1. Overzicht
Op het gebied van optische communicatie zijn traditionele lichtbronnen gebaseerd op lasermodules met een vaste golflengte. Met de voortdurende ontwikkeling en toepassing van optische communicatiesystemen worden de nadelen van lasers met een vaste golflengte geleidelijk onthuld. Aan de ene kant, met de ontwikkeling van DWDM-technologie, heeft het aantal golflengten in het systeem honderden bereikt. In het geval van bescherming moet de back-up van elke laser worden gemaakt met dezelfde golflengte. Laserlevering leidt tot een toename van het aantal back-uplasers en kosten; aan de andere kant, omdat vaste lasers golflengte moeten onderscheiden, neemt het type lasers toe met de toename van het golflengtegetal, wat de beheercomplexiteit en het voorraadniveau complexer maakt; aan de andere kant, als we dynamische golflengtetoewijzing in optische netwerken willen ondersteunen en de netwerkflexibiliteit willen verbeteren, moeten we een groot aantal verschillende golven uitrusten. Lange vaste laser, maar de bezettingsgraad van elke laser is erg laag, wat resulteert in verspilling van middelen. Om deze tekortkomingen te verhelpen, zijn met de ontwikkeling van halfgeleider- en aanverwante technologieën met succes afstembare lasers ontwikkeld, d.w.z. verschillende golflengten binnen een bepaalde bandbreedte worden bestuurd op dezelfde lasermodule, en deze golflengtewaarden en afstand voldoen aan de vereisten van ITU-T.
Voor het optische netwerk van de volgende generatie zijn afstembare lasers de belangrijkste factor om een intelligent optisch netwerk te realiseren, dat operators meer flexibiliteit, een snellere leveringssnelheid van de golflengte en uiteindelijk lagere kosten kan bieden. In de toekomst zullen optische netwerken over lange afstand de wereld zijn van dynamische golflengtesystemen. Deze netwerken kunnen in zeer korte tijd nieuwe golflengtetoewijzingen realiseren. Door het gebruik van ultra-langeafstandstransmissietechnologie is het niet nodig om een regenerator te gebruiken, wat veel geld bespaart. Afstembare lasers zullen naar verwachting nieuwe hulpmiddelen bieden voor toekomstige communicatienetwerken om de golflengte te beheren, de netwerkefficiëntie te verbeteren en optische netwerken van de volgende generatie te ontwikkelen. Een van de meest aantrekkelijke toepassingen is de herconfigureerbare optische add-drop multiplexer (ROADM). Dynamisch herconfigureerbare netwerksystemen zullen op de netwerkmarkt verschijnen en er zullen meer afstembare lasers met een groot instelbaar bereik nodig zijn.
2. Technische principes en kenmerken
Er zijn drie soorten besturingstechnologieën voor afstembare lasers: huidige besturingstechnologie, temperatuurbesturingstechnologie en mechanische besturingstechnologie. Onder hen realiseert de elektronisch gestuurde technologie golflengte-afstemming door de injectiestroom te veranderen. Het heeft een afstemsnelheid op ns-niveau en een brede afstembandbreedte, maar het uitgangsvermogen is klein. De belangrijkste elektronisch gestuurde technologieën zijn SG-DBR (Sampling Grating DBR) en GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) lasers. Temperatuurregelingstechnologie verandert de uitgangsgolflengte van de laser door de brekingsindex van het actieve gebied van de laser te veranderen. De technologie is eenvoudig, maar traag, smal instelbare bandbreedte, slechts enkele nanometers. DFB (Distributed Feedback) en DBR (Distributed Bragg Reflection) lasers zijn de belangrijkste technologieën op basis van temperatuurregeling. Mechanische besturing is voornamelijk gebaseerd op de technologie van het micro-elektromechanische systeem (MEMS) om de golflengteselectie te voltooien, met een grotere instelbare bandbreedte en een hoger uitgangsvermogen. De belangrijkste structuren op basis van mechanische besturingstechnologie zijn DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) en VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Het principe van afstembare lasers vanuit deze aspecten zal hieronder worden toegelicht. Onder hen wordt de huidige afstembare technologie, die de meest populaire is, benadrukt.
