LASERY VCSEL W TORACH ĝWIATŕOWODOWYCH

2003
Andrzej Wolczko, Marcin LipiĔski
Przemysáaw Krehlik, àukasz ĝliwczyĔski
Poznañskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznañ 11-12 grudnia 2003
AGH Katedra Elektroniki
Al. Mickiewicza 30 30-059 Kraków
[email protected]
LASERY VCSEL W TORACH ĝWIATàOWODOWYCH
Streszczenie: Zaprezentowano podstawowe cechy
laserów VCSEL przez porównanie z laserami FabryPerota. Przedstawiono moĪliwoĞci wykorzystania
VCSEL w liniach Ğwiatáowodowych jednokrotnych i
równolegáych wielokrotnych z matrycami laserowymi.
OkreĞlono obszar typowych aplikacji.
FP
Powierzchnia
warstwy
000
aktywnej
. WPROWADZENIE
Póáprzewodnikowe lasery z pionowo usytuowanym
rezonatorem optycznym VCSEL (vertical cavity surface
emitting laser) stwarzają nowe moĪliwoĞci aplikacyjne w
technice Ğwiatáowodowej. Komercyjnie dostĊpne w
zakresie dáugoĞci fali
0,78÷0,98 µm stanowią
konkurencyjną
alternatywĊ
dla
wszelkich
linii
Ğwiatáowodowych w I oknie transmisyjnym.
Struktura VCSEL jest zupeánie odmienna od struktur
laserów Fabry-Perota [],[2]. Pionowy rezonator optyczny
jest
ograniczony
dwoma
wielowarstwowymi
üwierüfalowymi zwierciadáami Bragga i zawiera wewnątrz
cienki obszar aktywny (kilka warstw MQW) separowany
obustronie warstwami buforowymi. WewnĊtrzna koáowa
apertura zapewnia emisjĊ powierzchniową z maáego
obszaru . Promieniowanie rozchodzi siĊ stoĪkowo (stoĪek
o podstawie koáowej i kącie rozwarcia ok. 5o). Nie
wnikając w szczegóáy konstrukcyjne i technologiczne
struktur FP i VCSEL a opierając siĊ na tabeli (wartoĞci
typowe)
moĪna
oczekiwaü istotnych róĪnic we
wáaĞciwoĞciach i charakterystykach tych elementów.
Istotne korzyĞci struktur VCSEL są nastĊpujące:
S
niski prąd progowy ok. ÷3 mA dziĊki maáej objĊtoĞci
wnĊki
VCSEL
Jednostka
25
µm2
µm3
ObjĊtoĞü
wnĊki
60
0,07
Wsp.odbicia
zwierciadeá
0,3
0,99÷0,999
CzĊstotliw.
relaksacji
<5
>0
GHz
Tabela . Porównanie struktur FP i VCSEL
S
wysoki stosunek prądu roboczego do progowego
S
wysoka sprawnoĞü
S
emisja pionowo z powierzchni struktury
S
maáa wraĪliwoĞü progu i dáugoĞci fali od temperatury
S
moĪliwoĞü budowania zintegrowanych matryc
powierzchniowych o precyzyjnie okreĞlonych
wymiarach
S
moĪliwoĞü modulacji w bardzo szerokim zakresie
czĊstotliwoĞci
S
wzglĊdna
áatwoĞü
Ğwiatáowodowymi
S
relatywnie niski koszt (ok. /3 ceny odpowiednika FP)
sprzĊgania
z
wáóknami
Wymagane poziomy napiĊü i prądów uzyskuje siĊ stosując
ukáad sterownika kabli koncentrycznych -typowy obwód
szybkiej serii ECL - rysunek 2.
2. NADAJNIK Z LASEREM VCSEL
Na rysunku przedstawiono charakterystykĊ
emisyjną lasera VCSEL TFC-M85 ( λ=0,85µm) firmy
Lasermate [5]. Ten komercyjnie dostĊpny komponent o
typowych dla tej generacji laserów wáaĞciwoĞciach dla
zostaá zastosowany jako Ĩródáo w przykáadowym
nadajniku Ğwiatáowodowym. Przy wysterowaniu prądem
ok. 0 mA powyĪej trzymiliaperowego progu uzyskuje siĊ
kilkaset mikrowatów mocy optycznej w standardowym
wáóknie gradientowym.
