JP5277959B2 - 光ファイバアレイ及び半導体レーザ集光装置及び光ファイバアレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を効率良く集光することが可能な光ファイバアレイ及び半導体レーザ集光装置及び光ファイバアレイの製造方法に関する。

近年、半導体レーザは発振効率が高い（〜５０％）ことから、固体レーザの励起光として、あるいは直接加工光源として利用するニーズが高まっている。また、半導体レーザメーカからは、複数のエミッタ（発光部）を一次元状に配置した半導体レーザバーや、半導体レーザバーを積層して複数のエミッタ（発光部）を二次元状に配置した半導体レーザスタックが商品化されている。
例えば一般的な半導体レーザバーは、長さ約１０ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍ、幅約１ｍｍの外形寸法の半導体レーザチップをヒートシンクにマウントしたもので、この中に厚さ方向に約１μｍ、長さ方向に約１５０μｍの発光部がピッチ約５００μｍで１０数個集積化されている。そして１個の発光部からは約２Ｗの出力のレーザ光が出射される。これらを集光してパワー密度を高くして励起光として用いたり、直接加工光源として用いたりすれば、金属の溶接や穴あけ、切断等を行うことができる。
なお、本明細書では、半導体レーザバーも半導体レーザスタックもまとめて半導体レーザアレイと呼ぶ。

一般的な半導体レーザアレイにおいて、図１の例（発光部が一次元配置の例）に示すように、発光部（１２ａ〜１２ｇ）から出射されるレーザ光Ｌ１は長軸方向及び短軸方向にほぼ楕円状に広がりながら進行する。また、図２の例に示すように、長軸方向の広がり角θｆは数１０度（例えば３０度〜４０度）程度であり、図３の例に示すように、短軸方向の広がり角θｓは数度（例えば３度〜４度）程度である。また各発光部（１２ａ〜１２ｇ）の寸法は、上述したように、一般的な半導体レーザアレイでは長軸方向が１μｍ程度、短軸方向が１００〜２００μｍ程度である。
レーザ光の集光性は「ビーム径＊広がり角」で示されるビームパラメータプロダクトに依存し、上述のような半導体レーザアレイの場合、長軸方向のビームパラメータプロダクトは０．２ｍｍ・ｍｒａｄ程度で、短軸方向のビームパラメータプロダクトは２００ｍｍ・ｍｒａｄである。このため、集光する場合、長軸方向には比較的容易に小さく集光できるが、短軸方向に小さく集光することは比較的困難である。

例えば特許文献１に記載された従来技術では、シングルモードファイバの一方の先端に、斜断面を設けて楔状にして先端部を凸曲面としたレンズ状のマルチモードファイバを融着もしくは接着した、端部レンズ付きファイバが提案されている。半導体レーザの発光部から出射されるレーザ光は、長軸方向にはレンズ状の凸曲面で内側に屈折し、更に内部の屈折率分布で径が小さくなるように屈折し、短軸方向には屈折率分布で径が小さくなるように屈折し、シングルモードファイバへと導光される。
また特許文献２に記載された従来技術では、半導体レーザアレイとレンズアレイを金属ブロックに搭載し、当該金属ブロックをパッケージ（筐体）の側壁の窓の内側にレーザ溶着し、当該窓の外側には光ファイバアレイを搭載したスリーブを位置決めしてレーザ溶着した、半導体レーザモジュールが提案されている。パッケージ（筐体）の底面に金属ブロックを固定することなく側面に固定することで、底面の歪みや、レーザ発光時の温度上昇による位置ずれ（半導体レーザアレイとレンズアレイと光ファイバアレイの位置ずれ）に起因する光結合損失が抑制される。
また特許文献３に記載された従来技術では、クラッドのエッチング速度がコアのエッチング速度よりも速い材料からなるファイバでファイバアレイを構成しており、各ファイバ先端をエッチング処理し、コア端面を球面レンズ状に加工している。
特開２０００−３０４９６５号公報 特開平６−３０８３５８号公報 特開平６−３２４２３４号公報

