1.pangkahalatang ideya
Sa larangan ng optical na komunikasyon, ang mga tradisyunal na pinagmumulan ng liwanag ay nakabatay sa fixed-wavelength laser modules. Sa patuloy na pag-unlad at aplikasyon ng mga optical na sistema ng komunikasyon, ang mga disadvantages ng fixed-wavelength lasers ay unti-unting nabubunyag. Sa isang banda, sa pag-unlad ng teknolohiya ng DWDM, ang bilang ng wavelength sa system ay umabot na sa daan-daan. Sa kaso ng proteksyon, ang backup ng bawat laser ay dapat gawin ng parehong wavelength. Ang supply ng laser ay humahantong sa pagtaas ng bilang ng mga backup na laser at gastos; sa kabilang banda, dahil ang mga nakapirming laser ay kailangang makilala ang haba ng daluyong, ang uri ng mga laser ay tumataas sa pagtaas ng bilang ng haba ng daluyong, na ginagawang mas kumplikado ang pagiging kumplikado ng pamamahala at antas ng imbentaryo; sa kabilang banda, kung gusto nating suportahan ang dynamic na wavelength allocation sa mga optical network at pagbutihin ang flexibility ng network, kailangan nating magbigay ng malaking bilang ng iba't ibang wave. Mahabang nakapirming laser, ngunit ang rate ng paggamit ng bawat laser ay napakababa, na nagreresulta sa pag-aaksaya ng mga mapagkukunan. Upang malampasan ang mga pagkukulang na ito, sa pag-unlad ng semiconductor at mga kaugnay na teknolohiya, ang mga tunable lasers ay matagumpay na nabuo, ibig sabihin, ang iba't ibang wavelength sa loob ng isang partikular na bandwidth ay kinokontrol sa parehong laser module, at ang mga wavelength value at spacing na ito ay nakakatugon sa mga kinakailangan ng ITU-T.
Para sa susunod na henerasyong optical network, ang mga tunable lasers ay ang pangunahing salik upang mapagtanto ang matalinong optical network, na maaaring magbigay sa mga operator ng higit na flexibility, mas mabilis na wavelength na bilis ng supply at sa huli ay mas mababang gastos. Sa hinaharap, ang mga malayuang optical network ay magiging mundo ng mga dynamic na sistema ng wavelength. Maaaring makamit ng mga network na ito ang bagong pagtatalaga ng wavelength sa napakaikling panahon. Dahil sa paggamit ng ultra-long-distance transmission technology, hindi na kailangang gumamit ng regenerator, na nakakatipid ng malaking pera. Ang mga Tunable lasers ay inaasahang magbibigay ng mga bagong tool para sa hinaharap na mga network ng komunikasyon upang pamahalaan ang haba ng daluyong, mapabuti ang kahusayan ng network at bumuo ng mga susunod na henerasyong optical network. Ang isa sa mga pinaka-kaakit-akit na application ay reconfigureable optical add-drop multiplexer (ROADM). Ang mga dinamikong re-configure na sistema ng network ay lalabas sa merkado ng network, at higit na kakailanganin ang mga tunable na laser na may malaking adjustable range.
2. Teknikal na Prinsipyo at Katangian
Mayroong tatlong uri ng mga teknolohiyang pangkontrol para sa mga tunable na laser: kasalukuyang teknolohiya ng kontrol, teknolohiya sa pagkontrol sa temperatura at teknolohiyang kontrol ng mekanikal. Kabilang sa mga ito, napagtanto ng elektronikong kontroladong teknolohiya ang pag-tune ng haba ng daluyong sa pamamagitan ng pagbabago ng kasalukuyang iniksyon. Mayroon itong ns-level na tuning speed at malawak na tuning bandwidth, ngunit ang output power nito ay maliit. Ang mga pangunahing teknolohiyang kinokontrol ng elektroniko ay mga laser ng SG-DBR (Sampling Grating DBR) at GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Ang teknolohiya ng pagkontrol sa temperatura ay nagbabago sa output wavelength ng laser sa pamamagitan ng pagpapalit ng refractive index ng aktibong rehiyon ng laser. Ang teknolohiya ay simple, ngunit mabagal, makitid adjustable bandwidth, lamang ng ilang nanometer. Ang mga laser ng DFB (Distributed Feedback) at DBR (Distributed Bragg Reflection) ay ang mga pangunahing teknolohiya batay sa pagkontrol sa temperatura. Ang mekanikal na kontrol ay pangunahing nakabatay sa teknolohiya ng micro-electro-mechanical system (MEMS) upang makumpleto ang pagpili ng wavelength, na may mas malaking adjustable bandwidth at mas mataas na output power. Ang mga pangunahing istruktura batay sa teknolohiya ng mekanikal na kontrol ay DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) at VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Ang prinsipyo ng tunable lasers mula sa mga aspetong ito ay ipapaliwanag sa ibaba. Kabilang sa mga ito, ang kasalukuyang teknolohiyang mahimig, na siyang pinakasikat, ay binibigyang-diin.
