チュートリアル：ファイバー結合型レーザーダイオードの基礎知識
ファイバー結合型レーザーダイオード :このチュートリアルは、ファイバー結合型レーザーダイオードの技術的な特性の概要を説明するものです。 このチュートリアルでは、DFBレーザーダイオードやマルチエミッター高出力レーザーダイオード など、様々なレーザーダイオードファミリーについて説明します。
完全PDF版 ファイバーレーザーダイオード
はじめに
レーザーダイオードは、今やどこにでもある。 電力をレーザーパワーに変換するための最もシンプルな素子である。 レーザーダイオードは、いくつかの半導体集積材料（GaAs、InP、あるいはGaNなどのより複雑な構造）をベースにしています。 シングルモードレーザーダイオードは低出力のレーザーダイオード（通常<1W）であるのに対し、マルチモードレーザーダイオードははるかに高出力のデバイス（通常>10Wから数kWまで）です。
光ファイバー
レーザーダイオードから入ってくる光をカップリングするために、一般的に使用される2種類のアクティブファイバーを知っておくことは重要である。
- シングルモードファイバのコアは通常数μm（例えば、波長1μm付近で〜6μm、波長1.5μm付近で9μm）である。
- マルチモードファイバーは、直径の大きなファイバーで、より高いレベルの光パワーを扱うことができる。 標準品は、コア径が通常62、100、200、400、800、あるいは> 1000μmです。 直径が小さいほど、レンズや顕微鏡の対物レンズでファイバーから出る光を小さなスポットに集めることが容易になる。
偏波保持ファイバー。シングルモードレーザーダイオードには、標準的なもの（SMF）と偏波保持（PM）があります。 後者は、光ファイバーが特殊なクラッド構造になっており、ファイバー全長にわたって光の偏光を維持することができる。
下表は、Corning社が提供するシングルモードPMファイバーの各モデルの特性を示したものです。 波長が短くなるにつれて、コアの直径が非常に小さくなっていることがわかる。 この表で注目すべきは、カットオフ波長という興味深いデータである。 シングルモードファイバは、その遮断波長とこの遮断波長の1.5倍までの波長を考慮すると、問題なく動作します。 この範囲以下ではファイバーはマルチモードになり、この範囲以上ではファイバーを曲げたときに光が離れやすくなります。
シングルモードファイバーレーザーダイオード
このタイプのレーザーダイオードは、一般にTECクーラーやサーミスタをパッケージに組み込んだ「バタフライ」と呼ばれるパッケージで提供される（現在は小型化が進んでいる）。 シングルモードのファイバー結合型レーザーダイオードは、一般に数100mWから1.5Wの出力に達することができます。
バタフライパッケージのファイバーカップルレーザーダイオードは、様々なピン配置が可能で、接地形態も数種類（完全フローティング、アノード接地など）ある複雑なデバイスであることに注意してください。 与えられたドライバでバタフライパッケージを組み立てるには、いくつかの検証が必要です。
このほかにも、いくつかのパッケージが発売されています。 例えば、テレコム市場でよく出会う以下のようなDILパッケージや、<10mWのパワーを持つ同軸パッケージがあります。
現在、低出力テレコムやLIDAR市場のレーザーダイオード・メーカーは、TEC、サーミスタ、BFMを含む非常に小さなフォームファクタの新しい同軸パッケージを開発する傾向にあります。
下図は、一般に市販されているレーザーダイオードの3つのファミリーを示しています。 VCSELレーザーダイオードは、一般的にファイバーカップリングされていません。 パソコンのマウスデバイスやスマートフォンの3Dセンシング顔認識などの大型拡散センシングアプリケーションで見られるタイプのレーザーダイオードである。
DFBとFabry-Perrotのエッジエミッタは、ファイバーカップリングされることが多いので、以下に説明します。
a) ブラッググレーティングを持つ、または持たないファブリーペロレーザーダイオード
“標準的な”ファイバー結合型レーザーダイオードは、バックファセットに高反射膜、フロントファセットに部分反射膜を持つ一般的な部分反射型半導体共振器である。 レーザーダイオードのチップサイズは、1*0.5*0.2mmが一般的です。
主な代表的な特徴は以下の通りです。
- 出力範囲は、シングルモードで>1.5Wに達します（マルチモードではそれ以上になります。）
- 帯域幅は一般に広い（>1nm ）。
- 出力ビームは強い楕円形をしています。
発光帯域幅を狭め、レーザーダイオード全体の安定性を向上させるため、レーザーダイオードメーカーは、出力ファイバー内にファイバーブラッググレーティングを追加することが多い。
