JP3607211B2 - 光導波路、光モジュール、光ファイバレーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光部品間を光接続する光導波路の構造に関し、この光導波路を用いて光接続した光モジュールおよびこの光モジュールを利用した光ファイバレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザから出射された光を、高効率で光ファイバと光接続するために、光導波路本体を用いて半導体レーザのスポットサイズを光ファイバのスポットサイズに変換する方法がある。この従来の光導波路について図９〜図１１を用いて説明する。
【０００３】
図９において、９０１は半導体レーザを示し、この半導体レーザ９０１の幅ｗ、高さｈの出射領域９０２からレーザ光を出射する。図１０において、１００１は光ファイバを示し、径ｄの領域１００２が光の受光領域である。半導体レーザ９０１の出射領域９０２と光ファイバ１００１の受光領域１００２は一致しないため、これらを直接光結合したのでは光の結合効率は低下する。そのため、図１１に示す光導波路本体１１０１を介して半導体レーザ９０１と光ファイバ１００１とを光結合する。
【０００４】
半導体レーザ９０１から出射された光は、全反射しながら伝播していくが、ここで光導波路本体１１０１の入射側１１０２の寸法を半導体レーザの出射領域９０２の寸法に合わせ、光導波路本体１１０１の出射側１１０３の寸法を光ファイバの受光領域１００２の寸法に合わせておくことで、光導波路本体１１０１が半導体レーザ９０１から出射された光のスポットサイズを、光ファイバ１００１のスポットサイズに変換する機能を有し、高効率で半導体レーザ９０１から出射された光を光ファイバ１００１に入力することができる。
【０００５】
ただし、スポット形状が一致しただけでは光が結合されない。すなわち、光導波路本体１１０１から出射される光の広がり角が光ファイバ１００１の受光角以内である必要がある。光導波路本体１１０１から出射される光の広がり角は、半導体レーザ９０１から出射される光の広がり角と光導波路本体１１０１の形状によって決定される。
【０００６】
ここで図９に示すように、半導体レーザ９０１から出射される光の広がり角９０３を幅方向でＳｘ＿ＬＤ、高さ方向でＳｙ＿ＬＤ、光導波路本体入射面の幅をｗ、高さｈ、光導波路本体の出射面を幅ｄｘ、高さとｄｙとすると、図１１に示すように光導波路本体１１０１から出射される光の広がり角１１０４の幅方向Ｓｘ＿ＷＧ、高さ方向Ｓｙ＿ＷＧは、光導波路本体の側面が半導体レーザの出射領域の幅方向と高さ方向に対し垂直な場合、近似的にそれぞれの軸を独立に扱うことができ、次式（１）の正弦条件を満たす。
【０００７】
sin（Ｓx_WG）＝sin（Ｓx_LD）・（ｗ／ｄx）
sin（Ｓy_WG）＝sin（Ｓy_LD）・（ｈ／ｄy） … （１）
一般に、半導体レーザの出射幅ｗは高さｈに対して大きいため、光導波路本体から出射される光の広がり角１１０４は、高さ方向Ｓy_WGよりも幅方向Ｓx_WGが大きくなる。その結果、幅方向の光の広がり角Ｓx_WGが光ファイバの受光角Ｓ_FBを超えてしまい、超えてしまった光は光ファイバに結合することができない。半導体レーザは高出力になるほど出射領域の幅ｗは大きくなるため、この傾向はより顕著になり、半導体レーザと光ファイバの結合効率は低下する。
【０００８】
【発明が解決しようとする手段】
上記したように、従来のスポットサイズ変換型の光導波路を用いて半導体レーザから出射される光を光ファイバに光結合する場合、半導体レーザの出射領域幅が広いと結合効率が低下する。
【０００９】
