JP6225533B2

JP6225533B2 - ファイバカップリングレーザモジュール

Info

Publication number: JP6225533B2
Application number: JP2013151485A
Authority: JP
Inventors: 章之門谷; 一郎福士
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: JP2015023204A

Description

本発明は、フェルールを有する可視光帯又は可視光帯より短波長のファイバカップリングレーザモジュールに関し、特に、長期信頼性を実現するためのファイバカップリング部の構成に関する。

可視光帯レーザモジュールにおいては、固体レーザ、レーザダイオード直接波長変換型レーザが主流であった。１９９０年代頃から青色や青緑色帯の半導体レーザが開発され、可視光帯レーザモジュールが使用し易い環境となり、ＤＮＡシーケンサ等の各種分析装置でも使用されつつある。また、シングルモードファイバや偏波保持ファイバにより、高エネルギー密度でビーム品質の良いレーザを実現できる。青、青緑、短波長帯の半導体レーザの今後の更なる高出力化によっては、加工分野にも使用されると考えられている。

レーザモジュールでは、製造時に起因する、あるいは使用環境に起因するコンタミによる性能劣化が問題となる。固体レーザやレーザダイオード直接波長変換型レーザでは、気密封止パッケージ等にハンダ、溶接等で封入し、コンタミ等による性能劣化を抑制し、長期信頼性を確保している。

半導体レーザでは、特許文献１に記載されるように、レーザチップを覆うパッケージの封止前の段階でＳｉ含有部材に対してレーザ光の波長以下の波長を有する光を照射することにより、Ｓｉ含有部材の一部からＳｉ又はＳｉ含有物質を放出させ、Ｓｉ含有部材の表面におけるＳｉ濃度を低下させる。これにより、Ｓｉ含有部材においてパッケージ内のガスと接触する表面での前記物質の濃度がＳｉ含有部材の内部におけるＳｉ濃度よりも低下する。このため、封止後、レーザ光が照射されてもパッケージ内にＳｉ又はＳｉ含有物が放出されることを抑制できる。

また、ファイバ結合するモジュール、例えば通信帯の赤外レーザでは、バタフライタイプの気密封止パッケージ内でレンズ付きファイバをハンダ等により結合し、結合効率と性能の長期安定性を確保している。

しかしながら、可視光又は可視光帯より短波長帯のファイバカップリングモジュールにおいては、コンタミ、アウトガスなどの異物が赤外線と比較して少量でも性能劣化を招く。このため、製造時に気密封止、ベーキング等を施すことで、一定の効果は得られるが、製造環境、設備等のコストが大きくなる。また、連続運転後に高エネルギー密度の可視光による集塵作用、残留、発生ガス等により長期的に徐々に性能劣化が発生してしまう。

そこで、特許文献２の図５に示すように、気密封止されたＣＡＮパッケージ１１０内に配置された半導体レーザ素子ＬＤと、レンズ１１２と、光ファイバ１１３とを有し、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢが、集光レンズ１１２で集光されて光ファイバ１１３の入射端面１１４で収束する位置関係に配置されてなるレーザモジュール１０１において、光ファイバ１１３の入射端面１１４を５０℃〜２００℃の範囲の所定温度に維持する温調手段としてヒータ１１７と、入射端面１１４の温度を検出する温度センサ１１８を備えたレーザモジュールが提供されている。

国際公開２００５−１１９８６２号公報特開２００６−２６９５６９号公報

しかしながら、出射端面についても、可視光でも短波長又は可視光帯よりも短波長帯では入射端面同様にコンタミ、アウトガスによる性能低下を招く。特に、高出力化に伴い、その影響は顕著となる。

また、レーザ出力光の偏光比を高く用いらせる偏波保持ファイバには個体差があり、特に、温度による応力変化やファイバのＳＬＯＷ軸、ＦＡＳＴ軸と入射光のずれにより、偏光が乱れることがある。

