JP2004287181A - 光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置を提供する。
【解決手段】光導波路（２０）は、複数のレーザ光が入射される入射面（２２ｉｎ）と、入射された各レーザ光を所定の方向に屈折させて複数のレーザ光が集光されて出射される出射面（２２ｏｕｔ）とを備え、入射されたレーザ光が通過可能な通過領域（２２ｅｎ）と、入射されたレーザ光が通過できない禁止領域（２２ｄｉｓ）とを有している。そして、禁止領域の一部または全部を、第１の屈折率を有する第１物質と、第２の屈折率を有する第２物質とが、入射されるレーザ光の波長に基づいた周期にて組み合わされるように形成し、通過領域を、入射されたレーザ光が出射面に導かれるように形成する。
【選択図】 図２
【解決手段】光導波路（２０）は、複数のレーザ光が入射される入射面（２２ｉｎ）と、入射された各レーザ光を所定の方向に屈折させて複数のレーザ光が集光されて出射される出射面（２２ｏｕｔ）とを備え、入射されたレーザ光が通過可能な通過領域（２２ｅｎ）と、入射されたレーザ光が通過できない禁止領域（２２ｄｉｓ）とを有している。そして、禁止領域の一部または全部を、第１の屈折率を有する第１物質と、第２の屈折率を有する第２物質とが、入射されるレーザ光の波長に基づいた周期にて組み合わされるように形成し、通過領域を、入射されたレーザ光が出射面に導かれるように形成する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を集光する光導波路、半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光を集光する光導波路アレイ、及び半導体レーザアレイと光導波路アレイを用いたレーザ集光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、従来の半導体レーザ集光装置の概略構成の例を示す。半導体レーザ（レーザダイオード等）の活性層１４の発光部１２から出射される半導体レーザ光（以下、「レーザ光」と記載する）は、レーザ光２の進行方向に対して垂直な面においてほぼ楕円状であり、当該楕円状のレーザ光２は、長軸方向（ｆａｓｔ軸方向）と、短軸方向（ｓｌｏｗ軸方向）とを有する。また、当該楕円は、発光部１２からの距離が長くなるほど大きくなる。そして、長軸方向と短軸方向に２次元的に配列した複数の発光部を持つ半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を、光ファイバに集光してレーザ光の出力を増大させる半導体レーザ集光装置が知られている。
例えば、半導体レーザをレーザ加工装置の光源として用いる場合、加工に用いるレーザ光の高出力化が必要であるが、単一の発光部から出射されるレーザ光では、出力強度に限界がある。そこで、レンズ群等を用いて複数の発光部から出射されるレーザ光を集光して、レーザ光の出力を増大させている。
従来の半導体レーザ集光装置の技術として、例えば、図８に示すように、レンズ群と光ファイバ３０を備え、レーザ光の発光部１２から光ファイバ３０までの間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０、の順にレンズを配置してレーザ光を光ファイバ３０に集光するレーザ集光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−９８１９１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの発光部１２から出射されるレーザ光を効率良く光ファイバ３０に集光してレーザ光の出力を増大させるには、より細い光ファイバに、より多くの発光部からのレーザ光を入射して密度を高めることと、より小さな入射角で入射端面に入射して、入射したレーザ光を外部に反射させることなく、効率よく光ファイバに入射する（入射端面に対して、より直角に近い角度で入射する）ことが必要である。これにより、光ファイバ内におけるレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度がより小さくなり、レーザ光が光ファイバ内で全反射しながら進行し、光ファイバ外部への漏れによる損失を抑制できる。
ここで、発光部１２から出射されたレーザ光は、長軸方向及び短軸方向に拡がりながら進行する。拡がりながら進行するレーザ光を集光する場合、レンズ自身に非常に高い精度が要求され、そのレンズの配置位置も、非常に高い精度が要求される。
従来の半導体レーザ集光装置（例えば、特開２０００−９８１９１号公報）は、発光部の間隔が比較的広い長軸方向においては、一旦、平行光に変換してから集光しているが、発光部の間隔が比較的狭い短軸方向においては、レンズの径が非常に小さく、配置も困難であるため、平行光にしてから集光することをせず、集光のみを行っている。
【０００５】
従来の半導体レーザ集光装置（例えば、特開２０００−９８１９１号公報）では、図８に示すように、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２（ｍ、ｎ）（ｍ行ｎ列、図８の例では、５行１６列）から出射されるレーザ光を、長軸方向コリメートレンズアレイ７０を通過させ、長軸方向集光レンズ８０を通過させ、更に、短軸方向集光レンズアレイ９０を通過させて光ファイバ３０（ｓ、ｔ）（ｓ行ｔ列、図８の例では、１行８列）に入射している。
なお、全ての図面において、座標軸は、レーザ光の進行方向（出射方向）をＺ軸、ｆａｓｔ軸方向（長軸方向）をＸ軸、ｓｌｏｗ軸方向（短軸方向）をＹ軸としている。
なお、全ての図面は、説明を容易にするため、あるいは比較等を容易にするために、実際の寸法とは異なる寸法で記載している部分を含んでいる。
【０００６】
また、図８（従来の半導体レーザ集光装置）の構成における、各レンズ及びレーザ光の様子を図９（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図９（Ａ）は、短軸方向に配列された２個の発光部から出射される２本のレーザ光と、長軸方向に配列された５個の発光部から出射される５本のレーザ光の合計１０本のレーザ光を、１本の光ファイバに集光している。図９（Ａ）は、図８をＸ軸方向から見た図であり、図９（Ｂ）は、図８をＹ軸方向から見た図である。
一般的によく用いられる半導体レーザアレイでは、短軸方向においては、各発光部１２の幅（図９（Ａ）中のＤｗ）は約０．２ｍｍであり、発光部と発光部の間隔（図９（Ａ）中のＤｐ）は約０．２ｍｍである。また、各発光部から出射されるレーザ光の短軸方向の拡がり角（図９（Ａ）中のθｉｎｙ）は約３．５°である。
また、長軸方向において隣り合う発光部の間隔（図９（Ｂ）中のＤｈ）は約１．７５ｍｍであり、各発光部の厚さ（図９（Ｂ）中のＤｔ）は約０．００２ｍｍである。また、各発光部から出射されるレーザ光の長軸方向の拡がり角（図９（Ｂ）中のθｉｎｘ）は約４０°である。
【０００７】
例えば、このレーザ光を、光ファイバ３０に、短軸方向において２本のレーザ光を集光し、長軸方向において５本のレーザ光を集光する。また、短軸方向の入射角（図９（Ａ）中のθｏｕｔｙ）が約１０°以下になるように（より小さな入射角で）集光する。
この場合、最も効率良く集光するためには、図９（Ａ）において、短軸方向に隣り合う発光部１２から出射されるレーザ光が重なる前に短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要がある。レーザ光が重なる位置は、上記の数値の場合は、発光部１２から約１．６ｍｍの位置である。
しかし、発光部１２から約１．６ｍｍまでの距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要があり、事実上、配置は非常に困難である。
【０００８】
また、この場合、短軸方向集光レンズアレイ９０の焦点距離（ｆ９０）を、発光部１２から短軸方向集光レンズアレイ９０までの距離（この場合、約１．６ｍｍ）に設定すると、短軸方向における集光の効率がほぼ最適になり、発光部１２から光ファイバ３０までの距離（図９（Ａ）中のＬ）は、約３．２ｍｍとなる。しかし、例えば長軸方向に１．７５ｍｍ間隔で配列された５個の発光部から出射されるレーザ光を、長軸方向の入射角を１０°未満とするためには、約１９．８５ｍｍ以上の距離が必要であり、必要な数のレーザ光を集光することが非常に困難である。
