(57)【要約】【課題】本発明は、回折部品を用いてビームの一部を分離し、モニタ用ビームを形成し、モニタ用ビームのパワーを検出する、垂直共振器面発光レーザのための回折性パワーモニタを提供するものである。【解決手段】本発明に係るパワーモニタは、発光デバイスからの光ビームが入射される第１の表面、およびこれに対向する第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面上に配設された第１の光学部品であって、発光デバイスから入射された光ビームの一部を分離するとともに、別の一部を集光する第１の光学部品と、分離された光ビームの一部を受光して、発光デバイスからの光ビームの強度をモニタする検出部とを備えたことを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイスからの光ビームが入射される第１の表面、およびこれに対向する第２の表面を有する基板と、
基板の第１の表面上に配設された第１の光学部品であって、発光デバイスから入射された光ビームの一部を分離するとともに、別の一部を集光する第１の光学部品と、
分離された光ビームの一部を受光して、発光デバイスからの光ビームの強度をモニタする検出部とを備えたことを特徴とするパワーモニタ。
【請求項２】
第１の光学部品は、分離する光ビームの一部を反射して、検出部上に焦点を合わせることを特徴とする請求項１に記載のパワーモニタ。
【請求項３】
集光した光ビームの一部をさらに集光またはコリメートする、基板の第２の表面上に配設された第２の光学部品を有することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモニタ。
【請求項４】
分離された光ビームの一部を第１の表面に向かって反射する、基板の第２の表面上に配設された金属パッチを有することを特徴とする請求項１に記載のパワーモニタ。
【請求項５】
第１および２の光学部品が基板の第１および２の表面上に集積されていることを特徴とする請求項３のパワーモニタ。
【請求項６】
発光デバイスは、複数の垂直共振器面発光レーザ素子を含む垂直共振器面発光レーザアレイであって、
第１の光学部品および検出部は、少なくとも１つの垂直共振器面発光レーザ素子に対して配設されていることを特徴とする請求項１のパワーモニタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光デバイスのパワーをモニタすることに関し、とりわけ、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を使用する際の回折性パワーモニタに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＶＣＳＥＬなどのような発光デバイスは、一定の出力値で維持するための、パワー制御に関する何らかの手段が必要である。一般に、動作時における発光デバイスの出力値を測定し、この測定値を用いて、発光デバイスに供給するパワーを制御することにより、上述の制御を行う。
【０００３】
発光レーザとして端面発光レーザが用いられた場合、端面発光レーザは２つの出力端面部から光を出力するので、こうした制御は容易である。
【０００４】
これに対して、ＶＣＳＥＬは、通常、１つの表面からのみ光を発する。したがって、ＶＣＳＥＬの所望する用途で用いられる出力と同じ出力を、なんとかしてモニタする必要がある。ＶＣＳＥＬは、端面発光レーザと比べると、はるかに安価で、表面で発光するので、他の光学部品と集積しやすい。これにより、ＶＣＳＥＬを用いることは極めて好ましい。
【０００５】
ＶＣＳＥＬの出力をモニタするために、これまで、出力ビームの一部を分離して、モニタビームとして用いるようにする方法が試みられていた。これらの具体例として、米国特許第５，７５７，８３６号や第５，７７４，４８６号がある。しかし、このようにビームを分離することは、ビームの一部を暗くし、波面や写像、ひいては光の結合（カップリング）に悪影響を与える。さらに、レーザ発振モードが変化した場合など、強度配分が変化すると、モニタされたパワーはＶＣＳＥＬの全体的出力パワーを表示しないように変化する可能性がある。
【０００６】
さらに、ビームを分離するときに、ビーム検出時に必要なパワーレベルを維持するために、ＶＣＳＥＬの出力を増やす必要が生じるかもしれない。これまでのように、ビームを散乱させて、モニタ用ビームを形成する方法は、ビームの方向を変えることを基にしており、モニタ検出器に対して最適の信号を供給していなかった。さらに、これまでのようにビームを散乱させた場合、ビーム全体をモニタすることを保証するものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，７５７，８３６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７７４，４８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、関連技術に関して説明した、１つまたはそれ以上の問題点（不具合や欠点）を克服するためになされたものである。
