Az optikai kommunikáció területén a hagyományos fényforrások fix hullámhosszú lézermodulokon alapulnak. Az optikai kommunikációs rendszerek folyamatos fejlesztésével és alkalmazásával fokozatosan feltárulnak a fix hullámhosszú lézerek hátrányai. Egyrészt a DWDM technológia fejlődésével a hullámhosszak száma a rendszerben elérte a százakat. Védelem esetén minden lézer biztonsági mentését azonos hullámhosszon kell elkészíteni. A lézerellátás a tartalék lézerek számának és a költségek növekedéséhez vezet; másrészt, mivel a fix lézereknek meg kell különböztetni a hullámhosszt, a lézerek típusa a hullámhosszszám növekedésével növekszik, ami bonyolultabbá teszi a kezelési komplexitást és a készletszintet; másrészt, ha támogatni akarjuk a dinamikus hullámhossz-allokációt az optikai hálózatokban és javítani akarjuk a hálózat rugalmasságát, nagyszámú különböző hullámot kell felszerelnünk. Hosszú fix lézer, de az egyes lézerek kihasználtsága nagyon alacsony, ami erőforrások pazarlását eredményezi. E hiányosságok kiküszöbölésére a félvezető és a kapcsolódó technológiák fejlődésével sikeresen hangolható lézereket fejlesztettek ki, azaz egy adott sávszélességen belül különböző hullámhosszakat vezérelnek ugyanazon a lézermodulon, és ezek a hullámhossz értékek és távolságok megfelelnek az ITU-T követelményeinek.
A következő generációs optikai hálózatok esetében a hangolható lézerek a kulcstényezők az intelligens optikai hálózat megvalósításához, amely nagyobb rugalmasságot, nagyobb hullámhossz-ellátási sebességet és végső soron alacsonyabb költségeket biztosít az üzemeltetőknek. A jövőben a nagy távolságú optikai hálózatok a hullámhosszú dinamikus rendszerek világa lesznek. Ezek a hálózatok nagyon rövid idő alatt új hullámhossz hozzárendelést tudnak elérni. Az ultra-nagy távolságú átviteli technológia alkalmazása miatt nincs szükség regenerátor használatára, ami sok pénzt takarít meg. A hangolható lézerek várhatóan új eszközöket biztosítanak a jövőbeli kommunikációs hálózatok számára a hullámhossz kezeléséhez, a hálózat hatékonyságának javításához és a következő generációs optikai hálózatok fejlesztéséhez. Az egyik legvonzóbb alkalmazás az újrakonfigurálható optikai add-drop multiplexer (ROADM). Megjelennek a dinamikusan átkonfigurálható hálózati rendszerek a hálózati piacon, és egyre nagyobb szükség lesz a nagy állítható hatótávolságú hangolható lézerekre.
Háromféle szabályozási technológia létezik a hangolható lézerekhez: a jelenlegi szabályozási technológia, a hőmérséklet-szabályozási technológia és a mechanikus vezérlési technológia. Ezek közül az elektronikusan vezérelt technológia hullámhossz hangolást valósít meg a befecskendező áram megváltoztatásával. Ns szintű hangolási sebességgel és széles hangolási sávszélességgel rendelkezik, de a kimeneti teljesítménye kicsi. A főbb elektronikus vezérlésű technológiák az SG-DBR (Sampling Grating DBR) és GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) lézerek. A hőmérséklet-szabályozási technológia megváltoztatja a lézer kimeneti hullámhosszát a lézer aktív tartományának törésmutatójának megváltoztatásával. A technológia egyszerű, de lassú, szűk, állítható sávszélesség, mindössze néhány nanométer. A hőmérsékletszabályozáson alapuló fő technológiák a DFB (Distributed Feedback) és a DBR (Distributed Bragg Reflection) lézerek. A mechanikus vezérlés főként a mikro-elektro-mechanikus rendszer (MEMS) technológiáján alapul, hogy teljes legyen a hullámhossz-választás, nagyobb állítható sávszélességgel és nagyobb kimeneti teljesítménnyel. A mechanikus vezérlési technológián alapuló fő szerkezetek a DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) és VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Az alábbiakban ismertetjük a hangolható lézerek elvét ezekből a szempontokból. Ezek közül kiemelik a jelenlegi hangolható technológiát, amely a legnépszerűbb.
