JPH10335755A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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の提供が望まれ
ている。 【解決手段】 半導体レーザアレー２で放射した光を光
学系結合器１１で集光して光ファイバアレー４に導き、
光ファイバアレー４から出射する半導体レーザ装置１０
である。光学系結合器１１は、半導体レーザアレー２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１２と、水平成分をコリメートする水平成分
コリメート部１３とを有し、これにより半導体レーザア
レー２から放射した光の垂直成分と水平成分とを共に集
光して光ファイバアレー４に導くものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】本発明の半導体レーザ装
置では、半導体レーザアレーで放射された光を集光して
光ファイバアレーに導く光学系結合器を、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ことを前記課題
の解決手段とした。

【０００８】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。

【０００９】

【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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】このようにして蒸着を行って横パターン２
１…、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。

【００１５】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Ｎ
Ａ（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。

【００１６】このようにして垂直成分コリメート部１
２、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。

【００１７】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タ部３
２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タ
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。

【００１８】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３
２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。

【００１９】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４
１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。

【００２０】そして、固定材４２、４２のＶ溝４６、４
６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４
６、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。

【００２１】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。

【００２２】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５
３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。

【００２３】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。

【００２４】

【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、１
０，３０…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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザアレーで放射した光を光学
   系結合器で集光して光ファイバアレーに導き、該光ファ
   イバアレーから出射する半導体レーザ装置において、 前記光学系結合器は、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
   を有し、これにより半導体レーザアレーから放射した光
   の垂直成分と水平成分とを共に集光して光ファイバアレ
   ーに導くものであることを特徴とする半導体レーザ装
   置。