JP2015175958A - 半導体レーザモジュール、半導体レーザ光源及び半導体レーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザに到達する戻り光の量を低減することができる半導体レーザモジュールを提供する。
【解決手段】半導体レーザモジュール１は、レーザ光Ｌを出射する半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１に光学的に結合され、レーザ光Ｌを導波して出射する光ファイバ３と、を備え、光ファイバ３は、一方の端面４ａが半導体レーザ２１に光学的に結合された第１光ファイバ４と、一方の端面５ａが第１光ファイバ４の他方の端面４ｂに融着され、他方の端面５ｂからレーザ光Ｌを出射する第２光ファイバ５と、を有する。第２光ファイバ５は、屈曲部７を含み、コアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きく且つ開口数が前記第１光ファイバの開口数以上である、又は、コアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積以上であり且つ開口数が第１光ファイバ４の開口数よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザモジュール並びに半導体レーザモジュールを使用した半導体レーザ光源及び半導体レーザシステムに関する。

レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから出射されたレーザ光を導波して出射する光ファイバと、光ファイバの出射端面からの半導体レーザへ向う反射光（戻り光）を阻止する光アイソレータと、を備える半導体レーザモジュールが知られている（例えば、特許文献１〜５）。特許文献１〜５に記載の半導体レーザモジュールでは、光アイソレータで戻り光を阻止することによって、戻り光が半導体レーザに到達し、当該半導体レーザの出射端面に損傷を発生させることを抑制する。

特開平８−４３６９２号公報 特開２００６−１６３３５１号公報 特開平３−１７８１８１号公報 特開平６−８８９２６号公報 特開２００３−１４９９２号公報

しかしながら、特許文献１〜５に記載の半導体レーザモジュールにおいては、光アイソレータを用いるため、高コストとなる。そこで、本技術分野では、半導体レーザに到達する戻り光の量を低減する新規な手法が望まれている。

本発明の一側面に係る半導体レーザモジュールは、レーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザに光学的に結合され、レーザ光を導波して出射する光ファイバと、を備え、光ファイバは、一方の端面が半導体レーザに光学的に結合された第１光ファイバと、一方の端面が第１光ファイバの他方の端面に融着され、他方の端面からレーザ光を出射する第２光ファイバと、を有し、第２光ファイバは、屈曲部を含み、コアの断面積が第１光ファイバのコアの断面積よりも大きく且つ開口数が第１光ファイバの開口数以上である、又は、コアの断面積が第１光ファイバのコアの断面積以上であり且つ開口数が第１光ファイバの開口数よりも大きい。

この半導体レーザモジュールでは、光ファイバが、端面同士で融着された第１光ファイバ及び第２光ファイバを有し、第１光ファイバ及び第２光ファイバのコアの断面積及び開口数が所定の関係となっているので、第１光ファイバ及び第２光ファイバの融着部において光ファイバの出射端面からの戻り光をコアの外部へと漏れ出させて、半導体レーザに到達する戻り光の量を低減することができる。また、融着部よりも出射端面側に位置する第２光ファイバが屈曲部を含むので、モードスクランブルが発生し、第２光ファイバのコア内全体に戻り光が拡がり易くなるため、融着部において戻り光をコアの外部へ効率良く出力することができる。よって、半導体レーザに到達する戻り光の量を適切に低減することが可能となる。

第２光ファイバは、一方の端面におけるコアの断面が第１光ファイバの他方の端面におけるコアの断面全体と光ファイバの中心軸方向から見て重なるように第１光ファイバに融着されてもよい。この場合、半導体レーザから出射されたレーザ光が第１光ファイバと第２光ファイバとの融着部を経由する際の光損失を抑制することが可能となる。

第１光ファイバ及び第２光ファイバのそれぞれは、コアの断面が円形であってもよい。この場合、第１光ファイバ及び第２光ファイバのそれぞれは、コアの断面が回転対称であるため、融着する際の位置合わせが行い易くなる。

