Láser de retroalimentación distribuida

Un láser de retroalimentación distribuida ( DFB ) es un tipo de diodo láser , láser de cascada cuántica o láser de fibra óptica en el que la región activa del dispositivo contiene un elemento estructurado periódicamente o una rejilla de difracción . Esta estructura crea una rejilla de interferencia unidimensional ( dispersión de Bragg ), que proporciona retroalimentación óptica al láser. Esta rejilla de difracción longitudinal presenta cambios periódicos en el índice de refracción que provocan la reflexión de la luz hacia la cavidad. El cambio periódico puede producirse tanto en la parte real como en la imaginaria del índice de refracción (ganancia o absorción). La rejilla más potente opera en el primer orden, donde la periodicidad es de media onda, y la luz se refleja hacia atrás. Los láseres DFB tienden a ser mucho más estables que los láseres Fabry-Perot o DBR y se utilizan con frecuencia cuando se requiere un funcionamiento monomodo limpio, especialmente en telecomunicaciones de fibra óptica de alta velocidad. Los láseres DFB semiconductores en la ventana de menor pérdida de las fibras ópticas, a  una longitud de onda de aproximadamente 1,55 μm, amplificados por amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), dominan el mercado de las comunicaciones de larga distancia, mientras que los láseres DFB en la ventana de menor dispersión, a 1,3  μm, se utilizan a distancias más cortas.

El tipo más simple de láser es un láser Fabry-Perot, donde hay dos reflectores de banda ancha en los extremos de la cavidad óptica láser . La luz rebota entre estos dos espejos y forma modos longitudinales , u ondas estacionarias. El reflector posterior generalmente tiene alta reflectividad, y el espejo frontal tiene menor reflectividad. La luz luego se escapa del espejo frontal y forma la salida del diodo láser . ^{[ 1 ]} Dado que los espejos generalmente son de banda ancha y reflejan muchas longitudes de onda, el láser admite múltiples modos longitudinales, u ondas estacionarias, simultáneamente y láser multimodo, o salta fácilmente entre modos longitudinales. Si la temperatura de un láser Fabry-Perot semiconductor cambia, las longitudes de onda que son amplificadas por el medio láser varían rápidamente. Al mismo tiempo, los modos longitudinales del láser también varían, ya que el índice de refracción también es función de la temperatura. Esto hace que el espectro sea inestable y altamente dependiente de la temperatura. En las longitudes de onda importantes de 1,55  μm y 1,3  μm, la ganancia máxima se desplaza típicamente unos 0,4  nm hacia longitudes de onda más largas a medida que aumenta la temperatura, mientras que los modos longitudinales se desplazan unos 0,1  nm hacia longitudes de onda más largas.

Si uno o ambos espejos de los extremos se reemplazan por una rejilla de difracción , la estructura se conoce como láser DBR (reflector de Bragg distribuido). Estos espejos longitudinales de rejilla de difracción reflejan la luz de vuelta a la cavidad, de forma muy similar a un recubrimiento de espejo multicapa . Los espejos de rejilla de difracción tienden a reflejar una banda de longitudes de onda más estrecha que los espejos de los extremos normales, lo que limita el número de ondas estacionarias que puede soportar la ganancia en la cavidad. Por lo tanto, los láseres DBR tienden a ser más estables espectralmente que los láseres Fabry-Perot con recubrimientos de banda ancha. Sin embargo, a medida que la temperatura o la corriente cambian en el láser, el dispositivo puede "saltar de modo", pasando de una onda estacionaria a otra. Los cambios generales con la temperatura son menores en los láseres DBR, ya que los espejos determinan qué modos longitudinales emiten láser, y cambian con el índice de refracción y no con la ganancia máxima.

En un láser DFB, la rejilla y la reflexión suelen ser continuas a lo largo de la cavidad, en lugar de estar presentes solo en los extremos. Esto modifica considerablemente el comportamiento modal y aumenta la estabilidad del láser. Existen diversos diseños de láseres DFB, cada uno con propiedades ligeramente diferentes.

Si la rejilla es periódica y continua, y los extremos del láser están recubiertos con una capa antirreflectante (AR/AR), de modo que no existe retroalimentación más allá de la propia rejilla, entonces dicha estructura admite dos modos longitudinales (degenerados) y casi siempre emite láser en dos longitudes de onda. Obviamente, un láser de dos modos no suele ser deseable. Por lo tanto, existen diversas maneras de romper esta "degeneración".

