1. Przegląd
W dziedzinie komunikacji optycznej tradycyjne źródła światła oparte są na modułach laserowych o stałej długości fali. Wraz z ciągłym rozwojem i zastosowaniem optycznych systemów komunikacyjnych stopniowo ujawniają się wady laserów o stałej długości fali. Z jednej strony, wraz z rozwojem technologii DWDM, liczba długości fal w systemie sięgnęła setek. W przypadku ochrony, kopia zapasowa każdego lasera musi być wykonana na tej samej długości fali. Dostawa lasera prowadzi do wzrostu liczby laserów zapasowych i kosztów; z drugiej strony, ponieważ lasery stacjonarne muszą rozróżniać długość fali, rodzaj laserów rośnie wraz ze wzrostem liczby długości fali, co komplikuje złożoność zarządzania i poziom zapasów; z drugiej strony, jeśli chcemy obsługiwać dynamiczną alokację długości fal w sieciach optycznych i poprawić elastyczność sieci, musimy wyposażyć dużą liczbę różnych fal. Długi laser stacjonarny, ale stopień wykorzystania każdego lasera jest bardzo niski, co powoduje marnowanie zasobów. Aby przezwyciężyć te niedociągnięcia, wraz z rozwojem półprzewodników i powiązanych technologii, pomyślnie opracowano przestrajalne lasery, tj. różne długości fali w określonym paśmie są kontrolowane na tym samym module laserowym, a te wartości długości fal i odstępy spełniają wymagania ITU-T.
W przypadku sieci optycznej nowej generacji przestrajalne lasery są kluczowym czynnikiem w realizacji inteligentnej sieci optycznej, która może zapewnić operatorom większą elastyczność, szybszą prędkość dostarczania fal i ostatecznie niższe koszty. W przyszłości dalekosiężne sieci optyczne staną się światem systemów dynamicznych na długości fal. Sieci te mogą w bardzo krótkim czasie uzyskać nowe przypisanie długości fal. Dzięki zastosowaniu technologii transmisji na bardzo duże odległości, nie ma konieczności stosowania regeneratora, co pozwala zaoszczędzić sporo pieniędzy. Oczekuje się, że przestrajalne lasery zapewnią nowe narzędzia dla przyszłych sieci komunikacyjnych do zarządzania długością fali, poprawy wydajności sieci i opracowania sieci optycznych nowej generacji. Jedną z najbardziej atrakcyjnych aplikacji jest rekonfigurowalny optyczny multiplekser add-drop (ROADM). Na rynku sieciowym pojawią się dynamiczne rekonfigurowalne systemy sieciowe, a przestrajalne lasery o dużym zakresie regulacji będą wymagały więcej.
2. Zasady techniczne i charakterystyka
Istnieją trzy rodzaje technologii sterowania laserami przestrajalnymi: obecna technologia sterowania, technologia sterowania temperaturą i technologia sterowania mechanicznego. Wśród nich elektronicznie sterowana technologia realizuje dostrajanie długości fali poprzez zmianę prądu wtrysku. Ma prędkość strojenia na poziomie ns i szerokie pasmo strojenia, ale jego moc wyjściowa jest niewielka. Głównymi technologiami sterowanymi elektronicznie są lasery SG-DBR (Sampling Grating DBR) i GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Technologia kontroli temperatury zmienia wyjściową długość fali lasera poprzez zmianę współczynnika załamania aktywnego obszaru lasera. Technologia jest prosta, ale powolna, wąska, regulowana szerokość pasma, tylko kilka nanometrów. Lasery DFB (Distributed Feedback) i DBR (Distributed Bragg Reflection) to główne technologie oparte na kontroli temperatury. Sterowanie mechaniczne opiera się głównie na technologii systemu mikroelektromechanicznego (MEMS) w celu uzupełnienia wyboru długości fali, z większą regulowaną szerokością pasma i wyższą mocą wyjściową. Głównymi strukturami opartymi na technologii sterowania mechanicznego są DFB (rozproszone sprzężenie zwrotne), ECL (laser z zewnętrzną wnęką) i VCSEL (laser z emisją powierzchniową wnęki pionowej). Zasada działania laserów przestrajalnych z tych aspektów zostanie wyjaśniona poniżej. Wśród nich podkreśla się aktualną technologię przestrajalną, która jest najbardziej popularna.