屈曲部は、第２光ファイバがリング状に巻かれた部分であってもよい。この場合、モードスクランブルがより発生し易くなる。

屈曲部は、第２光ファイバが８の字状に巻かれた部分であってもよい。この場合、モードスクランブルがより一層発生し易くなる。

本発明の一側面に係る半導体レーザ光源は、上記半導体レーザモジュールを備える。

この半導体レーザ光源は、上記半導体レーザモジュールを備えるので、半導体レーザに到達する戻り光の量を適切に低減することができる。

本発明の一側面に係る半導体レーザシステムは、上記半導体レーザモジュールを備える。

この半導体レーザシステムは、上記半導体レーザモジュールを備えるので、半導体レーザに到達する戻り光の量を適切に低減することができる。

本発明の一側面によれば、半導体レーザに到達する戻り光の量を低減することができる。

第１実施形態の半導体レーザモジュールの構成図である。 図１の屈曲部を示す構成図である。 （Ａ）は図１の融着部の中心軸方向における断面を拡大して示す拡大断面図、（Ｂ）は図１の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図、（Ｃ）は図１の第２光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図である。 （Ａ）は第２実施形態の融着部の中心軸方向における断面図を拡大して示す拡大断面図、（Ｂ）は第２実施形態の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図、（Ｃ）は第２実施形態の第２光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図である。 （Ａ）は第３実施形態の融着部の中心軸方向における断面図を拡大して示す拡大断面図、（Ｂ）は第３実施形態の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図、（Ｃ）は第３実施形態の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図である。 屈曲部の変形例を示す構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体レーザモジュールの構成図である。図１に示すように、半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ装置２と、光ファイバ３とを備える。半導体レーザ装置２は、半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１から出射されたレーザ光Ｌを光ファイバ３の入射端面３ａに集光する光学系（図示せず）と、を有している。光ファイバ３は、一方の端部に入射端面３ａを有し、他方の端部に出射端面３ｂを有する。光ファイバ３は、半導体レーザ２１に入射端面３ａ側が光学的に結合され、入射端面３ａから入射させられたレーザ光Ｌを導波して出射端面３ｂから出射する。光学的に結合とは、光を導波可能に接続されていることを意味する。例えば、光ファイバ３は、接続損失を低減するために半導体レーザ２１に直接接続されてもよいし、光学部材又は空気等を介して接続されてもよい。光学部材は、レンズ又は光ファイバ等であってもよい。光ファイバ３は、マルチモードコアのファイバである。光ファイバ３の出射端面３ｂ側の端部には、コネクタ９が取り付けられている。出射端面３ｂは、コネクタ９のフェルールに光ファイバ３を挿入し、コネクタ９を垂直研磨して端面出しすることにより形成される垂直研磨面である。

光ファイバ３は、入射端面３ａを含む部分をなす第１光ファイバ４と、出射端面３ｂを含む部分をなす第２光ファイバ５と、を有している。第１光ファイバ４は、一方の端面４ａが半導体レーザ装置２に光学的に結合されている。即ち、第１光ファイバ４の端面４ａは、光ファイバ３の入射端面３ａである。第２光ファイバ５は、一方の端面５ａが第１光ファイバ４の他方の端面４ｂに融着されている。融着とは、例えば、加熱により第１光ファイバ４の端面４ａ側の部分及び第２光ファイバ５の端面５ａ側の部分を溶融させ、溶融状態で接着する方法である。端面４ｂと端面５ａとの間には融着部６が形成されている。また、第２光ファイバ５は、他方の端面５ｂからレーザ光Ｌを出射する。即ち、第２光ファイバ５の端面５ｂは、光ファイバ３の出射端面３ｂである。

第２光ファイバ５は、屈曲部７を含んでいる。屈曲部７は、第２光ファイバ５が所定の曲率で屈曲させられた部分である。具体的には、屈曲部７は、第２光ファイバ５が所定の曲率でリング状に巻かれた部分である。より具体的には、屈曲部７は、第２光ファイバ５が一平面内で８の字状に巻かれた部分である。なお、８の字状もリング状の１種である。

図２は、図１の屈曲部を示す構成図である。図２に示すように、屈曲部７は、第２光ファイバ５が一平面内で８の字状に巻かれた部分である。屈曲部７は、第２光ファイバ５の一部で構成されてもよいし、全部で構成されてもよい。なお、屈曲部７は、ある視線方向で上述のように屈曲していればよく、視線方向によっては屈曲していないものも含む。例えば、一平面内で８の字状とは、図２に示すように、少なくとも当該一平面の平面視で８の字状であればよい。

