(57)【要約】【課題】光量の減衰を低減し、光のビーム品質を良好にすることができるレーザ光集光装置を提供する。【解決手段】半導体レーザバー１０、光入射部の各々が基板１２Ａの１つの辺に沿って配列され、かつ光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように基板上に形成されると共に、各々が途中に分岐路を有さない１本の光導波路で構成した複数の光導波路１２Ｂを備えた光合波回路１２、及び光合波回路の厚み方向に重なるように形成された光出射部に光結合された光ファイバ１４から構成されている。【選択図】        図１
2006317628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
光入射部の各々が基板の１つの辺に沿って配列され、かつ光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように前記基板上に形成されると共に、各々が途中に分岐路を有さない１本の光導波路で構成された複数の光導波路と、
を含む光合波回路。
【請求項２】
前記光導波路をコア部をクラッド層で挟んで形成した請求項１記載の光合波回路。
【請求項３】
前記基板をガラスで構成し、前記コア部の１つを基板上に直接形成した請求項２記載の光合波回路。
【請求項４】
前記光導波路の側面の形状を伝搬する光の臨界角を越えない形状に形成した請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の光合波回路。
【請求項５】
前記光入射部の各々が前記基板の表面に対して傾斜した方向に配列され、前記光出射部の各々が基板の表面に対して略垂直となる方向に配列された請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の光合波回路。
【請求項６】
前記光出射部の各々から同一の方向に光が出射されるように前記光出射部の各々が基板の表面に対して略垂直となる方向に配列された請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の光合波回路。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の光合波回路と、
コア部が前記光合波回路の前記光出射部に対向するように配置された単一の光ファイバと、
を含むレーザ光集光装置。
【請求項８】
半導体レーザバーと、
前記光入射部の各々が前記半導体レーザバーのレーザ光出射部に対向するように配置された請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の光合波回路と、
コア部が前記光合波回路の前記光出射部に対向するように配置された単一の光ファイバと、
を含むレーザ光集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光合波回路及びレーザ光集光装置にかかり、特に、半導体レーザバーから出射されるレーザ光を合波する場合に好適な光合波回路、及び半導体レーザバーから出射されるレーザ光を集光するレーザ光集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光の集光装置として、半導体レーザバーからの出射光を、半導体レーザバーと平行に配置されたロッドレンズを介して、各々の集光点に対応するように設けた複数本の光ファイバに結合し、これら全ての光ファイバを終端でバンドルする集光装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の技術では、複数の光ファイバを用いているため、複数の光ファイバの入射端の位置が正確に規定されておらず、半導体レーザバーのレーザ光出射部と光ファイバとの光軸を正確に位置合わせすることは、極めて困難である。
【０００４】
また、半導体レーザバーのレーザ光出射部の個数が多くなるほど光ファイバの本数が多くなるため光ファイのバンドル部の径が大きくなり、レーザ光の強度密度を高めることができない、という問題点がある。
【０００５】
また、複数のレーザ光出射部を有する半導体レーザバーと、半導体レーザバーのレーザ光出射部と同数の入力ポートを有し、かつ他方の端面に一つの出力ポートを有するＹ分岐光導波路が基板に形成された光分岐器とを用いた半導体レーザー集光装置も提案されている（特許文献２）。
【０００６】
特許文献２のレーザ集光装置では、基板に形成された導波路を用いているため、特許文献１の問題点を解決することができる。
【特許文献１】特開平５−９３８２８号公報
【特許文献２】特開平７−１６８０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の技術では、Ｙ分岐導波路を用いているため、光導波路パターン内に必ず合流部（Ｙ分岐部）が存在することになり、この合流部を伝搬する度に光は放射し、徐々に光量が減衰する、という問題点が生じる。すなわち、２つの導波路を１つに合流させるＹ分岐部分では、光導波路はテーパ形状となり、光は全反射しながら光導波路を伝搬するが、光がテーパ部で反射されるたびに反射角が大きくなり、最終的には入射角が臨界角を超えて導波路外に放射されてしまう。
