การพัฒนาและสถานะตลาดของเลเซอร์ปรับความถี่ได้ (ตอนที่สอง)
หลักการทำงานของเลเซอร์ที่ปรับได้
โดยคร่าวๆ แล้วมีหลักการอยู่สามประการสำหรับการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์ ส่วนใหญ่เลเซอร์ที่ปรับได้ใช้สารทำงานที่มีเส้นเรืองแสงกว้าง ตัวเรโซเนเตอร์ที่ประกอบเป็นเลเซอร์มีการสูญเสียต่ำมากเฉพาะในช่วงความยาวคลื่นที่แคบมากเท่านั้น ดังนั้น วิธีแรกคือการเปลี่ยนความยาวคลื่นของเลเซอร์โดยการเปลี่ยนความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับช่วงการสูญเสียต่ำของเรโซเนเตอร์ด้วยองค์ประกอบบางอย่าง (เช่น ตะแกรง) วิธีที่สองคือการเลื่อนระดับพลังงานของการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์ภายนอกบางอย่าง (เช่น สนามแม่เหล็ก อุณหภูมิ เป็นต้น) วิธีที่สามคือการใช้ผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นเพื่อให้ได้การแปลงและการปรับความยาวคลื่น (ดูทัศนศาสตร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น การกระเจิงรามานแบบกระตุ้น การเพิ่มความถี่แสงเป็นสองเท่า การสั่นแบบพาราเมตริกเชิงแสง) เลเซอร์ทั่วไปที่อยู่ในโหมดการปรับแบบแรก ได้แก่ เลเซอร์ย้อมสี เลเซอร์ไครโซเบอริล เลเซอร์ศูนย์สี เลเซอร์ก๊าซแรงดันสูงที่ปรับได้ และเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ที่ปรับได้
จากมุมมองของเทคโนโลยีการผลิต เลเซอร์ที่ปรับความถี่ได้นั้นแบ่งออกเป็นหลักๆ ได้แก่ เทคโนโลยีควบคุมกระแสไฟฟ้า เทคโนโลยีควบคุมอุณหภูมิ และเทคโนโลยีควบคุมเชิงกล
ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านั้น เทคโนโลยีควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์คือการปรับความยาวคลื่นโดยการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป ด้วยความเร็วในการปรับระดับนาโนเมตร แบนด์วิดท์การปรับกว้าง แต่กำลังเอาต์พุตต่ำ โดยเทคโนโลยีควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จะใช้ในเลเซอร์ SG-DBR (sampling grating DBR) และเลเซอร์ GCSR (auxiliary grating directional coupling backward-sampling reflection) ส่วนเทคโนโลยีควบคุมอุณหภูมิจะเปลี่ยนความยาวคลื่นเอาต์พุตของเลเซอร์โดยการเปลี่ยนดัชนีหักเหของบริเวณแอคทีฟของเลเซอร์ เทคโนโลยีนี้เรียบง่าย แต่ช้า และสามารถปรับได้ด้วยแบนด์วิดท์แคบๆ เพียงไม่กี่นาโนเมตรเท่านั้น โดยเทคโนโลยีหลักๆ ที่ใช้เทคโนโลยีควบคุมอุณหภูมิ ได้แก่เลเซอร์ DFBเลเซอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้นั้นมีสองประเภทหลัก ได้แก่ เลเซอร์แบบ DFB (distributed feedback) และเลเซอร์แบบ DBR (Distributed Bragg reflection) การควบคุมเชิงกลส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยี MEMS (micro-electro-mechanical system) ในการเลือกความยาวคลื่น โดยมีแบนด์วิดท์ที่ปรับได้กว้างและกำลังเอาต์พุตสูง โครงสร้างหลักที่ใช้เทคโนโลยีการควบคุมเชิงกล ได้แก่ เลเซอร์แบบ DFB (distributed feedback), เลเซอร์แบบ ECL (external cavity laser) และเลเซอร์แบบ VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) ต่อไปนี้จะอธิบายหลักการของเลเซอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้จากมุมมองเหล่านี้
การประยุกต์ใช้การสื่อสารด้วยแสง
เลเซอร์ปรับความยาวคลื่นได้เป็นอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกที่สำคัญในระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่นรุ่นใหม่และการแลกเปลี่ยนโฟตอนในเครือข่ายออปติคอลทั้งหมด การใช้งานเลเซอร์ชนิดนี้ช่วยเพิ่มขีดความสามารถ ความยืดหยุ่น และความสามารถในการขยายขนาดของระบบส่งสัญญาณใยแก้วนำแสงได้อย่างมาก และสามารถปรับความยาวคลื่นได้อย่างต่อเนื่องหรือเกือบต่อเนื่องในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง
บริษัทและสถาบันวิจัยทั่วโลกกำลังส่งเสริมการวิจัยและพัฒนาเลเซอร์แบบปรับความถี่ได้ และความก้าวหน้าใหม่ๆ ก็เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในสาขานี้ ประสิทธิภาพของเลเซอร์แบบปรับความถี่ได้ถูกปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและต้นทุนก็ลดลงอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบัน เลเซอร์แบบปรับความถี่ได้แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ เลเซอร์แบบปรับความถี่ได้จากสารกึ่งตัวนำและเลเซอร์แบบปรับความถี่ได้จากใยแก้วนำแสง