特許文献１に記載した従来技術では、光ファイバとレンズが一体となっており、半導体レーザの発光部とレンズと光ファイバとの３者を位置決めすることなく、半導体レーザの発光部と光ファイバの２者を位置決めすれば良い。しかし、複数の発光部を有する半導体レーザアレイに対応させた場合、半導体レーザアレイの各発光部に対して１本ずつ光ファイバの位置を合わせる必要があるため、非常に手間がかかるとともに、位置ずれによる損失が大きくなる可能性がある。
また特許文献２に記載した従来技術では、半導体レーザアレイとレンズアレイが搭載された金属ブロックと、光ファイバアレイとが別体であるため、これらの位置合わせに非常に手間がかかるとともに、半導体レーザアレイの出力が比較的大きい場合、半導体レーザアレイとレンズアレイの発熱が光ファイバアレイよりも大きくなり、金属ブロックの熱膨張量と、光ファイバアレイの熱膨張量の差による位置ずれが発生して損失が大きくなる可能性がある。
また特許文献３に記載した従来技術では、エッチングによりファイバを溶かしてコア端面にレンズを形成するため、ほぼ球面状のレンズ形状しか加工できず、例えばシリンドリカルレンズ形状等、損失を抑制する適切なレンズ形状に形成することが困難である。また、エッチングで溶かして球面状となることを期待する方法であるため、損失をより抑制することができる焦点距離等、所望するレンズ特性を得ることが困難である。また、コア端面に形成されるレンズの位置（コアの長手方向における位置）をファイバ毎に精密に一致させて損失をより抑制することも困難である。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、損失をより抑制することができる光ファイバアレイ及び半導体レーザ集光装置及び光ファイバアレイの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、請求の範囲に記載の通りの構成を備える光ファイバアレイ、半導体レーザ集光装置及び光ファイバアレイの製造方法である。
第１の発明の光ファイバアレイは、楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイである。
各光ファイバは、発光部の短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように配置されている。
そして、各光ファイバの入射面側は、固定部材で固定されて固定部材と光ファイバの入射面による一体部が形成されており、一体部における各光ファイバの入射面側には、入射された光を集光するレンズ部が、研削、または切削、または研磨、または溶融させて型を押し当てること、によって形成されている。
第１の発明によれば、一体部における複数の光ファイバの各入射面が、アレイ状発光源の発光部の間隔に合わせて並んでいるので、各発光部の位置に合わせて個々の光ファイバを位置決めする必要がないため、位置決めが容易であるとともに、位置決め精度が高い。これにより、損失をより抑制することができる。

第２の発明の光ファイバアレイでは、固定部材は、複数の光ファイバの入射面側の先端部を固める固形材にて構成されている。
第２の発明によれば、固形材にて固定部材を容易に構成することができる。

第３の発明の光ファイバアレイでは、固定部材は、楕円の長軸方向に直交する面を互いに対向させた少なくとも２つの固定板にて構成されており、複数の光ファイバの入射面側の先端部が固定板にて挟み込まれて固定されている。
第３の発明によれば、光ファイバを挟み込む少なくとも２つの固定板にて固定部材を容易に構成することができる。

第４の発明の光ファイバアレイでは、少なくとも固定板の１つには、発光部の短軸方向の間隔にて光ファイバを位置決めする溝が形成されている。
第４の発明によれば、固定板に対して光ファイバを容易に位置決めすることができる。

第５の発明の光ファイバアレイでは、レンズ部は、一体部において入射された光が長軸方向に屈折するように長軸方向に対して凸状に一体形成されている。
第５の発明によれば、広がり角の大きな長軸方向に対してはレンズ部で広がり角を小さくして光ファイバ内に導光し、広がり角の小さな短軸方向に対してはそのまま導光し、光ファイバ内に適切に光を導光することができ、損失をより抑制することができる。
また、一体部においてレンズ部を一体形成するため、レンズ部の作成が容易である。また、各光ファイバにおけるレンズ部が同一形状（ばらつきが非常に小さい）となるため、位置決めが容易であるとともに、損失をより抑制することができる。

