CC BY
42ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ВОЛС И ВОИС
СВИНЦОВ А.Г.,
К.т.н, главный редактор
«Фотон-Экспресс»
Подробную информацию об авторах см. на сайте www.fotonexpres.ru раздел «Наши авторы»
Рассмотрены роль и ключевые характеристики лазеров для волоконно-оптических систем. Показана перспективность использования перестраиваемого лазера на основе ОИНП.
The role and key characteristics of lasers for fiber-optic systems are considered. The prospects for the use of a tunable laser based on the OINP are shown.
Успехи и перспективы развития волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) связаны в первую очередь с реализацией тех возможностей, которые заложены в оптическом волокне (ОВ) как передающей среде. Параметры ОВ уникальны: достигнутая в настоящее время в DWDM-системах террабит-ная скорость передачи информации позволяет обеспечить передачу по одному ОВ всего телефонного трафика планеты, в лабораторных условиях удалось достичь скорости 20 Тбит/с, а информационный потенциал волокна оценивается в 300 Тбит/с.
Реальные успехи DWDM были связаны с разработкой узкополосных, стабильных лазеров - одного из ключевых элементов, определяющих число. Это обусловлено тем, что число Х-каналов определяется шириной спектрального окна передачи и частотным интервалом между каналами. В настоящее время принят частотный план ITU-T G.692 систем WDM с Av=100 ГГц, что для базовой частоты v0 = 193.1 ТГц ( Хо = 1552.52 нм) дает расстояние между спектральными составляющими AXi = 0.8 нм и порядка 100 частотных каналов Х-каналов.
Ключевые характеристики лазеров, обеспечивающих заданные параметры работы DWDM-систем - спектральные:
• Длина волны излучения оптического сигнала Xi,
• Ширина спектра излучения dXi
• Точность и стабильность установки Xi
Специфика DWDM накладывает следующие требования на параметры лазеров:
Ключевые слова: ВОЛС, ВОИС, лазеры, ОИНП, ЧМЗ, OFDR Tags: FOCL, WIPO, lasers, OINP, OFDR
л, -™7| VU
Л; Т» М 2
1 Ua| и.
Мп,
■щ ж
M w.
I ill I
I , A\a
П
Ш Ш
Ш ш
liili
-^-передатчик i,= c/v; С = 299792500 „/с;
J"lt - лазер _ „ __ „ __
Базовая частота vc = 193Д ТГц;
Мь - модулятор
1552,52 нм;
MUX — оптический мул ьтипл ексер
Aw = 100 ГГц, АХ = 0.8 нм
OA - оптический усилитель
OADM - адресное устройство ввода/вывода
Рис. 1.
• Длина волны излучения оптического сигнала соответствует частотному плану, (Av=100 ГГц, AXi = 0.8 нм)
• Ширина спектра излучения меньше 1 ГГц
• Точность и стабильность установки Xi порядка 10-6
Эти жесткие требования по точности и стабильности длины волны излучения и ширине спектра накладывают ограничения на варианты построения передатчиков для DWDM систем.
Малый частотный интервал между X-каналов, при частотах модуляции сравнимых с шириной частотного интервала, приводит к тому, что, как правило, используются схемы с внешним модулятором (рис.1). Вторая особенность передатчиков DWDM систем - преимущественное использование лазеров с внешним резонатором. Это обусловлено требованиями узкой полосы излучения лазера, которая меньше у таких лазеров.
11482455
ЭЛЕМЕНТЫ ВОСП
Q = Av/dv ; Q = 10 -50; n = 4; Av = (С / 2nL); ДХ = (X2 / 2nL )
nL 20 мм 10 мм 1 мм 0.1 мм
Av 5 ГГц 10 ГГц 100 ГГц 1000 ГГц
dvi Q = 20 ) 250 МГц 500 мГц 5 ГГц 50 ГГц
\/i/ I.55\ik\I) 40 пм 80 пм 0.8 нм 8 нм
dX 2 пм 4 нм 40 нм 0.4 нм
OB - оптическое волдокно;
Л - линза;
R - отражающие торцы лазера;
N - показатель преломления среды;
L - длина кристалла лазера; - межмодовый интервал;
Av - межмодовый частотный интервал;
dv, dA. - ширина спекта;
Q - добротность резонатора лазера;
А. - длина волны излучения
Рис. 2.
