可調(diào)諧激光器

1、關(guān)鍵詞可調(diào)諧激光器波分復用光傳輸1引言光通信領(lǐng)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(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)中的波長數(shù)達到了數(shù)十甚至上百，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(shù)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(shù)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(wǎng)絡中的動態(tài)波長分配，提高網(wǎng)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(guān)

2、技術(shù)的發(fā)展，人們成功地研制出可調(diào)諧激光器，即在同一個激光器模塊上控制輸出一定帶寬內(nèi)的不同波長，且這些波長值和間隔均滿足ITU-T的要求。這樣，通過使用可調(diào)諧激光器作為備份，一個激光器就可以對幾個波長甚至整個波段的波長進行備份，從而降低備份成本；由于可調(diào)諧激光器不再區(qū)分波長，以及其有通用性，從而簡化了存貨管理和對資金的占用；通過在光網(wǎng)絡中部署可調(diào)諧激光器，可以根據(jù)網(wǎng)絡中波長使用的具體情況，動態(tài)地選擇信號波長，從而以較低的成本實現(xiàn)動態(tài)的波長分配和使用， 提升光網(wǎng)絡的靈活性；此外，具有很調(diào)諧速度的可調(diào)諧激光器能夠支持未來的光分組交換， 等等。因此，鑒于可調(diào)諧激光器人有以上諸多優(yōu)勢，業(yè)內(nèi)人士普遍認為，

3、 可調(diào)諧激光器不久將會取代固定波長激光器在光通信領(lǐng)域的地位。2原理及特點可調(diào)諧激光器從實現(xiàn)技術(shù)上看主要分為：電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機械控制技術(shù)等類型。其中電控技術(shù)是通過改變注入電流實現(xiàn)波長的調(diào)諧，具有ns級調(diào)諧速度，較寬的調(diào)諧帶寬，但輸出功率較小，基于電控技術(shù)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(shù)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(shù)簡單，但速度慢，可調(diào)帶寬窄，只有幾個nm。基于溫控技術(shù)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(shù)完成波長的選

4、擇，具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率。基于機械控 制技術(shù)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(jié)構(gòu)。下面從這幾個方面可調(diào)諧激光器的原理進行說明。2.1基于電流控制技術(shù)基于電流控制技術(shù)的一般原理是通過改變可調(diào)諧激光器內(nèi)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(chǎn)生不同的光譜，通過不同區(qū)域光纖光柵產(chǎn)生的不同光譜的疊加進行特定波長的選擇，從而產(chǎn)生需要的特定波長的激光。一種基于電流控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用SGDBR（ Sampled Grating Distributed BraggReflector）結(jié)構(gòu)

5、。該類型的激光器主要分為半導體放大區(qū)、前布喇格光柵區(qū)、激活區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布拉格光柵區(qū)。其中前布喇格光柵區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布喇格光柵區(qū)分別通過不同的電流來改 變該區(qū)域的分子分布結(jié)構(gòu)，從而改變布喇格光柵的周期特性。對于在激活區(qū)（Active）產(chǎn)生的光譜，分別在前布喇格光柵區(qū)和后布喇格光柵區(qū)形成頻 率分布有較小差異的光譜。對于需要的特定波長的激光，可調(diào)諧激光器分別對前布喇格光柵 和后布喇格光柵施加不同電流，使得在這兩個區(qū)域產(chǎn)生只有此特定波長重疊其他波長不重疊 的光譜，從而使需要的特定波長能夠輸出。同時該種激光器還包含半導體放大器區(qū)，使輸出的特定波長的激光光功率達到100mW或者20mW。2.2基

6、于機械控制技術(shù)基于機械控制技術(shù)一般采用MEMS來實現(xiàn)。一種基于機械控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用MEMs-DFB結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)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(chǎn)生帶寬約為1.0nm內(nèi)的間隔為25Ghz的特定波長。通過控制 MEMs鏡片旋轉(zhuǎn)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。另一種基于VCSEL吉構(gòu)ML系列系列的可調(diào)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(shù)，利用MEMS實現(xiàn)連續(xù)的波長調(diào)諧。同時通過此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調(diào)諧范圍，熱敏電

7、阻和TEC封裝在一起，以便在寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的輸出。為了精確頻率控制一個寬帶波長控制器被集成同一管殼內(nèi)，前端分接光功率檢測器及光隔離器用于提供穩(wěn)定的輸出功率。這種可調(diào)激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。對于這種原理的可調(diào)諧激光器主要缺點是調(diào)諧時間比較慢，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時間。2.3基于溫度控制技術(shù)基于溫度控制技術(shù)主要應用在DFB結(jié)構(gòu)中，其原理在于調(diào)整激光腔內(nèi)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(shù)的可調(diào)激光器的波長調(diào)節(jié)是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5-50C的變化實現(xiàn)的。 模塊內(nèi)置有FP標準具和光功率檢測，連續(xù)光輸出的激光可被鎖定在ITU

8、規(guī)定的50GHz間隔的柵格上。模塊內(nèi)有兩個獨立的TEC 一個用來控制激光器的波長，另一個用來保證模塊內(nèi)的波長鎖定器和功率檢測探測器恒溫工作。模塊還內(nèi)置有SOA來放大輸出光功率。這種控制技術(shù)的缺點是單個模塊的調(diào)諧的寬度不寬，一般只有幾個nm,而且調(diào)諧時間比較長，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時間。目前可調(diào)諧激光器基本上均采用電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)或機械控制技術(shù)，有的供應商可能會采用這些技術(shù)的一種或兩種。當然隨著技術(shù)的發(fā)展， 也可能會出現(xiàn)其他新的可調(diào)諧激光器控制技術(shù)。3發(fā)展現(xiàn)狀及前景可調(diào)諧激光器的出現(xiàn)與市場需求緊密相關(guān)，也正是由于看好可調(diào)諧激光器的巨大應用前景，一大批新老器件商紛紛投身于可調(diào)諧激光器的

