(57)【要約】【課題】高出力、かつ、高効率の光学装置を提供する。【解決手段】光学装置１００ａは、光波を増幅する増幅器（半導体発光素子１）と、第１回折格子１５Ｌ及び第２回折格子２５Ｌを有する導波路５０とを備え、第１回折格子１５Ｌ及び第２回折格子２５Ｌは増幅器によって増幅される光波の光軸上にあり、かつ、増幅器を挟んで互いに対向する位置に配置され、第１回折格子１５Ｌ及び第２回折格子２５Ｌにおける導波路５０の導波方向は、光軸の方向と交差する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波を増幅する増幅器と、
第１回折格子及び第２回折格子を有する導波路とを備え、
前記第１回折格子及び前記第２回折格子は前記増幅器によって増幅される前記光波の光軸上にあり、かつ、前記増幅器を挟んで互いに対向する位置に配置され、
前記第１回折格子及び前記第２回折格子における前記導波路の導波方向は、前記光軸の方向と交差する
光学装置。
【請求項２】
前記増幅器及び前記導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ及びＮとするとき、Ｍは、Ｎ以下である
請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記増幅器及び前記導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ及びＮとするとき、Ｍは、Ｎより大きい
請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学装置は、複数の前記第１回折格子と、複数の前記第２回折格子とを備え、
前記増幅器は、前記光波を増幅する複数の増幅部を有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記導波路に配置されるＱスイッチをさらに備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子における前記導波路によって導波される前記光波と放射モード光との結合強度は、互いに異なる
請求項４に記載の光学装置。
【請求項７】
複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向における屈折率分布が互いに異なる
請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向と交差する方向における屈折率分布が互いに異なる
請求項６又は７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第１回折格子で発生し、前記導波路から出射された放射モード光を前記第１回折格子に向けて反射する反射部材をさらに備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１０】
光波を導波することが可能であり、導波される前記光波と結合して放射モード光を発生する第１回折格子を有する第１導波路と、
前記光波を導波することが可能であり、導波される前記光波と結合して放射モード光を発生する第２回折格子を有する及び第２導波路と、
第１入出射面及び第２入出射面を有し、前記光波を増幅する増幅器とを有し、
前記第１回折格子で発生する前記放射モード光は、前記第１入出射面に結合し、
前記第２回折格子で発生する前記放射モード光は、前記第２入出射面に結合し、
前記第１導波路を伝播する前記光波は、前記第２導波路に、前記増幅器を通ることなく結合する
光学装置。
【請求項１１】
前記増幅器、前記第１導波路及び前記第２導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ、Ｎ１及びＮ２とするとき、Ｍは、Ｎ１及びＮ２以下である
請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記増幅器、前記第１導波路及び前記第２導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ、Ｎ１及びＮ２とするとき、Ｍは、Ｎ１及びＮ２より大きい
請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記増幅器は、前記光波を増幅する複数の増幅部を有し、
前記第１導波路は、複数の前記第１回折格子を有し、
前記第２導波路は、複数の前記第２回折格子を有する
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記第１導波路と前記第２導波路とを光学的に接続し前記増幅器を通らない光路に配置されるＱスイッチをさらに備える
請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１５】
複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子における前記光波と前記放射モード光との結合強度は、互いに異なる
請求項１３に記載の光学装置。
【請求項１６】
複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向における屈折率分布が互いに異なる
請求項１５に記載の光学装置。
【請求項１７】
複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向と交差する方向における屈折率分布が互いに異なる
請求項１５又は１６に記載の光学装置。
【請求項１８】
前記第１回折格子で発生し、前記第１導波路から出射された前記放射モード光を前記第１回折格子に向けて反射する反射部材をさらに備える
請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工は、金属、樹脂、炭素繊維などの加工対象素材に対して、制御性良く、クリーンに溶接、切断、改質などをできる手段として注目されている。レーザ加工によれば、例えば、アーク放電に比べて小さなスポット溶接が可能な点、金型を使った切断に比べて切り屑の発生を抑制できる点などにより、従来の加工手段より高品質な加工を実現できる。レーザ加工用のレーザ光として半導体レーザ光を直接用いるＤＤＬ（Direct Diode Laser）方式は、（ａ）レーザ光を変換しないため高効率である点、及び、（ｂ）半導体レーザ材料を選ぶことにより紫外から赤外までのレーザ光で加工が可能である点という二つの特徴を有するため、特に注目されている。
【０００３】
ところが半導体レーザ素子の光出力はせいぜい数ワットであり、レーザ加工に用いるためには、複数の半導体レーザ素子からのレーザビーム、言い換えれば、複数の共振器からのレーザビームを合成しなければならない。そのようなレーザビームの合成に適用可能な手法の一つが特許文献１に記載されている。一般に、半導体レーザ素子は、一つの素子の両端面に形成された共振器においてレーザ発振を生じるが、特許文献１では、複数の半導体レーザ素子を導波路を介して結合することにより、複数の半導体レーザ素子からのレーザビームをひとつに合成することと同等の機能を実現している。
【０００４】
特許文献１に記載された従来技術の光機能素子について図１２を用いて説明する。図１２は、従来技術の光機能素子の構成を示す概略図である。光機能素子は、導波路１００１と、活性ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１００７と、受光機構１０４０と、反射鏡１０３０とを備える。導波路１００１には、２次以上の回折格子１００２が形成されている。活性ＤＢＲ１００７は、利得を有する波長選択性のある分布反射鏡である。導波路１００１において導波される光の一部は、回折格子１００２によって放射モード光となり、導波路１００１から光の導波方向と交差する方向に放射される。以下では、回折格子の導波方向と交差する方向に放射される光を放射モード光という。当該放射モード光は、図１２における導波路１００１の上方及び下方の両方向に放射されるので、導波路１００１の両側に、反射機構を有する活性ＤＢＲ１００７が設けられている。各活性ＤＢＲには放射モード光を受け入れるテーパ領域１００８が形成されている。
