(57)【要約】【課題】小型でありながら高パワーの光を出力可能なレーザモジュールを提供する。【解決手段】レーザモジュール１は、同一の平面（パッケージ１５の表面）上に二次元に配置される複数の面発光レーザ１１と、複数の面発光レーザ１１に対応してそれぞれ設けられ、一方端部の中心軸が所定の間隔で並び、かつ、一方端部が束ねられた複数の光ファイバ１２とを備える。複数の光ファイバ１２は、各々の一方端部の中心軸が、複数の面発光レーザ１１のうちの対応する面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸と重なるように配置される。【選択図】図１
2008124358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の平面上に所定の間隔で二次元に配置される複数の面発光レーザと、
前記複数の面発光レーザに対応してそれぞれ設けられ、各々の一方端部の中心軸が前記所定の間隔で並び、かつ、前記一方端部が束ねられた複数の光ファイバとを備え、
前記複数の光ファイバは、各々の前記一方端部の中心軸が、前記複数の面発光レーザのうちの対応する面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸と重なるように配置される、レーザモジュール。
【請求項２】
前記複数の面発光レーザは、前記平面上に点対称に配置される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記複数の面発光レーザは、
第１の面発光レーザと、
前記第１の面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸から前記所定の間隔だけ離れた場所に六角形状に配置される複数の第２の面発光レーザとを含む、請求項２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記レーザモジュールは、
前記複数の光ファイバに対応してそれぞれ設けられ、各々に貫通孔が形成された複数の固定部材をさらに備え、
各前記複数の光ファイバの前記一方端部は、前記貫通孔に挿入され、
前記複数の固定部材は束ねられる、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記レーザモジュールは、
前記複数の光ファイバにそれぞれ対応して複数の貫通孔が形成された固定部材をさらに備え、
各前記複数の光ファイバの前記一方端部は、前記複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔に挿入される、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記レーザモジュールは、
前記複数の光ファイバの各々の前記一方端部が挿入されるスリーブをさらに備える、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記複数の光ファイバの他方端部は、前記他方端部の中心軸の間隔が前記所定の間隔よりも狭くなるように束ねられる、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
前記複数の面発光レーザに対応してそれぞれ設けられ、前記対応する面発光レーザから発せられるレーザビームを集光する複数のレンズをさらに備える、請求項１に記載のレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザモジュールに関し、特に、複数の面発光レーザを用いることで小型でありながら高パワーの光を出力することが可能なレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から高パワーのレーザ光を発する装置が製品加工等の産業用途に利用される。たとえば紫外域のレーザビームを発生させる装置として、半導体レーザにより励起される固体レーザからの赤外光を紫外域の第３高調波に変換するレーザや、エキシマレーザ、Ａｒレーザなどが実用に供されている。
【０００３】
しかしエキシマレーザは装置が大型であることからコストやメンテナンス費用が高いという課題がある。また、赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザは波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは非常に困難になっている。また、Ａｒレーザは電気−光効率が０．００５％と非常に低い。
【０００４】
そこで複数の光源（たとえばＧａＮ系半導体レーザ）からの光を１箇所に集光して光ファイバ等に結合するという光パワー合成用光学系が従来から提案されている。このような光学系の応用分野としては、製品加工（たとえば回路基板での部品のはんだ付け）、医療関係、露光用光源等が想定される。
【０００５】
たとえば特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）は、合波レーザ光源と、この合波レーザ光源を用いた露光装置とを開示する。
【０００６】
図２７は、特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザ光源の構成を説明する図である。
【０００７】
図２７を参照して、この合波レーザ光源は、ヒートブロック１１０上に配列固定された７個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７と、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に対応してそれぞれ設けられたコリメートレンズ１１１〜１１７と、１つの集光レンズ１２０と、１本のマルチモード光ファイバ１３０とから構成されている。半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７からそれぞれ出射したビームＢ１〜Ｂ７は、コリメートレンズ１１１〜１１７によって平行光化される。平行光とされたビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ１２０によって集光され、マルチモード光ファイバ１３０のコア１３０ａの入射端面上で収束する。
