CN101442185A - 光收发模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多波长光收发模块，准备在同一平面上安装有多个光元件的光元件搭载基板(1)、对来自光元件的发射光进行准直的透镜阵列(9)、典型的在透明基板的表里面安装了波长选择滤光器和镜的波长合波/分波器(2)，在所预期的角度位置上将该3个部件安装到封装(3)内。波长合波/分波器(2)的各波长的光轴由基板的厚度和角度决定，在水平面的直线上排列。当根据设计而在一致决定的该光轴上配置各元件时，可以进行合波/分波。根据本发明，只对玻璃基板进行一次校正，多个滤光器自动被校正，从而在保持高精度的同时大幅度简化安装工序。在投影仪、光传送通信、信息设备和生物体测量等应用领域中能大幅度削减***的部件数量，实现小型化和高成品率。
Description
技术领域
本发明涉及光模块，尤其涉及将多个波长的光合波来发射的多波长光发射模块和将合波了多个波长的光分波来接收的光接收模块的结构。
背景技术
半导体激光二极管(LD)元件作为小型、高效率的光源，被应用于信息、通信等各个领域。近年来，以紧密(compact)的安装方式提供多个发光波长的LD光源的需求正在高涨。在光通信的领域中，作为采用多个波长的光的波长多重通信的光源，上述需求以前就存在。并且，近年来开发了蓝色系的LD，可以用LD来振荡的波长较宽，因此作为显示器和光盘的读写用的光源，在可视区域的波长段中，多波长光源模块的要求也较高。
其应用之一包括激光投影仪(laser projector)的光源。投影仪是根据来自各种图像供给装置(例如计算机等)的图像信号，将图像投射到银幕(screen)等上来进行显示的图像显示装置。作为现有的投影仪，一般已知主要采用了透射型液晶面板、反射型液晶面板、或者数字微镜器件(digital micro mirror device)的投影仪等。而激光投影仪是通过采用激光作为光源光、并使激光在二维方向上扫描来显示图像的方式，与上述所列举的其他方式相比，能够以小型获得色彩再现性良好的图像。投影仪以往相对被限定在会议室、演出(presentation)会场、各家庭的起居室等使用场所。但是现在，通过便携计算机的小型化和移动电话的高性能化等，每个人可以携带的数据的质、量飞跃性增多，可以不限定场所而使用。正在期待以能够装入例如便携计算机和移动电话的超小型来开发低功耗的投影仪。作为涉及激光投影仪的技术具有例如专利文献1中所公开的技术。在该发明中，公开了通过各个不同的光扫描装置进行二维扫描使从发光颜色不同的3个激光光源发射的光同步聚光、并投射彩色图像的彩色激光投影仪。但是，在专利文献1的发明中，需要与激光光源数量相同的多个光扫描装置，对小型化具有限制。
另外，作为将用于光源的红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)的半导体LD元件收纳到一个封装内来谋求光源和光学***的小型化的例子，有专利文献2中所公开的例子。但是，在专利文献2所述的发明中，仅使其光源接近来进行安装而不进行合波，因此RGB的各LD的光轴不一致。因此，为了确保一定的分辨率，还是有需要分别准备RGB的各波长的光学***。或者当为了使光轴一致而采用一般的技术时，则需要二向棱镜(Dichroic prism)等光学***。任何一种情况下对于光部件数的削减和小型化都存在限制。
专利文献1：日本特开2002-214705号公报
专利文献2：日本特开2006-186243号公报
发明内容
如上所述，以投影仪为代表，合波使用多个发光波长的激光的需要高涨。但是，在作为现有方式的分别准备各个波长的光源并组合各个光学***的方式、使用分色镜(Dichroic mirror)等来进行合波的方法中，光学***复杂，部件数较多。因此，对于小型化和降低成本存在限制。
但是，本发明的目的在于提供一种多波长光收发模块，在投影仪、光传送通信、信息设备以及生物测量等应用领域中能大幅度削减***的部件数量以及安装工序数量，实现小型化和高成品率。
