JP5063300B2 - Laser module - Google Patents
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Description
本発明は、レーザモジュールに係り、特に、出射されたレーザ光をモニタして出力制御することが可能なレーザモジュールに関する。 The present invention relates to a laser module, and more particularly to a laser module capable of controlling output by monitoring emitted laser light.
従来、レーザ光が設定通りに出力されるように、出射されたレーザ光をモニタし、その結果に基づいてレーザ光の出力を制御(APC制御)することが行われている。 Conventionally, the emitted laser light is monitored so that the laser light is output as set, and the output of the laser light is controlled (APC control) based on the result.
例えば特許文献1には、レーザ光の発振部とメカニカルシャッタの間のレーザ光路上にレーザ光の一部を反射させる反射板を設けると共に、反射光の光路上に光検知部を設けてAPC制御を行う装置が開示されている。 For example, in Patent Document 1, a reflection plate that reflects part of a laser beam is provided on a laser beam path between a laser beam oscillation unit and a mechanical shutter, and a light detection unit is provided on the reflected beam path to perform APC control. An apparatus for performing is disclosed.
また、特許文献2には、半導体レーザを収容したパッケージ内の出力窓にARコートを施してレーザ光を反射させ、これを受光素子で受光してAPC制御を行う装置が開示されている。
また、特許文献3には、複数のレーザ光源から成るレーザアレイを、複数のレンズから成るレンズアレイを介して複数の光ファイバから成る光ファイバアレイとを結合させる際に、これらの調芯を確実に行う技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載された技術では、一部のレーザ光を利用してAPC制御しているためレーザ光の実効利用効率が減少してしまう、という問題があった。また、波長が紫外領域のレーザ光を用いた場合、他波長領域のレーザ光を用いた場合と比較して反射板が著しく劣化し、経時的に安定したAPC制御を行うのが困難である、という問題もあった。 However, the technique described in Patent Document 1 has a problem that the effective utilization efficiency of laser light is reduced because APC control is performed using a part of the laser light. In addition, when using laser light having a wavelength in the ultraviolet region, the reflector is significantly deteriorated compared to using laser light in other wavelength regions, and it is difficult to perform stable APC control over time. There was also a problem.
また、特許文献2に記載された技術では、特許文献1記載の技術と同様にレーザ光の実効利用効率が減少してしまうと共に、パッケージ内での乱反射によりノイズ効果が高くなり、高精度にAPC制御を行うのが困難である、という問題があった。
Further, in the technique described in
また、特許文献3に記載された技術では、レーザ光源と光ファイバの数が同数であるため、各レーザ素子についてAPC制御を行う場合に例えば特許文献1や特許文献2に記載された技術を適用した場合、上記と同様の問題が発生する。
Further, in the technique described in Patent Document 3, since the number of laser light sources and the number of optical fibers is the same, for example, the technique described in Patent Document 1 or
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザ光の実効利用効率の低下を防ぐことができるレーザモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a laser module capable of preventing a decrease in effective utilization efficiency of laser light.
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射された光を集光させるレンズと、前記レンズを透過した光のうち、前記レーザ光源の活性層の発光エリアから発光されたレーザ光を受光する出力用光ファイバと、前記レンズを透過した光のうち、前記発光エリア以外の前記レーザ光源のレーザ光出射面上の他のエリアから出力された光を入射し受光素子に導光するモニタ用光ファイバと、を備えたことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a laser light source, a lens for condensing light emitted from the laser light source, and an active layer of the laser light source among light transmitted through the lens. An output optical fiber that receives laser light emitted from the light emitting area, and light output from other areas on the laser light emitting surface of the laser light source other than the light emitting area among the light transmitted through the lens. And a monitoring optical fiber that is incident and guided to the light receiving element .
