ประวัติการพัฒนาของเลเซอร์ Linewidth แบบแคบ

ในการพัฒนาเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นตรงแคบจนถึงปัจจุบัน วิวัฒนาการของกลไกการป้อนกลับของเลเซอร์มีความหมายเหมือนกันกับวิวัฒนาการของโครงสร้างตัวสะท้อนกลับของเลเซอร์ ด้านล่าง มีการนำเสนอการกำหนดค่าต่างๆ ของเทคโนโลยีเลเซอร์ความกว้างเส้นแคบตามลำดับวิวัฒนาการของเครื่องสะท้อนเสียงเลเซอร์

การกำหนดค่าช่องหลักเดี่ยว

เลเซอร์ช่องหลักเดี่ยวสามารถแบ่งโครงสร้างออกเป็นช่องเชิงเส้นและช่องวงแหวน และตามความยาวของช่อง ออกเป็นโครงสร้างช่องสั้นและช่องยาว เลเซอร์ช่องสั้นมีระยะห่างของโหมดตามยาวขนาดใหญ่ ซึ่งมีข้อได้เปรียบมากกว่าสำหรับการดำเนินการในโหมดตามยาวเดี่ยว (SLM) แต่ต้องทนทุกข์ทรมานจากความกว้างของเส้นช่องภายในที่กว้างและความยากลำบากในการลดเสียงรบกวน โครงสร้างช่องยาวแสดงคุณลักษณะความกว้างของเส้นสายที่แคบโดยเนื้อแท้ และช่วยให้สามารถรวมอุปกรณ์ออพติคัลที่หลากหลายเข้ากับการกำหนดค่าที่ยืดหยุ่น อย่างไรก็ตาม ความท้าทายทางเทคนิคอยู่ที่การบรรลุการดำเนินการ SLM เนื่องจากมีระยะห่างโหมดตามยาวน้อยเกินไป

เนื่องจากเป็นการกำหนดค่าแบบคลาสสิกของช่องหลักของเลเซอร์ ช่องเชิงเส้นตรงจึงมีข้อดี เช่น โครงสร้างที่เรียบง่าย ประสิทธิภาพสูง และการจัดการที่ง่ายดาย ในอดีต ลำแสงเลเซอร์จริงตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดยใช้โครงสร้างช่องเชิงเส้น F-P ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในเวลาต่อมา โครงสร้าง FP จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์ไฟเบอร์ และเลเซอร์โซลิดสเตต

ช่องวงแหวนเป็นการดัดแปลงช่องเชิงเส้นแบบคลาสสิก โดยเอาชนะข้อเสียเปรียบที่เกิดจากการเผาไหม้ของรูเชิงพื้นที่ของช่องเชิงเส้นโดยการแทนที่สนามคลื่นนิ่งด้วยคลื่นเคลื่อนที่เพื่อให้ได้สัญญาณขยายแบบไซคลิก ด้วยแรงผลักดันจากการพัฒนาอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติก เลเซอร์ไฟเบอร์ที่มีโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดที่มีความยืดหยุ่น ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง และกลายเป็นเลเซอร์ประเภทที่เติบโตเร็วที่สุดในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา

เลเซอร์ออสซิลเลเตอร์วงแหวนที่ไม่ใช่ระนาบ (NPRO) แสดงถึงการกำหนดค่าเลเซอร์คลื่นเคลื่อนที่แบบพิเศษ โดยทั่วไป ช่องหลักของเลเซอร์ดังกล่าวประกอบด้วยคริสตัลเสาหิน ซึ่งควบคุมสถานะโพลาไรเซชันของเลเซอร์ผ่านการสะท้อนที่ปลายคริสตัลและสนามแม่เหล็กภายนอกเพื่อให้ทราบถึงการทำงานของเลเซอร์ในทิศทางเดียว การออกแบบนี้ช่วยลดภาระความร้อนของเครื่องสะท้อนเสียงแบบเลเซอร์ได้อย่างมาก ให้ความเสถียรที่ยอดเยี่ยมในด้านความยาวคลื่นและกำลังไฟฟ้า และโดดเด่นด้วยคุณลักษณะความกว้างของเส้นที่แคบ

