1. Обзор
В области оптической связи традиционные источники света основаны на лазерных модулях с фиксированной длиной волны. С непрерывным развитием и применением систем оптической связи постепенно выявляются недостатки лазеров с фиксированной длиной волны. С одной стороны, с развитием технологии DWDM количество длин волн в системе достигло сотен. В случае защиты дублирование каждого лазера должно быть выполнено по той же длине волны. Поставка лазеров приводит к увеличению количества резервных лазеров и стоимости; с другой стороны, поскольку стационарные лазеры должны различать длину волны, тип лазеров увеличивается с увеличением номера длины волны, что усложняет управление и уровень запасов; с другой стороны, если мы хотим поддерживать динамическое распределение длин волн в оптических сетях и повышать гибкость сети, нам необходимо оборудовать большое количество различных волн. Длинный фиксированный лазер, но коэффициент использования каждого лазера очень низкий, что приводит к пустой трате ресурсов. Чтобы преодолеть эти недостатки, с развитием полупроводниковых и связанных с ними технологий были успешно разработаны перестраиваемые лазеры, т. е. различные длины волн в пределах определенной полосы пропускания контролируются на одном и том же лазерном модуле, и эти значения длины волны и интервал соответствуют требованиям ITU-T.
Для оптической сети следующего поколения перестраиваемые лазеры являются ключевым фактором для реализации интеллектуальной оптической сети, которая может предоставить операторам большую гибкость, более высокую скорость передачи длин волн и, в конечном счете, более низкую стоимость. В будущем оптические сети дальней связи станут миром динамических систем длины волны. Эти сети могут получить новое назначение длины волны за очень короткое время. Из-за использования технологии передачи на сверхдальние расстояния нет необходимости использовать регенератор, что экономит много денег. Ожидается, что перестраиваемые лазеры обеспечат новые инструменты для будущих сетей связи, позволяющие управлять длиной волны, повышать эффективность сети и развивать оптические сети следующего поколения. Одним из наиболее привлекательных приложений является реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода (ROADM). На сетевом рынке появятся динамически реконфигурируемые сетевые системы, а перестраиваемых лазеров с большим регулируемым диапазоном будет требоваться больше.
2. Технические принципы и характеристики
Существует три типа технологий управления перестраиваемыми лазерами: технология управления током, технология контроля температуры и технология механического управления. Среди них технология с электронным управлением, реализующая настройку длины волны путем изменения тока инжекции. Он имеет скорость перестройки на уровне нс и широкую полосу перестройки, но его выходная мощность невелика. Основными технологиями с электронным управлением являются лазеры SG-DBR (выборочная решетка DBR) и GCSR (вспомогательная решетка с направленной связанной обратной выборкой и отражением). Технология контроля температуры изменяет выходную длину волны лазера за счет изменения показателя преломления активной области лазера. Технология проста, но медленна, узкая регулируемая полоса пропускания, всего несколько нанометров. Лазеры DFB (распределенная обратная связь) и DBR (распределенное брэгговское отражение) являются основными технологиями, основанными на контроле температуры. Механическое управление в основном основано на технологии микроэлектромеханической системы (MEMS) для полного выбора длины волны с более широкой регулируемой полосой пропускания и более высокой выходной мощностью. Основными структурами, основанными на технологии механического управления, являются DFB (распределенная обратная связь), ECL (лазер с внешним резонатором) и VCSEL (лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором). Принцип перестраиваемых лазеров с этих аспектов будет объяснен ниже. Среди них выделяется текущая перестраиваемая технология, которая является наиболее популярной.
2.1 Технология контроля температуры
Технология управления на основе температуры в основном используется в структуре DFB, ее принцип заключается в регулировке температуры резонатора лазера, чтобы он мог излучать различную длину волны. Регулировка длины волны регулируемого лазера, основанная на этом принципе, осуществляется путем управления изменением РОС-лазера InGaAsP, работающего в определенном диапазоне температур. Устройство состоит из встроенного волнового синхронизатора (стандартный датчик и контрольный детектор) для захвата выходного сигнала непрерывного лазера в сетку ITU с интервалом 50 ГГц. Как правило, в устройстве инкапсулированы два отдельных ТЭО. Один из них предназначен для управления длиной волны лазерного чипа, а другой — для обеспечения того, чтобы замок и детектор мощности в устройстве работали при постоянной температуре.
Самым большим преимуществом этих лазеров является то, что их характеристики аналогичны характеристикам лазеров с фиксированной длиной волны. Они имеют характеристики высокой выходной мощности, хорошей стабильности длины волны, простоты в эксплуатации, низкой стоимости и зрелой технологии. Однако есть два основных недостатка: первый заключается в том, что ширина настройки одного устройства невелика, обычно всего несколько нанометров; во-вторых, время настройки велико, что обычно требует нескольких секунд времени стабильности настройки.
