CN103917915A - 激光光源 - Google Patents
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Abstract
激光光源(100)具备：激光元件(102)，其射出基波；波长变换元件(104)，其对从激光元件(102)射出的基波进行波长变换，并射出变换波；和光波导(103)，其对波长变换元件(104)的射出光进行导波。光波导(103)具有改变所导波的光的行进方向的方向变更部(113)，该方向变更部(113)具有仅使变换波通过而不使基波通过的滤波器功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种在基板上搭载有激光元件、光波导、波长变换元件的激光光源。
背景技术
存在一种激光光源，其在半导体基板等的基板形成光波导，并且，在基板上配置激光元件和光学元件而输出规定波长的激光(参照下述专利文献1。)。作为光学元件，能够使用在光波导中通过极化反转来进行波长变换的波长变换元件。激光元件，例如射出IR(红外区)的基波(1060nm波段)，并通过波长变换元件，射出2次高次谐波(530nm波段)的绿色激光。能够使用该绿色和其他红色、蓝色的激光来得到RGB的射出光。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2009-259914号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述激光光源中，由于在波长变换元件的输出光中包含基波的成分，因而需要使用滤波器来除去基波。因此，必须搭载特别的滤波器，导致部件成本升高，并且不能将激光光源整体小型化。
本发明的目的在于，为了消除上述的现有技术的问题点而提供一种无需增加附加的滤波器元件就能够低成本地除去不需要的基波、并能够小型化的激光光源。
解决课题的手段
为了解决上述课题并达成目的，本发明所涉及的激光光源的特征在于，具备：激光元件，其射出基波；波长变换元件，其对从所述激光元件射出的基波进行波长变换，并射出变换波；和波导，其对所述波长变换元件的射出光进行导波，所述波导具有改变所导波的光的行进方向的方向变更部，所述方向变更部，具有仅使所述变换波高效地通过而使所述基波衰减的滤波器功能。
根据上述构成，通过在波长变换后的波导中设置方向变更部，无需增加附加的高性能滤波器元件就能够以低成本除去激光元件所射出的不需要的基波，并能够实现小型化。
此外，特征在于，所述方向变更部，由将所述波导的一部分根据所述基波与所述变换波的波长以规定曲率弯曲而成的弯曲部构成。
根据上述构成，仅通过在波导设置弯曲部的简单构成就能够将基波除去至实用水平。
此外，特征在于，所述方向变更部，由如下部分构成：将所述波导彼此具有大致90度的角度地设置而成的一对直线部；和在所述一对直线部相接合的部位根据所述变换波的波长具有规定角度地设置的反射镜。
根据上述构成，仅通过在波导设置反射镜的简单构成就能够将基波除去至实用水平。
此外，特征在于，具备多个所述激光元件以及所述波长变换元件，在所述波导中，具备使多个所述波长变换元件的射出光进行光耦合的定向耦合器。
根据上述构成，能够得到一种通过波长变换元件将基波变换为多个波长，并通过设置于波导的定向耦合器进行光耦合来输出的激光光源。
特征在于，所述波导被形成在基板上，所述波导的所述方向变更部在所述基板上被设置多处。
根据上述构成，通过在基板上形成具有方向变更部的波导，能够简单地进行制造，并无需增加附加的高性能滤波器元件就能够以低成本除去激光元件所射出的不需要的基波。
发明效果
根据本发明，取得如下这样的效果：无需增加附加的滤波器元件就能够以低成本除去激光元件所射出的不需要的基波，并能够小型化。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的激光光源的构成的俯视图。
图2是表示作为方向变更部而利用了具有波长依赖性的反射镜的构成例的图。
图3是表示反射镜的波长与反射率的关系的图。
图4是表示波长与反射镜角度的关系的一例的图。
图5是表示实施方式2所涉及的激光光源的构成的俯视图。
图6是表示实施方式3所涉及的激光光源的构成的俯视图。
图7是表示实施方式4所涉及的激光光源的构成的俯视图。
图8是表示波导的结构的剖面图。
图9是波导的弯折(bend)部的俯视图。
图10是将波导的弯折部分割成子部的情况下的俯视图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明所涉及的激光光源的优选的实施方式进行详细说明。
(实施方式1)
(激光光源的构成)
