JP2002374031A

JP2002374031A - 半導体レーザ用集光系

Info

Publication number: JP2002374031A
Application number: JP2001178754A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hasegawa; 和男長谷川; Tadashi Ichikawa; 正市川; Morihiro Matsuda; 守弘松田; Hiroshi Ito; 伊藤　　博
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化かつレーザ光の高出力化を図ると共に
位置合わせの自由度をもたす。【解決手段】半導体レーザ用集光系１は、Ｓｉ基板１
０上に設置された状態で複数のレーザ光を出射する半導
体レーザバー２０と、半導体レーザバー２０から出射さ
れたレーザ光の焦点距離を調整するロッドレンズ３０
と、ロッドレンズ３０からのレーザ光を集束する光導波
路デバイス４０と、光導波路デバイス４０からのレーザ
光を導光する複数の光ファイバ５０と、各光ファイバ５
０から出射されたレーザ光を集光する集光レンズ６０
と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ用集
光系に係り、特に光導波路を用いてレーザ光を集光する
半導体レーザ用集光系に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】特開平
５−９３８２８号公報では、同公報の図１に示すよう
に、レーザダイオードバー１０の放出面１２，１４，１
６に、光ファイバ束２４の光ファイバ１８，２０，２２
をそれぞれ対応させて、レーザ光を集光して高密度化を
図る技術（以下「従来技術１」という。）が提案されて
いる。

【０００３】しかし、レーザダイオードバー１０には多
数の放出面が設けられているので、すべての放出面に１
本ずつ光ファイバを接続するのは非常に煩雑であり、放
出面に接続することができる光ファイバの数に限度があ
る。したがって、放出面に光ファイバを接続してレーザ
光を集光したとしても、集光されたレーザ光のエネルギ
ー密度に限界がある。

【０００４】一方、多くの放出面から出射されたレーザ
光を集光しようとすると、光ファイバ束２４の外径が大
きくなり、実用上、レーザ光を集光することが困難にな
る。すなわち、集光系を小さくするためには、光ファイ
バ束の外径が小さいことが望ましい。

【０００５】一方、特開平７−１６８０４０号公報で
は、同公報の図２に示すように、複数の光源を有する半
導体レーザー（レーザバー）１ｂを積層し、積層された
半導体レーザー１ｂからの出射光を横方向に集束する光
分岐器２ｂ₁と、光分岐器２ｂ₁からの出射光を縦方向に
集束する光分岐器２ｂ₂とを備えた半導体レーザー集光
装置（以下「従来技術２」という。）が提案されてい
る。

【０００６】しかし、従来技術２では、レーザ光の光軸
調整において、積層された半導体レーザー１ｂのレーザ
光の出射位置と、光分岐器２ｂ₁のレーザ光の入射位置
とを高精度に一致させる必要がある。さらに、光軸調整
後の半導体レーザー１、光分岐器２ｂ₁及び光分岐器２
ｂ₂の配置状態を保持することも困難である。そのた
め、各接続部位における位置の不整合が発生し易く、こ
の結果、効率よくレーザ光を集光することができないと
いう問題があった。

【０００７】特開２０００−１９３６２号公報では、ア
レイ型半導体レーザの各光放射部から出射されたレーザ
光を集束する光集束器１０を備えたアレイ型半導体レー
ザ用結合装置（以下「従来技術３」という。）が提案さ
れている。

【０００８】しかし、従来技術３では、半導体レーザの
数が増えると、光集束器１０の長手方向（レーザ光の入
射方向に平行な方向）の長さが大きくなり、現実的な寸
法では収まりきれない大きさになる問題がある。光集束
器１０の長手方向を短くするためには、光集束器に形成
された光導波路を急激に曲げる必要があるが、急激に曲
げるとレーザ光の放射損失が増加する問題が生じる。

【０００９】本発明は、上述した課題を解決するために
提案されたものであり、小型化かつレーザ光の高出力化
を図ると共に位置合わせの自由度をもつことができる半
導体レーザ用集光系を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
複数の発光源を有する半導体レーザ又は１つの発光源を
有する複数の半導体レーザと、一方の端面に形成された
レーザ光入射部と、他方の端面に形成され、かつ各レー
ザ光入射部に入射された前記各発光源からのレーザ光を
結合して出射する１以上のレーザ光出射部と、が形成さ
れた光導波路を有する光導波路デバイスと、冷却機能を
有し、前記半導体レーザ及び前記光導波路デバイスが設
置された設置基板と、を備えている。

