ファイバー結合型半導体レーザー

定義: 生成された光が光ファイバーに結合されるダイオード レーザー。

多くの場合、必要な場所に光を伝送できるように、ダイオード レーザーからの出力光を光ファイバーに結合する必要があります。ファイバー結合半導体レーザーには次の利点があります。

1. 光ファイバーから放射される光の強度曲線は一般に滑らかで円形であり、ビーム品質は対称的であるため、アプリケーションで非常に便利です。たとえば、エンドポンプ固体レーザー用の円形ポンプスポットを生成するには、それほど複雑ではない光学系が使用されます。

2. 固体レーザーヘッドからレーザーダイオードとその冷却装置を取り除くと、レーザーは非常に小さくなり、他の光学部品を配置するのに十分なスペースが確保されます。

3. 不適格な光結合半導体レーザーを交換する場合、デバイスの配置を変更する必要はありません。

4. 他の光ファイバーデバイスと組み合わせて使用​​することが容易な光結合デバイスです。

ファイバー結合型半導体レーザーの種類

完成したダイオード レーザーの多くはファイバー結合されており、レーザー パッケージ内に非常に堅牢なファイバー結合光学部品が含まれています。ダイオードレーザーが異なれば、使用するファイバーやテクノロジーも異なります。

最も単純なケースは、VCSEL (垂直共振器面放射レーザー) が通常、非常に高いビーム品質、中程度のビーム発散、非点収差なし、および円形の強度分布を持つビームを放射することです。シングルモードファイバーのコアに放射スポットを結像するには、単純な球面レンズが必要です。結合効率は 70 ～ 80% に達することがあります。光ファイバーを VCSEL の放射面に直接接続することもできます。

小型の端面発光レーザー ダイオードも単一の空間モードを放射するため、原理的にはシングルモード ファイバーに効率的に結合できます。ただし、単純な球面レンズのみを使用すると、ビームの楕円率によって結合効率が大幅に低下します。また、ビームの発散角は少なくとも 1 つの方向で比較的大きいため、レンズの開口数は比較的大きい必要があります。もう 1 つの問題は、ダイオード、特に利得ガイド ダイオードの出力光に存在する非点収差であり、これは追加のシリンドリカル レンズを使用することで補償できます。出力パワーが数百ミリワットに達すると、ファイバー結合利得ガイドレーザーダイオードを使用してエルビウムドープファイバー増幅器を励起することができます。

図 2: 単純な低出力ファイバー結合端面発光レーザー ダイオードの回路図。球面レンズは、レーザー ダイオードの表面から放射された光をファイバー コアに結像するために使用されます。ビームの楕円率と非点収差により、結合効率が低下します。

大面積レーザー ダイオードは、放射方向に空間的にマルチモードです。シリンドリカル レンズ (たとえば、図 3 に示すファイバー レンズ) を通して円形のビームを整形してマルチモード ファイバーに入射すると、速軸方向の高品質のビームが失われるため、明るさのほとんどが失われます。品質は使用できません。たとえば、1W の出力の光は、コア直径 50 ミクロン、開口数 0.12 のマルチモード ファイバに入力できます。この光は、マイクロチップ レーザーなどの低出力バルク レーザーを励起するのに十分です。 10Wの発光も可能です。

図 3: 単純な光結合大面積レーザー ダイオードの概略図。光ファイバーレンズは、光を速軸方向にコリメートするために使用されます。

改良された広帯域レーザー技術は、発射前に対称的なビーム品質 (ビーム半径だけでなく) を持つようにビームを整形することです。これにより、輝度も向上します。

ダイオードアレイでは、非対称ビーム品質の問題はさらに深刻です。各送信機の出力は、ファイバーバンドル内の異なるファイバーに結合される場合があります。光ファイバーはダイオードアレイの片側に直線的に配置されていますが、出力端は円形のアレイに配置されています。ビームシェイパーを使用すると、ビームをマルチモードファイバーに発射する前に対称的なビーム品質を実現できます。これにより、30 W の光を、開口数 0.22 の直径 200 ミクロンのファイバーに結合することができます。このデバイスを使用して Nd:YAG または Nd:YVO4 レーザーを励起し、約 15W の出力を得ることができます。

ダイオードスタックでは、より大きなコア直径を持つファイバーも一般的に使用されます。数百ワット (または数キロワット) の光を、コア直径 600 ミクロン、開口数 0.22 の光ファイバーに結合できます。

ファイバーカップリングの欠点。

自由空間放射レーザーと比較したファイバー結合半導体レーザーには、次のような欠点があります。

より高いコスト。ビームの取り扱いや送信のプロセスが簡素化されれば、コストを削減できます。

出力電力はわずかに小さくなりますが、より重要なのは明るさです。使用されるファイバー結合技術に応じて、輝度の損失は非常に大きい (1 桁以上) 場合もあれば、小さい場合もあります。これは問題にならない場合もありますが、ダイオード励起バルク レーザーや高出力ファイバー レーザーの設計など、問題となる場合もあります。

ほとんどの場合 (特にマルチモード ファイバー)、ファイバーは偏波を維持します。この場合、ファイバの出力光は部分的に偏光され、ファイバが移動したり温度が変化したりすると、偏光状態も変化します。ポンプ吸収が偏光に依存する場合、ダイオードポンプ固体レーザーの安定性に重大な問題が生じる可能性があります。