JP2007292970A - マルチモード光ファイバおよび光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】温度制御を用いないで発光波長および光出力のいずれか一方を選択的に安定化することが可能であり、かつ高出力の光を射出することの可能なマルチモード光ファイバを提供する。
【解決手段】半導体レーザ１０から射出されたレーザ光をマルチモードで伝播させるためのコア部２１と、コア部２１を被覆すると共に伝播されるレーザ光をコア部２１内に閉じ込めるクラッド部２２とを備える。中心部にコア部２１が、周縁部にクラッド部２２が同心円状に露出している端面２６がレーザ光の入射側に形成されており、その端面２６には、コア部２１の中心軸に関して対称で、かつ所定の幅の稜線を形成する一対の傾斜面２７，２７が形成されている。また、クラッド部２２のうち傾斜面２７の近傍には、外部共振器２５が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザから射出されたレーザ光をマルチモードで伝播するためのマルチモード光ファイバ、ならびにマルチモードの半導体レーザおよびマルチモード光ファイバを利用した光モジュールに関する。

近年、ブロードエリア型の半導体レーザは、例えば、通信、センサ、生産、医療などの各種分野で利用されているが、特に、高出力の要求される分野では、例えば、固体レーザや光アンプを励起するための光源や、プラスチックや金属などを加工・溶接するためのものとして用いられている。

特開２００３−３３２６８０号公報

このように、上記した半導体レーザでは、高出力の光を射出することができるものの、一般に、発光スペクトラムの帯域幅が広く、その中心波長は温度依存性を持っている。そのため、例えば、発振波長が８０８ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet)レーザを励起するための光源として上記した半導体レーザを用いると、光源の帯域幅はＮｄ：ＹＡＧレーザの吸収スペクトラムの帯域幅よりも広いので、温度変化によって光源の中心波長がＮｄ：ＹＡＧレーザの吸収スペクトラムの帯域幅から外れてしまう虞がある。

そこで、上記した半導体レーザの温度を制御して、中心波長を安定化させることが考えられる。しかし、温度制御に係るシステムは高価であるだけでなく、構成を複雑にしてしまうし、光源の用途を温度制御の可能な範囲内に限定してしまうなど、種々の点であまり好ましくない。また、上記した半導体レーザに対して温度制御を行って、中心波長を安定化させると、今度はその中心波長における光出力が不安定になりやすい。そのため、光出力の安定が要求される用途、例えば、癌などの治療を行う用途では、むしろ温度制御は不要ということになる。

このように、用途に応じて重要視する要素は相違することから、幅広い用途に対応可能な半導体レーザを提供しようとすると、要・不要に拘わらず温度制御に係るシステムを半導体レーザに標準で搭載することが必要となってしまうという問題があった。

また、共振器を半導体レーザの内部または外部に設けて、中心波長を安定化させることが考えられる。例えば、特許文献１に記載されている、光通信に使用するナローエリア型の半導体レーザとの光結合効率を高めたシングルモード光ファイバに関する技術を、ブロードエリア型の半導体レーザとの光結合効率を高めたマルチモード光ファイバに応用して、マルチモード光ファイバのコアに外部共振器を設けることが考えられる。しかし、マルチモード光ファイバのコアに外部共振器を設けた場合には、半導体レーザから射出された光がこの外部共振器によって半導体レーザ側に戻され、大幅に減衰してしまうので、高出力の要求される用途にはあまり適さない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、温度制御を用いないで中心波長および光出力のいずれか一方を選択的に安定化することが可能であり、かつ高出力の光を射出することの可能なマルチモード光ファイバおよび光モジュールを提供することにある。

本発明のマルチモード光ファイバは、半導体レーザから射出されたレーザ光をマルチモードで伝播させるためのコア部と、コア部を被覆すると共に伝播されるレーザ光を前記コア部内に閉じ込めるクラッド部とを備える。中心部にコア部２１が、周縁部にクラッド部が露出している端面が一端に形成されており、その端面には、コア部の中心軸に関して対称で、かつ所定の幅の稜線を形成する一対の傾斜面が形成されている。また、クラッド部のうち傾斜面の近傍には、外部共振器が設けられている。

