أنواع الليزر: VCSEL وFP وDFB وEML والقابل للضبط وSiPh

تغطي ستة أنواع من مصادر الضوء تقريبًا كل وحدة إرسال واستقبال ضوئية مصنَّعة. وتختلف هذه الأنواع في كيفية توليد الضوء، وكيفية تضمينه، ومدى نقاء طوله الموجي — وبالتالي في التكلفة ومدى الإرسال والألياف التي تناسبها.

نظرة سريعة

VCSEL — الليزر الرأسي التجويف الباعث من السطح

يخرج الضوء عموديًا على الرقاقة، لذا تُختبر VCSEL على الرقاقة، وتُصنع في مصفوفات، وتُقرن بالألياف متعددة الأنماط بعدسات بسيطة. وهي أرخص الليزرات وأقلها استهلاكًا للقدرة، وسبب تكلفة بصريات المدى القصير (SX، SR، SR4، SR8، AOC) كما هي. وحدودها: 850 nm فقط على الألياف متعددة الأنماط، لذا يتحدد مدى الإرسال بعرض النطاق النمطي — نحو 550 m عند 1G، و300–400 m عند 10G على OM3/OM4، و100 m عند 25G، و70–100 m عند 50G PAM4. ويبلغ سقف المعدل لكل مسار نحو 100G PAM4، وهذا سبب كون 800G SR8 آخر جيل من VCSEL خُطِّط له على نطاق واسع. راجع الشريحة على اللوحة.

FP — فابري-بيرو

أبسط ليزر باعث من الحافة: يشكّل وجهان مشقوقان التجويف، ويُصدر الليزر عدة أنماط طولية في آن واحد. وينتشر هذا الطيف العريض في الليف (التشتت اللوني)، لذا تقتصر ليزرات FP على معدلات منخفضة ومديات قصيرة في أحادي النمط — 1000BASE-LX عند 10 km، و2 km عند 2.5G. رخيصة، وغير مبرَّدة، وموروثة إلى حد كبير اليوم.

DFB — التغذية الراجعة الموزَّعة

تفرض شبكة محزّزة منقوشة على طول المنطقة الفعّالة نمطًا طوليًا واحدًا: عرض خط ضيق، وطول موجي مستقر، وقدرة كافية لمدى 10–40 km. وليزرات DFB المضمَّنة مباشرة (DML) هي العمود الفقري لـ 10G LR و25G LR وCWDM4 وSFP الملوَّنة من نوع CWDM؛ وانزياح نحو 0.1 nm/°C مقبول لطول موجي واحد أو تباعد CWDM البالغ 20 nm، لذا تعمل دون تبريد. أما في DWDM فيوضع الليزر نفسه على TEC للحفاظ على فتحة بعرض 50 GHz. ويضيف التضمين المباشر انزياحًا تردديًا — إذ يتحول الطول الموجي مع تبدل التيار — وهو ما يحدّ عبر التشتت من مدى DML إلى نحو 40 km عند 10G وإلى نحو 10 km عند 25G.

EML — الليزر المُضمَّن خارجيًا

يُبقي EML ليزر DFB يعمل بـموجة مستمرة ويُضمِّن الضوء بواسطة مُضمِّن امتصاص كهربائي (EAM) مدمج على الشريحة نفسها. وانعدام الانزياح الترددي من الليزر، ونسبة الإطفاء العالية، وسرعات 25G/50G/100G لكل مسار، كلها تجعل EML الخيار المفضَّل لـ 10G ER/ZR، و100G LR4/ER4 (أربعة ليزرات EML من نوع LAN-WDM)، و400G FR4/LR4/DR4، و800G. وعادة ما يكون مبرَّدًا لثبات الطول الموجي؛ وتكلفته وقدرته أعلى من DFB.

الليزرات القابلة للضبط

لتفادي مخزون من 96 رقم قطعة ملوَّنة في DWDM، يُستخدم مصدر قابل للضبط: ليزر DBR (يُضبط بالتيار داخل أقسام الشبكة المحزّزة)، أو ليزر بتجويف خارجي، أو ITLA — وحدة ليزر قابلة للضبط وللدمج — بمتغيرات micro-ITLA وnano-ITLA صغيرة بما يكفي لـ SFP+ وQSFP-DD. ويكون الضبط حراريًا أو كهربائيًا عبر نطاق C؛ ويُبقي مثبِّت الطول الموجي القناة ثابتة. راجع وحدات DWDM القابلة للضبط.

الفوتونيات السيليكونية (SiPh)

لا يستطيع السيليكون الإصدار الليزري، لكنه يستطيع تضمين الضوء وتوجيهه بكفاءة عالية. وتستخدم وحدة SiPh ليزر CW خارجيًا من InP (يمكن لليزر واحد تغذية عدة مسارات) وشريحة سيليكون تحمل مُضمِّنات Mach-Zehnder أو حلقية، وأدلة موجات، ومضمِّم WDM، وغالبًا فوتودايودات الجرمانيوم. ويجعل تصنيع CMOS بكميات كبيرة، وصغر الحجم، وسهولة الدمج، SiPh مهيمنة في 100G PSM4/DR، و400G DR4، و800G DR8، وفي المُضمِّنات المتماسكة لـ 400ZR/ZR+. ويبقى الليزر هو جزء InP الذي يتقادم.

التضمين المباشر مقابل الخارجي

كيف تعرف نوع الليزر في الوحدة

لا تقول بيانات التعريف الكثير عن الليزر مباشرة، لكن ثلاثة حقول تلمّح إليه: الطول الموجي (850 ← VCSEL؛ 1310 ← FP/DFB/EML/SiPh؛ 1550/DWDM ← DFB/EML/قابل للضبط)، ورمز مدى الإرسال، والمعدل. ويؤكد DDM الصورة: يستقر انحياز Tx لـ VCSEL عند بضعة mA، ولـ DFB عند 20–60 mA، ولـ EML المبرَّد عند قيمة أعلى، وارتفاع الانحياز على مدى أشهر هو تقادم الليزر (الأعطال). ويُخطَّط أي ليزر يرافق أي عامل شكل ومعدل في الليزرات حسب عامل الشكل ومعدل البيانات.

كيف يتقادم كل نوع من الليزر وكيف يبدو تيار انحيازه في DDM طوال عمره: انحياز الإرسال وتقادم الليزر.

كيف تُغلَّف الليزرات وتُحاذى وتُحمى من الانعكاسات: التغليف الضوئي؛ وكيف تتشارك أربعة منها ليفًا واحدًا وكيف تحافظ ليزرات DWDM على طولها الموجي: WDM داخل الوحدة.

انزياح الطول الموجي والعتبة والعمر مقابل درجة الحرارة، والفئات التجارية/الصناعية المبنية عليها: فئات درجة الحرارة.

كيف يتحول العرض الطيفي والانزياح الترددي لهذه الليزرات إلى عقوبات تشتت لوني وحدود لمدى الإرسال: التشتت وعرض النطاق.