パルスレーザーダイオードのモード構造とは何ですか?

ちょっと、そこ！パルス レーザー ダイオードのサプライヤーとして、私はこれらの小さなパワーハウスのモード構造についてよく質問されます。そこで、このトピックについて深く掘り下げて、私が知っていることを共有したいと思いました。

まず、パルスレーザーダイオードとは何かを理解しましょう。これは、短く強力な光パルスを発する半導体デバイスです。これらのダイオードは、自動運転車の LIDAR システムから光通信、さらには一部の医療機器に至るまで、幅広い用途で使用されています。

さて、パルス レーザー ダイオードのモード構造は、レーザー キャビティ内で光がどのように分布するかによって決まります。説明する必要があるモードには、主に 2 つのタイプがあります。横モードと縦モードです。

横モード

横モードは、レーザービームの方向に垂直な面内で光がどのように分布するかを表します。一般的なタイプには、基本横モード (TEM₀₀) と高次横モードの 2 つがあります。

TEM₀₀ モードはレーザー モードの聖杯のようなものです。このモードでは、光の強度はビームの中心で最も高く、端に向かって徐々に減少し、きれいなガウス形状のビーム プロファイルを形成します。このモードはビーム品質が優れており、発散角が小さいため、長距離にわたってビームの焦点が維持されます。精密機械加工や一部の種類の LIDAR システムなど、高度に集中して明確に定義されたビームが必要なアプリケーションに最適です。

一方、高次横モードはより複雑な強度分布を持ちます。ビーム プロファイルに複数の山と谷が存在する場合があります。これらのモードは通常、TEM₀₀ モードと比較して発散角が大きく、ビーム品質が低くなります。ただし、場合によっては、依然として役立つ場合があります。たとえば、特定の種類のレーザー ディスプレイでは、より興味深いビーム パターンを作成するために高次モードを使用できます。

パルス レーザー ダイオードのモード構造は、いくつかの要因の影響を受ける可能性があります。重要な要素の 1 つは、レーザー キャビティの設計です。キャビティの形状とサイズによって、どのモードが発振できるかが決まります。たとえば、キャビティが小さいと基本横モードをサポートする可能性が高くなりますが、キャビティが大きいと高次モードが存在できる可能性があります。

もう 1 つの重要な要素は、ダイオードの活性領域の利得プロファイルです。利得プロファイルは、光の増幅が活性領域全体でどのように変化するかを表します。利得が活性領域の中心で最も高い場合、基本横モードが有利になります。ただし、ゲインがより均等に分散されている場合は、高次モードが発生する可能性が高くなります。

縦モード

一方、縦モードは、レーザービームの方向に沿った光の分布に関係します。パルス レーザー ダイオードでは、光がレーザー キャビティの 2 つのミラーの間で往復振動し、定在波を形成します。各縦モードは、光の特定の波長または周波数に対応します。

パルスレーザーダイオードの縦モードの数は、レーザーキャビティの長さと利得媒体のスペクトル幅に依存します。キャビティが長ければ長いほど、縦モードの間隔は狭くなります。また、利得媒体のスペクトル幅が広い場合、より多くの縦モードをサポートできます。

一部のアプリケーションでは、単一の縦モードを持つことが重要です。たとえば、光通信システムでは、安定した高速データ伝送を保証するために単一縦モード レーザーが必要です。単一縦モード動作を実現するには、ダイオードに分布帰還 (DFB) 構造を使用するなど、さまざまな技術を使用できます。

DFB レーザーでは、回折格子がダイオードの活性領域に組み込まれています。この回折格子は波長選択フィルターとして機能し、単一の縦モードのみの発振を許可します。これにより、非常に安定した狭線幅のレーザー出力が得られ、光通信に最適です。

パルスレーザーダイオードのモード制御

パルスレーザーダイオードのサプライヤーとして、当社はモード制御に細心の注意を払っています。当社は、顧客の特定のニーズを満たすために、ダイオードが望ましいモード構造で動作できることを保証したいと考えています。

モード構造を制御する 1 つの方法は、レーザー ダイオードを慎重に設計および製造することです。レーザーキャビティの形状と活性領域のゲインプロファイルを最適化して、望ましいモードを実現します。たとえば、リッジ導波路構造を使用して光を閉じ込め、基本横モード動作を促進することができます。

また、高度なパッケージング技術を使用してダイオードを保護し、モードの安定性を維持します。たとえば、私たちのTO56 905nm 70W パルスレーザーそしてTO56 905nm 25W パルスレーザーモード構造が時間の経過やさまざまな動作条件下でも一貫性を保つように、注意深くパッケージ化されています。

設計とパッケージングに加えて、当社ではパルスレーザーダイオードの広範なテストも実施しています。当社は高度な光学測定機器を使用してダイオードのモード構造を分析し、品質基準を満たしていることを確認します。ダイオードが必要なモード仕様を満たしていない場合は、製造プロセスを調整するか、ダイオードを拒否して、高品質の製品のみがお客様に届くようにします。

アプリケーションとモードの要件

アプリケーションが異なれば、パルス レーザー ダイオードに対するモード要件も異なります。いくつかの例を見てみましょう。

ライダーシステム: 自動運転車やその他のアプリケーションで 3D マッピングや物体検出に使用される LIDAR では、明確に定義されたモード構造を備えた高品質のビームが不可欠です。基本横モード (TEM₀0) は、狭くて集束したビームを提供し、正確な距離測定と高解像度のイメージングを可能にするため、通常は好まれます。当社の TO56 905nm パルス レーザーは、その優れたモード品質と高出力により、ライダー システムでよく使用されます。

光通信: 前述したように、光通信では単一縦モード動作が重要です。信号を大幅に劣化させることなく長距離にわたってデータを送信するには、安定した狭線幅レーザーが必要です。 DFB レーザーは単一縦モード出力を提供できるため、このアプリケーションでよく使用されます。

医療用途: レーザー手術や光線力学療法などの一部の医療用途では、レーザー ダイオードのモード構造が治療結果に影響を与える可能性があります。特定のモードプロファイルを備えた適切に制御されたビームを使用して、特定の組織または細胞を高精度でターゲットにすることができます。

結論

パルスレーザーダイオードのモード構造を理解することは、メーカーとユーザーの両方にとって不可欠です。これは、さまざまなアプリケーションに対するダイオードの性能と適合性に影響します。当社はサプライヤーとして、常に技術の向上に努め、パルス レーザー ダイオードが高い信頼性と性能を備えた望ましいモード構造を提供できるように努めています。

パルス レーザー ダイオードの市場に参入していて、アプリケーションに特定のモード要件がある場合は、遠慮なくお問い合わせください。当社は製品に関する詳細情報を提供し、お客様のニーズに合った適切なダイオードの選択をお手伝いします。優れたモード品質を備えた高出力パルス レーザーが必要な場合でも、光通信用のシングル縦モード レーザーが必要な場合でも、当社が対応します。会話を始めて、お客様のレーザー ダイオードのニーズを満たすためにどのように協力できるかを考えてみましょう。

参考文献

• ジーグマン、A.E. (1986)。レーザー。大学の科学書。
• BEA のサレハ、MC のタイヒ (2007)。フォトニクスの基礎。ワイリー・インターサイエンス。