9、研究和開發(fā)中。其中有知名的大牌廠商，如NORTEL AGERE ALCATE爵，也有剛加入的新興企業(yè)，如AGILITY IOLOZ NEW FOCUS大多數(shù)可調(diào)諧激光器具有覆蓋波長范圍寬、較高的邊模抑制比、帶有波長鎖定功能和適于實用化的封裝技術(shù)，同時可調(diào)諧激光器內(nèi)部均帶有控制電路，便于控制使用。因此從技術(shù)角度看可調(diào)諧激光器的發(fā)展日益成熟，已達到可以替代傳統(tǒng)激光器。鑒于可調(diào)諧激光器的獨特優(yōu)勢，雖然整個通信業(yè)目前發(fā)展趨緩，但可調(diào)諧激光器的應用前景卻被大家所看好。據(jù)美國Yankee Group公司預測，可調(diào)諧激光器市場將由2001年的5千萬美元增長到 2006年的20億美元。目前可調(diào)諧激光器的應用主

10、要還集中于備份和簡化存貨管理，使用量不大，因此使用者對價格還不是很敏感，可調(diào)諧激光器的價格也比較高，大約是固定波長激光器的2-3倍。隨著價格降低到略高于甚至持平于固定波長激光器，技術(shù)和功能得到進一步完善(如集成調(diào)制器和波長鎖定器、提高輸出功率、簡化電源、規(guī)范接口等) ，可調(diào)諧激光器極有希望在舊系 統(tǒng)升級更新和新系統(tǒng)建設中取代固定波長激光器而獲得規(guī)模應用，預計這個時間大約在 2004年底左右。經(jīng)過1-2年的市場洗禮和技術(shù)發(fā)展，可調(diào)諧激光器目前技術(shù)水平已經(jīng)與固定激光器不相上下，能完全實現(xiàn)整個C_band(1529-1561nm)或L_band (1570-1605nm )的寬帶調(diào)諧，輸出功率可達1

11、0-20mW,調(diào)諧間隔已達25GHz,其他主要光譜指標和可靠性指標均達到了固定激光器的水平，并進一步推出了集成調(diào)制器的光模塊和2.5Gb/s、10Gb/s Transponder, 一旦突破價格門檻，將迅速獲得規(guī)模應用，從而取代固定波長激光器。4可調(diào)諧激光器在 DWDM系統(tǒng)的應用可調(diào)諧激光器在光傳輸系統(tǒng)中可能的應用方式很多，如對于實驗室，可以利用可調(diào)諧激光器模擬整個波段的單波光源進行相關(guān)的實驗等。本節(jié)僅概要說明其在DWDM光傳輸系統(tǒng)中可自動實施保護和恢復倒換的通道層保護的應用。常用的保護光通道業(yè)務運行的方法有：一種是為設備提供備份的硬件，當單元出現(xiàn)故障時，通過人工方式進行緊急更換的替代裝置；第

12、二種方法是在發(fā)射端為光轉(zhuǎn)發(fā)單元配置保護裝置。保護裝置處在上電狀態(tài)，隨時可以替代故障單元進行工作。另外還有一種實現(xiàn)通道保護的方法，是使用固定波長的光轉(zhuǎn)發(fā)單元，在WDM系統(tǒng)發(fā)送端設備所有的通道中，指定一部分光通道保護通道。 在受保護的通道光轉(zhuǎn)發(fā)單元出現(xiàn)故障時，將故障單元的輸入業(yè)務切換到保護通道的光轉(zhuǎn)發(fā)單元輸入端。因此，由于可調(diào)諧激光器自身的優(yōu)點，使得其在DWDM 系統(tǒng)大有用武之地。在國內(nèi)，可調(diào)諧激光器首先應用在實驗室的長途超大容量(Tb/s以上)光傳輸設備中。深圳市中興通訊公司的 Unitrans ZXWM 160波DWDM設備中配置的可調(diào)諧激光器，結(jié)合超 大容量可升級合分波裝置、業(yè)務配置和倒換控制裝置，可實現(xiàn)設備發(fā)射業(yè)務的通道級1 : N保護或分組1:N保護，構(gòu)成了大容量系統(tǒng)多樣化業(yè)務保護手段之一，為運營商構(gòu)建未來高性能光網(wǎng)絡提供了物質(zhì)準備。采用可調(diào)諧激光器實現(xiàn)業(yè)務保護，在實現(xiàn)通道保護時， 增加了冗余裝置，且不減少設備容量。并可具有自動保護倒換和恢復能力。整體設備構(gòu)造較為簡單，實現(xiàn)自動操作控制。5結(jié)束語DWDM技術(shù)的發(fā)展使傳輸系統(tǒng)中的波長數(shù)越來越多，因此也對激光器的備份保護、管理上簡化需求以及網(wǎng)絡配置靈活性提出了更高的需求，從而使得可調(diào)諧激光器的市場需求會越來越強烈。市場與技術(shù)的雙重驅(qū)動會使更