第６の発明の半導体レーザ集光装置では、第１の発明〜第５の発明のいずれかに記載の光ファイバアレイと、アレイ状発光源として、楕円状に広がりながら進行するレーザ光を出射する発光部が楕円の短軸方向に複数配列された半導体レーザアレイとを備えた半導体レーザ集光装置であって、発光部の各々と、レンズ部を形成した入射面の各々とが対向するように、半導体レーザアレイと一体部とを位置決めして、各発光部から出射されるレーザ光を各光ファイバに入射して集光する。
第６の発明によれば、半導体レーザアレイと一体部との２つを位置決めするのみで、複数の発光部と各光ファイバとをまとめて位置決めできる。各発光部の位置に合わせて個々の光ファイバを位置決めする必要がないため、位置決めが容易であるとともに、位置決め精度が高い。これにより、損失をより抑制することができる。

第７の発明の半導体レーザ集光装置では、半導体レーザアレイと一体部とが同一部材上に固定されている。
第７の発明によれば、レーザ光が発光部から出射されて集光されるまでの経路に位置する部材である半導体レーザアレイと一体部とが発熱しても、固定されている部材が同一部材であり熱膨張率が同じであるため、熱膨張による位置ずれ量を抑制することができ、損失をより抑制することができる。

第８の発明の光ファイバアレイの製造方法は、楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイの製造方法であって、各光ファイバを、発光部の短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように配置し、各光ファイバの入射面側を固定部材で固定し、固定部材と光ファイバの入射面による一体部を形成する。
そして、一体部における光ファイバの入射面側から、長軸方向に対して凹状形状を有する加工工具を押しつけて加工工具を短軸方向に移動させて、入射された光が長軸方向に屈折するように長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を各光ファイバの入射面に一体形成する。
第８の発明によれば、光ファイバアレイにおける各光ファイバの先端を一体化した一体部に、長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を容易に且つ短時間に一体形成することができる。

第９の発明の光ファイバアレイの製造方法は、楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイの製造方法であって、各光ファイバを、発光部の短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように配置し、各光ファイバの入射面側を固定部材で固定し、固定部材と光ファイバの入射面による一体部を形成する。
そして、一体部における光ファイバの入射面側にて、短軸方向に平行な回転軸を有する円柱形状の加工工具を、入射された光が長軸方向に屈折するように一体部が長軸方向に凸状となるように移動させて、入射された光が長軸方向に屈折するように長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を各光ファイバの入射面に一体形成する。
第９の発明によれば、光ファイバアレイにおける各光ファイバの先端を一体化した一体部に、長軸方向に対して凸状形状のレンズ部をより高精度に一体形成することができる。

第１０の発明の光ファイバアレイの製造方法は、楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイの製造方法であって、各光ファイバを、発光部の短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように配置し、各光ファイバの入射面側を固定部材で固定し、固定部材と光ファイバの入射面による一体部を形成する。
そして、光ファイバと固定部材とを同じ材質または融点の近い材質にて構成し、一体部における光ファイバの入射面側を溶融させて型を押し当てることで、入射された光が長軸方向に屈折するように長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を各光ファイバの入射面に一体形成する。
第１０の発明によれば、光ファイバアレイにおける各光ファイバの先端を一体化した一体部に、長軸方向に対して凸状形状のレンズ部をより容易に一体形成することができる。

第１１の発明の光ファイバアレイの製造方法では、発光部の短軸方向の間隔にて複数の溝が形成された溝アレイの各溝に、先端部が溝アレイから突出するように各光ファイバを配置し、突出させた先端部を固定部材で固定して一体部を形成する。
第１１の発明によれば、発光部の短軸方向の間隔で光ファイバを容易に位置決めすることが可能であり、光ファイバアレイにおける各光ファイバの先端を一体化した一体部を容易に形成することができる。

一般的な半導体レーザアレイの構造及び出射されるレーザ光を説明する図（斜視図）である。 一般的な半導体レーザアレイの構造及び出射されるレーザ光を説明する図（側面図）である。 一般的な半導体レーザアレイの構造及び出射されるレーザ光を説明する図（平面図）である。 本発明の光ファイバアレイ２０の構成を説明する図である。 本発明の光ファイバアレイ２０、及び半導体レーザ集光装置１の構成を説明する図である。 光ファイバアレイ２０から出射されるレーザ光の広がり角及び半径と、伝送用光ファイバ４０に入射されるレーザ光の広がり角及び半径との関係を説明する図である。 一体部２１の構造（側面図）と機能を説明する図である。 一体部２１の構造（平面図）と機能を説明する図である。 溝アレイ２６の例を示す図である。 レンズ部が一体形成された光ファイバアレイ２０の製造方法の例を説明する図である。 半導体レーザ集光装置１の応用例を説明する図である。 半導体レーザ集光装置１の応用例を説明する図である。 光ファイバアレイ２０の構成における他の実施例を説明する図である。 図１３に示す光ファイバアレイの先端部の例を示す図である。 図１４に示す光ファイバアレイの入射面側にレンズ部を一体形成する方法を説明する図である。 図１４に示す光ファイバアレイの入射面側にレンズ部を一体形成する方法における他の実施例を説明する図（斜視図）である。