【００１１】請求項１記載の発明によれば、光収束器に
設けられた光導波路は、Ｙ分岐型でもテーパ型であって
もよい。そして、冷却機能を有する設置基板に前記半導
体レーザ及び前記光導波路デバイスが設置されることに
よって、半導体レーザ及び光導波路デバイスを同時に直
接冷却する。これにより、半導体レーザは高出力の発振
特性を得ることができ、光導波路デバイスは熱による損
傷を抑制することができる。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記各レーザ光出射部に一端側が接続さ
れ、他端側からレーザ光を出射する複数の光ファイバ
と、前記複数の光ファイバの他端側から出射されたレー
ザ光を集光する集光レンズと、を更に備えたことを特徴
とする。

【００１３】請求項２記載の発明によれば、光ファイバ
を用いて集光レンズまでレーザ光を導くことができるの
で、光導波路デバイスの各レーザ光出射部が離れていて
もレーザ光の高密度化を図ることができる。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記設置基板は、前記光導波路デバイスの
各レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸又は光
軸近傍に案内溝が形成された光ファイバ保持部材を備
え、前記光ファイバの一端は、前記案内溝に位置合わせ
されていることを特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明によれば、光ファイバ
保持部材に対して高精度かつ容易に案内溝を形成するこ
とができるので、高精度に光導波路デバイスと光ファイ
バの位置合わせを行って、高効率の結合を行うことがで
きる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１７】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ用
集光系１は、図１に示すように、Ｓｉ基板１０上に設置
された状態で複数のレーザ光を出射する半導体レーザバ
ー２０と、半導体レーザバー２０から出射されたレーザ
光の焦点距離を調整するロッドレンズ３０と、ロッドレ
ンズ３０からのレーザ光を集束する光導波路デバイス４
０と、光導波路デバイス４０からのレーザ光を導光する
複数の光ファイバ５０と、各光ファイバ５０から出射さ
れたレーザ光を集光する集光レンズ６０と、を備えてい
る。

【００１８】Ｓｉ基板１０は、板状に精密に形成されて
いる。よって、Ｓｉ基板１０は、主面１１上に半導体レ
ーザバー２０及び光導波路デバイス４０が配置される
と、レーザバー２０と光導波路デバイス４０の高さ方向
の位置を精密に規制する。

【００１９】また、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板
１０の主面１１上であって、半導体レーザバー２０と光
導波路デバイス４０の間には、半導体レーザバー２０か
ら出射されるレーザ光の光軸に直交する方向に沿って、
凹部溝１２が形成されている。凹部溝１２の幅方向の長
さは、ロッドレンズ３０の直径よりも小さくなってい
る。そして、ロッドレンズ３０は、凹部溝１２上に配置
され、位置規制されている。

【００２０】さらに、Ｓｉ基板１０は、熱伝導性が良好
であり、図１に示すように、板状に形成された冷却基板
１３によって直接冷却されている。冷却基板１３は、そ
の内部に冷媒を通すための図示しない水路を設けてい
る。冷媒供給機１４は、冷却基板１３に対して、冷媒ホ
ース１５及び冷媒入出力ポート１６を介して冷媒を供給
し、使用済みの冷媒を出力ポート１７及び冷媒ホース１
８を介して回収し、再び冷却用の冷媒を冷却基板１３に
供給する。これにより、冷却基板１３はＳｉ基板１０を
常に冷却することができる。

【００２１】したがって、Ｓｉ基板１０は、冷却基板１
３によって常に直接冷却されているので、半導体レーザ
バー２０及び光導波路デバイス４０を十分に冷却するこ
とができる。この結果、半導体レーザバー２０のレーザ
発振の閾値の上昇や、光導波路デバイス４０の熱による
損傷を低減することができる。

【００２２】なお、冷媒基板１３は、冷媒によってＳｉ
基板１０を冷却する水冷式であるが、冷却フィンによっ
てＳｉ基板１０を冷却する空冷式であってもよい。

【００２３】半導体レーザバー２０は、Ｓｉ基板１０上
において、レーザ光の光軸に直交する方向に所定間隔毎
に配置されている。半導体レーザバー２０は、駆動電源
２１から供給される駆動電源によって駆動され、図３に
示すように、複数のレーザ光出射部２２からレーザ光を
同一方向に出射する。

【００２４】ロッドレンズ３０は、図２（ａ）に示すよ
うに、Ｓｉ基板１０に形成された凹部溝１２によって位
置規制され、半導体レーザバー２０から出射されたレー
ザ光を集束して、焦点位置の調整されたレーザ光を光導
波路デバイス４０に入射させる。