【０００９】
従って、以下の課題を解決する必要がある。
短軸方向集光レンズアレイ９０と発光部１２との間の距離が短い。このため、所定距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を適切に配置することが困難である。また、光ファイバ３０の位置も発光部１２から短い距離になり、長軸方向の入射角（θｏｕｔｘ）を小さく設定すると、長軸方向に集光できるレーザ光の本数が少なくなる。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの光導波路である。
請求項１に記載の光導波路では、通過領域の各入射面に入射された各レーザ光は、禁止領域に入ることなく、通過領域に沿って導かれ、レンズ等で屈折させることなく出射面に到達する。レンズで屈折させて集光する場合は、レンズの焦点距離、レンズの配置位置、及び配置したレンズの角度等、種々の精度が非常に重要であるが、請求項１に記載の光導波路はレンズを有さず、禁止領域と通過領域を用いて屈折させて集光する。つまり、所定の入射面にレーザ光を入射すれば、光導波路の配置位置、配置した光導波路の角度はそれ程重要でない。
これにより、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できる。
また、例えばレーザ光の波長が８００［μｍ］の場合、禁止領域をレーザ光の波長に基づいた周期（例えば４００［μｍ］）にて第１物質（石英ガラス等）と第２物質（大気等（この場合、例えば穿孔しておく））とを組み合わせて構成する。これにより、より容易に光導波路の禁止領域を実現できる。
【００１１】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの光導波路である。
請求項２に記載の光導波路では、入射面における通過領域の幅（長軸方向の幅）をより広く、出射面における通過領域の幅（長軸方向の幅）をより狭くする。このため、入射面に入射されるレーザ光の位置の許容範囲（誤差範囲）をより大きくすることができ、効率良く集光することができる。
また、長軸方向の幅を変化させることは、２次元的に形成（長軸方向と出射方向を含む２次元で形成）した禁止領域にて、容易に実現することができる。
【００１２】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの光導波路である。
請求項３に記載の光導波路は、請求項１または２に記載の光導波路であって、入射されたレーザ光を禁止領域と通過領域を用いて長軸方向に屈折させ、短軸方向においては屈折させずに全反射させる。このため、光導波路の禁止領域と通過領域を３次元的（立体的）に形成することなく、２次元的（平面的）に形成すればよいので、光導波路を容易に実現することができる。また、屈折させない短軸方向においては全反射させることで、入射されたレーザ光を光導波路の外部に漏らすことなく、効率良く集光することができる。
【００１３】
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの光導波路アレイである。
請求項４に記載の光導波路アレイを用いれば、長軸方向及び短軸方向に２次元状に配列された半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光を、効率良く集光することができる。また、短軸方向に光導波路を積層するため、容易に実現することができる。
【００１４】
また、本発明の第５発明は、請求項５に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項５に記載のレーザ集光装置を用いれば、長軸方向及び短軸方向に２次元状に配列された半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光を、効率良く集光することができるレーザ集光装置を容易に実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の光導波路２０を用いた光導波路アレイ２０Ａをレーザ集光装置に適用した一実施の形態の概略構成図を示している。
図１に示す実施の形態では、図８に示す従来のレーザ集光装置に対して、半導体レーザアレイ１０と光ファイバ３０との距離を非常に大きくできる（従来では約３．２ｍｍのところを、本実施の形態ではレーザ光の進行方向に対する光導波路アレイ２０Ａの長さに応じて、数ｃｍ以上に設定することも可能）。このため、光ファイバ３０への入射角を小さくできるので、より効率良くレーザ光を集光することができる。
また、図８に示す従来のレーザ集光装置に対して、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０とを省略し、その代わりに光導波路アレイ２０Ａを設けているので、構成が簡素化され、組み付け時の調整等（各レンズ等の配置位置の微調整等）が従来のレーザ集光装置に比して、非常に容易である。
【００１６】
●［全体構成（図１）］
図１に示す本実施の形態では、発光部１２（ｍ，ｎ）（ｍ行ｎ列、図１の例では５行１６列）を、長軸方向毎の複数の発光部グループに分割し、各発光部グループ毎（第１グループ毎）のレーザ光を各光導波路２０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）で集光して、各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）に入射する。
【００１７】
半導体レーザアレイ１０は、複数の発光部１２を有し、単一の発光部を有する半導体レーザを２次元的に配列して、あるいは一列に複数の発光部を有するアレイ型半導体レーザを積層または配列して、あるいは２次元配列されたスタック型半導体レーザで、構成されている。本実施の形態では、スタック型レーザダイオードを用いている。
光導波路アレイ２０Ａは、発光部１２（ｍ，ｎ）の長軸方向毎の各発光部グループ毎に対応する光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向に複数配列（積層）されて構成されている。各光導波路２０（ｓ，ｔ）内に入射されたレーザ光は、入射された光導波路２０（ｓ，ｔ）内を、出射面に向かって進行する（詳細は後述する）。
光導波路アレイ２０Ａは、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２から入射された複数のレーザ光を、長軸方向に対して各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に集まるように、長軸方向に集光（束ね、あるいは集約）する。
なお、以下、「束ねる」とは、各レーザ光の径をほぼ縮めることなく複数のレーザ光を集めることをいい、「集約する」とは、各レーザ光の径を縮めるあるいは径を縮めるとともに複数のレーザ光を集めることをいう。また、「集光する」とは、「束ねる」あるいは「集約する」方法を用いて、レーザ光の出力を高めることをいう。
【００１８】
各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面には、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の出射面から、少なくとも長軸方向に集光されたレーザ光が入射される。そして、集光レンズ１００は、任意の形状に束ねられた光ファイバ３０の出射面から焦点距離に対応する位置等、所定の位置に配置されている。そして、集光レンズ１００は、光ファイバ３０の出射面から出射されたレーザ光を、各々所定の位置に集光する。これにより、半導体レーザアレイ１０の複数の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射された複数のレーザ光は所定の位置に集光され、加工等に用いることができるように、レーザ光の出力を増大させることができる。
【００１９】
