У розробці вузьколінійних лазерів до сьогоднішнього дня еволюція механізмів лазерного зворотного зв’язку була синонімом еволюції структур лазерного резонатора. Нижче наведено різні конфігурації лазерних технологій з вузькою шириною лінії в порядку еволюції лазерних резонаторів.
Лазери з одним основним резонатором за структурою можна розділити на лінійні та кільцеві резонатори, а за довжиною резонатора — на короткорезонаторні та довгорезонаторні. Лазери з коротким резонатором мають великий поздовжній інтервал між модами, що є більш вигідним для досягнення роботи в одній поздовжній моді (SLM), але страждають від великої ширини лінії внутрішнього резонатора та труднощів у придушенні шуму. Структури з довгим резонатором за своєю суттю мають вузькі характеристики ширини лінії та дозволяють інтегрувати різноманітні оптичні пристрої з гнучкими конфігураціями; однак їх технічна проблема полягає в досягненні роботи SLM через надмірно малий поздовжній інтервал мод.
Будучи класичною конфігурацією головних порожнин лазера, лінійна порожнина може похвалитися такими перевагами, як проста структура, висока ефективність і легкість маніпулювання. Історично перший справжній лазерний промінь був створений з використанням лінійної порожнинної структури F-P. З наступними досягненнями в науці та техніці структура F-P була широко застосована в напівпровідникових лазерах, волоконних лазерах і твердотільних лазерах.
Кільцевий резонатор є модифікацією класичного лінійного резонатора, що дозволяє усунути недолік лінійних порожнин, пов’язаних із просторовим випалюванням отворів, шляхом заміни полів стоячих хвиль біжучими хвилями для досягнення циклічного посилення оптичних сигналів. Завдяки розробці волоконно-оптичних пристроїв волоконні лазери з гнучкими повністю волоконними структурами привернули велику увагу та стали категорією лазерів, яка найшвидше розвивається за останні два десятиліття.
Лазери з неплоським кільцевим генератором (NPRO) являють собою спеціальну конфігурацію лазера біжучої хвилі. Як правило, основна порожнина таких лазерів складається з монолітного кристала, який регулює стан поляризації лазера за допомогою відбиття торцевої поверхні кристала та зовнішнього магнітного поля для реалізації односпрямованої роботи лазера. Ця конструкція значно знижує теплове навантаження лазерного резонатора, забезпечує виняткову стабільність довжини хвилі та потужності, а також має вузьку ширину лінії.
Обмежені такими факторами, як надмірно мала довжина резонатора та високі внутрішні втрати, конфігурації лазера F-P з лінійним резонатором і одним резонатором, засновані на зворотному зв’язку всередині резонатора, страждають від обмеженого часу взаємодії фотонів і труднощів усунення спонтанного випромінювання із середовища посилення. Щоб вирішити цю проблему, дослідники запропонували єдину конфігурацію зворотного зв’язку зовнішньої порожнини. Зовнішня порожнина функціонує для подовження часу взаємодії фотонів і подачі відфільтрованих фотонів назад в основну порожнину, тим самим оптимізуючи продуктивність лазера та стискаючи ширину лінії. Ранні прості структури із зовнішнім резонатором, засновані на просторовій оптиці, такі як конфігурації Літтроу та Літтмана, використовують спектральну дисперсійну здатність решіток для повторної ін’єкції очищених лазерних сигналів у головний резонатор лазера, здійснюючи перетягування частоти на основний резонатор для досягнення стиснення ширини лінії. Пізніше ця єдина структура із зовнішнім резонатором була поширена на волоконні та напівпровідникові лазери.
Технічна проблема конфігурацій лазера зі зворотним зв’язком із одним зовнішнім резонатором полягає у фазовому узгодженні між зовнішнім і основним резонаторами. Дослідження показали, що просторова фаза сигналу зворотного зв’язку із зовнішнім резонатором має вирішальне значення для визначення порогу, частоти та відносної вихідної потужності лазера, а поздовжні моди лазера дуже чутливі до інтенсивності та фази сигналу зворотного зв’язку.
