1. Oversikt
Innen optisk kommunikasjon er tradisjonelle lyskilder basert på lasermoduler med fast bølgelengde. Med den kontinuerlige utviklingen og anvendelsen av optiske kommunikasjonssystemer, avsløres ulempene med lasere med fast bølgelengde gradvis. På den ene siden, med utviklingen av DWDM-teknologi, har antallet bølgelengder i systemet nådd hundrevis. Når det gjelder beskyttelse, må sikkerhetskopieringen av hver laser gjøres med samme bølgelengde. Laserforsyning fører til en økning i antall backuplasere og kostnader; på den annen side, fordi faste lasere trenger å skille bølgelengde, øker typen lasere med økningen av bølgelengdetallet, noe som gjør administrasjonskompleksiteten og lagernivået mer komplekst; på den annen side, hvis vi ønsker å støtte dynamisk bølgelengdeallokering i optiske nettverk og forbedre nettverksfleksibiliteten, må vi utstyre et stort antall forskjellige bølger. Lang fast laser, men utnyttelsesgraden for hver laser er svært lav, noe som resulterer i sløsing med ressurser. For å overvinne disse manglene, med utviklingen av halvledere og relaterte teknologier, har avstembare lasere blitt utviklet med suksess, det vil si at forskjellige bølgelengder innenfor en viss båndbredde kontrolleres på samme lasermodul, og disse bølgelengdeverdiene og avstanden oppfyller kravene til ITU-T.
For neste generasjons optiske nettverk er justerbare lasere nøkkelfaktoren for å realisere intelligente optiske nettverk, som kan gi operatører større fleksibilitet, raskere bølgelengdetilførselshastighet og til slutt lavere kostnader. I fremtiden vil optiske langdistansenettverk være en verden av dynamiske bølgelengdesystemer. Disse nettverkene kan oppnå ny bølgelengdetildeling på svært kort tid. På grunn av bruken av ultra-langdistanse overføringsteknologi, er det ikke nødvendig å bruke regenerator, noe som sparer mye penger. Justerbare lasere forventes å gi nye verktøy for fremtidige kommunikasjonsnettverk for å administrere bølgelengder, forbedre nettverkseffektiviteten og utvikle neste generasjons optiske nettverk. En av de mest attraktive applikasjonene er rekonfigurerbar optisk add-drop multiplexer (ROADM). Dynamiske rekonfigurerbare nettverkssystemer vil dukke opp i nettverksmarkedet, og justerbare lasere med stor justerbar rekkevidde vil kreves mer.
2. Tekniske prinsipper og egenskaper
Det er tre typer kontrollteknologier for avstembare lasere: gjeldende kontrollteknologi, temperaturkontrollteknologi og mekanisk kontrollteknologi. Blant dem realiserer den elektronisk kontrollerte teknologien bølgelengdeinnstilling ved å endre injeksjonsstrømmen. Den har tuninghastighet på ns-nivå og bred tuningbåndbredde, men utgangseffekten er liten. De viktigste elektronisk kontrollerte teknologiene er SG-DBR (Sampling Grating DBR) og GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) lasere. Temperaturkontrollteknologi endrer utgangsbølgelengden til laseren ved å endre brytningsindeksen til det aktive området av laseren. Teknologien er enkel, men langsom, smal justerbar båndbredde, bare noen få nanometer. DFB (Distributed Feedback) og DBR (Distributed Bragg Reflection) lasere er hovedteknologiene basert på temperaturkontroll. Mekanisk kontroll er hovedsakelig basert på teknologien til mikro-elektromekanisk system (MEMS) for å fullføre bølgelengdevalget, med en større justerbar båndbredde og høyere utgangseffekt. Hovedstrukturene basert på mekanisk kontrollteknologi er DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) og VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Prinsippet for avstembare lasere fra disse aspektene vil bli forklart nedenfor. Blant dem fremheves den nåværende avstembare teknologien, som er den mest populære.
2.1 Temperaturkontrollteknologi
Temperaturbasert kontrollteknologi brukes hovedsakelig i DFB-struktur, prinsippet er å justere temperaturen på laserhulrommet, slik at det kan avgi forskjellige bølgelengder. Bølgelengdejusteringen til en justerbar laser basert på dette prinsippet realiseres ved å kontrollere variasjonen av InGaAsP DFB-laser som arbeider i et visst temperaturområde. Enheten består av en innebygd bølgelåseenhet (en standardmåler og en overvåkingsdetektor) for å låse CW-laserutgangen på ITU-nettet med et 50 GHz-intervall. Generelt er to separate TEC-er innkapslet i enheten. Den ene er å kontrollere bølgelengden til laserbrikken, og den andre er å sikre at låsen og strømdetektoren i enheten fungerer ved konstant temperatur.
Den største fordelen med disse laserne er at ytelsen deres er lik ytelsen til lasere med fast bølgelengde. De har egenskapene til høy utgangseffekt, god bølgelengdestabilitet, enkel betjening, lav pris og moden teknologi. Det er imidlertid to hovedulemper: den ene er at innstillingsbredden til en enkelt enhet er smal, vanligvis bare noen få nanometer; den andre er at tuningtiden er lang, noe som vanligvis krever flere sekunders tuning stabilitetstid.