【０００５】
図１２に示される光機能素子の動作について図１３を用いて説明する。図１３は、従来技術の光機能素子の基本構成を示す概略図である。図１３には、図１２に示される活性ＤＢＲ１００７のひとつが、増幅機構１００３と、反射機構１００４とに分離して示されている。２次の回折格子１００２を有する導波路１００１において導波される光の一部は、図１３に示されるように、導波方向に対してほぼ垂直に図１３の上下両方向に放射される。このように放射される光が、いわゆる放射モード光である。導波路１００１を通過する導波光の一部は放射モード光として導波方向に対して垂直に放射される。この放射モード光を増幅機構１００３で増幅し、さらに反射機構１００４を用いて再び導波路１００１に戻す。
【０００６】
上記の図１３を用いて説明した動作を用いれば、図１２に示されるように多数の活性ＤＢＲ１００７により、導波路１００１を通過するレーザ光を高出力化することが可能になる。レーザ光は、導波路１００１の端面から取り出すことも（図１２の出力光１１００）、放射モード光として導波路１００１の側面から取り出すことも（図１２の出力光１２００）、可能であるが、導波路１００１の端面から取り出す方が、各活性ＤＢＲ１００７のレーザ光を合波できるため、高出力のレーザ光を取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６４７６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された回折格子１００２の周期Λと、放射モード光の波長λｒとの間には以下の関係が成り立つ。
【０００９】
Λ＝λｒ／ｎ                                                          式１
【００１０】
ここで、ｎは導波路を伝播するレーザ光が感受する屈折率（実効屈折率）であり、導波路材料と、導波路内のレーザ光の分布とで決まる。このため、図１３に示される増幅機構１００３において発振したレーザ光の波長が波長λｒからずれてしまうと、当該レーザ光が放射モード光とならない。換言すれば、増幅機構１００３と導波路１００１との結合効率が低下してしまい、高出力化が阻害される。図１２に示される従来技術の光機能素子では、増幅機構が活性ＤＢＲ１００７に含まれるため、発振波長が選択される。したがって、発振波長の波長λｒからのずれを抑えることができる。しかし、活性ＤＢＲ１００７はそれ自体の内部に回折格子を有するため、構造が複雑となり、生産性が高くない。
【００１１】
また、出力光１１００を加工用のビームとして用いる場合には、導波路１００１の側面からの出力光１２００を利用できない。このため、効率（例えば、活性ＤＢＲ１００７に投入した電力のうち、出力光１１００に変換される電力の割合）が低下する問題がある。
【００１２】
そこで本開示では、高出力、かつ、高効率の光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本開示に係る光学装置の一態様は、光波を増幅する増幅器と、第１回折格子及び第２回折格子を有する導波路とを備え、前記第１回折格子及び前記第２回折格子は前記増幅器によって増幅される前記光波の光軸上にあり、かつ、前記増幅器を挟んで互いに対向する位置に配置され、前記第１回折格子及び前記第２回折格子における前記導波路の導波方向は、前記光軸の方向と交差する。
【００１４】
また、本開示に係る光学装置において、前記増幅器及び前記導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ及びＮとするとき、Ｍは、Ｎ以下であってもよい。
【００１５】
また、本開示に係る光学装置において、前記増幅器及び前記導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ及びＮとするとき、Ｍは、Ｎより大きくてもよい。
【００１６】
また、本開示に係る光学装置は、複数の前記第１回折格子と、複数の前記第２回折格子とを備え、前記増幅器は、前記光波を増幅する複数の増幅部を有してもよい。
【００１７】
また、本開示に係る光学装置は、前記導波路に配置されるＱスイッチをさらに備えてもよい。
【００１８】
また、本開示に係る光学装置において、複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子における前記導波路によって導波される前記光波と放射モード光との結合強度は、互いに異なってもよい。
【００１９】
また、本開示に係る光学装置において、複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向における屈折率分布が互いに異なってもよい。
【００２０】
また、本開示に係る光学装置において、複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向と交差する方向における屈折率分布が互いに異なってもよい。
【００２１】
また、本開示に係る光学装置において、前記第１回折格子で発生し、前記導波路から出射された放射モード光を前記第１回折格子に向けて反射する反射部材をさらに備えてもよい。
【００２２】
また、上記課題を解決するために、本開示に係る光学装置は、光波を導波することが可能であり、導波される前記光波と結合して放射モード光を発生する第１回折格子を有する第１導波路と、前記光波を導波することが可能であり、導波される前記光波と結合して放射モード光を発生する第２回折格子を有する及び第２導波路と、第１入出射面及び第２入出射面を有し、前記光波を増幅する増幅器とを有し、前記第１回折格子で発生する前記放射モード光は、前記第１入出射面に結合し、前記第２回折格子で発生する前記放射モード光は、前記第２入出射面に結合し、前記第１導波路を伝播する前記光波は、前記第２導波路に、前記増幅器を通ることなく結合する。
【００２３】
また、本開示に係る光学装置において、前記増幅器、前記第１導波路及び前記第２導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ、Ｎ１及びＮ２とするとき、Ｍは、Ｎ１及びＮ２以下であってもよい。
【００２４】
また、本開示に係る光学装置において、前記増幅器、前記第１導波路及び前記第２導波路で伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ、Ｎ１及びＮ２とするとき、Ｍは、Ｎ１及びＮ２より大きくてもよい。
【００２５】
また、本開示に係る光学装置において、前記増幅器は、前記光波を増幅する複数の増幅部を有し、前記第１導波路は、複数の前記第１回折格子を有し、前記第２導波路は、複数の前記第２回折格子を有してもよい。
【００２６】
また、本開示に係る光学装置は、前記第１導波路と前記第２導波路とを光学的に接続し前記増幅器を通らない光路に配置されるＱスイッチをさらに備えてもよい。
【００２７】
また、本開示に係る光学装置において、複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子における前記光波と前記放射モード光との結合強度は、互いに異なってもよい。
【００２８】
また、本開示に係る光学装置において、複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向における屈折率分布が互いに異なってもよい。
【００２９】
また、本開示に係る光学装置において、複数の前記第１回折格子のうち、少なくとも二つの前記第１回折格子の導波方向と交差する方向における屈折率分布が互いに異なってもよい。
【００３０】
