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CN101373241A - 光波导型光耦合机构 - Google Patents

光波导型光耦合机构 Download PDF

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CN101373241A
CN101373241A CNA2008102130305A CN200810213030A CN101373241A CN 101373241 A CN101373241 A CN 101373241A CN A2008102130305 A CNA2008102130305 A CN A2008102130305A CN 200810213030 A CN200810213030 A CN 200810213030A CN 101373241 A CN101373241 A CN 101373241A
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light
optical waveguide
heart yearn
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optical fiber
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CNA2008102130305A
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本乡晃史
大薗和正
姚兵
佐藤彰生
谷中耕平
长谷川和男
井上大介
伊藤博
市川正
斋藤和也
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Toyota School Foundation
Toyota Motor Corp
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Hitachi Cable Ltd
Toyota School Foundation
Toyota Motor Corp
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Abstract

本发明涉及光波导型光耦合机构。本发明提供一种能以简单构造、效率良好地向光纤入射来自激光器条的激光的光波导型光耦合机构。该机构具有：半导体激光器条(10)，由对从该半导体激光器条(10)的各个发光元件(11)出射的光进行导光的芯线部(21)和在该芯线部(21)周围形成的金属包层部(22)构成的光波导(20)，由在芯线(31)和该芯线(31)的周围形成并将光封在上述芯线(31)中的金属包层(32)构成的光纤(30)；上述光波导(20)与上述光纤(30)的侧面接合，从上述半导体激光器条(10)出射的光通过上述光波导(20)的芯线部(21)向上述光纤(30)的芯线(31)的侧面入射。

Description

光波导型光耦合机构
技术领域
本发明涉及将半导体激光器条和光纤进行光连接的光波导型耦合机构，特别涉及适用于光纤激光器的光波导型耦合机构。
背景技术
半导体激光器的发光部，以一个发光元件作为基本，把在横向排列约数十个元件的称为激光器条，把在纵向排列激光器条的称为激光器堆。
作为激光器条，参考Bookham社的激光器条“BAC50c-9XX-03/04”的数据表，说明激光器条的结构(2007年3月1日检索，互联网<URLhttp://www.bookham.com/datasheets/hpld/BAC50C-9xx-03.cfm>)。
如图18所示，激光器条60把厚度1μm、宽度100μm、共振长度24mm的一个发光元件61，如图19所示，横向以500μm间隔在衬底62内排列19个。
如图20所示，一般由19个发光元件61的发光部出射的光，在x轴方向扩展角θx(光通量的90％)约为6度、y轴方向扩展角θy(光通量的90％)约为60度。
因此，在离开激光器条60的发光部充分远的z轴上的发光区域63，成为如图20所示的形状。
