可調(diào)諧激光器因其優(yōu)異的性能、越來越低價格而正引起系統(tǒng)商和運營商的關(guān)注,從近兩年的發(fā)展路程我們可以看到,可調(diào)激光器的應(yīng)用正日趨廣泛,技術(shù)也日益成熟,而可調(diào)激光器也是可調(diào)器件中最重要的器件,因此本文即就當(dāng)前可調(diào)激光器的現(xiàn)狀和未來做一簡單探討。

前言

目前可調(diào)諧激光器可以分為很多類,如果從可調(diào)范圍來講,可分為窄范圍可調(diào)激光器和寬范圍可調(diào)激光器,窄范圍可調(diào)激光器在幾百GHz范圍內(nèi)可調(diào),而寬范圍可調(diào)激光器在整個C波段可調(diào)。;如果按照激光器不同結(jié)構(gòu)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(fā)射激光器（VCSEL）等等;如果從實現(xiàn)技術(shù)上看主要分為：電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機(jī)械控制技術(shù)等類型。其中電控技術(shù)是通過改變注入電流實現(xiàn)波長的調(diào)諧,具有ns級調(diào)諧速度,較寬的調(diào)諧范圍,但輸出功率較小,基于電控技術(shù)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(shù)是通過改變激光器有源區(qū)折射率,從而改變激光器輸出波長的。該技術(shù)簡單,但速度慢,可調(diào)帶寬窄,只有幾個nm。基于溫控技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布拉格反射）激光器。機(jī)械控制主要是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)完成波長的選擇,具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率。基于機(jī)械控制技術(shù)的主要有DFB、ECL和VCSEL等結(jié)構(gòu)。

在2.5G市場,可調(diào)激光器相比固定波長激光器的優(yōu)勢也許沒有那么明顯,不過在10G市場,可調(diào)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(yīng)商在該領(lǐng)域展開激烈競爭。他們提供的解決方案包括了連續(xù)波可調(diào)激光器,這種激光器一般與LiNbO3調(diào)制器協(xié)同工作。到目前為止,只有兩種可調(diào)技術(shù)通過了Telecordia GR-468認(rèn)證測試。

對電信系統(tǒng)供應(yīng)商而言,在選擇那種技術(shù)最重要的考慮要素是看其穩(wěn)定性如何。性能上的差別還可以通過其他措施補(bǔ)救,但可靠性很差的話就無法補(bǔ)救了。SG-DBR是一種固態(tài)激光器,可以通過電流控制來調(diào)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(shù),如外腔激光器（ECL）則依賴機(jī)械調(diào)節(jié)方式來調(diào)諧波長,這會引起可靠性的降低,而且裝配復(fù)雜性也大大增加（相對SG-DBR）。

利用VCSEL同樣也可以制成可調(diào)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(jié)構(gòu)會導(dǎo)致相當(dāng)高的封裝復(fù)雜性。其調(diào)諧方式也通過機(jī)械方式,如MEMS。

現(xiàn)在還無法確定那種可調(diào)激光器技術(shù)會最后勝出,因為每種技術(shù)都有其獨特的優(yōu)點和缺點,應(yīng)該說現(xiàn)在不同的應(yīng)用就需要不同的技術(shù),那種靠一種可調(diào)激光器技術(shù)就能打遍天下無敵手的神話是不會發(fā)生的。

在2003年和2004年,可調(diào)激光器一度被人們炒的很熱,不過從目前的情況來看可調(diào)激光器市場逐漸恢復(fù)平靜和穩(wěn)定,可調(diào)激光器的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,包括庫存/備份,動態(tài)波長供給和保護(hù)倒換,測試測量等。不過其最吸引的一個應(yīng)用是可重配置光分插復(fù)用器（ROADM）。從2005年Surpercomm展會上我們可以看到,ROADM的市場已經(jīng)踏入快速增長的快車道,多個系統(tǒng)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(diào)激光器廠商注入了一針強(qiáng)心劑。

庫存/備份

三四年前,可調(diào)激光器還是市場上的熱點,被認(rèn)為實現(xiàn)智能光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因子,可以為運營商提供更大彈性、更快波長供應(yīng)速度,并最終實現(xiàn)更低的成本。不過在當(dāng)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(shù)的應(yīng)用保持謹(jǐn)慎態(tài)度,從過去更關(guān)心技術(shù)先進(jìn)程度到如今的成本節(jié)約為中心的策略說明,那些不能幫助運營商節(jié)省資金的技術(shù)是沒有前途的。

