JP2013140225A - レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換素子で波長変換されない基本波の出力を抑制し、かつ、小型化できること。
【解決手段】基本波を出射するレーザ素子１０１と、基本波が入射され、入射された基本波の少なくとも一部を、基本波より短波長の変換波に波長変換する波長変換素子１０２と、波長変換素子１０２の出射波に含まれる基本波の成分を減衰させて導波する導波路１０３と、導波路１０３に形成され、波長変換素子１０２から出射された基本波をフィードバックしてレーザ素子１０１から出射する基本波の波長または周波数をロックする回折格子１１３と、を備える。回折格子１１３は、導波路中の基本波の減衰量を考慮した位置に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換素子を有する波長変換型のレーザ光源に関する。

レーザ光源は、近赤外波長（ＮＩＲ）の基本波を出射するが、可視波長への波長変換を行い第２高調波（変換波）を出力する技術としては、例えば下記特許文献１に開示されているものがある。この特許文献１に記載の構成は、ＬＤの出射光を、ファイバブラグ格子（ＦＢＧ）が形成された偏光保持ファイバに入射させ発振させるファイバピグテール型のレーザ光源である。波長ロックのための経路途中に波長変換素子を配置することにより、基本波を変換波に波長変換する。

特開２００３−２７０６８６号公報（第２頁、図１）

上述した従来技術では、偏光保持ファイバが発振器の一部として機能するため、この偏光保持ファイバからは、波長変換素子で波長変換されない基本波が出力されてしまうという問題があった。出射光から基本波を取り除くためには、別途フィルタを設ける必要があり、さらに、ＬＤと偏光保持ファイバとの間にレンズを設ける必要があるため、小型化できないものであった。また、ＬＤから出射された光が複数の光学部品を介して出力されるため、光の結合箇所が多く、光損失が増大する。

本発明は、上述の従来技術による問題点を解消するため、基本波の成分を除去した変換波を低損失で効率良く出力でき、小型化できるレーザ光源を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるレーザ光源は、基本波を出射するレーザ素子と、前記基本波が入射され、入射された前記基本波の少なくとも一部を、当該基本波より短波長の変換波に波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の出射波に含まれる前記基本波の成分を減衰させて導波する導波路と、前記導波路に形成され、前記波長変換素子から出射された前記基本波をフィードバックして前記レーザ素子から出射する前記基本波の波長または周波数をロックする回折格子と、を備え、前記回折格子は、前記導波路中の前記基本波の減衰量を考慮した位置に形成されていることを特徴とする。

上記の構成により、波長変換素子から出射された基本波は、導波路に形成された回折格子によりフィードバックされ、基本波の波長または周波数がロックされる。導波路は、基本波の成分を減衰させるため、ＦＢＧが設けられた導波路を設けるだけで、変換波を低損失で効率良く出力できるようになる。

また、前記導波路として、光ファイバを備えることを特徴とする。

上記の構成により、汎用の光ファイバを用いる簡単な構成で変換波を低損失で効率良く出力できるようになる。

また、前記光ファイバの前記回折格子が形成された箇所の周囲が固定されていることを特徴とする。

上記の構成により、光ファイバに対する外力の印加による影響を低減させることができ、変換波を効率良く導波させ、出力できるようになる。

また、前記導波路として、所定の基板上に前記導波路を形成した基板状導波路を備えることを特徴とする。

上記の構成により、外力の印加による影響を低減させることができ、変換波を効率良く導波させ、出力できるようになる。また、基板上に導波路の基板を面接合等により簡単に搭載できるようになる。

また、前記導波路は、前記変換波をシングルモードで導波することを特徴とする。

上記の構成により、変換波を効率良く導波させ、出力できるようになる。

また、前記波長変換素子と前記導波路とを光学的に結合する結合部材として、グレーデッドインデックス型光ファイバを備えることを特徴とする。ここで、グレーデッドインデックス（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）型はグラディエントインデックス（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）型と称する場合もあるが、以下ではグレーデッドインデックス型とする。

また、上記の各構成により、部品点数を削減できるとともに、装置を小型化でき、半導体基板上にレーザ素子および波長変換素子を精度良く搭載でき、組み立ても容易化できるようになる。

