JP4748511B2

JP4748511B2 - 光デバイス

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Publication number: JP4748511B2
Application number: JP2005130026A
Authority: JP
Inventors: 武史高木; 寛松浦
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006308791A

Description

本発明は、光デバイスに関し、より詳しくは、基本波光源から出力された光を波長変換素子によって波長変換する構造を有する光デバイスに関する。

バイオアッセイに使用されるフローサイトメトリの光源や蛍光色素励起用の光源として、小型で寿命が長く且つ安価な可視光光源が望まれている。主として分析用途の可視光光源の分野では、短波長の４８８〜５１４ｎｍのアルゴンレーザに代表されるガスレーザが主流であるが、小型化が難しく、寿命の面での問題もあるため、個体ベースでの光源の開発が期待されている。

短波長光源を開発する手段の１つとして、基本波光源から出力された光を非線形光学物質を用いて光第２次高周波、光第３次高調波等を発生させて波長変換する方法があり、その波長変換素子として様々なものが開発されている。例えば、周期状の分極反転構造を利用した疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase matching）−第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）光源素子は、高効率な波長変換が可能である。

また、下記の非特許文献１では、偏波を精密に制御した波長９７６ｎｍ半導体レーザと反射波形を最適化するファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating ）とを使用し、レーザ発振に重要な縦モードの安定化技術と波長変換素子とを組み合わせることにより、波長４８８ｎｍの青色レーザを出力させる光デバイスが記載されている。

その波長変換素子は、変換効率を高くするために光導波路構造を持つことが好ましい。また、その光導波路の入力端には光ファイバを介して基本波光源が結合される一方、その出力端には、光ビーム成形、光結合効率の高さ、ハンドリングの良さなどを考慮して、光ファイバが光伝搬用デバイスとして接続される。
古河電工 ‘ＮｅｗｓＲｅｌｅａｓｅ’、［online］、２００４年４月２６日、［平成１７年２月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.furukawa.co.jp/what/bluelaser040426.htm＞

ところで、波長変換素子を用いる場合には、変換波長の許容範囲が非常に狭いので、安定した光源特性を得るには基本波の波長を位相整合波長に固定する工夫が必要となる。なお、位相整合波長は、分極反転構造内に伝搬させた基本波が高調波に波長変換される場合における基本波の波長を意味する。

しかし、基本波の発生源として使用される半導体レーザは、広い波長帯でゲインを有し、発振波長が容易に変動するので、所望の波長の出力をより安定化させる技術が重要になる。また、半導体レーザと波長変換素子の光結合系に光ファイバを用いる場合には、湿度、温度、或いは光ファイバの張力変化などの環境変化によっても基本波スペクトが変動するので、従来、広範な環境条件において波長変換素子から出力される変換波長を安定化させることは難しかった。

