JP3932982B2 - 集光用光回路及び光源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集光用光回路及び光源装置に係り、例えば半導体ダイレクトレーザ加工機や固体励起レーザのポンプ光源に用いて好適な集光用光回路及び光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、アレイ状光源からの出射光を集光する集光用光回路としてＹ型合波回路が提案されている。
【０００３】
図１４は、従来のＹ型合波回路の平面図である。Ｙ型合波回路の入射光の多くは、臨界角を超えて導波路が合流する接続点で導波路外に放射される。このため、入射光は、接続点を１段経る毎に２〜３ｄＢ程度の損失が生じる。したがって、アレイ状光源の多数の出射光を集光するために、Ｙ型合波回路の接続点の段数を増やしてもＹ型合波回路の出力強度はあまり大きくならない、という問題があった。
【０００４】
また、特開平５−９３８２８号公報には、同公報の図１に示すように、レーザダイオードバー１０の放出面１２，１４，１６に、光ファイバ束２４の光ファイバ１８，２０，２２をそれぞれ対応させて、レーザ光を集光して高密度化を図る多重エミツタレーザダイオードをマルチモード光ファイバに結合するための装置（以下「従来技術１」という。）が提案されている。
【０００５】
しかし、レーザダイオードバー１０は多数の放出面を備えているので、すべての放出面に１本ずつ光ファイバを接続するのは非常に煩雑であり、放出面に接続することができる光ファイバの数に限度がある。したがって、放出面に光ファイバを接続してレーザ光を集光したとしても、集光されたレーザ光のエネルギー密度に限界がある。
【０００６】
また、集光系を小さくするためには光ファイバ束の外径が小さいことが望ましいが、多くの放出面から出射されたレーザ光を集光しようとすると、光ファイバ束２４の外径が大きくなり、実用上、レーザ光を集光することが困難になってしまう。
【０００７】
特開平７−１６８０４０号公報には、同公報の図２に示すように、複数の光源を有する半導体レーザー（レーザバー）１ｂを積層し、積層された半導体レーザー１ｂからの出射光を横方向に集束する光分岐器２ｂ1と、光分岐器２ｂ1からの出射光を縦方向に集束する光分岐器２ｂ2とを備えた半導体レーザー集光装置（以下「従来技術２」という。）が提案されている。
【０００８】
しかし、従来技術２では、レーザ光の光軸調整において、積層された半導体レーザー１ｂのレーザ光の出射位置と、光分岐器２ｂ1のレーザ光の入射位置とを高精度に一致させる必要がある。さらに、光軸調整後の半導体レーザー１、光分岐器２ｂ1及び光分岐器２ｂ2の配置状態を保持することも困難である。そのため、各接続部位における位置の不整合が発生し易く、この結果、効率よくレーザ光を集光することが困難であった。
【０００９】
特開２０００−１９３６２号公報には、アレイ型半導体レーザの各光放射部から出射されたレーザ光を集束する光集束器１０を備えたアレイ型半導体レーザ用結合装置（以下「従来技術３」という。）が提案されている。
【００１０】
しかし、従来技術３では、半導体レーザの数が増えると、光集束器１０の長手方向（レーザ光の入射方向に平行な方向）の長さが大きくなり、現実的な寸法では収まりきれない大きさになる問題があった。光集束器１０の長手方向を短くするためには、光集束器に形成された光導波路を急激に曲げる必要があるが、急激に曲げるとレーザ光の放射損失が増加する問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、アレイ状光源からの複数の出射光を高効率で合波させる集光用光回路及び光源装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光が入射される複数の入射ポートと、前記入射ポートに光結合されると共に入射した光を絞る光絞り部と、前記光絞り部によって絞られた光を平行光束にする平行光化部と、を備えた複数の入射導波部と、入射端が前記複数の入射導波部の各々に光結合されると共に入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなる第１のダウンテーパ部と、前記第１のダウンテーパ部の出射端に設けられた出射ポートと、を備えた単一の出射導波部と、を有し、前記光絞り部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなる第２のダウンテーパ部を含み、前記平行光化部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に大きくなるアップテーパ部を含む。
【００１３】
入射導波部は、入射ポートと光絞り部と平行光化部とを備えている。入射ポートは光が入射される部位である。光絞り部は光を一度絞り、平行光化部は、光の伝搬角を小さくして、光を伝搬方向に対してほぼ平行光束になるようにする。ここでは、平行光化部は、光の伝搬方向を光の結合点方向に変換する曲線導波部であってもよい。
【００１４】
出射導波部は、ダウンテーパ部と出射ポートとを備えている。ダウンテーパ部は、各入射導波部の平行光化部に光結合されており、各平行光化部から出射された光を合波して、出射ポート介して外部に出射する。
【００１５】
したがって、請求項１記載の発明によれば、光絞り部によって光を一度絞り、平行光化部によって光の伝搬角を小さくして平行光束にしてから合波することで、高効率で光を結合させることができる。
【００１６】
また、請求項１記載の発明は、前記平行光化部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に大きくなるアップテーパ部を含んでいる。
【００１７】
アップテーパ部に入射された光は、内部反射を繰り返すことで伝搬角が小さくなり平行光束にされる。したがって、請求項１記載の発明によれば、各入射導波部のアップテーパ部は伝搬角の小さな光を第１のダウンテーパ部に入射させるので、高効率で光を合波させることができる。なお、アップテーパ部の出射側に、直線導波部、曲線導波部、ダウンテーパ部、またはダウンテーパ部と直線導波部とを結合した導波部を設けてもよい。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の集光用光回路と、前記集光用光回路の各々の入射ポートに対してレーザ光を直接入射するアレイ状光源と、前記集光用光回路の出射導波部に光結合された光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光する集光手段と、を備えている。
【００１９】
アレイ状光源は、半導体レーザアレイに限らず、例えば発散角を抑制するような構造の光源であれば特に限定されない。アレイ状光源は、複数の光出射部から光を出射して、この光を集光用光回路の入射ポートに入射させる。集光用光回路は、アレイ状光源から出射された光を合波して、出射ポートを介して出射する。各集光用光回路から出射されたそれぞれの光は、光ファイバを介して、集光手段で集光される。
