V oblasti optickej komunikácie sú tradičné svetelné zdroje založené na laserových moduloch s pevnou vlnovou dĺžkou. S neustálym vývojom a aplikáciou optických komunikačných systémov sa postupne odhaľujú nevýhody laserov s pevnou vlnovou dĺžkou. Na jednej strane s rozvojom technológie DWDM dosiahol počet vlnových dĺžok v systéme stovky. V prípade ochrany musí byť záloha každého lasera vykonaná rovnakou vlnovou dĺžkou. Dodávka lasera vedie k zvýšeniu počtu záložných laserov a zvýšeniu nákladov; na druhej strane, pretože fixné lasery potrebujú rozlišovať vlnovú dĺžku, typ laserov sa zvyšuje so zvyšujúcim sa číslom vlnovej dĺžky, čo robí zložitosť riadenia a úroveň zásob zložitejšou; na druhej strane, ak chceme podporiť dynamické prideľovanie vlnových dĺžok v optických sieťach a zlepšiť flexibilitu siete, musíme vybaviť veľké množstvo rôznych vĺn. Dlhý fixný laser, ale miera využitia každého lasera je veľmi nízka, čo vedie k plytvaniu zdrojmi. Na prekonanie týchto nedostatkov sa s rozvojom polovodičových a príbuzných technológií úspešne vyvinuli laditeľné lasery, t. j. rozdielna vlnová dĺžka v rámci určitej šírky pásma je riadená na tom istom laserovom module a tieto hodnoty vlnových dĺžok a rozostupy spĺňajú požiadavky ITU-T.
Pre optickú sieť ďalšej generácie sú laditeľné lasery kľúčovým faktorom na realizáciu inteligentnej optickej siete, ktorá môže operátorom poskytnúť väčšiu flexibilitu, vyššiu rýchlosť dodávky vlnovej dĺžky a v konečnom dôsledku nižšie náklady. V budúcnosti budú diaľkové optické siete svetom dynamických systémov s vlnovou dĺžkou. Tieto siete môžu dosiahnuť nové priradenie vlnových dĺžok vo veľmi krátkom čase. Vďaka použitiu technológie prenosu na ultra dlhé vzdialenosti nie je potrebné používať regenerátor, čo šetrí veľa peňazí. Očakáva sa, že laditeľné lasery poskytnú nové nástroje pre budúce komunikačné siete na riadenie vlnovej dĺžky, zlepšenie efektívnosti siete a vývoj optických sietí novej generácie. Jednou z najatraktívnejších aplikácií je rekonfigurovateľný optický add-drop multiplexer (ROADM). Na sieťovom trhu sa objavia dynamické rekonfigurovateľné sieťové systémy a viac budú potrebné laditeľné lasery s veľkým nastaviteľným rozsahom.
Existujú tri druhy riadiacich technológií pre laditeľné lasery: súčasná riadiaca technológia, technológia riadenia teploty a technológia mechanického riadenia. Medzi nimi elektronicky riadená technológia realizuje ladenie vlnovej dĺžky zmenou vstrekovacieho prúdu. Má rýchlosť ladenia na úrovni ns a širokú šírku pásma ladenia, ale jeho výstupný výkon je malý. Hlavnými elektronicky riadenými technológiami sú lasery SG-DBR (Sampling Griting DBR) a GCSR (Assisted Griting Directional Coupled Back Sampling Reflection). Technológia regulácie teploty mení výstupnú vlnovú dĺžku lasera zmenou indexu lomu aktívnej oblasti lasera. Technológia je jednoduchá, ale pomalá, úzka nastaviteľná šírka pásma, iba niekoľko nanometrov. Lasery DFB (Distributed Feedback) a DBR (Distributed Bragg Reflection) sú hlavnými technológiami založenými na regulácii teploty. Mechanické ovládanie je založené hlavne na technológii mikro-elektro-mechanického systému (MEMS) na dokončenie výberu vlnovej dĺžky s väčšou nastaviteľnou šírkou pásma a vyšším výstupným výkonom. Hlavné štruktúry založené na technológii mechanického riadenia sú DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Princíp laditeľných laserov z týchto aspektov bude vysvetlený nižšie. Medzi nimi je zdôraznená súčasná laditeľná technológia, ktorá je najpopulárnejšia.