また、本開示に係る光学装置は、前記第１回折格子で発生し、前記第１導波路から出射された前記放射モード光を前記第１回折格子に向けて反射する反射部材をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本開示によれば、高出力、かつ、高効率の光学装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図２】図２は、実施の形態２に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図３】図３は、実施の形態３に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図４】図４は、実施の形態３に係る光学装置におけるＱスイッチの駆動パルスと光出力との関係を示す模式的なグラフである。
【図５】図５は、実施の形態４に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図６】図６は、実施の形態５に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図７】図７は、実施の形態６に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図８】図８は、実施の形態６の変形例１に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図９】図９は、実施の形態６の変形例２に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図１０】図１０は、実施の形態７に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施の形態８に係る光学装置の各回折格子における光強度の概要を示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、実施の形態８に係る各回折格子の屈折率差と結合強度とを示すグラフである。
【図１２】図１２は、従来技術の光機能素子の構成を示す概略図である。
【図１３】図１３は、従来技術の光機能素子の基本構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３４】
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００３５】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る光学装置について説明する。
【００３６】
［１−１．構成］
まず、本実施の形態に係る光学装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る光学装置１００の構成を示す概略図である。図１に示されるように、光学装置１００は、第１導波路１０と、第２導波路２０と、半導体発光素子１とを備える。本実施の形態では、光学装置１００は、反射部材１４及び２４と、マイクロレンズアレイ７及び８と、放物鏡３１及び３２と、レンズ４１と、光ファイバ４２とをさらに備える。
【００３７】
第１導波路１０は、光波を導波することが可能であり、導波される光波と結合して放射モード光を発生する第１回折格子を有する導波路である。第２導波路２０は、光波を導波することが可能であり、導波される光波と結合して放射モード光を発生する第２回折格子を有する導波路である。本実施の形態では、第１導波路１０は、複数の第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒを有し、第２導波路２０は、複数の第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒを有する。このように、第１導波路１０及び第２導波路２０は、第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒ、並びに、第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒを有する導波路を構成する。
【００３８】
第１導波路１０は、クラッド１１及び１３と、コア１２と、低反射膜１８及び１９とを有する。第２導波路２０は、クラッド２１及び２３と、コア２２と、高反射膜２８及び低反射膜２９とを有する。
【００３９】
コア１２は、光波を導く長尺状の透光性部材であり、クラッド１１及び１３より高い屈折率を有する。本実施の形態では、コア１２は、アンドープＧａＮで形成される。第２導波路２０のコア２２は、第１導波路１０のコア１２と同様の透光性部材である。
【００４０】
クラッド１１及び１３は、コア１２の側面を覆う透光性部材であり、コア１２より低い屈折率を有する。本実施の形態では、クラッド１１及び１３は、アンドープＡｌＧａＮで形成される。クラッド１１及び１３、並びに、コア１２は、サファイア基板上に形成される。第２導波路２０のクラッド２１及び２３は、第１導波路１０のクラッド１１及び１３と同様の透光性部材である。
【００４１】
本実施の形態では、上述したように第１導波路１０及び第２導波路２０のコア１２及び２２、並びに、クラッド１１、１３、２１及び２３を、アンドープの材料を用いて形成している。このため、各コア及び各クラッドにおけるキャリア数が少なく、高出力動作に有利である。
【００４２】
第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒは、第１導波路１０に形成され、第１導波路１０の導波方向に周期的に屈折率が変化する領域である。第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒは、第２導波路２０に形成され、第２導波路２０の導波方向に周期的に屈折率が変化する領域である。各回折格子の構成は特に限定されず、導波方向に周期的に屈折率が変化すればよい。本実施の形態では、各コアと各クラッドとの界面の一部に凹凸形状を形成することにより、周期Λの回折格子が形成される。本実施の形態では、各回折格子の周期Λを１６８８Å（１６８．８ｎｍ）とした。第１導波路１０及び第２導波路２０の有効屈折率がｎ＝２．４であることから、上記式１を用いれば、λｒ≒４０５ｎｍとなる。したがって、放射モード光の波長λｒがＩｎＧａＮ量子井戸層の利得領域に含まれる。
【００４３】
低反射膜１８及び１９は、コア１２並びにクラッド１１及び１３の長手方向の両端面に配置される膜である。本実施の形態では、低反射膜１８及び１９は、反射率０．１％以下の低反射率誘電体多層膜である。
【００４４】
高反射膜２８及び低反射膜２９は、コア２２並びにクラッド２１及び２３の長手方向の両端面に配置される膜である。本実施の形態では、高反射膜２８は、反射率９９％以上の高反射率誘電体多層膜であり、低反射膜２９は、反射率０．１％以下の低反射率誘電体多層膜である。
【００４５】
反射部材１４は、第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒで発生し、第１導波路１０から出射された放射モード光を第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒに向けて反射する光学部材である。反射部材１４は、第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒで発生する放射モード光の少なくとも一部を反射して、第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒに戻す。なお、反射部材１４は、半導体発光素子１から出射された光波のうち、各第１回折格子によって第１導波路１０の導波モード光に結合されずに第１導波路１０から出射された光波を反射して各第１回折格子に戻す機能も有する。
【００４６】
本実施の形態では、反射部材１４は、反射率９９％以上の高反射率誘電体多層膜である。反射部材１４は、クラッド１１及び１３の外周面に配置されてもよいし、クラッド１１及び１３から離隔して配置されてもよい。特許文献１に記載されているように、各第１回折格子からの放射モード光は図１の上下方向に放射されるため、上方に放射される放射モード光を有効利用するために、反射部材１４は各第１回折格子の上方に配置される。