ブラッググレーティングは、レーザーダイオードに非常に正確な波長で数パーセントの反射率を付加する。 これにより、レーザーダイオードの発光帯域を全体的に縮小することができます。 ブラッググレーティングを使用しない場合、発光帯域幅は通常 3-5 nm であるが、ブラッググレーティングを使用した場合は、さらに狭くなる (~< 0.1 nm)。 波長スペクトル温度可変係数は、ブラッググレーティングを使用しない場合、通常 0.35 nm/℃ ですが、ブラッググレーティングを使用した場合は、それよりもはるかに小さくなります。
915/976/1064nmシングルモードポンプレーザーダイオードの主要サプライヤーは、90年代末にテレコム市場向けファイバーアンプ（EDFA：エルビウム添加ファイバーアンプ）でビジネスを展開した企業である。 高い信頼性と生産量の多さによる低コストが両立している。
b) DBRまたはDFBレーザーダイオード
DBRまたはDFBレーザーダイオードデバイスは、ブラッググレーティングの波長安定化部をレーザーダイオードチップ部に直接組み込んでいます。 これにより、ブラッググレーティングを用いたファブリペローの発光波長が0.1 nmであるのに対し、DFBの発光波長は1 MHz（すなわち、～10-5 nm）と狭帯域化されています。
c) パルス特性・ゲイン切替
ファイバ結合型レーザーダイオードから入射する光を変調するためのシンプルなソリューションは、パルス制御エレクトロニクス電流ドライバを使用して直接変調を適用することです。 3ナノ秒のパルス幅の例を以下に示します。 パルスの最初にゲイン切り替えのピークがあるのがわかる。 これは、レーザーダイオード内のキャリアが緩和されたものです。 ゲインスイッチピークは、このゲインスイッチピークパルスを分離して、〜100ピコ秒のパルスを得たい場合に有効です。 しかし、ゲイン切り替えのピークは、一般的に望ましくない性質を持っています（下記参照）。
市販のレーザーダイオードパルスドライバーを専門に製造している会社は、世界でも数少ない。 しかし、短いパルス幅でのパルス形状や、立ち上がり/立ち下がり時間、ジッターレベルは、メーカーにより大きく異なることがあります。 また、主要な機能や付加機能はメーカーごとに異なるものも多くあります。 また、使いやすさにも配慮しています。
帯域幅の制限は、「駆動側」の電子機器の速度と、「交流側」のレーザーダイオードのインダクタンスの結果である。 多くのサプライヤーが提供するON/OFFスイッチングモードでは、1アンペアあたり5ナノ秒の立ち上がり/立ち下がり時間を達成することが可能です。 しかし、モジュール性、使いやすさ、高性能を両立させることは、パルスドライバを開発する上で最も難しい部分である。
AeroDIODEは、3nsec/Aから0.5nsec/A以下のスイッチング速度で、複数のON/OFFレーザーダイオーズスイッチングドライバモデルを提供しています。
また、レーザーダイオードを直接変調するための高性能な製品として、「パルスシェーパー」と呼ばれるものがあります。 AWG（Arbitrary Waveform Generator）を内蔵し、レーザーダイオード出力を48dBの振幅分解能と500ピコ秒のタイミング分解能で整形することが可能です。 この高速レーザーダイオードドライバーをご覧ください。
このパルスShaperモジュールは、高帯域のAWGでカスタマイズされた形状をプログラムし、希望のカスタム光パルス形状を生成することが可能です。 また、下図にあるように、このモジュールは特殊な内部機能を持ち、ゲインスイッチのピークを緩和することが可能です。
d) スペクトル特性
パルスレーザダイオードの発光スペクトルの変化を考えるとき、ユーザーは2つの望ましくないスペクトルの効果を理解する必要があります。
- 1つ目は、レーザーダイオードがブラッグロック素子に「ロック」するのに必要な時間に相関がある。 このロックは、DFBではすぐにできるが、ブラッググレーティングを用いたレーザーダイオードでは100ナノ秒以上かかることが多い。 つまり、グレーティング安定化レーザーダイオードをパルス化した場合、最初のナノ秒はブラッググレーティングがないかのようにブロードな発光スペクトルが得られるのだ。 一部のサプライヤーは、ロックに数ナノ秒しかかからない「Bragg close to chip」と呼ばれる中間的な解決策を提供している。
- また、周波数/位相スペクトルと強度プロファイルのカップリングによる影響も避けられない。 具体的には、パルス長に応じて発光スペクトルが変化することがあり、これが問題となる場合がある。 SOAなどの外部変調により、この影響を回避するスマートなソリューションが提供されます。 チュートリアルをご覧ください。 高速ファイバー変調器の基礎知識をご覧ください。また、レーザー光を外部で変調するために一般的に使用されている4つの技術の詳細な比較もご覧ください。
