CN102449520B - 光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对3个以上波长的光波进行合波并出射的光源装置，通过在半导体衬底上形成光学***元件和电气***元件，而不需要光连接器等光学构件，节省了这些光学构件所需要的空间而缩小了配置间隔，另外缩小了电气电路的布线所需要的空间，提高了光学***元件和电气***元件的各元件的集成度。通过在同一半导体衬底上层状地形成光学***元件和电气元件，与分别并列设置光学***元件和电气元件的结构所需要的面积相比，能够减小面积。

Description

光源装置

技术领域

本发明涉及例如适合于小型投影仪的光源装置。

背景技术

在将R波长区域、G波长区域以及B波长区域的光投影到银幕上而显示彩色图像的投影仪中，为了形成彩色图像，需要将各波长区域的光投射到一点。作为将各波长区域的光投射到一点的结构，已知以下的技术：通过使用了MEMS（微电子机械***）的反射镜机构，扫描各波长区域的光。

该结构有以下这样的问题：在通过反射镜对被整合到水平方向的各波长区域的光进行扫描时，投射各波长区域的光的定时的时间偏离；各波长区域的扫描角范围不同。

作为解决该问题的现有技术，已知专利文献1。在专利文献1中，揭示了使用被称为XCUBE的将4体的直角棱镜组合起来而成的波束（beam）耦合器、解决了该X射线管所具有的问题的由3个光学部分构成的波束耦合器等的分光棱镜（dichroic prism），对RGB的光波进行合波。另外，已知在通常使用的投影仪中，使用十字棱镜对RGB的光波进行合波。

另外，关于使用棱镜对从半导体激光器出射的激光波束进行合波的技术，例如已知有专利文献2、3。

另外，作为在光通信中使用方向性耦合器进行光合波分波的装置，例如提出了专利文献4、5。在专利文献4、5中，揭示了以下一点：由波导（waveguide）构成方向性耦合器，对2个波长进行合波或分波。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2007-534987号公报（段落0002~0005、0017~0022）

专利文献2：日本特开平9-109353号公报（段落0028）

专利文献3：日本特开平11-64793号（段落0014）

专利文献4：日本特开平11-6931号（段落0027、0028）

专利文献5：日本特开2000-9952号（段落0053~0057）

专利文献6：日本特公昭56-27846号（第2栏）

专利文献7：日本特开2008-261942号（段落0045、0046）

发明内容

发明要解决的课题

如上所述，使用了分光棱镜、十字棱镜的空间光学***的合波器有以下的问题：对于RGB的各发光元件需要3维的校准，进行该校准的调芯工序很复杂。另外还有以下的问题：为了低损耗地对各波束进行耦合，需要透镜等光学元件，部件个数增加。

在光通信领域中，已知使用方向性耦合器来代替使用了棱镜的空间光学***的合波器的技术，期待通过将该方向性耦合器应用于投影仪中，解决用于校准的调芯工序、部件个数增加这样的问题。

但是，专利文献4、5所示的方向性耦合器对2个波长进行合波或分波，而对于投影仪所需要的至少全彩色显示所需要的宽范围的波长范围中的3个特定波长的合成法，并没有具体记述。

另一方面，在专利文献6中，提出了以下这样的方向性耦合器型分波器：选择从3个端口中之一入射的具有多个中心波长的光波中的具有特定的中心波长的光波并将其取出到另一个间距变换器，从另一个端口取出剩余的光波。

但是，该方向性耦合器型分波器是利用基于N个方向性耦合器的波长选择性、基于N-1个Y字形光分支回路的光能量耦合的结构，因此有以下的问题，即除了方向性耦合器以外，还需要Y字形光分支回路，结构复杂，部件个数增加。

另外，作为解决上述那样的问题的一般结构，考虑了配置发光元件、方向性耦合器等光学元件的结构，但是在这样配置各光学元件而形成实际的光源装置时，为了将发光元件与方向性耦合器之间光学地连接起来，需要光纤等导光体、对它们进行光学连接的光连接器。为此，需要光连接用的构件、空间（space），依然会产生部件个数的增加、大型化的问题。

另外，还提出了具备对从多个光源输出的光进行合波而输出的光合波单元的光源装置。该光合波单元揭示了以下的结构：通过在预定区间使2条光波导接近而使光进行合波（例如参考专利文献7）。

具备该光合波路径的光源装置可以通过将光源与光合波单元集成到元件安装面上而使光学***小型化，但对于半导体激光元件、受光元件等电气***的元件，是配置在子衬底（sub mount）、承载构件上并且通过电线进行电气连接的结构。这样的结构有以下的问题，即成为阻碍光源装置和具备光源装置的投影仪装置小型化的因素，无法充分发挥使光学***小型化、集成化的效果。

因此，本发明的目的在于：解决上述的问题，在使3个以上的波长的光波进行合波而出射的光源装置中，提高光学***元件和电气***元件的集成度，另外，其目的在于小型化。

解决上述课题的手段

为了达到上述目的，本发明通过在半导体衬底上形成光学***元件和电气***元件，而不需要光连接器等光学构件，节省了这些光学构件所需要的空间而缩小了配置间隔，另外缩小了电气电路的配线所需要的空间，提高了光学***元件和电气***元件的各元件的集成度。

进而，在将分别配置的光学***元件与电气***元件连接起来的结构中，除了分别配置光学***元件和电气***元件的空间以外，还需要将光学***元件和电气***元件连接起来的连接空间，另外，还需要跨过该连接空间将光学***元件与电气***元件电连接起来的布线。与此相对，本发明通过将光学***元件与电气***元件形成在同一半导体衬底上，可以不要用于连接光学***元件和电气***元件的连接空间，还可以将布线也形成在半导体衬底上，因此，也不需要跨过连接空间而将光学***元件和电气***元件电连接起来的布线。

本发明将光学***元件和电气***元件形成在半导体衬底上，对于光学***元件，在半导体衬底上形成对发光元件的发光进行合波的多波长合波器、将发光元件和多波长合成器之间光学地连接起来的波导，由此，不需要光连接器等光学构件，并且能够节省这些光学构件所需要的空间，缩小配置间隔。另外，对于电气元件，在半导体衬底上形成将检测发光元件、发光量的检测器、控制部件等电连接起来的布线，由此，不设置外部布线就能够进行电连接。

另外，通过在同一半导体衬底上层状地形成光学***元件和电气元件，还能够缩小需要分别同时设置光学***元件和电气元件的结构的面积。

本发明的光源装置具备：形成有布线的半导体衬底；电极端子，其被形成在半导体衬底上，将布线与外部电连接；多个激光元件，其被安装在半导体衬底上，并且与布线连接，波长不同；多条波导，其被形成在半导体衬底上，对各激光元件所发出的光波进行导向；多波长合波器，其被形成在半导体衬底上，具有波导型方向性耦合器，对通过各波导导向的光波进行合波。

以半导体衬底作为光学元件衬底而形成波导和多波长合波器，另外以半导体衬底作为电气元件衬底而形成布线，进而在该半导体衬底上安装发光元件、检测器、控制部件等，由此将发光元件、检测器、控制部件、以及波导、多波长合波器配置在半导体衬底上。另外，也可以是在半导体衬底内形成检测器、控制部件的电气电路的结构。半导体衬底例如可以使用硅。

进而，通过在半导体衬底上，与波导的一方端部相对地配置发光元件，不需要光连接器就将由发光元件发出的光波导入到波导。在作为光学元件衬底的半导体衬底上，可以在进行了光轴匹配的状态下形成波导和多波长合波器，因此，能够不使用光连接器而将从发光元件导入到波导的光波导入到多波长合波器。多波长合波器对经由波导导入的波长不同的多个光波进行合波后出射。

本发明通过在共用的半导体衬底上配置发光元件、波导、多波长合波器的结构，能够不需要光连接器等光学构件而减少部件个数，通过省去这些光学构件所需要的间隙，能够缩小配置间隔，使光源装置小型化。

在本发明的光源装置所具备的多波长合波器中，波导型方向性耦合器的间距间隔与发光元件的间距间隔不同。通常，发光元件由激光元件等与波导不同的半导体的发光元件形成，因此发光元件的间距间隔比波导型方向性耦合器的间距间隔宽。另外，在由单个元件构成各波长的发光元件的情况下，由于将各发光元件安装在半导体衬底上，所以需要隔开预定的配置间隔进行配置。

因此，需要使发光元件间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配。为了使发光元件的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配，通常在发光元件与波导型方向性耦合器之间设置光学地将它们连接起来的波导，通过使该波导弯曲，而逐渐地减小间距间隔。考虑到光的泄漏等而限制波导弯曲的曲率半径，因此为了使间距间隔匹配，而需要在发光元件与波导型方向性耦合器之间隔开预定距离。该发光元件与波导型方向性耦合器的距离成为光源装置大型化的原因。

因此，本发明的光源装置通过设置间距变换器，能够使发光元件的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配。间距变换器是使发光元件的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配的光学元件。通过在发光元件与波导型方向性耦合器之间设置间距变换器，能够缩短发光元件与波导型方向性耦合器之间的距离，进一步使光源装置小型化。

通过与SHG波长变换元件相同的各向异性介质，作为光学元件衬底在半导体衬底上与波导和波导型方向性耦合器一起还形成间距变换器，由此能够减少耦合位置，使多波长合波器小型化。

可以由使光轴方向弯曲的弯曲元件来构成间距变换器，但通过特别地使用由使光轴方向变更90度的全反射反射镜构成的90度弯曲变换器，能够成为缩短多波长合波器的长度的结构。90度弯曲变换器将波导的方向变更90度。

也可以由使用了各向异性介质的全反射反射镜构成90度弯曲变换器。将与入射波的波长对应的各向异性介质所具有的2个折射率作为参数来确定全反射反射镜的相对于入射波的反射面的角度。

例如，在设各向异性介质的折射率为n₀、n_e时，通过下式求出设反射角为90度时的全反射反射镜的反射面的角度θ：

n_e ²+n₀ ²-sin2θ(n₀ ²-n_e ²)-2n₀ ²tanθ=0

通过将该各向异性介质的折射率n₀、n_e作为参数求出反射面的角度θ，能够使入射波的光轴与出射波的光轴为90度。

根据本发明的光源装置的结构，不用使光源装置尺寸大型化，就能够配置光源装置所具备的构成元件，能够安装安装部件。在此，作为安装部件，有作为发光元件的激光元件、控制发光元件的发光的控制部件、将形成在半导体衬底上的布线与外部电连接起来的电极端子。

设本发明的光源装置的半导体衬底的形成为四角形状，将多个发光元件安装在四角形状的一边侧，将使由多波长合波器合波了的光出射的出射端设置在与安装发光元件的边成直角的另一边侧。

大致根据波导型方向性耦合器的尺寸来确定四角形状的各边的长度。因此，通过分别将发光元件和出射端设置在四角形状的具有垂直关系的2边，能够抑制因所安装的发光元件、出射端导致的尺寸的扩大。

通过将发光元件和出射端设置在四角形状的不同的边来分散安装位置，由此能够抑制因2个安装部件位于同一安装位置而造成的安装面积的扩大。

另外，本发明的光源装置具备：控制部件，其控制多个发光元件的发光；电极端子，其将形成在半导体衬底上的布线与外部电连接起来，其中，将控制部件安装在安装发光元件的半导体衬底的一边侧，将电极端子形成在安装发光元件的半导体衬底的另一边侧。

控制部件可以构成为包含驱动发光元件的驱动电路和控制该驱动电路所提供的电流的控制电路，可以由IC电路构成。控制部件除了安装在半导体衬底上以外，还可以在半导体衬底内由集成电路形成工序（IC工序）形成。

