Ammatillinen tieto

Viritettävä lasertekniikka ja sen käyttö optisessa kuituviestinnässä

2021-03-24
1. Yleiskatsaus
Optisen viestinnän alalla perinteiset valonlähteet perustuvat kiinteän aallonpituisiin lasermoduuleihin. Optisten viestintäjärjestelmien jatkuvan kehittämisen ja soveltamisen myötä kiinteäaaltoisten lasereiden haitat paljastuvat vähitellen. Toisaalta DWDM-tekniikan kehityksen myötä järjestelmän aallonpituuksien määrä on saavuttanut satoja. Suojauksen tapauksessa jokaisen laserin varmuuskopiointi on tehtävä samalla aallonpituudella. Lasersyöttö lisää varalaserien määrää ja lisää kustannuksia; toisaalta, koska kiinteiden lasereiden on erotettava aallonpituus, laserien tyyppi kasvaa aallonpituusluvun kasvaessa, mikä tekee hallinnan monimutkaisuudesta ja varastotasosta monimutkaisempaa; toisaalta, jos haluamme tukea dynaamista aallonpituuden allokaatiota optisissa verkoissa ja parantaa verkon joustavuutta, meidän on varustettava suuri määrä erilaisia ​​aaltoja. Pitkä kiinteä laser, mutta jokaisen laserin käyttöaste on erittäin alhainen, mikä johtaa resurssien tuhlaukseen. Näiden puutteiden poistamiseksi puolijohdeteknologian ja niihin liittyvien teknologioiden kehityksen myötä on onnistuneesti kehitetty viritettäviä lasereita, eli samalla lasermoduulilla ohjataan eri aallonpituuksia tietyllä kaistanleveydellä ja nämä aallonpituusarvot ja -välit täyttävät ITU-T:n vaatimukset.
Seuraavan sukupolven optisessa verkossa viritettävät laserit ovat avaintekijä älykkään optisen verkon toteuttamisessa, mikä voi tarjota operaattoreille suuremman joustavuuden, nopeamman aallonpituuden syöttönopeuden ja lopulta alhaisemmat kustannukset. Tulevaisuudessa pitkän matkan optiset verkot ovat aallonpituusdynaamisten järjestelmien maailma. Nämä verkot voivat saavuttaa uuden aallonpituuden määrityksen hyvin lyhyessä ajassa. Ultra-pitkän matkan siirtotekniikan käytön ansiosta regeneraattoria ei tarvitse käyttää, mikä säästää paljon rahaa. Viritettävän laserin odotetaan tarjoavan uusia työkaluja tulevaisuuden viestintäverkkoihin aallonpituuden hallintaan, verkon tehokkuuden parantamiseen ja seuraavan sukupolven optisten verkkojen kehittämiseen. Yksi houkuttelevimmista sovelluksista on uudelleenkonfiguroitava optinen add-drop multiplexer (ROADM). Verkkomarkkinoille ilmestyy dynaamisia uudelleenkonfiguroitavia verkkojärjestelmiä, ja viritettävät laserit suurella säätöetäisyydellä vaativat lisää.