【００４７】
反射部材２４は、第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒで発生し、第２導波路２０から出射された放射モード光を第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒに向けて反射する光学部材である。反射部材２４は、第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒで発生する放射モード光の少なくとも一部を反射して、第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒに戻す。なお、反射部材２４は、半導体発光素子１から出射された光波のうち、各第２回折格子によって第２導波路２０の導波モード光に結合されずに第２導波路２０から出射された光波を反射して各第２回折格子に戻す機能も有する。
【００４８】
本実施の形態では、反射部材２４は、反射率９９％以上の高反射率誘電体多層膜である。反射部材２４は、クラッド２１及び２３の外周面に配置されてもよいし、クラッド２１及び２３から離隔して配置されてもよい。反射部材２４は、反射部材１４と同様に、各第２回折格子から図１の下方に放射される放射モード光を有効利用するために、各第２回折格子の下方に配置される。
【００４９】
半導体発光素子１は、第１入出射面３ａ及び第２入出射面４ａを有し、光波を増幅する増幅器である。半導体発光素子１は光波を増幅する複数の増幅部を有する。本実施の形態では、半導体発光素子１は、三つの増幅部２Ｌ、２Ｃ及び２Ｒを有する。各増幅部は、光波を増幅を有する導波路である。つまり、半導体発光素子１は、三つの導波路からなるアレイ構造を有する半導体発光素子である。半導体発光素子１が複数の増幅部を有することにより、半導体発光素子が一つの増幅部を有する場合より、光学装置１００を高出力化できる。
【００５０】
半導体発光素子１の第１入出射面３ａ及び第２入出射面４ａには、それぞれ第１導波路１０及び第２導波路２０で発生する放射モード光が入射される。より詳しくは、第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒで発生する放射モード光は、第１入出射面３ａに結合し、第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒで発生する放射モード光は、第２入出射面４ａに結合する。
【００５１】
各増幅部は、窒化物半導体材料から構成されている。各増幅部は、ＩｎＧａＮ量子井戸層を発光層として含む。このＩｎＧａＮ量子井戸層が３９５ｎｍ以上４１５ｎｍ以下程度の波長帯域に利得を有するように、ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成が調整される。
【００５２】
半導体発光素子１の第１入出射面３ａ及び第２入出射面４ａには、それぞれ、反射率０．１％以下の低反射率誘電体多層膜３及び４が形成されている。これにより、半導体発光素子１の増幅部２Ｌ、２Ｃ及び２Ｒから、上方へ光波５Ｌ、５Ｃ及び５Ｒが、下方へ光波６Ｌ、６Ｃ及び６Ｒが、それぞれ出射される。また、半導体発光素子１の第１入出射面３ａに第１導波路１０から放射された光波５Ｌ、５Ｃ及び５Ｒが入射され、第２入出射面４ａに第２導波路２０から放射された光波６Ｌ、６Ｃ及び６Ｒが入射される。
【００５３】
各第１回折格子及び各第２回折格子は、半導体発光素子１によって増幅される光波の光軸上にあり、かつ、半導体発光素子１を挟んで互いに対向する位置に配置される。各第１回折格子における第１導波路１０の導波方向及び各第２回折格子における第２導波路２０の導波方向は、半導体発光素子１によって増幅される光軸の方向と交差する。第１導波路１０の放射モード光は、第１入出射面３ａに結合し、第２導波路２０の放射モード光は、第２入出射面４ａに結合する。
【００５４】
マイクロレンズアレイ７は、半導体発光素子１の第１入出射面３ａに対向する位置に配置されるレンズアレイである。マイクロレンズアレイ７は、一列に配置された複数のレンズを有し、複数のレンズは、それぞれ複数の増幅部に対向する位置に配置される。本実施の形態では、マイクロレンズアレイ７は、半導体発光素子１と第１導波路１０との間に配置される。マイクロレンズアレイ７は、三つのレンズを有し、各レンズは、各増幅部と各第１回折格子との間に配置される。
【００５５】
第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒは、それぞれ、増幅部２Ｌ、２Ｃ及び２Ｒに対向する位置に配置されるため、各増幅部から放射される光波（レーザ光）の少なくとも一部は、各回折格子に向かう。しかしながら、各増幅部からの光波は発散光であるため、当該光波をマイクロレンズアレイ７を用いて各第１回折格子に結合している。また、各第１回折格子から放射された光波をマイクロレンズアレイ７を用いて各増幅部に結合している。
【００５６】
マイクロレンズアレイ８は、半導体発光素子１の第２入出射面４ａに対向する位置に配置されるレンズアレイである。マイクロレンズアレイ８は、一列に配置された複数のレンズを有し、複数のレンズは、それぞれ複数の増幅部に対向する位置に配置される。本実施の形態では、マイクロレンズアレイ８は、半導体発光素子１と第２導波路２０との間に配置される。マイクロレンズアレイ８は、三つのレンズを有し、各レンズは、各増幅部と各第２回折格子との間に配置される。マイクロレンズアレイ８は、上述したマイクロレンズアレイ７と同様の機能を有する。
【００５７】
放物鏡３１及び３２は、それぞれ第１導波路１０及び第２導波路２０の端面に対向する位置に配置される軸ずらし放物鏡であり、第１導波路１０と第２導波路２０と接続する光路を形成する。放物鏡３１及び３２の焦点は、それぞれ第１導波路１０の低反射膜１９が配置されている側の端面のコア１２（光出射部）、及び、第２導波路２０の低反射膜２９が配置されている側の端面のコア２２（光出射部）に合わされている。これにより、放物鏡３１で平行化された光波と、放物鏡３２で平行化された光波とが互いに重なる。
【００５８】
レンズ４１は、第１導波路１０から出射される出射光４０を光ファイバ４２に結合する集光光学素子である。
【００５９】
光ファイバ４２は、第１導波路１０から出射される出射光４０を導波する導波路である。第１導波路１０の低反射膜１８に対向する位置にレンズ４１が配置され、レンズ４１を介して、第１導波路１０と光ファイバ４２とが光学的に接続される。これにより、第１導波路１０の低反射膜１８から出射される出射光４０が光ファイバ４２に導入される。光学装置１００が光ファイバ４２を備えることで、出射光４０のハンドリングが容易になる。
【００６０】
なお、光学装置１００は、レンズ４１及び光ファイバ４２の少なくとも一方を備えなくてもよい。言い換えると、第１導波路１０からの出射光４０を、レンズ４１及び光ファイバ４２の少なくとも一方を介さずに、レーザ加工などの応用に直接使ってもよい。
【００６１】
［１−２．動作（レーザ発振前）］
次に、光学装置１００におけるレーザ発振に至るまでの動作について説明する。
【００６２】
