Inden for optisk kommunikation er traditionelle lyskilder baseret på lasermoduler med fast bølgelængde. Med den kontinuerlige udvikling og anvendelse af optiske kommunikationssystemer afsløres ulemperne ved lasere med fast bølgelængde gradvist. På den ene side, med udviklingen af DWDM-teknologi, er antallet af bølgelængder i systemet nået op på hundredvis. I tilfælde af beskyttelse skal backup af hver laser foretages med samme bølgelængde. Laserforsyning fører til en stigning i antallet af backuplasere og omkostninger; på den anden side, fordi faste lasere skal skelne mellem bølgelængder, øges typen af lasere med stigningen i bølgelængdetallet, hvilket gør styringskompleksiteten og lagerniveauet mere komplekst; på den anden side, hvis vi ønsker at understøtte dynamisk bølgelængdeallokering i optiske netværk og forbedre netværksfleksibiliteten, er vi nødt til at udstyre et stort antal forskellige bølger. Lang fast laser, men udnyttelsesgraden af hver laser er meget lav, hvilket resulterer i spild af ressourcer. For at overvinde disse mangler, med udviklingen af halvledere og relaterede teknologier, er der med succes udviklet afstembare lasere, dvs. forskellige bølgelængder inden for en bestemt båndbredde styres på det samme lasermodul, og disse bølgelængdeværdier og mellemrum opfylder kravene i ITU-T.
For den næste generation af optiske netværk er justerbare lasere nøglefaktoren for at realisere intelligent optisk netværk, som kan give operatører større fleksibilitet, hurtigere bølgelængdeforsyningshastighed og i sidste ende lavere omkostninger. I fremtiden vil optiske langdistancenetværk være en verden af dynamiske bølgelængdesystemer. Disse netværk kan opnå ny bølgelængdetildeling på meget kort tid. På grund af brugen af ultra-langdistance transmissionsteknologi er der ingen grund til at bruge regenerator, hvilket sparer mange penge. Afstembare lasere forventes at give nye værktøjer til fremtidige kommunikationsnetværk til at styre bølgelængder, forbedre netværkseffektiviteten og udvikle næste generation af optiske netværk. En af de mest attraktive applikationer er rekonfigurerbar optisk add-drop multiplexer (ROADM). Dynamiske rekonfigurerbare netværkssystemer vil dukke op på netværksmarkedet, og tunbare lasere med stor justerbar rækkevidde vil være påkrævet mere.
Der er tre slags styringsteknologier til afstembare lasere: nuværende styringsteknologi, temperaturstyringsteknologi og mekanisk styringsteknologi. Blandt dem realiserer den elektronisk styrede teknologi bølgelængdejustering ved at ændre injektionsstrømmen. Den har tuning-hastighed på ns-niveau og bred tuning-båndbredde, men dens udgangseffekt er lille. De vigtigste elektronisk styrede teknologier er SG-DBR (Sampling Grating DBR) og GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) lasere. Temperaturstyringsteknologi ændrer laserens udgangsbølgelængde ved at ændre brydningsindekset for laserens aktive område. Teknologien er enkel, men langsom, smal justerbar båndbredde, kun et par nanometer. DFB (Distributed Feedback) og DBR (Distributed Bragg Reflection) lasere er de vigtigste teknologier baseret på temperaturkontrol. Mekanisk kontrol er hovedsageligt baseret på teknologien til mikro-elektromekanisk system (MEMS) for at fuldføre bølgelængdevalget med en større justerbar båndbredde og højere udgangseffekt. De vigtigste strukturer baseret på mekanisk kontrolteknologi er DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) og VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Princippet om afstembare lasere fra disse aspekter vil blive forklaret nedenfor. Blandt dem fremhæves den nuværende tunbare teknologi, som er den mest populære.
Temperaturbaseret kontrolteknologi bruges hovedsageligt i DFB-struktur, dens princip er at justere temperaturen i laserhulrummet, så det kan udsende forskellige bølgelængder. Bølgelængdejusteringen af en justerbar laser baseret på dette princip realiseres ved at kontrollere variationen af InGaAsP DFB laser, der arbejder i et bestemt temperaturområde. Enheden består af en indbygget bølgelåsende enhed (en standardmåler og en overvågningsdetektor) til at låse CW-laseroutputtet på ITU-nettet med et 50 GHz-interval. Generelt er to separate TEC'er indkapslet i enheden. Den ene er at kontrollere laserchippens bølgelængde, og den anden er at sikre, at låsen og strømdetektoren i enheden arbejder ved konstant temperatur.
Den største fordel ved disse lasere er, at deres ydeevne svarer til lasere med fast bølgelængde. De har karakteristika af høj udgangseffekt, god bølgelængdestabilitet, enkel betjening, lav pris og moden teknologi. Der er dog to hovedulemper: den ene er, at tuning-bredden af en enkelt enhed er smal, normalt kun nogle få nanometer; den anden er, at tuning-tiden er lang, hvilket normalt kræver flere sekunders tuning-stabilitetstid.
