(57)【要約】レーザダイオード、カップリング光学素子、波長変換素子、および複数要素実装フレームを含む、光パッケージが提供される。カップリング光学素子は、対向する端面の一方の導波路の拡大虚像Ｖを拡大率Ｍ１で生成する第１レンズ部品と、Ｖの焦点像を対向する端面の他方で拡大率Ｍ２により生成する第２レンズ部品とを含む。拡大虚像Ｖは、パッケージの導波路間光路の外側に位置し、そして複数要素実装フレームは、第１レンズ部品および第２レンズ部品の相対的位置合わせを独立して決定する、第１フレーム要素および第２フレーム要素を含む。第１フレーム要素および第２フレーム要素は、第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定される。拡大虚像Ｖおよび固定境界面Ｈの両方が、カップリング光学素子よりレーザダイオード側またはカップリング光学素子より波長変換素子側のいずれかの、カップリング光学素子から見て同じ側に位置付けられる。さらなる実施形態が開示かつ請求される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオード、カップリング光学素子、波長変換素子、および複数要素実装フレームを含む、光パッケージであって、
前記レーザダイオード、カップリング光学素子、および波長変換素子が、前記レーザダイオードおよび前記波長変換素子の対向する入力端面／出力端面間に延在する、導波路間光路を画成するように構成され、
前記カップリング光学素子が、前記対向する端面の一方の導波路の拡大虚像Ｖを拡大率Ｍ１で生成する第１レンズ部品と、Ｖの焦点像を前記対向する端面の他方で拡大率Ｍ２により生成する第２レンズ部品とを含み、
前記拡大虚像Ｖが、前記導波路間光路の外側であり、
前記複数要素実装フレームが、前記第１レンズ部品および前記第２レンズ部品の相対的位置合わせを独立して決定する、第１フレーム要素および第２フレーム要素を含み、
前記第１フレーム要素および第２フレーム要素が、該第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが前記導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定され、さらに、
前記拡大虚像Ｖおよび前記固定境界面Ｈの両方が、前記カップリング光学素子より前記レーザダイオード側または前記カップリング光学素子より前記波長変換素子側のいずれかの、前記カップリング光学素子から見て同じ側に位置付けられることを特徴とする光パッケージ。
【請求項２】
前記拡大虚像Ｖおよび前記固定境界面Ｈが、前記導波路間光路外の仮想光路内にあるものであることを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項３】
前記拡大虚像Ｖおよび前記固定境界面Ｈが、略同じ位置に位置付けられていることを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項４】
前記第１レンズ部品が、前記レーザダイオードの前記出力端面の拡大虚像Ｖを生成し、
前記第２レンズ部品が、Ｖの焦点像を前記波長変換素子の前記入力端面で生成し、さらに、
前記第１レンズ部品および前記第２レンズ部品夫々の前記拡大率Ｍ１およびＭ２は、前記第２レンズ部品によって前記カップリング光学素子に縮小倍率が導入されるような拡大率であることを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項５】
前記第１レンズ部品が、前記波長変換素子の前記入力端面の拡大虚像Ｖを生成し、
前記第２レンズ部品が、Ｖの焦点像を前記レーザダイオードの前記出力端面で生成し、さらに、
前記第１レンズ部品および前記第２レンズ部品夫々の前記拡大率Ｍ１およびＭ２は、前記第２レンズ部品によって前記カップリング光学素子に縮小倍率が導入されるような拡大率であることを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項６】
前記カップリング光学素子の倍率が、略以下の関係：
（Ｍ１）（Ｍ２）＝−１
となることを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項７】
前記カップリング光学素子の倍率が、略以下の関係：
（Ｍ１）（Ｍ２）＝−１    かつ    Ｍ２＜１
となることを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項８】
前記固定境界面Ｈ沿いの光学的位置合わせずれにより生じるＶの焦点像の位置ずれが係数１／Ｍ２によって縮小されたものとなるように、前記カップリング光学素子が前記導波路間光路に光学的な縮小倍率を導入することを特徴とする請求項１記載の光パッケージ。