まず、半導体発光素子１に電流が供給される。これに伴い、図１における半導体発光素子１の上方及び下方にそれぞれ光波が出射される。ここでは、半導体発光素子１から出射される自然放出光の状態の光波５Ｌ、５Ｃ及び５Ｒを考える。これら光波は、マイクロレンズアレイ７で集光されて、それぞれ、第１回折格子１５Ｌ、１５Ｃ及び１５Ｒに入射する。これらの光波のうち、上記式１を満たす波長近傍の光が光波１６Ｌ、１６Ｃ及び１６Ｒとして、第１導波路１０内部を伝播することができる。光波１６Ｌ、１６Ｃ及び１６Ｒのうち、図１の右向きに伝播する光は、放物鏡３１及び３２を経由する光波３３になり、第２導波路２０に入射する。このように第１導波路１０を伝播する光波は、第２導波路２０に、半導体発光素子１を通ることなく結合する。第２導波路２０を左向きに伝播する光の波長が、上記式１をほぼ満たしていれば、第２回折格子２５Ｌ、２５Ｃ及び２５Ｒで、それぞれ放射モード光としての光波６Ｌ、６Ｃ及び６Ｒとなり、半導体発光素子１に戻る。このように、半導体発光素子１から出射した光波は、図１における時計回りの光路に沿って半導体発光素子１に帰還する。つまり、光学装置１００において、レーザ発振に必要な「帰還」を実現できる。半導体発光素子１から図１の下方に出射された光波６Ｌ、６Ｃ及び６Ｒは、放射モード光としての光波５Ｌ、５Ｃ及び５Ｒとなり、半導体発光素子１に戻る。以上のように、光波５Ｌ、５Ｃ及び５Ｒ、並びに、光波６Ｌ、６Ｃ及び６Ｒは半導体発光素子１の出射光であり、かつ、各回折格子からの放射モード光である。
【００６３】
このように、光学装置１００においては、光波は、時計回りの帰還ループ（帰還光路）と反時計回りの帰還ループとが形成され、所謂、リングレーザが形成される。本実施の形態では、半導体発光素子１に供給する電流を増大させることで、半導体発光素子１における利得が帰還光路にて発生する損失を上回ると、レーザ発振が始まる。
【００６４】
［１−３．動作（レーザ発振後）］
次に、光学装置１００におけるレーザ発振後の動作について説明する。
【００６５】
上記の帰還ループを形成するのは、上記式１をほぼ満たす波長λｒの光波だけである。上記式１を波長λｒからずれた波長の光は、各回折格子で散乱されるため、帰還ループにおける損失が大きくなる。したがって、レーザ発振を実現できる閾値利得が高くなりすぎるため、レーザ発振に至らない。一旦、波長λｒ近傍で発振すると、その波長に利得が集中するため、効率よく波長λｒ近傍で発振させることができる。すなわち、第１導波路１０及び第２導波路２０の各回折格子の周期Λによって、発振波長が自動的に固定される。
【００６６】
［１−４．損失］
本実施の形態に係る光学装置１００の帰還ループにおいては、下記の三つの点によって、損失が軽減される。
（１）特許文献１に記載された発明と異なり、半導体発光素子１の上方及び下方へ出射される両方の光波に対して帰還ループが形成されているため、両方の光波とも有効に利用できる。
（２）放射モード光は第１導波路１０及び第２導波路２０の各々の上方及び下方に出射されるが、例えば、第１導波路１０の半導体発光素子１が存在しない側（つまり、上方）には反射部材１４が配置されている。このように、半導体発光素子１が存在しない側に放射された光波は、図１の光波１７Ｌ、１７Ｃ及び１７Ｒのように第１導波路１０に戻されるため、損失は小さい。
（３）第２導波路２０の各第２回折格子で放射モード光にならなかった左向きの光は高反射膜２８で方向が変わり、右向きの光として寄与するので損失にならない。
【００６７】
以上のように本実施の形態に係る光学装置１００によれば、帰還ループにおける損失を低減できる。したがって、本実施の形態によれば、高出力、かつ、高効率の光学装置１００を実現できる。
【００６８】
［１−５．横モード］
次に、本実施の形態に係る光学装置１００における光の分布を示す横モードについて述べる。半導体発光素子１の各増幅部で伝播可能な横モードの最大次数をＭとする。同様に第１導波路１０及び第２導波路２０で伝播可能な横モードの最大次数をそれぞれＮ１及びＮ２とする。ここで、Ｍ、Ｎ１及びＮ２は０以上の整数である。なお、横モードの次数がゼロの場合、基本モードと呼ばれる単峰性の光分布になる。Ｍ、Ｎ１及びＮ２は、各々、各増幅部を構成する導波路の層構造（厚み、幅、屈折率）、導波路を構成する各コア及び各クラッドの構造（厚み、幅、屈折率）により、自由に設計され得る。ＭとＮ１及びＮ２との関係には次の（Ａ）及び（Ｂ）の二通りがある。
（Ａ）Ｍが、Ｎ１及びＮ２以下である場合（Ｍ≦Ｎ１、Ｎ２の場合）
この場合、各増幅部から出射される光波はすべて、第１導波路１０及び第２導波路２０に結合し得るので、各増幅部から出射される光波を最も効率的に利用できる。
（Ｂ）Ｍが、Ｎ１及びＮ２より大きい場合（Ｍ＞Ｎ１、Ｎ２の場合）
この場合、各増幅部から出射される光波のうち、横モードの次数がＮ１＋１以上Ｍ以下、又は、Ｎ２＋１以上Ｍ以下の光分布を有する光波は第１導波路１０又は第２導波路２０に結合しない。このため、横モードの次数がＮ１＋１以上Ｍ以下又はＮ２＋１以上Ｍ以下の光分布を有する光は各増幅部に帰還されず、レーザ発振に至らない。したがって、レーザ発振し得る横モードの次数はＮ１以下又はＮ２以下となり、出射光４０のビーム品質を向上させることができる。言い換えると、第１導波路１０又は第２導波路２０は横モードのフィルタとして機能する。この結果、光学装置１００の出射光４０を利用する後段の光学系の設計を容易にすることができる。
【００６９】
［１−６．シミュレーション結果］
本実施の形態に係る光学装置１００のシミュレーションを行った結果について説明する。本シミュレーションでは、本実施の形態に係る光学装置１００の各増幅部に２．５Ａの電流を供給した場合に得られる出射光４０の最大出力を、以下の二通りの条件下で算出した。
（Ａ）  Ｍ＝５、Ｎ１＝Ｎ２＝６のとき、２０Ｗの最大出力で、５次横モードまで存在するマルチ横モード発振のビーム品質を有する出射光４０が得られた。
（Ｂ）  Ｍ＝５、Ｎ１＝Ｎ２＝１のとき、１０Ｗの最大出力で、基本横モード発振のビーム品質を有する出射光４０が得られた。
【００７０】
このように本実施の形態に係る光学装置１００では、半導体発光素子１に複雑な波長制御構造を作りこむ必要がないので生産性が高い。また低損失なので無効光が少なく、高効率な発振が可能になる。
【００７１】
なお、本実施の形態では、三つの増幅部を有する半導体発光素子１を用いたが、増幅部の個数は三つに限定されず、例えば、２０以上４０以下程度であってもよい。
【００７２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、主に、光ファイバを用いて帰還ループの光路を形成している点において、実施の形態１に係る光学装置１００と相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態１に係る光学装置１００との相違点を中心に図２を用いて説明する。
【００７３】
図２は、本実施の形態に係る光学装置１００ａの構成を示す概略図である。図２に示されるように、光学装置１００ａは、導波路５０と、半導体発光素子１とを備える。本実施の形態では、光学装置１００ａは、反射部材１４及び２４と、マイクロレンズアレイ７及び８とをさらに備える。
【００７４】
導波路５０は、第１回折格子５１Ｌ、５１Ｃ及び５１Ｒ、並びに、第２回折格子５２Ｌ、５２Ｃ及び５２Ｒを有する光ファイバである。各回折格子は、導波路５０において周期的に屈折率を変化させることによって形成されている。このような回折格子はファイバブラッググレーティング（Fiber-Bragg-Grating；ＦＢＧ）として知られている。本実施の形態では、導波路５０はＳｉＯ２で形成されたクラッドと、ＳｉＮで形成されたコアとを備える。コアにはＧｅ２Ｏ３がドープされ、光誘起屈折率変化により周期的な屈折率分布を形成している。光誘起屈折率変化とは、例えば、コアに波長２２３ｎｍ以上２５３ｎｍ以下程度の紫外線（ＵＶ）レーザ光を露光することによりＳｉ−Ｏ結合を変化させて、屈折率を半永久的に変化させる方法である。この方法の露光において二光束干渉露光法などを用いることで、微細な周期的屈折率分布を形成できる。本実施の形態では、各回折格子の周期Λは２０７７Å（２０７．７ｎｍ）である。導波路５０における有効屈折率がｎ＝１．９５であることから、上記式１を用いれば、λｒ≒４０５ｎｍとなる。したがって、放射モード光の波長λｒがＩｎＧａＮ量子井戸層の利得領域に含まれる。
【００７５】
導波路５０の一方の端面５３から、出射光が出射され、導波路５０の他方の端面には、高反射膜５８が配置されている。本実施の形態では、高反射膜５８は、反射率９９％以上の高反射率誘電体多層膜である。なお、端面５３には、反射率を調整するための誘電体多層膜が形成されてもよい。