【０００８】
コア１３０ａに入射したビームＢ１〜Ｂ７は１本のビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ１３０から出射する。よってこのレーザ光源によればハイパワーのレーザビームを得ることができる。
【０００９】
図２８は、特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザ光源の別の構成を説明する図である。
【００１０】
図２８を参照して、この合波レーザ光源は、５個の半導体レーザＬＤ１１〜ＬＤ１５と、合波光学系２５０とから構成されている。半導体レーザＬＤ１１〜ＬＤ１５は円弧に沿って配置される。
【００１１】
合波光学系２５０には半導体レーザＬＤ１１〜ＬＤ１５からそれぞれ出射したビームＢ１１〜Ｂ１５を集光する集光レンズＨ１１〜Ｈ１５が設けられる。半導体レーザＬＤ１１〜ＬＤ１５の各々は、その光軸がマルチモード光ファイバ２５１のコア２５１ａの一端面上の一点を向くように配設される。集光レンズＨ１１〜Ｈ１５は、この一点上でビームＢ１１〜Ｂ１５をそれぞれ収束させるように配設されている。
【００１２】
コア２５１ａに入射したビームＢ１１〜Ｂ１５は１本のビームＢ１０に合波されてマルチモード光ファイバ２５１から出射する。なお、ビームＢ１１〜Ｂ１５の最大入射角θは、マルチモード光ファイバ２５１のＮＡ（開口数）に対応する最大受光角以内の値である。
【００１３】
また、特開２００５−１１４９７７号公報（特許文献２）に開示される光パワー合成用光学系は、特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示の合波レーザ光源に、コリメートレンズからの平行光の幅を狭くするためのアナモフィック光学素子（たとえばプリズムアレイ等）を組み合わせた構成を有する。特開２００５−１１４９７７号公報（特許文献２）に開示される光パワー合成用光学系は光路長を短くすることができるため、小型化が可能になる。
【特許文献１】特開２００２−２０２４４２号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図２７および図２８に示すような従来の光学系は、複数の光源のそれぞれに対応する複数のコリメートレンズと１つの大口径集光レンズとを備える必要がある。これらの光学系は部品点数が多いために構成が複雑となる。また、これらの光学系では複数の光源が１次元に配置されているため、光源の個数が増えるほど集光レンズの口径を大きくしなければならない。よってこれらの光学系の規模は必然的に大きくなる。
【００１５】
また、光ファイバにはＮＡ（開口数）の制限がある。ＮＡの制限がある受光器に光を効率よく結合させるには、集光レンズのＮＡを受光器のＮＡよりも小さくする必要がある。しかしながら、受光器のＮＡよりも小さいＮＡを有する集光レンズを光学系に用いた場合には、集光レンズの口径が大きくなるとともに焦点距離が長くなる。これにより光学系が大型化する。
【００１６】
さらに、集光レンズの焦点距離が長くなると、集光された光束の径も大きくなる。このため光ファイバのように受光エリアが小さい受光器に光を結合させようとすると、光束の一部が受光エリアからはみ出るという問題が生じやすい。
【００１７】
本発明の目的は、小型でありながら高パワーの光を出力可能なレーザモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は要約すれば、レーザモジュールであって、同一の平面上に所定の間隔で二次元に配置される複数の面発光レーザと、複数の面発光レーザに対応してそれぞれ設けられ、各々の一方端部の中心軸が所定の間隔で並び、かつ、一方端部が束ねられた複数の光ファイバとを備える。複数の光ファイバは、各々の一方端部の中心軸が、複数の面発光レーザのうちの対応する面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸と重なるように配置される。
【００１９】
複数の面発光レーザを同一平面上に二次元に配置することで光学系の規模が極端に大きくなるのを防ぐことができる。複数の面発光レーザの間隔と複数の光ファイバの間隔とが同じであるため、面発光レーザとその面発光レーザに対応する光ファイバとの位置合わせを容易に行なうことができる。さらに、複数の光ファイバの一方端部（レーザビームが入射する側の端部）が束ねられているため、光ファイバの一方端部の間隔が変化するのを防ぐことができる。これにより小型でありながら高パワーのレーザビームを出力可能なレーザモジュールを実現できる。
【００２０】
好ましくは、複数の面発光レーザは、平面上に点対称に配置される。これにより複数の光ファイバもレーザビームが入射する側の端面が点対称に配置される。このため面発光レーザの個数が多くなった場合にも、複数の面発光レーザと複数の光ファイバとの位置あわせを容易に行なうことができる。
【００２１】
より好ましくは、複数の面発光レーザは、第１の面発光レーザと、第１の面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸から所定の間隔だけ離れた場所に六角形状に配置される複数の第２の面発光レーザとを含む。これにより複数の光ファイバもいわばハニカム状に配置することができ、複数の光ファイバを密集させることができる。この結果、レーザモジュールから出力される光のパワーの密度を高めることができる。
【００２２】
