في مجال الاتصالات الضوئية ، تعتمد مصادر الضوء التقليدية على وحدات الليزر ذات الطول الموجي الثابت. مع التطوير والتطبيق المستمر لأنظمة الاتصالات الضوئية ، يتم الكشف تدريجياً عن عيوب الليزر ذي الطول الموجي الثابت. من ناحية ، مع تطور تقنية DWDM ، وصل عدد الأطوال الموجية في النظام إلى المئات. في حالة الحماية ، يجب عمل النسخ الاحتياطي لكل ليزر بنفس الطول الموجي. يؤدي توريد الليزر إلى زيادة عدد الليزر الاحتياطي والتكلفة ؛ من ناحية أخرى ، نظرًا لأن الليزر الثابت يحتاج إلى التمييز بين الطول الموجي ، فإن نوع الليزر يزداد مع زيادة عدد الطول الموجي ، مما يجعل تعقيد الإدارة ومستوى المخزون أكثر تعقيدًا ؛ من ناحية أخرى ، إذا أردنا دعم تخصيص الطول الموجي الديناميكي في الشبكات الضوئية وتحسين مرونة الشبكة ، فنحن بحاجة إلى تجهيز عدد كبير من الموجات المختلفة. ليزر طويل ثابت ، لكن معدل استخدام كل ليزر منخفض جدًا ، مما يؤدي إلى إهدار الموارد. للتغلب على أوجه القصور هذه ، مع تطوير أشباه الموصلات والتقنيات ذات الصلة ، تم تطوير ليزر قابل للضبط بنجاح ، أي يتم التحكم في طول الموجة المختلفة ضمن عرض نطاق معين على نفس وحدة الليزر ، وتفي قيم الطول الموجي والتباعد بمتطلبات قطاع تقييس الاتصالات.
بالنسبة للشبكة الضوئية من الجيل التالي ، تعد أشعة الليزر القابلة للضبط العامل الرئيسي لتحقيق شبكة بصرية ذكية ، والتي يمكن أن توفر للمشغلين مرونة أكبر وسرعة إمداد بطول الموجة أسرع وتكلفة أقل في النهاية. في المستقبل ، ستكون الشبكات الضوئية بعيدة المدى هي عالم الأنظمة الديناميكية ذات الطول الموجي. يمكن لهذه الشبكات تحقيق تخصيص طول موجي جديد في وقت قصير جدًا. نظرًا لاستخدام تقنية النقل لمسافات طويلة جدًا ، ليست هناك حاجة لاستخدام المجدد ، مما يوفر الكثير من المال. من المتوقع أن توفر أجهزة الليزر القابلة للضبط أدوات جديدة لشبكات الاتصال المستقبلية لإدارة الطول الموجي وتحسين كفاءة الشبكة وتطوير شبكات الجيل التالي الضوئية. أحد أكثر التطبيقات جاذبية هو مُضاعِف الإرسال البصري الإضافي القابل لإعادة التكوين (ROADM). ستظهر أنظمة الشبكة الديناميكية القابلة لإعادة التكوين في سوق الشبكة ، وستكون هناك حاجة إلى المزيد من أجهزة الليزر القابلة للضبط ذات النطاق الضبط الكبير.
