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Tecnología láser sintonizable y su aplicación en la comunicación por fibra óptica

2021-03-24
1. Información general
En el campo de la comunicación óptica, las fuentes de luz tradicionales se basan en módulos láser de longitud de onda fija. Con el continuo desarrollo y aplicación de los sistemas de comunicación óptica, las desventajas de los láseres de longitud de onda fija se revelan gradualmente. Por un lado, con el desarrollo de la tecnología DWDM, el número de longitudes de onda en el sistema ha llegado a cientos. En el caso de protección, el respaldo de cada láser debe hacerse por la misma longitud de onda. El suministro de láser conduce a un aumento en la cantidad de láseres de respaldo y el costo; por otro lado, debido a que los láseres fijos necesitan distinguir longitudes de onda, el tipo de láseres aumenta con el aumento del número de longitudes de onda, lo que hace que la complejidad de la gestión y el nivel de inventario sean más complejos; por otro lado, si queremos admitir la asignación dinámica de longitudes de onda en redes ópticas y mejorar la flexibilidad de la red, debemos equipar una gran cantidad de ondas diferentes. Láser fijo largo, pero la tasa de utilización de cada láser es muy baja, lo que resulta en un desperdicio de recursos. Para superar estas deficiencias, con el desarrollo de semiconductores y tecnologías relacionadas, se han desarrollado con éxito láseres sintonizables, es decir, diferentes longitudes de onda dentro de un cierto ancho de banda se controlan en el mismo módulo láser, y estos valores de longitud de onda y espaciado cumplen con los requisitos de ITU-T.
Para la red óptica de próxima generación, los láseres sintonizables son el factor clave para realizar una red óptica inteligente, que puede proporcionar a los operadores una mayor flexibilidad, una velocidad de suministro de longitud de onda más rápida y, en última instancia, un costo más bajo. En el futuro, las redes ópticas de larga distancia serán el mundo de los sistemas dinámicos de longitud de onda. Estas redes pueden lograr una nueva asignación de longitud de onda en muy poco tiempo. Debido al uso de la tecnología de transmisión de ultra larga distancia, no es necesario usar un regenerador, lo que ahorra mucho dinero. Se espera que los láseres sintonizables proporcionen nuevas herramientas para que las futuras redes de comunicación administren la longitud de onda, mejoren la eficiencia de la red y desarrollen redes ópticas de próxima generación. Una de las aplicaciones más atractivas es el multiplexor óptico add-drop reconfigurable (ROADM). Los sistemas de red reconfigurables dinámicos aparecerán en el mercado de redes, y se requerirán más láseres sintonizables con un amplio rango ajustable.

