Новые материалы и удачная конструкция позволили увеличить скорость лазеров с вертикальным резонатором до 40 Гбит/с.
Постоянно увеличивающиеся объемы передаваемой информации, возросшая скорость работы многопроцессорных систем диктует новые требования к распределенным информационным системам. Возможность внедрения множества современных приложений и облачных сервисов в очередной раз упирается в ограничения существующих каналов связи. Коаксиальные линии, витая пара, затем оптика. Каждый раз, когда кажется, что достигнут предел, что имеющейся скорости достаточно, возникают новые идеи, новые программные решения и сказывается недостаток скорости.
Группой ученых из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне (США) под руководством Милтона Фенга (Milton Feng) разработан поверхностно излучающий (или вертикально излучающий) лазер с вертикальным резонатором (VCSEL). Он создан на базе оксидов, имеет апертуру порядка 4 нм и пороговый ток 0,53 мА.
В чем отличие от традиционных решений? Обычный полупроводниковый лазер создает излучение, которое параллельно плоскости кристалла полупроводника. Вертикально излучающий лазер генерирует свет в перпендикулярном направлении к кристаллу. В отличие от обычных лазеров у вертикально излучающего очень малая угловая расходимость луча и хорошая симметричность диаграммы направленности выходного излучения. Дополнительным преимуществом является стабильность температуры и параметров излучения. С точки зрения технологичности производства большим плюсом является возможность на одной пластине изготавливать лазеры большими группами. Первый подобный лазер, VCSEL, был создан в 1979 году японскими учеными, а возможность использования в непрерывном режиме при комнатной температуре была реализована только в 1988 году. Именно за работу в этой области в 2000 году получил Нобелевскую премию Жорес Алферов. Особенно перспективны подобные лазеры для диапазона 850 нм, где они могут быть использованы для высокоскоростной оптоволоконной связи. На сегодняшний день массово производят устройства, обеспечивающие работу на скоростях до 10 Гбит/с.
В работе американских исследователей за счет использования новых материалов и удачной конструкции достигнута скорость 40 Гбит/с. Реализована полоса модуляции 21,2 ГГц, при относительной интенсивности шума (RIN) -154,3 дБ / Гц. Кроме того, безошибочная передача данных в 40 Гбит/с достигается при силе тока в 6,5 мА, что соответствует эффективности энергия / данные 431 фДж/ бит. Такие показатели энергоэффективности значительно выше, чем у стандартных оптических систем связи. Эти результаты были получены благодаря преимуществам вертикально излучающих систем, прежде всего малой расходимости луча.
К сожалению, квантовый предел эффективности подобных лазеров ограничивает перспективы увеличения пропускной способности. Планируется в ближайшем будущем увеличить скорость канала связи только до 60 Гбит/с. Также важным направлением будущих исследований, по словам г-н Фенга, является обеспечение работы при высоких температурах – пока эффективная работоспособность обеспечивается только при комнатной температуре. В этом случае можно говорить о перспективах внедрения данных типов излучателей в системы оптической связи. «Оксидные вертикально излучающие лазеры уже стали индустриальным стандартом в оптоэлектронике. Все соревнуются в наращивании скорости и эффективности таких систем, и наша технология VCSEL способна предоставить то, что востребовано на рынке», — заявляет Милтон Фенг.
Подобные скорости нужны для создания облачных систем вычислений, информационных и телеметрических медицинских систем, и для многого другого. Именно в этих областях, по мнению разработчиков, имеющихся 10 Гбит/с не хватает, и сверхвысокие скорости являются не просто желательными, а необходимыми.
По материалам http://news.illinois.edu/