1. Apžvalga
Optinio ryšio srityje tradiciniai šviesos šaltiniai yra pagrįsti fiksuoto bangos ilgio lazeriniais moduliais. Nuolat tobulinant ir taikant optinio ryšio sistemas, pamažu išryškėja fiksuoto bangos ilgio lazerių trūkumai. Viena vertus, tobulėjant DWDM technologijai, bangos ilgių skaičius sistemoje pasiekė šimtus. Apsaugos atveju kiekvieno lazerio atsarginė kopija turi būti daroma tuo pačiu bangos ilgiu. Lazerio tiekimas padidina atsarginių lazerių skaičių ir kainą; kita vertus, kadangi fiksuotiems lazeriams reikia skirti bangos ilgį, didėjant bangos ilgio skaičiui, didėja lazerių tipas, todėl valdymo sudėtingumas ir atsargų lygis tampa sudėtingesnis; kita vertus, jei norime palaikyti dinaminį bangos ilgio paskirstymą optiniuose tinkluose ir pagerinti tinklo lankstumą, turime įrengti daugybę skirtingų bangų. Ilgas fiksuotas lazeris, tačiau kiekvieno lazerio panaudojimo lygis yra labai žemas, todėl švaistomi ištekliai. Siekiant pašalinti šiuos trūkumus, tobulėjant puslaidininkinėms ir susijusioms technologijoms, sėkmingai buvo sukurti derinami lazeriai, t. y. tame pačiame lazerio modulyje valdomas skirtingas bangos ilgis tam tikrame diapazone, o šios bangos ilgio reikšmės ir tarpai atitinka ITU-T reikalavimus.
Naujos kartos optiniam tinklui derinami lazeriai yra pagrindinis veiksnys kuriant išmanųjį optinį tinklą, kuris gali suteikti operatoriams didesnį lankstumą, didesnį bangos ilgio tiekimo greitį ir galiausiai mažesnes sąnaudas. Ateityje tolimojo nuotolio optiniai tinklai taps bangos ilgio dinaminių sistemų pasauliu. Šie tinklai gali pasiekti naują bangos ilgį per labai trumpą laiką. Dėl to, kad naudojama itin tolimojo perdavimo technologija, nereikia naudoti regeneratoriaus, o tai sutaupo daug pinigų. Tikimasi, kad derinami lazeriai suteiks naujų įrankių būsimiems ryšių tinklams, skirtiems valdyti bangos ilgį, pagerinti tinklo efektyvumą ir plėtoti naujos kartos optinius tinklus. Viena iš patraukliausių programų yra perkonfigūruojamas optinis įtraukimo-drop multiplekseris (ROADM). Tinklo rinkoje atsiras dinaminės perkonfigūruojamos tinklo sistemos, daugiau reikės derinamų lazerių su dideliu reguliuojamu diapazonu.
2. Techniniai principai ir charakteristikos
Yra trijų rūšių derinamųjų lazerių valdymo technologijos: srovės valdymo technologija, temperatūros valdymo technologija ir mechaninio valdymo technologija. Tarp jų elektroniniu būdu valdoma technologija realizuoja bangos ilgio derinimą keičiant įpurškimo srovę. Jis turi ns lygio derinimo greitį ir platų derinimo dažnių juostos plotį, tačiau jo išėjimo galia yra maža. Pagrindinės elektroniniu būdu valdomos technologijos yra SG-DBR (Sampling Grating DBR) ir GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) lazeriai. Temperatūros valdymo technologija keičia lazerio išėjimo bangos ilgį, keisdama lazerio aktyviosios srities lūžio rodiklį. Technologija paprasta, bet lėta, siauras reguliuojamas pralaidumas, vos keli nanometrai. DFB (Distributed Feedback) ir DBR (Distributed Bragg Reflection) lazeriai yra pagrindinės technologijos, pagrįstos temperatūros valdymu. Mechaninis valdymas daugiausia grindžiamas mikroelektromechaninės sistemos (MEMS) technologija, kad būtų užbaigtas bangos ilgio pasirinkimas su didesniu reguliuojamu pralaidumu ir didesne išėjimo galia. Pagrindinės konstrukcijos, pagrįstos mechaninio valdymo technologija, yra DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) ir VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Toliau bus paaiškintas derinamų lazerių principas šiais aspektais. Tarp jų akcentuojama dabartinė derinama technologija, kuri yra pati populiariausia.
