در زمینه ارتباطات نوری، منابع نور سنتی مبتنی بر ماژول های لیزری با طول موج ثابت هستند. با توسعه و کاربرد مداوم سیستم های ارتباطی نوری، معایب لیزرهای با طول موج ثابت به تدریج آشکار می شود. از یک سو، با توسعه فناوری DWDM، تعداد طول موج در سیستم به صدها رسیده است. در مورد حفاظت، پشتیبان گیری از هر لیزر باید با همان طول موج ساخته شود. تامین لیزر منجر به افزایش تعداد لیزرهای پشتیبان و هزینه می شود. از طرف دیگر، از آنجایی که لیزرهای ثابت نیاز به تشخیص طول موج دارند، با افزایش تعداد طول موج، نوع لیزرها افزایش می‌یابد که پیچیدگی مدیریت و سطح موجودی را پیچیده‌تر می‌کند. از سوی دیگر، اگر بخواهیم از تخصیص طول موج پویا در شبکه های نوری پشتیبانی کنیم و انعطاف پذیری شبکه را بهبود ببخشیم، باید تعداد زیادی امواج مختلف را تجهیز کنیم. لیزر ثابت طولانی، اما میزان استفاده از هر لیزر بسیار کم است و در نتیجه باعث هدر رفتن منابع می شود. برای غلبه بر این کاستی ها، با توسعه نیمه هادی ها و فن آوری های مرتبط، لیزرهای قابل تنظیم با موفقیت توسعه یافته اند، یعنی طول موج های مختلف در یک پهنای باند معین بر روی همان ماژول لیزر کنترل می شود و این مقادیر طول موج و فاصله ها الزامات ITU-T را برآورده می کند.
برای نسل بعدی شبکه‌های نوری، لیزرهای قابل تنظیم عامل کلیدی برای تحقق شبکه‌های نوری هوشمند هستند که می‌توانند انعطاف‌پذیری بیشتر، سرعت عرضه طول موج سریعتر و در نهایت هزینه کمتر را برای اپراتورها فراهم کنند. در آینده، شبکه های نوری دوربرد، دنیای سیستم های دینامیکی طول موج خواهند بود. این شبکه ها می توانند در مدت زمان بسیار کوتاهی به تخصیص طول موج جدید دست یابند. به دلیل استفاده از فناوری انتقال بسیار دور، نیازی به استفاده از Regenerator نیست که باعث صرفه جویی زیادی در هزینه می شود. انتظار می‌رود لیزرهای قابل تنظیم ابزار جدیدی برای شبکه‌های ارتباطی آینده برای مدیریت طول موج، بهبود کارایی شبکه و توسعه شبکه‌های نوری نسل بعدی فراهم کنند. یکی از جذاب ترین برنامه ها، مولتی پلکسر افزودن قطره نوری قابل تنظیم مجدد (ROADM) است. سیستم های شبکه قابل تنظیم مجدد پویا در بازار شبکه ظاهر می شوند و لیزرهای قابل تنظیم با برد قابل تنظیم زیاد بیشتر مورد نیاز خواهند بود.
