Lichtbronnen
Last updated
Last updated
Wanneer we via een glasvezelkabel een signaal willen sturen, bezorgen we de zender een elektrisch ingangssignaal. Deze zet dit signaal om in een optische uitgang van een laserdiode of LED. Het licht van de zender wordt via een connector in de glasvezel geleid zodat het zich kan verplaatsen naar de ontvanger. Aan het uiteinde van de glasvezel wordt het licht (opnieuw via een connector) doorgegeven aan een ontvanger. Een detector zet daar het licht om in een elektrisch signaal dat omgezet wordt in betekenisvolle bits.
Vaak wordt gebruik gemaakt van transceivers (transmitter/receiver). 1 Module dus die een zender en een ontvanger omvat.
De lichtbron die wordt gebruikt voor een glasvezelzender moet aan een aantal criteria voldoen:
hij moet op de juiste golflengte zijn (weinig attenuation en dispersion)
snel genoeg kunnen worden gemoduleerd om gegevens te verzenden (aan/uit)
efficiënt zijn gekoppeld aan glasvezel
3 soorten halfgeleiderlasers die worden gebruikt als glasvezelbronnen
De soorten bronnen die worden gebruikt, zijn onder meer LED's, lasers (fabry-perot (FP) lasers en gedistribueerde feedback (DFB) lasers) en verticale holte-oppervlakte-emitterende lasers (VCSEL's). Deze laatste worden uitgesproken als Vixel. Ze zetten allemaal elektrische signalen om in optische signalen, maar zijn verder heel verschillende apparaten. Alle drie zijn kleine halfgeleiders (chips) zo groot als zandkorrels. LED's en VCSEL's worden zo op halfgeleiderwafels gefabriceerd dat ze licht uitstralen vanaf het oppervlak van de chip, terwijl fp- en DFB-lasers vanaf de zijkant van de chip uitstralen vanuit een laserholte die in het midden van de chip is gemaakt.
Lasers en LED's zijn heel verschillende apparaten, zoals je kunt zien in dit diagram van hun lichtopbrengst als een functie van de aandrijfstroom.
LED's zijn eenvoudige emitters die meer lichtopbrengst genereren naarmate de aandrijfstroom toeneemt totdat hogere stromen ze opwarmen en hun lichtopbrengst afneemt, waardoor het totale vermogen wordt beperkt.
Lasers beginnen als LED's, ze genereren meer licht met meer aandrijfstroom, maar in tegenstelling tot LED's, stijgt de lichtopbrengst vanaf een bepaalde ingangsspanning meer i.p.v. minder snel.
De LI-curven (Lichtopbrengst/Stroom-curven) hierboven verklaren ook waarom lasers een hogere bandbreedte hebben dan LED's.
LED's zullen een grote stroomverandering moeten krijgen om ook een lichtopbrengst te krijgen die voldoende groot is. Het duurt even om die stroomverandering (laag-hoog-laag) tot stand te brengen en dus een lichtpuls te creëren die voldoende krachtig is. Moduleren kan dus maar aan een "beperkte" snelheid.
Lasers zijn ingesteld op de drempelwaarde en worden vervolgens gemoduleerd met kleine stroomveranderingen om grote veranderingen in lichtopbrengst te krijgen. Het kleinere formaat van lasers maakt ze ook gemakkelijker om sneller te moduleren.
Over het algemeen zijn LED's beperkt tot enkele honderden megabits/seconde-links, terwijl lasers goed zijn voor 25-50 gigabits per seconde-links wanneer ze direct worden gemoduleerd. (Hogere bitsnelheden zijn mogelijk door de laser altijd aan te hebben (CW) en deze extern te moduleren.
LED's hebben een veel lager uitgangsvermogen dan lasers en hun grotere, divergerende lichtbundelpatroon maakt ze moeilijker te koppelen tot vezels, waardoor ze over het algemeen beperkt zijn tot gebruik met multimode-vezels. LED's hebben veel minder bandbreedte dan lasers en zijn beperkt tot systemen die werken tot ongeveer 250 MHz of ongeveer 200 Mb/s.