在向光纤70入射由激光器条60出射的光的场合，有使用如图21所示的光波导构造65把来自激光器条60的出射形状从椭圆形变换成圆形，高效率向光纤70入射的方法(专利文献1—日本特许第3607211号公报)。
另外，如图22所示，有使光纤束用的光纤72与激光器条60的每个发光元件61进行光耦合，用打捆部72a捆束光纤束用的光纤72并形成光纤束化72b后，向目的的光纤70进行光连接的方法。这里，由于激光器条60的y轴方向的光扩展角大，用准直透镜71使y轴方向的光扩展角变小后，向光纤束用的光纤72进行光连接。光纤束用的光纤72和光纤70的截面形状，如图23所示，光纤束用的光纤72最外层的芯线73和光纤70的芯线74的直径一致。
作为用传输用的光纤从侧面向目的的光纤入射半导体激光器的激光的技术(专利文献2—日本特许第3337691号公报)，有如下的方式。即，如图24(a)所示，用圆筒形透镜81变换从半导体元件80(一个发光元件)出射的光束的形状，高效率向传输用的光纤(送给用光纤)82入射，在送给用光纤82的另一端，如图24(b)所示，通过送给用光纤82，从侧面向多模光纤86供给来自多模光源84的光通量。
可是，图21的光耦合机构在制造光波导构造65方面有难以制造的问题。由于是从要入射激光的光纤70的端面入射的方式(光连接)，因而在向y轴方向的光扩展角大的场合，对光纤70高效率入射激光是困难的。
用图22的光纤束的光耦合机构，需要使用将准直透镜71介于中间等的方法对光纤束用的光纤72进行光连接，存在构造复杂的问题。而且，由于在光纤束部内包含光纤束用光纤72的金属包层，如图23所示，激光波导的芯线73的区域以上若不用要求直径大的芯线74的光纤70，则不能高效率入射激光。
图24的光耦合机构，由于每一条送给用光纤82从一个发光元件80入射激光，因而在使用多条送给用光纤82的场合，入射激光的发光元件80也需要与送给用光纤82相同的个数。例如，如图24(b)所示，由发光元件80出射的激光从侧面向光纤86入射时，就一个发光元件80而言，需要一条送给用光纤82，所以向光纤86的侧面光连接处增多，装置变得复杂而庞大。
另外，为了将图24的光耦合机构应用于激光器条，利用图24(a)的圆筒形透镜81的向送给用光纤82的入射机构变得复杂。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能以简单的构造、效率良好地向光纤入射来自激光器条的激光的光波导型光耦合机构。
为了达到上述目的，本发明的第一方案的光波导型光耦合机构，其特征是，具有：并列排列多个发光元件构成的半导体激光器条，由对从该半导体激光器条的各个发光元件出射的光进行导光的芯线部和在该芯线部周围形成的金属包层部构成的光波导，由在芯线和该芯线的周围形成并将光封在上述芯线中的金属包层构成的光纤；上述光波导与上述光纤的侧面接合，从上述半导体激光器条出射的光通过上述光波导的芯线部向上述光纤的芯线的侧面入射。
本发明的第二方案的光波导型光耦合机构是在第一方案中，上述光波导具有从上述发光元件出射的光的扩展角成为上述光纤的光接收角以下的圆锥状的芯线部。
本发明的第三方案的光波导型光耦合机构是在第一或第二方案中，上述光纤与上述光波导接合的芯线的形状相对与上述光波导的接合面是平坦的。
本发明的第四方案的光波导型光耦合机构是在第二方案中，上述光波导具有通过使上述芯线部的形状沿着光导光轴变化来变换传播的光的扩展角的机构。
本发明的第五方案的光波导型光耦合机构是在第二方案中，上述芯线部的半导体激光器条侧的侧面进行了透镜加工。
本发明的第六方案的光波导型光耦合机构是在第一方案中，上述光波导变换在上述芯线部内传播的从上述发光元件出射的光的方向，并向上述光纤的侧面导光。
本发明的第七方案的光波导型光耦合机构是在第三方案中，上述光纤是具有添加了稀土类的芯线和在该芯线的周围形成的两个不同的金属包层的光纤激光器用双金属包层光纤。
若使用本发明，则可发挥能用简单的构造、效率良好地向光纤入射来自激光器条的激光的这种优良的效果。
附图说明
图1是表示本发明一个实施方式的图。
图2是图1的yz轴的剖视图。
图3是图2的光波导的剖视图。
图4是表示图2的变形例的图。
图5是表示本发明其他实施方式的图。
图6是简单表示了图5的光波导的芯线部的图。
图7是说明图5的发光元件的尺寸和辐射角的图。
