JP4897526B2 - レーザモジュールの光軸調整方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ素子と光導波路素子との間の光軸調整を容易に実施するためのレーザモジュール光軸調整方法に関する。
光導波路素子を用いた光モジュールにおいて、光の導波機能と光変調や波長フィルタリング、合分波等の所要の機能を受け持つチャネル光導波路と光源との間の光結合を一般に行う必要がある。
下記の特許文献1では、光通信モジュールにおいて、レーザ光源と光ファイバの入射面との間に集光レンズが配置され、この集光レンズをアクチェータでX方向またはY方向に一定周期、一定振幅で微少振動(wobbling)させることにより、光軸誤差信号を得る手法が開示されている。
特開2003−338795号公報
光導波路素子の光入出力端面は、一般に、1mm×1mm程度の面積を持ち、その中で光結合を要するチャネル導波路の断面寸法は、数μm×数μm程度であり、素子全体の面積に比べて非常に小さい。
従って、光導波路素子の光入出力端面に対してラスター走査を行って、チャネル導波路を探し出そうとする場合、スキャンピッチが数μmオーダーであるため、スキャンに要する時間が非常に長くなってしまう。
本発明の目的は、微小な導波路との光軸調整を容易かつ短時間に実施できるレーザモジュール光軸調整方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、
レーザ素子と、
導波路を有する高調波発生用の光導波路素子と、
レーザ素子からの光を集めて、光導波路素子の導波路に入射させる集光光学系と、
該集光光学系によるスポット位置を、3次元方向に位置決めするためのアクチュエータ機構とを備え、
アクチュエータ機構は、3軸制御のスムーズインパクト駆動機構で構成されたレーザモジュールの光軸調整方法であって、
光導波路素子の光出力側に受光素子を配置し、導波路から出射される基本波及び/又は第2高調波の光の強度を計測する計測ステップと、
導波路が該集光光学系で集光されるスポットの範囲内に存在しておらず、該受光素子で計測される出射光の強度が所定の判定値以下である場合、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系による導波路入射端面におけるスポット径を拡大し、スポット位置を光軸方向に調整するデフォーカスステップと、
次に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置を鉛直方向および水平方向に調整する調芯ステップと、
次に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置を光軸方向に調整する合焦ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る光モジュールの光軸調整方法において、前記デフォーカスステップの後、導波路が該集光光学系で集光されるスポットの範囲内に存在しておらず、該受光素子で計測される出射光の強度が所定の判定値以下である場合、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置を鉛直方向および水平方向に走査し、導波路が該集光光学系で集光されるスポットの範囲内に存在しておらず、該受光素子で計測される出射光の強度が所定の判定値より大きくなる位置を探索する走査ステップをさらに含むことが好ましい。
本発明によれば、レーザ素子と光導波路素子の間に配置された集光光学系によるスポット位置を、3次元方向に位置決めするためのアクチュエータ機構を設けることによって、光軸方向に対して垂直な面内での調芯制御だけでなく、光軸方向の合焦制御およびデフォーカス制御が可能になる。
例えば、集光光学系によるスポットが偶発的にほぼ合焦状態であって、光導波路素子の入射端面におけるスポット径が極めて小さい場合、スポットと導波路との位置合わせが著しく困難になる。そこで、光軸方向の調整により、集光光学系によるスポットを一時的にデフォーカス状態とし、入射端面におけるスポット径を比較的大きくした状態で、光軸方向に対して垂直な面内での調芯を行うことによって、スポットと導波路との位置合わせが極めて容易になる。そして、調芯完了後、光軸方向の合焦制御を行うことによって、スポット位置の3次元位置決めを容易かつ短時間に達成することができる。