この発明の目的は、半導体レーザの出射領域幅が広い場合にも高効率で光ファイバに光結合することが可能な光導波路およびこの光導波路と半導体レーザ等の光部品とを組み合わせた光モジュールおよびこの光モジュールを利用した光ファイバレーザ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、この発明では出射領域幅が広い光部品と光ファイバを光接続する光導波路にあって、コアと該コアの光の進行方向を残して周辺を囲んだクラッドとからなる光導波路のコアの入射寸法を前記光部品の出射領域の寸法に、前記光導波路のコアの出射寸法を前記光ファイバの入射寸法とにそれぞれ合わせるとともに、前記光導波路のコアの側面の一部を前記光部品の出射領域の幅方向、高さ方向に対して斜めに形成する。
【００１１】
この光導波路と光部品との組み合わせて光モジュールを構成し、この光モジュールと光ファイバレーザとを組み合わせて光ファイバレーザ装置を構成する。
【００１２】
これにより、光のスポットサイズが光部品から光ファイバのスポットサイズへ変換されるとともに、光が斜めの側面で反射された際に、広がり角の幅方向成分と高さ方向成分が変換されるため、光導波路のコアから出射された光の広がり角が特定の方向のみ大きくなるのを防ぐことができる。また、出射領域幅が広い光部品から出射した光と高効率で光ファイバに光接続することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、この発明の光導波路の第１の実施の形態について説明するための斜視図である。図１において、１０１は光導波路本体を示し、光導波路本体１０１はコア１０２とクラッド１０３より構成する。コア１０２の屈折率をクラッド１０３の屈折率よりも高くしておくことで、コア１０２に入射された光はコア１０２とクラッド１０３の境界付近で反射を繰り返しながらコア１０２内を伝播していく。１０４は半導体レーザ、１０５は光ファイバを示す。
【００１５】
この例では半導体レーザ１０４から出射された光を、光ファイバ１０５に結合するために光導波路本体１０１を利用する。光導波路本体１０１において１０７はコア１０２の入射面を示し、この入射面１０７の寸法は半導体レーザ出射領域１０６の幅ｗと高さｈに合わせてある。１０８はコア１０２の出射面を示し、この出射面１０８の寸法は光ファイバ１０５の受光領域１０９の寸法ｄｘ，ｄｙに合わせてある。
【００１６】
ここで、光導波路本体１０１の入射側幅方向をｘ軸とし、高さ方向をｙ軸とし、伝播方向をｚ軸とすると、コア側面を入射面１０７に接するとともにｘ軸ｙ軸に垂直な４側面と、出射面に接するとともにｘ軸ｙ軸と４５度の角度をなす４側面から構成する。
【００１７】
図２を用いながらコア１０２内を光が伝播される様子について説明する。図２の２０１と２０３は、それぞれコア１０２の断面図を示す。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、コア１０２の断面の側面がｘ軸ｙ軸に対し垂直な場合、側面で反射しても光線２０２のｘ成分とｙ成分の値は、それぞれ符号が反転するのみである。
【００１９】
一方（ｂ）に示すように、側面がｘ軸ｙ軸と４５度の角度をなしている場合、側面で反射すると光線２０４のｘ成分とｙ成分の値が入れ替わる。光導波路本体１０１の入射面の寸法ｗ、ｈと出射面の寸法ｄｘ、ｄｙを比較して、ｗ＞ｄｘおよびｈ＜ｄｙの関係にあるとき、光導波路本体を伝播中の光の広がり角はｘ方向でより大きくなり、ｙ方向でより小さくなるように作用する。このため光導波路本体の側面がｘ軸ｙ軸に垂直な場合、光導波路本体から出射する光の広がり角は伝播前に比べｘ方向に大きく、ｙ方向に小さくなる。
【００２０】
しかし、図１のように側面が傾いている場合は、伝播中に広がり角のｘ成分とｙ成分の値が入れ替わるため、ｘ方向の広がり角を大きくする作用とｙ成分の広がり角を小さくする作用が相殺される。このため光導波路本体１０１から出射される光の広がり角１１１は、ｘ方向とｙ方向で均一の大きさをもち、特定の方向のみ広がり角が大きくなるのを防ぐことができる。
【００２１】
図３（ａ）〜（ｅ）は、この発明の第１の実施の形態のコアの変形例を示すものであり、３０１、３０３、３０５、３０７、３０９はそれぞれの斜視図を示し、３０２、３０４、３０６、３０８、３１０はそれぞれＡ−Ａ´断面図を示す。
