JPH07168040A - 半導体レーザー集光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の発光源を有する半導体レーザーまたは
一個の発光源を有する複数の半導体レーザーからの出射
光密度を有効に高めること。 【構成】 複数の発光源を有する半導体レーザーまたは
一個の発光源を有する複数の半導体レーザーと、一方の
端面に該発光源と同数の入力ポートを有し、他方の端面
に設けられた唯一つの出力ポートに向かって全てが合流
するように作られた光導波路とが、前記発光源の各々か
らの出射光が前記光導波路の入力ポートの各々に光学的
に結合されるように組み合わせられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザーの集光装置に
関する。本発明はより特定的には複数の発光源を有する
半導体レーザーにおいてその光密度を有効に高める手段
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザーは最も小型のレーザーで
ありしかも発振効率が50％を越す高効率であり産業上の
利用価値が高い。近年CDや光ディスクあるいは光通信な
ど主に情報処理産業の分野において重要な役割を果たし
てきているところである。しかしながら、より古くから
のレーザーの応用分野である加工の分野においては半導
体レーザーは全く用いられていない。これは半導体レー
ザーは確かに高効率ではあるが一つの発光源の大きさは
大きな物でもせいぜい1mm 以下であり極めて小さいため
にそこから放出される光出力は制限され、一個の発光源
を有する半導体レーザー単体では高々数W の光出力しか
出せないことによる。しかし上述のごとく半導体レーザ
ーは発振効率が非常に高いので高出力の光源として潜在
的な可能性を有していることは確かである。最近半導体
レーザーの室温高出力動作の技術が進歩したことに伴い
半導体レーザーが固体レーザーの励起光源として注目さ
れ、半導体レーザーからますます高出力の光出力を得る
技術が発展してきている。この目的のために多くの半導
体レーザーメーカーは複数の半導体レーザーを一次元あ
るいは二次元的に配列した構造をとり発光源の数を増や
すことにより一つのデバイスから多くの光出力を得る方
法をとっている。しかしながら、このようなデバイスか
ら放射されるレーザー光は各々の発光源が全く独立に発
振しているためにコヒーレンスが悪い。すなわち一つの
大きな光出力を持ったレーザー光線と見なすことはでき
ない。したがって、レーザー光線の重要な利点である一
点への集光性、これに伴う高いエネルギー密度の達成に
よる物体の加工の可能性という特徴が失われている。こ
のため、このような高出力半導体レーザーを加工に応用
したり固体レーザー励起の効率を高めるためにできるだ
け光密度を向上させる必要に迫られている当業者にとっ
ては、各々がばらばらに発光していて線状光源あるいは
面状光源に過ぎない複数の発光源からの複数の出射光を
できるだけ小さなスポットに集光する技術を開発するこ
とが必要となっている。ベイアー等は複数の半導体レー
ザーが一次元的に配列されたレーザーダイオードアレー
からの出射光をアレーと平行に配置されたファイバーレ
ンズにより一括してアレーと垂直な方向について集光
し、各々の集光点においてそれぞれ対応する光ファイバ
ーに光結合し、これらの全ての光ファイバーを他端にお
いて束ねて疑似的に一つの光源とする方式を考案した
（特開平5-93828 号公報参照）。しかしながら、この方
法ではレーザーダイオードアレーを構成する発光源の数
が多くなればなるほど光ファイバーの束が大きくなり一
点への集光という点で甚だ困難を生じることになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる状況
に鑑みてなされたもので、各々が独立に発光していて線
状光源あるいは面状光源に過ぎない複数の発光源を有す
る半導体レーザーの複数の出射光の光密度を有効に高め
る装置を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、複数の発光源を有する半導体レ
ーザーまたは一つの発光源を有する複数の半導体レーザ
ーと、一方の端面に該発光源と同数の入力ポートを有
し、他方の端面に設けられた唯一つの出力ポートに向か
って全てが合流するように作られた光導波路とが、前記
発光源の各々からの出射光が前記光導波路の入力ポート
の各々に光学的に結合されるように組み合せられている
ことを特徴とする半導体レーザー装置を提供するもので
ある。また前記半導体レーザーと光導波路との光結合が
光ファイバーを介していてもよい。

