JP5926340B2 - Ｌｄモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ＬＤ（Laser Diode，半導体レーザ素子）と光ファイバとを備えたＬＤモジ
ュールに関する。

ＬＤと光ファイバとを備え、ＬＤから出射されたレーザ光を光ファイバに結合するＬＤモジュールが広く用いられている。近年、ＬＤを複数化することによって、あるいは、各ＬＤを高出力化することによって、ＬＤモジュールの高出力化が進められている。

高出力化が図られたＬＤにおいて、その信頼性を高めるための技術としては、例えば、特許文献１〜２に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の技術は、表面準位の発生を抑制する作用を有する処理液でＬＤの端面を処理することによって、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）の発生を抑制するものである。また、特許文献２に記載の技術
は、縦方向の光密度を分散させることによって、活性層における光閉じ込め係数（Γファクター）を低下させるものである。

特開平９−１６２５０１号（公開日：１９９７年６月２０日） 国際公開第２０１０／０５００７１号（公開日：２０１０年５月６日）

ＬＤに偶発故障が発生する確率を低下させるためには、すなわち、ＬＤの信頼性を向上させるためには、特許文献１〜２に記載の技術などを採用することの他に、ＬＤの共振器長を長くすることが一般的である。実際、ＬＤの共振器長を長くすることによって、放熱性が向上すると共に、活性層における単位体積あたりの光の損失が減少するので、活性層の温度が低下する。また、共振器長を長くしたＬＤに対しては、特許文献２に記載の技術をより有効に適用することができる。

しかしながら、ＬＤの共振器長を長くすると、ＬＤの電気光変換効率が低下する。このため、ＬＤモジュールに搭載されたＬＤの共振器長を長くすると、ＬＤモジュールの効率が低下するという問題を招来する。以下、ＬＤの共振器長を長くすると、ＬＤの電気光変換効率が低下する理由について説明する。

ＬＤにおいてレーザ発振を実現するためには、利得係数ｇ、導波路損失αｗｇ、及びミラー損失αｍの間に下記式（１）の関係が成り立つ必要がある。

ｇ＝αｗｇ＋αｍ ・・・（１）
ＬＤチップ端面に形成されるミラーの反射率をＲ１，Ｒ２とし、共振器長をＬとすると、ミラー損失αｍは、下記式（２）で表すことができる。

αｍ＝ｌｎ（１／（Ｒ１・Ｒ２））／２Ｌ ・・・（２）
したがって、光取り出し効率η＝αｍ／ｇ＝αｍ／（αｗｇ＋αｍ）は、下記式（３）で表すことができる。

η＝αｍ／（αｗｇ＋αｍ）
＝ｌｎ（１／（Ｒ１・Ｒ２））／（２Ｌ・αｗｇ＋ｌｎ（１／（Ｒ１・Ｒ２）））
・・・（３）
上記式（３）によれば、共振器長Ｌを長くすると、光取り出し効率ηが低下することが分かる。これは、共振器長Ｌを長くすると、電気光変換効率が低下することを意味する。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＤの電気光変換効率の低下を招来することなく、ＬＤの信頼性を向上させたＬＤモジュールを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るＬＤモジュールは、活性層を有するマルチモードレーザダイオードであって、出射端面からレーザ光を出射するマルチモードレーザダイオードと、コアを有するマルチモードファイバであって、入射端面から上記レーザ光が入射するマルチモードファイバと、上記マルチモードレーザダイオードと上記マルチモードファイバとの間に介在する光学系と、を備え、上記マルチモードレーザダイオードのエミッタ幅は、上記マルチモードファイバの上記入射端面における上記コアの直径よりも大きく、上記光学系は、上記マルチモードファイバの上記入射端面における上記レーザ光のビーム径が、上記マルチモードファイバの上記入射端面における上記コアの直径よりも小さくなるように、上記レーザ光を収束する、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、ＬＤとして、マルチモードレーザダイオードを採用していることによって、ＬＤの高出力化が容易である。また、光ファイバとして、マルチモードファイバを採用していることによって、光ファイバとして、シングルモードファイバを採用する場合と比べて、ＬＤと光ファイバとの高結合効率化が容易である。

更に、上記の構成によれば、マルチモードレーザダイオードのエミッタ幅が、マルチモードファイバの入射端面におけるコアの直径よりも大きいので、マルチモードダイオードの出射端面における光密度を低く抑え、その結果、マルチモードレーザダイオードの信頼性を向上させることができる。また、上記の構成によれば、マルチモードレーザダイオードの信頼性を向上させるために、その共振器長を長くする必要がない。したがって、電気光変換効率の低下を招来することなく、マルチモードレーザダイオードの信頼性を向上させることができる。

更に、上記の構成によれば、上記光学系の作用によって、マルチモードファイバの入射端面におけるレーザ光のビーム径がマルチモードファイバの入射端面におけるコアの直径よりも小さくなるので、マルチモードレーザダイオードから出射され、上記光学系を透過したレーザ光を、漏れなくマルチモードファイバのコアに入射させることができる。

なお、ＬＤ（マルチモードレーザダイオードを含む）では、一般に、エミッタ幅を広げると、閾値電流が上昇する。このため、低出力側の電力変換効率（光出力／消費電力）は悪化するが、ジュール熱の減少により高出力側の電力変換効率は改善する。このことは、ＬＤの電力変換効率を表す下記（４）式から確かめることができる。