A hőmérséklet-alapú szabályozási technológiát főként a DFB szerkezetében használják, alapelve a lézerüreg hőmérsékletének beállítása, hogy különböző hullámhosszúságot tudjon kibocsátani. Az ezen az elven alapuló állítható lézer hullámhossz-beállítása az InGaAsP DFB lézer egy bizonyos hőmérsékleti tartományban történő változásának szabályozásával valósul meg. Az eszköz egy beépített hullámrögzítő eszközből áll (egy szabványos mérőműszerből és egy felügyeleti detektorból), amely a CW lézerkimenetet az ITU hálózatra rögzíti 50 GHz-es időközönként. Általában két különálló TEC van a készülékben. Az egyik a lézerchip hullámhosszának szabályozása, a másik pedig annak biztosítása, hogy a készülékben lévő zár és teljesítményérzékelő állandó hőmérsékleten működjön.
Ezeknek a lézereknek a legnagyobb előnye, hogy teljesítményük hasonló a fix hullámhosszú lézerekhez. Jellemzőik a nagy kimeneti teljesítmény, a jó hullámhossz-stabilitás, az egyszerű működés, az alacsony költség és a kiforrott technológia. Van azonban két fő hátránya: az egyik, hogy egyetlen készülék hangolási szélessége szűk, általában csak néhány nanométer; a másik, hogy a hangolási idő hosszú, amihez általában több másodperces hangolási stabilitási idő kell.
A mechanikus vezérlési technológiát általában MEMS segítségével valósítják meg. A mechanikus vezérlési technológián alapuló hangolható lézer MEMs-DFB struktúrát alkalmaz.
A hangolható lézerek közé tartoznak a DFB lézertömbök, dönthető EMS lencsék és egyéb vezérlő- és kiegészítő alkatrészek.
A DFB lézertömb területén több DFB lézertömb található, amelyek mindegyike egy adott hullámhosszt képes előállítani körülbelül 1,0 nm sávszélességgel és 25 Ghz-es térközzel. A MEMs lencsék elforgatási szögének szabályozásával kiválasztható a kívánt fajlagos hullámhossz a kívánt specifikus hullámhosszú fény kibocsátásához.
DFB lézertömb
Egy másik, VCSEL szerkezeten alapuló hangolható lézer optikailag pumpált, függőleges üreges felületkibocsátó lézereken alapul. A félszimmetrikus üreges technológiát a folyamatos hullámhossz-hangolás elérésére használják MEMS segítségével. Egy félvezető lézerből és egy függőleges lézererősítő rezonátorból áll, amely fényt bocsát ki a felületre. A rezonátor egyik végén mozgatható reflektor található, amely megváltoztathatja a rezonátor hosszát és a lézer hullámhosszát. A VCSEL fő előnye, hogy tiszta és folyamatos nyalábokat tud kibocsátani, valamint egyszerűen és hatékonyan csatlakoztatható optikai szálakhoz. Ráadásul a költség alacsony, mert tulajdonságai az ostyán mérhetők. A VCSEL fő hátránya az alacsony kimeneti teljesítmény, a nem megfelelő beállítási sebesség és a kiegészítő mobil reflektor. Ha optikai szivattyút adnak hozzá a kimeneti teljesítmény növelése érdekében, akkor az általános összetettség, valamint a lézer energiafogyasztása és költsége nő. Az ezen az elven alapuló hangolható lézer fő hátránya, hogy a hangolási idő viszonylag lassú, ami általában több másodperces hangolás-stabilizációs időt igényel.