2.1 Temperatuurregelingstechnologie
Op temperatuur gebaseerde regeltechnologie wordt voornamelijk gebruikt in de DFB-structuur, het principe is om de temperatuur van de laserholte aan te passen, zodat deze verschillende golflengten kan uitzenden. De golflengteaanpassing van een instelbare laser op basis van dit principe wordt gerealiseerd door de variatie van de InGaAsP DFB-laser die in een bepaald temperatuurbereik werkt te regelen. Het apparaat bestaat uit een ingebouwd golfblokkeringsapparaat (een standaardmeter en een bewakingsdetector) om de CW-laseruitvoer op het ITU-raster te vergrendelen met een interval van 50 GHz. Over het algemeen zijn er twee afzonderlijke TEC's ingekapseld in het apparaat. Een daarvan is om de golflengte van de laserchip te regelen en de andere is om ervoor te zorgen dat het slot en de stroomdetector in het apparaat bij constante temperatuur werken.
Het grootste voordeel van deze lasers is dat hun prestaties vergelijkbaar zijn met die van lasers met een vaste golflengte. Ze hebben de kenmerken van een hoog uitgangsvermogen, goede golflengtestabiliteit, eenvoudige bediening, lage kosten en volwassen technologie. Er zijn echter twee belangrijke nadelen: een daarvan is dat de afstembreedte van een enkel apparaat smal is, meestal slechts enkele nanometers; de andere is dat de afstemmingstijd lang is, wat meestal enkele seconden stabiliteitstijd vereist.
2.2 Mechanische besturingstechnologie
Mechanische besturingstechnologie wordt over het algemeen geïmplementeerd met behulp van MEMS. Een afstembare laser op basis van mechanische besturingstechnologie gebruikt de MEMs-DFB-structuur.
Afstembare lasers omvatten DFB-laserarrays, kantelbare EMS-lenzen en andere besturings- en hulponderdelen.
Er zijn verschillende DFB-laserarrays in het DFB-laserarraygebied, die elk een specifieke golflengte kunnen produceren met een bandbreedte van ongeveer 1,0 nm en een tussenruimte van 25 Ghz. Door de rotatiehoek van MEMs-lenzen te regelen, kan de vereiste specifieke golflengte worden geselecteerd om de vereiste specifieke golflengte van licht uit te voeren.
DFB-laserarray
Een andere afstembare laser op basis van de VCSEL-structuur is ontworpen op basis van optisch gepompte oppervlakte-emitterende lasers met verticale holtes. Semi-symmetrische holtetechnologie wordt gebruikt om continue golflengte-afstemming te bereiken met behulp van MEMS. Het bestaat uit een halfgeleiderlaser en een verticale laserversterkingsresonator die licht op het oppervlak kan uitstralen. Er is een beweegbare reflector aan het ene uiteinde van de resonator, die de lengte van de resonator en de lasergolflengte kan veranderen. Het belangrijkste voordeel van VCSEL is dat het zuivere en continue bundels kan produceren en gemakkelijk en effectief kan worden gekoppeld aan optische vezels. Bovendien zijn de kosten laag omdat de eigenschappen ervan op de wafel kunnen worden gemeten. Het belangrijkste nadeel van VCSEL is het lage uitgangsvermogen, onvoldoende aanpassingssnelheid en een extra mobiele reflector. Als een optische pomp wordt toegevoegd om het uitgangsvermogen te vergroten, zal de algehele complexiteit toenemen en zullen het stroomverbruik en de kosten van de laser toenemen. Het belangrijkste nadeel van de afstembare laser op basis van dit principe is dat de afstemtijd relatief traag is, wat meestal enkele seconden afstemstabilisatietijd vereist.
