KR0184003B1

KR0184003B1 - 반도체레이저용 합파장치

Info

Publication number: KR0184003B1
Application number: KR1019910014178A
Authority: KR
Inventors: 요시아끼 후지이; 미찌히꼬 사꾸라이; 유지로 이또
Original assignee: 오가 노리오; 소니 가부시기가이샤
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-08-17
Publication date: 1999-04-15
Also published as: JPH04110916A; EP0473071A3; KR920005414A; DE69115169D1; EP0473071B1; US5210643A; EP0473071A2; DE69115169T2

Abstract

본원 발명은 반도체레이저용 합파(合波)장치에 관한 것이며, 특히 복수의 반도체레이저로부터 방사(放射)되는 복수의 레이저광을 합파하여, 커다란 광밀도를 가진 1개의 레이저광을 얻도록 한 것에 사용하여 적합한 것이며, 본원 발명의 반도체레이저용 합파장치는 다이크로익 미러(dichroic mirror)에 의한 파장분할을 이용한 합파를 먼저 행하고, 이어서 PBS에 의한 진동방향의 상위를 이용한 합파를 행하도록 하여, 상기 다이크로익 미러에는 진동방향이 일정한 레이저광을 입사시킬 수 있도록 함으로써, 상기 다이크로익 미러에 있어서의 합파효율을 대폭 향상시켜서, 복수개의 레이저광을 1개로 수속하여 광파이버에 결합시킬 때의 총합적인 결합효율을 향상시키도록 한 반도체레이저용 합파장치이다.

Description

반도체레이저용 합파장치

제1도는 본원 발명의 제1의 실시예를 도시한 반도체레이저용 합파장치의 구성도.

제2도는 PBS의 분광특성도.

제3도는 레이저빔광의 방사상태설명도.

제4도는 레이저빔광의 결합상태설명도.

제5도는 수평방향에 있어서의 빔정형설명도.

제6도는 수직방향에 있어서의 빔정형설명도.

제7도는 제2의 실시예를 도시한 반도체레이저용 합파장치의 구성도.

제8도는 종래의 합파장치의 구성도.

제9도는 제1의 다이크로익 미러의 분광특성도.

제10도는 제2의 다이크로익 미러의 분광특성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 제1의 반도체레이저 2 : 제2의 반도체레이저

3 : 제3의 반도체레이저 4 : 제4의 반도체레이저

5 : PBS(편광범스플리터프리즘) 6 : 다이크로익 미러

8 : 광피아버 13 : 제1의 실린드리컬 렌즈

14 : 제2의 실린드리컬 렌즈

본원 발명은반도체레이저용 합파(合波)장치에 관한 것이며, 특히 복수의 반도체레이저로부터 방사(放射)되는 복수의 레이저광을 합파하여, 커다란 광밀도를 가진 1개의 레이저광을 얻도록 한 것에 사용하여 적합한 것이다.

본원 발명의 반도체레이저용 합파장치는 다이크로익 미러(dichroic mirror)에 의한 파장분할을 이용한 합파를 먼저 행하고, 이어서 PBS에 의한 진동방향의 상위를 이용한 합파를 행하도록 하여, 상기 다이크로익 미러에는 진동방향이 일정한 레이저광을 입사시킬 수 있도록 함으로써, 상기 다이르코익 미러에 있어서의 합파효율을 대폭 향상시켜서, 복수 개의 레이저광을 1개로 수속하여 광파이버에 결합시킬 때의 총합적인 결합효율을 향상시키도록 한 반도체레이저용 합파장치이다.

주지된 바와 같이, 레이저광은 의료분야나 광가공분야(특히 마킹)에 있어서 널리 이용되어 왔다. 그러나, 이와 같은 분야에서 이용하기 위해서는 상당히 커다란 광밀도를 가진 레이저광이 필요하다.

이 때문에, 출력이 작은 반도체레이저를 의료분야나 광가공분야 등에 이용하려고 하면, 반도체레이저광의 광밀도를 증대시킬 필요가 있다.

