Rozwój i status rynkowy laserów przestrajalnych Część druga

Rozwój i status rynkowy laserów strojonych (część druga)

Zasada działanialaser strojony

Istnieją trzy podstawowe zasady dostrajania długości fali lasera. Większośćlasery strojonewykorzystują substancje robocze o szerokich liniach fluorescencyjnych. Rezonatory tworzące laser mają bardzo niskie straty tylko w bardzo wąskim zakresie długości fal. Dlatego pierwsza polega na zmianie długości fali lasera poprzez zmianę długości fali odpowiadającej obszarowi niskich strat rezonatora przez pewne elementy (takie jak siatka dyfrakcyjna). Druga polega na przesunięciu poziomu energetycznego przejścia laserowego poprzez zmianę niektórych parametrów zewnętrznych (takich jak pole magnetyczne, temperatura itp.). Trzecia polega na wykorzystaniu efektów nieliniowych w celu uzyskania transformacji długości fali i strojenia (patrz optyka nieliniowa, wymuszone rozpraszanie Ramana, podwajanie częstotliwości optycznej, optyczna oscylacja parametryczna). Typowe lasery należące do pierwszego trybu strojenia to lasery barwnikowe, lasery chryzoberylowe, lasery z centrami barwnymi, przestrajalne wysokociśnieniowe lasery gazowe i przestrajalne lasery excimerowe.

Z punktu widzenia technologii realizacji lasery strojone dzieli się głównie na: technologię sterowania prądem, technologię sterowania temperaturą i technologię sterowania mechanicznego.
Wśród nich, technologia sterowania elektronicznego ma na celu dostrojenie długości fali poprzez zmianę prądu wtrysku, z szybkością dostrajania na poziomie NS, szerokim pasmem dostrajania, ale małą mocą wyjściową, opartą na technologii sterowania elektronicznego, głównie SG-DBR (siatka próbkująca DBR) i laserze GCSR (pomocnicza siatka kierunkowa ze sprzężeniem zwrotnym i próbkowaniem wstecznym). Technologia kontroli temperatury zmienia wyjściową długość fali lasera poprzez zmianę współczynnika załamania światła w aktywnym obszarze lasera. Technologia jest prosta, ale powolna i można ją regulować przy wąskim paśmie zaledwie kilku nm. Główne z nich oparte na technologii kontroli temperatury to:Laser DFB(rozproszone sprzężenie zwrotne) i laser DBR (rozproszone odbicie Bragga). Sterowanie mechaniczne opiera się głównie na technologii MEMS (mikrosystemów elektromechanicznych), co pozwala na dobór długości fali, a także zapewnia dużą regulowaną szerokość pasma i wysoką moc wyjściową. Główne struktury oparte na technologii sterowania mechanicznego to DFB (rozproszone sprzężenie zwrotne), ECL (laser z zewnętrzną wnęką rezonansową) i VCSEL (laser z pionową wnęką rezonansową emitujący powierzchnię). Poniżej wyjaśniono zasady działania laserów przestrajalnych w kontekście tych aspektów.