電力変換効率＝光出力／消費電力
＝ηｉ×（Ｉ−Ｉｔｈ）×ｈν×η／Ｉ×（Ｖｔｈ＋Ｒｄ×Ｉ）
＝ηｉ×（Ｊ−Ｊｔｈ）×ｈν×Ｓ×η／（Ｊ・Ｓ×Ｖｔｈ＋（Ｊ・Ｓ）^２×ρ／Ｓ）
＝ηｉ×（Ｊ−Ｊｔｈ）×ｈν×η／（Ｊ×Ｖｔｈ＋Ｊ^２×ρ） ・・・（４
）
ここで、ηiは注入効率、Ｉは駆動電流、Ｉｔｈは閾値電流、ｈνは光子のエネルギー
、ηは光取り出し効率、Ｖｔｈは閾値電圧、Ｒｄは微分抵抗、Ｊは駆動電流密度、Ｊｔｈは閾値電流密度、Ｓは有効断面積である。

すなわち、光取り出し効率が変化せず、活性層の温度上昇などによる注入効率の悪化などの非線形効果の影響がなければ、ＬＤの電力変換効率は、駆動電流密度で決まる。したがって、同じ光出力で比較した場合、活性層幅を広げることで電力変換効率が改善される。

本発明に係るＬＤモジュールにおいて、上記マルチモードレーザダイオードのエミッタ幅は、（１）上記マルチモードレーザダイオードから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が上記マルチモードファイバのビームパラメータ積よりも小さくなるように設定されている、ことが好ましく、（２）上記マルチモードレーザダイオードから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が上記マルチモードファイバのビームパラメータ積の（１／２）^１／２倍よりも小さくなるように設定されている、ことが更に好ましい。

上記の構成によれば、マルチモードレーザダイオードから出射され、上記光学系を透過した光を、ロスなくマルチモードファイバのコアに閉じ込めることができる。

本発明に係るＬＤモジュールにおいて、上記光学系は、上記マルチモードレーザダイオードから出射された、発散光である上記レーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ、及び、上記コリメートレンズから出射された上記平行光を収束光に変換する集光レンズを有している、ことが好ましい。

上記の構成によれば、マルチモードレーザダイオードから出射されたレーザ光を収束するための光学系を、容易に実現することができる。

本発明に係るＬＤモジュールにおいて、上記マルチモードファイバは、その中心軸が上記マルチモードレーザダイオードから出射されるレーザ光の光軸と直交するように配置されており、当該ＬＤモジュールは、上記マルチモードレーザダイオードから出射されるレーザ光を反射し、上記マルチモードファイバへと導くミラーを更に備えている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、当該ＬＤモジュールのサイズ、特に、上記マルチモードファイバの中心軸方向のサイズを、小さくすることができる。

本発明に係るＬＤモジュールにおいて、上記ミラーは、基板上に載置された第１ミラーであって、上記レーザダイオードから出射された上記レーザ光を反射する第１反射面を有する第１ミラー、及び、上記第１ミラー上に載置された第２ミラーであって、上記第１反射面にて反射された上記レーザ光を反射する第２反射面を有する第２ミラーを有する２連ミラーである、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記基板に直交する軸を回転軸として第１ミラー及び第２ミラーを微小回転させることによって、上記第１ミラーに反射された後に上記第２ミラーに反射されたレーザ光の伝播方向を高い精度で所望の方向と一致させることができる。このため、マルチモードレーザダイオードとマルチモードファイバとの結合効率を高めるための調整が容易になる。特に本発明に係るＬＤモジュールにおいては、発光点（マルチモードレーザダイオードの入射端面）でのビームウエストよりも、集光点（マルチモードファイバの入射端面）でのビームウエストを小さくするために、マルチモードレーザダイオードか
ら出射されたレーザ光を光学系によって従来のＬＤモジュールよりも強く集光する構成を採用している。このため、マルチモードレーザダイオードから出射されたレーザ光を導光するミラーには、高い精度が要求される。上記の構成によれば、このような要求を容易に満たすことができる。

なお、上記２連ミラーの代わりに上記第１ミラーと上記第２ミラーとが一体成形された一体ミラーを用いる場合、上記第２ミラーに反射されたレーザ光の伝播方向を所望の方向とするために、当該一体ミラー全体を傾ける必要がある。この場合、当該一体ミラーを上記基板に固定するための接着剤層の厚みが不均一になる。このため、温度や湿度などの環境が変化すると、接着剤層の厚みが不均一に変化し、その結果、当該一体ミラーの傾きが変化する。これにより、上記第２ミラーに反射されたレーザ光の伝播方向が所望の方向からずれる。すなわち、上記２連ミラーの代わりに上記第１ミラーと上記第２ミラーとが一体成形された一体ミラーを用いる場合、環境の変化に伴い上記第２ミラーに反射されたレーザ光の伝播方向が変動するという問題を生じる。一方、上記第１ミラー上に上記第２ミラーが載置された２連ミラーを用いた場合、上記第２ミラーにより反射されたレーザ光の伝播方向を所望の方向とするために、当該２連ミラー全体を傾ける必要がない。したがって、環境の変化に伴い上記第２ミラーに反射されたレーザ光の伝播方向が変動するという問題が生じることもない。