2.1 Temperature Control Technology
Ang teknolohiyang kontrol na nakabatay sa temperatura ay pangunahing ginagamit sa istraktura ng DFB, ang prinsipyo nito ay upang ayusin ang temperatura ng laser cavity, upang makapaglabas ito ng iba't ibang haba ng daluyong. Ang pagsasaayos ng wavelength ng isang adjustable laser batay sa prinsipyong ito ay naisasakatuparan sa pamamagitan ng pagkontrol sa variation ng InGaAsP DFB laser na gumagana sa isang tiyak na hanay ng temperatura. Binubuo ang device ng built-in na wave-locking device (isang standard gauge at monitoring detector) para i-lock ang CW laser output papunta sa ITU grid sa 50 GHz interval. Sa pangkalahatan, dalawang magkahiwalay na TEC ang naka-encapsulate sa device. Ang isa ay upang kontrolin ang wavelength ng laser chip, at ang isa ay upang matiyak na ang lock at power detector sa device ay gumagana sa pare-parehong temperatura.
Ang pinakamalaking bentahe ng mga laser na ito ay ang kanilang pagganap ay katulad ng sa mga fixed-wavelength na laser. Mayroon silang mga katangian ng mataas na lakas ng output, mahusay na katatagan ng wavelength, simpleng operasyon, mababang gastos at mature na teknolohiya. Gayunpaman, mayroong dalawang pangunahing kawalan: ang isa ay ang lapad ng pag-tune ng isang aparato ay makitid, kadalasan ay ilang nanometer lamang; ang isa pa ay ang oras ng pag-tune ay mahaba, na karaniwang nangangailangan ng ilang segundo ng oras ng katatagan ng pag-tune.
2.2 Teknolohiya ng Mechanical Control
Ang teknolohiyang mekanikal na kontrol ay karaniwang ipinapatupad sa pamamagitan ng paggamit ng MEMS. Ang isang tunable laser batay sa mekanikal na teknolohiya ng kontrol ay gumagamit ng istraktura ng MEMs-DFB.
Kasama sa mga Tunable laser ang DFB laser arrays, tiltable EMS lens at iba pang control at auxiliary parts.
Mayroong ilang mga DFB laser array sa DFB laser array area, bawat isa ay maaaring makagawa ng isang partikular na wavelength na may bandwidth na humigit-kumulang 1.0 nm at isang spacing na 25 Ghz. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa anggulo ng pag-ikot ng mga MEMs lens, ang kinakailangang tiyak na wavelength ay maaaring mapili upang ilabas ang kinakailangang tiyak na wavelength ng liwanag.
DFB Laser Array
Ang isa pang tunable laser batay sa VCSEL na istraktura ay idinisenyo batay sa optically pumped vertical-cavity surface-emitting lasers. Ang teknolohiyang semi-symmetrical cavity ay ginagamit upang makamit ang tuluy-tuloy na wavelength tuning sa pamamagitan ng paggamit ng MEMS. Binubuo ito ng isang semiconductor laser at isang vertical laser gain resonator na maaaring maglabas ng liwanag sa ibabaw. May movable reflector sa isang dulo ng resonator, na maaaring magbago sa haba ng resonator at sa laser wavelength. Ang pangunahing bentahe ng VCSEL ay na maaari itong mag-output ng mga dalisay at tuluy-tuloy na beam, at maaaring madali at epektibong maisama sa mga optical fiber. Bukod dito, mababa ang gastos dahil ang mga katangian nito ay masusukat sa ostiya. Ang pangunahing kawalan ng VCSEL ay ang mababang output power nito, hindi sapat na bilis ng pagsasaayos, at isang karagdagang mobile reflector. Kung ang isang optical pump ay idinagdag upang mapataas ang lakas ng output, ang pangkalahatang pagiging kumplikado ay tataas, at ang pagkonsumo ng kuryente at gastos ng laser ay tataas. Ang pangunahing kawalan ng tunable laser batay sa prinsipyong ito ay ang oras ng pag-tune ay medyo mabagal, na karaniwang nangangailangan ng ilang segundo ng oras ng pag-stabilize ng tuning.
