Abstimmbare Lasertechnologie und ihre Anwendung in der Glasfaserkommunikation
Veröffentlichen：Box Optronics  Hora：2019-02-24  Puntos de vista:1429
1. Übersicht
In der optischen Kommunikation basieren herkömmliche Lichtquellen auf Lasermodulen mit fester Wellenlänge. Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Anwendung optischer Kommunikationssysteme werden die Nachteile von Lasern mit fester Wellenlänge allmählich deutlich. Zum einen hat die Anzahl der Wellenlängen im System mit der Entwicklung der DWDM-Technologie Hunderte erreicht. Im Schutzfall muss die Sicherung jedes Lasers mit derselben Wellenlänge erfolgen. Die Laserversorgung führt zu einer Erhöhung der Anzahl der Ersatzlaser und der Kosten. Auf der anderen Seite steigt der Lasertyp mit zunehmender Wellenlängenanzahl, da festgelegte Laser die Wellenlänge unterscheiden müssen, wodurch die Komplexität der Verwaltung und der Lagerbestand komplexer werden. Auf der anderen Seite müssen wir, wenn wir die dynamische Wellenlängenzuordnung in optischen Netzwerken unterstützen und die Netzwerkflexibilität verbessern möchten, eine Vielzahl unterschiedlicher Wellen ausrüsten. Langer fester Laser, aber die Nutzungsrate jedes Lasers ist sehr niedrig, was zu Ressourcenverschwendung führt. Um diese Nachteile zu überwinden, wurden mit der Entwicklung von Halbleitern und verwandten Technologien erfolgreich abstimmbare Laser entwickelt, d. H. Unterschiedliche Wellenlängen innerhalb einer bestimmten Bandbreite werden mit demselben Lasermodul gesteuert, und diese Wellenlängenwerte und -abstände erfüllen die Anforderungen von ITU-T.
Für das optische Netzwerk der nächsten Generation sind abstimmbare Laser der Schlüsselfaktor für die Realisierung eines intelligenten optischen Netzwerks, das den Bedienern mehr Flexibilität, eine schnellere Wellenlängenversorgungsgeschwindigkeit und letztendlich niedrigere Kosten bieten kann. In Zukunft werden optische Fernnetze die Welt der wellenlängendynamischen Systeme sein. Diese Netzwerke können in kürzester Zeit eine neue Wellenlängenzuordnung erreichen. Durch die Verwendung der Ultra-Long-Distance-Übertragungstechnologie müssen keine Regeneratoren verwendet werden, wodurch viel Geld gespart wird. Es wird erwartet, dass von abstimmbaren Lasern neue Werkzeuge für zukünftige Kommunikationsnetzwerke bereitgestellt werden, um die Wellenlänge zu steuern, die Netzwerkeffizienz zu verbessern und optische Netzwerke der nächsten Generation zu entwickeln. Eine der attraktivsten Anwendungen ist der rekonfigurierbare optische Add-Drop-Multiplexer (ROADM). Dynamische rekonfigurierbare Netzwerksysteme werden auf dem Netzwerkmarkt erscheinen, und abstimmbare Laser mit einem großen einstellbaren Bereich werden mehr benötigt.
2. Technische Grundlagen und Merkmale
Es gibt drei Arten von Steuerungstechniken für abstimmbare Laser: Stromsteuerungstechnologie, Temperatursteuerungstechnologie und mechanische Steuerungstechnik. Unter ihnen realisiert die elektronisch gesteuerte Technologie die Wellenlängenabstimmung durch Ändern des Injektionsstroms. Es hat eine ns-Pegel-Abstimmgeschwindigkeit und eine große Abstimmbandbreite, aber die Ausgangsleistung ist gering. Die elektronisch gesteuerten Haupttechnologien sind SG-DBR-Laser (Sampling Grating DBR) und GCSR-Laser (Assisted Grating Directional-gekoppelte Rückabtastreflexion). Die Temperatursteuertechnologie ändert die Ausgangswellenlänge des Lasers durch Ändern des Brechungsindex des aktiven Bereichs des Lasers. Die Technologie ist einfach, aber langsam, nur wenige Nanometer. DFB-Laser (Distributed Feedback) und DBR-Laser (Distributed Bragg Reflection) sind die wichtigsten auf Temperatursteuerung basierenden Technologien. Die mechanische Steuerung basiert hauptsächlich auf der Technologie des mikroelektromechanischen Systems (MEMS) zur Vervollständigung der Wellenlängenauswahl mit einer größeren einstellbaren Bandbreite und einer höheren Ausgangsleistung. Die auf mechanischer Steuerungstechnologie basierenden Hauptstrukturen sind DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) und VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Das Prinzip der abstimmbaren Laser unter diesen Gesichtspunkten wird nachstehend erläutert. Unter ihnen wird die aktuelle abstimmbare Technologie, die am beliebtesten ist, hervorgehoben.

