Indonesian Journal of Electrical  Engineer ing and Computer Scien ce   V o l. 9, N o . 2 ,  Febr u ar y 201 8, pp .  32 7 ~ 33 ISSN: 2502-4752, DOI: 10. 11591/ijeecs .v9. i 2 .pp327-311          3 27     Jo urn a l  h o me pa ge : http://iaescore.c om/jo urnals/index.php/ijeecs  Full C-Band Tunable V-Cavity -Laser Based TOSA and SFP  Trans c ei ver Mod u les       K. S ar av an an 1 , V . M at hivana n 2   1  Resear ch Scho l ar, D ep artment o f  Information   Technolog y ,  AMET U niversity , Ch ennai  2  Departm ent   of   C om puter S cien ce,  ARM  col leg e  of Eng i ne ering   and  Technolo g y , Chennai      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Oct 11, 2017  Rev i sed   D ec 15 , 20 17  Accepte d Ja n 5, 2018      W e   r eport  the  la test  d eve l opm ent  in  t unabl trans m itter  opti cal   s ub-a sse mbly   (TOSA)  a nd  s m all  form-factor  p l uggable  (SFP)  t ransceiv e rs  b ased   on  simple  and  com p act  V -cavi t y   l as er  ( VCL),  aim i ng  for  low-cos t   d eplo y m en i n   metro,  access  and  data  center  ne tworks.  The  VCL  emplo y half- wave  coupler   t ach ieve  h igh   side-mode  s uppression  r a tio  ( SMSR)  and  the   Vernie r   effect  t ach iev e   a   w ide  wavelen g th  t uning  range.  Full  C-band  t u n ing  from  1529.55-nm  t 1566.31-nm  w ith  S MSR  above  36  dB  i demonstrated .   S i n ce  the  laser  do es  not  i nvolve  a n y   g r a ting  or  e pitaxial  r egrowth,  a nd  has  a   simple   tuning  algorith m it  allows  s impler  p rocesses  for  fabrication  a nd  testing  as   com p ared  t o   oth e wide l y   t unabl l a s e s t ru ctur es Com p act   T OS A a nd  SFP  transceiver  modules  h ave  b een  d evelop ed  f or  f u ll  C-band  tun i ng   with  up  to  93  channels  a 5 0   GHz  s pacing.  T ransmission  expe rim e nts   are  c a r ried  out  f or  direct  m odulatio with  d ata  rate s   from  2.5  Gbps  t 8.5  Gbps.  Th results  o f   reliability   tests  o f  the modules ar e  also presen ted . K eyw ords :   Opt o electronic s   Sem i cond uct o r   Lasers   Copyright ©  201 8 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r K .  S a r av an a n ,     R e search  Sc h o l ar,  Depa rt m e nt  of   I n f o rm at i on Tec h nol ogy ,     AM ET  Uni v er sity ,   Ch enn a i.      1.   INTRODUCTION  Lo w-c o st   t una bl t r anscei ver   m odul es  a re  k ey   e na bl ers  f o next - ge nera t i on  wa vel e n g t h   d i v i s i o n   m u ltiplexing  (WDM base metro,   access  and  data  center  networks C u rren tly  t u n a b l lasers  a re  m o s tly   depl oy ed  i l o ng - h aul   o p t i c a l   t ransm i ssi on  sy st em due  t t h ei r   h i gh  c o st   r es ul t i ng  f r om   f abri cat i o an t e st i ng  com p l e xi t y   f or  s t r uct u res  s u ch  a sam p l e grat i ng  di st r i b ut ed   B ragg  re fl ect or  ( SG DB R )   [ 1] - [ 2] ,   su perstru c ture  g rating   (SSG)  DBR  laser  [3 ],  d ig ital  su p e rm o d e   D B R   [4 ] ,   m odul at ed  g rat i ng  Y- br anc h   [ 5] and  M E M S   b a s ed  e xt ernal   ca vi t y   l asers  [6] .   