JPH11337866A - 半導体レーザ用光学系および半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザからのレーザ光を効率的に集光
して後段の光学素子との結合効率を向上できる半導体レ
ーザ用光学系および半導体レーザモジュールを提供す
る。 【解決手段】 半導体レーザモジュールは、活性層１１
に関して垂直方向の広がり角θｖおよび平行方向の広が
り角θｐを持つレーザ光を発生する半導体レーザ１０
と、半導体レーザ１０からのレーザ光を集光するための
光学系２０と、光学系２０で集光されたレーザ光を導入
するための光ファイバ３０などを備え、光学系２０は広
がり角θｖのみを調節するためのレンズ２１と、広がり
角θｖおよび広がり角θｐの両方を調節するためのレン
ズ２２などで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザから
のレーザ光を集光するための半導体レーザ用光学系、お
よび該光学系を半導体レーザと光ファイバとともに一体
的に組み込んだ半導体レーザモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信分野の進展に伴って、通信
用の半導体レーザ（ＬＤ）モジュールやＥＤＦＡ（Ｅｒ
ドープファイバアンプ）励起用のＬＤモジュールとして
高出力・高輝度のものが要求されている。従来のＬＤモ
ジュールではシングルモードＬＤが使用されていたが、
ＬＤ出力不足による性能限界が見えつつある。そこで、
マルチモードで高出力のＬＤを使用したＬＤモジュール
が開発されつつあり、ダブルクラッド光ファイバを使用
したＥＤＦＡ等で一部実用化されている。

【０００３】従来のシングルモードＬＤモジュールで
は、ＬＤと光ファイバとを結合するための光学系とし
て、ボールレンズ単体やボールレンズとＧＲＩＮレンズ
との組合せが使用されることが多く、こうした回転対称
光学系では活性層に平行方向の倍率と垂直方向の倍率と
が一致する。こうした光学系を用いる理由として、シン
グルモードＬＤにおいて発光領域の活性層に平行な方向
の大きさωｐｉ（ストライプ幅に光浸み出し分を追加し
た大きさに相当）と発光領域の活性層に垂直な方向の大
きさωｖｉ（活性層の厚さに光浸み出し分を追加した大
きさに相当）との比率が１０：１程度であり、しかも垂
直方向の広がり角θｖと平行方向の広がり角θｐとの差
が少なく、レーザ光の平行方向と垂直方向の対称性が良
いためである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高出力のマルチモード
ＬＤでは、平行方向の発光領域と垂直方向の発光領域と
の比率が数十：１から数百：１にも達し、またレーザ光
の垂直広がり角θｖと平行広がり角θｐとが極端に異な
る（θｖ＞＞θｐ）。そのため、上述のような回転対称
光学系では、対称性の良い光入射開口を（たとえば円
形）有する光ファイバにＬＤレーザ光を効率良く導入さ
せることは困難である。

【０００５】その対策として、結合光学系としてボール
レンズの代わりに単体のシリンドリカルレンズを使用し
て垂直広がり角θｖのみを調整する手法や、光ファイバ
の先端をシリンドリカル状に加工した先球ファイバを用
いる手法等が考えられている。

【０００６】しかしながら、単体のシリンドリカルレン
ズを使用した光学系では、活性層に垂直方向の調整は可
能になるが、活性層に平行方向の調整は不可能であり、
ＬＤレーザ光がシリンドリカルレンズを通過した時点で
平行ビーム径が、発光領域の活性層に平行な方向の大き
さωｐｉより大きく広がってしまう。そのため、発光領
域の活性層に平行な方向の大きさωｐｉと同等なコア直
径を有する光ファイバとのカップリング効率は大きく低
下する。また、高出力ＬＤ特有の横モード不安定性によ
り、活性層に平行方向の発光状態が変化するため、カッ
プリング状態が変化することによって、Ｉ−Ｌ（電流−
光出力）特性に大きなキンクが生じてしまう。

【０００７】一方、先球ファイバを用いた光学系では、
光ファイバの先端をＬＤ端面に数μｍまで接近させるこ
とが可能になるため、Ｉ−Ｌ特性でのキンク発生を防止
でき、活性層に平行方向のビーム広がりもあまり問題と
ならない。しかし、ＬＤと光ファイバ先端との位置調整
が困難で、特に活性層に平行方向の位置ずれ許容度が極
端に小さくなる。

【０００８】このように上述したいずれの手法によって
も、ＬＤの発光領域の活性層に平行な方向の大きさωｐ
ｉと同等またはそれ以下のコア直径を有する光ファイバ
では、高性能のＬＤモジュールを量産性よく製造するこ
とが難しい。また、高出力化に伴ってＬＤのストライプ
幅も広がる傾向があり、これに追随して光ファイバのコ
ア径も大きく形成すると輝度（光エネルギー密度）が低
下してしまい、ＬＤモジュールの高輝度化という本来の
目的が損なわれる。

