У сфері оптичного зв'язку традиційні джерела світла базуються на лазерних модулях з фіксованою довжиною хвилі. При безперервному розвитку та застосуванні систем оптичного зв’язку поступово виявляються недоліки лазерів з фіксованою довжиною хвилі. З одного боку, з розвитком технології DWDM кількість довжин хвилі в системі досягла сотень. У разі захисту, резервне копіювання кожного лазера має бути зроблено на одній довжині хвилі. Лазерне постачання призводить до збільшення кількості резервних лазерів і вартості; з іншого боку, оскільки фіксовані лазери повинні розрізняти довжину хвилі, тип лазерів збільшується зі збільшенням числа довжин хвилі, що ускладнює управління та рівень запасів; з іншого боку, якщо ми хочемо підтримувати динамічне розподіл довжини хвилі в оптичних мережах і покращувати гнучкість мережі, нам потрібно обладнати велику кількість різних хвиль. Довго фіксований лазер, але коефіцієнт використання кожного лазера дуже низький, що призводить до марної втрати ресурсів. Для подолання цих недоліків з розвитком напівпровідникових і пов’язаних з ними технологій успішно розроблені перебудовувані лазери, тобто на одному лазерному модулі керують різною довжиною хвилі в межах певної смуги, і ці значення довжини хвилі та відстань відповідають вимогам ITU-T.
Для оптичної мережі наступного покоління настроювані лазери є ключовим фактором для реалізації інтелектуальної оптичної мережі, яка може надати операторам більшу гнучкість, швидшу швидкість подачі довжини хвилі та, зрештою, нижчу вартість. У майбутньому оптичні мережі на великі відстані стануть світом динамічних систем за довжиною хвилі. Ці мережі можуть досягти нового призначення довжини хвилі за дуже короткий час. Завдяки використанню технології передачі на наддалекі відстані немає необхідності використовувати регенератор, що значно економить гроші. Очікується, що регульовані лазери забезпечать нові інструменти для майбутніх комунікаційних мереж для керування довжиною хвилі, підвищення ефективності мережі та розробки оптичних мереж наступного покоління. Одним з найпривабливіших застосувань є реконфігурований оптичний мультиплексор додавання-відкидання (ROADM). На мережевому ринку з'являться динамічні реконфігуровані мережеві системи, більше знадобляться регульовані лазери з великим діапазоном регулювання.
Існують три види технологій керування регульованими лазерами: технологія керування струмом, технологія контролю температури та технологія механічного керування. Серед них технологія з електронним керуванням реалізує настройку довжини хвилі шляхом зміни струму інжекції. Він має швидкість налаштування на рівні ns і широку пропускну здатність налаштування, але його вихідна потужність мала. Основними технологіями з електронним керуванням є лазери SG-DBR (Sampling Grating DBR) і GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Технологія контролю температури змінює вихідну довжину хвилі лазера шляхом зміни показника заломлення активної області лазера. Технологія проста, але повільна, вузька регульована смуга пропускання, всього кілька нанометрів. Лазери DFB (Distributed Feedback) і DBR (Distributed Bragg Reflection) – це основні технології, засновані на контролі температури. Механічне керування в основному базується на технології мікроелектромеханічної системи (MEMS) для завершення вибору довжини хвилі з більшою регульованою смугою пропускання та більш високою вихідною потужністю. Основними структурами, заснованими на технології механічного управління, є DFB (розподілений зворотний зв’язок), ECL (лазер із зовнішнім резонатором) і VCSEL (поверхневий емісійний лазер з вертикальною порожниною). Принцип перебудовуваних лазерів з цих аспектів буде пояснено нижче. Серед них виділяється актуальна настроювана технологія, яка є найпопулярнішою.
Технологія контролю на основі температури в основному використовується в структурі DFB, її принцип полягає в регулюванні температури лазерного резонатора, щоб він міг випромінювати різну довжину хвилі. Регулювання довжини хвилі регульованого лазера на основі цього принципу реалізується шляхом управління зміною InGaAsP DFB лазера, що працює в певному діапазоні температур. Пристрій складається з вбудованого пристрою фіксації хвиль (стандартний датчик і детектор моніторингу) для блокування виходу CW лазера на сітку ITU з інтервалом 50 ГГц. Загалом, два окремих TEC інкапсульовані в пристрої. Одна полягає в тому, щоб контролювати довжину хвилі лазерного чіпа, а інша — для того, щоб детектор блокування та живлення в пристрої працював при постійній температурі.
Найбільша перевага цих лазерів полягає в тому, що їх продуктивність подібна до лазерів з фіксованою довжиною хвилі. Вони мають характеристики високої вихідної потужності, хорошої стабільності довжини хвилі, простої експлуатації, низької вартості та зрілої технології. Однак є два основних недоліки: один полягає в тому, що ширина налаштування одного пристрою вузька, зазвичай всього кілька нанометрів; інший – це тривалий час налаштування, що зазвичай вимагає кількох секунд часу стабільності налаштування.