【００７６】
本実施の形態に係る光学装置１００ａにおいても、実施の形態１に係る光学装置１００と同様の効果を奏することができる。また、実施の形態１に係る光学装置１００と同様に、各増幅部及び導波路５０が伝播可能な最大の横モード次数をそれぞれＭ及びＮとする。ここで、Ｍが、Ｎ以下である場合、各増幅部から出射される光波はすべて、導波路５０に結合し得るので、各増幅部から出射される光波を最も効率的に利用できる。一方、Ｍが、Ｎより大きい場合、各増幅部から出射される光波のうち、横モードの次数がＮ＋１以上Ｍ以下の光分布を有する光波は導波路５０に結合しない。このため、横モードの次数がＮ＋１以上Ｍ以下の光分布を有する光は各増幅部に帰還されず、レーザ発振に至らない。したがって、レーザ発振し得る横モードの次数はＮ以下となり、出射光のビーム品質を向上させることができる。言い換えると、導波路５０は横モードのフィルタとして機能する。この結果、光学装置１００ａの出射光を利用する後段の光学系の設計を容易にすることができる。
【００７７】
また、本実施の形態に係る光学装置１００ａによれば、導波路５０として光ファイバを用いることで、帰還ループにおける損失を低減できる。例えば、実施の形態１に係る光学装置１００において発生し得る、放物鏡３１及び３２と第１導波路１０及び第２導波路２０との結合損失を低減できる。
【００７８】
また、光学装置１００ａによれば、実施の形態１で必要とされた放物鏡などが不要となるため、部品点数を低減できる。したがって、光学装置１００ａの構成を簡素化でき、かつ、光学装置１００ａを低コスト化できる。
【００７９】
また、光学装置１００ａでは、帰還ループを光ファイバで形成しているため、振動などに起因する光軸ずれなどの問題を低減できる。したがって、光学装置１００ａでは、堅固性を向上できる。
【００８０】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、パルス駆動を実現できる点において、実施の形態２に係る光学装置１００ａと相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態２に係る光学装置１００ａとの相違点を中心に図３及び図４を用いて説明する。
【００８１】
図３は、本実施の形態に係る光学装置１００ｂの構成を示す概略図である。図３に示されるように、本実施の形態に係る光学装置１００ｂは、導波路５０と、半導体発光素子１とを備える。本実施の形態では、光学装置１００ｂは、Ｑスイッチ６０と、駆動回路６１と、マイクロレンズアレイ７及び８とをさらに備える。
【００８２】
Ｑスイッチ６０は、導波路５０に配置され、帰還ループを形成する光路の損失を切り替えることができる素子である。Ｑスイッチ６０は、例えば、音響変換素子（トランスデューサ）と石英とを有する。Ｑスイッチ６０においては、音響変換素子によって、光路（導波路）の一部に配置された石英内に表面弾性波を発生させることで、生じた物理的変形により損失を増大させ（つまり、Ｑ値を低下させ）、表面弾性波の発生を停止することで損失を低減できる（つまり、Ｑ値を増大できる）。Ｑスイッチ６０は、光学装置１００ｂの帰還ループの途中に配置される。本実施の形態では、Ｑスイッチ６０は、導波路５０の第１回折格子５１Ｌ、５１Ｃ及び５１Ｒと第２回折格子５２Ｌ、５２Ｃ及び５２Ｒとの間の領域に配置される。なお、Ｑスイッチ６０の構成はこれに限定されず、例えば、機械的に損失を変化させてもよいし、電気光学効果を用いて損失を変化させてもよい。
【００８３】
駆動回路６１は、Ｑスイッチ６０の音響変換素子を駆動する回路である。駆動回路６１は、Ｑスイッチ６０をパルス駆動する。
【００８４】
このような光学装置１００ｂにおける光出力について図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る光学装置１００ｂにおけるＱスイッチ６０の駆動パルスと光出力との関係を示す模式的なグラフである。
【００８５】
図４に示されるように、Ｑスイッチ６０における損失をパルス的に繰り返し変化させる。Ｑスイッチ６０の損失が大きな状態（低Ｑ）から小さい状態（高Ｑ）に切り替えた瞬間に、半導体発光素子１における誘導放出が一挙におこり、非常に高い光出力を得ることができる。図４に示されるように、高Ｑになった瞬間（損失が減少した瞬間）に、大きなパルス光出力が得られる。本実施の形態では、例えば、周波数１００ｋＨｚでＱスイッチ６０を駆動させることで、パルス幅５０ｎｓ、ピークパワー１００Ｗが得られる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態に係る光学装置１００ｂによれば、短パルス動作が可能となる。このような短パルス動作は、レーザ光に起因する熱の影響の低減が求められるレーザ加工において特に有効である。
【００８７】
なお、本実施の形態に係るＱスイッチ６０及び駆動回路６１は、実施の形態１に係る光学装置１００にも適用できる。Ｑスイッチ６０及び駆動回路６１を光学装置１００に適用する場合、Ｑスイッチ６０は、第１導波路１０と第２導波路２０とを光学的に接続し半導体発光素子１を通らない光路に配置される。これにより、本実施の形態に係る光学装置１００ｂと同様に短パルス動作が可能となる。
【００８８】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、主に、複数の半導体発光素子１を備える点において、実施の形態２に係る光学装置１００ａと相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態２に係る光学装置１００ａとの相違点を中心に図５を用いて説明する。
【００８９】
図５は、本実施の形態に係る光学装置１００ｃの構成を示す概略図である。図５に示されるように、光学装置１００ｃは、導波路５０ｃと、複数の半導体発光素子１とを備える。本実施の形態では、光学装置１００ｃは、複数のマイクロレンズアレイ７及び複数のマイクロレンズアレイ８をさらに備える。
【００９０】
複数の半導体発光素子１は、光波を増幅する増幅器の一態様である。複数の半導体発光素子１の各々は、上記実施の形態１に係る半導体発光素子１と同様の構成を有する。
【００９１】
導波路５０ｃは、第１回折格子５１Ｌ１〜５１Ｌ３、５１Ｃ１〜５１Ｃ３及び５１Ｒ１〜５１Ｒ３、並びに、第２回折格子５２Ｌ１〜５２Ｌ３、５２Ｃ１〜５２Ｃ３及び５２Ｒ１〜５２Ｒ３を有する光ファイバである。導波路５０ｃは、複数の半導体発光素子１が有する増幅部の個数以上の第１回折格子及び第２回折格子を有する。複数の半導体発光素子１が有する各増幅部に対向する位置にそれぞれ第１回折格子及び第２回折格子が配置される。これにより、各増幅部から出射された光波を導波路５０ｃに結合させることができる。また、各回折格子から放射される放射モード光としての光波を対応する一つの増幅部に結合させることができる。
【００９２】
複数の半導体発光素子１の各第１入出射面及び各第２入出射面と対向する位置にマイクロレンズアレイ７及びマイクロレンズアレイ８が配置されている。
【００９３】
なお、本実施の形態に係る光学装置１００ｃは、複数の第１回折格子に対応する位置に配置される複数の反射部材１４と、複数の第２回折格子に対応する位置に配置される複数の反射部材２４を有する。
【００９４】
本実施の形態に係る光学装置１００ｃは、以上のように複数の半導体発光素子１を備えることで、さらに高出力化できる。
【００９５】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、主に、半導体発光素子の構成において、実施の形態２に係る光学装置１００ａと相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態２に係る光学装置１００ａとの相違点を中心に図６を用いて説明する。
【００９６】
