Lasery światłowodowe napędzają postęp w optycznych transceiverach

Wyobraź sobie strumienie danych przepływające przez sieci światłowodowe — lasery światłowodowe stanowią podstawowe silniki napędzające tę rewolucję informacyjną. Działając jako serce optycznych modułów nadawczo-odbiorczych, przekształcają bity elektroniczne w sygnały optyczne, umożliwiając transmisję danych na duże odległości. Jednakże różne typy laserów światłowodowych różnią się znacznie pod względem wydajności i kosztów, co bezpośrednio wpływa na ich zastosowanie w modułach optycznych.

Lasery światłowodowe: podstawa komunikacji optycznej

Lasery światłowodowe są niezbędnymi elementami optycznych modułów nadawczo-odbiorczych, przetwarzającymi przede wszystkim sygnały elektryczne na sygnały optyczne do transmisji za pomocą kabli światłowodowych. Ich wydajność bezpośrednio determinuje odległość transmisji, przepustowość i koszt modułów optycznych. Dlatego zrozumienie ich zasad i rodzajów jest kluczowe dla zrozumienia systemów komunikacji optycznej.

Jak działają lasery światłowodowe

Termin „laser” oznacza „wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania”. Podstawową zasadę działania laserów światłowodowych można podsumować w następujących krokach:

1. Pompowanie energii:Zewnętrzne źródło energii (zwykle prąd elektryczny) wzbudza ośrodek wzmacniający, pobudzając jego atomy.
2. Inwersja populacji:Wstrzyknięcie energii powoduje utworzenie większej liczby atomów w stanach o wyższej energii niż o niższej – jest to warunek niezbędny do wzmocnienia światła.
3. Emisja spontaniczna:Wzbudzone atomy spontanicznie przechodzą do niższych stanów energetycznych, uwalniając fotony o losowych kierunkach i fazach.
4. Stymulowana emisja:Fotony te oddziałują z innymi wzbudzonymi atomami, powodując ich emisję identycznych fotonów pod względem kierunku, fazy i polaryzacji – co jest kluczowym procesem wzmacniania światła.
5. Rezonans optyczny:Rezonator optyczny (składający się ze zwierciadeł) ogranicza fotony, umożliwiając wielokrotne przejścia przez ośrodek wzmacniający w celu wzmocnienia. Tylko określone długości fal rezonują stabilnie, określając długość fali wyjściowej lasera.
6. Wyjście lasera:Kiedy wzmocnienie przewyższa straty, laser emituje kierunkową i spójną wiązkę o dużej intensywności.

Główne typy laserów światłowodowych

W zależności od kierunku i struktury emisji lasery światłowodowe dzielą się na dwie kategorie: lasery emitujące krawędzie i lasery emitujące powierzchnię.

• Lasery emitujące krawędzie:Emituj światło równolegle do powierzchni płytki półprzewodnikowej. Były to najwcześniejsze lasery półprzewodnikowe i nadal są szeroko stosowane.
• Lasery emitujące powierzchnię:Emitują światło prostopadle do powierzchni płytki, przy czym najczęściej spotykane są lasery emitujące powierzchnię z pionową wnęką (VCSEL).

Optyczne moduły nadawczo-odbiorcze zazwyczaj wykorzystują następujące typy laserów światłowodowych:

Laser Fabry-Perot (Laser FP)

Zasada działania:Wykorzystuje rezonator Fabry-Perot utworzony przez równoległe lustra o wysokim współczynniku odbicia w celu wzmocnienia określonych długości fal.

Charakterystyka:Prosta konstrukcja i niski koszt, ale szerokie spektrum wyjściowe z efektami wielomodowymi powoduje dyspersję, ograniczając odległość i szerokość transmisji.

Aplikacje:Komunikacja optyczna o małej prędkości na krótkich dystansach (np. moduły SFP 100M).

Laser emitujący powierzchniowo z pionową wnęką (VCSEL)

Zasada działania:Posiada rezonator ustawiony prostopadle do powierzchni chipa, emitujący światło pionowo. Wykorzystuje rozproszone reflektory Bragga (DBR) jako zwierciadła.

Charakterystyka:Niskie zużycie energii, opłacalność, łatwa integracja i testowanie. Wąskie spektrum wyjściowe z niską dyspersją umożliwia szybką komunikację na małe odległości.

Aplikacje:Centra danych i sieci korporacyjne (np. moduły 400G QSFP-DD SR8 i 100M SFP FX).

Laser z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (Laser DFB) / Laser modulowany bezpośrednio (DML)

Zasada działania:Zawiera okresowe struktury siatkowe w ośrodku wzmacniającym w celu selektywnego wzmacniania określonych długości fal dla wyjścia jednomodowego.

Charakterystyka:Wyjście jednomodowe, wąskie spektrum i wysoka stabilność nadają się do komunikacji na średnie odległości i z umiarkowaną szybkością.

Aplikacje:Sieci metropolitalne i dostępowe (np. moduły 200G QSFP56 FR4 i 100M SFP CWDM EX).

Laser modulowany elektroabsorpcyjnie (EML)

Zasada działania:Integruje laser z modulatorem elektroabsorpcji (EAM) w jednym chipie. EAM kontroluje absorpcję światła poprzez napięcie w celu modulacji lasera.

Charakterystyka:Niska dyspersja, wysoki współczynnik ekstynkcji i duża prędkość zapewniają szybką komunikację na duże odległości.

Aplikacje:Sieci szkieletowe i metropolitalne (np. moduły 400G QSFP-DD FR4 i 10G SFP+ CWDM ER).

Porównanie typów laserów światłowodowych

Wybór pomiędzy DML/DFB i EML

Lasery DML/DFB zazwyczaj obsługują niższe szybkości transmisji danych i krótsze odległości (poniżej 10 km), podczas gdy lasery EML wyróżniają się większymi szybkościami transmisji danych i zastosowaniami o większym zasięgu.

Wniosek

Jako podstawowe elementy optycznych modułów nadawczo-odbiorczych, lasery światłowodowe mają krytyczny wpływ na odległość transmisji, przepustowość i koszt systemu. Zrozumienie ich zasad, funkcji i zastosowań umożliwia optymalny dobór modułów do konkretnych scenariuszy, zwiększając wydajność i efektywność kosztową w optycznych systemach komunikacyjnych.