好ましくは、レーザモジュールは、複数の光ファイバに対応してそれぞれ設けられ、各々に貫通孔が形成された複数の固定部材をさらに備える。各複数の光ファイバの一方端部は、貫通孔に挿入される。複数の固定部材は束ねられる。これにより光ファイバの一方端部を動かないように固定できる。
【００２３】
好ましくは、レーザモジュールは、複数の光ファイバにそれぞれ対応して複数の貫通孔が形成された固定部材をさらに備える。各複数の光ファイバの一方端部は、複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔に挿入される。これにより光ファイバの一方端部を動かないように固定できる。
【００２４】
好ましくは、レーザモジュールは、複数の光ファイバの各々の一方端部が挿入されるスリーブをさらに備える。この場合には光ファイバの実装密度を高めることができる。つまり面発光レーザを高密度に配置できる。このためレーザモジュールから出力されるレーザビームのパワーを高めることができる。
【００２５】
好ましくは、複数の光ファイバの他方端部は、他方端部の中心軸の間隔が所定の間隔よりも狭くなるように束ねられる。これにより、レーザモジュールから出力される光を狭い範囲内に集光することができるので、たとえば微細加工等に適した高パワー密度の光を得ることができる。
【００２６】
好ましくは、レーザモジュールは、複数の面発光レーザに対応してそれぞれ設けられ、対応する面発光レーザから発せられるレーザビームを集光する複数のレンズをさらに備える。レンズによりレーザビームが集光される結果、レーザビームを光ファイバの入射端面に高い効率で結合させることができる。よってレーザモジュールから出力されるレーザビームのパワーをより高くすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のレーザモジュールによれば、小型でありながら高パワーの光を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２９】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のレーザモジュールの全体構成を示す図である。
【００３０】
図１を参照して、実施の形態１のレーザモジュール１は、たとえば製品の加工や、回路基板での部品のはんだ付け等に用いることが可能な装置である。
【００３１】
レーザモジュール１は、複数の面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL）１１と、複数の光ファイバ１２と、パッケージ１５と、複数のフェルール２０と、スリーブ２１，２２とを備える。
【００３２】
複数の面発光レーザ１１はパッケージ１５の表面に所定の間隔で二次元状に配置される。複数の面発光レーザ１１は複数のレーザビームをそれぞれ発する。複数の光ファイバ１２は複数の面発光レーザ１１に対応してそれぞれ設けられ、対応する面発光レーザ１１から発せられるレーザビームを各々の一方端部に受ける。光ファイバ１２の一方端部の間隔は面発光レーザ１１の間隔（すなわち所定の間隔）に等しい。
【００３３】
光ファイバ１２の一方端部はフェルール２０の貫通孔に挿入される。フェルールとは、光コネクタ内で光ファイバを保持するために用いられる部品である。フェルールはいわば円筒形状を有し、その中心軸の位置に貫通孔が形成される。貫通孔に光ファイバの一方端部を通すことにより光ファイバの一方端部の位置が固定される。光コネクタの場合には光ファイバが挿入された２本のフェルールを用意し、パイプ形状のスリーブの中で２本のフェルールを突き合わせる。これにより光コネクタ内では２本の光ファイバが接続される。
【００３４】
図２は、図１に示すレーザモジュール１のうち、面発光レーザ１１と、光ファイバ１２と、フェルール２０とを含む部分の構成を説明する図である。
【００３５】
図２および図１を参照して、パッケージ１５の表面は平面状に形成されている。複数の面発光レーザ１１はパッケージ１５の表面に二次元状に配置される。
【００３６】
たとえば図２８に示す光学系では複数の半導体レーザは１次元状に配置される。このため半導体レーザの個数が増えるにつれて光学系の規模が極端に大きくなりやすい。しかし本実施の形態によれば複数の面発光レーザ１１が同一平面上に二次元に配置されるため、面発光レーザ１１の個数を増やしても光学系の規模が極端に大きくなるのを防ぐことができる。
【００３７】
複数の光ファイバ１２は複数の面発光レーザ１１に対応してそれぞれ設けられる。複数の面発光レーザ１１の各々はレーザビームＬＢを発する。複数の光ファイバ１２の各々は対応するレーザビームＬＢを受ける。図２７および図２８等に示す従来の光学系と異なり、本実施の形態ではレンズ等の光学系を用いずにレ−ザビームを光ファイバ１２に直接結合させる。
【００３８】
複数のフェルール２０は、接着剤によって互いに接着され、さらにスリーブ２２に詰め込まれる。これにより複数のフェルール２０は動かないよう固定される。このためスリーブ２２内で光ファイバの一方端部の位置がずれるのを防ぐことができる。
【００３９】
なお、構成単位Ａは、面発光レーザ１１と、光ファイバ１２とを含む。構成単位Ａは面発光レーザ１１と、その面発光レーザに対応する光ファイバ１２との配置を後で詳細に説明するために図２に示したものである。
【００４０】
図１に戻り、複数の光ファイバ１２においてレーザビームを出射する側の端部（他方端部）はスリーブ２１によって束ねられる。
【００４１】
図３は、図１のスリーブ２１の内部を示す図である。
図３および図１を参照して、スリーブ２１の内部では、複数の光ファイバ１２はできるだけ隙間がないようにいわばハニカム状に並べられている。図３と図１とを比較すれば分かるように、光ファイバの他方端部の間隔は、光ファイバの一方端部の間隔よりも狭い。これによりレーザモジュール１から出力される複数のレ−ザビ−ムを非常に狭い範囲内（たとえば直径数百μｍ程度の円内）に集光できる。
【００４２】
