LIDARに使用されるレーザーモジュールは何ですか？

光の検出と範囲（LIDAR）は、機械認識のための基礎技術として浮上しており、自動運転車が複雑な環境をナビゲートできるようにし、ロボットが周囲をマッピングして対話し、インフラストラクチャ管理を最適化するスマートシティを可能にします。これらのシステムの「目」として機能するLidarは、放出された光パルスがオブジェクトから戻るのにかかる時間を測定することにより、高-解像度、3つの-寸法ポイントクラウドマップを作成します。

すべてのLidarの送信機の中心には、そのコアエンジンがあります：レーザーダイオードモジュール。この重要なコンポーネントは、単なる光源ではありません。そのパフォーマンスパラメーターは、システムの最大範囲、精度、解像度、そして最終的には、大量採用のためのコストと実行可能性を直接決定します。この記事では、最新のLIDARシステムで採用された主要なレーザーモジュールテクノロジーの包括的な分析を提供し、その特性を比較し、アプリケーション-特定の要件に基づいて選択のフレームワークを提供します。

LASERモジュールのLIDAR運用原則と重要な要件

ほとんどの商用Lidarシステムは、で動作します- flight（tof）のtime -原則、短いレーザーパルスが放出され、そのラウンド-トリップ時間が測定されて距離を計算します。別の、より複雑な方法はです周波数-変調連続波（fmcw）、コヒーレントの周波数-変調レーザービームを使用して、ドップラー効果を介して距離と速度の両方を同時に測定します。

レーザーモジュールのパフォーマンスが最重要です。主な要件は次のとおりです。

波長：一次波長はです905 nmそして1550 nm. 905 nmレーザーは安価でシリコン検出器を活用しますが、許容される眼-安全な電力制限が低い. 1550 nm lightは、網膜に到達する前に眼の硝子体液に吸収され、はるかに高い放出電力が可能になります。

ピークパワー：パルスの最大光電力。ピーク電力が高くなると、戻り信号の十分な信号-から-ノイズ比を確保することにより、より長い検出範囲が可能になります。

パルス幅：各レーザーパルスの持続時間。狭いパルスにより、より高い距離解像度が可能になり、システムが2つの密接に間隔を置いたオブジェクトを区別できます。

パルス繰り返し頻度（PRF）：パルスが放出される速度（たとえば、100 kHzから複数のMHz）。より高いPRFは、より密度の高いポイントクラウドとより高いフレームレートを生成しますが、より速いレシーバーが必要です。

ビーム発散：レーザービームが距離に広がる量の尺度。高い角度分解能を達成し、長距離で細かい詳細を識別できるためには、低い発散が重要です。

効率と熱管理：レーザー効率は、システム全体の消費電力と熱生成に影響を与えます。効果的な熱管理は、信頼性とパフォーマンスドリフトの防止に不可欠です。

料金：特に自動車用途でのスケーラビリティと商業化の決定的な要因。

-主流レーザーモジュールテクノロジーの深さ分析

1。エッジ-エミッティングレーザー（EEL）

技術の原則：チップの端から光が放出される従来の半導体レーザー。通常、それらは個別にパッケージ化されており、複雑で積極的なコリメーション光学系を必要とします。

特性：

利点：高ピーク出力、成熟した実績のある製造プロセス、単位あたりの比較的低コスト。

短所：固有の乱視（楕円形のビーム形状）、より大きく複雑なパッケージを備えた劣ったビーム品質、大きな2つの-寸法配列に統合するのは困難です。

応用：主に機械的回転およびハイブリッド固体-状態アーキテクチャで使用される以前のLidarシステムの主力。

2。垂直-キャビティ表面-エミッティングレーザー（vcsel）

技術の原則：光は、半導体チップの上面から垂直に放出されます。これにより、ウェーハレベルでのテストと、1つの-次元と2つの-寸法配列の自然形成が可能になります。

特性：

利点：優れたビーム品質（対称、円形プロファイル）、低い閾値電流、低電力消費、非常に高い信頼性、および表面放射による単純なパッケージ。の出現Multi -ジャンクション（MJ）複数のアクティブ層が積み重ねられているテクノロジーは、ウナギに匹敵する電力密度を劇的に増加させました。

