Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) с длиной волны излучения 850 нм используются в 90% многомодовых трансиверов Fibre Channel и Ethernet. Широкое распространение VCSEL обусловлено низкой стоимостью, энергопотреблением и малыми размерами лазеров данного типа. В случае расширения рабочего диапазона длин волн VCSEL на 1310-1550 нм, производители трансиверов смогли бы снизить стоимость и энергопотребление длинноволновых передатчиков.
Длинноволоновые VCSEL лазеры для диапазона 1300-1700 нм сложны в производстве по стандартной технологии из-за неподходящего коэффициента преломления InGaAsP. В начале 2000 годов несколько производителей, среди которых были Bandwidth9, Cielo, E2O, Picolight, показали, что комбинации из 3-5 диодов позволяют создать лазеры с длиной волны превышающей 980 нм и наладить их массовое производство. Однако, ни одна из этих компаний свои разработки в производство не запустила; кроме того, почти все они на текущий момент либо закрылись, либо проданы.
Десять лет спустя работы над длинноволновыми лазерами VCSEL была возобновлена с новыми технологиями производства и современными технологическими процессами. Компании Alight Technologies, BeamExpress SA, Vertilas и RayCan сосредоточили значительные усилия на разработке длинноволновых VCSEL лазеров нового поколения, которые должны унаследовать все преимущества коротковолновых лазеров и дать возможность тестирования элементов лазера на начальном этапе производства.
Низкое энергопотребление является основным преимуществом VCSEL перед лазерами Фабри-Перо и DFB распределенной обратной связью. Это преимущество является очень важным в связи с ростом интереса к передаче данных на скорости 40 и 100 Гбит/с по протоколам, определенным в IEEE 802.3ba, и сложной технологической задаче снижения рассеиваемой мощности для сохранения компактных размеров трансиверов. Десятикратное увеличение скорости передачи данных (с 10 до 100 Гбит/с) при использовании распространенных видов лазеров значительно увеличивает энергопотребление и рассеиваемую мощность, что диаметрально противоположно требованиям рынка.
Поэтому длинноволновые VCSEL становятся привлекательной альтернативой обычных лазеров для высокоскоростных применений. Однако, в силу отсутствия информации от производителей остается под вопросом надежность длинноволновых VCSEL. Этот вопрос должен быть снят в ближайшее время разработчиками, которые начали публиковать достоверные данные о параметрах и надежности собственных разработок.
Например, недавно были опубликованы результаты исследования длинноволнового VCSEL на 1310 нм. Лазер тестировался в условиях повышенного износа при температуре 90°C в течении 5000 часов до момента, пока не начали появляться ошибки. Данный результат означает время наработки на отказ при температуре 25°C порядка 30 млн. часов, а при температуре 70°C – 2 млн. часов (рисунок 1).
Процесс изготовления лазера VCSEL и формирование корпуса на уровне подложки является хорошо отработанным и предоставляет точные и воспроизводимые результаты. Он широко используется при производстве микросхем SOI (кремний на подложке), микроэлектромеханических устройств (MEM), структур на основе арсенида галия (GaAs) для массового производства красных светодиодов (которые, кстати говоря, имеют сходную с VCSEL структуру).. Термокомпрессия структур GaAs и InP позволяет производить длинноволновые VCSEL 1200 – 1650 нм с мощностью 1 мВт (0 дБм) при температуре 70°C.
VCSEL и 40Гбит/c
Лазеры VCSEL, излучающие в диапазонах 1270-1330 нм и 1500-1600 нм представляют большой интерес в качестве альтернативы лазерам с излучающим срезом за счет низкого энергопотребления и возможности более эффективного сопряжения с одномодовым волокном. Совокупность этих факторов позволяет снизить рассеиваемую мощность трансиверов 40 и 100Гбит/с на основе VCSEL, что и требуется.
Трансиверы QSFP+ 40GBase-LR4 (4x10Гбит/с) v неохлаждаемыми DFB лазерами уже представлены на рынке, эти трансиверы имеют заявленную рассеиваемую мощность 3,5 Вт. Трансиверы на основе сборок TOSA с VCSEL лазерами 127, 1290, 1310, 1330 нм также дают возможность передачи данных на скорости 40 Гбит/с на расстояния до 10 километров, при этом имеют показатель рассеиваемой мощности на 40% меньший, чем TOSA на DFB, т.е. порядка 2 Вт.
Малые размеры VCSEL являются ключевым при использовании в трансиверах QSFP+ (рисунок 2). Форм-фактор QSFP+ требует не только эффективного механизма сопряжения лазера с волокном и схемотехники с минимальной стоимостью, но и высокую повторяемость и надежность для налаживания массового производства.
Технология производства, которая удовлетворяет вышеописанным условиям, используется при производстве трансиверов 40 и 100 Гбит/с с форм-фактором CFP. Данные WDM и CWDM трансиверы основаны на полимерных оптических структурах (POB - Polymer Optical Bench) (Рисунок 3). Технология POB позволяет создавать оптические структуры с прецизионным расположением пассивных волоконных сборок, тонкопленочных фильтров, интегрированных коллиматоров и высокой термической стабильностью. Высокоточное расположение элементов и термическая стабильность позволяют структурам POB превышать параметры надежности, определенные стандартами Telcordia и MIL.
Следующим шагом в уменьшении размеров трансиверов может быть удаление световодов из сборок и увеличение уровня интеграции. Технология POB позволяет располагать в одной структуре не только пассивные компоненты, но и активные, такие как приемники и передатчики. В данном случае низкая рассеиваемая мощность VCSEL делает эти лазеры наиболее предпочтительными к использованию.
Приемные сборки ROSA 40 и 100 Гбит/с на основе структур POB могут содержать не только демультиплексоры и приемники, но и трансимпендансные усилители (TIA). Тот же принцип интеграции может использоваться для организации перенаправления излучения и мультиплексирования излучения четырех CWDM VCSEL лазеров в одно волокно на выходе трансивера, и даже драйверы лазеров.
Для увеличения производительности QSFP+ и удовлетворения требований к механической надежности и стоимости сборки TOSA и ROSA могут быть размещены в одном корпусе с единым коннектором к печатной плате трансивера.
В середине 2010 года были продемонстрированы прототипы сборок TOSA 40 Гбит/с с использованием 4 лазеров VCSEL с длинами волн 1510, 1530, 1550 и 1570 нм (рисунок 5). Излучение CWDM VCSEL лазеров мультиплексируется с минимальными потерями, при этом композитное излучение полностью удовлетворяет сетке CWDM. (Рисунок 6)
Если рассматривать VCSEL лазеры применимо к передаче данных на скорости 100Г бит/с изначально могут использоваться трансиверах с форм-фактором CFP, при этом при развитии технологии производства и интеграции POB структур VCSEL могут быть размещены в трансиверах с меньшими габаритами. Для установки малые форм-факторы сборок 10x10 Гбит/с обычным лазерам необходимо понизить тепловыделение примерно на 50%, иначе возникают значительные проблемы с термической стабильностью модуля. Длинноволновые лазеры VCSEL имеют значительные преимущества для старых и новых спецификаций 100G MSA, чем лазеры, которые используются сейчас.
В итоге, благодаря низкому энергопотреблению VCSEL и возможности эффективного интегрированного мультиплексирования, производство трансиверов с рассеиваемой мощностью 2 Вт, обеспечивающих высокую плотность портов телекоммуникационного оборудования, становится возможным в недалеком будущем.