(57)【要約】【課題】レーザダイオードとの光結合に優れた矩形ファイバを用いて、気密封止したレーザダイオードモジュールにおいて、矩形ファイバからの出射光のパワー密度の低下を抑制する。【解決手段】端面発光型のレーザダイオード４と、レーザダイオード４と光学的に接続された先端部６を有する光ファイバ１と、レーザダイオード４及び光ファイバ１の先端部６を内部に収容して気密に封止するパッケージ９とを備えるレーザダイオードモジュールにおいて、光ファイバ１は、断面形状が長辺及び短辺を有する矩形であるコア２と、コア２の周囲に形成されたクラッド３とを有し、短辺の寸法Ａが長辺の寸法Ｂの１／２以下であり、コア２の短辺の方向に伝搬可能なモードの数が２以上であり、短辺の寸法Ａが３０μｍ以下であり、コア２の短辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｃが、コア２の短辺の寸法Ａの３倍以上である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面発光型のレーザダイオードと、前記レーザダイオードと光学的に接続された先端部を有する光ファイバと、前記レーザダイオード及び前記光ファイバの前記先端部を内部に収容して気密に封止するパッケージとを備えるレーザダイオードモジュールであって、
前記光ファイバは、断面形状が長辺及び短辺を有する矩形であるコアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドとを有し、前記コアは、前記短辺の寸法が、前記長辺の寸法の１／２以下であり、前記コアの前記短辺の方向に伝搬可能なモードの数が２以上であり、前記短辺の寸法が３０μｍ以下であり、前記コアの前記短辺に沿った方向における前記クラッドの最大寸法が、前記コアの前記短辺の寸法の３倍以上であることを特徴とするレーザダイオードモジュール。
【請求項２】
前記光ファイバの前記先端部が、前記レンズ形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項３】
前記光ファイバの前記先端部と、前記レーザダイオードの発光部との間に、シリンドリカルレンズが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュールを複数と、これら複数のレーザダイオードモジュールの有する複数の前記レーザダイオードの出力を、各レーザダイオードモジュールの前記光ファイバを介して受け取り、１本の導光用光ファイバに入射させる光結合系とを備えるレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードモジュール及びレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザとしては、基板上に積層した半導体多層膜の側方端面から光が出射される端面発光型レーザダイオードや、基板の面に対して垂直に光が出射される面発光型レーザダイオードなどが知られている。端面発光型レーザダイオードは、一般に長方形の端面を出射面（エミッタ）としている。
【０００３】
半導体レーザは、光ファイバ通信の光源として、あるいは、固体レーザ等のレーザ光源において増幅媒質を励起（光ポンピング）するための励起光源として、広く用いられている。固体レーザの増幅媒質には、例えばＹＡＧ結晶や石英系光ファイバ等の媒質に希土類元素（Ｎｄ，Ｙｂ，Ｅｒなど）をドープしたものがある。この種の固体レーザは、加工用、医療用、センシング用（計測用）、軍事用等の各種機器に用いられている。特に加工機器の場合、切断、穴あけ、溶接、溶着等の用途において能率を向上するため、パワー及びパワー密度（単位断面積あたりのパワー）が高いレーザ光源が求められている。
半導体レーザを光ファイバ通信用光源とする場合は勿論、レーザ光源の励起光源として用いる場合においても、半導体レーザから出射された光を増幅媒質に入射させるための光伝送路として、光ファイバが用いられる。光ファイバ通信の長距離伝送や、高パワーかつ高パワー密度のレーザ光源を実現するためには、半導体レーザから光ファイバへ、レーザ光を高いパワー密度で入射することが必要である。
【０００４】
特許文献１には、従来の円柱レンズ等のレンズ系を用いなくても、方形の活性層端面を有する半導体レーザの出力光を光ファイバに効率良く結合できるよう、光ファイバの端部を先細り形状にし、その先細り先端部を、活性層厚さ方向の曲率半径が活性層幅方向の曲率半径より小さく形成して、活性層端面と対向させた接続構造が記載されている。
特許文献２には、酸化による半導体レーザの特性劣化を抑制するため、外気を遮断するパッケージ内に半導体レーザを収容し、半導体レーザからのレーザ光を外部に導く光ファイバをパッケージの壁部に設けた穴にハンダ付けして貫通部の気密保持を図る構造としたレーザモジュールが記載されている。
特許文献３には、ハイパワーレーザの発光部に有機不純物（フラックスやエポキシ等）が堆積すると、堆積物に出射光のパワーが吸収されて発熱し、レーザの故障の原因となるため、レーザを包囲する気密容器内に、有機不純物を吸収する化学成分を使用することが記載されている。
