JP2008268755A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】保護媒体の劣化を防いで光量変動を抑制することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】発光素子から出射されレンズを透過したレーザ光Ｌはガラス部材３０を介して光ファイバ５４Ａに入射される。ガラス部材３０はスタブ２８に保持される。ファイバ５４の端面にはコート膜５５が形成され、レンズを透過したレーザ光Ｌは、コート膜５５上ではなく、ガラス部材３０の内部であるＰ点付近に集光されて光ファイバ５４Ａに入射する。レーザ光Ｌは、光ファイバ５４Ａに入射される際のビーム径が光ファイバ５４Ａのコア径以下となり、かつ光ファイバ５４Ａの端部に入射されるレーザ光Ｌの入射角度が光ファイバ５４Ａの開口率で定まる最大入射角以下の角度で入射される。
【選択図】図５

Description

本発明は、光モジュールに係り、特に、半導体レーザ等の発光素子を備えた発光素子モジュールと光ファイバとを接続して光を伝播する光モジュールに関する。

従来、光ファイバとスタブガラスとが接触した光ファイバモジュール（例えば特許文献１乃至特許文献３参照）では、短波長（例えば５３０ｎｍより短い波長）の光ビームを扱う場合に光ファイバコアまたはスタブガラス内に集光された光ビームによってスタブガラスが変質する場合があり、これにより光吸収の増大や光散乱によって光ファイバまたはスタブガラスの透過率が低下してしまう場合がある。
特開平２−８１００８号公報 特開平４−２２３４１２号公報 特開２００７−６５３１８号公報

更に、上記のような構成において光ビームの集光位置は一般的に光ファイバコアの端面に設定されるが、光ビームの波長が短波長でパワー密度が高い場合、光ファイバのコア端面に集光された光ビームによって、光ファイバコアの端面と光ファイバコアと接触するスタブガラス端面のいずれか、もしくは両方の表面のガラスが一部融解し融着することが認められる。光ファイバコアの端面と光ファイバコアと接触するスタブガラス端面が融着すると、わずかな外部振動が起こった場合や、ファイバの取り外しを行った際に、表面のガラスが剥離する可能性があり、剥離表面の凹凸による光散乱等で、透過損失が増大し、信頼性に影響を及ぼす問題があった。

このような問題に対し、光ファイバコアとスタブガラスとの間にコート膜等の保護媒体を設けることが考えられるが、その場合であっても通常は光ファイバの端面に集光させるのが一般的と考えられる。

しかしながら、コート膜は通常のバルクのガラスと比較して光の吸収が大きいため、高いビーム密度における熱吸収によりコート膜が劣化する場合がある。

例えば、発光素子のモジュールに接続するためのコネクタ付の光ファイバにコート膜を形成する場合、そのコネクタが樹脂の場合はコート膜の成膜温度を上げることができないため、コート膜に用いることができる材料が限られてしまい光吸収が大きい材料でコート膜を形成する場合に、コート膜に光ビームを集光させるとコート膜部分が劣化する場合がある。その結果、光量変動が大きくなる場合がある、という問題があった。

本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、保護媒体の劣化を防いで光量変動を抑制することができる光モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、光ファイバと、所定波長の光を発光する発光素子と、前記発光素子から出射された光を入射して前記光ファイバへ向けて出射する光学部材と、前記光ファイバと前記光学部材との間に設けられた保護媒体と、前記発光素子から出射された光を前記光学部材の内部又は前記光ファイバの内部に集光する集光光学系と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、発光素子から出射された光を光ファイバと光学部材との間に設けられた保護媒体上ではなく、光学部材の内部又は光ファイバの内部に集光させるため、保護媒体の劣化を防ぐことができ、光量変動を抑制することができる。

なお、請求項２に記載したように、前記集光光学系は、前記光ファイバの端部に入射される光の前記端部におけるビーム径が前記光ファイバのコアのコア径以下となり、かつ前記光ファイバの端部に入射される光が前記光ファイバの最大入射角以下の角度で入射される位置に配置された構成とすることが好ましい。これにより、光損失を抑えることができる。

この場合、請求項３にも記載したように、前記光ファイバは、マルチモード光ファイバであることが好ましい。これにより入力効率を高めることができる。

また、請求項４に記載したように、前記発光素子から出射された光が集光される前記光学部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％]未満であり且つ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であることが好ましい。これにより、光の吸収を抑えて組成変化等の光学部材の特性変化を防ぐことができる。

また、請求項５に記載したように、前記保護媒体は、ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２、及びＡｌＦ_３の何れかであることが好ましい。

また、請求項６に記載したように、前記所定波長が短波長領域の波長である場合に光損失の増加を抑える効果が顕著となる。

この場合、請求項７に記載したように、前記所定波長が１９０［ｎｍ］〜５３０［ｎｍ］であることが好ましい。

また、請求項８に記載したように、前記所定波長が４００［ｎｍ］〜４１５［ｎｍ］であり、かつ前記保護媒体が前記所定波長の１／２以下の厚みを有すると共に、前記所定波長の光の前記保護媒体上におけるパワー密度が１．４ＧＷ／ｍ^２以下となるように前記集光光学系が配置された構成としてもよい。これにより、光量変動を効果的に抑えることができる。

本発明によれば、保護媒体の劣化を防いで光量変動を抑制することができる、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。

