波長可変半導体レーザー

レーザーダイオードをチューナブルダイオードレーザーへ

トプティカ社は、1995年以来、レーザーダイオードに最高性能の電源やオプティクスと同様、追加のモード選択素子を統合することにより、波長可変レーザーに変換してきました。最初に市販された波長可変半導体レーザーは DL 100でした。DL100は長年にわたり多くの成功を納め、その後大幅に改良され、DL proCTLとなりました。

  • DLC DL pro

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、或いはCD/DVD/ブルーレイドライブなど、様々なコンシューマー製品のサブコンポーネントとしてよく知られています。その成功要因は、コンパクト、便利な操作性、費用対効果、高効率であるという事実に牽引されています。しかし、レーザーダイオード単体の発振スペクトルはブロードで発振波長を明確に決定できません。

一般的に、レーザダイオードの2つの面で共振器を形成し、(縦方向の)発振モードを決定します。半導体の広い利得プロファイルは、個々に異なる周波数を持つ多くのモードを同時にサポートします。単一縦モードを持つダイオードでさえ、チップ温度や駆動電流のわずかな変動でモードホッピングが起こります。その結果、不完全で、スペクトルが不安定なビームとなってしまいます。

モード選択

狭線幅、長いコヒーレンス長、精密な波長選択、周波数のチューニングや安定化など、 優れたダイオードレーザーの特徴は、レーザーキャビティへの波長選択フィードバックの導入により実現されます。トプティカ社では、2種類のチューナブル単一周波数ダイオードレーザを提供しています。どちらもグレーティング構造を利用して発振周波数を選択・制御しています。1つは、グレーティング安定化外部共振器ダイオードレーザ(ECDL)です。

レーザーダイオード前面にマウントされた光学グレーティングを組み込み、同時に、ダイオード背面とフィードバックエレメントの間に第2の共振器が「外部的」に形成されています。

もう一つは、半導体そのものにグレーティングを内蔵したレーザーダイオードで、分散型フィードバック(DFB)と分散型ブラッグリフレクタ(DBR)レーザーダイオードです。

 

グレーティングフィルタ、半導体利得プロファイル、内部のレーザーダイオードのモード、そして必要に応じて外部共振器モードによって、レーザーのモードが決定されます。安定したシングルモード動作のためには、コンポーネントの適切なマッチングと同様に、正確な温度と電流の制御が必要です。

波長チューニング

DFB、DBRダイオードは、レーザーダイオードの電流や温度を調整することで、波長をチューニングすることができます。これらのダイオードは、モードホップフリーで約1~2nmの波長をチューニングできます。

ECDLの波長を変更するには、例えば、グレーティング上の入射角を変更することによって、フィルタのスペクトル応答を変化させます。全体的に最大の利得を持つモードで動作すると、レーザーは別の縦方向モードにホップし、新しい波長で発振します。

レーザー波長の微調整は、外部共振器の長さを変えることで行えます。これにより、発振している単一の縦方向モードがシフトされます。

モードホップフリーのチューニング

できるだけ多くの関連項目を正確に同期させることで、広いモードホップフリーチューニングレンジを実現します。例えば、トプティカ社の DL pro レーザーは、グレーティングの角度、外部共振器長、レーザーダイオード駆動電流を最適に同期した状態で同時に変化させることにより、広いモードホップフリーチューニングを実現しています。堅牢、且つ準モノリシックで安定した設計のDL proのモードホップフリーチューニングは典型値20~50GHzとなっています。

入念に設計された特別な共振器により、数十ナノメートル以上の自動モードホップフリーチューニングを可能にし、さらに、チューニングエレメントの同期を保つためにアクティブフィードバックを追加したトプティカ社のContinously Tunable Diode Laser (CTL) は、高分解能、低ノイズ、狭線幅を維持しつつモードホップフリーで120nmまでチューニングが可能です。