Лазерные диоды с распределенной обратной связью

Принцип действия лазерных диодов с распределённой обратной связью (Distributed Feedback Lasers, DFB)

В лазерах с распределённой обратной связью отражение и усиление оптического излучения осуществляется за счёт периодической модуляции показателя преломления вдоль активной области. Это достигается введением решётки Брэгга, встроенной непосредственно в структуру волновода, что позволяет реализовать селективную обратную связь только на одной длине волны. Такой подход резко отличается от традиционных лазеров на основе резонаторов Фабри-Перо, где обратная связь обеспечивается зеркалами на торцах полупроводниковой структуры.

Основной механизм действия основан на дифракции Брэгга. Периодическая структура вызывает отражение излучения при определённой длине волны, удовлетворяющей условию Брэгга:

$$ \lambda_B = \frac{2n_{\text{eff}} \Lambda}{m}, $$

где λB — резонансная длина волны, neff — эффективный показатель преломления, Λ — период решётки, m — порядок дифракции (обычно m = 1).

Таким образом, обратная связь реализуется не на уровне поверхности, а по всей длине активной зоны, что значительно повышает спектральную селективность и стабилизацию излучения.

Структура DFB-лазеров

Типичная структура DFB-лазера включает в себя следующие ключевые компоненты:

  • Активную область на основе гетероструктуры (чаще всего InGaAsP/InP или GaAs/AlGaAs);
  • Решётку Брэгга, встроенную вблизи или непосредственно внутри волновода (верхняя, нижняя или центральная интеграция);
  • Каповые (концевые) зоны, позволяющие управлять распределением мод вдоль структуры;
  • Контакты для подачи тока и теплового управления.

Важно отметить, что, в отличие от лазеров Фабри-Перо, зеркала на торцах не являются критичными для генерации — их роль минимизирована или вовсе подавлена использованием покрытий с низким коэффициентом отражения.

Преимущества DFB-лазеров

DFB-лазеры обладают рядом существенных преимуществ:

  • Одномодовая генерация. Благодаря узкой полосе отражения решётки Брэгга, возбуждается только одна продольная мода. Это крайне важно для телекоммуникаций и спектроскопии, где требуется стабильное монохроматическое излучение.
  • Стабильность длины волны. Встроенная решётка обеспечивает высокую термостабильность и независимость от флуктуаций тока и температуры.
  • Широкая спектральная настройка. За счёт изменения температуры или инжектируемого тока возможно плавное сканирование длины волны в пределах нескольких нанометров.
  • Компактность и интегрируемость. DFB-лазеры легко интегрируются в фотонные схемы и подходят для массового производства.

Типы DFB-лазеров

Существуют различные модификации лазеров с распределённой обратной связью, оптимизированные под конкретные задачи:

  • Корпусные и интегрированные DFB-лазеры. Используются как в автономных устройствах (датчики, спектрометры), так и в интегрированных оптических схемах.
  • Симметричные и асимметричные решётки. Изменение профиля решётки позволяет управлять распределением усиления и положением узла стоячей волны, повышая эффективность и стабильность.
  • С боковой и вертикальной интеграцией решётки. Геометрия встроенной решётки влияет на технологию изготовления и температурные характеристики.
  • С внешней модуляцией. Используются в волоконно-оптических системах связи для передачи данных с высокой скоростью, где генерация и модуляция оптически разделены.

Формирование и спектральные характеристики

Генерация излучения в DFB-лазерах имеет особенность — появление двух мод Брэгга, симметричных относительно центральной длины волны. Для подавления паразитной моды применяются:

  • Фазовый сдвиг в центре решётки (на π/2), что приводит к локализации моды в области максимального усиления;
  • Уменьшение отражения на торцах;
  • Ассиметричное распределение усиления вдоль длины решётки.

Спектральная ширина DFB-лазеров обычно составляет менее 1 МГц, что делает их идеальными для прецизионных применений — например, в лазерной спектроскопии, интерферометрии и метрологии.

Температурная и токовая зависимость

Длина волны излучения DFB-лазеров чувствительна к температуре и уровню инжекции:

  • Температурный коэффициент смещения длины волны: Δλ/ΔT ≈ 0, 07 − 0, 1 нм/°C;
  • Токовый коэффициент смещения: Δλ/ΔI ≈ 0, 01 − 0, 03 нм/мА.

Поэтому в системах высокой точности используется термостабилизация лазера (термоэлектрические охладители, Peltier-элементы) и стабилизация тока драйвера.

Применение DFB-лазеров

DFB-лазеры находят широкое применение в различных областях:

  • Оптические телекоммуникации. Используются как источники излучения в системах DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), где требуется плотное мультиплексирование по длине волны.
  • Газоанализ и лазерная спектроскопия. Узкая спектральная линия и возможность настройки позволяют проводить высокоточное определение концентраций газов (например, по метану, аммиаку, CO₂).
  • Лазерные гироскопы и интерферометры. Требуется высокая когерентность и стабильность длины волны.
  • Лидары. Обеспечивают узкополосное излучение, критичное для разрешения по дальности и скорости.
  • Биомедицинская диагностика. Применяются в флуоресцентной и рамановской спектроскопии.

Технологические аспекты производства

Изготовление DFB-лазеров требует высокоточной литографии и эпитаксиального роста с последующим внедрением решётки:

  1. Фотолитография и электронно-лучевая литография позволяют сформировать периодическую решётку с точностью до нескольких нанометров.
  2. Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) и жидкофазная эпитаксия (LPE) используются для выращивания активных областей с контролем толщины и состава.
  3. Селективное травление и пассивация обеспечивают долговечность и защиту структуры.
  4. Металлизация контактов и герметизация — завершающие этапы изготовления.

Точное позиционирование решётки относительно активной зоны и применение фазового сдвига критично для достижения одномодового режима генерации.

Особенности нелинейных эффектов и шумов

Несмотря на высокую стабильность, DFB-лазеры подвержены ряду нелинейных и шумовых явлений:

  • Модуляционные шумы — флуктуации амплитуды и фазы излучения, связанные с шумами тока.
  • Частотная модуляция (FM) из-за поперечного эффекта переноса носителей.
  • Спектральные сдвиги при высоких плотностях инжекции, вызванные нагревом и инжекционным спектральным перетаскиванием.

Для компенсации применяются схемы обратной связи, стабилизация температуры и токовая фильтрация.

Будущее развитие и интеграция

Современные тенденции включают интеграцию DFB-лазеров с другими фотонными компонентами на одном чипе (т.н. фотонные интегральные схемы, PICs). Это позволяет создавать миниатюрные источники когерентного излучения с низким энергопотреблением и высокой надёжностью.

Также активно развиваются:

  • Тюнируемые DFB-лазеры с электронным или механическим управлением периодом решётки;
  • Каскадные DFB-лазеры для среднего ИК-диапазона (на основе квантово-каскадных структур);
  • Гибридные кремний-фотонные решения, объединяющие кремниевую электронику с III-V активными материалами.

DFB-лазеры остаются незаменимыми источниками узкополосного и стабилизированного излучения в широчайшем диапазоне научных, промышленных и коммерческих приложений.

Оглавление