JP2002023023A

JP2002023023A - 集光光学系

Info

Publication number: JP2002023023A
Application number: JP2000202152A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hasegawa; 和男長谷川; Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Morihiro Matsuda; 守弘松田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザレイの出射光と光導波路の複雑な調整
をすることなく、その出射光を容易に集光する。【解決手段】基板１０上にレーザバー２０を形成する
と共に、この基板１０上にレーザバー２０から出射され
たレーザビームを所定の方向に導光する第１の光導波路
基板３０とを形成する。レーザバー２０及び第１の光導
波路基板３０は、フォトプロセスにより形成されたもの
であり、精度よく結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集光光学系に係
り、特に、レーザバーから出射される複数のレーザビー
ムを１点に集光する集光光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】現在、
例えば図８に示すように、レーザバー１０１にシリンド
リカルレンズ１０２が取り付けられ、このシリンドリカ
ルレンズ１０２付きのレーザバー１０１を積み上げてレ
ーザスタックが構成された半導体レーザアレイが提案さ
れている。この半導体レーザアレイは、図９に示すよう
に、レーザスタックからの出射光をビーム形成ユニット
１０３を用いて平行光にし、さらに集光用のコリメータ
レンズ１０４で一点に集光するものである。

【０００３】また、特開平１１−３４６０２８号公報で
は、アレイ式半導体レーザ用光結合装置及び該装置を含
むスタック型半導体レーザ用光結合装置が開示されてい
る。この装置は、複数の光出射に対してマイクロレンズ
介して第１次光導波路に結合し、さらに第２次光導波路
で集光させるものである。

【０００４】しかし、図８及び図９に示す半導体レーザ
アレイは、レーザバー１０１にシリンドリカルレンズ１
０２を取り付け、さらにビーム形成ユニット１０３及び
コリメータレンズ１０４を位置合わせする必要があるた
め、光学系の調整が非常に複雑になっていた。また、シ
リンドリカルレンズ１０２の１つ１つを個別に調整する
必要があり、大量生産には不向きであった。

【０００５】一方、特開平１１−３４６０２８号公報に
記載されている装置は、レーザからの出射光と第１次光
導波路を結合させるためにマイクロレンズが必要であ
る。マイクロレンズは、光導波路の特性上、ＮＡを変換
する必要があり、出射光と第１次光導波路の結合効率を
高める上で不可欠なものである。しかし、出射光と光導
波路の接続や調整が複雑であるという問題があった。

【０００６】本発明は、上述した問題点を解消するため
に提案されたものであり、レーザアレイの出射光と光導
波路の複雑な調整をすることなく、その出射光を容易に
集光することができる集光用光学系を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
載置基板と、前記載置基板上に載置され、直線状に配列
されたレーザビームを出射する複数のレーザ出射部を備
えたレーザバーと、高屈折率の媒質で形成され、かつ、
入射口から入射されたレーザビームを集光して出射口か
ら出射する光導波路を備え、前記入射口と前記複数のレ
ーザ出射部とが対応するように前記載置基板上に載置さ
れた光導波路基板と、を備えたものである。

【０００８】レーザバー及び光導波路基板は、フォトプ
ロセスにより製造されるものであり、これらはいずれも
加工精度よく製造された光学部品である。したがって、
これらを載置基板上で一体に載置するだけで、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。さら
に、光導波路基板においては、光導波路の屈折率は他の
部分の屈折率よりも高いので、マイクロレンズを用いる
ことなく、レーザバーと光導波路基板とを突き合わせ結
合することができる。

【０００９】請求項２記載の発明は、載置基板と、前記
載置基板上に載置され、直線状に配列されたレーザビー
ムを出射する複数のレーザ出射部を備えたレーザバー
と、高屈折率の媒質で形成され、かつ、第１の入射口か
ら入射されたレーザビームを集光して第１の出射口から
出射する第１の光導波路を備え前記第１の入射口と前記
複数のレーザ出射部とが対応するように前記載置基板上
に載置された第１の光導波路基板と、を備えた複数の集
光光学部材が積層されたレーザスタックと、高屈折率の
媒質で形成され、かつ、第２の入射口から入射されたレ
ーザビームを集光して第２の出射口から出射する第２の
光導波路を備え、前記第２の入射口と前記各第１の出射
口とが対応するように配置された第２の光導波路基板
と、を備えたものである。