Zastosowanie komunikacji optycznej

Laser strojony to kluczowe urządzenie optoelektroniczne w nowej generacji systemów multipleksowania z gęstym podziałem długości fali i wymiany fotonów w sieciach całkowicie optycznych. Jego zastosowanie znacznie zwiększa przepustowość, elastyczność i skalowalność światłowodowych systemów transmisyjnych, umożliwiając ciągłe lub quasi-ciągłe strojenie w szerokim zakresie długości fal.
Firmy i instytucje badawcze na całym świecie aktywnie promują badania i rozwój laserów przestrajalnych, a w tej dziedzinie stale dokonuje się postęp. Wydajność laserów przestrajalnych jest stale ulepszana, a ich koszt stale obniżany. Obecnie lasery przestrajalne dzieli się głównie na dwie kategorie: lasery przestrajalne półprzewodnikowe i lasery światłowodowe przestrajalne.
Laser półprzewodnikowyJest ważnym źródłem światła w systemach komunikacji optycznej, charakteryzującym się małymi rozmiarami, niską wagą, wysoką wydajnością konwersji, energooszczędnością itp., a także łatwą integracją optoelektroniczną pojedynczego układu scalonego z innymi urządzeniami. Można je podzielić na przestrajalne lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym, lasery z rozproszonym zwierciadłem Bragga, lasery z pionową wnęką rezonansową i lasery półprzewodnikowe z zewnętrzną wnęką rezonansową.
Rozwój przestrajalnego lasera światłowodowego jako ośrodka wzmocnienia oraz półprzewodnikowej diody laserowej jako źródła pompującego znacząco przyspieszył rozwój laserów światłowodowych. Przestrajalny laser wykorzystuje pasmo wzmocnienia 80 nm domieszkowanego włókna, a element filtrujący jest dodawany do pętli w celu kontrolowania długości fali lasera i realizacji strojenia długości fali.
Rozwój przestrajalnych laserów półprzewodnikowych jest bardzo dynamiczny na świecie, a postęp jest również bardzo szybki. Ponieważ lasery przestrajalne stopniowo zbliżają się do laserów o stałej długości fali pod względem kosztów i wydajności, będą one nieuchronnie coraz częściej wykorzystywane w systemach komunikacyjnych i będą odgrywać ważną rolę w przyszłych sieciach całkowicie optycznych.

Perspektywy rozwoju
Istnieje wiele rodzajów laserów przestrajalnych, które zazwyczaj powstają poprzez wprowadzenie mechanizmów dostrajania długości fali na bazie różnych laserów jednodługościowych. Niektóre z nich trafiły na rynek międzynarodowy. Oprócz rozwoju laserów przestrajalnych o ciągłym działaniu optycznym, pojawiły się również lasery przestrajalne z wbudowanymi innymi funkcjami, takimi jak laser przestrajalny zintegrowany z pojedynczym chipem VCSEL i modulatorem absorpcji elektrycznej oraz laser zintegrowany z reflektorem Bragga z siatką próbkowania i półprzewodnikowym wzmacniaczem optycznym oraz modulatorem absorpcji elektrycznej.
Ze względu na szerokie zastosowanie laserów o zmiennej długości fali, lasery o różnych strukturach mogą być stosowane w różnych systemach, z których każdy ma swoje zalety i wady. Ze względu na wysoką moc wyjściową i ciągłą możliwość regulacji długości fali, laser półprzewodnikowy z zewnętrzną wnęką rezonansową może być stosowany jako szerokopasmowe źródło światła o zmiennej długości fali w precyzyjnych przyrządach pomiarowych. Z perspektywy integracji fotonów i spełnienia wymagań przyszłej sieci całkowicie optycznej, lasery DBR z siatką próbkującą, lasery DBR z siatką nadstrukturalną oraz lasery o zmiennej długości fali zintegrowane z modulatorami i wzmacniaczami mogą być obiecującymi źródłami światła o zmiennej długości fali dla Z.
Lasery światłowodowe z przestrajalną siatką światłowodową i zewnętrzną wnęką rezonansową to obiecujący rodzaj źródła światła, charakteryzujący się prostą konstrukcją, wąską szerokością linii i łatwym sprzęganiem włókien. Zintegrowanie modulatora EA z wnęką rezonansową umożliwi ich wykorzystanie jako szybkiego, przestrajalnego źródła solitonów optycznych. Ponadto, w ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w dziedzinie przestrajalnych laserów światłowodowych opartych na laserach światłowodowych. Można oczekiwać, że wydajność przestrajalnych laserów w optycznych źródłach światła będzie się nadal poprawiać, a ich udział w rynku będzie stopniowo wzrastał, co przyniesie bardzo obiecujące perspektywy zastosowań.