Un láser de retroalimentación distribuida ( DFB ) es un tipo de diodo láser , láser de cascada cuántica o láser de fibra óptica donde la región activa del dispositivo contiene un elemento estructurado periódicamente o rejilla de difracción . La estructura construye una rejilla de interferencia unidimensional ( dispersión de Bragg ) y la rejilla proporciona retroalimentación óptica para el láser. Esta rejilla de difracción longitudinal tiene cambios periódicos en el índice de refracción.que provocan el reflejo de nuevo en la cavidad. El cambio periódico puede estar en la parte real del índice de refracción o en la parte imaginaria (ganancia o absorción). La rejilla más fuerte opera en el primer orden, donde la periodicidad es de media onda y la luz se refleja hacia atrás. Los láseres DFB tienden a ser mucho más estables que los láseres Fabry-Perot o DBR y se utilizan con frecuencia cuando se necesita un funcionamiento limpio en modo único, especialmente en telecomunicaciones de fibra óptica de alta velocidad. Los láseres semiconductores DFB en la ventana de pérdida más baja de fibras ópticas a aproximadamente 1,55um de longitud de onda, amplificados por amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), dominan el mercado de comunicaciones de larga distancia, mientras que los láseres DFB en la ventana de dispersión más baja a 1.3um se utilizan en distancias.
El tipo más simple de láser es un láser Fabry-Perot, donde hay dos reflectores de banda ancha en los dos extremos de la cavidad óptica láser . La luz rebota de un lado a otro entre estos dos espejos y forma modos longitudinales u ondas estacionarias. El reflector trasero es generalmente de alta reflectividad y el espejo frontal es de menor reflectividad. Luego, la luz se filtra por el espejo frontal y forma la salida del diodo láser . Dado que los espejos son generalmente de banda ancha y reflejan muchas longitudes de onda, el láser soporta múltiples modos longitudinales, u ondas estacionarias, simultáneamente y emite láser multimodo, o salta fácilmente entre modos longitudinales. Si cambia la temperatura de un láser de Fabry-Perot semiconductor, las longitudes de onda que son amplificadas por el medio láser varían rápidamente. Al mismo tiempo, los modos longitudinales del láser también varían, ya que el índice de refracción también es función de la temperatura. Esto hace que el espectro sea inestable y altamente dependiente de la temperatura. En las longitudes de onda importantes de 1,55 um y 1,3 um, la ganancia máxima se mueve típicamente alrededor de 0,4 nm a las longitudes de onda más largas a medida que aumenta la temperatura, mientras que los modos longitudinales cambian alrededor de 0,1 nm a las longitudes de onda más largas.
Si uno o ambos de estos espejos finales se reemplazan con una rejilla de difracción , la estructura se conoce como un láser DBR (reflector de Bragg distribuido). Estos espejos de rejilla de difracción longitudinal reflejan la luz en la cavidad, muy parecido a un revestimiento de espejo de múltiples capas. Los espejos de rejilla de difracción tienden a reflejar una banda de longitudes de onda más estrecha que los espejos finales normales, y esto limita el número de ondas estacionarias que pueden ser soportadas por la ganancia en la cavidad. Por lo tanto, los láseres DBR tienden a ser más estables espectralmente que los láseres Fabry-Perot con recubrimientos de banda ancha. Sin embargo, a medida que cambia la temperatura o la corriente en el láser, el dispositivo puede "saltar de modo" saltando de una onda estacionaria a otra. Sin embargo, los cambios generales con la temperatura son más bajos con los láseres DBR, ya que los espejos determinan qué modos longitudinales emiten y cambian con el índice de refracción y no con la ganancia máxima.
En un láser DFB, la rejilla y la reflexión son generalmente continuas a lo largo de la cavidad, en lugar de estar solo en los dos extremos. Esto cambia considerablemente el comportamiento modal y hace que el láser sea más estable. Hay varios diseños de láseres DFB, cada uno con propiedades ligeramente diferentes.
Si la rejilla es periódica y continua, y los extremos del láser están recubiertos con antirreflejos (AR / AR), por lo que no hay más retroalimentación que la propia rejilla, entonces dicha estructura admite dos modos longitudinales (degenerados) y casi siempre láseas en dos longitudes de onda. Evidentemente, generalmente no es deseable un láser de dos modos. Así que hay varias formas de romper esta "degeneración".