本発明により、波長変換素子で波長変換されない基本波の出力を抑制し、低損失で効率良く波長変換でき、小型化できるという効果を奏する。

図１は、この発明にかかるレーザ光源を示す構成図である。 図２は、実施の形態１によるレーザ光源のモジュール構造の例を示す斜視図である。 図３−１は、図２の部分側断面図である。 図３−２は、図３−１のＡ−Ａ線断面図である。 図４は、実施の形態２によるレーザ光源のモジュール構造の例を示す側面図である。 図５は、実施の形態２によるレーザ光源のモジュール構造の例を示す斜視図である。 図６は、図４，図５の断面図である。 図７−１は、回折格子を示す部分拡大斜視図である（その１）。 図７−２は、回折格子を示す部分拡大斜視図である（その２）。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかるレーザ光源の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、この発明にかかるレーザ光源を示す構成図である。このレーザ光源１００は、波長変換素子１０２を有し、第２次高調波を出力するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザ光源である。このレーザ光源１００は、レーザ素子（ＬＤ）１０１と、波長変換素子１０２と、導波路１０３と、結合部材であるＧＩレンズ１０４とから構成されている。

ＬＤ１０１は、近赤外波長（１０６４ｎｍ）の基本波のレーザ光を出射する。波長変換素子１０２には、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）が用いられ、ＬＤ１０１から出射された基本波（たとえば１０６４ｎｍ帯）が入射される。基本波は、波長変換素子１０２内部を伝搬し、ＳＨ（第２高調波）光（変換波、たとえば５３２ｎｍ帯）に変換される。

導波路１０３は、波長変換素子１０２の出射波に含まれる基本波の成分を減衰させて導波する光ファイバ（可視光用光ファイバ）１０３を用いて構成できる。これに限らず、可視光〜近赤外帯域の光を導波する光ファイバを用いても良い。この可視光用光ファイバ１０３は、変換波をシングルモード（ＳＭ）で導波する径を有する。これにより、基本波は、可視光用光ファイバ１０３のコアモードと結合できないため、可視光用光ファイバ１０３はハイパスフィルタとして作用し、入力された基本波の成分を減衰させる。すなわち、可視光用光ファイバ１０３は、変換波のみ伝搬させる波長選択の機能を有する。

この可視光用光ファイバ１０３の端部付近には、回折格子（ファイバーブラッググレーティング：ＦＢＧ）１１３が形成されている。ＦＢＧ１１３は、波長変換素子１０２から出射された基本波をフィードバックしてＬＤ１０１から出射する基本波の波長または周波数をロックする。ＦＢＧ１１３は、基本波に対する反射率を５０〜１００％にすることが望ましい。

図１の例では、ＦＢＧ１１３の一端（入射端）は、可視光用光ファイバ１０３の端部に位置しているが、このＦＢＧ１１３の入射端側の位置、およびＦＢＧ１１３を形成する長さは、導波路中の基本波の減衰量を考慮した位置、および所定範囲の長さ（たとえば１０ｃｍ以内）を有して形成する。

この可視光用光ファイバ１０３は、例えば、Ｎｕｆｅｒｎ ４６０ＨＰを用いる。この可視光用光ファイバ１０３は偏波保持ファイバで構成しても良い。

ところで、ＬＤ１０１からの基本波の一部は、そのまま波長変換素子１０２を透過する。そして、結合部材（ＧＩレンズ）１０４を介して可視光用光ファイバ１０３に形成されているＦＢＧ１１３と結合し、その一部が周波数（波長）選択されて反射する。このフィードバックにより、ＬＤ１０１の周波数（波長）ロックを行う。この実施の形態では、ＦＢＧ１１３の反射バンドと、波長変換素子１０２の変換波長とをマッチングさせ、高効率の波長変換を行う。

また、可視光用光ファイバ１０３の入射側には、結合部材としてのＧＩレンズ１０４を設けることができる。このＧＩレンズ１０４は、波長変換素子１０２からの小モードフィールド径を波長変換素子１０２より大きなモードフィールド径に変換するために用いる。このＧＩレンズ１０４は、グレーデッドインデックス型（またはグラディエントインデックス型）（ＧＩ型）の光ファイバからなるＧＩレンズにより構成されている。このＧＩレンズ１０４としては、汎用のレンズ、例えば、東洋ガラス株式会社製「シリカグリン」を使用することができる。

ＧＩレンズ１０４は、変換波が可視光用光ファイバ１０３のコアと高効率に結合するように設計するが、基本波である近赤外領域においてもＦＢＧ１１３が形成された可視光用光ファイバ１０３のコアへのレンズとして作用し、ＦＢＧ１１３の反射波長域において比較的高い結合を実現することができる。