●［光導波路２０（ｓ，ｔ）の構造（図２）］
次に、図２を用いて光導波路２０の概略構造について説明する。光導波路２０は、図２（Ａ）に示すように、半導体レーザアレイ１０の発光部グループから出射されるレーザ光が入射される入射面２２ｉｎと、入射されたレーザ光を集光して出射する出射面２２ｏｕｔを有している。
また、光導波路２０は、図２（Ｂ）に示すように、入射されたレーザ光が通過可能な通過領域２２ｅｎ（図２（Ｂ）中の白抜き部分）と、入射されたレーザ光が通過できない禁止領域２２ｄｉｓ（図２（Ｂ）中のハッチング部分）とを有している。
図２（Ｂ）に示す光導波路２０の例では、５本のレーザ光を各々入射する入射面２２ｉｎ（１，１）〜２２ｉｎ（１，５）と、各レーザ光を集光して出射する出射面２２ｏｕｔ（１）を有している。入射面２２ｉｎ（１，１）に入射されたレーザ光は、経路２２ｉｎ（１，１）−ａ１−ａ２−ａ３を経由して出射面２２ｏｕｔ（１）に到達する。同様に、入射面２２ｉｎ（２，１）に入射されたレーザ光は、経路２２ｉｎ（２，１）−ａ２−ａ３を経由して出射面２２ｏｕｔ（１）に到達する。以下２２ｉｎ（３，１）〜（５，１）についても同様であるので説明を省略する。
【００２０】
また、入射面２２ｉｎ（１，１）〜（５，１）における長軸方向の幅（図２（Ｂ）中のＷｉｎ）を、出射面２２ｏｕｔ（１）における長軸方向の幅（図２（Ｂ）中のＷｏｕｔ）よりも広くしている。出射面２２ｏｕｔ（１）ではレーザ光を集光して出射するため、幅が比較的狭い方が好ましい。入射面２２ｉｎ（１，１）〜（５，１）では入射されるレーザ光の位置の許容範囲（誤差範囲）を広くするために、幅が比較的広い方が好ましい。この場合、入射面２２ｉｎ（１，１）〜（５，１）に入射されるレーザ光の位置の許容範囲が広がり、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００２１】
また、通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓの構造を、拡大図ＡＡ及びＢＢに示す。
光導波路２０の材質は、例えば石英ガラス（第１の屈折率を有する第１物質）であり、禁止領域２２ｄｉｓと通過領域２２ｅｎとの境界には、Ｙ軸方向（短軸方向）に向かって微細孔Ｈを形成する（この場合、微細孔Ｈ内の大気が第２の屈折率を有する第２物質）。通過領域２２ｅｎは、特別な処置を行う必要がない。また、禁止領域２２ｄｉｓは、入射されるレーザ光の波長に基づいた周期にて、第１物質と第２物質とが交互に配置されるように組み合わされている。
例えば、レーザ光の波長が８００［μｍ］の場合、微細孔ＨのピッチＰｉ１、Ｐｉ２を波長の約半分の４００［μｍ］に設定し、径φを約２００［μｍ］に設定する。このように、禁止領域２２ｄｉｓにフォトニック結晶の構造を持たせる。また、禁止領域２２ｄｉｓの微細孔Ｈは、４〜５周期分の微細孔Ｈにて境界として有効に働く。このため、禁止領域２２ｄｉｓ内の全部に微細孔Ｈを形成することなく、境界部分の４〜５周期分のみに微細孔Ｈを形成（禁止領域２２ｄｉｓの一部に形成）するようにしてもよい。
なお、光導波路２０の材質（第１物質）は、他にも種々のものを用いることができる。また、第２物質として微細孔Ｈをあけずに、第２物質をドーピング等させて第１物質と第２物質の周期的構造を形成するようにしてもよい。また、微細孔Ｈの形状も、種々の形状とすることができる。
【００２２】
図８に示す従来のレーザ集光装置では、光ファイバ３０に集光するための各レンズの形成及び位置決め等には、サブミクロンオーダーの非常に高い精度が必要である。しかし、本実施の形態に示す光導波路２０では、ミクロンオーダーの精度で充分であり、容易に形成及び位置決め等を行うことができる。また、微細孔Ｈは、マイクロマシニング技術、半導体プロセス技術等を用いて、比較的容易に形成することが可能である。
また、レンズ群を用いて光ファイバ３０に集光する従来のレーザ集光装置では、レンズの回折限界、加工精度の限界等より数１０［μｍ］の径に集光することが限界であったが、本実施の形態に示す光導波路２０を用いて集光する場合、数［μｍ］の径に集光することも可能である。
また、通過領域２２ｅｎの屈折角度（図２（Ｂ）中のθ１〜θ３は、６０°程度の大きさの角度に設定することもできる。このため、光導波路２０のＺ軸方向（レーザ進行方向）における長さをより短くすることができ、レーザ集光装置を小型化することができる。
【００２３】
●［各構成要素の配置と、光ファイバまでのレーザ光の集光状態（図３）］
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、発光部１２、光導波路アレイ２０Ａ、光ファイバ３０の配置位置と、光ファイバ３０までのレーザ光の集光状態について説明する。
図３（Ａ）は、長軸（ｆａｓｔ軸）方向から見た図である。各発光部１２から出射されたレーザ光は、光導波路アレイ２０Ａの各光導波路２０の入射面に入射されると、短軸方向においては各光導波路２０内を反射しながら当該光導波路２０からほとんど外部に漏れることなく進行し、（当該光導波路２０の出射面に到達し、）光ファイバ３０の入射面に入射される。
また、図３（Ｂ）は、短軸（ｓｌｏｗ軸）方向から見た図であり、レーザ光を長軸（ｆａｓｔ軸）方向に屈折及び集光する様子を示している。
なお、図３（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）の各入射面２２ｉｎ（１，１）〜２２ｉｎ（５，１）を、各発光部１２（１，１）〜１２（５，１）に対応する位置に配置すると、光導波路２０（ｓ，ｔ）を通過したレーザ光は、出射面２２ｏｕｔ（１）に集光される。
【００２４】
●［光導波路アレイの構造（図４、図５）］
次に、図４を用いて、図３（Ａ）に示した光導波路アレイ２０Ａの構造について説明する。なお、図４は、長軸方向から見た図であり、理解を容易にするために、図３（Ａ）とは異なる寸法で記載している。
図４では、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の寸法を、ほぼ発光部１２（ｍ，ｎ）の短軸方向の長さに設定している。これにより、短軸方向においては、１個の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射されたレーザ光を、当該発光部１２（ｍ，ｎ）に対応する１個の光導波路２０（ｓ，ｔ）に適切に入射することができる。また、各光導波路２０（ｓ，ｔ）は、短軸方向において、互いに干渉することがない。
【００２５】
更に、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の間の間隙を、当該光導波路２０（ｓ，ｔ）よりも小さな屈折率を有する間隙部材２５で埋めて、光導波路２０と間隙部材２５とを短軸方向に交互に複数配列した光導波路アレイ２０Ａを構成する。これにより、積層した光導波路（光導波路アレイ２０Ａ）のサイズを（短軸方向に）大きくすることができる（数［ｍｍ］〜数１０［ｍｍ］程度）ので、位置決め、交換等の取り扱いが容易になる。また、レーザ集光装置として所定の位置に配置して、その配置位置を微調整する際、個々の光導波路毎に微調整する必要がなく、一括して微調整することができるので便利である。
【００２６】
また、図４（Ｂ）では、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の寸法を、発光部１２（ｍ，ｎ）の短軸方向の長さよりも小さく設定している。これにより、短軸方向においては、１個の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射されたレーザ光を、当該発光部１２（ｍ，ｎ）に対応する２個以上（図４（Ｂ）の例では、２個）の光導波路２０（ｓ，ｔ）に適切に入射することができる。また、各光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向において、互いに干渉することがないように設定する。これにより、光ファイバ３０の径（ｄｎ）を、より小さくできる。