【００２２】
すなわち、図１のコア１０２の側面は、光導波路本体１０１の入射幅と高さ方向に対して４５度の傾きを持つものとしたが、４５度の傾きをもっている必要はない。図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、幅（ｘ）方向と高さ（ｙ）方向に対して側面が垂直以外なら良く、反射により光線の広がり角ｘ成分とｙ成分の値が入れ替わる状態にあれば良い。側面が４５度の傾きでない場合、複数回反射することによってｘ成分とｙ成分の値が入れ替わることになる。
【００２３】
また、垂直以外の側面が一部含まれていれば良い。さらに、光導波路本体は屈折率の違うコアとクラッドから構成する他に、コア側面に相当する部分を光を反射するミラーで構成したものでもよく、コア側面に相当する部分で反射を繰り返しながら光を伝播していく構成の光導波路であれば、この発明を適用することが可能である。
【００２４】
図４は、この発明の第２の実施の形態について説明するための斜視図であり、この図は光導波路本体のコア部分だけを示したものである。図１の実施の形態では光導波路本体の入射幅ｗと高さｈに対し、出射寸法ｄｘ，ｄｙ が、ｗ＞ｄｘかつｈ＜ｄｙの場合について示したが、この実施の形態は、ｗ＞ｄｘかつｈ＝ｄｙの場合に適用したものである。
【００２５】
まず、図４（ａ）を用い、入射面４０１ａから出射面４０１ｂまでテーパ状に形成されたコア４０１の入射面４０１ａの入射幅ｗと高さｈ方向に対し、垂直な形状であるものについて考える。この場合、コア４０１と図示しないクラッドを光が入射面４０１ａから出射面４０１ｂまで伝播される光の広がり角４０３は、入射時の広がり角４０２に対し、幅方向のみ大きくなる。
【００２６】
これに対し、図４（ｂ）のコア４０４は、入射面４０４ａから出射面４０４ｂまでテーパ状に形成され、入射面４０４ａの入射幅ｗと高さｈ方向に対し、傾斜面４０４ｃを有する。
【００２７】
コア４０４の光導波路本体を光が伝播する場合、傾斜面４０４ｃでの反射によってｘ成分とｙ成分の入れ替えが起こるため、幅方向で広がり角が大きくなる作用を高さ方向にも分散できる。そのため入射時の広がり角４０２に対し、光導波路本体を伝播された後の広がり角４０５は幅方向と高さ方向ともに大きくなるが、幅方向の広がり角は小さくすることができる。
【００２８】
なお、上記した第１と第２の実施の形態では、光導波路本体の入射寸法の幅と高さの違いが大きく、出射寸法の幅と高さの違いが小さい場合のスポットサイズ変換例について説明したが、この発明は光の伝播方向を逆にした場合でも適用可能である。
【００２９】
光導波路本体の入射寸法の幅と高さの違いが小さく、出射寸法の幅と高さの違いが大きい場合でも、光導波路本体の側面の一部を出射寸法の幅方向と高さ方向に対し垂直以外の傾きとすることで、光導波路本体伝播後の光の広がり角が特定の方向のみ大きくなるのを防ぐことができる。つまり光導波路本体の入射寸法と出射寸法を変えてスポットサイズを変換する機能を有する光導波路であればこの発明は適用可能である。
【００３０】
次に、この発明の第３の実施の形態について説明する。第１と第２の実施の形態の光導波路本体では側面での反射によって光の広がり角のｘ成分とｙ成分が入れ替わる。そのため導波路出射後の光の広がり角を小さくするためには、予め光導波路本体に入射される前に光の広がり角のｘ成分とｙ成分の値を等しくしておくのが好ましい。一般的に半導体レーザから出射する光の広がり角は幅方向よりも高さ方向のほうが大きい。そのため第３の実施の形態では、第１と第２の光導波路本体の入射側に光の広がり角を対称にする機能を付加する。
【００３１】
図５は、この発明の光導波路の第３の実施の形態について説明するための斜視図であり、ここではコア部分のみの斜視図を示す。図５においてＢ部分の構成部分は、第１および第２の実施の形態のコア部分と同様である。
【００３２】
