VCSEL بمقابلہ ایج ایمٹنگ لیزر: 3D سینسنگ اور LiDAR کے لیے سورس کا انتخاب

لیزر بنانے کے دو طریقے

ایک ایج-ایمیٹنگ لیزر (EEL) فبری-پیروٹ کویویٹی ہے جو وافر کے ہوائی جہت میں بنایا گیا ہے۔ روشنی ایک کلِیوڈ فیسٹ سے نکلتی ہے، اور ایمیٹنگ اپرچر ایک دھاری ہے - ہمارے 905 نینو میٹر کے حصوں میں تقریباً 110 µm بمقابلہ 30 µm - اس لیے بیم بیضوی اور اسٹیگمیٹک ہے: جنکشن کے متوازی 9°، اس کے عمود پر 25°۔

ایک VCSEL (ورٹیکل-کویوٹیز سرفیس-ایمیٹنگ لیزر) کی کویویٹی وافر کے عمودی ہے، اس لیے روشنی سطح سے نکلتی ہے۔ اپرچر گول ہے، اس لیے بیم بھی گول ہے: ہمارا 940 نینو میٹر والا حصہ 1/e² پر 19° ہے، متوازن، اور اس کا پراسرع دور میدان ڈونٹ نما ہے۔

باقی سب اس جیومیٹری سے پیدا ہوتا ہے۔

نمبر، ایک ساتھ

تیسری صف اور پہلی صف کو اکٹھا پڑھیں۔ EEL کی چوٹی طاقت تیس گنا زیادہ ہے، اور VCSEL کی پلس توانائی تیس گنا زیادہ ہے۔ دونوں بیان درست ہیں، اور کوئی بھی مکمل جواب نہیں ہے۔

زیادہ سے زیادہ طاقت توانائی نہیں ہے

یہی وہ پہچان ہے جو ہر پلزڈ سورس کو کنٹرول کرتی ہے:

ایک 6 W VCSEL جسے 100 ns کے لیے چلایا جائے، 0.6 µJ پیدا کرتا ہے۔ وہی VCSEL جسے 1 µs کے لیے چلایا جائے، 6 µJ پیدا کرتا ہے - 100 ns پر 60 W ایج ایمیٹر کے برابر۔ EEL 100 ns میں 18 µJ تک پہنچتا ہے؛ اس توانائی کے برابر، VCSEL کو 3 µs پلس کی ضرورت ہوگی۔

لہذا ایماندار خلاصہ یہ ہے:

• EEL توانائی کو تیزی سے فراہم کرتا ہے۔ اعلی چوٹی طاقت، مختصر دھڑکے، اعلی وقتی واپسی۔
• VCSEL توانائی کو آہستہ فراہم کرتا ہے۔ کم چوٹی طاقت، لمبے دھڑکے، کم وقتی واپسی۔

یہ کہ 'فاسٹ' یا 'سلو' بہتر ہے، مکمل طور پر آپ کے رسیور اور آپ کی ریزولوشن کی ضرورت پر منحصر ہے، لیزر پر نہیں۔

کہاں لمبا پلس مدد دیتا ہے، اور کہاں نقصان پہنچاتا ہے

یہ مددگار ہے جب رسیور انٹیگریٹ کرتا ہے: ایک فوٹون-کاؤنٹنگ یا انٹیگریٹنگ رسیور پورے ریٹرن کو جمع کرتا ہے، لہذا جو چیز اہم ہے وہ ہے کل توانائی، نہ کہ اس کا شکل۔ VCSEL کا 3٪ ڈیوٹی سائیکل بھی اسی اوسط طاقت پر سیکنڈ میں زیادہ پلسز کا مطلب ہے، جو بالکل وہی ہے جو اوسط پر مبنی 3D سینسنگ چاہتی ہے۔

یہ تکلیف دہ ہے اگر آپ کو دو ہدفوں کو مختلف فاصلوں پر الگ کرنا ہو۔ ایک 100 نینو سیکنڈ پلس واپسی کو تقریباً 15 میٹر تک پھیلا دیتا ہے، کیونکہ روشنی ہر نینو سیکنڈ میں 0.3 میٹر طے کرتی ہے اور اسے واپسی کے لیے سفر کرنا ہوتا ہے۔ ایک 1 مائیکرو سیکنڈ پلس اسے 150 میٹر تک پھیلا دیتا ہے۔ ایک براہِ راست وقت پر پرواز کے نظام میں جہاں آپ سرکردہ کنارے کو ٹائم کرتے ہیں، درستگی اب بھی اچھی ہو سکتی ہے - لیکن ایک شخص کو دیوار کے سامنے کھڑا دیکھنے کی صلاحیت ختم ہو جاتی ہے۔

1 میٹر پر ایک اشارہ سینسر اور 200 میٹر پر ایک گاڑی کے لیے، یہ کوئی فرق نہیں پڑتا۔ ایک رینج فائنڈر کے لیے جو درختوں کے سامنے ہرن کو دیکھنا ہو، یہ مہلک ہے۔

رینج، ایمانداری سے

رینج مساوات مضمون میں شائع شدہ ماڈل استعمال کرتے ہوئے، اور 940 این ایم VCSEL کو 905 این ایم کے قریب کافی سمجھتے ہوئے ایک سلیکان APD کے لیے:

