1. Genel Bakış
Optik iletişim alanında, geleneksel ışık kaynakları, sabit dalga boylu lazer modüllerine dayanmaktadır. Optik iletişim sistemlerinin sürekli geliştirilmesi ve uygulanmasıyla birlikte, sabit dalga boylu lazerlerin dezavantajları yavaş yavaş ortaya çıkıyor. Bir yandan DWDM teknolojisinin gelişmesiyle birlikte sistemdeki dalga boyu sayısı yüzlere ulaşmıştır. Koruma durumunda, her lazerin yedeklemesi aynı dalga boyunda yapılmalıdır. Lazer tedariki, yedek lazer sayısında ve maliyette artışa yol açar; Öte yandan, sabit lazerlerin dalga boyunu ayırt etmesi gerektiğinden, dalga boyu sayısının artmasıyla lazerlerin türü artar, bu da yönetim karmaşıklığını ve envanter seviyesini daha karmaşık hale getirir; Öte yandan, optik ağlarda dinamik dalga boyu tahsisini desteklemek ve ağ esnekliğini geliştirmek istiyorsak, çok sayıda farklı dalgayı donatmamız gerekir. Uzun sabit lazer, ancak her lazerin kullanım oranı çok düşük, bu da kaynak israfına neden oluyor. Bu eksikliklerin üstesinden gelmek için yarı iletken ve ilgili teknolojilerin gelişmesiyle ayarlanabilir lazerler başarıyla geliştirilmiştir, yani belirli bir bant genişliği içindeki farklı dalga boyları aynı lazer modülü üzerinde kontrol edilir ve bu dalga boyu değerleri ve aralığı ITU-T'nin gereksinimlerini karşılar.
Yeni nesil optik ağ için ayarlanabilir lazerler, operatörlere daha fazla esneklik, daha hızlı dalga boyu besleme hızı ve sonuçta daha düşük maliyet sağlayabilen akıllı optik ağı gerçekleştirmenin kilit faktörüdür. Gelecekte, uzun mesafeli optik ağlar, dalga boyu dinamik sistemlerin dünyası olacaktır. Bu ağlar çok kısa sürede yeni dalga boyu ataması gerçekleştirebilir. Ultra uzun mesafeli iletim teknolojisinin kullanılması nedeniyle, çok para tasarrufu sağlayan rejeneratör kullanımına gerek yoktur. Ayarlanabilir lazerlerin, dalga boyunu yönetmek, ağ verimliliğini artırmak ve yeni nesil optik ağlar geliştirmek için gelecekteki iletişim ağları için yeni araçlar sağlaması bekleniyor. En çekici uygulamalardan biri, yeniden yapılandırılabilir optik ekleme-bırakma çoklayıcıdır (ROADM). Dinamik yeniden yapılandırılabilir ağ sistemleri ağ pazarında görünecek ve geniş ayarlanabilir aralıklı ayarlanabilir lazerlere daha fazla ihtiyaç duyulacaktır.
2. Teknik İlkeler ve Özellikler
Ayarlanabilir lazerler için üç tür kontrol teknolojisi vardır: mevcut kontrol teknolojisi, sıcaklık kontrol teknolojisi ve mekanik kontrol teknolojisi. Bunların arasında, elektronik olarak kontrol edilen teknoloji, enjeksiyon akımını değiştirerek dalga boyu ayarını gerçekleştirir. Ns düzeyinde ayar hızına ve geniş ayar bant genişliğine sahiptir, ancak çıkış gücü küçüktür. Elektronik olarak kontrol edilen ana teknolojiler, SG-DBR (Örnekleme Izgarası DBR) ve GCSR (Yardımlı Izgara Yönlü Bağlantılı Geri Örnekleme Yansıması) lazerleridir. Sıcaklık kontrol teknolojisi, lazerin aktif bölgesinin kırılma indisini değiştirerek lazerin çıkış dalga boyunu değiştirir. Teknoloji basit, ancak yavaş, dar ayarlanabilir bant genişliği, sadece birkaç nanometre. DFB (Dağıtılmış Geri Besleme) ve DBR (Dağıtılmış Bragg Yansıması) lazerleri, sıcaklık kontrolüne dayalı ana teknolojilerdir. Mekanik kontrol, daha geniş bir ayarlanabilir bant genişliği ve daha yüksek çıkış gücü ile dalga boyu seçimini tamamlamak için temel olarak mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) teknolojisine dayanmaktadır. Mekanik kontrol teknolojisine dayalı ana yapılar DFB (Dağıtılmış Geri Besleme), ECL (External Cavity Laser) ve VCSEL (Dikey Boşluk Yüzey Emisyon Lazeri)'dir. Bu yönlerden ayarlanabilir lazerlerin prensibi aşağıda açıklanacaktır. Bunlar arasında en popüler olan güncel ayarlanabilir teknoloji vurgulanmaktadır.
