1. Panoramica
Nel campo della comunicazione ottica, le sorgenti luminose tradizionali si basano su moduli laser a lunghezza d'onda fissa. Con lo sviluppo e l'applicazione continui dei sistemi di comunicazione ottica, vengono gradualmente rivelati gli svantaggi dei laser a lunghezza d'onda fissa. Da un lato, con lo sviluppo della tecnologia DWDM, il numero di lunghezze d'onda nel sistema ha raggiunto le centinaia. In caso di protezione, il backup di ciascun laser deve essere effettuato della stessa lunghezza d'onda. La fornitura di laser comporta un aumento del numero di laser di backup e dei costi; d'altra parte, poiché i laser fissi devono distinguere la lunghezza d'onda, la tipologia di laser aumenta all'aumentare del numero di lunghezza d'onda, il che rende più complessa la complessità di gestione e il livello di inventario; d'altra parte, se vogliamo supportare l'allocazione dinamica della lunghezza d'onda nelle reti ottiche e migliorare la flessibilità della rete, dobbiamo equipaggiare un gran numero di onde diverse. Laser fisso lungo, ma il tasso di utilizzo di ciascun laser è molto basso, con conseguente spreco di risorse. Per superare queste carenze, con lo sviluppo di semiconduttori e tecnologie correlate, sono stati sviluppati con successo laser sintonizzabili, ovvero diverse lunghezze d'onda all'interno di una determinata larghezza di banda sono controllate sullo stesso modulo laser e questi valori di lunghezza d'onda e spaziatura soddisfano i requisiti di ITU-T.
Per la rete ottica di prossima generazione, i laser sintonizzabili sono il fattore chiave per realizzare una rete ottica intelligente, in grado di fornire agli operatori una maggiore flessibilità, una maggiore velocità di fornitura della lunghezza d'onda e, in definitiva, costi inferiori. In futuro, le reti ottiche a lunga distanza saranno il mondo dei sistemi dinamici di lunghezza d'onda. Queste reti possono ottenere una nuova assegnazione di lunghezza d'onda in brevissimo tempo. A causa dell'uso della tecnologia di trasmissione a lunga distanza, non è necessario utilizzare il rigeneratore, il che consente di risparmiare un sacco di soldi. Si prevede che i laser sintonizzabili forniranno nuovi strumenti per le future reti di comunicazione per gestire la lunghezza d'onda, migliorare l'efficienza della rete e sviluppare reti ottiche di prossima generazione. Una delle applicazioni più interessanti è il multiplexer ottico add-drop (ROADM) riconfigurabile. I sistemi di rete riconfigurabili dinamici appariranno nel mercato delle reti e saranno richiesti di più laser sintonizzabili con un'ampia gamma regolabile.
2. Principi e caratteristiche tecniche
Esistono tre tipi di tecnologie di controllo per i laser sintonizzabili: tecnologia di controllo corrente, tecnologia di controllo della temperatura e tecnologia di controllo meccanico. Tra questi, la tecnologia a controllo elettronico realizza la regolazione della lunghezza d'onda modificando la corrente di iniezione. Ha una velocità di sintonizzazione di livello ns e un'ampia larghezza di banda di sintonizzazione, ma la sua potenza di uscita è piccola. Le principali tecnologie controllate elettronicamente sono i laser SG-DBR (Sampling Grating DBR) e GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). La tecnologia di controllo della temperatura cambia la lunghezza d'onda di uscita del laser modificando l'indice di rifrazione della regione attiva del laser. La tecnologia è semplice, ma lenta, larghezza di banda regolabile stretta, solo pochi nanometri. I laser DFB (Distributed Feedback) e DBR (Distributed Bragg Reflection) sono le principali tecnologie basate sul controllo della temperatura. Il controllo meccanico si basa principalmente sulla tecnologia del sistema microelettromeccanico (MEMS) per completare la selezione della lunghezza d'onda, con una maggiore larghezza di banda regolabile e una maggiore potenza di uscita. Le principali strutture basate sulla tecnologia di controllo meccanico sono DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) e VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Il principio dei laser sintonizzabili da questi aspetti sarà spiegato di seguito. Tra questi, viene sottolineata l'attuale tecnologia sintonizzabile, che è la più popolare.