本発明の目的は、基本波にスペクトル変動があっても波長変換素子から安定した光出力パワーを出射させることができる光デバイスを提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様に係る光デバイスは、基本波の光を出力する半導体レーザモジュールと、前記半導体レーザモジュールに接続される第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの光路上に設けられたブラッグ・グレーティングと、前記第１の光ファイバを伝搬する基本波の光を所定波長に波長変換して出力する波長変換素子と、前記波長変換素子の出力端に接続される第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバに形成された光漏洩部と、前記光漏洩部からの漏洩光を受光する光電変換素子と、前記光電変換素子の電気出力信号に基づいて前記波長変換素子の出力光のパワーが目標値となるように前記半導体レーザモジュールの出力を制御する制御回路とを有し、前前記第２の光ファイバは、偏波保持ファイバ、シングルモードファイバ、マルチモードファイバのいずれかで構成され、前記第２の光ファイバは２つの光ファイバを融着してなる融着部を有し、前記光漏洩部は前記融着部から構成されることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る光デバイスは、第１の態様において、前記光漏洩部は、前記第２の光ファイバの曲げ部によって構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の光ファイバの光路上に設けられたブラッグ・グレーティングにより基本波の光が安定化される。また、第１の光ファイバを伝搬する基本波の光を波長変換素子により波長変換し、偏波保持ファイバ、シングルモードファイバ、マルチモードファイバのいずれかで構成される第２の光ファイバに出力する。そして、第２の光ファイバに融着等の光漏洩部を形成し、この光漏洩部から漏洩する波長変換された光を光電変換素子により受光させ、その光電変換素子の出力に基づいて所定波長、例えば４８８ｎｍのパワーが一定になるように半導体レーザモジュールの出力を制御するようにしている。すなわち、本発明によれば、光漏洩部が、第２の光ファイバにおける２つの光ファイバを融着してなる融着部で構成され、この融着部から漏洩する波長変換された光を光電変換素子により受光させる。これにより、半導体レーザモジュールから出力される光の基本波にスペクトル幅があり、かつスペクトル変動がある場合においても、波長変換素子から出力される所定波長の光のパワーを更に安定化することができる。
また、波長変換素子の出力をモニターするために、融着部により光漏洩部を設ける場合には、第２の光ファイバに光分岐器やハーフミラー等を設ける場合に比べて部品点数が少なく、小型化が可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態を示す光デバイスの構成図、図１（ｂ）は光デバイス内の光検出部分を示す側面図である。

図１（ａ）に示す光デバイスは、制御回路１０により駆動制御される半導体レーザ１と、第１の光ファイバ２を介して半導体レーザ１の出力端に接続される波長変換素子４と、第２の光ファイバ５を介して波長変換素子４の出力端に接続される出射デバイス６を有している。

半導体レーザ１は、波長変換素子４により変換される光の基本波を出力する基本光源であり、例えば波長９７６ｎｍのスペクトルの光を出力する構造を有している。また、半導体レーザ１の光出力端に接続される第１の光ファイバ２には、反射中心波長が例えば９７６ｎｍのファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）３が形成され、これにより半導体レーザ１から出射される光の導波が安定化される。半導体レーザ１は、半導体レーザモジュールを構成し、その中で温度調整素子により温度制御が行われる。

波長変換素子４として例えば分極周期反転構造を有するLiNbO₃結晶が用いられ、波長変換効率を高くするための光導波路を有している。そのLiNbO₃結晶は、２次の非線形光学効果によって、第１の光ファイバ２から伝搬された基本波の第２次高調波を発生させて出射する構造を有している。例えば、半導体レーザ１から出力される光の波長を９７６ｎｍとすれば、第２次高調波の波長は９７６ｎｍの１／２の４８８ｎｍとなり、波長変換素子４から青色光を出射させることができる。

第１の光ファイバ２は、波長変換素子４により第２次高調波を発生させる原理上、偏向方向を制御して基本波を波長変換素子４に伝搬させる必要がある。従って、半導体レーザ１と波長変換素子４を光結合する第１の光ファイバ２として例えば偏波保持ファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaing Fiber）が使用される。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）では、長さ方向のコア系の揺らぎや振動、温度変化などの外乱によって、出射時の偏波状態がランダムに変動するので光学的に好ましくない。

従って、半導体レーザ１から出射させる光の波長を安定させるために設けられるファイバ・ブラッグ・グレーティング３にも偏波保持ファイバを使用することになる。

しかし、ＴＥモード、ＴＭモードの屈折率の違いから、第１の光ファイバ２となる偏波保持ファイバと半導体レーザ１との結合消光比が悪い場合には、ファイバ・ブラッグ・グレーティング３における反射波長が異なってきてスペクトル変動の要因となる。従って、消光比変動によるスペクトル変動を許容範囲に収める必要があり、その条件は、例えば、偏波保持ファイバと半導体レーザ１の結合消光比を１０ｄＢより大きくするとともに、ファイバ・ブラッグ・グレーティング３の反射波の半値全幅を０．１ｎｍより大きくし、さらにファイバ・ブラッグ・グレーティング３の反射率を１％以上にすることが好ましい。