更に、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の間の間隙を、当該光導波路２０（ｓ，ｔ）よりも小さな屈折率を有する低屈折率部材２５、２５ａで埋めて、短軸方向に複数配列した光導波路２０を一体構造とすることは、図４（Ａ）と同様である。
なお、各光導波路２０（ｓ，ｔ）と向かい合う部分の低屈折率部材２５ａは、レーザ光を効率的に集光するために、できるだけ薄い方が好ましい。
【００２７】
また、各光導波路２０の側面（短軸方向と交わる面）を、レーザ光を全反射する全反射部材１００ｙで覆うようにしてもよい（図５参照）。これにより、光導波路２０内に入射されたレーザ光は、短軸方向においては光導波路２０の外部に漏れることなく、入射された全レーザ光が出射面に到達する。このため、短軸方向における集光効率をより向上させることができる。
全反射部材１００ｙで覆う方法としては、例えば、銀等を蒸着させたり、表面を鏡面仕上げした銀等の金属板を貼り付けたりする。なお、全反射部材１００ｙはレーザ光を全反射可能であれば、どのような材質であってもよい。また、どのような厚さであってもよい（膜状、板状に限定されない）。
【００２８】
図５（Ａ）に、光導波路２０を短軸方向に複数配列（積層）して構成した例を示す。図４（Ａ）の説明と同様に、短軸方向におけるレーザ発光部１２毎に光導波路２０を配置し、短軸方向における各光導波路２０と光導波路２０との間隙の層は、レーザ光を全反射する全反射部材１００ｙの層を含んでいる。
【００２９】
図５（Ｂ）の例において、各光導波路の間隙の層では、全反射部材１００ｙで間隙部材１１０を挟み込んで形成されている。この場合、間隙部材１１０にはレーザ光が入射されることがないので、間隙部材１１０はどのような材質で構成されていてもよい。また、この場合、全反射部材１００ｙは、間隙部材１１０の表面に形成あるいは貼り付け等されてもよいし、光導波路２０の表面に形成あるいは貼り付け等されてもよい。
また、各光導波路の間隙の層は、全反射部材１００ｙのみで形成してもよいし、間隙部材１１０で全反射部材１００ｙを挟み込む構造にしてもよい。間隙部材１１０で全反射部材１００ｙを挟み込む構造にする場合、間隙部材１１０はレーザ光を通過させることができれば屈折率は問わない。
以上のように、短軸方向における光導波路２０と光導波路２０との間隙の層には、レーザ光を全反射する全反射部材１００ｙの層が少なくとも形成されていればよい。
【００３０】
●［光導波路アレイのその他の構造（図６、図７）］
以上の説明では、光導波路２０は通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓを平面的（２次元的）に形成したが、通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓを立体的（３次元的）に形成することも可能である。
例えば、図６（Ａ）に示すように、禁止領域２２ｄｉｓには、微細孔ＨをＹ軸（短軸）方向に周期的に形成するとともにＸ軸（長軸）方向にも周期的に形成する。そして、通過領域２２ｅｎは当該微細孔Ｈが存在しないようにしておく。
また、図６（Ｂ）に示すように、禁止領域２２ｄｉｓには、微細球Ｋを周期的に形成する。微細球Ｋは、焦点位置を制御したレーザ加工装置等にて形成することが可能である。この場合、ベースの材質（第１物質）に対して微細球Ｋが第２物質に相当する。そして、通過領域２２ｅｎは当該微細球Ｋが存在しないようにしておく。
【００３１】
以上に説明したように、通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓを立体的（３次元的）に形成した光導波路２０は、図７に示すようにすることが可能である。図７に示す例の場合、図１に示す光導波路アレイ２０Ａの代わりに光導波路２０を用いている。
この場合、光ファイバ３０は１本でよく、集光レンズ１００での集光も容易である。
【００３２】
本発明の光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置は、本実施の形態で説明した形状、寸法、構成、材質等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態では、短軸方向に積層した光導波路アレイ２０Ａを用いて２次元状に配列された発光部を長軸方向毎の発光部グループに分割して長軸方向毎のレーザ光を集光（図１参照）したが、長軸方向に積層した光導波路アレイを用いて２次元状に配列された発光部を短軸方向毎の発光部グループに分割して短軸方向毎のレーザ光を集光するようにしてもよい。
第１物質と第２物質を周期的に形成する際、ピッチＰｉ１及びＰｉ２等と各物質のサイズ（径φ等）は、種々の寸法とすることができる。
本発明の光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置は、レーザ加工装置等、レーザ光を用いた種々の装置に適用することが可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路を用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できる光導波路を容易に実現できる。
また、請求項４に記載の光導波路アレイを用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できる光導波路アレイを容易に実現できる。
また、請求項５に記載のレーザ集光装置を用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できるレーザ集光装置を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路２０を用いた光導波路アレイ２０Ａをレーザ集光装置に適用した一実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明の光導波路２０の構造を説明する図である。
【図３】各構成要素の配置と、光ファイバまでのレーザ光の集光状態を説明する図である。
【図４】光導波路アレイ２０Ａの構造を説明する図である。
【図５】光導波路２０、光導波路アレイ２０Ａの構造を説明する図である。
【図６】禁止領域２２ｄｉｓを立体的（３次元的）に形成する例を説明する図である。
【図７】光導波路２０を用いたレーザ集光装置の他の例を説明する図である。
【図８】従来の半導体レーザ集光装置の構成を説明する図である。
【図９】従来の半導体レーザ集光装置において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザアレイ
１２ 発光部
２０ 光導波路
２０ｉｎ 入射面
２０ｏｕｔ 出射面
２２ｅｎ 通過領域
２２ｄｉｓ 禁止領域
Ｈ 微細孔
２０Ａ 光導波路アレイ
３０ 光ファイバ
１００ 集光レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を集光する光導波路、半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光を集光する光導波路アレイ、及び半導体レーザアレイと光導波路アレイを用いたレーザ集光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、従来の半導体レーザ集光装置の概略構成の例を示す。半導体レーザ（レーザダイオード等）の活性層１４の発光部１２から出射される半導体レーザ光（以下、「レーザ光」と記載する）は、レーザ光２の進行方向に対して垂直な面においてほぼ楕円状であり、当該楕円状のレーザ光２は、長軸方向（ｆａｓｔ軸方向）と、短軸方向（ｓｌｏｗ軸方向）とを有する。また、当該楕円は、発光部１２からの距離が長くなるほど大きくなる。そして、長軸方向と短軸方向に２次元的に配列した複数の発光部を持つ半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を、光ファイバに集光してレーザ光の出力を増大させる半導体レーザ集光装置が知られている。
例えば、半導体レーザをレーザ加工装置の光源として用いる場合、加工に用いるレーザ光の高出力化が必要であるが、単一の発光部から出射されるレーザ光では、出力強度に限界がある。そこで、レンズ群等を用いて複数の発光部から出射されるレーザ光を集光して、レーザ光の出力を増大させている。
