Pengetahuan Profesional

Teknologi laser merdu dan aplikasinya dalam komunikasi gentian optik

2021-03-24
1. Gambaran keseluruhan
Dalam bidang komunikasi optik, sumber cahaya tradisional adalah berdasarkan modul laser panjang gelombang tetap. Dengan pembangunan berterusan dan aplikasi sistem komunikasi optik, keburukan laser panjang gelombang tetap didedahkan secara beransur-ansur. Di satu pihak, dengan perkembangan teknologi DWDM, bilangan panjang gelombang dalam sistem telah mencapai ratusan. Dalam kes perlindungan, sandaran setiap laser mesti dibuat dengan panjang gelombang yang sama. Bekalan laser membawa kepada peningkatan dalam bilangan laser sandaran dan kos; sebaliknya, kerana laser tetap perlu membezakan panjang gelombang, jenis laser meningkat dengan peningkatan nombor panjang gelombang, yang menjadikan kerumitan pengurusan dan tahap inventori lebih kompleks; sebaliknya, jika kita ingin menyokong peruntukan panjang gelombang dinamik dalam rangkaian optik dan meningkatkan fleksibiliti rangkaian, kita perlu melengkapkan sejumlah besar gelombang yang berbeza. Laser tetap lama, tetapi kadar penggunaan setiap laser adalah sangat rendah, mengakibatkan pembaziran sumber. Untuk mengatasi kelemahan ini, dengan pembangunan semikonduktor dan teknologi yang berkaitan, laser boleh tala telah berjaya dibangunkan, iaitu panjang gelombang yang berbeza dalam lebar jalur tertentu dikawal pada modul laser yang sama, dan nilai panjang gelombang dan jarak ini memenuhi keperluan ITU-T.
Untuk rangkaian optik generasi akan datang, laser boleh tala adalah faktor utama untuk merealisasikan rangkaian optik pintar, yang boleh memberikan operator dengan fleksibiliti yang lebih besar, kelajuan bekalan panjang gelombang yang lebih pantas dan akhirnya kos yang lebih rendah. Pada masa hadapan, rangkaian optik jarak jauh akan menjadi dunia sistem dinamik panjang gelombang. Rangkaian ini boleh mencapai penugasan panjang gelombang baharu dalam masa yang sangat singkat. Kerana penggunaan teknologi transmisi jarak jauh ultra, tidak perlu menggunakan penjana semula, yang menjimatkan banyak wang. Laser boleh tala dijangka menyediakan alat baharu untuk rangkaian komunikasi masa hadapan untuk mengurus panjang gelombang, meningkatkan kecekapan rangkaian dan membangunkan rangkaian optik generasi akan datang. Salah satu aplikasi yang paling menarik ialah pemultipleks tambahan optik boleh dikonfigurasikan semula (ROADM). Sistem rangkaian boleh konfigurasi semula dinamik akan muncul dalam pasaran rangkaian, dan laser boleh laras dengan julat boleh laras yang besar akan diperlukan lebih banyak lagi.

