(57)【要約】【課題】高出力を得ることが可能であり、かつ、小型化が可能なレーザーモジュールを提供する。【解決手段】従来技術では、複数の光源の各々から発せられる光はコリメートレンズによって一旦平行光に変換され、平行光は集光レンズにより集光されて光ファイバに入射する。実施の形態１では、光源１２の光軸Ｊ２（発光中心軸）とレンズ２２の光軸Ｊ３（中心軸）との間隔を適切に設定することによって、従来のレーザーモジュールに必要であったコリメートレンズと集光レンズとをレンズ２２で代用することができる。よって、レーザーモジュール１は従来の光学系に比較して部品点数を少なくすることができる。また、レーザーモジュール１は小型化が可能になる。【選択図】図２
2007248581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の平面上に２次元に配置されて、複数のレーザービームをそれぞれ発する複数のレーザー光源と、
前記複数のレーザービームを受ける光ファイバと、
前記複数のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられて、対応するレーザー光源から受けるレーザービームを集光して前記光ファイバの端面に結合させる複数のレンズとを備える、レーザーモジュール。
【請求項２】
前記複数のレーザー光源の各々は、面発光半導体レーザーである、請求項１に記載のレーザーモジュール。
【請求項３】
前記複数のレーザー光源は、
第１のレーザー光源と、
前記第１のレーザー光源を囲んで配置される複数の第２のレーザー光源とを含む、請求項２に記載のレーザーモジュール。
【請求項４】
前記複数のレンズは、
前記第１のレーザー光源に対応して設けられ、中心軸が前記第１のレーザー光源の光軸と重なるように配置される第１のレンズと、
前記複数の第２のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられ、対応する第２のレーザー光源の光軸と中心軸がずれるように配置される複数の第２のレンズとを含む、請求項３に記載のレーザーモジュール。
【請求項５】
前記複数のレンズの各々は、球レンズである、請求項１に記載のレーザーモジュール。
【請求項６】
前記複数のレンズの各々は、ドラムレンズである、請求項１に記載のレーザーモジュール。
【請求項７】
前記複数のレンズは、マイクロレンズアレイとして一体化される、請求項１に記載のレーザーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザーモジュールに関し、特に、複数のレーザー光源を用いることで高パワーの光を得ることが可能であるとともに小型化されたレーザーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザーにより励起される固体レーザーからの赤外光を紫外域の第３高調波に変換するレーザーや、エキシマレーザー、Ａｒレーザーなどが実用に供されている。
【０００３】
しかし、エキシマレーザーは装置が大型であることから、コストやメンテナンス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ー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レーザーは電気−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系半導体レーザー）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。たとえば特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）は、合波レーザー光源と、この合波レーザー光源を用いた露光装置とを開示する。
【０００５】
図２０は、特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザー光源の構成を説明する図である。
【０００６】
図２０を参照して、この合波レーザー光源は、ヒートブロック１１０上に配列固定された７個の半導体レーザーＬＤ１〜ＬＤ７と、半導体レーザーＬＤ１〜ＬＤ７に対応してそれぞれ設けられたコリメーターレンズ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。半導体レーザーＬＤ１〜ＬＤ７からそれぞれ出射したビームＢ１〜Ｂ７は、コリメーターレンズ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。
【０００７】
コア１３０ａに入射したビームＢ１〜７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。よってこのレーザー光源によればハイパワーのレーザービームを得ることができる。
【０００８】