对于控制部件和电极端子，也与上述的发光元件和出射端子一样，通过分别设置在四角形状的具有垂直关系的2边上，能够抑制因控制部件和电极端子所造成的尺寸的扩大。

本发明的多波长合波器与对2个入射波进行合波的波导型方向性耦合器多级地连接。各级的波导型方向性耦合器分级地对波长不同的多个入射波进行合波，最末级的波导型方向性耦合器构成对由前面的各段波导型方向性耦合器进行合波后的多个入射波进行合波的多波长合波器。

本发明的多波长合波器为简单地将波导型方向性耦合器进行多级连接这样的简单结构，通过各级的波导型方向性耦合器依次耦合波长不同的光波，由此分级地对多个入射波进行合波。根据该结构，可以不使用棱镜等空间光学***的元件地对多个波长不同的光波进行合波，能够抑制部件个数的增加，实现小型化。

本发明的多波长合波器所具备的波导型方向性耦合器对于所合波的波长分别具有波长选择性。本发明的多波长合波器的各级的波导型方向性耦合器通过各级的波长选择性而使由各级进行合波的光波的波长不同，通过组合由这些各级选择并进行合波的波长，阶段性地进行合波，能够进行多个不同波长的光波的合波。

在此，波导型方向性耦合器由并列配置的2条波导构成。根据使并列配置的2条波导平行而接近的耦合长度来确定波导型方向性耦合器的波长选择性。

波导型方向性耦合器耦合长通常将波导的0次模式和1次模式的传输常数以及波长作为参数来确定波导型方向性耦合器的耦合长度。在2条波导接近的长度是耦合长度时，一方波导的光波转移到另一方波导，如果接近的长度与耦合长度偏离，则不进行波导间的光波的转移。

本发明在波导型方向性耦合器的光波的转移中，利用了波导间的光波的转移状态依存于耦合长的长度而周期地变动这样的耦合长的周期性、以及该耦合长的周期性因波长而不同这样的波长依存性，通过组合该耦合长的周期性和波长依存性，使波导型方向性耦合器具有波长选择性，利用该波长选择性，通过多级地构成的波导型方向性耦合器阶段地对多个不同波长的光波进行合波。

本发明根据波导型方向性耦合器的耦合长的周期性和波长依存性，发现在各波长所具有的多个耦合长的组合中有耦合长的长度相同的部分，并通过使波导型方向性耦合器的耦合长成为该长度，来对多个不同的波长的光波进行合波。

在通过1个波导型方向性耦合器对不同波长的多个光波进行合波时，需要选择适合于合波器的光波的耦合长。以前提出的波导型方向性耦合器通常是在波导之间转移1个波长的光波而进行合波的结构，因此，选择与转移的波长对应的耦合长。在这样根据只与1个波长对应的耦合长对多个不同波长的光波进行合波的情况下，无法对与共用的耦合长不对应的波长的光波进行合波。

因此，在简单地对波导型方向性耦合器进行从属连接的结构中，在要使在后级的波导型方向性耦合器中对由前级的波导型方向性耦合器进行合波而得的光波进一步与其他波长的光波进行合波时，通过前级合波后的波长分量被分支到其他波导，无法对多个波长进行合波。

本发明的波导型方向性耦合器通过在各段中进行合波的多个波长的周期中，选择耦合长相同的长度的组合，能够对多个波长进行合波。能够通过多级进行该波导型方向性耦合器的波长的合波，对希望的多个波长进行合波。

本发明的波导型方向性耦合器的一个结构是配置2条波导，横跨耦合长的长度平行地接近而成，从2个输入端口入射波长不同的至少2个的多个入射波，对根据波长选择性从这些多个入射波内选择的多个入射波进行合波，从1个输出端口出射合波后的光波。从剩余的输出端口出射没有被合波的波长的光波。

本发明的波导型方向性耦合器可以将合波的光波设为可视光区域波长的可视光，具备该波导型方向性耦合器的多波长合波器能够将合波后的可视光投射到投影仪的银幕上进行显示。

在该波导型方向性耦合器中，入射波是不同的可视光区域波长的可视光，可视光包含R波长分量、G波长分量以及B波长分量。在对该R波长分量、G波长分量、以及B波长分量进行合波的情况下，多级的波导型方向性耦合器由2级形成，第一级的波导型方向性耦合器对从3个波长分量中选择出的2个波长分量进行合波，第二级的波导型方向性耦合器对由第一级波导型方向性耦合器进行合波后的光波和剩余的1个波长分量的光波进行合波。通过该结构，从第二级的波导型方向性耦合器的输出端口出射对R波长分量、G波长分量以及B波长分量的3个波长分量进行了合波后的光波。

在此，可以从半导体激光器或二次谐波产生激光器（SHG激光器）的发光元件发出可视光。例如，可视光的R波长分量和B波长分量可以从半导体激光器的发光元件发出，G波长分量可以从二次谐波产生激光器（SHG激光器）的发光元件发出。

本发明的波导通过由形成在半导体衬底上的导光性材料构成的膜的图案形成来形成。导光性材料可以使用氮化硅膜、掺杂了锗的氧化硅膜、树脂膜等。可以通过使用了等离子体的干式蚀刻来进行氮化硅膜、掺杂了锗的硅氧化膜的图案形成。关于树脂膜的图案形成，在UV感光性树脂的情况下可以通过UV光的曝光来进行，在UV非感光性树脂的情况下，可以通过O₂等离子体处理来进行，另外也可以通过将模按压到热硬化树脂、UV硬化树脂来进行的纳米压印技术来进行。

可以将单独的波导模式设置为单一模式，而以多个的方式来形式波导。

波导的第一方式是通过构成光学元件衬底的半导体衬底上的薄膜来形成芯而成的平面型波导，可以只在耦合长的长度的间隙中使2条芯平行地相邻或融合来形成波导型方向性耦合器。

波导的第二方式是在构成光学元件衬底的半导体衬底上形成脊部而成的脊型波导，可以只在耦合长的长度的间隙中使2个脊部平行地相邻或融合来形成波导型方向性耦合器。

波导的第三方式是固定在构成光学元件衬底的半导体衬底上的光纤，可以只在耦合长的长度的间隙中使2条光纤的芯平行地相邻或融合来形成。

本发明可以将上述多波长合波器、产生各波长区域的入射波的多个发光元件形成在同一半导体衬底上来构成光源装置。

光源装置可以构成为具备：检测器，其检测进行多级连接的多个波导型方向性耦合器中的、除了最末级的波导型方向性耦合器以外的波导型方向性耦合器的合波输出的输出端口以外的输出端口的出射波的光强度；检测器，其检测在第一级的波导型方向性耦合器中耦合的入射波的光强度；控制部件，其控制发光元件所产生的入射波的强度。

控制部件可以反馈由各检测器检测的光强度而控制发光元件，将出射的光量保持为恒定。

另外，在光源装置中，可以通过在同一半导体衬底上具备产生R波长区域、G波长区域、以及B波长区域的各波长区域的入射波的多个发光元件，来构成RGB光源装置。

在该RGB光源装置中，可以构成为具备：第一检测器，检测R波长区域的入射波；第二检测器，检测第一级的波导型方向性耦合器的泄漏输出的光强度；第三检测器，检测第二级波导型方向性耦合器的泄漏输出的光强度；以及控制部件，控制发光元件所产生的入射波的强度。控制部件反馈由各检测器检测的光强度，来控制发光元件。

根据本发明的波导型方向性耦合器，可以由形成在构成光学元件衬底的半导体衬底上的波导、光纤来一体地形成方向性耦合器。

另外，根据本发明的波导型方向性耦合器，可以通过根据耦合长的周期性来适当地选择由各波导型方向性耦合器耦合的合波的组合，来缩短多波长合波器的全长。

根据本发明的光源装置，可以通过缩短多波长合波器的长度，来缩短全长。还可以通过在发光元件和波导型方向性耦合器之间设置90度弯曲变换器，来缩短光源装置的全长。

可以通过对形成在半导体衬底上的金属膜进行图案形成，来形成本发明的形成在半导体衬底上的布线。另外，通过金属膜的图案形成，而与布线一起形成接合部。该接合部将激光元件接合起来。金属膜可以是由Au构成的膜。