光ファイバの途中の部分（一方端部および他方端部を除く残りの部分）の長さはたとえば数十ｃｍである。たとえばスパイラルチュ−ブ等でこの部分を束ねることにより複数の光ファイバをまとめてもよい。
【００４３】
図４は、図２に示す構成単位Ａを拡大して示す図である。
図４を参照して、面発光レーザ１１は、レーザビームＬＢを発する発光面１１Ｅを有する。光ファイバ１２は、コア１２１と、コア１２１の周囲に設けられるクラッド１２２とを含む。
【００４４】
軸Ｊは光ファイバ１２の中心軸（別の言い方をすればコア１２１の中心軸）を示す。軸ＪがレーザビームＬＢの光軸に重なるように、面発光レーザ１１に対する光ファイバ１２の配置が決定される。このように光ファイバ１２を配置することによって光ファイバ１２の一方端部におけるレーザビームＬＢの結合効率を高めることが可能になる。
【００４５】
なお、光ファイバ１２は「コアの直径が大きい」光ファイバである。具体的に説明すると、たとえばクラッド１２２の直径Ｄ２（言い換えれば光ファイバ１２の直径）に対するコア１２１の直径Ｄ１の割合は約９０％以上となるように設定される。
【００４６】
コア径が大きいファイバとしては、いわゆる「マルチモード光ファイバ」（複数のモードの光を伝播可能な光ファイバ）が知られている。マルチモード光ファイバの場合、たとえばクラッド１２２の直径が１２５μｍであり、コアの直径が５０μｍ程度である。この例ではクラッドの直径に対するコアの直径の割合は４０％（＝５０／１２５）程度である。このことから本実施の形態に用いられる光ファイバでは、クラッドの直径に対するコア径の直径の割合が比較的大きいことが分かる。
【００４７】
コア１２１の直径が大きいほど光ファイバの端面においてコアの直径に対するレーザビームＬＢの直径の割合が小さくなる。つまりレーザビームがコア１２１の中に入りやすくなる。よって光ファイバの入射端面において効率よくレーザビームを結合させることができる。
【００４８】
さらに本実施の形態ではレーザビームを発生させる光源として面発光レーザが用いられる。これにより光ファイバの入射端面に効率よくレーザビームを結合させることができる。
【００４９】
面発光レーザとは光の共振する方向が基板面に対して垂直な半導体レーザである。よく知られているように、半導体レーザには結晶のへき開面からレーザ光を発する種類のもの（いわゆる端面発光型の半導体レーザ）が存在する。面発光レーザのほうが端面発光型半導体レーザよりも一般的にレーザビームの広がり角が小さい。なお「広がり角」とは、レーザビームのパワー密度が最大となる方向（図４では軸Ｊに沿った方向）と、レーザビームのパワー密度が最大値の１／ｅ2（ｅ：自然対数）である方向とのなす角度を意味する。
【００５０】
図４ではレーザビームＬＢの広がり角をθと示す。広がり角θが小さいほどレーザビームの指向性が強いので、光ファイバ１２の入射端面におけるレーザビームの直径が小さくなる。このため光ファイバの入射端面において効率よくレーザビームを結合させることができる。すなわち面発光レーザを光源に用いることで光ファイバの入射端面に効率よくレーザビームを結合させることができる。
【００５１】
図５は、図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
図５を参照して、複数のフェルール２０同士はできるだけ隙間が生じないように、いわばハニカム状に並べられる。各フェルール２０の中心に光ファイバが挿入されているため、光ファイバ１２は点Ｐ１を中心として正六角形を描くように配置される。より詳細に説明すると光ファイバ１２Ａの中心軸は点Ｐ１を通る。光ファイバ１２Ａの周囲には６本の光ファイバ１２Ｂが配置される。光ファイバ１２Ｂの中心軸の位置は、点Ｐ１を中心とする正六角形の各頂点の位置に対応する。
【００５２】
したがって点Ｐ１から６つの光ファイバ１２Ｂの各々までの距離はいずれも等しい。図が煩雑になるのを防ぐため、図５では６つの光ファイバ１２Ｂのうちある１つから点Ｐ１までの距離をｄと示す。
【００５３】
図６は、図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
図６を参照して、複数の面発光レーザ１１は、点Ｐ２に対して対称に配置される。具体的に説明すると、複数の面発光レーザ１１は、面発光レーザ１１Ａおよび６つの面発光レーザ１１Ｂを含む。点Ｐ２は面発光レーザ１１Ａ上に位置する。なお点Ｐ２は面発光レーザ１１Ａから発せられるレーザビームの光軸上の点である。６つの面発光レーザ１１Ｂは点Ｐ１を中心とする正六角形の各頂点の位置に配置される。したがって点Ｐ１から６つの面発光レーザ１１Ｂの各々までの距離はいずれも等しい。なおこの距離は図５に示す距離ｄに等しい。
【００５４】
このように、本実施の形態では複数の面発光レーザを点対称（より好ましくは正六角形状）に配置する。ある面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸と、その面発光レーザに対応する光ファイバの中心軸とは一致する。
【００５５】
したがって図５に示すように複数の光ファイバの端面も点対称に配置される。なおかつ複数の光ファイバの一方端部はフェルールによって動かないように固定される。これにより、複数の面発光レーザと複数の光ファイバとの位置合わせを容易に行なうことができる。
【００５６】
複数の面発光レーザと複数の光ファイバとの位置合わせの方法は、たとえば以下のとおりである。まず、光ファイバ１２Ａの中心軸が面発光レーザ１１Ａのレーザビームの光軸を通るように光ファイバ１２Ａの位置を調整する。次に６個の面発光レーザ１１Ｂのいずれか１つから発せられるレーザビームの光軸が６本の光ファイバ１２Ｂのいずれか１つの中心軸と一致するように、光ファイバ１２Ａの中心軸を中心として複数の光ファイバ１２を全体的に回転させる。
【００５７】
この調整によって、残りの光ファイバ１２Ｂ、および光ファイバ１２Ｂの周囲に配置される光ファイバの配置も同時に行なうことが可能になる。
【００５８】
