专利名称:激光多路传输设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光多路传输设备，它使多个半导体激光器发射出的全部光束会聚进入一光纤中。
背景技术：
公开号为2002-202442的日本未审专利(对应于美国专利申请20020090172A1)披露了一种在光纤中传播激光的方法。在这种方法中，沿单个方向排列的多个半导体激光器发射出的激光束被准直仪准直，以获得准直光束。这些准直光束的光轴彼此平行并沿单个方向对准。所有的准直光束被聚集并被单独聚光，以使聚集和聚光后的光束射入单个光纤中。由此，激光光束以高能量密度通过光纤传播。
众所周知，其光轴沿同单个方向对准的全部多个光束，当它们的快轴沿同单个方向对准时，可被会聚到一个小的横截面内。也就是说，每个半导体激光器发射的光束都具有沿该半导体激光器有源层的厚度方向的快轴。光束在垂直于该厚度方向且平行于半导体激光器有源层表面的方向上还具有慢轴。上述光束在快轴方向上具有满意的波前并且可被精确地会聚。然而，由于在慢轴方向上并没有形成满意的波前，因此上述光束在慢轴方向上不能被精确地会聚。
在另一种用于产生多个激光束的已知方法中，多个半导体激光器排列在单个基底上。在这种情况下，半导体激光器的有源层表面形成的与基底表面平行。因此，排列在单个基底上的多个半导体激光器发射出的光束的慢轴共面。所以，为了利用上述基底，高耦合效率地将多个光束光学多路传输进入单个光纤中，就必须在全部光束被会聚之前，重新对准上述光束，以使这些光束的快轴排列在同一平面内。美国专利No.5,513,201、No.5,808,323和No.6,028,722提出了在快轴和慢轴上重新对准上述光束的方法。在下文中，在快轴和慢轴上的光束的重排将被称为光束重排。应当注意，上面提到的耦合效率是指在光束的光学多路传输中的光利用率。
在美国专利No.5,513,201披露的技术中，上述光束重排通过设置棱镜来实现，这些棱镜对应每一光束并沿着垂直于光束传播的方向排列。在这种方法中，为了与棱镜的布置相匹配需要使光束之间的间隔加宽。这是因为在光束间的间隔较小的状态下光束将难于进入棱镜中。因此，设备的尺寸被增大了，该设备包括其上设有较宽间隔的半导体激光器的基底。另外一个问题是，空间利用率(将在下文描述)降低了，导致了上文提到的光束和光纤之间的耦合效率降低。
如果要高效利用激光，那么通用的方法是在反射表面上涂覆高反射涂层来反射激光。但是在美国专利No.5,808,323中披露的大量复杂形状的反射表面上涂覆高反射涂层是困难的。同样的，也难于在美国专利No.5,513,201和6,028,722中披露的复杂形状的棱镜上涂覆高反射涂层。然而，当反射表面没有涂覆高反射涂层时，沿着其光路传播方向的激光损耗量将增高，这将导致使用率的降低。在美国专利No.6,028,722披露的光束在一个棱镜内被多次(五次或更多)反射的情况下，激光的损耗量显著增高。
在下文中，将参照图28A、28B、28C、29A、29B和30详细说明空间利用率。图28A、28B和28C表示传统激光多路传输设备的结构示意图。图28A是平面图，图28B是半导体激光器排列方向上的侧视图，而图28C是光束光轴方向上的视图。在图28C中省略了布置在半导体激光器和光束重排光学系统之间的准直光学系统。图29A、29B用于说明激光多路传输设备中光束的重排和光学多路传输。图29A表示重排光束光轴的方向的光束重排光学系统；图29B表示光纤中光束光学多路传输。图30是说明构成光束重排光学系统的棱镜布置的透视图。
在图28A、28B和28C中所示的激光多路传输设备，包括激光器块70、准直光学系统75、光束重排光学系统80和会聚光学系统85。五个半导体激光器71A、71B、71C、......以与半导体激光器71A、71B、71C、......的有源层72A、72B、72C、......共面并沿着在图28A、28B和28C中指示的Y方向排列的方式设置在激光器块70上。准直光学系统75在图28A、28B中指示的Z方向上准直从半导体激光器71A、71B、71C、......中发射出的光束La、Lb、Lc、......。准直光束La、Lb、Lc、......彼此平行并具有共面的慢轴。光束重排光学系统80由五个棱镜81A、81B、81C、......组成，它们对应于光束沿着垂直于光束La、Lb、Lc......的传播方向排列。光束重排光学系统80重排被准直光学系统75准直的光束。会聚光学系统85在快轴和慢轴的方向上会聚被光束重排系统80重排过的整束光束。
准直光学系统75由准直透镜76A、76B、76C、......组成。
光束重排光学系统80改变被准直光学系统75准直的光束La、Lb、Lc、......的快轴方向，将其从X方向改变至Y方向，以使光束的快轴共面。
也就是说，在图28A、28B和28C表示的激光多路传输设备中，从半导体激光器71A、71B、71C、......中发射出的光束La、Lb、Lc、......被准直光学系统75准直为光轴平行且慢轴共面的准直光束。然后，准直光束La、Lb、Lc、......经过棱镜81A、81B、81C、......并被重排，以使准直光束La、Lb、Lc、......的快轴沿Y方向定向并且共面(如图29A中所示)。会聚上述经重排的整束光束，使得整束的宽度在快轴和慢轴方向(分别为F和S)上都被减小，然后进入光纤40的芯体41中(如图29B中所示)。
光束在快轴方向上比在慢轴方向上具有更高的会聚质量。因此，重排的具有共面快轴的光束能以高耦合效率耦合耦合到光纤40的芯体41中。
在每个棱镜81A、81B、81C、......都通过组合棱镜部分J1、J2、J3、......形成的情况下，每个棱镜部分具有如图30中所示的三角棱镜形状，每个光束进入对应该光束的棱镜81A、81B、81C、......之一中的棱镜部分J1，并在该棱镜部分J1中被反射以使其改变至Y方向。接下来，在棱镜部分J1中的反射光束再次被反射并在棱镜部分J2和J3中改变方向。然而，如图30中所示，在相邻的棱镜部分J3之间提供空间放置棱镜部分J1是必需的。也就是说，不可能使棱镜部分J3彼此靠近放置。所以，如图28A所示，在被会聚光学系统85会聚的光束La、Lb、Lc、......之间有相当大的间隙G。
每个准直透镜76A、76B、76C、......的焦距和数值孔径由f1和NA1表示，会聚光学系统85的焦距由f2表示，光纤40的数值孔径由NA2表示，空间利用率由η表示，透镜系统的放大率由M表示，即，光发射光斑(每个半导体激光器71A、71B、71C、......的有源层)与每个光束La、Lb、Lc、......形成在光纤40芯体41端面上的会聚光斑的尺寸之比，由下述等式(1)表示f1(NA2N×η)NA2^η---(1)]]>应当注意N表示将被多路传输的光束数目。另外，空间利用率η被定义为被各光束La、Lb、Lc、.....占据的总空间与包含整束光束La、Lb、Lc、....的连续空间(即，光束La和Le之间并包括La和Le光束的空间)之比。因此，当La至Le五个光束的光路彼此相邻时，η＝1。
等式(1)中清楚地示出，放大率M随着空间利用率η的增加而减小。另外，每个光束La、Lb、Lc、.....在光40芯体41端面上的移位是由半导体激光器1A、71B、71C、......、会聚光学系统85和光纤40相对位置之间的失调引起的，该移位随着放大率M的减小而减少。因此，随着放大率M减小，光束的光多路传输准的准确性增加。
当经光束重排光学系统重排的光束之间存在相当的间隙时，空间利用率η就很小。因此，在这种情况下，整束光束会聚后，难于准确地实现光束的光学多路传输，并且导致光束至光纤的耦合效率降低。
发明内容
考虑到上述情况提出本发明。
本发明的一个目的是提供一种激光多路传输设备，该设备抑制设备尺寸的增大，并且能以高耦合效率光学多路传输整束光束。
本发明的光学多路传输激光的方法包括以下步骤从多个半导体激光器发射光束，这些光束具有平行的光轴、共面的慢轴以及快轴；沿着光束传播方向在不同位置上改变光束快轴的方向，从而光束的快轴共面；以及在光束的快轴和慢轴方向上会聚一束具有共面的快轴的光束，并使会聚的光束组进入光纤。