絕大部分系統(tǒng)供應(yīng)商依舊相信未來長途光網(wǎng)絡(luò)將是波長動態(tài)系統(tǒng)的天下,這些網(wǎng)絡(luò)可以在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)新的波長分配,由于采用超長距離傳輸技術(shù)而無須使用再生器,從而節(jié)省大筆開支。現(xiàn)在唯一的問題是——這些系統(tǒng)什么時候才能投入實際商業(yè)鋪設(shè)？

與此同時,可調(diào)激光器供應(yīng)商正在努力地證明這種技術(shù)照樣可以幫助靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)省開支,因為在可預(yù)見的未來,這些靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)仍會占據(jù)主導(dǎo)地位。可調(diào)激光器供應(yīng)商認(rèn)為短期內(nèi)的最首要應(yīng)用是備份和一次性供應(yīng)（OTP）。

為了演示備份應(yīng)用,我們可以假設(shè)一種簡單小型的網(wǎng)絡(luò)（如圖1）。該網(wǎng)絡(luò)擁有4個節(jié)點,各個節(jié)點在每個方向都有32路波長（速率為OC-48/STM-16,2.5-Gbit/sec）。現(xiàn)在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上一個節(jié)點上的發(fā)射/接收（T/R）電路包已經(jīng)出現(xiàn)故障,假如這個T/R對采用固定波長技術(shù),如DFB技術(shù),每一個波長對應(yīng)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(dá)32萬美元,如果在加上運輸和庫存場地的成本,這個數(shù)字還會更高。

如果這個T/R采用寬范圍可調(diào)激光器的話,那所需備份T/R卡的數(shù)量將會大大減少。在每個節(jié)點配置一個備份可調(diào)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(zhǔn)。

如果一個可調(diào)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(jié)省86%的開支。這些備份可立刻應(yīng)用到這些節(jié)點上,甚至省掉了場地費用和運輸費用。

如果這些可調(diào)T/R現(xiàn)在可以配置到網(wǎng)絡(luò)每一個節(jié)點上,來用于一次編程（OTP）領(lǐng)域,這將會節(jié)省更多成本。總的可調(diào)T/R成本（排除備份開支）將達(dá)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(jié)約成本的話,可調(diào)方案仍有很大優(yōu)勢,尤其適合10G系統(tǒng)。

除了上述我們談到的因素外,可調(diào)激光器仍有許多其他值得關(guān)注的潛在優(yōu)勢,如在先前的例子里,使用可調(diào)T/R方案的每個節(jié)點每年維護(hù)費用大約在1萬美元左右,而固定波長方案的維護(hù)費用將達(dá)到31萬美元。由于采用可調(diào)激光器技術(shù),可以適應(yīng)未來智能光網(wǎng)絡(luò)的需求,滿足新興業(yè)務(wù)要求等等。

正如人們所預(yù)期的那樣,將可調(diào)激光器作為備件應(yīng)用也許是運營商們最關(guān)注的。“備件對我們來說確實是一塊成本,對我們的設(shè)備供應(yīng)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(diào)激光器的第一項應(yīng)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(wǎng)絡(luò),這條下一代傳輸網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)備來自CIENA和西門子,入選的設(shè)備如CIENA的 Corestream光傳輸和交換平臺以及西門子的SURPASS hiT 7500 DWDM設(shè)備都采用了可調(diào)激光器技術(shù)。CIENA表示其可調(diào)激光器完全符合10G 收發(fā)信機(jī)標(biāo)準(zhǔn),可通過精簡激光硬件降低網(wǎng)絡(luò)投資、通過遠(yuǎn)程設(shè)置簡化管理,同時顯著降低維護(hù)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域性試驗。西門子SUPASS hiT 7500當(dāng)時采用的是Agility 3105/3106CW連續(xù)波寬范圍可調(diào)激光器。

