1. Prezentare generală
În domeniul comunicațiilor optice, sursele tradiționale de lumină se bazează pe module laser cu lungime de undă fixă. Odată cu dezvoltarea și aplicarea continuă a sistemelor de comunicații optice, dezavantajele laserelor cu lungime de undă fixă sunt dezvăluite treptat. Pe de o parte, odată cu dezvoltarea tehnologiei DWDM, numărul de lungimi de undă din sistem a ajuns la sute. In cazul protectiei, backup-ul fiecarui laser trebuie facut cu aceeasi lungime de unda. Alimentarea cu laser duce la o creștere a numărului de lasere de rezervă și a costurilor; pe de altă parte, deoarece laserele fixe trebuie să distingă lungimea de undă, tipul de laser crește odată cu creșterea numărului lungimii de undă, ceea ce face complexitatea managementului și nivelul de inventar mai complex; pe de altă parte, dacă dorim să sprijinim alocarea dinamică a lungimii de undă în rețelele optice și să îmbunătățim flexibilitatea rețelei, trebuie să echipăm un număr mare de unde diferite. Laser fix lung, dar rata de utilizare a fiecărui laser este foarte scăzută, ceea ce duce la risipa de resurse. Pentru a depăși aceste neajunsuri, odată cu dezvoltarea semiconductoarelor și a tehnologiilor conexe, laserele reglabile au fost dezvoltate cu succes, adică lungimea de undă diferită într-o anumită lățime de bandă este controlată pe același modul laser, iar aceste valori ale lungimii de undă și distanță îndeplinesc cerințele ITU-T.
Pentru următoarea generație de rețele optice, laserele reglabile sunt factorul cheie pentru realizarea unei rețele optice inteligente, care poate oferi operatorilor o flexibilitate mai mare, o viteză mai mare de furnizare a lungimii de undă și, în cele din urmă, costuri mai mici. În viitor, rețelele optice pe distanțe lungi vor fi lumea sistemelor dinamice cu lungimi de undă. Aceste rețele pot realiza o nouă atribuire a lungimii de undă într-un timp foarte scurt. Datorită utilizării tehnologiei de transmisie pe distanțe ultra-lungi, nu este nevoie să utilizați regeneratorul, ceea ce economisește o mulțime de bani. Se așteaptă ca laserele reglabile să ofere noi instrumente pentru viitoarele rețele de comunicații pentru a gestiona lungimea de undă, a îmbunătăți eficiența rețelei și a dezvolta rețele optice de generație următoare. Una dintre cele mai atractive aplicații este multiplexorul optic add-drop reconfigurabil (ROADM). Pe piața rețelelor vor apărea sisteme de rețea dinamice reconfigurabile, iar laserele reglabile cu rază mare de reglare vor fi necesare mai mult.
2. Principii și caracteristici tehnice
Există trei tipuri de tehnologii de control pentru laserele reglabile: tehnologia de control curent, tehnologia de control al temperaturii și tehnologia de control mecanic. Printre acestea, tehnologia controlată electronic realizează reglarea lungimii de undă prin schimbarea curentului de injecție. Are viteză de reglare la nivel ns și lățime de bandă largă de reglare, dar puterea sa de ieșire este mică. Principalele tehnologii controlate electronic sunt laserele SG-DBR (Sampling Grating DBR) și GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Tehnologia de control al temperaturii modifică lungimea de undă de ieșire a laserului prin modificarea indicelui de refracție al regiunii active a laserului. Tehnologia este simplă, dar lentă, lățime de bandă reglabilă îngustă, doar câțiva nanometri. Laserele DFB (Distributed Feedback) și DBR (Distributed Bragg Reflection) sunt principalele tehnologii bazate pe controlul temperaturii. Controlul mecanic se bazează în principal pe tehnologia sistemului micro-electro-mecanic (MEMS) pentru a finaliza selecția lungimii de undă, cu o lățime de bandă reglabilă mai mare și o putere de ieșire mai mare. Principalele structuri bazate pe tehnologia de control mecanic sunt DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) și VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Principiul laserelor reglabile din aceste aspecte va fi explicat mai jos. Printre acestea, se subliniază tehnologia actuală reglabilă, care este cea mai populară.