Technológia riadenia založená na teplote sa používa hlavne v štruktúre DFB, jej princípom je nastavenie teploty laserovej dutiny tak, aby mohla vyžarovať rôzne vlnové dĺžky. Nastavenie vlnovej dĺžky nastaviteľného lasera na tomto princípe sa realizuje riadením variácie InGaAsP DFB lasera pracujúceho v určitom teplotnom rozsahu. Zariadenie pozostáva zo vstavaného zariadenia na blokovanie vlny (štandardné meradlo a monitorovací detektor) na uzamknutie výstupu CW lasera do siete ITU v intervale 50 GHz. Vo všeobecnosti sú v zariadení zapuzdrené dve samostatné TEC. Jedným z nich je riadenie vlnovej dĺžky laserového čipu a druhým je zabezpečiť, aby zámok a detektor výkonu v zariadení pracovali pri konštantnej teplote.
Najväčšou výhodou týchto laserov je, že ich výkon je podobný ako pri laseroch s pevnou vlnovou dĺžkou. Majú vlastnosti vysokého výstupného výkonu, dobrej stability vlnovej dĺžky, jednoduchého ovládania, nízkej ceny a vyspelej technológie. Existujú však dve hlavné nevýhody: jednou je, že šírka ladenia jedného zariadenia je úzka, zvyčajne len niekoľko nanometrov; druhým je, že čas ladenia je dlhý, čo zvyčajne vyžaduje niekoľko sekúnd času stability ladenia.
Technológia mechanického riadenia sa vo všeobecnosti realizuje pomocou MEMS. Laditeľný laser založený na technológii mechanického riadenia využíva štruktúru MEMs-DFB.
Laditeľné lasery zahŕňajú DFB laserové polia, sklopné šošovky EMS a ďalšie ovládacie a pomocné časti.
V oblasti laserového poľa DFB je niekoľko laserových polí DFB, z ktorých každé môže produkovať špecifickú vlnovú dĺžku so šírkou pásma približne 1,0 nm a rozostupom 25 GHz. Ovládaním uhla natočenia šošoviek MEM je možné zvoliť požadovanú špecifickú vlnovú dĺžku na výstup požadovanej špecifickej vlnovej dĺžky svetla.
DFB laserové pole
Ďalší laditeľný laser založený na štruktúre VCSEL je navrhnutý na základe opticky čerpaných laserov vyžarujúcich povrch s vertikálnou dutinou. Technológia polosymetrickej dutiny sa používa na dosiahnutie kontinuálneho ladenia vlnovej dĺžky pomocou MEMS. Pozostáva z polovodičového lasera a vertikálneho rezonátora so ziskom lasera, ktorý môže vyžarovať svetlo na povrch. Na jednom konci rezonátora je pohyblivý reflektor, ktorý môže meniť dĺžku rezonátora a vlnovú dĺžku lasera. Hlavnou výhodou VCSEL je, že môže vydávať čisté a kontinuálne lúče a môže byť jednoducho a efektívne spojený s optickými vláknami. Okrem toho sú náklady nízke, pretože jeho vlastnosti možno merať na plátku. Hlavnou nevýhodou VCSEL je nízky výstupný výkon, nedostatočná rýchlosť nastavenia a prídavný mobilný reflektor. Ak sa na zvýšenie výstupného výkonu pridá optická pumpa, zvýši sa celková zložitosť a zvýši sa spotreba energie a náklady na laser. Hlavnou nevýhodou laditeľného lasera založeného na tomto princípe je, že čas ladenia je relatívne pomalý, čo zvyčajne vyžaduje niekoľko sekúnd stabilizačného času ladenia.
