JP2004354898A

JP2004354898A - 光モジュール、光ファイバレーザ装置、映像表示装置

Info

Publication number: JP2004354898A
Application number: JP2003155109A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Nishimura; 信之西村; Akitaka Yamada; 明孝山田; Toru Sugiyama; 徹杉山; Masaki Tsuchida; 雅基土田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】半導体レーザから出射する光を高効率および高光密度で光ファイバに結合する光モジュールを得る。
【解決手段】コリメートされたレーザ光を整形する場合、前段プリズムの隙間により分割比が、厚みにより速軸方向への平行移動量や後段プリズムの厚みにより遅軸方向への平行移動量が決まる。このためレーザ光を整形する際に、レーザ光の開口数が最小となるように前段プリズムおよび後段プリズムを配置することにより、光ファイバへの入射角度が最小となり入射角度の増加に伴う伝播損失の増加の影響が低下するため、半導体レーザと光ファイバとをより高効率で光結合させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザから出射する光を高効率および高光密度で光ファイバに結合する光モジュール、この光モジュールを用いた光ファイバレーザ装置、この光ファイバ装置を用いた映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザと光ファイバとを光結合させる光モジュールは、使用する光ファイバがシングルモードファイバの場合、ビームエクスパンダーによりビーム整形を行って光結合性を高めている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３１８８５４号公報（第８〜９頁、図１，２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した文献の技術は、シングルモードファイバに光結合させるための技術である。シングルモードファイバはある特定の角度でしか入射できないため、ビームエクスパンダーによってファイバのモードに合わせるようにビーム形状を変換している。使用する光ファイバがマルチモードファイバの場合には、スポットサイズ・入射角度ともに小さくした方が光結合性が良い。しかし光学の性質としてスポットサイズと入射角度の積が一定となるため、光ファイバのコア径が微小になると、光導波路や光学レンズを用いた場合には光結合効率に限界が生じる。
【０００５】
この発明の目的は、半導体レーザと光ファイバの光結合性を高めるための光モジュールおよびこの光モジュールを用いた光ファイバレーザ装置およびこの光ファイバレーザ装置を用いた映像表示装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明ではビーム整形を行うプリズムの構成および配置を調整することにより、任意のレーザ光に整形することが可能となる。
例えばコリメートされたレーザ光を整形する場合、前段プリズムの隙間により分割比が、厚みにより速軸方向への平行移動量が決まる。また、後段プリズムの厚みにより遅軸方向への平行移動量が決まる。このためレーザ光を整形する際に、レーザ光の開口数が最小となるように前段プリズムおよび後段プリズムを配置すれば、光ファイバへの入射角度が最小となり入射角度の増加に伴う伝播損失の増加の影響が低下するため、半導体レーザと光ファイバとをより高効率で光結合させることが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、この発明の光モジュールの一実施の形態について説明するためのもので、（ａ）は光モジュールをｘ軸方向に見たｙ−ｚ平面図、（ｂ）は、光モジュールをｙ軸方向に見たｘ−ｚ平面図である。
【０００８】
図１において、１０１は半導体レーザ、１０２および１０３はレーザ光をコリメートするためのｙ軸（速軸）コリメートシリンドリカルレンズおよびｘ軸（遅軸）コリメートシリンドリカルレンズ、１０４はファイバ集光レンズ、１０５は光ファイバ、１０６および１０７はコリメートされたレーザ光を整形するための前段プリズムおよび後段プリズムである。
【０００９】
