スペクトル線幅の量子熱力学

一貫性を極限まで追求すると 狭線幅レーザーダイオード は、光共振器内の光子密度とスペクトル幅を関係付けるSchawlow-Townesの定理によって決定される。 自然放出率. .標準的なファブリーペロー（FP）レーザーでは、線幅は通常数百ギガヘルツの範囲である。しかし、干渉計や高分解能分光などの用途では、この線幅を数桁抑える必要がある。.

サブメガヘルツの線幅を達成するには、単純な半導体接合とは一線を画す構造が必要である。物理学は、共振器内の光子寿命（$tau_p$）を長くすることを中心に展開する。これは、共振器を半導体チップの外まで拡張することによって達成される。 外部キャビティ ダイオード・レーザー (ECDL) 構成。体積ブラッググレーティング（VBG）や回折格子などの周波数選択素子を導入することで、メーカーはレーザーを単一の縦モードで発振させることができる。この周波数選択の精度が、一般的な光源から科学グレードの機器への移行を定義する。.

材料ダイナミクス：638nm AlGaInP対785nm AlGaAs

エンジニアリング 638nmレーザーダイオード そして 785nmレーザーダイオード は、材料劣化と熱不安定性との2つの異なる戦いを表している。波長638nmでは、AlGaInP材料系は低いキャリア閉じ込めに悩まされている。量子井戸とp-クラッド間のバンドオフセットが比較的小さいため、温度が上昇すると電子が容易に活性領域から逃げてしまう。この “キャリアのオーバーフロー ”は、電子放出率の大幅な上昇につながる。 自然放出率 これはスペクトルノイズの増加として現れる。.

これに対して 785nmレーザーダイオード, AlGaAsをベースとするAlGaAsは高利得デバイスであるが、ファセットでの表面再結合速度が大きいという問題を抱えている。このため、高出力レベルにすると、破局的光損傷（COD）の影響を特に受けやすくなる。そこで 回折限界レーザー 785nmの出力を得るためには、エピタキシャル構造に「グレーデッド・インデックス・セパレート・コンファインドメント・ヘテロ構造」（GRINSCH）を含める必要がある。この設計は、利得媒体との高いオーバーラップを維持しながら、光フィールドが垂直方向に広がり、ファセットでの強度を低減することを保証する。この界面の安定性は、ラマン分光システムの長期信頼性の主要な原動力である。.

回折限界の達成：導波管形状の役割

A 回折限界レーザー は、$M^2$ファクターが1.0に近づくという特徴があり、これはビームが理想的なガウス伝搬法則に従うことを意味する。つまり 半導体レーザー, ビーム品質は「リッジ導波路」（RWG）形状によって決まります。リッジは、基本横モードのみが発振できるように、通常2.0 $ ㎤から3.5 $ ㎤の間で十分狭くなければなりません。.

しかし、リッジの幅を小さくすることで 回折限界レーザー プロファイルでは 熱抵抗 ($R_{th}$) が増加する。これにより、接合部に局所的な「ヒートアイランド」が発生する。この熱は、熱レンズ効果として知られる屈折率勾配を誘発し、波面を歪ませ、ビームが回折限界から逸脱する原因となります。そのため、製造工程では「サブミクロンリソグラフィー」を利用して、リッジ壁が完全に垂直で滑らかであることを保証しなければならない。リッジ側壁に粗さがあると、散乱中心となって内部損失が増加し、線幅が広がる。.

バタフライパッケージ熱的・機械的安定性の聖域

高精度のOEMアプリケーションには バタフライパッケージレーザーダイオード が業界標準であるのには理由があります。TO缶パッケージとは異なり、14ピンのバタフライ・モジュールはレーザー・チップを混沌とした外部環境から隔離するように設計されています。この絶縁の中核は、内部の熱電冷却器（TEC）と高感度NTCサーミスタの統合です。.

その 熱抵抗 ($R_{th}$) において最も重要なパラメーターである。 バタフライパッケージレーザーダイオード. .高い熱伝導性を持ち、レーザーチップと熱膨張係数（CTE）が一致する窒化アルミニウム（AlN）サブマウントにレーザーダイを搭載することで、メーカーは効果的に活性領域から熱を「排出」することができる。.

さらに、このバタフライ・パッケージは、永久欠番である。 外部共振器ダイオードレーザー(ECDL) VBGを使用したセットアップ。このグレーティングは、レーザーのファセットからわずか数ミクロンの密閉シール内に配置されている。VBGはレーザーチップと同じTECに熱ロックされているため、スペクトル出力全体が周囲温度の変動に影響されなくなる。このレベルの統合により 785nmレーザーダイオード は、何千時間もの運転で0.005nm以内の周波数を維持する。.

データ分析パッケージ・アーキテクチャとスペクトル性能

以下の表は、赤色ダイオードと近赤外ダイオードのさまざまなパッケージングと安定化戦略による性能の違いをまとめたものです。このデータは、“トータルシステムコスト ”に影響する “コンポーネント品質 ”の指標を強調している。”

ケーススタディ半導体計測のためのサブナノ干渉計

顧客の背景

リソグラフィ検査ツールの大手メーカーは、変位測定干渉計用の高安定638nmレーザーダイオードを必要としていた。このシステムでは、ウェーハステージの位置を0.5ナノメートルの分解能で測定する必要がありました。.