この発明によれば、レーザ光源の活性層の発光エリア以外から出力された光をモニタ用として受光するモニタ用光ファイバを備えているので、発光エリアから出力されたレーザ光の一部を分岐させてモニタ用とする必要がなく、レーザ光の実効利用効率が低下するのを抑えることができる。 According to the present invention, since the monitoring optical fiber for receiving the light output from other than the light emitting area of the active layer of the laser light source for monitoring is provided, a part of the laser light output from the light emitting area is branched. Therefore, it is not necessary to use for monitoring, and it is possible to suppress a decrease in the effective utilization efficiency of the laser beam.
なお、請求項2に記載したように、前記レーザ光源は、前記活性層が前記レーザ光源と略同一の幅を有するゲインガイド構造であり、前記モニタ用光ファイバは、前記活性層のうち前記発光エリア以外のエリアから出力された光を受光可能に配置された構成としてもよい。 According to a second aspect of the present invention, the laser light source has a gain guide structure in which the active layer has substantially the same width as the laser light source, and the monitoring optical fiber includes the light emission of the active layer. It is good also as a structure arrange | positioned so that the light output from areas other than an area can be received.
この発明によれば、活性層の幅がレーザ光源と略同一の幅を有しており、活性層のうち発光エリア以外のエリアからも光が導波されるので、これをモニタ用として利用することができる。 According to the present invention, the width of the active layer is substantially the same as that of the laser light source, and light is guided from the active layer other than the light emitting area. This is used for monitoring. be able to.
この場合、請求項3に記載したように、前記モニタ用光ファイバと前記出力用光ファイバとが、前記活性層の幅方向に沿って配置された構成としてもよい。これにより、レーザ光源と、モニタ用光ファイバ及び光ファイバとを効率よく結合させることができる。 In this case, as described in claim 3, the monitoring optical fiber and the output optical fiber may be arranged along the width direction of the active layer. Thereby, a laser light source, a monitoring optical fiber, and an optical fiber can be efficiently combined.
また、請求項4に記載したように、前記モニタ用光ファイバは、前記活性層以外の層から出力された基板モードの光を受光するように配置された構成としてもよい。 According to a fourth aspect of the present invention, the monitoring optical fiber may be arranged to receive substrate mode light output from a layer other than the active layer.
この発明によれば、活性層以外の層から出力された基板モードの光を受光するので、ゲインガイド構造に限らず活性層の両側をエッチングしてレーザ光源の幅よりも小さい幅の活性層とした狭リッジ構造やインデックスガイド構造のレーザ光源にも本発明を適用できる。 According to the present invention, since the substrate mode light output from the layers other than the active layer is received, not only the gain guide structure but also the active layer having a width smaller than the width of the laser light source by etching both sides of the active layer, The present invention can also be applied to a laser light source having a narrow ridge structure or an index guide structure.
また、請求項5に記載したように、前記モニタ用光ファイバを複数備え、少なくとも前記出力用光ファイバの両側に配置された構成としてもよい。これにより、レーザ光源と、モニタ用光ファイバ及び出力用光ファイバとを効率良く結合させるための調芯作業を容易にすることができる。 According to a fifth aspect of the present invention, a plurality of the monitoring optical fibers may be provided and disposed at least on both sides of the output optical fiber. Thereby, the alignment work for efficiently coupling the laser light source, the monitoring optical fiber, and the output optical fiber can be facilitated.
また、請求項6に記載したように、前記モニタ用光ファイバにより受光された光に基づいて、前記レーザ光源の駆動エネルギーを制御することにより前記レーザ光源から出射された光の強度を制御する制御手段を備えた構成としてもよい。これにより、レーザ光源から出射された光の強度を所望の強度に維持することができる。 According to a sixth aspect of the present invention, the control for controlling the intensity of the light emitted from the laser light source by controlling the driving energy of the laser light source based on the light received by the monitoring optical fiber. It is good also as a structure provided with a means. Thereby, the intensity of the light emitted from the laser light source can be maintained at a desired intensity.
