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可调激光器的应用现状及未来

2008-09-04 10:53
木中君
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    可调谐激光器因其优异的性能、越来越低价格而正引起系统商和运营商的关注,从近两年的发展路程我们可以看到,可调激光器的应用正日趋广泛,技术也日益成熟,而可调激光器也是可调器件中最重要的器件,因此本文即就当前可调激光器的现状和未来做一简单探讨。

 

    前言

 

    目前可调谐激光器可以分为很多类,如果从可调范围来讲,可分为窄范围可调激光器和宽范围可调激光器,窄范围可调激光器在几百GHz范围内可调,而宽范围可调激光器在整个C波段可调。;如果按照激光器不同结构来划分的话,可分为分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格反射(DBR)激光器、采样光栅 DBR(SG-DBR)激光器、外腔激光器(ECL)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等等;如果从实现技术上看主要分为:电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐,具有ns级调谐速度,较宽的调谐范围,但输出功率较小,基于电控技术的主要有 SG-DBR(采样光栅DBR)和GCSR(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率,从而改变激光器输出波长的。该技术简单,但速度慢,可调带宽窄,只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB(分布反馈)和DBR(分布布拉格反射)激光器。机械控制主要是基于 MEMS(微机电系统)技术完成波长的选择,具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB、ECL和VCSEL等结构。

 

    在2.5G市场,可调激光器相比固定波长激光器的优势也许没有那么明显,不过在10G市场,可调激光器与固定波长激光器的差距就拉大了,目前有多个供应商在该领域展开激烈竞争。他们提供的解决方案包括了连续波可调激光器,这种激光器一般与LiNbO3调制器协同工作。到目前为止,只有两种可调技术通过了 Telecordia GR-468认证测试。

 

    对电信系统供应商而言,在选择那种技术最重要的考虑要素是看其稳定性如何。性能上的差别还可以通过其他措施补救,但可靠性很差的话就无法补救了。SG-DBR是一种固态激光器,可以通过电流控制来调谐波长,装配工艺与DFB工艺类似,目前代表性厂商是Agility。而其他竞争技术,如外腔激光器(ECL)则依赖机械调节方式来调谐波长,这会引起可靠性的降低,而且装配复杂性也大大增加(相对SG-DBR)。

 

    利用VCSEL同样也可以制成可调激光器,这种方式通常要集成光泵浦芯片和分离SOA芯片。这种三芯片结构会导致相当高的封装复杂性。其调谐方式也通过机械方式,如MEMS。

 

    现在还无法确定那种可调激光器技术会最后胜出,因为每种技术都有其独特的优点和缺点,应该说现在不同的应用就需要不同的技术,那种靠一种可调激光器技术就能打遍天下无敌手的神话是不会发生的。

 

    在2003年和2004年,可调激光器一度被人们炒的很热,不过从目前的情况来看可调激光器市场逐渐恢复平静和稳定,可调激光器的应用相当广泛,包括库存/备份,动态波长供给和保护倒换,测试测量等。不过其最吸引的一个应用是可重配置光分插复用器(ROADM)。从2005年Surpercomm展会上我们可以看到,ROADM的市场已经踏入快速增长的快车道,多个系统大厂纷纷推出最新研制的ROADM新品,这无疑为苦苦等待的可调激光器厂商注入了一针强心剂。

 

    库存/备份

 

    三四年前,可调激光器还是市场上的热点,被认为实现智能光网络的关键因子,可以为运营商提供更大弹性、更快波长供应速度,并最终实现更低的成本。不过在当前电信泡沫的阴影还未完全消除的时候,心有余悸的运营商仍对新技术的应用保持谨慎态度,从过去更关心技术先进程度到如今的成本节约为中心的策略说明,那些不能帮助运营商节省资金的技术是没有前途的。

 

    绝大部分系统供应商依旧相信未来长途光网络将是波长动态系统的天下,这些网络可以在很短的时间内实现新的波长分配,由于采用超长距离传输技术而无须使用再生器,从而节省大笔开支。现在唯一的问题是——这些系统什么时候才能投入实际商业铺设?

