JPH07501182A - 温度安定性固体レーザパッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 温度安定性固体レーザパッケージ 技術分野 この発明は、半導体ダイオードレーザに励起される固体レーザ、およびこのよう なレーザを用いるレーザベースの光通信パッケージに関し、特定的には、動作条 件が変化する際にレーザを安定化する温度制御に特徴付けられるレーザシステム に関する。

背景技術 光通信システムによって、システム内のレーザおよび他の光学素子は、地下の導 管等に埋込まれる場合でも、極端な環境条件にさらされるおそれのあるところに 置かれることを要求される。たとえば、システムの光学素子は、−３０°Ｃない し約５０°Ｃにわたる周囲の温度にさらされる可能性がある。レーザパッケージ は、典型的には温度に対してかなり敏感である。多くのシステムか、温度が安定 されなければ、ダイオード材料が膨張するまたは収縮するにつれて波長をシフｌ −する、変調される半導体レーザダイオードを用いる。共通した１つの解決策は 、ダイオードを熱電クーラおよび二重目的ヒートシンク／チップキャリアの上に 装着することであり、この場合、レーザダイオードによって発生され、ヒートシ ンクによって除去される廃熱の量は、熱電クーラに与えられる電流量に依存する 。熱電冷却されるレーザダイオードのパッケージは、商業的に入手可能てある。

レーザダイオードの光パワー出力は、一般に非常に低く、レーザダイオードベー スの通信システムにおけるレーザトランスミッタおよび中継局の数は、比較的多 い。

光パワー出力を高めるために、必要とするトランスミッタおよび中継局がより少 ない固体レーザは、望ましい代替物であろう。研究所での使用のために製造され る固体レーザは、固体活性媒質を光励起するための熱電冷却されるレーザダイオ ードを含み、１つ以上のレンズが、活性媒質のモードボリューム、活性媒質自体 、およびそのうち１つが活性媒質の端部の反射性コーティングであってもよいキ ャビティミラーに、励起レーザビームを集束する。レーザダイオードは、励起光 の波長が活性媒質の吸収帯に一致するように、温度に対して安定性がある。活性 媒質は一般に、材料に損傷を与えかねない過度の廃熱を除去するように冷却され る。バイヤー（Ｂｙｅｒ）らへの米国特許番号第４，８０９．２９１号は、この ようなシステムの１つを説明している。これもまた、周波数二倍器結晶の上に別 個の熱電クーラを含む。光通信の目的のため、このようなレーザはまた、光信号 を発生するために光出力を変調するための手段を必要とするであろう。ある技術 では、マツハーツエンダー干渉法の原理に基づく外部光変調器を用い、または半 導体量子井戸光吸収変調器を用いる。光ファイバでのＣＡＴＶ分配の振幅変調残 留側波帯（ＡＭ−ＶＳＢ）を用いたテレビチャンネル等のアナログ通信では、レ ーザはファイバの後方散乱光およびコネクタの後方の反射から十分に分離されな くてはならない。分離が３０ｄＢを上回る光学アイソレータが、レーザパッケー ジの設計に組み入れられなくてはならない。このようなアイソレータもまた、か なり温度に敏感であり、温度に対して安定にされなくてはならないであろう。残 念ながら、このような固体システムは、研究所での条件下または単一のビル内で は有用であるが、個々の素子は温度制御されるにもかかわらず、これらは実用に おける厳しい要件を満たさず、そのためダイオードレーザベースのシステムが、 現在のところ最も実用的となっている。

この発明の目的は、−３０°Ｃないし５０°Ｃにわたる周囲の温度で動作可能で あり、かつ−４０°Ｃないし７０°Ｃで格納可能な、特に光通信のために使用さ れる、固体レーザノくッケージを提供することである。

発明の開示 上述の目的は、パッケージのすべての光学素子が、共通の熱電クーラを備えた、 単一のユニットとして温度安定性のある、熱伝導性で、熱膨張率の低い共通のベ ースの上に装着される固体レーザパッケージで達成された。レーザダイオード、 活性媒質および光学アイソレータ等の個々の温度安定素子が必要であるだけでな く、システム内の素子の相対的な整列もまた、温度に対して特に敏感であること がわかった。

この発明のレーザパッケージにおいて、特定の動作温度は、レーザダイオードが 、そのダイオードによって励起されている活性媒質の吸収帯に一致する光波を放 射する温度と特定され、レーザダイオード、コリメートするレンズおよび集束レ ンズ、活性媒質、キャビティミラー、キャビティ内ブルースターウィンドウ、光 学アイソレータ、何らかの変調手段、および結合ファイバ等を含むシステム内の すべての光学要素が、ベース上に装着され、その動作温度で最初に整列される。

