Odborné znalosti

Laditelná laserová technologie a její aplikace v komunikaci optických vláken

2021-03-24
1. Přehled
V oblasti optické komunikace jsou tradiční světelné zdroje založeny na laserových modulech s pevnou vlnovou délkou. S neustálým vývojem a aplikací optických komunikačních systémů se postupně odhalují nevýhody laserů s pevnou vlnovou délkou. Na jedné straně s rozvojem technologie DWDM dosáhl počet vlnových délek v systému stovek. V případě ochrany musí být záloha každého laseru provedena stejnou vlnovou délkou. Dodávka laseru vede ke zvýšení počtu záložních laserů a nákladů; na druhou stranu, protože fixní lasery potřebují rozlišovat vlnovou délku, typ laserů roste s rostoucím číslem vlnové délky, což komplikuje řízení a úroveň zásob; na druhou stranu, pokud chceme podpořit dynamickou alokaci vlnových délek v optických sítích a zlepšit flexibilitu sítě, musíme vybavit velké množství různých vln. Dlouhý pevný laser, ale míra využití každého laseru je velmi nízká, což vede k plýtvání zdroji. Pro překonání těchto nedostatků byly s rozvojem polovodičových a souvisejících technologií úspěšně vyvinuty laditelné lasery, tj. na stejném laserovém modulu je řízena různá vlnová délka v rámci určité šířky pásma a tyto hodnoty vlnových délek a rozestupy splňují požadavky ITU-T.
Pro optickou síť nové generace jsou laditelné lasery klíčovým faktorem pro realizaci inteligentní optické sítě, která může operátorům poskytnout větší flexibilitu, vyšší rychlost dodávky vlnových délek a v konečném důsledku nižší náklady. V budoucnu budou dálkové optické sítě světem dynamických systémů vlnové délky. Tyto sítě mohou dosáhnout nového přiřazení vlnových délek ve velmi krátkém čase. Díky použití technologie přenosu na ultra dlouhé vzdálenosti není potřeba používat regenerátor, což šetří spoustu peněz. Očekává se, že laditelné lasery poskytnou nové nástroje pro budoucí komunikační sítě pro řízení vlnové délky, zlepšení účinnosti sítě a vývoj optických sítí nové generace. Jednou z nejatraktivnějších aplikací je rekonfigurovatelný optický add-drop multiplexer (ROADM). Na síťovém trhu se objeví dynamické rekonfigurovatelné síťové systémy a více budou vyžadovány laditelné lasery s velkým nastavitelným dosahem.

2. Technické principy a vlastnosti
Existují tři druhy řídicích technologií pro laditelné lasery: současná řídicí technologie, technologie regulace teploty a technologie mechanického řízení. Mezi nimi elektronicky řízená technologie realizuje ladění vlnové délky změnou injekčního proudu. Má rychlost ladění na úrovni ns a širokou šířku pásma ladění, ale jeho výstupní výkon je malý. Hlavní elektronicky řízené technologie jsou lasery SG-DBR (Sampling Grating DBR) a GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Technologie řízení teploty mění výstupní vlnovou délku laseru změnou indexu lomu aktivní oblasti laseru. Technologie je jednoduchá, ale pomalá, úzká nastavitelná šířka pásma, pouze několik nanometrů. Lasery DFB (Distributed Feedback) a DBR (Distributed Bragg Reflection) jsou hlavní technologie založené na kontrole teploty. Mechanické ovládání je založeno především na technologii mikro-elektro-mechanického systému (MEMS) pro dokončení výběru vlnové délky, s větší nastavitelnou šířkou pásma a vyšším výstupním výkonem. Hlavní struktury založené na technologii mechanického řízení jsou DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Princip laditelných laserů z těchto aspektů bude vysvětlen níže. Mezi nimi je zdůrazněna současná laditelná technologie, která je nejoblíbenější.
2.1 Technologie řízení teploty
Technologie řízení založená na teplotě se používá hlavně ve struktuře DFB, jejím principem je nastavení teploty laserové dutiny tak, aby mohla emitovat různé vlnové délky. Nastavení vlnové délky nastavitelného laseru na tomto principu je realizováno řízením variace InGaAsP DFB laseru pracujícího v určitém teplotním rozsahu. Zařízení se skládá z vestavěného zařízení pro blokování vln (standardní měřidlo a monitorovací detektor) pro zablokování výstupu CW laseru na mřížku ITU v intervalu 50 GHz. Obecně jsou v zařízení zapouzdřeny dva samostatné TEC. Jedním z nich je řídit vlnovou délku laserového čipu a druhým je zajistit, aby zámek a detektor výkonu v zařízení pracovaly při konstantní teplotě.
Největší výhodou těchto laserů je, že jejich výkon je podobný jako u laserů s pevnou vlnovou délkou. Vyznačují se vysokým výstupním výkonem, dobrou stabilitou vlnové délky, jednoduchým ovládáním, nízkou cenou a vyspělou technologií. Existují však dvě hlavní nevýhody: jednou je, že šířka ladění jednoho zařízení je úzká, obvykle jen několik nanometrů; druhý je, že doba ladění je dlouhá, což obvykle vyžaduje několik sekund doby stability ladění.
2.2 Technologie mechanického ovládání
Technologie mechanického řízení je obecně implementována pomocí MEMS. Laditelný laser založený na technologii mechanického řízení využívá strukturu MEMs-DFB.
Laditelné lasery zahrnují laserová pole DFB, sklopné EMS čočky a další ovládací a pomocné části.
V oblasti laserového pole DFB je několik laserových polí DFB, z nichž každé může produkovat specifickou vlnovou délku se šířkou pásma asi 1,0 nm a rozestupem 25 GHz. Řízením úhlu natočení čoček MEM lze zvolit požadovanou specifickou vlnovou délku pro výstup požadované specifické vlnové délky světla.

