JP4435003B2 - Laser diode array or optical coupling structure for coupling with laser diode - Google Patents
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Description
本発明は、レーザダイオードアレイまたはレーザダイオードと結合するための光結合構造に関する。 The present invention relates to a laser diode array or an optical coupling structure for coupling with a laser diode.
同一の基板上に複数の発光面(エミッタ面)を並列に配置したレーザダイオードアレイは、同様に複数の光ファイバを並列に配置した光ファイバアレイに光結合することにより、高出力レーザ光源システムとして用いられている。このレーザ光源システムは、その高出力特性により、例えば光通信分野や医療用レーザ分野、加工用レーザ分野などで利用されている。 A laser diode array in which a plurality of light emitting surfaces (emitter surfaces) are arranged in parallel on the same substrate is similarly coupled to an optical fiber array in which a plurality of optical fibers are arranged in parallel, thereby providing a high-power laser light source system. It is used. This laser light source system is used in, for example, the optical communication field, the medical laser field, and the processing laser field because of its high output characteristics.
レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとを光結合する方法としては、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとを突き合わせる方法が一般的である。
しかしながら、レーザダイオードアレイの発光点は、垂直方向と水平方向とで開口数(NA)が異なり、一般に、水平方向の開口数は0.1〜0.2であるのに対し、垂直方向の開口数は0.3〜0.4と大きいため、エミッタ面から放出された出力光エネルギーは急激に発散してしまう。そのため、両者を効率よく結合させるためには、エミッタ面の垂直方向の開口数より大きな開口数を有する光ファイバを用いて光ファイバアレイを構成し、光ファイバアレイの光入射面をレーザダイオードアレイのエミッタ面にできるだけ近づけて配置することが必要である。
As a method of optically coupling the laser diode array and the optical fiber array, a method of matching the laser diode array and the optical fiber array is common.
However, the light emitting point of the laser diode array has a different numerical aperture (NA) between the vertical direction and the horizontal direction. Generally, the numerical aperture in the horizontal direction is 0.1 to 0.2, whereas the numerical aperture (NA) is vertical. Since the number is as large as 0.3 to 0.4, the output light energy emitted from the emitter surface is rapidly diverged. Therefore, in order to efficiently couple the two, an optical fiber array is configured using optical fibers having a numerical aperture larger than the numerical aperture in the vertical direction of the emitter surface, and the light incident surface of the optical fiber array is set as the laser diode array. It is necessary to place it as close as possible to the emitter surface.
レーザダイオードアレイの出力光を光ファイバアレイにより効率よく結合させるため、これまでに様々な提案がなされている(例えば特許文献1〜4参照)。このような高出力レーザ光源システムを光通信分野や医療用レーザ分野、加工用レーザ分野で利用する場合、より高い光パワー密度を求められる。そのため、レーザダイオードアレイからの出力光を受光する光ファイバのコアの断面積はできるだけ小さいほうが望ましい。
しかしながら、光ファイバアレイ構成用光ファイバとして、一般的な石英コア/石英クラッドを有する光ファイバを用いたようとした場合、コアとクラッドとの屈折率差を充分に得ることができないため、レーザダイオードアレイのエミッタ面の開口数よりも大きい開口数を光ファイバのコアに持たせることは不可能である。この場合、レーザダイオードアレイのエミッタ面と光ファイバの受光面との間にレンズアレイを設置することにより、開口数を変換して光結合させることができるが、光ファイバのコアの断面積が大きくなり、光パワー密度が低下してしまう。
石英クラッドを有する光ファイバの代わりに、低屈折率の樹脂クラッドを用いた光ファイバの場合、コアの開口数は大きくなるが、レーザダイオードアレイの出力光により光ファイバ受光面で焼損を生じる可能性が高い。
However, when an optical fiber having a general quartz core / quartz cladding is used as an optical fiber for constituting an optical fiber array, a difference in refractive index between the core and the cladding cannot be sufficiently obtained. It is impossible to make the core of the optical fiber have a numerical aperture larger than the numerical aperture of the emitter surface of the array. In this case, by installing a lens array between the emitter surface of the laser diode array and the light receiving surface of the optical fiber, it is possible to optically couple by changing the numerical aperture, but the cross-sectional area of the core of the optical fiber is large. As a result, the optical power density is reduced.