Mekanisk styringsteknologi implementeres generelt ved at bruge MEMS. En afstembar laser baseret på mekanisk kontrolteknologi vedtager MEMs-DFB-struktur.
Afstembare lasere omfatter DFB laser arrays, vipbare EMS linser og andre kontrol- og hjælpedele.
Der er flere DFB laser arrays i DFB laser array området, som hver kan producere en specifik bølgelængde med en båndbredde på omkring 1,0 nm og en afstand på 25 Ghz. Ved at styre rotationsvinklen for MEMs linser kan den nødvendige specifikke bølgelængde vælges til at udsende den nødvendige specifikke bølgelængde af lys.
DFB Laser Array
En anden afstembar laser baseret på VCSEL-struktur er designet baseret på optisk pumpede lodrette hulrum overflade-emitterende lasere. Semi-symmetrisk hulrumsteknologi bruges til at opnå kontinuerlig bølgelængdetuning ved at bruge MEMS. Den består af en halvlederlaser og en vertikal laserforstærkningsresonator, som kan udsende lys på overfladen. Der er en bevægelig reflektor i den ene ende af resonatoren, som kan ændre længden af resonatoren og laserbølgelængden. Den største fordel ved VCSEL er, at den kan udsende rene og kontinuerlige stråler og nemt og effektivt kan kobles til optiske fibre. Desuden er omkostningerne lave, fordi dens egenskaber kan måles på waferen. Den største ulempe ved VCSEL er dens lave udgangseffekt, utilstrækkelige justeringshastighed og en ekstra mobil reflektor. Hvis der tilføjes en optisk pumpe for at øge udgangseffekten, vil den samlede kompleksitet blive øget, og laserens strømforbrug og omkostninger vil blive øget. Den største ulempe ved den tunbare laser baseret på dette princip er, at tuning-tiden er relativt langsom, hvilket normalt kræver flere sekunders tuning-stabiliseringstid.
2.3 Strømstyringsteknologi
I modsætning til DFB ændres bølgelængden i afstembare DBR-lasere ved at lede den spændende strøm til forskellige dele af resonatoren. Sådanne lasere har mindst fire dele: normalt to Bragg-gitre, et forstærkningsmodul og et fasemodul med fin bølgelængdejustering. Til denne type laser vil der være mange Bragg-riste i hver ende. Med andre ord, efter en vis stigning, er der et mellemrum, så er der en anden stigning, så er der et mellemrum, og så videre. Dette frembringer et kamlignende reflektionsspektrum. Bragg-gitrene i begge ender af laseren genererer forskellige kamlignende reflektansspektre. Når lys reflekteres frem og tilbage mellem dem, resulterer superpositionen af to forskellige reflektansspektre i et bredere bølgelængdeområde. Det excitationskredsløb, der bruges i denne teknologi, er ret komplekst, men dets justeringshastighed er meget hurtig. Så det generelle princip baseret på nuværende kontrolteknologi er at ændre strømmen af FBG og fasekontroldel i forskellige positioner af afstembar laser, så det relative brydningsindeks for FBG vil ændre sig, og forskellige spektre vil blive produceret. Ved at overlejre forskellige spektre produceret af FBG i forskellige regioner, vil den specifikke bølgelængde blive valgt, således at den nødvendige specifikke bølgelængde vil blive genereret. Laser.
En afstembar laser baseret på den nuværende kontrolteknologi anvender SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) struktur.
To reflektorer ved laserresonatorens for- og bagende har deres egne reflektionsspidser. Ved at justere disse to refleksionstoppe ved at indsprøjte strøm, kan laseren udsende forskellige bølgelængder.
De to reflektorer på siden af laserresonatoren har flere refleksionstoppe. Når MGYL-laseren virker, indstiller injektionsstrømmen dem. De to reflekterede lys er overlejret af en 1*2-kombiner/splitter. Optimering af reflektiviteten af frontenden gør det muligt for laseren at opnå høj effekt i hele tuningområdet.
3. Branchestatus
Afstembare lasere er på forkant med optiske kommunikationsenheder, og kun få store optiske kommunikationsvirksomheder i verden kan levere dette produkt. Repræsentative virksomheder som SANTUR baseret på mekanisk tuning af MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC baseret på SGBDR nuværende regulering osv., er også et af de få områder af optiske enheder, som kinesiske leverandører har fingeret. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. har opnået kernefordele i high-end emballering af afstembare lasere. Det er den eneste virksomhed i Kina, der kan producere afstembare lasere i batcher. Det er sendt til Europa og USA. Producenter leverer.