本発明の課題は、可視光又は可視光帯より短波長帯の光を発する半導体レーザのレーザ出力、ビーム品質の劣化を抑制して、長期信頼性を向上することができるファイバカップリングレーザモジュールを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るファイバカップリングレーザモジュールは、半導体レーザからのレーザ光をコリメートする第１レンズと、前記第１レンズからのレーザ光を集光して偏波保持ファイバに装着された入射側フェルールに送る第２レンズと、前記第２レンズと前記入射側フェルールとを収容するホルダと、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置され、前記第１レンズ側の表面が冷却され前記第２レンズ側の表面が発熱して前記ホルダ内の前記第２レンズと前記入射側フェルールの温度を調整する第１温度調整機構と、前記偏波保持ファイバに装着された出力側フェルールに取り付けられ、前記出力側フェルールの端面の温度を調整する第２温度調整機構とを備え、前記第１温度調整機構と前記第２温度調整機構とにより前記偏波保持ファイバのコアを含むフェルール全体を所定温度に温度調整することを特徴とする。

本発明に係るファイバカップリングレーザモジュールによれば、第１温度調整機構により、第１レンズ側の表面が冷却され第２レンズ側の表面が発熱してホルダ内の第２レンズと入射側フェルールの温度を調整し、第２温度調整機構により出力側フェルールの端面の温度を調整し、第１温度調整機構と第２温度調整機構とにより前記偏波保持ファイバのコアを含むフェルール全体を所定温度に温度調整するので、偏波保持ファイバの持つ温度特性による偏光比変動を抑制し、レーザ駆動中でも常にアウトガスの付着を除去し、水分等も枯渇した状態となることから、レーザ出力、ビーム品質の劣化を抑制して、長期信頼性を向上することができる。

本発明のファイバカップリングレーザモジュールの構成概念図である。図１のファイバカップリングレーザモジュールにおいて、さらに半導体レーザに温度調整機構を設けた構成を示した図である。本発明の実施例に係るファイバカップリングレーザモジュールの構成を示す図である。図３に示す実施例に係るファイバカップリングレーザモジュールの変形例を示す図である。従来のレーザモジュールの一例の構成を示す図である。

以下、本発明のファイバカップリングレーザモジュールの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明のファイバカップリングレーザモジュールの構成概念図である。図１に示すファイバカップリングレーザモジュールは、半導体レーザ１、レンズ２，３、入射側にフェルール５が装着され出力側にフェルール６が装着されたシングルモードファイバ４、温度調整機構７，８、レンズ９を備えている。

半導体レーザ１は、可視光帯又は可視光帯より短い波長の光を出力する。レンズ２，３（第１レンズ）は、半導体レーザ１から出力されるレーザ光を整形する。シングルモードファイバ４は、レンズ２，３により整形されたレーザ光をフェルール５が装着された入射側ファイバに入射し、レーザ光をリール部を介してフェルール６が装着された出射側ファイバからレンズ９に出力する。

レンズ９（第２レンズ）は、シングルモードファイバ４からのレーザ光を整形して出力する。なお、レンズ９の他に第２レンズとして１以上のレンズを設けても良い。

温度調整機構７は、フェルール５に取り付けられ、フェルール５端面を加熱することによりフェルール５の端面の温度を調整するもので、例えば、サーモモジュールやヒータからなる。温度調整機構８は、フェルール６に取り付けられ、フェルール６の端面を加熱することによりフェルール６の端面の温度を調整するもので、例えば、サーモモジュールやヒータからなる。

このように構成されたファイバカップリングレーザモジュールの動作を説明する。まず、半導体レーザ１から出射されたレーザ光がレンズ２，３により整形され、整形されたレーザ光は、フェルール５が装着されたシングルモードファイバ４に入射し、フェルール６が装着されたシングルモードファイバ４の出射面から出射される。出射されたレーザ光は、レンズ９により整形されて出力される。

ここで、半導体レーザ１の使用中、使用後にコンタミ、アウトガス等の残留、発生、可視光の高輝度化による集塵作用があった際には長期信頼性が低下する。アウトガスの発生源としてはフェルール５，６の接着材や空間中に存在するシロキサン等が挙げられる。