هناك ثلاثة أنواع من تقنيات التحكم في الليزر القابل للضبط: تقنية التحكم الحالي وتكنولوجيا التحكم في درجة الحرارة وتكنولوجيا التحكم الميكانيكي. من بينها ، تدرك التكنولوجيا التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا ضبط الطول الموجي عن طريق تغيير تيار الحقن. لديها سرعة ضبط على مستوى ns وعرض نطاق عريض للضبط ، لكن طاقة خرجها صغيرة. التقنيات الرئيسية التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا هي أشعة الليزر SG-DBR (Sampling Grating DBR) و GCSR (انعكاس أخذ العينات الخلفي المقترن بالاتجاه المساعد). تعمل تقنية التحكم في درجة الحرارة على تغيير الطول الموجي الناتج لليزر عن طريق تغيير معامل الانكسار للمنطقة النشطة من الليزر. هذه التقنية بسيطة ، لكنها بطيئة ، وعرض نطاق ضيق قابل للتعديل ، فقط بضعة نانومترات. الليزر DFB (ردود الفعل الموزعة) و DBR (انعكاس براغ الموزع) هي التقنيات الرئيسية القائمة على التحكم في درجة الحرارة. يعتمد التحكم الميكانيكي بشكل أساسي على تقنية النظام الكهروميكانيكي الصغير (MEMS) لإكمال اختيار الطول الموجي ، مع عرض نطاق ترددي أكبر قابل للتعديل وطاقة خرج أعلى. الهياكل الرئيسية القائمة على تقنية التحكم الميكانيكي هي DFB (التغذية المرتدة الموزعة) و ECL (الليزر التجويف الخارجي) و VCSEL (الليزر الانبعاث السطحي للتجويف العمودي). سيتم شرح مبدأ الليزر الانضغاطي من هذه الجوانب أدناه. من بينها ، تم التأكيد على التكنولوجيا القابلة للضبط الحالية ، وهي الأكثر شعبية.
تستخدم تقنية التحكم في درجة الحرارة بشكل أساسي في هيكل DFB ، ومبدأها هو ضبط درجة حرارة تجويف الليزر ، بحيث يمكن أن تنبعث منها أطوال موجية مختلفة. يتم تحقيق تعديل الطول الموجي لليزر قابل للتعديل بناءً على هذا المبدأ من خلال التحكم في تباين ليزر InGaAsP DFB الذي يعمل في نطاق درجة حرارة معينة. يتكون الجهاز من جهاز قفل موجة مدمج (مقياس قياسي وكاشف مراقبة) لقفل خرج ليزر CW على شبكة الاتحاد الدولي للاتصالات بفاصل زمني 50 جيجا هرتز. بشكل عام ، يتم تغليف اثنين من TECs منفصلة في الجهاز. أحدهما هو التحكم في الطول الموجي لشريحة الليزر ، والآخر هو التأكد من أن القفل وكاشف الطاقة في الجهاز يعملان عند درجة حرارة ثابتة.
أكبر ميزة لهذه الليزرات هي أن أداؤها مشابه لأداء الليزر ذي الطول الموجي الثابت. تتميز بخصائص قوة الإخراج العالية ، واستقرار الطول الموجي الجيد ، والتشغيل البسيط ، والتكلفة المنخفضة والتكنولوجيا الناضجة. ومع ذلك ، هناك عيبان رئيسيان: أحدهما هو أن عرض الضبط لجهاز واحد ضيق ، وعادة ما يكون بضعة نانومترات فقط ؛ والآخر هو أن وقت الضبط طويل ، والذي يتطلب عادةً عدة ثوانٍ من ضبط وقت الاستقرار.
يتم تنفيذ تقنية التحكم الميكانيكي بشكل عام باستخدام MEMS. يعتمد الليزر القابل للضبط على أساس تقنية التحكم الميكانيكي هيكل MEMs-DFB.
تشمل أنواع الليزر القابلة للضبط صفيفات الليزر DFB وعدسات EMS القابلة للإمالة وأجزاء أخرى من أدوات التحكم والأجزاء المساعدة.
توجد عدة صفيفات ليزر DFB في منطقة صفيف ليزر DFB ، كل منها يمكن أن ينتج طول موجي محدد بعرض نطاق يبلغ حوالي 1.0 نانومتر وبمسافة 25 جيجا هرتز. من خلال التحكم في زاوية دوران عدسات MEM ، يمكن تحديد الطول الموجي المحدد المطلوب لإخراج الطول الموجي المحدد المطلوب للضوء.