2.1 Technologia kontroli temperatury
Technologia kontroli oparta na temperaturze jest stosowana głównie w strukturze DFB, jej zasadą jest dostosowanie temperatury wnęki lasera, aby mogła emitować inną długość fali. Regulacja długości fali regulowanego lasera w oparciu o tę zasadę jest realizowana poprzez sterowanie zmiennością lasera InGaAsP DFB pracującego w określonym zakresie temperatur. Urządzenie składa się z wbudowanego urządzenia blokującego fale (standardowy wskaźnik i detektor monitorujący), aby zablokować wyjście lasera CW na siatce ITU w odstępie 50 GHz. Ogólnie rzecz biorąc, w urządzeniu znajdują się dwa oddzielne komputery TEC. Jednym z nich jest kontrolowanie długości fali chipa laserowego, a drugim zapewnienie pracy detektora blokady i zasilania w urządzeniu w stałej temperaturze.
Największą zaletą tych laserów jest to, że ich wydajność jest podobna do laserów o stałej długości fali. Charakteryzują się wysoką mocą wyjściową, dobrą stabilnością długości fali, prostą obsługą, niskimi kosztami i dojrzałą technologią. Istnieją jednak dwie główne wady: po pierwsze, szerokość strojenia pojedynczego urządzenia jest wąska, zwykle tylko kilka nanometrów; drugim jest to, że czas strojenia jest długi, co zwykle wymaga kilku sekund czasu stabilizacji strojenia.
2.2 Mechaniczna technologia sterowania
Technologia sterowania mechanicznego jest generalnie realizowana za pomocą MEMS. Przestrajalny laser oparty na technologii sterowania mechanicznego przyjmuje strukturę MEMs-DFB.
Przestrajalne lasery obejmują macierze laserowe DFB, przechylane soczewki EMS oraz inne elementy sterujące i pomocnicze.
Istnieje kilka matryc laserowych DFB w obszarze matryc laserowych DFB, z których każda może wytwarzać określoną długość fali o szerokości pasma około 1,0 nm i odstępie 25 Ghz. Kontrolując kąt obrotu soczewek MEM, można wybrać wymaganą konkretną długość fali, aby wyprowadzić wymaganą konkretną długość fali światła.
Macierz laserowa DFB
Kolejny przestrajalny laser oparty na strukturze VCSEL został zaprojektowany w oparciu o lasery pompowane optycznie z pionową wnęką powierzchniową. Technologia półsymetrycznej wnęki jest wykorzystywana do uzyskania ciągłego dostrajania długości fali za pomocą MEMS. Składa się z lasera półprzewodnikowego i pionowego rezonatora wzmocnienia lasera, który może emitować światło na powierzchnię. Na jednym końcu rezonatora znajduje się ruchomy reflektor, który może zmieniać długość rezonatora i długość fali lasera. Główną zaletą VCSEL jest to, że może generować czyste i ciągłe wiązki oraz może być łatwo i skutecznie sprzęgana z włóknami światłowodowymi. Ponadto koszt jest niski, ponieważ jego właściwości można zmierzyć na wafelku. Główną wadą VCSEL jest niska moc wyjściowa, niewystarczająca szybkość regulacji oraz dodatkowy ruchomy reflektor. Jeśli doda się pompę optyczną w celu zwiększenia mocy wyjściowej, ogólna złożoność wzrośnie, a zużycie energii i koszt lasera wzrosną. Główną wadą lasera przestrajalnego opartego na tej zasadzie jest to, że czas strojenia jest stosunkowo długi, co zwykle wymaga kilkusekundowego czasu stabilizacji strojenia.