【００２０】
したがって、請求項２記載の発明によれば、アレイ状光源から出射された光を集光用光回路によって光の伝搬角を小さくして合波し、光ファイバ及び集光手段を介して外部に出射するので、高効率で結合された高輝度の光を外部に出射することができる。
【００２１】
なお、上述した発明において、導波部を光導波路で構成してもよいし、光ファイバ等のその他の光学系で構成してもよい。導波部を光導波路で構成した場合、ダウンテーパ部は、光の伝搬方向に向かって導波路の幅が小さくなるように形成すれば、導波領域が小さくなる。アップテーパ部は、光の伝搬方向に向かって導波路の幅が広くなるように形成すれば、導波領域が大きくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ光源装置１の構成を示す斜視図である。
【００２４】
半導体レーザ光源装置１は、Ｓｉ基板１０上に設置された状態で複数のレーザ光を出射する半導体レーザアレイ２０と、半導体レーザアレイ２０から出射されたレーザ光を速軸方向に集光するロッドレンズ３０と、ロッドレンズ３０からのレーザ光を合波する複数の光導波路デバイス４０と、各光導波路デバイス４０で合波されたレーザ光を導光する複数の光ファイバ７０と、各光ファイバ７０から出射されたレーザ光を集光して焦点位置を調整する集光レンズ８０とを備えている。
【００２５】
Ｓｉ基板１０は、微細加工工程によって板状に精密に形成されており、主面１１上に配置された半導体レーザアレイ２０及び光導波路デバイス４０の高さ方向の位置を精密に規制する。
【００２６】
図２は、Ｓｉ基板１０上に配置された半導体レーザアレイ２０、ロッドレンズ３０及び光導波路デバイス４０の拡大断面図である。
【００２７】
Ｓｉ基板１０の主面１１上であって、半導体レーザアレイ２０と光導波路デバイス４０の間には、半導体レーザアレイ２０のレーザ配列方向に沿って、凹部溝１２が形成されている。凹部溝１２の幅は、ロッドレンズ３０の直径よりも小さくなっている。そして、ロッドレンズ３０は、凹部溝１２上に配置され、位置規制されている。
【００２８】
また、Ｓｉ基板１０は、熱伝導性が良く、図１に示すように、板状に形成された冷却基板１３によって直接冷却される。冷却基板１３は、その内部に冷媒を通すための図示しない水路を設けている。冷媒供給機１４は、冷却基板１３に対して冷媒ホース１５及び冷媒入出力ポート１６を介して冷媒を供給し、使用済みの冷媒を出力ポート１７及び冷媒ホース１８を介して回収し、再び冷却用の冷媒を冷却基板１３に供給する。これにより、冷却基板１３は、Ｓｉ基板１０を常に冷却することができる。なお、冷媒基板１３は、冷媒によってＳｉ基板１０を冷却する水冷式であるが、冷却フィンによってＳｉ基板１０を冷却する空冷式であってもよい。
【００２９】
各半導体レーザアレイ２０は、Ｓｉ基板１０上において、半導体レーザアレイ２０のレーザ配列方向に沿って、所定間隔毎に配置されている。半導体レーザアレイ２０は、駆動電源２１から供給される駆動電源によって駆動され、複数のレーザ光出射部からレーザ光を同一方向に出射する。なお、レーザ光の発散角は、速軸方向θ⊥〜４０°、遅軸方向θ//〜１０°の一般的な特性である。
【００３０】
ロッドレンズ３０は、図２に示すように、Ｓｉ基板１０に形成された凹部溝１２によって位置規制され、半導体レーザアレイ２０から出射されたレーザ光を速軸方向に集束して、光導波路デバイス４０に入射させる。
【００３１】
ここで、半導体レーザアレイ２０の出射光は、速軸方向については、ロッドレンズ３０により収束されるので、高効率で容易に光導波路デバイス４０に結合する。一方、遅軸方向については、遅軸方向の発散角の値を考慮した上で半導体レーザアレイ２０と光導波路デバイス４０との距離を短くすることで、レンズを用いることなく高効率に結合させる。このときの結合効率は、ロッドレンズ３０、光導波路デバイス４０の入射端面を誘電体多層膜等で無反射コートとすることで、９５％以上にすることができる。
【００３２】
図３（Ａ）は、半導体レーザアレイ２０、ロッドレンズ３０及び光導波路デバイス４０の平面図であり、（Ｂ）は半導体レーザアレイ２０、ロッドレンズ３０及び光導波路デバイス４０の断面図である。
【００３３】
光導波路デバイス４０は、クラッド材料としてＳｉＯ2、コア材料としてＧｅＯ2を付加したＳｉＯ2が用いられ、本実施の形態ではステップインデックス構造である。そして、光導波路デバイス４０は、平面板状に形成された光導波路基板４１と、光導波路基板４１上に形成された光導波路４２とで構成されている。
【００３４】
図４は、光導波路デバイス４０に形成された光導波路４２の構成を示す平面図である。光導波路４２は、Ｎ個の入射導波部５０と、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００３５】
ここで、出射導波部６０において、レーザ光が結合される点を結合点Ｐとし、結合点Ｐからそれぞれの入射導波部５０の終端中心部に向けて直線Ｌｐ（ｐ＝１，２，…，Ｎ）を設ける。そして、出射導波部６０を線対称にする直線Ｌと直線Ｌｐとのなす角をθｐとする。
【００３６】
図５は、入射導波部５０の具体的な構成を示す平面図である。各入射導波部５０は、図４に示した直線Ｌに対して対称に構成されており、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１から入射されたレーザ光を所定の方向に曲げる曲線領域５２と、曲線領域５２を通過したレーザ光を平行光化するアップテーパ領域５３とを備えている。
【００３７】
入射直線領域５１は、ほぼ一定の幅Ｗ１を有する直線状の導波路であり、半導体レーザアレイ２０の各レーザ光出射部に対応してそれぞれ形成されている。入射直線領域５１の一端側は、半導体レーザアレイ２０からのレーザ光が入射される入射ポート５１ａである。
【００３８】
入射ポート５１ａは、半導体レーザアレイ２０のレーザ光出射部と同数設けられている。本実施の形態では、Ｎ（＝１，２，…，Ｎ）個の入射ポート５１ａが存在する。なお、Ｎ個の入射直線領域５１は、互いに平行に形成されている。一方、入射直線領域５１の他端側は、曲線領域５２に結合している。
【００３９】
曲線領域５２は、入射直線領域５１とアップテーパ領域５３の間に形成されている。曲線領域５２は、一定の幅Ｗ１で曲線状に形成された導波路であり、入射直線領域５１から出射されたレーザ光を結合点Ｐの方向に向ける役割を果たすものである。したがって、曲線領域５２は、入射導波部５０の対称軸上にある場合は直線状に形成されているが、対称軸から離れるに従って曲げの角度が大きくなっている。
【００４０】
アップテーパ領域５３は、レーザ光の伝搬方向に沿って横幅がＷ１からＷ２に一定の割合で大きくなる導波路である。したがって、アップテーパ領域５３は、曲線領域５２から入射されたレーザ光の伝搬角（伝搬方向と実際のレーザ光のなす角）θを次第に小さくして平行光化する。なお、以下の説明では、アップテーパ領域５３の終端におけるレーザ光の伝搬角θを中心とした広がり角をθａとする。