การกำหนดค่าผลป้อนกลับช่องภายนอกเดี่ยว

ถูกจำกัดด้วยปัจจัยต่างๆ เช่น ความยาวช่องที่สั้นเกินไปและการสูญเสียจากภายในสูง การกำหนดค่าเลเซอร์ช่องเดียวเชิงเส้นของ FP ที่อิงตามการป้อนกลับภายในช่อง ต้องทนทุกข์ทรมานจากเวลาปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนที่จำกัด และความยากลำบากในการกำจัดการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองจากตัวกลางที่ได้รับ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้เสนอการกำหนดค่าป้อนกลับช่องภายนอกแบบเดียว ช่องภายนอกทำหน้าที่ยืดเวลาปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนและป้อนโฟตอนที่ถูกกรองกลับเข้าไปในช่องหลัก ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเลเซอร์และบีบอัดความกว้างของเส้น โครงสร้างช่องภายนอกที่เรียบง่ายในยุคแรกๆ ที่ใช้ทัศนศาสตร์เชิงพื้นที่ เช่น การกำหนดค่า Littrow และ Littman ใช้ความสามารถในการกระจายสเปกตรัมของตะแกรงเพื่อนำสัญญาณเลเซอร์บริสุทธิ์กลับเข้าไปในช่องหลักของเลเซอร์ โดยใช้ความถี่ในการดึงบนช่องหลักเพื่อให้ได้การบีบอัดความกว้างของเส้น โครงสร้างช่องภายนอกเดี่ยวนี้ถูกขยายไปยังเลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในภายหลัง

ความท้าทายทางเทคนิคของการกำหนดค่าเลเซอร์ป้อนกลับช่องภายนอกเดี่ยวอยู่ที่การจับคู่เฟสระหว่างช่องภายนอกและช่องหลัก การศึกษาพบว่าระยะเชิงพื้นที่ของสัญญาณป้อนกลับช่องภายนอกมีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดเกณฑ์เลเซอร์ ความถี่ และกำลังเอาต์พุตสัมพัทธ์ และโหมดเลเซอร์ตามยาวมีความไวสูงต่อความเข้มและเฟสของสัญญาณป้อนกลับ

การกำหนดค่าเลเซอร์ DBR

เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของระบบเลเซอร์และรวมอุปกรณ์เลือกความยาวคลื่นเข้ากับโครงสร้างช่องหลัก การกำหนดค่า DBR จึงได้รับการพัฒนา ได้รับการออกแบบโดยใช้ตัวสะท้อนเสียง F-P ตัวสะท้อนเสียง DBR จะแทนที่กระจกของโครงสร้าง F-P ด้วยโครงสร้าง Bragg แบบพาสซีฟเป็นระยะเพื่อให้สัญญาณป้อนกลับทางแสง เนื่องจากผลการกรองแบบหวีเป็นระยะของโครงสร้าง Bragg ในโหมดการรบกวนด้วยเลเซอร์ ช่องหลักของ DBR จึงมีคุณสมบัติการกรองโดยธรรมชาติ เมื่อรวมกับระยะห่างโหมดตามยาวขนาดใหญ่ที่เกิดจากโครงสร้างช่องสั้น การดำเนินการ SLM ก็สามารถทำได้ทันที แม้ว่าโครงสร้าง Bragg แบบคาบจะได้รับการออกแบบมาเฉพาะสำหรับการเลือกความยาวคลื่นเท่านั้น แต่จากมุมมองของโครงสร้างโพรง แต่ยังแสดงถึงวิวัฒนาการของโครงสร้างโพรงเดียวด้วยจำนวนพื้นผิวป้อนกลับที่เพิ่มขึ้น

จำแนกตามสื่อที่ได้รับ เลเซอร์ DBR รวมถึงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลเซอร์ไฟเบอร์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อได้เปรียบตามธรรมชาติในการผลิตที่เข้ากันได้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลไมโครนาโน กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์หลายอย่าง เช่น การกัดผิวชั้นที่สอง การสะสมไอสารเคมี ขั้นตอนการพิมพ์หิน การพิมพ์นาโน การกัดลำแสงอิเล็กตรอน และการกัดไอออน สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับการวิจัยและการผลิตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้โดยตรง

เลเซอร์ไฟเบอร์ DBR เกิดขึ้นช้ากว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DBR ซึ่งส่วนใหญ่ถูกจำกัดโดยการพัฒนาของการประมวลผลท่อนำคลื่นไฟเบอร์และเทคโนโลยีการเติมสารโด๊ปหลายความเข้มข้นสูง ปัจจุบัน เทคนิคการผลิตท่อนำคลื่นไฟเบอร์ทั่วไป ได้แก่ การมาสก์เฟสที่มีข้อบกพร่องของออกซิเจน และการประมวลผลด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที ในขณะที่เทคโนโลยีการเติมไฟเบอร์ที่มีความเข้มข้นสูงรวมถึงการสะสมไอสารเคมีดัดแปลง (MCVD) และการสะสมไอสารเคมีในพลาสมาบนพื้นผิว (SCVD)