従来の半導体レーザ集光装置の技術として、例えば、図８に示すように、レンズ群と光ファイバ３０を備え、レーザ光の発光部１２から光ファイバ３０までの間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０、の順にレンズを配置してレーザ光を光ファイバ３０に集光するレーザ集光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−９８１９１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの発光部１２から出射されるレーザ光を効率良く光ファイバ３０に集光してレーザ光の出力を増大させるには、より細い光ファイバに、より多くの発光部からのレーザ光を入射して密度を高めることと、より小さな入射角で入射端面に入射して、入射したレーザ光を外部に反射させることなく、効率よく光ファイバに入射する（入射端面に対して、より直角に近い角度で入射する）ことが必要である。これにより、光ファイバ内におけるレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度がより小さくなり、レーザ光が光ファイバ内で全反射しながら進行し、光ファイバ外部への漏れによる損失を抑制できる。
ここで、発光部１２から出射されたレーザ光は、長軸方向及び短軸方向に拡がりながら進行する。拡がりながら進行するレーザ光を集光する場合、レンズ自身に非常に高い精度が要求され、そのレンズの配置位置も、非常に高い精度が要求される。
従来の半導体レーザ集光装置（例えば、特開２０００−９８１９１号公報）は、発光部の間隔が比較的広い長軸方向においては、一旦、平行光に変換してから集光しているが、発光部の間隔が比較的狭い短軸方向においては、レンズの径が非常に小さく、配置も困難であるため、平行光にしてから集光することをせず、集光のみを行っている。
【０００５】
従来の半導体レーザ集光装置（例えば、特開２０００−９８１９１号公報）では、図８に示すように、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２（ｍ、ｎ）（ｍ行ｎ列、図８の例では、５行１６列）から出射されるレーザ光を、長軸方向コリメートレンズアレイ７０を通過させ、長軸方向集光レンズ８０を通過させ、更に、短軸方向集光レンズアレイ９０を通過させて光ファイバ３０（ｓ、ｔ）（ｓ行ｔ列、図８の例では、１行８列）に入射している。
なお、全ての図面において、座標軸は、レーザ光の進行方向（出射方向）をＺ軸、ｆａｓｔ軸方向（長軸方向）をＸ軸、ｓｌｏｗ軸方向（短軸方向）をＹ軸としている。
なお、全ての図面は、説明を容易にするため、あるいは比較等を容易にするために、実際の寸法とは異なる寸法で記載している部分を含んでいる。
【０００６】
また、図８（従来の半導体レーザ集光装置）の構成における、各レンズ及びレーザ光の様子を図９（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図９（Ａ）は、短軸方向に配列された２個の発光部から出射される２本のレーザ光と、長軸方向に配列された５個の発光部から出射される５本のレーザ光の合計１０本のレーザ光を、１本の光ファイバに集光している。図９（Ａ）は、図８をＸ軸方向から見た図であり、図９（Ｂ）は、図８をＹ軸方向から見た図である。
一般的によく用いられる半導体レーザアレイでは、短軸方向においては、各発光部１２の幅（図９（Ａ）中のＤｗ）は約０．２ｍｍであり、発光部と発光部の間隔（図９（Ａ）中のＤｐ）は約０．２ｍｍである。また、各発光部から出射されるレーザ光の短軸方向の拡がり角（図９（Ａ）中のθｉｎｙ）は約３．５°である。
また、長軸方向において隣り合う発光部の間隔（図９（Ｂ）中のＤｈ）は約１．７５ｍｍであり、各発光部の厚さ（図９（Ｂ）中のＤｔ）は約０．００２ｍｍである。また、各発光部から出射されるレーザ光の長軸方向の拡がり角（図９（Ｂ）中のθｉｎｘ）は約４０°である。
【０００７】
例えば、このレーザ光を、光ファイバ３０に、短軸方向において２本のレーザ光を集光し、長軸方向において５本のレーザ光を集光する。また、短軸方向の入射角（図９（Ａ）中のθｏｕｔｙ）が約１０°以下になるように（より小さな入射角で）集光する。
この場合、最も効率良く集光するためには、図９（Ａ）において、短軸方向に隣り合う発光部１２から出射されるレーザ光が重なる前に短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要がある。レーザ光が重なる位置は、上記の数値の場合は、発光部１２から約１．６ｍｍの位置である。
しかし、発光部１２から約１．６ｍｍまでの距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要があり、事実上、配置は非常に困難である。
【０００８】
また、この場合、短軸方向集光レンズアレイ９０の焦点距離（ｆ９０）を、発光部１２から短軸方向集光レンズアレイ９０までの距離（この場合、約１．６ｍｍ）に設定すると、短軸方向における集光の効率がほぼ最適になり、発光部１２から光ファイバ３０までの距離（図９（Ａ）中のＬ）は、約３．２ｍｍとなる。しかし、例えば長軸方向に１．７５ｍｍ間隔で配列された５個の発光部から出射されるレーザ光を、長軸方向の入射角を１０°未満とするためには、約１９．８５ｍｍ以上の距離が必要であり、必要な数のレーザ光を集光することが非常に困難である。
【０００９】
従って、以下の課題を解決する必要がある。
短軸方向集光レンズアレイ９０と発光部１２との間の距離が短い。このため、所定距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を適切に配置することが困難である。また、光ファイバ３０の位置も発光部１２から短い距離になり、長軸方向の入射角（θｏｕｔｘ）を小さく設定すると、長軸方向に集光できるレーザ光の本数が少なくなる。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの光導波路である。
請求項１に記載の光導波路では、通過領域の各入射面に入射された各レーザ光は、禁止領域に入ることなく、通過領域に沿って導かれ、レンズ等で屈折させることなく出射面に到達する。レンズで屈折させて集光する場合は、レンズの焦点距離、レンズの配置位置、及び配置したレンズの角度等、種々の精度が非常に重要であるが、請求項１に記載の光導波路はレンズを有さず、禁止領域と通過領域を用いて屈折させて集光する。つまり、所定の入射面にレーザ光を入射すれば、光導波路の配置位置、配置した光導波路の角度はそれ程重要でない。
これにより、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できる。
また、例えばレーザ光の波長が８００［μｍ］の場合、禁止領域をレーザ光の波長に基づいた周期（例えば４００［μｍ］）にて第１物質（石英ガラス等）と第２物質（大気等（この場合、例えば穿孔しておく））とを組み合わせて構成する。これにより、より容易に光導波路の禁止領域を実現できる。
【００１１】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの光導波路である。
請求項２に記載の光導波路では、入射面における通過領域の幅（長軸方向の幅）をより広く、出射面における通過領域の幅（長軸方向の幅）をより狭くする。このため、入射面に入射されるレーザ光の位置の許容範囲（誤差範囲）をより大きくすることができ、効率良く集光することができる。
また、長軸方向の幅を変化させることは、２次元的に形成（長軸方向と出射方向を含む２次元で形成）した禁止領域にて、容易に実現することができる。
【００１２】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの光導波路である。