2.1 Sıcaklık Kontrol Teknolojisi
Sıcaklık tabanlı kontrol teknolojisi esas olarak DFB yapısında kullanılır, prensibi lazer boşluğunun sıcaklığını ayarlamaktır, böylece farklı dalga boyları yayabilir. Bu prensibe dayalı olarak ayarlanabilir bir lazerin dalga boyu ayarı, belirli bir sıcaklık aralığında çalışan InGaAsP DFB lazerin varyasyonunu kontrol ederek gerçekleştirilir. Cihaz, CW lazer çıkışını 50 GHz aralığında ITU şebekesine kilitlemek için yerleşik bir dalga kilitleme cihazından (standart bir gösterge ve bir izleme detektörü) oluşur. Genel olarak, cihazda iki ayrı TEC kapsüllenmiştir. Biri lazer çipinin dalga boyunu kontrol etmek, diğeri ise cihazdaki kilit ve güç dedektörünün sabit sıcaklıkta çalışmasını sağlamak.
Bu lazerlerin en büyük avantajı, performanslarının sabit dalga boylu lazerlere benzer olmasıdır. Yüksek çıkış gücü, iyi dalga boyu kararlılığı, basit kullanım, düşük maliyet ve olgun teknoloji özelliklerine sahiptirler. Bununla birlikte, iki ana dezavantaj vardır: biri, tek bir cihazın ayar genişliğinin dar, genellikle sadece birkaç nanometre olmasıdır; diğeri ise ayar süresinin uzun olmasıdır, bu da genellikle birkaç saniyelik ayar kararlılık süresi gerektirir.
2.2 Mekanik Kontrol Teknolojisi
Mekanik kontrol teknolojisi genellikle MEMS kullanılarak uygulanmaktadır. Mekanik kontrol teknolojisine dayalı ayarlanabilir bir lazer, MEMs-DFB yapısını benimser.
Ayarlanabilir lazerler, DFB lazer dizilerini, eğilebilir EMS lenslerini ve diğer kontrol ve yardımcı parçaları içerir.
DFB lazer dizisi alanında, her biri yaklaşık 1.0 nm'lik bir bant genişliği ve 25 Ghz'lik bir aralık ile belirli bir dalga boyu üretebilen birkaç DFB lazer dizisi vardır. MEM lenslerinin dönüş açısını kontrol ederek, gerekli spesifik ışık dalga boyunu çıkarmak için gerekli spesifik dalga boyu seçilebilir.
DFB Lazer Dizisi
VCSEL yapısına dayalı bir başka ayarlanabilir lazer, optik olarak pompalanan dikey boşluklu yüzey yayan lazerlere dayalı olarak tasarlanmıştır. MEMS kullanarak sürekli dalga boyu ayarı elde etmek için yarı simetrik boşluk teknolojisi kullanılır. Yüzeyde ışık yayan bir yarı iletken lazer ve bir dikey lazer kazanç rezonatöründen oluşur. Rezonatörün bir ucunda rezonatörün uzunluğunu ve lazer dalga boyunu değiştirebilen hareketli bir reflektör vardır. VCSEL'in ana avantajı, saf ve sürekli ışınlar çıkarabilmesi ve optik fiberlere kolay ve etkili bir şekilde bağlanabilmesidir. Ayrıca özellikleri gofret üzerinde ölçülebildiği için maliyeti düşüktür. VCSEL'in ana dezavantajı, düşük çıkış gücü, yetersiz ayar hızı ve ek bir mobil reflektördür. Çıkış gücünü artırmak için bir optik pompa eklenirse, genel karmaşıklık artacak ve lazerin güç tüketimi ve maliyeti artacaktır. Bu prensibe dayanan ayarlanabilir lazerin ana dezavantajı, ayar süresinin nispeten yavaş olmasıdır, bu genellikle birkaç saniyelik ayar stabilizasyon süresi gerektirir.
