JP2006317628A - Optical multiplexing circuit and laser beam condensing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光合波回路及びレーザ光集光装置にかかり、特に、半導体レーザバーから出射されるレーザ光を合波する場合に好適な光合波回路、及び半導体レーザバーから出射されるレーザ光を集光するレーザ光集光装置に関する。 The present invention relates to an optical multiplexing circuit and a laser beam condensing device, and particularly condenses an optical multiplexing circuit suitable for combining laser beams emitted from a semiconductor laser bar, and a laser beam emitted from a semiconductor laser bar. The present invention relates to a laser beam condensing device.
レーザ光の集光装置として、半導体レーザバーからの出射光を、半導体レーザバーと平行に配置されたロッドレンズを介して、各々の集光点に対応するように設けた複数本の光ファイバに結合し、これら全ての光ファイバを終端でバンドルする集光装置が知られている(特許文献1)。 As a laser beam condensing device, the light emitted from the semiconductor laser bar is coupled to a plurality of optical fibers provided corresponding to each condensing point through a rod lens arranged in parallel with the semiconductor laser bar. A light collecting device that bundles all these optical fibers at the end is known (Patent Document 1).
特許文献1の技術では、複数の光ファイバを用いているため、複数の光ファイバの入射端の位置が正確に規定されておらず、半導体レーザバーのレーザ光出射部と光ファイバとの光軸を正確に位置合わせすることは、極めて困難である。 In the technique of Patent Document 1, since a plurality of optical fibers are used, the positions of the incident ends of the plurality of optical fibers are not accurately defined, and the optical axes of the laser light emitting part of the semiconductor laser bar and the optical fiber are not aligned. Accurate alignment is extremely difficult.
また、半導体レーザバーのレーザ光出射部の個数が多くなるほど光ファイバの本数が多くなるため光ファイのバンドル部の径が大きくなり、レーザ光の強度密度を高めることができない、という問題点がある。 Further, as the number of laser beam emitting portions of the semiconductor laser bar increases, the number of optical fibers increases, so that the diameter of the bundle portion of the optical fiber increases, and the intensity density of the laser beam cannot be increased.
また、複数のレーザ光出射部を有する半導体レーザバーと、半導体レーザバーのレーザ光出射部と同数の入力ポートを有し、かつ他方の端面に一つの出力ポートを有するY分岐光導波路が基板に形成された光分岐器とを用いた半導体レーザー集光装置も提案されている(特許文献2)。 Also, a semiconductor laser bar having a plurality of laser beam emitting portions, and a Y-branch optical waveguide having the same number of input ports as the laser beam emitting portions of the semiconductor laser bar and having one output port on the other end surface are formed on the substrate. A semiconductor laser condensing device using an optical splitter has also been proposed (Patent Document 2).
特許文献2のレーザ集光装置では、基板に形成された導波路を用いているため、特許文献1の問題点を解決することができる。
しかしながら、特許文献2の技術では、Y分岐導波路を用いているため、光導波路パターン内に必ず合流部(Y分岐部)が存在することになり、この合流部を伝搬する度に光は放射し、徐々に光量が減衰する、という問題点が生じる。すなわち、2つの導波路を1つに合流させるY分岐部分では、光導波路はテーパ形状となり、光は全反射しながら光導波路を伝搬するが、光がテーパ部で反射されるたびに反射角が大きくなり、最終的には入射角が臨界角を超えて導波路外に放射されてしまう。 However, since the technique of Patent Document 2 uses a Y-branch waveguide, there is always a merge part (Y-branch part) in the optical waveguide pattern, and light is emitted every time it propagates through this merge part. However, there arises a problem that the amount of light gradually attenuates. That is, at the Y branch portion where two waveguides are merged into one, the optical waveguide has a tapered shape, and light propagates through the optical waveguide while being totally reflected, but each time the light is reflected by the tapered portion, the reflection angle is increased. Eventually, the incident angle exceeds the critical angle and is emitted outside the waveguide.
