Dans le développement de lasers à largeur de raie étroite jusqu'à nos jours, l'évolution des mécanismes de rétroaction laser a été synonyme de l'évolution des structures des résonateurs laser. Ci-dessous, diverses configurations de technologies laser à largeur de raie étroite sont présentées dans l'ordre d'évolution des résonateurs laser.
Les lasers à cavité principale unique peuvent être structurellement divisés en cavités linéaires et cavités annulaires, et par longueur de cavité, en structures à cavité courte et à cavité longue. Les lasers à cavité courte présentent un espacement de mode longitudinal important, ce qui est plus avantageux pour obtenir un fonctionnement en mode longitudinal unique (SLM), mais souffrent d'une large largeur de raie de cavité intrinsèque et d'une difficulté à supprimer le bruit. Les structures à longue cavité présentent par nature des caractéristiques de largeur de raie étroite et permettent l'intégration de divers dispositifs optiques avec des configurations flexibles ; cependant, leur défi technique réside dans la réalisation du fonctionnement SLM en raison de l'espacement des modes longitudinaux excessivement petit.
En tant que configuration classique de cavités principales laser, la cavité linéaire présente des avantages tels qu'une structure simple, un rendement élevé et une manipulation facile. Historiquement, le premier véritable faisceau laser a été généré à l’aide d’une structure à cavité linéaire F-P. Avec les progrès scientifiques et technologiques ultérieurs, la structure F-P a été largement adoptée dans les lasers à semi-conducteurs, les lasers à fibre et les lasers à semi-conducteurs.
La cavité annulaire est une modification de la cavité linéaire classique, surmontant l'inconvénient des trous spatiaux des cavités linéaires en remplaçant les champs d'ondes stationnaires par des ondes progressives pour obtenir une amplification cyclique des signaux optiques. Poussés par le développement des dispositifs à fibre optique, les lasers à fibre dotés de structures flexibles entièrement en fibres ont suscité une grande attention et sont devenus la catégorie de lasers à la croissance la plus rapide au cours des deux dernières décennies.
Les lasers à oscillateur en anneau non plan (NPRO) représentent une configuration laser à ondes progressives spéciale. Généralement, la cavité principale de ces lasers est constituée d'un cristal monolithique, qui régule l'état de polarisation du laser via la réflexion de l'extrémité du cristal et un champ magnétique externe pour réaliser un fonctionnement laser unidirectionnel. Cette conception réduit considérablement la charge thermique du résonateur laser, offre une stabilité exceptionnelle en longueur d'onde et en puissance et présente des caractéristiques de largeur de raie étroite.
Contraintes par des facteurs tels qu'une longueur de cavité excessivement courte et une perte intrinsèque élevée, les configurations laser à cavité unique à cavité linéaire F-P basées sur la rétroaction intra-cavité souffrent d'un temps d'interaction photonique limité et d'une difficulté à éliminer l'émission spontanée du milieu de gain. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont proposé la configuration de rétroaction à cavité externe unique. La cavité externe a pour fonction de prolonger le temps d'interaction des photons et de réinjecter les photons filtrés dans la cavité principale, optimisant ainsi les performances du laser et comprimant la largeur de raie. Les premières structures simples à cavité externe basées sur l'optique spatiale, telles que les configurations de Littrow et Littman, utilisent la capacité de dispersion spectrale des réseaux pour réinjecter des signaux laser purifiés dans la cavité principale du laser, exerçant une traction de fréquence sur la cavité principale pour obtenir une compression de largeur de raie. Cette structure à cavité externe unique a ensuite été étendue aux lasers à fibre et aux lasers à semi-conducteurs.
Le défi technique des configurations laser à rétroaction à cavité externe unique réside dans l’adaptation de phase entre la cavité externe et la cavité principale. Des études ont montré que la phase spatiale du signal de rétroaction de la cavité externe est essentielle pour déterminer le seuil, la fréquence et la puissance de sortie relative du laser, et que les modes longitudinaux du laser sont très sensibles à l'intensité et à la phase du signal de rétroaction.