In the case of an optical fiber using a resin clad with a low refractive index instead of an optical fiber having a quartz cladding, the numerical aperture of the core increases, but the output light of the laser diode array may cause burning on the optical fiber receiving surface. Is expensive.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、充分に大きな開口数と、より高い光パワー密度の入射とを同時に達成することが可能な光結合構造を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the optical coupling structure which can achieve a sufficiently large numerical aperture and incidence of a higher optical power density simultaneously.
前記課題を解決するため、本発明は、複数のエミッタ面を並列に配置したレーザダイオードアレイと、このレーザダイオードアレイからの出力を受光するための、複数の光ファイバを並列に配置した光ファイバアレイとからなる、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの光結合構造において、前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、レーザダイオードアレイの出力光の波長λに対する前記光ファイバのコアの開口数が、前記エミッタ面の垂直方向の開口数以上かつ水平方向の開口数以上となるように、前記空孔の直径と中心間距離とが設定され、前記クラッドの外周形状は円形で、前記コアの断面形状が矩形かつ前記出力を受光するために必要最小限の断面積となるように前記エミッタ面の形状に合わせた形状であることを特徴とするレーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの光結合構造を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a laser diode array in which a plurality of emitter surfaces are arranged in parallel, and an optical fiber array in which a plurality of optical fibers for receiving the output from the laser diode array are arranged in parallel. In the optical coupling structure of the laser diode array and the optical fiber array, the optical fiber includes a core extending along the longitudinal direction, and a plurality of holes provided so as to surround the core and extending along the core And a clad having a photonic crystal structure formed in the radial direction of the fiber, and the numerical aperture of the core of the optical fiber with respect to the wavelength λ of the output light of the laser diode array is greater than or equal to the vertical numerical aperture of the emitter surface and horizontal such that the direction of higher numerical aperture, the diameter and the distance between the centers of the holes are set, the outer peripheral shape of the cladding The circular, the laser diode array and the light, wherein the cross-sectional shape of the core has a shape to match the shape of the emitter surface such that the minimum cross-sectional area required to receive the rectangular and said output An optical coupling structure with a fiber array is provided.
また、本発明は、レーザダイオードと、このレーザダイオードからの出力を受光するための光ファイバとからなる、レーザダイオードと光ファイバとの光結合構造において、前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、レーザダイオードの出力光の波長λに対する前記光ファイバのコアの開口数が、前記エミッタ面の垂直方向の開口数以上かつ水平方向の開口数以上となるように、前記空孔の直径と中心間距離とが設定され、前記クラッドの外周形状は円形で、前記コアの断面形状が矩形かつ前記出力を受光するために必要最小限の断面積となるように前記エミッタ面の形状に合わせた形状であることを特徴とするレーザダイオードと光ファイバとの光結合構造を提供する。 According to another aspect of the present invention, there is provided an optical coupling structure of a laser diode and an optical fiber comprising a laser diode and an optical fiber for receiving an output from the laser diode, wherein the optical fiber extends along a longitudinal direction. A core and a clad provided around the core and having a photonic crystal structure formed in the fiber radial direction by a plurality of holes extending along the core; the numerical aperture of the core of the fiber, so that the above numerical aperture of the vertical emitter surface and the horizontal than the numerical aperture, the the pore diameter and center-to-center distance is set, the outer peripheral shape of the cladding circular, fit into the emitter surface such that the minimum cross-sectional area required for the cross-sectional shape of the core to receive rectangular and said output Providing optical coupling between the laser diode and the optical fiber, characterized in that the a shape.
本発明の光ファイバによれば、空孔直径と空孔間隔とをレーザダイオードアレイの出力光の波長や開口数に合わせて最適化することで、レーザダイオードアレイの出力光を高効率で光ファイバに結合することができ、高パワー密度での伝送が可能となる。 According to the optical fiber of the present invention, by optimizing the hole diameter and the hole interval in accordance with the wavelength or numerical aperture of the output light of the laser diode array, the output light of the laser diode array can be optical fiber with high efficiency. Transmission at a high power density is possible.
