JP5730026B2 - レーザ光源 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子を有する波長変換型のレーザ光源に関する。

レーザ光源は、近赤外波長（ＮＩＲ）の基本波を出射するが、可視波長への波長変換を行い第２高調波（変換波）を出力する技術としては、例えば下記特許文献１に開示されているものがある。この特許文献１に記載の構成は、ＬＤの出射光を、ファイバブラグ格子（ＦＢＧ）が形成された偏光保持ファイバに入射させ発振させるファイバピグテール型のレーザ光源である。波長ロックのための経路途中に波長変換素子を配置することにより、基本波を変換波に波長変換する。

特開２００３−２７０６８６号公報（第２頁、図１）

上述した従来技術では、偏光保持ファイバが発振器の一部として機能するため、この偏光保持ファイバからは、波長変換素子で波長変換されない基本波が出力されてしまうという問題があった。出射光から基本波を取り除くためには、別途フィルタを設ける必要があり、さらに、ＬＤと偏光保持ファイバとの間にレンズを設ける必要があるため、小型化できないものであった。

本発明は、上述の従来技術による問題点を解消するため、効率良く波長変換が行え、基本波の成分を除去した変換波を出力でき、小型化できるレーザ光源を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるレーザ光源は、基本波を出射するレーザ素子と、前記基本波が入射され、入射された前記基本波の少なくとも一部を、該基本波より短波長の変換波に波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子からの出射波に含まれる前記基本波の成分を減衰させて変換波のみを導波および出射する径を有する導波路と、を備え、前記導波路は、前記波長変換素子の出射波を導波する光ファイバからなり、前記基本波をシングルモードで導波する径を有する第１の導波路と、前記第１の導波路に直接接続され、前記変換波をシングルモードで導波する径を有し、前記基本波の成分を減衰させて導波する光ファイバからなる第２の導波路と、前記第１の導波路内部に形成され、前記波長変換素子から出射された前記基本波をフィードバックして前記レーザ素子から出射する前記基本波の波長または周波数をロックする回折格子と、前記第１の導波路の先端に直接接続して設けられ、前記波長変換素子と前記導波路とを光学的に結合する結合部材としてのグレーデッドインデックス型光ファイバと、を備えたことを特徴とする。ここで、グレーデッドインデックス（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）型はグラディエントインデックス（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）型と称する場合もあるが、以下ではグレーデッドインデックス型とする。

上記の構成により、波長変換素子から出射された基本波は第１の導波路に形成された回折格子によりフィードバックされ、基本波の波長または周波数がロックされる。第２の導波路は、基本波の成分を減衰させるため、第２の導波路からは変換波を効率良く出射できるようになる。また、上記の構成により、波長変換素子と第１の導波路とを効率良く小型に結合できるようになる。

また、前記グレーデッドインデックス型光ファイバは、前記波長変換素子側に位置する開口数ＮＡ１の第１のＧＩレンズと、該第１のＧＩレンズに接続し、該第１のＧＩレンズより小さな開口数ＮＡ２の第２のＧＩレンズと、を有することを特徴とする。ここで、ＧＩとはグレーテッドインデックス（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ）またはグラディエントインデックス（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ）の略であり、ＧＩレンズは径方向に屈折率分布を持ったマルチモードファイバから成る。

上記の構成により、２つのＧＩレンズを用いることにより、波長変換素子の出射光を効率良く結合させることができるとともに、小型化できるようになる。

また、前記グレーデッドインデックス型光ファイバの入射端面が当該光ファイバの光軸に対して斜めに形成されたことを特徴とする。

また、前記グレーデッドインデックス型光ファイバの入射端面が先球状に形成されたことを特徴とする。

上記の構成により、入射端面での光の反射を防止でき、結合効率を向上できるようになる。

また、前記第１の導波路と、前記第２の導波路は、偏波保持ファイバであることを特徴とする。

上記の構成により、偏波状態を保持できるようになる。

また、前記第１の導波路と、前記第２の導波路との間には、異なるモード径のモード変換を行うモード変換部を設けたことを特徴とする。

上記の構成により、モード変換部は、第１の導波路と、第２の導波路とで異なるモード径のモード変換を行い、結合効率を向上できるようになる。

また、前記モード変換部は、一つまたは複数の開口数の異なるＧＩレンズであることを特徴とする。

上記の構成により、第１の導波路と、第２の導波路とで異なるモード径のモード変換を、小型で効率良く結合させることができるようになる。

また、前記モード変換部は、前記第１の導波路と、前記第２の導波路の融着接合部のコアに対し、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｃｏｒｅ）化処理によりテーパー部を形成させ、コア径を一致させることを特徴とする。

上記の構成により、第１の導波路と、第２の導波路とで異なるモード径のモード変換を、空間光学系部品を用いず小型に効率良く結合させることができるようになる。

また、前記レーザ素子を保持する基台と、前記基台上に設けられ、前記波長変換素子を保持する保持部材と、前記基台および前記保持部材のキャップと、前記キャップの開口部に取り付けられ、前記波長変換素子の光が入射される前記第１の導波路、前記第２の導波路、および前記結合部材を固定するフェルールと、を有することを特徴とする。