【０００８】
また、特許文献２の光導波路では、出力ポートから出射されるレーザ光のビーム品質が悪く、そのため出射光を小さく絞ることが困難になる。このビーム品質が悪い原因は、出力ポートのアスペクト比が非常に大きいことによるものである。アスペクト比が大きくなる理由としては、半導体レーザバーは、高出力発振するという特徴から、通常その出射部のアスペクト比は大きくなっている。従って、そのようなレーザバーと光導波路とを光学的に効率よく結合させるためには、光導波路もアスペクト比の大きい断面形状とする必要があり、出力ポートもアスペクト比の大きい断面形状とする必要があるためである。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、光量の減衰を低減し、かつ光のビーム品質を良好にすることができる光合波回路及びレーザ光集光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】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、基板と、光入射部の各々が基板の１つの辺に沿って配列され、かつ光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように前記基板上に形成されると共に、各々が途中に分岐路を有さない１本の光導波路で構成された複数の光導波路と、を含んで構成されている。
【００１１】
本発明では、光入射部の各々を基板の１つの辺に沿って配列する場合に、基板の表面に対して傾斜した方向に配列することができ、また光出射部の各々を基板の厚み方向に重ねる場合、光出射部の各々を基板の表面に対して略垂直となる方向に配列することができる。
また、光出射部の各々から同一の方向に光が出射されるように光出射部の各々を基板の表面に対して略垂直となる方向に配列することができる。
【００１２】
本発明の光導波路の各々は、途中に分岐路を有さない１本の光導波路で構成されているため、光導波路を伝搬する光が分岐路で臨界角を超えて光導波路外に放射することがなく、光量の減衰を低減することができる。
【００１３】
また、光導波路の光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように基板上に形成されているので、光導波路の各々のアスペクト比が大きくなっても光出射部のアスペクト比は大きくならず、これにより光のビーム品質を良好にすることができる。
【００１４】
本発明の光導波路は、コア部をクラッド層で挟んで形成することができ、基板をガラスで構成する場合には、コア部の１つを基板上に直接形成することができる。
【００１５】
また、光導波路の側面の形状は、伝搬する光の臨界角を越えない形状に形成するのがより好ましい。
【００１６】
単一の光ファイバのコア部を、上記の光合波回路の光出射部に対向するように配置することにより、例えば半導体レーザバーから出射されかつ光合波回路で合波されたレーザ光を目的の部位まで伝送するレーザ光集光装置として構成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明によれば、光導波路の各々が、途中に分岐路を有さない１本の光導波路で構成されると共に、光導波路の光出射部の各々が基板の厚み方向に重なるように基板上に形成されているので、光量の減衰を低減し、かつ光のビーム品質を良好にすることができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の光合成回路を用いてレーザ光を一点に集光するレーザ集光装置に本発明を適用し実施の形態について説明する。
【００１９】
本実施の形態のレーザ集光装置は、図１に示すように、複数（図では５個）のレーザ出射部１０Ａを有する半導体レーザバー１０と、入射部がレーザ出射部と同数（図では５個）で、出射部が基板の厚み方向に重なるように積層された複数の光導波路を有する光合波回路１２と、光合波回路１２の出射部を包括するようなコア径を有する一本の光ファイバ１４から構成されている。
【００２０】
半導体レーザバー１０の複数のレーザ光出射部１０Ａは、図１及び図５に示すように、一直線上に配列させて形成されており、各々同一方向に向けてレーザ光を出射する。この半導体レーザバー１０は、フォトプロセスにより製造されるため、レーザ光出射部の位置は正確に規定される。
【００２１】
光合波回路１２は、図２に示すように、ガラス基板等で形成された１枚の基板１２Ａと、レーザバーのレーザ光出射部の個数と同数（図では５個）の層状のコア部１２Ｂを、クラッド層１２Ｃで挟んで基板１２Ａ上に積層して構成された光導波路とにより構成されている。各光導波路のレーザ光入射部は、基板の厚み方向にはクラッド層１２Ｃの厚みｄｃ分だけ離間し、かつ幅方向には所定間隔Ｄ隔てて配列されている。また、中央の光導波路を除く各光導波路は、レーザ光入射部からレーザ光入射部にかけて、中央の光導波路に対して対称に屈曲するように形成されており、各光導波路のレーザ光入射部は基板の１つの辺に沿って基板の表面に対して傾斜した方向に配列されており、光導波路のレーザ光出射部の各々は基板の厚み方向にクラッド層１２Ｃを挟んで積層され、基板の表面に対して略垂直となる方向に配列されている。
