Nachdem wir lange Zeit in der optischen Transceiver-Industrie gearbeitet haben, gehen wir davon aus, dass Multimode einer Wellenlänge von 850 nm bzw. 850 nm und 910 nm entspricht. Der Einzelmodus entspricht Wellenlängen von 1260–1650 nm, insbesondere Wellenlängen in der Nähe des 1310-nm-Bandes und des 1550-nm-Bandes.
Die optische Kommunikationsbranche hat sich über Jahrzehnte weiterentwickelt, und die Menschen in der Branche müssen die Effizienz bei der Kommunikation verbessern, damit wir nicht jeden Tag den gesunden Menschenverstand wiederholen. Allerdings wissen wir durch Zufall, dass es Multimode-Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm und Multimode-Laser mit 1310 nm gibt. Wie kommt es dazu? Tatsächlich kann 850 nm auch in einen Singlemode-Laser umgewandelt werden.
In der Branche bezieht sich „Single Mode“ auf einen einzelnen Transversalmodus und „Multimode“ auf einen Multi-Transversalmodus. Tatsächlich drückt die Wellenlänge die Eigenschaften des Longitudinalmodus aus und kann in einen einzelnen Longitudinalmodus und mehrere Longitudinalmoden unterteilt werden. Das heißt, Laser mit einer oder mehreren Wellenlängen. Diese Wellenlänge bezieht sich speziell auf die „verstärkte“ Wellenlänge. Laser sind optische Verstärker, die auf dem Prinzip der Interferenzverstärkung basieren. So viele Leute sagen, dass Laser „kohärentes“ Licht aussenden.
Welche Wellenlängen entsprechen Singlemode und Multimode? Es stellt sich also die Frage: Welche Beziehung besteht zwischen dem einzelnen Transversalmodus oder den mehreren Transversalmodi des optischen Verstärkers (mit stimulierter Emission) und dem Ausgangsbereich des Longitudinalmodus?
Antwort: Theoretisch gibt es keinen entsprechenden Zusammenhang. Die beiden sind aus zweidimensionalen Betrachtungen orthogonal. Der 1310-nm-Laser kann entweder ein einzelner Transversalmodus oder ein Multitransversalmodus sein. Ebenso können 850-nm- und 1550-nm-Laser als Einzeltransversalmodus oder Multitransversalmodus ausgelegt sein.
Wir sollten jedoch berücksichtigen, dass in der tatsächlichen Anwendung eine bestimmte Industriekette gebildet wurde, die in einigen speziellen Szenarien die beste Kostenleistung aufweist. In dem auf Glasfaserkommunikation basierenden Szenario bieten beispielsweise Multi-Transversalmodus-Laser mit einer Wellenlänge von 850 nm kostengünstige Vorteile, und Single-Transversalmodus-Laser auf Basis von 1310 nm oder 1550 nm weisen eine hervorragende Übertragungsleistung bei geringer Dispersion/niedrig auf Verlust in optischen Fasern.
Beispielsweise besteht in der Lidar-Industrie für kantenemittierende Laser keine Notwendigkeit, die Eigenschaften einer einzelnen Transversalmode in TOF- oder AM-Szenarien zu berücksichtigen. Es können Multimode-EEL-Kantenemissionslaser mit langer Wellenlänge hergestellt werden, um die Leistung zu erhöhen und Risiken für die Augensicherheit zu verringern. Licht hat eine Übertragungsrichtung und der Modus entlang der Übertragungsrichtung ist ein Longitudinalmodus, der eine frequenzabhängige Eigenschaft ist, die auf „Zeitinterferenz“ im Laser basiert.
Die Richtung der Lichtübertragung des Lasers
Die Lichtfeldverteilung des Querschnitts senkrecht zur Übertragungsrichtung ist ein transversaler Modus, der auf einigen Verteilungseigenschaften basiert, die durch „räumliche Interferenz“ im Laser entstehen.
Jeder, der Laser entwirft, weiß, dass es in der Laserformel zwei Lösungen gibt: Zeit- und Raumlösungen.