請求項３に記載の光導波路は、請求項１または２に記載の光導波路であって、入射されたレーザ光を禁止領域と通過領域を用いて長軸方向に屈折させ、短軸方向においては屈折させずに全反射させる。このため、光導波路の禁止領域と通過領域を３次元的（立体的）に形成することなく、２次元的（平面的）に形成すればよいので、光導波路を容易に実現することができる。また、屈折させない短軸方向においては全反射させることで、入射されたレーザ光を光導波路の外部に漏らすことなく、効率良く集光することができる。
【００１３】
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの光導波路アレイである。
請求項４に記載の光導波路アレイを用いれば、長軸方向及び短軸方向に２次元状に配列された半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光を、効率良く集光することができる。また、短軸方向に光導波路を積層するため、容易に実現することができる。
【００１４】
また、本発明の第５発明は、請求項５に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項５に記載のレーザ集光装置を用いれば、長軸方向及び短軸方向に２次元状に配列された半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光を、効率良く集光することができるレーザ集光装置を容易に実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の光導波路２０を用いた光導波路アレイ２０Ａをレーザ集光装置に適用した一実施の形態の概略構成図を示している。
図１に示す実施の形態では、図８に示す従来のレーザ集光装置に対して、半導体レーザアレイ１０と光ファイバ３０との距離を非常に大きくできる（従来では約３．２ｍｍのところを、本実施の形態ではレーザ光の進行方向に対する光導波路アレイ２０Ａの長さに応じて、数ｃｍ以上に設定することも可能）。このため、光ファイバ３０への入射角を小さくできるので、より効率良くレーザ光を集光することができる。
また、図８に示す従来のレーザ集光装置に対して、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０とを省略し、その代わりに光導波路アレイ２０Ａを設けているので、構成が簡素化され、組み付け時の調整等（各レンズ等の配置位置の微調整等）が従来のレーザ集光装置に比して、非常に容易である。
【００１６】
●［全体構成（図１）］
図１に示す本実施の形態では、発光部１２（ｍ，ｎ）（ｍ行ｎ列、図１の例では５行１６列）を、長軸方向毎の複数の発光部グループに分割し、各発光部グループ毎（第１グループ毎）のレーザ光を各光導波路２０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）で集光して、各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）に入射する。
【００１７】
半導体レーザアレイ１０は、複数の発光部１２を有し、単一の発光部を有する半導体レーザを２次元的に配列して、あるいは一列に複数の発光部を有するアレイ型半導体レーザを積層または配列して、あるいは２次元配列されたスタック型半導体レーザで、構成されている。本実施の形態では、スタック型レーザダイオードを用いている。
光導波路アレイ２０Ａは、発光部１２（ｍ，ｎ）の長軸方向毎の各発光部グループ毎に対応する光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向に複数配列（積層）されて構成されている。各光導波路２０（ｓ，ｔ）内に入射されたレーザ光は、入射された光導波路２０（ｓ，ｔ）内を、出射面に向かって進行する（詳細は後述する）。
光導波路アレイ２０Ａは、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２から入射された複数のレーザ光を、長軸方向に対して各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に集まるように、長軸方向に集光（束ね、あるいは集約）する。
なお、以下、「束ねる」とは、各レーザ光の径をほぼ縮めることなく複数のレーザ光を集めることをいい、「集約する」とは、各レーザ光の径を縮めるあるいは径を縮めるとともに複数のレーザ光を集めることをいう。また、「集光する」とは、「束ねる」あるいは「集約する」方法を用いて、レーザ光の出力を高めることをいう。
【００１８】
各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面には、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の出射面から、少なくとも長軸方向に集光されたレーザ光が入射される。そして、集光レンズ１００は、任意の形状に束ねられた光ファイバ３０の出射面から焦点距離に対応する位置等、所定の位置に配置されている。そして、集光レンズ１００は、光ファイバ３０の出射面から出射されたレーザ光を、各々所定の位置に集光する。これにより、半導体レーザアレイ１０の複数の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射された複数のレーザ光は所定の位置に集光され、加工等に用いることができるように、レーザ光の出力を増大させることができる。
【００１９】
●［光導波路２０（ｓ，ｔ）の構造（図２）］
次に、図２を用いて光導波路２０の概略構造について説明する。光導波路２０は、図２（Ａ）に示すように、半導体レーザアレイ１０の発光部グループから出射されるレーザ光が入射される入射面２２ｉｎと、入射されたレーザ光を集光して出射する出射面２２ｏｕｔを有している。
また、光導波路２０は、図２（Ｂ）に示すように、入射されたレーザ光が通過可能な通過領域２２ｅｎ（図２（Ｂ）中の白抜き部分）と、入射されたレーザ光が通過できない禁止領域２２ｄｉｓ（図２（Ｂ）中のハッチング部分）とを有している。
図２（Ｂ）に示す光導波路２０の例では、５本のレーザ光を各々入射する入射面２２ｉｎ（１，１）〜２２ｉｎ（１，５）と、各レーザ光を集光して出射する出射面２２ｏｕｔ（１）を有している。入射面２２ｉｎ（１，１）に入射されたレーザ光は、経路２２ｉｎ（１，１）−ａ１−ａ２−ａ３を経由して出射面２２ｏｕｔ（１）に到達する。同様に、入射面２２ｉｎ（２，１）に入射されたレーザ光は、経路２２ｉｎ（２，１）−ａ２−ａ３を経由して出射面２２ｏｕｔ（１）に到達する。以下２２ｉｎ（３，１）〜（５，１）についても同様であるので説明を省略する。
【００２０】
また、入射面２２ｉｎ（１，１）〜（５，１）における長軸方向の幅（図２（Ｂ）中のＷｉｎ）を、出射面２２ｏｕｔ（１）における長軸方向の幅（図２（Ｂ）中のＷｏｕｔ）よりも広くしている。出射面２２ｏｕｔ（１）ではレーザ光を集光して出射するため、幅が比較的狭い方が好ましい。入射面２２ｉｎ（１，１）〜（５，１）では入射されるレーザ光の位置の許容範囲（誤差範囲）を広くするために、幅が比較的広い方が好ましい。この場合、入射面２２ｉｎ（１，１）〜（５，１）に入射されるレーザ光の位置の許容範囲が広がり、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００２１】
また、通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓの構造を、拡大図ＡＡ及びＢＢに示す。
光導波路２０の材質は、例えば石英ガラス（第１の屈折率を有する第１物質）であり、禁止領域２２ｄｉｓと通過領域２２ｅｎとの境界には、Ｙ軸方向（短軸方向）に向かって微細孔Ｈを形成する（この場合、微細孔Ｈ内の大気が第２の屈折率を有する第２物質）。通過領域２２ｅｎは、特別な処置を行う必要がない。また、禁止領域２２ｄｉｓは、入射されるレーザ光の波長に基づいた周期にて、第１物質と第２物質とが交互に配置されるように組み合わされている。
例えば、レーザ光の波長が８００［μｍ］の場合、微細孔ＨのピッチＰｉ１、Ｐｉ２を波長の約半分の４００［μｍ］に設定し、径φを約２００［μｍ］に設定する。このように、禁止領域２２ｄｉｓにフォトニック結晶の構造を持たせる。また、禁止領域２２ｄｉｓの微細孔Ｈは、４〜５周期分の微細孔Ｈにて境界として有効に働く。このため、禁止領域２２ｄｉｓ内の全部に微細孔Ｈを形成することなく、境界部分の４〜５周期分のみに微細孔Ｈを形成（禁止領域２２ｄｉｓの一部に形成）するようにしてもよい。