なお、ビームパラメータ積（ＢＰＰ）は、ビームウエスト半径をω０／２、ビーム発散角の半値半幅をθ０として、下記式（５）により定義される。

ＢＰＰ＝ω０／２×θ０ ・・・（５）
マルチモードレーザダイオードでは、活性層幅（エミッタ幅）を広げると、ビームウエスト半径ω０／２が活性層幅に応じて大きくなるので、ＢＰＰが大きくなる。すなわち、ビームの光ファイバへの結合効率が低下する。しかしながら、ビーム発散角は、ＬＤの熱レンズ効果で代表されるように、活性層領域の温度によって値が変化する。

マルチモードレーザダイオードにおいて、ビームウエスト半径は、活性層幅Ｗの半幅で決まることが知られており、ＢＰＰは、マルチモードレーザダイオードの半導体部分の屈折率の温度微分を（ｄｎ／ｄＴ）、ＬＤモジュールの熱抵抗をＲth、マルチモードレーザダイオードの消費電力をＰdisとすると、以下の式（６）で表される。

ＢＰＰ∝（ｄｎ／ｄＴ）×Ｒth×Ｐdis×Ｗ／２ ・・・（６）
すなわち、活性層幅を拡げることによって、活性層で生じる発熱を低減させ、ビーム発散角を小さくすることができれば、活性層幅を拡げてビームウエスト半径が大きくなるとしても、ＢＰＰが大きくなることを抑制することができる。すなわち、活性層幅Ｗを拡げることで、光の結合効率を犠牲にすることなく信頼性を向上させることが可能になる。上述した内容と組み合わせると、活性層幅を拡げることでモジュール全体の電力変換効率を犠牲にせずに信頼性を向上させることが可能になる。

以上のように、本発明によれば、ＬＤと光ファイバとの結合効率の低下を招来することなく、ＬＤの信頼性を向上させたＬＤモジュールを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＬＤモジュールの平面図（ａ）、側面図（ｂ）、ＡＡ’矢視断面図（ｃ）、及びＡＡ’矢視断面図（ｄ）である。 本発明の第２の実施形態に係るＬＤモジュールの平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るＬＤモジュールの平面図である。 図３に示すＬＤモジュールが備える２連ミラーの斜視図である。 本発明の各実施形態に係るＬＤモジュールにおいて、ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積（ＢＰＰ，Beam Parameter Product）が、そのＬＤの活性層幅にどのように依存するかを示すグラフである。

本発明に係るＬＤ（Laser Diode，半導体レーザ素子）モジュールの幾つかの実施形態
について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るＬＤモジュール１について、図１を参照して説明する。図１において、（ａ）は、ＬＤモジュール１の平面図であり、（ｂ）は、ＬＤモジュール１の側面図であり、（ｃ）は、ＬＤモジュール１のＡＡ’断面の矢視断面図であり、（ｄ）は、ＬＤモジュール１のＢＢ’断面の矢視断面図である。

ＬＤモジュール１は、図１に示すように、ＬＤ１１と、光ファイバ１２と、光学系１３と、基板１４と、ＬＤマウント１５と、ファイバマウント１６とを備えている。

ＬＤ１１は、活性層１１１と、この活性層１１１を挟み込む２つのクラッド層とにより構成されたマルチモードレーザダイオードである。ここで、マルチモードレーザダイオードとは、複数の横モードを有するレーザダイオードのことを指す。ＬＤ１１において生成されたレーザ光は、ＬＤ１１の端面１１Ｓを構成する活性層１１１の端面から、ＬＤ１１の外部に出射する。本明細書においては、この端面１１Ｓのことを、「出射端面」とも記載する。本実施形態においては、ＬＤ１１として、活性層幅（ＬＤ１１の出射端面１１Ｓにおける活性層１１１の長手寸法）が２００μｍ、横方向の出射角度５°（片角）のマルチモードレーザダイオード（特に、エミッタ幅が活性層幅により定義されるもの）を想定する。

光ファイバ１２は、コア１２１と、このコア１２１を取り囲むクラッドとにより構成されたマルチモードファイバである。ここで、マルチモードファイバとは、複数の伝播モードを有する光ファイバのことを指す。ＬＤ１１から出射されたレーザ光は、光ファイバ１２の端面１２Ｓを構成するコア１２１の端面から、光ファイバ１２の内部に入射する。本明細書においては、この端面１２Ｓのことを、「入射端面」とも記載する。本実施形態においては、光ファイバ１２として、コア径１０５μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２２のマルチモードファイバを想定する。

なお、光ファイバ１２のクラッドの層数は、特に限定されない。すなわち、光ファイバ１２は、例えば、１層のクラッドを有するシングルクラッドファイバであってもよいし、２層のクラッドを有するダブルクラッドファイバであってもよいし、３層のクラッドを有するトリプルクラッドファイバであってもよい。また、ＬＤ１１は、エミッタ幅が活性層幅により定義されるものに限定されない。すなわち、エミッタ幅が埋め込みヘテロ構造で定義されるものであってもよいし、電流狭窄構造を用いることによりエミッタ幅が活性層幅よりも狭くなるものであってもよい。

本実施形態において、ＬＤ１１は、レーザマウント１５を介して基板１４上に載置され、光ファイバ１２は、ファイバマウント１６を介して基板１４上に載置される。この際、光ファイバ１２の配置は、その中心軸がＬＤ１１から出射されるレーザ光の光軸と一致するように決められる。

