Types de laser : VCSEL, FP, DFB, EML, accordable, SiPh

Six types de sources lumineuses couvrent pratiquement tous les transceivers optiques fabriqués. Ils diffèrent par la façon dont la lumière est générée, dont elle est modulée, par la pureté de la longueur d’onde — et donc par le coût, la portée et la fibre auxquels ils conviennent.

En un coup d’œil

VCSEL — laser à émission de surface à cavité verticale

La lumière sort perpendiculairement à la plaquette, si bien que les VCSEL sont testés sur la plaquette, fabriqués en matrices et couplés à la fibre multimode avec des lentilles simples. Ce sont les lasers les moins chers et les moins gourmands en puissance, ce qui explique le coût de l’optique courte portée (SX, SR, SR4, SR8, AOC). Limites : 850 nm uniquement sur fibre multimode, donc la portée est fixée par la bande passante modale — environ 550 m à 1G, 300–400 m à 10G sur OM3/OM4, 100 m à 25G, 70–100 m à 50G PAM4. Le débit par voie plafonne près de 100G PAM4, ce qui explique pourquoi le 800G SR8 a été la dernière génération de VCSEL prévue à grande échelle. Voir chip-on-board.

FP — Fabry-Pérot

Le laser à émission par la tranche le plus simple : deux facettes clivées forment la cavité, et il émet simultanément sur plusieurs modes longitudinaux. Ce spectre large s’étale dans la fibre (dispersion chromatique), si bien que les lasers FP sont limités à de faibles débits et à de courtes portées en monomode — 1000BASE-LX à 10 km, 2 km à 2.5G. Bon marché, non refroidi, aujourd’hui essentiellement hérité.

DFB — rétroaction répartie

Un réseau gravé le long de la région active impose un mode longitudinal unique : largeur de raie étroite, longueur d’onde stable, et assez de puissance pour 10–40 km. Les DFB à modulation directe (DML) sont la solution de référence des SFP 10G LR, 25G LR, CWDM4 et CWDM colorés ; une dérive de ~0,1 nm/°C convient pour une longueur d’onde unique ou un espacement CWDM de 20 nm, si bien qu’ils fonctionnent non refroidis. Pour le DWDM, le même laser est placé sur un TEC pour tenir un créneau de 50 GHz. La modulation directe ajoute du chirp — la longueur d’onde se déplace quand le courant commute — ce qui, via la dispersion, limite la portée du DML à environ 40 km à 10G et à environ 10 km à 25G.

EML — laser à modulation externe

Un EML maintient le DFB en fonctionnement continu et module la lumière avec un modulateur à électro-absorption (EAM) intégré sur la même puce. L’absence de chirp du laser, un taux d’extinction élevé et des débits de 25G/50G/100G par voie font de l’EML le choix privilégié pour le 10G ER/ZR, le 100G LR4/ER4 (quatre EML LAN-WDM), le 400G FR4/LR4/DR4 et le 800G. Généralement refroidi pour la stabilité de la longueur d’onde ; coût et consommation plus élevés que le DFB.

Lasers accordables

Pour du DWDM sans avoir à stocker 96 références colorées différentes, il existe une source accordable : un laser DBR (accordé par le courant injecté dans des sections de réseau), un laser à cavité externe, ou un ITLA — ensemble laser accordable intégrable — avec des variantes micro-ITLA et nano-ITLA assez petites pour le SFP+ et le QSFP-DD. L’accord est thermique ou électrique sur toute la bande C ; un verrouilleur de longueur d’onde maintient le canal. Voir Transceivers DWDM accordables.

Photonique silicium (SiPh)

Le silicium ne peut pas émettre par effet laser, mais il peut moduler et router la lumière extrêmement bien. Un transceiver SiPh utilise un laser CW InP externe (un seul laser peut alimenter plusieurs voies) et une puce en silicium portant des modulateurs Mach-Zehnder ou en anneau, des guides d’onde, un mux WDM et souvent les photodiodes au germanium. La fabrication CMOS en volume, la petite taille et l’intégration facile rendent le SiPh dominant dans le 100G PSM4/DR, le 400G DR4, le 800G DR8 et dans les modulateurs cohérents du 400ZR/ZR+. Le laser reste la partie InP qui vieillit.

Modulation directe face à externe

Comment savoir ce que contient un module

Les octets d’identité ne disent pas grand-chose du laser directement, mais trois champs le laissent deviner : la longueur d’onde (850 → VCSEL ; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh ; 1550/DWDM → DFB/EML/accordable), le code de portée et le débit. Le DDM confirme le tableau : la polarisation Tx d’un VCSEL se situe à quelques mA, celle d’un DFB à 20–60 mA, celle d’un EML refroidi encore plus haut, et une polarisation qui augmente sur plusieurs mois est le signe du vieillissement du laser (Défaillances). La correspondance entre laser, facteur de forme et débit est cartographiée dans Lasers par facteur de forme et débit.

Comment chaque type de laser vieillit et à quoi ressemble son courant de polarisation en DDM au fil de sa vie : Polarisation Tx et vieillissement du laser.

Comment les lasers sont mis en boîtier, alignés et protégés des réflexions : Boîtiers optiques ; comment quatre d’entre eux partagent une même fibre et comment ceux en DWDM maintiennent leur longueur d’onde : WDM à l’intérieur du module.

Dérive de la longueur d’onde, seuil et durée de vie en fonction de la température, et les grades commercial/industriel construits sur cette base : Grades de température.

Comment la largeur spectrale et le chirp de ces lasers se traduisent en pénalités de dispersion chromatique et en limites de portée : Dispersion et bande passante.