2.3 Akım Kontrol Teknolojisi
DFB'den farklı olarak, ayarlanabilir DBR lazerlerde dalga boyu, uyarıcı akımı rezonatörün farklı bölümlerine yönlendirerek değiştirilir. Bu tür lazerlerin en az dört bölümü vardır: genellikle iki Bragg ızgarası, bir kazanç modülü ve ince dalga boyu ayarlı bir faz modülü. Bu lazer türü için her iki uçta da birçok Bragg ızgarası olacaktır. Başka bir deyişle, belirli bir ızgara adımından sonra bir boşluk var, sonra farklı bir ızgara adımı var, sonra bir boşluk var vb. Bu, tarak benzeri bir yansıma tayfı üretir. Lazerin her iki ucundaki Bragg ızgaraları, farklı tarak benzeri yansıma spektrumları üretir. Işık, aralarında ileri geri yansıdığında, iki farklı yansıma spektrumunun üst üste binmesi, daha geniş bir dalga boyu aralığı ile sonuçlanır. Bu teknolojide kullanılan uyarma devresi oldukça karmaşıktır ancak ayar hızı çok hızlıdır. Bu nedenle, mevcut kontrol teknolojisine dayanan genel prensip, FBG'nin akımını ve faz kontrol parçasını ayarlanabilir lazerin farklı pozisyonlarında değiştirmek, böylece FBG'nin nispi kırılma indisi değişecek ve farklı spektrumlar üretilecektir. FBG tarafından farklı bölgelerde üretilen farklı spektrumların üst üste bindirilmesiyle, belirli dalga boyu seçilecek ve böylece gerekli spesifik dalga boyu üretilecektir. Lazer.
Mevcut kontrol teknolojisine dayalı ayarlanabilir bir lazer, SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflektör) yapısını benimser.
Lazer rezonatörünün ön ve arka uçlarındaki iki reflektörün kendi yansıma tepe noktaları vardır. Bu iki yansıma tepe noktasını akım enjekte ederek ayarlayarak, lazer farklı dalga boyları üretebilir.
Lazer rezonatörünün yan tarafındaki iki reflektörde birden fazla yansıma tepe noktası bulunur. MGYL lazer çalıştığında, enjeksiyon akımı onları ayarlar. Yansıtılan iki ışık, 1*2 birleştirici/ayırıcı tarafından üst üste bindirilir. Ön ucun yansıtıcılığını optimize etmek, lazerin tüm ayar aralığında yüksek güç çıkışı elde etmesini sağlar.
3. Endüstri durumu
Ayarlanabilir lazerler optik iletişim cihazları alanında ön plandadır ve dünyada sadece birkaç büyük optik iletişim firması bu ürünü sağlayabilmektedir. MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC'nin SGBDR mevcut düzenlemesine dayalı mekanik ayarına dayanan SANTUR gibi temsilci şirketler de Çinli tedarikçilerin parmakla gösterdiği birkaç optik cihaz alanından biridir. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd., ayarlanabilir lazerlerin üst düzey paketlenmesinde temel avantajlar elde etti. Çin'de gruplar halinde ayarlanabilir lazerler üretebilen tek kuruluştur. Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'ne yığınak yaptı. Üreticiler tedarik.
JDSU, lazerleri ve modülatörleri tek bir platformda entegre etmek için InP monolitik entegrasyon teknolojisini kullanır ve ayarlanabilir lazerlere sahip küçük boyutlu bir XFP modülünü başlatır. Ayarlanabilir lazer pazarının genişlemesiyle, bu ürünün teknolojik gelişiminin anahtarı, minyatürleştirme ve düşük maliyettir. Gelecekte, giderek daha fazla üretici, XFP paketli ayarlanabilir dalga boyu modüllerini tanıtacak.
Önümüzdeki beş yıl içinde ayarlanabilir lazerler sıcak nokta olacak. 2012 yılında pazarın yıllık kompozit büyüme oranı (CAGR) %37'ye ve ölçeği 1,2 milyar ABD dolarına ulaşacak, aynı dönemde diğer önemli bileşen pazarının yıllık kompozit büyüme oranı ise sabit dalga boylu lazerler için %24'tür. , dedektörler ve alıcılar için %28 ve harici modülatörler için %35. 2012 yılında, optik ağlar için ayarlanabilir lazerler, sabit dalga boylu lazerler ve fotodedektörler pazarı toplam 8 milyar dolar olacak.
4. Optik İletişimde Ayarlanabilir Lazerin Özel Uygulaması
Ayarlanabilir lazerlerin ağ uygulamaları iki kısma ayrılabilir: statik uygulamalar ve dinamik uygulamalar.