سه نوع فناوری کنترل برای لیزرهای قابل تنظیم وجود دارد: فناوری کنترل جریان، فناوری کنترل دما و فناوری کنترل مکانیکی. در میان آنها، فناوری کنترل شده الکترونیکی با تغییر جریان تزریق، تنظیم طول موج را محقق می کند. سرعت تنظیم سطح ns و پهنای باند تنظیم گسترده دارد، اما قدرت خروجی آن کم است. فناوری‌های اصلی کنترل‌شده الکترونیکی، لیزرهای SG-DBR (Sampling Grating DBR) و GCSR (Assisted Grating Directional Coupled Sampling Reflection) هستند. فناوری کنترل دما با تغییر ضریب شکست ناحیه فعال لیزر، طول موج خروجی لیزر را تغییر می دهد. این فناوری ساده، اما آهسته و پهنای باند قابل تنظیم باریک، تنها چند نانومتر است. لیزرهای DFB (بازخورد توزیع شده) و DBR (بازتاب توزیع شده براگ) فناوری های اصلی مبتنی بر کنترل دما هستند. کنترل مکانیکی عمدتاً مبتنی بر فناوری سیستم میکرو الکترومکانیکی (MEMS) برای تکمیل انتخاب طول موج، با پهنای باند قابل تنظیم بیشتر و توان خروجی بالاتر است. سازه های اصلی مبتنی بر فناوری کنترل مکانیکی عبارتند از DFB (بازخورد توزیع شده)، ECL (لیزر حفره خارجی) و VCSEL (لیزر انتشار سطحی حفره عمودی). اصل لیزرهای قابل تنظیم از این جنبه ها در زیر توضیح داده خواهد شد. در این میان، بر فناوری تنظیم‌پذیر فعلی که محبوب‌ترین آن است، تأکید می‌شود.
فناوری کنترل مبتنی بر دما عمدتا در ساختار DFB استفاده می شود، اصل آن تنظیم دمای حفره لیزر است، به طوری که می تواند طول موج های مختلف را منتشر کند. تنظیم طول موج یک لیزر قابل تنظیم بر اساس این اصل با کنترل تغییرات لیزر InGaAsP DFB که در محدوده دمایی خاصی کار می کند تحقق می یابد. این دستگاه از یک دستگاه قفل کننده موج داخلی (یک سنج استاندارد و یک آشکارساز نظارت) برای قفل کردن خروجی لیزر CW بر روی شبکه ITU در بازه 50 گیگاهرتز تشکیل شده است. به طور کلی دو TEC مجزا در دستگاه کپسوله شده است. یکی کنترل طول موج تراشه لیزری و دیگری اطمینان از کارکرد قفل و آشکارساز قدرت در دستگاه در دمای ثابت است.
بزرگترین مزیت این لیزرها این است که عملکرد آنها مشابه لیزرهای با طول موج ثابت است. آنها دارای ویژگی های قدرت خروجی بالا، پایداری طول موج خوب، عملیات ساده، هزینه کم و فناوری بالغ هستند. با این حال، دو اشکال اصلی وجود دارد: یکی این که عرض تنظیم یک دستگاه واحد باریک است، معمولاً تنها چند نانومتر. مورد دیگر این است که زمان تنظیم طولانی است، که معمولاً به چند ثانیه زمان پایداری تنظیم نیاز دارد.
فن آوری کنترل مکانیکی به طور کلی با استفاده از MEMS پیاده سازی می شود. یک لیزر قابل تنظیم مبتنی بر فناوری کنترل مکانیکی از ساختار MEMs-DFB استفاده می کند.
لیزرهای قابل تنظیم شامل آرایه های لیزر DFB، لنزهای قابل کج EMS و سایر قسمت های کنترلی و کمکی هستند.
چندین آرایه لیزر DFB در ناحیه آرایه لیزر DFB وجود دارد که هر کدام می توانند طول موج خاصی با پهنای باند حدود 1.0 نانومتر و فاصله 25 گیگاهرتز تولید کنند. با کنترل زاویه چرخش لنزهای MEM، می توان طول موج خاص مورد نیاز را برای خروجی طول موج خاص نور انتخاب کرد.
