特許 7433957 レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-09

(45)【発行日】2024-02-20

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20210101AFI20240213BHJP

   H01S 5/0683 20060101ALI20240213BHJP

【ＦＩ】

H01S5/022

H01S5/0683

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020021882

(22)【出願日】2020-02-12

(65)【公開番号】P2021128991

(43)【公開日】2021-09-02

【審査請求日】2022-12-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】礒部 結希

(72)【発明者】

【氏名】清田 和明

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０９４８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４０３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９５５１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

利得部と、
第一反射部と、
前記利得部に対して前記第一反射部とは反対側に設けられた第二反射部と、
前記第一反射部に対して前記利得部とは反対側に設けられ前記第一反射部からのレーザ光を第一光と第二光とに分配する分配器と、
前記分配器に対して第一方向に離れて位置されるとともに前記分配器に対して前記第一反射部とは反対側に位置され前記第一光または増幅された前記第一光を出射光として出力する第一端部と、
前記分配器に対して前記第一方向とは異なる第二方向に当該分配器から離れて位置され前記第二光を検出光として出力する第二端部と、
を備え、
前記分配器において、前記第一反射部からのレーザ光に対する前記第一光の出力比率は８０％以上であり、
前記分配器と前記第二端部との間に前記第二光を増幅することなく伝播する導波路のみが介在した、レーザ装置。

【請求項2】

前記導波路は、湾曲部を有した、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記湾曲部において、前記第二光の進行方向が略１８０°変化する、請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記第一端部および前記第二端部は、前記レーザ装置の長手方向の一端と他端とにそれぞれ位置された、請求項１～３のうちいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記第二反射部は、リング共振器フィルタである、請求項１～４のうちいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記第二反射部は、ミラーである、請求項１～４のうちいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記ミラーは、ＤＢＲ型である、請求項６に記載のレーザ装置。

【請求項8】

前記第一反射部と前記第一端部との間に光増幅器を備えた、請求項１～７のうちいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項9】

前記光増幅器は、前記分配器と前記第一端部との間に位置された、請求項８に記載のレーザ装置。

【請求項10】

前記光増幅器は、前記第一反射部と前記分配器との間に位置された、請求項８に記載のレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、第一反射部、第二反射部、および第一反射部と第二反射部との間の利得部を備え、第一反射部に対して第二反射部および利得部とは反対側の出射端（前端）からレーザ光を出射するレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１）。

【0003】

この種のレーザ装置では、第二反射部に対して出力端とは反対側の端部（後端）を透過して出力される後方出力光を、例えば波長計やパワーメータのような測定機器でモニタリングすることが、行われている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－１４０３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来のレーザ装置では、当該レーザ装置の出力光のパワーを高めるために第二反射部の反射率を高くすると、後方出力光のパワーが低くなり、波長などの特性を検出し難くなるという課題があった。

【0006】

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、レーザ光の波長などの特性をより検出しやすいレーザ装置を得ること、にある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のレーザ装置は、例えば、利得部と、第一反射部と、前記利得部に対して前記第一反射部とは反対側に設けられた第二反射部と、前記第一反射部に対して前記利得部とは反対側に設けられ前記第一反射部からのレーザ光を第一光と第二光とに分配する分配器と、前記分配器に対して第一方向に離れて位置され前記第一光を出射光として出力する第一端部と、前記分配器に対して前記第一方向とは異なる第二方向に当該分配器から離れて位置され前記第二光を出力する第二端部と、を備える。

【0008】

また、前記レーザ装置は、例えば、湾曲部を有し前記分配器と前記第二端部との間を繋ぐ導波路を備える。

【0009】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記湾曲部において、前記第二光の進行方向が略１８０°変化する。

【0010】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記第一端部および前記第二端部は、前記レーザ装置の長手方向の一端と他端とにそれぞれ位置される。

【0011】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記第二反射部は、リング共振器フィルタである。

【0012】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記第二反射部は、ミラーである。

【0013】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記ミラーは、ＤＢＲ型である。

【0014】

また、前記レーザ装置は、例えば、前記第一反射部と前記第一端部との間に光増幅器を備える。

【0015】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記光増幅器は、前記分配器と前記第一端部との間に位置される。