図３は、（Ａ）が図１の融着部の中心軸方向における断面を拡大して示す拡大断面図、（Ｂ）が図１の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図、（Ｃ）が図１の第２光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図である。図３（Ａ）に示すように、第１光ファイバ４は、断面が円形で中心軸Ｍ方向に延びるコア４１と、コア４１の外周面を取り囲むクラッド４２とを含んでいる。第２光ファイバ５は、同じく断面が円形で中心軸Ｍ方向に延びるコア５１と、コア５１の外周面を取り囲むクラッド５２とを含んでいる。第２光ファイバ５のコア径ａ_２は、第１光ファイバ４のコア径ａ_１よりも大きい。即ち、第２光ファイバ５のコアの断面積は、第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きい。第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１は、第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２と等しい。

クラッド４２及びクラッド５２の径方向の厚さは等しく、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２は、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１よりも大きい。なお、クラッド４２及びクラッド５２の径方向の厚さ、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２及び第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１の関係はこれに限られない。第２光ファイバ５のコアの断面積は第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きく、第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１は第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２と等しいという関係を満たしていれば、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１は、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２と等しくてもよい。

融着部６は、第１光ファイバ４の端面４ｂ側から第２光ファイバ５の端面５ａ側にかけて、コア径及びクラッド径が漸次増大して、コア径の異なる第１光ファイバ４と第２光ファイバ５とを滑らかに接続する形状を有する。これにより、融着部６の機械的強度が増大する。なお、融着部６は、このようにコア径及びクラッド径が漸次増大するような形状を有する場合に限られず、コア径及びクラッド径が急激に増大するような形状を有してもよく、中心軸Ｍ方向における断面がクランク状となる形状を有してもよい。融着による光損失の抑制及び機械的強度の確保を考慮して、最適となる形状を選択することとなる。通常、光ファイバ同士の接続は、放電又はヒータ加熱等を使用した融着接続である。融着接続には、例えば、光ファイバ融着接続専用の融着接続機（フジクラ製FSM-40PM）を使用することができる。これによれば、溶融領域の調整、溶融時間の最適化を行うことで、融着による光損失を低減させることができる。加えて、図３に示すように、第１光ファイバ４と第２光ファイバ５との界面部分である融着部６の外周面を滑らかにして、融着部６の機械的強度を向上させることができる。

第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５は、第１光ファイバ４の中心軸Ｍ_１及び第２光ファイバ５の中心軸Ｍ_２が一致するように融着されている。即ち、光ファイバ３の中心軸Ｍは、第１光ファイバ４の中心軸Ｍ_１及び第２光ファイバ５の中心軸Ｍ_２とそれぞれ一致している。言い換えると、第２光ファイバ５は、端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なるように第１光ファイバ４に融着されている。なお、融着後の第１光ファイバ４の端面４ｂ及び第２光ファイバ５の端面５ａの位置は、それぞれ融着部６に隣接する位置である。即ち、融着後の第１光ファイバ４の端面４ｂ及び第２光ファイバ５の端面５ａは、融着部６を介して配置されている状態である。

図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５は、コア４１及びコア５１の屈折率がそれぞれ等しく、クラッド４２及びクラッド５２の屈折率がそれぞれ等しい。また、コア４１及びコア５１の屈折率は、それぞれクラッド４２及びクラッド５２の屈折率よりも高く、第１光ファイバ４におけるコア４１及びクラッド４２の屈折率差δ_１は、第２光ファイバ５におけるコア５１及びクラッド５２の屈折率差δ_２に等しい。

以上のように構成された半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザ２１から出射されたレーザ光Ｌは、入射端面３ａから光ファイバ３に入射させられ、光ファイバ３によって導波された後、出射端面３ｂから出射される。光ファイバ３は、第１光ファイバ４と、第２光ファイバ５とが融着されてなる。このため、より具体的には、半導体レーザ２１から出射されたレーザ光Ｌは、端面４ａから第１光ファイバ４に入射させられ、第１光ファイバ４によって導波される。続いて、レーザ光Ｌは、融着部６を経由して第２光ファイバ５に入射させられる。この際の光損失は、第２光ファイバ５の端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なり、且つ第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１が第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２と等しいために少ない。そして、第２光ファイバ５に入射させられたレーザ光Ｌは、第２光ファイバ５によって導波された後、端面５ｂから出射される。