符号の説明

１ 半導体レーザ集光装置
１０ 半導体レーザアレイ
１２ａ〜１２ｇ 発光部
２０ 光ファイバアレイ
２１ 一体部
２２ａ〜２２ｇ 光ファイバ
２３ａ クラッド部材
２４ａ コア部材
２６ 溝アレイ
２９ バンドル部
３０ 集光手段
３１、３２ レンズ
４０ 伝送用光ファイバ
５０ 基板
６０ ヒートシンク
７０ フィン
８０ ファイバレーザ用光ファイバ
８１ ダイクロイックミラー
８２ レンズ
８３ ＦＢＧ

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。なお、全ての図面においてＸ軸方向は短軸方向を示しており、Ｙ軸方向は長軸方向を示しており、Ｚ軸方向は発光部から出射されるレーザ光の出射方向を示している。
図４〜図６は、本発明の光ファイバアレイ２０、及び本発明の半導体レーザ集光装置１を含むレーザ集光装置の例を示している。
●［光ファイバアレイの構成（図４）］
図４の例に示すように本発明の光ファイバアレイ２０は、半導体レーザアレイ１０の発光部の短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバ（２２ａ、２２ｂ）の各入射面が各発光部に対向するように配置されている（隣り合う発光部の短軸方向の中心間隔と、隣り合う光ファイバの入射面の短軸方向の中心間隔が同一）。
そして隣り合う光ファイバの入射面の周囲を固形材（例えば、紫外線硬化樹脂や、石英系化合物（ポリシラン、ポリシラザン）もしくはエポキシ系の接着剤）で固めた一体部２１が形成され、一体部２１と各光ファイバ（２２ａ、２２ｂ・・）にて光ファイバアレイ２０を構成している。
また、一体部２１における光ファイバ（２２ａ、２２ｂ）の入射面側には、入射されるレーザ光を集光するレンズ部が形成されており、当該レンズ部については後述する。

●［半導体レーザ集光装置１の構成（図５）］
図５の例に示すように本発明の半導体レーザ集光装置１は、半導体レーザアレイ１０、光ファイバアレイ２０にて構成されている。
そして半導体レーザアレイ１０の各発光部（１２ａ〜１２ｇ、図１参照）に対して、一体部２１の各入射面が対向するように、半導体レーザアレイ１０と一体部２１（光ファイバアレイ２０）とを位置決めする。
光ファイバアレイ２０の出射面から伝送用光ファイバ４０に集光するまでの集光手段３０には種々の形態があり、図５の例ではレンズ３１、３２を用いたＮＡ変換光学系を用いており、半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を直接加工光源として用いる例を示している。なお、後述する図１１及び図１２の説明にて、直接加工光源として用いる例、及び固体レーザの励起光として用いる例について説明する。

光ファイバアレイ２０の出射面は図６に示すようにバンドルされ（束ねられ）ており、その半径をｒ１、出射されるレーザ光の広がり角をθ１とする。また、レンズ３１、３２にて集光されたレーザ光が入射される伝送用光ファイバ４０の入射面の半径をｒ２、入射されるレーザ光の入射角をθ２とすると、ｒ１＊θ１＝ｒ２＊θ２が成立する。
更に伝送用光ファイバ４０の開口数をＮＡとすると、sinθ２＜ＮＡとなるように、適切なｒ１、ｒ２、ＮＡを選定することで、光ファイバアレイ２０から出射されたレーザ光を伝送用光ファイバ４０に効率良く入射することができる。