图8是表示图5的光纤的截面形状的图。
图9是表示图5的光纤的其他截面形状的图。
图10是说明在图5中光波导耦合部的尺寸和辐射角的图。
图11是表示图6的芯线部的变形例的图。
图12是说明图11的芯线部的入射出射部的尺寸和辐射角的图。
图13是表示本发明其他实施方式的图。
图14是表示本发明中激光器输入光和对光纤的耦合效率的关系图。
图15是表示将本发明应用于光纤激光器时的耦合机构的图。
图16是表示本发明中光波导构造例子的图。
图17是表示本发明中形成光波导构造的芯线部的例子的图。
图18是表示作为半导体激光器的发光元件的图。
图19是表示装配了发光元件的激光器条的图。
图20是说明激光器条的出射光的扩展角的图。
图21是表示现有的光波导的半导体激光器和光纤的连接构造的图。
图22是表示现有的光波导的半导体激光器和光纤的连接构造的图。
图23是表示图22中光纤束光纤和光纤的截面形状的图。
图24是表示现有的光波导的半导体激光器和光纤的连接构造的图。
图中：10—半导体激光器条，11—发光元件，20—光波导，21—芯线部，22—金属包层部，30—光纤，31—芯线，32—金属包层。
具体实施方式
以下，根据附图，详细说明本发明优选的一个实施方式。
图1表示用光波导向光纤入射半导体激光器条的激光的本发明的光波导型光耦合机构的一个实施方式。
该光波导型光耦合机构使由半导体激光器条10出射的激光通过光波导20向光纤30的侧面入射。
光波导20为了使其与半导体激光器条10的接合以及与光纤30的芯线31的接合变得容易，最好是图示那样的板状。在光波导20的激光器条10侧的侧面以与半导体激光器条10的发光元件11相同的间隔形成芯线部21，从半导体激光器条10的各发光元件11出射的激光在芯线部21内传输。
另一方面，在入射激光的光纤30中，芯线31为了容易与板状的光波导20接合及易于入射激光，如图示那样，希望在截面为鼓状等的侧面形成具有平坦面的非圆形。
图2表示图1装置的yz截面。
半导体激光器条10的发光元件11，如用图18说明过的那样，有y轴方向的大扩展角，通常其扩展角约为60度。光纤的接收角虽由芯线和金属包层的折射率差决定，但一般有大口径芯线的多模光纤的NA是0.2～0.5(11度～30度)。因此，发光元件11的y轴方向扩展角超出光纤的接收角，不能对光纤进行高效率的光连接。
由此，以依次减小对y轴方向的扩展角为目的，将图2的光波导20的芯线部21做成圆锥形状，并在出射侧的金属包层部22的端面形成反射涂层23。
这里，若对y轴方向的扩展角单独处理，其减少近似地表示如下。(参照图3)。
Ds×sin(αs)＝De×sin(αe)         ---式(1)
因此，通过设定光波导20的输出侧(反射涂层23侧)的y轴方向的芯线长度De，使图3的反射涂层23侧的扩展角(αe)在光纤的接收角以内或相等，从而能对y轴方向高效率与光纤30进行光耦合。
如图4所示，位了减小反射涂层23侧的y轴方向的扩展角(αe)，也可以通过将光波导20的激光器条10侧(发光元件11侧)的侧面作为透镜加工过的端面24而高效率地进行与光纤30的光耦合。
这里，向光纤芯线31入射的光在光纤芯线31中传播时，对图2～图4的光波导20的光纤侧的侧面施加反射涂层23，从而使该光不向光波导20的金属包层部22入射，在实现高效的光耦合方面是有效的。
图5表示图1的xy平面的一个发光元件及对由该发光元件11发光的激光进行导光的光波导20a的芯线部21a。该芯线部21a具有形状变化部26和与光纤30a耦合的耦合部27。
X轴方向的发光元件11的扩展角约为6度，由于比光纤30a的接收角小，因而即使不变更发光元件11侧的光波导20的芯线部21a的端部宽度Dss，也可以对光纤30a进行光耦合。
这里，该光耦合成为y轴耦合器，虽然也记载在专利文献1中，但该耦合比与接收侧的芯线面积(光纤芯线面积)同相对于接收侧的芯线面积(光纤芯线面积)和送给侧的芯线面积(光波导芯线)之和的比成比例。因此，为了使送给侧的芯线的光对接收侧的芯线的光高效率地进行耦合，希望送给侧的芯线面积小。
因此，如图5所示，通过减小Dee，从而使其与光纤30a的接收角几乎相等，就能得到更好的耦合效率。当然，光波导20a的芯线部21a的扩展角若比光纤30a的接收角大，由于耦合后不能在光纤30a内传播而产生损失，因而耦合部27的光波导20a的芯线部21a的扩展角最好小于光纤30a的芯线31a的接收角。
