Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

щивать скорости в канале до 1 Тбит/с, а в пределах полос волокон C, L до 30 Тбит/с, что близко к предельному значению частотного ресурса волокон.

Рис. 3.4. Схема электронной стабилизации излучаемой оптической мощности

3.2. Источники оптического излучения когерентных ВОСП

Источники излучения когерентных систем (для оптических передатчиков и оптических гетеродинов приемников) должны удовлетворять ряду требований, обусловленных минимальными искажениями сигналов в оптических средах (волоконных и планарных волноводах), температурными вариациями окружающей среды в аппаратуре, необходимостью перестройки по длине волны излучения и т. д. Важнейшие из требований приведены ниже.

Требования к источникам оптического излучения когерентных ВОСП:

─формирование строго когерентного (без составляющих спонтанного характера) излучения на заданных стандартных частотах (длинах волн), соответствующих рекомендациям ITU-T G.694.1;

─узкий спектр излучения (как правило, менее 1 МГц по уровню −20 дБм), гарантирующий минимальные дисперсионные искажения в волокне и других компонентах и фазовую стабильность при когерентном приеме;

─высокая стабильность излучаемой оптической мощности и частоты при различных температурных условиях (как правило, от −5 до +60ºС) длительной эксплуатации;

─возможность широкодиапазонной перестройки частоты или длины волны излучения (как минимум в пределах диапазонов S, C, L (от 40 до 70 нм) с сохранением параметров: мощности излучения, спектра излучения и стабильности или точности настройки волны излучения, что при массовом выпуске снижает стоимость изделий благодаря одной неизменной конструкции, технологичной в изготовлении;

121

─управление уровнем мощности в задаваемых пределах для оптических интерфейсов;

─малые габариты для размещения в платах оборудования, малая масса, виброустойчивость, минимальное потребление электрической энергии;

─пригодность приборов для включения в стандартную систему управле-

ния.

Втабл. 3.1 приведены краткие сведения по современным полупроводниковым конструкциям лазеров: многомодовый лазер Фабри–Перо (ФП, FP – FabriPerot); лазер с распределенными брэгговскими отражателями (РБО, DBR – Distributed Bragg Reflector); лазер с распределенной обратной связью (РОС, DFB – Distributed Feed-Back); фазосмещаемый лазер РОС (PS-DFB – Phase Shifted DFB); лазер вертикального излучения (ЛВИ, VCSEL – Vertical-Cavity Surface Emitting Laser). Различное конструктивное исполнение этих приборов позволяет производить их перестройку по излучаемым волнам, но с различными диапазонами, уровнями мощностей и спектром излучения. Эти полупроводниковые лазеры получили широкое применение в оптических интерфейсах (в том числе в составе модулей SFP, SFP+, XFP) как с точной настройкой на отдельные волны из соответствующих сеток волн (CWDM, DWDM), так и диапазонной настройкой (как в интерфейсах SDH). Однако эти приборы недостаточно удовлетворяют требованиям для когерентной передачи по ряду положений, стабильности частоты излучения, ширине спектра излучения, диапазона подстройки уровня мощности излучения и диапазона перестройки волны излучения.

Другие перестраиваемые лазеры для когерентных ВОСП имеют более сложные конструкции, благодаря которым удается достигнуть выполнения, по крайней мере, первых пяти выше перечисленных требований в большей степени, чем для лазеров из табл. 3.1. Это следующие примеры конструкции: Sample Grating Distributed Bragg Reflector lasers (SG-DBR), Digital Supermode Distributed Bragg Reflector laser (DS-DBR); Grating Coupler Sampled Reflector (GCSR) laser; Lateral-Grating-Assisted Lateral-Co-Directional-Coupler (LGLC) laser; Y-Branch laser DBR; EMCORE Extended Cavity Laser (ECL) Technology laser. Необходимо отметить, что это далеко не полный перечень используемых лазеров в когерентных системах. Конструкции приборов постоянно совершенствуются и предлагаются новые решения. Непрерывную и подробную информацию о этом можно получить в научных изданиях (IEEE Journal of Lightwave Technology, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Photonics Technology Letters) и изданиях Российской Академии Наук («Квантовая электроника», «Оптика и спектроскопия»).

122

Табл. 3.1. Конструкции, характеристики и оценки полупроводниковых лазеров для ВОСП

3.2.1. Принципы управления излучением лазера

Для реализации возможностей по спектральному мультиплексированию оптических каналов в системах передачи DWDM на однопролетных участках местных и внутризоновых сетей производители наладили выпуск перестраиваемых модулей (например, SFP/XFP) и транспондеров, которые могут настраиваться на отдельные волны сеток волн стандартовG.694.1 (DWDM), G.694.2 (CWDM).