波長変換素子４の光導波路の出力端に接続される第２の光ファイバ５は、波長変換された光を出射デバイス６に伝搬するためのものであって短波長光伝搬、例えば４８８ｎｍ伝搬に最適化されたファイバが望ましく、偏波保持ファイバ、シングルモードファイバ又はマルチモードファイバが用いられ、特にパワーを重視する場合にはマルチモードファイバが好ましい。波長変換素子４の光導波路径と第２の光ファイバ５のコア径は同程度の大きさであり、直結による光結合率は高い。なお、第２の光ファイバ５は、波長変換素子４のうち光導波路から外れた位置に接続されてもよい。これは、以下の実施形態についても同様である。

第２の光ファイバ５の一部には、例えば直径１０〜４０ｍｍの曲げ径で巻かれることにより構成された光漏洩部７が形成され、その光漏洩部７は内部を伝搬する光の一部を漏洩させる構造となっている。その曲げ径は、曲げによるロスが最終的な出力パワーに影響がない程度、例えば第２の光ファイバ５の内部を透過する光のパワーの１％程度以下になる程度に調整されることが望ましい。

なお、光ファイバ５がＵＶ被覆されている場合に、波長４８８ｎｍの光は漏洩部７の被覆を通して十分漏れる。

また、第２の光ファイバ５の光漏洩部７には、光漏洩部７からの漏洩光を受光する光電変換素子８が配置されている。光電変換素子８として例えば所定波長４８８ｎｍの受光パワーに応じた電気信号を出力するフォトダイオードが用いられる。なお、光電変換素子８と光漏洩部７の間に、一次光をカットして第２高調波の青色光を通過させるフィルタを配置してもよい。

光電変換素子８の電気信号の出力端は制御回路１０に接続され、制御回路１０は、その信号の大きさに基づいて波長変換素子４による変換後の所定波長４８８ｎｍの出力光パワーが許容範囲を持つ目標値に維持されるように半導体レーザ１の駆動電流を制御する。なお、目標値は制御回路１０に設定される。

なお、第２の光ファイバ５の光出射端に出射デバイス６を接続する場合には、出射デバイス６として例えばＰＣ（physical contact）コネクタ又はコリメータが適用される。

上述した構成を有する光デバイスにおいて、半導体レーザ１から出力される光の基本波にはスペクトルの変動が存在する。
波長変換素子４による第２次高調波を発生させる原理上、基本波スペクトルの線幅が狭く且つ位相整合波長でのピークパワーが高いほど変換効率は高くなる。しかし、半導体レーザ１の出力光のスペクトルの線幅を狭くすると波長の安定化が困難になるため、スペクトル幅を０．２〜２．０ｎｍの範囲内に設計することが好ましい。

そのような半導体レーザ１の出力光は第１の光ファイバ２を伝搬して波長変換素子４に入射されるが、その途中でファイバ・ブラッグ・グレーティング３により波長が安定化される。

波長変換素子４による変換光は、基本波の和周波（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）で発生し、その出力光は第２次高調波だけでなく１次光を含んでいるが、１次光は第２の光ファイバ５内の通過によって減衰する。

また、波長変換素子４から出力された光が第２の光ファイバ５内を伝搬する途中で、その一部は光漏洩部７を通して光電変換素子８により受光される。さらに、光電変換素子８は受光するパワーに応じた大きさの電流を制御回路１０に出力する。

光電変換素子８から信号を入力した制御回路１０は、光電変換素子８から出力される信号が一定になるように、即ち、第２次高調波の波長４８８ｎｍの光パワーが一定になるように半導体レーザ１を制御する。

