Worldlex Wiki Un laser à rétroaction distribuée ( DFB ) est un type de diode laser , de laser à cascade quantique ou de laser à fibre optique où la région active du dispositif contient un élément périodiquement structuré ou un réseau de diffraction . La structure construit un réseau d'interférence unidimensionnel ( diffusion de Bragg ) et le réseau fournit une rétroaction optique au laser. Ce réseau de diffraction longitudinal présente des changements périodiques de l'indice de réfraction qui provoquent une réflexion dans la cavité. Le changement périodique peut être soit dans la partie réelle de l'indice de réfraction, soit dans la partie imaginaire (gain ou absorption). Le réseau le plus puissant fonctionne dans le premier ordre, où la périodicité est d'une demi-onde et la lumière est réfléchie vers l'arrière. Les lasers DFB ont tendance à être beaucoup plus stables que les lasers Fabry-Perot ou DBR et sont fréquemment utilisés lorsqu'un fonctionnement monomode propre est nécessaire, en particulier dans les télécommunications à fibre optique à haut débit. Les lasers DFB à semi-conducteurs dans la fenêtre de perte la plus faible des fibres optiques à une longueur d'onde d'environ 1,55 μm, amplifiés par des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA), dominent le marché des communications longue distance, tandis que les lasers DFB dans la fenêtre de dispersion la plus faible à 1,3 μm sont utilisés à des distances plus courtes.
Le type de laser le plus simple est un laser Fabry-Perot, où il y a deux réflecteurs à large bande aux deux extrémités de la cavité optique laser . La lumière rebondit d'avant en arrière entre ces deux miroirs et forme des modes longitudinaux , ou ondes stationnaires. Le réflecteur arrière a généralement une réflectivité élevée et le miroir avant a une réflectivité plus faible. La lumière s'échappe ensuite du miroir avant et forme la sortie de la diode laser . Étant donné que les miroirs sont généralement à large bande et réfléchissent de nombreuses longueurs d'onde, le laser prend en charge plusieurs modes longitudinaux, ou ondes stationnaires, simultanément et émet des lasers multimodes, ou passe facilement d'un mode longitudinal à l'autre. Si la température d'un laser Fabry-Perot à semi-conducteur change, les longueurs d'onde qui sont amplifiées par le milieu laser varient rapidement. Dans le même temps, les modes longitudinaux du laser varient également, car l'indice de réfraction est également fonction de la température. Cela rend le spectre instable et fortement dépendant de la température. Aux longueurs d'onde importantes de 1,55 μm et 1,3 μm, le gain de crête se déplace généralement d'environ 0,4 nm vers les longueurs d'onde plus longues à mesure que la température augmente, tandis que les modes longitudinaux se déplacent d'environ 0,1 nm vers les longueurs d'onde plus longues.
Si l'un ou les deux de ces miroirs d'extrémité sont remplacés par un réseau de diffraction , la structure est alors connue sous le nom de laser DBR (réflecteur de Bragg distribué). Ces miroirs à réseau de diffraction longitudinaux réfléchissent la lumière dans la cavité, à la manière d'un revêtement de miroir multicouche . Les miroirs à réseau de diffraction ont tendance à réfléchir une bande de longueurs d'onde plus étroite que les miroirs d'extrémité normaux, ce qui limite le nombre d'ondes stationnaires qui peuvent être supportées par le gain dans la cavité. Les lasers DBR ont donc tendance à être plus stables spectralement que les lasers Fabry-Perot avec des revêtements à large bande. Néanmoins, lorsque la température ou le courant change dans le laser, le dispositif peut « changer de mode », en passant d'une onde stationnaire à une autre. Les décalages globaux avec la température sont cependant plus faibles avec les lasers DBR, car les miroirs déterminent les modes longitudinaux laser, et ils se déplacent avec l'indice de réfraction et non avec le gain de pointe.
Dans un laser DFB, le réseau et la réflexion sont généralement continus le long de la cavité, au lieu de se trouver uniquement aux deux extrémités. Cela modifie considérablement le comportement modal et rend le laser plus stable. Il existe différentes conceptions de lasers DFB, chacune avec des propriétés légèrement différentes.
Si le réseau est périodique et continu, et que les extrémités du laser sont traitées antireflet (AR/AR), de sorte qu'il n'y a pas de rétroaction autre que le réseau lui-même, alors une telle structure prend en charge deux modes longitudinaux (dégénérés) et produit presque toujours des lasers à deux longueurs d'onde. De toute évidence, un laser à deux modes n'est généralement pas souhaitable. Il existe donc différentes manières de rompre cette « dégénérescence ».