上記の構成により、基台の面の方向と、光軸の方向とを独立して光軸調整でき、レーザ素子と波長変換素子との間、および波長変換素子と、第１の導波路との間における光軸調整を容易に行うことができる。

また、収容溝が形成されたケースと、前記収容溝に収容され、前記レーザ素子および前記波長変換素子が搭載される半導体基板と、前記ケースの開口部に取り付けられ、前記波長変換素子の光が入射される前記第１の導波路、前記第２の導波路、および前記結合部材を固定するフェルールと、を有することを特徴とする。

上記の構成により、半導体基板上にレーザ素子および波長変換素子を精度良く搭載でき、また、波長変換素子と第１の導波路との間の光軸調整を容易に行うことができる。

また、前記レーザ素子および前記波長変換素子が搭載される半導体基板と、前記半導体基板に接合され、前記波長変換素子の光が入射される前記第１の導波路および前記第２の導波路を固定する光ファイバ固定部と、を有することを特徴とする。

上記の構成により、部品点数を削減できるとともに、より小型化でき、半導体基板上にレーザ素子および波長変換素子を精度良く搭載でき、組み立ても容易化できるようになる。

本発明により、波長変換素子で波長変換されない基本波の出力を抑制し、かつ、小型化できるという効果を奏する。

実施の形態にかかるレーザ光源を示す構成図である。 ＧＩレンズの有無による結合特性測定の評価系を示す図である。 図２の評価系による変換光に対する光軸方向（Ｚ）の位置−出力パワー特性の測定結果を示す図表である。 レーザ光源のモジュール構造例を示す分解斜視図である。 レーザ光源のモジュール構造を示す側断面図である。 レーザ光源のモジュール構造のほかの例を示す一部断面図である。 ＧＩレンズを用いたモード変換の構成例を示す構成図である。 ＧＩレンズを用いたモード変換のほかの構成例を示す図である。 ＴＥＣ化処理によるモード変換の構成例を示す図である。 ＴＥＣ化処理によるモード変換のほかの構成例を示す図である。 図１の構成の導波路にモード変換部を設けた構成を示す図である。 図１の構成の導波路にモード変換部を設けた構成を示す図である。 図１の構成の導波路にモード変換部を設けた構成を示す図である。 レーザ光源のモジュール構造のほかの例を示す一部断面図である。 図１４の部分側断面図である。 図１５−１のＡ−Ａ線断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかるレーザ光源の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、この発明の実施の形態にかかるレーザ光源を示す構成図である。このレーザ光源１００は、波長変換素子１０２を有し、第２次高調波を出力するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザ光源である。このレーザ光源１００は、ＬＤ１０１と、波長変換素子１０２と、導波路である光ファイバ１０３と、結合部材であるＧＩレンズ１０４とから構成されている。

ＬＤ１０１は、近赤外波長（１０６４ｎｍ）の基本波のレーザ光を出射する。波長変換素子１０２には、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）が用いられ、ＬＤ１０１から出射された基本波が入射される。基本波は、波長変換素子１０２内部を伝搬し、ＳＨ（第２高調波）光（変換波）に変換される。

導波路である光ファイバ１０３は、第１の導波路である光ファイバ１１１と、第２の導波路である可視光用光ファイバ１１２により構成されている。光ファイバ１１１は、基本波をシングルモード（ＳＭ）で導波する径を有し、この光ファイバ１１１には、回折格子（ファイバーブラッググレーティング：ＦＢＧ）１１１ａが形成されている。ＦＢＧ１１１ａは、基本波に対する反射率を５０〜１００％にすることが望ましい。

一方、可視光用光ファイバ１１２は、変換波をシングルモード（ＳＭ）で導波する径を有する。これにより、基本波は、可視光用光ファイバ１１２のコアモードと結合できないため、可視光用光ファイバ１１２はハイパスフィルタとして作用し、光ファイバ１１１の出射波に含まれる基本波の成分を減衰させる。すなわち、可視光用光ファイバ１１２は、変換波のみ伝搬させる波長選択の機能を有する。

第１の導波路である光ファイバ１１１には、例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ ＨＩ１０６０が用いられ、第２の導波路である可視光用光ファイバ１１２には、Ｎｕｆｅｒｎ ４６０ＨＰを用いる。これら光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２は偏波保持ファイバで構成してもよい。

ＦＢＧ１１１ａが形成されている基本波用の光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とはコア径が異なる。このため、互いの光ファイバ１１１，１１２のコアの融着部分はテーパー処理され、変換波の反射を最小としている。

ところで、ＬＤ１０１からの基本波の一部は、そのまま波長変換素子１０２を透過する。そして、結合部材１０４を介して光ファイバ１１１に形成されているＦＢＧ１１１ａと結合し、その一部が周波数（波長）選択されて反射する。このフィードバックにより、ＬＤ１０１の周波数（波長）ロックを行う。この実施の形態では、ＦＢＧ１１１ａの反射バンドと、波長変換素子１０２の変換波長とをマッチングさせ、高効率の波長変換を行う。

