JP2004170568A

JP2004170568A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004170568A
Application number: JP2002334561A
Authority: JP
Inventors: Akitaka Yamada; 明孝山田; Toru Sugiyama; 徹杉山; Naotada Okada; 直忠岡田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】従来、半導体レーザ装置においては、半導体レーザの高出力化を行なうと、半導体レーザからの光を光ファイバへ光結合させることが困難となるという問題があった。
【解決手段】半導体レーザ１と、この半導体レーザ１の励起光出射面１ａに対向し且つこの半導体レーザ１の光軸に対し互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置された２組の光結合素子３、４と、これら２組の光結合素子３、４をそれぞれ介して前記励起光が入射される２組の光ファイバ５、６とを具備した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバのコアにプラセオジム（Ｐｒ３＋）イオンやイッテルビウム（Ｙｂ３＋）イオンを添加しアップコンバージョン励起を行い、レーザ光を得る装置が数多く提案されている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、ディスプレイ用光源としてこれらの装置を利用しようとすると、使用される半導体レーザの高出力化が必要であり、この高出力化に伴って半導体レーザの光ビーム特性が変化し、光ビームの集光や形状補正が困難となる。従って、特に開口数の制限された細径の光ファイバに効率よく光結合させることは、従来困難であった。
【０００３】
一方、非等方な放射角を持つ光源と光ファイバとの光結合の際に、光結合光学系の導波モードと光ファイバの導波モードとのモードミスマッチを低減させて光結合の効率化を図る提案もなされている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、このような効率化を図ったとしてもディスプレイ用光源としての利用には出力が十分でないという問題があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１１１０８号公報
【特許文献２】
特開平７−３１８８５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザの高出力化を行なうと、半導体レーザからの光を光ファイバへ光結合させることが困難となったり、光結合の効率化を図ってもディスプレイ用光源としての利用には出力が十分でないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、開口数の制限された細径の光ファイバに対しても良好な光結合が可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザの励起光出射面に対向し且つこの半導体レーザの光軸に対し互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置された２組の光結合素子と、これら２組の光結合素子をそれぞれ介して前記励起光が入射される２組の光ファイバとを具備したことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２にかかる半導体レーザ装置は、請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記２組の光結合素子は、前記半導体レーザのスロー軸方向の光を平行光化するレンズ及びこのレンズの光出射側に設けられた集光レンズをそれぞれ有していることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３にかかる半導体レーザ装置は、請求項１乃至２記載の半導体レーザ装置において、前記２組の光結合素子はそれらの光軸が前記半導体レーザの光軸に対しこの光軸を中心にして対称的に所定の角度ずらされて配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４にかかる半導体レーザ装置は、請求項１乃至３記載の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ及び２組の光学素子は共通の基台に載置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５にかかる半導体レーザ装置は、請求項１乃至４記載の半導体レーザ装置において、前記光ファイバはアップコンバージョン用の光ファイバであることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザの励起光出射面に対向し且つこの半導体レーザの光軸に対し互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置された２組の光結合素子と、これら２組の光結合素子をそれぞれ介して前記励起光がその両端部に入射される光ファイバと、前記光結合素子の一方と前記光ファイバの一端との間に配置された光取り出し素子とを具備したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザの励起光出射面に対向して配置され前記半導体レーザのファスト軸方向の光を平行光化するレンズと、このレンズの光出射側にこのレンズの光軸に対して互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置され、前記半導体レーザのスロー軸方向の光を平行光化する２組のレンズと、これらレンズの光出射側にそれぞれ設けられた集光レンズと、これら集光レンズの光出射側にそれぞれ設けられ、集光レンズからの光が入射される光ファイバとを具備したことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明になる半導体レーザ装置の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明になる半導体レーザ装置の一実施の形態を示す斜視図である。１は半導体レーザであり、１ａはその出射面、１ｂは出射部、１ｃは出射面１ａの反対側に位置する高反射面である。２は半導体レーザ１の出射部１ｂに対向して配置された円柱レンズである。３、４は光結合素子であり、それら光軸が半導体レーザ１の光軸を中心として後述するスロー軸方向（半導体レーザ１のｐｎ接合面と平行な方向）Ａに互いに逆方向に所定の角度だけずらされた状態で、円柱レンズ２の光出射側に配置されている。なお、図面では記載の都合上、これら光結合素子３、４をそれぞれ１つの円筒状部材として表しているが、実際には、これら光結合素子３及び４は本実施の形態においては、図３を用いて後述するように複数のレンズ等から構成されている。光結合素子３、４の出射側には、それぞれ光結合素子３、４の出射光が入射される光ファイバ５、６が配置されている。
【００１６】
次に、図１の半導体レーザ装置の動作について説明する。半導体レーザ１からの光ビームはそのｐｎ接合面に垂直な方向（以下、ファスト軸方向という）Ｂと、平行な方向（スロー軸方向）Ａとで、その放射特性が著しく異なる。図２は、これら放射特性の一例を示したもので、同図（Ａ）は、スロー軸方向のそれを、同図（Ｂ）はファスト軸方向のそれを示している。いずれも横軸は光軸からの角度であり、縦軸は出力を示している。通常、半導体レーザ１の光源（出射部１ｂ）のサイズは、ファスト軸方向Ｂで数μｍであり、一方、スロー軸方向Ａでは数十から数百μｍであるので、光ビームの集光特性に影響するビーム特性は１：２０程度の差がある。図２（Ａ）からは、光軸方向よりも光軸方向から若干外れた角度方向（＋、−両方向で２ヶ所）で光出力が大きくなっていることが分かる（以下、光軸を挟んで光出力に大きく２つの山があることから、双峰特性と称す）。
【００１７】
一般に半導体レーザ光を集光する場合、円柱レンズによってファスト軸方向とスロー軸方向の両方向の光を個別に平行光化し、集光する方法をとる。しかしながら、特に図２（Ｂ）の特性から分かるように、例えば２０μｍ程度に集光する場合に結合損失は避けられない。ところが図２（Ｂ）の双峰特性の片側のみに着目すると、光ファイバ５、６のコア径とコア−クラッドの屈折率差で決まる受光角の兼ね合いから放射角約３°以内に８０％乃至９０％のパワーが収まり、これを確実に光ファイバ５、６のコア内に伝送できるようになる。
【００１８】
すなわち、半導体レーザ１の出射部１ｂから出射された光ビームは、円柱レンズ２によってファスト軸方向Ｂに拡がる光成分のみ平行光化される。円柱レンズ２から出射された光は、その後、光結合素子３、４に入射され、ここでスロー軸方向Ａに拡がる光に対して平行光化がなされ、さらに上記平行光化されたファスト軸及びスロー軸の両軸方向Ａ、Ｂの光が集光されて、それぞれ光ファイバ５、６のコアに入射されることになる。
【００１９】
本実施の形態によれば、半導体レーザ１からの光ビームをそのスロー軸方向Ａの出力の双峰特性に着目したことで、効率良く光ファイバ５、６に結合させることが出来る。
【００２０】
図３は、図１の光結合素子３、４の具体的な実施の形態を示す斜視図であるが、説明の便宜上、図１に記載の半導体レーザ１等も含めて記載している。ここで、この図３に基づき、本実施の形態について、さらに詳細な構成及び動作について説明する。
【００２１】