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญในระบบสื่อสารด้วยแสง เนื่องจากมีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง ประหยัดพลังงาน และสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ ในชิปเดียวได้อย่างง่ายดาย โดยสามารถแบ่งออกได้เป็นเลเซอร์แบบปรับความถี่ได้ (tunable distributed feedback laser), เลเซอร์แบบกระจายแสงสะท้อนแบร็ก (distributed Bragg mirror laser), เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้งระบบไมโครมอเตอร์ (micromotor system vertical cavity surface emitting laser) และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโพรงภายนอก (external cavity semiconductor laser)
การพัฒนาเลเซอร์ใยแก้วแบบปรับความยาวคลื่นได้ในฐานะตัวกลางขยายสัญญาณ และการพัฒนาเลเซอร์ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ในฐานะแหล่งกำเนิดแสง ได้ส่งเสริมการพัฒนาเลเซอร์ใยแก้วอย่างมาก เลเซอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้นี้ใช้แบนด์วิดท์การขยายสัญญาณ 80 นาโนเมตรของใยแก้วเจือสาร และมีการเพิ่มองค์ประกอบตัวกรองเข้าไปในวงจรเพื่อควบคุมความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์และทำให้สามารถปรับความยาวคลื่นได้
การพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้กำลังคึกคักอย่างมากทั่วโลก และความก้าวหน้าก็รวดเร็วมากเช่นกัน เนื่องจากเลเซอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้ค่อยๆ เข้าใกล้เลเซอร์แบบความยาวคลื่นคงที่ทั้งในด้านต้นทุนและประสิทธิภาพ จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะนำมาใช้ในระบบสื่อสารมากขึ้นเรื่อยๆ และมีบทบาทสำคัญในเครือข่ายออปติคอลทั้งหมดในอนาคต
โอกาสในการพัฒนา
เลเซอร์ปรับความยาวคลื่นได้มีหลายประเภท ซึ่งโดยทั่วไปพัฒนาขึ้นโดยการเพิ่มกลไกการปรับความยาวคลื่นเข้าไปบนพื้นฐานของเลเซอร์ความยาวคลื่นเดียวชนิดต่างๆ และมีสินค้าบางชนิดวางจำหน่ายในตลาดต่างประเทศแล้ว นอกจากการพัฒนาเลเซอร์ปรับความยาวคลื่นแบบต่อเนื่องแล้ว ยังมีการรายงานเกี่ยวกับเลเซอร์ปรับความยาวคลื่นที่มีฟังก์ชันอื่นๆ รวมอยู่ด้วย เช่น เลเซอร์ปรับความยาวคลื่นที่รวมชิป VCSEL และตัวปรับการดูดกลืนแสงทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน และเลเซอร์ที่รวมตัวสะท้อนแสงแบบ Bragg ของตัวอย่าง ตัวขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์ และตัวปรับการดูดกลืนแสงทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน
เนื่องจากเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย เลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้ที่มีโครงสร้างหลากหลายจึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับระบบต่างๆ ได้ โดยแต่ละแบบมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโพรงภายนอกสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับความยาวคลื่นได้แบบบรอดแบนด์ในเครื่องมือทดสอบที่มีความแม่นยำสูง เนื่องจากมีกำลังเอาต์พุตสูงและสามารถปรับความยาวคลื่นได้อย่างต่อเนื่อง จากมุมมองของการรวมโฟตอนและการตอบสนองต่อเครือข่ายออปติคอลทั้งหมดในอนาคต DBR แบบตะแกรงตัวอย่าง DBR แบบตะแกรงโครงสร้างซ้อน และเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้ซึ่งรวมเข้ากับตัวปรับสัญญาณและตัวขยายสัญญาณ อาจเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับความยาวคลื่นได้ที่มีศักยภาพสำหรับ Z
เลเซอร์ปรับความถี่ได้ด้วยตะแกรงไฟเบอร์ที่มีโพรงภายนอกก็เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีศักยภาพสูงอีกชนิดหนึ่ง เนื่องจากมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ และเชื่อมต่อกับไฟเบอร์ได้ง่าย หากสามารถรวมตัวปรับสัญญาณ EA เข้าไปในโพรงได้ ก็สามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดโซลิตอนแสงที่ปรับความถี่ได้ความเร็วสูงได้เช่นกัน นอกจากนี้ เลเซอร์ไฟเบอร์แบบปรับความถี่ได้ที่ใช้พื้นฐานจากเลเซอร์ไฟเบอร์ก็มีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา คาดว่าประสิทธิภาพของเลเซอร์แบบปรับความถี่ได้ในแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการสื่อสารทางแสงจะได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น และส่วนแบ่งการตลาดจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น โดยมีแนวโน้มการใช้งานที่สดใสมาก
วันที่โพสต์: 31 ตุลาคม 2566