可變波長激光技術及其在光纖通信中的應用

1、 概述光通信領域傳統(tǒng)的光源均是基于固定波長的激光器模塊，隨著光通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展及應用推廣，固定波長激光器的缺點逐漸顯露出來：一方面隨著DWDM技術的發(fā)展，系統(tǒng)中的波長數達到了上百個，在需要提供保護的場合，每個激光器的備份必須由相同波長的激光器提供，這樣導致備份激光器數量增加，成本上升；另一個方面由于固定激光器需要區(qū)分波長，因此激光器的類型隨著波長數的增加而不斷增加，使得管理復雜程度和存貨水平；再有如果要支持光網絡中的動態(tài)波長分配，提高網絡靈活性，需要配備大量不同波長的固定激光器，但每只激光器的使用率卻很低，造成資源浪費。針對這些不足，隨著半導體及其相關技術的發(fā)展，人們成功地研制出可調諧激光器，即在同一個激光器模塊上控制輸出一定帶寬內的不同波長，且這些波長值和間隔均滿足ITU-T的要求。對于下一代光網絡而言，可調諧激光器是實現智能光網絡的關鍵因子，可以為運營商提供更大彈性、更快波長供應速度，并最終實現更低的成本。未來長途光網絡將是波長動態(tài)系統(tǒng)的天下，這些網絡可以在很短的時間內實現新的波長分配，由于采用超長距離傳輸技術而無須使用再生器，從而節(jié)省大筆開支。可調激光器有希望為未來的通訊網絡提供新工具，用以進行波長管理、提高網絡效率和開發(fā)下一代光網絡。最吸引的一個應用是可重配置光分插復用器（ROADM）。動態(tài)可重配置的網絡系統(tǒng)將出現在網絡市場中，大調節(jié)范圍的可調諧激光器也將因此而獲得更大的需求。2、 技術原理與特性可調諧激光器從調諧原理上共有三種控制技術：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。其中電控技術是通過改變注入電流實現波長的調諧，具有ns級調諧速度，較寬的調諧帶寬，但輸出功率較小，基于電控技術的主要有SG-DBR（采樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）激光器。溫控技術是通過改變激光器有源區(qū)折射率，從而改變激光器輸出波長的。該技術簡單，但速度慢，可調帶寬窄，只有幾個nm?；跍乜丶夹g的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）激光器。機械控制主要是基于MEMS（微機電系統(tǒng)）技術完成波長的選擇，具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率?；跈C械控制技術的主要有DFB（分布反饋）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）等結構。下面將從這幾個方面可調諧激光器的原理進行說明。其中著重講當前最主流的可調諧技術一一電流調諧技術。2.1溫度控制技術基于溫度控制技術主要應用在DFB結構中，其原理在于調整激光腔內溫度，從而可以使之發(fā)射不同的波長。一種基于該原理技術的可調激光器的波長調節(jié)是依靠控制InGaAsPDFB激光器工作在一定溫度范圍的變化實現的。器件通過內置鎖波器（標準具和監(jiān)控探測器組成），將連續(xù)光輸出的激光可被鎖定在ITU規(guī)定的50GHz間隔的柵格上。一般器件內封裝兩個獨立的TEC，一個用來控制激光器芯片的波長，另一個用來保證器件內的鎖波器和功率檢測探測器恒溫工作。這類激光器最大的優(yōu)點是他們的性能與固定波長激光器相似，具有輸出功率高，波長穩(wěn)定性好，工作簡單的特點，成本低，技術成熟。但是也有有兩個主要缺點：一是單個器件的調諧的寬度窄，一般只有幾個nm，二是調諧時間長，一般需要幾秒的調諧穩(wěn)定時間。2.2機械控制技術基于機械控制技術一般采用MEMS來實現。一種基于機械控制技術的可調諧激光器采用MEMs-DFB結構?？烧{諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控制與輔助部分。對于DFB激光器陣列區(qū)存在若干個DFB激光器陣列，每個陣列可以產生帶寬約為1.0nm內的間隔為25Ghz的特定波長。通過控制MEMs鏡片旋轉角度來對需要的特定波長進行選擇，從而輸出需要的特定波長的光。下圖為某公司DFB激光器整列圖另一種基于VCSEL結構的可調諧激光器，其設計基于光泵浦垂直腔面發(fā)射激光器，采用半對稱腔技術，利用MEMS實現連續(xù)的波長調諧。由一個半導體激光器加上一個可以表面發(fā)光的垂直激光增益諧振腔構成。在諧振腔的一端有一個會移動的反射器，能夠改變諧振腔的長度，從而能改變激光波長。VCSEL的主要優(yōu)點在于它可以輸出純凈、連續(xù)的光束，并可簡單有效地耦合進光纖中。而且，由于其性能可以在圓片上進行測定，其成本也較低。VCSEL的主要不足之處是輸出功率低，調節(jié)速度也不夠快，并且還有一個外加的移動反射器。如果再加一個光泵浦以提升其輸出功率，又會提高整體復雜性，增加激光器的功耗和成本。對于這種原理的可調諧激光器主要缺點是調諧時間比較慢，一般需要幾秒的調諧穩(wěn)定時間。2.3電流控制技術與DFB不同，在可調諧DBR激光器中，波長是通過將激勵電流導向諧振腔的不同部位來改變的。這類激光器至少有四個部分：通常有兩個布拉格光柵、一個增益模塊和一個對波長作細調的位相模塊。