Professionaalsed teadmised

Häälestatav lasertehnoloogia ja selle rakendamine kiudoptilises sides

2021-03-24
1. Ülevaade
Optilise side valdkonnas põhinevad traditsioonilised valgusallikad fikseeritud lainepikkusega lasermoodulitel. Optiliste sidesüsteemide pideva arendamise ja rakendamisega ilmnevad järk-järgult fikseeritud lainepikkusega laserite puudused. Ühest küljest on DWDM-tehnoloogia arenguga lainepikkuste arv süsteemis jõudnud sadadesse. Kaitse puhul peab iga laseri varukoopia tegema sama lainepikkuse järgi. Laservarustus toob kaasa varulaserite arvu ja kulude suurenemise; teisest küljest, kuna fikseeritud laserid peavad eristama lainepikkust, suureneb laserite tüüp koos lainepikkuse arvu suurenemisega, mis muudab juhtimise keerukuse ja varude taseme keerukamaks; teisest küljest, kui tahame toetada dünaamilist lainepikkuste jaotamist optilistes võrkudes ja parandada võrgu paindlikkust, peame varustama suure hulga erinevaid laineid. Pikk fikseeritud laser, kuid iga laseri kasutusmäär on väga madal, mille tulemuseks on ressursside raiskamine. Nende puuduste ületamiseks on pooljuhtide ja nendega seotud tehnoloogiate arenedes edukalt välja töötatud häälestatavad laserid, st samal lasermoodulil juhitakse erinevat lainepikkust teatud ribalaiuse piires ning need lainepikkuste väärtused ja vahekaugus vastavad ITU-T nõuetele.
Järgmise põlvkonna optilise võrgu jaoks on häälestatavad laserid võtmeteguriks intelligentse optilise võrgu loomisel, mis võib pakkuda operaatoritele suuremat paindlikkust, suuremat lainepikkuse toitekiirust ja lõppkokkuvõttes madalamaid kulusid. Tulevikus on pikamaa optilised võrgud lainepikkusega dünaamiliste süsteemide maailm. Need võrgud võivad saavutada uue lainepikkuse määramise väga lühikese ajaga. Tänu ülipika ülekande tehnoloogia kasutamisele ei ole vaja regeneraatorit kasutada, mis säästab palju raha. Eeldatakse, et häälestatavad laserid pakuvad tulevaste sidevõrkude jaoks uusi tööriistu, et hallata lainepikkust, parandada võrgu tõhusust ja arendada järgmise põlvkonna optilisi võrke. Üks atraktiivsemaid rakendusi on ümberkonfigureeritav optiline lisand-drop multiplekser (ROADM). Võrguturule ilmuvad dünaamilised ümberkonfigureeritavad võrgusüsteemid ja rohkem on vaja suure reguleeritava ulatusega häälestatavaid lasereid.

