Диодные лазеры с внешним резонатором (ECL) от Thorlabs

Для работы лазера необходимы два элемента: (1) активная усиливающая среда, которая усиливает оптический сигнал и (2) механизм обратной связи для обеспечения стабильной лазерной генерации. В лазере с резонатором Фабри-Перо два зеркала с коэффициентами отражения r₁ и r₂ (коэффициент отражения по мощности: R₁ = r₁² и R₂ = r₂²) обеспечивают обратную связь, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема лазера с резонатором Фабри-Перо

Усиление оптического поля при двукратном проходе резонатора длины L может быть выражено следующим образом:

Уравнение 1. Усиление при двукратном проходе резонатора

где g и α_i - коэффициент усиления и коэффициент внутренних потерь, соответственно, λ – длина волны в вакууме, n_eff – эффективный показатель преломления и L – длина резонатора. Решение позволяет найти пороговую амплитуду и условие синфазности:

Уравнение 2. Амплитудное условие генерации

Уравнение 3. Фазовое условие генерации

где a_m определяется как потери на отражение, N – целочисленный индекс, обозначающий номер моды.

В полупроводниковом (диодном) лазере активная среда возбуждается путем подачи тока в область перехода диода с прямым смещением перехода. Высокая концентрация электронов и дырок в квантовой яме перехода полупроводникового лазера позволяет создать инверсную заселенность, необходимую для оптического усиления.

Когда активная среда представляет собой полупроводниковый материал, резонатор Фабри-Перо может быть создан с помощью оптических отражений Френеля на сколотых гранях кристалла. Переход фактически представляет собой волновод, который проходит от одной грани к другой. Грань, образованная путем скола кристалла, без просветляющего покрытия и дополнительной обработки перпендикулярная к волноводу, имеет отражательную способность R ~ 30 %. Тем не менее, максимальная выходная мощность устройства может быть оптимизирована путем изменения коэффициента отражения граней оптическими покрытиями. Максимальная мощность для диодного лазера Фабри-Перо, как правило, достигается покрытием с высоким коэффициентом отражения (HR) на задней грани, и покрытием с низким коэффициентом отражения (LR) на передней грани.

Спектр излучения диодного лазера с резонатором Фабри-Перо, будет зависеть от тока инжекции. Когда он смещен ниже порогового g > α_i, спектр излучения состоит из широкого ряда пиков, соответствующих продольным модам резонатора Фабри-Перо, определенных с помощью фазового уравнения. Лазерное излучение не возникает до тех пор, пока ток инжекции увеличивается до точки, где g = α_i + α_m. Длина волны генерации определяется продольной модой, которая первой достигает условия генерации. Выходной спектр не всегда схлопывается на одной длине волны генерации, но может состоять из узкого спектра продольных мод.

Рисунок 2. Кривая усиления лазера с резонатором Фабри-Перо

Особенно это относится к InP-лазерам с резонатором Фабри-Перо, которые обычно имеют оптическую ширину полосы от 5 до 10 м. Устройства на базе GaAs могут работать в режиме одной продольной моды, в зависимости от длины волны и выходной мощности они обычно имеют выходную ширину полосы < 2 нм.

Стандартный диодный лазер с длиной волны излучения 850 нм длиной около 300 мкм и групповым показателем около 4 будет иметь расстояние между продольными модами 0.3 нм, что соответствует расстоянию 1 мм для 1550 нм диодного лазера. Изменение длины или показателя преломления резонатора, например, путем нагрева или охлаждения диодного лазера, сместит весь гребень мод и, следовательно, выходную длину волны.

Ширина линии излучения лазера

Ширина линии полупроводникового лазера с одной продольной модой (FWHM) задается модифицированной формулой Шавлова — Таунса, которая включает фактор уширения спектральной линии лазера (фактор Генри) - α_H [1]:

Уравнение 4. Ширина спектральной линии Шавлова - Таунса - Генри

где hν – энергия фотона, v_g – групповая скорость, n_sp – коэффициент инверсной населенности, P_out – выходная мощность. Данное равенство описывает спектральное уширение линии лазера, обусловленное фазовыми и амплитудными флуктуациями, которые вызваны вкладом спонтанного излучения. Эти так называемые флуктуации квантового шума определяют нижний предел ширины линии лазера, который может быть замаскирован более крупными флуктуациями, вызванными механическими/акустическими вибрациями или изменениями температуры.