【００２２】
したがって、各々のコア部１２Ｂの位置関係は、レーザ光入射部では半導体レーザバーのレーザ光出射部と同じ位置に位置し、出射部では上下に重なるように位置している。また、各々のコア部のパターンは、入射部から出射部まで途中に分岐部が存在しない単純な１本の形状に形成されている。したがって、各光導波路は隣接する光導波路間でレーザ光が伝搬しないように各々独立して形成されている。このようなパターンとすることで、従来のような１層で作製するＹ分岐形状や熊手型形状等の光導波路で構成された合波パターンによって生じる光損失をほとんどゼロにすることができる。
【００２３】
本実施の形態では、中央部の光導波路は直線状に形成され、最も外側の光導波路の各々は、入射部から出射部にかけて曲率半径Ｒ（例えば、１０ｍｍ）の円弧状光導波路を曲率中心が光導波路を挟んで逆側になるように連結して構成されている。また、中央部の光導波路と最も外側の光導波路との間に位置する光導波路の各々は、曲率半径Ｒが最も外側の光導波路の曲率半径より大きくなるように形成されている。光導波路の形状、すなわちパターンを上記のような曲率半径で形成することにより、光導波路中を伝搬するレーザ光の入射角が臨界角を越えないようにすることができる。
【００２４】
また、各光導波路の断面寸法は、半導体レーザバーのレーザ光出射部１０Ａの面積よりもわずかに大きく形成することにより、レーザ光との高効率な結合が容易になるようにしている。例えば、光導波路の入射部の形状を幅１１０μｍ、高さ１０μｍの矩形状とすることで、半導体レーザバーから出射されたレーザ光を効率よく光合波回路に入射させることができる。
【００２５】
このような光合波回路は、図４に示す工程順で作製することができる。ここでは基板としてガラス基板を用いた場合を例に説明する。１枚のガラス基板上にコア層を形成し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより導波路の形状にパターン化することで所定パターンの最も外側の一方のコア部１２Ｂを形成する。次に、コア部１２Ｂよりも屈折率の小さいクラッド層１２Ｂをコア部及びガラス基板１２Ａを覆うように形成する。次に、このクラッド層の上にコア層を形成し、コア層を導波路の形状にパターン化することで最も外側の一方のコア部に隣接するコア部を形成する。
【００２６】
このコア部１２Ｂを形成した後その上にクラッド層１２Ｃを形成する工程を、半導体レーザバーのレーザ光出射部の個数に相当する回数だけ繰り返し行なうことで、半導体レーザバーのレーザ光出射部の個数に相当する個数の光導波路が作製される。この場合、最も外側の一方のコア部から最も外側の他方のコア部まで順に高さが高くなるようにコア部が形成され、コア部の各々は一直線状に配列されることになる。
【００２７】
ここでガラス基板を用いた理由は、作成工程の最初にコア層形成してコア部を作製すればよいからである。ガラス基板以外にも、Ｓｉ、ポリイミド、またはＰＭＭＡ等の高分子材料からなる基板も使用可能であるが、使用するコア層の屈折率よりも大きい基板や、透明でない基板を用いる場合には、クラッド層を最初に作製した後その上にコア部を作成する必要がある。
【００２８】
コア部やクラッド層は、ＰＭＭＡやポリイミド等の高分子や、ガラス等様々な材料のものが使用可能であるが、作製が容易なことから高分子材料が適している。コア層及びクラッド層の作製方法としては、スピンコーティング法やディップコーティング法等を使用することができる。またガラス材料を用いる場合には、火炎体積法やスパッタ法、イオン交換法等でコア層及びクラッド層を作製することができる。
【００２９】
上記のようにして作製された光合波回路１２は、フォトプロセスにより作成されるため、レーザ光入射部の位置は正確に規定される。この光合波回路１２は、半導体レーザバーと光学的に接続されるが、光合波回路入射部のコア部の位置は、半導体レーザバーのレーザ光出射部と同じ間隔Ｄであるが、高さが徐々に異なっている。したがって、接続に際しては、図５に示すように光合波回路または半導体レーザバーのどちらかをθｃだけ傾けて配置することにより光軸を一致させる必要がある。
【００３０】
本実施の形態において、入射効率が損なわれないことを具体的数値によって説明する。一般的な半導体レーザバーは、幅０．１ｍｍ、高さ１μｍのレーザ光出射部（発光部）が１００μｍ間隔で複数個（例えば、５個）配列されて構成されている。このような半導体レーザバーに対して最も高効率な光合波回路としては、幅１１０μｍ、高さ１０μｍの断面寸法を有するコア部が、厚み５μｍのクラッド層を挟んで、半導体レーザバーと同数積層されたものである。これらを光学的に接続させるため、半導体レーザバーのレーザ光出射部とコア部とが重なるようにどちらか一方をθｃだけ傾ける。ここでは光合波回路を傾ける場合を例に説明すると、この場合の角度θｃは下記の（１）式で表される。
