JP6413030B1 - 導光装置、レーザモジュール、及び導光装置の製造方法 - Google Patents

導光装置、レーザモジュール、及び導光装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

コリメートレンズ(C1〜Cn)を固定するための樹脂(R1,R2)が吸水膨張した場合に生じ得るレーザダイオード群(LD)と光ファイバ(OF)との結合効率の低下を、従来よりも小さく抑えたレーザモジュール(1,1A,1B)を実現する。集束レンズ(L)に集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向を、対応するコリメートレンズ(Ci)を固定するための樹脂(R1,R2)の吸水膨張に起因する進行方向の変化を補償するように、基準方向からオフセットする。

Description

本発明は、ビーム束を導光する導光装置に関する。また、そのような導光装置を備えたレーザモジュール、及び、そのような導光装置を製造する製造方法に関する。
レーザビームを出力するための光源として、複数のレーザダイオードを備えたレーザモジュールが広く用いられている。このようなレーザモジュールを開示した文献としては、例えば、特許文献1が挙げられる。
特許文献1に記載のレーザモジュール10は、図8に示すように、(1)光軸が第1平面内に平行に並び、かつ、F軸が第1平面に直交するレーザビームからなる第1ビーム束を生成するレーザダイオード群LDと、(2)レーザダイオード群LDにて生成された第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズ群Cと、(3)コリメートレンズ群Cにて各レーザビームのF軸方向の広がりがコリメートされた第1ビーム束を、光軸が第2平面内に平行に並び、かつ、F軸が第2平面に平行なレーザビームからなる第2レーザビーム束に変換するミラー群Mと、(4)ミラー群Mにて得られた第2ビーム束を構成する各レーザビームを第2平面内で屈折させることにより、第2ビーム束を集束する集束レンズLと、(5)集束レンズLにて集束された第2ビーム束を受光する光ファイバOFと、を備えている。
ミラー群Mを構成する各二連ミラーMiは、図9に示すように、第1ビーム束を構成する各レーザビームを反射する第1ミラーMi1と、第1ミラーにて反射されたレーザビームを反射する第2ミラーMi2とにより構成されている。レーザモジュール10においては、(a)各二連ミラーMiの第1ミラーMi1の向きを調整する(z軸を回転軸として微小回転する)ことによって、第2ビーム束において対応するレーザビームの進行方向を仰角方向に変化させることができ、(b)各二連ミラーMiの第2ミラーMi2の向きを調整する(z軸を回転軸として微小回転する)ことによって、第2ビーム束において対応するレーザビームの進行方向を方位角方向に変化させることができる。このため、ミラー群Mに入射する第1ビーム束を構成するレーザビームの進行方向にばらつきがあっても、各二連ミラーMiの第1ミラーMi1及び第2ミラーMi2の向きを調整することによって、進行方向にばらつきのないレーザビームからなる第2ビーム束を得ることができる。
しかしながら、図8に示すように、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束が平行束(光軸が互いに平行なレーザビームの集合)である場合、図10の(a)に示すように、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成するレーザビームが一点で交差しない。これは、集束レンズLが球面収差を持つからである。このため、第2ビーム束を構成するレーザビームを光ファイバOFに漏れなく入射させることが困難となり、その結果、レーザダイオード群LDと光ファイバOFとの結合効率が低下する。
このような問題の解決に資する技術を開示した文献としては、例えば、特許文献2が挙げられる。特許文献2には、以下のことが記載されている。すなわち、図10の(b)に示すように、集束レンズにて集束される前のビーム束を収斂束(光軸同士の間隔が光源から遠ざかるに従って次第に狭くなるレーザビームの集合)とすることによって、集束レンズにて集束された後のビーム束を構成するレーザビームを一点で交差させることができる。また、図10の(c)に示すように、集束レンズにて集束される前のビーム束を発散束(光軸同士の間隔が光源から遠ざかるに従って次第に広くなるレーザビームの集合)とすることによって、集束レンズにて集束された後のビーム束を構成するレーザビームを一点で交差させることができる。
特許文献2に記載の技術を利用したレーザモジュールを開示した文献としては、例えば、特許文献3が挙げられる。特許文献3に記載のレーザモジュール20は、図11に示すように、特許文献1に記載のレーザモジュール10において、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束が収斂束となるように、各二連ミラーMiの第2ミラーMi2の向きを調整したものである。これにより、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成するレーザビームを一点で交差させることができる。その結果、レーザダイオード群LDと光ファイバOFとの結合効率を特許文献1に記載のレーザモジュール10よりも高くすることができる。
国際公開第2014/034428号 日本国公開特許公報「特開平7−199117号」 日本国公開特許公報「特開2014−126852号」
しかしながら、特許文献3に記載のレーザモジュール20には、以下のような問題が残されていた。
すなわち、特許文献3に記載のレーザモジュール20において、コリメートレンズ群Cを構成する各コリメートレンズCiは、図12に示すように、支柱Piを用いて基板Bに固定される。この際、樹脂R1を用いて基板Bの上面に支柱Piの底面が接着固定され、樹脂R2を用いて支柱Piの側面にコリメートレンズCiの側面が接着固定される。これらの樹脂R1〜R2は、吸水膨張する。
基板Bと支柱Piとの接着に用いられる樹脂R1が吸水膨張すると、図12に示すように、支柱Piが基板Bから遠ざかる方向に変位する。その結果、コリメートレンズCiが基板Bから遠ざかる方向、すなわち、コリメートレンズCiに入射するレーザビームのF軸と平行な方向に変位する。また、支柱PiとコリメートレンズCiとの接着に用いられる樹脂R2(特に、コリメートレンズCiの下面に付着したフィレット部)が吸水膨張すると、図12に示すように、コリメートレンズCiが基板Bから遠ざかる方向、すなわち、コリメートレンズCiに入射するレーザビームのF軸と平行な方向に変位する。