本发明的激光多路传输设备包括激光器块，其上布置了多个具有彼此共面的有源层的半导体激光器，准直光学系统，其以光束的慢轴共面并且光束的光轴彼此平行的方式准直光束；光束重排光学系统，其包括分别对应每个所述光束设置的多个棱镜，用于以沿着光束传播方向在不同位置上改变光束快轴方向并且使光束快轴变为共面的方式重排光束；以及会聚光学系统，其沿光束的快轴和慢轴方向会聚一束由光束重排光学系统重排的光束，并使会聚的光束组进入光纤中。
也可采用包括截透镜的准直光学系统的结构。
应当注意，截透镜是指在与其光轴相交的方向上尺寸被缩短的透镜。也就是说，在透镜排成一行的情况下，其尺寸在排列方向上被缩短。这种缩短能够使得在预定空间中设置更多的透镜。
本发明的激光多路传输设备还可包括发射附加光束的附加半导体激光器；以及偏振多路传输装置，其在所述多个半导体激光器和所述光纤之间的光束光路中执行所述附加光束和所述光束的偏振多路传输，以使所述附加光束也进入所述光纤。
作为选择，本发明的激光多路传输设备还可包括发射附加光束的附加半导体激光器；以及波长多路传输装置，其在所述多个半导体激光器和所述光纤之间的光束光路中执行所述附加光束和所述光束的波长多路传输，以使所述附加光束也进入所述光纤。
应当注意，短语“平行光轴”并不局限于光轴完全平行的情况，其也包括光轴基本上平行的情况。短语“光束......是平行”也包括光束基本上平行的情况。另外，术语“共面”并不局限于光束的光轴完全共面的情况，其还包括光束的光轴基本上共面的情况。
准直光学系统、光束重排光学系统和会聚光学系统无需单独形成。上述三种光学系统之一也有可能起到另一光学系统的作用。例如，光束重排光学系统可起到促使光束在快轴方向上彼此更接近的部分作用。作为选择，由于准直光学系统促使光束在慢轴方向上彼此更接近，其可起到会聚光学系统的部分作用。
本发明的激光多路传输方法，从多个半导体激光器发射出具有平行的光轴、共面的慢轴和快轴的光束；沿着光束传播方向在不同位置上改变光束快轴的方向，以使光束的快轴共面；以及在光束的快轴和慢轴方向上会聚一束具有共面快轴的光束，并使会聚的光束组进入光纤。因此，即使当光束彼此靠近时，也有可能防止在光束快轴方向上的用于改变所必需的空间中的干涉。所以，光束彼此之间可紧密排列。这样，可使整束光束以高耦合效率进入光纤，且不会有由光束之间间隙的增加引起的激光利用率降低成。另外，也可抑制设备尺寸的增大。
本发明的激光多路传输设备包括激光器块，其上布置有多个具有彼此共面的有源层的半导体激光器；准直光学系统，其以光束的慢轴共面且光束的光轴彼此平行的方式准直光束；光束重排光学系统，其包括分别对应每个所述光束设置的多个棱镜，用于以沿着光束传播方向在不同位置上改变光束快轴方向并使光束快轴变为共面的方式重排光束；以及会聚光学系统，其在光束的快轴和慢轴方向上会聚一束经光束重排光学系统重排的光束，并使会聚的光束组进入光纤中。因此，有可能抑制设备尺寸的增大，并有可能以高空间利用率和高耦合效率光学多路传输整束光束。
也就是说，光束重排光学系统由多个分别对应光束布置的多个棱镜构成。每个棱镜可由具有三角棱镜形状的棱镜部分组合而成。因此，易于在光束重排光学系统的反射表面上涂覆高反射涂层。另外，由于减少了在棱镜内的反射次数(例如，减少到三次和更少)，有可能降低光束所经光路中的光学损耗。更进一步，由于彼此平行的准直光束沿着光束的方向在不同位置上重排，使得光束在构成光束重排光学系统的棱镜的输入和输出两侧都彼此紧密排列成为可能，并防止设备尺寸的增大。此外，因为进入棱镜的光束彼此靠近，所以空间利用率η增大了。由此在等式(1)中的放大率M也减小了。因此，有可能以激光的高利用率和高耦合效率光学多路传输整束光束。
当本发明的激光多路传输设备在多路传输波长为450nm或更低的光束时是非常有利的。这是因为光束重排光学系统具有易于通过组合具有简单形状的元件而得到的结构。因此，便于在光束重排光学系统中的反射表面上形成在短波长范围内呈现高反射系数的高反射涂层。所以，本发明的激光多路传输设备显示了高透射率，这对于高输出率的激光装置来说是必不可少的特性。
本发明的激光多路传输设备还可包括附加半导体激光器和用于偏振多路传输由附加半导体激光器发射的光束的偏振多路传输装置。作为选择，本发明的激光多路传输设备还可包括附加半导体激光器和用于波长多路传输由附加半导体激光器发射的光束的波长多路传输装置。在这些情况下，还可能通过增加射入光纤中光束的数量而进一步增大激光功率。
图1A是根据本发明第一实施例的激光多路传输设备的示意平面图。
图1B是根据第一实施例的激光多路传输设备从沿着多个半导体激光器排列方向观看的示意侧视图。
图1C是根据第一实施例的激光多路传输设备从光轴方向观看的示意前视图。
图2是说明来自半导体激光器的光束的发射的透视图。
图3是在根据第一实施例激光多路传输设备中构成光束重排光学系统的一个棱镜的示意性透视图。
图4A是在根据第一实施例激光多路传输设备中的光束重排系统的示意性前视图，它图解说明了光束的重排。
图4B是在根据第一实施例激光多路传输设备中光纤端面的示意性前视图，它图解说明了光束的光学多路传输至光纤。
图5A是在根据第一实施例激光多路传输设备中的光束重排光学系统从光轴的方向上观看到的示意性前视图。
图5B是在根据第一实施例激光多路传输设备中的光束重排光学系统从沿着多个半导体激光器排列的方向上观看到的示意性侧视图。
图5C是在根据第一实施例激光多路传输设备中光束重排光学系统的示意性平面图。
图6A和图6B是说明由会聚光学系统会聚整束光束的示图。
图7是根据本发明第二实施例，在激光多路传输设备中光束重排光学系统的示意性平面图。
图8是在根据第二实施例激光多路传输设备中构成光束重排光学系统的一个棱镜的透视图。
图9A是在根据第二实施例激光多路传输设备中光束重排光学系统的透视前视图，它示出了光束至光束重排光学系统的进入。
图9B是在根据第二实施例激光多路传输设备中光束重排光学系统的透视前视图，它示出了光束从光束重排光学系统的输出。
图9C是在根据第二实施例激光多路传输设备中光纤末端的示意性前视图，其示出了光束在光纤中的光学多路传输。
图10A和10B是示意说明根据实施例EX1的激光多路传输设备的组成的示意图。
图11是应用于光束重排光学系统的棱镜的放大透视图。
图12A和图12B是示意说明根据实施例EX2的激光多路传输设备的组成的示意图。
图13是应用于光束重排光学系统的棱镜的放大透视图。
图14A和图14B是示意说明根据实施例EX3的激光多路传输设备的组成的示意图。
图15A和图15B是示意说明根据实施例EX4的激光多路传输设备的组成的示意图。
图16是应用于光束重排光学系统的棱镜的放大透视图。
图17是应用于光束重排光学系统的棱镜的放大透视图。
图18A、图18B和图18C是示意说明根据实施例EX5的激光多路传输设备的组成的示意图。
图19是应用于光束重排光学系统的棱镜的放大透视图。
图20是应用于光束重排光学系统的棱镜的放大透视图。
图21A和图21B是示意说明根据实施例EX6的激光多路传输设备的组成的示意图。
图22A和图22B是示意说明根据实施例EX7的激光多路传输设备的组成的示意图。
图23A和图23B示意说明光束穿过在光束重排光学系统中使用的棱镜的方式。
图24A和图24B是示意说明根据实施例EX8的激光多路传输设备的组成的示意图。
图25A和图25B是示意说明根据实施例EX9的激光多路传输设备的组成的示意图。
图26A和图26B示意说明光束穿过在光束重排光学系统中使用的棱镜的方式。
图27A、27B、27C和27D示意说明光束进入会聚光学系统时，这些光束排列的状态。
图28A是传统激光多路传输设备的示意平面图。
图28B是传统光学多路传输设备沿半导体激光器排列方向上观看到的示意侧视图。
图28C是包括半导体激光器和光束重排光学系统的传统激光多路传输设备的一部分从光束光轴方向上观看到的示意性前视图。
图29A是在传统激光多路传输设备中光束重排光学系统的示意性前视图，它示意说明了光束的重排。
图29B是在传统激光多路传输设备中光纤端面的示意性前视图，它示意说明了光纤中光束的多路传输。
图30在传统激光多路传输设备中光束重排光学系统的透视图，它示意说明了构成光学重排光学系统的棱镜的重排。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施例。
下面描述本发明的第一实施例。图1A、1B和1C示意性地说明根据第一实施例的激光多路传输设备的组成。图1A是根据本发明第一实施例的激光多路传输设备的示意平面图。图1B是沿着多个半导体激光器排列的方向观看到的、根据第一实施例的激光多路传输设备的示意侧视图。图1C是从光轴方向观看到的根据第一实施例的激光多路传输设备的示意前视图。
