Technologie laser : EML vs DML

Les transceivers au format QSFP28 à 100G sont largement déployés aujourd’hui et bien que les conceptions originales de ces composants aient été basées sur des lasers EML (Electro-absorption Modulated Lasers), la rapide pénurie de disponibilité des EML a obligé les concepteurs de transceivers optiques à trouver une solution alternative en utilisant des DML (Directly Modulated Lasers).

Maintenant, la variété de produits disponibles s’est doublée et cela suscite de nombreuses questions sur les différences entre les solutions EML et DML en termes de performances et de coût.

Qu’est-ce qu’un laser ?

Laser est l’acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). En d’autres termes, un courant électrique est appliqué à un matériau appelé « milieu de gain optique », ce qui excite les électrons. Cela signifie que les électrons dans le matériau ont une énergie supplémentaire, et après un certain temps, ils perdront cette énergie. Lorsqu’ils perdent cette énergie, ils libèrent un photon (une particule de lumière). La libération de photons est la partie « émission stimulée de rayonnement » du laser.

À ce stade, la lumière est encore faible. Les miroirs de chaque côté renvoient la lumière en arrière et en avant, et elle frappe d’autres parties du matériau, ce qui fait également libérer des photons à ces endroits, générant ainsi plus de lumière, c’est l' »amplification de la lumière ». Lorsque tout le matériau produit de la lumière, on parle de saturation et cela crée un faisceau de lumière très puissant à une longueur d’onde très étroite, que l’on appelle un faisceau laser.

La lumière se déplace à travers le matériau entre les deux miroirs qui réfléchissent la lumière en aller-retour entre eux. Cependant, l’un des miroirs ne réfléchit que partiellement la lumière, permettant à une partie de s’échapper. La lumière qui s’échappe constitue le faisceau laser.

Source: researchgate.net

DML:

Les conceptions de DML consistent en une structure à rétroaction distribuée avec un réseau de diffraction dans le guide d’onde pour assurer un fonctionnement stable lors de la modulation directe, également appelée DFB pour « Distributed Feedback » laser. Avec les lasers DML, la vitesse de modulation et la distance de transmission varient en fonction de la largeur spectrale du laser. En effet, plus la largeur de raie est étroite, plus la vitesse de modulation (taux de données) est élevée et la distance de transmission est longue.

Essentiellement, des séquences de « 1 » et de « 0 » sont placées sur le signal optique en modulant le courant d’injection, similaire à un signal électrique marche/arrêt. Ainsi, la conception d’un DML nécessite que le courant électrique module directement le signal optique en activant le laser pour produire un « 1 » ou en le désactivant pour produire un « 0 ». Ce courant d’injection modulé est produit par un circuit intégré externe et appliqué au laser pour générer la sortie optique.

Cependant, la modulation directe modifie les propriétés du laser telles que son indice de réfraction, ce qui entraîne une grande dispersion chromatique. Les performances d’un DML se dégradent sur de plus longues distances (> 10 km) en raison de dispersions chromatiques plus importantes, d’une réponse en fréquence plus faible et d’un rapport d’extinction relativement faible par rapport aux EML.

Le DML lui-même est une puce unique qui offre un agencement de circuit électrique plus simple pour son fonctionnement. Par conséquent, il permet de concevoir des transceivers plus compacts avec une consommation d’énergie réduite.

EML:

Un EML est un laser intégré avec un modulateur externe appelé modulateur d’absorption électro-optique (EAM) intégré au sein d’une seule puce. La structure est similaire à celle d’un DML, mais contrairement au DML, la modulation du signal se fait non pas du côté électrique mais du côté de l’EAM. Cela signifie que le signal électrique génère un signal optique continu, tandis que le signal électrique marche/arrêt est appliqué après à l’EAM pour moduler le signal optique.

Contrairement à la conception DML, la conception EML n’a pas de modulation directe du laser, ce qui présente l’avantage de ne pas modifier les propriétés du laser. Les EML sont avantageux dans les applications nécessitant des vitesses élevées et des transmissions sur de longues distances en raison de leur faible dispersion chromatique et de leur longueur d’onde stable en opération à haute vitesse.

La conception EML nécessite cependant plus de puissance pour fonctionner ainsi qu’un agencement électrique plus complexe.

Conclusion:

Les conceptions EML et DML respectent toutes deux la norme MSA et sont utilisées dans les transceivers QSFP28 à 100G. En effet, un QSFP28 LR4 peut être réalisé en utilisant ces deux conceptions, il est donc très important de comprendre les différences de performances entre les deux conceptions.

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