JP3858349B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザアレーから放射した光を光学系結合器、光ファイバアレーを介して出射する半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体レーザ装置としては、図６（ａ）に示す構成のものが知られている。図６（ａ）において符号１は半導体レーザ装置であり、この半導体レーザ装置１は、半導体レーザアレー２、光学系結合器３、光ファイバアレー４を備えて構成されたものである。
【０００３】
半導体レーザアレー２は端面励起方式のもので、高出力を得るため複数のストライプ状活性層５…を一列に配列してアレイ状に構成されたものである。光学系結合器３は円柱レンズからなるもので、半導体レーザアレー２から発射した光の垂直成分をコリメートするべく、半導体レーザレー２のストライプ状活性層５…の列方向に平行に配置固定されたものである。光ファイバアレー４は、半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数の光ファイバ６…からなり、その入力端６ａがそれぞれ前記ストライプ状活性層５の位置と対応する位置、すなわちストライプ状活性層５からの光の出射方向に光学系結合器３を介して配置されたものである。なお、図示しないもののこの光ファイバアレー４の出力端側は一つに束ねられてなるバンドル部となっており、これによってこの出力端は、半導体レーザアレー２で放射された光を見掛け上一つの光線として出射するものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成の半導体レーザ装置１にあっては、その光学系結合器３が円柱レンズからなっており、この光学系結合器３がストライプ状活性層５…の列方向と平行に配置されていることから、該光学系結合器３で半導体レーザアレー２が放射する光を光ファイバアレー４にカップリングさせる際に、この放射光のうち垂直方向に発散する光については図６（ｂ）に示すようにこれをコリメートして光ファイバ６に集光させることができるものの、水平方向に発散する光については図６（ｃ）に示すようにこれをコリメートすることができない。したがって、この半導体レーザ装置１では、光ファイバアレー４を構成する光ファイバ６として、半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５と等しい径のものを用いた場合に、特に水平方向に発散した光全てを集光して光ファイバアレー４から出力するのが極めて困難であった。
【０００５】
このような不都合を回避して集光度を高めるべく、従来では、光ファイバ６の径をストライプ状活性層５の径より大きくするといったことも一部になされているが、その場合には、光ファイバ６の径が大きくなるに連れて光ファイバアレー４の出力端側のバンドル部の径も大きくなってしまい、光密度を上げることができなくなってしまう。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半導体レーザアレーから放射した光の集光度を高め、しかも光ファイバアレーから出力する光の密度を上げることのできる半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、直方体状に構成され、その長辺方向がストライプ状活性層の配列方向と一致する状態で配置されており、垂直成分コリメート部は、光学系結合器の半導体レーザアレーと正対する面に、光学系結合器の長辺方向に延びて形成され、曲面を半導体レーザアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなるとともに、水平成分コリメート部は、光学系結合器における光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置に、光学系結合器の短辺方向に延びて形成され、曲面を当該光ファイバーアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、直方体状に構成され、その長辺方向がストライプ状活性層の配列方向と一致する状態で配置されており、垂直成分コリメート部は、光学系結合器の半導体レーザアレーと正対する面に、光学系結合器の長辺方向に延びて形成され、曲面を半導体レーザアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなるとともに、水平成分コリメート部は、光学系結合器における光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置に、曲面を当該光ファイバーアレーと反対の側に向けた状態で配設された半球状のレンズ層からなることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の第３の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列し てなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、透明平板ガラスの両主面側に固定材を介して円柱状のレンズを貼り合わせて構成されており、垂直成分コリメート部は、透明平板ガラスの半導体レーザアレーと正対する面に、固定材を介して、その長辺方向が水平方向と一致する状態で貼りつけられた円柱状のレンズからなるとともに、水平成分コリメート部は、透明平板ガラスにおける光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置に、固定材を介して、その長辺方向が垂直方向と一致する状態で貼りつけられた円柱状のレンズからなることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の第４の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、透明平板ガラスの両主面側を加工して形成されており、垂直成分コリメート部は、透明平板ガラスの半導体レーザアレーと正対する面を、曲面を半導体レーザアレー側に向けて水平方向に延びて形成された半円柱状または双曲線状に加工してなるとともに、水平成分コリメート部は、光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置を、曲面を光ファイバーアレーに向けて垂直方向に延びた半円柱状または双曲線状に加工してなることを特徴としている。
