Après avoir travaillé pendant longtemps dans l'industrie des émetteurs-récepteurs optiques, nous tenons pour acquis que le multimode correspond à une longueur d'onde de 850 nm, ou 850 nm, 910 nm. Le mode unique correspond aux longueurs d'onde de 1260-1650 nm, en particulier aux longueurs d'onde proches de la bande 1310 nm et proches de la bande 1550 nm.
L'industrie de la communication optique s'est développée pendant des décennies, et les gens de l'industrie doivent améliorer l'efficacité de la communication, de sorte que nous ne répéterons pas le bon sens tous les jours. Cependant, nous savons par hasard qu'il existe des lasers multimodes avec une longueur d'onde de 1550nm, et des lasers multimodes avec 1310nm. Comment cela peut-il arriver? En fait, 850 nm peut également être transformé en un laser monomode.
Le mode unique fait référence au mode transversal unique et le multimode fait référence au mode multi-transversal dans l'industrie. La longueur d'onde, en fait, exprime les caractéristiques du mode longitudinal et peut être divisée en mode longitudinal unique et en modes longitudinaux multiples. C'est-à-dire des lasers à longueur d'onde unique ou à plusieurs longueurs d'onde. Cette longueur d'onde fait spécifiquement référence à la longueur d'onde "amplifiée". Les lasers sont des amplificateurs optiques basés sur le principe de l'amplification des interférences. Tant de gens disent que les lasers émettent une lumière « cohérente ».
Quelles longueurs d'onde correspondent au monomode et au multimode ? Ainsi, la question devient, quelle est la relation entre le mode transverse unique ou les modes transverses multiples de l'amplificateur optique (à émission stimulée) et la plage de sortie du mode longitudinal ?
Réponse : il n'y a pas de relation correspondante en théorie. Les deux sont orthogonaux sur des considérations bidimensionnelles. Le laser 1310 nm peut être soit un mode transverse unique, soit un mode multi-transversal. De même, les lasers 850nm et 1550nm peuvent être conçus comme un mode transverse unique ou un mode multi-transversal.
Cependant, nous devons tenir compte du fait qu'une chaîne industrielle spécifique a été formée dans l'application réelle, qui présente les meilleures performances en termes de coûts dans certains scénarios particuliers. Par exemple, dans le scénario basé sur la communication par fibre optique, les lasers multimodes transverses avec une longueur d'onde de 850 nm ont des avantages à faible coût, et les lasers monomodes transverses basés sur 1310nm ou 1550nm ont d'excellentes performances de transmission de faible dispersion/faible perte dans les fibres optiques.
Par exemple, dans l'industrie du lidar, pour les lasers à émission latérale, il n'est pas nécessaire de prendre en compte les caractéristiques d'un seul mode transversal dans les scénarios TOF ou AM. Des lasers à longue longueur d'onde à émission par les bords EEL multimodes peuvent être fabriqués pour augmenter la puissance et réduire les risques pour la sécurité des yeux. La lumière a une direction de transmission, et le mode le long de la direction de transmission est un mode longitudinal, qui est une caractéristique dépendante de la fréquence basée sur "l'interférence temporelle" dans le laser.
La direction de transmission de la lumière du laser
La distribution du champ lumineux de la section transversale perpendiculaire à la direction de transmission est un mode transversal, qui est basé sur certaines caractéristiques de distribution formées par "l'interférence spatiale" dans le laser.
Quiconque conçoit des lasers sait qu'il existe deux solutions dans la formule laser : les solutions temporelles et spatiales.
Dimensions spatio-temporelles des lasers
Le mode transverse est basé sur la répartition énergétique de l'espace. C'est une distribution qui se voit dans la vraie vie, et nous en reparlerons plus tard. Le mode longitudinal est la distribution d'énergie basée sur le temps et la lumière est transmise à la vitesse de la lumière, et il existe plusieurs paramètres de longueur d'onde, de vitesse (de la lumière), de temps de fluctuation et de distance. La longueur d'onde ne peut pas être vue avec les yeux, elle doit donc être testée avec un spectromètre, qui est en fait un spectromètre optique. La fréquence de la lumière x la longueur d'onde de la lumière = la vitesse de la lumière dans le vide C, où C est une constante. Par conséquent, la fréquence peut être testée avec un analyseur de spectre (par exemple, ~ 300 THz correspond à une longueur d'onde de 1.3 μm et ~ 200 THz correspond à une longueur d'onde de 1.5 μm) et la longueur d'onde peut être calculée.
La transmission de la lumière est la transmission des ondes
La longueur d'onde dont nous parlons, dans ce contexte, fait spécifiquement référence à la gamme de longueurs d'onde.