Configuration du laser DBR
Pour améliorer la stabilité des systèmes laser et intégrer des dispositifs sélectifs en longueur d'onde dans la structure principale de la cavité, la configuration DBR a été développée. Conçu sur la base du résonateur F-P, le résonateur DBR remplace les miroirs de la structure F-P par des structures de Bragg passives périodiques pour fournir un retour optique. En raison de l'effet de filtrage périodique en peigne de la structure de Bragg sur les modes d'interférence laser, la cavité principale du DBR possède intrinsèquement des caractéristiques de filtrage. Combiné au grand espacement des modes longitudinaux offert par la structure à cavité courte, le fonctionnement SLM est facilement réalisé. Bien que la structure périodique de Bragg ait été conçue à l'origine uniquement pour la sélection de longueurs d'onde, du point de vue de la structure de la cavité, elle représente également une évolution de la structure à cavité unique avec un nombre accru de surfaces de rétroaction.
Classés par milieu de gain, les lasers DBR comprennent les lasers à semi-conducteurs et les lasers à fibre. Les lasers à semi-conducteurs présentent un avantage naturel en termes de compatibilité de fabrication avec les matériaux semi-conducteurs et les technologies de traitement micro-nano. De nombreux procédés de fabrication de semi-conducteurs, tels que l'épitaxie secondaire, le dépôt chimique en phase vapeur, la photolithographie par étapes, la nanoimpression, la gravure par faisceau électronique et la gravure ionique, peuvent être directement appliqués à la recherche et à la fabrication de lasers à semi-conducteurs.
Les lasers à fibre DBR sont apparus plus tard que les lasers à semi-conducteurs DBR, principalement limités par le développement du traitement des guides d'ondes à fibre et des technologies de multidopage à haute concentration. Actuellement, les techniques courantes de fabrication de guides d'ondes à fibres incluent le masquage de phase par défaut d'oxygène et le traitement au laser femtoseconde, tandis que les technologies de dopage de fibres à haute concentration englobent le dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD) et le dépôt chimique en phase vapeur par plasma de surface (SCVD).
Une autre structure de résonateur basée sur les réseaux de Bragg est la configuration DFB. La cavité principale du laser DFB intègre la structure de Bragg à la région active et introduit une région de déphasage au centre de la structure pour la sélection de longueur d'onde. Comme le montre la figure 3 (b), cette configuration présente un degré plus élevé d'intégration et d'unité structurelle, et atténue les problèmes tels qu'une dérive de longueur d'onde importante et un saut de mode dans les structures DBR, ce qui en fait la configuration laser la plus stable et la plus pratique à l'heure actuelle.
Le défi technique des lasers DFB réside dans la fabrication de structures de réseau. Il existe deux méthodes principales pour la fabrication des réseaux dans les lasers à semi-conducteurs DBR : l'épitaxie secondaire et la gravure de surface. Les lasers à semi-conducteurs à rétroaction à réseau repoussé (RGF)-DFB utilisent l'épitaxie secondaire et la photolithographie pour développer un ensemble de réseaux à faible indice de réfraction dans la région active. Cette méthode préserve la structure de la couche active avec une faible perte, facilitant ainsi la fabrication de résonateurs à Q élevé. Les lasers à semi-conducteurs à réseau de surface (SG)-DFB impliquent de graver directement une couche de réseau sur la surface de la région active. Cette approche est plus complexe, nécessitant un ajustement précis en fonction du matériau de la région active et des ions dopants, et présente une perte plus élevée, tout en offrant un confinement optique plus fort et une capacité de suppression de mode plus élevée.
Semblables aux lasers à fibre DBR, les lasers à fibre DFB s'appuient sur les progrès du traitement des guides d'ondes à fibre et des technologies de fibres dopées à haute concentration. Comparés aux lasers à fibre DBR, les lasers à fibre DFB posent de plus grands défis dans la fabrication des réseaux en raison des caractéristiques d'absorption de longueur d'onde des ions de terres rares.