2.1 Temperatūros valdymo technologija
Temperatūra pagrįsta valdymo technologija daugiausia naudojama DFB struktūroje, jos principas yra reguliuoti lazerio ertmės temperatūrą, kad ji galėtų skleisti skirtingą bangos ilgį. Reguliuojamo lazerio bangos ilgio reguliavimas šiuo principu realizuojamas valdant InGaAsP DFB lazerio, dirbančio tam tikrame temperatūrų diapazone, kitimą. Įrenginį sudaro įmontuotas bangų fiksavimo įtaisas (standartinis matuoklis ir stebėjimo detektorius), skirtas CW lazerio išėjimui užfiksuoti ITU tinkle 50 GHz intervalu. Paprastai įrenginyje yra du atskiri TEC. Viena – valdyti lazerio lusto bangos ilgį, o kita – užtikrinti, kad įrenginio užraktas ir galios detektorius veiktų pastovioje temperatūroje.
Didžiausias šių lazerių privalumas yra tas, kad jų veikimas yra panašus į fiksuoto bangos ilgio lazerių. Jie pasižymi didelės išėjimo galios, gero bangos ilgio stabilumo, paprasto veikimo, mažos kainos ir brandžios technologijos savybėmis. Tačiau yra du pagrindiniai trūkumai: vienas yra tas, kad vieno įrenginio derinimo plotis yra siauras, dažniausiai tik keli nanometrai; kita yra ta, kad derinimo laikas yra ilgas, o tam paprastai reikia kelių sekundžių derinimo stabilumo laiko.
2.2 Mechaninio valdymo technologija
Mechaninio valdymo technologija paprastai įgyvendinama naudojant MEMS. Derinamas lazeris, pagrįstas mechaninio valdymo technologija, priima MEMs-DFB struktūrą.
Derinami lazeriai apima DFB lazerių matricas, pakreipiamus EMS lęšius ir kitas valdymo bei pagalbines dalis.
DFB lazerio matricos srityje yra keletas DFB lazerių matricų, kurių kiekviena gali sukurti tam tikrą bangos ilgį, kurio dažnių juostos plotis yra apie 1,0 nm, o atstumas yra 25 GHz. Reguliuojant MEMs lęšių sukimosi kampą, galima pasirinkti reikiamą specifinį bangos ilgį, kad būtų išvestas reikiamas specifinis šviesos bangos ilgis.
DFB lazerių masyvas
Kitas derinamas lazeris, pagrįstas VCSEL struktūra, yra sukurtas remiantis optiškai pumpuojamais vertikalios ertmės paviršių spinduliuojančiais lazeriais. Pusiau simetrinės ertmės technologija naudojama nuolatiniam bangos ilgio derinimui naudojant MEMS. Jį sudaro puslaidininkinis lazeris ir vertikalus lazerio stiprinimo rezonatorius, kuris gali skleisti šviesą ant paviršiaus. Viename rezonatoriaus gale yra kilnojamas reflektorius, kuris gali keisti rezonatoriaus ilgį ir lazerio bangos ilgį. Pagrindinis VCSEL pranašumas yra tas, kad jis gali išvesti grynus ir ištisinius pluoštus ir gali būti lengvai ir efektyviai sujungtas su optinėmis skaidulomis. Be to, kaina nedidelė, nes jos savybes galima išmatuoti ant plokštelės. Pagrindinis VCSEL trūkumas – maža išėjimo galia, nepakankamas reguliavimo greitis ir papildomas mobilus reflektorius. Jei optinis siurblys bus pridėtas siekiant padidinti išėjimo galią, bendras sudėtingumas padidės, o energijos suvartojimas ir lazerio kaina padidės. Pagrindinis šiuo principu veikiančio derinamo lazerio trūkumas yra tai, kad derinimo laikas yra santykinai lėtas, tam paprastai reikia kelių sekundžių derinimo stabilizavimo laiko.
