1. Übersicht
Auf dem Gebiet der optischen Kommunikation basieren herkömmliche Lichtquellen auf Lasermodulen mit fester Wellenlänge. Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Anwendung von optischen Kommunikationssystemen werden die Nachteile von Lasern mit fester Wellenlänge allmählich offenbart. Einerseits hat die Anzahl der Wellenlängen im System mit der Entwicklung der DWDM-Technologie Hunderte erreicht. Im Schutzfall muss die Sicherung jedes Lasers mit der gleichen Wellenlänge erfolgen. Die Laserversorgung führt zu einer Erhöhung der Anzahl von Ersatzlasern und der Kosten; Da andererseits feststehende Laser Wellenlängen unterscheiden müssen, nimmt die Art der Laser mit zunehmender Wellenlängenzahl zu, was die Verwaltungskomplexität und den Lagerbestand komplexer macht; Andererseits müssen wir, wenn wir die dynamische Wellenlängenzuweisung in optischen Netzen unterstützen und die Netzflexibilität verbessern wollen, eine große Anzahl unterschiedlicher Wellen ausrüsten. Langer stationärer Laser, aber die Auslastung jedes Lasers ist sehr gering, was zu Ressourcenverschwendung führt. Um diese Mängel zu überwinden, wurden mit der Entwicklung von Halbleiter- und verwandten Technologien abstimmbare Laser erfolgreich entwickelt, d. h. unterschiedliche Wellenlängen innerhalb einer bestimmten Bandbreite werden auf demselben Lasermodul gesteuert, und diese Wellenlängenwerte und -abstände erfüllen die Anforderungen von ITU-T.
Für das optische Netzwerk der nächsten Generation sind abstimmbare Laser der Schlüsselfaktor zur Realisierung intelligenter optischer Netzwerke, die den Betreibern eine größere Flexibilität, eine schnellere Wellenlängenversorgungsgeschwindigkeit und letztendlich niedrigere Kosten bieten können. In Zukunft werden optische Langstreckennetze die Welt der wellenlängendynamischen Systeme sein. Diese Netze können in sehr kurzer Zeit eine neue Wellenlängenzuweisung erreichen. Aufgrund der Verwendung von Ultra-Long-Distance-Übertragungstechnologie ist kein Regenerator erforderlich, was viel Geld spart. Von abstimmbaren Lasern wird erwartet, dass sie neue Werkzeuge für zukünftige Kommunikationsnetzwerke bereitstellen, um die Wellenlänge zu verwalten, die Netzwerkeffizienz zu verbessern und optische Netzwerke der nächsten Generation zu entwickeln. Eine der attraktivsten Anwendungen ist der rekonfigurierbare optische Add-Drop-Multiplexer (ROADM). Dynamisch rekonfigurierbare Netzwerksysteme werden auf dem Netzwerkmarkt erscheinen, und abstimmbare Laser mit einem großen einstellbaren Bereich werden mehr benötigt.
2. Technische Prinzipien und Eigenschaften
Es gibt drei Arten von Steuerungstechnologien für abstimmbare Laser: Stromsteuerungstechnologie, Temperatursteuerungstechnologie und mechanische Steuerungstechnologie. Darunter realisiert die elektronisch gesteuerte Technologie eine Wellenlängenabstimmung durch Ändern des Injektionsstroms. Es hat eine Abstimmgeschwindigkeit auf ns-Niveau und eine große Abstimmbandbreite, aber seine Ausgangsleistung ist gering. Die wichtigsten elektronisch gesteuerten Technologien sind SG-DBR (Sampling Grating DBR) und GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) Laser. Die Temperatursteuerungstechnologie ändert die Ausgangswellenlänge des Lasers, indem sie den Brechungsindex des aktiven Bereichs des Lasers ändert. Die Technologie ist einfach, aber langsam, schmal einstellbare Bandbreite, nur wenige Nanometer. DFB- (Distributed Feedback) und DBR- (Distributed Bragg Reflection) Laser sind die Haupttechnologien, die auf Temperaturkontrolle basieren. Die mechanische Steuerung basiert hauptsächlich auf der Technologie des mikroelektromechanischen Systems (MEMS), um die Wellenlängenauswahl mit einer größeren einstellbaren Bandbreite und einer höheren Ausgangsleistung zu vervollständigen. Die Hauptstrukturen, die auf mechanischer Steuerungstechnologie basieren, sind DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) und VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Das Prinzip abstimmbarer Laser unter diesen Gesichtspunkten wird nachstehend erläutert. Unter ihnen wird die aktuelle abstimmbare Technologie, die am weitesten verbreitet ist, hervorgehoben.