本発明によれば、レーザ光の実効利用効率の低下を防ぐことができる、という効果を有する。 According to the present invention, it is possible to prevent a decrease in effective utilization efficiency of laser light.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本実施形態に係るレーザモジュール10の側面の断面図を示した。同図に示すように、レーザモジュール10は、CANパッケージ12を備えている。
FIG. 1 shows a side sectional view of a
丸形のCANパッケージ12は、レーザ光源としての半導体LD(レーザダイオード)14が実装されている。この半導体LD14は、例えば発光幅10μmのマルチモードブロードエリア半導体LDで出力が100mW以上のものを用いることができる。
A
半導体LD14は、パッケージ内のブロック16にAuSnロウ材を用いて実装されている。そして、半導体LD14からのレーザ光の出射窓18が設けられたCAP20が例えば抵抗溶接によりCANパッケージ12の基台22に取り付けられており、内部が気密封止されている。
The
半導体LD14が密封されたCANパッケージ12は、LDホルダ24に圧入固定されている。なお、CANパッケージ12は、圧入以外にYAG熔接などの熔接や半田、接着剤を用いてLDホルダ24に固定しても良い。
The
CANパッケージ12のレーザ光の出射側には、集光レンズ26が設けられている。この集光レンズ26は、例えば倍率4倍のレンズが用いられ、半導体LD14から出射されたレーザ光を集光する。
A
集光レンズ26は、例えば接着剤によって集光レンズホルダ28に固定されている。なお、集光レンズ26は、圧入により集光レンズホルダ28に固定されてもよい。
The
集光レンズホルダ28は、LDホルダ24にレーザ光の光軸方向に摺動自在に嵌め合わされている。
The
また、集光レンズホルダ28には、ガラススタブ30を保持するスタブホルダ32が取り付けられている。なお、ガラススタブ30は、例えば屈折率が1.5のガラスを用いることができる。スタブホルダ32は、集光レンズホルダ28上に例えばYAG溶接によって固定されるが、接着剤や半田で固定されてもよい。
A
スタブホルダ32の内側にはスリーブ34が設けられている。スリーブ34は、装置の組み立て時に後述する調芯を行うため、スタブホルダ32内をX,Z方向に微小に移動可能となっており、この調芯後に固定される。
A
このスリーブ34内には光ファイバアレイ40にフェルール42が取り付けられたサブアッセンブリ44が挿入される。サブアッセンブリ44は、後述する調芯により半導体LD14と効率よく結合できるような位置でスリーブ34内に固定される。
A
光ファイバアレイ40は、図2に示すように、出力用光ファイバ46、モニタ用光ファイバ48、50の3本の光ファイバで構成され、これらの一端にフェルール42が取り付けられている。また、出力用光ファイバ46の他端にはコネクタ52が、モニタ用光ファイバ48、50の他端には受光素子(例えばフォトダイオード)54、56が取り付けられている。受光素子54、56は、半導体LD14のAPC制御を行う図示しない制御部に接続される。この制御部は、受光素子54、56により受光されたレーザ光に基づいて、半導体LD14のAPC制御を行う。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、フェルール42には長穴42Aが設けられており、この長穴42Aに、断面が円形状でかつ直径が同一の3本の光ファイバが一列に並んで挿入された状態で固定されている。各光ファイバとフェルール42とは、例えばエポキシ系接着剤樹脂によって固定されている。
As shown in FIG. 3, the
なお、出力用光ファイバ46、モニタ用光ファイバ48、50、そのコア46A、48A、50Aのコア径が例えば60μmで、クラッド46B、48B、50Bの厚さが20μm、すなわち外径が80μmのマルチモードファイバを用いることができる。
The output
また、フェルール42の断面は円形状であると共に、その外径はスリーブ34の内径と略同一となっており、フェルール42をスリーブ34に挿入するだけで半固定することができる。これにより、詳細は後述するが、フェルール42をスリーブ34に挿入し、回転させることで半導体LD14と効率よく結合させることができる位置を調整することができる。
Further, the
図4には、半導体LD14の構成を斜視図により示した。半導体LD14は、n側電極60、GaN基板62、n側クラッド層64、活性層66、キャリアブロック層68、p側クラッド層70、電流ブロック層72、及びp側電極74が積層された構成である。
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the