そこで、温度調整機構７がフェルール５端面を加熱することによりフェルール５の端面の温度を調整し、温度調整機構８がフェルール６の端面を加熱することによりフェルール６の端面の温度を調整する。シングルモードファイバ４のコアを含むフェルール全体を例えば、１００℃といった高温に温調する。レーザのウォームアップと同時に高温温調を開始することで、レーザ駆動時にも、空気中で常にアウトガスの付着を除去し、水分等も枯渇した状態となり、コアの損傷を抑制でき、結合効率を維持することができる。
図２は、図１のファイバカップリングレーザモジュールにおいて、さらに半導体レーザに温度調整機構を設けた構成を示した図である。図２に示すファイバカップリングレーザモジュールは、図１に示すファイバカップリングレーザモジュールに対して、温度調整機構７をレンズ２とレンズ３との間に配置して、半導体レーザ１とレンズ２とを含む温調ホルダ低温側１０と、レンズ３とフェルール５とを含む温調ホルダ高温側１１とに分離したことを特徴とする。

一般的に半導体レーザ１は０〜５０℃程度が動作温度範囲である。一方、フェルール５の端面は高温にする必要がある。ホルダ等の接触面積を減らす方法もあるが、図２に示す例では、温度調整機構７として、ペルチェ素子などのサーモモジュールを用いている。ペルチェ素子の一方の表面は発熱され、即ち、レンズ３側の温度が上昇するので、フェルール５の端面を高温にすることができる。従って、図１に示すファイバカップリングレーザモジュールの効果と同様な効果が得られる。

また、ペルチェ素子の他方の表面は冷却され、即ち、レンズ２側の温度が低下するので、半導体レーザ１の温度を低下することができる。従って、半導体レーザ１を０〜５０℃程度の動作温度範囲で動作させることができる。

また、温度調整機構８により、フェルール６が装着されたファイバ４の出射端面の温度も調整することにより、レーザ出力の低下、ビーム品質の劣化を抑制することができる。

図３は、本発明の実施例に係るファイバカップリングレーザモジュールの構成を示す図である。図３に示すファイバカップリングレーザモジュールは、半導体レーザ１、レンズ２，３、入射側にフェルール５が装着され出力側にフェルール６が装着された偏波保持ファイバ１４、温度調整機構７，１２、レンズ９、ベース１３を備えている。

レンズ２とレンズ３との間には温度調整機構７が配置されている。偏波保持ファイバ１４に装着されたフェルール６は、フェルール５の上部に配置され、レンズ９はレンズ３の上部に配置され、フェルール６から出射されたレーザ光をレンズ９を介して半導体レーザ１側に戻すようになっている。

半導体レーザ１、レンズ２、偏波保持ファイバ１４のリール部は、温調ホルダ低温側１０ａに配置されている。この温調ホルダ低温側１０ａの下部には、温度調整機構１２（第２温度調整機構）が設けられ、温度調整機構１２はベース（土台）１３の上部に設けられている。

レーザ出力光の偏光比を高く保持するために用いられる。偏波保持ファイバ１４には、個体差があり、ファイバの温度や曲げなどによる応力変化や偏波保持ファイバのＳＬＯＷ軸、ＦＡＳＴ軸と入射光の偏光軸とのずれにより偏光が乱れることがある。このため、温度調整機構１２が偏波保持ファイバ１４を温調するので、偏波保持ファイバ１４は安定した偏光特性を得ることができる。

また、偏波保持ファイバ１４と動作温度領域が比較的近い半導体レーザ１を温度調整機構１２が温調するので、半導体レーザ１を０〜５０℃程度の動作温度範囲で動作させることができるとともに、効率化でき、レーザ出力、波長、偏光比を安定化させることができる。

また、温調ホルダ高温側１１ａには、レンズ３，９、フェルール５，６が設けられている。温度調整機構（第１温度調整機構）７は、温調ホルダ高温側１１ａに設けられたレンズ３，９、フェルール５，６を温調する。温度調整機構７の温度は、温度調整機構１２の温度よりも高く設定されている。

このため、温度調整機構１２で温調し、さらに、温度調整機構７で温調することにより段階的に温度を上昇させて高温側の温調も安定するので、フェルール５，６の端面を安定に高温にすることができる。従って、図１に示すファイバカップリングレーザモジュールの効果と同様な効果が得られる。

また、図１及び図２に示す例では、フェルール５，６に対して、２つの温度調整機構７，８が必要であったが、図３に示す例では、フェルール５，６に対して、１つの温度調整機構７のみで温調することができる。

