1. Шолу
Оптикалық байланыс саласында дәстүрлі жарық көздері тұрақты толқын ұзындығы лазерлік модульдерге негізделген. Оптикалық байланыс жүйелерін үздіксіз дамыту және қолдану кезінде тұрақты толқын ұзындығы лазерлердің кемшіліктері біртіндеп ашылады. Бір жағынан, DWDM технологиясының дамуымен жүйедегі толқын ұзындығының саны жүздегенге жетті. Қорғаныс жағдайында әрбір лазердің резервтік көшірмесі бірдей толқын ұзындығымен жасалуы керек. Лазермен жабдықтау резервтік лазерлер санының және құнының өсуіне әкеледі; екінші жағынан, қозғалмайтын лазерлер толқын ұзындығын ажыратуды қажет ететіндіктен, лазерлердің түрі толқын ұзындығының санының ұлғаюымен артады, бұл басқару күрделілігі мен инвентарлық деңгейді күрделі етеді; екінші жағынан, егер біз оптикалық желілерде динамикалық толқын ұзындығын бөлуді қолдағымыз келсе және желінің икемділігін жақсартқымыз келсе, біз әртүрлі толқындардың үлкен санын жабдықтауымыз керек. Ұзақ бекітілген лазер, бірақ әрбір лазерді пайдалану жылдамдығы өте төмен, нәтижесінде ресурстар ысырап болады. Бұл кемшіліктерді жою үшін жартылай өткізгіш және соған байланысты технологиялардың дамуымен реттелетін лазерлер сәтті әзірленді, яғни белгілі бір өткізу жолағындағы әртүрлі толқын ұзындығы бір лазерлік модульде басқарылады және бұл толқын ұзындығының мәндері мен аралықтары ITU-T талаптарына сәйкес келеді.
Келесі буын оптикалық желі үшін реттелетін лазерлер интеллектуалды оптикалық желіні жүзеге асырудың негізгі факторы болып табылады, ол операторларға үлкен икемділік, толқын ұзындығының жылдамырақ жеткізу жылдамдығын және сайып келгенде, төмен шығындарды қамтамасыз ете алады. Болашақта қалааралық оптикалық желілер толқын ұзындығының динамикалық жүйелерінің әлемі болады. Бұл желілер өте қысқа уақыт ішінде жаңа толқын ұзындығы тағайындауға қол жеткізе алады. Өте алыс қашықтыққа тасымалдау технологиясын қолданудың арқасында регенераторды пайдаланудың қажеті жоқ, бұл көп ақшаны үнемдейді. Реттеуге болатын лазерлер толқын ұзындығын басқару, желі тиімділігін арттыру және келесі ұрпақ оптикалық желілерін дамыту үшін болашақ байланыс желілеріне жаңа құралдар береді деп күтілуде. Ең тартымды қолданбалардың бірі - қайта конфигурацияланатын оптикалық қосулы мультиплексор (ROADM). Желі нарығында динамикалық қайта конфигурацияланатын желілік жүйелер пайда болады және реттелетін ауқымы үлкен реттелетін лазерлер көбірек қажет болады.
2. Техникалық принциптер мен сипаттамалар
Реттелетін лазерлерді басқару технологиясының үш түрі бар: ағымдағы басқару технологиясы, температураны бақылау технологиясы және механикалық басқару технологиясы. Олардың ішінде электронды басқарылатын технология инъекциялық токты өзгерту арқылы толқын ұзындығын реттеуді жүзеге асырады. Оның ns-деңгейіндегі баптау жылдамдығы және кең баптау өткізу қабілеті бар, бірақ оның шығыс қуаты аз. Негізгі электронды басқарылатын технологиялар SG-DBR (Sampling Grating DBR) және GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) лазерлері. Температураны бақылау технологиясы лазердің белсенді аймағының сыну көрсеткішін өзгерту арқылы лазердің шығыс толқын ұзындығын өзгертеді. Технология қарапайым, бірақ баяу, тар реттелетін өткізу қабілеті, небәрі бірнеше нанометр. DFB (Distributed Feedback) және DBR (Distributed Bragg Reflection) лазерлері температураны бақылауға негізделген негізгі технологиялар болып табылады. Механикалық басқару негізінен толқын ұзындығын таңдауды аяқтау үшін микроэлектро-механикалық жүйенің (MEMS) технологиясына негізделген, үлкенірек реттелетін өткізу қабілеттілігі және жоғары шығыс қуаты. Механикалық басқару технологиясына негізделген негізгі құрылымдар DFB (таратылған кері байланыс), ECL (сыртқы қуысты лазер) және VCSEL (вертикальды қуысты беттік сәуле шығару лазері). Осы аспектілерден реттелетін лазерлердің принципі төменде түсіндіріледі. Олардың ішінде ең танымал болып табылатын қазіргі бапталатын технологияға ерекше назар аударылады.