図２１は、特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザー光源の別の構成を説明する図である。
【０００９】
図２１を参照して、この合波レーザー光源は、５個の半導体レーザーＬＤ１１〜ＬＤ１５と、合波光学系２５０とから構成されている。半導体レーザーＬＤ１１〜ＬＤ１５は円弧に沿って配置される。
【００１０】
合波光学系２５０には半導体レーザーＬＤ１１〜１５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。半導体レーザーＬＤ１１〜１５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。
【００１１】
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。
【００１２】
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ー光源に、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。これにより、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】
【００１３】
図２０および図２１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。よって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。よって、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。つまりこれらの光学系の規模は必然的に大きくなる。
【００１４】
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。
【００１５】
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な受光エリアが小さい受光器に光を結合させようとした場合には、受光エリアにすべての光が入りきらないことが起こりやすい。
【００１６】
本発明の目的は、高パワーの光を得ることが可能であり、かつ、小型化が可能なレーザー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】
【００１７】
本発明は要約すればレーザーモジュールであって、複数のレーザー光源と、光ファイバと、複数のレンズとを備える。複数のレーザー光源は、同一の平面上に２次元に配置されて、複数のレーザービームをそれぞれ発する。光ファイバは、複数のレーザービームを受ける。複数のレンズは、複数のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられて、対応するレーザー光源から受けるレーザービームを集光して光ファイバの端面に結合させる。
【００１８】
これによりレーザーモジュールは高パワーの光を得ることができる。また、複数のレーザー光源の固定が容易であり、かつ、光学系を小さくできる。
【００１９】
好ましくは、複数のレーザー光源の各々は、面発光半導体レーザーである。
一般的に、面発光半導体レーザーは端面発光型半導体レーザーよりもレーザービームの広がりが小さい（いわばレーザービームの指向性が強い）。複数のレーザー光源の各々に面発光半導体レーザーを用いることで、端面発光型半導体レーザーを用いる場合よりもレーザーモジュールから出力される光のパワーを高めることができる。
【００２０】
より好ましくは、複数のレーザー光源は、第１のレーザー光源と、第１のレーザー光源を囲んで配置される複数の第２のレーザー光源とを含む。
【００２１】
このように第１のレーザー光源と第２のレーザー光源とを配置することで、光ファイバの入射端面上でレーザービームを収束させることが可能になるので、レーザーモジュールから出力される光のパワーを高めることができる。
【００２２】
さらに好ましくは、複数のレンズは、第１のレンズと、複数の第２のレンズとを含む。第１のレンズは、第１のレーザー光源に対応して設けられ、中心軸が第１のレーザー光源の光軸と重なるように配置される。複数の第２のレンズは、複数の第２のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられ、対応する第２のレーザー光源の光軸と中心軸がずれるように配置される。
【００２３】
第２のレーザー光源の光軸と、第２のレンズの光軸との間隔を適切に設定することによって、従来のレーザーモジュールに必要であったコリメートレンズと集光レンズとを第２のレンズで代用することができる。よって、本発明のレーザーモジュールは従来の光学系に比較して部品点数を少なくすることができるとともに小型化が可能になる。
【００２４】
好ましくは、複数のレンズの各々は、球レンズである。