●［一体部２１の構造と機能（図７、図８）］
次に図７及び図８を用いて、一体部２１の構造と機能について説明する。
図７は図４における半導体レーザアレイ１０の発光部１２ａと一体部２１及び光ファイバ２２ａとを短軸方向（Ｘ軸方向）から見た図であり、図８は長軸方向（Ｙ軸方向）から見た図である。
図７に示すように、一体部２１における光ファイバ２２ａの入射面側には、入射されるレーザ光Ｌ１を集光するレンズ部が形成されており、当該レンズ部にてレーザ光Ｌ１を屈折させて広がり角を小さくして（ほぼ平行光となるように屈折させて）光ファイバ２２ａ内に導光し、クラッド２３ａに周囲を覆われたコア部２４ａ内に適切に導光することが可能である。なお、レンズ部は一体部２１において長軸方向に対して凸状に一体形成されている（形成方法については図９及び図１０の説明にて後述する）。
また、図８の例では短軸方向にはレンズ形状を形成していないが、短軸方向は広がり角が小さいため、特に集光しなくても開口数ＮＡ以下で光ファイバ２２ａ内にレーザ光Ｌ１を導光することが可能である。
もちろん各光ファイバの入射面に、更に短軸方向に凸状となるようにレンズ部を形成してもよいが、長軸方向の曲面と短軸方向の曲面では異なる曲率となる。

●［レンズ部が一体形成された光ファイバアレイ２０の製造方法（図９及び図１０）］
次に図９及び図１０を用いて、レンズ部が一体形成された光ファイバアレイ２０の製造方法（一体部２１の形成方法とレンズ部の一体形成方法）の例について説明する。
まず、半導体レーザアレイ１０の発光部１２ｘの中心間隔（短軸方向における間隔）でＶ溝が形成された溝アレイ２６を用意する（図９）。Ｖ溝の数は発光部の数と同数あるいは同数以上である。なお、溝の形状はＶ溝に限定されず、種々の形状の溝を使用することが可能である。
そして図１０の例に示すように、発光部の数と同数の光ファイバ２２ｎを、先端部が溝アレイ２６から突出するようにＶ溝に並べていく。そして突出させた先端部を紫外線硬化樹脂や、石英系化合物（ポリシラン、ポリシラザン）もしくは、エポキシ等の接着剤等の固形材で固めて一体とした一体部２１を形成する。なお次の工程にて、一体部２１の先端から加工工具Ｔ（この例では回転砥石）にて研削してレンズ部を一体形成するので、一体部２１を形成した時点（レンズ部を形成する前）では、光ファイバの入射面を前記接着剤等が覆っていても、溝アレイ２６からの突出長さが均等でなくても構わない。
そして、内壁Ｔａが長軸方向に対して凹状形状を有する加工工具Ｔ（この例では回転砥石Ｔ（回転軸は長軸方向と平行））を用いて、当該加工工具Ｔの内壁Ｔａを一体部２１に押付けながら短軸方向（Ｘ軸方向）に移動させて、形状を整えるとともに各光ファイバの入射面を表面に露出させ、一体部２１にレンズ部（長軸方向に対して凸状形状のレンズ部）を一体形成する。一体形成するため、短時間に、且つ容易に形成することができる。なお、加工工具Ｔは内壁Ｔａの形状を転写できるものであればよく、回転砥石に限定されず、例えば短軸方向に往復振動する加工工具等であってもよい。
溝アレイ２６は、レンズ部を形成した後に取り外してもよいし、そのまま集光用光ファイバ部２０として取り付けておいてもよい。

上記のようにレンズ部を形成した一体部２１では、各光ファイバの入射面に同一形状のレンズ部が形成され、各光ファイバの入射面の間隔は発光部の間隔と同一である。
従って、半導体レーザアレイ１０と一体部２１とを位置決めするのみで、複数の発光部から出射されるレーザ光を複数の光ファイバの各々に適切に入射することができ、非常に便利であるとともに、位置ずれによる損失を抑制することができる。
また各レンズ部は一体形成されており、レンズ部毎の形状のばらつきが非常に小さいため（焦点距離のばらつきが非常に小さいため）、位置ずれによる損失をより抑制することができる。
また、更に短軸方向に凸状となるようにレンズ部を加工（形成）したい場合には、９０度回転させた加工工具（内壁Ｔａの凹状形状が短軸方向に凹状となるように回転、ただし内壁Ｔａの凹状形状の曲率は上記加工工具Ｔとは異なる）を用いて、各光ファイバの入射面に押付けながら長軸方向（Ｙ軸方向）に移動させてレンズ部を加工してもよい。