AT&T也同樣將可調(diào)激光器作為備件使用,還有一些固定波長的應(yīng)用也使用可調(diào)激光器,即在系統(tǒng)安裝的時候調(diào)到指定波長,之后就不再改變了。AT&T也已經(jīng)部署了西門子的SURPASS hiT 7500系統(tǒng),該系統(tǒng)配有智能光交換機(jī)和能在80個信道范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)發(fā)器。因為不需要預(yù)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(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量減少了,成本也會降低。 “我們相信可調(diào)激光器將幫助我們節(jié)約庫存”,AT&T發(fā)言人表示,“我們可以在任何系統(tǒng)中采用任何轉(zhuǎn)發(fā)器,調(diào)到任何波長。”該運營商表示,可調(diào)激光器使得開通業(yè)務(wù)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(shù)DWDM系統(tǒng)都使用可調(diào)激光器。他不能想象在大規(guī)模部署DWDM系統(tǒng)時不使用可調(diào)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(yīng)用,窄范圍可調(diào)激光器已經(jīng)足夠了。“有趣的是,過去幾個月,我們發(fā)現(xiàn)運營商們真正感興趣的是全C波段可調(diào)的激光器”,IDC高級分析師Sterling Perrin報告說,“這讓我認(rèn)為可調(diào)激光器的初衷——波長可重配置或者動態(tài)調(diào)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(xiàn)可重配置的目標(biāo),但它似乎已經(jīng)在它們的藍(lán)圖中了。它們對能讓它們的設(shè)施盡可能適應(yīng)未來需要的技術(shù)總是很感興趣。”

ROADM

可重構(gòu)的光分插復(fù)用器(ROADM)是目前業(yè)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(guān)注的焦點,很多廠商都紛紛推出最新研制的ROADM設(shè)備和相關(guān)子系統(tǒng)和器件,不過ROADM在網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模采用還要等待價格的下降和技術(shù)的進(jìn)一步成熟。

Heavy Reading在日前發(fā)布的ROADM調(diào)查報告中指出,超過60%的服務(wù)提供商計劃和準(zhǔn)備采用這種技術(shù)。Heavy Reading的報告并沒有給出清晰的時間表,但他們認(rèn)為光網(wǎng)絡(luò)向智能交換城域光網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的趨勢不可避免。

相比傳統(tǒng)OADM,可重構(gòu)的ROADM具有如下優(yōu)點：一是運營公司可根據(jù)需要在任意節(jié)點上/下波長,僅僅通過操作鍵盤即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,這不僅大大簡化了網(wǎng)絡(luò),而且節(jié)省了人工配置所需的費用; 二是ROADM采用了交換矩陣,可將環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)變成靈活的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);適當(dāng)?shù)膯尾ㄩL功率控制也是ROADM重要功能,可以幫助運營商更好地進(jìn)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(nèi)實現(xiàn)信號噪聲均衡,將殘余色散保持在轉(zhuǎn)發(fā)器允許范圍內(nèi)……

運營公司一直盼望著可配置的DWDM系統(tǒng)能在網(wǎng)絡(luò)中采用,但不能忍受有關(guān)設(shè)備的高昂費用,但這種情況可能或者已經(jīng)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(shù)的低成本ROADM,使其價格逐步接近于傳統(tǒng)的OADM的價格,可以預(yù)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(jīng)推出了ROADM設(shè)備的需求建議書。Verizon在日前發(fā)布的10億美元光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備RFP 中就特別強(qiáng)調(diào)ROADM功能,預(yù)計這部分設(shè)備需求約2億美元,為了爭奪這一豐厚的光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大餐,多家設(shè)備供應(yīng)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(shù)來爭奪該合同。

AT&T也正在部署ROADM。該公司的發(fā)言人表示：“我們認(rèn)為可調(diào)功能和可重配置功能都很有價值。可調(diào)發(fā)射器解決了庫存/備件問題并縮短了業(yè)務(wù)開通時間。ROADM提供了靈活性并進(jìn)一步縮短了業(yè)務(wù)開通時間。波長完全可調(diào)再加上自由配置上下路將最終實現(xiàn)按需使用波長。”

