JP2010503891A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

本発明の一つの態様によれば、レーザチップ（１０）と、光波長変換装置（２０）と、本発明による可変焦点レンズ（３）とを備える半導体レーザを提供する。その可変焦点レンズは、レーザチップから光波長変換装置へ光を導くように配置された第１および第２の液体レンズ部品（４０）（５０）を備える。第１および第２の液体レンズ部品は、そのレンズ部品により定義される第１および第２の同調長手軸（４５，５５）が互いに傾斜した関係となるように、また各レンズ部品のレンズ面（４８，５８）の各曲率が変化するように、配向され、また構成される。本発明の別の実施形態によれば、第１および第２の液体レンズ部品を備える可変焦点レンズが提供される。

Description

本発明は、可変焦点液体レンズ、および可変焦点レンズが組み込まれた半導体レーザに関するものである。また本発明は、より一般には、オプトメカニカルパッケージに含まれる可変焦点液体レンズの提供に関するものである。

分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザといった単一波長半導体レーザは、短波長光源を発生させるために第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶のような光波長変換装置と組み合わせることができる。詳しくは、ＳＨＧ結晶は基本波レーザ信号の高調波を発生させるように形成され得るものであり、例えば波長１０６０ｎｍのＤＢＲまたはＤＦＢレーザをＳＨＧ結晶のスペクトルの中心に調整することにより、波長を５３０ｎｍに変換することができる。

本発明の一態様によれば、レーザチップと、光波長変換装置と、本発明による可変焦点レンズとを備えた半導体レーザが提供される。その可変焦点レンズには、レーザチップから光波長変換装置へ光を導くように配置された第１および第２の液体レンズ部品が含まれる。

本発明の一実施形態によれば、レーザチップと、光波長変換装置と、可変焦点レンズとを備えた半導体レーザが提供される。その可変焦点レンズには、レーザチップから光波長変換装置へ光を導くように配置された第１および第２の液体レンズ部品が含まれる。その第１および第２の液体レンズ部品は、そのレンズ部品によって定義される第１および第２の同調長手軸が互いに傾斜した関係となるように、そして各レンズ部品の凸レンズ面の各曲率が可変であるように、配向され、そして構成される。

第１のレンズ液体を電気応答性のレンズ液体を含むものとしてもよく、また第１および第２の液体レンズ部品を、可変焦点レンズの第１の同調長手軸に対して実質的に平行に配向されさらに第１の凸レンズ面の曲率を変化させることが可能な電界を発生するように配置された第１および第２の制御電極対をさらに備えるものとすることもできる。別の、あるいは追加の形態として、第１および第２のレンズ液体を感圧レンズ液体を含むものとしてもよく、また各レンズ部品を、第１の凸レンズ面の曲率を変化させるよう設定された液体供給をさらに備えるものとすることもできる。

本発明の別の実施形態によれば、ここに記述した第１および第２の液体レンズ部品を備える可変焦点レンズが提供される。

従って、本発明の目的は、可変焦点液体レンズの設計改善と、改善された半導体レーザと、そのようなレンズを含む他の型のオプトメカニカルパッケージを提供することにある。また本発明の他の目的は、ここに実施される本発明に関する記述により明らかになるだろう。

以下に示す本発明の具体的な実施形態は、以下の図面と併せて詳細に記述することにより最も理解され得るものである。なお図面において、同等の構造物は同じ参照符号で示すものとする。

本発明による可変焦点液体レンズを組み込んだＤＦＢレーザまたは類似する型の半導体レーザを示す概略図 本発明の一実施形態による可変焦点液体レンズを示す図 本発明の別の実施形態による可変焦点液体レンズを示す図 本発明の別の実施形態による可変焦点液体レンズを示す図