2. Tekniset periaatteet ja ominaisuudet
Viritettävälle laserille on olemassa kolmenlaisia ​​ohjaustekniikoita: nykyinen ohjaustekniikka, lämpötilansäätötekniikka ja mekaaninen ohjaustekniikka. Niistä elektronisesti ohjattu tekniikka toteuttaa aallonpituuden virityksen muuttamalla injektiovirtaa. Siinä on ns-tason viritysnopeus ja laaja virityskaistanleveys, mutta sen lähtöteho on pieni. Tärkeimmät elektronisesti ohjatut tekniikat ovat SG-DBR (Sampling Grating DBR) ja GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) laserit. Lämpötilansäätötekniikka muuttaa laserin lähtöaallonpituutta muuttamalla laserin aktiivisen alueen taitekerrointa. Tekniikka on yksinkertainen, mutta hidas, kapea säädettävä kaistanleveys, vain muutama nanometri. DFB (Distributed Feedback) ja DBR (Distributed Bragg Reflection) laserit ovat tärkeimmät lämpötilan säätöön perustuvat tekniikat. Mekaaninen ohjaus perustuu pääasiassa mikro-elektromekaanisen järjestelmän (MEMS) tekniikkaan aallonpituuden valinnan suorittamiseksi, suuremmalla säädettävällä kaistanleveydellä ja suuremmalla lähtöteholla. Tärkeimmät mekaaniseen ohjaustekniikkaan perustuvat rakenteet ovat DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) ja VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Säädettävien lasereiden periaate näistä näkökohdista selitetään alla. Niistä korostuu nykyinen viritettävä tekniikka, joka on suosituin.
2.1 Lämpötilansäätötekniikka
Lämpötilapohjaista ohjaustekniikkaa käytetään pääasiassa DFB-rakenteessa, sen periaatteena on säätää laserontelon lämpötilaa niin, että se voi lähettää eri aallonpituuksia. Säädettävän laserin tähän periaatteeseen perustuva aallonpituuden säätö toteutetaan säätelemällä tietyllä lämpötila-alueella toimivan InGaAsP DFB laserin vaihtelua. Laite koostuu sisäänrakennetusta aallonlukituslaitteesta (vakiomittari ja valvontaanturi), joka lukitsee CW-laserlähdön ITU-verkkoon 50 GHz:n välein. Yleensä kaksi erillistä TEC:tä on kapseloitu laitteeseen. Toinen on ohjata lasersirun aallonpituutta ja toinen varmistaa, että laitteen lukko- ja tehoilmaisin toimivat vakiolämpötilassa.
Näiden lasereiden suurin etu on, että niiden suorituskyky on samanlainen kuin kiinteäaallonpituisten lasereiden. Niillä on korkea lähtöteho, hyvä aallonpituuden vakaus, yksinkertainen käyttö, alhainen hinta ja kypsä tekniikka. Siinä on kuitenkin kaksi päähaittaa: yksi on, että yksittäisen laitteen viritysleveys on kapea, yleensä vain muutaman nanometrin; toinen on, että viritysaika on pitkä, mikä vaatii yleensä useita sekunteja viritysvakautta.
2.2 Mekaaninen ohjaustekniikka
Mekaaninen ohjaustekniikka toteutetaan yleensä MEMS:n avulla. Mekaaniseen ohjaustekniikkaan perustuva viritettävä laser ottaa käyttöön MEMs-DFB-rakenteen.
Viritettävät laserit sisältävät DFB-laserit, kallistettavat EMS-linssit ja muut ohjaus- ja apuosat.
DFB-laserryhmäalueella on useita DFB-laserryhmiä, joista jokainen voi tuottaa tietyn aallonpituuden noin 1,0 nm:n kaistanleveydellä ja 25 Ghz:n etäisyydellä. Säätämällä MEM-linssien kiertokulmaa voidaan valita tarvittava tietty aallonpituus, joka tuottaa vaaditun tietyn valon aallonpituuden.

DFB Laser Array
Toinen VCSEL-rakenteeseen perustuva viritettävä laser on suunniteltu perustuen optisesti pumpattuihin pystysuoraan pintaan emittoiviin lasereihin. Puolisymmetristä onkalotekniikkaa käytetään jatkuvaan aallonpituuden viritykseen MEMS:n avulla. Se koostuu puolijohdelaserista ja pystysuorasta laservahvistusresonaattorista, joka voi lähettää valoa pinnalle. Resonaattorin toisessa päässä on liikkuva heijastin, joka voi muuttaa resonaattorin pituutta ja laserin aallonpituutta. VCSEL:n tärkein etu on, että se voi tuottaa puhtaita ja jatkuvia säteitä, ja se voidaan kytkeä helposti ja tehokkaasti optisiin kuituihin. Lisäksi hinta on alhainen, koska sen ominaisuudet voidaan mitata kiekosta. VCSEL:n suurin haittapuoli on sen alhainen lähtöteho, riittämätön säätönopeus ja ylimääräinen liikkuva heijastin. Jos optinen pumppu lisätään tehon lisäämiseksi, kokonaismonimutkaisuus lisääntyy ja laserin tehonkulutus ja hinta kasvavat. Tähän periaatteeseen perustuvan viritettävän laserin suurin haittapuoli on, että viritysaika on suhteellisen hidas, mikä vaatii yleensä useita sekunteja virityksen stabilointiaikaa.
2.3 Nykyinen ohjaustekniikka
Toisin kuin DFB:ssä, viritettävissä DBR-lasereissa aallonpituutta muutetaan ohjaamalla jännittävä virta resonaattorin eri osiin. Tällaisissa lasereissa on vähintään neljä osaa: yleensä kaksi Bragg-hilaa, vahvistusmoduuli ja vaihemoduuli, jossa on hieno aallonpituussäätö. Tämän tyyppisen laserin kummassakin päässä on useita Bragg-ritilöitä. Toisin sanoen tietyn hilavälin jälkeen tulee rako, sitten on erilainen hilaväli, sitten on rako ja niin edelleen. Tämä tuottaa kampamaisen heijastusspektrin. Laserin molemmissa päissä olevat Bragg-ritilät tuottavat erilaisia ​​kampamaisia ​​heijastusspektrejä. Kun valo heijastuu edestakaisin niiden välillä, kahden erilaisen heijastusspektrin superpositio johtaa laajempaan aallonpituusalueeseen. Tässä tekniikassa käytetty herätepiiri on melko monimutkainen, mutta sen säätönopeus on erittäin nopea. Joten virransäätötekniikkaan perustuva yleinen periaate on muuttaa FBG:n ja vaiheen ohjausosan virtaa viritettävän laserin eri asennoissa niin, että FBG:n suhteellinen taitekerroin muuttuu ja syntyy erilaisia ​​spektrejä. Asettamalla päällekkäin erilaisia ​​FBG:n tuottamia spektrejä eri alueilla, valitaan tietty aallonpituus, jolloin syntyy vaadittu spesifinen aallonpituus. Laser.