图1是表示实施方式1所涉及的激光光源的构成的俯视图。该激光光源100具有基板101、在基板101上形成的光波导103、和在基板101上配置(搭载)的光学元件。光学元件具有射出IR光的激光元件102、和进行光波长的变换的波长变换元件104。波长变换元件104由相对于基板而在水平方向形成了极化反转的x-Cut或者y-Cut的周期极化铌酸锂(PPLN)基板构成。
基板101，例如由硅(Si)等半导体材质或金属、树脂等构成，并在表面设置例如由氮化硅(SiN)等材质构成的光波导103。该光波导103通过蚀刻等而具有山脊部地形成在基板上。该光波导103并不限于山脊型，也能够通过质子交换法而形成。
波长变换元件104的一端(入射端)被定位设置在激光元件102的射出位置。从激光元件102射出的光能够通过直接耦合而高效地光耦合到波长变换元件104中，并入射到波长变换元件104中。另外，虽然未图示，但是激光元件102以及波长变换元件104等光学元件通过预先在设置于基板101侧的电极表面形成微小的突起(微凸块)并使光学元件侧的电极进行接合的表面活性化的常温接合法而搭载。
激光元件102，例如，射出IR(红外区)的基波(1060nm波段)，并通过波长变换元件104，射出变换成了2次高次谐波(530nm波段)的绿色激光(G波长)的变换波。波长变换元件104的射出光入射到光波导103的一个端部(光入射侧)103a。由此，波长变换元件104的射出光能够通过直接耦合而高效地光耦合到光波导103中，并入射到光波导103中。该波长变换元件104除了包含变换波的波长成分以外，还包含激光元件102所射出的基波的成分来射出。
作为波长变换元件104，能够使用QPM(Quasi Phase Matching，准相位匹配)型元件。尤其是，在使用设计为发生SHG(Second HarmonicGeneration，二次谐波产生)的QPM型的SHG元件的情况下，能够构成SHG激光光源。于是，由于能够使激光元件102与波长变换元件104直接耦合、并且将波长变换元件104与光波导103直接耦合，所以能够达成低成本化、小型化。
光波导103将从一个端部103a入射的光限制于内部进行导波，从另一个端部103b射出。而且，在该光波导103的中途位置，设有改变所导波的光的行进方向的方向变更部113。
方向变更部113在该实施方式1中，相对于一个端部103a而言，使另一个端部103b位于在平面上弯曲90度之后的方向。该方向变更部113除了由对光波导103自身进行弯曲而成的弯曲部来形成以外，还能够在直线的波导的角部设置反射镜来形成。
如图1所示，在由对光波导103自身进行弯曲而成的弯曲部来形成方向变更部113的情况下，在两端的直线部的中途设有弯曲部。该弯曲部由于按照尽可能减小曲率、并且使变换波的传播损失成为最小的方式来决定，因而具有通过使作为长波长侧的基波的一部分与辐射模以及包层模(clad mode)相耦合来阻断该基波的一部分的滤波器功能。作为方向变更部113而设置了弯曲部的情况下的光波导103的光输出Pout通过下式来表示。
Pout＝Pin·exp(-∑αi·li)
αi是具有第i个曲率的光波导103的表观上的吸收系数，是曲率半径R的函数，对光损失的波长特性有贡献。即，根据想要除去的基波以及想要使其透过的变换波的波长来设定曲率半径R。此外，li是具有第i个曲率的光波导103的波导长度，对光损失量有贡献。在图1中，弯曲部的个数i仅设为了一个，但通过将弯曲部的个数i设置多个，能够进一步提高基波的阻断效果。
图2是表示作为方向变更部而使用了具有波长依赖性的反射镜的构成例的图。光波导103由一个端部103a侧的直线部103A和另一个端部103b侧的直线部103B构成，这一对直线部103A、103B彼此具有90度的角度。由此，能够形成90度的弯折部。然后，在直线部103A、103B相接合的角部，具有规定角度θ地设置利用了各向异性介质的全反射的反射镜201。
该反射镜201通过对规定角度θ进行调整，从而通过将在直线部103A进行导波的基波λ1(1064nm波段)的光与继反射镜之后的波导的辐射模以及包层模进行耦合而使在核心部的传播模衰减，并对变换波λ2(530nm波段)的光以高效率进行反射，使其与继反射镜之后的变换波λ2的基本导波模高效地耦合。
图3是表示反射镜的波长与反射率的关系的图。在此，对反射镜201的反射光的波长依赖性进行研究。若使用掺杂了5摩尔％的MgO的LN的反射系数ne、no来计算，则由于LN的各向异性，RGB的各波长下的反射角如图3所示。根据该运算结果，对于B波长(470nm)为42.59度，对于G波长(530m)为42.69度，对于R波长(640nm)求出42.80度。
接着，对反射镜的调整进行说明。上述运算的结果，例如对于470nm的波长，反射角为约42.6度。因此，入射波与反射波所成的角为45+42.6＝87.6度，小于90度。因此，为了形成90度弯折，需要调整反射镜201的角度。
