Перестраиваемые одночастотные лазерные модули

С развитием DWDM технологий передачи данных по оптическому волокну (Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное мультиплексирование с разделением длин волн) во всём мире увеличивается спрос на одночастотные лазерные системы с сеткой каналов в диапазонах S-Band 1490,76 – 1527,99 нм C-Band 1528,77 – 1567,95 нм, и , и L-Band 1568,77 – 1610,06 нм, а также 100 GHz ITU - 190,10 - 197.20 ТГц. На настоящий момент существует четыре основных варианта создания одночастотного лазерного излучения: лазер с внешним резонатором (ECL), распределенная обратная связь (DFB), объемная голографическая решетка (VHG) и распределенный брэгговский отражатель (DBR). Все четыре устройства способны выдавать одночастотный сигнал благодаря использованию обратной связи по решетке. Кроме того, лазерные излучатели ECL можно комбинировать с волоконной брэгговской решеткой (FBG) для создания гибридной конструкции. Однако каждый тип лазера использует различную конфигурацию решетки обратной связи, которая влияет на рабочие характеристики, такие как выходная мощность, диапазон настройки и коэффициент подавления побочных мод (SMSR). Рассмотрим каждый вид одночастотных лазеров по отдельности.

Лазер с внешним резонатором (ECL)
ECL (External Cavity Laser) — это тип одночастотного лазера наиболее универсален, поскольку такая конфигурация совместима с большинством стандартных лазеров, как на диодах с волоконным выходом, так и free-space, что позволяет их использовать на различных длинах волн, в том числе, для красного и синего спектра. Оптическая схема ECL представлена ниже:

Дифракционная решётка в данном случае не только обеспечивает оптическую обратную связь, но и используется для выбора стабилизированной длины волны выходного сигнала. Таким образом достигается высокий коэффициент подавления боковых мод (SMSR> 45 дБ) и на выходе остаётся только одна продольная мода. Основное преимущество конфигурации ECL заключается в чрезвычайно узкой ширине спектральной линии (<1 МГц) при использовании достаточно длинного резонатора, а также ECL может иметь большой диапазон настройки (>100 нм). Главным же недостатком такой схемы является возможная скачкообразная модуляция, зависящая от точности построения оптической конструкции и качества её компонентов.  

Не так давно один из китайских производителей разработал компактный лазерный ECL-модуль на кремнии, который размещен в корпусе «бабочка» - Butterfly 14-pin.

Преимущества данного технического решения очевидны:

• Компактный корпус Butterfly 14-pin
• Диапазон перестройки длин волн от 1520 до 1580 нм
• Время перестройки 30 мкс
• Точность частоты ± 1,5 ГГц
• Ширина спектральной линии от 100 до 150 кГц
• Регулируемая мощность от 10 до 16,5 дБм (от 10 до 44 мВт)
• Рабочий диапазон температур от -5 до +75℃

Пример компактного модуля ECL можно найти в нашем каталоге:
ECL-модуль на кремнии в корпусе Butterfly 14-pin SiPLDCL13PM

Лазер с распределённой обратной связью (DFB)

В конфигурации лазера с распределённой обратной связью DFB (Distributed-FeedBack laser) дифракционная решётка включена в контур самого лазерного модуля. Действуя как брэгговский отражатель, она выбирает единственную продольную моду в качестве режима генерации. Это исключает необходимость присутствия концевого отражателя. Благодаря такой оптической схеме, DFB-лазеры могут работать на одной частоте в широком диапазоне температур и токов. Для улучшения качества выходного сигнала также возможно использовать фазовый сдвиг внутри самого лазерного диода:

Длина волны генерации для DFB-лазеров приблизительно равна длине волны Брэгга, что описывается формулой: λ = 2n_eff Λ, где λ - длина волны, n_eff - эффективный показатель преломления, а Λ - период решетки. Таким образом длину волны генерации можно регулировать, меняя эффективный показатель преломления, что достигается за счет настройки температуры и тока.