2.1 Tecnologia di controllo della temperatura
La tecnologia di controllo basata sulla temperatura viene utilizzata principalmente nella struttura DFB, il suo principio è quello di regolare la temperatura della cavità laser, in modo che possa emettere lunghezze d'onda diverse. La regolazione della lunghezza d'onda di un laser regolabile in base a questo principio si realizza controllando la variazione del laser InGaAsP DFB che lavora in un determinato intervallo di temperatura. Il dispositivo è costituito da un dispositivo di blocco delle onde integrato (un misuratore standard e un rilevatore di monitoraggio) per bloccare l'uscita del laser CW sulla griglia ITU a un intervallo di 50 GHz. In generale, nel dispositivo sono incapsulati due TEC separati. Uno è controllare la lunghezza d'onda del chip laser e l'altro è garantire che il blocco e il rilevatore di alimentazione nel dispositivo funzionino a temperatura costante.
Il più grande vantaggio di questi laser è che le loro prestazioni sono simili a quelle dei laser a lunghezza d'onda fissa. Hanno le caratteristiche di elevata potenza di uscita, buona stabilità della lunghezza d'onda, funzionamento semplice, basso costo e tecnologia matura. Tuttavia, ci sono due svantaggi principali: uno è che la larghezza di sintonia di un singolo dispositivo è stretta, di solito solo pochi nanometri; l'altro è che il tempo di sintonizzazione è lungo, che di solito richiede diversi secondi di tempo di stabilità dell'accordatura.
2.2 Tecnologia di controllo meccanico
La tecnologia di controllo meccanico è generalmente implementata utilizzando MEMS. Un laser sintonizzabile basato sulla tecnologia di controllo meccanico adotta la struttura MEMs-DFB.
I laser sintonizzabili includono array laser DFB, obiettivi EMS inclinabili e altre parti di controllo e ausiliarie.
Esistono diversi array laser DFB nell'area dell'array laser DFB, ognuno dei quali può produrre una lunghezza d'onda specifica con una larghezza di banda di circa 1,0 nm e una spaziatura di 25 Ghz. Controllando l'angolo di rotazione delle lenti MEM, è possibile selezionare la lunghezza d'onda specifica richiesta per emettere la lunghezza d'onda specifica richiesta della luce.
Matrice laser DFB
Un altro laser sintonizzabile basato sulla struttura VCSEL è progettato sulla base di laser a emissione superficiale a cavità verticale pompati otticamente. La tecnologia della cavità semisimmetrica viene utilizzata per ottenere la sintonizzazione continua della lunghezza d'onda utilizzando i MEMS. È costituito da un laser a semiconduttore e da un risonatore a guadagno laser verticale che può emettere luce sulla superficie. C'è un riflettore mobile a un'estremità del risonatore, che può cambiare la lunghezza del risonatore e la lunghezza d'onda del laser. Il principale vantaggio di VCSEL è che può emettere fasci puri e continui e può essere facilmente ed efficacemente accoppiato in fibre ottiche. Inoltre, il costo è basso perché le sue proprietà possono essere misurate sul wafer. Lo svantaggio principale di VCSEL è la sua bassa potenza di uscita, la velocità di regolazione insufficiente e un riflettore mobile aggiuntivo. Se viene aggiunta una pompa ottica per aumentare la potenza di uscita, la complessità complessiva aumenterà e il consumo energetico e il costo del laser aumenteranno. Lo svantaggio principale del laser sintonizzabile basato su questo principio è che il tempo di sintonizzazione è relativamente lento, il che di solito richiede diversi secondi di tempo di stabilizzazione dell'accordatura.