2.3 Dabartinė valdymo technologija
Skirtingai nuo DFB, derinamuose DBR lazeriuose bangos ilgis keičiamas nukreipiant jaudinančią srovę į skirtingas rezonatoriaus dalis. Tokie lazeriai turi mažiausiai keturias dalis: dažniausiai dvi Bragg gardeles, stiprinimo modulį ir fazinį modulį su smulkiu bangos ilgio derinimu. Šio tipo lazeriams kiekviename gale bus daug Bragg grotelių. Kitaip tariant, po tam tikro žingsnio grotelės atsiranda tarpas, tada yra kitoks gardelės žingsnis, tada yra tarpas ir pan. Taip susidaro į šukas panašus atspindžio spektras. Abiejuose lazerio galuose esančios Braggo grotelės sukuria skirtingus šukos primenančius atspindžio spektrus. Kai šviesa tarp jų atsispindi pirmyn ir atgal, dviejų skirtingų atspindžio spektrų superpozicija lemia platesnį bangos ilgių diapazoną. Šioje technologijoje naudojama sužadinimo grandinė yra gana sudėtinga, tačiau jos reguliavimo greitis yra labai greitas. Taigi bendras principas, pagrįstas srovės valdymo technologija, yra pakeisti FBG srovę ir fazės valdymo dalį skirtingose derinamo lazerio padėtyse, kad pasikeistų santykinis FBG lūžio rodiklis ir susidarytų skirtingi spektrai. Skirtinguose regionuose sudėjus skirtingus FBG sukurtus spektrus, bus parinktas konkretus bangos ilgis, kad būtų sukurtas reikiamas specifinis bangos ilgis. Lazeris.
Derinamas lazeris, pagrįstas dabartine valdymo technologija, turi SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) struktūrą.
Du reflektoriai priekiniame ir galiniame lazerinio rezonatoriaus galuose turi savo atspindžio smailes. Reguliuojant šias dvi atspindžio smailes įpurškiant srovę, lazeris gali išvesti skirtingus bangos ilgius.
Du reflektoriai, esantys lazerio rezonatoriaus šone, turi keletą atspindžio smailių. Kai MGYL lazeris veikia, įpurškimo srovė juos sureguliuoja. Dvi atspindėtos šviesos yra uždengtos 1 * 2 kombainu / skirstytuvu. Optimizavus priekinės dalies atspindį, lazeris gali pasiekti didelę galią visame derinimo diapazone.
3. Pramonės statusas
Derinami lazeriai yra optinio ryšio prietaisų srities priešakyje, ir tik kelios didelės optinio ryšio įmonės pasaulyje gali pateikti šį produktą. Atstovaujančios įmonės, tokios kaip SANTUR, pagrįstos mechaniniu MEMS derinimu, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC, paremtos SGBDR srovės reguliavimu ir kt., taip pat yra viena iš nedaugelio optinių įrenginių sričių, kurias Kinijos tiekėjai papirko. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. pasiekė pagrindinių pranašumų gamindama aukščiausios klasės derinamų lazerių pakuotę. Tai vienintelė įmonė Kinijoje, galinti partijomis gaminti derinamus lazerius. Jis buvo išsiųstas į Europą ir JAV. Gamintojai tiekia.
JDSU naudoja InP monolitinės integracijos technologiją, kad integruotų lazerius ir moduliatorius į vieną platformą, kad paleistų mažo dydžio XFP modulį su reguliuojamais lazeriais. Plečiantis derinamų lazerių rinkai, šio gaminio technologinės plėtros raktas yra miniatiūrizavimas ir maža kaina. Ateityje vis daugiau gamintojų pristatys XFP supakuotus reguliuojamo bangos ilgio modulius.
Per ateinančius penkerius metus derinami lazeriai bus karšta vieta. 2012 m. rinkos metinis kompozitinis augimo tempas (CAGR) sieks 37%, o jos mastas – 1,2 milijardo JAV dolerių, o kitų svarbių komponentų rinkos metinis augimo tempas tuo pačiu laikotarpiu yra 24% fiksuoto bangos ilgio lazerių. , 28 % detektoriams ir imtuvams ir 35 % išoriniams moduliatoriams. 2012 m. derinamųjų lazerių, fiksuoto bangos ilgio lazerių ir optinių tinklų fotodetektorių rinka sieks 8 mlrd.
4. Specifinis derinamo lazerio taikymas optinėje komunikacijoje
Derinamųjų lazerių tinklo taikomąsias programas galima suskirstyti į dvi dalis: statines ir dinamines programas.
Taikant statinius, derinamo lazerio bangos ilgis nustatomas naudojimo metu ir laikui bėgant nekinta. Dažniausias statinis pritaikymas yra šaltinio lazerių pakaitalas, ty tankaus bangos ilgio tankinimo (DWDM) perdavimo sistemose, kur derinamas lazeris veikia kaip kelių fiksuoto bangos ilgio lazerių ir lankstaus šaltinio lazerių atsarginė kopija, sumažinant linijų skaičių. kortelės, reikalingos visų skirtingų bangų ilgių palaikymui.
