Vezeloptische lasers stimuleren ontwikkelingen in optische transceivers

Stel je voor dat datastromen door glasvezelnetwerken vloeien - fiberlasers dienen als de fundamentele motoren die deze informatierevolutie aandrijven. Ze fungeren als het hart van optische transceivermodules en transformeren elektronische bits in optische signalen, waardoor datatransmissie over lange afstanden mogelijk wordt. Verschillende soorten fiberlasers variëren echter aanzienlijk in prestaties en kosten, wat direct van invloed is op hun toepassingen in optische modules.

Fiberlasers: De basis van optische communicatie

Fiberlasers zijn onmisbare componenten in optische transceivermodules, die voornamelijk elektrische signalen omzetten in optische signalen voor transmissie via glasvezelkabels. Hun prestaties bepalen direct de transmissieafstand, bandbreedte en kosten van optische modules. Daarom is het begrijpen van hun principes en typen cruciaal voor het begrijpen van optische communicatiesystemen.

Hoe fiberlasers werken

De term "laser" staat voor "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling). Het fundamentele werkingsprincipe van fiberlasers kan in deze stappen worden samengevat:

1. Energiepompen: Een externe energiebron (meestal elektrische stroom) exciteert het winstmedium en geeft energie aan de atomen.
2. Populatie-inversie: Energie-injectie creëert meer atomen in hogere energietoestanden dan in lagere - een voorwaarde die essentieel is voor lichtversterking.
3. Spontane emissie: Geëxciteerde atomen gaan spontaan over naar lagere energietoestanden, waarbij fotonen worden vrijgegeven met willekeurige richtingen en fasen.
4. Gestimuleerde emissie: Deze fotonen interageren met andere geëxciteerde atomen, waardoor ze identieke fotonen uitzenden in richting, fase en polarisatie - het belangrijkste proces voor lichtversterking.
5. Optische resonantie: Een optische resonator (bestaande uit spiegels) sluit fotonen op, waardoor herhaalde passages door het winstmedium mogelijk worden voor versterking. Alleen specifieke golflengten resoneren stabiel, wat de uitgangsgolflengte van de laser bepaalt.
6. Laseruitvoer: Wanneer de winst de verliezen overtreft, zendt de laser een intensieve, directionele en coherente straal uit.

Belangrijkste typen fiberlasers

Op basis van emissierichting en structuur vallen fiberlasers in twee categorieën: edge-emitting lasers en surface-emitting lasers.

• Edge-emitting lasers: Zenden licht uit parallel aan het oppervlak van de halfgeleiderwafer. Dit waren de vroegste halfgeleiderlasers en ze worden nog steeds veel gebruikt.
• Surface-emitting lasers: Zenden licht uit loodrecht op het waferoppervlak, waarbij Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL's) het meest voorkomen.

Optische transceivermodules gebruiken doorgaans deze fiberlasertypen:

Fabry-Perot Laser (FP Laser)

Werkingsprincipe: Gebruikt een Fabry-Perot-resonator gevormd door parallelle spiegels met hoge reflectiviteit om specifieke golflengten te versterken.

Kenmerken: Eenvoudige structuur en lage kosten, maar breed uitgangsspectrum met multimode-effecten veroorzaakt dispersie, waardoor de transmissieafstand en bandbreedte worden beperkt.

Toepassingen: Optische communicatie over korte afstanden en met lage snelheid (bijv. 100M SFP-modules).

Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)

Werkingsprincipe: Beschikt over een resonator loodrecht op het chipoppervlak, die licht verticaal uitzendt. Gebruikt Distributed Bragg Reflectors (DBR's) als spiegels.

Kenmerken: Laag stroomverbruik, kosteneffectief, eenvoudige integratie en testen. Smal uitgangsspectrum met lage dispersie is geschikt voor snelle communicatie over korte afstanden.

Toepassingen: Datacenters en bedrijfsnetwerken (bijv. 400G QSFP-DD SR8 en 100M SFP FX-modules).

Distributed Feedback Laser (DFB Laser) / Direct Gemoduleerde Laser (DML)

Werkingsprincipe: Bevat periodieke roosterstructuren in het winstmedium om specifieke golflengten selectief te versterken voor single-mode output.

Kenmerken: Single-mode output, smal spectrum en hoge stabiliteit zijn geschikt voor communicatie over middellange afstanden en met gematigde snelheid.

Toepassingen: Metropolitan en toegangsnetwerken (bijv. 200G QSFP56 FR4 en 100M SFP CWDM EX-modules).

Electro-Absorption Modulated Laser (EML)

Werkingsprincipe: Integreert een laser met een electro-absorptiemodulator (EAM) op één chip. EAM regelt de lichtabsorptie via spanning om de laser te moduleren.

Kenmerken: Lage dispersie, hoge extinctieverhouding en hoge snelheid zijn geschikt voor communicatie over lange afstanden en met hoge snelheid.

Toepassingen: Backbone- en metropolitan netwerken (bijv. 400G QSFP-DD FR4 en 10G SFP+ CWDM ER-modules).

Vergelijking van fiberlasertypen

Kiezen tussen DML/DFB en EML

DML/DFB-lasers dienen doorgaans lagere datasnelheden en kortere afstanden (minder dan 10 km), terwijl EML-lasers uitblinken in hogere datasnelheden en toepassingen over langere afstanden.

Conclusie

Als kerncomponenten van optische transceivermodules hebben fiberlasers een cruciale invloed op de transmissieafstand, bandbreedte en systeemkosten. Het begrijpen van hun principes, kenmerken en toepassingen maakt een optimale modulekeuze voor specifieke scenario's mogelijk, waardoor de prestaties en kostenefficiëntie in optische communicatiesystemen worden verbeterd.