2.2 Технология механического управления
Технология механического управления обычно реализуется с использованием MEMS. Перестраиваемый лазер, основанный на технологии механического управления, имеет структуру MEMs-DFB.
Перестраиваемые лазеры включают лазерные массивы DFB, наклоняемые линзы EMS и другие элементы управления и вспомогательные элементы.
В области лазерной решетки DFB имеется несколько лазерных массивов DFB, каждый из которых может создавать определенную длину волны с шириной полосы около 1,0 нм и интервалом 25 ГГц. Управляя углом поворота линз МЭМ, можно выбрать требуемую конкретную длину волны для вывода света с требуемой конкретной длиной волны.
Лазерный массив DFB
Другой перестраиваемый лазер на основе структуры VCSEL разработан на основе вертикально-излучающих лазеров с оптической накачкой. Технология полусимметричного резонатора используется для достижения непрерывной настройки длины волны с помощью МЭМС. Он состоит из полупроводникового лазера и резонатора с вертикальным лазерным усилением, который может излучать свет на поверхность. На одном конце резонатора находится подвижный отражатель, который может изменять длину резонатора и длину волны лазера. Основное преимущество VCSEL заключается в том, что он может выводить чистые и непрерывные лучи и может быть легко и эффективно подключен к оптическим волокнам. Кроме того, стоимость низкая, потому что его свойства можно измерить на пластине. Основным недостатком ВИЛ является малая выходная мощность, недостаточная скорость перестройки и наличие дополнительного подвижного отражателя. Если добавить оптическую накачку для увеличения выходной мощности, общая сложность увеличится, а также возрастут потребляемая мощность и стоимость лазера. Основным недостатком перестраиваемого лазера, основанного на этом принципе, является то, что время настройки относительно велико, что обычно требует нескольких секунд времени стабилизации настройки.
2.3 Технология управления током
В отличие от РОС, в перестраиваемых лазерах с РБО длина волны изменяется путем направления возбуждающего тока на разные участки резонатора. Такие лазеры состоят как минимум из четырех частей: обычно это две решетки Брэгга, модуль усиления и фазовый модуль с точной перестройкой длины волны. Для этого типа лазера на каждом конце будет много решеток Брэгга. Другими словами, после определенного шага решетки есть зазор, затем другой шаг решетки, затем зазор и так далее. Это дает гребенчатый спектр отражения. Решетки Брэгга на обоих концах лазера генерируют различные гребенчатые спектры отражения. Когда свет отражается между ними туда и обратно, наложение двух разных спектров отражения приводит к более широкому диапазону длин волн. Схема возбуждения, используемая в этой технологии, довольно сложна, но скорость ее настройки очень высока. Таким образом, общий принцип, основанный на технологии управления током, заключается в изменении тока ВБР и части управления фазой в различных положениях перестраиваемого лазера, так что относительный показатель преломления ВБР будет меняться, и будут создаваться разные спектры. Путем наложения различных спектров, созданных ВБР в разных регионах, будет выбрана конкретная длина волны, так что будет сгенерирована требуемая конкретная длина волны. Лазер.
Перестраиваемый лазер, основанный на современной технологии управления, использует структуру SGDBR (выборочная решетка с распределенным брэгговским отражателем).
Два отражателя на переднем и заднем концах лазерного резонатора имеют свои пики отражения. Регулируя эти два пика отражения путем подачи тока, лазер может излучать волны разной длины.
Два отражателя со стороны лазерного резонатора имеют несколько пиков отражения. Когда лазер MGYL работает, ток инжекции настраивает их. Два отраженных света накладываются объединителем/разветвителем 1*2. Оптимизация отражательной способности передней части позволяет лазеру достигать высокой выходной мощности во всем диапазоне настройки.
3. Статус отрасли
Перестраиваемые лазеры находятся в авангарде устройств оптической связи, и только несколько крупных компаний оптической связи в мире могут предоставить этот продукт. Компании-представители, такие как SANTUR, основанные на механической настройке MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC, основанные на регулировании тока SGBDR и т. д., также являются одним из немногих направлений оптических устройств, к которым прикоснулись китайские поставщики. Компания Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. добилась основных преимуществ в высококачественной упаковке перестраиваемых лазеров. Это единственное предприятие в Китае, которое может производить перестраиваемые лазеры серийно. Он был отправлен в Европу и США. Поставляют производители.
JDSU использует технологию монолитной интеграции InP для интеграции лазеров и модуляторов в единую платформу для запуска модуля XFP небольшого размера с регулируемыми лазерами. С расширением рынка перестраиваемых лазеров ключом к технологическому развитию этого продукта является миниатюризация и низкая стоимость. В будущем все больше и больше производителей представят модульные модули XFP с регулируемой длиной волны.