JDSU bruger teknologien til InP monolitisk integration til at integrere lasere og modulatorer i en enkelt platform for at lancere et XFP-modul i lille størrelse med justerbare lasere. Med udvidelsen af markedet for afstembare lasere er nøglen til den teknologiske udvikling af dette produkt miniaturisering og lave omkostninger. I fremtiden vil flere og flere producenter introducere XFP-pakkede justerbare bølgelængdemoduler.
I de næste fem år vil afstembare lasere være et hot spot. Markedets årlige sammensatte vækstrate (CAGR) vil nå 37%, og dets skala vil nå 1,2 milliarder amerikanske dollars i 2012, mens den årlige sammensatte vækstrate for andre vigtige komponentmarkeder i samme periode er 24% for lasere med fast bølgelængde , 28% for detektorer og modtagere, og 35% for eksterne modulatorer. I 2012 vil markedet for afstembare lasere, lasere med fast bølgelængde og fotodetektorer til optiske netværk udgøre 8 milliarder dollars.
4. Specifik anvendelse af Tunable Laser i optisk kommunikation
Netværksapplikationer af afstembare lasere kan opdeles i to dele: statiske applikationer og dynamiske applikationer.
I statiske applikationer indstilles bølgelængden af en afstembar laser under brug og ændres ikke med tiden. Den mest almindelige statiske anvendelse er som erstatning for kildelasere, dvs. i DWDM-transmissionssystemer (dense wavelength division multiplexing), hvor en afstembar laser fungerer som backup for flere lasere med fast bølgelængde og fleksible kildelasere, hvilket reducerer antallet af linjer kort, der kræves for at understøtte alle forskellige bølgelængder.
I statiske applikationer er hovedkravene til afstembare lasere pris, udgangseffekt og spektrale egenskaber, det vil sige, at linjebredde og stabilitet er sammenlignelige med de lasere med fast bølgelængde, den erstatter. Jo bredere bølgelængdeområdet er, desto bedre vil forholdet mellem ydeevne og pris være uden meget hurtigere justeringshastighed. På nuværende tidspunkt er anvendelsen af DWDM-system med præcisionsjusterbar laser mere og mere.
I fremtiden vil tunbare lasere, der bruges som backup, også kræve hurtige tilsvarende hastigheder. Når en tæt bølgelængde-multiplekseringskanal fejler, kan en justerbar laser automatisk aktiveres for at genoptage sin funktion. For at opnå denne funktion skal laseren tunes og låses ved den mislykkede bølgelængde på 10 millisekunder eller mindre, for at sikre, at hele genoprettelsestiden er mindre end 50 millisekunder, der kræves af det synkrone optiske netværk.
I dynamiske applikationer kræves det, at bølgelængden af afstembare lasere ændres regelmæssigt for at øge fleksibiliteten af optiske netværk. Sådanne applikationer kræver generelt tilvejebringelse af dynamiske bølgelængder, således at en bølgelængde kan tilføjes eller foreslås fra et netværkssegment for at rumme den nødvendige varierende kapacitet. En enkel og mere fleksibel ROADMs-arkitektur er blevet foreslået, som er baseret på brugen af både tunbare lasere og tunbare filtre. Afstembare lasere kan tilføje bestemte bølgelængder til systemet, og afstembare filtre kan filtrere bestemte bølgelængder fra systemet. Den afstembare laser kan også løse problemet med bølgelængdeblokering i optisk krydsforbindelse. På nuværende tidspunkt bruger de fleste optiske tværbindinger optisk-elektro-optisk grænseflade i begge ender af fiberen for at undgå dette problem. Hvis en justerbar laser bruges til at indlæse OXC i inputenden, kan en vis bølgelængde vælges for at sikre, at lysbølgen når endepunktet i en fri bane.
I fremtiden kan afstembare lasere også bruges til bølgelængde-routing og optisk pakkeskift.
Bølgelængde routing refererer til brugen af afstembare lasere til fuldstændig at erstatte komplekse optiske switches med simple faste krydsforbindelser, så netværkets routingsignal skal ændres. Hver bølgelængdekanal er forbundet til en unik destinationsadresse og danner således en virtuel netværksforbindelse. Ved udsendelse af signaler skal den indstillelige laser justere sin frekvens til den tilsvarende frekvens for måladressen.
Optisk pakkekobling refererer til den rigtige optiske pakkekobling, der transmitterer signaler ved bølgelængde-routing i henhold til datapakker. For at opnå denne signaltransmissionsmåde skal den indstillelige laser kunne skifte på så kort tid som nanosekund, for ikke at generere for lang tidsforsinkelse i netværket.
I disse applikationer kan indstillelige lasere justere bølgelængden i realtid for at undgå bølgelængdeblokering i netværket. Derfor skal afstembare lasere have et større justerbart område, højere udgangseffekt og millisekunders reaktionshastighed. Faktisk kræver de fleste dynamiske applikationer en tunbar optisk multiplekser eller en 1:N optisk switch for at arbejde med laseren for at sikre, at laseroutputtet kan passere gennem den passende kanal ind i den optiske fiber.
