単一周波数、超低ノイズレーザー、拡張型バタフライパッケージ

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Figure 1.1  The LNC31 laser diode driver used with a ULN15PC ultra-low-noise laser diode mounted in a LM14TS active mount.

Webpage Features
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Choose Item	Clicking the words "Choose Item" opens a drop-down list containing all of the in-stock lasers around the desired center wavelength. The red icon next to the serial number then allows you to download L-I and spectral measurements for that serial-numbered device.

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The ULN15PC laser diode is available as a turnkey laser system (Item # ULN15TK).

Low-Noise, Turnkey Laser Systems

All of the ULN hybrid lasers sold on this page can be incorporated into our low-noise, turnkey laser system platform upon request. Please see our Low-Noise, Narrow-Linewidth Laser Systems for more information.

Features

• Typical Center Wavelengths of 780, 795, 852, or 1550 nm
• Relative Intensity Noise (RIN) as Low as -165 dBc/Hz
• Typical SMSR as High as 70 dB
• 14-Pin Hermetically Sealed Extended Butterfly Package
• Two Integrated Thermoelectric Coolers (TEC) and Thermistors
• PM Fiber Pigtail with 2.0 mm Narrow Key FC/APC Connector
• Compatible with LM14TS Laser Mount
• Requires Low-Noise Current Source, Such as Our LNC31 Low-Noise Laser Diode Driver

Thorlabs' Ultra-Low-Noise (ULN) Hybrid Lasers provide signals with relative intensity noise as low as -165 dBc/Hz and typical (Lorentzian) linewidths as low as 100 Hz. The single mode output can reach optical powers as high as 140 mW with a side mode suppression ratio (SMSR) as high as 70 dB. These specifications are achieved through a patented design consisting of a single angled facet (SAF) gain chip coupled to a fiber Bragg grating (FBG) enclosed in a hermetically sealed case.¹ Two integrated thermoelectric coolers (TECs) and thermistor pairs act in a closed loop to control the temperature of the gain chip and FBG independently. In addition, each laser features an auxiliary thermistor that monitors the case temperature and a built-in monitor photodiode.

Lasers with inherently narrow linewidth and low noise require a driver current with minimal current noise, such as our LNC31 low-noise laser diode driver, to reach their specified optical performance. The chosen current supply should be given time to stabilize before the output of the laser is measured. In addition, an optical isolator should be placed at the output of the laser.

Our 1550 nm ultra-low-noise lasers are available in either a current- or temperature-tuning configuration. The lasing spectrum of both of these sources changes between single longitudinal mode and multimode depending on the drive current. As the system experiences effects of hysteresis, the width of these ranges will also change depending on whether the drive current is being increased or decreased. Each laser's center wavelength is tested and reported on a serialized data sheet. Users should reference the laser's individual data sheet to see where these regions exist for their device. More information on the differences between these configurations can be found in the presentation below, as well as the SM Operation tab.

Mounting and Care
Each laser is housed in an extended 14-pin butterfly-style package. This extended package is compatible with the LM14TS Active Butterfly Mount. If not using Thorlabs' mount, the diode must be affixed to a purpose-built heat sink. The laser's case has four mounting slots for use with 2-56 (M2) screws. Note that the ultra-low-noise hybrid lasers are extremely sensitive to both seismic and acoustic vibrations, so a mounting fixture that dampens vibration is suggested. Thorlabs offers packs of fifty 2-56 screws (Item # SH2S019) as well as a 2-56 tap (Item # TAP256) to aid in installation. Mounting torque should not exceed 0.14 N·m (20 oz-in); this can be applied and checked using a torque driver.

Laser diodes are sensitive to electrostatic shock. Please take the proper precautions when handling the device, such as using an ESD wrist strap.

We recommend cleaning the fiber connector before each use in case any dust or other contaminants have been deposited on the surface. The laser intensity at the center of the fiber tip can be very high and may burn the tip of the fiber if contaminants are present. While the connector is cleaned and capped before shipping, we cannot guarantee that it will remain free of contamination after it is removed from the package. We also recommend that the laser is turned off when connecting or disconnecting the device from other fibers.