В настоящее время наиболее широко в ВОЛС используются лазеры с фиксированной длиной волны излучения следующих типов:
• DFB ( distributed Feed Back) - лазеры с распределенной обратной связью;
• DBR ( distributed Brag reflector) - лазеры с распределенной брегговской решеткой.
• VCSEL - лазеры
В лазерах с распределенной обратной связью используется высокодобротный резонатор (рис.За ) и для дополнительного уменьшения ширины линии генерации вводится селективный элемент в виде брегговской решетки (БР). БР формируется в активной зоне лазера. Современная технология обеспечивает воспроизводимость и хорошие параметры лазеров. DFB лазеры имеют ширину спектра генерации меньше 0.1 нм ( V. Sykes "External-cavity diode lasers for ultra-dense WDM networks", Lightwave, March 2001,pp.130-134).
Технология изготовления излучателей с БР в активной зоне лазера достаточна сложна, в DFB при работе из-за нагрева и изменения тока накачки изменяются параметры БР, что приводит к существенному изменению длины волны излучения лазера. Существенной проблемой является высокая чувствительность DFB лазеров к сигналу обратного отражения в ВОТ. Эти проблемы решаются, но прибор при этом усложняется. Поэтому в настоящее время для DWDM широко используются лазеры с внешней БР. В DBR лазерах селективный элемент - брегговская решетка расположена не в актив-
Рис. 3. Лазеры с фиксированной частотой излучения
ной зоне лазера. Это либо предусилитель многосекционного лазера с БР (рис. 3в), либо оптическое волокно с БР (рис.Зс). При этом, так как эффективная длина резонатора может быть существенно больше, чем в предыдущем случае - лазер имеет более узкую ширину спектра. Например, лазер с БР в ОВ имеет dv = 1 МГц ( см. В.П.Дураев, "Лазеры для ВОСПИ", Фотон-Экспресс №17, декабрь 1999г, стр.5-6; www.nolatech.ru ).
В лазерах для DWDM стабилизация параметров при работе обеспечивается за счет термостабилизации и поддержания постоянным тока накачки лазера.
В VCSEL генерация происходит поперек p-n перехода. Преимущество короткого высокодобротного резонатора в VCSEL обеспечивает одночастотностный режим генерации с узкой шириной линии излучения. Важнейшим преимуществом этих лазеров является высокотехнологичность, когда на одном чипе можно разместить матрицу лазеров. Каждый лазер из этой матрицы может излучать свою заданную длину волны, согласно сетке частот. Важнейшими преимуществом подобных систем, кроме компактности и использования высоких серийных технологий, является более простая технология стабилизации параметров, когда стабилизация производится сразу для всех лазеров массива.
В DWDM системах, кроме лазеров с фиксированными частотами генерации, необходимы перестраиваемые лазеры. Они используются как для тестирования DWDM систем и ее элементов, так и для коммутации и управления информационными потоками.
В первом случае лазер должен вырабатывать высококогерентный оптический сигнал во всем рабочем диапазоне длин волн. При этом перестройка частоты оптического сигнала может производиться достаточно медленно.
Коммутация информационных потоков и управление сетью передачи без использования электрических сигналов -важнейшее направление развития DWDM систем. При этом используются AODM устройства, позволяющие формировать трафик и управлять топологией информационной сети посредством оптического сигнала, задавая длину волны излучения. В этом случае важное значение приобретает скорость перестройки лазера, - время перестройки с канала на канал должно быть порядка наносекунды ( см. R.Plastow, D.Sadot "Tunable lasers key to data-network migration", Lightwave, match, 2001, pp.148-152).
