Проработав долгое время в индустрии оптических приемопередатчиков, мы считаем само собой разумеющимся, что многорежимность соответствует длине волны 850 нм или 850 нм, 910 нм. Одиночная мода соответствует длинам волн 1260-1650 нм, особенно длинам волн вблизи диапазона 1310 нм и диапазона 1550 нм.
Индустрия оптической связи развивалась десятилетиями, и людям в отрасли необходимо повышать эффективность при общении, поэтому мы не будем повторять здравый смысл каждый день. Однако мы случайно знаем, что есть многомодовые лазеры с длиной волны 1550 нм и многомодовые лазеры с длиной волны 1310 нм. Как это произошло? Фактически, 850 нм также можно превратить в одномодовый лазер.
Одномодовый режим относится к одному поперечному режиму, а многомодовый относится к многопоперечному режиму в промышленности. Фактически, длина волны выражает характеристики продольной моды и может быть разделена на одиночную продольную моду и множественные продольные моды. То есть одноволновые или многоволновые лазеры. Эта длина волны конкретно относится к «усиленной» длине волны. Лазеры представляют собой оптические усилители, основанные на принципе интерференционного усиления. Многие говорят, что лазеры излучают «когерентный» свет.
Какие длины волн соответствуют одномодовым и многомодовым? Итак, возникает вопрос, какова связь между одной поперечной модой или несколькими поперечными модами оптического усилителя (стимулированного излучения) и выходным диапазоном продольной моды?
Ответ: соответствующей зависимости в теории нет. Эти два ортогональны из двумерных соображений. Лазер с длиной волны 1310 нм может работать как с одной поперечной модой, так и с мультипоперечной модой. Точно так же лазеры с длинами волн 850 нм и 1550 нм могут быть спроектированы как однопоперечные или многопоперечные моды.
Однако следует учитывать, что в реальном приложении сформировалась конкретная производственная цепочка, которая имеет наилучшие показатели эффективности затрат в некоторых особых сценариях. Например, в сценарии, основанном на оптоволоконной связи, лазеры с несколькими поперечными модами с длиной волны 850 нм имеют преимущества низкой стоимости, а лазеры с одной поперечной модой на основе 1310 нм или 1550 нм имеют отличные характеристики передачи с низкой дисперсией/низким потери в оптических волокнах.
Например, в лидарной промышленности для лазеров с краевым излучением нет необходимости рассматривать характеристики одной поперечной моды в сценариях TOF или AM. Многомодовые длинноволновые лазеры EEL с краевым излучением могут быть изготовлены для увеличения мощности и снижения рисков для глаз. Свет имеет направление передачи, а мода вдоль направления передачи является продольной модой, которая является частотно-зависимой характеристикой, основанной на «интерференции времени» в лазере.
Направление пропускания света лазера
Распределение светового поля в поперечном сечении, перпендикулярном направлению передачи, представляет собой поперечную моду, которая основана на некоторых характеристиках распределения, сформированных «пространственной интерференцией» в лазере.
Любой, кто проектирует лазеры, знает, что в формуле лазера есть два решения: временное и пространственное.
Пространственно-временные измерения лазеров
Поперечная мода основана на распределении энергии в пространстве. Это раздача, которую можно увидеть в реальной жизни, и о ней мы поговорим позже. Продольная мода - это распределение энергии, основанное на времени, и свет передается со скоростью света, и есть несколько параметров длины волны, (световой) скорости, времени колебания и расстояния. Длину волны нельзя увидеть глазами, поэтому ее необходимо проверить с помощью спектрометра, который на самом деле является оптическим спектрометром. Частота света х длина волны света = скорость света в вакууме С, где С — постоянная. Следовательно, частоту можно проверить с помощью анализатора спектра (например, ~300 ТГц соответствует длине волны 1.3 мкм, а ~200 ТГц соответствует длине волны 1.5 мкм) и рассчитать длину волны.
Передача света - это передача волны
Длина волны, о которой мы говорим, в данном контексте относится именно к диапазону длин волн.
Длина волны – это диапазон
Диапазон длин волн определяется усиливающим материалом. В этом диапазоне выбор конкретной длины волны для интерференции является функцией резонатора. Помехи могут играть роль в усилении.
