광통신 분야에서 기존의 광원은 고정 파장 레이저 모듈을 기반으로 합니다. 광통신 시스템의 지속적인 개발과 응용으로 고정 파장 레이저의 단점이 점차 드러나고 있습니다. 한편, DWDM 기술의 발달로 시스템의 파장 수는 수백 개에 이르렀습니다. 보호의 경우 각 레이저의 백업은 동일한 파장으로 이루어져야 합니다. 레이저 공급은 백업 레이저의 수와 비용을 증가시킵니다. 반면에 고정 레이저는 파장을 구별해야 하기 때문에 파장 수가 증가함에 따라 레이저 유형이 증가하여 관리 복잡성과 재고 수준이 더 복잡해집니다. 반면에 광 네트워크에서 동적 파장 할당을 지원하고 네트워크 유연성을 개선하려면 많은 수의 서로 다른 파장을 장비해야 합니다. 긴 고정 레이저이지만 각 레이저의 활용률이 매우 낮아 자원 낭비가 발생합니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 반도체 및 관련 기술의 발달로 가변 파장 레이저가 성공적으로 개발되었습니다. 즉, 동일한 레이저 모듈에서 특정 대역폭 내의 다른 파장을 제어하고 이러한 파장 값과 간격이 ITU-T의 요구 사항을 충족합니다.
차세대 광 네트워크의 경우 가변 레이저는 지능형 광 네트워크를 실현하는 핵심 요소이며 운영자에게 더 큰 유연성, 더 빠른 파장 공급 속도 및 궁극적으로 더 낮은 비용을 제공할 수 있습니다. 미래에 장거리 광 네트워크는 파장 동적 시스템의 세계가 될 것입니다. 이러한 네트워크는 매우 짧은 시간에 새로운 파장 할당을 달성할 수 있습니다. 초장거리 전송 기술을 사용하기 때문에 재생기를 사용할 필요가 없어 많은 비용을 절약할 수 있습니다. 파장 가변 레이저는 파장을 관리하고 네트워크 효율성을 개선하며 차세대 광 네트워크를 개발하기 위한 미래 통신 네트워크를 위한 새로운 도구를 제공할 것으로 기대됩니다. 가장 매력적인 애플리케이션 중 하나는 재구성 가능한 ROADM(Optical Add-Drop Multiplexer)입니다. 동적 재구성 가능한 네트워크 시스템이 네트워크 시장에 등장할 것이며 조정 가능한 범위가 큰 파장가변 레이저가 더 많이 필요할 것입니다.
파장 가변 레이저에 대한 제어 기술에는 전류 제어 기술, 온도 제어 기술 및 기계 제어 기술의 세 가지 종류가 있습니다. 그 중 전자 제어 기술은 주입 전류를 변경하여 파장 튜닝을 구현합니다. ns 수준의 튜닝 속도와 넓은 튜닝 대역폭을 가지고 있지만 출력 전력은 작습니다. 주요 전자 제어 기술은 SG-DBR(Sampling Grating DBR) 및 GCSR(Assisted Grating Directional Coupled Back Sampling Reflection) 레이저입니다. 온도 제어 기술은 레이저 활성 영역의 굴절률을 변경하여 레이저의 출력 파장을 변경합니다. 이 기술은 간단하지만 느리고 조정 가능한 대역폭이 몇 나노미터에 불과합니다. DFB(분산 피드백) 및 DBR(분산 브래그 반사) 레이저는 온도 제어를 기반으로 하는 주요 기술입니다. 기계적 제어는 주로 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 기반으로 하여 더 큰 조정 가능한 대역폭과 더 높은 출력으로 파장 선택을 완료합니다. 기계적 제어 기술을 기반으로 하는 주요 구조는 DFB(Distributed Feedback), ECL(External Cavity Laser) 및 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emission Laser)입니다. 이러한 측면에서 파장 가변 레이저의 원리는 아래에서 설명됩니다. 그 중 가장 인기 있는 현재의 튜너블 기술이 강조된다.