在本发明中为了解决上述课题，准备在同一平面上安装有多个光元件的光元件搭载基板、以及典型的在透明基板的表里面上安装有波长选择滤光器和镜的波长合波/分波器，并将这两个部件安装在封装内，使光元件安装面和滤光器表面成为互不平行的角度。在光元件搭载基板上，使用波长互不相同的光元件被安装在所预期的位置上。光合波/分波器将具有平行的一对相对面的采用对光的波长成透明的材料制作成的所预期的厚度的基板作为支持基板，在一对平行的面的一方上至少设置一种波长选择滤光器，在另一个面上设置用于反射不被第一滤光器选择的波长的光的镜。此时，在这些滤光器和镜上设置用于光入射、发射的窗。
参考图2对本发明的模块的作用进行说明。图2是示意性表示将本发明应用到对三色的光源合波来发射的模块时的功能的图。本模块具有分别由发光元件11、12、13发射的波长λ1、λ2、λ3的光取相同的光轴而合波、并发射的功能。具体而言，在与基板垂直的方向上从发光元件13发射的波长λ3的光到达合波/分波器2。合波/分波器2被安装为相对于光轴而不垂直的角度即图2的角度θ1(其中，θ1≠2Nπ，N＝0、1、2、...。)，因此波长λ3的光在合波/分波器2内受到由折射率差异所决定的一定的折射。在合波/分波器2内，波长λ3的光被镜8反射，到达滤光器7。在滤光器7的正下方，设有发射波长λ2的光的发光元件12。发光元件12和13被安装在LD座(stem)10上，使发光元件12的发射光的光轴和13的发射光的光轴在滤光器7上或者镜7上交叉。滤光器7具有反射λ3的光而透射λ2的光的性质。因此，λ2和λ3的光合波并以相同的光轴在合波/分波器2内传播。当到达滤光器6时，利用同样的结构对λ1的光进行合波，最终，λ1、λ2、λ3三个波长的光被合波而发射到模块之外。如图2所示，各波长的光轴之间的尺寸x、y以及z由玻璃基板的厚度和角度所决定。各光轴在基板的水平面上以预定的间隔排成一列。因此，当根据设计而在一致决定的该光轴上配置各发光元件时，则可以对各波长的光进行合波来进行发射。这样根据本发明，通过采用在透明基板的表里面搭载了滤光器、镜的合波/分波器，可以提供小型并且部件数较少的光发射模块。另外，通过对透明基板进行一次校正(alignment)，多个滤光器可以自动对准，因此具有大幅度削减安装工序的优点。如上所述的本发明具有对来自波长不同的多个光源的光进行合波的功能，虽然非常适合于激光投影仪用途，但并不限定于此，也可以适用于采用波长多重通信的光源、光盘的读写用光源、以及生物测量***用的光源等多个波长(色)的光源的***，具有装置的小型化、部件数的削减的效果。另外，此处采用光发射模块的例子来进行说明，但是若将光的前进方向取反，则也可以作为光接收模块使用。此时，光合波/分波器2进行分离波长的工作。
如图2所示，当基板的安装角度为θ1时，来自光纤(fiber)或者光元件11的光的相对于基板表面的垂直方向的入射角度(入射角)是θ1，折射后的在基板物质内的角度θ2根据折射定律(snell定律)，采用外部的折射率n1、基板折射率n2，则θ2＝sin-1(n1·sinθ1/n2)。
此时，当将透明基板的厚度设为d时，则在基板内部的多重反射的周期y由2dtanθ2提供。另外，该多重反射的光以如上所述的原理通过滤光器进行波长分离来向与入射时的光轴垂直的平面进行发射的情况下，其周期z由2dsinθ2·cosθ1提供。周期z与被搭载在元件搭载基板上的元件的间隔相对应，因此为了维持恰当的元件间隔，需要选择d、θ1。元件的尺寸(例如，如图2所示为光元件的横向宽度)一般不会低于100um。由此，需要将z的值取为100um以上。
根据本发明的实施例，涉及以一个光轴发射多个波长的光的多波长发射模块以及多波长接收模块，提供一种能大幅度削减部件数量和安装工序数量，实现小型化和高成品率的光模块。
附图说明
图1是作为本发明第一实施例的RGB三色光源光发射模块的剖视图。
图2是说明本发明第一实施例的光发射模块的作用的图。
图3是从与作为本发明第一实施例的RGB三色光源光发射模块的图1不同的角度观察到的剖视图。
图4是本发明第二实施例的光模块的剖视图，是表示对发光元件采用透镜集成化垂直发射型LD元件的例子的图。
图5A是本发明第三实施例的光模块的概要图，是表示使红蓝光源封装和绿光源封装组合来构成红绿蓝三色光源模块的例子的图。