2. Prinsip dan Ciri Teknikal
Terdapat tiga jenis teknologi kawalan untuk laser boleh tala: teknologi kawalan semasa, teknologi kawalan suhu dan teknologi kawalan mekanikal. Antaranya, teknologi kawalan elektronik merealisasikan penalaan panjang gelombang dengan menukar arus suntikan. Ia mempunyai kelajuan penalaan peringkat ns dan lebar jalur penalaan lebar, tetapi kuasa outputnya kecil. Teknologi kawalan elektronik utama ialah laser SG-DBR (Sampling Grating DBR) dan GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). Teknologi kawalan suhu mengubah panjang gelombang keluaran laser dengan menukar indeks biasan kawasan aktif laser. Teknologi ini mudah, tetapi perlahan, lebar jalur boleh laras sempit, hanya beberapa nanometer. Laser DFB (Distributed Feedback) dan DBR (Distributed Bragg Reflection) adalah teknologi utama berdasarkan kawalan suhu. Kawalan mekanikal terutamanya berdasarkan teknologi sistem mikro-elektro-mekanikal (MEMS) untuk melengkapkan pemilihan panjang gelombang, dengan lebar jalur boleh laras yang lebih besar dan kuasa keluaran yang lebih tinggi. Struktur utama berdasarkan teknologi kawalan mekanikal ialah DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) dan VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Prinsip laser boleh tala dari aspek ini akan diterangkan di bawah. Antaranya, teknologi boleh melaras semasa, yang paling popular, ditekankan.
2.1 Teknologi Kawalan Suhu
Teknologi kawalan berasaskan suhu digunakan terutamanya dalam struktur DFB, prinsipnya adalah untuk melaraskan suhu rongga laser, supaya ia boleh memancarkan panjang gelombang yang berbeza. Pelarasan panjang gelombang laser boleh laras berdasarkan prinsip ini direalisasikan dengan mengawal variasi laser InGaAsP DFB yang berfungsi dalam julat suhu tertentu. Peranti ini terdiri daripada peranti pengunci gelombang terbina dalam (tolok standard dan pengesan pemantauan) untuk mengunci output laser CW ke grid ITU pada selang 50 GHz. Secara umum, dua TEC berasingan terkandung dalam peranti. Satu adalah untuk mengawal panjang gelombang cip laser, dan yang lain adalah untuk memastikan bahawa kunci dan pengesan kuasa dalam peranti berfungsi pada suhu malar.
Kelebihan terbesar laser ini ialah prestasinya serupa dengan laser panjang gelombang tetap. Mereka mempunyai ciri-ciri kuasa keluaran yang tinggi, kestabilan panjang gelombang yang baik, operasi mudah, kos rendah dan teknologi matang. Walau bagaimanapun, terdapat dua kelemahan utama: satu ialah lebar penalaan satu peranti adalah sempit, biasanya hanya beberapa nanometer; yang lain ialah masa penalaan adalah panjang, yang biasanya memerlukan beberapa saat masa kestabilan penalaan.
2.2 Teknologi Kawalan Mekanikal
Teknologi kawalan mekanikal secara amnya dilaksanakan dengan menggunakan MEMS. Laser boleh tala berdasarkan teknologi kawalan mekanikal menggunakan struktur MEMs-DFB.
Laser boleh tala termasuk tatasusunan laser DFB, kanta EMS boleh dicondongkan dan alat kawalan dan tambahan lain.
Terdapat beberapa tatasusunan laser DFB dalam kawasan tatasusunan laser DFB, setiap satunya boleh menghasilkan panjang gelombang tertentu dengan lebar jalur kira-kira 1.0 nm dan jarak 25 Ghz. Dengan mengawal sudut putaran kanta MEMs, panjang gelombang tertentu yang diperlukan boleh dipilih untuk mengeluarkan panjang gelombang cahaya tertentu yang diperlukan.

Tatasusunan Laser DFB
Satu lagi laser boleh tala berdasarkan struktur VCSEL direka berdasarkan laser pemancar permukaan rongga menegak yang dipam secara optik. Teknologi rongga separa simetri digunakan untuk mencapai penalaan panjang gelombang berterusan dengan menggunakan MEMS. Ia terdiri daripada laser semikonduktor dan resonator keuntungan laser menegak yang boleh memancarkan cahaya pada permukaan. Terdapat reflektor alih pada satu hujung resonator, yang boleh mengubah panjang resonator dan panjang gelombang laser. Kelebihan utama VCSEL ialah ia boleh mengeluarkan rasuk tulen dan berterusan, dan boleh digabungkan dengan mudah dan berkesan ke dalam gentian optik. Selain itu, kosnya rendah kerana sifatnya boleh diukur pada wafer. Kelemahan utama VCSEL ialah kuasa keluarannya yang rendah, kelajuan pelarasan yang tidak mencukupi, dan pemantul mudah alih tambahan. Jika pam optik ditambah untuk meningkatkan kuasa keluaran, kerumitan keseluruhan akan meningkat, dan penggunaan kuasa serta kos laser akan meningkat. Kelemahan utama laser boleh tala berdasarkan prinsip ini ialah masa penalaan agak perlahan, yang biasanya memerlukan beberapa saat masa penstabilan penalaan.
2.3 Teknologi Kawalan Semasa
Tidak seperti DFB, dalam laser DBR boleh tala, panjang gelombang diubah dengan mengarahkan arus yang mengujakan ke bahagian resonator yang berlainan. Laser sedemikian mempunyai sekurang-kurangnya empat bahagian: biasanya dua grating Bragg, modul keuntungan dan modul fasa dengan penalaan panjang gelombang halus. Untuk jenis laser ini, akan terdapat banyak kisi Bragg pada setiap hujungnya. Dalam erti kata lain, selepas padang parut tertentu, ada celah, kemudian ada parut yang berbeza, kemudian ada celah, dan seterusnya. Ini menghasilkan spektrum pantulan seperti sikat. Kisi-kisi Bragg di kedua-dua hujung laser menjana spektrum pemantulan seperti sikat yang berbeza. Apabila cahaya memantul bolak-balik di antara mereka, superposisi dua spektrum pemantulan berbeza menghasilkan julat panjang gelombang yang lebih luas. Litar pengujaan yang digunakan dalam teknologi ini agak kompleks, tetapi kelajuan pelarasannya sangat pantas. Jadi prinsip umum berdasarkan teknologi kawalan semasa adalah untuk menukar arus FBG dan bahagian kawalan fasa dalam kedudukan laser boleh tala yang berbeza, supaya indeks biasan relatif FBG akan berubah, dan spektrum yang berbeza akan dihasilkan. Dengan menindih spektrum berbeza yang dihasilkan oleh FBG di kawasan yang berbeza, panjang gelombang tertentu akan dipilih, supaya panjang gelombang khusus yang diperlukan akan dijana. Laser.

