JP7241168B2 - レーザダイオード装置 - Google Patents

Description

本開示は、複数のレーザダイオードを用いたレーザダイオード装置に関する。

特許文献１に記載されているように、レーザダイオード装置は、複数のレーザダイオードを一列に配列させた第１及び第２のグループのレーザダイオードを備える。特許文献１におけるレーザダイオードは、シングルエミッタダイオードである。第１及び第２のグループの各レーザダイオードより射出された発散光であるレーザビームはコリメートレンズによってコリメート光に変換され、複数のミラーによって反射されて集束レンズに入射される。集束レンズは、入射されたレーザビームを集束して、光ファイバに入射させる。

特許第６１５４９６５号公報

光ファイバにレーザビームを効率よく入射するためには、集束レンズに入射されるレーザビームは完全なコリメート光であることが望ましい。しかしながら、シングルエミッタレーザダイオードより射出されたレーザビームをコリメートする場合であっても、コリメートレンズのコリメート性能には限界がある。また、コリメートレンズの焦点距離は数百μm程度と極めて短いため、レーザビームをコリメート光とするためにはコリメートレンズの非常に精密な位置調整が要求される。これらにより、現実にはわずかではあるが、レーザビームを完全にコリメート光とすることはできず、レーザビームは発散し、レーザビームが進行する距離が長くなるほど、ビームサイズが大きくなる。

また、レーザダイオードの高出力化に伴い、コリメートレンズで発生する熱レンズ効果の影響も無視できなくなっている。コリメートレンズの焦点距離は数百μｍ程度であり、焦点距離が１μｍ程度変動しただけでも、コリメートレンズのコリメート性能が劣化し、レーザビームが発散角を持ち、レーザビームが進行する距離が長くなるほど広がる。

第１及び第２のグループのレーザダイオードにおいて、集束レンズまでの距離が長いレーザダイオードから射出されるレーザビームほど集束レンズに入射されるビームが広がる。集束レンズは、入射された各レーザビームを集束して光ファイバに入射させる。集束レンズに入射されるレーザビームが広がるほど、集束レンズの有効径から外れて損失となるいわゆるケラレが発生しやすくなる。また、光ファイバへの入射開口数が増加し、光ファイバの受光開口数より大きくなり、クラッド伝播が発生する。これらにより、集束レンズがレーザビームを集束して光ファイバに入射させる際のカップリングロスが増大し、入射効率が悪化する。

１またはそれ以上の実施形態は、集束レンズがレーザビームを集束して光ファイバに入射させる際のカップリングロスを減少させ、入射効率を向上させることができるレーザダイオード装置を提供することを目的とする。

１またはそれ以上の実施形態の一態様によれば、Ｍを２以上の整数とし、第１のサブグループに属し、それぞれ発散光のレーザビームを射出する、一列に配列されたＭ個のレーザダイオードと、前記第１のサブグループに属し、前記Ｍ個のレーザダイオードより射出された各レーザビームをコリメート光に変換する第１のコリメートレンズと、前記第１のサブグループに属し、コリメート光の各レーザビームを反射させるＭ個の第１のミラーと、前記Ｍ個の第１のミラーで反射した各レーザビームを反射させる第２のミラーと、Ｎを２以上の整数とし、第２のサブグループに属し、それぞれ発散光のレーザビームを射出する、一列に配列されたＮ個のレーザダイオードと、前記第２のサブグループに属し、前記Ｎ個のレーザダイオードより射出された各レーザビームをコリメート光に変換する第２のコリメートレンズと、前記第２のサブグループに属し、コリメート光の各レーザビームを反射させるＮ個の第３のミラーと、前記Ｎ個の第３のミラーで反射した各レーザビームを前記第２のミラーで反射した各レーザビームと平行になるように反射させる第４のミラーとを備え、前記第２のミラーで反射した各レーザビームを前記第４のミラーの上方を通過させて、前記第２のミラーで反射した各レーザビームを上方に位置させ、前記第４のミラーで反射した各レーザビームを下方に位置させることにより、前記第１のサブグループと前記第２のサブグループとを含む第１のグループに属する第１の合成レーザビームを生成し、前記第１の合成レーザビームを集束させて、光ファイバのコアに入射させる集束レンズと、前記第１のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオード、前記第１のコリメートレンズ、前記Ｍ個の第１のミラー、前記第２のミラー、前記第２のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオード、前記第２のコリメートレンズ、前記Ｎ個の第３のミラー、前記第４のミラー、及び前記集束レンズを装着する収納部とをさらに備えるレーザダイオード装置が提供される。

上記のように構成されたレーザダイオード装置において、前記収納部の底面における前記第１のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードを配置している部分が、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードを配置する部分から前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードを配置する部分まで階段状に順に高くなっていることにより、前記第１のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、前記集束レンズまでの距離が長いほど低い位置、距離が短いほど高い位置に配置されている。前記底面と、前記Ｍ個の第１のミラーのうちの前記集束レンズまでの距離が最も長い第１のミラーを除く少なくとも（Ｍ－１）個の第１のミラーの下端面との間には、空間が形成されている。前記Ｍ個の第１のミラーは、前記第１のコリメートレンズによってコリメート光に変換された各レーザビームを、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードより射出されたレーザビームから前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードより射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に上側に重なるように反射させる。