2. Tehnilised põhimõtted ja omadused
Häälestatavate laserite jaoks on kolme tüüpi juhtimistehnoloogiaid: praegune juhtimistehnoloogia, temperatuuri reguleerimise tehnoloogia ja mehaaniline juhtimistehnoloogia. Nende hulgas teostab elektrooniliselt juhitav tehnoloogia lainepikkuse häälestamise, muutes sissepritsevoolu. Sellel on ns-taseme häälestuskiirus ja lai häälestamise ribalaius, kuid selle väljundvõimsus on väike. Peamised elektrooniliselt juhitavad tehnoloogiad on SG-DBR (Sampling Grating DBR) ja GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) laserid. Temperatuuri reguleerimise tehnoloogia muudab laseri väljundlainepikkust, muutes laseri aktiivse piirkonna murdumisnäitaja. Tehnoloogia on lihtne, kuid aeglane, kitsas reguleeritav ribalaius, vaid paar nanomeetrit. DFB (Distributed Feedback) ja DBR (Distributed Bragg Reflection) laserid on peamised temperatuurikontrollil põhinevad tehnoloogiad. Mehaaniline juhtimine põhineb peamiselt mikroelektro-mehaanilise süsteemi (MEMS) tehnoloogial, et viia lõpule lainepikkuse valik, millel on suurem reguleeritav ribalaius ja suurem väljundvõimsus. Peamised mehaanilisel juhtimistehnoloogial põhinevad struktuurid on DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) ja VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Allpool selgitatakse nendest aspektidest häälestatavate laserite põhimõtet. Nende hulgas rõhutatakse praegust häälestatavat tehnoloogiat, mis on kõige populaarsem.
2.1 Temperatuuri reguleerimise tehnoloogia
Temperatuuripõhist juhtimistehnoloogiat kasutatakse peamiselt DFB struktuuris, selle põhimõte on reguleerida laserõõnsuse temperatuuri nii, et see saaks kiirata erinevat lainepikkust. Reguleeritava laseri lainepikkuse reguleerimine sellel põhimõttel toimub teatud temperatuurivahemikus töötava InGaAsP DFB laseri varieerumise reguleerimise teel. Seade koosneb sisseehitatud lainelukustusseadmest (standardmõõtur ja seiredetektor), et lukustada CW laseri väljund ITU võrku 50 GHz intervalliga. Üldiselt on seadmesse kapseldatud kaks eraldi TEC-d. Üks on laserkiibi lainepikkuse juhtimine ja teine ​​on tagada, et seadme luku- ja toitedetektor töötaks konstantsel temperatuuril.
Nende laserite suurim eelis on see, et nende jõudlus on sarnane fikseeritud lainepikkusega laserite omaga. Neil on kõrge väljundvõimsus, hea lainepikkuse stabiilsus, lihtne töö, madal hind ja arenenud tehnoloogia. Siiski on kaks peamist puudust: üks on see, et üksiku seadme häälestuslaius on kitsas, tavaliselt vaid paar nanomeetrit; teine ​​on see, et häälestusaeg on pikk, mis nõuab tavaliselt mitu sekundit häälestuse stabiilsusaega.
2.2 Mehaaniline juhtimistehnoloogia
Mehaaniline juhtimistehnoloogia rakendatakse üldiselt MEMS-i abil. Mehaanilisel juhtimistehnoloogial põhinev häälestatav laser võtab MEM-DFB struktuuri.
Häälestatavate laserite hulka kuuluvad DFB lasermassiivid, kallutatavad EMS-läätsed ja muud juht- ja abiosad.
DFB lasermassiivide piirkonnas on mitu DFB lasermassiivi, millest igaüks suudab tekitada kindla lainepikkuse ribalaiusega umbes 1,0 nm ja vahekaugusega 25 GHz. MEM-läätsede pöördenurka reguleerides saab vajaliku spetsiifilise lainepikkuse väljastamiseks valida vajaliku konkreetse lainepikkuse.

DFB lasermassiiv
Veel üks VCSEL-i struktuuril põhinev häälestatav laser on konstrueeritud optiliselt pumbatavate vertikaalse õõnsusega pinda kiirgavatel laseritel. Poolsümmeetrilise õõnsuse tehnoloogiat kasutatakse pideva lainepikkuse häälestamise saavutamiseks MEMS-i abil. See koosneb pooljuhtlaserist ja vertikaalsest laseri võimendusresonaatorist, mis kiirgab pinnale valgust. Resonaatori ühes otsas on liigutatav reflektor, millega saab muuta resonaatori pikkust ja laseri lainepikkust. VCSEL-i peamine eelis on see, et see suudab väljastada puhtaid ja pidevaid kiirteid ning seda saab hõlpsalt ja tõhusalt ühendada optiliste kiududega. Veelgi enam, hind on madal, kuna selle omadusi saab mõõta vahvlil. VCSEL-i peamiseks puuduseks on madal väljundvõimsus, ebapiisav reguleerimiskiirus ja täiendav mobiilne reflektor. Kui väljundvõimsuse suurendamiseks lisatakse optiline pump, suureneb üldine keerukus ning laseri energiatarve ja maksumus. Sellel põhimõttel põhineva häälestatava laseri peamiseks puuduseks on suhteliselt aeglane häälestusaeg, mis nõuab tavaliselt mitu sekundit häälestuse stabiliseerimisaega.
2.3 Praegune juhtimistehnoloogia
Erinevalt DFB-st muudetakse häälestatavates DBR laserites lainepikkust erutava voolu suunamisega resonaatori erinevatesse osadesse. Sellistel laseritel on vähemalt neli osa: tavaliselt kaks Braggi võre, võimendusmoodul ja lainepikkuse peenhäälestusega faasimoodul. Seda tüüpi laserite mõlemas otsas on palju Braggi võreid. Teisisõnu, pärast teatud riivi sammu on vahe, siis on erinev resti samm, siis on vahe jne. See tekitab kammitaolise peegeldusspektri. Braggi võred laseri mõlemas otsas tekitavad erinevaid kammitaolisi peegeldusspektreid. Kui valgus peegeldub nende vahel edasi-tagasi, annab kahe erineva peegeldusspektri superpositsioon laiema lainepikkuse vahemiku. Selles tehnoloogias kasutatav ergutusahel on üsna keeruline, kuid selle reguleerimiskiirus on väga kiire. Seega on voolujuhtimistehnoloogial põhinev üldpõhimõte FBG ja faasijuhtimisosa voolu muutmine häälestatava laseri erinevates asendites, nii et FBG suhteline murdumisnäitaja muutub ja tekivad erinevad spektrid. FBG poolt eri piirkondades toodetud erinevate spektrite peale asetamisel valitakse konkreetne lainepikkus, nii et genereeritakse vajalik spetsiifiline lainepikkus. Laser.