根据本发明，在对多个波长的光波进行合波后出射的光源装置中，能够提高光学***元件和电气***元件的集成度，实现小型化。

附图说明

图1是典型的波导型方向性耦合器的概念图和表示其动作原理的图。

图2是用于说明1个光波在波导之间转移时的耦合长的周期性的图。

图3是用于说明将波长λ2的光波耦合到波长λ1的光波的情况的图。

图4是用于说明将波长λ1的光波耦合到波长λ2的光波的情况的图。

图5是用于说明将波长λ1和波长λ2的合波耦合到波长λ3的光波的情况的图。

图6是用于说明将波长λ3的光波耦合到波长λ1和波长λ2的合波的情况的图。

图7是用于说明针对本发明的3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的例子的图。

图8是用于说明针对本发明的3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的例子的合波状态的图。

图9是用于说明针对本发明的3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的另一个例子的图。

图10是用于说明将本发明的多个波导型方向性耦合器连接起来的结构例子的概要图。

图11是用于说明本发明的对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子的概要图。

图12是用于说明本发明的对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子的概要图。

图13是用于说明本发明的对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子的概要图。

图14是用于说明本发明的多波长合波器的结构例子的图。

图15是用于说明本发明的多波长合波器的结构例子的图。

图16是用于说明本发明的光源装置的结构例子的图。

图17是用于说明本发明的光源装置的一个实施例的图。

图18是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。

图19是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。

图20是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。

图21是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。

图22是用于说明本发明的光源装置的间距变换器的效果的图。

图23是用于说明本发明的光源装置的间距变换器的效果的图。

图24是用于说明本发明的波导的波导参数和y偏光的基模（fundamentalmode）的光强度分布的图。

图25是表示本发明的波导的有效折射率特性的图。

图26是表示本发明的波导型方向性耦合器的形状的一个例子的图。

图27是表示本发明的波导型方向性耦合器的***损耗的图。

图28是表示本发明的其他结构的波导的波导参数和y偏光的基模的光强度分布的图。

图29是表示波导的波长分散特性的图。

图30是表示波导的合波所需要的耦合长的图。

图31是使用了本发明的各向异性介质的全反射反射镜的概要图。

图32是表示使用了本发明的各向异性介质的全反射反射镜的参数的关系的图。

图33是用于说明出射角θ₂的计算的图。

图34是用于说明RGB的各波长的反射角的图。

图35是用于说明出射角θ₂的计算的图。

图36是用于说明RGB的各波长的反射角的图。

图37是表示本发明的90度弯曲波导的构造和通过FDTD法进行的分析例子的图。

图38是用于说明本发明的90度弯曲波导的模型的图。

图39是表示在x-z面看到的Ex分量的基模的图。

图40是表示在x-y面看到的Ex分量的基模的图。

图41是用于说明本发明的90度弯曲波导的其他结构例子的图。

图42是用于说明本发明的90度弯曲波导的其他结构例子的图。

图43是用于说明本发明的90度弯曲波导的其他结构例子的图。

图44是用于说明氮化硅（SiN）膜的光波导的形成的流程图。

图45是用于说明氮化硅（SiN）膜的光波导的形成的概要图。

图46是用于说明UV感光树脂材料的光波导的形成的流程图。

图47是用于说明UV感光树脂材料的光波导的形成的概要图。

图48是用于说明UV非感光树脂材料的光波导的形成的流程图。

图49是用于说明UV非感光树脂材料的光波导的形成的概要图。

图50是用于说明UV感光树脂材料的光波导的形成的流程图。

图51是用于说明热硬化树脂材料的光波导的形成的流程图。

图52是用于说明UV硬化树脂材料或热硬化树脂材料的光波导的形成的概要图。

图53是用于说明在光学***元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理步骤的流程图。

图54是用于说明在光学***元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理步骤的概要图。

图55是在光学***元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理的各步骤的结构图。

图56是在光学***元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理的各步骤的结构图。

图57是在光学***元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理的各步骤的结构图。

图58是用于说明在光学***元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的步骤的流程图。

图59是用于说明在光学***元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的步骤的流程图。

图60是在光学***元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。

图61是在光学***元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。

图62是在光学***元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。

图63是在光学***元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。

图64是用于说明SBG的配置的图。

图65是用于说明使用了本发明的光源装置的投影仪的图。

符号说明

1：多波长合波器；2波导型方向性耦合器；2A、2B、2C：波导型方向性耦合器；2a、2b：波导型方向性耦合器；3：间距变换器；3A、3B、3C：间距变换器；4：激光元件；4a：蓝色发光元件；4b：红色发光元件；4c：绿色发光元件；5、5a、5b、5c、5n：检测器；6、6A、6B：控制部件；7：光波导；8：光学元件衬底；9：布线衬底；10、10A、10B、10C、10D、10E：光源装置；11A、11B、11C：90度弯曲波导；11a：波导；11b：反射镜部分；11c：反射镜背面；11d：下包层（under clad）表面；11e：脊下部截面；12：波导；20：投影仪；21：控制器；22：光源装置；23：偏转装置；24投影透镜；31：图像信号；32：控制信号；33：控制信号；34：光束；35：偏转光束；100：衬底；101：SiO₂膜；102：SiN膜；103抗蚀膜；105纳米印刷用模；106：Au膜;107：抗蚀膜；108：集成电路部件；109：保护膜；110感光树脂材料；111：非感光树脂材料；112：硬化树脂材料；113：热硬化树脂材料；122：通孔；200：包层（clad）；201下包层

具体实施方式

利用附图，说明本发明的实施方式。

以下，首先，利用图1~图6说明本发明的波导型方向性耦合器中的耦合长和波长选择性，利用图7~图13说明本发明的波导型方向性耦合器的多段连接，利用图14~图16说明本发明的多波长合波器和RGB光源装置的结构，利用图17~图64说明本发明的多波长合波器的各结构的实施例，利用图65说明使用了光源装置的投影仪的结构例子。

首先，利用图1~图6说明本发明的波导型方向性耦合器中的耦合长和波长选择性。

图1是典型的波导型的方向性耦合器的概念图和表示其动作原理的图，图1（a）表示波导型方向性耦合器的全体的概要结构，图1（b）表示耦合长部分的动作原理。

作为等价的构造，在图1所示的区间的长度Lc之间，接近并平行地配置2条光波导（图中的波导I（WaveguideI）、波导II（WaveguideII））。在此，2条波导在分别个别地进行导向时，假设是单模式（single mode）。在平行地接近配置2条波导的位置，并不是相互波导的模式干涉而耦合的单模式。

方向性耦合器内的电场在可以不考虑反射的情况下，可以通过作为2个行进波的偶模式（Even mode）Eeven（y）（0次模式）和奇模式（Odd mode）Eodd（y）（一次模式）的重合来近似。在此，如果设偶模式的传输常数为β0（等价折射率n even），设奇模式的传输常数为β1（等价折射率n odd），设传输方向为z轴方向，则在z位置的电场E（y，z）可以用下式表示。

[公式1]

E(y，z)＝E_even(y)exp(-jβ_evenz)+E_odd(y)exp(-jβ_oddz)……（1）

与一方的波导（图中的波导I）耦合的z=0位置的入射电场E1（y）为：

[公式2]

|E(y，0)|＝|E_even(y)+E_odd(y)|＝E₁(y)……（2）

在此，入射电场E1（y）是波导I（图中的波导I）的固有模式。

另外，z=π/（βeven-βodd）的位置处的入射电场E1（y）为：

[公式3]

|E(y，z)|＝|E_even(y)-E_odd(y)|＝E₂(y)……（3）

这时（z=L）的电场E2（y）是波导II（图中的波导II）的固有模式，波导I（图中的波导I）的入射电场E1（y）在公式（4）所示的耦合长（couplingLength）Lc下，完全转移到波导II（图中的波导II）的电场E2（y）。因此，在图1（b）中，从波导I的端口1入射的光波在耦合长L之间从波导I转移到波导II，从波导II的端口3出射。

[公式4]

$L_c=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{even}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{odd}}}=\frac{0.5\mathrm{\λ}}{n_{\mathrm{even}}-n_{\mathrm{odd}}}...\left(4\right)$

[公式5]

$\mathrm{\κ}=\frac{\mathrm{\π}}{2L_c}=\frac{{\mathrm{\β}}_e-{\mathrm{\β}}_o}{2}...\left(5\right)$

在此，耦合长Lc为各模式的等价折射率（或有效折射率）和波长（真空中）λ的函数。另外，等价折射率由于形成波导的材料固有的折射率的波长分散而改变，并且由于波导的形状固有模式也改变，因此也变化。

另外，在上述说明中，以由接近的2条波导构成方向性耦合器的例子进行了说明，但也可以由融合2条波导而形成的合流型的多模式波导（或多模干涉型耦合器）构成方向性耦合器。

接着，利用图2~图6，说明耦合长的波长选择性。

首先，利用图2~图4，说明耦合长的周期性。另外，为了说明的方便，对图示的耦合长的周期性示意地进行表示，而不表示实际的周期性。

1个光波在波导之间转移时的耦合长用上述公式（4）表示，并且具有周期性。图2表示1个光波在波导之间转移时的耦合长的周期性。在图2中，图2（a）表示由2条波导构成的波导型方向性耦合器的概要结构，图2（b）表示由于从端口1向端口3***损耗因耦合长引起的周期变化。

如果2条波导的退化后的各自的传输常数相等，则可以用公式（6）表示从端口1向端口3的光能量（power）的流P_1-3。另外，可以用公式（7）表示从端口1向端口4的光能量的流P_1-4。在实际的方向性耦合器中，由于来自波导的散射、2条波导的耦合状态不理想而造成的损耗等，耦合并不理想，但在此，为了简化而不考虑损耗等。

[公式6]

P_1-3＝sin²(κz)......（6）

P_1-4＝1-sin²(κz)＝cos²(κz)……（7）

另外，κ是在波导上传输的信号波长的函数。该公式（7）所示的κ与公式（5）所示的模式耦合系数相同。

在图2（a）中，波导型方向性耦合器使2条波导平行地接近而形成，一方的波导在入射侧具有端口1，在出射侧具有端口4，另一方的波导在入射侧具有端口2，在出射侧具有端口3。

如公式（6）所示那样，从一方的波导的端口1入射的单一波长的光波（图中的虚线所示）在耦合长L的部分转移到另一方的波导，而从端口3出射。在此，如果改变耦合长L，则如图2（b）所示那样，从端口1到端口3的***损耗周期地变化。其耦合长的周期依存于光波的波长而变化。

波导型方向性耦合器的耦合长可以通过利用该耦合长的周期性的波长依存性，而从多个耦合长L的长度中来进行选择波导型方向性耦合器耦合长。

接着，利用图3和图4，说明在对2个波长（λ1、λ2）的光波进行耦合的情况下耦合长的周期性和波长选择性。

图3表示将波长λ2的光波耦合到波长λ1的光波的情况。图3表示2个不同波长的光波在波导之间转移时的耦合长的周期性，图3（a）、图3（b）表示波导型方向性耦合器的耦合长不同的情况下的转移状态，图3（c）表示例如从端口1到端口3等的波导之间的***损耗的因耦合长引起的周期变化。

在图3（c）中，2个不同波长（λ1、λ2）的从端口1到端口3的***损耗依存于光波的耦合长L的长度而变化。该***损耗的因耦合长引起的周期变化具有波长依存性，对于短波长的一方，公式（6）和（7）的周期变长。例如，在耦合长的长度是L1或L2时，波长λ1（用虚线表示）的***损耗小，波长λ2（用实线表示）的***损耗大。

图3（a）表示耦合长为L1的情况，图3（b）表示耦合长为L2的情况。根据该耦合长L1、L2，由于从端口1到端口3的***损耗小，所以从端口1入射的波长λ1的光波转移到端口3。另一方面，由于在波导之间的***损耗大，所以从端口2入射的波长λ2的光波不进行转移而进入到端口3。因此，由于该耦合长的周期性，波导型方向性耦合器对合波具有波长选择性。

图4表示将波长λ1的光波耦合到波长λ2的光波的情况。与图3一样，图4表示2个不同的波长的光波在波导之间转移时的耦合长的周期性，图4（a）、图4（b）表示波导型方向性耦合器的耦合长不同的情况下的转移状态，图4（c）表示波导之间的***损耗的因耦合长引起的周期变化。

在图4（c）中，2个不同波长（λ1、λ2）的波导之间的***损耗依存于光波的耦合长L的长度而变化。该***损耗的由于耦合长引起的周期变化具有波长依存性，例如，在耦合长的长度为L3或L4时，波长λ1（用虚线表示）的***损耗大，波长λ2（用实线表示）的***损耗小。

图4（a）表示耦合长为L3的情况，图4（b）表示耦合长为L4的情况。根据该耦合长L3、L4，由于波导之间的***损耗小，从端口2入射的波长λ2的光波转移到端口4，由于波导之间的***损耗大，从端口1入射的波长λ1的光波不进行转移而进入到端口4。由于该耦合长的周期性，波导型方向性耦合器对合波具有波长选择性。

接着，利用图5、图6说明对包含多个波长的光波的合波。

图5表示将波长λ1和波长λ2的合波耦合到波长λ3的光波的情况。图5表示3个不同波长的光波在波导之间转移时的耦合长的周期性，图5（a）、图5（b）表示波导型方向性耦合器的耦合长不同的情况下的转移状态，图5（c）表示波导之间的***损耗的因耦合长引起的周期变化。

在图5（c）中，3个不同的波长（λ1、λ2、λ3）（λ1<λ2<λ3）的波导之间的***损耗依存于光波的耦合长L的长度而变化。该***损耗的因耦合长引起的周期变化具有波长依存性，对于短波长的一方，公式（6）和公式（7）的周期变长。例如，在耦合长的长度为L5或L6时，波长λ1（用虚线表示）和波长2（用实线表示）的***损耗小，波长λ3（用点划线表示）的***损耗大。

图5（a）表示耦合长为L5的情况，图5（b）表示耦合长为L6的情况。根据该耦合长L5、L6，由于***损耗小，从端口1入射的波长λ1的光波和波长λ2的光波转移到端口3，由于***损耗大，从端口2入射的波长λ3的光波不进行转移而进入到端口3。根据该耦合长的周期性，波导型方向性耦合器在包含多个波长的情况下，对于合波也有波长选择性。

另外，图6表示将波长λ3的光波耦合到波长λ1和波长λ2的合波的情况。与图5一样，图6表示3个不同波长的光波在波导之间转移时的耦合长的周期性，图6（a）、（b）表示波导型方向性耦合器的耦合长不同的情况下的转移状态，图6（c）表示波导之间的***损耗的因耦合长引起的周期变化。

在图6（c）中，3不同波长（λ1、λ2、λ3）的波导之间的***损耗依存于光波的耦合长L的长度而变化。该***损耗的因耦合长引起的周期变化具有波长依存性，例如在耦合长的长度为L7或L8时，波长λ1（用虚线表示）和波长2（用实线表示）的***损耗大，波长λ3（用点划线表示）的***损耗小。