また、上記のように構成されたレーザダイオード装置において、前記底面における前記第２のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードを配置している部分が、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードを配置する部分から前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードを配置する部分まで階段状に順に低くなっていることにより、前記第２のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、前記集束レンズまでの距離が長いほど高い位置、距離が短いほど低い位置に配置されている。前記Ｎ個の第３のミラーは、前記第２のコリメートレンズによってコリメート光に変換された各レーザビームを、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードより射出されたレーザビームから前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードより射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に下側に重なるように反射させる。

１またはそれ以上の実施形態のレーザダイオード装置によれば、集束レンズがレーザビームを集束して光ファイバに入射させる際のカップリングロスを減少させ、入射効率を向上させることができる。

図１は、１またはそれ以上の実施形態のレーザダイオード装置を示す平面図である。 図２は、図１におけるチップオンサブマウントより射出されるレーザビームの速軸と遅軸とを示す概念的な斜視図である。 図３は、図１における１／２波長板及び偏光ビームスプリッタの作用を説明するための図である。 図４は、第１のグループのレーザビームに基づいて生成された第１の合成レーザビームが集束レンズによって集束され、光ファイバに入射される状態を概念的に示す斜視図である。 図５は、レーザビームが進行する距離の長短によって変化するパワー分布を示す特性図である。 図６は、集束レンズに入射される各レーザビームの広がり及び集束レンズ上でのレーザビームの位置を概念的に示す図である。

以下、１またはそれ以上の実施形態のレーザダイオード装置について、添付図面を参照して説明する。図１において、例えば銅よりなる金属板３０上に、例えば銅よりなる収納部４０が固定されている。収納部４０が固定された金属板３０を備えるレーザダイオード装置１００は、図示していない水冷の冷却板上に配置される。一例として、レーザダイオード装置１００は、ファイバレーザ発振器の励起光源として使用される。

収納部４０内には、次のような各種の光学部品が装着されている。図１において、チップオンサブマウント（以下、ＣＯＳ）１Ｌａ～１Ｌｅは、収納部４０の第１の角部（図１の左側上方の角部）から一列で配列されている。ＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉは、収納部４０の第２の角部（図１の左側下方の角部）から一列で配列されている。ＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｅは、収納部４０の第３の角部（図１の右側上方の角部）から一列で配列されている。ＣＯＳ１Ｒｆ～１Ｒｉは、収納部４０の第４の角部（図１の右側下方の角部）から一列で配列されている。

図２に示すように、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉ及び１Ｒａ～１Ｒｉは、サブマウント１１上にレーザダイオード１２が配置された構造を有する。図２においては、電極及び配線等の図示が省略されている。レーザダイオード１２はシングルエミッタダイオードである。レーザダイオード装置１００は、各サブマウント１１上にシングルエミッタダイオードが配置された複数個のＣＯＳを備える構成が好ましい。ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉ及び１Ｒａ～１Ｒｉは、一点鎖線で示すように、レーザダイオード１２の図２における手前側の端面からレーザビームを射出する。

図１において、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉは第１のグループのレーザダイオード１２を構成する。ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｅは第１のグループのうちの第１のサブグループのレーザダイオード１２に属し、ＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉは第１のグループのうちの第２のサブグループのレーザダイオード１２に属する。ＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｉは第２のグループのレーザダイオード１２を構成する。ＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｅは第２のグループのうちの第３のサブグループのレーザダイオード１２に属し、ＣＯＳ１Ｒｆ～１Ｒｉは第２のグループのうちの第４のサブグループのレーザダイオード１２に属する。

収納部４０の底面は、ＣＯＳ１Ｌａを配置している部分の底面からＣＯＳ１Ｌｅを配置している部分の底面まで階段状に順に高くなっている。従って、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｅは、ＣＯＳ１Ｌａが最も低い位置、ＣＯＳ１Ｌｅが最も高い位置にあり、ＣＯＳ１ＬａからＣＯＳ１Ｌｅに向かうに従って順に位置が高くなるように配置されている。即ち、第１のサブグループの５個のレーザダイオード１２は、ＣＯＳ１ＬａからＣＯＳ１Ｌｅに向かうに従って順に高い位置にある。

また、収納部４０の底面は、ＣＯＳ１Ｌｆを配置している部分の底面からＣＯＳ１Ｌｉを配置している部分の底面まで階段状に順に低くなっている。従って、ＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉは、ＣＯＳ１Ｌｆが最も高い位置、ＣＯＳ１Ｌｉが最も低い位置にあり、ＣＯＳ１ＬｆからＣＯＳ１Ｌｉに向かうに従って順に位置が低くなるように配置されている。即ち、第２のサブグループの４個のレーザダイオード１２は、ＣＯＳ１ＬｆからＣＯＳ１Ｌｉに向かうに従って順に低い位置にある。

同様に、収納部４０の底面は、ＣＯＳ１Ｒａを配置している部分の底面からＣＯＳ１Ｒｅを配置している部分の底面まで階段状に順に高くなっている。従って、ＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｅは、ＣＯＳ１Ｒａが最も低い位置、ＣＯＳ１Ｒｅが最も高い位置にあり、ＣＯＳ１ＲａからＣＯＳ１Ｒｅに向かうに従って順に位置が高くなるように配置されている。即ち、第３のサブグループの５個のレーザダイオード１２は、ＣＯＳ１ＲａからＣＯＳ１Ｒｅに向かうに従って順に高い位置にある。