以下の表1は、レーザーダイオード技術（DFBレーザーダイオードまたはFabry-Perrotレーザーダイオード）により、温度または電流レベルによるこれらのスペクトル進化効果の概要を示しています。
表1 : Fabry-Perrot型とDFB型半導体レーザーのスペクトル進化の比較。
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ピーク波長の進化… |
ファブリーペロ |
DFB |
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温度による |
~ 0.35 nm/°C |
~ 0.06 nm/°C |
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現在のレベルでは |
~ 5 nm/A |
~ 1 nm/A |
したがって、Fabry-Perrot発光チップのスペクトル進化は、典型的には0.35 nm/℃、5 nm/Aである。 なお，ブラッググレーティングのロックは，自身の狭いピーク波長がチップのピーク発光波長±5 nmの波長範囲で構成されていると良好な分光安定性が得られます。
パルス領域で駆動されるファブリペロレーザーダイオードのスペクトル特性は、最初の100秒間に進化を示すことは興味深いことです。 下のグラフは、そのような帯域幅の測定曲線をいくつか示したものです。
そのため、DFBレーザーのスペクトル帯域は、ブラッググレーティングを用いた場合でも、ファブリペロレーザーよりもCW領域で非常に狭くなります。
また、DFBは温度と電流レベルの両方で発光波長に何らかの変化が見られる。 これらは、ファブリー・ペロットの技術に比べればはるかに少ないもので、以下に比較します。
また、短パルスを考慮した場合の発光帯域の推移も興味深い。 200mA以下の短パルスでは、発光帯域が狭いことがわかる（0.2AのパルスでOSA最小分解能0.04nmを実現）。 しかし、より高いピーク電流を考慮すると、著しい帯域幅の進化が観察されるようになります。
e) シングルモードレーザーダイオードの駆動
シングルモードレーザーダイオードをCWまたはパルス領域で駆動することは困難であり、専用製品が必要とされます。 ここでは、研究開発用とフォトニクスシステムインテグレーション用に特別に設計された3つのレーザーダイオードドライバを紹介します。 これらのドライバーには、レーザーダイオードの温度を調整するためのTEC制御部が搭載されています。
- CCSは、TEC制御のパルス＆CWレーザーダイオードドライバーです。 このパルスレーザダイオードドライバは、オンボードのパルスジェネレータによって内部で生成される精密なパルス、または外部TTL信号からオンデマンドで生成されるパルスを提供します。 利用可能なシングルモードレーザーダイオードのフォームファクターのほとんどと互換性があります。 バタフライレーザーダイオードは、最大250 MHzの繰り返し周波数とデューティサイクルで、CWまたはパルス領域で簡単に駆動することができます。 参照：パルスレーザーダイオードドライバー
- セントラルボードAeroDIODE社のセントラル基板は、低ノイズCW駆動に最適化されたレーザーダイオードチャンネルと、CWとナノ秒短パルスの両方に最適化されたチャンネルを1つずつ備えています。 また、複数のフォトダイオード入力など、ファイバーレーザーに関連する機能を多数搭載しています。 中央のボードは、ファイバーレーザーの「コントロールセンター」として機能することができます。 セントラルボードは、ファイバーレーザーの構築と統合のために最適化された50以上のハイテク機能性を備えています。 ファイバーレーザーダイオードドライバーの製品ページをご参照ください。
- The Shaper boardは、AeroDIODEが提供する別のドライバーで、上記のセクションで説明した多くの問題を解決することができます。 また、内蔵のAWG（Arbitrary Waveform Generator）により、500psごとに1点、48dBのダイナミックレンジを生成するため、非常に短いパルス幅まで形状を調整することが可能です。 また、パルスディレイジェネレーター出力も3系統搭載しています。 こちらの製品ページをご覧ください：高速レーザーダイオードドライバー
マルチモードファイバー結合型レーザーダイオード
a) マルチモードファイバー結合型レーザーダイオードの4つのファミリー
マルチモードファイバー結合型レーザーダイオードは、当初、半導体ウェハーから設計・製造された広面積の側面発光型レーザーダイオードチップをベースにしている。