【０００５】

【作用】ここで本発明の基本概念を説明する。発明者等
は複数の発光源を有する半導体レーザーからの出射光を
いかにしてできるだけ小さなスポットに集光するかにつ
いて考察と実験をした結果、いわば光導波路において形
成される光分岐器状の導波路構造を逆方向に用いること
によってこの目的が有効に達成し得ることを見出した。
ここで、光分岐器とは典型的には図４に示すような導波
構造をしている。図４において斜線部分で示す導波路は
周囲部分の基板より屈折率が大きく作られておりこの中
を通る光は全反射によって導波路内に閉じ込められて伝
播する。光分岐器は通常一つの信号源から複数の光ファ
イバーに光信号を分配するために用いられる。つまり光
分岐器においては入力ポートは一つで途中から複数の導
波路に分岐し複数の出力ポートに分かれる。図４に示す
光分岐器の一例は一つの入力ポートから四つの出力ポー
トに分岐するものである。このような形状で作られた光
分岐器を逆方向に用いると多くの支流が集まって本流を
作り出すような格好で複数の導波路が一本に収束するよ
うになる。すなわち、それぞれの出力ポートから複数の
発光源を有する半導体レーザーの各々の発光源からの出
射光を入力してやれば入力ポートにおいて光密度を有効
に高めることができる。光分岐器を形成する導波路は当
然のことながらこれを通す半導体レーザーの波長におい
て光吸収のない素材で作らなければならない。そうしな
いと複数の導波路からの光が合流する入力ポートにおい
て発熱による破壊を起こすであろう。さて次にどのよう
にして光分岐器に個々の発光源からの出射光を入力する
かという問題に移る。これには大別して二通りのやり方
がある。ひとつはバットカップリングまたはレンズによ
り光結合する方法である。このためには個々の発光源と
対応する光分岐器の各々の出力ポートとの位置関係が機
械的に極めて良い精度で決められていなければならな
い。これは通常の機械加工では相当に困難であるが、光
導波路の製造技術はリソグラフィーを基盤にしているの
で非常に良い再現性で精度の良い決った間隔の導波路を
作成することが可能であるから同じくリソグラフィーに
よって形成される一次元アレイ型半導体レーザーとの位
置合わせは比較的容易に達成できる。複数の素子が二次
元的に積層された半導体レーザーの場合には光結合器の
方も同様に積層することにより対処できる。もう一つは
複数の半導体レーザーからの出射光を各々一旦光ファイ
バーに導光して一本ずつ光結合器の出力ポートの内の一
つに光結合させるやり方である。一つ一つの発光素子を
光ファイバーに光結合させるのは相当に面倒な作業では
あるが、例えば一次元アレイ型半導体レーザーの場合シ
リコンの異方性エッチングで作ったV 溝等を利用して位
置合わせをすれば比較的能率がよい。この方法は単体で
機能する半導体レーザーが複数ある場合にも有用であ
る。

【０００６】このようにすれば、各々がばらばらに発光
していて線状光源あるいは面状光源に過ぎない複数の発
光源を有する半導体レーザーの複数の出射光の光密度を
有効に高めることができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面に基
づいて詳しく説明する。図１は、本発明が適用された第
１の実施例における複数の発光源を有する半導体レーザ
ーを一本に集光するための装置の構成を示す模式的斜視
図である。本実施例での半導体レーザー１ａは複数の発
光源が一次元的に等間隔で配置されているものである。
これらの発光源の間隔は500 μm である。素材はGaAlAs
であり860nm 近傍で発振する。また本実施例における光
分岐器２ａはこの波長において吸収のないLiNbO3基板上
にTi拡散により周囲より屈折率を高く形成した光導波路
からなる。半導体レーザー１ａと光分岐器２ａとの光結
合は両者を突き合わせたバットカップリングによってい
る。半導体レーザーのそれぞれの発光源から出射した光
は突き合わせられた導波路に直接光結合する。その後隣
り合う導波路と緩やかな角度で一つずつ合流して最終的
に一本になる。このようにして各々がばらばらに発光し
ていて線状光源に過ぎない複数の発光源を有する半導体
レーザーの複数の出射光の光密度が有効に高められる。
同業者はこの出射光をレンズで集光したり光ファイバー
に導光すれば一本の高出力の半導体レーザービームとし
て加工などに有用な光源となることに気づくであろう。

