JP2007248581A - Laser module - Google Patents

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Yoshizumi Kawabata
吉純 川端
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser module with which a high output can be obtained and in which the overall size can be reduced. <P>SOLUTION: In the prior art, light emitted from each of a plurality of light sources is converted once into parallel light by a collimator lens, with the parallel light converged by a condensing lens and made incident on an optical fiber. In one embodiment, by properly setting a space between the optical axis J2 (center axis of emission) of the light sources 12 and the optical axis J3 (center axis) of a lens 22, the lens 22 can be substituted for the collimator lens and the condensing lens conventionally required for a laser module. Accordingly, the laser module 1 can reduce the number of components compared with a conventional optical system. Also, the laser module 1 can be miniaturized. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明はレーザーモジュールに関し、特に、複数のレーザー光源を用いることで高パワーの光を得ることが可能であるとともに小型化されたレーザーモジュールに関する。   The present invention relates to a laser module, and more particularly to a laser module that can obtain high-power light by using a plurality of laser light sources and is miniaturized.

従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザーにより励起される固体レーザーからの赤外光を紫外域の第3高調波に変換するレーザーや、エキシマレーザー、Arレーザーなどが実用に供されている。   Conventionally, lasers that convert infrared light from solid-state lasers excited by semiconductor lasers into third harmonics in the ultraviolet region, excimer lasers, Ar lasers, etc. are practically used as devices that generate ultraviolet laser beams. Has been.

しかし、エキシマレーザーは装置が大型であることから、コストやメンテナンスが高いという課題がある。また、赤外光を紫外域の第3高調波に変換する波長変換レーザーは波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは非常に困難になっている。また、Arレーザーは電気−光効率が0.005%と非常に低い。   However, the excimer laser has a problem of high cost and maintenance due to its large size. In addition, since the wavelength conversion laser that converts infrared light into the third harmonic in the ultraviolet region has very low wavelength conversion efficiency, it is very difficult to obtain a high output. Moreover, the Ar laser has a very low electro-light efficiency of 0.005%.

そこで複数の光源(たとえばGaN系半導体レーザー)からの光を1箇所に集光して光ファイバ等に結合するという光パワー合成用光学系が従来から提案されている。たとえば特開2002−202442号公報(特許文献1)は、合波レーザー光源と、この合波レーザー光源を用いた露光装置とを開示する。   In view of this, an optical power combining optical system that condenses light from a plurality of light sources (for example, GaN-based semiconductor lasers) at one place and couples the light to an optical fiber or the like has been proposed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-202442 (Patent Document 1) discloses a combined laser light source and an exposure apparatus using the combined laser light source.

図20は、特開2002−202442号公報(特許文献1)に開示される合波レーザー光源の構成を説明する図である。   FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration of a combined laser light source disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-202442 (Patent Document 1).

図20を参照して、この合波レーザー光源は、ヒートブロック110上に配列固定された7個の半導体レーザーLD1〜LD7と、半導体レーザーLD1〜LD7に対応してそれぞれ設けられたコリメーターレンズ111〜117と、1つの集光レンズ120と、1本のマルチモード光ファイバ130とから構成されている。半導体レーザーLD1〜LD7からそれぞれ出射したビームB1〜B7は、コリメーターレンズ111〜117によって平行光化される。平行光とされたビームB1〜B7は、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光ファイバ130のコア130aの入射端面上で収束する。   Referring to FIG. 20, this combined laser light source includes seven semiconductor lasers LD1 to LD7 arranged and fixed on a heat block 110, and collimator lenses 111 respectively provided corresponding to the semiconductor lasers LD1 to LD7. ˜117, one condenser lens 120, and one multimode optical fiber 130. Beams B1 to B7 emitted from the semiconductor lasers LD1 to LD7 are collimated by collimator lenses 111 to 117, respectively. The parallel beams B1 to B7 are collected by the condenser lens 120 and converge on the incident end face of the core 130a of the multimode optical fiber 130.

コア130aに入射したビームB1〜7は1本のビームBに合波されてマルチモード光ファイバ130から出射する。よってこのレーザー光源によればハイパワーのレーザービームを得ることができる。   The beams B <b> 1 to B <b> 7 that have entered the core 130 a are combined into a single beam B and emitted from the multimode optical fiber 130. Therefore, according to this laser light source, a high-power laser beam can be obtained.

図21は、特開2002−202442号公報(特許文献1)に開示される合波レーザー光源の別の構成を説明する図である。   FIG. 21 is a diagram illustrating another configuration of the combined laser light source disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-202442 (Patent Document 1).

図21を参照して、この合波レーザー光源は、5個の半導体レーザーLD11〜LD15と、合波光学系250とから構成されている。半導体レーザーLD11〜LD15は円弧に沿って配置される。   Referring to FIG. 21, this combined laser light source is composed of five semiconductor lasers LD11 to LD15 and a combined optical system 250. The semiconductor lasers LD11 to LD15 are arranged along an arc.

合波光学系250には半導体レーザーLD11〜15からそれぞれ出射したビームB11〜B15を集光する集光レンズH11〜H15が設けられる。半導体レーザーLD11〜15の各々は、その光軸がマルチモード光ファイバ251のコア251aの一端面上の一点を向くように配設される。集光レンズH11〜H15は、この一点上でビームB11〜B15をそれぞれ収束させるように配設されている。   The multiplexing optical system 250 is provided with condensing lenses H11 to H15 for condensing the beams B11 to B15 emitted from the semiconductor lasers LD11 to LD15, respectively. Each of the semiconductor lasers LD 11 to 15 is arranged so that its optical axis faces one point on one end surface of the core 251 a of the multimode optical fiber 251. The condensing lenses H11 to H15 are arranged to converge the beams B11 to B15 on this one point.

コア251aに入射したビームB11〜B15は1本のビームB10に合波されてマルチモード光ファイバ251から出射する。なお、ビームB11〜B15の最大入射角θは、マルチモード光ファイバ251のNA(開口数)に対応する最大受光角以内の値である。   The beams B11 to B15 incident on the core 251a are combined into one beam B10 and emitted from the multimode optical fiber 251. The maximum incident angle θ of the beams B11 to B15 is a value within the maximum light receiving angle corresponding to the NA (numerical aperture) of the multimode optical fiber 251.

また、特開2005−114977号公報(特許文献2)に開示される光パワー合成用光学系は、特開2002−202442号公報(特許文献1)に開示の合波レーザー光源に、コリメートレンズからの平行光の幅を狭くするためのアナモフィック光学素子(たとえばプリズムアレイ等)を組み合わせた構成を有する。これにより、特開2005−114977号公報(特許文献2)に開示される光パワー合成用光学系は光路長を短くすることができるため、小型化が可能になる。
特開2002−202442号公報 特開2005−114977号公報
Further, an optical power combining optical system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-114977 (Patent Document 2) is used as a combined laser light source disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-202442 (Patent Document 1) from a collimating lens. The anamorphic optical element (for example, prism array etc.) for narrowing the width of the parallel light is combined. As a result, the optical power combining optical system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-114977 (Patent Document 2) can reduce the optical path length, and thus can be miniaturized.
JP 2002-202442 A JP 2005-149777 A

図20および図21に示すような従来の光学系は、複数の光源のそれぞれに対応する複数のコリメートレンズと1つの大口径集光レンズとを備える必要がある。よってこれらの光学系は部品点数が多いために構成が複雑となる。また、これらの光学系では複数の光源が1次元に配置されている。よって、光源の個数が増えるほど集光レンズの口径を大きくしなければならない。つまりこれらの光学系の規模は必然的に大きくなる。   The conventional optical system as shown in FIG. 20 and FIG. 21 needs to include a plurality of collimating lenses and one large-diameter condensing lens corresponding to each of the plurality of light sources. Therefore, these optical systems have a complicated structure due to the large number of parts. In these optical systems, a plurality of light sources are arranged one-dimensionally. Therefore, the aperture of the condenser lens must be increased as the number of light sources increases. In other words, the scale of these optical systems inevitably increases.