なお、上述の方法による面発光レーザと光ファイバとの位置合わせを行なう場合にはフェルール自身の寸法の精度が懸念される。フェルール自身の寸法誤差が大きいと図５に示すように光ファイバ１２の端面を点対称に配置できないためである。
【００５９】
このような場合には、点Ｐ１から離れた位置にある光ファイバ１２ほど、その光ファイバ１２に対応する面発光レーザのレーザビームの光軸が光ファイバ１２の中心軸に対して大幅にずれることが予想される。その結果、レーザモジュールから出力されるレーザビームのパワーが低下することが起こり得る。
【００６０】
しかし、製品化されているフェルールにおいて、外径の誤差はたとえば１μｍ以下である。また、外径と貫通孔との同芯度（中心のずれ量）はたとえば１μｍ以下である。このようにフェルールの寸法の精度が高いため本実施の形態では複数のフェルールを点Ｐ１に対して対称に（ハニカム状に）並べることが可能になる。
【００６１】
また、パッケージ表面における面発光レーザ１１の位置が設計上の位置からずれる場合にも光ファイバ１２の端面における結合効率が低下する可能性がある。このような問題に対しては、ダイボンダを用いて面発光レーザをパッケージに実装することで対応できる。ダイボンダの実装精度はたとえば±１５μｍである。以下に説明するように、設計上の位置に対して±１５μｍ以内の精度でパッケージの表面に面発光レーザ１１を実装すれば、実用的に十分なレベルの結合効率を得ることができる。
【００６２】
（レーザモジュールの特性）
本実施の形態のレーザモジュールの特性を評価するため、図４に示す構成単位Ａにおける結合効率を光線追跡法（レーザビームを多数の光線に分割して、各光線の軌跡を追跡する方法）によるシミュレーションを実行することにより求めた。
【００６３】
図７は、光線追跡法によるシミュレーションのモデルを説明する図である。
図７を参照して、シミュレーションモデルでは光ファイバ１２のコア１２１の直径を１１２μｍに設定した。面発光レーザ１１の発光面１１ＥにおけるレーザビームＬＢの発光径を２０μｍに設定した。レーザビームＬＢの広がり角θを６度に設定した。面発光レーザ１１と光ファイバ１２との間隔を０．５ｍｍに設定した。
【００６４】
図７において、Ｘ軸方向は光ファイバ１２の直径に沿った方向である。シミュレーションを実行するに際してはＸ軸方向をある方向に設定した。またＸ軸方向に垂直な方向としてＹ軸方向を設定した。
【００６５】
図８は、図７に示すモデルを用いてレーザビームおよび光ファイバ間の距離と結合効率との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【００６６】
図８を参照して、グラフのＸ軸に示す「トレランス」とは、光ファイバの中心軸とレーザビームの光軸との間の距離（図７に示すＸ軸方向における距離）を示す。なおシミュレーションでは光ファイバの位置を固定して面発光レーザを移動させた。
【００６７】
グラフ上の複数の曲線は、光ファイバの中心軸とレーザビームの光軸とが重なった状態から図７に示すＸ軸方向に−５０〜＋５０μｍまでレーザビームの光軸を移動させ、かつ、図７に示すＹ軸方向に０〜＋４０μｍまで５μｍステップでレーザビームの光軸を移動させたときの結合効率の変化を示す。
【００６８】
図８のグラフから、光ファイバの中心軸に対するレーザビームの光軸の位置合わせ精度をＸ軸方向、Ｙ軸方向ともに±１５μｍ以内に設定すれば結合効率は８０％以上になることが分かる。結合効率は８０％以上あれば実用的に十分なレベルである。
【００６９】
この結果を用いて図１に示すレーザモジュール１の光出力は以下のように求められる。たとえば１個の面発光レーザの光出力を３５ｍＷとし、面発光レーザの個数を１９個とする。この場合にはレーザモジュール１の光出力は０．０３５×１９×０．８＝０．５３２（Ｗ）となる。
【００７０】
図９は、レーザビームの広がり角に対する結合効率の変化のシミュレーション結果を示す図である。
【００７１】
図９を参照して、グラフの曲線はレーザビームの光軸と光ファイバの中心軸とが一致している状態でレーザビームの広がり角を０度から１５度までの範囲で変化させたときの結合効率の変化を示す。曲線上の複数の点の各々はレーザビームの広がり角に対する結合効率を光線追跡法により求めた結果を示す。
【００７２】
レーザビームの広がり角が小さいほど結合効率は高くなる。たとえばレーザビームの広がり角が７度以下であれば結合効率は８０％以上となり、広がり角が４度以下であれば結合効率はほぼ１００％である。
【００７３】
（光ファイバの一方端部を固定する方法）
図１０は、複数のフェルールをスリーブ内に固定するための方法を説明する図である。
【００７４】
図１０を参照して、次の（１）から（３）までの手順に従ってスリーブ２２の中に１９本のフェルール２０が固定される。
【００７５】
（１）所定本数（３本、４本、５本）のフェルール２０を密着させて接着剤２４で固定し、フェルールの束を複数作成する。
【００７６】
（２）下から順に３本、４本、５本、４本、３本のフェル−ルの束を密着させて重ね、接着剤でこれらの束を固定する。この工程により複数の面発光レーザの配置に従って複数のフェルールが配置された状態になる。
【００７７】
（３）スリーブ２２の中にフェルール２０の束を挿入してフェルール２０を固定する。
図１１は、フェルールの中に光ファイバを固定する方法を説明する図である。
【００７８】
図１１を参照して、フェルール２０に光ファイバ１２を挿入し、接着剤２４により光ファイバ１２を固定する。なお図１１に示すように光ファイバ１２の側面が傷つかないようチューブ２６に光ファイバ１２を通した状態で光ファイバ１２をフェルール２０に挿入してもよい。
【００７９】
図１２は、複数のフェルール２０の加工処理を説明する図である。
図１２を参照して、複数のフェルールおよびファイバ端面を含む部分Ｃは研磨される。光ファイバの先端を固定するためにフェルールに接着剤を塗布すると光ファイバの先端（端面）が接着剤で塞がれる可能性がある。このため光ファイバの先端を研磨する。