本発明の実施形態に係るレーザモジュール１０について説明する。なお、図面において、レーザ光の光軸方向を矢印Ｚ、その軸の回転方向を矢印Ｒ、光軸と交差する水平方向を矢印Ｘ、光軸と交差する垂直方向を矢印Ｙとして示している。なお、これらの各方向は便宜上示すものであり、レーザモジュール１０を使用する際の方向を限定するものではないことは言うまでもない。

図１は、レーザモジュール１０の主要部を一部分解してその外観の概略を斜視図にて示したものであり、図２は、レーザモジュール１０の概略平面図である。図３はレーザモジュール１０の平面の概略断面図（図４のＢ−Ｂ断面図）を示し、図４は、レーザモジュール１０の側面の概略断面図（図３のＡ−Ａ断面）を示したものである。図３及び図４は、発光素子モジュール１２の詳細が理解できるように、一部の固定ネジの記載を追加している。

図１に示すように、レーザモジュール１０は、発光素子モジュール１２，ファイバモジュール１４，及びカバー１６を備えている。発光素子モジュール１２は筐体１８に固定される。この発光素子モジュール１２には、ファイバモジュール１４が装着され、装着後にはカバー１６が発光素子モジュール１２に固定される。

図３及び図４に示すように、レーザモジュール１０を構成する発光素子モジュール１２は、半導体レーザ２０を備えており、ＬＤホルダ２２内に収容されている。半導体レーザ２０は、例えばＴＯパッケージ（例えばφ５．６ｍｍのパッケージ）を用いることができる。また、半導体レーザ２０は、例えば可視〜紫外光域の波長のレーザ光を出射する半導体レーザを用いることができるが、本実施形態では、半導体レーザ２０は、短波長（例えば５３０ｎｍ以下の波長）のレーザ光を出射するＴＯパッケージ（例えばφ５．６ｍｍのパッケージ）の高出力半導体レーザを用いている。このＬＤホルダ２２は、ネジ４０により、ヒートシンク３６に固定される。

半導体レーザ２０のレーザ光の出射側には、レンズ２４が設けられる。このレンズ２４は、外形が略円筒状のレンズホルダ２６によって保持されている。このレンズホルダ２６の外径はＬＤホルダ２２の内径と略一致にされており、レンズホルダ２６はＬＤホルダ２２に固定される。

図５に示すように、レンズホルダ２６のレーザ光の射出側には、レンズ２４を透過したレーザ光を外部へ出射するための先端が曲面形状または平面形状のガラス部材３０が設けられる。なお、同図では先端が曲面形状の場合について示している。このガラス部材３０はスタブ２８に保持される。

レンズ２４は、半導体レーザ２０から出射されたレーザ光Ｌが、ガラス部材３０の内部（図５に示すＰ点）付近に集光されるような開口率を有する。これにより、レンズ２４を透過したレーザ光は、ガラス部材３０の内部である図５に示すＰ点付近に集光される。

ガラス部材３０は、例えば純粋な石英で構成することが好ましいが、これに限られない。本出願人が出願した特許文献３に記載された実験結果によれば、レーザ光をガラススタブを介して光ファイバに長時間入射させると、光ファイバの入射端に汚染物質の付着が確認され、一般的なガラススタブにはＮａが２．０［重量％］、Ｋが１．３［重量％］含有されていることが分かった。この光ファイバの入射端に付着した汚染物質は、ガラススタブに含まれるＮａ、Ｋと、光ファイバのクラッドに含まれるＦ（フッ素）が反応して反応物質が発生し、光ファイバの入射端に付着したものと考えられる。従って、Ｎａ、ＫとＦの化学反応による反応物質の発生を抑えるために、本実施形態におけるガラス部材３０のＮａ及びＫのそれぞれの含有量は２．０［重量％］未満であることが望ましい。

また、上記特許文献３にも記載された実験結果によれば、ホウ珪酸ガラスによって構成されたガラススタブを用いた場合、時間経過と共に光損失が増加していることが確認された。ガラススタブに高パワーのレーザ光が長時間照射されたことによって、ガラススタブの組成が変化したり、レーザ光の集光位置付近において微結晶が析出されたりすることによってガラススタブの屈折率等が変化し、光損失増大を招いたと考えられる。特許文献３によれば、上記のホウ珪酸ガラスの光軸方向の長さは２［ｍｍ］であり、４００［ｎｍ］のレーザ光に対する吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であった。従って、短波長領域のレーザ光の吸収を抑えて組成変化等の透明部材の特性変化を防ぐために、本実施形態におけるガラス部材３０の短波長領域の光吸収量は０．６５［％／ｍｍ］未満であることが望ましい。

なお、ガラス部材３０のＮａ及びＫ以外のアルカリ金属の含有量が２．０［重量％］未満としてもよい。

このように、Ｎａ及びＫ（アルカリ金属）のそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満のガラス部材３０を用いることにより、ガラス部材３０に含まれるＮａ、Ｋ（アルカリ金属）と光ファイバのクラッドに含まれるＦの化学反応によって発生する反応物質（汚染物質）の発生を抑えることができる。そして、短波長領域のレーザ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満のガラス部材３０を用いることにより、レーザ光の長時間照射によるガラス部材３０の特性変化を抑え、光損失の増加を防ぐことができる。

スタブ２８は、略円筒形状をしており、中腹部に該円筒形状の外形より大きい直径のフランジ部２８Ａを有している。このスタブ２８の内径は、後述するファイバ５４の直径と略同一とされ、スタブ２８内にファイバ５４が挿入されるようになっている。すなわち、スタブ２８のレーザ光の出力端側は、レセプタクル部２９Ａが設けられたレセプタクル構造となっており、略円筒状の凹部２９が形成されている。この略円筒状の凹部２９に後述する光ファイバケーブル５０内のファイバ５４の一端が挿入されるようになっている。