また、光ファイバにはNA(開口数)の制限がある。NAの制限がある受光器に光を効率よく結合させるには、集光レンズのNAを受光器のNAよりも小さくする必要がある。しかしながら、受光器のNAよりも小さいNAを有する集光レンズを光学系に用いた場合には、集光レンズの口径が大きくなるとともに、焦点距離が長くなる。これにより光学系が大型化する。   Further, the optical fiber has a NA (numerical aperture) limit. In order to efficiently couple light to a light receiver having a NA limitation, it is necessary to make the NA of the condenser lens smaller than the NA of the light receiver. However, when a condensing lens having an NA smaller than the NA of the light receiver is used in the optical system, the diameter of the condensing lens increases and the focal length increases. This increases the size of the optical system.

さらに、集光レンズの焦点距離が長くなると、集光された光束の径も大きくなる。このため光ファイバのような受光エリアが小さい受光器に光を結合させようとした場合には、受光エリアにすべての光が入りきらないことが起こりやすい。   Furthermore, when the focal length of the condensing lens is increased, the diameter of the condensed light beam is also increased. For this reason, when light is to be coupled to a light receiver having a small light receiving area such as an optical fiber, it is likely that not all light enters the light receiving area.

本発明の目的は、高パワーの光を得ることが可能であり、かつ、小型化が可能なレーザーモジュールを提供することである。   An object of the present invention is to provide a laser module that can obtain high-power light and can be miniaturized.

本発明は要約すればレーザーモジュールであって、複数のレーザー光源と、光ファイバと、複数のレンズとを備える。複数のレーザー光源は、同一の平面上に2次元に配置されて、複数のレーザービームをそれぞれ発する。光ファイバは、複数のレーザービームを受ける。複数のレンズは、複数のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられて、対応するレーザー光源から受けるレーザービームを集光して光ファイバの端面に結合させる。   In summary, the present invention is a laser module comprising a plurality of laser light sources, an optical fiber, and a plurality of lenses. The plurality of laser light sources are two-dimensionally arranged on the same plane and emit a plurality of laser beams, respectively. The optical fiber receives a plurality of laser beams. The plurality of lenses are provided corresponding to the plurality of laser light sources, respectively, and condenses the laser beams received from the corresponding laser light sources to be coupled to the end face of the optical fiber.

これによりレーザーモジュールは高パワーの光を得ることができる。また、複数のレーザー光源の固定が容易であり、かつ、光学系を小さくできる。   Thereby, the laser module can obtain high power light. Further, it is easy to fix a plurality of laser light sources, and the optical system can be made small.

好ましくは、複数のレーザー光源の各々は、面発光半導体レーザーである。
一般的に、面発光半導体レーザーは端面発光型半導体レーザーよりもレーザービームの広がりが小さい(いわばレーザービームの指向性が強い)。複数のレーザー光源の各々に面発光半導体レーザーを用いることで、端面発光型半導体レーザーを用いる場合よりもレーザーモジュールから出力される光のパワーを高めることができる。
Preferably, each of the plurality of laser light sources is a surface emitting semiconductor laser.
In general, a surface emitting semiconductor laser has a smaller laser beam spread than an edge emitting semiconductor laser (in other words, the directivity of the laser beam is stronger). By using a surface emitting semiconductor laser for each of the plurality of laser light sources, the power of light output from the laser module can be increased as compared with the case of using an edge emitting semiconductor laser.

より好ましくは、複数のレーザー光源は、第1のレーザー光源と、第1のレーザー光源を囲んで配置される複数の第2のレーザー光源とを含む。   More preferably, the plurality of laser light sources includes a first laser light source and a plurality of second laser light sources arranged to surround the first laser light source.

このように第1のレーザー光源と第2のレーザー光源とを配置することで、光ファイバの入射端面上でレーザービームを収束させることが可能になるので、レーザーモジュールから出力される光のパワーを高めることができる。   By arranging the first laser light source and the second laser light source in this way, the laser beam can be converged on the incident end face of the optical fiber, so that the power of the light output from the laser module can be reduced. Can be increased.

さらに好ましくは、複数のレンズは、第1のレンズと、複数の第2のレンズとを含む。第1のレンズは、第1のレーザー光源に対応して設けられ、中心軸が第1のレーザー光源の光軸と重なるように配置される。複数の第2のレンズは、複数の第2のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられ、対応する第2のレーザー光源の光軸と中心軸がずれるように配置される。   More preferably, the plurality of lenses includes a first lens and a plurality of second lenses. The first lens is provided corresponding to the first laser light source, and is arranged so that the central axis overlaps the optical axis of the first laser light source. The plurality of second lenses are provided corresponding to the plurality of second laser light sources, respectively, and are arranged so that the optical axis and the central axis of the corresponding second laser light sources are shifted.

第2のレーザー光源の光軸と、第2のレンズの光軸との間隔を適切に設定することによって、従来のレーザーモジュールに必要であったコリメートレンズと集光レンズとを第2のレンズで代用することができる。よって、本発明のレーザーモジュールは従来の光学系に比較して部品点数を少なくすることができるとともに小型化が可能になる。   By appropriately setting the distance between the optical axis of the second laser light source and the optical axis of the second lens, the collimating lens and the condensing lens necessary for the conventional laser module can be obtained with the second lens. Can be substituted. Therefore, the laser module of the present invention can reduce the number of parts and can be miniaturized as compared with the conventional optical system.

好ましくは、複数のレンズの各々は、球レンズである。
複数のレンズの各々に球レンズを用いることで複数のレンズを容易にアレイ化することができる。よって、高集積化すなわち光学系の小型化を図ることができる。また、アレイ化された複数のレンズを用いることで光学系のコストを低減することができる。
Preferably, each of the plurality of lenses is a spherical lens.
By using a spherical lens for each of the plurality of lenses, the plurality of lenses can be easily arrayed. Therefore, high integration, that is, downsizing of the optical system can be achieved. Further, the cost of the optical system can be reduced by using a plurality of arrayed lenses.

好ましくは、複数のレンズの各々は、ドラムレンズである。
球レンズと比較すると、ドラムレンズは光源からのレーザービームが通らない部分が少なくなる。複数のレンズの各々にドラムレンズを用いることで球レンズを用いた場合よりもレーザーモジュールを小型化することができる。
Preferably, each of the plurality of lenses is a drum lens.
Compared to a spherical lens, the drum lens has fewer portions through which the laser beam from the light source does not pass. By using a drum lens for each of the plurality of lenses, the laser module can be made smaller than when a spherical lens is used.

好ましくは、複数のレンズは、マイクロレンズアレイとして一体化される。
複数のレンズを一体化することによって、単体のレンズが個々に設けられる場合と比較して光学系を小型化することが可能になる。
Preferably, the plurality of lenses are integrated as a microlens array.
By integrating a plurality of lenses, it becomes possible to reduce the size of the optical system as compared with a case where a single lens is provided individually.

本発明のレーザーモジュールによれば、高効率で光を光ファイバに結合できるとともに、小型化が可能になる。   According to the laser module of the present invention, light can be coupled to an optical fiber with high efficiency and downsizing can be achieved.

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

[実施の形態1]
図1は、実施の形態1のレーザーモジュールの全体図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is an overall view of the laser module according to the first embodiment.

図1を参照して、レーザーモジュール1は、たとえば製品の加工や、回路基板上での部品のはんだ付け等に用いられる装置である。   Referring to FIG. 1, a laser module 1 is an apparatus used for, for example, processing of products or soldering of components on a circuit board.

レーザーモジュール1は、複数のレーザー光源として光源11および複数の光源12を備える。またレーザーモジュール1は、複数の光源のそれぞれに対応して設けられる複数のレンズとして、レンズ21および複数のレンズ22を備える。レンズ21は光源11に対応して設けられ、レンズ22は光源12に対応して設けられる。また、複数のレンズ22はレンズ21の周囲に設けられる。なお、光源およびレンズの配置の詳細は後述する。   The laser module 1 includes a light source 11 and a plurality of light sources 12 as a plurality of laser light sources. The laser module 1 includes a lens 21 and a plurality of lenses 22 as a plurality of lenses provided corresponding to each of the plurality of light sources. The lens 21 is provided corresponding to the light source 11, and the lens 22 is provided corresponding to the light source 12. The plurality of lenses 22 are provided around the lens 21. Details of the arrangement of the light source and the lens will be described later.

