980nmフォトニクスのアーキテクチャ：効率とモードの完全性

その 980nmシングルモードファイバーレーザーダイオード は、現代の光通信や精密医療機器の心臓部として機能している。他の波長が組織における特異的な吸収やシリカにおける透明性によって選択されるのに対し、980nmはポンプ光源としての効率によって独自に定義される。電気通信の領域では、エルビウムイオン（$Er^{3+}$）を$^4I_{11/2}$状態に励起するのに必要な正確なエネルギーを提供し、低ノイズ増幅を可能にする。.

エンジニアリングの観点からは シングルモードファイバー結合レーザーモジュール この波長では、マルチモードの変種と比較して、明確な課題がある。根本的な違いはパワー密度にあります。6マイクロメートルのファイバーコア内で500mWから800mWの “キンクフリー ”パワーを達成することは、半導体物理学と光学アライメントの限界を押し広げることになります。メーカーにとっての目標は、単にピークパワーを達成することではなく、全動作電流範囲にわたって安定した横モードを維持し、25年の寿命にわたって光の集光性とカップリングの効率性を維持することである。.

半導体物理学InGaAs量子井戸設計

のパフォーマンスである。 980ナノメートル レーザーダイオード はエピタキシャルレベルから始まる。ほとんどの高出力980nmダイオードは、一般的にガリウムヒ素（GaAs）基板上に成長したインジウムガリウムヒ素（InGaAs）歪み量子井戸（QW）構造を利用している。.

歪み補償とキャリアの閉じ込め

量子井戸に「ひずみ」を導入するのは、意図的な工学的選択である。InGaAs層の格子定数をGaAs基板とミスマッチさせることで、価電子帯構造が変化する。これにより正孔の有効質量が減少し、「オージェ再結合」（光の代わりに熱を発生させる非放射過程）が抑制される。.

しかし、ひずみは諸刃の剣である。過度のひずみは転位（結晶格子の欠陥）につながり、これが破局的光ミラー損傷（COMD）の種となる。これを軽減するため、先進的なエピタキシャル設計では、通常GaAsPを使用した「歪み補償」層を組み込んでいる。これにより、結晶の構造的完全性を維持しながら、より高いインジウム含有量（目標波長980nmに達する）が可能になる。エンドユーザーにとって、これは内部劣化なしに高電流密度に耐えることができるダイオードということになる。.

キンクフリー・オペレーションへの挑戦

の技術仕様にある。 シングルモード ファイバー結合型レーザーモジュール, キンク・フリー・パワー “という言葉が最も重要である。パワー対電流（L-I）曲線における「キンク」は、レーザーダイオードが基本横モードから高次モードへシフトするとき、またはキャリアの空間分布（空間ホールバーニング）によってビームがわずかにステアするときに発生します。.

空間ホールバーニング（SHB）とモード安定性

注入電流が増加すると、レーザー共振器の中心部の光子密度が非常に高くなり、その特定の領域のキャリアが枯渇する。これにより屈折率勾配が生じ、「レンズ」の役割を果たし、ビームがさらに集光される。このレンズ効果を管理しないと、シングルモード・ファイバーからビームが切り離されたり、モードホップが発生したりします。.

真にキンクフリーのエンジニアリング 980nmレーザーダイオード には精密な「リッジ導波路」設計が必要である。リッジの幅は、高次モード（通常＜4μm）を抑制するのに十分狭く、ファセットでの光パワー密度をCOMDの閾値以下に保つのに十分広くなければならない。リッジ形状とクラッド層のドーピングプロファイルのバランスが、モジュールの最終的な安定性を決定する。.

光結合工学：サブミクロン精度

シングルモード・ファイバー（SMF）に光をカップリングすることは、極めて機械的安定性の高い作業です。標準的な980nmファイバー（HI980など）のモードフィールド径（MFD）は約6.5μmです。70-80%のカップリング効率を維持するためには、レーザーチップとファイバーのアライメントは、広い温度範囲にわたって±0.1μm以内で安定していなければなりません。.

非球面光学系と円筒光学系の役割

の生の出力 980nmレーザー ダイオード チップは非常に発散している。チップとファイバー間のギャップを埋めるために、2レンズまたは特殊な非球面システムが採用される：

1. 高速軸コリメータ（FAC）： 高NAマイクロレンズは、急速に発散する光（多くの場合30～40°）を捕捉するために、レーザーファセットから数マイクロメートル離して配置される。.
2. 循環化： ダイオードの発光エリアは長方形なので、ビームは楕円になる。補正がなければ、円形のファイバーコアは光の一部しか捕らえられない。.
3. レーザー溶接： プロフェッショナル シングルモードファイバー レーザーモジュール, 光学部品は接着されていない。所定の位置にレーザー溶接されます。硬化中に収縮し、時間の経過とともにアウトガスが発生する接着剤とは異なり、レーザー溶接は熱膨張や機械的衝撃に耐える「凍った」アライメントを提供します。.