【００１１】
この半導体レーザ装置によれば、光学系結合器を、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部と、水平成分をコリメートする水平成分コリメート部とを有するものとしたので、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分と水平成分とを前記光学系結合器で共に集光し、これを光ファイバアレーに導くことが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体レーザ装置を詳しく説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の半導体レーザ装置の第１実施形態例を示す図であり、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において符号１０は半導体レーザ装置である。この半導体レーザ装置１０が図６に示した半導体レーザ装置１と異なるところは、光学系結合器３に代えて光学系結合器１１を用いている点である。
【００１３】
光学系結合器１１は、細長い直方体状のレンズアレーからなるもので、その長辺方向が半導体レーザアレー２の長さ方向、すなわちストライプ状活性層５…の配列方向に一致した状態に配置されたものである。この光学系結合器１１には、半導体レーザアレー２に正対する面に垂直成分コリメート部１２が、また光ファイバアレー４側に正対する面に複数の水平成分コリメート部１３が形成されている。ここで、水平成分コリメート部１３…は、それぞれ半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５に対して一対一の関係で配設され、すなわち一つのストライプ状活性層５に対して一つの水平成分コリメート部１３が正対した状態に配設されている。
【００１４】
垂直成分コリメート部１２は、光学系結合器１１においてその長辺方向、すなわち水平方向に延びて形成された半円柱状のレンズ層からなるもので、このレンズ層の曲面を半導体レーザアレー２と反対の側に向けて形成されたものである。一方、水平成分コリメート部１３は、光学系結合器１１においてその短辺方向、すなわち垂直方向に延びて形成された半円柱状のレンズ層からなるもので、このレンズ層の曲面を光ファイバアレー４と反対の側に向けて形成されたものである。垂直成分コリメート部１２を形成するレンズ層は、光学系結合器１１となるレンズアレーを形成する材料の屈折率に比べ大きい屈折率を有しており、同様に、水平成分コリメート部１３を形成するレンズ層も、レンズアレーを形成する材料の屈折率に比べ大きい屈折率を有している。
【００１５】
そして、このような構成のもとに垂直成分コリメート部１２は、図１（ｂ）に示すように半導体レーザアレー２の全てのストライプ状活性層５から放射され発散した光のうち垂直成分をコリメートして水平成分コリメート部１３側に導くようになっている。また、水平成分コリメート部１３は、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部１２で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートして光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。すなわち、垂直成分コリメート部１２を出た光は垂直成分のみしかコリメートされていないことから、その水平成分は発散しているものの、水平成分コリメート部１３を透過することによってこの水平成分もコリメートされるのである。よって、この半導体レーザ装置１０にあっては、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器１１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。
【００１６】
ここで、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した光学系結合器１１の作製方法を説明する。この例における光学系結合器１１は、イオン交換レンズによって形成されたもので、図２（ａ）に示すように矩形板状のガラス等からなる透明基材２０の一方の面２０ａを、その横方向（水平方向）に所定の幅のＣｒ（クロム）からなる横パターン２１を蒸着法で並列した状態に複数列形成するとともに、図２（ｂ）に示すように透明基材２０の他方の面２０ｂを、その縦方向（垂直方向）に所定の幅のＣｒ（クロム）からなる縦パターン２２を蒸着法で並列した状態に複数列形成する。これら横パターン２１…、縦パターン２２…については、そのパターン間、すなわち蒸着されない部分が後述するように垂直成分コリメート部１２、あるいは水平成分コリメート部１３となることから、その幅（パターン間の間隔）については予め設定した寸法となるように蒸着を行う。
【００１７】
このようにして蒸着を行って横パターン２１…、縦パターン２２…を形成したら、従来公知のイオン交換法によって透明基材２０の一方の面の横パターン２１、２１間の表層部をイオン交換し、図２（ｃ）に示すように透明基材２０の一方の面に水平方向に延びた半円柱状のレンズ層からなる垂直成分コリメート部１２を複数形成する。続いて、透明基材２０の他方の面２０ｂへの縦パターン２２形成のための蒸着を再度繰り返し、その後、イオン交換法によって透明基材２０の他方の面の縦パターン２２、２２間の表層部をイオン交換し、図２（ｄ）に示すように透明基材２０の一方の面に垂直方向に延びた半円柱状のレンズ層からなる水平成分コリメート部１３を複数（半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数）形成する。
【００１８】
ここで、このように水平成分コリメート部１３の形成にあたって縦パターン２２…形成のための蒸着を２度行うのは、形成する光学系結合器１１の表面（一方の面）に形成する垂直成分コリメート部１２のＮＡ（開口数）と裏面（他方の面）に形成する水平成分コリメート部１３のＮＡ（開口数）とをそれぞれ異なった値にするべく、イオン交換の時間を変えてそれぞれ独立に制御するためである。すなわち、光学系結合器１１の表面（一方の面）については、発散角の大きい垂直方向の光用に高いＮＡ（０．６〜０．８程度）を有したレンズ層からなる垂直成分コリメート部１２を形成し、裏面（他方の面）については、発散角の小さな水平方向の光用に低いＮＡ（０．１〜０．３程度）を有したレンズ層からなる水平成分コリメート部１３を形成するように設計しているからである。
