JP4850591B2

JP4850591B2 - 光結合装置および固体レーザ装置およびファイバレーザ装置

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Publication number: JP4850591B2
Application number: JP2006163262A
Authority: JP
Inventors: 啓介古田; 順一西前; 正記瀬口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: JP2007333848A

Description

本発明は、光結合装置、および、この光結合装置を用いた固体レーザ装置またはファイバレーザ装置に関する。

従来の光結合装置は、半導体レーザからの出射領域の広い光を、入射領域の狭い光ファイバなどに結合させるために、光導波路を用いる。特許文献１に記載された光結合装置では、光導波路のコア入射部の寸法を光の入射領域の寸法に、また、コア出射部の寸法を結合させる光ファイバの寸法にそれぞれ合わせる。そして、光導波路のコア側面の一部が、上記半導体レーザの出射領域の幅方向、高さ方向に対して斜めになるように形成されている。

特許第３６０７２１１号公報

一般的なアレイ方向に約１０ｍｍの出射領域を持つ半導体レーザアレイの光を光ファイバに結合し、その結合させた光が光ファイバの許容受光角（ＮＡ）を超えないようにすることが求められている。しかし、従来の装置でこの要求を満たそうとすると、光導波路の出射部径は直径数ｍｍほどにしか面積を小さくすることができない。このため、一般的な数百ミクロンの直径を持つ光ファイバへの高効率結合は困難であるという問題点があった。さらに、従来技術の光導波路は複雑な導波路形状を有する必要があるため、素子製作コストが高いという問題点もあった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体レーザアレイからの光を効率よく細径の光ファイバに結合させることができ、かつ、低コストな光結合装置を得ることを目的とする。

本発明に係る光結合装置は、半導体レーザアレイからの光を光ファイバに結合する光結合装置であって、前記半導体レーザアレイからの入射光が透過する入射光透過領域を有する入射面と、前記入射面と対向し、前記光ファイバへの出射光が透過する出射光透過領域を有する出射面とを有する導光板と、前記導光板の前記入射面上に、前記入射光透過領域を避けて形成された第１の全反射コーティングと、前記導光板の前記出射面上に、前記出射光透過領域を避けて形成された第２の全反射コーティングとを備える。

この発明によれば、半導体レーザアレイからの光を、光ファイバに高効率に結合させることができる。また、光結合装置を低コスト化できる。

＜実施の形態１＞
図１は実施の形態１に係る光結合装置を示す斜視図である。この光結合装置は、第１の光要素である半導体レーザアレイ１からの光を、第２の光要素である光ファイバ５に結合する装置である。

半導体レーザアレイ１は、レーザ光を発する複数のエミッタ２をアレイ方向に並べて設けており、発光領域の広い光を出力する。半導体レーザアレイ１の発光領域のアレイ方向の長さは、最も一般的な１０ｍｍ程度を想定する。

本実施の形態に係る光結合装置は、直方体の形状を持つ導光板３からなり、導光板３が有する面のうち光が入射される面を入射面３ａとし、入射面３ａと対向する位置にあり、光を出射する面を出射面３ｂとする。この導光板３の材質には、石英などが用いられる。

図２に示すように、導光板３の入射面３ａには、半導体レーザアレイ１からの光が入射し、透過することができる領域（以下、入射光透過領域）３ｄを線状に設けている。入射光透過領域３ｄには、半導体レーザ光の波長に対する反射防止コーティングが施されている。入射面３ａのうち、入射光透過領域３ｄを避けた部分には、半導体レーザ光の波長に対する全反射コーティング３ｃが施されている。

さらに、図３に示すように、導光板３の出射面３ｂには、光が透過し、光ファイバ５に向かって出射できる領域（以下、出射光透過領域）３ｆを円形状に形成している。出射光透過領域３ｆには、半導体レーザ光の波長に対する反射防止コーティングが施されている。出射面３ｂのうち、出射光透過領域３ｆを避けた部分には、半導体レーザ光の波長に対する全反射コーティング３ｅが施されている。

なお、図１に示す導光板の側面３ｇ〜３ｊには上記のコーティングを施す必要は無い。また、エミッタ２から発せられる光は発散角を有するので、なるべく全ての光が入射光透過領域３ｄに入射されるように、エミッタ２と入射光透過領域３ｄを近接させる。そして、入射光透過領域３ｄはなるべく狭くなるように形成する。また、導光板３の形状を直方体としているが、これに限られず、入射面３ａおよび出射面３ｂに垂直な側面を有する形状であれば他の形状であってもよい。