 

    与此同时,可调激光器供应商正在努力地证明这种技术照样可以帮助静态网络节省开支,因为在可预见的未来,这些静态网络仍会占据主导地位。可调激光器供应商认为短期内的最首要应用是备份和一次性供应(OTP)。

 

    为了演示备份应用,我们可以假设一种简单小型的网络(如图1)。该网络拥有4个节点,各个节点在每个方向都有32路波长(速率为OC-48/STM- 16,2.5-Gbit/sec)。现在假设网络上一个节点上的发射/接收(T/R)电路包已经出现故障,假如这个T/R对采用固定波长技术,如DFB技术,每一个波长对应一个备份,如果一个T/R市面上的价格按10000美元计算的话,那单单就库存一项投资就高达32万美元,如果在加上运输和库存场地的成本,这个数字还会更高。

 

                                    

 

    如果这个T/R采用宽范围可调激光器的话,那所需备份T/R卡的数量将会大大减少。在每个节点配置一个备份可调激光器所提供的安全性不会低于那些采用固定波长激光器方案的水准。

 

    如果一个可调T/R市面价格为11000美元,仅比固定波长T/R高10%,那所需的总备份开支仅为44000美元,相比上述的32万美元节省86%的开支。这些备份可立刻应用到这些节点上,甚至省掉了场地费用和运输费用。

 

    如果这些可调T/R现在可以配置到网络每一个节点上,来用于一次编程(OTP)领域,这将会节省更多成本。总的可调T/R成本(排除备份开支)将达到 282万美元,尽管使用固定波长T/R的成本将是256万美元,少26万美元。不过如果考虑备份所节约成本的话,可调方案仍有很大优势,尤其适合10G系统。

 

    除了上述我们谈到的因素外,可调激光器仍有许多其他值得关注的潜在优势,如在先前的例子里,使用可调T/R方案的每个节点每年维护费用大约在1万美元左右,而固定波长方案的维护费用将达到31万美元。由于采用可调激光器技术,可以适应未来智能光网络的需求,满足新兴业务要求等等。

 

    正如人们所预期的那样,将可调激光器作为备件应用也许是运营商们最关注的。“备件对我们来说确实是一块成本,对我们的设备供应商也是”,MCI副总裁Jack Wimmer说,“在一个地点只需存放一两个备件而不是160个的主意真的非常棒。我们采购的可调激光器的第一项应用就是作为备件。”

 

    2004年MCI宣布打造一条新的超长途(ULH)DWDM光网络,这条下一代传输网络主要设备来自CIENA和西门子,入选的设备如CIENA的 Corestream光传输和交换平台以及西门子的SURPASS hiT 7500 DWDM设备都采用了可调激光器技术。CIENA表示其可调激光器完全符合10G 收发信机标准,可通过精简激光硬件降低网络投资、通过远程设置简化管理,同时显著降低维护和零部件要求。

 

    其实早在2003年7月,德国电信和西门子宣布开始对包含SUPASS hiT 7500的1000公里光网络进行区域性试验。西门子SUPASS hiT 7500当时采用的是Agility 3105/3106CW连续波宽范围可调激光器。

 

    AT&T也同样将可调激光器作为备件使用,还有一些固定波长的应用也使用可调激光器,即在系统安装的时候调到指定波长,之后就不再改变了。 AT&T也已经部署了西门子的SURPASS hiT 7500系统,该系统配有智能光交换机和能在80个信道范围内调节的转发器。因为不需要预定光波长,所以可以更快地为用户提供波长备份,而且需要的转发器数量减少了,成本也会降低。 “我们相信可调激光器将帮助我们节约库存”,AT&T发言人表示,“我们可以在任何系统中采用任何转发器,调到任何波长。”该运营商表示,可调激光器使得开通业务的速度更快了,因为不再需要为每个波长单独定制器件了。

 

    SBC实验室的Phil Wisseman说,SBC正在考察的绝大多数DWDM系统都使用可调激光器。他不能想象在大规模部署DWDM系统时不使用可调激光器,原因很简单,就是大量固定激光器的备件要占用很多成本。

 