2.3 Kasalukuyang Control Technology
Hindi tulad ng DFB, sa tunable DBR lasers, ang wavelength ay nababago sa pamamagitan ng pagdidirekta ng exciting na current sa iba't ibang bahagi ng resonator. Ang ganitong mga laser ay may hindi bababa sa apat na bahagi: karaniwang dalawang Bragg gratings, isang gain module at isang phase module na may fine wavelength tuning. Para sa ganitong uri ng laser, magkakaroon ng maraming Bragg grating sa bawat dulo. Sa madaling salita, pagkatapos ng isang tiyak na pitch ng grating, mayroong isang puwang, pagkatapos ay mayroong ibang pitch ng grating, pagkatapos ay mayroong isang puwang, at iba pa. Gumagawa ito ng parang suklay na reflection spectrum. Ang Bragg gratings sa magkabilang dulo ng laser ay bumubuo ng iba't ibang suklay na parang reflectance spectra. Kapag ang liwanag ay sumasalamin pabalik-balik sa pagitan ng mga ito, ang superposisyon ng dalawang magkaibang reflectance spectra ay nagreresulta sa isang mas malawak na hanay ng wavelength. Ang excitation circuit na ginamit sa teknolohiyang ito ay medyo kumplikado, ngunit ang bilis ng pagsasaayos nito ay napakabilis. Kaya ang pangkalahatang prinsipyo batay sa kasalukuyang teknolohiya ng kontrol ay upang baguhin ang kasalukuyang ng FBG at bahagi ng control bahagi sa iba't ibang mga posisyon ng tunable laser, upang ang kamag-anak na refractive index ng FBG ay magbabago, at iba't ibang spectra ang gagawin. Sa pamamagitan ng pagpapatong ng iba't ibang spectra na ginawa ng FBG sa iba't ibang rehiyon, pipiliin ang partikular na wavelength, upang mabuo ang kinakailangang tiyak na wavelength. Laser.
Ang isang tunable laser batay sa kasalukuyang control technology ay gumagamit ng SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) na istraktura.
Dalawang reflector sa harap at likod na dulo ng laser resonator ay may sariling mga reflection peak. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng dalawang reflection peak na ito sa pamamagitan ng pag-inject ng current, ang laser ay makakapag-output ng iba't ibang wavelength.
Ang dalawang reflector sa gilid ng laser resonator ay may maramihang reflection peak. Kapag gumagana ang MGYL laser, tinutunog sila ng kasalukuyang iniksyon. Ang dalawang naka-reflect na ilaw ay pinapatungan ng 1*2 combiner/splitter. Ang pag-optimize sa reflectivity ng front-end ay nagbibigay-daan sa laser na makamit ang mataas na power output sa buong hanay ng tuning.
3. Katayuan sa industriya
Nangunguna ang mga Tunable lasers sa larangan ng optical communication device, at iilan lamang sa malalaking kumpanya ng optical communication sa mundo ang makakapagbigay ng produktong ito. Ang mga kinatawan ng kumpanya tulad ng SANTUR batay sa mekanikal na pag-tune ng MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC batay sa kasalukuyang regulasyon ng SGBDR, atbp., ay isa rin sa ilang bahagi ng mga optical device na na-finger ng mga supplier ng China. Nakamit ng Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. ang mga pangunahing pakinabang sa high-end na packaging ng mga tunable lasers. Ito ay ang tanging negosyo sa China na maaaring gumawa ng mahimig lasers sa batch. Ito ay batched sa Europa at Estados Unidos. Nagbibigay ang mga tagagawa.
Ginagamit ng JDSU ang teknolohiya ng InP monolithic integration para isama ang mga laser at modulator sa iisang platform para maglunsad ng maliit na laki ng XFP module na may adjustable lasers. Sa pagpapalawak ng tunable laser market, ang susi sa teknolohikal na pag-unlad ng produktong ito ay miniaturization at mababang gastos. Sa hinaharap, parami nang parami ang mga tagagawa na magpapakilala ng XFP packaged adjustable wavelength modules.
Sa susunod na limang taon, ang mga mahimig na laser ay magiging isang mainit na lugar. Ang taunang composite growth rate (CAGR) ng merkado ay aabot sa 37% at ang sukat nito ay aabot sa 1.2 bilyong US dollars noong 2012, habang ang taunang composite growth rate ng iba pang mahalagang bahagi ng market sa parehong panahon ay 24% para sa fixed-wavelength lasers. , 28% para sa mga detector at receiver, at 35% para sa mga panlabas na modulator. Noong 2012, ang market para sa tunable lasers, fixed-wavelength lasers at photodetector para sa mga optical network ay magkakaroon ng kabuuang $8 bilyon.
4. Tukoy na Application ng Tunable Laser sa Optical Communication
Ang mga network application ng tunable lasers ay maaaring nahahati sa dalawang bahagi: static na application at dynamic na application.