Резонатор имеет длину резонатора. Решетки DFB и VCSEL имеют «маленькую» длину резонатора. Длина резонатора и скорость волны света могут использоваться для расчета времени отражения света, а интерференция, основанная на времени, представляет собой продольную моду. Эти лонгитюдные модели имеют разные акценты в нашем контексте.
Резонатор и усиление сделаны вместе, что является выбором большинства лазеров в оптических трансиверах, таких как VCSEL, DFB, EML и другие микросхемы. Резонатор (полость для усиления интерференции) определяет, какие длины волн усиливаются. Резонаторный резонатор и материал усиления выбирают один и тот же тип системы материалов, например систему материалов GaAs для VCSEL, систему материалов InP для DFB и так далее.
Резонатор и материал усиления используют разные системы, такие как система GaAs для усиления и кремний для резонатора. Это процесс Huawei эпитаксиального GaAs на кремниевой подложке и создания квантовых точек InAs в OFC2023 или лазере HP на квантовых точках на основе кремния. Использование InP для усиления и кремния для резонатора - это интегрированный лазер Intel на основе кремния. Усиливающий материал: определяет диапазон длин волн. Когда резонатор и усиливающий материал производятся независимо, у нас есть лазер с внешним резонатором, то есть лазер, состоящий из резонаторов, «независимых от усиливающей части».
Возвращаясь снова к поперечной моде, одномодовая и многомодовая, в частности, относятся к поперечным модам в промышленности, что означает распределение энергии в пространстве. одномодовый и многомодовый имеет значение в оптоволоконной связи, в то время как это не относится к методу TOF лидара. Когда имеется несколько пиков энергии, это многомодовый режим, и только один пик энергии является одномодовым. Пространственные флуктуации можно увидеть глазами, когда наша лазерная указка светит на экран, мы видим распределение ярких пятен, что является воплощением поперечной моды.
Поперечный режим распространения лазерного пятна
VCSEL в оптическом приемопередатчике представляет собой многорежимный лазер, что означает наличие нескольких ярких пятен. VCSEL называется лазером с поверхностным излучением с вертикальным резонатором. Поверхность вертикальной полости относится к относительным координатам пластины. Резонаторная полость расположена перпендикулярно поверхности пластины и называется вертикальной полостью. Направление резонатора связано с направлением выхода лазера, которое определяет направление выхода света лазера без специальной обработки. Он может реализовать излучение, перпендикулярное поверхности пластины, которое может быть излучением поверхности или излучением дна.
Одномодовые лазеры обычно излучают сбоку, либо с левой, либо с правой стороны, либо с обеих сторон одновременно. При краевом излучении направление вывода света реализуется поперечным резонансным резонатором без другой дополнительной обработки, диапазон выходных длин волн реализуется усиливающим материалом, а поперечное пятно определяется пространственной структурой выходного волновода.
Два распространенных типа волноводных структур, используемых для ограничения одномодового излучения
Пространство света также «колеблется». Пока ширина подходит, не будет нескольких ярких пятен. Что касается конструкции большинства лазеров оптической связи, ширина волновода системы материала InP составляет около 2 мкм, что является обычной структурой для одномодового ограничения.
Поскольку он распространен, он не единственный. Если ограниченную пространством структуру расширить, появятся множественные поперечные моды. Это было обычным явлением в лазерах в первые годы. Позже стало легко производить одномод в оптической связи, и люди забыли об этом.
В последние годы снова говорят о расширении волновода, потому что нужно увеличить выходную мощность. Например, FiberMall использует многорежимный режим для реализации каскада DFB+SOA, а затем использует виртуальный пояс для реализации одномодового режима. А лазеры шириной 5 мкм, которые Huawei сделала в последние годы, по сути, являются многопоперечными модами с целью увеличения выходной мощности. Другим примером является времяпролетный метод в лидарном поле, который предпочитает учет высокой мощности одномодовому и многомодовому. Их не нужно передавать по оптическим волокнам, поэтому нет необходимости рассматривать этот аспект. На следующем рисунке показан лазер с несколькими поперечными модами, ширина волновода которого очень сильно растянута для создания краевого излучения.