複数のレンズの各々に球レンズを用いることで複数のレンズを容易にアレイ化することができる。よって、高集積化すなわち光学系の小型化を図ることができる。また、アレイ化された複数のレンズを用いることで光学系のコストを低減することができる。
【００２５】
好ましくは、複数のレンズの各々は、ドラムレンズである。
球レンズと比較すると、ドラムレンズは光源からのレーザービームが通らない部分が少なくなる。複数のレンズの各々にドラムレンズを用いることで球レンズを用いた場合よりもレーザーモジュールを小型化することができる。
【００２６】
好ましくは、複数のレンズは、マイクロレンズアレイとして一体化される。
複数のレンズを一体化することによって、単体のレンズが個々に設けられる場合と比較して光学系を小型化することが可能になる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のレーザーモジュールによれば、高効率で光を光ファイバに結合できるとともに、小型化が可能になる。
【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のレーザーモジュールの全体図である。
【００３０】
図１を参照して、レーザーモジュール１は、たとえば製品の加工や、回路基板上での部品のはんだ付け等に用いられる装置である。
【００３１】
レーザーモジュール１は、複数のレーザー光源として光源１１および複数の光源１２を備える。またレーザーモジュール１は、複数の光源のそれぞれに対応して設けられる複数のレンズとして、レンズ２１および複数のレンズ２２を備える。レンズ２１は光源１１に対応して設けられ、レンズ２２は光源１２に対応して設けられる。また、複数のレンズ２２はレンズ２１の周囲に設けられる。なお、光源およびレンズの配置の詳細は後述する。
【００３２】
レーザーモジュール１は、さらに、光ファイバ３を備える。光源１１，１２からそれぞれ出射したレーザービームはレンズ２１，２２によって、光ファイバ３が有するコアの入射端面で集光する。各光源から入射端面に到達した光はコアを伝播して１本のレーザービームに合成されて光ファイバ３から出射する。よって、このレーザーモジュール１は高パワーの光を得ることができる。
【００３３】
レーザーモジュール１は、さらに、パッケージ４を備える。パッケージ４には、パワーデバイスを実装するパッケージを適用することができる。図１ではパッケージ４の具体例としてＴＯ−２２０型のパッケージを示す。パッケージ４において光源１１，１２は同一の平面（実装面４１）に配置される。実装面４１の部分は、放熱性を高くするために熱伝導率が高い材質（たとえばＣｕ−Ｗ）によって作製される。
【００３４】
たとえば図２１に示す光学系の構成においても半導体レーザーと集光レンズとの組み合わせのみでビームを光ファイバに集光させることができる。しかし、図２１の構成によれば、半導体レーザーの固定および放熱を行なうためのパッケージが円弧上に配置されることになるため、光学系の規模が大きくなる。これに対し、レーザーモジュール１では、光源１１および複数の光源１２が同一平面（実装面４１）上に２次元に配置されるので、光源１１，１２の固定が容易であり、かつ、光学系を小さくできる。
【００３５】
レーザーモジュール１は、さらに、光ファイバ３をパッケージ４上に固定するためのスリーブ５を備える。
【００３６】
図２は、図１のレーザーモジュール１における光源とレンズとの配置関係を説明する図である。
【００３７】
図２を参照して、光源１１を中心として、光源１１の両隣に２つの光源１２が配置される。また、光源１１に対応してレンズ２１が配置され、光源１２に対応してレンズ２２が配置される。光源１１からはビームＢ１１が発せられ、光源１２からはビームＢ１２が発せられる。
【００３８】
光源１１の光軸とレンズ２１の光軸（中心軸）とが重なるように、光源１１およびレンズ２１は配置される。また各々の光軸（図２において光軸Ｊ１と示す）は光ファイバ３の中心軸と重なる。一方、光源１２の光軸Ｊ２とレンズ２２の光軸Ｊ３とは各々の光軸が互いにずれるように配置される。ただし光ファイバ３の入射端面上でレーザービームが収束するように、光軸Ｊ２と光軸Ｊ３との間隔が設定される。図２の例では光軸Ｊ２と光軸Ｊ３との間隔は約０．２ｍｍである。
【００３９】
また、光源１１からレンズ２１の中心までの距離、および光源１２からレンズ２２の中心までの距離は約１．５ｍｍである。また、レンズ２１，２２の各中心から光ファイバ３の入射端面までの距離は約１５ｍｍである。
【００４０】
従来技術では、複数の光源の各々から発せられる光はコリメートレンズによって一旦平行光に変換され、平行光は集光レンズにより集光されて光ファイバに入射する。実施の形態１では、光源１２の光軸Ｊ２（発光中心軸）とレンズ２２の光軸Ｊ３（中心軸）との間隔を適切に設定することによって、従来のレーザーモジュールに必要であったコリメートレンズと集光レンズとをレンズ２２で代用することができる。よって、レーザーモジュール１は従来の光学系に比較して部品点数を少なくすることができる。また、レーザーモジュール１は小型化が可能になる。
