可调谐激光器技术及在DWDM系统应用

武成宾　古渊　王加莹　施社平

深圳中兴通讯股份有限公司

　　摘要　大容量、长距离DWDM传输系统及动态波长交换DWDM光网络对保护方式，波长分配、波长备份成本的要求，使可调谐激光器变得十分重要。讨论了常用可调谐激光器的技术原理和水平，概要说明了可调谐激光器的市场前景，介绍了可调谐激光器在DWDM系统中的部分应用。

　　关键词　可调谐激光器　波分复用　光传输

　　1引言

　　光通信领域传统的光源均是基于固定波长的激光器模块，随着光通信系统的不断发展及应用推广，固定波长激光器的缺点逐渐显露出来：一方面随着DWDM技术的发展，系统中的波长数达到了数十甚至上百，在需要提供保护的场合，每个激光器的备份必须由相同波长的激光器提供，这样导致备份激光器数量增加，成本上升；另一个方面由于固定激光器需要区分波长，因此激光器的类型随着波长数的增加而不断增加，使得管理复杂程度和存货水平；再有如果要支持光网络中的动态波长分配，提高网络灵活性，需要配备大量不同波长的固定激光器，但每只激光器的使用率却很低，造成资源浪费。针对这些不足，随着半导体及其相关技术的发展，人们成功地研制出可调谐激光器，即在同一个激光器模块上控制输出一定带宽内的不同波长，且这些波长值和间隔均满足ITU-T的要求。

　　这样，通过使用可调谐激光器作为备份，一个激光器就可以对几个波长甚至整个波段的波长进行备份，从而降低备份成本；由于可调谐激光器不再区分波长，以及其有通用性，从而简化了存货管理和对资金的占用；通过在光网络中部署可调谐激光器，可以根据网络中波长使用的具体情况，动态地选择信号波长，从而以较低的成本实现动态的波长分配和使用，提升光网络的灵活性；此外，具有很调谐速度的可调谐激光器能够支持未来的光分组交换，等等。因此，鉴于可调谐激光器人有以上诸多优势，业内人士普遍认为，可调谐激光器不久将会取代固定波长激光器在光通信领域的地位。

　　2原理及特点

　　可调谐激光器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，较宽的调谐带宽，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（分布布喇格反射）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（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。

　　2.1基于电流控制技术

　　基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光。

　　一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）结构。

　　该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。其中前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区分别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的周期特性。

　　对于在激活区（Active）产生的光谱，分别在前布喇格光栅区和后布喇格光栅区形成频率分布有较小差异的光谱。对于需要的特定波长的激光，可调谐激光器分别对前布喇格光栅和后布喇格光栅施加不同电流，使得在这两个区域产生只有此特定波长重叠其他波长不重叠的光谱，从而使需要的特定波长能够输出。同时该种激光器还包含半导体放大器区，使输出的特定波长的激光光功率达到100mW或者20mW。

　　2.2基于机械控制技术

　　基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB结构。

　　可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。

　　对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特定波长。通过控制MEMs镜片旋转角度来对需要的特定波长进行选择，从而输出需要的特定波长的光。

　　另一种基于VCSEL结构ML系列系列的可调谐激光器，其设计基于光泵浦垂直腔面发射激光器，采用半对称腔技术，利用MEMS实现连续的波长调谐。同时通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围，热敏电阻和TEC封装在一起，以便在宽的温度范围内具有稳定的输出。为了精确频率控制一个宽带波长控制器被集成同一管壳内，前端分接光功率检测器及光隔离器用于提供稳定的输出功率。这种可调激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

　　对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢，一般需要几秒的调谐稳定时间。

　　2.3基于温度控制技术

　　基于温度控制技术主要应用在DFB结构中，其原理在于调整激光腔内温度，从而可以使之发射不同的波长。

　　一种基于该原理技术的可调激光器的波长调节是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的变化实现的。模块内置有FP标准具和光功率检测，连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上。模块内有两个独立的TEC，一个用来控制激光器的波长，另一个用来保证模块内的波长锁定器和功率检测探测器恒温工作。模块还内置有SOA来放大输出光功率。

　　这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽，一般只有几个nm，而且调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间。

　　目前可调谐激光器基本上均采用电流控制技术、温度控制技术或机械控制技术，有的供应商可能会采用这些技术的一种或两种。当然随着技术的发展，也可能会出现其他新的可调谐激光器控制技术。

