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JPWO2013069497A1 - レーザ光源 - Google Patents

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Abstract

レーザ光源(100)は、基本波を出射するレーザ素子(102)と、レーザ素子(102)から出射された基本波を波長変換し、変換波を出射する波長変換素子(104)と、波長変換素子(104)の出射光を導波する光導波路(103)と、を備える。光導波路(103)は、導波する光の進行方向を変える方向変更部(113)を有し、この方向変更部(113)は、変換波のみ通過させ、基本波は通過させないフィルタ機能を有する。

Description

本発明は、基板上にレーザ素子と、光導波路と、波長変換素子が搭載されたレーザ光源に関する。
半導体基板等の基板に光導波路を形成し、また、基板上にレーザ素子と光学素子を配置して所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源がある(下記特許文献1参照。)。光学素子としては、光導波路に分極反転により波長変換する波長変換素子が用いられる。レーザ素子は、たとえば、IR(赤外域)の基本波(1060nm帯)を出射し、波長変換素子により、2次高調波(530nm帯)の緑色レーザ光を出射する。この緑色と、他の赤色、青色のレーザ光を用いてRGBの出射光を得ることができる。
特開2009−259914号公報
しかしながら、上述したレーザ光源では、波長変換素子の出力光に基本波の成分が含まれるため、フィルタを用いて基本波を除去する必要があった。このため、特別なフィルタを搭載しなければならず、部品コストが高くなるとともに、レーザ光源全体を小型化することができなかった。
本発明は、上述の従来技術による問題点を解消するため、付加的なフィルタ素子を付け加えることなく不要な基本波を低コストに除去でき、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、前記レーザ素子から出射された基本波を波長変換し、変換波を出射する波長変換素子と、前記波長変換素子の出射光を導波する導波路と、を備え、前記導波路は、導波する光の進行方向を変える方向変更部を有し、前記方向変更部は、前記変換波のみ効率良く通過させ、前記基本波は減衰させるフィルタ機能を有することを特徴とする。
上記の構成により、波長変換後の導波路に方向変更部を設けることにより、レーザ素子が出射する不要な基本波を付加的な高性能なフィルタ素子を付け加えることなく低コストに除去でき、小型化できる。
また、前記方向変更部は、前記導波路の一部を、前記基本波と前記変換波の波長に応じて所定の曲率で曲げた曲がり部からなることを特徴とする。
上記の構成により、導波路に曲がり部を設けるだけの簡単な構成で基本波を実用レベルまで除去することができる。
また、前記方向変更部は、前記導波路を互いにほぼ90度の角度を有して設けた一対の直線部と、前記一対の直線部が接合する箇所に前記変換波の波長に応じて所定角度を有して設けたミラーと、によりなることを特徴とする。
上記の構成により、導波路にミラーを設けるだけの簡単な構成で基本波を実用レベルまで除去することができる。
また、前記レーザ素子および前記波長変換素子を複数備え、前記導波路には、複数の前記波長変換素子の出射光を光結合させる方向性結合器を備えたことを特徴とする。
上記の構成により、波長変換素子により基本波を複数の波長に変換し、導波路に設けた方向性結合器によって光結合させて出力するレーザ光源を得ることができる。
前記導波路は、基板上に形成され、前記導波路の前記方向変更部は、前記基板上に複数箇所設けられたことを特徴とする。
上記の構成により、基板上に方向変更部を有する導波路を形成することにより、簡単に製造でき、レーザ素子が出射する不要な基本波を付加的な高性能なフィルタ素子を付け加えることなく低コストに除去できる。
本発明によれば、レーザ素子が出射する不要な基本波を付加的なフィルタ素子を付け加えなくても低コストに除去でき、小型化できるという効果を奏する。
実施の形態1にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。 方向変更部として波長依存性を有するミラーを用いた構成例を示す図である。 ミラーの波長と反射率との関係を示す図である。 波長とミラー角度との関係の一例を示す図である。 実施の形態2にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。 実施の形態3にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。 実施の形態4にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。 導波路の構造を示す断面図である。 導波路のベンド部の平面図である。 導波路のベンド部をサブセクションに分割する場合の平面図である。
