Lasertypen: VCSEL, FP, DFB, EML, durchstimmbar, SiPh

Sechs Arten von Lichtquellen decken praktisch jeden gebauten optischen Transceiver ab. Sie unterscheiden sich darin, wie das Licht erzeugt wird, wie es moduliert wird, wie rein die Wellenlänge ist — und damit in Kosten, Reichweite und der Faser, zu der sie passen.

Auf einen Blick

Laser	Struktur	Wellenlängen	Faser	Modulation	Reichweitenklasse	Kühlung	Kosten
VCSEL	vertikaler Resonator, emittiert von der Oberfläche	850 nm (auch 880–940 SWDM)	Multimode	direkt, bis 25G NRZ/50–100G PAM4	70–550 m	nein	am niedrigsten
FP	kantenemittierender Fabry-Pérot, Multimode-Spektrum	1310 nm	Singlemode	direkt, ≤ 2,5–10G	2–10 km	nein	niedrig
DFB	kantenemittierend mit eingebautem Gitter → eine Wellenlänge	1310, 1550, CWDM, DWDM	Singlemode	direkt (DML), bis 10–25G NRZ, 50G PAM4	10–40 km	nein (CWDM)/ja (DWDM)	mittel
EML	DFB + Elektroabsorptionsmodulator auf einem Chip	1310, 1550, LAN-WDM, CWDM	Singlemode	extern, 25–100G+ je Lane	10–80 km	meist ja	hoch
Durchstimmbar	DBR/externer Resonator/ITLA	jeder DWDM-Kanal, C-Band	Singlemode	extern (EML oder MZM)	80 km → kohärent 1000 km+	ja	am höchsten
SiPh	InP-CW-Laser + Silizium-Mach-Zehnder- oder Ringmodulator	1310 (DR/PSM), 1550 (kohärent)	Singlemode	extern, 100–200G je Lane	500 m → kohärent	CW-Laser oft gekühlt	mittel in Stückzahl

VCSEL — Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser

Das Licht tritt senkrecht zum Wafer aus, sodass VCSEL auf dem Wafer getestet, in Arrays gefertigt und mit einfachen Linsen an Multimode-Faser gekoppelt werden. Sie sind die günstigsten und leistungsärmsten Laser und der Grund, warum Kurzstrecken-Optik (SX, SR, SR4, SR8, AOC) so viel kostet, wie sie kostet. Grenzen: 850 nm nur auf Multimode-Faser, sodass die Reichweite von der modalen Bandbreite bestimmt wird — etwa 550 m bei 1G, 300–400 m bei 10G auf OM3/OM4, 100 m bei 25G, 70–100 m bei 50G PAM4. Die Rate je Lane ist nahe 100G PAM4 gedeckelt, weshalb 800G SR8 die letzte im großen Maßstab geplante VCSEL-Generation war. Siehe Chip-on-Board.

FP — Fabry-Pérot

Der einfachste kantenemittierende Laser: Zwei gespaltene Facetten bilden den Resonator, und er läuft gleichzeitig auf mehreren longitudinalen Moden. Dieses breite Spektrum verbreitert sich in der Faser (chromatische Dispersion), sodass FP-Laser auf niedrige Raten und kurze Singlemode-Reichweiten beschränkt sind — 1000BASE-LX bei 10 km, 2 km bei 2,5G. Günstig, ungekühlt, heute weitgehend Altbestand.

DFB — Distributed Feedback

Ein entlang der aktiven Zone geätztes Gitter erzwingt einen einzelnen longitudinalen Modus: schmale Linienbreite, stabile Wellenlänge und genug Leistung für 10–40 km. Direkt modulierte (DML) DFBs sind das Arbeitspferd von 10G LR, 25G LR, CWDM4 und farbigen CWDM-SFPs; eine Drift von ~0,1 nm/°C ist für eine Einzelwellenlänge oder den 20-nm-CWDM-Abstand unkritisch, weshalb sie ungekühlt laufen. Für DWDM wird derselbe Laser auf ein TEC gesetzt, um einen 50-GHz-Slot zu halten. Direkte Modulation bringt Chirp mit sich — die Wellenlänge verschiebt sich, während der Strom schaltet —, was über Dispersion die DML-Reichweite bei 10G auf etwa 40 km und bei 25G auf etwa 10 km begrenzt.