Sa mga static na application, ang wavelength ng isang tunable laser ay nakatakda habang ginagamit at hindi nagbabago sa paglipas ng panahon. Ang pinakakaraniwang static na application ay bilang isang kapalit para sa source lasers, ibig sabihin, sa siksik na wavelength division multiplexing (DWDM) transmission system, kung saan ang tunable laser ay nagsisilbing backup para sa maramihang fixed-wavelength laser at flexible-source laser, na binabawasan ang bilang ng linya mga card na kinakailangan upang suportahan ang lahat ng iba't ibang mga wavelength.
Sa mga static na aplikasyon, ang mga pangunahing kinakailangan para sa mga tunable na laser ay ang presyo, lakas ng output at mga spectral na katangian, ibig sabihin, ang linewidth at katatagan ay maihahambing sa mga fixed-wavelength na laser na pinapalitan nito. Kung mas malawak ang hanay ng wavelength, magiging mas mahusay ang ratio ng pagganap-presyo, nang walang mas mabilis na bilis ng pagsasaayos. Sa kasalukuyan, ang aplikasyon ng DWDM system na may precision tunable laser ay parami nang parami.
Sa hinaharap, ang mga tunable laser na ginamit bilang backup ay mangangailangan din ng mabilis na kaukulang bilis. Kapag nabigo ang isang siksik na wavelength division multiplexing channel, maaaring awtomatikong paganahin ang isang adjustable laser upang ipagpatuloy ang operasyon nito. Upang makamit ang function na ito, ang laser ay dapat na nakatutok at naka-lock sa nabigong wavelength sa 10 millisecond o mas kaunti, upang matiyak na ang buong oras ng pagbawi ay mas mababa sa 50 millisecond na kinakailangan ng synchronous optical network.
Sa mga dynamic na application, ang wavelength ng tunable lasers ay kinakailangang magbago nang regular upang mapahusay ang flexibility ng mga optical network. Ang ganitong mga aplikasyon ay karaniwang nangangailangan ng pagkakaloob ng mga dynamic na wavelength upang ang isang wavelength ay maaaring maidagdag o maipanukala mula sa isang network segment upang mapaunlakan ang kinakailangang iba't ibang kapasidad. Ang isang simple at mas nababaluktot na arkitektura ng mga ROADM ay iminungkahi, na batay sa paggamit ng parehong tunable lasers at tunable filters. Maaaring magdagdag ng ilang partikular na wavelength sa system ang mga Tunable laser, at maaaring i-filter ng mga tunable na filter ang ilang wavelength mula sa system. Ang tunable laser ay maaari ding malutas ang problema ng wavelength blocking sa optical cross-connection. Sa kasalukuyan, karamihan sa mga optical cross-link ay gumagamit ng optical-electro-optical interface sa magkabilang dulo ng fiber upang maiwasan ang problemang ito. Kung ang isang adjustable laser ay ginagamit upang i-input ang OXC sa input end, ang isang tiyak na wavelength ay maaaring mapili upang matiyak na ang liwanag na alon ay umabot sa dulong punto sa isang malinaw na landas.
Sa hinaharap, ang mga tunable lasers ay maaari ding gamitin sa wavelength routing at optical packet switching.
Ang wavelength routing ay tumutukoy sa paggamit ng tunable lasers upang ganap na palitan ang kumplikadong all-optical switch na may simpleng fixed cross-connectors, upang ang routing signal ng network ay kailangang baguhin. Ang bawat wavelength channel ay konektado sa isang natatanging patutunguhan address, kaya bumubuo ng isang network virtual na koneksyon. Kapag nagpapadala ng mga signal, dapat ayusin ng tunable laser ang frequency nito sa katumbas na frequency ng target na address.
Ang optical packet switching ay tumutukoy sa tunay na optical packet switching na nagpapadala ng mga signal sa pamamagitan ng wavelength routing ayon sa mga data packet. Upang makamit ang mode na ito ng paghahatid ng signal, ang tunable na laser ay dapat na makapagpalit sa maikling panahon gaya ng nanosecond, upang hindi makabuo ng masyadong mahabang oras na pagkaantala sa network.
Sa mga application na ito, maaaring ayusin ng mga tunable laser ang wavelength sa real time upang maiwasan ang wavelength na humarang sa network. Samakatuwid, ang tunable lasers ay dapat magkaroon ng mas malaking adjustable range, mas mataas na output power at millisecond reaction speed. Sa katunayan, karamihan sa mga dynamic na application ay nangangailangan ng isang tunable optical multiplexer o isang 1:N optical switch upang gumana sa laser upang matiyak na ang laser output ay maaaring dumaan sa naaangkop na channel papunta sa optical fiber.
