JP5457977B2 - ファラデーアイソレータおよびそれを備えるレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファラデーアイソレータおよびそれを備えるレーザ装置に関する。

従来から、同一基板上に複数の発光領域が所定間隔で一列に配置された半導体レーザアレイが、光通信用光源等の用途で用いられている。このような半導体レーザアレイにおいては半導体レーザへの戻り光を抑えるために光アイソレータが必要となる（下記特許文献１参照）。

この光アイソレータでは、光吸収による発熱により光アイソレーション機能が劣化することが問題となっており、このような問題に対処するために、光アイソレータを構成するファラデーローテータの光入射側及び光出射側にサファイア結晶等の放熱用基板を設けることが開示されている（下記特許文献２，３参照）。また、様々な発振波長の半導体レーザに用いた場合の急激な温度変化を抑制するために、２層の基板からなる支持基板上に搭載された光アイソレータが知られている（下記特許文献４参照）。

特開平７−３０２０７号公報 特開２００４−３６１７５７号公報 特開２００６−２１５４９１号公報 特開２００７−５８１６１号公報

しかしながら、上述したような構成の従来の光アイソレータを、多数の半導体レーザがそれらの光軸方向に垂直な方向で積層した積層型半導体レーザアレイに用いた場合には、複数のレーザ光が同時に照射されるため、入射光の強度が大きくなるに従って十分な放熱特性が得られない傾向にある。その結果、従来の光アイソレータでは、戻り光に対する消光特性が劣化してしまい、積層型半導体レーザアレイの高出力化に限界が生じてしまう場合があった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、積層型半導体レーザアレイに用いた場合であっても、戻り光に関する十分な消光特性を維持することが可能なファラデーアイソレータおよびそれを備えるレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のファラデーアイソレータは、互いに平行になるように配置された、非磁性体材料から成る複数の放熱用基板と、複数の放熱用基板上のそれぞれに載置された複数のファラデーローテータと、複数のファラデーローテータに、複数の放熱用基板の面に沿った方向の磁界を印加する磁界発生部と、複数のファラデーローテータに対して磁界の方向に沿って並んで配置され、複数のファラデーローテータを挟むように設けられた２つの偏光子と、複数の放熱用基板の端部が接続されて複数の放熱用基板を支持する非磁性体材料からなる放熱用支持板と、を備える。

このようなファラデーアイソレータによれば、積層型のレーザダイオードアレイに用いた場合に、レーザダイオードアレイから出射された複数の入射光が、２つの偏光子に挟まれて複数の放熱用基板上に積層して載置された複数のファラデーローテータに分散して入射可能にされ、磁界発生部によって、複数のファラデーローテータに対して放熱用基板に沿って磁界が印加されることにより、レーザダイオードアレイへの戻り光が防止される。ここで、複数のファラデーローテータがそれぞれの放熱用基板と共に積層して配置されることにより、レーザダイオードアレイからの複数の入射光が分散して入射されるので、ファラデーローテータの熱による特性劣化を低減することができる。さらに、複数枚の放熱用基板がその端部において放熱用支持板によって接続されているので、放熱用基板上のファラデーローテータを確実に位置決めできるとともに、放熱用基板の厚さに関係なくファラデーローテータを効率よく冷却することができる。その結果、積層型のレーザダイオードアレイに用いた場合に、十分な消光特性を維持することができる。

放熱用支持板は、複数の放熱用基板を磁界の方向に対して垂直な方向から挟むように２枚以上設けられていることが好適である。かかる構成を採れば、放熱用基板上のファラデーローテータをレーザダイオードアレイの積層構造に合わせて容易に位置決めすることができるとともに、ファラデーローテータから放熱用基板および放熱用支持板を経由して効率的に放熱させることができる。これにより、入射光の強度を大きくした場合でも、消光特性をより一層維持することができる。

或いは、本発明のレーザ装置は、上述したファラデーアイソレータと、偏光子を挟んで複数のファラデーローテータに対して磁界の方向に並んで配置され、偏光子に向けてレーザ光を照射するレーザダイオードアレイとを備え、レーザダイオードアレイは、複数の放熱用基板の配列方向に沿って積層された複数のレーザダイオードを有する。