온도 기반 제어 기술은 주로 DFB 구조에 사용되며 그 원리는 레이저 캐비티의 온도를 조정하여 다른 파장을 방출할 수 있도록 하는 것입니다. 이 원리에 기반한 조정 가능한 레이저의 파장 조정은 특정 온도 범위에서 작동하는 InGaAsP DFB 레이저의 변화를 제어하여 실현됩니다. 이 장치는 50GHz 간격으로 ITU 그리드에 CW 레이저 출력을 잠그는 내장 웨이브 잠금 장치(표준 게이지 및 모니터링 감지기)로 구성됩니다. 일반적으로 두 개의 개별 TEC가 장치에 캡슐화됩니다. 하나는 레이저 칩의 파장을 제어하는 것이고 다른 하나는 장치의 잠금 및 전원 감지기가 일정한 온도에서 작동하도록 하는 것입니다.
이 레이저의 가장 큰 장점은 성능이 고정 파장 레이저와 유사하다는 것입니다. 그들은 높은 출력 전력, 좋은 파장 안정성, 간단한 작동, 저렴한 비용 및 성숙한 기술의 특성을 가지고 있습니다. 그러나 두 가지 주요 단점이 있습니다. 하나는 단일 장치의 튜닝 폭이 일반적으로 수 나노미터로 좁다는 것입니다. 다른 하나는 튜닝 시간이 길어 일반적으로 몇 초의 튜닝 안정성 시간이 필요하다는 것입니다.
기계적 제어 기술은 일반적으로 MEMS를 사용하여 구현됩니다. 기계적 제어 기술에 기반한 가변 파장 레이저는 MEMs-DFB 구조를 채택합니다.
조정 가능한 레이저에는 DFB 레이저 어레이, 틸트 가능한 EMS 렌즈 및 기타 제어 및 보조 부품이 포함됩니다.
DFB 레이저 어레이 영역에는 여러 DFB 레이저 어레이가 있으며, 각각은 약 1.0nm의 대역폭과 25Ghz의 간격으로 특정 파장을 생성할 수 있습니다. MEMs 렌즈의 회전 각도를 제어하여 필요한 특정 파장을 선택하여 필요한 특정 파장의 빛을 출력할 수 있습니다.
DFB 레이저 어레이
VCSEL 구조를 기반으로 하는 또 다른 가변 레이저는 광학적으로 펌핑된 수직 공동 표면 방출 레이저를 기반으로 설계되었습니다. 반대칭 공동 기술은 MEMS를 사용하여 연속 파장 튜닝을 달성하는 데 사용됩니다. 반도체 레이저와 표면에 빛을 방출할 수 있는 수직 레이저 이득 공진기로 구성된다. 공진기의 한쪽 끝에는 이동식 반사기가 있어 공진기의 길이와 레이저 파장을 변경할 수 있습니다. VCSEL의 주요 장점은 순수하고 연속적인 빔을 출력할 수 있으며 광섬유에 쉽고 효과적으로 결합할 수 있다는 것입니다. 또한 웨이퍼에서 특성을 측정할 수 있기 때문에 비용이 저렴합니다. VCSEL의 주요 단점은 낮은 출력 전력, 불충분한 조정 속도 및 추가 모바일 반사경입니다. 출력 전력을 증가시키기 위해 광 펌프를 추가하면 전체 복잡성이 증가하고 레이저의 전력 소비 및 비용이 증가합니다. 이 원리에 기반한 가변 레이저의 주요 단점은 튜닝 시간이 상대적으로 느리고 일반적으로 튜닝 안정화 시간에 몇 초가 필요하다는 것입니다.