以上のように構成された光結合装置後方には、集光レンズ４が配置され、その後方に集合された光が入力される光ファイバ５が配置されている。光ファイバ５は、コア直径が励起光源などの応用に有用な２００ミクロンで、許容受光角（ＮＡ）が一般的な０．４程度を想定する。

以上の構成からなる光結合装置の動作を説明する。複数のエミッタ２から出射された光は、入射面３ａの入射光透過領域３ｄから入射光として導光板３に入射される。入射光は、導光板３の側面３ｇ〜３ｊにて全反射を繰り返しながら出射面３ｂへ向かう。

出射面３ｂに到達した光のうち、反射防止コーティングを形成した出射光透過領域３ｆに到達した光は、導光板３外部に出射される。全反射コーティング３ｅを形成した領域に到達した光は、損失なく入射面３ａの方向に向かって反射される。

同様に、入射面３ａに到達した光のうち、反射防止コーティングを形成した入射光透過領域３ｄに到達した光は、導光板３外部に出射される。全反射コーティング３ｃを形成した領域に到達した光は、損失なく出射面３ｂ方向に向かって反射される。

以上のように、導光板３内部で入射光を往復させる間に、入射光は出射光透過領域３ｆあるいは入射光透過領域３ｄから出射されることになる。出射光透過領域３ｆから出射される光は、集光レンズ４によって集光され、光ファイバ５へ結合される。一方、入射光透過領域３ｄから出射される光は、光ファイバ５へ結合されないので、損失となる。しかし、エミッタ２と入射光透過領域３ｄを近接させ、入射光透過領域３ｄを狭く設計しているので、損失は最小限に抑制できる。その結果、ほとんどの入射光が出射光透過領域３ｆから出射されることになる。

以上の動作のように、本実施の形態に係る光結合装置は、入射光透過領域３ｄに入射された光を、高効率に出射光透過領域３ｆから出射することができる。例えば、導光板３の厚みを０．６ｍｍ、出射光透過領域３ｆの円の直径を同じく０．６ｍｍ程度に設計した場合、９０％以上の入射光を出射光透過領域３ｆから取り出すことが可能となる。また、出射光透過領域３ｆは、従来の光結合装置の出射領域よりも小さくすることができ、２００ミクロン程度のコア直径をもつ光ファイバに対しても、光を結合することができる。さらに、この光結合装置は、容易な加工で作成できる直方体形状の導光板３を用いるため、安価に光結合装置を製造することができる。

また、導光板３の側面３ｇ〜３ｊは入射面３ａおよび出射面３ｂに垂直であるため、半導体レーザアレイ１からのレーザ光の発散角は維持され、レーザ光の品質劣化を防ぐことができる。また、アレイ方向およびそれに垂直方向を有する不均一であったレーザ光は、導光板３内を多重反射する間に均質化されるため、出射面３ｂの出射光透過領域３ｆからは、等方的な拡がり角を持つ円形のビームが得られる。なお、出射光透過領域３ｆからの出射光は、図１のような円形の集光レンズ４で集光されるため、出射光透過領域３ｆを円形状に形成することにより、集光性を高くすることができる。以上の効果を有することにより、許容受光角（ＮＡ）が０．４以下の光ファイバを用いることができる。

なお、入射光透過領域３ｄおよび出射光透過領域３ｆに反射防止コーティングを施しているため、これらの領域での光透過のロスを減少することができ、より高効率な光結合を実現することができる。

＜実施の形態２＞
本実施の形態に係る光結合装置は、図４に示すように、実施の形態１の入射光透過領域３ｄを、半導体レーザアレイ１の各エミッタ２からの出射光の領域にあわせて、点線状に形成している。

このような構成にすれば、入射面３ａに対する入射光透過領域３ｄの面積比率をより低くすることができるため、入射光透過領域３ｄから出射される光を減少させることができる。その結果、出射光透過領域３ｆから光を実施の形態１よりも多く出射することができるため、結合効率をより高めることが可能となる。

