JP2015031739A - Ｌｄモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームの結合効率を低下させることなく、ＬＤモジュールの小型化を実現すること。
【解決手段】複数の半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、互いに隣接するレーザビーム同士の間隔が徐々に広がるように、複数のレーザビームを複数のミラーＭ１〜Ｍ１０に向けて出射し、複数のミラーＭ１〜Ｍ１０は、互いに隣接するレーザビーム同士の間隔が徐々に狭まるように、複数のレーザビームを速軸集束レンズＦＬに向けて反射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のレーザビームを出射および合波するＬＤモジュールに関する。

従来、複数のレーザダイオードから出射された複数のレーザビームを光ファイバに結合することにより、レーザビームを高出力化および高輝度化することが可能な、ＬＤモジュールが広く用いられている。例えば、下記特許文献１には、互いに平行な複数のレーザビームを、プリズムによって反射させることにより伝搬方向を変換した後、集束レンズによって集束し、光ファイバに入射するマイクロ光学装置が開示されている。

特開２００４−２５２４２８号公報（公開日：２００４年９月９日）

ＬＤモジュールの小型化を図るためには、速軸集束レンズの曲率半径を小さくすることによって、速軸集束レンズの焦点距離を短くすればよい。これにより、光ファイバの入射端面を速軸集束レンズに近づけることができるからである。しかしながら、速軸集束レンズの曲率半径を小さくすると、速軸集束レンズを透過したレーザビームの光ファイバへの入射角が大きくなり、その結果、レーザビームの結合効率が低下するという問題が生じる。速軸集束レンズを透過したレーザビームのうち、入射角が光ファイバの受光角を超えるレーザビームは、光ファイバのコアに閉じ込められることなく、損失となるからである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザビームの結合効率を低下させることなく、ＬＤモジュールの小型化を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るＬＤモジュールは、レーザダイオード列をなす複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードから出射された複数のレーザビームの各々を、当該レーザビームの遅軸方向に反射する複数のミラーと、前記複数のミラーによって反射された前記複数のレーザビームを集束する集束レンズと、を備え、前記複数のレーザダイオードは、互いに隣接するレーザビーム同士の間隔が徐々に広がるように、前記複数のレーザビームを前記複数のミラーに向けて出射し、前記複数のミラーは、互いに隣接するレーザビーム同士の間隔が徐々に狭まるように、前記複数のレーザビームを前記集束レンズに向けて反射し、前記複数のミラーの各々は、当該ミラーへ入射されてきたレーザビームを速軸方向に反射する第１のミラーと、前記第１のミラーから反射されてきたレーザビームを遅軸方向に反射する第２のミラーと、を備えて構成されており、前記複数のレーザビームの各々について、当該レーザビームが対応する前記第１のミラーへ入射する時の当該レーザビームの速軸と、当該レーザビームが対応する前記第２のミラーから出射された時の当該レーザビームの遅軸とが、互いに平行であることを特徴とする。

上記ＬＤモジュールによれば、複数のレーザビームの各々について、第１のミラーに入射される該レーザビームの速軸と、第２のミラーから出射された該レーザビームの遅軸とが、互いに平行であるため、該レーザビームに後述する捻じれを生じさせることなく、該レーザビームを第２のミラーから出射させることができる。すなわち、上記ＬＤモジュールによれば、複数のミラーから出射された複数のレーザビームは、いずれも捻じれが生じることなく、互いに遅軸が平行な状態で整列する。このため、上記ＬＤモジュールによれば、レーザビーム同士が干渉したり、レーザビームの一部が隣接するミラーによって遮られたり、一部のレーザビームが集束されない、等の不具合を防止しつつ、複数のレーザビームの間隔が密となるように複数のミラーを密に配置することができる。よって、上記ＬＤモジュールによれば、レーザビームの結合効率の低下を抑制しつつ、ＬＤモジュールの小型化を実現することができる。

例えば、上記構成以外の構成（すなわち、第１のミラーに入射されるレーザビームの速軸と、第２のミラーから出射されたレーザビームの遅軸とが、互いに平行とならない構成）を採用した場合、レーザビームの捻じれが生じることにより、第２のミラーから出射されたレーザビームのビーム幅は、〔第１のミラーに入射される速軸方向のビーム幅×sinθ（θは、第２のミラーによる出射方向の補正角度）〕となり、この場合、複数のレーザビームの間隔を密にしてしまうと、上述の不具合が生じる虞がある。そこで、上記構成（すなわち、第１のミラーに入射されるレーザビームの速軸と、第２のミラーから出射されたレーザビームの遅軸とが、互いに平行となる構成）を採用することにより、レーザビームの捻じれが生じないため、第２のミラーから出射されたレーザビームのビーム幅を、第１のミラーに入射される速軸方向のビーム幅と略同一とすることができる。このため、複数のレーザビームの間隔を密にした場合でも、上述の不具合が生じる虞がない。