また、収納部４０の底面は、ＣＯＳ１Ｒｆを配置している部分の底面からＣＯＳ１Ｒｉを配置している部分の底面まで階段状に順に低くなっている。従って、ＣＯＳ１Ｒｆ～１Ｒｉは、ＣＯＳ１Ｒｆが最も高い位置、ＣＯＳ１Ｒｉが最も低い位置にあり、ＣＯＳ１ＲｆからＣＯＳ１Ｒｉに向かうに従って順に位置が低くなるように配置されている。即ち、第４のサブグループの４個のレーザダイオード１２は、ＣＯＳ１ＲｆからＣＯＳ１Ｒｉに向かうに従って順に低い位置にある。

図２に示すように、レーザダイオード１２から射出される発散光のレーザビームにおける光の発散角が大きい方向を速軸（ファースト軸）、発散角が小さい方向を遅軸（スロー軸）と称している。図１に示すように、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉ及び１Ｒａ～１Ｒｉの端面には、それぞれ、速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉが配置されている。速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉの射出面は、レーザビームを速軸方向に平行光化するような曲面を有する。

図１において、速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉは速軸第１のグループに属し、速軸コリメートレンズ２Ｒａ～２Ｒｉは速軸第２のグループに属する。速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｅは速軸第１のグループのうちの速軸第１のサブグループに属し、速軸コリメートレンズ２Ｌｆ～２Ｌｉは速軸第１のグループのうちの速軸第２のサブグループに属する。速軸コリメートレンズ２Ｒａ～２Ｒｅは速軸第２のグループのうちの速軸第３のサブグループに属し、速軸コリメートレンズ２Ｒｆ～２Ｒｉは速軸第２のグループのうちの速軸第４のサブグループに属する。

速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉの射出面は、レーザビームを速軸方向に平行光化するような曲面を有する。よって、速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉより射出されたレーザビームは、速軸方向のみコリメート光とされる。速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉより射出されたレーザビームは、それぞれ、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉに入射される。

遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉは遅軸第１のグループに属し、遅軸コリメートレンズ３Ｒａ～３Ｒｉは遅軸第２のグループに属する。遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｅは遅軸第１のグループのうちの遅軸第１のサブグループに属し、遅軸コリメートレンズ３Ｌｆ～３Ｌｉは遅軸第１のグループのうちの遅軸第２のサブグループに属する。遅軸コリメートレンズ３Ｒａ～３Ｒｅは遅軸第２のグループのうちの遅軸第３のサブグループに属し、遅軸コリメートレンズ３Ｒｆ～３Ｒｉは遅軸第２のグループのうちの遅軸第４のサブグループに属する。

遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉは、速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉより速軸方向のみコリメート光とされたレーザビームが入射可能な高さに配置されている。

遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉの射出面は、レーザビームを遅軸方向に平行光化するような曲面を有する。よって、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉより射出されたレーザビームは、遅軸方向にコリメート光とされる。

このように、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉ及び１Ｒａ～１Ｒｉより射出されたレーザビームは、速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉによって速軸方向にコリメート光とされ、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉによって遅軸方向にコリメート光とされる。よって、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉより射出されたレーザビームは、速軸方向及び遅軸方向の双方にコリメート光とされる。

但し、速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｉ及び２Ｒａ～２Ｒｉより射出されたレーザビームは速軸方向にコリメート光ではあるものの、光の特性上、厳密には速軸方向にわずかに発散し、レーザビームが進行する距離が長くなるほど速軸方向にビームが広がる。同様に、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉより射出されたレーザビームは、遅軸方向にコリメート光ではあるものの、光の特性上、厳密には遅軸方向にわずかに発散し、レーザビームが進行する距離が長くなるほど遅軸方向にビームが広がる。速軸方向の発散の程度と遅軸方向の発散の程度は同じとは限らない。

遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｅより射出されたレーザビームは、それぞれ、ミラー４Ｌａ～４Ｌｅで反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー４Ｌａ～４Ｌｅは、第１のグループのうちの第１のサブグループに属する。ミラー４Ｌａ～４Ｌｅは、互いの相対的な位置関係として、ミラー４Ｌａが第１のサブグループに属するミラーの中で最も低い位置、ミラー４Ｌｅが第１のサブグループに属するミラーの中で最も高い位置にある。ミラー４Ｌａ～４Ｌｅは、ミラー４Ｌａからミラー４Ｌｅに向かうに従って順に位置が高くなるように配置されている。収納部４０の底面と少なくともミラー４Ｌｂ～４Ｌｅの下端面との間には空間が形成されている。

ミラー４Ｌａで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｂ～４Ｌｅの下方を通過する。ミラー４Ｌｂで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｃ～４Ｌｅの下方を通過する。ミラー４Ｌｃで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｄ及び４Ｌｅの下方を通過する。ミラー４Ｌｄで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｅの下方を通過する。ミラー４Ｌａ～４Ｌｅで反射した各レーザビームは、ミラー５Ｌで反射して進行方向が９０度曲げられ、ミラー６Ｌの上方を通過して進行する。

