CN1977430B - 基本波光源及波长变换器 - Google Patents

Abstract

通过配置在光波导元件(2)内的反射元件(3)将一部分的光返回给半导体激光二极管元件(1)，以使半导体激光二极管元件(1)以相干崩溃模式进行振荡。使半导1体光放大器(7)光学地耦合于光波导元件(2)，并放大来自光波导元件(2)的光输出，而得到大功率输出的基本波光源。

Description

基本波光源及波长变换器

技术领域

本发明涉及作为激光打印机、激光显示装置、光存储装置等的光源使用的大功率输出的基本波光源及波长变换器。

背景技术

近年来，伴随着显示装置的大画面化，其光源将分别在作为三原色的蓝色、绿色、红色方面需要数瓦的光输出。另一方面，以数瓦的大功率输出辐射蓝色或绿色的半导体激光二极管元件短期内还无法实现，最现实的方法是通过具有进行了类似相位匹配的周期分极反转构造的非线性光学晶体(后面将之称之为波长变换元件)对由固体激光器装置产生的大功率输出的基本波进行波长变换的方法。但是，由于目前能够获得大功率输出的固体激光器装置的成本非常高昂，有望的是通过波长变换元件将半导体激光二极管元件产生的基本波直接变换成二次高频波的波长变换器，因此，在开发高功率的基本波光源的同时，人们还持续着使用了该高功率的基本波光源的波长变换器的研发。

在以往的波长变换器中，有对基本波光源使用单片集成MOPA元件(Master Oscillator Power Amplifier的简称)，以约1W的基本波光输出获得来自波长变换元件的约100mW的二次高频波的例子。该成MOPA元件是在同一块半导体基板上集成了输出单横模且单纵模的光的DBR(Distributed Bragg Reflector)构造的主振荡器和在维持其光束质量不变的基础上进行放大的闪光型半导体光放大器的元件。作为其应用，也开示了与具备了多模光波导的波长变换元件的组合，或者在锥型的半导体光放大器的背面配置衍射光栅的构成例(例如，参照专利文献1)。

另一方面，以往的波长变换器还开示了具有在半导体激光二极管元件的背面配置衍射光栅构成共振器以单纵模进行振荡的主振荡器、防止对该主振荡器的返回光的第1光隔离器、锥型的半导体光放大器和防止对该半导体光放大器的返回光的第2光隔离器，可以得到稳定的光输出的波长变换器(例如，参照专利文献2)。

此外，作为以往的波长变换器，还有开示了在半导体激光二极管元件的前面配置衍射光栅构成共振器，通过高频波调制上述半导体激光二极管元件，构成以注入同步模式振荡的主振荡器，在其后段配备了锥型的半导体光放大器，以脉冲状的波形振荡的波长变换器(例如，参照专利文献3)。

另外，作为以往的波长变换器，还开示有若干个降低半导体激光二极管的前面反射率，作为放大介质，用形成于光纤内的布拉格衍射光栅(以下称之为光纤格栅)构成半导体激光二极管和外部共振器，以单纵模振荡的例子。此外，还有使其输出光与波长变换元件光学结合的构成开示。进而，也有将光纤作为保偏支持半导体激光二极管的单横模的记载(例如，参照专利文献4)。

专利文献1：USP5321718(第6～12栏，图5、图7～8、图10)

专利文献2：USP5745284(第3～8栏，图1)

专利文献3：USP5561676(第3～5栏，图1、图7～10)

专利文献4：特表平11-509933(第2～12页，图1)

但是，上述专利文献1所示的单片集成MOPA元件存在因微弱的外部反射光而变动光谱或光输出这样的课题，例如IEEE Photonics Technology Letters(Vol.10、No.4、pp.504～506、1998)已有所开示并进一步有关于改善方法的记载。而且，特别是在应用于波长变换元件的时候，该光谱的变动即使是有一点点残留也会偏离与波长变换元件的相位匹配，由于作为结果使波长变换效率变动，故需要在MOPA元件的输出段***光隔离器等，除去外部反射光。进而，还存在即便是输入W级的基本波也不产生光损失的设计的光隔离器非常昂贵这样的课题。