Statik uygulamalarda ayarlanabilir bir lazerin dalga boyu kullanım sırasında belirlenir ve zamanla değişmez. En yaygın statik uygulama, kaynak lazerlerin yerine geçer, yani ayarlanabilir bir lazerin çoklu sabit dalga boylu lazerler ve esnek kaynaklı lazerler için yedek görevi gördüğü ve hat sayısını azaltan yoğun dalga boyu bölmeli çoğullama (DWDM) iletim sistemlerinde. tüm farklı dalga boylarını desteklemek için gerekli kartlar.
Statik uygulamalarda, ayarlanabilir lazerler için temel gereksinimler fiyat, çıkış gücü ve spektral özelliklerdir, yani çizgi genişliği ve stabilite, yerini aldığı sabit dalga boylu lazerlerle karşılaştırılabilir. Dalga boyu aralığı ne kadar geniş olursa, çok daha hızlı ayarlama hızı olmaksızın performans-fiyat oranı o kadar iyi olur. Şu anda, hassas ayarlanabilir lazer ile DWDM sisteminin uygulanması giderek daha fazladır.
Gelecekte, yedek olarak kullanılan ayarlanabilir lazerler de buna karşılık gelen yüksek hızlar gerektirecektir. Yoğun bir dalga boyu bölmeli çoğullama kanalı başarısız olduğunda, çalışmasını sürdürmek için ayarlanabilir bir lazer otomatik olarak etkinleştirilebilir. Bu işlevi elde etmek için, tüm kurtarma süresinin senkron optik ağın gerektirdiği 50 milisaniyeden az olmasını sağlamak için lazerin 10 milisaniye veya daha kısa sürede başarısız dalga boyunda ayarlanması ve kilitlenmesi gerekir.
Dinamik uygulamalarda, optik ağların esnekliğini artırmak için ayarlanabilir lazerlerin dalga boyunun düzenli olarak değişmesi gerekir. Bu tür uygulamalar genellikle dinamik dalga boylarının sağlanmasını gerektirir, böylece gerekli değişen kapasiteyi karşılamak için bir ağ segmentinden bir dalga boyu eklenebilir veya önerilebilir. Hem ayarlanabilir lazerlerin hem de ayarlanabilir filtrelerin kullanımına dayanan basit ve daha esnek bir ROADM mimarisi önerilmiştir. Ayarlanabilir lazerler sisteme belirli dalga boyları ekleyebilir ve ayarlanabilir filtreler sistemden belirli dalga boylarını filtreleyebilir. Ayarlanabilir lazer, optik çapraz bağlantıda dalga boyu engelleme sorununu da çözebilir. Şu anda, çoğu optik çapraz bağlantı, bu sorunu önlemek için fiberin her iki ucunda optik-elektro-optik arayüz kullanır. Giriş ucunda OXC girişi için ayarlanabilir bir lazer kullanılıyorsa, ışık dalgasının net bir yolda son noktaya ulaşmasını sağlamak için belirli bir dalga boyu seçilebilir.
Gelecekte, ayarlanabilir lazerler dalga boyu yönlendirme ve optik paket anahtarlamada da kullanılabilir.
Dalga boyu yönlendirme, karmaşık tüm optik anahtarları basit sabit çapraz konektörlerle tamamen değiştirmek için ayarlanabilir lazerlerin kullanımını ifade eder, böylece ağın yönlendirme sinyalinin değiştirilmesi gerekir. Her dalga boyu kanalı benzersiz bir hedef adrese bağlanır, böylece bir ağ sanal bağlantısı oluşturur. Sinyalleri iletirken, ayarlanabilir lazer, frekansını hedef adresin karşılık gelen frekansına ayarlamalıdır.
Optik paket anahtarlama, sinyalleri veri paketlerine göre dalga boyu yönlendirmesi ile ileten gerçek optik paket anahtarlamayı ifade eder. Bu sinyal iletim modunu elde etmek için, ayarlanabilir lazerin ağda çok uzun zaman gecikmesi oluşturmamak için nanosaniye gibi kısa bir sürede geçiş yapabilmesi gerekir.
Bu uygulamalarda, ayarlanabilir lazerler, ağda dalga boyu blokajını önlemek için dalga boyunu gerçek zamanlı olarak ayarlayabilir. Bu nedenle, ayarlanabilir lazerler daha geniş bir ayarlanabilir aralığa, daha yüksek çıkış gücüne ve milisaniye reaksiyon hızına sahip olmalıdır. Aslında, çoğu dinamik uygulama, lazer çıkışının uygun kanaldan optik fibere geçebilmesini sağlamak için lazerle çalışmak için ayarlanabilir bir optik çoklayıcı veya 1:N optik anahtar gerektirir.
