Depois de trabalhar na indústria de transceptores ópticos por um longo tempo, tomamos como certo que o modo múltiplo corresponde a 850nm, ou 850nm, comprimento de onda de 910nm. O modo único corresponde a comprimentos de onda de 1260-1650 nm, especialmente comprimentos de onda próximos à banda de 1310 nm e próximos à banda de 1550 nm.
A indústria de comunicação óptica se desenvolveu por décadas, e as pessoas na indústria precisam melhorar a eficiência durante a comunicação, por isso não repetiremos o bom senso todos os dias. No entanto, sabemos por acaso que existem lasers multimodo com comprimento de onda de 1550nm e lasers multimodo com 1310nm. Como isso acontece? Na verdade, 850nm também pode ser transformado em um laser de modo único.
Modo único refere-se ao modo transversal único e multimodo refere-se ao modo multitransversal na indústria. O comprimento de onda, de fato, expressa as características do modo longitudinal e pode ser dividido em modo longitudinal único e modos longitudinais múltiplos. Ou seja, lasers de comprimento de onda único ou de vários comprimentos de onda. Este comprimento de onda refere-se especificamente ao comprimento de onda "amplificado". Lasers são amplificadores ópticos baseados no princípio de amplificação de interferência. Muitas pessoas dizem que os lasers emitem luz “coerente”.
Quais comprimentos de onda correspondem ao modo único e multimodo? Então, a questão é: qual é a relação entre o modo transversal único ou os modos transversais múltiplos do amplificador óptico (emissão estimulada) e a faixa de saída do modo longitudinal?
Resposta: não há nenhuma relação correspondente em teoria. Os dois são ortogonais em considerações bidimensionais. O laser de 1310 nm pode ser um modo transversal único ou um modo multitransversal. Da mesma forma, os lasers de 850nm e 1550nm podem ser projetados como um único modo transversal ou um modo multitransversal.
No entanto, devemos levar em consideração que uma cadeia industrial específica foi formada na aplicação real, que tem o melhor desempenho de custo em alguns cenários especiais. Por exemplo, no cenário baseado em comunicação de fibra óptica, lasers de modo multitransversal com comprimento de onda de 850nm têm vantagens de baixo custo, e lasers de modo transversal único baseados em 1310nm ou 1550nm têm excelente desempenho de transmissão de baixa dispersão/baixo perdas em fibras ópticas.
Por exemplo, na indústria lidar, para lasers emissores de borda, não há necessidade de considerar as características de um único modo transversal em cenários TOF ou AM. Os lasers de comprimento de onda longo EEL multimodo podem ser fabricados para aumentar a potência e reduzir os riscos de segurança ocular. A luz tem uma direção de transmissão, e o modo ao longo da direção de transmissão é um modo longitudinal, que é uma característica dependente da frequência baseada na “interferência de tempo” no laser.
A direção da transmissão de luz do laser
A distribuição do campo de luz da seção transversal perpendicular à direção de transmissão é um modo transversal, que se baseia em algumas características de distribuição formadas por “interferência espacial” no laser.
Qualquer pessoa que projete lasers sabe que existem duas soluções na fórmula do laser: soluções de tempo e espaço.
Dimensões espaço-temporais de lasers
O modo transversal é baseado na distribuição de energia do espaço. Essa é uma distribuição que pode ser vista na vida real, da qual falaremos mais adiante. O modo longitudinal é a distribuição de energia com base no tempo e a luz é transmitida na velocidade da luz, e existem vários parâmetros de comprimento de onda, velocidade (da luz), tempo de flutuação e distância. O comprimento de onda não pode ser visto a olho nu, por isso precisa ser testado com um espectrômetro, que na verdade é um espectrômetro óptico. A frequência da luz x o comprimento de onda da luz = a velocidade da luz no vácuo C, onde C é uma constante. Portanto, a frequência pode ser testada com um analisador de espectro (por exemplo, ~300THz corresponde a 1.3μm de comprimento de onda e ~200THz corresponde a 1.5μm de comprimento de onda) e o comprimento de onda pode ser calculado.
A transmissão da luz é a transmissão da onda
O comprimento de onda de que estamos falando, neste contexto, refere-se especificamente à faixa de comprimento de onda.
Comprimento de onda é um intervalo
A faixa de comprimento de onda é determinada pelo material de ganho. Nesta faixa, selecionar um comprimento de onda específico para interferência é função da cavidade ressonante. A interferência pode desempenhar um papel na amplificação.
