1. Översikt
Inom området optisk kommunikation är traditionella ljuskällor baserade på lasermoduler med fast våglängd. Med den kontinuerliga utvecklingen och tillämpningen av optiska kommunikationssystem avslöjas successivt nackdelarna med lasrar med fast våglängd. Å ena sidan, med utvecklingen av DWDM-teknik, har antalet våglängder i systemet nått hundratals. Vid skydd måste backupen av varje laser göras med samma våglängd. Lasertillförsel leder till en ökning av antalet backuplasrar och kostnad; å andra sidan, eftersom fasta lasrar behöver särskilja våglängder, ökar typen av lasrar med ökningen av våglängdstalet, vilket gör hanteringskomplexiteten och lagernivån mer komplex; å andra sidan, om vi vill stödja dynamisk våglängdsallokering i optiska nätverk och förbättra nätverksflexibiliteten, måste vi utrusta ett stort antal olika vågor. Lång fixerad laser, men utnyttjandegraden för varje laser är mycket låg, vilket resulterar i slöseri med resurser. För att övervinna dessa brister, med utvecklingen av halvledare och relaterade teknologier, har avstämbara lasrar framgångsrikt utvecklats, det vill säga olika våglängder inom en viss bandbredd styrs på samma lasermodul, och dessa våglängdsvärden och avstånd uppfyller kraven i ITU-T.
För nästa generations optiska nätverk är avstämbara lasrar nyckelfaktorn för att realisera intelligenta optiska nätverk, som kan ge operatörer större flexibilitet, snabbare våglängdsförsörjningshastighet och i slutändan lägre kostnad. I framtiden kommer långdistansoptiska nätverk att vara en värld av dynamiska våglängdssystem. Dessa nätverk kan uppnå nya våglängdstilldelningar på mycket kort tid. På grund av användningen av ultralångdistansöverföringsteknik finns det inget behov av att använda regenerator, vilket sparar mycket pengar. Avstämbara lasrar förväntas ge nya verktyg för framtida kommunikationsnätverk för att hantera våglängder, förbättra nätverkseffektiviteten och utveckla nästa generations optiska nätverk. En av de mest attraktiva applikationerna är omkonfigurerbar optisk add-drop multiplexer (ROADM). Dynamiska omkonfigurerbara nätverkssystem kommer att dyka upp på nätverksmarknaden, och inställbara lasrar med stort justerbart räckvidd kommer att krävas mer.
2. Tekniska principer och egenskaper
Det finns tre typer av styrteknologier för avstämbara lasrar: nuvarande styrteknik, temperaturkontrollteknik och mekanisk styrteknik. Bland dem realiserar den elektroniskt styrda tekniken våglängdsinställning genom att ändra insprutningsströmmen. Den har inställningshastighet på ns-nivå och bred inställningsbandbredd, men dess uteffekt är liten. De huvudsakliga elektroniskt styrda teknologierna är SG-DBR (Sampling Grating DBR) och GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) lasrar. Temperaturkontrolltekniken ändrar laserns utgående våglängd genom att ändra brytningsindexet för laserns aktiva område. Tekniken är enkel, men långsam, smal justerbar bandbredd, bara några nanometer. DFB (Distributed Feedback) och DBR (Distributed Bragg Reflection)-lasrar är de huvudsakliga teknologierna baserade på temperaturkontroll. Mekanisk styrning är huvudsakligen baserad på tekniken för mikro-elektromekaniska system (MEMS) för att slutföra våglängdsvalet, med en större justerbar bandbredd och högre uteffekt. De huvudsakliga strukturerna baserade på mekanisk styrteknik är DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) och VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Principen för avstämbara lasrar från dessa aspekter kommer att förklaras nedan. Bland dem betonas den nuvarande avstämbara tekniken, som är den mest populära.
2.1 Temperaturkontrollteknik
Temperaturbaserad kontrollteknik används huvudsakligen i DFB-struktur, dess princip är att justera temperaturen på laserkaviteten så att den kan avge olika våglängder. Våglängdsjusteringen av en justerbar laser baserad på denna princip realiseras genom att styra variationen av InGaAsP DFB-laser som arbetar i ett visst temperaturområde. Enheten består av en inbyggd våglåsningsenhet (en standardmätare och en övervakningsdetektor) för att låsa CW-laserutgången på ITU-nätet med ett intervall på 50 GHz. I allmänhet är två separata TEC inkapslade i enheten. Den ena är att kontrollera våglängden på laserchippet, och den andra är att säkerställa att låset och kraftdetektorn i enheten fungerar vid konstant temperatur.
Den största fördelen med dessa lasrar är att deras prestanda liknar den hos lasrar med fast våglängd. De har egenskaperna hög uteffekt, bra våglängdsstabilitet, enkel drift, låg kostnad och mogen teknologi. Det finns dock två huvudsakliga nackdelar: den ena är att inställningsbredden för en enda enhet är smal, vanligtvis bara några få nanometer; den andra är att trimningstiden är lång, vilket vanligtvis kräver flera sekunders inställningsstabilitetstid.
