JP2008070753A - ファイバ型カプラ、光検出装置、レーザモジュール、及び調芯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力の安定化を図りつつ均一な光を伝送する。
【解決手段】光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置を調整することにより、出力用ファイバ３４の出射口における光強度分布が均一性あるレーザ光を伝搬させ、光源モジュール１２から光強度分布が均一性ある本来使用するレーザ光以外の周辺光が出力用ファイバ３４の第２クラッド層に光結合されて伝搬された後に出力用ファイバ３６へと伝搬され、光強度が光検出器１６で検出され、ＡＰＣドライバ２０が、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の光強度を予め定めた光強度になるように制御する。これによって、レーザモジュール１０は安定した出力でかつ高効率のレーザ光を提供することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を検出するためのファイバを用いたファイバ型カプラ、光検出装置、レーザモジュール、及びレーザモジュールの調芯方法に関する。

半導体レーザを光源として用いた装置が様々な分野で用いられるようになってきているが、半導体レーザから出射されるレーザ光の出力は周囲の環境や経時変化によって変動する。このため、半導体レーザを光源として用いる露光装置は、種々の方法で出力の安定化が図られている。

一般的に、半導体レーザの場合、ＣＡＮパッケージ内のレーザダイオード（ＬＤ）のバックエンド側にフォトダイオード（ＰＤ）を配置することで、そのＰＤに受光された光強度を電気信号に変換して、光出力を読み出す方法がある（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この方法ではＬＤがマルチモードの場合には、多モード発振の影響と出射開口数が素子特性上大きくなることの影響により、ＣＡＮパッケージの筐体内での反射光や散乱光が発生し、それらが迷光となりＰＤのノイズレベルが悪化して正確に出力が読み出せない問題がある。

この問題を解消するものとして、基板導波路型の分岐システムがある。しかしながら、基板導波路型の分岐システムは、基板導波路部の筐体の小型化へ限界があり、半導体レーザにそのまま適用は困難である。また、基板導波路自体の作製が難しく、専用の設備も必要なことから、コストメリットの面でも量産には向かない。

一方、光出力を検出するために、ＬＤからの光出力を分岐する素子が知られている（例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。光出力を分岐する素子には、例えばファイバ型タップカプラ（例えば１０：９０等）が知られており、このファイバ型タップカプラで光出力を分岐して、低率分岐側ファイバをＰＤへ接続し、ＰＤにより受光した光信号を電気に変換し、光出力を読み出す方法がある。この方法は、シングルモードファイバにおいて普及している方法であるが、最近ではマルチモードファイバにおいてもタップすることが可能になってきている。
特公平７−１９９２９号公報 特許第３５６３３７６号公報 特許第３０７９４１８号公報 特許第２９９３４３３号公報

ところで、露光装置の一例には、空間光変調素子等で変調したレーザ光を結像光学系に通し、このレーザ光による像を所定の感光材料上に結像して当該感光材料を露光する画像露光装置が知られており、このレーザ光の伝播をするために、光ファイバを用いる場合がある。このような露光装置等に用られる光源では、出力の安定化はもちろんのこと、エリア群の無い均一な光を伝送して、照射する必要がある。そのため、レーザ光を伝播する導波層であるファイバの開口に見合う入射光の成分を取り入れ、かつ出力が平坦である部分の光を結合伝送させる必要がある。この場合、ビームプロファイルでは、裾野の部分が導波層であるファイバコアへの結合ができなくなることより光利用効率が低下する。従って、タップカプラのように導波層に取り込んだ光の一部を取り出すことは、ファイバの開口に見合う入射光の成分を取り入れて利用効率を上げることを目的とする露光装置では光利用効率低下を招くので好ましくない。

本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、光出力の安定化を図りつつ均一な光を伝送することができるファイバ型カプラ、光検出装置、レーザモジュール、及びレーザモジュールの調芯方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明のファイバ型カプラは、光源から所定出射角で出射されたレーザ光を入射する入射部と、前記入射部におけるレーザ光のビーム径より小さい径の複数の出力側ファイバと、少なくとも１本の出力側ファイバを光出力検出用ファイバとして前記複数の出力側ファイバを束ねた端面を前記入射部に配置して前記入射部におけるレーザ光を前記複数の出力側ファイバに結合する結合部と、を備えている。

本発明によれば、ファイバ型カプラは、レーザ光を入射する入射部に対して、複数の出力側ファイバが束ねた端面が配置され、入射部におけるレーザ光が複数の出力側ファイバに結合される。出力側ファイバは、入射部におけるレーザ光のビーム径より小さい径により形成されており、その１本以上の出力側ファイバが光出力検出用ファイバとされ、入射部に入射されたレーザ光の一部が漏れ光となり、光出力検出用ファイバへ至る。これにより、レーザ光の強度検出が容易となる。

なお、このファイバ型カプラでは、請求項２にも記載したように、前記入射部におけるレーザ光の光束中心と、前記複数の出力側ファイバのうち前記光出力検出用ファイバ以外の１つの出力側ファイバの中心を一致させることができる。半導体レーザ等の光源から出力されるレーザ光を有効に利用する出力側ファイバについて入射部におけるレーザ光の光束中心と光軸を一致させることで、主要なレーザ光成分はその出力側ファイバに伝搬される。そして、主要なレーザ光成分以外、すなわち出力光として利用しないレーザ光は、光出力検出用のレーザ光として隣接配置された出力側ファイバのコアまたはクラッド層を導波層として伝搬される。これにより、主要なレーザ光成分に影響を与えることなく、光出力検出が可能となる。

請求項３に記載の発明のファイバ型カプラは、光源からのレーザ光を伝搬するための入力側ファイバと、入力側ファイバコア径Ｄｉｎ、出力側ファイバコア径Ｄｏｕｔ、入射側ファイバの開口数ＮＡ１、出力側ファイバの開口数ＮＡ２、とするとき、（Ｄｉｎ・ＮＡ１＞Ｄｏｕｔ・ＮＡ２）の関係を有する複数の出力側ファイバと、少なくとも１つを光出力検出用ファイバとする前記複数の出力側ファイバを束ねた端面を前記入力側ファイバの端面と接合した構造部と、を備えている。