また、特許文献2の光導波路では、出力ポートから出射されるレーザ光のビーム品質が悪く、そのため出射光を小さく絞ることが困難になる。このビーム品質が悪い原因は、出力ポートのアスペクト比が非常に大きいことによるものである。アスペクト比が大きくなる理由としては、半導体レーザバーは、高出力発振するという特徴から、通常その出射部のアスペクト比は大きくなっている。従って、そのようなレーザバーと光導波路とを光学的に効率よく結合させるためには、光導波路もアスペクト比の大きい断面形状とする必要があり、出力ポートもアスペクト比の大きい断面形状とする必要があるためである。 Further, in the optical waveguide of Patent Document 2, the beam quality of the laser light emitted from the output port is poor, and therefore it is difficult to narrow the emitted light small. The reason for the poor beam quality is that the aspect ratio of the output port is very large. The reason why the aspect ratio becomes large is that the semiconductor laser bar usually has a high aspect ratio at its emission part because of its high output oscillation. Therefore, in order to optically efficiently couple such a laser bar and an optical waveguide, the optical waveguide also needs to have a cross-sectional shape with a large aspect ratio, and the output port also needs to have a cross-sectional shape with a large aspect ratio. Because there is.
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、光量の減衰を低減し、かつ光のビーム品質を良好にすることができる光合波回路及びレーザ光集光装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical multiplexing circuit and a laser beam condensing device capable of reducing the attenuation of light amount and improving the beam quality of light. And
上記目的を達成するために本発明は、基板と、光入射部の各々が基板の1つの辺に沿って配列され、かつ光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように前記基板上に形成されると共に、各々が途中に分岐路を有さない1本の光導波路で構成された複数の光導波路と、を含んで構成されている。 To achieve the above object, according to the present invention, a substrate and a light incident portion are arranged along one side of the substrate, and each of the light emitting portions overlaps the substrate in the thickness direction. And a plurality of optical waveguides each formed of a single optical waveguide that does not have a branch path in the middle.
本発明では、光入射部の各々を基板の1つの辺に沿って配列する場合に、基板の表面に対して傾斜した方向に配列することができ、また光出射部の各々を基板の厚み方向に重ねる場合、光出射部の各々を基板の表面に対して略垂直となる方向に配列することができる。
また、光出射部の各々から同一の方向に光が出射されるように光出射部の各々を基板の表面に対して略垂直となる方向に配列することができる。
In the present invention, when each of the light incident portions is arranged along one side of the substrate, it can be arranged in a direction inclined with respect to the surface of the substrate, and each of the light emitting portions is arranged in the thickness direction of the substrate. In the case where the light emitting portions are stacked, the light emitting portions can be arranged in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate.
Further, each of the light emitting parts can be arranged in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate so that light is emitted from each of the light emitting parts in the same direction.
本発明の光導波路の各々は、途中に分岐路を有さない1本の光導波路で構成されているため、光導波路を伝搬する光が分岐路で臨界角を超えて光導波路外に放射することがなく、光量の減衰を低減することができる。 Since each of the optical waveguides of the present invention is composed of a single optical waveguide that does not have a branch path in the middle, light propagating through the optical waveguide radiates out of the optical waveguide beyond the critical angle at the branch path. In other words, the attenuation of the light amount can be reduced.
また、光導波路の光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように基板上に形成されているので、光導波路の各々のアスペクト比が大きくなっても光出射部のアスペクト比は大きくならず、これにより光のビーム品質を良好にすることができる。 In addition, since each of the light emitting portions of the optical waveguide is formed on the substrate so as to overlap in the thickness direction of the substrate, the aspect ratio of the light emitting portion does not increase even if each aspect ratio of the optical waveguide increases. Thereby, the beam quality of the light can be improved.
本発明の光導波路は、コア部をクラッド層で挟んで形成することができ、基板をガラスで構成する場合には、コア部の1つを基板上に直接形成することができる。 The optical waveguide of the present invention can be formed by sandwiching the core portion between clad layers, and when the substrate is made of glass, one of the core portions can be directly formed on the substrate.
また、光導波路の側面の形状は、伝搬する光の臨界角を越えない形状に形成するのがより好ましい。 Further, the shape of the side surface of the optical waveguide is more preferably formed so as not to exceed the critical angle of the propagating light.
