Виды оптических лазеров

Передатчики

Все полупроводниковые лазеры можно грубо разделить на 2 категории по виду модуляции: с внешней модуляцией и с внутренней (прямой). Вторые встречаются гораздо чаще. В цифровых системах связи, в том числе и оптической, используется простейший формат передачи данных: нулю соответствует выключенное состояние лазера, а единице — активное.

Среди лазеров, использующих прямую модуляцию можно выделить 3 основных типа: Фабри-Перо (FP) лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и вертикально излучающие лазеры (VCSEL).

FP-лазеры самые дешевые, простые в изготовлении и применяются во всех трансиверах с дальностью связи до 20 км.

В диапазоне 1310 нм FP-лазеры изготавливают на подложке из фосфида индия (InP) с активными слоями из InGaAsP. Гетерогенный переход окружен торцевыми поверхностями, одна из которых отражает свет, а вторая полупрозрачна, что обеспечивает выход луча наружу.

 

Ширина спектра FP-лазеров составляет 3 нм, что на самом деле очень много, поэтому на несущей длине волны 1310 нм дальность передачи ограничена 20 км из-за хроматической дисперсии.

В популярном стандарте оптического кабеля G.652 хроматическая дисперсия растет пропорционально длине волны, поэтому на несущей 1550 нм не делали FP-лазеры.

Ситуация изменилась после массового распространения одноволоконных систем, использующих пару несущих 1310/1550. В модулях на 20 км применяют дешевый FP-лазер на 1310 и более дорогой DFB-лазер на 1550. Однако, при дальности передачи 3 км, хроматическая дисперсия не является таким важным фактором, поэтому появились непривычные ранее FP-лазеры, работающие на несущей 1550 нм, главным конкурентным преимуществом которых все также является цена.

На сегодняшний день применение FP чипов для 1,25G модулей выглядит так:

Тип передачи	Длина волны, нм	Тип лазера	Дальность, км
1.25G, MM	1310	FP	0.55
1.25G, SM	1310	FP	3
1.25G, SM	1550	FP	3
1.25G, SM	1490	DFB	20
1.25G, SM	1310	FP	20
1.25G, SM	1550	DFB	20

Как вы заметили, на длинах волн 1490 и 1550 используется DFB-лазер. На расстояниях более 3 км, скорости 1,25G и длинах волн более 1490 нм применяют именно его. Основное отличие FP от DFB в добавлении решетки Брэгга в структуру полупроводника последнего.

Решетка Брэгга действует по принципу дифракционной решетки, позволяя получить интерференционную картину на выходе. Это позволило уменьшить ширину спектра до 0,1 нм и не принимать во внимание влияние хроматической дисперсии при дальности передачи до 200 км.

У DFB лазера есть еще ряд преимуществ: высокая стабильность работы при передаче в одномодовом режиме, уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры и приближающаяся к 1 глубина модуляции. Данный вид лазеров используется на расстоянии от 40 до 160 км.

Естественно, технология изготовления DFB-лазеров сложнее, а значит и выше цена.

Третий вид лазера — VCSEL является самым дешевым из-за особенностей резонатора луча. В отличие от DFB и FP, где резонатор расположен параллельно подложке, в лазере VCSEL он ей перпендикулярен, что позволяет значительно упростить процесс тестирования лазера на производстве и напрямую влияет на цену сборки, и всего модуля соответственно. Однако, процент брака на современных производствах мал настолько, что это не имеет особого значения.

Кроме технологической простоты, лазер VCSEL обладает такими преимуществами как: большая температурная стабильность и маленькое потребление энергии.

VCSEL-лазеры используются в локальных вычислительных сетях, где применяется многомодовое оптическое волокно (ММ). Такие сети постепенно уходят в прошлое, а в связи с широким распространением BiDi одноволоконных систем, стоимость проекта на FP или DFB, может оказаться меньше, чем на VCSEL.

Сравнительная таблица характеристик лазеров с внутренней модуляцией:

Параметр	FP	VCSEL	DFB
Диапазон рабочих длин волн, нм	1310, 1550	850, 1310	1310, 1550
Материал	InGaAsP/InP	GaAs, InGaAsP	InGaAsP/InP
Выходная мощность, мВт	≤10	≤5	≤40
Ширина спектра, нм	3	0.05-0.2	0.1-0.0001
Пороговый ток, мА	5-15	2-4	5-15
Дальность передачи, км (2,5G)	<20	<0.4	<200

Не смотря на главное преимущество лазеров с внутренней модуляцией, цену, у них есть и серьезные недостатки. Главный из них — паразитная частотная модуляция, или чирп (Chirp). Чирп приводит к расширению спектра и сокращению дальности передачи информации.

Однако, построить систему со скоростью даже 10G на лазерах DFB не представляется возможным из-за чирпа и низкой стабильности лазеров. При увеличении скорости передачи возрастает и влияние хроматической дисперсии.

Скорость	Длина волны, нм	Тип лазера	Дальность передачи, км
10G	850	VCSEL	0.3
10G	1310	FP	2
10G	1310	DFB	10
10G	1310	DFB	20
10G	1310	DFB	40
10G	1550	EML	40
10G	1550	EML	80
10G	1550	EML	120

Для передачи на большие расстояния на скорости 10G используется лазер с внешней модуляцией — EML. По технологии производства все EML лазеры можно разделить на 2 группы: на основе электроабсорбционных модуляторов (Electroabsorptive Modulators) и на основе интерферометров Маха-Цендера (Mach-Zehnder Interferometers).

EAM-лазеры изготавливаются преимущественно из фосфида индия (InP). EAM-лазеры способны интегрироваться с DFB-лазерами, располагаясь на одном кристалле. Такие лазеры обычно называют электроабсорбционными модулированными лазерами (Electroabsorptive Modulated Laser, EML).

Они имеют малую инерционность, достаточно узкий спектр и применяются в 10G-40G сетях. Также на их основе изготавливают передатчики в диапазоне 1550 нм на расстояния 40-120 км и модули для оптического уплотнения CWDM/DWDM.

Основным недостатком EML, помимо высокой цены, является высокое тепловыделение. Поэтому для модулей с EML-лазером требуются особые мероприятия по борьбе с избыточным перегревом. Многие недобросовестные производители используют в своих устройствах обычные лазеры (а не дорогие термостабильные), и при этом не делают никаких изменений в форм-факторе (увеличенный корпус, дополнительный радиатор).

Приемники

Приемники устроены гораздо проще передатчиков. Световое излучение преобразуется в электрический ток, усиливается, а затем восстанавливается в исходный сигнал.

Если говорить конкретнее, то при поглощении фотонов образуется электронно-дырочная пара в полупроводнике. При наличии внешнего напряжения такие пары создают электрический ток, называемый фототоком.

Фотодиоды в оптических линиях связи применяются двух типов: PIN (p-n переходные) и APD (avalanche photodiode, лавинный фотодиод). Оба вида достаточно компактны, хорошо стыкуются с оптическими волокнами и полупроводниковыми микросхемами.

Однако, у APD-фотодиодов есть весомое преимущество: лавинный фотодиод обладает  внутренним усилением фототока, за счет чего его чувствительность в среднем на 6 дБ выше, чем у приемников с PIN-диодами.

Стоит заметить, что у APD- диодов ниже порог максимально допустимой мощности. Уровень сигнала выше -8 dBm может привести к выгоранию приемника.

Вывод

Лучшие показатели системы достигаются с применением DBL-передатчика и APD-приемника на расстояниях до 20-40 км и EML-передатчика и APD-приемника на расстояниях свыше 40 км.