بعد العمل في صناعة أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية لفترة طويلة ، نعتبر أن الوضع المتعدد يتوافق مع الطول الموجي 850 نانومتر ، أو 850 نانومتر ، 910 نانومتر. يتوافق الوضع الفردي مع أطوال موجية من 1260-1650 نانومتر ، خاصة الأطوال الموجية بالقرب من نطاق 1310 نانومتر وبالقرب من نطاق 1550 نانومتر.
لقد تطورت صناعة الاتصالات الضوئية على مدى عقود ، ويحتاج الأشخاص في الصناعة إلى تحسين الكفاءة أثناء الاتصال ، لذلك لن نكرر الفطرة السليمة كل يوم. ومع ذلك ، فإننا نعلم بالصدفة أن هناك ليزرًا متعدد الأنماط بطول موجة يبلغ 1550 نانومتر ، وأشعة ليزر متعددة الأنماط 1310 نانومتر. كيف يحدث هذا؟ في الواقع ، يمكن أيضًا تحويل 850 نانومتر إلى ليزر أحادي الوضع.
يشير الوضع الفردي إلى الوضع العرضي الفردي ويشير الوضع المتعدد إلى الوضع العرضي المتعدد في الصناعة. الطول الموجي ، في الواقع ، يعبر عن خصائص الوضع الطولي ، ويمكن تقسيمه إلى وضع طولي واحد وأنماط طولية متعددة. وهذا هو ، الليزر أحادي الطول الموجي أو متعدد الطول الموجي. يشير هذا الطول الموجي تحديدًا إلى الطول الموجي "المكبر". الليزر عبارة عن مكبرات ضوئية تعتمد على مبدأ تضخيم التداخل. يقول الكثير من الناس أن أشعة الليزر تصدر ضوءًا "متماسكًا".
ما هي الأطوال الموجية التي تتوافق مع الوضع الفردي والوضع المتعدد؟ إذن ، يصبح السؤال ، ما هي العلاقة بين الوضع العرضي الفردي أو الأنماط العرضية المتعددة للمكبر البصري (الانبعاث المحفز) ومدى الإخراج للوضع الطولي؟
الجواب: لا توجد علاقة مقابلة نظريًا. الاثنان متعامدان من اعتبارات ثنائية الأبعاد. يمكن أن يكون الليزر 1310nm إما وضع عرضي واحد أو وضع عرضي متعدد. وبالمثل ، يمكن تصميم ليزر 850 نانومتر و 1550 نانومتر كوضع عرضي مفرد أو وضع عرضي متعدد.
ومع ذلك ، يجب أن نأخذ في الاعتبار أنه قد تم تشكيل سلسلة صناعية محددة في التطبيق الفعلي ، والتي لديها أفضل أداء من حيث التكلفة في بعض السيناريوهات الخاصة. على سبيل المثال ، في السيناريو الذي يعتمد على اتصال الألياف الضوئية ، تتميز أجهزة الليزر متعددة الوضع العرضي بطول موجة 850 نانومتر بمزايا منخفضة التكلفة ، كما تتمتع أجهزة الليزر أحادية الوضع المستعرضة القائمة على 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر بأداء نقل ممتاز من تشتت منخفض / منخفض خسارة في الألياف الضوئية.
على سبيل المثال ، في صناعة الليدار ، بالنسبة لليزر الباعث للحافة ، ليست هناك حاجة للنظر في خصائص الوضع العرضي الفردي في سيناريوهات TOF أو AM. يمكن تصنيع ليزرات طويلة الموجة طويلة الباعث للحواف متعددة الأوضاع لزيادة الطاقة وتقليل مخاطر سلامة العين. للضوء اتجاه إرسال ، والنمط على طول اتجاه الإرسال هو وضع طولي ، وهي خاصية تعتمد على التردد تعتمد على "تداخل الوقت" في الليزر.
اتجاه انتقال الضوء من الليزر
إن توزيع مجال الضوء للمقطع العرضي المتعامد على اتجاه الإرسال هو وضع عرضي ، والذي يعتمد على بعض خصائص التوزيع التي تشكلها "التداخل المكاني" في الليزر.
يعرف أي شخص يصمم الليزر أن هناك حلين في صيغة الليزر وحلول المكان والزمان.