短所：ウナギと比較して歴史的に低い電力密度が低くなりましたが、このギャップはMJ - VCSELによって閉じられています。

応用：最初は家電（例えば、スマートフォンフェイスID）で使用されていました。 MJ - VCSELアレイは、特に固体-状態のタイプの支配的な選択になりました。-フライト（dtof）の直接時間-そしてフラッシュリダー、大きな均一な照明フィールドが必要です。

3。ファイバーレーザー

技術の原則：まれな- areart -ドープされた光ファイバをゲイン媒体として使用します。それらは、しばしば種子レーザーとアンプを含む複雑なシステムです。

特性：

利点：例外的なビーム品質（回折{-制限）、非常に高いピークおよび平均パワー、および1550 nmの波長の主要なソースであり、-の長い-範囲検出の安全上の利点をレバレッジします。

短所：非常に高いコスト、大きなサイズとフォームファクター、複雑なアセンブリ、および半導体ダイオードと比較して、消費電力が高くなります。

応用：主にパフォーマンス-の重要なアプリケーションで使用されています。これは、軍事LIDAR、地形調査、高- eding fmcw lidarシステムなど、最大範囲と精度が最重要であり、狭い-ライン幅のソースを必要とします。

テクノロジーの比較と将来の傾向

比較概要表：

将来のトレンド：

VCSELの優位性：Multi - Junction VCSELテクノロジーは、パフォーマンス、統合性、および将来のコスト-ポテンシャルの完璧なブレンドのために、次の-生成の優先ソリューションとしての位置を固めています。

波長の移動：1550 nmの半導体レーザー（例えば、INGAAS -ベース）への研究開発の増加は、この優れた波長のコストを削減することを目的としており、長い-範囲、高-パフォーマンスライダーをよりアクセスしやすくします。

Chip -レベルの統合とシリコンフォトニクス：未来は、レーザーソース、ドライバーエレクトロニクス、光学コンポーネント（ビームステアラーなど）を単一のチップまたはパッケージに統合することにあります。 Silicon Photonics（SIPH）は、- a -}}チップソリューションで、超、低い-コスト、および非常に信頼性の高いLidar -} -を有効にすることを約束します。

FMCW Lidarの進歩：FMCWテクノロジーが成熟するにつれて、速度検出と日光干渉への免疫における固有の利点によって駆動される、非常にコヒーレントな狭い-ライン幅レーザーソース（調整可能なレーザー）の需要が増加します。

LIDARシステム用のレーザーモジュールを選択します

適切なテクノロジーを選択することは、アプリケーションに基づくシステム-レベルの決定です。

アプリケーションごとに要件を定義します。

自動車（シリーズ制作）：優先順位付けコスト、信頼性、コンパクトサイズ、および低消費電力厳しい自動車資格を満たすため（AEC - Q102）。VCSELアレイ主要な候補です。

ロボット/AGV：必要中-範囲のパフォーマンス、高い信頼性、および低-から-ミディアムコスト。両方905nmウナギそしてVCSELS適切な選択です。

Advanced Driver -支援システム（ADA）：バランスパフォーマンスとコスト。現在支配されています905 nmソース、で1550 nmプレミアム車両機能のために探索されています。

調査と産業：要求最大パフォーマンス、極端な範囲、高精度. 1550 nmファイバーレーザー費用にもかかわらず、ここでは標準です。

主要な選択の考慮事項：

パフォーマンストレード- offs：トレードを最適化します-間でオフにします最大範囲, ポイントクラウド解像度, フレームレート、 そして視野.

熱および電力予算：システムの設計がモジュールの電力消費を処理し、生成された熱を放散できるようにします。

規制のコンプライアンス：設計は、目-安全基準（IEC 60825-1）に付着する必要があります。

サプライチェーン：レーザーサプライヤーの成熟度、スケーラビリティ、および寿命を評価します。

結論

レーザーダイオードモジュールは、LIDARシステムの機能の基本的な決定要因です。景観は、単一の支配的な技術（EEL）から多様なエコシステムに進化しました。ウナギ、VCSEL、および繊維レーザーそれぞれが異なるパフォーマンスと市場セグメントを提供します。明確な業界の軌跡は、主にイノベーションによって推進される、より高い統合、より低いコスト、パフォーマンスの向上に向かっています。VCSELアレイそしてシリコンフォトニクステクノロジー。これらのレーザーエンジンが前進し続けるにつれて、Lidarの可能性を最大限に引き出し、自動車、産業、および消費者のアプリケーション全体でユビキタスな採用への道を開き、自律的な認識の次の波を真に可能にします。

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