＜実施の形態３＞
本実施の形態に係る光結合装置は、図５に示すように、光ファイバ５を出射光透過領域３ｆに融着させている。

このような構成にすれば、導光板３と光ファイバ５の位置関係は強く固定されるため、外乱に強い装置となる。また、出射面３ｂにおける反射防止コーティング３ｄが不要となるため、製作工程を容易化することができる。

＜実施の形態４＞
本実施の形態に係る光結合装置は、図６から図９に示すように、入射光透過領域３ｄと全反射コーティング３ｃを形成した領域の間に段差を設けている。すなわち、入射面３ａに段差をなす第１、第２の面を形成し、全反射コーティング３ｃは前記第１、第２の面のうち一方の面に形成し、他方の面は入射光透過領域３ｄとしている。図６は入射面３ａの中央付近に引っ込んだ領域を形成し、この領域を入射光透過領域３ｄとしている。図７では、入射面３ａの端部に引っ込んだ領域を形成し、この領域を入射光透過領域３ｄとしている。図８では、入射面３ａの両端に引っ込んだ領域を形成し、この領域を入射光透過領域３ｄとしている。ここでは、２つの半導体レーザアレイ１ａ，１ｂを用いて、２つの入射光透過領域３ｄを設けているが、２つ以上の入射光透過領域３ｄを設けてもよい。図９では、これらとは逆に、出っ張った領域を入射光透過領域３ｄとしている。

このような構成によれば、入射面３ａにおいて、全反射コーティング３ｃの領域中に、反射防止コーティング領域３ｄを狭い領域に形成する場合、その形成に伴う困難を軽減することができる。また、入射面３ａのうち光導入部の位置を、図６から図９のように側面から目視で確認できるため、半導体レーザアレイ１と導光板３の位置調整を容易に行なうことが可能となる。

＜実施の形態５＞
本実施の形態に係る光結合装置は、図１０に示すように、半導体レーザアレイ１と入射面３ａとの間に円筒レンズ６を設けている。

このようにすれば、円筒レンズ６によって半導体レーザアレイ１から発せられるレーザ光の発散角を小さくすることができる。つまり、出力レーザ光のプロファイルの幅を狭く抑えることができる。したがって、半導体レーザアレイ１と導光板３の間の設置精度を緩和することが可能となる。また、入射面３ａの反射防止コーティング領域３ｄを狭く設計することが可能となるため、結合効率をより高めることができる。

＜実施の形態６＞
図１１に、本実施の形態に係る光結合装置を示す。本実施の形態では、出射面３ｂに対向する対向面３ｋから光を入射するのではなく、対向面と異なる面である側面３ｇを入射面としてそこから光を入射する。入射面である側面３ｇのうち、少なくとも入射光が照射され透過する領域には、半導体レーザ光の波長と入射角度に応じた反射防止コーティングが施されている。そして、対向面３ｋに面取り加工を施し、面取り加工部分３ｎが形成されている。対向面３ｋおよび面取り加工部分３ｎには、半導体レーザの光波長に応じた全反射コーティングが全面に形成されている。出射面３ｂ側は、実施の形態１と同じコーティングが形成されている。側面３ｇと半導体レーザアレイ１の間には、円筒レンズ６を設けている。

このように構成された光結合装置の動作について説明する。半導体レーザアレイ１から発せられたレーザ光は、円筒レンズ６で集光され、側面３ｇから入射し、面取り加工部分３ｎに到達する。この面取り加工部分３ｎには全反射コーティングが形成されているため、面取り加工部分３ｎに到達した入射光は反射され、出射面３ｂへ向かう。

出射面３ｂと対向面３ｋには全反射コーティングが形成されているため、出射面３ｂへ向かった入射光は導光板３内部で往復する。この往復の間に、入射光のある部分は出射光透過領域３ｆから導光板３外部へ出射され、残りの部分は面取り加工部分３ｎで再び反射し、側面３ｇへ向かい、導光板３外部へ出射される。面取り加工部分３ｎで反射された光は損失となるが、この面取り加工部分３ｎを十分小さく設計すれば、その損失は最小限に抑制できる。

このように、本実施の形態に係る導光板は、対向面３ｋ以外の面３ｇから入射されたレーザ光を、高効率に出射光透過領域３ｆから出射することができる。これにより、半導体レーザアレイ１からの出力を面積の広い側面３ｇから入射することができるため、調整が簡易化できる。