本発明によれば、ファイバ型カプラは、入力側ファイバに対して、複数の出力側ファイバが束ねて接合される。入力側ファイバと出力側ファイバとは、（Ｄｉｎ・ＮＡ１＞Ｄｏｕｔ・ＮＡ２）の関係を有する。例えば、入射側ファイバのビーム径より小さいファイバ径の出力側ファイバが複数入力側ファイバに接合される。出力側ファイバは光出力検出用ファイバを含んでおり、隣接する出力側ファイバに入射されたレーザ光の一部が漏れ光となり、光出力検出用ファイバへ至る。これにより、レーザ光の強度検出が容易となる。

前記ファイバ型カプラでは、請求項４にも記載したように、前記光出力検出用ファイバに設定された出力側ファイバが、光出力検出用のレーザ光が伝搬する導波層が該出力側ファイバのクラッド層及びコアの少なくとも一方とすることができる。ファイバは、コアとクラッド層とにより構成されることが一般的であり、光出力検出用のレーザ光が伝搬する導波層としては、何れを用いても良いことである。

なお、前記ファイバ型カプラでは、請求項５にも記載したように、前記入力側ファイバの光軸と前記複数の出力側ファイバのうち前記光出力検出用ファイバ以外の１つの出力側ファイバの光軸とを一致させて接合することができる。半導体レーザ等の光源から出力されるレーザ光を有効に利用する出力側ファイバについて入力側ファイバと光軸を一致させることで、主要なレーザ光成分はその出力側ファイバに伝搬される。そして、主要なレーザ光成分以外、すなわち出力光として利用しないレーザ光は、光出力検出用のレーザ光として隣接配置された出力側ファイバのコアまたはクラッド層を導波層として伝搬される。これにより、主要なレーザ光成分に影響を与えることなく、光出力検出が可能となる。

また、前記ファイバ型カプラでは、請求項６にも記載したように、前記出力側ファイバが、マルチモードファイバであり、該マルチモードファイバを複数束ねて溶融融着した後に該溶融部を切断した断面を、前記複数の出力側ファイバを束ねた端面とする構造であることが好ましい。マルチモードファイバを束ねて溶融融着するとその溶融融着部分が、新規の層となる。すなわち、溶融融着した１つの出力側ファイバを主要なレーザ光成分を伝搬するためのものとするとき、溶融融着部分である新規の層は、主要なレーザ光成分以外、すなわち出力光として利用しないレーザ光を伝搬することとなり、主要なレーザ光成分に影響を与えることなく、光出力検出が可能となる構造を容易に提供することができる。

一方、入力側ファイバを有する場合、請求項７にも記載したように、前記入力側ファイバ及び出力側ファイバは、マルチモードファイバであり、該マルチモードファイバである複数の出力側ファイバを複数束ねて溶融融着した後に該溶融部を切断した断面を、前記複数の出力側ファイバを束ねた端面とすると共に、該端面をマルチモードファイバである入力側ファイバの端面に融着接続した構造にすればよい。なお、ここでいうマルチモードファイバの一例は、波長４０５ｎｍに対してのファイバコア径を意味し、実質コア径が３０μｍ以上のものがある。

請求項８に記載の発明の光検出装置は、前記ファイバ型カプラと、前記光出力検出用ファイバを伝搬したレーザ光を検出する単一の検出手段と、を備えている。本発明によれば、前記ファイバ型カプラの光出力検出用ファイバに設定された出力側ファイバを伝搬したレーザ光を検出手段により検出することによって、主要なレーザ光成分に影響を与えることなくレーザ光の光出力検出が可能となる光検出装置を容易に提供することができる。

請求項９に記載の発明の光検出装置は、前記ファイバ型カプラにおける前記複数の出力側ファイバのうち前記光出力検出用ファイバとしての複数の出力側ファイバが設定されたカプラ手段と、前記カプラ手段の複数の光出力検出用ファイバを伝搬したレーザ光を検出する単一の検出手段と、を備えている。本発明によれば、光出力検出用ファイバである複数の出力側ファイバからの各レーザ光を単一の検出手段で検出するので、光出力検出の精度を向上することができる。

請求項１０に記載の発明のレーザモジュールは、前記ファイバ型カプラと、レーザ光を出射する光源と、前記ファイバ型カプラの前記光出力検出用ファイバから出力されるレーザ光の光強度を検出する受光手段と、受光手段で検出したレーザ光の光強度に基づいて、予め定めた光量となるように前記レーザ光源を制御する制御手段と、を備えている。本発明によれば、前記ファイバ型カプラにおける光出力検出用ファイバからのレーザ光の光強度を検出した結果に基づいて、予め定めた光量となるようにレーザ光源を制御する。検出されたレーザ光の光強度は、光源からのレーザ光のうち出力光として利用しないレーザ光であるが、光源からのレーザ光の光強度に対応するものである。このため、主要なレーザ光成分に影響を与えることなく、正確な光出力の検出結果から光源が出射するレーザ光の光強度を正確に制御することができる。

この場合、請求項１１にも記載したように、前記ファイバ型カプラについて、３本の出力側ファイバを束ねて前記端面を構成し、該３本の出力側ファイバのうち２本を光出力検出用ファイバとし、前記受光手段は、前記２本の光出力検出用ファイバから出力されるレーザ光の光強度を検出することができる。前記ファイバ型カプラにおける光出力検出用ファイバからのレーザ光は微弱である場合、複数本のファイバを用いることで、検出する光強度値が増加する。そこで、出力側ファイバのうち２本を光出力検出用ファイバとすることで、光強度の検出精度を向上することが可能となる。

なお、前記光出力検出用ファイバは、請求項１２にも記載したように、石英ロットファイバから構成してもよい。このとき、石英ロットファイバは、他の出力側ファイバのコアと同一素材で構成される。石英ロットファイバを用いることで、既存ファイバを光検出用ファイバとして使用する場合と比べて、ファイバ内のコア部等の伝搬しない領域がないため、出力端の強度が端面域において一様で光検出器感受部への挿入が若干安定になる。