В настоящее время в качестве перестраиваемых лазеров широко используются лазеры ( рис.4а ) с внешним резонатором на основе дифракционной решетки (ДР). Перестройка лазера происходит при повороте дифракционной решетки. Высокая селективность дифракционной решетки обеспечивает узкий спектр излучения лазера.
Типовые характеристики перестраиваемого лазера с ДР следующие:
• Диапазон длин волн - 1480 - 1580 нм ( 1520 - 1620 нм)
• Разрешение при установке длины волны - 0.001 нм
• Абсолютная точность установки длины волны +/- 0.01 нм
• Стабильность длины волны - +/- 0.8 пм/час
• Ширина спектра - менее 1 МГц (типично - 200 КГц)
• Скорость перестройки длины волны -100 нм/с
• Выходная оптическая мощность - 10 дБм
(см. www.ando.co, Tunable Laser Source AQ4321A(D) )
Волоконно-оптические измерительные системы (ВОИС) -важное направление волоконной оптики, в котором успехи пока не так очевидны, все еще впереди. Важнейшим и наиболее перспективным являются ВОИС на основе оптической рефлектометрии / 1 /. А одним из направлением оптической рефлектометрии, обладающим серьезными преимуществами, является метод частотной рефлектометрии ( OFDR) .
В методе OFDR, методе частотно-модулированного зондирования (ЧМЗ) в исследуемое ОВ вводится не импульсное оптическое излучение, а используется зондирование ВС непрерывным оптическим излучением с частотой, изменяющейся по заданной функции модуляции. Отраженный задержанный сигнал, несущий информацию о распределении зондирующей мощности в ВС, когерентно смешивается с опорным ЧМЗ сигналом. В результате формируется сигнал биений, спектр которого анализируется. Таким образом, вся информация об эволюции сигнала в исследуемом
ВС извлекается не из анализа отраженного сигнала во временной области (как при импульсном зондировании), а из частотного анализа спектра сигнала биений.
Это и обеспечивает преимущества и перспективность метода ЧМЗ: при повышении требований на пространственное разрешение полоса пропускания анализирующей аппаратуры не увеличивается, а уменьшается, а средняя оптическая мощность зондирующего излучения, определяющая чувствительность метода, весьма велика, но гораздо меньше мгновенной мощности при импульсном зондировании и далека от мощности, при которой наблюдаются нелинейные эффекты в ВС.
Как правило, в методе ЧМЗ используется линейная модуляция частоты сигнала. При этом частота сигнала биений Б связана с задержкой т прохождения зондирующего сигнала до участка ОВ с координатой х следующим образом
Б = ут = (2ШБт)* ( 2пх/с) ( 1 )
где W - девиация частоты зондирующего сигнала,
Бт - частота повторения функции модуляции зондирующего сигнала,
у = df/dt = 2WБm - скорость перестройки частоты зондирующего сигнала
Таким образом, из спектра сигнала Р(Б) распределение по координате х восстанавливается по формуле
х = ( c/4nW) (Б/Бт) ( 2 )
Из-за особенностей сигнала биений ДБ >= Бт и тогда разрешение
Дх >= ( с/4nW) = 50т(МГц) ( 17 )
В табл. 1 представлена зависимость разрешающей способности от величины девиации частоты зондирующего сигнала
Таблица 1.
W 1 МГц 10 МГц 100 МГц 1 ГГц 10 ГГц 100 ГГц
Дх 50 м 5 м 0,5 м 5 см 5 мм 0.5 мм
Наиболее перспективным является использование в качестве зондирующего сигнала лазер с большой длиной когерентности и со свипированием частоты (длины волны) излучения 10 - 100 ГГц. Именно в этом случае можно достаточно просто получить миллиметровые величины разрешения.
Основными недостатками перестраиваемых лазеров на основе дифракционной решетки являются невысокие скорости перестройки длины волны излучения и малая устойчивость лазера к внешним воздействиям (тряска, вибрация). Малая скорость изменения длины волны связана с необ-
11482455
Рис. 4.
