1. Vue d'ensemble
Dans le domaine de la communication optique, les sources lumineuses traditionnelles sont basées sur des modules laser à longueur d'onde fixe. Avec le développement et l'application continus des systèmes de communication optique, les inconvénients des lasers à longueur d'onde fixe sont progressivement révélés. D'une part, avec le développement de la technologie DWDM, le nombre de longueurs d'onde dans le système a atteint des centaines. Dans le cas de la protection, la sauvegarde de chaque laser doit être faite par la même longueur d'onde. L'approvisionnement en laser entraîne une augmentation du nombre de lasers de secours et des coûts ; d'autre part, parce que les lasers fixes doivent distinguer la longueur d'onde, le type de lasers augmente avec l'augmentation du nombre de longueurs d'onde, ce qui rend la complexité de gestion et le niveau d'inventaire plus complexes ; d'autre part, si nous voulons prendre en charge l'allocation dynamique des longueurs d'onde dans les réseaux optiques et améliorer la flexibilité du réseau, nous devons équiper un grand nombre d'ondes différentes. Long laser fixe, mais le taux d'utilisation de chaque laser est très faible, ce qui entraîne un gaspillage de ressources. Pour surmonter ces lacunes, avec le développement des semi-conducteurs et des technologies associées, des lasers accordables ont été développés avec succès, c'est-à-dire que différentes longueurs d'onde dans une certaine bande passante sont contrôlées sur le même module laser, et ces valeurs de longueur d'onde et cet espacement répondent aux exigences de l'UIT-T.
Pour le réseau optique de nouvelle génération, les lasers accordables sont le facteur clé pour réaliser un réseau optique intelligent, qui peut offrir aux opérateurs une plus grande flexibilité, une vitesse d'approvisionnement en longueur d'onde plus rapide et, finalement, un coût réduit. À l'avenir, les réseaux optiques longue distance seront le monde des systèmes dynamiques en longueur d'onde. Ces réseaux peuvent réaliser une nouvelle attribution de longueur d'onde en très peu de temps. En raison de l'utilisation de la technologie de transmission ultra longue distance, il n'est pas nécessaire d'utiliser un régénérateur, ce qui permet d'économiser beaucoup d'argent. Les lasers accordables devraient fournir de nouveaux outils aux futurs réseaux de communication pour gérer la longueur d'onde, améliorer l'efficacité du réseau et développer des réseaux optiques de nouvelle génération. L'une des applications les plus attrayantes est le multiplexeur d'insertion-extraction optique reconfigurable (ROADM). Des systèmes de réseau reconfigurables dynamiques apparaîtront sur le marché des réseaux, et des lasers accordables avec une large plage réglable seront davantage nécessaires.
2. Principes et caractéristiques techniques
Il existe trois types de technologies de contrôle pour les lasers accordables : la technologie de contrôle du courant, la technologie de contrôle de la température et la technologie de contrôle mécanique. Parmi eux, la technologie à commande électronique réalise le réglage de la longueur d'onde en modifiant le courant d'injection. Il a une vitesse de réglage de niveau ns et une large bande passante de réglage, mais sa puissance de sortie est faible. Les principales technologies contrôlées électroniquement sont les lasers SG-DBR (Sampling Grating DBR) et GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection). La technologie de contrôle de la température modifie la longueur d'onde de sortie du laser en modifiant l'indice de réfraction de la région active du laser. La technologie est simple, mais lente, bande passante réglable étroite, seulement quelques nanomètres. Les lasers DFB (Distributed Feedback) et DBR (Distributed Bragg Reflection) sont les principales technologies basées sur le contrôle de la température. Le contrôle mécanique est principalement basé sur la technologie du système micro-électro-mécanique (MEMS) pour compléter la sélection de longueur d'onde, avec une plus grande bande passante réglable et une puissance de sortie plus élevée. Les principales structures basées sur la technologie de contrôle mécanique sont DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) et VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser). Le principe des lasers accordables à partir de ces aspects sera expliqué ci-dessous. Parmi eux, la technologie accordable actuelle, qui est la plus populaire, est mise en avant.