F or  w i d de pl oy m e nt   of  t he  W DM  t ec hnol ogy  i m e tro,  access  net w or ks   a n d   d at ce nt er  n e t wo rks ,   t he  c o s t   re duct i o o f   t u n a b l tra n sceivers   h a s   b ecom e   a   k ey  i ssue.  Recently,  sim p le  a nd  compact  t una ble  V-cavity  l aser  h as  b een  pr o pos ed  a n d   d em ons t r at ed  [ 7] -[ 8] It   d o e s   not   r e q ui re  c o m pl ex  g rat i ng  and  e p i t a xi al   r egr o wt h.  I t s   f a b ri ca t i o p r oce ss  i s   s im il ar  t t h at   o Fa bry - Per o t   lasers  w ith   o n l an   a dd itio n a step   o d e ep   e tch i n g   f o r   c av ity  m i rrors B y   u si ng   a   s p eci al l y   d esi gne hal f - wave  c o upl e r si ngl e-m ode  o perat i o wi t h   h i g si de -m od su pp res si o n   r at i o   ( SM SR of  3 5- 40   d B   h a bee n   ach iev e d .   I n   t h is  p ap er,  we  r ep ort  th latest  d ev el o p m en of  t u n a b l tran smit ter  o p tical  s u b -assem b ly  ( TOSA)  and  sm al l   form -fact or  p l u gg abl e   ( SFP t r a n scei ve m odu l e based   o the  V-ca vity  l ase r aiming  for  low-c o st   depl oy m e nt   i m e t r an ac cess  net w o r k s .   The  c h i p   s t r u c t u re  i i m pro v ed i n cl udi ng   o ut p u t   f r om   a   s i ngl e   m ode  w ave gui de  b ran c fo bet t e fi be c o upl i n g,  i nst ead   o out put   f r o m   t h cou p l e r   si de  a i n   p re vi o u r e p o r t s .  T h e   b a c k  s i d e   o f  t h e  l a s er  i m e tal- coated  f or  h igh-re fl ect i v i t y   t re d u ce  t h e   t h res h ol a n i m prove   t h sl o p ef fi ci ency F u l l   C - b a nd  t uni ng  o f   93  c h a nnel s   w i t 5 0   G Hz  s pa ci ng  has  been  d em onst r at ed  f or  t he  first tim e. Th e  resu lts o f tran s m i ssi on ex pe ri m e nt s an d rel i a bi lity tests are also   p r esen ted.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        ISS N 2502- 4 752  In d onesi a n  J  E l ec En g &   C o m p  Sci , Vol .   9 ,  N o.  2 ,   Fe br uar y  20 1 8   :   3 27 – 331  32 8 2.   DEVI CE ST R UCT URE  A N D  O PER A TI ON  P RI N C IP LE    Fi gu re  1   s h o w s   t he  t op -vi e w   m i crosco pe  p hot og ra ph  of      t he  V -C a v i t y  l a s e r  c h i p .  I t   w a s   d e s i g n e d   an d   fabricated  i n   In GaAsP/ In m u ltip le  q u a n t u m   w ell   s t ru cture  w ithou ep itax i al  r eg ro wt h   or  b and g a engi neeri n g .   T he  d et ai l e l a y e   s t r uct u re  a n d   f a b ri cat i o p r oc es of  t his  l a ser  ha ve  b een  d escri b ed  i [8]-[9].  Th e V-cav ity laser con sists o f  t wo  Fabry-Pero t  cav ities with  sl i ght l y  di ffer e nt  opt i cal  pat h l e ngt hs. T he l engt h   o f  t h e    f i x e d   g a i n   c a v i t y  i s   d e s i g n e d   t o   b e   4 5 0    m   t o   m a t c h   i t s         r esonant wavel e ngt hs  t t h IT gri d   o f   100  GHz  s paci ng.  T h cha nnel  selector  cavi t is  5 longe r   s t h at  t he  V ernier  e ffe ct  can  b use d   t e x tend  t h e   t u n i n g   r a n g e  a n d  a c h i e v e  a  l a r g e   f r e e   s p e c t r a l   r a n g e   ( F S R )   o f   a bout  2 ch ann e ls.  