Laser sợi quang thúc đẩy những tiến bộ trong bộ thu phát quang

Hãy tưởng tượng các dòng dữ liệu chảy qua các mạng cáp quang—laser sợi đóng vai trò là những động cơ cơ bản thúc đẩy cuộc cách mạng thông tin này. Hoạt động như trái tim của các mô-đun thu phát quang, chúng chuyển đổi các bit điện tử thành các tín hiệu quang, cho phép truyền dữ liệu đường dài. Tuy nhiên, các loại laser sợi khác nhau có hiệu suất và chi phí khác nhau đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng của chúng trong các mô-đun quang học.

Laser Sợi: Nền tảng của Truyền thông Quang học

Laser sợi là các thành phần không thể thiếu trong các mô-đun thu phát quang, chủ yếu chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền qua cáp quang. Hiệu suất của chúng quyết định trực tiếp khoảng cách truyền, băng thông và chi phí của các mô-đun quang học. Do đó, việc hiểu các nguyên tắc và loại của chúng là rất quan trọng để hiểu các hệ thống truyền thông quang học.

Cách thức hoạt động của Laser Sợi

Thuật ngữ "laser" là viết tắt của "Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích của bức xạ." Nguyên tắc hoạt động cơ bản của laser sợi có thể được tóm tắt trong các bước sau:

1. Bơm năng lượng: Một nguồn năng lượng bên ngoài (thường là dòng điện) kích thích môi trường khuếch đại, cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của nó.
2. Đảo ngược mật độ: Tiêm năng lượng tạo ra nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn so với các nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn—một điều kiện cần thiết để khuếch đại ánh sáng.
3. Phát xạ tự phát: Các nguyên tử bị kích thích tự phát chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn, giải phóng các photon với hướng và pha ngẫu nhiên.
4. Phát xạ kích thích: Những photon này tương tác với các nguyên tử bị kích thích khác, khiến chúng phát ra các photon giống hệt nhau về hướng, pha và phân cực—quá trình chính để khuếch đại ánh sáng.
5. Cộng hưởng quang học: Một bộ cộng hưởng quang học (bao gồm các gương) giới hạn các photon, cho phép các lần đi qua môi trường khuếch đại nhiều lần để khuếch đại. Chỉ các bước sóng cụ thể mới cộng hưởng ổn định, xác định bước sóng đầu ra của laser.
6. Đầu ra laser: Khi độ lợi vượt quá tổn thất, laser phát ra một chùm tia định hướng, cường độ cao và kết hợp.

Các loại Laser Sợi chính

Dựa trên hướng phát xạ và cấu trúc, laser sợi được chia thành hai loại: laser phát xạ cạnh và laser phát xạ bề mặt.

• Laser phát xạ cạnh: Phát ra ánh sáng song song với bề mặt tấm bán dẫn. Đây là những laser bán dẫn đầu tiên và vẫn được sử dụng rộng rãi.
• Laser phát xạ bề mặt: Phát ra ánh sáng vuông góc với bề mặt tấm bán dẫn, với Laser phát xạ bề mặt khoang dọc (VCSEL) là phổ biến nhất.

Các mô-đun thu phát quang thường sử dụng các loại laser sợi này:

Laser Fabry-Perot (Laser FP)

Nguyên tắc hoạt động: Sử dụng bộ cộng hưởng Fabry-Perot được tạo thành từ các gương phản xạ cao song song để khuếch đại các bước sóng cụ thể.

Đặc điểm: Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng phổ đầu ra rộng với các hiệu ứng đa chế độ gây ra sự phân tán, hạn chế khoảng cách truyền và băng thông.

Ứng dụng: Truyền thông quang học khoảng cách ngắn, tốc độ thấp (ví dụ: mô-đun 100M SFP).

Laser phát xạ bề mặt khoang dọc (VCSEL)

Nguyên tắc hoạt động: Có bộ cộng hưởng vuông góc với bề mặt chip, phát ra ánh sáng theo chiều dọc. Sử dụng Bộ phản xạ Bragg phân bố (DBR) làm gương.

Đặc điểm: Tiêu thụ điện năng thấp, tiết kiệm chi phí, dễ dàng tích hợp và thử nghiệm. Phổ đầu ra hẹp với độ phân tán thấp phù hợp với truyền thông khoảng cách ngắn tốc độ cao.

Ứng dụng: Trung tâm dữ liệu và mạng doanh nghiệp (ví dụ: mô-đun 400G QSFP-DD SR8 và 100M SFP FX).

Laser phản hồi phân tán (Laser DFB) / Laser điều chế trực tiếp (DML)

Nguyên tắc hoạt động: Kết hợp các cấu trúc lưới tuần hoàn trong môi trường khuếch đại để chọn lọc khuếch đại các bước sóng cụ thể cho đầu ra đơn chế độ.

Đặc điểm: Đầu ra đơn chế độ, phổ hẹp và độ ổn định cao phù hợp với truyền thông khoảng cách trung bình, tốc độ vừa phải.

Ứng dụng: Mạng đô thị và truy cập (ví dụ: mô-đun 200G QSFP56 FR4 và 100M SFP CWDM EX).

Laser điều chế hấp thụ điện (EML)

Nguyên tắc hoạt động: Tích hợp laser với bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) trên một chip. EAM kiểm soát sự hấp thụ ánh sáng thông qua điện áp để điều chế laser.

Đặc điểm: Độ phân tán thấp, tỷ lệ tuyệt chủng cao và tốc độ cao phù hợp với truyền thông đường dài, tốc độ cao.

Ứng dụng: Mạng xương sống và đô thị (ví dụ: mô-đun 400G QSFP-DD FR4 và 10G SFP+ CWDM ER).

So sánh các loại Laser Sợi

Chọn giữa DML/DFB và EML

Laser DML/DFB thường phục vụ tốc độ dữ liệu thấp hơn và khoảng cách ngắn hơn (dưới 10km), trong khi laser EML vượt trội trong các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao hơn và phạm vi dài hơn.

Kết luận

Là các thành phần cốt lõi của các mô-đun thu phát quang, laser sợi ảnh hưởng quan trọng đến khoảng cách truyền, băng thông và chi phí hệ thống. Việc hiểu các nguyên tắc, tính năng và ứng dụng của chúng cho phép lựa chọn mô-đun tối ưu cho các tình huống cụ thể, nâng cao hiệu suất và hiệu quả chi phí trong các hệ thống truyền thông quang học.