1. Преглед
В областта на оптичната комуникация традиционните източници на светлина се основават на лазерни модули с фиксирана дължина на вълната. С непрекъснатото развитие и прилагане на оптични комуникационни системи, постепенно се разкриват недостатъците на лазерите с фиксирана дължина на вълната. От една страна, с развитието на DWDM технологията, броят на дължините на вълната в системата достигна стотици. В случай на защита, архивирането на всеки лазер трябва да бъде направено с една и съща дължина на вълната. Лазерното захранване води до увеличаване на броя на резервните лазери и цената; от друга страна, тъй като фиксираните лазери трябва да разграничават дължината на вълната, типът на лазерите се увеличава с увеличаване на броя на дължината на вълната, което прави сложността на управлението и нивото на инвентара по-сложни; от друга страна, ако искаме да поддържаме динамично разпределение на дължината на вълната в оптичните мрежи и да подобрим гъвкавостта на мрежата, трябва да оборудваме голям брой различни вълни. Дълго фиксиран лазер, но степента на използване на всеки лазер е много ниска, което води до загуба на ресурси. За преодоляване на тези недостатъци с развитието на полупроводниковите и свързаните с тях технологии бяха успешно разработени регулируеми лазери, т.е. различна дължина на вълната в рамките на определена честотна лента се контролира на един и същ лазерен модул и тези стойности на дължината на вълната и разстоянието отговарят на изискванията на ITU-T.
За оптичната мрежа от следващо поколение, регулируемите лазери са ключовият фактор за реализиране на интелигентна оптична мрежа, която може да осигури на операторите по-голяма гъвкавост, по-бърза скорост на подаване на дължината на вълната и в крайна сметка по-ниска цена. В бъдеще оптичните мрежи на дълги разстояния ще бъдат светът на динамичните системи с дължина на вълната. Тези мрежи могат да постигнат нова дължина на вълната за много кратко време. Поради използването на технология за предаване на ултра дълги разстояния, не е необходимо да се използва регенератор, което спестява много пари. Очаква се регулируемите лазери да предоставят нови инструменти за бъдещи комуникационни мрежи за управление на дължината на вълната, подобряване на ефективността на мрежата и разработване на оптични мрежи от следващо поколение. Едно от най-атрактивните приложения е реконфигурируемият оптичен мултиплексор за добавяне-пускане (ROADM). На мрежовия пазар ще се появят динамични преконфигурируеми мрежови системи, а регулируемите лазери с голям регулируем обхват ще се изискват повече.
2. Технически принципи и характеристики
Има три вида технологии за управление за регулируеми лазери: технология за текущ контрол, технология за контрол на температурата и технология за механично управление. Сред тях електронно управляваната технология реализира настройка на дължината на вълната чрез промяна на инжекционния ток. Той има скорост на настройка на ниво ns и широка честотна лента за настройка, но изходната му мощност е малка. Основните електронно управлявани технологии са лазерите SG-DBR (Sampling Grating DBR) и GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Технологията за контрол на температурата променя изходната дължина на вълната на лазера чрез промяна на индекса на пречупване на активната област на лазера. Технологията е проста, но бавна, тясна регулируема честотна лента, само няколко нанометра. Лазерите DFB (Distributed Feedback) и DBR (Distributed Bragg Reflection) са основните технологии, базирани на контрол на температурата. Механичното управление се основава главно на технологията на микро-електро-механична система (MEMS), за да завърши избора на дължина на вълната, с по-голяма регулируема честотна лента и по-висока изходна мощност. Основните структури, базирани на технологията за механично управление, са DFB (разпределена обратна връзка), ECL (лазер с външна кухина) и VCSEL (повърхностен емисионен лазер с вертикална кухина). Принципът на регулируемите лазери от тези аспекти ще бъде обяснен по-долу. Сред тях се набляга на актуалната регулируема технология, която е най-популярната.
2.1 Технология за контрол на температурата
Технологията за управление, базирана на температура, се използва главно в структурата на DFB, нейният принцип е да регулира температурата на лазерната кухина, така че да може да излъчва различна дължина на вълната. Регулирането на дължината на вълната на регулируем лазер, базиран на този принцип, се осъществява чрез контролиране на вариацията на InGaAsP DFB лазера, работещ в определен температурен диапазон. Устройството се състои от вградено устройство за заключване на вълни (стандартен габарит и детектор за наблюдение) за заключване на изхода на CW лазера към мрежата на ITU на интервал от 50 GHz. Като цяло, два отделни TEC са капсулирани в устройството. Единият е да контролира дължината на вълната на лазерния чип, а другият е да гарантира, че детекторът за заключване и мощност в устройството работят при постоянна температура.
Най-голямото предимство на тези лазери е, че тяхната производителност е подобна на тази на лазерите с фиксирана дължина на вълната. Те имат характеристиките на висока изходна мощност, добра стабилност на дължината на вълната, лесна работа, ниска цена и зряла технология. Има обаче два основни недостатъка: единият е, че ширината на настройка на едно устройство е тясна, обикновено само няколко нанометра; другият е, че времето за настройка е дълго, което обикновено изисква няколко секунди време за стабилност на настройка.