【００２５】ここで、レーザ光は速軸方向にθ⊥、遅軸
方向にθ//（＜θ⊥）となる広がり角を有しており、半
導体レーザバー２０と光導波路デバイス４０を直接結合
しても、十分な結合効率を得ることができない。そこ
で、半導体レーザバー２０と光導波路デバイス４０の間
に設置されたロッドレンズ３０が、レーザ光の速軸方向
のスポット径と広がり角を変換している。

【００２６】ビーム広がり角θ//は一般に小さいので
（ＦＷＨＭで１０°程度）、半導体レーザバー２０と光
導波路デバイス４０との距離を短くするだけで高効率な
結合を実現することができる。一方、ビーム広がり角θ
⊥はビーム広がり角θ//ほど小さくないので（ＦＷＨＭ
で５０°程度）、ロッドレンズ３０の直径を小さくする
必要がある。したがって、半導体レーザバー２０と光導
波路デバイス４０とを極めて接近させ、ロッドレンズ３
０の直径を小さくする必要がある。

【００２７】ロッドレンズ３０の焦点距離をｆ、ロッド
レンズ３０の媒質の屈折率をｎ、ロッドレンズ３０の半
径をｒとすると、焦点距離ｆは式（１）で表される。

【００２８】

【数１】

【００２９】また、図２（ｂ）に示すように、半導体レ
ーザバー２０中のエミッタの幅（活性層の幅方向の長
さ）をｗ_LD、光導波路４２の幅をＷ_g、半導体レーザバ
ー２０とロッドレンズ３０間の距離をＳ₁、ロッドレン
ズ３０と光導波路デバイス４０間の距離をＳ₂、光導波
路中で伝搬可能な入射角をθとすると、式（２）が成り
立つ。

【００３０】

【数２】

【００３１】式（２）より、半径ｒは、近似的に次の式
（３）を満たすことが必要である。

【００３２】

【数３】

【００３３】また、式（２）より、距離Ｓ₁，Ｓ₂は、次
の式（４）を満たすことが必要である。

【００３４】

【数４】

【００３５】以上のように、ロッドレンズ３０は、式
（３）及び式（４）を満たすように、Ｓｉ基板１０上に
配置されている。

【００３６】光導波路デバイス４０は、図４に示すよう
に、全体的に平面板状に形成された光導波路基板４１に
Ｙ分岐型の光導波路４２が形成されている。光導波路４
２は、クラッド材料としてＳｉＯ₂、コア材料としてＧ
ｅＯ₂を付加したＳｉＯ₂を用いて、ステップインデック
ス構造で構成されている。

【００３７】光導波路４２は、ロッドレンズ３０からの
レーザ光が入力される複数のレーザ光入射部４３と、レ
ーザ光入射部４３の他端面側に形成され、かつレーザ入
射口３３から入射されたレーザ光を出射するレーザ光出
射部４４とを備えている。

【００３８】各レーザ光入射部４３は、光導波路４２の
一端側に、半導体レーザバー２０の各レーザ出射部２２
に対応するようにそれぞれ形成されている。光導波路４
２は、各レーザ光入射部４３から互いに平行な直線状に
形成され、さらにレーザ進行方向に進むに従って中心に
集まって結合点４５で結合し、結合点４５からレーザ光
出射部４４までは１本の直線状に形成されている。した
がって、各レーザ光入射部４３から入射されたレーザ光
は、光導波路４２内部を伝搬して結合点４５で結合し、
レーザ光出射部４４から出射される。なお、このような
光導波路４２は、半導体レーザバー２０から出射される
レーザ光の光軸に対して垂直な方向に、複数個形成され
ている。

【００３９】光導波路デバイス４０は、ＰＬＣ（Planar
Lightwave Circuit）技術により製造され、非常に高精
度にパターン形成されている。ここで、ＰＬＣ技術と
は、光ファイバの作製技術を元にした技術であって、平
面基板上に光回路を作製する技術をいう。一般的には、
Ｓｉ基板か石英基板上にＳｉＯ₂膜、このＳｉＯ₂膜に微
量にＴｉＯ₂膜やＧｅＯ₂膜等を添加した膜を作製するこ
とによって光導光路を形成している。なお、光導波路デ
バイス４０の製造方法は、ＰＬＣ技術に限定されず、他
にイオン交換法、熱拡散法等を用いてもよい。したがっ
て、Ｓｉ基板１０上において半導体レーザバー２０と光
導波路デバイス４０とを一体に固定するだけで、これら
を高精度に位置合わせをして結合することができる。

【００４０】光ファイバ５０は、光導波路デバイス４０
の各レーザ光出射部４４と同じ数だけ設けられている。
光ファイバ５０のレーザ光入射側は、図５に示すよう
に、光ファイバ保持部材５５によって固定されている。