آرایه لیزر DFB
یک لیزر قابل تنظیم دیگر بر اساس ساختار VCSEL بر اساس لیزرهای ساطع کننده سطح حفره عمودی با پمپ نوری طراحی شده است. فناوری حفره نیمه متقارن برای دستیابی به تنظیم طول موج پیوسته با استفاده از MEMS استفاده می شود. این شامل یک لیزر نیمه هادی و یک تشدید کننده عمودی افزایش لیزر است که می تواند نور را روی سطح ساطع کند. یک بازتابنده متحرک در یک انتهای تشدید کننده وجود دارد که می تواند طول تشدید کننده و طول موج لیزر را تغییر دهد. مزیت اصلی VCSEL این است که می تواند پرتوهای خالص و پیوسته را خروجی دهد و به راحتی و به طور موثر به فیبرهای نوری متصل شود. علاوه بر این، هزینه پایین است زیرا خواص آن را می توان روی ویفر اندازه گیری کرد. نقطه ضعف اصلی VCSEL قدرت خروجی کم، سرعت تنظیم ناکافی و بازتابنده متحرک اضافی آن است. اگر یک پمپ نوری برای افزایش توان خروجی اضافه شود، پیچیدگی کلی افزایش یافته و مصرف برق و هزینه لیزر افزایش می یابد. عیب اصلی لیزر قابل تنظیم بر اساس این اصل این است که زمان تنظیم نسبتاً کند است که معمولاً به چندین ثانیه زمان تثبیت تنظیم نیاز دارد.
2.3 فناوری کنترل جریان
برخلاف DFB، در لیزرهای DBR قابل تنظیم، طول موج با هدایت جریان مهیج به قسمت های مختلف تشدید کننده تغییر می کند. چنین لیزرهایی حداقل دارای چهار قسمت هستند: معمولاً دو توری براگ، یک ماژول افزایش و یک ماژول فاز با تنظیم طول موج خوب. برای این نوع لیزر، توری های براگ زیادی در هر انتها وجود خواهد داشت. به عبارت دیگر، بعد از یک زمین رنده، یک شکاف وجود دارد، سپس یک گام مختلف رنده، سپس یک فاصله وجود دارد و غیره. این یک طیف بازتاب شانه مانند تولید می کند. توری های براگ در هر دو انتهای لیزر، طیف های بازتابی شانه مانند متفاوتی تولید می کنند. هنگامی که نور بین آنها به عقب و جلو منعکس می شود، برهم نهی دو طیف بازتابی مختلف منجر به دامنه طول موج وسیع تری می شود. مدار تحریک مورد استفاده در این فناوری بسیار پیچیده است، اما سرعت تنظیم آن بسیار سریع است. بنابراین اصل کلی بر اساس فناوری کنترل جریان، تغییر جریان FBG و قسمت کنترل فاز در موقعیت های مختلف لیزر قابل تنظیم است، به طوری که ضریب شکست نسبی FBG تغییر کرده و طیف های مختلفی تولید می شود. با روی هم قرار دادن طیف های مختلف تولید شده توسط FBG در مناطق مختلف، طول موج خاص انتخاب می شود تا طول موج خاص مورد نیاز تولید شود. لیزر.
یک لیزر قابل تنظیم مبتنی بر فناوری کنترل فعلی، ساختار SGDBR (نمونه گریتینگ توزیع شده بازتابنده براگ) را اتخاذ می کند.
دو بازتابنده در انتهای جلو و پشت تشدید کننده لیزر دارای قله های بازتابی خاص خود هستند. با تنظیم این دو پیک انعکاس با تزریق جریان، لیزر می تواند طول موج های مختلفی را تولید کند.
دو بازتابنده در کنار تشدید کننده لیزر دارای قله های بازتابی متعددی هستند. هنگامی که لیزر MGYL کار می کند، جریان تزریق آنها را تنظیم می کند. دو نور منعکس شده توسط یک ترکیب کننده/شکاف 1*2 روی هم قرار گرفته اند. بهینه‌سازی بازتاب‌پذیری قسمت جلویی، لیزر را قادر می‌سازد تا به توان خروجی بالایی در کل محدوده تنظیم دست یابد.