また、上記ＬＤモジュールによれば、複数のレーザビームを集束気味に集束レンズへ伝搬する構成を採用しているため、速軸集束レンズの曲率半径を小さくしなくとも、複数のレーザビームを互いに平行な状態で集束レンズへ伝搬する構成と比べて、複数のレーザビームの焦点を、集束レンズに近い位置に形成することができる。したがって、上記ＬＤモジュールによれば、速軸集束レンズの曲率半径を小さくしなくとも、光ファイバの入射端面をより集束レンズに近い位置とすることができ、よって、レーザビームの結合効率を低下させることなく、ＬＤモジュールの小型化を実現することができる。

上記ＬＤモジュールにおいて、前記複数のミラーの各々は、当該ミラーに入射されるレーザビームと、当該ミラーから出射されるレーザビームとが、双方のレーザビームに対して垂直な方向から見たときに、直角をなすように構成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、各ミラーを比較的単純な構成とすることができるため、上記不具合の発生を抑制することができる。特に、複数の反射面を組み合わせて構成されたミラーを用いる場合には、上記構成を採用することにより、上記不具合の抑制効果がより顕著なものとなる。

上記ＬＤモジュールにおいて、前記第１のミラーは、当該ミラーに入射されてくるレーザビームの遅軸に対して平行な面であって、前記レーザビームの光軸に対して４５°の角度をなす第１の反射面を有し、前記第２のミラーは、前記第１の反射面によって反射されたレーザビームの速軸に対して平行な面であって、前記レーザビームの光軸に対して４５°の角度をなす第２の反射面を有することが好ましい。

上記の構成によれば、上記第１のミラーおよび上記第２のミラーの反射による、ビームの捻じれをより生じ難くすることができる。

上記ＬＤモジュールにおいて、前記複数のレーザダイオードは、前記レーザダイオード列のより外側に配置されるにつれて、レーザビームの出射方向がより外側となるように、各々の出射方向が設定されていることが好ましい。

上記の構成によれば、複数の半導体レーザダイオードから出射された複数のレーザビームは、その中央（ビーム束の中心）から外側に広がりつつ伝搬するものとなり、反対に、複数のミラーから出射された複数のレーザビームは、その中央（ビーム束の中心）に集束しつつ伝搬するものとなる。このようなレーザビームを光ファイバに入射することで、レーザビームの結合効率をより高めることができる。

上記ＬＤモジュールにおいて、前記複数のレーザダイオードから出射された前記複数のレーザビームの各々の光路上に配置された複数の速軸コリメートレンズをさらに備えており、前記複数の速軸コリメートレンズの各々は、対応するレーザビームの速軸方向のビーム広がりをコリメートする位置を基準として、該レーザビームの伝播方向にオフセットされており、該オフセットの量が、該レーザビームの速軸方向のビーム径を、前記集束レンズによって集束された複数のレーザビームの交差点において最小化するように設定されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記交差点において、各レーザビームのビーム径が最小化されるので、上記複数のレーザビームからなるビーム束を光ファイバに入射させる際の結合効率を更に高めることができる。

上記ＬＤモジュールにおいて、前記第２のミラーの下面および前記第１のミラーの上面は、互いに接着されており、前記第２のミラーの下面および前記第１のミラーの上面の各々は、前記複数のミラーから出射された前記複数のレーザビームの速軸に対して平行であることが好ましい。

上記の構成によれば、第２のミラーの下面と第１のミラーの上面との間に形成される接着剤層の厚みが均一であれば、これらの接着剤層が収縮又は膨張した場合でも、出力ビームの伝播方向が傾いたり出力ビームの光軸の配置が崩れたりするといった事態の発生を回避することができる。

本発明によれば、レーザビームの結合効率を低下させることなく、ＬＤモジュールの小型化を実現することができる。

本実施形態に係るＬＤモジュールの構成を示す上面図である。 本実施形態に係るＬＤモジュールが備える単位光学系の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係るＬＤモジュールが備えるミラーの構成を示す斜視図である。 本実施形態に係るＬＤモジュールにおける、半導体レーザダイオードの各々の出射方向を示す平面図である。 速軸集束レンズＦＬの曲率半径と、ビーム束が光ファイバＯＦの入射端面に入射する際の結合効率との関係を示すグラフである。 ファイバ位置と、ビーム束が光ファイバＯＦの入射端面に入射する際の結合効率との関係を示すグラフである。 本実施形態の実施例におけるＬＤモジュールの概略構成を示す。 本実施形態の比較例におけるＬＤモジュールの概略構成を示す。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係るＬＤモジュールについて説明する。

〔ＬＤモジュールの構成〕
まず、図１を参照して、本実施形態に係るＬＤモジュール１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るＬＤモジュール１の構成を示す上面図である。図１に示すＬＤモジュール１は、複数の半導体レーザダイオードから複数のレーザビームを出射し、当該複数のレーザビームを、より高い結合効率で光ファイバに結合するものである。特に、図１では、１０本のレーザビームを光ファイバに結合する構成を例示している。

このため、ＬＤモジュール１は、図１に示すように、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０、速軸コリメートレンズＦＡＣ１〜ＦＡＣ１０、遅軸コリメートレンズＳＡＣ１〜ＳＡＣ１０、ミラーＭ１〜Ｍ１０、速軸集束レンズＦＬ、および、遅軸集光レンズＳＬを備えて構成されている。

