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Diodos láser: Conceptos del resonador

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La estructura de un diodo láser debe ser tal quedebe facilitar la emisión estimulada.La pregunta surge, cómo obtener los fotones de semillas que inician el proceso de emisión estimulada,que conduce a la exigencia de un mecanismo de retroalimentación. El equivalente electrónico de tal sistemaes un oscilador. El componente básico de un oscilador electrónico es un amplificador, por ejemplo, un sistema de impresión, y una parte de la salida del amplificador se retroalimenta en la entrada del amplificador. De una manera similar a, el LED se puede pensar como un amplificador, que cuando se somete a retroalimentación, puedecomo un oscilador. Con las condiciones de retroalimentación mantenidas para oscilaciones sostenibles, el LED dese puede convertir en un oscilador óptico, que es un láser. Así, la diferencia entreun LED y un diodo láser es la presencia de un mecanismo de retroalimentación.Con el fin de realizar el láser, los fotones generados como consecuencia de la emisión espontánea sonalimentados de nuevo en el medio de ganancia para causar emisión estimulada. Esta retroalimentación óptica se puede proporcionar simplemente mediante el uso de espejos, que pueden atrapar los fotones dentro del sistema, realizando así un resonador de la cavidad de. El láser se construye teniendo un medio de ganancia en una cavidad óptica, queconsta de dos espejos M1 y M2 que proporcionan la retroalimentación óptica. El soporte de ganancia es el mismoque el utilizado en un LED. Podría ser un compuesto ternario o un compuesto cuaternario, decididopor la longitud de onda requerida de emisión. La única diferencia es que el medio de ganancia es ahoracontenido entre los espejos de dos cavidades. Un fotón emitido espontáneamente ahora se somete a la reflexión dede los espejos de la cavidad y se alimenta de nuevo en el medio de ganancia, causando la emisión deestimulada. Los espejos de cavidad M1 y M2 tienen dos objetivos principales.1. Permiten el mecanismo de retroalimentación y facilitan la emisión estimulada. Las reflectividades R1 y R2 deciden la fraccion de la luz permitida para oscilar dentro de la cavidad, y la fraccion restante a ser girada como la salida de laser utilizable. Las reflectividades del espejo sonparámetros importantes que deciden las propiedades del láser.2. Imponen ciertas condiciones de contorno en el campo electromagnético en el resonador, lo que afecta el espectro de frecuencia de la salida del láser.
El resonador de la cavidad se construye con dos espejos M1 y M2 con reflectividades R1 y R2respectivamente, y el campo electromagnético oscila dentro de la cavidad. Esta disposición deespejo construye una cavidad lineal, también conocida como cavidad de Fabry-Perot. La reflectividad del espejoes la proporción de la potencia reflejada a la potencia del incidente. Ahora vamos a discutir la operación detalladade esta cavidad.Considere la amplitud del campo eléctrico de la onda electromagnética en el punto medio de lala cavidad para ser Atep a la hora t = 0, y la distancia total entre los espejos que forman la cavidad para ser d. En un viaje de ida y vuelta sobre la cavidad, el campo eléctrico experimenta los siguientes efectos antes de quellegue al mismo punto. Traversing una distancia 2d durante todo el viaje de ida y vuelta. Reflexiones subyacentes de los espejos. En términos del campo eléctrico, los coeficientes de reflexión para los dos espejos son Releven y Ropa (ya que el poder es proporcional al cuadradodel campo eléctrico). Amplificación subyacente en el medio de ganancia. El coeficiente de ganancia del medio de ganancia,definido como la cantidad de longitud de unidad, se da como g. La atenuación subyacente en el resto de la cavidad. El coeficiente de atenuación se proporciona como α(por unidad de longitud, similar al coeficiente de ganancia).Incluyendo todos los efectos anteriores, la amplitud del campo eléctrico experimenta un cambio por un factor dede Rpice Rstrid e
(De acuerdo con la opción de pago) de un viaje de ida y vuelta.
