Entwicklung und Marktstatus von abstimmbaren Lasern Teil zwei

Entwicklung und Marktstatus von abstimmbaren Lasern (Teil zwei)

Funktionsprinzip vonabstimmbarer Laser

Es gibt im Wesentlichen drei Prinzipien zur Abstimmung der Laserwellenlänge. Die meistenabstimmbare LaserEs werden Arbeitssubstanzen mit breiten Fluoreszenzlinien verwendet. Die Resonatoren des Lasers weisen nur in einem sehr schmalen Wellenlängenbereich sehr geringe Verluste auf. Daher besteht die erste Möglichkeit darin, die Wellenlänge des Lasers zu verändern, indem die Wellenlänge im verlustarmen Bereich des Resonators mithilfe von Elementen (z. B. einem Gitter) angepasst wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, das Energieniveau des Laserübergangs durch Änderung externer Parameter (z. B. Magnetfeld, Temperatur) zu verschieben. Die dritte Möglichkeit ist die Nutzung nichtlinearer Effekte zur Wellenlängentransformation und -abstimmung (siehe nichtlineare Optik, stimulierte Raman-Streuung, optische Frequenzverdopplung, optische parametrische Oszillation). Typische Laser der ersten Abstimmungsmethode sind Farbstofflaser, Chrysoberylllaser, Farbzentrumslaser, abstimmbare Hochdruckgaslaser und abstimmbare Excimerlaser.

Aus Sicht der Realisierungstechnologie lassen sich abstimmbare Laser hauptsächlich in folgende Kategorien unterteilen: Stromregelungstechnik, Temperaturregelungstechnik und mechanische Regelungstechnik.
Die elektronische Steuerungstechnologie ermöglicht die Wellenlängenabstimmung durch Änderung des Injektionsstroms. Sie zeichnet sich durch eine Abstimmgeschwindigkeit im Nanosekundenbereich, eine große Bandbreite, aber eine geringe Ausgangsleistung aus. Zu den auf dieser Technologie basierenden Lasern zählen SG-DBR (Sampling Grating DBR) und GCSR (Auxiliary Grating Directional Coupling Back-Sampling Reflection). Die Temperatursteuerungstechnologie verändert die Ausgangswellenlänge des Lasers durch Änderung des Brechungsindex der aktiven Zone. Diese Technologie ist einfach, aber langsam und ermöglicht eine schmale Bandbreite von nur wenigen Nanometern. Die wichtigsten auf der Temperatursteuerungstechnologie basierenden Laser sind:DFB-Laser(Verteilte Rückkopplung) und DBR-Laser (Verteilte Bragg-Reflexion). Die mechanische Steuerung basiert hauptsächlich auf MEMS-Technologie (Mikroelektromechanische Systeme) zur Wellenlängenauswahl und ermöglicht eine große, einstellbare Bandbreite sowie hohe Ausgangsleistung. Zu den wichtigsten Strukturen, die auf mechanischer Steuerungstechnologie beruhen, gehören DFB (Verteilte Rückkopplung), ECL (Externer Resonatorlaser) und VCSEL (Vertikal-Oberflächenemissionslaser). Im Folgenden wird das Funktionsprinzip abstimmbarer Laser anhand dieser Aspekte erläutert.

Optische Kommunikationsanwendung

Der abstimmbare Laser ist ein Schlüsselbauelement in der neuen Generation dichter Wellenlängenmultiplexsysteme und im Photonenaustausch optischer Netze. Seine Anwendung erhöht die Kapazität, Flexibilität und Skalierbarkeit von Glasfaserübertragungssystemen erheblich und ermöglicht eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Abstimmung über einen weiten Wellenlängenbereich.
Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit fördern aktiv die Forschung und Entwicklung von abstimmbaren Lasern, und in diesem Bereich werden stetig neue Fortschritte erzielt. Die Leistung abstimmbarer Laser wird kontinuierlich verbessert und die Kosten sinken stetig. Derzeit werden abstimmbare Laser hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Halbleiterlaser und Faserlaser.
HalbleiterlaserDer Laser ist eine wichtige Lichtquelle in optischen Kommunikationssystemen und zeichnet sich durch geringe Größe, niedriges Gewicht, hohe Umwandlungseffizienz und Energieeinsparung aus. Er lässt sich leicht in optoelektronische Chip-Integrationen mit anderen Geräten integrieren. Man unterscheidet abstimmbare DFB-Laser, DBR-Laser, VSEEL-Laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit Mikromotorsystem und externe Halbleiterlaser.
Die Entwicklung des abstimmbaren Faserlasers als Verstärkungsmedium und der Halbleiterlaserdiode als Pumpquelle hat die Entwicklung von Faserlasern maßgeblich vorangetrieben. Der abstimmbare Laser basiert auf der 80-nm-Verstärkungsbandbreite der dotierten Faser. Durch Hinzufügen eines Filterelements in die Schleife lässt sich die Laserwellenlänge steuern und somit die Wellenlängenabstimmung realisieren.
Die Entwicklung abstimmbarer Halbleiterlaser schreitet weltweit sehr aktiv und rasant voran. Da abstimmbare Laser hinsichtlich Kosten und Leistung immer näher an Laser mit fester Wellenlänge heranrücken, werden sie unweigerlich zunehmend in Kommunikationssystemen eingesetzt und eine wichtige Rolle in zukünftigen optischen Netzen spielen.

Entwicklungsperspektiven
Es gibt viele Arten von abstimmbaren Lasern, die im Allgemeinen durch die Integration von Wellenlängenabstimmmechanismen auf Basis verschiedener Einzelwellenlängenlaser entwickelt werden. Einige dieser Laser sind bereits international auf dem Markt erhältlich. Neben der Entwicklung von kontinuierlichen optischen abstimmbaren Lasern wurden auch abstimmbare Laser mit integrierten Zusatzfunktionen vorgestellt, beispielsweise Laser, die einen VCSEL-Chip und einen elektrischen Absorptionsmodulator integrieren, sowie Laser, die einen Bragg-Reflektor mit Probengitter, einen optischen Halbleiterverstärker und einen elektrischen Absorptionsmodulator kombinieren.
Da abstimmbare Laser weit verbreitet sind, können abstimmbare Laser verschiedener Strukturen in unterschiedlichen Systemen eingesetzt werden, wobei jede Struktur Vor- und Nachteile aufweist. Externe Halbleiterlaser eignen sich aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung und der kontinuierlich abstimmbaren Wellenlänge als breitbandige, abstimmbare Lichtquelle in Präzisionsmessgeräten. Im Hinblick auf die Photonenintegration und die Anforderungen zukünftiger optischer Netzwerke stellen Probengitter-DBR, superstrukturierte Gitter-DBR und mit Modulatoren und Verstärkern integrierte abstimmbare Laser vielversprechende Lichtquellen für Z dar.
Faserlaser mit externem Resonator und abstimmbarem Gitter sind ebenfalls vielversprechende Lichtquellen. Sie zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau, eine geringe Linienbreite und eine einfache Faserkopplung aus. Durch die Integration eines EA-Modulators in den Resonator können sie auch als schnell abstimmbare optische Solitonenquelle eingesetzt werden. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte bei abstimmbaren Faserlasern erzielt. Es ist zu erwarten, dass sich die Leistungsfähigkeit abstimmbarer Laser in optischen Kommunikationslichtquellen weiter verbessert und ihr Marktanteil stetig wächst, was vielversprechende Anwendungsperspektiven eröffnet.