レーザーモジュール1は、さらに、光ファイバ3を備える。光源11,12からそれぞれ出射したレーザービームはレンズ21,22によって、光ファイバ3が有するコアの入射端面で集光する。各光源から入射端面に到達した光はコアを伝播して1本のレーザービームに合成されて光ファイバ3から出射する。よって、このレーザーモジュール1は高パワーの光を得ることができる。   The laser module 1 further includes an optical fiber 3. The laser beams emitted from the light sources 11 and 12 are condensed by the lenses 21 and 22 on the incident end face of the core of the optical fiber 3. The light reaching the incident end face from each light source propagates through the core, is combined into one laser beam, and is emitted from the optical fiber 3. Therefore, the laser module 1 can obtain high power light.

レーザーモジュール1は、さらに、パッケージ4を備える。パッケージ4には、パワーデバイスを実装するパッケージを適用することができる。図1ではパッケージ4の具体例としてTO−220型のパッケージを示す。パッケージ4において光源11,12は同一の平面(実装面41)に配置される。実装面41の部分は、放熱性を高くするために熱伝導率が高い材質(たとえばCu−W)によって作製される。   The laser module 1 further includes a package 4. A package for mounting a power device can be applied to the package 4. FIG. 1 shows a TO-220 type package as a specific example of the package 4. In the package 4, the light sources 11 and 12 are arranged on the same plane (mounting surface 41). The portion of the mounting surface 41 is made of a material having high thermal conductivity (for example, Cu-W) in order to increase heat dissipation.

たとえば図21に示す光学系の構成においても半導体レーザーと集光レンズとの組み合わせのみでビームを光ファイバに集光させることができる。しかし、図21の構成によれば、半導体レーザーの固定および放熱を行なうためのパッケージが円弧上に配置されることになるため、光学系の規模が大きくなる。これに対し、レーザーモジュール1では、光源11および複数の光源12が同一平面(実装面41)上に2次元に配置されるので、光源11,12の固定が容易であり、かつ、光学系を小さくできる。   For example, also in the configuration of the optical system shown in FIG. 21, the beam can be condensed on the optical fiber only by the combination of the semiconductor laser and the condenser lens. However, according to the configuration of FIG. 21, since the package for fixing and radiating the semiconductor laser is arranged on the arc, the scale of the optical system increases. On the other hand, in the laser module 1, since the light source 11 and the plurality of light sources 12 are two-dimensionally arranged on the same plane (mounting surface 41), the light sources 11 and 12 can be easily fixed and the optical system can be used. Can be small.

レーザーモジュール1は、さらに、光ファイバ3をパッケージ4上に固定するためのスリーブ5を備える。   The laser module 1 further includes a sleeve 5 for fixing the optical fiber 3 on the package 4.

図2は、図1のレーザーモジュール1における光源とレンズとの配置関係を説明する図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining the positional relationship between the light source and the lens in the laser module 1 of FIG.

図2を参照して、光源11を中心として、光源11の両隣に2つの光源12が配置される。また、光源11に対応してレンズ21が配置され、光源12に対応してレンズ22が配置される。光源11からはビームB11が発せられ、光源12からはビームB12が発せられる。   Referring to FIG. 2, two light sources 12 are arranged on both sides of light source 11 with light source 11 as the center. A lens 21 is disposed corresponding to the light source 11, and a lens 22 is disposed corresponding to the light source 12. The light source 11 emits a beam B11, and the light source 12 emits a beam B12.

光源11の光軸とレンズ21の光軸(中心軸)とが重なるように、光源11およびレンズ21は配置される。また各々の光軸(図2において光軸J1と示す)は光ファイバ3の中心軸と重なる。一方、光源12の光軸J2とレンズ22の光軸J3とは各々の光軸が互いにずれるように配置される。ただし光ファイバ3の入射端面上でレーザービームが収束するように、光軸J2と光軸J3との間隔が設定される。図2の例では光軸J2と光軸J3との間隔は約0.2mmである。   The light source 11 and the lens 21 are arranged so that the optical axis of the light source 11 and the optical axis (center axis) of the lens 21 overlap. Each optical axis (indicated as optical axis J1 in FIG. 2) overlaps the central axis of the optical fiber 3. On the other hand, the optical axis J2 of the light source 12 and the optical axis J3 of the lens 22 are arranged so that their optical axes are shifted from each other. However, the distance between the optical axis J2 and the optical axis J3 is set so that the laser beam converges on the incident end face of the optical fiber 3. In the example of FIG. 2, the distance between the optical axis J2 and the optical axis J3 is about 0.2 mm.

また、光源11からレンズ21の中心までの距離、および光源12からレンズ22の中心までの距離は約1.5mmである。また、レンズ21,22の各中心から光ファイバ3の入射端面までの距離は約15mmである。   The distance from the light source 11 to the center of the lens 21 and the distance from the light source 12 to the center of the lens 22 are about 1.5 mm. The distance from each center of the lenses 21 and 22 to the incident end face of the optical fiber 3 is about 15 mm.

従来技術では、複数の光源の各々から発せられる光はコリメートレンズによって一旦平行光に変換され、平行光は集光レンズにより集光されて光ファイバに入射する。実施の形態1では、光源12の光軸J2(発光中心軸)とレンズ22の光軸J3(中心軸)との間隔を適切に設定することによって、従来のレーザーモジュールに必要であったコリメートレンズと集光レンズとをレンズ22で代用することができる。よって、レーザーモジュール1は従来の光学系に比較して部品点数を少なくすることができる。また、レーザーモジュール1は小型化が可能になる。   In the prior art, light emitted from each of a plurality of light sources is once converted into parallel light by a collimating lens, and the parallel light is collected by a condenser lens and enters an optical fiber. In the first embodiment, the distance between the optical axis J2 (light emission central axis) of the light source 12 and the optical axis J3 (central axis) of the lens 22 is set appropriately, so that the collimating lens necessary for the conventional laser module is used. And the condensing lens can be substituted by the lens 22. Therefore, the laser module 1 can reduce the number of parts compared to the conventional optical system. Further, the laser module 1 can be miniaturized.

光源11,12の各々は発振波長帯が850nm帯である面発光半導体レーザー(Vertical Cavity Surface Emitting Laser;VCSEL)である。面発光半導体レーザーは、端面発光型の半導体レーザーよりもビームの広がりを小さくすることができる。   Each of the light sources 11 and 12 is a surface emitting semiconductor laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) having an oscillation wavelength band of 850 nm. The surface-emitting semiconductor laser can make the beam spread smaller than the edge-emitting semiconductor laser.

図2には光ファイバ3の入射端面におけるビームB12の入射角度は角度θ1だけ広がりを有するよう示される。端面発光型半導体レーザーのほうが、面発光半導体レーザーよりもこの角度θ1が大きくなる。よって、光源12として端面発光型の半導体レーザーを用いた場合には、ビームB12の一部の光が、光ファイバ3の最大受光角よりも大きな角度でコア31に入射することが起こりやすい。   In FIG. 2, the incident angle of the beam B12 at the incident end face of the optical fiber 3 is shown to be spread by an angle θ1. The angle θ1 is larger in the edge-emitting semiconductor laser than in the surface-emitting semiconductor laser. Therefore, when an edge-emitting semiconductor laser is used as the light source 12, a part of the light beam B <b> 12 tends to enter the core 31 at an angle larger than the maximum light receiving angle of the optical fiber 3.

最大受光角度よりも大きな角度で光ファイバ3のコア31に光が入射すると、その光は光ファイバ3の側面から外部に逃げてしまう。よって、レーザーモジュールの出力が低下する。一般的に、面発光半導体レーザーは端面発光型半導体レーザーよりもレーザービームの広がりが小さい(いわばレーザービームの指向性が強い)ため、光源12の発光中心軸とレンズ22の中心軸との間隔を適切に設定すれば、光ファイバの側面から逃げる光を少なくすることができる。よって、レーザーモジュール1から出力される光のパワーを高めることができる。   When light enters the core 31 of the optical fiber 3 at an angle larger than the maximum light receiving angle, the light escapes from the side surface of the optical fiber 3 to the outside. Therefore, the output of the laser module is reduced. In general, a surface emitting semiconductor laser has a smaller laser beam spread than an edge emitting semiconductor laser (in other words, the directivity of the laser beam is strong), so that the distance between the light emission central axis of the light source 12 and the central axis of the lens 22 is set. If set appropriately, light that escapes from the side of the optical fiber can be reduced. Therefore, the power of light output from the laser module 1 can be increased.

