Typy laserów: VCSEL, FP, DFB, EML, przestrajalne, SiPh

Sześć rodzajów źródeł światła pokrywa praktycznie każdy produkowany transceiver optyczny. Różnią się sposobem generowania światła, sposobem modulacji, czystością długości fali — a więc kosztem, zasięgiem i światłowodem, do którego pasują.

W skrócie

Laser	Struktura	Długości fali	Światłowód	Modulacja	Klasa zasięgu	Chłodzenie	Koszt
VCSEL	wnęka pionowa, emisja z powierzchni	850 nm (także 880–940 SWDM)	wielomodowy	bezpośrednia, do 25G NRZ / 50–100G PAM4	70–550 m	nie	najniższy
FP	krawędziowy Fabry–Pérot, widmo wielomodowe	1310 nm	jednomodowy	bezpośrednia, ≤ 2,5–10G	2–10 km	nie	niski
DFB	krawędziowy z wbudowaną siatką → jedna długość fali	1310, 1550, CWDM, DWDM	jednomodowy	bezpośrednia (DML), do 10–25G NRZ, 50G PAM4	10–40 km	nie (CWDM) / tak (DWDM)	średni
EML	DFB + modulator elektroabsorpcyjny na jednym chipie	1310, 1550, LAN-WDM, CWDM	jednomodowy	zewnętrzna, 25–100G+ na linię	10–80 km	zwykle tak	wysoki
Przestrajalny	DBR / wnęka zewnętrzna / ITLA	dowolny kanał DWDM, pasmo C	jednomodowy	zewnętrzna (EML lub MZM)	80 km → koherentnie 1000 km+	tak	najwyższy
SiPh	laser CW InP + krzemowy modulator Macha-Zehndera lub pierścieniowy	1310 (DR/PSM), 1550 (koherentnie)	jednomodowy	zewnętrzna, 100–200G na linię	500 m → koherentnie	laser CW często chłodzony	średni przy dużej skali

VCSEL — laser z pionową wnęką i emisją z powierzchni

Światło wychodzi prostopadle do płytki, więc VCSEL-e są testowane na płytce, wykonywane w matrycach i sprzęgane ze światłowodem wielomodowym prostymi soczewkami. To najtańsze i najmniej energochłonne lasery — powód, dla którego optyka krótkiego zasięgu (SX, SR, SR4, SR8, AOC) kosztuje tyle, ile kosztuje. Ograniczenia: tylko 850 nm na światłowodzie wielomodowym, więc zasięg wyznacza pasmo modowe — z grubsza 550 m przy 1G, 300–400 m przy 10G na OM3/OM4, 100 m przy 25G, 70–100 m przy 50G PAM4. Szybkość na linię ma sufit blisko 100G PAM4, dlatego 800G SR8 było ostatnią generacją VCSEL planowaną na dużą skalę. Zobacz chip-on-board.

FP — Fabry–Pérot

Najprostszy laser krawędziowy: dwie łupane fasety tworzą wnękę, a generacja zachodzi jednocześnie na kilku modach podłużnych. To szerokie widmo rozmywa się w światłowodzie (dyspersja chromatyczna), więc lasery FP są ograniczone do niskich szybkości i krótkich zasięgów jednomodowych — 1000BASE-LX na 10 km, 2 km przy 2,5G. Tanie, niechłodzone, dziś w większości przestarzałe.

DFB — z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym

Siatka wytrawiona wzdłuż obszaru czynnego wymusza pojedynczy mod podłużny: wąską szerokość linii, stabilną długość fali i moc wystarczającą na 10–40 km. Bezpośrednio modulowane (DML) DFB są koniem roboczym 10G LR, 25G LR, CWDM4 i kolorowych SFP CWDM; dryf ~0,1 nm/°C jest do przyjęcia dla pojedynczej długości fali albo odstępu CWDM 20 nm, więc pracują bez chłodzenia. Dla DWDM ten sam laser umieszcza się na TEC, żeby utrzymać slot 50 GHz. Modulacja bezpośrednia dodaje chirp — długość fali przesuwa się przy przełączaniu prądu — co poprzez dyspersję ogranicza zasięg DML przy 10G do około 40 km, a przy 25G do około 10 km.

