1. Visão Geral
No campo da comunicação óptica, as fontes de luz tradicionais são baseadas em módulos laser de comprimento de onda fixo. Com o contínuo desenvolvimento e aplicação de sistemas de comunicação óptica, as desvantagens dos lasers de comprimento de onda fixo são gradualmente reveladas. Por um lado, com o desenvolvimento da tecnologia DWDM, o número de comprimentos de onda no sistema atingiu centenas. No caso de proteção, o backup de cada laser deve ser feito pelo mesmo comprimento de onda. O fornecimento de laser leva a um aumento no número de lasers de backup e no custo; por outro lado, como os lasers fixos precisam distinguir comprimentos de onda, o tipo de lasers aumenta com o aumento do número de comprimentos de onda, o que torna mais complexa a complexidade de gerenciamento e o nível de estoque; por outro lado, se quisermos dar suporte à alocação dinâmica de comprimento de onda em redes ópticas e melhorar a flexibilidade da rede, precisamos equipar um grande número de ondas diferentes. Laser fixo longo, mas a taxa de utilização de cada laser é muito baixa, resultando em desperdício de recursos. Para superar essas deficiências, com o desenvolvimento de semicondutores e tecnologias relacionadas, os lasers sintonizáveis foram desenvolvidos com sucesso, ou seja, comprimentos de onda diferentes dentro de uma determinada largura de banda são controlados no mesmo módulo de laser, e esses valores de comprimento de onda e espaçamento atendem aos requisitos da ITU-T.
Para a rede óptica de próxima geração, os lasers ajustáveis são o fator chave para realizar uma rede óptica inteligente, que pode fornecer às operadoras maior flexibilidade, velocidade de fornecimento de comprimento de onda mais rápida e, por fim, menor custo. No futuro, as redes ópticas de longa distância serão o mundo dos sistemas dinâmicos de comprimento de onda. Essas redes podem atingir novas atribuições de comprimento de onda em um tempo muito curto. Devido ao uso da tecnologia de transmissão de ultralonga distância, não há necessidade de usar o regenerador, o que economiza muito dinheiro. Espera-se que os lasers sintonizáveis forneçam novas ferramentas para futuras redes de comunicação para gerenciar o comprimento de onda, melhorar a eficiência da rede e desenvolver redes ópticas de próxima geração. Uma das aplicações mais atraentes é o multiplexador óptico add-drop reconfigurável (ROADM). Sistemas de rede reconfiguráveis dinâmicos aparecerão no mercado de rede, e lasers ajustáveis com grande alcance ajustável serão mais necessários.
2. Princípios e Características Técnicas
Existem três tipos de tecnologias de controle para lasers sintonizáveis: tecnologia de controle atual, tecnologia de controle de temperatura e tecnologia de controle mecânico. Entre eles, a tecnologia controlada eletronicamente realiza o ajuste do comprimento de onda alterando a corrente de injeção. Possui velocidade de ajuste de nível ns e ampla largura de banda de ajuste, mas sua potência de saída é pequena. As principais tecnologias controladas eletronicamente são os lasers SG-DBR (Sampling Grating DBR) e GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). A tecnologia de controle de temperatura altera o comprimento de onda de saída do laser alterando o índice de refração da região ativa do laser. A tecnologia é simples, mas lenta, largura de banda ajustável estreita, apenas alguns nanômetros. Os lasers DFB (Distributed Feedback) e DBR (Distributed Bragg Reflection) são as principais tecnologias baseadas no controle de temperatura. O controle mecânico é baseado principalmente na tecnologia do sistema micro-eletromecânico (MEMS) para completar a seleção do comprimento de onda, com maior largura de banda ajustável e maior potência de saída. As principais estruturas baseadas na tecnologia de controle mecânico são DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) e VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). O princípio dos lasers sintonizáveis a partir desses aspectos será explicado abaixo. Entre eles, destaca-se a atual tecnologia ajustável, que é a mais popular.
2.1 Tecnologia de Controle de Temperatura
A tecnologia de controle baseada em temperatura é usada principalmente na estrutura DFB, seu princípio é ajustar a temperatura da cavidade do laser, para que possa emitir diferentes comprimentos de onda. O ajuste de comprimento de onda de um laser ajustável baseado neste princípio é realizado controlando a variação do laser InGaAsP DFB trabalhando em uma determinada faixa de temperatura. O dispositivo consiste em um dispositivo de bloqueio de onda integrado (um medidor padrão e um detector de monitoramento) para bloquear a saída do laser CW na grade ITU em um intervalo de 50 GHz. Em geral, dois TECs separados são encapsulados no dispositivo. Uma é controlar o comprimento de onda do chip do laser e a outra é garantir que a trava e o detector de energia no dispositivo funcionem em temperatura constante.
A maior vantagem desses lasers é que seu desempenho é semelhante ao dos lasers de comprimento de onda fixo. Eles têm as características de alta potência de saída, boa estabilidade de comprimento de onda, operação simples, baixo custo e tecnologia madura. No entanto, existem duas desvantagens principais: uma é que a largura de sintonia de um único dispositivo é estreita, geralmente apenas alguns nanômetros; a outra é que o tempo de ajuste é longo, o que geralmente requer vários segundos de tempo de estabilidade de ajuste.