La première consiste à induire un décalage d'un quart d'onde dans la cavité. Ce décalage de phase agit comme un « défaut » et crée une résonance au centre de la bande passante de réflectivité ou « bande d'arrêt ». Le laser émet alors à cette résonance et est extrêmement stable. Lorsque la température et le courant changent, le réseau et la cavité se décalent ensemble à la vitesse inférieure du changement d'indice de réfraction, et il n'y a pas de sauts de mode. Cependant, la lumière est émise des deux côtés des lasers, et généralement la lumière d'un côté est gaspillée. De plus, créer un décalage d'un quart d'onde exact peut être technologiquement difficile à réaliser, et nécessite souvent une lithographie par faisceau d'électrons directement écrite . Souvent, plutôt qu'un seul décalage de phase d'un quart d'onde au centre de la cavité, plusieurs décalages plus petits sont distribués dans la cavité à différents endroits qui répartissent le mode longitudinalement et donnent une puissance de sortie plus élevée.
Une autre façon de briser cette dégénérescence consiste à revêtir l'extrémité arrière du laser d'un revêtement à haute réflectivité (HR). La position exacte de ce réflecteur d'extrémité ne peut pas être contrôlée avec précision, et on obtient donc un déphasage aléatoire entre le réseau et la position exacte du miroir d'extrémité. Parfois, cela conduit à un déphasage parfait, où un DFB décalé d'un quart d'onde se réfléchit sur lui-même. Dans ce cas, toute la lumière sort par la facette avant, et on obtient un laser très stable. Dans d'autres cas, cependant, le déphasage entre le réseau et le miroir arrière à haute réflectivité n'est pas optimal, et on se retrouve avec des lasers à deux modes. De plus, la phase du clivage affecte la longueur d'onde, et donc contrôler la longueur d'onde de sortie d'un lot de lasers en fabrication peut être un défi. Ainsi, les lasers HR/AR DFB ont tendance à avoir un faible rendement et doivent être examinés avant utilisation. Il existe différentes combinaisons de revêtements et de déphasages qui peuvent être optimisés pour la puissance et le rendement, et généralement chaque fabricant a sa propre technique pour optimiser les performances et le rendement.
Pour coder des données sur un laser DFB pour les communications à fibre optique, le courant d'entraînement électrique est généralement modifié pour moduler l'intensité de la lumière. Ces lasers à modulation directe (DML) sont les plus simples et se trouvent dans divers systèmes à fibre optique. L'inconvénient de la modulation directe d'un laser est qu'il y a des décalages de fréquence associés aux décalages d'intensité ( chirp laser ). Ces décalages de fréquence, associés à la dispersion dans la fibre, provoquent une dégradation du signal après une certaine distance, limitant la bande passante et la portée. Une structure alternative est un laser modulé par électro-absorption (EML) qui fait fonctionner le laser en continu et possède une section séparée intégrée à l'avant qui absorbe ou transmet la lumière - un peu comme un obturateur optique. Ces EML peuvent fonctionner à des vitesses plus élevées et ont un chirp beaucoup plus faible. Dans les systèmes de communication optique cohérente à très haute performance, le laser DFB fonctionne en continu et est suivi d'un modulateur de phase. À l'extrémité réceptrice, un oscillateur local DFB interfère avec le signal reçu et décode la modulation.
Une approche alternative est un laser DFB à déphasage. Dans ce cas, les deux facettes sont traitées antireflet et il y a un déphasage dans la cavité. De tels dispositifs ont une bien meilleure reproductibilité en longueur d'onde et théoriquement tous les lasers sont en mode unique.
Dans les lasers à fibre DFB, le réseau de Bragg (qui dans ce cas forme également la cavité du laser) présente un déphasage centré dans la bande de réflexion semblable à une encoche de transmission unique très étroite d'un interféromètre Fabry-Pérot . Lorsqu'ils sont configurés correctement, ces lasers fonctionnent sur un seul mode longitudinal avec des longueurs de cohérence supérieures à des dizaines de kilomètres, essentiellement limitées par le bruit temporel induit par la technique de détection de cohérence auto-hétérodyne utilisée pour mesurer la cohérence. Ces lasers à fibre DFB sont souvent utilisés dans des applications de détection où une largeur de ligne extrêmement étroite est requise.
- B. Mroziewicz, « Physique des lasers à semi-conducteurs », pp. 348–364. 1991.
- J. Carroll, J. Whiteaway et D. Plumb, « Lasers à semi-conducteurs à rétroaction distribuée », IEE Circuits, Devices and Systems Series 10, Londres (1998)