图4是表示波长与反射镜角度的关系的一例的图。根据该例，反射镜角度对于B波长(470nm)为43.74度，对于G波长(530nm)为43.80度，对于R波长(640nm)求出43.86度。因此可知，在入射波能够用平面波来近似时，只要按照上述的方式来决定反射镜201的角度，就能够实现90度弯折。在此，由于最佳化为规定的变换波长的反射镜角度与根据基波下的折射率而决定的最佳角度不同，因而在反射镜部后的波导中，基波的一部分由于与辐射模以及包层模相耦合而能够得到衰减。
而且，在山脊型的光波导103中具有与需要的波长相对应的角度地倾斜地设置全反射的反射镜201，由此能够以较小的损失将来自半导体激光器的射出光弯曲至90度。此外，通过设置具备90度弯折型的反射镜201的光波导103，能够将激光光源100整体的大小小型化。
作为方向变更部113，作为上述说明的反射镜201，也能够设为利用具有波长膜的半反射镜(half mirror)的构成，其中，该波长膜具有使基波透过并使变换波反射的特性。在该反射镜201中，也能够不占据设置空间地阻断不需要的基波。
根据以上说明的实施方式1，通过在光波导中设置方向变更部，能够阻断由激光光源射出且未由波长变换元件除去的不需要的基波的成分，并防止从光波导的其他端部向外部输出。由此，即使不新设置附加的滤波器元件，也能够仅将希望的波长输出到外部。此外，通过在光波导设置方向变更部，能够实现激光光源的小型化、尤其是能够减小图1记载的纵(Y轴)方向的高度。
(实施方式2)
图5是表示实施方式2所涉及的激光光源的构成的俯视图。实施方式2是实施方式1的变形例，采用在光波导103设置两处方向变更部113、113，并翻折180度的构成。
光波导103的一个端部103a与波长变换元件104的射出光直接耦合，从另一个端部103b向外部输出波长变换后的变换波。而且，在两处方向变更部113、113之间，设置规定长度的直线部103C。
这样，根据实施方式2，通过设置两处方向变更部，能够进一步提高基波的阻断效果。而且，通过设置多个方向变更部，能够根据所设置的数目以90度为单位向任意的方向将光输出到外部。
(实施方式3)
图6是表示实施方式3所涉及的激光光源的构成的俯视图。在实施方式3中，设置有射出R、G、B用的IR光的激光元件102(102a～102c)、将激光元件102的激光(基波)分别波长变换成RGB光来进行射出的多个波长变换元件104(104a～104c)、和光检测器(PD)105。
基板101上的光波导103的一个端部103a(103aa～103ac)位于各波长变换元件104(104a～104c)的光射出端，并被直接耦合。对于另一个端部103ba，位于光检测器105a的光入射端，另一个端部103bb位于光检测器105b的光入射端，另一个端部103bc被输出到外部。
该光波导103在中途位置设置有方向变更部113和定向耦合器123(123a、123b)。方向变更部113从波长变换元件104a～104c所产生的R、G、B光中除去基波。方向变更部113如实施方式1所说明的那样，能够通过在光波导103自身形成弯曲部的方法、设置全反射的反射镜201的方法等来构成。
此外，定向耦合器123a、123b各自具有规定的耦合长度。在定向耦合器123a中，对R、B光进行合波输出，在定向耦合器123b中，对由定向耦合器123a耦合后的RB光与G光进行合波输出。
由此，光检测器105a对RB光照水平进行检测。此外，光检测器105b对RGB光照水平进行检测。在该实施方式3中，采用了如下构成：激光元件102a～102c都射出IR光，通过波长变换元件104a～104c而分别射出RGB的变换波。并不限于此，例如，也可以采用仅G用的激光元件102b为IR激光元件而其他RB用的激光元件102a、102c使用直接发光的激光元件的构成。
这样，在射出多个波长的光的实施方式3的构成中，通过在RGB光的光波导103部分设置方向变更部113，能够阻断激光元件102(102a～102c)所射出的基波，仅使所希望的RGB光射出。此外，如图6所示，对于光波导103在3处设置的方向变更部113都向相同的方向弯曲90度，将图6所示的横(X轴)方向的长度折弯至纵(Y轴)方向，因而能够使横向的长度变短。
因此，根据实施方式3，与实施方式1同样地，能够阻断由激光光源射出且未由波长变换元件除去的不需要的基波的成分，并防止从光波导的其他端部向外部输出。由此，即使不新设置附加的滤波器元件，也能够仅将所希望的波长输出到外部。此外，通过在光波导设置方向变更部，能够有效地利用基板的空间，并能够将激光光源整体小型化。
(实施方式4)
图7是表示实施方式4所涉及的激光光源的构成的俯视图。与实施方式3同样地，设置有射出R、G、B用的IR光的激光元件102(102a～102c)、将激光元件102的激光(基波)分别波长变换成RGB光来射出的多个波长变换元件104(104a～104c)、和光检测器(PD)105。此外，在光波导103，在两处设置有方向变更部113。