また、請求項１３にも記載したように、前記光源と前記ファイバ型カプラは、前記出力側ファイバに入射されるレーザ光の光量分布の裾野部分が前記出力側ファイバのクラッド層へ結合するように調芯されることが好ましい。このようにすることで、光源からの主要なレーザ光成分以外、すなわち出力光として利用しないレーザ光を、光出力検出用のレーザ光として伝搬させることができ、主要なレーザ光成分に影響を与えることなく、光出力検出が可能となる。なお、ファイバ型カプラが入力側ファイバを備えた場合、前記光源の光量分布の中心が入力側ファイバの中心に位置するように調整されると共に、前記光源の光量分布の裾野部分に対応する入力側ファイバの出射側の光量分布の裾野部分が前記出力側ファイバのクラッド層へ結合するように調芯されることが好ましい。光源とファイバ型カプラとを光源の光量分布の中心が入力側ファイバの中心に位置するように調整することで、入力側ファイバに光源のレーザ光を効率的に伝搬させることができる。

なお、前記光源は、請求項１４にも記載したように、光通信等の産業で汎用的に用いられる波長が４０５ｎｍ域の半導体レーザを用いることが好ましい。

また、前記レーザモジュールを調芯する場合、請求項１５にも記載したように、前記光源と前記ファイバ型カプラについて、前記光源の光量分布の中心が入力側ファイバの中心に位置するように調整すると共に、前記ファイバ型カプラの構造部を、前記光源の光量分布の裾野部分に対応する入力側ファイバの出射側の光量分布の裾野部分が前記出力側ファイバのクラッド層へ結合するように調芯することによって、主要なレーザ光成分に影響を与えることなく、光出力検出が可能となるレーザモジュールを提供することができる。

本発明によれば、複数の出力側ファイバが束ねた端面を有するファイバ型カプラで、光出力検出用ファイバに入射されたレーザ光の一部の漏れ光を利用可能となるので、レーザ光の強度検出が容易となる、という効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
図６は、本発明の第１実施形態に係るファイバ型カプラを用いたレーザモジュール１０の概略構成を示したものである。このレーザモジュール１０は、光源モジュール１２、ファイバ型カプラ１４、光検出器１６、信号処理装置１８，及びＡＰＣドライバ２０を備えている。

光源モジュール１２は、４０５ｎｍ帯の波長に対応するレーザ光を出射する半導体レーザ２２及びコリメータレンズ２４を備えており、半導体レーザ２２から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ２４でコリメートされて、エリア群の無い略均一な光すなわち平均的な光量分布のレーザ光としてファイバ型カプラ１４へ、出射される。ファイバ型カプラ１４は、詳細を後述する形成方法にて形成された出力用ファイバ３４及び３６を備えており、出力用ファイバ３４の中心と光源モジュール１２の光軸とが一致されるべく調整される。これにより出力用ファイバ３４が半導体レーザ２２からの主要なレーザ光（光プロファイルの中央付近の光）を出射する。一方、出力用ファイバ３６は、光源モジュール１２から出射されたレーザ光のうち光プロファイルの裾の付近のレーザ光が入射されるべく調整されており、出射側には光検出器１６が設置されている。

なお、上記ファイバ型カプラ１４及び光検出器１６を備えた構成の装置は、本発明の光検出装置に対応する。また、光検出器１６は本発明の検出手段及び受光手段に対応し、ＡＰＣドライバ２０が本発明の制御手段に対応する。

光検出器１６は、入力されたレーザ光の光量（強度）に応じた電気信号を出力するセンサであり、出力信号は信号処理装置１８を介してＡＰＣドライバ２０へ向けて出力されるようになっている。信号処理装置１８は、微弱な光検出器１６の出力信号からノイズ除去や増幅処理を施す回路で構成されている。ＡＰＣドライバ２０は、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の光強度を制御するための回路であり、信号処理装置１８を介して入力された光検出器１６の信号に応じて、半導体レーザ２２から予め定めた光強度のレーザ光が出射されるように半導体レーザ２２を駆動制御する。

（ファイバ型カプラの形成）
本実施形態に用いる出力用ファイバ３４はステップインデックス（ＳＩ）型ファイバが望ましい。これは、ファイバは、その性能向上やコストダウンの観点からＳＩ構造を採用することが好ましいものであるためである。また、本実施形態では、出力用ファイバ３４としてマルチモードファイバを用いている。

図１に示すように、ファイバ型カプラ１４が備えた出力用ファイバ３４は、コア４０の外周に屈折率の低い第１クラッド層４２を薄く覆い、その第１クラッド層４２の外周にコア４０と同素材の第２クラッド層４４を形成し、その最外周を樹脂系部材で保護コートした保護層４６を備えたものである。本実施形態では、一例として、コア径３３μｍでクラッド径６０μｍのファイバを用いた場合を説明する。

まず、上記構成の所定長さのファイバを２本用意し、それらの最外被覆である保護層４６をストリッパーなどを使用し、その用意したファイバの中心付近を所定距離（例えば３０ｍｍ程度）除去する。図２（Ａ）には、保護層４６が除去された２本のファイバを示した。図では、２本のファイバを出力用ファイバ３４、３６とし、出力用ファイバ３４で保護層４６が除去されて露出した第２クラッド層４４をクラッド層４４Ｘ、出力用ファイバ３６で保護層４６が除去されて露出した第２クラッド層４４をクラッド層４４Ｙと表記している。

次に、図２（Ｂ）に示すように、被覆が除去された部分（クラッド層４４Ｘ、４４Ｙ）のガラス部位を押し付けながら接触させ、その接触部分をヒータ等の加熱器によりガラスの溶融温度１５００℃程度で加熱する。この過熱により、接触部分の第２クラッド層４４の一部が溶融して、２本のファイバ（出力用ファイバ３４、３６）が接着される。なお、接着した部位にＵＶ硬化接着剤を薄く塗布して補強することが好ましい。