【００４１】
図６は、出射導波部６０の具体的な構成を示す平面図である。出射導波部６０は、各アップテーパ領域５３から入射されたレーザ光を結合するダウンテーパ領域６１と、結合されたレーザ光を外部に出力する出射直線領域６２とを備えている。
【００４２】
ダウンテーパ領域６１は、レーザ光の伝搬方向に沿って横幅がＷ４からＷ５に一定の割合で小さくなるように形成された扇状のスラブ領域６１ａを有する導波路である。ダウンテーパ領域６１の円弧部分は、レーザ光が入射される部位であり、Ｎ個のアップテーパ領域５３に接続されている。ダウンテーパ領域６１の円周角部分は、レーザ光を出力する部位であり、本実施の形態では出射直線領域６２に接続されている。
【００４３】
ダウンテーパ領域６１は、図４に示すように、各アップテーパ領域５３から入射されるレーザ光を結合して、出射直線領域６２を介して出力する。このとき、各アップテーパ領域５３からダウンテーパ領域６１に入射されたレーザ光は、広がり角の大きさに関係なく、スラブ領域６１ａで内部反射を繰り返して結合される。なお、結合効率については後述する。
【００４４】
出射直線領域６２は、一定の幅Ｗ５で形成された導波路である。出射直線領域６２の一方側はダウンテーパ領域６１の結合点Ｐに接続され、その他方側はレーザ光を出射する出射ポート６２ａになっている。
【００４５】
図７は、ダウンテーパ領域６１のテーパ終端幅Ｗ５に対する結合効率の測定結果を示す図である。なお、結合効率は、レーザ光の発散角特性、ロッドレンズ３０の焦点距離・配置、光導波路デバイス４０のコア領域及びクラッド領域の屈折率によって様々な値をとるが、概ね図７のような特性になる。実用的には、テーパ終端幅Ｗ５は、結合効率が十分大きくなるように設定するのが好ましい。図７によると、テーパ終端幅Ｗ５が大きくなるのに従って結合効率も大きくなり、テーパ終端幅Ｗ５がＷ１に対して３倍になったときに、結合効率はほぼ１．０になって飽和した。
【００４６】
アップテーパ領域５３の終端Ｚにおけるレーザ光の伝搬角θを中心とした広がり角θａは、次の関係を満たすときに十分な効果が得られる。
【００４７】
｜θａ｜＜｜θｐ｜max （ｐ＝１，…，Ｎ）
ここで、｜θｐ｜maxは、θｐ（ｐ＝１，…，Ｎ）の最大値である。なお、ｐ＝１，…，Ｎのすべてについて上記式が成り立つのが好ましいが、ｐ＝１，…，Ｎのうちの数個（例えば、１個又は２個）は満たさなくても大きな影響はない。そして、Ｎ個の入射ポート５１ａに入力されたレーザ光が１つずつこの特性を外れていくと、結合効率は緩やかに低下する。
【００４８】
このような構成の光導波路デバイス４０は、アップテーパ領域５３によってレーザ光の伝搬角θを小さくして平行光に近づけて、そしてダウンテーパ領域６１で各レーザ光を合波することにより、高効率で結合させることができる。
【００４９】
光ファイバ７０は、光導波路デバイス４０の出射直線領域６２と同じ数だけ設けられている。光ファイバ７０のレーザ光入射端は、図１に示すように、光ファイバ保持部材７１によって固定されている。
【００５０】
光ファイバ保持部材７１は、Ｓｉ基板１０の主面１１上であって、光導波路デバイス４０の出射直線領域６２の出射ポート側に設置されている。光ファイバ保持部材７１には、出射ポートから出射されるレーザ光の光軸に沿ってＶ字溝７２が形成されている。そして、レーザ光入射側の光ファイバ７０をＶ字溝７２に位置合わせすることによって、光導波路デバイス４０と光ファイバ７０との３次元的な光軸調整が不要になる。
【００５１】
各光ファイバ７０のレーザ光出射端は、図１に示すように、ファイババンドル７３によって１つに束ねられている。そして、各光ファイバ７０から出射されたレーザ光は、集光レンズ８０によって集光され、レーザ光を加工物やレーザ結晶物に照射される。
【００５２】
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ光源装置１は、半導体レーザアレイ２０が出射したレーザ光を、光導波路デバイス４０によってレーザ光の伝搬角θを小さくして平行光に近づけてから合波することにより、高効率で結合させることができる。
【００５３】
また、半導体レーザアレイ２０は、半導体素子作製の微細加工工程により精度よく作製されているため、同様の微細加工工程で作製された光導波路デバイス４０の入射ポート５１ａに結合するのは容易である。したがって、半導体レーザ光源装置１は、パッシブアライメントで高精度の位置調整が可能になり、レーザ光を高効率で結合させることができる。
【００５４】
［光導波路デバイス４０の他の実施形態］
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て範囲内で様々な設計上の変更を行ってもよい。なお、以下の説明では、上述した実施の形態と同一の部位には同一の符号を付し、重複する部位の説明は省略する。
【００５５】
図８は、光導波路デバイス４０に形成された他の光導波路４２Ａの構成を示す平面図である。光導波路４２Ａは、Ｎ個の入射導波部５０Ａと、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００５６】
図９は、入射導波部５０Ａの具体的な構成を示す平面図である。入射導波部５０Ａは、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１を通過したレーザ光を平行光化するアップテーパ領域５３と、アップテーパ領域５３から入射されたレーザ光を所定の方向に曲げる曲線領域５４とを備えている。
【００５７】
つまり、入射導波部５０Ａは、図５に示す曲線領域５２とアップテーパ領域５３の順番を入れ替えて構成されたものである。そして、曲線領域５４は、アップテーパ領域５３で平行光束にされたレーザ光を結合点Ｐの方向に向ける役割を果たしている。なお、曲線領域５４は、入射導波部５０Ａの対称軸上にある場合は直線状に形成されているが、対称軸から離れるに従って曲げの角度が大きくなっている。
【００５８】
このような構成の光導波路デバイス４０は、曲線領域５４によってレーザ光の発散角分布を小さくしてからダウンテーパ領域６１によってレーザ光を合波するので、高効率にレーザ光を結合することができる。
【００５９】
図１０は、光導波路デバイス４０に形成された他の光導波路４２Ｂの構成を示す平面図である。光導波路４２Ｂは、レーザ光の遅軸方向の発散角θ//が小さな半導体レーザアレイ２０の場合に用いて好適であり、Ｎ個の入射導波部５０Ｂと、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００６０】
入射導波部５０Ｂは、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１から入射されたレーザ光を所定の方向に曲げる曲線領域５２とを備えている。つまり、入射導波部５０Ｂは、図５に示すアップテーパ領域５３を除いた構成になっている。
【００６１】