本発明の光モジュールは、半導体レーザと上記したマルチモード光ファイバとを光学的に結合させたものである。

本発明のマルチモード光ファイバおよび光モジュールでは、半導体レーザから射出されたレーザ光が、入射側の端面に入射し、コア部とクラッド部との界面で反射されながらコア部内を伝播し、他方の端面から射出される。このとき、半導体レーザから射出されたレーザ光のごく一部をクラッド部に入射するようにした場合には、その光はクラッド部内の外部共振器によって反射され、半導体レーザに戻ってくる。これにより、外部共振器と、半導体レーザの背面側に設けられたミラーとが一対の共振器を構成するので、外部共振器において最も強い反射を示す波長で発振するようになる。一方、半導体レーザから射出されたレーザ光をコア部にだけ入射するようにした場合には、クラッド部内の外部共振器は半導体レーザの背面側に設けられたミラーと一対の共振器を構成しないので、半導体レーザの内部構造によって決定される波長で発振するようになる。

本発明のマルチモード光ファイバおよび光モジュールによれば、クラッド部のうち傾斜面の近傍に外部共振器を設けるようにしたので、半導体レーザから射出されたレーザ光のごく一部をクラッド部に入射するようにした場合には、外部共振器と、半導体レーザの背面側に設けられたミラーとが一対の共振器を構成する。これにより、外部共振器において最も強い反射を示す波長で発振するようになるので、半導体レーザの発振波長がその波長に固定されるようになる。その結果、中心波長の安定した光を半導体レーザから射出することができる。一方、半導体レーザから射出されたレーザ光をコア部にだけ入射するようにした場合には、クラッド部の外部共振器による反射がないので、半導体レーザの内部構造によって決定される波長で発振するようになる。その結果、出力の安定した光を半導体レーザから射出することができる。つまり、半導体レーザから射出されたレーザ光の一部をクラッド部の外部共振器に入射させるか否かを選択することにより、中心波長および光出力のいずれか一方を選択的に安定化することが可能となる。

また、上記のいずれの場合であっても、コア部の内部には光を半導体レーザ側に戻すような構造は存在しないので、マルチモード光ファイバを透過して射出される光の出力が低下する虞はない。

以上のことから、温度制御を用いないで中心波長および光出力のいずれか一方を選択的に安定化することが可能であり、しかも、高出力の光を射出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る光モジュールの断面構成を表すものである。図１には離間幅Ｚ（後述）がＺ１のときの様子が、図２には離間幅ＺがＺ２のときの様子がそれぞれ示されている。なお、図１および図２は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この光モジュールは、例えば、固体レーザの励起用光源、内視鏡用光源、ガン照射用光源、各種診断用光源として用いることを目的としたものであり、被照射面（図示せず）にレーザ媒質や、診断部位などの対象物を配置して、半導体レーザ１０のレーザ光をマルチモード光ファイバ２０を介して照射するようになっている。

この光モジュールの光学系は、半導体レーザ１０、マルチモード光ファイバ２０、および台座３０を備えており、半導体レーザ１０は台座３０上に配置されており、他方、マルチモード光ファイバ２０は半導体レーザ１０から射出されるレーザ光の光路上に配置されている。

半導体レーザ１０は、ブロードエリア型のレーザダイオードであって、被照射面を照射するためのレーザ光を供給するようになっている。この半導体レーザ１０では、レーザ光は、へき開面の発光点、例えば、遅軸（Ｓｌｏｗ軸）方向の幅が５０μｍ、速軸（Ｆａｓｔ軸）方向の幅が１μｍの偏平な発光スポット（図示せず）から射出されるようになっている。ここで、発光スポットは、主として活性層（図示せず）に形成されるが、活性層の厚さが非常に薄い（例えば１μｍ以下）場合には、発光スポットの一部が活性層の上下にあるクラッド層（図示せず）にも及ぶこともある。