Увеличение длины резонатора будет уменьшать α_m (см. ур-е 2), который в свою очередь сужает ширину линии. Это можно понять, рассматривая ограниченную квантовым шумом ширину спектральной линии лазера (см. ур-е 4) как пропорциональное отношение числа спонтанных фотонов излучения в режиме генерации. Увеличение длины резонатора как уменьшает количество спонтанных фотонов излучения (за счет уменьшения спектральной ширины каждой продольной моды в "холодном резонаторе"), так и увеличивает общее число фотонов в резонаторе при фиксированной выходной мощности. Именно поэтому термин длина резонатора появляется дважды в уравнении Шавлова — Таунса.

Одночастотный диодный лазер с распределенной обратной связью (DFB) с резонатором 0,3 мм, как правило, имеют ширину линии излучения от 1 до 10 МГц. Увеличение длины резонатора до 3 см, например, сужает ширину линии излучения более чем в 100 раз. Было показано [2], что ширина линии излучения из расширенного резонатора полупроводникового лазера может быть сведена к < 1 кГц.

Работа в одночастотном режиме и перестройка

Для многих приложений желательно иметь лазер, работающий на одной продольной моде (одной частоте), чтобы иметь возможность регулировать длину волны лазерной генерации. Для достижения этой цели, внешний по отношению полупроводниковому кристаллу элемент обратной связи можно использовать для селекции длины волны генерации. Правильное функционирование такого лазера с внешним резонатором (ECL) требует подавления внутренней оптической обратной связи полупроводникового кристалла с резонатором Фабри-Перо таким образом, чтобы она не нарушала внешнюю. Это можно осуществить путем нанесения просветляющего покрытия на одну из граней кристалла.

Рисунок 3. Активная среда с внешним резонатором

Минимальная отражательная способность (R₁) грани кристалла должна быть на 20 дБ меньше, чем коэффициент отражения внешней обратной связи (R_ext), то есть, R₁ < 10^-2 × R_ext [3]. Даже с просветляющим покрытием остаточное отражение от грани кристалла с резонатором Фабри-Перо часто ограничивает стабильность, выходную мощность и спектральное качество ECL-лазера, особенно если лазер с является перестраиваемым. В целях дальнейшего уменьшения отражения на гране кристалла, может быть использовано сочетание наклонного волновода и просветляющего для эффективного устранения обратной связи через резонатор Фабри-Перо. [4] Кристалл с наклонной гранью явялется лучшей структурой для ECL-лазеров, в частности широкополосных перестраиваемых ECL-лазеров.

Рисунок 4. Активная среда с одной наклоненной гранью

Конструкция лазера с внешним резонатором 

Существует несколько подходов к созданию лазера с внешним резонатором. [3] Для начала необходимо выбрать элемента обратной связи, который мог бы осуществлять селекцию длин волн. Один из наиболее распространенных вариантов обратной связи - дифракционная решетка, которая может быть использована в качестве элемента обратной связи как в одночастотных, так и в перестраиваемых лазерах с внешним резонатором.

Когда коллимированный выходной пучок из активной среды падает на дифракционную решетку под углом θ относительно нормали к поверхности дифракционной решетки и перпендикулярно линиям решетки, дифрагированные лучи выходят из решетки под углом θ', определенной уравнением решетки:

Уравнение 5. Уравнение решетки

Здесь n – порядок дифракции, λ – дифрагированная длина волны, d – постоянная решетки (расстояние между штрихами). При n > 0 дифракционная решетка будет пространственно разделять полихромные падающие лучи, дифрагируя их под углом θ', который зависит от длины волны. После спектрального разделения, могут быть использованы разнообразные средства для селективного отражения света с определенной длиной волны обратно в усиливающую среду.