【００８０】
（光ファイバの一方端を固定する他の方法について）
上述のレーザモジュール１の構成においては、光ファイバ１２の一方端部はフェルールに形成された貫通孔に挿入される。しかし、光ファイバ１２の一方端部を固定するための部材はフェルールに限定されない。
【００８１】
図１３は、複数の光ファイバの一方端部を固定する他の方法例を示す図である。
図１３を参照して、複数の光ファイバの各々の一方端部はキャピラリプレート２０Ａに設けられた複数の貫通孔にそれぞれ挿入される。フェルールと同様にキャピラリプレートは光コネクタ内で光ファイバを保持するための部材である。なお、キャピラリプレート２０Ａの材質は石英、樹脂等であるが樹脂でできたキャピラリプレートは通信用のモジュールに広く用いられている。樹脂製のキャピラリプレートを用いることでレーザモジュールのコストを低減することができる。
【００８２】
複数の光ファイバ１２の各一方端部は接着剤により固定され、一方端部の端面は研磨される。
【００８３】
図１４は、図１３に示すキャピラリプレート２０Ａの内部を示す図である。
図１５は、図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図である。
【００８４】
図１５および図１４を参照して、キャピラリプレート２０Ａの内部において、１６本の光ファイバ１２は４行４列に配置される。複数の光ファイバ１２同士の間隔はたとえば２５０μｍである。なお図１５に示されるように、キャピラリプレート２０Ａにおいて１６本の光ファイバ１２は点Ｐ１を中心にして対称に配置される。
【００８５】
図１６は、図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面図である。
図１６および図１４を参照して、面発光レーザアレイ１１Ｃは二次元に配置された複数の面発光レーザ１１を含む。なお、図１と同様にパッケージの表面に複数個のチップ状の面発光レーザ１１を実装してもよい。
【００８６】
複数の面発光レーザ１１は点Ｐ２を中心にして対称に配置される。したがって図１５に示すように１６本の光ファイバ１２も点Ｐ１に対称に配置される。
【００８７】
図１７は、複数の光ファイバの一方端部を束ねるさらに別の方法例を示す図である。
図１７を参照して、複数の光ファイバ１２はスリーブ２２に直接挿入される。
【００８８】
図１８は、図１７に示すスリーブ２２の内部を示す図である。
図１９は、図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿った断面図である。
【００８９】
図１９および図１８を参照して、スリーブ２２の内部において、複数の光ファイバ１２は点Ｐ１を中心として対称に配置される。特に図１９に示すように複数の光ファイバは点Ｐ１を中心とする正六角形の輪郭上に配置される。なお光ファイバ１２Ａの中心軸は点Ｐ１を通る。
【００９０】
図１９と図５を比較すれば分かるように、図１９に示す構成例ではフェルールがスリーブ２２の中に挿入されていないので、スリーブ２２の内径Ｄ１２は図５に示すスリーブ２２の内径Ｄ１１よりも大幅に小さくなる。
【００９１】
図２０は、図１８のＸＸ−ＸＸ線に沿った断面図である。
図２０および図１８を参照して、面発光レーザアレイ１１Ｃは二次元に配置された複数の面発光レーザ１１を含む。なお、図１と同様にパッケージの表面に複数個のチップ状の面発光レーザ１１を実装してもよい。複数の面発光レーザ１１は点Ｐ２を中心にして対称に配置される。
【００９２】
複数の光ファイバ同士の間隔が小さくなるということは複数の面発光レーザ１１の間隔が小さくなることを意味する。すなわち面発光レーザアレイ１１Ｃに高密度に面発光レーザ１１が含まれることになる。よって、図１７〜図２０に示す構成例の場合にはレーザモジュールから出力されるレーザビームのパワーをより高めることができる。
【００９３】
（光ファイバの本数の例について）
レーザモジュール１から出力されるレーザビームのパワーを大きくするためには、面発光レーザ１１の個数および光ファイバ１２の個数を増やす必要がある。その一方で複数の光ファイバの位置がずれないように複数の光ファイバ（フェルールを用いる場合には、そのフェルール）はできるだけ隙間無く配置しなければならない。このため複数の光ファイバ（あるいは複数のフェルール）はハニカム状に配置される。このため複数の光ファイバの本数および配置は以下に示すように定められる。
【００９４】
図２１は、複数の光ファイバ１２の本数および配置を表形式で説明する図である。
図２１において、複数の光ファイバ１２の本数の例（１９本、３７本、６１本、９１本、１２７本）および、その本数に対応する複数の光ファイバの配置が示される。
【００９５】
図２２は、図２１に示す本数の光ファイバを束ねた状態を示す図である。
図２２において、１９本の光ファイバを束ねた状態、３７本の光ファイバを束ねた状態、６１本の光ファイバを束ねた状態が示される。なお図２２に示す破線は図２１に示す「中央」に配置される光ファイバを示すためのものである。さらに図２２に矢印にて示す「上」、「下」の各方向は図２１における「上１段」、「下１段」等を説明するために示したものである。図２１および図２２に示すように複数の光ファイバを配置することで、複数の光ファイバの位置がずれるのを防ぎながら複数の光ファイバをいわばハニカム状に配置することが可能になる。
【００９６】
（レーザモジュールから出力されるレーザビームを変形させる方法）
図１に示すレーザモジュール１から出力される複数のレーザビームを変形させるための光学系について説明する。以下に示すようにレーザビームを変形させることにより、たとえば微細加工等に本実施の形態のレーザモジュールを利用することが可能になる。
【００９７】
図２３は、レーザビームをコリメート光に変換するための光学系を説明する図である。
