لیزرهای دیودی تزویج شده به فیبر
 
تعریف: لیزر دیودی که نور تولید شده در آن به فیبر نوری تزویج شده است.
در بسیاری از موارد اتصال خروجی لیزر دیودی به فیبر نوری، جهت انتقال نور به موضع مورد نیاز، مزیت به حساب می­آید. لیزر دیود متصل به فیبر یا مجتمع با فیبر، مزایای دیگری نیز دارد که به قرار زیر است:

 

شکل ۱: دیود لیزر تزویج شده به فیبر تولید شده در شرکت Coherent که دارای انواع مختلف کابل‌های فیبر نوری است.

 
انواع دیود لیزرهای متصل به فیبر نوری
دیود لیزرهایی که به صورت تزویج شده به فیبر فروخته می­شوند، دارای اتصالات اپتیکی مقاومی هستند که بصورت دائمی و با لیزر جوش داده شده­اند و در مجموعه لیزر جا­سازی می­شوند. فیبر مورد استفاده و روش‌های اتصال، بسیار متنوع هستند و در زیر به برخی از آنها اشاره می­شود:
ساده­ترین شکل، مربوط به لیزر گسیل سطحی با کاواک عمودی[۳] (VCSEL) است. پرتو خروجی از این لیزر معمولا کیفیت پرتو بالایی دارد. واگرایی اندک، عدم وجود نا­همخوانی نوری[۴] و پروفایل شدت دایروی از دیگر ویژگی‌های آن است. یک لنز ساده‌ی کروی، برای انداختن لکه گسیل شده، در مغزی یک فیبر تک مد کافیست. راندمان اتصال بین۷۰ تا ۸۰ درصد خواهد بود. البته امکان اتصال مستقیم فیبر، به سطح گسیل، هم وجود دارد که به آن اتصال لب به لب[۵] می­گویند.
لیزر دیودهای کوچکی که از لبه گسیل می­کنند[۶] نیز پرتوی فضایی تک مد خود را به گونه­ای می­فرستند که با راندمان بالا، قابلیت اتصال به یک فیبر تک مد را دارا باشد. در اتصال بوسیله یک لنز کروی ساده، راندمان اتصال شدیداً با بیضی­گونی[۷] پرتو کاهش می­یابد. در عین حال اگر واگرایی پرتو لیزر، حتی در یک جهت زیاد باشد برای تصحیح آن به لنزی با گشودگی عددی[۸] بالا نیاز است. مشکل دیگر، نا­همخوانی نور خروجی دیود است که مخصوصا در دیودهای انتشارِ مبتنی بر بهره[۹]، با اثر لنز استوانه‌ای­ تشدید می­شود. وقتی توان خروجی تا چندصد میلی­وات است، دیودهای مبتنی بر بهره، که به فیبر تزویج شده­اند، برای دمش فیبر تقویت کننده­های آلاییده شده با اربیوم، می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

 

 

شکل ۲: طرح‌واره‌ای از یک لیزر دیود کم‌توان، که از لبه گسیل می­کند، یک لنز کروی (یا یک لنز دوگانه[۱۰]) برای تصویر کردن لیزر در مغزی مرکزی فیبر استفاده می­شود. بیضی­گونی پرتو و ناهمخوانی نوری، راندمان اتصال را کاهش می‌دهد.

 
دیودهای لیزری، با ناحیه تابش گسترده، در راستای بلند تابش خود، به صورت فضایی، چند مدی هستند. اگر لنز استوانه­ای، پرتوی دایروی تشکیل دهد، (آنچنان که در شکل ۳ دیده می­شود) و سپس آنرا وارد یک فیبر چند مدی کند، از آنجاییکه کیفیت بالای پرتو در راستای محور سریع را نمی‌توان بهینه کرد، مقادیر زیادی از درخشندگی به هدر خواهد رفت. برای مثال توان ۱ وات می­تواند وارد یک فیبر چند مدی با قطر مغزی ۵۰ میکرون و گشودگی عددی ۱۲/۰ شود که برای دمش لیزر حجمی[۱۱] کم‌توان، مثل لیزر ریزتراشه[۱۲]، مناسب است. البته تزویج توان تا ۱۰ وات هم امکان‌پذیر است.

 

 

شکل ۳: طرح‌واره­ای از یک لیزر دیود با ناحیه‌ی گسترده، که به فیبر تزویج شده است. یک لنز فیبری برای موازی کردن پرتو در محور سریع آن مورد استفاده قرار گرفته است.

 
برای درخشندگی بیشتر، بهینه­سازی‌هایی صورت گرفته است تا با دوباره شکل دادن به پرتو لیزر با ناحیه گسترده، تقارن کیفیت پرتو را قبل از ورود به فیبر، افزایش دهند.
ایراد کیفیت پرتویی که از نظر هندسی نامتقارن است در دیودهای آرایه­ای[۱۳] حادتر است. خروجی گسیل‌کننده‌های منفرد، وارد فیبرهای جداگانه از یک دسته فیبر می­شوند. فیبرها در سمت آرایه دیودی به صورت خطی چیدمان می­شوند و در طرف دیگر (خروجی) بصورت دایروی آرایش می­گیرند. به همین ترتیب، قبل از آنکه پرتوی لیزر، وارد یک فیبر چند مدی شود، از انواع شکل دهنده­های پرتو[۱۴] برای حصول تقارن هندسی آن استفاده می­شود. به عنوان مثال، شکل دهنده­های دو-آیینه­ای یا المان‌های نوری بسیار کوچک[۱۵] از آن دسته هستند. به عنوان نمونه، امکان وارد کردن ۳۰ وات لیزر، در فیبر با مغزی ۲۰۰ میکرون (یا حتی ۱۰۰ میکرون) و گشودگی عددی ۲۲/۰ وجود دارد. چنین چیدمانی می­تواند برای دمش لیزر Nd:YAG یا Nd:YVO₄ با توان خروجی حدود ۱۵ وات مورد استفاده قرار گیرد.
برای دیودهای استک شده[۱۶]، فیبرهای با مغزی بزرگ‌تر استفاده می­شود. به عبارت دیگر، تا چندین کیلووات توان نوری را می‌توان در فیبری با قطر مغزی ۶۰۰ میکرون و گشودگی عددی ۲۲/۰ وارد کرد.
 
 معایب اتصال به فیبر
در مقایسه با لیزرهای گسیل آزاد، لیزرهای متصل به فیبر معایبی دارند که در زیر به آنها اشاره می­شود:

کیفیت پرتو خروجی فیبر
کیفیت پرتو خروجی فیبر غالبا معین نیست. در بیشتر موارد تنها قطر مغزی فیبر و گشودگی عددی آن به عنوان عوامل موثر در کیفیت پرتو شناخته می­شوند و فرض می­شود که فیبرها، چند مدی و دارای ضریب شکست پله­ای هستند. معادله­ای برای محاسبه دقیق کیفیت پرتو وجود ندارد زیرا کیفیت دقیق پرتو به توزیع توان نوری در مدهای فیبر بستگی دارد و توزیع توان هم وابسته به شرایط راه­اندازی است. بصورت تقریبی می‌توان کیفیت پرتو یا     را تخمین زد. در این تخمین فرض می­شود که توان بخوبی در مدها توزیع شده باشد و گشودگی عددی، تخمین معقولی را برای واگرایی پرتوی واقعی ارائه ­کند. بدین ترتیب معادله زیر برای توصیف کیفیت پرتو بدست می­آید.

که در آن  شعاع مغزی فیبر،  گشودگی عددی و     طول‌موج پرتو است.

---