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可調諧激光器因其優異的性能、越來越低價格而正引起系統商和運營商的關注,從近兩年的發展路程我們可以看到,可調激光器的應用正日趨廣泛,技術也日益成熟,而可調激光器也是可調器件中最重要的器件,因此本文即就當前可調激光器的現狀和未來做一簡單探討。

前言

目前可調諧激光器可以分為很多類,如果從可調范圍來講,可分為窄范圍可調激光器和寬范圍可調激光器,窄范圍可調激光器在幾百GHz范圍內可調,而寬范圍可調激光器在整個C波段可調。;如果按照激光器不同結構來劃分的話,可分為分布反饋（DFB）激光器、分布布拉格反射（DBR）激光器、采樣光柵DBR（SG-DBR）激光器、外腔激光器（ECL）和垂直腔表面發射激光器（VCSEL）等等;如果從實現技術上看主要分為：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。其中電控技術是通過改變注入電流實現波長的調諧,具有ns級調諧速度,較寬的調諧范圍,但輸出功率較小,基于電控技術的主要有SG-DBR（采樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）激光器。溫控技術是通過改變激光器有源區折射率,從而改變激光器輸出波長的。該技術簡單,但速度慢,可調帶寬窄,只有幾個nm。基于溫控技術的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布拉格反射）激光器。機械控制主要是基于MEMS（微機電系統）技術完成波長的選擇,具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率。基于機械控制技術的主要有DFB、ECL和VCSEL等結構。

在2.5G市場,可調激光器相比固定波長激光器的優勢也許沒有那么明顯,不過在10G市場,可調激光器與固定波長激光器的差距就拉大了,目前有多個供應商在該領域展開激烈競爭。他們提供的解決方案包括了連續波可調激光器,這種激光器一般與LiNbO3調制器協同工作。到目前為止,只有兩種可調技術通過了Telecordia GR-468認證測試。

對電信系統供應商而言,在選擇那種技術最重要的考慮要素是看其穩定性如何。性能上的差別還可以通過其他措施補救,但可靠性很差的話就無法補救了。SG-DBR是一種固態激光器,可以通過電流控制來調諧波長,裝配工藝與DFB工藝類似,目前代表性廠商是Agility。而其他競爭技術,如外腔激光器（ECL）則依賴機械調節方式來調諧波長,這會引起可靠性的降低,而且裝配復雜性也大大增加（相對SG-DBR）。

利用VCSEL同樣也可以制成可調激光器,這種方式通常要集成光泵浦芯片和分離SOA芯片。這種三芯片結構會導致相當高的封裝復雜性。其調諧方式也通過機械方式,如MEMS。

現在還無法確定那種可調激光器技術會最后勝出,因為每種技術都有其獨特的優點和缺點,應該說現在不同的應用就需要不同的技術,那種靠一種可調激光器技術就能打遍天下無敵手的神話是不會發生的。

在2003年和2004年,可調激光器一度被人們炒的很熱,不過從目前的情況來看可調激光器市場逐漸恢復平靜和穩定,可調激光器的應用相當廣泛,包括庫存/備份,動態波長供給和保護倒換,測試測量等。不過其最吸引的一個應用是可重配置光分插復用器（ROADM）。從2005年Surpercomm展會上我們可以看到,ROADM的市場已經踏入快速增長的快車道,多個系統大廠紛紛推出最新研制的ROADM新品,這無疑為苦苦等待的可調激光器廠商注入了一針強心劑。

庫存/備份

三四年前,可調激光器還是市場上的熱點,被認為實現智能光網絡的關鍵因子,可以為運營商提供更大彈性、更快波長供應速度,并最終實現更低的成本。不過在當前電信泡沫的陰影還未完全消除的時候,心有余悸的運營商仍對新技術的應用保持謹慎態度,從過去更關心技術先進程度到如今的成本節約為中心的策略說明,那些不能幫助運營商節省資金的技術是沒有前途的。

絕大部分系統供應商依舊相信未來長途光網絡將是波長動態系統的天下,這些網絡可以在很短的時間內實現新的波長分配,由于采用超長距離傳輸技術而無須使用再生器,從而節省大筆開支。現在唯一的問題是——這些系統什么時候才能投入實際商業鋪設？

