硅的缺点是只能对应1000纳米以下波长，不能对应最安全的1550纳米波长。绝大多数MEMS扫描型激光雷达和部分VCSEL型Flash型激光雷达都采用硅APD光电二极管。
Flash型激光雷达一般使用1550纳米波长的InGaAs，以大陆收购的ASC最为典型。再次是单光子（SPAD,Single Phton Array Dector），单光子可以分为两种：一种是单光子加淬灭电阻的硅光电倍增管（SiPM，又叫MPPC），一种是与TDC等外围电路集中在一片芯片里的数字单光子DSPAD。MPPC首先由日本滨松商业化，很容易买到，DSPAD需要特别定制芯片和TDC以及外围电路，以美国的普林斯段光机所和MIT的林肯实验室的DSPAD最为著名，但是牵涉到军事机密，很难与其合作。
众所周知，测绘激光雷达可以穿透树冠层，探测到被森林覆盖的地表的起伏，用在军事上可以探测到被遮盖的地方目标，如坦克最常用的遮盖网对激光雷达完全无效，用在无人车上，可以取得类似透视的效果，只需要一个侧面就可得到物体的全部轮廓，单光子就可以做到。最后还有传统的CCD或CMOS图像传感器。
激光雷达对比
上表对比可见，单光子全面胜出。单光子加VCSEL激光雷达将是最佳激光雷达。
这样的激光雷达雏形早在2014年就已经出现，这就是意法半导体的ToF传感器，目前已经推出了三代ToF传感器，包括VL6180X（第一代）、VL53L0X（第二代）、VL53L1（第三代）。而苹果iPhone 7 Plus中的飞行时间（ToF）测距传感器是意法半导体为苹果公司定制的4代产品，也就是VL6180X。不过VL6180X只做距离测量，有效距离只有10厘米，主要是手机贴近耳朵时自动关闭屏幕，在iPhone8的面部识别中并没有使用，而是使用了苹果拥有专利的PrimeSense技术。
使用了Lumentum和Finisar的VCSEL，之所以放弃意法半导体的方案，一是价格比较高，其次是功耗和体积略大。实际VCSEL价格很低，所占的收入比例在Lumentum里不到5%，微不足道。VL53L0X的有效距离增加到2米。VL53L1的有效距离增加到4.5米，意法半导体在2017年3月声称此系列传感器出货量数亿片，用在70多款手机上。第二代VL53L0X也已经被应用在联想的MOTO G4+、华为的P9、P9+和V8，LG的G5、HTC的M10、MEIZU的PRO6之中。
VL6180X内部就有一个VCSEL发光器和两个单光子检测阵列。使用940纳米的近红外波段，与激光雷达最常用的905纳米非常接近。
关于激光雷达的基础知识还不得不提一下，激光雷达主要包括激光发射、接收、扫描器、透镜天线和信号处理电路组成。激光发射部分主要有两种，一种是激光二极管，通常有硅和InGaAs两种基底材料，硅的价格低廉，波长一般是905纳米，受太阳光干扰最小，但功率增加的话可能对人眼造成伤害，硅的暗电流比较小，灵敏度低。InGaAs价格高昂，波长一般是1550纳米，对人眼安全系数高，可以使用功率比较高的激光器，InGaAs灵敏度高但是暗电流也比较高。
再有一种就是目前非常火热的VCSEL，垂直腔面发射，目前Leddartech的固态激光雷达已经使用了Trilumina的VCSEL,VCSEL的优点是价格低廉，体积极小，功耗极低，缺点是有效距离比较短，需要多级放大才能达到车用的有效距离。
对于传感器来说，信噪比是最重要的参数之一。非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为
从上面公式可以看出，要提高信噪比，最简单有效的方法是提高接收信号光功率和量子效率。单光子或者说盖革模式下的APD其量子效率是机械旋转雷达用的硅PIN二极管的数百乃至上千倍。
要提升功率，就不得不考虑人眼安全，对于常用的905纳米来说是不合适的。1550纳米的InGaAs，和905纳米的硅光电探测器相比要安全太多了，可以毫无顾虑地加大激光器的功率。固态激光雷达领域知名的Luminar就是以使用1550纳米的InGaAs为特色的，其使用的激光器的功率是传统硅光电系统的40倍，不仅提高信噪比，减小脉冲宽度至20纳秒以下，脉冲重复频率低于100MHz，占空比低于1%。同时提升了有效距离，在雨雪雾天，物体的反射率会降低，导致激光雷达有效距离缩短，不过加大功率，就可以解决这个问题。Luminar就是这么做的，Luminar强调即使10%反射率的物体，有效距离也可以达200米。
关于激光功率的放大，Luminar申请了专利。其专利是用二级大模场掺铒光纤（EDFA）放大器将一个种子源激光调制为一个脉冲宽度至20纳秒以下，脉冲重复频率低于100MHz，占空比低于1%的脉冲激光系统。Luminar的专利核心一个种子源激光，另一个是掺饵光纤放大器。
上图为Luminar的种子源激光器内部构成
上图为Luminar的放大器内部构成
通过上图我们可以看出，激光雷达的Z轴分辨率取决于脉冲宽度，激光雷达里有个简单的公式，激光雷达的Z轴分辨率是脉冲宽度的1/6，10纳秒的脉冲宽度分辨率大约就是1.6米。Velodyne的64线激光雷达HDL-64E早期的脉冲宽度是10纳秒，据说改为双反射后提高到5纳秒。大部分固态激光雷达一般是50-150纳秒，单光子可以轻易做到1纳秒甚至是几十皮秒，远远好于大部分激光雷达。
对于固态激光雷达的低分辨率，Velodyne与EPC公司合作解决了这个问题，EPC擅长GaN功率器件技术，GaN是一种宽带隙半导体材料，用这种材料制造的场效应晶体管比传统晶体管开关速度提高10倍以上。在Velodyne的固态激光雷达Velarray就使用了GaN场效应管，据说脉冲宽度达到了1-5纳秒。这也是全球首款用在激光雷达上的GaN场效应管，EPC为激光雷达准备了多个选择，包括EPC2040和EPC2016，后者不仅能让脉冲宽度低于5纳秒，并且峰值电流达75安，电压达100V，高功率会带来高信噪比，不过这功率似乎太大了点。顺便说一句EPC2040是EPC公司设计，台湾Episil（汉磊）制造的硅基GaN HEMT（高迁移率晶体管）器件，价格比传统的场效应管贵大约20-40%。