図1は、本発明に係るレーザモジュールの一例を示す構成図である。ここでは、光導波路素子としてSHG(第2高調波発生)素子を例示するが、本発明は、高調波発生機能だけでなく、光変調機能、光導波機能、波長フィルタリング機能などを持つ導波路を備えた各種の光導波路素子にも適用可能である。
レーザモジュールは、レーザ素子LDと、レンズL1と、レンズL2と、光導波路素子SHGと、レンズL3などを備え、さらに、レンズL2を位置決めするアクチュエータM2を備える。ここでは、理解容易のため、光軸方向(紙面右方向)をz軸、光軸方向に対して垂直な鉛直方向(紙面上方向)をy軸、光軸方向に対して垂直な水平方向(紙面手前方向)をx軸としている。
レーザ素子LDは、半導体レーザや固体レーザなどで構成され、モジュール筐体(不図示)に固定されている。
レンズL1は、レーザ素子LDから発散する光をほぼ平行光に変換する。レンズL2は、レンズL1からの平行光を集光して、光導波路素子SHGの入射端面に光スポットを形成する。これらのレンズL1,L2は、レーザ素子LDからの光を集めて、光導波路素子SHGに入射させる集光光学系として機能する。集光光学系は、レンズL1,L2だけでなく、他のレンズやフィルタ、アパーチャなど各種の光学素子を含んでもよい。
レンズL3は、光導波路素子SHGの導波路から出射される光を集光して、次のステージへ出力する。
光導波路素子SHGは、基板の上面に導波路が配置されている。基板は、ニオブ酸リチウム結晶などの非線形材料で構成され、一般に、矩形断面を有する平板形状や角柱形状に形成される。光導波路素子SHGの入射端面は、例えば、1mm×1mm程度の断面寸法を有する。
光導波路素子SHGの導波路は、一般に、数μm×数μm程度の断面を有し、入射端面から出射端面に至るまで一定の断面形状を成し、導波路を伝搬する光と相互作用して、半分の波長を有する光を発生する。例えば、波長1064nmの赤外光が導波路に入射すると、波長532nmのグリーン光に変換される。波長の変換効率を上げるために、導波路は、一般に、赤外光とグリーン光の位相整合をとるための周期的ドメイン反転構造を有している。
レーザモジュールの出力側には、レンズL3から出力される光の一部を反射し、残りを通過させるビームスプリッタBSと、ビームスプリッタBSで反射した光を受光するモニタ用のフォトダイオードPDが配置される。フォトダイオードPDは、光導波路素子SHGを通過した基本波(例えば、赤外光)のみを検出してもよく、光導波路素子SHGから発生する第2高調波(例えば、グリーン光)のみを検出してもよく、あるいは基本波および第2高調波の両方を検出してもよい。
図1に示したレーザモジュールにおいて、アクチュエータM2は、レンズL2を3次元方向、即ち、x方向、y方向およびz方向に位置制御する機能を有し、これによりレンズL1,L2を含む集光光学系によるスポット位置を、3次元方向、即ち、x方向、y方向およびz方向に位置決めすることができる。
図2は、本発明に係るレーザモジュールの他の例を示す構成図である。このレーザモジュールは、図1に示したレーザモジュールと同様な素子構成を有するが、レンズL1を位置決めするアクチュエータM1を追加している。
レーザ素子LD、レンズL1、レンズL2、光導波路素子SHG、レンズL3、ビームスプリッタBSおよびフォトダイオードPDの機能は、図1のものと同様である。
図2に示したレーザモジュールにおいて、アクチュエータM1は、レンズL1をx方向に位置制御する機能を有し、アクチュエータM2は、レンズL2をy方向およびz方向に位置制御する機能を有する。これによりレンズL1,L2を含む集光光学系によるスポット位置を、3次元方向、即ち、x方向、y方向およびz方向に位置決めすることができる。
図3は、本発明に係るレーザモジュールのさらに他の例を示す構成図である。このレーザモジュールは、図1に示したレーザモジュールと同様な素子構成を有するが、レンズL1を位置決めするアクチュエータM1を追加している。
レーザ素子LD、レンズL1、レンズL2、光導波路素子SHG、レンズL3、ビームスプリッタBSおよびフォトダイオードPDの機能は、図1のものと同様である。