【0016】

また、前記レーザ装置では、例えば、前記光増幅器は、前記第一反射部と前記分配器との間に位置される。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、例えば、レーザ光の波長などの特性をより検出しやすいレーザ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、実施形態のレーザ装置の例示的かつ模式的な平面図である。

【図2】図２は、第１変形例のレーザ装置の例示的かつ模式的な平面図である。

【図3】図３は、第２変形例のレーザ装置の例示的かつ模式的な平面図である。

【図4】図４は、第３変形例のレーザ装置の例示的かつ模式的な平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

【0020】

以下に示される実施形態および変形例は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態および変形例の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。

【0021】

本明細書において、序数は、部品や部位等を区別するために便宜上付与されており、優先順位や順番を示すものではない。

【0022】

また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表す。Ｘ方向およびＹ方向は、互いに交差するとともに互いに直交している。なお、Ｘ方向は、長手方向や、縦方向と称され、Ｙ方向は、短手方向や、幅方向、横方向と称されうる。

【0023】

［実施形態］
［レーザ装置の構成］
まずは、実施形態のレーザ装置１０Ａの構成について説明する。図１は、レーザ装置１０Ａの平面図である。図１に示されるように、レーザ装置１０Ａは、第一ＤＢＲ部１１と、リング共振器フィルタ１２Ａと、利得部１３と、光増幅器１４と、分配器１５と、を備えている。レーザ装置１０Ａは、半導体レーザ素子であり、波長可変レーザ素子である。レーザ装置１０Ａは、半導体積層基板２０に設けられている。半導体積層基板２０は、半導体基板上に複数の半導体層を積層して、導波路などの所定の機能を持つように構成されている。

【0024】

第一ＤＢＲ部１１、リング共振器フィルタ１２Ａ、利得部１３、光増幅器１４、および分配器１５は、いずれもＩｎＰ系半導体材料で作られている。

【0025】

第一ＤＢＲ部１１は、分布型ブラッグ反射型のサンプルドグレーティング（ＳＧ－ＤＢＲ）の構成を含む導波路（不図示）を有している。第一ＤＢＲ部１１は、第一反射部の一例であり、ミラーの一例でもある。

【0026】

リング共振器フィルタ１２Ａは、リング状の形状を有したリング状導波路１２ａと、当該リング状導波路１２ａにレーザ光を入出力する二つの光カプラ導波路１２ｂ１，１２ｂ２と、を有している。光カプラ導波路１２ｂ１，１２ｂ２は、リング状導波路１２ａを挟んだ反対側で、それぞれ、リング状導波路１２ａと光学結合されている。光カプラ導波路１２ｂ１，１２ｂ２は、リング状導波路１２ａから第一ＤＢＲ部１１に向けて離れた位置で利得部１３と繋がる一つの導波路１２ｃから分岐されている線分状のアーム部と、リング状導波路１２ａに光を入出力する接続部と、を有している。接続部は、例えば、多モード干渉導波路型や、方向性結合器である。光カプラ導波路１２ｂ１，１２ｂ２としては、例えば、多モード干渉導波路型や方向性結合器を用いることができる。このような構成を有したリング共振器フィルタ１２Ａは、導波路１２ｃから入力された光の波長に対して反射特性が周期的に変化するミラーとして機能する。リング共振器フィルタ１２Ａは、第二反射部の一例である。

【0027】

利得部１３は、活性層で作られた導波路（不図示）を有している。

【0028】

また、光増幅器１４は、活性層で作られた導波路（不図示）を有している。

【0029】

上記の構成において、活性層は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。受動型の導波路は、例えば、バンドギャップ波長が１３００ｎｍのｉ型ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料で作られる。ＳＧ－ＤＢＲ構成の導波路は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料によって作られ、屈折率が互いに異なる部分が、回折格子が形成されるように周期的に配置されている。

【0030】

第一ＤＢＲ部１１、およびリング共振器フィルタ１２Ａには、それぞれマイクロヒータ（不図示）が設けられている。マイクロヒータは、所謂抵抗発熱体であり、電流の供給に応じて発熱する。マイクロヒータには、電流を供給するための電極や導体層のような配線構造が設けられている。