このようなレーザ装置では、レーザダイオードアレイの各レーザダイオードからの入射光が、各レーザダイオードに対向するファラデーローテータに分散して入射されるので、ファラデーローテータの熱による特性劣化を低減することができる。さらに、複数枚の放熱用基板がその端部において放熱用支持板によって接続されているので、放熱用基板上のファラデーローテータを確実に位置決めできるとともに、放熱用基板の厚さに関係なくファラデーローテータを効率よく冷却することができる。その結果、ファラデーアイソレータの消光特性が十分に維持され、積層型のレーザダイオードアレイを内蔵するレーザ装置におけるレーザダイオードへの戻り光を確実に防止することができる。

本発明によれば、積層型半導体レーザアレイに用いた場合であっても、戻り光に対する十分な消光特性を維持することができる。

本発明の好適な一実施形態に係るレーザ装置の一部破断斜視図である。 図１の積層型ファラデーローテータを拡大して示す斜視図である。 図２の積層型ファラデーローテータの構成部品であるファラデーローテータを横方向から見た側面図である。 従来のファラデーアイソレータを積層型半導体レーザアレイに用いた場合と図１のレーザ装置におけるＬＤバーの駆動電流とファラデーアイソレータにおけるパワー損失との関係を示すグラフである。 本発明の変形例であるファラデーローテータを横方向から見た側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るファラデーアイソレータおよびそれを用いたレーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係るレーザ装置１の一部破断斜視図である。同図に示すように、レーザ装置１は、積層型レーザダイオードアレイ（以下、単にＬＤスタックという）２と、ＬＤスタック２の光出射面側に並んで配置されたファラデーアイソレータ３とを含んで構成されている。このＬＤスタック２は、複数の層状のレーザダイオードバー（以下、ＬＤバーという）４が積層されてなり、それぞれのＬＤバー４の矩形状の光出射面４ａから独立したレーザ光をほぼ同一方向に照射可能ないわゆるスタック型半導体レーザである。以下の説明においては、ＬＤスタック２の照射するレーザ光の光軸に沿った方向を軸方向とし、光軸に対して垂直なＬＤバー４の積層方向を縦方向とし、軸方向および縦方向に垂直な方向を横方向とする。

ファラデーアイソレータ３は、ＬＤスタック２の光出射面４ａの前面に軸方向に沿って配置されており、ＬＤスタック２への戻り光を防止する役割を有する。このファラデーアイソレータ３は、光出射面４ａ側から軸方向に沿って、第１偏光板（偏光子）５、偏光回転子６、積層型ファラデーローテータ７、及び第２偏光板（偏光子）８が、この順で並べて構成されている。これにより、光出射面４ａから照射された光は、第１偏光板５、偏光回転子６、積層型ファラデーローテータ７、及び第２偏光板８に順に入射する。また、ファラデーアイソレータ３は、積層型ファラデーローテータ７の外側に縦方向及び横方向から取り囲むように設けられ、積層型ファラデーローテータ７に対して軸方向に沿った磁界を生成する筒状の磁石（磁界発生部）９を有する。

積層型ファラデーローテータ７を軸方向から挟むように設けられた第１偏光板５及び第２偏光板８は、軸方向に対して垂直な所定の方向の直線偏光のみを透過させることのできる光学素子である。このような光学素子としては、例えば、特定方向の直線偏光成分を透過させ、それと直交する偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が用いられる。この第１偏光板５と積層型ファラデーローテータ７との間には、偏光回転子６が配置されている。偏光回転子６は、ＬＤスタック２から照射されて第１偏光板５を透過した直線偏光の光が入射されると、その偏光方向を入射方向に向かって４５度回転させる光学素子である。また、偏光回転子６は、積層型ファラデーローテータ７側から入射してきた戻り光の偏光方向を入射方向に向かって４５度回転させる機能も有する。このような偏光回転子６としては、λ／２板や、４５度クオーツローテータが挙げられる。

次に、積層型ファラデーローテータ７の構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。図２は、図１の積層型ファラデーローテータ７を拡大して示す斜視図、図３は、図２の積層型ファラデーローテータ７の構成部品であるファラデーローテータ１０を横方向から見た側面図である。