Технологія механічного керування, як правило, реалізується за допомогою MEMS. Настроюваний лазер на основі технології механічного керування використовує структуру MEMs-DFB.
Лазери з можливістю налаштування включають лазерні решітки DFB, лінзи EMS з можливістю нахилу та інші керуючі та допоміжні частини.
У зоні лазерного масиву DFB є кілька лазерних масивів DFB, кожна з яких може виробляти певну довжину хвилі з смугою пропускання близько 1,0 нм і інтервалом 25 ГГц. Контролюючи кут повороту лінз MEM, можна вибрати необхідну конкретну довжину хвилі, щоб вивести необхідну конкретну довжину хвилі світла.
Лазерний масив DFB
Інший перебудовуваний лазер на основі структури VCSEL розроблений на основі поверхневих лазерів з вертикальним резонатором з оптичною накачкою. Технологія напівсиметричного резонатора використовується для досягнення безперервної настройки довжини хвилі за допомогою MEMS. Він складається з напівпровідникового лазера і вертикального лазерного резонатора посилення, який може випромінювати світло на поверхні. На одному кінці резонатора є рухомий відбивач, який може змінювати довжину резонатора та довжину хвилі лазера. Основною перевагою VCSEL є те, що він може виводити чисті та безперервні промені, а також його можна легко та ефективно об’єднувати в оптичні волокна. Крім того, вартість невисока, оскільки її властивості можна виміряти на пластині. Основним недоліком VCSEL є низька вихідна потужність, недостатня швидкість регулювання, додатковий мобільний відбивач. Якщо для збільшення вихідної потужності додати оптичний насос, загальна складність буде збільшена, а енергоспоживання та вартість лазера збільшаться. Основний недолік регульованого лазера, заснованого на цьому принципі, полягає в тому, що час налаштування є відносно повільним, що зазвичай вимагає кількох секунд часу стабілізації налаштування.
2.3 Технологія регулювання струму
На відміну від DFB, в перебудовуваних лазерах DBR довжина хвилі змінюється шляхом спрямування струму збудження на різні частини резонатора. Такі лазери мають щонайменше чотири частини: зазвичай дві решітки Брегга, модуль підсилення і фазовий модуль з тонкою настройкою довжини хвилі. Для цього типу лазера на кожному кінці буде багато решіток Брегга. Іншими словами, після певного кроку решітки залишається зазор, потім інший крок решітки, потім є зазор і так далі. Це створює гребінчастий спектр відбиття. Решітки Брегга на обох кінцях лазера генерують різні гребінчасті спектри відбиття. Коли світло відбивається взад і вперед між ними, суперпозиція двох різних спектрів відбиття призводить до ширшого діапазону довжин хвиль. Схема збудження, що використовується в цій технології, досить складна, але швидкість її регулювання дуже висока. Таким чином, загальний принцип, заснований на технології керування струмом, полягає у зміні струму ВБР і фазового контролю в різних положеннях перебудовуваного лазера, так що відносний показник заломлення ВБР буде змінюватися, і будуть створюватися різні спектри. Шляхом накладання різних спектрів, створених FBG в різних областях, буде обрана конкретна довжина хвилі, так що буде створена необхідна конкретна довжина хвилі. Лазерний.
Настроюваний лазер на основі поточної технології управління використовує структуру SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Два відбивачі на передньому і задньому кінцях лазерного резонатора мають власні піки відбиття. Регулюючи ці два піки відбиття шляхом введення струму, лазер може видавати різні довжини хвилі.
Два відбивачі збоку від лазерного резонатора мають кілька піків відбиття. Коли лазер MGYL працює, інжекційний струм налаштовує їх. Два відбитих світла накладаються комбінатором/розділювачем 1*2. Оптимізація відбивної здатності передньої панелі дозволяє лазеру досягати високої вихідної потужності у всьому діапазоні налаштування.
3. Стан галузі
Перебудовувані лазери займають лідируючі позиції в області пристроїв оптичного зв’язку, і лише декілька великих компаній оптичного зв’язку в світі можуть надати цей продукт. Представницькі компанії, такі як SANTUR, засновані на механічній настройці MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC на основі регулювання струму SGBDR тощо, також є однією з небагатьох областей оптичних пристроїв, які китайські постачальники відчули. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. досягла основних переваг у високоякісній упаковці регульованих лазерів. Це єдине підприємство в Китаї, яке може випускати регульовані лазери партіями. Він потрапив до Європи та Сполучених Штатів. Постачання виробників.
JDSU використовує технологію монолітної інтеграції InP для інтеграції лазерів і модуляторів в єдину платформу для запуску невеликого модуля XFP з регульованими лазерами. З розширенням ринку регульованих лазерів ключем до технологічного розвитку цього продукту є мініатюризація та низька вартість. У майбутньому все більше виробників представлять модулі з регульованою довжиною хвилі в упаковці XFP.