【０００９】本発明の目的は、半導体レーザからのレー
ザ光を効率的に集光して後段の光学素子との結合効率を
向上できる半導体レーザ用光学系を提供することであ
る。

【００１０】また本発明の目的は、高い結合効率を持つ
半導体レーザ用光学系を半導体レーザと光ファイバとと
もに一体的に組み込んだ半導体レーザモジュールを提供
することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体レーザ
の活性層に関して垂直方向の広がり角θｖおよび平行方
向の広がり角θｐを持つレーザ光を集光する半導体レー
ザ用光学系であって、広がり角θｖのみを調節するため
の第１レンズと、広がり角θｖおよび広がり角θｐの両
方を調節するための第２レンズとを備えることを特徴と
する半導体レーザ用光学系である。

【００１２】本発明に従えば、半導体レーザの活性層か
ら出射されるレーザ光は、活性層に平行方向の広がり角
θｐと比べて垂直方向の広がり角θｖが大きく、特に高
出力の半導体レーザほどストライプ幅も広がるため、両
者の差が大きくなる。そこで、半導体レーザの直後に広
がり角θｖのみを調節可能な第１レンズを配置すること
によって、垂直広がり角θｖの増加を直ちに抑制できる
ため、平行広がり角θｐとのアンバランスを効果的に解
消できる。さらに、第１レンズ後に、広がり角θｖ、θ
ｐの両方を調節可能な第２レンズを配置することによっ
て、後段の光学素子の光入射開口に応じたビーム径全体
の調整が可能になるため、損失の少ない結合光学系を実
現できる。

【００１３】特に、第１レンズ通過後の垂直ビーム径と
平行ビーム径とがほぼ一致するように、第１レンズの光
軸上位置や焦点距離を調節することによって、略円形の
ビーム断面を持つレーザ光が得られ、さらに第２レンズ
で集光することによって対称性が良く小さな光スポット
を実現でき、後段の光学素子との結合効率を格段に向上
できる。

【００１４】また、第２レンズでは平行広がり角θｐに
ついても集光しているため、活性層と平行方向に沿った
光軸位置ずれの許容度が大きくなり、半導体レーザと光
学系との組立て精度が緩和され、量産性に優れた構造に
なる。

【００１５】また、横モード不安定性による活性層に平
行方向の発光状態の変化に対する集光状態の変化も吸収
できるため、Ｉ−Ｌ特性でのキンク発生を防止できる。

【００１６】第１レンズとして、たとえば活性層と平行
な母線を有するシリンドリカルレンズや円柱レンズを使
用できる。第２レンズとして、たとえば球面レンズや非
球面レンズ等の回転対称レンズを使用できる。また、後
段の光学素子として、光ファイバ、光カプラ、光分岐
器、非線形光学素子など種々の素子が使用できる。

【００１７】また本発明は、前記半導体レーザの発光領
域の活性層に平行方向の大きさをωｐｉ、垂直方向の大
きさをωｖｉ、前記第２レンズ出射後の像の活性層に平
行方向の大きさをωｐｏ、垂直方向の大きさをωｖｏ、
Ｚｐ＝ωｐｏ／ωｐｉ、Ｚｖ＝ωｖｏ／ωｖｉとしたと
き、０．２≦Ｚｐ≦２であり、かつ（０．２×ωｐｉ／
ωｖｉ）≦Ｚｖ≦（２×ωｐｉ／ωｖｉ）の関係を満た
すことを特徴とする。

【００１８】本発明に従えば、レーザ光の広がり角は発
光領域の大きさにほぼ反比例するため、発光領域の活性
層に平行方向の大きさωｐｉが大きくなるほど、あるい
は発光領域の活性層に垂直方向の大きさωｖｉが小さく
なるほど、平行広がり角θｐと垂直広がり角θｖのアン
バランスが大きくなり、ωｐｉとωｖｉとの比率も大き
くなる。したがって、大きさωｖｉに応じて、垂直比Ｚ
ｖを変化させることによって、両者のアンバランスを効
果的に抑制できる。平行比Ｚｐが０．２≦Ｚｐ≦２の関
係にある場合、垂直比Ｚｖは、下限値０．２にωｐｉ／
ωｖｉを乗算した値から上限値２にωｐｉ／ωｖｉを乗
算した値までの範囲に設定することによって、活性層の
大きさがいろいろ変化した場合でも広がり角θｐ、θｖ
および大きさωｐｉ、ωｖｉのアンバランスの少ないレ
ーザ光を得ることができる。