ファイバ５４は、光ファイバ（ファイバ素線）５４Ａの周囲にフェルール５４Ｂが設けられた構成となっている。

また、ファイバ５４の先端部の端面は曲面形状又は平面形状（本実施形態では曲面形状）とされ、その端面にはコート膜５５が形成されている。このコート膜５５の材質は、短波長領域（１９０［ｎｍ］〜５３０［ｎｍ］）で高い透明性を持つ材質であり、例えばフッ化物（ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２、及びＡｌＦ_３）等を含むコート膜が好ましい。

先端部の端面にコート膜５５が成膜されたファイバ５４は、コート膜５５の最表面とガラス部材３０とが当接するようにスタブ２８に挿入される。

従来、ファイバ５４とガラス部材３０との当接は、オプティカルコンタクトを用いていた。導光する光が長波長帯域の光である場合やエネルギー密度がそれ程高くない場合、オプティカルコンタクトを採用することによって光伝播効率が良くなることが知られている。しかし、導光する光がエネルギー密度の高い光の場合や短波長光の場合は、ファイバ５４とガラス部材３０の当接部における酸化物が反応を起こして反応部分が一体化し、当該反応後にファイバ５４をスタブ２８から抜くと、反応を起こした部分が破損して光コネクタとして再使用不能、又は光損失が増加していた。特に、導光する光が短波長の場合、導光する光に有機物が反応することによって光ファイバの端部が汚染されることを防ぐ為にＵＶクリーニングを行うと、オプティカルコンタクトさせた際ファイバ５４とガラス部材３０と当接させると両者端面間で接着が生じ問題となる。

これに対し、ファイバ５４に短波長領域において透明性の高いコート膜５５を成膜することにより、ファイバ５４とガラス部材３０は直接当接されずにコート膜５５を介して当接されることになる。従って、ファイバ５４とガラス部材３０の当接部における酸化物（石英、ＳｉＯ_２等）の反応を防いで当接部の損傷をなくし、安定した性能を持つレーザモジュールを実現することができる。

ここで、コート膜５５は、ファイバ５４とガラス部材３０の当接部におけるファイバ５４とガラス部材３０同士の化学反応を抑止する膜体であり、常温での物理的当接時にファイバ５４とガラス部材３０同士の化学反応を抑止するものである。具体的には上述したフッ化物（ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２、及びＡｌＦ_３）等を含む膜体が挙げられる。

なお、コート膜５５は、単層膜、多層膜の何れでもよい。多層膜の場合は、多層膜の最表面（最上層）の膜がファイバ５４やガラス部材３０に含まれる石英やＳｉＯ_２と容易に反応しないものであることが望ましい。また、コート膜５５は、ファイバ５４の端面に直接成膜されてもよいし、端面にアシスト膜が成膜された後、コート膜５５が成膜されてもよい。

また、コート膜５５の膜厚は、光損失に影響のない程度の膜厚とする。光ファイバ５４Ａの屈折率とコート膜５５の屈折率は異なるため、コート膜５５の光導波方向の膜厚ｄ１と膜体の屈折率Ｎと光の発振波長λの関係は、
ｄ１×Ｎ＝（λ／２）×ｎ ・・・（１）
（但し、ｎは１以上の整数）
であることが望ましい。

また、コート膜５５をファイバ５４ではなくガラス部材３０のファイバ５４と当接する側の端面に成膜されていてもよく、双方の端面に成膜して両者を当接させるようにしてもよい。双方の端面に成膜する場合、当接部において反応や一体化が発生しないように、各々のコート膜の最表面は容易に反応が起こらない異種材料によって構成されることが望ましい。

また、双方の端面に成膜する場合の膜厚の合計は式（１）を満足することが望ましい。つまり、例えば、各コート膜の膜厚がそれぞれ等しく（ｄ２）、各コート膜の屈折率が等しい（Ｎ）場合、光の発振波長λとの関係は、
ｄ２×Ｎ＝（λ／４）×ｎ ・・・（２）
（但し、ｎは１以上の整数）
を満足することが望ましい。一方、各コート膜の膜厚がそれぞれ異なり、且つコート膜が異種材料によって構成されており、屈折率も異なる場合、一方のコート膜の膜厚をｄ２ａ、屈折率をＮａ、他方のコート膜の膜厚をｄ２ｂ、屈折率をＮｂとしたとき、光の発振波長λとの関係は、
（ｄ２ａ×Ｎａ）＋（ｄ２ｂ×Ｎｂ）＝（λ／２）×ｎ ・・・（３）
を満足することが望ましい。

また、各コート膜の膜厚を上記の方法で設定する他に、コート膜の膜厚をλ／２以下のフッ化物膜とすると共に、レーザ光の集光位置をコート膜からずらした位置にすることによって、膜質の経時変化を少なくすることができ、長時間に渡ってレーザ光を入射したときの光損失の低下を抑えることができる。この点について以下に説明する。

ファイバ５４の先端にコート膜５５を成膜する際、後述するコネクタ５２が樹脂の場合には、コート膜５５の成膜温度を低温（例えば８０°Ｃ以下）にする必要がある。このような場合、成膜できる材料が限られ特に低吸収のコート膜を形成することが困難なため、本発明のように集光位置をコート膜からずらした位置にすることで光量変動の低下を抑えることができる。