صفيف ليزر DFB
تم تصميم ليزر آخر قابل للضبط يعتمد على هيكل VCSEL على أساس الليزر الباعث للسطح ذو التجويف العمودي الذي يتم ضخه بصريًا. تُستخدم تقنية التجويف شبه المتماثل لتحقيق ضبط مستمر لطول الموجة باستخدام النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS). وهو يتألف من ليزر أشباه الموصلات وجهاز رنان لكسب الليزر الرأسي الذي يمكن أن ينبعث منه الضوء على السطح. يوجد عاكس متحرك في أحد طرفي الرنان ، والذي يمكنه تغيير طول الرنان وطول موجة الليزر. الميزة الرئيسية لـ VCSEL هي أنه يمكنها إخراج حزم نقية ومستمرة ، ويمكن اقترانها بسهولة وفعالية بالألياف الضوئية. علاوة على ذلك ، التكلفة منخفضة لأنه يمكن قياس خصائصها على الرقاقة. العيب الرئيسي لـ VCSEL هو انخفاض طاقة الخرج ، وسرعة التعديل غير الكافية ، وعاكس متحرك إضافي. إذا تمت إضافة مضخة بصرية لزيادة طاقة الخرج ، فسيتم زيادة التعقيد الكلي ، وستتم زيادة استهلاك الطاقة وتكلفة الليزر. العيب الرئيسي لليزر الانضباطي بناءً على هذا المبدأ هو أن وقت الضبط بطيء نسبيًا ، والذي يتطلب عادةً عدة ثوانٍ من ضبط وقت التثبيت.
2.3 تكنولوجيا التحكم الحالية
على عكس DFB ، في ليزر DBR القابل للضبط ، يتغير الطول الموجي عن طريق توجيه التيار المثير إلى أجزاء مختلفة من الرنان. تحتوي هذه الليزرات على أربعة أجزاء على الأقل: عادةً شبكتان من Bragg ووحدة كسب ووحدة طور بضبط الطول الموجي الدقيق. بالنسبة لهذا النوع من الليزر ، سيكون هناك العديد من حواجز براغ في كل طرف. بمعنى آخر ، بعد درجة معينة من الحزوز ، توجد فجوة ، ثم هناك درجة مختلفة من الشبكة ، ثم هناك فجوة ، وهكذا. ينتج عن هذا طيف انعكاس يشبه المشط. تولد حواجز Bragg عند طرفي الليزر أطياف انعكاس مختلفة تشبه المشط. عندما ينعكس الضوء بينهما ذهابًا وإيابًا ، ينتج عن تراكب طيفي انعكاس مختلفين نطاق طول موجي أوسع. دائرة الإثارة المستخدمة في هذه التقنية معقدة للغاية ، لكن سرعة تعديلها سريعة جدًا. لذا فإن المبدأ العام القائم على تقنية التحكم الحالية هو تغيير تيار FBG وجزء التحكم في الطور في مواضع مختلفة من الليزر القابل للضبط ، بحيث يتغير معامل الانكسار النسبي لـ FBG ، وسيتم إنتاج أطياف مختلفة. من خلال تركيب أطياف مختلفة تنتجها FBG في مناطق مختلفة ، سيتم اختيار الطول الموجي المحدد ، بحيث يتم إنشاء الطول الموجي المحدد المطلوب. الليزر.
يعتمد الليزر القابل للضبط على أساس تقنية التحكم الحالية على هيكل SGDBR (عاكس Bragg الموزع المشبَّك).
يوجد عاكسان في الأطراف الأمامية والخلفية لمرنان الليزر لهما قمم انعكاس خاصة بهما. من خلال تعديل ذروتي الانعكاس عن طريق حقن التيار ، يمكن لليزر إخراج أطوال موجية مختلفة.
يحتوي العاكسان الموجودان على جانب مرنان الليزر على قمم انعكاس متعددة. عندما يعمل ليزر MGYL ، يقوم تيار الحقن بضبطها. يتم تثبيت الأضواء المنعكسة بواسطة جهاز تجميع / مقسم 1 * 2. يؤدي تحسين انعكاس الواجهة الأمامية إلى تمكين الليزر من تحقيق خرج طاقة عالي في نطاق الضبط الكامل.
