JP2004361837A - 光導波路、光導波路アレイ、及びレーザ発光装置 - Google Patents

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、及びレーザ発光装置を提供する。
【解決手段】光導波路（２０）は、入射されるレーザ光の進行方向に対して２層構造（２０Ｘ、２０Ｙ）に形成されており、１層目と２層目との境界部には入射されたレーザ光を長軸方向に対して屈折させるレンズ部（Ｌｅ）が形成されており、入射されるレーザ光の進行方向に対して垂直な平面状の入射面（２０ｃ）が形成されており、短軸方向の幅はほぼ均一の幅（ＷＤ１）に形成されている。更に、長軸方向に第１所定間隔で配置された複数の発光部から出射される複数のレーザ光を集光するために、各発光部に対応させた複数のレンズ部を備え、入射された各レーザ光が、出射面（２０ｅ）上の所定位置に、長軸方向に対して各々集光されるように各レンズ部が形成されている。
【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、光導波路アレイ、及びレーザ光を集光して出力するレーザ発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９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、長軸方向と、短軸方向とを有する。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（Ｘ軸方向）と短軸方向（Ｙ軸方向）に２次元的に配列した複数の発光部１２を持つ半導体レーザアレイ１０から出射されるレーザ光を、光ファイバ３０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、図９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に集光し、レーザ光の出力を増大させることを提案している（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９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９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を透過させ、長軸方向集光レンズ８０を透過させ、更に、短軸方向集光レンズアレイ９０を透過させて光ファイバ３０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図９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をＺ軸、長軸方向をＸ軸、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９（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１０（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図１０（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１０（Ａ）は、図９をＸ軸方向から見た図（上から見た図）であり、図１０（Ｂ）は、図９をＹ軸方向から見た図（横から見た図）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１０（Ａ）中のＤｗ）は約０．１５ｍｍであり、発光部と発光部の間隔（図１０（Ａ）中のＤｐ）は約０．２５ｍｍ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１０（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１０（Ｂ）中のＤｈ）は約１．７５ｍｍであり、各発光部の厚さ（図１０（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１０（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１０（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１０（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１０（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（図１０（Ｂ）中のθｏｕｔｘ）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、及びレーザ発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に記載の光導波路は、入射されるレーザ光の進行方向に対して垂直な平面状の入射面が形成されている。また、短軸方向の幅はほぼ均一の幅に形成されており、短軸方向に対してはレーザ光を集光することなく、全反射させながら透過領域を透過させる。また、長軸方向に対してはレンズ部（１層目と２層目との境界部に形成）にてレーザ光を集光する。