2.2 Tecnologia de Controle Mecânico
A tecnologia de controle mecânico geralmente é implementada usando MEMS. Um laser ajustável baseado na tecnologia de controle mecânico adota a estrutura MEMs-DFB.
Os lasers sintonizáveis incluem matrizes de laser DFB, lentes EMS inclináveis e outras peças auxiliares e de controle.
Existem várias matrizes de laser DFB na área da matriz de laser DFB, cada uma das quais pode produzir um comprimento de onda específico com uma largura de banda de cerca de 1,0 nm e um espaçamento de 25 Ghz. Ao controlar o ângulo de rotação das lentes MEMs, o comprimento de onda específico necessário pode ser selecionado para produzir o comprimento de onda de luz específico necessário.
Matriz de Laser DFB
Outro laser ajustável baseado na estrutura VCSEL é projetado com base em lasers emissores de superfície de cavidade vertical bombeados opticamente. A tecnologia de cavidade semi-simétrica é usada para obter o ajuste de comprimento de onda contínuo usando MEMS. Consiste em um laser semicondutor e um ressonador vertical de ganho de laser que pode emitir luz na superfície. Há um refletor móvel em uma extremidade do ressonador, que pode alterar o comprimento do ressonador e o comprimento de onda do laser. A principal vantagem do VCSEL é que ele pode emitir feixes puros e contínuos e pode ser acoplado de maneira fácil e eficaz em fibras ópticas. Além disso, o custo é baixo porque suas propriedades podem ser medidas no wafer. A principal desvantagem do VCSEL é sua baixa potência de saída, velocidade insuficiente de ajuste e um refletor móvel adicional. Se uma bomba óptica for adicionada para aumentar a potência de saída, a complexidade geral será aumentada e o consumo de energia e o custo do laser serão aumentados. A principal desvantagem do laser ajustável baseado neste princípio é que o tempo de sintonia é relativamente lento, o que geralmente requer vários segundos de tempo de estabilização de sintonia.
2.3 Tecnologia de Controle de Corrente
Ao contrário do DFB, nos lasers DBR sintonizáveis, o comprimento de onda é alterado direcionando a corrente de excitação para diferentes partes do ressonador. Esses lasers têm pelo menos quatro partes: geralmente duas redes de Bragg, um módulo de ganho e um módulo de fase com ajuste fino de comprimento de onda. Para este tipo de laser, haverá muitas grades de Bragg em cada extremidade. Em outras palavras, depois de um certo tom de grade, há uma lacuna, depois há um tom diferente de grade, depois há uma lacuna e assim por diante. Isso produz um espectro de reflexão semelhante a um pente. As grades de Bragg em ambas as extremidades do laser geram diferentes espectros de refletância semelhantes a pentes. Quando a luz reflete para frente e para trás entre eles, a superposição de dois espectros de refletância diferentes resulta em uma faixa de comprimento de onda mais ampla. O circuito de excitação utilizado nesta tecnologia é bastante complexo, mas sua velocidade de ajuste é muito rápida. Portanto, o princípio geral baseado na tecnologia de controle atual é alterar a corrente do FBG e a parte de controle de fase em diferentes posições do laser ajustável, de modo que o índice de refração relativo do FBG mude e diferentes espectros sejam produzidos. Ao sobrepor diferentes espectros produzidos por FBG em diferentes regiões, o comprimento de onda específico será selecionado, de modo que o comprimento de onda específico necessário seja gerado. Laser.
Um laser ajustável baseado na tecnologia de controle de corrente adota a estrutura SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Dois refletores nas extremidades frontal e traseira do ressonador laser têm seus próprios picos de reflexão. Ao ajustar esses dois picos de reflexão injetando corrente, o laser pode produzir diferentes comprimentos de onda.
Os dois refletores na lateral do ressonador laser têm vários picos de reflexão. Quando o laser MGYL funciona, a corrente de injeção os ajusta. As duas luzes refletidas são sobrepostas por um combinador/divisor 1*2. A otimização da refletividade do front-end permite que o laser alcance uma saída de alta potência em toda a faixa de ajuste.
3. Situação da indústria
Os lasers sintonizáveis estão na vanguarda do campo de dispositivos de comunicação óptica, e apenas algumas grandes empresas de comunicação óptica no mundo podem fornecer este produto. Empresas representativas, como SANTUR com base em ajuste mecânico de MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC com base na regulamentação atual SGBDR, etc., também são uma das poucas áreas de dispositivos ópticos que os fornecedores chineses tocaram. A Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. alcançou as principais vantagens em embalagens de ponta de lasers sintonizáveis. É a única empresa na China que pode produzir lasers ajustáveis em lotes. Ele tem lotes para a Europa e os Estados Unidos. Os fabricantes fornecem.