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1)
(レーザ光源の構成)
図1は、実施の形態1にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。このレーザ光源100は、基板101と、基板101上に形成する光導波路103と、基板101上に配置(搭載)される光学素子とを有する。光学素子は、IR光を出射するレーザ素子102と、光波長の変換をおこなう波長変換素子104と、を有する。波長変換素子104は、基板に対して水平方向に分極反転が形成されたx−Cutあるいはy−Cutの周期分極ニオブ酸リチウム(PPLN)基板からなる。
基板101は、たとえばシリコン(Si)等の半導体材質や金属、樹脂等によりなり、表面には、たとえば窒化シリコン(SiN)等の材質からなる光導波路103が設けられる。この光導波路103は、エッチング等により基板上にリッジ部を有して形成される。この光導波路103は、リッジ型に限らず、プロトン交換法により形成することもできる。
レーザ素子102の出射位置には、波長変換素子104の一端(入射端)が位置決めして設けられる。レーザ素子102から出射される光は、直接結合により効率よく波長変換素子104に光結合され、波長変換素子104に入射させることができる。なお、不図示であるが、レーザ素子102および波長変換素子104等の光学素子は、基板101側に設けた電極表面に微細な突起(マイクロバンプ)を形成しておき、光学素子側の電極を接合させる表面活性化の常温接合法により搭載される。
レーザ素子102は、たとえば、IR(赤外域)の基本波(1060nm帯)を出射し、波長変換素子104により、2次高調波(530nm帯)の緑色レーザ光(G波長)に変換した変換波を出射する。波長変換素子104の出射光は、光導波路103の一端部(光入射側)103aに入射される。これにより、波長変換素子104の出射光は、直接結合により効率よく光導波路103に光結合され、光導波路103に入射させることができる。この波長変換素子104は、変換波の波長成分に加えて、レーザ素子102が出射した基本波の成分を含み、出射する。
波長変換素子104としては、QPM(Quasi Phase Matching)型素子を用いることができる。特に、SHG(Second Harmonic Generation)を発生するように設計したQPM型のSHG素子である場合、SHGレーザ光源を構成できる。そして、レーザ素子102と波長変換素子104とを直接結合させ、また、波長変換素子104と光導波路103とを直接結合できるようになるため、低コスト化と、小型化が達成できる。
光導波路103は、一端部103aから入射した光を内部に閉じこめ導波し、他端部103bから出射する。そして、この光導波路103の途中位置には、導波する光の進行方向を変える方向変更部113が設けられている。
方向変更部113は、この実施の形態1では、一端部103aに対し、他端部103bを平面上で90度曲げた方向に位置させている。この方向変更部113は、光導波路103自体を曲げた曲がり部により形成するほかに、直線の導波路の角部にミラーを設けて形成することができる。
図1に示すように、方向変更部113を光導波路103自体を曲げた曲がり部により形成する場合、両端の直線部の途中に曲がり部を設けてなる。この曲がり部は、できるだけ曲率を小さく、かつ、変換波の伝播損失が最小になるように決めるため、長波長側である基本波の一部を、放射モードおよびクラッドモードと結合させることにより遮断するフィルタ機能を有する。方向変更部113として曲がり部を設けた場合の光導波路103の光出力Poutは、
Pout=Pin・exp(−Σαi・li)
で表される。
αiは、i番目の曲率を有する光導波路103の見かけ上の吸収係数で、曲率半径Rの関数であり、光損失の波長特性に寄与する。すなわち、除去したい基本波および透過させたい変換波の波長に応じて曲率半径Rが設定される。また、liは、i番目の曲率を有する光導波路103の導波路長であり、光損失量に寄与する。図1には、曲がり部の個数iが一つだけとしたが、曲がり部の個数iを複数設けることにより、さらに基本波の遮断効果を高めることができる。
図2は、方向変更部として波長依存性を有するミラーを用いた構成例を示す図である。光導波路103は、一端部103a側の直線部103Aと、他端部103b側の直線部103Bからなり、これら一対の直線部103A,103Bは、互いに90度の角度を有している。これにより、90度のベント部を形成できる。そして、直線部103A,103Bが接合する角部には、所定角度θを有して異方性媒質を用いた全反射のミラー201を設ける。
このミラー201は、所定角度θを調整することにより、直線部103Aを導波する基本波λ1(1064nm帯)の光をミラーに続く導波路の放射モードおよびクラッドモードと結合することでコア部での伝播モードを減衰させ、変換波λ2(530nm帯)の光を高効率で反射し、ミラーに続く変換波λ2の基本導波モードに高効率に結合させる。