图6（a）表示耦合长为L7的情况，图6（b）表示耦合长为L8的情况。根据该耦合长L7、L8，由于***损耗小，从端口1入射的波长λ3的光波转移到端口3，由于***损耗大，从端口3入射的波长λ1和λ2的光波不进行转移而进入到端口3。由于该耦合长的周期性，波导型方向性耦合器在包含多个波长的情况下，对于合波也具有波长选择性。

接着，利用图7~图13，说明对波导型方向性耦合器进行多级连接的结构。图7~图10表示对3个不同波长的光波进行合波的波导型方向性耦合器的多级连接的例子。另外，图11~图13表示对4个不同波长的光波进行合波的波导型方向性耦合器的多级连接的例子。

图7所示的连接例子表示对于3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的例子。图7（a）表示波导型方向性耦合器的多级连接，图7（b）是波导之间的2个耦合长的***损耗。

在图7（a）中，首先在3条波导内相邻的2条波导之间按照耦合长L11形成第一级的波导型方向性耦合器，接着，在耦合后的波导与剩余的波导之间按照耦合长L12形成第二级的波导型方向性耦合器。

从各波导分别入射不同的波长λ1、λ2、λ3（λ1<λ2<λ3）的光波。对于从端口1入射的波长λ1的光波和从端口2入射的波长λ2的光波，如图7（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长L11下波长λ1的光波的***损耗（用虚线表示）小，而波长λ2的光波的***损耗（用实线表示）大，所以入射到第一条波导的波长λ1的光波被耦合到第二条波导。

接着，如图7（b）的***损耗特性所示的那样，对于第二条波导的合波后的波长λ1的光波以及波长λ2的光波和入射到第三条波导的波长λ3的光波，由于在耦合长L12下，波长λ1和波长λ2的光波的***损耗（用虚线和实线表示）小，波长λ3的光波的***损耗（用点划线表示）大，所以第二条波导的波长λ1和波长λ2的光波被耦合到第三条波导。由此，波长λ1、波长λ2、波长λ3的光波被耦合到第三条波导。

图8表示该合波状态。图8（a）、图8（b）和图8（d）分别表示波长λ1、波长λ2、波长λ3的耦合长的周期性。

如图8（c）所示那样，第一级的波导型方向性耦合器的耦合长L11的***损耗由于图8（a）所示的波长λ1的耦合长的周期性和图8（b）所示的波长λ2的耦合长的周期性的组合，而波长λ1小（用虚线表示），波长λ2大（用实线表示）。由此，第一级的波导型方向性耦合器将波长λ1的光波耦合到波长λ2的光波。

接着，如图8（e）所示那样，第二级的波导型方向性耦合器的耦合长L12的***损耗由于图8（a）所示的波长λ1的耦合长的周期性和图8（b）所示的波长λ2的耦合长的周期性和图8（d）所示的波长λ3的耦合长的周期性的组合，波长λ1（用虚线表示）和波长λ2小（用实线表示），波长λ3（用点划线表示）大。由此，第二级的波导型方向性耦合器将波长λ1和波长λ2的合波耦合到波长λ3的光波。

图9所示的连接例子表示对于3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的另一个例子。图9（a）表示波导型方向性耦合器的多级连接，图9（b）表示波导之间的2个耦合长的***损耗。

在图9（a）中，首先，在3条波导内相邻的2条波导之间按照耦合长L13形成第一级的波导型方向性耦合器，接着，在耦合后的波导与剩余的波导之间，按照耦合长L4形成第二级的波导型方向性耦合器。

从各波导分别入射不同的波长λ1、λ2、λ3（λ1<λ2<λ3）的光波。对于从端口1入射的波长λ1的光波和从端口2入射的波长λ2的光波，如图9（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长L13下波长λ1的光波的***损耗（用虚线表示）小，而波长λ2的光波的***损耗（用实线表示）大，所以入射到第一条波导的波长λ1的光波被耦合到第二条波导。

接着，如图9（b）的***损耗特性所示的那样，对于被合波到第二条波导的波长λ1的光波和波长λ2的光波和入射到第三条波导的波长λ3的光波，由于在耦合长L14下，波长λ1和波长λ2的光波的***损耗（用虚线和实线表示）大，波长λ3的光波的***损耗（用点划线表示）小，所以第三条波导的波长λ3的光波被耦合到第二条波导。由此，波长λ1、波长λ2、波长λ3的光波被合波到第三条波导。

可以通过多个方式来进行多个波导型方向性耦合器的连接。图10是用于说明将多个波导型方向性耦合器连接起来的结构例子的概要图。

图10（a）是依次分段连接多个波导型方向性耦合器2A、2B、2C的结构，将由前级的波导型方向性耦合器耦合后的光波通过后级的波导型方向性耦合器与其他波导的光波耦合。通过依次重复进行该耦合，对多个不同波长的光波进行耦合而形成合波。

图10（b）是通过在后段连接的波导型方向性耦合器2C对由波导型方向性耦合器2A耦合后的光波和由波导型方向性耦合器2B耦合后的光波进行耦合的结构，通过重复该结构，对多个不同波长的光波进行耦合而形成合波。

以下，利用图11~图13，说明对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子。

图11所示的结构例子与图7所示的结构例子一样，是依次分段连接波导型方向性耦合器的结构，是与图10（a）所示的方式对应的结构。

图11（a）表示波导型方向性耦合器的多级连接，图11（b）表示波导之间的各耦合长下的***损耗。

在图11（a）中，首先，在4条波导内相邻的2条波导之间按照耦合长La1形成第一级的波导型方向性耦合器，接着，在耦合后的波导和第三条波导之间按照耦合长La2形成第二级的波导型方向性耦合器，最后，在耦合后的波导和第四条波导之间按照耦合长La3形成第三级的波导型方向性耦合器。

从各波导分别入射不同波长λ1、λ2、λ3、λ4（λ1<λ2<λ3<λ4）的光波。如图11（b）的***损耗特性所示那样，对于从端口1入射的波长λ1的光波和从端口2入射的波长λ2的光波，由于在耦合长La1下波长λ1的光波的***损耗（用虚线表示）小，而波长λ2的光波的***损耗（用实线表示）大，所以入射到第一条波导的波长λ1的光波被耦合到第二条波导的波长λ2。

接着，如图11（b）的***损耗特性所示那样，对于被合波到第二条波导的波长λ1和波长λ2的光波和从端口3入射的波长λ3的光波，由于在耦合长La2下波长λ1和波长λ2的光波的***损耗（用虚线和实线表示）小，而波长λ3的光波的***损耗（用点划线表示）大，所以第二条波导的波长λ1和波长λ2的光波被耦合到第三条波导的波长λ3。由此，在第三条波导中对波长λ1、λ2、λ3的光波进行合波。

最后，如图11（b）的***损耗特性所示那样，对于被合波到第三条波导的波长λ1的光波、波长λ2的光波、波长λ3的光波和从第四个端口4入射的波长λ4的光波，由于在耦合长La3下波长λ1、波长λ2和波长λ3的光波的***损耗（用虚线、实线、点划线表示）小，而波长λ4的光波的***损耗（用长虚线表示）大，所以第三条波导的波长λ1、波长λ2和波长λ3的光波被耦合到第四条波导的λ4。由此，将波长λ1、λ2、λ3、λ4的光波合波到第四条波导。

图12所示的结构例子是针对一条波导将多个波导型方向性耦合器依次连接起来的结构。

图12（a）表示波导型方向性耦合器的多段连接，图12（b）表示波导之间的各耦合长下的***损耗。

图12（a）所示的结构是针对4条波导内的1条波导依次连接多个波导型方向性耦合器的结构，按照耦合长Lb1形成第一级的波导型方向性耦合器，按照耦合长Lb2形成第二级的波导型方向性耦合器，按照耦合长Lb3形成第三级的波导型方向性耦合器。

从各波导分别入射不同的波长λ1、λ2、λ3、λ4（λ1<λ2<λ3<λ4）的光波。对于从端口1入射的波长λ1的光波和从端口2入射的波长λ2的光波，如图12（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长Lb1下波长λ2的光波的***损耗（用实线表示）小，而波长λ1的光波的***损耗（用虚线表示）大，所以入射到第一条波导的波长λ1的光波被耦合到第二条波导的波长λ2。

接着，对于被合波到第一条波导的波长λ1的光波和波长λ2的光波、从第三个端口3入射的波长λ3的光波，如图12（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长Lb2下波长λ1和波长λ2的光波的***损耗（用虚线和实线表示）大，而波长λ3的光波的***损耗（用点划线表示）小，所以第三条波导的波长λ3被耦合到第一条波导的波长λ1和波长λ2的光波。由此，将波长λ1、λ2、λ3的光波合波到第一条波导。

最后，对于被合波到第一条波导的波长λ1的光波、波长λ2的光波、波长λ3的光波和从第四端口4入射的波长λ4的光波，如图12（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长Lb3下波长λ1、波长λ2和波长λ3的光波的***损耗（用虚线、实线、点划线表示）大，而波长λ4的光波的***损耗（用虚线表示）小，所以第四条波导的λ4的光波被耦合到第三条波导的波长λ1、波长λ2和波长λ3的光波。由此，将波长λ1、λ2、λ3、λ4的光波合波到第一条波导。

图13所示的结构例子是将多个波导型方向性耦合器依次连接起来的另一个结构，是与图10（b）所示的形式对应的结构。

图13（a）表示波导型方向性耦合器的多级连接，图13（b）表示波导之间的各耦合长下的***损耗。

图13（a）所示的结构是形成2组的用波导型方向性耦合器将4条波导内的2条波导连接起来的结构，进而，用波导型方向性耦合器将该2组由波导型方向性耦合器形成的2条波导连接起来。

在第一条波导和第二条波导上形成耦合长Lc1的第一级的波导型方向性耦合器，在第三条波导和第四条波导上形成耦合长Lc2的第一级的波导型方向性耦合器，进而，在被耦合后的2条波导上形成耦合长Lc3的第二段波导型方向性耦合器。

从各波导分别入射不同波长λ1、λ2、λ3、λ4（λ1<λ2<λ3<λ4）的光波。对于从端口1入射的波长λ1的光波和从端口2入射的波长λ2的光波，如图13（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长Lc1下波长λ1的光波的***损耗（用虚线表示）小，而波长λ2的光波的***损耗（用实线表示）大，所以第一条波导的波长λ1被耦合到入射到第二条波导的波长λ2的光波。

另一方面，对于从端口3入射的波长λ3的光波和从端口4入射的波长λ4的光波，如图13（b）的***损耗特性所示那样，由于在耦合长Lc2下波长λ4的光波的***损耗（用虚线表示）小，而波长λ3的光波的***损耗（用点划线表示）大，所以第十四条波导的波长λ4被耦合到入射到第三条波导的波长λ3的光波。

最后，如图13（b）的***损耗特性所示那样，对于被合波后的波长λ1和波长λ2的光波、和同样被耦合了的波长λ3和波长λ4的光波，由于在耦合长Lc3下波长λ3、波长λ4的光波的***损耗（用虚线和点划线表示）小，而波长λ1、波长λ2的光波的***损耗（用虚线和实线表示）大，所以波长λ3和波长λ4的光波被耦合到波长λ1和波长λ2的光波。

如上所述，本发明的多波长合波器根据进行合波的各波长的光波所具有的耦合长的周期性，选择能够进行合波的耦合长的组合，构成基于这些耦合长的组合的波导型方向性耦合器，对多个波长进行耦合，进而通过多级组合该波导型方向性耦合器，由此能够对多个波长进行合波。