A cavidade ressonante tem um comprimento de cavidade. As grades de DFB e VCSEL são todas de comprimentos de cavidade “minúsculos”. O comprimento da cavidade e a velocidade da onda da luz podem ser usados para calcular o tempo de reflexão da luz, e a interferência baseada no tempo é o modo longitudinal. Esses modelos longitudinais têm diferentes ênfases em nosso contexto.
A cavidade ressonante e o ganho são feitos juntos, que é a escolha da maioria dos lasers em transceptores ópticos, como VCSEL, DFB, EML e outros chips. O ressonador (cavidade para amplificação de interferência) determina quais comprimentos de onda são amplificados. A cavidade ressonante e o material de ganho escolhem o mesmo tipo de sistema de material, como o sistema de material GaAs para VCSEL, sistema de material InP para DFB e assim por diante.
A cavidade ressonante e o material de ganho adotam sistemas diferentes, como sistema GaAs para ganho e silício para cavidade ressonante. Este é o processo da Huawei de GaAs epitaxial em substrato de silício e produção de pontos quânticos InAs em OFC2023, ou o laser de ponto quântico baseado em silício da HP. Usando InP para ganho e silício para ressonador é o laser integrado baseado em silício da Intel. Material de ganho: Determina a faixa de comprimentos de onda. Quando o ressonador e o material de ganho são produzidos independentemente, temos um laser de cavidade externa, ou seja, um laser composto por ressonadores “independentes da parte de ganho”.
Voltando ao modo transversal novamente, o modo único e multimodo são especificamente referidos aos modos transversais na indústria, o que significa a distribuição de energia no espaço. o modo único e o modo múltiplo são importantes na comunicação de fibra óptica, embora não seja o caso do método TOF do lidar. Quando há vários picos de energia, isso é multimodo e apenas um pico de energia é monomodo. As flutuações espaciais podem ser vistas com os olhos, quando nosso ponteiro laser brilha na tela, podemos ver a distribuição de pontos brilhantes, que é a personificação do modo transversal.
Modo transversal de distribuição de pontos de laser
O VCSEL no transceptor óptico é um laser multimodo, o que significa que existem vários pontos brilhantes. O VCSEL é chamado de laser de emissão de superfície de cavidade vertical. A superfície da cavidade vertical refere-se às coordenadas relativas do wafer. A cavidade ressonante é perpendicular à superfície do wafer, chamada de cavidade vertical. A direção do ressonador está relacionada à direção de saída do laser, que determina a direção de saída da luz do laser sem tratamento especial. Pode realizar a emissão perpendicular à superfície do wafer, que pode ser emissão de superfície ou emissão de fundo.
Os lasers de modo único geralmente emitem do lado, do lado esquerdo ou do lado direito, ou de ambos os lados ao mesmo tempo. Para emissão de borda, a direção de saída da luz é realizada pela cavidade ressonante transversal sem outro processamento adicional, a faixa de comprimento de onda de saída é realizada pelo material de ganho e o ponto transversal é determinado pela estrutura espacial do guia de ondas de saída.
Dois tipos comuns de estruturas de guia de onda usadas para confinar o modo único
O espaço de luz também é “flutuante”. Contanto que a largura seja apropriada, não haverá vários pontos brilhantes. Quanto ao design da maioria dos lasers de comunicação óptica, a largura do guia de onda do sistema de material InP é de cerca de 2 μm, que é uma estrutura comum para limitação de modo único.
Por ser comum, não é o único. Se a estrutura com espaço limitado for ampliada, vários modos transversais aparecerão. Isso era comum em lasers nos primeiros anos. Tornou-se fácil fabricar modo único em comunicação óptica posteriormente, e as pessoas se esqueceram disso.
Nos últimos anos, as pessoas estão falando em ampliar o guia de ondas novamente, porque a potência de saída precisa ser aumentada. Por exemplo, o FiberMall usa multimodo para realizar a cascata DFB+SOA e, em seguida, usa a cintura virtual para realizar o modo único. E os lasers de 5μm de largura que a Huawei fez nos últimos anos são essencialmente modos multitransversais, com o objetivo de aumentar a potência de saída. Outro exemplo é o método TOF no campo lidar, que prefere conta de alta potência ao modo único e multimodo. Eles não precisam ser transmitidos em fibras ópticas, portanto não há necessidade de se preocupar com esse aspecto. A figura a seguir é um laser de modo multitransversal com a largura da guia de onda esticada muito larga para fazer a emissão de borda.