●［半導体レーザ集光装置１の応用例（図１１、図１２）］
図１１に示した例は、本発明の半導体レーザ集光装置１を構成している半導体レーザアレイ１０と光ファイバアレイ２０とを６セット用いている。各光ファイバアレイ２０の出射面をバンドル部２９で束ね、レンズ３１（平行光に変換するコリメートレンズ）、及びレンズ３２（平行光のレーザ光の径を小さくする集光レンズ）で構成された集光手段を用いて、バンドル部２９から出射されたレーザ光Ｌ１を集光して伝送用光ファイバ４０に入射し、伝送用光ファイバ４０の出射面からレーザ光を取り出すものである。この例は半導体レーザアレイ１０から出射されるレーザ光を直接加工光源として利用する例である。
半導体レーザアレイ１０、及び光ファイバアレイ２０の一体部２１とは、同一部材（放熱用の基板５０であり、熱伝導率の高い金属等にて構成される）に固定されている。半導体レーザアレイ１０や一体部２１の発熱により基板５０が熱膨張率に従って膨張しても、半導体レーザアレイ１０が固定されている位置と一体部２１が固定されている位置とで熱膨張率の差がなく（同一部材であるため）、同じ方向に固定しているため、熱膨張が発生しても、同じ方向に同じ量が作用し、温度変化に伴う位置ずれを抑制することができ、損失をより抑制することができる。
なお、図１１では、更に基板５０にヒートシンク６０とファン７０とを設け、放熱している。また、基板５０にパス穴をあけて水や油等の流体で冷却することも可能である。

図１２に示した例は、図１１と同様に本発明の半導体レーザ集光装置１を構成している半導体レーザアレイ１０と光ファイバアレイ２０とを６セット用いている。図１１とは、光ファイバアレイ２０のバンドル部２９から先の構成が異なる。
図１２において符号８０は希土類元素がドープされたコア部を内部に持つファイバレーザ用光ファイバであり（コア部の周囲は、入射された励起光を閉じ込めるクラッド部で構成されている）、入射面から励起光（この場合、半導体レーザアレイから出射されるレーザ光）が入射されると、前記コア部が励起されてコア部内で（発振）レーザ光が発生する。（発振）レーザ光はファイバレーザ用光ファイバ８０の両端から出射されるが、励起光の入射面側の端面と反対側の端面にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を設けて（発振）レーザ光を反射して入射面側に戻し、励起光の入射面側から（発振）レーザ光を取り出す。

ファイバレーザ用光ファイバ８０内にて、ＦＢＧ側に向かう方向に発生したがＦＢＧによって反射された（発振）レーザ光と、入射面側に向かう方向に発生した（発振）レーザ光とが重畳されて入射面のコア部から出射される。出射された（発振）レーザ光は、レンズ３２にて平行光に変換され、更にダイクロイックミラー８１にて進行方向が変換される。なお、レンズ３２は、半導体レーザアレイ１０から出射されたレーザ光（励起光）に対しては、ファイバレーザ用光ファイバ８０に導光するために径を小さくする集光レンズとして機能し、ファイバレーザ用光ファイバ８０から出射された（発振）レーザ光に対しては、（発振）レーザ光を平行光に変換するコリメートレンズとして機能する。
また、ダイクロイックミラー８１は、励起光（この場合、半導体レーザアレイ１０から出射されたレーザ光）の波長の光を透過させ、（発振）レーザ光（ファイバレーザ用光ファイバ８０から出射されたレーザ光）の波長の光を反射するものである。
ダイクロイックミラー８１にて反射された（発振）レーザ光は、集光レンズ８２にて径が小さくされ、伝送用光ファイバ４０の入射面に入射される。そして伝送用光ファイバ４０の出射面からレーザ光を取り出すものである。この例は半導体レーザアレイ１０から出射されるレーザ光を励起光として利用する例である。
半導体レーザアレイ１０、及び光ファイバアレイ２０の一体部２１とは、同一部材（放熱用の基板５０等）に固定されており、損失が小さい点については図１１と同様であるので説明を省略する。