图5B是在第三实施例中所采用的红蓝光模块的概要图。
图6A是本发明第四实施例的光模块的概要图。
图6B是在第四实施例中所采用的金属外壳封装剖视图。
图7是本发明第五实施例的平面型光模块的概要图。
图8是本发明第六实施例的三波长光接收模块的概要图。
图9是表示将本发明的光发射模块应用于小型激光投影仪时的结构和动作的状态的图。
图10是将图9描述的小型激光投影仪装入移动电话的例子的示意图。
图11是表示将本发明的光发射模块应用于光盘拾取器(discpickup)用光源时的结构和动作的状态的图。
图12A是表示将本发明的光发射模块应用于脑功能测量用红外线分光装置的光源时的结构和动作的状态的图。
图12B是表示用于图12A的脑功能测量用红外线分光装置的光纤(fiber)结合型光发射模块的结构的图。
具体实施方式
以下，详细说明实施例。
(实施例1)
图1、图3是作为本发明第一实施例的光模块的剖视图。图1是将本发明应用到采用了RGB三原色的光源的光发射模块的例子。
图1是安装在CAN(金属外壳)封装1中的例子，搭载了激光光源11、12、13的座10被安装在CAN座14上，光合波/分波器2被安装在CAN盖(cap)3上。图3是从图1的视点旋转了90度的角度上的剖视图。在激光元件的正上方安装有透镜阵列9。11、12、13的各激光元件的发光波长与蓝(例如400nm～500nm左右)、绿(例如500nm～580nm左右)、红(例如580nm～750nm左右)各个颜色相对应。蓝色激光器11可以采用将形成在GaN基板上的InGaN作为有源层的半导体激光器。作为绿色激光光源12，可以采用将形成在GaN基板上的InGaN作为有源层的半导体激光器、或者是将形成在ZnSe基板上的ZnCdSe作为有源层的半导体激光器。作为红色激光光源13，可以采用将形成在GaAs基板上的InGaP或者InGaAlP量子阱作为有源层的半导体激光器。这些各个激光元件被以预定的间隔而接点朝下安装在座10上。此时，在图1上从左开始依次排列为蓝、绿、红这样的发光波长从短到长。在CAN盖3内部设有可以用于安装光合波/分波器2和透镜阵列9的凹凸。光合波/分波器2将透明玻璃基板5作为支持基板，在一个面上相邻地安装有第一波长选择滤光器6和波长选择滤光器件7，在与这个面平行相对的面上安装有第一镜8和第二镜9。光合波/分波器的安装是以向CAN盖的凹凸的外形嵌合进行的，并以UV硬化树脂进行粘接。玻璃基板的材质为BK7，厚度采用1136μm。玻璃基板被安装为相对于平面的角度成20°，图2中的z、即多重反射的节距(pitch)向平面上的投影为500μm。波长选择滤光器以由Ta2O5和SiO2所构成的电介体多层膜构成。滤光器6采用具有透射蓝光而反射绿光、红光的性质的滤光器(所谓短波域滤光器)。滤光器7采用透射蓝光、绿光而反射红光的短波域滤光器。镜8中采用了反射绿、红波长的光的Ta2O5/SiO2多层膜，但是也可以采用A1等金属。透镜阵列9为在玻璃基板上制作有三个透镜的结构。三个透镜分别设计为抑制和校准来自激光光源11、12、13的发射光的发散角的功能。
透明基板5、透镜阵列9的材质只要相对于使用的波长呈透明即可，并没有被限定，优选便宜且加工精度优良的材质。作为满足该条件的材质，在本例中采用了BK7，但是当然也可以采用其他的玻璃材料、电介体、半导体。
接着对本实施方式的动作进行说明。具体而言，从半导体LD元件13发射的红色的光到达合波/分波器2。合波/分波器2被安装为不与光轴垂直的角度，因此，光在受到了由折射率差异所决定的一定的折射后，在合波/分波器2内传播，由镜8反射，到达滤光器7。在滤光器的正下方，安装有发射绿色的光的半导体LD元件12。滤光器7具有反射红色的光、透射绿色的光的性质，因此红色的光和绿色的光被合波，从而以相同的光轴在合波/分波器2内传播。当该合波光到达滤光器6时，蓝色的光由同样的结构被合波，最终，红蓝绿三原色的光被合波而发射到模块之外。红、蓝、绿各自的LD元件的发光强度可以通过连接在各元件上的驱动电路来进行控制。
(实施例2)