また、光ファイバ１０３の入射側には、結合部材としてのＧＩレンズ１０４が設けられている。このＧＩレンズ１０４は、波長変換素子１０２からの小モードフィールド径を波長変換素子１０２より大きなモードフィールド径に変換するために用いる。このＧＩレンズ１０４は、グレーデッドインデックス型（またはグラディエントインデックス型）（ＧＩ型）の光ファイバからなる２つのＧＩレンズ１１４，１１５により構成されている。このＧＩレンズ１０４としては、汎用のレンズ、例えば、東洋ガラス株式会社製「シリカグリン」を使用することができる。波長変換素子１０２側に位置する第１のＧＩレンズ１１４は大きい開口数ＮＡ１であり、第２のＧＩレンズ１１５は、第１のＧＩレンズ１１４より小さな開口数ＮＡ２とされている。ＧＩレンズ１０４は、大きなＮＡと小さなＮＡを持つ２つの短いマルチモードファイバからなり複合レンズとして作用する。

ＧＩレンズ１０４は、変換波が光ファイバ１１１のコアと高効率に結合するように設計するが、基本波である近赤外領域においてもＦＢＧ１１１ａが形成されたＩＲ用光ファイバ１１１のコアへのレンズとして作用し、ＦＢＧ１１１ａの反射波長域において比較的高い結合を実現することができる。これにより、波長変換素子１０２で波長変換された変換波は、変換波用に最適化されたＧＩレンズ１１４，１１５により、波長変換素子１０２の出射モードフィールドをＦＢＧ１１１ａが形成された光ファイバ１１１の端面に高効率に結合できる。そして、光ファイバ１１１，１１２と、ＧＩレンズ１１４，１１５は、それぞれ融着接続により一体化される。なお、図１では、光ファイバ１１１の全体にＦＢＧ１１１ａが形成されているように図示しているが、必要に応じてＦＢＧ１１１ａを形成しない領域が設けられてもよい。

上記のＧＩレンズ１０４（ＧＩレンズ１１４，１１５）を個別の空間光学系レンズで構成した場合には、基本波のＩＲ領域と変換波の可視光領域とで生じる大きな波長分散を補償するため、従来技術の如く複雑で大きな光学系が必要となるが、この実施の形態で説明したＧＩレンズ１１４，１１５を用いることにより、高効率で小型の周波数（波長）ロック機能を有するＳＨＧレーザ光源を容易に実現できるようになる。

また、ＧＩレンズ１１４，１１５と、ＦＢＧ１１１ａが形成された光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とは、それぞれ、同一径（例えば１２５μｍφ）で融着固定される。融着固定されたＧＩレンズ１１４，１１５、光ファイバ１１１および光ファイバ１１２は、後述するように、例えば同一のＶ溝内またはフェルール内に固定され、最少の部品点数で機械的な変形を起こし難いように一体に構成することができる。

また、結合部材に対する光の入射端面、すなわち、ＧＩレンズ１０４の先端には、基本波および変換波に対する反射を防止する反射防止膜（ＡＲコート等）が施されている。さらに、このＧＩレンズ１０４の先端（入射端面）は、光軸方向に対して斜めに形成するほかに先球状に形成しても良く、これらにより、入射端面における表面反射を低減させＦＢＧ１１１ａで反射される所定の波長以外のＬＤ１０１への不要な反射光を抑えることができる。また、上記の構成では、基本波の波長を１０６４ｎｍとし、波長変換素子１０２による波長変換後の波長を５３２ｎｍとしたが、これ以外の波長で波長変換を行う構成でも利用可能である。

図２は、ＧＩレンズの有無による結合特性測定の評価系を示す図である。上述したＧＩレンズ１０４を使った場合と使わない場合での波長変換素子の出力と、光ファイバとの結合効率を評価した。図中Ｌは、波長変換素子１０２と、光ファイバ１１２との間の光軸方向Ｚの距離である。評価サンプルは、光ファイバにＮｕｆｅｒｎ ４６０ＨＰを用い、５３２ｎｍ用のＧＩレンズ（上記東洋ガラス製シリカグリン）１０４を用いた。Ｎｕｆｅｒｎ ４６０ＨＰは、上記可視光用光ファイバ１１２に相当するものであり、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で約３．５μｍのコア径を有する。

評価系には、光ファイバ１１２の出射側に近赤外カットフィルタ２０１（シグマ光機製、ＨＡＦ−５０Ｓ−１５Ｈ）を配置し、パワーメータ２０２で光パワーを検出する。ＬＤ１０１は、１０６４ｎｍの波長の基本波を出射し、波長変換素子（ＰＰＬＮ）１０２は、５３２ｎｍの変換光を光ファイバ１１２に出射する。

図３は、図２の評価系による変換光に対する光軸方向（Ｚ）の位置−出力パワー特性の測定結果を示す図表である。ＧＩレンズ１０４ありの特性３０１と、ＧＩレンズ１０４なしの特性３０２を示した。測定の結果、ＧＩレンズなしの特性３０２では、各部材の製造誤差を考慮して直接結合ができないため空隙を設けたため結合効率は最大４３％であり、このときの距離Ｌは１０μｍであった。また、距離Ｌの値に対して出力が半減するまでの距離は約１４μｍであった。これに対して、ＧＩレンズありの特性３０１では、結合効率は最大６６％（半値全幅：ＦＷＨＭが２７μｍ）であり、このときの距離Ｌは５４μｍであった。