此外，在专利文献2所示的波长变换器中，由于是将来自主振荡器的比较小的输出光输入到光隔离器，故具有可以使用廉价、普通的光隔离器之类的优点。但是，半导体光放大器如Photonics Technology Letters Vol.7、No.5、pp.470～472所开示的那样，因为需要利用来自外部的微弱的反射返回光改变活性层和水平板内的光分布，故仍然具有在半导体光放大器的输出部需要防止反射返回光的昂贵的光隔离器这样的课题。

另外，在专利文献3所示的波长变换器中，由于是用半导体激光二极管元件和衍射光栅构成共振器，对半导体激光二极管元件施加适当的高频波信号，使之以注入同步模式振荡，故具有不需要昂贵的光隔离器的优点，但另一方面，正是因为需要高频波产生电路，在时间上形成脉冲状的光输出，因而存在不能得到连续波等的课题。

进而，示于专利文献4所示的波长变换器的半导体激光二极管元件为了在内藏活性层的光波导中维持单横模，其宽幅宽为4μm左右的限度。为了防止在其出射端面的光损伤，需要设计窗口构造等进行降低光密度的考虑，因而，光输出相当小，如果来自元件的光输出超过1W则会增加基于以端面或活性层内的缺陷作为产生源的光损伤的偶发故障，故存在寿命明显变短之类的课题。进而，在以往例中，由于是在半导体激光二极管元件的前面实施防反射膜作为放大介质，与设置在光纤内的衍射光栅(以下称之为光纤格栅)构成共振器，使之进行纵单模振荡，故仍然存在如果有来自外部的返回光则光谱产生变动等的课题。

发明内容

本发明就是为解决上述这样的课题而进行的发明，目的在于在获得减小对主振荡器的对应外部反射的光输出变动或者光谱变动、且也减小了对应外部反射的半导体光放大器横方向的光分布的变动的基本波光源的同时，得到可以通过波长变换元件高效地进行波长变换，在短波长区域输出大功率输出的连续波的波长变换器光源。

本发明是具备维持半导体激光二极管元件的偏振光的光波导元件、配置在光波导元件内将一部分的光返还半导体激光二极管元件的反射元件和光学地耦合了光波导元件的半导体光放大器，半导体激光二极管元件以相干崩溃模式进行振荡的发明。由此，就具有可以提供减小对主振荡器的对应外部反射的光输出变动或者光谱变动，且也减小了对应外部反射的半导体光放大器横方向的光分布的变动的基本波光源的效果。

附图说明

图1所示是基于本发明实施形态1的波长变换器的构成图；

图2所示是基于本发明实施形态1的波长变换器的垂直断面图；

图3所示是基于本发明实施形态2的波长变换器的构成图；

图4所示是基于本发明实施形态3的波长变换器的构成图；

图5所示是基于本发明实施形态4的波长变换器的构成图。

具体实施方式

为了更为详细地说明本发明，下面按照附加的图面对用于实施本发明的最佳形态进行说明。

实施形态1

图1所示是本发明实施形态1的波长变换器的构成图。在图中，半导体激光二极管元件1为具有单量子阱的活性层和波导1a的法布里百罗共振型的激光二极管元件。该半导体激光二极管元件1在作为蓝色的波长450nm的2倍900nm带具有增益的最大值，为了提高光的取出效率，在背面实施了90％反射率的高反射膜，在前面实施了0.5％反射率的低反射膜，是可以在半导体激光二极管元件1的单体中通过多纵模进行振荡的元件。此外，波导1a在厚度方向由活性层、光导层和***层构成，通过单横模进行振荡。

另一方面，为了在波导1a的面方向提高可靠性，需要将电流密度或光密度抑制在较低，一般情况是采用宽宽幅宽的脊型波导(ridge waveguide)。因而，为了减缓作为波导的禁闭(confinement)，在小电流注入时，采用基本模式、即单横模进行激励振荡，但如果电流注入变大、光密度增高则存在由于空间烧孔效应(spatial hole burning effect)导致的易于产生高次模式激励振荡之类的特征。这里，一般情况是偏振波消光比在阈值以上，在元件出射位置达到接近27dB。