光学系１３は、ＬＤ１１と光フィアバ１２との間に介在し、ＬＤ１１から出射されたレ
ーザ光を収束するための構成である。特に、本実施形態に係る光学系１３は、ＬＤ１１から出射されたレーザ光のＳ軸方向の広がりを収束することによって、光ファイバ１２の入射端面１２Ｓにおけるレーザ光のビーム径Ｄ_Bを、光ファイバ１２の入射端面１２Ｓにお
けるコア１２１の直径Ｄ_Cよりも小さくする。

本実施形態においては、光学系１３として、コリメートレンズ１３１及び集光レンズ１３２を含む光学系を用いる。

コリメートレンズ１３１は、ＬＤ１１から出射された発散光であるレーザ光を平行光に変換するためのレンズである。本実施形態においては、コリメートレンズ１３１として、その平表面がＬＤ１１の出射端面１１Ｓと対向するように、かつ、その凸表面が集光レンズ１３２の凸表面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズ（Ｒ＝６ｍｍ）を用いる。なお、コリメートレンズ１３は、その軸がＬＤ１１から出射されたレーザ光のＦ軸方向と平行になるように配置され、そのレーザ光のＳ軸方向の広がりをコリメートする。このため、「Ｓ軸コリメートレンズ」と呼ばれることもある。

集光レンズ１３２は、コリメートレンズ１３１から出射された平行光であるレーザ光を収束光に変換するためのレンズである。本実施形態においては、集光レンズ１３２として、その凸表面がコリメートレンズ１３の凸表面と対向するように、かつ、その平表面が光ファイバ１２の入射端面１２Ｓと対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズ（Ｒ＝３ｍｍ）を用いる。なお、集光レンズ１３２は、その軸がコリメートレンズ１３１から出射されたレーザ光のＦ軸方向と平行になるように配置され、そのレーザ光のＳ軸方向の広がりを収束する。このため、「Ｓ軸集光レンズ」と呼ばれることもある。

ＬＤモジュール１において注目すべき点は、ＬＤ１１の出射端面１１Ｓにおける活性層１１１の長手寸法Ｗ_LD（図１（ｃ）参照）が、光ファイバ１２の入射端面１２Ｓにおけるコア１２１の直径Ｄ_C（図１（ｄ）参照）よりも大きい点である。これにより、ＬＤ１１
の出射端面１１Ｓにおける光密度が低下し、その結果、ＬＤ１１の信頼性が向上（故障率が低下）する。しかも、ＬＤ１１の共振器長を長くする必要がないため、ＬＤ１１の電気光変換効率も低下せず、かつ、光学系１３の作用によって、ＬＤ１１から出射されたレーザ光の殆ど全てが光ファイバ１２のコア１２１に入射するので、ＬＤ１１と光ファイバ１２との結合効率が低下するという問題を招来することはない。

なお、本実施形態においては、ＬＤ１１から出射されるレーザ光のＦ軸方向の広がりが十分に小さいものであることを仮定し、これを無視している。ＬＤ１１から出射されるレーザ光のＦ軸方向の広がりが大きい場合、又は、ＬＤ１１の出射端面１１Ｓから光ファイバ１２の入射端面１２Ｓまでの光路長が長い場合には、後述する各実施形態と同様に、Ｆ軸コリメートレンズ及びＦ軸集光レンズを光学系１３に含めればよい。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るＬＤモジュール２について、図２を参照して説明する。図２は、ＬＤモジュール２の平面図である。

ＬＤモジュール２は、図２に示すように、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃと、光ファイバ２２と、光学系２３と、基板２４と、３つのＬＤマウント２５ａ〜２５ｃと、ファイバマウント２６とを備えている。

第１のＬＤ２１ａは、第１の実施形態におけるＬＤ１１と同様、活性層と、この活性層を挟み込む２つのクラッド層とにより構成されたマルチモードレーザダイオードである。第１のＬＤ２１ａにおいて生成されたレーザ光は、第１のＬＤ２１ａの出射端面を構成す
る活性層の端面から、ＬＤ２１ａの外部に出射する。第２のＬＤ２１ｂ及び第３のＬＤ２１ｃについても同様である。

光ファイバ２２は、第１の実施形態における光ファイバ１２と同様、コアと、このコアを取り囲むクラッドとにより構成されたマルチモードファイバである。３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃから出射されたレーザ光は、光ファイバ２２の入射端面を構成するコアの端面から、光ファイバ２２の内部に入射する。

本実施形態において、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃは、レーザマウント２５を介して基板２４上に載置され、光ファイバ２２は、ファイバマウント２６を介して基板２４上に載置される。この際、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃは、それぞれから出射されるレーザ光の光軸が互いに平行になるように配置され、光ファイバ２２、その中心軸が３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々から出射されるレーザ光の光軸と直交するように決められる。

光学系２３は、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃと光ファイバ２２との間に介在し、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々から出射されるレーザ光を収束するための構成である。特に、本実施形態に係る光学系２３は、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々から出射されるレーザ光のＳ軸方向及びＦ軸方向の広がりを収束することによって、光ファイバ２２の入射端面２２Ｓにおけるレーザ光のビーム径を、光ファイバ２２の入射端面２２Ｓにおけるコア２２１の直径よりも小さくする。

本実施形態においては、光学系２３として、３つのＳ軸コリメートレンズ２３１ａ〜２３１ｃ、Ｓ軸集光レンズ２３２、３つのＦ軸コリメートレンズ２３３ａ〜２３３ｃ、Ｆ軸集光レンズ２３４、及び、３つのミラー２３５ａ〜２３５ｃを含む光学系を用いる。

