I laser a fibra ottica guidano i progressi nei ricetrasmettitori ottici

Immagina flussi di dati che scorrono attraverso reti in fibra ottica: i laser a fibra ottica fungono da motori fondamentali che guidano questa rivoluzione dell'informazione. Agendo come il cuore dei moduli ricetrasmettitori ottici, trasformano i bit elettronici in segnali ottici, consentendo la trasmissione di dati a lunga distanza. Tuttavia, i diversi tipi di laser a fibra ottica variano in modo significativo in termini di prestazioni e costi, influenzando direttamente le loro applicazioni nei moduli ottici.

Laser a fibra ottica: le fondamenta della comunicazione ottica

I laser a fibra ottica sono componenti indispensabili nei moduli ricetrasmettitori ottici, che convertono principalmente i segnali elettrici in segnali ottici per la trasmissione attraverso cavi in fibra ottica. Le loro prestazioni determinano direttamente la distanza di trasmissione, la larghezza di banda e il costo dei moduli ottici. Pertanto, comprendere i loro principi e tipi è fondamentale per comprendere i sistemi di comunicazione ottica.

Come funzionano i laser a fibra ottica

Il termine "laser" sta per "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione). Il principio di funzionamento fondamentale dei laser a fibra ottica può essere riassunto in questi passaggi:

1. Pompaggio di energia: Una sorgente di energia esterna (tipicamente corrente elettrica) eccita il mezzo di guadagno, energizzando i suoi atomi.
2. Inversione di popolazione: L'iniezione di energia crea più atomi in stati energetici superiori rispetto a quelli inferiori: una condizione essenziale per l'amplificazione della luce.
3. Emissione spontanea: Gli atomi eccitati passano spontaneamente a stati energetici inferiori, rilasciando fotoni con direzioni e fasi casuali.
4. Emissione stimolata: Questi fotoni interagiscono con altri atomi eccitati, inducendoli a emettere fotoni identici in direzione, fase e polarizzazione: il processo chiave per l'amplificazione della luce.
5. Risonanza ottica: Un risonatore ottico (composto da specchi) confina i fotoni, consentendo passaggi ripetuti attraverso il mezzo di guadagno per l'amplificazione. Solo specifiche lunghezze d'onda risuonano in modo stabile, determinando la lunghezza d'onda di uscita del laser.
6. Uscita laser: Quando il guadagno supera le perdite, il laser emette un fascio direzionale e coerente ad alta intensità.

Principali tipi di laser a fibra ottica

In base alla direzione di emissione e alla struttura, i laser a fibra ottica rientrano in due categorie: laser a emissione laterale e laser a emissione superficiale.

• Laser a emissione laterale: Emettono luce parallelamente alla superficie del wafer a semiconduttore. Questi sono stati i primi laser a semiconduttore e rimangono ampiamente utilizzati.
• Laser a emissione superficiale: Emettono luce perpendicolarmente alla superficie del wafer, con i laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) che sono i più comuni.

I moduli ricetrasmettitori ottici impiegano tipicamente questi tipi di laser a fibra ottica:

Laser Fabry-Perot (laser FP)

Principio di funzionamento: Utilizza un risonatore Fabry-Perot formato da specchi paralleli ad alta riflettività per amplificare specifiche lunghezze d'onda.

Caratteristiche: Struttura semplice e basso costo, ma ampio spettro di uscita con effetti multimodali che causano dispersione, limitando la distanza di trasmissione e la larghezza di banda.

Applicazioni: Comunicazione ottica a breve distanza e bassa velocità (ad esempio, moduli SFP da 100 M).

Laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL)

Principio di funzionamento: Presenta un risonatore perpendicolare alla superficie del chip, emettendo luce verticalmente. Utilizza riflettori di Bragg distribuiti (DBR) come specchi.

Caratteristiche: Basso consumo energetico, conveniente, facile integrazione e test. Lo spettro di uscita stretto con bassa dispersione è adatto per comunicazioni a breve distanza e ad alta velocità.

Applicazioni: Data center e reti aziendali (ad esempio, moduli 400G QSFP-DD SR8 e 100M SFP FX).

Laser a feedback distribuito (laser DFB) / Laser a modulazione diretta (DML)

Principio di funzionamento: Incorpora strutture a reticolo periodiche nel mezzo di guadagno per amplificare selettivamente specifiche lunghezze d'onda per l'uscita in modalità singola.

Caratteristiche: Uscita in modalità singola, spettro stretto e alta stabilità adatti per comunicazioni a media distanza e velocità moderata.

Applicazioni: Reti metropolitane e di accesso (ad esempio, moduli 200G QSFP56 FR4 e 100M SFP CWDM EX).

Laser a modulazione per assorbimento elettro-ottico (EML)

Principio di funzionamento: Integra un laser con un modulatore per assorbimento elettro-ottico (EAM) su un unico chip. L'EAM controlla l'assorbimento della luce tramite tensione per modulare il laser.

Caratteristiche: Bassa dispersione, elevato rapporto di estinzione e alta velocità adatti per comunicazioni a lunga distanza e ad alta velocità.

Applicazioni: Reti dorsali e metropolitane (ad esempio, moduli 400G QSFP-DD FR4 e 10G SFP+ CWDM ER).

Confronto tra i tipi di laser a fibra ottica

Scegliere tra DML/DFB ed EML

I laser DML/DFB servono tipicamente velocità di dati inferiori e distanze più brevi (inferiori a 10 km), mentre i laser EML eccellono in velocità di dati più elevate e applicazioni a più lungo raggio.

Conclusione

Come componenti principali dei moduli ricetrasmettitori ottici, i laser a fibra ottica influenzano in modo critico la distanza di trasmissione, la larghezza di banda e il costo del sistema. La comprensione dei loro principi, delle loro caratteristiche e delle loro applicazioni consente una selezione ottimale del modulo per scenari specifici, migliorando le prestazioni e l'efficienza dei costi nei sistemi di comunicazione ottica.