오랫동안 광트랜시버 업계에서 일하다 보면 멀티 모드가 850nm 또는 850nm, 910nm 파장에 해당하는 것을 당연하게 여깁니다. 단일 모드는 1260-1650nm의 파장, 특히 1310nm 대역 근처 및 1550nm 대역 근처의 파장에 해당합니다.
광통신 산업은 수십 년 동안 발전해 왔으며 업계 사람들은 통신 중 효율성을 개선해야하므로 매일 상식을 반복하지 않을 것입니다. 그러나 우리는 우연히 파장이 1550nm인 멀티모드 레이저와 1310nm인 멀티모드 레이저가 있다는 것을 알고 있습니다. 어떻게 이런 일이 발생합니까? 실제로 850nm는 단일 모드 레이저로도 만들 수 있습니다.
단일 모드는 단일 가로 모드를 나타내고 다중 모드는 업계에서 다중 가로 모드를 나타냅니다. 실제로 파장은 세로 모드의 특성을 나타내며 단일 세로 모드와 다중 세로 모드로 나눌 수 있습니다. 즉, 단일 파장 또는 다중 파장 레이저입니다. 이 파장은 구체적으로 "증폭된" 파장을 의미합니다. 레이저는 간섭 증폭 원리에 기반한 광학 증폭기입니다. 많은 사람들이 레이저가 "일관된" 빛을 방출한다고 말합니다.
단일 모드와 다중 모드에 해당하는 파장은 무엇입니까? 따라서 (유도 방출) 광 증폭기의 단일 가로 모드 또는 다중 가로 모드와 세로 모드의 출력 범위 사이의 관계는 무엇입니까?
대답: 이론상 상응하는 관계는 없습니다. 이 둘은 1310차원적 고려 사항에서 직교합니다. 850nm 레이저는 단일 가로 모드 또는 다중 가로 모드일 수 있습니다. 마찬가지로 1550nm 및 XNUMXnm 레이저는 단일 가로 모드 또는 다중 가로 모드로 설계할 수 있습니다.
그러나 특정 산업 체인이 실제 응용 프로그램에서 형성되어 일부 특수 시나리오에서 최고의 비용 성능을 발휘한다는 점을 고려해야 합니다. 예를 들어, 광섬유 통신 기반 시나리오에서 850nm 파장의 다중 횡단 모드 레이저는 저비용 이점이 있고, 1310nm 또는 1550nm 기반 단일 횡단 모드 레이저는 저분산/저속 전송 성능이 우수합니다. 광섬유의 손실.
예를 들어 라이더 산업에서 에지 방출 레이저의 경우 TOF 또는 AM 시나리오에서 단일 가로 모드의 특성을 고려할 필요가 없습니다. 다중 모드 EEL 에지 방출 장파장 레이저를 제조하여 출력을 높이고 눈의 안전 위험을 줄일 수 있습니다. 빛은 투과 방향을 가지며, 투과 방향에 따른 모드는 레이저의 "시간 간섭"에 기반한 주파수 종속 특성인 세로 모드입니다.
레이저의 빛 투과 방향
전송 방향에 수직인 단면의 광 필드 분포는 가로 모드이며, 레이저의 "공간 간섭"에 의해 형성되는 일부 분포 특성을 기반으로 합니다.
레이저를 설계하는 사람이라면 누구나 레이저 공식-시간 및 공간 솔루션에 두 가지 솔루션이 있다는 것을 알고 있습니다.
레이저의 시공간 차원
가로 모드는 공간의 에너지 분포를 기반으로 합니다. 이것은 실생활에서 볼 수 있는 분포이며 나중에 이야기하겠습니다. 세로 모드는 시간에 따른 에너지 분포이며 빛은 빛의 속도로 전송되며 파장, (빛) 속도, 변동 시간 및 거리의 여러 매개 변수가 있습니다. 파장은 눈으로 볼 수 없기 때문에 스펙트로미터로 테스트를 해야 하는데, 실제로는 광학 분광계입니다. 빛의 주파수 x 빛의 파장 = 진공 C에서의 빛의 속도, 여기서 C는 상수입니다. 따라서 주파수는 스펙트럼 분석기로 테스트할 수 있으며(예: ~300THz는 1.3μm 파장에 해당하고 ~200THz는 1.5μm 파장에 해당) 파장을 계산할 수 있습니다.
빛의 전달은 파동의 전달
이 맥락에서 우리가 말하는 파장은 구체적으로 파장 범위를 의미합니다.
파장은 범위입니다
파장 범위는 이득 물질에 의해 결정됩니다. 이 범위에서 간섭을 위한 특정 파장을 선택하는 것은 공명 공동의 기능입니다. 간섭은 증폭에서 역할을 할 수 있습니다.