ここで、図２を用いて半導体レーザ１０１について説明する。半導体レーザ１０１は、図２（ａ）に示すように略直方体状に形成され、その光出射端面となる一側面に、光出射領域となる細長い形状の活性層１０１ａが露出されている。
【００１０】
なお、活性層１０１ａに直交する、活性層１０１ａの短手方向をｙ軸（速軸）方向と定義する。この活性層１０１ａのｙ軸方向の長さは、数μｍである。また、この活性層１０１ａに平行な、活性層１０１ａの長手方向をｘ軸（遅軸）方向と定義する。この活性層１０１ａのｘ軸方向の長さは、数１００μｍである。さらに、この活性層１０１ａから出射されるレーザ光の進行方向、つまり、上記光出射端面に垂直な方向をｚ軸方向と定義する。
【００１１】
そして、この活性層１０１ａから出射されるレーザ光は、図２（ｂ）に示すように、ｙ軸方向に±数１０度の広がり角θｆを持って放出される。また、この活性層１０１ａから出射されるレーザ光は、図２（ｃ）に示すように、ｘ軸方向に±数°の広がり角θｓを持って放出される。
【００１２】
再び図１において、半導体レーザ素子１０１から出射されたレーザ光は、ｙ軸コリメート用のシリンドリカルレンズ１０２に入射されて、ｙ軸方向に平行なビーム形状に整形される。その後、このシリンドリカルレンズ１０２から出射されたレーザ光は、ｘ軸コリメート用のシリンドリカルレンズ１０３に入射されて、ｘ軸方向に平行なビーム形状に整形される。
【００１３】
シリンドリカルレンズ１０３から出射されたレーザ光は、第１のビーム整形部１０６および第２のビーム整形部１０７に順次入射されてそれぞれビーム整形された後、集光用レンズ１０４により集光されて光ファイバケーブル１０５のコア１０５ａ内に入射される。
【００１４】
図３は、上記第１のビーム整形部１０６の詳細を示し、（ａ）は第１のビーム整形部１０６をｘ軸方向に見たｙ−ｚ平面で見た状態を示し、（ｂ）は第１のビーム整形部１０６をｙ軸方向に見たｘ−ｚ平面で見た状態を示している。
【００１５】
すなわち、この第１のビーム整形部１０６は、それぞれが所定の厚みをもった平板状に形成される２枚のレンズ１０６ａ，１０６ｂで構成されている。各レンズ１０６ａ，１０６ｂは、ｘ軸方向に所定の間隔ｄｘを空けて配置されている。また、一方のレンズ１０６ａは、ｘ軸を中心に、ｚ軸に対して所定の角度θｘだけ傾斜されている。また、他方のレンズ１０６ｂは、ｘ軸を中心に、ｚ軸に対してレンズ１０６ａとは逆方向に、所定の角度θｘだけ傾斜されている。
【００１６】
図４（ａ）は、前記シリンドリカルレンズ１０３から出射されて、第１のビーム整形部１０６に入射されるレーザ光Ｌ１のビーム形状を示している。すなわち、このレーザ光Ｌ１は、ｙ軸方向が短く、ｘ軸方向が長い、細長いビーム形状となっている。
【００１７】
このようなビーム形状のレーザ光Ｌ１が、第１のビーム整形部１０６に入射されると、図４（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ１の中央部分Ｌ２は、レンズ１０６ａ，１０６ｂの間に設けられた間隔ｄｘの空間をそのまま通過したｄｘの長さで出射される。
【００１８】
また、レーザ光の一方の端部Ｌ３は、傾斜された平板状のレンズ１０６ａに入射されることにより、中央部分Ｌ２に対してｙ軸方向に所定の距離Δｙだけ平行移動され、Ｌ２より短いｄｘ１の長さで出射される。
【００１９】
さらに、レーザ光の他方の端部Ｌ４は、レンズ１０６ａと逆方向に傾斜された平板状のレンズ１０６ｂに入射されることにより、中央部分Ｌ２に対して、ｙ軸方向に端部Ｌ３と逆方向に所定の距離Δｙだけ平行移動され、Ｌ２より短いｄｘ２の長さで出射される。
【００２０】
つまり、この第１のビーム整形部１０６は、ｘ軸方向に細長いビーム形状のレーザ光Ｌ１を、中央部分Ｌ２と、この中央部分Ｌ２に対して、ｙ軸方向に互いに逆方向に所定の距離Δｙだけ平行移動した端部Ｌ３，Ｌ４との、３つの部分に分割する機能を有している。
【００２１】
なお、レーザ光Ｌ１の端部Ｌ３，Ｌ４を平行移動させる量は、レンズ１０６ａ，１０６ｂの屈折率、傾斜角度および厚み等を可変することにより、任意に設定可能であるが、Ｌ３，Ｌ４はＬ２に比べて短いものとする。また、レーザ光Ｌ１を３分割する際の分割比は、レンズ１０６ａ，１０６ｂの間隔ｄｘを可変することにより、任意に設定可能である。この場合もＬ３，Ｌ４はＬ２に比べて短い関係とする。
【００２２】