【００１９】
このようにして垂直成分コリメート部１２、水平成分コリメート部１３を形成したら、横パターン２１…、縦パターン２２…を全て除去し、図２（ｃ）、（ｄ）中破線で示した切断線に沿って透明基材２０をカットし、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した光学系結合器１１を得る。このような作製方法によれば、半導体プロセスを流用しているため特性のばらつきが小さくかつ位置精度が高い光学系結合器１１を得ることができ、しかも、大量生産が可能となることからその製造コストを抑えることもできる。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第２実施形態例を示す図であり、これらの図２において符号３０は半導体レーザ装置、３１は光学系結合器である。この第２実施形態例の半導体レーザ装置３０が第１実施形態例の半導体レーザ装置１０と異なるところは、やはり光学系結合器１１に代えて光学系結合器３１を用いている点である。すなわち、この第２実施形態例における光学系結合器３１は、その水平成分コリメート部３２が、図３（ｃ）に示すように半円柱状でなく半球面状に形成されたものとなっている。そして、このような構成により光学系結合器３１は、その水平成分コリメート部３２が、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部１２で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートすると同時に、垂直成分についても再度コリメートし、光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。よって、この半導体レーザ装置３０にあっては、前記半導体レーザ装置１０と同様に、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器３１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。
【００２１】
なお、このような光学系結合器３１を作製するには、特に透明基材２０の裏面（他方の面）にＣｒからなるパターンを蒸着形成するに際して、図３（ｂ）に示すように蒸着を行わない円形状の開口部３３を縦横に配置した状態で蒸着パターン３４を形成し、その状態でイオン交換を行って半球状の水平成分コリメート部３２を形成する。そして、横パターン２１…、蒸着パターン３４を全て除去し、図３（ｃ）中破線で示した切断線に沿って透明基材２０をカットし、図３（ａ）に示した光学系結合器３１を得る。このような作製方法にあっても、半導体プロセスを流用しているため特性のばらつきが小さくかつ位置精度が高い光学系結合器３１を得ることができ、しかも、大量生産が可能となることからその製造コストを抑えることもできる。
【００２２】
図４は本発明の第３実施形態例を説明するための図であり、図４中符号４０は光学系結合器である。この第３実施形態例が第１実施形態例、第２実施形態例の半導体レーザ装置１０、３０と異なるところもその光学系結合器の構成にある。すなわち、図４に示した光学系結合器４０は、イオン交換レンズでなく貼り合わせレンズによって形成されたもので、透明平板ガラス４１にそれぞれ一対の固定材４２、４３を介して円柱状のレンズからなる垂直成分コリメート部４４と複数の水平成分コリメート部４５…を取り付けたものである。固定材４２、４２はシリコンからなる四角柱状のもので、透明平板ガラス４１の一方の面の上下に加熱圧着あるいは接着によって貼りつけられたものであり、その中央部には異方性エッチングによってＶ溝４６が形成されている。同様に、固定材４３、４３もシリコンからなる四角柱状のもので、透明平板ガラス４１の他方の面の左右に加熱圧着あるいは接着によって貼りつけられたものであり、その中央部には異方性エッチングによってＶ溝４６が複数（半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数）形成されている。
【００２３】
そして、固定材４２、４２のＶ溝４６、４６間には、前記垂直成分コリメート部４４が架け渡された状態で、やはり加熱圧着あるいは接着により貼りつけ固定されており、同様に、固定材４３、４３のＶ溝４６、４６間にも、前記水平成分コリメート部４５が架け渡された状態で加熱圧着あるいは接着により貼りつけ固定されている。
【００２４】
このような構成の光学系結合器４０にあっても、垂直成分コリメート部４４が半導体レーザアレー２の全てのストライプ状活性層５から放射され発散した光のうち垂直成分をコリメートし、また、水平成分コリメート部４５が、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部４４で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートして光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。よって、この第３実施形態例の半導体レーザ装置にあっても、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器４１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。
【００２５】
図５は本発明の第４実施形態例を説明するための図であり、図５中符号５０は光学系結合器である。この第４実施形態例が第１実施形態例、第２実施形態例の半導体レーザ装置１０、３０と異なるところもその光学系結合器の構成にある。すなわち、図５に示した光学系結合器５０は、イオン交換レンズや貼り合わせレンズでなく、機械加工レンズによって形成されたもので、ガラスからなる平板状の基板５１の一方の面に半円柱状のレンズからなる垂直成分コリメート部５２が横方向（水平方向）に延びて形成され、また、他方の面にやはり半円柱状のレンズからなる水平成分コリメート部５３が縦方向（垂直方向）に延びて複数（半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数）形成されている。