图4是本发明第二实施例的光模块的剖视图。本实施方式是对各波长的光源采用透镜集成型垂直发射LD元件21、22、23来构成模块的例子。透镜集成型垂直发射LD元件是在与基板垂直的方向上发射被校准过的光的LD元件。
本实施方式的模块的基本功能与第一实施例相同，但因为在元件上集成有透镜，因此在模块内不装入透镜阵列。
(实施例3)
图5A、图5B是本发明第三实施例的光模块的剖视图。在本实施方式中，是对在一个CAN内收纳红和蓝二波长的光源30、以及绿色的单一波长光源CAN31进行一个封装化的模块。红蓝二波长光源CAN30的结构如图5B所示，相对于第一实施方式具有对三色(波长)进行合波的功能，为仅对二色进行合波的结构。在本实施方式中，对绿色激光光源采用激光模块31，该激光模块31是利用非线形效果将1000nm附近的波长的光波长变换为二次谐波，从而来发射500nm附近的波长的光的结构。绿色激光光源具备激发激光、由激发激光所激发的固体激光媒质、使在固体激光媒质中产生的光进行激光振荡的振荡器、将由振荡器所振荡的激光变换成所希望波长激光的光的波长变换元件(均未图示)。作为固体激光媒质，虽然此处采用添加了发射1064nm的光的钕(Neodym)的钒酸(Nd：YVO2)盐结晶，但是也可以采用发射1000nm附近的光的其他结晶。另外，作为波长变换元件采用了KTP(KTiOPO4)结晶。该结晶接收由固体激光媒质激发的波长1064nm附近的红外光，产生作为其第二谐波的波长532nm附近的绿色光。
如图5A所示，三波长模块33通过安装在玻璃基板34上的滤光器35，对从红蓝二波长模块发射的光、从绿色模块发射的光进行合波，经过封装透镜36发射到外部。
(实施例4)
图6A和图6B是表示本发明第四实施方式的光模块的图。在本实施方式中，在平面型封装42内安装有CAN封装40、光合波/分波器2、透镜41被安装，其中，CAN封装40虽安装有LD元件但未安装合波/分波器。CAN封装的结构如图6B所示，安装有座10和透镜阵列9，座10上安装有LD元件112、113、114。
(实施例5)
图7是表示本发明第五实施方式的光模块的图。在本实施方式中，在平面型封装50内安装有搭载了LD元件11、12、13的座51、透镜阵列9、波长合波/分波器2、封装透镜41。具体而言，平面型封装50可以采用蝶形(butterfly)模块等。在图7所示的方式中，本实施方式的特征在于，虽然为3波长对应，但即使进一步增加波长数也可以比较容易地进行对应。
(实施例6)
图8是表示本发明第六实施方式的图，是表示将本发明应用于多波长接收模块时的一个方式的图。基本的结构与实施例1相同，但代替发光元件而安装有受光元件61、62、63。本模块的动作为在“用于解决课题的技术方案”中所述的动作的刚好时间翻转了的动作。即，经过封装透镜入射到模块内的、对三个波长进行了合波的光，分别由光合波/分波器2的滤光器6、7进行波长分离，并入射到受光元件。此处，虽然示出了由实施例1的方式的模块构成受光模块的例子，但当然也即使是实施例2到实施例5所述的其他的模块方式也能够构成多波长接收模块。
(实施例7)
图9是表示采用本发明的模块来构成激光投影仪时的实施方式的图。小型激光投影仪70至少具备驱动蓝、绿、红的LD元件的驱动电路71、72、73，根据来自驱动电路的信号来控制来自模块1的输出光的各个颜色的光的强度、定时(timing)。从模块1发射的光被小型镜74反射投影到银幕76(投影仪装置之外)。小型镜74的动作由镜驱动装置75来进行控制。图像的表现通过在银幕上高速地二维扫描红蓝绿的各个颜色进行了强度、时间调制的激光来进行。
(实施例8)
图10示出在移动电话中安装实施例7所述的小型激光投影仪70的例子。当然，安装小型激光投影仪70的装置不限定于移动电话，也可为便携计算机、移动游戏机、便携音频设备、电子词典等。另外，作为小型投影仪当然也可以做成独立的装置。
(实施例9)
图11是表示将本发明的模块应用到光学磁盘读取装置时的实施方式的图。从多波长模块80发射的激光经由衍射光栅81、1/2波长片82、分束器(beam splitter)83、1/4波长片84、透镜85，入射到光盘88上的信息记录面上。由磁盘反射的光通过分束器83进行偏光分离，经由透镜86入射到受光元件87上。
