Lär dig mer om laser – hjärtat i fiberoptiska transceivers

Lasern utgör kärnan i en fiberoptisk transceiver, vilken omvandlar data i form av elektriska signaler till optiska signaler för överföring via fibernätverket.

Laserenheten står för huvuddelen av en fiberoptisk transceivers tillverkningskostnad och vilken typ av laser som används är avgörande för hur lång räckvidd transceivern har.

Det finns många olika typer av laser och beroende på utförande varierar laserns prisklass och vilka användningsområden den är bäst lämpad för.

De vanligaste typerna är Fabry-Pérot-laser (FP), Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL), Distributed Feedback-laser (DFB, som också kallas Directly Modulated Lasers, DML) och Electro-absorption Modulated Lasers (EML).

Laser 101 – Så fungerar det

Laser är en förkortning för “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning. En laser består av tre huvudkomponenter: en energi-/pumpljuskälla, ett lasermedium och en optisk resonator, vilken innehåller två eller flera optiska linser. Enkelt beskrivet fungerar lasern genom att en elektrisk ström leds genom lasermediet, vilket gör att det börjar pumpa ut elektroner. När dessa efter hand förlorar i energi frigör de fotoner (ljuspartiklar) som reflekteras i den optiska resonatorn och därigenom skapar en laserstråle.

Det finns flera varianter av laser: En kantemitterande halvledarlaser (kallas också in-planlaser) som sänder ut laserstrålen rakt ut i samma riktning som halvledarchippets kant. En ytemitterande laser sänder i stället ut ljus vinkelrätt ut ifrån halvledarchippets yta. Kantemitterande lasrar var den första typen av halvledarlaser som tillverkades och används fortfarande idag.

Kantemitterande halvledarlaser.

Ytemitterande halvledarlaser (t.ex. VCSEL)

Lasrar som används i fiberoptiska transceivers

Typ av laser	Våglängd	Maximal räckvidd	Maximal bandbredd
VCSEL	850nm	Upp till 500 meter	Upp till 400G (QSFP-DD)
FP	1310 and 1550nm	Från 500 meter upp till 10 km	Upp till 1000M (SFP)
DFB	1310 and 1550nm	Upp till 40 km	Upp till 200G
EML	1310 and 1550nm	Upp till 40 km	Upp till 400G (QSFP-DD and OSFP)

FP-laser, kantemitterande

FP (Fabry-Pérot)

FP-lasern använder specifika våglängder (1310 nm och 1550 nm) och är lämplig för överföringsdistanser upp till 40 km. FP-laserns höga moduleringsfrekvens och stora utgångseffekt gör att den inte kan användas för Wavelength Division Multiplexing (WDM), trots dess relativt låga divergensvinkel och smala spektrum.

FP-lasrar används oftast i SFP-transceivers.

Exempel på fiberoptiska transceivers:
100M SFP BiDi LX, 20 km, Tx1550/Rx1310 nm, DDM, LC Simplex, Singlemode >

VCSEL-Emitter

VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)

Som namnet antyder är VCSEL-laser ytemitterande, dvs. den skickar laserstrålen vinkelrätt ut från halvledarchippets yta. Dess tillverkningsprocess är mindre kostsam än för en kantemitterande lasers och gör det dessutom lättare att säkerställa slutproduktens kvalitet. VCSEL-laserns konstruktion möjliggör utförandet av kontroller och kvalitetstester vid ett flertal olika tillfällen under tillverkningsprocessen, medan kantemitterande lasrar inte kan testas förrän i tillverkningsprocessens slutfas, vilket betyder att hela produkten måste kasseras om kvalitetsbrister upptäcks. VCSEL-lasrarnas sinnrika design gör det dessutom möjligt att tillverka flera tusen enheter samtidigt.

VCSEL-lasrar har en våglängd på 850 nm och en räckvidd på upp till 500 meter via multimode-fiber. Deras energiförbrukning är lägre än kantemitterande halvledarlasrars och används med fördel för höghastighetskommunikation i såväl fibernätverk som företagets datacenter.

VCSEL-lasrar används oftast i transceivers av typerna CFP, SFP, SFP+, SFP28, SFP56, QSFP och QSFP-DD.

Exempel på fiberoptiska transceivers:
400G QSFP-DD SR8, 100 m, 850 nm, DDM, MPO, Multimode >
100M SFP FX, 2 km, 850 nm, DDM, LC Duplex, Multimode >

DFB Edge Emitter

DML (Directly Modulated Lasers) och DFB (Distributed Feedback Lasers)

Directly Modulated Lasers (DML) går också under namnet Distributed Feedback Lasers (DFB) på grund av sin konstruktion. De består av ett enda chipp, vilket gör dem lämpliga för att transceivers som har litet klimatavtryck och låg energiförbrukning. DFB-laserns diffraktionsgitter låter endast ljus i specifika våglängder (1310 och 1550 nm) passera och har en räckvidd på upp till 40 km.

DML/DFB-lasrar används oftast i transceivers av typen SFP, SFP+, SFP28, QSFP, XFP och QSFP-DD.

Exempel på fiberoptiska transceivers:
200G QSFP56 FR4, 2 km, 1271-1331 nm, DDM, LC Duplex, Singlemode >
100M SFP CWDM EX, 40 km, 1430 nm, DDM, LC Duplex, Singlemode >

EML (Electro-absorption Modulated Laser)

EML-lasern integrerar en laserdiod med en Electro-Absorption Modulator (EAM) på ett enda chipp. Den har lägre kromatisk spridning, vilket gör att den hanterar höga dataöverföringshastigheter över långa distanser.

EML-lasrar används oftast i transceivers av typen SFP+, SFP28, QSFP, XFP och OSFP.

Exempel på fiberoptiska transceivers:
400G QSFP-DD FR4, 2 km, 1271-1331 nm, DDM, LC Duplex, Singlemode >
10G SFP+ CWDM ER, 40 km, 1450 nm, DDM, LC Duplex, Singlemode >

DML/DFB jämfört med EML

DML/DFB-lasrar används vanligtvis för låga dataöverföringshastigheter och relativt korta avstånd, dvs. upp till 10 km (även om 100 miljoner datahastigheter är tillgängliga för upp till 40 km), medan EML-lasrar används för längre distanser och högre dataöverföringshastigheter.

Vill du veta mer om fiberoptiska transceivers och vilken typ av laser de använder? Läs mer i Pro Optix kundportal.