Na področju optične komunikacije tradicionalni svetlobni viri temeljijo na laserskih modulih s fiksno valovno dolžino. Z nenehnim razvojem in uporabo optičnih komunikacijskih sistemov se postopoma razkrivajo slabosti laserjev s fiksno valovno dolžino. Po eni strani je z razvojem tehnologije DWDM število valovnih dolžin v sistemu doseglo stotine. V primeru zaščite mora biti varnostna kopija vsakega laserja narejena z isto valovno dolžino. Oskrba z laserjem vodi do povečanja števila rezervnih laserjev in stroškov; po drugi strani, ker morajo fiksni laserji razlikovati valovno dolžino, se vrsta laserjev povečuje s povečanjem števila valovnih dolžin, zaradi česar je kompleksnost upravljanja in raven zalog bolj zapletena; po drugi strani, če želimo podpreti dinamično dodeljevanje valovnih dolžin v optičnih omrežjih in izboljšati fleksibilnost omrežja, moramo opremiti veliko število različnih valov. Dolgo fiksni laser, vendar je stopnja izkoriščenosti vsakega laserja zelo nizka, kar ima za posledico zapravljanje virov. Za odpravo teh pomanjkljivosti so se z razvojem polprevodniških in sorodnih tehnologij uspešno razvili nastavljivi laserji, to pomeni, da se na istem laserskem modulu krmili različne valovne dolžine znotraj določene pasovne širine, te vrednosti valovne dolžine in razmik pa ustrezajo zahtevam ITU-T.
Za optično omrežje naslednje generacije so nastavljivi laserji ključni dejavnik za uresničitev inteligentnega optičnega omrežja, ki lahko operaterjem zagotovi večjo fleksibilnost, hitrejšo hitrost dobave valovne dolžine in končno nižje stroške. V prihodnosti bodo optična omrežja na velike razdalje svet dinamičnih sistemov valovne dolžine. Ta omrežja lahko dosežejo novo dodelitev valovne dolžine v zelo kratkem času. Zaradi uporabe tehnologije prenosa na ultra dolge razdalje ni potrebe po uporabi regeneratorja, kar prihrani veliko denarja. Pričakuje se, da bodo nastavljivi laserji zagotovili nova orodja za prihodnja komunikacijska omrežja za upravljanje valovne dolžine, izboljšanje učinkovitosti omrežja in razvoj optičnih omrežij naslednje generacije. Ena izmed najbolj privlačnih aplikacij je rekonfigurabilni optični multiplekser dodaj-spusti (ROADM). Na omrežnem trgu se bodo pojavili dinamični rekonfigurabilni omrežni sistemi, več pa bodo potrebni nastavljivi laserji z velikim nastavljivim dosegom.
Obstajajo tri vrste krmilnih tehnologij za nastavljive laserje: tehnologija trenutnega krmiljenja, tehnologija nadzora temperature in tehnologija mehanskega krmiljenja. Med njimi elektronsko krmiljena tehnologija uresničuje nastavitev valovne dolžine s spreminjanjem vbrizgalnega toka. Ima hitrost uglaševanja na ravni ns in široko pasovno širino uglaševanja, vendar je njegova izhodna moč majhna. Glavni elektronsko nadzorovani tehnologiji sta laserja SG-DBR (Sampling Grating DBR) in GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Tehnologija nadzora temperature spreminja izhodno valovno dolžino laserja s spreminjanjem lomnega količnika aktivnega območja laserja. Tehnologija je preprosta, a počasna, ozka nastavljiva pasovna širina, le nekaj nanometrov. Laserja DFB (Distributed Feedback) in DBR (Distributed Bragg Reflection) sta glavni tehnologiji, ki temeljita na nadzoru temperature. Mehansko krmiljenje temelji predvsem na tehnologiji mikro-elektro-mehanskega sistema (MEMS) za dokončanje izbire valovne dolžine, z večjo nastavljivo pasovno širino in večjo izhodno močjo. Glavne strukture, ki temeljijo na tehnologiji mehanskega krmiljenja, so DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) in VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Načelo nastavljivih laserjev s teh vidikov bo razloženo v nadaljevanju. Med njimi je poudarjena trenutno nastavljiva tehnologija, ki je najbolj priljubljena.
Tehnologija nadzora, ki temelji na temperaturi, se uporablja predvsem v strukturi DFB, njeno načelo je prilagajanje temperature laserske votline, tako da lahko oddaja različne valovne dolžine. Prilagoditev valovne dolžine nastavljivega laserja, ki temelji na tem principu, se izvede z nadzorom variacije laserja InGaAsP DFB, ki deluje v določenem temperaturnem območju. Naprava je sestavljena iz vgrajene naprave za zaklepanje valov (standardni merilnik in detektor za spremljanje), ki zaklene izhod CW laserja na ITU mrežo v intervalu 50 GHz. Na splošno sta v napravi zaprta dva ločena TEC-ja. Eden je nadzor valovne dolžine laserskega čipa, drugi pa zagotavljanje delovanja detektorja zaklepanja in moči v napravi pri konstantni temperaturi.
Največja prednost teh laserjev je, da je njihova zmogljivost podobna kot pri laserjih s fiksno valovno dolžino. Imajo značilnosti visoke izhodne moči, dobre stabilnosti valovne dolžine, enostavnega delovanja, nizke cene in zrele tehnologije. Vendar pa obstajata dve glavni pomanjkljivosti: ena je, da je širina nastavitve ene naprave ozka, običajno le nekaj nanometrov; drugi je, da je čas uglaševanja dolg, kar običajno zahteva nekaj sekund časa stabilnosti uglaševanja.
Tehnologija mehanskega krmiljenja se običajno izvaja z uporabo MEMS. Nastavljiv laser, ki temelji na tehnologiji mehanskega krmiljenja, sprejme strukturo MEMs-DFB.
Nastavljivi laserji vključujejo laserske nize DFB, nagibne EMS leče in druge krmilne in pomožne dele.
Na območju laserskega niza DFB je več laserskih nizov DFB, od katerih lahko vsak proizvede določeno valovno dolžino s pasovno širino približno 1,0 nm in razmikom 25 Ghz. Z nadzorovanjem kota vrtenja leč MEMs lahko izberete zahtevano specifično valovno dolžino za oddajanje zahtevane specifične valovne dolžine svetlobe.
Laserski niz DFB
Še en nastavljiv laser, ki temelji na strukturi VCSEL, je zasnovan na podlagi optično črpanih laserjev z navpično votlino, ki oddajajo površinsko sevanje. Tehnologija polsimetrične votline se uporablja za doseganje neprekinjenega uglaševanja valovne dolžine z uporabo MEMS. Sestavljen je iz polprevodniškega laserja in navpičnega laserskega resonatorja, ki lahko oddaja svetlobo na površini. Na enem koncu resonatorja je premični reflektor, ki lahko spremeni dolžino resonatorja in valovno dolžino laserja. Glavna prednost VCSEL je, da lahko oddaja čiste in neprekinjene žarke ter se lahko enostavno in učinkovito poveže v optična vlakna. Poleg tega so stroški nizki, ker se njegove lastnosti lahko izmerijo na rezini. Glavna pomanjkljivost VCSEL je nizka izhodna moč, nezadostna hitrost prilagajanja in dodaten mobilni reflektor. Če se za povečanje izhodne moči doda optična črpalka, se bo celotna kompleksnost povečala, poraba energije in stroški laserja pa se bodo povečali. Glavna pomanjkljivost nastavljivega laserja, ki temelji na tem principu, je, da je čas uravnavanja razmeroma počasen, kar običajno zahteva nekaj sekund stabilizacijskega časa nastavitve.