Одна из особенностей DFB-лазеров – это относительно узкий диапазон настройки: около 2 нм при λ = 850 нм и около 4 нм при λ = 1550 нм, а также 1 см^-1 в среднем ИК-диапазоне (4 - 11 мкм). Зато в данном диапазоне DFB-лазеры могут работать на одной частоте в непрерывном режиме настройки без скачкообразной модуляции, что ценно при использовании, например, в телекоммуникационных датчиках. Поскольку длина резонатора DFB довольно мала, ширина линии обычно находится в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц. Кроме того, тесная связь между структурой решетки и активной областью приводит к снижению максимальной выходной мощности по сравнению с лазерами ECL и DBR, хотя существуют и достаточно мощные одночастотные  DFB-лазеры: https://lasercomponents.ru/product/lazery-i-komplektuyushhie/odnochastotnye-lazernye-diodnye-moduli/lazernye-diodnye-moduli-dfb-so-sverh-uzkoj-liniej-spektra/

Лазер, стабилизированный объемной голографической решеткой (VHG)

VHG (Volume-Holographic-Grating-Stabilized laser) - данный тип лазера, как явствует из его названия, помимо брэгговского отражателя имеет на выходе пропускающую голографическую решётку, которая отделена от лазерного диода, что улучшает стабильность излучаемой длины волны.

Решетка состоит из фоторефракционного материала, показатель преломления которого периодически меняется. Таким образом происходит разделение выходного сигнала на излучение, удовлетворяющее условию Брэгга и нет, при этом первое отражается обратно в резонатор. Это и делает излучение VHG–лазера чрезвычайно стабильным при том, что он способен выдавать пучок с шириной линии, аналогичной ширине линии DFB-лазера, при более высокой мощности, которая регулируется по длине волны в широком диапазоне токов и температур.

Лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR)

Подобно DFB-лазерам, лазеры с распределенным брэгговским отражателем DBR (Distributed Bragg Reflector) имеют встроенную дифракционную решётку, но в отличие от первых, она вынесена за пределы активной зоны.

Кроме того, оптическая схема DBR-лазеров является более гибкой и может включать в себя дополнительные области настройки, такие как область с фазовым управлением, когда пользователь может настраивать фазу независимо от периода решетки и тока лазерного диода (многоэлектродные DBR-лазеры). При совместном использовании DBR-лазеров существует возможность обеспечивать работу на одной частоте в широком диапазоне настройки (например, 30 - 40 нм), при этом выходной сигнал не зависит от режима работы, однако в данном случае необходимо тщательно контролировать все входные сигналы и температуру. Для упрощения данной схемы был создан одноэлектродный DBR-лазер, в котором отсутствуют сложности, связанные с регулировкой решетки и фазы, за счет увеличения диапазона настройки. В принципе, диапазон настройки данного лазера аналогичен диапазону настройки DFB-лазера, но изменяется в зависимости от подаваемого тока и температуры. В качестве главного недостатка одноэлектродного DBR-лазера можно выделить скачкообразное перестроение мод, а в качестве преимущества - более высокую выходную мощность, поскольку дифракционная решетка не является непрерывной по всей длине устройства.

Гибридный лазер со сверхнизким уровнем шума (ULN)

Гибридные лазеры со сверхнизким уровнем шума ULN (Ultra-Low-Noise) состоят из одного чипа усиления с угловой гранью (SAF), соединенного с исключительно длинной волоконной брэгговской решеткой (FBG - ВБР). Они предназначены для создания лазерного резонатора, аналогичного ECL, по всей длине волокна. Этот резонатор обеспечивает гибридному лазеру ULN очень узкую ширину линии, порядка 100 Гц, и низкий уровень шума относительной интенсивности -165 дБн/Гц (типичное значение). ВБР отражает часть света, излучаемого активной (усиливающей) средой, оставаясь при этом термически изолированной от нее.

Данные конструктивные решения:

• Кристалл усиления с одной угловой гранью (SAF)
• Длинная волоконная брэгговская решетка (ВБР)
• Независимые термисторы контроля температуры кристалла и ВБР

Позволяют ULN-модулю достичь впечатляющих технических характеристик:

• Центральная длина волны: 1550 нм
• Диапазон перестройки: 1530 ~ 1565 нм
• Максимальная выходная мощность: 140 мВт
• Ширина спектральной линии (типичная): 100 Гц!
• Шум относительной интенсивности (RIN): -165 dBc/Hz

         Основной особенностью таких лазеров является высокая чувствительность к вибрациям и температуре окружающей среды.