技術的な課題：

顧客が以前使用していた638nmの光源は、高い “位相ノイズ ”を示し、これが距離測定のジッターにつながっていました。さらに、ビームは完全に回折制限されていなかったため、ビームがロングパス干渉計アームを通過する際に波面の歪みが生じていた。このため、計測ツール全体の再校正を頻繁に行う必要があり、エンドユーザーは数千ドルのダウンタイムを費やしていた。.

技術的なパラメータと設定：

• 中心波長： 638nm±0.5nm。.
• 線幅： < 10 MHz（高コヒーレンス長の超狭帯域）。.
• パッケージ： 14ピン バタフライパッケージレーザーダイオード.
• ファイバー出力： 消光比＞20dBの偏波保持（PM）ファイバ。.
• 動作温度： 25℃±0.01℃でロック。.

QCとエンジニアリング・ソリューション：

解決策は 狭線幅レーザーダイオード VBGを638nm用にロックした外部共振器ダイオード・レーザー（ECDL）として構成。回折限界レーザーの要件を達成するために、自動光学アライメントベンチを利用して、75%の効率を持つPMファイバーに光を結合した。.

QCプロトコルには、遅延自己ヘテロダイン干渉計を使用した「位相ノイズ特性評価」が含まれていた。また、ダイオードを15℃から45℃までの周囲温度変化にさらす48時間の「波長ロック試験」も行った。バタフライ・パッケージに内蔵されたTECが内部接合温度を正確に維持したため、波長シフトは顧客の高分解能波長計では検出できなかった。.

結論

バタフライパッケージの狭線幅光源にアップグレードすることで、この計測会社は測定の安定性を4倍向上させた。位相ジッター」は85%によって低減され、0.2nmの測定分解能が可能になった。初期の レーザーダイオード価格 は以前のTO-Canソリューションよりも大幅に高く、顧客は毎月のサービスコールの必要性をなくし、その結果、最初の1年以内に200%のROIを達成した。.

OEMシステムにおける “低予算 ”ダイオードの隠れたコスト

メーカーから見れば、ダイオードの “価格 ”はしばしば “テストの深さ ”の指標となる。A 785nmレーザーダイオード バタフライ・パッケージやVBG安定化なしで販売されているものは、本質的に未完成の部品です。OEMにとって、安価なダイオードの「氷山のコスト」には以下が含まれます：

1. 熱ドリフト： 波長シフトを補正するために複雑なソフトウェアアルゴリズムを必要とする。.
2. モード・ホッピング： ラマンやセンシングのアプリケーションで突然のデータギャップを引き起こす。.
3. ビーム乱視： ビーム形状を補正するために、高価な外部マイクロオプティクスを必要とする。.

に投資する。 バタフライパッケージレーザーダイオード を持つ。 回折限界レーザー OEMは、複雑な光学および熱工学をメーカーにオフロードします。これにより、システムインテグレーターはコアソフトウェアとアプリケーションロジックに集中することができ、“Time-to-Market ”を大幅に短縮することができます。”

プロフェッショナルFAQ

Q: 「コヒーレンス長」と785nmレーザーの線幅との関係は？

A: コヒーレンス長($L_c$)は線幅($Delta \nu$)に反比例します。1MHzの線幅の狭いレーザーダイオードの場合、コヒーレンス長は100メートルを超えます。これは、長距離干渉計や3Dセンシングにとって非常に重要である。標準的な785nmのFPダイオードのコヒーレンス長はわずか数ミリメートルである。.

Q: なぜバタフライ・パッケージには「硬質はんだ」（AuSn）が必須なのですか？

A: 硬質はんだは “はんだクリープ ”を防ぎます。バタフライパッケージのレーザーダイオードでは、マイクロオプティクスとレーザーダイはサブミクロンの精度でアライメントされています。インジウムのような軟らかいはんだを使用した場合、熱サイクルによって部品は時間とともにゆっくりと “ドリフト ”し、回折限界のあるレーザービームプロファイルとファイバーカップリング効率を破壊してしまいます。.

Q: 線幅の狭いレーザーダイオードを高速で変調できますか？

A: 外部共振器レーザー（VBGロック）は変調可能ですが、変調速度はDFBレーザーに比べて制限されます。ギガヘルツの速度では、変調サイクル中の “周波数チャープ ”を避けるため、外付けの音響光学変調器（AOM）をお勧めします。.

Q: サイドモード抑制比（SMSR）とは何ですか？

A: SMSRとは、メインの縦モードと最も強い横モードのパワーの比です。ラマン分光用の785nmレーザーダイオードでは、高いSMSR（>40dB）は、ラマン信号が二次的なレーザーモードからの「ゴーストピーク」によって汚染されないことを保証するために不可欠です。.