以上の構成によれば、第２の光ファイバ５内を伝搬して出射デバイス６から出射される波長４８８ｎｍの光の一部を漏洩部７及び光電変換素子８を介して制御回路１０にフィードバックして半導体レーザ１を制御しているので、半導体レーザ１の出力光のスペクトルに変動があった場合においても第２の光ファイバ５から出射される波長４８８ｎｍの光のパワーが安定し、この結果、出射デバイス６から安定した青色レーザが±１％以下の変動率で出射される。

（第２の実施の形態）
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態を示す光デバイスの構成図、図２（ｂ）は光デバイス内の光検出部分を示す平面図である。なお、図２において図１（ａ）と同じ符合は同じ要素を示している。

図２（ａ）に示す光デバイスは、第１実施形態と同様に、制御回路１０により制御される半導体レーザ１と、第１の光ファイバ２を介して半導体レーザ１の出力端に接続される波長変換素子４と、第２の光ファイバ５を介して波長変換素子４の出力端に接続される出射デバイス６を有している。また、第１の光ファイバ２の途中にはファイバ・ブラッグ・グレーティング３が接続されている。

第２の光ファイバ５は、波長変換素子４により波長変換された光を出射デバイス６に伝搬するためのものであって第１実施形態と同様に偏波保持ファイバ、シングルモードファイバ又はマルチモードファイバが用いられる。また、第２の光ファイバ５は、例えば２本の光ファイバの相互の端部を突き合わせて融着することにより構成され、その融着部分は光漏洩部１７となっている。

光漏洩部１７は、図２（ｂ）に示すように、例えばホルダ１１のＶ溝１２に取り付けられている。また、ホルダ１１の上の光漏洩部１７の側方には光電変換素子８が取り付けられ、これにより光漏洩部１７から漏れた光が光電変換素子８に照射される。なお、光漏洩部１７における融着ロスや漏洩光のパワーは融着条件などにより最適化される。また、光電変換素子８の受光量は位置の調整によって最適化される。

なお、光漏洩部１７と光電変換素子８の間に、１次光をカットして第２次高調波を通過させる構造を有するフィルタを配置してもよい。

上述した構成を有する光デバイスにおいて、半導体レーザ１から出力される光の基本波には広い波長範囲のスペクトルが存在する。その出力光は第１の光ファイバ２を伝搬して波長変換素子４に入射されるが、その途中でファイバ・ブラッグ・グレーティング３により波長が安定化される。

波長変換素子４による変換光は、基本波の和周波で発生し、その出力光は第２次高調波だけでなく１次光を含んでいる。その１次光は、第２の光ファイバ５内を透過することにより減衰される。

一方、第２の光ファイバ５の融着部により構成される光漏洩部１７から漏れる光は光電変換素子８に入射する。この場合、第２の光ファイバ５を通過する光のうち１次光が減衰するので、光電変換素子８に入射する光は第２次高調波の青色光のパワーに応じた大きさの電流が光電変換素子８から制御回路１０に出力される。

制御回路１０は、光電変換素子８から出力される信号が一定になるように、即ち、第２次高調波の光パワーが一定になるように、半導体レーザ１の駆動電流を制御する。

以上の構成によれば、第２の光ファイバ５内を伝搬して波長変換素子４から出射デバイス６に出射される波長４８８ｎｍの光の一部を漏洩部１７及び光電変換器８を介して電気信号に変換して制御回路１０にフィードバックして半導体レーザ１の駆動電流を制御しているので、出射デバイス６から安定した青色レーザが±１％以下の変動率で出射される。

（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３実施形態を示す光デバイスの構成図、図４（ａ）、（ｂ）は光デバイス内の波長変換素子及びその周辺を示す側面図である。なお、図３において図１（ａ）と同じ符合は同じ要素を示している。

図３に示す光デバイスは、第１実施形態と同様に、制御回路１０により制御される半導体レーザ１と、光ファイバ２を介して半導体レーザ１の出力端に接続される波長変換素子４とを有し、さらに、波長変換素子４の出力端から光伝搬方向に間隔をおいて配置される出射デバイス６を有している。また、第１の光ファイバ２の途中にはファイバ・ブラッグ・グレーティング３が接続されている。なお、波長変換素子４と出射デバイス６の間に集光レンズを配置してもよい。