（半導体レーザダイオード）
半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、各々が独立したチップ上に形成されている。半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、サブマウントＢの表面上において、図中ｘ軸方向に沿って、概ね等間隔で並んだ状態に配置されている。すなわち、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、サブマウントＢの表面上において、半導体レーザダイオード列をなしている。

半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０の各々は、活性層がｘｚ平面と平行になるように、かつ、出射端面が概ねｚ軸正方向を向くように、サブマウントＢの表面上に配置されている。これにより、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０から出射された複数のレーザビームは、各々が、サブマウントＢの表面上の空間において、ｘｚ平面に対して平行に、且つ、概ねｚ軸正方向に向かって、伝搬することとなる。特に、図１に示すように、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、ｘ軸に沿って並べられているため、上記複数のレーザビームは、概ね、等間隔且つ互いに平行なレーザビーム列を形成した状態で、ｚ軸正方向に向かって伝搬することとなる。上記において、レーザビームの伝搬方向を「概ねｚ軸正方向」としているのは、後述するように、各半導体レーザダイオードの出射方向を、ｚ軸正方向に対し、僅かにｘ軸方向（遅軸方向）に傾けているためである。

〔単位光学系の構成〕
ＬＤモジュール１は、レーザビーム毎の、複数の単位工学系を備えて構成されている。すなわち、図１に示す例では、ＬＤモジュール１は、１０本のレーザビームを出射する構成としたことに応じて、１０個の単位工学系を備えて構成されている。各単位光学系Ｓｉ（ｉ＝１〜１０の整数）は、半導体レーザダイオードＬＤｉ（ｉ＝１〜１０の整数）と、速軸コリメートレンズＦＡＣｉ（ｉ＝１〜１０の整数）と、遅軸コリメートレンズＳＡＣｉ（ｉ＝１〜１０の整数）と、ミラーＭｉ（ｉ＝１〜１０の整数）とを備えて構成されている。以下、図２を参照して、各単位工学系の具体的な構成について説明する。

図２は、本実施形態に係るＬＤモジュール１が備える単位光学系の構成を示す斜視図である。図２では、ＬＤモジュール１が備える複数の単位工学系のうちの１つについて、その構成を示しているが、上記複数の単位工学系は、いずれも図２に示す単位工学系Ｓｉと同様の構成を有している。

図２に示すように、単位光学系Ｓｉにおいて、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザビームの光路上には、順に、速軸コリメートレンズＦＡＣｉ、遅軸コリメートレンズＳＡＣｉ、および、ミラーＭｉが、直線状に並べて配置されている。単位光学系Ｓｉを構成する各部材は、何れも、直接、又は、不図示のマウントを介してサブマウントＢの表面上に設置される。

速軸コリメートレンズＦＡＣｉは、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザビームの速軸方向の広がりをコリメートするためのものである。遅軸コリメートレンズＳＡＣｉは、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザビームの遅軸方向の広がりをコリメートするためのものである。速軸コリメートレンズＦＡＣｉおよび遅軸コリメートレンズＳＡＣｉを透過したレーザビームは、伝搬方向がｚ軸正方向に収斂されたコリメートビームとなり、ミラーＭｉへ伝搬する。なお、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されるレーザビームの遅軸方向の広がりが十分に小さい場合、遅軸コリメートレンズＳＡＣｉを省略しても構わない。

ミラーＭｉは、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザビームを速軸集束レンズＦＬへ導くために、上記レーザビームの伝搬方向を、概ねｚ軸正方向から概ねｘ軸負方向に変換するためのものである。ミラーＭｉには、従来から知られている各種ミラーを用いることができる。本実施形態では、ミラーＭｉとして、上記レーザビームの伝搬方向をｚ軸正方向からｙ軸正方向へ変換する第１のミラー（いわゆる「跳ね上げミラー」）と、上記レーザビームの伝搬方向をｙ軸正方向からｘ軸負方向へ変換する第２のミラー（いわゆる「折り返しミラー」）とを備えて構成されたものを用いている。

ここで、図１に示すように、ミラーＭ１〜Ｍ１０から出射される複数のレーザビームが互いに重なり合わないように、ミラーＭ１〜Ｍ１０のｚ軸方向の位置は、互いに異なっている。

特に、ミラーＭ１〜Ｍ１０のｚ軸方向の位置は、速軸集束レンズＦＬから離間するにつれて（すなわち、ミラーＭ１，Ｍ２，・・・，Ｍ１０の順に）、順次、半導体レーザダイオードに近づく方向（ｚ軸負方向）に所定量ずつシフトしている。これは、図１に示すように、ミラーＭ１〜Ｍ１０へ伝搬する複数のレーザビームにおいては、速軸集束レンズＦＬに近いレーザビームほど、より速軸集束レンズＦＬ側に傾いているためである。より速軸集束レンズＦＬ側に傾いているレーザビームを、ミラーによって反射し、速軸集束レンズＦＬに伝搬させるためには、半導体レーザダイオードからミラーまでの距離を、他のレーザビームよりも長くする必要があるためである。

なお、上記シフト量は、複数のミラーＭ１〜Ｍ１０に入射される複数のレーザビームの間隔よりも、小さくなっている。これにより、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０から出射された複数のレーザビームは、ミラーＭ１〜Ｍ１０によってその間隔がより狭められた状態で、速軸集束レンズＦＬに向けて伝搬することとなる。