Sterowany standardowym sygnaáem ECL ukáad
pracuje w zakresie od skáadowej staáej do setek Mb/s. Dwa
rezystory Rp i Rm sáuĪą do okreĞlenia odpowiednio
polaryzacji wstĊpnej i amplitudy prądu sterującego. W
ukáadzie tym istnieje moĪliwoĞü pracy z caákowitym
odciĊciem prądu lasera, pracy z modulacją podprogową jak
i pracy z laserem aktywnym w obu stanach logicznych.
Konieczne jest uwzglĊdnienie kilkudziesiĊcioomowej
opornoĞci szeregowej lasera.
Na rysunkach 3 i 4 pokazano typowy dla lasera
VCSEL ksztaát odpowiedzi optycznej na wysterowanie
krótkim impulsem. Jak widaü zbocza narastające i
opadające odpowiedzi są subnanosekundowe i trudne do
precyzyjnego oszacowania z powodu ograniczenia pasma
aparatury pomiarowej.
Rys . Charakterystyka emisyjna VCSEL
Dobra stabilnoĞü termiczna prądu progowego oraz
niewielki prąd operacyjny pozwalają zbudowaü prosty i
efektywny
ukáad
modulacyjny
[3].
StabilnoĞü
charakterystyki emisyjnej pozwala uniknąü powszechnie
stosowanej przy polaryzacji laserów pĊtli stabilizacji mocy
wyjĞciowej .
Rys 3. OdpowiedĨ optyczna
Vdrv
WE ECL
Rm
MC10EP89
RL
50
Rp
150
VCSEL
-5V
Rys 2. Uproszczony schemat modulatora
Rys 4. NapiĊcie sterujące i moc lasera VCSEL
Charakterystycznym dla elementu zjawiskiem jest
wystĊpowanie w fazie wyáączania wydáuĪenie ostatniej
fazy
odpowiedzi
Ğwietlnej
na
poziomie
kilkunastoprocentowym wzglĊdem maksimum. Zjawisko
to zwane Off – state – bounce nie zaleĪy od dáugoĞci
impulsu lecz od stromoĞci prądu wyáączenia i poziomów
prądu modulacji [4]. W literaturze raportuje siĊ takĪe
niewielką zaleĪnoĞü opóĨnienia zaáączenia Ğwiatáa w
Nazwa grupy
OETC
Wspóápracujące MartinMarietta,
firmy
AT&T,
zaleĪnoĞci od poziomów modulacji co moĪe byü powodem
niepoĪądanego jitteru odpowiedzi optycznej istotnego przy
najwyĪszych moĪliwych przepáywnoĞciach.
Staáoprądowe sprzĊĪenie od wejĞcia aĪ do diody
laserowej czyni ukáad uniwersalnym, niewraĪliwym na
rodzaj transmitowanego binarnego kodu kanaáowego i ew.
fluktuacji jego skáadowej staáej.
Jitney
POLO
POINT
OPTOBUS®I&II PAROLI
IBM, 3M,
HewlettPackard,
General
Electric,
Motorola
Siemens
AMP,
DuPont,
Honeywell,
AMP,
USC, (SDL)
Allied Signal,
do44
(simplex)
20
2 (simplex)
Gb/s
400, 800 Mb/s
Lexmark
Honeywell,
IBM
Columbia U.
