Почему блокировка длины волны ВБР остается доминирующей для мощного лазера накачки с длиной волны 980 нм

Почему блокировка длины волны ВБР остается доминирующей для мощного лазера накачки с длиной волны 980 нм, хотя DFB-лазеры обеспечивают превосходную стабилизацию длины волны. В оптической связи лазеры с распределенной обратной связью (DFB) служат основными источниками света для высокоскоростной передачи DWDM, когерентной связи и прецизионных систем оптических измерений благодаря их узкой ширине линии, работе в одной продольной моде, высокому коэффициенту подавления боковых мод (SMSR) и выдающейся длине волны. стабильность.

Однако, когда дело доходит до мощного лазера накачки, работающего на длинах волн 980 и 1480 нм, подавляющее большинство коммерческих продуктов используют лазер Фабри-Перо (FP) и архитектуру блокировки длины волны с волоконной брэгговской решеткой (FBG) вместо автономных DFB-лазеров.

В этой статье анализируется, почему DFB-лазеры, несмотря на их превосходную способность захвата длины волны, не смогли доминировать на рынке мощных лазеров накачки по трем направлениям: структура лазерного чипа, энергетические характеристики и требования применения. Как DFB-лазеры достигают стабильной выходной длины волны. Резонансный резонатор обычного FP-лазера формируется двумя сколотыми гранями чипа. Несмотря на простоту и дешевизну изготовления, FP-лазеры страдают от серьезного дрейфа длины волны, вызванного изменениями температуры, флуктуациями движущего тока и внешней оптической обратной связью, часто колеблющимися в нескольких продольных модах одновременно.

Напротив, DFB-лазеры интегрируют периодическую брэгговскую решетку непосредственно внутри полупроводникового чипа. Решетка обеспечивает избирательную по длине волны оптическую обратную связь, которая ограничивает генерацию одной продольной моды и подавляет все конкурирующие резонансные моды.

По сравнению со стандартными лазерами FP, лазеры DFB имеют следующие ключевые преимущества:

· Однопродольное излучение

· Узкая оптическая спектральная ширина линии

· Высокий СМСР

· Превосходная стабильность длины волны

Благодаря этим преимуществам DFB-лазеры являются предпочтительными источниками сигналов для высокоскоростной оптической связи, систем DWDM, а также волоконно-оптических датчиков и приложений лазерной метрологии.

Почему в лазерах накачки высокой мощности редко используются автономные DFB-чипы? Многие специалисты отрасли задаются естественным вопросом:

Если технология DFB обеспечивает надежную стабилизацию длины волны, почему почти все лазеры накачки с длиной волны 980 нм полагаются на решение FP+FBG?

Основная причина заключается в расхождении основных приоритетов производительности в разных сценариях приложений.

Передатчики связи отдают приоритет передаче данных со строгими требованиями к ширине линии, SMSR, фазовому шуму и точности длины волны.

Источники накачки для волоконных усилителей, легированных эрбием (EDFA), предназначены для обеспечения непрерывной и эффективной высокой выходной оптической мощности. Для таких насосов выходная мощность, эффективность преобразования энергии, долгосрочная надежность и стоимость производства имеют больший вес, чем сверхвысокая спектральная чистота.

Хотя высокомощные DFB-чипы технически осуществимы, увеличение выходной мощности существенно усложняет эпитаксиальную конструкцию чипов, управление температурным режимом и массовое производство, увеличивая производственные затраты и ставя под угрозу стабильность качества от партии к партии.

Таким образом, для мощных накачек с длиной волны 980 нм промышленность отдает предпочтение чипам FP с более простой структурой, которые легко поддерживают работу с высокой мощностью в сочетании с внешними ВБР для блокировки рабочей длины волны.

Механизм блокировки длины волны в ВБР. Волоконная брэгговская решетка (ВБР) представляет собой участок оптического волокна с периодической модуляцией показателя преломления, вписанной в его сердцевину. Его определяющей характеристикой является узкополосная высокая отражательная способность с центром на определенной длине волны Брэгга, в то время как свет за пределами этой полосы пропускания проходит беспрепятственно.

В конфигурации FP+FBG ВБР изготавливается на оптоволокне лазера, образуя внешний резонансный резонатор вместе с чипом FP.

Чип ФП сначала излучает широкополосное спонтанное и стимулированное излучение. Когда свет распространяется в ВБР, только фотоны вблизи центральной длины волны цели отражаются обратно в полость ФП для устойчивых колебаний; все внеполосные длины волн отфильтровываются.

Повторяющаяся избирательная обратная связь заставляет лазер стабильно генерировать энергию на длине волны Брэгга ВБР.

Эта схема блокировки внешнего резонатора значительно оптимизирует спектральные характеристики обычных FP-лазеров, обеспечивая следующие улучшения:

· Стабилизированная длина волны центральной генерации

· Суженная спектральная ширина

· Уменьшенный тепловой дрейф длины волны

· Улучшенная устойчивость к длине волны при изменении тока возбуждения

Таким образом, архитектура FP+FBG уравновешивает две важные цели производительности: высокую выходную мощность и стабильную длину волны генерации. Почему блокировка FBG универсальна для лазера накачки 980 нм. Основное применение лазера накачки 980 нм — это системы EDFA. Ионы эрбия демонстрируют пиковую эффективность поглощения около 976 нм. Серьезный дрейф длины волны источника накачки, вызванный температурой или возбуждающим током, приведет к каскаду ухудшений производительности:

· Снижение эффективности поглощения ионов эрбия

· Более низкий коэффициент оптического усиления

· Повышенный коэффициент шума

· Ухудшение общей производительности системы.

Поэтому лазер накачки должен поддерживать точную, долговременную стабильность центральной длины волны наряду с высокой выходной мощностью. Конструкция с блокировкой ВБР надежно удерживает длину волны генерации около 976 нм, сохраняя при этом высокую оптическую мощность и надежную долгосрочную надежность, что делает ее наиболее зрелым и широко распространенным техническим решением для коммерческих мощных модулей накачки 980 нм. Руководство по выбору: лазер DFB или лазер FP+FBG. Ни одна архитектура не имеет абсолютного превосходства; каждый из них оптимизирован для конкретных требований приложения.

Как показано выше, DFB-лазеры превосходны в качестве высококачественных передатчиков сигналов, тогда как устройства FP+FBG лучше подходят для применений накачки, требующих высокой мощности и стабильной длины волны.

Лазеры с внешним резонатором на основе DFB и FBG — это не конкурирующие технологии, а два зрелых технических направления, оптимизированных для отдельных случаев использования.

Для высокоскоростных оптических систем связи DFB-лазеры остаются оптимальным решением для передатчиков, поскольку используют узкую ширину линии, высокий уровень SMSR и исключительную стабильность длины волны.

Для мощного лазера накачки с длиной волны 980 нм схема FP+FBG обеспечивает высокую выходную мощность, превосходные характеристики рассеивания тепла и конкурентоспособность по цене, сохраняя при этом достаточную точность синхронизации длины волны, что объясняет ее доминирующее положение на рынке сегодня.

Не существует универсально превосходной лазерной технологии для всех сценариев — есть только оптимальное решение, адаптированное к конкретным системным требованиям. Овладение логикой проектирования, лежащей в основе различных технических архитектур, позволяет точно выбрать источник лазера в соответствии со спецификациями вашей системы.