Lasers hebben kleinere, strakkere lichtopbrengsten en kunnen gemakkelijk worden gekoppeld aan singlemode-vezels, waardoor ze ideaal zijn voor hogesnelheidsverbindingen over lange afstanden. Lasers hebben een zeer hoge bandbreedte, waarvan de meeste bruikbaar zijn tot ruim boven de 10 GHz of 10 Gb/s.
VCSEL's zijn een vreemd apparaat. Ze gebruiken trucs voor de fabricage van halfgeleiders om een verticale laserholte in de chip te creëren, zodat het licht aan de bovenkant naar buiten komt, waardoor het gemakkelijk in vezels kan worden gekoppeld. Maar de apparaatstructuur is alleen haalbaar voor lichtbronnen van ~850 nm, de golflengte die wordt gebruikt voor multimode-vezel.
Vanwege hun fabricagemethoden zijn LED's en VCSEL's goedkoop te maken. Lasers zijn duurder omdat het moeilijker is om de laserholte in het apparaat te maken.
Spectrumbreedte - Bandbreedte
Een ander groot verschil tussen LED's en beide soorten lasers is de spectrale output. LED's hebben een zeer brede spectrale output, waardoor ze last hebben van chromatische dispersie in vezels, terwijl lasers een smalle spectrale output hebben die zeer weinig chromatische dispersie ondervindt.
In multimode glasvezel wordt de bandbreedte van LED's sterk beperkt door chromatische dispersie vanwege de grote spectrale breedte (licht op langere golflengten reist sneller dan licht op kortere golflengten en veroorzaakt dispersie). VCSEL's hebben hier duidelijk minder last van en kunnen dus over multimode glasvezel hogere snelheden aan.
Keuze van de lichtbron
De keuze voor deze apparaten wordt voornamelijk bepaald door toepassings-, snelheids-, afstands- en glasvezelcompatibiliteit. Aangezien veel gebouwensystemen die multimode glasvezel gebruiken, bitsnelheden van 1 Gb/s hebben overschreden, hebben lasers (meestal VCSEL's) LED's vervangen. De output van de LED is erg breed, maar lasers zijn erg gefocust en de bronnen zullen een heel verschillende modale vulling in de vezels hebben. De beperkte lancering van de VCSEL (of welke laser dan ook) maakt de effectieve bandbreedte van de vezel hoger, maar laser-geoptimaliseerde vezel, meestal OM3 of OM4, is de keuze voor lasers.
OSP-netwerken die kort en niet zo snel zijn, gebruiken over het algemeen 1310nm FP-lasers, terwijl langere, snellere verbindingen, vooral die met DWDM, DFB-lasers zullen gebruiken bij ~1550nm.
Typische specificaties van glasvezelbronnen
Soort apparaat | Golflengte (nm) | Stroom naar glasvezel (dBm) | Bandbreedte | Vezeltypes |
LED | 850, 1300 | -30 tot -10 | <250 MHz | MM |
Fabry-Perot-laser | 850, 1310 (1280-1330) 1550 (1480-1650) | 0 tot +10 | >10 GHz | MM, SM |
DFB-laser | 1550 (1480-1650) | 0 tot +25 | >10 GHz | SM |
VCSEL | 850 | -10 tot 0 | >10 GHz | MM |
Opmerking: Bij een golflengte van ongeveer 1300 nm worden LED's over het algemeen 1300 nm en lasers 1310 nm genoemd. Zoals je hierboven ziet, hebben LED's brede spectrale outputs, dus de golflengte is moeilijker precies te definiëren. LED's variëren van ~1270 tot 1330nm. Lasers worden altijd 1310nm genoemd, omdat AT&T ze zo noemde in de vroege jaren 80, toen ze ze voor het eerst commercieel gingen maken. In feite variëren lasers van ~1280-1330nm. Dit is ook de reden geworden dat multimode-systemen, die voornamelijk LED's waren totdat VCSEL's werden uitgevonden, 1300nm werden genoemd en singlemode-systemen die altijd lasers gebruikten, 1310nm werden genoemd.
Kracht koppelen aan de kern van een vezel. Over het algemeen worden LED's en VCSEL's gebruikt met multimode-vezel en lasers met singlemode-vezel.
Vergelijking van de spectrale output van een LED en een VCSEL, beide met een middengolflengte rond de 850nm.