對于這種類型的激光器，每一端都會有很多布拉格光柵。換句話說，一段特定節(jié)距的光柵后，有一段間隔，然后有一段不同節(jié)距的光柵，再又是一段間隔，以此類推。這會產生一種梳狀的反射光譜。在激光器兩端的布拉格光柵組產生不同的梳狀的反射譜，當光在它們之間來回反射時，兩個不同的反射譜的疊加，結果是得到了一個較寬的波長范圍。這種技術所使用的激勵電路相當復雜，但其調節(jié)速度非常快。所以基于電流控制技術的一般原理是通過改變可調諧激光器內不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流，從而使光纖光柵的相對折射率會發(fā)生變化，產生不同的光譜，通過不同區(qū)域光纖光柵產生的不同光譜的疊加進行特定波長的選擇，從而產生需要的特定波長的激光。一種基于電流控制技術的可調諧激光器采用SGDBR(SampledGratingDistributedBraggReflector)結構。下何是是于SGD日R僚構一神可嗥曾方亦Phase ActiveRearreflectorsection section Frontrefleclor值^S.r^.r刑?1_口士（-LgI*-N$jLg,f>1；'■-二rZZT7^ -‘——一' j<-Lf——*ARcoaling力心、、'* ARcoatingW I Lsi *1處在激光器諧振腔前后兩端的兩個反射器分別具有自己的反射峰系列，通過注入電流調節(jié)這兩個反射峰系列，即可使激光器輸出不同的波長。下囹是是于MGYL結構一種可調諧方式，處在激光器諧振腔一邊的兩個反射器具有多個反射峰，MGYL激光器工作時，注入電流對它們進行調諧。兩路反射光經1*2合路器/分路器疊加在一起。優(yōu)化前端的反射率，使激光器在整個調諧范圍內獲得高功率輸出。3、行業(yè)現狀可調激光器是當今光通信器件領域的最前沿，國際上也僅有幾家大型的光通信公司能提供此產品。基于MEMS機械調諧的代表公司如SANTUR，基于SGBDR電流調節(jié)的如JDSU、Oclaro、Ignis、AOC等，這也是中國供應商極少數有染指的光器件領域之一，武漢奧新科技有限公司在可調激光器高端封裝方面取得核心優(yōu)勢，是國內唯一能夠批量生產可調激光器的企業(yè)，已經批量向歐美廠商供貨。JDSU利用InP單片集成的技術通過將激光器和調制器集成到一個平臺上推出了小尺寸的帶有可調激光器的XFP光模塊。隨著可調激光器市場的擴大，這個產品技術上現在發(fā)展的關鍵正是小型化和低成本化。未來會有越來越多的廠家推出XFP封裝的可調波長模塊。未來的5年內，可調激光器將會是一個熱點領域，市場的年復合增長率（CAGR）將達到37%，2012年它的規(guī)模將達到12億美元；而同期其他重要元器件市場的年復合增長率分別是：固定波長激光器24%、探測器和接收器28%、外調制器35%。2012年，用于光網絡的可調激光器、固定波長激光器以及光探測器其市場總額將達到80億美元。4、應用4.1可調激光器的應用領域陽1慨城光料?通信光1蛔51用桁F通信波檢會析光纖辮件龍諸分析茬獨調潛■.,■■..■■■■,.出杼功率..■■■..■■■調制簧寬■■■■4.2可調激光器在光通信中的具體應用可調諧激光器的網絡應用可以分成兩大部分：靜態(tài)應用和動態(tài)應用。在靜態(tài)應用中，可調諧激光器的波長在使用過程中設定，并不隨時間而變化。最常見的靜態(tài)應用是用作源激光器的代替品，即用在密集波分復用①WDM）傳輸系統(tǒng)中，讓一個可調諧激光器充當多個固定波長激光器和柔性源激光器的后備，可以減少用來支持系統(tǒng)中所有不同波長所需的線路卡的數量。靜態(tài)應用中，對可調諧激光器的主要要求是價格、輸出功率以及光譜特性，也就是說線寬和穩(wěn)定性要和它替代的定波長激光器相當。波長可調范圍越大，性價比也就越好，而不需要多快的調節(jié)速度。目前，配有精密可調諧激光器的DWDM系統(tǒng)應用越來越多。未來，用作備份的可調激光器還要求有快的相應速度。當一個密集波分復用信道失效時，一個可調激光器可以自動啟用使其恢復工作。要實現這個功能，激光器必須在10毫秒甚至更短的時間內調到并鎖定在失效的波長，這樣才能保證整個恢復時間短于同步光網絡要求的50毫秒以下。在動態(tài)應用中，要求可調諧激光器的波長能在工作中有規(guī)律地變化，以增強光網絡的靈活性。這種應用一般都要求能提供動態(tài)的波長，以便將一個波長從一個網絡段中加入或提出，以適應所要求的變化的容量。人們已經提出了一種簡單且更加靈活的ROADMs結構：這是一個基于同時使用可調激光器和可調濾波器的架構?？烧{激光器可以給系統(tǒng)加上某些波長，而可調濾波器可以從系統(tǒng)中濾掉某些波長。可調激光器還可以解決光交叉聯接里面的波長阻斷問題。目前，大多數光交叉聯接在光纖兩端使用光-電-光交換界面來避免這種問題。如果在輸入端使用可調激光器向OXC輸入，可以選擇一定的波長來保障光波以一個清晰的路徑到達終點。在未來，可調激光器還可以應用到波長路由和光分組交換中。波長路由是指使用可調激光器就可以用簡單的固定交叉聯接器完全取代復雜的全光學開關，這樣網絡的路由信號就需要改變。每個波長的信道連接到一個唯一的目標地址，從而形成一個網狀虛擬聯接。傳輸信號時，可調激光器必須將它的頻率調整到目標地址相對應的頻率上。光分組交換是指真正的光分組交換是將信號按一個個數據包來進行波長路由傳輸。要實現這種方式的信號傳輸，可調激光器必須能在納秒級這樣極短的時間內進行切換，這樣才不