●［光ファイバアレイの構成と製造方法のその他の実施例（図１３〜図１６）］
次に、光ファイバアレイ２０の構成におけるその他の実施例について、図１３を用いて説明し、光ファイバアレイ２０の製造方法におけるその他の実施例について、図１４〜図１６を用いて説明する。
図１３に示すように、長軸方向（Ｙ軸方向）に直交する面を互いに対向させた２つの固定板２１ａ、２１ｂにて固定部材を構成し、複数の光ファイバ２２ａ〜２２ｅの入射面側の先端部を固定板２１ａ、２１ｂにて挟み込んで固定し、一体部を形成する。なお、図１３の例では、１つの固定板２１ａと１つの固定板２１ｂにて固定部材を構成したが、固定板２１ａまたは２１ｂを２つ以上の固定板で構成してもよい。
また、図１３の例では、光ファイバ２２ａ〜２２ｅをより安定的に位置決めするために、光ファイバ２２ａ〜２２ｅの先端部を挟み込む固定板２１ｂに対して、光ファイバ２２ａ〜２２ｅの先端部よりやや後方を挟み込む固定板２７を備えているが、固定板２７は省略してもよい。なお、固定板２１ｂ、２７は、ネジ２１ｎにて固定板２１ａに固定される。

少なくとも１つの固定板（図１３の例では固定板２１ａ）には、溝２１ｍ（例えばＶ溝）が、半導体レーザアレイ１０の発光部の短軸方向の間隔で形成されている。光ファイバ２２ａ〜２２ｅは、この溝２１ｍの間隔にて短軸方向に位置決めされ、固定板２１ａにおける長軸方向に直交する面上に位置決めされる。もちろん、固定板２１ａ、２１ｂの双方に溝２１ｍを設けてもよい。
また、固定板２１ａ、２１ｂの材質には、例えば、比較的熱に強い（融点が光ファイバよりも高い）金属やガラスを用いることができる。これにより、接着剤や樹脂等の比較的熱に弱い材質で固定部材を形成した場合と比べて、光ファイバの入射面にレーザ光を入射した際の漏れレーザ光（一般的に、図１〜図３のＬ１で示す範囲内に含まれるレーザ光は約８６％程度であり、残りの約１４％のレーザ光はＬ１で示す範囲の外に漏れる）による発熱及び焼損等を確実に防止することができる。なお、固定板２１ａと固定板２１ｂを互いに異なる材質で構成してもよい。

次に図１４〜図１６を用いて光ファイバアレイ２０の製造方法について説明する。
図１４及び図１５に示す製造方法は、図１０にて説明した製造方法と同じ加工工具Ｔ（内壁Ｔａが長軸方向に凹形状の加工工具）を用い、加工工具Ｔの内壁Ｔａを一体部における光ファイバの入射面側から押しつけて、加工工具Ｔを短軸方向（Ｘ軸方向）に移動させて、研削または切削または研磨することで、長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を、各光ファイバの入射面に一体形成する。この場合の光ファイバアレイは、図１０に示す構成であっても、図１３に示す構成であってもよい。

また、図１６に示す製造方法は、加工工具Ｔとして短軸方向（Ｘ軸方向）に回転軸を有する略円柱形状の回転砥石を用いる。そして、当該加工工具Ｔを長軸方向に対して凸状形状に形成するレンズ部の形状に沿って移動させることで、入射された光が長軸方向に屈折するように長軸方向に対して凸状形状となるレンズ部を、各光ファイバの入射面に一体形成する。この場合の光ファイバアレイは、図１０に示す構成であっても、図１３に示す構成であってもよい。

また、更に他の製造方法として、光ファイバと固定部材とを同じ材質または融点の近い材質にて構成する。この場合の光ファイバアレイは、図１０に示す構成であっても、図１３に示す構成であってもよい。
そして、一体部における光ファイバの入射面側を加熱等して溶融させ、レンズ部を形成（転写）するための型（金属や超硬合金等の型）を押し当て、長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を、各光ファイバの入射面に一体形成する（図示省略）。