図3に示したレーザモジュールにおいて、アクチュエータM1は、レンズL1をy方向に位置制御する機能を有し、アクチュエータM2は、レンズL2をx方向およびz方向に位置制御する機能を有する。これによりレンズL1,L2を含む集光光学系によるスポット位置を、3次元方向、即ち、x方向、y方向およびz方向に位置決めすることができる。
図4(a)は、3軸制御アクチュエータの一例を示す構成図であり、図4(b)は、2軸制御アクチュエータの一例を示す構成図である。図4(a)に示す3軸制御アクチュエータは、例えば、特開2002−95272号公報で示されるようなスムーズインパクト駆動機構(SIDM:Smooth Impact Drive Mechanism)でそれぞれ構成された、x軸移動体CX、y軸移動体CYおよびz軸移動体CZを備える。
SIDMは、ある程度質量を持つ移動体と、この移動体を摩擦で保持するためのロッドと、ロッドと固定部材(ベース)との間に介在した圧電素子などで構成される。その動作は、圧電素子の伸縮運動によりロッドが長手方向に変位するとともに、鋸歯状駆動により順方向速度と逆方向速度を変えることによって、移動体が慣性で静止するか、あるいはロッドに追従するかを選択して、移動体を累積的に変位させることができる。
z軸移動体CZは、z方向に延びるロッドに保持される。このz方向ロッドは、z方向駆動用の圧電素子を介してブラケットBRによって支持される。ブラケットBRは、モジュール筐体(不図示)に取り付けられる。
y軸移動体CYは、y方向に延びるロッドに保持される。このy方向ロッドは、y方向駆動用の圧電素子を介してz軸移動体CZに取り付けられる。
x軸移動体CXは、x方向に延びるロッドに保持される。このx方向ロッドは、x方向駆動用の圧電素子を介してy軸移動体CYに取り付けられる。x軸移動体CXには、レンズLSを保持するレンズホルダLHが取り付けられる。
図4(b)に示す2軸制御アクチュエータは、図4(a)に示す3軸制御アクチュエータからx軸制御系を省いたものである。即ち、y軸移動体CYには、レンズLSを保持するレンズホルダLHが取り付けられる。
従来のレーザモジュールでは、通常、集光光学系によるスポット位置を2次元方向、即ち、x方向およびy方向の位置調整だけであり、z方向(光軸方向)の位置調整は具備していない。そのため、集光光学系によるスポットが偶発的にほぼ合焦状態であって、光導波路素子SHGの入射端面におけるスポット径が極めて小さい場合、スポットと導波路との位置合わせが著しく困難であった。
本発明に係るレーザモジュールでは、集光光学系によるスポット位置をx方向およびy方向だけでなく、z方向(光軸方向)の位置調整も可能である。例えば、入射端面におけるスポット径が極めて小さい場合は、光軸方向(z方向)の調整により、集光光学系によるスポットを一時的にデフォーカス状態とし、入射端面におけるスポット径を比較的大きくした状態で、光軸方向に対して垂直な面内(x方向およびy方向)での調芯を行うことによって、スポットと導波路との位置合わせが極めて容易になる。そして、調芯完了後、光軸方向(z方向)の合焦制御を行うことによって、スポットの3次元位置決めを容易かつ短時間に達成することができる。
特に、高調波発生素子では、波長変換効率を高めるために、導波路に入射するレーザ光のパワー密度はできる限り高いことが好ましい。本発明に係るレーザモジュールでは、光軸方向の位置調整も可能であることから、スポットの合焦を精度よく調整できるため、波長変換効率を著しく改善することができる。
さらに、集光光学系の3次元調整が可能であるため、レーザモジュール組立時の部品取り付け精度が緩和され、組立装置の簡略化、組立時間の短縮化につながり、レーザモジュールのコストダウンが図られる。
図5(a)〜(c)は、導波路に入射するパワー変化を、スポットのx軸位置、y軸位置およびz軸位置に関してそれぞれ示したグラフである。光軸に垂直な面内、即ち、x軸およびy軸に関するパワー変化は、レーザスポットのプロファイルに対応しており、典型的には1つのピークを有するガウス分布を示す。また、z軸に関するパワー変化は、スポットの光軸方向のビームウエスト形状に対応しており、典型的には1つのピークを有するガウス分布を示す。
従って、x軸、y軸およびz軸に関してレーザパワーのピーク位置に調整すれば、3次元におけるピーク位置に位置決めできることを示している。レーザパワーがある判定値以上の領域において、ピーク位置への位置決めは、微調整制御(例えば、ウォブリング・モード(wobbling mode))で行われる。