Конфігурація лазера DBR
Для підвищення стабільності лазерних систем та інтеграції пристроїв із вибіркою довжини хвилі в основну структуру резонатора була розроблена конфігурація DBR. Розроблений на основі резонатора F-P, резонатор DBR замінює дзеркала структури F-P періодичними пасивними структурами Брегга для забезпечення оптичного зворотного зв’язку. Завдяки періодичному ефекту гребінчастої фільтрації структури Брегга на моди лазерної інтерференції основний резонатор DBR за своєю природою має характеристики фільтрації. У поєднанні з великим інтервалом поздовжніх мод, що забезпечується структурою з коротким резонатором, робота SLM легко досягається. Хоча періодична структура Брегга спочатку була розроблена виключно для вибору довжини хвилі, з точки зору структури порожнини, вона також являє собою еволюцію структури з однією порожниною зі збільшеною кількістю поверхонь зворотного зв’язку.
Класифіковані за середовищем посилення, DBR-лазери включають напівпровідникові лазери та волоконні лазери. Напівпровідникові лазери мають природну перевагу в сумісності виготовлення з напівпровідниковими матеріалами та технологіями обробки мікронано. Багато процесів виробництва напівпровідників, таких як вторинна епітаксія, хімічне осадження з парової фази, ступінчаста фотолітографія, наноімпринтинг, травлення електронним променем та іонне травлення, можуть бути безпосередньо застосовані для дослідження та виготовлення напівпровідникових лазерів.
Волоконні лазери DBR з’явилися пізніше, ніж напівпровідникові лазери DBR, в основному обмежені розвитком обробки волоконних хвилеводів і технологій висококонцентрованого мультилегування. В даний час поширені методи виготовлення волоконних хвилеводів включають маскування фази кисневих дефектів і фемтосекундну лазерну обробку, тоді як технології висококонцентрованого легування волокон охоплюють модифіковане хімічне осадження з парової фази (MCVD) і поверхневе плазмове хімічне осадження з парової фази (SCVD).
Ще одна резонаторна структура на основі бреггівських граток — конфігурація DFB. Основний резонатор лазера DFB об’єднує структуру Брегга з активною областю та вводить область фазового зсуву в центрі структури для вибору довжини хвилі. Як показано на рис. 3(b), ця конфігурація характеризується вищим ступенем інтеграції та структурної єдності та пом’якшує такі проблеми, як сильний дрейф довжини хвилі та стрибок моди в структурах DBR, що робить її найбільш стабільною та практичною лазерною конфігурацією на сучасному етапі.
Технічна проблема лазерів DFB полягає у виготовленні ґратчастих структур. Існує два основні методи виготовлення решіток у напівпровідникових лазерах DBR: вторинна епітаксія та травлення поверхні. Напівпровідникові лазери зі зворотним зв’язком із відрощеною решіткою (RGF)-DFB використовують вторинну епітаксію та фотолітографічну роботу для вирощування набору решіток із низьким показником заломлення в активній області. Цей метод зберігає структуру активного шару з низькими втратами, полегшуючи виготовлення резонаторів з високою добротністю. Напівпровідникові лазери з поверхневою решіткою (SG)-DFB включають пряме травлення шару ґрат на поверхні активної області. Цей підхід є більш складним, вимагає точного налаштування відповідно до матеріалу активної області та легуючих іонів, і демонструє вищі втрати, але забезпечує міцніше оптичне обмеження та більшу здатність придушення мод.
Подібно до волоконних лазерів DBR, волоконні лазери DFB покладаються на прогрес у обробці волокон хвилеводами та технології легованих волокон з високою концентрацією. Порівняно з волоконними лазерами DBR, волоконні лазери DFB створюють більші проблеми у виготовленні решітки через характеристики поглинання довжини хвилі рідкоземельних іонів.