【０００５】
また、端面発光型レーザダイオードからのレーザ光を入射させる光ファイバとして、コアの断面形状が矩形である矩形ファイバ（rectangular fiber）が知られている。
特許文献４には、複数の発光部が幅方向に並んだレーザダイオード・バーと、各発光部と結合される複数の矩形ファイバとの間に、１本の光ファイバからなるマイクロレンズが配置された構造が記載されている。
特許文献５には、特許文献４と同様にして複数の発光部が整列された光源と複数の矩形ファイバの入力端とが結合され、さらに各矩形ファイバの出力端が断面方向に沿って積層集合された構造が記載されている。
特許文献６には、アレイ状に配列された複数の発光点を有するレーザ・バーと、前記発光点と対向するようにアレイ状に配列された光ファイバとを備え、光ファイバの入射部がシリンドリカルレンズ状に形成されている構造が記載されている。
【０００６】
また、複数のレーザダイオードからの入力を１つの出力に集合させる構成として、次のような発明が知られている。
特許文献７には、レーザダイオードの２以上またはアレイを有するレーザダイオードサブシステムと、コアの断面形状がレーザダイオードから出射するビームの断面形状に一致し入力ポートとして機能する光導波路を複数備える光結合サブシステムと、光結合サブシステムの出力を伝送する手段を備え、光結合サブシステムは、複数の光導波路に入力されたレーザ光を１つの出力に集合し、かつその出力の断面形状は入力導波路の重ね合わせからなり、最初の入力パワー密度を出力でも保持できるレーザシステムが記載されている。
特許文献８には、複数の発光部を有する光源と、１つの光ファイバ導波路と、光ファイバ導波路の出射端から固体レーザの活性媒体に光を結合させる光学的手段を備える固体レーザ用の光励起システムにおいて、光ファイバの入射端は、細長い断面のコアと、発光部に対応する縦及び横方向の開口数と、光源の複数の発光部から出射される光を最大限導波できる縦及び横方向の拡がりを有する構造が記載されている。
特許文献９には、所定の長さのクラッド増幅ファイバと、複数の励起光源と、各光源をクラッド増幅ファイバのクラッドに結合する複数のマルチモードファイバと、クラッド増幅ファイバのコアに結合する１つのシングルモードファイバからなり、複数のマルチモードファイバ及び１つのシングルモードファイバが集束され、かつクラッド増幅ファイバに向けて断面積をテーパ状に縮小しているデバイスにおいて、過剰な損失を避けるためには、出力であるクラッド増幅ファイバの開口数ＮＡoutputと入力であるマルチモードファイバの開口数ＮＡinputとの比が、複数のマルチモードファイバの断面積の合計ΣＡｉとテーパ部の最小断面積Ａ′との比に対して、（ＮＡoutput／ＮＡinput）２≧ΣＡｉ／Ａ′となるように、ＮＡoutputを大きくすべきことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−１６３８０６号公報
【特許文献２】特許第２９７０６３５号公報
【特許文献３】特許第３４５２２１４号公報
【特許文献４】米国特許第５１２７０６８号明細書
【特許文献５】米国特許第５２６８９７８号明細書
【特許文献６】特開２００８−２０３５９８号公報
【特許文献７】米国特許第５６６８９０３号明細書
【特許文献８】米国特許第４８１８０６２号明細書
【特許文献９】米国特許第５８６４６４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献４〜６の矩形ファイバは、レーザダイオード（ＬＤ）からの光のパワー密度を低下することなく、複数のＬＤからの光を集光する技術として有効である。しかし、ＬＤの劣化を防ぐため、特許文献２〜３に示されるように気密封止することは、述べられていない。例えば、特許文献６の段落００２７〜００２８には、ガラス等の材料を使用した保持部材の上面に、光ファイバの寸法よりも僅かに大きい寸法とされた収納溝を機械加工により形成し、その収納溝内に光ファイバを挿入して、固定することが記載されている。
ところが、本発明者の検討によれば、従来の矩形ファイバをレーザダイオードモジュールに用いて、気密封止すると、矩形ファイバからの出射光のパワー密度が低下することが分かった。
また、従来の矩形ファイバは、ＬＤの発光部の形状に合わせて、コアの断面形状の長辺方向を発光部の長辺方向に合わせるのが通常である。このとき、コアの断面形状の短辺寸法が発光部の短辺寸法に比べて大きすぎると、光のパワー密度が低下することがあった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザダイオードとの光結合に優れた矩形ファイバを用いて、矩形ファイバからの出射光のパワー密度の低下を抑制することが可能な気密封止したレーザダイオードモジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、端面発光型のレーザダイオードと、前記レーザダイオードと光学的に接続された先端部を有する光ファイバと、前記レーザダイオード及び前記光ファイバの前記先端部を内部に収容して気密に封止するパッケージとを備えるレーザダイオードモジュールであって、前記光ファイバは、断面形状が長辺及び短辺を有する矩形であるコアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドとを有し、前記コアは、前記短辺の寸法が、前記長辺の寸法の１／２以下であり、前記コアの前記短辺の方向に伝搬可能なモードの数が２以上であり、かつ前記短辺の寸法が３０μｍ以下であり、前記コアの前記短辺に沿った方向における前記クラッドの最大寸法が、前記コアの前記短辺の寸法の３倍以上であるレーザダイオードモジュールを提供する。
