Типы лазеров и приёмников в SFP модулях

Типы лазеров и приёмников в SFP модулях

Современный мир невозможен без применения оптических технологий при построении телекоммуникационных сетей. Разновидностей сетей достаточно много, но наиболее эффективной является построение волоконно-оптической кабельной линии. Каждый кто работал с оптическим коммутационным или передающим оборудованием, сталкивался с необходимостью применения оптических приемо-передающих устройств, таких как трансиверы или сокращенно SFP (Small Form-factor Pluggable).

Для чего предназначены трансиверы?

Трансивер (от англ. Transceiver, transmitter – передатчик и receiver – приемник) - это съемный приемо-передатчик, который преобразовывает передаваемые сигналы из оптического в электрический и обратно. Используется в активном сетевом оборудовании: маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры, медиаконвертеры.

Оптические трансиверы это небольшое, но мощное устройство, которое может передавать и принимать данные. В волоконной оптике эти данные передаются в виде световых импульсов по оптическому волокну с очень высокой скоростью и на большие расстояния. Приемопередатчик является важной частью волоконно-оптической сети и используется для преобразования электрических сигналов в оптические (световые) сигналы и оптических сигналов в электрические сигналы. С их помощью возможно увеличение скорости, дальности передачи, увеличение объема передаваемой информации за счёт применения систем спектрального мультиплексирования (WDM, CWDM, DWDM), а также возможность использования оптических трансиверов в коммутаторедля разно удалённых объектов.

Оптические трансиверы бывают разных форм и размеров, называемых форм-факторами. Какой форм-фактор использовать, зависит от типа данных, скорости и необходимого расстояния.

Что такое SFP модули?

SFP модули – это малогабаритные конструкции в металлическом корпусе с выводами для подключения к слотам активного оборудования. SFP модуль имеет 2 оптических порта: излучатель (Tx) и фотоприёмник (Rx) для работы в двухволоконном режиме.
В приемопередатчике есть лазер, который связывается с приемной стороной другой оптики на другой стороне. На одной стороне в приемопередатчике есть лазер, который передает сигнал в оптическое волокно (линию), на другой стороне, это волокно (линия) подключается на порт приемника (фотоприемника).
Для организации дуплексного канала, в обратном направлении передача информации осуществляется по той же схеме, но с использованием второго волокна. (см рис. 1)

Более сложные конструкции SFP модуля содержат оптическую призму, которая позволяет использовать для приема и передачи всего 1 волокно.
Обычно в этом случае прием и передача осуществляется на разных длинах волн
(см рис. 1)

Двухволоконный режим работы SFP модулей.

Одноволоконный режим работы SFP модулей.

Лазеры являются основными устройствами оптических приемопередатчиков. Ток, вводимый в полупроводниковый материал инжектирует лазерный свет свет посредством колебаний фотонов и усиления в резонаторе. В настоящее время наиболее распространенными лазерами являются лазеры VCSEL, FP и DFB.

Типы лазеров:

Лазер Фабри-Пероназывается FP-лазером - это полупроводниковое светоизлучающее устройство, которое излучает когерентный свет с несколькими продольными модами, используются лазерные диоды, тип которых зависит от типа волокна, а также требуемой мощности и узкополосности.

Характеристики таких устройств - большая выходная мощность, меньший угол расходимости, узкий спектр, высокая скорость модуляции, пригодность для больших расстояний. Они используются с одномодовыми волокнами на длине волны 1310 нм, реже 1550 нм, и многомодовыми волокнами на длинах 850 нм и 1300 нм, а также на длинах линий от нескольких сотен метров до нескольких километров и скоростях передачи 100 Мбит/си 1 Гбит/с.

Тип излучателя FP.

Динамические одномодовые лазеры DFB - это лазер с распределенной обратной связью. Преимущества DFB лазера в цене, он стоит в несколько раз дешевле лазеров с внешним электроабсорбционным модулятором. Отличие заключается во встроенной брэгговской решетке, которая представляет собой полупроводниковый лазер бокового излучения. Их ширина линии обычно находится в пределах 1 МГц и очень высокий коэффициент подавления боковых мод (SMSR), который теперь может достигать 40-50 дБ.

  Тип излучателя DFB.

Сравнительная таблица FP и DFB лазеров:

Основное отличие FP от DFB в добавлении решетки Брэгга в структуру полупроводника последнего. Она действует по принципу дифракционной решетки, позволяя получить интерференционную картинку на выходе.

Перпендикулярно-излучающие лазеры (VCSEL)

Лазер с вертикальной полостью, излучающий поверхность (VCSEL), представляет собой тип полупроводникового лазера, который расположен перпендикулярно верхней поверхности. Они отличаются невысокой стоимостью, узким спектром от 0,5 ~ 1 нм и работают, как правило, с многомодовыми волокнами на длине волны 850 нм при передаче потоков 1 Гбит/с и 10 Гбит/с на расстояния в несколько сотен метров в локальных вычислительных сетях. У них большая температурная стабильность и низкое потребление энергии. Лазер VCSEL имеет много преимуществ перед лазером с торцевым лучом в производственном процессе. Лазеры с торцевым пучком не подлежат испытаниям после изготовления. VCSEL можно проверить на качество и устранить неполадки в любом производственном процессе.

Схема строения перпендикулярно-излучающего лазера.  

Лазеры с внешним резонатором (EML) - это лазерный диод с модулятором электропоглощения (EAM), интегрированным в один кристалл. Являются самыми сложными и дорогостоящими. По сравнению с DML, EML имеет преимущество в приложениях с более высокой скоростью и передачей на большие расстояния из-за его меньшей дисперсии.. EML в основном используется для более высоких скоростей (> 25 Гбит / с) и больших расстояний (10-40 км) в телекоммуникационных приложениях.

Тип лазера EML.

Типы приёмников:

В оптических модулях используются приёмники 2-х типов: PIN-диод и лавинные фотодиоды APD.

Приемники PIN и APD используются в качестве приемников в оптоволоконных сетях. Главное общее преимущество оптических технологий - это высокая скорость передачи данных

PIN-диод (P-i-N)позволяет преобразовывать световые сигналы в электрические с пропорционально падающему потоку света. Имеет широкую нелегированную внутреннюю полупроводниковую область между полупроводником p-типа и полупроводниковой областью n-типа, отсюда и название PIN.

Тип приёмника PIN.

Лавинные фотодиоды (APD)широко используются в лазерных волоконно-оптических системах для преобразования оптических данных в электрическую форму. Это высокочувствительные, быстродействующие полупроводниковые датчики света.

Главное преимущество APD в том, что он имеет более высокий уровень чувствительности по сравнению с PIN. Лавинное действие многократно увеличивает коэффициент усиления диода, обеспечивая гораздо более высокую чувствительность. Однако для APD требуется более высокое рабочее напряжение. Кроме того, термин «лавина» означает, что выходной сигнал не является линейным; в результате APD также производят более высокий уровень шума, чем PIN-диод.

Тип приёмника APD.