分布帰還型レーザー

分布帰還型レーザー( DFB ) は、デバイスのアクティブ領域に周期的に構造化された要素または回折格子が含まれるタイプのレーザー ダイオード、量子カスケード レーザー、または光ファイバー レーザーです。この構造により 1 次元の干渉格子 (ブラッグ散乱) が構築され、格子はレーザーに光フィードバックを提供します。この縦方向の回折格子は屈折率が周期的に変化し、それが共振器内への反​​射を引き起こします。周期的な変化は、屈折率の実数部または虚数部 (ゲインまたは吸収) のいずれかで発生します。最も強い格子は、周期が 1/2 波長である第 1 次で動作し、光は後方に反射されます。DFB レーザーは、ファブリ ペロー レーザーやDBR レーザーよりもはるかに安定している傾向があり、特に高速光ファイバー通信でクリーンなシングルモード動作が必要な場合によく使用されます。エルビウム添加光ファイバー増幅器(EDFA)によって増幅される、約 1.55 μm 波長の光ファイバーの損失が最も低い波長帯にある半導体 DFB レーザーが長距離通信市場を支配していますが、1.3 μm の分散が最も低い波長帯にある DFB レーザーは短距離で使用されています。

最も単純な種類のレーザーはファブリ・ペロー・レーザーで、レーザー光キャビティの両端に2つの広帯域反射鏡があります。光はこれら2つのミラーの間を往復し、縦モード、つまり定在波を形成します。通常、後部反射鏡の反射率は高く、前部ミラーの反射率は低くなります。光は次に前部ミラーから漏れ出し、レーザーダイオードの出力を形成します。^[1]ミラーは一般に広帯域で多くの波長を反射するため、レーザーは複数の縦モード、つまり定在波を同時にサポートし、マルチモードのレーザーを発振します。つまり、縦モード間を簡単に切り替えることができます。半導体ファブリ・ペロー・レーザーの温度が変化すると、レーザー媒体によって増幅される波長が急速に変化します。同時に、屈折率も温度の関数であるため、レーザーの縦モードも変化します。これにより、スペクトルが不安定になり、温度に大きく依存するようになります。重要な波長である 1.55 μm と 1.3 μm では、温度が上昇するとピークゲインは通常、より長い波長に約 0.4 nm 移動しますが、縦モードはより長い波長に約 0.1 nm シフトします。

これらの端面ミラーの 1 つまたは両方を回折格子に置き換えると、その構造は DBR レーザー (分布ブラッグ反射鏡) と呼ばれます。これらの縦方向の回折格子ミラーは、多層ミラーコーティングと非常によく似て、光をキャビティ内で反射します。回折格子ミラーは、通常の端面ミラーよりも狭い波長帯域を反射する傾向があり、これにより、キャビティ内のゲインによってサポートできる定在波の数が制限されます。そのため、DBR レーザーは、広帯域コーティングを備えたファブリ ペロー レーザーよりもスペクトル的に安定しています。ただし、レーザーの温度または電流が変化すると、デバイスは「モードホップ」して、ある定在波から別の定在波にジャンプする可能性があります。ただし、DBR レーザーでは、ミラーによってどの縦方向モードがレーザーを発するかが決定され、ピークゲインではなく屈折率によってシフトするため、温度による全体的なシフトは低くなります。

DFB レーザーでは、格子と反射は、両端だけではなく、キャビティに沿って連続的に行われます。これにより、モード動作が大幅に変化し、レーザーがより安定します。DFB レーザーにはさまざまな設計があり、それぞれ特性がわずかに異なります。

格子が周期的かつ連続的で、レーザーの端が反射防止 (AR/AR) コーティングされているため、格子自体以外のフィードバックがない場合、このような構造は 2 つの縦方向 (縮退) モードをサポートし、ほとんどの場合 2 つの波長でレーザーを発します。明らかに、2 モード レーザーは一般に望ましくありません。したがって、この「縮退」を解消する方法はいくつかあります。