【0031】

第一ＤＢＲ部１１とリング共振器フィルタ１２Ａとは、レーザ共振器を構成している。第一ＤＢＲ部１１は、回折格子の周期の逆数に応じて周期的な周波数間隔のコム状の反射ピークを有する。第一ＤＢＲ部１１とリング共振器フィルタ１２Ａとでは、その周期が異なり、バーニア型と呼ばれる方法によってレーザ光の周波数の粗調が可能な構成となっている。マイクロヒータが第一ＤＢＲ部１１を加熱することにより、当該第一ＤＢＲ部１１の屈折率が変化し、これにより、コム状の反射ピークが周波数軸方向にシフトする。同様に、マイクロヒータがリング共振器フィルタ１２Ａを加熱することにより、当該リング共振器フィルタ１２Ａの屈折率が変化し、コム状の反射ピークが周波数軸方向にシフトする。

【0032】

利得部１３は、第一ＤＢＲ部１１とリング共振器フィルタ１２Ａとの間に位置されている。言い換えると、リング共振器フィルタ１２Ａは、利得部１３に対して第一ＤＢＲ部１１とは反対側に設けられている。利得部１３には、互いに離間した一対の電極（不図示）が設けられている。一対の電極に電圧を印加することにより、利得部１３に電流が流れ、光増幅効果が得られる。これにより、レーザ発振が生じる。

【0033】

分配器１５は、第一ＤＢＲ部１１に対して利得部１３およびリング共振器フィルタ１２Ａとは反対側に位置されている。分配器１５は、第一ＤＢＲ部１１から導波路２０ａを伝播したレーザ光を光増幅器１４へ向かう第一光と当該第一光とは別の第二光とに分ける。第一光は、導波路２０ｂ１を介して光増幅器１４へ向かい、第二光は、導波路２０ｂ２を介して端部１０ｂに向かう。

【0034】

光増幅器１４は、第一ＤＢＲ部１１に対して利得部１３およびリング共振器フィルタ１２Ａとは反対側に位置されるとともに、第一ＤＢＲ部１１とレーザ光の出射端としての端部１０ａとの間に位置されている。光増幅器１４には、分配器１５から導波路２０ｂ１を介して第一光が入力される。光増幅器１４に電極（不図示）を介して電圧を印加することにより、光増幅器１４に電流が流れ、光増幅効果が得られる。光増幅器１４は、レーザ発振により第一ＤＢＲ部１１から出力されたレーザ光、本実施形態では分配器１５からの第一光を、光増幅する。

【0035】

レーザ装置１０Ａは、端部１０ａから光増幅器１４で増幅されたレーザ光、すなわち光増幅器１４で増幅された第一光を出力する。端部１０ａから出射されるレーザ光は、レーザ装置１０Ａの出射光である。端部１０ａは、第一端部の一例であり、出射端や前端とも称されうる。

【0036】

分配器１５で分配された第二光の導波路２０ｂ２は、湾曲部２０ｂ２１を有している。湾曲部２０ｂ２１は、Ｕ字状の形状を有している。よって、湾曲部２０ｂ２１において第二光の進行方向は、１８０°変化する。

【0037】

分配器１５における入力光に対する第一光の出力比率は、好適には、８０％以上でありかつ９９％以下であり、さらに好適には、９５％以上である。

【0038】

第二光は、導波路２０ｂ２の分配器１５とは反対側の端部１０ｂから出力される。端部１０ｂは、第二端部の一例である。

【0039】

図１に示されるように、端部１０ａは、分配器１５からＸ方向に離れて位置されている。また、端部１０ｂは、分配器１５からＸ方向とは異なるＤ１方向に離れて位置されている。また、端部１０ａは、レーザ装置１０Ａ（半導体積層基板２０）のＸ方向の端部に位置され、端部１０ｂは、レーザ装置１０Ａ（半導体積層基板２０）のＸ方向の反対方向の端部に位置されている。Ｘ方向は、第一方向の一例であり、Ｄ１方向は、第二方向の一例である。

【0040】

以上、説明したように、本実施形態では、分配器１５は、第一ＤＢＲ部１１（第一反射部）からのレーザ光を第一光と第二光とに分配する。端部１０ａ（第一端部）は、光増幅器１４によって増幅された第一光をレーザ装置１０Ａの出射光として出力する。端部１０ｂ（第二端部）は、第二光を出力する。