本発明では、レーザダイオードアレイからの出力光を受光する光ファイバアレイ構成用光ファイバとして、空孔層を有するフォトニッククリスタルファイバ(PCF:Photonic Crystal Fiber)を使用する。
図1、図2に本形態例の光ファイバ10,10Aの例を示す。これらの光ファイバ10,10Aは、光ファイバ10,10Aの長手方向に沿って延びるコア1と、該コア1を囲むように設けられたクラッド2,3とを有する。クラッド2,3は、光ファイバ10,10Aの中心部のコア1を囲むように設けられた空孔層2(第1クラッド2)と、空孔層2を囲むように設けられた第2クラッド3とからなり、ファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されている。
In the present invention, a photonic crystal fiber (PCF: Photonic Crystal Fiber) having a hole layer is used as an optical fiber for constituting an optical fiber array that receives output light from a laser diode array.
1 and 2 show examples of the
本形態例の光ファイバ10,10Aにおいて、コア1およびクラッド2,3は、例えば石英から構成することができる。空孔層2は、コア1を囲むように設けられ、かつコア1に沿って延びる複数の空孔4,4,…により形成されている。これにより、空孔層2に囲まれた部分が光ファイバ10,10Aのコア1、空孔層2がコア1に対する第1クラッド2、空孔層2の外側の部分が第2クラッド3となる。第2クラッド3の外周形状は円形となっており、光ファイバアレイを構成するときに都合が良い。
In the
空孔層2は、コア1の断面積が必要最小限となるように設けている。フォトニッククリスタル構造を用いることにより、空孔層2の大半は低屈折率であるガス(空気)で占められるため、空孔層2に囲まれたコア1の開口数(NA)は、石英コア/石英クラッド構造の光ファイバのコアの開口数よりも充分大きくすることができる。
コア1の開口数は、空孔層2における空孔4の直径dおよび間隔Λ(図1(c)参照)、ならびにコア1を通る光の波長λにより決定される。なお、空孔4の間隔Λとは、隣接する空孔4,4の中心間距離である。また、隣接する空孔4,4の周縁が重なり合わないようにするため、Λ>dの関係を満たす必要がある。
The
The numerical aperture of the
すなわち本発明では、空孔層2の空孔4の直径dおよび間隔Λを、レーザダイオードアレイからの出力光を受光するために必要な開口数が得られるように設定することにより、所望の開口数を有するコア1を実現することができる。このような光ファイバ10,10Aを用いることにより、光ファイバの受光面とレーザダイオードアレイのエミッタ面との間にレンズアレイは不要となり、受光面とエミッタ面とを直接突き合わせて光結合することができるため、光ファイバのコア1の断面積は必要以上に大きくならず、高い光パワー密度を実現できる。
In other words, in the present invention, the diameter d and interval Λ of the
例えば、波長λ=980nm、エミッタ面の垂直方向の開口数が0.4、水平方向の開口数が0.2の特性を有するレーザダイオードアレイに光ファイバを光結合させる場合、光ファイバのコア1に必要な開口数は、エミッタ面の垂直方向の開口数以上かつ水平方向の開口数以上であるから、すなわち0.4以上となる。この場合、空孔4の直径dおよび空孔4の間隔Λは、下記式(1)、(2)の関係を満たすように決定される(特開2004−77891号公報を参照)。なお、下記式(1)〜(4)において、長さの単位はμmとする。
For example, when an optical fiber is optically coupled to a laser diode array having a wavelength λ = 980 nm, a vertical numerical aperture of the emitter surface of 0.4, and a horizontal numerical aperture of 0.2, the
−0.0200(Λ/λ)2+0.2285(Λ/λ)+0.2455≦d/Λ ・・・ (1) −0.0200 (Λ / λ) 2 +0.2285 (Λ / λ) + 0.2455 ≦ d / Λ (1)
Λ/λ≦6 ・・・ (2) Λ / λ ≦ 6 (2)
下記式(1)、(2)において、λ=980nm=0.98μmを代入することにより、下記式(3)、(4)の関係が得られる。 By substituting λ = 980 nm = 0.98 μm in the following formulas (1) and (2), the relations of the following formulas (3) and (4) can be obtained.