まず図１に、本発明の一実施形態による半導体レーザの概略図を示す。具体的には、この半導体レーザはレーザチップ１０、光波長変換装置２０および可変焦点レンズ３０を備える。ここで図１における各構成要素は、その構造を正確に表現したものではなく、それぞれを象徴的に表す図柄を用いて示したものである。図２は、本発明の具体的な実施形態による可変焦点レンズのより詳細な構造を表した図である。レーザチップ１０および光波長変換装置２０の詳細な構造は、本発明の範囲を超えるものである。本発明を記述するために表示するが、本発明の構成要素として記載される半導体レーザ１０および光波長変換装置２０は、いかなる種々の従来のあるいは今後開発される形態をも実施し得るものである。

本発明による可変焦点レンズは、オプトメカニカルパッケージにおいて特に有用なものである。なぜなら、オプトメカニカルパッケージにおいて、光学部品の機械的調整を適切に行うことを保証するのは概して困難であるからである。例えば、レーザチップ１０と光波長変換装置２０とを有する半導体レーザに関して、光学部品をサブミクロンオーダーで調整することがしばしば必要であることを本発明の発明者は認識していた。実例として、限定するものではないが、第２高調波発生レーザパッケージ、励起型レーザパッケージ、およびシングルまたはマルチモードの光信号が光導波路、光ファイバ、光学結晶、あるいは種々の組合せの能動または受動光学部品の間を伝送する他の光パッケージを、本発明が意図するオプトメカニカルパッケージとして付け加えることができる。

図１に示すように、可変焦点レンズ３０は、レーザチップ１０から光波長変換装置２０へ光を導くように配置することができる。また図２に示すように可変焦点レンズ３０は、第１および第２の同調長手軸４５、５５を提供する第１および第２の液体レンズ部品４０、５０を備える。第１および第２の同調長手軸４５、５５は、レンズ３０の光伝播軸３５の周りで互いに傾斜した関係にある。図示された実施例において、軸４５、５５は互いに９０°の角度を有する関係にあるが、光伝播軸３５に対しては種々の角度をとることが本発明において意図されている。より詳細に以下に示すと、第１および第２の液体レンズ部品４０、５０は、ＸＹＺ座標系のｘおよびｚ成分を変化させることができる位置に第１の同調長手軸４５が配置され、一方そのＸＹＺ座標系のｙおよびｚ成分を変化させることができる位置に第２の同調長手軸５５が配置されるようにして設定される。

図１に示すように、光は、レンズ３０自体の光学部品の内部やその間の光路における相対的にわずかな方向変化を除いては、一般的にレンズ３０の光伝播軸３５に沿ってレーザチップ１０から光波長変換装置２０へと導かれる。可変焦点レンズ３０はさらに、レーザチップ１０から可変焦点レンズ３０へ、また可変焦点レンズ３０から波長変換装置２０へと導かれる光を実質的にコリメートするよう設定されたコリメート光学部品３２、３４を備えることもできる。本発明のこの形態を用いれば、可変焦点レンズ３０へ導かれる光がコリメートされるため、光伝播軸３５に沿って可変焦点レンズ３０を設置する際に、より容易に位置調整をすることができる。さらにコリメート光学部品３２、３４を導入すれば、そうしなければ可変焦点レンズ３０にふりかかるであろう光パワー要求を軽減することができる。すなわち、コリメート光学部品３２、３４を主にシステムの１次光学部品として機能するように設定する一方、可変焦点レンズ３０を主に２次補正システムとして機能するように設計することができる。

さらに図２に示すように、第１および第２のレンズ部品４０、５０に、第１および第２の液体タンク４２、５２と第１および第２のレンズ液体４４、５４とを提供することにより、上述した第１および第２の同調長手軸４５、５５を種々配置することが可能になる。図示の実施形態において、第１および第２のレンズ液体４４、５４は、各同調長手軸４５、５５に沿って通常長手状に配置される。より詳しくは、レンズ面４８、５８が、各同調長手軸４５、５５に沿って光伝播軸３５から離れていく方向に延在する各レンズ液体４４、５４によって形成されるように、液体タンク４２、５２は構成される。一方、従来の多くの液体レンズは、放射対称性レンズとして構成され、長手方向の同調軸を定義していない。