ここで、第２光ファイバ５の端面５ｂでは、第２光ファイバ５の材質である石英と大気との屈折率の不整合により、約３％のフレネル反射が発生する。戻り光が半導体レーザへ入力されることを防ぐために、光アイソレータを用いる場合もある。しかし、光アイソレータを用いる手法では、光アイソレータのファラデー回転子としてガーネット単結晶膜を用いた場合、例えば、０．８〜０．９μｍの波長帯域ではガーネット単結晶膜中に含まれる鉄の成分が光吸収を起こす。これにより、この波長帯域では光損失が更に増大し、光出力が半分以下となってしまうおそれがある。加えて、発熱するため冷却設備が必要となり、実用化が困難である。ガーネット単結晶膜以外の材料として、ＴＧＧ（Terbium Gallium Garnet）、ＴＡＧ（Terbium Aluminum Garnet）等が挙げられるが、いずれも磁気光学効果が不十分であり、半導体レーザに到達する戻り光を阻止することが困難である。仮に、これらの材料で光アイソレータを構成した場合、半導体レーザに到達する戻り光を阻止するためには非常に大きな構造とする必要があり、やはり実用化が難しいという問題がある。

また、従来、半導体レーザに到達する戻り光の量を低減する方法として、コネクタを斜めに研磨し、光ファイバの出射端面を斜め研磨面とする方法が知られている。例えば、コア径１０５μｍ、開口数０．２２の光ファイバを使用した場合、垂直研磨面では反射減衰量が１４．８ｄＢ（約３．３％）であるのに対して、斜め研磨面では反射減衰量が２１．９ｄＢ（約０．６％）まで減少する。しかし、出射端面が斜め研磨面であると、出射端面から出射されるレーザ光もスネルの法則に基づき、約２度の角度を持って出射される。したがって、例えば、コネクタの先に加工ヘッドを接続し、レーザ光を加工対象物に照射して用いるような場合、光ファイバと加工ヘッドとが非同軸となることから、実用的でないおそれがある。また、コネクタ端面（即ち、光ファイバの出射端面）が斜めであっても、加工対象物等から光が同一軌道を通って戻ってくる際には、その光が光ファイバに戻って半導体レーザに到達し、半導体レーザに損傷を与えてしまう可能性がある。なお、反射減衰量とは、半導体レーザの出射光量と半導体レーザへの戻り光量との相対比のことであり、半導体レーザへの戻り光量／光ファイバの出射光量（％）、又は−１０ｌｏｇ（半導体レーザへの戻り光量／光ファイバの出射光量）（ｄＢ）で定義される。

これに対し、半導体レーザモジュール１では、第２光ファイバ５のコアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きく、且つ第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１が第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２と等しい。したがって、第２光ファイバ５の端面５ｂで生じた戻り光Ｌ_ｒは、第２光ファイバ５によって導波された後、図１に示すように、融着部６においてコアの外部へと漏れ出る。これにより、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減することができる。また、屈曲部７でモードスクランブルが発生し、戻り光Ｌ_ｒが第２光ファイバ５のコア５１内全体に均一に拡がり易くなる。即ち、第２光ファイバ５のコア５１内を高次モードで伝搬する光のパワーの割合が増える。これにより、融着部６において戻り光Ｌ_ｒがコアの外部へと漏れ出易くなり、戻り光Ｌ_ｒによる半導体レーザ２１の損傷を効果的に抑制することができる。なお、モードスクランブルとは、光ファイバ内の複数のモード間で光パワーの相互伝達を引き起こし、実効的にモードをスクランブルする現象をいう。

以上説明したように、実施形態の半導体レーザモジュール１は、レーザ光Ｌを出射する半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１に光学的に結合され、レーザ光Ｌを導波して出射する光ファイバ３と、を備え、光ファイバ３は、一方の端面４ａが半導体レーザ２１に光学的に結合された第１光ファイバ４と、一方の端面５ａが第１光ファイバ４の他方の端面４ｂに融着され、他方の端面４ｂからレーザ光Ｌを出射する第２光ファイバ５と、を有し、第２光ファイバ５は、屈曲部７を含み、第２光ファイバ５のコアの断面積は第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きく、第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１は第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２と等しい。

