Лазер с распределенной обратной связью ( DFB ) — это тип лазерного диода , квантово-каскадного лазера или волоконно-оптического лазера , в котором активная область устройства содержит периодически структурированный элемент или дифракционную решетку . Структура создает одномерную интерференционную решетку ( брегговское рассеяние ), а решетка обеспечивает оптическую обратную связь для лазера. Эта продольная дифракционная решетка имеет периодические изменения показателя преломления , которые вызывают отражение обратно в резонатор. Периодическое изменение может быть как действительной части показателя преломления, так и мнимой части (усиление или поглощение). Самая сильная решетка работает в первом порядке, где периодичность составляет полуволну, а свет отражается назад. Лазеры DFB, как правило, гораздо более стабильны, чем лазеры Фабри-Перо или DBR, и часто используются, когда требуется чистая одномодовая работа, особенно в высокоскоростных волоконно-оптических телекоммуникациях. Полупроводниковые DFB-лазеры в окне с наименьшими потерями оптических волокон на длине волны около 1,55 мкм, усиленные волоконными усилителями, легированными эрбием (EDFA), доминируют на рынке связи на большие расстояния, в то время как DFB-лазеры в окне с наименьшей дисперсией на длине волны 1,3 мкм используются в более короткие расстояния.
Простейшим типом лазера является лазер Фабри-Перо, в котором на двух концах лазерного оптического резонатора имеются два широкополосных отражателя . Свет отражается взад и вперед между этими двумя зеркалами и образует продольные моды или стоячие волны. Задний отражатель обычно имеет высокую отражательную способность, а переднее зеркало имеет более низкую отражательную способность. Затем свет выходит из переднего зеркала и формирует выходной сигнал лазерного диода . [1] Поскольку зеркала, как правило, являются широкополосными и отражают множество длин волн, лазер поддерживает несколько продольных мод или стоячих волн одновременно и многомодовые лазеры или легко переключается между продольными модами. Если температура полупроводникового лазера Фабри – Перо изменяется, длины волн, усиливаемые лазерной средой, быстро изменяются. При этом продольные моды лазера также изменяются, поскольку показатель преломления также является функцией температуры. Это приводит к тому, что спектр становится нестабильным и сильно зависит от температуры. На важных длинах волн 1,55 мкм и 1,3 мкм пиковое усиление обычно смещается примерно на 0,4 нм в сторону более длинных волн по мере повышения температуры, тогда как продольные моды смещаются примерно на 0,1 нм в сторону более длинных волн.
Если одно или оба из этих торцевых зеркал заменить дифракционной решеткой , структура тогда будет известна как лазер DBR (распределенный брэгговский отражатель). Эти продольные зеркала с дифракционной решеткой отражают свет обратно в резонатор, очень похоже на многослойное зеркальное покрытие . Зеркала с дифракционной решеткой имеют тенденцию отражать более узкую полосу длин волн, чем обычные торцевые зеркала, и это ограничивает количество стоячих волн, которые могут поддерживаться усилением в резонаторе. Таким образом, лазеры DBR имеют тенденцию быть более спектрально стабильными, чем лазеры Фабри-Перо с широкополосными покрытиями. Тем не менее, при изменении температуры или тока в лазере устройство может «перепрыгивать режимы», перескакивая с одной стоячей волны на другую. Однако общие сдвиги с температурой меньше у лазеров DBR, поскольку зеркала определяют, какие продольные моды генерируются, и они смещаются в зависимости от показателя преломления, а не пикового усиления.
В DFB-лазере решетка и отражение обычно непрерывны вдоль резонатора, а не находятся только на двух концах. Это значительно меняет модальное поведение и делает лазер более стабильным. Существуют различные конструкции DFB-лазеров, каждый из которых имеет несколько разные свойства.
Если решетка периодическая и непрерывная, а торцы лазера имеют просветляющее (AR/AR) покрытие, поэтому обратной связи, кроме самой решетки, нет, то такая структура поддерживает две продольные (вырожденные) моды и почти всегда лазеры на двух длинах волн. Очевидно, что двухмодовый лазер вообще нежелателен. Итак, существуют различные способы сломать это «вырождение».
