光通信の分野では、従来の光源は固定波長レーザーモジュールに基づいています。光通信システムの継続的な開発と応用により、固定波長レーザーの欠点が徐々に明らかになります。一方では、DWDMテクノロジーの開発により、システムの波長数は数百に達しました。保護の場合、各レーザーのバックアップは同じ波長で行う必要があります。レーザーの供給は、バックアップレーザーの数とコストの増加につながります。一方、固定レーザーは波長を区別する必要があるため、レーザーの種類は波長数の増加とともに増加し、管理の複雑さと在庫レベルがより複雑になります。一方、光ネットワークで動的な波長割り当てをサポートし、ネットワークの柔軟性を向上させたい場合は、多数の異なる波を装備する必要があります。固定レーザーは長いですが、各レーザーの利用率が非常に低く、資源の浪費になります。これらの欠点を克服するために、半導体および関連技術の開発により、波長可変レーザーの開発に成功しました。つまり、特定の帯域幅内の異なる波長が同じレーザーモジュールで制御され、これらの波長値と間隔はITU-Tの要件を満たしています。
次世代の光ネットワークにとって、波長可変レーザーはインテリジェントな光ネットワークを実現するための重要な要素であり、オペレーターに高い柔軟性、より速い波長供給速度、そして最終的にはより低いコストを提供できます。将来的には、長距離光ネットワークが波長動的システムの世界になるでしょう。これらのネットワークは、非常に短時間で新しい波長割り当てを実現できます。超長距離伝送技術を採用しているため、再生機を使用する必要がなく、コストを大幅に節約できます。波長可変レーザーは、波長を管理し、ネットワーク効率を改善し、次世代の光ネットワークを開発するために、将来の通信ネットワークに新しいツールを提供することが期待されています。最も魅力的なアプリケーションの1つは、再構成可能な光アドドロップマルチプレクサ（ROADM）です。動的に再構成可能なネットワークシステムがネットワーク市場に登場し、調整可能な範囲が広い波長可変レーザーがさらに必要になります。
波長可変レーザーの制御技術には、電流制御技術、温度制御技術、機械制御技術の3種類があります。その中で、電子制御技術は、注入電流を変えることによって波長調整を実現します。 nsレベルのチューニング速度と広いチューニング帯域幅を備えていますが、出力電力は小さいです。主な電子制御技術は、SG-DBR（サンプリンググレーティングDBR）およびGCSR（アシストグレーティング方向性結合バックサンプリング反射）レーザーです。温度制御技術は、レーザーのアクティブ領域の屈折率を変更することにより、レーザーの出力波長を変更します。技術は単純ですが、遅く、調整可能な帯域幅が狭く、わずか数ナノメートルです。 DFB（分散フィードバック）およびDBR（分布ブラッグ反射）レーザーは、温度制御に基づく主要な技術です。機械的制御は、主に微小電気機械システム（MEMS）の技術に基づいており、調整可能な帯域幅と出力電力が大きく、波長の選択を完了します。機械的制御技術に基づく主な構造は、DFB（分散フィードバック）、ECL（外部キャビティレーザー）、VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）です。これらの観点からの波長可変レーザーの原理を以下に説明します。その中で、最も人気のある現在の調整可能な技術が強調されています。
温度ベースの制御技術は主にDFB構造で使用され、その原理は、異なる波長を放射できるようにレーザーキャビティの温度を調整することです。この原理に基づく調整可能なレーザーの波長調整は、特定の温度範囲で動作するInGaAsPDFBレーザーの変動を制御することによって実現されます。このデバイスは、CWレーザー出力を50 GHz間隔でITUグリッドにロックするための組み込みのウェーブロックデバイス（標準ゲージと監視検出器）で構成されています。一般に、2つの別々のTECがデバイスにカプセル化されます。 1つはレーザーチップの波長を制御することであり、もう1つはデバイスのロックとパワー検出器が一定の温度で動作することを保証することです。
これらのレーザーの最大の利点は、その性能が固定波長レーザーの性能と類似していることです。それらは、高出力、優れた波長安定性、簡単な操作、低コスト、成熟した技術の特徴を持っています。ただし、主な欠点は2つあります。1つは、単一のデバイスのチューニング幅が狭く、通常は数ナノメートルしかないことです。もう1つは、チューニング時間が長いことです。これには通常、数秒のチューニング安定時間が必要です。