なお、特に図示しないが、この面発光半導体レーザーにおけるビーム径は約28μmである。また、レンズ21から出たビームB11の広がり角度は角度θ1に等しく、約3度である。   Although not specifically shown, the beam diameter of this surface emitting semiconductor laser is about 28 μm. Further, the spread angle of the beam B11 emitted from the lens 21 is equal to the angle θ1 and is about 3 degrees.

レンズ21,22の各々は球レンズである。これらのレンズの種類を球レンズとすることにより、複数のレンズを容易にアレイ化することができるので高集積化、すなわち光学系の小型化を図ることができる。また、アレイ化された複数のレンズを用いることで光学系のコストを低減することができる。   Each of the lenses 21 and 22 is a spherical lens. By using a spherical lens as the type of these lenses, a plurality of lenses can be easily arrayed, so that high integration, that is, downsizing of the optical system can be achieved. Further, the cost of the optical system can be reduced by using a plurality of arrayed lenses.

球レンズの直径は2mmであり、屈折率は約1.5である。また、レンズ21,22の材質は一般的にレンズに用いられるBK−7(クラウンガラスの一種)である。   The diameter of the spherical lens is 2 mm and the refractive index is about 1.5. The material of the lenses 21 and 22 is BK-7 (a kind of crown glass) generally used for lenses.

なお、レンズ21,22には無反射コーティング処理が施されていることが好ましい。これによりレンズ21,22におけるレーザービームの透過率を高くできるので光ファイバ3の入射端面における結合効率を高めることができる。よって、レーザーモジュール1から出力される光のパワーを高めることができる。   The lenses 21 and 22 are preferably subjected to an antireflection coating process. Thereby, the transmittance of the laser beam in the lenses 21 and 22 can be increased, so that the coupling efficiency at the incident end face of the optical fiber 3 can be increased. Therefore, the power of light output from the laser module 1 can be increased.

光ファイバ3は大口径のコア31を有する。コア31の径を広げることによって、光源11,12と光ファイバ3との光結合において結合効率を高くすることができる。ビーム径が20μmから30μmの面発光半導体レーザーを光源に用いる場合、光ファイバ3のコア径は、約300μm〜約800μmであることが望ましい。実施の形態1ではコア31の径は600μmである。また光ファイバ3のNAは約0.2である。   The optical fiber 3 has a large-diameter core 31. By increasing the diameter of the core 31, the coupling efficiency can be increased in the optical coupling between the light sources 11 and 12 and the optical fiber 3. When a surface emitting semiconductor laser having a beam diameter of 20 μm to 30 μm is used as a light source, the core diameter of the optical fiber 3 is desirably about 300 μm to about 800 μm. In the first embodiment, the core 31 has a diameter of 600 μm. The NA of the optical fiber 3 is about 0.2.

レーザービームの最大入射角は、光ファイバ3のNA(開口数)に対応する最大受光角以内の値であることが求められる。例えばNA=0.2の場合、最大受光角は約11度となるのでレーザービームの最大入射角θ、すなわち光源11の光軸J1を基準としたビームB12の角度も約11度以内となるように設定する。これにより光ファイバ3の端面に入射したレーザービームが光ファイバ3の側面から逃げるのを防ぐことができるので、レーザーモジュール1から出力される光のパワーを高めることができる。   The maximum incident angle of the laser beam is required to be a value within the maximum light receiving angle corresponding to the NA (numerical aperture) of the optical fiber 3. For example, when NA = 0.2, the maximum light receiving angle is about 11 degrees, so that the maximum incident angle θ of the laser beam, that is, the angle of the beam B12 with reference to the optical axis J1 of the light source 11 is also within about 11 degrees. Set to. As a result, the laser beam incident on the end face of the optical fiber 3 can be prevented from escaping from the side face of the optical fiber 3, so that the power of light output from the laser module 1 can be increased.

図3は、図2の光源11、および複数の光源12の配置を説明する平面図である。
図3を参照して、実装面41に垂直な方向(図2の光軸J1に沿う方向)から見たときには光源11を中心として複数(図3では6個)の光源12が光源11を囲んで配置される。X軸上に位置する2つの光源12の各々は、光源11に対して2.22mm離れた位置に設けられる。また、X軸を挟み、かつX軸から1.93mm離れた位置に4個の光源12が設けられる。これら4個の光源12は、Y軸からの距離が1.11mmの位置に設けられる。
FIG. 3 is a plan view for explaining the arrangement of the light source 11 and the plurality of light sources 12 in FIG. 2.
Referring to FIG. 3, when viewed from a direction perpendicular to mounting surface 41 (a direction along optical axis J <b> 1 in FIG. 2), a plurality (six in FIG. 3) of light sources 12 centering on light source 11 surround light source 11. It is arranged with. Each of the two light sources 12 located on the X axis is provided at a position 2.22 mm away from the light source 11. In addition, four light sources 12 are provided at positions that are 1.93 mm apart from the X axis with the X axis interposed therebetween. These four light sources 12 are provided at a position where the distance from the Y axis is 1.11 mm.

複数の光源を1次元(たとえばX軸方向)に配置した場合には、複数のレンズもX軸方向に配置することになるため、図1のレーザーモジュール1においてX軸方向の寸法が大きくなりやすい。図3に示すように、光源11を中心として光源12を複数配置することで、レーザーモジュール1の寸法を全体に小型化することができる。   When a plurality of light sources are arranged one-dimensionally (for example, in the X-axis direction), a plurality of lenses are also arranged in the X-axis direction. Therefore, in the laser module 1 of FIG. . As shown in FIG. 3, by arranging a plurality of light sources 12 around the light source 11, the size of the laser module 1 can be reduced as a whole.

図4は、図2のレンズ21、および複数のレンズ22の配置を説明する平面図である。
図4を参照して、パッケージ4に垂直な方向から見たときにはレンズ21を中心として6個のレンズ22がレンズ21を囲むように放射状に配置される。X軸上に位置する2つのレンズ22の各々は、レンズ21に対して2.02mm離れた位置に設けられる。また、X軸を挟み、かつX軸から1.75mm離れた位置に4個のレンズ22が設けられる。
FIG. 4 is a plan view for explaining the arrangement of the lens 21 and the plurality of lenses 22 in FIG. 2.
Referring to FIG. 4, when viewed from a direction perpendicular to package 4, six lenses 22 are arranged radially so as to surround lens 21 with lens 21 as the center. Each of the two lenses 22 positioned on the X-axis is provided at a position that is 2.02 mm away from the lens 21. Further, four lenses 22 are provided at a position sandwiching the X axis and 1.75 mm away from the X axis.

次に、実施の形態1のレーザーモジュールにおいてレーザー光源として用いられる面発光半導体レーザーの概略構造を説明する。なお、光源11,12は同様の構成を有する。よって以下では代表的に光源11の構成を説明し、光源12の構成については以後の説明を繰り返さない。   Next, a schematic structure of a surface emitting semiconductor laser used as a laser light source in the laser module of the first embodiment will be described. The light sources 11 and 12 have the same configuration. Therefore, below, the structure of the light source 11 will be described as a representative, and the subsequent description of the structure of the light source 12 will not be repeated.

図5は、図1の光源11の構成を模式的に示す断面図である。
図5を参照して、光源11、すなわち面発光半導体レーザーは、基板53と、下部DBR(Distributed Bragg Reflector)層54と、活性層55と、上部DBR層56と、上部電極60と、発光窓61と、裏面電極62とを備えている。発光窓61の径はたとえば約30μmである。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the light source 11 of FIG.
Referring to FIG. 5, a light source 11, that is, a surface emitting semiconductor laser, includes a substrate 53, a lower DBR (Distributed Bragg Reflector) layer 54, an active layer 55, an upper DBR layer 56, an upper electrode 60, and a light emitting window. 61 and a back electrode 62. The diameter of the light emission window 61 is, for example, about 30 μm.

一般的に面発光半導体レーザーでは、活性層55の上下の層(図5の下部DBR層54および上部DBR層56)に、高い反射率をもつ半導体多層膜反射鏡(屈折率の高い膜と低い膜を繰り返し積層する)が配置される。端面発光型の半導体レーザーが、基板をへき開したのちにへき開面(チップ端面)から光を取り出すのに対し、面発光半導体レーザーではチップ主表面からビームB1を取り出す。   In general, in a surface emitting semiconductor laser, a semiconductor multilayer reflector having a high reflectance (a film having a high refractive index and a low refractive index) is formed on the upper and lower layers of the active layer 55 (the lower DBR layer 54 and the upper DBR layer 56 in FIG. 5). The film is repeatedly laminated). The edge-emitting semiconductor laser extracts light from the cleavage plane (chip end face) after cleaving the substrate, whereas the surface-emitting semiconductor laser extracts the beam B1 from the chip main surface.