遅軸コリメートレンズ３Ｌｆ～３Ｌｉより射出されたレーザビームは、それぞれ、ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉで反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉは、第１のグループのうちの第２のサブグループに属する。ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉは、互いの相対的な位置関係として、ミラー４Ｌｆが第２のサブグループに属するミラーの中で最も高い位置、ミラー４Ｌｉが第２のサブグループに属するミラーの中で最も低い位置にある。ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉは、ミラー４Ｌｆからミラー４Ｌｉに向かうに従って順に位置が低くなるように配置されている。

ミラー４Ｌｆで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｇ～４Ｌｉの上方を通過する。ミラー４Ｌｇで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｈ及び４Ｌｉの上方を通過する。ミラー４Ｌｈで反射したレーザビームは、ミラー４Ｌｉの上方を通過する。ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉで反射した各レーザビームは、ミラー６Ｌで反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー６Ｌは、ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉで反射した各レーザビームを、ミラー５Ｌで反射した各レーザビームと平行になるように反射させる。

第２のサブグループにおけるＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉのレーザダイオード１２から射出され、遅軸コリメートレンズ３Ｌｆ～３Ｌｉを透過し、ミラー４Ｌｆ～４Ｌｉで反射されたレーザビームは、第１のサブグループにおけるＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｅのレーザダイオード１２から射出され、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｅを透過し、ミラー４Ｌａ～４Ｌｅで反射されたレーザビームよりも下方を進行する。

これにより、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｅのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームをミラー５Ｌによって反射し、ＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームをミラー６Ｌによって反射することによって、両者が合成された第１の合成レーザビームが生成される。第１の合成レーザビームにおいて、第１のサブグループのＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｅのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームは上方に位置し、第２のサブグループのＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームは下方に位置する。第１の合成レーザビームは、プリズム８１～８３が接合された偏光ビームスプリッタ８に入射される。

同様に、遅軸コリメートレンズ３Ｒａ～３Ｒｅより射出されたレーザビームは、それぞれ、ミラー４Ｒａ～４Ｒｅで反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー４Ｒａ～４Ｒｅは、第２のグループのうちの第３のサブグループに属する。ミラー４Ｒａ～４Ｒｅは、互いの相対的な位置関係として、ミラー４Ｒａが第３のサブグループに属するミラーの中で最も低い位置、ミラー４Ｒｅが第３のサブグループに属するミラーの中で最も高い位置にある。ミラー４Ｒａ～４Ｒｅは、ミラー４Ｒａからミラー４Ｒｅに向かうに従って順に位置が高くなるように配置されている。収納部４０の底面と少なくともミラー４Ｒｂ～４Ｒｅの下端面との間には空間が形成されている。

ミラー４Ｒａで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｂ～４Ｒｅの下方を通過する。ミラー４Ｒｂで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｃ～４Ｒｅの下方を通過する。ミラー４Ｒｃで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｄ及び４Ｒｅの下方を通過する。ミラー４Ｒｄで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｅの下方を通過する。ミラー４Ｒａ～４Ｒｅで反射した各レーザビームは、ミラー５Ｒで反射して進行方向が９０度曲げられ、ミラー６Ｒの上方を通過して進行する。

遅軸コリメートレンズ３Ｒｆ～３Ｒｉより射出されたレーザビームは、それぞれ、ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉで反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉは、第２のグループのうちの第４のサブグループに属する。ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉは、互いの相対的な位置関係として、ミラー４Ｒｆが第４のサブグループに属するミラーの中で最も高い位置、ミラー４Ｒｉが第４のサブグループに属するミラーの中で最も低い位置にある。ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉは、ミラー４Ｒｆからミラー４Ｒｉに向かうに従って順に位置が低くなるように配置されている。

ミラー４Ｒｆで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｇ～４Ｒｉの上方を通過する。ミラー４Ｒｇで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｈ及び４Ｒｉの上方を通過する。ミラー４Ｒｈで反射したレーザビームは、ミラー４Ｒｉの上方を通過する。ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉで反射した各レーザビームは、ミラー６Ｒで反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー６Ｒは、ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉで反射した各レーザビームを、ミラー５Ｒで反射した各レーザビームと平行になるように反射させる。

同様に、第４のサブグループにおけるＣＯＳ１Ｒｆ～１Ｒｉのレーザダイオード１２から射出され、遅軸コリメートレンズ３Ｒｆ～３Ｒｉを透過し、ミラー４Ｒｆ～４Ｒｉで反射されたレーザビームは、第３のサブグループにおけるＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｅのレーザダイオード１２から射出され、遅軸コリメートレンズ３Ｒａ～３Ｒｅを透過し、ミラー４Ｒａ～４Ｒｅで反射されたレーザビームよりも下方を進行する。

これにより、ＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｅのレーザダイオード１２から射出されるレーザビームをミラー５Ｒによって反射し、ＣＯＳ１Ｒｆ～１Ｒｉのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームをミラー６Ｒによって反射することによって、両者が合成された第２の合成レーザビームが生成される。第２の合成レーザビームにおいて、第３のサブグループのＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｆのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームは上方に位置し、第４のサブグループのＣＯＳ１Ｒｆ～１Ｒｉのレーザダイオード１２から射出されたレーザビームは下方に位置する。第２の合成レーザビームは、１／２波長板７を介して偏光ビームスプリッタ８に入射される。