2.3 Tehnologija nadzora toka
Za razliko od DFB se pri nastavljivih laserjih DBR valovna dolžina spreminja z usmerjanjem vznemirljivega toka na različne dele resonatorja. Takšni laserji imajo vsaj štiri dele: običajno dve Braggovi rešetki, ojačevalni modul in fazni modul s finim nastavljanjem valovne dolžine. Za to vrsto laserja bo na vsakem koncu veliko Braggovih rešetk. Z drugimi besedami, po določenem naklonu rešetke je vrzel, nato je drugačna višina rešetke, nato je vrzel itd. Tako nastane odbojni spekter, podoben glavniku. Braggove rešetke na obeh koncih laserja ustvarjajo različne odbojne spektre, podobne glavniku. Ko se svetloba med njima odbija naprej in nazaj, superpozicija dveh različnih odbojnih spektrov povzroči širše območje valovnih dolžin. Vzbujevalno vezje, ki se uporablja v tej tehnologiji, je precej zapleteno, vendar je njegova hitrost prilagajanja zelo hitra. Splošno načelo, ki temelji na tehnologiji trenutnega krmiljenja, je spremeniti tok FBG in faznega krmilnega dela v različnih položajih nastavljivega laserja, tako da se bo spremenil relativni lomni količnik FBG in nastali bodo različni spektri. S prekrivanjem različnih spektrov, ki jih proizvaja FBG v različnih regijah, bo izbrana specifična valovna dolžina, tako da bo ustvarjena zahtevana specifična valovna dolžina. Laser.
Nastavljiv laser, ki temelji na trenutni krmilni tehnologiji, ima strukturo SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Dva reflektorja na sprednjem in zadnjem koncu laserskega resonatorja imata svoje odbojne vrhove. S prilagajanjem teh dveh odbojnih vrhov z vbrizgavanjem toka lahko laser oddaja različne valovne dolžine.
Dva reflektorja na strani laserskega resonatorja imata več odbojnih vrhov. Ko laser MGYL deluje, jih injekcijski tok uglasi. Dve odbiti luči se prekriva z združevalnikom/razdelilnikom 1*2. Optimizacija odbojnosti sprednjega dela omogoča laserju, da doseže visoko izhodno moč v celotnem območju uglaševanja.
3. Status industrije
Nastavljivi laserji so v ospredju na področju optičnih komunikacijskih naprav in le nekaj velikih podjetij za optično komunikacijo na svetu lahko zagotovi ta izdelek. Reprezentativna podjetja, kot je SANTUR, ki temelji na mehanskem uglaševanju MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC, ki temelji na trenutni regulaciji SGBDR, itd., so tudi eno redkih področij optičnih naprav, ki so jih kitajski dobavitelji obravnavali. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. je dosegel temeljne prednosti pri vrhunskem pakiranju nastavljivih laserjev. To je edino podjetje na Kitajskem, ki lahko proizvaja nastavljive laserje v serijah. Razširila se je v Evropo in ZDA. Dobava proizvajalcev.
JDSU uporablja tehnologijo monolitne integracije InP za integracijo laserjev in modulatorjev v enotno platformo za zagon majhnega modula XFP z nastavljivimi laserji. S širitvijo trga nastavljivih laserjev je ključ do tehnološkega razvoja tega izdelka miniaturizacija in nizki stroški. V prihodnosti bo vse več proizvajalcev uvedlo module z nastavljivo valovno dolžino, pakirane v XFP.
V naslednjih petih letih bodo nastavljivi laserji vroča točka. Letna stopnja kompozitne rasti (CAGR) trga bo dosegla 37 %, njen obseg pa bo leta 2012 dosegel 1,2 milijarde ameriških dolarjev, medtem ko je letna stopnja kompozitne rasti trga drugih pomembnih komponent v istem obdobju 24 % za laserje s fiksno valovno dolžino. , 28 % za detektorje in sprejemnike ter 35 % za zunanje modulatorje. Leta 2012 bo trg nastavljivih laserjev, laserjev s fiksno valovno dolžino in fotodetektorjev za optična omrežja znašal 8 milijard dolarjev.
4. Posebna uporaba nastavljivega laserja v optični komunikaciji
Omrežne aplikacije nastavljivih laserjev lahko razdelimo na dva dela: statične aplikacije in dinamične aplikacije.
Pri statičnih aplikacijah se valovna dolžina nastavljivega laserja nastavi med uporabo in se s časom ne spreminja. Najpogostejša statična uporaba je kot nadomestek za izvorne laserje, to je v sistemih prenosa z multipleksiranjem z gosto valovno dolžino (DWDM), kjer nastavljiv laser deluje kot rezerva za več laserjev s fiksno valovno dolžino in laserjem s prilagodljivim izvorom, kar zmanjšuje število linij. kartice, ki so potrebne za podporo vseh različnih valovnih dolžin.