Лазеры с внешним резонатором. Схема Литтроу

Одна из самых простых схем лазеров с внешним резонатором – схема Литтроу, где дифракционная решетка ориентирована таким образом, что дифракция первого порядка отражается обратно в усиливающую среду [т.е. θ = θ' в уравнении. (5) выше]:

Уравнение 6. Уравнение решетки, конфигурация Литтроу

За выходной луч лазера можно взять недифрагированный пучок, что как правило и используется. так как позволяет уменьшить число оптических элементов необходимых для создания лазера с внешним резонатором (коллимирующая линза и дифракционная решетка).

Перестройка длины волны осуществляется путем поворота дифракционной решетки, что позволяет менять длину волны света, отражаемого в волновод.

Когда дифракционная решётка (постоянная решетки), коллимирующая линза и длина резонатора выбраны таким образом, что только одна продольная мода отражается обратно в усиливающий кристалл в пределах угла приема волновода, лазер с внешним резонатором будет работать в одночастотном режиме. Следует отметить, что выбор коллимирующей линзы имеет важное значение, поскольку она влияет на площадь освещаемой области дифракционной решетки, а также размер пятна фокусировки.

Одним из недостатков этой конфигурации является то, что угол недифрагированного пучка меняется при перестройке длины волны.

Тем не менее, этой проблемы можно избежать, если выходное излучение ECL-лазера испускается через вертикальную грань кристалла активной среды с одной наклонной гранью. В такой конфигурации отражение от вертикальной грани этого кристалла уменьшается до R ~ 10% и решетка выбирается таким образом, чтобы эффективно дифрагировать свет того порядка, который был выбран при создании ECL-лазера для получения излучения максимальной мощности.

Рисунок 5. Лазер с внешним резонатором. Схема Литтроу

Конфигурация Литтмана-Меткальфа

Другим распространенным решением для лазера-ECL является конфигурация Литтмана-Меткальфа, которая использует дополнительное регулируемое зеркало, чтобы выбрать длину волны обратной связи. [5] Повторное прохождение через дифракционную решетку при большем угле падения приводит к улучшению механизма селекции длины волны в лазерах с внешним резонатором. В результате, выходной луч лазера с конфигурацией Литтмана-Меткальфа обладает более узкой шириной спектральной линии, чем аналогичные лазеры с конфигурацией Литтроу. В конфигурации Литтмана-Меткальфа выходной луч как правило является недифрагированным пучком, при этом направление распространения излучения не меняется при перестройке длины волны. При такой конструкции на нормальную грань кристалла с одной наклонной гранью наносится покрытие с высоким коээфициентом отражения, как правило >90%, для минимизации потерь, что увеличивает максимальную выходную мощность лазера.

Рисунок 6. Лазер с внешним резонатором. Схема Литтмана-Меткальфа

Для некоторых применений по-прежнему может быть желательно использовать вертикальную грань кристалла с одной наклонной гранью в качестве выходной. Для таких применений необходимо покрытие с низким коэффициентом отражения на вертикальной грани чипа, чтобы максимизировать выходную мощность лазера.

Одним из недостатков конструкции Литтмана-Меткальфа является то, что внутренние потери выше, чем в конфигурации Литтроу, и, следовательно, выходная мощность лазера, как правило, ниже. Увеличение внутренних потерь обусловлено в основном потерей недифрагированного пучка, отраженного от регулируемого зеркала, а также снижением эффективности отражения света решеткой за счет увеличения угла падения.

Инновационная конфигурация лазера с внешним резонатором

Инновационная конфигурация кристаллов с одной наклонной гранью идеально подходит для использования в лазерах с внешним резонатором, так как она практически исключает нежелательную обратную связь внутри резонатора активной среды. Компания Thorlabs предлагает кристаллы с одной наклонной гранью, оснащенные покрытием с высоким и низким коэффициентом отражения на вертикальной грани.