另外，根据本发明的波导型方向性耦合器，在上述耦合长的组合中，通过选择多波长合波器的全长短的组合，能够使多波长合波器小型化。

另外，在上述说明中，设各波长的关系为λ1<λ2<λ3<λ4，但并不限于该波长关系，可以根据上述的波长与周期的关系来确定耦合长的周期性。

接着，利用图14、15说明本发明的多波长合波器的结构例子，利用图16说明本发明的光源装置的结构例子。

在图14（a）中，多波长合波器1具备多个波导型方向性耦合器2a、2b、......2n，针对多条波导通过上述多级连接而形成。不同的波长λ1~波长λn的入射光1~入射光n入射到多波长合波器1，通过由多段连接的波导型方向性耦合器2a~2n而被耦合。所得的合波作为出射光而输出。

如图14（b）所示那样，多波长合波器1也可以构成为在多个波长型方向性耦合器2a~2n以外，还具备间距变换器3。间距变换器3是使将入射光导入到各波导型方向性耦合器2a~2n的多条波导的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配的元件。在例如由半导体元件形成入射光的发光元件的情况下，根据构成半导体元件所必需的尺寸的要求，波导之间的间距间隔需要比波导型方向性耦合器中的波导之间的间距间隔宽的间隔。

间距变换器3可以通过切换间距间隔而缩小波导之间的间距间隔来满足上述的空间要求，使入射光入射到波导型方向性耦合器。

另外，间距变换器也可以如图15那样，***到方向性耦合器的后面或之间。在图15的结构中，间距变换器3a配置在波导型方向性耦合器2a~2c与波导型方向性耦合器2o~2r之间，从间距变换器3a的入射侧的波导型方向性耦合器2a~2c的间距间隔变换为间距变换器3a的出射侧的波导型方向性耦合器2o~2r的间距间隔。

本发明的光源装置10是将发光元件和控制单元与本发明的多波长合波器1都形成在同一半导体衬底上的装置，通过由控制单元控制从发光元件发出的光，能够控制投射到投影仪的图像。

图16中，光源装置10构成为在同一布线衬底9上形成包含波导型方向性耦合器2a~2n和间距变换器3的多波长合波器1、激光元件4、检测器5a~5n、控制部件6。

激光元件4产生各波长λ1~波长λn的光，形成入射光1~入射光n。检测器5a~5n为了控制发光元件的发光光量而检测各波长的光。例如，检测器5a检测从波导型方向性耦合器2a的波导得到的光的光量。从该波导发出没有被波导型方向性耦合器2耦合的光。该检测器通过检测该发出的光，能够监视产生该波长的激光元件4的发光光量。对于无法由来自波导型方向性耦合器2的发出光检测出的波长，由设置在激光元件4侧的检测器5n进行检测。控制部件6反馈来自检测器5的检测信号，控制激光元件4的发光。

本发明的多波长合波器和光源装置可以作为平面回路形成在半导体衬底上。

[实施例]

接着，利用图17~图64，说明本发明的多波长合波器和光源装置的一个实施例。

首先，利用图17~图23，说明本发明的多波长合波器的一个实施例。另外，图17、18所示的实施例是发光元件和出射端子被排列在四角形状的半导体衬底的相互相对的2个边上的结构例子，图19~图23是发光元件和出射端子被配置在四角形状的半导体衬底的相互垂直的2个边上的结构例子。

在图17中，光源装置10A将形成波导和多波长合波器1的模块的光学元件衬底8、激光元件4（4a~4c）的模块安装在布线衬底9上，形成平面光回路。图17表示多波长为R波长、G波长和B波长的RGB光源装置的例子。

在图17所示的RGB光源装置10A的概念结构中，在布线衬底9上安装激光元件4（4a~4c）、多波长合波器1、控制部件6A、电极端子6B。多波长合波器1具备波导型方向性耦合器2，并形成在光学元件衬底8上。在此，可以由半导体衬底同时形成光学元件衬底8和布线衬底9。半导体衬底例如可以使用硅衬底。

激光元件4的模块具备RGB发光元件。在该RGB发光元件中，蓝色发光元件4a和红色发光元件4b例如可以分别使用InGaN（蓝色）、AlInGaP（红色）的半导体激光。另一方面，绿色发光元件4c可以使用直接发光型的绿色LD，但由于难以得到实用的适合于绿色半导体激光器的元件，所以使用SHG（Second Harmonic Generation：第二高次谐波产生）激光器作为绿色发光元件。

关于各发光元件的波长，例如蓝色发光元件4a的波长为450~470nm，红色发光元件4b的波长为630~650nm，产生绿色发光元件4c的基波的近红外LD的波长为1050~1070nm。

为了使SHG激光器的绿色输出稳定，为了部分地反射近红外LD的基波，而设置表面布拉格光栅（surface Bragg grating（SBG））4e，为了频率锁定，而在PPLN波导上形成非线性光学结晶部（PPLN（periodically poled lithiumniobate））4d。作为近红外LD，可以使用法布里-佩罗（Fabry-Perot）型、SLD（Super Luminescent Diode）型、面发光型。在近红外LD例如是DBR（Distributed Btagg Reflector）、DFB（Distributed-feedback）型，并内置波长、频率锁定模块机构的情况下，可以省略表面布拉格光栅。

各激光元件的激光输出经由连接用的波导与用于RGB合波的多波长合波器1的各输入端口连接。在图17中，表示分别将蓝色和绿色的输出与红色的波导连接的设计的波导型方向性耦合器的结构。为了使作为泵激光器的近红外LD的输出稳定，绿色光输出的一部分与PD（photo diode）的检测器5耦合。对于该RGB光源装置10A，构成光回路的波导是单模式的，因此能够将合波后的输出光容易地与透镜、MEMS、其他光学***进行外部连接。

图18所示的光源装置10B与图17所示的光源装置10A一样，将包含多波长合波器1的模块的光学元件衬底8和激光元件4的模块安装在布线衬底9上而由平面光回路构成。

在图18所示的RGB光源装置10B的概念结构中，在布线衬底9上安装激光元件4（4a~4c）、多波长合波器1、控制部件6A、电极端子6B、间距变换器3A。多波长合波器1、波导、间距变换器3A形成在光学元件衬底8上。

间距变换器3A使光源装置10B的激光元件4（4a、4b、4c）的间距间隔与多波长合波器1的方向性耦合器2的间距间隔匹配。

在图17所示的结构中，为了使发光元件4a、4b、4c的间距间隔与多波长合波器1的波导型方向性耦合器2的间距间隔匹配，而以D1的距离使波导弯曲。另一方面，在图18所示的结构中，为了使发光元件4a、4b、4c的间距间隔与多波长合波器1的波导型方向性耦合器2的间距间隔匹配，而通过间距变换器3A使其匹配。间距变换器3A具有长度D2，与不使用间距变换器的结构相比，能够缩短长度。

在图19~图21中，表示本发明的RGB光源装置的具体结构的一个例子。在图19~21所示的结构中，通过设置90度弯曲变换器3B来进行配置。

在图19~图21中，多波长合波器1实际上做成非常细长的形状，但在图19~21中，为了容易理解结构，而放大表示了一部分。

RGB光源装置10C是将激光元件4（4a、4b、4c）、包含兼作90度弯曲部件的90度间距变换器3B和波导型方向性耦合器2的多波长合波器1、检测器5（5a~5c）、控制部件6A、电极端子6B安装在布线衬底9上而构成的。包含90度间距变换器3B和波导型方向性耦合器2的多波长合波器1被形成在光学元件衬底8上。

另外，光学元件衬底8除了硅衬底等半导体衬底以外，还可以使用金属衬底、感应体衬底。布线衬底9与图18的结构一样，可以使用绝缘体衬底、导电衬底，作为衬底材料，例如可以使用金属、硅、氮化铝、SiO₂、树脂等。

在各衬底使用半导体衬底以外的材料的结构的情况下，可以通过在基底的硅衬底等半导体衬底上，层积由各材料形成的布线衬底和光学元件衬底来构成。

相对于各发光元件4a、4b的半导体激光器和发光元件4c的SHG激光器的安装间隔，由各波导型方向性耦合器2a、2b构成的多波长合波器1的各波导的间隔非常窄。因此，为了使发光元件侧的波导的间距间隔与波导型方向性耦合器侧的间距间隔匹配，在激光元件4的连接用波导与多波长合波器1的各端口之间，设置兼作90度弯曲部件的90度间距变换器3B。另外，对于90度间距变换器，表示了在内侧设置了共振区域的方式，但也可以使用不设置共振区域的单纯的90度弯头（elbow）型波导。

另外，为了监视蓝色光的输出，而将PD（photo diode）的检测器5a与波导型方向性耦合器2a的另一个输出端口连接，为了监视绿色光的输出，而将PD（photo diode）的检测器5b与波导型方向性耦合器2b的另一个输出端口连接。另外，为了监视红色光的输出，而将PD（photo diode）的检测器5c与红色的发光元件4b连接。

在图19的结构例子的光源装置10C中，90度间距变换器3B和多波长合波器1的宽度D3例如可以为200μm左右，发光元件侧的宽度D4例如可以为7mm左右。另外，光源装置10C的长度（图19的左右方向的长度）例如可以为8mm。另外，在图19所示的结构例子中，表示了以下的结构，即将控制部件6A安装在布线衬底9的一个边侧，将电极端子6B安装在与一个边侧垂直的另一个边侧。

图20所示的结构例子表示了在图19所示的结构中进一步缩小了90度间距变换器3B的间距间隔的结构例子。在该结构例子的光源装置10D中，90度间距变换器3B和多波长合波器1的宽度D3’例如可以为比200μm左右小，由此，光源装置10D的长度（图20的左右方向的长度）例如可以为比8mm左右小。另外，在图20所示的结构例子中，表示了将控制部件6A、电极端子6B安装在布线衬底9的一个边侧的结构。

图21所示的结构例子是以下这样的结构例子，即在图19所示的结构中，将设置在绿色发光元件4c中的表面布拉格光栅SBG4e、非线性光学结晶部件PPLN4d设置在与配置发光元件4a、4b的边垂直的边。通过该结构，能够缩小安装SBG4e和PPLN4d的空间。在该结构例子的光源装置10E中，可以将发光元件侧的宽度D4’例如设为比7mm左右小。

接着，利用图22和图23，说明在本发明的光源装置中间距变换器所产生的效果。

图22是用于说明在图17所示的光源装置10A和图18所示的光源装置10B中间距变换器所产生的小型化的效果的图。另外，图22（c）表示了不配置间距变换器的结构例子。

在图22（a）所示的光源装置10A中，是以下这样的结构例子，即将发光元件4a~4c安装在四角形状的布线衬底9的一个边侧，将出射端配置在相对的另一个边侧，在波导7和多波长合波器1之间配置了间距变换器3A。如果对光源装置10A和图22（c）的结构进行比较，则能够通过间距变换器3A缩短波导部分的长度，缩短光源装置10A的长度。

另外，在图22（b）所示的光源装置10B中，是以下这样的结构例子，即将发光元件4a~4c安装在四角形状的布线衬底9的一个边侧，将出射端配置在垂直的另一个边侧，在波导7和多波长合波器1之间配置了90度间距变换器3B。如果对光源装置10B和图22（c）的结构进行比较，则能够通过间距变换器3B缩短波导部分的长度，缩短光源装置10A的长度，并且能够缩短光源装置10A的宽度（图中的上下方向）。