Лазери основного резонатора з коротким резонатором, такі як DFB і DBR, мають обмежений час взаємодії фотонів усередині резонатора, що ускладнює глибоке стиснення по ширині лінії. Щоб ще більше стиснути ширину лінії та придушити шум, такі конфігурації головного резонатора з коротким резонатором часто поєднуються зі структурами зовнішнього резонатора для оптимізації продуктивності. Звичайні структури зовнішнього резонатора включають просторові зовнішні порожнини, зовнішні порожнини волокна та хвилеводні зовнішні порожнини. До розробки волоконно-оптичних пристроїв і хвилеводних структур зовнішні резонатори переважно складалися з просторової оптики в поєднанні з дискретними оптичними компонентами. Серед них просторові структури зворотного зв’язку із зовнішнім резонатором, засновані на решітці, в основному використовують конструкції Літтроу та Літтмана, які зазвичай складаються з резонатора лазерного посилення, сполучних лінз і дифракційної решітки. Гратка, як елемент зворотного зв'язку, забезпечує налаштування довжини хвилі, вибір режиму та стиснення ширини лінії.
Крім того, просторові структури зворотного зв’язку із зовнішнім резонатором можуть включати ряд пристроїв оптичної фільтрації, таких як F-P еталони, акустооптичні/електрооптичні регульовані фільтри та інтерферометри. Ці фільтруючі пристрої за своєю природою володіють можливостями вибору режиму і можуть замінити решітки; деякі F-P еталони з високою добротністю навіть перевершують відбивні решітки у спектральному звуженні та стисненні ширини лінії.
З розвитком технології волоконно-оптичних пристроїв заміна просторових оптичних структур високоінтегрованими надійними волоконними хвилеводами або волоконними пристроями представляє ефективну стратегію для підвищення стабільності лазерної системи. Зовнішні порожнини волокон зазвичай створюють шляхом з’єднання волоконних пристроїв для формування повністю волоконної структури, що забезпечує високий рівень інтеграції, легкість обслуговування та міцну стійкість до перешкод. Структури зворотного зв’язку із зовнішнім резонатором волокон можуть бути простими волоконними контурами зворотного зв’язку або повністю волоконними резонаторами, FBG, волоконними F-P порожнинами та WGM-резонаторами.
Лазери з вузькою шириною лінії з вбудованими хвилевідними структурами зворотного зв’язку із зовнішнім резонатором привернули широку увагу завдяки меншому розміру корпусу та більш стабільній роботі. По суті, хвилевідний зворотний зв’язок із зовнішнім резонатором дотримується тих самих технічних принципів, що й волоконний зворотний зв’язок із зовнішнім резонатором, але різноманітність напівпровідникових матеріалів і мікронанотехнологій обробки дозволяють зробити більш компактні та стабільні лазерні системи, підвищуючи практичність хвилевідних лазерів зі зворотним зв’язком із зовнішнім резонатором із вузькою шириною лінії. Зазвичай використовувані напівпровідникові лазерні матеріали включають Si, Si₃N4 та сполуки III-V.
Конфігурація оптоелектронного коливального лазера — це особлива архітектура лазера зі зворотним зв’язком, де сигнал зворотного зв’язку зазвичай є електричним сигналом або одночасним оптоелектронним зворотним зв’язком. Найпершою технологією оптоелектронного зворотного зв’язку, що застосовувалася до лазерів, була техніка стабілізації частоти PDH, яка використовує електричний негативний зворотний зв’язок для регулювання довжини резонатора та фіксації частоти лазера до еталонних спектрів, таких як моди резонатора з високою добротністю та лінії поглинання холодних атомів. Завдяки налаштуванню негативного зворотного зв’язку лазерний резонатор може узгоджувати робочий стан лазера в реальному часі, зменшуючи нестабільність частоти до 10⁻¹⁷. Однак електричний зворотний зв'язок має значні обмеження, включаючи низьку швидкість реакції та надто складні сервосистеми, що включають велику кількість схем. Ці фактори призводять до високої технічної складності, суворої точності контролю та високої вартості лазерних систем. Крім того, сильна залежність системи від еталонних джерел суворо обмежує довжину хвилі лазера певними частотними точками, що ще більше обмежує його практичне застосування.
Авторське право @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. – Китайські волоконно-оптичні модулі, виробники оптоволоконних лазерів, постачальники лазерних компонентів. Усі права захищено.
