Tipi di laser: VCSEL, FP, DFB, EML, sintonizzabili, SiPh

Sei tipi di sorgente luminosa coprono praticamente ogni ricetrasmettitore ottico prodotto. Differiscono per come la luce viene generata, come viene modulata, quanto è pura la lunghezza d’onda — e quindi per costo, portata e fibra a cui si adattano.

Panoramica

VCSEL — laser a cavità verticale ed emissione superficiale

La luce esce perpendicolarmente al wafer, quindi i VCSEL vengono testati sul wafer, realizzati in matrici e accoppiati alla fibra multimodale con lenti semplici. Sono i laser più economici e a più bassa potenza, il motivo per cui l’ottica a corto raggio (SX, SR, SR4, SR8, AOC) costa quanto costa. Limiti: solo 850 nm su fibra multimodale, quindi la portata è fissata dalla larghezza di banda modale — circa 550 m a 1G, 300–400 m a 10G su OM3/OM4, 100 m a 25G, 70–100 m a 50G PAM4. La velocità per lane è limitata vicino a 100G PAM4, il motivo per cui 800G SR8 è stata l’ultima generazione di VCSEL pianificata su scala. Vedi chip-on-board.

FP — Fabry–Pérot

Il laser a emissione laterale più semplice: due facce clivate formano la cavità ed emette contemporaneamente su più modi longitudinali. Questo spettro ampio si allarga nella fibra (dispersione cromatica), quindi i laser FP sono limitati a velocità basse e portate monomodali corte — 1000BASE-LX a 10 km, 2 km a 2,5G. Economico, non raffreddato, oggi in gran parte legacy.

DFB — retroazione distribuita

Un reticolo inciso lungo la regione attiva impone un singolo modo longitudinale: larghezza di riga stretta, lunghezza d’onda stabile ed energia sufficiente per 10–40 km. I DFB a modulazione diretta (DML) sono il cavallo di battaglia di 10G LR, 25G LR, CWDM4 e degli SFP CWDM colorati; una deriva di ~0,1 nm/°C va bene per una singola lunghezza d’onda o per una spaziatura CWDM di 20 nm, quindi funzionano non raffreddati. Per il DWDM lo stesso laser viene montato su un TEC per mantenere uno slot da 50 GHz. La modulazione diretta aggiunge chirp — la lunghezza d’onda si sposta quando la corrente commuta — che tramite la dispersione limita la portata DML a circa 40 km a 10G e a circa 10 km a 25G.

EML — laser a modulazione esterna

Un EML mantiene il DFB in funzionamento a onda continua e modula la luce con un modulatore a elettroassorbimento (EAM) integrato sullo stesso chip. L’assenza di chirp dal laser, l’alto rapporto di estinzione e le velocità per lane di 25G/50G/100G rendono l’EML la scelta per 10G ER/ZR, 100G LR4/ER4 (quattro EML LAN-WDM), 400G FR4/LR4/DR4 e 800G. Di solito raffreddato per la stabilità della lunghezza d’onda; costo e potenza più alti del DFB.

Laser sintonizzabili

Per il DWDM senza tenere a magazzino 96 codici colore diversi, una sorgente sintonizzabile: un laser DBR (sintonizzato per corrente su sezioni a reticolo), un laser a cavità esterna, oppure un ITLA — assieme laser sintonizzabile integrabile — con varianti micro-ITLA e nano-ITLA abbastanza piccole per SFP+ e QSFP-DD. La sintonizzazione è termica o elettrica sulla banda C; un wavelength locker mantiene il canale. Vedi Ricetrasmettitori DWDM sintonizzabili.

Fotonica al silicio (SiPh)

Il silicio non può emettere in modo laser, ma può modulare e instradare la luce molto bene. Un ricetrasmettitore SiPh usa un laser CW InP esterno (un laser può alimentare più lane) e un chip in silicio che porta modulatori Mach-Zehnder o ad anello, guide d’onda, mux WDM e spesso i fotodiodi al germanio. La produzione CMOS di volume, le dimensioni ridotte e la facile integrazione rendono il SiPh dominante in 100G PSM4/DR, 400G DR4, 800G DR8 e nei modulatori coerenti di 400ZR/ZR+. Il laser resta la parte in InP che invecchia.

Modulazione diretta vs esterna

Come capire cosa contiene un modulo

I byte di identità dicono poco sul laser direttamente, ma tre campi lo suggeriscono: lunghezza d’onda (850 → VCSEL; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh; 1550/DWDM → DFB/EML/sintonizzabile), codice di portata e velocità. La DDM conferma il quadro: il bias Tx per un VCSEL si trova a pochi mA, per un DFB a 20–60 mA, per un EML raffreddato ancora più alto, e un bias in aumento nel corso dei mesi è l’invecchiamento del laser (Guasti). Quale laser va con quale fattore di forma e velocità è mappato in Laser per fattore di forma e velocità dei dati.

Come invecchia ciascun tipo di laser e come appare la sua corrente di bias nella DDM nel corso della vita utile: Bias Tx e invecchiamento del laser.

Come i laser vengono incapsulati, allineati e protetti dalle riflessioni: Packaging ottico; come quattro di essi condividono una fibra e come quelli DWDM mantengono la propria lunghezza d’onda: WDM dentro il modulo.

Deriva della lunghezza d’onda, soglia e vita utile in funzione della temperatura, e i gradi commerciale/industriale costruiti su di essi: Gradi di temperatura.

Come la larghezza spettrale e il chirp di questi laser si traducono in penalità di dispersione cromatica e limiti di portata: Dispersione e larghezza di banda.