光導波路デバイス４０は、レーザ光の遅軸方向の発散角θ//が小さい場合、アップテーパ領域５３を備えてなくても、曲線領域５２によってレーザ光の伝搬方向を結合点Ｐの方向に変換することによって、上述した実施の形態と同様に高効率で結合させることができる。
【００６２】
図１１は、光導波路デバイス４０に形成された他の光導波路４２Ｃの構成を示す平面図である。光導波路４２Ｃは、入射直線領域の受光角が半導体レーザアレイ２０の発散角よりも大きい場合に用いて好適であり、Ｎ個の入射導波部５０Ｃと、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００６３】
図１２は、入射導波部５０Ｃの具体的な構成を示す平面図である。入射導波部５０Ｃは、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１に入射されたレーザ光を一度絞る入射ダウンテーパ領域５５と、入射ダウンテーパ領域５５を通過したレーザ光を結合点Ｐの方向に向ける曲線領域５６と、曲線領域５６を通過したレーザ光を平行光化するアップテーパ領域５７と、アップテーパ領域５７から入射されたレーザ光を一定の伝搬角で出射導波部６０に導波する中間直線領域５８とを備えている。なお、曲線領域５６は、入射導波部５０Ｃの対称軸上にある場合は直線状に形成されているが、対称軸から離れるに従って曲げの角度が大きくなっている。
【００６４】
このような構成の光導波路デバイス４０は、入射ダウンテーパ領域５５によって入射されたレーザ光を一度絞り、次に続く曲線領域５６によってレーザ光の伝搬方向を結合点Ｐ方向に変換させるので、更に効率的にレーザ光を合波させることができる。なお、入射導波部５０Ｃの代わりに、次の入射導波部５０Ｄを用いてもよい。
【００６５】
図１３は、入射導波部５０Ｄの構成を示す平面図である。入射導波部５０Ｄは、入射導波部５０Ｃから曲線領域５６を除いて構成されたものである。入射導波部５０Ｄでは、入射ダウンテーパ領域５５とアップテーパ領域５７との接合点が細いため曲がりやすくなっている。そこで、アップテーパ領域５７が結合点Ｐの方向を向くように、入射ダウンテーパ領域５５とアップテーパ領域５７との接合点が曲げられている。したがって、入射導波部５０Ｄは、曲線領域５６を設けることなく、レーザ光を結合点Ｐに向けることができる。
【００６６】
［その他の実施形態］
また、光導波路デバイス４０は、上述した実施の形態では、クラッド材料としてＳｉＯ2、コア材料としてＧｅＯ2を添加したＳｉＯ2を用いたステップインデックス構造であるとしたが、他の光学材料を用いてもよいし、屈折率分布に関してはグレーデッドインデックス構造であってもよい。
【００６７】
また、半導体レーザアレイ２０と光導波路デバイス４０の結合は、上述した実施の形態ではロッドレンズ３０を用いた結合であったが、簡便な突き合わせ結合であってもよい。さらに、光源としては、レーザ光を出射する半導体レーザアレイ２０に限らず、発散角を制御するような構造を有するアレイ状光源を用いることもできる。
【００６８】
また、上述した実施の形態では半導体レーザアレイ２０から出射されたレーザ光を合波するものとして、光導波路デバイス４０を例に挙げて説明したが、その他、光導波路デバイス４０と同様の導波構造を有する光ファイバなどの光学系を用いてもよいのは勿論である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る集光用光回路は、光が入射される複数の入射ポートと、入射ポートに光結合されると共に入射した光を平行光束にする平行光化部と、を備えた複数の入射導波部と、入射端が複数の入射導波部の各々に光結合されると共に入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなるダウンテーパ部と、ダウンテーパ部の出射端に設けられた出射ポートと、を備えた単一の出射導波部とを有することにより、光の伝搬角を小さくして平行光束にしてから合波するので、高効率で光を結合させることができる。
【００７０】
本発明に係る光源装置は、集光用光回路と、集光用光回路の各々の入射ポートに対してレーザ光を直接入射するアレイ状光源と、前記集光用光回路の出射導波部に光結合された光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光する集光手段とを備えることにより、アレイ状光源から出射された光を集光用光回路によって光の伝搬角を小さくして合波し、光ファイバ及び集光手段を介して外部に出射するので、高効率で結合された高輝度の光を外部に出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ光源装置１の構成を示す斜視図である。
【図２】Ｓｉ基板上に配置された半導体レーザアレイ、ロッドレンズ及び光導波路デバイスの拡大断面図である。
【図３】（Ａ）は、半導体レーザアレイ、ロッドレンズ及び光導波路デバイスの平面図であり、（Ｂ）は半導体レーザアレイ、ロッドレンズ及び光導波路デバイスの断面図である。
【図４】光導波路デバイスに形成された光導波路の構成を示す平面図である。
【図５】光導波路の入射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図６】光導波路の出射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図７】ダウンテーパ領域のテーパ終端幅Ｗ５に対する結合効率の測定結果を示す図である。
【図８】光導波路デバイスに形成された他の光導波路の構成を示す平面図である。
【図９】他の光導波路の入射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図１０】光導波路デバイスに形成された他の光導波路の構成を示す平面図である。
【図１１】光導波路デバイスに形成された他の光導波路の構成を示す平面図である。
【図１２】他の光導波路の入射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図１３】入射導波部の構成を示す平面図である。
【図１４】従来のＹ型合波回路の平面図である。
【符号の説明】
２０ 半導体レーザアレイ
４０ 光導波路デバイス
４２ 光導波路
５０ 入射導波部
５１ 入射直線領域
５２，５４，５６ 曲線領域
５３，５７ アップテーパ領域
５５ 入射ダウンテーパ領域
６０ 出射導波部
６１ ダウンテーパ領域
６２ 出射直線領域
７０ 光ファイバ
８０ 集光レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、集光用光回路及び光源装置に係り、例えば半導体ダイレクトレーザ加工機や固体励起レーザのポンプ光源に用いて好適な集光用光回路及び光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、アレイ状光源からの出射光を集光する集光用光回路としてＹ型合波回路が提案されている。
【０００３】
