Tipos de laser: VCSEL, FP, DFB, EML, sintonizáveis, SiPh

Seis tipos de fonte de luz cobrem essencialmente todo transceptor óptico já fabricado. Eles diferem em como a luz é gerada, como é modulada, quão pura é o comprimento de onda — e, portanto, em custo, alcance e a fibra à qual se adequam.

Em resumo

VCSEL — laser de cavidade vertical com emissão pela superfície

A luz sai perpendicularmente ao wafer, de modo que os VCSELs são testados no wafer, fabricados em arrays e acoplados à fibra multimodo com lentes simples. São os lasers mais baratos e de menor potência, e o motivo pelo qual a óptica de curto alcance (SX, SR, SR4, SR8, AOC) custa o que custa. Limites: apenas 850 nm em fibra multimodo, de modo que o alcance é definido pela largura de banda modal — cerca de 550 m em 1G, 300–400 m em 10G em OM3/OM4, 100 m em 25G, 70–100 m em 50G PAM4. A taxa por lane é limitada perto de 100G PAM4, motivo pelo qual o 800G SR8 foi a última geração de VCSEL planejada em escala. Veja chip-on-board.

FP — Fabry–Pérot

O laser de emissão lateral mais simples: duas facetas clivadas formam a cavidade, e ele emite em vários modos longitudinais de uma vez. Esse espectro largo se espalha na fibra (dispersão cromática), de modo que os lasers FP ficam limitados a taxas baixas e alcances monomodo curtos — 1000BASE-LX a 10 km, 2 km a 2,5G. Barato, não refrigerado, hoje majoritariamente legado.

DFB — realimentação distribuída

Uma rede de difração gravada ao longo da região ativa força um único modo longitudinal: largura de linha estreita, comprimento de onda estável e potência suficiente para 10–40 km. Os DFBs modulados diretamente (DML) são o cavalo de batalha do 10G LR, 25G LR, CWDM4 e dos SFPs CWDM coloridos; uma deriva de ~0,1 nm/°C é aceitável para um único comprimento de onda ou para o espaçamento CWDM de 20 nm, por isso funcionam sem refrigeração. Para DWDM, o mesmo laser é colocado sobre um TEC para manter um slot de 50 GHz. A modulação direta adiciona chirp — o comprimento de onda se desloca conforme a corrente chaveia — o que, pela dispersão, limita o alcance do DML a cerca de 40 km em 10G e cerca de 10 km em 25G.

EML — laser modulado externamente

Um EML mantém o DFB em operação de onda contínua e modula a luz com um modulador de eletroabsorção (EAM) integrado no mesmo chip. Sem chirp vindo do laser, alta taxa de extinção e velocidades de 25G/50G/100G por lane fazem do EML a escolha para 10G ER/ZR, 100G LR4/ER4 (quatro EMLs LAN-WDM), 400G FR4/LR4/DR4 e 800G. Geralmente refrigerado para estabilidade de comprimento de onda; custo e potência mais altos que o DFB.

Lasers sintonizáveis

Para DWDM sem manter um estoque de 96 códigos de peça coloridos, uma fonte sintonizável: um laser DBR (sintonizado por corrente nas seções de rede de difração), um laser de cavidade externa, ou um ITLA — conjunto de laser sintonizável integrável — com variantes micro-ITLA e nano-ITLA pequenas o suficiente para SFP+ e QSFP-DD. A sintonia é térmica ou elétrica ao longo da banda C; um travador de comprimento de onda mantém o canal. Veja Transceptores DWDM sintonizáveis.

Fotônica de silício (SiPh)

O silício não consegue emitir luz laser, mas consegue modular e rotear luz extremamente bem. Um transceptor SiPh usa um laser CW externo de InP (um único laser pode alimentar várias lanes) e um chip de silício que carrega moduladores Mach-Zehnder ou em anel, guias de onda, mux WDM e, frequentemente, os fotodiodos de germânio. A fabricação em CMOS de volume, o tamanho reduzido e a integração fácil tornam o SiPh dominante em 100G PSM4/DR, 400G DR4, 800G DR8 e nos moduladores coerentes do 400ZR/ZR+. O laser continua sendo a parte de InP que envelhece.

Modulação direta vs. externa

Como saber o que um módulo tem

Os bytes de identidade dizem pouco sobre o laser diretamente, mas três campos o indicam: comprimento de onda (850 → VCSEL; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh; 1550/DWDM → DFB/EML/sintonizável), código de alcance e taxa. O DDM confirma o quadro: o bias de Tx de um VCSEL fica em poucos mA, de um DFB em 20–60 mA, de um EML refrigerado ainda mais alto, e um bias crescente ao longo de meses é o laser envelhecendo (Falhas). Qual laser acompanha qual fator de forma e taxa está mapeado em Lasers por fator de forma e taxa de dados.

Como cada tipo de laser envelhece e como sua corrente de bias aparece no DDM ao longo da vida: Bias de Tx e envelhecimento do laser.

Como os lasers são encapsulados, alinhados e protegidos contra reflexões: Encapsulamento óptico; como quatro deles compartilham uma fibra e como os de DWDM mantêm seu comprimento de onda: WDM dentro do módulo.

Deriva de comprimento de onda, limiar e vida útil em função da temperatura, e os graus comercial/industrial construídos sobre eles: Graus de temperatura.

Como a largura espectral e o chirp desses lasers se transformam em penalidades de dispersão cromática e limites de alcance: Dispersão e largura de banda.