JP2005229060A - 半導体レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源の出力特性を向上する。
【解決手段】 半導体レーザアレイ１及び光合波回路２を結合した半導体レーザ光源であって、該半導体レーザアレイ１の出射端の反対側に備えた高反射ミラー３と、該光合波回路２の出射端側に備えた反射ミラー４とで光共振器を構成したことを特徴とする半導体レーザ光源。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のレーザ光を合成するように構成された高出力半導体レーザ光源に関する。

半導体レーザは、ガスレーザや固体レーザ等と比べて小型で信頼性が高く、メンテナンスも容易である点で、光通信や光ディスク装置等で広く使用されているが、レーザ溶接やレーザメス等の大出力レーザ光を必要とする分野では開発途上の段階である。１つの半導体レーザから得られる光出力は、ＣＷ(Continious Wave)動作で数ｍＷから数百ｍＷ程度が限度であり、上記分野への応用はかなり難しい。こうした対策として、複数の半導体レーザからのレーザ光を１つに合成することによって、レーザ光の大出力化を狙う研究が行われている。

この中で、１つの基板上にレーザ光発振部を複数個ストライプ状に形成してアレイ構造とした半導体レーザアレイ素子をレーザ光の光源とする技術がある。例えば、１つの基板上の各レーザ光発振部を近接させて位置させることにより、レーザ光発振部内の各レーザ光がいわゆるしみ出しによって結合し、各レーザ光発振部の出力端面から出射されるレーザ光が位相同期されるというものである。したがって、各レーザ光発振部の出力端面から出射されたレーザ光を光学レンズなどにより容易に１つのスポットに集光することができ、高出力を得ることができる。

他の半導体レーザアレイ装置は、複数の半導体レーザから構成される半導体レーザアレイと、レーザ出力側に設けられたマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイを通過したレーザ光を集光する集光レンズとを備えており、半導体レーザアレイから出力されたレーザ光をマイクロレンズアレイによってコリメートし、コリメートされたレーザ光を集光レンズで集光している。また、集光レンズに代えて各半導体レーザからの出力レーザ光をその波面収差をも含めて補正して集光することのできるマイクロレンズアレイを用いることが開示されている。

又、半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源も開発されている。図７は、下記特許文献１に開示された波長多重光源の構成図である。この波長多重光源は、半導体レーザアレイ１１及びチャネル導波形合流器１２から構成される。半導体レーザアレイ１１の各レーザ１０１〜１０８の出射端面が、波長多重光源の基板に垂直な面内で形成され、且つ少なくとも１つの半導体レーザについてその共振器軸に対して傾いている。半導体レーザアレイ１１の各レーザ１０１〜１０８からの光は、所定の角度で出射し、半導体レーザアレイ１１と異なる材料から形成されるチャネル導波形合流器１２にて合流し、出力導波路部１３から出射される。これにより、小型・高出力で集光・集積設計の容易な波長多重光源が得られる。このように、波長の異なるレーザ光を１つの光回路に重畳するもので、レーザ光は１方向である。

同様に、下記特許文献２には、実施例４として、特定のアレイ構造半導体光素子をマイクロアレイ波長選択光源に適用した例が開示されている。具体的には、１）８本のアレイからなるＤＦＢレーザ領域、２）アレイ間隔１１．５〜２．５μm まで、距離３００μm で変化させた合波器領域、３）ＭＭＩ領域、４）光増幅器領域、５）光変調器領域からなるマスクが開示されている（図１８）。しかしながら、高出力の出射を合波器を用いて集光し、さらに増幅しようとしても、利得飽和が生じ、十分な出力特性は得られない。

又、下記特許文献３には、半導体レーザ光源において、レーザ光同士の合流効率および後段の光学系への結合効率を格段に向上させることを目的として、複屈折光学素子を用いて直交する偏波を合成し、光ファイバへ結合することが開示されている。

特開平９−３３１１０２号公報 特開２０００−１２９５２号公報 特開平１０−３２５９４１号公報

ところで、通常、半導体レーザは速軸方向（垂直方向）はシングルモード発振しており、遅軸方向（横方向）もシングルモード発振している。一般的な小出力の半導体レーザでは、数十個合波しても加工用高出力光源（数百からｋＷ級）にはならない。このため、従来の半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源は、高出力の出射を合波器を用いて集光し、さらに増幅しようとしても、利得飽和が生じ、十分な出力特性は得られないという問題があった。

本発明の目的は、半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源の出力特性を向上することにある。

本発明者は、半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源において、光共振器の構成を設けることにより上記課題が解決されることを見出し本発明に到達した。

即ち、本発明は半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源の発明であり、該半導体レーザアレイの出射端の反対側に備えた高反射ミラーと、該光合波回路の出射端側に備えた反射ミラーとで光共振器を構成したことを特徴とする。

前記半導体レーザアレイ及び光合波回路の結合は、両者を直接突き合せて結合しても良く、両者をロッドレンズやマイクロアレイ等の光学部品を介して結合しても良い。
前記半導体レーザアレイの出射端側が無反射又は低反射コートを施されていることが好ましい。
前記光合波回路は、チャンネル型導波合流器又は多モード干渉型素子（ＭＭＩ）であることが好ましい。