【００１９】なお、平行比Ｚｐが小さくなると、光学系
の調整マージンが小さくなり、平行比Ｚｐが大きくなる
と、輝度が下がる。この点で平行比Ｚｐは０．２≦Ｚｐ
≦２が好ましく、０．２≦Ｚｐ≦１がより好ましい。

【００２０】ここで、発光領域のそれぞれの方向（活性
層に平行方向および垂直方向）での大きさωｐｉ、ωｖ
ｉとは、半導体レーザのそれぞれの方向でニアフィール
ドパターンのピーク値の１／ｅ²の全幅をいう。

【００２１】また本発明は、第１レンズが直径２０μｍ
〜４００μｍの円柱レンズで構成されることを特徴とす
る。

【００２２】本発明に従えば、第１レンズとして発光領
域の活性層に平行な方向の大きさωｐｉと同程度の直径
を有する円柱レンズを使用することによって、垂直方向
のビーム径があまり大きくならないうちに垂直方向の集
光が可能になり、さらに第２レンズが垂直方向および平
行方向を集光する。そのため、ωｐｉ以下の光スポット
に集光する場合、ＮＡ（開口数）が小さい光学系でも充
分小さな光スポットを得ることができ、光学系の小型化
が図られる。半導体レーザのωｐｉは、一般に２０μｍ
〜４００μｍの範囲にあるため、円柱レンズの直径も２
０μｍ〜４００μｍの範囲が好ましい。

【００２３】特に、印刷、医療、加工の各分野において
は、光ファイバからの出射光を焦点深度を長く維持した
状態で小さな光スポットに集光する必要がある。そのた
め、後段の光学素子としてＮＡの小さい光ファイバ（た
とえばＮＡ＝０．１２）を使用する場合、ＮＡの小さい
結合光学系を使用することによって、高い結合効率を実
現できる。

【００２４】また、後段の光学素子としてＮＡが比較的
大きい光ファイバ（たとえばＮＡ＝０．２６）を使用す
る場合、ωｐｉの半分以下のコア径を持つ光ファイバに
効率良く結合させることも可能となる。これは、ＥＤＦ
Ａ（Ｅｒドープファイバアンプ）励起において、ＮＡが
大きいダブルクラッドファイバを使用した高出力増幅の
場合に好適となる。

【００２５】また、複数の活性層が所定ピッチで配置さ
れた半導体レーザアレイの場合は、全体の発光領域が広
く分布するため、垂直広がり角θｖのみを調節する円柱
レンズを第１レンズとして配置することが好ましい。

【００２６】また本発明は、第１レンズおよび第２レン
ズの少なくとも一方の光軸上位置または焦点距離が可変
であることによって、出射レーザ光のビーム径の縦横比
が可変であることを特徴とする。

【００２７】本発明に従えば、第１レンズまたは第２レ
ンズの光軸上位置や焦点距離を調節することによって、
光学系から出射するレーザ光のビーム径の縦横比は任意
に調整できる。そのため、後段の光学素子の光入射開口
が変化した場合でも、最適なビーム径調整が可能になる
ため、損失の少ない結合光学系を実現できる。

【００２８】また本発明は、活性層に関して垂直方向の
広がり角θｖおよび平行方向の広がり角θｐを持つレー
ザ光を発生する半導体レーザと、半導体レーザからのレ
ーザ光を集光するための光学系と、光学系で集光された
レーザ光を導入するための光ファイバとを備え、前記光
学系は、広がり角θｖのみを調節するための第１レンズ
と、広がり角θｖおよび広がり角θｐの両方を調節する
ための第２レンズとを含むことを特徴とする半導体レー
ザモジュールである。

【００２９】本発明に従えば、半導体レーザの活性層か
ら出射されるレーザ光は、活性層に平行方向の広がり角
θｐと比べて垂直方向の広がり角θｖが大きく、特に高
出力の半導体レーザほどストライプ幅も広がるため、両
者の差が大きくなる。そこで、半導体レーザの直後に広
がり角θｖのみを調節可能な第１レンズを配置すること
によって、垂直広がり角θｖの増加を直ちに抑制できる
ため、平行広がり角θｐとのアンバランスを効果的に解
消できる。さらに、第１レンズ後に、広がり角θｖ、θ
ｐの両方を調節可能な第２レンズを配置することによっ
て、後段の光学素子の光入射開口に応じたビーム径全体
の調整が可能になるため、損失の少ない結合光学系を実
現できる。