図３は、１／２波長板７及び偏光ビームスプリッタ８の拡大図である。図３に示すように、プリズム８１とプリズム８２との接合面８１２には、第１または第２の合成レーザビームに含まれるＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる誘電体多層膜が設けられている。プリズム８１に入射した第１の合成レーザビームに含まれるＰ偏光は接合面８１２を透過して射出する。なお、プリズム８１に入射した第１の合成レーザビームに含まれるＳ偏光は接合面８１２で反射するので射出しない。

第２の合成レーザビームに含まれるＰ偏光は１／２波長板７によってＳ偏光に変換されてプリズム８２に入射する。プリズム８２とプリズム８３との接合面８２３には、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる誘電体多層膜が設けられている。プリズム８２に入射した第２の合成レーザビームのＳ偏光は接合面８２３で反射し、さらに、接合面８１２で反射して射出する。なお、第２の合成レーザビームに含まれるＳ偏光は１／２波長板７によってＰ偏光に変換されてプリズム８２に入射するが、接合面８２３を透過して射出する。

従って、偏光ビームスプリッタ８からは、第１の合成レーザビームと第２の合成レーザビームのＰ偏光成分を合成した第３の合成レーザビームが射出される。

図１に戻り、偏光ビームスプリッタ８は、第３の合成レーザビームを集束レンズ１０に供給する。このとき、第３の合成レーザビームはフィルタ９に入射される。フィルタ９により、不要帯域、例えば、ファイバレーザ発振器の発振波長及び誘導ラマン散乱光の波長が除去され、レーザダイオード１２の発振波長の第３の合成レーザビームが透過し、集束レンズ１０に入射する。具体的には、例えば、フィルタ９は波長８９０ｎｍ～９９０ｎｍの光を透過し、波長１０２０ｎｍ～１２００ｎｍの光を反射する波長特性とするのがよい。

収納部４０の側端部には、光ファイバの装着部４１が一体的に形成されている。装着部４１には、先端部近傍にフェルール２１が装着された光ファイバ２０（ピッグテールファイバ）が装着されている。収納部４０に装着部４１が一体的に形成されているため部品点数が削減される。集束レンズ１０は、入射した第３の合成レーザビームを集束させて、光ファイバ２０のコアに入射させる。光ファイバ２０は、入射した第３の合成レーザビームを伝送する。以上のようにして、ファイバカップリング方式のレーザダイオード装置１００は、第３の合成レーザビームを生成して光ファイバ２０によって伝送する。

図４～図６を用いて、ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉ及び１Ｒａ～１Ｒｉ、遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｉ及び３Ｒａ～３Ｒｉ、ミラー４Ｌａ～４Ｌｉ及び４Ｒａ～４Ｒｉが上記のように階段状に配置されていることによる作用効果を説明する。

図４は、第１のグループのレーザビームに基づいて生成された第１の合成レーザビームが集束レンズ１０によって集束され、光ファイバ２０に入射される状態を概念的に示している。図４においては、偏光ビームスプリッタ８及びフィルタ９の図示を省略している。

ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉより射出されたレーザビームをそれぞれビームＢａ～Ｂｉと称することとする。ＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｅから集束レンズ１０までの各距離を比較すると、ＣＯＳ１Ｌａから集束レンズ１０までの距離が最も長く、ＣＯＳ１Ｌｅから集束レンズ１０までの距離が最も短い。上記のようにビームＢａ～Ｂｅはコリメート光ではあるが厳密にはわずかに発散しているため、進行する距離が短いほど図５に実線で示すようなパワー分布に近付き、進行する距離が長いほど破線で示すようなパワー分布に近付く。即ち、ビームＢａ～Ｂｅは進行する距離が長くなるほど広がる。

よって、集束レンズ１０の入射面の位置では、ビームＢａ～Ｂｅは、ビームＢｅが最もビームサイズが小さく、ビームＢａが最もビームサイズが大きく、ビームＢｅからビームＢａの順にビームサイズが大きくなる。

同様に、ＣＯＳ１Ｌｆ～１Ｌｉから集束レンズ１０までの各距離を比較すると、ＣＯＳ１Ｌｆから集束レンズ１０までの距離が最も長く、ＣＯＳ１Ｌｉから集束レンズ１０までの距離が最も短い。よって、集束レンズ１０の入射面の位置では、ビームＢｆ～Ｂｉは、ビームＢｉが最もビームサイズが小さく、ビームＢｆが最もビームサイズが大きく、ビームＢｉからビームＢｆの順にビームサイズが大きくなる。

図６は、集束レンズ１０の有効光学エリア１０ａに入射されるビームＢａ～Ｂｉの広がりの程度及び入射される位置を概念的に示している。ビームＢａ～Ｂｅは有効光学エリア１０ａの上方に入射し、ビームＢｆ～Ｂｉは有効光学エリア１０ａの下方に入射する。

ビームＢａ～Ｂｅは、最もビームサイズが大きいビームＢａが有効光学エリア１０ａの中心側に入射し、最もビームサイズが小さいビームＢｅが有効光学エリア１０ａの端部側に入射するため、有効光学エリア１０ａに対してビームＢａ～Ｂｅの全てが最適に入射する。また、ビームＢｆ～Ｂｉは、最もビームサイズが大きいビームＢｆが有効光学エリア１０ａの中心側に入射し、最もビームサイズが小さいビームＢｉが有効光学エリア１０ａの端部側に入射するため、有効光学エリア１０ａに対してビームＢｆ～Ｂｉの全てが最適に入射する。以上により、ビームＢａ～Ｂｉの全てが最適に有効光学エリア１０ａに入射する。

