Dlaczego blokowanie długości fali FBG pozostaje dominujące w laserze pompowym o dużej mocy 980 nm

Dlaczego blokowanie długości fali FBG pozostaje dominujące w przypadku lasera pompowego o dużej mocy 980 nm, mimo że lasery DFB zapewniają doskonałą stabilizację długości fali W komunikacji optycznej lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) służą jako główne źródła światła dla szybkiej transmisji DWDM, spójnej komunikacji i precyzyjnych optycznych systemów pomiarowych, dzięki wąskiej szerokości linii, działaniu w pojedynczym trybie podłużnym, wysokiemu współczynnikowi tłumienia trybu bocznego (SMSR) i wyjątkowej stabilności długości fali.

Jeśli jednak chodzi o laser pompowy o dużej mocy działający przy 980 nm i 1480 nm, zdecydowana większość produktów komercyjnych wykorzystuje architekturę blokowania długości fali lasera Fabry-Perot (FP) i siatkę Fibre Bragg Grating (FBG) zamiast samodzielnych laserów DFB.

W tym artykule analizowano, dlaczego lasery DFB, pomimo ich doskonałej zdolności blokowania długości fali, nie zdominowały rynku laserów pompowych dużej mocy z trzech wymiarów: struktury chipa laserowego, wydajności mocy i wymagań aplikacji. Jak lasery DFB osiągają stabilną długość fali wyjściowej Wnęka rezonansowa konwencjonalnego lasera FP jest utworzona przez dwie rozszczepione ścianki chipa. Chociaż lasery FP są proste i tanie w produkcji, charakteryzują się poważnym dryftem długości fali wywołanym zmianami temperatury, wahaniami prądu sterującego i zewnętrznym optycznym sprzężeniem zwrotnym, często oscylującym w wielu modach podłużnych jednocześnie.

Natomiast lasery DFB integrują okresową siatkę Bragga bezpośrednio w chipie półprzewodnikowym. Siatka zapewnia optyczne sprzężenie zwrotne selektywne pod względem długości fali, które ogranicza laser do jednego modu podłużnego i tłumi wszystkie konkurencyjne mody rezonansowe.

W porównaniu ze standardowymi laserami FP, lasery DFB mają kluczowe zalety, jak poniżej:

· Emisja jednomodowa podłużna

· Wąska szerokość linii widma optycznego

· Wysoki SMSR

· Doskonała stabilność długości fali

Dzięki tym zaletom lasery DFB są preferowanymi źródłami sygnału w zastosowaniach szybkiej komunikacji optycznej, systemach DWDM oraz czujnikach światłowodowych i metrologii laserowej.

Dlaczego laser pompowy o dużej mocy rzadko stosuje samodzielne chipy DFB? Wielu praktyków z branży zadaje naturalne pytanie:

Jeśli technologia DFB zapewnia niezawodną stabilizację długości fali, dlaczego prawie wszystkie lasery pompowe 980 nm opierają się na rozwiązaniu FP+FBG?

Główny powód leży w rozbieżnych priorytetach wydajności podstawowej w różnych scenariuszach zastosowań.

Przetworniki komunikacyjne nadają priorytet transmisji danych, stosując rygorystyczne wymagania dotyczące szerokości linii, SMSR, szumu fazowego i precyzji długości fali.

Źródła pomp do wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem (EDFA) zaprojektowano tak, aby zapewniały ciągłą, wydajną, wysoką moc wyjściową optyczną. W przypadku takich pomp moc wyjściowa, wydajność konwersji mocy, długoterminowa niezawodność i koszty produkcji mają większe znaczenie niż ultrawysoka czystość widmowa.

Chociaż chipy DFB o dużej mocy są technicznie wykonalne, zwiększanie mocy wyjściowej wprowadza drastyczną złożoność w projektowaniu epitaksjalnym chipów, zarządzaniu temperaturą i produkcji masowej, podnosząc koszty produkcji i pogarszając spójność poszczególnych partii.

W przypadku zastosowań pomp o dużej mocy 980 nm branża faworyzuje zatem chipy FP o z natury prostszych strukturach, które z łatwością obsługują pracę z dużą mocą, w połączeniu z zewnętrznymi FBG w celu zablokowania roboczej długości fali.