−0.0208Λ3+0.2332Λ2+0.2455Λ≦d ・・・ (3) −0.0208Λ 3 + 0.2332Λ 2 + 0.2455Λ ≦ d (3)
Λ≦5.88 ・・・ (4) Λ ≦ 5.88 (4)
レーザダイオードアレイのエミッタの寸法は、一般的には150μm(水平方向)×1μm(垂直方向)である。従って、例えば空孔間隔Λを5.5μmとした場合、式(3)により空孔直径dは4.92μm以上とする必要がある。また、空孔4,4間の壁の厚みを0.1μm以上確保するためには、空孔直径dは5.4μm以下とする必要がある。
このようにして空孔直径dおよび空孔間隔Λを設定することで、開口数が0.4以上のコア1を有するレーザダイオードアレイ結合用光ファイバを設計することができる。このような光ファイバとレーザダイオードアレイとを光結合させることにより、高い結合効率でレーザ出力光を光ファイバに入射させ、伝搬させることができる。
The dimensions of the emitter of the laser diode array is generally a 150 [mu] m (horizontal Direction) × 1 [mu] m (vertical direction). Therefore, for example, when the hole interval Λ is 5.5 μm, the hole diameter d needs to be 4.92 μm or more according to the equation (3). Moreover, in order to ensure the wall thickness between the
By setting the hole diameter d and the hole interval Λ in this way, it is possible to design a laser diode array coupling optical fiber having the
本形態例の光ファイバ10,10Aをレーザダイオードアレイと光結合させるには、光ファイバを複数本用いて光ファイバアレイを構成し、光ファイバアレイを構成するそれぞれの光ファイバの端面を受光面として、受光面をレーザダイオードアレイのそれぞれのエミッタ面と突き合わせることにより実現できる。光ファイバのコアの断面積は最小限必要な程度とされているので、高い光パワー密度が得られる。
コア1およびクラッド2,3が石英から構成されているので、高出力レーザダイオードアレイの出力光を受光しても、光ファイバ10の受光面で焼損を生じることがない。
In order to optically couple the
Since the
さらに、本発明によれば、空孔層2における空孔4の作製位置を変更することにより、コア1の断面形状を円形(図2参照)に限らず、矩形(図1参照)など、任意の形状にすることができる。従って、コア1の断面形状をエミッタ面の形状に合わせた形状とすることにより、より高い光パワー密度で光を導波させることができる。また、同一面内において空孔直径dと空孔間隔Λとを変化させることにより、コアの開口数に異方性を持たせることもできる。
Furthermore, according to the present invention, the cross-sectional shape of the
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。上述の形態例における寸法等は例示に過ぎず、本発明を特に限定するものではない。
本発明の光ファイバは、レーザダイオードアレイとの光結合に好適であるから、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイを用いる光デバイスにおいて、光ファイバアレイを構成する光ファイバとして利用することができる。上述の光デバイスとしては、例えば高出力光ファイバアンプや高出力光ファイバレーザにおける励起光源部に使用することができる。また、アレイ構造に限らず、レーザダイオード結合用光ファイバとして、単一のエミッタ面を有するレーザダイオードとの光結合にも有効である。
As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on suitable embodiment, this invention is not limited to the above-mentioned example, Various modifications are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. The dimensions and the like in the above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not particularly limited.
Since the optical fiber of the present invention is suitable for optical coupling with a laser diode array, it can be used as an optical fiber constituting the optical fiber array in an optical device using the laser diode array and the optical fiber array. As the above-mentioned optical device, for example, it can be used for a pumping light source unit in a high-power optical fiber amplifier or a high-power optical fiber laser. Further, the present invention is not limited to the array structure, and is effective for optical coupling with a laser diode having a single emitter surface as a laser diode coupling optical fiber.