請求項１に記載の光導波路を用いれば、光導波路の入射面が平面状であるため、レーザ光の発光部に入射面をほぼ当接させることができる。このため、集光することなく全反射させる短軸方向において、発光部から出射されてから入射面に到達するまでの距離をより短くすることができ、レーザ光の短軸方向への拡散を抑制することができ、より効率良く集光することができる。
【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、請求項１に記載の光導波路であって、更に長軸方向に第１所定間隔で配置された複数の発光部から出射される複数のレーザ光を集光するために、各発光部に対応させた複数のレンズ部を備えている。そして、各レンズ部は、入射された各レーザ光が、光導波路の出射面上の所定位置に、長軸方向に対して各々集光されるように形成されている（レンズの中心位置、焦点距離等が設定されている）。
これにより、請求項１に加えて、光導波路の出射面上の所定位置に、長軸方向に対して複数のレーザ光を集光することができ、より効率良く集光することができる。なお、光導波路の入射面から出射面までの距離は任意に設定することが可能であるため、出射面上の所定位置に長軸方向に対して集光されるレーザ光の角度を任意に設定することができ、より効率良く集光することができる。
【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アレイである。
請求項３に記載の光導波路アレイは、請求項２に記載の光導波路を短軸方向に積層したものである。長軸方向に第１所定間隔で配置され且つ短軸方向に第２所定間隔で配置された複数の発光部から出射される複数のレーザ光を集光する場合、長軸方向の発光部のグループ毎に、複数の光導波路を順次位置を調整しながら配置するより、予め短軸方向における各発光部の位置に対応させて積層された１個の光導波路アレイを配置する方が、位置調整等が非常に容易である。
【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レーザ発光装置である。
請求項４に記載のレーザ発光装置では、長軸方向に第１所定間隔で配置されているとともに短軸方向に第２所定間隔で配置されている複数の発光部を有する半導体レーザアレイは、長軸と短軸を有する楕円状に拡がりながら進行するレーザ光を各発光部から出射する。また、光導波路アレイは、短軸方向に各光導波路が積層されるように配置されるとともに、各光導波路の各レンズ部が各発光部に対応するように配置され、且つ発光部と平面状の入射面とをほぼ当接させるように配置されている。そして、各光ファイバの入射面を各光導波路の出射面上の所定位置に配置し、各光ファイバの出射面からレーザ光を出射する。
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レーザ発光装置を容易に実現することができる。
【００１４】
【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２００を、レーザ発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に示す本実施の形態では、図９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２００の長さに応じて、数ｃｍ〜数１０ｃｍ以上に設定することも可能である）。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９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２００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。
【００１５】
●［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８列）を、長軸方向毎の複数のグループ（Ｇｒｐ）に分割し、各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８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８列）に入射する。
【００１６】