【請求項９】
レーザダイオード、カップリング光学素子、波長変換素子、および複数要素実装フレームを含む、光パッケージであって、
前記レーザダイオード、カップリング光学素子、および波長変換素子が、前記レーザダイオードおよび前記波長変換素子の対向する入力端面／出力端面間に延在する、導波路間光路を画成するように構成され、
前記カップリング光学素子が、拡大率Ｍ１の第１レンズ部品と、拡大率Ｍ２の第２レンズ部品とを含み、
前記複数要素実装フレームが、前記第１レンズ部品および前記第２レンズ部品の相対的位置合わせを独立して決定する、第１フレーム要素および第２フレーム要素を含み、
前記第１フレーム要素および第２フレーム要素が、該第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが前記導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定され、
前記固定境界面Ｈが、前記カップリング光学素子より前記レーザダイオード側または前記カップリング光学素子より前記波長変換素子側のいずれかの、前記カップリング光学素子から見て一方の側に位置付けられ、さらに、
前記固定境界面Ｈ沿いの光学的位置合わせずれにより生じるＶの焦点像の位置ずれが係数１／Ｍ２によって縮小されたものとなるように、前記カップリング光学素子が前記導波路間光路に光学的な縮小倍率を導入することを特徴とする光パッケージ。
【請求項１０】
第１光導波路、カップリング光学素子、第２光導波路、および複数要素実装フレームを含む、光パッケージであって、
前記第１導波路、カップリング光学素子、および第２導波路が、前記第１導波路および前記第２導波路の対向する入力端面／出力端面間に延在する、導波路間光路を画成するように構成され、
前記カップリング光学素子が、前記対向する端面の一方の導波路の拡大虚像Ｖを拡大率Ｍ１で生成する第１レンズ部品と、Ｖの焦点像を前記対向する端面の他方で拡大率Ｍ２により生成する第２レンズ部品とを含み、
前記拡大虚像Ｖが、前記導波路間光路の外側であり、
前記複数要素実装フレームが、前記第１レンズ部品および前記第２レンズ部品の相対的位置合わせを独立して決定する、第１フレーム要素および第２フレーム要素を含み、
前記第１フレーム要素および第２フレーム要素が、該第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが前記導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定され、さらに、
前記拡大虚像Ｖおよび前記固定境界面Ｈの両方が、前記カップリング光学素子から見て同じ側に位置付けられることを特徴とする光パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００９年４月７日に出願された米国特許出願第１２／４１９，５５０号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は一般に、半導体レーザとこの半導体レーザに光学的に位置合わせされる補完的光学部品とを組み込んだ、光パッケージに関する。より具体的には、本開示は半導体レーザとこれに関連する波長変換素子との光学的位置合わせの精度を高める光パッケージ設計に関する。より一般的には、本開示は２つの異なる光学部品の導波路の位置合わせを要する任意の光パッケージに関し、このような部品として、半導体レーザ、波長変換素子、または光導波路を含む任意の光学部品を挙げることができる。
【背景技術】
【０００３】
短波長光源は、赤外または近赤外分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ、またはファブリペロー型レーザなどの単一波長半導体レーザを、第２または第３高調波発生結晶などの光波長変換素子と組み合わせることによって形成することができる。典型的には、結晶を使用して、基本波レーザ信号の高調波を生成する。そのために、発振波長を好適には結晶のスペクトル中心に同調させ、かつ結晶の入力面で結晶の導波路部分とレーザ出力を光学的に位置合わせする。
【０００４】
ＭｇＯ添加周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶など、典型的な第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶の導波路の光のモードフィールド径は非常に小さくなり得、すなわち数μｍオーダーとなり得る。レーザダイオードからのビームスポットをＳＨＧ結晶入力面の導波路部分と適切に位置合わせすることは、大きな課題となり得る。レーザ、カップリング光学素子、結晶などの夫々の位置が、各々光パッケージの光学的位置合わせに影響を与える可能性がある。
