JP7012414B2 - 端部構造および半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバにおける端部構造および半導体レーザモジュールに関する。

加工や溶接といった産業分野においても、半導体レーザモジュールが用いられている。半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を光ファイバに結合させる部分の構成として、光ファイバの外周に光ファイバを固定するガラスキャピラリを設け、ガラスキャピラリの外周にガラスキャピラリを固定する光吸収体を設ける構成が開示されている。光ファイバとガラスキャピラリとはたとえば樹脂などの第１固着材で固着される。ガラスキャピラリと光吸収体とはたとえば樹脂などの第２固着材で固着される（特許文献１）。この構成において、光ファイバに入力されたレーザ光の一部はコア部に結合せずにクラッドモードで伝搬する。このようなレーザ光は、伝搬中に徐々にクラッド部から漏洩し、２つの固着材とガラスキャピラリを透過して光吸収体に到達し、光吸収体によって吸収される。なお、レーザ光を光ファイバに結合させる部分においては、光ファイバの被覆は除去されており、クラッド部が露出している。特許文献１の構成によれば、被覆の損傷の抑制が可能とされている。

国際公開第２０１５／０３７７２５号

産業分野において、光源のレーザ光の高パワー化が求められている。特許文献１の構成では、レーザ光が高パワー化するにつれて、レーザ光のうちクラッドモードで伝搬するレーザ光のパワーが大きくなる。その結果、クラッドモードで伝搬し、クラッド部から漏洩したレーザ光が、第１または第２固着材を損傷させるおそれがある。特に、第１固着材はクラッド部の外周に隣接しているため、漏洩したレーザ光のパワー密度が高く、第２固着材に比して損傷されやすい。また、クラッド部から漏洩したレーザ光は、光ファイバの樹脂被覆を損傷させる場合もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバにおける端部構造であって、クラッドモードでの光伝搬が抑制された端部構造および半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る端部構造は、光ファイバにおける端部構造であって、コア部と、前記コア部の外周に形成されたクラッド部とを有する光ファイバと、第１端面と、前記第１端面の面積よりも小さい面積を有する第２端面と、前記第１端面かから前記第２端面へ断面積が縮小するテーパ形状を有するテーパ部とを有する光学部材と、を備え、前記光学部材の第２端面は、前記光ファイバのコア部の端面に接続されており、前記光学部材は、前記第１端面側から入力された光を前記テーパ部の内側面で全反射して前記光のビーム径を縮小し、前記第２端面から出力するように構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材の屈折率は、前記光ファイバのコア部の屈折率と略同じであることを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材の第２端面から前記光ファイバのコア部への前記光の入射角の正弦値が、前記光ファイバの開口数以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材は、前記第１端面側から入力された前記光のビーム径を、前記コア部のコア径以下にして、前記第２端面から出力することを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材の第２端面の面積は、前記光ファイバのコア部の端面の面積以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材の第２端面は、前記光ファイバのコア部の端面のみに接続されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材は、前記テーパ部と前記第２端面との間に位置し、所定の長さを有する接続部を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る端部構造は、前記光学部材の前記第１端面に接続された、前記第１端面よりも面積が大きい入力端面を有するエンドキャップを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る半導体レーザモジュールは、前記端部構造と、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を前記端部構造に導く光学系と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、クラッドモードでの光伝搬が抑制されるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る端部構造を備えた半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図２は、図１に示す端部構造の模式的な断面図である。 図３は、図２に示す端部構造に対するレーザ光の入力状態を説明する図である。 図４は、実施形態２に係る端部構造の模式的な断面図である。 図５は、実施形態３に係る端部構造の模式的な断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複説明を適宜省略する。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る端部構造を備えた半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。半導体レーザモジュール１００は、筐体であるパッケージ１０１と、パッケージ１０１の内部に順に積載されたＬＤ高さ調整板１０２と、サブマウント１０３－１～１０３－６と、６つの半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６とを備える。パッケージ１０１は、蓋を備えるが、図１においては説明のために図示を省略している。半導体レーザモジュール１００は、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６に電流を注入するリードピン１０５を備える。そして、半導体レーザモジュール１００は、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６が出力するレーザ光の光路上に順に配置された光学素子である、第１レンズ１０６－１～１０６－６と、第２レンズ１０７－１～１０７－６と、ミラー１０８－１～１０８－６と、第３レンズ１０９と、光フィルタ１１０と、第４レンズ１１１とを備える。第１レンズ１０６－１～１０６－６、第２レンズ１０７－１～１０７－６、ミラー１０８－１～１０８－６、第３レンズ１０９、光フィルタ１１０、第４レンズ１１１は、それぞれパッケージ１０１の内部に固定されている。さらに、半導体レーザモジュール１００は、第４レンズ１１１と対向して配置された端部構造１０と、端部構造１０に融着接続などで接続された光ファイバ１１２とを備える。光ファイバ１１２の端部構造１０に接続された側とは反対側の一端は、パッケージ１０１の外部に延伸している。