A JDSU usa a tecnologia de integração monolítica InP para integrar lasers e moduladores em uma única plataforma para lançar um módulo XFP de tamanho pequeno com lasers ajustáveis. Com a expansão do mercado de lasers sintonizáveis, a chave para o desenvolvimento tecnológico deste produto é a miniaturização e o baixo custo. No futuro, mais e mais fabricantes introduzirão módulos de comprimento de onda ajustáveis empacotados com XFP.
Nos próximos cinco anos, os lasers ajustáveis serão um ponto quente. A taxa de crescimento composto anual (CAGR) do mercado chegará a 37% e sua escala atingirá 1,2 bilhão de dólares em 2012, enquanto a taxa de crescimento composto anual de outros componentes importantes do mercado no mesmo período é de 24% para lasers de comprimento de onda fixo , 28% para detectores e receptores e 35% para moduladores externos. Em 2012, o mercado de lasers sintonizáveis, lasers de comprimento de onda fixo e fotodetectores para redes ópticas totalizará US$ 8 bilhões.
4. Aplicação Específica do Laser Sintonizável em Comunicação Óptica
As aplicações de rede de lasers sintonizáveis podem ser divididas em duas partes: aplicações estáticas e aplicações dinâmicas.
Em aplicações estáticas, o comprimento de onda de um laser ajustável é definido durante o uso e não muda com o tempo. A aplicação estática mais comum é como um substituto para lasers de fonte, ou seja, em sistemas de transmissão de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM), onde um laser sintonizável atua como backup para vários lasers de comprimento de onda fixo e lasers de fonte flexível, reduzindo o número de linhas cartões necessários para suportar todos os diferentes comprimentos de onda.
Em aplicações estáticas, os principais requisitos para lasers sintonizáveis são preço, potência de saída e características espectrais, ou seja, largura de linha e estabilidade são comparáveis aos lasers de comprimento de onda fixo que ele substitui. Quanto maior a faixa de comprimento de onda, melhor será a relação desempenho-preço, sem uma velocidade de ajuste muito mais rápida. Atualmente, a aplicação do sistema DWDM com laser ajustável de precisão é cada vez mais.
No futuro, os lasers ajustáveis usados como backups também exigirão velocidades correspondentes rápidas. Quando um canal de multiplexação por divisão de comprimento de onda denso falha, um laser ajustável pode ser ativado automaticamente para retomar sua operação. Para atingir esta função, o laser deve ser ajustado e bloqueado no comprimento de onda com falha em 10 milissegundos ou menos, de modo a garantir que todo o tempo de recuperação seja inferior a 50 milissegundos exigidos pela rede óptica síncrona.
Em aplicações dinâmicas, o comprimento de onda dos lasers sintonizáveis deve mudar regularmente para aumentar a flexibilidade das redes ópticas. Tais aplicações geralmente requerem o fornecimento de comprimentos de onda dinâmicos para que um comprimento de onda possa ser adicionado ou proposto a partir de um segmento de rede para acomodar a capacidade variável necessária. Foi proposta uma arquitetura de ROADMs simples e mais flexível, baseada no uso de lasers ajustáveis e filtros ajustáveis. Os lasers ajustáveis podem adicionar certos comprimentos de onda ao sistema e os filtros ajustáveis podem filtrar certos comprimentos de onda do sistema. O laser ajustável também pode resolver o problema de bloqueio de comprimento de onda na conexão cruzada óptica. Atualmente, a maioria das ligações cruzadas ópticas usa interface óptico-eletro-óptica em ambas as extremidades da fibra para evitar esse problema. Se um laser ajustável for usado para inserir OXC na extremidade de entrada, um determinado comprimento de onda pode ser selecionado para garantir que a onda de luz atinja o ponto final em um caminho claro.
No futuro, os lasers sintonizáveis também podem ser usados no roteamento de comprimento de onda e comutação de pacotes ópticos.
O roteamento de comprimento de onda refere-se ao uso de lasers ajustáveis para substituir completamente os comutadores ópticos complexos por conectores cruzados fixos simples, de modo que o sinal de roteamento da rede precise ser alterado. Cada canal de comprimento de onda é conectado a um endereço de destino único, formando assim uma conexão virtual de rede. Ao transmitir sinais, o laser sintonizável deve ajustar sua frequência à frequência correspondente do endereço de destino.
A comutação de pacotes ópticos refere-se à comutação de pacotes ópticos real que transmite sinais por roteamento de comprimento de onda de acordo com pacotes de dados. Para alcançar este modo de transmissão de sinal, o laser ajustável deve ser capaz de comutar em um tempo tão curto quanto nanossegundos, para não gerar um atraso de tempo muito longo na rede.
Nessas aplicações, os lasers sintonizáveis podem ajustar o comprimento de onda em tempo real para evitar o bloqueio do comprimento de onda na rede. Portanto, os lasers ajustáveis devem ter um alcance ajustável maior, maior potência de saída e velocidade de reação de milissegundos. Na verdade, a maioria das aplicações dinâmicas requerem um multiplexador óptico ajustável ou um comutador óptico 1:N para trabalhar com o laser para garantir que a saída do laser possa passar pelo canal apropriado para a fibra óptica.
