ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАТЧИКИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ДЛИНОЙ
advertisement
Основы ВОЛС ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАТЧИКИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ DWDM#СЕТЕЙ СВЯЗИ ЧАСТЬ 2* О. Е. НАНИЙ, д.ф.м.н., главный редактор журнала Lightwave Russian Edition 1. Волноводные перестраиваемые по лупроводниковые лазеры с брэгговскими решетками жающая и активная (усиливающая) области пространственно разделены, такие лазеры где nEF – эффективный показатель преломления для генерирующей моды, m – порядок решетки, в большинстве случаев равный 1. Активная среда полупроводниковых лазеров представляет собой диэлектрический предоставляют больше возможностей для управления спектром излучения. На основе DFB- или DBR-лазеров можно волновод, ограничивающий световой пучок в поперечном к оптической оси сечении. создавать интегрированные на одной планарной структуре фотонные устройства, лучения, так как они обладают заметной температурной зависимостью частоты (дли- Для создания перестраиваемых волноводных лазеров необходимо использовать включающие в себя перестраиваемый лазер, модулятор и усилитель. ны волны) генерации. Коэффициент температурной зависимости длины волны излу- Такие лазеры естественно использовать в качестве перестраиваемого источника из- волноводные перестраиваемые селекторы. чения типичного DFB-лазера составляет 0,1 нм/С. Роль селекторов играют периодические отража- Фактически перестраиваемые DFB-лазеры отличаются от DFB-лазеров с фикси- ющие структуры с пространственным периодом порядка половины длины световой волны. Такие резонансные периодические структуры для создания обратной связи, называемые также брэгговскими решетками, рованной частотой только одним – они содержат блок Рис. 1. Структурные схемы волноводных лазеров с периодическими структурами (решетками), используемыми для создания обратной связи: а) DFBлазер; б) DBRлазер. HR – зеркало с большим коэффициентом отражения; AR – просветляющее покрытие; LR – зеркало с низким ко эффициентом отражения либо наносятся на поверхность волновода, либо вытравливаются в них. В лазерах с распределенной обратной связью (РОС-лазерах или DFB-лазерах) решетка создается в активной среде. Обрат- 1.1. Перестраиваемые DFB-лазеры Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью являются простейшими перестраиваемыми волноводны- ная связь возникает вследствие брэгговского отражения, распределенного равномерно ми полупроводниковыми лазерами. В отличие от лазеров с интерферометром по всей активной области (рис.1а) [2,3]. В лазерах с распределенными брэгговскими отражателями (РБО-лазерах или DBRлазерах) периодические структуры используются в качестве резонансных отражателей, размещенных вне активной среды (рис. 1б) [2,3]. Поскольку селективно отра- Фабри – Перо [3], благодаря спектральной селективности распределенного отражателя, DFB-лазеры работают в одночастотном режиме генерации (т.е. генерация осуществляется на одной поперечной и одной продольной моде) [2]. Длина волны * Продолжение, начало в [1]. генерации связана с периодом решетки выражением: = 2nEF /m , (1) LIGHTWAVE Russian Edition №3 2006 управления температурой лазера. Простота реализации таких лазеров – это главное и очень существен- ное преимущество перестраиваемых DFB-лазеров. Они уже производятся серийно и выпускаются в стандартных корпусах, в которых расположены также система мониторинга и привязки частоты к стандартизованной решетке частот ITU-T [1]. DFB-лазеры обладают, однако, существенным недостатком – ограниченной областью перестройки частоты. В обычном DFB-лазере величина температурной перестройки составляет 400 ГГц, что обеспечивает перекрытие 8 каналов ITU-T при расстоянии 50 ГГц или всего 4 каналов при расстоянии 100 ГГц. Для увеличения диапазона перестройки используются полностью моноблочные интегрированные конструкции, содержащие решетку из нескольких DFB-лазеров, объеди- www.lightwave-russia.com 53 Основы ВОЛС Рис. 2. Схема перестраиваемого 8эле ментного DFBлазера с оптическим уси лителем: SOA – полупроводниковый усилитель, MMI – многомодовый пла нарный