第２のグループのＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｉより射出されたレーザビームもそれぞれビームＢａ～Ｂｉとすると、図６と同様に、ビームＢａ～Ｂｉの全てが最適に有効光学エリア１０ａに入射する。

以上の構成によって、レーザダイオード装置１００によれば、集束レンズ１０がレーザビームを集束して光ファイバ２０に入射させる際のカップリングロスを減少させ、入射効率を向上させることができる。

従来、第１のグループにおけるＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉを一列に並べて配置したレーザダイオード装置が実用に供されている。このような従来のレーザダイオード装置においては、レーザダイオードから射出されたレーザビームが集束レンズに到達するまでの光路長が極めて長い光路が存在する。よって、一部のレーザビームは大きく広がってしまう。

これに対して、レーザダイオード装置１００は、第１のグループにおけるＣＯＳ１Ｌａ～１Ｌｉ、コリメートレンズ（速軸コリメートレンズ及び遅軸コリメートレンズ）、ミラー４Ｌａ～４Ｌｉを第１のサブグループと第２のサブグループとに分けて配置している。レーザダイオード装置１００は、第２のグループにおけるＣＯＳ１Ｒａ～１Ｒｉ、コリメートレンズ、ミラー４Ｒａ～４Ｒｉを第３のサブグループと第４のサブグループとに分けて配置している。この構成によって、レーザダイオード装置１００によれば、レーザビームが集束レンズ１０に到達するまでの光路長を短くすることができるので、レーザビームの速軸方向及び遅軸方向の双方の広がりを抑えることができる。

図１に示すレーザダイオード装置１００は、第１及び第２のグループが各９個のレーザダイオード１２を備えながら、ビームＢａ～Ｂｉが入射される光ファイバ２０のコア径を直径１０５μｍ程度の小径とすることができる。

さらに、図１に示すレーザダイオード装置１００は、各サブマウント１１上にシングルエミッタダイオードが配置されたＣＯＳを備える構成であるので、半導体レーザアレイを備える構成よりも放熱性に優れる。

本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。１またはそれ以上の実施形態においては、第１及び第３のサブグループは５個のレーザダイオード１２、第２及び第４のサブグループは４個のレーザダイオード１２を備えるが、個数は限定されない。Ｍ、Ｎを２以上の整数として、第１及び第３のサブグループはＭ個のレーザダイオード１２、第２及び第４のサブグループはＮ個のレーザダイオード１２を備えればよい。ＭとＮは同じ数であってもよいし、異なる数であってもよい。また、偏光ビームスプリッタ８はキューブ型でなくてもよく、プレート型でもよい。

レーザダイオード装置１００は、少なくとも次の構成を備えればよい。

第１のサブグループに属するＭ個のレーザダイオード１２は、互いの相対的な位置関係として、集束レンズ１０までの距離が長いほど低い位置、距離が短いほど高い位置に配置されている。第１のコリメートレンズ（速軸コリメートレンズ２Ｌａ～２Ｌｅ及び遅軸コリメートレンズ３Ｌａ～３Ｌｅ）は、Ｍ個のレーザダイオード１２より射出された各レーザビームをコリメート光に変換する。

第１のサブグループに属するＭ個の第１のミラー（４Ｌａ～４Ｌｅ）は、コリメート光に変換された各レーザビームを、集束レンズ１０までの距離が最も長いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームから距離が最も短いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に上側に重なるように反射させる。第２のミラー（５Ｌ）は、Ｍ個の第１のミラーで反射した各レーザビームを反射させる。同じ光路とは平面上で同じ光路であるということである。

第２のサブグループに属するＮ個のレーザダイオード１２は、互いの相対的な位置関係として、集束レンズ１０までの距離が長いほど高い位置、距離が短いほど低い位置に配置されている。第２のコリメートレンズ（速軸コリメートレンズ２Ｌｆ～２Ｌｉ及び遅軸コリメートレンズ３Ｌｆ～３Ｌｉ）は、Ｎ個のレーザダイオード１２より射出された各レーザビームをコリメート光に変換する。

第２のサブグループに属するＮ個の第３のミラー（４Ｌｆ～４Ｌｉ）は、コリメート光に変換された各レーザビームを、集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームから距離が最も短いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に下側に重なるように反射させる。第４のミラー（６Ｌ）は、第２のミラーによって反射された第１のサブグループに属する各レーザビームを上側に、Ｎ個の第３のミラーによって反射された第２のサブグループに属する各レーザビームを下側に配置させて、第１の合成レーザビームを生成する。

集束レンズ１０は、第１の合成レーザビームを集束させて、光ファイバ２０のコア２０ｃに入射させる。

レーザダイオード装置１００は、さらに次の構成を備えることが好ましい。

第３のサブグループに属するＭ個のレーザダイオード１２は、互いの相対的な位置関係として、集束レンズ１０までの距離が長いほど低い位置、距離が短いほど高い位置に配置されている。第３のコリメートレンズ（速軸コリメートレンズ２Ｒａ～２Ｒｅ及び遅軸コリメートレンズ３Ｒａ～３Ｒｅ）は、Ｍ個のレーザダイオード１２より射出された各レーザビームをコリメート光に変換する。