2.2 Технология за механично управление
Технологията за механично управление обикновено се осъществява чрез използване на MEMS. Регулируем лазер, базиран на технология за механично управление, приема структурата на MEMs-DFB.
Регулируемите лазери включват DFB лазерни решетки, накланящи се EMS лещи и други контролни и спомагателни части.
В зоната на DFB лазерния масив има няколко DFB лазерни масива, всяка от които може да произвежда специфична дължина на вълната с честотна лента от около 1,0 nm и разстояние от 25 Ghz. Чрез контролиране на ъгъла на завъртане на лещите MEM, може да бъде избрана необходимата специфична дължина на вълната, за да се изведе необходимата специфична дължина на вълната на светлината.
DFB лазерен масив
Друг регулируем лазер, базиран на VCSEL структура, е проектиран на базата на оптично изпомпвани повърхностно излъчващи лазери с вертикална кухина. Технологията на полусиметрична кухина се използва за постигане на непрекъсната настройка на дължината на вълната чрез използване на MEMS. Състои се от полупроводников лазер и вертикален лазерен резонатор, който може да излъчва светлина върху повърхността. В единия край на резонатора има подвижен рефлектор, който може да промени дължината на резонатора и дължината на вълната на лазера. Основното предимство на VCSEL е, че може да извежда чисти и непрекъснати лъчи и може лесно и ефективно да се свързва в оптични влакна. Освен това цената е ниска, тъй като нейните свойства могат да бъдат измерени върху вафлата. Основният недостатък на VCSEL е неговата ниска изходна мощност, недостатъчна скорост на настройка и допълнителен подвижен рефлектор. Ако се добави оптична помпа за увеличаване на изходната мощност, общата сложност ще се увеличи, а консумацията на енергия и цената на лазера ще се увеличат. Основният недостатък на регулируемия лазер, базиран на този принцип, е, че времето за настройка е сравнително бавно, което обикновено изисква няколко секунди време за стабилизиране на настройката.
2.3 Технология за управление на тока
За разлика от DFB, в регулируемите DBR лазери, дължината на вълната се променя чрез насочване на възбуждащия ток към различни части на резонатора. Такива лазери имат най-малко четири части: обикновено две решетки на Браг, модул за усилване и фазов модул с фина настройка на дължината на вълната. За този тип лазер ще има много решетки на Браг във всеки край. С други думи, след определена стъпка на решетката има пролука, след това има различна стъпка на решетката, след това има пролука и т.н. Това създава спектър на отражение, подобен на гребен. Решетките на Браг в двата края на лазера генерират различни спектри на отражение, подобни на гребен. Когато светлината се отразява напред-назад между тях, наслагването на два различни спектра на отражение води до по-широк диапазон на дължина на вълната. Веригата на възбуждане, използвана в тази технология, е доста сложна, но скоростта на нейното регулиране е много бърза. Така че общият принцип, базиран на текущата технология за управление, е да се промени токът на FBG и частта за контрол на фазата в различни позиции на регулируемия лазер, така че относителният индекс на пречупване на FBG да се промени и да се произвеждат различни спектри. Чрез наслагване на различни спектри, произведени от FBG в различни региони, специфичната дължина на вълната ще бъде избрана, така че да се генерира необходимата специфична дължина на вълната. Лазерна.
Регулируемият лазер, базиран на текущата технология за управление, приема структурата на SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Два рефлектора в предния и задния край на лазерния резонатор имат свои собствени пикове на отражение. Чрез регулиране на тези два пика на отражение чрез инжектиране на ток, лазерът може да извежда различни дължини на вълната.
Двата рефлектора отстрани на лазерния резонатор имат множество пикове на отражение. Когато MGYL лазерът работи, инжекционният ток ги настройва. Двете отразени светлини са насложени от 1*2 комбинатор/сплитер. Оптимизирането на отразяващата способност на предния край позволява на лазера да постигне висока мощност в целия диапазон на настройка.
3. Статус на индустрията
Регулируемите лазери са в челните редици в областта на оптичните комуникационни устройства и само няколко големи компании за оптична комуникация в света могат да предоставят този продукт. Представителни компании като SANTUR, базирани на механична настройка на MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC на базата на текущото регулиране на SGBDR и др., също са една от малкото области на оптични устройства, които китайските доставчици са разглеждали. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. е постигнала основни предимства в опаковките от висок клас на регулируеми лазери. Това е единственото предприятие в Китай, което може да произвежда регулируеми лазери на партиди. Той се е насочил към Европа и Съединените щати. Доставяне на производители.
JDSU използва технологията на InP монолитна интеграция за интегриране на лазери и модулатори в една платформа за стартиране на малък размер XFP модул с регулируеми лазери. С разширяването на пазара на регулируеми лазери, ключът към технологичното развитие на този продукт е миниатюризацията и ниската цена. В бъдеще все повече производители ще представят XFP пакетирани модули с регулируема дължина на вълната.