【０００５】
一般に、特定の光パッケージの光導波路の位置合わせにおいてサブミクロンの位置合わせ公差が要求されるとき、硬化エポキシによる固定およびレーザ溶接といった２つの異なる固定方法が考えられる。硬化エポキシによる固定では、例えばＵＶ硬化エポキシを使用してパッケージ素子を適切な位置に取り付けることができるが、この固定方法は湿度変化や温度変化などの外的要因に対して非常に敏感である可能性がある。そのため、この固定方法は通常サブミクロンの安定性と両立できない。レーザ溶接は外的要因に対して比較的敏感でないことが知られているが、レーザ溶接では、溶接プロセス中の熱分散によりその操作中に部品が若干移動してしまう。この溶接後の位置ずれが、サブミクロンの位置合わせ公差の達成を非常に困難にする。さらに、溶接後の位置ずれを補償するために、レーザハンマリングのような比較的複雑な追加の操作が必要になることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのため、本発明者は、最後の固定ステップを、横方向の位置合わせ公差を大幅に緩和するような位置で行うよう設計を作る必要があると認識していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施の形態によれば、レーザダイオード、カップリング光学素子、波長変換素子、および複数要素実装フレームを含む、光パッケージが提供される。カップリング光学素子は、対向する端面の一方の導波路の拡大虚像Ｖを拡大率Ｍ１で生成する第１レンズ部品と、Ｖの焦点像を対向する端面の他方で拡大率Ｍ２により生成する第２レンズ部品とを含む。第１フレーム要素および第２フレーム要素が、第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定される。拡大率Ｍ１およびＭ２により、光パッケージにおける横方向の位置合わせ公差を緩和することが可能になる。最終的な位置合わせステップは固定境界面で行なわれ、これにより溶接後の位置ずれやエポキシ関連の非安定性を排除または軽減することができる。さらに、本書において説明したやり方によれば、固定境界面での角度的な位置合わせ公差を著しく増加させることができる。取付け境界面を虚像Ｖまたはその光学的に同等なものに近づけて設定することにより、前述の角度公差を著しく緩和することができる。
【０００８】
拡大虚像Ｖは、光パッケージの導波路間光路の外側である。複数要素実装フレームは、第１レンズ部品および第２レンズ部品の相対的位置合わせを独立して決定する、第１フレーム要素および第２フレーム要素を含む。第１フレーム要素および第２フレーム要素は、第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定される。拡大虚像Ｖおよび固定境界面Ｈの両方が、カップリング光学素子よりレーザダイオード側またはカップリング光学素子より波長変換素子側のいずれかの、カップリング光学素子から見て同じ側に位置付けられる。
【０００９】
別の実施形態によれば、第１光導波路、カップリング光学素子、第２光導波路、および複数要素実装フレームを含む、光パッケージが提供される。第１導波路、カップリング光学素子、および第２導波路は、第１導波路および第２導波路の対向する入力端面／出力端面間に延在する、導波路間光路を画成するように構成される。カップリング光学素子は、対向する端面の一方の導波路の拡大虚像Ｖを拡大率Ｍ１で生成する第１レンズ部品と、Ｖの焦点像を対向する端面の他方で拡大率Ｍ２により生成する第２レンズ部品とを含む。拡大虚像Ｖは、導波路間光路の外側である。複数要素実装フレームは、第１レンズ部品および第２レンズ部品の相対的位置合わせを独立して決定する、第１フレーム要素および第２フレーム要素を含む。第１フレーム要素および第２フレーム要素は、第１フレーム要素と第２フレーム要素との間の角度的な位置合わせずれが導波路間光路の外側の固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、互いにしっかり固定される。拡大虚像Ｖおよび固定境界面Ｈの両方が、カップリング光学素子から見て同じ側に位置付けられる。この手法においては、パッケージの最終的な位置合わせステップが固定境界面Ｈで行われることにより、横方向の位置合わせ公差は著しく緩和される。
【００１０】
さらに別の実施形態によれば、カップリング光学素子は、固定境界面Ｈ沿いの光学的位置合わせずれにより生じるＶの焦点像の位置ずれが係数「１／Ｍ２」によって縮小されたものとなるように導波路間光路に光学的な縮小倍率（demultiplication factor）を導入する。
【００１１】
