Lasers per vormfactor en datasnelheid

Welke laser zich in een module bevindt, wordt door twee zaken bepaald — de snelheid per lane die de laser moet moduleren en het bereik dat hij moet afleggen — en beide zijn met elke generatie vormfactor toegenomen. Deze pagina beschrijft de laser- en ontvangertechnologie die bij elke stap wordt gebruikt, van 1G GBIC's tot 800G OSFP's.

De vuistregel

De snelheid werkt in dezelfde richting: tot 10G volstaat een direct gemoduleerde laser; bij 25G zit DML aan de grens en nemen EML/VCSEL-25G het over; vanaf 50G PAM4 per lane zijn EML- of siliciumfotonische modulatoren dominant; bij 100G+ per lane bereiken VCSELs hun limiet.

Generatie voor generatie

1G — GBIC en SFP (jaren 1990 → )

Het multimodespectrum van de FP-laser was aanvaardbaar bij 1,25 Gb/s; VCSELs maakten 1G multimode-optiek vrijwel gratis. Zie GBIC, SFP.

10G — XFP, SFP+ (2002 → )

Bij 10G werden de EML en de APD standaard voor alles boven 10 km, en maakte de CDR in de module van XFP plaats voor het hostontwerp van SFP+ (XFP, SFP+).

25G — SFP28 (2015 → )

RS-FEC arriveert met 25G, waardoor goedkopere lasers bij het pre-FEC BER-punt aan de specificatie voldoen.

40G — QSFP+ (2010 → )

De eerste parallelle optiek voor de massamarkt; VCSEL-arrays op een board met een lensarray en MPO-ferrule vormden het patroon voor elke SR4/SR8 sindsdien (QSFP+, Chip-on-board-behuizing (COB)).

100G — QSFP28 (2015 → )

100G is de generatie waarin siliciumfotonica in serieproductie kwam (PSM4, DR) en waarin het onderscheid tussen ongekoelde DFB (CWDM4, 2 km) en gekoelde EML (LR4, 10 km) de prijsindeling bepaalde (QSFP28).

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

PAM4 maakt de DSP onderdeel van elke module en brengt lasers naar 100G per lane — het domein van EML en SiPh (QSFP-DD, OSFP).

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

Overkoepelende trends

1. Van directe naar externe modulatie — DML voor ≤ 25G, EML/MZM daarboven.
2. Van één laser per lane naar één laser per module — SiPh splitst een CW-bron over lanes.
3. Van hermetische TO-cans naar kale dies — Chip-on-board-behuizing (COB) voor parallelle optiek, SiPh-integratie voor singlemode.
4. Het bereik van VCSEL krimpt naarmate de snelheid stijgt — 550 m bij 1G, 100 m bij 25G, 50–100 m bij 100G; singlemode DR neemt zelfs korte datacenterlinks over.
5. Coherent komt in insteekmodules — de transportontvanger past nu in een QSFP-DD.
6. Vermogen is de nieuwe limiet — gekoelde EMLs, DSPs en ITLAs brengen 400G/800G-modules op 15–20 W, wat LPO en co-packaged optics stimuleert.

Waarom dit relevant is voor codering en diagnostiek

De identiteitsbytes die een switch leest — golflengte, bereik, conformiteitscode — vormen een indicatie van de laser binnenin. Een VCSEL SR4-module als LR4 coderen verandert de 850 nm-lasers niet; de host verwacht singlemodebereik dat de module niet kan leveren. Ook verschilt de DDM-signatuur per lasertype — de paar mA bias van een VCSEL tegenover de tientallen mA plus een TEC van een EML — zodat een biaswaarde die voor de ene ‘normaal’ is, voor de andere een alarm is (Lasertypen, Ontvangers).

De signaalverwerkingskant van hetzelfde verhaal — van begrenzende versterkers tot DSPs, LPO en coherent — staat in Modulatie & DSP; de verpakkingskant in Optische verpakking.