在多波长模块80上安装有作为CD读取用的波长780nm的红色激光元件、作为DVD读取用的波长650nm的红色激光元件、作为蓝光光盘(Blu-ray Disc)读取用的405nm的蓝色激光元件。通常这些光源被分别准备，利用二向棱镜进行合波，但在本实施方式中只采用一个光源模块即可，从而大幅度简化光学***。
(实施例10)
图12是表示将本发明的模块应用于脑功能测量用红外线分光装置(所谓的脑光地形图(topography)装置)时的实施方式的图。本装置的基本功能是以激光的吸收来测定脑血管中的氧浓度。从多波长模块90射出的激光通过光纤91被引导到探针固定器(probe holder)93，并进行发射。发射的光在生物体内受到了一定的吸收之后，通过搭载在探针固定器上的受光元件92来进行检测。此时，根据各波长的强度比例来测定血中氧浓度。多波长模块90的具体的形状如图12B所示。在CAN封装94内搭载有适合于生物体测量的705nm、754nm、830nm的三种LD元件。通过在用于生物体测量的头悬置(head mount)型探针固定器的光源中采用本发明的模块，可以降低装置的成本、尺寸。另外，装置的简化、小型化也具有减轻被检查者的压迫感的效果。
图中所使用的符号的说明如下。
1、33、42、50、80、94...3波长光模块，2...波长合波/分波器，3...CAN盖，4、41、85、86...透镜，5、34...玻璃基板，6、7、35...波长选择滤光器，8...镜，9...透镜阵列，10、51...LD座，11、12、13...半导体LD元件，14...CAN座，21、22、23...透镜集成垂直发射型LD元件，30...红蓝二波长光模块，31...二次谐波绿色光源，40...3波长光源CAN封装，60...三波长接收模块，61、62、63、87...受光元件，64...受光元件座，70...小型激光投影仪，71、72、73...LD元件驱动装置，74...小型镜，75...镜驱动装置，76...银幕，81...衍射光栅，82...1/2波长片，83...分束器，84...1/4波长片，88...光盘，91...光纤，90...光纤连接光模块
[工业上的利用可能性]
本发明涉及以一个光轴发射多个波长的光的多波长发射模块和多波长接收模块，根据本发明，能大幅度削减部件数和安装工序数量，在数据投影仪、光传送通信、信息设备以及生物体测量等应用领域中，用于***的小型化、低成本化，具有显著效果。
Claims (12)
1.一种光发射模块，其特征在于，包括：
光元件搭载基板，在安装基板上至少搭载有第一发光元件和第二发光元件，其中，上述第一发光元件和上述第二发光元件的使用波长λ1和λ2彼此不同；和
光合波/分波器，至少具有第一波长选择滤光器和与上述滤光器相隔预定距离且平行相对而设置的镜，
上述光合波/分波器以相对于上述基板的上述元件搭载面倾斜角度θ的状态被固定在用于收容上述基板和上述光合波/分波器的封装内，其中，θ≠2Nπ，N＝0、1、2...，
来自上述第一发光元件的第一射出光入射到上述光合波/分波器，由上述镜反射、且由上述滤光器反射，来自上述第二发光元件的第二射出光入射到上述光合波/分波器，并利用上述滤光器与上述第一射出光进行合波。
2.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于：
在上述光元件搭载基板上搭载有发光波长λ3的第三发光元件，其中λ1≠λ2≠λ3，
其波长选择特性与上述第一波长选择滤光器不同的第二波长选择滤光器与上述镜相隔预定距离且平行相对而设置，
来自上述第一发光元件的第一射出光入射到上述光合波/分波器，由上述镜反射、且由上述第一波长选择滤光器反射，来自上述第二发光元件的第二射出光入射到上述光合波/分波器，并利用第一波长选择滤光器与上述第一射出光进行合波，
其合波后的第一光由上述镜反射、且由上述第二波长选择滤光器反射，来自上述第三发光元件的第三射出光入射到上述光合波/分波器，并利用上述第二波长选择滤光器与上述第一光进行合波。
3.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于：