図２３を参照して、図示しない複数の光ファイバがスリーブ２１によって束ねられる。以下の説明では束ねられた複数の光ファイバを「バンドルファイバ」と称する。バンドルファイバから出力されるレーザビームはコリメートレンズ３１によってコリメート光（略平行な光）に変換される。
【００９８】
図２４は、レーザビームの径を小さくするための光学系の構成を説明する図である。
図２４を参照して、図２３と同様に図示しない複数の光ファイバがスリーブ２１によって束ねられる。バンドルファイバの外径は１３２０μｍである。また、複数の光ファイバの各々の開口数ＮＡ１は０．２である。
【００９９】
バンドルファイバから出射されたレーザ光はコリメートレンズ３２と結像レンズ３３とを介してコア径が６００μｍである光ガイド３４に入射する。すなわち、図２４に示す光学系では外径１３２０μｍのバンドルファイバから出射されたレーザビームの大きさを光ガイド３４のコア径の大きさ（６００μｍ）まで縮小する。これによりレーザビームの単位面積あたりのパワーが高まるとともにシャープな（広がり角の小さい）レーザビームを得ることが可能になる。
【０１００】
なおこのときの縮小率ｍ′はｍ′＝６００／１３２０＝０．４５５である。また、光ガイド３４に要求される開口数をＮＡ２とするとｍ′≧ＮＡ１／ＮＡ２の関係にある。
【０１０１】
バンドルファイバの外径に対する光ガイドのコア径の比率（縮小率）と、バンドルファイバを構成する光ファイバの開口数（ＮＡ１）と、光ガイドの開口数（ＮＡ２）との間にはＮＡ２≧（ＮＡ１／縮小率）×ηの関係が成り立つ。ここでηは光ファイバのクラッド厚さ等によって決まる係数である。バンドルファイバから有効に出射されるレーザビームは少なくともバンドルファイバの最外周のクラッドの厚さ（あるいは断面形状等）によって変化する。実質上の縮小率をｍとするとｍ＝ｍ′／η≧（ＮＡ１／ＮＡ２）となり、ＮＡ２≧（ＮＡ１／ｍ′）ηで表される。上記の係数ηは通常１より小さく０．７より大きい。上記の例においてηが０．９の場合、ＮＡ２は０．４１となる。
【０１０２】
コリメートレンズ３２の焦点距離ｆ１は１００ｍｍであり、結像レンズ３３の焦点距離ｆ２は４５ｍｍである。これらのレンズを用いることによってバンドルファイバから出射されたレーザビームをＮＡ２＝０．４１である光ガイド３４に入射することができる。
【０１０３】
光ガイド３４の先端には結像レンズを内蔵したハンドグリップ３５が取り付けられる。この結像レンズの焦点距離を８ｍｍとすることによりスポットサイズが０．４ｍｍである高出力レーザビームが得られる。
【０１０４】
以上のように実施の形態１によれば、レーザモジュールは、同一の平面上に所定の間隔で二次元に配置される複数の面発光レーザと、複数の面発光レーザに対応してそれぞれ設けられ、各々の一方端部の中心軸が所定の間隔で並び、かつ、一方端部が束ねられた複数の光ファイバとを備える。複数の光ファイバは、各々の一方端部の中心軸が、複数の面発光レーザのうちの対応する面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸と重なるように配置される。
【０１０５】
複数の面発光レーザを同一平面上に二次元に配置することで光学系の規模が極端に大きくなるのを防ぐことができる。複数の面発光レーザの間隔と複数の光ファイバの間隔とが同じであるため、面発光レーザとその面発光レーザに対応する光ファイバとの位置合わせを容易に行なうことができる。さらに、複数の光ファイバの一方端部（レーザビームが入射する側の端部）が束ねられているため、光ファイバの一方端部の間隔が変化するのを防ぐことができる。これにより小型でありながら高パワーのレーザビームを出力可能なレーザモジュールを実現できる。
【０１０６】
また、実施の形態１によれば、複数の面発光レーザは、同一平面上に点対称に配置される。これにより複数の光ファイバもレーザビームが入射する側の端面が点対称に配置される。このため面発光レーザの個数が多くなった場合にも、複数の面発光レーザと複数の光ファイバとの位置あわせを容易に行なうことができる。
【０１０７】
また、実施の形態１によれば、複数の面発光レーザは、第１の面発光レーザと、第１の面発光レーザから発せられるレーザビームの光軸から所定の間隔だけ離れた場所に六角形状に配置される複数の第２の面発光レーザとを含む。これにより複数の光ファイバもいわばハニカム状に配置することができ、複数の光ファイバを密集させることができる。この結果、レーザモジュールから出力される光のパワーの密度を高めることができる。
【０１０８】
また、実施の形態１によれば、レーザモジュールは、複数の光ファイバに対応してそれぞれ設けられ、各々に貫通孔が形成された複数の固定部材（フェルール）をさらに備える。複数の光ファイバの各々の一方端部は、貫通孔に挿入される。複数の固定部材は束ねられる。これにより光ファイバの一方端部を動かないように固定できる。
【０１０９】
また、実施の形態１によれば、レーザモジュールは、複数の光ファイバにそれぞれ対応して複数の貫通孔が形成された固定部材（キャピラリプレート）を備える。複数の光ファイバの各々の一方端部は、複数の貫通孔のうちの対応する貫通孔に挿入される。これにより光ファイバの一方端部を動かないように固定できる。
【０１１０】
また、実施の形態１によれば、レーザモジュールは、複数の光ファイバの各々の一方端部が挿入されるスリーブを備える。この場合にはフェルールを用いた場合に比較して光ファイバの実装密度を高めることができる。つまり面発光レーザを高密度に配置できる。このためレーザモジュールから出力されるレーザビームのパワーを高めることができる。
【０１１１】
また、実施の形態１によれば、複数の光ファイバの他方端部は、他方端部の中心軸の間隔が所定の間隔よりも狭くなるように束ねられる。これにより、レーザモジュールから出力される光を狭い範囲内に集光することができるので、たとえば微細加工等に適した高パワー密度の光を得ることができる。
【０１１２】
［実施の形態２］
図２５は、実施の形態２のレーザモジュールの構成を示す図である。