объединитель, Array – решетка из 8 DFBлазеров ной подложке – при помощи одного волновода (см. рис. 1б). Простейший ти). Но слишком близкими их делать нельзя из-за увеличения затухания световой волны. вариант DBR-лазера содержит один отражатель в виде распределенной брэгговской дифракционной решетки, Простота конструкции и возможность интеграции с волноводными усилителями и модуляторами делают DBR-лазеры очень привле- а роль второй решетки выполняет торец полупроводникового кристалла (иногда с диэлектрическим покрытием). Решетка обычно создается периодической модуляцией толщины волно- кательными. Однако область их перестройки определяется величиной относительного изменения эффективного показателя преломления и ограничивается величиной менее 20 нм. Для увеличения диапазона перестройки разработаны новые типы перестраиваемых DBR- вода, что приводит к периодической модуляции эффективного показателя преломления для распространяющейся моды. Такая модуляция показателя преломления приводит к эффективной связи между встречными волнами при выполнении условия Брэгга (1). Для ненных в один блок. Так, блок из восьми параллельно расположенных DFB-лазеров и получения узкого спектра отражения решетки делают относительно больших размеров и с объединенных многомодовым волноводным объединителем (MMI) позволяет обеспечить небольшой глубиной диапазон перестройки до 60 нм. Для увеличения выходной мощности такого перестра- модуляции. Перестрой- иваемого лазера на выходе устанавливается усилитель (см. рис. 2). ка длины волны осу- Разработаны и исследованы различные конструкции многоэлементных перестраива- ществляется путем емых лазеров с числом элементарных DFBлазеров в решетке от 2 до 8. инжекции носителей заряда в 1.2. Перестраиваемые DBR-лазеры область ре- Перестраиваемые DBR-лазеры – это волноводные аналоги лазеров с внешним резонатором. Отличие заключается в том, что активная усилительная часть лазера и внешний ре- шетки. При этом показатель преломления nEF уменьшается и, следовательно, изменяется резонансная длина волны (1). Рас- зонатор интегрированы (объединены) на од- www.lightwave-russia.com 1.3. Лазеры с профилированными брэгговскими отражателями (SG DBR-лазеры) Структура лазера с профилированными брэгговскими отражателями (SG DBR-лазе- Рис. 4. Упрощенная структурная схема интегрированного моноблочного оптического излучателя с перестройкой частоты на основе SG DBRлазера Рис. 3. Схема электронной перестройки частоты (длины волны) в лазере с профилированными брэгговскими отражателями (SGDBR). Период решетки и период структуры обычно имеют отношение 1:10 54 лазеров, рассматриваемых в следующих разделах: SG DBR-лазеры и SSG DBR-лазеры. ра) аналогична структуре DBR-лазера. Отличие заключается в том, что в SG DBR-ла- четы показывают, что зерах используются два отражателя, выполненных в виде распределенных профилиро- для увеличения диапазона перестройки запрещенная зона ванных дифракционных решеток (sampled diffraction grating – SG), которые одновременно выполняют роль узкополосных фильтров (рис. 3). Такие структурированные решетки расположены по обеим сторонам от области усиления. пассивной части должна быть Каждая профилированная решетка (SG) представляет собой периодическую структуру из повторяющихся с периодом S близка к энергии фотонов (или к величине запрещен- участков с нанесенной брэгговской решеткой размером G и участков без решетки (увеличенная область показана на рис. 3). Периоды S профилей двух решеток отли- ной зоны усилительной облас- чаются примерно на 10%. Принцип селекции длины волны и перестройки основан на эффекте Вернье и аналогичен принципу перестройки селектора, LIGHTWAVE Russian Edition №3 2006 Основы ВОЛС Рис. 5. Оптическая схема перестраиваемого полупроводникового лазера с кольцевым резонатором В качестве примера на рис. 5 приведена Вторая секция (Усиление) служит для усиления светового излучения. Третья секция (Фаза) обеспечивает тонкую подстройку схема перестраиваемого кольцевого лазера с лестничным фильтром и кольцевым интерферометром. Область свободной дисперсии кольцевого оптической длины резонатора лазера и, следовательно, тонкую подстройку частоты