การกำหนดค่าเลเซอร์ DFB

โครงสร้างตัวสะท้อนเสียงอีกแบบหนึ่งที่ใช้ตะแกรง Bragg คือการกำหนดค่า DFB ช่องหลักของเลเซอร์ DFB ผสมผสานโครงสร้าง Bragg เข้ากับบริเวณที่ทำงาน และแนะนำบริเวณการเปลี่ยนเฟสที่ศูนย์กลางของโครงสร้างสำหรับการเลือกความยาวคลื่น ดังที่แสดงในรูปที่ 3(b) การกำหนดค่านี้มีลักษณะของการบูรณาการและความสามัคคีของโครงสร้างในระดับที่สูงกว่า และลดปัญหาต่างๆ เช่น การเคลื่อนตัวของความยาวคลื่นที่รุนแรงและการกระโดดของโหมดในโครงสร้าง DBR ทำให้มีการกำหนดค่าเลเซอร์ที่เสถียรและใช้งานได้จริงมากที่สุดในขั้นตอนปัจจุบัน

ความท้าทายทางเทคนิคของเลเซอร์ DFB อยู่ที่การสร้างโครงสร้างตะแกรง มีสองวิธีหลักสำหรับการผลิตตะแกรงในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DBR: การกัดผิวแบบทุติยภูมิและการกัดพื้นผิว ข้อเสนอแนะตะแกรง Regrown (RGF) - เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DFB ใช้ epitaxy ทุติยภูมิและการพิมพ์หินด้วยแสงเพื่อสร้างชุดของตะแกรงดัชนีการหักเหของแสงต่ำในบริเวณที่ใช้งานอยู่ วิธีการนี้จะรักษาโครงสร้างชั้นที่ใช้งานอยู่โดยมีการสูญเสียต่ำ ช่วยอำนวยความสะดวกในการผลิตตัวสะท้อนเสียงที่มี Q สูง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบตะแกรงพื้นผิว (SG)-DFB เกี่ยวข้องกับการแกะสลักชั้นตะแกรงโดยตรงบนพื้นผิวของบริเวณที่ทำงาน วิธีการนี้ซับซ้อนกว่า โดยต้องมีการปรับที่แม่นยำตามวัสดุบริเวณที่ใช้งานและไอออนสารโด๊ป และแสดงการสูญเสียที่สูงกว่า แต่ยังให้การจำกัดทางแสงที่แข็งแกร่งกว่าและความสามารถในการปราบปรามโหมดที่สูงขึ้น

เช่นเดียวกับเลเซอร์ไฟเบอร์ DBR เลเซอร์ไฟเบอร์ DFB อาศัยความก้าวหน้าในการประมวลผลท่อนำคลื่นไฟเบอร์และเทคโนโลยีไฟเบอร์เจือที่มีความเข้มข้นสูง เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ไฟเบอร์ DBR เลเซอร์ไฟเบอร์ DFB ก่อให้เกิดความท้าทายที่มากขึ้นในการผลิตตะแกรงเนื่องจากลักษณะการดูดซับความยาวคลื่นของไอออนของธาตุหายาก

ช่องป้อนกลับแบบคอมโพสิตภายนอก

เลเซอร์ช่องหลักช่องสั้น เช่น DFB และ DBR มีปฏิกิริยาโต้ตอบโฟตอนภายในช่องจำกัด ซึ่งทำให้การบีบอัดความกว้างของเส้นลึกทำได้ยาก เพื่อบีบอัดความกว้างของเส้นและลดสัญญาณรบกวน การกำหนดค่าช่องหลักช่องสั้นดังกล่าวมักจะรวมกับโครงสร้างช่องภายนอกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน โครงสร้างช่องภายนอกทั่วไป ได้แก่ ช่องภายนอกเชิงพื้นที่ ช่องภายนอกของเส้นใย และช่องภายนอกของท่อนำคลื่น ก่อนที่จะมีการพัฒนาอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติกและโครงสร้างท่อนำคลื่น ช่องภายนอกส่วนใหญ่ประกอบด้วยออพติกเชิงพื้นที่รวมกับส่วนประกอบทางออปติกที่แยกกัน ในบรรดาโครงสร้างเหล่านี้ โครงสร้างป้อนกลับช่องภายนอกเชิงพื้นที่ที่ใช้ตะแกรงส่วนใหญ่ใช้การออกแบบ Littrow และ Littman โดยทั่วไปจะประกอบด้วยช่องรับแสงเลเซอร์ เลนส์เชื่อมต่อ และตะแกรงเลี้ยวเบน ตะแกรงเป็นองค์ประกอบป้อนกลับ ช่วยให้สามารถปรับความยาวคลื่น การเลือกโหมด และการบีบอัดความกว้างของเส้นได้