【００１１】
前記光ファイバの前記先端部が、前記レンズ形状とされていることが好ましい。
前記光ファイバの前記先端部と、前記レーザダイオードの発光部との間に、シリンドリカルレンズが配置されていることが好ましい。
また、本発明は、上記のレーザダイオードモジュールを複数と、これら複数のレーザダイオードモジュールの有する複数の前記レーザダイオードの出力を、各レーザダイオードモジュールの前記光ファイバを介して受け取り、１本の導光用光ファイバに入射させる光結合系とを備えるレーザ光源を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、断面が矩形状のコアを用いたレーザダイオードモジュールにおいて、コアの短辺方向の寸法が大きすぎることなく、光のパワー密度を保つことが可能になる。
また、レーザダイオードとの光結合に優れた矩形状のコアを有する光ファイバを用いて、気密封止したレーザダイオードモジュールにおいて、気密封止に用いる封止材の寸法変化があっても、光ファイバのコアに対する側圧の影響による光ファイバからの出射光のパワー密度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のレーザダイオードモジュールの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、レーザダイオードと光ファイバの先端部との光結合構造の一例を示す光ファイバの長手方向に沿う断面図であり、（ｂ）は、光ファイバの長手方向に垂直な断面の一例を示す断面図である。
【図３】レーザダイオードの出射角とファーフィールドパターン（ＦＦＰ）との関係の一例を模式的に示すグラフである。
【図４】（ａ）は、断面形状が円形である光ファイバの断面の一例を示す断面図であり、（ｂ）は、断面形状が楕円形である光ファイバの断面の一例を示す断面図であり、（ｃ）は、断面形状が矩形である光ファイバの断面の一例を示す断面図である。
【図５】本発明のレーザダイオードモジュールの第２実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明のレーザダイオードモジュールを複数用いたレーザ光源の一例を示す斜視図である。
【図７】複数のレンズからなる光結合系の一例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す光結合系の断面図である。
【図９】複数のコアを有する光導波路基板からなる光結合系の一例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示す光結合系の断面図である。
【図１１】複数の光ファイバからなる光結合系の一例を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す光結合系の断面図である。
【図１３】コアの短辺寸法（Ａ）と結合効率及び光パワー密度との関係の一例を示すグラフである。
【図１４】コアの短辺に沿った方向におけるクラッドの最大寸法（Ｃ）とコアの短辺寸法（Ａ）との比（Ｃ／Ａ）による出射光開口数（ＮＡ）の変化の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本発明のレーザダイオードモジュールの第１実施形態を示す。レーザダイオードモジュール１０は、レーザダイオード４と、このレーザダイオード４と光学的に接続された先端部６を有する光ファイバ１と、レーザダイオード４及び光ファイバ１の先端部６を内部に収容するパッケージ９を備える。
【００１５】
レーザダイオード４は、端面発光型のレーザダイオードが用いられる。図２（ａ）に示すように活性層が例えば劈開によってレーザダイオード４の端面に露出され、レーザ光を出射する発光部４ａが形成される。発光部４ａの寸法は、特に限定されるものではないが、例えば、発光部４ａの高さ方向（活性層の厚さ方向、図２（ａ）では上下方向）として１μｍ前後、幅方向（図２（ａ）では紙面に垂直な方向）として５０〜１００μｍが挙げられる。発光部４ａは、幅方向に伝搬可能なモードを複数有し、幅方向でマルチモードになっている。
【００１６】
図２に示すように、光ファイバ１は、その中心軸に沿って延在するコア２と、コア２の周囲に形成されたクラッド３を有する。コア２の屈折率は、クラッド３の屈折率より高い。コア２及びクラッド３の材質は、特に限定されるものではなく、従来光ファイバに用いられている石英系ガラス、多成分ガラス、プラスチック等の光透過性材料のうちから適宜選択することができる。