図3は、ミラーの波長と反射率との関係を示す図である。ここで、ミラー201の反射光の波長依存性について検討する。MgOを5モル%ドープしたLNの反射係数ne、noを用いて計算すると、LNの異方性のためRGBの各波長での反射角は図3に表される。この演算結果によれば、B波長(470nm)では42.59度となり、G波長(530m)では42.69度となり、R波長(640nm)では42.80度が求められる。
次に、反射ミラーの調整について説明する。前記の演算の結果、たとえば、470nmの波長において、反射角は約42.6度となる。したがって、入射波と反射波とのなす角は、45+42.6=87.6度と90度より小さくなる。そのため、90度ベンドを形成するためには、ミラー201の角度を調整する必要がある。
図4は、波長とミラー角度との関係の一例を示す図である。この例によれば、ミラー角度はB波長(470nm)では43.74度となり、G波長(530nm)では43.80度となり、R波長(640nm)では43.86度が求められる。したがって、入射波が平面波で近似できるときは、ミラー201の角度を上記のように決めれば、90度ベンドが可能なことが分かる。ここで、所定の変換波長に最適化されたミラー角度は、基本波における屈折率から決まる最適角度と異なるためミラー部後の導波路において、基本波の一部は放射モードおよびクラッドモードと結合するため減衰させることができる。
そして、リッジ型の光導波路103に全反射のミラー201を必要な波長に対応した角度を有して傾けて設けることにより、小さいロスで半導体レーザからの出射光を90度に曲げることができる。また、90度ベンド型のミラー201を備えた光導波路103を設けることにより、レーザ光源100全体の大きさを小型化することが可能となる。
方向変更部113としては、上記説明のミラー201として、基本波を透過させ、変換波を反射させる特性を有する波長膜を有するハーフミラーを用いる構成とすることもできる。このミラー201においても、設置スペースを取らずに不要な基本波を遮断することができる。
以上説明した実施の形態1によれば、光導波路に方向変更部を設けることにより、レーザ光源が出射し、波長変換素子により除去されなかった不要な基本波の成分を遮断し、光導波路の他端部から外部に出力することを防止できる。これにより、付加的なフィルタ素子を新たに設けなくても、所望の波長のみを外部出力できるようになる。また、光導波路に方向変更部を設けることにより、レーザ光源の小型化、特に、図1記載の縦(Y軸)方向の高さを小さくできる。
(実施の形態2)
図5は、実施の形態2にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。実施の形態2は、実施の形態1の変形例であり、光導波路103に2箇所の方向変更部113,113を設け、180度折り返す構成としたものである。
光導波路103は、一端部103aが波長変換素子104の出射光に直接結合され、他端部103bから外部には波長変換後の変換波が出力される。そして、2箇所の方向変更部113,113の間には、所定の長さの直線部103Cが設けられる。
このように、実施の形態2によれば、方向変更部を2箇所設けることにより、基本波の遮断効果をより高めることができるようになる。また、方向変更部を複数設けることにより、設けた数に応じて90度単位で任意の方向に光を外部出力できるようになる。
(実施の形態3)
図6は、実施の形態3にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。実施の形態3では、R,G,B用のIR光を出射するレーザ素子102(102a〜102c)と、レーザ素子102のレーザ光(基本波)をそれぞれRGB光に波長変換して出射する複数の波長変換素子104(104a〜104c)と、光検出器(PD)105が設けられている。
基板101上の光導波路103は、一端部103a(103aa〜103ac)が各波長変換素子104(104a〜104c)の光出射端に位置し、直接結合される。他端部103baについては、光検出器105aの光入射端に位置し、他端部103bbは、光検出器105bの光入射端に位置し、他端部103bcは、外部出力される。
この光導波路103は、途中位置に方向変更部113と、方向性結合器123(123a,123b)が設けられている。方向変更部113は、波長変換素子104a〜104cによるR,G,B光から基本波を除去する。方向変更部113は、実施の形態1で説明したように、光導波路103自体に曲がり部を形成する方法、全反射のミラー201を設ける方法等で構成できる。
また、方向性結合器123a,123bは、それぞれ所定の結合長を有する。方向性結合器123aでは、R,B光を合波出力し、方向性結合器123bでは、方向性結合器123aで結合後のRB光と、G光とを合波出力する。