图2是说明来自半导体激光器的光束的发射的透视图。图3是构成光束重排光学系统的棱镜的透视图。图4A是光束重排光学系统的示意性前视图，它示出了光束的重排。图4B是光纤端面的示意性前视图，它图解说明了光束至光纤的光学多路传输。图5A是光束重排光学系统从光轴的方向上观看到的示意性前视图。图5B是光束重排光学系统从沿着多个半导体激光器排列的方向上观看到的示意性侧视图。图5C是光束重排光学系统的示意性平面图。图6A和图6B是说明由会聚光学系统会聚整束光束的示图。应当注意，图1C中省略了设置在半导体激光器和光束重排光学系统之间的准直光学系统。
本发明的激光多路传输设备包括激光器块10、准直光学系统20、光束重排光学系统30和会聚光学系统25。多个半导体激光器11A、11B、11C、......(下文通称为半导体激光器11)以每个半导体激光器11的有源层12A、12B、12C、......共面并沿着图1A、1B和1C所示Y轴方向对齐的方式设置在激光器块10上。准直光学系统20在图1A、1B中所示的Z方向上准直半导体激光器11发射的光束La、Lb、Lc、......，以使准直的光束La、Lb、Lc、......在平面H1中具有共面的慢轴，并使准直的光束La、Lb、Lc、......的光轴在Z方向上平行。光束重排光学系统30沿着光束传播方向在不同位置改变被准直光学系统20准直的光束La、Lb、Lc、......的快轴方向，以使光束的快轴成为共面。在图1A和1B中，S表示慢轴的方向，F表示快轴的方向。会聚光学系统25在慢轴和快轴方向上会聚由光束重排系统30重排的整束光束，并使会聚的光束进入光纤40。光束重排光学系统30由对应于每个光束La、Lb、Lc、......放置的棱镜31A、31B、31C、......构成(下文中通称为棱镜31)。
每个半导体激光器11都为边缘发射型，具有400至420nm的振荡波长和1W的输出功率的氮化物化合物基半导体激光器。如图2所示，在每个半导体激光器11中，在快轴F方向上的发射宽度Df为0.5μm，而在慢轴S方向上的发射宽度Ds为25μm。另外，在从半导体激光器11中发射出的每个光束中，快轴F方向上的有效数值孔径NA(f)为0.46，而慢轴S方向上的有效数值孔径NA(f)为0.2。应当注意，半导体激光器11的快轴F方向与半导体激光器11的有源层的厚度方向一致，而半导体激光器11的慢轴S方向平行于有源层表面。也就是说，快轴F方向与慢轴S方向相垂直。应当注意，在图1A、1B和1C的例子中，五个半导体激光器11A、11B、11C、11D和11E被排列在激光器块10上。
准直光学系统20由准直透镜21A、21B、21C、......组成，这些透镜是分别对应于每个光束La、Lb、Lc、......放置的截透镜。每个准直透镜21A、21B、21C、......具有3mm的焦距和为0.6的数值孔径。另外，由多个截准直透镜21A、21B、21C、......准直的每个光束，具有快轴方向宽Uf为2.8mm、慢轴方向宽Us为1.2mm的椭圆截面。
构成光束重排光学系统30的每个棱镜31A、31B、31C、......由棱镜部分P1、P2和P3组合而成，这些棱镜部分中的每一个都具有图3中所示的三角棱镜形状。当光束以快轴都在X方向的方式进入棱镜31A、31B和31C中，光束中每一个在棱镜中共被反射三次(在每个棱镜部分P1、P2、P3中反射一次)，然后被输出以使得快轴在Y方向上。也就是说，如图4A所示，光束重排光学系统将慢轴在平面H1中共面的光束La、Lb、Lc......、重排为快轴在Y方向上共面的光束。在上述描述中，X、Y和Z方向彼此垂直。图5A、5B和5C是从三个方向观看到的光束重排光学系统30的示意图，其中图5A是Z方向的视图，5B是Y方向的视图，图5C是X方向的视图。
实现99.5％或更高反射率的高反射涂层被涂覆于棱镜部分P1、P2和P3的三个表面上，实现0.5％和更低反射率的抗反射涂层被涂覆于每个棱镜的光束入射和输出表面上。
如图6A和6B所示，会聚光学系统25包括F会聚透镜26和S会聚透镜27。F会聚透镜26会聚整束光束La、Lb、Lc、......以使快轴F方向(即，本例中的Y方向)上的宽度减小。S会聚透镜27会聚整束光束La、Lb、Lc、......以使慢轴S方向(即，本例中的X方向)上的宽度减小。这样，如图4B所示，会聚光学系统25使光束La、Lb、Lc......从光纤40的芯体41的端面进入芯体41。
光纤40的芯体41具有50μm的直径和0.2的数值孔径(NA)。
根据本发明第一实施例的激光多路传输设备的操作将在下文描述。
从半导体激光器11射出的光束La、Lb、Lc、......被光学准直系统20准直成为具有平行光轴和包含于平面H1中的共面慢轴S的准直光束。然后，准直光束La、Lb、Lc、......经过各自对应的棱镜31A、31B、31C、.....并被重排，使得光束La、Lb、Lc......的快轴变为如图4A所示的共面。此时，使相邻光束间不产生干涉而完成光束重排成为可能，也使产生一束彼此靠近的光束成为可能(即，实现高空间利用率)。
接下来，被光束重排光学系统30重排为快轴共面的整束光束，经过F会聚透镜26并被会聚，使得该束在Y-Z平面中的快轴F方向上宽度减小。同时，整束光束经过S会聚透镜27，并使该束在X-Z平面中的慢轴S方向上宽度减小。然后，会聚的整束光束进入直径为50μm的光纤40的芯体41中。
光束在快轴方向上的会聚品质比在慢轴方向上高。因此，有可能以高耦合效率将五个在快轴方向上对齐的光束La、Lb、Lc、Ld和Le耦合到光纤40的芯体41中。
如上所述，从半导体激光器11A、11B、11C、......射出的具有1W功率的每个光被耦合到光纤40的芯体41中。这使得激光多路传输设备能以4.5W功率的从芯体中输出激光。也就是说，五束光以90％的耦合效率被耦合至光纤。
下面将描述上述设备的多路传输特性。
●在快轴方向上的多路传输特性(参照图6B)在Y-Z平面上的F会聚透镜26的数值孔径NA＝0.2，与光纤40的数值孔径相同。即，每个光La、Lb、Lc、......以近似NA＝0.46的扩散角从准直光学系统进入F会聚透镜26。为了使五个光束进入光纤，数值孔径NA＝0.2被分为五部分。因此，从半导体激光器11到光纤40的光学系统放大率为0.46/(0.2/5)＝11.5。
据此，F会聚透镜26在快轴F方向上的放大率为11.5。这样，必须使焦距Ff在快轴方向上为34.5mm(每个准直透镜的焦距3mm×放大率11.5)。
另外，在快轴方向上的会聚过程中光束的模糊(扩散)由下述公式决定。
Δs＝(4/П)×λ×Ff/Tf其中λ为将被多路传输的光束的波长；Ff为会聚侧快轴方向上的焦距；Tf为快轴方向上整束光束的宽度。
如果波长λ为0.4μm，焦距Ff为34.5mm，整束光束的宽度Tf为3.1mm，则光束的模糊(扩散)Δs在快轴方向上大约为5.7μm。会聚光束在快轴方向上具有大约11.5μm的(0.5×11.5μm+5.7μm)扩散。
●在慢轴方向上的多路传输特性(参照图6A)在X-Z平面上的S会聚透镜27的数值孔径NA＝0.2，与光纤40的数值孔径相同。即，来自准直光学系统的每个光La、Lb、Lc、......，以其慢轴S在Y方向上堆叠的方式以近似NA＝0.2的扩散角进入S会聚透镜27。其后，整束光束进入数值孔径为NA＝0.2的光纤40中。因此，从半导体激光器11到光纤40的光学系统放大率为0.2/0.2＝1。
据此，S会聚透镜27在慢轴S方向上的放大率为1。这样，必须使焦距Fs在慢轴方向上为3mm(每个准直透镜的焦距3mm×放大率1)。
另外，在慢轴方向上的会聚过程中光束的模糊(blur)(扩散)由下述公式决定。
Δs＝(4/П)×λ×Fs/Ts其中λ为将被多路传输的光束的波长；Fs为会聚侧慢轴方向上的焦距；Ts为慢轴方向上整束光束的宽度。
如果波长λ为0.4μm，焦距Fs为3mm，整束光束的宽度Ts为1.2mm，则光束的模糊(扩散)Δs在快轴方向上大约为1.3μm。会聚光束在慢轴方向上具有大约26.3μm(25μm+1.3μm)的扩散。
在此，被多路传输到光纤40的芯体41上五束光束的截面为椭圆形。椭圆的短轴(快轴方向，即Y方向)近似为11.5μm，长轴(慢轴方向，即X方向)近似为26.3μm(参照图4B).