【００４１】
光源１１，１２の各々は発振波長帯が８５０ｎｍ帯である面発光半導体レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL）である。面発光半導体レーザーは、端面発光型の半導体レーザーよりもビームの広がりを小さくすることができる。
【００４２】
図２には光ファイバ３の入射端面におけるビームＢ１２の入射角度は角度θ１だけ広がりを有するよう示される。端面発光型半導体レーザーのほうが、面発光半導体レーザーよりもこの角度θ１が大きくなる。よって、光源１２として端面発光型の半導体レーザーを用いた場合には、ビームＢ１２の一部の光が、光ファイバ３の最大受光角よりも大きな角度でコア３１に入射することが起こりやすい。
【００４３】
最大受光角度よりも大きな角度で光ファイバ３のコア３１に光が入射すると、その光は光ファイバ３の側面から外部に逃げてしまう。よって、レーザーモジュールの出力が低下する。一般的に、面発光半導体レーザーは端面発光型半導体レーザーよりもレーザービームの広がりが小さい（いわばレーザービームの指向性が強い）ため、光源１２の発光中心軸とレンズ２２の中心軸との間隔を適切に設定すれば、光ファイバの側面から逃げる光を少なくすることができる。よって、レーザーモジュール１から出力される光のパワーを高めることができる。
【００４４】
なお、特に図示しないが、この面発光半導体レーザーにおけるビーム径は約２８μｍである。また、レンズ２１から出たビームＢ１１の広がり角度は角度θ１に等しく、約３度である。
【００４５】
レンズ２１，２２の各々は球レンズである。これらのレンズの種類を球レンズとすることにより、複数のレンズを容易にアレイ化することができるので高集積化、すなわち光学系の小型化を図ることができる。また、アレイ化された複数のレンズを用いることで光学系のコストを低減することができる。
【００４６】
球レンズの直径は２ｍｍであり、屈折率は約１．５である。また、レンズ２１，２２の材質は一般的にレンズに用いられるＢＫ−７（クラウンガラスの一種）である。
【００４７】
なお、レンズ２１，２２には無反射コーティング処理が施されていることが好ましい。これによりレンズ２１，２２におけるレーザービームの透過率を高くできるので光ファイバ３の入射端面における結合効率を高めることができる。よって、レーザーモジュール１から出力される光のパワーを高めることができる。
【００４８】
光ファイバ３は大口径のコア３１を有する。コア３１の径を広げることによって、光源１１，１２と光ファイバ３との光結合において結合効率を高くすることができる。ビーム径が２０μｍから３０μｍの面発光半導体レーザーを光源に用いる場合、光ファイバ３のコア径は、約３００μｍ〜約８００μｍであることが望ましい。実施の形態１ではコア３１の径は６００μｍである。また光ファイバ３のＮＡは約０．２である。
【００４９】
レーザービームの最大入射角は、光ファイバ３のＮＡ（開口数）に対応する最大受光角以内の値であることが求められる。例えばＮＡ＝０．２の場合、最大受光角は約１１度となるのでレーザービームの最大入射角θ、すなわち光源１１の光軸Ｊ１を基準としたビームＢ１２の角度も約１１度以内となるように設定する。これにより光ファイバ３の端面に入射したレーザービームが光ファイバ３の側面から逃げるのを防ぐことができるので、レーザーモジュール１から出力される光のパワーを高めることができる。
【００５０】
図３は、図２の光源１１、および複数の光源１２の配置を説明する平面図である。
図３を参照して、実装面４１に垂直な方向（図２の光軸Ｊ１に沿う方向）から見たときには光源１１を中心として複数（図３では６個）の光源１２が光源１１を囲んで配置される。Ｘ軸上に位置する２つの光源１２の各々は、光源１１に対して２．２２ｍｍ離れた位置に設けられる。また、Ｘ軸を挟み、かつＸ軸から１．９３ｍｍ離れた位置に４個の光源１２が設けられる。これら４個の光源１２は、Ｙ軸からの距離が１．１１ｍｍの位置に設けられる。
【００５１】
複数の光源を１次元（たとえばＸ軸方向）に配置した場合には、複数のレンズもＸ軸方向に配置することになるため、図１のレーザーモジュール１においてＸ軸方向の寸法が大きくなりやすい。図３に示すように、光源１１を中心として光源１２を複数配置することで、レーザーモジュール１の寸法を全体に小型化することができる。
【００５２】
図４は、図２のレンズ２１、および複数のレンズ２２の配置を説明する平面図である。
図４を参照して、パッケージ４に垂直な方向から見たときにはレンズ２１を中心として６個のレンズ２２がレンズ２１を囲むように放射状に配置される。Ｘ軸上に位置する２つのレンズ２２の各々は、レンズ２１に対して２．０２ｍｍ離れた位置に設けられる。また、Ｘ軸を挟み、かつＸ軸から１．７５ｍｍ離れた位置に４個のレンズ２２が設けられる。