図５は、上記第２のビーム整形部１０７の詳細を示し、（ａ）は第２のビーム整形部１０７をｘ軸方向に見たｙ−ｚ平面で見た状態を示し、（ｂ）は第２のビーム整形部１０７をｙ軸方向に見たｘ−ｚ平面で見た状態を示している。
【００２３】
すなわち、この第２のビーム整形部１０７は、それぞれが所定の厚みをもった平板状に形成される２枚のレンズ１０７ａ，１０７ｂで構成されている。各レンズ１０７ａ，１０７ｂは、ｙ軸方向に所定の間隔ｄｙを空けて配置されている。また、一方のレンズ１０７ａは、ｙ軸を中心に、ｚ軸に対して所定の角度θｙだけ傾斜されている。また、他方のレンズ１０７ｂは、ｙ軸を中心に、ｚ軸に対してレンズ１０７ａとは逆方向に、所定の角度θｙだけ傾斜されている。
【００２４】
図６（ａ）は、第１のビーム整形部１０６から出射されて、第２のビーム整形部１０７に入射されるレーザ光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を示している。このようなレーザ光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が、第２のビーム整形部１０７に入射されると、図６（ｂ）に示すように、中央部分Ｌ２は、レンズ１０７ａ，１０７ｂの間に設けられた間隔ｄｙの空間をそのまま通過して出射される。
【００２５】
また、レーザ光の一方の端部Ｌ３は、傾斜された平板状のレンズ１０７ａに入射されることにより、中央部分Ｌ２に向けてｘ軸方向に所定の距離だけ平行移動されて出射される。
【００２６】
さらに、レーザ光の他方の端部Ｌ４は、レンズ１０７ａと逆方向に傾斜された平板状のレンズ１０７ｂに入射されることにより、中央部分Ｌ２に向けて、ｘ軸方向に所定の距離だけ平行移動されて出射される。
【００２７】
この場合、レーザ光Ｌ３，Ｌ４は、それぞれ、レーザ光Ｌ２とｙ軸上で並ぶ位置まで平行移動される。つまり、この第２のビーム整形部１０７は、第１のビーム整形部１０６でｙ軸方向に平行移動されたレーザ光Ｌ３，Ｌ４を、中央部分Ｌ２を基準としてｙ軸方向に直列に並ばせるように、ｘ軸方向に平行移動させる機能を有している。
【００２８】
なお、レーザ光Ｌ３，Ｌ４をｘ軸方向に平行移動させる量は、レンズ１０７ａ，１０７ｂの屈折率、傾斜角度および厚み等を可変することにより、任意に設定可能である。
【００２９】
上記した実施の形態によれば、半導体レーザ素子１０１から出射され、シリンドリカルレンズ１０２，１０３により平行光に整形された細長いビーム形状のレーザ光Ｌ１を、その長手方向に長さが光ファイバケーブルのコア径に沿ってＬ３＜Ｌ２＞Ｌ４の関係で３分割し、分割された各部分をｙ軸に沿って直列に並ばせるように移動させている。
【００３０】
このため、３分割された各レーザ光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を、光ファイバケーブル１０５の円形のコア１０５ｓ内に無駄な余裕を生じさせることなく全て入射させることができ、半導体レーザ素子１０１から出射されたレーザ光を高効率および高光密度で光ファイバケーブル１０５に入射させることが可能となる。
【００３１】
換言すれば、半導体レーザ素子１０１から出射されたレーザ光のうち、ｘ軸の開口数が光ファイバケーブル１０５の有効開口数を超えていて光ファイバケーブル１０５と光結合できない領域を、開口数に余裕のあるｙ軸に移動させることにより、高効率で高光密度な光ファイバケーブル１０５との光結合を図るようにしている。
【００３２】
ここで、有効開口数とは、結像に寄与する光束の範囲のことで、換言すれば光ファイバに有効的に入射できる光束の範囲のことである。
また、第１のビーム整形部１０６および第２のビーム整形部１０７は、いずれも、平板状の２枚のレンズ１０６ａ，１０６ｂおよび１０７ａ，１０７ｂから構成されるので、特殊な形状のレンズを用いる必要もなく、構成の簡易化を図ることができる。
【００３３】
図７は、上記した光モジュールを用いたこの発明の光モジュール装置の一実施の形態を示し、図１（ａ），（ｂ）の構成と同一部分には同一符号を付して説明する。この実施の形態は、光ファイバケーブル１０５のコア１０５ａ内に、レーザ活性物質を添加したものである。
【００３４】
すなわち、光ファイバケーブル１０５には、半導体レーザ素子１０１から出射される励起光を透過し、光ファイバケーブル１０５で発生するレーザ光を反射する反射素子７１と、光ファイバケーブル１０５で発生するレーザ光を一部反射する反射素子７２とが設けられている。
【００３５】