半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６は、ＬＤ高さ調整板１０２によってパッケージ１０１の底面から互いに異なる高さに配置されている。さらに、第１レンズ１０６－１～１０６－６、第２レンズ１０７－１～１０７－６、ミラー１０８－１～１０８－６は、それぞれ対応する１つの半導体レーザ素子と同じ高さに配置されている。また、光ファイバ１１２のパッケージ１０１への挿入部には、ルースチューブ１１４が設けられ、ルースチューブ１１４の一部を覆うように、パッケージ１０１の一部にブーツ１１３が外嵌されている。

各半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６は、リードピン１０５から電力を供給されてレーザ光を出力する。出力された各レーザ光は、それぞれ第１レンズ１０６－１～１０６－６および第２レンズ１０７－１～１０７－６によって、略平行光とされる。つぎに、各レーザ光は、対応する高さに配置された１つのミラー１０８－１～１０８－６によって、光ファイバ１１２の方向に反射される。そして、各レーザ光は、第３レンズ１０９および第４レンズ１１１によって集光される。すなわち、第１レンズ１０６－１～１０６－６、第２レンズ１０７－１～１０７－６、ミラー１０８－１～１０８－６、第３レンズ１０９および第４レンズ１１１は、各レーザ光を端部構造１０に導く光学系を構成している。

端部構造１０は、第４レンズ１１１によって集光された各レーザ光を光ファイバ１１２に結合させる。光ファイバ１１２は、結合された各レーザ光を半導体レーザモジュール１００の外部に出力する。

つぎに、半導体レーザモジュール１００の各構成要素についてより詳細に説明する。筐体であるパッケージ１０１は、内部の温度上昇を抑制するため、熱伝導性のよい材料からなることが好ましく、各種金属からなる金属部材であってよい。

ＬＤ高さ調整板１０２は、上述したように、パッケージ１０１内に固定されており、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６の高さを調節し、半導体レーザ素子１０４－１～６が出力するレーザ光の光路が互いに干渉しないようにしている。なお、ＬＤ高さ調整板１０２は、パッケージ１０１と一体として構成されていてもよい。

サブマウント１０３－１～１０３－６は、ＬＤ高さ調整板１０２上に固定されており、載置された半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６の放熱を補助する。そのため、サブマウント１０３－１～１０３－６は、熱伝導性のよい材料からなることが好ましく、各種金属からなる金属部材であってよい。

半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６は、出力されるレーザ光の光強度が、１Ｗ以上、さらには、１０Ｗ以上の高出力な半導体レーザ素子である。本実施形態において、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６の出力するレーザ光の光強度は、たとえば１１Ｗである。また、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６は、たとえば、９００ｎｍ～１０００ｎｍの波長のレーザ光を出力する。ただし、レーザ光の波長や強度は特に限定されない。なお、半導体レーザモジュール１００は６つの半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６を備えているが、６つ以外の複数でもよく、１つでもよい。

リードピン１０５は、不図示のボンディングワイヤを介して半導体レーザ素子１０４－１～６に電力を供給する。供給する電力は、一定の電圧であってよいが、変調電圧であってもよい。

第１レンズ１０６－１～１０６－６は、たとえば焦点距離が０．３ｍｍのシリンドリカルレンズである。第１レンズ１０６－１～１０６－６は、対応する１つの半導体レーザ素子の出力光を鉛直方向に略平行光とする位置に配置される。

第２レンズ１０７－１～１０７－６は、たとえば焦点距離が５ｍｍのシリンドリカルレンズである。第２レンズ１０７－１～１０７－６は、半導体レーザ素子の出力光を水平方向に略平行光とする位置に配置される。

