Одночастотные лазеры от компании Thorlabs
Перестраиваемые одночастотные лазерные системы широко используются для различных применений. В мире диодных лазеров в настоящее время существует четыре конфигурации лазеров для получения одночастотного излучения: лазер с внешним резонатором (ECL), с распределенной обратной связью (DFL), с объемной голографической решеткой (VHG) и с распределенным Брэгговским отражателем (DBR). Все четыре типа лазеров функционируют за счет использования решетки, обеспечивающей обратную связь. Однако, каждый тип лазера имеет разную конфигурацию данной решетки, которая влияет на эксплуатационные характеристики, такие как выходная мощность, диапазон перестройки и коэффициент подавления боковой моды (SMSR). Ниже обсуждается несколько главных отличий между данными типами одночастотных диодных лазеров.
Лазеры с внешним резонатором (ECL)
|
Рис.1 Решетка в ECL лазерах расположена за пределами активной среды |
Лазер с внешним резонатором обладает универсальной конфигурацией, которая подходит для большинства стандартных диодных лазеров без оптоволоконного вывода. Это означает, что ECL может быть использован на различных длинах волн, в зависимости от внутреннего элемента усиления лазерного диода. Линза коллимирует выход диода, который затем падает на решетку (см.рис.1) Решетка обеспечивает оптическую обратную связь, и используется для выбора стабилизированный выходной длины волны. При правильной оптической конструкции, внешний резонатор позволяет генерировать только одну продольную моду, обеспечивая одночастотный выход лазера с высоким коэффициентом подавления боковой моды (SMSR > 45 дБ). Одно из главных достоинств ECL лазера – это обеспечение относительно длинным резонатором чрезвычайно узкой ширины линий (< 1 мГц). |
Кроме того, поскольку такая система может включать в себя множество лазерных диодов, она остается одной из немногих конфигураций, которые могут обеспечить излучение с узкой шириной линии в синем или красном спектральных дипазонах. Лазеры с внешним резонатором могут иметь широкий диапазон перестройки (> 100 нм), но часто склонны к скачкам мод, которые сильно зависят от механической конструкции лазера, а также качества просветляющего покрытия.
Лазеры с распределенной обратной связью (DFB)
|
Лазер с распределенной обратной связью (DFВ) обладает решеткой внутри самой диодной структуры (см.рис.2). Эта ребристая периодическая структура в сочетании с близко расположенной активной областью выступает в качестве отражателя Брэгга, отбирая одну продольную моду в качестве генерируемой. |
Рис. 2 Брэгговский отражатель вдоль всей активной среды DFB лазера |
Если активная область имеет достаточное усиление на частотах, близких к частоте Брэгга, то нет необходимости в отражателе на конце активной среды, так как оптическая обратная связь и селекция мод осуществляется с помощью зеркала Брэгга.
Благодаря встроенной системе селекции мод DFВ лазер может работать в одночастотном режиме в широком диапазоне температур и значений тока.
Для облегчения выбора режима и повышения выхода изготовления, в DFB лазерах часто используется секция фазового сдвига в структуре диода. Для повышения производительности и содействия селекции мод, DFB лазеры часто оснащены элементом для внесения фазового сдвига внутри диодной структуры.
Длина волны генерации для DFB лазера приблизительно равна длине волны Брэгга:
где λ – длина волны, neff – эффективный показатель преломления, Λ – период решетки. При изменении эффективного показателя преломления изменяется длина волны генерации. Это достигается за счет температуры и тока перестройки DFB лазера.
Лазеры с распределенной обратной связью имеют относительно узкий диапазон перестройки: ~ 2 нм на 850 нм, ~ 4 нм на 1550 нм, и минимум 2 см-1 в среднем ИК диапазоне (4.54 – 9.60 мкм). Тем не менее, в указанных диапазонах перестройки, DFB лазер может работать в одночастотном режиме, что означает непрерывный диапазон перестройки без скачков мод. Благодаря этой особенности, DFB лазеры стали популярным выбором для различных применений, таких как телекоммуникации и детекторы. Так как длина резонатора лазера довольно короткая, ширина линий, как правило, составляет от 1 МГц до 10 МГц. Кроме того, тесная связь между структурой решетки и активной средой приводит к более низким значениям максимальной выходной мощности излучения по сравнению с ECL лазерами.