具体的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、以下の図面とともに読むと最も良く理解することができる。これらの図面において、同様の構造体は同じ参照符号で示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示により意図されている一実施の形態による、光学的に位置合わせされた光パッケージを概略的に示す図
【図２】図１の光パッケージにおける角度的な位置合わせずれを概略的に示す図
【図３】図１および２に示したものと異なる光パッケージにおける角度的な位置合わせずれを概略的に示す図
【図４】本開示によって意図されている、多くの代替えの実装フレーム構造の１つを概略的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
最初に図１を参照すると、意図されている一実施形態による光パッケージ１００が、レーザダイオード１０、カップリング光学素子２０、波長変換素子３０、そして第１および第２フレーム要素４０、４２を含む複数要素実装フレームを含んでいる。レーザダイオード１０、カップリング光学素子２０、および波長変換素子３０は、レーザダイオード１０と波長変換素子３０の対向する入力／出力端面１２、３２間に延在する導波路間光路５０を画成するように構成される。
【００１４】
カップリング光学素子２０は第１レンズ部品Ｌ１および第２レンズ部品Ｌ２を含み、一方のレンズ部品は、対向する端面１２、３２の一方の導波路の拡大虚像Ｖを拡大率Ｍ１で生成し、そして他方のレンズ部品は、Ｖの焦点像を対向する端面１２、３２の他方で拡大率Ｍ２により生成する。図示の実施形態では、拡大虚像Ｖおよび固定境界面Ｈがカップリング光学素子２０のレーザダイオード側の略同じ位置に位置付けられているが、ＶおよびＨがカップリング光学素子２０の波長変換素子側となるようにカップリング光学素子２０を構成することもでき得ると意図されている。いずれの場合も、拡大虚像Ｖおよび固定境界面Ｈは、カップリング光学素子２０の同じ側の、導波路間光路５０の外側となる。
【００１５】
図１を参照すると、レーザダイオード１０および第１レンズ部品Ｌ１は、その両方が第１フレーム要素４０に固定されている。さらに、波長変換素子３０および第２レンズ部品Ｌ２は、第２フレーム要素４２に固定されている。第１および第２レンズ部品４０、４２間の横方向の位置合わせ公差は、第１レンズ部品Ｌ１の拡大率に基づく係数Ｍ１により緩和される。
【００１６】
図２に示すように、複数要素実装フレームの第１要素４０および第２要素４２は、第１レンズ部品Ｌ１および第２レンズ部品Ｌ２の相対的位置合わせを独立して決定し、そして第１および第２フレーム要素４０、４２間の角度的な位置合わせずれが固定境界面Ｈ沿いを元に生じるような状態で、第１要素４０および第２要素４２は互いにしっかり固定される。このとき固定境界面Ｈの位置は、導波路間光路５０外の仮想光路５２内にある。この手法では、前述の角度的位置合わせずれにより生じる虚像Ｖの位置合わせずれは最小となり、この光学系の全体的な光学的整合性の維持を助ける。一方、図３を参照すると、固定境界面Ｈが導波路間光路５０内に位置している場合、第１および第２フレーム要素４０、４２間の小さな角度的位置合わせずれが、虚像を点Ｖから点Ｖ´へと大幅に位置ずれさせることになる。
【００１７】
特定の実施形態において、カップリング光学素子２０は光学系に縮小倍率を導入してもよい。例えば、全体として単一倍率であることが好ましい場合には、カップリング光学素子の倍率を、略以下の関係、すなわち、
（Ｍ１）（Ｍ２）＝−１    かつ    Ｍ２＜１
となるように設計してもよい。この手法では、固定境界面Ｈに沿った任意の光学的位置合わせずれにより生じるＶの焦点像の位置合わせずれは、係数１／Ｍ２によって縮小されたものとなるであろう。単一倍率を望まない場合には、これに類似する関係に発展させることができる。
【００１８】
任意の事例において、第１レンズ部品Ｌ１は単一のレンズを含むものでもよいし、あるいは複数のレンズを含むものでもよく、また第２レンズ部品Ｌ２も、単一のレンズを含むものでも複数のレンズを含むものでもよい。さらに、レーザダイオード１０からの出力ビームの、波長変換素子３０の導波路上におけるいかなる角度的位置合わせずれをも排除するのを助けるため、カップリング光学素子２０を略テレセントリックとなるように、すなわち像が焦点に導かれずに転送される光学構造となるように、構成してもよい。レーザダイオードの出力ビーム像がこの手法で転送されるとき、出力ビームの角度の向きが物体面内に適切に位置合わせされていれば、光源の任意の横方向の位置合わせずれとは無関係に、出力ビーム像も像面に適切に位置合わせされる。
【００１９】