単一の光ファイバのコア部を、上記の光合波回路の光出射部に対向するように配置することにより、例えば半導体レーザバーから出射されかつ光合波回路で合波されたレーザ光を目的の部位まで伝送するレーザ光集光装置として構成することができる。 By arranging the core portion of a single optical fiber so as to face the light emitting portion of the optical multiplexing circuit, for example, the laser beam emitted from the semiconductor laser bar and multiplexed by the optical multiplexing circuit is the target portion. It can be configured as a laser beam condensing device that transmits up to.
以上説明したように本発明によれば、光導波路の各々が、途中に分岐路を有さない1本の光導波路で構成されると共に、光導波路の光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように基板上に形成されているので、光量の減衰を低減し、かつ光のビーム品質を良好にすることができる、という効果が得られる。 As described above, according to the present invention, each of the optical waveguides is composed of one optical waveguide that does not have a branch path in the middle, and each of the light emitting portions of the optical waveguide is in the thickness direction of the substrate. Since they are formed on the substrate so as to overlap, the effects of reducing the attenuation of the amount of light and improving the light beam quality can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の光合成回路を用いてレーザ光を一点に集光するレーザ集光装置に本発明を適用し実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings by applying the present invention to a laser condensing device that condenses laser light at one point using the photosynthesis circuit of the present invention.
本実施の形態のレーザ集光装置は、図1に示すように、複数(図では5個)のレーザ出射部10Aを有する半導体レーザバー10と、入射部がレーザ出射部と同数(図では5個)で、出射部が基板の厚み方向に重なるように積層された複数の光導波路を有する光合波回路12と、光合波回路12の出射部を包括するようなコア径を有する一本の光ファイバ14から構成されている。
As shown in FIG. 1, the laser condensing apparatus of the present embodiment includes a
半導体レーザバー10の複数のレーザ光出射部10Aは、図1及び図5に示すように、一直線上に配列させて形成されており、各々同一方向に向けてレーザ光を出射する。この半導体レーザバー10は、フォトプロセスにより製造されるため、レーザ光出射部の位置は正確に規定される。
As shown in FIGS. 1 and 5, the plurality of laser
光合波回路12は、図2に示すように、ガラス基板等で形成された1枚の基板12Aと、レーザバーのレーザ光出射部の個数と同数(図では5個)の層状のコア部12Bを、クラッド層12Cで挟んで基板12A上に積層して構成された光導波路とにより構成されている。各光導波路のレーザ光入射部は、基板の厚み方向にはクラッド層12Cの厚みdc分だけ離間し、かつ幅方向には所定間隔D隔てて配列されている。また、中央の光導波路を除く各光導波路は、レーザ光入射部からレーザ光入射部にかけて、中央の光導波路に対して対称に屈曲するように形成されており、各光導波路のレーザ光入射部は基板の1つの辺に沿って基板の表面に対して傾斜した方向に配列されており、光導波路のレーザ光出射部の各々は基板の厚み方向にクラッド層12Cを挟んで積層され、基板の表面に対して略垂直となる方向に配列されている。
As shown in FIG. 2, the
したがって、各々のコア部12Bの位置関係は、レーザ光入射部では半導体レーザバーのレーザ光出射部と同じ位置に位置し、出射部では上下に重なるように位置している。また、各々のコア部のパターンは、入射部から出射部まで途中に分岐部が存在しない単純な1本の形状に形成されている。したがって、各光導波路は隣接する光導波路間でレーザ光が伝搬しないように各々独立して形成されている。このようなパターンとすることで、従来のような1層で作製するY分岐形状や熊手型形状等の光導波路で構成された合波パターンによって生じる光損失をほとんどゼロにすることができる。
Therefore, the positional relationship of each
本実施の形態では、中央部の光導波路は直線状に形成され、最も外側の光導波路の各々は、入射部から出射部にかけて曲率半径R(例えば、10mm)の円弧状光導波路を曲率中心が光導波路を挟んで逆側になるように連結して構成されている。また、中央部の光導波路と最も外側の光導波路との間に位置する光導波路の各々は、曲率半径Rが最も外側の光導波路の曲率半径より大きくなるように形成されている。光導波路の形状、すなわちパターンを上記のような曲率半径で形成することにより、光導波路中を伝搬するレーザ光の入射角が臨界角を越えないようにすることができる。 In the present embodiment, the central optical waveguide is formed in a straight line, and each of the outermost optical waveguides is an arc-shaped optical waveguide having a radius of curvature R (for example, 10 mm) from the incident portion to the outgoing portion. It is configured to be connected so as to be on the opposite side across the optical waveguide. Each of the optical waveguides positioned between the central optical waveguide and the outermost optical waveguide is formed so that the curvature radius R is larger than the curvature radius of the outermost optical waveguide. By forming the shape of the optical waveguide, i.e., the pattern, with the radius of curvature as described above, the incident angle of the laser light propagating in the optical waveguide can be prevented from exceeding the critical angle.