図６は、本実施の形態に係る光学装置１００ｄの構成を示す概略図である。図６に示されるように、光学装置１００ｄは、導波路５０と、複数の半導体発光素子１Ｌ、１Ｃ及び１Ｒとを備える。本実施の形態では、光学装置１００ｄは、複数のマイクロレンズ７Ｌ、７Ｃ及び７Ｒ、並びに、複数のマイクロレンズ８Ｌ、８Ｃ及び８Ｒをさらに備える。
【００９７】
複数の半導体発光素子１Ｌ、１Ｃ及び１Ｒは、光波を増幅する増幅器の一態様である。複数の半導体発光素子１Ｌ、１Ｃ及び１Ｒの各々は、増幅部の個数が一つである点において、実施の形態１の半導体発光素子１と相違し、他の点において一致する。
【００９８】
マイクロレンズ７Ｌ、７Ｃ及び７Ｒは、それぞれ、半導体発光素子１Ｌ、１Ｃ及び１Ｒと、第１回折格子５１Ｌ、５１Ｃ及び５１Ｒとの間に配置される。マイクロレンズ８Ｌ、８Ｃ及び８Ｒは、それぞれ、半導体発光素子１Ｌ、１Ｃ及び１Ｒと、第２回折格子５２Ｌ、５２Ｃ及び５２Ｒとの間に配置される。
【００９９】
本実施の形態に係る光学装置１００ｄのような構成においても、実施の形態２に係る光学装置１００ａと同様の効果を奏する。また、光学装置１００ｄでは、例えば、増幅部又はマイクロレンズが故障した場合、その増幅部を含む一つの半導体発光素子、又は、そのマイクロレンズのみを交換するだけでよいため、実施の形態２に係る光学装置１００ｂのように、三つの増幅部及び三つのマイクロレンズがそれぞれ一体化されている場合より維持費を低減できる。
【０１００】
（実施の形態６）
実施の形態６に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、主に、導波路の二つの端面から出射光を出射する点において、実施の形態２に係る光学装置１００ａと相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態２に係る光学装置１００ａとの相違点を中心に図７を用いて説明する。
【０１０１】
図７は、本実施の形態に係る光学装置１００ｅの構成を示す概略図である。図７に示されるように、本実施の形態に係る光学装置１００ｅは、導波路５０ｅと、半導体発光素子１と、レンズ７１とを備える。
【０１０２】
導波路５０ｅは、端面５３及び５４を有し、両方の端面５３及び５４から出射光が出射される。本実施の形態では、端面５４は、端面５３と隣り合う位置に配置され、両方の端面５３及び５４からの出射光が、レンズ７１によって集光される。
【０１０３】
なお、図７には、示されていないが、光学装置１００ｅは、実施の形態２に係る光学装置１００ａなどと同様にマイクロレンズアレイ７及び８を備えてもよい。
【０１０４】
以下、本実施の形態に係る光学装置１００ｅの効果について、実施の形態２に係る光学装置１００ａと比較しながら説明する。
【０１０５】
実施の形態２に係る光学装置１００ａでは、導波路５０の高反射膜５８に近い領域ほど、光密度が弱まる。このため、導波路５０内で光密度が不均一になり、ホールバーニングの影響によってモードが不安定となるおそれがある。一方、本実施の形態では、導波路５０ｅの両方の端面から出射光を出射するため、導波路５０ｅ内における光密度の均一性を高めることができる。したがって、本実施の形態に係る光学装置１００ｅによれば、モードの安定性を向上させることができる。
【０１０６】
なお、図７では、レンズ７１を用いる構成が示されているが、導波路５０ｅの両方の端面から出射光を出射する構成は、出射光の利用態様などに応じて適宜変形し得る。例えば、出射光を集光する必要がない場合には、光学装置１００ｅは、レンズ７１を備えなくてもよい。また、本実施の形態に係る光学装置は、さらに他の変形が可能である。以下、本実施の形態の変形例に係る光学装置について図８及び図９を用いて説明する。
【０１０７】
図８及び図９は、本実施の形態の変形例１及び変形例２に係る光学装置の構成を示す概略図である。
【０１０８】
図８に示されるように、変形例１に係る光学装置１００ｆは、導波路５０ｆと、半導体発光素子１とを備える。
【０１０９】
図８に示される変形例１に係る導波路５０ｆは、導波路５０ｆの端面５３と第１回折格子５１Ｌ、５１Ｃ及び５１Ｒとの間に第３回折格子５５を有する点において、実施の形態６に係る導波路５０ｅと相違し、その他の点において一致する。図８に示されるように、第３回折格子５５を端面５４に対向する位置に配置することにより、端面５４から出射した出射光を導波路５０ｆに結合させることができる。このように導波路５０ｆに結合された出射光の一部が端面５３から出射される。
【０１１０】
以上のように、変形例１に係る光学装置１００ｆによれば、光学装置１００ｅと同様に、モードの安定性を高めることができる。また、光学装置１００ｆでは、出射光を端面５３だけから一本のレーザビームとして取り出すことができるため、光学装置１００ｅより容易に出射光を利用できる。
【０１１１】
図９に示されるように、変形例２に係る光学装置１００ｇは、導波路５０ｅと、半導体発光素子１と、偏光ビームスプリッタ７２と、λ／２板７３とを備える。変形例２に係る光学装置１００ｇの半導体発光素子１から出射される光波及び導波路５０ｅを伝播する光波の偏光方向は、一方向に選択され得る。このため、導波路５０ｅの端面５４から出射される出射光の偏光方向をλ／２板７３によって、９０度回転させることによって、偏光ビームスプリッタ７２を用いて、端面５３から出射される出射光と、λ／２板７３を透過した出射光とを結合させることができる。
【０１１２】
以上のように変形例２に係る光学装置１００ｇによれば、光学装置１００ｅと同様に、モードの安定性を高めることができる。また光学装置１００ｇによれば、出射光を偏光ビームスプリッタ７２からの一本のレーザビームとして取り出すことができる。
【０１１３】
（実施の形態７）
実施の形態７に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、主に、複数の波長のレーザ光を合波して出力する点において、実施の形態２に係る光学装置１００ａと相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態２に係る光学装置１００ａとの相違点を中心に図１０を用いて説明する。
【０１１４】
図１０は、本実施の形態に係る光学装置１００ｅの構成を示す概略図である。図１０に示されるように、本実施の形態に係る光学装置２００は、導波路２５０ａ、２５０ｂ及び２５０ｃと、半導体発光素子２０１ａ、２０１ｂ及び２０１ｃと、回折格子６４と、レンズ６５と、光ファイバ６６とを備える。
【０１１５】
半導体発光素子２０１ａ、２０１ｂ及び２０１ｃは、実施の形態２に係る半導体発光素子１と同様の半導体発光素子である。半導体発光素子２０１ａ、２０１ｂ及び２０１ｃは、それぞれ、波長λ１、λ２及びλ３の光波を増幅する。
【０１１６】
導波路２５０ａ、２５０ｂ及び２５０ｃは、実施の形態２に係る導波路５０と同様の導波路である。導波路２５０ａは、波長λ１の光に対して上記式１を満たす周期Λを有する第１回折格子及び第２回折格子を有し、波長λ１の光に対して反射率が高い高反射膜２５８ａを有する。導波路２５０ｂは、波長λ２の光に対して上記式１を満たす周期Λを有する第１回折格子及び第２回折格子を有し、波長λ２の光に対して反射率が高い高反射膜２５８ｂを有する。導波路２５０ｃは、波長λ３の光に対して上記式１を満たす周期Λを有する第１回折格子及び第２回折格子を有し、波長λ３の光に対して反射率が高い高反射膜２５８ｃを有する。
【０１１７】
以上のような構成により、導波路２５０ａ、２５０ｂ及び２５０ｃの各端面２５３ａ、２５３ｂ及び２５３ｃから、それぞれ波長λ１、λ２及びλ３の出射光を出射できる。これらの波長λ１、λ２及びλ３の出射光は、ミラーなどの光学系によって回折格子６４に入射されることによって、波長合成される。この波長合成によって一本のレーザビームを生成することで、レーザビームの伝播時及び使用時におけるビーム品質の劣化を抑制できる。
【０１１８】
また、回折格子６４によって一本のレーザビームとなった出射光は、レンズ６５によって集光されて光ファイバ６６に入射される。これにより、光ファイバ６６を用いて、出射光を容易にハンドリングできる。