2.1 Technologie de contrôle de la température
La technologie de contrôle basée sur la température est principalement utilisée dans la structure DFB, son principe est d'ajuster la température de la cavité laser, de sorte qu'elle puisse émettre une longueur d'onde différente. Le réglage de la longueur d'onde d'un laser réglable basé sur ce principe est réalisé en contrôlant la variation du laser InGaAsP DFB travaillant dans une certaine plage de température. L'appareil se compose d'un dispositif de verrouillage d'onde intégré (une jauge standard et un détecteur de surveillance) pour verrouiller la sortie laser CW sur la grille ITU à un intervalle de 50 GHz. En général, deux TEC distincts sont encapsulés dans l'appareil. L'une consiste à contrôler la longueur d'onde de la puce laser et l'autre à garantir que le verrou et le détecteur de puissance de l'appareil fonctionnent à température constante.
Le plus grand avantage de ces lasers est que leurs performances sont similaires à celles des lasers à longueur d'onde fixe. Ils ont les caractéristiques d'une puissance de sortie élevée, d'une bonne stabilité de longueur d'onde, d'un fonctionnement simple, d'un faible coût et d'une technologie mature. Cependant, il y a deux inconvénients principaux : l'un est que la largeur d'accord d'un seul appareil est étroite, généralement de quelques nanomètres seulement ; l'autre est que le temps d'accord est long, ce qui nécessite généralement plusieurs secondes de temps de stabilité d'accord.
2.2 Technologie de contrôle mécanique
La technologie de contrôle mécanique est généralement mise en œuvre à l'aide de MEMS. Un laser accordable basé sur une technologie de contrôle mécanique adopte une structure MEMs-DFB.
Les lasers accordables comprennent les matrices laser DFB, les lentilles EMS inclinables et d'autres pièces de contrôle et auxiliaires.
Il existe plusieurs réseaux laser DFB dans la zone du réseau laser DFB, chacun pouvant produire une longueur d'onde spécifique avec une bande passante d'environ 1,0 nm et un espacement de 25 Ghz. En contrôlant l'angle de rotation des lentilles MEMs, la longueur d'onde spécifique requise peut être sélectionnée pour produire la longueur d'onde spécifique requise de la lumière.
Réseau laser DFB
Un autre laser accordable basé sur la structure VCSEL est conçu sur la base de lasers à émission de surface à cavité verticale pompés optiquement. La technologie de cavité semi-symétrique est utilisée pour obtenir un réglage continu de la longueur d'onde à l'aide de MEMS. Il se compose d'un laser à semi-conducteur et d'un résonateur à gain laser vertical qui peut émettre de la lumière sur la surface. Il y a un réflecteur mobile à une extrémité du résonateur, qui peut modifier la longueur du résonateur et la longueur d'onde du laser. Le principal avantage du VCSEL est qu'il peut produire des faisceaux purs et continus et qu'il peut être facilement et efficacement couplé dans des fibres optiques. De plus, le coût est faible car ses propriétés peuvent être mesurées sur le wafer. Le principal inconvénient du VCSEL est sa faible puissance de sortie, sa vitesse de réglage insuffisante et un réflecteur mobile supplémentaire. Si une pompe optique est ajoutée pour augmenter la puissance de sortie, la complexité globale sera augmentée, et la consommation d'énergie et le coût du laser seront augmentés. Le principal inconvénient du laser accordable basé sur ce principe est que le temps d'accord est relativement lent, ce qui nécessite généralement plusieurs secondes de temps de stabilisation d'accord.