2.2 Mekanisk kontrollteknologi
Mekanisk kontrollteknologi implementeres vanligvis ved å bruke MEMS. En justerbar laser basert på mekanisk kontrollteknologi tar i bruk MEMs-DFB-struktur.
Justerbare lasere inkluderer DFB-lasermatriser, vippbare EMS-linser og andre kontroll- og hjelpedeler.
Det er flere DFB-lasermatriser i DFB-lasermatriseområdet, som hver kan produsere en spesifikk bølgelengde med en båndbredde på omtrent 1,0 nm og en avstand på 25 Ghz. Ved å kontrollere rotasjonsvinkelen til MEM-linser, kan den nødvendige spesifikke bølgelengden velges for å sende ut den nødvendige spesifikke bølgelengden til lys.
DFB Laser Array
En annen avstembar laser basert på VCSEL-struktur er designet basert på optisk pumpede vertikale hulroms overflate-emitterende lasere. Semi-symmetrisk hulromsteknologi brukes for å oppnå kontinuerlig bølgelengdeinnstilling ved å bruke MEMS. Den består av en halvlederlaser og en vertikal laserforsterkningsresonator som kan sende ut lys på overflaten. Det er en bevegelig reflektor i den ene enden av resonatoren, som kan endre lengden på resonatoren og laserbølgelengden. Hovedfordelen med VCSEL er at den kan sende ut rene og kontinuerlige stråler, og enkelt og effektivt kan kobles til optiske fibre. Dessuten er kostnaden lav fordi dens egenskaper kan måles på waferen. Den største ulempen med VCSEL er dens lave utgangseffekt, utilstrekkelige justeringshastighet og en ekstra mobil reflektor. Hvis en optisk pumpe legges til for å øke utgangseffekten, vil den totale kompleksiteten øke, og strømforbruket og kostnadene til laseren økes. Den største ulempen med den tunbare laseren basert på dette prinsippet er at tuningtiden er relativt langsom, noe som vanligvis krever flere sekunders tuningstabiliseringstid.
2.3 Strømstyringsteknologi
I motsetning til DFB, i avstembare DBR-lasere, endres bølgelengden ved å rette den spennende strømmen til forskjellige deler av resonatoren. Slike lasere har minst fire deler: vanligvis to Bragg-gittere, en forsterkningsmodul og en fasemodul med finbølgelengdeinnstilling. For denne typen laser vil det være mange Bragg-rister i hver ende. Med andre ord, etter en viss stigning, er det et gap, så er det en annen stigning, så er det et gap, og så videre. Dette gir et kamlignende refleksjonsspektrum. Bragg-ristene i begge ender av laseren genererer forskjellige kamlignende reflektansspektra. Når lys reflekteres frem og tilbake mellom dem, resulterer superposisjonen av to forskjellige reflektansspektre i et bredere bølgelengdeområde. Eksitasjonskretsen som brukes i denne teknologien er ganske kompleks, men justeringshastigheten er veldig rask. Så det generelle prinsippet basert på gjeldende kontrollteknologi er å endre strømmen til FBG og fasekontrolldelen i forskjellige posisjoner av justerbar laser, slik at den relative brytningsindeksen til FBG vil endres, og forskjellige spektre vil bli produsert. Ved å overlappe forskjellige spektre produsert av FBG i forskjellige regioner, vil den spesifikke bølgelengden bli valgt, slik at den nødvendige spesifikke bølgelengden vil bli generert. Laser.
En justerbar laser basert på gjeldende kontrollteknologi tar i bruk SGDBR-strukturen (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
To reflektorer foran og bak på laserresonatoren har sine egne refleksjonstopper. Ved å justere disse to refleksjonstoppene ved å injisere strøm, kan laseren sende ut forskjellige bølgelengder.
De to reflektorene på siden av laserresonatoren har flere refleksjonstopper. Når MGYL-laseren fungerer, justerer injeksjonsstrømmen dem. De to reflekterte lysene er overlagret av en 1*2 kombinator/splitter. Optimalisering av reflektiviteten til frontenden gjør det mulig for laseren å oppnå høy effekt i hele innstillingsområdet.
3. Bransjestatus
Justerbare lasere er i forkant av feltet for optiske kommunikasjonsenheter, og bare noen få store optiske kommunikasjonsselskaper i verden kan tilby dette produktet. Representative selskaper som SANTUR basert på mekanisk tuning av MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC basert på SGBDR gjeldende regulering, etc., er også et av de få områdene av optiske enheter som kinesiske leverandører har pekt på. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. har oppnådd kjernefordeler i high-end emballasje av justerbare lasere. Det er den eneste bedriften i Kina som kan produsere justerbare lasere i partier. Den har sendt til Europa og USA. Produsenter leverer.