2.2 Mekanisk styrteknik
Mekanisk styrteknik implementeras vanligtvis genom att använda MEMS. En avstämbar laser baserad på mekanisk styrteknik antar MEMs-DFB-struktur.
Avstämbara lasrar inkluderar DFB-lasermatriser, tiltbara EMS-linser och andra kontroll- och hjälpdelar.
Det finns flera DFB-lasermatriser i DFB-lasermatrisområdet, som var och en kan producera en specifik våglängd med en bandbredd på cirka 1,0 nm och ett avstånd på 25 Ghz. Genom att kontrollera rotationsvinkeln för MEMs linser kan den erforderliga specifika våglängden väljas för att mata ut den erforderliga specifika våglängden av ljus.
DFB Laser Array
En annan avstämbar laser baserad på VCSEL-struktur är designad baserad på optiskt pumpade vertikalkavitets ytemitterande lasrar. Semi-symmetrisk kavitetsteknik används för att uppnå kontinuerlig våglängdsinställning genom att använda MEMS. Den består av en halvledarlaser och en vertikal laserförstärkningsresonator som kan avge ljus på ytan. Det finns en rörlig reflektor i ena änden av resonatorn, som kan ändra längden på resonatorn och laservåglängden. Den främsta fördelen med VCSEL är att den kan mata ut rena och kontinuerliga strålar och kan enkelt och effektivt kopplas till optiska fibrer. Dessutom är kostnaden låg eftersom dess egenskaper kan mätas på wafern. Den största nackdelen med VCSEL är dess låga uteffekt, otillräckliga justeringshastighet och en extra mobil reflektor. Om en optisk pump läggs till för att öka uteffekten kommer den totala komplexiteten att öka, och strömförbrukningen och kostnaden för lasern kommer att öka. Den största nackdelen med den avstämbara lasern baserad på denna princip är att inställningstiden är relativt långsam, vilket vanligtvis kräver flera sekunders avstämningsstabiliseringstid.
2.3 Strömregleringsteknik
Till skillnad från DFB, i avstämbara DBR-lasrar, ändras våglängden genom att rikta den exciterande strömmen till olika delar av resonatorn. Sådana lasrar har minst fyra delar: vanligtvis två Bragg-gitter, en förstärkningsmodul och en fasmodul med finvåglängdsinställning. För den här typen av laser kommer det att finnas många Bragg-galler i varje ände. Med andra ord, efter en viss stigning av gallret, finns det ett gap, sedan blir det en annan stigning, sedan finns det ett gap, och så vidare. Detta ger ett kamliknande reflektionsspektrum. Bragg-gittren i båda ändarna av lasern genererar olika kamliknande reflektansspektra. När ljus reflekteras fram och tillbaka mellan dem resulterar överlagringen av två olika reflektansspektra i ett bredare våglängdsområde. Den exciteringskrets som används i denna teknik är ganska komplex, men dess justeringshastighet är mycket snabb. Så den allmänna principen baserad på nuvarande styrteknik är att ändra strömmen för FBG och faskontrolldelen i olika positioner av avstämbar laser, så att det relativa brytningsindexet för FBG kommer att förändras och olika spektra kommer att produceras. Genom att överlagra olika spektra producerade av FBG i olika regioner kommer den specifika våglängden att väljas, så att den erforderliga specifika våglängden kommer att genereras. Laser.
En avstämbar laser baserad på nuvarande styrteknik antar SGDBR-strukturen (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Två reflektorer i fram- och bakänden av laserresonatorn har sina egna reflektionstoppar. Genom att justera dessa två reflektionstoppar genom att injicera ström kan lasern mata ut olika våglängder.
De två reflektorerna på sidan av laserresonatorn har flera reflektionstoppar. När MGYL-lasern fungerar ställer insprutningsströmmen in dem. De två reflekterade ljusen överlagras av en 1*2 combiner/splitter. Genom att optimera frontens reflektionsförmåga kan lasern uppnå hög effekt i hela avstämningsområdet.
3. Branschstatus
Avstämbara lasrar ligger i framkant inom området för optiska kommunikationsenheter, och endast ett fåtal stora optiska kommunikationsföretag i världen kan tillhandahålla denna produkt. Representativa företag som SANTUR baserade på mekanisk inställning av MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC baserat på SGBDR nuvarande reglering, etc., är också ett av få områden av optiska enheter som kinesiska leverantörer har pekat på. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. har uppnått centrala fördelar i avancerad förpackning av avstämbara lasrar. Det är det enda företaget i Kina som kan producera avstämbara lasrar i omgångar. Det har gått till Europa och USA. Tillverkare levererar.