〔ミラーの構成〕
次に、図３を参照して、本実施形態のＬＤモジュール１が備えるミラーＭｉの構成ついて説明する。図３は、本実施形態に係るＬＤモジュール１が備えるミラーＭｉの構成を示す斜視図である。図３では、ＬＤモジュール１が備えるミラーＭ１〜Ｍ１０のうちの１つについて、その構成を示しているが、ミラーＭ１〜Ｍ１０は、いずれも図３に示すミラーＭｉと同様の構成を有している。

図３に示すように、ミラーＭｉは、第１のミラーＭｉ１と、第２のミラーＭｉ２とを備えて構成されている。ミラーＭｉは、第１のミラーＭｉ１の上面Ｂ１と、第２のミラーＭｉ２の下面Ａ２とが互いに重なり合うように、第１のミラーＭｉ１と第２のミラーＭｉ２とが積み重ねられた構造を有している。第１のミラーＭｉ１は、その下面Ａ１が、ｘｚ平面に対して平行となるように、サブマウントＢの表面上に対し、直接的または間接的に設置される。なお、第１のミラーＭｉ１の上面Ｂ１および第２のミラーＭｉ２の下面Ａ２は、下面Ａ１に対して平行な面である。また、第１のミラーＭｉ１と第２のミラーＭｉ２は、互いに別体化されているものであってもよく、互いに一体化されたものであってもよい。

第１のミラーＭｉ１は、第１の反射面Ｓ１を有する。第１の反射面Ｓ１は、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザビームの伝搬方向を、ｚ軸正方向からｙ軸正方向へ変換する。このため、第１の反射面Ｓ１は、上記レーザビームの遅軸に対して概ね平行な面であって、上記レーザビームの光軸に対して４５°の角度をなす（すなわち、下面Ａ１に対して４５°の角度をなす）ように構成されている。

ミラーＭｉは、上記レーザビームに対する向きが調整可能な場合、上記第１の反射面Ｓ１が上記レーザビームの遅軸に対して概ね平行な面となるように、その向きが調整されることが好ましい。これにより、ミラーＭｉは、上記レーザビームに対し、意図しない回転を生じさせたり、意図しない方向への反射を生じさせたりすることなく、上記レーザビームを所定の方向へ反射することができる。

第２のミラーＭｉ２は、第２の反射面Ｓ２を有する。第２の反射面Ｓ２は、第１のミラーＭｉ１によって反射されたレーザビームの伝搬方向を、ｙ軸正方向からｘ軸負方向へ変換する。このため、第２の反射面Ｓ２は、前記第１の反射面によって反射されたレーザビームの速軸に対して概ね平行な面であって、上記レーザビームの光軸に対して４５°の角度をなすように構成されている。

ミラーＭｉは、上記のとおり２つの反射面を組み合わせた比較的簡単な構成により、予め定められた入射角でレーザビームが入射されるようにレーザビームに対する向きが設定された場合（上記第１の反射面Ｓ１がレーザビームの遅軸に対して平行な面となる場合）において、当該ミラーに入射されるレーザビームと、当該ミラーから出射されるレーザビームとが、ｙ軸正方向から見たときに直角をなすように、レーザビームを反射することができる。

特に、本実施形態のＬＤモジュール１において、ミラーＭｉの第１の反射面Ｓ１は、レーザビームの遅軸に対して概ね平行となるため、第１の反射面Ｓ１とレーザビームの遅軸とが概ね平行でない構成と比べて、レーザビームの意図しない回転や、意図しない方向への反射等といった不具合が生じ難くなっている。

同様に、本実施形態のＬＤモジュール１において、ミラーＭｉの第２の反射面Ｓ２は、レーザビームの速軸に対して概ね平行となるため、第２の反射面Ｓ２とレーザビームの速軸とが概ね平行でない構成と比べて、レーザビームの意図しない回転や、意図しない方向への反射等といった不具合が生じ難くなっている。

本実施形態のＬＤモジュール１において、ミラーＭ１〜Ｍ１０のいずれも、上述したミラーＭｉと同一の構成を採用している。すなわち、ＬＤモジュール１は、ミラーＭ１〜Ｍ１０の各々に対し、互いに同一の構成のミラーＭｉを用いることができるため、ミラーＭ１〜Ｍ１０において、互いに異なる構成を用いたり、互いに異なる調整を行ったりする必要はない。よって、本実施形態のＬＤモジュール１は、該ＬＤモジュール１に係るコストを削減することができ、該ＬＤモジュール１を安価で実現することができる。