2.1 Tehnologia de control al temperaturii
Tehnologia de control bazată pe temperatură este utilizată în principal în structura DFB, principiul său este de a regla temperatura cavității laser, astfel încât să poată emite lungimi de undă diferite. Reglarea lungimii de undă a unui laser reglabil pe baza acestui principiu este realizată prin controlul variației laserului InGaAsP DFB care lucrează într-un anumit interval de temperatură. Dispozitivul constă dintr-un dispozitiv de blocare a undelor încorporat (un ecartament standard și un detector de monitorizare) pentru a bloca ieșirea laserului CW pe grila ITU la un interval de 50 GHz. În general, două TEC-uri separate sunt încapsulate în dispozitiv. Una este de a controla lungimea de undă a cipului laser, iar cealaltă este de a se asigura că blocarea și detectorul de putere din dispozitiv funcționează la temperatură constantă.
Cel mai mare avantaj al acestor lasere este că performanța lor este similară cu cea a laserelor cu lungime de undă fixă. Au caracteristicile unei puteri ridicate de ieșire, stabilitate bună a lungimii de undă, funcționare simplă, cost redus și tehnologie matură. Cu toate acestea, există două dezavantaje principale: unul este că lățimea de reglare a unui singur dispozitiv este îngustă, de obicei doar câțiva nanometri; celălalt este că timpul de reglare este lung, ceea ce necesită de obicei câteva secunde de timp de stabilitate a reglajului.
2.2 Tehnologia de control mecanic
Tehnologia mecanică de control este în general implementată prin utilizarea MEMS. Un laser reglabil bazat pe tehnologia de control mecanic adoptă structura MEMS-DFB.
Laserele reglabile includ matrice laser DFB, lentile EMS inclinabile și alte părți de control și auxiliare.
Există mai multe rețele laser DFB în zona matricei laser DFB, fiecare dintre acestea putând produce o anumită lungime de undă cu o lățime de bandă de aproximativ 1,0 nm și o distanță de 25 Ghz. Prin controlul unghiului de rotație al lentilelor MEM, lungimea de undă specifică necesară poate fi selectată pentru a scoate lungimea de undă specifică necesară a luminii.
DFB Laser Array
Un alt laser reglabil bazat pe structura VCSEL este proiectat pe baza laserelor care emit suprafețe cu cavitate verticală pompate optic. Tehnologia cavității semi-simetrice este utilizată pentru a obține reglarea continuă a lungimii de undă prin utilizarea MEMS. Este format dintr-un laser semiconductor și un rezonator vertical cu câștig laser care poate emite lumină la suprafață. Există un reflector mobil la un capăt al rezonatorului, care poate modifica lungimea rezonatorului și lungimea de undă a laserului. Principalul avantaj al VCSEL este că poate emite fascicule pure și continue și poate fi cuplat ușor și eficient în fibre optice. Mai mult, costul este mic deoarece proprietățile sale pot fi măsurate pe napolitană. Principalul dezavantaj al VCSEL este puterea sa scăzută de ieșire, viteza insuficientă de reglare și un reflector mobil suplimentar. Dacă se adaugă o pompă optică pentru a crește puterea de ieșire, complexitatea generală va crește, iar consumul de energie și costul laserului vor crește. Principalul dezavantaj al laserului reglabil bazat pe acest principiu este că timpul de reglare este relativ lent, ceea ce necesită de obicei câteva secunde de timp de stabilizare a reglajului.