そうすると、図13に示すように、ミラー群Mに入射する第1ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向が仰角方向に変化する。その結果、図13に示すように、ミラー群Mから出射される第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向が方位角方向に変化する。図13においては、進行方向が変化する前のレーザビームの光軸を実線で、進行方向が変化した後のレーザビームの光軸を鎖線で示している。
集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向が上記のように変化すると、図14に示すように、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向が変化し、その結果、これらのレーザビームの交差点が変位する。これにより、レーザダイオード群Lと光ファイバOFとの結合効率が低下する。例えば、図14に示すように、集束レンズLの光軸と光ファイバOFの中心軸が一致している場合、交差点の変位の大きさがコア径を上回ると、これらのレーザビームを光ファイバOFのコアに入射させることができなくなる。
なお、ここでは、コリメートレンズを接着固定するために用いる樹脂が吸水膨張した場合に生じ得る問題について説明したが、当該樹脂が吸水以外の原因(例えば、加熱)で膨張した場合にも同様の問題が生じ得ることは明らかである。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コリメートレンズを固定するための樹脂が膨張した場合に生じ得るレーザダイオード群と光ファイバとの結合効率の低下を、従来よりも小さく抑えたレーザモジュールを実現することにある。また、そのようなレーザモジュールの実現に資する導光装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る導光装置は、複数のレーザビームからなる第1ビーム束を、複数のレーザビームからなる第2ビーム束に変換するミラー群と、上記ミラー群の前段に設けられたコリメートレンズ群であって、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズからなるコリメートレンズ群と、上記ミラー群の後段に設けられた集束レンズであって、上記第2ビーム束を構成する各レーザビームを屈折させることにより、上記第2ビーム束を集束する集束レンズと、を備え、上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズに集束された後の上記第2ビーム束を構成する複数のレーザビームが上記集束レンズの光軸上に単一の交差点を形成するときの進行方向を基準方向として、上記コリメートレンズを固定するための樹脂の膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、上記基準方向からオフセットされている、ことを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る導光装置の製造方法は、複数のレーザビームからなる第1ビーム束を、複数のレーザビームからなる第2ビーム束に変換するミラー群と、上記ミラー群の前段に設けられたコリメートレンズ群であって、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズからなるコリメートレンズ群と、上記ミラー群の後段に設けられた集束レンズであって、上記第2ビーム束を構成する各レーザビームを屈折させることにより、上記第2ビーム束を集束する集束レンズと、を備えた導光装置の製造方法であって、上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向を、上記集束レンズに集束された後の上記第2ビーム束を構成する複数のレーザビームが上記集束レンズの光軸上に単一の交差点を形成する進行方向を基準方向として、上記コリメートレンズを固定するための樹脂の膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、上記基準方向からオフセットさせる工程を含んでいる、ことを特徴とする。
本発明に係る導光装置をレーザダイオード群から出力されたビーム束を光ファイバに導光するために用いた場合、コリメートレンズを固定するための樹脂が膨張したときに生じ得るレーザダイオード群と光ファイバとの結合効率の低下を、従来よりも小さく抑えることができる。また、本発明に係る導光装置をレーザダイオード群から出力されたビーム束を光ファイバに導光するために用いることにより、上記の効果を奏するレーザモジュールを実現することができる。
本発明の一実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す平面図である。 図1に示すレーザモジュールが備えるコリメートレンズ及び光ファイバの平面図である。 図1に示すレーザモジュールが備える二連ミラー及びコリメートレンズの平面図である。 図1に示すレーザモジュールに関し、第2ビーム束を構成するレーザビームと光ファイバとの結合効率を、そのレーザビームの伝播角の関数として表したグラフである。 図1に示すレーザモジュールの第1の変形例を示す平面図である。 (a)は、図1に示すレーザモジュールの第2の変形例を示す平面図であり、(b)は、図1に示すレーザモジュールの第2の形例を示す側面図である。 図6に示すレーザモジュールが備えるコリメートレンズ及び光ファイバの側面図である。 従来のレーザモジュールの構成を示す平面図である。 従来のレーザモジュール、及び、本発明の実施形態に係るレーザモジュールが備える二連ミラーの構成を示す斜視図である。 コリメートレンズに入射するビーム束の光路を示す平面図である。(a)は、コリメートレンズに入射するビーム束が平行束である場合の光路を示し、(b)は、コリメートレンズに入射するビーム束が収斂束である場合の光路を示し、(c)は、コリメートレンズに入射すビーム束が発散束である場合の光路を示す。 従来のレーザモジュールの構成を示す平面図である。 従来のレーザモジュール、及び、本発明の実施形態に係るレーザモジュールが備えるコリメートレンズ、支柱、及び基板Bの断面図である。 図11に示すレーザモジュールが備えるレーザダイオード、コリメートレンズ、支柱、二連ミラー、及び集束レンズの斜視図である。 図11に示すレーザモジュールが備える集束レンズ及び光ファイバの平面図である。
〔レーザモジュールの構成〕