Lasers multimodo de emissão de borda para lidar
Para resumir, em termos de lasers emissores de borda, a comunicação de fibra óptica tem um requisito para modo único, que pode ser realizado. Alguns cenários de aplicativos têm designs multimodo locais e precisamos de processamento adicional para restaurar o modo único novamente. Este ato visa atender essencialmente as necessidades de comunicação por fibra ótica.
A lógica por trás é que existe uma banda de transmissão ideal para a tecnologia de comunicação da fibra óptica de vidro sólido comercial. (A fibra de núcleo oco não é afetada por esta banda e o OFC2023 informa o progresso da fibra de núcleo oco.) E os materiais que atendem a essa faixa de comprimento de onda e podem atingir o modo único são apenas InGaAsP/InP ou AlGaInAs/InP. Este sistema de material não pode alcançar saída de modo único na estrutura de emissão de superfície de cavidade vertical e nem mesmo alcançar fabricação industrial em larga escala com alta confiabilidade. Portanto, as pessoas precisam escolher a emissão de borda, que é uma estrutura de saída de caminho óptico hostil.
A estrutura do guia de ondas determina se é modo único ou multimodo
A emissão de superfície é muito barata e, teoricamente, pode alcançar uma saída de modo único, mas a indústria não pode alcançar uma fabricação em larga escala, de longo prazo, estável e confiável. Isso se deve à trincheira neste fluxo de processo. A ranhura é gravada para oxidação lateral, que é usada para guiar o caminho da corrente.
Fluxo do processo VCSEL
Levantar off esses revestimentos herméticos na superfície e você verá uma ranhura gravada. Essa ranhura é oxidada pela lateral para formar uma entrada de corrente interna e emitir luz. Se a estrutura de luz for reduzida a um diâmetro de 1,xμm, ela pode ser limitada ao “modo único” na dimensão espacial. No entanto, há também uma camada DBR neste buraco, uma cavidade ressonante, que precisa controlar a reflexão da luz e interferir na amplificação após a ressonância. A camada DBR precisa de dezenas de camadas. Quanto menor a ilha, maior a probabilidade de atingir o modo único, mas levará a perigos ocultos na confiabilidade da cavidade ressonante. Nos VCSELs de 50G e 100G vistos este ano, o diâmetro do orifício de confinamento é de cerca de 5~6μm.
Modo único ou modo múltiplo é determinado pela estrutura do guia de ondas
Os numerosos métodos mencionados acima mostram que o VCSEL pode ser de modo único em teoria e, no estado multimodo atual, também existem muitos modos de processamento auxiliares para alcançar o modo único. No entanto, as expectativas da indústria são de baixo custo e fabricação em larga escala, portanto, o modo multimodo é a escolha da indústria.
As pessoas preferem escolher 50G VCSEL ou 100G VCSEL no momento. Se quisermos manter o modo único em várias temperaturas, diferentes correntes e diferentes horas de trabalho, enfrentaremos alta pressão nos produtos.
Em suma, tecnicamente, o modo único ou múltiplo e o comprimento de onda são projetados de forma independente. O modo transversal é geralmente limitado pela estrutura espacial da difração pinhole. O comprimento de onda é afetado conjuntamente pela camada de ganho e pela cavidade ressonante, sendo o material de ganho o principal motivo.
Em termos de aplicação, a indústria tem requisitos de comprimento de onda e modo. Os lasers InP de modo único, especialmente aqueles com distâncias acima de 500 metros e dentro de milhares de quilômetros, têm vantagens de desempenho, mas os lasers emissores de borda InP não têm vantagem de custo. Já o laser multimodo VCSEL apresenta baixo custo, porém com desempenho inferior ao monomodo. Pode ser usado para uma distância de 180 metros. Também não tem vantagem no comprimento de onda.
Lidar tem requisitos no comprimento de onda, enquanto alguns esquemas de teste não têm requisitos no modo transversal, então surgiu um design multimodo de comprimento de onda longo. O que acabamos de mencionar é a comunicação para fibra óptica de vidro de núcleo sólido convencional. Quando se trata de uma fibra óptica de núcleo oco, existem requisitos para o modo, mas há menos restrição no comprimento de onda, então surge a solução monomodo de comprimento de onda curto, como lasers monomodo de 1060nm, usando material GaAs sistema para emissão de borda.