ここで、x軸およびy軸の自動調芯制御について説明する。x軸アクチュエータおよびy軸アクチュエータによりレンズ位置が変化すると、それに対応して導波路とレーザ光の結合状態が変化し、光導波路素子SHGから出力されるグリーン光のパワーが変化する。グリーン光のパワーはフォトダイオードPDにより検出され、その信号は、電流電圧変換回路を経て、ローパスフィルタ(LPF)により信号処理された後、A/D変換器を介してマイクロコンピュータに入力される。自動調芯コントローラは、グリーン光パワーの検出値に基づき、x軸アクチュエータおよびy軸アクチュエータの移動量を決定し、各軸アクチュエータの駆動制御を行う。各軸アクチュエータの駆動信号は、各軸に関するPWM(パルス幅変調)により生成され、パワーアンプを介して各軸の圧電素子に入力される。
図6(a)と図6(b)は、光導波路素子SHGの入射端面(xy面)におけるレーザスポット形状を示す。レーザ素子LDが、基本モードのガウス分布を持つビームを発生する場合、レーザスポット径はフォーカス状態により決定される。即ち、z軸調整によってスポットが合焦状態になると、レーザスポット径は最小になる。また、スポットがデフォーカス状態になると、レーザスポット径は大きくなる。
一方、レーザスポットのパワーピークは、フォーカス状態つまりレーザスポット径によらず、レーザスポットの中心部に存在する。即ち、スポットのフォーカス状態によらず、x軸、y軸を微調整制御することにより、スポット中心(ピーク位置)と光導波路素子SHGの導波路との調芯が可能になる。
ここで、初期のスポット径をAとする。z軸調整により、スポットが合焦方向に移動すると、図6(b)に示すCのように、スポット径が小さくなる。z軸調整により、スポットがデフォーカス方向に移動すると、図6(b)に示すDのように、スポット径が大きくなる。このとき、レーザパワーが大きくなる方向は、光導波路素子SHGの導波路中心を示す位置Tに依存する。つまり、Cでレーザパワーが大きくなる場合もあれば、Dでレーザパワーが大きくなる場合もある。
このことは、最初に、x軸制御とy軸制御によりxy平面内のピークに位置決めし、第2に、z軸制御によりz軸方向のピークに位置決めする必要があることを示している。
図7は、本発明に係るレーザモジュールの光軸調整方法の一例を示す説明図である。最初に、光導波路素子SHGの光出力側に配置したフォトダイオードPDを用いて、導波路から出射される光の強度を計測する。この出射光の強度が所定の判定値より大きい場合、図7(a)に示すように、導波路がスポットの範囲内に存在していると推測できる。
そこで、アクチュエータM1,M2を含むアクチュエータ機構を用いて、x軸とy軸の微調整制御(例えば、ウォブリング・モード)により、集光光学系によるスポット位置をx方向およびy方向に調整して、フォトダイオードPDの出力が最大となるように、スポット中心と導波路の調芯を行う(図7(b))。
次に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置をz方向に調整して、フォトダイオードPDの出力が最大となるように、スポットを合焦状態にする(図7(c))。
こうして導波路に対するスポットの3次元位置決めを容易かつ短時間に達成することができる。
図8は、本発明に係るレーザモジュールの光軸調整方法の他の例を示す説明図である。上述と同様に、最初に、光導波路素子SHGの光出力側に配置したフォトダイオードPDを用いて、導波路から出射される光の強度を計測する。この出射光の強度が所定の判定値以下である場合、図8(a)に示すように、スポットが偶発的にほぼ合焦状態になっていて、導波路がスポットの範囲内に存在していないと推測できる。この状態では、スポット径が極めて小さく、スポットと導波路との位置合わせが著しく困難である。
そこで、アクチュエータM1,M2を含むアクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置をz方向に調整して、入射端面におけるスポット径が拡大するように、スポットをデフォーカス状態にする。すると、導波路がスポットの範囲内に存在するようになり、図7(a)と同様な状態に設定できる(図8(b))。