本発明の一実施形態に係るレーザモジュール1の構成について、図1を参照して説明する。図1は、レーザモジュール1の構成を示す平面図である。
レーザモジュール1は、図1に示すように、1つの基板Bと、n個のレーザダイオードLD1〜LDnからなるレーザダイオード群LDと、n個のコリメートレンズC1〜Cnからなるコリメートレンズ群Cと、n個の支柱P1〜Pnからなる支柱群Pと、n個の二連ミラーM1〜Mnからなるミラー群Mと、1つの集束レンズLと、1つの光ファイバOFとを備えている。nは2以上の任意に自然数であるが、本実施形態においてはn=10である。レーザモジュール1から、レーザダイオード群LDと光ファイバOFとを除いたものを、導光装置と呼ぶ。
レーザダイオードLDi(iは、1以上n以下の自然数)は、レーザビームを生成するための構成である。本実施形態においては、図示した座標系において、活性層がxy平面と平行になるように、かつ、出射端面がzx平面と平行になるように、基板B上に載置されたレーザダイオードを、レーザダイオードLD1〜LDnとして用いる。レーザダイオードLDiからは、進行方向がy軸正方向に一致し、F(Fast)軸がz軸と平行であり、S(Slow)軸がx軸と平行であるレーザビームが出力される。これらのレーザダイオードLD1〜LDnは、各レーザダイオードLDiの出射端面がx軸と平行な直線上に位置するように配置されている。これらのレーザダイオードLD1〜LDnから出力されたレーザビームは、光軸がxy平面と平行な平面(以下、「第1平面」と記載する)内に並び、かつ、F軸がz軸と平行な(第1平面と直交する)レーザビームからなる平行束(以下、「第1ビーム束」と記載)を構成する。なお、第1の平面は、レーザダイオードLD1〜LDnから出力されたレーザビームの光軸を含む仮想的な平面であり、物理的な実体ではない。
レーザダイオードLDiにて生成されたレーザビームの光路上には、コリメートレンズCiが配置されている。コリメートレンズCiは、第1ビーム束を構成するレーザビームのうち、対応するレーザダイオードLDiから出力されたレーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするための構成である。本実施形態においては、図示した座標系において、平坦面(入射面)がy軸負方向を向き、湾曲面(出射面)がy軸正方向を向き、yz平面に平行な断面のy軸正方向側の外縁が円弧を描くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、コリメートレンズC1〜Cnとして用いる。
コリメートレンズCiの側方には、支柱Piが配置されている。支柱Piは、対応するコリメートレンズCiを支持するための構成である。本実施形態においては、図示した座標系において、4つの側面がそれぞれx軸正方向、y軸正方向、x軸負方向、及びy軸負方向を向き、上面及び下面がそれぞれz軸正方向及びz軸負方向を向くように配置された直方体状のガラスブロックを、支柱P1〜Pnとして用いる。図12に示したように、支柱Piの底面は、樹脂R1を用いて基板Bの上面に接着固定されている。また、コリメートレンズCiのx軸負方向側の側面は、樹脂R2を用いて支柱Piのx軸正方向側の側面に接着固定されている。
コリメートレンズCiにてF軸方向の広がりがコリメートされたレーザビームの光路上には、二連ミラーMiが配置されている。二連ミラーMiは、図9に示したように、基板Bの上面に載置され、その下面が基板Bの上面に接着固定された第1ミラーMi1と、第1ミラーMi1の上面に載置され、その下面が第1ミラーMi1の上面に接着固定された第2ミラーMi2とにより構成されている。第1ミラーMi1は、図示した座標系において、法線ベクトルがz軸正方向と45°を成す反射面を有している。第1ミラーMi1は、第1ビーム束を構成するレーザビームのうち、対応するコリメートレンズにてコリメートされたレーザビームを反射して、その進行方向をy軸正方向からz軸正方向に変換すると共に、そのF軸をz軸と平行な状態からy軸と平行な状態に変換する。また、第2ミラーMi2は、図示した座標系において、法線ベクトルがz軸正方向と135°を成す反射面を有している。第2ミラーMi2は、対応する第1ミラーMi1にて反射されたレーザビームを反射して、その進行方向をz軸正方向から略x軸正方向に変換すると共に、そのS軸をx軸と平行な状態からz軸と平行な状態に変換する。二連ミラーMiにおいては、(a)第1ミラーMi1の向きを調整する(z軸を回転軸として微小回転する)ことによって、第2ミラーMi2にて反射されたレーザビームの進行方向を仰角方向に変化させることができ、(b)第2ミラーMi2の向きを調整する(z軸を回転軸として微小回転する)ことによって、第2ミラーMi2にて反射されたレーザビームの進行方向を方位角方向に変化させることができる。このため、レーザダイオードLD1〜LDnの実装位置又は実装方向にずれがあっても、第2ミラーMi2にて反射されたレーザビームの進行方向を容易に所望の方向に調整することができる。
これらの二連ミラーM1〜Mnは、各レーザダイオードLDiから二連ミラーMiまでの光路長liがl1<l2<…<lnとなるように配置されている。第2ミラーM12〜Mn2にて反射されたレーザビームは、光軸がxy平面と平行な平面(以下、「第2平面」と記載)内に並び、F軸がxy平面と平行な(第2平面と平行な)レーザビームからなるビーム束(以下、「第2ビーム束」と記載する)を構成する。すなわち、ミラー群Mは、光軸がxy平面と平行な第1平面内に並び、かつ、F軸が第1平面と直交するレーザビームからなる第1ビーム束を、光軸がxy平面と平行な第2平面内に並び、F軸が第2平面と平行なレーザビームからなる第2ビーム束に変換する。なお、ミラー群Mにて得られる第2ビーム束が平行束となるか、収斂束となるか、発散束となるかは、例えば、第2ミラーM12〜Mn2の向きによって決まる。本実施形態においては、特許文献3に記載のレーザモジュールと同様、第2ビーム束が収斂束を構成するように、第2ミラーM12〜Mn2の向きを定めている。なお、第2平面は、第2ミラーM12〜Mn2から出力されたレーザビームの光軸を含む仮想的な平面であり、物理的な実体ではない。
ミラー群Mにて得られた第2ビーム束の光路上には、集束レンズLが配置されている。集束レンズLは、第2ビーム束を構成する各レーザビームを第2平面内で屈折させることによって、第2ビーム束を集束するための構成である。本実施形態においては、図示した座標系において、湾曲面(入射面)がx軸負方向を向き、平坦面(出射面)がx軸正方向を向き、xy平面に平行な断面のx軸負方向側の外縁が円弧を描くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、集束レンズLとして用いる。このため、集束レンズLは、第2ビーム束を集束する機能の他に、第2ビーム束を構成する各レーザビームを、そのF軸径が次第に小さくなるように集光する機能を担う。