この測定結果から、ＧＩレンズ１０４なしの場合、実際のレーザ構造をＹＡＧ溶接法などで作製する際に空隙を設ける必要があることを考慮すると結合効率が低く、さらに、波長変換素子１０２と光ファイバ１１２との間の距離Ｌをできるだけ短くしなければならず、製造誤差や光軸調整等で波長変換素子１０２と光ファイバ１１２とが衝突する可能性がある。これに対し、光ファイバ１１２にＧＩレンズ１０４を設けた場合には、結合効率が高く距離Ｌを比較的長くできるため、波長変換素子１０２と光ファイバ１１２との間のトレランスを取ることができ、製造誤差を許容できるとともに、光軸調整時にも互いの衝突を防止できる。

（レーザ光源のモジュール構造例１）
次に、上記のレーザ光源のモジュールの実施例を説明する。図４は、レーザ光源のモジュール構造例を示す分解斜視図である。図５は、レーザ光源のモジュール構造を示す側断面図である。図４および図５に示すように、レーザ光源モジュール４００は、例えばＳＵＳからなるＴＯキャンパッケージ形状であり、基台４０１にキャップ４０２が装着されてなる。キャップ４０２は円筒形に形成されており、上面の開口部４０２ａには例えばＳＵＳからなるフランジ４２０を介してフェルール４３０が取り付けられる。このフェルール４３０は、例えば、上述したＧＩレンズ１０４および光ファイバ１０３先端が内部に固定される穴の開いたキャピラリー状のジルコニアと、このジルコニアをカバーするＳＵＳ部材からなる。ジルコニアをカバーするＳＵＳ部材と、同じくＳＵＳからなるフランジ４２０とが、例えばＹＡＧ（レーザ）溶接により固定される。

このように、ＧＩレンズ１０４と、ＩＲ用光ファイバ１１１のＦＢＧ１１１ａの形成領域および可視光用光ファイバ１１２の先端部がフェルール４３０内に固定されることにより、ＧＩレンズ１０４、ＩＲ用光ファイバ１１１および可視光用光ファイバ１１２の機械的な変形を抑え、ＩＲ用光ファイバ１１１のコアを伝搬した変換波長の最低次の導波モードが効率良く可視光用光ファイバ１１２のコアの最低次モードに、少ない損失でモード結合することが可能となる。

ホルダ４０３内部の基台４０１上には、ホルダ４０３内部にサブマウント上に実装したＬＤ１０１および波長変換素子１０２が設けられる。この基台４０１にはレーザ光源駆動用の複数本のリード端子４０４が突出形成されている。

基台４０１は、例えばＳＰＣまたはコバールからなり、表面がＡｕメッキされている。基台４０１上には、ブロック５０１が高さ方向に突出形成され、このブロック５０１の側面に上述したＬＤ１０１が固定され、高さ方向に光を出射する。ブロック５０１は、基台４０１と一体で形成されるか、溶着等の手段により一体的に基台４０１に固着されている。ＬＤ１０１は、リード端子４０４とワイヤボンディングされて電気的に接続されている。

基台４０１上には、下から順に円環状の支持台５０２と、フランジ５０３と、素子ホルダ５０４が載置される。素子ホルダ５０４は、上記の波長変換素子１０２を保持する。支持台５０２の上面には、円筒形のフランジ５０３の下面が摺接可能に形成され位置決め調整後レーザ溶接等で固定される。

支持台５０２の下面は、基台４０１にレーザ溶接、ロー付けまたは接着されて、基台４０１と一体に固着される。支持台５０２の高さ位置は、ＬＤ１０１の発光点（出射位置）より少し低い位置に設定されている。

フランジ５０３内部には、素子ホルダ５０４が上下方向に位置調節可能に形成され位置決め調整後レーザ溶接等で固定される。素子ホルダ５０４は、円柱形に形成され、中心位置に上下に溝５０４ａ（図４参照）が形成されている。素子ホルダ５０４の溝５０４ａには、上述した波長変換素子１０２がエポキシ系接着剤等により固着保持される。この波長変換素子１０２は、入射端面がＬＤ１０１の直上に位置する。

素子ホルダ５０４に固定された波長変換素子１０２の入射端面と、基台４０１側のＬＤ１０１の出射端面とは、互いに平行状態が保持され、かつ、ＬＤ１０１と、波長変換素子１０２とは直接結合（Ｂｕｔｔ結合）されている。これらＬＤ１０１と、波長変換素子１０２は、支持台５０２上でフランジ５０３を平面（Ｘ−Ｙ軸）方向に移動調整でき、また、フランジ５０３内部で素子ホルダ５０４を高さ（Ｚ軸）方向に移動調整でき、これら平面方向と、高さ方向を独立して調整でき、光軸調整を容易に行える。

