Andrzej Wolczko, Marcin LipiĔski Przemysáaw Krehlik, àukasz ĝliwczyĔski AGH Katedra Elektroniki
Al. Mickiewicza 30 30-059 Kraków awolczko@uci.agh.edu.pl
LASERY VCSEL W TORACH
ĝWIATàOWODOWYCH
Streszczenie: Zaprezentowano podstawowe cechy laserów VCSEL przez porównanie z laserami Fabry-Perota. Przedstawiono moĪliwoĞci wykorzystania VCSEL w liniach Ğwiatáowodowych jednokrotnych i równolegáych wielokrotnych z matrycami laserowymi. OkreĞlono obszar typowych aplikacji.
. 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 FP VCSEL Jednostka Powierzchnia warstwy aktywnej 000 25 µm 2 ObjĊtoĞü wnĊki 60 0,07 µm3 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 sprzĊgania z wáóknami Ğwiatáowodowymi
S relatywnie niski koszt (ok. /3 ceny odpowiednika FP)
2003
Poznañskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznañ 11-12 grudnia 2003
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.
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 . -5V 150 VCSEL MC10EP89 50 WE ECL Vdrv RL Rm Rp
Rys 2. Uproszczony schemat modulatora
Wymagane poziomy napiĊü i prądów uzyskuje siĊ stosując ukáad sterownika kabli koncentrycznych -typowy obwód szybkiej serii ECL - rysunek 2.
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 3. OdpowiedĨ optyczna
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
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.
Nazwa grupy OETC Jitney POLO POINT OPTOBUS®I&II PAROLI
Wspóápracujące firmy Martin-Marietta, AT&T, Honeywell, IBM IBM, 3M, Lexmark Hewlett-Packard, AMP, DuPont, USC, (SDL) General Electric, Honeywell, AMP, Allied Signal, Columbia U. Motorola Siemens
IloĞü kanaáów 32 (simplex) 20 (simplex) 20
(0 Tx + 0 Rx) do44 (simplex) 20 (0 Tx + 0 Rx) 2 (simplex) Maksymalna PrĊdkoĞü 500 Mb/s 500 Mb/s Gb/s Gb/s 400, 800 Mb/s (I, II) .25 Gb/s Maksymalna odlegáoĞü 00 m 40 m 300 m 280 m 300, 200 m (I, II) 300, 75 m (AC,DC) DáugoĞü fali 850 nm 850 nm 980 i 850 nm 850 nm 850 nm 840 nm Liczba wáókien, rozstaw 32,40µm 20, 500 µm 0, 250 ∝m 24, 00µm 0, 250 µm 2, 250 µm Typ wáókna 62.5/25µm 200/230 µm 62.5/25µm Polyguide®
50µm
62.5/25µm 62.5/25µm Wymiary (szer.
x dá. x wys.)
33x45x5.3 30x40x9 25x6x0 25x4 37 x 39 x ? 8 x 58 x 2.7
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.
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
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”
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
