Типы лазеров: VCSEL, FP, DFB, EML, перестраиваемые, SiPh

Шесть видов источников света покрывают практически все выпускаемые оптические трансиверы. Они различаются тем, как генерируется свет, как он модулируется, насколько чиста длина волны — и, следовательно, ценой, дальностью и подходящим волокном.

Кратко

VCSEL — лазер с вертикальным резонатором

Свет выходит перпендикулярно пластине, поэтому VCSEL тестируются на пластине, делаются матрицами и вводятся в многомодовое волокно простыми линзами. Это самые дешёвые и экономичные лазеры — причина, по которой оптика короткой дальности (SX, SR, SR4, SR8, AOC) стоит столько, сколько стоит. Ограничения: только 850 нм по многомоду, поэтому дальность задаётся модовой полосой — примерно 550 м на 1G, 300–400 м на 10G по OM3/OM4, 100 м на 25G, 70–100 м на 50G PAM4. Скорость на канал упирается в ~100G PAM4, поэтому 800G SR8 — последнее поколение VCSEL, планируемое массово. См. chip-on-board.

FP — Фабри–Перо

Простейший торцевой лазер: две сколотые грани образуют резонатор, и он генерирует сразу на нескольких продольных модах. Широкий спектр расплывается в волокне (хроматическая дисперсия), поэтому FP ограничены низкими скоростями и короткими одномодовыми линиями — 1000BASE-LX на 10 км, 2 км на 2,5G. Дешёвые, неохлаждаемые, сегодня в основном устаревшие.

DFB — с распределённой обратной связью

Решётка, вытравленная вдоль активной области, навязывает одну продольную моду: узкая линия, стабильная длина волны и мощности хватает на 10–40 км. Прямомодулированные (DML) DFB — рабочая лошадка 10G LR, 25G LR, CWDM4 и цветных CWDM SFP; дрейф ~0,1 нм/°C допустим для одной длины волны или разноса CWDM 20 нм, поэтому работают без охлаждения. Для DWDM тот же лазер ставят на TEC, чтобы удержать слот 50 ГГц. Прямая модуляция добавляет чирп — длина волны сдвигается при переключении тока, — что через дисперсию ограничивает дальность DML на 10G примерно 40 км, а на 25G — примерно 10 км.

EML — лазер с внешним модулятором

EML держит DFB в непрерывном режиме и модулирует свет электроабсорбционным модулятором (EAM), интегрированным на том же чипе. Без чирпа от лазера, высокий коэффициент гашения и 25G/50G/100G на канал делают EML выбором для 10G ER/ZR, 100G LR4/ER4 (четыре EML LAN-WDM), 400G FR4/LR4/DR4 и 800G. Обычно охлаждаемый ради стабильности длины волны; дороже и энергозатратнее DFB.

Перестраиваемые лазеры

Для DWDM без склада из 96 цветных парт-номеров — перестраиваемый источник: DBR-лазер (настройка током в секциях решётки), лазер с внешним резонатором или ITLA — integrable tunable laser assembly — с вариантами micro-ITLA и nano-ITLA, достаточно малыми для SFP+ и QSFP-DD. Настройка термическая или электрическая по C-диапазону; захват длины волны удерживает канал. См. Перестраиваемые DWDM-трансиверы.

Кремниевая фотоника (SiPh)

Кремний не умеет лазировать, но отлично умеет модулировать и направлять свет. SiPh-трансивер использует внешний InP CW-лазер (один лазер может питать несколько каналов) и кремниевый чип с модуляторами Маха–Цендера или кольцевыми, волноводами, WDM-мультиплексором и часто германиевыми фотодиодами. Массовое CMOS-производство, малый размер и лёгкая интеграция делают SiPh доминирующей в 100G PSM4/DR, 400G DR4, 800G DR8 и в когерентных модуляторах 400ZR/ZR+. Лазер остаётся той InP-частью, которая стареет.

Прямая и внешняя модуляция

Как понять, что стоит в модуле

Байты идентификации напрямую о лазере говорят мало, но три поля его подразумевают: длина волны (850 → VCSEL; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh; 1550/DWDM → DFB/EML/перестраиваемый), код дальности и скорость. DDM подтверждает картину: ток смещения Tx у VCSEL — единицы мА, у DFB — 20–60 мА, у охлаждаемого EML ещё выше, а рост тока за месяцы — это старение лазера (Отказы). Какой лазер идёт с каким форм-фактором и скоростью — в материале Лазеры по форм-факторам и скоростям.