其次，作为光波导元件2采用保偏光纤(polarization-maintaining optical fiber)，通过在其芯部经由相位掩模照射紫外线，制造配置了由布拉格衍射光栅组成的具有波长选择性的反射元件3的光波导元件。由于保偏光纤通过改变作为传播模式的HE11偶数模式和HE11奇数模式的传播速度防止了两模式的耦合，故如果使线偏振波的光一致于光波导元件2的慢轴或快轴则可以维持线偏振波。另一方面，虽然由于光波导2a的等价折射率在快轴和慢轴有若干不同而因轴方向不同偏离反射元件3的反射峰值波长，但在此是使电场方向重合于慢轴，以使弯曲损失变强，偏振波消光比在因固定透镜5或光波导元件2时的应力产生了劣化情况下的出射端也达到了20dB以上。

因波导1a是扁平的，故宽高比大，为了能够以低损失与具备圆形的光波导2a的光波导元件2进行光学耦合，需要将透镜5作为非对称光学***，对半导体激光二极管元件1的出射光束4a校正宽高比。由于半导体激光二极管元件1的增益带为单量子阱构造，故波长依存性比较平缓，故如果在该增益带中设定反射元件3的反射峰值波长，则在反射峰值波长附近的增益将达到最大，可以控制半导体激光二极管元件1的振荡波长。众所周知，根据半导体激光二极管元件1和反射元件3的光学长度形成的相位关系和从反射元件3返回到半导体激光二极管元件1的返光量的关系，基于该复合共振器的纵模可以通过单模、多模、相干崩溃模式(coherent collapse mode)等丰富多彩的状态进行振荡。

这里，为了能够以强的相干崩溃模式对来自外部的反射返回光进行振荡，半导体激光二极管元件1的背面反射率和前面反射率分别取90％和0.5％，共振器长取1.8mm，反射元件3的反射率取为3％，反射带域取为0.4nm，基于透镜5的耦合效率取为80％，出射光的线宽为0.3nm。如Journal of Lightwave Technology Vol.LT-4，No.11，pp.1655-1661详细说明的那样，相干崩溃模式是基于来自反射元件的反射返回光而产生缓和振动的状态，即便是进一步从外部入射反射返回光也不易受到影响。

此外，例如，也如特开平5-249519号公开专利等记载的那样，通过设定反射元件3的反射峰值波长长于半导体激光二极管元件1的截止波长，可以防止横模的高次化，可以以稳定的单横模振荡使光纤端光输出达到600mW。另一方面，用配置在背面的监视器用的光电二极管6检测半导体激光二极管元件1的光输出4b，基于该监视器输出，由没有图示的控制电路控制半导体激光二极管元件1的顺电流，可以稳定化出射光束4a。

其次，锥型的半导体光放大器7具有入射侧的面和水平方向的模式区域直径为250μm、出射侧为500μm、闪光角度6度、芯片长度1.6mm，与IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTER Vol.5，No.10，pp.1179-1182所示的形状类似的形状。但是，在端面附近，在配置了电流的非注入区域的基础上，进一步实施的防反射膜。这里，由于从光波导元件2的光波导2a出射的光束是圆形的，故通过圆柱状的透镜8变换成横长的光束形状，可以降低模式匹配损失并使之光学地耦合到半导体光放大器7的波导7a上。

为了使半导体光放大器7的活性层增益饱和，输入部横方向的光密度为约1mW/μm左右单位，故即便是考虑由耦合***导致的损失，其光纤端输出也是足够的。进而，在入射光4c为300mW左右、顺电流7A情况下，作为光输出4d可以得到约5W。一般地，由于半导体光放大器7两端实施有防反射膜，又因输入的光束被进行了行进波放大，故这种放大器是一种通过适当地选择防止基于载流子或热的透镜效应的考虑或工作条件，可以在维持接近光衍射极限的光束质量不变状态下进行放大的放大器件。虽然一般地将放大率设定在10倍～100倍，但这里为了降低波导7a内的电子密度或光子密度，减少空间烧孔效应的产生，调整了入射光量。

这里，在此使光波导元件2的线偏振光在锥型的半导体光放大器7的活性层一致于水平方向输入，其输出原样不变地维持了线偏振光。这里，由于是从半导体激光二极管元件1入射以相干崩溃模式状态振荡着的光，故半导体光放大器7是干涉性低的光谱不变地进行放大，不易受到由来自外部的反射返回光导致的影响，可以在特别地改善通常易于利用反射返回光形成暗条状的振荡模式的半导体光放大器的特性的同时，获得光束质量好的大功率输出的基本波。