DFBレーザーアレイ領域にはいくつかのDFBレーザーアレイがあり、それぞれが約1.0nmの帯域幅と25Ghzの間隔で特定の波長を生成できます。 MEMsレンズの回転角を制御することにより、必要な特定の波長を選択して、必要な特定の波長の光を出力することができます。
DFBレーザーアレイ
VCSEL構造に基づく別の波長可変レーザーは、光ポンピングされた垂直共振器面発光レーザーに基づいて設計されています。半対称キャビティ技術は、MEMSを使用して連続的な波長調整を実現するために使用されます。これは、半導体レーザーと、表面に光を放射できる垂直レーザーゲイン共振器で構成されています。共振器の一端には可動反射器があり、共振器の長さとレーザー波長を変えることができます。 VCSELの主な利点は、純粋で連続的なビームを出力でき、光ファイバーに簡単かつ効果的に結合できることです。さらに、その特性をウェーハ上で測定できるため、コストが低くなります。 VCSELの主な欠点は、出力電力が低いこと、調整速度が不十分であること、およびモバイルリフレクターが追加されていることです。出力パワーを上げるために光ポンプを追加すると、全体的な複雑さが増し、レーザーの消費電力とコストが増加します。この原理に基づく波長可変レーザーの主な欠点は、チューニング時間が比較的遅いことです。これには通常、数秒のチューニング安定化時間が必要です。
2.3電流制御技術
DFBとは異なり、調整可能なDBRレーザーでは、励起電流を共振器のさまざまな部分に向けることによって波長が変更されます。このようなレーザーには、少なくとも4つの部分があります。通常は2つのブラッググレーティング、ゲインモジュール、および波長が微調整された位相モジュールです。このタイプのレーザーの場合、両端に多くのブラッググレーティングがあります。つまり、特定のピッチのグレーティングの後にギャップがあり、次に別のピッチのグレーティングがあり、次にギャップがあります。これにより、くし状の反射スペクトルが生成されます。レーザーの両端にあるブラッググレーティングは、異なる櫛のような反射スペクトルを生成します。光がそれらの間で前後に反射するとき、2つの異なる反射スペクトルの重ね合わせはより広い波長範囲をもたらします。この技術で使用される励起回路は非常に複雑ですが、その調整速度は非常に高速です。したがって、電流制御技術に基づく一般的な原理は、FBGと位相制御部分の電流を波長可変レーザーの異なる位置で変更することです。これにより、FBGの相対屈折率が変化し、異なるスペクトルが生成されます。 FBGによって生成されたさまざまなスペクトルをさまざまな領域で重ね合わせることにより、特定の波長が選択され、必要な特定の波長が生成されます。レーザ。
電流制御技術に基づく波長可変レーザーは、SGDBR（サンプルグレーティング分布ブラッグ反射鏡）構造を採用しています。
レーザー共振器の前端と後端にある2つの反射器には、独自の反射ピークがあります。電流を注入してこれらの2つの反射ピークを調整することにより、レーザーは異なる波長を出力できます。
レーザー共振器の側面にある2つの反射器には、複数の反射ピークがあります。 MGYLレーザーが機能すると、注入電流がそれらを調整します。 2つの反射光は1 * 2コンバイナー/スプリッターによって重ね合わされます。フロントエンドの反射率を最適化することで、レーザーはチューニング範囲全体で高出力を実現できます。
3.業界の状況
波長可変レーザーは光通信デバイスの分野の最前線にあり、この製品を提供できるのは世界でも数少ない大手光通信会社だけです。 MEMSの機械的調整に基づくSANTUR、JDSU、Oclaro、Ignis、SGBDR電流規制に基づくAOCなどの代表的な企業も、中国のサプライヤーが指名した数少ない光学デバイスの分野の1つです。 Wuhan Aoxin Technologies Co.、Ltd。は、波長可変レーザーのハイエンドパッケージングにおいてコアとなる利点を実現しました。波長可変レーザーをバッチ生産できるのは中国で唯一の企業です。それはヨーロッパとアメリカにバッチ処理されました。メーカーが供給します。
JDSUは、InPモノリシック統合のテクノロジーを使用して、レーザーと変調器を単一のプラットフォームに統合し、調整可能なレーザーを備えた小型のXFPモジュールを発売します。波長可変レーザー市場の拡大に伴い、この製品の技術開発の鍵は小型化と低コストです。将来的には、ますます多くのメーカーがXFPパッケージの調整可能な波長モジュールを導入するでしょう。