また、半導体レーザ１０は、レーザ媒質の吸収波長帯域と等しい波長帯域（例えば、８０８ｎｍを中心波長λｏとする波長帯域Δλｏ）のレーザ光を射出することが可能であるが、発光スポットおよびその近傍の温度などが変化すると、一般に、その変化に応じて中心波長λｏが変化し得る。もっとも、例えば、後述の外部共振器１３を用いて、その外部共振器１３と、半導体レーザ１０の背面側に設けられたミラー（図示せず）とで一対の共振器を構成するようにした場合には、半導体レーザ１０の中心波長λｏを、半導体レーザ１０の波長帯域Δλｏ内であって、外部共振器１３において最も強い反射を示す波長（λ１）に固定することは可能である。

マルチモード光ファイバ２０は、コア部２１およびクラッド部２２で構成された光導波部２３と、その光導波部２３を被覆する被覆部２４とを有する。ここで、被覆部２４は、例えば光硬化性樹脂からなり、コア部２１およびクラッド部２２を曲げたときにこれらが折れるのを防止する役割を有している。コア部２１は、レーザ光の波長に対して透明な性質を有する材料、例えば石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）により構成され、光通信のシングルモード用のコア部と比べて１０倍以上の直径（例えば５０μｍ以上２００μｍ以下）の円柱状の形状を有する。このコア部２１は、半導体レーザ１０のレーザ光をマルチモードで伝播させる芯線としての役割を有する。クラッド部２２は、コア部２１よりもわずかに小さな屈折率の材料、例えば二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂ ）を微量に含有する石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）により構成され、内径がコア部２１の直径と等しく外径が例えば１００μｍ以上４００μｍ以下の筒状の形状を有する。このクラッド部２２は、コア部２１を被覆しており、コア部２１内を伝播するレーザ光をコア部２１に閉じ込めるための外皮としての役割を有する。

クラッド部２２には、光導波部２３の傾斜面２７（後述）の近傍に外部共振器２５が設けられている。この外部共振器２５は、光軸方向に周期的に屈折率の変化するグレーティング構造、例えば、ボリューム・ブラッグ・グレーティング（Volume Bragg Grating) からなり、傾斜面２７から入射してきたレーザ光のごく一部を半導体レーザ１０にフィードバックするようになっている。

この外部共振器２５は、半導体レーザ１０の背面側に設けられたミラーとで一対の共振器を構成するものであり、グレーティング構造において最も強い反射を示す波長λ１および帯域幅Δλと帯域幅Δλ１との重なる範囲の帯域で半導体レーザ１０を発振させることが可能である。具体的には、グレーティング構造の光軸方向の幅をｄ、バルクの屈折率をｎ、グレーティングの間隔をΛ、グレーティング面の数をＮとすると、λ１およびΔλ１は、以下の式によって一義的に決定される。
Δλ１／λ１＝λ１／（２ｎｄ）＝Λ／ｄ＝１／Ｎ…（１）

マルチモード光ファイバ２０の光導波部２３は、半導体レーザ１０側の一端に端面２６を有する。この端面２６では、中心部にコア部２１が、周縁部にクラッド部２２が同心円状に露出している。端面２６は、コア部２１の中心軸を通る稜線を形成する一対の傾斜面２７，２７を有しており、いわゆる楔形状となっている。このように端面２６に一対の傾斜面２７，２７を形成することにより、端面２６を平坦な面とした場合と比べて、半導体レーザ１０との光学的な結合度を高くすることができ、また、半導体レーザ１０との光学的な結合度を、半導体レーザ１０の発光スポット側の端面とマルチモード光ファイバ２０の端面２６との間隙Ｚ（図１参照）の変化に因らず一定にすることができる。なお、傾斜面２７の傾斜角θ（図３参照）は、光軸と傾斜面２７との間に形成される鋭角の値を指すが、半導体レーザ１０と光導波部２３との光学的な結合度が最も高くなる角度（例えば５５°）となっていることが好ましい。