第１および第２のレンズ液体４４、５４は電気応答性を有し、レンズ部品４０、５０には、第１および第２の制御電極対４６、５６が設けられる。この第１および第２の制御電極対４６、５６は、各液体タンク４２、５２内の液体によって提供される第１および第２の凸レンズ面４８、５８の曲率を変化させることが可能な電界を発生させるように構成される。本発明を記述し定義するために表示するが、「電気応答性」を有する液体とは、導電性を有する液体や、限定的に導電性を有する極性液体でもよく、あるいはここで述べたようにそれに対して電界を印加した際に、物理的に反応するように設計されたものであればいかなる液体であってもよい。各制御電極対４６、５６は、種々の操作の可能性を最大限広げるために、各々独立して制御できる電極を備えることが望ましい。

図示した実施形態において、第１および第２の液体タンク４２、５２にはそれぞれ、各レンズ部品４０、５０の同調長手軸４５、５５を通り光伝播軸３５に平行な交差平面４３、５３に対して向かい合う位置に配置された長手方向コンテナ壁対４７、５７が設けられる。第１および第２の制御電極対４６、５６は、対応する長手方向コンテナ壁対４７、５７に沿って、また対応する各長手方向コンテナ壁対４７、５７に対し通常平行に伸びた状態で配置される。

第１の液体タンク４２、第１の電気応答性レンズ液体４４および第１の制御電極対４６は、第１の制御電極対４６に印加される制御電圧の作用により第１のレンズ面４８の交差平面４３に対する対称度が変化するよう設定される。同様に、第２の液体タンク５２、第２の電気応答性レンズ液体５４および第２の制御電極対５６は、第２の制御電極対５６に印加される制御電圧の作用により第２のレンズ面５８の交差平面５３に対する対称度が変化するよう設定される。制御電極４６、５６にバイアスがかかっていない状態では、凸レンズ面４８、５８は実質的に円筒状の輪郭を有する。制御電極４６、５６にバイアスが印加されると、凸レンズ面４８、５８の曲率を変化させる電界が発生し、凸レンズ面４８、５８の輪郭は歪んだ円筒状となる。なお以下に記すように、レンズ面４８、５８の一方または両方が、実質的に円筒状または歪んだ円筒状の輪郭を有する凹レンズ面を代わりに画成するようにレンズ部品を構成してもよい。

本発明を記述し定義する上で、「実質的に円筒状」という用語は、凸レンズ面４８、５８の全体的な長手の方向を表現するためにここで使用されたものである。その用語はまた、レンズ面４８、５８を表現するためにも使用される。これは、各レンズ部品４０、５０の第１および第２の同調長手軸４５、５５方向に伸びる長手主軸を有する円筒のある部分に通常相当する湾曲した断面形状を、各レンズ面が実施するためである。なお図２においてレンズ面４８、５８は円形断面を有する円筒の部分として表されているが、実際にレンズ面４８、５８は、図２に示された均一的な放射状の表面とはしばしば異なることに留意されたい。例えば、凸レンズ面４８、５８の実質的に円筒状の輪郭とは、楕円状の円筒や他の非円形の円筒により近いものでも良いし、また平坦なあるいはほぼ平坦な部分を各々の断面に含むものでもよい。さらに本発明において、ここでは主として通常長手状の凸レンズ面に関して記述しているが、各レンズ液体４４、５４の一方あるいは両方を、実質的に円筒状の、通常長手状の凹レンズ面を形成するものとすることもできる。また、各レンズ液体４４、５４の一方または両方を、平坦またはほぼ平坦なレンズ面４８、５８を形成するものと意図することもできる。この別の実施形態は、単に平坦面の角度を光伝播軸３５に対して変化させるためだけに各制御電極対４６、５６を制御するような場合には特に魅力的であると考えられる。例えばこの場合、可変焦点レンズ３０は光プリズムに類似するものとして、あるいは光プリズムとして機能するものとして利用することができる。