ミラー１０８－１～１０８－６は、各種の金属膜、または誘電体膜を備えるミラーであってよく、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６の出力するレーザ光の波長において、反射率が高いほど好ましい。また、ミラー１０８－１～１０８－６は、対応する１つの半導体レーザ素子のレーザ光を光ファイバ１１２に好適に結合するように、反射方向を微調整することができる。

第３レンズ１０９と第４レンズ１１１とは、たとえばそれぞれ焦点距離が１２ｍｍ、５ｍｍの互いに曲率が直交したシリンドリカルレンズであり、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－１６が出力したレーザ光を集光し、光ファイバ１１２に好適に結合する。第３レンズ１０９と第４レンズ１１１とは、たとえば半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６が出力したレーザ光の光ファイバ１１２への結合効率が８５％以上となるように、光ファイバ１１２に対する位置が調整されている。

光フィルタ１１０は、たとえば波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの光を反射し、９００ｎｍ～１０００ｎｍの光を透過するローパスフィルタである。その結果、光フィルタ１１０は、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６が出力したレーザ光を透過するとともに、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの光が半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６に外部から照射されることを防止する。また、光フィルタ１１０は、光フィルタ１１０でわずかに反射された半導体レーザ素子１０４－１～１０４－６の出力レーザ光が半導体レーザ素子１０４－１～６に戻らないように、レーザ光の光軸に対して角度をつけて配置されている。光フィルタ１１０の通過波長として、１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍとしたが、この波長に限定するものではない。ただし、光フィルタ１１０は必ずしも必要ではない。

光ファイバ１１２は、石英ガラス系材料からなる光ファイバである。光ファイバ１１２は、たとえばコア部のコア径が１０５μｍ、クラッド部のクラッド径が１２５μｍのマルチモード光ファイバであってよいが、シングルモード光ファイバであってもよい。光ファイバ１１２のＮＡは、たとえば０．１５～０．２２である。

ブーツ１１３は、光ファイバ１１２を挿通されており、光ファイバ１１２の曲げによる損傷を防止する。ブーツ１１３は、金属製のブーツであってよいが、材料は特に限定されず、ゴムや各種の樹脂、プラスチックなどであってもよい。ただし、ブーツ１１３は必ずしも必要ではない。

ルースチューブ１１４は、光ファイバ１１２を挿通されており、光ファイバ１１２の曲げによる損傷を防止する。さらに、ルースチューブ１１４は、光ファイバ１１２と固着され、その結果、光ファイバ１１２に対して長手方向に引っ張る力が加えられた場合に、光ファイバ１１２の位置がずれることを防止する構成であってもよい。ただし、ルースチューブ１１４は必ずしも必要ではない。

（端部構造の構成）
つぎに、端部構造１０の構成について具体的に説明する。図２は、端部構造１０の模式的な断面図である。なお、集光部１１５は、第３レンズ１０９と第４レンズ１１１とによって構成されるものであり、半導体レーザ素子１０４－１～１０４－１６が出力したレーザ光Ｌ１を集光し、端部構造１０に入力させるものである。

端部構造１０は、光ファイバ１１と、光学部材１２と、を備えている。

光ファイバ１１は、石英ガラス系材料からなる光ファイバであって、コア部１１ａと、コア部１１ａの外周に形成されたクラッド部１１ｂと、クラッド部１１ｂの外周に形成された樹脂からなる被覆１１ｃとを有する。また、光ファイバ１１は、コア部１１ａの端面１１ａａを有する。端面１１ａａの外周にはクラッド部１１ｂの端面が存在する。被覆１１ｃは、端面１１ａａの近傍では除去されており、クラッド部１１ｂが露出している。光ファイバ１１は、たとえばコア部１１ａのコア径が１０５μｍ、クラッド部１１ｂのクラッド径が１２５μｍのマルチモード光ファイバであってよいが、特に限定されず、シングルモード光ファイバであってもよい。光ファイバ１１の開口数（ＮＡ）は、たとえば０．１５～０．２２である。