Applications
With their inherently narrow linewidth and low noise, these lasers are ideal for any application where minimizing the laser linewidth (and therefore, maximizing the coherence length) and its intensity noise is desired. The ULN laser diodes are ideal for applications such as optical sensing, generating optical carriers for RF-over-fiber or coherent optical communication systems in the C-band, vapor cell and cavity locking, neutral atom and ion-based quantum computing, Rydberg atom experiments, and wavemeter stabilization. They can be used for atomic cooling of rubidium (Item # ULN780PC, tuned to the Rb D₂ transition, or Item # ULN795PC, tuned to the Rb D₁ transition) or cesium (Item # ULN852PC, tuned to the Cs D₂ transition).

Thorlabs also offers turnkey versions of our Ultra-Low-Noise (ULN) and Distributed Feedback (DFB) single-frequency laser diodes at 1310 nm and 1550 nm, as well as our 780 or 795 nm Distributed Bragg Reflector (DBR) single-frequency laser diodes. The turnkey solutions integrate our lasers with a low-noise driver and temperature stabilization inside of a benchtop housing. Factory-set for single-frequency operation, these laser systems have a preset drive current and FBG temperature. For more information on the characteristics of different types of single-frequency diodes, see the SFL Overview tab.

1. Morton P, Morton M. "High-Power, Ultra-Low Noise Hybrid Lasers for Microwave Photonics and Optical Sensing." Journal of Lightwave Technology. 2018 November 1; 36: 5048-5057.

シングルモード(単一縦モード)動作

当社の1550 nm ULNシリーズハイブリッドレーザは、シングルモードとマルチモード動作間で変動します。安定した出力領域は様々な要因によって変化します¹。ここでは駆動電流によってシングルモードの動作範囲がどのように変動するかを説明しています。注:下記のデータは典型値です。個々の製品で安定したシングルモード動作が得られる駆動電流についてはシリアル番号のデータシートをご参照ください。

縦モードの遷移
シングルモードとマルチモード動作間の変動は、利得チップの高反射の後端面とファイバーブラッググレーティング(FBG)によって生成された共振器内の複数の発振モードによるものです。下のグラフでは、温度でチューニングするレーザULN15PT のシングルモード出力パワーを代表例として示しています。シングルモード範囲間では駆動電流によってマルチモード出力となります。そのため、マルチモード出力パワーはグラフより除外されています。例えば、約220 mAで駆動されたユニットはマルチモード出力、300 mAではシングルモード出力となります。電流でチューニングする構成のレーザは、これらのマルチモードの領域を最小に留めます。

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Figure 2.1  それぞれシングルモード領域を示しており、マルチモード領域は除外されています。

ヒステリシス
1550 nm ULNシリーズハイブリッドレーザのシングルモード領域の幅は常に同じではありません。シングルモード動作が得られた後、電流の増加しているときか減少しているときかによって変動します。下のグラフは電流でチューニングするレーザULN15PCの電流増減時の出力パワーを代表例として示しています。電流を700～725 mAの間で駆動させたときのレーザの性能を見てみましょう。700 mAから電流を上げた場合、出力は約715 mAまでシングルモードにはなりません(下のグラフの赤い曲線)。しかし、シングルモードの領域に入った後は、駆動電流を700 mA近くまで下げても、共振器はシングルモード動作を維持します(青い曲線)。ULNシリーズハイブリッドレーザを駆動時、安定した動作を維持するためには電流の変化の方向に留意することが重要です。

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Figure 2.2  シングルモード出力する電流範囲は、電流が上がるよりも下がるときの方が幅が広くなります。

T_FBGによる縦モードシフト
ULNシリーズレーザに内蔵するファイバーブラッググレーティング(FBG)の格子周期は温度によって変動します。温度でチューニングするULNレーザをご使用の場合、この温度を個々に設定することにより、共振器の発振モードをサポートし、所望の出力波長にチューニングすることが可能です。しかし、ファイバーブラッググレーティングの温度は発振モードに影響を与えるため、シングルモード領域はシフトします。下のグラフでは、典型的な温度調整型レーザULN15PTのT_FBGの調整によるシングルモード動作領域の変動を示しています。温度の変動がある一定以上大きくなると、レーザはシングルモード動作からマルチモード動作にシフトします。レーザがシングルモード動作の領域端となる電流で駆動されている場合、ほんの数度の変動でこのシフトが発生する場合があります。このため、温度によるチューニング時には光スペクトルアナライザでレーザの出力をモニタし、出力がシングルモードを維持していることを確認することをお勧めいたします。