Th t w cav ities  ar co up led   throug h   h a lf-wave  co up ler  wh ich   is  d esig n e to   h av p has e   d iffere nce  b e tween  b a r-c o upli n g   coefficient  a n cross-c o upling  c o efficient  i n   t he   o pe rating  wav el e ngt hs   t ac hi eve   hi g h   S M S R   [ 10] , [ 11] .   I n   o r d e to   c o n t rol  th cav ity  l en g t h s  p recisely,  th ree  d e ep   e tche facets  are  used  a cavity  m irrors The output  i s   e m itted from  the etche d facet  of  the   cha n nel selector c avity.   The  bac k   f acet on  the  c o upl e an on  t he  f ixed  g ai cavit are   c o a ted   with   h ig h-reflectiv Au   f il after  surface  passivation.  T hree  electrodes  a r de posite on  th t op  su rfac e   w hi l e   a   c om m on  gro u nd  el ect ro de  i s   d ep osi t e d on   t he  b ac si de. The  c h an nel   se l ect or  e l ect ro d e   o t h l o ng  c a vi t y   i used  f o r   w a v el en gt t uni n g   and  t h ot her  t w el ect ro des   pro v i d gai n .   The  wavel e n g t h   t u n i n is  accom p lished  by  c urrent  i njection  in du ced   t h e rmo - op tic  e ffect,  wh ic causes  t h refractive  index  c h ange.  T h couple r   e lect rode  i also  u sed  for  di rect   m odul at i on.  T he  r at i o   b et wee n   t he  l engt of  t he  w a v eg ui d c ove r e by   t he  c o u p l er  e l ect rode  a nd  t h e   cavi t y  l engt h a r e desi gne d t o   b e t h e sam e  (e.g. 6 0% i n t h e c u r r en t d e sign ) for th e two   cavities [1 2 ] , in   ord e r to  m i nim i ze  t h wavel e ngt c h i r i n d u ce b y   t h di rect   m odul at i on  a n t o   a v o i d   m ode   h o p s.   S t a nda r d   f a br icatio n   process  f o r   r i dg w a v e gu id Fabr y- Per o laser s   i u sed  wi t h   t h e   a ddi t i onal   st e p   o deep  e t c hi ng  t o   m a ke t he  r efl e ct i v e m i rrors.   T he c hi p   si ze i s  o nl y   ab o u t   5 0 0  m m  * 350 m m .           Fi gu re  1 .   M i cr osc ope  P hot og rap h   o f   t h V - C a vi t y  Laser C hi p       3.   EX PERM ENTA R E SU LTS  AN DISSC U SSION S    The  l a ser  reac hes  i t s   t hresh o l whe n   t he  t o t al   c urrent   o t h t hree    e l ect ro des    i   a bout     60    m A.  E m i s s i o n   s p e c t r u m   w i t h  3 7   d B  d y n a m i c  S M S R   w h e n  t h e  l a s e r  i s   m o d ul at ed  a t   2. G b ps.  T h fi be c o u p l e po we of   t he  m odul i s   a b o u t   6   dB m .   B y   adj u st i n t h c u r r ent   o f  t h e  c h a n n e l  s e l e c t o r  e l e c t r o d e  a n d   t h e  T E C   t e m p erat ure  c o nt r o l ,   w ca o b t a i n   4 c h a n n e l s   f r o m   152 9. 55 - n m   to   1 5 66.31 -n m   o f   t h e   I TU   g r i d   i n   100  G H z   spacing,  c ove ring  the  full  ba nd.  T o   acce ss  the  50  GHz   spacing   g ri d,  w cha nge  t he   TEC   t em perature  b y   abo u t   4 - 5 C   t o   t un t o   4 c h an nel s   f rom   152 9. 9 4 - n m   t o   1 5 6 5 . 