【００４１】光ファイバ保持部材５５は、Ｓｉ基板１０
の主面１１上であって、光導波路デバイス４０のレーザ
光出射部４４側に設置されている。光ファイバ保持部材
５５には、レーザ光出射部４４から出射されるレーザ光
の光軸又は光軸近傍にＶ字溝５６が形成されている。そ
して、光ファイバ５０のレーザ光入射側をＶ字溝５６に
位置合わせすることによって、光導波路デバイス４０と
光ファイバ５０との３次元的な光軸調整が不要になり、
パッシブアライメントが可能になる。

【００４２】なお、高精度に製造するためには、レーザ
アプレーションによりＶ字溝５６を作製し、ダイシング
ソーにより光導波路４２の端面処理を行うのが好まし
い。その他、光導波路４２の各レーザ光出射部４４に合
致するように光ファイバーアレイを作製して、当該光フ
ァイバーアレイを接続してもよい。逆に、光ファイバー
アレイに合致するように、光ファイバ保持部材５５のＶ
字溝５６を形成してもよい。

【００４３】そして、光ファイバ５０のレーザ光入射側
から入射されたレーザ光は、レーザ光出射側から出射さ
れる。このように、光導波路デバイス４０から出射され
たレーザ光は光ファイバ５０を介して集光レンズ６０で
集光されるので、光導波路デバイス４０と集光レンズ６
０の位置関係の自由度が十分にあり、容易に小型化を図
ることができる。

【００４４】以上のように、本発明の実施の形態に係る
半導体レーザ用集光系１は、半導体レーザバー２０と、
光導波路デバイス４０と、光ファイバ保持部材５５を有
するＳｉ基板１０とを、微細加工工程によりそれぞれ高
精度に加工することができるので、パッシブアライメン
トでの高精度の位置調整を行うことができ、高効率の結
合を得ることができる。さらに、Ｓｉ基板１０、半導体
レーザバー２０、光導波路デバイス４０に位置合わせ用
のマーカを付すことによって、容易に位置合わせを行う
ことができる。

【００４５】また、半導体レーザ用集光系１は、半導体
レーザバー２０と光導波路デバイス４０の間にロッドレ
ンズ３０を設けることによって、半導体レーザバー２０
からのレーザ光を高効率に光導波路デバイス４０に結合
することができる。

【００４６】なお、本発明は、上述した実施の形態に限
定されるものではなく、例えば以下のような場合にも適
用することができる。

【００４７】上述した実施の形態では、図６に示すよう
に、光ファイバ５０のレーザ光出射側を束ね、当該光フ
ァイバ５０から出射されたレーザ光を集光レンズ６０に
よって集光していたが、以下のようにしてもよい。例え
ば図７に示すように、複数の光ファイバ５０から出射さ
れたレーザ光を、大口径光ファイバ５８に結合させて加
工点まで導き、集光レンズ６０で集光してもよい。な
お、光ファイバ５０と大口径光ファイバ５８との結合
は、突き合わせ接合でもレンズを用いてもよい。

【００４８】また例えば、半導体レーザ用集光系１を縦
方向に数段並べてもよいが、この場合、光ファイバ５０
の本数が増え、光ファイバ５０の束の径が大きくなる問
題がある。そこで、図８に示すように、束ねられた光フ
ァイバ５０を高温に保って引き延ばし、緩やかなテーパ
状にすればよい。これにより、光ファイバ５０の外径を
小さくすると共に、レーザの高出力化を図ることができ
る。

【００４９】なお、上述した説明では、光導波路４２は
ステップインデックス構造としたが、低損失の光導波路
であれば特に限定されるものではなく、その他、コア材
料のＧｅＯ₂の添加量を徐々に変化させた屈折率分布構
造であってもよい。なお、屈折率分布構造の作製は、膜
の組成の異なるものを成膜しておき、後に熱拡散により
屈折率分布を作製してもよいし、徐々に屈折率を変化さ
せながら成膜を行ってもよい。また、合波のための光導
波路４２はＹ分岐を元とする構造であったが、テーパ構
造であってもよい。

【００５０】また、上述した実施の形態では、半導体レ
ーザバー２０と光導波路デバイス４０の間にロッドレン
ズ３０を設けたが、ロッドレンズ３０の代わりに、図９
に示すように、分布屈折率レンズ３５を設けてもよい。
これにより、半導体レーザバー２０から出射されるレー
ザ光を高効率で光導波路デバイス４０に結合することが
できる。

