可调谐激光技术及其在光纤通信中的应用
时间:2024-02-27
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1.概述
在光通信领域，传统的光源是基于固定波长的激光模块。随着光通信系统的不断发展和应用，固定波长激光器的缺点逐渐暴露出来。一方面，随着DWDM技术的发展，系统中的波长数量已经达到数百个。在保护的情况下，每个激光器的备份必须使用相同的波长。激光供应导致备用激光器的数量和成本的增加；另一方面，由于固定激光器需要区分波长，激光器的类型随着波长数量的增加而增加，这使得管理的复杂性和库存水平更加复杂；另一方面如果我们想支持光网络中的动态波长分配并提高网络灵活性，我们需要装备大量不同的波浪。激光器固定时间长，但每台激光器的利用率很低，造成资源浪费。为了克服这些缺点，随着半导体及相关技术的发展，已经成功地开发出了可调谐激光器，即在同一激光模块上控制一定带宽内的不同波长，并且这些波长值和间距满足ITU-T的要求。
对于下一代光网络来说，可调谐激光器是实现智能光网络的关键因素，它可以为运营商提供更大的灵活性、更快的波长供应速度，并最终降低成本。未来，长距离光网络将成为波长动态系统的世界。这些网络可以在很短的时间内实现新的波长分配。由于使用了超长距离传输技术，因此无需使用再生器，节省了大量资金。可调谐激光器有望为未来的通信网络提供管理波长、提高网络效率和开发下一代光网络的新工具。最有吸引力的应用之一是可重新配置的光学分插复用器（ROADM）。动态可重构网络系统将出现在网络市场上，对具有大可调范围的可调谐激光器的需求将越来越大。
2.技术原理和特点
可调谐激光器的控制技术有三种：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术。其中，电子控制技术通过改变注入电流来实现波长调谐。它具有ns级的调谐速度和较宽的调谐带宽，但输出功率较小。主要的电子控制技术是SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背采样反射）激光器。温度控制技术通过改变激光器有源区的折射率来改变激光器的输出波长。这项技术很简单，但速度很慢，带宽很窄，只有几纳米。DFB（Distributed Feedback）和DBR（Distributed Bragg Reflection）激光器是基于温度控制的主要技术。机械控制主要基于微机电系统（MEMS）技术来完成波长选择，具有更大的可调带宽和更高的输出功率。基于机械控制技术的主要结构有DFB（分布式反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）。以下将解释来自这些方面的可调谐激光器的原理。其中，重点介绍了目前最流行的可调谐技术。
可调谐激光器的控制技术有三种：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术。其中，电子控制技术通过改变注入电流来实现波长调谐。它具有ns级的调谐速度和较宽的调谐带宽，但输出功率较小。主要的电子控制技术是SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背采样反射）激光器。温度控制技术通过改变激光器有源区的折射率来改变激光器的输出波长。这项技术很简单，但速度很慢，带宽很窄，只有几纳米。DFB（Distributed Feedback）和DBR（Distributed Bragg Reflection）激光器是基于温度控制的主要技术。机械控制主要基于微机电系统（MEMS）技术来完成波长选择，具有更大的可调带宽和更高的输出功率。基于机械控制技术的主要结构有DFB（分布式反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）。以下将解释来自这些方面的可调谐激光器的原理。其中，重点介绍了目前最流行的可调谐技术。