3. حالة الصناعة
تحتل أشعة الليزر القابلة للضبط موقع الصدارة في مجال أجهزة الاتصالات الضوئية ، ولا يمكن سوى لعدد قليل من شركات الاتصالات الضوئية الكبيرة في العالم توفير هذا المنتج. تعد الشركات التمثيلية مثل SANTUR استنادًا إلى الضبط الميكانيكي لـ MEMS و JDSU و Oclaro و Ignis و AOC استنادًا إلى لوائح SGBDR الحالية وما إلى ذلك ، أيضًا واحدة من المجالات القليلة للأجهزة البصرية التي حددها الموردون الصينيون. حققت شركة Wuhan Aoxin Technologies Co. ، Ltd. مزايا أساسية في التعبئة والتغليف المتطورة لليزر الانضغاطي. إنها المؤسسة الوحيدة في الصين التي يمكنها إنتاج أشعة ليزر قابلة للضبط على دفعات. وقد تم إرساله إلى أوروبا والولايات المتحدة. توريد الشركات المصنعة.
تستخدم JDSU تقنية التكامل الأحادي InP لدمج الليزر والمعدِّلات في منصة واحدة لإطلاق وحدة XFP صغيرة الحجم مزودة بأشعة الليزر القابلة للتعديل. مع توسع سوق الليزر القابل للضبط ، فإن مفتاح التطور التكنولوجي لهذا المنتج هو التصغير والتكلفة المنخفضة. في المستقبل ، سيقدم المزيد والمزيد من الشركات المصنعة وحدات الطول الموجي القابلة للتعديل المعبأة في XFP.
في السنوات الخمس المقبلة ، سيكون الليزر القابل للضبط بقعة ساخنة. سيصل معدل النمو السنوي المركب (CAGR) للسوق إلى 37٪ وسيصل حجمه إلى 1.2 مليار دولار أمريكي في عام 2012 ، في حين أن معدل النمو المركب السنوي لسوق المكونات الهامة الأخرى في نفس الفترة هو 24٪ لليزر الطول الموجي الثابت و 28٪ للكاشفات وأجهزة الاستقبال و 35٪ للمعدلات الخارجية. في عام 2012 ، سيبلغ إجمالي سوق أجهزة الليزر القابلة للضبط ، وأجهزة الليزر ذات الطول الموجي الثابت وأجهزة الكشف الضوئي للشبكات الضوئية 8 مليارات دولار.
4. التطبيق المحدد لليزر الانضباطي في الاتصالات البصرية
يمكن تقسيم تطبيقات شبكة الليزر القابلة للضبط إلى جزأين: التطبيقات الثابتة والتطبيقات الديناميكية.
في التطبيقات الساكنة ، يتم ضبط الطول الموجي لليزر القابل للضبط أثناء الاستخدام ولا يتغير بمرور الوقت. التطبيق الثابت الأكثر شيوعًا هو كبديل لليزر المصدر ، أي في أنظمة الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) ، حيث يعمل الليزر القابل للضبط كنسخة احتياطية لعدة ليزرات ذات طول موجي ثابت وأشعة ليزر مرنة المصدر ، مما يقلل من عدد الخطوط البطاقات المطلوبة لدعم جميع الأطوال الموجية المختلفة.
في التطبيقات الساكنة ، تتمثل المتطلبات الرئيسية لليزر القابل للضبط في السعر وقدرة الخرج والخصائص الطيفية ، أي أن عرض الخط والاستقرار يمكن مقارنتهما بأشعة الليزر ذات الطول الموجي الثابت التي تحل محلها. كلما كان نطاق الطول الموجي أوسع ، كانت نسبة الأداء والسعر أفضل ، بدون سرعة ضبط أسرع بكثير. في الوقت الحاضر ، أصبح تطبيق نظام DWDM باستخدام الليزر الدقيق القابل للضبط أكثر وأكثر.