Период формирования решетки может быть изменен путем создания теплового напряжения на волокне, что позволяет пользователям настраивать выходную мощность лазера по температуре, а также самостоятельно стабилизировать температуру активной среды. Однако, чтобы сохранить низкий уровень шума самого лазера в данном случае также потребуется снизить влияние на него шумов со стороны окружающей среды, таких как акустические и сейсмические колебания, а также необходимо использовать для управления лазером источник тока с низким уровнем шума.

В техническом описании данного ULN-модуля производитель констатирует высокую чувствительность волоконного выхода к вибрациям и температуре окружающей среды. На графике можно наблюдать пик шума частотой 43 Гц – волоконный выход лазерного модуля зафиксировал вибрации от системы вентиляции и кондиционирования, работающие в здании. Такая гиперчувствительность к изменениям окружающей среды может быть полезна для реализации высокоточных волоконных датчиков.

Можно отметить, что все вышеперечисленные типы лазерных диодов обеспечивают работу на одной частоте в пределах заданного диапазона настройки, но имеют и значительные отличия друг от друга, так, например, ECL - лазер может быть рассчитан на более широкий диапазон длин волн, чем DFB или DBR лазеры. Несмотря на то, что он подвержен скачкам мод, ECL - лазер обеспечивает узкую ширину спектральной линии (<1 МГц). В приборах, спроектированных соответствующим образом, ECL-лазеры также могут иметь чрезвычайно широкий диапазон настройки (>100 нм).

Что же касаемо DFB-лазера, то он является наиболее стабильной конфигурацией одночастотного перестраиваемого лазера. Он может обеспечивать бесперебойную работу во всем диапазоне настройки (<5 нм). Это делает его одним из самых популярных одночастотных лазеров во многих областях применения. Он обладает самой низкой выходной мощностью благодаря свойствам, присущим структуре с непрерывной решетчатой обратной связью.

VHG-лазер обеспечивает стабильную работу по всей длине волны в диапазоне температур и токов и может выдавать более высокую мощность, чем обычно используется в DFB-лазерах. Такая стабильность делает его отличным решением для использования в OEM-приложениях.

Одноэлектродный DBR-лазер обеспечивает такую же ширину линии и диапазон настройки, как и DFB-лазер (<5 нм), но в одноэлектродном DBR-лазере на кривой настройки будут наблюдаться периодические скачки мод.

Гибридные лазеры могут использоваться для получения сигналов с чрезвычайно низким уровнем шума. Чтобы воспользоваться преимуществами этой характеристики, лазер должен быть изолирован от нежелательных источников шума, таких как акустические и сейсмические колебания, а также помехи от тока возбуждения.

Резюмируя всё вышесказанное, отметим преимущества и недостатки описанных выше технологий:

• ECL (External Cavity Laser) – лазер с внешним резонатором
  + Малая ширина спектральной линии
  + Широкий диапазон перестройки
  + Высокая мощность
  - Склонен к скачкам мод
  - Крупные габариты*

• DFB (Distributed Feedback) – лазер с распределенной обратной связью
  + Стабилен в широком диапазоне температур и токов
  + Непрерывный диапазон перестройки без скачков
  + Удобен в применении
  - Узкий диапазон перестройки
  - Низкая мощность **

• VHG (Volume-Holographic-Grating-Stabilized Laser) - лазеры с объемной голографической решеткой
  + Температурная развязка диода и решетки
  + Выше мощность в сравнении с DFB
  + Высокая стабильность длины волны
  - Высокая цена в сравнении с DFB
  
• DВR (Distributed Bragg Reflector Laser) – лазер с распределенным Брэгговским отражателем
  + Широкий диапазон перестройки
  + Широкий диапазон настроек, управление фазой
  - Чувствителен к температуре и токам
  - Склонен к скачкам мод

*https://lasercomponents.ru/product/lazery-i-komplektuyushhie/odnochastotnye-lazernye-diodnye-moduli/perestraivaemye-odnochastotnye-lazernye-ecl-moduli/lazernyj-odnochastotnyj-perestraivaemyj-ecl-modul-sipldcl13pm/
**https://lasercomponents.ru/product/lazery-i-komplektuyushhie/odnochastotnye-lazernye-diodnye-moduli/lazernye-diodnye-moduli-dfb-so-sverh-uzkoj-liniej-spektra/