【０００９】
これら、およびその他の目的は、実使用に即した光ビームに亙って、モニタすることにより実現される。このようなモニタは、回折部品を用いてビームの一部を分離し、モニタ用ビームを形成し、モニタ用ビームのパワーを検出することにより実現することができる。
【００１０】
これら、およびその他の本発明に係る目的は、以下の詳細な説明を見れば容易に理解されるだろう。しかし、詳細な説明および特別の具体例は、本発明の好適な実施形態を示すものであるが、説明のためだけのものである。というのも、当業者がこの詳細な説明を読めば、本発明の精神および範疇に入るさまざまな変更例および変形例が明白となるからである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る垂直共振器面発光レーザのための回折性パワーモニタは、発光デバイスからの光ビームが入射される第１の表面、およびこれに対向する第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面上に配設された第１の光学部品であって、発光デバイスから入射された光ビームの一部を分離するとともに、別の一部を集光する第１の光学部品と、分離された光ビームの一部を受光して、発光デバイスからの光ビームの強度をモニタする検出部とを備えたことを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態の側面図であって、これはモニタ用ビームを形成するための反射回折部品を採用している。
【図２】本発明の別の実施形態の側面図であって、これはモニタ用ビームを形成するための集光伝播回折部品を採用している。
【図３】本発明のパワーモニタを採用したシステムの側面図である。
【図４】本発明の実施形態の側面図であって、発光デバイスを収容する缶容器を用いている。
【図５】本発明の実施形態の側面図であって、発光デバイスを収容する缶容器を用いている。
【図６】発光デバイスのアレイに関連した本発明のパワーモニタの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
特別な応用例における例示的な実施形態を参照しながら、本発明について以下説明するが、本発明はこれに限定して解釈されるべきではない。当業者ならば、ここに開示される内容を見て、本発明の範囲に含まれる別の変形例、用途、および実施形態を実現することができ、他の技術分野においても、本発明は、過度な実験を行うことなく、極めて有用なものである。
【００１４】
図１（Ａ）は、ビーム全体のパワーをモニタするための装置を示す。例えば、ＶＣＳＥＬまたは発光ダイオードのような発光デバイス１０は、所望する用途で用いられるように光ビーム１５を発する。光ビーム１５は、回折部品２０上に照射し、この回折部品２０は、基板３０の第１表面２５上に配置されていることが好ましい。回折部品２０は、好適には、薄い（shallow）回折性の構造体であって、すなわち、２π以下の位相深度（phase depth）を有し、この深度は、発光デバイス１０が有する波長と、回折性部品の所望する効率により決まる。薄い回折性構造体を用いると、１次オーダ、つまりモニタ用ビームとして回折する光の量が少なくなる。択一的には、ステップの高さの幅（width of the step heights）を、互いに異なるように変化させることにより、同一の効果が得られる。
【００１５】
零次オーダ、または回折されないオーダのビームのほとんどが、回折部品２０を通過し、実使用ビーム（application beam）４０を形成するが、一般に、反射オーダを含む他のオーダのビームも少しの割合で回折部品２０を通過する。いくつかの実施形態においては、５０％未満の光が、より高次のビームとして偏向し、モニタ用ビームを形成する場合もある。反射オーダの光は、光ビーム全体から伝播して、モニタ用ビーム４５を形成する。モニタすべき反射オーダ（一般に、１次オーダである）が有する角度は分かるので、適当に配置されたモニタ５０（例えば、光受光器）がモニタ用ビーム４５のパワーを測定し、そして測定されたパワーを用いて、広く知られた方法で発光デバイス１０の動作を制御する。回折部品の反対側にある表面上に別の光学部品３７が設けてある。この光学部品３７は、コリメートしたり、集光したり、そして・またはファイバに光を結合したりするような光学機能を実現するための回折性、屈折性またはハイブリッドの光学部品である。
【００１６】
説明するための例として、光１５が８３０ｎｍの波長を有し、溶融シリカ上に形成された８段階にブレーズ（blaze）をつけた格子を有する回折部品は、全体的な構造の深さが約２３００Åとなるように設計される。光の約９０％が零次オーダとして透過して実使用ビーム４０を形成し、約２％の光が１次反射オーダとして反射してモニタ用ビーム４５を形成し、約１．４％の光が１次透過オーダとして透過して、残りの光が高次のオーダとして除々に弱くなりながら透過するように、この深さを選択する。