過熱により接着された２本のファイバ（出力用ファイバ３４、３６）の接触部分で第２クラッド層４４の一部が溶融した任意の位置（中心付近等。例えば図２（Ｂ）に印Ｃｕｔで示した位置）でファイバを切断する。このようにすると、切断部分の端面２７（図３（Ａ）参照）から２本のファイバが一体化した領域を経て２又に分かれる出力用ファイバ体３２（図６参照）が得られる。本実施形態では、この出力用ファイバ体３２がファイバ型カプラ１４を構成する。この出力用ファイバ体３２を構成する出力用ファイバ３４、３６は各々同一の光学的な特性を有することになる。なお、本実施形態では、便宜上、出力用ファイバ３４を光源モジュール１２からのレーザ光の主要な光成分を伝搬するファイバに設定した場合を説明する。

（ファイバ型カプラの調整）
光源モジュール１２からのレーザ光は、その光強度分布がガウス分布となる（図３（Ｂ）参照）。このため、略均一な光強度分布のレーザ光を安定して得るためには、ガウス分布の中央付近のレーザ光を用いることが好ましい。このため、出力用ファイバ体３２の出力用ファイバ３４側の中心と、光源モジュール１２からのレーザ光の中心（ガウス分布の中央付近）とが一致するように、光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置を調整する。なお、前記相対位置が調整された光源モジュール１２及びファイバ型カプラ１４は、カプラ付きのレーザモジュール素子として用いることができる（図６参照）。

上記光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置の調整について、光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４との光結合の詳細を説明する。

図３（Ａ）に示す出力用ファイバ体３２の切断面である端面２７には、光源モジュール１２からのレーザ光が入射される。なお、光源モジュール１２からのレーザ光の出射により、出力用ファイバ体３２の切断面である端面２７を含む平面は、ファイバ型カプラ１４側からみると入射部２６（本発明の入射部）を構成することになる。
この入射部２６に端面２７が位置した部分が、本発明の結合部に対応する。

ここで、光源モジュール１２によるレーザ光は、コリメータレンズ２４により光強度分布が最適化されている。すなわち、出力用ファイバ３４のコア４０においてレーザ光を伝搬させるために、コア４０の径に対応する光束（図３（Ｂ）の矢印ＬＣに対応する光束）が、略均一な光強度分布のレーザ光として予め定めた光強度変動量以内の光束となるように、コリメータレンズ２４により光強度分布が最適化される。

通常、レーザ光の光束は、最大光強度の１／ｅ^２ の光強度で規定するが、それを最大光束として、最大光束より小さいコア４０の径に対応する光束が略均一な光強度分布のレーザ光として用いられる。従って、本実施形態では、光源モジュール１２からの最大光束より小さい径の出力用ファイバが複数束ねられてファイバ型カプラ１４が構成されることになる。

以上のことにより、光源モジュール１２からのレーザ光を有効に利用するために、出力用ファイバ体３２の出力用ファイバ３４側の中心と、光源モジュール１２からのレーザ光の中心（ガウス分布の中央付近）とを一致させるべく、光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置が調整される。これにより、出力用ファイバ３４のコア径と、光強度分布が最適化された光源モジュール１２からのレーザ光が結合される。これによって、図３に示すように、出力用ファイバ３４のコア４０に対するレーザ光の空間分布で、光強度分布の中心付近のレーザ光がコア４０に結合されて、開口数ＮＡも出力用ファイバ３４のコア４０に対応して使用できる。

このように光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置を調整することにより、出力用ファイバ３４によるレーザ光のファイバ伝送により、安定した出力を得ることと出力用ファイバ３４の出射口における光強度分布が均一性あるレーザ光を高効率に得ることができる。

（光強度検出）
図３に示したように、光強度の空間均一性を図るために、光強度のガウス分布の裾野に対応するレーザ光（図３（Ｂ）の矢印ＬＢに対応する光束）は、出力用ファイバ３４のコア４０に光結合されない。その光結合されないレーザ光の一部はコア４０と同一素材である第２クラッド層４４へ結合される。図４には、光源モジュール１２からのレーザ光についての光強度分布と、出力用ファイバ３４と、出力用ファイバ３４の屈折率分布との関係を示した。図４の光強度分布の特性図では、比較のために、出力用ファイバ３４のコア４０の径に対応して光強度分布が最適化されていない光束を、点線で示した。図４からも理解されるように、ガウス分布の裾野に対応するレーザ光は、第２クラッド層４４へ結合される。

図５には、出力用ファイバ体３２の端面２７付近におけるレーザ光の伝搬状態をイメージとして示した。なお、図５では、出力用ファイバ３４に光結合されるレーザ光の裾野部分は微弱なレーザ光で、出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４にのみ光結合される状態を示している。

出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４に光結合された光源モジュール１２からの裾野部分のレーザ光は、出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４を伝搬しつつ、一定の条件（例えば反射条件等）により溶融接着された隣接する出力用ファイバ３６の第２クラッド層４４に伝搬される。従って、出力用ファイバ３６の第２クラッド層４４に、光源モジュール１２から光強度分布が均一性ある本来使用するレーザ光の裾野部分のレーザ光が伝搬される。この出力用ファイバ３６の伝搬進行方向出射側先端には光検出器１６が設けられているので（図６参照）、その光強度を検出することができる。

（レーザモジュールの作動）
次に、本実施形態にかかるレーザモジュール１０の作動を説明する。上述のように光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置を調整することにより、出力用ファイバ３４によるレーザ光のファイバ伝送について、出力用ファイバ３４の出射口における光強度分布が均一性あるレーザ光を伝搬させることができる。

出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４には光源モジュール１２から光強度分布が均一性ある本来使用するレーザ光以外の周辺光（裾野部分のレーザ光）が光結合されて伝搬された後に出力用ファイバ３６へと伝搬される。この出力用ファイバ３６の光強度を光検出器１６で検出し出力する。信号処理装置１８は、光検出器１６の出力信号からノイズ除去や増幅処理を施す。その各処理が施された電気信号に応じてＡＰＣドライバ２０は、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の光強度を制御する。すなわち、ＡＰＣドライバ２０は、光源モジュール１２からのレーザ光の光強度として検出した光検出器１６の信号に応じて、半導体レーザ２２から予め定めた光強度のレーザ光が出射されるように半導体レーザ２２を駆動制御する。