與此同時,可調激光器供應商正在努力地證明這種技術照樣可以幫助靜態網絡節省開支,因為在可預見的未來,這些靜態網絡仍會占據主導地位。可調激光器供應商認為短期內的最首要應用是備份和一次性供應（OTP）。

為了演示備份應用,我們可以假設一種簡單小型的網絡（如圖1）。該網絡擁有4個節點,各個節點在每個方向都有32路波長（速率為OC-48/STM-16,2.5-Gbit/sec）。現在假設網絡上一個節點上的發射/接收（T/R）電路包已經出現故障,假如這個T/R對采用固定波長技術,如DFB技術,每一個波長對應一個備份,如果一個T/R市面上的價格按10000美元計算的話,那單單就庫存一項投資就高達32萬美元,如果在加上運輸和庫存場地的成本,這個數字還會更高。

如果這個T/R采用寬范圍可調激光器的話,那所需備份T/R卡的數量將會大大減少。在每個節點配置一個備份可調激光器所提供的安全性不會低于那些采用固定波長激光器方案的水準。

如果一個可調T/R市面價格為11000美元,僅比固定波長T/R高10%,那所需的總備份開支僅為44000美元,相比上述的32萬美元節省86%的開支。這些備份可立刻應用到這些節點上,甚至省掉了場地費用和運輸費用。

如果這些可調T/R現在可以配置到網絡每一個節點上,來用于一次編程（OTP）領域,這將會節省更多成本。總的可調T/R成本（排除備份開支）將達到282萬美元,盡管使用固定波長T/R的成本將是256萬美元,少26萬美元。不過如果考慮備份所節約成本的話,可調方案仍有很大優勢,尤其適合10G系統。

除了上述我們談到的因素外,可調激光器仍有許多其他值得關注的潛在優勢,如在先前的例子里,使用可調T/R方案的每個節點每年維護費用大約在1萬美元左右,而固定波長方案的維護費用將達到31萬美元。由于采用可調激光器技術,可以適應未來智能光網絡的需求,滿足新興業務要求等等。

正如人們所預期的那樣,將可調激光器作為備件應用也許是運營商們最關注的。“備件對我們來說確實是一塊成本,對我們的設備供應商也是”,MCI副總裁Jack Wimmer說,“在一個地點只需存放一兩個備件而不是160個的主意真的非常棒。我們采購的可調激光器的第一項應用就是作為備件。”

2004年MCI宣布打造一條新的超長途（ULH）DWDM光網絡,這條下一代傳輸網絡主要設備來自CIENA和西門子,入選的設備如CIENA的 Corestream光傳輸和交換平臺以及西門子的SURPASS hiT 7500 DWDM設備都采用了可調激光器技術。CIENA表示其可調激光器完全符合10G 收發信機標準,可通過精簡激光硬件降低網絡投資、通過遠程設置簡化管理,同時顯著降低維護和零部件要求。

其實早在2003年7月,德國電信和西門子宣布開始對包含SUPASS hiT 7500的1000公里光網絡進行區域性試驗。西門子SUPASS hiT 7500當時采用的是Agility 3105/3106CW連續波寬范圍可調激光器。

AT&T也同樣將可調激光器作為備件使用,還有一些固定波長的應用也使用可調激光器,即在系統安裝的時候調到指定波長,之后就不再改變了。AT&T也已經部署了西門子的SURPASS hiT 7500系統,該系統配有智能光交換機和能在80個信道范圍內調節的轉發器。因為不需要預定光波長,所以可以更快地為用戶提供波長備份,而且需要的轉發器數量減少了,成本也會降低。 “我們相信可調激光器將幫助我們節約庫存”,AT&T發言人表示,“我們可以在任何系統中采用任何轉發器,調到任何波長。”該運營商表示,可調激光器使得開通業務的速度更快了,因為不再需要為每個波長單獨定制器件了。

SBC實驗室的Phil Wisseman說,SBC正在考察的絕大多數DWDM系統都使用可調激光器。他不能想象在大規模部署DWDM系統時不使用可調激光器,原因很簡單,就是大量固定激光器的備件要占用很多成本。