2.3 Tehnologia controlului curentului
Spre deosebire de DFB, în laserele DBR reglabile, lungimea de undă este modificată prin direcționarea curentului de excitare către diferite părți ale rezonatorului. Astfel de lasere au cel puțin patru părți: de obicei două rețele Bragg, un modul de câștig și un modul de fază cu reglare fină a lungimii de undă. Pentru acest tip de laser, vor exista multe rețele Bragg la fiecare capăt. Cu alte cuvinte, după un anumit pas de grătar, există un gol, apoi există un pas diferit de grătar, apoi există un gol și așa mai departe. Aceasta produce un spectru de reflexie asemănător unui pieptene. Rețelele Bragg de la ambele capete ale laserului generează diferite spectre de reflectare asemănătoare pieptenelor. Când lumina se reflectă înainte și înapoi între ele, suprapunerea a două spectre de reflectare diferite are ca rezultat o gamă mai largă de lungimi de undă. Circuitul de excitație folosit în această tehnologie este destul de complex, dar viteza sa de reglare este foarte rapidă. Deci, principiul general bazat pe tehnologia de control curent este de a schimba curentul FBG și partea de control a fazei în diferite poziții ale laserului reglabil, astfel încât indicele de refracție relativ al FBG să se schimbe și să fie produse diferite spectre. Prin suprapunerea diferitelor spectre produse de FBG în diferite regiuni, se va selecta lungimea de undă specifică, astfel încât să fie generată lungimea de undă specifică necesară. Laser.
Un laser reglabil bazat pe tehnologia curentă de control adoptă SGDBR (Sosmpled Graing Brag Reflector Bragg).
Două reflectoare la capetele din față și din spate ale rezonatorului laser au propriile lor vârfuri de reflecție. Prin ajustarea acestor două vârfuri de reflecție prin injectarea curentului, laserul poate scoate lungimi de undă diferite.
Cele două reflectoare de pe partea rezonatorului laser au vârfuri de reflexie multiple. Când laserul MGYL funcționează, curentul de injecție le reglează. Cele două lumini reflectate sunt suprapuse de un combinator/splitter 1*2. Optimizarea reflectivității front-end-ului permite laserului să atingă o putere mare de ieșire în întreaga gamă de reglare.
3. Statutul industriei
Laserele reglabile sunt în fruntea domeniului dispozitivelor de comunicații optice și doar câteva mari companii de comunicații optice din lume pot furniza acest produs. Companii reprezentative precum SANTUR bazate pe tuning mecanic de MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC pe baza reglementării actuale SGBDR etc., sunt, de asemenea, una dintre puținele domenii de dispozitive optice pe care furnizorii chinezi le-au depistat. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. a obținut avantaje de bază în ambalarea de vârf a laserelor reglabile. Este singura întreprindere din China care poate produce lasere reglabile în loturi. S-a distribuit în Europa și Statele Unite. Producătorii furnizează.
JDSU folosește tehnologia integrării monolitice InP pentru a integra lasere și modulatoare într-o singură platformă pentru a lansa un modul XFP de dimensiuni mici cu lasere reglabile. Odată cu extinderea pieței laser reglabil, cheia dezvoltării tehnologice a acestui produs este miniaturizarea și costul redus. În viitor, din ce în ce mai mulți producători vor introduce module XFP cu lungime de undă reglabilă.
În următorii cinci ani, lasere acordabile va fi un hot spot. Rata de creștere compusă anuală (CAGR) a pieței va ajunge la 37%, iar scara se va ajunge la 1,2 miliarde de dolari în 2012, în timp ce rata anuală de creștere compusă a altor piețe componente importante în aceeași perioadă este de 24% pentru lasere lungime de undă fixă , 28% pentru detectori și receptoare, și 35% pentru modulatori externi. În 2012, piața pentru lasere acordabile, lasere lungime de undă fixă și fotodetectori pentru rețele optice vor totaliza 8 miliarde $.
4. Aplicarea specifică a laserului reglabil în comunicațiile optice
Aplicațiile de rețea ale laserelor reglabile pot fi împărțite în două părți: aplicații statice și aplicații dinamice.
În aplicațiile statice, lungimea de undă a unui laser acordabil este setată în timpul utilizării și nu se schimbă cu timpul. Cea mai comuna aplicatie static este ca substitut pentru laserele sursă, adică în divizarea lungimii de undă dense multiplexare (DWDM) sisteme de transmisie, în cazul în care un laser acordabil acționează ca o copie de siguranță pentru mai multe lasere cu lungimi de undă fixe și lasere flexibile sursă, reducând numărul de linii carduri necesare pentru a sprijini toate lungimile de undă diferite.