Laser boleh tala berdasarkan teknologi kawalan semasa menggunakan struktur SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).

Dua pemantul di hujung hadapan dan belakang resonator laser mempunyai puncak pantulan mereka sendiri. Dengan melaraskan kedua-dua puncak pantulan ini dengan menyuntik arus, laser boleh mengeluarkan panjang gelombang yang berbeza.

Dua pemantul di sisi resonator laser mempunyai beberapa puncak pantulan. Apabila laser MGYL berfungsi, arus suntikan menyesuaikannya. Kedua-dua lampu yang dipantulkan ditindih oleh penggabung/pemisah 1*2. Mengoptimumkan pemantulan bahagian hadapan membolehkan laser mencapai output kuasa tinggi dalam keseluruhan julat penalaan.


3. Status industri
Laser boleh tala berada di barisan hadapan dalam bidang peranti komunikasi optik, dan hanya beberapa syarikat komunikasi optik besar di dunia boleh menyediakan produk ini. Syarikat perwakilan seperti SANTUR berdasarkan penalaan mekanikal MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC berdasarkan peraturan semasa SGBDR, dsb., juga merupakan salah satu daripada beberapa bidang peranti optik yang telah dijalin oleh pembekal China. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. telah mencapai kelebihan teras dalam pembungkusan mewah laser boleh melaras. Ia adalah satu-satunya perusahaan di China yang boleh menghasilkan laser boleh tala dalam kelompok. Ia telah berkumpul ke Eropah dan Amerika Syarikat. Bekalan pengilang.
JDSU menggunakan teknologi integrasi monolitik InP untuk menyepadukan laser dan modulator ke dalam satu platform untuk melancarkan modul XFP bersaiz kecil dengan laser boleh laras. Dengan pengembangan pasaran laser boleh tala, kunci kepada pembangunan teknologi produk ini adalah pengecilan dan kos rendah. Pada masa hadapan, semakin banyak pengeluar akan memperkenalkan modul panjang gelombang boleh laras berpakej XFP.
Dalam tempoh lima tahun akan datang, laser boleh melaras akan menjadi tempat yang hangat. Kadar pertumbuhan komposit tahunan (CAGR) pasaran akan mencapai 37% dan skalanya akan mencapai 1.2 bilion dolar AS pada 2012, manakala kadar pertumbuhan komposit tahunan pasaran komponen penting lain dalam tempoh yang sama ialah 24% untuk laser panjang gelombang tetap. , 28% untuk pengesan dan penerima, dan 35% untuk modulator luaran. Pada tahun 2012, pasaran untuk laser boleh tala, laser panjang gelombang tetap dan pengesan foto untuk rangkaian optik berjumlah $8 bilion.

