تطور وحالة سوق الليزر القابل للضبط (الجزء الثاني)
مبدأ عملليزر قابل للضبط
هناك ثلاثة مبادئ تقريبًا لتحقيق ضبط طول موجة الليزر.الليزر القابل للضبطاستخدام مواد عاملة ذات خطوط فلورية عريضة. تتميز الرنانات التي يتكون منها الليزر بخسائر منخفضة للغاية فقط على نطاق طول موجي ضيق للغاية. لذلك، يتمثل الأول في تغيير طول موجة الليزر عن طريق تغيير الطول الموجي المقابل لمنطقة الخسارة المنخفضة في الرنان بواسطة بعض العناصر (مثل الشبكة). والثاني هو إزاحة مستوى طاقة انتقال الليزر عن طريق تغيير بعض المعلمات الخارجية (مثل المجال المغناطيسي ودرجة الحرارة وما إلى ذلك). والثالث هو استخدام التأثيرات غير الخطية لتحقيق تحويل الطول الموجي والضبط (انظر البصريات غير الخطية، وتشتت رامان المحفز، ومضاعفة التردد البصري، والتذبذب البارامتري البصري). ومن الليزرات النموذجية التي تنتمي إلى وضع الضبط الأول ليزرات الصبغة، وليزر الكريسوبيريل، وليزر مركز اللون، وليزر الغاز عالي الضغط القابل للضبط، وليزر الإكسيمر القابل للضبط.
من منظور تكنولوجيا التنفيذ، ينقسم الليزر القابل للضبط بشكل أساسي إلى: تكنولوجيا التحكم الحالية، وتكنولوجيا التحكم في درجة الحرارة، وتكنولوجيا التحكم الميكانيكي.
من بينها، تقنية التحكم الإلكتروني التي تُحقق ضبط الطول الموجي بتغيير تيار الحقن، بسرعة ضبط على مستوى NS، وعرض نطاق ضبط واسع، ولكن طاقة خرج منخفضة. تعتمد هذه التقنية، بشكل رئيسي، على SG-DBR (شبكة أخذ العينات DBR) وليزر GCSR (شبكة مساعدة، اقتران اتجاهي، انعكاس أخذ العينات العكسي). تُغير تقنية التحكم في درجة الحرارة طول موجة خرج الليزر بتغيير معامل الانكسار للمنطقة النشطة بالليزر. هذه التقنية بسيطة، لكنها بطيئة، ويمكن تعديلها بعرض نطاق ضيق يبلغ بضعة نانومتر فقط. أهم التقنيات التي تعتمد على تقنية التحكم في درجة الحرارة هي:ليزر DFBليزر التغذية الراجعة الموزعة (DFB) وليزر انعكاس براغ الموزع (DBR). يعتمد التحكم الميكانيكي بشكل أساسي على تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) لإكمال اختيار الطول الموجي، مع نطاق ترددي كبير قابل للتعديل وقدرة خرج عالية. الهياكل الرئيسية المعتمدة على تقنية التحكم الميكانيكي هي DFB (التغذية الراجعة الموزعة)، وECL (ليزر التجويف الخارجي)، وVCSEL (ليزر انبعاث سطح التجويف الرأسي). فيما يلي شرح لمبدأ الليزر القابل للضبط من هذه الجوانب.
تطبيق الاتصالات البصرية
يُعدّ الليزر القابل للضبط جهازًا بصريًا إلكترونيًا رئيسيًا في الجيل الجديد من أنظمة الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي الكثيف وتبادل الفوتونات في الشبكات الضوئية الكاملة. يُحسّن تطبيقه بشكل كبير سعة ومرونة وقابلية توسع أنظمة نقل الألياف الضوئية، ويُحقق ضبطًا مستمرًا أو شبه مستمر في نطاق واسع من الأطوال الموجية.
تُعنى الشركات والمؤسسات البحثية حول العالم بتشجيع البحث والتطوير في مجال الليزر القابل للضبط، ويشهد هذا المجال تقدمًا مستمرًا. ويشهد أداء الليزر القابل للضبط تحسنًا مستمرًا وانخفاضًا مستمرًا في تكلفته. يُصنف الليزر القابل للضبط حاليًا إلى فئتين رئيسيتين: ليزر أشباه الموصلات القابل للضبط، وليزر الألياف القابل للضبط.