2.1 Температураны бақылау технологиясы
Температураға негізделген басқару технологиясы негізінен DFB құрылымында қолданылады, оның принципі лазер қуысының температурасын реттеу болып табылады, осылайша ол әртүрлі толқын ұзындығын шығара алады. Осы принцип негізінде реттелетін лазердің толқын ұзындығын реттеу белгілі бір температура диапазонында жұмыс істейтін InGaAsP DFB лазерінің вариациясын бақылау арқылы жүзеге асырылады. Құрылғы 50 ГГц аралықта ITU торына CW лазерінің шығысын құлыптау үшін кірістірілген толқынды құлыптау құрылғысынан (стандартты өлшеуіш және бақылау детекторы) тұрады. Тұтастай алғанда, құрылғыда екі бөлек ТСК инкапсулирленген. Біреуі лазерлік чиптің толқын ұзындығын бақылау, екіншісі құрылғыдағы құлып пен қуат детекторының тұрақты температурада жұмыс істеуін қамтамасыз ету.
Бұл лазерлердің ең үлкен артықшылығы - олардың өнімділігі тұрақты толқын ұзындығы лазерлерге ұқсас. Олар жоғары шығыс қуаты, жақсы толқын ұзындығы тұрақтылығы, қарапайым жұмыс, төмен құны және жетілген технология сипаттамаларына ие. Дегенмен, екі негізгі кемшілік бар: бірі - бір құрылғының баптау ені тар, әдетте бірнеше нанометр; екіншісі - баптау уақыты ұзақ, ол әдетте баптау тұрақтылығының бірнеше секундын қажет етеді.
2.2 Механикалық басқару технологиясы
Механикалық басқару технологиясы әдетте MEMS көмегімен жүзеге асырылады. Механикалық басқару технологиясына негізделген реттелетін лазер MEMs-DFB құрылымын қабылдайды.
Реттеуге болатын лазерлерге DFB лазер массивтері, қисайтылатын EMS линзалары және басқа басқару және көмекші бөліктер кіреді.
DFB лазер массиві аймағында бірнеше DFB лазер массивтері бар, олардың әрқайсысы өткізу қабілеті шамамен 1,0 нм және 25 ГГц аралықпен белгілі бір толқын ұзындығын шығара алады. MEM линзаларының айналу бұрышын басқару арқылы жарықтың қажетті нақты толқын ұзындығын шығару үшін қажетті нақты толқын ұзындығын таңдауға болады.
DFB лазерлік массиві
VCSEL құрылымына негізделген басқа реттелетін лазер оптикалық айдалатын тік қуысты беттік сәуле шығаратын лазерлерге негізделген. Жартылай симметриялық қуыс технологиясы MEMS көмегімен үздіксіз толқын ұзындығын реттеуге қол жеткізу үшін қолданылады. Ол жартылай өткізгіш лазерден және бетіне жарық шығара алатын тік лазерлік күшейткіш резонатордан тұрады. Резонатордың бір ұшында жылжымалы рефлектор бар, ол резонатордың ұзындығын және лазер толқын ұзындығын өзгерте алады. VCSEL негізгі артықшылығы оның таза және үздіксіз сәулелерді шығаруы және оптикалық талшықтарға оңай және тиімді қосылуы. Оның үстіне құны төмен, өйткені оның қасиеттерін вафлиде өлшеуге болады. VCSEL-дің негізгі кемшілігі - оның төмен шығыс қуаты, реттеу жылдамдығының жеткіліксіздігі және қосымша жылжымалы шағылыстырғыш. Егер шығыс қуатын арттыру үшін оптикалық сорғы қосылса, жалпы күрделілік артады, ал лазердің қуат тұтынуы мен құны артады. Осы принципке негізделген реттелетін лазердің негізгі кемшілігі - баптау уақыты салыстырмалы түрде баяу, әдетте баптауды тұрақтандыру уақытының бірнеше секундын қажет етеді.