في المستقبل ، ستتطلب أشعة الليزر القابلة للضبط المستخدمة كنسخ احتياطية سرعات مقابلة سريعة. عندما تفشل قناة مضاعفة بتقسيم الطول الموجي الكثيف ، يمكن تمكين الليزر القابل للضبط تلقائيًا لاستئناف تشغيله. لتحقيق هذه الوظيفة ، يجب ضبط الليزر وقفله عند الطول الموجي الفاشل في 10 مللي ثانية أو أقل ، وذلك للتأكد من أن وقت الاسترداد بالكامل أقل من 50 مللي ثانية التي تتطلبها الشبكة البصرية المتزامنة.
في التطبيقات الديناميكية ، يلزم تغيير الطول الموجي لأشعة الليزر القابلة للضبط بانتظام من أجل تعزيز مرونة الشبكات الضوئية. تتطلب مثل هذه التطبيقات عمومًا توفير أطوال موجية ديناميكية بحيث يمكن إضافة الطول الموجي أو اقتراحه من مقطع الشبكة لاستيعاب السعة المتغيرة المطلوبة. تم اقتراح بنية ROADM بسيطة وأكثر مرونة ، والتي تعتمد على استخدام كل من أشعة الليزر القابلة للضبط والمرشحات القابلة للضبط. يمكن أن تضيف أشعة الليزر القابلة للضبط أطوال موجية معينة إلى النظام ، ويمكن للمرشحات القابلة للضبط تصفية أطوال موجية معينة من النظام. يمكن أن يحل الليزر القابل للضبط أيضًا مشكلة حجب الطول الموجي في التوصيل المتقاطع البصري. في الوقت الحاضر ، تستخدم معظم الروابط المتقاطعة الضوئية واجهة بصرية كهروضوئية على طرفي الألياف لتجنب هذه المشكلة. إذا تم استخدام ليزر قابل للتعديل لإدخال OXC في نهاية الإدخال ، فيمكن تحديد طول موجي معين لضمان وصول موجة الضوء إلى نقطة النهاية في مسار واضح.
في المستقبل ، يمكن أيضًا استخدام الليزر القابل للضبط في توجيه الطول الموجي وتبديل الحزمة الضوئية.
يشير توجيه الطول الموجي إلى استخدام الليزر القابل للضبط لاستبدال المحولات الضوئية المعقدة بالكامل بموصلات متقاطعة بسيطة ثابتة ، بحيث تحتاج إشارة توجيه الشبكة إلى التغيير. ترتبط كل قناة طول موجي بعنوان وجهة فريد ، مما يؤدي إلى تكوين اتصال افتراضي للشبكة. عند إرسال الإشارات ، يجب أن يضبط الليزر القابل للضبط تردده على التردد المقابل لعنوان الهدف.
يشير تبديل الحزمة الضوئية إلى تبديل الحزمة الضوئية الحقيقي الذي ينقل الإشارات عن طريق توجيه الطول الموجي وفقًا لحزم البيانات. من أجل تحقيق هذا الوضع لنقل الإشارة ، يجب أن يكون الليزر القابل للضبط قادرًا على التبديل في وقت قصير مثل نانوثانية ، حتى لا ينتج عنه تأخير طويل جدًا في الشبكة.
في هذه التطبيقات ، يمكن للليزر القابل للضبط ضبط الطول الموجي في الوقت الفعلي لتجنب حجب الطول الموجي في الشبكة. لذلك ، يجب أن تحتوي أجهزة الليزر القابلة للضبط على نطاق أكبر قابل للتعديل ، وطاقة خرج أعلى ، وسرعة تفاعل ميلي ثانية. في الواقع ، تتطلب معظم التطبيقات الديناميكية معدد إرسال بصري قابل للضبط أو مفتاح بصري 1: N للعمل مع الليزر لضمان أن خرج الليزر يمكن أن يمر عبر القناة المناسبة إلى الألياف الضوئية.