このように実施例３のファイバカップリングレーザモジュールによれば、温度調整機構１２により、半導体レーザ１の温度と偏波保持ファイバ１４のリール部の温度を調整し、温度調整機構７により、偏波保持ファイバ１４に装着されたフェルール５，６端面の温度を調整するので、可視光又は可視光帯より短波長帯の光を発する半導体レーザ１のレーザ出力、ビーム品質の劣化を抑制して、長期信頼性を向上することができる。

図４は、図３に示す実施例に係るファイバカップリングレーザモジュールの変形例を示す図である。図３に示す実施例に係るファイバカップリングレーザモジュールでは、温度調整機構７をレンズ２とレンズ３との間に配置したが、図４に示す実施例２に係るファイバカップリングレーザモジュールでは、温度調整機構７を、温度調整機構１２及び温調ホルダ低温側１０ｂの上部で且つこれらと略平行に配置し、温度調整機構７によりレンズ３，９とフェルール５，６とを温調する。

このような変形例に係るファイバカップリングレーザモジュールによっても、上述した実施例に係るファイバカップリングレーザモジュールの効果と同様な効果が得られる。

本発明は、可視光帯レーザモジュールに利用することができる。

１半導体レーザ
２，３，９レンズ
４シングルモードファイバ
５，６フェルール
７，８，１２温度調整機構
１０，１０ａ，１０ｂ温調ホルダ低温側
１１，１１ａ，１０ｂ温調ホルダ高温側
１４偏波保持ファイバ

Claims

半導体レーザからのレーザ光をコリメートする第１レンズと、
前記第１レンズからのレーザ光を集光して偏波保持ファイバに装着された入射側フェルールに送る第２レンズと、
前記第２レンズと前記入射側フェルールとを収容するホルダと、
前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置され、前記第１レンズ側の表面が冷却され前記第２レンズ側の表面が発熱して前記ホルダ内の前記第２レンズと前記入射側フェルールの温度を調整する第１温度調整機構と、
前記偏波保持ファイバに装着された出力側フェルールに取り付けられ、前記出力側フェルールの端面の温度を調整する第２温度調整機構とを備え、
前記第１温度調整機構と前記第２温度調整機構とにより前記偏波保持ファイバのコアを含むフェルール全体を所定温度に温度調整することを特徴とするファイバカップリングレーザモジュール。
半導体レーザからのレーザ光をコリメートする第１レンズと、
前記第１レンズからのレーザ光を集光して偏波保持ファイバに装着された入射側フェルールに送る第２レンズと、
前記第２レンズと前記入射側フェルールと前記偏波保持ファイバの出力側フェルールと該出力側フェルールからのレーザを伝送する第３レンズとを収容する第１ホルダと、
前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置され、前記第１レンズ側の表面が冷却され前記第２レンズ側の表面が発熱して前記第１ホルダ内の前記入射側フェルールと前記出力側フェルールと前記第２レンズと前記第３レンズとの温度を調整する第１温度調整機構と、
前記半導体レーザと前記第１レンズと前記偏波保持ファイバのリール部を収容する第２ホルダと、
前記第１温度調整機構の温度よりも低く設定され、前記第２ホルダ内の前記偏波保持ファイバのリール部と前記半導体レーザの温度を調整する第２温度調整機構と、
を備えることを特徴とするファイバカップリングレーザモジュール。
半導体レーザからのレーザ光をコリメートする第１レンズと、
前記第１レンズからのレーザ光を集光して偏波保持ファイバに装着された入射側フェルールに送る第２レンズと、
前記第２レンズと前記入射側フェルールと前記偏波保持ファイバの出力側フェルールと該出力側フェルールからのレーザを伝送する第３レンズとを収容する第１ホルダと、
前記半導体レーザと前記第１レンズと前記偏波保持ファイバのリール部を収容する第２ホルダと、
前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間に配置され、前記第２ホルダ側の表面が冷却され前記第１ホルダ側の表面が発熱して前記第１ホルダ内の前記入射側フェルールと前記出力側フェルールと前記第２レンズと前記第３レンズとの温度を調整する第１温度調整機構と、
前記第２ホルダ内の前記偏波保持ファイバのリール部と前記半導体レーザの温度を調整する第２温度調整機構と、
を備えることを特徴とするファイバカップリングレーザモジュール。