コヒーレンスのアーキテクチャ単純なフォトン放出を超えて

オプトエレクトロニクスの専門分野では DFB（分布帰還型）ファイバー結合レーザー は、半導体スペクトル制御の最高峰である。標準的なファブリー・ペロー・レーザーでは、共振器内で複数の縦モードが発振するため、スペクトルが広く不安定になるが、DFBアーキテクチャでは、レーザーを単一の正確な周波数で動作させることができる。分散型音響センシング（DAS）やコヒーレント光通信のようなアプリケーションでは、スペクトル純度がシステム性能の基本的な要素になります。.

マルチモード・ソースから単一周波数ソースへの移行 1550nm DFBレーザー DFBレーザーには、共振器物理の根本的な転換がある。DFBレーザーは、ミラーとして機能する半導体チップの劈開ファセットに依存する代わりに、チップの活性領域に周期構造であるブラッググレーティングを直接組み込む。このグレーティングは、単一波長のみが建設的干渉を受ける周波数選択フィルターとして機能する。技術者にとっての課題は、このグレーティングの実現と、それに続くチップへの結合にある。 偏波保持ファイバーレーザー 位相ノイズや機械的な不安定性を発生させることなく、システムを安定させることができる。.

量子格子物理学：周波数選択のメカニズム

DFBレーザーの心臓部は、内部のブラッググレーティングである。このグレーティングは、レーザー共振器の縦軸に沿って屈折率を周期的に変化させるものである。物理学はブラッグ条件によって支配されている：

$$lambda=2 \cdot n_{eff\Lambda$$

ここで、$Tlambda_{Bragg}$はターゲット波長、$n_{eff}$は導波路の実効屈折率、$Lambda$はグレーティングの周期である。.

$の位相シフトとモード安定性

完全に均一なグレーティングは、実際にはブラッグ周波数を中心に対称に配置された2つのモードをサポートしている。真のシングルモード動作を保証するために、ハイエンドの 1550 nm DFB チップは、グレーティングの中心に$の位相シフトを組み込んでいる。このシフトにより、正確なブラッグ波長で共振が生じ、第2モードが効果的に抑制され、その結果、サイドモード抑制比（SMSR）は45dB、あるいは50dBを超えることが多い。.

工学的な観点からは、電子ビーム・リソグラフィやホログラフィック干渉によって作製されることが多いこのグレーティングの品質が、レーザーの「線幅」を決定する。狭い線幅（標準的なDFBでは通常1MHz未満、ハイエンドのものでは100kHz未満）は、光のコヒーレンス長を直接決定するため不可欠である。センシングでは、線幅が狭いほど、信号の位相関係を失うことなく、はるかに長い距離の測定が可能になります。.

位相雑音とシャウロー・タウンズ限界

単一周波数の線幅 ファイバー結合レーザー はゼロではない。位相雑音によって制限され、主に発振モードへの光子の自然放出によって引き起こされる。これは、修正Schawlow-Townes式で記述される：

$$Delta ↪Nu = ⁿⁿ v_g^2 ⁿⁿ (1 + ⁿα_H^2)}{4 ⁿpi P}$$

ここで、$はヘンリー線幅拡大係数であり、屈折率とキャリア密度揺らぎの間の結合を説明する。.

この線幅を最小化するために、メーカーはInGaAsP/InP層の “量子井戸 ”設計を最適化し、$α_H$ファクターを下げる必要がある。さらに、共振器内のパワー$P$を最大化しなければならないが、これはトレードオフにつながる。パワーが高くなると、グレーティング全体に熱勾配が発生するリスクが高まり、周波数「チャープ」やモードホッピングさえも引き起こす可能性がある。そのため ファイバー結合型レーザーモジュール は、半導体の物理学そのものと同じくらい重要である。.

実装バタフライ・パッケージングと光絶縁

DFBチップは、次のように統合される。 ファイバー結合光受信機 またはトランスミッターシステムでは、パッケージングは光源のスペクトルインテグリティを保護する必要があります。14ピンのバタフライ・パッケージは、いくつかの理由からDFBレーザーの業界標準となっています：

1. 熱平衡： 内部のサーモエレクトリック・クーラー（TEC）は、ミリケルビンの精度でチップ温度を維持する。DFBレーザーの波長は～0.1nm/℃でシフトするため、温度安定性が周波数安定性を確保する唯一の方法です。.
2. バックリフレクション・マネジメント： DFBレーザーは、光フィードバックに対して極めて敏感です。ファイバーコネクターからの-30dBの反射でさえ、内部のグレーティングを不安定にし、線幅の拡大や周波数の不安定化を引き起こします。プロ仕様のDFBモジュールには、内部光アイソレーター（多くの場合デュアルステージ）が組み込まれており、40dB以上のアイソレーションを実現しています。.
3. RFインピーダンス・マッチング： 高速変調（最大10GHz以上）の場合、「ジッター」や位相ノイズの原因となる信号の反射を防ぐため、パッケージは50Ωのインピーダンス・マッチを提供しなければならない。.