端面発光型半導体レーザーでは、発光領域におけるチップ垂直方向の長さが短いため、チップに垂直な方向に光が大きく回折する。このため端面発光型半導体レーザーでは、チップに垂直方向にレーザービームが大きく広がるのでレーザービームの形状は楕円に近くなる。これに対し面発光半導体レーザーでは、端面発光型半導体レーザーに比べて発光領域が大きいため、回折効果が端面発光型半導体レーザーよりも弱くなり、レーザービームの形状が円に近くなる。   In the edge-emitting semiconductor laser, since the length of the light emitting region in the chip vertical direction is short, light is diffracted greatly in the direction perpendicular to the chip. For this reason, in the edge-emitting semiconductor laser, the laser beam greatly spreads in the direction perpendicular to the chip, so that the shape of the laser beam is close to an ellipse. On the other hand, since the surface emitting semiconductor laser has a larger light emitting region than the edge emitting semiconductor laser, the diffraction effect is weaker than that of the edge emitting semiconductor laser, and the shape of the laser beam is close to a circle.

このように光源11および光源12として面発光半導体レーザーを用いることで、レーザービームの広がりを端面発光型の半導体レーザーを用いるよりも小さくできる。よって光源と光ファイバとの光結合を容易にすることができる。   Thus, by using a surface emitting semiconductor laser as the light source 11 and the light source 12, the spread of the laser beam can be made smaller than when an edge emitting semiconductor laser is used. Therefore, optical coupling between the light source and the optical fiber can be facilitated.

なお、本実施の形態ではVCSELの発振波長帯が850nm帯であるとして説明するが、発振波長帯は、より短波長であってもよい。たとえば光ファイバ3から出る光を用いて製品の加工を行なう際に、光の波長が短いほど微細加工が容易になるという利点が得られる。   In this embodiment, the description will be made assuming that the oscillation wavelength band of the VCSEL is the 850 nm band, but the oscillation wavelength band may be a shorter wavelength. For example, when a product is processed using light emitted from the optical fiber 3, there is an advantage that the fine processing becomes easier as the wavelength of the light is shorter.

次に、本実施の形態のレーザーモジュールに用いられる面発光半導体レーザーの光学特性を説明する。   Next, optical characteristics of the surface emitting semiconductor laser used in the laser module of the present embodiment will be described.

図6は、面発光半導体レーザーの電流対光出力特性(IL特性)の温度依存性を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing the temperature dependence of the current versus light output characteristic (IL characteristic) of the surface emitting semiconductor laser.

図6を参照して、ある動作電流に対する光出力は温度が高くなるに従って低下していることが分かる。なお、図6のグラフにおける「温度」とは面発光半導体レーザーの雰囲気温度である。   Referring to FIG. 6, it can be seen that the optical output for a certain operating current decreases as the temperature increases. Note that “temperature” in the graph of FIG. 6 is the ambient temperature of the surface emitting semiconductor laser.

図7は、面発光半導体レーザーのしきい値電流の温度特性を示す図である。
図7を参照して、図1のレーザーモジュール1の光源として用意した10個のサンプルの各々について、しきい値電流(Ith)の温度依存性を示す。図7のグラフにおいてNo.001〜010はサンプルの番号を示す。図7から、しきい値電流の温度変化は、10個のサンプルの間でほぼ同様の特性を有することが分かる。
FIG. 7 is a diagram showing temperature characteristics of the threshold current of the surface emitting semiconductor laser.
With reference to FIG. 7, the temperature dependence of the threshold current (Ith) is shown for each of the ten samples prepared as the light source of the laser module 1 of FIG. In the graph of FIG. 001 to 010 indicate sample numbers. It can be seen from FIG. 7 that the temperature change of the threshold current has almost similar characteristics among the 10 samples.

図8は、面発光半導体レーザーのスペクトルを示す図である。
図8を参照して、グラフの横軸は波長を示し、縦軸は発光強度をdBを単位として示す。図8から、発振波長のピーク波長は、ほぼ850nmであることが分かる。
FIG. 8 is a diagram showing a spectrum of a surface emitting semiconductor laser.
Referring to FIG. 8, the horizontal axis of the graph indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the emission intensity in dB. It can be seen from FIG. 8 that the peak wavelength of the oscillation wavelength is approximately 850 nm.

図9は、面発光半導体レーザーの電流−電圧特性(I−V特性)の温度変化を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a change in temperature of the current-voltage characteristics (IV characteristics) of the surface emitting semiconductor laser.

図9を参照して、ある動作電流に対して生じる面発光半導体レーザーの動作電圧は、温度が高くなるに従って低下することが分かる。   Referring to FIG. 9, it can be seen that the operating voltage of the surface emitting semiconductor laser generated for a certain operating current decreases as the temperature increases.

続いて、図1のレーザーモジュール1の特性を説明する。まず、シミュレーションにより得られる結合効率を示す。なお以下のシミュレーション結果は光線追跡法(レーザービームを多数の光線に分割して、各光線の軌跡を追跡する方法)を用いて得ることができる。   Next, characteristics of the laser module 1 in FIG. 1 will be described. First, the coupling efficiency obtained by simulation is shown. The following simulation results can be obtained by using a ray tracing method (a method of dividing a laser beam into a number of rays and tracing the locus of each ray).

図10は、結合効率のシミュレーション結果を示す図である。
図10および図2を参照して、グラフは光源11から発せられるレーザービームの広がり角度を30度とし、レンズ21と光ファイバ3の端面とで光の吸収も反射もないとしたときの結合効率を示す。なお、光ファイバ3のコア31の径は600μmである。
FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of coupling efficiency.
Referring to FIGS. 10 and 2, the graph shows the coupling efficiency when the divergence angle of the laser beam emitted from the light source 11 is 30 degrees and neither the light is absorbed nor reflected by the lens 21 and the end face of the optical fiber 3. Indicates. The core 31 of the optical fiber 3 has a diameter of 600 μm.

図10のグラフは、面発光半導体レーザーチップの実装位置が図3に示す位置(設計位置)からずれることによって結合効率がどれだけ変化するかを示す。グラフの横軸は、光源11を設計位置からX軸方向に−100μm〜+100μmの範囲で移動させたときの設計位置からの移動量を示し、グラフの縦軸は結合効率を示す。なお4つの曲線は、光源11のY軸方向の設計位置からのずれがそれぞれ0,−20,−40,−60μmのときに光源11を設計位置からX軸方向に−100μm〜+100μmの範囲で移動させたときの結合効率の変化を示す曲線である。   The graph of FIG. 10 shows how much the coupling efficiency changes as the mounting position of the surface emitting semiconductor laser chip is shifted from the position (design position) shown in FIG. The horizontal axis of the graph indicates the amount of movement from the design position when the light source 11 is moved in the range of −100 μm to +100 μm in the X-axis direction from the design position, and the vertical axis of the graph indicates the coupling efficiency. The four curves indicate that the light source 11 is in the range of −100 μm to +100 μm from the design position to the X axis direction when the deviation of the light source 11 from the design position in the Y axis direction is 0, −20, −40, and −60 μm, respectively. It is a curve which shows the change of coupling efficiency when making it move.

図2のようにコア31の中心軸と光源11の光軸J1とが一致する場合(グラフの横軸の値が0であり、かつ、光源11の実装位置と設計位置との差が0μmである場合)に結合効率は最も高い。このとき、光源11と光ファイバ3との結合効率は99%以上の値となる。なお光源12と光ファイバ3との結合効率は98%以上の値となる。   When the center axis of the core 31 and the optical axis J1 of the light source 11 coincide as shown in FIG. 2 (the value of the horizontal axis of the graph is 0, and the difference between the mounting position of the light source 11 and the design position is 0 μm) The coupling efficiency is the highest. At this time, the coupling efficiency between the light source 11 and the optical fiber 3 is 99% or more. The coupling efficiency between the light source 12 and the optical fiber 3 is 98% or more.