Raum-Zeit-Dimensionen von Lasern
Der Transversalmodus basiert auf der Energieverteilung des Raumes. Dies ist eine Verteilung, die im wirklichen Leben zu sehen ist, und wir werden später darüber sprechen. Der Longitudinalmodus ist die Energieverteilung basierend auf der Zeit und Licht wird mit Lichtgeschwindigkeit übertragen, und es gibt mehrere Parameter wie Wellenlänge, (Licht-)Geschwindigkeit, Fluktuationszeit und Entfernung. Die Wellenlänge kann mit dem Auge nicht gesehen werden und muss daher mit einem Spektrometer getestet werden, bei dem es sich eigentlich um ein optisches Spektrometer handelt. Die Frequenz des Lichts x die Wellenlänge des Lichts = die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C, wobei C eine Konstante ist. Daher kann die Frequenz mit einem Spektrumanalysator getestet werden (z. B. ~300 THz entsprechen einer Wellenlänge von 1.3 μm und ~200 THz entsprechen einer Wellenlänge von 1.5 μm) und die Wellenlänge kann berechnet werden.
Die Übertragung von Licht ist die Übertragung von Wellen
Mit der Wellenlänge, von der wir in diesem Zusammenhang sprechen, ist insbesondere der Wellenlängenbereich gemeint.
Die Wellenlänge ist ein Bereich
Der Wellenlängenbereich wird durch das Verstärkungsmaterial bestimmt. In diesem Bereich ist die Auswahl einer bestimmten Wellenlänge für die Interferenz die Funktion des Resonanzhohlraums. Bei der Verstärkung können Interferenzen eine Rolle spielen.
Der Resonanzhohlraum hat eine Hohlraumlänge. Die Gitter von DFB und VCSEL haben alle „winzige“ Hohlraumlängen. Die Länge des Hohlraums und die Wellengeschwindigkeit des Lichts können zur Berechnung der Reflexionszeit des Lichts verwendet werden, und die auf der Zeit basierende Interferenz ist der Longitudinalmodus. Diese Längsschnittmodelle haben in unserem Kontext unterschiedliche Schwerpunkte.
Der Hohlraumresonator und die Verstärkung werden gemeinsam hergestellt, was bei den meisten Lasern in optischen Transceivern wie VCSEL, DFB, EML und anderen Chips der Fall ist. Der Resonator (Hohlraum zur Interferenzverstärkung) bestimmt, welche Wellenlängen verstärkt werden. Der Resonanzhohlraum und das Verstärkungsmaterial wählen denselben Materialsystemtyp, beispielsweise das GaAs-Materialsystem für VCSEL, das InP-Materialsystem für DFB und so weiter.
Der Hohlraumresonator und das Verstärkungsmaterial verwenden unterschiedliche Systeme, beispielsweise ein GaAs-System für die Verstärkung und Silizium für den Hohlraumresonator. Hierbei handelt es sich um Huaweis Verfahren zur epitaktischen GaAs-Aufbringung auf einem Siliziumsubstrat und zur Herstellung von InAs-Quantenpunkten in OFC2023 oder dem siliziumbasierten Quantenpunktlaser von HP. Intels siliziumbasierter integrierter Laser verwendet InP für die Verstärkung und Silizium für den Resonator. Verstärkungsmaterial: Bestimmt den Wellenlängenbereich. Wenn Resonator und Verstärkungsmaterial unabhängig voneinander hergestellt werden, handelt es sich um einen Laser mit externem Hohlraum, d. h. einen Laser, der aus Resonatoren „unabhängig vom Verstärkungsteil“ besteht.
Um noch einmal auf den Transversalmodus zurückzukommen: Singlemode und Multimode werden in der Industrie speziell als Transversalmoden bezeichnet, was die Energieverteilung im Raum bedeutet. Singlemode und Multimode spielen bei der Glasfaserkommunikation eine Rolle, während dies bei der TOF-Methode von Lidar nicht der Fall ist. Wenn es mehrere Energiespitzen gibt, handelt es sich um Multimode, und nur eine Energiespitze ist Singlemode. Die räumlichen Schwankungen können mit den Augen gesehen werden. Wenn unser Laserpointer auf den Bildschirm scheint, können wir die Verteilung heller Punkte erkennen, die die Verkörperung des Transversalmodus darstellt.