出願人は、出力が２００ｍＷ、波長が４００〜４１５ｎｍの半導体レーザからのレーザ光を４倍の光学系で集光する構成のレーザモジュールを１９台試作し、コート膜上にレーザ光を集光させる（ＪＵＳＴフォーカス）構成のレーザモジュール、ガラス部材３０内にレーザ光を集光させる（ぼかしフォーカス時）構成のレーザモジュールの各々におけるパワー密度と時間との関係がどのようになるかを確認するための信頼性試験を行った。

図７は、ＭｇＦ_２のコート膜５５をファイバ５４の先端に８０°Ｃ以下の所定温度で成膜した後に、コート膜上にレーザ光を集光させた（ＪＵＳＴフォーカス）構成のレーザモジュールにおけるパワー密度と経過時間との関係を示した。なお、コート膜の膜厚は試作機１、２がレーザ光の波長の１／４λ、試作機３〜５が１／２λである。また、ＪＵＳＴフォーカスにおけるコート膜面上のビーム径は、１〜３μｍ×２８〜２９μｍであり、集光位置のパワー密度は２．２〜７．２ＧＷ／ｍ^２であった。この時、光ファイバへの集光ＮＡは、０．１８以下であった。

図８には、コート膜上ではなく、ガラス部材３０内にレーザ光を集光させた（ぼかしフォーカス）構成のレーザモジュールにおけるパワー密度と経過時間との関係を示した。なお、コート膜の膜厚は試作機６〜１２がレーザ光の波長の１／４λ、試作機１３〜１９が１／２λである。また、ぼかしフォーカスにおけるコート膜面上のビーム径は、５〜１０μｍ×３０〜３３μｍであり、集光位置のパワー密度は０．６〜１．４ＧＷ／ｍ^２であった。この時、光ファイバへの集光ＮＡは、０．１８以下であった。

なお、光ファイバのコア径は６０μｍであり許容されるＮＡは０．２０のものを用いた。この時、光ファイバへの集光ビームは許容されるＮＡ以下かつコア径以下に集光されているためにフォーカスをぼかしたことによる過剰なロスは発生しなかった。半導体レーザの出力を４００ｍＷにして同様の実験を行った場合においても光ファイバ面の光密度に対する光量変動の振る舞いは２００ｍＷの場合と略同様の結果が得られた。 なお、前述した他のフッ化物（ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２、及びＡｌＦ_３）についても略同様の結果であった。

図７、８から明らかなように、コート膜に対しぼかしフォーカスの方がＪＵＳＴフォーカスの場合と比較して経時による出力変動が圧倒的に小さいことが判る。これは、ＪＵＳＴフォーカスの場合はコート膜に残存する光吸収のためにコート膜が局所的に発熱し光ファイバから剥離もしくはコート膜自身にクラックが入るためである。

なお、導光する光の波長が短波長領域（１９０［ｎｍ］〜５３０［ｎｍ］）の場合には、有機物による汚染を防ぐ為、コート膜５５が成膜されていないガラス部材３０の端面及びファイバ５４の端面の少なくとも一方の端面にＵＶクリーニングを施してもよい。上述したフッ化物（ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２、及びＡｌＦ_３の何れか）を含むコート膜はＵＶ領域（１９０［ｎｍ］〜４１０［ｎｍ］）の光に不活性であり、ファイバ５４に上記フッ化物からなるコート膜５５が成膜されている為、ファイバ５４とガラス部材３０の当接部における酸化物（石英、ＳｉＯ_２等）の反応を防いで当接部の損傷を抑制することができる。

また、図１において、コート膜５５はファイバ５４の端面に成膜される薄膜として説明したが、ファイバ５４とガラス部材３０を直接当接させることがないようにコート膜が配置されていればよく、例えばコート膜を挟み込んだリング状のフランジをスタブ２８の内側に配置するような構成でもよい。この場合のコート膜は、短波長領域の光に対する透過性が高い材質によって構成され、例えば、テフロン（登録商標）等が挙げられる。次に、コート膜の他の実施形態について説明する。

コート膜について上記のように設定する他に、コート膜の膜厚をλ／２未満のフッ化物膜とすることによって、膜質の経時変化の少なくすることができ、長時間に渡ってレーザ光を入射してときの光損失の低下を抑えることができることを出願人は確認した。蒸着法で膜厚λ／２、λ／４、λ／６のＭｇＦ_２膜をそれぞれファイバ５４の端面に成膜した３種類のレーザモジュール１０を用意し、光出力＝１６０［ｍＷ］、波長λ＝４０５［ｎｍ］のレーザ光をガラス部材３０に入射したときにファイバ５４から出射した出射光の光出力の時間変化を示したグラフを図９に示す。ｇ１は膜厚λ／２のグラフ、ｇ２は膜厚λ／４のグラフ、ｇ３は膜厚λ／６のグラフである。尚、縦軸は、入射光の出力値に対する出射光の出力値の割合を示しており、即ち、縦軸に示す光出力が低下するほど、光損失が大きいことを示している。また、このとき、各膜における直径約３０［μｍ］の領域をレーザ光が通過する。なお、レーザ光の集光位置はコート膜上である。

