تطوير الليزر القابل للضبط ووضعه في السوق - الجزء الثاني

تطور الليزر القابل للضبط ووضعه في السوق (الجزء الثاني)

مبدأ عملليزر قابل للضبط

توجد ثلاثة مبادئ أساسية تقريبًا لتحقيق ضبط طول موجة الليزر. معظمهاالليزر القابل للضبطتستخدم مواد عاملة ذات خطوط فلورية واسعة. تتميز الرنانات المكونة لليزر بخسائر منخفضة للغاية ضمن نطاق ضيق جدًا من الأطوال الموجية. لذلك، تتمثل الطريقة الأولى في تغيير الطول الموجي لليزر عن طريق تغيير الطول الموجي المقابل لمنطقة الخسائر المنخفضة للرنان باستخدام بعض العناصر (مثل محزز حيود). أما الطريقة الثانية فتتمثل في تغيير مستوى طاقة انتقال الليزر عن طريق تغيير بعض المعايير الخارجية (مثل المجال المغناطيسي، ودرجة الحرارة، وما إلى ذلك). وتتمثل الطريقة الثالثة في استخدام التأثيرات غير الخطية لتحقيق تحويل الطول الموجي وضبطه (انظر البصريات غير الخطية، وتشتت رامان المحفز، ومضاعفة التردد البصري، والتذبذب البارامتري البصري). ومن أنواع الليزر النموذجية التي تنتمي إلى نمط الضبط الأول: ليزرات الصبغة، وليزر الكريزوبيريل، وليزر مركز اللون، وليزر الغاز عالي الضغط القابل للضبط، وليزر الإكسيمر القابل للضبط.

ينقسم الليزر القابل للضبط من منظور تكنولوجيا التنفيذ بشكل رئيسي إلى: تكنولوجيا التحكم في التيار، وتكنولوجيا التحكم في درجة الحرارة، وتكنولوجيا التحكم الميكانيكي.
من بين هذه التقنيات، تتمثل تقنية التحكم الإلكتروني في ضبط الطول الموجي عن طريق تغيير تيار الحقن، بسرعة ضبط فائقة (NS) ونطاق ترددي واسع، ولكن بقدرة خرج منخفضة. وتعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على ليزر SG-DBR (مُحزِّز أخذ العينات الموزع) وليزر GCSR (مُحزِّز مساعد ذو اقتران اتجاهي وانعكاس أخذ العينات العكسي). أما تقنية التحكم الحراري، فتُغيِّر الطول الموجي الناتج عن الليزر عن طريق تغيير معامل انكسار المنطقة النشطة. هذه التقنية بسيطة، ولكنها بطيئة، ويمكن ضبطها بنطاق ترددي ضيق لا يتجاوز بضعة نانومترات. ومن أبرز التقنيات التي تعتمد على التحكم الحراري:ليزر DFBتعتمد تقنية التحكم الميكانيكي بشكل أساسي على تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) لاختيار الطول الموجي، مع نطاق ترددي قابل للتعديل واسع وقدرة خرج عالية. تشمل البنى الرئيسية القائمة على تقنية التحكم الميكانيكي: ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB)، وليزر التجويف الخارجي (ECL)، وليزر انبعاث السطح ذو التجويف الرأسي (VCSEL). فيما يلي شرح لمبدأ عمل الليزر القابل للضبط.

