JP2009117522A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の実効利用効率の低下を防ぐことができるレーザモジュールを提供する。
【解決手段】光ファイバアレイ４０は、出力用光ファイバ４６、モニタ用光ファイバ４８、５０の３本の光ファイバで構成され、これらの一端にフェルール４２が取り付けられている。また、出力用光ファイバ４６の他端にはコネクタ５２が、モニタ用光ファイバ４８、５０の他端には受光素子５４、５６が取り付けられている。受光素子５４、５６は、半導体ＬＤ（レーザダイオード）のＡＰＣ制御を行う制御部に接続される。この制御部は、受光素子５４、５６により受光されたレーザ光に基づいて、半導体ＬＤ１４のＡＰＣ制御を行う。モニタ用光ファイバ４８、５０には、半導体ＬＤの活性層の発光エリア以外のエリアから出力された光がモニタ用として入射される。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザモジュールに係り、特に、出射されたレーザ光をモニタして出力制御することが可能なレーザモジュールに関する。

従来、レーザ光が設定通りに出力されるように、出射されたレーザ光をモニタし、その結果に基づいてレーザ光の出力を制御（ＡＰＣ制御）することが行われている。

例えば特許文献１には、レーザ光の発振部とメカニカルシャッタの間のレーザ光路上にレーザ光の一部を反射させる反射板を設けると共に、反射光の光路上に光検知部を設けてＡＰＣ制御を行う装置が開示されている。

また、特許文献２には、半導体レーザを収容したパッケージ内の出力窓にＡＲコートを施してレーザ光を反射させ、これを受光素子で受光してＡＰＣ制御を行う装置が開示されている。

また、特許文献３には、複数のレーザ光源から成るレーザアレイを、複数のレンズから成るレンズアレイを介して複数の光ファイバから成る光ファイバアレイとを結合させる際に、これらの調芯を確実に行う技術が開示されている。
特開２００２−３４４０７５号公報 特開２００４−７２０７２号公報 特開平１０−９０５６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、一部のレーザ光を利用してＡＰＣ制御しているためレーザ光の実効利用効率が減少してしまう、という問題があった。また、波長が紫外領域のレーザ光を用いた場合、他波長領域のレーザ光を用いた場合と比較して反射板が著しく劣化し、経時的に安定したＡＰＣ制御を行うのが困難である、という問題もあった。

また、特許文献２に記載された技術では、特許文献１記載の技術と同様にレーザ光の実効利用効率が減少してしまうと共に、パッケージ内での乱反射によりノイズ効果が高くなり、高精度にＡＰＣ制御を行うのが困難である、という問題があった。

また、特許文献３に記載された技術では、レーザ光源と光ファイバの数が同数であるため、各レーザ素子についてＡＰＣ制御を行う場合に例えば特許文献１や特許文献２に記載された技術を適用した場合、上記と同様の問題が発生する。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザ光の実効利用効率の低下を防ぐことができるレーザモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射された光を集光させるレンズと、前記レンズを透過した光のうち、前記レーザ光源の活性層の発光エリアから発光されたレーザ光を受光する出力用光ファイバと、前記レンズを透過した光のうち、前記発光エリア以外から出力された光をモニタ用として受光する受光手段と、を備えたことを特徴としている。

この発明によれば、レーザ光源の活性層の発光エリア以外から出力された光をモニタ用として受光する受光手段を備えているので、発光エリアから出力されたレーザ光の一部を分岐させてモニタ用とする必要がなく、レーザ光の実効利用効率が低下するのを抑えることができる。

なお、請求項２に記載したように、前記レーザ光源は、前記活性層が前記レーザ光源と略同一の幅を有するゲインガイド構造であり、前記受光手段は、前記活性層のうち前記発光エリア以外のエリアから出力された光を受光可能に配置された構成としてもよい。

この発明によれば、活性層の幅がレーザ光源と略同一の幅を有しており、活性層のうち発光エリア以外のエリアからも光が導波されるので、これをモニタ用として利用することができる。

この場合、請求項３に記載したように、前記受光手段と前記出力用光ファイバとが、前記活性層の幅方向に沿って配置された構成としてもよい。これにより、レーザ光源と、受光手段及び光ファイバとを効率よく結合させることができる。