廠商情況

目前可調(diào)激光器市場依然面臨供應(yīng)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(rèn)為這并非是一個好現(xiàn)象,兼并不可避免。事實上已經(jīng)有多家供應(yīng)商宣布退出該市場。國內(nèi)好象并沒有公司涉獵此領(lǐng)域。但是國外近年來生產(chǎn)可調(diào)濾波器、可調(diào)衰減器等配套廠家的數(shù)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(chǎn)品,我們先以Agility通訊公司的產(chǎn)品為例,該公司的可調(diào)激光器是一款集采樣光柵DBR激光器（SG-DBR）、一個半導(dǎo)體光放大器（SOA）以及一個MZ調(diào)制器(MZM)于一體的新型整合發(fā)射器芯片,所有這些部件均集成在一個InP芯片上。通過調(diào)節(jié)MZM兩個懸臂上的驅(qū)動電壓就可以獲得零啁啾或負(fù)啁啾。

圖2：Agility可調(diào)激光器結(jié)構(gòu)示意圖

Intel的可調(diào)激光器是基于已收購的新福克斯（new focus）技術(shù)的寬范圍可調(diào)激光器,其激光器能提供20mW的功率輸出,可調(diào)范圍達(dá)40nm,可滿足C波段(1525nm to 1565nm )任意通道的調(diào)制。適合于骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。英特爾C 波段可調(diào)激光器設(shè)計由一個外腔半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)具的寬可調(diào)諧范圍的熱激活濾波器的專用設(shè)計,從而能實現(xiàn)可選波長單模操作。在此設(shè)計內(nèi)部沒有活動部件。英特爾可調(diào)激光器的部件數(shù)量和裝配復(fù)雜程度與標(biāo)準(zhǔn)的分布反饋式(DFB) 激光器不相上下。

圖3：Intel可調(diào)激光器結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖4：Santur可調(diào)激光器結(jié)構(gòu)示意圖

Santur表示其新型可調(diào)激光器雖然采用DFB陣列技術(shù),但與傳統(tǒng)的排列方式不同的是,這款30mW的可調(diào)激光器內(nèi)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(dāng)?shù)腄FB波長。這種反射鏡放在了校準(zhǔn)透鏡的焦平面位置上,這種方法可以大大簡化芯片的結(jié)構(gòu),由于無須進(jìn)行有源/無源轉(zhuǎn)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(zhì),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(yōu)異性能和高輸出功率的寬范圍可調(diào)激光器生產(chǎn)廠家,其可調(diào)激光器采用外腔設(shè)計,在整個可調(diào)范圍內(nèi)都具有很高的輸出功率,單模純凈度和穩(wěn)定性。完全符合Telcordia認(rèn)證,可在C和L波段調(diào)節(jié),iolon三年前就開始為全球電信設(shè)備商量產(chǎn)這些產(chǎn)品。目前已成功鋪設(shè)在北美或歐洲的網(wǎng)絡(luò)中。

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

對可調(diào)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(wěn)定的設(shè)計和制造基地。對寬帶和窄帶可調(diào)激光器而言,它們的價格與固定波長激光器相比應(yīng)當(dāng)更具競爭力才行。

到目前為止,許多生產(chǎn)收發(fā)器和轉(zhuǎn)發(fā)器的廠商都簽署了MSA（多源協(xié)議）,同時光互聯(lián)論壇（OIF）正努力使眾多的規(guī)范達(dá)成一致。

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

  Santur負(fù)責(zé)市場的副總裁Julian Osinski就指出該公司的主要業(yè)務(wù)仍集中在長途市場。同時當(dāng)前可調(diào)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(diào)制WDM激光器價格一般在400到500美元之間,而一個可調(diào)激光器的價格一般在1000美元,加上500美元的外調(diào)制器,價格就更沒競爭力了。“一般而言,我認(rèn)為可調(diào)激光器在城域市場不會有進(jìn)入太深。”當(dāng)然,仍有許多廠商堅持城域市場仍將是可調(diào)激光器的重要應(yīng)用市場。

總之,不管人們可調(diào)激光器有什么樣的看法,都不能阻礙其發(fā)展的腳步。從近兩年市場的發(fā)展?fàn)顩r可以看到,可調(diào)器件已得到供應(yīng)商們越來越多的認(rèn)同和重視,我們相信憑借著優(yōu)異的性能和越來越低的成本,可調(diào)器件尤其是可調(diào)激光器終究會迎來其應(yīng)用的黃金時代。