如上所述，即使考虑到由衍射引起的模糊，被会聚至光纤端面上的光束的直径仍可为30μm或更小。该数值小于光纤芯体的直径(Dc＝50μm)。因此，使该束光束高效耦合至光纤中成为可能。
应当注意，决定激光多路传输设备的仪器尺寸的最大因素是容纳光学元件所需的体积。上述激光多路传输设备在光束传播方向上的尺寸为3mm(准直透镜的焦距)和34.5mm(会聚光学系统的焦距)。因此，即使该设备还要包括其它元件的尺寸，其全长仍可保持在50mm以内，能使其最小化。
作为选择，光束重排光学系统可具有如下所述的结构。图7是另一种形式的光束重排光学系统的示意性平面图。图8是构成图7光束重排光学系统多个棱镜中的一个棱镜的透视图。图9A是光束重排光学系统的透视前视图，它示出了光束至光束重排光学系统的进入。图9B是该光束重排光学系统的透视前视图，它示出了光束从光束重排光学系统的输出。图9C是光纤端面的示意性前视图，其表示光束光学多路传输至光纤中。
如图7、9A、9B和9C所示，光束重排光学系统50由多个棱镜51A、51B、51C、......构成。如图8所示每个棱镜51A、51B、51C、......由两个四方棱镜(quadratic prism)部分P11和P12组合而成，如图8所示。棱镜51A、51B、51C、......被设置得使慢轴S在Y方向上的光束射入其中。该光束共被反射两次(一次在棱镜部分P11，一次在棱镜部分P12)，然后被输出以使快轴F在Z方向上。
从半导体激光器11发射出的光束La、Lb、Lc、......被准直光学系统20准直，以使它们具有平行光轴并使它们的慢轴共面。准直光束La、Lb、Lc、......分别进入棱镜51A、51B、51C、......(参照图9A)并被其重排，使得每个光束La、Lb、Lc、......的快轴共面，然后从棱镜51A、51B、51C......中输出(参照图9B)。这样，使相邻光束之间不产生干涉而完成光束重排成为可能，也使产生一束彼此靠近的光束成为可能(即，实现高空间利用率)。
该束已被重排为快轴共面的光束，从光束重排光学系统50中输出。然后，该束光束由会聚光学系统25会聚，使得快轴F和慢轴S方向上的宽度都被减小。该束会聚的光束最后被多路传输至光纤40的直径为50μm的芯体41中。
应当注意，光束进入光束重排光学系统的方向(z方向)和光束从光束重排光学系统中输出的方向(Y方向)彼此是不同的。因此，棱镜51A、51B、51C、......的光入射表面55A、55B、55C、......在Y方向(慢轴S的方向)上的宽度Ns(参照图9A)不受光输出表面56A、56B、56C、......在Z方向(快轴F的方向)上的宽度Nf(参照图9B)的限制。因此，光入射表面55A、55B、55C、......的宽度Ns可被设置为基本上等于光束慢轴方向上的宽度。这样，进入光束重排光学系统的光束之间的间隔可被进一步缩小。激光器块和准直透镜的尺寸也可因此被进一步缩小，从而使激光多路传输设备进一步小型化。
在下文中，将描述激光多路传输设备的多个实施例。
首先，描述Ex1至Ex9的共有特征。
如图10至图26所示，实施例Ex1至Ex9的激光多路传输设备包括其上分别设有五个半导体激光器的激光器块111B、112B，和115B至119B，以及其上设有10个半导体激光器的激光器块113B和114B。设置在每个激光器块上的半导体激光器的有源层共面。从每个半导体激光器发射出的光束具有平行且共面的慢轴。
应当注意，半导体激光器是边缘发射型，具有400至420nm的振荡波长和1W的输出功率的氮化物化合物基半导体激光器。从每个半导体激光器发射出的光束的快轴F方向上的发射宽度Df为0.5μm，并且快轴方向上的有效数值孔径NA(f)为0.46。慢轴S方向上的发射宽度Ds，在激光器块111B和112B中为25μm，在激光器块113B、114B和115B中为30μm，在激光器块116B、117B、118B和119B中为50μm。对于所有的激光器块，慢轴S方向上的有效数值孔径NA(s)都为0.2。
应当注意，下文描述中的“快轴方向”和“慢轴方向”指的是每个光束的慢轴和快轴的状态。也就是说，在光束的方向绕其光轴旋转的情况下，“快轴方向”和“慢轴方向”也绕图中X轴、Y轴、或Z轴旋转。因此，快轴的方向、慢轴的方向、X轴、Y轴和Z轴之间的关系随着在光路中的位置而变化。
在图中，箭头+X的相反方向是-X，箭头+Y的相反方向是-Y，而箭头+Z的相反方向是-Z。
设置与激光器块111B和112B相对应的准直光学系统111C和112C。设置与激光器块115B、116B、117B、118B和119B相对应的准直光学系统115C、116C、117C、118C和119C。设置与激光器块与激光器块113B和114B相对应的准直光学系统113C和114C。所有的准直系统都包括截透镜，准直光学系统准直从每个激光器发射出的光束，以使它们的光轴平行，并且使它们的慢轴平行并共面。
所有准直光学系统111C至119C的焦距都是2.85mm，数值孔径都是0.6。每准直光束的截面形状都是快轴方向上的宽度为2.6mm而慢轴方向上的宽度为1.1mm的椭圆截面。
光束重排光学系统111R至119R对应于准直光学系统111C至119C设置。光束重排光学系统111R至119R沿着光束传播的方向在不同位置上改变被准直光学系统111C至119C准直的光束的快轴方向(在图中由箭头F示出)，以使光束的快轴平行且共面。进入光束重排光学系统111R至119R的光束被重排为具有平行共面快轴的光束，然后输出。
应当注意，光束重排光学系统111R至119R由等腰直角三角棱镜部分Pt、四方棱镜型透射部分Ps、用于波长多路传输的二向色涂覆薄膜Cd、用于偏振多路传输的偏振涂覆薄膜Cp等组合而成；还应注意，实现99.5％或更高反射率的反射涂层涂覆在三角棱镜Pt的反射面Sr上。实现0.5％或更低反射率的抗反射涂层涂覆在三角棱镜Pt的入射表面和输出表面(光透射表面)St上。透射表面St是对应于等腰直角三角形的等边侧的表面。
会聚光学系统111F至119F对应光束重排光学系统111R至119R设置。会聚光学系统111F至119F在快轴和慢轴两个方向上都会聚输入其上的具有平行且共面的快轴的光束。会聚光学系统111F至119F输出会聚光束，以使它们分别进入光纤111L至119L。
会聚光学系统111F至119F分别包括F会聚透镜111Ff至119Ff和S会聚透镜111Fs至119Fs。F会聚透镜111Ff至119Ff是会聚分别已经从光束重排光学系统111R至119R发射出的整束光束的柱面透镜，以使整束光束的宽度在快轴方向(本例子中为Y方向)上减小。S会聚透镜111Fs至119Fs是会聚整束光束的柱面透镜，以使整束光束的宽度在慢轴方向(本例子中为X方向)上减小。会聚光学系统111F至119F多路传输光束并使它们分别进入光纤111L至119L的芯体端面中。
所有光纤111L至119L的芯体的有效数值孔径都为0.22。光纤111L至112L的芯体直径为50μm。光纤113L至119L的芯体直径为60μm。
应当注意，图27A表示从会聚光学系统一侧的光轴方向观看到的，当光束进入实施例Ex1、Ex2、Ex6、Ex7、Ex8和Ex9中会聚光学系统111F、112F、116F、117F、118F和119F的光束状态。图27B表示从会聚光学系统113F一侧的光轴方向观看到的，当光束进入实施例Ex3中的会聚光学系统113F的光束状态。图27C表示从会聚光学系统114F一侧的光轴方向观看到的，当光束进入实施例Ex4中的会聚光学系统114F的光束状态。图27D表示从会聚光学系统115F一侧的光轴方向观看到的，当光束进入实施例Ex5中的会聚光学系统115F的光束状态。
●实施例Ex1图10A和图10B表示根据实施例Ex1的激光多路传输设备101的结构示意图。图10A是激光多路传输设备101的平面图。图10B是激光多路传输设备101的前视图。图11是应用在光束重排光学系统的棱镜的透视图。
实施例Ex1的激光多路传输设备101包括其上设有五个半导体激光器的激光器块111B，；准直光学系统111C；光束重排光学系统111R；会聚光学系统111F；和光纤111L。
应注意，如上所述的，由激光器块111B上的五个半导体激光器发射的光束，发射宽度Ds在慢轴方向上为25μm。会聚光学系统111F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤111L的芯体直径为50μm。
光束重排光学系统111R包括五个棱镜111P。如前参照图3所述，每个棱镜都是三个三角棱镜部分Pt的组合，。五个棱镜相应于已经穿过准直光学系统111C的五个光束中的每一个沿光束的传播方向设置在不同的位置上。
激光器块111B上的半导体激光器沿+Z方向发射出五个光束Lz。光束Lz被准直光学系统111C准直，以使它们的光轴变得平行，并使它们的慢轴共面。每个准直光束Lz在+Z方向上进一步传播并经过与其对应的光束重排光学系统111R的棱镜111P。光束Lz被重排得其快轴平行且共面。光束重排的实现没有在邻近光束之间产生干涉，并且还产生了一束彼此靠近的光束(即，实现高空间利用率)。
在+Z方向传播的光束Lz进入棱镜111P的第一三角棱镜部分Pt。光束Lz第一次被向+X方向反射并进入第二三角棱镜部分Pt。然后，光束Lz被第二三角棱镜部分Pt被向-Y方向反射并进入第三三角棱镜部分Pt。此后，第三三角棱镜部分Pt向+Z方向反射光束Lz。