2. Principios técnicos y características
Hay tres tipos de tecnologías de control para láseres sintonizables: tecnología de control de corriente, tecnología de control de temperatura y tecnología de control mecánico. Entre ellos, la tecnología controlada electrónicamente realiza el ajuste de la longitud de onda cambiando la corriente de inyección. Tiene una velocidad de sintonización de nivel ns y un amplio ancho de banda de sintonización, pero su potencia de salida es pequeña. Las principales tecnologías controladas electrónicamente son los láseres SG-DBR (Sampling Grating DBR) y GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). La tecnología de control de temperatura cambia la longitud de onda de salida del láser cambiando el índice de refracción de la región activa del láser. La tecnología es simple, pero lenta, con un estrecho ancho de banda ajustable, de sólo unos pocos nanómetros. Los láseres DFB (Distributed Feedback) y DBR (Distributed Bragg Reflection) son las principales tecnologías basadas en el control de la temperatura. El control mecánico se basa principalmente en la tecnología del sistema microelectromecánico (MEMS) para completar la selección de longitud de onda, con un mayor ancho de banda ajustable y una mayor potencia de salida. Las principales estructuras basadas en tecnología de control mecánico son DFB (Retroalimentación Distribuida), ECL (Láser de Cavidad Externa) y VCSEL (Láser de Emisión de Superficie de Cavidad Vertical). El principio de los láseres sintonizables desde estos aspectos se explicará a continuación. Entre ellos, se destaca la tecnología sintonizable actual, que es la más popular.
2.1 Tecnología de control de temperatura
La tecnología de control basada en la temperatura se utiliza principalmente en la estructura DFB, su principio es ajustar la temperatura de la cavidad del láser para que pueda emitir diferentes longitudes de onda. El ajuste de la longitud de onda de un láser ajustable basado en este principio se realiza controlando la variación del láser InGaAsP DFB que trabaja en un cierto rango de temperatura. El dispositivo consta de un dispositivo de bloqueo de ondas incorporado (un indicador estándar y un detector de monitoreo) para bloquear la salida del láser CW en la red de la UIT en un intervalo de 50 GHz. En general, dos TEC separados están encapsulados en el dispositivo. Uno es controlar la longitud de onda del chip láser y el otro es garantizar que el detector de bloqueo y potencia en el dispositivo funcione a temperatura constante.
La mayor ventaja de estos láseres es que su rendimiento es similar al de los láseres de longitud de onda fija. Tienen las características de alta potencia de salida, buena estabilidad de longitud de onda, operación simple, bajo costo y tecnología madura. Sin embargo, existen dos inconvenientes principales: uno es que el ancho de sintonización de un solo dispositivo es estrecho, generalmente de unos pocos nanómetros; la otra es que el tiempo de afinación es largo, lo que normalmente requiere varios segundos de tiempo de estabilidad de afinación.
2.2 Tecnología de control mecánico
La tecnología de control mecánico generalmente se implementa mediante el uso de MEMS. Un láser sintonizable basado en tecnología de control mecánico adopta la estructura MEMs-DFB.
Los láseres sintonizables incluyen conjuntos de láseres DFB, lentes EMS inclinables y otras partes auxiliares y de control.
Hay varios conjuntos de láser DFB en el área de conjuntos de láser DFB, cada uno de los cuales puede producir una longitud de onda específica con un ancho de banda de aproximadamente 1,0 nm y una separación de 25 Ghz. Al controlar el ángulo de rotación de las lentes MEM, se puede seleccionar la longitud de onda específica requerida para generar la longitud de onda de luz específica requerida.

Matriz láser DFB
Otro láser sintonizable basado en la estructura VCSEL está diseñado en base a láseres emisores de superficie de cavidad vertical bombeados ópticamente. La tecnología de cavidad semisimétrica se utiliza para lograr un ajuste de longitud de onda continuo mediante el uso de MEMS. Consiste en un láser semiconductor y un resonador de ganancia de láser vertical que puede emitir luz en la superficie. Hay un reflector móvil en un extremo del resonador, que puede cambiar la longitud del resonador y la longitud de onda del láser. La principal ventaja de VCSEL es que puede emitir haces puros y continuos, y puede acoplarse fácil y efectivamente a fibras ópticas. Además, el costo es bajo porque sus propiedades se pueden medir en la oblea. La principal desventaja de VCSEL es su baja potencia de salida, velocidad de ajuste insuficiente y un reflector móvil adicional. Si se agrega una bomba óptica para aumentar la potencia de salida, aumentará la complejidad general y aumentará el consumo de energía y el costo del láser. La principal desventaja del láser sintonizable basado en este principio es que el tiempo de sintonización es relativamente lento, lo que generalmente requiere varios segundos de tiempo de estabilización de sintonización.
2.3 Tecnología de control de corriente
A diferencia de DFB, en los láseres DBR sintonizables, la longitud de onda cambia dirigiendo la corriente de excitación a diferentes partes del resonador. Dichos láseres tienen al menos cuatro partes: generalmente dos rejillas de Bragg, un módulo de ganancia y un módulo de fase con ajuste fino de longitud de onda. Para este tipo de láser, habrá muchas rejillas de Bragg en cada extremo. En otras palabras, después de un cierto tono de rejilla, hay un espacio, luego hay un tono diferente de rejilla, luego hay un espacio, y así sucesivamente. Esto produce un espectro de reflexión en forma de peine. Las rejillas de Bragg en ambos extremos del láser generan diferentes espectros de reflectancia en forma de peine. Cuando la luz se refleja entre ellos, la superposición de dos espectros de reflectancia diferentes da como resultado un rango de longitud de onda más amplio. El circuito de excitación utilizado en esta tecnología es bastante complejo, pero su velocidad de ajuste es muy rápida. Entonces, el principio general basado en la tecnología de control actual es cambiar la corriente de FBG y la parte de control de fase en diferentes posiciones del láser sintonizable, de modo que el índice de refracción relativo de FBG cambie y se produzcan diferentes espectros. Al superponer diferentes espectros producidos por FBG en diferentes regiones, se seleccionará la longitud de onda específica, de modo que se genere la longitud de onda específica requerida. Láser.