光学部材１２は、たとえば石英系ガラス材料からなる。本実施形態では、光学部材１２の屈折率は、光ファイバ１１のコア部１１ａの屈折率と同じである。光学部材１２は、第１端面としての端面１２ａと、第２端面としての端面１２ｂと、テーパ部１２ｃとを有する。端面１２ａは、本実施形態では円形であるが、楕円などの他の形状でもよい。端面１２ｂは、端面１２ａの面積よりも小さい面積を有する。端面１２ｂは、本実施形態では円形であるが、楕円などの他の形状でもよい。また、端面１２ａと第２端面とが互いに異なる形状でもよい。本実施形態では端面１２ａと端面１２ｂとは平行であるが、非平行であってもよい。テーパ部１２ｃは、端面１２ａから端面１２ｂへ断面積が縮小するテーパ形状を有する。ここで、テーパ部１２ｃの断面積は、光学部材１２の光軸に垂直な断面における断面積である。光学部材１２の光軸は、たとえば端面１２ａの中心と端面１２ｂの中心とを通り、端面１２ａおよび端面１２ｂに垂直である。本実施形態では、光学部材１２は円錐台の形状を有している。

光学部材１２の端面１２ｂは、光ファイバ１１のコア部１１ａの端面１１ａａに、たとえば溶着により接続されている。光学部材１２が、コア部１１ａと同じ石英系ガラス材料であれば、コア部１１ａと屈折率が同じであり、かつ接続損失が低減できるので好ましい。なお、本実施形態では、端面１２ｂがコア部１１ａの端面１１ａａのみに接続しており、クラッド部１１ｂの端面には接続していないものとする。また、本実施形態では、端面１２ｂの直径がコア部１１ａのコア径以下であり、端面１２ｂの面積がコア部１１ａの端面１１ａａの面積以下であるとする。

集光部１１５がレーザ光Ｌ１を集光し、端部構造１０に入力させるときに、レーザ光のＬ１のビーム径は、端面１２ａの直径以下であるとする。なお、レーザ光のビーム径は、ピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域の径として定義する場合がある。本実施形態のレーザ光Ｌ１のビームのように、複数の半導体レーザ素子が出力したレーザ光のビームを含む場合は、ビームが円形でないので、ピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域を包含する最小の円の直径をビーム径と定義する。

光学部材１２は、端面１２ａ側から入力されたレーザ光Ｌ１をテーパ部１２ｃの内側面で全反射してレーザ光Ｌ１のビーム径を縮小し、端面１２ｂから出力する。端面１２ｂから出力した、縮小されたレーザ光Ｌ２は、端面１２ｂに接続されたコア部１１ａを伝搬する。これにより、レーザ光Ｌ１の一部がクラッド部１１ｂに結合してクラッドモードとして伝搬することが大幅に抑制または防止される。

すなわち、端部構造１０では、レーザ光Ｌ１のビーム径を、光の全反射を利用して縮小させる。その結果、レーザ光Ｌ１のビーム径を効果的に縮小させてコア部１１ａを伝搬させることができるので、レーザ光Ｌ１の一部がクラッドモードとして伝搬することが大幅に抑制または防止される。その結果、クラッドモードで伝搬したレーザ光がたとえば樹脂からなる被覆１１ｃに到達して被覆１１ｃを損傷させるという事態を防止できる。

図３を参照して、端部構造１０に対するレーザ光の入力状態をより具体的に説明する。図３においては、光学部材１２における端面１２ａの直径をＤ１、端面１２ｂの直径をＤ２とする。また、端面１２ａに、レーザ光Ｌ１の光線Ｒが、光学部材１２における直径Ｄ１の端面１２ａに、θ１の入射角（°）で入射する。ここで、光線Ｒは、レーザ光Ｌ１のうち、端面１２ａへの入射角が最大である光成分を示す。このときの屈折角（°）をθ２とする。レーザ光Ｌ１の波長における光学部材１２の屈折率をＮとする。光学部材１２のテーパ部１２ｃは周囲を空気に囲まれており、空気の屈折率を１とする。テーパ部１２ｃの光軸に対する角度（テーパ角）（°）をθ３とする。テーパ部１２ｃの内側面に対する光線Ｒの入射角（°）をθ４とすると、光線Ｒがテーパ部１２ｃの内側面、すなわち空気との界面で全反射する場合、スネルの法則により以下の式（１）が成り立つ。
Ｎ×ｓｉｎθ４＝１×ｓｉｎ（９０°） ・・・ （１）