此外，波长变换元件9通过添加5％以上MgO的LiNbO₃等非线性光学晶体的X截止基板外加电场，形成类似相位匹配了基本波和第二高频波的自发的周期分极反转构造，在使其基板薄膜化后，在其上下配置了可以利用单模同时传播基本波和第二高频波的***层、支撑层的元件。这里，通过使用X截止基板(X-cut substrate)，可以一致半导体光放大器7的偏振波方向和波长变换元件9的偏振波方向。

另外，该波长变换元件9在面的水平方向没有折射率的禁闭，为平板型(slab)的波导构造9a。这是因为，如果光密度过于提高则需要考虑因光折射效应所导致的光损伤，另一方面，由于光密度越高越可以改善波长变换效率，故在实际的设计中，考虑了可靠性和进行了波长变换效率最佳化。在此，取波长变换元件的长度为10mm，基本波的光谱线宽为0.3nm，峰值光强为约10MW/cm²，波长变换的效率弱至50％。虽然没有图示，但在波长变换元件9中，由于如果基本波或高频波从入射端面或出射端面返回则变换效率将显著衰减，故其两侧端面实施了倾斜研磨或者防反射膜等，以便能够高效地进行基于单脉冲的波长变换。这里，无论光波导采用宽幅宽的脊型波导还是宽幅宽的通道波导，在光波导的长度短到10mm左右时，通过调整输入光的强度分布，可以只激励所希望的光波导的低次模式。此外，由于这里波长变换元件9的第二次高频波的输出光束11在垂直方向为扩散光，故通过圆柱状的透镜12进行平行。进而，除了混色使用基本波和高频波的情况外，可以通过没有图示的波长选择滤光片反射并除去对波长变换没有贡献的基本波。

下面对温度特性进行说明。

图2所示是本发明实施形态1的波长变换器的垂直断面图。

半导体激光二极管元件1的基本波的波长温度特性主要起因于反射元件3的温度特性，波长温度系数为0.008nm/℃。另一方面，半导体激光二极管元件1的增益峰值的波长温度特性是0.4nm/℃，但由于在单量子阱中增益带较宽，故相对于家用机器中一般要求的0到50℃左右的环境，即便是不调整半导体激光二极管元件1的温度也可以得到稳定的振荡。

此外，在半导体光放大器7中，在电流7A时获得了5W的基本波输出，发热为约6W。该废热是一个极大的问题，目前半导体光放大器7采用中继降温构造，在经由热传导性好的氮化铝基板13通过散热装置14扩散了热之后，通过没有图示的排热风扇进行空气冷却。另一方面，众所周知，以波长变换元件9的类似相位匹配条件为成因的波长变换效率的温度特性需要较大的精密的温度控制。

根据上述观点，为了预想基本波的波长变化，在反射元件3的附近配置了第1温度检测装置15a，而为了进行温度控制，在波长变换元件9的附近配置了第2温度检测装置15b，利用外部的电子电路(没有图示)调整帕尔帖元件(Peltier device)16来稳定化波长变换效率。这里，作为温度检测装置15a、15b使用了热敏电阻元件(Thermistor element)。

这里，在上述实施形态1中，示例的是为了省电，其半导体激光二极管元件1和半导体光放大器7均没有进行温度控制的例子，实际中也可以进行温度控制。

此外，在上述实施形态1中，波长变换元件9的温度控制元件采用了帕尔帖元件16，但也可以以温度控制元件作为加热器使波长变换元件9在高温下工作，这样可以期待因光折射效应(photorefractive effect)导致的缺陷的恢复。

如上述这样，根据实施形态1，作为基本波光源，在光波导元件内配置半导体激光二极管元件和维持半导体激光二极管元件的偏振光的光波导元件，具有将一部分的光返还给半导体激光二极管元件的反射元件和与光波导元件光学地耦合了的半导体光放大器，由于半导体激光二极管元件可以以相干崩溃模式进行振荡，故可以提供减小对主振荡器的对应外部反射的光输出变动或者光谱变动，且也减小了对应外部反射的半导体光放大器横方向的光分布的变动的基本波光源。