이와 같은 요구에 부응하기 위해 편광빔스플리터프리즘(이하 단지 PBS라 함)이나 다이크로익 미러 등의 광학부품을 사용하여 합파장치를 구성하고, 복수의 반도체레이저로부터 각각 방사된 복수 개의 레이저광을 합파하는 것을 생각할 수 있다.

제8도는 복수의 광속을 1개의 광속으로 합파할 때에 사용되는 합파장치의 일예를 도시한 구성도이다.

제8도에 있어서, (1) ∼ (4)는 반도체레이저를 표시하고 있다. 이 경우, 제1의 반도체레이저(1) 및 제2의 반도체레이저(2)는 P편광의 레이저광(1a), (2a)을 각각 방사한다. 한편, 제3의 반도체레이저(3) 및 제4의 반도체레이저(4)는 S편광의 레이저광(3a), (4a)을 각각 방사한다. 또, 제1 및 제3의 반도체레이저로부터 방사되는 레이저광(1a), (3a)의 파장 λ은 λ = 780nm인 것으로 한다.

제8도로부터 명백한 바와 같이, 제1의 반도체레이저와 제3의 반도체레이저(3)는 동일 편면상에 있어서 각각의 광축이 서로 직각이 되도록 배치되어 있다. 또, 제2의 반도체레이저(2)와 제4의 반도체레이저(4)가 동일 평면상에 있어서 각 광축이 직교하도록 배치되어 있다.

각 반도체레이저가 이와 같이 배치되어 있으므로, 제1의 반도체레이저(1)로부터 방사된 P편광의 레이저광(1a)과 제3의 반도체레이저(3)로부터 방사된 S편광의 레이저광(3a)이 제1의 PBS(5a)에 각각 입사된다. 또, 제2의 반도체레이저(2)로부터 방사된 P편광의 레이저광(2a)과 제4의 반도체레이저(4)로부터 방사된 S평관의 레이저광(4a)이 제2의 PBS(5b)에 각각 입사된다.

상기 PBS(5)는 2개의 45°직각프리즘의 경사면에 고굴절율물질과 저굴절율물질로 이루어지는 교호다층막을 입히는 동시에, 이서들을 맞대어 붙여서 입방체로 구성한 것이다. 그 원리는 어떤 조건이 충족되어 있을 경우, 입사면에 평행으로 진동하는 P편광의 반사율이 제로가 되는 동시에, S편광의 반사율은 상기 교호층의 증대와 함께 높아지는 현상을 교묘히 이용하고 있다. 따라서, 각 레이저광은 그 진동방향의 상위에 의해 상기 PBS(5a), (5b)를 저손실로 통과하거나 또는 반사하거나 함으로써 각각 합파된다.

이와 같이, 제1 및 제2의 PBS(5a), PBS(5b)에 의해 각각 합파된 각 레이저광(1a) (3a) 및 (2a), (4a)은 제8도에 도시한 바와 같이 서로 직교하는 각도를 가지고 다이크로익 미러(6)에 각각 입사된다.

다이크로익 미러(6)에 입사된 각 레이저광(1a), (3a) 및 (2a), (4a)은 파장의 상위에 의거하여 상기 다이크로익 미러(6)를 저손실로 통과하거나 또는 진행방향과 직각방향으로 반사하거나 함으로써 합파되어서, 광결합기(7)를 통해서 광파이버(8)에 결합된다.

제8도의 합파장치의 경우에는 PBS(5)에 의한 PS합파를 먼저 행하고 있으므로, 다이크로익 미러(6)에 입사되는 각 레이저광(1a), (3a) 및 (2a), (4a)은 P편광파와 S편광파가 혼재되어 있다. 이와 같이, P편광파와 S편광파가 혼재되어 있는 경우에는 합파특성효율을 향상시키는 것이 곤란하다. 즉, 다이크로익 미러(6)의 분광특성은 제9도 및 제10도의 특성도에 도시한 것과 같은 것이 있다. 제9도 및 제10도에 있어서, 파선으로 표시한 특성곡선 R은 레이저광의 반사특성, 실선으로 표시한 특성곡선 T는 투과특성을 각각 나타내고 있다.