また、請求項４に記載したように、前記受光手段は、前記活性層以外の層から出力された基板モードの光を受光するように配置された構成としてもよい。

この発明によれば、活性層以外の層から出力された基板モードの光を受光するので、ゲインガイド構造に限らず活性層の両側をエッチングしてレーザ光源の幅よりも小さい幅の活性層とした狭リッジ構造やインデックスガイド構造のレーザ光源にも本発明を適用できる。

また、請求項５に記載したように、前記受光手段を複数備え、少なくとも前記出力用光ファイバの両側に配置された構成としてもよい。これにより、レーザ光源と、受光手段及び出力用光ファイバとを効率良く結合させるための調芯作業を容易にすることができる。

また、請求項６に記載したように、前記受光手段が、前記レンズを透過した光のうち前記発光エリア以外から出力された光を入射し受光素子に導光するモニター用光ファイバを有する構成としてもよい。これにより、受光手段及び出力用光ファイバを複数本の光ファイバから成る光ファイバアレイで構成することができる。

また、請求項７に記載したように、前記受光素子により受光された光に基づいて、前記レーザ光源の駆動エネルギーを制御することにより前記レーザ光源から出射された光の強度を制御する制御手段を備えた構成としてもよい。これにより、レーザ光源から出射された光の強度を所望の強度に維持することができる。

本発明によれば、レーザ光の実効利用効率の低下を防ぐことができる、という効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態に係るレーザモジュール１０の側面の断面図を示した。同図に示すように、レーザモジュール１０は、ＣＡＮパッケージ１２を備えている。

丸形のＣＡＮパッケージ１２は、レーザ光源としての半導体ＬＤ（レーザダイオード）１４が実装されている。この半導体ＬＤ１４は、例えば発光幅１０μｍのマルチモードブロードエリア半導体ＬＤで出力が１００ｍＷ以上のものを用いることができる。

半導体ＬＤ１４は、パッケージ内のブロック１６にＡｕＳｎロウ材を用いて実装されている。そして、半導体ＬＤ１４からのレーザ光の出射窓１８が設けられたＣＡＰ２０が例えば抵抗溶接によりＣＡＮパッケージ１２の基台２２に取り付けられており、内部が気密封止されている。

半導体ＬＤ１４が密封されたＣＡＮパッケージ１２は、ＬＤホルダ２４に圧入固定されている。なお、ＣＡＮパッケージ１２は、圧入以外にＹＡＧ熔接などの熔接や半田、接着剤を用いてＬＤホルダ２４に固定しても良い。

ＣＡＮパッケージ１２のレーザ光の出射側には、集光レンズ２６が設けられている。この集光レンズ２６は、例えば倍率４倍のレンズが用いられ、半導体ＬＤ１４から出射されたレーザ光を集光する。

集光レンズ２６は、例えば接着剤によって集光レンズホルダ２８に固定されている。なお、集光レンズ２６は、圧入により集光レンズホルダ２８に固定されてもよい。

集光レンズホルダ２８は、ＬＤホルダ２４にレーザ光の光軸方向に摺動自在に嵌め合わされている。

また、集光レンズホルダ２８には、ガラススタブ３０を保持するスタブホルダ３２が取り付けられている。なお、ガラススタブ３０は、例えば屈折率が１．５のガラスを用いることができる。スタブホルダ３２は、集光レンズホルダ２８上に例えばＹＡＧ溶接によって固定されるが、接着剤や半田で固定されてもよい。

スタブホルダ３２の内側にはスリーブ３４が設けられている。スリーブ３４は、装置の組み立て時に後述する調芯を行うため、スタブホルダ３２内をＸ，Ｚ方向に微小に移動可能となっており、この調芯後に固定される。

このスリーブ３４内には光ファイバアレイ４０にフェルール４２が取り付けられたサブアッセンブリ４４が挿入される。サブアッセンブリ４４は、後述する調芯により半導体ＬＤ１４と効率よく結合できるような位置でスリーブ３４内に固定される。

光ファイバアレイ４０は、図２に示すように、出力用光ファイバ４６、モニタ用光ファイバ４８、５０の３本の光ファイバで構成され、これらの一端にフェルール４２が取り付けられている。また、出力用光ファイバ４６の他端にはコネクタ５２が、モニタ用光ファイバ４８、５０の他端には受光素子（例えばフォトダイオード）５４、５６が取り付けられている。受光素子５４、５６は、半導体ＬＤ１４のＡＰＣ制御を行う図示しない制御部に接続される。この制御部は、受光素子５４、５６により受光されたレーザ光に基づいて、半導体ＬＤ１４のＡＰＣ制御を行う。