さらに、半導体レーザアレイ１を増やした例を図１２に示す。ここでは、上記構成と同じ、半導体レーザアレイ１ａ、円筒レンズ６ａそれぞれと光結合装置に関して対称の位置に、半導体レーザアレイ１ｂ、円筒レンズ３ｂを設けている。面取り加工部分３ｎは、図のように対称の位置に２箇所設けている。新たに配置された半導体レーザアレイ１ｂから出射され、側面３ｇと対称となる側面３ｉに入射されるレーザ光についても、上記と同様の動作が行なわれる。このため、この構成によれば、簡易な方法で結合させる光量を倍増することができる。

＜実施の形態７＞
本実施の形態に係る光結合装置は、図１３に示すように、半導体レーザアレイ１ａ、１ｂと光結合装置の入射面３ａとの間に偏光子７を設け、半導体レーザアレイ１ａ、１ｂと偏光子７の間にそれぞれ、発散角を低減するために円筒レンズ６ａ、６ｂを設けている。

このような構成によれば、簡易な構成にて結合させる光量を倍増することができる。なお、半導体レーザアレイ１ａ、１ｂから、複数の波長の異なる光が発せられる場合には、波長合成ミラーを用いてもよい。

＜実施の形態８＞
図１４に、本実施の形態に係る光結合装置を示す。光結合装置を複数台用い、第２の光要素として、直径２００ミクロンのコアを持つ光ファイバ５を束ねたバンドルファイバ８を用いる。ここでは、光結合装置を７台用いている。

このように、光ファイバ５を束ねた構成をとることにより、光出力をさらに増加させることが可能となる。本実施の形態では、実質的に６００ミクロン直径のコアを持ち、光出力が７倍の光ファイバを構成しているが、束ねるファイバ数を増やせば、光出力をさらに増加させることも可能である。

＜実施の形態９＞
図１５に、本実施の形態に係る固体レーザ装置を示す。実施の形態８で示した光結合装置から出力される光を、励起光源として用いる。バンドルファイバ８のファイバ端には、集光レンズ９を設ける。その後方に、固体レーザ媒質１０を設け、バンドルファイバ８のファイバ端から出射される励起光が、集光レンズ９で集光され、固体レーザ媒質１０の端面に入射されるようにする。さらに後方に、一部の光を反射する共振器ミラー１１を設ける。ここで、光結合装置における半導体レーザアレイ１からの入射光の波長、つまり、半導体レーザアレイ１の出射光波長は、固体レーザ媒質に対する吸収率が高い７８０〜１０００ｎｍの赤外光である。

このような構成においては、半導体レーザアレイ１からの高い出力を簡易な構成で高効率に結合された光を、固体レーザ媒質１０の励起光源として適用することで、固体レーザ１２を出力する固体レーザ装置を実現することができる。なお、図１５では、固体レーザの端面励起構成を示したが、固体レーザ媒質１０と、ファイバ端の位置関係を変えることにより、側面励起構成にも適用することができる。また、波長が７８０〜１０００ｎｍであるレーザ光を用いることで、効率のよい励起システムを実現することができる。また、ここではバンドルファイバ８による励起光源の伝送方法を示したが、当然単一の光ファイバ５のみによる伝送方法を選択してもよい。

＜実施の形態１０＞
図１６に、本実施の形態に係るファイバレーザ装置を示す。実施の形態８で示した光結合装置から出力される光を、励起光源として用いる。バンドルファイバ８のファイバ端には、集光レンズ９を設ける。その後方に、例えば、希土類原子がドープされた発振用光ファイバ１３を設け、バンドルファイバ８のファイバ端から出射される励起光が、集光レンズ９で集光され、発振用光ファイバ１３の端面に入射されるようにする。発振用光ファイバ１３の前・後部付近には一部の光を反射するファイバブラッググレーティング１４を設ける。ここで、光結合装置における半導体レーザアレイ１からの入射光の波長、つまり、半導体レーザアレイ１の出射光波長は、発振用光ファイバコアに対する吸収率が高い７８０〜１０００ｎｍの赤外光である。

このような構成においては、半導体レーザアレイ１からの高い出力を簡易な構成で高効率に結合された光を、発振用光ファイバ１３の励起光源として適用することで、ファイバレーザ１５を出力するファイバレーザ装置が実現できる。なお、図１６では、発振用光ファイバ１３への励起光導入に集光レンズ９を用いた例を示したが、バンドルファイバ８と発振用光ファイバ１３を直接融着接続してもよい。また、波長が７８０〜１０００ｎｍであるレーザ光を用いることで、効率のよい励起システムを実現することができる。また、ここではバンドルファイバ８による励起光源の伝送方法を示したが、当然単一の光ファイバ５のみによる伝送方法を選択してもよい。