レーザ光源モジュール４００のキャップ４０２上部には、円筒形状のフランジ４２０が取り付けられ、このフランジ４２０は、内部にフェルール４３０が高さ方向に位置調整可能に形成され位置決め調整後、レーザ溶接等で固定される。フェルール４３０内部には、下から順に、図１に示した結合部材１０４を構成するＧＩレンズ１０４（１１４，１１５）と、光ファイバ１０３（１１１，１１２）とが配置、固定されている。

フェルール４３０内部に設けられたＧＩレンズ１０４は、フランジ４２０により入射端面が波長変換素子１０２の出射端面に向いて位置しており、互いに平行状態が保持されている。これらＧＩレンズ１０４と、波長変換素子１０２は、キャップ４０２上でフランジ４２０を平面（Ｘ−Ｙ軸）方向に移動調整でき、また、フランジ４２０内部でフェルール４３０を高さ（Ｚ軸）方向に移動調整でき、これら平面方向と、高さ方向を独立して調整でき、光軸調整を容易に行える。そして、ＧＩレンズ１０４と、波長変換素子１０２とは、図３に示したように、距離Ｌを有して部材の熱膨張係数の差などによる変形によって接触しないように所定の距離をおいてＧＩレンズ結合でき、結合効率を向上できる。

（レーザ光源のモジュール構造例２）
図６は、レーザ光源のモジュール構造のほかの例を示す一部断面図である。この構造例のレーザ光源モジュール６００は、金属製のケース６０１内部に、収容溝６０１ａが形成され、この収容溝６０１ａに平板状の半導体基板（Ｓｉ基板）６０２が設けられる。このＳｉ基板６０２上には、上述したＬＤ１０１と、波長変換素子１０２が搭載されてなる。これらＬＤ１０１と、波長変換素子１０２は、例えば常温活性化接合等の方法でＳｉ基板６０２上に精度良く搭載することができる。

ケース６０１の一端には、レーザ光源駆動用のフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）６１０が導出されている。ケース６０１の他端には、円筒状のフランジ６１５が設けられ、フランジ６１５内部にフェルール６２０が取り付けられる。このフェルール６２０内部には、図１に示した結合部材１０４を構成するＧＩレンズ１０４（１１４，１１５）と、光ファイバ１０３（１１１，１１２）とが配置、固定されている。

フェルール６２０内部に設けられたＧＩレンズ１０４は、フランジ６１５により入射端面が波長変換素子１０２の出射端面に向いて位置しており、互いに平行状態が保持されている。これらＧＩレンズ１０４と、波長変換素子１０２は、フランジ６１５を平面（Ｘ−Ｙ軸）方向に移動調整でき、また、フランジ６１５内部でフェルール６２０を高さ（Ｚ軸）方向に移動調整でき、これら平面方向と、高さ方向を独立して調整でき、光軸調整を容易に行える。そして、ＧＩレンズ１０４と、波長変換素子１０２とは、図３に示したように、距離Ｌを有して部材の熱膨張係数の差などによる変形によって接触しないように所定の距離をおいてＧＩレンズ結合でき、結合効率を向上できる。

以上説明したレーザ光源によれば、光ファイバ１０３をＦＢＧ１１１ａが形成された光ファイバ１１１と、ＬＤ１０１が出射する基本波の成分を減衰させる可視光用光ファイバ１１２とを組み合わせて構成したので、光ファイバ１０３だけの簡単な構成で変換波を出射させることができる。さらに、光ファイバ１０３と、波長変換素子１０２との間には、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバからなるＧＩレンズ１０４を設けた構成であり、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合できるようになる。このＧＩレンズ１０４は、光ファイバで構成されているから小型に構成できる。

（モード変換部の構成例）
次に、上述した光ファイバ（第１の導波路）１１１と、可視光用光ファイバ（第２の導波路）１１２との間の光の結合効率を向上させる構成について説明する。これら光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とは、それぞれ異なるモード径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）を有している。したがって、これら光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間にモード変換部を設けることにより、異なるモード径のファイバ間のモード変換が行え、結合効率を向上できるようになる。モード変換部としては、ＧＩレンズ、あるいは光ファイバのＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｃｏｒｅ）化処理を施して構成できる。

（ＧＩレンズを用いたモード変換の構成例）
図７は、ＧＩレンズを用いたモード変換の構成例を示す図である。光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間にモード変換部として２つのＧＩレンズ７００（７０１，７０２）を設ける。光ファイバ１１１は、例えばコア１１１ｃのコア径が６μｍであり、可視光用光ファイバ１１２は、例えばコア１１２ｃのコア径が３．５μｍである。ＧＩレンズ７０１は、小さな開口数（ＮＡ）であり、ＧＩレンズ７０２は、大きな開口数（ＮＡ）のものを用いる。これらＧＩレンズ７０１，７０２は、小さなＮＡと大きなＮＡを持つ２つの短いマルチモードファイバからなり複合レンズとして作用する。