これにより、波長変換素子１０２で波長変換された変換波は、変換波用に最適化されたＧＩレンズ１０４により、波長変換素子１０２の出射モードフィールドをＦＢＧ１１３が形成された可視光用光ファイバ１０３の端面に高効率に結合できる。そして、可視光用光ファイバ１０３と、ＧＩレンズ１０４は、融着接続により一体化される。

上記のＧＩレンズ１０４を個別の空間光学系レンズで構成した場合には、基本波のＩＲ領域と変換波の可視光領域とで生じる大きな波長分散を補償するため、従来技術の如く複雑で大きな光学系が必要となるが、この実施の形態で説明したＧＩレンズ１０４を用いることにより、高効率で小型の周波数（波長）ロック機能を有するＳＨＧレーザ光源を容易に実現できるようになる。

また、光路上で光の結合箇所は、ＬＤ１０１と波長変換素子１０２との間、波長変換素子１０２と導波路（可視光用光ファイバ１０３）との間の２箇所だけであるため、光損失を低減化でき、高い結合効率を得ることができる。

また、ＧＩレンズ１０４の先端には、基本波および変換波に対する反射を防止する反射防止膜（ＡＲコート等）が施されている。さらに、このＧＩレンズ１０４の先端（入射端面）は、光軸方向に対して斜めに形成するほかに先球状に形成しても良く、これらにより、入射端面における表面反射を低減させＦＢＧ１１３で反射される所定の波長以外のＬＤ１０１への不要な反射光を抑えることができる。また、上記の構成では、基本波の波長を１０６４ｎｍとし、波長変換素子１０２による波長変換後の波長を５３２ｎｍとしたが、これ以外の波長で波長変換を行う構成でも利用可能である。

（実施の形態１：レーザ光源のモジュール構造例１）
図２は、実施の形態１によるレーザ光源のモジュール構造の例を示す斜視図である。この構造例のレーザ光源モジュール２００は、長方形状（平板状）の半導体基板（Ｓｉ基板）２０１上に、上述したＬＤ１０１と、波長変換素子１０２である、ＰＰＬＮと、可視光用光ファイバ１０３の端部を固定保持する光ファイバ固定部２０２と、がそれぞれ設けられ、フェィスダウン実装される。

図３−１は、図２の部分側断面図、図３−２は、図３−１のＡ−Ａ線断面図である。光ファイバ固定部２０２は、Ｓｉ基板からなりブロック状に形成される。この光ファイバ固定部２０２の下面（Ｓｉ基板２０１に向く面）２０２Ｂには、可視光用光ファイバ１０３の被覆部１０３Ａの径に対応した収容溝２０２ａと、可視光用光ファイバ１０３の素線部１０３Ｂの径に対応した収容溝２０２ｂが溝形成されている。

可視光用光ファイバ１０３の端部は、被覆部１０３Ａ部分が収容溝２０２ａ部分に収容した状態で樹脂接着剤等により接合固定される。また、可視光用光ファイバ１０３の先端部は、被覆部１０３Ａから所定長さを有して素線部１０３Ｂが表出される。この素線部１０３Ｂは、収容溝２０２ｂに収容した状態で樹脂接着剤等により接合固定される。これにより光ファイバ固定部２０２には、可視光用光ファイバ１０３の先端部が固定される。この際、可視光用光ファイバ１０３の先端部の光軸（中心位置）は、図３−２に示すように、光ファイバ固定部２０２の下面２０２Ｂの位置に一致する。

光ファイバ固定部２０２は、Ｓｉ基板２０１の端部に接合固定される。Ｓｉ基板２０１の上面（光ファイバ固定部２０２に向く面）２０１Ａには、可視光用光ファイバ１０３に接触せずにこの可視光用光ファイバ１０３を収容する逃がし溝２０１ａが溝形成されている。逃がし溝２０１ａは、光軸調整のためにＳｉ基板２０１上で光ファイバ固定部２０２が縦横自在（図２のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向）に移動できるよう、可視光用光ファイバ１０３の被覆部１０３Ａの径よりも大きい径を有して溝形成されている。

可視光用光ファイバ１０３は、基本波の成分については、電界分布がクラッドに広く分布しており、ファイバに曲げの応力が加わると放射しやすく、長距離に渡る波長変換光（可視光）を安定して導波することができなくなる。

