Laser de feedback distribuído - Distributed feedback laser

Um laser de feedback distribuído ( DFB ) é um tipo de diodo laser , laser de cascata quântica ou laser de fibra óptica em que a região ativa do dispositivo contém um elemento estruturado periodicamente ou rede de difração . A estrutura constrói uma grade de interferência unidimensional ( espalhamento de Bragg ) e a grade fornece feedback óptico para o laser. Esta grade de difração longitudinal tem mudanças periódicas no índice de refração que causam reflexão de volta para a cavidade. A mudança periódica pode ser tanto na parte real do índice de refração, quanto na parte imaginária (ganho ou absorção). A grade mais forte opera na primeira ordem - onde a periodicidade é de meia onda e a luz é refletida para trás. Os lasers DFB tendem a ser muito mais estáveis ​​do que os lasers Fabry-Perot ou DBR e são usados ​​frequentemente quando a operação monomodo limpa é necessária, especialmente em telecomunicações de fibra óptica de alta velocidade. Lasers DFB semicondutores na janela de perda mais baixa das fibras ópticas em cerca de 1,55um de comprimento de onda, amplificados por amplificadores de fibra dopada com Erbium (EDFAs), dominam o mercado de comunicação de longa distância, enquanto lasers DFB na janela de dispersão mais baixa em 1,3um são usados ​​em menores distâncias.

O tipo mais simples de laser é o laser Fabry-Perot, onde existem dois refletores de banda larga nas duas extremidades da cavidade óptica do laser . A luz salta para frente e para trás entre esses dois espelhos e forma modos longitudinais ou ondas estacionárias. O refletor traseiro geralmente é de alta refletividade e o espelho frontal é de baixa refletividade. A luz então vaza do espelho frontal e forma a saída do diodo laser . Uma vez que os espelhos são geralmente de banda larga e refletem muitos comprimentos de onda, o laser suporta vários modos longitudinais, ou ondas estacionárias, simultaneamente e transmite multimodo, ou salta facilmente entre modos longitudinais. Se a temperatura de um laser de Fabry-Perot semicondutor muda, os comprimentos de onda que são amplificados pelo meio laser variam rapidamente. Ao mesmo tempo, os modos longitudinais do laser também variam, pois o índice de refração também é função da temperatura. Isso torna o espectro instável e altamente dependente da temperatura. Nos comprimentos de onda importantes de 1,55um e 1,3um, o ganho de pico normalmente se move cerca de 0,4 nm para os comprimentos de onda mais longos conforme a temperatura aumenta, enquanto os modos longitudinais mudam cerca de 0,1 nm para os comprimentos de onda mais longos.

Se um ou ambos os espelhos finais forem substituídos por uma grade de difração , a estrutura é então conhecida como laser DBR (Refletor Bragg Distribuído). Esses espelhos de grade de difração longitudinal refletem a luz de volta na cavidade, de forma muito semelhante a um revestimento de espelho de várias camadas. Os espelhos da grade de difração tendem a refletir uma banda mais estreita de comprimentos de onda do que os espelhos finais normais, e isso limita o número de ondas estacionárias que podem ser suportadas pelo ganho na cavidade. Portanto, os lasers DBR tendem a ser mais estáveis ​​espectralmente do que os lasers Fabry-Perot com revestimentos de banda larga. No entanto, conforme a temperatura ou a corrente mudam no laser, o dispositivo pode "pular de modo" pulando de uma onda estacionária para outra. As mudanças gerais com a temperatura são, no entanto, menores com os lasers DBR, pois os espelhos determinam quais modos longitudinais perdem e eles mudam com o índice de refração e não com o ganho de pico.

Em um laser DFB, a grade e a reflexão são geralmente contínuas ao longo da cavidade, em vez de estar apenas nas duas extremidades. Isso muda o comportamento modal consideravelmente e torna o laser mais estável. Existem vários designs de lasers DFB, cada um com propriedades ligeiramente diferentes.

Se a grade é periódica e contínua, e as extremidades do laser são revestidas com anti-reflexo (AR / AR), então não há feedback além da própria grade, então tal estrutura suporta dois modos longitudinais (degenerados) e quase sempre dura em dois comprimentos de onda. Obviamente, um laser de dois modos geralmente não é desejável. Portanto, existem várias maneiras de quebrar essa "degeneração".