また、θ１、θ２、θ３、θ４については、以下の式（２）、（３）が成り立つ。
１×ｓｉｎθ１＝Ｎ×ｓｉｎθ２ ・・・ （２）
θ４＝９０（°）－θ３＋θ２ ・・・ （３）

また、光線Ｒがテーパ部１２ｃの内側面に入射するために、以下の式（４）が成り立つ。
θ３＞θ２ ・・・ （４）

また、光学部材１２の端面１２ｂから光ファイバ１１のコア部１１ａへの光線Ｒの入射角をθ５とすると、コア部１１ａのレーザ光Ｌ１の波長における屈折率がＮの場合、コア部１１ａでの屈折角もθ５である。このとき、光線Ｒがコア部１１ａ内を全反射しながら伝搬する場合は、以下の式（５）が成り立つ。
ｓｉｎθ５≦（光ファイバ１１のＮＡ） ・・・ （５）
また、θ４は以下の式（５）で表される。
θ５＝２×θ３－θ２ ・・・ （６）
式（５）、（６）は、光学部材１２からコア部１１ａへの光線Ｒの入射角が、光ファイバ１１のコア部１１ａにおける全反射条件を満たす角度以下、すなわち入射角の正弦値が光ファイバ１１のＮＡ以下であれば、光線Ｒがクラッド部１１ｂに漏洩せず、コア部１１ａの伝搬モードで伝搬することを示している。

以上のことから、式（１）、（４）が成立することがクラッドモードでの光伝搬を抑制する上で好ましく、さらに式（５）が成立することがより好ましい。また、式（５）で等号が成り立たなくてもよい。ただし、クラッドモードでの光伝搬をある程度許容すれば、式（５）におけるｓｉｎθ５が光ファイバ１１のＮＡよりもある程度大きくてもよい。

なお、光学部材１２からコア部１１ａへの光線Ｒの入射角と屈折角とが等しいのは、光学部材１２とコア部１１ａとで屈折率が等しいからである。光学部材１２とコア部１１ａとで屈折率が異なっていてもよいが、略等しくてもよい。ここで、略等しいとは、光学部材１２とコア部１１ａとの界面での屈折率差による反射が許容範囲である程度に屈折率差が有る場合と、屈折率差が無い場合とを含む。光学部材１２とコア部１１ａとで屈折率が異なっている場合、式（５）、（６）は、その屈折率差に応じて周知のように変形して適用すればよい。

また、光軸方向におけるテーパ部１２ｃの長さをＬとすると、Ｌは、たとえば以下のようにして設定できる。まず、端面１２ｂの直径は以下の式（７）で表される。
Ｄ２＝Ｄ１－２×Ｌ×ｔａｎθ３ ・・・ （７）
したがって、以下の式（８）が成り立つようにすれば、端面１２ｂの直径Ｄ２をコア部１１ａのコア径Ｄ３以下とでき、かつレーザ光Ｌ１のビーム径をコア径Ｄ３以下にして、端面１２ｂから出力することが容易にできる。なお、式（８）で等号が成り立たなくてもよい。
Ｄ１－２×Ｌ×ｔａｎθ３≦Ｄ３ ・・・ （８）

なお、光学部材１２は、端面１２ｂの直径Ｄ２がコア部１１ａのコア径Ｄ３より大きくても、レーザ光Ｌ１のビーム径をコア径Ｄ３以下にして、端面１２ｂから出力することができるように構成してもよい。

以上説明したように、実施形態１に係る端部構造１０によれば、クラッドモードでの光伝搬が抑制される。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る端部構造の模式的な断面図である。この端部構造１０Ａは、実施形態１に係る端部構造１０の構成において、光学部材１２を光学部材１４に置き換えた構成を有する。この端部構造１０Ａは、たとえば半導体レーザモジュール１００において端部構造１０と置き換えて用いることができる。

光学部材１４は、たとえば石英系ガラス材料からなる。光学部材１４の屈折率は、光ファイバ１１のコア部１１ａの屈折率と同じである。光学部材１４は、光学部材１２と、接続部１３とを有する。