【００１７】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）の両方において、回折部品２０は、モニタ用ビームを検出器５０上に焦点を集める。回折格子を用いて光を単に散乱させるのではなく、モニタ用ビームの焦点を合わせることにより、光がＶＣＳＥＬの方に反射して逆戻りするのを防止する。さらに、モニタ用ビームの焦点を合わせることにより、検出器をより小さくすることができる。一般に、本発明で用いられる光学部品は、例えば、コリメート、焦点合わせ、などの機能を有することが好ましい。特に、回折光学部品がモニタ用ビームを反射して、モニタ用ビームに対して別の光学的機能を有するように、他の表面を利用することはない。こうした、回折部品は、コンピュータを用いて形成されたホログラムであることが好ましい。
【００１８】
図１（Ｂ）に示すように、これに加えて、または択一的に、この実使用ビーム４０に対して、少なくとも１つの別の光学的機能を与える透過型の回折光学部品に、反射型の回折光学部品２０を組み込んで、複合型の回折光学部品２２が形成される。図１（Ｂ）から分かるように、実使用ビーム４０は、基板３０の第１表面２５を通過した後、収束する。これは、透過型屈折部品を形成するための透過型ホログラムと、反射型屈折部品の反射型ホログラムを複合化することにより実現することができる。
【００１９】
透過型ホログラムに関して、位相深度（φ）を得るために必要な物理的なステップ高さｄは、次式で表される。
[数１]
ｄ＝λ×φ／｛２π×（ｎ−１）｝
ここで、ｎは屈折率である。
【００２０】
反射型ホログラムに関して、位相深度（φ）を得るために必要な物理的なステップ高さｄは、次式で表される。
[数２]
ｄ＝λ×φ／（２×２π）
【００２１】
位相深度２πを得るたるめには、透過型ホログラムのエッチング深度は、λ／（ｎ−１）で、反射型ホログラムのエッチング深度は、λ／２となる。こうして、材料の屈折率に依存するが、同じ位相深度を得るために、反射型ホログラムは、透過型ホログラムよりも、はるかに薄くすることができる。これら２つのホログラムを組み合わせると、反射型ホログラムと透過型ホログラムに関する透過機能が相乗し、つまり、位相機能（phase function）が統合される。しかし、２種類のホログラムの位相値は、上述の方程式で、それぞれ表される。例えば、屈折率（ｎ）が１．５で、透過型ホログラムの位相深度が２πであるとき、ステップ高さｄは２λで、反射型ホログラムのステップ高さλ／２の４倍である。１６段階あるステップ高さを用いると、透過型ホログラムを表現すると、反射型ホログラムに関して、４つの最も薄い段階が、０、π／２、π、３π／２が対応する。
【００２２】
十分低い屈折率を有する材料に対して位相機能が付加された場合、反射型ホログラムの機能は、透過型ホログラム機能に対するほんの少しの変調にしかすぎない。というのも、反射型ホログラムの深度は、はるかに薄いため、他を弱める１つの機能に関して、あまり大きな効果がないためである。実際、複数の段階を用いると、透過型ホログラムの要請するより薄い段階（レベル）は、屈折型ホログラムの要請する多くの段階に相当する。当然に、必要であれば、一方または両方のホログラムは、２πを超える位相深度を含む段階を有することができる。
【００２３】
図２は、モニタ用ビームを形成するために、透過型ホログラムを採用した実施形態を示す。発光デバイス１０は、同様に、光ビームを出力して、第１表面２５と第２表面３５を有する基板３０に入射する。この第１表面２５上にある回折部品３５は、光６０の一部を側面側に偏向させる。図２から分かるように、回折性光学部品５５は、同様に、モニタ用ビームをコリメートする。この追加の光学的機能は、単に、２つの透過機能を一体にして付加することにより実現することができる。このようにコリメートすることにより、モニタ用ビームがもはや拡散すことがないので、確実に、より多くの光が検出器５０に伝播し、しかもＶＣＳＥＬとより広い間隔をあけることができる。
【００２４】
例えば、第２表面において金属パッチなどを用いた場合など、偏向角度が十分に急勾配であったとき、つまり第２表面において臨界角度を超えるとき、偏向した光６０は第２表面で完全に内側へ反射する。反射ビーム６０は、第１表面に戻り、ここで別の透過型ホログラム７２に入射し、検出器５０の上にモニタ用ビーム７５の焦点を合わせる。
【００２５】
同様に、第２表面は、実使用ビーム４０に対して、他の光学的機能を付加するための光学部品を設けてもよい。図２に示す例において、基板３０の第２表面３５上にある別の光学部品３７により、実使用ビーム４０が集光し、これが光ファイバ７８内に結合（カップリング）する。
【００２６】
