В развитии лазеров с узкой шириной линии до настоящего времени эволюция механизмов лазерной обратной связи была синонимом эволюции структур лазерных резонаторов. Ниже представлены различные конфигурации лазерных технологий с узкой шириной линии в порядке развития лазерных резонаторов.
Лазеры с одним основным резонатором структурно можно разделить на линейные и кольцевые резонаторы, а по длине резонатора - на короткорезонаторные и длиннорезонаторные структуры. Лазеры с коротким резонатором имеют большой интервал между продольными модами, что более выгодно для достижения работы с одной продольной модой (SLM), но страдает от широкой ширины линии собственного резонатора и трудностей с подавлением шума. Структуры с длинными резонаторами по своей сути обладают узкими характеристиками ширины линии и позволяют интегрировать разнообразные оптические устройства с гибкими конфигурациями; однако их техническая задача заключается в обеспечении работы SLM из-за чрезмерно малого разноса продольных мод.
Являясь классической конфигурацией основных резонаторов лазера, линейный резонатор обладает такими преимуществами, как простая структура, высокая эффективность и простота манипулирования. Исторически первый настоящий лазерный луч был создан с использованием структуры линейного резонатора FP. С последующим развитием науки и техники структура FP получила широкое распространение в полупроводниковых, волоконных и твердотельных лазерах.
Кольцевой резонатор представляет собой модификацию классического линейного резонатора, в которой устранен недостаток пространственного выгорания дырок, присущий линейным резонаторам, за счет замены полей стоячих волн бегущими волнами для достижения циклического усиления оптических сигналов. Благодаря развитию волоконно-оптических устройств, волоконные лазеры с гибкой цельноволоконной структурой привлекли широкое внимание и стали самой быстрорастущей категорией лазеров за последние два десятилетия.
Лазеры с неплоским кольцевым генератором (NPRO) представляют собой специальную конфигурацию лазера бегущей волны. Обычно основной резонатор таких лазеров состоит из монолитного кристалла, который регулирует состояние поляризации лазера посредством отражения от торцевой поверхности кристалла и внешнего магнитного поля для реализации однонаправленной работы лазера. Такая конструкция значительно снижает тепловую нагрузку на лазерный резонатор, обеспечивает исключительную стабильность длины волны и мощности, а также узкую ширину линии.
Ограниченные такими факторами, как чрезмерно короткая длина резонатора и высокие собственные потери, однорезонаторные лазерные конфигурации F-P с линейным резонатором, основанные на внутрирезонаторной обратной связи, страдают от ограниченного времени взаимодействия фотонов и трудностей с устранением спонтанного излучения из усиливающей среды. Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили конфигурацию обратной связи с одним внешним резонатором. Внешний резонатор продлевает время взаимодействия фотонов и подает отфильтрованные фотоны обратно в основной резонатор, тем самым оптимизируя производительность лазера и сжимая ширину линии. Ранние простые структуры с внешним резонатором, основанные на пространственной оптике, такие как конфигурации Литтроу и Литтмана, использовали способность решеток к спектральной дисперсии для повторной подачи очищенных лазерных сигналов в основной резонатор лазера, оказывая частотное воздействие на основной резонатор для достижения сжатия ширины линии. Эта единая структура с внешним резонатором позже была распространена на волоконные и полупроводниковые лазеры.
Техническая проблема лазерных конфигураций с одиночным внешним резонатором и обратной связью заключается в согласовании фаз между внешним резонатором и основным резонатором. Исследования показали, что пространственная фаза сигнала обратной связи внешнего резонатора имеет решающее значение для определения порога лазера, частоты и относительной выходной мощности, а продольные моды лазера очень чувствительны к интенсивности и фазе сигнала обратной связи.
Конфигурация лазера DBR
Для повышения стабильности лазерных систем и интеграции устройств, селективных по длине волны, в структуру основного резонатора была разработана конфигурация DBR. Резонатор DBR, созданный на основе резонатора Ф-П, заменяет зеркала структуры Ф-П периодическими пассивными брэгговскими структурами для обеспечения оптической обратной связи. Благодаря эффекту периодической гребенчатой фильтрации брэгговской структуры на интерференционные моды лазера основной резонатор РБО по своей сути обладает фильтрующими характеристиками. В сочетании с большим расстоянием между продольными модами, обеспечиваемым структурой с коротким резонатором, легко достигается работа SLM. Хотя периодическая структура Брэгга изначально была разработана исключительно для выбора длины волны, с точки зрения структуры полости она также представляет собой эволюцию однорезонаторной структуры с увеличенным количеством поверхностей обратной связи.
Лазеры DBR классифицируются по усиливающей среде и включают полупроводниковые лазеры и волоконные лазеры. Полупроводниковые лазеры имеют естественное преимущество в совместимости с полупроводниковыми материалами и технологиями микронанообработки. Многие процессы производства полупроводников, такие как вторичная эпитаксия, химическое осаждение из паровой фазы, ступенчатая фотолитография, наноимпринтинг, электронно-лучевое травление и ионное травление, могут быть непосредственно применены для исследования и изготовления полупроводниковых лазеров.
Волоконные лазеры DBR появились позже, чем полупроводниковые лазеры DBR, что в основном ограничивалось развитием обработки волоконных волноводов и технологиями мультилегирования с высокой концентрацией. В настоящее время распространенные методы изготовления оптоволоконных волноводов включают фазовую маскировку кислородных дефектов и фемтосекундную лазерную обработку, в то время как технологии легирования волокон высокой концентрацией включают модифицированное химическое осаждение из паровой фазы (MCVD) и поверхностное плазмохимическое осаждение из паровой фазы (SCVD).