上述第一发光元件和上述第二发光元件是端面射出型激光二极管，通过进行接点朝下安装来将上述激光二极管搭载在上述安装基板上，其中接点朝下安装是使上述激光二极管的经过结晶生长的面侧与上述安装基板接合。
4.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于：
在上述安装基板与上述光合波/分波器之间设有在透明基板上制作有多个透镜的透镜阵列，
决定透镜的数量和配置以使上述透镜阵列的各透镜与搭载在上述安装基板上的各发光元件一一对应，
各透镜具有以下功能：至少能抑制或者校准来自对应的各发光元件的光的发散。
5.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，
上述光合波/分波器包括：由对通过的光的使用波长具有透过性的材质构成的、具有一对平行面的基板；被固定在上述平行面的一方上的至少一种滤光器；以及被固定在另一平行面上的镜。
6.根据权利要求5所述的光发射模块，其特征在于：
上述基板材料为非晶玻璃、蓝宝石结晶、结晶石英或者硅的任意一种。
7.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于：
上述光元件搭载基板、上述光合波/分波器被收容在上述封装内，
上述封装是金属外壳封装，
在上述封装的内壁上设有用于固定上述光合波/分波器的凹凸部。
8.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于：
在上述安装基板上搭载有第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件，当将其发光波长设为λ1、λ2以及λ3且λ1<λ2<λ3或λ1>λ2>λ3时，上述光元件以第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件的顺序排列搭载在上述安装基板上。
9.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于：
构成上述光合波/分波器的滤光器阵列的各滤光器是边缘滤光器，该边缘滤光器具有以下特性：在全部光元件的使用波长范围内透射预定分离波长以上或以下的波长的光且反射除此以外的光，
当按上述各边缘滤光器的上述分离波长段的值的大小来观察上述滤光器阵列上的各边缘滤光器的排列顺序时，是以升序或降序安装的。
10.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于：
上述第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件分别是发射红光、绿光以及蓝光的半导体激光器。
11.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于：
该光发射模块对来自红光、绿光以及蓝光三种光源的光线进行合波后，以一个光轴进行发射，
该光发射模块具有红蓝色光源封装、绿色光源封装和滤光器，
上述绿色光源封装是用二次谐波进行波长变换来发射绿色激光的激光光源，
上述红蓝色光源封装采用红色激光器和蓝色激光器作为光元件。
12.一种光接收模块，是按每个波长来对多重波长的光进行分波，并至少用两个受光元件对其进行检测的多波长光接收模块，
其特征在于，包括：
至少搭载有两个受光元件的受光元件搭载基板；
至少由一种波长选择滤光器和以预定距离与上述滤光器平行相对而配置的镜构成的光合波/分波器；以及
至少收纳上述受光元件搭载基板和上述光合波/分波器的封装，
使从外部入射的光以角度θ1入射到上述波长选择滤光器的面，且在入射光在上述滤光器和上述镜之间以锯齿形进行多重反射的过程中分离出波长不同的光，其中θ1≠90度，
上述光合波/分波器的上述滤光器的面和上述镜的面以相对于上述基板的元件搭载面倾斜角度θ2的状态被固定在上述封装内，其中，θ2≠2Nπ，N＝0、1、2...。
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