これによって、光源モジュール１２は、出力用ファイバ３４から安定した出力のレーザ光を出力でき、また、その出力用ファイバ３４の出射口におけるレーザ光は光強度分布が均一性あるレーザ光として提供できる。従って、レーザモジュール１０は安定した出力でかつ高効率のレーザ光を提供することができる。

（変形例）
上記では、同一素材の出力用ファイバを２本（出力用ファイバ３４、３６）用いて出力用ファイバ体３２を形成した場合を説明したが、光検出器１６へレーザ光を案内する出力用ファイバ３６は、安定した出力のレーザ光を提供する出力用ファイバ３４と同一素材であることは必須ではない。すなわち、出力用ファイバ３６は、出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４に光結合された光源モジュール１２からの裾野部分のレーザ光を伝搬可能なものであればよい。

図７に示すように、例えば、出力用ファイバ３６に代えて石英ロットファイバ３７を出力用ファイバ３４と溶融接着して出力用ファイバ体３２を形成する。この石英ロットファイバ３７は、出力用ファイバ３４のコア４０と同一素材であることが好ましい。出力用ファイバ３４のコア４０と同一素材の石英ロットファイバ３７を用いることは、出力用ファイバ３４の第１クラッド層４２の界面からの反射損を少なくすることができるので望ましい形態である。

なお、端面２７（光結合部）から光検出器１６までの出力用ファイバ３６（または石英ロットファイバ３７）の距離は３０ｃｍ以上１００ｃｍ以下とすることが好ましい。これは、第２クラッド層４４（または石英ロットファイバ３７）にレーザ光を閉じこめる効果を期待できる距離が短いことと、光検出用ファイバの出力端（端面２７）を光検出器１６への接続処理に必要な長さを確保するためである。

また、半導体レーザ２２はＦＦＰ（ファーフィールドパターン）の垂直成分と水平成分の広がり角に違いがあり、広がり角の大きい成分が融着部位の延長線上になるように設定されることが望ましい。半導体レーザの場合、一般的な構造においては、活性層の積層方向へ広がり角が大きくなり、ストライプの幅方向の広がり角は小さくなる。ここで用いる半導体レーザもこれに倣うものとする。

さらに、レーザ光の光出力について、周辺環境に依存しないように、ＴＥＣ等の冷却機構を光源モジュール１２に一体形成することが好ましい。

さらにまた、上記では、出力用ファイバ３４に光結合されるレーザ光の裾野部分は微弱なレーザ光で、出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４にのみ光結合される場合（図５）を説明したが、出力用ファイバ３６の第２クラッド層４４やコア４０（または石英ロットファイバ３７）に直接的に光結合した場合も適用可能であることは勿論である。すなわち、光源モジュール１２から光強度分布が均一性ある本来使用するレーザ光以外の周辺光（裾野部分のレーザ光）を用いることができればよく、その裾野部分のレーザ光が出力用ファイバ３６のコア４０へ到達した場合には、光検出器１６で検出できる光強度が増加するので、さらに好ましい結果を生むことになる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態は、上記実施形態とほぼ同様の構成のため、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図９は、本実施形態に係るファイバ型カプラを用いたレーザモジュールの概略構成を示したものである。本実施形態のレーザモジュールは、光源モジュール１２、入力側ファイバ３０と出力用ファイバ体３２とからなるファイバ型カプラ１４、光検出器１６、光検出器１７、信号処理装置１８，及びＡＰＣドライバ２０を備えている。

光源モジュール１２から出射されたレーザ光は、ファイバ型カプラ１４へ、出射される。ファイバ型カプラ１４は、上記実施形態と同様の形成方法にて形成された出力用ファイバ３４、３６及び３８、これらに融着接続された入力側ファイバ３０を備えている。入力側ファイバ３０は、例えばコア径５０μｍ／クラッド外径１２５μｍのマルチモードファイバを用いる。ファイバ型カプラ１４は、入力側ファイバ３０の中心と光源モジュール１２の光軸とが一致されるべく調整される。なお、ファイバ型カプラ１４は出力用ファイバ３４の中心と入力側ファイバ３０の中心とが一致されるべく調整される。これにより出力用ファイバ３４が半導体レーザ２２からのレーザ光で入力側ファイバ３０のコア３１を伝搬したレーザ光のうち主要なレーザ光（光プロファイルの中央付近の光）を伝搬する。一方、出力用ファイバ３６、３８は、入力側ファイバ３０のコア３１を伝搬したレーザ光のうち光プロファイルの裾野付近のレーザ光が入射されるべく調整されており、出射側には光検出器１６、１７が設置されている。

光検出器１７は、入力されたレーザ光の光量（強度）に応じた電気信号を出力する光検出器１６と同様の構成のセンサである。これらの光検出器１６、１７の出力信号は信号処理装置１８に入力されるようになっている。信号処理装置１８は、光検出器１６、１７の出力信号を合成して上記処理を施した後にＡＰＣドライバ２０へ出力する。

なお、図１０に示すように、上記実施形態と同様に、光検出器１６、１７へレーザ光を案内する出力用ファイバ３６、３８は、石英ロットファイバ３７、３９でもよい。

（ファイバ型カプラの形成）
本実施形態では、ファイバ伝送により、安定出力を得ることとファイバ出射口における光強度分布が均一性を有するように高効率な構成を得るために、３本の出力用ファイバ（３４，３６，３８）が融着接続されて出力用ファイバ体３２が形成される。すなわち、出力用ファイバ３４の両側（図８の紙面に水平方向で出力用ファイバ３４に対して両者が対峙した位置）に、上記実施形態と同様に出力用ファイバ３６，３８が過熱により接着されその接触部分で第２クラッド層４４の一部が溶融することで融着接続される。

そして、融着接続された３本のファイバ（出力用ファイバ３４、３６、３８）の溶融した任意の位置（中心付近等）でファイバを切断する。このようにすると、切断部分の端面２７（図８（Ａ）参照）から３本のファイバが一体化した領域を経て３又に分かれる出力用ファイバ体３２（図９参照）が得られる。また、出力用ファイバ体３２の端面２７には、別途用意した入力側ファイバ（例えばコア径５０μｍ／クラッド外径１２５μｍ）が融着接続される。本実施形態では、この３本の出力用ファイバからなる出力用ファイバ体３２と入力側ファイバ３０とがファイバ型カプラ１４を構成する。