集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束が収斂束を構成しているため、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成するレーザビームは、一点で交差する。集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成するレーザビームが交差する点を、以下、ビーム交差点と呼ぶ。このビーム交差点には、光ファイバOFの入射端面が配置されている。光ファイバOFは、入射端面がx軸負方向を向くように配置されており、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束は、この入射端面を介して光ファイバOFに入射する。
なお、各コリメートレンズCiから対応する二連ミラーMiに至るレーザビームの光路上には、このレーザビームのS軸方向の広がりをコリメートするためのコリメートレンズが設けられていてもよい。また、集束レンズLから光ファイバOFに至る第2ビーム束の光路上には、この第2ビーム束を構成する各レーザビームを、そのS軸径が次第に小さくなるように集光するための集光レンズが設けられていてもよい。これにより、各レーザダイオードLDiにて生成されるレーザビームのS軸方向の広がり角が大きい場合であっても、レーザダイオード群LDと光ファイバOFとの結合効率を高く保つことが可能になる。
なお、本実施形態においては、各二連ミラーMiの第2ミラーMi2として、外表面を反射面とするミラーを用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、各二連ミラーMiの第2ミラーMi2として、内表面を反射面とするプリズムを用いてもよい。この場合、第1ミラーMi1にて反射されたレーザビームは、このプリズムの内部に入射し、このプリズムの内表面(このプリズムと空気の境界面)にて全反射され、このプリズムの外部に出射されることになる。
〔レーザモジュールの特徴および効果〕
レーザモジュール1の特徴について、図2及び図3を参照して説明する。図2は、レーザモジュール1が備える集束レンズL及び光ファイバOFの平面図である。図3は、レーザモジュール1が備える二連ミラーMi及び集束レンズLの平面図である。
レーザモジュール1においては、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向が、乾燥状態において図2に示すように設定されている。すなわち、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、コリメートレンズC1〜Cnの固定に用いる樹脂R1,R2の吸水膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、基準方向からオフセットされている。ここで、基準方向とは、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向であって、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成する各レーザビームが集束レンズLの光軸OA上に単一の交差点を形成するときの進行方向のことを指す。図2においては、基準方向に進行するレーザビームの光路を実線で、基準方向からオフセットされた方向に進行するレーザビームの光路を二点鎖線で表している。コリメートレンズCiの固定に用いる樹脂R1,R2が吸水膨張した場合、第2ビーム束を構成するレーザビームは、図2において鎖線で示す光路を通ることになる。
上記の特徴は、以下のように言い換えることができる。すなわち、レーザモジュール1においては、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの伝播角θi(そのレーザビームの進行方向と集束レンズLの光軸OAとの成す角)が、乾燥状態において図3に示すように設定されている。すなわち、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの伝播角θiは、コリメートレンズC1〜Cnの固定に用いる樹脂R1,R2の吸水膨張に起因する当該伝播角θiの変化−Δを補償するように、基準角θrefにオフセット角θosを加えた値θref+θosに設定されている。ここで、基準角θrefとは、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの伝播角θiであって、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成するレーザビームが集束レンズLの光軸OA上に単一の交差点を形成するときの伝播角θiのことを指す。図3においても、基準方向に進行するレーザビーム(θi=θref)の光路を実線で、基準方向からオフセットされた方向に進行するレーザビーム(θi=θref+θos)の光路を二点鎖線で表している。コリメートレンズCiの固定に用いる樹脂R1,R2が吸水膨張した場合、第2ビーム束を構成するレーザビームは、図3において鎖線で示す光路を通ることになる。各レーザビームに対するオフセット角θref(特許請求の範囲における「オフセット量」)は、同一符号になり、その大きさは、集束レンズLへの入射位置が集束レンズLの光軸から遠いレーザビームほど小さくなる。
集束レンズLへの入射位置が集束レンズLの光軸から遠いレーザビームほどオフセット角θrefが小さくなる理由は、以下のとおりである。集束レンズLへの入射位置が集束レンズLの光軸から遠いレーザビームAと、集束レンズLへの入射位置が集束レンズLの光軸に近いレーザビームBと、を考える。集束レンズLの主面(主点を含み光軸に直交する平面)における集束レンズLの光軸からレーザビームAまでの距離をaとし、集束レンズLの主面における集束レンズLの光軸からレーザビームBまでの距離をbとする(a>b)。また、レーザビームAとレーザビームBとは、集束レンズLの光軸に対して同じ側にあり、吸水膨張の前でも後でも、レーザビームAとレーザビームBとは、集束レンズLの主面と平行な、集束レンズLの主面からの距離がfとなる平面上で交わるものとする。レーザビームAとレーザビームBとの交点は、樹脂R1,R2が吸水膨張する過程で、レーザビームAの光軸及びレーザビームBの光軸を含む平面において、集束レンズLの主面と平行な方向に移動する。吸水膨張前(移動前)の交点から吸水膨張後(移動後)の交点までの距離をdとする(b>d)。