光学部材１２は、端部構造１０の光学部材１２と同じものであって、第１端面としての端面１２ａと、端面１２ｂと、テーパ部１２ｃとを有する。

接続部１３は、所定の長さを有し、端面１３ａと、第２端面としての端面１３ｂとを有し、断面積および断面形状が長手方向で一定の筒状の部材であり、本実施形態では円筒状である。光学部材１２の端面１２ｂと接続部１３の端面１３ａとは略同一形状である。光学部材１２と接続部１３とは、たとえばガラスロッドを機械研磨やエッチング等の化学研磨によって一体的に形成したものである。この接続部１３は、テーパ部１２ｃと第２端面である端面１３ｂとの間に位置し、端面１３ｂと同形状の断面を有するものである。端面１３ｂの直径や面積は、コア部１１ａの端面１１ａａの直径以下や面積以下であることが好ましい。

光学部材１４の第２端面としての接続部１３の端面１３ｂは、光ファイバ１１のコア部１１ａの端面１１ａａに、たとえば溶着により接続されている。

この光学部材１４は、接続部１３で光ファイバ１１と接続されているので、溶着により接続する場合でも、テーパ部１２ｃが熱変形することがきわめて抑制または防止される。その結果、テーパ部１２ｃの内側面での全反射によるレーザ光Ｌ１のビーム径の縮小効果が、より設計通りに発揮される。また、接続部１３は筒状であるので、光ファイバ１１との溶着作業がより容易に実行できる。接続部１３の長さは、溶着による熱がテーパ部１２ｃに悪影響を与えない程度であることが好ましい。

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る端部構造の模式的な断面図である。この端部構造１０Ｂは、たとえば半導体レーザモジュール１００において端部構造１０と置き換えて用いることができる。

端部構造１０Ｂは、端部構造１０の構成にエンドキャップ１５を追加した構成を有する。エンドキャップ１５は、円柱形状の入力部１５ａと、円錐台形状の出力部１５ｂとを備える。入力部１５ａの端面が入力端面１５ａａであり、出力部１５ｂの端面が出力端面１５ｂａである。エンドキャップ１５は、出力端面１５ｂａにおいて光学部材１２の端面１２ａと溶着などで接続されている。なお、出力部１５ｂは出力端面１５ｂａ側に向かって直径が小さくなる円錐台形状なので、出力端面１５ｂａと光学部材１２の端面１２ａとの直径の差は比較的小さい。そのため、光学部材１２とエンドキャップ１５との調心や接続が容易になる。

エンドキャップ１５の入力端面１５ａａは、第１端面である光学部材１２の端面１２ａよりも面積が大きい。その結果、レーザ光Ｌ１が集光されて端部構造１０Ｂに入力する場合、光学部材１２の端面１２ａに直接入力する場合よりも、エンドキャップ１５の入力端面１５ａａに入力する方が、レーザ光Ｌ１のビームのパワー密度が小さい状態で入力する。その結果、レーザ光Ｌ１のパワーによる入力端面１５ａａの損傷の発生が抑制される。ここで、エンドキャップ１５の材料は、光学部材１２と同程度の屈折率を有する材料であることが好ましく、たとえば光学部材１２と同じ石英系ガラス材料であることが好ましい。なお、エンドキャップ１５は円柱形状と円錐台形状とを組み合わせた形状を有するが、エンドキャップの形状はこれには限定されない。

なお、上記実施形態では、端部構造を構成する光ファイバ１１が光ファイバ１１２と接続しているが、光ファイバ１１の代わりに光ファイバ１１２が実施形態に係る端部構造を構成していてもよい。または、光ファイバ１１が半導体レーザモジュールの外部まで延在していてもよい。

また、上記実施形態では、光学部材の第２端面が光ファイバのコア部の端面のみに接続しているが、クラッドモードでの光伝搬が抑制される程度であれば、クラッド部の端面にも接続していてもよい。また、クラッドモードでの光伝搬が抑制される程度であれば、光学部材の第２端面の面積が、光ファイバのコア部の端面の面積より大きくてもよい。

