분산 피드백 레이저

Distributed feedback laser

분산 피드백 레이저(DFB)는 레이저 다이오드, 양자 캐스케이드 레이저 또는 광섬유 레이저의 일종으로 디바이스의 활성 영역이 주기적으로 구조화된 소자 또는 회절 격자를 포함한다.이 구조는 1차원 간섭 격자(Bragg 산란)를 구축하고, 격자는 레이저에 광학 피드백을 제공합니다.이 세로 회절 격자는 굴절률에 주기적으로 변화가 있어 공동으로 반사를 일으킨다.주기적인 변화는 굴절률의 실제 부분 또는 가상 부분(게인 또는 흡수)에 있을 수 있습니다.가장 강한 격자는 첫 번째 순서로 작동하며, 주기성은 1/2 파동이고 빛은 뒤로 반사됩니다.DFB 레이저는 Fabry-Perot 또는 DBR 레이저보다 훨씬 안정적이며 특히 고속 광섬유 통신에서 깨끗한 싱글모드 동작이 필요한 경우에 자주 사용됩니다.Erbium 도프 파이버 앰프(EDFA)에 의해 증폭된 약 1.55um 파장의 광섬유의 최저 손실 윈도우의 반도체 DFB 레이저는 장거리 통신 시장을 지배하고 있으며, 1.3um의 최저 분산 윈도우의 DFB 레이저는 단거리 통신 시장에서 사용된다.

가장 단순한 종류의 레이저는 Fabry-Perot 레이저입니다.레이싱 광공의 양 끝에 2개의 광대역 리플렉터가 있습니다.빛은 이 두 거울 사이에서 앞뒤로 튀어 나와 종방향 모드나 정파도를 형성한다.후면 리플렉터는 일반적으로 반사율이 높고 전면 미러는 반사율이 낮습니다.그런 다음 프론트 미러에서 빛이 누출되어 레이저 다이오드의 출력을 형성합니다.일반적으로 미러는 광대역으로 여러 파장을 반사하기 때문에 레이저가 여러 종파 모드 또는 정파 모드를 동시에 지원하여 멀티 모드를 레이싱하거나 종파 모드 사이를 쉽게 이동할 수 있습니다.반도체 Fabry-Perot 레이저의 온도가 변화하면 레이저 매체에 의해 증폭되는 파장은 빠르게 변화한다.동시에 굴절률도 온도의 함수이므로 레이저의 세로 모드도 변화한다.이로 인해 스펙트럼이 불안정하고 온도에 크게 의존하게 됩니다.1.55um과 1.3um의 중요한 파장에서 피크 게인은 온도가 상승함에 따라 일반적으로 더 긴 파장으로 약 0.4nm 이동하지만 세로 모드는 더 긴 파장으로 약 0.1nm 이동한다.

이들 엔드미러 중 하나 또는 양쪽을 회절격자로 대체하면 DBR 레이저(분산 브래그 리플렉터)라고 불립니다.이 세로 방향 회절 격자 거울은 다층 거울 코팅과 마찬가지로 캐비티에서 빛을 반사합니다.회절 격자 미러는 일반 엔드 미러보다 좁은 파장 대역을 반사하는 경향이 있으며, 이로 인해 공동 내 이득에 의해 지지될 수 있는 정재파의 수가 제한됩니다.따라서 DBR 레이저는 광대역 코팅이 적용된 Fabry-Perot 레이저보다 훨씬 안정적입니다.그럼에도 불구하고 레이저의 온도 또는 전류가 변화함에 따라 장치는 한 정재파에서 다른 정재파로 "모드 홉"할 수 있습니다.그러나 DBR 레이저에서는 미러에 의해 어떤 종방향 모드가 레이스되는지 결정되고 피크 게인이 아닌 굴절률에 따라 변화하기 때문에 온도와 함께 전체적인 변화는 더 낮습니다.

DFB 레이저에서 격자 및 반사는 일반적으로 양 끝에 있는 것이 아니라 공동을 따라 연속적이다.이것에 의해, 모달의 동작이 큰폭으로 변화해, 레이저의 안정성이 향상됩니다.DFB 레이저에는 다양한 디자인이 있으며 각각 특성이 약간 다릅니다.

그레이팅이 주기적이고 연속적이며 레이저의 끝부분이 반사방지(AR/AR) 코팅되어 있어 그레이팅 자체 이외의 피드백이 없는 경우 이러한 구조는 2개의 세로(축퇴) 모드와 거의 항상 2개의 파장에서 래싱을 지원합니다.2변조 레이저는 일반적으로 바람직하지 않습니다.그래서 이 "퇴폐"를 깨는 방법은 다양합니다.