第１のＦ軸コリメートレンズ２３３ａ及び第１のＳ軸コリメートレンズ２３１ａからなるレンズ群は、第１のＬＤ２１ａから出射された発散光であるレーザ光を平行光に変換するための構成である。本実施形態においては、第１のＦ軸コリメートレンズ２３３ａとして、その平表面が第１のＬＤ２１ａの出射端面と対向するように、かつ、その凸表面が第１のＳ軸コリメートレンズ２３１ａの平表面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。また、第１のＳ軸コリメートレンズ２３１ａとして、その平表面が第１のＦ軸コリメートレンズ２３３の凸表面と対向するように、かつ、その凸表面が第１のミラー３２５ａの反射面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。第２のＦ軸コリメートレンズ２３３ｂ及び第２のＳ軸コリメートレンズ２３１ｂからなるレンズ群、並びに、第３のＦ軸コリメートレンズ２３３ｃ及び第３のＳ軸コリメートレンズ２３１ｃからなるレンズ群についても同様である。

第１のミラー２３５ａは、第１のＳ軸コリメートレンズ２３１ａから出射されたレーザ光を反射してＳ軸集光レンズ２３２に導くための構成である。ただし、第１のミラー２３５ａは、第１のＳ軸コリメートレンズ２３１ａから出射されたレーザ光が入射する側と反対側の面から入射した光（例えば、第２のミラー２３５ｂにて反射されたレーザ光や第３のミラー２３５ｃにて反射されたレーザ光など）を透過する。第２のミラー２３５ｂ及び第３のミラー２３５ｃについても同様である。

Ｓ軸集光レンズ２３２及びＦ軸集光レンズ２３４からなるレンズ群は、３つのミラー２３５ａ〜２３５ｃの各々にて反射された平行光であるレーザ光を収束光に変換するためのレンズである。本実施形態においては、Ｓ軸集光レンズ２３２として、その凸表面が３つのミラー２３５ａ〜２３５ｃの反射面と対向するように、かつ、その平表面がＦ軸集光レンズ２３４の凸表面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。また、Ｆ軸集光レンズ２３４として、その凸表面がＳ軸集光レンズ２３２の平表面と対向す
るように、かつ、その平表面が光ファイバ２２の入射端面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。

ＬＤモジュール２においても、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々のエミッタ幅が、光ファイバ２２の入射端面におけるコアの直径よりも大きい。これにより、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々の出射端面における光密度が低下し、その結果、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々の信頼性が向上（故障率が低下）する。しかも、光学系２３の作用によって、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々から出射されたレーザ光の殆ど全てが光ファイバ２２のコアに入射するので、３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃの各々と光ファイバ２２との結合効率が低下するという問題を招来することはない。

なお、本実施形態においては、互いに独立した３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃを光源として用いる構成を採用したが、これに限定されるものではない。すなわち、これら３つのＬＤ２１ａ〜２１ｃが一体化されたＬＤバーを光源として用いる構成を採用しても構わない。ＬＤバーを光源として用いることによって、個々のＬＤの収差を小さく設計することが可能であるため、より信頼性の高い高出力ＬＤモジュールを実現することができる。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係るＬＤモジュール３について、図３を参照して説明する。図３は、ＬＤモジュール３の平面図である。

ＬＤモジュール３は、図３に示すように、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃと、光ファイバ３２と、光学系３３と、基板３４と、３つのＬＤマウント３５ａ〜３５ｃと、ファイバマウント３６とを備えている。

第１のＬＤ３１ａは、第１の実施形態におけるＬＤ１１と同様、活性層と、この活性層を挟み込む２つのクラッド層とにより構成されたマルチモードレーザダイオードである。第１のＬＤ３１ａにおいて生成されたレーザ光は、第１のＬＤ３１ａの出射端面を構成する活性層の端面から、ＬＤ３１ａの外部に出射する。第２のＬＤ３１ｂ及び第３のＬＤ３１ｃについても同様である。

光ファイバ３２は、第１の実施形態における光ファイバ１２と同様、コアと、このコアを取り囲むクラッドとにより構成されたマルチモードファイバである。３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃから出射されたレーザ光は、光ファイバ３２の入射端面を構成するコアの端面から、光ファイバ３２の内部に入射する。

本実施形態において、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃは、レーザマウント３５を介して基板３４上に載置され、光ファイバ３２は、ファイバマウント３６を介して基板３４上に載置される。この際、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃは、それぞれから出射されるレーザ光の光軸が互いに平行になるように配置され、光ファイバ３２、その中心軸が３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々から出射されるレーザ光の光軸と直交するように決められる。

光学系３３は、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃと光ファイバ３２との間に介在し、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々から出射されるレーザ光を収束するための構成である。特に、本実施形態に係る光学系３３は、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々から出射されるレーザ光のＳ軸方向及びＦ軸方向の広がりを収束することによって、光ファイバ３２の入射端面３２Ｓにおけるレーザ光のビーム径を、光ファイバ３２の入射端面３２Ｓにおけるコア３３１の直径よりも小さくする。

本実施形態においては、光学系３３として、３つのＳ軸コリメートレンズ３３１ａ〜３
３１ｃ、Ｓ軸集光レンズ３３２、３つのＦ軸コリメートレンズ３３３ａ〜３３３ｃ、Ｆ軸集光レンズ３３４、及び、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃを含む光学系を用いる。

