Photodigm – X-Mode™ DBR Lasers

高出力のエッジ放射型分布ブラッグ反射器（DBR）レーザーダイオードのPhotodigmファミリーは、Photodigm独自のシングルエピ成長DBRレーザーアーキテクチャに基づいています。
Photodigm DBRレーザーアーキテクチャは、電気的に励起されたゲイン領域と、連続したリッジ導波路上にモノリシックに製造された個別のパッシブDBR回折格子領域で構成されます。
この設計により、ベンチトップの研究用レーザーに匹敵する性能仕様を備えた、世界最高の市販の単一周波数のモノリシックレーザーダイオードが実現しました。
長年にわたり、Photodigm DBRレーザーは、明確に定義された動作範囲内で高出力の単一周波数性能を必要とするアプリケーションに最適であることが実証されています。
Photodigmは顧客と協力して、業界で比類のないレーザー製品ファミリを開発しました。
これらのデバイスは、安定性、信頼性、および電力用に最適化されており、分光、原子物理学、非線形光学、および量子情報のアプリケーション向けの新しいクラスの費用対効果の高い精密モバイル機器の機会を開いています。DBRレーザーは、多くの場合、分散フィードバック（DFB）レーザーと比較されます。
DBRレーザーとDFBレーザーはどちらも、単一周波数、回折制限、狭帯域レーザーダイオードです。
ほとんどのユーザーは、DFBが拡張された連続チューニング範囲（通常、連続電流および温度チューニング範囲内で2 nm）を持っていると認識します。
また、DBRを同様のチューニング範囲に関連付けますが、電流または温度が調整されると周期的なモードホップが発生する可能性があります。
従来のDBRのモードホップは、デバイスが0.002〜0.003 nm / mAの勾配でのみ電流によって調整されるため、約0.15 nmの自由スペクトル範囲で通常発生します。
この無料のスペクトル範囲はほとんどのアプリケーションで許容されますが、特定のアプリケーションでは最大2 nmの連続チューニング範囲が必要です。

Photodigmは最近、DBRレーザーの最適な特性とDFBのチューニング特性を組み合わせた新製品X-Mode™DBRを導入しました。
この突破口は、レーザーダイオードの設計と操作におけるPhotodigmの幅広い経験の結果です。
デバイスの慎重な設計と熱管理により、PhotodigmのX-Mode DBRは、温度または電流によって調整された場合、2 nmの連続波長範囲で動作します。

1.DBRレーザーでのモード選択
単一周波数レーザーダイオードのモード選択は、レーザー内の複数の要素を慎重に設計した結果です。
レーザー共振器は、単一の空間モードと縦モード（波長）を選択する必要があります。
図1に示す分布ブラッグ反射器（DBR）レーザーは、ゲインリッジとパッシブDBRミラーの2つの部分で構成されています。
空間モードは、電流が注入されるゲインリッジでのみ生成および増幅されます。ゲインリッジは、発振キャビティの定在波を単一の空間モードに制限するように設計されています。フリーランニング状態で動作する場合、空間モードは、波長がエピタキシャル構造のゲイン曲線によって決定され、間隔がキャビティ長の境界条件によって決定される複数のキャビティまたは縦モードで構成されます。
DBR回折格子は、波長選択性ミラーです。
レーザーは、DBRミラーの反射率の相対ピークとエピ材料のゲインプロファイルによって決定される単一波長で動作します。

2.モードホップ
レーザーは、離散モードでのみレーザーを照射します。
半導体レーザーのチューニングは、温度や電流などの動作条件を変更することにより行われます。
このような変化は、レージング媒体の屈折率に影響します。 エピ材料のゲイン曲線は0.3 nm / C°シフトし、ピークDBR反射率は約0.06 nm / C°のレートでシフトします。
従来のDBRレーザーの特徴的な波長-電流曲線は、レーザー注入電流が増加すると、スペクトル出力に不連続性を示します。
電流を増加させると、レージングモードの波長が増加し、DBRミラーの反射率が徐々に低下します。
最終的に、選択されたモードは最優先モードではなくなり、レーザーは突然青色にシフトし、新しい短い波長のモードが選択されます。
図2は、従来のDBRレーザーの典型的な波長-電流挙動を示しています。

DBRミラーの反射率とゲインリッジの許容される縦（キャビティ）モードのオーバーラップを図3に概略的に示します。
DBR反射率とピークゲイン波長が同じ速度で移動する場合、モードホップは発生しません。
一方、エピゲイン曲線がDBRミラーよりも速い速度で熱的にシフトすると、キャビティモードはミラーの反射率曲線よりも速く赤方偏移します。
最終的に、新しいモードが優先され、レーザーはモードホップを経験します。