なお、光導波路２０の材質（第１物質）は、他にも種々のものを用いることができる。また、第２物質として微細孔Ｈをあけずに、第２物質をドーピング等させて第１物質と第２物質の周期的構造を形成するようにしてもよい。また、微細孔Ｈの形状も、種々の形状とすることができる。
【００２２】
図８に示す従来のレーザ集光装置では、光ファイバ３０に集光するための各レンズの形成及び位置決め等には、サブミクロンオーダーの非常に高い精度が必要である。しかし、本実施の形態に示す光導波路２０では、ミクロンオーダーの精度で充分であり、容易に形成及び位置決め等を行うことができる。また、微細孔Ｈは、マイクロマシニング技術、半導体プロセス技術等を用いて、比較的容易に形成することが可能である。
また、レンズ群を用いて光ファイバ３０に集光する従来のレーザ集光装置では、レンズの回折限界、加工精度の限界等より数１０［μｍ］の径に集光することが限界であったが、本実施の形態に示す光導波路２０を用いて集光する場合、数［μｍ］の径に集光することも可能である。
また、通過領域２２ｅｎの屈折角度（図２（Ｂ）中のθ１〜θ３は、６０°程度の大きさの角度に設定することもできる。このため、光導波路２０のＺ軸方向（レーザ進行方向）における長さをより短くすることができ、レーザ集光装置を小型化することができる。
【００２３】
●［各構成要素の配置と、光ファイバまでのレーザ光の集光状態（図３）］
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、発光部１２、光導波路アレイ２０Ａ、光ファイバ３０の配置位置と、光ファイバ３０までのレーザ光の集光状態について説明する。
図３（Ａ）は、長軸（ｆａｓｔ軸）方向から見た図である。各発光部１２から出射されたレーザ光は、光導波路アレイ２０Ａの各光導波路２０の入射面に入射されると、短軸方向においては各光導波路２０内を反射しながら当該光導波路２０からほとんど外部に漏れることなく進行し、（当該光導波路２０の出射面に到達し、）光ファイバ３０の入射面に入射される。
また、図３（Ｂ）は、短軸（ｓｌｏｗ軸）方向から見た図であり、レーザ光を長軸（ｆａｓｔ軸）方向に屈折及び集光する様子を示している。
なお、図３（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）の各入射面２２ｉｎ（１，１）〜２２ｉｎ（５，１）を、各発光部１２（１，１）〜１２（５，１）に対応する位置に配置すると、光導波路２０（ｓ，ｔ）を通過したレーザ光は、出射面２２ｏｕｔ（１）に集光される。
【００２４】
●［光導波路アレイの構造（図４、図５）］
次に、図４を用いて、図３（Ａ）に示した光導波路アレイ２０Ａの構造について説明する。なお、図４は、長軸方向から見た図であり、理解を容易にするために、図３（Ａ）とは異なる寸法で記載している。
図４では、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の寸法を、ほぼ発光部１２（ｍ，ｎ）の短軸方向の長さに設定している。これにより、短軸方向においては、１個の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射されたレーザ光を、当該発光部１２（ｍ，ｎ）に対応する１個の光導波路２０（ｓ，ｔ）に適切に入射することができる。また、各光導波路２０（ｓ，ｔ）は、短軸方向において、互いに干渉することがない。
【００２５】
更に、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の間の間隙を、当該光導波路２０（ｓ，ｔ）よりも小さな屈折率を有する間隙部材２５で埋めて、光導波路２０と間隙部材２５とを短軸方向に交互に複数配列した光導波路アレイ２０Ａを構成する。これにより、積層した光導波路（光導波路アレイ２０Ａ）のサイズを（短軸方向に）大きくすることができる（数［ｍｍ］〜数１０［ｍｍ］程度）ので、位置決め、交換等の取り扱いが容易になる。また、レーザ集光装置として所定の位置に配置して、その配置位置を微調整する際、個々の光導波路毎に微調整する必要がなく、一括して微調整することができるので便利である。
【００２６】
また、図４（Ｂ）では、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の寸法を、発光部１２（ｍ，ｎ）の短軸方向の長さよりも小さく設定している。これにより、短軸方向においては、１個の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射されたレーザ光を、当該発光部１２（ｍ，ｎ）に対応する２個以上（図４（Ｂ）の例では、２個）の光導波路２０（ｓ，ｔ）に適切に入射することができる。また、各光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向において、互いに干渉することがないように設定する。これにより、光ファイバ３０の径（ｄｎ）を、より小さくできる。
更に、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の間の間隙を、当該光導波路２０（ｓ，ｔ）よりも小さな屈折率を有する低屈折率部材２５、２５ａで埋めて、短軸方向に複数配列した光導波路２０を一体構造とすることは、図４（Ａ）と同様である。
なお、各光導波路２０（ｓ，ｔ）と向かい合う部分の低屈折率部材２５ａは、レーザ光を効率的に集光するために、できるだけ薄い方が好ましい。
【００２７】
また、各光導波路２０の側面（短軸方向と交わる面）を、レーザ光を全反射する全反射部材１００ｙで覆うようにしてもよい（図５参照）。これにより、光導波路２０内に入射されたレーザ光は、短軸方向においては光導波路２０の外部に漏れることなく、入射された全レーザ光が出射面に到達する。このため、短軸方向における集光効率をより向上させることができる。
全反射部材１００ｙで覆う方法としては、例えば、銀等を蒸着させたり、表面を鏡面仕上げした銀等の金属板を貼り付けたりする。なお、全反射部材１００ｙはレーザ光を全反射可能であれば、どのような材質であってもよい。また、どのような厚さであってもよい（膜状、板状に限定されない）。
【００２８】
図５（Ａ）に、光導波路２０を短軸方向に複数配列（積層）して構成した例を示す。図４（Ａ）の説明と同様に、短軸方向におけるレーザ発光部１２毎に光導波路２０を配置し、短軸方向における各光導波路２０と光導波路２０との間隙の層は、レーザ光を全反射する全反射部材１００ｙの層を含んでいる。
【００２９】
図５（Ｂ）の例において、各光導波路の間隙の層では、全反射部材１００ｙで間隙部材１１０を挟み込んで形成されている。この場合、間隙部材１１０にはレーザ光が入射されることがないので、間隙部材１１０はどのような材質で構成されていてもよい。また、この場合、全反射部材１００ｙは、間隙部材１１０の表面に形成あるいは貼り付け等されてもよいし、光導波路２０の表面に形成あるいは貼り付け等されてもよい。
また、各光導波路の間隙の層は、全反射部材１００ｙのみで形成してもよいし、間隙部材１１０で全反射部材１００ｙを挟み込む構造にしてもよい。間隙部材１１０で全反射部材１００ｙを挟み込む構造にする場合、間隙部材１１０はレーザ光を通過させることができれば屈折率は問わない。
以上のように、短軸方向における光導波路２０と光導波路２０との間隙の層には、レーザ光を全反射する全反射部材１００ｙの層が少なくとも形成されていればよい。
【００３０】
●［光導波路アレイのその他の構造（図６、図７）］
以上の説明では、光導波路２０は通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓを平面的（２次元的）に形成したが、通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓを立体的（３次元的）に形成することも可能である。
例えば、図６（Ａ）に示すように、禁止領域２２ｄｉｓには、微細孔ＨをＹ軸（短軸）方向に周期的に形成するとともにＸ軸（長軸）方向にも周期的に形成する。そして、通過領域２２ｅｎは当該微細孔Ｈが存在しないようにしておく。