光ファイバ１１１から入射した第２次高調波は、ＧＩレンズ７０１を通過することにより平行光になる。そして、ＧＩレンズ７０２を介したときの焦点距離位置でのビーム径が可視光用光ファイバ１１２となるようにする。このように、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間にモード変換部として２つのＧＩレンズ７０１，７０２を設けることにより、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間の結合効率を向上できるようになる。

図８は、ＧＩレンズを用いたモード変換のほかの構成例を示す図である。図示の例では、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間にモード変換部として一つのＧＩレンズ８００を設ける。単一のＧＩレンズ８００を用いる場合には、ＧＩレンズ８００の焦点距離位置でのビーム径は、光ファイバ１１１のビーム径のままであり変化しないが、径方向の屈折率分布がステップ状に変化するシングルモードファイバに比して穏やかに変化する。このため、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とを直接結合するよりも、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間にＧＩレンズ８００を設けた方が接合面での反射率を低減でき、結合効率を向上できるようになる。以上説明したＧＩレンズを設けた構成によれば、小型化したまま結合効率を向上できる。

（ＴＥＣ化処理によるモード変換の構成例）
図９は、ＴＥＣ化処理によるモード変換の構成例を示す図である。図９（ａ）に示すように、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とを直接、融着接合した場合には、コア１１１ｃ，１１２ｃの間に段差による光の反射が生じ、結合効率が低下する。このため、図９（ｂ）に示すように、可視光用光ファイバ１１２の接合面のコア１１２ｃをＴＥＣ化処理する。これにより、コア１１２ｃの接合面には、開口径が大きくなるテーパー部１１２ｄがコア拡散され形成される。この後、図９（ｃ）に示すように、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とを融着接合する。これにより、可視光用光ファイバ１１２のコア１１２ｃのコア径が光ファイバ１１１のコア１１１ｃのコア径に一致するよう近づけることができ、ＭＦＤミスマッチを断熱的に低減して結合効率を向上できるようになる。

また、図１０は、ＴＥＣ化処理によるモード変換のほかの構成例を示す図である。この構成例では、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とを融着接合した後、この融着部１００１をＴＥＣ化処理する構成としてもよい。このＴＥＣ化処理により、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とのを融着接合面にそれぞれテーパー部１１１ｄ，１１２ｄが形成され、互いのコア１１１ｃ，１１２ｃのコア径が拡散されて段差なく接合でき、ＭＦＤミスマッチを断熱的に低減して結合効率を向上できるようになる。このようなＴＥＣ化処理によりモード変換を行う構成によれば、レンズ等が不要であり、ＧＩレンズを用いる構成に比してさらに（光軸方向の）小型化が達成できるとともに、レンズ等の構成を不要にできる。

（モード変換部を設けた導波路の構成）
図１１〜図１３は、それぞれ図１の構成の導波路にモード変換部を設けた構成を示す図である。図１１は、図１相当の構成であり、導波路である光ファイバ１０３は、第１の導波路である光ファイバ１１１と、第２の導波路である可視光用光ファイバ１１２により構成されており、これら光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２とは互いに融着接合され他だけである。この場合、光ファイバ１０３と、波長変換素子１０２（図１参照）との間には、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバからなるＧＩレンズ１０４が設けられており、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合できるが、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間では、ＭＦＤミスマッチが生じるため、全体の結合効率の向上が抑えられていた。

しかし、図１２に示すように、光ファイバ１１１の融着接合部をＴＥＣ化処理することにより、モード変換部としてテーパー部１１２ｄを形成した場合には、図９（ｃ）で説明した如く、可視光用光ファイバ１１２のコア１１２ｃのコア径を光ファイバ１１１のコア１１１ｃのコア径に近づけることができ、ＭＦＤミスマッチを低減して結合効率を向上できるようになる。加えて、光ファイバ１０３と、波長変換素子１０２（図１参照）との間には、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバからなるＧＩレンズ１０４が設けられており、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合できるため、全体の結合効率を向上できるようになる。

なお、不図示であるが、図１０に示したように、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との融着接合部をＴＥＣ化処理してもよい。これにより、光ファイバ１１１のコア１１１ｃ、および可視光用光ファイバ１１２のコア１１２ｃのコア径を互いに近づけることができ、ＭＦＤミスマッチを低減して結合効率を向上でき、さらに、ＧＩレンズ１０４によって、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合でき、全体の結合効率を向上できるようになる。

また、図１３に示すように、モード変換部として図７，あるいは図８に示したＧＩレンズ７００，８００を設けた場合であっても、同様に、このＧＩレンズ７００（７０１，７０２），８００により、光ファイバ１１１と、可視光用光ファイバ１１２との間の結合効率を向上でき、さらに、ＧＩレンズ１０４によって、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合でき、全体の結合効率を向上できるようになる。

なお、図１１〜図１３では、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合させるために、光ファイバ１１１にＧＩレンズ１０４を設ける構成としたが、用途によっては、このＧＩレンズ１０４を設けない構成とすることもできる。ＧＩレンズ１０４を設けない構成であっても、光ファイバ１１１と可視光用光ファイバ１１２との融着接合部に設けたモード変換部によって、導波路である光ファイバ１０３におけるＭＦＤミスマッチを低減して結合効率を向上できるようになる。