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２００は、発光部１２（ｍ，ｎ）の長軸方向毎の各グループ（Ｇｒｐ）毎に対応する光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向に複数配列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、短軸方向においてはほぼ全反射しながら進行する（詳細は後述する）。
光導波路アレイ２００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。
【００１７】
各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面には、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の出射面上の所定位置（レーザ光が集光される位置）から、各光導波路２０（ｓ，ｔ）にて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、バンドル部１００ａにて任意の形状に束ねられた光ファイバ３０（ｓ，ｔ）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、レーザ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。
【００１８】
●［光導波路２０の構成（図２）］
次に、図２を用いて光導波路２０の構成について説明する。光導波路２０は、第１導波路２０Ｘと第２導波路２０Ｙとで構成されており、入射されるレーザ光の進行方向に対して２層構造を有している。
第１導波路２０Ｘ（１層目）は入射側であり、第１導波路２０Ｘの入射面２０ｃは、入射されるレーザ光の進行方向に対して垂直な平面状に形成されている。また、第１導波路２０Ｘの出射面には、レーザ光の発光部１２（１，１）〜（５，１）に対応するように（または発光部１２（１，ｎ）〜（５，ｎ）に対応するように）レンズＬｅ（１，１）〜Ｌｅ（５，１）を備えている。レンズＬｅ（１，１）〜レンズＬｅ（５，１）は、各々短軸方向に平行な軸を持つシリンドリカル状のレンズであり、各々入射されたレーザ光を長軸方向に集光する（図５（Ｂ）参照）。
【００１９】
なお、この例では、第１導波路２０Ｘの屈折率をｎ１、第２導波路２０Ｙの屈折率をｎ２とすると、ｎ１＞ｎ２に設定しているため、レンズＬｅ（１，１）〜Ｌｅ（５，１）は、レーザ光の進行方向に対して凸形状としている（図２（Ｂ）参照）。これにより、入射されたレーザ光を、長軸方向に対して出射面２０ｅ上の所定位置Ｐｏｕｔに集光することができる（図５（Ｂ）参照）。
なお、ｎ１＜ｎ２に設定した場合は、図２（Ｃ）の例に示すように、レーザ光の進行方向に対して凹形状とすればよい。
また、レーザ光の透過領域の短軸方向の幅はほぼ均一であり、ＷＤ１に設定されている。
第２導波路２０Ｙは出射側であり、第２導波路２０Ｙの入射面は、第１導波路２０Ｘの出射面と一致する形状に形成されている。
そして、光導波路２０を、第１導波路２０Ｘの出射面と第２導波路２０Ｙの入射面を当接させて構成する。
【００２０】
本実施の形態では、第１導波路２０Ｘには屈折率ｎ１が約１．８の材質の石英ガラスを使用し、第２導波路２０Ｙには屈折率ｎ２が約１．５〜１．６の材質の石英ガラスを使用したが、これらの屈折率及び材質に限定されるものではない。
また、レンズＬｅ（１，１）〜Ｌｅ（５，１）は、入射されたレーザ光を長軸方向に対して出射面２０ｅ上の所定位置Ｐｏｕｔ（図５（Ｂ）参照）に集光できればよく、屈折率及び形状の設定は本実施の形態に限定されない。
【００２１】
●［光導波路の入射面を平面状に設定した場合の効果（図３）］
次に、図３を用いて、光導波路２０の入射面にレンズを設けずに、平面とした場合の効果について説明する。
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、各々光導波路２０の入射面にレンズを設けた場合の側面図及び平面図を示している。半導体レーザアレイ１０の発光部１２（１，１）から出射されたレーザ光２（１，１）は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光導波路２０の入射面に到達する。
例えば、図３（Ａ）において、発光部１２（１，１）から入射面までの最短距離はＰ１までの距離Ｌ１であり、最長距離はＰ２までの距離Ｌ２である。光導波路２０の短軸方向の幅ＷＤ１（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）は、この最長距離である距離Ｐ２の場合における短軸方向への拡散（図２（Ｂ）における幅Ｗｓ）を見込んで設定している。
なお、図３（Ｂ）におけるレーザ光の広がり角θｙは、約３．５［°］である。
【００２２】
距離Ｌ１をできるだけ小さくすれば、レーザ光２（１，１）の短軸方向への拡散幅を最小に抑制することができることは明らかである。また、一方で発光部とレンズ面との距離が小さくなると、レンズの位置誤差による集光位置の誤差が大きくなることがシミュレーションでわかっている。このため、光導波路２０の入射面にレンズを形成した場合、距離Ｌ１は、ある一定寸法以上にする必要がある。