공명 공동은 공동 길이를 갖는다. DFB 및 VCSEL의 격자는 모두 "작은" 캐비티 길이입니다. 공동 길이와 빛의 파동 속도는 빛의 반사 시간을 계산하는 데 사용할 수 있으며 시간에 따른 간섭은 세로 모드입니다. 이러한 종단 모델은 우리의 맥락에서 다른 강조점을 가지고 있습니다.
VCSEL, DFB, EML 및 기타 칩과 같은 광 트랜시버에서 대부분의 레이저가 선택하는 공진 캐비티와 게인이 함께 만들어집니다. 공진기(간섭 증폭을 위한 공동)는 증폭되는 파장을 결정합니다. 공진 캐비티와 게인 재료는 VCSEL용 GaAs 재료 시스템, DFB용 InP 재료 시스템 등과 같은 동일한 유형의 재료 시스템을 선택합니다.
공진 공동 및 이득 재료는 이득을 위한 GaAs 시스템과 공진 공동을 위한 실리콘과 같은 서로 다른 시스템을 채택합니다. 이것은 화웨이가 실리콘 기판에 에피택셜 GaAs를 만들고 OFC2023에서 InAs 양자점을 만드는 공정 또는 HP의 실리콘 기반 양자점 레이저입니다. 이득에 InP를 사용하고 공진기에 실리콘을 사용하는 것이 Intel의 실리콘 기반 통합 레이저입니다. 게인 재료: 파장의 범위를 결정합니다. 공진기와 게인 재료가 독립적으로 생산될 때 우리는 외부 캐비티 레이저, 즉 "게인 부분과 독립적인" 공진기로 구성된 레이저를 갖게 됩니다.
다시 가로 모드로 돌아가서 단일 모드와 다중 모드는 특히 업계에서 가로 모드를 의미하며 공간의 에너지 분포를 의미합니다. 단일 모드와 다중 모드는 광섬유 통신에서 중요하지만 LiDAR의 TOF 방식에서는 그렇지 않습니다. 다중 에너지 피크가 있는 경우, 즉 다중 모드이고 하나의 에너지 피크만 단일 모드입니다. 공간적 변동은 눈으로 볼 수 있으며, 레이저 포인터가 화면에 비춰지면 가로 모드의 구현인 밝은 점의 분포를 볼 수 있습니다.
레이저 스폿 분포의 가로 모드
광 트랜시버의 VCSEL은 다중 모드 레이저로, 여러 개의 밝은 점이 있음을 의미합니다. VCSEL은 수직 공동 표면 방출 레이저라고 합니다. 수직 캐비티 표면은 웨이퍼의 상대 좌표를 나타냅니다. 공명 공동은 웨이퍼 표면에 수직이며 수직 공동이라고 합니다. 공진기의 방향은 레이저의 출력 방향과 관련이 있으며, 특별한 처리 없이 레이저의 광 출력 방향을 결정합니다. 표면 방출 또는 바닥 방출일 수 있는 웨이퍼 표면에 수직인 방출을 실현할 수 있습니다.
단일 모드 레이저는 일반적으로 측면, 즉 왼쪽이나 오른쪽 또는 양쪽에서 동시에 방출됩니다. 에지 방출의 경우 빛의 출력 방향은 별도의 추가 처리 없이 가로 공진 공동에 의해 구현되고, 출력 파장 범위는 게인 물질에 의해 구현되며 가로 스폿은 출력 도파관의 공간 구조에 의해 결정됩니다.
단일 모드를 제한하는 데 사용되는 두 가지 일반적인 유형의 도파관 구조
빛의 공간도 "변동"합니다. 너비가 적절하면 여러 개의 밝은 점이 없습니다. 대부분의 광통신 레이저의 설계는 InP 재료 시스템의 도파관 폭이 약 2μm이며 이는 단일 모드 제한을 위한 일반적인 구조입니다.
일반적이기 때문에 유일한 것은 아닙니다. 공간이 한정된 구조를 넓히면 여러 가지 가로 모드가 나타납니다. 이것은 초기에 레이저에서 일반적이었습니다. 나중에 광통신에서 단일 모드를 만드는 것이 쉬워졌고 사람들은 그것을 잊었습니다.
최근 몇 년 동안 사람들은 출력 전력을 증가시켜야 하기 때문에 다시 도파관을 넓히는 것에 대해 이야기하고 있습니다. 예를 들어, FiberMall은 다중 모드를 사용하여 DFB+SOA 캐스케이드를 실현한 다음 가상 웨이스트를 사용하여 단일 모드를 실현합니다. 그리고 Huawei가 최근 몇 년 동안 만든 5μm 폭 레이저는 본질적으로 출력 전력을 증가시키기 위한 다중 횡단 모드입니다. 또 다른 예는 LiDAR 분야의 TOF 방식으로, 단일 모드와 다중 모드보다 계정 높은 전력을 선호합니다. 광섬유를 통해 전송될 필요가 없으므로 이러한 측면을 고려할 필요가 없습니다. 다음 그림은 가장자리 방출을 만들기 위해 도파관 폭이 매우 넓게 늘어난 다중 횡단 모드 레이저입니다.