2.1 Temperaturregelungstechnologie
Die temperaturbasierte Steuerungstechnologie wird hauptsächlich in der DFB-Struktur verwendet. Ihr Prinzip besteht darin, die Temperatur des Laserhohlraums so einzustellen, dass er unterschiedliche Wellenlängen emittieren kann. Die Wellenlängeneinstellung eines auf diesem Prinzip basierenden einstellbaren Lasers wird durch die Steuerung der Variation des InGaAsP-DFB-Lasers realisiert, der in einem bestimmten Temperaturbereich arbeitet. Das Gerät besteht aus einem eingebauten Wave-Locking-Gerät (einem Standardmessgerät und einem Überwachungsdetektor), um die CW-Laserausgabe in einem 50-GHz-Intervall auf das ITU-Gitter zu sperren. Im Allgemeinen sind zwei getrennte TECs in der Vorrichtung eingekapselt. Einer besteht darin, die Wellenlänge des Laserchips zu steuern, und der andere besteht darin, sicherzustellen, dass die Sperre und der Leistungsdetektor im Gerät bei konstanter Temperatur arbeiten.
Der größte Vorteil dieser Laser ist, dass ihre Leistung ähnlich der von Lasern mit fester Wellenlänge ist. Sie zeichnen sich durch hohe Ausgangsleistung, gute Wellenlängenstabilität, einfache Bedienung, niedrige Kosten und ausgereifte Technologie aus. Es gibt jedoch zwei Hauptnachteile: Einer ist, dass die Abstimmbreite eines einzelnen Geräts schmal ist, normalerweise nur wenige Nanometer; der andere ist, dass die Abstimmzeit lang ist, was normalerweise mehrere Sekunden Abstimmstabilitätszeit erfordert.
2.2 Mechanische Steuerungstechnik
Die mechanische Steuerungstechnik wird im Allgemeinen unter Verwendung von MEMS implementiert. Ein abstimmbarer Laser, der auf mechanischer Steuerungstechnologie basiert, nimmt eine MEMS-DFB-Struktur an.
Abstimmbare Laser umfassen DFB-Laserarrays, neigbare EMS-Linsen und andere Steuer- und Hilfsteile.
Es gibt mehrere DFB-Laserarrays im DFB-Laserarray-Bereich, die jeweils eine bestimmte Wellenlänge mit einer Bandbreite von etwa 1,0 nm und einem Abstand von 25 GHz erzeugen können. Durch Steuern des Rotationswinkels von MEMS-Linsen kann die erforderliche spezifische Wellenlänge ausgewählt werden, um die erforderliche spezifische Lichtwellenlänge auszugeben.
DFB-Laserarray
Ein weiterer abstimmbarer Laser auf der Basis einer VCSEL-Struktur ist auf der Grundlage von optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasern mit vertikaler Kavität konstruiert. Die halbsymmetrische Resonatortechnologie wird verwendet, um eine kontinuierliche Wellenlängenabstimmung unter Verwendung von MEMS zu erreichen. Es besteht aus einem Halbleiterlaser und einem vertikalen Laserverstärkungsresonator, der Licht auf die Oberfläche emittieren kann. An einem Ende des Resonators befindet sich ein beweglicher Reflektor, der die Länge des Resonators und die Laserwellenlänge verändern kann. Der Hauptvorteil von VCSEL besteht darin, dass er reine und kontinuierliche Strahlen ausgeben kann und einfach und effektiv in optische Fasern eingekoppelt werden kann. Darüber hinaus sind die Kosten niedrig, da seine Eigenschaften auf dem Wafer gemessen werden können. Der Hauptnachteil von VCSEL ist seine geringe Ausgangsleistung, unzureichende Einstellgeschwindigkeit und ein zusätzlicher beweglicher Reflektor. Wenn eine optische Pumpe hinzugefügt wird, um die Ausgangsleistung zu erhöhen, wird die Gesamtkomplexität erhöht und der Stromverbrauch und die Kosten des Lasers werden erhöht. Der Hauptnachteil des auf diesem Prinzip basierenden abstimmbaren Lasers besteht darin, dass die Abstimmzeit relativ langsam ist, was normalerweise mehrere Sekunden Abstimmstabilisierungszeit erfordert.