DFB laserové pole
Další laditelný laser založený na struktuře VCSEL je navržen na základě opticky čerpaných povrchových laserů s vertikálními dutinami. Technologie semi-symetrické dutiny se používá k dosažení kontinuálního ladění vlnové délky pomocí MEMS. Skládá se z polovodičového laseru a vertikálního rezonátoru laserového zisku, který může vyzařovat světlo na povrch. Na jednom konci rezonátoru je pohyblivý reflektor, který může měnit délku rezonátoru a vlnovou délku laseru. Hlavní výhodou VCSEL je to, že může vydávat čisté a spojité paprsky a lze jej snadno a efektivně zapojit do optických vláken. Navíc jsou náklady nízké, protože jeho vlastnosti lze měřit na plátku. Hlavní nevýhodou VCSEL je jeho nízký výstupní výkon, nedostatečná rychlost nastavení a přídavný mobilní reflektor. Pokud se přidá optická pumpa pro zvýšení výstupního výkonu, zvýší se celková složitost a zvýší se spotřeba energie a náklady na laser. Hlavní nevýhodou laditelného laseru založeného na tomto principu je relativně pomalá doba ladění, což obvykle vyžaduje několik sekund stabilizačního času ladění.
2.3 Technologie řízení proudu
Na rozdíl od DFB se u laditelných DBR laserů vlnová délka mění směrováním budícího proudu do různých částí rezonátoru. Takové lasery mají nejméně čtyři části: obvykle dvě Braggovy mřížky, modul zesílení a fázový modul s jemným doladěním vlnové délky. U tohoto typu laseru bude na každém konci mnoho Braggových mřížek. Jinými slovy, po určité rozteči mřížky je mezera, pak je jiná rozteč mřížky, pak je mezera a tak dále. To vytváří hřebenové reflexní spektrum. Braggovy mřížky na obou koncích laseru generují různá hřebenová odrazová spektra. Když se mezi nimi světlo odráží tam a zpět, výsledkem superpozice dvou různých spekter odrazivosti je širší rozsah vlnových délek. Budicí obvod použitý v této technologii je poměrně složitý, ale rychlost jeho nastavení je velmi rychlá. Obecným principem založeným na současné technologii řízení je tedy změna proudu FBG a části řízení fáze v různých polohách laditelného laseru, takže se změní relativní index lomu FBG a vytvoří se různá spektra. Superponováním různých spekter produkovaných FBG v různých oblastech bude zvolena specifická vlnová délka, takže bude generována požadovaná specifická vlnová délka. Laser.

Laditelný laser založený na současné řídicí technologii využívá strukturu SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).

Dva reflektory na předním a zadním konci laserového rezonátoru mají své vlastní odrazové vrcholy. Nastavením těchto dvou vrcholů odrazu vstřikováním proudu může laser vydávat různé vlnové délky.

Dva reflektory na straně laserového rezonátoru mají několik vrcholů odrazu. Když MGYL laser funguje, injekční proud je vyladí. Dvě odražená světla jsou superponována 1*2 slučovačem/rozdělovačem. Optimalizace odrazivosti přední části umožňuje laseru dosahovat vysokého výkonu v celém rozsahu ladění.


3. Stav odvětví
Laditelné lasery jsou v popředí v oblasti optických komunikačních zařízení a tento produkt může poskytnout jen několik velkých společností zabývajících se optickou komunikací na světě. Reprezentativní společnosti jako SANTUR založené na mechanickém ladění MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC založené na aktuální regulaci SGBDR atd. jsou také jednou z mála oblastí optických zařízení, které si čínští dodavatelé osahali. Společnost Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. dosáhla hlavních výhod ve špičkovém balení laditelných laserů. Je to jediný podnik v Číně, který může vyrábět laditelné lasery v dávkách. Dorazilo do Evropy a Spojených států. Výrobci dodávají.
JDSU využívá technologii monolitické integrace InP k integraci laserů a modulátorů do jediné platformy pro spuštění malého modulu XFP s nastavitelnými lasery. S expanzí trhu laditelných laserů je klíčem k technologickému rozvoji tohoto produktu miniaturizace a nízká cena. V budoucnu bude stále více výrobců zavádět moduly s nastavitelnou vlnovou délkou v balení XFP.
V příštích pěti letech budou laditelné lasery horkým místem. Roční složená míra růstu trhu (CAGR) dosáhne 37 % a jeho rozsah dosáhne v roce 2012 1,2 miliardy amerických dolarů, zatímco roční složený růst na trhu ostatních důležitých komponent ve stejném období je 24 % pro lasery s pevnou vlnovou délkou. , 28 % pro detektory a přijímače a 35 % pro externí modulátory. V roce 2012 dosáhne trh s laditelnými lasery, lasery s pevnou vlnovou délkou a fotodetektory pro optické sítě celkem 8 miliard USD.