また、図６（Ｂ）に示すように、禁止領域２２ｄｉｓには、微細球Ｋを周期的に形成する。微細球Ｋは、焦点位置を制御したレーザ加工装置等にて形成することが可能である。この場合、ベースの材質（第１物質）に対して微細球Ｋが第２物質に相当する。そして、通過領域２２ｅｎは当該微細球Ｋが存在しないようにしておく。
【００３１】
以上に説明したように、通過領域２２ｅｎ及び禁止領域２２ｄｉｓを立体的（３次元的）に形成した光導波路２０は、図７に示すようにすることが可能である。図７に示す例の場合、図１に示す光導波路アレイ２０Ａの代わりに光導波路２０を用いている。
この場合、光ファイバ３０は１本でよく、集光レンズ１００での集光も容易である。
【００３２】
本発明の光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置は、本実施の形態で説明した形状、寸法、構成、材質等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態では、短軸方向に積層した光導波路アレイ２０Ａを用いて２次元状に配列された発光部を長軸方向毎の発光部グループに分割して長軸方向毎のレーザ光を集光（図１参照）したが、長軸方向に積層した光導波路アレイを用いて２次元状に配列された発光部を短軸方向毎の発光部グループに分割して短軸方向毎のレーザ光を集光するようにしてもよい。
第１物質と第２物質を周期的に形成する際、ピッチＰｉ１及びＰｉ２等と各物質のサイズ（径φ等）は、種々の寸法とすることができる。
本発明の光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置は、レーザ加工装置等、レーザ光を用いた種々の装置に適用することが可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路を用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できる光導波路を容易に実現できる。
また、請求項４に記載の光導波路アレイを用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できる光導波路アレイを容易に実現できる。
また、請求項５に記載のレーザ集光装置を用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光できるレーザ集光装置を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路２０を用いた光導波路アレイ２０Ａをレーザ集光装置に適用した一実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明の光導波路２０の構造を説明する図である。
【図３】各構成要素の配置と、光ファイバまでのレーザ光の集光状態を説明する図である。
【図４】光導波路アレイ２０Ａの構造を説明する図である。
【図５】光導波路２０、光導波路アレイ２０Ａの構造を説明する図である。
【図６】禁止領域２２ｄｉｓを立体的（３次元的）に形成する例を説明する図である。
【図７】光導波路２０を用いたレーザ集光装置の他の例を説明する図である。
【図８】従来の半導体レーザ集光装置の構成を説明する図である。
【図９】従来の半導体レーザ集光装置において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 半導体レーザアレイ
１２ 発光部
２０ 光導波路
２０ｉｎ 入射面
２０ｏｕｔ 出射面
２２ｅｎ 通過領域
２２ｄｉｓ 禁止領域
Ｈ 微細孔
２０Ａ 光導波路アレイ
３０ 光ファイバ
１００ 集光レンズ
Claims (5)
- 複数のレーザ光が入射される入射面と、入射された各レーザ光を所定の方向に屈折させて複数のレーザ光が集光されて出射される出射面とを備えた光導波路であって、
光導波路は、入射されたレーザ光が通過可能な通過領域と、入射されたレーザ光が通過できない禁止領域とを有しており、
禁止領域の一部または全部を、第１の屈折率を有する第１物質と、第２の屈折率を有する第２物質とが、入射されるレーザ光の波長に基づいた周期にて組み合わされるように形成し、
通過領域を、入射されたレーザ光が出射面に導かれるように形成する、
ことを特徴とする光導波路。 - 請求項１に記載の光導波路であって、
各レーザ光が入射される光導波路の入射面に対する各レーザ光の通過領域における長軸方向の幅を、光導波路の出射面に対する通過領域における幅よりも広くする、
ことを特徴とする光導波路。 - 請求項１または２に記載の光導波路であって、
光導波路の入射面に入射されるレーザ光は、長軸方向と短軸方向に拡散しながら出射方向に進行する半導体レーザ光であり、且つ長軸方向に対して複数のレーザ光が入射され、
禁止領域及び通過領域を、入射されたレーザ光を長軸方向に屈折させるように形成し、
光導波路における短軸方向と交わる面を、レーザ光を全反射する全反射部材で覆う、
ことを特徴とする光導波路。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路を複数積層した光導波路アレイであって、
光導波路アレイの入射面に入射されるレーザ光の発光部は、長軸方向及び短軸方向に２次元状に配列されており、各発光部を長軸方向毎の発光部グループに分割し、
各発光部グループ毎に各光導波路の入射面を配置して、光導波路を短軸方向に積層した構造を有する、
ことを特徴とする光導波路アレイ。 - 請求項４に記載の光導波路アレイと、長軸方向及び短軸方向に拡散しながら出射方向に進行するレーザ光を出射する発光部が長軸方向及び短軸方向に２次元状に配列された半導体レーザアレイと、複数の光ファイバと、集光レンズとを備え、
半導体レーザアレイの長軸方向毎の各発光部グループ毎に各光導波路の入射面が位置するように光導波路アレイを配置し、
光導波路アレイの各光導波路の出射面に対応させて各光ファイバの入射面を配置し、
各光ファイバの出射面を束ね、当該出射面から所定の位置に集光レンズを配置し、各光ファイバの出射面から出射されるレーザ光を集光レンズで集光する、
ことを特徴とするレーザ集光装置。
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| JP2003080334A JP2004287181A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | 光導波路、光導波路アレイ及びレーザ集光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2004287181A true JP2004287181A (ja) | 2004-10-14 |
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|---|---|---|---|---|
| US9120421B2 (en) | 2012-02-08 | 2015-09-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light projection device and light guide member used in same |
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| JP2021101196A (ja) * | 2011-08-29 | 2021-07-08 | オートモーティブ コアリション フォー トラフィック セーフティ， インコーポレイテッド | 自動車運転者において被分析物を非侵襲的に測定するためのシステムおよび方法 |
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-
2003
- 2003-03-24 JP JP2003080334A patent/JP2004287181A/ja active Pending
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