JDSU använder tekniken för InP monolitisk integration för att integrera lasrar och modulatorer i en enda plattform för att lansera en liten XFP-modul med justerbara lasrar. Med expansionen av den avstämbara lasermarknaden är nyckeln till den tekniska utvecklingen av denna produkt miniatyrisering och låg kostnad. I framtiden kommer fler och fler tillverkare att introducera XFP-paketerade justerbara våglängdsmoduler.
Under de kommande fem åren kommer avstämbara lasrar att vara en hett punkt. Marknadens årliga sammansatta tillväxttakt (CAGR) kommer att nå 37% och dess skala kommer att nå 1,2 miljarder US-dollar 2012, medan den årliga sammansatta tillväxttakten för andra viktiga komponentmarknader under samma period är 24% för lasrar med fast våglängd , 28 % för detektorer och mottagare, och 35 % för externa modulatorer. Under 2012 kommer marknaden för avstämbara lasrar, lasrar med fast våglängd och fotodetektorer för optiska nätverk att uppgå till 8 miljarder dollar.
4. Specifik tillämpning av avstämbar laser i optisk kommunikation
Nätverkstillämpningar av avstämbara lasrar kan delas in i två delar: statiska applikationer och dynamiska applikationer.
I statiska applikationer ställs våglängden för en avstämbar laser in under användning och ändras inte med tiden. Den vanligaste statiska applikationen är som ersättning för källlasrar, dvs. i DWDM-överföringssystem (dense wavelength division multiplexing), där en avstämbar laser fungerar som backup för flera lasrar med fast våglängd och flexibla källlasrar, vilket minskar antalet linjer kort som krävs för att stödja alla olika våglängder.
I statiska applikationer är huvudkraven för avstämbara lasrar pris, uteffekt och spektrala egenskaper, det vill säga linjebredd och stabilitet är jämförbara med de lasrar med fast våglängd som den ersätter. Ju bredare våglängdsintervallet är, desto bättre blir förhållandet mellan prestanda och pris, utan mycket snabbare justeringshastighet. För närvarande är tillämpningen av DWDM-system med precisionsavstämbar laser mer och mer.
I framtiden kommer avstämbara lasrar som används som backup också att kräva snabba motsvarande hastigheter. När en multiplexeringskanal med tät våglängdsdelning misslyckas, kan en justerbar laser aktiveras automatiskt för att återuppta sin funktion. För att uppnå denna funktion måste lasern ställas in och låsas vid den felaktiga våglängden på 10 millisekunder eller mindre, för att säkerställa att hela återhämtningstiden är mindre än 50 millisekunder som krävs av det synkrona optiska nätverket.
I dynamiska applikationer måste våglängden hos avstämbara lasrar ändras regelbundet för att öka flexibiliteten hos optiska nätverk. Sådana tillämpningar kräver i allmänhet tillhandahållande av dynamiska våglängder så att en våglängd kan läggas till eller föreslås från ett nätverkssegment för att tillgodose den erforderliga varierande kapaciteten. En enkel och mer flexibel ROADM-arkitektur har föreslagits, som är baserad på användningen av både avstämbara lasrar och avstämbara filter. Avstämbara lasrar kan lägga till vissa våglängder till systemet, och inställbara filter kan filtrera bort vissa våglängder från systemet. Den avstämbara lasern kan också lösa problemet med våglängdsblockering i optisk korskoppling. För närvarande använder de flesta optiska tvärlänkar optiskt-elektroptiskt gränssnitt vid båda ändarna av fibern för att undvika detta problem. Om en justerbar laser används för att mata in OXC vid ingångsänden, kan en viss våglängd väljas för att säkerställa att ljusvågen når slutpunkten i en fri väg.
I framtiden kan avstämbara lasrar också användas i våglängdsdirigering och optisk paketväxling.
Våglängdsrouting hänvisar till användningen av avstämbara lasrar för att helt ersätta komplexa heltoptiska switchar med enkla fasta korskopplingar, så att nätverkets routingsignal behöver ändras. Varje våglängdskanal är ansluten till en unik destinationsadress, vilket bildar en virtuell nätverksanslutning. Vid sändning av signaler måste den avstämbara lasern justera sin frekvens till motsvarande frekvens för måladressen.
Optisk paketväxling hänvisar till den verkliga optiska paketväxlingen som sänder signaler genom våglängdsdirigering enligt datapaket. För att uppnå detta läge för signalöverföring måste den avstämbara lasern kunna växla på så kort tid som nanosekund, för att inte generera för lång tidsfördröjning i nätverket.
I dessa applikationer kan avstämbara lasrar justera våglängden i realtid för att undvika våglängdsblockering i nätverket. Därför måste avstämbara lasrar ha ett större justerbart område, högre uteffekt och millisekunders reaktionshastighet. Faktum är att de flesta dynamiska applikationer kräver en avstämbar optisk multiplexor eller en 1:N optisk switch för att fungera med lasern för att säkerställa att laserutgången kan passera genom lämplig kanal in i den optiska fibern.
