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 para el láser. Esta rejilla de difracción longitudinal tiene cambios periódicos en el índice de refracción que causan reflexión de regreso a 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 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 usan con frecuencia cuando se necesita un funcionamiento limpio de un solo modo, especialmente en telecomunicaciones de fibra óptica de alta velocidad. Los láseres DFB semiconductores en la ventana de menor pérdida de 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 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 dos extremos de la cavidad óptica láser . La luz rebota de un lado a otro entre estos dos espejos y forma modos longitudinales u ondas estacionarias. El reflector trasero generalmente tiene alta reflectividad y el espejo frontal tiene menor reflectividad. Luego, la luz se filtra por el espejo frontal 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 emite láser multimodo, o salta fácilmente entre modos longitudinales. Si la temperatura de un láser semiconductor Fabry-Perot 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 una 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 normalmente se desplaza alrededor de 0,4 nm hacia las longitudes de onda más largas a medida que aumenta la temperatura, mientras que los modos longitudinales se desplazan alrededor de 0,1 nm hacia las longitudes de onda más largas.
Si uno o ambos de estos espejos finales se reemplazan con una rejilla de difracción , la estructura se conoce entonces como un láser DBR (reflector de Bragg distribuido). Estos espejos de rejilla de difracción longitudinales reflejan la luz de regreso a la cavidad, de manera muy similar 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 lo tanto, los láseres DBR tienden a ser más estables espectralmente que los láseres Fabry-Perot con revestimientos de banda ancha. Sin embargo, a medida que la temperatura o la corriente cambian en el láser, el dispositivo puede "saltar 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 el láser 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 sólo 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 están recubiertos con un material antirreflejo (AR/AR), de modo que no hay retroalimentación aparte de la propia rejilla, entonces dicha estructura admite dos modos longitudinales (degenerados) y casi siempre emite láseres en dos longitudes de onda. Obviamente, un láser de dos modos no suele ser deseable, por lo que existen varias formas de romper esta "degeneración".
El primero es induciendo un desplazamiento de un cuarto de onda en la cavidad. Este desplazamiento de fase actúa como un "defecto" y crea una resonancia en el centro del ancho de banda de reflectividad o "banda de detención". El láser entonces emite láser en esta resonancia y es extremadamente estable. A medida que la temperatura y la corriente cambian, la rejilla y la cavidad se desplazan juntas a la tasa más baja del 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 se desperdicia la luz de un lado. Además, crear un desplazamiento de un cuarto de onda exacto puede ser tecnológicamente difícil de lograr, y a menudo requiere litografía de haz de electrones escrita directamente . A menudo, en lugar de un solo desplazamiento de fase de un cuarto de onda en el centro de la cavidad, múltiples desplazamientos más pequeños distribuidos en la cavidad en diferentes ubicaciones que extienden el modo longitudinalmente y brindan una mayor potencia de salida.
Una forma alternativa de romper esta degeneración es recubriendo el extremo posterior del láser con una alta reflectividad (HR). La posición exacta de este reflector final no se puede controlar con precisión, y por lo tanto se obtiene un cambio de fase aleatorio entre la rejilla y la posición exacta del espejo final. A veces esto conduce a un cambio de fase perfecto, donde efectivamente un DFB desplazado 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. En otras ocasiones, sin embargo, el cambio de fase entre la rejilla y el espejo posterior de alto reflector no es óptimo y se termina con un láser de dos modos nuevamente. Además, la fase de la hendidura 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 DFB HR/AR tienden a tener un bajo rendimiento y deben examinarse antes de su uso. Hay varias combinaciones de recubrimientos y cambios de fase que se pueden optimizar para la potencia y el 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 accionamiento eléctrico para modular la intensidad de la luz. Estos DML (láseres modulados directamente) son los tipos más simples y se encuentran en varios sistemas de fibra óptica. La desventaja de modular directamente un láser es que hay cambios de frecuencia asociados junto con los cambios de intensidad ( chirrido del láser ). Estos cambios de frecuencia, junto con la dispersión en la fibra, hacen que la señal se degrade después de cierta distancia, lo que limita 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, de forma muy similar a un obturador óptico. Estos EML pueden funcionar a velocidades más altas y tienen un chirrido mucho más bajo. En sistemas de comunicación óptica coherente de muy alto rendimiento, el láser DFB se hace funcionar de forma continua y es seguido por un modulador de fase. En el extremo 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 recubiertas con un revestimiento antirreflejo y hay un desfase en la cavidad. Estos dispositivos tienen una reproducibilidad mucho mejor en longitud de onda y, en teoría, todos los láseres funcionan en modo único.
En los láseres de fibra DFB, la rejilla de Bragg (que en este caso forma también la cavidad del láser) tiene un desplazamiento de fase centrado en la banda de reflexión similar a una única muesca de transmisión muy estrecha de un interferómetro Fabry-Pérot . Cuando se configuran correctamente, estos láseres funcionan 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 a menudo en aplicaciones de detección en las que se requiere un ancho de línea extremadamente estrecho .