本発明の実施の形態１による光結合装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による光結合装置の入射面を示す模式図である。本発明の実施の形態１による光結合装置の出射面を示す模式図である。本発明の実施の形態２による光結合装置の入射面を示す模式図である。本発明の実施の形態３による光結合装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態４による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態４による光結合装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態４による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態４による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態５による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態６による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態６による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態７による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態８による光結合装置を示す模式図である。本発明の実施の形態９による固体レーザ装置を示す模式図である。本発明の実施の形態１０によるファイバレーザ装置を示す模式図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ半導体レーザアレイ、２エミッタ、３導光板、３ａ入射面、３ｂ出射面、３ｃ，３ｅ全反射コーティング、３ｄ入射光透過領域、３ｆ出射光透過領域、３ｇ，３ｈ，３ｉ，３ｊ側面、３ｋ対向面、３ｎ面取り加工部分、４，９集光レンズ、５光ファイバ、６，６ａ，６ｂ円筒レンズ、７偏光子、８バンドルファイバ、１０固体レーザ媒質、１１共振器ミラー、１２固体レーザ、１３発振用光ファイバ、１４ファイバブラッググレーティング、１５ファイバレーザ。

Claims

半導体レーザアレイからの光を光ファイバに結合する光結合装置であって、
前記半導体レーザアレイからの入射光が透過する入射光透過領域を有する入射面と、前記入射面と対向し、前記光ファイバへの出射光が透過する出射光透過領域を有する出射面とを有する導光板と、
前記導光板の前記入射面上に、前記入射光透過領域を避けて形成された第１の全反射コーティングと、
前記導光板の前記出射面上に、前記出射光透過領域を避けて形成された第２の全反射コーティングとを備える、
光結合装置。
前記導光板は、
前記入射面および前記出射面と垂直な側面を有する、
請求項１に記載の光結合装置。
前記入射光透過領域および前記出射光透過領域のうち少なくとも一方に形成された反射防止コーティングをさらに備える、
請求項１または請求項２に記載の光結合装置。
前記第１の全反射コーティングは、
前記入射光透過領域を線状に避けて形成された、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光結合装置。
前記第１の全反射コーティングは、
前記入射光透過領域を点線状に避けて形成された、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光結合装置。
前記入射面は段差をなす第１、第２の面を含み、
前記第１の全反射コーティングは前記第１、第２の面のうちの一方の面に形成される、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光結合装置。
半導体レーザアレイからの光を光ファイバに結合する光結合装置であって、
前記光ファイバへの出射光が透過する出射光透過領域を有する出射面と、前記出射面と対向し、面取り加工が施された対向面と、前記半導体レーザアレイからの光が前記対向面の面取り加工部分へと向けて透過する入射面とを有する導光板と、
前記導光板の前記対向面上に全面に形成された第１の全反射コーティングと、
前記導光板の前記出射面上に、前記出射光透過領域を避けて形成された第２の全反射コーティングとを備える、
光結合装置。
前記導光板は、
前記出射面および前記対向面と垂直な側面を有する、
請求項７に記載の光結合装置。
前記半導体レーザアレイと前記入射面との間に配置された円筒レンズをさらに備える、
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光結合装置。
前記半導体レーザアレイと前記入射面との間に配置された偏光子をさらに備える、
請求項１または請求項８に記載の光結合装置。
前記光ファイバは前記出射光透過領域に融着接続された、
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光結合装置。
前記光ファイバはバンドルファイバを含む、
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の光結合装置。
前記第２の全反射コーティングは、
前記出射光透過領域を円形状に避けて形成された、
請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の光結合装置。
前記半導体レーザアレイからの入射光の波長は７８０〜１０００ｎｍである、
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の光結合装置。
請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の光結合装置を備える固体レーザ装置であって、
前記光ファイバから出射された光が入射される固体レーザ媒質を備える、
固体レーザ装置。
請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の光結合装置を備えるファイバレーザ装置であって、
前記光ファイバから出射された光が入射される発振用光ファイバを備える、
ファイバレーザ装置。