2.3 Aktuelle Steuerungstechnik
Im Gegensatz zu DFB wird bei abstimmbaren DBR-Lasern die Wellenlänge geändert, indem der Anregungsstrom zu verschiedenen Teilen des Resonators geleitet wird. Solche Laser haben mindestens vier Teile: normalerweise zwei Bragg-Gitter, ein Verstärkungsmodul und ein Phasenmodul mit feiner Wellenlängenabstimmung. Bei diesem Lasertyp gibt es viele Bragg-Gitter an jedem Ende. Mit anderen Worten, nach einer bestimmten Gitterteilung gibt es eine Lücke, dann gibt es eine andere Gitterteilung, dann gibt es eine Lücke und so weiter. Dadurch entsteht ein kammartiges Reflexionsspektrum. Die Bragg-Gitter an beiden Enden des Lasers erzeugen unterschiedliche kammartige Reflexionsspektren. Wenn Licht zwischen ihnen hin und her reflektiert wird, ergibt die Überlagerung zweier unterschiedlicher Reflexionsspektren einen größeren Wellenlängenbereich. Die bei dieser Technologie verwendete Anregungsschaltung ist ziemlich komplex, aber ihre Anpassungsgeschwindigkeit ist sehr schnell. Das allgemeine Prinzip, das auf der Stromsteuerungstechnologie basiert, besteht also darin, den Strom des FBG und des Phasensteuerungsteils in verschiedenen Positionen des abstimmbaren Lasers zu ändern, sodass sich der relative Brechungsindex des FBG ändert und unterschiedliche Spektren erzeugt werden. Durch Überlagerung verschiedener Spektren, die von FBG in verschiedenen Regionen erzeugt werden, wird die spezifische Wellenlänge ausgewählt, so dass die erforderliche spezifische Wellenlänge erzeugt wird. Laser.
Ein abstimmbarer Laser, der auf Stromsteuerungstechnologie basiert, nimmt eine SGDBR-Struktur (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) an.
Zwei Reflektoren am vorderen und hinteren Ende des Laserresonators haben ihre eigenen Reflexionsspitzen. Durch Einstellen dieser beiden Reflexionsspitzen durch Einspeisen von Strom kann der Laser unterschiedliche Wellenlängen ausgeben.
Die beiden Reflektoren auf der Seite des Laserresonators haben mehrere Reflexionsspitzen. Wenn der MGYL-Laser arbeitet, stimmt der Injektionsstrom sie ab. Die zwei reflektierten Lichter werden durch einen 1*2-Kombinator/Teiler überlagert. Die Optimierung des Reflexionsvermögens des Front-Ends ermöglicht es dem Laser, eine hohe Ausgangsleistung im gesamten Abstimmbereich zu erreichen.
3. Branchenstatus
Abstimmbare Laser sind führend auf dem Gebiet der optischen Kommunikationsgeräte, und nur wenige große optische Kommunikationsunternehmen auf der Welt können dieses Produkt anbieten. Repräsentative Unternehmen wie SANTUR basierend auf mechanischer Abstimmung von MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC basierend auf SGBDR-Stromregulierung usw. sind auch einer der wenigen Bereiche optischer Geräte, die chinesische Lieferanten gefingert haben. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. hat Kernvorteile im High-End-Packaging von abstimmbaren Lasern erzielt. Es ist das einzige Unternehmen in China, das durchstimmbare Laser in Chargen produzieren kann. Es hat nach Europa und in die Vereinigten Staaten gestapelt. Hersteller liefern.
JDSU nutzt die Technologie der monolithischen InP-Integration, um Laser und Modulatoren in eine einzige Plattform zu integrieren, um ein kleines XFP-Modul mit einstellbaren Lasern auf den Markt zu bringen. Mit der Expansion des abstimmbaren Lasermarktes liegt der Schlüssel zur technologischen Entwicklung dieses Produkts in Miniaturisierung und niedrigen Kosten. In Zukunft werden immer mehr Hersteller XFP-gehäuste einstellbare Wellenlängenmodule einführen.
In den nächsten fünf Jahren werden durchstimmbare Laser ein Hot Spot sein. Die jährliche Gesamtwachstumsrate (CAGR) des Marktes wird 37 % erreichen und sein Umfang wird 1,2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2012 erreichen, während die jährliche Gesamtwachstumsrate anderer wichtiger Komponentenmärkte im gleichen Zeitraum 24 % für Laser mit fester Wellenlänge beträgt , 28 % für Detektoren und Empfänger und 35 % für externe Modulatoren. Im Jahr 2012 wird der Markt für abstimmbare Laser, Laser mit fester Wellenlänge und Fotodetektoren für optische Netzwerke insgesamt 8 Milliarden US-Dollar umfassen.
4. Spezifische Anwendung von abstimmbaren Lasern in der optischen Kommunikation
Netzwerkanwendungen von abstimmbaren Lasern können in zwei Teile unterteilt werden: statische Anwendungen und dynamische Anwendungen.
Bei statischen Anwendungen wird die Wellenlänge eines durchstimmbaren Lasers während des Gebrauchs eingestellt und ändert sich nicht mit der Zeit. Die gebräuchlichste statische Anwendung ist der Ersatz für Quellenlaser, dh in DWDM-Übertragungssystemen (Dense Wavelength Division Multiplexing), bei denen ein abstimmbarer Laser als Backup für mehrere Laser mit fester Wellenlänge und Laser mit flexibler Quelle fungiert und die Anzahl der Leitungen reduziert Karten erforderlich, um alle verschiedenen Wellenlängen zu unterstützen.