Mechanizm blokowania długości fali FBGs Fibre Bragg Grating (FBG) to odcinek światłowodu z wpisaną w jego rdzeń okresową modulacją współczynnika załamania światła. Jego charakterystyczną cechą jest wąskopasmowy współczynnik odbicia skupiony na wyznaczonej długości fali Bragga, podczas gdy światło poza tym pasmem przepustowym przechodzi bez przeszkód.

W konfiguracji FP+FBG FBG jest wytwarzany na włóknie pigtailowym lasera, tworząc zewnętrzną wnękę rezonansową wraz z chipem FP.

Chip FP najpierw emituje szerokopasmowe promieniowanie spontaniczne i stymulowane. Gdy światło rozchodzi się do FBG, tylko fotony w pobliżu centralnej długości fali celu odbijają się z powrotem do wnęki FP w celu długotrwałej oscylacji; wszystkie długości fal poza pasmem są filtrowane.

Powtarzające się selektywne sprzężenie zwrotne zmusza laser do stabilnego działania na długości fali Bragga FBG.

Ten schemat blokowania zewnętrznej wnęki znacząco optymalizuje wydajność widmową gołych laserów FP, zapewniając następujące ulepszenia:

· Stabilizowana długość fali centralnego lasera

· Wąska szerokość widmowa

· Zmniejszony dryft termiczny długości fali

· Zwiększona odporność długości fali na zmiany prądu sterującego

Architektura FP+FBG równoważy zatem dwa krytyczne cele w zakresie wydajności: wysoką moc wyjściową i stabilną długość fali lasera. Dlaczego blokowanie FBG jest uniwersalne dla lasera pompowego 980 nm Podstawowym zastosowaniem lasera pompującego 980 nm są systemy EDFA. Jony erbu wykazują szczytową skuteczność absorpcji przy około 976 nm. Poważny dryft długości fali źródła pompy wywołany temperaturą lub prądem zasilającym doprowadzi do kaskady pogorszenia wydajności:

· Zmniejszona skuteczność absorpcji jonów erbu

· Niższe wzmocnienie optyczne

· Podwyższony współczynnik szumów

· Pogorszona ogólna wydajność systemu

Dlatego laser pompujący musi utrzymywać precyzyjną, długoterminową centralną stabilność długości fali przy jednocześnie dużej mocy wyjściowej. Konstrukcja z blokadą FBG utrzymuje długość fali lasera na poziomie około 976 nm, zachowując jednocześnie wysoką moc optyczną i solidną, długoterminową niezawodność, co czyni ją najbardziej dojrzałą i powszechnie przyjętą drogą techniczną dla komercyjnych modułów pomp o dużej mocy 980 nm. Przewodnik wyboru: Laser DFB vs. Laser FP+FBG Żadna architektura nie jest absolutną przewagą; każdy jest zoptymalizowany pod kątem różnych wymagań aplikacji.

Jak pokazano powyżej, lasery DFB wyróżniają się jako wysokiej jakości nadajniki sygnału, podczas gdy urządzenia FP+FBG lepiej nadają się do zastosowań pompowych wymagających dużej mocy i stabilnej pracy na długości fali.

Lasery wnękowe oparte na DFB i FBG nie są technologiami konkurencyjnymi, ale dwiema dojrzałymi ścieżkami technicznymi zoptymalizowanymi pod kątem odrębnych przypadków użycia.

W przypadku szybkich systemów komunikacji optycznej lasery DFB pozostają optymalnym rozwiązaniem nadajnika, wykorzystując wąską szerokość linii, wysoki współczynnik SMSR i wyjątkową stabilność długości fali.

W przypadku lasera pompowego o dużej mocy 980 nm schemat FP+FBG pozwala uzyskać wysoką moc wyjściową, doskonałą wydajność rozpraszania ciepła i konkurencyjność kosztową, zachowując jednocześnie wystarczającą precyzję blokowania długości fali, co stanowi obecnie jego dominującą pozycję na rynku.

Nie ma uniwersalnej, doskonałej technologii laserowej dla wszystkich scenariuszy – istnieje jedynie optymalne rozwiązanie dostosowane do konkretnych wymagań systemowych. Opanowanie logiki projektowania stojącej za różnymi architekturami technicznymi umożliwia dokładny wybór źródła lasera zgodnie ze specyfikacjami systemu.