次に、図7(b)と同様に、アクチュエータ機構を用いて、x軸とy軸の微調整制御(例えば、ウォブリング・モード)により、集光光学系によるスポット位置をx方向およびy方向に調整して、フォトダイオードPDの出力が最大となるように、スポット中心と導波路の調芯を行う(図8(c))。
次に、図7(c)と同様に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置をz方向に調整して、フォトダイオードPDの出力が最大となるように、スポットを合焦状態にする(図8(d))。
こうして導波路に対するスポットの3次元位置決めを容易かつ短時間に達成することができる。
図9は、本発明に係るレーザモジュールの光軸調整方法のさらに他の例を示す説明図である。上述と同様に、最初に、光導波路素子SHGの光出力側に配置したフォトダイオードPDを用いて、導波路から出射される光の強度を計測する。この出射光の強度が所定の判定値以下である場合、図9(a)に示すように、スポットが偶発的にほぼ合焦状態になっていて、導波路がスポットの範囲内に存在していないと推測できる。この状態では、スポット径が極めて小さく、スポットと導波路との位置合わせが著しく困難である。
そこで、図8(b)と同様に、アクチュエータM1,M2を含むアクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置をz方向に調整して、入射端面におけるスポット径が拡大するように、スポットをデフォーカス状態にする。
ところが、z軸調整の限界までスポット径を拡大させても、導波路がスポット範囲内に入らない場合があり、このとき出射光の強度は所定の判定値以下のままである。
この場合、拡大したスポットを用いた粗調整制御(例えば、スキャン・モード(scan mode))に移行する。即ち、図9(c)に示すように、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置をx方向およびy方向に走査して、導波路からの出射光の強度が所定の判定値より大きくなる位置を探索する。すると、導波路がスポットの範囲内に入るようになり、図7(a)と同様な状態に設定できる(図9(d))。
ここで、xy走査時のデフォーカス量は、z軸調整の上限または下限から所定量移動した位置と定めることができ、アクチュエータ機構の制御装置のメモリに記憶される。SIDMなどの圧電アクチュエータでは、この所定移動量は駆動パルス数に換算できる。
次に、図7(b)と同様に、アクチュエータ機構を用いて、x軸とy軸の微調整制御(例えば、ウォブリング・モード)により、集光光学系によるスポット位置をx方向およびy方向に調整して、フォトダイオードPDの出力が最大となるように、スポット中心と導波路の調芯を行う(図9(e))。
次に、図7(c)と同様に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置をz方向に調整して、フォトダイオードPDの出力が最大となるように、スポットを合焦状態にする(図9(f))。
こうして導波路に対するスポットの3次元位置決めを容易かつ短時間に達成することができる。
図10は、スポットの合焦状態およびデフォーカス状態のパワー分布を示すグラフである。レーザスポットのパワー分布は、いずれもガウス分布を示しているが、スポットがデフォーカス状態(破線)にある場合、合焦状態(実線)と比べて、ピークが低くなり、判定値THと交差する半径が大きくなることが判る。
ここで、図8に示した光軸調整方法について説明する。なお、理解容易のため、スポットを基準(固定)として、導波路が相対的に変位するように説明する。
例えば、図8(a)に示すように、スポットが合焦状態である場合、調芯ずれ量と導波路からの出射光の強度の関係は点P1に相当し、判定値THを下回ることになる。
従来の2軸制御では、この状態で粗調整制御(例えば、スキャン・モード)に移行する。しかしながら、この状態ではスポット径が極めて小さいため、スポットと導波路との位置合わせが著しく困難である。
これに対して本発明の3軸制御を適用すると、図8(b)に示すように、アクチュエータ機構を用いてスポット位置をz方向に調整して、スポット径が拡大するように、スポットをデフォーカス状態にする。このとき点P1から点P2に移って、判定値THを上回るようになる。その結果、x軸とy軸の微調整制御(例えば、ウォブリング・モード)に移行できる。
