光ファイバーレーザーシード光源と精密センシングの分野において、高出力と効率的なファイバーカップリングの完璧なバランスを達成することは、長らく半導体レーザー設計の「深海ゾーン」でした。従来のブロードリッジ導波路レーザーは高出力の可能性を秘めていますが、その非常に低い光閉じ込め係数は、強力なエンジンを持ちながらも車両を運転できない状態と同様に、レーザー発振を妨げることがよくあります。この物理的な行き詰まりを打破し、ブロードリッジ設計の構造的利点を維持しながら、効率的な単一モード出力を達成するにはどうすればよいでしょうか。
従来の1064 nmスラブ結合光導波路レーザーでは、エンジニアは一般的に高出力を追求するために、幅広のリッジ導波路（w g = 6 μm）を採用しています。しかし、マルカティリの理論によれば、幅広のリッジで単一モード動作を維持するには、比例して大きな実効スラブ厚が必要です。これにより、基本モードのエネルギーが必然的に分散し、光閉じ込め係数は9.9088 × 10⁻⁵という低さになります。このような構成では、光場の分布は活性領域から大きく逸脱し、レーザーが閾値に達するのを妨げます。これは、設計者が克服しなければならない「最初の障壁」です。
この課題を解決するために、研究者たちは革新的なアプローチを開発しました。それは、従来のフォトニック結晶構造をスラブ導波路内に埋め込むことです。低屈折率のAl 0.3 GaAsの10層をN型導波路層に精密に挿入することで、チームは導波路の屈折率分布を効果的に変更しました。
1. 精密な光場制御： 周期的な変調は、制御不能な光の拡散を防ぎ、代わりに光場を活性領域に効果的に導きます。シミュレーションデータによると、光閉じ込め係数は9.9088 × 10⁻⁵から0.009468に跳ね上がり、レーザー閾値に必要な十分なエネルギーを提供します。
2. 高次モードフィルタリング： フォトニック結晶は、「光コンセントレーター」としてだけでなく、フィルターとしても機能します。挿入中に高次モードが現れますが、10層に達すると、構造は完全な周期的な屈折率分布を形成し、高次モードを自動的にフィルタリングして、幅広のリッジにもかかわらず純粋な単一モード動作を保証します。
厳密な最適化の後、この設計は優れたビーム品質を示します。レーザーは、全幅半値（FWHM）の遠視野発散角が12.9°（横方向）および18.3°（縦方向）を達成し、ほぼ完璧な円形スポット分布を実現します。この特性により、単一モードファイバーとの直接バットカップリングが可能になり、複雑なレンズシステムが不要になり、光ファイバーレーザーシステムの統合の複雑さとコストが大幅に削減されます。
現在の材料組成と層厚のパラメータは、コンセプトの実現可能性を検証しました。低屈折率層の材料組成、挿入数、および厚さの全パラメータスキャンと連成最適化を含む将来の研究は、光閉じ込め係数をさらに向上させ、モード場の分布を改善する可能性があります。このフォトニック結晶で設計されたブロードリッジ導波路設計は、次世代高性能半導体レーザーの明確な進化の道筋を示しています。