對于備件和固定波長的應用,窄范圍可調激光器已經足夠了。“有趣的是,過去幾個月,我們發現運營商們真正感興趣的是全C波段可調的激光器”,IDC高級分析師Sterling Perrin報告說,“這讓我認為可調激光器的初衷——波長可重配置或者動態調整波長的功能——正合運營商的心思。雖然運營商們還沒有實現可重配置的目標,但它似乎已經在它們的藍圖中了。它們對能讓它們的設施盡可能適應未來需要的技術總是很感興趣。”

ROADM

可重構的光分插復用器(ROADM)是目前業界的熱點話題,在2004/2005年的OFC會議以及Surpercomm展會上, Surpercomm逐漸成為人們關注的焦點,很多廠商都紛紛推出最新研制的ROADM設備和相關子系統和器件,不過ROADM在網絡中大規模采用還要等待價格的下降和技術的進一步成熟。

Heavy Reading在日前發布的ROADM調查報告中指出,超過60%的服務提供商計劃和準備采用這種技術。Heavy Reading的報告并沒有給出清晰的時間表,但他們認為光網絡向智能交換城域光網絡轉變的趨勢不可避免。

相比傳統OADM,可重構的ROADM具有如下優點：一是運營公司可根據需要在任意節點上/下波長,僅僅通過操作鍵盤即可實現遠程控制,這不僅大大簡化了網絡,而且節省了人工配置所需的費用; 二是ROADM采用了交換矩陣,可將環形的網絡變成靈活的網狀結構;適當的單波長功率控制也是ROADM重要功能,可以幫助運營商更好地進行功率管理。所有這些都是運營商喜歡ROADM的原因。除此之外,ROADM可以在整個波長內實現信號噪聲均衡,將殘余色散保持在轉發器允許范圍內……

運營公司一直盼望著可配置的DWDM系統能在網絡中采用,但不能忍受有關設備的高昂費用,但這種情況可能或者已經有所改善。在2005年的OFC和Surpercomm展會上,多家廠商推出新一代基于WSS技術的低成本ROADM,使其價格逐步接近于傳統的OADM的價格,可以預言,ROADM取代OADM的腳步將逐漸加快。事實上一些運營公司如AT&T、SBC公司和Verizon公司都已經推出了ROADM設備的需求建議書。Verizon在日前發布的10億美元光網絡設備RFP 中就特別強調ROADM功能,預計這部分設備需求約2億美元,為了爭奪這一豐厚的光網絡設備大餐,多家設備供應商參與了競爭,富士通、思科、泰樂以及Mahi等公司均展開渾身解數來爭奪該合同。

AT&T也正在部署ROADM。該公司的發言人表示：“我們認為可調功能和可重配置功能都很有價值。可調發射器解決了庫存/備件問題并縮短了業務開通時間。ROADM提供了靈活性并進一步縮短了業務開通時間。波長完全可調再加上自由配置上下路將最終實現按需使用波長。”

廠商情況

目前可調激光器市場依然面臨供應商過多的局面,包括Intel、Bookham、Agility、Iolon、Opnext、Santur、Princeton Optronics、Vitesse、NEL以及QDI等廠商,分析師認為這并非是一個好現象,兼并不可避免。事實上已經有多家供應商宣布退出該市場。國內好象并沒有公司涉獵此領域。但是國外近年來生產可調濾波器、可調衰減器等配套廠家的數量有增加的趨勢。

在這里限于篇幅我們僅介紹一些比較有代表性的廠商和產品,我們先以Agility通訊公司的產品為例,該公司的可調激光器是一款集采樣光柵DBR激光器（SG-DBR）、一個半導體光放大器（SOA）以及一個MZ調制器(MZM)于一體的新型整合發射器芯片,所有這些部件均集成在一個InP芯片上。通過調節MZM兩個懸臂上的驅動電壓就可以獲得零啁啾或負啁啾。