　　3发展现状及前景

　　可调谐激光器的出现与市场需求紧密相关，也正是由于看好可调谐激光器的巨大应用前景，一大批新老器件商纷纷投身于可调谐激光器的研究和开发中。其中有知名的大牌厂商，如NORTEL、AGERE、ALCATEL等，也有刚加入的新兴企业，如AGILITY、IOLON、NEW FOCUS等。

　　大多数可调谐激光器具有覆盖波长范围宽、较高的边模抑制比、带有波长锁定功能和适于实用化的封装技术，同时可调谐激光器内部均带有控制电路，便于控制使用。因此从技术角度看可调谐激光器的发展日益成熟，已达到可以替代传统激光器。

　　鉴于可调谐激光器的独特优势，虽然整个通信业目前发展趋缓，但可调谐激光器的应用前景却被大家所看好。据美国Yankee Group公司预测，可调谐激光器市场将由2001年的5千万美元增长到2006年的20亿美元。

　　目前可调谐激光器的应用主要还集中于备份和简化存货管理，使用量不大，因此使用者对价格还不是很敏感，可调谐激光器的价格也比较高，大约是固定波长激光器的2-3倍。随着价格降低到略高于甚至持平于固定波长激光器，技术和功能得到进一步完善（如集成调制器和波长锁定器、提高输出功率、简化电源、规范接口等），可调谐激光器极有希望在旧系统升级更新和新系统建设中取代固定波长激光器而获得规模应用，预计这个时间大约在2004年底左右。

　　经过1-2年的市场洗礼和技术发展，可调谐激光器目前技术水平已经与固定激光器不相上下，能完全实现整个C_band(1529-1561nm)或L_band（1570-1605nm）的宽带调谐，输出功率可达10-20mW，调谐间隔已达25GHz，其他主要光谱指标和可靠性指标均达到了固定激光器的水平，并进一步推出了集成调制器的光模块和2.5Gb/s、10Gb/s Transponder，一旦突破价格门槛，将迅速获得规模应用，从而取代固定波长激光器。

　　4可调谐激光器在DWDM系统的应用

　　可调谐激光器在光传输系统中可能的应用方式很多，如对于实验室，可以利用可调谐激光器模拟整个波段的单波光源进行相关的实验等。本节仅概要说明其在DWDM光传输系统中可自动实施保护和恢复倒换的通道层保护的应用。

　　常用的保护光通道业务运行的方法有：一种是为设备提供备份的硬件，当单元出现故障时，通过人工方式进行紧急更换的替代装置；第二种方法是在发射端为光转发单元配置保护装置。保护装置处在上电状态，随时可以替代故障单元进行工作。另外还有一种实现通道保护的方法，是使用固定波长的光转发单元，在WDM系统发送端设备所有的通道中，指定一部分光通道保护通道。在受保护的通道光转发单元出现故障时，将故障单元的输入业务切换到保护通道的光转发单元输入端。因此，由于可调谐激光器自身的优点，使得其在DWDM系统大有用武之地。

　　在国内，可调谐激光器首先应用在实验室的长途超大容量（Tb/s以上）光传输设备中。深圳市中兴通讯公司的Unitrans ZXWM 160波DWDM设备中配置的可调谐激光器，结合超大容量可升级合分波装置、业务配置和倒换控制装置，可实现设备发射业务的通道级1：N保护或分组1:N保护，构成了大容量系统多样化业务保护手段之一，为运营商构建未来高性能光网络提供了物质准备。

　　采用可调谐激光器实现业务保护，在实现通道保护时，增加了冗余装置，且不减少设备容量。并可具有自动保护倒换和恢复能力。整体设备构造较为简单，实现自动操作控制。

　　5结束语

　　DWDM技术的发展使传输系统中的波长数越来越多，因此也对激光器的备份保护、管理上简化需求以及网络配置灵活性提出了更高的需求，从而使得可调谐激光器的市场需求会越来越强烈。市场与技术的双重驱动会使更多的器件供应商提供性能更好的可调谐激光器。

　　最近，可调谐激光器领域的几家代表供应商Agility、Alctel和Bookham签署了MSA（a major multisource agreement），制定了可调谐激光器新的标准协议，说明可调谐激光器在向实用化的道路上又前进了一大步。相信不远的将来，随着可调谐激光器性能的不断改善和价格的降低，其性价比能够与传统激光器相比，可调谐激光器会大有武之地。

摘自　光通信技术