【0041】

すなわち、上記構成により、分配器１５によって分配された第二光を、検査に用いることができる。このような構成によれば、例えば、従来構成のように第二反射部で反射せずに透過した光、すなわち漏れた光を検査に用いる場合に比べて、より確実なレーザ光の出力を検査に用いることができ、ひいては、より確実なあるいはより精度の良い検査結果を得ることができる。

【0042】

また、本実施形態では、端部１０ａは、分配器１５からＸ方向（第一方向）に離れて位置されるとともに、分配器１５に対して第一ＤＢＲ部１１とは反対側に位置されている。また、端部１０ｂは、分配器１５からＸ方向とは異なるＤ１方向（第二方向）に離れて位置されている。

【0043】

分配器１５において導波路２０ｂ１，２０ｂ２と光学的に結合されなかった光は、半導体積層基板２０において導波路を囲む半導体層を進行する迷光となるが、当該迷光は、第一ＤＢＲ部１１から分配器１５への光の入力方向、すなわちＸ方向に進みやすい。このため、仮に、端部１０ｂが分配器１５に対してＸ方向に離れて位置されていたとすると、当該端部１０ｂからの出力光には、迷光が混入しやすくなり、検出精度に影響を及ぼす虞がある。当該端部１０ｂからの出力光は、通常、端部１０ａからの出力光よりもかなり弱いので、迷光の影響をより大きく受けることになる。この点、本実施形態では、端部１０ａが分配器１５に対して第一ＤＢＲ部１１とは反対側に位置されるとともに、当該端部１０ａが分配器１５に対して存在する方向（Ｘ方向、第一方向）と、端部１０ｂが分配器１５に対して存在する方向（Ｄ１方向、第二方向）とが互いに異なっている。よって、端部１０ｂから出力される第二光（検出光）に迷光が混入するのを抑制することができ、ひいては、検査精度をより向上することができる。

【0044】

また、本実施形態では、レーザ装置１０Ａは、湾曲部２０ｂ２１を有し分配器１５と端部１０ｂとを繋ぐ導波路２０ｂ２を備えている。また、本実施形態では、湾曲部２０ｂ２１において、第二光の進行方向は約１８０°変化する。さらに、本実施形態では、端部１０ａおよび端部１０ｂは、レーザ装置１０Ａの長手方向（Ｘ方向）の一端と他端とにそれぞれ位置されている。

【0045】

これら各構成によれば、端部１０ｂに迷光が混入し難い構造を、実現することができる。

【0046】

また、本実施形態では、リング共振器フィルタ１２Ａ（ミラー）が、第二反射部の一例である。

【0047】

上記効果が得られる構成は、第二反射部としてリング共振器フィルタ１２Ａを備えたレーザ装置１０Ａに適用することができる。

【0048】

また、本実施形態では、光増幅器１４は、第一ＤＢＲ部１１と端部１０ａとの間に位置されている。

【0049】

上記効果が得られる構成は、第一ＤＢＲ部１１と端部１０ａとの間に光増幅器１４を備えたレーザ装置１０Ａに適用することができる。

【0050】

また、本実施形態では、光増幅器１４は、分配器１５と端部１０ａとの間に位置されている。

【0051】

上記効果が得られる構成は、分配器１５と端部１０ａとの間に光増幅器１４を備えたレーザ装置１０Ａに適用することができる。

【0052】

［第１変形例］
図２は、第１変形例のレーザ装置１０Ｂの平面図である。本変形例のレーザ装置１０Ｂは、光増幅器１４と分配器１５との位置が逆になっている点を除き、実施形態のレーザ装置１０Ａと同様の構成を備えている。すなわち、本変形例では、光増幅器１４は、第一ＤＢＲ部１１と分配器１５との間に位置されている。

【0053】

このような構成によっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

【0054】

［第２変形例］
図３は、第２変形例のレーザ装置１０Ｃの平面図である。本変形例のレーザ装置１０Ｃは、光増幅器１４を備えていない点を除き、実施形態のレーザ装置１０Ａと同様の構成を備えている。