تطبيق الاتصالات الضوئية

يُعدّ الليزر القابل للضبط جهازًا إلكترونيًا ضوئيًا رئيسيًا في جيل جديد من أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف وتبادل الفوتونات في الشبكات الضوئية بالكامل. ويساهم تطبيقه بشكل كبير في زيادة سعة ومرونة وقابلية توسيع نظام نقل الألياف الضوئية، كما أنه يحقق ضبطًا مستمرًا أو شبه مستمر في نطاق واسع من الأطوال الموجية.
تعمل الشركات والمؤسسات البحثية حول العالم بنشاط على تعزيز البحث والتطوير في مجال الليزر القابل للضبط، ويشهد هذا المجال تقدماً مستمراً. ويتحسن أداء الليزر القابل للضبط باستمرار، بينما تنخفض تكلفته بشكل متواصل. وينقسم الليزر القابل للضبط حالياً إلى فئتين رئيسيتين: ليزر أشباه الموصلات القابل للضبط، وليزر الألياف القابل للضبط.
ليزر أشباه الموصلاتيُعدّ مصدرًا ضوئيًا هامًا في أنظمة الاتصالات الضوئية، إذ يتميز بصغر حجمه وخفة وزنه وكفاءة تحويله العالية وتوفيره للطاقة، كما يسهل دمجه كهروبصري مع الأجهزة الأخرى على شريحة واحدة. ويمكن تقسيمه إلى ليزر قابل للضبط ذي تغذية مرتدة موزعة، وليزر مرآة براغ الموزعة، وليزر انبعاث السطح ذي التجويف الرأسي لنظام المحرك الصغير، وليزر أشباه الموصلات ذي التجويف الخارجي.
ساهم تطوير ليزر الألياف القابل للضبط كوسط تضخيم، وتطوير ثنائي ليزر أشباه الموصلات كمصدر ضخ، بشكل كبير في تطوير ليزرات الألياف. يعتمد الليزر القابل للضبط على عرض نطاق التضخيم البالغ 80 نانومتر للألياف المشوبة، ويُضاف عنصر ترشيح إلى الحلقة للتحكم في طول موجة الليزر وتحقيق ضبط الطول الموجي.
يشهد تطوير ليزر أشباه الموصلات القابل للضبط نشاطاً مكثفاً على مستوى العالم، ويتطور بوتيرة متسارعة. ومع اقتراب الليزر القابل للضبط تدريجياً من ليزر الطول الموجي الثابت من حيث التكلفة والأداء، سيزداد استخدامه حتماً في أنظمة الاتصالات، وسيلعب دوراً هاماً في شبكات الألياف الضوئية المستقبلية.

آفاق التنمية
توجد أنواع عديدة من الليزر القابل للضبط، والتي تُطوَّر عمومًا بإدخال آليات ضبط الطول الموجي على أساس ليزرات أحادية الطول الموجي، وقد طُرحت بعض هذه الأنواع في الأسواق العالمية. إلى جانب تطوير الليزر البصري المستمر القابل للضبط، تم الإبلاغ أيضًا عن ليزرات قابلة للضبط مزودة بوظائف أخرى مدمجة، مثل الليزر القابل للضبط المدمج مع شريحة واحدة من ليزر VCSEL ومعدل امتصاص كهربائي، والليزر المدمج مع عاكس براغ ذي محزز عينة ومضخم بصري شبه موصل ومعدل امتصاص كهربائي.
نظراً للاستخدام الواسع لليزر القابل لضبط الطول الموجي، يمكن تطبيق أنواع مختلفة من الليزر القابل للضبط، ذات البنى المتنوعة، على أنظمة مختلفة، ولكل منها مزاياها وعيوبها. يُمكن استخدام ليزر أشباه الموصلات ذي التجويف الخارجي كمصدر ضوئي 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 بالكامل المستقبلية، قد تُشكل محززات العينات ذات البنية الفائقة، ومحززات العينات ذات البنية الفائقة، والليزر القابل للضبط المدمج مع المُعدِّلات والمُضخِّمات، مصادر ضوئية قابلة للضبط واعدة لتطبيقات Z.
يُعدّ ليزر الألياف القابل للضبط ذو التجويف الخارجي نوعًا واعدًا من مصادر الضوء، إذ يتميز ببساطة تركيبه، وضيق نطاقه الطيفي، وسهولة توصيله بالألياف. وإذا أمكن دمج مُعدِّل EA في التجويف، فإنه يُمكن استخدامه كمصدر سوليتون ضوئي قابل للضبط عالي السرعة. علاوة على ذلك، حققت ليزرات الألياف القابلة للضبط، والمبنية على ليزرات الألياف، تقدمًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة. ومن المتوقع أن يتحسن أداء هذه الليزرات في مصادر الضوء المستخدمة في الاتصالات الضوئية، وأن تزداد حصتها في السوق تدريجيًا، ما يُبشّر بآفاق تطبيقية واعدة.