Волоконно-оптические лазеры стимулируют развитие оптических трансиверов

Представьте себе потоки данных, проходящие через оптоволоконные сети — волоконные лазеры служат основными двигателями этой информационной революции. Действуя как сердце оптических приемопередающих модулей, они преобразуют электронные биты в оптические сигналы, обеспечивая передачу данных на большие расстояния. Однако различные типы волоконных лазеров значительно различаются по производительности и стоимости, что напрямую влияет на их применение в оптических модулях.

Волоконные лазеры: основа оптической связи

Волоконные лазеры являются незаменимыми компонентами в оптических приемопередающих модулях, в основном преобразуя электрические сигналы в оптические сигналы для передачи по оптоволоконным кабелям. Их производительность напрямую определяет дальность передачи, пропускную способность и стоимость оптических модулей. Поэтому понимание их принципов и типов имеет решающее значение для понимания систем оптической связи.

Как работают волоконные лазеры

Термин «лазер» расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения». Основной принцип работы волоконных лазеров можно обобщить следующими шагами:

1. Накачка энергией: Внешний источник энергии (обычно электрический ток) возбуждает активную среду, заряжая ее атомы.
2. Инверсия населенности: Впрыск энергии создает больше атомов в более высоких энергетических состояниях, чем в более низких — условие, необходимое для усиления света.
3. Спонтанное излучение: Возбужденные атомы спонтанно переходят в более низкие энергетические состояния, высвобождая фотоны со случайными направлениями и фазами.
4. Вынужденное излучение: Эти фотоны взаимодействуют с другими возбужденными атомами, индуцируя их излучение идентичных фотонов по направлению, фазе и поляризации — ключевой процесс для усиления света.
5. Оптический резонатор: Оптический резонатор (состоящий из зеркал) удерживает фотоны, обеспечивая многократные проходы через активную среду для усиления. Только определенные длины волн резонируют стабильно, определяя выходную длину волны лазера.
6. Выход лазера: Когда усиление превышает потери, лазер излучает высокоинтенсивный, направленный и когерентный луч.

Основные типы волоконных лазеров

В зависимости от направления излучения и структуры волоконные лазеры делятся на две категории: лазеры с торцевым излучением и лазеры с поверхностным излучением.

• Лазеры с торцевым излучением: Излучают свет параллельно поверхности полупроводниковой пластины. Это были самые ранние полупроводниковые лазеры, которые остаются широко используемыми.
• Лазеры с поверхностным излучением: Излучают свет перпендикулярно поверхности пластины, наиболее распространены вертикально-полостные лазеры с поверхностным излучением (VCSEL).

Оптические приемопередающие модули обычно используют следующие типы волоконных лазеров:

Лазер Фабри-Перо (FP Laser)

Принцип работы: Использует резонатор Фабри-Перо, образованный параллельными зеркалами с высокой отражающей способностью, для усиления определенных длин волн.

Характеристики: Простая структура и низкая стоимость, но широкий выходной спектр с многомодовыми эффектами вызывает дисперсию, ограничивая дальность передачи и пропускную способность.

Применения: Ближняя, низкоскоростная оптическая связь (например, модули 100M SFP).

Вертикально-полостной лазер с поверхностным излучением (VCSEL)

Принцип работы: Имеет резонатор, перпендикулярный поверхности чипа, излучая свет вертикально. Использует распределенные брэгговские отражатели (DBR) в качестве зеркал.

Характеристики: Низкое энергопотребление, экономичность, простота интеграции и тестирования. Узкий выходной спектр с низкой дисперсией подходит для высокоскоростной связи на короткие расстояния.

Применения: Центры обработки данных и корпоративные сети (например, модули 400G QSFP-DD SR8 и 100M SFP FX).

Лазер с распределенной обратной связью (DFB Laser) / Лазер с прямой модуляцией (DML)

Принцип работы: Включает периодические решетчатые структуры в активную среду для избирательного усиления определенных длин волн для одномодового выхода.

Характеристики: Одномодовый выход, узкий спектр и высокая стабильность подходят для связи на средние расстояния и умеренных скоростях.

Применения: Городские и сети доступа (например, модули 200G QSFP56 FR4 и 100M SFP CWDM EX).

Лазер с модуляцией электропоглощения (EML)

Принцип работы: Интегрирует лазер с модулятором электропоглощения (EAM) на одном чипе. EAM управляет поглощением света с помощью напряжения для модуляции лазера.

Характеристики: Низкая дисперсия, высокое отношение экстинкции и высокая скорость подходят для дальней связи с высокой скоростью передачи данных.

Применения: Магистральные и городские сети (например, модули 400G QSFP-DD FR4 и 10G SFP+ CWDM ER).

Сравнение типов волоконных лазеров

Выбор между DML/DFB и EML

Лазеры DML/DFB обычно обслуживают более низкие скорости передачи данных и меньшие расстояния (менее 10 км), в то время как лазеры EML превосходят в более высоких скоростях передачи данных и приложениях на большие расстояния.

Заключение

Являясь основными компонентами оптических приемопередающих модулей, волоконные лазеры критически влияют на дальность передачи, пропускную способность и стоимость системы. Понимание их принципов, характеристик и применений позволяет оптимально выбирать модули для конкретных сценариев, повышая производительность и экономическую эффективность в системах оптической связи.