Первый заключается в создании четвертьволнового сдвига в резонаторе. Этот фазовый сдвиг действует как «дефект» и создает резонанс в центре полосы отражательной способности или «полосы задерживания». Лазер затем генерирует резонанс на этом резонансе и является чрезвычайно стабильным. При изменении температуры и тока решетка и резонатор смещаются вместе с меньшей скоростью изменения показателя преломления, и скачков мод нет. Однако свет излучается с обеих сторон лазеров, и обычно свет с одной стороны теряется. Более того, создание точного четвертьволнового сдвига может оказаться технологически трудным и часто требует прямой электронно-лучевой литографии . Часто вместо одного четвертьволнового фазового сдвига в центре резонатора имеется несколько меньших сдвигов, распределенных по резонатору в разных местах, которые распределяют моду в продольном направлении и дают более высокую выходную мощность.
Альтернативный способ преодолеть это вырождение — нанести на заднюю часть лазера покрытие с высокой отражательной способностью (HR). Точное положение этого торцевого отражателя невозможно точно контролировать, поэтому получается случайный сдвиг фазы между решеткой и точным положением торцевого зеркала. Иногда это приводит к идеальному фазовому сдвигу, при котором четвертьволновая сдвинутая по фазе DFB отражается сама на себя. В этом случае весь свет выходит на переднюю грань, и получается очень стабильный лазер. Однако в других случаях фазовый сдвиг между решеткой и задним зеркалом с высоким отражателем не является оптимальным, и снова получается двухмодовый лазер. Кроме того, фаза скола влияет на длину волны, и поэтому контроль выходной длины волны партии лазеров на производстве может оказаться сложной задачей. [2] Таким образом, DFB-лазеры HR/AR, как правило, имеют низкую выходную мощность, и перед использованием их необходимо проверять. Существуют различные комбинации покрытий и фазовых сдвигов, которые можно оптимизировать по мощности и выходу, и обычно у каждого производителя есть свои собственные методы оптимизации производительности и выхода.
Для кодирования данных с помощью DFB-лазера для оптоволоконной связи обычно изменяют ток электропривода для модуляции интенсивности света. Эти DML (лазеры с прямой модуляцией) являются простейшими и встречаются в различных волоконно-оптических системах. Недостаток прямой модуляции лазера заключается в том, что вместе со сдвигами интенсивности возникают сдвиги частоты (лазерный чирп ). Эти частотные сдвиги вместе с дисперсией в волокне приводят к ухудшению качества сигнала на некотором расстоянии, ограничивая полосу пропускания и дальность действия. Альтернативной структурой является электроабсорбционно-модулированный лазер (EML), который работает непрерывно и имеет отдельную секцию, встроенную в переднюю часть, которая либо поглощает, либо пропускает свет – очень похоже на оптический затвор. Эти EML могут работать на более высоких скоростях и иметь гораздо меньший чирп. В высокопроизводительных системах когерентной оптической связи DFB-лазер работает непрерывно, за ним следует фазовый модулятор. На приемной стороне гетеродин DFB вмешивается в принятый сигнал и декодирует модуляцию. [3]
Альтернативный подход - DFB-лазер с фазовым сдвигом. В этом случае обе грани имеют просветляющее покрытие , и в резонаторе наблюдается фазовый сдвиг. Такие устройства имеют гораздо лучшую воспроизводимость длины волны и теоретически все лазеры работают в одномодовом режиме.
В волоконных DFB-лазерах брэгговская решетка (которая в данном случае также образует резонатор лазера) имеет фазовый сдвиг с центром в полосе отражения, аналогичный одному очень узкому вырезу пропускания интерферометра Фабри-Перо . При правильной настройке эти лазеры работают на одной продольной моде с длиной когерентности, превышающей десятки километров, что по существу ограничено временным шумом, наведенным методом самогетеродинного обнаружения когерентности, используемым для измерения когерентности. Эти волоконные DFB-лазеры часто используются в сенсорных приложениях, где требуется чрезвычайно узкая ширина линии .