【００５１】また、半導体レーザバー２０と光導波路デ
バイス４０は、図１０に示すように、簡便な突き合わせ
結合であってもよい。あるいは、半導体レーザバー２０
と光導波路デバイス４０との間に、半導体レーザバー２
０からのレーザ光の開口数（ＮＡ）を変換して結合効率
を上げるレンズ（例えば、屈折率分布レンズ、シリンド
リカルレンズ等）を用いてもよい。

【００５２】さらに、本実施の形態では、Ｓｉ基板１０
の主面１１上に半導体レーザバー２０及び光導波路デバ
イス４０を設置したが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。例えば、最初に光導波路デバイス４０を製造
し、光導波路基板４１から光導波路４２を構成する誘電
体を除去し、誘電体を除去した部分に半導体レーザバー
２０を設置することもできる。

【００５３】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、冷却機能を有す
ると共に前記半導体レーザ及び前記光導波路デバイスが
設置された設置基板を備えることによって、半導体レー
ザ及び光導波路デバイスを同時に直接冷却し、これによ
り、高出力の発振特性を得ることができ、光導波路デバ
イスの熱による損傷を抑制することができる。

【００５４】請求項２記載の発明は、各レーザ光出射部
に一端側が接続され、他端側からレーザ光を出射する複
数の光ファイバと、複数の光ファイバの他端側から出射
されたレーザ光を集光する集光レンズとを備えることに
より、光ファイバを用いて集光レンズまでレーザ光を導
くことができるので、光導波路デバイスの各レーザ光出
射部が離れていてもレーザ光の高密度化を図ることがで
きる。

【００５５】請求項３記載の発明は、設置基板は光導波
路デバイスの各レーザ光出射部から出射されるレーザ光
の光軸又は光軸近傍に案内溝が形成された光ファイバ保
持部材を備え、光ファイバの一端は案内溝に位置合わせ
されていることにより、高精度に光導波路デバイスと光
ファイバの位置合わせを行って、高効率の結合を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ用集光
系の全体的な構成を示す図である。

【図２】（ａ）は半導体レーザ用集光系１を構成するＳ
ｉ基板、半導体レーザバー、ロッドレンズ、光導波路デ
バイスの断面図であり、（ｂ）は半導体レーザ用集光系
１を構成するＳｉ基板、半導体レーザバー、ロッドレン
ズ、光導波路デバイスの正面図である。

【図３】半導体レーザバーの概略的な斜視図である。

【図４】光導波路デバイスに形成された光導波路を説明
するための図である。

【図５】光ファイバ保持部材のＶ字溝に光ファイバを位
置合わせする状態を説明するための図である。

【図６】複数の光ファイバから出射されたレーザ光を集
光レンズで集光する状態を説明するための図である。

【図７】複数の光ファイバから出射されたレーザ光を、
大口径光ファイバを介して集光レンズで集光する状態を
説明するための図である。

【図８】複数のテーパ状の光ファイバから出射されたレ
ーザ光を集光レンズで集光して大口径光ファイバで導光
する状態を説明するための図である。

【図９】半導体レーザバーと光導波路デバイスの間のＳ
ｉ基板上に分布屈折率レンズを設置した状態を説明する
ための図である。

【図１０】半導体レーザバーと光導波路デバイスとを直
接付き合わせた状態を説明するための図である。

【符号の説明】

１０Ｓｉ基板２０半導体レーザバー３０ロッドレンズ４０光導波路デバイス５０光ファイバ６０集光レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田守弘愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者伊藤博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 2H037 AA04 BA02 BA03 BA05 BA22 DA04 DA06 DA12 DA18 DA38 2H047 LA12 MA03 MA05 MA07 RA00 TA32 5F073 AB04 AB27 AB28 EA24 EA28 FA13 FA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の発光源を有する半導体レーザ又は
１つの発光源を有する複数の半導体レーザと、一方の端面に形成されたレーザ光入射部と、他方の端面
に形成され、かつ各レーザ光入射部に入射された前記各
発光源からのレーザ光を結合して出射する１以上のレー
ザ光出射部と、が形成された光導波路を有する光導波路
デバイスと、冷却機能を有し、前記半導体レーザ及び前記光導波路デ
バイスが設置された設置基板と、を備えた半導体レーザ用集光系。
【請求項２】前記各レーザ光出射部に一端側が接続さ
れ、他端側からレーザ光を出射する複数の光ファイバ
と、前記複数の光ファイバの他端側から出射されたレーザ光
を集光する集光レンズと、を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レ
ーザ用集光系。
【請求項３】前記設置基板は、前記光導波路デバイス
の各レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸又は
光軸近傍に案内溝が形成された光ファイバ保持部材を備
え、前記光ファイバの一端は、前記案内溝に位置合わせされ
ていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ用
集光系。