【００２６】
このような構成の光学系結合器５０にあっても、垂直成分コリメート部５２が半導体レーザアレー２の全てのストライプ状活性層５から放射され発散した光のうち垂直成分をコリメートし、また、水平成分コリメート部５３が、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部５２で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートして光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。よって、この第４実施形態例の半導体レーザ装置にあっても、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器４１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。なお、この第４実施形態例の光学系結合器５０においては、垂直成分コリメート部５２、水平成分コリメート部５３として、半円柱状でなく双曲線状のレンズを採用することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体レーザ装置は、光学系結合器を、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部と、水平成分をコリメートする水平成分コリメート部とを有するものとしたので、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分と水平成分とを前記光学系結合器で共に集光し、これを光ファイバアレーに導くことができ、これにより半導体レーザアレーと光ファイバアレーとの間を高い結合効率で接続することができる。また、このように高い結合効率を得ることができることから、光ファイバアレーの出射端側のバンドル部の径を小さくすることができ、よって光密度が上がり、加工などに用いる際に極めて有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体レーザ装置の第１実施形態例を説明するための図であり、（ａ）は半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は半導体レーザ装置の要部側面図、（ｃ）は半導体レーザ装置の要部平面図である。
【図２】 （ａ）〜（ｄ）は図１に示した光学系結合器の製造方法を説明するための図である。
【図３】 本発明の半導体レーザ装置の第２実施形態例を説明するための図であり、（ａ）は半導体レーザ装置の概略構成を示す要部側面図、（ｂ）、（ｃ）は光学系結合器の製造方法を説明するための図である。
【図４】 本発明の半導体レーザ装置の第３実施形態例に用いられる光学系結合器の、概略構成を示す斜視図である。
【図５】 本発明の半導体レーザ装置の第４実施形態例に用いられる光学系結合器の、概略構成を示す斜視図である。
【図６】 従来の半導体レーザ装置の一例を説明するための図であり、（ａ）は半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は半導体レーザ装置の要部側面図、（ｃ）は半導体レーザ装置の要部平面図である。
【符号の説明】
２…半導体レーザアレー、４…光ファイバアレー、１０，３０…半導体レーザ装置、１１，３１，４０，５０…光学系結合器、１２，４４，５２…垂直成分コリメート部、１３，３２，４５，５３…水平成分コリメート部
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザアレーから放射した光を光学系結合器、光ファイバアレーを介して出射する半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体レーザ装置としては、図６（ａ）に示す構成のものが知られている。図６（ａ）において符号１は半導体レーザ装置であり、この半導体レーザ装置１は、半導体レーザアレー２、光学系結合器３、光ファイバアレー４を備えて構成されたものである。
【０００３】
半導体レーザアレー２は端面励起方式のもので、高出力を得るため複数のストライプ状活性層５…を一列に配列してアレイ状に構成されたものである。光学系結合器３は円柱レンズからなるもので、半導体レーザアレー２から発射した光の垂直成分をコリメートするべく、半導体レーザレー２のストライプ状活性層５…の列方向に平行に配置固定されたものである。光ファイバアレー４は、半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数の光ファイバ６…からなり、その入力端６ａがそれぞれ前記ストライプ状活性層５の位置と対応する位置、すなわちストライプ状活性層５からの光の出射方向に光学系結合器３を介して配置されたものである。なお、図示しないもののこの光ファイバアレー４の出力端側は一つに束ねられてなるバンドル部となっており、これによってこの出力端は、半導体レーザアレー２で放射された光を見掛け上一つの光線として出射するものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成の半導体レーザ装置１にあっては、その光学系結合器３が円柱レンズからなっており、この光学系結合器３がストライプ状活性層５…の列方向と平行に配置されていることから、該光学系結合器３で半導体レーザアレー２が放射する光を光ファイバアレー４にカップリングさせる際に、この放射光のうち垂直方向に発散する光については図６（ｂ）に示すようにこれをコリメートして光ファイバ６に集光させることができるものの、水平方向に発散する光については図６（ｃ）に示すようにこれをコリメートすることができない。したがって、この半導体レーザ装置１では、光ファイバアレー４を構成する光ファイバ６として、半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５と等しい径のものを用いた場合に、特に水平方向に発散した光全てを集光して光ファイバアレー４から出力するのが極めて困難であった。
【０００５】
