Zakaj zaklepanje valovne dolžine FBG ostaja prevladujoče pri visokozmogljivem laserju s črpalko 980 nm

Zakaj zaklepanje valovne dolžine FBG ostaja prevladujoče za visoko zmogljiv laser s črpalko 980 nm, čeprav laserji DFB zagotavljajo odlično stabilizacijo valovne dolžine V optičnih komunikacijah laserji s porazdeljeno povratno informacijo (DFB) služijo kot glavni viri svetlobe za hitri prenos DWDM, koherentne komunikacije in natančne optične merilne sisteme, zahvaljujoč njihovi ozki širini črte, delovanje v enem vzdolžnem načinu, visoko razmerje zatiranja stranskega načina (SMSR) in izjemna stabilnost valovne dolžine.

Vendar pa, ko gre za visoko zmogljiv laser s črpalko, ki deluje pri 980 nm in 1480 nm, velika večina komercialnih izdelkov uporablja Fabry-Perot (FP) laser in arhitekturo za zaklepanje valovne dolžine Fiber Bragg Grating (FBG) namesto samostojnih laserjev DFB.

Ta članek analizira, zakaj laserji DFB kljub svoji vrhunski zmožnosti zaklepanja valovne dolžine niso uspeli prevladati na trgu visokozmogljivih laserjev s črpalko iz treh razsežnosti: strukture laserskega čipa, zmogljivosti moči in aplikacijskih zahtev. Kako laserji DFB dosegajo stabilno izhodno valovno dolžino. Resonančno votlino običajnega laserja FP tvorita dve odcepljeni strani čipa. Laserji FP so sicer preprosti in poceni za izdelavo, vendar trpijo zaradi močnega premika valovne dolžine, ki ga povzročajo temperaturne spremembe, nihanja pogonskega toka in zunanje optične povratne informacije, ki pogosto nihajo v več vzdolžnih načinih hkrati.

Nasprotno pa laserji DFB integrirajo periodično Braggovo rešetko neposredno v polprevodniški čip. Rešetka zagotavlja glede na valovno dolžino selektivno optično povratno informacijo, ki omeji lasersko sevanje na en sam vzdolžni način in zaduši vse konkurenčne resonančne načine.

V primerjavi s standardnimi laserji FP imajo laserji DFB naslednje ključne prednosti:

· Enojno longitudinalno oddajanje

· Ozka optična spektralna širina

· Visok SMSR

· Vrhunska stabilnost valovne dolžine

Zaradi teh prednosti so laserji DFB prednostni viri signalov za hitre optične komunikacije, sisteme DWDM ter aplikacije za zaznavanje in lasersko meroslovje z optičnimi vlakni.

Zakaj visokozmogljivi laserji s črpalko redko sprejmejo samostojne čipe DFB Številni strokovnjaki v industriji postavljajo naravno vprašanje:

Če tehnologija DFB zagotavlja zanesljivo stabilizacijo valovne dolžine, zakaj se skoraj vsi laserji s črpalko 980 nm zanašajo na rešitev FP+FBG?

Glavni razlog je v različnih prioritetah delovanja jedra v različnih scenarijih uporabe.

Komunikacijski oddajniki dajejo prednost prenosu podatkov s strogimi zahtevami glede širine linije, SMSR, faznega šuma in natančnosti valovne dolžine.

Viri črpalke za ojačevalnike vlaken, dopiranih z erbijem (EDFA), so zasnovani tako, da zagotavljajo neprekinjeno, učinkovito visoko optično izhodno moč. Pri takšnih črpalkah imajo izhodna moč, učinkovitost pretvorbe energije, dolgoročna zanesljivost in stroški izdelave večjo težo kot ultravisoka spektralna čistost.

Medtem ko so visoko zmogljivi čipi DFB tehnično izvedljivi, povečevanje izhodne moči uvaja drastično zapletenost v epitaksialno zasnovo čipa, toplotno upravljanje in množično proizvodnjo, kar zvišuje proizvodne stroške in ogroža doslednost med serijami.

Za visoko zmogljive 980 nm črpalke ima industrija tako prednost čipom FP z inherentno enostavnejšimi strukturami, ki zlahka podpirajo visoko zmogljivo delovanje, skupaj z zunanjimi FBG-ji za zaklepanje delovne valovne dolžine.

