Развитие и рыночное положение перестраиваемых лазеров (Часть вторая)
Принцип работыперестраиваемый лазер
Существует примерно три принципа настройки длины волны лазера. Большинство из нихперестраиваемые лазерыВ лазере используются рабочие вещества с широкими флуоресцентными линиями. Резонаторы, составляющие лазер, имеют очень низкие потери только в очень узком диапазоне длин волн. Поэтому первый способ заключается в изменении длины волны лазера путем изменения длины волны, соответствующей области низких потерь резонатора, с помощью некоторых элементов (например, дифракционной решетки). Второй способ — это смещение энергетического уровня лазерного перехода путем изменения некоторых внешних параметров (таких как магнитное поле, температура и т. д.). Третий способ — это использование нелинейных эффектов для достижения преобразования и настройки длины волны (см. нелинейную оптику, стимулированное рамановское рассеяние, оптическое удвоение частоты, оптические параметрические колебания). Типичными лазерами, относящимися к первому способу настройки, являются лазеры на красителях, хризобериловые лазеры, лазеры на основе цветовых центров, перестраиваемые газовые лазеры высокого давления и перестраиваемые эксимерные лазеры.
С точки зрения технологии реализации, перестраиваемые лазеры в основном делятся на: технологию управления током, технологию управления температурой и технологию механического управления.
Среди них технология электронного управления позволяет настраивать длину волны путем изменения тока инжекции, обеспечивая скорость настройки на уровне NS, широкую полосу пропускания, но малую выходную мощность. На основе технологии электронного управления в основном используются SG-DBR (дифракционное отражательное излучение с дискретизацией) и GCSR-лазеры (лазер с вспомогательной дифракционной решеткой, направленной связью и обратной дискретизацией). Технология температурного контроля изменяет выходную длину волны лазера путем изменения показателя преломления активной области лазера. Эта технология проста, но медленна, и позволяет регулировать длину волны с узкой полосой пропускания всего в несколько нанометров. Основные технологии, основанные на температурном контроле, включают в себя:DFB-лазер(распределенная обратная связь) и DBR-лазер (распределенное брэгговское отражение). Механическое управление в основном основано на технологии MEMS (микроэлектромеханическая система) для выбора длины волны, с широкой регулируемой полосой пропускания и высокой выходной мощностью. Основные структуры, основанные на технологии механического управления, — это DFB (распределенная обратная связь), ECL (лазер с внешней резонаторной полостью) и VCSEL (лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением). Далее с этих точек зрения объясняется принцип работы перестраиваемых лазеров.
Применение оптической связи
Перестраиваемый лазер является ключевым оптоэлектронным устройством в системах плотного мультиплексирования с разделением по длинам волн и обмена фотонами в полностью оптических сетях нового поколения. Его применение значительно увеличивает пропускную способность, гибкость и масштабируемость волоконно-оптических систем передачи данных, а также позволяет осуществлять непрерывную или квазинепрерывную перестройку в широком диапазоне длин волн.
Компании и научно-исследовательские институты по всему миру активно продвигают исследования и разработки в области перестраиваемых лазеров, и в этой сфере постоянно достигается прогресс. Характеристики перестраиваемых лазеров постоянно улучшаются, а их стоимость постоянно снижается. В настоящее время перестраиваемые лазеры в основном делятся на две категории: полупроводниковые перестраиваемые лазеры и перестраиваемые волоконные лазеры.
Полупроводниковый лазерЭто важный источник света в оптических системах связи, обладающий такими характеристиками, как малый размер, малый вес, высокая эффективность преобразования, энергосбережение и т. д., а также позволяющий легко интегрировать его в оптоэлектронные системы на одном кристалле с другими устройствами. Его можно разделить на перестраиваемые лазеры с распределенной обратной связью, лазеры с распределенным брэгговским зеркалом, лазеры с вертикальным резонатором и поверхностно-излучающие лазеры с микромоторной системой и полупроводниковые лазеры с внешним резонатором.
Разработка перестраиваемого волоконного лазера в качестве усиливающей среды и разработка полупроводникового лазерного диода в качестве источника накачки значительно способствовали развитию волоконных лазеров. Перестраиваемый лазер основан на полосе пропускания усиления легированного волокна в 80 нм, а в петлю добавляется фильтрующий элемент для управления длиной волны излучения и реализации перестройки длины волны.
Разработка перестраиваемых полупроводниковых лазеров активно ведётся во всём мире, и прогресс идёт очень быстро. Поскольку перестраиваемые лазеры постепенно приближаются к лазерам с фиксированной длиной волны по стоимости и характеристикам, они неизбежно будут всё чаще использоваться в системах связи и играть важную роль в будущих полностью оптических сетях.
Перспективы развития
Существует множество типов перестраиваемых лазеров, которые, как правило, разрабатываются путем дальнейшего внедрения механизмов перестройки длины волны на основе различных одноволновых лазеров, и некоторые из них уже поставляются на международный рынок. Помимо разработки непрерывных оптических перестраиваемых лазеров, также сообщалось о создании перестраиваемых лазеров с интегрированными другими функциями, такими как перестраиваемый лазер, интегрированный с одним чипом VCSEL и модулятором электрического поглощения, а также лазер, интегрированный с образцом дифракционной решетки Брэгга, полупроводниковым оптическим усилителем и модулятором электрического поглощения.
Поскольку лазеры с перестраиваемой длиной волны широко используются, перестраиваемые лазеры различных структур могут применяться в различных системах, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Полупроводниковый лазер с внешней резонаторной полостью может использоваться в качестве широкополосного перестраиваемого источника света в прецизионных измерительных приборах благодаря своей высокой выходной мощности и непрерывной перестраиваемой длине волны. С точки зрения интеграции фотонов и удовлетворения потребностей будущих полностью оптических сетей, образцы дифракционных решеток с двойным брэгговским отражателем (DBR), сверхструктурированные дифракционные решетки с двойным брэгговским отражателем и перестраиваемые лазеры, интегрированные с модуляторами и усилителями, могут быть перспективными перестраиваемыми источниками света для Z.
Волоконно-оптический перестраиваемый лазер с внешней резонаторной полостью также является перспективным типом источника света, обладающим простой структурой, малой шириной линии и легким подключением к волокну. Если в резонатор можно интегрировать модулятор EA, его также можно использовать в качестве высокоскоростного перестраиваемого источника оптических солитонов. Кроме того, в последние годы достигнут значительный прогресс в разработке перестраиваемых волоконных лазеров на основе волоконных лазеров. Можно ожидать дальнейшего улучшения характеристик перестраиваемых лазеров в источниках света для оптической связи, постепенного увеличения их доли на рынке и очень блестящих перспектив применения.
Дата публикации: 31 октября 2023 г.