光トランシーバー業界に長年携わってきた私たちは、マルチモードが 850nm または 850nm、910nm の波長に対応することを当然のことと考えています。 シングルモードは1260～1650nmの波長、特に1310nm帯付近と1550nm帯付近の波長に対応します。
光通信業界は数十年にわたって発展しており、業界関係者は通信時の効率を向上させる必要があるため、常識を毎日繰り返すことはありません。 しかし、私たちは偶然、波長 1550nm のマルチモード レーザーと 1310nm のマルチモード レーザーがあることを知っています。 これはどうして起こるのでしょうか? 実際、850nmもシングルモードレーザーにすることができます。
業界では、シングル モードはシングル横モードを指し、マルチモードはマルチ横モードを指します。 実は波長は縦モードの特性を表しており、単一縦モードと多重縦モードに分けることができます。 つまり、単一波長または複数波長のレーザーです。 この波長は特に「増幅された」波長を指します。 レーザーは干渉増幅の原理に基づいた光増幅器です。 非常に多くの人が、レーザーは「コヒーレントな」光を発すると言います。
シングルモードとマルチモードに対応する波長は何ですか? そこで問題は、（誘導放出）光増幅器の単一横モードまたは複数の横モードと縦モードの出力範囲との間にはどのような関係があるのかということです。
回答: 理論上、対応する関係はありません。 この 1310 つは 850 次元の考慮から直交します。 1550nm レーザーは、単一横モードまたはマルチ横モードのいずれかになります。 同様に、XNUMXnm および XNUMXnm レーザーは、単一横モードまたはマルチ横モードとして設計できます。
ただし、実際のアプリケーションでは特定の産業チェーンが形成されており、一部の特殊なシナリオでは最もコストパフォーマンスが高いことを考慮する必要があります。 例えば、光ファイバー通信をベースにしたシナリオでは、波長850nmのマルチ横モードレーザーは低コストのメリットがあり、1310nmまたは1550nmをベースとしたシングル横モードレーザーは低分散・低分散の優れた伝送性能を持っています。光ファイバーの損失。
たとえば、LIDAR 業界では、エッジ発光レーザーの場合、TOF または AM シナリオでの単一横モードの特性を考慮する必要はありません。 マルチモード EEL 端面発光長波長レーザーを製造すると、出力を向上させ、目の安全性のリスクを軽減できます。 光には伝送方向があり、その伝送方向に沿ったモードは縦モードであり、レーザーにおける「時間干渉」に基づく周波数依存特性です。
レーザーの光の透過方向
透過方向に垂直な断面のライトフィールド分布は横モードであり、これはレーザー内の「空間干渉」によって形成される分布特性に基づいています。
レーザーを設計する人なら誰でも、レーザーの式には時間と空間の XNUMX つのソリューションがあることを知っています。
レーザーの時空間次元
横モードは空間のエネルギー分布に基づいています。 これは実際に見られる分布ですが、これについては後ほど説明します。 縦モードは時間に基づくエネルギー分布であり、光は光の速度で伝わり、波長、（光の）速度、変動時間、距離などのパラメータがいくつかあります。 波長は目で見ることができないため、分光計、実際には光学分光計を使用してテストする必要があります。 光の周波数 x 光の波長 = 真空中の光の速度 C (C は定数)。 したがって、スペクトル アナライザで周波数をテストし (たとえば、~300THz は 1.3μm の波長に対応し、~200THz は 1.5μm の波長に対応します)、波長を計算できます。
光の伝達は波の伝達です
この文脈で私たちが話している波長は、特に波長範囲を指します。
波長は範囲です
波長範囲は利得材料によって決まります。 この範囲では、干渉のための特定の波長の選択は共振空洞の機能です。 干渉が増幅に関与する可能性があります。
共振空洞は空洞長さを有する。 DFB と VCSEL の回折格子はすべて「小さな」キャビティ長です。 光の共振器長と波速は光の反射時間を計算するために使用でき、時間に基づく干渉が縦モードです。 これらの縦断的モデルは、私たちの文脈では異なる重点を持っています。
共振空洞とゲインは一緒に作られます。これは、VCSEL、DFB、EML、その他のチップなどの光トランシーバーのほとんどのレーザーで選択されています。 共振器 (干渉増幅用のキャビティ) によって、どの波長が増幅されるかが決まります。 共振空洞と利得材料は、VCSEL の GaAs 材料系、DFB の InP 材料系など、同じタイプの材料系を選択します。
共振空洞と利得材料は、利得にはGaAs系、共振空洞にはシリコンなど、異なるシステムを採用しています。 これは、シリコン基板上にエピタキシャルGaAsを形成し、OFC2023またはHPのシリコンベースの量子ドットレーザーでInAs量子ドットを製造するファーウェイのプロセスである。 利得に InP を使用し、共振器にシリコンを使用したインテルのシリコンベースの統合レーザーです。 利得材料: 波長の範囲を決定します。共振器と利得材料が独立して製造される場合、外部共振器レーザー、つまり「利得部分から独立した」共振器で構成されるレーザーが得られます。
再び横モードに戻りますが、業界ではシングルモードとマルチモードを特に横モードと呼び、空間内のエネルギー分布を意味します。 光ファイバー通信ではシングルモードとマルチモードが重要ですが、ライダーのTOF方式ではそうではありません。 複数のエネルギー ピークがある場合、つまりマルチモードであり、XNUMX つのエネルギー ピークのみがシングルモードです。 空間の変動は目で見ることができ、レーザーポインターが画面上で光ると、横モードの具体化である明るいスポットの分布を見ることができます。
レーザースポット分布の横モード