Statiniuose įrenginiuose pagrindiniai derinamųjų lazerių reikalavimai yra kaina, išėjimo galia ir spektrinės charakteristikos, tai yra, linijos plotis ir stabilumas yra panašūs į fiksuoto bangos ilgio lazerius, kuriuos jis pakeičia. Kuo platesnis bangos ilgių diapazonas, tuo geresnis bus našumo ir kainos santykis be daug didesnio reguliavimo greičio. Šiuo metu DWDM sistema su tiksliai derinamu lazeriu taikoma vis dažniau.
Ateityje derinamiems lazeriams, naudojamiems kaip atsarginės kopijos, taip pat reikės greito atitinkamo greičio. Kai sugenda tankaus bangos ilgio tankinimo kanalas, reguliuojamas lazeris gali būti automatiškai įjungtas, kad būtų atnaujintas jo veikimas. Norint pasiekti šią funkciją, lazeris turi būti sureguliuotas ir užfiksuotas esant nesėkmingam bangos ilgiui per 10 milisekundžių ar mažiau, kad būtų užtikrinta, jog visas atkūrimo laikas būtų mažesnis nei 50 milisekundžių, kurių reikia sinchroniniam optiniam tinklui.
Dinaminėse programose derinamų lazerių bangos ilgis turi nuolat keistis, kad būtų padidintas optinių tinklų lankstumas. Tokiose programose paprastai reikia numatyti dinaminius bangos ilgius, kad būtų galima pridėti arba pasiūlyti bangos ilgį iš tinklo segmento, kad būtų galima pritaikyti reikiamą kintamą pajėgumą. Pasiūlyta paprasta ir lankstesnė ROADM architektūra, pagrįsta derinamų lazerių ir derinamų filtrų naudojimu. Derinami lazeriai gali pridėti tam tikrus bangos ilgius į sistemą, o derinami filtrai gali filtruoti tam tikrus bangos ilgius iš sistemos. Derinamas lazeris taip pat gali išspręsti optinio kryžminio ryšio bangos ilgio blokavimo problemą. Šiuo metu dauguma optinių kryžminių jungčių naudoja optinę-elektro-optinę sąsają abiejuose pluošto galuose, kad būtų išvengta šios problemos. Jei OXC įvesties gale naudojamas reguliuojamas lazeris, galima pasirinkti tam tikrą bangos ilgį, kad šviesos banga pasiektų galinį tašką laisvu keliu.
Ateityje derinami lazeriai taip pat gali būti naudojami bangos ilgio maršrutizavimui ir optiniam paketų perjungimui.
Bangos ilgio maršrutizavimas reiškia derinamų lazerių naudojimą, siekiant visiškai pakeisti sudėtingus optinius jungiklius paprastomis fiksuotomis kryžminėmis jungtimis, todėl reikia pakeisti tinklo maršruto signalą. Kiekvienas bangos ilgio kanalas yra prijungtas prie unikalaus paskirties adreso, taip suformuojant tinklo virtualų ryšį. Perduodamas signalus derinamas lazeris turi pritaikyti savo dažnį pagal atitinkamą tikslinio adreso dažnį.
Optinis paketų perjungimas reiškia tikrą optinį paketų perjungimą, kuris perduoda signalus bangos ilgio maršrutais pagal duomenų paketus. Kad būtų pasiektas toks signalo perdavimo būdas, derinamas lazeris turi sugebėti persijungti per tokį trumpą laiką kaip nanosekundė, kad nesukurtų per ilgo laiko delsimo tinkle.
Šiose programose derinami lazeriai gali reguliuoti bangos ilgį realiuoju laiku, kad būtų išvengta bangos ilgio blokavimo tinkle. Todėl derinami lazeriai turi turėti didesnį reguliuojamą diapazoną, didesnę išėjimo galią ir milisekundžių reakcijos greitį. Tiesą sakant, daugeliui dinamiškų programų reikalingas derinamas optinis multiplekseris arba 1:N optinis jungiklis, kad veiktų su lazeriu, kad būtų užtikrinta, jog lazerio išvestis atitinkamu kanalu galėtų patekti į optinį skaidulą.