パッケージは、ベースの温度を測定するためのサーミスタ、および所望の動作温 度に対する実際のベースの温度に応答して熱電クーラを制御するプロセッサを含 む。固体レーザ出力の光強度をモニタすることによって、ベースの温度のより微 細な調整を行なうことができる。このように、ベースが動作温度で安定されてい るので、ベース上に装着されるすへての光学素子が、その相対的なアライメント を維持する。

図面の簡単な説明 図１は、この発明の温度安定性レーザパッケージの上面図である。

図２は、図１の線２−２に沿った、この発明のレーザパッケージの側断面図であ る。

図３は、図１および２のレーザパッケージの温度安定制御ループの概略図である 。

発明を実施するためのベストモード 図１および２を参照すると、この発明の固体レーザパッケージは、そのすべての 光学素子を、共通の温度安定性ベースプレート１１に装着する。このベースプレ ート１１は、銅−タングステン合金等の、熱伝導性があり、熱膨張率の低い材料 で形成される。ベースプレート１１は熱電クーラ１３上に装着され、クーラはヒ ートシンク上に装着される。

熱電クーラ１３は、ベースプレート１１とヒートシンク１５との間の熱流の割合 を制御して、ベースプレート１１の温度を、一定の予め定められた動作温度に維 持する。典型的には、ベースプレート１１と同じ材料のブロック１７が、ベース プレートｌｌの実質的に平坦な上主表面１９上に装着される。ブロック１７は、 その上表面２３に形成された長手のＶ溝２１を有する。■溝によって、データパ ッケージのある主な光学素子のアライメントが簡単になる。ベースプレート１１ およびブロック１７は、製造の際に容易なように互いに接着される別個の部材で あってもよく、または単一の部材であってもよい。

固体レーザ材料活性媒質２５は、■溝２１内に装着される。典型的には、媒質２ ５は、■溝の形状に合う円筒状のロッドまたは矩形断面を有するスラブの形態で ある。材料は、色中心またはＮｄ’″″、Ｃｒ２＋またはＥｒ″＋イオン等の活 性レーザ種が均一に分布される非晶質固体母材または単結晶である。Ｎｄ　：　 ＹＡＧ、Ｎｄ　：　ＹＬＦ、Ｎｄ　：　ＹＡＬＯ１Ｎｄニガラス、ＬＮＰ、アレ キサンドライトおよび他の固体媒質が典型的である。レーザキャビティは、一般 的には、折り曲げられていない構成で、２つの鏡によって形成される。第１のキ ャビティミラー２７は、活性媒質２５の後方でＶ溝２１に位置される湾曲した鏡 である。好ましくは、この第１の鏡は、活性媒質材料２５のスラブまたはロッド の球状の凸端面上に形成される反射性コーティングである。第２のキャビティミ ラー２９は、活性媒質２５の前方でベースプレートｌｌ上に装着される平面鏡で ある。

キャビティの構成は、好ましくは焦点を共存するものであり、平面の第２のキャ ビティミラー２９の長手方向の位置は、湾曲した第１のキャビティミラー２７の 焦点面にある。

しかしながら、キャビティの他の構成もまた可能である。

平面のキャビティミラー２９の横方向および上下方向の位置決めは決定的なもの ではなく、Ｖ溝２Ｉの長手方向に沿った、活性媒質２５から放射される光の経路 にあればよい。

平面の第２のキャビティミラー２９の配向は、第１の鏡の曲率半径の方向に対し て垂直に近くなくてはならない。第１のキャビティミラー２７の曲率によって、 非常に正確に配向する必要性は低減される。

高パワーレーザダイオード３１またはレーザダイオードアレイは、チップキャリ ア３３上に装着され、ダイオード３１およびキャリア３３の双方はベースプレー ト１１の後縁３５に装着され、レーザダイオード３１は、ブロック１７内のＶ溝 ２Ｉの頂部と平坦になるように、ベースプレート１１の平坦な上表面１９の上方 でキャリア３３によって支持されている。レーザダイオード３１は、活性媒質２ ５を光励起するように、Ｖ溝２１に沿って活性媒質２５に向けられる第１のレー ザビーム３７を生成する。レーザダイオード３１は、活性媒質２５の吸収帯と励 起レーザ光３７の波長が一致するように、熱的に調整可能である。Ｎｄ：ＹＡＧ ロッドを励起するための典型的なレーザダイオードの波長は、約０．８０８μｍ である。ダイオード３１が活性媒質のレーザ吸収帯内の光を放射することを引き 起こすへ一スプレートＩＩの特定的な温度は、パッケージ内の他のすへての光学 素子が整列される動作温度として特定される。典型的な動作温度は、１５°Ｃな いし２５°Ｃである。