波長変換素子４と光ファイバ２は、レンズを介さずに直接結合されて、例えば図４に示すように、光ファイバ２のコアの先端と波長変換素子４の光導波路４ａの一端を突き合わせることにより光結合されている。

また、波長変換素子４の周囲には、波長変換素子４に受光面を対向させる光電変換素子８が配置されている。さらに、光電変換素子８の受光面と波長変換素子４の光漏洩面との間にはフィルタ９が配置され、フィルタ９として１次光の遮蔽率が高く且つ第２次高調波である４８８ｎｍの遮蔽率が低い熱線吸収フィルタが用いられる。また、波長変換素子４として第１、第２実施形態と同様に例えばLiNbO₃結晶が用いられ、この波長変換素子４により基本波を１／２波長に変換するように構成されている。

光電変換素子８として例えばフォトダイオードが用いられ、その電気信号の出力端は制御回路１０に接続されている。光電変換素子８から出力される電気信号を受信した制御回路１０は、その受信信号に基づいて４８８ｎｍの出射光のパワーを許容範囲をもつ目標値に維持するように半導体レーザ１を制御する。

上述した構成を有する光デバイスにおいて、半導体レーザ１から出射される光の基本波には広い波長範囲でスペクトルが存在する。その出力光は光ファイバ２を伝搬して波長変換素子４に入射されるが、その途中でファイバ・ブラッグ・グレーティング３により波長が安定化される。

波長変換素子４による変換光は、基本波の和周波で発生し、その出力光は第２次高調波だけでなく１次光を含んでいる。そして、波長変換素子４により波長変換された光は空間を伝搬して出射デバイス６に入射し、さらに出射デバイス６から外部に出射される。

一方、波長変換素子４内からその周囲に漏洩する第２次高周波の光はフィルタ９を通して光電変換素子８に入射する。この場合、フィルタ９により１次光がカットされるので、波長４８８ｎｍの青色光のパワーに応じた大きさの電流が光電変換素子８から制御回路１０に出力される。

制御回路１０は、光電変換素子８から出力される信号が一定になるように、即ち、第２次高調波の光パワーが一定になるように、半導体レーザ１の１次光の出力光のパワーを制御する。
以上の構成によれば、波長変換素子４から漏洩する光を光電変換器８を介して制御回路１０にフィードバックして半導体レーザ１の出力を制御しているので、出射デバイス６から安定した青色レーザが出射される。

（第４の実施の形態）
図５（ａ）は、本発明の第４実施形態を示す光デバイスの構成図、図５（ｂ）は光デバイス内の波長変化素子及びその周辺の構成を示す側面図である。なお、図５において図１（ａ）と同じ符合は同じ要素を示している。

図５に示す光デバイスは、第１実施形態と同様に、制御回路１０により制御される半導体レーザ１と、光ファイバ２を介して半導体レーザ１の出力端に接続される波長変換素子４とを有し、さらに、波長変換素子４の出力端の光伝搬方向に配置される出射デバイス６を有している。また、波長変換素子４の光導波路と光ファイバ２のコアは、第３実施形態に示したと同様に互いに突き合わされて光結合されている。なお、第１の光ファイバ２の途中にはファイバ・ブラッグ・グレーティング３が接続されている。

波長変換素子４と出射デバイス６の間には、一次光カット用のフィルタ９と集光レンズ１５とハーフミラー１６がそれぞれ光伝搬方向に順に配置されている。また、ハーフミラー１６から反射した光が伝搬する光路には、その光を受光する光電変換素子８が配置されている。なお、ハーフミラー１６の代わりに、内部にプリズムを有する例えば一入力２出力のコリメータを用いてもよい。