次に、アクチュエータ機構を用いてスポット位置をx方向およびy方向に調整して、出射光の強度が最大となるように、スポット中心と導波路の調芯を行う(図8(c))。このとき図10において点P2から点P3に移る。
次に、アクチュエータ機構を用いてスポット位置をz方向に調整して、出射光の強度が最大となるように、スポットを合焦状態にする(図8(d))。このとき図10において点P3から点P4に移る。
こうして本発明に係る光軸調整方法によれば、x軸制御およびy軸制御による調芯だけでなく、z軸制御によるデフォーカスまたは合焦調整を採用することによって、導波路に対するスポットの3次元位置決めを容易かつ短時間に達成することができる。
本発明は、微小な導波路との光軸調整を容易かつ短時間に実施できる点で、産業上極めて有用である。
本発明に係るレーザモジュールの一例を示す構成図である。 本発明に係るレーザモジュールの他の例を示す構成図である。 本発明に係るレーザモジュールのさらに他の例を示す構成図である。 図4(a)は、3軸制御アクチュエータの一例を示す構成図であり、図4(b)は、2軸制御アクチュエータの一例を示す構成図である。 導波路に入射するパワー変化を、スポットのx軸位置、y軸位置およびz軸位置に関してそれぞれ示したグラフである。 光導波路素子SHGの入射端面(xy面)におけるレーザスポット形状を示す。 本発明に係るレーザモジュールの光軸調整方法の一例を示す説明図である。 本発明に係るレーザモジュールの光軸調整方法の他の例を示す説明図である。 本発明に係るレーザモジュールの光軸調整方法のさらに他の例を示す説明図である。 スポットの合焦状態およびデフォーカス状態のパワー分布を示すグラフである。
符号の説明
LD レーザ素子
L1〜L3 レンズ
SHG 光導波路素子
BS ビームスプリッタ
PD フォトダイオード
M1,M2 アクチュエータ
BR ブラケット
CX x軸移動体
CY y軸移動体
CZ z軸移動体
LS レンズ
LH レンズホルダ

Claims (2)

  1. レーザ素子と、
    導波路を有する高調波発生用の光導波路素子と、
    レーザ素子からの光を集めて、光導波路素子の導波路に入射させる集光光学系と、
    該集光光学系によるスポット位置を、3次元方向に位置決めするためのアクチュエータ機構とを備え、
    アクチュエータ機構は、3軸制御のスムーズインパクト駆動機構で構成されたレーザモジュールの光軸調整方法であって、
    光導波路素子の光出力側に受光素子を配置し、導波路から出射される基本波及び/又は第2高調波の光の強度を計測する計測ステップと、
    導波路が該集光光学系で集光されるスポットの範囲内に存在しておらず、該受光素子で計測される出射光の強度が所定の判定値以下である場合、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系による導波路入射端面におけるスポット径を拡大し、スポット位置を光軸方向に調整するデフォーカスステップと、
    次に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置を鉛直方向および水平方向に調整する調芯ステップと、
    次に、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置を光軸方向に調整する合焦ステップと、を含むことを特徴とするレーザモジュールの光軸調整方法。
  2. 前記デフォーカスステップの後、導波路が該集光光学系で集光されるスポットの範囲内に存在しておらず、該受光素子で計測される出射光の強度が所定の判定値以下である場合、アクチュエータ機構を用いて、集光光学系によるスポット位置を鉛直方向および水平方向に走査し、導波路が該集光光学系で集光されるスポットの範囲内に存在しておらず、該受光素子で計測される出射光の強度が所定の判定値より大きくなる位置を探索する走査ステップをさらに含むことを特徴とする請求項記載のレーザモジュールの光軸調整方法。
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