EML — laser z modulacją zewnętrzną

EML utrzymuje DFB w pracy ciągłej (CW) i moduluje światło modulatorem elektroabsorpcyjnym (EAM) zintegrowanym na tym samym chipie. Brak chirpu od lasera, wysoki współczynnik wygaszenia i szybkości 25G/50G/100G na linię czynią z EML wybór dla 10G ER/ZR, 100G LR4/ER4 (cztery EML LAN-WDM), 400G FR4/LR4/DR4 i 800G. Zwykle chłodzony dla stabilności długości fali; wyższy koszt i pobór mocy niż DFB.

Lasery przestrajalne

Dla DWDM bez magazynu 96 kolorowych numerów katalogowych — źródło przestrajalne: laser DBR (strojony prądem w sekcjach siatki), laser z wnęką zewnętrzną, albo ITLA — integrable tunable laser assembly — z wariantami micro-ITLA i nano-ITLA na tyle małymi, że mieszczą się w SFP+ i QSFP-DD. Strojenie jest termiczne albo elektryczne w całym paśmie C; stabilizator długości fali utrzymuje kanał. Zobacz Przestrajalne transceivery DWDM.

Fotonika krzemowa (SiPh)

Krzem nie potrafi generować akcji laserowej, ale świetnie potrafi modulować i prowadzić światło. Transceiver SiPh używa zewnętrznego lasera CW InP (jeden laser może zasilać kilka linii) oraz krzemowego chipu z modulatorami Macha-Zehndera albo pierścieniowymi, falowodami, multiplekserem WDM i często germanowymi fotodiodami. Masowa produkcja CMOS, mały rozmiar i łatwa integracja czynią SiPh dominującym w 100G PSM4/DR, 400G DR4, 800G DR8 oraz w modulatorach koherentnych 400ZR/ZR+. Laser pozostaje tą częścią InP, która się starzeje.

Modulacja bezpośrednia a zewnętrzna

	Bezpośrednia (DML: VCSEL, FP, DFB)	Zewnętrzna (EML, MZM)
Jak	przełączanie prądu lasera	laser stale włączony; modulowany osobny element
Chirp	tak → dyspersja ogranicza zasięg	pomijalny
Współczynnik wygaszenia	umiarkowany (3–6 dB)	wysoki (8–10 dB+)
Szybkość na linię	do ~25G NRZ / 50G PAM4	100G+ PAM4, koherentnie
Koszt, moc	niższy	wyższy

Jak rozpoznać, co jest w module

Bajty identyfikacyjne niewiele mówią o laserze wprost, ale trzy pola go sugerują: długość fali (850 → VCSEL; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh; 1550/DWDM → DFB/EML/przestrajalny), kod zasięgu i szybkość. DDM potwierdza obraz: prąd polaryzacji Tx dla VCSEL wynosi kilka mA, dla DFB 20–60 mA, dla chłodzonego EML jeszcze więcej, a rosnący przez miesiące prąd polaryzacji to starzenie się lasera (Awarie). To, jaki laser pasuje do jakiego formatu obudowy i szybkości, jest zestawione w Lasery według formatu obudowy i szybkości transmisji.

Jak starzeje się każdy typ lasera i jak wygląda jego prąd polaryzacji w DDM na przestrzeni życia: Prąd polaryzacji Tx i starzenie lasera.

Jak lasery są obudowywane, justowane i chronione przed odbiciami: Obudowy optyczne; jak cztery z nich dzielą jeden światłowód i jak lasery DWDM utrzymują swoją długość fali: WDM wewnątrz modułu.

Dryf długości fali, próg i żywotność w zależności od temperatury oraz klasy komercyjne/przemysłowe na nich oparte: Klasy temperaturowe.

Jak szerokość widma i chirp tych laserów przekładają się na kary dyspersji chromatycznej i ograniczenia zasięgu: Dyspersja i szerokość pasma.

Jeśli znajdziesz nieścisłość lub błąd w tym materiale, zaznacz odpowiedni fragment i naciśnij Ctrl+Enter, aby .