【００１７】
光ファイバ１の先端部６は、コア２の端面がレーザダイオード４の発光部４ａに対向するように位置決めされている。光ファイバ１の先端部６を保持する構成は特に限定されるものではないので、図２（ａ）では図示を省略したが、例えば、図１に示すように、パッケージ９内では、光ファイバ１をファイバマウント１５に固定する半田８等を用いて、光ファイバ１の先端部６を支持することができる。
また、レーザダイオード４は、例えばマウント５に保持させることができる。このマウント５には、レーザダイオード４の過熱を防ぐため、ヒートシンクや冷却素子（図示せず）を設けることが好ましい。レーザダイオード４は、パッケージ９の外部からリード線１４を介して供給される駆動電流により発光し、リード線１４とレーザダイオード４との間は、マウント５上の導体パターン１３やワイヤ１２によって電気的に接続されている。
【００１８】
パッケージ９は、レーザダイオード４及び光ファイバ１の先端部６を気密に封止するための容器であり、例えばケースとキャップとの組み合わせにより構成することができる。なお、図面ではパッケージ９の内部を示すため、上面と手前面を開放した状態で図示しているが、気密封止のためには全面を覆う必要がある。さらに、光ファイバ１は、パッケージ９の側壁に開口した孔に挿入されている。また、図２（ａ）に示すように、光ファイバ１の外周面とパッケージ９の孔との間には、接着剤や半田等の封止材１１が充填され、光ファイバ１がパッケージ９に固定されている。
【００１９】
本実施形態の場合、光ファイバ１の先端部６が、発光部４ａに向かって先細り状となり、コア２の端面がシリンドリカルレンズ状に加工されることが好ましい。あるいは、図５に示す第２実施形態のように、レーザダイオード４の発光部と光ファイバ１の先端部との間に、シリンドリカルレンズ７を配置することもできる。シリンドリカルレンズ７を有する場合、光ファイバ１の先端部はレンズ状に加工をする必要はなく、光ファイバ１の長手方向に垂直な端面を有する形状であってもよい。
【００２０】
本実施形態のレーザダイオードモジュール１０の場合、図２（ｂ）の断面図に示すように、光ファイバ１の長手方向に垂直な断面において、光ファイバ１のコア２の形状が矩形である。コア２の断面形状は、コア２の端面がレーザダイオード４の発光部４ａに対向した状態で、発光部４ａの幅方向に対応する寸法Ｂが、発光部４ａの高さ方向に対応する寸法Ａよりも長い形状であることが、高さより大きな幅を有する発光部４ａと効率よく光結合するために好ましい。本実施形態の場合、コア２の断面形状は、短辺及び長辺を有する矩形である。寸法Ａの短辺が発光部４ａの高さ発光部４ａの幅方向に、寸法Ｂの長辺が発光部４ａの幅方向に、それぞれ対応する。なお、本明細書では、「コア２の断面形状である矩形の短辺及び長辺」を、単に「コア２の短辺及び長辺」ということがある。
【００２１】
発光部４ａから出射するレーザ光は、幅方向及び高さ方向にそれぞれ一定の広がり角をもって広がりながら出射する。なお、出射光の開口数ＮＡは、出射先の媒質の屈折率をｎ（図２では媒質は空気等のガスであり、その場合、媒質の屈折率ｎは略１．０で近似できる。）、広がり角を２θ（中心軸の片側に当たる出射角はθ）とすると、ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθで表される。端面発光型のレーザダイオード４の開口数は、一般に０．１〜０．４程度であり、発光部４ａの幅方向に比べて高さ方向のほうが、開口数が大きい傾向にある。
また、光ファイバの開口数ＮＡは、コア２の屈折率をｎ１、クラッド３の屈折率をｎ２とすると、最大理論ＮＡとして、（ｎ１２−ｎ２２）１／２で表される。一般に、光ファイバ内の光は、光ファイバのＮＡの範囲内で伝搬する。
レーザダイオードからの出射ＮＡは水平方向が０．１程度、垂直方向が０．４程度である。このため、光ファイバ１の先端部６を水平方向にシリンドリカルレンズ状に加工したり、先端部６にシリンドリカルレンズ７を配置したりして、垂直方向のＮＡを０．１程度まで浅くすることにより、光を高い結合効率で光ファイバ１へ入射させることができる。
【００２２】
上述したように、発光部４ａの高さは通常極めて小さく、発光部４ａの端面からコア２の端面まで到達する間にビームが広がる大きさを考慮しても、発光部４ａの高さ方向に広がるレーザ光のビームを十分に高い結合効率で光ファイバ１に入射させるのに必要なコア２の短辺寸法Ａは小さい。光ファイバ１を伝搬する光のパワー密度の低下を抑制するためには、コア２の断面積が小さいことが好ましく、コア２の短辺寸法Ａがコア２の長辺寸法Ｂの１／２以下であることが好ましい。さらには、コア２の短辺寸法Ａが３０μｍ以下であることが好ましい。コア２の長辺寸法Ｂは、発光部４ａの幅より若干広ければ十分であり、例えば６０〜２００μｍ程度が挙げられる。
【００２３】
