Laser nach Formfaktor und Datenrate

Welcher Laser in einem Modul steckt, entscheiden zwei Größen — die Rate je Lane, die der Laser modulieren muss, und die Reichweite, die er abdecken muss — und beide sind mit jeder Formfaktor-Generation gestiegen. Diese Seite ordnet die Laser- und Empfängertechnik jedem Schritt zu, von 1G-GBICs bis zu 800G-OSFPs.

Die Faustregel

Die Rate treibt in dieselbe Richtung: Bis 10G genügt ein direkt modulierter Laser; bei 25G wird DML grenzwertig, und EML/VCSEL-25G übernehmen; ab 50G PAM4 je Lane dominieren EML- oder Silizium-Photonik-Modulatoren; bei 100G+ je Lane stoßen VCSEL an ihre Grenze.

Generation für Generation

1G — GBIC und SFP (1990er-Jahre → )

Das Multimode-Spektrum des FP-Lasers war bei 1,25 Gbit/s akzeptabel; VCSEL machten 1G-Multimode-Optik fast kostenlos. Siehe GBIC, SFP.

10G — XFP, SFP+ (2002 → )

Bei 10G wurden EML und APD für alles jenseits von 10 km zum Standard, und hier wich der modulinterne CDR des XFP dem hostseitigen Design des SFP+ (XFP, SFP+).

25G — SFP28 (2015 → )

Mit 25G kommt RS-FEC, wodurch günstigere Laser die Spezifikation am Pre-FEC-BER-Punkt erfüllen können.

40G — QSFP+ (2010 → )

Die erste massenmarkttaugliche parallele Optik; VCSEL-Arrays auf einer Platine mit Linsenarray und MPO-Ferrule setzten das Muster für jede SR4/SR8 seither (QSFP+, Chip-on-Board).

100G — QSFP28 (2015 → )

100G ist die Generation, in der Silizium-Photonik in die Serienfertigung einzog (PSM4, DR) und in der die Trennung zwischen ungekühltem DFB (CWDM4, 2 km) und gekühltem EML (LR4, 10 km) die Preisstaffelung festlegte (QSFP28).

200G / 400G — QSFP56, QSFP-DD, OSFP (2019 → )

PAM4 macht den DSP zum Bestandteil jedes Moduls und treibt Laser auf 100G je Lane — Terrain für EML und SiPh (QSFP-DD, OSFP).

800G und 1,6T — OSFP, QSFP-DD800, OSFP-XD (2022 → )

Übergreifende Trends

1. Von direkter zu externer Modulation — DML bis ≤ 25G, darüber EML/MZM.
2. Von einem Laser je Lane zu einem Laser je Modul — SiPh teilt eine CW-Quelle auf die Lanes auf.
3. Von hermetischen TO-Cans zu nackten Dies — Chip-on-Board für parallele Optik, SiPh-Integration für Singlemode.
4. Die VCSEL-Reichweite schrumpft mit steigender Rate — 550 m bei 1G, 100 m bei 25G, 50–100 m bei 100G; Singlemode-DR übernimmt inzwischen sogar kurze Rechenzentrumsstrecken.
5. Kohärente Technik wandert in Pluggables — der Transport-Empfänger passt inzwischen in ein QSFP-DD.
6. Leistung ist die neue Grenze — gekühlte EMLs, DSPs und ITLAs treiben 400G/800G-Module auf 15–20 W, was LPO und Co-Packaged Optics vorantreibt.

Warum das für Codierung und Diagnose wichtig ist

Die Identitäts-Bytes, die ein Switch liest — Wellenlänge, Reichweite, Compliance-Code — stehen stellvertretend für den Laser darin. Ein VCSEL-SR4-Modul als LR4 zu codieren, ändert nichts an seinen 850-nm-Lasern; der Host erwartet dann eine Singlemode-Reichweite, die es nicht liefern kann. Und die DDM-Signatur unterscheidet sich je Lasertyp — der Bias eines VCSEL von wenigen mA gegenüber den zig mA plus TEC eines EML —, sodass ein Bias-Wert, der für den einen „normal“ ist, für den anderen ein Alarm ist (Lasertypen, Empfänger).

Die signalverarbeitende Seite derselben Geschichte — von Begrenzerverstärkern über DSPs bis zu LPO und kohärenter Technik — steht in Modulation & DSP; die Gehäuseseite in Optische Gehäusetechnik.