2.3 Technológia riadenia prúdu
Na rozdiel od DFB sa v laditeľných DBR laseroch vlnová dĺžka mení nasmerovaním budiaceho prúdu do rôznych častí rezonátora. Takéto lasery majú najmenej štyri časti: zvyčajne dve Braggove mriežky, zosilňovací modul a fázový modul s jemným doladením vlnovej dĺžky. Pre tento typ lasera bude na každom konci veľa Braggových mriežok. Inými slovami, po určitom sklone mriežky je medzera, potom je iná výška mriežky, potom je medzera atď. To vytvára hrebeňové reflexné spektrum. Braggove mriežky na oboch koncoch lasera generujú rôzne hrebeňové spektrá odrazivosti. Keď sa svetlo odráža tam a späť medzi nimi, superpozícia dvoch rôznych reflexných spektier vedie k širšiemu rozsahu vlnových dĺžok. Budiaci obvod použitý v tejto technológii je pomerne zložitý, ale rýchlosť jeho nastavenia je veľmi rýchla. Všeobecným princípom založeným na súčasnej riadiacej technológii je teda zmena prúdu FBG a časti fázového riadenia v rôznych polohách laditeľného lasera tak, aby sa relatívny index lomu FBG zmenil a vytvorili sa rôzne spektrá. Superponovaním rôznych spektier produkovaných FBG v rôznych oblastiach sa vyberie špecifická vlnová dĺžka, takže sa vytvorí požadovaná špecifická vlnová dĺžka. laser.
Laditeľný laser založený na súčasnej riadiacej technológii využíva štruktúru SGDBR (Sampled Griting Distributed Bragg Reflector).
Dva reflektory na prednom a zadnom konci laserového rezonátora majú svoje vlastné reflexné vrcholy. Nastavením týchto dvoch vrcholov odrazu vstreknutím prúdu môže laser vydávať rôzne vlnové dĺžky.
Dva reflektory na strane laserového rezonátora majú viacero odrazových vrcholov. Keď MGYL laser funguje, vstrekovací prúd ich vyladí. Dve odrazené svetlá sú superponované 1*2 zlučovačom/rozdeľovačom. Optimalizácia odrazivosti prednej časti umožňuje laseru dosahovať vysoký výkon v celom rozsahu ladenia.
3. Stav odvetvia
Laditeľné lasery sú na špici v oblasti optických komunikačných zariadení a tento produkt vie poskytnúť len niekoľko veľkých spoločností v oblasti optickej komunikácie na svete. Reprezentatívne spoločnosti ako SANTUR založené na mechanickom ladení MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC na základe aktuálnej regulácie SGBDR atď., sú tiež jednou z mála oblastí optických zariadení, ktoré si čínski dodávatelia ohmatali. Spoločnosť Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. dosiahla hlavné výhody v špičkovom balení laditeľných laserov. Je to jediný podnik v Číne, ktorý môže vyrábať laditeľné lasery v dávkach. Dorazilo do Európy a Spojených štátov. Výrobcovia dodávajú.
JDSU využíva technológiu monolitickej integrácie InP na integráciu laserov a modulátorov do jednej platformy na spustenie malého modulu XFP s nastaviteľnými lasermi. S expanziou trhu s laditeľnými lasermi je kľúčom k technologickému rozvoju tohto produktu miniaturizácia a nízke náklady. V budúcnosti bude stále viac výrobcov uvádzať moduly s nastaviteľnou vlnovou dĺžkou zabalené do XFP.
V nasledujúcich piatich rokoch budú laditeľné lasery horúcim miestom. Ročná zložená miera rastu trhu (CAGR) dosiahne 37 % a jeho rozsah dosiahne v roku 2012 1,2 miliardy amerických dolárov, zatiaľ čo ročná zložená miera rastu na trhu iných dôležitých komponentov v rovnakom období je 24 % pre lasery s pevnou vlnovou dĺžkou. , 28 % pre detektory a prijímače a 35 % pre externé modulátory. V roku 2012 bude trh s laditeľnými lasermi, lasermi s pevnou vlnovou dĺžkou a fotodetektormi pre optické siete celkovo 8 miliárd USD.
4. Špecifická aplikácia laditeľného lasera v optickej komunikácii
Sieťové aplikácie laditeľných laserov možno rozdeliť na dve časti: statické aplikácie a dynamické aplikácie.
V statických aplikáciách sa vlnová dĺžka laditeľného lasera nastavuje počas používania a časom sa nemení. Najbežnejšia statická aplikácia je ako náhrada zdrojových laserov, teda v prenosových systémoch s hustým delením vlnovej dĺžky (DWDM), kde laditeľný laser funguje ako záloha pre viaceré lasery s pevnou vlnovou dĺžkou a lasery s flexibilným zdrojom, čím sa znižuje počet riadkov. karty potrebné na podporu všetkých rôznych vlnových dĺžok.