Quermodus der Laserpunktverteilung
Der VCSEL im optischen Transceiver ist ein Multimode-Laser, das heißt, es gibt mehrere helle Punkte. Der VCSEL wird als Vertical-Cavity-Oberflächenemissionslaser bezeichnet. Die vertikale Hohlraumoberfläche bezieht sich auf die relativen Koordinaten des Wafers. Der Resonanzhohlraum verläuft senkrecht zur Oberfläche des Wafers und wird als vertikaler Hohlraum bezeichnet. Die Richtung des Resonators hängt von der Ausgangsrichtung des Lasers ab, die ohne besondere Behandlung die Lichtausgangsrichtung des Lasers bestimmt. Es kann die Emission senkrecht zur Waferoberfläche realisieren, wobei es sich um eine Oberflächenemission oder eine Bodenemission handeln kann.
Singlemode-Laser emittieren im Allgemeinen seitlich, entweder von der linken oder rechten Seite oder von beiden Seiten gleichzeitig. Bei der Kantenemission wird die Ausgangsrichtung des Lichts durch den transversalen Resonanzhohlraum ohne weitere zusätzliche Verarbeitung realisiert, der Ausgangswellenlängenbereich wird durch das Verstärkungsmaterial realisiert und der transversale Fleck wird durch die räumliche Struktur des Ausgangswellenleiters bestimmt.
Zwei gängige Arten von Wellenleiterstrukturen zur Eingrenzung von Einzelmoden
Auch der Lichtraum „fluktuation“. Solange die Breite angemessen ist, entstehen keine mehrfachen hellen Stellen. Was das Design der meisten optischen Kommunikationslaser betrifft, beträgt die Wellenleiterbreite des InP-Materialsystems etwa 2 μm, was eine übliche Struktur für die Einmodenbegrenzung ist.
Da es häufig vorkommt, ist es nicht das einzige. Wenn die räumlich begrenzte Struktur erweitert wird, treten mehrere transversale Moden auf. Dies war in den Anfangsjahren bei Lasern üblich. Später wurde es einfacher, Singlemode-Geräte für die optische Kommunikation herzustellen, und die Leute vergaßen es.
In den letzten Jahren wird wieder darüber gesprochen, den Wellenleiter zu verbreitern, da die Ausgangsleistung erhöht werden muss. FiberMall verwendet beispielsweise Multimode, um eine DFB+SOA-Kaskade zu realisieren, und verwendet dann die virtuelle Taille, um Singlemode zu realisieren. Und die 5 μm breiten Laser, die Huawei in den letzten Jahren hergestellt hat, sind im Wesentlichen Multi-Transversal-Laser mit dem Ziel, die Ausgangsleistung zu erhöhen. Ein weiteres Beispiel ist das TOF-Verfahren im Lidar-Bereich, das hohe Leistungen gegenüber Single-Mode und Multi-Mode bevorzugt. Sie müssen nicht über Lichtwellenleiter übertragen werden, sodass dieser Aspekt nicht berücksichtigt werden muss. Die folgende Abbildung zeigt einen Multi-Transversal-Mode-Laser, dessen Wellenleiterbreite sehr weit gestreckt ist, um die Kantenemission zu ermöglichen.
Kantenemittierende Multimode-Laser für Lidar
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei kantenemittierenden Lasern für die Glasfaserkommunikation ein Single-Mode-Modus erforderlich ist, der realisiert werden kann. Einige Anwendungsszenarien verfügen über lokale Multi-Mode-Designs, und wir benötigen zusätzliche Verarbeitung, um den Single-Mode wieder wiederherzustellen. Dieses Gesetz soll im Wesentlichen den Bedürfnissen der Glasfaserkommunikation gerecht werden.
Die Logik dahinter ist, dass es für die Kommunikationstechnologie der kommerziellen Vollglasfaser ein optimales Übertragungsband gibt. (Hohlkernfasern sind von diesem Band nicht betroffen, und OFC2023 zeigt den Fortschritt der Hohlkernfasern an.) Und die Materialien, die diesen Wellenlängenbereich erfüllen und einen Singlemode erreichen können, sind nur InGaAsP/InP oder AlGaInAs/InP. Dieses Materialsystem kann keine Single-Mode-Ausgabe in der Struktur der vertikalen Hohlraumoberflächenemission erreichen und kann nicht einmal eine großtechnische industrielle Fertigung mit hoher Zuverlässigkeit erreichen. Daher muss man sich für die Kantenemission entscheiden, bei der es sich um eine unfreundliche Ausgangsstruktur für den optischen Pfad handelt.