図９より、膜厚が小さいほど、出射光の光出力の低下が少ない（即ち、光損失が少ない）ことが分かる。また、実験後のそれぞれのコート膜を顕微鏡観察したところ、膜厚λ／６の膜の外観変化はほとんど見られなかったが、膜厚λ／４及びλ／２の膜はレーザ光の通過部分と思われる領域の変色が確認された。更に、膜厚λ／２の膜は、変色した部分の周辺に膜のひび割れが確認された。膜厚λ／２とλ／４の膜に見られた変色は、レーザ光の熱によって膜が融解したためと考えられる。この結果より、膜厚が大きいほど、膜によるレーザ光のエネルギー吸収が大きく、この吸収によって膜質が変化し、光損失が大きくなると考えられる。

次に、蒸着法よりもイオンアシスト法で成膜した膜の方が光損失の低減化を図れることを出願人は確認した。図１０は、蒸着法とイオンアシスト法のそれぞれの方法で膜厚λ／６のＭｇＦ_２膜をファイバ５４の端面に成膜した２種類のレーザモジュール１０を用意し、光出力＝１６０［ｍＷ］、波長λ＝４０５［ｎｍ］のレーザ光をガラス部材３０に入射したときにファイバ５４から出射した出射光の光出力の時間変化を示したグラフであり、ｇ４は蒸着法、ｇ５はイオンアシスト法に対応したグラフである。

図１０より、蒸着法よりイオンアシスト法で成膜した膜を用いた方が、光出力の低下が少ないことが分かる。また、グラフｇ４よりよりグラフｇ５の方が傾きがやや小さいため、図示していないが、１０００時間以上経過した後は両成膜法における光出力の差は拡大しているであろうと思われる。イオンアシスト法の場合、成膜前にイオンビーム等でターゲット（ファイバ５４の入射端）をクリーニング処理することができる。このため、ターゲットと膜の界面における損失を少なくでき、蒸着法よりも光損失を低減させることができたと考えられる。更に、蒸着法よりイオンアシスト法の方がより緻密な膜質の膜を成膜することができる。従って、イオンアシスト法による膜の方がレーザ光のエネルギー吸収による膜質変化が少なく、光損失を低減させることができたと考えられる。成膜前にターゲットのクリーニングが可能で、蒸着法より緻密な膜質の膜を成膜可能な方法としては、イオンアシスト法の他にイオンプレーティング法、スパッタリング法等が挙げられる。

また図１１は、イオンアシスト法で膜厚λ／６、λ／１２のＭｇＦ_２膜をファイバ５４の端面にそれぞれ成膜した２種類のレーザモジュール１０を用意し、光出力＝１６０［ｍＷ］、波長λ＝４０５［ｎｍ］のレーザ光をガラス部材３０に入射したときにファイバ５４から出射した出射光の光出力の時間変化を示したグラフであり、ｇ６は膜厚λ／６、ｇ７は膜厚λ／１２のグラフである。図１１より、膜厚λ／６と膜厚λ／１２の膜とでは、光出力の変化の仕方がほぼ同じであることが分かる。従って、レーザ光の条件が光出力＝１６０［ｍＷ］でλ＝４０５［ｎｍ］であり、膜厚がλ／６以下であれば、出射光の時間特性はほぼ同等のものが得られると考えられる。

次に、吸収係数の低い材料を使用した膜の方が光損失の低減化を図れることを出願人は確認した。図１２は波長２４８［ｎｍ］のパルスレーザによる膜の吸収係数と損傷閾値の関係を示したグラフである（"High damage threshold fluoride UV mirrors made by IonBeam Sputtering",J.Dijion,et.,al.,SPIE Vol.3244,pp406-418,1998より引用）。このグラフより、フッ化物膜は損傷閾値が高く、フッ化物膜の中でもＭｇＦ_２に比べてＹＦ_３やＬｉＦの方が損傷閾値が高いことが分かる。そこで、蒸着法で膜厚λ／６のＭｇＦ_２膜、ＹＦ_３膜をファイバ５４の端面にそれぞれ成膜した２種類のレーザモジュール１０を用意し、光出力＝１６０［ｍＷ］、波長λ＝４０５［ｎｍ］のレーザ光をガラス部材３０に入射したときにファイバ５４から出射した出射光の光出力の時間変化を測定した。この測定結果を図１３に示す。ｇ８はＭｇＦ_２膜、ｇ９はＹＦ_３膜に対応するグラフである。図１３より、ＭｇＦ_２膜よりＹＦ_３膜の方が光出力の低下が少ないことが分かる。また、ＭｇＦ_２膜よりＹＦ_３膜に対するグラフの方が傾きがやや小さいため、図示していないが、１０００時間以上経過した後は両膜における光出力の差は拡大しているであろうと思われる。従って、光損失の低減化を図るためには、フッ化物膜（例えば、ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２及びＡｌＦ_３の何れか）を用いることが好ましく、更には吸収係数の少ないＹＦ_３等を用いることが好ましい。

以上より、光出力＝１６０［ｍＷ］、波長＝４０５［ｎｍ］のレーザ光をファイバ５４に１０００時間以上に渡って入射させたとき、入射直後の出射光の光出力に対する１０００時間後の出射光の光出力の低下率を１０％未満に抑えるためには、ファイバ５４の入射端に成膜する膜の膜厚はλ／６以下であることが望ましい。更に、成膜方法はイオンアシスト法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等、成膜前にターゲットのクリーニングが可能であって、膜質の緻密な膜を成膜可能な方法を用いることが望ましい。更にレーザ光のエネルギー吸収が少ない膜であることが望ましい。