Además, la fase del campo eléctrico también evoluciona debido a la propagación en la cavidad. La fase del campo electromagnético que viaja en forma de onda plana es de la forma general e(),
donde el término e
El valor de las cuentas de pago de las cuentas de pago para la fase acumulada por la onda después de propagar a través dea la distancia z. La onda electromagnética atraviesa una distancia de 2d sobre un viaje de ida y vuelta dentro de la cavidad, por lo que la fase acumulada durante el viaje de ida y vuelta es elde la.
La condición para la oscilación sostenida exige que el campo eléctrico en la misma ubicación después de un viaje de ida y vuelta sea idéntico. Esto implicaría,Arod = Arog Rwind Rslid Rdep e(grupo de trabajo de referencia), y).
Rand Rsleon Rand(), con un decs6f1f1u00f1u00e9
Es esencial para el campo eléctrico satisfacer la condición anterior en todos los puntos de la cavidad en el orden depara lograr oscilaciones sostenidas en el resonador. El criterio anterior impone las siguientes condiciones independientes desobre la magnitud y la fase del campo eléctrico. Condición de fase:
ede la lista de usuarios de
Condición de Amplitud:
Rand Rphase Rand() = 1 = 1
Consideremos la condición de fase. La expresión anterior implica que la ronda acumulada-la fase de viaje debe ser un múltiplo entero de 2 π.
β ⋅ 2d =2 π νc2d = m ⋅ 2 π
NPTEL-Tecnología de comunicación de fibra óptica – Conferencia 17 Página 4
voft = m ⋅c2d
La condición anterior indica que no se permite que todas las frecuencias se mantengan en la cavidad. Una vez quela longitud de la cavidad d se elige y se fija, sólo las frecuencias que son múltiplos enteros de(denotado por ν) se someten a una interferencia constructiva en la cavidad y, por lo tanto, se permiten aoscilar. Las frecuencias que no satisfacen esta condición sufren una interferencia destructiva enla cavidad.
Considere el ejemplo de una cavidad lineal de longitud de 1 cm (d = 1 cm). Supongamos que es espacio libre dentro de la cavidad y que no hay ganancia o pérdida en la cavidad. La idea de frecuencias permitidas (y prohibidas) en la cavidad son independientemente de si hay o no un medio de ganancia en la cavidad, ya que depende de la condición de fase y no de la condición de amplitud. Si hay un medio dentro de la cavidad, el único impacto que hace (en términos de las frecuencias permitidas) se debeal índice de refracción del medio, lo que altera la condición de fase. Teniendo en cuenta el espacio libre,
ν = m3 × 102 × 10sidoc = m ⋅ 15 GHz
Esto implica que una cavidad de Fabry-Perot de longitud de 1 cm con un medio de espacio libre sólo puede soportaresas frecuencias que son múltiplos integrales de 15 GHz. Con el fin de comprobar si una determinada longitud de onda, digamos 1550 nm, está soportada por la cavidad o no, hay que comprobar si la frecuencia correspondiente (que estaría en THz en este caso) es un múltiplo entero exacto de 15GHz o no.
En teoría, el número de frecuencias permitidas en la cavidad es infinito. Estas frecuencias se llaman los modos de la cavidad, y puesto que son dependientes de las restricciones longitudinales (en la dirección de propagación de las ondas electromagnéticas) impuestas por los espejos de la cavidad, se conocen como modos longitudinales. La separacion de frecuencia entre dos modos longitudinales adyacentes se llama el rango espectral libre (FSR) de la cavidad. Por lo tanto, una cavidad de Fabry-Perotse caracteriza por su rango de espectro libre ν =que contieneinformaciones sobrela cavidad, el espaciado entre los espejos (longitud de la cavidad), y la velocidad de la luz en la cavidad(dependiente del índice de refracción del medio dentro de la cavidad). En el caso de un láser,sólo se pueden generar las frecuencias que son soportadas por la cavidad, es decir, las frecuencias que son múltiplos dedel FSR de la cavidad. La condición de amplitud para la oscilación sostenida indica que la cavidad debe tener una fuente de ganancia para compensar las pérdidas en la cavidad. En el caso del láser, el material semiconductor proporciona la ganancia requerida. La ganancia mínima requerida para las oscilaciones sostenidas se calcula de la siguiente manera.