【０１１９】
また、レーザ加工においては、複数の波長帯域を有するレーザ光が求められる場合がある。レーザ加工の一例として、Ａｌ及びＣｕを含む金属材料の加工について説明する。Ａｌは８００ｎｍ帯の光をよく吸収するが、Ｃｕは４００ｎｍ帯の光をよく吸収する。このような場合、本実施の形態に係る光学装置２００から、８００ｎｍ帯のレーザ光と、４００ｎｍ帯のレーザ光とを含む出射光を出射させることで、Ａｌ及びＣｕの両方を効率よく加工できる加工装置用の光源を実現できる。
【０１２０】
以上のように、本実施の形態に係る光学装置２００によれば、出射光に含まれる複数の波長のレーザ光を同一光軸上に集めることができるため、様々な材料を加工することが可能なレーザ光を生成できる。
【０１２１】
（実施の形態８）
実施の形態８に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、各回折格子の結合強度が異なる点において、実施の形態２に係る光学装置１００ａと相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、図２、図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて説明する。
【０１２２】
本実施の形態に係る光学装置は、図２に示される光学装置１００ａと同様の構成要素からなる。図２に示される各回折格子における光強度について図１１Ａを用いて説明する。図１１Ａは、本実施の形態に係る光学装置の各回折格子における光強度の概要を示すグラフである。図１１Ａに示される例では、出射光が出射される導波路５０の端部側（最終出力側）に近づくほど光強度が高くなる。ここで、すべての回折格子の結合強度を同一とする場合について検討する。結合強度とは、回折格子に入射される導波モード光のうち放射モード光に（又はその逆に）変換される部分の割合を示すものである。放射モード光の強さはほぼ結合強度に比例するから、例えば、増幅部２Ｌに入射される光波のうち、第１回折格子５１Ｌから放射された光波と、第２回折格子５２Ｌから放射された光波とでは、強度が大幅に異なる。このため、増幅部２Ｌにおける光強度分布が極度に非対称になり、発振が不安定になりやすい。
【０１２３】
本実施の形態では、各回折格子における結合強度を調整する。本実施の形態に係る各回折格子の結合強度について図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ｂは、本実施の形態に係る各回折格子の屈折率差（グラフ（ａ））と結合強度（グラフ（ｂ））とを示すグラフである。
【０１２４】
図１１Ｂのグラフ（ａ）に示されるように、本実施の形態では、最終出力側に近づくほど、回折格子の屈折率差が小さくなるように各回折格子を形成する。ここで、屈折率差とは、回折格子を形成する周期的な屈折率分布における最大屈折率と最小屈折率との差である。例えば、ＦＢＧからなる回折格子を紫外線照射によって形成する場合、紫外線照射量を調整することによって、各回折格子の屈折率差を調整する。ここで、屈折率差が大きくなるにしたがって、結合強度が大きくなるため、図１１Ｂのグラフ（ｂ）に示されるように最終出力側に近づくほど回折格子の結合強度が低くなる。これにより、増幅部２Ｌの第１回折格子５１Ｌからの光波の強度を弱めることができるため、増幅部２Ｌにおける発振の不安定性を低減できる。また、他の増幅部においても同様に、各回折格子の結合強度を調整することによって、発振の不安定性を低減できる。
【０１２５】
なお、各回折格子における結合強度の関係は、図１１Ｂに示される関係に限定されず、各増幅部における発振を安定化させるために適宜調整されてよい。また、結合強度の調整方法は、屈折率差の調整に限定されない。例えば、各回折格子の導波方向における屈折率分布を互いに異ならせてもよい。導波方向における屈折率分布は、矩形波状、正弦波状、鋸波状などに変化させてもよい。また、各回折格子の導波方向と交差する方向における屈折率分布を互いに異ならせてもよい。また、各回折格子の周期Λを、上記式１からずらすことで、結合強度を調整してもよい。これらの方法によっても、各回折格子における結合強度を所望の強度に調整できる。
【０１２６】
（その他の変形例など）
以上、本開示に係る光学装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【０１２７】
例えば、光学装置が備える増幅器は、レーザ素子であってもよい。つまり、上記各実施の形態及び変形例では、増幅器の両端面に低反射率誘電体多層膜が形成されているが、増幅器の両端面に低反射率誘電体多層膜が形成されていなくてもよい。例えば、増幅器の両端面に高反射率誘電体多層膜が形成されていてもよい。この場合、増幅器の両端面で構成される共振器と、帰還ループからなる共振器との複合共振器が形成される。
【０１２８】
また、上記各実施の形態及び変形例では、増幅器を形成する材料、及び、積層構造として特定の構成だけを例示したが、増幅器を形成する材料などは上記各実施の形態及び変形例で示した例に限定されない。例えば、増幅器において、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＩｎＧａＰ系、ＧａＳｂ系の材料を用いる構成、量子カスケードレーザなども適用できる。
【０１２９】
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【０１３０】
例えば、実施の形態３〜８においては、実施の形態２に係る光学装置１００ａの構成をベースとしたが、実施の形態１に係る光学装置１００の構成をベースとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本開示の光学装置は、例えば、高出力、かつ、高効率なレーザ光源としてレーザ加工などに適用できる。
【符号の説明】
【０１３２】
１、１Ｃ、１Ｌ、１Ｒ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ  半導体発光素子
２Ｃ、２Ｌ、２Ｒ  増幅部
３、４  低反射率誘電体多層膜
３ａ  第１入出射面
４ａ  第２入出射面
５Ｃ、５Ｌ、５Ｒ、６Ｃ、６Ｌ、６Ｒ、１６Ｃ、１６Ｌ、１６Ｒ、１７Ｃ、１７Ｌ、１７Ｒ、３３  光波
７、８  マイクロレンズアレイ
７Ｃ、７Ｌ、７Ｒ、８Ｃ、８Ｌ、８Ｒ  マイクロレンズ
１０  第１導波路
１１、１３、２１、２３  クラッド
１２、２２  コア
１４、２４  反射部材
１５Ｃ、１５Ｌ、１５Ｒ、５１Ｃ、５１Ｌ、５１Ｒ、５１Ｃ１、５１Ｌ１、５１Ｒ１、５１Ｃ２、５１Ｌ２、５１Ｒ２、５１Ｃ３、５１Ｌ３、５１Ｒ３  第１回折格子
１８、１９、２９  低反射膜
２０  第２導波路
２５Ｃ、２５Ｌ、２５Ｒ、５２Ｃ、５２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｃ１、５２Ｌ１、５２Ｒ１、５２Ｃ２、５２Ｌ２、５２Ｒ２、５２Ｃ３、５２Ｌ３、５２Ｒ３  第２回折格子
２８、５８、２５８ａ、２５８ｂ、２５８ｃ  高反射膜
３１、３２  放物鏡
４０  出射光
４１、６５、７１  レンズ
４２、６６  光ファイバ
５０、５０ｃ、５０ｅ、５０ｆ、２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ  導波路
５３、５４、２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ  端面
５５  第３回折格子
６０  Ｑスイッチ
６１  駆動回路
６４  回折格子
７２  偏光ビームスプリッタ
７３  λ／２板
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、２００  光学装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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