１対のレンズ３９および４１が、レーザダイオード３１と活性媒質２５上の第１ のキャビティミラーコーティング２７との間てＶ溝２１内に位置される。レンズ ３９および４１は、典型的にはグレーデッドインデックスレンズである。第１の レンズ３９は、発散するダイオードレーザ光３７をその入力端で受取り、コリメ ートされたビームをその出力端で生成するコリメートするレンズである。■溝に 沿った第１のレンズ３９の長手方向の位置は、レーザダイオード３１と第１のレ ンズ３９との間の間隔が励起光３７の最大コリメーションを生成するように決め られる。ダイオ−トレーサ光３７の発散は、横方向および側方向の寸法で異なる ので、第１のレンズ３９の焦点距離は横方向および側方向で変わり得る。その代 わりとして、相対的な発散を、円筒状のレンズてレーザ出力面において部分的に 予め調整してもよい。レーザダイオード３１は、その光出力３７がレンズ３９の 光軸に沿って入射し、かつコリメートするレンズ３９からコリメートされた出力 が溝２１に沿うように、横方向および上下方向にその位置が調整される。第２の レンズ４１は、第１のレンズ３９からコリメートされた光をその入力端で受取り 、かつ第１のキャビティミラー２７を介して共振キャビティの活性媒質２５内の モードボリュームへと向けられる集束されたビームをその出力端で生成する集束 レンズである。キャビティミラー２７は、レーザダイオード３１からの励起光の Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長（約０．８μｍ）は透過するが、（Ｎｄ：ＹＡＧ等の ）活性媒質２５によって発生されたレーザ光の波長（約１．３１９μｍ）ではか なり反射する。第２のレンズ４１の焦点距離、および第２のレンズ４１と活性媒 質２５との間の相対的な間隔は、当該分野では周知であるように、所望のレーザ モードのモート゛ボリュームの光励起を最大にするように選択される。活性媒質 ２５および集束レンズ４１の横方向および上下方向の位置決めは、活性媒質２５ 、第２のレンズ４Ｉおよび第１のレンズ３９の光軸かすへて同一線上にあるよう にそれらが装着されるＶ溝２１によって簡単に行なわれる。

サーミスタ４３は、ベースプレート１１の温度を測定するように、ブロック１７ の近傍でベースプレート１１上に置かれる。ブロックＩ７およびベースプレート １１に装着される光学素子３１．３９．４１．２７．２５．２９等は、ダイオー ドレーザ光３７が活性媒質２５の吸収帯に一致する波長を有する動作温度で整列 されるので、レーザパッケージの環境における周囲の温度の何らかの変化が、ベ ースプレー！−１１およびブロックの温度の変化につながるかもしれず、これか ベースプレートおよびブロック材料の膨張および収縮を起こして、最初のアライ メントを乱しかねない。このことはまた、ダイオード出力３７の波長をシフトし 得る。したかって、ベースプレート１１およびブロック１７の温度は、サーミス タ４３でベースプレートの温度を継続的に測定し、その測定値に応答して熱電ク ーラ１３に与えられる電流を調整することによって、動作温度で安定化される。

サーミスタ４３によって測定された温度が、最初に特定された動作温度を越えれ ば、熱電クーラ１３への電流は増加して、ベースプレート１１からヒートシンク １５への熱流４５の割合を増し、それによってベースプレート１１を動作温度に まで冷却する。サーミスタ４３によって測定された温度か動作温度を下回れば、 熱電クーラ１３への電流は減少して、ベースプレート１１からヒートシンク１５ への熱流４５の割合を減じ、それによって活性媒質２５で発生された熱がブロッ ク１７およびベースプレート１１の温度を動作温度にまで上げる。極端に温度の 低い環境では、熱電クーラ１３に与えられる電流は、必要であれば逆転されて、 ヒートシンク１５からベースプレート１１へと逆方向に熱を送るようにする。こ の状況では、熱電素子１３はヒータとして効果的に作用する。