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Figure 2.3  シングルモードの領域はT_FBGの変化によりシフトし、固定の駆動電流ではシングルモード動作から外れる原因となる場合があります。

波長シフト
駆動電流の変動はレーザのモードのほかにも、出力波長のシフトを生じさせる可能性があります。下はULN15PCの波長グラフの代表例です。赤色の点の群はモードホップフリーのシングルモード動作領域を示しています。このような波長と電流の依存性は当社の温度による波長チューニングを行うモデルにも見られます。しかし、これらのモデルはファイバーブラッググレーティング(FBG)の温度を変えることにより、一定のパワーで波長をチューニングします。注:中心波長のステップ状の変動は測定に使用した光スペクトルアナライザの分解能によるものです。波長の変動はシングルモード動作の各領域にわたり滑らかです。

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Figure 2.4  シングルモード動作領域内において、中心波長が電流によりシフトします。「Trendline」の各曲線はシングルモード領域を示しています。測定データがステップ状に現れているのは測定に使用した光スペクトルアナライザの分解能によるものです。波長の変動はシングルモード動作の各領域にわたり滑らかです。

拡張型バタフライパッケージのピン配列

注: 当社の全てのバタフライおよび拡張型バタフライレーザはフローティング構造です。

ECL、DFB、VHG安定化、DBR、ハイブリッドの単一周波数(SFL)レーザ

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Figure 4.1  ECLは、利得チップの外側に回折格子があります。

レーザの多くの用途では、チューナブルな単一周波数動作が必要になります。単一周波数出力を得るための半導体レーザとしては現在、外部共振型(ECL)、分布帰還型(DFB)、体積型ホログラフィック回折格子型(VHG)、分布ブラッグ反射型(DBR)の主に4種類のレーザがあります。どれも回折格子を使用したフィードバックによって単一周波数を出力します。外部共振型(ECL)ではさらにファイバーブラッググレーティング(FBG)を組み合わせたハイブリッド製品がございます。しかしそれぞれ回折格子のフィードバック構造が異なるので、出力や帯域幅、ならびにサイドモード抑圧比(SMSR)などの性能が異なります。下記では、単一周波数半導体レーザの主な違いについて述べています。

外部共振型レーザ
外部共振型レーザ(ECL)は、その構造により多くの標準的な自由空間半導体レーザに対応します。 つまりECLは、半導体レーザ素子が対応する様々な波長で使用することができるということです。 半導体レーザの出力光はレンズによってコリメートされ、回折格子に入射されます(Figure 4.1参照)。 回折格子はフィードバック(反射)を生じさせ、安定した出力波長を選択するために用いられます。 適切な光学設計により外部共振器が単一縦型のレーザ光のみを選択するため、単一周波数で高サイドモード抑圧比(SMSR> 45 dB)のレーザが出力されます。

ECLのメリットの1つに比較的長い共振器長が超狭線幅(＜1 MHz)をもたらすことがあります。 また、様々な半導体レーザを組み込むことができるので、青色ならびに赤色波長において狭線幅の光を放出できる数少ない構造の1つとなっております。 広いチューニングレンジ(＞100 nm)を得ることができますが、ECLの機械設計、ならびに半導体レーザの反射防止(AR)コーティングの質によってモードホップする傾向があります。

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Figure 4.2  DFBレーザにはアクティブゲイン媒体の長さに沿って、ブラッグ反射鏡が付いています。

分布帰還型レーザ
分布帰還型(DFB)レーザ(近赤外および中赤外) でご提供可能)は半導体レーザ構造内に回折格子が組み込まれているレーザとなっております(Figure 4.2参照)。 アクティブ領域と密結合する波形の周期構造がブラッグ反射鏡として働き、単一縦型のレーザ光モードを選択します。 アクティブ領域がブラッグ周波数近くで十分な利得を得られれば、端面反射鏡は必要なく、代わりにブラッグ反射鏡が全ての光フィードバックならびにモード選択に用いられることになります。 この「内蔵型」の光選択によってDFBレーザは、幅広い温度ならびに電流範囲で単一周波数動作を得ることができるのです。 DFBレーザにはモード選択の補助や歩留り向上のためによく位相シフト部分がレーザ構造内に用いられています。