【００１０】前記集光光学部材は、請求項１記載の発明
である集光光学系に相当し、これが積層されることがで
レーザスタックが構成される。したがって、このレーザ
スタックでは、レーザバーと第１の光導波路基板とが高
精度に位置合わせをして結合されている。そして、レー
ザスタックから出射される各レーザビームは、第２の光
導波路によって１点に集光されて出射される。

【００１１】ここで、請求項１または２記載の発明にお
いて、各光導波路は、入射された複数のレーザビームを
まとめて伝送してから１点に集光するテーパ型光導波路
又は入射された複数のレーザビームをそれぞれ独立に伝
送してから１点に集光する分岐型光導波路のいずれかで
あるのが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１３】（第１の実施の形態）図１に示すように、
本発明の第１の実施の形態に係る集光光学系１は、基板
１０上に形成されたレーザバー２０と、レーザバー２０
から出射されたレーザビームを所定の方向に導光する複
数の第１の光導波路基板３０と、各第１の光導波路基板
３０から出射されるレーザビームを１つに集光する第２
の光導波路基板４０とを備えている。

【００１４】基板１０は、板状に精密に形成され、レー
ザバー２０と光導波路３０の高さ方向の位置を規制する
ものである。また、基板１０は、例えばペルチェ素子で
構成され、冷却機能を備えている。基板１０は、このよ
うな冷却機能を備えることによって、レーザ発振の閾値
の上昇やスロープ効率の低下を抑えることができる。

【００１５】レーザバー２０は、図２に示すように、一
直線上に形成された複数のレーザ出射部２１を備えてい
る。各レーザ出射部２１は、それぞれ同一方向に向けて
形成され、それぞれ平行なレーザビームを出射する。こ
のレーザバー２０はフォトプロセスにより製造されるも
のであり、これにより、各レーザ出射部２１の位置は精
密に規制される。なお、複数のレーザバー２０が高さ方
向に積み重ねられることによって半導体レーザスタック
が構成される。レーザバー２０としては、面発光型のも
のを用いてもよい。

【００１６】第１の光導波路基板３０は、図３に示すよ
うに、全体的に平面板状に形成されたテーパ型光導波路
を備えている。具体的には、第１の光導波路基板３０
は、レーザビームが伝送される光導波路３１と、その周
囲を覆うように形成された図示しないクラッドとを備え
ている。さらに、第１の光導波路基板３０は、光導波路
３１の端面側に形成された細長形状のレーザ入射口３３
と、レーザ入射口３３の他端面側に形成されレーザ入射
口３３から入射されたレーザビームを出射するレーザ出
射口３４とを備えている。

【００１７】光導波路３１の屈折率ｎ₁とクラッドの屈
折率ｎ₂の差は大きく、またｎ₁＞ｎ₂である。屈折率ｎ₁
と屈折率ｎ₂の関係は、次式が成り立つのが好ましい。
なお、レーザビームの広がり角θ（半値全角）を用い
る。

【００１８】

【数１】

【００１９】また、レーザ入射口３３の長さは、少なく
ともレーザバー２０における一端側のレーザ出射部２１
から他端側のレーザ出射部２１までの長さを有してい
る。光導波路３１の幅は、レーザ入射口３３においては
上記長さに形成され、レーザビームの進行方向に進むに
従って細くなり、レーザ出射口３４においてはレーザ光
が１点に集光する細さに形成されている。

【００２０】したがって、レーザバー２０からレーザ入
射口３３に入射したレーザビームは、光導波路３１とク
ラッドの境界で反射しながら、光導波路３１において低
損失で直線又は曲線方向に伝搬しながら集光され、レー
ザ出射口３４を介して外部に出力される。