以上説明したモード変換部を有する構成によれば、光ファイバ１０３をＦＢＧ１１１ａが形成された光ファイバ１１１と、ＬＤ１０１が出射する基本波の成分を減衰させる可視光用光ファイバ１１２とを組み合わせて構成したので、光ファイバ１０３だけの簡単な構成で変換波を出射させることができる。さらに、光ファイバ１０３と、波長変換素子１０２との間には、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバからなるＧＩレンズ１０４を設けた構成であり、波長変換素子１０２が出射する変換波に対し高効率で結合できるようになる。このＧＩレンズ１０４は、光ファイバで構成されているから小型に構成できる。さらに、光ファイバ１１１と可視光用光ファイバ１１２との融着接合部に設けたモード変換部によって、導波路である光ファイバ１０３におけるＭＦＤミスマッチを低減してモジュール全体の結合効率を向上できるようになる。

（レーザ光源のモジュール構造例３）
図１４は、レーザ光源のモジュール構造のほかの例を示す一部断面図である。この構造例のレーザ光源モジュール１４００は、長方形状（平板状）の半導体基板（Ｓｉ基板）１４０１上に、上述したＬＤ１０１と、波長変換素子１０２である、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）と、光ファイバ１０３の端部を固定保持する光ファイバ固定部１４０２と、がそれぞれ設けられ、フェィスダウン実装される。

図１５−１は、図１４の部分側断面図、図１５−２は、図１５−１のＡ−Ａ線断面図である。光ファイバ固定部１４０２は、Ｓｉ基板からなりブロック状に形成される。この光ファイバ固定部１４０２の下面（Ｓｉ基板１４０１に向く面）１４０２Ｂには、光ファイバ１０３の被覆部１０３ａの径に対応した収容溝１４０２ａと、光ファイバ１０３の素線部１０３ｂの径に対応した収容溝１４０２ｂが溝形成されている。この素線部１０３ｂの部分には、上述した第１の導波路（光ファイバ１１１）と、第２の導波路（可視光用光ファイバ１１２）と、モード変換部が設けられる。なお、上述した第１の導波路と第２の導波路と、モード変換部は被覆部１０３ａに含まれるように形成しても良い。

光ファイバ１０３の端部は、被覆部１０３ａ部分が収容溝１４０２ａ部分に収容した状態で樹脂接着剤等により接合固定される。また、光ファイバ１０３の先端部は、被覆部１０３ａから所定長さを有して素線部１０３ｂが表出される。この素線部１０３ｂは、収容溝１４０２ｂに収容した状態で樹脂接着剤等により接合固定される。これにより光ファイバ固定部１４０２には、光ファイバ１０３の先端部が固定される。この際、光ファイバ１０３の先端部の光軸（中心位置）は、図１５−２に示すように、光ファイバ固定部１４０２の下面１４０２Ｂの位置に一致する。

光ファイバ固定部１４０２は、Ｓｉ基板１４０１の端部に接合固定される。Ｓｉ基板１４０１の上面（光ファイバ固定部１４０２に向く面）１４０１Ａには、光ファイバ１０３に接触せずにこの光ファイバ１０３を収容する逃がし溝１４０１ａが溝形成されている。逃がし溝１４０１ａは、光軸調整のためにＳｉ基板１４０１上で光ファイバ固定部１４０２が縦横自在（図１４のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向）に移動できるよう、光ファイバ１０３の被覆部１０３ａの径よりも大きい径を有して溝形成されている。

上記構成によるレーザ光源モジュール１４００の組み立てについて説明する。まず、Ｓｉ基板１４０１上にＬＤ１０１を載置固定し、この後、ＬＤ１０１の出射光の基本波および変換光をＣＭＯＳカメラや光検出器でモニタしながら光軸調整して波長変換素子１０２を搭載する。そして、Ｓｉ基板１４０１上において、波長変換素子１０２の出射位置に光ファイバ固定部１４０２を基本波および変換光をモニタしながら載置する。この状態で、図１５−２に示したＳｉ基板１４０１の上面１４０１Ａに、光ファイバ固定部１４０２の下面１４０２Ｂが摺動自在に面または多点接合面により接合する。この状態で、光ファイバ１０３は、光ファイバ固定部１４０２の収容溝１４０２ａ，１４０２ｂにそれぞれ被覆部１０３ａ，素線部１０３ｂが固定されており、光ファイバ１０３の先端の高さ位置は、波長変換素子１０２の出射光の高さ位置に一致する（図１５−１に示す状態）。

したがって、この後、光ファイバ固定部１４０２を図１４のＸ，Ｙ軸方向に移動させることにより、波長変換素子１０２の出射光の光軸と、光ファイバ１０３の光軸とを光軸合わせできるようになる。この後、光ファイバ固定部１４０２をＳｉ基板１４０１上に樹脂、あるいは半田等で接合固定させることにより、モジュールの組み立てが完成する。