2.3 Technologia kontroli prądu
W przeciwieństwie do DFB, w przestrajalnych laserach DBR, długość fali zmienia się, kierując wzbudzający prąd do różnych części rezonatora. Takie lasery składają się z co najmniej czterech części: zwykle dwóch siatek Bragga, modułu wzmocnienia i modułu fazy z precyzyjnym dostrajaniem długości fali. W przypadku tego typu lasera na każdym końcu będzie wiele siatek Bragga. Innymi słowy, po pewnym skoku siatki jest przerwa, potem jest inny skok siatki, potem jest przerwa i tak dalej. Daje to podobne do grzebienia widmo odbicia. Siatki Bragga na obu końcach lasera generują różne, podobne do grzebienia widma odbicia. Kiedy światło odbija się między nimi, nakładanie się dwóch różnych widm odbicia skutkuje szerszym zakresem długości fal. Obwód wzbudzenia zastosowany w tej technologii jest dość złożony, ale jego prędkość regulacji jest bardzo duża. Tak więc ogólna zasada oparta na obecnej technologii sterowania polega na zmianie prądu FBG i części sterującej fazą w różnych pozycjach przestrajalnego lasera, tak aby względny współczynnik załamania światła FBG uległ zmianie i powstawały różne widma. Nakładając różne widma wytwarzane przez FBG w różnych regionach, wybrana zostanie określona długość fali, tak aby wygenerować wymaganą określoną długość fali. Laser.
Przestrajalny laser oparty na obecnej technologii sterowania przyjmuje strukturę SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Dwa reflektory na przednim i tylnym końcu rezonatora laserowego mają swoje własne szczyty odbicia. Regulując te dwa piki odbicia przez wstrzyknięcie prądu, laser może emitować różne długości fal.
Dwa reflektory z boku rezonatora laserowego mają wiele pików odbicia. Kiedy laser MGYL działa, prąd wtrysku dostraja je. Dwa odbite światła są nakładane przez łącznik/rozdzielacz 1*2. Optymalizacja współczynnika odbicia front-endu umożliwia laserowi osiągnięcie wysokiej mocy wyjściowej w całym zakresie strojenia.
3. Status branży
Lasery przestrajalne są liderem w dziedzinie optycznych urządzeń komunikacyjnych i tylko kilka dużych firm zajmujących się komunikacją optyczną na świecie może dostarczyć ten produkt. Reprezentatywne firmy takie jak SANTUR bazujące na tuningu mechanicznym MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC bazujące na regulacji prądu SGBDR itp., to także jeden z nielicznych obszarów urządzeń optycznych, które palili chińscy dostawcy. Firma Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. osiągnęła podstawowe zalety w zakresie wysokiej klasy opakowań przestrajalnych laserów. Jest to jedyne przedsiębiorstwo w Chinach, które może produkować przestrajalne lasery w partiach. Dotarł do Europy i Stanów Zjednoczonych. Zaopatrzenie producentów.
JDSU wykorzystuje technologię integracji monolitycznej InP, aby zintegrować lasery i modulatory w jedną platformę, aby uruchomić niewielki moduł XFP z regulowanymi laserami. Wraz z rozwojem rynku laserów przestrajalnych kluczem do rozwoju technologicznego tego produktu jest miniaturyzacja i niski koszt. W przyszłości coraz więcej producentów będzie wprowadzać moduły XFP o regulowanej długości fali.
W ciągu najbliższych pięciu lat przestrajalne lasery będą gorącym punktem. Roczna stopa wzrostu rynku kompozytów (CAGR) wyniesie 37%, a jego skala sięgnie 1,2 miliarda USD w 2012 roku, podczas gdy roczna stopa wzrostu rynku innych ważnych komponentów w tym samym okresie wynosi 24% dla laserów o stałej długości fali , 28% dla czujek i odbiorników oraz 35% dla modulatorów zewnętrznych. W 2012 r. rynek przestrajalnych laserów, laserów o stałej długości fali i fotodetektorów do sieci optycznych wyniesie 8 miliardów dolarów.
4. Specyficzne zastosowanie przestrajalnego lasera w komunikacji optycznej
Zastosowania sieciowe przestrajalnych laserów można podzielić na dwie części: aplikacje statyczne i aplikacje dynamiczne.
W zastosowaniach statycznych długość fali przestrajalnego lasera jest ustawiana podczas użytkowania i nie zmienia się w czasie. Najpopularniejszym zastosowaniem statycznym jest zastępowanie laserów źródłowych, tj. w systemach transmisji z gęstym zwielokrotnieniem długości fali (DWDM), gdzie przestrajalny laser działa jako wsparcie dla wielu laserów o stałej długości fali i laserów o elastycznym źródle, zmniejszając liczbę linii karty wymagane do obsługi wszystkich różnych długości fal.