В составе модулей и транспондеров могут перестраиваться по длине волны источники излучения и приемники (фотодетекторы типа TAP, TWPD со встроенными оптическими фильтрами и усилителями). Классификация возможных способов перестройки лазеров приведена на рис. 3.5 , где показаны два главных направления перестройки: внешним резонатором и внутренних характеристик. Внешняя перестройка достаточно громоздкая, требует применения прецизионных оптических компонентов, которые отличаются высокой стоимостью производства, что не позволяет использовать эти решения в модулях SFP, XFP, но могут с успехом применяться в транспондерных блоках когерентных систем.

123

Рис. 3.5. Возможные способы перестройки лазера оптического передатчика

Способы внутренней перестройки излучения лазера могут отличаться друг от друга степенью сложности реализации и различными схемами исполнения управления перестройкой (переключения оптического канала, температурными изменениями тела лазера, изменением величины тока управления, пропускаемого через зону генерации излучения, механической или иной перестройкой внутреннего резонатора лазера) [32]. Возможные варианты перестройки лазера упрощенно иллюстрируются на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Варианты управления перестраиваемого лазера

В каждом из вариантов достигается перестройка фильтрующего устройства в определенном диапазоне оптического усиления активной накачиваемой среды (рис. 3.7), где свойствами среды и фильтрующей системы определены возможные моды генерации.

124

Рис. 3.7. Возможности селекции генерируемых мод лазера

Из относительно простого математического соотношения (3.1):

= ,

(3.1)

где m – номер моды, n – эффективный показатель преломления, L – эффективная управляемая длина, можно вывести соотношение для оценки перестройки лазера (3.2):

=		+		−		.	(3.2)

Перестройка длины волны излучения лазера может производиться изменением эффективного показателя преломления Δn (например, током накачки ППЛ или температурой тела лазера), изменением эффективной длины области генерации мод ΔL, перестройкой селективности оптического фильтра Δm (угловое расположение отражательной решетки или выбором порядка дифракции).

3.2.2. Источники излучения SG-DBR

Для реализации перестройки длины волны излучения лазера в модуле SFP, XFP при сохранении относительно невысоких показателей стоимости, высокой надежности и простоты перестройки более всего подходят интегрированные конструкции, например, с распределенной обратной связью на основе брэгговских отражательных решеток, встроенных в конструкцию полупроводникового кристалла Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector (SG-DBR) (рис. 3.8) c ре-

зонансно-периодическим усилением [33].

125

Рис. 3.8. Пример конструкции одномодового перестраиваемого лазера

сраспределенной обратной связью, совмещенного

сэлектроабсорбционным модулятором (ЭА) и оптическим усилителем

Применение в составе такой конструкции дополнительных устройств модуляции оптического излучения ЭА и оптического полупроводникового усилителя с множественными квантовыми ямами MQW (Multiple Quantum Wells) позволяют формировать оптический сигнал не только определенной длины волны излучения, но и обеспечивать минимальные искажения при оптической модуляции, что влечет уменьшение совокупной величины дисперсионных искажений в волоконном волноводе, и формировать требуемую мощность излучения для преодоления потерь энергии в стекловолокне. Пример характеристик перестройки лазера SG-DBR представлен на рис. 3.9, где настраиваемая волна формируется в среде с различными токами управления периодическими отражательными системами. Интервал перестройки оценивается соотношением для волн (3.3):

∆ = 2/2nL,

(3.3)

где L – расстояние между зеркалами, n – эффективный показатель преломления. Интервал перестройки может выбираться в пределах 1–5 нм при общем диапазоне до 40 нм. Наиболее востребованы интервалы перестройки на 25Гц и 50 Гц при стабильности ±2,5 ГГц и максимальной ширине спектральной линии до 10МГц.

Типовое время перестройки составляет 10 мс, максимальная мощность излучения до 20 мВт. Подавление боковых мод достигает 40 дБ при относительной интенсивности оптического шума не более −135 дБ/Гц.

Для включения прибора SG-DBR в электрическую и оптическую схемы используются дополнительные специализированные электронные устройства (микросхемы) и отдельные оптические компоненты (рис. 3.10).