2.3 Jelenlegi vezérlési technológia
A DFB-vel ellentétben a hangolható DBR lézerekben a hullámhosszt úgy változtatják meg, hogy a gerjesztő áramot a rezonátor különböző részeire irányítják. Az ilyen lézereknek legalább négy részük van: általában két Bragg-rács, egy erősítő modul és egy fázismodul finom hullámhossz hangolással. Az ilyen típusú lézereknél sok Bragg-rács lesz mindkét végén. Más szóval, egy bizonyos rácsmagasság után van egy rés, majd van egy másik rácsmagasság, aztán van egy rés, és így tovább. Ez fésűszerű reflexiós spektrumot eredményez. A lézer mindkét végén lévő Bragg-rácsok különböző fésűszerű reflexiós spektrumokat generálnak. Amikor a fény oda-vissza verődik köztük, két különböző reflexiós spektrum szuperpozíciója szélesebb hullámhossz-tartományt eredményez. Az ebben a technológiában használt gerjesztő áramkör meglehetősen bonyolult, de beállítási sebessége nagyon gyors. Tehát az áramszabályozási technológián alapuló általános elv az FBG és a fázisvezérlő rész áramának megváltoztatása a hangolható lézer különböző pozícióiban, így az FBG relatív törésmutatója megváltozik, és különböző spektrumok jönnek létre. Az FBG által a különböző régiókban előállított különböző spektrumok egymásra helyezésével kiválasztható a fajlagos hullámhossz, így létrejön a kívánt fajlagos hullámhossz. Lézer.
A jelenlegi vezérlési technológián alapuló hangolható lézer SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) struktúrát alkalmaz.
A lézerrezonátor elülső és hátsó végén található két reflektor saját reflexiós csúcsokkal rendelkezik. Ennek a két reflexiós csúcsnak az áram befecskendezésével történő beállításával a lézer különböző hullámhosszakat tud kibocsátani.
A lézerrezonátor oldalán található két reflektornak több reflexiós csúcsa van. Amikor az MGYL lézer működik, az injektáló áram hangolja őket. A két visszavert fényt egy 1*2-es kombináló/elosztó rakja egymásra. Az előlap visszaverő képességének optimalizálása lehetővé teszi a lézer számára, hogy a teljes hangolási tartományban nagy teljesítményt érjen el.
3. Iparági állapot
A hangolható lézerek élen járnak az optikai kommunikációs eszközök területén, és a világon csak néhány nagy optikai kommunikációs cég tudja ezt a terméket biztosítani. Az olyan reprezentatív cégek, mint a MEMS mechanikus hangolásán alapuló SANTUR, a JDSU, az Oclaro, az Ignis, az SGBDR áramszabályozáson alapuló AOC stb., szintén azon kevés optikai eszközök közé tartoznak, amelyeket a kínai beszállítók megfogtak. A Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. alapvető előnyöket ért el a hangolható lézerek csúcskategóriás csomagolásában. Ez az egyetlen olyan vállalat Kínában, amely tételesen tud hangolható lézereket gyártani. Európába és az Egyesült Államokba szállították. A gyártók szállítják.
A JDSU az InP monolitikus integráció technológiáját használja a lézerek és modulátorok egyetlen platformba történő integrálására, hogy elindítson egy kis méretű XFP modult állítható lézerekkel. A hangolható lézerek piacának bővülésével a termék technológiai fejlesztésének kulcsa a miniatürizálás és az alacsony költség. A jövőben egyre több gyártó vezet be XFP-be csomagolt, állítható hullámhosszú modulokat.
A következő öt évben a hangolható lézerek forró pontok lesznek. A piac éves kompozit növekedési üteme (CAGR) 2012-ben eléri a 37%-ot, mértéke pedig eléri az 1,2 milliárd dollárt, míg az egyéb fontos alkatrészek piacának éves kompozit növekedési üteme ugyanebben az időszakban a fix hullámhosszú lézereknél 24%. , 28% az érzékelők és vevők, és 35% a külső modulátorok esetében. 2012-ben a hangolható lézerek, fix hullámhosszú lézerek és az optikai hálózatokhoz használt fotodetektorok piaca összesen 8 milliárd dollár lesz.
4. Hangolható lézer specifikus alkalmazása az optikai kommunikációban
A hangolható lézerek hálózati alkalmazásai két részre oszthatók: statikus alkalmazásokra és dinamikus alkalmazásokra.
Statikus alkalmazásokban a hangolható lézer hullámhosszát a használat során állítják be, és az idővel nem változik. A legelterjedtebb statikus alkalmazás a forráslézerek helyettesítése, azaz a sűrű hullámhossz-osztásos multiplexelés (DWDM) átviteli rendszerekben, ahol a hangolható lézer több fix hullámhosszú lézer és rugalmas forrású lézer tartalékaként működik, csökkentve a vonalak számát. minden különböző hullámhossz támogatásához szükséges kártyák.