9 - n m wh i c are  shi f t e by   50  G H fr o m   t he  p r ev iou s   g r i d .   B slig h tly  a d j u s ting   th cur r en of   t h e   c oupler   e l ect ro de,  t h out put   p ow er  o t h c h an n e l s   c a n   be  b al a n ce d.  T he  o ve rl ap ped  spect ra  o t h 93  c h a nnel s   o f   t h I TU   g r i w ith   5 0   G H z   s p acing   a r e   s how n   i n   Figure  2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In d onesi a n  J  E l ec En g &   C o m p  Sci    ISS N :   2 5 0 2 - 47 52       Fu ll C- Ba nd   Tu nab le V- C a vity- L a s er Ba sed   TOS A   a nd S F P Tran sceiver Mo du les (K.  Sa ra vana n )   32 9     Fi gu re  2 .   M eas ure d   S i n gl e C h annel   Spect ru     The  dy nam i SM SR   i abo v e   36  dB   f or  a l l   t he  c han n el whe n   t he  l ase r   i un der  2. Gb ps  d i r ect  m odul at i on.  M ost   cha n nel s   r e ach  3 dB T h dy nam i SMSR   d e g ra de with   i n c reasi n g   ex tin ction   ratio  ( ER)  of  t he  m odul at ed  s i g nal .   W t y pi cal l y   l im i t   the  ER   t 5~ 6 d B   s that  t h e   S MSR  d e g r ad atio is  l i m ited   to   2 ~ 3   dB   w i t h   r espec t   t t h e   st at i c   S M S R s   w he n o   m odul at i o s i gnal   i a p pl i e d.  T he   w a v el e ngt hs  a re  t une t o   t h e   93  c h a nnels  i the  IT grid  b adjusting  the  currents  o t h ch ann e selecto r   e lectr o d e   f ro m   2 5   m A   t o   148  m A   a nd  the   T E te m p erature  betwee 27  o C   an 78 o  C .   T h e   c u r r e n t s  o f   t h e   c o u p l e r   e l e c t r o d e  a n d  t h e  f i x e d   gain electr o de  a re set at  25 m an d 28  m A ,  r esp ectiv ely, with  s m a ll  vari a t i ons  f or  f i n e   w a vel e n g t h  t uni ng  an d   out put   p owe r   e qual i zat i o n.  T h e   f i b e r   c ou pl e d   p owe r   r an ges   fr om   5.2  dB m   t o   6 .6   d B m   f o r   t he  9 3   cha n ne l s   i n   th is d ev ice.  In   t h e   b it  error  rate  ( BER)  t est,  t h e   r esu lts  m easu r ed   a th e rror  d etect or  i pl otted  against  the  receive powe that  i m easured  w ith  a opt i cal  p ower  m eter.  Ea c h   B ER   v alue  i s   m easured  w ith  a least  100  errors Fi gure  3   s hows   t he   m easure d   b it  e r ror  rate  v ersus   recei ve po we at   2 . 5   G bps com p ari n g   bac k -t o- back   ( b 2 b )   w i t h   2 5 - km   S M F   t ran s m i ssi on  and   50 -km   t r ansm i ssi on.  The  receive sensitivity  p enalty  i less  t h an  0 . 5   d B   fo 2 5 - km   t rans m i ssi on  an l e ss  t h a n   1   d B   f o 5 0 - k m   t rans m i ssi on.  T he  m ai cause  o f   po we r   penal t y  i s t h e   c h r o m a t i c  di s persi o due  t wa vel e n g t h  c hi r p   r el at ed t o   t h d i rect  m odul at i on.   The  m easured  b it  error  rate  v ersus  receive power  at  5   G bps  i shows  the  m easured  b it  error  rate  vers us  r eceive power  a 8.5  Gbps c o m p aring  bac k -to-back  w ith  1 0 - k m   SM t r ans m i ssi on.  