【００２１】また、第１の光導波路基板３０は、全反射
面が表面に現れないように構成されているので、保持部
分による損失が生じない。さらに、第１の光導波路基板
３０は、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）技術によ
り製造されている。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
回路を作製するものである。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、第１の光導波路基板３
０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。

【００２２】第２の光導波路基板４０は、図４に示すよ
うに、全体的に平面板状に形成されたテーパ型光導波路
を備えている。具体的には、第２の光導波路基板４０
は、レーザビームが伝送される光導波路４１と、その周
囲を覆うように形成された図示しないクラッドとを備え
ている。さらに、第２の光導波路基板４０は、光導波路
３１の一端側に形成された細長形状のレーザ入射口４３
と、レーザ入射口４３の他端側に形成され集光されたレ
ーザビームを出射するレーザ出射口４４とを備えてい
る。

【００２３】光導波路３１の屈折率ｎ₁とクラッドの屈
折率ｎ₂の差は大きく、またｎ₁＞ｎ₂である。なお、屈
折率ｎ₁と屈折率ｎ₂の関係は、上述した式が成り立つの
が好ましい。

【００２４】レーザ入射口４３の長さは、少なくとも最
上段に配置された第１の光導波路基板３０から最下段に
配置された第１の光導波路基板３０までの長さを有して
いる。光導波路４１の幅は、レーザ入射口４３において
は上記長さに形成され、レーザビームの進行方向に進む
に従って細くなり、レーザ出射口４４においてはレーザ
光が１点に集光する細さに形成されている。

【００２５】なお、第２の光導波路基板４０の製造方法
については、第１の光導波路基板３０と同様にＰＬＣ技
術に限らず、他にイオン交換法、熱拡散法等を用いても
よい。

【００２６】以上のように、レーザバー２０、第１の光
導波路基板３０及び第２の光導波路基板４０は、いずれ
もフォトプロセスにより作成され、非常に高精度にパタ
ーン形成されている。すなわち、これらはいずれも加工
精度よく製造された光学部品である。

【００２７】したがって、基板１０上においてレーザバ
ー２０と第１の光導波路基板３０とを一体に載置するだ
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。また、第１の光導波路基板３０は、レーザビ
ームを伝送しながら集光するレンズ構造を有し、かつ、
光導波路３１の屈折率ｎ₁をクラッドの屈折率ｎ₂よりも
大きくすることで、マイクロレンズを用いることなく、
レーザバー２０と突き合わせ結合することができる。

【００２８】さらに、従来のように、複数枚のシリンド
リカルレンズを組み合わせることなく、精密に位置合わ
せを行うことができる。すなわち、従来のシリンドリカ
ルレンズを組み合わせた光学系に比べて、光学調整が簡
単で、かつ高効率の集光を行うことができる。

【００２９】（他の実施の形態）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、以下の場合にも適
用することができる。なお、上述した実施の形態と同じ
部位には同じ符号を付し、また、重複する部分の説明は
省略する。

【００３０】図５に示すように、本発明の第２の実施の
形態に係る集光光学系１Ａは、第１の実施の形態におけ
るテーパ型光導波路（第１の光導波路基板３０）に代え
て、分岐型光導波路基板５０を用いている。

【００３１】分岐型光導波路基板５０は、図６に示すよ
うに、全体的に平面板状に形成され、レーザビームが伝
送される光導波路５１と、その周囲を覆うように形成さ
れた図示しないクラッドとを備えている。分岐型光導波
路基板５０の主面に平行な方向における光導波路５１の
断面形状は、レーザ出射形状と略等しく形成されてい
る。

【００３２】具体的には、光導波路５１の一端側には、
レーザバー２０の各レーザ出射部２１に対応する複数の
レーザ入射口５３が形成されている。光導波路５１は、
レーザ入射口５３からレーザ進行方向に対して複数の平
行な直線状に形成され、さらにレーザ進行方向に進むに
従って中心に集まり、１本の直線状に形成されている。
そして、１本の直線状に形成された光導波路５１の他端
側には、レーザ出射口５４が形成されている。