図３に、レーザダイオード４の出射角と、光ファイバ１のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）との関係の一例を模式的に示す。図３に示すように、基本モードに比べて高次モードのほうが結合可能な出射角の分布が広い。つまり、レーザダイオード４から、より大きな出射角で光ファイバ１の高次モードに結合した光は、光ファイバ１から出射するときも出射角が大きく（つまり、出射光のＮＡも大きく）なり、光ファイバ１からの出射光のパワー密度が低下しやすい。
【００２４】
光ファイバ１は、コア２の短辺寸法Ａ及び長辺寸法Ｂが大きいほど、伝搬可能なモードが増える傾向がある。例えば、短辺寸法Ａが３０μｍ程度であれば、コア２の短辺方向に伝搬可能なモードが１０個程度存在する。
レーザダイオード４から小さなＮＡで放射されるレーザ光の大部分は、小さなＮＡで光ファイバ１に入射して、基本モードに結合するが、ミスアライメントにより基本モードに結合できないレーザ光の一部は、より大きなＮＡで光ファイバ１に入射して、高次モードに結合する。
【００２５】
逆に、コア２の短辺方向に伝搬可能なモードが１個しか存在しない場合（すなわち単一モードの場合）には、高次モードに結合することが不可能とはなるが、基本モードに結合できる光の割合も減少し、結合効率が低下してしまう。すなわち、光ファイバ１に結合した光の大部分が基本モードに結合する状態であれば、高パワー密度による伝搬を実現することができる。このため、コア２の短辺寸法Ａの下限は、コア２の短辺の方向に伝搬可能なモードの数が２以上となるように規定することが好ましい。
【００２６】
しかしながら、光が小さなＮＡで光ファイバ１の基本モードに結合した場合であっても、光ファイバ１に対して側圧や曲率半径ｒの小さな曲げ等、光ファイバ１への摂動があると、一部のパワーが基本モードから高次モードにモード変換されることがある。高次モードへのモード変換が起こると、伝搬光のＮＡが拡大するので、光ファイバ１から出射するときのＮＡも大きくなり、出射光のパワー密度が低下する。つまり、上述した本発明者の検討で明らかになったように、従来の矩形ファイバを気密封止モジュールに用いたときに出射光のパワー密度が低下した原因は、ファイバ固定部に挟み込まれたコアに非常に大きな応力が生じたためと考えられる。
したがって、高次モードへのモード変換を抑制するためには、光ファイバ１をパッケージ９の側壁に固定する際に生じる応力が、コア２に掛かりにくい構造とする必要がある。
【００２７】
光ファイバ固定時の応力は、主に、光ファイバ１をパッケージ９に固定するため用いる封止材１１が固化する際、寸法変化するために生じる。例えば、封止材１１が半田である場合、溶融加熱した状態で光ファイバ１とパッケージ９との間に供給され、冷却に伴って収縮することにより、光ファイバ１に応力が生じる。封止材１１が接着剤である場合でも、硬化にともなって寸法変化（収縮または膨脹）を起こすことにより、光ファイバ１に応力が生じる。
【００２８】
一般に応力は歪に比例する。その比例定数（弾性率やヤング率など）は、通常の光ファイバ１の場合では、コア２とクラッド３とで大差がないと仮定することができるので、封止材１１の寸法変化によってコア２とクラッド３はほぼ均等に収縮（または膨脹）する。この場合、コア２の寸法変化とクラッド３の寸法変化との比は、コア２の寸法とクラッド３の寸法の比にほぼ等しくなる。つまり、コア２の寸法に比べてクラッド３の寸法が大きいほど、封止材１１の寸法変化によってコア２に加わる歪は小さくなり、クラッド３に加わる歪が大きくなる。
【００２９】
また、上述したように、コア２の短辺寸法Ａが小さい光ファイバ１の場合、応力による伝搬モードへの影響は、コア２の短辺方向において、より重要になる。このため、光ファイバ１は、図４に示すように、コア２の短辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｃが、コア２の短辺寸法Ａの３倍以上であることが好ましい。クラッド３の寸法Ｃとコア２の短辺寸法Ａとの比（Ｃ／Ａ）が３倍以上であれば、コア２に加わる歪が封止材１１の寸法変化の１／３以下になるので、基本モードから高次モードへのモード変換を効果的に抑制することができる。
クラッド３の外周形状は、図４（ａ）に示すように円形でも良く、図４（ｂ）に示すように楕円形でも良く、図４（ｃ）に示すように矩形でも良い。
なお、上述した特許文献４〜６に記載の矩形ファイバは、いずれもクラッドが薄いため、本発明の要件を満たしていない。このため、固定時にはコアへの応力の影響が大きいと推定される。
【００３０】
なお、周囲からの側圧に対してコア２への応力を抑制する方法としては、樹脂被覆や発泡体のように柔軟な緩衝作用を有する緩衝層をクラッド３の周囲に設けて、光ファイバ１の周囲で生じた寸法変化を緩衝層に吸収させることも考えられる。しかしながら、樹脂被覆や発泡体はガスを透過するため、レーザダイオード４を気密封止する場合には、封止材１１と光ファイバ１との間に緩衝層を設けることはできない。つまり、気密封止には、光ファイバ１のクラッド３が露出された部分をパッケージ９に固定する必要があるので、緩衝層なしでコア２に加わる応力を抑制するためには、クラッド３の寸法Ｃとコア２の短辺寸法Ａとの比（Ｃ／Ａ）を大きくする方法が有効である。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態のレーザダイオードモジュール１０は、気密封止により異物の侵入を防ぎ、レーザダイオードの故障を抑制できるとともに、レーザダイオード４から光ファイバ１への結合効率が高く、しかもパワー密度の低下を抑制することができる。このため、レーザ光源として、特に固体レーザの励起光源として、好適に利用することができる。