また、p側クラッド層70には、光を閉じ込めるためのストライプ状のリッジ部70Aが形成されており、このリッジ部70Aの両側は電流ブロック層72により挟まれている。このように、半導体LD14は、GaN系のメサストライプ構造の半導体レーザで構成されている。
The p-
図4に示すように、半導体LD14が、活性層66がエッチングされてリッジ部70Aと略同一の幅となる狭リッジ構造ではなく、活性層66が半導体LD14の幅Wと同一の幅を有するゲインガイド構造の場合、出力用光ファイバ46に入射させるべきレーザ光はリッジ部70付近の発光エリア66Aから発光されたレーザ光であるが、発光エリア66A以外のエリア66Bからも光が導波される。
As shown in FIG. 4, the
例えば図5(A)に示すように、半導体LD14が、活性層66の厚みが2〜3μm、発光エリア66Aが10μmの半導体レーザの場合、倍率が4倍の集光レンズ26を透過した後の光ファイバアレイ40の端面におけるビーム形状は、同図(B)に示すビーム形状78のようになる。同図(B)に示すように、リッジ部70Aに対応する位置、すなわち活性層66の中央付近における発光エリア66Aから発光されたレーザ光の出力用光ファイバ46の端面におけるビーム形状78Aの幅は40μmとなる。従って、出力用光ファイバ46のコア46Aのコア径は、ビーム形状78Aの幅以上のコア径とする。本実施形態では、同図(C)に示すように、各光ファイバのコア径を60μmとし、外径を80μmとしている。
For example, as shown in FIG. 5A, when the
また、発光エリア66A以外のエリア66Bから導波された光の光ファイバアレイ40の端面におけるビーム形状は、同図(B)に示すビーム形状78Bのようになり、これがモニタ用として利用される。従って、出力用光ファイバ46、モニタ用光ファイバ48、50は、活性層66の幅方向と同一方向に沿って配置することが好ましいが、出力用光ファイバ46に出力光として利用するのに十分な強度のレーザ光が入射され、モニタ用光ファイバ48、50にモニタ光として利用するのに十分なレーザ光が入射されるのであればよい。従って、各光ファイバの配列方向が活性層66の幅方向と必ずしも同一方向でなくてもよく、また、各光ファイバが必ずしも直線的に配列されていなくてもよい。なお、モニタ用の光を効率よくモニタ用光ファイバに入射させるために各光ファイバのコアを近づけるべくクラッドの厚さはなるべく薄くすることが好ましい。
Further, the beam shape of the light guided from the
次に、半導体LD14と光ファイバアレイ40とを調芯する方法、すなわち各光ファイバに入射されるレーザ光の強度が各々最大となる位置に光ファイバアレイ40の位置を調整する方法について説明する。
Next, a method of aligning the
まず、半導体LD14の基板底面が下になるようにCANパッケージ12を固定し、光ファイバアレイ40が挿入されたスリーブ34がスタブホルダ32内に挿入された状態でレーザ発振させる(アクティブアライメント)。
First, the
そして、出力用光ファイバ46から出力される光の強度を計測しながらスリーブ34をX,Z方向に微小に移動させ、光強度が最も大きくなる位置でスリーブ34をスタブホルダ32内に固定する。次に、光ファイバアレイ40とフェルール42とから成るサブアッセンブリ44を回転させながらモニタ用光ファイバ48、50から出力される光の強度を計測し、それぞれが最大になる位置でスリーブ34に固定する。これにより、半導体LD14と光ファイバアレイ40とを最も効率よく結合させることができる。
Then, the
図6には、上記のように調芯した場合の各光ファイバのレーザ駆動電流に対する出力特性を測定した結果を示した。同図に示すように、出力用光ファイバ46の出力特性Out−Pは、電流が所定閾値th以上になる辺りから出力が急激に増加する特性となっているが、モニタ用光ファイバ48の出力特性PD1、モニタ用光ファイバ50の出力特性PD2、モニタ用光ファイバ48、50の出力を合わせた場合の出力特性PD1+2も、電流が所定閾値th以上になる辺りから出力も増加する特性となっている。
FIG. 6 shows the result of measuring the output characteristics with respect to the laser drive current of each optical fiber when the optical fiber is aligned as described above. As shown in the figure, the output characteristic Out-P of the output
従って、少なくとも所定閾値th以上の電流で半導体LD14を駆動することで、モニタ用光ファイバ48、50の少なくとも一方から出力された光を用いて半導体LD14のAPC駆動を行うことができる。このように、出力が100mW以上の半導体LDを用いた場合、発光エリア66A以外から漏れる光も測定可能となるため、これをモニタ用として利用することができる。