Praegusel juhtimistehnoloogial põhinev häälestatav laser kasutab SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) struktuuri.

Laserresonaatori esi- ja tagaotsa kahel reflektoril on oma peegelduspiigid. Reguleerides neid kahte peegelduse piiki voolu süstimise teel, saab laser väljastada erinevaid lainepikkusi.

Laserresonaatori küljel asuvatel kahel reflektoril on mitu peegelduse piiki. Kui MGYL-laser töötab, häälestab süstimisvool neid. Kaks peegelduvat valgust on üksteise peale asetatud 1*2 kombineerija/jaoturiga. Esiosa peegelduvuse optimeerimine võimaldab laseril saavutada suure väljundvõimsuse kogu häälestusvahemikus.


3. Tööstuse staatus
Tuunitavad laserid on optiliste sideseadmete valdkonnas esirinnas ja seda toodet suudavad pakkuda vaid vähesed suured optilise side ettevõtted maailmas. Esindusettevõtted nagu MEMS-i mehaanilisel häälestamisel põhinevad SANTUR, JDSU, Oclaro, Ignis, SGBDR-i vooluregulatsioonil põhinev AOC jne on samuti üks väheseid optiliste seadmete valdkondi, mida Hiina tarnijad on näppinud. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. on saavutanud häälestatavate laserite tipptasemel pakendamise peamised eelised. See on Hiinas ainus ettevõte, mis suudab toota häälestatavaid lasereid partiidena. See on saadetud Euroopasse ja Ameerika Ühendriikidesse. Tootjad tarnivad.
JDSU kasutab InP monoliitse integratsiooni tehnoloogiat, et integreerida laserid ja modulaatorid ühtseks platvormiks, et käivitada reguleeritavate laseritega väikese suurusega XFP moodul. Seoses häälestatavate laserite turu laienemisega on selle toote tehnoloogilise arengu võti miniaturiseerimine ja madal hind. Tulevikus võtab üha rohkem tootjaid kasutusele XFP-ga pakitud reguleeritava lainepikkusega moodulid.
Järgmise viie aasta jooksul on häälestatavad laserid kuum koht. Turu aastane liitkasvumäär (CAGR) ulatub 2012. aastal 37%-ni ja selle ulatus 1,2 miljardi USA dollarini, samal perioodil on muude oluliste komponentide turu aastane liitkasvumäär fikseeritud lainepikkusega laserite puhul 24%. , 28% detektorite ja vastuvõtjate ning 35% väliste modulaatorite puhul. 2012. aastal ulatub optiliste võrkude häälestatavate laserite, fikseeritud lainepikkusega laserite ja fotodetektorite turg kokku 8 miljardi dollarini.