DFBのレーザ波長は、ブラッグ波長とほぼ等しくなっております。

ここで、λは波長、n_effは有効屈折率、Λは回折格子の周期です。 レーザ波長は、有効屈折率を変えることによってチューニングができます。 有効屈折率の変化はDFBレーザの温度ならびに駆動電流のチューニングによって得られます。

DFBレーザは、850 nmでは2 nm、1550 nmでは4 nm、中赤外域(4.00～11.00 µm)では1 cm^-1の比較的狭いチューニングレンジとなります。 しかし、このチューニングレンジにわたり単一周波数動作が得られている、つまりこれがモードホップ無しの連続したチューニングレンジであることを意味します。 この特長により、DFBはテレコムやセンサをはじめ、様々な用途で広く使用されています。 DFBの共振器長は比較的短いため、線幅の典型値は1 MHz～10 MHzの範囲内となります。 また、回折格子の構造とアクティブ領域が同じ領域にあるため、DFBの最大光出力は、ECLとDBRレーザに比べて低くなっております。

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Figure 4.3  VHGレーザの体積型ホログラフィック回折格子は、アクティブゲイン媒体の外側にあります。

体積型ホログラフィック回折格子型安定化レーザ
体積型ホログラフィック回折格子型(VHG)レーザもブラッグ反射鏡を使用しますが、この場合は、透過型回折格子は半導体レーザ出力の前に置かれます(Figure 4.3参照)。この回折格子は半導体レーザの一部ではないため、半導体レーザからは熱的に分離することが可能で、デバイスの波長安定性が向上します。 この回折格子は、通常は複数種類の屈折率の光学材料(通常はガラス)を周期的に積層する構成です。 ブラッグの条件を満たす波長の光だけが反射してレーザ共振器に戻り、それにより非常に高い波長安定性を有するレーザになります。 VHG安定化レーザは、高パワーにおいて、DFBレーザと同様の線幅で出力可能で、広い範囲の電流および温度にわたって波長がロックされます。

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Figure 4.4  DBRレーザのブラッグ反射鏡はアクティブゲイン媒体の外側にあります。

分布反射型レーザ
分布反射型(DBR)レーザは、DFBレーザと同様、回折格子が内部に組み込まれています。 しかしDFBレーザの回折格子はアクティブ(利得)領域に沿っているのに対し、DBRレーザの回折格子は、領域の外側に位置しています(Figure 4.4参照)。 一般的にDBRレーザは典型的なDFBレーザにはない様々な領域を組み込むことが可能なので制御範囲とチューニングレンジがより広くなります。 例えばマルチ電極DBRレーザには位相制御領域があり、回折格子周期や半導体レーザ駆動電流制御とは独立して、位相のみを制御することが可能です。 この制御を共に使用することによってDBRレーザは幅広いチューニングレンジで単一周波数動作が可能となります。 例えば高性能なサンプルグレーティングDBRレーザのチューニングレンジは最大30～40 nmになりえます。 DFBレーザと異なりモードホップフリーではないため、入射ならびに温度を維持できるよう慎重な制御が必要です。

制御構造が複雑なマルチ電極DBRレーザに対し、構造をよりシンプルにしたDBRレーザは単電極のみで設計されています。 単電極DBRレーザには、回折格子ならびに位相制御の複雑構造はありませんが、チューニングレンジはマルチ電極に比べて狭くなります。 チューニングレンジはDFBレーザと同程度になり、駆動電流や温度によってモードホップも生じます。 モードホップのデメリットはありますが、回折格子がデバイスの長さと同じでなければいけない制限はないため、DFBレーザと比べて光出力が大きいなどのメリットもあります。 DBRならびにDFBのレーザの線幅は同程度です。 当社では現在単電極DBRレーザのみをご提供しております。