在光波导103设置的两处方向变更部113、113之间，设置规定长度的直线部103c。另外，通过设置多个方向变更部113，能够根据设置的数目以90度为单位向任意的方向将光输出到外部。根据图7所示的示例，对于光波导103在两处设置的方向变更部113都朝向相同的方向弯曲90度，合计翻折了180度。由此，能够在基板101上在光波导103的一个端部103aa～103ac的相同侧设置另一个端部103ba～103bc。
因此，根据实施方式4，通过设置多个方向变更部，能够进一步提高基波的阻断效果。此外，通过在光波导设置多个方向变更部，能够有效地利用基板的空间，并能够将激光光源整体小型化。
此外，以上说明的各实施方式中的光波导能够在基板上通过蚀刻等而精密地形成，特别是，能够精密地定位一个端部与另一个端部的位置来进行设置。因此，对于光波导的一个端部以及另一个端部，仅通过定位并搭载光学元件(在上述各实施方式中为波长变换元件以及检测器)的光射入射出端，就能够容易并且低损失地进行这些光波导与光学元件的光耦合。
(1、关于弯折结构的最佳化)
接着，对作为波导材料而利用了铌酸锂的情况下的弯曲波导的弯曲部分(弯折)结构的最佳化示例进行说明。
1)对90度的弯折部分的长度进行了最佳化的情况
图8是表示波导的结构的剖面图。基板101是铌酸锂(LN)基板，在该基板101上设置波导103。对于波导103，具有0.27μm的厚度地设置ITO层801。在该ITO层801上具有1.0μm的厚度地设置SiO2层802。在SiO2层802上具有1.88μm的厚度地设置掺杂了5％的MgO的LN层803。在该LN层803上具有1.82μm的厚度以及4.7μm的宽度地设置山脊层804。该山脊层804具有对于波长532nm的折射率2.227、对于波长1064nm的折射率2.146。上述构成的波导103的SiO2层802作为包覆层而发挥作用。ITO层801是在LN部作成周期极化反转结构时所使用的共通电极。
考虑将具有图8所示的剖面结构的波导103形成为90度弯折。在此，进行了求取在规定的SH波的波长(在此SH波的波长设为532nm，基波的波长设为1064nm)532nm下损失最小时的长度L的模拟。
图9是波导的弯折部的俯视图。长度L是在波导103的中心位置测出的距离。而且曲率设为了固定。在模拟中，利用了Photon Design公司的FIMMWAVE。波导103的两端部的OUT/IN接近于100％的一个最佳解被求取为L＝1248μm。此时的OUT/IN的功率比为97.3％。另一方面，在相同的波导103通过了1064nm的波长的光时的OUT/IN的功率比为71.5％。可以预测通过设置2级相同的部分(section)，能够使基波衰减至51.1％程度。
2)每次弯曲10度对各部分的长度进行了最佳化的情况
图10是将波导的弯折部分割成子部(subsection)的情况下的俯视图。在该图中，虽然曲率半径看起来固定，但最佳化计算后各子部b1～bn的长度不同，因而在各子部b1～bn的弯折角固定的条件下，按照各子部b1～bn而曲率半径不同。
然后，进行了如下模拟：使弯折部分的弯折角固定地分成几个部分，并对在规定的波长下输入输出比成为最大时的各子部b1～bn的长度进行最佳化。作为一例，在下述的表1中示出分成9个子部(b1～b9)且各子部b1～b9的弯折角为10度的情况下的长度(μm)结果。在此，由于各子部b1～b9的长度不同，因而为了设为相同的弯折角，各子部b1～b9的曲率半径会不同。
【表1】
表1中表示了最佳计算例。此时，532nm下的OUT/IN灯为8.5％，1064nm时为75.2％，可知通过1)所说明的90度弯折设计能够减小SH波532nm下的损失。此外，在将该部分设为2级构成的情况下，对于1064nm可以认为能够衰减至约56.6％。
(2、对于滤波器效果的考察)
考虑将上述1)所示的结构应用于SHG激光器的基波衰减滤波器。对于实际上实用的SHG激光器，在PPLN中准相位匹配成立了的情况下，没有变换为SH波就漏出来的光被认为是10％以下，所以若是例如上述1)的示例，则：
准相位匹配时的对PPLN的总输入 150mW
向SH波的变换效率 90％→135mW
基波的残留成分 10％→15mW
弯折部透过后的输出 SH波 135mW×97.3％＝131.4mW
基波 15mW×71.5％＝10.725mW
因此仅通过在后级安装简易的IR截止滤波器，就能够使大部分的IR光衰减。
在上述说明中，说明了通过非常简单的弯折结构来构成基波截止滤波器的示例。通过进一步对结构进行钻研，仅通过波导就能够形成充分的基波截止滤波器。例如，通过将弯曲部多级化，能够通过乘法增大基波的衰减。