光通信に用いられると、レーザパッケージは、入力信号に応答して平面の第２の キャビティミラー２９を介して放射されたレーザ出力ビームの強度を変調するた めの手段を含み得る。図１および２において、ブルースター角ウィンドウ４７が 、ベースブレー）−１１上で、活性媒質２５と第２の鏡２９との間、すなわち光 学キャビティ内に設けられる。このウィンドウ４７は、レーザビームを線形に偏 光するように、Ｖ溝２１の長さに関してブルースター角θ＝ａｒｃｔａｎ（ｎ） で配向される透明なパイブレーナプレートである。ここでｒｎＪは、ウィンドウ 材料の屈折率である。原理としてはブルースター角ウィンドウまたは別の偏光素 子を、光学キャビティの外のレーザビーム４９の光路内に置くことができるが、 このような位置は、事実上、排除される偏光成分に対応するレーザエネルギの約 半分を放出するであろう。ブルースター角ウィンドウ４７をキャビティ内に置く ことで、１つの偏光成分についてのみ共振条件を確立し、そのためレーザ出力ビ ーム４９は、光エネルギを大きく損失することなく偏光される。偏光された光ビ ーム４９は、ベースブレー）１１上に装着された光学アイソレータ５１を通るよ うに向けられる。アイソレータ５１は典型的には、マグネット内のファラデー回 転素子、およびそのファラデー回転子の前後に位置され、その偏光面が互いに関 して４５°に配向されて装着される２つの偏光子を含み、そのため、前方向には 光を透過し、逆方向の光は妨げる。分離量は、動作温度において３０ｄＢを上回 らなくてはならない。アイソレータに続くオプションの光学変調器は、電気入力 信号５３に対応する、強度変調された光信号を生成する。レーザパッケージは、 通信の応用においては典型的には光フアイバ導波管５５に結合される。パッケー ジは、アイソレータ５１に隣接してベースプレートｌｌ上に光ファイバ５５のた めのマウント５７を含んでもよい。光ファイバ５５の端部は、マウント５７によ って、アイソレータ５１からの変調されたレーザ出力ビームと光学的に整列され た状態に維持される。たとえば、マウントは、光ファイバ５５の横方向および上 下方向の位置を調整する圧電素子を含んでもよい。集束レンズ５４が、光ビーム をファイバのコアに結合するために、アイソレータ５１（またはアイソレータお よび変調器）と光ファイバ５５との間に装着されてもよい。ファイバ５５は、ア イソレータ５１（またはアイソレータおよび変調器）から偏光された光ビームを 受取るように整列される偏光維持ファイバであってもよい。

レーザパッケージはまた、ベースプレートｌｌ上に装着され、レーザ出力ビーム ４９の光路に位置されるビームスプリッタ５９を含んでもよい。ビームスプリッ タ５９は、レーザビーム４９の一部６１を横方向に反射するように、溝２１の長 手方向に対して垂直以外の角度をなして配向される。典型的には、ビームスプリ ッタ５９は、長手方向に対して約４５°の角度をなし、レーザビーム出力エネル ギの５％以上は反射しない。検出器６３もまた、そのビームの一部６１の光強度 を測定するために、ベースプレートｌｌ上の反射されたビームの一部６１の光路 に装着される。

この測定は、固体レーザから最大光強度出力が得られるようにレーザダイオード からの光吸収を最適化するように、ベースプレート１１およびブロック１７の温 度を微調整するために用いることができる。

図３において、レーザパッケージの温度安定化制御システムは、パッケージのヒ ートシンクとベースプレートとの間の熱流の量を制御する熱電クーラＩ３と、ベ ースプレートの温度Ｔを測定するサーミスタ４３と、固体レーザビーム出力の光 強度Ｉを測定して、レーザダイオードスペクトルの熱の微調整を示す検出器６３ と、導電線６７および６９を介してサーミスタ４３および検出器６３に接続され て、その測定値Ｔおよび■を表す電気信号を受取るプロセッサ６５とを含むよう に示される。プロセッサ６５は、導電線７１を介して熱電クーラ１３とやりとり して、熱電クーラ１３に与えられる電流Ｃ（Ｔ、■）を調整する。プロセッサ６ ５は、レーザパッケージ周囲の環境の温度に関係なく、最大出力光強度■に関し てベースプレートの温度Ｔを動作温度に維持しようとする。広い範囲にわたる温 度Ｔの粗い調整で、サーミスタ４３によって測定された温度Ｔを動作温度近くに もたらし、維持する。その後、より小さな範囲にわたる温度Ｔの微調整により、 温度Ｔを、検出器６３によって測定されるビーム強度Ｉが最大である点にまで精 確に調整する。これは、レーザパッケージ内の光学素子が最初に整列された温度 に近い。レーザパッケージのすべての光学素子を、単一の熱電クーラ１３によっ て安定にされる単一のベース上に置くことによって、レーザパッケージが動作す る周囲の温度の範囲をかなり拡大する。典型的には、著しい劣化もなく、−３０ °Ｃないし５０°Ｃの動作範囲が達成され、−４０°Ｃないし７０°Ｃの範囲の 格納温度が可能である。