2.3 Huidige besturingstechnologie
In tegenstelling tot DFB wordt bij afstembare DBR-lasers de golflengte veranderd door de opwindende stroom naar verschillende delen van de resonator te sturen. Dergelijke lasers hebben ten minste vier delen: meestal twee Bragg-roosters, een versterkingsmodule en een fasemodule met fijnafstemming van de golflengte. Voor dit type laser zullen er aan elk uiteinde veel Bragg-roosters zijn. Met andere woorden, na een bepaalde steek van het rooster is er een opening, dan is er een andere steek van het rooster, dan is er een opening, enzovoort. Dit levert een kamachtig reflectiespectrum op. De Bragg-roosters aan beide uiteinden van de laser genereren verschillende kamachtige reflectiespectra. Wanneer licht heen en weer daartussen reflecteert, resulteert de superpositie van twee verschillende reflectiespectra in een breder golflengtebereik. Het excitatiecircuit dat in deze technologie wordt gebruikt, is vrij complex, maar de aanpassingssnelheid is erg snel. Dus het algemene principe op basis van de huidige besturingstechnologie is om de stroom van FBG en fasebesturingsgedeelte in verschillende posities van afstembare laser te veranderen, zodat de relatieve brekingsindex van FBG zal veranderen en verschillende spectra zullen worden geproduceerd. Door verschillende door FBG geproduceerde spectra in verschillende regio's over elkaar heen te leggen, wordt de specifieke golflengte geselecteerd, zodat de vereiste specifieke golflengte wordt gegenereerd. Laser.
Een afstembare laser op basis van de huidige besturingstechnologie maakt gebruik van de SGDBR-structuur (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Twee reflectoren aan de voor- en achterkant van de laserresonator hebben hun eigen reflectiepieken. Door deze twee reflectiepieken aan te passen door stroom te injecteren, kan de laser verschillende golflengten produceren.
De twee reflectoren aan de zijkant van de laserresonator hebben meerdere reflectiepieken. Wanneer de MGYL-laser werkt, stemt de injectiestroom ze af. De twee gereflecteerde lichten worden gesuperponeerd door een 1*2 combiner/splitter. Door de reflectiviteit van de voorkant te optimaliseren, kan de laser een hoog vermogen bereiken in het hele afstemmingsbereik.
3. Industriestatus
Afstembare lasers lopen voorop op het gebied van optische communicatieapparatuur en slechts een paar grote optische communicatiebedrijven ter wereld kunnen dit product leveren. Representatieve bedrijven zoals SANTUR op basis van mechanische afstemming van MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC op basis van de huidige SGBDR-regelgeving, enz., Zijn ook een van de weinige gebieden van optische apparaten die Chinese leveranciers hebben ontdekt. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. heeft kernvoordelen bereikt in hoogwaardige verpakkingen van afstembare lasers. Het is de enige onderneming in China die afstembare lasers in batches kan produceren. Het is gebundeld in Europa en de Verenigde Staten. Fabrikanten leveren.
JDSU gebruikt de technologie van InP monolithische integratie om lasers en modulatoren te integreren in een enkel platform om een kleine XFP-module met instelbare lasers te lanceren. Met de uitbreiding van de afstembare lasermarkt, is de sleutel tot de technologische ontwikkeling van dit product miniaturisatie en lage kosten. In de toekomst zullen steeds meer fabrikanten XFP-verpakte instelbare golflengtemodules introduceren.
In de komende vijf jaar zullen afstembare lasers een hot spot zijn. Het jaarlijkse samengestelde groeipercentage (CAGR) van de markt zal 37% bereiken en de schaal zal in 2012 1,2 miljard US dollar bereiken, terwijl het jaarlijkse samengestelde groeipercentage van andere belangrijke componenten in dezelfde periode 24% is voor lasers met vaste golflengte , 28% voor detectoren en ontvangers, en 35% voor externe modulatoren. In 2012 zal de markt voor afstembare lasers, lasers met vaste golflengte en fotodetectoren voor optische netwerken in totaal $ 8 miljard bedragen.
4. Specifieke toepassing van afstembare laser in optische communicatie
Netwerktoepassingen van afstembare lasers kunnen worden onderverdeeld in twee delen: statische toepassingen en dynamische toepassingen.