なお、ミラーＭｉにおいて、第２のミラーの下面および前記第１のミラーの上面は、接着剤によって互いに接着されていることが好ましく、特に、第２のミラーの下面および第１のミラーの上面の各々が、当該ミラーＭｉから出射されたレーザビームの速軸（すなわち、ｘｚ平面）に対して平行であることが好ましい。具体的には、第２のミラーの下面と第１のミラーの上面との間に接着剤を塗布した後、当該接着剤の硬化が完了するまでの間、第２のミラーの下面および第１のミラーの上面の各々が、複数のミラーから出射された複数のレーザビームの速軸に対して平行になる状態を保つことが好ましい。これにより、第２のミラーの下面と第１のミラーの上面との間の接着剤層の厚みを均一化することができる。この接着剤層の厚みが均一であれば、この接着剤層が収縮又は膨張した場合でも、出力ビームの伝播方向が傾いたり出力ビームの光軸の配置が崩れたりするといった事態の発生を回避することができる。なお、この接着剤層に生じ得る収縮又は膨張としては、接着剤を硬化する際に生じ得る硬化収縮や、接着剤を硬化した後に生じ得る熱膨張、熱収縮、膨潤などが想定される。

〔レーザビームの出射方向〕
次に、図４を参照して、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０の各々の出射方向について説明する。図４は、本実施形態に係るＬＤモジュール１における、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０の各々の出射方向を示す平面図である。なお、以下の説明においては、半導体レーザダイオードＬＤｉの出射方向のｚ軸に対する傾きを、ｙ軸を回転軸とする回転角θｉ（ｉ＝１〜１０の整数）によって表す。但し、ｘ軸負方向への傾きについては回転角θｉを正の値で表し、ｘ軸正方向への傾きについては回転角θｉを負の値で表すこととする。

本実施形態のＬＤモジュール１においては、ミラーＭ１〜Ｍ１０の各々は、予め定められた入射角であって、互いに同一の入射角でレーザビームが入射されるように、レーザビームに対する向きが設定されている。具体的には、ミラーＭ１〜Ｍ１０の各々は、第１の反射面Ｓ１（図３参照）がレーザビームの遅軸に対して概ね平行な面となるように、レーザビームに対する向きが設定されている。さらに、ミラーＭ１〜Ｍ１０の各々は、上記のとおり向きが設定された状態において、当該ミラーに入射されるレーザビームと、当該ミラーから出射されるレーザビームとが、ｙ軸正方向から見たときに直角をなすように構成されている（図３参照）。

すなわち、本実施形態のＬＤモジュール１において、ミラーＭ１〜Ｍ１０から出射される複数のレーザビームの各々の出射方向は、各ミラーの調整によって決定付けられるのではなく、ミラーＭ１〜Ｍ１０へ入射される複数のレーザビームの各々の伝搬方向によって決定付けられる。

特に、本実施形態のＬＤモジュール１は、複数のレーザビームを集束気味にＦＬへ伝搬させる構成を採用している。これを実現するため、本実施形態のＬＤモジュール１は、図１および図４に示すように、複数のレーザビームが拡散気味にミラーＭ１〜Ｍ１０へ伝搬するように、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０の各々の出射方向が設定されている。この結果、ミラーＭ１〜Ｍ１０から出射された複数のレーザビームは、集束気味に速軸集束レンズＦＬへ伝搬し、従来技術と比べてより速軸集束レンズＦＬに近い位置で集束することとなる。

これにより、本実施形態のＬＤモジュール１は、速軸集束レンズＦＬの曲率半径を小さくしなくとも、光ファイバＯＦの入射端面をより速軸集束レンズＦＬに近い位置とすることができ、よって、レーザビームの結合効率を低下させることなく、ＬＤモジュールの小型化を実現することができる。

また、本実施形態のＬＤモジュール１は、互いに平行な複数のレーザビームを速軸集束レンズＦＬに入射させる構成と比べて、速軸集束レンズＦＬに入射されるビーム束（本書において、「ビーム束」とは、複数のレーザビームによって形成される光束のことを意味する。）の最大幅を小さくすることができる。これにより、速軸集束レンズＦＬの収差の影響を軽減し、よって、レーザビームの結合効率の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態のＬＤモジュール１は、速軸集束レンズＦＬの曲率半径を小さくすることによって速軸集束レンズＦＬの焦点距離を短くする構成と比べて、速軸集束レンズから出射された各レーザビームの、光ファイバＯＦに対する入射角が小さくなる。このため、結合効率の低下を招来することなく、光ファイバＯＦの入射端面をより速軸集束レンズＦＬに近い位置とすることができる。

特に、本実施形態のＬＤモジュール１は、ミラーの調整を行わなくとも、複数のレーザビームを集束気味に速軸集束レンズＦＬへ伝搬させることができるため、上記ミラーの調整による生じ得る各種不具合の発生を防止することができる。よって、本実施形態のＬＤモジュール１は、レーザビームの結合効率を低下させることなく、ＬＤモジュールの小型化を実現することができる。

例えば、本実施形態（図４）のＬＤモジュール１において、ミラーＭ１〜Ｍ１０の各々の回転角θｉを、以下のように設定することにより、複数のレーザビームを集束気味に速軸集束レンズＦＬへ伝搬させることができる。

θ１ ：１．０００°
θ２ ：０．６６６°
θ３ ：０．３７１°
θ４ ：０．１０９°
θ５ ：−０．１２５°
θ６ ：−０．３３５°
θ７ ：−０．５２５°
θ８ ：−０．６９８°
θ９ ：−０．８５６°
θ１０：−１．０００°
この例では、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、レーザダイオード列のより中央側に配置されたものについては、回転角θｉの絶対値がより小さくなるように、すなわち、レーザダイオード列のより外側に配置されたものについては、回転角θｉの絶対値がより大きくなるように（すなわち、出射方向がより外側を向くように）、各々の出射方向が設定されている。