La primera consiste en inducir un desplazamiento de un cuarto de onda en la cavidad. Este desplazamiento actúa como un "defecto" y crea una resonancia en el centro del ancho de banda de reflectividad o "banda de parada". El láser emite entonces en esta resonancia y es extremadamente estable. A medida que cambian la temperatura y la corriente, la rejilla y la cavidad se desplazan juntas a una velocidad menor que la del cambio del índice de refracción, y no se producen saltos de modo. Sin embargo, se emite luz desde ambos lados de los láseres, y generalmente la luz de un lado se desperdicia. Además, crear un desplazamiento exacto de un cuarto de onda puede ser tecnológicamente difícil de lograr y a menudo requiere litografía de haz de electrones escrita directamente . Con frecuencia, en lugar de un único desplazamiento de fase de un cuarto de onda en el centro de la cavidad, se utilizan múltiples desplazamientos más pequeños distribuidos en la cavidad en diferentes ubicaciones que extienden el modo longitudinalmente y proporcionan una mayor potencia de salida.

Una forma alternativa de romper esta degeneración es recubriendo el extremo posterior del láser con un material de alta reflectividad (HR). La posición exacta de este reflector final no se puede controlar con precisión, por lo que se obtiene un desplazamiento de fase aleatorio entre la rejilla y la posición exacta del espejo final. A veces, esto conduce a un desplazamiento de fase perfecto, donde efectivamente un DFB con un desplazamiento de fase de un cuarto de onda se refleja sobre sí mismo. En este caso, toda la luz sale por la faceta frontal y se obtiene un láser muy estable. Sin embargo, en otras ocasiones, el desplazamiento de fase entre la rejilla y el espejo posterior de alta reflectividad no es óptimo, y se termina nuevamente con un láser de dos modos. Además, la fase de la escisión afecta la longitud de onda, por lo que controlar la longitud de onda de salida de un lote de láseres en la fabricación puede ser un desafío. ^{[ 2 ]} Por lo tanto, los láseres DFB HR/AR tienden a tener un bajo rendimiento y deben ser evaluados antes de su uso. Existen varias combinaciones de recubrimientos y desplazamientos de fase que se pueden optimizar para potencia y rendimiento, y generalmente cada fabricante tiene su propia técnica para optimizar el rendimiento y el rendimiento.

Para codificar datos en un láser DFB para comunicaciones por fibra óptica, generalmente se varía la corriente de excitación eléctrica para modular la intensidad de la luz. Estos láseres de modulación directa (DML) son los más sencillos y se encuentran en diversos sistemas de fibra óptica. La desventaja de modular directamente un láser es que se producen desplazamientos de frecuencia junto con los de intensidad ( chirp láser ). Estos desplazamientos de frecuencia, junto con la dispersión en la fibra, provocan la degradación de la señal a cierta distancia, limitando el ancho de banda y el alcance. Una estructura alternativa es un láser de modulación por electroabsorción (EML) que funciona de forma continua y tiene una sección separada integrada delante que absorbe o transmite la luz , de forma muy similar a un obturador óptico. Estos EML pueden operar a velocidades más altas y tienen un chirp mucho menor. En sistemas de comunicación óptica coherente de muy alto rendimiento, el láser DFB funciona de forma continua y va seguido de un modulador de fase. En el extremo receptor, un oscilador local DFB interfiere con la señal recibida y decodifica la modulación. ^{[ 3 ]} 

Una alternativa es el láser DFB con desplazamiento de fase. En este caso, ambas caras están recubiertas con una capa antirreflectante y se produce un desplazamiento de fase en la cavidad. Estos dispositivos ofrecen una reproducibilidad mucho mejor de la longitud de onda y, teóricamente, emiten en modo único.

Un láser DFB con desplazamiento de fase y un láser de longitud de onda sintonizable se demostraron por primera vez en el Instituto Tecnológico de Tokio como parte de un trabajo sobre láseres semiconductores monomodo de longitud de onda larga para la comunicación por fibra óptica. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

En los láseres de fibra DFB, la rejilla de Bragg (que en este caso también forma la cavidad del láser) presenta un desfase centrado en la banda de reflexión, similar a una única muesca de transmisión muy estrecha de un interferómetro Fabry-Pérot . Cuando se configuran adecuadamente, estos láseres operan en un único modo longitudinal con longitudes de coherencia superiores a decenas de kilómetros, limitadas esencialmente por el ruido temporal inducido por la técnica de detección de coherencia autoheterodina utilizada para medir la coherencia. Estos láseres de fibra DFB se utilizan frecuentemente en aplicaciones de detección donde se requiere un ancho de línea extremadamente estrecho.

• B. Mroziewicz, "Física de los láseres semiconductores", págs. 348–364. 1991.
• J. Carroll, J. Whiteaway y D. Plumb, "Láseres semiconductores de retroalimentación distribuida", IEE Circuits, Devices and Systems Series 10, Londres (1998)

• Láseres DFB entre 760  nm y 16  μm para aplicaciones de detección.