今後5年間で、波長可変レーザーがホットスポットになるでしょう。市場の年間複合成長率（CAGR）は37％に達し、その規模は2012年に12億米ドルに達しますが、同期間の他の重要なコンポーネント市場の年間複合成長率は固定波長レーザーで24％です。 、検出器と受信機の場合は28％、外部変調器の場合は35％。 2012年には、光ネットワーク用の波長可変レーザー、固定波長レーザー、および光検出器の市場は合計80億ドルになります。
4.光通信における波長可変レーザーの特定のアプリケーション
波長可変レーザーのネットワークアプリケーションは、静的アプリケーションと動的アプリケーションの2つの部分に分けることができます。
静的アプリケーションでは、波長可変レーザーの波長は使用中に設定され、時間とともに変化しません。最も一般的な静的アプリケーションは、ソースレーザーの代替として、つまり、波長可変多重（DWDM）伝送システムで、波長可変レーザーが複数の固定波長レーザーとフレキシブルソースレーザーのバックアップとして機能し、ライン数を削減します。すべての異なる波長をサポートするために必要なカード。
静的アプリケーションでは、波長可変レーザーの主な要件は、価格、出力パワー、スペクトル特性です。つまり、線幅と安定性は、置き換えられる固定波長レーザーに匹敵します。波長範囲が広いほど、調整速度を大幅に上げることなく、パフォーマンスと価格の比率が向上します。現在、精密波長可変レーザーを用いたDWDMシステムの応用はますます増えています。
将来的には、バックアップとして使用される波長可変レーザーにも、対応する高速速度が必要になります。高密度波長分割多重チャネルに障害が発生した場合、調整可能なレーザーを自動的に有効にして、動作を再開できます。この機能を実現するには、同期光ネットワークで必要な回復時間が50ミリ秒未満になるように、レーザーを10ミリ秒以内に障害のある波長で調整およびロックする必要があります。
動的アプリケーションでは、光ネットワークの柔軟性を高めるために、波長可変レーザーの波長を定期的に変更する必要があります。このようなアプリケーションでは、一般に動的波長を提供する必要があります。これにより、ネットワークセグメントから波長を追加または提案して、必要なさまざまな容量に対応できます。波長可変レーザーと波長可変フィルターの両方の使用に基づく、シンプルでより柔軟なROADMアーキテクチャが提案されています。波長可変レーザーはシステムに特定の波長を追加でき、波長可変フィルターはシステムから特定の波長をフィルターで除去できます。波長可変レーザーは、光相互接続における波長ブロッキングの問題も解決できます。現在、ほとんどの光クロスリンクは、この問題を回避するために、ファイバの両端で光-電気-光インターフェイスを使用しています。調整可能なレーザーを使用して入力端でOXCを入力する場合、特定の波長を選択して、光波が明確な経路で終点に到達するようにすることができます。
将来的には、波長可変レーザーは波長ルーティングや光パケット交換にも使用できるようになります。
波長ルーティングとは、波長可変レーザーを使用して、複雑な全光スイッチを単純な固定クロスコネクタに完全に置き換えることを指します。そのため、ネットワークのルーティング信号を変更する必要があります。各波長チャネルは一意の宛先アドレスに接続されているため、ネットワーク仮想接続が形成されます。信号を送信する場合、波長可変レーザーはその周波数をターゲットアドレスの対応する周波数に調整する必要があります。
光パケット交換とは、データパケットに応じた波長ルーティングによって信号を送信する実際の光パケット交換のことです。このモードの信号伝送を実現するには、ネットワークで長すぎる時間遅延が発生しないように、波長可変レーザーがナノ秒などの短い時間で切り替わる必要があります。
これらのアプリケーションでは、波長可変レーザーがリアルタイムで波長を調整して、ネットワークでの波長ブロッキングを回避できます。したがって、波長可変レーザーは、より広い調整可能範囲、より高い出力パワー、およびミリ秒の反応速度を備えている必要があります。実際、ほとんどの動的アプリケーションでは、レーザー出力が適切なチャネルを通過して光ファイバーに入ることができるように、レーザーと連携するために調整可能な光マルチプレクサーまたは1：N光スイッチが必要です。