【００３２】
高パワーかつ高パワー密度のレーザ光源を構成するためには、図６に示すように、複数のレーザダイオード４から出射した光を１本の導光用光ファイバ２１に結合して、出力できるようにすることが好ましい。導光用光ファイバ２１は、コア２２とその周囲に形成されたクラッド２３とを有する。コア２２の断面形状は特に限定されず、円形、矩形、その他所望の形状とすることができる。
【００３３】
図６に示すレーザ光源は、複数のレーザダイオードモジュール１０と、これら複数のレーザダイオードモジュール１０の有する複数のレーザダイオード４の出力を、各レーザダイオードモジュール１０の光ファイバ１を介して受け取り、１本の導光用光ファイバ２１に入射させる光結合系２０とを備える。光結合系２０は、パッケージ１９に気密に封止することもできる。光ファイバ１をパッケージ１９に固定する方法は、レーザダイオードモジュール１０のパッケージ９に光ファイバ１を固定する方法と同様とすることができる。
【００３４】
図６では、光結合系２０の存在を模式的に示したが、具体的には、例えば図７〜８に示すように、複数のレンズ３１，３２，３３を組み合わせた光結合系３０、図９〜１０に示すように、クラッド４２内に複数のコア４１を有する光導波路基板４３を用いた光結合系４０、図１１〜１２に示すように、複数の光ファイバ５１を集束した光結合系５０などが挙げられる。
【００３５】
図７〜８に示す光結合系３０において、レンズ３１，３２，３３は、円筒状のレンズ面を有するシリンドリカルレンズである。複数の光ファイバ１は、コア２の短辺方向に沿って一列に並べられている。すなわち、光ファイバ１の長手方向をＸ方向、複数の光ファイバ１が並列した方向をＹ方向とするとき、コア２の短辺方向は、Ｙ方向に向けられ、コア２の長辺方向は、Ｘ方向及びＹ方向のいずれにも垂直な方向、すなわちＺ方向に向けられている。図８（ａ）では、左右がＸ方向、上下がＺ方向である。また、図８（ｂ）では、左右がＸ方向、上下がＹ方向である。
【００３６】
レンズ３１は、並列された複数の光ファイバ１の出射端ごとに１つずつ設けられた円柱状レンズであり、図８（ｂ）に示すように、Ｙ方向に広がって光ファイバ１の出射端から出力された光を平行化（コリメート）する機能を有する。
レンズ３２は、各レンズ３１によって平行化された光を、導光用光ファイバ２１のコア２２に向けて、Ｙ方向に集光する機能を有する。
レンズ３３は、Ｚ方向に集光する機能を有する。
図８（ｂ）に示すように、Ｙ方向に沿ったレンズ３２及びレンズ３３の寸法は、複数の光ファイバ１からの出力全体を各１つのレンズ３２及びレンズ３３で受け取ることができるように大きく広がっている。
図７に示すように、各光ファイバ１のコア２の形状が光結合系３０を介して導光用光ファイバ２１の入射側の端面に投影される領域２４は、円形のコア２２の範囲に含まれることが好ましい。この場合、図８（ａ）において、Ｚ方向に沿った領域２４の範囲Ｓは、コア２２の直径φよりも小さい。
【００３７】
図９〜１０に示す光結合系４０は、クラッド４２内に複数のコア４１が形成された光導波路基板４３から構成される。それぞれのコア４１は、光ファイバ１の出射端と導光用光ファイバ２１の入射側の端面との間を光学的に結合している。
光導波路基板４３を作製する方法として、例えば、基板側から順に、クラッド４２のうちコア４１より下方の部分、コア４１及びクラッド４２のうちコア４１と同じ高さの部分、クラッド４２のうちコア４１より上方の部分を積層する方法が挙げられる。基板の平面に沿ったコア４１の形状は、例えばフォトリソグラフィーなどによってパターニング形成することができる。
【００３８】
図１１〜１２に示す光結合系５０は、コア５２及びクラッド５３が矩形状の断面を有する複数の光ファイバ５１から構成される。それぞれの光ファイバ５１は、光ファイバ１の出射端と導光用光ファイバ２１の入射側の端面との間を光学的に結合している。
光ファイバ５１は、コア５２の短辺方向に屈曲性が優れるので、導光用光ファイバ２１の入射側の端面に対向する位置で複数積層するように容易に配線することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００４０】
（コアの短辺寸法Ａに関する試験結果）