このとき、a,b≫fに注意すると、集束レンズLを透過したレーザビームAのオフセット角θAは、θA=tan−1(a/f)−tan−1((a−d)/f)≒(a/f)−(1/3)(a/f)−{(a−d)/f−(1/3)((a−d)/f)}=d/f+{d/(3f)}(−3a+3ad−d)により与えられ、集束レンズLを透過したレーザビームBのオフセット角θBは、θB=tan−1(b/f)−tan−1((b−d)/f)≒d/f+{d/(3f)}(−3b+3bd−d)により与えられる。したがって、θA−θB≒(d/f)(−a+ad+b−bd)=(d/f){(a−b)d−(a+b)(a−b)}=(d/f)(a−b)(d−a−b)となる。ここで、a>b≫dに注意すると、θA−θB<0であること、すなわち、θA<θBであることが分かる。これは、集束レンズLへの入射位置が集束レンズLの光軸から遠いレーザビームほど集束レンズLを透過したときのオフセット角が小さいことを意味する。集束レンズLに入射する前のオフセット角θosについても同様の大小関係が成り立つことは明らかであろう。
集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの伝播角θiの設定例を表1に示す。表1には、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームについて、そのレーザビームの光源となるLDの符号(図1参照)と、そのレーザビームの伝播角θi(図3参照)と、集束レンズLの光軸OAからそのレーザビームの反射位置までの距離Di(図3参照)と、が示されている。レーザモジュール1の製造に際しては、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの伝播角θiが乾燥状態において表1の値を取るように、二連ミラーM1〜Mnの第2ミラーM12〜Mn2の向きを設定すればよい。
Figure 0006413030
レーザモジュール1の奏する効果について、図4を参照して説明する。図4は、第2ビーム束を構成するレーザビームと光ファイバOFとの結合効率ηを、そのレーザビームの伝播角(集束レンズLに入射する前の伝播角)θiの関数として表したグラフである。
従来のレーザモジュール20のように、乾燥状態における伝播角θiを基準角θrefに設定した場合、樹脂R1,R2が吸水膨張したときの結合効率ηは、図4に示すようにηmin1にまで低下する。これに対して、本実施形態に係るレーザモジュール1のように、乾燥状態における伝播角θiを基準角θrefにオフセット角θosを加えたθref+θosに設定した場合、樹脂R1,R2の吸水膨張したときの結合効率ηは、図4に示すようにηmin2>ηmin1に留まる。したがって、本実施形態に係るレーザモジュール1のように乾燥状態における伝播角θiをθref+θosに設定した場合の最小結合効率ηmin2は、従来のレーザモジュール20のように乾燥状態における伝播角θiをθrefに設定した場合の最小結合効率ηmin1よりも大きくなる。
なお、オフセット角θosは、オフセットによる結合効率ηの低下率{η(θref)−η(θref+θos)}/η(θref)×100が1%未満になるように設定されていることが好ましい。これにより、乾燥状態における結合効率ηを大きな値に保つことができる。
以上のように、本実施形態に係るレーザモジュール1は、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向が上記のように設定されていることによって、コリメートレンズCiの固定に用いる樹脂R1,R2が吸水膨張した場合に生じ得るレーザダイオード群LDと光ファイバOFとの結合効率の低下を従来よりも小さく抑えることができる、という効果を奏する。
〔レーザモジュールの変形例1〕
レーザモジュール1の第1の変形例について、図5を参照して説明する。図5は、本変形例に係るレーザモジュール1Aの平面図である。
図1に示すレーザモジュール1においては、各レーザダイオードLDiの出射端面から対応するコリメートレンズCiの入射端面までの距離が一定であるのに対して、図5に示すレーザモジュール1Aにおいては、各レーザダイオードLDiの出射端面から対応するコリメートレンズCiまでの距離が異なっている。より具体的には、ビーム交差点までの光路長が長いレーザダイオードLDiほど、対応するコリメートレンズCiまでの距離が短くなっており、ビーム交差点までの光路長が短いレーザダイオードLDiほど、対応するコリメートレンズCiまでの距離が長くなっている。これは、各レーザダイオードLDiにて生成されたレーザビームのF軸方向のビーム径を、ビーム交差点において最小化するためである。
本変形例に係るレーザモジュール1Aにおいても、コリメートレンズを固定するための樹脂が吸水膨張した場合に生じ得るレーザダイオード群と光ファイバとの結合効率の低下を、従来よりも小さく抑えることができる。加えて、本変形例に係るレーザモジュール1Aにおいては、各レーザダイオードLDiの出射端面から対応するコリメートレンズCiの入射端面までの距離を上記のように設定することによって、各レーザダイオードLDiにて生成されるレーザビームのF軸径が大きい場合であっても、レーザダイオード群LDと光ファイバOFとの結合効率を高く保つことが可能になる。
〔レーザモジュールの変形例2〕
レーザモジュール1の第2の変形例について、図6を参照して説明する。図6において、(a)は、本変形例に係るレーザモジュール1Bの平面図であり、(b)は、本変形例に係るレーザモジュール1Bの側面図である。
図1に示すレーザモジュール1においては、レーザダイオードLD1〜LDnが載置される基板Bの上面が平面状であるのに対して、図6に示すレーザモジュール1Bにおいては、レーザダイオードLD1〜LDnが配置される基板Bの上面が階段状である。図6に示すレーザモジュール1Bにおいて、レーザダイオードLD1〜LDnは、基板Bの各段に一つずつ載置されている。例えば、レーザダイオードLD10は、基板Bの最も高い段に載置されており、レーザダイオードLD9は、基板Bの二番目に高い段に載置されており、レーザダイオードLD8は、基板Bの三番目に高い段に載置されている。このため、集束レンズLから遠いレーザダイオードLDiほど、その高さが高くなる。図示した座標系に即して言えば、位置のx座標が小さいLDiほど、その位置のz座標が大きくなる。各レーザダイオードLDiから出力されたレーザビームは、基板Bの同じ段に配置されたコリメートレンズCiによってコリメートされる。各コリメートレンズCiの側面が支柱Pi(図6において符号省略)の側面に接着固定され、支柱Piの底面が基板Bの上面の各段に接着固定される点は、図1に示した構成と同様である。