2.1 Temperaturregelungstechnik
Temperaturbasierte Steuertechnologie wird hauptsächlich in DFB-Strukturen verwendet. Ihr Prinzip besteht darin, die Temperatur des Laserresonators so anzupassen, dass er unterschiedliche Wellenlängen emittieren kann. Die Wellenlängeneinstellung eines einstellbaren Lasers basierend auf diesem Prinzip wird durch Steuern der Variation des InGaAsP-DFB-Lasers in einem bestimmten Temperaturbereich realisiert. Das Gerät besteht aus einer eingebauten Wellenverriegelungsvorrichtung (einem Standardmessgerät und einem Überwachungsdetektor), um den CW-Laserausgang im Abstand von 50 GHz auf das ITU-Netz zu verriegeln. Im Allgemeinen sind zwei separate TECs im Gerät gekapselt. Zum einen wird die Wellenlänge des Laserchips gesteuert, zum anderen wird sichergestellt, dass Schloss und Leistungsdetektor im Gerät bei konstanter Temperatur arbeiten.
Der größte Vorteil dieser Laser ist, dass ihre Leistung der von Lasern mit fester Wellenlänge ähnelt. Sie zeichnen sich durch hohe Ausgangsleistung, gute Wellenlängenstabilität, einfache Bedienung, geringe Kosten und ausgereifte Technologie aus. Es gibt jedoch zwei Hauptnachteile: Zum einen ist die Abstimmbreite eines einzelnen Geräts schmal, normalerweise nur wenige Nanometer. Die andere ist, dass die Abstimmzeit lang ist, was normalerweise einige Sekunden der Abstimmungsstabilisierungszeit erfordert.
2.2 Mechanische Steuerungstechnik
Mechanische Steuerungstechnik wird im Allgemeinen mit MEMS implementiert. Ein abstimmbarer Laser, der auf mechanischer Steuerungstechnologie basiert, übernimmt die MEMs-DFB-Struktur.
Abstimmbare Laser umfassen DFB-Laser-Arrays, neigbare EMS-Linsen und andere Steuerungs- und Hilfsteile.
Im Bereich der DFB-Laserarrays gibt es mehrere DFB-Laserarrays, von denen jedes eine spezifische Wellenlänge mit einer Bandbreite von etwa 1,0 nm und einem Abstand von 25 GHz erzeugen kann. Durch Steuern des Drehwinkels von MEMs-Linsen kann die erforderliche spezifische Wellenlänge ausgewählt werden, um die erforderliche spezifische Wellenlänge des Lichts auszugeben.

DFB Laser Array

Ein weiterer abstimmbarer Laser auf Basis der VCSEL-Struktur basiert auf optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasern mit vertikaler Kavität. Die semisymmetrische Hohlraumtechnologie wird verwendet, um durch MEMS eine kontinuierliche Wellenlängenabstimmung zu erreichen. Sie besteht aus einem Halbleiterlaser und einem vertikalen Laserverstärkungsresonator, der Licht auf die Oberfläche aussenden kann. An einem Ende des Resonators befindet sich ein beweglicher Reflektor, der die Länge des Resonators und die Laserwellenlänge verändern kann. Der Hauptvorteil von VCSEL besteht darin, dass es reine und kontinuierliche Strahlen ausgeben kann und einfach und effektiv in optische Fasern eingekoppelt werden kann. Darüber hinaus sind die Kosten gering, da ihre Eigenschaften auf dem Wafer gemessen werden können. Der Hauptnachteil von VCSEL ist die geringe Ausgangsleistung, die ungenügende Einstellgeschwindigkeit und ein zusätzlicher mobiler Reflektor. Wenn eine optische Pumpe hinzugefügt wird, um die Ausgangsleistung zu erhöhen, wird die Gesamtkomplexität erhöht und der Energieverbrauch und die Kosten des Lasers werden erhöht. Der Hauptnachteil des abstimmbaren Lasers, der auf diesem Prinzip basiert, ist, dass die Abstimmzeit relativ langsam ist, was normalerweise einige Sekunden Abstimmungsstabilisierungszeit erfordert.
