1. Преглед
Во областа на оптичката комуникација, традиционалните извори на светлина се засноваат на ласерски модули со фиксна бранова должина. Со континуираниот развој и примена на оптичките комуникациски системи, постепено се откриваат недостатоците на ласерите со фиксна бранова должина. Од една страна, со развојот на DWDM технологијата, бројот на бранова должина во системот достигна стотици. Во случај на заштита, резервната копија на секој ласер мора да се направи со иста бранова должина. Ласерското снабдување доведува до зголемување на бројот на резервни ласери и трошоците; од друга страна, бидејќи фиксните ласери треба да разликуваат бранова должина, типот на ласерите се зголемува со зголемувањето на бројот на брановата должина, што ги прави сложеноста на управувањето и нивото на залиха; од друга страна, ако сакаме да поддржиме динамичка алокација на бранова должина во оптичките мрежи и да ја подобриме флексибилноста на мрежата, треба да опремиме голем број различни бранови. Долго фиксиран ласер, но стапката на искористеност на секој ласер е многу мала, што резултира со губење ресурси. За да се надминат овие недостатоци, со развојот на полупроводничките и сродните технологии, успешно се развиени прилагодливи ласери, т.е. различна бранова должина во рамките на одредена пропусност се контролира на истиот ласерски модул, а овие вредности на бранова должина и растојание ги задоволуваат барањата на ITU-T.
За следната генерација оптичка мрежа, прилагодливите ласери се клучниот фактор за реализација на интелигентна оптичка мрежа, која може да им обезбеди на операторите поголема флексибилност, поголема брзина на снабдување со бранова должина и на крајот пониска цена. Во иднина, оптичките мрежи на долги растојанија ќе бидат светот на динамичките системи со бранова должина. Овие мрежи можат да постигнат доделување на нова бранова должина за многу кратко време. Поради употребата на технологија за пренос на ултра долги растојанија, нема потреба да се користи регенератор, што заштедува многу пари. Прилагодливите ласери се очекува да обезбедат нови алатки за идните комуникациски мрежи за управување со бранова должина, подобрување на ефикасноста на мрежата и развој на оптички мрежи од следната генерација. Една од најатрактивните апликации е реконфигурабилниот оптички мултиплексер за додавање капка (ROADM). На мрежниот пазар ќе се појават динамични реконфигурабилни мрежни системи, а повеќе ќе бидат потребни прилагодливи ласери со голем прилагодлив опсег.
2. Технички принципи и карактеристики
Постојат три вида контролни технологии за прилагодливи ласери: технологија за контрола на струјата, технологија за контрола на температурата и технологија за механичка контрола. Меѓу нив, електронски контролираната технологија реализира подесување на брановата должина со менување на струјата за вбризгување. Има брзина на подесување на ns-ниво и широк опсег на подесување, но неговата излезна моќ е мала. Главните електронски контролирани технологии се ласерите SG-DBR (Sampling Grating DBR) и GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Sampling Reflection). Технологијата за контрола на температурата ја менува излезната бранова должина на ласерот со менување на индексот на рефракција на активниот регион на ласерот. Технологијата е едноставна, но бавна, тесен прилагодлив пропусен опсег, само неколку нанометри. Ласерите DFB (Distributed Feedback) и DBR (Distributed Bragg Reflection) се главните технологии базирани на контрола на температурата. Механичката контрола главно се заснова на технологијата на микро-електро-механички систем (MEMS) за комплетирање на изборот на бранова должина, со поголем прилагодлив пропусен опсег и поголема излезна моќност. Главните структури базирани на технологијата за механичка контрола се DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) и VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Принципот на прилагодливи ласери од овие аспекти ќе биде објаснет подолу. Меѓу нив, нагласена е актуелната технологија за подесување, која е најпопуларна.
2.1 Технологија за контрола на температурата
Технологијата за контрола базирана на температура главно се користи во структурата на DFB, нејзиниот принцип е да ја прилагоди температурата на ласерската празнина, така што може да емитува различна бранова должина. Прилагодувањето на брановата должина на прилагодливиот ласер врз основа на овој принцип се реализира со контролирање на варијацијата на InGaAsP DFB ласерот кој работи во одреден температурен опсег. Уредот се состои од вграден уред за заклучување бранови (стандарден мерач и детектор за следење) за блокирање на ласерскиот излез CW на мрежата ITU на интервал од 50 GHz. Општо земено, два посебни ТЕЦ се инкапсулирани во уредот. Едната е да се контролира брановата должина на ласерскиот чип, а другата е да се осигура дека заклучувањето и детекторот за напојување во уредот работат на константна температура.
Најголемата предност на овие ласери е тоа што нивните перформанси се слични на оние на ласерите со фиксна бранова должина. Имаат карактеристики на висока излезна моќност, добра стабилност на бранова должина, едноставна работа, ниска цена и зрела технологија. Сепак, постојат две главни недостатоци: едната е што ширината на подесување на еден уред е тесна, обично само неколку нанометри; другото е дека времето на штимање е долго, што обично бара неколку секунди време на стабилност на штимање.