図１４は、従来のＹ型合波回路の平面図である。Ｙ型合波回路の入射光の多くは、臨界角を超えて導波路が合流する接続点で導波路外に放射される。このため、入射光は、接続点を１段経る毎に２〜３ｄＢ程度の損失が生じる。したがって、アレイ状光源の多数の出射光を集光するために、Ｙ型合波回路の接続点の段数を増やしてもＹ型合波回路の出力強度はあまり大きくならない、という問題があった。
【０００４】
また、特開平５−９３８２８号公報には、同公報の図１に示すように、レーザダイオードバー１０の放出面１２，１４，１６に、光ファイバ束２４の光ファイバ１８，２０，２２をそれぞれ対応させて、レーザ光を集光して高密度化を図る多重エミツタレーザダイオードをマルチモード光ファイバに結合するための装置（以下「従来技術１」という。）が提案されている。
【０００５】
しかし、レーザダイオードバー１０は多数の放出面を備えているので、すべての放出面に１本ずつ光ファイバを接続するのは非常に煩雑であり、放出面に接続することができる光ファイバの数に限度がある。したがって、放出面に光ファイバを接続してレーザ光を集光したとしても、集光されたレーザ光のエネルギー密度に限界がある。
【０００６】
また、集光系を小さくするためには光ファイバ束の外径が小さいことが望ましいが、多くの放出面から出射されたレーザ光を集光しようとすると、光ファイバ束２４の外径が大きくなり、実用上、レーザ光を集光することが困難になってしまう。
【０００７】
特開平７−１６８０４０号公報には、同公報の図２に示すように、複数の光源を有する半導体レーザー（レーザバー）１ｂを積層し、積層された半導体レーザー１ｂからの出射光を横方向に集束する光分岐器２ｂ1と、光分岐器２ｂ1からの出射光を縦方向に集束する光分岐器２ｂ2とを備えた半導体レーザー集光装置（以下「従来技術２」という。）が提案されている。
【０００８】
しかし、従来技術２では、レーザ光の光軸調整において、積層された半導体レーザー１ｂのレーザ光の出射位置と、光分岐器２ｂ1のレーザ光の入射位置とを高精度に一致させる必要がある。さらに、光軸調整後の半導体レーザー１、光分岐器２ｂ1及び光分岐器２ｂ2の配置状態を保持することも困難である。そのため、各接続部位における位置の不整合が発生し易く、この結果、効率よくレーザ光を集光することが困難であった。
【０００９】
特開２０００−１９３６２号公報には、アレイ型半導体レーザの各光放射部から出射されたレーザ光を集束する光集束器１０を備えたアレイ型半導体レーザ用結合装置（以下「従来技術３」という。）が提案されている。
【００１０】
しかし、従来技術３では、半導体レーザの数が増えると、光集束器１０の長手方向（レーザ光の入射方向に平行な方向）の長さが大きくなり、現実的な寸法では収まりきれない大きさになる問題があった。光集束器１０の長手方向を短くするためには、光集束器に形成された光導波路を急激に曲げる必要があるが、急激に曲げるとレーザ光の放射損失が増加する問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、アレイ状光源からの複数の出射光を高効率で合波させる集光用光回路及び光源装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光が入射される複数の入射ポートと、前記入射ポートに光結合されると共に入射した光を絞る光絞り部と、前記光絞り部によって絞られた光を平行光束にする平行光化部と、を備えた複数の入射導波部と、入射端が前記複数の入射導波部の各々に光結合されると共に入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなる第１のダウンテーパ部と、前記第１のダウンテーパ部の出射端に設けられた出射ポートと、を備えた単一の出射導波部と、を有し、前記光絞り部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなる第２のダウンテーパ部を含み、前記平行光化部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に大きくなるアップテーパ部を含む。
【００１３】
入射導波部は、入射ポートと光絞り部と平行光化部とを備えている。入射ポートは光が入射される部位である。光絞り部は光を一度絞り、平行光化部は、光の伝搬角を小さくして、光を伝搬方向に対してほぼ平行光束になるようにする。ここでは、平行光化部は、光の伝搬方向を光の結合点方向に変換する曲線導波部であってもよい。
【００１４】
出射導波部は、ダウンテーパ部と出射ポートとを備えている。ダウンテーパ部は、各入射導波部の平行光化部に光結合されており、各平行光化部から出射された光を合波して、出射ポート介して外部に出射する。
【００１５】
したがって、請求項１記載の発明によれば、光絞り部によって光を一度絞り、平行光化部によって光の伝搬角を小さくして平行光束にしてから合波することで、高効率で光を結合させることができる。
【００１６】
また、請求項１記載の発明は、前記平行光化部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に大きくなるアップテーパ部を含んでいる。
【００１７】
アップテーパ部に入射された光は、内部反射を繰り返すことで伝搬角が小さくなり平行光束にされる。したがって、請求項１記載の発明によれば、各入射導波部のアップテーパ部は伝搬角の小さな光を第１のダウンテーパ部に入射させるので、高効率で光を合波させることができる。なお、アップテーパ部の出射側に、直線導波部、曲線導波部、ダウンテーパ部、またはダウンテーパ部と直線導波部とを結合した導波部を設けてもよい。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の集光用光回路と、前記集光用光回路の各々の入射ポートに対してレーザ光を直接入射するアレイ状光源と、前記集光用光回路の出射導波部に光結合された光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光する集光手段と、を備えている。
【００１９】
アレイ状光源は、半導体レーザアレイに限らず、例えば発散角を抑制するような構造の光源であれば特に限定されない。アレイ状光源は、複数の光出射部から光を出射して、この光を集光用光回路の入射ポートに入射させる。集光用光回路は、アレイ状光源から出射された光を合波して、出射ポートを介して出射する。各集光用光回路から出射されたそれぞれの光は、光ファイバを介して、集光手段で集光される。
【００２０】
したがって、請求項２記載の発明によれば、アレイ状光源から出射された光を集光用光回路によって光の伝搬角を小さくして合波し、光ファイバ及び集光手段を介して外部に出射するので、高効率で結合された高輝度の光を外部に出射することができる。
【００２１】