図３に示すように、フェルール４２には長穴４２Ａが設けられており、この長穴４２Ａに、断面が円形状でかつ直径が同一の３本の光ファイバが一列に並んで挿入された状態で固定されている。各光ファイバとフェルール４２とは、例えばエポキシ系接着剤樹脂によって固定されている。

なお、出力用光ファイバ４６、モニタ用光ファイバ４８、５０、そのコア４６Ａ、４８Ａ、５０Ａのコア径が例えば６０μｍで、クラッド４６Ｂ、４８Ｂ、５０Ｂの厚さが２０μｍ、すなわち外径が８０μｍのマルチモードファイバを用いることができる。

また、フェルール４２の断面は円形状であると共に、その外径はスリーブ３４の内径と略同一となっており、フェルール４２をスリーブ３４に挿入するだけで半固定することができる。これにより、詳細は後述するが、フェルール４２をスリーブ３４に挿入し、回転させることで半導体ＬＤ１４と効率よく結合させることができる位置を調整することができる。

図４には、半導体ＬＤ１４の構成を斜視図により示した。半導体ＬＤ１４は、ｎ側電極６０、ＧａＮ基板６２、ｎ側クラッド層６４、活性層６６、キャリアブロック層６８、ｐ側クラッド層７０、電流ブロック層７２、及びｐ側電極７４が積層された構成である。

また、ｐ側クラッド層７０には、光を閉じ込めるためのストライプ状のリッジ部７０Ａが形成されており、このリッジ部７０Ａの両側は電流ブロック層７２により挟まれている。このように、半導体ＬＤ１４は、ＧａＮ系のメサストライプ構造の半導体レーザで構成されている。

図４に示すように、半導体ＬＤ１４が、活性層６６がエッチングされてリッジ部７０Ａと略同一の幅となる狭リッジ構造ではなく、活性層６６が半導体ＬＤ１４の幅Ｗと同一の幅を有するゲインガイド構造の場合、出力用光ファイバ４６に入射させるべきレーザ光はリッジ部７０付近の発光エリア６６Ａから発光されたレーザ光であるが、発光エリア６６Ａ以外のエリア６６Ｂからも光が導波される。

例えば図５（Ａ）に示すように、半導体ＬＤ１４が、活性層６６の厚みが２〜３μｍ、発光エリア６６Ａが１０μｍの半導体レーザの場合、倍率が４倍の集光レンズ２６を透過した後の光ファイバアレイ４０の端面におけるビーム形状は、同図（Ｂ）に示すビーム形状７８のようになる。同図（Ｂ）に示すように、リッジ部７０Ａに対応する位置、すなわち活性層６６の中央付近における発光エリア６６Ａから発光されたレーザ光の出力用光ファイバ４６の端面におけるビーム形状７８Ａの幅は４０μｍとなる。従って、出力用光ファイバ４６のコア４６Ａのコア径は、ビーム形状７８Ａの幅以上のコア径とする。本実施形態では、同図（Ｃ）に示すように、各光ファイバのコア径を６０μｍとし、外径を８０μｍとしている。

また、発光エリア６６Ａ以外のエリア６６Ｂから導波された光の光ファイバアレイ４０の端面におけるビーム形状は、同図（Ｂ）に示すビーム形状７８Ｂのようになり、これがモニタ用として利用される。従って、出力用光ファイバ４６、モニタ用光ファイバ４８、５０は、活性層６６の幅方向と同一方向に沿って配置することが好ましいが、出力用光ファイバ４６に出力光として利用するのに十分な強度のレーザ光が入射され、モニタ用光ファイバ４８、５０にモニタ光として利用するのに十分なレーザ光が入射されるのであればよい。従って、各光ファイバの配列方向が活性層６６の幅方向と必ずしも同一方向でなくてもよく、また、各光ファイバが必ずしも直線的に配列されていなくてもよい。なお、モニタ用の光を効率よくモニタ用光ファイバに入射させるために各光ファイバのコアを近づけるべくクラッドの厚さはなるべく薄くすることが好ましい。

次に、半導体ＬＤ１４と光ファイバアレイ４０とを調芯する方法、すなわち各光ファイバに入射されるレーザ光の強度が各々最大となる位置に光ファイバアレイ４０の位置を調整する方法について説明する。