図３において、半導体レーザ１は赤外波長を発光する単一ストライプの半導体レーザである。その光源サイズは２００μｍ×１．５μｍ程度であり、またその波長は８００ｎｍ乃至８５０ｎｍである。円柱レンズ２は半導体レーザ１の出射面１ａの出射部１ｂからこの円柱レンズ２の焦点距離だけ離れて配置されており、上述したようにこの円柱レンズ２により半導体レーザ１からのファスト軸方向Ｂの光成分が平行光化される。このファスト軸方向Ｂの出射光の広がり角は、図２（Ａ）に示されるように通常半値で±１５度と大きいので、円柱レンズ２は半導体レーザ１の極近傍にこの方向のみに曲率を持つ円柱レンズとなっており、例えば直径１ｍｍ、幅数ｍｍのロッドレンズ（の光入射面）を半導体レーザ１の出射部１ｂからその焦点距離に相当する距離（０．６ｍｍ）だけ離して配置してある。このレンズ２により、ファスト軸方向の光成分は数ｍｍラジアン以内の平行ビームとすることができる。なお、ここで円柱レンズ２の代わりに非球面レンズを用いることも可能である。
【００２２】
図１の光結合素子３、４は、それぞれ図３に示された円柱レンズ１１、１２、１３、アパーチャ１４、及び球面レンズ１５、１６から構成されている。円柱レンズ１１は曲率５ｍｍ、厚さ２ｍｍの平凸レンズにより構成され、円柱レンズ２（の光出射面）から（その光入射面まで）９ｍｍ程度の距離をおいて、曲率面が同じ方向（ファスト軸方向Ａ）になるように配置されている。なお、以下、２つのレンズ間の距離は出射側レンズの出射面から入射側レンズの入射面までの距離で示す。円柱レンズ１２は、円柱レンズ１１から８ｍｍの距離をおいて、曲率面が水平になるように設置される。形状は曲率１１ｍｍを有する平凸形状をなしている。
【００２３】
円柱レンズ１３は円柱レンズ１１と同じ形状を有しており、円柱レンズ１１から２３ｍｍの距離をおいて曲率面が対向するように配置される。円柱レンズ１３のあとには４ｍｍの距離をおいて球面レンズ１５、１６が配置される。球面レンズ１５は片面曲率３ｍｍを有する平凸球面レンズであり、球面レンズ１６は片面曲率約１ｍｍを有する半球面レンズである。これら球面レンズ１５、１６は球面レンズ１５に到達したレーザ光を集光する作用を持つ。
【００２４】
集光レンズである球面レンズ１５、１６の焦点の位置には、コア径が２０μｍ程度の細径コアの光ファイバ５及び６が配置されており、球面レンズ１５、１６からの光はこれら光ファイバ５及び６のコアに効率よく集光照射され、伝搬される。なお、円柱レンズ１３と球面レンズ１５との間には、球面レンズ１５に接して開口径約１ｍｍのアパーチャ１４が配置されている。
【００２５】
円柱レンズ２からのファスト軸方向Ｂの光成分は、２枚の円柱レンズ１１及び１３により中継され、２枚の球面レンズ１５、１６で構成される集光レンズ系に導入される。これにより入射光の８０％以上が伝送される。円柱レンズ２からの他の方向の光成分、すなわちスロー軸方向Ａの光成分は、通常±２乃至４度程度の広がり角を有している。この角度はファスト軸方向Ｂのそれに比較して十分小さく、所定の位置に置かれた前記円柱レンズ１２にて平行光化されたスロー軸方向Ａの光成分は、球面レンズ１５、１６で構成される集光レンズによって光ファイバ５あるいは６へ集光入射される。なお、上述したように、円柱レンズ１３と球面レンズ１５との間には、球面レンズ１５に接して開口径約１ｍｍのアパーチャ１４が配置されているため、約３度の放射角度以内の光成分のみが伝送され、それ以上の角度をもつ光成分は遮断されて細径の光ファイバへ不必要な入射がなされないようにされている。
【００２６】
図示しないが、光結合素子である円柱レンズ１１乃至１３、アパーチャ１４、球面レンズ１５、１６は、３つの独立した金属製のホルダーに納められている。すなわち、円柱レンズ１１が第１のホルダーに、円柱レンズ１２が第２のホルダーに、円柱レンズ１３、アパーチャ１４及び球面レンズ１５、１６は第３のホルダーに固定されている。これら３つのホルダーは互いに回転でき、円柱レンズ１１乃至１３の母線合わせが容易になっている。
【００２７】
図３の構成によれば、励起光源である半導体レーザ１の光軸方向に対して、図１（Ｂ）にみる双峰性のピークの角度がおよそ３度傾いた方向に１個ずつのレンズ群（光結合素子３、４）がおかれ、それぞれ別個の光ファイバに入射されるようになっている。そのため、従来の半導体レーザ１の光軸に平行にレンズ群を対面配置する方法では４０％程度であった光伝送効率が、その倍以上に改善された。なお、ここで構成要素となるレンズはすべて、使用する波長において十分に反射率を低くしてある。
【００２８】
次に、本発明になる半導体レーザ装置の第２の実施の形態について、図４を用いて説明する。基本的に、この図４に記載の半導体レーザ装置は、図１記載のそれと半導体レーザ部及び光ファイバ部が相違するのみであるため、図１と同等部分には同一符号を付すことでその説明を省略する。
【００２９】
