Después de trabajar en la industria de los transceptores ópticos durante mucho tiempo, damos por sentado que el modo múltiple corresponde a una longitud de onda de 850nm, u 850nm, 910nm. El modo único corresponde a longitudes de onda de 1260-1650nm, especialmente longitudes de onda cerca de la banda de 1310nm y cerca de la banda de 1550nm.
La industria de la comunicación óptica se ha desarrollado durante décadas, y las personas en la industria necesitan mejorar la eficiencia durante la comunicación, por lo que no repetiremos el sentido común todos los días. Sin embargo, sabemos por casualidad que existen láseres multimodo con una longitud de onda de 1550nm y láseres multimodo con 1310nm. ¿Como sucedió esto? De hecho, 850nm también se puede convertir en un láser monomodo.
El modo único se refiere al modo transversal único y el multimodo se refiere al modo transversal múltiple en la industria. De hecho, la longitud de onda expresa las características del modo longitudinal y se puede dividir en modo longitudinal único y modos longitudinales múltiples. Es decir, láseres de longitud de onda única o de longitud de onda múltiple. Esta longitud de onda se refiere específicamente a la longitud de onda "amplificada". Los láseres son amplificadores ópticos basados en el principio de amplificación de interferencia. Mucha gente dice que los láseres emiten luz "coherente".
¿Qué longitudes de onda corresponden a monomodo y multimodo? Entonces, la pregunta es, ¿cuál es la relación entre el modo transversal único o los modos transversales múltiples del amplificador óptico (emisión estimulada) y el rango de salida del modo longitudinal?
Respuesta: no existe una relación correspondiente en teoría. Los dos son ortogonales por consideraciones bidimensionales. El láser de 1310 nm puede ser un modo transversal único o un modo multitransversal. De manera similar, los láseres de 850 nm y 1550 nm se pueden diseñar como un modo transversal único o un modo multitransversal.
Sin embargo, debemos tener en cuenta que se ha formado una cadena industrial específica en la aplicación real, que tiene el mejor rendimiento de costos en algunos escenarios especiales. Por ejemplo, en el escenario basado en comunicación por fibra óptica, los láseres multimodo transversal con una longitud de onda de 850nm tienen ventajas de bajo costo, y los láseres monomodo transversal basados en 1310nm o 1550nm tienen un excelente rendimiento de transmisión de baja dispersión/baja Pérdida en fibras ópticas.
Por ejemplo, en la industria lidar, para los láseres emisores de borde, no es necesario considerar las características de un solo modo transversal en escenarios TOF o AM. Los láseres de longitud de onda larga de emisión de borde EEL multimodo se pueden fabricar para aumentar la potencia y reducir los riesgos para la seguridad de los ojos. La luz tiene una dirección de transmisión y el modo a lo largo de la dirección de transmisión es un modo longitudinal, que es una característica dependiente de la frecuencia basada en la "interferencia del tiempo" en el láser.
La dirección de transmisión de la luz del láser.
La distribución del campo de luz de la sección transversal perpendicular a la dirección de transmisión es un modo transversal, que se basa en algunas características de distribución formadas por la "interferencia espacial" en el láser.
Cualquiera que diseñe láseres sabe que hay dos soluciones en la fórmula del láser: soluciones de tiempo y espacio.
Dimensiones del espacio-tiempo de los láseres
El modo transversal se basa en la distribución de energía del espacio. Esta es una distribución que se puede ver en la vida real, y de la que hablaremos más adelante. El modo longitudinal es la distribución de energía basada en el tiempo y la luz se transmite a la velocidad de la luz, y existen varios parámetros de longitud de onda, velocidad (de la luz), tiempo de fluctuación y distancia. La longitud de onda no se puede ver con los ojos, por lo que debe probarse con un espectrómetro, que en realidad es un espectrómetro óptico. La frecuencia de la luz x la longitud de onda de la luz = la velocidad de la luz en el vacío C, donde C es una constante. Por lo tanto, la frecuencia se puede probar con un analizador de espectro (por ejemplo, ~300 THz corresponde a una longitud de onda de 1.3 μm y ~200 THz corresponde a una longitud de onda de 1.5 μm) y se puede calcular la longitud de onda.
La transmisión de luz es la transmisión de ondas.
La longitud de onda de la que estamos hablando, en este contexto, se refiere específicamente al rango de longitud de onda.
La longitud de onda es un rango
El rango de longitud de onda está determinado por el material de ganancia. En este rango, la función de la cavidad resonante es seleccionar una longitud de onda específica para la interferencia. La interferencia puede desempeñar un papel en la amplificación.