【０００８】図２は本発明が適用された第２の実施例を
示す模式図である。本実施例での半導体レーザー１ｂは
複数の発光源が一次元的に等間隔で配置されているもの
をさらに二次元的に積層したものである。縦方向の発光
源間隔は1mm である。光分岐器２ｂ₁ ，２ｂ₂ は横方向
と縦方向の二段階に分けて用意した。半導体レーザー１
ｂおよび光分岐器２ｂ₁ ，２ｂ₂ の素材は第１の実施例
と同じである。半導体レーザー１ｂと光分岐器２ｂ₁ ，
２ｂ₂ との光結合はバットカップリングによっている。
まず横方向を収束させる。横方向を収束させる光分岐器
は一つの横の列についてみると第１の実施例と同様であ
り、これらを半導体レーザー１ｂの積層の数だけ縦に積
層してある。各光分岐器の出口では各横方向の光が収束
され、全体では横方向に収束された光が縦方向に一列に
列ぶことになる。次に縦に一列にならんだ収束光に合わ
せて縦方向収束用の光分岐器を配置し縦方向の収束を行
う。このようにして各々がばらばらに発光していて面状
光源に過ぎない複数の発光源を有する半導体レーザーの
複数の出射光の光密度が有効に高められる。なお、入口
の導波路の間隔ピッチを少し変更することで縦方向と横
方向の収束の順番を逆にすることも可能である。

【０００９】図３は本発明が適用された第３の実施例を
示す模式図である。本実施例での半導体レーザー１ｃは
一個の発光源を有するものであり、これが複数個ある。
半導体レーザー１ｃの素材は第１の実施例と同じであ
る。光分岐器２ｃはシリコン基板上にシリカガラスの導
波路を形成したものである。それぞれの半導体レーザー
１ｃからの出射光は光ファイバー３の一方の端にバット
カップリングされる。各光ファイバー３の他端は、分布
屈折率型のマイクロレンズを光分岐器２ｃの入口の間隔
ピッチとおなじ間隔ピッチで配列したレンズ群４によっ
て光分岐器２ｃの入口の内の一つに光結合されている。
あとは第１の実施例と同様にして各導波路に導かれた全
ての光が一本に収束される。

【００１０】

【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明による複数の発光源からの光を一点に集光するための
装置によれば、複数の発光源を有する半導体レーザーま
たは一個の発光源を有する複数の半導体レーザーからの
出射光の光密度を有効に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された第１の実施例における複数
の発光源を有する半導体レーザーを一点に集光するため
の装置の構成を示す模式的斜視図である。

【図２】本発明が適用された第２の実施例の構成を示す
斜視的模式図である。

【図３】本発明が適用された第３の実施例の構成を示す
斜視的模式図である。

【図４】光分岐器の説明図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ 半導体レーザー ２ａ，２ｂ₁ ，２ｂ₂ ，２ｃ 光分岐器 ３ 光ファイバー ４ マイクロレンズ群

フロントページの続き (72)発明者 植田 健司 神奈川県相模原市淵野辺５丁目10番１号 新日本製鐵株式会社エレクトロニクス研究 所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の発光源を有する半導体レーザーま
   たは一つの発光源を有する複数の半導体レーザーと、 一方の端面に該発光源と同数の入力ポートを有し、他方
   の端面に設けられた唯一つの出力ポートに向かって全て
   が合流するように作られた光導波路とが、 前記発光源の各々からの出射光が前記光導波路の入力ポ
   ートの各々に光学的に結合されるように組み合せられて
   いることを特徴とする半導体レーザー集光装置。
2. 【請求項２】 前記発光源と光導波路との光結合が光フ
   ァイバーを介していることを特徴とする請求項１に記載
   の半導体レーザー集光装置。