明るさの物理学：ファイバーカップリングが工学のフロンティアである理由

フォトニックシステムの階層では ファイバー結合レーザー は、半導体の生の発光と精密な応用の橋渡し役である。半導体の核となる利点は ファイバー結合ダイオードレーザー はしばしば、その柔軟性や遠隔配信能力を引き合いに出されるが、真の技術的課題は輝度の維持にある。単位立体角あたりの単位面積あたりのパワーとして定義される明るさは、エテンデュー保存の法則によって支配されます。技術者にとっての目標は、最小の開口数（NA）で可能な限り小さなファイバーコアに最大限の光を絞り込むことです。.

A マルチモードファイバーレーザーモジュール は通常、高出力広域レーザーダイオード（BAL）を中心に構築されている。これらのエミッターは、回折限界である高速軸と、マルチモードである低速軸という、極めて非対称な出力を持つ。このカップリング・プロセスは単純な集束の問題ではなく、複雑な幾何学的変換である。ダイオードのエミッターの “遅い軸 ”は10度の発散で100マイクロメートルの幅があり、“速い軸 ”は40度の発散で1マイクロメートルしかない。この2つの次元を円形ファイバーコアに適合させるには、高速軸コリメーター（FAC）と低速軸コリメーター（SAC）を含む高度なマイクロオプティクスのアレイと、それに続く空間または偏光結合アーキテクチャが必要です。.

ファイバーの選択が主な制約となる。工業用ポンプや医療用手術では、NAが0.22の105/125マイクロメートルファイバー（コア105マイクロメートル、クラッド125マイクロメートル）が業界の基準となっています。このような小さなコアに100Wや200Wのパワーを結合するには、メーカーはビームパラメータ積（BPP）を管理しなければなりません。結合されたレーザービームのBPPがファイバーのBPPを超えると、光がクラッドに入射し、ピグテールやモジュール自体の致命的な熱破壊につながります。.

ファイバー結合ダイオードレーザーの構造：マルチシングルエミッター対バーベース

ハイパワーを作るには、主に2つの考え方がある。 ファイバー結合型レーザーダイオードレーザーバーアプローチとマルチシングルエミッター（MSE）アプローチである。信頼性と「寿命期間中のワット当たりコスト」の観点から、業界では高信頼性アプリケーション向けにMSE技術への決定的なシフトが見られます。.

マルチシングルエミッター（MSE）の優位性

MSEの場合 マルチモード ファイバー結合型レーザーモジュール, 複数の独立したレーザーダイオードチップを個別のサブマウントにマウントし、ステップミラーやプリズムアレイを使ってビームを合成する。このアーキテクチャーの利点は熱絶縁である。各チップは独自の熱経路を持っている。1つのチップが故障したり劣化したりしても、隣接するチップを熱的に「汚染」することはありません。これは、エミッタが単一の半導体基板を共有するバーベースの設計でよくある問題です。.

さらに、MSE設計では、体積ブラッググレーティング（VBG）を使用した「波長安定化」モジュールが可能です。各エミッターの波長を固定することで、メーカーは0.5nm以下のスペクトル幅のモジュールを製造することができる。これは、吸収ピークが極めて狭いファイバーレーザー（イッテルビウム添加レーザーなど）を励起するのに重要である。.

ビーム結合と偏光

BPPを増加させることなくパワーを2倍にするために、エンジニアは偏光結合を利用する。半波長板を使って1組のエミッタの偏光を回転させ、偏光ビームスプリッタ（PBS）を介してもう1組のエミッタと組み合わせることで、モジュールは同じファイバーコアに2倍のパワーを供給できる。これは高輝度の特徴である。 ファイバー結合レーザー を設計することができる。レンズの位置が数マイクロメートルでもずれると、ビームの位置がずれて「クラッド光」が発生し、局所的な加熱につながる。.

熱管理：ファイバー結合モジュールのサイレントキラー

の信頼性である。 ファイバー結合ダイオードレーザー はジャンクション温度に反比例する。こうしたモジュールの調達でよくある落とし穴は、パッケージの熱抵抗（Rth）を無視して出力電力だけに注目することである。.