Bei statischen Anwendungen sind die Hauptanforderungen an durchstimmbare Laser Preis, Ausgangsleistung und spektrale Eigenschaften, d. h. Linienbreite und Stabilität sind vergleichbar mit den Lasern mit fester Wellenlänge, die sie ersetzen. Je breiter der Wellenlängenbereich ist, desto besser wird das Leistungs-Preis-Verhältnis, ohne viel schnellere Anpassungsgeschwindigkeit. Gegenwärtig nimmt die Anwendung von DWDM-Systemen mit präzisionsabstimmbaren Lasern immer mehr zu.
Zukünftig werden auch durchstimmbare Laser, die als Backup eingesetzt werden, entsprechende schnelle Geschwindigkeiten erfordern. Wenn ein dichter Wellenlängenmultiplexkanal ausfällt, kann ein einstellbarer Laser automatisch aktiviert werden, um seinen Betrieb wieder aufzunehmen. Um diese Funktion zu erreichen, muss der Laser in 10 Millisekunden oder weniger auf die ausgefallene Wellenlänge abgestimmt und verriegelt werden, um sicherzustellen, dass die gesamte Wiederherstellungszeit weniger als 50 Millisekunden beträgt, die von dem synchronen optischen Netzwerk benötigt werden.
In dynamischen Anwendungen muss sich die Wellenlänge abstimmbarer Laser regelmäßig ändern, um die Flexibilität optischer Netzwerke zu erhöhen. Solche Anwendungen erfordern im Allgemeinen die Bereitstellung dynamischer Wellenlängen, so dass eine Wellenlänge von einem Netzwerksegment hinzugefügt oder vorgeschlagen werden kann, um die erforderliche variierende Kapazität aufzunehmen. Es wurde eine einfache und flexiblere ROADMs-Architektur vorgeschlagen, die auf der Verwendung von sowohl abstimmbaren Lasern als auch abstimmbaren Filtern basiert. Durchstimmbare Laser können dem System bestimmte Wellenlängen hinzufügen, und durchstimmbare Filter können bestimmte Wellenlängen aus dem System herausfiltern. Der durchstimmbare Laser kann auch das Problem der Wellenlängenblockierung bei der optischen Querverbindung lösen. Gegenwärtig verwenden die meisten optischen Querverbindungen eine optisch-elektro-optische Schnittstelle an beiden Enden der Faser, um dieses Problem zu vermeiden. Wird eingangsseitig ein einstellbarer Laser zur Einkopplung von OXC verwendet, kann eine bestimmte Wellenlänge gewählt werden, um sicherzustellen, dass die Lichtwelle den Endpunkt auf freiem Weg erreicht.
Zukünftig können durchstimmbare Laser auch im Wellenlängen-Routing und in der optischen Paketvermittlung eingesetzt werden.
Wellenlängen-Routing bezieht sich auf die Verwendung von abstimmbaren Lasern, um komplexe rein optische Schalter vollständig durch einfache feste Querverbinder zu ersetzen, so dass das Routing-Signal des Netzwerks geändert werden muss. Jeder Wellenlängenkanal ist mit einer eindeutigen Zieladresse verbunden, wodurch eine virtuelle Netzwerkverbindung gebildet wird. Beim Senden von Signalen muss der durchstimmbare Laser seine Frequenz an die entsprechende Frequenz der Zieladresse anpassen.
Optische Paketvermittlung bezieht sich auf die echte optische Paketvermittlung, die Signale durch Wellenlängen-Routing gemäß Datenpaketen überträgt. Um diese Art der Signalübertragung zu erreichen, muss der abstimmbare Laser in der Lage sein, in einer so kurzen Zeit wie einer Nanosekunde umzuschalten, um keine zu lange Zeitverzögerung im Netzwerk zu erzeugen.
Bei diesen Anwendungen können abstimmbare Laser die Wellenlänge in Echtzeit anpassen, um eine Wellenlängenblockierung im Netzwerk zu vermeiden. Daher müssen abstimmbare Laser einen größeren einstellbaren Bereich, eine höhere Ausgangsleistung und eine Reaktionsgeschwindigkeit im Millisekundenbereich aufweisen. Tatsächlich erfordern die meisten dynamischen Anwendungen einen abstimmbaren optischen Multiplexer oder einen optischen 1:N-Schalter, um mit dem Laser zu arbeiten, um sicherzustellen, dass die Laserausgabe durch den entsprechenden Kanal in die optische Faser gelangen kann.