LiDAR용 에지 방출 멀티모드 레이저
요약하면, 에지 방출 레이저 측면에서 광섬유 통신은 실현될 수 있는 단일 모드에 대한 요구 사항을 가지고 있습니다. 일부 애플리케이션 시나리오에는 로컬 다중 모드 설계가 있으며 단일 모드를 다시 복원하려면 추가 처리가 필요합니다. 이 행위는 본질적으로 광섬유 통신의 요구를 충족시키기 위한 것입니다.
상업용 고체 유리 광섬유의 통신 기술에는 최적의 전송 대역이 있다는 논리다. (Hollow-core fiber는 이 대역의 영향을 받지 않으며, OFC2023은 hollow-core fiber의 진행 정도를 알려줍니다.) 그리고 이 파장 범위를 충족하고 단일 모드를 구현할 수 있는 재료는 InGaAsP/InP 또는 AlGaInAs/InP뿐입니다. 이 재료 시스템은 수직 캐비티 표면 방출 구조에서 단일 모드 출력을 달성할 수 없으며 높은 신뢰성을 갖춘 대규모 산업 제조도 달성할 수 없습니다. 따라서 사람들은 비우호적인 광경로 출력 구조인 edge emission을 선택해야 합니다.
도파관 구조는 단일 모드인지 다중 모드인지를 결정합니다.
표면 방출은 매우 저렴하고 이론적으로 단일 모드 출력을 달성할 수 있지만 업계는 대규모의 장기적이고 안정적이며 신뢰할 수 있는 제조를 달성할 수 없습니다. 이는 이 프로세스 흐름에서 트렌치 식각 때문입니다. 그루브는 전류 경로를 안내하는 데 사용되는 측면 산화를 위해 에칭됩니다.
VCSEL 프로세스 흐름
표면의 기밀 코팅을 들어 올리면 에칭된 홈이 보입니다. 이 홈은 측면을 통해 산화되어 내부 전류 입력을 형성하고 빛을 방출합니다. 빛 구조가 직경 1.xμm로 줄어들면 공간 차원에서 "단일 모드"로 제한될 수 있습니다. 그러나 이 구멍에는 공진 공동인 DBR 층도 있는데, 이는 공진 후 빛의 반사를 제어하고 증폭을 방해해야 합니다. DBR 층에는 수십 개의 층이 필요합니다. 섬이 작을수록 단일 모드를 달성할 가능성이 높아지지만 공진 공동의 신뢰성에 숨겨진 위험이 발생합니다. 올해 본 50G 및 100G VCSEL에서 밀폐 구멍의 직경은 약 5~6μm입니다.
단일 모드 또는 다중 모드는 도파관 구조에 의해 결정됩니다.
위에서 언급한 수많은 방법은 VCSEL이 이론적으로 단일 모드가 될 수 있으며 현재 다중 모드 상태에서 단일 모드를 달성하기 위한 많은 보조 처리 모드가 있음을 보여줍니다. 그러나 업계의 기대는 저비용 및 대규모 제조이므로 다중 모드가 업계의 선택입니다.
사람들은 현재 50G VCSEL 또는 100G VCSEL을 선택하는 것을 선호합니다. 다양한 온도, 다양한 전류 및 다양한 작업 시간에서 단일 모드를 유지하려면 제품에 대한 높은 압력에 직면하게 됩니다.
대체로 기술적으로 단일 또는 다중 모드와 파장은 독립적으로 설계됩니다. 가로 모드는 일반적으로 핀홀 회절의 공간 구조에 의해 제한됩니다. 파장은 이득층과 공진 공동에 의해 공동으로 영향을 받으며, 이득 물질이 주된 원인입니다.
적용 측면에서 업계에는 파장 및 모드 요구 사항이 있습니다. 단일 모드 InP 레이저, 특히 거리가 500미터 이상이고 수천 킬로미터 이내인 레이저는 성능 이점이 있지만 InP 가장자리 방출 레이저는 비용 이점이 없습니다. 다중 모드 VCSEL 레이저는 단일 모드 레이저에 비해 낮은 비용을 자랑하지만 성능은 떨어집니다. 180m 거리에서 사용할 수 있습니다. 파장 면에서도 이점이 없습니다.
Lidar는 파장에 대한 요구 사항이 있는 반면 일부 테스트 체계는 가로 모드에 대한 요구 사항이 없으므로 장파장 다중 모드 설계가 등장했습니다. 방금 언급한 것은 주류 솔리드 코어 유리 광섬유를 위한 통신입니다. 할로우 코어 광섬유의 경우 모드에 대한 요구 사항이 있지만 파장에 대한 제한이 적기 때문에 GaAs 재료를 사용하는 1060nm 단일 모드 레이저와 같은 단파장 단일 모드 솔루션이 제공됩니다. 에지 방출 시스템.