Nykyiseen ohjaustekniikkaan perustuva viritettävä laser käyttää SGDBR-rakennetta (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).

Kahdella heijastimella laserresonaattorin etu- ja takapäässä on omat heijastushuippunsa. Säätämällä näitä kahta heijastushuippua ruiskuttamalla virtaa laser voi tuottaa eri aallonpituuksia.

Laserresonaattorin sivulla olevilla kahdella heijastimella on useita heijastuspiikkejä. Kun MGYL-laser toimii, injektiovirta virittää ne. Kaksi heijastuvaa valoa on päällekkäin 1*2 yhdistäjällä/jakajalla. Etuosan heijastavuuden optimointi mahdollistaa laserin suuren tehon saavuttamisen koko viritysalueella.


3. Toimialan tila
Viritettävät laserit ovat optisten viestintälaitteiden alan eturintamassa, ja vain harvat suuret optisen viestinnän yritykset voivat tarjota tätä tuotetta. Edustavat yritykset, kuten MEMS:n mekaaniseen viritykseen perustuva SANTUR, JDSU, Oclaro, Ignis, SGBDR-virtasääntelyyn perustuva AOC jne., ovat myös yksi harvoista optisten laitteiden alueista, joita kiinalaiset toimittajat ovat sormenneet. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. on saavuttanut ydinetuja virittävien lasereiden huippuluokan pakkauksissa. Se on ainoa yritys Kiinassa, joka pystyy valmistamaan viritettäviä lasereita erissä. Se on jaettu Eurooppaan ja Yhdysvaltoihin. Valmistajat toimittavat.
JDSU käyttää InP-monoliittinen integraatioteknologiaa integroidakseen laserit ja modulaattorit yhdeksi alustaksi ja käynnistääkseen pienen kokoisen XFP-moduulin säädettävillä lasereilla. Viritettävän laserin markkinoiden laajentuessa avain tämän tuotteen teknologiseen kehitykseen on miniatyrisointi ja alhaiset kustannukset. Tulevaisuudessa yhä useammat valmistajat ottavat käyttöön XFP-pakatut säädettävät aallonpituusmoduulit.
Seuraavan viiden vuoden aikana viritettävät laserit ovat kuuma paikka. Markkinoiden vuotuinen komposiittikasvuvauhti (CAGR) saavuttaa 37 % ja sen mittakaava 1,2 miljardia dollaria vuonna 2012, kun taas muiden tärkeiden komponenttien markkinoiden vuotuinen kasvuvauhti on 24 % kiinteäaallonpituisilla lasereilla. , 28 % ilmaisimille ja vastaanottimille ja 35 % ulkoisille modulaattoreille. Vuonna 2012 optisten verkkojen viritettävän laserin, kiinteän aallonpituuden lasereiden ja valoilmaisimien markkinat ovat yhteensä 8 miljardia dollaria.