În aplicațiile statice, principalele cerințe pentru laserele reglabile sunt prețul, puterea de ieșire și caracteristicile spectrale, adică lățimea liniei și stabilitatea sunt comparabile cu laserele cu lungime de undă fixă pe care le înlocuiește. Cu cât intervalul de lungimi de undă este mai larg, cu atât va fi mai bun raportul performanță-preț, fără o viteză de reglare mult mai mare. În prezent, aplicarea sistemului DWDM cu laser reglabil de precizie este din ce în ce mai mult.
În viitor, laserele reglabile utilizate ca rezervă vor necesita, de asemenea, viteze corespunzătoare rapide. Când un canal de multiplexare cu diviziune densă a lungimii de undă eșuează, un laser reglabil poate fi activat automat pentru a-și relua funcționarea. Pentru a realiza această funcție, laserul trebuie reglat și blocat la lungimea de undă eșuată în 10 milisecunde sau mai puțin, astfel încât să se asigure că întregul timp de recuperare este mai mic de 50 de milisecunde necesar rețelei optice sincrone.
În aplicațiile dinamice, lungimea de undă a laserelor reglabile trebuie să se schimbe în mod regulat pentru a spori flexibilitatea rețelelor optice. Astfel de aplicații necesită în general furnizarea de lungimi de undă dinamice, astfel încât o lungime de undă să poată fi adăugată sau propusă dintr-un segment de rețea pentru a găzdui capacitatea variabilă necesară. A fost propusă o arhitectură ROADM simplă și mai flexibilă, care se bazează pe utilizarea atât a laserelor reglabile, cât și a filtrelor reglabile. Laserele reglabile pot adăuga anumite lungimi de undă la sistem, iar filtrele reglabile pot filtra anumite lungimi de undă din sistem. Laserul reglabil poate rezolva și problema blocării lungimii de undă în conexiunea încrucișată optică. În prezent, majoritatea legăturilor încrucișate optice utilizează interfața optică-electro-optică la ambele capete ale fibrei pentru a evita această problemă. Dacă se folosește un laser reglabil pentru a introduce OXC la capătul de intrare, o anumită lungime de undă poate fi selectată pentru a se asigura că unda luminoasă ajunge la punctul final pe o cale clară.
În viitor, laserele reglabile pot fi utilizate și în rutarea lungimii de undă și comutarea optică a pachetelor.
Rutarea pe lungime de undă se referă la utilizarea laserelor reglabile pentru a înlocui complet comutatoarele optice complexe cu conectori încrucișați simpli, astfel încât semnalul de rutare al rețelei trebuie schimbat. Fiecare canal de lungime de undă este conectat la o adresă de destinație unică, formând astfel o conexiune virtuală de rețea. La transmiterea semnalelor, laserul reglabil trebuie să își ajusteze frecvența la frecvența corespunzătoare adresei țintă.
Comutarea pachetului optic se referă la comutarea reală de pachete optice care transmite semnale prin rutarea lungimii de undă conform pachetelor de date. Pentru a realiza acest mod de transmisie a semnalelor, laserul tunable trebuie să poată comuta într-un timp atât de scurt ca nanosecundă, astfel încât să nu genereze întârzieri prea lungi în rețea.
În aceste aplicații, laserele reglabile pot ajusta lungimea de undă în timp real pentru a evita blocarea lungimii de undă în rețea. Prin urmare, laserele reglabile trebuie să aibă o gamă reglabilă mai mare, o putere de ieșire mai mare și o viteză de reacție în milisecunde. De fapt, majoritatea aplicațiilor dinamice necesită un multiplexor optic reglabil sau un comutator optic 1:N pentru a funcționa cu laserul pentru a se asigura că ieșirea laserului poate trece prin canalul corespunzător în fibra optică.