3. وضعیت صنعت
لیزرهای قابل تنظیم پیشرو در زمینه دستگاه های ارتباط نوری هستند و تنها چند شرکت بزرگ ارتباط نوری در دنیا می توانند این محصول را تهیه کنند. شرکت‌های نمایندگی مانند SANTUR مبتنی بر تنظیم مکانیکی MEMS، JDSU، Oclaro، Ignis، AOC بر اساس مقررات جاری SGBDR و غیره نیز یکی از معدود حوزه‌های دستگاه‌های نوری هستند که تامین‌کنندگان چینی به آن اشاره کرده‌اند. Wuhan Aoxin Technologies Co., Ltd. به مزایای اصلی در بسته بندی پیشرفته لیزرهای قابل تنظیم دست یافته است. این تنها شرکتی در چین است که می تواند لیزرهای قابل تنظیم را به صورت دسته ای تولید کند. به اروپا و ایالات متحده منتقل شده است. تولیدکنندگان عرضه می کنند.
JDSU از فناوری ادغام یکپارچه InP برای ادغام لیزرها و مدولاتورها در یک پلت فرم واحد برای راه اندازی یک ماژول XFP با اندازه کوچک با لیزرهای قابل تنظیم استفاده می کند. با گسترش بازار لیزرهای قابل تنظیم، کلید توسعه فناوری این محصول کوچک سازی و هزینه کم است. در آینده، تولیدکنندگان بیشتر و بیشتری ماژول های طول موج قابل تنظیم بسته بندی شده XFP را معرفی خواهند کرد.
در پنج سال آینده، لیزرهای قابل تنظیم به یک نقطه داغ تبدیل خواهند شد. نرخ رشد سالانه مرکب (CAGR) بازار به 37 درصد و مقیاس آن به 1.2 میلیارد دلار آمریکا در سال 2012 خواهد رسید، در حالی که نرخ رشد سالانه کامپوزیت سایر اجزای مهم بازار در همین دوره برای لیزرهای با طول موج ثابت 24 درصد است. 28% برای آشکارسازها و گیرنده ها و 35% برای تعدیل کننده های خارجی. در سال 2012، بازار لیزرهای قابل تنظیم، لیزرهای با طول موج ثابت و آشکارسازهای نوری برای شبکه های نوری بالغ بر 8 میلیارد دلار خواهد بود.
4. کاربرد خاص لیزر قابل تنظیم در ارتباطات نوری
کاربردهای شبکه لیزرهای قابل تنظیم را می توان به دو بخش کاربردهای استاتیک و کاربردهای پویا تقسیم کرد.
در کاربردهای استاتیک، طول موج لیزر قابل تنظیم در حین استفاده تنظیم می شود و با گذشت زمان تغییر نمی کند. رایج ترین کاربرد استاتیک به عنوان جایگزینی برای لیزرهای منبع است، به عنوان مثال در سیستم های انتقال مالتی پلکسی با تقسیم طول موج متراکم (DWDM)، که در آن یک لیزر قابل تنظیم به عنوان پشتیبان برای لیزرهای چندگانه با طول موج ثابت و لیزرهای منعطف عمل می کند و تعداد خطوط را کاهش می دهد. کارت های مورد نیاز برای پشتیبانی از تمام طول موج های مختلف.
در کاربردهای استاتیک، الزامات اصلی برای لیزرهای قابل تنظیم قیمت، توان خروجی و ویژگی‌های طیفی است، یعنی عرض خط و پایداری قابل مقایسه با لیزرهای با طول موج ثابت است که جایگزین می‌شود. هرچه دامنه طول موج بیشتر باشد، نسبت عملکرد به قیمت بهتر خواهد بود، بدون سرعت تنظیم بسیار سریعتر. در حال حاضر کاربرد سیستم DWDM با لیزر قابل تنظیم دقیق روز به روز بیشتر می شود.