126

Рис. 3.9. Возможности по перестройке волн излучения лазера SG-DBR

Эти устройства позволяют стабилизировать температурный режим лазера, т. е. мощность излучения, длину волны излучения, оптический шум. Это достигается применением управляемых элементов Пельтье, т. е. электрически управляемых микрохолодильников. Также эти устройства определяют длину волны излучения и ее стабильность при длительной эксплуатации. Основной способ управления базируется на изменении токов в различных секциях конструкции лазера.

Рис. 3.10. Функциональные элементы управления излучением лазера

127

3.2.3. Источники излучения DS-DBR

Лазеры типа Digital Supermode Distributed Bragg Reflector laser (DS-DBR)

называют усовершенствованными лазерами SG-DBR, т. к. в конструкцию (рис. 3.11) заложена возможность цифрового (Digital) управления модой излучения (Supermode) на основе отражательных брэгговских решеток [34, 35]. При этом ключевое решение в передней решетке, где применено секционирование электрических контактов (Front Grating), где выбор генерируемой моды преимущественно определяется не величиной электрического тока, а номером активируемого контакта. Ток заднего отражателя (Rear Grating) может быть зафиксированным.

Рис. 3.11. Конструкция перестраиваемого лазера DS-DBR

На рис. 3.12 представлены примеры характеристик отражения передней и задней решеток. Перестройкой передней решетки при изменении тока может достигаться совпадение мод отражения (как показано на рис. 3.12 на волне 1555 нм). На совпадающих модах отражения происходит генерация излучения.

Рис. 3.12. Пример характеристик отражения передней и задней решеток с настройкой на волну 1555 нм

128

Наиболее полная картина возможностей генерации мод в лазере DS-DBR представлена на карте перестройки (рис. 3.13), где показаны примеры пяти зон перестройки, определяемые токами передней решетки, и током задней решетки. Яркость (цвет) картины отражают параметр длины волны излучения.

Рис. 3.13. Карта перестройки излучения лазера DS-DBR

Количество фиксируемых волн достигает 80 при ширине спектральной линии не более 1 МГц интервале между модами 50 ГГц. Подавление боковых мод достигает 40 дБ. Применение полупроводникового оптического усилителя (SOA) позволяет управлять излучаемой мощностью на 3–6 дБ. Максимальная достижимая мощность на выходе лазера до 100 мВт. Типовая мощность излучения около 40 мВт.

3.2.4. Источники излучения GCSR

Перестраиваемый лазер Grating Coupler Sampled Reflector (GCSR) имеет в конструкции два параллельных канала [36], где в одном происходит управляемая генерация моды излучения, а во втором ее отведение (рис. 3.14), для чего в конструкции предусмотрен ответвитель (Coupler). Выводимое излучение может быть увеличено по мощности благодаря встроенному оптическому усилителю (Gain). Конструкция предложена шведской компанией Altitune в 90-х гг. XX в. и предназначена для применения в телекоммуникационных устройствах.

129

Рис. 3.14. Структура перестраиваемого лазера GCSR

Характерной особенностью конструкции является высокая стабильность излучения при изменении температуры и короткое время перестройки. Способ перестройки излучения лазера аналогичный ранее рассмотренным DS DBR, т. е. током отдельных секций.

Эта конструкция послужила прототипом для другой конструкции лазера с широким диапазоном перестройки (до 65 нм), названным Lateral-Grating- Assisted Lateral-Co-Directional-Coupler (LGLC).

3.2.5. Источники излучения LGLC

Лазер с вспомогательной боковой решеткой и сонаправленным ответвлением LGLC представлен на рис. 3.15 [37]. В зоне искривления отражательной решетки LGLC происходит ответвление генерируемой оптической мощности для вывода из конструкции. Участок фазового управления Phase используется для подстройки волны излучения. Участок отражательной решетки LGLC (протяженность 200 мкм) имеет длиннопериодическую решетку с высоким индексом отражения. В параллельном канале, предназначенном для вывода излучения, выстроена решетка с низким индексом отражения (рис. 3.16). Такое построение гарантирует высокую стабильность излучения в диапазоне 1510–1575 нм. Принцип выделения моды аналогичен лазеру GCSR. Фильтрующая область LGLC имеет множество отражательных пиков (мод), которые не совпадают со множеством отражательных пиков решетки DBR. Подстройкой тока управления области LGLC и Phase может быть выделена одна мода, на которой два пика фильтрующих решеток совпадают. Изменение тока области LGLC от 0 мА до 26 мА позволяет формировать моду излучения диапазона 1510–1575 нм (рис. 3.17, 3.18). При этом подавление боковых мод превышает 35 дБ. Ток области отражательной решетки DBR может изменяться от 0 до 20 мА. Ток области усиления Gain может достигать 100 мА.

130