また、図1に示すレーザモジュール1においては、ミラー群Mが少なくとも2つの反射面を有する二連ミラーM1〜Mnにより構成されているのに対して、図6に示すレーザモジュール1Bにおいては、ミラー群Mが少なくとも1つの反射面を有するミラーM1〜Mnにより構成されている。図6に示すレーザモジュール1Bにおいて、ミラーM1〜Mnは、基板Bの各段に一つずつ立設されている。例えば、ミラーM10は、基板Bの最も高い段に立設されており、ミラーM9は、基板Bの二番目に高い段に立設されており、ミラーM8は、基板Bの三番目に高い段に立設されている。各ミラーMiは、基板Bの同じ段に載置されたレーザダイオードLDiから出力されたレーザビームを反射し、その進行方向をy軸正方向からzx面と平行な方向に変換する。各ミラーMiにて反射されたレーザビームからなる第2ビーム束は、基板B上に載置された集束レンズLにて集束される。
図6に示すレーザモジュール1Bにおいて、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、乾燥状態において図7に示すように設定されている。すなわち、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、コリメートレンズC1〜Cnの固定に用いる樹脂R1,R2の吸水膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、基準方向からオフセットされている。ここで、基準方向とは、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向であって、集束レンズLにて集束された後の第2ビーム束を構成する各レーザビームが集束レンズLの光軸OA上に単一の交差点を形成するときの進行方向のことを指す。図7においては、基準方向に進行するレーザビームの光路を実線で、基準方向からオフセットされた方向に進行するレーザビームの光路を二点鎖線で表している。コリメートレンズCiの固定に用いる樹脂R1,R2が吸水膨張した場合、第2ビーム束を構成するレーザビームは、図7において鎖線で示す光路を通ることになる。なお、図6に示すレーザモジュール1Bにおいて、集束レンズLにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向の設定は、ミラーM1〜Mnの傾きを調整することによって実現される。
図6に示すレーザモジュール1Bは、図1に示すレーザモジュール1と同様の効果を奏する。加えて、図6に示すレーザモジュール1Bは、図1に示すレーザモジュール1よりもミラー群Mの構成が単純であるため、図1に示すレーザモジュール1よりも容易かつ安価に製造することができるという効果を奏する。また、図1に示すレーザモジュール1の構成よりも簡易な構成を有するレーザモジュール1Bを実現できる。なお、図6においては、レーザダイオードLD1〜LD10のx軸方向及びz軸方向の間隔が等間隔となるよう、基板Bの上面の段差及び段幅を均等にする構成を採用しているが、本実施形態はこれに限定されない。すなわち、レーザダイオードLD1〜LD10のx軸方向又はz軸方向の間隔が不等間隔となる、基板Bの上面の段差又は段幅を不均等にする構成を採用してもよい。
(まとめ)
本実施形態に係る導光装置は、複数のレーザビームからなる第1ビーム束を、複数のレーザビームからなる第2ビーム束に変換するミラー群(M)と、上記ミラー群(M)の前段に設けられたコリメートレンズ群(C)であって、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズ(C1〜Cn)からなるコリメートレンズ群(C)と、上記ミラー群(M)の後段に設けられた集束レンズ(L)であって、上記第2ビーム束を構成する各レーザビームを屈折させることにより、上記第2ビーム束を集束する集束レンズ(L)と、を備え、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズ(L)に集束された後の上記第2ビーム束を構成する複数のレーザビームが上記集束レンズ(L)の光軸上に単一の交差点を形成するときの進行方向を基準方向として、上記コリメートレンズ(C1〜Cn)を固定するための樹脂(R1,R2)の膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、上記基準方向からオフセットされている、ことを特徴とする。
本実施形態に係る導光装置において、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、各レーザビームの伝播角のオフセット量が同一符号になるように、上記基準方向からオフセットされている、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズ(L)への入射位置が上記集束レンズ(L)の光軸から遠いレーザビームほど伝播角のオフセット量が大きくなるように、上記基準方向からオフセットされている、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、上記第1ビーム束は、光軸が第1平面内に並び、かつ、F軸が上記第1平面に交わるレーザビームからなり、上記第2ビーム束は、光軸が第2平面内に並び、かつ、F軸が上記第2平面に沿うレーザビームからなる、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置は、上記第1平面と平行な上面を有する基板(B)と、上記コリメートレンズ群(C)を構成する各コリメートレンズ(Ci)を支持する支柱(Pi)であって、該コリメートレンズ(Ci)の側面が該支柱(Pi)の側面に接着固定され、該支柱(Pi)の底面が上記基板(B)の上面に接着固定された支柱(Pi)からなる支柱群(P)と、を更に備え、上記樹脂(R1,R2)は、上記支柱(Pi)を上記基板(B)に接着固定するための樹脂(R1)、および、上記コリメートレンズ(Ci)を上記支柱(Pi)に接着固定するための樹脂(R2)である、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、上記ミラー群(M)は、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームを反射する第1ミラー(Mi1)と、該第1ミラー(Mi1)にて反射されたレーザビームを反射する第2ミラー(Mi2)とを備えた二連ミラー(Mi)により構成されており、上記ミラー群(M)を構成する各二連ミラー(Mi)は、上記ミラー群(M)を構成する他の二連ミラー(Mj)から独立しており、上記第2ビーム束は、上記ミラー群(M)を構成する各二連ミラー(Mi)の第2ミラー(Mi2)にて反射されたレーザビームからなる、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、上記第1ビーム束は、光軸が第1軸(図6におけるy軸)に沿い、F軸が上記第1軸に直交する第2軸(図6におけるz軸)に沿うレーザビームからなり、