T he  p o w e r   penal t y   i n   t h e   abo v e   t w t r a n sm i ssi on  c o n d i t i ons  i s   ab o u t   dB ,   a n d  e r r o r  f r e e   t r a n s m i s s i o n  i s   a l s o  a c h i e v e d   in both cases.          Figure 3. Meas ure d  BER Ve r s u s Receive d Powe r at 5Gbps     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        ISS N 2502- 4 752  In d onesi a n  J  E l ec En g &   C o m p  Sci , Vol .   9 ,  N o.  2 ,   Fe br uar y  20 1 8   :   3 27 – 331  33 0 The  m a i n   r eason  t h at   l im i t s   t he  a bo ve  d e v el o p m e nt   up  t o   8 .5  G b/ i s   t he  freq u e n cy   r espo nse   ban d w i d t h   o t h de vi ce,  i ncl udi ng  t h l a ser   chi p   a n d   p ac k a gi n g T h m e asure d   3 dB   b a n d w i d t h   o t h e   devi ce   i s   a bo ut   5 ~ 6 G H f o di ffe re nt   c ha nnel s We  a re  c ur rent l y   d evel o pi n g   t he  l aser  w i t h   A l - c ont ai ni ng  m a t e ri al   sy st em  and i m pr o v ed  pac ka gi ng  t o i m pro v e t h ban d w i d t h .   Fo th reliab ility  t ests,  th o p tical  c h a racteristics  o f   t h e   m odul es  a re  m oni t o red  whi l t h ey   a re   o p e rated  in   a   t est  ch am b e with   t e m p e rature  s et  a 70   o C .   S i n ce  no   w a v e l engt h   l o c k er   i use d   i t h T O S A ,   th wav e leng th   a nd   S MSR  stab ilitie are  o f prim ary  co n cern.  F igu r e   4  s h o w s  t h e  m e a s u r e d  w a v e l e n g t h   a n d   SMSR  v ariation s   w ith   tim e   o v e 10 -d ay  p eriod .   I was  ob serv ed   t h a th wav e leng th   i n c reases  b few  pi com e t e rs  i the  fi rst   fi ve  d a y or  s a nd  t h en  g rad u al l y   s t a b ilize,  w h ile  t h e   S MSR  remain qu ite  s tab l e.  T h e   cor r es po n d i n fre que ncy   dri f t s  are i n t h e   o r d e of  1 GHz  i aver a g fo 1 2   m odul es u n d er  t est .           Fig u re 4 . W avelen g t h and   SMSR S tab ilities Un d e r Reliabilit y Tes     4.   CO NCL USI O N   We  h a v devel ope t u nabl T O S A   a nd   S F P   t ranscei ve m odul es   b as e on  the  V-ca vity  l aser.  Full  C   ban d   t uni ng   o 93   c ha n n el fr om   152 9. 5 5 - n m   t o   1 56 6. 3 1 - nm   w i t h   5 GHz   s pacing  i dem onstrate d The  dy nam i c SM SR  i s abo v 36  dB  f or al l   t h e c h an nel s Fo r t h e dat a   rat e  at   2 . 5 G b ps, e rr or  f ree t r a n sm i ssi o n  o ve r   50  km   i achi e ved  wi t h   e xcel l e nt   m easured  e y e   d i a gram s.  T he  r ec eiv e sen s itiv ity  p en alty  i less  th an   0 .5   d B   for  25-km   transm ission  and  l e ss  th an   1   d fo r   50 -k m   tr an smissio n.  E rr or  free  t r ansm i ssions   a re   a l s ac hi eve d   for  25   k m   at  5   G bp and   1 0   k m   a t   8 . 5   Gbps.  Th reliab ility  t est h a v e   s h o wn   e x cellent  w av eleng t h   stab ility   ev en  t ho ugh   n o   wav e len g t h   l o ck er  i u s ed th ank s   t o   th bu ilt-i Fa bry-Perot  etalons   in  t he  l ase r Sinc the   VC i s   m uch  sim p l e and  m o re  c om pact   c om pared  t o   w i d el y   t unabl e   l asers  curre n tly  a vailable  in  t he  m arket,  the  VCL - base tuna ble  TOSA  a nd  SFP  m o dules  ha ve  g reat   pote n tial   f o r   l ow -c ost   m a ss  depl oy m e nt   i m e t r o   and access net w orks.       