さらに図２に示すように、可変焦点レンズ３０の焦点Ｆは、互いに傾斜した関係に配置された同調長手軸４５、５５を可変焦点レンズ３０の焦点面に対して投影して得られた、焦点面上の交点により定義される。焦点Ｆの位置を定義づけるｘ、ｙ、ｚ成分は、各凸レンズ面４８、５８それぞれの曲率を変化させることにより制御することができる。凸レンズ面４８、５８の曲率を変化させるために制御電極により発生した電解を使用することができる方法を制御することに関する詳しい事象は、本発明の範囲を超えたものであり、そのテーマについて教示している種々の容易に入手可能なものとは区別されることが望ましい。例えば、限定されるものではないが、米国特許第6,538,823号、同第6,778,328号、および同第6,936,809号の各明細書に、そのテーマに関する具体的な説明が記載されている。これらの特許のうち、凸レンズ面の曲率を変えるために電界を使用することができる方法の理解を助けるのに必要な部分のみが、参照することにより本書に含まれる。

焦点Ｆの位置は各凸レンズ面４８、５８の各曲率を変化させることにより制御することができるため、本発明のコンセプトは、オプトメカニカルパッケージ内の機械的ミスアライメントを補正することが必要なまたは有益な用途によく適している。例えば、これに限定されるものではないが、図１に概略的に示されるように、可変焦点レンズ３０を、レーザチップ１０の出力チャンネルからの光伝播を波長変換装置２０の入力チャンネルに合わせて調整するよう設置することができる。可変焦点レンズ３０を制御することにより、デバイスの組立てにおけるミスアライメントを修正したり、時間の経過とともにデバイスに生じるミスアライメントを補正したりすることもできる。

図２に示される各液体タンク４２、５２の構造に関しては、第１および第２の液体タンク４２、５２がＶ溝状のタンクを有し、Ｖ溝状のタンクはそれぞれ第１および第２の制御電極対４６、５６がタンク４２、５２を二分する垂直面に対して対称になるように構成されるものであることに留意されたい。図示された実施形態において、各Ｖ溝状のタンク４２、５２の閉末端部には、各タンク４２、５２の下方で互いに略平行に設けられた垂直側壁間において定義される下部増設タンク部が含まれる。なお、Ｖ溝状のタンク４２、５２の傾斜した側壁の末端部には、必ずしも図２に示されるような下部垂直側壁を設ける必要はなく、むしろ、傾斜した側壁をＶ溝の閉末端部まで拡張してもよい。いずれにしても、第１および第２の制御電極対４６、５６は、制御電極４６、５６に印加される制御電圧の作用によって電気応答性のレンズ液体がＶ溝状タンクとインターフェースする程度が決定されるように、Ｖ溝の各部分に沿って配置される。このようにして、各凸レンズ面４８、５８の曲率は制御電圧により制御することが可能になる。

各Ｖ溝状タンク４２、５２の末端部で、液体を含有している支持構造や他の支持構造が、この支持構造付近の凸レンズ面４８、５８にある程度の不均一性を引き起こす可能性があることが意図されている。さらに、制御電極４６、５６の端部付近における電界不整もまた、各Ｖ溝状タンク４２、５２の末端付近における凸レンズ面４８、５８の不均一性を増加させる原因になるかもしれない。従って、本発明を実施する際には、凸レンズ面４８、５８に存在し得る不連続部分や不整部分がレンズ３０を通る所望の光路から確実に十分に外れるよう、タンク４２、５２各々の長手方向の寸法を十分に大きく設計することが望ましい。