【００３３】なお、光導波路５１とクラッドの屈折率
は、第１の実施の形態と同じである。また、分岐型光導
波路基板５０は、第１の光導波路基板３０と同様に、フ
ォトプロセスにより作成され、非常に高精度にパターン
形成されている。

【００３４】したがって、集光光学系１Ａは、基板１０
上においてレーザバー２０と分岐型光導波路基板５０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、第１の実施の形態と同様の
効果を得ることができる。

【００３５】また、図７に示すように、本発明の第３の
実施の形態に係る集光光学系１Ｂは、第２の実施の形態
における第２の光導波路基板４０に代えて、分岐型光導
波路基板６０を用いている。分岐型光導波路基板６０
は、分岐型光導波路基板５０とほぼ同様に構成され、分
岐型光導波路基板５０から出射されたレーザビームを集
光して出力することができる。

【００３６】以上のように、本発明は、レーザバー２０
と同様にフォトプロセスにより製造される光導波路であ
れば、テーパ型でも光分岐型でも適用することができ
る。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、載置基板上に、複数のレーザ
ビームを出射するレーザバーと、前記レーザバーからの
複数のレーザビームを集光して出射する光導波路基板と
を載置することにより、レーザバーと光導波路基板に形
成された光導波路とを容易かつ高精度に位置合わせをし
て結合することができる。さらに、光導波路の媒質の屈
折率を高くすることによりマイクロレンズを用いること
なく、レーザバーと光導波路とを突き合わせて結合する
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集光光学系を示す斜
視図である。

【図２】集光光学系に用いられるレーザバーを示す斜視
図である。

【図３】第１の光導波路基板を示す斜視図である。

【図４】第２の光導波路基板を示す斜視図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る集光光学系を
示す斜視図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る集光光学系を
示す斜視図である。

【図７】分岐型光導波路基板の構成を示す斜視図であ
る。

【図８】従来の半導体レーザアレイを示す斜視図であ
る。

【図９】従来の半導体レーザアレイ及びその光学系を示
す図である。

【符号の説明】

１０基板２０レーザアレイ３０第１の光導波路基板３１光導波路４０第２の光導波路基板

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｄ (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Ｆターム(参考） 2H037 BA02 BA24 CA36 2H047 KA03 LA12 MA00 MA07 5F073 AB02 AB15 AB25 FA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】載置基板と、前記載置基板上に載置され、直線状に配列されたレーザ
ビームを出射する複数のレーザ出射部を備えたレーザバ
ーと、高屈折率の媒質で形成され、かつ、入射口から入射され
たレーザビームを集光して出射口から出射する光導波路
を備え、前記入射口と前記複数のレーザ出射部とが対応
するように前記載置基板上に載置された光導波路基板
と、を備えた集光光学系。
【請求項２】載置基板と、前記載置基板上に載置さ
れ、直線状に配列されたレーザビームを出射する複数の
レーザ出射部を備えたレーザバーと、高屈折率の媒質で
形成され、かつ、第１の入射口から入射されたレーザビ
ームを集光して第１の出射口から出射する第１の光導波
路を備え前記第１の入射口と前記複数のレーザ出射部と
が対応するように前記載置基板上に載置された第１の光
導波路基板と、を備えた複数の集光光学部材が積層され
たレーザスタックと、高屈折率の媒質で形成され、かつ、第２の入射口から入
射されたレーザビームを集光して第２の出射口から出射
する第２の光導波路を備え、前記第２の入射口と前記各
第１の出射口とが対応するように配置された第２の光導
波路基板と、を備えた集光光学系。
【請求項３】前記光導波路は、入射された複数のレー
ザビームをまとめて伝送してから１点に集光する光導波
路又は入射された複数のレーザビームをそれぞれ独立に
伝送してから１点に集光する光導波路のいずれかである
請求項１または２記載の集光光学系。