أبعاد الزمكان من الليزر
يعتمد الوضع المستعرض على توزيع الطاقة في الفضاء. هذا توزيع يمكن رؤيته في الحياة الواقعية ، وسنتحدث عنه لاحقًا. الوضع الطولي هو توزيع الطاقة على أساس الوقت وينتقل الضوء بسرعة الضوء ، وهناك عدة معلمات لطول الموجة وسرعة (الضوء) ووقت التذبذب والمسافة. لا يمكن رؤية الطول الموجي بالعين ، لذلك يجب اختباره باستخدام مقياس طيف ، وهو في الواقع مقياس طيف ضوئي. تردد الضوء × الطول الموجي للضوء = سرعة الضوء في الفراغ C ، حيث C ثابت. لذلك ، يمكن اختبار التردد باستخدام محلل الطيف (على سبيل المثال ، ~ 300 هرتز تقابل 1.3 ميكرومتر من الطول الموجي ، و 200 هرتز تقريبًا يتوافق مع 1.5 ميكرومتر من الطول الموجي) ويمكن حساب الطول الموجي.
انتقال الضوء هو انتقال الموجة
يشير الطول الموجي الذي نتحدث عنه ، في هذا السياق ، تحديدًا إلى نطاق الطول الموجي.
الطول الموجي هو نطاق
يتم تحديد نطاق الطول الموجي بواسطة مادة الكسب. في هذا النطاق ، يكون اختيار طول موجة معين للتداخل هو وظيفة تجويف الرنين. يمكن أن يلعب التدخل دورًا في التضخيم.
طول التجويف الطنيني. حواجز شبكية من DFB و VCSEL كلها أطوال تجاويف "صغيرة". يمكن استخدام طول التجويف وسرعة موجة الضوء لحساب وقت انعكاس الضوء ، والتداخل على أساس الوقت هو الوضع الطولي. هذه النماذج الطولية لها تأكيدات مختلفة في سياقنا.
يتم تكوين تجويف الرنين والكسب معًا ، وهو اختيار معظم الليزر في أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية ، مثل VCSEL و DFB و EML والرقائق الأخرى. يحدد الرنان (تجويف لتضخيم التداخل) أطوال الموجات التي يتم تضخيمها. يختار تجويف الرنين ومواد الكسب نفس النوع من نظام المواد ، مثل نظام مادة GaAs لـ VCSEL ونظام مادة InP لـ DFB وما إلى ذلك.
يعتمد تجويف الرنين ومواد الكسب على أنظمة مختلفة ، مثل نظام GaAs للكسب والسيليكون لتجويف الرنين. هذه هي عملية Huawei من GaAs الفوقي على ركيزة السيليكون وإنشاء نقاط كمومية InAs في OFC2023 ، أو ليزر النقاط الكمومية القائم على السيليكون من HP. إن استخدام InP للكسب والسيليكون للرنان هو ليزر متكامل قائم على السيليكون من Intel. مادة الكسب: تحدد مدى الأطوال الموجية. عندما يتم إنتاج الرنان والمواد المكتسبة بشكل مستقل ، يكون لدينا ليزر تجويف خارجي ، أي ليزر يتكون من رنانات "مستقلة عن جزء الكسب".
بالعودة إلى الوضع المستعرض مرة أخرى ، يُشار إلى الوضع الفردي والوضع المتعدد على وجه التحديد إلى الأوضاع المستعرضة في الصناعة ، مما يعني توزيع الطاقة في الفضاء. الوضع الفردي والوضع المتعدد مهمان في اتصالات الألياف الضوئية ، في حين أن هذا ليس هو الحال بالنسبة لطريقة TOF في الليدار. عندما تكون هناك قمم طاقة متعددة ، يكون ذلك متعدد الأوضاع ، وقمة طاقة واحدة فقط تكون أحادية النمط. يمكن رؤية التقلبات المكانية بالعين ، عندما يضيء مؤشر الليزر الخاص بنا على الشاشة ، يمكننا أن نرى توزيع النقاط المضيئة ، وهو تجسيد للوضع العرضي.