در آینده، لیزرهای قابل تنظیم مورد استفاده به عنوان پشتیبان نیز به سرعت متناظر سریع نیاز دارند. هنگامی که یک کانال چندگانه تقسیم طول موج متراکم از کار بیفتد، یک لیزر قابل تنظیم می تواند به طور خودکار فعال شود تا کار خود را از سر بگیرد. برای دستیابی به این عملکرد، لیزر باید در طول موج شکست خورده در 10 میلی ثانیه یا کمتر تنظیم و قفل شود تا اطمینان حاصل شود که کل زمان بازیابی کمتر از 50 میلی ثانیه مورد نیاز شبکه نوری سنکرون است.
در کاربردهای دینامیکی، طول موج لیزرهای قابل تنظیم باید به طور منظم تغییر کند تا انعطاف پذیری شبکه های نوری افزایش یابد. چنین کاربردهایی عموماً نیازمند ارائه طول موجهای دینامیکی هستند تا بتوان یک طول موج را از یک بخش شبکه برای تطبیق با ظرفیت متغیر مورد نیاز اضافه یا پیشنهاد کرد. یک معماری ROADM ساده و انعطاف‌پذیرتر پیشنهاد شده است که مبتنی بر استفاده از لیزرهای قابل تنظیم و فیلترهای قابل تنظیم است. لیزرهای قابل تنظیم می توانند طول موج های خاصی را به سیستم اضافه کنند و فیلترهای قابل تنظیم می توانند طول موج های خاصی را از سیستم فیلتر کنند. لیزر قابل تنظیم همچنین می تواند مشکل مسدود شدن طول موج در اتصال متقاطع نوری را حل کند. در حال حاضر، بیشتر پیوندهای متقابل نوری از رابط نوری-الکترو-اپتیکی در هر دو انتهای فیبر برای جلوگیری از این مشکل استفاده می کنند. اگر از یک لیزر قابل تنظیم برای ورودی OXC در انتهای ورودی استفاده شود، می توان طول موج مشخصی را انتخاب کرد تا اطمینان حاصل شود که موج نور در یک مسیر واضح به نقطه پایان می رسد.
در آینده می توان از لیزرهای قابل تنظیم در مسیریابی طول موج و سوئیچینگ بسته های نوری نیز استفاده کرد.
مسیریابی طول موج به استفاده از لیزرهای قابل تنظیم برای جایگزینی کامل سوئیچ های پیچیده تمام نوری با کانکتورهای متقابل ثابت ساده اشاره دارد، به طوری که سیگنال مسیریابی شبکه نیاز به تغییر دارد. هر کانال با طول موج به یک آدرس مقصد منحصر به فرد متصل می شود، بنابراین یک اتصال مجازی شبکه را تشکیل می دهد. هنگام ارسال سیگنال، لیزر قابل تنظیم باید فرکانس خود را با فرکانس متناظر آدرس هدف تنظیم کند.
سوئیچینگ بسته نوری به سوئیچینگ بسته نوری واقعی اشاره دارد که سیگنال ها را با مسیریابی طول موج بر اساس بسته های داده ارسال می کند. برای دستیابی به این حالت از انتقال سیگنال، لیزر قابل تنظیم باید بتواند در مدت زمان کوتاهی مانند نانوثانیه سوئیچ کند تا تاخیر زمانی خیلی طولانی در شبکه ایجاد نشود.
در این برنامه ها، لیزرهای قابل تنظیم می توانند طول موج را در زمان واقعی تنظیم کنند تا از مسدود شدن طول موج در شبکه جلوگیری کنند. بنابراین، لیزرهای قابل تنظیم باید دارای برد قابل تنظیم بیشتر، توان خروجی بالاتر و سرعت واکنش میلی ثانیه باشند. در واقع، اکثر برنامه های پویا برای کار با لیزر به یک مالتی پلکسر نوری قابل تنظیم یا یک سوئیچ نوری 1:N نیاز دارند تا اطمینان حاصل شود که خروجی لیزر می تواند از کانال مناسب به فیبر نوری عبور کند.