นอกจากนี้ โครงสร้างป้อนกลับช่องภายนอกเชิงพื้นที่สามารถรวมอุปกรณ์กรองแสงได้หลากหลาย เช่น F-P etalons ตัวกรองที่ปรับได้แบบอะคูสติก-ออปติก/ไฟฟ้า-ออปติก และอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ อุปกรณ์กรองเหล่านี้มีความสามารถในการเลือกโหมดโดยเนื้อแท้และสามารถแทนที่ตะแกรงได้ เอตาลอน FP คิวคิวสูงบางตัวมีประสิทธิภาพเหนือกว่าตะแกรงสะท้อนแสงในการบีบอัดสเปกตรัมให้แคบลงและการบีบอัดแนวเส้นตรง

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติก การแทนที่โครงสร้างออปติกเชิงพื้นที่ด้วยท่อนำคลื่นไฟเบอร์หรืออุปกรณ์ไฟเบอร์ที่บูรณาการและแข็งแกร่งสูง ถือเป็นกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความเสถียรของระบบเลเซอร์ ช่องไฟเบอร์ภายนอกมักจะสร้างขึ้นโดยการต่ออุปกรณ์ไฟเบอร์เพื่อสร้างโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมด ให้การบูรณาการสูง บำรุงรักษาง่าย และมีภูมิคุ้มกันที่แข็งแกร่งต่อการรบกวน โครงสร้างป้อนกลับแบบไฟเบอร์ภายนอกอาจเป็นแบบป้อนกลับแบบลูปไฟเบอร์แบบธรรมดา หรือตัวสะท้อนเสียงแบบไฟเบอร์ทั้งหมด, FBG, ช่องป้อนกลับแบบไฟเบอร์ F-P และตัวสะท้อนเสียงแบบ WGM

เลเซอร์เส้นความกว้างแคบพร้อมโครงสร้างป้อนกลับช่องนำคลื่นภายนอกแบบบูรณาการดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางเนื่องจากขนาดบรรจุภัณฑ์ที่เล็กกว่าและประสิทธิภาพที่เสถียรยิ่งขึ้น โดยพื้นฐานแล้ว ผลป้อนกลับจากช่องนำคลื่นภายนอกของท่อนำคลื่นเป็นไปตามหลักการทางเทคนิคเดียวกันกับข้อมูลป้อนกลับของช่องนำคลื่นภายนอกของไฟเบอร์ แต่ความหลากหลายของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลไมโครนาโนทำให้ระบบเลเซอร์มีขนาดกะทัดรัดและมีเสถียรภาพมากขึ้น ช่วยเพิ่มการใช้งานจริงของเลเซอร์เส้นตรงแคบของท่อนำคลื่นภายนอกป้อนกลับ วัสดุเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ สารประกอบ Si, Si₃N₄ และ III-V

การกำหนดค่าเลเซอร์ออสซิลเลชันออปโตอิเล็กทรอนิกส์

การกำหนดค่าเลเซอร์ออสซิลเลชันออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นสถาปัตยกรรมเลเซอร์ป้อนกลับแบบพิเศษ โดยที่สัญญาณป้อนกลับโดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือป้อนกลับออปโตอิเล็กทรอนิกส์พร้อมกัน เทคโนโลยีป้อนกลับออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เก่าแก่ที่สุดที่ใช้กับเลเซอร์คือเทคนิคการรักษาเสถียรภาพความถี่ PDH ซึ่งใช้การป้อนกลับเชิงลบทางไฟฟ้าเพื่อปรับความยาวของโพรงและล็อคความถี่เลเซอร์ให้เป็นสเปกตรัมอ้างอิง เช่น โหมดตัวเรโซเนเตอร์ Q สูงและเส้นการดูดกลืนแสงของอะตอมเย็น ด้วยการปรับค่าป้อนกลับเชิงลบ เครื่องสะท้อนเสียงเลเซอร์สามารถจับคู่สถานะการทำงานของเลเซอร์ได้แบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยลดความไม่เสถียรของความถี่ได้ถึง 10⁻¹⁷ อย่างไรก็ตาม การตอบสนองทางไฟฟ้ามีข้อจำกัดที่สำคัญ รวมถึงความเร็วการตอบสนองที่ช้าและระบบเซอร์โวที่ซับซ้อนมากเกินไปซึ่งเกี่ยวข้องกับวงจรที่กว้างขวาง ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลให้เกิดปัญหาด้านเทคนิคสูง ความแม่นยำในการควบคุมที่เข้มงวด และค่าใช้จ่ายสูงสำหรับระบบเลเซอร์ นอกจากนี้ การพึ่งพาแหล่งอ้างอิงอย่างมากของระบบจะจำกัดความยาวคลื่นเลเซอร์ให้อยู่ในจุดความถี่เฉพาะอย่างเข้มงวด ซึ่งจำกัดการใช้งานในทางปฏิบัติได้มากขึ้น