コンポーネント品質とシグナルインテグリティの比較：コスト分析

DAS（分散型アコースティック・センシング）市場では、次のようなことが行われている。 狭線幅レーザーダイオード は、インテロゲーター・ユニットの中で最も高価な単一部品であることが多い。システム・インテグレーターにとっては、より低コストのDFBモジュールを調達したくなる。しかし、“Cost of Quality ”は、最終的なシステムのSN比に現れる。.

低コストのDFBレーザーの線幅は5MHz、SMSRは35dBかもしれない。これは基本的なデータ伝送には十分と思われるが、パイプラインの監視に使用されるDASシステムでは、この5MHzの線幅は高い “位相ノイズフロア ”をもたらす。このノイズは、漏水や第三者の侵入によって引き起こされる小さな音響振動を隠してしまう。貧弱なレーザーを補うために、システム開発者は、より高価な低ノイズ・アンプと複雑なデジタル信号処理（DSP）アルゴリズムに投資しなければならない。対照的に、高級で低位相ノイズの 1550nm DFBレーザー これにより、下流の電子機器が大幅に簡素化され、システムの「検出確率」が向上する。.

ケーススタディ海底電力ケーブル監視用DAS

顧客の背景

ある洋上風力発電事業者は、50kmに及ぶ海底高圧送電ケーブルの完全性を監視するため、分散型音響センシング（DAS）システムを必要としていた。.

技術的な課題：

主な課題は、後方散乱レイリー信号の減衰だった。50kmを超えると、ファイバー結合の光レシーバーに戻ってくる信号は信じられないほど弱くなる。.

• 問題： 既存のレーザー光源の線幅は2MHzで、位相ノイズが支配的になるまでの検知範囲は30kmに制限されていた。.
• 要件 線幅50 dB）、絶対波長安定性を持つレーザーで、音響処理装置での「偽陽性」を防ぐ。.

技術パラメーターとセットアップ

• ソース: 1550nm超狭線幅DFBファイバー結合レーザー.
• ファイバーだ： PM1550（偏波保持）は、センサー・ファイバーの偏波誘起フェージング（PIF）を除去する。.
• 孤立している： デュアル・ステージ・インターナル・アイソレーター（>55 dB アイソレーション）。.
• コントロールする： リップル1uA未満の低ノイズ定電流ドライバー。.

品質管理（QC）ソリューション：

すべての レーザーモジュール は、25kmの遅延ファイバーを用いたDSH（Delayed Self-Heterodyne）法による「線幅特性評価」を受けた。これにより、ローレンツ線幅が80kHz未満のチップのみが使用されることが確認された。また、TECとサーミスタが完全に校正されていることを確認するため、温度変化のある環境で72時間にわたって「周波数安定性」テストを実施した。.

結論

超狭線幅の偏波保持ファイバーレーザーを導入することで、顧客は光増幅器を追加することなく、センシング範囲を55kmまで拡大しました。SMSRの改善により「コヒーレント・フェージング」ノイズが減少したため、システムはケーブルの振動を10ナノストレインの分解能で検出できるようになりました。.

データテーブルDFBレーザーの性能仕様

プロフェッショナルFAQ：DFBと狭線幅システム

Q1: 「線幅」と「スペクトル幅」の違いは何ですか？

分布帰還型レーザーの場合、“スペクトル幅 ”はサイドモードを含む広い包絡線（-20 dBで測定）を指すことが多く、“線幅 ”は中央のレーザーピークの幅（FWHMで測定）を指します。単一周波数レーザーの場合、線幅はコヒーレンスにとって重要な指標です。.

Q2: なぜDFBレーザーにはアイソレータが必要なのですか？

DFBレーザーは、フィードバックを内部グレーティングに依存している。ファイバー・チップやミラーからの）外部反射は「第二共振器」として機能し、内部グレーティングと干渉する。これが「光カオス」を引き起こし、周波数の突然のジャンプと位相雑音の大幅な増加につながる。.

Q3: 1550nmのDFBレーザーはチューニングできますか？

はい、しかしわずかです。TECを介してチップの温度を変えることで、半導体の屈折率が変化し、ブラッグ波長が摂氏1度につき約0.1nmずれます。標準的な調整範囲は±1nmから±2nmです。.

Q4：「モード・ホッピング」とは何ですか？

モードホッピングは、レーザーが希望のブラッグモードから隣の縦モードへ突然ジャンプすることで発生する。これにより、センサー・データに大きな不連続性が生じます。高品質のDFBエンジニアリングは、電流と温度の全範囲にわたって「キンクフリー」「モードホッピングフリー」の動作を保証します。.

Q5: 線幅はどのようにして正確に測定するのですか？

100 kHzの線幅は標準的な光スペクトラムアナライザー（OSA）の分解能よりはるかに狭いので、私たちは「遅延セルフヘテロダイン」干渉計を使用しています。レーザービームを分割し、一方の経路を長いファイバー（コヒーレンス長より長い）で遅延させ、元のビームと再結合させることで、RFスペクトラムアナライザーで分析可能なビート信号を生成する。.