硬いはんだと柔らかいはんだ

高性能モジュールは、チップ・オン・サブマウント（CoS）の接合にAuSn（金-錫）硬質はんだを利用している。インジウム（軟質はんだ）は安価で加工が容易な反面、「熱疲労」や「インジウムエレクトロマイグレーション」の影響を受けやすく、数千時間の動作で突然故障につながる可能性があります。AuSnボンディングは、融点が高く、応力管理に優れているため、製造の複雑さが増すにもかかわらず、数万回のオン・オフサイクルに耐える安定したインターフェイスを提供する。.

ファイバーブロックとクラッドモードのストリッピング

光がファイバーに結合されるとき、そのすべてがコアに入るわけではありません。クラッドモード」は大きなエネルギーを運ぶことができます。高出力 ファイバー結合レーザー, このクラッディング光は、最終的にファイバー・コーティングやコネクターに当たり、火災の原因となります。産業グレードのモジュールには、出力ピグテールの近くに「クラッディング・モード・ストリッパー」（CMS）が搭載されています。この部品は不要な光を吸収し、モジュールのヒートシンクに放散する。CMSを欠いたモジュールは製造コストが大幅に安くなるが、下流の光学システムに大きなリスクをもたらす。.

性能データ：ファイバーコアサイズ対電力密度のベンチマーク

以下の表は、現在のカップリング技術の技術的限界を示したものである。これらの値は、パワー密度がファイバーファセットの損傷しきい値またはファイバーのBPP限界を超えない「安全な」動作ゾーンを示しています。.

詳細ケーススタディ産業用ファイバーレーザーの高輝度励起

顧客背景

2kWのCW（連続発振）ファイバーレーザーのメーカーが、ポンプモジュールの早期故障に見舞われていた。そのシステムは、標準的な105/125マイクロメートルのファイバー伝送を使用していました。故障モードは一貫して出力ピグテールでの “ファイバー焼け ”であり、約1,200時間の動作後に発生しました。.

技術的課題

顧客は低価格の140Wを使用していた。 ファイバー結合 ダイオードレーザー モジュールである。技術分析の結果、2つの問題が発見された：

1. BPPの不安定さ： モジュールが加熱するにつれて、ダイオードの低速軸発散角が大きくなり（「サーマルブルーミング」と呼ばれる現象）、BPPがファイバーの受入角を超えるようになった。.
2. 後方反射ダメージ： ファイバーレーザーからの1080nmの光は、ポンプモジュールに漏れ戻っていた。モジュールには1080nmのダイクロイックフィルターが内蔵されていないため、逆反射によって内部の光学部品がはんだ除去されていた。.

技術パラメーターと設定

この問題を解決するために、新しい マルチモードファイバーレーザーモジュール は以下の仕様で設計された：

• 動作波長： 976 nm +/- 0.5 nm（VBGロック）。.
• 出力： 105/125umファイバーに200W CW。.
• NA（95%エネルギー）： < 0.18（0.22NAファイバーに対して20%の安全マージンを残す）。.
• フィードバック保護： 1030-1100nmダイクロイックフィルター内蔵、30dB以上のアイソレーション。.
• 冷却： 25℃のマイクロチャンネル液冷プレート。.

品質管理（QC）と実施

厳格な「ステップ-ストレス試験」が実施された。モジュールは定格電流の120%で168時間運転された。この間、ビームプロファイラを使ってファイバー出射の「ファーフィールドパターン」（FFP）をモニターした。ビームのNAが0.01以上増加した場合、モジュールは熱接触不良として不合格となった。さらに、ダイオードにダメージがないことを確認するため、100W 1080nmレーザーをポンプの出力ファイバーに直接照射して、フィードバックフィルターをテストした。.

結論

フィードバック保護と厳密に制御されたBPPを統合したモジュールに変更することで、この顧客はピグテールの不具合を解消しました。VBGでロックされた976nmの波長は、周囲温度が変化してもイッテルビウム・ファイバーの吸収ピークに完璧にとどまったため、ファイバー・レーザーのウォールプラグ効率も向上した。このケースは、ファイバー・レーザーの “ワット単価 ”が、光ファイバー・レーザーの "ワット単価 "を上回っていることを証明している。 ファイバー結合レーザー システムの可用性」がお粗末な光学エンジニアリングによって損なわれるのであれば、そんなことは関係ない。.

コンポーネントの品質からマシンのコストへ：インテグレーターのジレンマ

医療用または産業用OEMが ファイバー結合型レーザーダイオード, しかし、しばしば “商品の罠 ”にはまる。これらのモジュールを交換可能な電球のように見たくなる。しかし、メーカーから見れば、モジュールはマシンの中で最も複雑なサブシステムである。.