【００５３】
次に、実施の形態１のレーザーモジュールにおいてレーザー光源として用いられる面発光半導体レーザーの概略構造を説明する。なお、光源１１，１２は同様の構成を有する。よって以下では代表的に光源１１の構成を説明し、光源１２の構成については以後の説明を繰り返さない。
【００５４】
図５は、図１の光源１１の構成を模式的に示す断面図である。
図５を参照して、光源１１、すなわち面発光半導体レーザーは、基板５３と、下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)層５４と、活性層５５と、上部ＤＢＲ層５６と、上部電極６０と、発光窓６１と、裏面電極６２とを備えている。発光窓６１の径はたとえば約３０μｍである。
【００５５】
一般的に面発光半導体レーザーでは、活性層５５の上下の層（図５の下部ＤＢＲ層５４および上部ＤＢＲ層５６）に、高い反射率をもつ半導体多層膜反射鏡（屈折率の高い膜と低い膜を繰り返し積層する）が配置される。端面発光型の半導体レーザーが、基板をへき開したのちにへき開面（チップ端面）から光を取り出すのに対し、面発光半導体レーザーではチップ主表面からビームＢ１を取り出す。
【００５６】
端面発光型半導体レーザーでは、発光領域におけるチップ垂直方向の長さが短いため、チップに垂直な方向に光が大きく回折する。このため端面発光型半導体レーザーでは、チップに垂直方向にレーザービームが大きく広がるのでレーザービームの形状は楕円に近くなる。これに対し面発光半導体レーザーでは、端面発光型半導体レーザーに比べて発光領域が大きいため、回折効果が端面発光型半導体レーザーよりも弱くなり、レーザービームの形状が円に近くなる。
【００５７】
このように光源１１および光源１２として面発光半導体レーザーを用いることで、レーザービームの広がりを端面発光型の半導体レーザーを用いるよりも小さくできる。よって光源と光ファイバとの光結合を容易にすることができる。
【００５８】
なお、本実施の形態ではＶＣＳＥＬの発振波長帯が８５０ｎｍ帯であるとして説明するが、発振波長帯は、より短波長であってもよい。たとえば光ファイバ３から出る光を用いて製品の加工を行なう際に、光の波長が短いほど微細加工が容易になるという利点が得られる。
【００５９】
次に、本実施の形態のレーザーモジュールに用いられる面発光半導体レーザーの光学特性を説明する。
【００６０】
図６は、面発光半導体レーザーの電流対光出力特性（ＩＬ特性）の温度依存性を示す図である。
【００６１】
図６を参照して、ある動作電流に対する光出力は温度が高くなるに従って低下していることが分かる。なお、図６のグラフにおける「温度」とは面発光半導体レーザーの雰囲気温度である。
【００６２】
図７は、面発光半導体レーザーのしきい値電流の温度特性を示す図である。
図７を参照して、図１のレーザーモジュール１の光源として用意した１０個のサンプルの各々について、しきい値電流（Ｉｔｈ）の温度依存性を示す。図７のグラフにおいてＮｏ．００１〜０１０はサンプルの番号を示す。図７から、しきい値電流の温度変化は、１０個のサンプルの間でほぼ同様の特性を有することが分かる。
【００６３】
図８は、面発光半導体レーザーのスペクトルを示す図である。
図８を参照して、グラフの横軸は波長を示し、縦軸は発光強度をｄＢを単位として示す。図８から、発振波長のピーク波長は、ほぼ８５０ｎｍであることが分かる。
【００６４】
図９は、面発光半導体レーザーの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）の温度変化を示す図である。
【００６５】
図９を参照して、ある動作電流に対して生じる面発光半導体レーザーの動作電圧は、温度が高くなるに従って低下することが分かる。
【００６６】
続いて、図１のレーザーモジュール１の特性を説明する。まず、シミュレーションにより得られる結合効率を示す。なお以下のシミュレーション結果は光線追跡法（レーザー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）を用いて得ることができる。
【００６７】
図１０は、結合効率のシミュレーション結果を示す図である。
図１０および図２を参照して、グラフは光源１１から発せられるレーザービームの広がり角度を３０度とし、レンズ２１と光ファイバ３の端面とで光の吸収も反射もないとしたときの結合効率を示す。なお、光ファイバ３のコア３１の径は６００μｍである。
【００６８】
図１０のグラフは、面発光半導体レーザーチップの実装位置が図３に示す位置（設計位置）からずれることによって結合効率がどれだけ変化するかを示す。グラフの横軸は、光源１１を設計位置からＸ軸方向に−１００μｍ〜＋１００μｍの範囲で移動させたときの設計位置からの移動量を示し、グラフの縦軸は結合効率を示す。なお４つの曲線は、光源１１のＹ軸方向の設計位置からのずれがそれぞれ０，−２０，−４０，−６０μｍのときに光源１１を設計位置からＸ軸方向に−１００μｍ〜＋１００μｍの範囲で移動させたときの結合効率の変化を示す曲線である。