ходимостью механического вращения дифракционной решетки при перестройке. Низкая механическая устойчивость прибора связана высокой чувствительностью работы лазера к разъюстировке. Это обусловлено тем, что для повышения селективных свойств дифракционной решетки ее необходимо освещать широким параллельным пучком, а такая оптическая схема неустойчива и минимальные угловые изменения вызывают большие отклонения длины волны генерируемого света.
От этих недостатков свободен лазер с внешним резонатором на основе отражающего интерферометра с необращенными полосами (ОИНП) (В.А. Саутенков, А.Г.Свинцов, «Полупроводниковый лазер», патент РФ № 1764485,15.07.88, кл Н0183/08). ОИНП помещен (рис. 4в) в перетяжку луча лазера (в фокус линзы). Такая оптическая схема более устойчива к механическим воздействиям. Изменяя эффективную
длину nlLl ОИНП, можно перестраивать частоту генерации лазера. При этом скорость перестройки может быть значительно выше за счет отсутствия механических перемещений ( можно изменять показатель преломления среды в ОИНП -rij). Время перестройки порядка 10~8 ... 107 с. Так как база (лазер-ОИНП) L2 большая, то данный вариант перестраиваемого лазера обеспечивает высокую степень когерентности излучения ( ширина спектра 1-10 МГц).
Таким образом, в настоящее время вопрос с лазерами для DWDM в основном решен. Разработаны и серийно выпускаются лазеры для DWDM с параметрами, удовлетворяющими требованиям частотного плана с шагом Av=100 ГГц. Выпускаются перестраиваемые лазеры для тестирования элементов DWDM систем. Отечественные разработки также обеспечивают высокие спектральные характеристики лазеров для DWDM.
Дальнейшее развитие лазеров для DWDM продолжается в следующих направлениях:
• Улучшение параметров лазеров для систем с Av=50 ГГц, Av=25 ГГц;
• Разработка перестраиваемых узкополосных лазеров для систем оптической коммутации;
• Разработка мультиволновых источников излучения
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Свинцов А.Г., Саутенков В. A.I/Электросвязь №2, 2002, Лазеры для ВОЛС со
спектральным уплотнением
2. Саутенков В.А., Свинцов А.Г., Патент РФ, Полупроводниковый лазер № 4491298 с приоритетом 31.07.1988
ВЫРУЧКА ОТ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕВЫХ АДАПТЕРОВ ВЫРАСТЕТ НА 30 ПРОЦЕНТОВ В 2023 ГОДУ
РЕДВУД-СИТИ, Калифорния. - 1 декабря 2022 г. - Согласно недавно опубликованному отчету Dell'Oro Group, надежного источника рыночной информации о телекоммуникациях, безопасности, сетях и центрах обработки данных, рынок контроллеров и адаптеров Ethernet превысил 1 миллиард долларов третий квартал подряд. Смещение ассортимента продукции в сторону высокоскоростных портов и рост цен привели к недавнему росту выручки.
"В 3 квартале 2022 года рынок контроллеров и адаптеров Ethernet продемонстрировал значительный двузначный рост по сравнению с аналогичным периодом прошлого года", - сказал Барон Фунг, директор по исследованиям Dell'Oro Group. "Продавцы могут предлагать более высокие цены, что способствовало росту выручки. Кроме того, ограничения на поставки, которые ограничивали поставки в предыдущие кварталы, улучшаются. Однако спрос начинает снижаться в некоторых секторах, поскольку поставщики серверов сокращают запасы определенных продуктов ", - добавил Фунг.
Дополнительные основные моменты из отчета об адаптере Ethernet за 3 квартал 2022 года и Smart NIC включают:
• Рынок Ethernet-контроллеров и адаптеров находится на пути к 43-процентному росту выручки в 2022 году.
• Ожидается, что поставки контроллеров Ethernet и адаптерных портов сократятся в 2023 году, поскольку рынок пережи-р^ вает переваривание. О
О • Рынок интеллектуальных сетевых адаптеров ожидает уверенный рост в 2023 году, поскольку крупные производители AMD, О и NVIDIA могут воспользоваться возможностями облачного и корпоративного рынков.
11482455