【００３０】特に、第１レンズ通過後の垂直ビーム径と
平行ビーム径とがほぼ一致するように、第１レンズの光
軸上位置や焦点距離を調節することによって、略円形の
ビーム断面を持つレーザ光が得られ、さらに第２レンズ
で集光することによって対称性が良く小さな光スポット
を実現でき、後段の光学素子との結合効率を格段に向上
できる。

【００３１】また、第２レンズでは平行広がり角θｐに
ついても集光しているため、活性層と平行方向に沿った
光軸位置ずれの許容度が大きくなり、半導体レーザと光
学系との組立て精度が緩和され、量産性に優れた構造に
なる。

【００３２】また、横モード不安定性による活性層に平
行方向の発光状態の変化に対する集光状態の変化も吸収
できるため、Ｉ−Ｌ特性でのキンク発生を防止できる。

【００３３】第１レンズとして、たとえば活性層と平行
な母線を有するシリンドリカルレンズや円柱レンズを使
用できる。第２レンズとして、たとえば球面レンズや非
球面レンズ等の回転対称レンズを使用できる。

【００３４】また本発明は、前記半導体レーザの発光領
域の活性層に平行方向の大きさをωｐｉ、垂直方向の大
きさをωｖｉ、前記第２レンズ出射後の像の活性層に平
行方向の大きさをωｐｏ、垂直方向の大きさをωｖｏ、
Ｚｐ＝ωｐｏ／ωｐｉ、Ｚｖ＝ωｖｏ／ωｖｉとしたと
き、０．２≦Ｚｐ≦２であり、かつ（０．２×ωｐｉ／
ωｖｉ）≦Ｚｖ≦（２×ωｐｉ／ωｖｉ）の関係を満た
し、前記光ファイバがωｐｉ以下のコア径を有すること
を特徴とする。

【００３５】本発明に従えば、レーザ光の広がり角は発
光領域の大きさにほぼ反比例するため、発光領域の活性
層に平行方向の大きさωｐｉが大きくなるほど、あるい
は発光領域の活性層に垂直方向の大きさωｖｉが小さく
なるほど、平行広がり角θｐと垂直広がり角θｖのアン
バランスが大きくなり、ωｐｉとωｖｉとの比率も大き
くなる。したがって、大きさωｖｉに応じて、垂直比Ｚ
ｖを変化させることによって、両者のアンバランスを効
果的に抑制できる。平行比Ｚｐが０．２≦Ｚｐ≦２の関
係にある場合、垂直比Ｚｖは、下限値０．２にωｐｉ／
ωｖｉを乗算した値から上限値２にωｐｉ／ωｖｉを乗
算した値までの範囲に設定することによって、活性層の
大きさがいろいろ変化した場合でも広がり角θｐ、θｖ
および大きさωｐｉ、ωｖｉのアンバランスの少ないレ
ーザ光を得ることができる。

【００３６】なお、平行比Ｚｐが小さくなると、光学系
の調整マージンが小さくなり、平行比Ｚｐが大きくなる
と、輝度が下がる。この点で平行比Ｚｐは０．２≦Ｚｐ
≦２が好ましく、０．２≦Ｚｐ≦１がより好ましい。

【００３７】また、光ファイバはωｐｉ以下のコア直径
を有することによって、平行比Ｚｐがほぼ１以下で足り
るため、結合光学系の小型化が可能になり、全体として
小型の半導体レーザモジュールを実現できる。

【００３８】また本発明は、第１レンズおよび第２レン
ズの少なくとも一方の光軸上位置または焦点距離が可変
であることによって、光ファイバに入射するレーザ光の
ビーム径の縦横比が可変であることを特徴とする。

【００３９】本発明に従えば、第１レンズまたは第２レ
ンズの光軸上位置や焦点距離を調節することによって、
光学系から出射するレーザ光のビーム径の縦横比は任意
に調整できる。そのため、後段の光学素子の光入射開口
が変化した場合でも、最適なビーム径調整が可能になる
ため、損失の少ない結合光学系を実現できる。

【００４０】ここで用いられる半導体レーザは、用途に
よりその構造や種類は適宜選択できるが、たとえば国際
公開ＷＯ０９３／１６５１３に記載されたキャリアブロ
ック層を備えたＤＣＨ(Decoupled Confinement Heteros
tructure) 構造を有する半導体レーザを用いた場合、そ
の半導体レーザは高出力が得られることと、その出射光
はガウス型に近くなることから、本願発明の半導体レー
ザとして用いることにより、より高輝度の集光が達せら
れる。