종래의 합파장치의 경우, P편광파와 S편광파가 혼재되어 다이크로익 미러(6)에 입사되기 때문에, 제9도에서 도시한 제2의 다이크로익 미러를 사용했다 하더라도 또는 제10도에 도시한 제2의 다이크로익 미러를 사용했다 하더라도 합파효율이 현저히 저하한다.

즉, 제9도의 분광특성을 가진 제1의 다이크로익 미러를 사용한 경우에는 830nm에 있어서의 투과율 η780은 η780 = 0.97로 높으나, 780nm에 있어서의 반사율 η780은 η780 = 0.5로 상당히 양호하지 않다.

또, 제10도의 분광특성을 가진 제2의 다이크로익 미러를 사용한 경우에는 780nm에 있어서의 반사율 η780은 η780 = 0.97로 높지만, 830nm에서의 투과율 η830은 η830 = 0.5로 낮아진다.

이와 같이, 종래의 합파장치의 경우에는 투과효율 및 반사효율을 모두 양호하게 할 수 없으므로, 총합적인 합파효율 η은 η = 0.48정도이며, 50%를 넘을 수 없었다.

본원 발명은 상술한 문제점을 감안하여, 레이저광을 합파할 때의 총합합파효율 η을 크게 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본원 발명의 반도체레이저용 합파장치는 4개 또는 3개의 반도체레이저로부터 각각 방사되는 복수개의 레이저광을 PBS와 다이크로익 미러를 사용하여 합파해서 단일의 레이저광으로 수속(收束)하고, 이것을 1개의 광파이버에 결합시키도록 한 반도체레이저용 합파장치에 있어서, 상기 각 레이저광을 합파함에 있어서, 먼저 다이크로익 미러를 사용하여 합파함으로써 2개의 광속으로 수속하고, 이어서 상기 2개의 광속을 PBS로 PS합파함으로써 1개의 광속으로 수속하여 상기 광파이버에 결합시키도록 하고 있다.

또, 본원 발명의 다른 특징으로 하는 바는 상기 다이크로익 미러와 상기 PBS와의 사이에 실린드리컬 렌즈 등의 과학부품을 개재시켜서, 상기 레이저광의 빔형상을 정형(整形)하도록 하고 있다.

다이크로익 미러에 의한 파장분할을 이용한 합파를 먼저 행하고, 진동방향이 일정한 레이저광을 상기 다이크로익 미러에 입사시키도록 함으로써, 합파하는 레이저광의 진동방향에 맞추어서, P파용의 다이크로익 미러 및 S파용의 다이크로익 미러를 구분 사용할 수 있도록 한다. 오로써, 예를 들면 짧은 파장에 있어서의 반사율을 향상시키는 것과 긴 파장의 투과율을 향상시키는 것의 양쪽이 가능하게 되고, 상기 다이크로익 미러에 있어서의 합파효율이 대폭 향상되고, 그 결과 복수개의 레이저광을 1개로 수속하여 광파이버에 결합시킬 때의 총합적인 결합효율이 향상된다.

제1도는 본원 발명의 제1의 실시예를 도시한 반도체레이저용 합파장치의 구성도이다.

제1도로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예에 있어서도 4개의 반도체레이저(1) ∼ (4)로부터 방사되는 레이저광(1a) ∼(4a)을 합파하도록 하고 있다. 그러나, 본 실시예는 종래와는 달리, PS합파를 행하기 전에 다이크로익 미러(6)에 의해 파장의 상위를 이용한 합파를 행하고, 다음에 PBS(5)에 의한 진동방향의 상위를 이용한 합파를 행하도록 하고 있다.