През следващите пет години регулируемите лазери ще бъдат гореща точка. Годишният композитен темп на растеж (CAGR) на пазара ще достигне 37% и неговият мащаб ще достигне 1,2 милиарда щатски долара през 2012 г., докато годишният темп на композитен растеж на пазара на други важни компоненти през същия период е 24% за лазери с фиксирана дължина на вълната , 28% за детектори и приемници и 35% за външни модулатори. През 2012 г. пазарът на регулируеми лазери, лазери с фиксирана дължина на вълната и фотодетектори за оптични мрежи ще възлезе на общо 8 милиарда долара.
4. Специфично приложение на регулируемия лазер в оптичната комуникация
Мрежовите приложения на регулируемите лазери могат да бъдат разделени на две части: статични приложения и динамични приложения.
При статични приложения дължината на вълната на регулируемия лазер се задава по време на употреба и не се променя с времето. Най-често срещаното статично приложение е като заместител на лазерите с източник, т.е. в системи за предаване с мултиплексиране на плътна дължина на вълната (DWDM), където регулируем лазер действа като резервно копие за множество лазери с фиксирана дължина на вълната и лазери с гъвкав източник, намалявайки броя на линиите карти, необходими за поддържане на всички различни дължини на вълната.
При статичните приложения основните изисквания за регулируемите лазери са цена, изходна мощност и спектрални характеристики, тоест ширината на линията и стабилността са сравними с лазерите с фиксирана дължина на вълната, които замества. Колкото по-широк е диапазонът на дължината на вълната, толкова по-добро ще бъде съотношението производителност-цена, без много по-бърза скорост на настройка. В момента прилагането на DWDM система с прецизен регулируем лазер е все повече и повече.
В бъдеще регулируемите лазери, използвани като резервни копия, също ще изискват бързи съответни скорости. Когато канал за мултиплексиране с плътно разделяне на дължината на вълната се повреди, регулируем лазер може автоматично да бъде активиран, за да възобнови работата си. За да се постигне тази функция, лазерът трябва да бъде настроен и заключен при неуспешната дължина на вълната за 10 милисекунди или по-малко, така че да се гарантира, че цялото време за възстановяване е по-малко от 50 милисекунди, изисквани от синхронната оптична мрежа.
При динамични приложения дължината на вълната на регулируемите лазери се изисква да се променя редовно, за да се подобри гъвкавостта на оптичните мрежи. Такива приложения обикновено изискват осигуряване на динамични дължини на вълната, така че дължината на вълната да може да бъде добавена или предложена от мрежов сегмент, за да поеме необходимия променлив капацитет. Предложена е проста и по-гъвкава ROADM архитектура, която се основава на използването както на регулируеми лазери, така и на регулируеми филтри. Регулируемите лазери могат да добавят определени дължини на вълната към системата, а регулируемите филтри могат да филтрират определени дължини на вълните от системата. Регулируемият лазер може също да реши проблема с блокирането на дължината на вълната при оптично кръстосано свързване. Понастоящем повечето оптични напречни връзки използват оптично-електро-оптичен интерфейс в двата края на влакното, за да се избегне този проблем. Ако се използва регулируем лазер за въвеждане на OXC във входния край, може да бъде избрана определена дължина на вълната, за да се гарантира, че светлинната вълна достига крайната точка по ясен път.
В бъдеще регулируемите лазери могат да се използват и при маршрутизиране на дължината на вълната и превключване на оптични пакети.
Маршрутизирането на дължината на вълната се отнася до използването на регулируеми лазери за пълна замяна на сложни изцяло оптични превключватели с прости фиксирани кръстосани конектори, така че маршрутизиращият сигнал на мрежата трябва да се промени. Всеки канал с дължина на вълната е свързан към уникален адрес на местоназначение, като по този начин образува мрежова виртуална връзка. При предаване на сигнали регулируемият лазер трябва да регулира честотата си до съответната честота на целевия адрес.
Оптичното превключване на пакети се отнася до реалното превключване на оптични пакети, което предава сигнали чрез маршрутизиране на дължината на вълната според пакетите данни. За да се постигне този режим на предаване на сигнала, регулируемият лазер трябва да може да превключва за толкова кратко време като наносекунда, за да не генерира твърде дълго време закъснение в мрежата.
В тези приложения регулируемите лазери могат да регулират дължината на вълната в реално време, за да избегнат блокиране на дължината на вълната в мрежата. Следователно регулируемите лазери трябва да имат по-голям регулируем обхват, по-висока изходна мощност и скорост на реакция в милисекунди. Всъщност повечето динамични приложения изискват регулируем оптичен мултиплексор или 1:N оптичен превключвател, за да работят с лазера, за да се гарантира, че лазерният изход може да премине през подходящия канал в оптичното влакно.