第１のＦ軸コリメートレンズ３３３ａ及び第１のＳ軸コリメートレンズ３３１ａからなるレンズ群は、第１のＬＤ３１ａから出射された発散光であるレーザ光を平行光に変換するための構成である。本実施形態においては、第１のＦ軸コリメートレンズ３３３ａとして、その平表面が第１のＬＤ３１ａの出射端面と対向するように、かつ、その凸表面が第１のＳ軸コリメートレンズ３３１ａの平表面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。また、第１のＳ軸コリメートレンズ３３１ａとして、その平表面が第１のＦ軸コリメートレンズ３３３の凸表面と対向するように、かつ、その凸表面が第１のミラー３３６ａの反射面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。第２のＦ軸コリメートレンズ３３３ｂ及び第２のＳ軸コリメートレンズ３３１ｂからなるレンズ群、並びに、第３のＦ軸コリメートレンズ３３３ｃ及び第３のＳ軸コリメートレンズ３３１ｃからなるレンズ群についても同様である。

第１の２連ミラー３３６ａは、第１のＳ軸コリメートレンズ３３１ａから出射されたレーザ光を反射してＳ軸集光レンズ３３２に導くための構成である。第２のミラー３３６ｂ及び第３のミラー３３６ｃについても同様である。なお、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃの構成については、参照する図面を後述する。

Ｓ軸集光レンズ３３２及びＦ軸集光レンズ３３４からなるレンズ群は、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃの各々にて反射された平行光であるレーザ光を収束光に変換すると共に、これらのレーザ光を束ねるためのレンズである。本実施形態においては、Ｓ軸集光レンズ３３２として、その凸表面が３つのミラー３３６ａ〜３３６ｃの反射面と対向するように、かつ、その平表面がＦ軸集光レンズ３３４の凸表面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。また、Ｆ軸集光レンズ３３４として、その凸表面がＳ軸集光レンズ３３２の平表面と対向するように、かつ、その平表面が光ファイバ３２の入射端面と対向するように配置された平凸シリンドリカルレンズを用いる。

ＬＤモジュール３においても、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々のエミッタ幅が、光ファイバ３２の入射端面におけるコアの直径よりも大きい。これにより、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々の出射端面における光密度が低下し、その結果、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々の信頼性が向上（故障率が低下）する。しかも、光学系３３の作用によって、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々から出射されたレーザ光の殆ど全てが光ファイバ３２のコアに入射するので、３つのＬＤ３１ａ〜３１ｃの各々と光ファイバ３２との結合効率が低下するという問題を招来することはない。

以下、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃの構成について、図４を参照して補足する。図４は、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃを代表する２連ミラー３３６の斜視図である。

２連ミラー３３６は、図４に示すように、第１ミラーＭ１と、第２ミラーＭ２とにより構成される。

第１ミラーＭ１は、少なくとも下面Ａ１と、下面Ａ１と平行な上面Ｂ１と、反射面Ｓ１とを有する多面体状の構造物（例えばプリズム）である。反射面Ｓ１と下面Ａ１とが成す角は、図４に示すように４５°である。

第１ミラーＭ１は、下面Ａ１が基板３４の上面に当接するように、基板３４上に載置される。これにより、第１ミラーＭ１の反射面Ｓ１の法線ベクトル（反射面Ｓ１から第１ミ
ラーＭ１の外部に向かう外向き法線ベクトル）と、基板３４の上面（ｚｘ面）の法線ベクトル（上面から基板３４の外部に向かう外向き法線ベクトル）との成す角が４５°になる。また、第１ミラーＭ１の向きは、反射面Ｓ１の法線がｙｚ面と平行になるように決められる。これにより、第１ミラーＭ１の反射面Ｓ１は、ｚ軸負方向から入射したレーザ光をｙ軸正方向に反射する。

第２ミラーＭ２は、少なくとも下面Ａ２と、反射面Ｓ２とを有する多面体状の構造物（例えばプリズム）である。反射面Ｓ２と下面Ａ２との成す角は、図４に示すように４５°である。

第２ミラーＭ２は、下面Ａ２が第１ミラーＭ１の上面Ｂ１に当接するように、第１ミラーＭ１上に載置される。これにより、第２ミラーＭ２の反射面Ｓ２の法線ベクトル（反射面Ｓ２から第２ミラーＭ２の外部に向かう外向き法線ベクトル）と、基板３４の上面（ｚｘ面）の法線ベクトル（上面から基板３４の外部に向かう外向き法線ベクトル）との成す角が１３５°になる。また、第２ミラーＭ２の向きは、反射面Ｓ２の法線がｘｙ面と平行になるように決められる。これにより、第２ミラーＭ２の反射面Ｓ２は、ｙ軸負方向から入射したレーザ光をｘ軸負方向に反射する。

ＬＤモジュール３においては、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃの各々を構成する第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２の向きを調整することによって、出力ビーム（第１ミラーＭ１にて反射された後、第２ミラーＭ２にて反射されたレーザ光）の伝搬方向をｘ軸負方向に一致させることができる。ｙ軸を回転軸として第１ミラーＭ１を微小回転させると、ｚ軸を回転軸として出力ビームの伝搬方向が微小回転し、ｙ軸を回転軸として第２ミラーＭ２を微小回転させると、ｙ軸を回転軸として出力ビームの伝搬方向が微小回転するためである。