このような不都合を回避して集光度を高めるべく、従来では、光ファイバ６の径をストライプ状活性層５の径より大きくするといったことも一部になされているが、その場合には、光ファイバ６の径が大きくなるに連れて光ファイバアレー４の出力端側のバンドル部の径も大きくなってしまい、光密度を上げることができなくなってしまう。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半導体レーザアレーから放射した光の集光度を高め、しかも光ファイバアレーから出力する光の密度を上げることのできる半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、直方体状に構成され、その長辺方向がストライプ状活性層の配列方向と一致する状態で配置されており、垂直成分コリメート部は、光学系結合器の半導体レーザアレーと正対する面に、光学系結合器の長辺方向に延びて形成され、曲面を半導体レーザアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなるとともに、水平成分コリメート部は、光学系結合器における光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置に、光学系結合器の短辺方向に延びて形成され、曲面を当該光ファイバーアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、直方体状に構成され、その長辺方向がストライプ状活性層の配列方向と一致する状態で配置されており、垂直成分コリメート部は、光学系結合器の半導体レーザアレーと正対する面に、光学系結合器の長辺方向に延びて形成され、曲面を半導体レーザアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなるとともに、水平成分コリメート部は、光学系結合器における光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置に、曲面を当該光ファイバーアレーと反対の側に向けた状態で配設された半球状のレンズ層からなることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の第３の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列し てなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、透明平板ガラスの両主面側に固定材を介して円柱状のレンズを貼り合わせて構成されており、垂直成分コリメート部は、透明平板ガラスの半導体レーザアレーと正対する面に、固定材を介して、その長辺方向が水平方向と一致する状態で貼りつけられた円柱状のレンズからなるとともに、水平成分コリメート部は、透明平板ガラスにおける光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置に、固定材を介して、その長辺方向が垂直方向と一致する状態で貼りつけられた円柱状のレンズからなることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の第４の半導体レーザ装置は、光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、光学系結合器を介して入力端がストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、光学系結合器は、透明平板ガラスの両主面側を加工して形成されており、垂直成分コリメート部は、透明平板ガラスの半導体レーザアレーと正対する面を、曲面を半導体レーザアレー側に向けて水平方向に延びて形成された半円柱状または双曲線状に加工してなるとともに、水平成分コリメート部は、光ファイバーアレーと正対する面の光ファイバーと対応する位置を、曲面を光ファイバーアレーに向けて垂直方向に延びた半円柱状または双曲線状に加工してなることを特徴としている。
【００１１】
この半導体レーザ装置によれば、光学系結合器を、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部と、水平成分をコリメートする水平成分コリメート部とを有するものとしたので、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分と水平成分とを前記光学系結合器で共に集光し、これを光ファイバアレーに導くことが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体レーザ装置を詳しく説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の半導体レーザ装置の第１実施形態例を示す図であり、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において符号１０は半導体レーザ装置である。この半導体レーザ装置１０が図６に示した半導体レーザ装置１と異なるところは、光学系結合器３に代えて光学系結合器１１を用いている点である。
【００１３】
光学系結合器１１は、細長い直方体状のレンズアレーからなるもので、その長辺方向が半導体レーザアレー２の長さ方向、すなわちストライプ状活性層５…の配列方向に一致した状態に配置されたものである。この光学系結合器１１には、半導体レーザアレー２に正対する面に垂直成分コリメート部１２が、また光ファイバアレー４側に正対する面に複数の水平成分コリメート部１３が形成されている。ここで、水平成分コリメート部１３…は、それぞれ半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５に対して一対一の関係で配設され、すなわち一つのストライプ状活性層５に対して一つの水平成分コリメート部１３が正対した状態に配設されている。
【００１４】
垂直成分コリメート部１２は、光学系結合器１１においてその長辺方向、すなわち水平方向に延びて形成された半円柱状のレンズ層からなるもので、このレンズ層の曲面を半導体レーザアレー２と反対の側に向けて形成されたものである。一方、水平成分コリメート部１３は、光学系結合器１１においてその短辺方向、すなわち垂直方向に延びて形成された半円柱状のレンズ層からなるもので、このレンズ層の曲面を光ファイバアレー４と反対の側に向けて形成されたものである。垂直成分コリメート部１２を形成するレンズ層は、光学系結合器１１となるレンズアレーを形成する材料の屈折率に比べ大きい屈折率を有しており、同様に、水平成分コリメート部１３を形成するレンズ層も、レンズアレーを形成する材料の屈折率に比べ大きい屈折率を有している。