なお、３本のファイバ（出力用ファイバ３４、３６、３８）の溶融した任意の位置（中心付近等）の切断部分の端面２７と入力側ファイバ３０との接合した部分が、本発明の構造部に対応する。

ここで、ファイバ型カプラ１４における入力側ファイバ３０と出力用ファイバ体３２との関係について説明する。

本実施形態は、入力側ファイバ３０から入射されたレーザ光のうち周辺光（光強度分布であるプロファイルの裾野部分のレーザ光）を隣接する出力用ファイバで伝搬させて光出力検出用のレーザ光として利用するものである。すなわち、入力側ファイバ３０のコア径が出力用ファイバ３４のコア径より大きく設定され、出力用ファイバ３４の周囲に、光出力検出用のレーザ光を伝搬するための出力用ファイバ３６、３８が配置された構成になっている。この入力側ファイバと出力用ファイバ（または出力用ファイバ体３２）との関係は、次の数式で表すことができる。
Ｄｉｎ・ＮＡ１ ＞ Ｄｏｕｔ・ＮＡ２
但し、Ｄｉｎは入力側ファイバ３０のコア径、Ｄｏｕｔは出力側ファイバ３４のコア径、ＮＡ１は入射側ファイバ３０の開口数、ＮＡ２は出力側ファイバ３４の開口数である。

上記数式に示す関係を満たす入力側ファイバ３０と出力用ファイバ３４であれば、その出力用ファイバ３４に隣接する出力用ファイバ３６、３８に、入力側ファイバ３０からのレーザ光（光強度分布であるプロファイルの裾野部分のレーザ光）が漏れ入ることになる。この場合、裾野部分のレーザ光が入射される出力用ファイバ３６、３８では、コア及びクラッド層に限らず、光出力検出用としてレーザ光が伝搬される。

なお、ここでは、３本の出力用ファイバからなる出力用ファイバ体３２について説明したが、上記実施例のように２本の場合にも適用可能である。

（ファイバ型カプラの調整）
図８には、本実施形態にかかる出力用ファイバ体３２を含むファイバ型カプラ１４について、光結合時の出力用ファイバ周辺と光源モジュールの光強度分布の関係を示したものである。図８（Ａ）には、出力用ファイバ３４の両側（図８では紙面に水平方向で出力用ファイバ３４に対して両者が対峙した位置）に出力用ファイバ３６，３８を融着接続して形成した端面２７が示されている。また、この端面２７には、入力側ファイバ３０が融着接続されている。図８（Ｂ）には、光源モジュール１２からのレーザ光が入力側ファイバ３０のコア３１を伝搬して出力用ファイバ体３２へ入射されるときの光強度分布が示されている。

ファイバ型カプラ１４を構成する入力側ファイバ３０と出力用ファイバ体３２とは、光軸の位置合わせが必要である。すなわち入力側ファイバ３０のコア３１中心と出力用ファイバ体３２のうちの出力用ファイバ３４のコア４０中心との位置合わせが必要である。この場合、このとき、入力側ファイバ３０のコア３１を観察しながら両者を位置決めできるため、精度よく位置合わせすることができ、結合損を少なくすることができる。

なお、入力側ファイバ３０の中心（コア３１の中心）と、光源モジュール１２からのレーザ光の中心（ガウス分布の中央付近であり、光軸でもよい）とが一致するように、光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置を調整する。

ところで、光源モジュール１２によるレーザ光は、入力側ファイバ３０を介して出力用ファイバ体３２に入射される。出力用ファイバ体３２の切断面である端面２７には、光源モジュール１２からのレーザ光が入力側ファイバ３０を介して入射される。なお、出力用ファイバ体３２の切断面である端面２７と、入力側ファイバ３０との接合面を含む平面は、ファイバ型カプラ１４の構造部を構成することになる。

ファイバ型カプラ１４に入力側ファイバ３０を備えて、光源モジュール１２と、出力用ファイバ体３２との光合波部分を入力側ファイバ３０にすることで、位置制御・ズレに対しては強固で調整が容易に行えるようになる。また、入力側ファイバ３０とコリメータレンズ２４からのレーザ光の入射も位置制御精度については、光源モジュール１２からのレーザ光を直接出力用ファイバ体３２へ入射させる場合（例えば図６の構造）に比べて位置精度誤差の許容量を多くとることができる見積設計が可能となる。また、光源モジュール１２からのレーザ光が入力側ファイバ３０中を伝搬することで、ＮＡ依存の光強度が導波拡散により、光源モジュール１２からのレーザ光を直接出力用ファイバ体３２へ入射させる場合（例えば図６の構造）よりも強度分布が平準化される効果がある。

光源モジュール１２からのレーザ光は、出力用ファイバ３４のコア径より大きいコア径の入力側ファイバ３０のコア３１により伝搬される。従って、入力側ファイバ３０のコア３１により伝搬されるレーザ光の光束を最大光束として、最大光束より小さい出力用ファイバ３４のコア４０の径に対応する光束が略均一な光強度分布のレーザ光として用いられる。従って、本実施形態では、光源モジュール１２からの最大光束より小さい径の出力用ファイバが複数束ねられてファイバ型カプラ１４が構成されることになる。このことは、入力側ファイバ３０と出力用ファイバ３４とが上記数式で示した関係を有することになる。

以上のことにより、光源モジュール１２からのレーザ光を有効に利用するために、入力側ファイバ３０の中心と、光源モジュール１２からのレーザ光の中心（ガウス分布の中央付近）とを一致させるべく、光源モジュール１２とファイバ型カプラ１４の相対位置が調整される。また、出力用ファイバ体３２は、出力用ファイバ体３２の出力用ファイバ３４側の中心と、入力側ファイバ３０の中心とを一致させるべく、調整される。これにより、出力用ファイバ３４のコア径と、光強度分布が最適化された光源モジュール１２からのレーザ光が結合される。これによって、図８に示すように、出力用ファイバ３４のコア４０に対するレーザ光の空間分布で、光強度分布の中心付近のレーザ光がコア４０に結合されて、開口数ＮＡも出力用ファイバ３４のコア４０に対応して使用できる。