REFERE NC ES    [1]   Ma son  B. ,   et al. “Widely   t un able  s ampled  g ratin DBR  laser  with  i ntegra ted  el e ctroabsorption  modulator ,”  IE EE  Photonics  Techn o logy Letters , vo l/issue: 11 ( 6), pp . 638-640 , 1999 .   [2]   Coldren  L.  A . ,   Monolithic  t un able  d iod e   l aser s,”  IEEE Journ a l of Selected T opics in Quantum Electronics vol/issue: 6(6), p p. 988-999 , 200 0.   [3]   Tohmori  Y.,  et al. B road-r ang e   w avel ength-tu nabl superstru c ture  g rating  (SSG)  DBR  lasers,”  IEEE journal o f   quantum electro nics , vo l/issue: 2 9(6), pp . 1817-1 823, 1993 .   [4]   Wa rd  A .   J. et al. W i del y   t unabl DS-DBR  laser   with   m onolithic al l y   i nteg rat e S OA:  D esign  and  performance,”  I EEE Journal of  selected  t opics in quantum electr onics,  vo l/issue: 11(1), pp . 149-1 56, 2005 .   [5]   We sström  J.   O . ,   et al. “State- o f-the-ar t   p erfor m ance  of   w idely   tunab l modu lated  gra ting  Y - branch  l as ers ,   in  Optical Fib e r Communication Conference  (p .  TuE2). Optical So c iety  of   America, 2004 .   [6]   Berger  J D .,  et al. “Widely   t u n able  e x t ernal  cavity  d i o d e  l a s e r  u s i n g   a   M E M S  e l e c trost a ti rotar y   a c t uator ,   European Conference  in   Optical Communication,  vol. 2, pp. 198- 199, 2001 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In d onesi a n  J  E l ec En g &   C o m p  Sci    ISS N :   2 5 0 2 - 47 52       Fu ll C- Ba nd   Tu nab le V- C a vity- L a s er Ba sed   TOS A   a nd S F P Tran sceiver Mo du les (K.  Sa ra vana n )   33 1 [7]   He  J J.  a nd  Liu  D.,  “Wavelen g th   s witchable  semiconductor  laser   u sing  half-w ave  V-coupled  cavities,”  Optics   Express , vol/issue: 16(6) , pp . 389 6-3911, 2008 .   [8]   Jin  J. ,   et al. “Widely   w av elen gth  switchable  V-coupled-cavity   semiconducto laser  with   40  dB  s ide-mod e   suppression ratio ,”  Opti c s  l e tt e rs,  vol/issue: 36(21) , pp . 4230-4232 , 2011.   [9]   Prashu  J.,  et al .,  L OGIXP RO  B as ed  S CADA  S i m ulation  M odel  for  P ackaging  S y s t em   i n  D r y  I C E  P l a n t ,   International Jo urnal of  Electr ical and Computer Engin eering , vo l/issue: 5 (3), pp. 443-453, 2015 .   [10]   K u m a P .,  et al. “Wide  B and  CPW  Fed  Slotte Microstrip  A ntenna,”  TELK OMNIKA Indonesian Journal o f   Ele c trica l  Eng i n eering , vol/issue: 15(1) , pp. 114- 119, 2015 .   [11]   Singh  A.,  et al. “Slots  a nd   N otches  L oad e Micr ostr ip  p atch   A ntenna  f or  W irele ss  Communication,”  TELKOMNIKA Indonesian Journ a of Electrical  Engineering , vol/issue: 13(3) , pp .  584-594, 2015.   [12]   Alexander  S .,  P erform ance  Anal y s is   o M I M O -OF D S y s t em ,   International Journal  of  MC  Square Scientific  Research , vol/is sue: 6(1), pp . 1- 6 , 2014 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.