즉, 본 실시예에 있어서는 제1도에 도시한 바와 같이, P편광의 레이저광을 출력하는 제1의 반도체레이저(1)와 제2의 반도체레이저(2)를 쌍으로 하는 동시에, S편광의 레이저광을 출력하는 제3의 반도체레이저(3)와 제4의 반도체레이저(4)를 쌍으로 하여 배치하고 있다. 그리고, 제1 및 제2의 반도체레이저(1), (2)로부터 방사되는 레이저광(1a), (2a)이 제1의 다이크로익 미러(6a)에 입사하도록 하는 동시에, 제3 및 제4의 반도체레이저(3), (4)로부터 방사되는 레이저광(3a), (4a)이 제2의 다이크로익 미러(6b)에 입사하도록 하고 있다. 이들 레이저광(1a) ∼(4a)이 각 다이크로익 미러(6a), (6b)에 입사하는 조건은 제8도에 도시한 종래의 장치와 같으며, 각 레이저광(1a) ∼(4a)이 동일 평면에 있어서 서로 직교하는 방향으로부터 입사하도록 각 반도체레이저가 배치되어 있다. 또한, 각 반도체레이저로부터 방사되는 레이저광의 파장은 종래와 같으며, 제1의 반도체레이저(1)와 제3의 반도체레이저(3)가 780nm이다. 또, 제2의 반도체레이저(2)와 제4의 반도체레이저(4)가 830nm의 파장의 레이저광을 방사하도록 하고 있다.

이와 같이, 본 실시예에 있어서는 방사레이저광의 진동방향이 같고 파장의 크기가 다른 반도체레이저 끼리를 쌍으로 하여 배치하고 있고, 다이크로익 미러(6)를 사용한 파장분할에 의한 합파를 먼저 행할 수 있다. 이 때문에, 제1의 반도체레이저(1)로부터 방사되는 레이저광(1a)과 제2의 반도체레이저(2)로부터 방사되는 레이저광(2a)을 합파하기 위한 다이크로익 미러로서, 제10도에 도시한 투과/반사특성을 가진 제2의 다이크로익 미러(6a)를 사용할 수 있는 동시에, 제3의 반도체레이저(3)로부터 방사되는 레이저광(3a)과 제4의 반도체레이저(4)로부터 방사되는 레이저광(4a)을 합파하기 위한 다이크로익 미러로서, 제9도에 도시한 투과/반사특성을 가진 제1의 다이크로익 미러(6b)를 사용할 수 있다. 따라서, 제9도(a) 및 제10도(b)에 도시한 바와 같이 780nm 및 830nm의 양쪽의 파장에 있어서 높은 반사율/투과율이 얻어지고, 파장분할에 의한 합파효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

이와 같이 하여, 4개의 반도체레이저로부터 각각 출력되는 4개의 레이저광을 2개로 수속하면, 다음에 이들 광속를 PBS(5)에 입사시켜서 1개로 수속하는 합파를 행한다. 이 경우, PBS(5)에는 780nm, 830nm의 양파가 혼재되어 입사한다. 그러나, 제2도의 PBS의 분광특성도에 도시한 바와 같이, PBS의 경우에는 780 ∼ 830nm의 넓은 범위에 걸쳐서 양호한 반사/투과특성을 가진 것이 얻어지므로, 제1도의 PBS(5)에 있어서의 특성은 반사특성 ηs이 ηs = 0.97, 투과특성 ηr이 ηT = 0.97과 같이 높은 반사/투과특성이 얻어진다. 이 때문에, 제1도에 도시한 실시예의 반도체레이저용 합파장치는 평균총합효율 η을 63.5%까지 높일 수 있다.

다음에, 상기 평균총합효율 η을 더욱 향사시킨 합파장치의 예를 제3도 ∼ 제7도를 참조하여 설명한다.

제3도의 레이저광의 방사상태설명도에 도시한 바와 같이, 레이저빔(12)은 매우 작은 반도체레이저(11)의 광원으로부터 방사되는 것이며, 상기 광원 점광원(点光源)은 아니다. 예를 들면, 어떤 반도체레이저(20)의 경우, 수직방향의 광원의 길이를 Wxmax라 하고, 수평방향의 길이를 Wymax라 하면, Wxmax = 1㎛, Wymax = 600㎛ 정도이다.