なお、上述した発明において、導波部を光導波路で構成してもよいし、光ファイバ等のその他の光学系で構成してもよい。導波部を光導波路で構成した場合、ダウンテーパ部は、光の伝搬方向に向かって導波路の幅が小さくなるように形成すれば、導波領域が小さくなる。アップテーパ部は、光の伝搬方向に向かって導波路の幅が広くなるように形成すれば、導波領域が大きくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ光源装置１の構成を示す斜視図である。
【００２４】
半導体レーザ光源装置１は、Ｓｉ基板１０上に設置された状態で複数のレーザ光を出射する半導体レーザアレイ２０と、半導体レーザアレイ２０から出射されたレーザ光を速軸方向に集光するロッドレンズ３０と、ロッドレンズ３０からのレーザ光を合波する複数の光導波路デバイス４０と、各光導波路デバイス４０で合波されたレーザ光を導光する複数の光ファイバ７０と、各光ファイバ７０から出射されたレーザ光を集光して焦点位置を調整する集光レンズ８０とを備えている。
【００２５】
Ｓｉ基板１０は、微細加工工程によって板状に精密に形成されており、主面１１上に配置された半導体レーザアレイ２０及び光導波路デバイス４０の高さ方向の位置を精密に規制する。
【００２６】
図２は、Ｓｉ基板１０上に配置された半導体レーザアレイ２０、ロッドレンズ３０及び光導波路デバイス４０の拡大断面図である。
【００２７】
Ｓｉ基板１０の主面１１上であって、半導体レーザアレイ２０と光導波路デバイス４０の間には、半導体レーザアレイ２０のレーザ配列方向に沿って、凹部溝１２が形成されている。凹部溝１２の幅は、ロッドレンズ３０の直径よりも小さくなっている。そして、ロッドレンズ３０は、凹部溝１２上に配置され、位置規制されている。
【００２８】
また、Ｓｉ基板１０は、熱伝導性が良く、図１に示すように、板状に形成された冷却基板１３によって直接冷却される。冷却基板１３は、その内部に冷媒を通すための図示しない水路を設けている。冷媒供給機１４は、冷却基板１３に対して冷媒ホース１５及び冷媒入出力ポート１６を介して冷媒を供給し、使用済みの冷媒を出力ポート１７及び冷媒ホース１８を介して回収し、再び冷却用の冷媒を冷却基板１３に供給する。これにより、冷却基板１３は、Ｓｉ基板１０を常に冷却することができる。なお、冷媒基板１３は、冷媒によってＳｉ基板１０を冷却する水冷式であるが、冷却フィンによってＳｉ基板１０を冷却する空冷式であってもよい。
【００２９】
各半導体レーザアレイ２０は、Ｓｉ基板１０上において、半導体レーザアレイ２０のレーザ配列方向に沿って、所定間隔毎に配置されている。半導体レーザアレイ２０は、駆動電源２１から供給される駆動電源によって駆動され、複数のレーザ光出射部からレーザ光を同一方向に出射する。なお、レーザ光の発散角は、速軸方向θ⊥〜４０°、遅軸方向θ//〜１０°の一般的な特性である。
【００３０】
ロッドレンズ３０は、図２に示すように、Ｓｉ基板１０に形成された凹部溝１２によって位置規制され、半導体レーザアレイ２０から出射されたレーザ光を速軸方向に集束して、光導波路デバイス４０に入射させる。
【００３１】
ここで、半導体レーザアレイ２０の出射光は、速軸方向については、ロッドレンズ３０により収束されるので、高効率で容易に光導波路デバイス４０に結合する。一方、遅軸方向については、遅軸方向の発散角の値を考慮した上で半導体レーザアレイ２０と光導波路デバイス４０との距離を短くすることで、レンズを用いることなく高効率に結合させる。このときの結合効率は、ロッドレンズ３０、光導波路デバイス４０の入射端面を誘電体多層膜等で無反射コートとすることで、９５％以上にすることができる。
【００３２】
図３（Ａ）は、半導体レーザアレイ２０、ロッドレンズ３０及び光導波路デバイス４０の平面図であり、（Ｂ）は半導体レーザアレイ２０、ロッドレンズ３０及び光導波路デバイス４０の断面図である。
【００３３】
光導波路デバイス４０は、クラッド材料としてＳｉＯ2、コア材料としてＧｅＯ2を付加したＳｉＯ2が用いられ、本実施の形態ではステップインデックス構造である。そして、光導波路デバイス４０は、平面板状に形成された光導波路基板４１と、光導波路基板４１上に形成された光導波路４２とで構成されている。
【００３４】
図４は、光導波路デバイス４０に形成された光導波路４２の構成を示す平面図である。光導波路４２は、Ｎ個の入射導波部５０と、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００３５】
ここで、出射導波部６０において、レーザ光が結合される点を結合点Ｐとし、結合点Ｐからそれぞれの入射導波部５０の終端中心部に向けて直線Ｌｐ（ｐ＝１，２，…，Ｎ）を設ける。そして、出射導波部６０を線対称にする直線Ｌと直線Ｌｐとのなす角をθｐとする。
【００３６】
図５は、入射導波部５０の具体的な構成を示す平面図である。各入射導波部５０は、図４に示した直線Ｌに対して対称に構成されており、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１から入射されたレーザ光を所定の方向に曲げる曲線領域５２と、曲線領域５２を通過したレーザ光を平行光化するアップテーパ領域５３とを備えている。
【００３７】
入射直線領域５１は、ほぼ一定の幅Ｗ１を有する直線状の導波路であり、半導体レーザアレイ２０の各レーザ光出射部に対応してそれぞれ形成されている。入射直線領域５１の一端側は、半導体レーザアレイ２０からのレーザ光が入射される入射ポート５１ａである。
【００３８】
入射ポート５１ａは、半導体レーザアレイ２０のレーザ光出射部と同数設けられている。本実施の形態では、Ｎ（＝１，２，…，Ｎ）個の入射ポート５１ａが存在する。なお、Ｎ個の入射直線領域５１は、互いに平行に形成されている。一方、入射直線領域５１の他端側は、曲線領域５２に結合している。
【００３９】
曲線領域５２は、入射直線領域５１とアップテーパ領域５３の間に形成されている。曲線領域５２は、一定の幅Ｗ１で曲線状に形成された導波路であり、入射直線領域５１から出射されたレーザ光を結合点Ｐの方向に向ける役割を果たすものである。したがって、曲線領域５２は、入射導波部５０の対称軸上にある場合は直線状に形成されているが、対称軸から離れるに従って曲げの角度が大きくなっている。
【００４０】
アップテーパ領域５３は、レーザ光の伝搬方向に沿って横幅がＷ１からＷ２に一定の割合で大きくなる導波路である。したがって、アップテーパ領域５３は、曲線領域５２から入射されたレーザ光の伝搬角（伝搬方向と実際のレーザ光のなす角）θを次第に小さくして平行光化する。なお、以下の説明では、アップテーパ領域５３の終端におけるレーザ光の伝搬角θを中心とした広がり角をθａとする。
【００４１】
図６は、出射導波部６０の具体的な構成を示す平面図である。出射導波部６０は、各アップテーパ領域５３から入射されたレーザ光を結合するダウンテーパ領域６１と、結合されたレーザ光を外部に出力する出射直線領域６２とを備えている。
【００４２】