まず、半導体ＬＤ１４の基板底面が下になるようにＣＡＮパッケージ１２を固定し、光ファイバアレイ４０が挿入されたスリーブ３４がスタブホルダ３２内に挿入された状態でレーザ発振させる（アクティブアライメント）。

そして、出力用光ファイバ４６から出力される光の強度を計測しながらスリーブ３４をＸ，Ｚ方向に微小に移動させ、光強度が最も大きくなる位置でスリーブ３４をスタブホルダ３２内に固定する。次に、光ファイバアレイ４０とフェルール４２とから成るサブアッセンブリ４４を回転させながらモニタ用光ファイバ４８、５０から出力される光の強度を計測し、それぞれが最大になる位置でスリーブ３４に固定する。これにより、半導体ＬＤ１４と光ファイバアレイ４０とを最も効率よく結合させることができる。

図６には、上記のように調芯した場合の各光ファイバのレーザ駆動電流に対する出力特性を測定した結果を示した。同図に示すように、出力用光ファイバ４６の出力特性Ｏｕｔ−Ｐは、電流が所定閾値ｔｈ以上になる辺りから出力が急激に増加する特性となっているが、モニタ用光ファイバ４８の出力特性ＰＤ１、モニタ用光ファイバ５０の出力特性ＰＤ２、モニタ用光ファイバ４８、５０の出力を合わせた場合の出力特性ＰＤ１＋２も、電流が所定閾値ｔｈ以上になる辺りから出力も増加する特性となっている。

従って、少なくとも所定閾値ｔｈ以上の電流で半導体ＬＤ１４を駆動することで、モニタ用光ファイバ４８、５０の少なくとも一方から出力された光を用いて半導体ＬＤ１４のＡＰＣ駆動を行うことができる。このように、出力が１００ｍＷ以上の半導体ＬＤを用いた場合、発光エリア６６Ａ以外から漏れる光も測定可能となるため、これをモニタ用として利用することができる。

なお、同図に示すように、モニタ用光ファイバ４８、５０の何れかだけを用いてもモニタ用の光を検出することが可能であることから、モニタ用光ファイバを１本としてもよい。また、モニタ用光ファイバを３本以上としてもよい。

図７には、出力用光ファイバ４６から出力される光の強度とモニタ用光ファイバ４８から出力される光の強度との相関値ＰＤ１、出力用光ファイバ４６から出力される光の強度とモニタ用光ファイバ５０から出力される光の強度との相関値ＰＤ２、出力用光ファイバ４６から出力される光の強度とモニタ用光ファイバ４８、５０から出力される光を合わせた光の強度との相関値ＰＤ１＋ＰＤ２を示した。同図に示すように、相関値ＰＤ１＋ＰＤ２が最も高く、出力用光ファイバ４６の出力特性に最も近いことが判る。従って、モニタ用光ファイバ４８、５０の２本のモニタ用光ファイバを用いてＡＰＣ制御を行うことが好ましく、これによりＡＰＣ制御の精度を向上させることができる。

また、図８には、本実施形態に係るレーザモジュール１０を用いてＡＰＣ制御を行った場合とＡＰＣ制御を行わなかった場合における出力用光ファイバ４６の出力変化率の特性を示した。同図に示すように、ＡＰＣ有りの方が出力変動が小さく０．１５％、ＡＰＣ無しの出力変動は０．３７％であった。これより、本実施形態に係るレーザモジュール１０を用いてＡＰＣ制御を行うことで出力変動を低減することができることが判った。

このように、本実施形態では、半導体ＬＤ１４の活性層６６の発光エリア６６Ａ以外から出力された光、すなわち本来利用すべき発光エリア６６Ａから出力されたレーザ光以外の光をモニタ用として利用するので、発光エリア６６Ａから出力されたレーザ光の一部を分岐させたりする必要がなく、レーザ光の実効利用効率が低下するのを抑えることができる。

なお、本実施形態では、リッジ部７０Ａ付近の発光エリア６６Ａ以外のエリア６６Ｂから導波された光をモニタ用光ファイバ４８、５０に入射させてモニタ光として利用することが可能なレーザモジュールについて説明したが、半導体ＬＤ１４から出力される光には、発光エリア６６Ａから出力される光や発光エリア６６Ａ以外のエリア６６Ｂから導波される光だけでなく、活性層６６以外の層、例えばＧａＮ基板６２等の他の層から出力される（漏れる）所謂基板モードの光もある。このため、基板モードの光をモニタ用光ファイバ４８、５０の少なくとも一方に入射させるように調芯した構成としてもよい。この場合、光ファイバアレイ４０の各光ファイバを活性層６６の幅方向と同一方向に配列する必要はなく、例えば活性層６６の幅方向と直交する方向に配列するようにしてもよい。