Therefore, by driving the
なお、同図に示すように、モニタ用光ファイバ48、50の何れかだけを用いてもモニタ用の光を検出することが可能であることから、モニタ用光ファイバを1本としてもよい。また、モニタ用光ファイバを3本以上としてもよい。
As shown in the figure, since only one of the monitoring
図7には、出力用光ファイバ46から出力される光の強度とモニタ用光ファイバ48から出力される光の強度との相関値PD1、出力用光ファイバ46から出力される光の強度とモニタ用光ファイバ50から出力される光の強度との相関値PD2、出力用光ファイバ46から出力される光の強度とモニタ用光ファイバ48、50から出力される光を合わせた光の強度との相関値PD1+PD2を示した。同図に示すように、相関値PD1+PD2が最も高く、出力用光ファイバ46の出力特性に最も近いことが判る。従って、モニタ用光ファイバ48、50の2本のモニタ用光ファイバを用いてAPC制御を行うことが好ましく、これによりAPC制御の精度を向上させることができる。
FIG. 7 shows a correlation value PD1 between the intensity of light output from the output
また、図8には、本実施形態に係るレーザモジュール10を用いてAPC制御を行った場合とAPC制御を行わなかった場合における出力用光ファイバ46の出力変化率の特性を示した。同図に示すように、APC有りの方が出力変動が小さく0.15%、APC無しの出力変動は0.37%であった。これより、本実施形態に係るレーザモジュール10を用いてAPC制御を行うことで出力変動を低減することができることが判った。
FIG. 8 shows the characteristics of the output change rate of the output
このように、本実施形態では、半導体LD14の活性層66の発光エリア66A以外から出力された光、すなわち本来利用すべき発光エリア66Aから出力されたレーザ光以外の光をモニタ用として利用するので、発光エリア66Aから出力されたレーザ光の一部を分岐させたりする必要がなく、レーザ光の実効利用効率が低下するのを抑えることができる。
As described above, in this embodiment, light output from other than the
なお、本実施形態では、リッジ部70A付近の発光エリア66A以外のエリア66Bから導波された光をモニタ用光ファイバ48、50に入射させてモニタ光として利用することが可能なレーザモジュールについて説明したが、半導体LD14から出力される光には、発光エリア66Aから出力される光や発光エリア66A以外のエリア66Bから導波される光だけでなく、活性層66以外の層、例えばGaN基板62等の他の層から出力される(漏れる)所謂基板モードの光もある。このため、基板モードの光をモニタ用光ファイバ48、50の少なくとも一方に入射させるように調芯した構成としてもよい。この場合、光ファイバアレイ40の各光ファイバを活性層66の幅方向と同一方向に配列する必要はなく、例えば活性層66の幅方向と直交する方向に配列するようにしてもよい。
In the present embodiment, a laser module is described in which light guided from an
また、本実施形態では、活性層66の幅が半導体LD14の素子の幅と同一である構成の半導体レーザに本発明を適用した場合について説明したが、発光エリア66Aの両側をエッチングした狭リッジ構造の半導体レーザにも本発明を適用可能である。この場合、上記基板モードの光をモニタ用光ファイバ48、50の少なくとも一方に入射させるように調芯すればよい。
In the present embodiment, the case where the present invention is applied to a semiconductor laser having a configuration in which the width of the
また、本実施形態では、モニタ光を入射させる手段として光ファイバを用いた場合について説明したが、これに限らず、フォトダイオードをモニタ用の光が入射する位置に直接配置するようにしてもよいし、その位置に反射ミラーを配置して、反射ミラーからの光を直接又は光ファイバ等の光学部材を介してフォトダイオードに入射させる構成としてもよい。 In this embodiment, the case where an optical fiber is used as the means for entering the monitor light has been described. However, the present invention is not limited to this, and the photodiode may be directly arranged at a position where the monitor light is incident. In addition, a configuration may be adopted in which a reflection mirror is disposed at that position and light from the reflection mirror is incident on the photodiode directly or via an optical member such as an optical fiber.