フロントページの続き （７２）発明者　ミック、ドロン アメリカ合衆国、９４０８７　カリフォルニア州、サニイベイル、ベルビル・ウ ェイ、（７２）発明者　クレーフェルト、ジョセフアメリカ合衆国、９４３０３ 　カリフォルニア州、パロ・アルド、セリア・ドライブ、

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．固体レーザパッケージであって、 ヒートシンクと、 前記ヒートシンク上に装着される熱電クーラと、前記熱電クーラ上に装着される 、熱伝導性で、熱膨張率の低いベースと、 電流を前記熱電クーラに与え、それによって前記ベースと前記ヒートシンクとの 間の熱流が前記電流によって定められる割合にする手段と、 前記ベース上に装着される固体材料レーザ活性媒質と、前記ベース上に装着され て、光学共振キャビティを規定するための反射手段とを含み、前記活性媒質は前 記キャビティ内に位置され、さらに 前記ベースに装着され、動作温度で前記活性媒質の吸収帯と一致するように熱的 に調整される第１の波長で第１のレーザビームを生成するためのレーザダイオー ド手段と、前記第１のレーザビームを前記活性媒質の端部に集束させ、方向付け るための手段とを含み、前記反射手段は、前記第１の波長を透過して、前記第１ のレーザビームを前記活性媒質を含む前記キャビティヘと通し、さらに前記活性 媒質、前記反射手段、前記レーザダイオード手段および前記集束させ方向付ける 手段がそれに装着される前記ベースの温度を測定するための手段と、前記温度測 定手段に応答して、前記熱電クーラに与えられる電流を、前記動作温度で前記ベ ースの前記温度を維持するように調整するための温度安定化手段とを含み、前記 活性媒質、前記反射手段、前記レーザダイオード手段、および前記集束させ方向 付ける手段は、前記動作温度で光学的に整列されて、前記キャビティからレーザ ビーム出力を与え、前記温度安定化手段はそれによって前記光学的アライメント を維持する、固体レーザパッケージ。
2. ２．前記ベースが、前記熱電クーラ上に装着され、実質的に平坦な上主表面を備 えた第１のベースプレート部分と、前記第１のベースプレート部分の前記上主表 面上に装着される第２のブロック部分とを含み、前記第２のブロック部分は、そ の上表面に形成された溝を有し、少なくとも前記活性媒質および前記方向付けし 、かっ集束させる手段は、前記溝内に装着され、前記レーザダイオード手段は、 前記溝と整列して前記第１のベース部分に装着される、請求項１に記載のレーザ パッケージ。
3. ３．前記集束させ、かつ方向付ける手段が、前記レーザダイオード手段と前記活 性媒質との間の光路に配置される少なくとも１つのレンズを含む、請求項１に記 載のレーザパッケージ。
4. ４．前記反射手段が、前記活性媒質の端部上の湾曲した鏡のコーティングを含む 、請求項１に記載のレーザパッケージ。
5. ５．前記レーザビーム出力と光学的に整列されて前記ベース上に装着され、前記 レーザビーム出力の一部を光強度測定検出器へと横方向に反射するためのビーム スプリッタをさらに含む、請求項１に記載のレーザパッケージ。
6. ６．前記検出器が、前記反射ビーム部分の光強度を測定するために前記反射ビー ム部分の光路にあるように、前記ベース上に装着され、前記温度安定化手段は、 前記温度測定手段および前記検出器の両方に応答して、前記光強度を最大にする ように、前記熱電クーラに与えられる前記電流を微調整する、請求項５に記載の レーザパッケージ。
7. ７．前記ベース上で前記キャビティ内に装着されるブルースター角ウィンドウを さらに含む、請求項１に記載のレーザパッケージ。
8. ８．前記レーザビーム出力と光学的に整列して、前記ベース上に装着される光学 アイソレータをさらに含み、前記アイソレータは、前記熱電クーラ上に装着され た前記ベースによって前記動作温度で維持される、請求項７に記載のレーザパッ ケージ。
9. ９．前記ベース上に装着され、前記レーザビーム出力を変調するための光学変調 器をさらに含む、請求項１に記載のレーザパッケージ。
10. １０．前記レーザビーム出力を受けるように、前記レーザビーム出力と光学的に 整列して、前記ベースに光ファイバの端部を装着するための手段をさらに含む、 請求項１に記載のレーザパッケージ。