另外，根据实施形态1，由于半导体光放大器可以具有沿着光的行进方向在水平方向呈宽度的活性层，故可以降低对半导体光放大器的入射功率，还具有不易产生暗条(filament)现象的效果。

再有，根据实施形态1，由于光波导元件可以由保偏光纤构成，故可以维持来自半导体激光二极管元件的线偏振光不变地将之导向光放大器。

此外，根据实施形态1，作为波长变换器，可以在光波导元件内配置半导体激光二极管元件和维持半导体激光二极管元件的偏振光的光波导元件，具有将一部分的光返还给半导体激光二极管元件的反射元件和与光波导元件光学地耦合了的半导体光放大器、对来自半导体光放大器的基本波进行类似相位匹配的周期分极反转构造和至少带有可传输来自半导体光放大器的基本波的光波导的波长变换元件，由于半导体激光二极管元件可以以相干崩溃模式进行振荡，故可以在短波长带稳定输出大功率输出的连续波。

还有，根据实施形态1，由于具有对来自半导体光放大器的基本波进行类似相位匹配的周期分极反转构造和带有平板波导的波长变换元件，故可以将光密度设定在最佳的值。即，由于一旦将数W的大功率输出入射到单模波导，则波长变换元件也会产生因光折射效应等导致的劣化，故需要降低光密度。但是，由于一旦下降则波长变换效率恶化，故需要使之处于适当的光密度。这里，由于板状波导是只在单方向通过波导禁闭光的波导，故处于单模波导和大容量(没有波导的情况)的中间，可以得到最佳的值。

根据实施形态1，由于具有至少一个的温度检测装置和至少一个的温度控制装置，可以温度检测反射元件且温度控制波长变换元件，故可以切实地进行波长变换元件的温度控制，作为波长变换器，其结果将可以得到所期望的特性。

实施形态2

图3所示是基于实施形态2的波长变换器的构成图。

在实施形态1中，使用圆柱状的透镜8模式变换了光波导元件2和半导体光放大器7的光学耦合，但也可以代之圆柱状的透镜8，使用图3所示那样的由石英波导构成的平板型波导元件8a。这里，在图3中，由于平板型波导元件8a之外的构成与图1、图2所示的实施形态1相同，故对对应的部分附加同一符号并省略其说明。

平板型波导元件8a通过在入射端使芯与***的比折射率差与光波导元件2近乎同一，可以使纵方向的模式区域直径大致相同而得到高的耦合效率，在出射端，对垂直面的圆柱状的加工吻合于半导体光放大器7的波导7a和模式区域直径。另一方面，平板型波导元件8a相对于水平方向没有折射率波导构造，空间模式宽阔，吻合半导体光放大器7的波导7a和模式区域直径。

如上述这样，在实施形态2中，由于可以使用由石英波导构成的平板型波导元件进行光波导元件和半导体光放大器的光学耦合，故可以达到与具有实施形态1的圆柱状的透镜的波长变换器同样的效果。

实施形态3

图4所示是基于实施形态3的波长变换器的构成图。

在实施形态1和实施形态2中，给出了光波导元件2使用了保偏光纤的例子，但也可以如图4所示的那样，利用由石英构成的光波导元件2b进行构成。进而，也可以从光波导元件2b的光波导2a的图中去掉折射率波导构造，在水平方向通过空间模式扩展光束，吻合半导体光放大器7的波导7a和模式区域直径。其以外的构成与实施形态1或实施形态2的构成相同。

此外，在上述的实施形态中，光波导元件2b的光波导2a给出的是直线状的构成，当然，使用重复的反射或弯曲波导进行小型化也可以获得同样的效果。

如上述这样，根据实施形态3，由于可以通过配置在由石英构成的光波导元件的光波导构成光波导，故可以得到与实施形态1的基本波光源及波长变换器相同的效果。

实施形态4

图5所示是基于实施形态4的波长变换器的构成图。

在上述的实施形态1到实施形态3中，给出了使光波导元件(或者保偏光纤)2的线偏振光一致于水平方向输入锥型半导体光放大器7的活性层，输出维持其原样不变的线偏振光耦合于X截止的波长变换元件的波导的例子。但是，如根据Applied Physics Letter Vol.71，pp.3048～3050开示的X截止基板周期分极反转构造的制造方法可知的那样，波长变换元件存在难以利用X截止基板进行制作的倾向。