以上に説明したように、光ファイバと固定部材にて一体化した一体部を同時に加工することによって各光ファイバの入射面に、一体的に球面レンズ（もしくは非球面（曲率が非一定の球面）レンズ）、もしくは円筒レンズ（もしくは非円筒（曲率が非一定の円筒）レンズ）を形成する。加工によって任意形状のレンズ部を形成することができるので、損失をより抑制することができる適切な形状、及び適切な位置（各光ファイバで揃った位置）となるように、各光ファイバの入射面にレンズ部を形成することができる。
また、図１３に示す光ファイバアレイの構成にて、固定板２１ａ、２１ｂの材質を適切に選定することで、焼損を防止できる光ファイバアレイを構成することができる。
また、光ファイバと同じまたは類似の材質にて固定部材を構成すれば、加工精度をより向上させることができ、加工工具Ｔの偏摩耗も抑制され、加工後のレンズ部の形状の崩れ等が生じにくくなる。

本発明の光ファイバアレイ２０、及び半導体レーザ集光装置１は、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
また、本実施の形態にて説明した光ファイバアレイ２０は、半導体レーザアレイからのレーザ光の集光に限定されず、長軸方向及び短軸方向にほぼ楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を集光する用途に利用することができる。

Claims (6)

1. 楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が前記楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイの製造方法であって、
   前記発光部の前記短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように各光ファイバを配置し、
   各光ファイバの入射面側の先端部を固形材で固めて一体とした一体部を形成し、
   前記一体部における前記光ファイバの入射面側から、前記長軸方向に対して凹状形状を有する加工工具を押しつけて当該加工工具を前記短軸方向に移動させて、前記加工工具を用いて前記一体部を研削して前記光ファイバの入射面を露出させ、入射された光が前記長軸方向に屈折するように前記長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を各光ファイバの入射面に一体形成する、
   光ファイバアレイの製造方法。
2. 楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が前記楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイの製造方法であって、
   前記発光部の前記短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように各光ファイバを配置し、
   各光ファイバの入射面側の先端部を固形材で固めて一体とした一体部を形成し、
   前記一体部における前記光ファイバの入射面側にて、前記短軸方向に平行な回転軸を有する円柱形状の加工工具を、入射された光が前記長軸方向に屈折するように前記一体部が前記長軸方向に凸状となるように移動させて、前記加工工具を用いて前記一体部を研削して前記光ファイバの入射面を露出させ、入射された光が前記長軸方向に屈折するように前記長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を各光ファイバの入射面に一体形成する、
   光ファイバアレイの製造方法。
3. 楕円状に広がりながら進行する光を出射する発光部が前記楕円の短軸方向に複数配列されたアレイ状発光源から出射される各光を入射する複数の光ファイバにて構成された光ファイバアレイの製造方法であって、
   前記光ファイバは、前記発光部から出射された光が導光されるコア部と、当該コア部の周囲を覆うクラッドにて構成されており、
   前記発光部の前記短軸方向の間隔に合わせて各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように各光ファイバを配置し、
   各光ファイバの入射面側の先端部を固形材で固めて一体とした一体部を形成し、
   前記コア部と前記クラッドにて構成された前記光ファイバと前記固形材とを同じ材質または融点の近い材質にて構成し、
   前記一体部における前記光ファイバの入射面側を溶融させて型を押し当てて前記光ファイバの入射面を露出させ、入射された光が前記長軸方向に屈折するように前記長軸方向に対して凸状形状のレンズ部を各光ファイバの入射面に一体形成する、
   光ファイバアレイの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバアレイの製造方法であって、
   各光ファイバの各入射面が各発光部に対向するように各光ファイバを配置する際、各光ファイバの入射面側を固定部材にて固定するとともに、前記光ファイバの先端部を前記固定部材から突出させて固定し、
   突出させた前記光ファイバの先端部を前記固形材で固める、
   光ファイバアレイの製造方法。
5. 請求項４に記載の光ファイバアレイの製造方法であって、
   前記固定部材は、前記発光部の前記短軸方向の間隔にて複数の溝が形成された溝アレイである、
   光ファイバアレイの製造方法。
6. 請求項４または５に記載の光ファイバアレイの製造方法であって、
   前記固定部材は、前記長軸方向に直交する面を互いに対向させた少なくとも２つの固定板で構成されており、
   前記固定板にて前記光ファイバを挟み込んで固定する、
   光ファイバアレイの製造方法。
   
   

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