ところで、半導体レーザ１０と光導波部２３との光学的な結合度を表す結合係数Ｃは、図４に示したように、稜線における先端径Ｒ（図３参照）と、間隙Ｚとの関数となっている。しかし、先端径Ｒおよび間隙Ｚを変化させても結合係数Ｃが変化しない領域があるので、結合係数Ｃが変化しない領域内で先端径Ｒおよび間隙Ｚの値をそれぞれ設定することにより、半導体レーザ１０との光学的な結合度を、間隙Ｚの変化に因らず一定にすることができる。もっとも、先端径Ｒは実使用時には変更することができないものであることから、間隙Ｚを変化させたときに、結合係数Ｃを一定に維持することのできる範囲が最大となる値に先端径Ｒをあらかじめ設定しておくことが好ましい。

台座３０は、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光がコア部２１およびクラッド部２２のうち端面２６に露出している部分に入射する位置（間隙Ｚ＝Ｚ１、図１参照）から、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光がコア部２１のうち端面２６に露出している部分にだけ入射する位置（間隙Ｚ＝Ｚ２、図２参照）まで、半導体レーザ１０を移動することの可能な可動式の台座である。この台座３０は、手動式のステージであってもよいが、何らかのセンサを用いて半導体レーザ１０の位置または間隙Ｚを検知し、その検知結果に応じて半導体レーザ１０を所定の位置に移動する圧電性のステージであってもよい。

ところで、上記した外部共振器２５は、例えば以下のようにして製造することができる。まず、図５に示したように、格子間距離Ｄの回折格子４１を一部に有するスラブ４０と、外部共振器２５の設けられていないクラッド部２２Ｂを有する光導波部２３Ｂとを所定の間隔で対向配置する。その後、スラブ４０側から紫外線Ｌを照射する。すると、紫外線Ｌは回折格子４１によって０次回折光Ｌ０および１次回折光Ｌ１に回折され、クラッド部２２Ｂに干渉縞が形成される。この干渉縞の明および暗の幅はいずれも、回折格子４１の格子間距離Ｄの１／２となっており、クラッド部２２Ｂのうち干渉縞の明の部分に対応する部分の原子間結合が回折光によって破壊され、その部分の屈折率が増加する。

屈折率の増加率は、紫外線Ｌの波長には依存しないものの、紫外線Ｌの強度や、クラッド部２２Ｂの構成材料、クラッド部２２Ｂの表面処理などによって変化し得る。そこで、例えば、クラッド部２２Ｂは、不純物を含有していない石英ガラスよりも紫外線Ｌの照射によって屈折率の変化が生じやすい材料、例えば、ゲルマニウムを微量に含有する石英ガラスにより構成されていることが好ましい。また、例えば、数分間、高輝度で紫外線Ｌを照射した場合には、０．００１％〜０．１％程度しか屈折率は増加しないが、紫外線Ｌを照射する前に、クラッド部２２Ｂの表面を水素ガスに曝露した場合には、クラッド部２２Ｂの表面の紫外線Ｌに対する感度が上がり、屈折率が最大で１％まで増加するので、紫外線Ｌを照射する前に、クラッド部２２Ｂの表面を水素ガスに曝露することが好ましい。

このような構成の光モジュールでは、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光が、入射側の端面２６に入射し、コア部２１とクラッド部２２との界面で反射されながらコア部２１内を伝播し、他方の端面から射出される。

このとき、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光のごく一部をクラッド部２２に入射するようにした場合、すなわち、可動台座３０を用いて半導体レーザ１０を間隙Ｚ＝Ｚ１の位置に配置した場合（図１）には、その光はクラッド部２２内の外部共振器２５によって反射され、半導体レーザ１０に戻ってくる。これにより、外部共振器２５と、半導体レーザ１０の背面側に設けられたミラーとが一対の共振器を構成するので、外部共振器２５において最も強い反射を示す波長λ１で発振するようになる。その結果、半導体レーザの発振波長がその波長に固定されるようになるので、中心波長の安定した光を半導体レーザから射出することができる（図６の実線）。