この半導体レーザモジュール１では、光ファイバ３が第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５を有し、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５は端面４ｂ，５ａ同士で融着接続されている。また、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のコアの断面積及び開口数ＮＡ_１，ＮＡ_２が所定の関係となっているので、融着部６において光ファイバ３の出射端面３ｂからの戻り光Ｌ_ｒをコアの外部へと漏れ出させることにより、戻り光Ｌ_ｒが半導体レーザ２１に到達し、半導体レーザ２１の特に出射端面に損傷を発生させることを抑制する。また、融着部６よりも出射端面３ｂ側に位置する第２光ファイバ５が屈曲部７を含むので、モードスクランブルが発生し、第２光ファイバ５のコア内全体に戻り光Ｌ_ｒが拡がり易くなる。これにより、融着部６において戻り光Ｌ_ｒがコアの外部へと漏れ出易くなり、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減するのに有利である。

また、第２光ファイバ５は、端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なるように第１光ファイバ４に融着される。これにより、半導体レーザ２１から出射されたレーザ光Ｌが融着部６を経由する際の光損失を抑制することができる。また、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のそれぞれは、コアの断面が円形である。つまり、コアの断面が回転対称であえるため、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５を融着する際に、位置合わせが行い易い。第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のそれぞれの中心軸Ｍ_１、Ｍ_２を合わせさえすれば、必ず第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と第２光ファイバ５の端面５ａにおけるコアの断面とが、光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なるようになる。また、屈曲部７は、第２光ファイバ５が一平面上で８の字状に巻かれた部分であるため、モードスクランブルを効果的に発生させることができる。

半導体レーザのようなシングルエミッタ素子は、高負荷状態、つまり高駆動電流領域で使用される。したがって、半導体レーザを光ファイバに接続してファイバモジュール化する場合、光ファイバの出射端面からのフレネル反射により、素子端面がより損傷し易いおそれがある。半導体レーザモジュール１では、上記の構成を備えることにより、光ファイバ３の出射端面３ｂで生じた戻り光Ｌ_ｒを半導体レーザ２１へ戻らないようする戻り光防止効果を有するので、素子を損傷させることなく高い駆動電流まで使用することができる。

また、この半導体レーザモジュール１では、光アイソレータのような光損失を増大させるおそれのある光学部材を用いず、光ファイバ３によって半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減するため、光損失を効果的に抑制することができる。また一般に、光アイソレータは高価であるため、光アイソレータを用いないことにより、製造コストを削減することが可能となる。また、光アイソレータを用いないことにより、部品点数を減らして構成の小型化及び簡素化を図ることが可能となる。

この半導体レーザモジュール１は、例えば、樹脂又ははんだの溶接等に用いられる半導体レーザ光源又は様々な半導体レーザシステムに適用することができる。

（第２実施形態）
図４は、（Ａ）が第２実施形態の融着部の中心軸方向における断面図を拡大して示す拡大断面図、（Ｂ）が第２実施形態の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図、（Ｃ）が第２実施形態の第２光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図である。図４に示すように、第２実施形態は、用いる光ファイバ３が異なる点で第１実施形態と相違する。特に、第２光ファイバ５が第１実施形態とは異なる。第２光ファイバ５のコア径ａ_２が第１光ファイバ４のコア径ａ_１と等しく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きい。即ち、第２光ファイバ５のコアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積と等しく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きい。

クラッド４２及びクラッド５２の径方向の厚さは等しく、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１及び第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_２は等しい。このようにコア径ａ_１及びコア径ａ_２が等しく、クラッド径ｂ_１及びクラッド径ｂ_２が等しいため、融着部６は、コア径及びクラッド径が均一であり、第１光ファイバ４と第２光ファイバ５とを滑らかに接続する形状を有する。これにより、融着部６の機械的強度が増大する。なお、クラッド４２及びクラッド５２の径方向の厚さ、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１及び第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２の関係はこれに限られない。第２光ファイバ５のコアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積と等しく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きいという関係を満たしていれば、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１は、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。

また、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５は、コア４１及びコア５１の屈折率がそれぞれ等しく、クラッド４２の屈折率はクラッド５２の屈折率よりも大きい。また、コア４１及びコア５１の屈折率は、それぞれクラッド４２及びクラッド５２の屈折率よりも高く、第１光ファイバ４におけるコア４１及びクラッド４２の屈折率差δ_１は、第２光ファイバ５におけるコア５１及びクラッド５２の屈折率差δ_２よりも小さい。