【０１１３】
図２５および図１を参照して、レーザモジュール１Ａは複数の面発光レーザ１１に対応してそれぞれ設けられる複数のレンズ４１をさらに備える点でレーザモジュール１と異なる。レーザモジュール１Ａの他の部分の構成はレーザモジュール１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。
【０１１４】
図２６は、図２５に示すレンズ４１を説明する模式図である。
図２６を参照して、レンズ４１は、面発光レーザ１１の発光面に実装される。レンズ４１は、面発光レーザ１１からのレーザビームの広がり角を小さくする役割を果たす。図９に示されるように、広がり角が小さいほど結合効率を高くすることが可能になる。
【０１１５】
レンズ４１は、たとえばインクジェット技術を用いて形成される微小レンズ（いわゆる「インクジェットマイクロレンズ」）である。インクジェットマイクロレンズはたとえば以下のようにして作製される。まず面発光レーザ１１の表面に撥水加工を施す。次に、面発光レーザ１１の表面にレンズ材料を吐出して球形状のレンズを形成する。続いて紫外線照射等によってレンズを硬化させる。
【０１１６】
レーザビ−ムの広がり角が小さいほど、また、レーザビームの径が小さいほど光ファイバのコアにレーザビ−ムを入射することが容易になる。この結果、レーザビームを光ファイバの入射端面に高い効率で結合させることができる。よってレーザモジュールから出力されるレーザビームのパワーをより高くすることができる。また面発光レーザ１１と光ファイバとの位置ずれの許容度（トレランス）を大きくすることができる。
【０１１７】
また、実施の形態２では面発光レーザ１１の表面に形成されるレンズが微小であるのでレーザモジュールのサイズが大型化するのを防ぐことができる。
【０１１８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】実施の形態１のレーザモジュールの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すレーザモジュール１のうち、面発光レーザ１１と、光ファイバ１２と、フェルール２０とを含む部分の構成を説明する図である。
【図３】図１のスリーブ２１の内部を示す図である。
【図４】図２に示す構成単位Ａを拡大して示す図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】光線追跡法によるシミュレーションのモデルを説明する図である。
【図８】図７に示すモデルを用いてレーザビームおよび光ファイバ間の距離と結合効率との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【図９】レーザビームの広がり角に対する結合効率の変化のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】複数のフェルールをスリーブ内に固定するための方法を説明する図である。
【図１１】フェルールの中に光ファイバを固定する方法を説明する図である。
【図１２】複数のフェルール２０の加工処理を説明する図である。
【図１３】複数の光ファイバの一方端部を固定する他の方法例を示す図である。
【図１４】図１３に示すキャピラリプレート２０Ａの内部を示す図である。
【図１５】図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図である。
【図１６】図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面図である。
【図１７】複数の光ファイバの一方端部を束ねるさらに別の方法例を示す図である。
【図１８】図１７に示すスリーブ２２の内部を示す図である。
【図１９】図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿った断面図である。
【図２０】図１８のＸＸ−ＸＸ線に沿った断面図である。
【図２１】複数の光ファイバ１２の本数および配置を表形式で説明する図である。
【図２２】図２１に示す本数の光ファイバを束ねた状態を示す図である。
【図２３】レーザビームをコリメート光に変換するための光学系を説明する図である。
【図２４】レーザビームの径を小さくするための光学系の構成を説明する図である。
【図２５】実施の形態２のレーザモジュールの構成を示す図である。
【図２６】図２５に示すレンズ４１を説明する模式図である。
【図２７】特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザ光源の構成を説明する図である。
【図２８】特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザ光源の別の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１，１Ａ  レーザモジュール、１１，１１Ａ，１１Ｂ  面発光レーザ、１１Ｃ  面発光レーザアレイ、１１Ｅ  発光面、１２，１２Ａ，１２Ｂ  光ファイバ、１５  パッケージ、２０  フェルール、２０Ａ  キャピラリプレート、２１，２２  スリーブ、２４  接着剤、２６  チューブ、３１，３２，１１１〜１１７  コリメートレンズ、３３  結像レンズ、３４  光ガイド、３５  ハンドグリップ、４１  レンズ、１１０  ヒートブロック、１２０  集光レンズ、１２１，１３０ａ，２５１ａ  コア、１２２  クラッド、１３０，２５１  マルチモード光ファイバ、２５０  合波光学系、Ａ  構成単位、Ｂ，Ｂ１〜Ｂ１５  ビーム、Ｈ１１〜Ｈ１５  集光レンズ、Ｊ  軸、ＬＤ１〜ＬＤ１５  半導体レーザ、Ｐ１，Ｐ２  点。
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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