เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบไฟเบอร์คู่

คำจำกัดความ: เลเซอร์ไดโอดซึ่งแสงที่สร้างขึ้นถูกต่อเข้ากับเส้นใยนำแสง

ในหลายกรณี จำเป็นต้องรวมแสงเอาท์พุตจากเลเซอร์ไดโอดเข้ากับไฟเบอร์ออปติก เพื่อให้สามารถส่งแสงไปยังจุดที่ต้องการได้ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบไฟเบอร์มีข้อดีดังต่อไปนี้:

1. เส้นโค้งความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมาจากใยแก้วนำแสงโดยทั่วไปจะเรียบและเป็นวงกลม และคุณภาพของลำแสงมีความสมมาตรซึ่งสะดวกในการใช้งาน ตัวอย่างเช่น เลนส์ที่ซับซ้อนน้อยกว่าจะใช้เพื่อสร้างจุดปั๊มทรงกลมสำหรับเลเซอร์โซลิดสเตตที่ปั๊มปลาย

2. หากเลเซอร์ไดโอดและอุปกรณ์ทำความเย็นถูกถอดออกจากหัวเลเซอร์โซลิดสเตต เลเซอร์จะมีขนาดเล็กมากและมีพื้นที่เพียงพอที่จะวางชิ้นส่วนออปติคอลอื่นๆ

3. การเปลี่ยนเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบออพติคอลคัปเปิ้ลที่ไม่มีคุณสมบัติเหมาะสม ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนการจัดวางอุปกรณ์

4. อุปกรณ์เชื่อมต่อแสงนั้นง่ายต่อการใช้ร่วมกับอุปกรณ์ใยแก้วนำแสงอื่น ๆ

ประเภทเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบไฟเบอร์คู่

เลเซอร์ไดโอดสำเร็จรูปจำนวนมากเป็นแบบไฟเบอร์คัปเปิล ซึ่งมีไฟเบอร์ออปติกที่แข็งแกร่งมากในแพ็คเกจเลเซอร์ เลเซอร์ไดโอดแต่ละชนิดใช้เส้นใยและเทคโนโลยีที่แตกต่างกัน

กรณีที่ง่ายที่สุดคือ VCSEL (Vertical Cavity Surface Radiation Laser) โดยทั่วไปจะฉายลำแสงที่มีคุณภาพลำแสงสูงมาก การเบี่ยงเบนของลำแสงปานกลาง ไม่มีสายตาเอียง และมีการกระจายความเข้มของแสงเป็นวงกลม การถ่ายภาพจุดการแผ่รังสีเข้าไปในแกนกลางของเส้นใยโหมดเดี่ยวต้องใช้เลนส์ทรงกลมธรรมดา ประสิทธิภาพการมีเพศสัมพันธ์สามารถเข้าถึง 70-80% เส้นใยนำแสงสามารถต่อเข้ากับพื้นผิวที่แผ่รังสีของ VCSEL ได้โดยตรง

เลเซอร์ไดโอดเปล่งแสงที่ขอบขนาดเล็กยังแผ่รังสีในโหมดอวกาศเดียว และตามหลักการแล้ว จึงสามารถจับคู่เข้ากับเส้นใยโหมดเดี่ยวได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม หากใช้เลนส์ทรงกลมธรรมดาเท่านั้น ความรีของลำแสงจะลดประสิทธิภาพการเชื่อมต่อลงอย่างมาก และมุมแยกลำแสงค่อนข้างใหญ่ในทิศทางเดียวเป็นอย่างน้อย ดังนั้น เลนส์จึงต้องมีรูรับแสงตัวเลขที่ค่อนข้างใหญ่ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือสายตาเอียงที่ปรากฏอยู่ในแสงเอาท์พุตของไดโอด โดยเฉพาะไดโอดแบบเกนไกด์ ซึ่งสามารถชดเชยได้โดยใช้เลนส์ทรงกระบอกเพิ่มเติม หากกำลังเอาท์พุตสูงถึงหลายร้อยมิลลิวัตต์ เลเซอร์ไดโอดนำด้วยไฟเบอร์แบบควบคู่กับไฟเบอร์สามารถใช้เพื่อปั๊มเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม

รูปที่ 2: แผนผังของไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงแบบไฟเบอร์คู่แบบใช้พลังงานต่ำแบบธรรมดา เลนส์ทรงกลมใช้เพื่อถ่ายภาพแสงที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวของเลเซอร์ไดโอดไปยังแกนไฟเบอร์ รูปไข่ของลำแสงและสายตาเอียงลดประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ

เลเซอร์ไดโอดในพื้นที่ขนาดใหญ่เป็นแบบหลายโหมดเชิงพื้นที่ในทิศทางของการแผ่รังสี หากคุณเพียงแค่สร้างลำแสงทรงกลมผ่านเลนส์ทรงกระบอก (เช่น เลนส์ไฟเบอร์ ดังแสดงในรูปที่ 3) แล้วเข้าสู่ไฟเบอร์มัลติโหมด ความสว่างส่วนใหญ่จะหายไปเนื่องจากลำแสงคุณภาพสูงในทิศทางแกนเร็ว คุณภาพใช้ไม่ได้ ตัวอย่างเช่น แสงที่มีกำลัง 1W สามารถเข้าสู่มัลติโหมดไฟเบอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 50 ไมครอน และรูรับแสงตัวเลข 0.12 แสงนี้เพียงพอที่จะปั๊มเลเซอร์จำนวนมากที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น เลเซอร์ไมโครชิป ปล่อยแสงได้ถึง 10W เลยทีเดียว

รูปที่ 3: แผนผังของไดโอดเลเซอร์พื้นที่ขนาดใหญ่ที่มีการเชื่อมต่อด้วยแสงแบบธรรมดา เลนส์ไฟเบอร์ออปติกใช้เพื่อปรับแสงในทิศทางแกนเร็ว

เทคโนโลยีเลเซอร์บรอดแบนด์ที่ได้รับการปรับปรุงคือการปรับรูปร่างลำแสงให้มีคุณภาพลำแสงที่สมมาตร (ไม่ใช่แค่รัศมีลำแสง) ก่อนทำการยิง นอกจากนี้ยังส่งผลให้มีความสว่างสูงขึ้นอีกด้วย

ในอาร์เรย์ไดโอด ปัญหาคุณภาพของลำแสงไม่สมมาตรจะยิ่งร้ายแรงยิ่งขึ้น เอาต์พุตของเครื่องส่งสัญญาณแต่ละตัวอาจต่อเข้ากับไฟเบอร์ที่แตกต่างกันในชุดไฟเบอร์ เส้นใยนำแสงจะถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรงที่ด้านหนึ่งของอาร์เรย์ไดโอด แต่ปลายเอาต์พุตจะถูกจัดเรียงเป็นอาร์เรย์วงกลม สามารถใช้บีมเชปเปอร์เพื่อให้ได้คุณภาพลำแสงที่สมมาตรก่อนที่จะปล่อยลำแสงเข้าไปในไฟเบอร์มัลติโหมด ช่วยให้สามารถรวมแสง 30W เข้ากับเส้นใยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 ไมครอนด้วยค่ารูรับแสงตัวเลข 0.22 อุปกรณ์นี้สามารถใช้ในการปั๊มเลเซอร์ Nd:YAG หรือ Nd:YVO4 เพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตประมาณ 15W

ในกองไดโอด มักใช้เส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนใหญ่กว่า สามารถรวมแสงหลายร้อยวัตต์ (หรือแม้แต่หลายกิโลวัตต์) เข้ากับเส้นใยนำแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 600 ไมครอน และรูรับแสงตัวเลข 0.22

ข้อเสียของข้อต่อไฟเบอร์

ข้อเสียบางประการของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบไฟเบอร์คู่เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์รังสีในพื้นที่ว่าง ได้แก่:

ต้นทุนที่สูงขึ้น สามารถลดต้นทุนได้หากการจัดการลำแสงและกระบวนการส่งผ่านนั้นง่ายขึ้น

กำลังขับน้อยกว่าเล็กน้อยและที่สำคัญกว่านั้นคือความสว่าง การสูญเสียความสว่างบางครั้งอาจมีขนาดใหญ่มาก (มากกว่าลำดับความสำคัญ) และบางครั้งก็เล็กน้อย ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการเชื่อมต่อไฟเบอร์ที่ใช้ ในบางกรณีสิ่งนี้ไม่สำคัญ แต่ในบางกรณีก็จะกลายเป็นปัญหา เช่น ในการออกแบบเลเซอร์จำนวนมากที่ปั๊มด้วยไดโอดหรือเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง

ในกรณีส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะมัลติโหมด) ไฟเบอร์จะคงสภาพโพลาไรซ์ไว้ จากนั้นแสงเอาท์พุตของไฟเบอร์จะถูกโพลาไรซ์บางส่วน และหากไฟเบอร์ถูกเคลื่อนย้ายหรืออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง สถานะโพลาไรซ์ก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน หากการดูดซับของปั๊มขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชัน อาจสร้างปัญหาเสถียรภาพที่สำคัญในเลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มด้วยไดโอด