【００４１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施形態を示
す構成図であり、図１（ａ）は側面図で、図１（ｂ）は
平面図である。半導体レーザ（ＬＤ）モジュールは、活
性層１１を有する半導体レーザ１０と、レンズ２１、２
２を含む光学系２０と、コア３１を有する光ファイバ３
０などで構成される。

【００４２】半導体レーザ１０は、活性層１１に関して
垂直方向の広がり角θｖおよび平行方向の広がり角θｐ
を持つレーザ光を発生する。レンズ２１は、シリンドリ
カルレンズや円柱レンズなどで構成され、半導体レーザ
１０からのレーザ光の広がり角θｖのみを制御する。レ
ンズ２２は、球面レンズや非球面レンズ等の回転対称レ
ンズなどで構成され、広がり角θｖ、θｐの両方を制御
する。光ファイバ３０は、コア３１および周囲のクラッ
ドの屈折率によって定まる所定のＮＡ（開口数）を有
し、コア３１に入射した光を別の端面まで伝達する。

【００４３】具体的な構成は、半導体レーザ１０に関し
て、発振波長λ＝８３０ｎｍ、発光領域の活性層に垂直
方向の大きさωｖｉ＝１μｍ、発光領域の活性層に平行
方向の大きさωｐｉ＝５０μｍ、活性層１１直後のレー
ザ光の垂直広がり角θｖ＝３５°（ＦＷＨＭ半値全
幅）、平行広がり角θｐ＝９°（ピーク強度を１として
ｅ^-2に低下した位置の全幅）である。

【００４４】レンズ２１に関して、直径６０μｍの屈折
率分布型円柱レンズ（たとえばＤｏｒｉｃ社製のドリッ
クレンズ）、焦点距離Ｆ１＝４１μｍ、波長８３０ｎｍ
のＡＲコート付である。レンズ２２に関して、直径２．
５ｍｍのコリメートレンズ、焦点距離Ｆ２＝０．７ｍ
ｍ、波長８３０ｎｍのＡＲコート付である。

【００４５】光ファイバ３０に関して、コア３１の直径
Ｄａ＝５０μｍ、ＮＡ＝０．１２、ＳＩ（ステップイン
デックス）型であり、コア３１の直径Ｄａと半導体レー
ザ１０のωｐｉとが同等である。

【００４６】配置に関して、半導体レーザ１０の出射端
面からレンズ２１の主平面までの距離Ｌ１＝４３μｍ、
レンズ２１、２２の主平面間の距離Ｌ２＝１．５ｍｍ、
レンズ２２の主平面から光ファイバ３０の入射端面まで
の距離Ｌ３＝１ｍｍであり、半導体レーザ１０、レンズ
２１、２２、光ファイバ３０は同一光軸上に配置され
る。

【００４７】図２は本発明の第２実施形態を示す構成図
であり、図２（ａ）は側面図で、図２（ｂ）は平面図で
ある。半導体レーザ（ＬＤ）モジュールは、図１と同様
に、活性層１１を有する半導体レーザ１０と、レンズ２
１、２２を含む光学系２０と、コア３１を有する光ファ
イバ３０などで構成され、コア３１の直径Ｄａが半導体
レーザ１０のωｐｉより小さい場合を示す。

【００４８】具体的な構成は、半導体レーザ１０に関し
て、発振波長λ＝９８０ｎｍ、発光領域の活性層に垂直
方向の大きさωｖｉ＝１μｍ、発光領域の活性層に平行
方向の大きさωｐｉ＝１００μｍ、活性層１１直後のレ
ーザ光の垂直広がり角θｖ＝３５°（ＦＷＨＭ）、平行
広がり角θｐ＝９°（ｅ^-2位置の全幅）である。

【００４９】レンズ２１に関して、直径６０μｍの屈折
率分布型円柱レンズ（たとえばＤｏｒｉｃ社製のドリッ
クレンズ）、焦点距離Ｆ１＝４１μｍ、波長９８０ｎｍ
のＡＲコート付である。レンズ２２に関して、直径２．
５ｍｍのコリメートレンズ、焦点距離Ｆ２＝０．７ｍ
ｍ、波長９８０ｎｍのＡＲコート付である。

【００５０】光ファイバ３０に関して、コア３１の直径
Ｄａ＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２０、ＳＩ型である。

【００５１】配置に関して、半導体レーザ１０の出射端
面からレンズ２１の主平面までの距離Ｌ１＝４３μｍ、
レンズ２１、２２の主平面間の距離Ｌ２＝２．１ｍｍ、
レンズ２２の主平面から光ファイバ３０の入射端面まで
の距離Ｌ３＝０．７ｍｍであり、半導体レーザ１０、レ
ンズ２１、２２、光ファイバ３０は同一光軸上に配置さ
れる。