本発明は主にＶ溝状のタンク４２、５２に関して記述しているが、第１および第２のタンクとしては様々な形態のものを採用することができる。例えば、他のタンク形状によれば、制御電圧の変化に対してより線形に応答することができるかもしれないし、また光パラメータをレンズ３０により調整する点においておおよそ最適なものが存在するかもしれない。他の状況においては、制御電圧の変化に対して非線形もしくは指数的な応答を実現することが好ましい。ここで意図する形状としては、限定するものではないが、上述のＶ溝状、双曲線状、放物線状、立方体状、円形状、長方形状、あるいは他の線形もしくは非線形の形状、さらに上記形状の組合せが挙げられる。従って、電極は、平坦状、放物線状、立方体状、あるいは、その形状を組み合わせたものや若干変化させたもの、また長手軸に対して垂直に取られた断面形状をも含む他の断面形状を有するものとしても良い。一部の実施形態において、液体に接する電極の表面の平坦状、放物線状、立方体状などの形状は、タンクの側壁の形状に合わせて形成される。

図３および図４に示した実施形態において、同等の構造物には同じ参照符号を用いるものとする。別の実施形態による可変焦点レンズ３０´は、第１のレンズ部品４０が第２のレンズ部品５０に対して反転した状態で提供される。図示のように第１のレンズ部品４０を反転させることにより、第１および第２の凸レンズ面４８、５８の形状は両凸面となり、すなわち凸レンズ面４８、５８が互いに外方に向いた状態となる。さらに、各液体タンク４２、５２がレンズ部品４０、５０間に提供された共通の液体開口６０を通してつながるように、第１および第２のレンズ部品４０、５０は配列される。図３および図４には図示されていないが、各レンズ部品内の液体を独立させる必要がある場合には、その液体開口を任意に透明膜によりカバーすることができる。
図２〜図４においては便宜的に、液体タンク４２、５２を形成するレンズ部品４０、５０の特定の構造部分が省略されている。具体的には、レンズ液体４４、４５を収容する際に助けとなるように各液体タンク４２、５２に各端面とカバー板を提供することが好ましく、本発明を実施する際に評価されるであろう。レンズ液体４４、５４を収容するのを助けるようなカバー板や他の構造を提供する場合には、システムの光特性を補完し、また光伝播軸３５に沿った光劣化を最小限にすることができるような構造が選択されるべきであることが意図されている。例えばカバー板を、コリメートレンズ、集束レンズ、偏光部品、回折部品などとして機能するように提供してもよい。

さらに、レンズ液体４４、５４の適切な制御を安定させ、また容易にするために、全く異なる液体を補充としてレンズ部品４０、５０の一方または両方に提供してもよい。例えば、限定されるものではないが、電気応答性を有するオイルがレンズ液体として使用される場合には、水性の液体をレンズ部品内に挿入してレンズの液体タンク内に保持されたオイルの上に配置されるようにしてもよい。このタイプの形態は、上述の米国特許に明確に図示されており、本発明における特定の概念を実施する際にはこれらの教示を容易に適用することができる。

なお、二つの異なる液体が液体タンク内に供給される場合、その液体の一方を、電気応答性を有する液体として機能するものとしてもよい。例えば、図２に示された本発明の実施形態を参照して、実質的に非応答性の水性液体が、レンズ部品４０、５０内に挿入され、液体タンク４２、５２内に保持された電気応答性液体４４、５４の上に配置された事例について記述した。別の実施形態として、もし電気応答性を有する補充用液体が非応答性液体の上に配置されるならば、図２に示された液体４４、５４は非応答性の液体であってもよい。さらに、各レンズ部品４０、５０に提供される液体の両方に電気応答性のものを選択することができるということも意図される。

本発明の概念についてここまで、電気応答性を有するレンズ液体と制御電極対との使用に関して上述してきた。しかしながら、各液体タンクへの液体の供給を制御することによって凸レンズ面の曲率を制御することができる感圧レンズ液体を、第１および第２のレンズ液体に含むことも意図される。第１および第２の液体供給を、異なった液体供給としてもよいし、共通の液体供給とすることもできる。液体レンズ内の感圧レンズ液体の使用に関しては、米国特許第5,438,486号および同第6,188,526号の各明細書により詳細に記載されており、これらに開示されている事は参照することにより本書に含まれる。