Die Wellenleiterstruktur bestimmt, ob es sich um einen Singlemode oder einen Multimode handelt
Die Oberflächenemission ist sehr günstig und kann theoretisch eine Single-Mode-Ausgabe erreichen, aber die Industrie kann keine groß angelegte, langfristige, stabile und zuverlässige Fertigung erreichen. Dies liegt an der Grabenätzung in diesem Prozessablauf. Die Rille wird zur seitlichen Oxidation geätzt, die zur Führung des Strompfades dient.
VCSEL-Prozessablauf
Aufzug off Diese luftdichten Beschichtungen auf der Oberfläche, und Sie werden eine geätzte Rille sehen. Diese Rille wird durch die Seite oxidiert, um einen internen Stromeingang zu bilden und Licht auszusenden. Wenn die Lichtstruktur auf einen Durchmesser von 1,xμm reduziert wird, kann sie in der räumlichen Dimension auf „Single Mode“ beschränkt werden. In diesem Loch befindet sich jedoch auch eine DBR-Schicht, ein Resonanzhohlraum, der die Lichtreflexion und die Interferenzverstärkung nach der Resonanz steuern muss. Die DBR-Schicht benötigt Dutzende von Schichten. Je kleiner die Insel ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie den Einzelmodus erreicht. Allerdings birgt dies versteckte Gefahren für die Zuverlässigkeit des Resonanzhohlraums. Bei den in diesem Jahr vorgestellten 50G- und 100G-VCSELs beträgt der Durchmesser des Einschlusslochs etwa 5 bis 6 μm.
Singlemode oder Multiplemode wird durch die Wellenleiterstruktur bestimmt
Die zahlreichen oben genannten Methoden zeigen, dass VCSEL theoretisch ein Einzelmodus sein kann, und im aktuellen Multimodus-Zustand gibt es auch viele Hilfsverarbeitungsmodi, um einen Einzelmodus zu erreichen. Da die Branche jedoch von einer kostengünstigen und großtechnischen Fertigung erwartet, ist Multimode die erste Wahl der Branche.
Derzeit entscheiden sich die Menschen lieber für 50G VCSEL oder 100G VCSEL. Wenn wir den Single-Mode bei unterschiedlichen Temperaturen, unterschiedlichen Strömen und unterschiedlichen Betriebsstunden aufrechterhalten wollen, werden wir einem hohen Druck bei den Produkten ausgesetzt sein.
Insgesamt sind Single- oder Multimode und Wellenlänge technisch unabhängig voneinander ausgelegt. Die Transversalmode wird im Allgemeinen durch die räumliche Struktur der Lochblende begrenzt. Die Wellenlänge wird gemeinsam durch die Verstärkungsschicht und den Resonanzhohlraum beeinflusst, wobei das Verstärkungsmaterial der Hauptgrund ist.
In Bezug auf die Anwendung stellt die Branche Wellenlängen- und Modenanforderungen. Single-Mode-InP-Laser, insbesondere solche mit Entfernungen über 500 Metern und im Umkreis von Tausenden von Kilometern, bieten Leistungsvorteile, kantenemittierende InP-Laser haben jedoch keinen Kostenvorteil. Der Multimode-VCSEL-Laser zeichnet sich durch niedrige Kosten aus, weist jedoch im Vergleich zum Singlemode-Laser eine schlechtere Leistung auf. Es kann für eine Distanz von 180 Metern verwendet werden. Es hat auch keinen Wellenlängenvorteil.
Lidar stellt Anforderungen an die Wellenlänge, während einige Testschemata keine Anforderungen an den Transversalmodus stellen, sodass ein Langwellen-Multimode-Design entstanden ist. Was wir gerade erwähnt haben, ist die Kommunikation für Mainstream-Glasfaserkabel mit festem Kern. Wenn es um eine optische Hohlkernfaser geht, gibt es Anforderungen an den Modus, aber es gibt weniger Einschränkungen hinsichtlich der Wellenlänge, sodass es die kurzwellige Single-Mode-Lösung gibt, wie z. B. 1060-nm-Single-Mode-Laser, die GaAs-Material verwenden System zur Kantenemission.