しかし、本実施の形態における光導波路２０では、入射面を発光部に近づけ、距離Ｌ１を小さくしても、発光部とレンズ面との距離を十分長くすることが可能である。
本実施の形態における光導波路２０では、入射面にレンズを形成した場合の距離Ｌ１が約０．５０［ｍｍ］である（図３（Ａ）の例）ことに対して、距離Ｌ１を約０．０５［ｍｍ］〜０．１０［ｍｍ］まで小さくできる（図３（Ｃ）の例）ことを確認した。これにより、レーザ光２（１，１）の短軸方向への拡散が進む前に、光導波路２０に入射させることができ、より効率良くレーザ光２（１，１）を集光することができる。
【００２３】
●［レンズの中心位置と、レンズの焦点距離（図４）］
次に、図４（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、レンズＬｅ（１，１）の中心Ｐ（１，１）の位置と、焦点距離ｆと、レンズＬｅ（１，１）を透過したレーザ光２（１，１）の状態との関係について説明する。
図４（Ａ）は、レンズＬｅ（１，１）の中心Ｐ（１，１）を、発光部１２（１，１）から出射されるレーザ光２（１，１）の光軸ＺＬ上に配置し、且つ発光部１２（１，１）の虚像部ｄ１２（１，１）から焦点距離ｆの位置に配置した場合の例である。レーザ光２（１，１）は、光導波路２０の入射面に入射した時点で一旦屈折する。この屈折したレーザ光２（１，１）がレンズＬｅ（１，１）に到達する前の角度に基づいて虚像部ｄ１２（１，１）を求める。そして、この虚像部ｄ１２（１，１）を基準として焦点距離ｆと中心Ｐ（１，１）の位置の設定を行う。
図４（Ａ）の場合、レンズＬｅ（１，１）を透過したレーザ光２（１，１）は、光軸ＺＬと平行、且つ均一の幅の平行光となる。
【００２４】
図４（Ｂ）は、レンズＬｅ（１，１）の中心Ｐ（１，１）を、発光部１２（１，１）から出射されるレーザ光２（１，１）の光軸ＺＬ上に配置し、且つ発光部１２（１，１）の虚像部ｄ１２（１，１）から焦点距離ｆよりも遠い位置に配置した場合（ｆ＜Ｓｂ）の例である。
虚像部ｄ１２（１，１）から中心Ｐ（１，１）までの距離をＳｂ、中心Ｐ（１，１）からレーザ光１２（１，１）が集束する集束位置Ｐｓｐｏｔまでの距離をＴｂとすると、以下の式が成立する。
１／Ｓｂ＋１／Ｔｂ＝１／ｆ （式１）
【００２５】
図４（Ｃ）は、レンズＬｅ（１，１）の中心Ｐ（１，１）を、発光部１２（１，１）から出射されるレーザ光２（１，１）の光軸ＺＬから長軸方向に距離Ｌｘ１の位置に配置し、且つ発光部１２（１，１）の虚像部ｄ１２（１，１）から焦点距離ｆよりも遠い距離Ｌｚ１の位置に配置した場合（ｆ＜Ｌｚ１）の例である。ここで、レンズＬｅ（１，１）の中心をＰ（１，１）、中心Ｐ（１，１）から虚像部ｄ１２（１，１）までの距離をＳｃ、中心Ｐ（１，１）からレーザ光１２（１，１）の集束位置Ｐｓｐｏｔまでの距離をＴｃ、虚像部ｄ１２（１，１）から集束位置Ｐｓｐｏｔまでの距離をＬｃとする。また、虚像部１２（１，１）と集束位置Ｐｓｐｏｔを結ぶ線とＺ軸とのなす角をθ、虚像部ｄ１２（１，１）と集束位置ＰｓｐｏｔとのＸ軸方向の距離をｄ、虚像部ｄ１２（１，１）と集束位置ＰｓｐｏｔとのＺ軸方向の距離をＬとする。この場合、以下の式が成立する。
１／Ｓｃ＋１／Ｔｃ＝１／ｆ （式２）
Ｌｃ＝Ｓｃ＋Ｔｃ （式３）
Ｌｘ１＝Ｓｃ＊ｓｉｎθ （式４）
Ｌｚ１＝Ｓｃ＊ｃｏｓθ （式５）
ｄ＝Ｌｃ＊ｓｉｎθ （式６）
Ｌ＝Ｌｃ＊ｃｏｓθ （式７）
Ｓｃ＝［Ｌｃ−√（Ｌｃ^２−４＊Ｌｃ＊ｆ）］／２ （式８）
Ｔｃ＝［Ｌｃ＋√（Ｌｃ^２−４＊Ｌｃ＊ｆ）］／２ （式９）
上記の式に基づいて、レーザ光１２（ｍ，ｎ）の集束位置Ｐｓｐｏｔが、Ｐｏｕｔの位置（図５（Ｂ）参照）になるように、各レンズの中心Ｐ（ｍ，ｎ）の配置位置と、焦点距離ｆとを設定する。
【００２６】
●［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５）］
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、発光部１２（１，１）〜（１，８）、光導波路２０（１，１）〜（１，８）、光ファイバ３０（１，１）〜（１，８）の配置位置と、発光部から光ファイバまでのレーザ光の集光状態について説明する。
図５（Ａ）は長軸方向（Ｘ軸方向）から見た図であり、レーザ光を短軸方向（Ｙ軸方向）に集光する様子を示している。各発光部１２（ｍ，ｎ）から出射された各レーザ光は、長軸方向毎の発光部のグループＧｒｐ（図１参照）に対応させて配置した光導波路２０（ｓ，ｔ）の入射面に入射される。入射された各レーザ光は、短軸方向においては各光導波路２０（ｓ，ｔ）内を全反射しながら当該光導波路２０（ｓ，ｔ）からほとんど外部に漏れることなく進行して当該光導波路２０（ｓ，ｔ）の出射面２０ｅ（図５（Ｂ）参照）に到達し、出射面２０ｅ上の所定位置（レーザ光を長軸方向に集光する位置：Ｐｏｕｔ、図５（Ｂ）参照）に配置された光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に入射される。