具有平行共面快轴的重排光束Lz作为一束光束从光束重排光学系统111R中射出(参照图27A)。整束光束由F会聚透镜111ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。然后，整束光束经S会聚透镜111Fs会聚在XZ平面上，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，会聚的整束光束进入光纤111L的芯体。
在此，会聚到光纤111L的50μm直径芯体的端面上的整束光束的光斑，在快轴方向上的长为5μm，在慢轴方向上的长为25μm。应当注意，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz可以以高耦合效率耦合进入光纤111L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex2图12A和图12B表示根据实施例Ex2的激光多路传输设备102的结构示意图。图12A是激光多路传输设备102的平面图。图12B是激光多路传输设备102的前视图。图13是应用在光束重排光学系统的棱镜的透视图。
实施例Ex1的激光多路传输设备102包括其上设有沿-Y方向发射光束的五个半导体激光器的激光器块112B，；准直光学系统112C；光束重排光学系统112R；会聚光学系统112F；和光纤112L。
应注意如上所述的，由激光器块112B上的五个半导体激光器发射的光束，其慢轴方向上的发射宽度Ds为25μm。会聚光学系统112F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤112L的芯体直径为50μm。
光束重排光学系统112R包括五个棱镜112P。每个棱镜都是两个三角棱镜部分Pt的组合。五个棱镜112P对应于五束光中每一个在光束传播方向上设置在不同位置上，这些光束已经经过准直光学系统112C。
激光器块112B上的半导体激光器中发射出沿-Y方向传播的五个光束Lz。光束Lz被准直光学系统112C准直，以使其光轴平行，慢轴共面。每个准直光束Lz相应在-Y方向上进一步传播并经过与其相应的光束重排光学系统112R的棱镜112P。光束Lz被重排得其快轴平行且共面，然后在+Z方向上射出。光束重排的实现没有在邻近光束之间产生干涉，并且产生一束彼此靠近的光束(即，实现高空间利用率)。
在-Y方向传播的光束Lz进入棱镜112P的第一三角棱镜Pt。光束Lz第一次被向+X方向反射并进入第二三角棱镜部分Pt。然后，光束Lz被第二三角棱镜部分Pt向-Y方向反射。
具有平行共面快轴的重排光束Lz作为一束光束(参照图27A)从光束重排光学系统112R中射出。整束光束经F会聚透镜112Ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。然后，整束光束经S会聚透镜112Fs在XZ平面上会聚，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，会聚的整束光束进入光纤112L的芯体。
在此，会聚到光纤112L的50μm直径芯体的端面上的整束光束光斑，在快轴方向长为5μm，在慢轴方向上长为25μm。应当注意，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上具有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz可以以高耦合效率耦合进入光纤112L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex3图14A和图14B表示根据实施例Ex3的激光多路传输设备103的结构示意图。图14A是激光多路传输设备103的平面图。图14B是激光多路传输设备103的前视图。
实施例Ex3的激光多路传输设备103包括其上设有沿+Z方向发射光束的十个半导体激光器的激光器块113B；准直光学系统113C；光束重排光学系统113R；会聚光学系统113F；和光纤113L。
应注意如上所述的，由激光器块113B上的十个半导体激光器发射的光束在慢轴方向上的发射宽度Ds为30μm。会聚光学系统113F的焦距在快轴方向上为60mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤113L的芯体直径为60μm。
光束重排光学系统113R包括十个棱镜113P。每个棱镜113P都是三个三角棱镜部分Pt的组合，如前参照图3和11所述的。十个棱镜分别相应于已经经过准直光学系统113C的十个光束中的每一个沿光束传播方向设置在不同的位置上。
激光器块113B上的半导体激光器沿+Z方向射出十个光束Lz。光束Lz被准直光学系统113C准直，以使其光轴平行慢轴共面。每个准直光束Lz相应在+Z方向上进一步传播并经过与其相应的光束重排光学系统113R的棱镜113P。光束Lz以与实施例Ex1相同的方式被重排，使得其快轴平行且共面。光束重排光学系统113R沿+Z方向射出重排光束Lz1。光束重排的实现没有在邻近光束之间产生干涉，并产生一束彼此靠近的光束(即，实现高空间利用率)。
具有平行共面快轴的重排光束Lz作为一束光束从光束重排光学系统113R中射出(参照图27B)。整束光束经F会聚透镜113Ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。然后，整束光束经S会聚透镜113Fs在XZ平面上会聚，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，会聚的整束光束进入光纤113L的直径为60μm的芯体。
在此，会聚到光纤113L芯体端面上的整束光束的光斑，在快轴方向上的长为10μm，在慢轴方向上的长为30μm。应当注意，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz可以以高耦合效率耦合进入光纤113L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex4图15A和图15B表示根据实施例Ex4的激光多路传输设备104的结构示意图。图15A是激光多路传输设备104的平面图。图15B是激光多路传输设备104的前视图。图16是应用在光束重排光学系统的第一棱镜的透视图。图17是是应用在光束重排光学系统的第二棱镜的透视图。
实施例Ex4的激光多路传输设备104包括其上设有沿+Z方向发射光束的十个半导体激光器的激光器块114B；准直光学系统114C；光束重排光学系统114R；会聚光学系统114F；和光纤114L。
应注意如上所述的，由激光器块114B上的十个半导体激光器射出的光束在慢轴方向上的发射宽度Ds为30μm。会聚光学系统114F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为5.9mm。光纤114L的芯体直径为60μm。
光束重排光学系统114R包括分别由图16和17表示的五个棱镜114P1和五个棱镜114P2。每个棱镜114P1都是四个三角棱镜部分Pt的组合。每个棱镜114P2由一四方棱镜型透射部分Ps和两个三角棱镜部分Pt组成，该四方棱镜透射部分位于两个三角棱镜之间。五个棱镜114P1都是由图3或11所示的棱镜和附加三角棱镜部分Pt组成。
五个棱镜114P1分别相应于已经经过准直光学系统111C的十条光束中的五束光束沿光束传播方向设置在不同位置上。五只棱镜114P2分别对应已经经过准直光学系统111C的其余五个光束沿光束传播方向设置在不同位置上。
激光器块114B上的半导体激光器沿+Z方向射出光束Lz。光束Lz被准直光学系统114C准直，使其光轴平行慢轴共面。十束准直光束Lz在+Z方向上进一步传播。10束准直光束Lz中的5束Lz1经过光束重排光学系统114R的棱镜114P1。光束Lz1经过如图3和11所示的棱镜114P1的三个三角棱镜Pt，并且光束Lz1被重排得其快轴平行且共面。
另一方面，在+Z方向上由准直光学系统114C射出的五束光Lz2而不是五束光Lz1，经过光束重排光学系统114R的棱镜114P2。光束Lz2被重排得使其快轴变得平行且共面，并向-Y方向射出。
也就是说，在+Z方向上行进的每个光束Lz2，进入棱镜114P2的第一三角棱镜部分Pt。第一三角棱镜部分Pt向+X方向反射光束Lz2，光束Lz2经过四方棱镜型透射部分Ps并进入第二三角棱镜部分Pt。第二三角棱镜部分Pt向-Y方向反射光束Lz2。从棱镜114P2向-Y方向射出的光束Lz2进入棱镜114P1的一个三角棱镜部分Pt而不是图3和图11中所述的三个三角棱镜部分。光束Lz2被三角棱镜部分Pt向+Z方向反射。
如图16所示，向+Z方向射出的光束Lz1和Lz2在X方向上具有不同的位置。
光束重排的实现没有在邻近光束之间产生干涉，并产生一束彼此靠近的光束(即，实现高空间利用率)。
重排光束Lz1和Lz2作为一束光束从光束重排光学系统114R中射出(参照图27C)。整束光束经F会聚透镜114Ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。然后，整束光束经S会聚透镜114Fs在XZ平面上会聚，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，会聚的整束光束进入光纤114L的芯体。
