Datakommunikation i gigabithastighet över några få centimeter blir både billigt och enkelt tack vare nya svenska laserkomponenter.


Att snabbt kommunicera mycket information över korta avstånd är ett ganska vanligt problem. Två kretskort på några få centimeters avstånd kan behöva kommunicera med höga bandbredder - flera hundra Mbit/s.

En sådan koppling görs oftast med en bandkabel eller någon annan konstellation av korta kopparledningar. Men det är en dyr metod, särskilt vid hastigheter över 500 Mbit/s. En kort optisk fiber, ansluten till ytemitterande lasrar i varje ände, är ett billigare alternativ som också tar mindre plats. Tekniken hanterar bandbredder upp till gigabithastighet.

I Sverige finns både företag och forskning som ligger långt framme. Mitel i Järfälla lanserade nyligen en billig lasermatris bestående av fyra ytemitterande lasrar i en rad. Den kallas "vixel-array" på svenska efter engelskans VCSEL- array, Vertical Cavity Surface Emitting Laser.



Upp till 4 GHz per matris


Med 1 GHz bandbredd per kanal får matrisen en sammanlagd bandbredd på 4 GHz. Lasrarna kan kopplas till en standardiserad optisk bandkabel kallad MT-kontakt, som innehåller upp till tolv optiska fibrer.

- En bra linjering mellan lasern och den optiska fibern är kritisk, säger Jan Isaksson, Mitels projektledare.

Han har patenterat en ny metod för passiv styrning av ljusstrålar så att upplinjering sker med 5 μm noggrannhet.

- Vi använder oss av flip-chipteknik och en metallram för att förenkla optotillverkningen. Chipset är lött så att det själv söker sig in på rätt plats i metallramen, säger Isaksson.

Monteringen av lasern på kretsen har Mitel också löst på ett enkelt sätt.

- Det finns hål i metallramen som styr den mot ett antal pinnar, som i sin tur styr in en optisk kontakt. Det gör att VCSEL:n lyser direkt in i kontaktens fibrer.

Metallramen med inbyggda lasrar är Mitels grundmodell. Den mäter ungefär 5 x 7 mm. Senare i år väntas massproduktion av komponenten komma igång i Järfälla.

Avdelningen för optoelektronik ingick i Mitels köp av ABB Hafo 1996, och man har nära kontakt med svenska forskningsgrupper inom optronik. Tillsammans med forskare på KTH och Chalmers kommer Mitel att utveckla VCSEL:ar med våglängder runt 650 nm (röd), 1 300 nm och 1 550 nm.

Anledningen att utveckla röda VCSEL:ar är att plastfibrer har minimal dämpning vid just den våglängden och dessa är bättre i vissa tillämpningar, som till exempel fiber till hemmet.

- Plastfiberledare blir billigare än glasfiber eller kopparledare när dataöverföring sker med gigabithastigheter, säger professor Klaus Struebel på KTH.



Längre avstånd nästa år


Man kan tänka sig att VCSEL-kopplingar i framtiden kommer att ersätta kopparkablarna i telestationer, eller kommunikationsbussar. Redan idag har några VCSEL-tillverkare börjat producera nätverkskort till Ethernet där ytemitterande lasrar hanterar den optiska kommunikationen.

En stor utmaning är att utveckla en singelmod-VCSEL som kan kopplas till en singelmodfiber. Fördelen med en sådan är att ljuspulserna inte påverkas av långa ledningsavstånd.

Problemet är att om bara en mod skall få plats måste lasern göras liten, helst under 5 μm i diametern. Då får kanteffekter mycket större betydelse. Mitel har därför utvecklat en ny tillverkningsprocess för att undvika skador i kanten av den aktiva arean.

Principen bygger på att ett oxiderat material inte leder ström. Man tillverkar ett extra skikt i materialet som har en mycket högre aluminumhalt än övriga. Detta skikt kan oxideras utan att man samtidigt oxiderar resten av materialet, som har en lägre aluminumhalt.

Med en finjustering av oxideringsprocessen kan man då skapa en yta av aktivt material som skyddas av oxiderade material. Mitel räknar med volymproduktion av sådana singelmod-VCSEL:ar inom ett år.

Susan Kelly



Små billiga lasermatriser klarar hög bandbredd


Ytemitterande lasrar, även kallade VCSEL (uttalas "vixel") efter engelskans Vertical Cavity Surface Emitting Laser, är mikrolasrar runt 250 μm2 stora med låg strömförbrukning och hög bandbredd.

Lasern kan tillverkas i matriser på halvledarskivor. En sådan lasermatris med kompletterande mottagare blir en snabb och billig optisk länk för parallell datakommunikation.

Den ytemitterande lasern sänder ut ljuset vinkelrätt mot halvledarskivan. Ljuskäglan blir då symmetrisk, till skillnad från kantemitterande lasrar där ljuset emitteras längs med skivan och blir elliptisk. En symmetrisk ljuskägla är lättare att leda in i en optisk fiber, och minskar förlusterna vid inkopplingen jämfört med en elliptisk ljuskägla.

Laserns optiska uteffekt ligger normalt på 1-2 mW. Tröskelströmmen, den minsta ström som krävs för att lasern skall börja lasra, är mycket låg, cirka 4 mA, vilket leder till billigare drivelektronik. I framtiden hoppas man på att få ner tröskelströmmen ytterligare, så att man helt kan ta bort laserns drivkretsar.

En VCSEL består av två speglar och ett aktivt medium av GaAs, som förstärker ljuset. Avståndet mellan laserspeglarna är kort, bara 20 μm, vilket kräver synnerligen högreflekterande speglar för att få tillräcklig ljusförstärkning.

Detta åstadkommer man med DBR-speglar, Distributed Bragg Reflectors. Sådana speglar består av ett tunt skikt av AlAs och GaAs. Skiktet är inte tjockare än en fjärdedel av laserljusets våglängd och därför svårt att producera.

Ytemitterande lasrar tillverkas med våglängder mellan 780 nm och 980 nm och med en bandbredd på cirka 2 GHz. De är mycket tillförlitliga, och tillverkarna lovar stabil operation mellan 0 och 70 °C. Lasrarna kan masstillverkas till låga kostnader och kan testas direkt på halvledarskivan.

SK