Entwicklung und Marktstatus von abstimmbaren Lasern Teil zwei

Entwicklung und Marktstatus von abstimmbaren Lasern (Teil zwei)

Funktionsprinzip vonabstimmbarer Laser

Es gibt grob drei Prinzipien zur Wellenlängeneinstellung von Lasern. Die meistenabstimmbare Laserverwenden Arbeitssubstanzen mit breiten Fluoreszenzlinien. Die Resonatoren, aus denen der Laser besteht, weisen nur über einen sehr engen Wellenlängenbereich sehr geringe Verluste auf. Die erste Möglichkeit besteht daher darin, die Wellenlänge des Lasers zu ändern, indem die Wellenlänge, die dem verlustarmen Bereich des Resonators entspricht, durch Elemente (z. B. ein Gitter) geändert wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, das Energieniveau des Laserübergangs durch Änderung externer Parameter (z. B. Magnetfeld, Temperatur usw.) zu verschieben. Die dritte Möglichkeit besteht darin, nichtlineare Effekte zur Transformation und Abstimmung der Wellenlänge zu nutzen (siehe nichtlineare Optik, stimulierte Raman-Streuung, optische Frequenzverdopplung, optische parametrische Oszillation). Typische Laser des ersten Abstimmmodus sind Farbstofflaser, Chrysoberyll-Laser, Farbzentrumslaser, abstimmbare Hochdruck-Gaslaser und abstimmbare Excimerlaser.

Aus der Perspektive der Realisierungstechnologie werden abstimmbare Laser hauptsächlich in folgende Bereiche unterteilt: Stromregelungstechnologie, Temperaturregelungstechnologie und mechanische Regelungstechnologie.
Die elektronische Steuerungstechnologie ermöglicht die Wellenlängenabstimmung durch Änderung des Injektionsstroms mit NS-Abstimmgeschwindigkeit, großer Abstimmbandbreite und geringer Ausgangsleistung. Sie basiert hauptsächlich auf SG-DBR (Sampling Grating DBR) und GCSR-Lasern (Auxiliary Grating Directional Coupling Backward-Sampling Reflection). Die Temperaturregelungstechnologie verändert die Ausgangswellenlänge des Lasers durch Änderung des Brechungsindex des aktiven Laserbereichs. Diese Technologie ist einfach, aber langsam und kann mit einer schmalen Bandbreite von nur wenigen nm eingestellt werden. Die wichtigsten auf Temperaturregelungstechnologie basierenden Technologien sind:DFB-Laser(Distributed Feedback) und DBR-Laser (Distributed Bragg Reflection). Die mechanische Steuerung basiert hauptsächlich auf MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical System), um die Wellenlängenauswahl mit großer einstellbarer Bandbreite und hoher Ausgangsleistung zu ermöglichen. Die wichtigsten Strukturen auf Basis mechanischer Steuerungstechnologie sind DFB (Distributed Feedback), ECL (External Cavity Laser) und VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Im Folgenden wird das Prinzip abstimmbarer Laser anhand dieser Aspekte erläutert.

Optische Kommunikationsanwendung

Der abstimmbare Laser ist ein wichtiges optoelektronisches Bauelement in einer neuen Generation dichter Wellenlängenmultiplexsysteme und des Photonenaustauschs in rein optischen Netzwerken. Seine Anwendung erhöht die Kapazität, Flexibilität und Skalierbarkeit von Glasfaserübertragungssystemen erheblich und ermöglicht eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Abstimmung in einem breiten Wellenlängenbereich.
Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit treiben die Forschung und Entwicklung abstimmbarer Laser aktiv voran, und auf diesem Gebiet werden ständig neue Fortschritte erzielt. Die Leistung abstimmbarer Laser wird ständig verbessert und die Kosten kontinuierlich gesenkt. Derzeit werden abstimmbare Laser hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Halbleiterlaser und abstimmbare Faserlaser.
Halbleiterlaserist eine wichtige Lichtquelle in optischen Kommunikationssystemen. Sie zeichnet sich durch geringe Größe, geringes Gewicht, hohe Umwandlungseffizienz und Energieersparnis aus und lässt sich leicht in andere optoelektronische Einzelchip-Geräte integrieren. Sie kann in abstimmbare Distributed-Feedback-Laser, Distributed-Bragg-Spiegel-Laser, oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und Halbleiterlaser mit externem Resonator unterteilt werden.
Die Entwicklung des abstimmbaren Faserlasers als Verstärkungsmedium und der Halbleiterlaserdiode als Pumpquelle hat die Entwicklung von Faserlasern erheblich vorangetrieben. Der abstimmbare Laser basiert auf der 80-nm-Verstärkungsbandbreite der dotierten Faser. Das Filterelement wird der Schleife hinzugefügt, um die Laserwellenlänge zu steuern und die Wellenlängenabstimmung zu realisieren.
Die Entwicklung abstimmbarer Halbleiterlaser ist weltweit sehr aktiv und schreitet rasant voran. Da sich abstimmbare Laser hinsichtlich Kosten und Leistung allmählich an Laser mit fester Wellenlänge annähern, werden sie zwangsläufig immer häufiger in Kommunikationssystemen eingesetzt und spielen in zukünftigen rein optischen Netzwerken eine wichtige Rolle.

Entwicklungsperspektive
Es gibt viele Arten von abstimmbaren Lasern, die in der Regel durch die Einführung von Wellenlängenabstimmungsmechanismen auf der Basis verschiedener Einwellenlängenlaser weiterentwickelt werden. Einige Produkte wurden bereits international auf den Markt gebracht. Neben kontinuierlich optisch abstimmbaren Lasern wurden auch abstimmbare Laser mit integrierten Funktionen vorgestellt, beispielsweise der abstimmbare Laser mit integriertem VCSEL-Chip und elektrischem Absorptionsmodulator sowie der Laser mit integriertem Bragg-Reflektor mit Probengitter, optischem Halbleiterverstärker und elektrischem Absorptionsmodulator.
Wellenlängenabstimmbare Laser sind weit verbreitet und können in verschiedenen Systemen eingesetzt werden. Jede Struktur weist Vor- und Nachteile auf. Halbleiterlaser mit externem Resonator eignen sich aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung und der kontinuierlich abstimmbaren Wellenlänge als breitbandige Lichtquelle in Präzisionsprüfgeräten. Aus Sicht der Photonenintegration und der Entwicklung zukünftiger rein optischer Netzwerke könnten Sample-Gitter-DBR, Superstructured-Gitter-DBR und mit Modulatoren und Verstärkern integrierte abstimmbare Laser vielversprechende Lichtquellen für Z sein.
Auch der fasergitterabstimmbare Laser mit externem Resonator ist eine vielversprechende Lichtquelle mit einfacher Struktur, schmaler Linienbreite und einfacher Faserkopplung. Mit dem in den Resonator integrierten EA-Modulator lässt er sich auch als hochgeschwindigkeitsabstimmbare optische Solitonenquelle nutzen. Darüber hinaus haben abstimmbare Faserlaser auf Faserlaserbasis in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Es ist zu erwarten, dass sich die Leistung abstimmbarer Laser in optischen Kommunikationslichtquellen weiter verbessern wird und ihr Marktanteil mit vielversprechenden Anwendungsaussichten sukzessive steigt.