генерации. резонатора составляет 100 ГГц, что в точности равно расстоянию между каналами стандартного частотного плана ITU. Лестничный фильтр обладает более плавной за- Схема разработанного на основе SG DBR-лазера интегрированного моноблочного излучателя с пе- висимостью пропускания от частоты, чем кольцевой резонатор. Если максимум пропускания фильтра настроен на резонансную длину волны кольцевого резонатора, то соседние максимумы кольцевого резонатора рестройкой частоты приведена на рис. 4. имеют дополнительные потери 1,4 дБ. Такая величина дополнительных потерь соседнего резонанса обеспечивает коэффициент по давления боковых мод лазера (SMSR) на состоящего из двух интерферометров Фабри – Перо (см. рис. 11 статьи [1]). Спектр 1.4. SSG DBR-лазеры отражения каждого из двух зеркал представляет собой периодически расположен- SSG DBR-лазеры представляют собой модификацию лазеров с профилированными ные максимумы отражения (их спектр отражения аналогичен спектру пропускания ин- решетками (SG DBR-лазеров). Эти два типа лазеров функционально иден- терферометра Фабри – Перо), при этом расстояние между максимумами отличает- тичны и отличаются только строением брэгговских зеркал. В SSG DBR-лазерах решет- ся примерно на 10%. Генерация осуществляется на длине волны, на которой мак- ки брэгговских зеркал периодически чирпированы (т.е. промодулирована их простран- симумы отражения двух зеркал совпадают (так как периоды следования максимумов ственная частота), а в SG DBR-лазерах периодически промодулирована амплитуда. различны, они совпадают только для одной-единственной частоты). Каждое из двух зеркал (переднее и заднее) Как и в профилированных решетках, пространственный период модуляции в SSG-решетках определяет расстояние мых лазеров, в которых используется сочетание селективных свойств профилированной брэгговской отражающей решетки, соз- перестраивается примерно в диапазоне между частотными максимумами отраже- даваемой в отрезке волокна, и селектив- 10 нм, что обеспечивает перестройку длины волны излучения лазера в диапазоне 100 нм. ния. Преимущество SSG-решеток перед SG-решетками состоит в том, что SSG-решетки не имеют «пустых» ных свойств интерферометра Фабри – Перо, образованного торцами полупроводникового кристалла. Принцип перестройки частоты лазера иллюстрирует риc. 6. Как видно из рисунка, это еще одна реализация участков и, следовательно, необходимый коэффициент их отражения можно получить при меньшей глубине модуляции волновода. Рис. 6. Принцип перестройки чистоты комбиниро ванного полупроводникового лазера. Вверху опти ческая схема лазера. Внизу резонансные длины волн интерферометра Фабри – Перо, образованного торцами полупроводникового кристалла, и структу рированной брэгговской решетки (SFBG) в отрезке одномодового волокна. Генерация осуществляется на длине волны, совпадающей одновременно с ре зонансом интерферометра Фабри – Перо и макси мумом отражения SFBG LIGHTWAVE Russian Edition №3 2006 уровне 30 дБ. Изменяя резонансную длину волны (частоту фильтра), можно настроиться на любой резонанс кольцевого резонатора из периодического набора резонансов с периодом 100 ГГц. 2.2. Лазеры с волоконными брэгговскими решетками Разработаны конструкции перестраивае- принципа Вернье – генерация осуществляется на общем максимуме отражения для 2. Другие типы перестраиваемых лазеров двух селекторов. Одним селектором в данном лазере является профилированная брэгговская решетка, а роль второго селектора выполняет интерферометр Фабри – Перо, образованный торцевыми поверхностями полупроводникового кристалла. 