Afstembare lasers maken optische netwerken goedkoper

Reading time: 4 minutes

Author:

Heino Bukkems promoveert aanstaande maandag 13 februari aan de TU Eindhoven op afstembare telecomlaserchips. De researchresultaten beloven kostenbesparingen, omdat afstembare laserbronnen flexibeler zijn in te zetten dan lasers met een vaste golflengte. Heino Bukkems onderzocht in zijn promotieonderzoek in dienst van het Eindhovense JDS Uniphase twee nieuwe concepten om afstembare lasers met golflengtes rond de 1550 nm op Ć©Ć©n chip te maken. Tot nu toe bleven de resultaten van bestaande concepten voor afstembare geĆÆntegreerde lasers achter bij die van de lasers met een vaste golflengte die ze zouden moeten vervangen.

In het eerste ontwerp gebruikt Bukkems een combinatie van twee roosters met verschillende roosterconstanten om een resonantiespectrum met Ć©Ć©n geselecteerde golflengte te verkrijgen (cascaded sampled grating laser, CSG). Het eerste rooster levert een reflectiespectrum met meer pieken. Het tweede zorgt ervoor dat resonantie optreedt op de gewenste golflengte. De verschillende secties in de laserholte moeten elektrisch van elkaar geĆÆsoleerd zijn, maar optisch transparant zijn. Bukkems stelde hiervoor een uit vier secties bestaande laserholte voor.

De over een bereik van 40 nanometer afstembare lasers die de TUE-promovendus volgens dit concept maakte, hebben een optisch vermogen tot 10 mW. De niet-afstembare lasers halen vermogens van 10 tot 40 mW. Afstembare lasers gemaakt volgens andere concepten komen soms tot 20 mW, maar dat zijn grote systemen die niet op Ć©Ć©n chip zijn geĆÆntegreerd. Bukkems kan nog beter. Simulaties gebaseerd op de experimentele resultaten voorspellen vermogens van meer dan 30 mW. De materiaalsamenstelling is namelijk verder te optimaliseren, op basis van de inzichten die hij gaande het onderzoek kreeg.

Bukkemsā€˜ tweede concept is een alternatief voor CSG. Ook hierin maakt hij gebruik van een rooster om een resonantiespectrum te creĆ«ren met meer pieken. Hij past daarna een nieuwe technologie toe, tunable multimode interference (T-MMI), om een van die pieken te selecteren. Dit komt neer op het injecteren van stroom in een van de secties waaruit de laserholte bestaat. Die stroom verandert de transmissie-eigenschappen zodanig dat Bukkems opeenvolgende resonantiepieken kan selecteren. Experimentele T-MMI-lasers tonen een optisch vermogen van 7 mW. Ook hier bleek uit simulaties dat een optisch vermogen van 30 mW haalbaar is als de materiaalsamenstelling optimaal is.

Ook heeft de promovendus laten zien dat de samenstelling van het lasermateriaal cruciaal is om de vermogensabsorptie in afstemmingselementen zo klein mogelijk te maken. Dat aspect is in andere publicaties nogal eens onderbelicht gebleven. De T-MMI-laser onderscheidt zich verder door de eenvoud van de afstemmingsprocedure.

Heino Bukkems gebruikt 2 roosters om een resonantiespectrum met een geselecteerde golflengte te krijgen. Resultaat is een optisch vermogen van 10mW en een signaalruisverhouding van 30dB.

Multiplexen

Afstembare lasers hebben grote voordelen in optische netwerken, die informatie versturen door het licht van lasers te moduleren. Het licht van verschillende lasers, met soms maar iets van elkaar verschillende golflengtes, moet aan het begin van een glasvezel worden samengevoegd (multiplexen) en aan het einde weer uiteen worden gerafeld (demultiplexen). Het gaat om enkele tientallen tot honderd verschillende lasers uit afzonderlijke productieruns. Dat maakt productie en beheer voor producenten erg omslachtig.

Ook voor de netwerkbeheerders zijn er nadelen. Om continue informatieoverdracht te kunnen garanderen, moeten zij voor elke laser in een netwerk een of meer exemplaren op voorraad houden. Dat is duur. In cruciale situaties waar netwerken maar 50 ms mogen uitvallen, worden de reservelasers zelfs in actieve toestand stand-by gehouden, parallel aan de operationele laser.

Het zou veel voordeliger zijn om lasers te produceren die afregelbaar zijn op de gewenste golflengte. Producenten hebben dan een productvariant en gebruikers hoeven maar een laser achter de hand te houden. Afregelbare lasers hebben bovendien het voordeel dat ze de levertijd van modules of systemen verkorten.

Gebruikers profiteren ook van de afstembare lasers. Ze kunnen de reservelaser op afstand op de juiste golflengte afregelen. Bovendien zijn lasers in reeds geĆÆnstalleerde systemen afhankelijk van de vraag naar capaciteit in te zetten op andere kanalen (golflengte). Ten slotte maken afstembare lasers de overgang van punt-naar-punt-netwerken naar ringnetwerken met veel knooppunten veel eenvoudiger.

Cross-connect

Knooppunten tappen signalen in een netwerk af of voegen ze toe. De eenvoudigste componenten converteren alle signalen van het optische naar het elektrische domein, bewerken ze, en zetten ze weer in licht om. Voor die conversie is een groot aantal componenten nodig, zoals demultiplexers, detectoren, elektronica en lasers. Bij gebruik van afstembare lasers en afstembare filters volstaat het om alleen het gewenste signaal af te tappen. De andere signalen kunnen zonder vertraging verder. Er zijn dan minder componenten nodig en de architectuur is minder ingewikkeld. In zogenaamde cross-connectknooppunten hebben afstembare lasers dezelfde voordelen. Cross-connects zetten sommige signalen over naar een ander kanaal of andere golflengte.

Er is een groot aantal bestaande concepten om afstembare lasers te realiseren, elk met zijn eigen toepassing en voordelen. De golflengte is variabel door temperatuurvariatie, verandering van de optische weglengte of door verschillende lasers naast elkaar te gebruiken. In geĆÆntegreerde concepten spelen roosters een belangrijke rol voor de selectie van de lasergolflengte. Of de concepten die Bukkems onderzocht de beloften die de simulaties inhouden, waar kunnen maken, moet in de praktijk blijken.