これにより、図４に示すように、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０から出射された複数のレーザビームは、その中央から外側に広がりつつ伝搬するものとなる。反対に、図１および図４に示すように、ミラーＭ１〜Ｍ１０から出射された複数のレーザビームは、その中央に集束しつつ伝搬するものとなる。このようなレーザビームを光ファイバに入射することで、レーザビームの結合効率をより高めることができる。

なお、本実施形態のＬＤモジュール１においては、ミラーＭｉに入射されるレーザビームとミラーＭｉから出射されるレーザビームとが直角をなすため、ミラーＭｉに入射されるレーザビームの、ｚ軸に対して広がる方向の傾き（遅軸方向の傾き）θｉと、ミラーＭｉから出射されるレーザビームの、ｘ軸に対して集束する方向の傾き（速軸方向の傾き）θｉ´とが、同角度となる。

〔効果の検証〕
以下、図５および図６を参照して、複数のレーザビームを集束気味に速軸集束レンズＦＬへ伝搬させる構成を採用することにより、得られる効果について説明する。

図５は、速軸集束レンズＦＬの曲率半径と、ビーム束が光ファイバＯＦの入射端面に入射する際の結合効率との関係を示すグラフである。図５に示すグラフにおいて、横軸は、速軸集束レンズＦＬの曲率半径（単位はｍｍ）を表し、縦軸は、ビーム束を光ファイバＯＦに入射させる際の結合効率（単位は％）を表す。図５においては、上記回転角θｉの最大値（以下、「最大回転角θ」と示す。）を０°、０．５°、１°、１．５°とした場合の結合効率を示している。

図５に示すように、最大回転角θが０°の場合、すなわち、複数のレーザビームが平行に並ぶ場合、速軸集束レンズＦＬの曲率半径を小さくしていくと、ビーム束の光ファイバＯＦへの結合効率が低下していく。このような結合効率の低下が生じる原因としては、各レーザビームの光ファイバＯＦへの入射角が大きくなり、光ファイバＯＦの受光角を超える成分が増えることが挙げられる。

一方、最大回転角θが０°よりも大きい場合、すなわち、複数のレーザビームが一点で交差する場合も、速軸集束レンズＦＬの曲率半径を小さくしていくと、ビーム束の光ファイバＯＦへの結合効率が低下していく。しかしながら、最大回転角θが０°である場合と比べて、結合効率の低下の度合いは小さくなっている。特に、最大回転角θを１°とした場合、速軸集束レンズＦＬの曲率半径が１０ｍｍのときの結合効率は、最大回転角θを０°とした場合と比べて約３％も高い値を示している。これは、各レーザビームの光ファイバＯＦへの入射角が、最大回転角θを０°とした場合と比べて小さくなっているためであると考えられる。

図６は、ファイバ位置と、ビーム束が光ファイバＯＦの入射端面に入射する際の結合効率との関係を示すグラフである。ここで、ファイバ位置とは、半導体レーザダイオードＬＤ１の中心を通るｚ軸に平行な直線から、光ファイバＯＦの入射端面までの距離のことを指す。図６に示すグラフにおいて、横軸は、ファイバ位置（単位はｍｍ）を表し、縦軸は、出力ビーム束を光ファイバＯＦに入射させる際の結合効率（単位は％）を表す。図６においても、最大回転角θを０°、０．５°、１°、１．５°とした場合の結合効率を示している。

図６に示すように、最大回転角θが０°の場合、すなわち、各出力ビームの光軸が平行に並ぶ場合、光ファイバＯＦの入射端面を速軸集束レンズＦＬに近づけていくと、ビーム束の光ファイバＯＦへの結合効率が低下していく。このような結合効率の低下が生じる原因としては、各出力ビームが光ファイバＯＦの入射端面に入射する際の入射角が大きくなり、ファイバの受光角を超える成分が増えることが挙げられる。

一方、最大回転角θが０°よりも大きい場合、すなわち、各出力ビームの光軸が一点で交差する場合も、光ファイバＯＦの入射端面を速軸集束レンズＦＬに近づけていくと、出力ビーム束の光ファイバＯＦへの結合効率が低下していく。しかしながら、最大回転角θが０°の場合と比べて、結合効率の低下の度合いは小さくなっている。特に、最大回転角θを１°として場合、結合効率の低下を１％未満に抑えながら、光ファイバＯＦの入射端面を速軸集束レンズＦＬの出射面に７ｍｍも近づけ得ることが分かる。これは、各レーザビームの光ファイバＯＦへの入射角が、最大回転角θを０°とした場合と比べて小さくなっているためであると考えられる。

以下、図７および図８を参照して、本実施形態に係るＬＤモジュール１の実施例および比較例について説明する。

〔実施例〕
図７は、本実施形態の実施例におけるＬＤモジュールの概略構成を示す。

本実施例では、図７に示すＬＤモジュールを用いて、複数のレーザビームを集束させるまでに必要な距離（すなわち、光ファイバＯＦの入射端面の位置までに要する距離）を測定した。