Лазеры с объемной голографической решеткой (VHG)
|
В лазерах с объемной голографической решеткой (VHG) также используется отражатель Брегга, но в данном случае пропускающая дифракционная решетка расположена перед выходным окном лазерного диода (см.рис.3). Так как решетка не является частью конструкции лазерного диода, она может быть термически отделена от лазерного диода, что улучшает стабильность длины волны излучения системы. |
Рис. 3 Объемная голографическая решетка за пределами активной среды |
Как правило, решетка состоит из фоторефрактивного материала (стекло), который имеет периодическое изменение показателя преломления. Только длина волны излучения, которая удовлетворяет условию Брэгга для решетки отражается обратно в резонатор лазера, что приводит к излучению лазера с крайне стабильной длиной волны. VHG-стабилизированный лазер может генерировать излучение с аналогичной шириной линии, как и DFB лазер, но при большей мощности. При этом длина волны излучения стабильна в широкм диапазоне температур и значений тока.
Лазеры с распределенным Брэгговским отражателем (DBR)
|
Так же, как и DFB лазеры, лазеры с распределенным Брэгговским отражателем обладают внутренней решетчатой структурой. Однако, в отличие от DFB лазеров, где решетчатая структура расположена вдоль всей активной среды (области усиления сигнала), в DBR лазерах такая решетка(-и) расположены вне данной области (см. рис. 4). |
Рис.4 Отражатель Брэгга за пределами активной среды |
В целом DBR лазер может быть оснащен несколькими такими структурами, что не характерно для DFB лазера и расширяет диапазон перестройки, а также позволяет осуществлять больший контроль над параметрами излучения. Например, многоэлектродный DBR лазер может включать структуру, которая позволяет осуществлять тонкую настройку частоты генерации независимо от периода решетки и тока лазерного диода. Таким образом, DBR лазер может работать в одночастотном режиме в широком диапазоне перестройки. DBR лазеры с высокотехнологичной решеткой могут иметь диапазон перестройки до 30 – 40 нм. В отличие от излучения DFB лазеров, выходное излучение DBR источника не свободно от перескока мод, таким образом температура и входные сигналы должны жестко контролироваться.
Для упрощения структуры многоэлектродного DBR лазера был разработан DBR лазер с одним электродом. Такой лазер не обладает сложной системой управления решеткой и частотой генерации, однако и диапазон перестройки для данных моделей уже. У данной конструкции диапазон перестройки аналогичен диапазону перестройки DFB лазера, но возможен перескок моды. Несмотря на такой недостаток как скачки моды, DBR лазеры с одним электродом обладают рядом преимуществ над DFB источниками, в частности более высокой мощностью, так как решетка не расположена непрерывно вдоль всей длины активной области. DBR и DFB лазеры обладают одинаковой шириной спектральной линии.
Заключение
ECL, DFB, VHG и DBR лазерные диоды работают в одночастотном режиме на всем диапазоне перестройки. Лазеры с внешним резонатором (ECL) могут быть разработаны для более широкого выбора длин волн, чем DFB или DBR лазеры. Несмотря на модовые скачки, он также обеспечивает самую узкую ширину линии (< 1 МГц) из трех представленных вариантов. Надлежащим образом разработанные компоненты ECL-лазера могут также обеспечить широкий диапазон перестройки (> 100 нм).
DFB лазер наиболее стабильным одночастотным перестраиваемым лазером из четырех. Он может работать без перескока мод во всем диапазоне перестройки (<5 нм), что делает его одним из самых популярных форм одночастотного лазера для большей части промышленных применений. Он имеет самую низкую выходную мощность из-за присущих им свойств непрерывной структуры решетки обратной связи.
VHG лазер обеспечивает наиболее стабильную длину волны излучения во всем диапазоне температур и токов и может обеспечить более высокие мощности, чем типичные DFB-лазеры. Эта стабильность превосходно позволяет использовать VHG-лазеры для OEM применений.
Одноэлектродный DBR лазер обеспечивает аналогичную ширину линии и диапазон перестройки как и DFB-лазер (< 5 нм). Тем не менее, данный лазер имеет периодические модовые скачки в его кривой перестройки.