マルチモードファイバ結合型レーザーダイオードは4種類あります（図18、図19参照）。
- シングルエミッター：レーザーダイオードチップを分離し、サブマウントに組み立て、レーザーダイオードモジュールに単独でパッケージングした場合。 ここでは、105（コア）/125µm（クラッド）レーザーダイオードに結合される15Wのパワーについて説明します。
- マルチエミッター：マルチモードファイバ内で、複数のエミッターを分離し、他の分離したエミッターと光学的に結合させた場合（図19-右）。 そのため、出力レベルは数百ワットまで拡張可能で、ファイバーサイズも100μmや200μmコアなど小さく抑えることができます。
- シングルバー：複数のエミッターを1本のバーとしてまとめ（図17）、レーザーダイオードモジュールに組み込んだ場合。 ここでは、200μm（コア）/240μm（クラッド）レーザーダイオードに結合される50Wのパワーについて説明します。
- 複数のバーを使用。複数のバーを大型の水冷パッケージに組み込んで、大口径のマルチモードファイバーで結合した場合。 ここでは、例えば600μmや800μmのコアのマルチモードファイバーに結合される100WのKWについて話しています。
これらのレーザーダイオードは、いずれもパッケージが大きく異なっている。
様々なファミリーを考慮した場合、典型的な電圧と電流レベルがどのように変化するかに注目するのは興味深いことである。
- 一般的なユニタリーエミッターは、電圧レベルが〜1.5V、電流が〜15Aです。
- マルチエミッターレーザーダイオードの場合、エミッターは直列に組み合わされる。 電流のレベルは変わらないが（通常最大15A）、エミッターをどんどん増やすことを考えると、電圧の方が高くなるということだ。 (例：60Wレーザーダイオードの場合、4.5V/15A）
- レーザーダイオードバーは、すべてのエミッターを並列に組み立てます。 だから、電圧のレベルは変わらないが、電流のレベルは45Aや50Aに簡単に到達することができる。
- この場合も、複数のバーを組み立てる場合は、これらを直列に組み立てるので、電流のレベル（例えば45A）は変わりませんが、電圧はバーの本数に応じて規則的に上昇します。
b) 構造とフォームファクター
図19に、単素子および多素子のレーザーダイオードの構造例を示す。 複数のレーザーダイオード素子を分離し、そのレーザー光を1本のファイバーにまとめることで、ファイバーでのパワー/面を大きくすることができることがわかる。 一方、レーザーダイオードバーは強い非対称性を持っており、円形のファイバーに光を入射することが難しくなっています。 このため、一般的にレーザーバー技術の最小ファイバー径は、マルチエレメント技術よりも大きくなる。
c) スペクトル特性
976nmのYb3+のような希土類イオンの励起など、多くのアプリケーションでは、安定化した狭いレーザーダイオードの発光スペクトルが必要とされることに注意してください。 この波長安定性を確保するためには、レーザーダイオードの温度を制御する必要があり、多くの場合、レーザーダイオードに波長安定化素子を追加する必要がある。 この素子は、一般にマルチモードレーザーダイオード用のVBG（Volume Bragg Grating）である。 VBGは、レーザーダイオードのパッケージに組み込まれた特殊なガラスである。
d) マルチモードレーザーダイオードの駆動
マルチモードレーザーダイオードの駆動は、専用品が必要な難しい作業です。 特に、>10W出力のレーザーダイオードを考える場合、熱冷却が現実的な課題となる。 ファイバーレーザダイオード駆動用に特別に設計されたレーザーダイオードドライバーで、研究開発からファイバーレーザー製品のフルインテグレーションまで対応します。
AeroDIODE社のCCM（Cool and Control Multimode）は、1つまたは複数のマルチモードレーザーダイオード（単一素子または複数素子のデバイス）の駆動用に完全に最適化されています（このページ：高出力レーザーダイオードドライバー参照）。 レーザーダイオードの温度を調整できるTE-Coolerを搭載しています。 光出力200Wまでのレーザーダイオードに対応した空冷式デバイスです。
ほぼすべてのフォトニクスシステムに対応するモジュール型レーザーエレクトロニクスファミリ
AeroDIODEは、ほぼすべてのタイプのレーザーダイオードベースのフォトニクスシステムを構築することができる電子ドライバの全シリーズを開発しました。 これらのドライバは相互に通信可能であり、あらゆる種類のレーザーダイオードをパルスまたはCW領域で制御することができます。 コンパクトな試作機に簡単に組み込むことができるように設計されています。 これにより、設計者はフォトニクス・システムの開発期間を大幅に短縮することができます。