また、導光する光の波長が短波長領域（１９０［ｎｍ］〜５３０［ｎｍ］）の場合には、有機物による汚染を防ぐ為、図５の構成において、コート膜５５が成膜されていないガラス部材３０の端面およびまたはファイバ５４の端面にＵＶクリーニングを施してもよい。上述したフッ化物（ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２及びＡｌＦ_３の何れか）を含むコート膜はＵＶ領域（１９０［ｎｍ］〜４１０［ｎｍ］）の光に不活性であり、ファイバ５４に上記フッ化物からなるコート膜５５が成膜されている為、ガラス部材３０とファイバ５４の当接部における酸化物（石英、ＳｉＯ_２等）の反応を防いで当接部の損傷を抑制することができる。また、ガラス部材３０にもコート膜を成膜した構成において有機物による汚染を防ぐ為にガラス部材３０の端面およびまたはファイバ５４の端面にＵＶクリーニングを施す場合もガラス部材３０及びファイバ５４同士の当接部における化学反応を抑止することができる。

以上、コート膜の変形例について説明したが、これらλ／６以下の膜厚としたコート膜を本願発明の形態、即ち、コート膜上ではなく、ガラス部材３０内にレーザ光を集光させる、或いは光ファイバ５４Ａのコア内にレーザ光を集光させることで、更に保護媒体の劣化を長時間防ぎ光量変動を抑制することができる。

ところで、ガラス部材３０を透過したレーザ光Ｌはファイバ５４に入射されるが、図１４に示すように、光ファイバ５４Ａに入射される際のビーム径Ｂ１が光ファイバ５４Ａのコア径Ｂ２以下となり、かつ光ファイバ５４Ａの端部に入射されるレーザ光Ｌの入射角度θ１が光ファイバ５４Ａの開口率（ＮＡ）で定まる最大入射角θ２以下の角度で入射されることが好ましい。これにより、光損失を抑えることができる。なお、図１４では、説明の簡単のためにファイバ５４及びガラス部材３０の端面は平面形状とし、コート膜５５は省略している。

すなわち、レンズ２４が、光ファイバ５４Ａに入射される際のビーム径Ｂ１が光ファイバ５４Ａのコア径Ｂ２以下となり、かつ光ファイバ５４Ａの端部に入射されるレーザ光Ｌの入射角度θ１が光ファイバ５４Ａの開口率（ＮＡ）で定まる最大入射角θ２以下の角度で入射される位置に配置されることが好ましい。また、この場合、光ファイバ５４Ａはマルチモード光ファイバで構成すると入力効率が高くなるため好ましい。

一方、図３及び図４に示すように、半導体レーザ２０は、その底面（フランジ部分）が熱伝導シート３２を介してヒートシンク３６に取り付けられる。このヒートシンク３６には、半導体レーザ２０を駆動するための駆動回路を搭載した基板３８がネジ４０により固定される。また、半導体レーザ２０は、電気接続のためのリード３４を備えており、このリード３４が基板３８に電気的に接続固定（例えばハンダ付け固定）される。

また、ヒートシンク３６は、取付穴４２を備えており、この取付穴４２にネジ４０が通されて、筐体１８に固定される。なお、ヒートシンク３６と筐体１８との間には、チラーやペルチエ等の放熱素子を備えて放熱効果を向上させることができる。この放熱素子を備える場合、ヒートシンク３６と筐体１８との間に限定されるものではなく、放熱効果を向上させることが可能な位置であればよく、放熱素子をヒートシンク３６及び筐体１８の何れか一方に備えるようにしてもよい。ヒートシンク３６は、筐体１８へ固定するための機能を有するが、筐体１８の一部と見なすことができる。ヒートシンク３６は、放熱効果を有する部材として扱うことができ、これらヒートシンク３６や放熱素子が放熱手段として機能する。

半導体レーザ２０をヒートシンク３６を介して基板３８に取り付ける場合、半導体レーザ２０は発熱性が高いため、放熱効果の向上が要求されることがあり、本実施形態では、熱伝導シート３２を介して半導体レーザ２０をヒートシンク３６に接触させている。

図３及び図４に示すように、上記構成の発光素子モジュール１２は、その外観として、筐体１８から、ヒートシンク３６，半導体レーザ２０，ＬＤホルダ２２，レンズホルダ２６，及びスタブ２８が一体構造となる。この発光素子モジュール１２には、ファイバモジュール１４が接続される。

ファイバモジュール１４は、ファイバ５４にコネクタ５２が取り付けられた構成の光ファイバケーブル５０に、直方体形状のアダプタ５６を取り付けた構成である。

図５に示すように、コネクタ５２の内径は、スタブ２８の外径と略同一とされ、フェルール５４Ｂの外径は凹部２９の内径と略同一である。これにより、発光素子モジュール１２の凹部２２にファイバモジュール１４のフェルール５４Ｂの一端をほぼ隙間無く挿入して、発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４とを接続することができる。

このように、ガラス部材３０とフェルール５４Ｂの端部とがほぼ隙間の無い状態で発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４とを接続することにより、レーザ光の集塵効果によりゴミがガラス部材３０やフェルール５４Ｂの端部付近に付着するのを防ぐことができる。

図１に示すように、コネクタ５２には、アダプタ５６が取り付られる。アダプタ５６は、水平方向に幅Ｌを有する直方体形状に形成されており、幅Ｌの両端部分は平面５６Ａ，５６Ｂに形成されている（図６参照）。アダプタ５６のファイバモジュール１４の先端側は、少なくともスタブ２８のフランジ部２８Ａが挿入できるように、フランジ部２８Ａの外径より大きな挿入穴５７が設けられる。この挿入穴５７には、アダプタストップキー６０を挿入するために、アダプタストップキー６０の外径形状より大きい穴となるキー挿入穴５８が連通されている。

