Abstract
In order to investigate the tradeoff between optical spectral width and modulation speed of 850-nm Zn-diffusion vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and its influence on the performance of discrete multitone (DMT) modulation, two kinds of high-speed VCSEL structures with different cavity lengths (λ/2 and 3λ/2) are studied. By shortening the cavity length to λ/2, allocating the oxide layer in the standing-wave peak, and performing a Zn-diffusion aperture in our VCSEL structure, stable dual mode in the output optical spectra across the full range of bias currents with good high-speed performance (~16-GHz bandwidth) can be achieved. Compared with its multimode reference, it shows far less roll-off with regard to the maximum data rate versus transmission distance over OM4 multimode fibers under forward error correction (FEC) threshold (BER <; 3.8 × 10-3). On the other hand, for the 3λ/2 VCSEL structure, by using the same Zn-diffusion conditions as those of dual-mode counterpart, highly single-mode operation (side-mode suppression ratio> 35 dB) with high available power can be achieved over the full range of bias currents. Although such device shows a smaller 3-dB electrical-to-optical bandwidth (12 versus 16 GHz) than that of the dual-mode one, it exhibits a superior transmission performance by use of DMT modulation format. A record high bit-rate distance product (107.6 Gb/s·km) at nearly 50-Gb/s transmission under FEC threshold (BER<; 3.8 × 10-3) through 2.2-km OM4 fibers has been successfully demonstrated by the use of single-mode VCSEL with optimized structures. In addition, error-free (BER<; 1 × 10-12) transmission at 20.3 Gb/s with bit-rate distance product of 44.66 Gb/s·km has also been demonstrated
چکیده
به‌منظور بررسی روش‌های انتخاب عرض طیف بهینه و سرعت مدولاسیون برای لیزرهای انتشار سطح حفره عمودی با تابش Zn و عرض 850 nm (VCSEL) و نیز اثر آن روی عملکرد مدولاسیون چند حاملی گسسته (DMT)، دو نوع از ساختارهای VCSEL ی سرعت بالا با طول حفره مختلف (λ/2 و 3λ/2) مورد مطالعه قرار می‌گیرد. با کوتاه کردن طول حفره به اندازه λ/2، تخصیص لایه اکسید در پیک موج ایستا و ایجاد روزنه تابش Zn در ساختار VCSEL، مود دوگانه پایدار در طیف نوری خروجی روی رنج کامل جریان‌های بایاس با سرعت بالا (پهنای باند حدود 16 GHz) حاصل می‌گردد. در مقایسه با حالت چند حاملی، این روش افت تدریجی کمتری را در سرعت داده بیشینه برحسب فاصله انتقال روی فیبرهای چندمودی OM4 زیر مقدار آستانه خطای تصحیح (FEC) (BER< 3.8 × 10−3 ) از خود نشان می‌دهد. از سوی دیگر، برای ساختار VCSEL ی 3λ/2 با استفاده از همان شرایط تابش Zn در حالت مود دوگانه مشابه، عملکرد تک مودی مناسب (نسبت افت مود جانبی >35 dB) با توان بالا را می‌توان روی رنج کامل جریان‌های بایاس، به دست آورد. اگرچه چنین قطعه‌ای پهنای باند الکتریکی به نوری 3 dB ی کوچک‌تری (12 در مقابل 16 GHz) نسبت به ساختار مود دوگانه از خود نشان می‌دهد، اما عملکرد انتقال فوق‌العاده را با استفاده از فرمت مدولاسیون DMT دارد. رکورد انتقال داده با سرعت بیت بالا (107.6 Gb/s·km) در انتقال نزدیک به 50-Gb/s زیر مقدار آستانه FEC (BER< 3.8 × 10−3 ) از طریق فیبرهای MO$ ی 2.2 kM با استفاده از VCSEL ی تک مودی با ساختارهای بهینه، اثبات شده است. علاوه بر این، انتقال بدون خطا (BER< 1 × 10−12 ) در سرعت 20.3 Gb/s با انتقال داده سرعت بیت 44.66 Gb/s.km نیز اثبات شده است.
1-مقدمه
ارتباطات مقرون‌به‌صرفه (OI ها) که می‌توانند تحت سرعت‌های بیت بالا (حداقل 25 Gb/s تا سال 2020 [1]) روی لینک‌های >2 عمل کنند، در مراکز داده مدرن مورد نیاز خواهند بود. تاکنون، کابل‌های نوری اکتیو (AOC ها) مبتنی بر لیزرهای انتشار سطح حفره عمودی (VCSELs) و فیبرهای چند مودی (MMFs) به نظر می‌رسید که بهترین راه‌کار برای OI ها باشند که دلیل آن نیز پهنای باند مدولاسیون بالا و مصرف توان پایین آن‌ها است. با استفاده از این VCSELs ها و مدولاسیون کلید زنی ON-OFF ساده (OOK)، انتقال با سرعت بیشتر از 40 Gb/s روی MFF ها اثبات شده است. اما، برای پیاده‌سازی چنین سیستم انتقالی، هم تجهیزات نوری و هم الکتریکی سرعت بالا نیاز خواهد بود، و از این رو هزینه OI ها افزایش می‌دهد. نکته قابل‌توجه این است که در سیستم اترنت 400 Gb/s، مدولاسیون گسسته چند حاملی (DMT) به عنوان مقرون‌به‌صرفه ترین روش (100 Gb/s × 4 کانال) از نقطه‌نظر کاهش هزینه‌های فرستنده و گیرنده نوری به شمار می‌آید. علاوه بر این، در مقایسه با مدولاسیون دامنه پالس 4 و مدولاسیون OOK، روش مدولاسیون DMT معمولاً دارای پهنای باند مدولاسیون باریک‌تری است و از این رو IC های سرعت بالا (بیشتر از 50 GHz) نظیر درایورهای VCSEL ی باند پهن و مدارهای گیرنده نوری نیاز نخواهد بود. این مسئله نیز بیش از پیش کاهش هزینه‌های بسته‌بندی و ساخت ماژول کامل AOC را در پی دارد. به‌استثنای هزینه و سرعت، مصرف توان نیز مسئله مهمی است که در OI ها از اهمیت بالایی برخوردار است...