Pri statičnih aplikacijah so glavne zahteve za nastavljive laserje cena, izhodna moč in spektralne značilnosti, to pomeni, da sta širina in stabilnost črte primerljivi z laserji s fiksno valovno dolžino, ki jih nadomešča. Širši kot je razpon valovnih dolžin, boljše bo razmerje med zmogljivostjo in ceno, brez veliko hitrejše prilagoditvene hitrosti. Trenutno je uporaba sistema DWDM z natančnim nastavljivim laserjem vse večja.
V prihodnosti bodo nastavljivi laserji, ki se uporabljajo kot rezervne kopije, zahtevali tudi hitre ustrezne hitrosti. Ko odpove kanal za multipleksiranje z gosto valovno dolžino, se lahko samodejno omogoči nastavljiv laser, da nadaljuje svoje delovanje. Da bi dosegli to funkcijo, je treba laser uglasiti in zakleniti pri neuspešni valovni dolžini v 10 milisekundah ali manj, da se zagotovi, da je celoten čas okrevanja krajši od 50 milisekund, ki ga zahteva sinhrono optično omrežje.
V dinamičnih aplikacijah je treba valovno dolžino nastavljivih laserjev redno spreminjati, da se poveča prožnost optičnih omrežij. Takšne aplikacije na splošno zahtevajo zagotavljanje dinamičnih valovnih dolžin, tako da je mogoče valovno dolžino dodati ali predlagati iz segmenta omrežja, da se prilagodi zahtevani različni zmogljivosti. Predlagana je bila preprosta in bolj prilagodljiva arhitektura ROADM, ki temelji na uporabi nastavljivih laserjev in nastavljivih filtrov. Nastavljivi laserji lahko sistemu dodajo določene valovne dolžine, nastavljivi filtri pa lahko izločijo določene valovne dolžine iz sistema. Nastavljivi laser lahko reši tudi problem blokiranja valovne dolžine pri optični navzkrižni povezavi. Trenutno večina optičnih navzkrižnih povezav uporablja optično-elektro-optični vmesnik na obeh koncih vlakna, da bi se izognili tej težavi. Če se za vnos OXC na vhodnem koncu uporablja nastavljiv laser, lahko izberete določeno valovno dolžino, da zagotovite, da svetlobni val doseže končno točko po jasni poti.
V prihodnosti se lahko nastavljivi laserji uporabljajo tudi pri usmerjanju valovnih dolžin in optičnem preklapljanju paketov.
Usmerjanje valovne dolžine se nanaša na uporabo nastavljivih laserjev za popolno zamenjavo kompleksnih optičnih stikal s preprostimi fiksnimi navzkrižnimi konektorji, tako da je treba spremeniti usmerjevalni signal omrežja. Vsak kanal valovne dolžine je povezan z edinstvenim ciljnim naslovom in tako tvori omrežno virtualno povezavo. Pri prenosu signalov mora nastavljivi laser svojo frekvenco prilagoditi ustrezni frekvenci ciljnega naslova.
Optično paketno preklapljanje se nanaša na pravo optično paketno preklapljanje, ki prenaša signale z valovno dolžino usmerjanja v skladu s podatkovnimi paketi. Da bi dosegli ta način prenosa signala, mora biti nastavljivi laser sposoben preklopiti v tako kratkem času, kot je nanosekunda, da ne povzroči predolge časovne zakasnitve v omrežju.
V teh aplikacijah lahko nastavljivi laserji prilagodijo valovno dolžino v realnem času, da preprečijo blokiranje valovne dolžine v omrežju. Zato morajo imeti nastavljivi laserji večji nastavljiv doseg, večjo izhodno moč in hitrost reakcije v milisekundah. Dejansko večina dinamičnih aplikacij zahteva nastavljiv optični multiplekser ali optično stikalo 1:N za delo z laserjem, da se zagotovi, da lahko laserski izhod skozi ustrezen kanal preide v optično vlakno.