JDSU bruker teknologien til InP monolittisk integrasjon for å integrere lasere og modulatorer i en enkelt plattform for å lansere en XFP-modul i liten størrelse med justerbare lasere. Med utvidelsen av det avstembare lasermarkedet er nøkkelen til den teknologiske utviklingen av dette produktet miniatyrisering og lave kostnader. I fremtiden vil flere og flere produsenter introdusere XFP-pakkede justerbare bølgelengdemoduler.
I løpet av de neste fem årene vil avstembare lasere være et hot spot. Den årlige sammensatte vekstraten (CAGR) av markedet vil nå 37 % og skalaen vil nå 1,2 milliarder amerikanske dollar i 2012, mens den årlige sammensatte vekstraten for andre viktige komponentmarkedet i samme periode er 24 % for lasere med fast bølgelengde , 28 % for detektorer og mottakere, og 35 % for eksterne modulatorer. I 2012 vil markedet for avstembare lasere, lasere med fast bølgelengde og fotodetektorer for optiske nettverk utgjøre 8 milliarder dollar.
4. Spesifikk anvendelse av avstembar laser i optisk kommunikasjon
Nettverksapplikasjoner for avstembare lasere kan deles inn i to deler: statiske applikasjoner og dynamiske applikasjoner.
I statiske applikasjoner settes bølgelengden til en avstembar laser under bruk og endres ikke med tiden. Den vanligste statiske applikasjonen er som erstatning for kildelasere, dvs. i overføringssystemer med tett bølgelengdedelingsmultipleksing (DWDM), der en avstembar laser fungerer som backup for flere lasere med fast bølgelengde og lasere med fleksibel kilde, og reduserer antallet linjer. kort som kreves for å støtte alle forskjellige bølgelengder.
I statiske applikasjoner er hovedkravene for avstembare lasere pris, utgangseffekt og spektralegenskaper, det vil si at linjebredde og stabilitet er sammenlignbare med laserne med fast bølgelengde den erstatter. Jo bredere bølgelengdeområdet er, desto bedre blir ytelse-pris-forholdet, uten mye raskere justeringshastighet. For tiden er bruken av DWDM-system med presisjonsjusterbar laser mer og mer.
I fremtiden vil avstembare lasere som brukes som backup også kreve raske tilsvarende hastigheter. Når en multiplekseringskanal med tett bølgelengdedeling mislykkes, kan en justerbar laser aktiveres automatisk for å gjenoppta driften. For å oppnå denne funksjonen må laseren stilles inn og låses ved den feilede bølgelengden på 10 millisekunder eller mindre, for å sikre at hele gjenopprettingstiden er mindre enn 50 millisekunder som kreves av det synkrone optiske nettverket.
I dynamiske applikasjoner kreves det at bølgelengden til avstembare lasere endres regelmessig for å øke fleksibiliteten til optiske nettverk. Slike applikasjoner krever generelt tilveiebringelse av dynamiske bølgelengder slik at en bølgelengde kan legges til eller foreslås fra et nettverkssegment for å imøtekomme den nødvendige varierende kapasiteten. En enkel og mer fleksibel ROADMs-arkitektur er foreslått, som er basert på bruk av både avstembare lasere og avstembare filtre. Justerbare lasere kan legge til bestemte bølgelengder til systemet, og justerbare filtre kan filtrere ut visse bølgelengder fra systemet. Den avstembare laseren kan også løse problemet med bølgelengdeblokkering i optisk tverrforbindelse. For tiden bruker de fleste optiske tverrbindinger optisk-elektro-optisk grensesnitt i begge ender av fiberen for å unngå dette problemet. Hvis en justerbar laser brukes til å legge inn OXC ved inngangsenden, kan en viss bølgelengde velges for å sikre at lysbølgen når endepunktet i en klar bane.
I fremtiden kan avstembare lasere også brukes i bølgelengderuting og optisk pakkesvitsjing.
Bølgelengderuting refererer til bruken av avstembare lasere for å fullstendig erstatte komplekse altoptiske brytere med enkle faste krysskoblinger, slik at rutesignalet til nettverket må endres. Hver bølgelengdekanal er koblet til en unik destinasjonsadresse, og danner dermed en virtuell nettverksforbindelse. Ved overføring av signaler må den avstembare laseren justere frekvensen til den tilsvarende frekvensen til måladressen.
Optisk pakkesvitsjing refererer til den virkelige optiske pakkesvitsjingen som overfører signaler ved bølgelengderuting i henhold til datapakker. For å oppnå denne modusen for signaloverføring, må den avstembare laseren kunne bytte på så kort tid som nanosekund, for ikke å generere for lang tidsforsinkelse i nettverket.
I disse applikasjonene kan avstembare lasere justere bølgelengden i sanntid for å unngå blokkering av bølgelengde i nettverket. Derfor må avstembare lasere ha et større justerbart område, høyere utgangseffekt og millisekunders reaksjonshastighet. Faktisk krever de fleste dynamiske applikasjoner en avstembar optisk multiplekser eller en 1:N optisk bryter for å fungere med laseren for å sikre at laserutgangen kan passere gjennom den aktuelle kanalen inn i den optiske fiberen.