EML — Externally Modulated Laser

Ein EML hält den DFB im Dauerstrichbetrieb und moduliert das Licht mit einem auf demselben Chip integrierten Elektroabsorptionsmodulator (EAM). Kein Chirp durch den Laser, ein hohes Extinktionsverhältnis und Raten von 25G/50G/100G je Lane machen EMLs zur Wahl für 10G ER/ZR, 100G LR4/ER4 (vier LAN-WDM-EMLs), 400G FR4/LR4/DR4 und 800G. Meist zur Wellenlängenstabilität gekühlt; höhere Kosten und höherer Leistungsbedarf als DFB.

Durchstimmbare Laser

Für DWDM ohne einen Vorrat von 96 farbigen Teilenummern gibt es eine durchstimmbare Quelle: einen DBR-Laser (abgestimmt durch Strom in Gitterabschnitte), einen Laser mit externem Resonator, oder eine ITLA — Integrable Tunable Laser Assembly — mit micro-ITLA- und nano-ITLA-Varianten, die klein genug für SFP+ und QSFP-DD sind. Die Abstimmung erfolgt thermisch oder elektrisch über das C-Band; ein Wellenlängen-Locker hält den Kanal. Siehe Durchstimmbare DWDM-Transceiver.

Silizium-Photonik (SiPh)

Silizium kann nicht lasen, aber es kann Licht extrem gut modulieren und führen. Ein SiPh-Transceiver nutzt einen externen InP-CW-Laser (ein Laser kann mehrere Lanes speisen) und einen Silizium-Chip mit Mach-Zehnder- oder Ringmodulatoren, Wellenleitern, WDM-Mux und oft den Germanium-Fotodioden. Serienreife CMOS-Fertigung, geringe Größe und einfache Integration machen SiPh dominant bei 100G PSM4/DR, 400G DR4, 800G DR8 und in den kohärenten Modulatoren von 400ZR/ZR+. Der Laser bleibt das InP-Teil, das altert.

Direkte vs. externe Modulation

	Direkt (DML: VCSEL, FP, DFB)	Extern (EML, MZM)
Wie	Laserstrom schalten	Laser bleibt an; ein separates Element moduliert
Chirp	ja → Dispersion begrenzt die Reichweite	vernachlässigbar
Extinktionsverhältnis	moderat (3–6 dB)	hoch (8–10 dB+)
Rate je Lane	bis ~25G NRZ/50G PAM4	100G+ PAM4, kohärent
Kosten, Leistungsbedarf	niedriger	höher

Woran sich erkennen lässt, was ein Modul hat

Die Identitäts-Bytes sagen wenig direkt über den Laser aus, aber drei Felder lassen darauf schließen: Wellenlänge (850 → VCSEL; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh; 1550/DWDM → DFB/EML/durchstimmbar), Reichweitencode und Rate. DDM bestätigt das Bild: Tx-Bias liegt bei einem VCSEL bei wenigen mA, bei einem DFB bei 20–60 mA, bei einem gekühlten EML noch höher, und ein über Monate steigender Bias ist die Alterung des Lasers (Ausfälle). Welcher Laser zu welchem Formfaktor und welcher Rate gehört, ist abgebildet in Laser nach Formfaktor und Datenrate.

Wie jeder Lasertyp altert und wie sein Bias-Strom im DDM über die Lebensdauer aussieht: Tx-Bias & Laseralterung.

Wie Laser gehäust, justiert und vor Reflexionen geschützt werden: Optische Gehäusetechnik; wie sich vier von ihnen eine Faser teilen und wie DWDM-Laser ihre Wellenlänge halten: WDM im Modul.

Wellenlängendrift, Schwellwert und Lebensdauer über der Temperatur, und die darauf aufbauenden Commercial-/Industrial-Grades: Temperaturklassen.

Wie spektrale Breite und Chirp dieser Laser zu Strafen durch chromatische Dispersion und zu Reichweitengrenzen werden: Dispersion und Bandbreite.

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