また、各光導波路の断面寸法は、半導体レーザバーのレーザ光出射部10Aの面積よりもわずかに大きく形成することにより、レーザ光との高効率な結合が容易になるようにしている。例えば、光導波路の入射部の形状を幅110μm、高さ10μmの矩形状とすることで、半導体レーザバーから出射されたレーザ光を効率よく光合波回路に入射させることができる。
Further, the cross-sectional dimension of each optical waveguide is formed slightly larger than the area of the laser
このような光合波回路は、図4に示す工程順で作製することができる。ここでは基板としてガラス基板を用いた場合を例に説明する。1枚のガラス基板上にコア層を形成し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより導波路の形状にパターン化することで所定パターンの最も外側の一方のコア部12Bを形成する。次に、コア部12Bよりも屈折率の小さいクラッド層12Bをコア部及びガラス基板12Aを覆うように形成する。次に、このクラッド層の上にコア層を形成し、コア層を導波路の形状にパターン化することで最も外側の一方のコア部に隣接するコア部を形成する。
Such an optical multiplexing circuit can be manufactured in the order of steps shown in FIG. Here, a case where a glass substrate is used as the substrate will be described as an example. A core layer is formed on one glass substrate, and is patterned into the shape of a waveguide by photolithography and etching, thereby forming one
このコア部12Bを形成した後その上にクラッド層12Cを形成する工程を、半導体レーザバーのレーザ光出射部の個数に相当する回数だけ繰り返し行なうことで、半導体レーザバーのレーザ光出射部の個数に相当する個数の光導波路が作製される。この場合、最も外側の一方のコア部から最も外側の他方のコア部まで順に高さが高くなるようにコア部が形成され、コア部の各々は一直線状に配列されることになる。
The process of forming the
ここでガラス基板を用いた理由は、作成工程の最初にコア層形成してコア部を作製すればよいからである。ガラス基板以外にも、Si、ポリイミド、またはPMMA等の高分子材料からなる基板も使用可能であるが、使用するコア層の屈折率よりも大きい基板や、透明でない基板を用いる場合には、クラッド層を最初に作製した後その上にコア部を作成する必要がある。 The reason why the glass substrate is used here is that the core layer may be formed by forming the core layer at the beginning of the production process. In addition to the glass substrate, a substrate made of a polymer material such as Si, polyimide, or PMMA can also be used. However, when using a substrate having a refractive index higher than that of the core layer to be used or a non-transparent substrate, the cladding is used. After the layer is first made, it is necessary to make a core on it.
コア部やクラッド層は、PMMAやポリイミド等の高分子や、ガラス等様々な材料のものが使用可能であるが、作製が容易なことから高分子材料が適している。コア層及びクラッド層の作製方法としては、スピンコーティング法やディップコーティング法等を使用することができる。またガラス材料を用いる場合には、火炎体積法やスパッタ法、イオン交換法等でコア層及びクラッド層を作製することができる。 The core portion and the clad layer can be made of various materials such as polymers such as PMMA and polyimide, and glass, but polymer materials are suitable because they are easy to produce. As a method for producing the core layer and the clad layer, a spin coating method, a dip coating method, or the like can be used. When a glass material is used, the core layer and the cladding layer can be produced by a flame volume method, a sputtering method, an ion exchange method, or the like.
