Was ist ein DFB-Laser?
Ein DFB-Laser ist eine Art von Laserdiode mit konstanter Wellenlänge. DFB steht für Distributed FeedBack, was übersetzt verteilte Rückkopplung bedeutet. Durch die Erzeugung von Beugungsgittern an den Grenzen der Diodenschichten kann nur die Wellenlänge des von der aktiven Schicht emittierten Lichts, die doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen den Gittern, verstärkt und ausgegeben werden. Die Ausgangswellenlänge eines DFB-Lasers ist bei einer konstanten Wellenlänge stabil, während die Wellenlänge einer normalen Laserdiode durch den angelegten Strom, die Betriebsumgebung oder Modulation gestört wird.
Anwendungen für DFB-Laser
DFB-Laser werden hauptsächlich in der optischen Kommunikation über große Entfernungen und mit hoher Kapazität eingesetzt. Der Grund für ihren Einsatz in der optischen Kommunikation ist, dass sie auch bei hohen Stromstärken, Betriebsumgebungen und schneller Modulation eine stabile Ausgangsleistung bei einer konstanten Wellenlänge beibehalten können. Weitere Anwendungen von DFB-Lasern sind die Endoskopie des Dickdarms und der Speiseröhre, die Strukturanalyse mit Hilfe der Raman-Spektroskopie, die Wellenlängenumwandlung, die Gasprüfung usw. Bei der Auswahl eines DFB-Lasers müssen der zulässige Strom, die Ausgangswellenlänge, die Anschlussklemmen, die entsprechende Betriebsumgebung und die Größe berücksichtigt werden.
Funktionsweise von DFB-Lasern
In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise von DFB-Lasern beschrieben. Wie normale Laserdioden haben DFB-Laser eine p-Typ-Mantelschicht, eine n-Typ-Mantelschicht und eine aktive Schicht zwischen diesen Schichten. p-Typ-Mantelschichten sind mit einer positiven Elektrode verbunden, n-Typ-Mantelschichten mit einem n-Typ-Substrat, und das n-Typ-Substrat ist mit einer negativen Elektrode verbunden . An den Seiten dieser Schichten befinden sich Reflektoren. Der Dfb-Laser wird so hergestellt, dass die Grenzfläche zwischen der p-Typ-Mantelschicht und der aktiven Schicht ein Beugungsgitter bildet.
Während des Betriebs wird an den Elektroden eine Vorwärtsspannung angelegt. Die angelegte Spannung bewirkt, dass Elektronen und Löcher aus den jeweiligen Mantelschichten in die aktive Schicht eintreten und Licht emittieren, wenn diese Ladungen rekombinieren. Dieses Licht wird durch die Grenzen der aktiven Schicht und die Reflektoren verstärkt. Das vom Beugungsgitter reflektierte Licht reflektiert dann nur eine bestimmte Wellenlänge, was zur Verstärkung nur einer einzigen Lichtwellenlänge führt. Das verstärkte Licht wird aus dem DFB-Laser extrahiert.
Temperatureigenschaften von DFB-Lasern
DFB-Laser zeichnen sich durch ihre extrem temperaturstabilen Wellenlängen aus: Im Bereich des Wellenlängen-Multiplexing und der kohärenten optischen Kommunikation wie WDM ist eine schmale spiegelnde Wellenlängen-Linienbreite wichtig, um das Übersprechen zwischen den Wellenlängen zu unterdrücken. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Temperaturkontrollierbarkeit der Wellenlänge.
Bei allgemeinen DFB-Lasern beträgt der Wellenlängengradient in Abhängigkeit von der Temperatur etwa 0,1 nm/ °C. Die Oszillationswellenlänge wird durch zwei Parameter bestimmt und gesteuert: die Wellenlängenanpassung durch die Periode des DFB-Lasergitters und diesen Temperaturgradienten.
Um den Einfluss der Umgebungstemperatur zu vermeiden, erfolgt die Temperaturkontrolle in der Regel über eine Überwachungsklemme wie einen Temperatur-Thermistor und ein externes Peltier-Element usw. Um Kosten und Stromverbrauch zu senken, wird jedoch auch aktiv an DFB-Lasern geforscht, die keine externe Temperaturkontrolle benötigen, sowie an Packaging-Methoden und der Verwendung neuer Verbindungshalbleitermaterialien wie Al-Basis und anderen. An DFB-Lasern, die keine externe Temperaturkontrolle benötigen, wird ebenfalls aktiv geforscht, ebenso wie an Packaging-Methoden und neuen Verbindungshalbleitermaterialien wie Al-Basis und anderen.
1550-nm-Wellenlängen für DFB-Laser
In der Welt der optischen Langstreckenkommunikation werden Wellenlängen mit möglichst geringen Übertragungsverlusten in optischen Fasern gewählt, um die Verluste bei der Kommunikation zu minimieren. Optische Fasern aus Quarz haben je nach Wellenlänge des durchgelassenen Lichts sehr unterschiedliche Verluste, und im Allgemeinen werden häufig Wellenlängen im Bereich von 1,3μ und 1,5μ verwendet. Insbesondere die Wellenlänge von 1550 nm ist eine typische Wellenlänge für langwellige DFB-Laser, da sie die geringsten Verluste aufweist.
Andere Arten von Lasern mit einer Wellenlänge von 1550 nm umfassen DFB-Laser mit einem λ/4-phasenverschobenen Beugungsgitter (Grating), das im Prinzip die Laserschwingung in einer einzigen Mode ermöglicht, und DBR-Laser, bei denen das Beugungsgitter von der Ober- und Unterseite der aktiven Schicht entfernt ist.
Vergleich mit FP-Lasern
Ein Halbleiterlaser, der oft mit DFB-Lasern verglichen wird, ist der Fabry-Perot-Laser (FB).
Die Endfläche des FP-Lasers ist eine spiralförmige Oberfläche, was bedeutet, dass sie als Spiegelfläche mit der gleichen Kristallorientierung verwendet werden kann. Der Laser schwingt in einem Resonanzspektrum bei einer bestimmten Wellenlänge, wobei ein wesentlicher Unterschied zum DFB-Laser darin besteht, dass es für FP-Laser schwierig ist, in einem vollständig einzigen Modus zu schwingen.
FP-Laser werden in optischen Aufnehmern wie CDs und DVDs, Laserdruckern usw. eingesetzt.