4. Specifická aplikace laditelného laseru v optické komunikaci
Síťové aplikace laditelných laserů lze rozdělit do dvou částí: statické aplikace a dynamické aplikace.
Ve statických aplikacích se vlnová délka laditelného laseru nastavuje během používání a s časem se nemění. Nejběžnější statické použití je jako náhrada za zdrojové lasery, tj. v přenosových systémech s hustou vlnovou délkou multiplexování (DWDM), kde laditelný laser funguje jako záloha pro více laserů s pevnou vlnovou délkou a lasery s flexibilním zdrojem, čímž se snižuje počet linií. karty potřebné pro podporu všech různých vlnových délek.
Ve statických aplikacích jsou hlavními požadavky na laditelné lasery cena, výstupní výkon a spektrální charakteristiky, to znamená, že šířka a stabilita jsou srovnatelné s lasery s pevnou vlnovou délkou, které nahrazuje. Čím širší je rozsah vlnových délek, tím lepší bude poměr výkon-cena, bez mnohem vyšší rychlosti nastavení. V současné době se stále více používá systém DWDM s přesným laditelným laserem.
V budoucnu budou také laditelné lasery používané jako zálohy vyžadovat odpovídající vysoké rychlosti. Když selže multiplexní kanál s hustou vlnovou délkou, lze automaticky aktivovat nastavitelný laser, aby obnovil svůj provoz. K dosažení této funkce musí být laser naladěn a zablokován na vadné vlnové délce za 10 milisekund nebo méně, aby bylo zajištěno, že celá doba obnovy bude kratší než 50 milisekund, které vyžaduje synchronní optická síť.
V dynamických aplikacích se vyžaduje, aby se vlnová délka laditelných laserů pravidelně měnila, aby se zvýšila flexibilita optických sítí. Takové aplikace obecně vyžadují poskytnutí dynamických vlnových délek, takže vlnová délka může být přidána nebo navržena ze segmentu sítě pro přizpůsobení požadované měnící se kapacitě. Byla navržena jednoduchá a flexibilnější architektura ROADM, která je založena na použití jak laditelných laserů, tak laditelných filtrů. Laditelné lasery mohou přidat určité vlnové délky do systému a laditelné filtry mohou odfiltrovat určité vlnové délky ze systému. Laditelný laser může také vyřešit problém blokování vlnových délek v optickém propojení. V současnosti většina optických křížových spojů používá opticko-elektro-optické rozhraní na obou koncích vlákna, aby se tomuto problému zabránilo. Pokud se pro vstup OXC na vstupním konci použije nastavitelný laser, lze zvolit určitou vlnovou délku, aby se zajistilo, že světelná vlna dosáhne koncového bodu v čisté dráze.
V budoucnu mohou být laditelné lasery použity také při směrování vlnových délek a optickém přepojování paketů.
Směrování vlnových délek se týká použití laditelných laserů ke kompletní náhradě složitých plně optických přepínačů jednoduchými pevnými křížovými konektory, takže je třeba změnit směrovací signál sítě. Každý kanál vlnové délky je připojen k jedinečné cílové adrese a tvoří tak síťové virtuální spojení. Při přenosu signálů musí laditelný laser upravit svou frekvenci na odpovídající frekvenci cílové adresy.
Optické přepínání paketů se týká skutečného optického přepínání paketů, které přenáší signály směrováním vlnové délky podle datových paketů. Aby bylo dosaženo tohoto způsobu přenosu signálu, musí být laditelný laser schopen přepnutí v tak krátkém čase, jako je nanosekunda, aby negeneroval příliš dlouhé časové zpoždění v síti.
V těchto aplikacích mohou laditelné lasery upravovat vlnovou délku v reálném čase, aby se zabránilo blokování vlnové délky v síti. Laditelné lasery proto musí mít větší nastavitelný rozsah, vyšší výstupní výkon a rychlost reakce v milisekundách. Ve skutečnosti většina dynamických aplikací vyžaduje laditelný optický multiplexor nebo optický přepínač 1:N pro práci s laserem, aby bylo zajištěno, že výstup laseru může procházet příslušným kanálem do optického vlákna.