La longueur d'onde est une gamme
La gamme de longueurs d'onde est déterminée par le matériau de gain. Dans cette plage, la sélection d'une longueur d'onde spécifique pour l'interférence est la fonction de la cavité résonnante. Les interférences peuvent jouer un rôle dans l'amplification.
La cavité résonante a une longueur de cavité. Les réseaux de DFB et VCSEL sont tous de "minuscules" longueurs de cavité. La longueur de la cavité et la vitesse d'onde de la lumière peuvent être utilisées pour calculer le temps de réflexion de la lumière, et l'interférence basée sur le temps est le mode longitudinal. Ces modèles longitudinaux ont des accents différents dans notre contexte.
La cavité résonnante et le gain sont réalisés ensemble, ce qui est le choix de la plupart des lasers dans les émetteurs-récepteurs optiques, tels que VCSEL, DFB, EML et autres puces. Le résonateur (cavité d'amplification des interférences) détermine quelles longueurs d'onde sont amplifiées. La cavité résonnante et le matériau de gain choisissent le même type de système de matériau, tel que le système de matériau GaAs pour VCSEL, le système de matériau InP pour DFB, etc.
La cavité résonnante et le matériau de gain adoptent différents systèmes, tels que le système GaAs pour le gain et le silicium pour la cavité résonnante. Il s'agit du processus de Huawei d'épitaxie de GaAs sur un substrat de silicium et de fabrication de points quantiques InAs dans OFC2023, ou du laser à points quantiques à base de silicium de HP. Le laser intégré à base de silicium d'Intel utilise InP pour le gain et le silicium pour le résonateur. Matériau de gain : Détermine la plage de longueurs d'onde. Lorsque le résonateur et le matériau de gain sont réalisés indépendamment, on a un laser à cavité externe, c'est-à-dire un laser composé de résonateurs "indépendants de la partie gain".
Pour en revenir au mode transverse, le monomode et le multimode sont spécifiquement appelés modes transverses dans l'industrie, c'est-à-dire la distribution d'énergie dans l'espace. le monomode et le multimode sont importants dans la communication par fibre optique, alors que ce n'est pas le cas pour la méthode TOF de lidar. Lorsqu'il y a plusieurs pics d'énergie, c'est multimode, et un seul pic d'énergie est monomode. Les fluctuations spatiales peuvent être vues avec les yeux, lorsque notre pointeur laser brille sur l'écran, nous pouvons voir la répartition des points lumineux, qui est l'incarnation du mode transverse.
Mode transversal de distribution du spot laser
Le VCSEL dans l'émetteur-récepteur optique est un laser multimode, ce qui signifie qu'il existe plusieurs points lumineux. Le VCSEL est appelé laser à émission de surface à cavité verticale. La surface verticale de la cavité fait référence aux coordonnées relatives de la plaquette. La cavité résonnante est perpendiculaire à la surface de la plaquette, appelée cavité verticale. La direction du résonateur est liée à la direction de sortie du laser, qui détermine la direction de sortie de la lumière du laser sans traitement particulier. Il peut réaliser l'émission perpendiculaire à la surface de la plaquette, qui peut être une émission de surface ou une émission de fond.
Les lasers monomodes émettent généralement de côté, soit du côté gauche, soit du côté droit, soit des deux côtés en même temps. Pour l'émission de bord, la direction de sortie de la lumière est réalisée par la cavité résonnante transversale sans autre traitement supplémentaire, la plage de longueurs d'onde de sortie est réalisée par le matériau de gain et la tache transversale est déterminée par la structure spatiale du guide d'ondes de sortie.
Deux types courants de structures de guide d'ondes utilisées pour confiner le mode unique
L'espace de la lumière est aussi « fluctuant ». Tant que la largeur est appropriée, il n'y aura pas de points lumineux multiples. En ce qui concerne la conception de la plupart des lasers de communication optique, la largeur du guide d'ondes du système de matériau InP est d'environ 2 μm, ce qui est une structure courante pour la limitation monomode.
Comme c'est courant, ce n'est pas le seul. Si la structure à espace limité est élargie, plusieurs modes transversaux apparaîtront. C'était courant dans les lasers dans les premières années. Il est devenu facile de fabriquer un mode unique dans la communication optique plus tard, et les gens l'ont oublié.
Ces dernières années, les gens parlent à nouveau d'élargir le guide d'ondes, car la puissance de sortie doit être augmentée. Par exemple, FiberMall utilise le multimode pour réaliser la cascade DFB + SOA, puis utilise la taille virtuelle pour réaliser le mode unique. Et les lasers de 5 μm de largeur que Huawei a fabriqués ces dernières années sont essentiellement des modes multi-transversaux, dans le but d'augmenter la puissance de sortie. Un autre exemple est la méthode TOF dans le domaine du lidar, qui préfère les hautes puissances de compte au monomode et au multimode. Ils n'ont pas besoin d'être transmis dans des fibres optiques, il n'est donc pas nécessaire de considérer cet aspect. La figure suivante est un laser à mode multi-transversal avec la largeur du guide d'ondes étirée très largement pour faire l'émission de bord.