这里，说明耦合效率的一例。
半导体激光器条的一个发光元件11的尺寸，设元件宽度(图6的x轴方向)为100μm，设高度为一般的1μm，发光元件11的激光L的辐射角在y轴方向为60度，x轴方向为6度(图7(a)、图7(b))。
图6简略地表示光波导20a内的芯线部21a，芯线部21a的形状变化部26虽具有如图5所示的弯曲部，但为了简单，用直线将其简化。
入射该激光L的光纤，由于与光波导20a接合面希望是平坦的，因而为便于简单的说明，使用如图8所示的具有一边为100μm的四边形的截面形状，由添加了Yb、Er、Tm等的稀土类元素的芯线31a和用了低折射率树脂的金属包层32a构成的光纤30a，其NA为0.46。这里，虽将芯线31a的截面形状定义为四边形，但只要是与芯线31a的光波导20a耦合(连接)的面对于光波导的耦合(连接)的面成为平坦(平行)的形状，也可以是如图9(a)所示的鼓状的非圆形芯线31a，也可以是如图9(b)所示的多角形(8角形)的芯线31a。
光纤30a的光接收角从NA求出，约为28度，这里，若独立处理相对各轴的扩展角和辐射宽度，则可利用上述的式(1)关系式计算得到向光波导20a的耦合部27的各轴方向的辐射角为28度。
结果，用具有如图10(a)所示的y轴方向为约2μm、如图10(b)所示的x轴方向为约23μm的辐射宽度的光波导20a的芯线形状，激光L的辐射角为28度，与光纤30a的接收角几乎相同。
这里，光纤的耦合效率，如前面所述，与“接收侧的光纤的芯线截面积”与“接收侧的光纤的芯线截面积和光波导耦合部的芯线截面积之和”的比成比例。该例的情况，“接收侧的光纤的芯线截面积”是10000μm2，“接收侧的光纤的芯线截面积和光波导耦合部的芯线截面积之和”是10046μm2。因此，来自光波导芯线的光对光纤芯线99.5％耦合。
这里，图5也说明过，但由于光波导20a是板状，y轴方向的加工是容易的。因此，把激光器入射侧端面24研磨成球面状，附加平凸圆柱形透镜的效果，代替光波导20a的芯线部21a的y轴方向芯线形状变化的效果，也能得到同样的效果(图11、图12)。
对于为了具有这里的平凸圆柱形透镜的效果的激光器入射侧端面24的球面加工方法及曲率设定，由于与一般的透镜加工方法及曲率设定是同样的而省略记载。
接着，用由上述“BAC50c-9XX-03/04”构成的半导体激光器条和光波导对采用了上述结构的场合的耦合效率进行说明。
这里，为了有效地配置光纤和光波导的接合位置，如图13所示，从光纤30c的两侧使用光波导20c耦合了由19个发光元件11-1∽11-19构成的激光器条10。
即，在光纤30c的两侧设置光波导20c，该光波导20c对应各发光元件11-1∽11-19形成图5说明过的芯线部21c，使发光元件11-1∽11-19与各自的芯线部21c耦合，用耦合部27与光纤30c的两侧耦合而构成芯线部21c。
在本结构中，向光纤30c入射的第一个发光元件11-1的激光，其光通量的99.5％虽向光纤30c导光，但剩余的0.5％则在光波导的耦合部27成为损失。其次，第两个发光元件11-1的激光，同样其光通量的99.5％虽与光纤30c耦合，但从经光纤30c导光的第一个发光元件11-1耦合的光中，0.5％在第两个发光元件11-2的激光器用光波导芯线部21c的耦合部27成为损失。最后，在第一9个发光元件11-19的光耦合部27中，发光元件11-19的光通量的99.5％虽与光纤30c耦合，但直到耦合，由经光纤30c导光的第一∽第一8个发光元件11-1∽18耦合的光的0.5％成为损失。
因而，使半导体激光器条(19个发光元件×2)10对光纤30c的耦合时的向光纤的入射光通量及耦合效率则图14所示。
这里，每一个元件的激光器输出光为2.63W(用19个元件是50W输出的半导体激光器条)。由于在光耦合部经光纤导光的光作为损失发生，虽然元件数越多效率越低，但在使用两个半导体激光器条(38个元件)场合也能得到90％以上的耦合效率。
使用图15说明作为本发明的另一目的的光纤激光器使用时的应用例子。