【００１５】
そして、このような構成のもとに垂直成分コリメート部１２は、図１（ｂ）に示すように半導体レーザアレー２の全てのストライプ状活性層５から放射され発散した光のうち垂直成分をコリメートして水平成分コリメート部１３側に導くようになっている。また、水平成分コリメート部１３は、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部１２で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートして光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。すなわち、垂直成分コリメート部１２を出た光は垂直成分のみしかコリメートされていないことから、その水平成分は発散しているものの、水平成分コリメート部１３を透過することによってこの水平成分もコリメートされるのである。よって、この半導体レーザ装置１０にあっては、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器１１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。
【００１６】
ここで、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した光学系結合器１１の作製方法を説明する。この例における光学系結合器１１は、イオン交換レンズによって形成されたもので、図２（ａ）に示すように矩形板状のガラス等からなる透明基材２０の一方の面２０ａを、その横方向（水平方向）に所定の幅のＣｒ（クロム）からなる横パターン２１を蒸着法で並列した状態に複数列形成するとともに、図２（ｂ）に示すように透明基材２０の他方の面２０ｂを、その縦方向（垂直方向）に所定の幅のＣｒ（クロム）からなる縦パターン２２を蒸着法で並列した状態に複数列形成する。これら横パターン２１…、縦パターン２２…については、そのパターン間、すなわち蒸着されない部分が後述するように垂直成分コリメート部１２、あるいは水平成分コリメート部１３となることから、その幅（パターン間の間隔）については予め設定した寸法となるように蒸着を行う。
【００１７】
このようにして蒸着を行って横パターン２１…、縦パターン２２…を形成したら、従来公知のイオン交換法によって透明基材２０の一方の面の横パターン２１、２１間の表層部をイオン交換し、図２（ｃ）に示すように透明基材２０の一方の面に水平方向に延びた半円柱状のレンズ層からなる垂直成分コリメート部１２を複数形成する。続いて、透明基材２０の他方の面２０ｂへの縦パターン２２形成のための蒸着を再度繰り返し、その後、イオン交換法によって透明基材２０の他方の面の縦パターン２２、２２間の表層部をイオン交換し、図２（ｄ）に示すように透明基材２０の一方の面に垂直方向に延びた半円柱状のレンズ層からなる水平成分コリメート部１３を複数（半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数）形成する。
【００１８】
ここで、このように水平成分コリメート部１３の形成にあたって縦パターン２２…形成のための蒸着を２度行うのは、形成する光学系結合器１１の表面（一方の面）に形成する垂直成分コリメート部１２のＮＡ（開口数）と裏面（他方の面）に形成する水平成分コリメート部１３のＮＡ（開口数）とをそれぞれ異なった値にするべく、イオン交換の時間を変えてそれぞれ独立に制御するためである。すなわち、光学系結合器１１の表面（一方の面）については、発散角の大きい垂直方向の光用に高いＮＡ（０．６〜０．８程度）を有したレンズ層からなる垂直成分コリメート部１２を形成し、裏面（他方の面）については、発散角の小さな水平方向の光用に低いＮＡ（０．１〜０．３程度）を有したレンズ層からなる水平成分コリメート部１３を形成するように設計しているからである。
【００１９】
このようにして垂直成分コリメート部１２、水平成分コリメート部１３を形成したら、横パターン２１…、縦パターン２２…を全て除去し、図２（ｃ）、（ｄ）中破線で示した切断線に沿って透明基材２０をカットし、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した光学系結合器１１を得る。このような作製方法によれば、半導体プロセスを流用しているため特性のばらつきが小さくかつ位置精度が高い光学系結合器１１を得ることができ、しかも、大量生産が可能となることからその製造コストを抑えることもできる。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第２実施形態例を示す図であり、これらの図２において符号３０は半導体レーザ装置、３１は光学系結合器である。この第２実施形態例の半導体レーザ装置３０が第１実施形態例の半導体レーザ装置１０と異なるところは、やはり光学系結合器１１に代えて光学系結合器３１を用いている点である。すなわち、この第２実施形態例における光学系結合器３１は、その水平成分コリメート部３２が、図３（ｃ）に示すように半円柱状でなく半球面状に形成されたものとなっている。そして、このような構成により光学系結合器３１は、その水平成分コリメート部３２が、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部１２で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートすると同時に、垂直成分についても再度コリメートし、光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。よって、この半導体レーザ装置３０にあっては、前記半導体レーザ装置１０と同様に、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器３１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。
【００２１】