ダウンテーパ領域６１は、レーザ光の伝搬方向に沿って横幅がＷ４からＷ５に一定の割合で小さくなるように形成された扇状のスラブ領域６１ａを有する導波路である。ダウンテーパ領域６１の円弧部分は、レーザ光が入射される部位であり、Ｎ個のアップテーパ領域５３に接続されている。ダウンテーパ領域６１の円周角部分は、レーザ光を出力する部位であり、本実施の形態では出射直線領域６２に接続されている。
【００４３】
ダウンテーパ領域６１は、図４に示すように、各アップテーパ領域５３から入射されるレーザ光を結合して、出射直線領域６２を介して出力する。このとき、各アップテーパ領域５３からダウンテーパ領域６１に入射されたレーザ光は、広がり角の大きさに関係なく、スラブ領域６１ａで内部反射を繰り返して結合される。なお、結合効率については後述する。
【００４４】
出射直線領域６２は、一定の幅Ｗ５で形成された導波路である。出射直線領域６２の一方側はダウンテーパ領域６１の結合点Ｐに接続され、その他方側はレーザ光を出射する出射ポート６２ａになっている。
【００４５】
図７は、ダウンテーパ領域６１のテーパ終端幅Ｗ５に対する結合効率の測定結果を示す図である。なお、結合効率は、レーザ光の発散角特性、ロッドレンズ３０の焦点距離・配置、光導波路デバイス４０のコア領域及びクラッド領域の屈折率によって様々な値をとるが、概ね図７のような特性になる。実用的には、テーパ終端幅Ｗ５は、結合効率が十分大きくなるように設定するのが好ましい。図７によると、テーパ終端幅Ｗ５が大きくなるのに従って結合効率も大きくなり、テーパ終端幅Ｗ５がＷ１に対して３倍になったときに、結合効率はほぼ１．０になって飽和した。
【００４６】
アップテーパ領域５３の終端Ｚにおけるレーザ光の伝搬角θを中心とした広がり角θａは、次の関係を満たすときに十分な効果が得られる。
【００４７】
｜θａ｜＜｜θｐ｜max （ｐ＝１，…，Ｎ）
ここで、｜θｐ｜maxは、θｐ（ｐ＝１，…，Ｎ）の最大値である。なお、ｐ＝１，…，Ｎのすべてについて上記式が成り立つのが好ましいが、ｐ＝１，…，Ｎのうちの数個（例えば、１個又は２個）は満たさなくても大きな影響はない。そして、Ｎ個の入射ポート５１ａに入力されたレーザ光が１つずつこの特性を外れていくと、結合効率は緩やかに低下する。
【００４８】
このような構成の光導波路デバイス４０は、アップテーパ領域５３によってレーザ光の伝搬角θを小さくして平行光に近づけて、そしてダウンテーパ領域６１で各レーザ光を合波することにより、高効率で結合させることができる。
【００４９】
光ファイバ７０は、光導波路デバイス４０の出射直線領域６２と同じ数だけ設けられている。光ファイバ７０のレーザ光入射端は、図１に示すように、光ファイバ保持部材７１によって固定されている。
【００５０】
光ファイバ保持部材７１は、Ｓｉ基板１０の主面１１上であって、光導波路デバイス４０の出射直線領域６２の出射ポート側に設置されている。光ファイバ保持部材７１には、出射ポートから出射されるレーザ光の光軸に沿ってＶ字溝７２が形成されている。そして、レーザ光入射側の光ファイバ７０をＶ字溝７２に位置合わせすることによって、光導波路デバイス４０と光ファイバ７０との３次元的な光軸調整が不要になる。
【００５１】
各光ファイバ７０のレーザ光出射端は、図１に示すように、ファイババンドル７３によって１つに束ねられている。そして、各光ファイバ７０から出射されたレーザ光は、集光レンズ８０によって集光され、レーザ光を加工物やレーザ結晶物に照射される。
【００５２】
以上のように、本実施の形態に係る半導体レーザ光源装置１は、半導体レーザアレイ２０が出射したレーザ光を、光導波路デバイス４０によってレーザ光の伝搬角θを小さくして平行光に近づけてから合波することにより、高効率で結合させることができる。
【００５３】
また、半導体レーザアレイ２０は、半導体素子作製の微細加工工程により精度よく作製されているため、同様の微細加工工程で作製された光導波路デバイス４０の入射ポート５１ａに結合するのは容易である。したがって、半導体レーザ光源装置１は、パッシブアライメントで高精度の位置調整が可能になり、レーザ光を高効率で結合させることができる。
【００５４】
［光導波路デバイス４０の他の実施形態］
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て範囲内で様々な設計上の変更を行ってもよい。なお、以下の説明では、上述した実施の形態と同一の部位には同一の符号を付し、重複する部位の説明は省略する。
【００５５】
図８は、光導波路デバイス４０に形成された他の光導波路４２Ａの構成を示す平面図である。光導波路４２Ａは、Ｎ個の入射導波部５０Ａと、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００５６】
図９は、入射導波部５０Ａの具体的な構成を示す平面図である。入射導波部５０Ａは、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１を通過したレーザ光を平行光化するアップテーパ領域５３と、アップテーパ領域５３から入射されたレーザ光を所定の方向に曲げる曲線領域５４とを備えている。
【００５７】
つまり、入射導波部５０Ａは、図５に示す曲線領域５２とアップテーパ領域５３の順番を入れ替えて構成されたものである。そして、曲線領域５４は、アップテーパ領域５３で平行光束にされたレーザ光を結合点Ｐの方向に向ける役割を果たしている。なお、曲線領域５４は、入射導波部５０Ａの対称軸上にある場合は直線状に形成されているが、対称軸から離れるに従って曲げの角度が大きくなっている。
【００５８】
このような構成の光導波路デバイス４０は、曲線領域５４によってレーザ光の発散角分布を小さくしてからダウンテーパ領域６１によってレーザ光を合波するので、高効率にレーザ光を結合することができる。
【００５９】
図１０は、光導波路デバイス４０に形成された他の光導波路４２Ｂの構成を示す平面図である。光導波路４２Ｂは、レーザ光の遅軸方向の発散角θ//が小さな半導体レーザアレイ２０の場合に用いて好適であり、Ｎ個の入射導波部５０Ｂと、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００６０】
入射導波部５０Ｂは、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１から入射されたレーザ光を所定の方向に曲げる曲線領域５２とを備えている。つまり、入射導波部５０Ｂは、図５に示すアップテーパ領域５３を除いた構成になっている。
【００６１】
光導波路デバイス４０は、レーザ光の遅軸方向の発散角θ//が小さい場合、アップテーパ領域５３を備えてなくても、曲線領域５２によってレーザ光の伝搬方向を結合点Ｐの方向に変換することによって、上述した実施の形態と同様に高効率で結合させることができる。
【００６２】
図１１は、光導波路デバイス４０に形成された他の光導波路４２Ｃの構成を示す平面図である。光導波路４２Ｃは、入射直線領域の受光角が半導体レーザアレイ２０の発散角よりも大きい場合に用いて好適であり、Ｎ個の入射導波部５０Ｃと、１つの出射導波部６０とで構成されている。
【００６３】