如图15所示，通过光波导20将半导体激光器条10的激光器输出光与光纤激光器用双金属包层光纤40光耦合，光纤激光器用双金属包层光纤40在添加了Yb的稀土类添加芯线41(外径：约5μm)的外周形成了两个不同的金属包层，该金属包层由形成于稀土类添加芯线41的外周，并传播具有915nm或975nm的波长的激发光的激发光传播芯线(金属包层)42和在其外周形成的金属包层43构成，连金属包层43的外径约为130μm。
此外，虽然没有图示，但在金属包层43的外周形成由紫外线固化型树脂等构成的包覆层，连包覆层的外径约为250μm(例如，Nufern社制的YDF-5/130)。
沿着光纤激光器用双金属包层光纤40的两侧连接多个(图示中是8×两个)光波导20，各光波导20的芯线部21与激发光传播芯线42的侧面耦合。
通过光波导20使该半导体激光器条10的激光器输出光对激发光传播芯线42光耦合，虽然发出具有1030～1080nm波长的激光，但如图14所示，通过在以某效率(例如，90％)以上耦合能进行光耦合的元件数后，直到下一个用了半导体激光器条10和光波导20的光耦合位置设置一定间隔s(例如，吸收90％以上激发光的光纤激光器用双金属包层光维40的光纤长)，从而从在激发光传播芯线42内传播的半导体激光器条10将光耦合了的激光向稀土类添加芯线41吸收。因此，通过在激发光吸收后，再次配置半导体激光器条10和光波导20，相对一条光纤激光器用双金属包层光纤40能使许多激发光(激光)光耦合。
另外，如图15所示，以间隔p相对地配置光波导20，通过在光纤激光器用双金属包层光纤40的长度方向的两个方向传播激发光，可以在该间隔p内的光纤激光器用双金属包层光纤40中吸收激发光的大部分，相对一定间隔s能吸收2倍的同时，能使因吸收产生的热量相对光纤的长度方向均匀化(使相对光纤的长度方向的吸收光通量均匀化)。
接着，说明本发明所使用的光波导构造的例子。
在本发明的光波导构造中，光波导20的芯线部21希望是与连接的光纤芯线相同的材料或具有相同折射率的材料。例如，在用石英形成激发光传播芯线的光纤时，光波导芯线的材料也希望选择石英。在这种场合，最好用由折射率比石英的折射率低的材料形成光波导金属包层(例如，添加了氟的石英)。
或者，如图16所示，也可以通过做成具有空穴28的金属包层构造而降低实际的折射率，形成金属包层部22。这时，也可以在芯线部21的周围形成同样的空穴部，但从制造容易这方面看，空穴金属包层部只形成在光波导芯线部21的底边，光波导芯线部21的侧面及上部可以形成空气包层，或者也可以用折射率低的树脂(也可以是与图8所示的低折射率树脂包层相同的材料)覆盖。
如图17(a)所示，通过聚光透镜53向折射率比石英低的玻璃(例如，氟化物玻璃)50照射脉冲激光52，如图17(b)所示，也可以形成具有希望形状的光波导芯线51。

Claims (7)

1.一种光波导型光耦合机构，其特征是，具有：并列排列多个发光元件构成的半导体激光器条，由对从该半导体激光器条的各个发光元件出射的光进行导光的芯线部和在该芯线部周围形成的金属包层部构成的光波导，由在芯线和该芯线的周围形成并将光封在上述芯线中的金属包层构成的光纤；上述光波导与上述光纤的侧面接合，从上述半导体激光器条出射的光通过上述光波导的芯线部向上述光纤的芯线的侧面入射。
2.根据权利要求1记载的光波导型光耦合机构，其特征是，
上述光波导具有从上述发光元件出射的光的扩展角成为上述光纤的光接收角以下的圆锥状的芯线部。
3.根据权利要求1或2记载的光波导型光耦合机构，其特征是，
上述光纤与上述光波导接合的芯线的形状相对与上述光波导的接合面是平坦的。
4.根据权利要求2记载的光波导型光耦合机构，其特征是，
上述光波导具有通过使上述芯线部的形状沿着光导光轴变化来变换传播的光的扩展角的机构。
5.根据权利要求2记载的光波导型光耦合机构，其特征是，
上述芯线部的半导体激光器条侧的侧面进行了透镜加工。
6.根据权利要求1记载的光波导型光耦合机构，其特征是，
上述光波导变换在上述芯线部内传播的从上述发光元件出射的光的方向，并向上述光纤的侧面导光。
7.根据权利要求3记载的光波导型光耦合机构，其特征是，
上述光纤是具有添加了稀土类的芯线和在该芯线的周围形成的两个不同的金属包层的光纤激光器用双金属包层光纤。
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