    对于备件和固定波长的应用,窄范围可调激光器已经足够了。“有趣的是,过去几个月,我们发现运营商们真正感兴趣的是全C波段可调的激光器”,IDC高级分析师Sterling Perrin报告说,“这让我认为可调激光器的初衷——波长可重配置或者动态调整波长的功能——正合运营商的心思。虽然运营商们还没有实现可重配置的目标,但它似乎已经在它们的蓝图中了。它们对能让它们的设施尽可能适应未来需要的技术总是很感兴趣。”

 

    ROADM

 

    可重构的光分插复用器(ROADM)是目前业界的热点话题,在2004/2005年的OFC会议以及Surpercomm展会上,Surpercomm逐渐成为人们关注的焦点,很多厂商都纷纷推出最新研制的ROADM设备和相关子系统和器件,不过ROADM在网络中大规模采用还要等待价格的下降和技术的进一步成熟。

 

    Heavy Reading在日前发布的ROADM调查报告中指出,超过60%的服务提供商计划和准备采用这种技术。Heavy Reading的报告并没有给出清晰的时间表,但他们认为光网络向智能交换城域光网络转变的趋势不可避免。

 

    相比传统OADM,可重构的ROADM具有如下优点:一是运营公司可根据需要在任意节点上/下波长,仅仅通过操作键盘即可实现远程控制,这不仅大大简化了网络,而且节省了人工配置所需的费用; 二是ROADM采用了交换矩阵,可将环形的网络变成灵活的网状结构;适当的单波长功率控制也是ROADM重要功能,可以帮助运营商更好地进行功率管理。所有这些都是运营商喜欢ROADM的原因。除此之外,ROADM可以在整个波长内实现信号噪声均衡,将残余色散保持在转发器允许范围内……

 

    运营公司一直盼望着可配置的DWDM系统能在网络中采用,但不能忍受有关设备的高昂费用,但这种情况可能或者已经有所改善。在2005年的OFC和 Surpercomm展会上,多家厂商推出新一代基于WSS技术的低成本ROADM,使其价格逐步接近于传统的OADM的价格,可以预言,ROADM取代 OADM的脚步将逐渐加快。事实上一些运营公司如AT&T、SBC公司和Verizon公司都已经推出了ROADM设备的需求建议书。 Verizon在日前发布的10亿美元光网络设备RFP 中就特别强调ROADM功能,预计这部分设备需求约2亿美元,为了争夺这一丰厚的光网络设备大餐,多家设备供应商参与了竞争,富士通、思科、泰乐以及 Mahi等公司均展开浑身解数来争夺该合同。

 

    AT&T也正在部署ROADM。该公司的发言人表示:“我们认为可调功能和可重配置功能都很有价值。可调发射器解决了库存/备件问题并缩短了业务开通时间。ROADM提供了灵活性并进一步缩短了业务开通时间。波长完全可调再加上自由配置上下路将最终实现按需使用波长。”

 

    厂商情况

 

    目前可调激光器市场依然面临供应商过多的局面,包括Intel、Bookham、Agility、Iolon、Opnext、Santur、Princeton Optronics、Vitesse、NEL以及QDI等厂商,分析师认为这并非是一个好现象,兼并不可避免。事实上已经有多家供应商宣布退出该市场。国内好象并没有公司涉猎此领域。但是国外近年来生产可调滤波器、可调衰减器等配套厂家的数量有增加的趋势。

 

    在这里限于篇幅我们仅介绍一些比较有代表性的厂商和产品,我们先以Agility通讯公司的产品为例,该公司的可调激光器是一款集采样光栅DBR激光器(SG-DBR)、一个半导体光放大器(SOA)以及一个MZ调制器(MZM)于一体的新型整合发射器芯片,所有这些部件均集成在一个InP芯片上。通过调节MZM两个悬臂上的驱动电压就可以获得零啁啾或负啁啾。

 

 

图2:Agility可调激光器结构示意图

 