因而，这很容易让人考虑利用深制作周期分极反转层的Z截止基板的波长变换元件，但由于一般地半导体激光二极管元件端面反射率对TE模式高禁闭变强，TE模式的增益增高，此外，还由于在半导体光放大器中量子阱的增益相对通常TE模式变高，故多在TE模式用中进行设计。但众所周知，在半导体光放大器中，通过对量子阱赋予拉伸应变可以提高TM模式的增益。

即在实施形态4中，光波导2a的配置可使之传播半导体激光二极管元件1的线偏振光，且其配置可以在半导体光放大器7中通过TM波放大来自光波导2a的光输出。这里，在图5中，2c及2d表示光波导元件2的入射端面和出射端面，3a及3b分别表示入射端面2c的电场方向、出射端面2d的电场方向。此外，所谓的TE(Transverse Electric)模式是指活性层水平方向电场模式(在垂直方向和行进方向存在磁场)，所谓的TM(Transverse Magnetic)模式是指活性层水平方向磁场模式(在垂直方向和行进方向存在电场)。进而，所谓的TM波是指TM模式的偏振波。

在该实施形态4中，半导体光放大器7只要某种程度地具有对TM模式的增益即可，这是在半导体光放大器7的活性层使光波导元件2(或者保偏光纤)的线偏振光在垂直方向偏振波一致，输出维持其原样不变的线偏振光并耦合于Z截止的波长变换元件9的光波导。

如上述这样，根据实施形态4，由于光波导元件的配置可使之传播半导体激光二极管元件1的线偏振波，且其配置可以在半导体光放大器中通过TM波放大来自光波导元件的光输出，故可以使用Z截止的波长变换元件，作为波长变换元件，其结果将可以获得容易制造之类的效果。

另外，根据实施形态4，由于波长变换元件的基板采用了Z截止基板，故可以形成断面面积大(宽幅宽且深)的周期分极反转区域。

产业上的可利用性

如上述这样，涉及本发明的基本波光源以及波长变换器提供的是由对反射返回光光强度或光谱的变动少的主振荡器和在放大该光时不易受到因反射返回光所导致的光强度分布的影响的半导体光放大器构成的大功率输出的基本波光源，故适合于作为激光打印机、激光显示装置、光存储装置等的光源使用。

Claims (8)

1.一种基本波光源，其特征在于，包括：

半导体激光二极管元件；

维持上述半导体激光二极管元件的偏振光的光波导元件；

配置在上述光波导元件内、将一部分的光返回给上述半导体激光二极管元件的反射元件；以及

与上述光波导元件光学地进行了耦合的锥型半导体光放大器，

其中，上述半导体激光二极管元件以相干崩溃模式进行振荡。

2.根据权利要求1所记述的基本波光源，其特征在于：

光波导元件以传播半导体二极管元件的线偏振波的方式进行配置，且被配置成在上述锥型半导体光放大器中用TM波放大来自上述光波导元件的光输出。

3.根据权利要求1所记述的基本波光源，其特征在于：

上述锥型半导体光放大器具有沿着光的行进方向在水平方向加宽的活性层。

4.根据权利要求1所记述的基本波光源，其特征在于：

光波导元件由保偏光纤构成。

5.一种波长变换器，其特征在于，包括：

半导体激光二极管元件；

维持上述半导体激光二极管元件的偏振光的光波导元件；

配置在上述光波导元件内、将一部分的光返回给上述半导体激光二极管元件的反射元件；

与上述光波导元件光学地进行了耦合的锥型半导体光放大器；以及

具有对来自上述锥型半导体光放大器的基本波进行类似相位匹配的周期分极反转构造、和至少可以传输来自上述锥型半导体光放大器的基本波的光波导的波长变换元件，

其中，上述半导体激光二极管元件以相干崩溃模式进行振荡。

6.根据权利要求5所记述的波长变换器，其特征在于，包括：

上述光波导为板状光波导。

7.根据权利要求6所记述的波长变换器，其特征在于：

上述波长变换元件的基板是Z截止基板。

8.根据权利要求6所记述的波长变换器，其特征在于，包括：

至少一个温度检测装置和至少一个温度控制装置，

并对反射元件进行温度检测、且对波长变换元件进行温度控制。

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