图23是用于说明在图18所示的光源装置10B中90度间距变换器所产生的小型化的效果的图，针对将光波的行进方向变更90度，说明了意义。另外，图23（b）表示了配置45度间距变换器的情况。

在图23（a）所示的光源装置10B中，是以下这样的结构例子，即将发光元件4a~4c安装在四角形状的布线衬底9的一个边侧，将出射端配置在垂直的另一个边侧，在波导7与多波长合波器1之间配置了90度间距变换器3B。与此相对，图23（b）的45度间距变换器3C将光波的行进方向变更45度。

在45度间距变换器3C的情况下，除了间距变换器自身的宽度（图中的上下方向）变长以外，多波长合波器1的配置位置也成为图中的下方位置，因此，光源装置的长度（图中的左右方向）和宽度（图中的上下方向）都变长。

与此相对，可以通过90度间距变换器3B缩短波导部分的长度并缩短光源装置10A的长度，同时缩短光源装置10A的宽度（图中的上下方向）。

另外，虽然没有图示，但在将间距变换器设置为超过90度的钝角的结构中，除了间距变换器自身的宽度（图中的上下方向）变长以外，多波长合波器1的配置位置成为图中的上方位置，因此光源装置的长度（图中的左右方向）和宽度（图中的上下方向）也都变长。

因此，可以通过90度间距变换器有效地使光源装置小型化。

接着，说明基于光波导设计用的综合软件即APSS2.3g（Apollo Software）的研究结果。

首先，进行波导的模式分析。实际的RGB各自的波长必须与所使用的半导体激光器、SHG激光器的波长匹配地进行设计，但在此假设作为所使用的波长频带，覆盖了从蓝到红的可视光区域的450~650nm左右。

图24表示了波导的截面的波导参数、460nm下的y偏光的基模的光强度分布。在此，由于y偏光（Ey模式）是来自半导体激光器的出射偏光，所以对Ey模式进行了分析。图24所示的波导是脊型波导，使用由石英构成的感应体衬底作为光学元件衬底，在该感应体衬底（折射率ns=1.44）上，形成在厚度1μm的平面部分上设置了厚度3μm、宽度4μm的突出部分的脊部（折射率nw=1.46）。覆盖包层的折射率为noc=1.44。

另外，在本发明的波导的基本构造中，如图25所示的有效折射率特性那样，能够确认偏光依存性小。因此，以后，由于与波导耦合的激光是Ey波，所以只用y偏光进行分析。

接着，使用本发明的波导的基本构造构成方向性耦合器，作为耦合部分的长度（coupled section length）的函数，进行从端口1到端口3的耦合的情况下的损失计算。图26表示了用于分析的波导型方向性耦合器的形状的一个例子。

图27表示改变图26所示的形状的波导型方向性耦合器的耦合长的长度，将波长作为参数，作为从端口1到端口3的***损耗（IL）的函数而求出的图形（plot）。

通过波束传输法进行分析。在上述中，以使2条波导接近、利用了模式间干涉的方向性耦合器为例子进行了说明，但在实用上，为了产生充分的模式耦合，需要使2条波导之间的距离为μm以下（sub μm）等级、并且抑制间隔的误差来形成。这样，波导之间的距离微小，因此预想到在形成波导的过程中产生的波动对特性有很大影响。因此，在此处的模拟中，不是分离类型，而是对于耦合部分用融合了2条波导的合流波导型（多模（multi mode）干涉型）的波导型方向性耦合器进行了研究。

根据图27所示的模拟结果，可知在耦合长Lc=L1（570μm）的附近，能够对R波长（640nm）和B波长（460nm）进行耦合。另外，在耦合长Lc=L2（2270μm）的情况下，能够将R波长和B波长与G波长耦合。因此，在图19所示的RBG光源装置的结构中，通过将从发光元件侧开始的第一级的波导型方向性耦合器的耦合长设为L1，将第二级的波导型方向性耦合器的耦合长设为L2，能够对来自不同的半导体激光器的发光元件的R波长、G波长和B波长的光波进行合波。

接着，针对波导的材料和构造，说明其他的结构例子。

图28是用于说明波导的概要构造的图，与图24一样，表示了波导的截面的波导参数、y偏光的基模的光强度分布。在该例子中，对于波导，使用了掺杂了5mol%的MgO的CongruentLN（一致熔融组成铌酸锂）。

图28所示的波导是脊型波导，在Si衬底等半导体衬底上，通过折射率n=1.46、厚度为1μm的SiO₂的包层、掺杂了5mol%的MgO的CongruentLN，形成了在厚度为1μm的平面部上设置了厚度2.5μm、宽度3.5μm的突出部的脊部。

图29表示作为波导材料的掺杂了MgO的CLN的材料波长分散特性，图30表示合波所需要的耦合长的图。在该结构例子中，能够通过从多个耦合长中进行选择而得到的多种耦合长的组合，对多个波长的光波进行合波。

例如在第一方式中，通过耦合长Lc为650μm的长度的第一级的波导型方向性耦合器对R波长（650nm）、B波长（460nm）的光波进行合波，通过耦合长Lc为3410μm的第二级的波导型方向性耦合器将合波后的R波长和B波长的光波与G波长（523nm）的光波进行合波。在图30中，用附加了圆圈的数字1表示该耦合长的组合。

另外，在第二形式中，通过耦合长Lc为1210μm的长度的第一级的波导型方向性耦合器对R波长（650nm）、G波长（523nm）的光波进行合波，通过耦合长Lc为2660μm的第二级的波导型方向性耦合器将合波后的R波长和G波长的光波与B波长（460nm）的光波进行合波。在图30中，用附加了圆圈的数字2表示该耦合长的组合。

[90度弯曲型间距变换器]

接着，利用图31~图40，说明本发明的多波长合波器具备的90度可弯距变换器。在以下的说明中，如处理各向异性材料那样用各向异性材料的例子进行说明，但在SiO₂系、有机的各向同性材料的情况下，可以设为n_e=n₀而同样地进行处理。

图31是使用了各向异性介质的全反射反射镜的概要图。假设全反射反射镜的外侧为空气（n_air=1）。在光波从高折射率介质向低折射率介质（该情况下为空气）的情况下，如果依照斯涅尔法则（Snell’s law），n₀·sinθ₁为比1大的临界角以上，则由于透射光无法向空气侧的空间传输，所以被全反射。另外，通常在各向同性介质中，入射角θ₁与出射角θ₂相等。另一方面，在各向异性介质中，根据与进行传输的介质的折射率椭圆体的方向的关系，入射光的波面法线向量k1和出射波面法线向量在边界面上必须满足边界条件。因此，入射角θ₁和出射角θ₂并不一定相等。

另外，为了容易进行说明，图31在相同的位置表示出表示入射光和出射光的相位的界面处的波面，但实际上在临界角以上的全反射状态下，依存于介质的折射率、入射角，入射光和反射光会产生相位的跳跃，在界面处的波面上产生与跳跃相当的波面的偏差，另外，在界面附近产生渐逝（evanescent）波，并且还产生被称为古斯-汉森位移（shift）的入射和反射光线的偏离，但在此没有表示。

如果为了简化，在此假设各向异性介质为负单轴性结晶（negative uniaxialcrystal，n₀>n_e），则波长λ1和波长λ2为以下的关系。

[公式7]

${\mathrm{\&lambda;}}_1:{\mathrm{\&lambda;}}_2=\frac{c}{n_1}:\frac{c}{n_2}...\left(8\right)$

在此，波长λ1和波长λ2分别是入射侧的波长和出射侧的波长，c是光速，折射率n₁和折射率n₂分别是入射时的折射率和出射时的折射率。另外，为了满足与电场向量的切线方向分量一致的边界条件，在入射角θ₁和出射角θ₂与波长λ1和λ2之间，以下的关系必须成立。

[公式8]

lsinθ₁＝λ₁

lsinθ₂＝λ₂......（9）

在此，l是波长向边界面的映射分量的长度。

根据该公式（8）和公式（9），可以导出对全反射光的关系式（10）。

[公式9]

n₁sinθ₁=n₂sinθ₂……（10）

虽然角度的定义不同，但公式（10）的形式与斯涅尔法则的公式相同。

接着，假设实际的结晶方位进行研究。假设形成全反射反射镜的结晶（在此假设铌酸锂LN）的c轴与z方向平行。设从反射镜的x轴测到的角度为π/4（45度），假设入射波面法线向量为沿着x轴传输的方向。另外，入射面与x-z面平行。这时，如果用x-z面切开结晶的折射率椭圆体，而以折射率椭圆体的主轴为基准，则用图32表示各参数的关系。在此，设入射偏光为s偏光（y偏光）。

根据图32的折射率椭圆体的定义，以下公式可以成立。

[公式10]

$\frac{X^2}{{n_o}^2}+\frac{Y^2}{{n_e}^2}=1...\left(11\right)$

X＝n_effcosβ

Y＝n_effsinβ……（12）

如果利用公式（11）、公式（12）和β=π/4-θ₂和θ₁=π/4的关系进行整理，则可以如公式（14）那样简化公式（13）。

[公式12]

${n_e}^2{\cos }^2\mathrm{\&beta;}+{n_o}^2{\sin }^2\mathrm{\&beta;}-\frac{{n_o}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_2}{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_1}=0,...\left(13\right)$

n_e ²+n_o ²-sin2θ₂(n_o ²-n_e ²)-4n_o ²sin²θ₂＝0……（14）

如果作为f（θ₂）=公式（14）的左边，在真空中的波长632.8nm的情况下，代入LN衬底的n_e=2.200、n₀=2.286而对f-θ₂的关系进行绘图，则能够得到图33。

根据图33可以知道有解，公式（13）的45度附近的解是θ₂=0.7485[rad]（42.886[deg]）。

如果与各向同性介质的45度反射相比，可知反射角只小约2度。

接着，研究反射角的波长依存性。

如果用掺杂了5摩尔的MgO的LN的反射系数n_e、n₀进行计算，则图34表示RGB各波长下的反射角。

根据该计算结果，求出在B波长（470nm）下为42.59度，在G波长（530nm）下为42.69度，在R波长（640nm）下为42.80度。

接着，说明反射镜的调整。对于上述计算的结果，例如在470nm的波长下，反射角θ₂为约42.6度。因此，入射波与反射波所成的角度α为45+42.6=87.6度，比90度小。因此，为了形成90度弯曲，必须调整反射镜的角度。

因此，如果在公式（13）中取θ₁+θ₂=π/2来进行整理，则得到公式（15）。

[公式13]

n_e ²+n_o ²-sin2θ₂(n_o ²-n_e ²)-2n_o ²tan²θ₂＝0......（15）

作为一个例子，如果设f（θ₂）=公式（14）的左边，在真空中的波长470nm下，代入LN：MgO衬底的折射率n_e=2.255419、n₀=2.356908，对f-θ₂进行绘图，则得到图35。根据图35可知有解。公式（13）的45度附近的解是θ₂=0.7634[rad]（43.740[deg]）。

根据图32所示的关系和θ₁+θ₂=π/2的条件，从x轴测到的反射镜角度γ与θ₂相等。

接着，图36表示用公式（15）计算出的波长与反射镜角度的关系。根据其计算结果，求出反射镜角度γ在B波长（470nm）下为43.74度，在G波长（530nm）下为43.80度，在R波长（640nm）下为43.86度。

因此，在能够用平面波近似入射波时，如果如上述那样决定反射镜角度，则可知可以成为90度弯曲。

图37表示90度弯曲波导的构造、和基于FDTD法的分析例子。通过在脊型波导上形成全反射反射镜，能够小损耗地使来自半导体激光器的出射光弯曲90度。如果使用这样的90度弯曲波导，则可以构成图19所示的90度弯距变换器。

