Glasfaserlaser treiben Fortschritte bei optischen Transceivern voran

Stellen Sie sich Datenströme vor, die durch Glasfasernetze fließen – Faserlaser dienen als die grundlegenden Motoren, die diese Informationsrevolution antreiben. Als Herzstück optischer Transceiver-Module wandeln sie elektronische Bits in optische Signale um und ermöglichen so die Datenübertragung über große Entfernungen. Allerdings unterscheiden sich verschiedene Arten von Faserlasern erheblich in Bezug auf Leistung und Kosten, was sich direkt auf ihre Anwendungen in optischen Modulen auswirkt.

Faserlaser: Die Grundlage der optischen Kommunikation

Faserlaser sind unverzichtbare Komponenten in optischen Transceiver-Modulen, die in erster Linie elektrische Signale in optische Signale umwandeln, um sie durch Glasfaserkabel zu übertragen. Ihre Leistung bestimmt direkt die Übertragungsentfernung, Bandbreite und die Kosten optischer Module. Daher ist das Verständnis ihrer Prinzipien und Typen entscheidend für das Verständnis optischer Kommunikationssysteme.

Wie Faserlaser funktionieren

Der Begriff "Laser" steht für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Das grundlegende Funktionsprinzip von Faserlasern lässt sich in folgenden Schritten zusammenfassen:

1. Energiepumpen: Eine externe Energiequelle (typischerweise elektrischer Strom) regt das Verstärkungsmedium an und versetzt seine Atome in einen erregten Zustand.
2. Bevölkerungsinversion: Durch die Energieeinspeisung entstehen mehr Atome in höheren Energiezuständen als in niedrigeren – eine Bedingung, die für die Lichtverstärkung unerlässlich ist.
3. Spontane Emission: Angeregte Atome gehen spontan in niedrigere Energiezustände über und setzen Photonen mit zufälligen Richtungen und Phasen frei.
4. Stimulierte Emission: Diese Photonen interagieren mit anderen angeregten Atomen und induzieren diese, identische Photonen in Richtung, Phase und Polarisation zu emittieren – der Schlüsselprozess für die Lichtverstärkung.
5. Optische Resonanz: Ein optischer Resonator (bestehend aus Spiegeln) schließt Photonen ein und ermöglicht wiederholte Durchgänge durch das Verstärkungsmedium zur Verstärkung. Nur bestimmte Wellenlängen schwingen stabil mit und bestimmen die Ausgangswellenlänge des Lasers.
6. Laserausgang: Wenn die Verstärkung die Verluste übersteigt, emittiert der Laser einen hochintensiven, gerichteten und kohärenten Strahl.

Haupttypen von Faserlasern

Basierend auf der Emissionsrichtung und -struktur lassen sich Faserlaser in zwei Kategorien einteilen: Kantenemittierende Laser und oberflächenemittierende Laser.

• Kantenemittierende Laser: Emittieren Licht parallel zur Halbleiterwaferoberfläche. Dies waren die frühesten Halbleiterlaser und werden weiterhin häufig verwendet.
• Oberflächenemittierende Laser: Emittieren Licht senkrecht zur Waferoberfläche, wobei Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSELs) am häufigsten vorkommen.

Optische Transceiver-Module verwenden typischerweise diese Faserlasertypen:

Fabry-Perot-Laser (FP-Laser)

Funktionsprinzip: Verwendet einen Fabry-Perot-Resonator, der durch parallele hochreflektierende Spiegel gebildet wird, um bestimmte Wellenlängen zu verstärken.

Eigenschaften: Einfache Struktur und geringe Kosten, aber breites Ausgangsspektrum mit Multimode-Effekten verursacht Dispersion, was die Übertragungsentfernung und Bandbreite begrenzt.

Anwendungen: Optische Kurzstreckenkommunikation mit niedriger Geschwindigkeit (z. B. 100M SFP-Module).

Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)

Funktionsprinzip: Verfügt über einen Resonator senkrecht zur Chipebene, der Licht vertikal emittiert. Verwendet Distributed Bragg Reflectors (DBRs) als Spiegel.

Eigenschaften: Geringer Stromverbrauch, kostengünstig, einfache Integration und Prüfung. Enges Ausgangsspektrum mit geringer Dispersion eignet sich für Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen.

Anwendungen: Rechenzentren und Unternehmensnetzwerke (z. B. 400G QSFP-DD SR8 und 100M SFP FX-Module).

Distributed Feedback Laser (DFB-Laser) / Direkt modulierter Laser (DML)

Funktionsprinzip: Integriert periodische Gitterstrukturen im Verstärkungsmedium, um bestimmte Wellenlängen selektiv für den Einzelmodenausgang zu verstärken.

Eigenschaften: Einzelmodenausgang, schmales Spektrum und hohe Stabilität eignen sich für die Kommunikation über mittlere Entfernungen und mit moderater Geschwindigkeit.

Anwendungen: Metropolitan- und Zugangsnetze (z. B. 200G QSFP56 FR4 und 100M SFP CWDM EX-Module).

Elektroabsorptionsmodulierter Laser (EML)

Funktionsprinzip: Integriert einen Laser mit einem Elektroabsorptionsmodulator (EAM) auf einem Chip. EAM steuert die Lichtabsorption über die Spannung, um den Laser zu modulieren.

Eigenschaften: Geringe Dispersion, hohes Extinktionsverhältnis und hohe Geschwindigkeit eignen sich für die Kommunikation über große Entfernungen und mit hoher Datenrate.

Anwendungen: Backbone- und Metropolitan-Netzwerke (z. B. 400G QSFP-DD FR4 und 10G SFP+ CWDM ER-Module).

Vergleich von Faserlasertypen

Auswahl zwischen DML/DFB und EML

DML/DFB-Laser dienen typischerweise niedrigeren Datenraten und kürzeren Entfernungen (unter 10 km), während EML-Laser in Anwendungen mit höheren Datenraten und größerer Reichweite glänzen.

Fazit

Als Kernkomponenten optischer Transceiver-Module beeinflussen Faserlaser entscheidend die Übertragungsentfernung, die Bandbreite und die Systemkosten. Das Verständnis ihrer Prinzipien, Merkmale und Anwendungen ermöglicht die optimale Modulauswahl für bestimmte Szenarien und verbessert die Leistung und Kosteneffizienz in optischen Kommunikationssystemen.