2.3 전류 제어 기술
DFB와 달리 가변 DBR 레이저에서는 여기 전류를 공진기의 다른 부분으로 유도하여 파장이 변경됩니다. 이러한 레이저는 일반적으로 2개의 브래그 격자, 이득 모듈 및 미세 파장 조정이 있는 위상 모듈의 네 부분으로 구성됩니다. 이러한 유형의 레이저의 경우 각 끝에 많은 브래그 격자가 있습니다. 즉, 격자의 특정 피치 후에 간격이 있고, 다른 격자 피치가 있고, 그 다음에는 간격이 있는 식입니다. 이것은 빗살 모양의 반사 스펙트럼을 생성합니다. 레이저의 양쪽 끝에 있는 브래그 격자는 서로 다른 빗살 모양의 반사 스펙트럼을 생성합니다. 빛이 그들 사이에서 앞뒤로 반사될 때 두 개의 다른 반사 스펙트럼의 중첩은 더 넓은 파장 범위를 초래합니다. 이 기술에 사용되는 여기 회로는 상당히 복잡하지만 조정 속도가 매우 빠릅니다. 따라서 현재 제어 기술에 기반한 일반적인 원리는 가변 레이저의 다른 위치에서 FBG 및 위상 제어 부분의 전류를 변경하여 FBG의 상대 굴절률이 변경되고 다른 스펙트럼이 생성되도록 하는 것입니다. 다른 영역에서 FBG에 의해 생성된 다른 스펙트럼을 중첩함으로써 특정 파장이 선택되어 필요한 특정 파장이 생성됩니다. 레이저.
현재 제어 기술을 기반으로 하는 가변 레이저는 SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector) 구조를 채택합니다.
레이저 공진기의 전면과 후면 끝에 있는 두 개의 반사기는 자체 반사 피크를 가지고 있습니다. 전류를 주입하여 이 두 반사 피크를 조정함으로써 레이저는 다른 파장을 출력할 수 있습니다.
레이저 공진기 측면에 있는 두 개의 반사기는 다중 반사 피크를 가지고 있습니다. MGYL 레이저가 작동하면 주입 전류가 레이저를 조정합니다. 두 개의 반사광은 1*2 결합기/분할기로 중첩됩니다. 프런트 엔드의 반사율을 최적화하면 레이저가 전체 튜닝 범위에서 높은 출력을 얻을 수 있습니다.
3. 산업현황
파장 가변 레이저는 광통신 장치 분야의 최전선에 있으며 세계에서 소수의 대형 광통신 회사에서만 이 제품을 제공할 수 있습니다. MEMS의 기계적 튜닝을 기반으로 하는 SANTUR, JDSU, Oclaro, Ignis, SGBDR 전류 규정에 기반한 AOC 등 대표적인 기업들도 중국 공급업체들이 손가락질한 몇 안 되는 광소자 분야 중 하나이다. 무한 Aoxin Technologies Co., Ltd.는 가변 레이저의 고급 패키징에서 핵심 이점을 달성했습니다. 조정 가능한 레이저를 일괄적으로 생산할 수 있는 중국의 유일한 기업입니다. 그것은 유럽과 미국에 일괄 처리되었습니다. 제조사 공급.
JDSU는 InP 모놀리식 통합 기술을 사용하여 레이저와 변조기를 단일 플랫폼에 통합하여 조정 가능한 레이저가 있는 소형 XFP 모듈을 출시합니다. 튜너블 레이저 시장의 확대에 따라 본 제품의 기술 개발의 관건은 소형화, 저비용화입니다. 앞으로 점점 더 많은 제조업체에서 XFP 패키지의 가변 파장 모듈을 도입할 것입니다.
향후 5년 동안 조정 가능한 레이저는 핫스팟이 될 것입니다. 2012년 시장의 연간 복합 성장률(CAGR)은 37%에 도달하고 그 규모는 12억 달러에 달할 것이며 같은 기간 동안 고정 파장 레이저의 다른 중요 부품 시장의 연간 복합 성장률은 24%입니다. , 검출기 및 수신기의 경우 28%, 외부 변조기의 경우 35%입니다. 2012년에 광 네트워크용 파장 가변 레이저, 고정 파장 레이저 및 광검출기 시장은 총 80억 달러가 될 것입니다.
4. 광통신에서 파장가변 레이저의 구체적인 적용
가변 레이저의 네트워크 응용 프로그램은 정적 응용 프로그램과 동적 응용 프로그램의 두 부분으로 나눌 수 있습니다.