이와 같은 점광원으로부터 방사된 레이저빔(11)은 수직방향으로 퍼지나, 수평방향으로는 그다지 퍼지지 않는다. 즉, 수직방향의 빔퍼짐각 θx은 크고, 수평방향의 빔퍼짐각 θy은 작아지게 되어 있다.

이와 타은 단면형상의 레이저빔(12)을 제4도의 결합상태설명도에 도시한 바와 같이 광파이버(8)에 고효율로 결합시키기 위해서는

my·Wymax≤Wf …(1)

1/mx·sinθx/2≤NA …(2)

의 2식을 충족시키도록 상수 my 및 mx를 정할 필요가 있다. 또한, 상기 (1) 및 (2)식에 있어서, Wf는 광파이버(8)의 직경, NA는 개구수(제4도에 있어서의 sinθf)를 각각 표시하고 있다.

3W의 레이저광을 출력하는 어떤 반도체레이저의 경우, 상기한 바와 같이 Wxmax = 1㎛, Wymax = 600㎛ 정도이다. 또, θx = 43°, θy = 15°이므로, 상기 (1)식 및 (2)식을 충족시키기 위해서는 상기 상수 my 및 mx를 상이한 배율계(倍率系)로 설계할 필요가 있다.

이 제2의 실시예에 있어서는, 상기 요구를 충족시키기 위해 제7도의 구성도에 도시한 바와 같이, 제1의 실린드리컬 렌즈(13) 및 제2의 실린드리컬 렌즈(14)를 다이크로익 미러(6a), (6b)와 PBS(5)와의사이에 배설하고, 수직 및 수평에 있어서 상이한 배율선정을 행하였다.

상기 제1의 실린드리컬 렌즈(13)은 오목렌즈가 사용되고, 제2의 실린드리컬렌즈(14)는 볼록렌즈가 사용되고 있다. 일반적으로, 이와 같은 오목렌즈와 볼록렌즈를 조합한 광학계는 빔익스팬더(beam expander)라고 하며, 각 렌즈(13), (14)의 초점거리에 따른 배율로 레이저빔의 광속을 신장시킨다. 또한, 본 실시예의 경우는 실린드리컬렌즈이므로, 제5도의 수평방향에 있어서의 빔정형설명도 및 제6도의 수직방향에 있어서의 빔정형설명도에 도시한 바와 같이 수평방향의 빔직경만이 작아지고, 수직방향의 빔폭은 같다. 제3도에서 설명한 바와 같이, 반도체레이저는 수평방향이 길고, 수직방향이 짧은 발광 사이즈를 가지고 있다. 따라서, 상기한 수평방향의 발광사이즈만을 축소함으로써, 이 레이저빔(12)을 광파이버(8)의 전방에 배치된 결합렌즈(15b)로 스로틀하여 상기 광파이버(8)에 입사시키는데 있어서, 그 유효입사면에 만편(滿遍)없이 입사시킬 수 있다. 즉, 제5도에 있어서, 반도체레이저(20)의 앞에 배치된 렌즈(15a)의 초점거리는 f1, 제1의 실린더리컬 렌즈(13)의 초점거리를 f2, 제2의 실린드리컬 렌즈(14)의 초점거리를 f3, 광파이버측에 배치된 결합렌즈(15b)의 초점거리를 f4라 하면, 상수 m는

이 되고, 예를 들면 상기 상수 m를 0.5로 할 수 있다. 본 실시예에 있어서는 이와 같은 빔정형을 행함으로써, 제1 실시예에 있어서 약 75%였던 광파이버(8)에의 결합효율을 약 85%까지 향상시킬 수 있었다.