4. Häälestatava laseri spetsiifiline rakendus optilises kommunikatsioonis
Häälestatavate laserite võrgurakendused võib jagada kaheks osaks: staatilised rakendused ja dünaamilised rakendused.
Staatilistes rakendustes määratakse häälestatava laseri lainepikkus kasutamise ajal ja see ei muutu aja jooksul. Kõige tavalisem staatiline rakendus on lähtelaserite asendaja, st tiheda lainepikkusega multipleksimise (DWDM) edastussüsteemides, kus häälestatav laser toimib mitme fikseeritud lainepikkusega laseri ja painduva allikaga laseri varukoopiana, vähendades liinide arvu. kaardid, mis on vajalikud kõigi erinevate lainepikkuste toetamiseks.
Staatilistes rakendustes on häälestatavate laserite peamised nõuded hind, väljundvõimsus ja spektraalsed omadused, st joonelaius ja stabiilsus on võrreldavad fikseeritud lainepikkusega laseritega, mida see asendab. Mida laiem on lainepikkuse vahemik, seda parem on jõudluse ja hinna suhe ilma palju kiirema reguleerimiskiiruseta. Praegu kasutatakse DWDM-süsteemi täppishäälestatava laseriga üha enam.
Edaspidi nõuavad kiireid vastavaid kiirusi ka varukoopiatena kasutatavad häälestatavad laserid. Kui tiheda lainepikkusega jaotusega multipleksimiskanal ebaõnnestub, saab reguleeritava laseri töö jätkamiseks automaatselt lubada. Selle funktsiooni saavutamiseks tuleb laser häälestada ja lukustada ebaõnnestunud lainepikkusel 10 millisekundi jooksul või vähem, et tagada kogu taastumisaeg alla 50 millisekundi, mida nõuab sünkroonne optiline võrk.
Dünaamilistes rakendustes peab optiliste võrkude paindlikkuse suurendamiseks häälestatavate laserite lainepikkust regulaarselt muutma. Sellised rakendused nõuavad üldiselt dünaamiliste lainepikkuste pakkumist, et võrgusegmendist saaks lisada või välja pakkuda lainepikkuse, et kohandada vajalikku muutuvat võimsust. Välja on pakutud lihtne ja paindlikum ROADM-i arhitektuur, mis põhineb nii häälestatavate laserite kui ka häälestatavate filtrite kasutamisel. Tuunitavad laserid võivad süsteemile lisada teatud lainepikkusi ja häälestatavad filtrid teatud lainepikkused süsteemist välja filtreerida. Häälestatav laser võib lahendada ka optilise ristühenduse lainepikkuse blokeerimise probleemi. Praegu kasutavad enamik optilisi ristsidemeid selle probleemi vältimiseks kiu mõlemas otsas optilist-elektro-optilist liidest. Kui OXC sisestamiseks sisendotsas kasutatakse reguleeritavat laserit, saab valida teatud lainepikkuse tagamaks, et valguslaine jõuab lõpp-punkti vabal teel.
Tulevikus saab häälestatavaid lasereid kasutada ka lainepikkuste marsruutimisel ja optilise pakettkommuteerimisel.
Lainepikkuse marsruutimine viitab häälestatavate laserite kasutamisele keerukate täisoptiliste lülitite täielikuks asendamiseks lihtsate fikseeritud ristpistikutega, nii et võrgu marsruutimissignaali tuleb muuta. Iga lainepikkusega kanal on ühendatud kordumatu sihtkoha aadressiga, moodustades seega virtuaalse võrguühenduse. Signaalide edastamisel peab häälestatav laser kohandama oma sagedust sihtaadressi vastavale sagedusele.
Optiline pakettkommutatsioon viitab tegelikule optilisele pakettkommutatsioonile, mis edastab signaale lainepikkuse marsruutimise teel vastavalt andmepakettidele. Sellise signaaliedastusviisi saavutamiseks peab häälestatav laser suutma lülituda nii lühikese ajaga nagu nanosekund, et mitte tekitada võrgus liiga pikka viivitust.
Nendes rakendustes saavad häälestatavad laserid lainepikkust reaalajas reguleerida, et vältida lainepikkuse blokeerimist võrgus. Seetõttu peavad häälestatavad laserid olema suurema reguleeritava ulatusega, suurema väljundvõimsusega ja millisekundilise reaktsioonikiirusega. Tegelikult vajavad enamik dünaamilisi rakendusi laseriga töötamiseks häälestatavat optilist multiplekserit või 1:N optilist lülitit, et tagada laseri väljundi läbimine läbi sobiva kanali optilisse kiudu.