以上のように構成された半導体レーザモジュール１においては、第２光ファイバ５のコアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積と等しく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きい。これにより、第１実施形態と同様に、戻り光Ｌ_ｒは、融着部６においてコアの外部へと漏れ出るため、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減することができる。また、第１実施形態と同様に、第２光ファイバ５の端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なっているため、レーザ光Ｌが融着部６を経由して第２光ファイバ５に入射させられるときの光損失が少ない。

また、この半導体レーザモジュール１では、このようにコア径ａ_１及びコア径ａ_２が等しく、クラッド径ｂ_１及びクラッド径ｂ_２が等しいため、融着接続するのが容易である。また、接続による光損失を低減させ易い。

（第３実施形態）
図５は、（Ａ）が第３実施形態の融着部の中心軸方向における断面図を拡大して示す拡大断面図、（Ｂ）が第３実施形態の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図、（Ｃ）が第３実施形態の第１光ファイバの径方向における屈折率分布を示す図である。図５に示すように、第３実施形態は、用いる光ファイバ３が異なる点で第１実施形態と相違する。特に、第２光ファイバ５が第１実施形態とは異なる。第２光ファイバ５のコア径ａ_２が第１光ファイバ４のコア径ａ_１よりも大きく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きい。即ち、第２光ファイバ５のコアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きい。

クラッド４２及びクラッド５２の径方向の厚さは等しく、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２は、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１よりも大きい。なお、クラッド４２及びクラッド５２の径方向の厚さ、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２及び第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１の関係はこれに限られない。第２光ファイバ５のコア径ａ_２が第１光ファイバ４のコア径ａ_１よりも大きく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きいという関係を満たしていれば、第１光ファイバ４のクラッド径ｂ_１は、第２光ファイバ５のクラッド径ｂ_２と等しくてもよい。

融着部６は、第１光ファイバ４の端面４ｂ側から第２光ファイバ５の端面５ａ側にかけて、コア径及びクラッド径が漸次増大して、コア径の異なる第１光ファイバ４と第２光ファイバ５とを滑らかに接続する形状を有する。これにより、融着部６の機械的強度が増大する。なお、融着部６は、このようにコア径及びクラッド径が漸次増大するような形状を有する場合に限られず、コア径及びクラッド径が急激に増大するような形状を有してもよく、中心軸Ｍ方向における断面がクランク状となる形状を有してもよい。融着による光損失の抑制及び機械的強度の確保を考慮して、最適となる形状を選択することとなる。

また、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５は、コア４１及びコア５１の屈折率がそれぞれ等しく、クラッド４２の屈折率はクラッド５２の屈折率よりも大きい。また、コア４１及びコア５１の屈折率は、それぞれクラッド４２及びクラッド５２の屈折率よりも高く、第１光ファイバ４におけるコア４１及びクラッド４２の屈折率差δ_１は、第２光ファイバ５におけるコア５１及びクラッド５２の屈折率差δ_２よりも小さい。

以上のように構成された半導体レーザモジュール１においては、第２光ファイバ５のコアの断面積が第１光ファイバ４のコアの断面積よりも大きく、且つ第２光ファイバ５の開口数ＮＡ_２が第１光ファイバ４の開口数ＮＡ_１よりも大きいので、戻り光Ｌ_ｒは、融着部６においてコアの外部へと漏れ出るため、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減することができる。また、第１実施形態と同様に、第２光ファイバ５の端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なっているため、レーザ光Ｌが融着部６を経由して第２光ファイバ５に入射させられるときの光損失が少ない。

以上、実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、屈曲部７の形状は、第２光ファイバ５が一平面内で８の字状に屈曲する形状として説明したが、これに限られず様々な形状を取り得る。

図６は、屈曲部の変形例を示す構成図である。例えば、図６（Ａ）に示すように、第２光ファイバ５が一方向に一回屈曲する形状としてもよい。また、図６（Ｂ）に示すように、第２光ファイバ５が一平面内で対向する二方向にそれぞれ一回ずつ屈曲する形状としてもよい。また、図示しないが、２重以上に巻かれたリング状であってもよく、モードスクランブルを適切に生じるような形状であれば何でもよい。

また、第２光ファイバ５は、端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重なるように第１光ファイバ４に融着されるとして説明したが、これに限られない。少なくとも第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のコアの断面積及び開口数ＮＡ_１，ＮＡ_２が所定の関係となっていれば、第２光ファイバ５の端面５ａにおけるコアの断面が第１光ファイバ４の端面４ｂにおけるコアの断面全体と光ファイバ３の中心軸Ｍ方向から見て重ならない場合であっても、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減することができる。