信頼性と品質管理データシートを超えて

海底電気通信や外科用レーザーのようなリスクの高い産業では、“ワットあたりの価格 ”は “故障の確率 ”に比べれば無関係です。信頼性は、Telcordia GR-468-COREなどの規格を厳格に遵守することで構築されます。.

破局的光学ミラー損傷（COMD）の防止

高出力980nmダイオードの主な故障モードはCOMDである。出力ファセット（ミラー）において、高い光子密度が局所的な加熱を引き起こす可能性がある。この加熱によってバンドギャップが減少し、吸収が大きくなり、さらに加熱が進み、熱暴走プロセスによって結晶ファセットがナノ秒単位で溶けてしまう。.

これを防ぐために、高級メーカーは「非吸収ミラー」（NAM）を採用している。これは、ファセット近傍の領域を化学的に改質または混合して、共振器の他の部分よりも広いバンドギャップを持つようにするプロセスである。基本的に、ミラーはレーザー自身の光に対して透明になる。レーザーを評価する場合 980ナノメートル シングルモードファイバー結合型レーザーダイオード, NAM技術の有無は、長期耐久性の重要な指標となる。.

ケーススタディ高信頼性EDFAポンプの統合

顧客の背景

長距離地上ネットワーク用の新世代エルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA）を開発するTier-1通信インフラプロバイダー。.

技術的な課題：

この顧客は、高温環境（砂漠地帯）に設置した際に、既存のポンプモジュールに早期故障が発生した。この故障の特徴は利得の急激な低下であり、「ファイバー・ピストン」効果とポンプ・ダイオードのファセット劣化に起因するものでした。.

技術パラメーターとセットアップ

• 要件 600mWファイバー出力の980nmポンプ光源。.
• 安定性： <24時間の電力変動は0.5%未満。.
• パッケージ： 976nm（特定のエルビウムファイバーのピーク吸収波長）の波長安定化のための内部ブラッググレーティング（FBG）付き14ピンバタフライ。.
• 冷却： 内蔵TECにより、ハウジングの周囲温度が70℃に達してもチップを25℃に維持。.

品質管理（QC）ソリューション：

私たちは多段階のスクリーニングを実施した：

1. P-I-V特性評価： すべてのチップは、定格電流の120%まで「キンクのない」動作がテストされた。.
2. 高温動作寿命（HTOL）： サンプルロットは85℃で1,000時間のストレステストを受けた。.
3. アクティブ・ファイバー・アライメント： レーザー溶接による「クリップ」技術により、「ファイバーピストン」効果（接着剤の熱膨張によりファイバー先端が動く）を排除。.

結論

NAM処理されたファセットを持つVBG/FBG安定化シングルモードファイバー結合レーザーモジュールに切り替えることで、顧客は導入後18ヶ月間で0%のフィールド故障率を達成した。また、結合効率が向上したことで、システム電源に必要な電流が減少し、アンプラックの全体的な熱シグネチャーが低下しました。.

データテーブル980nmシングルモードファイバ結合ダイオード仕様

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: なぜ980nmではなく976nmなのですか？

エルビウム添加ファイバーの吸収ピークは、約976nmを中心として極めて狭い。980nm」は一般的なカテゴリー名ですが、精密ポンプはファイバーブラッググレーティング（FBG）を使用して波長を正確に976nmにロックします。これにより、増幅器の利得効率が最大になります。.

Q2: 「ファイバーピストン」とは何ですか？

ファイバーピストンとは、内部のサブマウントや接着剤の熱膨張によるモジュール内での光ファイバー先端の長手方向の動きを指します。シングルモードでは ファイバー結合型レーザーダイオード, わずか数マイクロメートルの動きでビームの焦点は大きくずれ、出力損失につながります。ハイエンドのモジュールは、これを防ぐために熱膨張係数（CTE）が一致した材料を使用しています。.

Q3: 波長980nmのシングルモードダイオードを材料加工に使用できますか？

一般的には、そうではない。シングルモードダイオードは出力が限られている（1W以下）。材料加工（切断、溶接）には通常、数百ワットから数千ワットが必要なため、マルチモードダイオードアレイが必要になる。しかし、980nmのシングルモードダイオードは、医療用マイクロサージェリーにおけるマイクロはんだ付けや高度に局所的な熱処理に優れている。.

Q4: 内蔵光アイソレーターの性能への影響は？

980nmシステムは後方反射に非常に敏感です。ファイバーコネクターやターゲットで反射した光がダイオードに再入射し、「RIN」（相対強度ノイズ）を引き起こしたり、ファセットが破壊されることさえあります。内部アイソレーターは、光は通過させますが、反射はブロックし、理想的でない光学環境でも安定した動作を保証します。.

Q5: 800mW SMモジュールの冷却条件は？

高出力 SM モジュールは局所的に大きな熱を発生する。内部TECがチップ温度を管理する一方で、TECの「ホットサイド」は外部ヒートシンクに結合されなければなりません。適切な熱経路（通常はサーマルペーストを塗布した銅ブロック）がなければ、TECは飽和し、モジュールは過熱し、TECとダイオードの両方の致命的な故障につながります。.