IloĞü kanaáów
32 (simplex)
20 (simplex)
20
(0 Tx + 0
Rx)
Maksymalna
500 Mb/s
500 Mb/s
Gb/s
PrĊdkoĞü
.25 Gb/s
(I, II)
Maksymalna
00 m
40 m
300 m
280 m
odlegáoĞü
DáugoĞü fali
(0 Tx + 0 Rx)
300, 200 m
(I, II)
850 nm
Liczba wáókien, 32, 40 µm
300, 75
(AC,DC)
m
850 nm
980 i 850 nm
850 nm
850 nm
840 nm
20, 500 µm
0, 250 ∝m
24, 00 µm
0, 250 µm
2, 250 µm
200/230 µm
62.5/25 µm
Polyguide®
50 µm
62.5/25 µm
62.5/25 µm
30x40x9
25x6x0
25x4
37 x 39 x ?
8 x 58 x 2.7
rozstaw
Typ wáókna
62.5/25 µm
Wymiary (szer. 33x45x5.3
x dá. x wys.)
Tabela 2. Zestawienie wybranych komercyjnych systemów równolegáych áączy optycznych
wykonanych w oparciu o lasery VCSEL
3. LINIE RÓWNOLEGàE
Konstrukcja struktury VCSEL umoĪliwia budowĊ
jedono i dwuwymiarowych matryc laserów na wspólnym
podáoĪu o precyzyjnie okreĞlonych wymiarach i jest to
unikalna wáaĞciwoĞü tych laserów. Przykáad fragmentu
takiej matrycy firmy Avalon Photonics pokazuje rysunek
5.
Ğwiatáowodów wprowadzają specjalne wáókna gradientowe
z minimalizacją dyspersji dla fali 850 nm.
4. PODSUMOWANIE
DostĊpnoĞü laserów VCSEL otworzyáa nowy obszar
zastosowaĔ Ğwiatáowodów. PowaĪny problem tzw.
„ostatniej mili” tj. doáączenia szybkimi liniami koĔcowych
uĪytkowników
do
centrów
telekomunikacyjnych
realizujących poáączenia dáugodystansowe moĪe byü
efektywnie
i
ekonomicznie
rozwiązany.
DuĪe
zaangaĪowanie wielkich firm w tym obszarze dobitnie to
potwierdza.
W
okresie
zaáamania
rynku
telekomunikacyjnego (2000÷2002) sprzedaĪ laserów
VCSEL i produktów je zawierających (retransmitery
Ethernet) jako jedynych systematycznie wzrastaáa.
75% of manufactured communication lasers are
VCSELs”
Rys 5. Matryca VCSEL – fragment
Matryca taka umoĪliwia konstrukcjĊ miniaturowego
moduáu równolegáej transmisji po wielu liniach.WstąĪka
Ğwiatáowodów szklanych lub polimerowych (dla krótszych
dystansów transmisji) áączy matrycĊ nadawczą z matrycą
fotodiod odbiorczych. Istnieje szereg opracowaĔ
firmowych – tabela 2 – w których integruje siĊ matryce
optoelementów
z
towarzyszącymi
ukáadami
elektronicznymi. W tych warunkach prostota ukáadu
modulującego jest istotną zaletą tak z technicznego jak i
ekonomicznego punktu widzenia. PowaĪną trudnoĞcią jest
opracowanie niezawodnych, precyzyjnych rozáącznych
záącz matryca – wstąĪka Ğwiatáowodowa.
W torach Ğwiatáowodowych z nadajnikami VCSEL
istnieje ograniczenie dystansu i szybkoĞci limitowane
dáugoĞcią fali I okna transmisyjnego. Gáównym ich zatem
zastosowaniem są linie krótkie o wielkiej przepáywnoĞci
np. Gb Ethernet. Dla optymalizacji producenci
K.D. Choquette – Vertical Cavity Lasers : New light for the
Information Age
SPIS LITERATURY
[] Ed. C.W. Wilmsen, Vertical Cavity Surface
EmittingLasers, Cambridge Univ. Press 999
[2] Ed. H.Li, Vertical Cavity Surface Emitting Laser
Devices, Springer Verlag 2003
[3] A.Wolczko, “Circuit makes universal VCSELdriver”,
EDN July 0 2003
[4] Modulating VCSELs, Honeywell Application Sheet,
www.Honeywell.com/VCSEL
[5] www.lasermate.com