この場合、例えば、半導体レーザ光の波長を８３０〜８５０ｎｍ、光ファイバケーブル１０５のコア１０５ａ内のレーザ活性物質をＰｒ^３＋／Ｙｂ^３＋、反射素子７１は８３０〜８５０ｎｍを全透過し６３５ｎｍを全反射、反射素子７２は６３５ｎｍを一部反射するように構成される。
【００３６】
光ファイバケーブル１０５に入射された励起光は、レーザ活性物質に吸収されて６３５ｎｍの光を発生する。発生した６３５ｎｍの光は、反射素子７１，７２が構成する共振器により６３５ｎｍのレーザ光が発生し、反射素子７２側から出力される。
【００３７】
この場合、高出力および高密度の励起光が必要になるので、図３に示した半導体レーザモジュール１１を利用することは特に効果的となる。
なお、この発明は上記した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を種々変形して具体化することができる。
【００３８】
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。
【００３９】
図８は、この発明の光ファイバモジュール装置を用いた映像表示装置の一実施の形態を概略的に示したものである。
８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂは、Ｒ，Ｇ，Ｂの出力光を得る光ファイバモジュール装置であり、このＢ光ファイバモジュール装置８０Ｂの構成要素として光ファイバモジュール装置８１とツリウムイオン（Ｔｍ^３ ^＋ ^）アップコンバージョンレーザ装置８６があり、光ファイバモジュール装置８１は図７に示す構成のファイバモジュール装置を用いる。Ｔｍ^３ ^＋アップコンバージョンレーザ装置８６は、Ｂ光ファイバモジュール装置８１Ｂから出力されるレーザ光でＴｍイオンが添加されたファイバを励起し、青色レーザ光にアップコンバートするためのものである。
【００４０】
光ファイバモジュール装置８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂから出力されるＲ，Ｇ，Ｂ光は、それぞれの光に応じた液晶パネル８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂに入力され空間変調を受ける。空間変調を受けたＲ，Ｇ，Ｂ光は、ダイクロイックプリズムなどの合成部８３によって合成ざれ、投射レンズ８４に入力する。この入力光は、投射レンズ８４によってスクリーン８５に映像として表示させる。
【００４１】
図９は、この発明のアップコンバージョンファイバレーザ装置を用いた映像表示装置の他の実施の形態を概略的に示したものである。光ファイバモジュール装置８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂから出力されるＲ，Ｇ，Ｂ光を１つにまとめて巨視的（全体的）に見た場合の白色光を作る。この白色光をカラーフィルタ付の液晶パネル９１に入力し、投射レンズ８４によってスクリーン８５に映像として表示させる。
【００４２】
上記したこの発明のファイバモジュール装置を用いた各映像表示装置によれば、所望の波長のレーザ出力低下を防止できることから、映像表示における輝度の確保を図ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、半導体レーザと光ファイバとを高効率で光結合させるためのビーム整形を用いる場合、コリメートされたレーザ光の開口数ができるだけ小さくなるように前段プリズムと後段プリズムの構成および配置を調整することで、より高効率で半導体レーザと光ファイバとを光結合させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の光モジュールの一実施の形態について説明するための説明図。
【図２】図１の半導体レーザ素子について説明するための説明図。
【図３】図１の第１のビーム整形部について説明するための説明図。
【図４】図１の第１のビーム整形部の動作について説明するための説明図。
【図５】図１の第２のビーム整形部について説明するための説明図。
【図６】図１の第２のビーム整形部の動作について説明するための説明図。
【図７】この発明の光モジュール装置の一実施の形態について説明するための説明図。
【図８】この発明の映像表示装置の一実施の形態について説明するための説明図。
【図９】この発明の映像表示装置の他の実施の形態について説明するための説明図。
【符号の説明】