また、本実施形態では、サブアッセンブリ44が、フェルール42に設けられた長穴42A内に3本の光ファイバが一列に並んで挿入された構成の場合について説明したが、サブアッセンブリ44は、各光ファイバが並列に融着された光ファイバアレイを用いた構成としてもよく、また、V溝が設けられた基板に各光ファイバが並べられた構成としてもよい。
In this embodiment, the
なお、本実施形態では、半導体LDとしてGaN系の半導体LDを採用した場合について説明したが、これに限らず、例えば赤色や赤外の半導体LDにも本発明を適用可能である。具体的には、例えばGaAs(ガリウムヒ素)系の高出力半導体LD(波長:640〜1100nm)や、InP(インジウムリン)系の高出力半導体LD(波長:1300nm〜)にも本発明を適用可能である。 In this embodiment, the case where a GaN-based semiconductor LD is employed as the semiconductor LD has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to, for example, a red or infrared semiconductor LD. Specifically, the present invention can be applied to, for example, a GaAs (gallium arsenide) -based high-power semiconductor LD (wavelength: 640 to 1100 nm) and an InP (indium phosphide) -based high-power semiconductor LD (wavelength: 1300 nm or more). It is.
10 レーザモジュール
12 CANパッケージ
14 半導体LD
26 集光レンズ(レンズ)
34 スリーブ
40 光ファイバアレイ
42 フェルール
44 サブアッセンブリ
46 出力用光ファイバ
48、50 モニタ用光ファイバ(受光手段)
54、56 受光素子
66 活性層
66A 発光エリア
66B エリア
70A リッジ部
10
26 Condensing lens (lens)
34
54, 56
Claims (6)
前記レーザ光源から出射された光を集光させるレンズと、
前記レンズを透過した光のうち、前記レーザ光源の活性層の発光エリアから発光されたレーザ光を受光する出力用光ファイバと、
前記レンズを透過した光のうち、前記発光エリア以外の前記レーザ光源のレーザ光出射面上の他のエリアから出力された光を入射し受光素子に導光するモニタ用光ファイバと、
を備えたレーザモジュール。 A laser light source;
A lens for condensing the light emitted from the laser light source;
An optical fiber for output that receives laser light emitted from the light emitting area of the active layer of the laser light source among the light transmitted through the lens;
Among the light transmitted through the lens, an optical fiber for monitoring that enters the light output from another area on the laser light emitting surface of the laser light source other than the light emitting area and guides it to the light receiving element;
Laser module with
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JP2009117522A (en) | 2009-05-28 |
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