ここで、コア５０１と図示しないクラッドから構成される光導波路本体に広がり角５０２の光が入射されると仮定する。広がり角５０２は幅方向よりも高さ方向で広がりが大きい非対称な分布をもつ。そのためＡ部分を用いてＢ部分に入射される前に広がり角が光軸に対し対称になるように整形する。Ａ部分の側面は幅と高さ方向に対し垂直であり、入射広がり角５０２をｘ方向Ｓｘ０、ｙ方向Ｓｙ０、Ａ部分の出射広がり角をＳ１、Ａ部分の入力側の幅ｗ０、高さｈ０、Ａ部分の出力側の幅ｗ１、高さｈ１とすると、
ｓｉｎ（Ｓ１）＝ｓｉｎ（Ｓｘ０）・（ｗ０／ｗ１）
＝ｓｉｎ（Ｓｙ０）・（ｈ０／ｈ１） … （２）
の関係を満たすとともに、Ａ部分の出射広がり角Ｓ１が光導波路本体の受光角以内になるように、Ａ部分の出力側の幅ｗ１とｈ１の値を決定する。なお、Ａ部分とＢ部分と別体に形成しても一体形成しても差し支えない。
【００３３】
この実施の形態では光導波路本体を用いて、光の広がり角が光軸に対し対称になるように整形したが、図６はシリンドリカルレンズ６０１、６０２とこの発明の光導波路本体を用いた光モジュールの一実施の形態について説明するための斜視図である。図６はコア１０２とシリンドリカルレンズ６０１、６０２について示している。この実施の形態はシリンドリカルレンズ６０１、６０２を用いて光の広がり角を整形したものである。
【００３４】
また、出射時にｘ方向とｙ方向で違う広がり角を得たい場合には、この発明の光導波路の第３の実施の形態において光の伝播方向を逆にすれば所望の広がり角を得ることも可能である。
【００３５】
次に、図７を用いてこの発明の光モジュールの一実施の形態について説明する。この実施の形態は、この発明の光導波路を使用して、半導体レーザと光ファイバを光接続する光モジュールに関するものである。
【００３６】
図７において、７０１は基板、７０２は半導体レーザ、７０３は第１から第３の実施の形態で説明した光導波路本体、７０４は光ファイバを示す。
【００３７】
この発明の光導波路を用いることで、半導体レーザ７０２から出射された光のスポットサイズを光ファイバ７０４のスポットサイズに変換するとともに、スポットサイズ変換後の光の広がり角を小さくすることが可能となり、高効率で半導体レーザ７０２から光ファイバ７０４に光接続することが可能となる。
【００３８】
図８は、この発明の光ファイバレーザ装置の一実施の形態について説明するためのシステム図である。この実施の形態は、この発明の光導波路及び光モジュールを用いて光ファイバレーザを構成したものである。
【００３９】
図８において、８０１はコア８００にレーザ活性物質が添加された光ファイバであり、端面に反射要素８０２、８０３が付加してある。ファイバレーザの動作について説明する。半導体レーザ７０２から出射された光は光導波路本体７０３を介して光ファイバ８０１のコアに入力する。半導体レーザ７０２から出射された光は励起光としてコア８００内のレーザ活性物質に吸収され、誘導放出を行う。反射要素８０２と８０３は、誘導放出された光の一部を反射するように設定しておくことで、反射要素８０２と８０３間で共振器を形成しレーザ光となって８０３より出射する。高出力のレーザ光を得るためには、高出力の励起光を光ファイバに入力する必要がある。励起光となる半導体レーザ７０２の出力を高くするために半導体レーザ７０２の出射領域はより幅広になるが、この発明の光導波路を用いることによって出射領域が幅広になっても高効率で光ファイバ８０１に光接続することが可能となる。
【００４０】
なお、この例では光ファイバがシングルクラッド構成のためコアに励起光を入力しているが、ダブルクラッドの光ファイバを用いる場合には、内側クラッドに励起光を入力すれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明では、光導波路本体を用いて光のスポットサイズが半導体レーザから光ファイバのスポットサイズに変換するとともに、光導波路本体から出射された光の広がり角を抑え、高効率で半導体レーザと光ファイバの光接続を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の光導波路の第１の実施の形態について説明するための斜視図。