2.1温度控制技术
基于温度的控制技术主要用于DFB结构，其原理是调节激光腔的温度，使其能够发射不同的波长。基于该原理的可调激光器的波长调节是通过控制工作在一定温度范围内的InGaAsP-DFB激光器的变化来实现的。该设备由一个内置的波锁定设备（一个标准仪表和一个监测探测器）组成，以将CW激光输出以50 GHz的间隔锁定到ITU电网上。通常，两个单独的TEC封装在器件中。一个是控制激光芯片的波长，另一个是确保设备中的锁和功率检测器在恒温下工作。
这些激光器的最大优点是其性能与固定波长激光器相似。它们具有输出功率高、波长稳定性好、操作简单、成本低、技术成熟等特点。然而，主要有两个缺点：一个是单个器件的调谐宽度很窄，通常只有几纳米；另一个是调谐时间长，通常需要几秒钟的调谐稳定时间。
2.2机械控制技术
机械控制技术通常通过使用MEMS来实现。基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs DFB结构。
可调谐激光器包括DFB激光器阵列、可倾斜EMS透镜以及其他控制和辅助部件。
在DFB激光器阵列区域中有几个DFB激光阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm、间距为25Ghz的特定波长。通过控制MEMs透镜的旋转角度，可以选择所需的特定波长以输出所需的光的特定波长。
DFB激光器阵列
另一种基于VCSEL结构的可调谐激光器是基于光泵浦垂直腔表面发射激光器设计的。采用半对称腔技术，利用微机电系统实现连续波长调谐。它由一个半导体激光器和一个可以在表面发光的垂直激光增益谐振器组成。谐振器的一端有一个可移动的反射器，可以改变谐振器的长度和激光波长。VCSEL的主要优点是可以输出纯净连续的光束，并且可以容易有效地耦合到光纤中。此外，由于其特性可以在晶片上测量，因此成本较低。VCSEL的主要缺点是其低输出功率、调整速度不足以及额外的移动反射器。如果增加光泵以增加输出功率，则整体复杂性将增加，并且激光器的功耗和成本将增加。基于这一原理的可调谐激光器的主要缺点是调谐时间相对较慢，这通常需要几秒钟的调谐稳定时间。
另一种基于VCSEL结构的可调谐激光器是基于光泵浦垂直腔表面发射激光器设计的。采用半对称腔技术，利用微机电系统实现连续波长调谐。它由一个半导体激光器和一个可以在表面发光的垂直激光增益谐振器组成。谐振器的一端有一个可移动的反射器，可以改变谐振器的长度和激光波长。VCSEL的主要优点是可以输出纯净连续的光束，并且可以容易有效地耦合到光纤中。此外，由于其特性可以在晶片上测量，因此成本较低。VCSEL的主要缺点是其低输出功率、调整速度不足以及额外的移动反射器。如果增加光泵以增加输出功率，则整体复杂性将增加，并且激光器的功耗和成本将增加。基于这一原理的可调谐激光器的主要缺点是调谐时间相对较慢，这通常需要几秒钟的调谐稳定时间。
2.3电流控制技术
与DFB不同，在可调谐DBR激光器中，通过将激励电流引导到谐振器的不同部分来改变波长。这种激光器至少有四个部分：通常是两个布拉格光栅、一个增益模块和一个具有精细波长调谐的相位模块。对于这种类型的激光器，在每一端都会有许多布拉格光栅。换言之，在一定间距的光栅之后，会有一个间隙，然后是不同间距的光栅，然后是间隙，以此类推。这会产生梳状反射光谱。激光器两端的布拉格光栅产生不同的梳状反射光谱。当光在它们之间来回反射时，两个不同反射光谱的叠加会产生更宽的波长范围。该技术中使用的励磁电路相当复杂，但其调节速度非常快。因此，基于电流控制技术的一般原理是改变可调谐激光器不同位置的FBG和相位控制部分的电流，使FBG的相对折射率发生变化，产生不同的光谱。通过在不同区域叠加FBG产生的不同光谱，可以选择特定的波长，从而产生所需的特定波长。激光
基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR（采样光栅分布式布拉格反射器）结构。