なお、既に説明したように、光導波路２０（ｓ，ｔ）の入射面を平面に形成しており、発光部１２（ｍ，ｎ）との距離Ｌ１を後述する図７（Ａ）の距離Ｌ１より小さくしているため、光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の幅ＷＤ１を後述する図７（Ａ）の幅ＷＤ２より狭くしている。
このため、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の径Ｄｆ１を後述する図７（Ａ）の径Ｄｆより小さくすることができる。
【００２７】
図５（Ｂ）は短軸方向から見た図であり、レーザ光を長軸方向に集光する様子を示している。
図５（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）の各レンズＬｅ（１，１）〜（５，１）の焦点距離ｆ１〜ｆ５（図示せず）、各レンズＬｅ（１，１）〜（５，１）の中心Ｐ（１，１）〜（５，１）は、図４（Ｃ）で説明したように設定されている。
これにより、各発光部１２（１，１）〜（５，１）から出射されたレーザ光２（１，１）〜（５，１）は、対応するレンズＬｅ（１，１）〜（５，１）を透過すると、光導波路２０（１，１）の出射面２０ｅ上の所定位置Ｐｏｕｔに集光される。
なお、光導波路２０（ｓ，ｔ）の入射面から出射面までの長さＬｄｈは、任意の長さに設定することが可能である。発光部１２（ｍ，ｎ）の長軸方向の数（この例では５個）、及び発光部の長軸方向の間隔Ｄｈより、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）への入射角θｏｕｔが適切な値となるように、長さＬｄｈを適切に設定することが可能である。
【００２８】
また、光導波路２０（ｓ，ｔ）の入射面をＺ軸に垂直な平面状としているため、発光部１２（ｍ，ｎ）から光導波路２０（ｓ，ｔ）の入射面までの距離Ｌ１を約０．０５［ｍｍ］〜０．１０［ｍｍ］へと、より小さくすることができる。これにより、光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の幅ＷＤ１を約０．２５［ｍｍ］へとより狭くすることができ、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の径Ｄｆ１を約０．３０［ｍｍ］へとより小さくすることができる。
【００２９】
そして、光導波路２０（１，１）の出射面２０ｅ上の所定位置Ｐｏｕｔに、光ファイバ３０（１，１）の入射面を配置し、集光したレーザ光を光ファイバ３０（１，１）に入射する。
光ファイバ３０（１，１）に入射されたレーザ光は、光ファイバ３０（１，１）内を全反射しながら進行して光ファイバ３０（１，１）の出射面から出射される。そして図１に示すように、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の各出射面をバンドル部１００ａにて束ね、各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面から出射されるレーザ光を集光レンズ１００にて集光し、レーザ加工等に利用する。なお、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面を束ねたバンドル部１００ａは、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の長さの範囲内であれば任意の位置に配置することができる。
【００３０】
●［光導波路のアレイ化と、光ファイバの入射面側のアレイ化（図６）］
次に図６を用いて、光導波路２０（ｓ，ｔ）と光ファイバ３０（ｓ，ｔ）とを適切な位置に配置することをより容易に実現可能な光導波路アレイ２００と光ファイバアレイ３００の例を説明する。
図６に示すように、光導波路２０（ｓ，ｔ）は等間隔に配置され、各光導波路２０（１，１）〜（１，８）の入射面が、対応する発光部１２（１，１）〜（１，８）と向き合うように配置される。そして、各光導波路をクラッド材、全反射材等の充填材２２にて充填し、光導波路アレイ２００を形成する。なお、充填材２２を充填せず、クラッド部を含んだ略直方体の形状に各光導波路を形成して各光導波路を固着するようにしてもよい。
このようにして、光導波路２０（ｓ，ｔ）を短軸方向に積層し、光導波路アレイ２００を形成する。
【００３１】
また、図６に示すように、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）も等間隔に配置され、各光ファイバ３０（１，１）〜（１，８）の入射面が、対応する光導波路２０（１，１）〜（１，８）の出射面２０ｅ上の所定位置と当接するように配置される。そして、各光ファイバをクラッド材、全反射材等の充填材２３にて充填し、光ファイバアレイ３００を形成する。