【００３１】
【数１】
2006317628.tif 000003
【００３２】
ここで、ｄｏはコア部の厚み、ｄｃはクラッド層の厚み、Ｄはコア部の間隔であり、Ｄはレーザバーのレーザ光出射部の間隔と同じである。この例では、θｃは、約４．３ｄｅｇとなる。このとき半導体レーザバーと光合波回路の結合損失は、半導体レーザバーのレーザ光出射部の断面が光合波回路コア部断面から外れた時に生じ、結合損失が生じ始める角度θlossは下記の（２）式で求められる。
【００３３】
【数２】
2006317628.tif 000004
【００３４】
ただし、ｈは半導体レーザバーのレーザ光出射部の厚み、Ｗｅは半導体レーザバーのレーザ光出射部の幅である。
【００３５】
結合損失が生じ始める角度θlossは、上記の例においては５．１ｄｅｇとなり、コア部が４．３ｄｅｇ傾いたとしても、コア部断面は発光部断面を完全に包括しているため、レーザ光出射部から出射されるレーザ光を全て受光することができる。
【００３６】
光ファイバ１４は、光合波回路１２の出射部に積層されたコア積層部を全て包括するような直径のコア部を有するものを用いることで、出射されるレーザ光を全て受光することができ、また光ファイバ出射部までほとんど損失することなくレーザ光を伝送することができる。このような光ファイバとしては、一般的なＳｉＯ2やプラスチック等で構成されて光ファイバが使用可能である。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、光合波回路の導波路パターンが、合流部の全く無い１本の単純なパターンによって構成されているため。光導波路の途中でレーザ光が光導波路外に出射されることがなく、複数のレーザ光を低損失で集光することができる。
【００３８】
また、光合波回路の出射部ではコア部が積層されてコア積層部が形成されているので、アスペクト比が小さくなり、集光後の光ビーム品質を高くすることができる。
【００３９】
本実施の形態において、レーザ光出射部の各々を基板の表面に対して略垂直となる方向に配列する場合には、レーザ光出射部の各々から同一の方向に光が出射されるようにレーザ光出射部の各々を配列するのが好ましい。このように配置することにより、光ファイバの軸とレーザ光出射部の各々から出射されるレーザ光の方向とが略平行になるように光ファイバを光合波回路１２の出射部に光結合することができる。これにより、光合波回路から出射されたレーザ光が光ファイバに入射する際に、臨界角未満の角度で入射するようになり、入射レーザ光が臨界角を越えることによる光損失を抑制することができる。
【００４０】
次に本実施の形態の変形例について説明する。図６は半導体レーザバー１０から出射されるレーザ光を、光合波回路１２により効率よく入射するために、半導体レーザバー１０と光合波回路１２との間にロッドレンズ１６を配置した第１の変形例を示すものである。この変形例では、ロッドレンズ１６により、ロッドレンズの長さ方向と直交する方向にレーザ光が集光されるため、レーザ光を効率よく光合波回路の各コア部に入射することができる。
【００４１】
図７は、半導体レーザバーに代えて光ファイバアレイ２０からの出射光を光合波回路で１点に集光した第２の変形例を示すものであり、図８はｍ×ｎのＹ分岐光導波路を有する光回路２２からの出射光を光合波回路１２で１点に集光した第３の変形例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態のレーザ光集光装置の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態の光合成回路の入射部側断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の光合成回路の出射部側断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の光合成回路の作成方法を示す工程図である。
【図５】半導体レーザバーと光合成回路との光学的接続状態を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態の第１の変形例を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態の第２の変形例を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態の第３の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    半導体レーザバー
１２    光合波回路
１４    光ファイバ
【図１】
2006317628.tif 000005
【図２】
2006317628.tif 000006
【図３】
2006317628.tif 000007
【図４】
2006317628.tif 000008
【図５】
2006317628.tif 000009
【図６】
2006317628.tif 000010
【図７】
2006317628.tif 000011
【図８】
2006317628.tif 000012