2.3 Technologie de contrôle du courant
Contrairement au DFB, dans les lasers DBR accordables, la longueur d'onde est modifiée en dirigeant le courant d'excitation vers différentes parties du résonateur. De tels lasers comportent au moins quatre parties : généralement deux réseaux de Bragg, un module de gain et un module de phase avec un réglage fin de la longueur d'onde. Pour ce type de laser, il y aura de nombreux réseaux de Bragg à chaque extrémité. En d'autres termes, après un certain pas de réseau, il y a un espace, puis il y a un pas de réseau différent, puis il y a un espace, et ainsi de suite. Cela produit un spectre de réflexion en forme de peigne. Les réseaux de Bragg aux deux extrémités du laser génèrent différents spectres de réflectance en forme de peigne. Lorsque la lumière se réfléchit entre eux, la superposition de deux spectres de réflectance différents se traduit par une plage de longueurs d'onde plus large. Le circuit d'excitation utilisé dans cette technologie est assez complexe, mais sa vitesse de réglage est très rapide. Ainsi, le principe général basé sur la technologie de contrôle de courant est de modifier le courant du FBG et la partie de contrôle de phase dans différentes positions du laser accordable, de sorte que l'indice de réfraction relatif du FBG changera et que différents spectres seront produits. En superposant différents spectres produits par FBG dans différentes régions, la longueur d'onde spécifique sera sélectionnée, de sorte que la longueur d'onde spécifique requise sera générée. Laser.
Un laser accordable basé sur la technologie de contrôle de courant adopte une structure SGDBR (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).
Deux réflecteurs aux extrémités avant et arrière du résonateur laser ont leurs propres pics de réflexion. En ajustant ces deux pics de réflexion en injectant du courant, le laser peut produire différentes longueurs d'onde.
Les deux réflecteurs sur le côté du résonateur laser ont de multiples pics de réflexion. Lorsque le laser MGYL fonctionne, le courant d'injection les accorde. Les deux lumières réfléchies sont superposées par un combinateur/séparateur 1*2. L'optimisation de la réflectivité du frontal permet au laser d'atteindre une puissance de sortie élevée dans toute la plage de réglage.
3. Statut de l'industrie
Les lasers accordables sont à la pointe du domaine des dispositifs de communication optique, et seules quelques grandes entreprises de communication optique dans le monde peuvent fournir ce produit. Des sociétés représentatives telles que SANTUR basées sur le réglage mécanique des MEMS, JDSU, Oclaro, Ignis, AOC basées sur la réglementation actuelle SGBDR, etc., sont également l'un des rares domaines des dispositifs optiques que les fournisseurs chinois ont pointé du doigt. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. a obtenu des avantages essentiels dans le conditionnement haut de gamme des lasers accordables. C'est la seule entreprise en Chine capable de produire des lasers accordables par lots. Il a été distribué en Europe et aux États-Unis. Approvisionnement des fabricants.
JDSU utilise la technologie d'intégration monolithique InP pour intégrer des lasers et des modulateurs dans une plate-forme unique afin de lancer un module XFP de petite taille avec des lasers réglables. Avec l'expansion du marché des lasers accordables, la clé du développement technologique de ce produit est la miniaturisation et le faible coût. À l'avenir, de plus en plus de fabricants introduiront des modules de longueur d'onde réglable en boîtier XFP.
Au cours des cinq prochaines années, les lasers accordables seront un point chaud. Le taux de croissance composite annuel (TCAC) du marché atteindra 37 % et son ampleur atteindra 1,2 milliard de dollars américains en 2012, tandis que le taux de croissance composite annuel d'autres composants importants du marché au cours de la même période est de 24 % pour les lasers à longueur d'onde fixe. , 28% pour les détecteurs et récepteurs, et 35% pour les modulateurs externes. En 2012, le marché des lasers accordables, des lasers à longueur d'onde fixe et des photodétecteurs pour réseaux optiques totalisera 8 milliards de dollars.
4. Application spécifique du laser accordable dans la communication optique
Les applications réseau des lasers accordables peuvent être divisées en deux parties : les applications statiques et les applications dynamiques.