Bij statische toepassingen wordt de golflengte van een afstembare laser ingesteld tijdens het gebruik en verandert deze niet met de tijd. De meest voorkomende statische toepassing is als vervanging voor bronlasers, dat wil zeggen in transmissiesystemen met DWDM-transmissie (Dichte golflengteverdeling, multiplexing), waarbij een afstembare laser fungeert als back-up voor meerdere lasers met vaste golflengte en lasers met flexibele bronnen, waardoor het aantal lijnlasers wordt verminderd. kaarten die nodig zijn om alle verschillende golflengten te ondersteunen.
In statische toepassingen zijn de belangrijkste vereisten voor afstembare lasers prijs, uitgangsvermogen en spectrale kenmerken, dat wil zeggen dat lijnbreedte en stabiliteit vergelijkbaar zijn met de lasers met vaste golflengte die het vervangt. Hoe breder het golflengtebereik is, hoe beter de prijs-prestatieverhouding zal zijn, zonder veel snellere aanpassingssnelheid. Op dit moment is de toepassing van DWDM-systeem met nauwkeurig afstembare laser steeds meer.
In de toekomst zullen afstembare lasers die als back-up worden gebruikt, ook hoge overeenkomstige snelheden vereisen. Wanneer een multiplexkanaal met dichte golflengteverdeling faalt, kan een instelbare laser automatisch worden ingeschakeld om zijn werking te hervatten. Om deze functie te bereiken, moet de laser worden afgestemd en vergrendeld op de defecte golflengte in 10 milliseconden of minder, om ervoor te zorgen dat de hele hersteltijd minder dan 50 milliseconden is die nodig is voor het synchrone optische netwerk.
In dynamische toepassingen moet de golflengte van afstembare lasers regelmatig veranderen om de flexibiliteit van optische netwerken te vergroten. Dergelijke toepassingen vereisen in het algemeen het voorzien in dynamische golflengten zodat een golflengte kan worden toegevoegd of voorgesteld vanuit een netwerksegment om de vereiste variërende capaciteit te accommoderen. Er is een eenvoudige en flexibelere ROADM-architectuur voorgesteld, die is gebaseerd op het gebruik van zowel afstembare lasers als afstembare filters. Afstembare lasers kunnen bepaalde golflengten aan het systeem toevoegen en afstembare filters kunnen bepaalde golflengten uit het systeem filteren. De afstembare laser kan ook het probleem van golflengteblokkering in optische kruisverbinding oplossen. Op dit moment gebruiken de meeste optische crosslinks een optische-elektro-optische interface aan beide uiteinden van de vezel om dit probleem te vermijden. Als een instelbare laser wordt gebruikt om OXC aan het invoeruiteinde in te voeren, kan een bepaalde golflengte worden geselecteerd om ervoor te zorgen dat de lichtgolf het eindpunt in een duidelijk pad bereikt.
In de toekomst kunnen afstembare lasers ook worden gebruikt bij golflengteroutering en optische pakketschakeling.
Golflengteroutering verwijst naar het gebruik van afstembare lasers om complexe volledig optische schakelaars volledig te vervangen door eenvoudige vaste kruisconnectoren, zodat het routeringssignaal van het netwerk moet worden gewijzigd. Elk golflengtekanaal is verbonden met een uniek bestemmingsadres en vormt zo een virtuele netwerkverbinding. Bij het verzenden van signalen moet de afstembare laser zijn frequentie aanpassen aan de corresponderende frequentie van het doeladres.
Optische pakketschakeling verwijst naar de echte optische pakketschakeling die signalen verzendt door golflengteroutering volgens datapakketten. Om deze manier van signaaloverdracht te bereiken, moet de afstembare laser in zo'n korte tijd als nanoseconde kunnen schakelen, om geen te lange tijdvertraging in het netwerk te genereren.
In deze toepassingen kunnen afstembare lasers de golflengte in realtime aanpassen om blokkering van de golflengte in het netwerk te voorkomen. Daarom moeten afstembare lasers een groter instelbaar bereik, een hoger uitgangsvermogen en een reactiesnelheid van milliseconden hebben. In feite vereisen de meeste dynamische toepassingen een afstembare optische multiplexer of een 1:N optische schakelaar om met de laser te werken om ervoor te zorgen dat de laseroutput door het juiste kanaal in de optische vezel kan gaan.