激光谐振器前端和后端的两个反射器具有各自的反射峰。通过注入电流来调节这两个反射峰，激光器可以输出不同的波长。
激光谐振器侧面上的两个反射器具有多个反射峰。MGYL激光器工作时注入电流调节它们。两个反射光通过1*2组合器/分离器叠加。优化前端的反射率使激光器能够在整个调谐范围内实现高功率输出。
3.行业现状
可调谐激光器处于光通信设备领域的前沿，世界上只有少数几家大型光通信公司能够提供这种产品。代表性公司，如基于MEMS机械调谐的SANTUR、JDSU、Oclaro、Ignis、基于SGBDR现行法规的AOC等，也是中国供应商涉足的为数不多的光学器件领域之一。有限公司在可调谐激光器高端封装方面取得核心优势。它是中国唯一一家能够批量生产可调谐激光器的企业。它已批量运往欧洲和美国。制造商供应。
JDSU利用InP单片集成技术，将激光器和调制器集成到一个单一平台上，推出具有可调激光器的小型XFP模块。随着可调谐激光器市场的扩大，该产品技术发展的关键是小型化和低成本。未来，越来越多的制造商将推出XFP封装的可调波长模块。
在未来五年，可调谐激光器将成为一个热点。2012年，该市场的年复合增长率（CAGR）将达到37%，规模将达到12亿美元，而同期其他重要组件市场的年综合增长率为24%，固定波长激光器，28%用于检测器和接收器以及35%用于外部调制器。2012年，可调谐激光器、固定波长激光器和光网络光电探测器的市场总额将达到80亿美元。
4.可调谐激光器在光通信中的具体应用
可调谐激光器的网络应用可分为两部分：静态应用和动态应用。
在静态应用中，可调谐激光器的波长是在使用过程中设置的，不会随时间变化。最常见的静态应用是作为源激光器的替代品，即在密集波分复用（DWDM）传输系统中，其中可调谐激光器充当多个固定波长激光器和柔性源激光器的备份，从而减少了支持所有不同波长所需的线卡数量。在静态应用中，对可调谐激光器的主要要求是价格、输出功率和光谱特性，也就是说，线宽和稳定性与它所取代的固定波长激光器相当。波长范围越宽，在没有更快调整速度的情况下，性价比就越好。目前，采用精密可调谐激光器的DWDM系统的应用越来越多。
未来，用作备份的可调谐激光器也将需要快速的相应速度。当密集波分复用信道出现故障时，可自动启用可调激光器以恢复其工作。为了实现这一功能必须在10毫秒或更短时间内将激光器调谐并锁定在失效波长，以保证整个恢复时间小于同步光网络所需的50毫秒。
在动态应用中，为了增强光网络的灵活性，要求可调谐激光器的波长有规律地变化。这样的应用通常需要提供动态波长，从而可以从网段添加或提出波长以适应所需的变化容量。基于可调谐激光器和可调谐滤波器的使用，提出了一种简单且更灵活的ROADM架构。可调谐激光器可以将某些波长添加到系统中，而可调谐滤波器可以从系统中滤除某些波长。可调谐激光器还可以解决光交叉连接中的波长阻塞问题。目前，大多数光交叉链路都在光纤的两端使用光电接口来避免这个问题。如果使用可调激光器在输入端输入OXC，则可以选择一定的波长以确保光波以清晰的路径到达终点。
未来，可调谐激光器还可以用于波长路由和光分组交换。
波长路由是指使用可调谐激光器，用简单的固定交叉连接器完全取代复杂的全光交换机，从而需要改变网络的路由信号。每个波长信道都连接到一个唯一的目的地地址，从而形成网络虚拟连接。当传输信号时，可调谐激光器必须将其频率调整到目标地址的相应频率。
光分组交换是指根据数据分组通过波长路由传输信号的真实光分组交换。为了实现这种信号传输模式，可调谐激光器必须能够在纳秒这样的短时间内切换，以免在网络中产生太长的时间延迟。在这些应用中，可调谐激光器可以实时调整波长，以避免网络中的波长阻塞。因此，可调谐激光必须具有更大的可调范围、更高的输出功率和毫秒级的反应速度。事实上，大多数动态应用都需要可调谐光学多路复用器或1:N光学开关与激光器一起工作，以确保激光输出可以通过适当的通道进入光纤。
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