アダプタストップキー６０は、切り欠きの長穴６０Ａが設けられている。この長穴６０Ａは、スタブ２８の直径より大きくフランジ部２８Ａの直径より小さい径に形成される。キー挿入穴５８は、発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４との装着時に、フランジ部２８Ａの位置より発光素子モジュール１２側の位置になるように、フランジ部２８Ａとレンズホルダ２６との間に対応した位置に設けられる。

従って、発光素子モジュール１２にファイバモジュール１４を装着したときにキー挿入穴５８へアダプタストップキー６０を挿入することで、アダプタストップキー６０の長穴６０Ａによりフランジ部２８Ａの光軸方向（Ｚ軸逆方向）の離脱を阻止できる。これにより、発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４との離脱を阻止することができる。

ところで、発光素子モジュール１２にファイバモジュール１４を接続した状態では、発光素子モジュール１２は筐体１８に固定されているが、ファイバモジュール１４は、光軸ＣＬ付近を中心として回転可能である。このため、発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４との接触部分（図３、図４及び図５に示すＰ点付近）において、表面部分にクラックが発生する可能性がある。また、発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４との相対的な回転によりレーザ光の入射や出射の光学的な接続条件が変動して、光量変動等が生じて性能が変動する可能性がある。

そこで、本実施形態では、発光素子モジュール１２とファイバモジュール１４との相対的な回転を阻止するべく、カバー１６を備えている。このカバー１６は、熱伝導性が低い導電性プラスチックにより形成されている。

カバー１６は、断面コ字形状で長尺状に形成されており、上面の平面部分（矢印Ｙ及び矢印Ｚ方向の平面部分）が所定距離だけ延設されている。カバー１６の断面コ字形状の内側部分は、水平方向（矢印Ｘ方向）に幅Ｌの空間を有するように形成されており、その幅Ｌの内側部分には、平面１６Ａ，１６Ｂが形成されている（図６参照）。このカバー１６の内側の幅Ｌは、ファイバモジュール１４のアダプタ５６における幅Ｌと略同一とされ、カバー１６内部にアダプタ５６が嵌る構成にされている。

カバー１６で延設された平面部分には、長穴６２が設けられる。この長穴６２にネジ４０を通してヒートシンク３６にカバー１６が固定される。このとき、ヒートシンク３６に設けられたネジ穴の間隔より長い間隔で長穴６２が設けられ、カバー１６を固定するときのＸ軸方向の位置合わせを可能とする構成としている。

発光素子モジュール１２にファイバモジュール１４を装着した後には、アダプタ５６の外形（幅Ｌ）の位置に、カバー１６の断面コ字状の内部が収まるように、カバー１６を水平方向（矢印Ｘ方向及び矢印Ｘ逆方向）に位置調整をする。この位置調整後に、ネジ４０によりヒートシンク３６へカバー１６を固定する。

図６に示すように、ヒートシンク３６へカバー１６が固定された後には、アダプタ５６は、カバー１６の断面コ字状の内部が収まる。このとき、カバー１６の内径とアダプタ５６の外径は略同一とされているので、カバー１６の一方の平面１６Ａと、アダプタ５６の一方の平面５６Ａとは面接触し、また他方の平面１６Ｂと、アダプタ５６の他方の平面５６Ｂとも面接触する。従って、アダプタ５６が矢印Ｒ方向へ回転しようとすることをカバー１６が阻止する。

一方、カバー１６は、その平面１６Ａ，１６Ｂにより、アダプタ５６の回転を阻止するのみであり、応力付与はない。すなわち、ファイバモジュール１４は、発光素子モジュール１２のスタブ２８に回転可能に取り付けられているのみで、その回転は阻止されるが、カバー１６から任意方向（矢印Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向）の応力が付与されることはない。従って、ファイバモジュール１４は応力変形が生じることはなく、光軸ズレ等の性能劣化が発生することもない。

また、カバー１６は、熱伝導性が低い導電性プラスチックにより形成されているので、発光素子モジュール１２及びファイバモジュール１４を断熱することができ、周囲環境の影響を最小限にとどめることができる。従って、レーザモジュール１０の環境特性を向上することができる。

なお、アダプタ５６の回転を阻止すなわちファイバモジュール１４の回転を阻止するために、カバー１６を断面コ字形状とし、これに対応するアダプタ５６を対峙する平面５６Ａ，５６Ｂを有する構成としたが、本発明はこの構造に限定されるものではない。

例えば、アダプタ５６（ファイバモジュール１４）の回転（矢印Ｒ方向の回転）を阻止するためには、回転時のアダプタ５６の外側形状の少なくとも１点の回転軌跡上に阻止部材を設けることで、その回転（矢印Ｒ方向の回転）を阻止できる。従って、正回転（矢印Ｒ方向の回転）と逆回転（矢印Ｒ方向の逆回転）を共に阻止するためには、正回転及び逆回転の各々に対応してアダプタ５６の外側形状の少なくとも１点の回転軌跡上に阻止部材を設けることで、双方の回転を阻止できる。

以上のように、本実施形態では、ガラス部材３０とファイバ５４との間にコート膜５５を設け、半導体レーザ２０からのレーザ光がコート膜５５上ではなくガラス部材３０の内部に集光するように構成したため、長期間に亘ってコート膜５５の劣化を防ぐことができ、光量変動を抑制することができる。

