Fiberkopplad halvledarlaser

Definition: En diodlaser där ljuset som genereras kopplas till en optisk fiber.

I många fall är det nödvändigt att koppla det utgående ljuset från en diodlaser till en optisk fiber så att ljuset kan överföras dit det behövs. Fiberkopplade halvledarlasrar har följande fördelar:

1. Intensitetskurvan för ljuset som emitteras från den optiska fibern är generellt jämn och cirkulär, och strålkvaliteten är symmetrisk, vilket är mycket bekvämt vid tillämpning. Till exempel används mindre komplex optik för att generera cirkulära pumpfläckar för ändpumpade halvledarlasrar.

2. Om laserdioden och dess kylanordning tas bort från halvledarlaserhuvudet blir lasern mycket liten och det finns tillräckligt med utrymme för att placera andra optiska delar.

3. Att byta ut okvalificerade optiskt kopplade halvledarlasrar kräver inte att enhetens arrangemang ändras.

4. Den optiska kopplingsanordningen är lätt att använda i kombination med andra fiberoptiska anordningar.

Fiberkopplade halvledarlasertyper

Många färdiga diodlasrar är fiberkopplade och innehåller mycket robust fiberkopplad optik i laserpaketet. Olika diodlasrar använder olika fibrer och teknologier.

Det enklaste fallet är att en VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) typiskt utstrålar en stråle med mycket hög strålkvalitet, medium stråldivergens, ingen astigmatism och en cirkulär intensitetsfördelning. Att avbilda strålningsfläcken in i kärnan av en enkelmodsfiber kräver en enkel sfärisk lins. Kopplingseffektiviteten kan nå 70-80%. Optiska fibrer kan också kopplas direkt in i den strålande ytan av VCSEL.

Små kantutsändande laserdioder utstrålar också ett enda spatialt läge och kan därmed i princip kopplas effektivt till singelmodsfibrer. Men om endast en enkel sfärisk lins används, kommer strålens ellipticitet att kraftigt minska kopplingseffektiviteten. Och stråldivergensvinkeln är relativt stor i åtminstone en riktning, så objektivet behöver ha en relativt stor numerisk bländare. Ett annat problem är astigmatismen som finns i diodens utgående ljus, speciellt den förstärkningsstyrda dioden, som kan kompenseras genom att använda en extra cylindrisk lins. Om uteffekten når flera hundra milliwatt kan fiberkopplade förstärkningsstyrda laserdioder användas för att pumpa erbiumdopade fiberförstärkare.

Figur 2: Schematisk bild av en enkel fiberkopplad kantutsändande laserdiod med låg effekt. Den sfäriska linsen används för att avbilda ljuset som emitteras från laserdiodens yta på fiberkärnan. Strålellipticitet och astigmatism minskar kopplingseffektiviteten.

Storarea laserdioder är rumsligt multi-mode i strålningsriktningen. Om du bara formar den cirkulära strålen genom en cylindrisk lins (till exempel en fiberlins, som visas i figur 3) och sedan går in i multimodfibern, kommer det mesta av ljusstyrkan att gå förlorad eftersom strålen av hög kvalitet i den snabba axelns riktning Kvalitet kan inte användas. Till exempel kan ljus med en effekt på 1W komma in i en multimodfiber med en kärndiameter på 50 mikron och en numerisk bländare på 0,12. Detta ljus är tillräckligt för att pumpa en bulklaser med låg effekt, såsom en mikrochiplaser. Det är även möjligt att avge 10W ljus.

Figur 3: Schematisk bild av en enkel optiskt kopplad laserdiod med stor area. Fiberoptiska linser används för att kollimera ljus i den snabba axelns riktning.

En förbättrad bredbandslaserteknik skulle vara att forma strålen så att den har en symmetrisk strålkvalitet (inte bara strålens radie) innan den avfyras. Detta resulterar också i högre ljusstyrka.

I diodmatriser är problemet med asymmetrisk strålkvalitet ännu allvarligare. Utsignalen från varje sändare kan kopplas till en annan fiber i fiberknippet. De optiska fibrerna är anordnade linjärt på ena sidan av diodgruppen, men utgångsändarna är anordnade i en cirkulär grupp. En strålformare kan användas för att uppnå symmetrisk strålkvalitet innan strålen skickas till en multimodfiber. Detta gör att 30W ljus kan kopplas till en fiber med en diameter på 200 mikron med en numerisk öppning på 0,22. Den här enheten kan användas för att pumpa Nd:YAG- eller Nd:YVO4-lasrar för att få en uteffekt på cirka 15W.

I diodstaplar används också vanligtvis fibrer med större kärndiametrar. Flera hundra watt (eller till och med flera kilowatt) ljus kan kopplas till en optisk fiber med en kärndiameter på 600 mikron och en numerisk bländare på 0,22.

Nackdelar med fiberkoppling.

Några nackdelar med fiberkopplade halvledarlasrar jämfört med strålningslasrar med fritt utrymme inkluderar:

högre kostnad. Kostnaderna kan minskas om strålhanteringen och överföringsprocesserna förenklas.

Uteffekten är något mindre och ännu viktigare ljusstyrkan. Förlusten av ljusstyrka är ibland mycket stor (större än en storleksordning) och ibland liten, beroende på vilken fiberkopplingsteknik som används. I vissa fall spelar detta ingen roll, men i andra fall blir det ett problem, till exempel vid konstruktion av diodpumpade bulklasrar eller högeffektfiberlasrar.

I de flesta fall (särskilt multimodfiber) håller fibern polarisationen. Då är fiberns utgående ljus partiellt polariserat, och om fibern flyttas eller temperaturen ändras kommer polarisationstillståndet också att ändras. Om pumpabsorptionen är polarisationsberoende kan detta skapa betydande stabilitetsproblem i diodpumpade halvledarlasrar.