図４において、２１は励起用の赤外域において、例えば８５０ｎｍで発振する半導体レーザ、また２１ａはその出射面、２１ｂは出射部である。一方、２２は光結合素子３、４の出口側に配置されたアップコンバージョン用のファイバレーザである。このファイバレーザ２２には、Ｐｒ３＋イオンとＹｂ３＋イオンが添加されている。また、このファイバレーザ２２の入口側端面２２ａには、半導体レーザ２１からの出射光の波長に対する無反射膜が形成されており、光結合素子３、４により細径コアのファイバレーザ２２に効率よく伝達されたレーザ光は効率良くファイバ２２内へと伝達される。さらにまた、その入口側端面２２ａには、アップコンバージョンされる波長に対する高反射膜が形成されており、この方向の光をすべて反射するように作用する。ファイバレーザ２２の出口側端面２２ｂには励起光に対しては高反射率を有し、アップコンバージョン光に対しては所定の透過率を有する反射膜が形成されている。これによって、アップコンバージョンされた光はこのファイバ２２内で共振状態となり、高効率のアップコンバージョン光が出口側端面２２ｂから得られる。
【００３０】
アップコンバージョンファイバレーザでは光ファイバへの励起光の密度を高くする必要がある。このため、赤外域の半導体レーザの光ビームを効率よく細いコア径を有するアップコンバージョンファイバへ結合することが必須である。本実施の形態によれば、これまでの２倍以上の結合効率を達成できる。
【００３１】
なお、上記図４の半導体レーザ装置において、ファイバ２２を１本のみとすることも可能である。すなわち、１本のファイバ２２の両端面２２ａ、２２ｂに光結合素子３、４の出力光をそれぞれ入射させるようにする。図５はこのような半導体レーザ装置（本発明の第３の実施の形態）を示す斜視図である。この場合、アップコンバージョン光は、ファイバ２２の出口側端面２２ｂと光結合素子４との間に設けられたダイクロイックミラー２３を用いることにより、ファイバ２２の出口側端面２２ｂからその出力光の光軸とは垂直な方向（矢印Ｃ方向）に取り出すことが出来る。本実施の形態によれば、ファイバの本数を減らすことが出来る。
【００３２】
次に、本発明になる半導体レーザ装置の第４の実施の形態について、図６を用いて説明する。基本的に、この図６に記載の半導体レーザ装置は、図４記載のそれと光ファイバ部が相違するのみであるため、図４と同等部分には同一符号を付すことでその説明を省略する。
【００３３】
図６の構成において図４と異なるところは、反射膜の構成である。図４記載の実施の形態では、アップコンバージョンファイバ２２の出口側端面２２ｂの反射率は、所定の値に設定されていたが、図６のファイバ３１においては、その出口側端面３１ｂには無反射膜が構成され、半導体レーザ２１単体では出力が得られない。また、アップコンバージョンファイバ３１の入口側端面３１ａは励起用の半導体レーザの波長で所定の反射率（例えば１０％）が設定されている。従って、半導体レーザ２１は全反射膜が形成されている端面３１ａと部分反射膜が形成されている端面３１ｂとで共振器が構成されている。
【００３４】
以上のようにして構成された共振器の内部に配置された光結合素子３、４は、アップコンバージョンファイバ３１に受光されない光成分はカットする作用をもっている。従って、この共振器で出力された光はすべてアップコンバージョンファイバ３１に入射されるので、高効率を実現できる。また、構成が簡単になり、小型化された光源が実現できる。
【００３５】
なお、Ｐｒ３＋及びＹｂ３＋イオンが添加された光ファイバ３１では、赤色のほかに、青、緑、橙等の色も出力できる。その場合はそれらの波長にあわせて、アップコンバージョンファイバ３１の反射膜の波長特性を変えることによって、それぞれの波長にても所定の出力を実現できる。ここで、光ファイバ３１のガラス母材としては、励起して上げた上位準位から発光せずに下位準位へ無駄に遷移することのないように、フォノンエネルギーの小さいガラスがふさわしい。すなわち、フォノンエネルギーが小さいといわれるインジウム系フッ化物ガラス、アルミニウム系フッ化物ガラス、ジルコニウム系フッ化物ガラスなどのフッ化物系ガラスを添加光ファイバ３１のガラス母材として用いることで、発光効率のよいファイバレーザを実現することができる。
【００３６】
図７は、本発明になる半導体レーザ装置の第５の実施の形態を示す斜視図であり、半導体レーザ１と光ファイバレーザ５、６、及び両者を光学的に結合するレンズ群等１１乃至１６をすべて１つの基板４１上に固定させ、堅牢化、小型化する方法を提示している。すなわち、基板４１は熱伝導性の良いセラミックス（アルミナ）製となっており、この基板４１上に半導体レーザ１を載せたサブマウントヒートシンク４２が設置されている。このサブマウントヒートシンク４２には、図示しない熱電変換素子が密着され、半導体レーザ１を所定の温度に冷却・制御する。そして光源となる半導体レーザ１に対し、光学的に決められた位置に円柱レンズ１１、１２、１３、アパーチャ１４、球面レンズ１５、１６を順次配置して接着していく。この場合、円柱レンズ１１乃至１３は、基板４１に形成された溝４３、４４にて幅方向の位置決めが容易となっている。すなわち、溝４３、４４の幅は円柱レンズ１１乃至１３の幅と一致するように構成されている。