図１２は、入射導波部５０Ｃの具体的な構成を示す平面図である。入射導波部５０Ｃは、レーザ光が入射される入射直線領域５１と、入射直線領域５１に入射されたレーザ光を一度絞る入射ダウンテーパ領域５５と、入射ダウンテーパ領域５５を通過したレーザ光を結合点Ｐの方向に向ける曲線領域５６と、曲線領域５６を通過したレーザ光を平行光化するアップテーパ領域５７と、アップテーパ領域５７から入射されたレーザ光を一定の伝搬角で出射導波部６０に導波する中間直線領域５８とを備えている。なお、曲線領域５６は、入射導波部５０Ｃの対称軸上にある場合は直線状に形成されているが、対称軸から離れるに従って曲げの角度が大きくなっている。
【００６４】
このような構成の光導波路デバイス４０は、入射ダウンテーパ領域５５によって入射されたレーザ光を一度絞り、次に続く曲線領域５６によってレーザ光の伝搬方向を結合点Ｐ方向に変換させるので、更に効率的にレーザ光を合波させることができる。なお、入射導波部５０Ｃの代わりに、次の入射導波部５０Ｄを用いてもよい。
【００６５】
図１３は、入射導波部５０Ｄの構成を示す平面図である。入射導波部５０Ｄは、入射導波部５０Ｃから曲線領域５６を除いて構成されたものである。入射導波部５０Ｄでは、入射ダウンテーパ領域５５とアップテーパ領域５７との接合点が細いため曲がりやすくなっている。そこで、アップテーパ領域５７が結合点Ｐの方向を向くように、入射ダウンテーパ領域５５とアップテーパ領域５７との接合点が曲げられている。したがって、入射導波部５０Ｄは、曲線領域５６を設けることなく、レーザ光を結合点Ｐに向けることができる。
【００６６】
［その他の実施形態］
また、光導波路デバイス４０は、上述した実施の形態では、クラッド材料としてＳｉＯ2、コア材料としてＧｅＯ2を添加したＳｉＯ2を用いたステップインデックス構造であるとしたが、他の光学材料を用いてもよいし、屈折率分布に関してはグレーデッドインデックス構造であってもよい。
【００６７】
また、半導体レーザアレイ２０と光導波路デバイス４０の結合は、上述した実施の形態ではロッドレンズ３０を用いた結合であったが、簡便な突き合わせ結合であってもよい。さらに、光源としては、レーザ光を出射する半導体レーザアレイ２０に限らず、発散角を制御するような構造を有するアレイ状光源を用いることもできる。
【００６８】
また、上述した実施の形態では半導体レーザアレイ２０から出射されたレーザ光を合波するものとして、光導波路デバイス４０を例に挙げて説明したが、その他、光導波路デバイス４０と同様の導波構造を有する光ファイバなどの光学系を用いてもよいのは勿論である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る集光用光回路は、光が入射される複数の入射ポートと、入射ポートに光結合されると共に入射した光を平行光束にする平行光化部と、を備えた複数の入射導波部と、入射端が複数の入射導波部の各々に光結合されると共に入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなるダウンテーパ部と、ダウンテーパ部の出射端に設けられた出射ポートと、を備えた単一の出射導波部とを有することにより、光の伝搬角を小さくして平行光束にしてから合波するので、高効率で光を結合させることができる。
【００７０】
本発明に係る光源装置は、集光用光回路と、集光用光回路の各々の入射ポートに対してレーザ光を直接入射するアレイ状光源と、前記集光用光回路の出射導波部に光結合された光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光する集光手段とを備えることにより、アレイ状光源から出射された光を集光用光回路によって光の伝搬角を小さくして合波し、光ファイバ及び集光手段を介して外部に出射するので、高効率で結合された高輝度の光を外部に出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ光源装置１の構成を示す斜視図である。
【図２】Ｓｉ基板上に配置された半導体レーザアレイ、ロッドレンズ及び光導波路デバイスの拡大断面図である。
【図３】（Ａ）は、半導体レーザアレイ、ロッドレンズ及び光導波路デバイスの平面図であり、（Ｂ）は半導体レーザアレイ、ロッドレンズ及び光導波路デバイスの断面図である。
【図４】光導波路デバイスに形成された光導波路の構成を示す平面図である。
【図５】光導波路の入射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図６】光導波路の出射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図７】ダウンテーパ領域のテーパ終端幅Ｗ５に対する結合効率の測定結果を示す図である。
【図８】光導波路デバイスに形成された他の光導波路の構成を示す平面図である。
【図９】他の光導波路の入射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図１０】光導波路デバイスに形成された他の光導波路の構成を示す平面図である。
【図１１】光導波路デバイスに形成された他の光導波路の構成を示す平面図である。
【図１２】他の光導波路の入射導波部の具体的な構成を示す平面図である。
【図１３】入射導波部の構成を示す平面図である。
【図１４】従来のＹ型合波回路の平面図である。
【符号の説明】
２０ 半導体レーザアレイ
４０ 光導波路デバイス
４２ 光導波路
５０ 入射導波部
５１ 入射直線領域
５２，５４，５６ 曲線領域
５３，５７ アップテーパ領域
５５ 入射ダウンテーパ領域
６０ 出射導波部
６１ ダウンテーパ領域
６２ 出射直線領域
７０ 光ファイバ
８０ 集光レンズ
Claims (2)
- 光が入射される複数の入射ポートと、前記入射ポートに光結合されると共に入射した光を絞る光絞り部と、前記光絞り部によって絞られた光を平行光束にする平行光化部と、を備えた複数の入射導波部と、
入射端が前記複数の入射導波部の各々に光結合されると共に入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなる第１のダウンテーパ部と、前記第１のダウンテーパ部の出射端に設けられた出射ポートと、を備えた単一の出射導波部と、
を有し、
前記光絞り部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に小さくなる第２のダウンテーパ部を含み、
前記平行光化部は、入射端から出射端に向かって導波領域が徐々に大きくなるアップテーパ部を含む集光用光回路。 - 請求項１記載の集光用光回路と、
前記集光用光回路の各々の入射ポートに対してレーザ光を直接入射するアレイ状光源と、
前記集光用光回路の出射導波部に光結合された光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光する集光手段と、
を備えた光源装置。
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