【００５２】図３は本発明の第１比較例を示す構成図で
あり、図３（ａ）は側面図で、図３（ｂ）は平面図であ
る。半導体レーザ（ＬＤ）モジュールは、活性層５１を
有する半導体レーザ５０と、レンズ６０と、コア７１を
有する光ファイバ７０などで構成される。

【００５３】半導体レーザ５０は、活性層５１に関して
垂直方向の広がり角θｖおよび平行方向の広がり角θｐ
を持つレーザ光を発生する。レンズ６０は、シリンドリ
カルレンズや円柱レンズなどで構成され、半導体レーザ
５０からのレーザ光の広がり角θｖのみを制御する。光
ファイバ７０は、コア７１および周囲のクラッドの屈折
率によって定まる所定のＮＡ（開口数）を有し、コア７
１に入射した光を別の端面まで伝達する。

【００５４】具体的な構成は、半導体レーザ５０に関し
て、発振波長λ＝８０９ｎｍ、発光領域の活性層に垂直
方向の大きさωｖｉ＝１μｍ、発光領域の活性層に平行
方向の大きさωｐｉ＝５０μｍ、活性層５１直後の垂直
広がり角θｖ＝３５°（ＦＷＨＭ）、平行広がり角θｐ
＝９°（ｅ^-2位置の全幅）である。

【００５５】レンズ６０に関して、直径６０μｍの屈折
率分布型円柱レンズ（たとえばＤｏｒｉｃ社製のドリッ
クレンズ）、焦点距離Ｆ１＝４１μｍ、波長８０９ｎｍ
のＡＲコート付である。

【００５６】光ファイバ７０に関して、コア７１の直径
Ｄａ＝５０μｍ、ＮＡ＝０．１２、ＳＩ型であり、コア
７１の直径Ｄａと半導体レーザ５０のストライプ幅Ｗｓ
とが同等である。

【００５７】配置に関して、半導体レーザ５０の出射端
面からレンズ６０の主平面までの距離Ｌ１＝４３μｍ、
レンズ６０の主平面から光ファイバ７０の入射端面まで
の距離Ｌ４＝４０μｍであり、半導体レーザ５０、レン
ズ６０、光ファイバ７０は同一光軸上に配置される。

【００５８】図４は本発明の第２比較例を示す構成図で
あり、図４（ａ）は側面図で、図４（ｂ）は平面図であ
る。半導体レーザ（ＬＤ）モジュールは、活性層５１を
有する半導体レーザ５０と、コア７１を有する光ファイ
バ７０などで構成される。光ファイバ７０の端面はくさ
び状にテーパー加工され、光入射端面は、活性層５１と
平行な母線を持ち、所定の曲率半径を有するシリンドリ
カル面に形成され、シリンドリカルと同様な集光機能が
付与されている。

【００５９】具体的な構成は、半導体レーザ５０に関し
て、発振波長λ＝９８０ｎｍ、発光領域の活性層に垂直
方向の大きさωｖｉ＝１μｍ、発光領域の活性層に平行
方向の大きさωｐｉ＝５０μｍ、活性層５１直後の垂直
広がり角θｖ＝３５°（ＦＷＨＭ）、平行広がり角θｐ
＝９°（ｅ^-2位置の全幅）である。

【００６０】光ファイバ７０に関して、コア７１の直径
Ｄａ＝５０μｍ、ＮＡ＝０．１２、ＳＩ型、端面のテー
パー角＝６０°、光入射端面の曲率半径Ｒａ＝１８μｍ
であり、コア７１の直径Ｄａと半導体レーザ５０のωｐ
ｉとが同等である。

【００６１】配置に関して、半導体レーザ５０の出射端
面から光ファイバ７０の入射端面までの距離Ｌ５＝１５
μｍである。

【００６２】次に、上記構成に関する光学特性の評価結
果を説明する。

【００６３】図５〜図８は、ＬＤモジュールのＩ−Ｌ特
性およびカップリング効率を示すグラフであり、図５は
図１に示す第１実施形態で、図６は図２に示す第２実施
形態で、図７は図３に示す第１比較例で、図８は図４に
示す第２比較例である。横軸は半導体レーザに流れる電
流（ｍＡ）、縦軸は出力パワー（ｍＷ）およびカップリ
ング効率（％）である。グラフの細線は半導体レーザの
出力パワーＰ１、太線は光ファイバ通過後の出力パワー
Ｐ２、破線は出力パワーＰ２を出力パワーＰ１で除算し
たカップリング効率ηである。