これにより、光検出器105aは、RB光レベルを検出する。また、光検出器105bは、RGB光レベルを検出する。この実施の形態3では、レーザ素子102a〜102cがいずれもIR光を出射し、波長変換素子104a〜104cによりそれぞれRGBの変換波を出射する構成とした。これに限らず、たとえば、G用のレーザ素子102bだけがIRレーザ素子であり、他のRB用のレーザ素子102a,102cは、直接発光のレーザ素子を用いる構成としてもよい。
このように、複数の波長の光を出射する実施の形態3の構成においても、RGB光の光導波路103部分に方向変更部113を設けることにより、レーザ素子102(102a〜102c)が出射する基本波を遮断し、所望するRGB光だけを出射させることができるようになる。また、図6に示すように、光導波路103に対して3箇所に設ける方向変更部113は、いずれも同様の方向に向いて90度曲げられており、図6に示す横(X軸)方向の長さを縦(Y軸)方向に折り曲げているため、横方向の長さを短くすることができる。
したがって、実施の形態3によれば、実施の形態1と同様に、レーザ光源が出射し、波長変換素子により除去されなかった不要な基本波の成分を遮断し、光導波路の他端部から外部に出力することを防止できる。これにより、付加的なフィルタ素子を新たに設けなくても、所望の波長のみを外部出力できるようになる。また、光導波路に方向変更部を設けることにより、基板のスペースを有効に利用でき、レーザ光源全体を小型化できるようになる。
(実施の形態4)
図7は、実施の形態4にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。実施の形態3と同様に、R,G,B用のIR光を出射するレーザ素子102(102a〜102c)と、レーザ素子102のレーザ光(基本波)をそれぞれRGB光に波長変換して出射する複数の波長変換素子104(104a〜104c)と、光検出器(PD)105が設けられている。また、光導波路103には、2箇所に方向変更部113を設けている。
光導波路103に設けた2箇所の方向変更部113,113の間には、所定の長さの直線部103cが設けられる。なお、方向変更部113を複数設けることにより、設けた数に応じて90度単位で任意の方向に光を外部出力できるようになる。図7に示す例によれば、光導波路103に対して2箇所に設けた方向変更部113は、いずれも同様の方向に向いて90度曲げられ、合計で180度折り返されている。これにより、基板101上で光導波路103の一端部103aa〜103acと同じ側に他端部103ba〜103bcを設けることができる。
したがって、実施の形態4によれば、方向変更部を複数設けることにより、基本波の遮断効果をより高めることができるようになる。また、光導波路に方向変更部を複数設けることにより、基板のスペースを有効に利用でき、レーザ光源全体を小型化できるようになる。
また、以上説明した各実施形態における光導波路は、基板上にエッチング等で精密に形成でき、特に、一端部と他端部の位置を精密に位置決めして設けることができる。このため、光導波路の一端部および他端部に対し、光学素子(上記各実施の形態では波長変換素子および検出器)の光入出射端を位置決めして搭載するだけで、これら光導波路と光学素子との光結合を容易、かつ低損失でおこなえるようになる。
(1.ベンド構造の最適化について)
次に、導波路材料としてニオブ酸リチウムを用いた場合の曲がり導波路の曲がり部分(ベンド)構造の最適化例について説明する。
1)90度のベンド部分の長さを最適化した場合
図8は、導波路の構造を示す断面図である。基板101はニオブ酸リチウム(LN)基板であり、この基板101上に導波路103を設ける。導波路103は、ITO層801を0.27μmの厚さを有して設ける。このITO層801上にSiO2層802を1.0μmの厚さを有して設ける。SiO2層802の上にMgOを5%ドープしたLN層803を1.88μmの厚さを有して設ける。このLN層803の上にリッジ層804を1.82μmの厚さ、および幅4.7μmを有して設ける。このリッジ層804は、波長532nmに対する屈折率2.227、波長1064nmに対する屈折率2.146を有する。上記構成の導波路103のSiO2層802は、クラッド層として機能する。ITO層801は、LN部を周期分極反転構造を作成する際に使用した共通電極である。
図8に示す断面構造を有する導波路103を90度ベンドになるように形成することを考える。ここで、所定のSH波の波長(ここではSH波の波長532nm、基本波の波長1064nmとする)532nmで損失が最小となるときの長さLを求めるシミュレーションを行った。
図9は、導波路のベンド部の平面図である。長さLは、導波路103のセンター位置で測った距離である。また曲率は一定とした。シミュレーションには、Photon Design社のFIMMWAVEを用いた。導波路103の両端部のOUT/INが100%に近づく最適な解の一つは、L=1248μmと求められた。このときのOUT/INのパワー比は97.3%であった。一方、同じ導波路103に1064nmの波長の光を通したときのOUT/INのパワー比は、71.5%であった。同じセクションを2段設けることで、51.1%程度まで基本波を減衰させることが可能と予測される。