超低ノイズハイブリッドレーザ
当社の超低ノイズ(ULN)ハイブリッドレーザは、SAF利得チップが比較的長いファイバーブラッググレーティング(FBG)に結合されています。こちらのレーザは外部共振型(ECL)に似たレーザ共振器をファイバの長さに沿って作るよう設計されています。この共振器によりULNシリーズハイブリッドレーザの線幅は約100 Hzと非常に狭く、また相対強度ノイズも-165 dBc/Hz(典型値)と低くなります。ファイバーブラッググレーティング(FBG)の熱的分離を保つ構造を取り、そこで利得媒質から放出される光を部分的に反射させます。格子周期はFBGに熱(その結果かかる熱応力)を加えることで変動させることができます。利得媒質とFBGを独立に温度調整できる構成から、温利得媒質の温度を安定させながら、独立してレーザ出力波長を温度でチューニングします。レーザの構成が優れた低ノイズ性能を発揮するため、レーザ本体がノイズの制限要因になることはないでしょう。レーザの環境をモニタし、振動や音響振動などノイズに寄与する要因を制限し、レーザを低ノイズ電流源で駆動することが重要です。

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Figure 4.5  当社のハイブリッドレーザは、ファイバーブラッググレーティング(FBG)が利得媒質に結合しています。

結論
ECL、DFB、VHG、DBRならびにハイブリッドレーザは、設計されたチューニングレンジで単一周波数を発振します。ECLは、DFBやDBRレーザよりも幅広い波長の選択が可能となります。モードホップする傾向がありますが、狭い線幅(＜1 MHz)をもたらします。適切に設計された機器では、ECLによって超広帯域幅 (> 100 nm)をもたらすことも可能です。

DFBレーザは最も安定した単一周波数レーザです。DFBのレーザーチューニングレンジ(＜5 nm)内ではモードホップフリーの性能を発揮するため、単一周波数レーザとして最もご要望の多いレーザです。DFBレーザ特有の連続グレーティングフィードバック構造のため、光出力は最も低くなっております。

VHGレーザは、広い範囲の温度および電流にわたって、波長性能が安定しているため、DFBレーザの典型値よりも高いパワーが可能です。この安定性により組み込み用途(OEM用途)での使用にも適しています。

単電極DBRレーザもDFBレーザ(< 5 nm)に似た線幅とチューニングレンジですが、単電極DBRレーザはチューニング曲線で周期的なモードホップを発生します。

ハイブリッドレーザではノイズが非常に低い信号を得ることができます。この利点を利用するためには、振動ならびに音響振動など不要なノイズ源からレーザを隔離し、低ノイズ電流源で駆動することが必要です。

Thorlabs' ULN lasers, with their inherently narrow linewidth and low noise, require a driver current with minimal current noise to reach their specified optical performance. The LNC31 low-noise laser diode driver is recommended for any application where minimizing the laser linewidth (and therefore, maximizing the coherence length) and its intensity noise is desired. 

Figures 5.1 and 5.2 represent the typical performance of a ULN15PC laser mounted in a LM14TS active mount and driven by a LNC31 laser diode driver, compared with the mount and laser driven by a LDC210C controller, and our low-noise turnkey ULN15TK laser system.

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Figure 5.1  Example frequency noise data of a ULN15PC laser in a LM14TS active mount, driven by the LNC31 laser diode driver, compared with the mount and laser driven by a LDC210C controller, and a low-noise turnkey ULN15TK laser system. Using an LDC210C to drive the laser requires two separate TEC drivers, such as TED200C temperature controller.

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Figure 5.2  The typical relative intensity noise (RIN) of a ULN15PC laser in a LM14TS active mount, driven by the LNC31 laser diode driver, compared with the mount and laser driven by a LDC210C controller, and a low-noise turnkey ULN15TK laser system. Using an LDC210C to drive the laser requires two separate TEC drivers, such as TED200C temperature controller.

Figure 5.3 represents electrical current noise and the relative intensity noise (RIN) for a ULN15PC laser diode, used with the LNC31 low-noise laser diode driver.

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Figure 5.3  Example electrical current noise data for a ULN15PC laser in a LM14TS active mount, driven by the LNC31 laser diode driver. The integrated electrical current noise is 0.1 µA RMS over 10 Hz - 1 MHz.