4. Aplikasi Khusus Laser Boleh Ditala dalam Komunikasi Optik
Aplikasi rangkaian laser boleh tala boleh dibahagikan kepada dua bahagian: aplikasi statik dan aplikasi dinamik.
Dalam aplikasi statik, panjang gelombang laser boleh tala ditetapkan semasa penggunaan dan tidak berubah mengikut masa. Aplikasi statik yang paling biasa adalah sebagai pengganti kepada laser sumber, iaitu dalam sistem penghantaran pemultipleksan pembahagian panjang gelombang padat (DWDM), di mana laser boleh tala bertindak sebagai sandaran untuk berbilang laser panjang gelombang tetap dan laser sumber fleksibel, mengurangkan bilangan talian. kad yang diperlukan untuk menyokong semua panjang gelombang yang berbeza.
Dalam aplikasi statik, keperluan utama untuk laser boleh tala ialah harga, kuasa keluaran dan ciri spektrum, iaitu, lebar talian dan kestabilan adalah setanding dengan laser panjang gelombang tetap yang digantikannya. Lebih luas julat panjang gelombang, lebih baik nisbah prestasi-harga, tanpa kelajuan pelarasan yang lebih pantas. Pada masa ini, penggunaan sistem DWDM dengan laser boleh melaras ketepatan semakin banyak.
Pada masa hadapan, laser boleh tala yang digunakan sebagai sandaran juga akan memerlukan kelajuan sepadan yang pantas. Apabila saluran pemultipleksan pembahagian panjang gelombang padat gagal, laser boleh laras boleh didayakan secara automatik untuk menyambung semula operasinya. Untuk mencapai fungsi ini, laser mesti ditala dan dikunci pada panjang gelombang yang gagal dalam 10 milisaat atau kurang, untuk memastikan bahawa keseluruhan masa pemulihan adalah kurang daripada 50 milisaat yang diperlukan oleh rangkaian optik segerak.
Dalam aplikasi dinamik, panjang gelombang laser boleh tala diperlukan untuk berubah secara tetap untuk meningkatkan fleksibiliti rangkaian optik. Aplikasi sedemikian secara amnya memerlukan peruntukan panjang gelombang dinamik supaya panjang gelombang boleh ditambah atau dicadangkan daripada segmen rangkaian untuk menampung kapasiti berbeza-beza yang diperlukan. Seni bina ROADM yang ringkas dan lebih fleksibel telah dicadangkan, yang berdasarkan penggunaan kedua-dua laser boleh tala dan penapis boleh tala. Laser boleh tala boleh menambah panjang gelombang tertentu pada sistem, dan penapis boleh tala boleh menapis panjang gelombang tertentu daripada sistem. Laser boleh tala juga boleh menyelesaikan masalah penyekatan panjang gelombang dalam sambungan silang optik. Pada masa ini, kebanyakan pautan silang optik menggunakan antara muka optik-elektro-optik pada kedua-dua hujung gentian untuk mengelakkan masalah ini. Jika laser boleh laras digunakan untuk memasukkan OXC pada hujung input, panjang gelombang tertentu boleh dipilih untuk memastikan gelombang cahaya mencapai titik akhir dalam laluan yang jelas.
Pada masa hadapan, laser boleh tala juga boleh digunakan dalam penghalaan panjang gelombang dan pensuisan paket optik.
Penghalaan panjang gelombang merujuk kepada penggunaan laser boleh tala untuk menggantikan sepenuhnya suis semua optik yang kompleks dengan penyambung silang tetap mudah, supaya isyarat penghalaan rangkaian perlu ditukar. Setiap saluran panjang gelombang disambungkan ke alamat destinasi yang unik, sekali gus membentuk sambungan maya rangkaian. Apabila menghantar isyarat, laser boleh tala mesti melaraskan frekuensinya kepada frekuensi yang sepadan dengan alamat sasaran.
Pensuisan paket optik merujuk kepada pensuisan paket optik sebenar yang menghantar isyarat mengikut penghalaan panjang gelombang mengikut paket data. Untuk mencapai mod penghantaran isyarat ini, laser boleh tala mesti boleh bertukar dalam masa yang singkat seperti nanosaat, supaya tidak menjana kelewatan masa yang terlalu lama dalam rangkaian.
Dalam aplikasi ini, laser boleh tala boleh melaraskan panjang gelombang dalam masa nyata untuk mengelakkan sekatan panjang gelombang dalam rangkaian. Oleh itu, laser boleh tala mesti mempunyai julat boleh laras yang lebih besar, kuasa keluaran yang lebih tinggi dan kelajuan tindak balas milisaat. Malah, kebanyakan aplikasi dinamik memerlukan pemultipleks optik boleh tala atau suis optikal 1:N untuk berfungsi dengan laser bagi memastikan output laser boleh melalui saluran yang sesuai ke dalam gentian optik.