現代のフォトニクスでは、通信、分光法、計測、センシング、新興の量子技術の分野で、超安定で周波数選択性がありノイズが抑制されたレーザー光源の需要が高まり続けています。これらの高精度システムを可能にする最も重要な光源の 1 つが狭線幅レーザーです。これは、周波数拡散が最小限で非常に純粋な光放出を実現するように設計されたデバイスです。光学システムがより高いデータ レート、より長いコヒーレンス長、より正確な検出機能へと進むにつれて、設計者、エンジニア、研究者にとって、狭線幅レーザーの動作原理と価値を理解することが不可欠になります。
この記事では、狭線幅レーザーの定義、そのパフォーマンスの背後にある支配的な物理、主要なアプリケーション領域、およびより広い線幅の光源と比較した狭線幅レーザーの利点について説明します。
1.狭線幅レーザーとは何ですか?
狭線幅レーザーは、非常に狭いスペクトル幅（通常は数百kHzから数kHz、あるいはサブkHzの範囲）の光放射を放射するように設計された半導体レーザーまたは外部共振器レーザー（ECL）です。「線幅」とは、レーザー出力の半値強度におけるスペクトル分布を指し、多くの場合、半値全幅（FWHM）として表されます。
簡単に言えば、狭線幅レーザーは以下の特性を持つ光を生成します。
- 極めて安定した光周波数
- 最小位相ノイズ
- 長いコヒーレンス長
- 高いスペクトル純度
一般的な線幅の範囲:
- 分布帰還型（DFB）レーザー： 0.5～5 MHz
- 分布ブラッグ反射器（DBR）レーザー： 100 kHz～1 MHz
- 外部共振器レーザー（ECL）： 1 kHz～100 kHz
- 超狭帯域特殊レーザー：計測学または原子物理学用 <1 kHz
これらのレーザーは、周波数精度、低ノイズ、長いコヒーレンスが全体的なパフォーマンスに直接影響するシステムに不可欠です。
2. 狭線幅動作の基本原理
2.1 周波数選択共振器
狭線幅レーザーには、許容される放射周波数を厳密に制限する構造が組み込まれています。
- DFB レーザー:アクティブ領域内で周期的なブラッグ グレーティングを使用して、シングルモード動作を強制します。
- DBR レーザー:グレーティングをゲイン セクションから分離することで、より柔軟なチューニングが可能になり、ノイズが低減されます。
- 外部共振器レーザー:光路長を延長して自然放出を抑制し、線幅を狭めます。
周波数選択フィードバックが鋭いほど、達成可能な線幅は狭くなります。
2.2 自然放出ノイズの抑制
線幅は自然放出ノイズと位相変動に大きく影響されます。高品質の狭線幅レーザーは、以下の方法でこれらの要因を低減します。
- 最適化されたエピタキシャル層設計
- 超安定温度・電流制御
- 低損失光学部品の使用
- 拡張されたキャビティ長または高度な格子構造
安定した電流ドライバーと熱電制御ハウジングにより、スペクトル純度がさらに維持されます。
2.3 コヒーレンス長
レーザーのコヒーレンス長LcL_cLcは次式で表されます。
ここで、Δν\Delta \nuΔνは線幅です。線幅が1 kHzに近い狭線幅レーザーは、 300 kmを超えるコヒーレンス長を実現でき、長距離コヒーレント伝送や超高精度干渉計にとって極めて重要な、極めて長距離にわたる位相安定性を維持できます。
3. 狭線幅レーザーの主な用途
精密フォトニクスの進歩に伴い、狭線幅レーザーの採用が急速に拡大しています。以下は、今日の需要を牽引する主要なアプリケーションカテゴリーです。
3.1 コヒーレント光通信
コヒーレントDWDMシステムでは、QPSKや16QAMなどの位相符号化情報フォーマットには、高い周波数安定性と最小限の位相ノイズを備えた搬送波が必要です。狭線幅レーザーは以下を可能にします。
- よりクリーンなシンボル星座
- ビットエラー率（BER）の低減
- より長い伝送距離
- より高いスペクトル効率
これらは400G～1.6Tコヒーレント トランシーバーのバックボーンです。
3.2 光ファイバーセンシング（DAS、DTS、FBGインターロゲーション）
分散音響センシング（DAS）および分散温度センシング（DTS）システムは、位相感度レイリー散乱を利用しています。狭線幅レーザーは以下を提供します。
- 干渉検出のための高いコヒーレンス
- 長距離センサーの感度向上
- 信号対雑音比の向上
- 強化された検出解像度
アプリケーションには、石油およびガスパイプラインの監視、地球物理学的センシング、セキュリティ境界システム、構造監視などがあります。
3.3 計測学と高分解能分光法
次のような分光法:
- キャビティリングダウン
- 干渉計測
- 高分解能吸収分光法
極めて純粋な光周波数が必要です。狭線幅レーザーにより、以下のことが可能になります。
- より細かい周波数識別
- 原子/分子遷移の正確な測定
- 研究室および産業用計測システムにおける解像度の向上
-
3.4 LiDARと光学測距
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周波数変調連続波 (FMCW) LiDAR システムは、狭線幅レーザーを使用して次のことを実現します。
- 高い距離精度
- 安定したチャープ変調
- 位相ノイズの低減
これらの特性は、自動運転、ロボット工学、宇宙マッピング、防衛アプリケーションに不可欠です。
3.5 量子技術
狭線幅レーザーは次のような場合に重要です。
- 原子の捕捉と冷却
- 量子遷移を刺激する
- 高精度量子ビットの駆動
- 量子鍵配送（QKD）
長いコヒーレンスと安定した周波数により、量子通信や量子センシング システムに最適です。
4. 狭線幅レーザーの利点
4.1 優れた周波数安定性
狭線幅レーザーは周波数ドリフトが最小限に抑えられるため、センサー、クロック、通信システム内で安定した光基準として機能します。
4.2 長いコヒーレンス長
長いコヒーレンス長により、干渉システム、長距離コヒーレント通信、高精度計測がサポートされます。
4.3 位相ノイズの低減
位相ノイズが低くなると、コヒーレント光システムの変調忠実度が直接的に向上し、科学機器の測定精度が向上します。
4.4 高いスペクトル純度
スペクトル純度の向上により信号の整合性が大幅に強化され、高密度の光環境における干渉が最小限に抑えられます。
4.5 センシングシステムの感度向上
分散ファイバー センサーと FMCW LiDAR システムは、検出精度が大幅に向上します。
4.6 調整可能性と構成可能性
レーザーの種類（DBR、ECL）に応じて、狭線幅レーザーは安定性を維持しながら広い調整範囲を提供できるため、システムエンジニアの設計柔軟性が向上します。
5. 狭線幅レーザーの選択：重要な考慮事項
エンジニアリングまたは研究アプリケーション用に狭線幅レーザーを選択する場合は、次のパラメータを優先する必要があります。
- 線幅（kHz/MHz）
- 波長安定性（pm/°C）
- RIN（相対強度ノイズ）
- SMSR（サイドモード抑制比）
- コヒーレンス長
- 出力とスロープ効率
- チューニング範囲（DBR/ECLタイプの場合）
- パッケージ タイプ (バタフライ、TO-CAN、PM ファイバー結合など)
- 熱性能と安定性
- 電気および光インターフェースの互換性
明確に定義された仕様により、通信、センシング、LiDAR、分光法において最適なパフォーマンスが保証されます。
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