本実施例のＬＤモジュールは、図７に示すように、半導体レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３、速軸コリメートレンズＦＡＣ１〜ＦＡＣ３、遅軸コリメートレンズＳＡＣ１〜ＳＡＣ３、ミラーＭ１〜Ｍ３、速軸集束レンズＦＬ、および、遅軸集光レンズＳＬを備えて構成されている。すなわち、本実施例（図７）のＬＤモジュールは、３本のレーザビームを光ファイバＯＦに結合する構成とした点で、本実施形態（図１）のＬＤモジュール１と異なる。

図７に示すＬＤモジュールでは、各構成部材のパラメータを以下のとおり設定した。

半導体レーザダイオードＬＤ１の回転角θ：−１°
半導体レーザダイオードＬＤ２の回転角θ： ０°
半導体レーザダイオードＬＤ３の回転角θ：＋１°
速軸集束レンズＦＬの曲率半径 ：６．９ｍｍ
遅軸集光レンズＳＬの曲率半径 ：３．５ｍｍ
すなわち、本実施例のＬＤモジュールでは、本実施形態（図１）のＬＤモジュール１と同様に、複数のレーザビームが拡散気味に複数のミラーへ伝搬し、複数のレーザビームが集束気味に速軸集束レンズＦＬへ伝搬する構成を用いた。

〔比較例〕
図８は、本実施形態の比較例におけるＬＤモジュールの概略構成を示す。図８に示すＬＤモジュールは、各半導体レーザダイオードの回転角θが、上記実施例（図７）のＬＤモジュールと異なる。その他の点については、上記実施例（図７）のＬＤモジュールと同様である。

図８に示すＬＤモジュールでは、各構成部材のパラメータを以下のとおり設定した。

半導体レーザダイオードＬＤ１の回転角θ： ０°
半導体レーザダイオードＬＤ２の回転角θ： ０°
半導体レーザダイオードＬＤ３の回転角θ： ０°
速軸集束レンズＦＬの曲率半径 ：６．９ｍｍ
遅軸集光レンズＳＬの曲率半径 ：３．５ｍｍ
すなわち、本実施例のＬＤモジュールでは、本実施形態（図１）のＬＤモジュール１と異なり、複数のレーザビームが互いに平行に複数のミラーへ伝搬し、複数のレーザビームが互いに平行に速軸集束レンズＦＬへ伝搬する構成を用いた。

〔実施結果〕
上記実施例を実施した結果、図７に示すＬＤモジュールでは、速軸集束レンズＦＬの入射面から、光ファイバＯＦの入射端面まで、１２．３ｍｍの距離を要することが分かった。一方、上記比較例を実施した結果、図８に示すＬＤモジュールでは、速軸集束レンズＦＬの入射面から、光ファイバＯＦの入射端面まで、１５．６ｍｍの距離を要することが分かった。すなわち、複数のレーザビームを集束気味に速軸集束レンズＦＬへ伝搬させることにより、速軸集束レンズＦＬの入射面から、光ファイバＯＦの入射端面までの距離を大幅に短縮できることが分かった。

なお、上記実施例のＬＤモジュールにおいては、速軸コリメートレンズＦＡＣｉの位置を、半導体レーザダイオードＬＤｉの出射端面から、ｚ軸正方向（すなわち、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザ光の伝播方向）に、僅かに（３μｍ）オフセットする構成が採用されている。これにより、速軸コリメートレンズＦＡＣｉから出射されたレーザビームは、速軸方向のビーム径を徐々に小さくしながら、光ファイバＯＦの入射端面に向かって伝搬することとなる。これにより、本実施例のＬＤモジュール１は、光ファイバＯＦの入射端面において、レーザビームを集光させることができ、よって、各半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されるレーザビームを更に効率よく光ファイバＯＦに結合させることが可能となっている。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

（単位光学系（レーザビーム）の数について）
本実施形態のＬＤモジュール１は、１０本のレーザビームを結合すべく、１０個の単位光学系を備えているが、これに限らない。すなわち、ＬＤモジュール１は、９個以下の単位光学系を備えたものとして実施してもよく、１１個以上の単位光学系を備えたものとして実施してもよい。

（各構成部材の設置場所について）
本実施形態のＬＤモジュール１は、図１に示すように、各構成部材が１枚のサブマウントＢの表面上に設けられているが、これに限らない。例えば、上記各構成部材の一部が、サブマウントＢの外部に設けられている構成とすることもできる。例えば、速軸集束レンズＦＬと遅軸集光レンズＳＬとが、サブマウントＢの外部（例えば、第２のサブマウント等）に設けられている構成や、遅軸集光レンズＳＬが、サブマウントＢの外部に設けられている構成とすることもできる。

本実施形態に係るＬＤモジュール１において、速軸コリメートレンズＦＡＣｉの位置を、ｚ軸正方向（すなわち、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザ光の伝播方向）に、基準位置からオフセットする構成を採用してもよい。ここで、基準位置とは、速軸コリメートレンズＦＡＣｉが半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザ光の速軸方向のビーム広がりを平行化（コリメート）する作用を発揮する位置のことを指す。基準位置からレーザ光の伝播方向にオフセットされた速軸コリメートレンズＦＡＣｉは、半導体レーザダイオードＬＤｉから出射されたレーザ光を集光する作用、すなわち、ビーム径を次第に小さくする作用を発揮することになる。