上記のようにして作製された光合波回路12は、フォトプロセスにより作成されるため、レーザ光入射部の位置は正確に規定される。この光合波回路12は、半導体レーザバーと光学的に接続されるが、光合波回路入射部のコア部の位置は、半導体レーザバーのレーザ光出射部と同じ間隔Dであるが、高さが徐々に異なっている。したがって、接続に際しては、図5に示すように光合波回路または半導体レーザバーのどちらかをθcだけ傾けて配置することにより光軸を一致させる必要がある。
Since the
本実施の形態において、入射効率が損なわれないことを具体的数値によって説明する。一般的な半導体レーザバーは、幅0.1mm、高さ1μmのレーザ光出射部(発光部)が100μm間隔で複数個(例えば、5個)配列されて構成されている。このような半導体レーザバーに対して最も高効率な光合波回路としては、幅110μm、高さ10μmの断面寸法を有するコア部が、厚み5μmのクラッド層を挟んで、半導体レーザバーと同数積層されたものである。これらを光学的に接続させるため、半導体レーザバーのレーザ光出射部とコア部とが重なるようにどちらか一方をθcだけ傾ける。ここでは光合波回路を傾ける場合を例に説明すると、この場合の角度θcは下記の(1)式で表される。 In the present embodiment, the fact that the incident efficiency is not impaired will be described with specific numerical values. A general semiconductor laser bar is configured by arranging a plurality (for example, five) of laser light emitting portions (light emitting portions) having a width of 0.1 mm and a height of 1 μm at intervals of 100 μm. The most efficient optical multiplexing circuit for such a semiconductor laser bar has a core part having a width of 110 μm and a height of 10 μm stacked in the same number as the semiconductor laser bar with a cladding layer having a thickness of 5 μm interposed therebetween. It is. In order to optically connect them, one of them is tilted by θc so that the laser beam emitting portion and the core portion of the semiconductor laser bar overlap each other. Here, the case where the optical multiplexing circuit is tilted will be described as an example. In this case, the angle θc is expressed by the following equation (1).
ここで、doはコア部の厚み、dcはクラッド層の厚み、Dはコア部の間隔であり、Dはレーザバーのレーザ光出射部の間隔と同じである。この例では、θcは、約4.3degとなる。このとき半導体レーザバーと光合波回路の結合損失は、半導体レーザバーのレーザ光出射部の断面が光合波回路コア部断面から外れた時に生じ、結合損失が生じ始める角度θlossは下記の(2)式で求められる。 Here, do is the thickness of the core portion, dc is the thickness of the cladding layer, D is the interval between the core portions, and D is the same as the interval between the laser beam emitting portions of the laser bar. In this example, θc is about 4.3 deg. At this time, the coupling loss between the semiconductor laser bar and the optical multiplexing circuit occurs when the cross section of the laser light emitting portion of the semiconductor laser bar deviates from the cross section of the optical multiplexing circuit core, and the angle θ loss at which coupling loss starts to occur is expressed by the following equation (2) Is required.
ただし、hは半導体レーザバーのレーザ光出射部の厚み、Weは半導体レーザバーのレーザ光出射部の幅である。 Here, h is the thickness of the laser beam emitting portion of the semiconductor laser bar, and We is the width of the laser beam emitting portion of the semiconductor laser bar.
結合損失が生じ始める角度θlossは、上記の例においては5.1degとなり、コア部が4.3deg傾いたとしても、コア部断面は発光部断面を完全に包括しているため、レーザ光出射部から出射されるレーザ光を全て受光することができる。 The angle θ loss at which coupling loss starts to occur is 5.1 deg in the above example, and even if the core part is inclined by 4.3 deg, the core part cross-section completely includes the light-emitting part cross-section, and therefore laser light emission All the laser beams emitted from the unit can be received.