2.3 Ағымды басқару технологиясы
DFB-ден айырмашылығы, реттелетін DBR лазерлерінде толқын ұзындығы резонатордың әртүрлі бөліктеріне қозғаушы токты бағыттау арқылы өзгертіледі. Мұндай лазерлерде кем дегенде төрт бөлік бар: әдетте екі Брагг торы, күшейту модулі және толқын ұзындығының дәл баптауы бар фазалық модуль. Лазердің бұл түрі үшін әр ұшында көптеген Bragg торлары болады. Басқаша айтқанда, тордың белгілі бір қадамынан кейін саңылау пайда болады, содан кейін тордың басқа қадамы бар, содан кейін саңылау пайда болады және т.б. Бұл тарақ тәрізді шағылысу спектрін жасайды. Лазердің екі шетіндегі Брегг торлары тарақ тәрізді әртүрлі шағылысу спектрлерін жасайды. Жарық олардың арасында алға және артқа шағылысқан кезде, екі түрлі шағылысу спектрінің суперпозициясы кеңірек толқын ұзындығы диапазонына әкеледі. Бұл технологияда қолданылатын қоздыру тізбегі айтарлықтай күрделі, бірақ оны реттеу жылдамдығы өте жылдам. Сонымен, ағымдағы басқару технологиясына негізделген жалпы принцип - FBG тогын және фазалық басқару бөлігін реттелетін лазердің әртүрлі позицияларында өзгерту, осылайша FBG салыстырмалы сыну көрсеткіші өзгереді және әртүрлі спектрлер пайда болады. Әртүрлі аймақтарда FBG шығаратын әртүрлі спектрлерді қабаттастыру арқылы нақты толқын ұзындығы таңдалады, осылайша қажетті нақты толқын ұзындығы жасалады. Лазер.
Ағымдағы басқару технологиясына негізделген реттелетін лазер SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) құрылымын қабылдайды.
Лазерлік резонатордың алдыңғы және артқы жағындағы екі рефлектордың өзіндік шағылысу шыңдары бар. Ток енгізу арқылы осы екі шағылысу шыңын реттей отырып, лазер әртүрлі толқын ұзындығын шығара алады.
Лазерлік резонатордың бүйіріндегі екі рефлектордың бірнеше шағылысу шыңдары бар. MGYL лазері жұмыс істегенде, инъекциялық ток оларды реттейді. Шағылысқан екі шам 1*2 біріктіргіш/бөлгішпен қабаттасады. Алдыңғы бөліктің шағылыстыру қабілетін оңтайландыру лазерге барлық баптау диапазонында жоғары қуат шығысына қол жеткізуге мүмкіндік береді.
3. Саланың жағдайы
Реттеуге болатын лазерлер оптикалық байланыс құрылғылары саласында алдыңғы қатарда және бұл өнімді әлемдегі бірнеше ірі оптикалық байланыс компаниялары ғана қамтамасыз ете алады. MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, SGBDR ағымдағы реттеуіне негізделген AOC және т.б. механикалық реттеуге негізделген SANTUR сияқты өкілдік компаниялар да қытайлық жеткізушілер саусақпен санарлық оптикалық құрылғылардың бірнеше бағыттарының бірі болып табылады. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. реттелетін лазерлердің жоғары сапалы қаптамасында негізгі артықшылықтарға қол жеткізді. Бұл реттелетін лазерлерді партиялармен шығара алатын Қытайдағы жалғыз кәсіпорын. Ол Еуропа мен Америка Құрама Штаттарына топтастырылды. Өндірушілер қамтамасыз етеді.
JDSU реттелетін лазерлері бар шағын өлшемді XFP модулін іске қосу үшін лазерлер мен модуляторларды бір платформаға біріктіру үшін InP монолитті интеграция технологиясын пайдаланады. Реттелетін лазер нарығының кеңеюімен бұл өнімнің технологиялық дамуының кілті миниатюризация және төмен құны болып табылады. Болашақта көбірек өндірушілер XFP оралған толқын ұзындығы реттелетін модульдерін енгізеді.
Алдағы бес жылда реттелетін лазерлер ыстық нүкте болады. Нарықтың жылдық композиттік өсу қарқыны (CAGR) 2012 жылы 37% жетеді және оның масштабы 1,2 миллиард АҚШ долларына жетеді, ал сол кезеңде басқа маңызды компоненттер нарығының жылдық композиттік өсу қарқыны тіркелген толқын ұзындығы лазерлер үшін 24% құрайды. , детекторлар мен қабылдағыштар үшін 28%, сыртқы модуляторлар үшін 35%. 2012 жылы оптикалық желілерге арналған реттелетін лазерлер, тіркелген толқын ұзындығы бар лазерлер және фотодетекторлар нарығы 8 миллиард долларды құрайды.
4. Оптикалық байланыста реттелетін лазердің ерекше қолданылуы
Реттелетін лазерлердің желілік қосымшаларын екі бөлікке бөлуге болады: статикалық қолданбалар және динамикалық қолданбалар.
Статикалық қолданбаларда реттелетін лазердің толқын ұзындығы пайдалану кезінде орнатылады және уақыт өте келе өзгермейді. Ең кең таралған статикалық қолданба бастапқы лазерлерді алмастыру ретінде, яғни тығыз толқын ұзындығын бөлу мультиплексирлеу (DWDM) беру жүйелерінде, мұнда реттелетін лазер бірнеше тіркелген толқын ұзындығы лазерлері мен икемді көз лазерлері үшін резервтік көшірме ретінде әрекет етеді, сызықтардың санын азайтады. әр түрлі толқын ұзындығын қолдау үшін қажет карталар.