第３のサブグループに属するＭ個の第５のミラー（４Ｒａ～４Ｒｅ）は、コリメート光に変換された各レーザビームを、集束レンズ１０までの距離が最も長いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームから距離が最も短いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に上側に重なるように反射させる。第６のミラー（５Ｒ）は、Ｍ個の第５のミラーで反射した各レーザビームを反射させる。

第４のサブグループに属するＮ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、集束レンズ１０までの距離が長いほど高い位置、距離が短いほど低い位置に配置されている。第４のコリメートレンズ（速軸コリメートレンズ２Ｒｆ～２Ｒｉ及び遅軸コリメートレンズ３Ｒｆ～３Ｒｉ）は、Ｎ個のレーザダイオード１２より射出された各レーザビームをコリメート光に変換する。

第４のサブグループに属するＮ個の第７のミラー（４Ｒｆ～４Ｒｉ）は、コリメート光に変換された各レーザビームを、集束レンズ１０までの距離が最も長いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームから距離が最も短いレーザダイオード１２より射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に下側に重なるように反射させる。第８のミラー（６Ｒ）は、第６のミラーによって反射された第３のサブグループに属する各レーザビームを上側に、Ｎ個の第７のミラーによって反射された第４のサブグループに属する各レーザビームを下側に配置させて、第２の合成レーザビームを生成する。

レーザダイオード装置１００は、第１の合成レーザビームに含まれるＰ偏光を集束レンズ１０に供給する偏光ビームスプリッタ８をさらに備えることが好ましい。偏光ビームスプリッタ８は、１／２波長板７によって変換された第２の合成レーザビームのＳ偏光を集束レンズ１０に供給することが好ましい。この場合、集束レンズ１０は、第１の合成レーザビームのＰ偏光を集束させ、第２の合成レーザビームのＳ偏光を集束させて、光ファイバ２０のコア２０ｃに入射させる。

偏光ビームスプリッタ８を備えるレーザダイオード装置１００によれば、Ｐ偏光よりなる第１のグループの第１の合成レーザビームと、Ｓ偏光よりなる第２のグループ第２の合成レーザビームとを合成した第３の合成レーザビームを生成することができる。

本願の開示は、２０１９年４月４日に出願された特願２０１９－０７１７０４号に記載の主題と関連しており、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (5)