Mehanizem zaklepanja valovne dolžine FBGsA Fiber Bragg Grating (FBG) je odsek optičnega vlakna s periodično modulacijo lomnega količnika, vpisano v njegovo jedro. Njegova značilnost je ozkopasovna visoka odbojnost, osredotočena na določeno Braggovo valovno dolžino, medtem ko svetloba zunaj tega prepustnega pasu neovirano prehaja skozi.

V konfiguraciji FP+FBG je FBG izdelan na laserskem vlaknu s pigtailom, da tvori zunanjo resonančno votlino skupaj s čipom FP.

FP čip najprej oddaja širokopasovno spontano in stimulirano sevanje. Ko se svetloba širi v FBG, se le fotoni blizu ciljne osrednje valovne dolžine odbijajo nazaj v votlino FP za trajno nihanje; vse valovne dolžine zunaj pasu so filtrirane.

Ponavljajoče se selektivne povratne informacije prisilijo laser k stabilnemu sevanju na Braggovi valovni dolžini FBG.

Ta shema zaklepanja zunanje votline znatno optimizira spektralno zmogljivost golih laserjev FP in zagotavlja naslednje izboljšave:

· Stabilizirana valovna dolžina centralnega laserja

· Zmanjšana spektralna širina

· Zmanjšan toplotni odmik valovne dolžine

· Izboljšana odpornost na valovne dolžine proti spremembam pogonskega toka

Arhitektura FP+FBG torej uravnoteži dva kritična cilja glede zmogljivosti: visoko izhodno moč in stabilno valovno dolžino laserja. Zakaj je zaklepanje FBG univerzalno za laser s črpalko 980 nm. Primarna uporaba laserja s črpalko 980 nm so sistemi EDFA. Erbijevi ioni kažejo največjo absorpcijsko učinkovitost okoli 976 nm. Močan odmik valovne dolžine vira črpalke, ki ga sproži temperatura ali pogonski tok, bo povzročil kaskado poslabšanj delovanja:

· Zmanjšana učinkovitost absorpcije erbijevih ionov

· Nižje ojačenje optičnega ojačanja

· Povišana vrednost hrupa

· Poslabšana splošna zmogljivost sistema

Laser s črpalko mora zato vzdrževati natančno, dolgoročno stabilnost centralne valovne dolžine poleg visoke izhodne moči. Zasnova, zaklenjena s FBG, tesno drži valovno dolžino laserja okoli 976 nm, hkrati pa ohranja visoko optično moč in robustno dolgoročno zanesljivost, zaradi česar je najbolj zrela in široko sprejeta tehnična pot za komercialne visokozmogljive module črpalke 980 nm. Vodnik po izbiri: laser DFB proti laserju FP+FBG Nobena arhitektura nima absolutne superiornosti; vsak je optimiziran za različne zahteve aplikacij.

Kot je prikazano zgoraj, se laserji DFB odlikujejo kot visokokakovostni oddajniki signala, medtem ko so naprave FP+FBG bolj primerne za aplikacije črpalk, ki zahtevajo visoko moč in stabilno delovanje valovne dolžine.

Laserji z zunanjo votlino na osnovi DFB in FBG niso konkurenčni tehnologiji, ampak dve zreli tehnični poti, optimizirani za ločene primere uporabe.

Za hitre optične komunikacijske sisteme laserji DFB ostajajo optimalna rešitev za oddajnike, saj izkoriščajo njihovo ozko širino črte, visok SMSR in izjemno stabilnost valovne dolžine.

Pri visoko zmogljivem laserju s črpalko 980 nm shema FP+FBG dosega visoko izhodno moč, vrhunsko zmogljivost odvajanja toplote in stroškovno konkurenčnost, hkrati pa ohranja zadostno natančnost zaklepanja valovne dolžine, kar je razlog za njen prevladujoč položaj na trgu danes.

Univerzalno vrhunske laserske tehnologije za vse scenarije ni – samo optimalna rešitev, prilagojena specifičnim sistemskim zahtevam. Obvladovanje načrtovalske logike za različnimi tehničnimi arhitekturami omogoča natančno izbiro laserskega vira, ki je usklajen s specifikacijami vašega sistema.