Lasers multimodes à émission latérale pour lidar
Pour résumer, en termes de lasers à émission latérale, la communication par fibre optique nécessite un mode unique, qui peut être réalisé. Certains scénarios d'application ont des conceptions multimodes locales et nous avons besoin d'un traitement supplémentaire pour restaurer à nouveau le mode unique. Cette loi est destinée à répondre essentiellement aux besoins de communication par fibre optique.
La logique sous-jacente est qu'il existe une bande de transmission optimale pour la technologie de communication de la fibre optique en verre solide commerciale. (La fibre à noyau creux n'est pas affectée par cette bande, et OFC2023 indique la progression de la fibre à noyau creux.) Et les matériaux qui répondent à cette plage de longueurs d'onde et peuvent atteindre le mode unique sont uniquement InGaAsP/InP ou AlGaInAs/InP. Ce système de matériau ne peut pas obtenir une sortie monomode dans la structure d'émission de surface à cavité verticale et ne peut même pas réaliser une fabrication industrielle à grande échelle avec une fiabilité élevée. Par conséquent, les gens doivent choisir l'émission de bord, qui est une structure de sortie de chemin optique peu conviviale.
La structure du guide d'ondes détermine s'il s'agit d'un mode monomode ou multimode
L'émission de surface est très bon marché et peut théoriquement atteindre une sortie monomode, mais l'industrie ne peut pas réaliser une fabrication à grande échelle, à long terme, stable et fiable. Cela est dû à la gravure de tranchées dans ce flux de processus. La rainure est gravée pour l'oxydation latérale, qui est utilisée pour guider le chemin du courant.
Flux de processus VCSEL
"Sinus Lift" off ces revêtements hermétiques sur la surface, et vous verrez une rainure gravée. Cette rainure est oxydée sur le côté pour former une entrée de courant interne et émettre de la lumière. Si la structure lumineuse est réduite à un diamètre de 1.xμm, elle peut être limitée au « monomode » en dimension spatiale. Cependant, il y a aussi une couche DBR dans ce trou, une cavité résonnante, qui doit contrôler la réflexion de la lumière et interférer avec l'amplification après résonance. La couche DBR nécessite des dizaines de couches. Plus l'îlot est petit, plus il est susceptible d'atteindre le mode unique, mais cela conduira à des dangers cachés dans la fiabilité de la cavité résonnante. Dans les VCSEL 50G et 100G observés cette année, le diamètre du trou de confinement est d'environ 5 ~ 6 μm.
Le mode unique ou le mode multiple est déterminé par la structure du guide d'ondes
Les nombreuses méthodes mentionnées ci-dessus montrent que VCSEL peut être monomode en théorie, et dans l'état multimode actuel, il existe également de nombreux modes de traitement auxiliaires pour atteindre le mode unique. Cependant, les attentes de l'industrie sont une fabrication à faible coût et à grande échelle, de sorte que le multimode est le choix de l'industrie.
Les gens préfèrent choisir 50G VCSEL ou 100G VCSEL à l'heure actuelle. Si nous voulons maintenir le mode unique à différentes températures, différents courants et différentes heures de travail, nous ferons face à une forte pression dans les produits.
Dans l'ensemble, techniquement, le monomode ou le multimode et la longueur d'onde sont conçus indépendamment. Le mode transverse est généralement limité par la structure spatiale de la diffraction du sténopé. La longueur d'onde est affectée conjointement par la couche de gain et la cavité résonnante, le matériau de gain étant la raison principale.
En termes d'application, l'industrie a des exigences en matière de longueur d'onde et de mode. Les lasers InP monomodes, en particulier ceux dont les distances sont supérieures à 500 mètres et à des milliers de kilomètres, présentent des avantages en termes de performances, mais les lasers InP à émission par les bords n'ont pas l'avantage en termes de coût. Quant au laser VCSEL multimode, il offre un faible coût, tout en offrant des performances inférieures à celles du laser monomode. Il peut être utilisé sur une distance de 180 mètres. Il n'a pas non plus d'avantage en longueur d'onde.
Le lidar a des exigences sur la longueur d'onde, tandis que certains schémas de test n'ont aucune exigence sur le mode transversal, de sorte qu'une conception multimode à grande longueur d'onde a émergé. Ce que nous venons de mentionner est la communication pour la fibre optique en verre à noyau solide grand public. Lorsqu'il s'agit d'une fibre optique à noyau creux, il y a des exigences pour le mode, mais il y a moins de restriction sur la longueur d'onde, il y a donc la solution monomode à courte longueur d'onde, comme les lasers monomodes 1060 nm, utilisant un matériau GaAs système d'émission latérale.