【００６９】
図２のようにコア３１の中心軸と光源１１の光軸Ｊ１とが一致する場合（グラフの横軸の値が０であり、かつ、光源１１の実装位置と設計位置との差が０μｍである場合）に結合効率は最も高い。このとき、光源１１と光ファイバ３との結合効率は９９％以上の値となる。なお光源１２と光ファイバ３との結合効率は９８％以上の値となる。
【００７０】
しかしながら、チップの実装位置が図３のＸ軸あるいはＹ軸方向に移動することで結合効率が低下する。図１０の結果から、たとえばチップの実装位置と設計位置とのずれがＸ軸およびＹ軸の両方向において±２０μｍ以下に設定することで結合効率の大きな低下を防ぐことができる。
【００７１】
また、レーザーモジュール１の組立時において、コア３１の中心軸に対して図２の光源１１の光軸Ｊ１がずれることが考えられる。
【００７２】
図１１は、図２のコア３１の径が６００μｍの場合において、コア３１の中心軸と光源１１の光軸Ｊ１とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。
【００７３】
図１２は、図２のコア３１の径が８００μｍの場合において、コア３１の中心軸と光源１１の光軸Ｊ１とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。
【００７４】
図１１および図１２を参照して、グラフの横軸はコア３１の中心軸に対する光源１１の光軸Ｊ１のずれ量を示し、縦軸はレーザーモジュールから出力される光のパワーを示す。図１１および図１２のグラフの各々では、コア３１の中心軸に対して光源１１の光軸Ｊ１をＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれずらしたときの２つの曲線を示す。なお、レーザーモジュール１の光出力は、光源１１および６つの光源１２に合計１４０ｍＡの動作電流を印加したときの出力である。
【００７５】
図１１および図１２から分かるように、コア径が広いほど、コアに多くの光が入射することから、光出力が大きくなる。また、コア径が広いほど光源１１の光軸Ｊ１がコア３１の中心軸からずれても光出力の変化は小さくなる。
【００７６】
続いて、実施の形態１のレーザーモジュールの特性についての測定結果を示す。
図１３は、図１のレーザーモジュール１における、パルス電流に対する結合光出力特性（パルス電流−Ｌ特性）の測定結果を示す図である。
【００７７】
図１３を参照して、グラフの横軸は動作電流を示し、縦軸はパルス発振時の結合光出力Ｐｆをパルスのデューティで割った値を示す。なお、動作電流の印加期間（パルス幅）は５μＳである。図１３からデューティを１％から５０％まで変化させても特性がほぼ同じであることが分かる。このような結果が得られる理由は、図３に示すように、同一の実装面４１上にレーザーチップを実装することでチップの放熱性が良好になるためである。
【００７８】
動作電流が２００ｍＡの場合、光出力は約１１２ｍＷとなる。このときの結合効率を求めると約８０％となる。図１０のシミュレーション結果と比較すると実際の結合効率が低いが、その理由は、レンズとファイバ端面とに無反射コーティングが施されていないためである。
【００７９】
図１４は、図１のレーザーモジュール１における、ＤＣ電流に対する結合光出力特性（ＤＣ電流−Ｌ特性）の測定結果を示す図である。
【００８０】
図１４を参照して、グラフの横軸は動作電流を示し、縦軸は連続発振時の結合光出力Ｐｆを示す。なお、図１４では雰囲気温度を０度から７０度まで変化させたときのＩＬ特性を示している。図６と比較すると、光出力はほぼ７倍になっている。その理由は、レーザーモジュール１においてチップの放熱性がよいことから、光源の個数に比例して光出力を増加させることができるためである。
【００８１】
なお、図１４のグラフでは温度が上昇するにつれて結合光出力Ｐｆがやや低下しているが、これは半導体レーザーの特性であって、本実施の形態のレーザーモジュールの特性ではない。
【００８２】
図１４，図６を参照すると、たとえば動作電流が１４０ｍＡでの光出力の温度特性と動作電流が２０ｍＡでの光出力の温度特性とは相似形になっている。このことから本実施の形態のレーザーモジュールでは結合効率は雰囲気温度によらず安定している（一定になっている）ことが分かる。この点についてより詳しく説明する。
【００８３】
図１５は、レーザーモジュール１における結合効率の温度依存性を示す図である。