光学ミスアライメントのコスト

レンズが低Tg（ガラス転移温度）エポキシで固定されているモジュールを考えてみよう。空冷システムでは、内部温度は50度や60度に達するかもしれない。エポキシが軟化すると、レンズは5マイクロメートルずれる。その結果、カップリング効率が10%低下する。200Wの出力を維持するため、マシンの制御システムはダイオード電流を増加させる。これにより熱が発生し、エポキシ樹脂がさらに軟化するという典型的な熱暴走のループが発生する。マシンは最終的に故障し、ダウンタイムと技術者の訪問にかかるコストは、安価なレーザーモジュールで節約した$200をはるかに上回る。.

保険としてのフィードバック隔離

銅やアルミニウムのレーザー溶接など、多くの工業プロセスでは、後方反射が避けられません。A ファイバー結合レーザー 内部保護のないモジュールは負債となる。高品質のモジュールは、ポンプ波長に最適化されたARコーティングと、加工波長を反射するHRコーティングを組み合わせて使用する。この内部 “光学アーマー ”があるからこそ、レーザーマシンはメンテナンスなしで5年間稼働できるのです。.

マルチモードファイバー結合技術の未来

のロードマップ マルチモードファイバーレーザーモジュール の開発は、パワーのスケーリングと波長の拡大という2つのベクトルに集中している。我々は現在、非鉄金属の加工用に100umファイバーに結合された青色ダイオードレーザー（450nm）の出現を目にしている。光子のエネルギーが高くなり、光学コーティングの劣化が速くなるため、工学的課題はさらに深刻になります。.

さらに、「インテリジェント」モジュールへの流れも加速している。将来 ファイバー結合ダイオードレーザー モジュールは、湿度、温度、反射のための内部センサーを内蔵し、マシンの “デジタル・ツイン ”にリアルタイムのデータを提供する。このような事後保全から予知保全へのシフトは、ハイエンド・レーザー・メーカーの次の標準となるだろう。.

よくある質問プロフェッショナルの技術的なお問い合わせ

Q1: ファイバ結合レーザの「95% Power NA」の意味は何ですか？

A: ほとんどのメーカーは、5%または10%の強度レベルでNAを提示しています。しかし、ハイパワー用途では、「95%のエネルギー」のNAがより重要になります。200Wのパワーのうち5%がファイバーのNA外にある場合、10Wをクラッドに投棄することになります。これはファイバーコネクターを数秒で溶かすのに十分です。必ず、パワーが外部にある場合のNA測定を依頼してください。.

Q2: 105um用に設計されたモジュールに200umファイバーを使用できますか？

A: はい、ファイバーのBPPはレーザーのBPPよりはるかに大きくなるので、ファイバーコアを大きくすることはいつでもできます。しかし、明るさは失われます。パワー密度（$W/cm^2$）は著しく低下し、加工効果が低下する可能性があります（例えば、切断速度が遅くなったり、手術の浸透が浅くなったりします）。.

Q3: ファイバーを曲げると、ファイバー結合レーザーの出力が低下するのはなぜですか？

A: これは “マクロ曲げ損失 ”によるものです。マルチモードファイバを曲げると、コア-クラッド界面の入射角が変化します。以前は全反射（TIR）によって封じ込められていたモードがクラッドに逃げてしまいます。高輝度ファイバー結合レーザーは、利用可能なNAをより多く使用するため、この影響をより受けやすくなります。.

Q4：「VBGロック」とは何ですか？

A: 体積ブラッググレーティング(VBG)ロックは、レーザーダイオードを特定の波長で発光させるために特殊な光学素子を使用します。固体レーザーの励起やある種の分光など、波長に敏感なアプリケーションには必要です。ハードニングやクラッディングのような単純な熱処理を行う場合は、通常、標準的な「アンロック」ファイバー結合ダイオードレーザーで十分であり、費用対効果も高くなります。.

Q5: 故障したファイバー・ピグテールが燃える前に特定するには？

A: ファイバー・コネクターの温度をモニターしてください。健全なコネクターは、周囲温度より数度高い程度であるべきです。同じ出力で動作している間にコネクタの温度が時間とともに上昇し始めたら、「クラッドモードストリッパー」に負担がかかっているか、ファイバー結合レーザーの内部アライメントがシフトしていることを示しています。.