2)10度毎に曲げて各セクションの長さを最適化した場合
図10は、導波路のベンド部をサブセクションに分割する場合の平面図である。この図では、曲率半径が一定になるように見えるが、最適化計算後は各サブセクションb1〜bnの長さが異なるため、各サブセクションb1〜bnのベンド角が一定条件の場合、各サブセクションb1〜bn毎に曲率半径が異なることになる。
そして、ベンド部分のベンド角を一定としていくつかのセクションに分け、所定の波長で入出力比が最大となるときの各サブセクションb1〜bnの長さを最適化するシミュレーションを行った。一例として、9サブセクション(b1〜b9)に分け、各サブセクションb1〜b9のベンド角が10度の場合の長さ(μm)結果を下記の表1に示す。ここで、各サブセクションb1〜b9の長さが異なるため、同じベンド角とするためには、各サブセクションb1〜b9の曲率半径が異なることになる。
Figure 2013069497
表1に最適計算例を示した。このとき、532nmでのOUT/IN灯は8.5%となり、1064nmのときは75.2%となり、1)で説明した90度ベンド設計よりSH波532nmでのロスを小さくできることがわかった。また、このセクションを2段構成とした場合、1064nmでは約56.6%まで減衰可能と考えられる。
(2.フィルタ効果に対する考察)
上記の1)に示した構造をSHGレーザの基本波減衰フィルタに適用することを考える。実際に実用的なSHGレーザでは、PPLNで擬似位相整合が成立している場合、SH波に変換されずに漏れてくる光は、10%以下と考えられるから、たとえば上記1)の例であれば、
擬似位相整合時のPPLNへのトータル入力 150mW
SH波への変換効率 90% → 135mW
基本波の残留成分 10% → 15mW
ベンド部透過後の出力 SH波 135mW×97.3%=131.4mW
基本波 15mW×71.5%= 10.725mW
となるため、後段に簡易的なIRカットフィルタを装着するだけで、ほとんどのIR光を減衰させることが可能となる。
上記説明では、非常に簡単なベンド構造により基本波カットフィルタを構成する例を説明した。さらに構造を工夫することで、導波路だけで十分な基本波カットフィルタを形成することが可能である。たとえば、曲がり部を多段化することにより、掛け算で基本波の減衰を大きくすることができる。
また、曲がり部を設けることによって、当該箇所での導波路の配線を工夫すれば、導波路のピッチを変更して狭くすることも可能となり、配線領域を有効に利用できるなどの副次的な効果も生じるため、小型化にも寄与するものである。なお、形成する導波路は、Siプラットフォーム基板上に、リッジ導波路がSiプラットフォーム側に空隙またはクラッド層を介してフェースダウン構造で形成しても良い。
以上のように、本発明にかかるレーザ光源は、レーザ素子と、導波路と、波長変換素子等の光学素子を介して光を出射するレーザ光源に有用であり、特に、光通信システムにおける光源に適している。
100 レーザ光源
101 基板
102(102a〜102c) レーザ素子
103 光導波路
104(104a〜104c) 波長変換素子
105(105a,105b) 光検出器
113 方向変更部
123a,123b 方向性結合器

Claims (5)

  1. 基本波を出射するレーザ素子と、
    前記レーザ素子から出射された基本波を波長変換し、変換波を出射する波長変換素子と、
    前記波長変換素子の出射光を導波する導波路と、を備え、
    前記導波路は、導波する光の進行方向を変える方向変更部を有し、
    前記方向変更部は、前記変換波のみ通過させ、前記基本波は通過させないフィルタ機能を有する
    ことを特徴とするレーザ光源。
  2. 前記方向変更部は、
    前記導波路の一部を、前記基本波と前記変換波の波長に応じて所定の曲率で曲げた曲がり部からなる
    ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源。
  3. 前記方向変更部は、
    前記導波路を互いにほぼ90度の角度を有して設けた一対の直線部と、
    前記一対の直線部が接合する箇所に前記変換波の波長に応じて所定角度を有して設けたミラーと、によりなる
    ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源。
  4. 前記レーザ素子および前記波長変換素子を複数備え、
    前記導波路には、複数の前記波長変換素子の出射光を光結合させる方向性結合器を備えた
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載のレーザ光源。
  5. 前記導波路は、基板上に形成され、
    前記導波路の前記方向変更部は、前記基板上に複数箇所設けられた
    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。
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