A statikus alkalmazásokban a hangolható lézerekkel szemben támasztott fő követelmények az ár, a kimeneti teljesítmény és a spektrális jellemzők, vagyis a vonalszélesség és a stabilitás összehasonlítható az általa helyettesített fix hullámhosszú lézerekkel. Minél szélesebb a hullámhossz-tartomány, annál jobb lesz a teljesítmény-ár arány, sokkal nagyobb beállítási sebesség nélkül. Jelenleg a DWDM rendszer alkalmazása precíziós hangolható lézerrel egyre inkább terjed.
A jövőben a biztonsági mentésként használt hangolható lézerekhez is nagy, megfelelő sebességre lesz szükség. Ha egy sűrű hullámhossz-osztásos multiplexelési csatorna meghibásodik, egy állítható lézer automatikusan engedélyezhető a működés folytatásához. Ennek a funkciónak az eléréséhez a lézert 10 ezredmásodperc vagy annál rövidebb idő alatt be kell hangolni és rögzíteni a meghibásodott hullámhosszon, hogy a teljes helyreállítási idő kevesebb legyen, mint a szinkron optikai hálózat által igényelt 50 ezredmásodperc.
A dinamikus alkalmazásokban a hangolható lézerek hullámhosszának rendszeresen változnia kell az optikai hálózatok rugalmasságának növelése érdekében. Az ilyen alkalmazások általában megkövetelik a dinamikus hullámhosszok biztosítását annak érdekében, hogy egy hullámhossz hozzáadható vagy javasolt egy hálózati szegmensből a szükséges változó kapacitáshoz. Egy egyszerű és rugalmasabb ROADM architektúrát javasoltak, amely hangolható lézerek és hangolható szűrők használatán alapul. A hangolható lézerek bizonyos hullámhosszokat adhatnak a rendszerhez, a hangolható szűrők pedig kiszűrhetnek bizonyos hullámhosszakat a rendszerből. A hangolható lézer az optikai keresztkapcsolatok hullámhossz-blokkolásának problémáját is megoldhatja. Jelenleg a legtöbb optikai keresztkötés optikai-elektro-optikai interfészt használ a szál mindkét végén, hogy elkerülje ezt a problémát. Ha állítható lézert használnak az OXC bevitelére a bemeneti oldalon, akkor egy bizonyos hullámhossz kiválasztható annak biztosítására, hogy a fényhullám szabad úton érje el a végpontot.
A jövőben a hangolható lézereket a hullámhossz-útválasztásban és az optikai csomagkapcsolásban is felhasználhatják.
A hullámhossz-útválasztás a hangolható lézerek használatát jelenti, hogy a bonyolult, teljesen optikai kapcsolókat teljesen helyettesítsék egyszerű rögzített keresztcsatlakozókkal, így a hálózat útválasztó jelét meg kell változtatni. Minden hullámhosszú csatorna egyedi célcímhez kapcsolódik, így hálózati virtuális kapcsolatot hoz létre. A jelek továbbításakor a hangolható lézernek a frekvenciáját a célcím megfelelő frekvenciájához kell igazítania.
Az optikai csomagkapcsolás a valódi optikai csomagváltásra utal, amely hullámhossz-útválasztással továbbítja a jeleket adatcsomagok szerint. Ennek a jelátviteli módnak az eléréséhez a hangolható lézernek olyan rövid idő alatt, akár nanoszekundum alatt kell tudnia kapcsolni, hogy ne generáljon túl hosszú időkésleltetést a hálózatban.
Ezekben az alkalmazásokban a hangolható lézerek valós időben tudják beállítani a hullámhosszt, hogy elkerüljék a hullámhossz blokkolását a hálózatban. Ezért a hangolható lézereknek nagyobb beállítható tartománnyal, nagyobb kimeneti teljesítménnyel és ezredmásodperces reakciósebességgel kell rendelkezniük. Valójában a legtöbb dinamikus alkalmazáshoz hangolható optikai multiplexerre vagy 1:N optikai kapcsolóra van szükség ahhoz, hogy a lézerrel működjön, hogy a lézerkimenet a megfelelő csatornán keresztül bejusson az optikai szálba.