Многомодовые лазеры с краевым излучением для лидаров
Подводя итог, с точки зрения лазеров с краевым излучением, для оптоволоконной связи требуется одномодовый режим, который может быть реализован. Некоторые сценарии приложений имеют локальные многорежимные конструкции, и нам нужна дополнительная обработка, чтобы снова восстановить одиночный режим. Этот закон призван удовлетворить потребности оптоволоконной связи.
Логика заключается в том, что существует оптимальная полоса пропускания для технологии связи коммерческого твердого стекловолокна. (На волокно с полой сердцевиной эта полоса не влияет, а OFC2023 сообщает о развитии полого волокна.) Материалы, которые соответствуют этому диапазону длин волн и могут работать в одномодовом режиме, — это только InGaAsP/InP или AlGaInAs/InP. Эта система материалов не может обеспечить одномодовый выход в структуре вертикального излучения поверхности резонатора и даже не может обеспечить крупномасштабное промышленное производство с высокой надежностью. Поэтому людям приходится выбирать краевое излучение, которое является недружественной структурой вывода оптического пути.
Структура волновода определяет, является ли он одномодовым или многомодовым.
Поверхностная эмиссия очень дешева и теоретически может обеспечить одномодовый выход, но промышленность не может обеспечить крупномасштабное, долгосрочное, стабильное и надежное производство. Это связано с травлением канавки в этом технологическом потоке. Канавка протравлена для бокового окисления, которое используется для направления пути тока.
Технологический процесс VCSEL
Лифт off эти воздухонепроницаемые покрытия на поверхности, и вы увидите выгравированную канавку. Эта канавка окисляется сбоку, образуя внутренний вход тока и излучая свет. Если световую структуру уменьшить до диаметра 1,x мкм, ее можно ограничить «одномодовым» в пространственном измерении. Однако в этом отверстии также есть слой РБО, резонансный резонатор, который должен управлять отражением света и мешать усилению после резонанса. Для слоя DBR нужны десятки слоев. Чем меньше остров, тем больше вероятность достижения одномодового режима, но это приведет к скрытым опасностям в надежности резонатора. В VCSEL 50G и 100G, увиденных в этом году, диаметр ограничивающего отверстия составляет около 5–6 мкм.
Одномодовый или многомодовый определяется структурой волновода.
Многочисленные методы, упомянутые выше, показывают, что VCSEL теоретически может быть одномодовым, а в текущем многомодовом состоянии также существует множество вспомогательных режимов обработки для достижения одномодового. Тем не менее, отраслевые ожидания связаны с низкой стоимостью и крупномасштабным производством, поэтому многомодовый выбор является выбором отрасли.
В настоящее время люди предпочитают выбирать 50G VCSEL или 100G VCSEL. Если мы хотим поддерживать одиночный режим при разных температурах, разных токах и разных часах работы, мы столкнемся с высоким давлением в продуктах.
В целом, технически, одномодовые или многомодовые и длина волны разрабатываются независимо друг от друга. Поперечная мода, как правило, ограничена пространственной структурой дифракции точечной диафрагмы. На длину волны совместно влияют усиливающий слой и резонатор, причем основной причиной является усиливающий материал.
С точки зрения применения, в отрасли существуют требования к длине волны и режиму. Одномодовые лазеры InP, особенно те, которые работают на расстоянии более 500 метров и в пределах тысяч километров, имеют преимущества в производительности, но лазеры InP с краевым излучением не имеют преимущества в стоимости. Что касается многомодового лазера VCSEL, то он может похвастаться низкой стоимостью, но худшими характеристиками по сравнению с одномодовым. Его можно использовать на расстоянии 180 метров. Он также не имеет преимущества в длине волны.
У лидара есть требования к длине волны, в то время как у некоторых тестовых схем нет требований к поперечной моде, поэтому появилась длинноволновая многомодовая конструкция. То, что мы только что упомянули, - это связь для основного оптоволокна со сплошной сердцевиной из стекловолокна. Когда дело доходит до оптического волокна с полой сердцевиной, существуют требования к моде, но меньше ограничений по длине волны, поэтому возникает коротковолновое одномодовое решение, такое как одномодовые лазеры с длиной волны 1060 нм, с использованием материала GaAs. система краевой эмиссии.