V statických aplikáciách sú hlavnými požiadavkami na laditeľné lasery cena, výstupný výkon a spektrálne charakteristiky, to znamená, že šírka čiary a stabilita sú porovnateľné s lasermi s pevnou vlnovou dĺžkou, ktoré nahrádza. Čím širší je rozsah vlnových dĺžok, tým lepší bude pomer výkonu a ceny bez oveľa vyššej rýchlosti nastavenia. V súčasnosti sa čoraz viac využíva systém DWDM s presným laditeľným laserom.
V budúcnosti budú laditeľné lasery používané ako zálohy tiež vyžadovať rýchle zodpovedajúce rýchlosti. Keď zlyhá kanál multiplexovania s hustou vlnovou dĺžkou, môže sa automaticky aktivovať nastaviteľný laser, aby sa obnovila jeho činnosť. Na dosiahnutie tejto funkcie musí byť laser vyladený a uzamknutý na chybnej vlnovej dĺžke do 10 milisekúnd alebo menej, aby sa zabezpečilo, že celý čas obnovy bude kratší ako 50 milisekúnd, ktoré vyžaduje synchrónna optická sieť.
V dynamických aplikáciách sa vyžaduje, aby sa vlnová dĺžka laditeľných laserov pravidelne menila, aby sa zvýšila flexibilita optických sietí. Takéto aplikácie vo všeobecnosti vyžadujú poskytnutie dynamických vlnových dĺžok, aby sa vlnová dĺžka mohla pridať alebo navrhnúť zo segmentu siete na prispôsobenie sa požadovanej premenlivej kapacite. Bola navrhnutá jednoduchá a flexibilnejšia architektúra ROADM, ktorá je založená na použití laditeľných laserov a laditeľných filtrov. Laditeľné lasery môžu do systému pridať určité vlnové dĺžky a laditeľné filtre môžu zo systému odfiltrovať určité vlnové dĺžky. Laditeľný laser môže tiež vyriešiť problém blokovania vlnovej dĺžky v optickom prepojení. V súčasnosti väčšina optických krížových prepojení používa opticko-elektro-optické rozhranie na oboch koncoch vlákna, aby sa predišlo tomuto problému. Ak sa na vstup OXC na vstupnom konci použije nastaviteľný laser, je možné zvoliť určitú vlnovú dĺžku, aby sa zabezpečilo, že svetelná vlna dosiahne koncový bod v čistej dráhe.
V budúcnosti môžu byť laditeľné lasery použité aj pri smerovaní vlnových dĺžok a prepínaní optických paketov.
Smerovanie vlnovej dĺžky sa vzťahuje na použitie laditeľných laserov na úplné nahradenie zložitých celooptických prepínačov jednoduchými pevnými krížovými konektormi, takže je potrebné zmeniť smerovací signál siete. Každý kanál vlnovej dĺžky je pripojený k jedinečnej cieľovej adrese, čím sa vytvára sieťové virtuálne spojenie. Pri prenose signálov musí laditeľný laser prispôsobiť svoju frekvenciu zodpovedajúcej frekvencii cieľovej adresy.
Optické prepínanie paketov sa vzťahuje na skutočné optické prepínanie paketov, ktoré prenáša signály smerovaním vlnovej dĺžky podľa dátových paketov. Aby sa dosiahol tento spôsob prenosu signálu, laditeľný laser musí byť schopný prepnúť sa v tak krátkom čase, ako je nanosekunda, aby negeneroval príliš veľké časové oneskorenie v sieti.
V týchto aplikáciách môžu laditeľné lasery upravovať vlnovú dĺžku v reálnom čase, aby sa zabránilo blokovaniu vlnovej dĺžky v sieti. Laditeľné lasery preto musia mať väčší nastaviteľný rozsah, vyšší výstupný výkon a milisekundovú rýchlosť reakcie. V skutočnosti väčšina dynamických aplikácií vyžaduje laditeľný optický multiplexer alebo optický prepínač 1:N na prácu s laserom, aby sa zabezpečilo, že výstup lasera môže prechádzať cez príslušný kanál do optického vlákna.