905 این ایم زی کیو ایکس 0 کی قطار دلچسپ ہے: ایک سطحی ایمیٹر سے 70 W کافی ہے کہ وہ درمیانی رینج کے ایج ایمیٹر کے ساتھ مقابلہ کر سکے، ایک گول بیم کے ساتھ اور کوئی FAC نہیں۔ قطاریں اسی ڈائی پر ایمیٹرز شامل کرنے سے بڑھتی ہیں، یہی وجہ ہے کہ VCSEL کی طاقت اتنی تیزی سے بڑھ رہی ہے۔

اور کیا بدلتا ہے

طول موج کی استحکام۔ VCSEL کا اخراجی طول موج درجہ حرارت کے ساتھ کنارے والے ایمیٹر کے 0.10 nm/K کے مقابلے میں بہت کم حرکت کرتا ہے، جو اس وقت اہم ہوتا ہے جب ایک تنگ آپٹیکل فلٹر سورج کی روشنی کے خلاف زیادہ کام کر رہا ہو۔ اس کا معاوضہ ایک وسیع سپیکٹرل چوڑائی اور کم ہم آہنگی کی لمبائی ہے - جو سپیکل کے لیے اچھی خبر ہے اور انٹرفیرو میٹری کے لیے بری خبر۔

اسپیکل۔ VCSEL آرے بہت سے آزاد ایمیٹر ہیں جو تھوڑا مختلف طول موج پر لیز کرتے ہیں، اس لیے اسپیکل پیٹرن اوسط ہو جاتا ہے۔ ایک سنگل موڈ ایج ایمیٹر مضبوط ہم آہنگ روشنی پیدا کرتا ہے اور ہدف پر قابل دید اسپیکل پیٹرن بناتا ہے۔ امیجنگ کے لیے، یہ اکثر فیصلہ کن عنصر ہوتا ہے۔ یہی میکانزم مرئی اور RGB لیزر روشنی میں علاج ہے، جہاں اسپیکل کو اوسط کرنے کے بجائے ہٹانا ہوتا ہے۔

بیضوی بیم بمقابلہ گول. 25° فاسٹ ایکسز صرف کولیمی ایشن کا مسئلہ نہیں ہے۔ 1 کلومیٹر پر، 25° فین ایک 440 میٹر لمبی پٹی ہے، جس میں سے زیادہ تر آپ کے رسیور تک نہیں پہنچتی - دیکھیں FAC اور فائبر کوپلنگ۔ VCSELs گول پیدا ہوتے ہیں۔

ناکامی کے طریقے۔ ایک ایج ای میٹر فیسٹ پر ناکام ہوتا ہے، عموماً تباہ کن آپٹیکل نقصان کی وجہ سے جو زیادہ کرنٹ یا آلودگی کی وجہ سے ہوتا ہے۔ ایک VCSEL حرارتی رول اوور کی وجہ سے ناکام ہوتا ہے، اور کسی ارے میں فردی ای میٹر بغیر ڈیوائس کو ختم کیے ناکام ہو سکتے ہیں، جو آہستہ آہستہ خرابی پیدا کرتا ہے لیکن اسے معلوم کرنا مشکل ہوتا ہے۔

حجم میں لاگت. ایج ایمیٹرز کو کلیو کرنے اور فیسیٹس کو کوٹنگ کرنے سے بنایا جاتا ہے، ایک ویفر سے کئی بارز بن جاتی ہیں۔ VCSELs کو مکمل طور پر ویفر پر بنایا اور ٹیسٹ کیا جاتا ہے، یہی وجہ ہے کہ یہ ہائی-ولیوم صارفین کی سینسنگ کے لیے ڈیفالٹ بن گئی ہیں۔

ایک فیصلہ کرنے کا اصول

اِج ایج ایمیٹر تب منتخب کریں جب: ضرورت چند سو میٹر سے زیادہ ہو، پلس 100 ns سے کم ہونا چاہیے، ہدف تعاون نہیں کر رہا، یا آپ کو فی ڈالر سب سے زیادہ زیادہ سے زیادہ طاقت چاہیے۔ رینج فائنڈنگ، گاڑی کے لیے LiDAR، طویل فاصلے کی صنعتی سینسنگ۔

VCSEL تب منتخب کریں جب: ضرورت چند میٹر سے چند سو میٹر تک ہو، رسیور انٹیگریٹ کرے، آپ کو گول بیم چاہیے اور کوئی FAC نہیں چاہیے، آپ کو سرفیس ماؤنٹ انٹیگریشن اور ویفر-اسکیل لاگت چاہیے، اور آپ لمبے پلس کے ساتھ رہ سکتے ہیں۔ صارف کے لئے 3D سینسنگ، اشارہ اور قربت، مشینی وژن، قلیل فاصلے کی آٹوموٹیو فلیش۔

دونوں کو منتخب کریں جب وہ آپس میں مقابلہ نہیں کر رہے ہوں: طویل فاصلے کے چینل کے لیے 905 nm ایج ایمیٹر اور وسیع میدان کے قریبی فاصلے کے چینل کے لیے 940 nm VCSEL ارے، آٹوموٹو سینسنگ میں ایک عام اور معقول آرکیٹیکچر ہے۔