図２（ｂ）に示す断面形状を有する光ファイバ１の例として、コア２及びクラッド３の材料を石英系ガラスとし、コア２とクラッド３間に適宜の屈折率差を設けるとともに、コア２の短辺寸法Ａが６μｍ、１２μｍ、１８μｍ、２４μｍ、３０μｍ又は５０μｍであり、コア２の長辺寸法Ｂがいずれも７５μｍであり、クラッド３がいずれも径１２５μｍの円形である矩形コア円形クラッドファイバを作製し、それぞれのファイバ先端部を楔形にレンズ加工し、その先端部にエミッタ幅が７０μｍのＬＤチップを光結合可能に配置したサンプルＡ〜Ｆを作製した。各サンプルについて、ＬＤチップから出力８Ｗで発光させた光を矩形コア円形クラッドファイバに結合させ、ファイバ入射パワー（Ｗ）を測定した。さらに、ファイバ入射パワーとＬＤチップ出力との比から結合効率（％）を、ファイバ入射パワーとコア面積との比から光パワー密度（ｍＷ／μｍ２）を算出した。その結果を表１に示す。また、図１３にコア２の短辺寸法Ａに対する結合密度及び光パワー密度の関係を示す。コア２の短辺寸法Ａが短いほど光パワー密度は高くなったが、結合効率（％）は、短辺寸法Ａが６μｍの場合に著しく低くなった。
【００４１】
【表１】
2012042819.tif 000003
【００４２】
各サンプルについて、コア２の短辺方向に伝搬可能なモードの数をモード解析により計測したところ、短辺寸法Ａが１２〜５０μｍの場合はいずれも短辺方向に伝搬可能なモードの数が２以上（多モード）であったのに対し、短辺寸法Ａが６μｍの場合は短辺方向に伝搬可能なモードの数が１（単一モード）であった。
この試験結果によれば、コア２の短辺方向に伝搬可能なモードの数が２以上であり、かつ短辺寸法Ａが３０μｍ以下であれば、結合効率及び光パワー密度が高くなり、好ましいことが分かる。
【００４３】
（クラッド／コアの寸法比Ｃ／Ａに関する試験結果）
図４に示すように、クラッド形状が円形（図４（ａ）参照）、楕円形（図４（ｂ）参照）又は矩形（図４（ｃ）参照）である光ファイバのサンプル１〜５を作製した。
サンプル１は、クラッド形状が矩形であり、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが１０５μｍ、コア２の短辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｃが４５μｍ、コア２の長辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｄが１２５μｍ、比Ｃ／Ａの値が１．８である。
サンプル２は、クラッド形状が矩形であり、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが１０５μｍ、コア２の短辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｃが６２．５μｍ、コア２の長辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｄが１２５μｍ、比Ｃ／Ａの値が２．５である。
【００４４】
サンプル３は、クラッド形状が楕円形であり、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが１０５μｍ、コア２の短辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｃが５０μｍ、コア２の長辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｄが１２５μｍ、比Ｃ／Ａの値が２である。
サンプル４は、クラッド形状が楕円形であり、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが１０５μｍ、コア２の短辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｃが７５μｍ、コア２の長辺に沿った方向におけるクラッド３の最大寸法Ｄが１２５μｍ、比Ｃ／Ａの値が３である。
サンプル５は、クラッド形状が円形であり、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが１０５μｍ、クラッド外径（寸法Ｃ及び寸法Ｄ）が１２５μｍ、比Ｃ／Ａの値が５である。
表２にサンプル１〜５の構造パラメータをまとめて示す。各光ファイバは、コア２の短辺方向の開口数（ＮＡ）がいずれも約０．２３となるように、コア２及びクラッド３の屈折率等を調整した。
【００４５】
【表２】
2012042819.tif 000004
【００４６】
サンプル１〜５について、レーザダイオードモジュールを作製した。レーザダイオードとしては、発光部（エミッタ）の幅が７０μｍであり、エミッタの高さ方向の開口数（ＮＡ）が約０．４であるＬＤチップを用い、出力８Ｗで発光させた。光ファイバは、ＬＤチップと対向する先端部を図２（ａ）に示すようにレンズ状に加工し、結合させた。
【００４７】
封止材１１は、封止材なし（固定なし）、接着剤、半田の３通りとした。
光ファイバを接着剤又は半田でパッケージに固定した場合は、レーザダイオードを気密に封止することができたが、光ファイバをパッケージに固定しない場合は、隙間ができてレーザダイオードを気密に封止することができなかった。
【００４８】
また、上記の各レーザダイオードモジュールについて、光ファイバ１のコア２を伝搬して出射した光のコア短辺方向の開口数ＮＡ（出射光ＮＡ）を測定した。その結果を寸法比Ｃ／Ａと出射光ＮＡとの関係としてまとめたグラフを図１４に示す。図１４中、各光ファイバのＮＡ（ファイバＮＡ）を点線で示す。