【００６４】まず図５を見ると、電流の増加とともに、
約２８０ｍＡの閾値電流からレーザ発振が開始し、ほぼ
リニアで出力が増加し、約１１５０ｍＡ辺りで約１００
０ｍＷのレーザ出力Ｐ１が得られている。このとき、光
ファイバ通過後の出力パワーＰ２は約８５０ｍＷであ
り、カップリング効率ηは約８３％に達しており、低損
失の結合光学系を実現していることが判る。

【００６５】次に図６を見ると、電流の増加とともに、
約４００ｍＡの閾値電流からレーザ発振が開始し、ほぼ
リニアで出力が増加し、約３２５０ｍＡ辺りで約２８５
０ｍＷのレーザ出力Ｐ１が得られている。このとき、光
ファイバ通過後の出力パワーＰ２は約２４００ｍＷであ
り、カップリング効率ηは約８５％に達しており、低損
失の結合光学系を実現していることが判る。

【００６６】次に図７を見ると、電流の増加とともに、
約３５０ｍＡの閾値電流からレーザ発振が開始し、最初
はほぼリニアで出力が増加するが、約９００ｍＡからキ
ンクが発生し、約１４００ｍＡ辺りで約１０００ｍＷの
レーザ出力Ｐ１が得られている。このとき、光ファイバ
通過後の出力パワーＰ２は約７５０ｍＷであり、カップ
リング効率ηは約７５％に留まっており、第１および第
２実施形態と比べると、結合光学系の損失がかなり大き
いことが判る。

【００６７】次に図８を見ると、電流の増加とともに、
約２００ｍＡの閾値電流からレーザ発振が開始し、ほぼ
リニアで出力が増加し、約１２５０ｍＡ辺りで約１００
０ｍＷのレーザ出力Ｐ１が得られている。このとき、光
ファイバ通過後の出力パワーＰ２は約７００ｍＷであ
り、カップリング効率ηは約７０％に留まっており、第
１および第２実施形態と比べると、結合光学系の損失が
大きいことが判る。

【００６８】図９〜図１１は、光ファイバのカップリン
グ許容度を示すグラフであり、図９は図１に示す第１実
施形態で、図１０は図２に示す第２実施形態で、図１１
は図４に示す第２比較例である。横軸は光ファイバの最
適位置からのずれ量であり、縦軸は光ファイバ通過後の
出力パワーＰ２の変動（％）を示す。グラフの実線は活
性層と平行方向の許容度を示し、破線は活性層と垂直方
向の許容度を示す。

【００６９】まず図９を見ると、光ファイバの最適位置
を基準として、平行方向に５μｍずれると出力パワーＰ
２は約９６％に低下し、垂直方向に５μｍずれると出力
パワーＰ２は約９８％に低下するだけである。最高値か
ら５％低下を許容範囲とすると、光ファイバのカップリ
ング許容度は平行方向で約±５μｍ、垂直方向で約±９
μｍとなる。

【００７０】次に図１０を見ると、平行方向に５μｍず
れると出力パワーＰ２は約９４〜９０％に低下し、垂直
方向に５μｍずれると出力パワーＰ２は約９８％に低下
するだけである。最高値から５％低下を許容範囲とする
と、光ファイバのカップリング許容度は平行方向で約±
３．５μｍ、垂直方向で約±８μｍとなる。

【００７１】次に図１１を見ると、平行方向に１μｍず
れると出力パワーＰ２は約９８％に低下し、垂直方向に
１μｍずれると出力パワーＰ２は約９４〜９０％に低下
し、特に垂直方向のカップリング許容度が極端に悪いこ
とが判る。最高値から５％低下を許容範囲とすると、光
ファイバのカップリング許容度は平行方向で約±３μ
ｍ、垂直方向で約±０．８μｍとなり、第１および第２
実施形態と比べると、垂直方向のカップリング許容度が
小さいことが判る。

【００７２】光ファイバのカップリング許容度が大きい
ほど、ＬＤモジュールの組立て精度を緩和できるため、
量産性に優れた構造になる。

【００７３】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、第
１レンズが半導体レーザの直後の垂直広がり角θｖの増
加を直ちに抑制し、第２レンズが広がり角θｖ、θｐの
両方を調節して、後段の光学素子の光入射開口に応じた
ビーム径全体の調整が可能になるため、損失の少ない結
合光学系を実現できる。

【００７４】また、第２レンズでは平行広がり角θｐに
ついても集光しているため、活性層と平行方向に沿った
光軸位置ずれの許容度が大きくなり、半導体レーザと光
学系との組立て精度が緩和され、量産性に優れた構造に
なる。

【００７５】また、横モード不安定性による活性層に平
行方向の発光状態の変化に対する集光状態の変化も吸収
できるため、Ｉ−Ｌ特性でのキンク発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図
１（ａ）は側面図で、図１（ｂ）は平面図である。