    Intel的可调激光器是基于已收购的新福克斯(new focus)技术的宽范围可调激光器,其激光器能提供20mW的功率输出,可调范围达40nm,可满足C波段(1525nm to 1565nm )任意通道的调制。适合于骨干网络应用。英特尔C 波段可调激光器设计由一个外腔半导体激光器(ECDL) 组成。此激光器完全装配在14 针蝶型定尺寸封装的热电冷却器(TEC) 的陶瓷平台上。ECDL 采用了基于标准具的宽可调谐范围的热激活滤波器的专用设计,从而能实现可选波长单模操作。在此设计内部没有活动部件。英特尔可调激光器的部件数量和装配复杂程度与标准的分布反馈式(DFB) 激光器不相上下。

 

 

 

              
       

 图3:Intel可调激光器结构示意图


    作为一个领先的可调激光器制造商Santur公司在2004年推出了SFF可调激光器,并宣布其可调激光器已经销售给Opnext公司了,在2005年 OFC上又发布其最新研制的30mW宽范围C波段全可调激光器,据称这是目前商用可调激光器中功率最高的一款产品。这些产品均在小型化和成本节省方面下足了工夫。新的可调激光器是建立在Santur已获成功的宽范围可调DFB阵列技术上,该技术已经广泛用在Santur的各类产品上。新的可调激光器可用在城域和长途DWDM领域。该产品原理示意图参看图4。

 

 

     

                        

 

 图4:Santur可调激光器结构示意图


    Santur表示其新型可调激光器虽然采用DFB阵列技术,但与传统的排列方式不同的是,这款30mW的可调激光器内部增加了一个SOA,同时采用外部 MEMS反射镜取代combiner来挑选适当的DFB波长。这种反射镜放在了校准透镜的焦平面位置上,这种方法可以大大简化芯片的结构,由于无须进行有源/无源转换,这种芯片可以做到跟固定波长DFB一样的尺寸,同时输出功率的损耗大大减少。

 

    该DFB阵列芯片包含12个激光器,波长间隔在2.8nm,这些激光器共享同一增益介质,如前所述,新芯片尺寸与固定波长DFB激光器类似,而且无须额外的处理工序——只不过mask工艺略有不同而已。

 

    除此之外,iolon公司作为第一家提供优异性能和高输出功率的宽范围可调激光器生产厂家,其可调激光器采用外腔设计,在整个可调范围内都具有很高的输出功率,单模纯净度和稳定性。完全符合Telcordia认证,可在C和L波段调节,iolon三年前就开始为全球电信设备商量产这些产品。目前已成功铺设在北美或欧洲的网络中。

 

    Bookham的可调激光器是一种DS-DBR(数字超模分布布拉格发射仪)激光器。NTT电子(NEL)在2004OFC上展示了一个SSG-DBR激光器,可调范围涵盖C波段。

 

    对可调激光器的制造商而言,他们必须竭尽全力满足客户的需求、建立稳定的设计和制造基地。对宽带和窄带可调激光器而言,它们的价格与固定波长激光器相比应当更具竞争力才行。

 

    到目前为止,许多生产收发器和转发器的厂商都签署了MSA(多源协议),同时光互联论坛(OIF)正努力使众多的规范达成一致。

 

    就市场而言,目前可调激光器的厂商仍将主要精力放在长途市场,尽管近期可调激光器在城域市场已经获得了不少应用,但这仍不能打破可调激光器厂商的既设观念。

 

    Santur负责市场的副总裁Julian Osinski就指出该公司的主要业务仍集中在长途市场。同时当前可调激光器在城域市场上仍不能与低成本(或者固定)激光器相竞争,Osinsk表示,目前市场上的直接调制WDM激光器价格一般在400到500美元之间,而一个可调激光器的价格一般在1000美元,加上500美元的外调制器,价格就更没竞争力了。“一般而言,我认为可调激光器在城域市场不会有进入太深。”当然,仍有许多厂商坚持城域市场仍将是可调激光器的重要应用市场。

 

    总之,不管人们可调激光器有什么样的看法,都不能阻碍其发展的脚步。从近两年市场的发展状况可以看到,可调器件已得到供应商们越来越多的认同和重视,我们相信凭借着优异的性能和越来越低的成本,可调器件尤其是可调激光器终究会迎来其应用的黄金时代。

 

(编辑:小曾)

 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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