Lasery przestrajane

Od opracowania w 1998 r. pierwszych optycznych systemów transportowych z 16 długościami fal liczba kanałów dostępnych w jednym włóknie zwiększyła się do kilkuset (pasmo C i pasmo L) - uzyskiwanych przez zmniejszenie odstępu między sąsiednimi kanałami optycznymi. Postęp w technologiach optycznych umożliwia obecnie komercyjną budowę systemów transmisyjnych mieszczących kilkaset kanałów (więcej niż 300) w jednym włóknie światłowodowym. Zwiększenie liczby kanałów powoduje wzrost wymagań dotyczących stabilności i jakości używanych laserów. W transmisjach o szybkości 10 Gb/s szerokość szczeliny czasowej pojedynczego bitu informacji wynosi 100 ps, a opóśnienie grupowe nie może przekraczać 35-45 ps. Dla szybkości 40 Gb/s w technologii TDM (Time Division Multiplexing) szerokość ta wynosi jeszcze mniej (25 ps), a opóśnienie nie może przekraczać 10-12 ps. Są to bardzo krytyczne wymagania na stabilność śródeł światła używanych do transmisji optycznej. Fakt ten powoduje również konieczność stosowania podzespołów optycznych i filtrów nowej generacji, tłumików optycznych i multiplekserów, a przede wszystkim wielu częstotliwości światła laserowego (lub wielu laserów) - co istotnie podnosi koszt platformy optycznej.

Wzrost zapotrzebowania na generowanie różnych częstotliwości światła wymusza stosowanie pojedynczych laserów o przestrajanej częstotliwości pracy. Częstotliwościowe przestrajanie laserów monolitycznych (DBR i DFB) dokonuje się jedynie w niewielkim zakresie (standardowo do 10 nm, maksymalnie 35 nm) - głównie przez zmianę prądu zasilającego. Znacznie szerszy zakres zmian częstotliwości emisji światła w laserach wnękowych ECL uzyskuje się przez niewielki obrót siatki dyfrakcyjnej lub zwierciadła - wykonanych w zwierciadlanej technologii półprzewodnikowej MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Uzyskiwany w ten sposób zakres przestrojenia lasera sięga ok. 100 nm długości fali z szybkością zmian do 5 GHz/s i całkowicie wystarcza do implementowania w aplikacjach telekomunikacyjnych. Właśnie z takimi rozwiązaniami wiąże się największe nadzieje na przyszłość, zwłaszcza podczas wdrażania transmisji z gęstym zwielokrotnieniem falowym DWDM i UWDM (Ultra WDM).

Odrębny sposób emisji i przestrajania światła umożliwiają (od 1997 r.) lasery powierzchniowe VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), dla których w odróżnieniu od rozwiązań z emisją krawędziową strumień świetlny jest wytwarzany prostopadle do powierzchni warstwy czynnej półprzewodnika laserowego. Zmianę częstotliwości laserów VCSEL można praktycznie dokonywać w sposób ciągły w zakresie do 80 nm przez zmianę długości rezonansowej wnęki optycznej Fabry-Perota (F-P), przy czym zmiana ta jest stosunkowo prosta w mechano-elektrycznej technologii MEMS. Ponadto można ją wykonywać zdalnie, nawet w trakcie transmisji optycznej. Drugą zaletą rozwiązań VCSL jest prostsza metoda produkcyjna, co może oznaczać niższy koszt całego systemu.

Lasery przestrajane można podzielić na 4 grupy: lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB, lasery z rozłożonymi siatkami Bragga DBR, lasery z zewnętrzną wnęką rezonansową ECL oraz lasery powierzchniowe VCSL z pionową wnęką rezonansową. Zdalnie sterowane lasery z przestrajaniem światła znalazły zastosowanie w długodystansowych platformach optycznych DWDM, gdzie oprócz lasera podstawowego są potrzebne lasery zapasowe (dublery). Zastępują one w sytuacjach krytycznych inne długości fal w kanale komunikacyjnym. Docelowo przewiduje się powszechne stosowanie wyłącznie przestrajanych laserów, jako pierwotnych śródeł światła we wszelkich transmisjach optycznych. Takie rozwiązanie umożliwia zdalną rekonfigurację krajowej czy metropolitalnej sieci optycznej, tworzoną w czasie rzeczywistym na polecenie administratora lub automatycznie przez nadrzędny system zarządzania siecią, oraz zawsze po wystąpieniu awarii.