なお、このような光学系結合器３１を作製するには、特に透明基材２０の裏面（他方の面）にＣｒからなるパターンを蒸着形成するに際して、図３（ｂ）に示すように蒸着を行わない円形状の開口部３３を縦横に配置した状態で蒸着パターン３４を形成し、その状態でイオン交換を行って半球状の水平成分コリメート部３２を形成する。そして、横パターン２１…、蒸着パターン３４を全て除去し、図３（ｃ）中破線で示した切断線に沿って透明基材２０をカットし、図３（ａ）に示した光学系結合器３１を得る。このような作製方法にあっても、半導体プロセスを流用しているため特性のばらつきが小さくかつ位置精度が高い光学系結合器３１を得ることができ、しかも、大量生産が可能となることからその製造コストを抑えることもできる。
【００２２】
図４は本発明の第３実施形態例を説明するための図であり、図４中符号４０は光学系結合器である。この第３実施形態例が第１実施形態例、第２実施形態例の半導体レーザ装置１０、３０と異なるところもその光学系結合器の構成にある。すなわち、図４に示した光学系結合器４０は、イオン交換レンズでなく貼り合わせレンズによって形成されたもので、透明平板ガラス４１にそれぞれ一対の固定材４２、４３を介して円柱状のレンズからなる垂直成分コリメート部４４と複数の水平成分コリメート部４５…を取り付けたものである。固定材４２、４２はシリコンからなる四角柱状のもので、透明平板ガラス４１の一方の面の上下に加熱圧着あるいは接着によって貼りつけられたものであり、その中央部には異方性エッチングによってＶ溝４６が形成されている。同様に、固定材４３、４３もシリコンからなる四角柱状のもので、透明平板ガラス４１の他方の面の左右に加熱圧着あるいは接着によって貼りつけられたものであり、その中央部には異方性エッチングによってＶ溝４６が複数（半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数）形成されている。
【００２３】
そして、固定材４２、４２のＶ溝４６、４６間には、前記垂直成分コリメート部４４が架け渡された状態で、やはり加熱圧着あるいは接着により貼りつけ固定されており、同様に、固定材４３、４３のＶ溝４６、４６間にも、前記水平成分コリメート部４５が架け渡された状態で加熱圧着あるいは接着により貼りつけ固定されている。
【００２４】
このような構成の光学系結合器４０にあっても、垂直成分コリメート部４４が半導体レーザアレー２の全てのストライプ状活性層５から放射され発散した光のうち垂直成分をコリメートし、また、水平成分コリメート部４５が、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部４４で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートして光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。よって、この第３実施形態例の半導体レーザ装置にあっても、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器４１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。
【００２５】
図５は本発明の第４実施形態例を説明するための図であり、図５中符号５０は光学系結合器である。この第４実施形態例が第１実施形態例、第２実施形態例の半導体レーザ装置１０、３０と異なるところもその光学系結合器の構成にある。すなわち、図５に示した光学系結合器５０は、イオン交換レンズや貼り合わせレンズでなく、機械加工レンズによって形成されたもので、ガラスからなる平板状の基板５１の一方の面に半円柱状のレンズからなる垂直成分コリメート部５２が横方向（水平方向）に延びて形成され、また、他方の面にやはり半円柱状のレンズからなる水平成分コリメート部５３が縦方向（垂直方向）に延びて複数（半導体レーザアレー２のストライプ状活性層５の数と同数）形成されている。
【００２６】
このような構成の光学系結合器５０にあっても、垂直成分コリメート部５２が半導体レーザアレー２の全てのストライプ状活性層５から放射され発散した光のうち垂直成分をコリメートし、また、水平成分コリメート部５３が、対応するストライプ状活性層５から放射され垂直成分コリメート部５２で垂直成分のみがコリメートされた光を受け、これの水平成分についてコリメートして光ファイバ６（光ファイバアレー４）に導き集光するようになっている。よって、この第４実施形態例の半導体レーザ装置にあっても、半導体レーザアレー２で放射した光を、光学系結合器４１によって垂直成分、水平成分共に集光し、これを光ファイバアレー４に導くことができる。なお、この第４実施形態例の光学系結合器５０においては、垂直成分コリメート部５２、水平成分コリメート部５３として、半円柱状でなく双曲線状のレンズを採用することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体レーザ装置は、光学系結合器を、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部と、水平成分をコリメートする水平成分コリメート部とを有するものとしたので、半導体レーザアレーから放射された光の垂直成分と水平成分とを前記光学系結合器で共に集光し、これを光ファイバアレーに導くことができ、これにより半導体レーザアレーと光ファイバアレーとの間を高い結合効率で接続することができる。また、このように高い結合効率を得ることができることから、光ファイバアレーの出射端側のバンドル部の径を小さくすることができ、よって光密度が上がり、加工などに用いる際に極めて有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体レーザ装置の第１実施形態例を説明するための図であり、（ａ）は半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は半導体レーザ装置の要部側面図、（ｃ）は半導体レーザ装置の要部平面図である。
【図２】 （ａ）〜（ｄ）は図１に示した光学系結合器の製造方法を説明するための図である。
【図３】 本発明の半導体レーザ装置の第２実施形態例を説明するための図であり、（ａ）は半導体レーザ装置の概略構成を示す要部側面図、（ｂ）、（ｃ）は光学系結合器の製造方法を説明するための図である。
【図４】 本発明の半導体レーザ装置の第３実施形態例に用いられる光学系結合器の、概略構成を示す斜視図である。
【図５】 本発明の半導体レーザ装置の第４実施形態例に用いられる光学系結合器の、概略構成を示す斜視図である。