W zastosowaniach statycznych głównymi wymaganiami stawianymi laserom przestrajalnym są cena, moc wyjściowa i charakterystyka widmowa, co oznacza, że szerokość linii i stabilność są porównywalne z laserami o stałej długości fali, które zastępuje. Im szerszy zakres długości fal, tym lepszy będzie stosunek wydajności do ceny, bez znacznie większej szybkości regulacji. Obecnie coraz częściej stosuje się system DWDM z precyzyjnym przestrajalnym laserem.
W przyszłości przestrajalne lasery używane jako kopie zapasowe również będą wymagały odpowiednich szybkości. W przypadku awarii kanału multipleksacji z gęstym podziałem długości fali, regulowany laser może zostać automatycznie włączony do wznowienia działania. Aby osiągnąć tę funkcję, laser musi zostać dostrojony i zablokowany na uszkodzonej długości fali w ciągu 10 milisekund lub mniej, aby zapewnić, że cały czas przywracania jest krótszy niż 50 milisekund wymaganych przez synchroniczną sieć optyczną.
W zastosowaniach dynamicznych długość fali przestrajalnych laserów musi się regularnie zmieniać w celu zwiększenia elastyczności sieci optycznych. Takie aplikacje ogólnie wymagają zapewnienia dynamicznych długości fal, tak aby długość fali mogła być dodana lub zaproponowana z segmentu sieci w celu dostosowania wymaganej zmiennej pojemności. Zaproponowano prostą i bardziej elastyczną architekturę ROADMs, która opiera się na wykorzystaniu zarówno przestrajalnych laserów, jak i przestrajalnych filtrów. Przestrajalne lasery mogą dodawać do systemu określone długości fal, a przestrajalne filtry mogą odfiltrować określone długości fal z systemu. Przestrajalny laser może również rozwiązać problem blokowania długości fali w optycznym połączeniu krzyżowym. Obecnie większość wiązań poprzecznych optycznych wykorzystuje interfejs optyczno-elektrooptyczny na obu końcach światłowodu, aby uniknąć tego problemu. Jeśli regulowany laser jest używany do wprowadzania OXC na końcu wejściowym, można wybrać określoną długość fali, aby zapewnić, że fala świetlna dotrze do punktu końcowego na czystej ścieżce.
W przyszłości przestrajalne lasery mogą być również wykorzystywane do routingu długości fali i optycznego przełączania pakietów.
Trasowanie długości fali odnosi się do wykorzystania przestrajalnych laserów do całkowitego zastąpienia złożonych, całkowicie optycznych przełączników prostymi, stałymi łącznikami krzyżowymi, tak aby sygnał trasowania sieci musiał zostać zmieniony. Każdy kanał długości fali jest połączony z unikalnym adresem docelowym, tworząc w ten sposób wirtualne połączenie sieciowe. Podczas przesyłania sygnałów przestrajalny laser musi dostosować swoją częstotliwość do odpowiedniej częstotliwości adresu docelowego.
Optyczne przełączanie pakietów odnosi się do rzeczywistego optycznego przełączania pakietów, które przesyła sygnały za pomocą routingu długości fali zgodnie z pakietami danych. Aby osiągnąć ten tryb transmisji sygnału, przestrajalny laser musi być w stanie przełączyć się w tak krótkim czasie jak nanosekunda, aby nie generować zbyt dużego opóźnienia w sieci.
W tych zastosowaniach przestrajalne lasery mogą regulować długość fali w czasie rzeczywistym, aby uniknąć blokowania długości fali w sieci. Dlatego przestrajalne lasery muszą mieć większy zakres regulacji, wyższą moc wyjściową i szybkość reakcji w milisekundach. W rzeczywistości większość dynamicznych aplikacji wymaga przestrajalnego multipleksera optycznego lub przełącznika optycznego 1:N do współpracy z laserem, aby zapewnić, że wyjście lasera może przejść przez odpowiedni kanał do światłowodu.
