ファイバー結合レーザーゲイン媒体として希土類元素をドープしたグラスファイバーを使用したレーザーを指します。

レーザーからの光信号がファイバに入るには、主に直接結合とレンズ結合の 2 つの方法があり、レンズ結合は単レンズ結合と多レンズ結合に分けられます。 直接結合よりもレンズ結合の方が高い結合効率が得られます。 デュアル レンズ カップリングの主な利点は、公差を分散できるため、光路内のコンポーネントがより大きな変位空間を持つことができることです。

ファイバー結合に関する 5 つの実際的な質問を次に示します。

1. ファイバの受信角度を正確に推定するために NA を使用できるのはいつですか?

マルチモード ファイバーの最大受信角度は、開口数 (NA) によって正確に推定できますが、この関係はシングルモード ファイバーには当てはまりません。NA と最大受信角度 (θmax) の関係は、幾何光学によって計算できます。 式は次の図を参照してください。 入射光を光線として見る場合、θmax はファイバが軸外光を収集する能力を表します。入射角が θmax 以下の光線 (赤とピンク) は、界面で全反射 (TIR) を受けます。コアとクラッドの間で、コア内を前方に伝搬するようにバインドされています。 入射角が θmax (青) より大きい光線は、屈折により最終的に失われます。

複数の入射角とファイバーモード

入射角が θmax 以下の光線は、マルチモード ファイバーのガイド モードの 1 つに結合されます。 一般に、入射角が小さいほど、励起されたファイバーのモード次数は低くなります。 ほとんどのエネルギーは中心近くの低次モードに集中し、通常入射光線は最低次モードを励起します。 次の図は、2 つのマルチモード光ファイバの伝搬を示しています。

シングルモードファイバーは違う

上記の式で計算された NA は、シングルモード ファイバーの最大入射角ではないため、シングルモード ファイバーの光受信能力を表すことはできません。 0- 度の入射光によって励起される最低導波モードのみがシングルモード ファイバーに存在し、伝搬図は次のようになります。

シングルモードファイバー出力の発散角を NA で推定するのは正確ではありません。 この場合、ビームは回折によって発散しますが、幾何光学ではこの影響を考慮していないため、波動光学が必要になります。

2. MFD がシングルモード ファイバー結合レーザーの重要なパラメーターである理由は何ですか?

ビームがシングルモード ファイバーに沿って伝搬するとき、ガウス形状に近い強度プロファイルを維持します。 プロファイルの幅は、モードフィールド径 (MFD)、つまり、強度がピーク値の 1/e² に低下したときのスパン幅によって特徴付けることができます。 経験則: MFD はファイバー コアの直径の約 1.15 倍です。

入射光がガウス光に近いほど、結合効率が高くなります。 入射光がガウシアンで、ビーム ウエストがファイバ MFD に等しい場合、高い結合効率を達成できます。 ガウシアン ビームの式のウェスト径に MFD を代入することで、シングルモード ファイバの結合パラメータと発散角を正確に計算できます。

結合パラメータを決定する

シングルモード ファイバには、ベッセル関数で記述できるガイド モードが 1 つしかありません。 形状が似ているため、Gaussian 関数を使用すると、正確な結果を提供しながらファイバー パターンを単純化できます。 下の図は、シングルモード ファイバーのモード強度プロファイルを示しています。ここでは、入射光は、ガイド モードに一致する場合にのみ結合されます。

シングルモードファイバー結合レーザー

シングルモードファイバの結合効率を向上させるには、入射ガウシアンビームのウエストがファイバ端に位置し、ウエストの強度とモード強度が一致して一致する必要があります。 ビーム ウェストの直径が MFD と等しくない場合、ビーム強度プロファイルが変化または逸脱する場合、またはビームがファイバに沿って軸方向に入射しない場合、これらの条件により結合効率が低下します。

3. NA は、シングルモード ファイバー出力の発散角を正確に推定できますか?

NAを使用してシングルモードファイバの発散角を見積もると、大きな誤差が生じます。 より正確な方法は、ガウス ビーム伝搬理論を使用することです。 シングルモード ファイバの遠視野発散角を計算するための近似式は次のとおりです。結果は発散角または受信角度 (ラジアン) になります。

シングルモードファイバーの出力はガウシアン光に似ており、例えば幾何光学で計算される発散角は大きな偏差を持っています。 幾何光学で計算される発散角はアークサイン(NA)に等しく、これは一般的なマルチモード ファイバにのみ適用されます。

シングルモード ファイバーはガウス ビームを出力します。 レイリー距離と z 点でのビーム半径は、それぞれ次の 2 つの式で計算されます。

したがって、下の図に示すように、シングルモード ファイバーの出力ビームの発散角を正確にシミュレートできます。 明らかに、幾何光学理論に従って NA を使用して発散角を計算すると、大きな誤差が生じます。 この例では、NA と MFD はそれぞれ 0.13 と 6.4 µm です。 動作波長は 980 nm で、レイリー距離は 32.8 µm です。

図からわかるように、ビームの発散はレイリー距離内では線形ではありませんが、遠距離場ではほぼ線形と見なすことができます。 図に示されている 2 つの角度は、曲線の傾きから計算されます。 上記の遠距離場近似式を使用して計算すると、結果はわずかな誤差で 5.61 度の角度に変換されます。

4. シングルモードファイバーの結合効率に影響を与える要因は何ですか?

シングルモードファイバーの結合効率は、入射ビームの角度、位置、強度プロファイルを調整することで改善できます。 ファイバの端面が平坦で軸に対して垂直であると仮定すると、次の条件が満たされている場合、ビームは最高の結合効率に達することができます。

•ガウス強度プロファイル

・ファイバ端面から正入射

•ウエストはファイバーの端にあります。

•腰の中心を芯の中心に合わせる

•ウエスト径はファイバ MFD に等しい

光源により結合効率が制限される場合があります

レーザーが最低次の横モードのみを放出する場合、出力はほぼガウシアン ビームであり、シングルモード ファイバーに効率的に結合できます。 しかし、マルチモードレーザーや広帯域光源とシングルモードファイバーの結合効率は非常に低く、コア領域に集光してもほとんどの光が漏れてしまいます。 これは、マルチモード光源の光の一部のみがシングルモード ファイバーのガイド パターンと一致するため、マルチモード光源がマルチモード ファイバーとの結合効率を高めることができるためです。

5. マルチモードファイバーの最大受信角度は決まっていますか?

問題はファイバーの種類によって異なります。 ステップインデックスマルチモードファイバーの場合、コアの各ポイントの最大受信角度は同じです。 ただし、グレーデッド インデックス マルチモード ファイバのコア中心だけが最大の入射角を提供できます。 中心から離れるほど、最大受信角度が小さくなり、クラッド インターフェース付近の最大受信角度は 0 になる傾向があります。

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