【図６】 従来の半導体レーザ装置の一例を説明するための図であり、（ａ）は半導体レーザ装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は半導体レーザ装置の要部側面図、（ｃ）は半導体レーザ装置の要部平面図である。
【符号の説明】
２…半導体レーザアレー、４…光ファイバアレー、１０，３０…半導体レーザ装置、１１，３１，４０，５０…光学系結合器、１２，４４，５２…垂直成分コリメート部、１３，３２，４５，５３…水平成分コリメート部
Claims (7)
- 光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、当該半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および当該垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、当該光学系結合器を介して入力端が前記ストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、
前記光学系結合器は、直方体状に構成され、その長辺方向が前記ストライプ状活性層の配列方向と一致する状態で配置されており、
前記垂直成分コリメート部は、前記光学系結合器の前記半導体レーザアレーと正対する面に、当該光学系結合器の長辺方向に延びて形成され、曲面を当該半導体レーザアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなるとともに、
前記水平成分コリメート部は、前記光学系結合器における前記光ファイバーアレーと正対する面の前記光ファイバーと対応する位置に、前記光学系結合器の短辺方向に延びて形成され、曲面を当該光ファイバーアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記レンズ層はイオン交換レンズで構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。 - 前記水平成分コリメート部を構成するレンズ層の開口数よりも前記垂直成分コリメート部を構成するレンズ層の開口数が高い
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。 - 光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、当該半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および当該垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、当該光学系結合器を介して入力端が前記ストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、
前記光学系結合器は、直方体状に構成され、その長辺方向が前記ストライプ状活性層および前記光ファイバーの配列方向と一致する状態で配置されており、
前記垂直成分コリメート部は、前記光学系結合器の前記半導体レーザアレーと正対する面に、前記光学系結合器の長辺方向に延びて形成され、曲面を当該半導体レーザアレーと反対の側に向けた状態で配設された半円柱状のレンズ層からなるとともに、
前記水平成分コリメート部は、前記光学系結合器における前記光ファイバーアレーと正対する面の前記光ファイバーと対応する位置に、曲面を当該光ファイバーアレーと反対の側に向けた状態で配設された半球状のレンズ層からなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記レンズ層はイオン交換レンズで構成されている
ことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。 - 光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、当該半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および当該垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、当該光学系結合器を介して入力端が前記ストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、
前記光学系結合器は、透明平板ガラスの両主面側に固定材を介して円柱状のレンズを貼り合わせて構成されており、
前記垂直成分コリメート部は、前記透明平板ガラスの前記半導体レーザアレーと正対す る面に、前記固定材を介して、その長辺方向が水平方向と一致する状態で貼りつけられた前記円柱状のレンズからなるとともに、
前記水平成分コリメート部は、前記透明平板ガラスにおける前記光ファイバーアレーと正対する面の前記光ファイバーと対応する位置に、前記固定材を介して、その長辺方向が垂直方向と一致する状態で貼りつけられた前記円柱状のレンズからなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 光を放射するストライプ状活性層が水平方向に配列された半導体レーザアレーと、当該半導体レーザアレーから放射した光の垂直成分をコリメートする垂直成分コリメート部および当該垂直成分コリメート部を通過した光の水平成分をコリメートする水平成分コリメート部が設けられた光学系結合器と、当該光学系結合器を介して入力端が前記ストライプ状活性層と対応する位置となるように光ファイバーを配列してなり、出力端側から光を出射する光ファイバーアレーとを備えた半導体レーザ装置であって、
前記光学系結合器は、透明平板ガラスの両主面側を加工して形成されており、
前記垂直成分コリメート部は、前記透明平板ガラスの前記半導体レーザアレーと正対する面を、曲面を半導体レーザアレー側に向けて水平方向に延びて形成された半円柱状または双曲線状に加工してなるとともに、
前記水平成分コリメート部は、前記光ファイバーアレーと正対する面の前記光ファイバーと対応する位置を、曲面を前記光ファイバーアレーに向けて垂直方向に延びた半円柱状または双曲線状に加工してなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
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