圖2：Agility可調激光器結構示意圖

Intel的可調激光器是基于已收購的新福克斯（new focus）技術的寬范圍可調激光器,其激光器能提供20mW的功率輸出,可調范圍達40nm,可滿足C波段(1525nm to 1565nm )任意通道的調制。適合于骨干網絡應用。英特爾C 波段可調激光器設計由一個外腔半導體激光器(ECDL) 組成。此激光器完全裝配在14 針蝶型定尺寸封裝的熱電冷卻器(TEC) 的陶瓷平臺上。ECDL 采用了基于標準具的寬可調諧范圍的熱激活濾波器的專用設計,從而能實現可選波長單模操作。在此設計內部沒有活動部件。英特爾可調激光器的部件數量和裝配復雜程度與標準的分布反饋式(DFB) 激光器不相上下。

圖3：Intel可調激光器結構示意圖

作為一個領先的可調激光器制造商Santur公司在2004年推出了SFF可調激光器,并宣布其可調激光器已經銷售給Opnext公司了,在2005年OFC上又發布其最新研制的30mW寬范圍C波段全可調激光器,據稱這是目前商用可調激光器中功率最高的一款產品。這些產品均在小型化和成本節省方面下足了工夫。新的可調激光器是建立在Santur已獲成功的寬范圍可調DFB陣列技術上,該技術已經廣泛用在Santur的各類產品上。新的可調激光器可用在城域和長途DWDM領域。該產品原理示意圖參看圖4。

圖4：Santur可調激光器結構示意圖

Santur表示其新型可調激光器雖然采用DFB陣列技術,但與傳統的排列方式不同的是,這款30mW的可調激光器內部增加了一個SOA,同時采用外部MEMS反射鏡取代combiner來挑選適當的DFB波長。這種反射鏡放在了校準透鏡的焦平面位置上,這種方法可以大大簡化芯片的結構,由于無須進行有源/無源轉換,這種芯片可以做到跟固定波長DFB一樣的尺寸,同時輸出功率的損耗大大減少。

該DFB陣列芯片包含12個激光器,波長間隔在2.8nm,這些激光器共享同一增益介質,如前所述,新芯片尺寸與固定波長DFB激光器類似,而且無須額外的處理工序——只不過mask工藝略有不同而已。

除此之外,iolon公司作為第一家提供優異性能和高輸出功率的寬范圍可調激光器生產廠家,其可調激光器采用外腔設計,在整個可調范圍內都具有很高的輸出功率,單模純凈度和穩定性。完全符合Telcordia認證,可在C和L波段調節,iolon三年前就開始為全球電信設備商量產這些產品。目前已成功鋪設在北美或歐洲的網絡中。

Bookham的可調激光器是一種DS-DBR（數字超模分布布拉格發射儀）激光器。NTT電子（NEL）在2004OFC上展示了一個SSG-DBR激光器,可調范圍涵蓋C波段。

對可調激光器的制造商而言,他們必須竭盡全力滿足客戶的需求、建立穩定的設計和制造基地。對寬帶和窄帶可調激光器而言,它們的價格與固定波長激光器相比應當更具競爭力才行。

到目前為止,許多生產收發器和轉發器的廠商都簽署了MSA（多源協議）,同時光互聯論壇（OIF）正努力使眾多的規范達成一致。

就市場而言,目前可調激光器的廠商仍將主要精力放在長途市場,盡管近期可調激光器在城域市場已經獲得了不少應用,但這仍不能打破可調激光器廠商的既設觀念。

  Santur負責市場的副總裁Julian Osinski就指出該公司的主要業務仍集中在長途市場。同時當前可調激光器在城域市場上仍不能與低成本（或者固定）激光器相競爭, Osinsk表示,目前市場上的直接調制WDM激光器價格一般在400到500美元之間,而一個可調激光器的價格一般在1000美元,加上500美元的外調制器,價格就更沒競爭力了。“一般而言,我認為可調激光器在城域市場不會有進入太深。”當然,仍有許多廠商堅持城域市場仍將是可調激光器的重要應用市場。

總之,不管人們可調激光器有什么樣的看法,都不能阻礙其發展的腳步。從近兩年市場的發展狀況可以看到,可調器件已得到供應商們越來越多的認同和重視,我們相信憑借著優異的性能和越來越低的成本,可調器件尤其是可調激光器終究會迎來其應用的黃金時代。