図１および２に示すように、固定境界面Ｈは交差する接触面Ｐ１、Ｐ２対によって画成される。第１フレーム要素４０および第２フレーム要素４２は、この接触面Ｐ１、Ｐ２部分に沿って、例えばレーザ溶接を介して互いにしっかり固定される。この固定された状態において、第１および第２フレーム要素４０、４２の導波路間光路５０に略平行な相対運動は、一方の接触面Ｐ１によって固定される。第１および第２フレーム要素４０、４２の導波路間光路５０に略垂直な相対運動は、他方の接触面Ｐ２によって固定される。図２および４に示すように、固定境界面Ｈは、光路５０に垂直なものとしてもよいし、あるいは光路５０に対して傾いているものとしてもよく、また虚像Ｖの位置と直接交わるように構成してもよいし（図２参照）、あるいは虚像の位置からずらして構成してもよい（図４参照）。固定境界面Ｈが虚像Ｖの位置からずれている場合には、ＶからＶ´へのいくらかの位置合わせずれの許容を要することが多いが、それでも固定境界面Ｈが導波路間光路５０を貫通している図３に示した事例より、位置合わせずれは大幅に少ないであろう。
【００２０】
第１フレーム要素４０および第２フレーム要素４２は様々な形を取ることができるが、図示の実施形態では相対的にぴったり合った同軸円筒として示されている。この同軸円筒の円筒部分を隣接させて、第１接触面Ｐ１を画成することができる。この円筒はフランジ部分４５を備えて提供してもよく、このフランジ部分を隣接させて第２接触面Ｐ２を画成することができる。
【００２１】
光パッケージは、レーザダイオード１０、カップリング光学素子２０の各部品、または波長変換素子３０の機械的調節のために、１以上の適応アクチュエータを備えて提供してもよい。光パッケージ１００の動作中、適応アクチュエータを使用し、光パッケージ１００の波長変換された出力強度を監視して、光路沿いの特定の調節と最適な強度値とを相関させ、光パッケージ１００の波長変換出力強度を最大にすることができる。
【００２２】
本発明を詳細にかつその具体的な実施形態を参照して説明してきたが、添付の請求項により画成される本発明の範囲から逸脱することなく、変更形態および変形形態が考えられることは明らかであろう。例えば、本開示の概念は、比較的分かり易い設計の比較的単純な光学部品を含んでいる光パッケージを参照して説明しているが、従来の光学的構造で配置された従来の光学素子を有する光パッケージ、新たなまたは従来の光学的構造で配置された、より多くのまたはより少ない光学素子を有する光パッケージ、または図示の光学的構造の簡素化または改善のために導入された新規の光学素子を有する光パッケージを含む、種々の光パッケージにおいて、本開示の概念は実行し得ると意図されている。いずれにしても、本書において説明された概念は、図示の光学的構造での用途のみに排他的に限定されるべきではない。
【００２３】
「好適に」、「一般に」、および「典型的には」といったような用語が本書において使用されるとき、これらの用語の使用は、請求される本発明の範囲を限定するためのものではないし、あるいは、請求される本発明の構成または機能にとって特定の特徴が重大であるとか、本質的であるとか、または重要であるということさえ意味するためのものではないことに留意されたい。むしろこれらの用語は、本開示の一実施の形態の特定の態様を識別すること、あるいは、本開示の特定の実施形態に利用し得るまたは利用し得ない、代わりのまたは追加の特徴を強調することを単に意図したものである。
【００２４】
本発明を説明および画成するために、「略」という用語は本書において、任意の定量比較、値、寸法、または他の表現による固有の不確実さの程度を表すために使用されることに留意されたい。この用語は本書において、定量的表現が、論じられている主題の基本機能を変化させることなく、記述した基準から変化し得る程度を表すためにも使用される。
【００２５】
１以上の以下の請求項は、伝統的な表現として「ことを特徴とする」という用語を使用していることに留意されたい。本発明を画成するために、この用語は、構造体に関する一連の特性の記述を紹介するために使用される、オープンエンドの伝統的表現として請求項に導入されたものであり、また、より一般的に使用されているオープンエンドの前文の用語「ことを含む」と同じように解釈されるべきであることに留意されたい。
【符号の説明】
【００２６】
１０    レーザダイオード
１２、３２    端面
２０    カップリング光学素子
３０    波長変換素子
４０、４２    フレーム要素
５０    導波路間光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012523698.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2012523698.tif 000007
2012523698.tif 000008
2012523698.tif 000009