2.2 Технологија за механичка контрола
Технологијата за механичка контрола генерално се имплементира со користење на MEMS. Прилагодлив ласер базиран на технологија за механичка контрола ја усвојува структурата MEMs-DFB.
Прилагодливите ласери вклучуваат DFB ласерски низи, EMS леќи со навалување и други контролни и помошни делови.
Постојат неколку DFB ласерски низи во областа на DFB ласерската низа, од кои секоја може да произведе одредена бранова должина со пропусен опсег од околу 1,0 nm и растојание од 25 Ghz. Со контролирање на аголот на ротација на леќите MEM, може да се избере потребната специфична бранова должина за да се добие потребната специфична бранова должина на светлината.
DFB ласерска низа
Друг прилагодлив ласер базиран на структурата VCSEL е дизајниран врз основа на оптички пумпани ласери кои емитуваат површина со вертикална празнина. Технологијата на полусиметрична празнина се користи за да се постигне континуирано подесување на брановата должина со користење на MEMS. Се состои од полупроводнички ласер и вертикален ласерски резонатор кој може да емитува светлина на површината. На едниот крај од резонаторот има подвижен рефлектор, кој може да ја промени должината на резонаторот и брановата должина на ласерот. Главната предност на VCSEL е тоа што може да емитува чисти и континуирани греди и може лесно и ефективно да се спои во оптички влакна. Згора на тоа, цената е ниска бидејќи нејзините својства може да се измерат на нафората. Главниот недостаток на VCSEL е неговата мала излезна моќност, недоволната брзина на прилагодување и дополнителен мобилен рефлектор. Ако се додаде оптичка пумпа за да се зголеми излезната моќност, севкупната сложеност ќе се зголеми, а потрошувачката на енергија и цената на ласерот ќе се зголемат. Главниот недостаток на приспособливиот ласер заснован на овој принцип е тоа што времето на подесување е релативно бавно, што обично бара неколку секунди време за стабилизација на дотерување.
2.3 Технологија за контрола на струјата
За разлика од DFB, кај DBR ласерите што можат да се прилагодат, брановата должина се менува со насочување на возбудливата струја кон различни делови на резонаторот. Таквите ласери имаат најмалку четири дела: обично две решетки на Браг, модул за засилување и фазен модул со фино подесување на бранова должина. За овој тип на ласер, ќе има многу браг решетки на секој крај. Со други зборови, по одреден чекор на решетка, има празнина, потоа има различен чекор на решетка, потоа има празнина итн. Ова создава спектар на рефлексија сличен на чешел. Решетките на Браг на двата краја на ласерот генерираат различни спектри на рефлексија слични на чешел. Кога светлината се рефлектира напред-назад меѓу нив, суперпозицијата на два различни спектра на рефлексија резултира со поширок опсег на бранови должини. Колото за возбудување што се користи во оваа технологија е прилично сложено, но неговата брзина на прилагодување е многу брза. Значи, општиот принцип заснован на технологијата на тековната контрола е да се промени струјата на FBG и фазниот контролен дел во различни позиции на прилагодливиот ласер, така што релативниот индекс на рефракција на FBG ќе се промени и ќе се произведат различни спектри. Со наметнување на различни спектри произведени од FBG во различни региони, ќе се избере специфичната бранова должина, така што ќе се генерира потребната специфична бранова должина. Ласерски.
Прилагодлив ласер базиран на тековната контролна технологија ја усвојува структурата SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Два рефлектори на предниот и задниот крај на ласерскиот резонатор имаат свои врвови на рефлексија. Со прилагодување на овие два врвови на рефлексија со вбризгување струја, ласерот може да емитува различни бранови должини.
Двата рефлектори на страната на ласерскиот резонатор имаат повеќекратни врвови на рефлексија. Кога работи MGYL ласерот, струјата за инјектирање ги прилагодува. Двете рефлектирани светла се надредени со комбиниран/разделник 1*2. Оптимизирањето на рефлексивноста на предниот дел му овозможува на ласерот да постигне висока излезна моќност во целиот опсег на дотерување.
3. Статус на индустријата
Прилагодливите ласери се во првите редови на полето на оптичките комуникациски уреди, а само неколку големи компании за оптичка комуникација во светот можат да го обезбедат овој производ. Претставничките компании како што се SANTUR засновани на механичко подесување на MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC врз основа на тековната регулација на SGBDR итн., се исто така една од ретките области на оптички уреди што кинеските добавувачи ги имаат со прст. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. постигна основни предности во висококвалитетното пакување на прилагодливи ласери. Тоа е единственото претпријатие во Кина кое може да произведува прилагодливи ласери во серии. Се фрли во Европа и САД. Производителите снабдуваат.
JDSU ја користи технологијата на монолитна интеграција InP за да ги интегрира ласерите и модулаторите во една платформа за лансирање на XFP модул со мала големина со прилагодливи ласери. Со проширувањето на пазарот за приспособливи ласери, клучот за технолошкиот развој на овој производ е минијатуризацијата и ниската цена. Во иднина, сè повеќе производители ќе воведуваат XFP спакувани модули со прилагодлива бранова должина.