在此，会聚到光纤114L的60μm直径芯体端面上的整束光束光斑，在快轴方向的长为5μm，在慢轴方向上的长为60μm。应当注意，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz1和Lz2可以以高耦合效率耦合进入光纤114L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex5图18A、18B和图18C表示根据实施例Ex5的激光多路传输设备105的结构示意图。图18A是激光多路传输设备105的平面图。图18B是激光多路传输设备105的前视图。图18C是激光多路传输设备105的左视图。图19是应用在光束重排光学系统的第一棱镜的透视图。图20是应用在光束重排光学系统的第二棱镜的透视图。
实施例Ex5的激光多路传输设备105包括彼此面对设置的其上均设有五个半导体激光器的第一激光器块115B1和第二激光器块115B2；分别对应激光器块115B1和115B2设置的第一准直光学系统115C1和第二准直光学系统115C2；用于重排经过准直光学系统115C1和115C2的准直光束的光束重排光学系统115R；会聚光学系统115F；和光纤115L。应当注意，第一激光器块115B1沿-Y方向发射光束，而第二激光器块115B2沿+Y方向发射光束。
应注意如上所述的，由激光器块115B1和115B2上的五个半导体激光器发射的光束，其慢轴方向上的发射宽度Ds为30μm。会聚光学系统115F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为5.9mm。光纤115L的芯体直径为60μm。
光束重排光学系统115R包括分别由图19和20表示的五个棱镜115P1和五个棱镜115P2。每个棱镜115P1都是由一个四方棱镜型透射部分Ps和两个三角棱镜部分Pt组成，该四方棱镜透射部分位于两三角棱镜之间。每个棱镜115P2是两个三角棱镜部分Pt的组合。
五个棱镜115P1在光束传播方向的不同位置上分别对应由激光器块115B1发射并经过准直光学系统115C1的五个光束设置。五个棱镜115P2在光束传播方向的不同位置上分别对应由激光器块115B2发射并经过准直光学系统115C2的五束光设置。
激光器块115B1上的半导体激光器沿-Y方向发射五个光束Lz1。光束Lz1被准直光学系统115C1准直，使其光轴平行慢轴共面。五束准直光束Lz1在-Y方向上进一步传播，并进入光束重排光学系统115R的棱镜115P1中。进入棱镜115P1的光束Lz1在其中被反射两次，并且被重排为快轴平行且共面的光束，然后，朝着+Z方向出射。
也就是说，在-Y方向上传播的每个光束Lz1，进入棱镜115P1的第一三角棱镜部分Pt。第一三角棱镜部分Pt向+X方向反射光束Lz1。光束Lz1经过四方棱镜型透射部分Ps并进入第二三角棱镜部分Pt。第二三角棱镜部分朝向+Z方向反射光束Lz1。
另一方面，激光器块115B2上的半导体激光器沿+Y方向发射五个光束Lz2。光束Lz2被准直光学透镜115C2准直，使得其光轴平行慢轴共面。五束准直光束Lz2进一步在+Y方向上传播，并进入光束重排光学系统115R的棱镜115P2.进入棱镜115P2的光束Lz2在其中被反射两次，并被重排为快轴平行且共面的光束，然后朝+Z方向射出。
也就是说，在+Y方向上传播的每个光束Lz2，进入棱镜115P2的第一三角棱镜部分Pt中。第一三角棱镜部分Pt向+x方向反射光束Lz2，反射光束Lz2进入第二三角棱镜部分Pt。第二三角棱镜部分Pt向+Z方向反射光束Lz2。
如图27D所示，向+Z方向射出的光束Lz1和Lz2，在X方向上具有不同的位置，并且对于一个光束的空间在Y方向上被移位。
重排光束Lz1和Lz2作为一束光束分别从棱镜115P1和115P2中出射。该束光束经F会聚透镜115Ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。然后，该束光束经S会聚透镜115Fs在XZ平面上会聚，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，该束会聚光束进入光纤115L的芯体。
在此，会聚到光纤115L的60μm直径芯体的端面上的整束光束光斑，在快轴方向的长为5μm，在慢轴方向上的长为60μm。应当注意，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上具有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz1和Lz2可以以高耦合效率耦合进入光纤115L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex6图21A和图21B表示根据实施例Ex6的激光多路传输设备106的结构示意图。图21A是激光多路传输设备106的平面图。图21B是激光多路传输设备106的前视图。
实施例Ex6的激光多路传输设备106包括与实施例Ex1的激光多路传输设备101组件和功能相同的主光学系统116M，和副光学系统1 16S。
副光学系统116S包括与主光学系统116M的半导体激光器不同的附加半导体激光器，和偏振多路传输装置，其设置在主光学系统116M的半导体激光器射出的光束的光路中，用于偏振多路传输由附加的半导体激光器射出的光束。从副光学系统116S的附加激光器射出的光束也被多路传输并进入主光学系统116M的光纤中。
主光学系统116M包括与激光器块116B一样在其上设有沿+Z方向发射光束的五个半导体激光器的激光器块116B1；与准直光学系统116C一样的准直光学系统116C1；与光束重排光学系统116R一样的光束重排光学系统116R1；会聚光学系统116F和光纤116L。
应当注意，主光学系统116M的激光器块116B1、准直光学系统116C1、光束重排光学系统116R1、会聚光学系统116F、以及光纤116L相应于实施例Ex1的激光多路传输设备101的激光器块111B、准直光学系统111C、光束重排光学系统111R、会聚光学系统111F、以及光纤116L。
副光学系统116S包括与激光器块116B一样其上设有沿-Y方向发射光束的五个半导体激光器的激光器块116B2，；与准直光学系统116C一样的准直光学系统116C2；与光束重排光学系统116R一样的光束重排光学系统116R2；1/2λ波片116λ和偏振分光器116P。
准直光学系统116C2、光束重排光学系统116R2、1/2λ波片116λ和偏振分光器116P构成了偏振多路传输光学装置116G。偏振多路传输装置116G多路传输从激光器块116B2的半导体激光器射出的五个光束中的每个光和从激光器块116B1射出的主光学系统116M的光束进入光纤116L中。
在此，偏振多路传输装置116G的偏振分光器116P设置在主光学系统116M的光束重排光学系统116R1和会聚光学系统116F之间。
应当注意，如上所述，由激光器块116B1和116B2上的十个半导体激光器发射的光束在慢轴方向上的发射宽度Ds为50μm。会聚光学系统117F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤117L的芯体直径为60μm。
光束重排光学系统116R1和116R2具有和实施例Ex1的光束重排光学系统111R相同的结构。与图11所示相同的棱镜，对应于主光学系统116M和副光学系统1 16S的每五个光束中的每个光设置在光束传播方向的不同位置上。
接下来将描述传播经过副光学系统116S的光束Lz2被多路传输至传播经过主光学系统116M的光束Lz1的光路中的方式。
五束光束Lz1由激光器块116B1的半导体激光器沿+Z方向上射出。光束Lz1被准直光学系统116C1准直，以使其光轴平行慢轴共面。五束准直光束继续在+Z方向上传播，并进入光束重排光学系统116R1的棱镜中。光束Lz1被光束重排光学系统116R1重排，使得它们的快轴平行且共面，并向+Z方向射出。光束重排的实现没有在邻近光束之间产生干涉，并产生一束彼此靠近的光束(即，实现高空间利用率)。
在+Z方向传播的光束Lz1进入光束重排光学系统116R1，经光束重排光学系统116R1向+Z方向射出。然后光束Lz1进入偏振分光器116P，经过二向色表面BS1，并由该偏振分离器116P向+Z方向射出。
经重排的光束Lz1，其快轴平行且共面，由偏振分光器116P作为一束光射出。整束光束经F会聚透镜116Ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。然后，整束光束经S会聚透镜116Fs在XZ平面上会聚，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，会聚的整束光束进入光纤116L的芯体。
同时，由副光学系统116S的激光器块116B32上的半导体激光器沿+Y方向发射五个光束Lz2。光束Lz2被准直光学系统116C2准直，以使其光轴平行慢轴共面。五束准直光束Lz2进一步在+Y方向上传播，并进入光束重排光学系统116R2的棱镜中。光束Lz2被光束重排光学系统116R2重排，使得它们的快轴平行且共面。光束重排的实现没有在邻近光束之间产生干涉，并产生一束彼此靠近的光束(即，实现高空间利用率)。
从重排光学系统116R2向+Y方向射出的光束Lz2，经过1/2λ波片116λ。1/2λ波片116λ将光束Lz2的偏振方向旋转90°，然后向+Y方向射出。