정적 응용 분야에서 가변 레이저의 파장은 사용 중에 설정되며 시간에 따라 변경되지 않습니다. 가장 일반적인 정적 응용 프로그램은 소스 레이저를 대체하는 것으로, 즉 DWDM(Dense 파장 분할 다중화) 전송 시스템에서 파장 가변 레이저가 다중 고정 파장 레이저 및 플렉시블 소스 레이저의 백업 역할을 하여 라인 수를 줄입니다. 모든 다른 파장을 지원하는 데 필요한 카드.
정적 응용 분야에서 가변 파장 레이저의 주요 요구 사항은 가격, 출력 및 스펙트럼 특성입니다. 즉, 선폭과 안정성은 대체하는 고정 파장 레이저와 비슷합니다. 파장 범위가 넓을수록 훨씬 빠른 조정 속도 없이도 성능 대 가격 비율이 향상됩니다. 현재 정밀 파장 가변 레이저를 사용한 DWDM 시스템의 적용이 점점 더 늘어나고 있습니다.
미래에는 백업으로 사용되는 가변 레이저에도 빠른 대응 속도가 필요합니다. 조밀한 파장 분할 다중화 채널에 장애가 발생하면 조정 가능한 레이저가 자동으로 작동을 재개할 수 있습니다. 이 기능을 달성하려면 전체 복구 시간이 동기식 광 네트워크에서 요구하는 50밀리초 미만이 되도록 레이저를 10밀리초 또는 그 미만으로 실패한 파장에서 조정하고 고정해야 합니다.
동적 응용 분야에서 가변 레이저의 파장은 광 네트워크의 유연성을 향상시키기 위해 정기적으로 변경되어야 합니다. 이러한 응용 프로그램은 일반적으로 동적 파장을 제공해야 필요한 가변 용량을 수용하기 위해 네트워크 세그먼트에서 파장을 추가하거나 제안할 수 있습니다. 조정 가능한 레이저와 조정 가능한 필터의 사용을 기반으로 하는 간단하고 유연한 ROADM 아키텍처가 제안되었습니다. 조정 가능한 레이저는 시스템에 특정 파장을 추가할 수 있고 조정 가능한 필터는 시스템에서 특정 파장을 걸러낼 수 있습니다. 파장 가변 레이저는 또한 광학 교차 연결에서 파장 차단 문제를 해결할 수 있습니다. 현재 대부분의 광학 교차 링크는 이러한 문제를 피하기 위해 광섬유의 양쪽 끝에서 광학-전기-광학 인터페이스를 사용합니다. 조정 가능한 레이저를 사용하여 입력 끝에 OXC를 입력하면 광파가 명확한 경로의 끝점에 도달하도록 특정 파장을 선택할 수 있습니다.
미래에는 파장가변 레이저가 파장 라우팅 및 광학 패킷 스위칭에도 사용될 수 있습니다.
파장 라우팅은 조정 가능한 레이저를 사용하여 복잡한 전광 스위치를 단순한 고정 교차 커넥터로 완전히 대체하여 네트워크의 라우팅 신호를 변경해야 하는 것을 말합니다. 각 파장 채널은 고유한 대상 주소에 연결되어 네트워크 가상 연결을 형성합니다. 신호를 전송할 때 가변 레이저는 주파수를 대상 주소의 해당 주파수로 조정해야 합니다.
광 패킷 스위칭은 데이터 패킷에 따라 파장 라우팅에 의해 신호를 전송하는 실제 광 패킷 스위칭을 의미합니다. 이러한 신호 전송 모드를 달성하기 위해 가변 레이저는 네트워크에서 너무 긴 시간 지연을 생성하지 않도록 나노초와 같은 짧은 시간에 전환할 수 있어야 합니다.
이러한 응용 분야에서 가변 레이저는 네트워크에서 파장 차단을 피하기 위해 실시간으로 파장을 조정할 수 있습니다. 따라서 조정 가능한 레이저는 더 큰 조정 가능한 범위, 더 높은 출력 전력 및 밀리초 반응 속도를 가져야 합니다. 사실, 대부분의 동적 응용 프로그램에는 레이저 출력이 적절한 채널을 통해 광섬유로 전달될 수 있도록 레이저와 함께 작동하는 조정 가능한 광 멀티플렉서 또는 1:N 광 스위치가 필요합니다.