積層型ファラデーローテータ７は、複数層（例えば、５層）のファラデーローテータ１０が、４枚の放熱用支持板１１によって固定されて積層された構造を有している。それぞれのファラデーローテータ１０はほぼ同一の形状および構成を有し、非磁性体材料から成る矩形膜状の放熱用基板１２上にそれぞれ載置されている。この放熱用基板１２としては、熱伝導率の比較的高い非磁性体材料からなるサファイア基板やダイヤモンド基板等が用いられる。

詳細には、ファラデーローテータ１０は、放熱用基板１２上に軸方向に沿って並んで搭載された２つのファラデー媒質１３と、これらのファラデー媒質１３に挟まれて放熱用基板１２上に載置された偏光回転子である９０度クオーツローテータ１４とから構成される。

このファラデー媒質１３は、磁気光学効果（ファラデー効果）を有する磁気光学材料であるテリビウムガリウムガーネット（ＴＧＧ）結晶、ＴＧＧセラミック、テリビウム添加ガラス等によって略立方体形状に形成されている。また、９０度クオーツローテータ１４は、２つのファラデー媒質１３間を軸方向に透過する光の偏光方向を入射方向に向かって９０度回転させる機能を有し、２つのファラデー媒質１３の間に位置することで、ファラデー媒質１３の熱補償用として用いられる。これらのファラデー媒質１３および９０度クオーツローテータ１４は、放熱用基板１２の面に拡散接合、あるいは、光硬化樹脂、エポキシ樹脂、熱伝導シリコン、インジウム等の接着剤によって接着されることにより固定されている。これにより、ファラデー媒質１３および９０度クオーツローテータ１４で発生した熱が、放熱用基板１２に伝導されることになる。

上記の複数層のファラデーローテータ１０は、放熱用基板１２の横方向の端面１２ａが、非磁性体材料からなる矩形板状の放熱用支持板１１によって接合さることにより、複数枚の放熱用基板１２が互いにほぼ平行になるように支持されている。この放熱用支持板１１は、複数層の放熱用基板１２の両端面１２ａを横方向から挟むように、一対で立設されるとともに、その一対の放熱用支持板１１が軸方向に並んで２組設けられ、合計４枚設けられている。この４枚の放熱用支持板１１は、熱伝導率の比較的高い非磁性体材料からなるサファイア基板やダイヤモンド基板等が用いられ、放熱用基板１２の端面１２ａに拡散接合、あるいは、光硬化樹脂、エポキシ樹脂、熱伝導シリコン、インジウム等の接着剤によって接着されることにより接合されることにより、放熱用基板１２を支持する。

図１に戻って、磁石９は、上記のようにして一体化された放熱用基板１２、ファラデーローテータ１０、及び放熱用支持板１１を取り囲むように設けられることで、放熱用基板１２に搭載されたファラデー媒質１３に軸方向に沿った磁界を印加する。ここで、放熱用基板１２および放熱用支持板１１は、非磁性体材料によって形成されているので、ファラデー媒質１３に生成された磁界を乱すことはない。

以下、上述したファラデーアイソレータ３を備えるレーザ装置１の作用効果について説明する。

このレーザ装置１では、ＬＤスタック２から出射された複数の入射光が、２つの偏光板５，８に挟まれて複数の放熱用基板１２上に積層して載置された複数のファラデーローテータ１０に分散して入射可能にされている。そして、磁石９によってそれぞれのファラデーローテータ１０に対して放熱用基板１２の面に沿って磁界が印加されることにより、ファラデーアイソレータ３によって光アイソレーション機能が発揮される結果、複数の発光面４ａを有するＬＤスタック２への戻り光が確実に防止される。

ここで、複数のファラデーローテータ１０がそれぞれの放熱用基板１２と共に積層して配置されることにより、ＬＤスタック２からの複数の入射光がファラデー媒質１３に分散して入射されるので、１つのファラデーローテータで構成される場合に比較してファラデーローテータ１０の発熱による特性劣化を低減することができる。さらに、複数枚の放熱用基板１２がその端部１２ａにおいて放熱用支持板１１によって接続され支持されているので、放熱用基板１２上のファラデーローテータ１０を確実に位置決めできる。