しかしながら、チップの実装位置が図3のX軸あるいはY軸方向に移動することで結合効率が低下する。図10の結果から、たとえばチップの実装位置と設計位置とのずれがX軸およびY軸の両方向において±20μm以下に設定することで結合効率の大きな低下を防ぐことができる。   However, the coupling efficiency decreases as the chip mounting position moves in the X-axis or Y-axis direction of FIG. From the result of FIG. 10, for example, by setting the deviation between the mounting position of the chip and the design position to be ± 20 μm or less in both the X-axis and Y-axis directions, a significant decrease in coupling efficiency can be prevented.

また、レーザーモジュール1の組立時において、コア31の中心軸に対して図2の光源11の光軸J1がずれることが考えられる。   Further, when the laser module 1 is assembled, it is conceivable that the optical axis J1 of the light source 11 in FIG.

図11は、図2のコア31の径が600μmの場合において、コア31の中心軸と光源11の光軸J1とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing a change in light output with respect to the magnitude of the deviation between the central axis of the core 31 and the optical axis J1 of the light source 11 when the diameter of the core 31 in FIG. 2 is 600 μm.

図12は、図2のコア31の径が800μmの場合において、コア31の中心軸と光源11の光軸J1とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing a change in light output with respect to the magnitude of deviation between the central axis of the core 31 and the optical axis J1 of the light source 11 when the diameter of the core 31 in FIG. 2 is 800 μm.

図11および図12を参照して、グラフの横軸はコア31の中心軸に対する光源11の光軸J1のずれ量を示し、縦軸はレーザーモジュールから出力される光のパワーを示す。図11および図12のグラフの各々では、コア31の中心軸に対して光源11の光軸J1をX軸方向およびY軸方向にそれぞれずらしたときの2つの曲線を示す。なお、レーザーモジュール1の光出力は、光源11および6つの光源12に合計140mAの動作電流を印加したときの出力である。   Referring to FIGS. 11 and 12, the horizontal axis of the graph indicates the amount of deviation of the optical axis J1 of the light source 11 with respect to the central axis of the core 31, and the vertical axis indicates the power of light output from the laser module. Each of the graphs of FIGS. 11 and 12 shows two curves when the optical axis J1 of the light source 11 is shifted in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the central axis of the core 31, respectively. The light output of the laser module 1 is an output when an operating current of 140 mA in total is applied to the light source 11 and the six light sources 12.

図11および図12から分かるように、コア径が広いほど、コアに多くの光が入射することから、光出力が大きくなる。また、コア径が広いほど光源11の光軸J1がコア31の中心軸からずれても光出力の変化は小さくなる。   As can be seen from FIGS. 11 and 12, the larger the core diameter, the more light is incident on the core, so the light output increases. Further, as the core diameter is wider, the change in the light output is smaller even if the optical axis J1 of the light source 11 is shifted from the central axis of the core 31.

続いて、実施の形態1のレーザーモジュールの特性についての測定結果を示す。
図13は、図1のレーザーモジュール1における、パルス電流に対する結合光出力特性(パルス電流−L特性)の測定結果を示す図である。
Subsequently, measurement results of the characteristics of the laser module of the first embodiment will be shown.
FIG. 13 is a diagram showing the measurement result of the combined light output characteristic (pulse current-L characteristic) with respect to the pulse current in the laser module 1 of FIG.

図13を参照して、グラフの横軸は動作電流を示し、縦軸はパルス発振時の結合光出力Pfをパルスのデューティで割った値を示す。なお、動作電流の印加期間(パルス幅)は5μSである。図13からデューティを1%から50%まで変化させても特性がほぼ同じであることが分かる。このような結果が得られる理由は、図3に示すように、同一の実装面41上にレーザーチップを実装することでチップの放熱性が良好になるためである。   Referring to FIG. 13, the horizontal axis of the graph represents the operating current, and the vertical axis represents the value obtained by dividing the combined light output Pf during pulse oscillation by the duty of the pulse. The operating current application period (pulse width) is 5 μS. FIG. 13 shows that the characteristics are almost the same even when the duty is changed from 1% to 50%. The reason why such a result is obtained is that, as shown in FIG. 3, by mounting the laser chip on the same mounting surface 41, the heat dissipation of the chip is improved.

動作電流が200mAの場合、光出力は約112mWとなる。このときの結合効率を求めると約80%となる。図10のシミュレーション結果と比較すると実際の結合効率が低いが、その理由は、レンズとファイバ端面とに無反射コーティングが施されていないためである。   When the operating current is 200 mA, the optical output is about 112 mW. The coupling efficiency at this time is about 80%. Compared with the simulation results of FIG. 10, the actual coupling efficiency is low, because the antireflection coating is not applied to the lens and the fiber end face.

図14は、図1のレーザーモジュール1における、DC電流に対する結合光出力特性(DC電流−L特性)の測定結果を示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing the measurement result of the coupled light output characteristic (DC current-L characteristic) with respect to the DC current in the laser module 1 of FIG.

図14を参照して、グラフの横軸は動作電流を示し、縦軸は連続発振時の結合光出力Pfを示す。なお、図14では雰囲気温度を0度から70度まで変化させたときのIL特性を示している。図6と比較すると、光出力はほぼ7倍になっている。その理由は、レーザーモジュール1においてチップの放熱性がよいことから、光源の個数に比例して光出力を増加させることができるためである。   Referring to FIG. 14, the horizontal axis of the graph indicates the operating current, and the vertical axis indicates the combined light output Pf during continuous oscillation. FIG. 14 shows the IL characteristics when the ambient temperature is changed from 0 degrees to 70 degrees. Compared with FIG. 6, the light output is almost 7 times. This is because the laser module 1 has good heat dissipation of the chip, so that the light output can be increased in proportion to the number of light sources.

なお、図14のグラフでは温度が上昇するにつれて結合光出力Pfがやや低下しているが、これは半導体レーザーの特性であって、本実施の形態のレーザーモジュールの特性ではない。   In the graph of FIG. 14, the combined light output Pf slightly decreases as the temperature rises, but this is a characteristic of the semiconductor laser and not the characteristic of the laser module of the present embodiment.

図14,図6を参照すると、たとえば動作電流が140mAでの光出力の温度特性と動作電流が20mAでの光出力の温度特性とは相似形になっている。このことから本実施の形態のレーザーモジュールでは結合効率は雰囲気温度によらず安定している(一定になっている)ことが分かる。この点についてより詳しく説明する。   Referring to FIGS. 14 and 6, for example, the temperature characteristic of the optical output when the operating current is 140 mA and the temperature characteristic of the optical output when the operating current is 20 mA are similar. From this, it can be seen that in the laser module of the present embodiment, the coupling efficiency is stable (constant) regardless of the ambient temperature. This point will be described in more detail.

図15は、レーザーモジュール1における結合効率の温度依存性を示す図である。
図15において、グラフの横軸は温度を示し、グラフの縦軸は結合効率を示す。図15から分かるように、結合効率は各温度でほぼ一定で安定しているとともに、レーザーモジュールの信頼規格(テルコディア GR−468−CORE)の±0.5dB以下(約+12%〜約−10%)に対して良好である。なお図15に示す結果は、従来のレーザーモジュールにおける結合効率の温度依存性と同程度またはそれ以上に良好であることを示す。
FIG. 15 is a diagram showing the temperature dependence of the coupling efficiency in the laser module 1.
In FIG. 15, the horizontal axis of the graph indicates temperature, and the vertical axis of the graph indicates coupling efficiency. As can be seen from FIG. 15, the coupling efficiency is substantially constant and stable at each temperature, and is less than ± 0.5 dB (about + 12% to about −10%) of the laser module reliability standard (Telcodia GR-468-CORE). ). The results shown in FIG. 15 indicate that the coupling efficiency in the conventional laser module is as good as or better than the temperature dependence.

0度から70度までの雰囲気温度において結合効率の変動が±10%以下であれば実用上問題ない。図15に示す結果では0度から70度までの雰囲気温度において結合効率の変動は±5%以下であり、「±10%以下」という条件が十分に満たされている。   If the variation of the coupling efficiency is ± 10% or less at an atmospheric temperature of 0 to 70 degrees, there is no practical problem. In the results shown in FIG. 15, the fluctuation of the coupling efficiency is ± 5% or less at the atmospheric temperature from 0 to 70 ° C., and the condition “± 10% or less” is sufficiently satisfied.