En un solo láser de modo longitudinal, sólo una frecuencia es soportada por la cavidad, pero su espectro no es una función δ, tiene un ancho espectral finito Δν. La condición de fase de la cavidad de Fabry-Perot produce sólo las frecuencias de modo permitido, por lo que tenemos que derivar la anchura total a la mitad (FWHM) de los modos. Ahora calculamos el ancho espectral de los modos de una cavidad de Fabry-Perot bajo condición de oscilación estable. Dado que una fraccion del campo electrico en la cavidad se toma como la salida, la anchura espectral del modo de cavidad tambien corresponde a la anchura espectral de la salida del laser.

Considere una cavidad de Fabry-Perot formada por espejos con reflectancias Rata y Rata, y la amplitud inicial del campo eléctrico en un punto dentro de la cavidad siendo Atep. El campo eléctrico experimenta sucesivos reflejos de los espejos de la cavidad a medida que se propaga de un lado a otro dentro de la cavidad.
Por lo tanto, en cualquier punto dado, el campo eléctrico total Erover es la suma total de los campos eléctricos después de cada viaje de ida y vuelta. En estado estacionario, el campo eléctrico total debe ser igual a Aicha.En cada viaje de ida y vuelta, el campo eléctrico sufre modificación en la amplitud debido a la reflectancia del espejo, y en fase debido a la propagación. Considerando una cavidad fría (cavidad sin ganancia, ya que la ganancia no juega un papel en la decisión de los modos), el campo eléctrico total después de múltiples reflexiones puede ser escrito de la siguiente manera.

Para facilitar el entendimiento, definimos este factor de modificación como h, dado como sigue.

Así, el campo eléctrico total se puede escribir como lo que es una progresión geométrica infinita. Es importante tener en cuenta aquí que h ≤ 1, (desde Rpate, Rdrec ≤ 1), y por lo tanto esta serie es convergente, y puede expresarse de la siguiente manera.

Si el elemento de ganancia está presente en la cavidad, el factor h se modifica como sigue.

Puesto que h es un número complejo, se puede expresar como h = remediato de repoblación, donde r = Rata de Rata de Rata (en ausencia de un medio de ganancia), y φ se da como


donde ν= es el FSR de la cavidad. La intensidad total que se me da como I = a, que se evalúa de la siguiente manera.
Por lo tanto, la intensidad total se puede expresar de la siguiente manera, donde Icow=AICH=AICH/mνnaged, que corresponden a los modos longitudinales de la cavidad, φ = 2mπ.
Así, en esas frecuencias, el pecado

Por lo tanto, la intensidad dentro de la cavidad tiene una variación con respecto a la frecuencia. Tiene maxima en las frecuencias de modo de cavidad y minima (Icover) en las frecuencias entre los modos soportados.
El siguiente objetivo es encontrar la anchura espectral (FWHM) de la modalidad, que se puede calcular encontrando las frecuencias en las que la intensidad es la mitad de su valor máximo (I =

La intensidad se puede escribir en términos de Icover, de la siguiente manera.

qué rendimientos

Sustitución de φ = 2π

Los valores de c/s obtenidos a partir de esta condición son los que corresponden a la media máxima de intensidad, y la diferencia de esas frecuencias da la FWHM. La condición anterior se puede resolver de la siguiente manera.


Si los modos de cavidad son muy estrechos (que es el caso de las cavidades formadas usando espejos de alta reflectividad), las frecuencias correspondientes a la mitad de maximo son muy cercanas a la frecuencia de modo νn. En esta condición, se puede hacer una aproximación de la siguiente manera.

Resolución del/de la Comisión

El signo de ± 2 indica que el medio máximo ocurre en cualquier lado del modo de cavidad, y la diferencia entre esas dos frecuencias es la anchura espectral de la FWHM Δν.

La calidad de la cavidad se representa por la cantidad finura, que se define de la siguiente manera.

Un valor mayor de finura representa una cavidad con modos longitudinales más afilados con smallerFWHM. De esta manera, la finura es indicativa de la selectividad de frecuencia de la cavidad. Por ejemplo, si la FWHM es grande, entonces dos modos adyacentes pueden ser indistinguibles y resultaría en un amplio espectro de la salida del láser. Por lo tanto, finesse es un parámetro importante para el diseño de un solo láser de modo longitudinal.