Un láser sintonizable basado en la tecnología de control actual adopta la estructura SGDBR (reflector de Bragg distribuido de rejilla muestreada).

Dos reflectores en los extremos delantero y trasero del resonador láser tienen sus propios picos de reflexión. Al ajustar estos dos picos de reflexión inyectando corriente, el láser puede generar diferentes longitudes de onda.

Los dos reflectores del lado del resonador láser tienen múltiples picos de reflexión. Cuando el láser MGYL funciona, la corriente de inyección los sintoniza. Las dos luces reflejadas se superponen mediante un combinador/divisor 1*2. La optimización de la reflectividad del front-end permite que el láser logre una salida de alta potencia en todo el rango de sintonización.


3. Estado de la industria
Los láseres sintonizables están a la vanguardia del campo de los dispositivos de comunicación óptica, y solo unas pocas grandes empresas de comunicación óptica en el mundo pueden ofrecer este producto. Empresas representativas como SANTUR basada en ajuste mecánico de MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC basada en regulación SGBDR vigente, etc., son también una de las pocas áreas de dispositivos ópticos que han tocado los proveedores chinos. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. ha logrado ventajas fundamentales en el empaquetado de alta gama de láseres sintonizables. Es la única empresa en China que puede producir láseres sintonizables en lotes. Ha enviado por lotes a Europa y los Estados Unidos. Suministro de los fabricantes.
JDSU utiliza la tecnología de integración monolítica InP para integrar láseres y moduladores en una sola plataforma para lanzar un módulo XFP de tamaño pequeño con láseres ajustables. Con la expansión del mercado de láser sintonizable, la clave para el desarrollo tecnológico de este producto es la miniaturización y el bajo costo. En el futuro, cada vez más fabricantes introducirán módulos de longitud de onda ajustable empaquetados XFP.
En los próximos cinco años, los láseres sintonizables serán un punto caliente. La tasa de crecimiento compuesto anual (CAGR) del mercado alcanzará el 37 % y su escala alcanzará los 1200 millones de dólares estadounidenses en 2012, mientras que la tasa de crecimiento compuesto anual del mercado de otros componentes importantes en el mismo período es del 24 % para los láseres de longitud de onda fija. , 28% para detectores y receptores, y 35% para moduladores externos. En 2012, el mercado de láseres sintonizables, láseres de longitud de onda fija y fotodetectores para redes ópticas ascenderá a 8.000 millones de dólares.