此外，通过设置弯曲部，只要对在该部位的波导的布线进行钻研，则既能够变更并缩小波导的间距，又产生能够有效地利用布线区域等次要效果，因而也有助于小型化。另外，所形成的波导也可以在Si平台(platform)基板上，将山脊波导隔着空隙或包覆层以面朝下(face down)结构而形成于Si平台侧。
工业实用性
如上所述，本发明所涉及的激光光源对经由激光元件、波导和波长变换元件等光学元件而射出光的激光光源有用，特别是适于光通信系统中的光源。
符号说明
100 激光光源
101 基板
102 (102a～102c)激光元件
103 光波导
104 (104a～104c)波长变换元件
105 (105a，105b)光检测器
113 方向变更部
123a、123b 定向耦合器
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种激光光源，其特征在于，具备：
激光元件，其射出基波；
波长变换元件，其对从所述激光元件射出的基波进行波长变换，并射出变换波；和
波导，其对所述波长变换元件的射出光进行导波，
所述波导具有改变所导波的光的行进方向的方向变更部，
所述方向变更部，具有仅使所述变换波通过而不使所述基波通过的滤波器功能。
2.(修正后)根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，
所述方向变更部，通过将所述波导具有大致90度的角度地弯曲而成的两处而将光的射出方向翻折180度。
3.(修正后)根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，
所述方向变更部，将相对于光的导波方向分割成多个的各子部的长度以及曲率半径设定为使所述各子部的弯折角固定且所述光的输入输出比成为最大。
4.(修正后)根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，
所述方向变更部具有：
将所述波导彼此具有大致90度的角度地设置而成的一对直线部；和
在所述一对直线部相接合的部位根据所述变换波的波长具有规定角度地设置的反射镜，
通过将所入射的基波的光与继所述反射镜之后的波导的辐射模以及包层模相耦合，从而使所述基波衰减并使所述变换波高效地反射而与变换波的基本导波模高效地耦合。
5.(修正后)根据权利要求4所述的激光光源，其特征在于，
所述反射镜是具有波长膜的半反射镜，该波长膜具有使所述基波透过并使所述变换波反射的特性。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
基于PCT条约19条的修改声明
(1)基于本申请进入国家阶段时的原始说明书第6页第19行～第28行的记载，对权利要求2进行了修改。
(2)基于本申请进入国家阶段时的原始说明书第9页第15行～第10页第6行的记载，对权利要求3进行了修改。
(3)基于本申请进入国家阶段时的原始说明书第5页第14行～第18行的记载，对权利要求4进行了修改。
(4)基于本申请进入国家阶段时的原始说明书第6页第3段的记载，对权利要求5进行了修改。
Claims (5)
1.一种激光光源，其特征在于，具备：
激光元件，其射出基波；
波长变换元件，其对从所述激光元件射出的基波进行波长变换，并射出变换波；和
波导，其对所述波长变换元件的射出光进行导波，
所述波导具有改变所导波的光的行进方向的方向变更部，
所述方向变更部，具有仅使所述变换波通过而不使所述基波通过的滤波器功能。
2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，
所述方向变更部，由将所述波导的一部分根据所述基波与所述变换波的波长以规定曲率弯曲而成的弯曲部构成。
3.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，
所述方向变更部由如下部分构成：
将所述波导彼此具有大致90度的角度地设置而成的一对直线部；和
在所述一对直线部相接合的部位根据所述变换波的波长具有规定角度地设置的反射镜。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的激光光源，其特征在于，
具备多个所述激光元件以及所述波长变换元件，
在所述波导中，具备使多个所述波长变换元件的射出光进行光耦合的定向耦合器。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的激光光源，其特征在于，
所述波导被形成在基板上，
所述波导的所述方向变更部在所述基板上被设置多处。
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