追加的な透過型ホログラム７２は、偏向された光を検出器上に焦点を合わせるためのものであるが、偏向された光が検出器上に集光するように、回折部品５５が設計されている場合は、この追加的な透過型ホログラム７２を省略することができる。このように設計しておけば、光が屈折度数を有する別の透過型ホログラム７２を通過する間に、さらに光が損失することはない。さらに、図２で示すように、角度が適正であるか、または反射部６５が基板の第１表面上に設けてあるとき、偏向された光は何度も反射する。こうしておくと、検出器の配置場所について、柔軟性が増える。さらに、反射型の回折部品に関連して上述したように、透過型の回折部品とともに、追加的光学部品を基板３０の第１または第２表面の一方の上に設けて、実使用ビーム４０に対して別の光学的機能を与えることができる。
【００２７】
例えば、図３（Ａ）および図３（Ｂ）で、一体化されたシステム全体を示す。図３（Ａ）で示すように、発光デバイスがガラス基板に直接に固定されているとき、図２に示すような構成を有することが好ましい。図３（Ｂ）は、発光デバイスが第２基板８０に固定される。この第２基板は、スペーサブロック８５を介して、第１基板とは距離をおいている。その結果、いずれかのパワーモニタを用いるために十分な空間を設けることができる。これらいずれかの構成に関して、ウエハ段階で集積することもできる。
【００２８】
択一的な基板の使用に関して、反射型の回折部品は、プラスチック製またはガラス製のキャップ（cap）９０内に収容されている。このキャップは、図４で示すように、発光デバイスを収容するカン（can）９５であってもよい。キャップは、発光デバイスを保護するための密閉可能なシールを形成することができる。キャップ８５は、注入成型法を含む数多くの手法で製造することができる。
【００２９】
図５は別の実施形態を示す。図示するように、ＶＣＳＥＬ１５からの光は、回折部品に照射し、この回折部品が、モニタ用ビームを形成するためにビームの一部を分離し、モニタ用ビームと実使用ビームの両方をコリメートする。このようにコリメートすることにより、検出器１０の配置場所に対する自由度を増やすことができる。というのも、モニタ用ビームがもはや拡散しないからである。さらに、回折部品５５を用いて、検出器５０上にモニタ用ビームの焦点を合わせることができる。択一的には、回折型光学部品５５に隣接する表面上に屈折型光学部品を設けて、焦点を合わせることができる。回折型光学部品と屈折型光学部品が互いに隣接して配置された場合、つまり、回折型光学部品が光を偏向する一方、フォーカス部品が光の焦点を合わせるように、光学部品を十分に近接させる場合、屈折光学部品とフォーカス部品の相対的オーダは問題とならない。好適には、図５で用いられる２つの基板が形成され、ウエハ段階で一体に接合され、ダイス切断されることにより、ここで示すモニタ用ビームおよび主要または実使用ビームに関する光学システムを形成することができる。
【００３０】
図６は、ＶＣＳＥＬアレイをモニタする構成を例示するものである。モニタ検出器は、ＶＣＳＥＬの少なくとも１つに対して設けてある。少なくとも１つの検出器、一般には、対応する検出器アレイは、図面の平面上に配置されており、図５は、ＶＣＳＥＬ１０と対応する検出器５０の平面図である。同様に、モニタ用ビームはコリメートされて、そして・または回折型光学部品により集光される。アレイ状の１つ以上のビームをモニタする場合、光がコリメートし、集光することは特に重要なことである。こうして、モニタ用ビームは互いに影響を与えないようにすることができる。
【００３１】
基板を用いた別の択一例において、光をファイバに結合させたい場合、ファイバに接続されたロッド内において、モニタ用ビームを形成するために、回折型光学部品が用いられる。
【００３２】
通常は、ビームの全体が利用されるが、たとえ、一部しか利用されない場合であっても、回折光学部品は、実際に用いられるビームの一部からモニタ用ビームを形成することができる。例えば、光をファイバに結合させたいとき、ファイバのコア領域に伝播するビームの一部だけがモニタされる。
【００３３】
本発明の好適な実施形態が、上記のとおり説明されたが、ここで教示された基本的な発明概念に関する、当業者ならば明白な変形および・または変更であって、添付クレームおよびその均等物として定義された本発明の精神と範疇に入るものと理解されるべきである。
【符号の説明】
【００３４】
１０：発光デバイス、１５：光ビーム、２０：回折部品、２５：第１表面、３０：基板、３５：回折部品、３７：光学部品、４０：実使用ビーム、４５：モニタ用ビーム、５０：モニタ、５５：回折性光学部品、６０：反射ビーム、７２：透過型ホログラム、７５：モニタ用ビーム、７８：光ファイバ、８０：第２基板、８５：スペーサブロック、９０：キャップ（cap）、９５：カン（can）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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