上述したように、可視光用光ファイバ１０３の端部にＦＢＧ１１３を設けることにより、外部からの曲げの応力を受けにくくできる。さらに、ＦＢＧ１１３が設けられた位置を含み、可視光用光ファイバ１０３の端部を光ファイバ固定部２０２で固定する構成とすることにより、より外部からの曲げの応力を受けにくくすることができるようになり、長距離に渡って波長変換光（可視光）を安定して導波することができるようになる。

また、光ファイバ固定部２０２で固定する箇所の可視光用光ファイバ１０３には、フェルールを設け、フェルールを介して光ファイバ固定部２０２を固定することにより、可視光用光ファイバ１０３への外力をさらに受けにくくすることができるようになる。

上記構成によるレーザ光源モジュール２００の組み立てについて説明する。まず、Ｓｉ基板２０１上にＬＤ１０１を載置固定し、この後、ＬＤ１０１の出射光の基本波および変換光をＣＭＯＳカメラや光検出器でモニタしながら光軸調整して波長変換素子１０２を搭載する。そして、Ｓｉ基板２０１上において、波長変換素子１０２の出射位置に光ファイバ固定部２０２を基本波および変換光をモニタしながら載置する。

この状態で、図３−２に示したＳｉ基板２０１の上面２０１Ａに、光ファイバ固定部２０２の下面２０２Ｂが摺動自在に面または多点接合面により接合する。この状態で、可視光用光ファイバ１０３は、光ファイバ固定部２０２の収容溝２０２ａ，２０２ｂにそれぞれ被覆部１０３Ａ，素線部１０３Ｂが固定されており、可視光用光ファイバ１０３の先端の高さ位置は、波長変換素子１０２の出射光の高さ位置に一致する（図３−１に示す状態）。

したがって、この後、光ファイバ固定部２０２を図２のＸ，Ｙ軸方向に移動させることにより、波長変換素子１０２の出射光の光軸と、可視光用光ファイバ１０３の光軸とを光軸合わせできるようになる。この後、光ファイバ固定部２０２をＳｉ基板２０１上に樹脂、あるいは半田等で接合固定させることにより、モジュールの組み立てが完成する。

そして、ＬＤ１０１と、波長変換素子１０２には、Ｓｉ基板２０１に接合する面にＡｕ等の接合部材を設け、この接合部材に微少な突起（マイクロバンプ）を形成し、Ｓｉ基板２０１側にもＡｕ等の接合部材を設ける。これにより、Ｓｉ基板２０１に対し、ＬＤ１０１と、波長変換素子１０２とを常温活性化接合により、常温状態で圧力を加えることなく、精度良く接合することができる。また、接合部材をＡｕ等の導電材を用いることにより、ＬＤ１０１と、波長変換素子１０２の電源および制御端子として併用することができる。

上記実施の形態１によれば、基本波の成分を減衰させて導波する導波路を用い、この導波路の入射端近傍にＦＢＧを設ける構成とすることにより、波長変換素子の出射波に含まれる基本波の成分を除去した成分の光を導波させることができる。ＦＢＧは、ＬＤに対する波長ロックの機能も有しており、ＬＤの出力も安定化できるようになる。また、特別な構成を設けることなく、光損失を低減化し小型化できるレーザ光源を得ることができるようになる。

（実施の形態２：レーザ光源のモジュール構造例２）
図４は、実施の形態２によるレーザ光源のモジュール構造の例を示す側面図、図５は、同斜視図である。実施の形態１では、導波路として可視光用光ファイバ１０３を用いたが、この構造例２のレーザ光源モジュール４００では、導波路を基板で構成し、Ｓｉ基板２０１に接合する構成としている。導波路は、Ｓｉ等の基板からなる基板状導波路４０１で構成することができ、この基板状導波路４０１の下面側に光の導波路４１０が形成される。

また、導波路４１０の途中位置には、回折格子４１１が光軸方向の所定長さ範囲に渡り所定のピッチを有して形成される。図６は、図４，図５のＡ−Ａ‘線断面図である。図示のように、光軸方向に沿って基板状導波路４０１の中央部分は、凸形状のリッジにより導波路４１０が形成されている。また、導波路４１０には、回折格子４１１が形成されている。回折格子４１１は、たとえば、フォトリソ法等により簡単に形成することができる。