この場合、光ファイバアレイ３００は、光ファイバの入射面近傍のみを充填材２３にて充填すればよく、光ファイバの出射面側まで充填材２３を充填する必要はない。
【００３２】
●［光導波路の入射面にレンズを形成した場合（図７）］
次に図７を用いて、入射面にレンズを形成した光導波路２５を用いた場合の例を、上記に説明した本実施の形態の効果と比較するために説明する。
図７に示すレーザ発光装置は、本実施の形態（図１）に示すレーザ発光装置に対して、光導波路２５（ｓ，ｔ）の入射面にレンズＬｅ（１，１）〜（５，１）を形成している。この場合、レンズＬｅの位置誤差による集光位置（Ｐｏｕｔ）の誤差を小さくするために、距離Ｌ１を約０．５０［ｍｍ］に設定している。これにより、光導波路２５（ｓ，ｔ）の短軸方向の幅ＷＤ２は、約０．３５［ｍｍ］になり、光ファイバ３５（ｓ，ｔ）の径Ｄｆは、約０．４０［ｍｍ］になる。
このように、光ファイバ３５の径Ｄｆが図５に示した本実施の形態の光ファイバ３０の径Ｄｆ１より大きくなるので、単位面積あたりのレーザ光の密度が低下する。
【００３３】
●［本実施の形態の効果（図８）］
次に図８を用いて、本実施の形態におけるレーザ発光装置（図１〜図６）と、比較用に説明した上記のレーザ発光装置（図７）との差を説明することで、本実施の形態の効果を説明する。
図８（Ａ）は、比較用に説明したレーザ発光装置（図７）における、光ファイバ３５（ｓ，ｔ）の径Ｄｆ、及び当該光ファイバ３５（ｓ，ｔ）の入射面に到達したレーザ光２（ｍ，ｎ）の形状を示している。
この場合、当該光ファイバ３５（ｓ，ｔ）の入射面に到達したレーザ光２（ｍ，ｎ）の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さＷｆは約０．１０［ｍｍ］であり、短軸方向（Ｙ軸方向）の長さＷｓは約０．３５［ｍｍ］（光導波路２５の出射面における短軸方向の幅、つまり幅ＷＤ２）である。当該レーザ光２（ｍ，ｎ）を入射させるための光ファイバ３５（ｓ，ｔ）の径Ｄｆは約０．４０［ｍｍ］となる。
【００３４】
これに対し、図８（Ｂ）は、本実施の形態で説明したレーザ発光装置（図１〜図６）における、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の径Ｄｆ１、及び当該光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に到達したレーザ光２（ｍ，ｎ）の形状を示している。
この場合、当該光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に到達したレーザ光２（ｍ，ｎ）の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さＷｆは約０．１０［ｍｍ］であり、短軸方向（Ｙ軸方向）の長さＷｓ１は約０．２５［ｍｍ］（光導波路２０の出射面における短軸方向の幅、つまり幅ＷＤ１）である。当該レーザ光２（ｍ，ｎ）を入射させるための光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の径Ｄｆ１は約０．３０［ｍｍ］となる。
従って、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の径Ｄｆ１を約０．７５倍（０．３０／０．４０＝０．７５）にすることができ、図１に示すバンドル部１００ａの径も約０．７５倍にすることができる。この場合、集光したレーザ光のビーム半径と広がり角（半角）との積で表されるＢｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ（ビーム品質）を約３０％向上（１／０．７５＝１．３３３）させることができる。
【００３５】
本発明の光導波路２０、光導波路アレイ２００、及びレーザ発光装置は、本実施の形態で説明した形状、構成等に限定されず、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。
本発明の光導波路２０、光導波路アレイ２００、及びレーザ発光装置は、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。
また、光導波路２０及び光ファイバ３０の形状、サイズ等は、実施の形態の説明及び図に限定されるものではない。また、石英ガラス等、種々の材質を用いることができる。
また、各実施の形態における光導波路２０における全体形状は、図２に示す略直方体に限定されるものではない。
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。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載の光導波路を用いれば、複数の発光部から出射された各レーザ光を、短軸方向の幅がより狭い光導波路にて集光することができるので、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる。