ليزر أشباه الموصلاتيُعدّ مصدر ضوء مهم في أنظمة الاتصالات البصرية، يتميز بحجمه الصغير ووزنه الخفيف وكفاءة تحويله العالية وتوفيره للطاقة، بالإضافة إلى سهولة دمجه مع الأجهزة البصرية الإلكترونية الأخرى. ويُصنّف إلى ليزر تغذية راجعة موزعة قابل للضبط، وليزر مرآة براغ الموزعة، وليزر انبعاث سطحي بتجويف عمودي بنظام محرك دقيق، وليزر أشباه الموصلات بتجويف خارجي.
لقد ساهم تطوير ليزر الألياف القابل للضبط كوسط كسب، وتطوير ثنائي ليزر أشباه الموصلات كمصدر مضخة، بشكل كبير في تطوير ليزرات الألياف. يعتمد الليزر القابل للضبط على نطاق كسب 80 نانومتر للألياف المُشَبَّبة، ويُضاف عنصر ترشيح إلى الحلقة للتحكم في طول موجة الليزر وتحقيق ضبط الطول الموجي.
يشهد تطوير ليزر أشباه الموصلات القابل للضبط نشاطًا متزايدًا في العالم، ويشهد تقدمًا سريعًا. ومع اقتراب الليزر القابل للضبط تدريجيًا من ليزرات الطول الموجي الثابت من حيث التكلفة والأداء، سيزداد استخدامه حتمًا في أنظمة الاتصالات، وسيلعب دورًا هامًا في الشبكات الضوئية الكاملة المستقبلية.
آفاق التنمية
هناك أنواع عديدة من الليزرات القابلة للضبط، والتي تُطوَّر عادةً من خلال إدخال آليات ضبط الطول الموجي بناءً على ليزرات أحادية الطول الموجي، وقد طُرِحَت بعض منتجاتها في السوق العالمية. بالإضافة إلى تطوير ليزرات قابلة للضبط البصري المستمر، تم الإبلاغ أيضًا عن ليزرات قابلة للضبط ذات وظائف أخرى مدمجة، مثل الليزر القابل للضبط المدمج بشريحة واحدة من VCSEL ومُعدِّل امتصاص كهربائي، والليزر المدمج مع عاكس براغ الشبكي للعينات ومُضخِّم بصري شبه موصل ومُعدِّل امتصاص كهربائي.
نظراً لاستخدام الليزر القابل للضبط على نطاق واسع، يُمكن تطبيق الليزر القابل للضبط ذو الهياكل المختلفة على أنظمة مختلفة، ولكلٍّ منها مزايا وعيوب. يُمكن استخدام ليزر أشباه الموصلات ذي التجويف الخارجي كمصدر ضوء قابل للضبط واسع النطاق في أجهزة الاختبار الدقيقة، وذلك بفضل قدرته العالية على الخرج وطوله الموجي القابل للضبط المستمر. من منظور تكامل الفوتونات وتلبية متطلبات الشبكة الضوئية الكاملة المستقبلية، قد تُمثل مُعاكسات ترددات الراديو الشبكية (DBR) ذات المشابك الفوقية، والليزرات القابلة للضبط المدمجة مع مُعدّلات التردد ومُضخّمات التردد مصادر ضوء قابلة للضبط واعدة لـ Z.
يُعدّ ليزر الألياف الشبكية القابل للضبط ذو التجويف الخارجي مصدر ضوء واعدًا، إذ يتميز بهيكل بسيط وعرض خط ضيق وسهولة ربط الألياف. إذا أمكن دمج مُعدّل EA في التجويف، فيمكن استخدامه أيضًا كمصدر سوليتون بصري عالي السرعة قابل للضبط. بالإضافة إلى ذلك، شهدت ليزرات الألياف القابلة للضبط، القائمة على ليزرات الألياف، تقدمًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة. ومن المتوقع أن يتحسن أداء الليزر القابل للضبط في مصادر ضوء الاتصالات البصرية، وأن تزداد حصته السوقية تدريجيًا، مع آفاق تطبيقية واعدة للغاية.
وقت النشر: ٣١ أكتوبر ٢٠٢٣