（光強度検出及びレーザモジュールの作動）
入力側ファイバ３０（コア３１）を伝搬したレーザ光は、主要部が出力用ファイバ３４に結合され、裾野に対応する不要部は、出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４または出力用ファイバ３４の第２クラッド層４４と出力用ファイバ３６、３８に光結合される。この結果、前記裾野に対応するレーザ光は、出力用ファイバ３６、３８を伝搬して、光検出器１６，１７で、その光強度が検出される。光検出器の一例としては、シリコンフォトダイオードを用いることができる。

光検出器１６，１７で検出された各光強度に応じた電気信号について信号処理装置１８で合成、コンデンサを用いたノイズ除去や増幅処理が施され、その各処理が施された電気信号に応じてＡＰＣドライバ２０は、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の光強度を制御する。すなわち、ＡＰＣドライバ２０は、光源モジュール１２からのレーザ光の光強度として検出した光検出器１６の信号に応じて、半導体レーザ２２から予め定めた光強度のレーザ光が出射されるように半導体レーザ２２を駆動制御する。

これによって、光源モジュール１２は、出力用ファイバ３４から安定した出力のレーザ光を出力でき、また、その出力用ファイバ３４の出射口におけるレーザ光は光強度分布が均一性あるレーザ光として提供できる。従って、レーザモジュール１０は安定した出力でかつ高効率のレーザ光を提供することができる。

（変形例）
上記では、光出力検出用としての２本の出力用ファイバ３６，３８の各々に光検出器１６、１７を備えた場合を説明したが、図１１に示すように、これら２本の出力用ファイバ３６，３８を束ねて光検出器１６へ導光するようにしてもよい。このようにすることで、光検出器の個数を削減することができる。

〔特徴〕
以上説明したように、上記各実施形態は、以下の特徴を有している。

第１の特徴は、ファイバにコア径の大きいマルチモードファイバを用いていることである。すなわち、単一モードで使用される合波器、分波器などの光パワー合分岐モジュールは広く知られているが、コア径が３０μｍ以上のマルチモードファイバを用いたレーザモジュールは固有のものである。

第２の特徴は、光出力検出用（光強度検出用）として取り出す光信号（レーザ光）を、少なくとも出力用ファイバのクラッド層を伝搬させて用いることである。通常は、レーザ共振器のバックエンドに検出器を配置したり、タップカプラを用いて分岐することで検出用の光を取り出す。一方、本実施形態では、均一な空間分布を得つつ、光量制御用（光強度制御用）のレーザ光を取り出すのに結合損とされる成分（上記裾野のレーザ光）を用いるので、高効率で出力分布均一性のレーザモジュールを得ることができる。

第３の特徴は、４０５ｎｍ帯の波長に対応していることである。通信用光源としての近赤外（１〜１．５μｍ帯）や、ＣＤ，ＣＤ−Ｒ等の光記録用赤色光源は一般的であるが、４０５ｎｍ帯の波長に対応したレーザモジュールを構成することは、上記実施形態に固有のものである。

第４の特徴は、光を結合する主ファイバ（出力用ファイバ３４）の周囲に複数のファイバ（出力用ファイバ３６や出力用ファイバ３８）を融着接続する構成により出力用ファイバ体３２を形成することである。これは、ファイバ（出力用ファイバ３４）のクラッドに結合したレーザ光を伝搬していき、そのレーザ光をも光出力検出用として接合した他のファイバ（出力用ファイバ３６や出力用ファイバ３８）からレーザ光を取り出すことが可能に構成することで、容易に検出光を取り出すことができる。また、既存のファイバをそのまま使用できるので、コストを抑えることができる。

第５の特徴は、レーザ光を結合する主ファイバ（出力用ファイバ３４）の周囲にコアと光学特性（屈折率）が同様な石英ロット（石英ロットファイバ３７や石英ロットファイバ３９）を融着接続した構成が可能であることである。この特徴は、石英ロット（石英ロットファイバ３７や石英ロットファイバ３９）中に第１クラッド、コア等のバリアがないことから、既存のファイバをガイドに使用する場合と比べて、ファイバ内に光が伝搬しない領域がなく、ガイド断面を一様に光が伝搬でき、出力端面にて一様な出力強度分布となり、光検出器感受部への挿入が若干安定になる点にある。

第６の特徴は、光出力（光強度）の検出機構として光ガイド構成部をファイバのみで構成できることである。これは、空間分岐などでは必要になるレンズ等を備えることが不要であるため、コスト削減効果がある。

〔応用例〕
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。例えば、上記実施形態の組み合わせは容易に適用できる。

例えば、図１２に示すように、第１実施形態のレーザモジュール１０において入力側ファイバ３０を備える構成にすることや、図１３に示すように、第２実施形態のレーザモジュール１０において入力側ファイバ３０を有しない構成にすること等のように、一部の構成を付加したり取り除いた構成は容易に実現することができる。

なお、上記では、２本または３本の出力用ファイバを用いて出力用ファイバ体３２を構成した場合を説明したが、本発明はこれらの本数に限定されるものではなく、４本以上で出力用ファイバ体３２を構成してもよい。