光ファイバ14は、光合波回路12の出射部に積層されたコア積層部を全て包括するような直径のコア部を有するものを用いることで、出射されるレーザ光を全て受光することができ、また光ファイバ出射部までほとんど損失することなくレーザ光を伝送することができる。このような光ファイバとしては、一般的なSiO2やプラスチック等で構成されて光ファイバが使用可能である。
The
以上説明したように、本実施の形態によれば、光合波回路の導波路パターンが、合流部の全く無い1本の単純なパターンによって構成されているため。光導波路の途中でレーザ光が光導波路外に出射されることがなく、複数のレーザ光を低損失で集光することができる。 As described above, according to the present embodiment, the waveguide pattern of the optical multiplexing circuit is constituted by a single simple pattern having no joining portion. Laser light is not emitted outside the optical waveguide in the middle of the optical waveguide, and a plurality of laser lights can be condensed with low loss.
また、光合波回路の出射部ではコア部が積層されてコア積層部が形成されているので、アスペクト比が小さくなり、集光後の光ビーム品質を高くすることができる。 Moreover, since the core part is laminated | stacked and the core lamination | stacking part is formed in the output part of an optical multiplexing circuit, an aspect ratio becomes small and the light beam quality after condensing can be made high.
本実施の形態において、レーザ光出射部の各々を基板の表面に対して略垂直となる方向に配列する場合には、レーザ光出射部の各々から同一の方向に光が出射されるようにレーザ光出射部の各々を配列するのが好ましい。このように配置することにより、光ファイバの軸とレーザ光出射部の各々から出射されるレーザ光の方向とが略平行になるように光ファイバを光合波回路12の出射部に光結合することができる。これにより、光合波回路から出射されたレーザ光が光ファイバに入射する際に、臨界角未満の角度で入射するようになり、入射レーザ光が臨界角を越えることによる光損失を抑制することができる。
In the present embodiment, when each of the laser beam emitting portions is arranged in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate, the laser beam is emitted so that light is emitted in the same direction from each of the laser beam emitting portions. It is preferable to arrange each of the light emitting portions. By arranging in this way, the optical fiber is optically coupled to the emission part of the
次に本実施の形態の変形例について説明する。図6は半導体レーザバー10から出射されるレーザ光を、光合波回路12により効率よく入射するために、半導体レーザバー10と光合波回路12との間にロッドレンズ16を配置した第1の変形例を示すものである。この変形例では、ロッドレンズ16により、ロッドレンズの長さ方向と直交する方向にレーザ光が集光されるため、レーザ光を効率よく光合波回路の各コア部に入射することができる。
Next, a modification of the present embodiment will be described. FIG. 6 shows a first modified example in which a
図7は、半導体レーザバーに代えて光ファイバアレイ20からの出射光を光合波回路で1点に集光した第2の変形例を示すものであり、図8はm×nのY分岐光導波路を有する光回路22からの出射光を光合波回路12で1点に集光した第3の変形例を示すものである。
FIG. 7 shows a second modification in which light emitted from the
10 半導体レーザバー
12 光合波回路
14 光ファイバ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
光入射部の各々が基板の1つの辺に沿って配列され、かつ光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように前記基板上に形成されると共に、各々が途中に分岐路を有さない1本の光導波路で構成された複数の光導波路と、
を含む光合波回路。 A substrate,
Each of the light incident portions is arranged along one side of the substrate, and each of the light emitting portions is formed on the substrate so as to overlap in the thickness direction of the substrate, and each has a branch path in the middle. A plurality of optical waveguides composed of a single optical waveguide,
Including optical multiplexing circuit.
コア部が前記光合波回路の前記光出射部に対向するように配置された単一の光ファイバと、
を含むレーザ光集光装置。 The optical multiplexing circuit according to any one of claims 1 to 6,
A single optical fiber disposed such that the core portion faces the light emitting portion of the optical multiplexing circuit;
A laser beam condensing device.
前記光入射部の各々が前記半導体レーザバーのレーザ光出射部に対向するように配置された請求項1〜請求項6のいずれか1項記載の光合波回路と、
コア部が前記光合波回路の前記光出射部に対向するように配置された単一の光ファイバと、
を含むレーザ光集光装置。 A semiconductor laser bar;
The optical multiplexing circuit according to any one of claims 1 to 6, wherein each of the light incident portions is disposed so as to face a laser light emitting portion of the semiconductor laser bar,
A single optical fiber disposed such that the core portion faces the light emitting portion of the optical multiplexing circuit;
A laser beam condensing device.
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