半導体レーザアレイの出射端の反対側に備えた高反射ミラーと、光合波回路の出射端側に備えた反射ミラーとで光共振器を構成することにより、該光共振器が外部モード制御機構となる。該外部モード制御機構において、高反射ミラーと反射ミラーの間をレーザ光が往復することにより増幅され、高出力のレーザ光が出射される。即ち、半導体レーザからの出射光が、外部モード制御機構を有する光回路に結合し、その出射端から反射光が戻ってくる。その反射光は、高効率で出射端に導かれた波数成分のみが半導体レーザ（増幅媒質）に戻り、光回路に高効率に結合する成分のレーザ発振に寄与する。

図１を参照して、本発明の半導体レーザ光源を説明する。本発明の半導体レーザ光源は、半導体レーザアレイ１と光合波回路２が結合している。半導体レーザアレイ１の出射端の反対側に備えた高反射ミラー３と、該光合波回路の出射端側に備えた反射ミラー４とで光共振器を構成している。尚、図１では、説明のため、各構成部品を離して示しているが、これらは実際は光学的に接合している。以下の各図でも同様である。半導体レーザアレイ１で発振したレーザ光は、高反射ミラー３と反射ミラー４の間を増幅されながら往復し、所定の高出力に到達すると、反射ミラー４より出射される。図１では、半導体レーザアレイ１及び光合波回路２は、両者を直接突き合せて結合されている。このような半導体レーザ光源により、例えば１０Ｗの半導体レーザアレイからの発振レーザを同相で結合し、非常に小さな結合損失で出射させることができる。

図２に、本発明の他の半導体レーザ光源の構成を示す。半導体レーザアレイ１、光合波回路２、高反射ミラー３、及び反射ミラー４の配置は図１と同じであるが、図２では、半導体レーザアレイ１及び光合波回路２は、両者はロッドレンズ５を介して結合されている。光回路の入射端面、ビーム変換用のロッドレンズにも無反射コート（ＡＲ）が施されており、光回路の出射口にも反射ミラーが形成されている。図２のように共振器を構成することにより、高効率で出射口まで導かれるモード（基本モードを含む低次のモード）を帰還させることにより、レーザ光源を構成する。

半導体レーザからの出射光は、広がり角が大きい。その出射光特性を図３（ａ）、図３（ｂ）に示す。図３（ａ）は発散角θが垂直方向であり、図３（ｂ）は発散角θが平行方向である。図２のように、半導体レーザアレイ１と光合波回路２がロッドレンズ５を介して結合された場合の、半導体レーザ光源を構成する合波回路からの出射光は、広がり角が小さい。その出射光特性を図４（ａ）、図４（ｂ）に示す。図４（ａ）は発散角θが垂直方向であり、図４（ｂ）は発散角θが平行方向である。

一般に、レーザの遅軸方向は、エミッタ（レーザ）の幅が広いため、高次（横）モードが発生している。これに対して、図４に示されるように、本発明の半導体レーザ光源は、出射光の高次モードの発生を抑制し、且つ高効率な集光を実現することができる。

図５に、本発明の他の半導体レーザ光源の構成を示す。上記の各構成では、光合波回路をチャンネル型導波合流器を用いたのに対して、図５（ａ）では、光合波回路を多モード干渉型素子（ＭＭＩ：Multi Mode Interference）を用いて実現している。図５（ｂ）に、多モード干渉型素子（ＭＭＩ）を光合波回路に用いた半導体レーザ光源の動作特性を示す。

図６に、多数のモジュールを組合せて半導体レーザ光源とした構成の斜視図を示す。多数のモジュールを組合せるとともに、各段に冷却機構を設けることによって、より高出力とすることができる。

本発明により、高出力且つ安定な半導体レーザ光源を得ることができる。本発明の半導体レーザ光源は同一波長のレーザ光を多数集光し、高出力とすることができ、数百からｋＷ級の加工用高出力光源として、その用途を拡大させることに役立つ。

本発明の半導体レーザ光源の構成を示す。 本発明の他の半導体レーザ光源の構成を示す。 図１に用いた半導体レーザの制御されていない（戻り光のない）時の出射光特性を示す。 図１及び図２の形状における半導体レーザ光源の出射光特性を示す。 本発明の他の半導体レーザ光源の構成を示す。 多数のモジュールを組合せて半導体レーザ光源とした構成の斜視図を示す。 従来の波長多重光源の構成図である。

符号の説明

１：半導体レーザアレイ、２：光合波回路、３：高反射ミラー、４：反射ミラー、５：ロッドレンズ、６：多モード干渉型素子（ＭＭＩ）。

Claims (6)

1. 半導体レーザアレイ及び光合波回路を結合した半導体レーザ光源であって、該半導体レーザアレイの出射端の反対側に備えた高反射ミラーと、該光合波回路の出射端側に備えた反射ミラーとで光共振器を構成したことを特徴とする半導体レーザ光源。
2. 前記半導体レーザアレイ及び光合波回路の結合が、直接突き合せ結合であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源。
3. 前記半導体レーザアレイ及び光合波回路の結合が、光学部品を介した結合であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源。
4. 前記半導体レーザアレイの出射端側が無反射又は低反射コートを施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザ光源。
5. 前記光合波回路がチャンネル型導波合流器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ光源。
6. 前記光合波回路が多モード干渉型素子（ＭＭＩ）であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ光源。

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