应当注意的是，副光学系统116S的构成使得经过1/2λ波片116λ的光束Lz2的光轴与被光束重排光学系统116R2重排的光束Lz2的光轴垂直且共面。
由1/2λ波片116λ向+Y方向射出的光束Lz2，进入偏振分光器116P并被二向色表面BS1向+Z方向反射。然后，被偏振分光器116P反射并在+Z方向上传播的光束Lz2的每个光，经由与激光器块116B1发射并在+Z方向上传播的光束Lz1相同的光路进入光纤116L。值得注意的是，从偏振分光器116P中发射出的光束Lz1和Lz2的偏振方向被改变了90°。
在此，会聚到光纤116L的60μm直径芯体的端面上的整束光束光斑，在快轴方向的长为5μm，在慢轴方向上的长为50μm。值得注意的是，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中出射的光束在快轴方向上比在慢轴方向上有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz1和Lz2可以以高耦合效率耦合进入光纤116L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex7图22A和22B表示根据实施例Ex7的激光多路传输设备107的结构示意图。图22A是激光多路传输设备107的平面图。图22B是激光多路传输设备107的前视图。图23A和图23B是激光多路传输设备107的光束重排光学系统的放大示意图。图23A是用于光束重排光学光学系统的棱镜透视图。图23B表示从不同方向进入棱镜的光束的偏振多路传输的方式。
实施例Ex7的激光多路传输设备107包括与实施例Ex6的激光多路传输设备106的主光学系统116M的组件和功能相同的主光学系统117M，和副光学系统117S，它具有与实施例Ex6的副光学系统116S相同的组件和功能。从副光学系统117S的半导体激光器中射出的光束也被多路传输至主光学系统117M的光纤中。与实施例Ex6的激光多路传输设备106相同的组件和功能的描述在此将被省略。
副光学系统117S包括与激光器块117B一样其上设有沿+Y方向发射光束的五个半导体激光器的激光器块117B2，；与准直光学系统116C相同的准直光学系统117C2；1/2λ波片117λ；和也能起偏振分光器作用的光束重排光学系统117R2。
准直光学系统117C2、1/2λ波片117λ和光束重排光学系统117R2构成了偏振多路传输装置117G。偏振多路传输装置117G多路传输由激光器块117B2的半导体激光器发射的五个光束的每一束和主光学系统117M的激光器块117B1发射的光束，使其进入光纤117L。
在此，光束重排光学系统117R2设置在主光学系统117M的光束重排光学系统117R1和会聚光学系统117F之间。
应注意的是，由激光器块117B1和117B2上的十个半导体激光器射出的光束在慢轴方向上的发射宽度Ds为50μm。会聚光学系统117F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤117L的芯体直径为60μm。
如图23A和23B所示，光束重排光学系统117R2包括五个棱镜117P，。每个棱镜117P由用于偏振多路传输的偏振涂覆薄膜Cp和三个三角棱镜部分Pt组合而成。也就是说，光束重排光学系统117R2的每个棱镜117P包括由涂覆于两三角棱镜部分Pt之间的偏振涂覆薄膜Cp形成的分光器部分；以及将被偏振传输的光束引导至分光器部分的三角棱镜部分Pt。
激光器块117B1的半导体激光器沿+Z方向射出光束Lz1。光束Lz1由主光学系统117M的光束重排光学系统117R1重排，并由此向+Z方向出射。然后，光束Lz1经过光束重排光学系统117R2的分光器部分并由此向+Z方向射出。同时，激光器块117B2的半导体激光器沿+Y方向射出光束Lz2。光束Lz2经过1/2λ波片117λ并进一步在+Y方向上传播。然后，光束Lz2进入棱镜117P的三角棱镜部分Pt并因此向+x方向反射。光束Lz2进入分光器部分并由偏振涂覆薄膜Cp向+Z方向反射。由此，光束Lz2被多路传输至主光学系统117M的光束Lz1的光路中。
在这种方式中，经过副光学系统117S传播的光束Lz2，被多路传输至经过主光学系统117M传播的光束Lz1的光路中。一束多路传输光束Lz1和Lz2(参照图27A)经过会聚光学系统117F并进入光纤117L的芯体。
在此，会聚到光纤117L的60μm直径芯体的端面上的整束光束光斑，在快轴方向的长为5μm，在慢轴方向上的长为50μm。值得注意的是，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上具有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz1和Lz2可以以高耦合效率耦合进入光纤117L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex8图24A和图24B表示根据实施例Ex8的激光多路传输设备108的结构示意图。图24A是激光多路传输设备108的平面图。图24B是激光多路传输设备108的前视图。
实施例Ex8的激光多路传输设备108包括与实施例Ex6的激光多路传输设备106的主光学系统116M的组件和功能相同的主光学系统118M，以及副光学系统118S。
副光学系统118S包括与主光学系统118M不同的附加半导体激光器，和波长多路传输装置，器设置在由主光学系统118M的半导体激光器发射的光束的光路中，用于波长多路传输由附加半导体激光器发射的光束。从副光学系统118S的附加激光器发射的光束也被多路传输并进入主光学系统118M的光纤。值得注意的是，与实施例Ex6的激光多路传输设备106相同的功能和作用的描述在此将被省略。
副光学系统118S还包括第一多路传输部分，用于多路传输由主光学系统118M传播的370nm波长的光束Lz2和410nm波长的光束Lz1；以及第二多路传输部分，用于多路传输370nm波长的光束Lz2和450nm波长的光束Lz3。
第一多路传输部分包括激光器块118B2，其上设有发射370nm波长光束的五个半导体激光器；准直光学系统118C2，用于准直从激光器块118B2发射出的光束Lz2；光束重排光学系统118R2，用于重排经过准直光学系统118C2的光束Lz2；以及透射410nm波长光并反射370nm波长光的二向色分光器118D2。
该准直光学系统118C2，光束重排光学系统118R2，以及二向色分光器118D2构成波长多路传输设备118G2。波长多路传输设备118G2多路传输由激光器块118B2发射的每个光Lz2并与从激光器块118B1发射的光束Lz1一起传输至主光学系统118M的光纤118L中。
准直光学系统118C3，光束重排光学系统118R3，以及二向色分光器118D3构成波长多路传输设备118G3。波长多路传输设备118G3多路传输由激光器块118B3发射的每个光Lz3与从激光器块118B1发射的光束Lz1一起传输至主光学系统118M的光纤118L中。
在此，副光学系统118S的激光器块118B2和118B3设置在主光学系统118M的光束重排光学系统118R1和会聚光学系统118F之间。
应当注意，如上所述，激光器块118B1、118B2和118B3上的十五个半导体激光器射出光束的慢轴方向上的发射宽度Ds为50μm。会聚光学系统118F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤118L的芯体直径为60μm。
光束重排光学系统118R2、118R3和光束重排光学系统118R1相同，118R1与实施例Ex1的光束重排光学系统111R相同。光束重排光学系统118R1、118R2和118R3每个都具有五个棱镜，这些棱镜与图11中所示的相同。五只棱镜分别对应从激光器块118B1、118B2和118B3发射出的五束光中每一个在光束传播方向上设置在不同位置上。
接下来将描述经过副光学系统118S的第一多路传输部分传播的光束Lz2，和经过副光学系统118S第二多路传输部分的光束Lz3，被多路传输至经过主光学系统118M传输的光束Lz1的光路中的方式。
激光器块118B1的半导体激光器沿+Z方向射出光束Lz1。光束Lz1被准直光学系统118C1准直，使其光轴平行慢轴共面。然后，准直光束经过光束重排光学系统118R1的棱镜，使得它们的快轴平行并共面，并向+Z方向发射。使光束重排的实现在邻近光束之间不产生干涉，并产生一束彼此靠近的光束成为可能(即，实现高空间利用率)。
光束重排光学系统118R1向+Z方向发射的光束Lz1，经过二向色分光器118D2的二向色表面DC2并由此发射出去。然后光束Lz1经过二向色分光器118D3的二向色表面DC3并由此发射出去。其后，具有410nm波长的光束Lz1进入会聚光学系统118F。该束光束经F会聚透镜118Ff在YZ平面上会聚，以使其宽度在快轴方向上减小。此后，该束光束经S会聚透镜118Fs在XZ平面上会聚，以使其宽度在慢轴方向上减小。最后，会聚的整束光束进入光纤118L的芯体。
同时，副光学系统118S的激光器块118B2上的半导体激光器沿+Y方向发射370nm波长的五个光束Lz2。光束Lz2被准直光学系统118C2准直，以使其光轴平行慢轴共面。然后，该准直光束Lz2经过光束重排光学系统118R2的棱镜，使得其快轴平行并共面，并由此向+Y方向射去。