첫 번째는 캐비티에 1/4 파장의 이동을 유도하는 것이다.이 위상 시프트는 "결함"과 같이 작용하여 반사율 대역폭의 중심 또는 "정지 대역"에 공명을 생성합니다.그 후, 레이저는 이 공명을 억제해, 지극히 안정적입니다.온도와 전류가 변화함에 따라 굴절률의 낮은 속도로 그레이팅과 캐비티가 함께 이동하며 모드홉은 없다.그러나 레이저의 양쪽에서 빛이 방출되어 일반적으로 한쪽에서 나오는 빛은 낭비된다.또한 정확한 1/4파 시프트를 생성하는 것은 기술적으로 어려울 수 있으며, 종종 직접 전자빔 리소그래피가 필요합니다.흔히 캐비티 중심에서 단일 1/4파 위상 편이 아니라 모드가 종방향으로 펼쳐져 더 높은 출력 전력을 제공하는 서로 다른 위치의 캐비티에서 여러 작은 시프트가 분산됩니다.

이 축퇴를 깨는 다른 방법은 레이저의 후단을 높은 반사율(HR)로 코팅하는 것입니다.이 엔드 리플렉터의 정확한 위치는 정확하게 제어할 수 없기 때문에 그레이팅과 엔드 미러의 정확한 위치 사이에서 랜덤 위상 편이를 얻을 수 있습니다.때때로 이것은 4분의 1파 위상 편이 DFB가 효과적으로 반영되는 완벽한 위상 편이로 이어진다.이 경우 모든 빛이 전면 패싯에서 나와 매우 안정적인 레이저를 얻을 수 있습니다.그러나 다른 경우에는 그레이팅과 고반사 백미러 간의 위상변화가 최적화되지 않아 다시 2변조 레이저가 발생할 수 있습니다.또, 클레이브의 위상이 파장에 영향을 미치기 때문에, 제조시에 레이저의 배지의 출력 파장을 제어하는 것이 [1]과제가 될 수 있다.따라서 HR/AR DFB 레이저는 수율이 낮은 경향이 있으며 사용하기 전에 스크리닝해야 한다.전력과 수율을 최적화 할 수 있는 코팅과 위상 이동의 조합은 다양하며, 일반적으로 각 제조업체는 성능과 수율을 최적화하는 고유한 기술을 가지고 있습니다.

광섬유 통신을 위한 DFB 레이저의 데이터를 부호화하기 위해 일반적으로 전기 구동 전류를 변화시켜 빛의 강도를 변조합니다.이러한 DML(Directly Modulated Laser)은 가장 단순한 종류로 다양한 광섬유시스템에서 볼 수 있습니다.레이저를 직접 변조하는 단점은 강도 변화(레이저 차프)와 함께 관련된 주파수 이동이 있다는 것입니다.이러한 주파수 이동은 파이버 내의 분산과 함께 일정 거리 후에 신호가 저하되어 대역폭과 범위가 제한됩니다.또 다른 구조는 레이저를 연속적으로 실행하는 전기흡수변조레이저(EML)로, 광셔터처럼 빛을 흡수하거나 투과하는 별도의 섹션이 전면에 통합되어 있습니다.이러한 EML은 고속으로 동작할 수 있어 차프음이 훨씬 낮아집니다.매우 고성능의 코히런트 광통신 시스템에서 DFB 레이저는 연속적으로 동작하며 위상변조기가 뒤따른다.수신측에서는 로컬 발진기 DFB가 수신신호를 간섭하여 복호화한다.

대체 접근법은 위상 편이 DFB 레이저입니다.이 경우 두 면 모두 반사 방지 코팅되어 있으며 캐비티에 위상 편이가 있습니다.이러한 소자는 파장에서 재현성이 훨씬 우수하며 이론적으로 싱글 모드에서 모든 라제를 사용합니다.

DFB 섬유 레이저에서 브래그 그레이팅(이 경우 레이저의 공동을 형성함)은 파브리-페로 간섭계의 매우 좁은 단일 전송 노치와 유사한 반사 대역을 중심으로 위상 편이를 가진다.적절하게 구성되면 이들 레이저는 일관성을 측정하는 데 사용되는 자기 헤테로다인 일관성 검출 기술에 의해 유발되는 시간적 노이즈에 의해 본질적으로 제한되는 수십 km를 초과하는 단일 세로 모드로 작동합니다.이러한 DFB 파이버레이저는, 극히 좁은 회선폭을 필요로 하는 검출 애플리케이션에 자주 사용됩니다.

레퍼런스

  1. ^ 예를 들어 다음과 같습니다.Yariv, Amnon (1985). Quantum Electronics (3rd ed.). New York: Holt, Reinhart and Wilson. pp. 421–429.
  • B. Mroziewicz, "반도체 레이저의 물리학", 페이지 348 - 364. 1991.
  • J. 캐롤, J. 화이트웨이, D.플럼, "분산 피드백 반도체 레이저", IEEE 회로, 디바이스 및 시스템 시리즈 10, 런던 (1998년)

외부 링크