لیزرهای فیبر نوری پیشرفت‌ها را در فرستنده‌های گیرنده‌های نوری هدایت می‌کنند

تصور کنید جریان‌های داده از طریق شبکه‌های فیبر نوری در حال عبور هستند—لیزرهای فیبری به عنوان موتورهای اساسی که این انقلاب اطلاعات را هدایت می‌کنند، عمل می‌کنند. این لیزرها به عنوان قلب ماژول‌های فرستنده و گیرنده نوری عمل می‌کنند و بیت‌های الکترونیکی را به سیگنال‌های نوری تبدیل می‌کنند و امکان انتقال داده‌ها در مسافت‌های طولانی را فراهم می‌کنند. با این حال، انواع مختلف لیزرهای فیبری از نظر عملکرد و هزینه تفاوت قابل توجهی دارند و مستقیماً بر کاربردهای آنها در ماژول‌های نوری تأثیر می‌گذارند.

لیزرهای فیبری: بنیاد ارتباطات نوری

لیزرهای فیبری اجزای ضروری در ماژول‌های فرستنده و گیرنده نوری هستند که در درجه اول سیگنال‌های الکتریکی را به سیگنال‌های نوری برای انتقال از طریق کابل‌های فیبر نوری تبدیل می‌کنند. عملکرد آنها مستقیماً مسافت انتقال، پهنای باند و هزینه ماژول‌های نوری را تعیین می‌کند. بنابراین، درک اصول و انواع آنها برای درک سیستم‌های ارتباطات نوری بسیار مهم است.

نحوه عملکرد لیزرهای فیبری

اصطلاح "لیزر" مخفف "تقویت نور با انتشار تحریک شده تابش" است. اصل اساسی عملکرد لیزرهای فیبری را می‌توان در این مراحل خلاصه کرد:

1. پمپاژ انرژی: یک منبع انرژی خارجی (معمولاً جریان الکتریکی) محیط تقویت‌کننده را تحریک می‌کند و اتم‌های آن را انرژی می‌دهد.
2. وارونگی جمعیت: تزریق انرژی باعث ایجاد اتم‌های بیشتری در حالت‌های انرژی بالاتر نسبت به حالت‌های پایین‌تر می‌شود—شرطی ضروری برای تقویت نور.
3. انتشار خود به خودی: اتم‌های تحریک شده به طور خود به خود به حالت‌های انرژی پایین‌تر منتقل می‌شوند و فوتون‌هایی با جهت‌ها و فازهای تصادفی آزاد می‌کنند.
4. انتشار تحریک شده: این فوتون‌ها با سایر اتم‌های تحریک شده تعامل می‌کنند و آنها را وادار می‌کنند تا فوتون‌های یکسانی را در جهت، فاز و قطبش منتشر کنند—فرآیند کلیدی برای تقویت نور.
5. تشدید نوری: یک تشدیدگر نوری (شامل آینه‌ها) فوتون‌ها را محدود می‌کند و امکان عبور مکرر از محیط تقویت‌کننده را برای تقویت فراهم می‌کند. فقط طول موج‌های خاصی به طور پایدار تشدید می‌شوند و طول موج خروجی لیزر را تعیین می‌کنند.
6. خروجی لیزر: هنگامی که بهره از تلفات بیشتر شود، لیزر یک پرتو جهت‌دار و منسجم با شدت بالا منتشر می‌کند.

انواع اصلی لیزرهای فیبری

بر اساس جهت انتشار و ساختار، لیزرهای فیبری به دو دسته تقسیم می‌شوند: لیزرهای با انتشار لبه و لیزرهای با انتشار سطح.

• لیزرهای با انتشار لبه: نور را موازی با سطح ویفر نیمه‌رسانا منتشر می‌کنند. اینها اولین لیزرهای نیمه‌رسانا بودند و همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• لیزرهای با انتشار سطح: نور را عمود بر سطح ویفر منتشر می‌کنند که لیزرهای با انتشار سطح حفره عمودی (VCSEL) رایج‌ترین نوع هستند.