また、少なくとも第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のコアの断面積及び開口数ＮＡ_１，ＮＡ_２が所定の関係となっていれば、第１光ファイバ４のコアの断面及び第２光ファイバ５のコアの断面は、それぞれ円形に限定されることなく、例えば、方形等であってもよい。第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のコアの断面がそれぞれ方形のとき、第２光ファイバ５のコアの断面における一辺の長さは、第１光ファイバ４のコアの断面における一辺の長さ以上である。

また、光ファイバ３は、第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５の２つの光ファイバからなるとして説明したが、光ファイバ３は、３つ以上の光ファイバからなってもよい。光ファイバ３が、第１光ファイバ４、第２光ファイバ５、・・・第ｎ光ファイバ（ｎは３以上の整数）からなる場合、第ｎ光ファイバは、半導体レーザ２１と第１光ファイバ４との間に光学的に結合されてもよいし、第２光ファイバ５の端面５ｂに光学的に結合されてもよい。即ち、第１光ファイバ４の端面４ａ及び第２光ファイバ５の端面５ｂは、それぞれ光ファイバ３の入射端面３ａ及び出射端面３ｂであるとは限らない。このように光ファイバ３が３つ以上の光ファイバから構成される場合も、少なくとも第１光ファイバ４及び第２光ファイバ５のコアの断面積及び開口数ＮＡ_１，ＮＡ_２が所定の関係となっていればよい。

光ファイバ３が３つ以上の光ファイバから構成される場合に、半導体レーザ２１側から順に、コア径又は開口数が徐々に大きくなるような順番で各光ファイバを融着すると、光損失を抑制することができる。更に、第１光ファイバ４と第２光ファイバ５との融着部６だけでなく、これ以外の融着部においても戻り光Ｌ_ｒがコアの外部へと漏れ出るので、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を低減することができる。また、第ｎ光ファイバが第２光ファイバ５の端面５ｂ側に融着接続される場合は、第ｎ光ファイバは第２光ファイバ５と同様に屈曲部を有してもよい。これによれば、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量を効果的に低減することができる。

また、出射端面３ｂを斜め研磨面としてもよい。これによれば、半導体レーザ２１に到達する戻り光Ｌ_ｒの量をより効果的に低減することができる。

以下に実施例を説明する。ただし、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものはない。

（実施例１）
第１光ファイバとして、コア径が１０５μｍ、開口数が０．１５である光ファイバを用意した。また、第２光ファイバとして、コア径が１０５μｍ、開口数が０．２２である光ファイバを用意した。続いて、用意した第１光ファイバ及び第２光ファイバを各中心軸が一致するように融着接続した光ファイバを用いて、上記の第２実施形態の半導体レーザモジュールに対応する実施例１の半導体レーザモジュールを構成した。

更に、この半導体レーザモジュールの屈曲部の形状を図６（Ａ）に示されるような一回屈曲する形状としたものを、実施例１−１とし、図６（Ｂ）に示されるような二回屈曲する形状としたものを、実施例１−２とし、図２に示されるような８の字状としたものを、実施例１−３とした。

（実施例２）
第１光ファイバとして、コア径が１０５μｍ、開口数が０．１５である光ファイバを用意した。また、第２光ファイバとして、コア径が２００μｍ、開口数が０．１５である光ファイバを用意した。続いて、用意した第１光ファイバ及び第２光ファイバを各中心軸が一致するように融着接続した光ファイバを用いて、上記の第１実施形態の半導体レーザモジュールに対応する実施例２の半導体レーザモジュールを構成した。

更に、この半導体レーザモジュールの屈曲部の形状を図６（Ａ）に示されるような一回屈曲する形状としたものを、実施例２−１とし、図６（Ｂ）に示されるような二回屈曲する形状としたものを、実施例２−２とし、図２に示されるような８の字状としたものを、実施例２−３とした。

（実施例３）
第１光ファイバとして、コア径が１０５μｍ、開口数が０．１５である光ファイバを用意した。また、第２光ファイバとして、コア径が２００μｍ、開口数が０．２２である光ファイバを用意した。続いて、用意した第１光ファイバ及び第２光ファイバを各中心軸が一致するように融着接続した光ファイバを用いて、上記の第３実施形態の半導体レーザモジュールに対応する実施例３の半導体レーザモジュールを構成した。