上記第2ビーム束は、光軸が上記第1軸に直交する平面(図6におけるxz平面)に並び、かつ、F軸が上記平面に沿うレーザビームからなる、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、各段に上記第1ビーム束を構成するレーザビームの光源が載置される階段状の上面を有する基板(B)と、上記コリメートレンズ群(C)を構成する各コリメートレンズ(Ci)を支持する支柱(Pi)であって、該コリメートレンズ(Ci)の側面が該支柱(Pi)の側面に接着固定され、該支柱(Pi)の底面が上記基板(B)の上面の各段に接着固定された支柱(Pi)からなる支柱群(P)と、を更に備え、上記樹脂(R1,R2)は、上記支柱(Pi)を上記基板(B)に接着固定するための樹脂(R1)、および、上記コリメートレンズ(Ci)を上記支柱(Pi)に接着固定するための樹脂(R2)である、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの光軸の延長が上記集束レンズ(L)の出射側に単一の交差点を形成するように設定されている、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置において、上記コリメートレンズ群(C)を構成する各コリメートレンズ(Ci)の、該コリメートレンズ(Ci)にてコリメートされるレーザビームの光源からの距離は、該コリメートレンズ(Ci)にてコリメートされたレーザビームのF軸径が上記交差点において最小となるように設定されている、ことが好ましい。
本実施形態に係るレーザモジュール(1,1A,1B)は、上記導光装置と、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームを出力するレーザダイオード(LD1〜LDn)からなるレーザダイオード群(LD)と、上記第2ビーム束が入力される光ファイバ(OF)と、を備えていることを特徴とする。
本実施形態に係るレーザモジュール(1,1A,1B)において、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記オフセットによる上記光ファイバ(OF)との結合効率の低下率が1%未満になるように設定されている、ことが好ましい。
本実施形態に係る導光装置の製造方法は、複数のレーザビームからなる第1ビーム束を、複数のレーザビームからなる第2ビーム束に変換するミラー群(M)と、上記ミラー群(M)の前段に設けられたコリメートレンズ群(C)であって、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズ(C1〜Cn)からなるコリメートレンズ群(C)と、上記ミラー群(M)の後段に設けられた集束レンズ(L)であって、上記第2ビーム束を構成する各レーザビームを屈折させることにより、上記第2ビーム束を集束する集束レンズ(L)と、を備えた導光装置の製造方法であって、上記集束レンズ(L)に集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向を、上記集束レンズ(L)に集束された後の上記第2ビーム束を構成する複数のレーザビームが上記集束レンズ(L)の光軸上に単一の交差点を形成する進行方向を基準方向として、上記コリメートレンズ(C1〜Cn)を固定するための樹脂(R1,R2)の膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、上記基準方向からオフセットさせる工程を含んでいる、ことを特徴とする。
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上述した実施形態においては、集束レンズにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの乾燥状態(例えば、動作条件として予め定められた湿度範囲の下限値)における進行方向を、コリメートレンズの固定に用いる樹脂の吸水膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するようにオフセットする構成について説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、集束レンズにて集束される前の第2ビーム束を構成する各レーザビームの低温状態(例えば、動作条件として予め定められた温度範囲の下限値)における進行方向を、コリメートレンズの固定に用いる樹脂の加熱膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するようにオフセットする構成についても、本発明の範疇に含まれる。
また、上述した実施形態においては、平坦な基板上に配置されたレーザダイオードを光源とする構成にてついて説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、光源が階段状の基板の各段に配置されたレーザダイオードを光源とする構成についても、本発明の範疇に含まれる。この場合、コリメートレンズは、例えば、基板の各段にレーザダイオードの出射端面と対向するように配置され、ミラーは、例えば、基板の各段にコリメートレンズを介してレーザダイオードの出射端面と対向するように配置される。各ミラーにて反射されたレーザビームは、例えば、基板の底面に直交する面内に並び、集束レンズは、例えば、これらのレーザビームの光路上に設けられる。図6に示したレーザモジュール1Bは、このようなレーザモジュールの一例である。
1、1B レーザモジュール
LD レーザダイオード群
LD1〜LDn レーザダイオード
C コリメートレンズ群
C1〜Cn コリメートレンズ
M ミラー群
M1〜Mn 二連ミラー
L 集束レンズ
OF 光ファイバ

Claims (11)

  1. 光軸が第1平面内に並び、かつ、F軸が上記第1平面に交わる複数のレーザビームからなる第1ビーム束を、光軸が第2平面内に並び、かつ、F軸が上記第2平面に沿う複数のレーザビームからなる第2ビーム束に変換するミラー群と、
    上記ミラー群の前段に設けられたコリメートレンズ群であって、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズからなるコリメートレンズ群と、