また、ＬＤモジュール３においては、３つの２連ミラー３３６ａ〜３３６ｃの各々を構成する第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２の位置を調整することによって、出力ビームの光軸をｘｚ面と平行な平面内に等間隔で並べることができる。第１ミラーＭ１をｚ軸正方向／負方向に並進させると、出力ビームの光軸がｚ軸正方向／負方向に並進し、第２ミラーＭ２をｘ軸正方向／負方向に並進させると、出力ビームの光軸がｙ軸正方向／負方向に並進するためである。

なお、本実施形態においては、出力ビーム束を構成する各出力ビームの伝搬方向をｘ軸負方向と一致させることを第１の調整目標としているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、出力ビームを構成する各出力ビームの伝搬方向を特定の方向と一致させることができれば十分であり、該特定の方向は、ｘ軸負方向に限定されない。

また、本実施形態においては、出力ビーム束を構成する各出力ビームの光軸をｚｘ面と平行な平面内に等間隔で並べることを第２の調整目標としているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、出力ビームを構成する各出力ビームの光軸を特定の平面内に等間隔で並べることができれば十分であり、該特定の平面は、ｚｘ面と平行な平面に限定されない。

なお、２連ミラー３３６の代わりに第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２とが一体成形された一体ミラーを用いる場合、第２ミラーＭ２に反射されたレーザ光の伝播方向を所望の方向とするために、当該一体ミラー全体を傾ける必要がある。この場合、当該一体ミラーを基板３４に固定するための接着剤層の厚みが不均一になる。このため、温度や湿度などの環境が変化すると、接着剤層の厚みが不均一に変化し、その結果、当該一体ミラーの傾きが変化する。これにより、第２ミラーＭ２に反射されたレーザ光の伝播方向が所望の方向
からずれる。すなわち、２連ミラー３３６の代わりに第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２とが一体成形された一体ミラーを用いる場合、環境の変化に伴い第２ミラーＭ２に反射されたレーザ光の伝播方向が変動するという問題を生じる。一方、第１ミラーＭ１上に第２ミラーＭ２が載置された２連ミラー３３６を用いる場合、第２ミラーＭ２により反射されたレーザ光の伝播方向を所望の方向とするために、２連ミラー３３６全体を傾ける必要がない。したがって、環境の変化に伴い第２ミラーＭ２に反射されたレーザ光の伝播方向が変動するという問題が生じることもない。

〔ＬＤの出射端面における活性層幅の好適値〕
最後に、上述したＬＤモジュール１，２，３が備えるＬＤ１１，２１ａ〜ｃ，３１ａ〜ｃ（以下、単に「ＬＤ」と記載）の活性層幅（エミッタ幅）のより好ましい値について、図５を参照して説明する。

図５は、ある光出力時のＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積（ＢＰＰ，Beam Parameter Product）が、そのＬＤの活性層幅にどのように依存するかを示すグラフである。ここで、ビームパラメータ積とは、ビームウエスト半径とビーム発散角（の半値半幅）との積により定義される、ビーム品質の指標である。

図５に示すように、ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積は、ＬＤの出射端面における活性層幅に応じて変換する。図５に示す例では、ＬＤの出射端面における活性層幅が１５０μｍのときに、ビームパラメータ積が極小値を取る。

ＬＤの出射端面における活性層幅は、（１）ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積（又は、ＬＤから出力され、光学系１３，２３，３３を透過したレーザ光のビームパラメータ積）が、光ファイバ１２，２２，３２（以下、単に「光ファイバ」と記載）のビームパラメータ積以下になるように設定されていることが好ましく、（２）ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が、光ファイバのビームパラメータ積の略（１／２）^１／２倍に設定されていることが更に好ましい。ここで、光ファイバのビームパラメータ積とは、光ファイバがロスなく受光可能（コアに閉じ込め可能）なビームのビームパラメータ積の最大値である。すなわち、光ファイバは、自身のビームパラメータ積以下のビームパラメータ積を有するビームをロスなく受光することができ、自身のビームパラメータ積より大きいビームパラメータ積を有するビームをロスなく受光することができない。

なお、ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が、光ファイバのビームパラメータ積の略（１／２）^１／２倍であることが好ましい理由は以下のとおりである。すなわち、マルチモードファイバに入射される入射光を漏れなく受光するためには、光ファイバの入射端面において、光ファイバのコア内にビームが収まっていることと、光ファイバへの入射角度がファイバの受光可能な角度に収まっていることとの２点が必要である。光ファイバのＢＰＰは円周方向に対称であるのに対し、マルチチップＬＤモジュール（を構成する各ＬＤから出射されるビーム）は、Ｆ軸方向にスタックされた後に集光されるため、入射角度は（角度空間において）長方形状になる。ここで、角度が最も厳しくなる点は（角度空間における）長方形の対角線にある成分である。このため、Ｓ軸方向のＢＰＰが大きければＦ軸方向（すなわち、ＬＤを複数束ねる方向）が制限されることがわかる。光ファイバに対し最も有効に入射角度を使用するためには、光ファイバの円周空間に対し、内接する四角形であって、その面積が最大となることが最適である。光ファイバの受光可能角度をｒとし、入射光の角度空間の長方形の対角の角度をθとすると、光ファイバに入射する入射光の角度空間の面積は、r・sin(θ)×r・cos(θ)=1/2×sin（2θ）となる。このため、対角角度が４５度となる点が最大に角度空間を使用できる点であることがわかる。そのため、定格電流におけるＳ軸のＢＰＰは光ファイバのＢＰＰの略（１／２）^１／２
倍であることが好ましい。なお、このようなＬＤモジュールに用いられる光学系は出来る限り、ＢＰＰを維持することが重要ではあるが、ＢＰＰを小さくすることはできない。この点を考慮すると、定格電流におけるＳ軸のＢＰＰは、光ファイバのＢＰＰの（１／２）^１／２倍以下であることが望ましい。