Les lasers à cavité principale à cavité courte tels que DFB et DBR ont un temps d'interaction photonique intra-cavité limité, ce qui rend difficile la compression de largeur de raie profonde. Pour comprimer davantage la largeur de ligne et supprimer le bruit, de telles configurations de cavité principale à cavité courte sont souvent combinées avec des structures à cavité externe pour optimiser les performances. Les structures courantes de cavités externes comprennent les cavités externes spatiales, les cavités externes de fibres et les cavités externes de guides d'ondes. Avant le développement des dispositifs à fibre optique et des structures de guides d'ondes, les cavités externes étaient principalement composées d'optiques spatiales combinées à des composants optiques discrets. Parmi celles-ci, les structures de rétroaction spatiale à cavité externe basées sur un réseau adoptent principalement les conceptions de Littrow et Littman, consistant généralement en une cavité de gain laser, des lentilles de couplage et un réseau de diffraction. Le réseau, en tant qu'élément de rétroaction, permet le réglage de la longueur d'onde, la sélection du mode et la compression de la largeur de ligne.
De plus, les structures spatiales de rétroaction à cavité externe peuvent intégrer une gamme de dispositifs de filtrage optique, tels que des étalons F-P, des filtres accordables acousto-optiques/électro-optiques et des interféromètres. Ces dispositifs de filtrage possèdent intrinsèquement des capacités de sélection de mode et peuvent remplacer les réseaux ; certains étalons F-P à Q élevé surpassent même les réseaux réfléchissants en termes de rétrécissement spectral et de compression de largeur de raie.
Avec les progrès de la technologie des dispositifs à fibre optique, le remplacement des structures optiques spatiales par des guides d’ondes à fibre ou des dispositifs à fibre hautement intégrés et robustes représente une stratégie efficace pour améliorer la stabilité du système laser. Les cavités externes de fibre sont généralement construites en épissant des dispositifs de fibre pour former une structure entièrement fibreuse, offrant une intégration élevée, une facilité de maintenance et une forte immunité aux interférences. Les structures de rétroaction à cavité externe de fibre peuvent être de simples rétroactions en boucle de fibre ou des résonateurs entièrement fibreux, des FBG, des cavités F-P à fibre et des résonateurs WGM.
Les lasers à largeur de raie étroite avec des structures de rétroaction à cavité externe de guide d'ondes intégrées ont attiré une large attention en raison de leur taille de boîtier plus petite et de leurs performances plus stables. Essentiellement, le retour de cavité externe de guide d'ondes suit les mêmes principes techniques que le retour de cavité externe de fibre, mais la diversité des matériaux semi-conducteurs et des technologies de traitement micro-nano permettent des systèmes laser plus compacts et plus stables, améliorant ainsi le caractère pratique des lasers à largeur de raie étroite de retour de cavité externe de guide d'ondes. Les matériaux laser semi-conducteurs couramment utilisés comprennent les composés Si, Si₃N₄ et III-V.
La configuration laser à oscillation optoélectronique est une architecture laser à rétroaction spéciale, dans laquelle le signal de rétroaction est généralement un signal électrique ou une rétroaction optoélectronique simultanée. La première technologie de rétroaction optoélectronique appliquée aux lasers était la technique de stabilisation de fréquence PDH, qui utilise une rétroaction électrique négative pour ajuster la longueur de la cavité et verrouiller la fréquence du laser sur des spectres de référence, tels que les modes de résonateur à Q élevé et les raies d'absorption des atomes froids. Grâce au réglage par rétroaction négative, le résonateur laser peut correspondre à l'état de fonctionnement du laser en temps réel, réduisant ainsi l'instabilité de fréquence à l'ordre de 10⁻¹⁷. Cependant, la rétroaction électrique souffre de limitations importantes, notamment une vitesse de réponse lente et des systèmes d'asservissement trop complexes impliquant des circuits étendus. Ces facteurs entraînent des difficultés techniques élevées, une précision de contrôle stricte et des coûts élevés pour les systèmes laser. De plus, la forte dépendance du système à l’égard des sources de référence limite strictement la longueur d’onde du laser à des points de fréquence spécifiques, limitant encore davantage son applicabilité pratique.
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