一定の注入電流では、レーザーの温度はヒートシンクによって決まります。これは図2で見ることができます。
たとえば、170 mAの注入電流では、レーザー波長が2 nm以上変化しても、20℃〜45℃でモードホップは発生しません。
ゲインリッジとDBRミラーは両方とも同じ温度です。ただし、一定のヒートシンク温度では、
ゲインリッジへの電流注入により、ゲイン媒体が加熱されますが、パッシブDBRミラーはヒートシンク温度のままです。
電流が50 mA変化すると、キャビティモードが赤方偏移し、新しい短波長モードが最高ゲインモードになるため、0.2 nm未満のチューニング範囲で1つのモードホップが誘導されます。

DBRミラーの反射率とゲインリッジの許容される縦（キャビティ）モードのオーバーラップを図3に概略的に示します。
DBR反射率とピークゲイン波長が同じ速度で移動する場合、モードホップは発生しません。一方、エピゲイン曲線がDBRミラーよりも速い速度で熱的にシフトすると、キャビティモードはミラーの反射率曲線よりも速く赤方偏移します。最終的に、新しいモードが優先され、レーザーはモードホップを経験します。

一定の注入電流では、レーザーの温度はヒートシンクによって決まります。これは図2で見ることができます。
たとえば、170 mAの注入電流では、レーザー波長が2 nm以上変化しても、20℃〜45℃でモードホップは発生しません。
ゲインリッジとDBRミラーは両方とも同じ温度です。ただし、一定のヒートシンク温度では、ゲインリッジへの電流注入により、ゲイン媒体が加熱されますがパッシブDBRミラーはヒートシンク温度のままです。
電流が50 mA変化すると、キャビティモードが赤方偏移し新しい短波長モードが最高ゲインモードになるため、0.2 nm未満のチューニング範囲で1つのモードホップが誘導されます。

この分析から、DBRミラーとゲインリッジが通常の動作条件下で等温ではないため、従来のDBRでモードホップが発生することがわかります。
従来のパッケージのように、DBRレーザーチップは、通常は熱電冷却器によって温度が安定したサブマウントに取り付けられます。
パッシブDBRミラーは、サブマウントの制御された温度に維持されます。
一般的なDBRレーザーのレーザー出力への電気入力（壁コンセント効率）は約40％です。これは、ゲインリッジに注入された電流の60％が熱に変換されることを意味します。
デバイスの熱抵抗の結果、ゲインリッジの温度はサブマウントの温度よりも高くなります。
レーザーモードは電流の増加とともに赤方にシフトし、最終的に短波長モードがゲインをキャプチャし、青シフトモードホップが発生します。

3. The Photodigm X-Mode DBR
DBRの自由スペクトル帯域幅は、特に動作波長が分光的にロックされている場合、ほとんどの計測アプリケーションに十分です。
たとえば、原子トラップでは、波長は必要な遷移にロックされ、その寿命全体にわたってモードホッピングの影響を受けません。一方、一部のアプリケーションでは、より広いチューニング範囲が必要です。
これらには、ラマン分光法、酸素検知、低ノイズ光ポンピングが含まれます。
これらのアプリケーションでは、モードホップは破壊的です。
これらの顧客のニーズを満たすため、Photodigmは最近、温度と電流の両方で最大2 nmモードホップフリーチューニングを提供するX-Mode DBRを導入しました。
図4および5は、従来の高性能976 nm Photodigm DBRと新しいXモードDBR製品のモードホップ特性を対比した動作パラメーター空間を示しています。
この新製品は、精密レーザーの設計と製造、および顧客のニーズを満たすPhotodigmの豊富な経験の結果として開発されました。

Photodigmは最近、X-Mode DBRレーザーに関する2つの米国特許を取得しました。 これらの製品は、最大2 nmのチューニングレートを提供します。 現在出荷中です。

4. 概要
DFBおよびDBRレーザーは、今日の科学機器に使用されている2つの最も一般的な高出力単一周波数半導体レーザーです。
どちらも高効率と優れたスペクトル純度を提供するため、多くの計測機器を使用できます。 Photodigm DBRレーザーは、高寿命、高信頼性、低ノイズ、低ライン幅、安定した動作特性を提供する複数のアプリケーションで使用されています。
Photodigm DBRレーザーと競合のDFBレーザーを区別する単一の成長エピと個別のパッシブDBRミラーが成功の主な理由です。Photodigmは、DBRの優れた属性を備えたDFBと同様の拡張モードホップフリーチューニング範囲を提供する新しい製品であるXモードDBRレーザーを導入しました。
Photodigmの製品への継続的なR＆Dの結果、X-Mode DBRは、全寿命にわたって温度または電流によって調整された場合、2 nmを超える連続調整範囲で動作します。