以上のように実施の形態1によれば、同一の平面上に設置されて、複数のレーザービームをそれぞれ発する複数のレーザー光源と、複数のレーザー光を受ける光ファイバと、複数のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられて、対応するレーザー光源から受けるレーザービームを集光して、光ファイバの端面に結合させる複数のレンズとを備える。よって、実施の形態1のレーザーモジュールは小型でありながら、高パワーの光を出力することが可能になる。   As described above, according to the first embodiment, a plurality of laser light sources that are installed on the same plane and respectively emit a plurality of laser beams, an optical fiber that receives a plurality of laser beams, and a plurality of laser light sources are supported. And a plurality of lenses for condensing the laser beam received from the corresponding laser light source and coupling it to the end face of the optical fiber. Therefore, the laser module of the first embodiment can output high-power light while being small.

[実施の形態2]
本発明のレーザーモジュールでは、光源の数を増やすほど出力を高めることができる。しかし、本発明のレーザーモジュールでは光源の数だけレンズが必要になるため、光源の数を増やすと光学系の規模が大きくなることが考えられる。実施の形態2のレーザーモジュールでは、集積化されたレンズが用いられる。これにより、実施の形態2のレーザーモジュールは小型でありながら出力をより高くすることができる。
[Embodiment 2]
In the laser module of the present invention, the output can be increased as the number of light sources is increased. However, since the laser module of the present invention requires as many lenses as the number of light sources, it is conceivable that the scale of the optical system increases when the number of light sources is increased. In the laser module of the second embodiment, an integrated lens is used. Thereby, the output of the laser module of the second embodiment can be increased while being small.

図16は、実施の形態2のレーザーモジュールにおける光源とレンズとの配置関係を説明する図である。   FIG. 16 is a diagram illustrating the positional relationship between the light source and the lens in the laser module according to the second embodiment.

図17は、図16に示すレンズを光ファイバ3側から見たときのレンズの配置図である。   FIG. 17 is a layout diagram of the lens when the lens shown in FIG. 16 is viewed from the optical fiber 3 side.

図16および図17を参照して、レーザーモジュール1Aは、球レンズであるレンズ21,22に代えてドラムレンズであるレンズ21A,22Aを備える点で図1および図2のレーザーモジュール1と異なる。レンズ21Aは光源11に対応して設けられ、複数のレンズ22Aは光源11に対応して設けられる。なお、レーザーモジュール1Aの他の部分はレーザーモジュール1と同様の構成を有するので、レーザーモジュール1Aの他の部分に関する以後の説明は繰り返さない。   Referring to FIGS. 16 and 17, the laser module 1A is different from the laser module 1 of FIGS. 1 and 2 in that lenses 21A and 22A that are drum lenses are provided instead of the lenses 21 and 22 that are spherical lenses. The lens 21 </ b> A is provided corresponding to the light source 11, and the plurality of lenses 22 </ b> A are provided corresponding to the light source 11. In addition, since the other part of laser module 1A has the same structure as laser module 1, the subsequent description regarding the other part of laser module 1A will not be repeated.

図16のX軸方向は、図17におけるX軸方向に対応する。つまり図16は図17のX軸方向に沿った断面図である。図17に示すように、実施の形態2においても複数のレンズ22Aはレンズ21Aを囲むように放射状に配置される。このことは、複数の光源12が光源11を囲むように配置されることを意味している。   The X-axis direction in FIG. 16 corresponds to the X-axis direction in FIG. That is, FIG. 16 is a cross-sectional view along the X-axis direction of FIG. As shown in FIG. 17, also in the second embodiment, the plurality of lenses 22A are arranged radially so as to surround the lens 21A. This means that the plurality of light sources 12 are arranged so as to surround the light source 11.

ドラムレンズは球レンズと同じレンズ性能を有する。球レンズと比較すると、ドラムレンズは光源からのレーザービームが通らない部分を少なくすることができる。よってレーザーモジュール1Aは図2のレーザーモジュール1よりもX軸方向の大きさを小さくすることができる。   A drum lens has the same lens performance as a spherical lens. Compared with the spherical lens, the drum lens can reduce the portion through which the laser beam from the light source does not pass. Therefore, the laser module 1A can be made smaller in the X-axis direction than the laser module 1 of FIG.

図17に示す例ではドラムレンズは19個用いられ、集積化(アレイ化)されている。図17のレンズアレイ、および図16の光ファイバ3の端面に透過率99%以上となるコーティング処理を施した場合、レーザーモジュール1Aにおける結合効率は90%となる。よって、20mWの光出力を有する面発光半導体レーザーを19個用いた場合にはレーザーモジュール1Aの出力は、20mW/個×19個×0.9(結合効率)=342mWとなる。   In the example shown in FIG. 17, 19 drum lenses are used and integrated (arrayed). When the lens array shown in FIG. 17 and the end face of the optical fiber 3 shown in FIG. 16 are subjected to a coating process with a transmittance of 99% or more, the coupling efficiency in the laser module 1A is 90%. Therefore, when 19 surface emitting semiconductor lasers having a light output of 20 mW are used, the output of the laser module 1A is 20 mW / piece × 19 pieces × 0.9 (coupling efficiency) = 342 mW.

また、たとえば、60mW/個以上のパワーを有する面発光半導体レーザーを19個集積した場合には、レーザーモジュール1Aの光出力が1W以上となる。光のパワーが1W以上あれば、その光は上述のような製品加工等にも十分利用可能である。   For example, when 19 surface emitting semiconductor lasers having a power of 60 mW / piece or more are integrated, the optical output of the laser module 1A is 1 W or more. If the power of light is 1 W or more, the light can be sufficiently used for the product processing as described above.

なお、光通信分野では、ガラス基板等に微小なレンズを集積化したマイクロレンズアレイが光源と光ファイバとの光結合に多く用いられている。実施の形態2のレーザーモジュールにおいてもこのようなマイクロレンズアレイを用いることができる。この場合には、図16に示すレーザーモジュール1Aよりもさらに多くの光源およびレンズを集積化できる。つまり実施の形態2では、複数のレンズをマイクロレンズアレイとして一体化することによって、実施の形態1のレーザーモジュールよりも高パワーの光を出力することが可能になる。   In the optical communication field, a microlens array in which minute lenses are integrated on a glass substrate or the like is often used for optical coupling between a light source and an optical fiber. Such a microlens array can also be used in the laser module of the second embodiment. In this case, more light sources and lenses can be integrated than the laser module 1A shown in FIG. That is, in the second embodiment, by integrating a plurality of lenses as a microlens array, it becomes possible to output light with higher power than the laser module of the first embodiment.

図18は、実施の形態2のレーザーモジュールにおいて、複数のレンズとしてマイクロレンズアレイを適用した例を示す図である。   FIG. 18 is a diagram illustrating an example in which a microlens array is applied as a plurality of lenses in the laser module of the second embodiment.

図19は、図18に示すレンズを光ファイバ3側から見たときのレンズの配置図である。   FIG. 19 is a lens layout when the lens shown in FIG. 18 is viewed from the optical fiber 3 side.

図18および図19を参照して、レーザーモジュール1Bは、レンズ21A,22Aが一体化されたマイクロレンズアレイ2Aを備える点で図16および図17のレーザーモジュール1Aと異なる。レーザーモジュール1Aの他の部分はレーザーモジュール1と同様の構成を有するので、レーザーモジュール1Aの他の部分に関する以後の説明は繰り返さない。なお、図18のX軸方向は、図19におけるX軸方向に対応する。   Referring to FIGS. 18 and 19, laser module 1B is different from laser module 1A in FIGS. 16 and 17 in that it includes a microlens array 2A in which lenses 21A and 22A are integrated. Since other parts of the laser module 1A have the same configuration as the laser module 1, the following description regarding the other parts of the laser module 1A will not be repeated. Note that the X-axis direction in FIG. 18 corresponds to the X-axis direction in FIG.

図19のマイクロレンズアレイ2Aでは37個のレンズが集積化される。つまり1個のレンズ21Aを中心として36個のレンズ22Aが放射状に配置される。よって、レーザーモジュール1Bでは、レーザーモジュール1Aよりも高出力の光を得ることができる。   In the microlens array 2A of FIG. 19, 37 lenses are integrated. That is, 36 lenses 22A are radially arranged around one lens 21A. Therefore, the laser module 1B can obtain light with higher output than the laser module 1A.