2.1. Кольцевые волноводные лазеры Предложено и исследо- 3. Контроль и стабилизация частоты перестраиваемых лазеров вано много различных конструкций перестраиваемых лазеров с кольцевым резонатором. Для перестройки частоты в Контроль частоты излучения перестраиваемого полупроводникового лазера осуществляется с помощью системы измерения на основе внешнего селектора (рис. 7). Выходное излучение перестраиваемого ла- них используются составные селекторы с перестраиваемым спектром пропускания. зера делится на две части делителем. Одна часть подается на фотодиод ФД1, измеряющий мощность выходного излучения. Вторая часть пучка проходит через эталонный www.lightwave-russia.com 55 Основы ВОЛС типов лазеров, описанных в статье. Каждая из конструкций обладает определенными преимуществами и недостатками, поэтому однозначно назвать победителя по всем параметрам сегодня нельзя. Скорее всего, развитие перестраиваемых лазеров по-прежнему будет идти по нескольким Рис. 7. Оптическая схема устройства контроля и стабилизации частоты ода ФД2 пропорционален выходной мощности и отстройке от резонансной частоты эталона. Поэтому измеренные значения сигналов с ФД1 и ФД2 позволяют вычислить величину отстройки и обеспечить привязку частоты к заданному значению частоты из частотного плана ITU-T. Для работы системы необходим еще «грубый» селектор для переключения на нужную частоту гребенки ITU. Выводы Перестраиваемые в широком диапазоне полупроводниковые лазеры, как ожидается, дадут возможности операторам сетей связи предоставлять дополнительные услуги, среди которых сдача в аренду спектрального канала по запросу клиента. Кроме того, они позволяют снизить стоимость обслуживания существующих сетей. И главное, в сетях следующего поколения (NGN) они решающим образом увеличат пропускную способность оптических узлов на базе реконфигурируемых кросс-соединений, переключателей и мультиплексоров ввода-вывода. Это обеспечит возможность пригодных для массового производства. пользования перестраиваемых лазеров обеспечили широкий фронт их исследований многими компаниями. Эти исследования привели к разработке целого ряда различных 56 www.lightwave-russia.com 6. Bergonzo A. et al. 12channels 200GHzspac ing digitally tunable external cavity laser with fast wavelength switching // ECOCIOOC2003 Proceedings, vol.4, pp. 888–889, Rimini, 2003. 7. Paoletti R. et al. Small chip size, low power consumption, fully electronic controlled tunable laser source with 40 nm tuning range and 20 mW output power for WDM applications // ECOCIOOC2003 Proceedings, vol. 4, pp. 886–887, Rimini, 2003. 8. Takabayashi K. et al. Widely (90 nm) Wavelength Tunable Laser Using a На их основе уже выпускаются оптические передатчики с перестраиваемой длиной волны излучения для использования в динамически перестраиваемых DWDM-сетях связи. Литература 1. Наний О.Е. Оптические передатчи ки с перестраиваемой длиной волны излучения для DWDMсетей связи. Часть 1 // Lightwave Russian Edition, Рис. 8. Зависимость сигнала ошибки от длины волны определяется функцией пропускания интерферометра Фабри – Перо. Точки – стандартизованные значе ния частотного плана ITUT 2006, № 1, с. 51–56. 2. Ackerman D.A. et al. Telecommunication lasers // Optical fiber telecommunications, IV A, 2002. 3. Наний О.Е. Оптические передатчики // Lightwave Russian Edition, 2003, № 2, с. 48. 4. Robbins D. J. et al. Copackaging of mono lithic, full Cband tuneable lasers with GaAs Semiconductor Optical Amplifier and an Acousto Optic Tunable Filter // ECOCIOOC2003 modulators for 10Gbps transmitters // ECOC Proceedings, vol.4, pp. 890–891, Rimini, 2003. DWDM VoIP SONET SDH Ethernet TCP/IP EDFA FTTH CESoP GPON Экономическое моделирование T1/E1 расшить «узкие места» в соединениях сетей дальней связи с региональными и городскими сетями связи. Перестройка длины волны обеспечивает многократный рост числа логических соединений и увеличивает надежность работы схем защиты и восстановления сети. Указанные перспективы практического ис- Using Ladder Filter and Ring Resonator // ECOCIOOC2003 Proceedings, vol.4, pp. 884–885, Rimini, 2003. DFB OSI EPON Прогнозирование POTS CWDM QoS Создание индивидуальных и групповых маркетинговых отчетов Поиск партнеров и поставщиков оборудования Составление экономических прогнозов Проведение семинаров и конференций Анализ рынка волоконной связи Написание целевых статей Direct Mail Аналитический центр ADSL Консалтинг Тел. (495) 939 31 94 интерферометр (эталон Фабри – Перо) и попадает на фотодиод ФД2. Сигнал с фотоди- направлениям. Сегодня разработки полупроводниковых лазеров вышли на стадию создания моделей, IOOC2003 Proceedings, vol. 4, pp. 882–883, Rimini, 2003. 5. Matsuo S. et al. Digitally Tunable Laser LIGHTWAVE Russian Edition №3 2006