    上記ミラー群の後段に設けられた集束レンズであって、上記第2ビーム束を構成する各レーザビームを屈折させることにより、上記第2ビーム束を集束する集束レンズと、
    上記第1平面と平行な上面を有する基板と、
    上記コリメートレンズ群を構成する各コリメートレンズを支持する支柱であって、第1の樹脂によって該コリメートレンズの側面が該支柱の側面に接着固定され、第2の樹脂によって該支柱の底面が上記基板の上面に接着固定された支柱からなる支柱群と、を備え、
    上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズに集束された後の上記第2ビーム束を構成する複数のレーザビームが上記集束レンズの光軸上に単一の交差点を形成するときの進行方向を基準方向として、上記第1の樹脂及び上記第2の樹脂の膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、上記基準方向からオフセットされている、
    ことを特徴とする導光装置。
  2. 上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、各レーザビームの伝播角のオフセット量が同一符号になるように、上記基準方向からオフセットされている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の導光装置。
  3. 上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズへの入射位置が上記集束レンズの光軸から遠いレーザビームほど伝播角のオフセット量が小さくなるように、上記基準方向からオフセットされている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の導光装置。
  4. 上記第1の樹脂は、上記コリメートレンズの下面に付着したフィレット部を有している、
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の導光装置。
  5. 上記第1ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向をy軸正方向、上記基板と直交する方向であって、上記基板の下面から上記基板の上面に向かう方向をz軸正方向として、
    上記コリメートレンズは、平坦面がy軸負方向を向き、湾曲面がy軸正方向を向き、yz平面に平行な断面のy軸正方向側の外縁が円弧を描くように配置された平凸シリンドリカルレンズであり、
    上記湾曲面でも上記平坦面でもない上記コリメートレンズの側面が、上記支柱の側面に接着固定されている、
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の導光装置。
  6. 上記ミラー群は、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームを反射する第1ミラーと、該第1ミラーにて反射されたレーザビームを反射する第2ミラーとを備えた二連ミラーにより構成されており、
    上記ミラー群を構成する各二連ミラーは、上記ミラー群を構成する他の二連ミラーから独立しており、
    上記第2ビーム束は、上記ミラー群を構成する各二連ミラーの第2ミラーにて反射されたレーザビームからなる、
    ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の導光装置。
  7. 上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの光軸の延長が上記集束レンズの出射側に単一の交差点を形成するように設定されている、
    ことを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の導光装置。
  8. 上記コリメートレンズ群を構成する各コリメートレンズの、該コリメートレンズにてコリメートされるレーザビームの光源からの距離は、該コリメートレンズにてコリメートされたレーザビームのF軸径が上記交差点において最小となるように設定されている、
    ことを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の導光装置。
  9. 請求項1〜の何れか1項に記載の導光装置と、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームを出力するレーザダイオードからなるレーザダイオード群と、上記第2ビーム束が入力される光ファイバと、を備えていることを特徴とするレーザモジュール。
  10. 上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向は、上記オフセットによる上記光ファイバとの結合効率の低下率が1%未満になるように設定されている、
    ことを特徴とする請求項に記載のレーザモジュール。
  11. 光軸が第1平面内に並び、かつ、F軸が上記第1平面に交わる複数のレーザビームからなる第1ビーム束を、光軸が第2平面内に並び、かつ、F軸が上記第2平面に沿う複数のレーザビームからなる第2ビーム束に変換するミラー群と、上記ミラー群の前段に設けられたコリメートレンズ群であって、上記第1ビーム束を構成する各レーザビームのF軸方向の広がりをコリメートするコリメートレンズからなるコリメートレンズ群と、上記ミラー群の後段に設けられた集束レンズであって、上記第2ビーム束を構成する各レーザビームを屈折させることにより、上記第2ビーム束を集束する集束レンズと、上記第1平面と平行な上面を有する基板と、上記コリメートレンズ群を構成する各コリメートレンズを支持する支柱であって、第1の樹脂によって該コリメートレンズの側面が該支柱の側面に接着固定され、第2の樹脂によって該支柱の底面が上記基板の上面に接着固定された支柱からなる支柱群と、を備えた導光装置の製造方法であって、
    上記集束レンズに集束される前の上記第2ビーム束を構成する各レーザビームの進行方向を、上記集束レンズに集束された後の上記第2ビーム束を構成する複数のレーザビームが上記集束レンズの光軸上に単一の交差点を形成する進行方向を基準方向として、上記第1の樹脂及び上記第2の樹脂の膨張に起因する当該進行方向の変化を補償するように、上記基準方向からオフセットさせる工程を含んでいる、
    ことを特徴とする導光装置の製造方法。
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