2.3 Stromregelungstechnik
Im Gegensatz zu DFB wird bei abstimmbaren DBR-Lasern die Wellenlänge geändert, indem der Erregerstrom in verschiedene Teile des Resonators geleitet wird. Solche Laser bestehen aus mindestens vier Teilen: üblicherweise zwei Bragg-Gittern, einem Verstärkungsmodul und einem Phasenmodul mit feiner Wellenlängenabstimmung. Für diesen Lasertyp gibt es an jedem Ende viele Bragg-Gitter. Mit anderen Worten, nach einer bestimmten Teilung des Gitters gibt es eine Lücke, dann eine andere Teilung des Gitters, dann gibt es eine Lücke und so weiter. Dies erzeugt ein kammartiges Reflexionsspektrum. Die Bragg-Gitter an beiden Enden des Lasers erzeugen unterschiedliche kammartige Reflexionsspektren. Wenn Licht zwischen ihnen reflektiert wird, führt die Überlagerung zweier unterschiedlicher Reflektionsspektren zu einem breiteren Wellenlängenbereich. Die bei dieser Technologie verwendete Erregungsschaltung ist ziemlich komplex, ihre Einstellgeschwindigkeit ist jedoch sehr schnell. Das allgemeine Prinzip, das auf der Stromsteuertechnologie basiert, besteht also darin, den Strom des FBG und des Phasensteuerteils in verschiedenen Positionen des abstimmbaren Lasers so zu ändern, dass sich der relative Brechungsindex des FBG ändert und unterschiedliche Spektren erzeugt werden. Durch Überlagerung verschiedener, vom FBG erzeugter Spektren in verschiedenen Regionen wird die spezifische Wellenlänge ausgewählt, so dass die erforderliche spezifische Wellenlänge erzeugt wird. Laser.
Ein abstimmbarer Laser, der auf der Stromsteuerungstechnologie basiert, verwendet eine SGDBR-Struktur (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).

Zwei Reflektoren an der Vorder- und Rückseite des Laserresonators haben eigene Reflexionsspitzen. Durch Einstellen dieser zwei Reflexionsspitzen durch Einspeisen von Strom kann der Laser unterschiedliche Wellenlängen ausgeben.

Die beiden Reflektoren auf der Seite des Laserresonators haben mehrere Reflexionsspitzen. Wenn der MGYL-Laser arbeitet, werden sie durch den Injektionsstrom abgestimmt. Die beiden reflektierten Lichter werden von einem 1 * 2-Combiner / Splitter überlagert. Durch die Optimierung der Reflektivität des Frontends erreicht der Laser eine hohe Ausgangsleistung im gesamten Abstimmbereich.
3. Status der Industrie
Abstimmbare Laser sind auf dem Gebiet der optischen Kommunikationsgeräte an der Spitze, und nur wenige große optische Kommunikationsunternehmen auf der Welt können dieses Produkt anbieten. Repräsentative Unternehmen wie SANTUR, die auf mechanischem Tuning von MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC auf der Grundlage der SGBDR-Stromregulierung usw. basieren, sind auch einer der wenigen Bereiche, in denen chinesische Lieferanten optische Geräte gefunden haben. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. hat Kernvorteile beim High-End-Packaging von abstimmbaren Lasern erzielt. Es ist das einzige Unternehmen in China, das abstimmbare Laser in Serien herstellen kann. Es ist nach Europa und in die Vereinigten Staaten geflossen. Hersteller liefern.
JDSU verwendet die Technologie der monolithischen InP-Integration, um Laser und Modulatoren in einer einzigen Plattform zu integrieren, um ein kleines XFP-Modul mit einstellbaren Lasern zu starten. Mit der Expansion des Marktes für abstimmbare Laser ist der Schlüssel zur technologischen Entwicklung dieses Produkts die Miniaturisierung und die niedrigen Kosten. In Zukunft werden immer mehr Hersteller XFP-Module mit einstellbarer Wellenlänge einführen.
In den nächsten fünf Jahren werden abstimmbare Laser ein Hotspot sein. Die jährliche Gesamtwachstumsrate (Composite Growth Rate, CAGR) des Marktes wird 37% und die Größenordnung von 1,2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2012 erreichen, während die Gesamtwachstumsrate anderer wichtiger Komponentenmärkte im gleichen Zeitraum 24% für Laser mit fester Wellenlänge beträgt 28% für Detektoren und Empfänger und 35% für externe Modulatoren. Im Jahr 2012 wird der Markt für abstimmbare Laser, Laser mit fester Wellenlänge und Fotodetektoren für optische Netze 8 Milliarden US-Dollar betragen.

4. Spezifische Anwendung eines abstimmbaren Lasers in der optischen Kommunikation
Netzwerkanwendungen von abstimmbaren Lasern können in zwei Teile unterteilt werden: statische Anwendungen und dynamische Anwendungen.