4. Viritettävän laserin erityinen sovellus optisessa viestinnässä
Virittävien lasereiden verkkosovellukset voidaan jakaa kahteen osaan: staattisiin sovelluksiin ja dynaamisiin sovelluksiin.
Staattisissa sovelluksissa viritettävän laserin aallonpituus asetetaan käytön aikana, eikä se muutu ajan myötä. Yleisin staattinen sovellus on lähdelaserien korvike eli DWDM-lähetysjärjestelmissä, joissa viritettävä laser toimii varmuuskopiona useille kiinteän aallonpituuksille ja joustavan lähteen lasereille vähentäen juovien määrää. kortit, joita tarvitaan tukemaan kaikkia eri aallonpituuksia.
Staattisissa sovelluksissa viritettäville lasereille tärkeimmät vaatimukset ovat hinta, lähtöteho ja spektriominaisuudet, eli linjanleveys ja vakaus ovat verrattavissa sen korvaamiin kiinteäaaltoisiin lasereihin. Mitä laajempi aallonpituusalue on, sitä parempi suorituskyky-hinta-suhde on ilman paljon nopeampaa säätönopeutta. Tällä hetkellä DWDM-järjestelmän soveltaminen tarkasti viritettävällä laserilla on yhä enemmän.
Tulevaisuudessa myös varmuuskopioina käytettävät viritettävät laserit vaativat nopeita vastaavia nopeuksia. Kun tiheä aallonpituusjakoinen multipleksointikanava epäonnistuu, säädettävä laser voidaan ottaa automaattisesti käyttöön jatkamaan toimintaansa. Tämän toiminnon saavuttamiseksi laser on viritettävä ja lukittava epäonnistuneelle aallonpituudelle 10 millisekunnissa tai vähemmän, jotta varmistetaan, että koko palautumisaika on alle 50 millisekuntia, joita synkroninen optinen verkko vaatii.
Dynaamisissa sovelluksissa virittävien laserien aallonpituuden on vaihdettava säännöllisesti optisten verkkojen joustavuuden parantamiseksi. Tällaiset sovellukset edellyttävät yleensä dynaamisten aallonpituuksien tarjoamista, jotta aallonpituus voidaan lisätä tai ehdottaa verkkosegmentistä tarvittavan vaihtelevan kapasiteetin mukauttamiseksi. On ehdotettu yksinkertaista ja joustavampaa ROADM-arkkitehtuuria, joka perustuu sekä virittävien lasereiden että virittävien suodattimien käyttöön. Viritettävät laserit voivat lisätä tiettyjä aallonpituuksia järjestelmään ja viritettävät suodattimet voivat suodattaa tietyt aallonpituudet järjestelmästä. Viritettävä laser voi myös ratkaista aallonpituuden eston ongelman optisessa ristikytkennässä. Tällä hetkellä useimmat optiset ristilinkit käyttävät optista-elektro-optista rajapintaa kuidun molemmissa päissä tämän ongelman välttämiseksi. Jos OXC:n syöttämiseen syöttöpäässä käytetään säädettävää laseria, voidaan valita tietty aallonpituus sen varmistamiseksi, että valoaalto saavuttaa loppupisteen vapaalla tiellä.
Tulevaisuudessa viritettäviä lasereita voidaan käyttää myös aallonpituusreitityksessä ja optisessa pakettikytkennässä.
Aallonpituusreitityksellä tarkoitetaan virittävien lasereiden käyttöä monimutkaisten täysoptisten kytkimien korvaamiseksi kokonaan yksinkertaisilla kiinteillä ristiliittimillä, jolloin verkon reitityssignaalia on muutettava. Jokainen aallonpituuskanava on yhdistetty yksilölliseen kohdeosoitteeseen, mikä muodostaa verkkovirtuaaliyhteyden. Lähetettäessä signaaleja viritettävän laserin on säädettävä taajuusnsa kohdeosoitteen vastaavalle taajuudelle.
Optinen pakettikytkentä tarkoittaa todellista optista pakettikytkentää, joka lähettää signaaleja aallonpituusreitityksellä datapakettien mukaan. Tämän signaalinsiirtotavan saavuttamiseksi viritettävän laserin on kyettävä kytkeytymään niinkin lyhyessä ajassa kuin nanosekunnissa, jotta ei synny liian pitkää aikaviivettä verkossa.
Näissä sovelluksissa viritettävät laserit voivat säätää aallonpituutta reaaliajassa välttääkseen aallonpituuden estymisen verkossa. Siksi viritettävillä lasereilla on oltava suurempi säädettävä alue, suurempi lähtöteho ja millisekunnin reaktionopeus. Itse asiassa useimmat dynaamiset sovellukset vaativat viritettävän optisen multiplekserin tai 1:N optisen kytkimen toimiakseen laserin kanssa varmistaakseen, että laserlähtö voi kulkea oikean kanavan kautta optiseen kuituun.