2.3 Tecnologia di controllo attuale
A differenza del DFB, nei laser DBR sintonizzabili, la lunghezza d'onda viene modificata dirigendo la corrente di eccitazione a diverse parti del risonatore. Tali laser hanno almeno quattro parti: solitamente due reticoli di Bragg, un modulo di guadagno e un modulo di fase con regolazione fine della lunghezza d'onda. Per questo tipo di laser, ci saranno molti reticoli di Bragg a ciascuna estremità. In altre parole, dopo un certo passo della griglia, c'è uno spazio vuoto, poi c'è un altro passo del grigliato, poi c'è uno spazio vuoto, e così via. Questo produce uno spettro di riflessione simile a un pettine. I reticoli di Bragg su entrambe le estremità del laser generano diversi spettri di riflettanza a pettine. Quando la luce si riflette avanti e indietro tra di loro, la sovrapposizione di due diversi spettri di riflettanza si traduce in un intervallo di lunghezze d'onda più ampio. Il circuito di eccitazione utilizzato in questa tecnologia è piuttosto complesso, ma la sua velocità di regolazione è molto elevata. Quindi il principio generale basato sulla tecnologia di controllo corrente è quello di cambiare la corrente di FBG e la parte di controllo di fase in diverse posizioni del laser sintonizzabile, in modo che l'indice di rifrazione relativo di FBG cambi e vengano prodotti spettri diversi. Sovrapponendo diversi spettri prodotti da FBG in diverse regioni, verrà selezionata la lunghezza d'onda specifica, in modo da generare la lunghezza d'onda specifica richiesta. Laser.
Un laser sintonizzabile basato sulla tecnologia di controllo della corrente adotta la struttura SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Due riflettori alle estremità anteriore e posteriore del risonatore laser hanno i propri picchi di riflessione. Regolando questi due picchi di riflessione iniettando corrente, il laser può emettere diverse lunghezze d'onda.
I due riflettori sul lato del risonatore laser hanno picchi di riflessione multipli. Quando il laser MGYL funziona, la corrente di iniezione li sintonizza. Le due luci riflesse sono sovrapposte da un combinatore/splitter 1*2. L'ottimizzazione della riflettività del front-end consente al laser di ottenere un'elevata potenza in uscita nell'intero intervallo di sintonia.
3. Stato del settore
I laser sintonizzabili sono all'avanguardia nel campo dei dispositivi di comunicazione ottica e solo poche grandi società di comunicazione ottica nel mondo possono fornire questo prodotto. Aziende rappresentative come SANTUR basate sulla messa a punto meccanica di MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC basate sull'attuale regolamentazione SGBDR, ecc., Sono anche una delle poche aree di dispositivi ottici che i fornitori cinesi hanno dito. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. ha ottenuto vantaggi fondamentali nel confezionamento di fascia alta di laser sintonizzabili. È l'unica impresa in Cina in grado di produrre laser sintonizzabili in lotti. È stato distribuito in Europa e negli Stati Uniti. Fornitura dei produttori.
JDSU utilizza la tecnologia dell'integrazione monolitica InP per integrare laser e modulatori in un'unica piattaforma per lanciare un modulo XFP di piccole dimensioni con laser regolabili. Con l'espansione del mercato dei laser sintonizzabili, la chiave per lo sviluppo tecnologico di questo prodotto è la miniaturizzazione e il basso costo. In futuro, sempre più produttori introdurranno moduli a lunghezza d'onda regolabile in pacchetto XFP.
Nei prossimi cinque anni, i laser sintonizzabili saranno un punto caldo. Il tasso di crescita composito annuale (CAGR) del mercato raggiungerà il 37% e la sua scala raggiungerà 1,2 miliardi di dollari USA nel 2012, mentre il tasso di crescita composito annuale di altri importanti componenti del mercato nello stesso periodo è del 24% per i laser a lunghezza d'onda fissa , 28% per rivelatori e ricevitori e 35% per modulatori esterni. Nel 2012, il mercato dei laser sintonizzabili, dei laser a lunghezza d'onda fissa e dei fotorivelatori per reti ottiche ammonterà a 8 miliardi di dollari.
4. Applicazione specifica del laser sintonizzabile nella comunicazione ottica
Le applicazioni di rete dei laser sintonizzabili possono essere suddivise in due parti: applicazioni statiche e applicazioni dinamiche.
Nelle applicazioni statiche, la lunghezza d'onda di un laser sintonizzabile viene impostata durante l'uso e non cambia nel tempo. L'applicazione statica più comune è quella di sostituire i laser sorgente, ovvero nei sistemi di trasmissione DWDM (densa lunghezza d'onda division multiplexing), dove un laser sintonizzabile funge da backup per più laser a lunghezza d'onda fissa e laser a sorgente flessibile, riducendo il numero di linee schede necessarie per supportare tutte le diverse lunghezze d'onda.