図1に示すように、コア1の断面形状が200μm(水平方向)×20μm(垂直方向)である矩形となっており、第2クラッド3の外周形状が円形であり、空孔層2における空孔4の直径dが5.0μm、空孔4の間隔Λが5.5μmであるレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ10を設計した。そして、PCFの一般的な製造方法によって石英光ファイバ母材の作製および光ファイバの線引きを行い、本実施例に係る光ファイバを製造した。
As shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of the
本実施例のレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ10の開口数を測定したところ、図3に示すように、開口数は0.45であり、ほぼ設計値どおりであることを確認することができた。なお、図3のグラフにおいて、縦軸は光の強度(intensity)であり、横軸は開口数(NA)である。
本実施例のレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ10を複数本用いて光ファイバアレイを作製し、レーザダイオードアレイと光結合してみたところ、その結合効率は95%であり、高い結合効率が実現できた。
When the numerical aperture of the laser diode array coupling
An optical fiber array was produced using a plurality of laser diode array coupling
本発明は、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイを用いる光デバイス、例えば光ファイバレーザ光源、ファイバレーザシステム、光ファイバアンプなどに利用することができる。 The present invention can be used for an optical device using a laser diode array and an optical fiber array, such as an optical fiber laser light source, a fiber laser system, and an optical fiber amplifier.
1…コア、2…第1クラッド(空孔層)、3…第2クラッド、4…空孔、10,10A…光ファイバ、d…空孔直径、Λ…空孔間隔。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、
レーザダイオードアレイの出力光の波長λに対する前記光ファイバのコアの開口数が、前記エミッタ面の垂直方向の開口数以上かつ水平方向の開口数以上となるように、前記空孔の直径と中心間距離とが設定され、前記クラッドの外周形状は円形で、前記コアの断面形状が矩形かつ前記出力を受光するために必要最小限の断面積となるように前記エミッタ面の形状に合わせた形状であることを特徴とするレーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの光結合構造。 A laser diode array and an optical fiber array comprising a laser diode array having a plurality of emitter surfaces arranged in parallel and an optical fiber array having a plurality of optical fibers arranged in parallel for receiving the output from the laser diode array In the optical coupling structure with
The optical fiber includes a core extending along the longitudinal direction, and a clad provided around the core and having a photonic crystal structure formed in the fiber radial direction by a plurality of holes extending along the core,
Between the hole diameter and the center so that the numerical aperture of the core of the optical fiber with respect to the wavelength λ of the output light of the laser diode array is not less than the numerical aperture in the vertical direction of the emitter surface and not less than the numerical aperture in the horizontal direction. Distance is set, the outer peripheral shape of the cladding is circular, the cross-sectional shape of the core is rectangular, and the shape matched to the shape of the emitter surface so as to have a minimum cross-sectional area necessary for receiving the output An optical coupling structure of a laser diode array and an optical fiber array.
前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、
レーザダイオードの出力光の波長λに対する前記光ファイバのコアの開口数が、前記エミッタ面の垂直方向の開口数以上かつ水平方向の開口数以上となるように、前記空孔の直径と中心間距離とが設定され、前記クラッドの外周形状は円形で、前記コアの断面形状が矩形かつ前記出力を受光するために必要最小限の断面積となるように前記エミッタ面の形状に合わせた形状であることを特徴とするレーザダイオードと光ファイバとの光結合構造。 In the optical coupling structure of a laser diode and an optical fiber, which consists of a laser diode and an optical fiber for receiving the output from the laser diode,
The optical fiber includes a core extending along the longitudinal direction, and a clad provided around the core and having a photonic crystal structure formed in the fiber radial direction by a plurality of holes extending along the core,
The diameter of the hole and the distance between centers so that the numerical aperture of the core of the optical fiber with respect to the wavelength λ of the output light of the laser diode is not less than the numerical aperture in the vertical direction of the emitter surface and not less than the numerical aperture in the horizontal direction. The outer peripheral shape of the clad is circular, the cross-sectional shape of the core is rectangular, and the shape is matched to the shape of the emitter surface so as to have a minimum cross-sectional area necessary for receiving the output An optical coupling structure of a laser diode and an optical fiber.
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