ماژول‌های فرستنده و گیرنده نوری معمولاً از این انواع لیزرهای فیبری استفاده می‌کنند:

لیزر Fabry-Perot (لیزر FP)

اصل کار: از یک تشدیدگر Fabry-Perot که توسط آینه‌های موازی با انعکاس بالا تشکیل شده است برای تقویت طول موج‌های خاص استفاده می‌کند.

ویژگی‌ها: ساختار ساده و کم هزینه، اما طیف خروجی گسترده با اثرات چند حالته باعث پراکندگی می‌شود و مسافت و پهنای باند انتقال را محدود می‌کند.

کاربردها: ارتباطات نوری با سرعت پایین و مسافت کوتاه (به عنوان مثال، ماژول‌های 100M SFP).

لیزر با انتشار سطح حفره عمودی (VCSEL)

اصل کار: دارای یک تشدیدگر عمود بر سطح تراشه است که نور را به صورت عمودی منتشر می‌کند. از بازتابنده‌های براگ توزیع شده (DBR) به عنوان آینه استفاده می‌کند.

ویژگی‌ها: مصرف برق کم، مقرون به صرفه، ادغام و آزمایش آسان. طیف خروجی باریک با پراکندگی کم برای ارتباطات با سرعت بالا و مسافت کوتاه مناسب است.

کاربردها: مراکز داده و شبکه‌های سازمانی (به عنوان مثال، ماژول‌های 400G QSFP-DD SR8 و 100M SFP FX).

لیزر بازخورد توزیع شده (لیزر DFB) / لیزر مدوله شده مستقیم (DML)

اصل کار: ساختارهای مشبک دوره‌ای را در محیط تقویت‌کننده ادغام می‌کند تا طول موج‌های خاص را برای خروجی تک حالته به طور انتخابی تقویت کند.

ویژگی‌ها: خروجی تک حالته، طیف باریک و پایداری بالا برای ارتباطات با سرعت متوسط و مسافت متوسط مناسب است.

کاربردها: شبکه‌های شهری و دسترسی (به عنوان مثال، ماژول‌های 200G QSFP56 FR4 و 100M SFP CWDM EX).

لیزر مدوله شده با جذب الکتریکی (EML)

اصل کار: یک لیزر را با یک مدولاتور جذب الکتریکی (EAM) روی یک تراشه ادغام می‌کند. EAM جذب نور را از طریق ولتاژ برای مدوله کردن لیزر کنترل می‌کند.

ویژگی‌ها: پراکندگی کم، نسبت انقراض بالا و سرعت بالا برای ارتباطات با مسافت طولانی و نرخ بالا مناسب است.

کاربردها: شبکه‌های ستون فقرات و شهری (به عنوان مثال، ماژول‌های 400G QSFP-DD FR4 و 10G SFP+ CWDM ER).

مقایسه انواع لیزرهای فیبری

انتخاب بین DML/DFB و EML

لیزرهای DML/DFB معمولاً نرخ داده‌های پایین‌تر و فواصل کوتاه‌تر (زیر 10 کیلومتر) را پوشش می‌دهند، در حالی که لیزرهای EML در نرخ داده‌های بالاتر و کاربردهای با برد طولانی‌تر برتری دارند.

نتیجه

لیزرهای فیبری به عنوان اجزای اصلی ماژول‌های فرستنده و گیرنده نوری، به طور انتقادی بر مسافت انتقال، پهنای باند و هزینه سیستم تأثیر می‌گذارند. درک اصول، ویژگی‌ها و کاربردهای آنها، انتخاب بهینه ماژول را برای سناریوهای خاص امکان‌پذیر می‌کند و عملکرد و کارایی هزینه را در سیستم‌های ارتباطات نوری افزایش می‌دهد.