Точно настраиваемые лазеры с широким диапазоном перестройки и узкой линией излучения — ключевой элемент для многих современных технологий, от спектроскопии высокого разрешения до систем когерентной оптической связи. Ограничения лазерных сред часто сужают доступный диапазон длин волн, поэтому разработка источников, способных плавно перестраивать частоту в широком спектральном диапазоне, остается важной задачей лазерной физики.
Наибольший интерес представляют лазеры для телекоммуникационных окон S (1460–1530 нм), C (1530–1565 нм) и L (1565–1625 нм). Большинство существующих решений либо ограничены в диапазоне, либо не могут обеспечить непрерывную работу без скачков мод. Эта статья описывает полупроводниковый лазер с внешним резонатором, который решает эти проблемы, обеспечивая широкую и плавную перестройку во всех трех телекоммуникационных окнах.
Конструкция лазера и экспериментальная установка
Конструкция лазера основана на двухкомпонентной схеме: внутренняя полость для оптического усиления и внешний резонатор для селекции мод. Активная среда — полупроводниковый чип (gain chip) со скошенным торцом. На этот торец нанесено просветляющее покрытие (менее 0.005%), которое минимизирует отражения и подавляет собственную генерацию чипа, что позволяет контролировать характеристики лазера с помощью внешнего резонатора. Внешний резонатор построен по схеме Литтмана-Меткалфа, представленной на рисунке 1. Излучение от чипа усиления коллимируется асферической линзой F1 и направляется на дифракционную решётку G1. Дифрагированный луч первого порядка отражается от позолоченного зеркала M1, возвращается на решетку и затем в чип, формируя внешний резонатор с оптической обратной связью. Плавная перестройка длины волны достигается точным вращением зеркала M1 с помощью бесщеточного двигателя постоянного тока DC1.
Рисунок 1 — Схематическое изображение перестраиваемого лазера (WTSL). F1 - асферическая линза; G1 - дифракционная решетка; M1 - позолоченное поворотное зеркало; СД - волоконный светоделитель; ИМ - измеритель оптической мощности; ИДВ - измеритель длины волны; АС - анализатор оптического спектра.
Выходные характеристики анализировали, выводя излучение через другой торец чипа. Оно проходило через оптический изолятор и с помощью оптоволоконного разветвителя 50/50 разделялось на два канала. Первый канал был направлен на измеритель оптической мощности и измеритель длины волны, а второй — на анализатор оптического спектра Ceyear 6362DA. Ширину линии излучения измеряли коммерческой системой SYCATUS A0040A. Вся оптическая схема была собрана на оптических компонентах с сохранением поляризации. Для термостабилизации компоненты резонатора разместили в металлическом корпусе с охлаждением за счет элемента Пельтье.
Результаты и обсуждение
Эксперименты подтвердили высокие характеристики лазера. При токе накачки 400 мА достигнута выходная мощность свыше 10.11 дБм при низких пороговых токах для всего диапазона. Главный результат — широкий диапазон непрерывной перестройки длины волны в 180 нм (от 1450 нм до 1630 нм) без скачков мод. Этот диапазон полностью покрывает S, C и L телекоммуникационные окна, спектры излучения приведены на рисунке 2. Коэффициент подавления боковых мод (SMSR), характеризующий спектральную чистоту излучения, во всем диапазоне перестройки превышал 62.60 дБ, достигая максимума 71.03 дБ на длине волны 1590 нм.
Рисунок 3 — (A) Оптические спектры WTSL на разных резонансных длинах волн при токе накачки 400 мА. (B) Зависимость коэффициента подавления боковых мод (SMSR) от резонансной выходной длины волны при токе накачки 400 мА.
Еще одно преимущество лазера — узкая линия излучения, что показано на рисунке 3. Во всем рабочем диапазоне её ширина не превышала 32.95 кГц, а на длине волны 1570 нм было достигнуто значение 1.63 кГц. Анализ подтвердил, что предложенная конструкция полностью свободна от скачков мод на всем диапазоне перестройки.
Рисунок 4 — (A) График, демонстрирующий работу WTSL без перескока мод. (B) Зависимость собственной ширины линии излучения перестраиваемого лазера от длины волны генерации.
Заключение
Разработан и протестирован полупроводниковый лазер с плавной перестройкой длины волны без скачков мод в S+C+L диапазонах. Лазер на основе внешнего резонатора показал сочетание широкого диапазона перестройки (180 нм), высокого коэффициента подавления боковых мод (свыше 71 дБ) и узкой линии излучения (до 1.63 кГц). Эти параметры позволяют использовать лазер в высокоскоростных когерентных системах связи (1.6 Тбит/с и выше) и других областях, где требуются точные и стабильные источники излучения.
Компания INSCIENCE предлагает широкий спектр оборудования — от микроскопов и объективов до чувствительных камер и программных комплексов анализа изображений. Ознакомиться с каталогом решений можно на сайте INSCIENCE.
Для подбора оптимальной конфигурации под Ваши задачи воспользуйтесь кнопкой запроса.