１０１…半導体レーザ
１０２，１０３…コリメートシリンドリカルレンズ
１０４…集光レンズ
１０５…光ファイバ
１０６…前段プリズム
１０７…後段プリズム
１０１ａ…活性層
１０６ａ，１０６ｂ，１０７ａ，１０７ｂ…レンズ
７１，７２…反射素子

Claims

半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートさせるコリメート手段と、
前記コリメート手段から出射されたレーザ光が光ファイバケーブルの有効開口数を満たす前記レーザ光の中央部から該中央部より短い前記有効開口数外の左右の前記レーザを前記有効開口数を満たす位置に平行移動させるビーム整形手段と、
前記ビーム整形手段から出射されたレーザ光を、前記光ファイバケーブルの光入射端面に集光させる集光手段とを具備したことを特徴とする光モジュール。
前記ビーム整形手段は、前記コリメート手段から出射されたレーザ光のうち、前記光ファイバケーブルの有効開口数を満たす部分は平行移動させず、前記光ファイバケーブルの有効開口数を超える部分を、前記光ファイバケーブルの有効開口数を満たす位置に平行移動させることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記ビーム整形手段は、
前記コリメート手段から出射されたレーザ光の少なくとも一部を、第１の方向に平行移動させる第１のビーム整形部と、
この第１のビーム整形部によって平行移動されたレーザ光を、前記第１の方向に直交する第２の方向に平行移動させる第２のビーム整形部とを具備したことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記ビーム整形手段は、平板状のレンズを、前記コリメート手段から出射されたレーザ光の進行方向に向けて面対向させ、かつ、所定の角度で傾斜させて設置することにより、前記コリメート手段から出射されたレーザ光を平行移動させることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記半導体レーザ素子は、ｙ軸方向よりもｘ軸方向が長い光出射領域を有し、該光出射領域からｙ軸方向およびｘ軸方向にそれぞれ所定の広がり角を持ってレーザ光を放出し、
前記コリメート手段は、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を、ｙ軸方向とｘ軸方向とにそれぞれコリメートして、ｙ軸方向よりもｘ軸方向が長いビーム形状のレーザ光にして、
前記ビーム整形手段は、前記コリメート手段から出射されたレーザ光のうち、ｘ軸方向の一部を前記光ファイバケーブルの有効開口数を満たす位置に平行移動させることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
半導体レーザと光ファイバとを光結合させるために、レーザ光をコリメートするための光学部品と光ファイバに光結合するための光学部品とを具備する光モジュールにおいて、
コリメートされたレーザ光をプリズムによって分割し少なくとも一部を平行移動して整形を行う場合、集光する際の開口数を最小にするようにプリズムを構成および配置することを特徴とする光モジュール。
請求項１の光ファイバケーブルのコア内に、レーザ活性物質が添加されるとともに、第１の波長の光を透過し第２の波長の光を反射する第１の反射素子および前記第２の波長の光を一部反射する第２の反射素子とによる共振器が形成されることを特徴とする光ファイバレーザ装置。
半導体レーザ素子から出射されコリメートされたレーザ光が光ファイバケーブルの有効開口数を超える場合に、前記光ファイバケーブルの有効開口数を満たす前記レーザ光の中央部と該中央部より短い前記有効開口数外の左右の前記レーザを前記光ファイバケーブルの有効開口数を満たす位置に平行移動させるように構成された光モジュールと、
前記光ファイバケーブルを介して出力されたレーザ光を、映像信号に基づいて空間変調する変調手段と、
前記変調手段から得られる光出力をスクリーンに投射して表示させる表示手段とを具備してなることを特徴とする映像表示装置。
前記光モジュールおよび前記変調手段は、Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光にそれぞれ対応して設置され、前記表示手段は、Ｒ，Ｇ，Ｂの光に対応する各変調手段からの光出力を合成して前記スクリーンに投射することを特徴とする請求項８記載の映像表示装置。