図１５において、グラフの横軸は温度を示し、グラフの縦軸は結合効率を示す。図１５から分かるように、結合効率は各温度でほぼ一定で安定しているとともに、レーザーモジュールの信頼規格（テルコディア  ＧＲ−４６８−ＣＯＲＥ）の±０．５ｄＢ以下（約＋１２％〜約−１０％）に対して良好である。なお図１５に示す結果は、従来のレーザーモジュールにおける結合効率の温度依存性と同程度またはそれ以上に良好であることを示す。
【００８４】
０度から７０度までの雰囲気温度において結合効率の変動が±１０％以下であれば実用上問題ない。図１５に示す結果では０度から７０度までの雰囲気温度において結合効率の変動は±５％以下であり、「±１０％以下」という条件が十分に満たされている。
【００８５】
以上のように実施の形態１によれば、同一の平面上に設置されて、複数のレーザービームをそれぞれ発する複数のレーザー光源と、複数のレーザー光を受ける光ファイバと、複数のレーザー光源に対応してそれぞれ設けられて、対応するレーザー光源から受けるレーザービームを集光して、光ファイバの端面に結合させる複数のレンズとを備える。よって、実施の形態１のレーザーモジュールは小型でありながら、高パワーの光を出力することが可能になる。
【００８６】
［実施の形態２］
本発明のレーザーモジュールでは、光源の数を増やすほど出力を高めることができる。しかし、本発明のレーザーモジュールでは光源の数だけレンズが必要になるため、光源の数を増やすと光学系の規模が大きくなることが考えられる。実施の形態２のレーザーモジュールでは、集積化されたレンズが用いられる。これにより、実施の形態２のレーザーモジュールは小型でありながら出力をより高くすることができる。
【００８７】
図１６は、実施の形態２のレーザーモジュールにおける光源とレンズとの配置関係を説明する図である。
【００８８】
図１７は、図１６に示すレンズを光ファイバ３側から見たときのレンズの配置図である。
【００８９】
図１６および図１７を参照して、レーザーモジュール１Ａは、球レンズであるレンズ２１，２２に代えてドラムレンズであるレンズ２１Ａ，２２Ａを備える点で図１および図２のレーザーモジュール１と異なる。レンズ２１Ａは光源１１に対応して設けられ、複数のレンズ２２Ａは光源１１に対応して設けられる。なお、レーザーモジュール１Ａの他の部分はレーザーモジュール１と同様の構成を有するので、レーザーモジュール１Ａの他の部分に関する以後の説明は繰り返さない。
【００９０】
図１６のＸ軸方向は、図１７におけるＸ軸方向に対応する。つまり図１６は図１７のＸ軸方向に沿った断面図である。図１７に示すように、実施の形態２においても複数のレンズ２２Ａはレンズ２１Ａを囲むように放射状に配置される。このことは、複数の光源１２が光源１１を囲むように配置されることを意味している。
【００９１】
ドラムレンズは球レンズと同じレンズ性能を有する。球レンズと比較すると、ドラムレンズは光源からのレーザービームが通らない部分を少なくすることができる。よってレーザーモジュール１Ａは図２のレーザーモジュール１よりもＸ軸方向の大きさを小さくすることができる。
【００９２】
図１７に示す例ではドラムレンズは１９個用いられ、集積化（アレイ化）されている。図１７のレンズアレイ、および図１６の光ファイバ３の端面に透過率９９％以上となるコーティング処理を施した場合、レーザーモジュール１Ａにおける結合効率は９０％となる。よって、２０ｍＷの光出力を有する面発光半導体レーザーを１９個用いた場合にはレーザーモジュール１Ａの出力は、２０ｍＷ／個×１９個×０．９（結合効率）＝３４２ｍＷとなる。
【００９３】
また、たとえば、６０ｍＷ／個以上のパワーを有する面発光半導体レーザーを１９個集積した場合には、レーザーモジュール１Ａの光出力が１Ｗ以上となる。光のパワーが１Ｗ以上あれば、その光は上述のような製品加工等にも十分利用可能である。
【００９４】
なお、光通信分野では、ガラス基板等に微小なレンズを集積化したマイクロレンズアレイが光源と光ファイバとの光結合に多く用いられている。実施の形態２のレーザーモジュールにおいてもこのようなマイクロレンズアレイを用いることができる。この場合には、図１６に示すレーザーモジュール１Ａよりもさらに多くの光源およびレンズを集積化できる。つまり実施の形態２では、複数のレンズをマイクロレンズアレイとして一体化することによって、実施の形態１のレーザーモジュールよりも高パワーの光を出力することが可能になる。
【００９５】
図１８は、実施の形態２のレーザーモジュールにおいて、複数のレンズとしてマイクロレンズアレイを適用した例を示す図である。
【００９６】
図１９は、図１８に示すレンズを光ファイバ３側から見たときのレンズの配置図である。
【００９７】
図１８および図１９を参照して、レーザーモジュール１Ｂは、レンズ２１Ａ，２２Ａが一体化されたマイクロレンズアレイ２Ａを備える点で図１６および図１７のレーザーモジュール１Ａと異なる。レーザーモジュール１Ａの他の部分はレーザーモジュール１と同様の構成を有するので、レーザーモジュール１Ａの他の部分に関する以後の説明は繰り返さない。なお、図１８のＸ軸方向は、図１９におけるＸ軸方向に対応する。