В ближайшие пять лет перестраиваемые лазеры станут горячей точкой. Годовой темп роста рынка композитных материалов (CAGR) достигнет 37%, а его масштаб достигнет 1,2 миллиарда долларов США в 2012 году, в то время как годовой темп роста композитного рынка других важных компонентов за тот же период составляет 24% для лазеров с фиксированной длиной волны. , 28% для детекторов и приемников и 35% для внешних модуляторов. В 2012 году рынок перестраиваемых лазеров, лазеров с фиксированной длиной волны и фотодетекторов для оптических сетей составит 8 миллиардов долларов.
4. Конкретное применение перестраиваемого лазера в оптической связи
Сетевые приложения перестраиваемых лазеров можно разделить на две части: статические приложения и динамические приложения.
В статических приложениях длина волны перестраиваемого лазера устанавливается во время использования и не меняется со временем. Наиболее распространенным статическим применением является замена исходных лазеров, т. е. в системах передачи с плотным мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM), где перестраиваемый лазер выступает в качестве резервного для нескольких лазеров с фиксированной длиной волны и лазеров с гибким источником, уменьшая количество линий. карты, необходимые для поддержки всех различных длин волн.
В статических приложениях основными требованиями к перестраиваемым лазерам являются цена, выходная мощность и спектральные характеристики, то есть ширина линии и стабильность сравнимы с лазерами с фиксированной длиной волны, которые он заменяет. Чем шире диапазон длин волн, тем лучше будет соотношение производительности и цены, но без существенно большей скорости настройки. В настоящее время применение системы DWDM с точно перестраиваемым лазером становится все более распространенным.
В будущем настраиваемые лазеры, используемые в качестве резервных, также потребуют высоких скоростей. Когда плотный канал мультиплексирования с разделением по длине волны выходит из строя, регулируемый лазер может автоматически возобновлять свою работу. Для реализации этой функции лазер должен быть настроен и заблокирован на неисправной длине волны за 10 миллисекунд или меньше, чтобы гарантировать, что общее время восстановления составляет менее 50 миллисекунд, необходимых для синхронной оптической сети.
В динамических приложениях длина волны перестраиваемых лазеров должна регулярно изменяться, чтобы повысить гибкость оптических сетей. Такие приложения обычно требуют предоставления динамических длин волн, чтобы длина волны могла быть добавлена или предложена из сегмента сети для обеспечения требуемой изменяющейся пропускной способности. Предложена простая и более гибкая архитектура ROADM, основанная на использовании как перестраиваемых лазеров, так и перестраиваемых фильтров. Перестраиваемые лазеры могут добавлять в систему определенные длины волн, а перестраиваемые фильтры могут отфильтровывать из системы определенные длины волн. Перестраиваемый лазер также может решить проблему блокировки длины волны в оптической кросс-связи. В настоящее время большинство оптических перекрестных связей используют оптико-электрооптический интерфейс на обоих концах волокна, чтобы избежать этой проблемы. Если для ввода OXC на входном конце используется регулируемый лазер, можно выбрать определенную длину волны, чтобы гарантировать, что световая волна достигает конечной точки на свободном пути.
В будущем перестраиваемые лазеры также можно будет использовать для маршрутизации длины волны и оптической коммутации пакетов.
Маршрутизация по длине волны относится к использованию перестраиваемых лазеров для полной замены сложных полностью оптических переключателей простыми фиксированными кросс-коннекторами, так что сигнал маршрутизации сети необходимо изменить. Каждый канал длины волны связан с уникальным адресом назначения, таким образом образуя виртуальное сетевое соединение. При передаче сигналов перестраиваемый лазер должен настроить свою частоту на соответствующую частоту целевого адреса.
Оптическая пакетная коммутация относится к реальной оптической пакетной коммутации, при которой сигналы передаются путем маршрутизации длины волны в соответствии с пакетами данных. Чтобы достичь этого режима передачи сигнала, перестраиваемый лазер должен иметь возможность переключаться за такое короткое время, как наносекунда, чтобы не создавать слишком большую временную задержку в сети.
В этих приложениях перестраиваемые лазеры могут регулировать длину волны в режиме реального времени, чтобы избежать блокировки длины волны в сети. Следовательно, перестраиваемые лазеры должны иметь больший регулируемый диапазон, более высокую выходную мощность и миллисекундную скорость реакции. Фактически, для большинства динамических приложений требуется настраиваемый оптический мультиплексор или оптический переключатель 1:N для работы с лазером, чтобы гарантировать, что выходной сигнал лазера может пройти через соответствующий канал в оптическое волокно.