なお、本実施形態では、レーザ光の集光位置がガラス部材３０の内部となるように構成した場合について説明したが、図１５、１６に示すように光ファイバ５４Ａの内部に集光させるように構成してもよい。なお、図１６では、説明の簡単のためにファイバ５４及びガラス部材３０の端面は平面形状とし、コート膜５５は省略している。この場合、レンズ２４は、半導体レーザ２０から出射されたレーザ光Ｌが、ガラス部材３０の内部（同図に示すＰ点）付近に集光されるような開口率を有する。これにより、レンズ２４を透過したレーザ光は、光ファイバ５４Ａの内部である図１６に示すＰ点付近に集光される。

また、光ファイバ５４Ａの内部に集光させる場合も、図１６に示すように、光ファイバ５４Ａに入射される際のビーム径Ｂ１が光ファイバ５４Ａ（光ファイバコア）のコア径Ｂ２以下となり、かつ光ファイバ５４Ａの端部に入射されるレーザ光Ｌの入射角度θ１が光ファイバ５４Ａの開口率（ＮＡ）で定まる最大入射角θ２以下の角度で入射されることが好ましい。

すなわち、レンズ２４が、光ファイバ５４Ａに入射される際のビーム径Ｂ１が光ファイバ５４Ａのコア径Ｂ２以下となり、かつ光ファイバ５４Ａの端部に入射されるレーザ光Ｌの入射角度θ１が光ファイバ５４Ａの開口率（ＮＡ）で定まる最大入射角θ２以下の角度で入射される位置に配置されることが好ましい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、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。

発光素子モジュールとファイバモジュールが接続され、カバーが取り付けられたレーザモジュールの分解斜視図である。 レーザモジュールの平面図である。 レーザモジュールの一部断面の平面図である。 レーザモジュールの一部断面の側面図である。 発光素子モジュールとファイバモジュールとが接続されたときにおけるガラス部材と光ファイバとの接触付近の断面図である。 光ファイバケーブルのアダプタにカバーが取り付けられた状態の断面図である。 ＪＵＳＴフォーカス時におけるパワー密度と時間との関係を示す線図である。 ぼかしフォーカス時におけるパワー密度と時間との関係を示す線図である。 蒸着法で膜厚λ／２、λ／４、λ／６のＭｇＦ_２膜をそれぞれ成膜したときの出射光の光出力の時間変化を示したグラフである。 蒸着法とイオンアシスト法のそれぞれの方法で膜厚λ／６のＭｇＦ_２膜を成膜したときの出射光の光出力の時間変化を示したグラフである。 イオンアシスト法で膜厚λ／６、λ／１２のＭｇＦ_２膜をそれぞれ成膜したときの出射光の光出力の時間変化を示したグラフである。 波長２４８［ｎｍ］のパルスレーザによる膜の吸収係数と損傷閾値の関係を示したグラフである。 蒸着法で膜厚λ／６のＭｇＦ_２膜、ＹＦ_３膜をそれぞれ成膜したときの出射光の光出力の時間変化を示したグラフである。 集光位置がガラス部材内部にある場合におけるレーザ光の入射角度やビーム径について説明するための図である。 他の例に係る発光素子モジュールとファイバモジュールとが接続されたときにおけるガラス部材と光ファイバとの接触付近の断面図である。 集光位置が光ファイバ内部にある場合におけるレーザ光の入射角度やビーム径について説明するための図である。

符号の説明

１０…レーザモジュール（光モジュール）
１２…発光素子モジュール
１４…ファイバモジュール
２０…半導体レーザ（発光素子）
２４…レンズ（集光光学系）
２８…スタブ
３０…ガラス部材（光学部材）
５０…光ファイバケーブル
５２…コネクタ
５４Ａ…光ファイバ
５４Ｂ…フェルール
５５…コート膜（保護媒体）
５６…アダプタ

Claims (8)

1. 光ファイバと、
   所定波長の光を発光する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を入射して前記光ファイバへ向けて出射する光学部材と、
   前記光ファイバと前記光学部材との間に設けられた保護媒体と、
   前記発光素子から出射された光を前記光学部材の内部又は前記光ファイバの内部に集光する集光光学系と、
   を備えた光モジュール。
2. 前記集光光学系は、前記光ファイバの端部に入射される光の前記端部におけるビーム径が前記光ファイバのコアのコア径以下となり、かつ前記光ファイバの端部に入射される光が前記光ファイバの最大入射角以下の角度で入射される位置に配置されたことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
3. 前記光ファイバは、マルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光モジュール。
4. 前記発光素子から出射された光が集光される前記光学部材のＮａ及びＫのそれぞれの含有量が２．０［重量％］未満であり且つ光の吸収量が０．６５［％／ｍｍ］未満であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光モジュール。
5. 前記保護媒体は、ＹＦ_３、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＮａＦ、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２、及びＡｌＦ_３の何れかであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光モジュール。
6. 前記所定波長が短波長領域の波長であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の光モジュール。
7. 前記所定波長が１９０［ｎｍ］〜５３０［ｎｍ］であることを特徴とする請求項６記載の光モジュール。
8. 前記所定波長が４００［ｎｍ］〜４１５［ｎｍ］であり、かつ前記保護媒体が前記所定波長の１／２以下の厚みを有すると共に、前記所定波長の光の前記保護媒体上におけるパワー密度が１．４ＧＷ／ｍ^２以下となるように前記集光光学系が配置されたことを特徴とする請求項７記載の光モジュール。

Images