【００９８】
図１９のマイクロレンズアレイ２Ａでは３７個のレンズが集積化される。つまり１個のレンズ２１Ａを中心として３６個のレンズ２２Ａが放射状に配置される。よって、レーザーモジュール１Ｂでは、レーザーモジュール１Ａよりも高出力の光を得ることができる。
【００９９】
なお、図１６〜図１９に示すレンズの数は一例であり、出力する光のパワーに応じて光源およびレンズの数は適切に設定される。また、図１８および図１９ではマイクロレンズアレイ２Ａにドラムレンズを用いた例を示すが、マイクロレンズアレイ２Ａに用いられるレンズは球レンズでもよい。
【０１００】
なお、実施の形態２において結合効率を高めるため、レーザービームの最大入射角は光ファイバ３のＮＡ（開口数）に対応する最大受光角以内であることが好ましい。この点は実施の形態１と同様である。
【０１０１】
以上のように実施の形態２によれば、レンズを集積化することによって光源の数を増やすことができるので、実施の形態１よりも出力のパワーを高くすることができる。
【０１０２】
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】
【０１０３】
【図１】実施の形態１のレーザーモジュールの全体図である。
【図２】図１のレーザーモジュール１における光源とレンズとの配置関係を説明する図である。
【図３】図２の光源１１、および複数の光源１２の配置を説明する平面図である。
【図４】図２のレンズ２１、および複数のレンズ２２の配置を説明する平面図である。
【図５】図１の光源１１の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】面発光半導体レーザーの電流対光出力特性（ＩＬ特性）の温度依存性を示す図である。
【図７】面発光半導体レーザーのしきい値電流の温度特性を示す図である。
【図８】面発光半導体レーザーのスペクトルを示す図である。
【図９】面発光半導体レーザーの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）の温度変化を示す図である。
【図１０】結合効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】図２のコア３１の径が６００μｍの場合において、コア３１の中心軸と光源１１の光軸Ｊ１とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。
【図１２】図２のコア３１の径が８００μｍの場合において、コア３１の中心軸と光源１１の光軸Ｊ１とのずれの大きさに対する光出力の変化を示す図である。
【図１３】図１のレーザーモジュール１における、パルス電流に対する結合光出力特性（パルス電流−Ｌ特性）の測定結果を示す図である。
【図１４】図１のレーザーモジュール１における、ＤＣ電流に対する結合光出力特性（ＤＣ電流−Ｌ特性）の測定結果を示す図である。
【図１５】レーザーモジュール１における結合効率の温度依存性を示す図である。
【図１６】実施の形態２のレーザーモジュールにおける光源とレンズとの配置関係を説明する図である。
【図１７】図１６に示すレンズを光ファイバ３側から見たときのレンズの配置図である。
【図１８】実施の形態２のレーザーモジュールにおいて、複数のレンズとしてマイクロレンズアレイを適用した例を示す図である。
【図１９】図１８に示すレンズを光ファイバ３側から見たときのレンズの配置図である。
【図２０】特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザー光源の構成を説明する図である。
【図２１】特開２００２−２０２４４２号公報（特許文献１）に開示される合波レーザー光源の別の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１，１Ａ，１Ｂ  レーザーモジュール、２Ａ  マイクロレンズアレイ、３  光ファイバ、４  パッケージ、５  スリーブ、１１，１２  光源、２１，２２，２１Ａ，２２Ａ  レンズ、３１，１３０ａ，２５１ａ  コア、４１  実装面、５３  基板、５４  下部ＤＢＲ層、５５  活性層、５６  上部ＤＢＲ層、６０  上部電極、６１  発光窓、６２  裏面電極、１１０  ヒートブロック、１１１〜１１７  コリメーターレンズ、１２０  集光レンズ、１３０，２５１  マルチモード光ファイバ、２５０  合波光学系、Ｂ，Ｂ１〜Ｂ１５  ビーム、Ｈ１１〜Ｈ１５  集光レンズ、Ｊ１〜Ｊ３  光軸、ＬＤ１〜ＬＤ７，ＬＤ１１〜ＬＤ１５  半導体レーザー、θ  最大入射角、θ１  角度。
【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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