図１４に示すように、固定なしの場合、寸法比Ｃ／Ａの値にかかわらず出射光ＮＡが約０．１と一定値を示した。これは、レーザダイオードから光ファイバに入射するときに、大部分の光が小さなＮＡで光ファイバの基本モードに結合でき、かつ、小さなＮＡのまま光ファイバ内を伝搬して出射したためと考えられる。しかし、気密封止ができていないため、パッケージ内に侵入する異物によって故障するおそれがある。
接着剤又は半田で光ファイバを固定した場合、パッケージを気密に封止することはできるが、寸法比Ｃ／Ａが３より小さいと、出射光ＮＡが増加した。これは、封止材１１の寸法変化により光ファイバ１に側圧が掛かり、コア２に応力が加わったため、光ファイバ内で基本モードから高次モードへのモード変換が起こり、伝搬光のＮＡが光ファイバのＮＡの範囲内（最大で約０．２３）で拡大したためと考えられる。
【００４９】
この試験結果によれば、寸法比Ｃ／Ａが３以上であれば、気密封止により異物の侵入を防ぐことができ、気密封止に用いる封止材の寸法変化があっても、光ファイバのコアに対する側圧の影響を抑制し、小さいＮＡを維持して光ファイバ１を伝搬させることが可能なレーザダイオードモジュールを実現することができる。
【００５０】
（レーザ光源の作製例１）
図７〜８に示すように、シリンドリカルレンズ３１〜３３からなる光結合系３０を備えたレーザ光源を作製した。
光ファイバ１としては、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが７５μｍ、開口数が０．１５であるものを用いた。レーザダイオードとしては、発光部（エミッタ）の幅が７０μｍであるＬＤチップを用い、出力８Ｗで発光させた。
導光用光ファイバ２１としては、コア２２の直径φが１２５μｍ、開口数が０．１５であり、入射側の端面を無反射コートしたものを用いた。
レンズ３１〜３３は、いずれも表面を無反射コートしたものを用いた。
これにより、高パワーかつ高パワー密度のレーザ光源を作製することができた。
【００５１】
（レーザ光源の作製例２）
図９〜１０に示すように、クラッド４２内に複数のコア４１を有する光導波路基板４３からなる光結合系４０を備えたレーザ光源を作製した。
光ファイバ１としては、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが７５μｍ、開口数が０．１５であるものを用いた。レーザダイオードとしては、発光部（エミッタ）の幅が７０μｍであるＬＤチップを用い、出力８Ｗで発光させた。
光導波路基板４３は、コア４１の断面形状が、短辺２５μｍ×長辺７５μｍの矩形であり、開口数ＮＡが０．１５であり、３つのコア４１のピッチは、光ファイバ１のクラッド径と同程度である１２５μｍとした。また、光導波路基板４３のコア４１及びクラッド４２は、入力側及び出力側の端面を無反射コートしたものを用いた。
導光用光ファイバ２１としては、コア２２の直径φが１２５μｍ、開口数が０．１５であり、入射側の端面を無反射コートしたものを用いた。
光ファイバ１の出射側の端面とコア４１の入力側の端面との間は、突合せ結合により、光結合した。同様に、コア４１の出射側の端面と導光用光ファイバ２１の入力側の端面との間も、突合せ結合により、光結合した。
これにより、高パワーかつ高パワー密度のレーザ光源を作製することができた。
【００５２】
（レーザ光源の作製例３）
図１１〜１２に示すように、複数の矩形ファイバ５１から光結合系５０を備えたレーザ光源を作製した。
光ファイバ１としては、コア２の短辺寸法Ａが２５μｍ、コア２の長辺寸法Ｂが７５μｍ、開口数が０．１５であるものを用いた。レーザダイオードとしては、発光部（エミッタ）の幅が７０μｍであるＬＤチップを用い、出力８Ｗで発光させた。
光ファイバ５１は、クラッド５３が、短辺５０μｍ×長辺寸法１１０μｍの矩形状であり、開口数ＮＡが０．１５であり、入力側及び出力側の端面を無反射コートしたものを用いた。
導光用光ファイバ２１としては、コア２２の直径φが２００μｍ、開口数が０．１５であるものを用いた。
光ファイバ１の出射側の端面と矩形ファイバ５１の入力側の端面との間は、突合せ結合により、光結合した。同様に、矩形ファイバ５１の出射側の端面と導光用光ファイバ２１の入力側の端面との間も、突合せ結合により、光結合した。
これにより、高パワーかつ高パワー密度のレーザ光源を作製することができた。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ…コアの短辺寸法、Ｂ…コアの長辺寸法、Ｃ…コアの短辺に沿った方向におけるクラッドの最大寸法、Ｄ…コアの長辺に沿った方向におけるクラッドの最大寸法、１…光ファイバ、２…コア、３…クラッド、４…レーザダイオード、６…光ファイバの先端部、７…シリンドリカルレンズ、９…パッケージ、１０…レーザダイオードモジュール、１１…封止材、２０，３０，４０，５０…光結合系、２１…導光用光ファイバ。
【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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