La cavidad resonante tiene una longitud de cavidad. Las rejillas de DFB y VCSEL tienen longitudes de cavidad "diminutas". La longitud de la cavidad y la velocidad de onda de la luz se pueden utilizar para calcular el tiempo de reflexión de la luz, y la interferencia basada en el tiempo es el modo longitudinal. Estos modelos longitudinales tienen diferentes énfasis en nuestro contexto.
La cavidad resonante y la ganancia se hacen juntas, que es la elección de la mayoría de los láseres en transceptores ópticos, como VCSEL, DFB, EML y otros chips. El resonador (cavidad para la amplificación de interferencias) determina qué longitudes de onda se amplifican. La cavidad resonante y el material de ganancia eligen el mismo tipo de sistema de material, como el sistema de material GaAs para VCSEL, el sistema de material InP para DFB, etc.
La cavidad resonante y el material de ganancia adoptan diferentes sistemas, como el sistema GaAs para la ganancia y el silicio para la cavidad resonante. Este es el proceso de Huawei de GaAs epitaxial sobre sustrato de silicio y la creación de puntos cuánticos de InAs en OFC2023, o el láser de puntos cuánticos basado en silicio de HP. Usar InP para ganancia y silicio para resonador es el láser integrado basado en silicio de Intel. Material de ganancia: Determina el rango de longitudes de onda. Cuando el resonador y el material de ganancia se producen de forma independiente, tenemos un láser de cavidad externa, es decir, un láser compuesto por resonadores “independientes de la parte de ganancia”.
Volviendo al modo transversal nuevamente, el modo único y el modo múltiple se refieren específicamente a los modos transversales en la industria, lo que significa la distribución de energía en el espacio. El modo único y el modo múltiple son importantes en la comunicación de fibra óptica, mientras que no es el caso del método TOF de lidar. Cuando hay múltiples picos de energía, eso es multimodo, y solo un pico de energía es monomodo. Las fluctuaciones espaciales se pueden ver con los ojos, cuando nuestro puntero láser brilla en la pantalla, podemos ver la distribución de puntos brillantes, que es la encarnación del modo transversal.
Modo transversal de distribución de puntos láser
El VCSEL en el transceptor óptico es un láser multimodo, lo que significa que hay múltiples puntos brillantes. El VCSEL se denomina láser de emisión superficial de cavidad vertical. La superficie de la cavidad vertical se refiere a las coordenadas relativas de la oblea. La cavidad resonante es perpendicular a la superficie de la oblea, llamada cavidad vertical. La dirección del resonador está relacionada con la dirección de salida del láser, que determina la dirección de salida de la luz del láser sin un tratamiento especial. Puede realizar la emisión perpendicular a la superficie de la oblea, que puede ser emisión superficial o emisión inferior.
Los láseres monomodo generalmente emiten desde el lado, ya sea desde el lado izquierdo o derecho, o desde ambos lados al mismo tiempo. Para la emisión de borde, la dirección de salida de la luz se realiza mediante la cavidad resonante transversal sin otro procesamiento adicional, el rango de longitud de onda de salida se realiza mediante el material de ganancia y el punto transversal se determina mediante la estructura espacial de la guía de ondas de salida.
Dos tipos comunes de estructuras de guía de ondas que se utilizan para confinar un solo modo
El espacio de la luz también es “fluctuante”. Mientras el ancho sea apropiado, no habrá múltiples puntos brillantes. En cuanto al diseño de la mayoría de los láseres de comunicación óptica, el ancho de la guía de ondas del sistema de material InP es de aproximadamente 2 μm, que es una estructura común para la limitación monomodo.
Como es común, no es el único. Si se amplía la estructura de espacio limitado, aparecerán múltiples modos transversales. Esto era común en los láseres en los primeros años. Más tarde se volvió fácil fabricar monomodo en comunicación óptica, y la gente se olvidó de eso.
En los últimos años, la gente habla de volver a ampliar la guía de ondas, porque es necesario aumentar la potencia de salida. Por ejemplo, FiberMall usa multimodo para realizar una cascada DFB+SOA y luego usa la cintura virtual para realizar un solo modo. Y los láseres de 5 μm de ancho que Huawei ha fabricado en los últimos años son esencialmente modos multitransversales, con el propósito de aumentar la potencia de salida. Otro ejemplo es el método TOF en el campo lidar, que prefiere la cuenta de alta potencia al modo único y multimodo. No es necesario que se transmitan en fibras ópticas, por lo que no es necesario tener en cuenta este aspecto. La siguiente figura es un láser de modo multitransversal con el ancho de la guía de ondas muy extendido para hacer la emisión del borde.