また、光学部材の第１端面やエンドキャップの入力端面に反射防止膜を形成してもよい。

また、上記実施形態では、端部構造は、半導体レーザ素子等の光源から出力されたレーザ光を光ファイバに結合させる用途に使用されている。ただし、端部構造の用途はこれに限られない。たとえば、端部構造を、ファイバレーザ等を用いた加工用レーザ装置の出力側、たとえばヘッド部などのデリバリ光ファイバの出力側に設けてもよい。加工用レーザ装置では、加工対象に照射したレーザ光が反射して戻ってくる場合がある。このような戻り光が、加工用レーザ装置を構成する光ファイバをクラッドモードで伝搬すると、戻り光の一部がクラッド部から漏洩して装置を損傷させる場合がある。そこで、加工用レーザ装置の出力側に端部構造を設けることで、戻り光のクラッドモードでの伝搬を抑制または防止することができる。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 端部構造
１１、１１２ 光ファイバ
１１ａ コア部
１１ａａ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ 端面
１１ｂ クラッド部
１１ｃ 被覆
１２、１４ 光学部材
１２ｃ テーパ部
１３ 接続部
１５ エンドキャップ
１５ａａ 入力端面
１５ａ 入力部
１５ｂ 出力部
１５ｂａ 出力端面
１００ 半導体レーザモジュール
１０１ パッケージ
１０２ ＬＤ高さ調整板
１０３－１～１０３－６ サブマウント
１０４－１～１０４－６ 半導体レーザ素子
１０５ リードピン
１０６－１～１０６－６ 第１レンズ
１０７－１～１０７－６ 第２レンズ
１０８－１～１０８－６ ミラー
１０９ 第３レンズ
１１０ 光フィルタ
１１１ 第４レンズ
１１３ ブーツ
１１４ ルースチューブ
１１５ 集光部
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２ レーザ光
Ｒ 光線

Claims (9)

1. 光ファイバにおける端部構造であって、
   コア部と、前記コア部の外周に形成されたクラッド部とを有する光ファイバと、
   第１端面と、前記第１端面の面積よりも小さい面積を有する第２端面と、前記第１端面から前記第２端面へ断面積が縮小するテーパ形状を有するテーパ部とを有する光学部材と、
   を備え、前記第１端面側から入力されるレーザ光は、前記第１端面から離れた集光部により集光されて前記第１端面に入力されるときにビーム径が前記第１端面の直径以下であり、前記光学部材の屈折率をＮ、前記レーザ光のうち前記第１端面への入射角が最大である光成分の前記第１端面への入射角をθ１、前記光成分の屈折角をθ２、前記テーパ部の光軸に対する角度をθ３、前記第２端面から前記コア部への前記光成分の入射角をθ５、前記光ファイバの開口数をＮＡ、前記第１端面の直径をＤ１、前記テーパ部の光軸方向の長さをＬ、前記コア部のコア径をＤ３とした場合、下記式（１）から下記式（５）が成り立ち、前記光学部材の第２端面は、前記光ファイバのコア部の端面に接続されており、前記光学部材は、前記第１端面側から入力された光を前記テーパ部の内側面で全反射して前記光のビーム径を縮小し、前記第２端面から出力するように構成されていることを特徴とする端部構造。
   １×ｓｉｎθ１＝Ｎ×ｓｉｎθ２・・・（１）
   θ３＞θ２・・・（２）
   ｓｉｎθ５≦ＮＡ・・・（３）
   θ５＝２×θ３－θ２・・・（４）
   Ｄ１－２×Ｌ×ｔａｎθ３≦Ｄ３・・・（５）
2. 前記光学部材の屈折率は、前記光ファイバのコア部の屈折率と略同じであることを特徴とする請求項１に記載の端部構造。
3. 前記光学部材は、前記第１端面側から入力された前記光のビーム径を、前記コア部のコア径以下にして、前記第２端面から出力することを特徴とする請求項１に記載の端部構造。
4. 前記光学部材の第２端面の面積は、前記光ファイバのコア部の端面の面積以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の端部構造。
5. 前記光学部材の第２端面は、前記光ファイバのコア部の端面のみに接続されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の端部構造。
6. 前記光学部材は、前記テーパ部と前記第２端面との間に位置し、所定の長さを有する接続部を備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の端部構造。
7. 前記光学部材の前記第１端面に接続された、前記第１端面よりも面積が大きい入力端面を有するエンドキャップを備えることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の端部構造。
8. 前記クラッド部の外周に被覆を備え、
   前記第２端面に接続される前記コア部の端面の近傍で前記被覆が除去されて前記クラッド部が露出している
   請求項１～７のいずれか一つに記載の端部構造。
9. 請求項１～８のいずれか一つに記載の端部構造と、
   半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を前記端部構造の前記第１端面に導く光学系と、
   を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。

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