また、請求項３に記載の光導波路アレイを用いれば、発光部に対して光導波路アレイを適切な位置に配置することがより容易である。
また、請求項４に記載のレーザ発光装置を用いれば、長軸方向及び短軸方向に２次元状に配置された発光部（レーザ光の発光部）から出射されたレーザ光を、長軸方向及び短軸方向に、より効率良く集光することができる。
【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２００を、レーザ発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】本実施の形態における、光導波路２０の構成を説明する図である。
【図３】光導波路２０の入射面にレンズを設けずに、平面とした場合の効果について説明する図である。
【図４】レンズＬｅ（１，１）の中心Ｐ（１，１）の位置と、焦点距離ｆと、レンズＬｅ（１，１）を透過したレーザ光２（１，１）の状態との関係について説明する図である。
【図５】本実施の形態における、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６】本実施の形態における、光導波路のアレイ化と、光ファイバの入射面側のアレイ化を説明する図である。
【図７】本実施の形態の効果を比較するために、本実施の形態とは異なるレーザ発光装置における、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８】本実施の形態の効果を説明する図である。
【図９】従来の半導体レーザ集光装置の概略構成を説明する図である。
【図１０】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】
２（ｍ，ｎ） レーザ光
１０ 半導体レーザアレイ
１２（ｍ，ｎ） 発光部
２０（ｓ，ｔ） 光導波路
２０ａ 透過領域
２０ｃ 入射面
２０ｅ 出射面
２００ 光導波路アレイ
Ｌｅ（ｍ，ｎ） レンズ
３０（ｓ，ｔ） 光ファイバ
１００ 集光レンズ
１００ａ バンドル部

Claims (4)

1. 長軸と短軸を有する楕円状に拡がりながら進行するレーザ光が入射される入射面と、入射されたレーザ光を出射する出射面と、入射面から入射されたレーザ光が出射面に向かって透過する透過領域とを有する光導波路であって、
   光導波路は、
   入射されるレーザ光の進行方向に対して２層構造に形成されており、
   １層目と２層目との境界部には入射されたレーザ光を長軸方向に対して屈折させるレンズ部が形成されており、
   入射されるレーザ光の進行方向に対して垂直な平面状の入射面が形成されており、
   短軸方向の幅はほぼ均一の幅に形成されている、
   ことを特徴とする光導波路。
2. 請求項１に記載の光導波路であって、長軸方向に第１所定間隔で配置された複数の発光部から出射される複数のレーザ光を集光する光導波路であって、
   光導波路は、更に、
   各発光部に対応させた複数のレンズ部を備え、
   入射された各レーザ光が、出射面上の所定位置に、長軸方向に対して各々集光されるように各レンズ部が形成されている、
   ことを特徴とする光導波路。
3. 請求項２に記載の光導波路を短軸方向に積層した光導波路アレイであって、
   光導波路アレイに入射される複数のレーザ光は、長軸方向に第１所定間隔で配置されているとともに短軸方向に第２所定間隔で配置されている複数の発光部から出射され、
   各光導波路が、短軸方向における各発光部の位置に対応させて積層されている、
   ことを特徴とする光導波路アレイ。
4. 請求項３に記載の光導波路アレイと、長軸方向に第１所定間隔で配置されているとともに短軸方向に第２所定間隔で配置されている複数の発光部を有する半導体レーザアレイと、光ファイバとを備えたレーザ発光装置であって、
   半導体レーザアレイは、長軸と短軸を有する楕円状に拡がりながら進行するレーザ光を各発光部から出射し、
   光導波路アレイは、
   短軸方向に各光導波路が積層されるように配置されるとともに、各光導波路の各レンズ部が各発光部に対応するように配置され、且つ発光部と平面状の入射面とをほぼ当接させるように配置され、
   各光導波路毎に、長軸方向毎の発光部のグループから出射される複数のレーザ光を、各光導波路の出射面上の所定位置に、長軸方向に対して集光し、前記出射面上の所定位置から集光したレーザ光を出射し、
   各光ファイバの入射面を各光導波路の出射面上の所定位置に配置し、各光ファイバの出射面からレーザ光を出射する、
   ことを特徴とするレーザ発光装置。

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