更に、この半導体レーザモジュールの屈曲部の形状を図６（Ａ）に示されるような一回屈曲する形状としたものを、実施例３−１とし、図６（Ｂ）に示されるような二回屈曲する形状としたものを、実施例３−２とし、図２に示されるような８の字状としたものを、実施例３−３とした。

（比較例）
コア径が１０５μｍ、開口数が０．１５である光ファイバを１種類のみ用意し、これを用いて比較例の半導体レーザモジュールを構成した。

（頓死電流及びファイバ出力の測定）
上記実施例１〜３及び比較例の半導体レーザモジュールを用いて、頓死電流及びファイバ出力を測定した。この測定結果を表１に示す。また、屈曲により完全にモードスクランブルが行われたと想定して計算した各光ファイバの反射減衰率も表１にあわせて示す。なお、半導体レーザモジュールの頓死電流とは、半導体レーザが戻り光により損傷し、半導体レーザモジュールとして動作不能となる電流値である。ファイバ出力とは、半導体レーザモジュールが動作不能となるときの出力、即ち、半導体レーザモジュールの許容最大出力である。

表１に示すように、比較例では１５Ａ（ファイバ出力１３．５Ｗ）の駆動電流で、半導体レーザの出射端面が損傷した。これに対して、実施例１〜３では、いずれも半導体レーザモジュールの頓死電流及びファイバ出力が向上した。最も特性が向上したのは、第２光ファイバとして、コア径及び開口数がいずれも第１光ファイバのコア径及び開口数よりも大きい光ファイバを用いた実施例３の場合であった。この結果から、第１光ファイバ及び第２光ファイバのコアの断面積及び開口数を所定の関係とすることにより、戻り光が半導体レーザに到達する光の量を低減し、半導体レーザの損傷が抑制されることが確認できた。また、第２光ファイバのコアの断面積及び開口数の両方を第１光ファイバのコアの断面積及び開口数よりも大きくすることにで、最もその効果が得られることが分った。

また、実施例１〜３のいずれにおいても、屈曲部の形状が、８の字状のときに最も頓死電流及びファイバ出力が向上した。屈曲部の形状が二回屈曲の方が、一回屈曲より、頓死電流及びファイバ出力が向上した。この結果から、８の字状のときに最もモードスクランブルが生じ易くなることが確認できた。

１…半導体レーザモジュール、３…光ファイバ、４…第１光ファイバ、４ａ…第１光ファイバの端面（一方の端面）、４ｂ…第１光ファイバの端面（他方の端面）、５…第２光ファイバ、５ａ…第２光ファイバの端面（一方の端面）、５ｂ…第２光ファイバの端面（他方の端面）、７…屈曲部、２１…半導体レーザ、ａ_１，ａ_２…コア径、Ｌ…レーザ光、Ｍ，Ｍ_１，Ｍ_２…中心軸。

Claims (7)

1. レーザ光を出射する半導体レーザと、
   前記半導体レーザに光学的に結合され、前記レーザ光を導波して出射する光ファイバと、を備え、
   前記光ファイバは、
   一方の端面が前記半導体レーザに光学的に結合された第１光ファイバと、
   一方の端面が前記第１光ファイバの他方の端面に融着され、他方の端面から前記レーザ光を出射する第２光ファイバと、を有し
   前記第２光ファイバは、
   屈曲部を含み、
   コアの断面積が前記第１光ファイバのコアの断面積よりも大きく且つ開口数が前記第１光ファイバの開口数以上である、又は、コアの断面積が前記第１光ファイバのコアの断面積以上であり且つ開口数が前記第１光ファイバの開口数よりも大きい、半導体レーザモジュール。
2. 前記第２光ファイバは、前記一方の端面における前記コアの断面が前記第１光ファイバの前記他方の端面におけるコアの断面全体と前記光ファイバの中心軸方向から見て重なるように前記第１光ファイバに融着される、請求項１記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのそれぞれは、コアの断面が円形である、請求項１又は２記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記屈曲部は、前記第２光ファイバがリング状に巻かれた部分である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記屈曲部は、前記第２光ファイバが８の字状に巻かれた部分である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュールを備える半導体レーザ光源。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュールを備える半導体レーザシステム。
   

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