이 때문에, 이 제2 실시예에 있어서는 평균총합효율을 약 70%로 할 수 있고, 제1 실시예보다 약 6.5%나 향상시킬 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 실시예의 반도체레이저용 합파장치를 사용하면, 반도체레이저로부터 출력된 레이저광의 밀도를 대폭 향상시킬 수 있으므로, 반도체레이저를 의료나 마킹 등과 같은 광가공분야에 있어서 유효하게 이용할 수 있게 된다.

또한, 상기 실시예에 있어서는 어느 경우에 있어서나 4개의 반도체레이저로부터 출력되는 4개의 레이저광을 1개로 수속하도록 한 예를 나타냈으나, 3개의 반도체레이저로부터 출력되는 3개의 레이저광을 1개로 수속하는 경우에도, 본원 발명의 반도체레이저용 합파장치를 사용할 수 있다.

또한, 상기 실시예에 있어서는 빔직경이 긴쪽을 짧게 하여 빔정형을 행하는 예를 나타냈으나, 빔직경이 짧은 쪽을 신장시켜서 빔단면을 원형에 가깝도록 빔정형을 행하도록 해도 된다.

본원 발명은 상술한 바와 같이, PBS와 다이크로익 미러를 사용하여 복수개의 레이저광을 1개로 수속시키는 합파를 행함에 있어서, 다이크로익 미러에 의한 파장분할을 이용한 합파를 먼저 행하고, 이어서 PBS에 의한 PS합파를 행하여 1개의 빔광으로 수속하도록 하였으므로, 상기 다이크로익 미러에 진동방향이 일정한 레이저광을 입사시키도록 할 수 있다. 이로써, 상기 다이크로익 미러로 합파하는 레이저광의 진동방향에 맞추어서 P파용(波用)의 다이크로익 미러 및 S파용의 다이크로익 미러를 구분 사용하도록 할 수 있고, 예를 들면 짧은 파장에 있어서의 반사율을 향상시키는 것과 긴 파장의 투과율을 향상시키는 것의 양쪽을 가능하게 하여, 상기 다이크로익 미러에 있어서의 합파효율을 대폭 향상시킬 수 있으며, 복수개의 레이저광을 1개로 수속하여 광파이버에 결합시킬 때의 총합적인 결합효율을 향상시킬 수 있다.

또, 청구항(2)에 의하면, 상기 다이크로익 미러와 PBS와의 사이에 실린드리컬 렌즈를 개재시켜서 빔정형을 행하도록 하였으므로, 상기 빔을 광파이버에 결합시킬 때의 효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 총합적인 결합효율을 청구항(1)의 장치보다 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims

4개 또는 3개의 반도체레이저로부터 각각 방사되는 복수개의 레이저광을 PBS와 다이크로익 미러를 사용하여 합파(合波)해서 단일의 레이저광으로 수속하고, 이것을 1개의 광파이버에 결합시키도록 한 반도체레이저용 합파장치에 있어서,

상기 각 레이저광을 합파함에 있어서, 먼저 다이크로익 미러를 사용하여 합파함으로써 2개의 광속으로 수속하고,

이어서, 상기 2개의 광속을 PBS로 PS합파함으로써 1개의 광속으로 수속하여 상기 광파이버에 결합시키도록 한 것을 특징으로 하는 반도체레이저용 합파장치.

2. 4개 또는 3개의 반도체레이저로부터 각각 방사되는 복수개의 레이저광을 PBS와 다이크로익 미러를 사용하여 합파해서 단일의 레이저광으로 수속하고, 이것을 1개의 광파이버에 결합시키도록 한 반도체레이저용 합파장치에 있어서,

상기 각 레이저광을 합파함에 있어서, 넌저 다이크로익 미러를 사용하여 합파함으로써 2개의 광속으로 수속하고,

이어서, 상기 2개의 광속을 PBS로 PS합파함으로써 1개의 광속으로 수속하여 상기 광파이버에 결합시키도록 하는 동시에,

상기 다이크로익 미러와 상기 PBS와의 사이에 실린드리컬 렌즈 등의 광학부품을 개재시켜서, 상기 광학부품에 의해 상기 레이저광의 빔형상을 정형(整形)하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체레이저용 합파장치.