Bei statischen Anwendungen wird die Wellenlänge eines abstimmbaren Lasers während des Gebrauchs eingestellt und ändert sich nicht mit der Zeit. Die gebräuchlichste statische Anwendung ist der Ersatz für Quelllaser, dh in DWDM-Übertragungssystemen (WDM = Dense Wavelength Division Multiplexing), bei denen ein abstimmbarer Laser als Sicherung für mehrere Laser mit fester Wellenlänge und für Laser mit flexibler Quelle dient, wodurch die Anzahl der Leitungen reduziert wird Karten, die zur Unterstützung aller unterschiedlichen Wellenlängen erforderlich sind.
In statischen Anwendungen sind die Hauptanforderungen für abstimmbare Laser der Preis, die Ausgangsleistung und die spektralen Eigenschaften. Das heißt, Linienbreite und Stabilität sind vergleichbar mit den Lasern mit fester Wellenlänge, die sie ersetzen. Je breiter der Wellenlängenbereich ist, desto besser ist das Preis-Leistungs-Verhältnis, ohne dass die Einstellgeschwindigkeit wesentlich schneller ist. Gegenwärtig wird die Anwendung von DWDM-Systemen mit präzise abstimmbaren Lasern immer mehr eingesetzt.
In Zukunft erfordern abstimmbare Laser, die als Backups verwendet werden, ebenfalls schnelle entsprechende Geschwindigkeiten. Wenn ein dichten Wellenlängenmultiplexkanal ausfällt, kann ein einstellbarer Laser automatisch aktiviert werden, um seinen Betrieb wieder aufzunehmen. Um diese Funktion zu erreichen, muss der Laser in 10 Millisekunden oder darunter auf die ausgefallene Wellenlänge abgestimmt und arretiert werden, um sicherzustellen, dass die gesamte Erholungszeit weniger als 50 Millisekunden beträgt, die für das synchrone optische Netzwerk erforderlich ist.
In dynamischen Anwendungen muss die Wellenlänge von abstimmbaren Lasern regelmäßig geändert werden, um die Flexibilität optischer Netzwerke zu erhöhen. Solche Anwendungen erfordern im Allgemeinen die Bereitstellung dynamischer Wellenlängen, so dass eine Wellenlänge aus einem Netzwerksegment hinzugefügt oder vorgeschlagen werden kann, um die erforderliche variierende Kapazität aufzunehmen. Es wurde eine einfache und flexiblere ROADM-Architektur vorgeschlagen, die auf der Verwendung von abstimmbaren Lasern und abstimmbaren Filtern basiert. Abstimmbare Laser können dem System bestimmte Wellenlängen hinzufügen, und abstimmbare Filter können bestimmte Wellenlängen aus dem System herausfiltern. Der durchstimmbare Laser kann auch das Problem der Wellenlängenblockierung bei der optischen Querverbindung lösen. Gegenwärtig verwenden die meisten optischen Querverbindungen eine opto-elektrooptische Schnittstelle an beiden Enden der Faser, um dieses Problem zu vermeiden. Wenn ein einstellbarer Laser verwendet wird, um OXC am Eingangsende einzugeben, kann eine bestimmte Wellenlänge ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Lichtwelle den Endpunkt auf einem freien Weg erreicht.
Zukünftig können abstimmbare Laser auch beim Wellenlängenrouting und beim optischen Paketschalten verwendet werden.
Wellenlängen-Routing bezieht sich auf die Verwendung von abstimmbaren Lasern, um komplexe rein optische Schalter durch einfache, feststehende Kreuzverbinder vollständig zu ersetzen, sodass das Routing-Signal des Netzwerks geändert werden muss. Jeder Wellenlängenkanal ist mit einer eindeutigen Zieladresse verbunden und bildet so eine virtuelle Netzwerkverbindung. Bei der Übertragung von Signalen muss der durchstimmbare Laser seine Frequenz an die entsprechende Frequenz der Zieladresse anpassen.
Optische Paketvermittlung bezieht sich auf die echte optische Paketvermittlung, die Signale durch Wellenlängenrouting gemäß Datenpaketen überträgt. Um diese Art der Signalübertragung zu erreichen, muss der abstimmbare Laser in der Lage sein, innerhalb einer kurzen Nanosekunde umzuschalten, um keine zu lange Zeitverzögerung im Netzwerk zu erzeugen.
Bei diesen Anwendungen können durchstimmbare Laser die Wellenlänge in Echtzeit anpassen, um ein Blockieren der Wellenlänge im Netzwerk zu vermeiden. Abstimmbare Laser müssen daher einen größeren einstellbaren Bereich, eine höhere Ausgangsleistung und eine Reaktionsgeschwindigkeit von Millisekunden aufweisen. In der Tat erfordern die meisten dynamischen Anwendungen einen abstimmbaren optischen Multiplexer oder einen optischen 1: N-Schalter, um mit dem Laser zu arbeiten, um sicherzustellen, dass der Laserausgang durch den geeigneten Kanal in die optische Faser geleitet werden kann.
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