Другой структурой резонатора на основе брэгговских решеток является конфигурация DFB. Основной резонатор DFB-лазера объединяет брэгговскую структуру с активной областью и вводит область фазового сдвига в центре структуры для выбора длины волны. Как показано на рис. 3(b), эта конфигурация отличается более высокой степенью интеграции и структурного единства, а также смягчает такие проблемы, как сильный дрейф длины волны и скачок мод в структурах РБО, что делает ее наиболее стабильной и практичной лазерной конфигурацией на современном этапе.
Техническая задача DFB-лазеров заключается в изготовлении решетчатых структур. Существует два основных метода изготовления решеток в полупроводниковых лазерах DBR: вторичная эпитаксия и травление поверхности. Полупроводниковые лазеры с обратной связью по выращенной решетке (RGF)-DFB используют вторичную эпитаксию и фотолитографию для выращивания набора решеток с низким показателем преломления в активной области. Этот метод сохраняет структуру активного слоя с низкими потерями, что облегчает изготовление резонаторов с высокой добротностью. Полупроводниковые лазеры с поверхностной решеткой (SG)-DFB включают прямое травление слоя решетки на поверхности активной области. Этот подход более сложен, требует точной настройки в зависимости от материала активной области и легирующих ионов и демонстрирует более высокие потери, но при этом обеспечивает более сильное оптическое ограничение и более высокую способность подавления мод.
Подобно волоконным лазерам DBR, волоконные лазеры DFB основаны на достижениях в области обработки волоконных волноводов и технологиях легирования волокон с высокой концентрацией. По сравнению с волоконными лазерами DBR, волоконные лазеры DFB создают более серьезные проблемы при изготовлении решеток из-за характеристик поглощения длины волны редкоземельных ионов.
Лазеры с основным резонатором с коротким резонатором, такие как DFB и DBR, имеют ограниченное время взаимодействия фотонов внутри резонатора, что затрудняет глубокое сжатие по ширине линии. Для дальнейшего сжатия ширины линии и подавления шума такие конфигурации основного резонатора с коротким резонатором часто комбинируются со структурами с внешним резонатором для оптимизации производительности. Общие структуры внешних полостей включают пространственные внешние полости, внешние полости волокна и внешние полости волновода. До разработки волоконно-оптических устройств и волноводных структур внешние резонаторы преимущественно состояли из пространственной оптики в сочетании с дискретными оптическими компонентами. Среди них структуры пространственной обратной связи с внешним резонатором на основе решеток в основном используют конструкции Литтроу и Литтмана и обычно состоят из резонатора лазерного усиления, связующих линз и дифракционной решетки. Решетка, как элемент обратной связи, обеспечивает настройку длины волны, выбор режима и сжатие ширины линии.
Кроме того, пространственные структуры обратной связи с внешним резонатором могут включать в себя ряд устройств оптической фильтрации, таких как эталоны FP, акустооптические / электрооптические перестраиваемые фильтры и интерферометры. Эти фильтрующие устройства по своей сути обладают возможностью выбора режима и могут заменять решетки; некоторые эталоны F-P с высокой добротностью даже превосходят отражательные решетки по сужению спектра и сжатию ширины линии.
С развитием технологии волоконно-оптических устройств замена пространственных оптических структур высокоинтегрированными и надежными волоконными волноводами или волоконными устройствами представляет собой эффективную стратегию повышения стабильности лазерной системы. Внешние полости волокна обычно создаются путем сращивания волоконных устройств в цельноволоконную структуру, обеспечивающую высокую степень интеграции, простоту обслуживания и высокую устойчивость к помехам. Структуры обратной связи с внешним резонатором волокна могут представлять собой простую петлевую обратную связь по оптоволокну или цельноволоконные резонаторы, ВБР, оптоволоконные резонаторы F-P и резонаторы WGM.
Лазеры с узкой шириной линии и интегрированными волноводными структурами обратной связи с внешним резонатором привлекли широкое внимание благодаря меньшему размеру корпуса и более стабильной работе. По сути, волноводная обратная связь с внешним резонатором следует тем же техническим принципам, что и волоконная обратная связь с внешним резонатором, но разнообразие полупроводниковых материалов и технологий микронанообработки позволяет создавать более компактные и стабильные лазерные системы, повышая практичность волноводных лазеров с узкой шириной линии с обратной связью с внешним резонатором. Обычно используемые полупроводниковые лазерные материалы включают соединения Si, Si₃N₄ и III-V.
Конфигурация оптоэлектронного колебательного лазера представляет собой специальную лазерную архитектуру с обратной связью, где сигнал обратной связи обычно представляет собой электрический сигнал или одновременную оптоэлектронную обратную связь. Самой ранней технологией оптоэлектронной обратной связи, примененной к лазерам, была технология стабилизации частоты PDH, которая использует электрическую отрицательную обратную связь для регулировки длины резонатора и привязки частоты лазера к эталонным спектрам, таким как моды резонатора с высокой добротностью и линии поглощения холодных атомов. Благодаря настройке отрицательной обратной связи лазерный резонатор может соответствовать рабочему состоянию лазера в реальном времени, снижая нестабильность частоты до порядка 10⁻¹⁷. Однако электрическая обратная связь имеет существенные ограничения, в том числе низкую скорость отклика и слишком сложные сервосистемы, включающие обширную схему. Эти факторы приводят к высокой технической сложности, строгой точности управления и высокой стоимости лазерных систем. Более того, сильная зависимость системы от эталонных источников строго ограничивает длину волны лазера определенными частотными точками, что еще больше ограничивает ее практическую применимость.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Китайские оптоволоконные модули, производители волоконно-оптических лазеров, поставщики лазерных компонентов. Все права защищены.