【００３７】
最終的に半導体レーザ１からの光は、光ファイバ５、６のレセプタクルに収まった光ファイバ端面に半導体レーザ１からの励起光を集光するようになっている。半導体レーザ１から光ファイバ５、６への結合は、既に得られた設定配置条件を元に、それぞれの部品を機械的な精度を保持し組み込む。ここでは、レンズ１６に対向するように基板４１に形成された突起部４５に形成された透孔４６、４７に挿入された光ファイバ５、６の光入射端面がレンズ１６の集光点に位置するように光ファイバ５、６が位置決めされている。もちろん、透孔４６、４７も上記位置条件を満足できるよう突起部４５に形成されている。これによって、温度等の周囲環境に対する安定性が高まることになる。また小型化により、他の機器への組み込みが容易になるという効果が得られる。
【００３８】
この発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、ビーム特性の悪い半導体レーザ光を小コア径のファイバへ高効率で結合させることが可能である。よって、単純な構成で、小型、高効率の可視域波長の光源を実現でき、印刷、バイオ計測、ディスプレイ光源などに適した波長を持つレーザ光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる半導体レーザ装置の実施の形態の一例を示す斜視図。
【図２】図１の半導体レーザの出射光の出力特性を示す図。
【図３】図１の半導体レーザ装置のさらに詳細な構成を示す斜視図。
【図４】本発明になる半導体レーザ装置の第２の実施の形態を示す斜視図。
【図５】本発明になる半導体レーザ装置の第３の実施の形態を示す斜視図。
【図６】本発明になる半導体レーザ装置の第４の実施の形態を示す斜視図。
【図７】本発明になる半導体レーザ装置の第５の実施の形態を示す斜視図。
【符号の説明】
１：半導体レーザ
２：円柱レンズ
３、４：光結合素子
５、６：光ファイバ
１１、１２、１３：円柱レンズ
１５、１６：球面レンズ

Claims

半導体レーザと、この半導体レーザの励起光出射面に対向し且つこの半導体レーザの光軸に対し互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置された２組の光結合素子と、これら２組の光結合素子をそれぞれ介して前記励起光が入射される２組の光ファイバとを具備したことを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記２組の光結合素子は、前記半導体レーザのスロー軸方向の光を平行光化するレンズ及びこのレンズの光出射側に設けられた集光レンズをそれぞれ有していることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１乃至２記載の半導体レーザ装置において、前記２組の光結合素子はそれらの光軸が前記半導体レーザの光軸に対しこの光軸を中心にして対称的に所定の角度ずらされて配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１乃至３記載の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ及び２組の光学素子は共通の基台に載置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
請求項１乃至４記載の半導体レーザ装置において、前記光ファイバはアップコンバージョン用の光ファイバであることを特徴とする半導体レーザ装置。
半導体レーザと、この半導体レーザの励起光出射面に対向し且つこの半導体レーザの光軸に対し互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置された２組の光結合素子と、これら２組の光結合素子をそれぞれ介して前記励起光がその両端部に入射される光ファイバと、前記光結合素子の一方と前記光ファイバの一端との間に配置された光取り出し素子とを具備したことを特徴とする半導体レーザ装置。
半導体レーザと、この半導体レーザの励起光出射面に対向して配置され前記半導体レーザのファスト軸方向の光を平行光化するレンズと、このレンズの光出射側にこのレンズの光軸に対して互いにスロー軸方向にその光軸を異ならせて配置され、前記半導体レーザのスロー軸方向の光を平行光化する２組のレンズと、これらレンズの光出射側にそれぞれ設けられた集光レンズと、これら集光レンズの光出射側にそれぞれ設けられ、集光レンズからの光が入射される光ファイバとを具備したことを特徴とする半導体レーザ装置。