なお、図16〜図19に示すレンズの数は一例であり、出力する光のパワーに応じて光源およびレンズの数は適切に設定される。また、図18および図19ではマイクロレンズアレイ2Aにドラムレンズを用いた例を示すが、マイクロレンズアレイ2Aに用いられるレンズは球レンズでもよい。   Note that the number of lenses illustrated in FIGS. 16 to 19 is an example, and the number of light sources and lenses is appropriately set according to the power of light to be output. 18 and 19 show an example in which a drum lens is used for the microlens array 2A, the lens used for the microlens array 2A may be a spherical lens.

なお、実施の形態2において結合効率を高めるため、レーザービームの最大入射角は光ファイバ3のNA(開口数)に対応する最大受光角以内であることが好ましい。この点は実施の形態1と同様である。   In the second embodiment, the maximum incident angle of the laser beam is preferably within the maximum light receiving angle corresponding to the NA (numerical aperture) of the optical fiber 3 in order to increase the coupling efficiency. This is the same as in the first embodiment.

以上のように実施の形態2によれば、レンズを集積化することによって光源の数を増やすことができるので、実施の形態1よりも出力のパワーを高くすることができる。   As described above, according to the second embodiment, since the number of light sources can be increased by integrating lenses, the output power can be made higher than that in the first embodiment.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

実施の形態1のレーザーモジュールの全体図である。1 is an overall view of a laser module according to a first embodiment. 図1のレーザーモジュール1における光源とレンズとの配置関係を説明する図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning relationship between the light source and lens in the laser module 1 of FIG. 図2の光源11、および複数の光源12の配置を説明する平面図である。It is a top view explaining arrangement | positioning of the light source 11 of FIG. 2, and the some light source 12. FIG. 図2のレンズ21、および複数のレンズ22の配置を説明する平面図である。It is a top view explaining arrangement | positioning of the lens 21 of FIG. 2, and the some lens 22. FIG. 図1の光源11の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light source 11 of FIG. 1 typically. 面発光半導体レーザーの電流対光出力特性(IL特性)の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the electric current versus optical output characteristic (IL characteristic) of a surface emitting semiconductor laser. 面発光半導体レーザーのしきい値電流の温度特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic of the threshold current of a surface emitting semiconductor laser. 面発光半導体レーザーのスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of a surface emitting semiconductor laser. 面発光半導体レーザーの電流−電圧特性(I−V特性)の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of the electric current-voltage characteristic (IV characteristic) of a surface emitting semiconductor laser. 結合効率のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of coupling efficiency. 図2のコア31の径が600μmの場合において、コア31の中心軸と光源11の光軸J1とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a change in light output with respect to the amount of deviation between the central axis of the core 31 and the optical axis J1 of the light source 11 when the diameter of the core 31 in FIG. 2 is 600 μm. 図2のコア31の径が800μmの場合において、コア31の中心軸と光源11の光軸J1とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a change in light output with respect to the amount of deviation between the central axis of the core 31 and the optical axis J1 of the light source 11 when the diameter of the core 31 in FIG. 2 is 800 μm. 図1のレーザーモジュール1における、パルス電流に対する結合光出力特性(パルス電流−L特性)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the coupling light output characteristic (pulse current-L characteristic) with respect to a pulse current in the laser module 1 of FIG. 図1のレーザーモジュール1における、DC電流に対する結合光出力特性(DC電流−L特性)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the coupling light output characteristic (DC current-L characteristic) with respect to DC current in the laser module 1 of FIG. レーザーモジュール1における結合効率の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the coupling efficiency in the laser module 1. FIG. 実施の形態2のレーザーモジュールにおける光源とレンズとの配置関係を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining an arrangement relationship between a light source and a lens in a laser module according to a second embodiment. 図16に示すレンズを光ファイバ3側から見たときのレンズの配置図である。FIG. 17 is a lens arrangement diagram when the lens shown in FIG. 16 is viewed from the optical fiber 3 side. 実施の形態2のレーザーモジュールにおいて、複数のレンズとしてマイクロレンズアレイを適用した例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which a microlens array is applied as a plurality of lenses in the laser module according to the second embodiment. 図18に示すレンズを光ファイバ3側から見たときのレンズの配置図である。FIG. 19 is a lens arrangement diagram when the lens shown in FIG. 18 is viewed from the optical fiber 3 side. 特開2002−202442号公報(特許文献1)に開示される合波レーザー光源の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the combining laser light source disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-202442 (patent document 1). 特開2002−202442号公報(特許文献1)に開示される合波レーザー光源の別の構成を説明する図である。It is a figure explaining another structure of the combining laser light source disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-202442 (patent document 1).

符号の説明Explanation of symbols

1,1A,1B レーザーモジュール、2A マイクロレンズアレイ、3 光ファイバ、4 パッケージ、5 スリーブ、11,12 光源、21,22,21A,22A レンズ、31,130a,251a コア、41 実装面、53 基板、54 下部DBR層、55 活性層、56 上部DBR層、60 上部電極、61 発光窓、62 裏面電極、110 ヒートブロック、111〜117 コリメーターレンズ、120 集光レンズ、130,251 マルチモード光ファイバ、250 合波光学系、B,B1〜B15 ビーム、H11〜H15 集光レンズ、J1〜J3 光軸、LD1〜LD7,LD11〜LD15 半導体レーザー、θ 最大入射角、θ1 角度。   1, 1A, 1B laser module, 2A micro lens array, 3 optical fiber, 4 package, 5 sleeve, 11, 12 light source, 21, 22, 21A, 22A lens, 31, 130a, 251a core, 41 mounting surface, 53 substrate , 54 Lower DBR layer, 55 Active layer, 56 Upper DBR layer, 60 Upper electrode, 61 Light emitting window, 62 Back electrode, 110 Heat block, 111-117 Collimator lens, 120 Condensing lens, 130, 251 Multimode optical fiber , 250 combining optical system, B, B1-B15 beam, H11-H15 condenser lens, J1-J3 optical axis, LD1-LD7, LD11-LD15 semiconductor laser, θ maximum incident angle, θ1 angle.

Claims (7)

同一の平面上に2次元に配置されて、複数のレーザービームをそれぞれ発する複数のレーザー光源と、
前記複数のレーザービームを受ける光ファイバと、
前記複数のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられて、対応するレーザー光源から受けるレーザービームを集光して前記光ファイバの端面に結合させる複数のレンズとを備える、レーザーモジュール。
A plurality of laser light sources that are two-dimensionally arranged on the same plane and respectively emit a plurality of laser beams;
An optical fiber receiving the plurality of laser beams;
A laser module comprising a plurality of lenses provided corresponding to the plurality of laser light sources, respectively, and condensing a laser beam received from the corresponding laser light source and coupling it to an end face of the optical fiber.
前記複数のレーザー光源の各々は、面発光半導体レーザーである、請求項1に記載のレーザーモジュール。   The laser module according to claim 1, wherein each of the plurality of laser light sources is a surface emitting semiconductor laser. 前記複数のレーザー光源は、
第1のレーザー光源と、
前記第1のレーザー光源を囲んで配置される複数の第2のレーザー光源とを含む、請求項2に記載のレーザーモジュール。
The plurality of laser light sources are:
A first laser light source;
The laser module according to claim 2, further comprising: a plurality of second laser light sources disposed around the first laser light source.
前記複数のレンズは、
前記第1のレーザー光源に対応して設けられ、中心軸が前記第1のレーザー光源の光軸と重なるように配置される第1のレンズと、
前記複数の第2のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられ、対応する第2のレーザー光源の光軸と中心軸がずれるように配置される複数の第2のレンズとを含む、請求項3に記載のレーザーモジュール。
The plurality of lenses are:
A first lens provided corresponding to the first laser light source and disposed so that a central axis overlaps an optical axis of the first laser light source;
A plurality of second lenses, which are respectively provided corresponding to the plurality of second laser light sources, and are arranged so that the optical axes and the center axes of the corresponding second laser light sources are shifted from each other. The laser module described.
前記複数のレンズの各々は、球レンズである、請求項1に記載のレーザーモジュール。   The laser module according to claim 1, wherein each of the plurality of lenses is a spherical lens. 前記複数のレンズの各々は、ドラムレンズである、請求項1に記載のレーザーモジュール。   The laser module according to claim 1, wherein each of the plurality of lenses is a drum lens. 前記複数のレンズは、マイクロレンズアレイとして一体化される、請求項1に記載のレーザーモジュール。   The laser module according to claim 1, wherein the plurality of lenses are integrated as a microlens array.
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