الوضع العرضي لتوزيع بقعة الليزر
إن VCSEL الموجود في جهاز الإرسال والاستقبال البصري عبارة عن ليزر متعدد الأوضاع ، مما يعني وجود نقاط مضيئة متعددة. يسمى VCSEL ليزر انبعاث سطح التجويف العمودي. يشير سطح التجويف العمودي إلى الإحداثيات النسبية للرقاقة. يكون التجويف الطنين عموديًا على سطح الرقاقة ، ويسمى التجويف الرأسي. يرتبط اتجاه الرنان باتجاه خرج الليزر ، والذي يحدد اتجاه خرج الضوء لليزر دون معالجة خاصة. يمكنها أن تدرك الانبعاث العمودي على سطح الرقاقة ، والذي يمكن أن يكون انبعاث سطح أو انبعاث قاع.
تنبعث أشعة الليزر أحادية الوضع عمومًا من الجانب ، إما من الجانب الأيسر أو الأيمن ، أو من كلا الجانبين في نفس الوقت. بالنسبة لانبعاث الحواف ، يتم تحقيق اتجاه خرج الضوء من خلال تجويف الرنين المستعرض دون معالجة إضافية أخرى ، ويتحقق نطاق الطول الموجي الناتج بواسطة مادة الكسب ، ويتم تحديد البقعة العرضية بواسطة الهيكل المكاني لدليل الموجة الناتج.
يستخدم نوعان شائعان من هياكل الدليل الموجي لتقييد الوضع الفردي
كما أن مساحة الضوء "متذبذبة". طالما أن العرض مناسب ، فلن تكون هناك نقاط مضيئة متعددة. بالنسبة لتصميم معظم ليزر الاتصالات الضوئية ، يبلغ عرض الدليل الموجي لنظام المواد InP حوالي 2 ميكرومتر ، وهو هيكل شائع للحد من الوضع الفردي.
نظرًا لأنه شائع ، فهو ليس الوحيد. إذا تم توسيع الهيكل محدود المساحة ، فستظهر أوضاع عرضية متعددة. كان هذا شائعًا في الليزر في السنوات الأولى. أصبح من السهل تصنيع وضع واحد في الاتصال البصري لاحقًا ، ونسي الناس ذلك.
في السنوات الأخيرة ، يتحدث الناس عن توسيع الدليل الموجي مرة أخرى ، لأن طاقة الخرج تحتاج إلى زيادة. على سبيل المثال ، يستخدم FiberMall الوضع المتعدد لتحقيق تسلسل DFB + SOA ، ثم يستخدم الخصر الافتراضي لتحقيق الوضع الفردي. والليزر الذي يبلغ عرضه 5 ميكرومتر الذي صنعته Huawei في السنوات الأخيرة هو في الأساس أوضاع عرضية متعددة ، بهدف زيادة الطاقة الناتجة. مثال آخر هو طريقة TOF في مجال الليدار ، والتي تفضل حساب الطاقة العالية على الوضع الفردي والوضع المتعدد. لا يلزم نقلها في ألياف بصرية ، لذلك لا داعي للنظر في هذا الجانب. الشكل التالي عبارة عن ليزر بنمط عرضي متعدد مع امتداد عرض الدليل الموجي على نطاق واسع جدًا لجعل انبعاث الحافة.
ليزر متعدد الأنماط بانبعاث الحواف ليدار
باختصار ، من حيث الليزر الباعث للحافة ، فإن اتصال الألياف الضوئية يتطلب وضعًا واحدًا ، والذي يمكن تحقيقه. تحتوي بعض سيناريوهات التطبيق على تصميمات محلية متعددة الأوضاع ، ونحتاج إلى معالجة إضافية لاستعادة الوضع الفردي مرة أخرى. يهدف هذا الفعل إلى تلبية احتياجات اتصالات الألياف الضوئية بشكل أساسي.
المنطق الكامن وراء ذلك هو وجود نطاق نقل مثالي لتكنولوجيا الاتصالات للألياف الضوئية الزجاجية الصلبة التجارية. (لا تتأثر الألياف المجوفة بهذا النطاق ، ويخبر OFC2023 تقدم الألياف المجوفة.) والمواد التي تلبي نطاق الطول الموجي هذا ويمكن أن تحقق الوضع الفردي هي InGaAsP / InP فقط ، أو AlGaInAs / InP. لا يمكن لنظام المواد هذا تحقيق إخراج أحادي الوضع في هيكل انبعاث سطح التجويف العمودي ولا يمكنه حتى تحقيق تصنيع صناعي على نطاق واسع بموثوقية عالية. لذلك ، يتعين على الناس اختيار انبعاث الحافة ، وهو هيكل إخراج مسار بصري غير ودي.