El primero es induciendo un desplazamiento de un cuarto de onda en la cavidad. Este cambio de fase actúa como un "defecto" y crea una resonancia en el centro del ancho de banda de reflectividad o "banda de parada". Luego, el láser emite rayos láser en esta resonancia y es extremadamente estable. A medida que cambian la temperatura y la corriente, la rejilla y la cavidad se mueven juntas a la tasa más baja de cambio del índice de refracción, y no hay saltos de modo. Sin embargo, la luz se emite desde ambos lados de los láseres y, por lo general, la luz de un lado se desperdicia. Además, crear un cambio de cuarto de onda exacto puede ser tecnológicamente difícil de lograr y, a menudo, requiere una litografía de haz de electrones escrita directamente . A menudo, en lugar de un solo cambio de fase de un cuarto de onda en el centro de la cavidad, múltiples cambios más pequeños distribuidos en la cavidad en diferentes ubicaciones que extienden el modo longitudinalmente y dan una mayor potencia de salida.
Una forma alternativa de romper esta degeneración es recubriendo la parte posterior del láser con una alta reflectividad (HR). La posición exacta de este reflector final no se puede controlar con precisión, por lo que se obtiene un desplazamiento de fase aleatorio entre la rejilla y la posición exacta del espejo final. A veces, esto conduce a un cambio de fase perfecto, donde efectivamente un DFB con cambio de fase de un cuarto de onda se refleja sobre sí mismo. En este caso toda la luz sale por la cara frontal y se obtiene un láser muy estable. En otras ocasiones, sin embargo, el cambio de fase entre la rejilla y el espejo trasero de alto reflector no es óptimo, y uno termina con un láser de dos modos nuevamente. Además, la fase de la escisión afecta la longitud de onda y, por lo tanto, controlar la longitud de onda de salida de un lote de láseres en la fabricación puede ser un desafío. [1] Por lo tanto, los láseres HR / AR DFB tienden a ser de bajo rendimiento y deben examinarse antes de su uso. Hay varias combinaciones de recubrimientos y cambios de fase que se pueden optimizar para potencia y rendimiento, y generalmente cada fabricante tiene su propia técnica para optimizar el rendimiento y el rendimiento.
Para codificar datos en un láser DFB para comunicaciones de fibra óptica, generalmente se varía la corriente de excitación eléctrica para modular la intensidad de la luz. Estos DML (láseres de modulación directa) son los tipos más simples y se encuentran en varios sistemas de fibra óptica. La desventaja de modular directamente un láser es que hay cambios de frecuencia asociados junto con los cambios de intensidad ( chirrido del láser ). Estos cambios de frecuencia, junto con la dispersión en la fibra, hacen que la señal se degrade después de cierta distancia, lo que limita el ancho de banda y el rango. Una estructura alternativa es un láser modulado por electroabsorción (EML) que ejecuta el láser de forma continua y tiene una sección separada integrada en el frente que absorbe o transmite la luz, muy parecido a un obturador óptico. Estos EML pueden funcionar a velocidades más altas y tienen un chirrido mucho más bajo. En los sistemas de comunicación óptica coherente de muy alto rendimiento, el láser DFB funciona de forma continua y es seguido por un modulador de fase. En el extremo receptor, un DFB oscilador local interfiere con la señal recibida y decodifica la modulación.
Un enfoque alternativo es un láser DFB de fase desplazada. En este caso, ambas facetas están recubiertas con antirreflejos y hay un cambio de fase en la cavidad. Dichos dispositivos tienen una reproducibilidad mucho mejor en longitud de onda y, en teoría, todas lase en modo único.
En los láseres de fibra DFB, la rejilla de Bragg (que en este caso forma también la cavidad del láser) tiene un desplazamiento de fase centrado en la banda de reflexión similar a una muesca de transmisión muy estrecha de un interferómetro Fabry-Pérot . Cuando se configuran correctamente, estos láseres operan en un solo modo longitudinal con longitudes de coherencia superiores a decenas de kilómetros, esencialmente limitado por el ruido temporal inducido por la técnica de detección de coherencia autoheterodina utilizada para medir la coherencia. Estos láseres de fibra DFB se utilizan a menudo en aplicaciones de detección donde se requiere un ancho de línea extremadamente estrecho .
Referencias
- ^ Ver, por ejemplo: Yariv, Amnon (1985). Electrónica cuántica (3ª ed.). Nueva York: Holt, Reinhart y Wilson. págs. 421–429.
- B. Mroziewicz, "Physics of Semiconductor Lasers", págs. 348 - 364. 1991.
- J. Carroll, J. Whiteaway y D. Plumb, "Láseres semiconductores de retroalimentación distribuida", IEE Circuits, Devices and Systems Series 10, Londres (1998)