1 つ目は、キャビティ内で 1/4 波長シフトを誘発することです。この位相シフトは「欠陥」のように機能し、反射帯域幅または「ストップ バンド」の中心に共振を作成します。レーザーはこの共振でレーザーを発し、非常に安定します。温度と電流が変化すると、格子とキャビティは屈折率の変化率が低い状態で一緒にシフトし、モード ホップは発生しません。ただし、光はレーザーの両側から放射されるため、通常、片側からの光は無駄になります。さらに、正確な 1/4 波長シフトを作成することは技術的に困難であり、直接書き込まれた電子ビーム リソグラフィーが必要になることがよくあります。多くの場合、キャビティの中心に 1 つの 1/4 波長位相シフトがあるのではなく、キャビティ内のさまざまな場所に複数の小さなシフトが分散され、モードが縦方向に広がり、出力が高くなります。

この縮退を打破する別の方法は、レーザーの背面を高反射率 (HR) にコーティングすることです。この端部反射鏡の正確な位置は正確に制御できないため、格子と端部ミラーの正確な位置との間にランダムな位相シフトが生じます。場合によっては、これによって完全な位相シフトが生じ、実質的に 1/4 波長位相シフトされた DFB がそれ自体に反射されます。この場合、すべての光が前面から出射され、非常に安定したレーザーが得られます。ただし、場合によっては、格子と高反射率の背面ミラー間の位相シフトが最適ではなく、再び 2 モード レーザーになってしまいます。さらに、劈開の位相が波長に影響するため、製造時にレーザーのバッチの出力波長を制御することが困難になることがあります。^[2]そのため、HR/AR DFB レーザーは歩留まりが低い傾向があり、使用前にスクリーニングする必要があります。コーティングと位相シフトには、出力と収量を最適化できるさまざまな組み合わせがあり、通常、各メーカーはパフォーマンスと収量を最適化する独自の技術を持っています。

光ファイバー通信用の DFB レーザーでデータをエンコードするには、通常、電気駆動電流を変化させて光の強度を変調します。これらの DML (直接変調レーザー) は最も単純な種類で、さまざまな光ファイバー システムに使用されています。レーザーを直接変調することの欠点は、強度のシフト (レーザーチャープ) とともに関連する周波数シフトが発生することです。これらの周波数シフトは、ファイバー内の分散と相まって、ある程度の距離で信号が劣化し、帯域幅と範囲が制限されます。代替構造は、レーザーを連続的に動作させ、光を吸収または透過する別のセクションが前面に統合された電気吸収変調レーザー (EML) です。これは、光シャッターに非常に似ています。これらの EML は、より高速で動作し、チャープがはるかに低くなります。非常に高性能なコヒーレント光通信システムでは、DFB レーザーが連続的に動作し、その後に位相変調器が続きます。受信側では、局部発振器 DFB が受信信号に干渉し、変調をデコードします。^[3]

代替アプローチは位相シフトDFBレーザーです。この場合、両方のファセットに反射防止コーティングが施され、キャビティ内に位相シフトがあります。このようなデバイスは波長の再現性がはるかに優れており、理論的にはすべてシングルモードでレーザーを発します。

DFB ファイバー レーザーでは、ブラッグ グレーティング(この場合はレーザーのキャビティも形成) は、ファブリ ペロー干渉計の単一の非常に狭い透過ノッチに似た、反射帯域を中心とする位相シフトを持っています。適切に構成されている場合、これらのレーザーは、コヒーレンス長が数十キロメートルを超える単一の縦モードで動作します。これは、コヒーレンスを測定するために使用される自己ヘテロダイン コヒーレンス検出技術によって誘発される時間的ノイズによって基本的に制限されます。これらの DFB ファイバー レーザーは、極端に狭い線幅が求められるセンシング アプリケーションでよく使用されます。

• B. Mroziewicz、「半導体レーザーの物理学」、pp. 348–364。1991年。
• J. キャロル、J. ホワイトアウェイ、D. プランブ、「分布帰還型半導体レーザー」、IEE 回路、デバイス、システム シリーズ 10、ロンドン (1998)

• センシング用途向け 760 nm ～ 16 μm の DFB レーザー