根据各半导体激光器、PPLN的大小，LD部的安装间距为数百μm到数毫米的大小。对此，如图26所示那样，可以将波导型方向性耦合器的宽度形成为200μm以下。

这样，LD部的安装间隔比波导型方向性耦合器的宽度大，因此就需要使间距间隔匹配。在根据线性的间距变换进行该间距间隔的调整的情况下，也与形成波导的材料的折射率有关，但为了减小辐射模式的产生和减小波导的传输损耗，需要长的距离，其结果是光回路变大。

对此，通过经由本发明的90度弯距变换器进行连接，能够使光回路的大小小型化。

在上述说明中，原样地利用材料折射率而通过平面波近似进行了分析，但在实际的波导构造中，还需要考虑依存于波导的形状的等价折射率（有效折射率）来对波导的传输模式进行光波分析。

接着，说明利用了各向异性介质衬底的90度弯曲波导的设计例子。在此，根据图38所示的90度弯曲波导11A的模型，利用FDTD法（FDTD solutions）进行说明。

通过Si衬底、SiO₂包层、由掺杂了MgO的LN构成的芯层的3层来形成该构造。成为波导11a的芯的LN衬底具有各向异性，但LN层的z轴（c轴）与图38的笛卡尔坐标的y轴平行。在此，假设LN衬底为y切割（cut）衬底。图39（a）表示从模式分析输入的Ex分量（波长532nm）的基模。在图39中，在输入侧，与y轴平行的横轴3μm的位置是波导的中央，在输出侧，与x轴平行的横轴3μm的位置是波导的中央。在设反射镜角为45度时，对于表示输出侧的模式的图39（b）的Ex分量，最大值相对于3μm向左侧偏离。在设反射镜角为43.8度时，电场Ex的最大点大致位于3μm的位置。该角度与上述的用平面波近似的分析结果一致。另外，图40表示在x-y平面看到与图39一样的条件下的电场分布时的图。

上述的弯曲回路表示了在波导中使用了形成芯的波导宽度、高度相等的各向异性介质的情况，但也可以用SiO₂、有机波导等通过各向同性介质来形成，在该情况下，在设定设计参数时，可以通过将n_e和n₀置换为介质的等价折射率来实现。

构成本发明的光源装置所具备的波导型方向性耦合器的波导可以使用脊型波导、平面型波导、光纤等各种方式。

例如，可以通过使脊部分的等价折射率比两侧大来形成在光学元件衬底上形成脊部而成的脊型波导，可以仅在耦合长的长度之间使2个脊部平行相邻来形成波导型方向性耦合器。

平面型波导使用半导体衬底作为光学元件衬底，通过该半导体衬底上的薄膜来形成芯而形成，例如可以通过离子交换法形成高折射率区域，使用将该高折射率区域用作波导的钛（titanium）扩散型、质子（proton）交换型的LN波导。

另外，在使用光纤作为波导的方式中，可以将光纤固定在光学元件衬底上，仅在耦合长的长度的之间使2条光纤平行相邻来形成波导型方向性耦合器。

图41、42表示90度弯曲波导的其他的结构例子。图41、42所示的90度弯曲波导11B是在图38所示的90度弯曲波导11A的结构中具备降低反射镜部分11b中的光泄漏的结构，具备在反射镜部分11b中删除了脊部的一部分的结构。

图42（a）、（b）是从背面侧看反射镜部分11b的概要图。90度弯曲波导11B将反射镜的背面11c侧的脊部分深挖到下包层的表面11d而形成开口部分11e。例如可以通过蚀刻等来进行脊部分的深挖。通过该结构，能够在反射镜部分11b中降低来自波导11a的光的泄漏，提高反射镜的反射性。

图42（a）所示的开口部分11e是增大深挖部分，而使与反射镜的背面11c连续的脊下部的截面11f露出的结构，图42（b）所示的开口部11e是减小深挖部分，减小脊下部的截面11f的露出部分的结构。可以与从反射镜部分11b的光的泄漏对应地确定该脊下部的截面11f的露出量。

图43表示90度弯曲波导的另一个结构例子。图43所示的90度弯曲波导11C是由弯曲波导形成的例子。在该弯曲波导中，具有对所通过的光的波长依存性。因此，与发光元件的光的波长对应地设定弯曲波导的曲率半径、折射率等。

[光波导的形成]

接着，利用图44~图52说明光波导的形成例子。以下，说明基于氮化硅（SiN）膜的光波导的形成、基于树脂膜的光波导的形成、以及使用了纳米压印技术的光波导的形成。

（基于氮化硅（SiN）膜的光波导的形成）

利用图44、图45说明基于氮化硅（SiN）膜的光波导的形成。图44、45是用于说明基于氮化硅（SiN）膜的光波导的形成的流程图和概要图。

首先，在硅衬底（Si衬底）100上形成氧化硅膜（SiO₂膜）101。SiO₂膜101可以为热氧化膜或等离子体CVD膜，设为1~2μm左右的膜厚（S1）。通过等离子体CVD，在SiO₂膜101上形成氮化硅膜（SiN膜）102。SiN膜102的膜厚为3μm左右（图45（a））（S2）。

向SiN膜102上涂抹光敏抗蚀剂（photoresist），形成用于形成光波导的图案的抗蚀剂图案（图45（b））（S3）。以抗蚀剂图案为掩膜，利用等离子体进行干式蚀刻，对SiN膜102进行蚀刻。进行蚀刻而剩下与SiO₂膜101的边界、或者SiO₂膜101而结束。

在蚀刻到与SiO₂膜101的边界的情况下，可以在Si衬底100上形成基于SiN膜102的独立型的光波导。另外，在SiO₂膜101的边界的跟前结束蚀刻，剩下SiN膜102的情况下，可以在Si衬底100上形成基于SiN膜102的脊型的光波导（图45（c））（S4）。

另外，在所形成的光波导和SiO₂膜101上，例如形成2μm膜厚的SiO₂膜。这时，上层的SiO₂膜形成光波导的包层200上的覆盖包层202，下层的SiO₂膜101形成下包层201（图45（d））（S5）。

（基于树脂膜的光波导的形成）

利用图46~49，说明基于树脂膜的光波导的形成。树脂膜可以使用UV感光树脂材料或UV非感光树脂材料。图46、47是用于说明基于感光树脂材料的光波导的形成的流程图和概要图，图48、49是用于说明基于UV非感光树脂材料的光波导的形成的流程图和概要图。

首先，说明利用UV感光树脂材料的光波导的形成。

在硅衬底（Si衬底）100上形成氧化硅膜（SiO₂膜）101。SiO₂膜101可以为热氧化膜或等离子体CVD膜，设为1~2μm左右的膜厚（S11）。在SiO₂膜101的整面上涂抹UV感光树脂材料110（图47（a））（S12）。

在UV感光树脂材料110上隔着以Cr为材料的光敏抗蚀剂掩膜，通过UV光对光波导的图案进行曝光（图47（b））（S13）。

将照射了UV光的UV感光树脂材料110部分分解而除去，使剩余的UV感光树脂材料110部分硬化而形成光波导（图47（c））（S14）。另外，也有根据UV感光树脂材料110的特性，剩余曝光部分而形成光波导的情况。

接着，根据图48、图49说明使用了非感光树脂材料的光波导的形成。

在硅衬底（Si衬底）100上形成氧化硅膜（SiO₂膜）101。SiO₂膜101可以为热氧化膜或等离子体CVD膜，设为1～2μm左右的膜厚（S21）。向SiO₂膜101的整面涂抹UV非感光树脂材料111（图49（a））（S22）。

在UV非感光树脂材料111的整面上，通过等离子体CVD等形成SiO₂膜（S23），通过光刻（photoreso）工序对SiO₂膜进行图案形成，形成抗蚀掩膜（S24）。通过O₂等离子提处理，通过CO的反应来除去以碳为主成分的树脂（图49（b））（S25）。

在O₂等离子体处理后，除去抗蚀掩膜而形成光波导（图49（c））。

（使用了纳米压印技术的光波导的形成）

利用图50～52，说明使用了纳米压印技术的光波导的形成。树脂膜可以使用UV硬化树脂材料或热硬化树脂材料。图50是用于说明基于UV硬化树脂材料的光波导的形成的流程图，图51是用于说明基于热硬化树脂材料的光波导的形成的流程图，图52是用于说明基于UV硬化树脂材料或热硬化树脂材料的光波导的形成的概要图。

首先，说明对UV硬化树脂材料应用纳米压印技术的光波导的形成。

在硅衬底（Si衬底）100上形成氧化硅膜（SiO₂膜）101。SiO₂膜101可以为热氧化膜或等离子体CVD膜，设为1～2μm左右的膜厚（S31）。向SiO₂膜101的整面涂抹UV硬化树脂材料112（图52（a））（S32）。

向UV硬化树脂材料112上压入纳米压印用模105，形成光波导部分。纳米压印用模105例如可以由石英等材料形成（图52（b））（S33）。

在用纳米压印用模105按压了的状态下，照射UV光，使UV硬化树脂材料112硬化（S34）。

剥离纳米压印用模105，由硬化了的UV树脂材料112形成光波导（图52（c））（S35）。

接着，说明对热硬化树脂材料应用了纳米压印技术的光波导的形成。

在硅衬底（Si衬底100）上形成氧化硅膜（SiO₂膜）101。SiO₂膜101可以为热氧化膜或等离子体CVD膜，设为1～2μm左右的膜厚（S41）。向SiO₂膜101的整面涂抹热硬化树脂材料113（图52（a））（S42）。

向热硬化树脂材料113上压入纳米压印用模105，形成光波导部分。纳米压印用模105例如由石英等材料形成（图52（b））（S43）。

在用纳米压印用模105进行了按压的状态下，进行加热使热硬化树脂材料113硬化（S44）。剥离纳米压印用模105，由硬化了的热硬化树脂材料113形成光波导（图52（c））（S45）。

[光学***元件和电气元件的形成]

接着，说明在半导体衬底上形成光学***元件和电气元件的形成方法。以下，说明在后工序中安装检测器和控制部件的处理例子、和在半导体衬底内做入检测器和控制部件的处理例子。

在此，光学***元件例如是光波导、多波长合波器元件，电气元件例如是布线、电极端子。另外，在将检测器和控制部件做入到半导体衬底内的情况下，可以与布线等电气元件一起形成检测器和控制部件。

（在后工序中安装检测器和控制部件的处理例子）

利用图53～57，说明在光学***元件和电气元件的形成中，在后工序中安装检测器和控制部件的处理例子。图53、54是用于说明处理的步骤的流程图、和用于说明步骤的概要图，图55～图57是处理的各步骤的结构图。

首先，通过S51～S55的工序形成光学***元件。在硅衬底（Si衬底）100上形成氧化硅膜（SiO₂膜）101。SiO₂膜101可以为热氧化膜或等离子体CVD膜，设为1～2μm左右的膜厚（图54（a））（S51）。通过等离子体CVD，在SiO₂膜101上形成氮化硅膜（SiN膜）102。SiN膜102的膜厚为3μm左右（图54（b））（S52）。

向SiN膜102上涂抹光敏抗蚀剂，形成用于形成光波导的图案的抗蚀剂图案。在光敏抗蚀剂的图案形成中，例如形成波导型方向性耦合器2、间距变换器3、将间距变换器3和激光元件4连接起来的光波导7的图案（图54（c）、（d））（S53、S54）。将抗蚀剂图案作为掩膜，利用等离子体进行干式蚀刻，对SiN膜102进行蚀刻，形成光波导。图55表示在半导体衬底上形成了波导型方向性耦合器2、间距变换器3、光波导7等光学***元件的状态（图54（e）、图55）（S55）。