【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図であり、図
２（ａ）は側面図で、図２（ｂ）は平面図である。

【図３】本発明の第１比較例を示す構成図であり、図３
（ａ）は側面図で、図３（ｂ）は平面図である。

【図４】本発明の第２比較例を示す構成図であり、図４
（ａ）は側面図で、図４（ｂ）は平面図である。

【図５】第１実施形態におけるＬＤモジュールのＩ−Ｌ
特性およびカップリング効率を示すグラフである。

【図６】第２実施形態におけるＬＤモジュールのＩ−Ｌ
特性およびカップリング効率を示すグラフである。

【図７】第１比較例におけるＬＤモジュールのＩ−Ｌ特
性およびカップリング効率を示すグラフである。

【図８】第２比較例におけるＬＤモジュールのＩ−Ｌ特
性およびカップリング効率を示すグラフである。

【図９】第１実施形態における光ファイバのカップリン
グ許容度を示すグラフである。

【図１０】第２実施形態における光ファイバのカップリ
ング許容度を示すグラフである。

【図１１】第２比較例における光ファイバのカップリン
グ許容度を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 半導体レーザ ２０ 光学系 ２１、２２ レンズ ３０ 光ファイバ ３１ コア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋谷 博 千葉県袖ケ浦市長浦字拓二号580番32 三 井化学株式会社内 (72)発明者 室 清文 千葉県袖ケ浦市長浦字拓二号580番32 三 井化学株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザの活性層に関して垂直方向
   の広がり角θｖおよび平行方向の広がり角θｐを持つレ
   ーザ光を集光する半導体レーザ用光学系であって、 広がり角θｖのみを調節するための第１レンズと、 広がり角θｖおよび広がり角θｐの両方を調節するため
   の第２レンズとを備えることを特徴とする半導体レーザ
   用光学系。
2. 【請求項２】 前記半導体レーザの発光領域の活性層に
   平行方向の大きさをωｐｉ、垂直方向の大きさをωｖ
   ｉ、前記第２レンズ出射後の像の活性層に平行方向の大
   きさをωｐｏ、垂直方向の大きさをωｖｏ、Ｚｐ＝ωｐ
   ｏ／ωｐｉ、Ｚｖ＝ωｖｏ／ωｖｉとしたとき、０．２
   ≦Ｚｐ≦２であり、かつ（０．２×ωｐｉ／ωｖｉ）≦
   Ｚｖ≦（２×ωｐｉ／ωｖｉ）の関係を満たすことを特
   徴とする請求項１記載の半導体レーザ用光学系。
3. 【請求項３】 第１レンズが直径２０μｍ〜４００μｍ
   の円柱レンズで構成されることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の半導体レーザ用光学系。
4. 【請求項４】 第１レンズおよび第２レンズの少なくと
   も一方の光軸上位置または焦点距離が可変であることに
   よって、出射レーザ光のビーム径の縦横比が可変である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導
   体レーザ用光学系。
5. 【請求項５】 活性層に関して垂直方向の広がり角θｖ
   および平行方向の広がり角θｐを持つレーザ光を発生す
   る半導体レーザと、 半導体レーザからのレーザ光を集光するための光学系
   と、 光学系で集光されたレーザ光を導入するための光ファイ
   バとを備え、 前記光学系は、広がり角θｖのみを調節するための第１
   レンズと、広がり角θｖおよび広がり角θｐの両方を調
   節するための第２レンズとを含むことを特徴とする半導
   体レーザモジュール。
6. 【請求項６】 前記半導体レーザの発光領域の活性層に
   平行方向の大きさをωｐｉ、垂直方向の大きさをωｖ
   ｉ、前記第２レンズ出射後の像の活性層に平行方向の大
   きさをωｐｏ、垂直方向の大きさをωｖｏ、Ｚｐ＝ωｐ
   ｏ／ωｐｉ、Ｚｖ＝ωｖｏ／ωｖｉとしたとき、０．２
   ≦Ｚｐ≦２であり、かつ（０．２×ωｐｉ／ωｖｉ）≦
   Ｚｖ≦（２×ωｐｉ／ωｖｉ）の関係を満たし、前記光
   ファイバがωｐｉ以下のコア径を有することを特徴とす
   る請求項５記載の半導体レーザモジュール。
7. 【請求項７】 第１レンズおよび第２レンズの少なくと
   も一方の光軸上位置または焦点距離が可変であることに
   よって、光ファイバに入射するレーザ光のビーム径の縦
   横比が可変であることを特徴とする請求項５または６記
   載の半導体レーザモジュール。