4. Aplicación específica del láser sintonizable en comunicación óptica
Las aplicaciones de red de los láseres sintonizables se pueden dividir en dos partes: aplicaciones estáticas y aplicaciones dinámicas.
En aplicaciones estáticas, la longitud de onda de un láser sintonizable se establece durante el uso y no cambia con el tiempo. La aplicación estática más común es como sustituto de los láseres de fuente, es decir, en los sistemas de transmisión de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), donde un láser sintonizable actúa como respaldo para múltiples láseres de longitud de onda fija y láseres de fuente flexible, reduciendo el número de líneas. Se requieren tarjetas para admitir todas las diferentes longitudes de onda.
En aplicaciones estáticas, los requisitos principales para los láseres sintonizables son el precio, la potencia de salida y las características espectrales, es decir, el ancho de línea y la estabilidad son comparables a los láseres de longitud de onda fija a los que reemplaza. Cuanto más amplio sea el rango de longitud de onda, mejor será la relación rendimiento-precio, sin una velocidad de ajuste mucho más rápida. En la actualidad, la aplicación del sistema DWDM con láser sintonizable de precisión es cada vez mayor.
En el futuro, los láseres sintonizables utilizados como respaldo también requerirán velocidades correspondientes más rápidas. Cuando falla un canal de multiplexación por división de longitud de onda densa, se puede habilitar automáticamente un láser ajustable para reanudar su funcionamiento. Para lograr esta función, el láser debe sintonizarse y bloquearse en la longitud de onda fallida en 10 milisegundos o menos, para garantizar que el tiempo total de recuperación sea inferior a los 50 milisegundos requeridos por la red óptica síncrona.
En aplicaciones dinámicas, se requiere que la longitud de onda de los láseres sintonizables cambie regularmente para mejorar la flexibilidad de las redes ópticas. Tales aplicaciones generalmente requieren la provisión de longitudes de onda dinámicas para que se pueda agregar o proponer una longitud de onda desde un segmento de red para acomodar la capacidad variable requerida. Se ha propuesto una arquitectura ROADM más simple y flexible, que se basa en el uso de láseres sintonizables y filtros sintonizables. Los láseres sintonizables pueden agregar ciertas longitudes de onda al sistema y los filtros sintonizables pueden filtrar ciertas longitudes de onda del sistema. El láser sintonizable también puede resolver el problema del bloqueo de longitud de onda en la conexión cruzada óptica. En la actualidad, la mayoría de los enlaces cruzados ópticos utilizan una interfaz óptica-electro-óptica en ambos extremos de la fibra para evitar este problema. Si se usa un láser ajustable para ingresar OXC en el extremo de entrada, se puede seleccionar una cierta longitud de onda para garantizar que la onda de luz alcance el punto final en un camino despejado.
En el futuro, los láseres sintonizables también se pueden usar en el enrutamiento de longitud de onda y la conmutación de paquetes ópticos.
El enrutamiento de longitud de onda se refiere al uso de láseres sintonizables para reemplazar completamente los conmutadores totalmente ópticos complejos con conectores cruzados fijos simples, por lo que es necesario cambiar la señal de enrutamiento de la red. Cada canal de longitud de onda está conectado a una dirección de destino única, formando así una conexión virtual de red. Al transmitir señales, el láser sintonizable debe ajustar su frecuencia a la frecuencia correspondiente de la dirección de destino.
La conmutación de paquetes ópticos se refiere a la conmutación de paquetes ópticos reales que transmite señales por enrutamiento de longitud de onda de acuerdo con los paquetes de datos. Para lograr este modo de transmisión de señal, el láser sintonizable debe ser capaz de cambiar en un tiempo tan corto como nanosegundos, para no generar un retraso de tiempo demasiado largo en la red.
En estas aplicaciones, los láseres sintonizables pueden ajustar la longitud de onda en tiempo real para evitar el bloqueo de la longitud de onda en la red. Por lo tanto, los láseres sintonizables deben tener un mayor rango ajustable, mayor potencia de salida y una velocidad de reacción de milisegundos. De hecho, la mayoría de las aplicaciones dinámicas requieren un multiplexor óptico sintonizable o un interruptor óptico 1:N para trabajar con el láser para garantizar que la salida del láser pueda pasar a través del canal apropiado hacia la fibra óptica.