Un láser de retroalimentación distribuida ( DFB ) es un tipo de diodo láser , láser de cascada cuántica o láser de fibra óptica donde la región activa del dispositivo contiene un elemento periódicamente estructurado o rejilla de difracción . La estructura construye una rejilla de interferencia unidimensional ( dispersión de Bragg ) y la rejilla proporciona retroalimentación óptica al láser. Esta rejilla de difracción longitudinal tiene cambios periódicos en el índice de refracción que provocan la reflexión nuevamente dentro de la cavidad. El cambio periódico puede ser en la parte real del índice de refracción o en la parte imaginaria (ganancia o absorción). La rejilla más fuerte 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 necesita un funcionamiento limpio de modo único, especialmente en telecomunicaciones de fibra óptica de alta velocidad. Los láseres semiconductores DFB en la ventana de pérdida más baja de las fibras ópticas con 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 dispersión más baja con 1,3 μm se utilizan en distancias más cortas.
El tipo de láser más simple es el láser de Fabry-Perot, donde hay dos reflectores de banda ancha en los dos extremos de la cavidad óptica del láser . La luz rebota hacia adelante y hacia atrás entre estos dos espejos y forma modos longitudinales u ondas estacionarias. El reflector trasero generalmente tiene una alta reflectividad y el espejo frontal tiene una reflectividad más baja. La luz sale entonces del espejo delantero y forma la salida del diodo láser . [1] Dado que los espejos son generalmente de banda ancha y reflejan muchas longitudes de onda, el láser admite múltiples modos longitudinales, u ondas estacionarias, simultáneamente y láseres multimodo, o salta fácilmente entre modos longitudinales. Si la temperatura de un láser semiconductor de Fabry-Perot cambia, las longitudes de onda amplificadas por el medio láser varían rápidamente. Al mismo tiempo, los modos longitudinales del láser también varían, ya que el índice de refracción también depende 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 normalmente se mueve aproximadamente 0,4 nm hacia las longitudes de onda más largas a medida que aumenta la temperatura, mientras que los modos longitudinales se desplazan aproximadamente 0,1 nm hacia las longitudes de onda más largas.
Si uno o ambos espejos finales 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 parecida a un revestimiento de espejo multicapa . Los espejos de rejilla de difracción tienden a reflejar una banda de longitudes de onda más estrecha que los espejos finales normales, y esto limita el número de ondas estacionarias que pueden ser soportadas por la ganancia en la cavidad. Por tanto, los láseres DBR tienden a ser más estables espectralmente que los láseres de Fabry-Perot con recubrimientos de banda ancha. Sin embargo, a medida que la temperatura o la corriente cambian en el láser, el dispositivo puede "cambiar de modo", saltando de una onda estacionaria a otra. Sin embargo, los cambios generales con la temperatura son menores con los láseres DBR, ya que los espejos determinan qué modos longitudinales emiten y cambian con el índice de refracción y no con la ganancia máxima.
En un láser DFB, la rejilla y la reflexión son generalmente continuas a lo largo de la cavidad, en lugar de estar solo en los dos extremos. Esto cambia considerablemente el comportamiento modal y hace que el láser sea más estable. Existen varios diseños de láseres DFB, cada uno con propiedades ligeramente diferentes.
Si la rejilla es periódica y continua, y los extremos del láser tienen un revestimiento antirreflectante (AR/AR), por lo que no hay retroalimentación más que la propia rejilla, entonces dicha estructura admite dos modos longitudinales (degenerados) y casi siempre láseres de dos longitudes de onda. Obviamente, un láser de dos modos generalmente no es deseable. Hay, pues, varias maneras de romper esta "degeneración".
La primera es induciendo un desplazamiento de un cuarto de onda en la cavidad. Este cambio de fase actúa como un "defecto" y crea una resonancia en el centro del ancho de banda de reflectividad o "banda de parada". Luego, el láser emite esta resonancia y es extremadamente estable. A medida que cambian la temperatura y la corriente, la rejilla y la cavidad se desplazan juntas a la menor tasa de cambio del índice de refracción y no hay saltos de modo. Sin embargo, la luz se emite 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 una litografía por haz de electrones escrita directamente . A menudo, en lugar de un único cambio de fase de un cuarto de onda en el centro de la cavidad, se producen múltiples cambios más pequeños distribuidos en la cavidad en diferentes ubicaciones que extienden el modo longitudinalmente y dan una mayor potencia de salida.
Una forma alternativa de romper esta degeneración es recubrir la parte posterior del láser con una alta reflectividad (HR). La posición exacta de este reflector extremo no se puede controlar con precisión, por lo que se obtiene un cambio de fase aleatorio entre la rejilla y la posición exacta del espejo extremo. A veces esto conduce a un cambio de fase perfecto, donde efectivamente un DFB desfasado en 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. En otras ocasiones, sin embargo, el cambio de fase entre la rejilla y el espejo trasero altamente reflectante no es óptimo y uno vuelve a tener láseres de dos modos. Además, la fase de escisión afecta la longitud de onda y, por lo tanto, 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 HR/AR DFB tienden a tener un rendimiento bajo y deben examinarse antes de su uso. Existen varias combinaciones de recubrimientos y cambios de fase que se pueden optimizar en términos de potencia y rendimiento y, en general, cada fabricante tiene su propia técnica para optimizar el rendimiento y el rendimiento.
Para codificar datos en un láser DFB para comunicaciones de fibra óptica, generalmente se varía la corriente del accionamiento eléctrico para modular la intensidad de la luz. Estos DML (láseres de modulación directa) son los más simples y se encuentran en varios sistemas de fibra óptica. La desventaja de modular directamente un láser es que, además de los cambios de intensidad, existen cambios de frecuencia asociados ( chirrido del láser ). Estos cambios de frecuencia, junto con la dispersión en la fibra, hacen que la señal se degrade después de cierta distancia, limitando el ancho de banda y el alcance. Una estructura alternativa es un láser modulado por electroabsorción (EML) que hace funcionar el láser de forma continua y tiene una sección separada integrada en el frente que absorbe o transmite la luz, muy parecido a un obturador óptico. Estos EML pueden funcionar a velocidades más altas y tener un chirrido mucho más bajo. En los 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 lado receptor, un oscilador local DFB interfiere con la señal recibida y decodifica la modulación. [3]
Un enfoque alternativo es un láser DFB desfasado. En este caso, ambas facetas están revestidas antirreflectantes y se produce un cambio de fase en la cavidad. Estos dispositivos tienen una reproducibilidad mucho mejor en longitud de onda y, en teoría, todos funcionan en modo único.
En los láseres de fibra DFB, la rejilla de Bragg (que en este caso también forma la cavidad del láser) tiene un cambio de fase centrado en la banda de reflexión similar a una única muesca de transmisión muy estrecha de un interferómetro de Fabry-Pérot . Cuando se configuran correctamente, estos láseres funcionan en un único modo longitudinal con longitudes de coherencia superiores a decenas de kilómetros, esencialmente limitados 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 a menudo en aplicaciones de detección donde se requiere un ancho de línea extremadamente estrecho.