一方、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光をコア部２１にだけ入射するようにした場合、すなわち、可動台座３０を用いて半導体レーザ１０を間隙Ｚ＝Ｚ２の位置に配置した場合（図２）には、クラッド部２２内の外部共振器２５は半導体レーザ１０の背面側に設けられたミラーと一対の共振器を構成しないので、半導体レーザ１０の内部構造によって決定される波長λｏで発振するようになる。その結果、出力の安定した光を半導体レーザから射出することができる（図６の一点鎖線）。

つまり、間隙Ｚを変化させて、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光の一部をクラッド部２２の外部共振器２５に入射させるか否かを選択することにより、中心波長および光出力のいずれか一方を選択的に安定化することが可能となる。

また、上記のいずれの場合であっても、コア部２１の内部には光を半導体レーザ１０側に戻すような構造は存在しないので、マルチモード光ファイバ２０を透過して射出される光の出力が低下する虞はなく、高出力の光を射出することができる。また、温度制御を必要としないので、実用的であり、構成を簡素にすることができ、コストを安くすることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ１０を移動させて、半導体レーザ１０から射出されたレーザ光の一部をクラッド部２２の外部共振器２５に入射させるか否かを選択するようにしていたが、半導体レーザ１０を移動させる代わりに、マルチモード光ファイバ２０を移動させて、間隙Ｚを調整するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る光モジュールの断面構成図である。 図１の間隙Ｚを狭めたときの断面構成図である。 図１のマルチモード光ファイバの側面図である。 結合係数と、間隙および先端径との関係を説明するための関係図である。 外部共振器の製造方法を説明するための断面構成図である。 間隙Ｚを変化させたときの波長と輝度との関係を説明するための関係図である。

符号の説明

１０…半導体レーザ、２０…マルチモード光ファイバ、２１…コア部、２２…クラッド部、２３…光導波部、２４…被覆部、２５…外部共振器、２６…端面、２７…傾斜面、３０…台座、４０…スラブ、４１…回折格子、Ｃ…結合係数、Ｌ…紫外線、Ｌｏ…０次回折光、Ｌ１…１次回折光、Ｒ…先端径、Ｚ…間隙、θ…傾斜角。

Claims (5)

1. 半導体レーザから射出されたレーザ光をマルチモードで伝播するためのコア部と、
   前記コア部を被覆すると共に伝播されるレーザ光を前記コア部内に閉じ込めるクラッド部と、
   中心部に前記コア部が、周縁部に前記クラッド部が露出している端面と
   を備え、
   前記端面は、前記コア部の中心軸に関して対称で、かつ所定の幅の稜線を形成する一対の傾斜面を有し、
   前記クラッド部は、前記傾斜面の近傍に外部共振器を有する
   ことを特徴とするマルチモード光ファイバ。
2. 前記外部共振器は、ボリューム・ブラッグ・グレーティング（Volume Bragg Grating) からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
3. 半導体レーザとマルチモード光ファイバとを光学的に結合させてなる光モジュールであって、
   前記マルチモード光ファイバは、
   半導体レーザから射出されたレーザ光をマルチモードで伝播するためのコア部と、
   前記コア部を被覆すると共に伝播されるレーザ光を前記コア部内に閉じ込めるクラッド部と、
   中心部に前記コア部が、周縁部に前記クラッド部が露出している端面と
   を備え、
   前記端面は、前記コア部の中心軸に関して対称で、かつ所定の幅の稜線を形成する一対の傾斜面を有し、
   前記クラッド部は、前記傾斜面の近傍に外部共振器を有する
   ことを特徴とする光モジュール。
4. 前記外部共振器は、ボリューム・ブラッグ・グレーティング（Volume Bragg Grating) からなる
   ことを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記半導体レーザから射出されたレーザ光が前記コア部および前記クラッド部のうち前記端面に露出している部分に入射する位置から、前記半導体レーザから射出されたレーザ光が前記コア部のうち前記端面に露出している部分にだけ入射する位置まで、前記半導体レーザを移動することの可能な台座を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
   

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