【0055】

このような構成によっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

【0056】

［第３変形例］
図４は、第３変形例のレーザ装置１０Ｄの平面図である。本変形例のレーザ装置１０Ｄは、（１）第二反射部としてリング共振器フィルタ１２Ａに替えて第二ＤＢＲ部１２Ｂを備えている点、（２）位相調整部１６を備えている点、および（３）第二端部としての端部１０ｃの位置が端部１０ｂの位置とは異なる点を除き、実施形態のレーザ装置１０Ａと同様の構成を備えている。

【0057】

第二ＤＢＲ部１２Ｂは、第一ＤＢＲ部１１と同様に、ＳＧ－ＤＢＲの構成を含む導波路（不図示）を有している。第二ＤＢＲ部１２Ｂは、第二反射部の一例であり、ミラーの一例である。

【0058】

位相調整部１６は、第一ＤＢＲ部１１と第二ＤＢＲ部１２Ｂとの間に位置されている。位相調整部１６は、本実施形態では、利得部１３と第二ＤＢＲ部１２Ｂとの間に位置されている。ただし、位相調整部１６は、利得部１３と第一ＤＢＲ部１１との間に位置されてもよい。

【0059】

位相調整部１６は、受動型の導波路（不図示）を有している。

【0060】

また、位相調整部１６にも、マイクロヒータ（不図示）が設けられている。マイクロヒータは、所謂抵抗発熱体であり、電流の供給に応じて発熱する。マイクロヒータには、電流を供給するための電極や導体層のような配線構造が設けられている。

【0061】

マイクロヒータが位相調整部１６を加熱することにより、当該位相調整部１６の屈折率が変化し、これにより、レーザ共振器の光学長を調整することができる。レーザ共振器の光学長を調整することにより、共振器モード（キャビティモード）の周波数を微調整しながら周波数軸方向にシフトすることができる。共振器モードの微調整によって、レーザ発振における共振器モードの選択が可能になるとともに、僅かな範囲での周波数の変化が可能となる。なお、このような位相調整部１６は、上記実施形態や、第１変形例、第２変形例にも適用することができる。

【0062】

端部１０ｃは、レーザ装置１０Ｄ（半導体積層基板２０）のＹ方向（短手方向、幅方向）の端部に位置されている。導波路２０ｂ２の湾曲部２０ｂ２１において、第二光の進行方向は、略９０°変化する。また、本変形例では、端部１０ｃは、分配器１５からＸ方向とは異なるＤ２方向（第二方向）に離れて位置されている。

【0063】

以上、説明したように、本実施形態では、第二ＤＢＲ部１２Ｂ（ＤＢＲ型ミラー、ミラー）が、第二反射部の一例である。

【0064】

このような構成によっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。また、本変形例によれば、例えば、装置構成をより簡素化することが可能となるという利点も得られる。

【0065】

なお、図４の構成において、第二ＤＢＲ部１２Ｂに替えて、リング共振器フィルタ１２Ａが設けられてもよいし、図１～３のいずれかの構成において、リング共振器フィルタ１２Ａに替えて第二ＤＢＲ部１２Ｂが設けられてもよい。

【0066】

以上、本発明の実施形態および変形例が例示されたが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

【符号の説明】

【0067】

１０Ａ～１０Ｄ…レーザ装置
１０ａ…端部（第一端部）
１０ｂ…端部（第二端部）
１０ｃ…端部（第二端部）
１１…第一ＤＢＲ部（第一反射部）
１２Ａ…リング共振器フィルタ（第二反射部）
１２Ｂ…第二ＤＢＲ部（第二反射部、ＤＢＲ型ミラー、ミラー）
１２ａ…リング状導波路
１２ｂ１，１２ｂ２…光カプラ導波路
１２ｃ…導波路
１３…利得部
１４…光増幅器
１５…分配器
１６…位相調整部
２０…半導体積層基板
２０ａ…導波路
２０ｂ１…導波路
２０ｂ２…導波路
２０ｂ２１…湾曲部
Ｘ…方向（第一方向、長手方向）
Ｙ…方向（短手方向）
Ｄ１…方向（第二方向）
Ｄ２…方向（第二方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】