У наступні п’ять років регульовані лазери стануть гарячою точкою. Річний темп зростання композицій (CAGR) ринку досягне 37%, а його масштаб досягне 1,2 мільярда доларів США в 2012 році, тоді як річний темп зростання інших важливих компонентів на ринку інших важливих компонентів за цей же період становить 24% для лазерів з фіксованою довжиною хвилі. , 28% для детекторів і приймачів і 35% для зовнішніх модуляторів. У 2012 році ринок регульованих лазерів, лазерів із фіксованою довжиною хвилі та фотодетекторів для оптичних мереж складе 8 мільярдів доларів.
4. Специфічне застосування перебудовуваного лазера в оптичному зв'язку
Мережеві програми перебудовуваних лазерів можна розділити на дві частини: статичні та динамічні.
У статичних застосуваннях довжина хвилі регульованого лазера встановлюється під час використання і не змінюється з часом. Найпоширенішим статичним застосуванням є заміна вихідних лазерів, тобто в системах передачі з щільним мультиплексуванням по довжині хвилі (DWDM), де регульований лазер діє як резервний для кількох лазерів з фіксованою довжиною хвилі та лазерів з гнучким джерелом, зменшуючи кількість ліній. карти, необхідні для підтримки різних довжин хвиль.
У статичних застосуваннях основними вимогами до регульованих лазерів є ціна, вихідна потужність і спектральні характеристики, тобто ширина лінії та стабільність можна порівняти з лазерами з фіксованою довжиною хвилі, які вони замінюють. Чим ширший діапазон довжин хвиль, тим краще буде співвідношення продуктивності та ціни без значно більшої швидкості налаштування. В даний час застосування системи DWDM з точним настроюваним лазером стає все більше.
У майбутньому регульовані лазери, які використовуються як резервні, також потребуватимуть швидких відповідних швидкостей. Коли канал мультиплексування з щільним поділом довжини хвилі виходить з ладу, регульований лазер може бути автоматично включений для відновлення роботи. Щоб досягти цієї функції, лазер повинен бути налаштований і зафіксований на довжині хвилі збою за 10 мілісекунд або менше, щоб гарантувати, що весь час відновлення становить менше 50 мілісекунд, необхідних для синхронної оптичної мережі.
У динамічних додатках довжину хвилі регульованих лазерів необхідно регулярно змінювати, щоб підвищити гнучкість оптичних мереж. Такі додатки зазвичай вимагають надання динамічних довжин хвиль, щоб довжину хвилі можна було додати або запропонувати з сегмента мережі, щоб забезпечити необхідну змінну потужність. Запропоновано просту та більш гнучку архітектуру ROADM, яка базується на використанні як настроюваних лазерів, так і настроюваних фільтрів. Настроювані лазери можуть додавати певні довжини хвилі до системи, а регульовані фільтри можуть відфільтровувати певні довжини хвиль із системи. Настроюваний лазер також може вирішити проблему блокування довжини хвилі в оптичному перехресному з’єднанні. В даний час більшість оптичних зшивок використовують оптико-електрооптичний інтерфейс на обох кінцях волокна, щоб уникнути цієї проблеми. Якщо для введення OXC на вхідному кінці використовується регульований лазер, можна вибрати певну довжину хвилі, щоб світлова хвиля досягала кінцевої точки по вільному шляху.
У майбутньому регульовані лазери також можна буде використовувати для маршрутизації довжини хвилі та оптичної комутації пакетів.
Маршрутизація за довжиною хвилі відноситься до використання настроюваних лазерів для повної заміни складних повністю оптичних комутаторів простими фіксованими крос-коннекторами, так що сигнал маршрутизації мережі необхідно змінити. Кожен канал довжини хвилі підключений до унікальної адреси призначення, таким чином утворюючи мережеве віртуальне з'єднання. При передачі сигналів регульований лазер повинен налаштувати свою частоту на відповідну частоту цільової адреси.
Оптична комутація пакетів відноситься до реальної оптичної комутації пакетів, яка передає сигнали за допомогою маршрутизації по довжині хвилі відповідно до пакетів даних. Щоб досягти такого режиму передачі сигналу, настроюваний лазер повинен мати можливість перемикатися за такий короткий час, як наносекунда, щоб не створювати занадто велику затримку в мережі.
У цих програмах регульовані лазери можуть регулювати довжину хвилі в режимі реального часу, щоб уникнути блокування довжини хвилі в мережі. Тому настроювані лазери повинні мати більший діапазон регулювання, більшу вихідну потужність і швидкість реакції за мілісекунду. Фактично, більшість динамічних додатків вимагають настроюваного оптичного мультиплексора або оптичного перемикача 1:N для роботи з лазером, щоб гарантувати, що вихідний сигнал лазера може проходити через відповідний канал в оптичне волокно.