1. Ｍを２以上の整数とし、第１のサブグループに属し、それぞれ発散光のレーザビームを射出する、一列に配列されたＭ個のレーザダイオードと、
   前記第１のサブグループに属し、前記Ｍ個のレーザダイオードより射出された各レーザビームをコリメート光に変換する第１のコリメートレンズと、
   前記第１のサブグループに属し、コリメート光の各レーザビームを反射させるＭ個の第１のミラーと、
   前記Ｍ個の第１のミラーで反射した各レーザビームを反射させる第２のミラーと、
   Ｎを２以上の整数とし、第２のサブグループに属し、それぞれ発散光のレーザビームを射出する、一列に配列されたＮ個のレーザダイオードと、
   前記第２のサブグループに属し、前記Ｎ個のレーザダイオードより射出された各レーザビームをコリメート光に変換する第２のコリメートレンズと、
   前記第２のサブグループに属し、コリメート光の各レーザビームを反射させるＮ個の第３のミラーと、
   前記Ｎ個の第３のミラーで反射した各レーザビームを前記第２のミラーで反射した各レーザビームと平行になるように反射させる第４のミラーと、
   を備え、
   前記第２のミラーで反射した各レーザビームを前記第４のミラーの上方を通過させて、前記第２のミラーで反射した各レーザビームを上方に位置させ、前記第４のミラーで反射した各レーザビームを下方に位置させることにより、前記第１のサブグループと前記第２のサブグループとを含む第１のグループに属する第１の合成レーザビームを生成し、
   前記第１の合成レーザビームを集束させて、光ファイバのコアに入射させる集束レンズと、
   前記第１のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオード、前記第１のコリメートレンズ、前記Ｍ個の第１のミラー、前記第２のミラー、前記第２のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオード、前記第２のコリメートレンズ、前記Ｎ個の第３のミラー、前記第４のミラー、及び前記集束レンズを装着する収納部と、
   をさらに備え、
   前記収納部の底面における前記第１のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードを配置している部分が、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードを配置する部分から前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードを配置する部分まで階段状に順に高くなっていることにより、前記第１のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、前記集束レンズまでの距離が長いほど低い位置、距離が短いほど高い位置に配置されており、
   前記底面と、前記Ｍ個の第１のミラーのうちの前記集束レンズまでの距離が最も長い第１のミラーを除く少なくとも（Ｍ－１）個の第１のミラーの下端面との間には、空間が形成されており、
   前記Ｍ個の第１のミラーは、前記第１のコリメートレンズによってコリメート光に変換された各レーザビームを、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードより射出されたレーザビームから前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードより射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に上側に重なるように反射させ、
   前記底面における前記第２のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードを配置している部分が、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードを配置する部分から前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードを配置する部分まで階段状に順に低くなっていることにより、前記第２のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、前記集束レンズまでの距離が長いほど高い位置、距離が短いほど低い位置に配置されており、
   前記Ｎ個の第３のミラーは、前記第２のコリメートレンズによってコリメート光に変換された各レーザビームを、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードより射出されたレーザビームから前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードより射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に下側に重なるように反射させる
   レーザダイオード装置。
2. 前記第１のサブグループに属するＭ個のレーザダイオードはシングルエミッタダイオードであり、Ｍ個のサブマウント上にシングルエミッタダイオードが配置された、Ｍ個のチップオンサブマウントと、
   前記第２のサブグループに属するＮ個のレーザダイオードはシングルエミッタダイオードであり、Ｎ個のサブマウント上にシングルエミッタダイオードが配置された、Ｎ個のチップオンサブマウントと、
   をさらに備える請求項１に記載のレーザダイオード装置。
3. 前記第１の合成レーザビームに含まれるＰ偏光とＳ偏光とのうちの前記Ｐ偏光を前記集束レンズに供給する偏光ビームスプリッタをさらに備え、
   前記集束レンズは、前記第１の合成レーザビームの前記Ｐ偏光を集束させて、光ファイバのコアに入射させる
   請求項１または２に記載のレーザダイオード装置。
4. Ｍを２以上の整数とし、第３のサブグループに属し、それぞれ発散光のレーザビームを射出する、一列に配列されたＭ個のレーザダイオードと、
   前記第３のサブグループに属し、前記第３のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードより射出された各レーザビームをコリメート光に変換する第３のコリメートレンズと、
   前記第３のサブグループに属し、コリメート光の各レーザビームを反射させるＭ個の第５のミラーと、
   前記Ｍ個の第５のミラーで反射した各レーザビームを反射させる第６のミラーと、
   Ｎを２以上の整数とし、第４のサブグループに属し、それぞれ発散光のレーザビームを射出する、一列に配列されたＮ個のレーザダイオードと、
   前記第４のサブグループに属し、前記第４のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードより射出された各レーザビームをコリメート光に変換する第４のコリメートレンズと、
   前記第４のサブグループに属し、コリメート光の各レーザビームを反射させるＮ個の第７のミラーと、
   前記Ｎ個の第７のミラーで反射した各レーザビームを前記第６のミラーで反射した各レーザビームと平行になるように反射させる第８のミラーと、
   を備え、
   前記第６のミラーで反射した各レーザビームを前記第８のミラーの上方を通過させて、前記第６のミラーで反射した各レーザビームを上方に位置させ、前記第８のミラーで反射した各レーザビームを下方に位置させることにより、前記第３のサブグループと前記第４のサブグループとを含む第２のグループに属する第２の合成レーザビームを生成し、
   前記第２の合成レーザビームに含まれる前記Ｐ偏光を前記Ｓ偏光に変換する１／２波長板と、
   をさらに備え、
   前記収納部は、前記第３のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオード、前記第３のコリメートレンズ、前記Ｍ個の第５のミラー、前記第６のミラー、前記第４のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオード、前記第４のコリメートレンズ、前記Ｎ個の第７のミラー、前記第８のミラー、及び前記１／２波長板を装着し、
   前記底面における前記第３のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードを配置している部分が、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードを配置する部分から前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードを配置する部分まで階段状に順に高くなっていることにより、前記第３のサブグループに属する前記Ｍ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、前記集束レンズまでの距離が長いほど低い位置、距離が短いほど高い位置に配置されており、
   前記底面と、前記Ｍ個の第５のミラーのうちの前記集束レンズまでの距離が最も長い第５のミラーを除く少なくとも（Ｍ－１）個の第５のミラーの下端面との間には、空間が形成されており、
   前記Ｍ個の第５のミラーは、前記第３のコリメートレンズによってコリメート光に変換された各レーザビームを、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードより射出されたレーザビームから前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードより射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に上側に重なるように反射させ、
   前記底面における前記第４のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードを配置している部分が、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードを配置する部分から前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードを配置する部分まで階段状に順に低くなっていることにより、前記第４のサブグループに属する前記Ｎ個のレーザダイオードは、互いの相対的な位置関係として、前記集束レンズまでの距離が長いほど高い位置、距離が短いほど低い位置に配置されており、
   前記第４のサブグループに属する前記Ｎ個の第７のミラーは、前記第４のコリメートレンズによってコリメート光に変換された各レーザビームを、前記集束レンズまでの距離が最も長いレーザダイオードより射出されたレーザビームから前記集束レンズまでの距離が最も短いレーザダイオードより射出されたレーザビームまで同じ光路上で順に下側に重なるように反射させ、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記１／２波長板によって変換された前記第２の合成レーザビームの前記Ｓ偏光を前記集束レンズに供給し、
   前記集束レンズは、前記第１の合成レーザビームの前記Ｐ偏光と前記第２の合成レーザビームの前記Ｓ偏光とを集束させて、光ファイバのコアに入射させる
   請求項３に記載のレーザダイオード装置。
5. 前記第３のサブグループに属するＭ個のレーザダイオードはシングルエミッタダイオードであり、Ｍ個のサブマウント上にシングルエミッタダイオードが配置された、Ｍ個のチップオンサブマウントと、
   前記第４のサブグループに属するＮ個のレーザダイオードはシングルエミッタダイオードであり、Ｎ個のサブマウント上にシングルエミッタダイオードが配置された、Ｎ個のチップオンサブマウントと、
   をさらに備える請求項４に記載のレーザダイオード装置。

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