この基板状導波路４０１の下面には、Ａｕ等の接合部材６０１が形成されており、Ｓｉ基板２０１側の接合位置にも同様にＡｕ等の接合部材が形成されている。これにより、基板状導波路４０１は、Ｓｉ基板２０１にこれらＡｕ同士の接合部材６０１を介して簡単に接合することができる。

また、基板状導波路４０１、あるいはＳｉ基板２０１の一方の接合部材６０１に微少な突起（マイクロバンプ）を形成しておくことにより、常温活性化接合により、常温状態で圧力を加えることなく、Ｓｉ基板２０１に対して基板状導波路４０１を接合することができる。

そして、この実施の形態２によれば、Ｓｉ基板２０１上に設けるＬＤ１０１と、波長変換素子１０２と、導波路の基板状導波路４０１の全てを、常温活性化接合の方法を用いてＳｉ基板２０１上に精度良く搭載することができる。

図７−１、および図７−２は、それぞれ回折格子を示す部分拡大斜視図である。図７−１には、図６に示したようなリッジにより形成した凸形状の導波路４１０に回折格子４１１を形成した例を示している。図７−２の構成例は、プロトン交換により形成した導波路４１０に回折格子４１１を設けた例を示している。この場合、導波路４１０は、凸形状とはならず、基板状導波路４０１の内部に形成され、回折格子４１１は、基板状導波路４０１の面上に設ける。

上記構成によれば、平板状のＳｉ基板上に光部品を精度良く搭載でき、最小限の部品点数だけで小型で安価なレーザ光源を得ることができる。また、組み立て時における光部品間の光軸調整を容易に行うことができる。

上記実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、基本波の成分を減衰させて導波する導波路を用い、この導波路の入射端近傍に回折格子を設ける構成とすることにより、波長変換素子の出射波に含まれる基本波の成分を除去した成分の光を導波させることができる。回折格子は、ＬＤに対する波長ロックの機能も有しており、ＬＤの出力も安定化できるようになる。また、特別な構成を設けることなく、光損失を低減化でき小型化できるレーザ光源を得ることができるようになる。

また、導波路についても基板で形成し、Ｓｉ基板上に接合する構成としたので、Ｓｉ基板上の全ての光学素子を面接合等により容易に搭載できるようになる。また、導波路自体を基板で形成したので、外力を受けにくく所定の導波路の特性を維持し、変換後の波長のみを外部出力できるようになる。

本願発明は、外部共振器型で波長ロックする構成、およびパルスレーザを用いて基本波の一部を戻し周波数ロックする構成のいずれにおいても適用可能である。

以上のように、本発明にかかるレーザ光源は、基本波を変換して変換波を出力する波長変換素子を備えたレーザ光源に有用であり、特に、高効率で小型なレーザ光源、および、このレーザ光源を備えた光通信システムやレーザプロジェクタなどのディスプレイシステムにおける光源に適している。

１００ レーザ光源
１０１ ＬＤ
１０２ 波長変換素子
１０３ 導波路（可視光用光ファイバ）
１０４ 結合部材（ＧＩレンズ）
１１３ ＦＢＧ
２００ レーザ光源モジュール
２０１ 半導体基板
２０１ａ 逃がし溝
２０２ 光ファイバ固定部
２０２ａ，２０２ｂ 収容溝
４０１ 基板状導波路
４１０ 導波路
４１１ 回折格子

Claims (6)

1. 基本波を出射するレーザ素子と、
   前記基本波が入射され、入射された前記基本波の少なくとも一部を、当該基本波より短波長の変換波に波長変換する波長変換素子と、
   前記波長変換素子の出射波に含まれる前記基本波の成分を減衰させて導波する導波路と、
   前記導波路に形成され、前記波長変換素子から出射された前記基本波をフィードバックして前記レーザ素子から出射する前記基本波の波長または周波数をロックする回折格子と、を備え、
   前記回折格子は、前記導波路中の前記基本波の減衰量を考慮した位置に形成されている ことを特徴とするレーザ光源。
2. 前記導波路として、光ファイバを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
3. 前記光ファイバの前記回折格子が形成された箇所の周囲が固定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源。
4. 前記導波路として、所定の基板上に前記導波路を形成した基板状導波路を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
5. 前記導波路は、前記変換波をシングルモードで導波する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
6. 前記波長変換素子と前記導波路とを光学的に結合する結合部材として、グレーデッドインデックス型光ファイバを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。

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