Nelle applicazioni statiche, i requisiti principali per i laser sintonizzabili sono il prezzo, la potenza di uscita e le caratteristiche spettrali, vale a dire, larghezza di riga e stabilità sono paragonabili ai laser a lunghezza d'onda fissa che sostituisce. Più ampia è la gamma di lunghezze d'onda, migliore sarà il rapporto qualità-prezzo, senza una velocità di regolazione molto più veloce. Attualmente, l'applicazione del sistema DWDM con laser sintonizzabile di precisione è sempre più diffusa.
In futuro, anche i laser sintonizzabili utilizzati come backup richiederanno velocità corrispondenti elevate. Quando un canale multiplexing a divisione di lunghezza d'onda densa si guasta, è possibile abilitare automaticamente un laser regolabile per riprendere il suo funzionamento. Per ottenere questa funzione, il laser deve essere sintonizzato e bloccato sulla lunghezza d'onda guasta in 10 millisecondi o meno, in modo da garantire che l'intero tempo di ripristino sia inferiore a 50 millisecondi richiesti dalla rete ottica sincrona.
Nelle applicazioni dinamiche, la lunghezza d'onda dei laser sintonizzabili deve cambiare regolarmente per migliorare la flessibilità delle reti ottiche. Tali applicazioni generalmente richiedono la fornitura di lunghezze d'onda dinamiche in modo che una lunghezza d'onda possa essere aggiunta o proposta da un segmento di rete per accogliere la capacità variabile richiesta. È stata proposta un'architettura ROADMs semplice e più flessibile, che si basa sull'uso sia di laser sintonizzabili che di filtri sintonizzabili. I laser sintonizzabili possono aggiungere determinate lunghezze d'onda al sistema e i filtri sintonizzabili possono filtrare determinate lunghezze d'onda dal sistema. Il laser sintonizzabile può anche risolvere il problema del blocco della lunghezza d'onda nella connessione incrociata ottica. Attualmente, la maggior parte dei collegamenti incrociati ottici utilizza un'interfaccia ottico-elettro-ottica su entrambe le estremità della fibra per evitare questo problema. Se viene utilizzato un laser regolabile per immettere OXC all'estremità di ingresso, è possibile selezionare una determinata lunghezza d'onda per garantire che l'onda luminosa raggiunga il punto finale in un percorso chiaro.
In futuro, i laser sintonizzabili possono essere utilizzati anche nel routing della lunghezza d'onda e nella commutazione di pacchetti ottici.
L'instradamento della lunghezza d'onda si riferisce all'uso di laser sintonizzabili per sostituire completamente i complessi switch completamente ottici con semplici connettori incrociati fissi, in modo che il segnale di instradamento della rete debba essere modificato. Ciascun canale di lunghezza d'onda è connesso a un indirizzo di destinazione univoco, formando così una connessione virtuale di rete. Durante la trasmissione dei segnali, il laser sintonizzabile deve adattare la sua frequenza alla frequenza corrispondente dell'indirizzo target.
La commutazione di pacchetto ottico si riferisce alla commutazione di pacchetto ottica reale che trasmette i segnali tramite l'instradamento della lunghezza d'onda in base ai pacchetti di dati. Per ottenere questa modalità di trasmissione del segnale, il laser sintonizzabile deve essere in grado di commutare in un tempo così breve come nanosecondi, in modo da non generare ritardi troppo lunghi nella rete.
In queste applicazioni, i laser sintonizzabili possono regolare la lunghezza d'onda in tempo reale per evitare il blocco della lunghezza d'onda nella rete. Pertanto, i laser sintonizzabili devono avere una gamma regolabile più ampia, una maggiore potenza di uscita e una velocità di reazione in millisecondi. In effetti, la maggior parte delle applicazioni dinamiche richiedono un multiplexer ottico sintonizzabile o un interruttore ottico 1:N per funzionare con il laser per garantire che l'uscita laser possa passare attraverso il canale appropriato nella fibra ottica.