值得注意的是，副光学系统118S的第一多路传输部分的构造，使得光束重排光学系统118R2射出的光束Lz2的光轴与经过光束重排光学系统118R1重排的光束Lz1的光轴共面且垂直。
光束重排光学系统118R2向+Y方向发射的光束Lz2，进入二向色分光器118D2并被二向色表面DC2朝向+Z方向反射。然后，已被二向色表面DC2反射的每个光束Lz2在+Z方向上传播，经过与光束Lz1相同的光路并进入二向色分光器118D3。最后，光束Lz2经过会聚透镜光学系统118F进入光纤118L。
激光器块118B3的五个半导体激光器向+Y方向射出五个光束Lz3。光束Lz3经过准直光学系统118C3，被光束重排光学系统118R3重排，并由此以与上述光束Lz2相同的方式向+Z方向射出。
值得注意的是，副光学系统118S的第二多路传输部分的构造，使得从光束重排光学系统118R3射出的光束Lz3的光轴与由光束重排光学系统118R1的重排的光束Lz1的光轴共面且垂直。
光束重排光学系统118R3向+Y发射的光束Lz3，进入二向色分光器118D3并被二向色表面DC3反射。然后，已被二向色表面DC3反射的光束Lz3，经过与光束Lz1和Lz2相同的光路传播(参考图27A)。最后，光束Lz3经过会聚透镜光学系统118F进入光纤118L。
在此，会聚到光纤117L的60μm直径芯体的端面上的整束光束光斑，在快轴方向上的长为5μm，在慢轴方向上的长为50μm。值得注意的是，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上具有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz1、Lz2和Lz3可以以高耦合效率耦合进入光纤118L，例如，耦合效率为90％。
●实施例Ex9图25A和25B表示根据实施例Ex9的激光多路传输设备109的结构示意图。图25A是激光多路传输设备109的平面图。图26A和图26B是激光多路传输设备109的光束重排光学系统的放大示意图。图26A是用于光束重排光学光学系统的棱镜透视图。图26B表示从不同方向进入棱镜的光束的偏振多路传输的方式。
实施例Ex9的激光多路传输设备109包括与实施例Ex8的激光多路传输设备108的主光学系统118M的组件和功能相同的主光学系统119M，和副光学系统119S，它具有与实施例Ex8的副光学系统118S相同的组件和功能。从副光学系统119S的半导体激光器发射出的光束也被多路传输进入主光学系统119M的光纤。与实施例Ex8的激光多路传输设备108相同的组件和功能的描述在此将被省略。
副光学系统119S的第一多路传输部分包括其上设有沿+Y方向发射光束的五个半导体激光器的激光器块119B2，；准直光学系统119C2；和也执行透射410nm波长的光并反射370nm波长的光的二向色分光器功能的光束重排光学系统119R2。
准直光学系统119C2和光束重排光学系统119R2构成了偏振多路传输装置119G2。偏振多路传输装置119G2多路传输由激光器块119B2的半导体激光器发射的五个光束中的每一束，与主光学系统119M的激光器块119B1发射的光束一起传输至光纤119L。
在此，光束重排光学系统119R2和光束重排光学系统119R3(将在下文描述)设置在主光学系统119M的光束重排光学系统119R1和会聚光学系统119F之间。
值得注意的是，每个激光器块119B1、119B2和119B3(将在下文描述)上的五个半导体激光器发射的光束在慢轴方向上的发射宽度Ds为50μm。会聚光学系统119F的焦距在快轴方向上为30mm，而在慢轴方向上为2.85mm。光纤119L的芯体直径为60μm。
如图26A和26B所示，副光学系统119S的光束重排光学系统119R2包括五个棱镜119P，。每个棱镜119P由用于波长多路传输的二向色涂覆薄膜Cd和三个三角棱镜部分Pt组合而成。即，光束重排光学系统119R2的每个棱镜119P包括由涂覆于两三角棱镜部分Pt之间的二向色涂覆薄膜Cd形成的二向色分光器部分；以及将被波长多路传输的光束引导至分光器部分的三角棱镜部分Pt。
激光器块119B1的半导体激光器沿+Z方向发射光束Lz1。光束Lz1经过主光学系统119M的光束重排光学系统119R1重排，并由此向+Z方向射出。然后，光束Lz1经过光束重排光学系统119R2的二向色分光器部分并由此向+Z方向射出。同时，激光器块119B2的半导体激光器沿+Y方向发射光束Lz2。被第一多路传输部分的准直光学系统119C2准直的光束Lz2进一步在+Y方向上传播。然后，光束Lz2进入棱镜119P的三角棱镜部分Pt并由此向+X方向反射。光束Lz2进入二向色分光器部分并由偏振涂覆薄膜Cp向+Z方向反射。这样，光束Lz2就被多路传输至主光学系统119M的光束Lz1的光路中。
在这种方式中，经过副光学系统119S传播的光束Lz2，被多路传输至由主光学系统119M传播的光束Lz1的光路中。
副光学系统119S的第二多路传输部分包括其上设有沿+Y方向发射光束的五个半导体激光器的激光器块119B3；准直光学系统119C3；和执行透射410nm波长的光并反射450nm波长的光的二向色分光器器功能的光束重排光学系统119R3。
第二多路传输部分的操作与上述第一多路传输部分相同。激光器块119B3发射光束Lz3。光束Lz3被准直光学系统119C3准直后，光束Lz3被光束重排光学系统119R3的二向色分光器部分反射。其后，光束Lz3与光束Lz1和Lz2一起被多路传输，它们经过光束重排光学系统119R3的二向色分光器部分投射并在+Y方向上传播。
一束多路传输的光束Lz1、Lz2和Lz3(参照图27A)经过会聚光学系统119F并进入光纤119L的芯体。
在此，会聚到光纤117L的60μm直径芯体的端面上的整束光束光斑，在快轴方向上的长为5μm，在慢轴方向上的长为50μm。值得注意的是，上述数值是仅基于光学系统放大率的粗略计算，而没有考虑到衍射引起的模糊。在这种方式中，从半导体激光器中发射出的光束在快轴方向上比在慢轴方向上有更高品质的会聚。因此，该束光束Lz1、Lz2和Lz3可以以高耦合效率耦合进入光纤119L，例如，耦合效率为90％。
值得注意的是，上述激光多路传输设备可应用于含有堆叠激光器的光纤激光器中(其中半导体激光器沿快轴方向堆叠)，如日本专利申请No.2002-287640和No.2002-201979所公开的那样。这可通过使半导体激光器的安装排列、截准直透镜的准直作用、光束重排光学系统的光束重排作用、会聚光学系统的会聚作用等等的最佳化来实现。
还应注意，由本申请的激光器光多路传输设备多路传输的光束的数量不限于五个。大于1的任何数量的光束都可被多路传输。
权利要求
1.一种用于光学多路传输激光的方法，包括以下步骤从多个半导体激光器发射具有平行的光轴、共面的慢轴以及快轴的多个光束；沿光束传播方向在不同位置上改变光束快轴的方向，以便光束的快轴共面；以及在光束的快轴和慢轴方向上会聚一束具有共面快轴的所述光束，并使会聚的光束进入光纤中。
2.一种激光多路传输设备，包括激光器块，其上布置了多个半导体激光器，每个半导体激光器都具有彼此共面的有源层；准直光学系统，其以光束的慢轴共面并且光束的光轴彼此平行的方式准直光束；光束重排光学系统，其包括分别相应于每个所述光束设置的多个棱镜，用于以沿光束的传播方向在不同位置上改变光束快轴方向并且光束快轴变为共面的方式重排光束；以及会聚光学系统，其在光束的快轴和慢轴方向上会聚一束被光束重排光学系统重排的光束，并使会聚的光束组进入光纤中。
3.根据权利要求
2所述的激光多路传输设备，其中所述的准直光学系统包括多个截透镜。
4.根据权利要求
2所述的激光多路传输设备，还包括发射附加光束的附加半导体激光器；以及偏振多路传输装置，其执行所述附加光束和所述光束在所述多个半导体激光器和所述光纤之间的光路中的偏振多路传输，以便所述附加光束也进入所述光纤。
5.根据权利要求
3所述的激光多路传输设备，进一步包括发射附加光束的附加半导体激光器；和偏振多路传输装置，其执行所述附加光束和所述光束在所述多个半导体激光器和所述光纤之间的光束光路中的偏振多路传输，以便所述附加光束也进入所述光纤。
6.根据权利要求
2所述的激光多路传输设备，进一步包括发射附加光束的附加半导体激光器；和波长多路传输装置，其执行所述附加光束和所述光束在所述多个半导体激光器和所述光纤之间的光束光路中的波长多路传输，以便所述附加光束也进入所述光纤。
7.根据权利要求
3所述的激光多路传输设备，进一步包括发射附加光束的附加半导体激光器；和波长多路传输装置，其执行所述附加光束和所述光束在所述多个半导体激光器和所述光纤之间的光束光路中的波长多路传输，以便所述附加光束也进入所述光纤。
专利摘要
在一种激光多路传输设备中，准直光学系统准直从半导体激光器中发射出的光束，使这些光束的慢轴共面，并使它们的光轴彼此平行；光束重排光学系统由分别对应光束排列的棱镜构成，以光沿束传播方向在不同位置上改变快轴方向并使快轴共面的方式重排光束；会聚光学系统在其快轴和慢轴方向上会聚一束被光束重排光学系统重排的光束，并使该束会聚光束进入光纤。
文档编号G02B27/09GKCN1521963SQ200410028309
公开日2004年8月18日 申请日期2004年1月30日
发明者山中英生, 二, 冈崎洋二, 后藤千秋, 秋 申请人:富士胶片株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan