Кәсіби білім

Реттелетін лазерлік технология және оның оптикалық талшықты байланыста қолданылуы

2021-03-24
1. Шолу
Оптикалық байланыс саласында дәстүрлі жарық көздері тұрақты толқын ұзындығындағы лазерлік модульдерге негізделген. Оптикалық байланыс жүйелерін үздіксіз дамытып, қолдана отырып, тұрақты толқын ұзындығындағы лазерлердің кемшіліктері біртіндеп ашылады. Бір жағынан, DWDM технологиясының дамуымен жүйеде толқын ұзындығының саны жүздегенге жетті. Қорғаныс жағдайында әр лазердің резервтік көшірмесі бірдей толқын ұзындығымен жасалуы керек. Лазерлік жеткізілім резервтік лазерлер саны мен құнының артуына әкеледі; екінші жағынан, тұрақты лазерлерге толқын ұзындығын ажырату қажет болғандықтан, лазерлердің түрі толқын ұзындығы санының өсуіне байланысты көбейеді, бұл басқару күрделілігі мен түгендеу деңгейін күрделендіреді; екінші жағынан, егер біз оптикалық желілерде толқын ұзындығының динамикалық бөлінуін қолдағымыз келсе және желінің икемділігін жақсартқымыз келсе, онда біз көптеген толқындарды жабдықтауымыз керек. Ұзақ лазер, бірақ әр лазерді пайдалану коэффициенті өте төмен, нәтижесінде ресурстар ысырап болады. Осы кемшіліктерді жою үшін жартылай өткізгіштің және онымен байланысты технологиялардың дамуымен реттелетін лазерлер сәтті дамыды, яғни белгілі бір өткізу қабілеттілігіндегі әр түрлі толқын ұзындығы бір лазер модулінде басқарылады және бұл толқын ұзындығының мәндері мен аралықтары ITU-T талаптарына сәйкес келеді.
Келесі ұрпақтың оптикалық желісі үшін реттелетін лазерлер интеллектуалды оптикалық желіні іске асырудың шешуші факторы болып табылады, ол операторларға үлкен икемділікті, толқын ұзындығының жылдамдығын және ақыр соңында төмен шығындарды қамтамасыз ете алады. Болашақта қалааралық оптикалық желілер толқын ұзындығының динамикалық жүйелері әлемі болады. Бұл желілер қысқа уақыт ішінде жаңа толқын ұзындығына қол жеткізе алады. Ультра қалааралық тарату технологиясын қолданғандықтан, регенераторды қолданудың қажеті жоқ, бұл көп ақша үнемдейді. Реттелетін лазерлер болашақ байланыс желілері үшін толқын ұзындығын басқару, желінің тиімділігін арттыру және жаңа буынның оптикалық желілерін дамыту үшін жаңа құралдар ұсынады деп күтілуде. Ең тартымды қосымшалардың бірі - қайта конфигурацияланатын оптикалық қосымшалы мультиплексор (ROADM). Желілік нарықта динамикалық қайта конфигурацияланатын желілік жүйелер пайда болады, ал үлкен реттелетін диапазоны бар реттелетін лазерлер көбірек қажет болады.

2. Техникалық қағидалар мен сипаттамалар
Реттелетін лазерлерді басқарудың үш түрі бар: ағымдағы басқару технологиясы, температураны бақылау технологиясы және механикалық басқару технологиясы. Олардың ішінде электронды басқарылатын технология толқын ұзындығын инъекция тогын өзгерту арқылы жүзеге асырады. Оның ns деңгейіндегі баптау жылдамдығы және кең өткізу қабілеттілігі бар, бірақ оның шығу қуаты аз. Электрондық басқарылатын негізгі технологиялар - SG-DBR (Sbrling Grating DBR) және GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sling Inlection) лазерлері. Температураны бақылау технологиясы лазердің белсенді аймағының сыну көрсеткішін өзгерту арқылы лазердің шығыс толқын ұзындығын өзгертеді. Технология қарапайым, бірақ баяу, тар реттелетін өткізу қабілеттілігі, тек бірнеше нанометр. DFB (Distributed Feedback) және DBR (Distributed Bragg Reflection) лазерлері температураны бақылауға негізделген негізгі технологиялар болып табылады. Механикалық басқару негізінен реттелетін өткізу қабілеттілігі үлкен және шығыс қуаты жоғары толқын ұзындығын таңдауды аяқтауға арналған микроэлектромеханикалық жүйенің (БЭЖ) технологиясына негізделген. Механикалық басқару технологиясына негізделген негізгі құрылымдар DFB (үлестірілген кері байланыс), ECL (сыртқы қуыс лазері) және VCSEL (вертикаль қуыстардың беттік эмиссиясы лазері). Осы аспектілерден реттелетін лазерлердің принципі төменде түсіндіріледі. Олардың ішінде ең танымал болып табылатын қолданыстағы реттелетін технологияға баса назар аударылды.
2.1 Температураны бақылау технологиясы
Температураға негізделген басқару технологиясы негізінен DFB құрылымында қолданылады, оның принципі лазерлік қуыстың температурасын реттеу, ол әр түрлі толқын ұзындығын шығара алады. Осы принципке негізделген реттелетін лазердің толқын ұзындығын реттеу белгілі бір температура диапазонында жұмыс істейтін InGaAsP DFB лазерінің өзгеруін бақылау арқылы жүзеге асырылады. Құрылғы CW лазерлік шығысын 50 ГГц аралығында ITU торына құлыптауға арналған толқындарды бұғаттайтын қондырғыдан тұрады (стандартты өлшеуіш және бақылау детекторы). Жалпы алғанда, құрылғыда екі бөлек TEC инкапсуляцияланған. Бірі - лазерлік чиптің толқын ұзындығын бақылау, ал екіншісі - құрылғыдағы құлып пен қуат детекторының тұрақты температурада жұмыс істеуін қамтамасыз ету.
Бұл лазерлердің ең үлкен артықшылығы - олардың өнімділігі тұрақты толқын ұзындығындағы лазерлерге ұқсас. Олар жоғары шығыс қуаты, толқын ұзындығының жақсы тұрақтылығы, қарапайым жұмыс, төмен шығындар және жетілген технологиялар сипаттамаларына ие. Дегенмен, екі негізгі кемшіліктер бар: бірі - жалғыз құрылғының баптау ені тар, әдетте бірнеше нанометр; екіншісі - баптау уақыты ұзақ, бұл әдетте тұрақтылықты баптау үшін бірнеше секундты қажет етеді.
2.2 Механикалық басқару технологиясы
Механикалық басқару технологиясы әдетте MEMS қолдану арқылы жүзеге асырылады. Механикалық басқару технологиясына негізделген реттелетін лазер MEMs-DFB құрылымын қолданады.
Реттелетін лазерлерге DFB лазерлік массивтері, жантаймалы EMS линзалары және басқа басқарушы және қосалқы бөлшектер жатады.
DFB лазерлік массивінің аймағында бірнеше DFB лазерлік массивтері бар, олардың әрқайсысы өткізу қабілеттілігі шамамен 1,0 нм және аралығы 25 Гц болатын белгілі бір толқын ұзындығын шығара алады. MEM линзаларының айналу бұрышын бақылау арқылы жарықтың қажетті меншікті толқын ұзындығын шығару үшін қажетті нақты толқын ұзындығын таңдауға болады.

DFB лазерлік массиві
VCSEL құрылымына негізделген тағы бір реттелетін лазер оптикалық сорғыланған вертикальды-қуысты бетті шығаратын лазерлерге негізделген. Жартылай симметриялы қуыс технологиясы MEMS қолдану арқылы толқын ұзындығын үздіксіз баптауға қол жеткізу үшін қолданылады. Ол жартылай өткізгіш лазерден және бетіне жарық шығара алатын тік лазерлік күшейту резонаторынан тұрады. Резонатордың бір ұшында резонатордың ұзындығын және лазерлік толқын ұзындығын өзгерте алатын жылжымалы рефлектор бар. VCSEL-дің басты артықшылығы - ол таза және үздіксіз сәулелер шығара алады, оптикалық талшықтарға оңай және тиімді қосылады. Оның үстіне, құны төмен, өйткені оның қасиеттерін вафельде өлшеуге болады. VCSEL-дің негізгі кемшілігі оның шығыс қуаты төмен, реттеу жылдамдығы жеткіліксіз және қосымша жылжымалы шағылыстырғыш. Егер шығыс қуатын арттыру үшін оптикалық сорғы қосылса, жалпы күрделілік артады, ал лазердің қуат шығыны мен құны артады. Осы принципке негізделген реттелетін лазердің басты кемшілігі - баптау уақыты салыстырмалы түрде баяу, бұл әдетте тұрақтандырудың бірнеше секундтық күйін келтіруді қажет етеді.
2.3 Ағымдағы басқару технологиясы
DFB-ден айырмашылығы, реттелетін DBR лазерлерінде толқын ұзындығы резонатордың әр түрлі бөліктеріне қозғаушы ток жіберу арқылы өзгереді. Мұндай лазерлерде кем дегенде төрт бөлік бар: әдетте екі Bragg торы, күшейту модулі және толқын ұзындығын дәл баптайтын фазалық модуль. Лазердің бұл түрі үшін әр ұшында көптеген Bragg торлары болады. Басқаша айтқанда, тордың белгілі бір биіктігінен кейін саңылау пайда болады, содан кейін тордың басқа биіктігі пайда болады, содан кейін саңылау пайда болады және т.б. Бұл тарақ тәрізді шағылысу спектрін шығарады. Лазердің екі ұшындағы Bragg торлары тарақ тәрізді әр түрлі шағылысатын спектрлер жасайды. Жарық олардың арасында алға-артқа шағылысқан кезде екі түрлі шағылысу спектрлерінің суперпозициясы толқын ұзындығының кең диапазонына әкеледі. Бұл технологияда қолданылатын қоздыру схемасы өте күрделі, бірақ оны реттеу жылдамдығы өте тез. Сонымен, ағымдағы басқару технологиясына негізделген жалпы принцип - FBG мен фазалық бақылау бөлігінің реттелетін лазердің әр түрлі позицияларындағы ағынын өзгерту, осылайша FBG салыстырмалы сыну көрсеткіші өзгеріп, әр түрлі спектрлер пайда болады. FBG өндірген әр түрлі спектрлерді әр түрлі аймақтарға орналастыру арқылы нақты толқын ұзындығы таңдалады, осылайша қажетті толқын ұзындығы пайда болады. Лазерлік.

Ағымдағы басқару технологиясына негізделген реттелетін лазер SGDBR (Үлгіленген торлы үлестіріммен таратылатын Bragg рефлекторы) құрылымын қолданады.

Лазерлік резонатордың алдыңғы және артқы ұштарындағы екі рефлектордың өзіндік шағылысу шыңдары бар. Осы екі шағылысу шыңын ток жіберу арқылы реттеу арқылы лазер әртүрлі толқын ұзындығын шығара алады.

Лазерлік резонатордың бүйіріндегі екі рефлектор бірнеше рет шағылысқан шыңдарға ие. MGYL лазері жұмыс істегенде, инъекциялық ток оларды реттейді. Екі шағылысқан шамдарды 1 * 2 біріктіргіш / бөлгіш қосады. Алдыңғы жақтың шағылыстырғыштығын оңтайландыру лазердің барлық баптау диапазонында жоғары қуатты шығаруға мүмкіндік береді.


3. Салалық мәртебе
Реттелетін лазерлер оптикалық байланыс құрылғылары саласында алдыңғы қатарда, ал әлемдегі бірнеше ірі оптикалық байланыс компаниялары ғана бұл өнімді ұсына алады. SANTUR сияқты MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, SGBDR ағымдағы реттеуге негізделген AOC механикалық баптауға негізделген өкілетті компаниялар, сонымен қатар қытайлық жеткізушілер саусақпен санаған оптикалық құрылғылардың аз салаларының бірі болып табылады. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. реттелетін лазерлердің жоғары деңгейлі орамында негізгі артықшылықтарға қол жеткізді. Бұл реттелетін лазерлерді партия түрінде шығара алатын Қытайдағы жалғыз кәсіпорын. Ол Еуропа мен Америка Құрама Штаттарына жиналды. Өндірушілер жеткізеді.
JDSU InP монолитті интеграция технологиясын лазерлер мен модуляторларды реттелетін лазерлермен шағын өлшемді XFP модулін іске қосу үшін бір платформаға біріктіру үшін қолданады. Реттелетін лазерлік нарықтың кеңеюімен бұл өнімнің технологиялық дамуының кілті миниатюризация және арзан баға болып табылады. Болашақта көбірек өндірушілер XFP орамасының реттелетін толқын ұзындығының модульдерін ұсынады.
Алдағы бес жылда реттеуге болатын лазерлер ыстық орын болады. Нарықтың жылдық композиттік өсу қарқыны (CAGR) 37% -ке жетеді және оның масштабы 2012 жылы 1,2 млрд. АҚШ долларына жетеді, ал сол кезеңдегі басқа маңызды компоненттер нарығының жылдық өсу қарқыны тұрақты толқын лазерлері үшін 24% құрайды , Детекторлар мен қабылдағыштар үшін 28%, сыртқы модуляторлар үшін 35%. 2012 жылы реттелетін лазерлер, толқынды лазерлер және оптикалық желілерге арналған фотодетекторлар нарығы жалпы сомасы 8 млрд.

4. Оптикалық байланыста реттелетін лазердің нақты қолданылуы
Реттелетін лазерлердің желілік қосымшаларын екі бөлікке бөлуге болады: статикалық қосымшалар және динамикалық қосымшалар.
Статикалық қосымшаларда реттелетін лазердің толқын ұзындығы пайдалану кезінде орнатылады және уақыт бойынша өзгермейді. Ең көп таралған статикалық қосымша көз лазерлерін алмастырғыш болып табылады, яғни мультиплекстеудің тығыз толқындық бөлу (DWDM) тарату жүйелерінде, мұнда реттелетін лазер бірнеше тіркелген толқын ұзындығындағы лазерлер мен икемді қайнар көздер лазерлері үшін резервтік рөл атқарады, сызық санын азайтады барлық әртүрлі толқын ұзындықтарын қолдау үшін қажет карталар.
Статикалық қосымшаларда реттелетін лазерлерге қойылатын негізгі талаптар баға, шығыс қуаты және спектрлік сипаттамалар болып табылады, яғни оның ені мен тұрақтылығы оны ауыстыратын тұрақты толқын ұзындығындағы лазерлермен салыстырылады. Толқын ұзындығының диапазоны неғұрлым кең болса, жылдамдықты реттеу жылдамдығы болмай, өнімділік пен баға арақатынасы соғұрлым жақсы болады. Қазіргі уақытта дәл орнатылатын лазермен DWDM жүйесін қолдану барған сайын артып келеді.
Болашақта резервтік көшірме ретінде пайдаланылатын реттелетін лазерлер де тез жылдамдықты қажет етеді. Толқынды ұзындықты мультиплекстейтін арна бөлінбегенде, реттелетін лазер жұмысын қайта бастауға автоматты түрде қосылуы мүмкін. Бұл функцияға жету үшін лазерді күйге келтіріп, сәтсіз толқын ұзындығында 10 миллисекундта немесе одан аз уақытта құлыптау керек, осылайша қалпына келтірудің бүкіл уақыты синхронды оптикалық желі қажет ететін 50 миллисекундтан аз болады.
Динамикалық қосымшаларда оптикалық желілердің икемділігін арттыру үшін реттелетін лазерлердің толқын ұзындығын үнемі өзгерту қажет. Мұндай қосымшалар, әдетте, динамикалық толқын ұзындығын қамтамасыз етуді қажет етеді, сондықтан толқын ұзындығы қажетті өзгергіштікке сәйкес келу үшін желі сегментінен қосылуы немесе ұсынылуы мүмкін. Қарапайым және икемді ROADM архитектурасы ұсынылды, ол реттелетін лазерлерді де, реттелетін сүзгілерді де қолдануға негізделген. Реттелетін лазерлер жүйеге белгілі бір толқын ұзындығын қоса алады, ал реттелетін сүзгілер жүйеден белгілі бір толқын ұзындығын сүзе алады. Реттелетін лазер сонымен қатар оптикалық кросс-байланыста толқын ұзындығын бұғаттау мәселесін шеше алады. Қазіргі уақытта көптеген оптикалық кросс-сілтемелер бұл мәселені болдырмау үшін талшықтың екі шетінде де оптикалық-электро-оптикалық интерфейсті қолданады. Егер реттелетін лазерді кіріс соңында OXC енгізу үшін қолданса, жарық толқынының нақты жолда соңғы нүктеге жетуін қамтамасыз ету үшін белгілі бір толқын ұзындығын таңдауға болады.
Болашақта реттелетін лазерлер толқын ұзындығын маршрутизациялауда және пакеттік оптикалық коммутацияда қолданыла алады.
Толқын ұзындығын маршрутизациялау - бұл күрделі барлық оптикалық ажыратқыштарды қарапайым бекітілген кросс-коннекторлармен толығымен ауыстыру үшін реттелетін лазерлерді қолдану, сондықтан желінің маршруттық сигналын өзгерту қажет. Әрбір толқын ұзындығының арнасы бірегей адресатқа қосылады, осылайша желінің виртуалды байланысы қалыптасады. Сигналдарды беру кезінде реттелетін лазер өзінің жиілігін мақсатты адреске сәйкес жиілікке келтіруі керек.
Оптикалық пакеттік коммутация дегеніміз - деректер пакеттеріне сәйкес сигналдарды толқын ұзындығы бойынша бағыттау арқылы беретін нақты оптикалық пакеттік коммутация. Сигналды берудің осы режиміне жету үшін реттелетін лазер желіде ұзақ уақыт кідіріс туғызбау үшін наносекунд сияқты қысқа уақыт ішінде ауысуы керек.
Бұл қосымшаларда реттелетін лазерлер желідегі толқын ұзындығын бұғаттамау үшін толқын ұзындығын нақты уақыт режимінде реттей алады. Сондықтан, реттелетін лазерлердің реттелетін диапазоны, шығыс қуаты және реакцияның миллисекундтық жылдамдығы жоғары болуы керек. Шын мәнінде, динамикалық қосымшалардың көпшілігі лазермен жұмыс істеу үшін реттелетін оптикалық мультиплексорды немесе 1: N оптикалық қосқышты қажет етеді, бұл лазердің шығуы тиісті канал арқылы оптикалық талшыққа өтеді.