分布帰還型レーザー（DFBレーザーとも呼ばれる）は、大容量長距離伝送に広く使用されているレーザーの一種です。光ファイバーセンシング、レーザーレーダー、光ファイバー通信、バーコードリーダー、ディスク読み取り、レーザースキャンなどは、分布帰還型レーザーの主な用途のほんの一部です。
DFBレーザーがこれらすべての用途で広く普及している主な特徴は、低い閾値電流、高い効率、そして単一波長特性です。しかし、DFBレーザーには様々な構成があることをご存知ない方も多いでしょう。DFBレーザーにはどのような種類があり、どのように動作するのでしょうか？このブログで、これらの点について詳しく見ていきましょう。
DFB レーザーとは何ですか?
Wikipediaによると、分布帰還型レーザー（DFBレーザー）とは、活性領域に周期的に構造化された回折格子素子を備えたレーザーダイオードの一種です。簡単に言えば、DFBレーザーとは、活性領域上にブラッグ反射器として機能する回折格子を備えたレーザーです。この構成により、レーザーの波長安定性が向上し、狭線幅動作が可能になります。さらに、分布帰還型レーザーは温度変化の影響を受けにくく、変調速度が速いため、高精度アプリケーションに適しています。
さらに、分布帰還型（DFB）レーザーでは、格子と反射はミラーの端だけでなく、共振器全体にわたって連続的に形成されることがよくあります。この連続格子はレーザーのモード特性を変化させ、スペクトル純度の向上と出力の安定性につながります。
分布帰還型レーザーの種類:
分布帰還型レーザーは、ファイバーレーザーと半導体レーザーの2種類に分類されます。これらの2つの異なる種類について、その動作と特性をより深く理解するために詳しく見ていきましょう。
A. ファイバーDFBレーザー
ファイバーDFBレーザーは分布帰還型レーザーの一種で、共振器全体がレーザーの波長範囲において分布反射器として機能する周期構造で構成されています。この構造は、 2つのブラッググレーティングを連続的に結合したもので、グレーティング内に光利得が存在します。これらのグレーティングは光ファイバーに直接組み込まれており、安定かつ高精度な共振空洞を形成します。
ファイバーDFBレーザー内部のファイバーブラッググレーティングは、利得媒体の周囲にミラーとして機能し、光共振器を形成します。この共振器は光エネルギーを内部に閉じ込め、さらなる増幅を可能にします。同時に、部分的に透明なミラーを介して光エネルギーの一部を一方向に出力できるため、効率的な光抽出と高性能動作が可能になります。
レーザービームは光エネルギーから出力された部分であり、様々な目的に使用できます。ファイバー分布帰還型レーザーの最も一般的な用途は次のとおりです。
- 切断と溶接
- マーキング
- 焼入れ
- 精密加工
- 科学研究
ファイバーの高ドーピング濃度を用いることで、ファイバーDFBレーザーで高い効率を達成できます。しかし、これを実現するのはより困難です。
B. 半導体DFBレーザー
半導体DFBレーザーは、分布帰還型レーザーの一種です。適切な半導体の単結晶にドープされたpn接合が、最小のレーザーを形成します。このコンパクトな設計により、様々な用途で高効率動作が可能になります。
半導体分布帰還型レーザー（DFBレーザー）のダイオードに順方向バイアスをかけると、接合のp側に正孔が注入されます。同時に、n側には電子が注入されます。接合領域で正孔と電子が衝突すると、放射が発生します。この再結合プロセスにより、半導体材料を通過する電流の結果として光が生成されます。
さらに、光利得が接合層での損失を超えると、誘導放出が発生します。この誘導放出はレーザーの動作に不可欠であり、コヒーレント光の生成を可能にします。さらに、半導体DFBレーザーの接合層は通常数マイクロメートルの厚さで、結晶端面は部分的に反射性を持つため、光共振器を形成します。この構成により、放射光の効率的なフィードバックと増幅が保証されます。
半導体レーザーの用途には以下が含まれます。
- 衛星
- レーザープリンター
- CDプレーヤー
- 計測機器
さらに、半導体DFBレーザーは、一般的にファイバー分布帰還型レーザーよりも効率が高く、温度を下げるだけでさらに効率を高めることができます。
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