Статикалық қолданбаларда реттелетін лазерлерге қойылатын негізгі талаптар баға, шығыс қуаты және спектрлік сипаттамалар болып табылады, яғни сызық ені мен тұрақтылығы ол ауыстыратын тіркелген толқын ұзындығы бар лазерлермен салыстырылады. Толқын ұзындығы диапазоны неғұрлым кең болса, реттеу жылдамдығы әлдеқайда жылдам болмаса, өнімділік-баға арақатынасы соғұрлым жақсы болады. Қазіргі уақытта дәл реттелетін лазермен DWDM жүйесін қолдану барған сайын артып келеді.
Болашақта резервтік көшірме ретінде пайдаланылатын реттелетін лазерлер де жылдам сәйкес жылдамдықтарды қажет етеді. Тығыз толқын ұзындығын бөлу мультиплексирлеу арнасы сәтсіз болғанда, оның жұмысын жалғастыру үшін реттелетін лазерді автоматты түрде қосуға болады. Бұл функцияға қол жеткізу үшін лазерді синхронды оптикалық желі талап ететін бүкіл қалпына келтіру уақыты 50 миллисекундтан аз болуын қамтамасыз ету үшін сәтсіз толқын ұзындығында 10 миллисекунд немесе одан аз уақыт ішінде реттеу және құлыптау керек.
Динамикалық қолданбаларда оптикалық желілердің икемділігін арттыру үшін реттелетін лазерлердің толқын ұзындығын үнемі өзгерту қажет. Мұндай қолданбалар әдетте динамикалық толқын ұзындығын қамтамасыз етуді талап етеді, осылайша толқын ұзындығын қосу немесе қажетті өзгермелі сыйымдылықты орналастыру үшін желі сегментінен ұсынуға болады. Қарапайым және икемді ROADM архитектурасы ұсынылды, ол реттелетін лазерлерді де, реттелетін сүзгілерді де пайдалануға негізделген. Реттеуге болатын лазерлер жүйеге белгілі бір толқын ұзындығын қоса алады, ал реттелетін сүзгілер жүйеден белгілі бір толқын ұзындығын сүзе алады. Реттелетін лазер оптикалық кросс-қосылуда толқын ұзындығын блоктау мәселесін де шеше алады. Қазіргі уақытта оптикалық кросс-сілтемелердің көпшілігі бұл мәселені болдырмау үшін талшықтың екі жағындағы оптикалық-электро-оптикалық интерфейсті пайдаланады. Егер кіріс соңында OXC енгізу үшін реттелетін лазер пайдаланылса, жарық толқынының соңғы нүктеге анық жолмен жетуін қамтамасыз ету үшін белгілі бір толқын ұзындығын таңдауға болады.
Болашақта реттелетін лазерлер толқын ұзындығын бағдарлауда және оптикалық пакеттерді ауыстыруда да қолданылуы мүмкін.
Толқын ұзындығын бағыттау күрделі толық оптикалық қосқыштарды қарапайым бекітілген кросс-коннекторлармен толығымен ауыстыру үшін реттелетін лазерлерді пайдалануды білдіреді, осылайша желінің бағыттау сигналын өзгерту қажет. Әрбір толқын ұзындығы арнасы бірегей тағайындалған мекенжайға қосылады, осылайша желілік виртуалды қосылымды құрайды. Сигналдарды беру кезінде реттелетін лазер өзінің жиілігін мақсатты адрестің сәйкес жиілігіне реттеуі керек.
Оптикалық пакеттік коммутация деректер пакеттеріне сәйкес толқын ұзындығы бойынша бағыттау арқылы сигналдарды жіберетін нақты оптикалық десте коммутациясын білдіреді. Сигнал берудің осы режиміне қол жеткізу үшін реттелетін лазер желіде тым ұзақ уақыт кідірісін тудырмау үшін наносекунд сияқты қысқа уақыт ішінде ауыса алуы керек.
Бұл қолданбаларда реттелетін лазерлер желідегі толқын ұзындығын блоктауды болдырмау үшін толқын ұзындығын нақты уақытта реттей алады. Сондықтан реттелетін лазерлердің үлкенірек реттелетін диапазоны, жоғары шығыс қуаты және миллисекундтық реакция жылдамдығы болуы керек. Шындығында, көптеген динамикалық қолданбалар лазер шығысының сәйкес арна арқылы оптикалық талшыққа өтуін қамтамасыз ету үшін лазермен жұмыс істеу үшін реттелетін оптикалық мультиплексорды немесе 1:N оптикалық қосқышты қажет етеді.