Во следните пет години, прилагодливите ласери ќе бидат жешка точка. Годишната композитна стапка на раст (CAGR) на пазарот ќе достигне 37%, а нејзината скала ќе достигне 1,2 милијарди американски долари во 2012 година, додека годишната композитна стапка на раст на пазарот на други важни компоненти во истиот период е 24% за ласерите со фиксна бранова должина , 28% за детектори и приемници и 35% за надворешни модулатори. Во 2012 година, пазарот за приспособливи ласери, ласери со фиксна бранова должина и фотодетектори за оптички мрежи ќе изнесува вкупно 8 милијарди долари.
4. Специфична примена на прилагодлив ласер во оптичка комуникација
Мрежните апликации на прилагодливи ласери може да се поделат на два дела: статични апликации и динамички апликации.
Во статични апликации, брановата должина на прилагодливиот ласер се поставува за време на употребата и не се менува со текот на времето. Најчестата статичка апликација е како замена за изворните ласери, т.е. во системите за пренос со мултиплексирање со густа бранова должина (DWDM), каде што прилагодливиот ласер делува како резервна копија за повеќе ласери со фиксна бранова должина и ласери со флексибилен извор, намалувајќи го бројот на линии картички потребни за поддршка на сите различни бранови должини.
Во статичките апликации, главните барања за прилагодливи ласери се цената, излезната моќност и спектралните карактеристики, односно, ширината на линијата и стабилноста се споредливи со ласерите со фиксна бранова должина што ги заменува. Колку е поширок опсегот на брановата должина, толку подобар ќе биде односот перформанси-цена, без многу поголема брзина на прилагодување. Во моментов, примената на системот DWDM со прецизно приспособлив ласер е се повеќе и повеќе.
Во иднина, прилагодливите ласери што се користат како резервни копии, исто така, ќе бараат брзи соодветни брзини. Кога каналот за мултиплексирање со поделба на густа бранова должина не успее, може автоматски да се овозможи прилагодлив ласер за да продолжи со својата работа. За да се постигне оваа функција, ласерот мора да се намести и заклучи на неуспешната бранова должина за 10 милисекунди или помалку, за да се осигура дека целото време за обновување е помало од 50 милисекунди што го бара синхроната оптичка мрежа.
Во динамичните апликации, брановата должина на прилагодливите ласери треба редовно да се менува со цел да се подобри флексибилноста на оптичките мрежи. Ваквите апликации генерално бараат обезбедување на динамични бранови должини, така што брановата должина може да се додаде или предложи од мрежен сегмент за да се приспособи на потребниот различен капацитет. Предложена е едноставна и пофлексибилна архитектура на ROADM, која се заснова на употреба на ласери што можат да се прилагодат и филтри што можат да се прилагодат. Прилагодливите ласери можат да додадат одредени бранови должини на системот, а прилагодливите филтри можат да филтрираат одредени бранови должини од системот. Прилагодливиот ласер може да го реши и проблемот со блокирање на брановата должина при оптичко вкрстено поврзување. Во моментов, повеќето оптички вкрстени врски користат оптичко-електро-оптички интерфејс на двата краја на влакното за да се избегне овој проблем. Ако се користи прилагодлив ласер за внесување на OXC на влезниот крај, може да се избере одредена бранова должина за да се осигура дека светлосниот бран ќе ја достигне крајната точка на јасна патека.
Во иднина, прилагодливите ласери може да се користат и во рутирање на бранова должина и оптичко префрлување пакети.
Рутирањето на брановата должина се однесува на употребата на прилагодливи ласери за целосно замена на сложените целосно оптички прекинувачи со едноставни фиксни вкрстени конектори, така што сигналот за рутирање на мрежата треба да се смени. Секој канал со бранова должина е поврзан со единствена дестинација адреса, со што се формира мрежна виртуелна врска. При пренос на сигнали, прилагодливиот ласер мора да ја прилагоди својата фреквенција на соодветната фреквенција на целната адреса.
Оптичкото префрлување пакети се однесува на вистинското оптичко префрлување пакети кое пренесува сигнали со рутирање на бранова должина според пакетите со податоци. За да се постигне овој начин на пренос на сигнал, прилагодливиот ласер мора да може да се префрли за толку кратко време како наносекунда, за да не генерира премногу долго временско доцнење во мрежата.
Во овие апликации, прилагодливите ласери можат да ја приспособат брановата должина во реално време за да избегнат блокирање на брановата должина во мрежата. Затоа, прилагодливите ласери мора да имаат поголем прилагодлив опсег, поголема излезна моќност и брзина на реакција во милисекунда. Всушност, повеќето динамични апликации бараат прилагодлив оптички мултиплексер или оптички прекинувач 1:N за работа со ласерот за да се осигура дека ласерскиот излез може да помине низ соодветниот канал во оптичкото влакно.
