使用される光源の種類には、LED、レーザー、ファブリペロー (FP) レーザー、分布帰還 (DFB) レーザー、垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) などがあります。 いずれも電気信号を光信号に変換しますが、それ以外の点ではまったく異なるデバイスです。 3 つはすべて、実際には砂粒ほどの小さな半導体デバイス (チップ) です。 LED と VCSEL は、チップの表面から光を放射するように半導体ウェーハ上に製造されますが、fp レーザーと DFB レーザーは、チップの中央に作成されたレーザー キャビティからチップの側面から放射します。
駆動電流の関数としての光出力の図からわかるように、レーザーと LED はまったく異なるデバイスです。 LED は単純なエミッタであり、駆動電流が増加するにつれてより多くの光出力を生成しますが、電流が増加すると LED が加熱され、光出力が低下し、総出力が制限されます。 レーザーは LED と同様に始動し、より多くの駆動電流でより多くの光を生成しますが、光はレーザーキャビティと呼ばれる半導体チップ内の小さな領域に閉じ込められます。ほとんどのレーザーではチップ内で水平方向に閉じ込められますが、VCSEL では垂直方向に閉じ込められます。すべてのレーザーと同様に、一度光が照射されると、レーザーキャビティ内で一定量の光が生成されると、デバイスは「レーザー」になります。これは、「放射の誘導放出による光増幅」の頭字語です。 デバイスが特定の電流レベルに達すると、レーザーのしきい値を超え、電流がほとんど増加せずに光出力が大幅に高くなります。
LI 曲線は、レーザーの帯域幅が LED よりも高い理由を示すのに役立ちます。 LED は、より高い電流範囲にわたって変調され、光出力をオンまたはオフにパルスします。 レーザーはしきい値でバイアスされ、その後小さな電流変化で変調され、光出力が大きく変化します。 レーザーのサイズが小さいため、より高速に変調することも容易になります。 一般に、LED は数百メガビット/秒のリンクに制限されますが、レーザーは直接変調された場合、25-50 ギガビット/秒のリンクに適しています。 (レーザーを常にオン (CW) にし、外部で変調することで、より高いビット レートが可能になります。
LED はレーザーよりも出力がはるかに低く、光出力ビーム パターンが大きく発散するため、ファイバーへの結合が難しく、一般にマルチモード ファイバーでの使用が制限されます。 LED の帯域幅はレーザーよりもはるかに狭く、最大約 250 MHz または約 200 Mb/s で動作するシステムに制限されます。
レーザーは、より小さく、より密な光出力を備えており、シングルモード ファイバーに簡単に結合できるため、長距離の高速リンクに最適です。 レーザーは非常に高い帯域幅能力を備えており、そのほとんどは 10 GHz または 10 Gb/s をはるかに超える帯域幅で役立ちます。
VCSEL は奇妙なデバイスです。 彼らは、半導体製造技術を使用してチップ内に垂直のレーザーキャビティを作成し、光が上部から出てくるようにして、ファイバーへの結合を容易にします。 しかし、このデバイス構造は、マルチモード ファイバーに使用される波長である ~850nm の光源に対してのみ実現可能です。
LED と VCSEL は、その製造方法のおかげで安価に製造できます。 デバイス内にレーザーキャビティを作成するのがより難しいため、レーザーはより高価です。レーザーが良好であるかどうかをテストする前に、チップを半導体ウェーハから分離し、両端をコーティングする必要があります。
LED と VCSEL のスペクトル出力の比較。どちらも中心波長は 850nm 付近です。
LED と両タイプのレーザーのもう 1 つの大きな違いは、スペクトル出力です。 LED のスペクトル出力は非常に広いため、ファイバ内で色分散が発生しますが、レーザーのスペクトル出力は狭いため、色分散はほとんど発生しません。 マルチモードファイバーでは、LEDのスペクトル幅が広いため、LEDの帯域幅は色分散によって大きく制限されます(長波長の光は短波長の光よりも速く進み、分散が発生します)。 これにより、高速ネットワークに対する VCSEL の利点がさらに高まります。
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