【図２】図１の光の伝播について説明するための説明図。
【図３】この発明の第１の実施の形態の光導波路コアの変形例について説明するための説明図。
【図４】この発明の光導波路の第２の実施の形態について説明するための斜視図。
【図５】この発明の光導波路の第３の実施の形態について説明するための斜視図。
【図６】この発明の光導波路の第４の実施の形態について説明するための斜視図。
【図７】この発明の光モジュールの一実施の形態について説明するためのシステム図。
【図８】この発明の光ファイバレーザ装置の一実施の形態について説明するためのシステム図。
【図９】従来の半導体レーザの出射領域と広がり角について説明するための説明図。
【図１０】従来の光ファイバの入射領域と受光角について説明するための説明図。
【図１１】従来の光導波路について説明するための斜視図。
【符号の説明】
１０１，７０３…光導波路本体
１０２，４０４，５０１，８００…コア
１０３…クラッド
１０４，７０２…半導体レーザ
１０５，７０４，８０１…光ファイバ
１０６…出射領域
１０７，４０４ａ…入射面
１０８，４０４ｂ…出射面
４０４ｃ…傾斜面
６０１，６０２…シリンドリカルレンズ
８０２，８０３…反射要素

Claims (8)

1. 第１の幅／高さ比を持つ入射面と前記第１の幅／高さ比と異なる第２の幅／高さ比を持つ出射面とを有し、光を発生する光部品から出射された光のスポットサイズを前記入射面から前記出射面への光導波により変換する光導波路であって、
   前記光導波の方向と垂直に交わる断面の少なくとも一辺が、前記入射面の幅方向および高さ方向に対して傾きを有していること
   を特徴とする光導波路。
2. 前記入射面に延設または繋設された、光導波の方向と垂直に交わる断面が矩形の光導波路部をさらに具備し、
   前記光導波路部が、前記光部品により出射された光の幅方向の広がり角Ｓｗと高さ方向の広がり角Ｓｈとが非対称である場合に対応して、入射側の寸法、幅ｗ０、高さｈ０、出射側の寸法、幅ｗ１、高さｈ１について、
   sin（Ｓw）・（ｗ0／ｗ1）＝sin（Ｓh）・（ｈ0／ｈ1）
   を満たすように設定されていること
   を特徴とする請求項１記載の光導波路。
3. 請求項２記載の光導波路の全体として入射側と出射側とを反対とし、出射する光の幅方向の広がり角と高さ方向の広がり角とを非対称とすることを特徴とする請求項２記載の光導波路。
4. 請求項１記載の光導波路と、
   前記光導波路の前記入射面側に設けられ、導波する光の幅方向の広がり角と高さ方向の広がり角とを整形するシリンドリカルレンズと
   を具備することを特徴とする光モジュール。
5. 請求項１または２記載の光導波路と、
   前記光部品としての半導体レーザと、
   前記光導波路の前記出射面側に設けられた光ファイバと
   を具備することを特徴とする光モジュール。
6. 請求項１または２記載の光導波路と、
   前記光部品としての半導体レーザと
   を具備することを特徴とする光モジュール。
7. 請求項１または２記載の光導波路と、
   前記光部品としての半導体レーザと、
   前記光導波路の前記出射面側に設けられ、レーザ活性物質を含有し入射されたレーザ光を前記レーザ活性物質に吸収させてレーザ発振する光ファイバと
   を具備することを特徴とする光ファイバレーザ装置。
8. 請求項４記載の光モジュールと、
   前記光モジュールの前記シリンドリカルレンズの入射側に設けられた半導体レーザと、
   前記光モジュールの前記光導波路の前記出射面側に設けられ、レーザ活性物質を含有し入射されたレーザ光を前記レーザ活性物質に吸収させてレーザ発振する光ファイバと
   を具備することを特徴とする光ファイバレーザ装置。

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