Полупроводниковый лазер с волоконной связью

Определение: Диодный лазер, в котором генерируемый свет подается в оптическое волокно.

Во многих случаях необходимо соединить выходной свет диодного лазера с оптическим волокном, чтобы свет можно было передать туда, где он необходим. Полупроводниковые лазеры с волоконной связью обладают следующими преимуществами:

1. Кривая интенсивности света, излучаемого оптическим волокном, обычно плавная и круговая, а качество луча симметричное, что очень удобно в применении. Например, менее сложная оптика используется для создания круглых пятен накачки твердотельных лазеров с торцевой накачкой.

2. Если лазерный диод и его охлаждающее устройство удалить из твердотельной лазерной головки, лазер становится очень маленьким и остается достаточно места для размещения других оптических частей.

3. Замена неквалифицированных оптически связанных полупроводниковых лазеров не требует изменения компоновки прибора.

4. Устройство оптической связи легко использовать в сочетании с другими оптоволоконными устройствами.

Типы полупроводниковых лазеров с волоконной связью

Многие готовые диодные лазеры имеют оптоволоконную связь и содержат в лазерном корпусе очень надежную оптоволоконную оптику. В разных диодных лазерах используются разные волокна и технологии.

Самый простой случай заключается в том, что VCSEL (лазер с поверхностным излучением с вертикальной полостью) обычно излучает луч с очень высоким качеством луча, средней расходимостью луча, отсутствием астигматизма и круговым распределением интенсивности. Для визуализации пятна излучения в сердцевине одномодового волокна требуется простая сферическая линза. Эффективность сцепления может достигать 70-80%. Оптические волокна также могут быть подключены непосредственно к излучающей поверхности VCSEL.

Небольшие лазерные диоды с краевым излучением также излучают одну пространственную моду и, таким образом, в принципе могут эффективно соединяться с одномодовыми волокнами. Однако если используется только простая сферическая линза, эллиптичность луча значительно снизит эффективность связи. А угол расходимости луча относительно велик, по крайней мере, в одном направлении, поэтому линза должна иметь относительно большую числовую апертуру. Другой проблемой является астигматизм, присутствующий в выходном свете диода, особенно диода с усилением, который можно компенсировать с помощью дополнительной цилиндрической линзы. Если выходная мощность достигает нескольких сотен милливатт, оптоволоконные лазерные диоды с усилением можно использовать для накачки волоконных усилителей, легированных эрбием.

Рисунок 2: Схема простого маломощного лазерного диода с торцевым излучением по оптоволокну. Сферическая линза используется для отображения света, излучаемого поверхностью лазерного диода, на сердцевину волокна. Эллиптичность луча и астигматизм снижают эффективность связи.

Лазерные диоды большой площади являются пространственно многомодовыми по направлению излучения. Если вы просто формируете круговой луч через цилиндрическую линзу (например, волоконную линзу, как показано на рисунке 3), а затем вводите многомодовое волокно, большая часть яркости будет потеряна, поскольку высококачественный луч в направлении быстрой оси Качество нельзя использовать. Например, свет мощностью 1 Вт может проникнуть в многомодовое волокно с диаметром сердцевины 50 микрон и числовой апертурой 0,12. Этого света достаточно для накачки маломощного объемного лазера, такого как лазер для микрочипов. Возможно даже излучать свет мощностью 10 Вт.

Рисунок 3: Схема простого оптически связанного лазерного диода большой площади. Оптоволоконные линзы используются для коллимации света в направлении быстрой оси.

Усовершенствованная технология широкополосного лазера будет заключаться в том, чтобы придать лучу симметричное качество (а не только радиус луча) перед его запуском. Это также приводит к более высокой яркости.

В диодных матрицах проблема асимметричного качества луча еще более серьезна. Выход каждого передатчика может быть подключен к другому волокну в пучке волокон. Оптические волокна расположены линейно на одной стороне диодной матрицы, а выходные концы расположены по кругу. Формирователь луча можно использовать для достижения симметричного качества луча перед его запуском в многомодовое волокно. Это позволяет подавать 30 Вт света в волокно диаметром 200 микрон с числовой апертурой 0,22. Это устройство можно использовать для накачки лазеров Nd:YAG или Nd:YVO4 для получения выходной мощности примерно 15 Вт.

В диодных стопках также часто используются волокна с сердцевиной большего диаметра. Несколько сотен ватт (или даже несколько киловатт) света можно передать в оптическое волокно с диаметром сердцевины 600 микрон и числовой апертурой 0,22.

Недостатки оптоволоконной связи.

Некоторые недостатки полупроводниковых лазеров с волоконной связью по сравнению с лазерами, излучающими свободное пространство, включают:

более высокая стоимость. Затраты можно снизить, если упростить процессы обработки и передачи луча.

Выходная мощность немного меньше и, что более важно, яркость. Потеря яркости иногда очень велика (более порядка), а иногда мала, в зависимости от используемой технологии связи волокон. В некоторых случаях это не имеет значения, но в других случаях это становится проблемой, например, при разработке объемных лазеров с диодной накачкой или мощных волоконных лазеров.

В большинстве случаев (особенно в многомодовом волокне) волокно сохраняет поляризацию. Тогда выходной свет волокна частично поляризуется, и если волокно перемещается или изменяется температура, состояние поляризации также изменится. Если поглощение накачки зависит от поляризации, это может создать серьезные проблемы со стабильностью твердотельных лазеров с диодной накачкой.