波長変換素子４として、第１、第２実施形態と同様に、例えばLiNbO₃結晶が用いられて波長９７６ｎｍの光を４８８ｎｍに変換するように構成されている。また、フィルタ９として、例えば９７６ｎｍの遮蔽率が高く４８８ｎｍの遮光率が低い熱線吸収フィルタが用いられる。

上述した構成を有する光デバイスにおいて、半導体レーザ１から出力される光の基本波は光ファイバ２を伝搬し、その途中でファイバ・ブラッグ・グレーティング３により波長が安定化されて波長変換素子４に入射される。

波長変換素子４による変換光は、基本波の和周波で発生し、その出力光は第２次高調波だけでなく１次光を含んでいる。そして、波長変換素子４により波長変換された光はフィルタ９により１次光がカットされ、さらに集光レンズ１５により集光されて出射デバイス６を介して外部に出射される。

一方、ハーフミラー１６により反射された光は光電変換素子８に入射する。この場合、フィルタ９により１次光がカットされているので、基本波の波長を９７６ｎｍとすれば光電変換素子８に入射する光は波長４８８ｎｍの青色光であり、そのパワーに応じた大きさの電流が光電変換素子８から制御回路１０に出力される。

制御回路１０は、光電変換素子８から出力される信号が一定になるように、即ち、波長４８８ｎｍの光パワーが一定になるように、半導体レーザ１の出力光のパワーを制御する。

以上の構成によれば、波長変換素子４から出射されてフィルタ９内を伝搬した光をハーフミラー１６、光電変換器８を介して制御回路１０にフィードバックし、これにより半導体レーザ１の出力を制御しているので、出射デバイス６から安定した青色レーザが出射される。

ところで、上述した第１〜第４の実施の形態においては、波長変換素子４と出射デバイス６の間にモニタデバイス２０を配置して制御回路１０にフィードバックするようにしているが、モニタデバイスを出射デバイス６から出射された光伝搬路中に設けてもよく、このモニタデバイスからフィードバックされる信号に基づいて半導体レーザの出力を制御してもよい。
また、上記の実施形態において、波長変換素子と光ファイバとの結合手段は、直接結合に限るものではなく、例えば集光レンズを介して空間結合するものであってもよい。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る光デバイスの構成図、図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光デバイス内の光検出部分を示す側面図である。図２（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る光デバイスの構成図、図２（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る光デバイス内の光検出部分を示す側面図である。図３は、本発明の第３実施形態を示す光デバイスの構成図である。図４は、本発明の第３実施形態に係る光デバイス内の波長変換素子と光検出部分を示す斜視図である。図５（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る光デバイスの構成図、図５（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光ファイバ、波長変換素子、フィルタ、レンズの配置関係を示す側面図である。

符号の説明

１：半導体レーザ
２、５：光ファイバ
３：ＦＢＧ
４：波長変換素子
６：出射デバイス
７、１７：光漏洩部
８：光電変換素子
９：フィルタ
１０：制御回路
１１：ホルダ
１２：Ｖ溝
１５：集光レンズ
１６：ハーフミラー

Claims

基本波の光を出力する半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールに接続される第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバの光路上に設けられたブラッグ・グレーティングと、
前記第１の光ファイバを伝搬する基本波の光を所定波長に波長変換して出力する波長変換素子と、
前記波長変換素子の出力端に接続される第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバに形成された光漏洩部と、
前記光漏洩部からの漏洩光を受光する光電変換素子と、
前記光電変換素子の電気出力信号に基づいて前記波長変換素子の出力光のパワーが目標値となるように前記半導体レーザモジュールの出力を制御する制御回路と、を有し、
前記第２の光ファイバは、偏波保持ファイバ、シングルモードファイバ、マルチモードファイバのいずれかで構成され、
前記第２の光ファイバは２つの光ファイバを融着してなる融着部を有し、
前記光漏洩部は前記融着部から構成されることを特徴とする光デバイス。
前記第１の光ファイバは、偏波保持ファイバで構成されること
を特徴とする請求項１に記載の光デバイス。