なお、「好ましくは」、「一般に」、「概して」といった用語がここで用いられていたとしたら、これらの用語は請求の範囲に記載された発明の範囲を限定するために使用されたものではなく、また請求の範囲に記載された発明の構造や機能に対してある特徴が重大であるとか、必要不可欠であるという意味を含むものではなく、それどころか重要であるということすら意味しないものである。むしろ、これらの用語は単に、本発明の特定の実施形態において利用されるかどうか分からない選択可能な、あるいは付加的な特徴を強調することを目的としているにすぎない。

本発明を記述し定義する上で、「実質的に」という用語は、ここでは、任意の定量比較、定量値、定量的測定、あるいは他の定量的表記にもともと含まれている不明確さの固有の程度を表すために使用されていることに留意されたい。「実質的に」という用語はまた、ある定量的表記が、本発明の主題の基本的な機能を変更しないものであれば記述したものから異なってよい程度を表すためにここで使用されている。「実質的に」という用語はさらに、ある定量的表記が、本発明の主題の記載された機能を生じることとなる、記述したものと異なっているに違いない最低限の程度を表すためにここで使用されている。

本発明に関して詳細に、そしてその特定の実施の形態を参照して記述したことにより、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から外れることなく、種々の改変や変形が可能であることは明らかであろう。より詳しくは、本発明における態様の中には好ましい、あるいは特に有利であるとここで認められるかもしれないが、本発明はこれらの態様に必ずしも限定されるものではないと意図される。

１０ レーザチップ
２０ 光波長変換装置
３０ 可変焦点レンズ
３５ 光伝播軸
４２ 第１の液体タンク
４４ 第１のレンズ液体
４５ 第１の同調長手軸
４６ 第１の制御電極対
４８ 第１のレンズ面
５２ 第２の液体タンク
５４ 第２のレンズ液体
５５ 第２の同調長手軸
５６ 第２の制御電極対
５８ 第２のレンズ面

Claims (5)

1. レーザチップと、光波長変換装置と、該レーザチップから該光波長変換装置へと光を導くように配置された第１および第２の液体レンズ部品を含む可変焦点レンズとを備えた半導体レーザであって、
   前記第１の液体レンズ部品が、第１の液体タンクと、第１の電気応答性レンズ液体と、第１の制御電極対とを備え、
   前記第１の電気応答性レンズ液体が、前記第１の液体タンク内に通常長手状に配置され、前記可変焦点レンズの第１の同調長手軸に対し実質的に平行に配向される第１のレンズ面を含み、
   前記第１の制御電極対が、前記可変焦点レンズの前記第１の同調長手軸に対して実質的に平行に配向され、前記第１のレンズ面の曲率を変化させることが可能な電界を発生するように配置され、
   前記第２の液体レンズ部品が、第２の液体タンクと、第２の電気応答性レンズ液体と、第２の制御電極対とを備え、
   前記第２の電気応答性レンズ液体が、前記第２の液体タンク内に通常長手状に配置され、前記可変焦点レンズの第２の同調長手軸に対し実質的に平行に配向される第２のレンズ面を含み、
   前記第２の制御電極対が、前記可変焦点レンズの前記第２の同調長手軸に対して実質的に平行に配向され、前記第２のレンズ面の曲率を変化させることが可能な電界を発生するように配置され、
   前記第１および第２の同調長手軸が前記レーザチップから前記光波長変換装置へと導かれる光の光伝播軸の周りで互いに傾斜した関係となるように、前記第１および第２の液体レンズ部品が配向されることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記第１および第２のレンズ面のうち一方のまたは両方の前記曲率が、実質的に円筒状の輪郭または歪んだ実質的に円筒状の輪郭を形成するものであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記第１および第２のレンズ面の前記各輪郭が、円形のまたは非円形の円筒に近似したものであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
4. 前記第１および第２のレンズ部品が、各レンズ部品に供給される共通の液体開口を通して前記各液体タンクがつながるように配列されるものであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
5. 前記第１のレンズ部品が、前記第２のレンズ部品に対して反転した状態であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。

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