また、本実施形態では、活性層６６の幅が半導体ＬＤ１４の素子の幅と同一である構成の半導体レーザに本発明を適用した場合について説明したが、発光エリア６６Ａの両側をエッチングした狭リッジ構造の半導体レーザにも本発明を適用可能である。この場合、上記基板モードの光をモニタ用光ファイバ４８、５０の少なくとも一方に入射させるように調芯すればよい。

また、本実施形態では、モニタ光を入射させる手段として光ファイバを用いた場合について説明したが、これに限らず、フォトダイオードをモニタ用の光が入射する位置に直接配置するようにしてもよいし、その位置に反射ミラーを配置して、反射ミラーからの光を直接又は光ファイバ等の光学部材を介してフォトダイオードに入射させる構成としてもよい。

また、本実施形態では、サブアッセンブリ４４が、フェルール４２に設けられた長穴４２Ａ内に３本の光ファイバが一列に並んで挿入された構成の場合について説明したが、サブアッセンブリ４４は、各光ファイバが並列に融着された光ファイバアレイを用いた構成としてもよく、また、Ｖ溝が設けられた基板に各光ファイバが並べられた構成としてもよい。

なお、本実施形態では、半導体ＬＤとしてＧａＮ系の半導体ＬＤを採用した場合について説明したが、これに限らず、例えば赤色や赤外の半導体ＬＤにも本発明を適用可能である。具体的には、例えばＧａＡｓ（ガリウムヒ素）系の高出力半導体ＬＤ（波長：６４０〜１１００ｎｍ）や、ＩｎＰ（インジウムリン）系の高出力半導体ＬＤ（波長：１３００ｎｍ〜）にも本発明を適用可能である。

レーザモジュールの側面の断面図である。 サブアッセンブリの概略構成図である。 光ファイバアレイ４０の端面図である。 半導体ＬＤの斜視図である。 （Ａ）は活性層のサイズについて説明するための図、（Ｂ）は光ファイバアレイの端面におけるレーザ光のビーム形状を示す図、（Ｃ）は各光ファイバの端面図である。 半導体ＬＤの駆動電流と各光ファイバの出力との関係を示すグラフである。 出力用光ファイバの出力とモニタ用光ファイバの出力との相関値を示すグラフである。 ＡＰＣ制御有りの場合と無しの場合における出力変動特性を示す図である。

符号の説明

１０ レーザモジュール
１２ ＣＡＮパッケージ
１４ 半導体ＬＤ
２６ 集光レンズ（レンズ）
３４ スリーブ
４０ 光ファイバアレイ
４２ フェルール
４４ サブアッセンブリ
４６ 出力用光ファイバ
４８、５０ モニタ用光ファイバ（受光手段）
５４、５６ 受光素子
６６ 活性層
６６Ａ 発光エリア
６６Ｂ エリア
７０Ａ リッジ部

Claims (7)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された光を集光させるレンズと、
   前記レンズを透過した光のうち、前記レーザ光源の活性層の発光エリアから発光されたレーザ光を受光する出力用光ファイバと、
   前記レンズを透過した光のうち、前記発光エリア以外から出力された光をモニタ用として受光する受光手段と、
   を備えたレーザモジュール。
2. 前記レーザ光源は、前記活性層が前記レーザ光源と略同一の幅を有するゲインガイド構造であり、前記受光手段は、前記活性層のうち前記発光エリア以外のエリアから出力された光を受光可能に配置されたことを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
3. 前記受光手段と前記出力用光ファイバとが、前記活性層の幅方向に沿って配置されたことを特徴とする請求項２記載のレーザモジュール。
4. 前記受光手段は、前記活性層以外の層から出力された基板モードの光を受光するように配置されたことを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
5. 前記受光手段を複数備え、少なくとも前記出力用光ファイバの両側に配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のレーザモジュール。
6. 前記受光手段が、前記レンズを透過した光のうち前記発光エリア以外から出力された光を入射し受光素子に導光するモニター用光ファイバを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のレーザモジュール。
7. 前記受光素子により受光された光に基づいて、前記レーザ光源の駆動エネルギーを制御することにより前記レーザ光源から出射された光の強度を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載のレーザモジュール。

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