光トランシーバーの VCSEL はマルチモード レーザーであり、複数の輝点があることを意味します。 VCSELは垂直共振器面発光レーザと呼ばれます。 垂直キャビティ表面は、ウェーハの相対座標を指します。 共振空洞はウェーハの表面に対して垂直であり、垂直空洞と呼ばれます。 共振器の方向はレーザーの出力方向に関係しており、特別な処理をしなくてもレーザーの光出力方向が決まります。 ウェハ面に対して垂直な発光が可能で、面発光、裏面発光が可能です。
シングルモード レーザーは通常、左側または右側のいずれか、または両側から同時に側面から放射されます。 エッジ放射の場合、光の出力方向は他の追加処理なしで横共振空洞によって実現され、出力波長範囲は利得材料によって実現され、横スポットは出力導波路の空間構造によって決定されます。
シングルモードを閉じ込めるために使用される XNUMX つの一般的なタイプの導波路構造
光の空間も「ゆらぎ」ます。 幅が適切であれば、複数の輝点が発生することはありません。 ほとんどの光通信レーザーの設計に関しては、InP 材料系の導波路幅は約 2 μm であり、これはシングルモード制限の一般的な構造です。
よくあることなので、それだけではありません。 空間が限られた構造を広げると、複数の横モードが現れます。 これは初期のレーザーでは一般的でした。 その後、光通信においてシングルモードの製造が容易になり、人々はそのことを忘れてしまいました。
近年、出力を上げる必要があるため、導波管を再び太くすることが議論されています。 たとえば、FiberMall はマルチモードを使用して DFB+SOA カスケードを実現し、次に仮想ウエストを使用してシングル モードを実現します。 そして、ファーウェイが近年製造した幅5μmのレーザーは本質的にマルチ横モードであり、出力を高めることを目的としている。 もう XNUMX つの例は、シングル モードやマルチモードよりもアカウントの高出力を優先する LIDAR 分野の TOF 方式です。 光ファイバーで伝送する必要がないため、この点を考慮する必要はありません。 次の図は、エッジ放射を行うために導波路幅が非常に広く拡張されたマルチ横モード レーザーです。
LIDAR 用のエッジ発光マルチモード レーザー
要約すると、端面発光レーザーに関しては、光ファイバー通信には実現可能なシングルモードの要件があります。 一部のアプリケーション シナリオにはローカル マルチモード設計があり、シングル モードを再び復元するには追加の処理が必要です。 この法律は、本質的に光ファイバー通信のニーズを満たすことを目的としています。
その背後にある論理は、市販の固体ガラス光ファイバーの通信技術には最適な伝送帯域が存在するということです。 （中空コアファイバはこの帯域の影響を受けず、OFC2023は中空コアファイバの進歩を物語っています。）そして、この波長範囲を満たしシングルモードを実現できる材料はInGaAsP/InPかAlGaInAs/InPのみです。 この材料系は垂直共振器面発光構造ではシングルモード出力を実現できず、信頼性の高い大規模工業生産も実現できない。 したがって、不親切な光路出力構造である端面発光を選択する必要があります。
導波路の構造によってシングルモードかマルチモードが決まります
面発光は非常に安価であり、理論的にはシングルモード出力を達成できますが、業界では大規模で長期にわたる安定した信頼性の高い製造を実現できません。 これは、このプロセス フローにおけるトレンチ エッチングによるものです。 溝は側面酸化のためにエッチングされ、電流経路を誘導するために使用されます。
VCSELのプロセスフロー
表面の気密コーティングを剥がすと、エッチングされた溝が見えます。この溝は側面から酸化され、内部電流入力を形成して光を放出します。光構造を直径1.xμmに縮小すると、空間次元で「シングルモード」に制限できます。ただし、この穴にはDBR層、つまり共振空洞もあり、共振後の光の反射と干渉増幅を制御する必要があります。DBR層には数十層が必要です。島が小さいほど、シングルモードを実現できる可能性が高くなりますが、共振空洞の信頼性に隠れた危険をもたらします。今年見られる50Gおよび100G VCSELでは、閉じ込め穴の直径は約5〜6μmです。
シングルモードかマルチモードは導波路の構造によって決まります
上で述べた多数の方法は、VCSEL が理論的にはシングル モードになり得ることを示しており、現在のマルチモード状態では、シングル モードを実現するための補助処理モードも多数あります。 ただし、業界の期待は低コストで大規模な製造であるため、業界はマルチモードを選択しています。
現在、人々は 50G VCSEL または 100G VCSEL を選択することを好みます。 さまざまな温度、さまざまな電流、さまざまな作業時間でシングルモードを維持したい場合、製品では高い圧力に直面することになります。
全体として、技術的には、シングルモードまたはマルチモードと波長は独立して設計されています。 横モードは一般に、ピンホール回折の空間構造によって制限されます。 波長は利得層と共振空洞によって共同で影響を受けますが、その主な理由は利得材料です。
アプリケーションに関しては、業界には波長とモードの要件があります。 シングルモード InP レーザー、特に距離が 500 メートルを超え、数千キロメートル以内のレーザーには性能上の利点がありますが、InP 端面発光レーザーにはコスト上の利点がありません。 マルチモード VCSEL レーザーは低コストを誇りますが、シングルモードに比べて性能は劣ります。 180メートルの距離まで使用可能です。 波長的にも有利ではありません。
LiDAR には波長に関する要件がありますが、一部のテスト方式には横モードに関する要件がないため、長波長のマルチモード設計が登場しました。 先ほど述べたのは、主流のソリッドコアガラス光ファイバーの通信です。 中空コア光ファイバーの場合、モードの要件はありますが、波長の制限が少ないため、GaAs材料を使用した1060nmシングルモードレーザーなどの短波長シングルモードソリューションが登場します。エッジ発光用システム。