なお、ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積は、ＬＤから出力されるレーザ光の諸量（ビームウェスト半径及びビーム発散角）を測定せずとも、ＬＤの諸量から下記の式を用いて算出することができる。下記の式において、（ｄｎ／ｄＴ）は屈折率（ＬＤの半導体部分の屈折率）の温度微分を表し、ＲthはＬＤモジュールの熱抵抗を表し、ＰdisはＬＤの消費電力を表し、ＷはＬＤの出射端面における活性層幅を表す。

（ｄｎ／ｄＴ）×Ｒth×Ｐdis×Ｗ
上記の式を用いることにより、ＬＤ出射端面における活性層幅Ｗを、ＬＤから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が、光ファイバのビームパラメータ積よりも小さくなるように、あるいは、光ファイバのビームパラメータ積の（１／２）^１／２倍よりも小さくなるように、設計段階で定めることができる。

ビームパラメータ積とは、ビームウエスト半径とビーム発散角（の半値半幅）との積により定義されるところ、活性層幅Ｗを拡げることは、ビームウエスト半径が大きくなる方向に働くため、ビームパラメータ積としては大きくなる方向に作用するが、一方では消費電力Ｐdisを下げるとともに、ＬＤの活性層近傍の熱抵抗を下げる方向に働くので、ビー
ム発散角が小さくなり、ビームパラメータ積が小さくなる方向にも作用する。つまり、光の結合効率の低下を抑制することができため、ＬＤモジュールの電力光変換効率を犠牲にすることなく、信頼性を向上させることが可能になる。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、ＬＤモジュールに好適に利用することができる。特に、高出力のマルチモードレーザダイオードを光源するＬＤモジュールに好適に利用することができる。

１，２，３ ＬＤモジュール
１１，２１ａ〜ｃ，３１ａ〜ｃ ＬＤ（マルチモードレーザダイオード）
１１Ｓ 出射端面
１１１ 活性層
１２、２２、３２ 光ファイバ（マルチモードファイバ）
１２Ｓ 入射端面
１２１ コア
１３，２３，３３ 光学系
１３１，２３１ａ〜ｃ，３３１ａ〜ｃ Ｓ軸コリメートレンズ（コリメートレンズ）
１３２，２３２，３３２ Ｓ軸集光レンズ（集光レンズ）
２３３ａ〜ｃ，３３３ａ〜ｃ Ｆ軸コリメートレンズ（コリメートレンズ）
２３４，３３４ Ｆ軸集光レンズ（集光レンズ）
３３６ａ〜ｃ，３３６ ２連ミラー

Claims (5)

1. 活性層を有するマルチモードレーザダイオードであって、出射端面からレーザ光を出射するマルチモードレーザダイオードと、コアを有するマルチモードファイバであって、入射端面から上記レーザ光が入射するマルチモードファイバと、上記マルチモードレーザダイオードと上記マルチモードファイバとの間に介在する光学系と、を備え、
   上記マルチモードレーザダイオードのエミッタ幅は、上記マルチモードファイバの上記入射端面における上記コアの直径よりも大きく、
   上記光学系は、上記マルチモードレーザダイオードから出射された、発散光である上記レーザ光を、上記活性層と平行な面内で屈折させ、平行光に変換するコリメートレンズ、及び、上記コリメートレンズから出射された上記平行光を収束光に変換する集光レンズを有し、上記マルチモードファイバの上記入射端面における上記レーザ光のビーム径が、上記マルチモードファイバの上記入射端面における上記コアの直径よりも小さくなるように、上記レーザ光を収束し、
   上記マルチモードレーザダイオードは、出力するレーザ光のビームパラメータ積が上記エミッタ幅の関数として極小値を持つように構成され、当該極小値が上記マルチモードファイバのビームパラメータ積以下となるマルチモードレーザダイオードであり、上記エミッタ幅は、当該ビームパラメータ積が上記極小値を取るように設定されている、
   ことを特徴とするＬＤモジュール。
2. 上記マルチモードレーザダイオードのエミッタ幅は、上記マルチモードレーザダイオードから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が上記マルチモードファイバのビームパラメータ積以下になるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＬＤモジュール。
3. 上記マルチモードレーザダイオードのエミッタ幅は、上記マルチモードレーザダイオードから出力されるレーザ光のビームパラメータ積が上記マルチモードファイバのビームパラメータ積の略（１／２）^１／２になるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のＬＤモジュール。
4. 上記マルチモードファイバは、その中心軸が上記マルチモードレーザダイオードから出射されるレーザ光の光軸と直交するように配置されており、
   当該ＬＤモジュールは、上記マルチモードレーザダイオードから出射されるレーザ光を反射し、上記マルチモードファイバへと導くミラーを備えている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＬＤモジュール。
5. 上記ミラーは、基板上に載置された第１ミラーであって、上記マルチモードレーザダイオードから出射された上記レーザ光を反射する第１反射面を有する第１ミラー、及び、上記第１ミラー上に載置された第２ミラーであって、上記第１反射面にて反射された上記レーザ光を反射する第２反射面を有する第２ミラーにより構成された２連ミラーである、
   ことを特徴とする請求項４に記載のＬＤモジュール。

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