接着，在S56的工序中形成电气元件。在电气元件的形成工序中，形成基于Au膜的布线、外部连接用的电极、用于将控制部件等安装品电连接起来的电极。可以通过微凸点（micro bump）形成用于将安装品电连接起来的电极（S56）。在该工序中，在SiO₂膜101上形成了Au膜106后（图54（f）），在要作为布线或电极而剩下的部分上对抗蚀剂膜103进行图案形成而形成（图54（g）），以抗蚀剂膜103为掩膜进行蚀刻，除去没有被抗蚀剂膜103覆盖的部分的Au膜106，形成布线、电极。这时，剩下基于SiO₂膜101、SiN膜102的光波导（图54（h））。

接着，在电极内，在安装部件的部分，形成微凸点用的抗蚀剂膜107。另外，在作为布线而剩下的情况下，在Au膜106的整面形成抗蚀剂膜103（图54（i））。

然后，通过半蚀刻（half etching），在微凸点用抗蚀剂膜107之间的Au膜106形成预定深度的凹凸（图54（j））。通过该形成在Au膜106上的凹凸来形成微凸点。由于Au膜106在下层被连接起来，所以作为电极成为导通状态。另一方面，由于在布线侧没有形成微凸点，所以形成平坦面。图56表示出形成了Au布线、电极等电气元件的状态（图54（k）、图56）（S56）。

形成了微凸点的Au膜106构成安装品的接合部，在该接合部安装激光元件、控制部件等安装品。基于微凸点的接合是常温活化接合，可以在低温下进行接合（图54（l））（S57）。然后，通过Au的引线键合（wire bonding），将电极与布线之间连接起来。另外，在控制部件的安装中，在使控制部件的IC为裸片（Bare Chip）的状态下，在铝片上形成Au膜，在翻转（flip）的状态下进行（S58）。

图57表示安装激光元件4、检测器5、控制部件6、PPLN4d、SGB4e等安装品，通过Au的引线键合将激光元件4的上部电极与Au布线之间连接起来的状态（图54（m）、图57）。

（将检测器和控制部件做入半导体衬底内的处理例子）

利用图58～63说明在光学***元件和电气元件的形成中，将检测器和控制部件作在半导体衬底内的处理例子。图58、59是用于说明处理的步骤的流程图和用于说明步骤的概要图，图60～图63是处理的各步骤的结构图。

首先，在S61～S66的工序中，形成光学***元件。在硅衬底（Si衬底）100内，通过集成电路形成工序（IC工序）形成控制部件、检测器等的电路结构、以及布线等的集成电路部件108。例如用Al布线形成布线（图59（a））。图60表示在半导体衬底内形成了检测器5、控制部件6以及布线的状态。布线例如被用作电源线、与外部的信号线（S61）。

通过氧化硅膜（SiO₂膜），在硅衬底（Si衬底）100上形成保护膜109。为了使通过集成电路形成工序（IC工序）形成的集成电路部件108在形成光波导的工序中不受到损伤，而设置该保护膜109。可以用等离子体CVD膜形成SiO₂膜的保护膜109，为1μm左右的膜厚（图59（b））（S62）。通过等离子体CVD，在保护膜109上形成氮化硅膜（SiN）102。SiN膜的膜厚为3μm左右（图59（c））（S63）。

向SiN膜102上涂抹光敏抗蚀剂（S64），形成用于形成光波导的图案的光敏抗蚀剂图案。在光敏抗蚀剂的图案形成中，例如形成波导型方向性耦合器2、间距变换器3、将间距变换器3和激光元件4连接起来的光波导7的图案（图59（d））（S65）。以抗蚀剂图案为掩膜，利用等离子体进行干式蚀刻，对SiN膜102进行蚀刻，形成光波导（图59（d）～（f）、图61）（S66）。

在形成在半导体衬底内的Al布线、电极与在以后的工序中形成在保护膜109上的Au膜106的布线、电极之间，成为被保护膜109电绝缘的状态。因此，为了将它们之间电连接起来，形成通孔（via hole）122（S67）。关于通孔122的形成，例如可以通过与通孔的图案对应的抗蚀剂图案，在保护膜109形成开口部分来进行。可以将导电层埋入该通孔122内，隔着保护膜109来进行电导通（图59（g））（S67）。

图61表示在半导体衬底上形成了在上述工序中在半导体衬底内检测出的检测器5、控制部件6、以及在布线的上层侧形成了波导型方向性耦合器2、间距变换器3、光波导7等光学***元件的状态。

接着，在S68、S69的工序中形成电气元件。在电气元件的形成工序中，形成基于Au膜的布线、外部连接用的电极、用于将控制部件等安装品电连接起来的电极。可以通过微凸点来形成用于将安装品电连接起来的电极。在该工序中，在Si衬底100上，隔着Ti膜或Cr膜形成了Au膜106后（图59（h）），在希望作为布线或电极而剩下的部分对抗蚀剂膜103进行图案形成而形成，以抗蚀剂膜103作为掩膜进行蚀刻，除去没有被抗蚀剂膜103覆盖的部分的Au膜106，形成布线、电极。这时，剩下基于SiN膜102的光波导（图59（j））。

接着，在电极内，在安装部件的部分，形成微凸点用的抗蚀剂膜107。另外，在作为布线剩下的情况下，在Au膜106的整面形成抗蚀剂膜103（图59（k））。

然后，通过半蚀刻，在微凸点用的抗蚀剂膜107之间的Au膜106上形成预定深度的凹凸（图59（l））。通过该形成在Au膜106上的凹凸，形成微凸点。Au膜106在下层被连接起来，因此，作为电极而成为导通状态。另一方面，在布线侧没有形成微凸点，因此形成了平坦面。图62表示形成了Au布线、电极等电气元件的状态（图59（m）、图62）（S68）。

形成了微凸点的Au膜106构成安装品的接合部，在该接合部安装激光元件、控制部件等安装品。基于微凸点的接合是常温活化接合，可以在低温下进行接合（图59（n））（S70）。然后，通过Au的引线键合，将电极与布线之间连接起来。另外，在控制部件的安装中，在使控制部件IC为裸片的状态下，在铝片上形成Au膜，在翻转的状态下进行安装（S71）。

图63表示安装激光元件4、检测器5、控制部件6、PPLN4d、SGB4e等安装品，通过Au的引线键合将激光元件4的上部电极与Au布线之间连接起来的状态（图59（o）、图63）。

接着，利用图64，说明本发明的光源装置具备的SBG。

SBG是为了使近红外LD的基波部分地反射而设置的表面布拉格光栅（surface Bragg grating（SBG）），为了使SHG激光器的绿色光输出稳定而设置。

SBG除了如上述的图19～图21所示的结构例子那样，为形成在波长变换元件上的结构以外，也可以为形成在光波导上的结构。

图64是用于说明SBG的配置的图。图64（a）表示在PPLN（波长变换元件）4d上形成SBG4e的结构，图64（b）～（d）表示在光波导7上形成SBG4e的结构。

图64（b）是在PPLN（波长变换元件）4d与弯曲波导12之间形成在光波导7上的结构例子，图64（c）是在光路上形成在弯曲波导12的后方的结构例子，图64（d）是形成在弯曲波导12上的结构例子。

在将SBG形成在光波导上的情况下，有通过蚀刻等形成光栅形状的方法、或者在光波导上使用对UV光进行反应的材料，通过UV光进行光写入而使折射率形成差的方法。

在通过UV光的写入形成的情况下，可以以掺杂了Ge的SiO₂膜等的折射率由于UV光而变化的材料作为光波导，在该光波导上利用双光束干涉曝光法而进行直接写入。双光束干涉曝光法是通过使2个波长的UV激光干涉而形成图案的方法。

接着，利用图65，说明将本发明的光源装置应用于投影仪的例子。

在图65所示的结构例子中，投影仪20具备控制器21、光源装置22、偏转装置23、投影透镜24，将图像信号变换为光束而投影到屏幕等上。

控制器21根据输入的图像信号，例如按照像素单位求出RGB的各波长分量，形成用于驱动光源装置22的激光元件的控制信号。光源装置22的激光元件从控制器21接受控制信号32，发出RGB的各波长的光。光源装置22对RGB的各波长的光进行合波，射出光束34。

偏转装置23使从光源装置22射出的光束34偏转，形成偏转光束35。偏转装置23例如可以由MEMS反射镜等形成，根据来自控制器21的控制信号33使光束34向预定方向偏转，形成偏转光束35。

上述的电路结构是一个例子，并不限于上述电路，也可以利用其它电路结构来构成检测电路。

Claims (12)

1.一种光源装置，其特征在于，

包括：

形成有布线的衬底；

电极端子，其被形成在上述衬底上，将上述布线与外部电连接；

多个激光元件，其被形成在上述衬底上，波长不同；

多条波导，其被形成在上述衬底上，对上述各激光元件所发出的光波进行导向；

多波长合波器，其被形成在上述衬底上，具有波导型方向性耦合器，对通过上述各波导导向的光波进行合波；

检测器，其检测上述波导型方向性耦合器的进行合波输出的输出端口以外的输出端口的出射波的光强度；以及

控制部件，其具有用于驱动上述激光元件的驱动电路，

上述控制部件反馈通过上述检测器检测出的光强度，控制上述驱动电路，控制上述激光元件产生的入射波的强度。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于：

上述多波长合波器具备多级连接的对至少2个入射波进行合波的波导型方向性耦合器，

各级的上述波导型方向性耦合器分级地对波长不同的多个入射波进行合波，

最末级的波导型方向性耦合器对由前级的各级波导型方向性耦合器进行合波的多个入射波进行合波。

3.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于：

上述波导型方向性耦合器具有基于并列配置的2条波导的耦合长的波长选择性，

通过形成在上述衬底上的由光导向性材料构成的膜的图案形成来形成上述波导，

上述波导型方向性耦合器使图案形成后的2条上述波导在耦合长的长度之间平行地相邻或融合。

4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于：

对氮化硅膜、掺杂了锗的氧化硅膜、树脂膜中的任意一个进行图案形成来形成上述波导。

5.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于：

上述波导是在衬底上形成高折射率区域而形成的平面型波导，

上述波导型方向性耦合器使2条芯在耦合长的长度之间平行地相邻或融合。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的光源装置，其特征在于包括：

间距变换器，其将上述波导彼此之间的间隔从将上述多个激光元件配置在上述衬底上的间距间隔切换为上述波导型方向性耦合器的波导之间的间距间隔。

7.根据权利要求6所述的光源装置，其特征在于：

上述间距变换器是将上述波导的方向变更90度的90度弯曲变换器。

8.根据权利要求1～5中任意一项所述的光源装置，其特征在于：

上述衬底是半导体衬底，通过在该半导体衬底上形成的布线电气连接上述激光元件和上述控制部件。

9.根据权利要求8所述的光源装置，其特征在于：

通过形成在上述半导体衬底上的金属膜的图案形成来形成上述布线，

具备通过上述金属膜的图案形成而与上述布线一起形成的由金属材料构成的接合部，

在上述接合部接合上述激光元件。

10.根据权利要求9所述的光源装置，其特征在于:

上述金属膜是由Au构成的膜。

11.根据权利要求8所述的光源装置，其特征在于：

在上述半导体衬底的内部通过集成电路形成工序来形成上述控制部件。

12.根据权利要求1～5中任意一项所述的光源装置，其特征在于：

还具备检测器，其检测上述激光元件发出的光的光强度。