レーザーダイオードをチューナブル半導体レーザーに変換する方法

レーザーダイオードを波長可変半導体レーザーに変換すると、正確な波長の選択と制御を通じて測定システムの精度と安定性が大幅に向上します。これは、分光分析、精密測定、科学研究などの高精度アプリケーションにとって特に重要です。

レーザーダイオード
レーザー ダイオードは、レーザー ポインター、バーコード スキャナー、CD/DVD/Blu-ray ドライブなど、さまざまな消費者製品のサブコンポーネントとして確立されています。その成功の要因は、コンパクトさ、操作の容易さ、高い変換効率、そして高いコストパフォーマンスです。ただし、裸のレーザー ダイオードの発光スペクトルは幅広く、レーザー発振波長は明確に定義されていません。

通常、半導体レーザー管の 2 つの端面は共振空洞を形成し、(縦方向の) レーザー発振モードを決定します。半導体の幅広いゲイン曲線は、それぞれが異なる周波数を持つ複数のモードを同時にサポートします。単一の縦モードを持つダイオードでも、チップ温度やドライバー電流がわずかに変化すると、モードホッピングやスペクトル的に不安定な出力ビームが発生する可能性があります。

波長可変半導体レーザー

調整可能な単一周波数半導体レーザーは、レーザー ダイオードと、レーザー周波数の選択と調整のための回折格子などの周波数選択モジュールで構成されます。当社は、狭い線幅と調整機能を備えた 190 nm ～ 4000 nm の波長を提供できます。システムによっては最大 120 nm のモードホップフリー調整機能を備えています。これらのレーザーは、スタンドアロンのアンプで増幅することも、最大 4 W までの完全なマスター オシレーター パワー アンプ (MOPA) に統合することもできます。ほとんどのレーザー アンプ システムはテーパー型アンプを使用します。 190 nm から 680 nm までの周波数 2 倍レーザーを使用すると、最大 1 W の出力でより広いスペクトル範囲を実現できます。これらすべてのレーザー システムの最も重要な特徴は、低ノイズ (低 RIN ノイズと狭い線幅) と低ドリフトです。これらの優れた特性は、非常に優れたレーザードライバー回路に依存します。より高いレーザーの安定性を達成するために、さまざまな種類のレーザー周波数ロック モジュールを使用することで線幅を 1 Hz まで狭めることができ、これは便利なデジタル回路で制御できます。

モードの選択
周波数選択フィードバックをレーザーキャビティに導入することにより、狭い発光線幅、大きなコヒーレンス長、正確な波長選択、発光周波数の調整や安定化などの優れた半導体レーザー特性を実現できます。 JTBYShield は、2 つの調整可能な単一周波数半導体レーザーを提供します。どちらも回折格子構造を利用して放射周波数を選択および制御します。 1 つは回折格子安定化外部共振器半導体レーザー (ECDL) です。

これには、最初の共振キャビティ面としてレーザー ダイオードの前に取り付けられた光学回折格子が含まれており、2 番目の共振キャビティ面はダイオードの背面にあり、レーザー チューブとフィードバック要素が「外部共振キャビティ」を形成します。

外部共振器型半導体レーザーの概略図

もう 1 つのアプローチは、半導体自体に回折格子が組み込まれたレーザー ダイオード、つまり分布帰還 (DFB) および分布ブラッグ反射器 (DBR) 半導体レーザー チューブです。

回折格子フィルター、半導体ゲイン曲線、内部半導体レーザー管モード、および (該当する場合) 外部キャビティ モードによって、レーザー発振モードが決まります。安定したシングルモード動作には、正確な温度と電流の制御、およびコンポーネントの適切なマッチングが必要です。

外部共振器ダイオードレーザーのモード選択

外部共振器型半導体レーザーの概略図

DBR レーザー ダイオードの回路図

波長調整

DFB および DBR ダイオードは、半導体レーザー管の電流および/または温度を調整することで波長を調整できます。モードホッピングなしで約 1-2 nm で調整できます。

ECDL の波長を変更するには、たとえば回折格子への入射角を変更することによって、モード選択デバイスのスペクトル応答を変更する必要があります。総利得が最大となるモードで動作すると、レーザーが別の縦モードにジャンプし、新しい波長で発光します。

レーザ発振波長の微調整は、外部共振器の長さを変更することによって実現され、これにより、レーザのシングルモード動作によってサポートされる現在の縦モードが変更されます。

モードホップフリーのチューニング

DL プロレーザー

モードホップフリーの広い調整範囲は、複数の要素を調整して調整することによって決まります。当社の DL プロ レーザーは、格子角度、外部共振器の長さ、半導体レーザー管電流を同時に変更して最適な同期を実現することにより、広範な周波数ホッピングのないチューニングを実現します。 DL pro のモードホップフリー調整は通常 20-50 GHz であり、安定した動作条件を得るために頑丈な準モノマー構造を備えています。

応用分野
1. 通信分野への応用
波長可変半導体レーザーは、光通信システム、特に波長分割多重 (WDM) および高密度波長分割多重 (DWDM) システムにおいて重要な役割を果たします。波長調整機能により、さまざまなチャネルのニーズに柔軟に適応でき、ネットワークの伝送容量と効率が向上します。
2. 医療分野への応用
医療分野では、調整可能な半導体レーザーは、高精度の手術、レーザー治療、生物医学イメージングに広く使用されています。正確な波長制御と高い安定性により、眼科手術、皮膚科治療、がん治療などの用途に最適です。
3. 科学研究への応用
波長可変半導体レーザーは、スペクトル分析、精密測定、量子光学研究などの科学研究において重要な用途があります。狭い線幅と高いサイドモード抑制比により、高分解能スペクトル測定と低ノイズレーザー光源の要件に優れています。
4.高精度測定
波長可変半導体レーザーの高精度測定への応用としては、距離測定、速度測定、ひずみ測定などがあります。その高いコヒーレンスと狭い線幅特性により、干渉測定システムは極めて高い測定精度と安定性を実現できます。
5. スペクトル分析
波長可変半導体レーザーをスペクトル分析に使用すると、高解像度かつ高感度のスペクトル データが得られます。環境モニタリング、化学分析、バイオセンシングへの応用は、微量成分の検出や複雑なサンプルの分析に役立ちます。
6. 光周波数走査干渉法
光周波数走査干渉法における同調可能半導体レーザーの応用は、レーザー周波数を変更することによってターゲットの絶対距離測定を達成します。その高精度と長いコヒーレンス長により、地形マッピングや宇宙探査で広く使用されています。

レーザーダイオードを調整可能な半導体レーザーに変換すると、モード選択を達成するための周波数選択フィードバック機構が導入され、回折格子構造（外部共振器回折格子や内蔵回折格子DFB/DBRなど）を使用して波長調整が制御され、レーザー出力とモードの安定性が最適化されます。 -同期チューニング方式によるホップフリーのチューニング範囲。これらの革新は、レーザー システムの精度と安定性を向上させるだけでなく、高精度測定、スペクトル分析、光周波数走査干渉計測距における応用可能性を拡大します。

JTBYシールドは、レーザー分光法、バイオフォトニクス、基本的な量子物理学、半導体検出/計測などのアプリケーションに使用できる高性能単一周波数調整可能半導体レーザーを提供します。ご興味がございましたら、製品の詳細についてお気軽にお問い合わせください。

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