特に、本実施形態に係るＬＤモジュール１において、各速軸コリメートレンズＦＡＣｉのオフセット量を個別に設定することにより、各出力ビームのビーム径を出力ビーム束の交差点において最少化させることが好ましい。例えば、各速軸コリメートレンズＦＡＣｉのオフセット量Δｉを、Δ１＞Δ２＞・・・＞Δ１０となるように設定することにより、各出力ビームのビーム径を上記交差点において最少化させることが好ましい。

従来のＬＤモジュールでは、各出力ビームのビーム径を最適化するため、該ビーム径を調整するためのさらなるレンズを用いていた。一方、上述のとおり、本実施形態のＬＤモジュール１は、各速軸コリメートレンズＦＡＣｉのオフセット量を調整することにより、各出力ビームのビーム径を最適化するため、ビーム径を調整するためのさらなるレンズを設ける必要はない。よって、本実施形態のＬＤモジュール１は、該ＬＤモジュール１に係るコストを削減することができ、該ＬＤモジュール１を安価で実現することができる。

本発明は、ＬＤモジュールに好適に利用することができる。特に、半導体レーザダイオードを光源とするＬＤモジュールに好適に利用することができる。

１ ＬＤモジュール
ＬＤ１〜ＬＤ１０ 半導体レーザダイオード（レーザダイオード）
ＦＡＣ１〜ＦＡＣ１０ 速軸コリメートレンズ
ＳＡＣ１〜ＳＡＣ１０ 遅軸コリメートレンズ
Ｍ１〜Ｍ１０ ミラー
Ｍｉ１ 第１のミラー
Ｓ１ 反射面（第１の反射面）
Ｍｉ２ 第２のミラー
Ｓ２ 反射面（第２の反射面）
Ｂ サブマウント（基板）
ＦＬ 速軸集束レンズ（集束レンズ）
ＳＬ 遅軸集光レンズ
ＯＦ 光ファイバ

Claims (6)

1. レーザダイオード列をなす複数のレーザダイオードと、
   前記複数のレーザダイオードから出射された複数のレーザビームの各々を、当該レーザビームの遅軸方向に反射する複数のミラーと、
   前記複数のミラーによって反射された前記複数のレーザビームを集束する集束レンズと、
   を備え、
   前記複数のレーザダイオードは、
   互いに隣接するレーザビーム同士の間隔が徐々に広がるように、前記複数のレーザビームを前記複数のミラーに向けて出射し、
   前記複数のミラーは、
   互いに隣接するレーザビーム同士の間隔が徐々に狭まるように、前記複数のレーザビームを前記集束レンズに向けて反射し、
   前記複数のミラーの各々は、
   当該ミラーへ入射されてきたレーザビームを速軸方向に反射する第１のミラーと、前記第１のミラーから反射されてきたレーザビームを遅軸方向に反射する第２のミラーと、を備えて構成されており、
   前記複数のレーザビームの各々について、
   当該レーザビームが対応する前記第１のミラーへ入射する時の当該レーザビームの速軸と、当該レーザビームが対応する前記第２のミラーから出射された時の当該レーザビームの遅軸とが、互いに平行である
   ことを特徴とするＬＤモジュール。
2. 前記複数のミラーの各々は、
   当該ミラーに入射されるレーザビームと、当該ミラーから出射されるレーザビームとが、双方のレーザビームに対して垂直な方向から見たときに、直角をなすように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＬＤモジュール。
3. 前記第１のミラーは、
   当該ミラーに入射されてくるレーザビームの遅軸に対して平行な面であって、前記レーザビームの光軸に対して４５°の角度をなす第１の反射面を有し、
   前記第２のミラーは、
   前記第１の反射面によって反射されたレーザビームの速軸に対して平行な面であって、前記レーザビームの光軸に対して４５°の角度をなす第２の反射面を有する
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のＬＤモジュール。
4. 前記複数のレーザダイオードは、
   前記レーザダイオード列のより外側に配置されるにつれて、レーザビームの出射方向がより外側となるように、各々の出射方向が設定されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＤモジュール。
5. 前記複数のレーザダイオードから出射された前記複数のレーザビームの各々の光路上に配置された複数の速軸コリメートレンズをさらに備えており、
   前記複数の速軸コリメートレンズの各々は、
   対応するレーザビームの速軸方向のビーム広がりをコリメートする位置を基準として、該レーザビームの伝播方向にオフセットされており、該オフセットの量が、該レーザビームの速軸方向のビーム径を、前記集束レンズによって集束された複数のレーザビームの交差点において最小化するように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＬＤモジュール。
6. 前記第２のミラーの下面および前記第１のミラーの上面は、互いに接着されており、
   前記第２のミラーの下面および前記第１のミラーの上面の各々は、前記複数のミラーから出射された前記複数のレーザビームの速軸に対して平行である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＤモジュール。

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