Láseres multimodo emisores de borde para lidar
En resumen, en términos de láseres emisores de borde, la comunicación de fibra óptica tiene un requisito de modo único, que se puede realizar. Algunos escenarios de aplicaciones tienen diseños multimodo locales y necesitamos un procesamiento adicional para restaurar el modo único nuevamente. Esta ley está destinada a satisfacer las necesidades de comunicación de fibra óptica esencialmente.
La lógica detrás es que existe una banda de transmisión óptima para la tecnología de comunicación de la fibra óptica de vidrio sólido comercial. (La fibra de núcleo hueco no se ve afectada por esta banda, y OFC2023 indica el progreso de la fibra de núcleo hueco). Y los materiales que cumplen con este rango de longitud de onda y pueden lograr un solo modo son solo InGaAsP/InP o AlGaInAs/InP. Este sistema de materiales no puede lograr una salida monomodo en la estructura de emisión de la superficie de la cavidad vertical y ni siquiera puede lograr una fabricación industrial a gran escala con alta confiabilidad. Por lo tanto, las personas tienen que elegir la emisión de borde, que es una estructura de salida de ruta óptica hostil.
La estructura de la guía de ondas determina si es monomodo o multimodo
La emisión de superficie es muy barata y, en teoría, puede lograr una salida monomodo, pero la industria no puede lograr una fabricación a gran escala, a largo plazo, estable y confiable. Esto se debe al grabado de la zanja en este flujo de proceso. La ranura está grabada para la oxidación lateral, que se utiliza para guiar el camino de la corriente.
Flujo de proceso de VCSEL
Levantamiento (Sustentación) off esos revestimientos herméticos en la superficie, y verá una ranura grabada. Este surco se oxida a través del costado para formar una entrada de corriente interna y emitir luz. Si la estructura de luz se reduce a un diámetro de 1 x μm, se puede limitar a un "modo único" en la dimensión espacial. Sin embargo, también hay una capa DBR en este agujero, una cavidad resonante, que necesita controlar el reflejo de la luz e interferir la amplificación después de la resonancia. La capa DBR necesita docenas de capas. Cuanto más pequeña sea la isla, más probable es que se logre el modo único, pero conducirá a peligros ocultos en la confiabilidad de la cavidad resonante. En los VCSEL de 50G y 100G vistos este año, el diámetro del orificio de confinamiento es de aproximadamente 5 a 6 μm.
El modo único o modo múltiple está determinado por la estructura de la guía de ondas
Los numerosos métodos mencionados anteriormente muestran que VCSEL puede ser monomodo en teoría, y en el estado multimodo actual, también hay muchos modos de procesamiento auxiliar para lograr un solo modo. Sin embargo, las expectativas de la industria son la fabricación a gran escala y de bajo costo, por lo que el multimodo es la elección de la industria.
La gente prefiere elegir 50G VCSEL o 100G VCSEL en la actualidad. Si queremos mantener el modo único a varias temperaturas, diferentes corrientes y diferentes horas de trabajo, nos enfrentaremos a una alta presión en los productos.
En general, técnicamente, el modo único o multimodo y la longitud de onda se diseñan de forma independiente. El modo transversal generalmente está limitado por la estructura espacial de la difracción estenopeica. La longitud de onda se ve afectada conjuntamente por la capa de ganancia y la cavidad resonante, siendo el material de ganancia la razón principal.
En términos de aplicación, la industria tiene requisitos de longitud de onda y modo. Los láseres InP monomodo, especialmente aquellos con distancias superiores a 500 metros y dentro de miles de kilómetros, tienen ventajas de rendimiento, pero los láseres emisores de borde InP no tienen la ventaja de costo. En cuanto al láser VCSEL multimodo, presenta un bajo costo, mientras que tiene peor rendimiento en comparación con el monomodo. Se puede utilizar para una distancia de 180 metros. Tampoco tiene ventaja en la longitud de onda.
Lidar tiene requisitos en la longitud de onda, mientras que algunos esquemas de prueba no tienen requisitos en el modo transversal, por lo que ha surgido un diseño multimodo de longitud de onda larga. Lo que acabamos de mencionar es la comunicación para la fibra óptica de vidrio de núcleo sólido convencional. Cuando se trata de una fibra óptica de núcleo hueco, existen requisitos para el modo, pero hay menos restricciones en la longitud de onda, por lo que viene la solución monomodo de longitud de onda corta, como los láseres monomodo de 1060 nm, que utilizan material de GaAs. sistema de emisión de bordes.