A primeira é induzindo uma mudança de quarto de onda na cavidade. Essa mudança de fase atua como um "defeito" e cria uma ressonância no centro da largura de banda de refletividade ou "banda de interrupção". O laser então dura nessa ressonância e é extremamente estável. À medida que a temperatura e a corrente mudam, a grade e a cavidade mudam juntas na taxa mais baixa da mudança do índice de refração, e não há saltos de modo. No entanto, a luz é emitida de ambos os lados dos lasers e, geralmente, a luz de um lado é desperdiçada. Além disso, a criação de uma mudança de quarto de onda exata pode ser tecnologicamente difícil de alcançar e muitas vezes requer litografia de feixe de elétrons escrita diretamente . Freqüentemente, em vez de um único deslocamento de fase de um quarto de onda no centro da cavidade, vários deslocamentos menores são distribuídos na cavidade em diferentes locais que espalham o modo longitudinalmente e fornecem maior potência de saída.

Uma maneira alternativa de quebrar essa degenerescência é revestindo a extremidade posterior do laser com alta refletividade (HR). A posição exata deste refletor final não pode ser controlada com precisão, e assim obtém-se uma mudança de fase aleatória entre a grade e a posição exata do espelho final. Às vezes, isso leva a uma mudança de fase perfeita, onde efetivamente um DFB com mudança de fase de um quarto de onda é refletido em si mesmo. Neste caso, toda a luz sai da faceta frontal e obtém-se um laser muito estável. Em outras ocasiões, no entanto, a mudança de fase entre a grade e o espelho traseiro de alto refletor não é ideal, e acaba-se novamente com um laser de dois modos. Além disso, a fase de clivagem afeta o comprimento de onda e, assim, controlar o comprimento de onda de saída de um lote de lasers na fabricação pode ser um desafio. Assim, os lasers HR / AR DFB tendem a ter baixo rendimento e devem ser examinados antes do uso. Existem várias combinações de revestimentos e mudanças de fase que podem ser otimizadas para potência e rendimento e, geralmente, cada fabricante tem sua própria técnica para otimizar o desempenho e o rendimento.

Para codificar dados em um laser DFB para comunicações de fibra óptica, geralmente a corrente elétrica é variada para modular a intensidade da luz. Esses DMLs (lasers modulados diretamente) são os tipos mais simples e são encontrados em vários sistemas de fibra óptica. A desvantagem de modular diretamente um laser é que há mudanças de frequência associadas junto com as mudanças de intensidade ( chirp do laser ). Essas mudanças de frequência, junto com a dispersão na fibra, fazem com que o sinal se degrade após alguma distância, limitando a largura de banda e o alcance. Uma estrutura alternativa é um laser modulado por eletroabsorção (EML) que executa o laser continuamente e tem uma seção separada integrada na frente que absorve ou transmite a luz - muito parecido com um obturador óptico. Esses EMLs podem operar em velocidades mais altas e têm chirp muito mais baixo. Em sistemas de comunicação óptica coerente de altíssimo desempenho, o laser DFB é executado continuamente e é seguido por um modulador de fase. Na extremidade receptora, um oscilador local DFB interfere no sinal recebido e decodifica a modulação.

Uma abordagem alternativa é um laser DFB com mudança de fase. Neste caso, ambas as facetas são revestidas com anti-reflexo e há uma mudança de fase na cavidade. Esses dispositivos têm uma reprodutibilidade muito melhor em comprimento de onda e, teoricamente, todos lase em modo único.

Em lasers de fibra DFB, a grade de Bragg (que neste caso também forma a cavidade do laser) tem uma mudança de fase centrada na banda de reflexão semelhante a um único entalhe de transmissão muito estreito de um interferômetro Fabry-Pérot . Quando configurados corretamente, esses lasers operam em um único modo longitudinal com comprimentos de coerência superiores a dezenas de quilômetros, essencialmente limitados pelo ruído temporal induzido pela técnica de detecção de coerência auto-heteródina usada para medir a coerência. Esses lasers de fibra DFB são frequentemente usados ​​em aplicações de detecção onde é necessária uma largura de linha extremamente estreita .

Referências

• B. Mroziewicz, "Physics of Semiconductor Lasers", pp. 348-364. 1991.
• J. Carroll, J. Whiteaway e D. Plumb, "Distributed Feedback Semiconductor Lasers", IEE Circuits, Devices and Systems Series 10, Londres (1998)

links externos

• (leitura pública: DFB Lasers entre 760 nm e 16 μm para aplicações de detecção.