Dans les applications statiques, la longueur d'onde d'un laser accordable est définie pendant l'utilisation et ne change pas avec le temps. L'application statique la plus courante consiste à remplacer les lasers sources, c'est-à-dire dans les systèmes de transmission à multiplexage dense en longueur d'onde (DWDM), où un laser accordable agit comme une sauvegarde pour plusieurs lasers à longueur d'onde fixe et des lasers à source flexible, réduisant le nombre de lignes. cartes nécessaires pour prendre en charge toutes les différentes longueurs d'onde.
Dans les applications statiques, les principales exigences des lasers accordables sont le prix, la puissance de sortie et les caractéristiques spectrales, c'est-à-dire que la largeur de raie et la stabilité sont comparables aux lasers à longueur d'onde fixe qu'ils remplacent. Plus la plage de longueur d'onde est large, meilleur sera le rapport performance-prix, sans vitesse de réglage beaucoup plus rapide. À l'heure actuelle, l'application du système DWDM avec un laser accordable de précision est de plus en plus.
À l'avenir, les lasers accordables utilisés comme sauvegardes nécessiteront également des vitesses correspondantes rapides. Lorsqu'un canal de multiplexage par répartition en longueur d'onde dense tombe en panne, un laser réglable peut être automatiquement activé pour reprendre son fonctionnement. Pour réaliser cette fonction, le laser doit être accordé et verrouillé à la longueur d'onde défaillante en 10 millisecondes ou moins, de manière à garantir que le temps de récupération total est inférieur à 50 millisecondes requis par le réseau optique synchrone.
Dans les applications dynamiques, la longueur d'onde des lasers accordables doit changer régulièrement afin d'améliorer la flexibilité des réseaux optiques. De telles applications nécessitent généralement la fourniture de longueurs d'onde dynamiques de sorte qu'une longueur d'onde puisse être ajoutée ou proposée à partir d'un segment de réseau pour s'adapter à la capacité variable requise. Une architecture ROADMs simple et plus flexible a été proposée, basée sur l'utilisation à la fois de lasers accordables et de filtres accordables. Les lasers accordables peuvent ajouter certaines longueurs d'onde au système, et les filtres accordables peuvent filtrer certaines longueurs d'onde du système. Le laser accordable peut également résoudre le problème du blocage de la longueur d'onde dans l'interconnexion optique. À l'heure actuelle, la plupart des liaisons croisées optiques utilisent une interface optique-électro-optique aux deux extrémités de la fibre pour éviter ce problème. Si un laser réglable est utilisé pour entrer OXC à l'extrémité d'entrée, une certaine longueur d'onde peut être sélectionnée pour s'assurer que l'onde lumineuse atteint le point final dans un chemin clair.
À l'avenir, les lasers accordables pourront également être utilisés dans le routage de longueur d'onde et la commutation de paquets optiques.
Le routage en longueur d'onde fait référence à l'utilisation de lasers accordables pour remplacer complètement les commutateurs tout optiques complexes par de simples connecteurs croisés fixes, de sorte que le signal de routage du réseau doit être modifié. Chaque canal de longueur d'onde est connecté à une adresse de destination unique, formant ainsi une connexion virtuelle de réseau. Lors de la transmission de signaux, le laser accordable doit ajuster sa fréquence à la fréquence correspondante de l'adresse cible.
La commutation optique de paquets fait référence à la véritable commutation optique de paquets qui transmet des signaux par routage de longueur d'onde en fonction des paquets de données. Afin de réaliser ce mode de transmission du signal, le laser accordable doit être capable de commuter en un temps aussi court que la nanoseconde, afin de ne pas générer de retard trop long dans le réseau.
Dans ces applications, les lasers accordables peuvent ajuster la longueur d'onde en temps réel pour éviter le blocage de la longueur d'onde dans le réseau. Par conséquent, les lasers accordables doivent avoir une plage réglable plus large, une puissance de sortie plus élevée et une vitesse de réaction en millisecondes. En fait, la plupart des applications dynamiques nécessitent un multiplexeur optique accordable ou un commutateur optique 1:N pour fonctionner avec le laser afin de garantir que la sortie laser peut passer par le canal approprié dans la fibre optique.