تحدد بنية الدليل الموجي ما إذا كان وضعًا فرديًا أم وضعًا متعددًا
تعتبر الانبعاثات السطحية رخيصة جدًا ، ويمكن نظريًا تحقيق إنتاج أحادي النمط ، لكن الصناعة لا يمكنها تحقيق تصنيع واسع النطاق وطويل الأجل ومستقر وموثوق. هذا يرجع إلى حفر الخندق في تدفق العملية هذا. الأخدود محفور للأكسدة الجانبية ، والتي تستخدم لتوجيه المسار الحالي.
تدفق عملية VCSEL
مصعد off تلك الطلاءات محكمة الإغلاق على السطح ، وسترى أخدودًا محفورًا. يتأكسد هذا الأخدود من خلال الجانب لتشكيل مدخل تيار داخلي وينبعث الضوء. إذا تم تقليل هيكل الضوء إلى قطر 1.xμm ، فيمكن أن يقتصر على "الوضع الفردي" في البعد المكاني. ومع ذلك ، توجد أيضًا طبقة DBR في هذه الفتحة ، تجويف رنان ، يحتاج إلى التحكم في انعكاس الضوء والتضخيم بعد الرنين. تحتاج طبقة DBR إلى عشرات الطبقات. كلما كانت الجزيرة أصغر ، زاد احتمال تحقيق الوضع الفردي ، لكنه سيؤدي إلى مخاطر خفية في موثوقية تجويف الرنين. في 50G و 100 G VCSELs التي شوهدت هذا العام ، يبلغ قطر ثقب الحبس حوالي 5 ~ 6 ميكرومتر.
يتم تحديد الوضع الفردي أو الوضع المتعدد بواسطة بنية الدليل الموجي
توضح الطرق العديدة المذكورة أعلاه أن VCSEL يمكن أن يكون وضعًا فرديًا من الناحية النظرية ، وفي الحالة الحالية متعددة الأوضاع ، هناك أيضًا العديد من أوضاع المعالجة الإضافية لتحقيق الوضع الفردي. ومع ذلك ، فإن توقعات الصناعة منخفضة التكلفة وذات نطاق تصنيع واسع ، لذا فإن الوضع المتعدد هو خيار الصناعة.
يفضل الناس اختيار 50G VCSEL أو 100G VCSEL في الوقت الحاضر. إذا أردنا الحفاظ على الوضع الفردي في درجات حرارة مختلفة وتيارات مختلفة وساعات عمل مختلفة ، فسنواجه ضغطًا مرتفعًا في المنتجات.
الكل في الكل ، من الناحية الفنية ، تم تصميم وضع فردي أو متعدد وطول الموجة بشكل مستقل. يكون الوضع المستعرض مقيدًا بشكل عام بالبنية المكانية للحيود ذي الثقب. يتأثر الطول الموجي بشكل مشترك بطبقة الكسب وتجويف الرنين ، مع كون مادة الكسب هي السبب الرئيسي.
من حيث التطبيق ، فإن الصناعة لها متطلبات الطول الموجي والوضع. تتمتع أجهزة الليزر InP أحادية الوضع ، خاصة تلك التي تزيد مسافاتها عن 500 متر وضمن آلاف الكيلومترات ، بمزايا أداء ، لكن الليزر الباعث للحافة InP لا يتمتع بميزة التكلفة. أما بالنسبة لليزر VCSEL متعدد الأوضاع ، فهو يتميز بتكلفة منخفضة ، بينما يتميز بأداء أسوأ مقارنةً بالوضع الفردي. يمكن استخدامه لمسافة 180 متر. كما أنها لا تتمتع بميزة في الطول الموجي.
ليدار متطلبات على الطول الموجي ، في حين أن بعض مخططات الاختبار ليس لها متطلبات على الوضع العرضي ، لذلك ظهر تصميم متعدد الأنماط طويل الموجة. ما ذكرناه للتو هو الاتصال للألياف الضوئية الزجاجية السائدة. عندما يتعلق الأمر بالألياف الضوئية المجوفة ، فهناك متطلبات للوضع ، ولكن هناك قيود أقل على الطول الموجي ، لذلك يأتي الحل أحادي الوضع قصير الموجة ، مثل الليزر أحادي الوضع 1060 نانومتر ، باستخدام مادة GaAs نظام انبعاث الحافة.