出力用ファイバの概略構造を示す断面図である。 ファイバ型カプラが備える出力用ファイバ群を示し、（Ａ）は保護層を除去した出力用ファイバ、（Ｂ）は除去した第２クラッド層の接触状態を示すイメージ図である。 本発明の第１実施形態にかかるファイバ型カプラについて、光結合時の出力用ファイバと光源モジュールの光強度分布の関係を示し、（Ａ）は出力用ファイバ体の切断面である端面形状を示し、（Ｂ）は光源モジュールの光強度分布を示すイメージ図である。 光源モジュールと出力用ファイバとの関係を示し、光源モジュールのレーザ光の光強度分布、出力用ファイバの構造、出力用ファイバの屈折率分布の関係を示すイメージ図である。 出力用ファイバ体３２の端面２７付近におけるレーザ光の伝搬状態をイメージとして示した。 本発明の第１実施形態に係るファイバ型カプラを用いたレーザモジュールの概略構成図である。 出力用ファイバとして石英ロットファイバを用いた図６の変形例を示す構成図である。 本発明の第２実施形態にかかるファイバ型カプラについて、光結合時の出力用ファイバ周辺とレーザ光の光強度分布の関係を示し、（Ａ）は出力用ファイバ体の切断面周辺形状を示し、（Ｂ）は入力側ファイバを伝搬したレーザ光の光強度分布を示すイメージ図である。 本発明の第２実施形態に係るファイバ型カプラを用いたレーザモジュールの概略構成図である。 出力用ファイバとして石英ロットファイバを用いた図９の変形例を示す構成図である。 出力用ファイバとして石英ロットファイバを用いた図９の他の変形例を示す構成図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第１の応用例の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第２の応用例の概略構成図である。

符号の説明

１０ レーザモジュール
１２ 光源モジュール
１４ ファイバ型カプラ
１６ 光検出器
１８ 信号処理装置
２０ ＡＰＣドライバ
２２ 半導体レーザ
２４ コリメータレンズ
２７ 端面
３０ 入力側ファイバ
３１ コア
３２ 出力用ファイバ体
３４ 出力用ファイバ
３６ 出力用ファイバ
３８ 出力用ファイバ
４０ コア
４２ 第１クラッド層
４４ 第２クラッド層
４６ 保護層

Claims (15)

1. 光源から所定出射角で出射されたレーザ光を入射する入射部と、
   前記入射部におけるレーザ光のビーム径より小さい径の複数の出力側ファイバと、
   少なくとも１本の出力側ファイバを光出力検出用ファイバとして前記複数の出力側ファイバを束ねた端面を前記入射部に配置して前記入射部におけるレーザ光を前記複数の出力側ファイバに結合する結合部と、
   を備えたファイバ型カプラ。
2. 前記入射部におけるレーザ光の光束中心と、前記複数の出力側ファイバのうち前記光出力検出用ファイバ以外の１つの出力側ファイバの中心を一致させることを特徴とする請求項１に記載のファイバ型カプラ。
3. 光源からのレーザ光を伝搬するための入力側ファイバと、
   入力側ファイバコア径Ｄｉｎ、出力側ファイバコア径Ｄｏｕｔ、入射側ファイバの開口数ＮＡ１、出力側ファイバの開口数ＮＡ２、とするとき、
   Ｄｉｎ・ＮＡ１ ＞ Ｄｏｕｔ・ＮＡ２
   の関係を有する複数の出力側ファイバと、
   少なくとも１つを光出力検出用ファイバとする前記複数の出力側ファイバを束ねた端面を前記入力側ファイバの端面と接合した構造部と、
   を備えたファイバ型カプラ。
4. 前記光出力検出用ファイバに設定された出力側ファイバは、光出力検出用のレーザ光が伝搬する導波層が該出力側ファイバのクラッド層及びコアの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のファイバ型カプラ。
5. 前記入力側ファイバの光軸と前記複数の出力側ファイバのうち前記光出力検出用ファイバ以外の１つの出力側ファイバの光軸とを一致させて接合することを特徴とする請求項３に記載のファイバ型カプラ。
6. 前記出力側ファイバは、マルチモードファイバであり、該マルチモードファイバを複数束ねて溶融融着した後に該溶融部を切断した断面を、前記複数の出力側ファイバを束ねた端面とする構造であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のファイバ型カプラ。
7. 前記入力側ファイバ及び出力側ファイバは、マルチモードファイバであり、該マルチモードファイバである複数の出力側ファイバを複数束ねて溶融融着した後に該溶融部を切断した断面を、前記複数の出力側ファイバを束ねた端面とすると共に、該端面をマルチモードファイバである入力側ファイバの端面に融着接続した構造であることを特徴とする請求項３に記載のファイバ型カプラ。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のファイバ型カプラと、
   前記光出力検出用ファイバを伝搬したレーザ光を検出する単一の検出手段と、
   を備えた光検出装置。
9. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のファイバ型カプラにおける前記複数の出力側ファイバのうち前記光出力検出用ファイバとしての複数の出力側ファイバが設定されたカプラ手段と、
   前記カプラ手段の複数の前記光出力検出用ファイバを伝搬したレーザ光を検出する単一の検出手段と、
   を備えた光検出装置。
10. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のファイバ型カプラと、
    レーザ光を出射する光源と、
    前記ファイバ型カプラの前記光出力検出用ファイバから出力されるレーザ光の光強度を検出する受光手段と、
    受光手段で検出したレーザ光の光強度に基づいて、予め定めた光量となるように前記レーザ光源を制御する制御手段と、
    を備えたレーザモジュール。
11. 前記ファイバ型カプラは、３本の出力側ファイバを束ねて前記端面を構成し、該３本の出力側ファイバのうち２本を光出力検出用ファイバとし、前記受光手段は、前記２本の光出力検出用ファイバから出力されるレーザ光の光強度を検出することを特徴とする請求項１０に記載のレーザモジュール。
12. 前記光出力検出用ファイバは、石英ロットファイバから構成されることを特徴とする請求項１１に記載のレーザモジュール。
13. 前記光源と前記ファイバ型カプラは、前記出力側ファイバに入射されるレーザ光の光量分布の裾野部分が前記出力側ファイバのクラッド層へ結合するように調芯されたことを特徴とする請求項１０に記載のレーザモジュール。
14. 前記光源は、波長が４０５ｎｍ域の半導体レーザを用いることを特徴とする請求項１０に記載のレーザモジュール。
15. 請求項１０乃至請求項１４の何れか１項に記載のレーザモジュールの調芯方法であって、
    前記光源と前記ファイバ型カプラについて、前記出力側ファイバに入射されるレーザ光の光量分布の裾野部分が前記出力側ファイバのクラッド層へ結合するように調芯する
    ことを特徴とするレーザモジュールの調芯方法。

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