なお、ＬＤ１０１と、波長変換素子１０２は、例えば常温活性化接合等の方法を用いてＳｉ基板１４０１上に精度良く搭載することができる。

以上説明したレーザ光源モジュールによれば、平板状のＳｉ基板上に光部品を精度良く搭載でき、最小限の部品点数だけで小型で安価なレーザ光源を得ることができる。また、組み立て時における光部品間の光軸調整を容易に行うことができる。

本願発明は、外部共振器型で波長ロックする構成、およびパルスレーザを用いて基本波の一部を戻し周波数ロックする構成のいずれにおいても適用可能である。

以上のように、本発明にかかるレーザ光源は、基本波を変換して変換波を出力する波長変換素子を備えたレーザ光源に有用であり、特に、高効率で小型なレーザ光源、および、このレーザ光源を備えた光通信システムやレーザプロジェクタなどのディスプレイシステムにおける光源に適している。

１００ レーザ光源
１０１ ＬＤ
１０２ 波長変換素子
１０３ 光ファイバ
１０４ 結合部材（ＧＩレンズ）
１１１ 第１の導波路（光ファイバ）
１１１ａ ＦＢＧ
１１１ｃ，１１２ｃ コア
１１１ｄ，１１２ｄ テーパー部
１１２ 第２の導波路（可視光用光ファイバ）
１１４ 第１のＧＩレンズ
１１５ 第２のＧＩレンズ
４００，１４００ レーザ光源モジュール
４０１ 基台
４０２ キャップ
４０２ａ 開口部
４０３ ホルダ
４０４ リード端子
４２０ フランジ
４３０ フェルール
５０１ ブロック
５０２ 支持台
５０３ フランジ
５０４ 素子ホルダ
５０４ａ 溝
６００ レーザ光源モジュール
６０１ ケース
６０１ａ 収容溝
６０２，１４０１ Ｓｉ基板
６１５ フランジ
６２０ フェルール
７００（７０１，７０２），８００ ＧＩレンズ
１４０１ａ 逃がし溝
１４０２ 光ファイバ固定部
１４０２ａ，１４０２ｂ 収容溝

Claims (11)

1. 基本波を出射するレーザ素子と、
   前記基本波が入射され、入射された前記基本波の少なくとも一部を、該基本波より短波長の変換波に波長変換する波長変換素子と、
   前記波長変換素子からの出射波に含まれる前記基本波の成分を減衰させて変換波のみを導波および出射する径を有する導波路と、を備え、
   前記導波路は、
   前記波長変換素子の出射波を導波する光ファイバからなり、前記基本波をシングルモードで導波する径を有する第１の導波路と、
   前記第１の導波路に直接接続され、前記変換波をシングルモードで導波する径を有し、前記基本波の成分を減衰させて導波する光ファイバからなる第２の導波路と、
   前記第１の導波路内部に形成され、前記波長変換素子から出射された前記基本波をフィードバックして前記レーザ素子から出射する前記基本波の波長または周波数をロックする回折格子と、
   前記第１の導波路の先端に直接接続して設けられ、前記波長変換素子と前記導波路とを光学的に結合する結合部材としてのグレーデッドインデックス型光ファイバと、
   を備えたことを特徴とするレーザ光源。
2. 前記グレーデッドインデックス型光ファイバは、前記波長変換素子側に位置する開口数ＮＡ１の第１のＧＩレンズと、該第１のＧＩレンズに接続し、該第１のＧＩレンズより小さな開口数ＮＡ２の第２のＧＩレンズと、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
3. 前記グレーデッドインデックス型光ファイバの入射端面が当該光ファイバの光軸に対して斜めに形成された
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源。
4. 前記グレーデッドインデックス型光ファイバの入射端面が先球状に形成された
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源。
5. 前記導波路は、偏波保持ファイバである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ光源。
6. 前記第１の導波路と、前記第２の導波路との間には、異なるモード径のモード変換を行うモード変換部を設けた
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ光源。
7. 前記モード変換部は、一つのＧＩレンズまたは複数の開口数の異なるＧＩレンズである ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源。
8. 前記モード変換部は、前記第１の導波路と、前記第２の導波路の融着接合部のコアに対し、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｃｏｒｅ）化処理によりテーパー部を形成させ、コア径を一致させる
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源。
9. 前記レーザ素子を保持する基台と、
   前記基台上に設けられ、前記波長変換素子を保持する保持部材と、
   前記基台および前記保持部材のキャップと、
   前記キャップの開口部に取り付けられ、前記波長変換素子の光が入射される前記導波路、および前記波長変換素子と前記導波路とを光学的に結合する結合部材を固定するフェルールと、を有する
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のレーザ光源。
10. 収容溝が形成されたケースと、
    前記収容溝に収容され、前記レーザ素子および前記波長変換素子が搭載される半導体基板と、
    前記ケースの開口部に取り付けられ、前記波長変換素子の光が入射される前記導波路、および前記波長変換素子と前記導波路とを光学的に結合する結合部材を固定するフェルールと、を有する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のレーザ光源。
11. 前記レーザ素子および前記波長変換素子が搭載される半導体基板と、
    前記半導体基板に接合され、前記波長変換素子の光が入射される前記導波路を固定する光ファイバ固定部と、を有する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のレーザ光源。

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