また、放熱用支持板１１が存在しない構成では、放熱用基板１２が薄膜化された場合には露出面の面積が確保できないので、ファラデーローテータ１０からの熱を十分に放熱することが困難となる。これに対して、本実施形態では、ファラデーローテータ１０を積層型ＬＤスタック２に対応して薄膜化する場合であっても、ファラデーローテータ１０から放熱用基板１２および放熱用支持板１１を経由して効率的に放熱させることができる。その結果、ファラデーローテータ１０を効率よく冷却することができ、戻り光に対する十分な消光特性を維持することが可能になる。

また、放熱用支持板１１は、複数層の放熱用基板１２を軸方向に対して垂直な方向から挟むように設けられているので、放熱用基板１２上のファラデーローテータ１０を積層型ＬＤスタック２の積層構造に合わせて容易に位置決めすることができるとともに、ファラデーローテータ１０からの熱をより効率的に放熱させることができる。これにより、積層型ＬＤスタック２からの入射光の強度を大きくした場合でも、消光特性をより一層維持することができる。

図４には、従来のファラデーアイソレータをＬＤスタック装置に用いた場合と、レーザ装置１におけるＬＤバー４の駆動電流とファラデーアイソレータ３におけるパワー損失との関係を示す。同図においては、ＬＤバー４を駆動する電流に対する従来例および本実施形態におけるパワー損失率の変化を示しており、従来例のパワー損失率はＬＤバー４から出射される光の偏光度を意味しており、本実施形態のパワー損失率はファラデーローテータ１０での偏光解消度、すなわち、ファラデーローテータ１０におけるパワーロスを示している。この結果より、従来のファラデー素子における9.0％程度のパワーロスに比較してパワーロスが約2％程度に大幅に低減されることがわかった。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、ファラデーローテータ１０の構成としては、２つのファラデー媒質と偏光回転子とを備えるものに限定されるものではない。例えば、図５に示す本発明の変形例であるファラデーローテータ１１０のように、放熱用基板１２上に軸方向に沿って、９０度クオーツローテータ１１４とファラデー媒質１１３とが、この順で並んで搭載されたものであってもよい。

また、放熱用支持板１１は特定の枚数に限定されるものではなく、軸方向に沿って３対以上並べられていても良いし、軸方向に沿って一体化された１対の構成であってもよい。

１…レーザ装置、２…レーザダイオードアレイ、３…ファラデーアイソレータ、４…レーザダイオードバー、５，８…偏光板（偏光子）、７…積層型ファラデーローテータ、９…磁石（磁界発生部）、１０，１１０…ファラデーローテータ、１１…放熱用支持板、１２…放熱用基板、１２ａ…端面。

Claims (3)

1. 互いに平行になるように配置された、非磁性体材料から成る複数の放熱用基板と、
   前記複数の放熱用基板上のそれぞれに載置された複数のファラデーローテータと、
   前記複数のファラデーローテータに、前記複数の放熱用基板の面に沿った方向の磁界を印加する磁界発生部と、
   前記複数のファラデーローテータに対して前記磁界の方向に沿って並んで配置され、前記複数のファラデーローテータを挟むように設けられた２つの偏光子と、
   前記複数の放熱用基板の端部が接続されて前記複数の放熱用基板を支持する非磁性体材料からなる放熱用支持板と、
   を備えることを特徴とするファラデーアイソレータ。
2. 前記放熱用支持板は、前記複数の放熱用基板を前記磁界の方向に対して垂直な方向から挟むように２枚以上設けられている、
   ことを特徴とする請求項１記載のファラデーアイソレータ。
3. 請求項１又は２記載のファラデーアイソレータと、
   前記偏光子を挟んで前記複数のファラデーローテータに対して前記磁界の方向に並んで配置され、前記偏光子に向けてレーザ光を照射するレーザダイオードアレイとを備え、
   前記レーザダイオードアレイは、前記複数の放熱用基板の配列方向に沿って積層された複数のレーザダイオードを有する、
   ことを特徴とするレーザ装置。

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