JP2021140005A - 光合波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源であるレーザダイオード等の載置を容易にすると共に、電気的クロストーク及び光の損失を低減し、一体的に小型化された光合波装置を提供する。【解決手段】波長の異なる複数の光の光源２、３、４の出力方向が、合波器の出力光方向に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜していることにより、光合波装置の小型化を実現する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投影装置に用いられる光合波器であって、複数の可視または近赤外領域の波長を有する光源からの光をそれぞれの導波路から入力し、前記複数の光を方向性結合器によって合波した多重光を出力する光合波器に関する。特に、少なくとも赤色光、緑色光および青色光を用いる場合には通常のディスプレイ装置に適用することができる。

従来、波長の異なる複数のレーザー光を光源として用いると共に、光合波器を用いて合波した多重光を出力する光半導体システムにおいて、光源から光合波器までの光合波装置の小型化を行う場合、近接する構成部品が電気的に相互作用することにより、電気クロストークと呼ばれるノイズが発生するため、当該電気的クロストークを低減することが課題となることが知られている（例えば特許文献１、２を参照）。

また、画像投影装置に用いられる光ビーム投影装置であって、レーザダイオード等を光源とし、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）を含む、波長の異なる３種類の光を合波する光合波器を有しており、３種類の光の光源の出力光方向を光合波器の出力光方向とすべて同一になるように載置する、または、１種類の光源の出力光方向を光合波器の出力光方向と同一となるように載置し、他の２種類の光源の出力光方向を光合波器の出力光方向に対し、左右の垂直方向に振り分けて載置する光ビーム投影装置が知られている（特許文献３、４を参照）。
しかし、前記画像投影装置に用いられる光ビーム投影装置において、３種類の光の光源について出力光方向を光合波器の出力光方向とすべて同一になるように載置する場合、複数の光源を近接して載置すると電気的クロストークが発生する可能性があることから、光源間のスペースを取る必要があるため、光合波器の長辺方向（出力光方向）の小型化が困難である。また、１種類の光源について出力光方向を光合波器の出力光方向と同一となるように載置し、他の２種類の光源について出力光方向を光合波器の出力光方向と左右の垂直方向に振り分けて載置する場合、光合波器の短辺方向（幅方向）の小型化が困難である。
そして、特許文献１〜３では、レーザダイオードの出力光方向が、光合波器の入力端面に垂直方向になるよう接続されており、合波器の出力光方向に対して、レーザダイオードの搭載の向き（出力光方向）は０°または９０°になる。このような制約は、さらに装置の小型化を困難にしている。

特開２０１８−００５０７９号公報 特開２０１４−１５４６８６号公報 特開２０１８−１２４３９４号公報 特開２０１３−１９５６０３号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光源であるレーザダイオード等の載置を容易にすると共に、電気的クロストーク及び光の損失を低減し、一体的に小型化された光合波装置を提供することを目的とする。

波長の異なる光を出力する複数の光源、前記波長の異なる光を光源から光合波器まで導波する複数の導波路、及び前記波長の異なる光を合波して多重光として出力する光合波器を備えた光合波装置であって、前記複数の光源の出力光方向が、前記多重光の出力光方向に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜していることを特徴とする光合波装置を提供する。前記角度は±５〜６５°であることが好ましく、±５〜４５°以下であることがさらに好ましい。
前記角度が±５°未満であると、光源の出力光方向と光合波器の出力光方向とほぼ同一となり、複数の光源を近接して載置すると電気的クロストークが発生する可能性があることから、光源間のスペースを取る必要があるため、光合波器の長辺方向の小型化が困難となる可能性がある。また、±８０°より大きいと、光源の出力光方向と光合波器の出力光方向がほぼ垂直となり、光合波器の短辺方向の小型化が困難となる可能性がある。
ここで、「波長の異なる光を出力する複数の光源」は、単一光を出力する光源が複数存在すると共に、これら複数の光源における単一光の波長がそれぞれ異なることを意味する。
また、光源の出力光方向が多重光の出力光方向に対して右方向に傾斜している場合の角度をプラス（＋）、左方向に傾斜している場合の角度をマイナス（−）として表記する。
そして、前記複数の導波路のそれぞれは、曲げ半径を有するか、または複数の直線導波路を多段階に接続したものであってもよい。

前記複数の導波路が、波長の大きな光になるほど、大きな曲げ半径を有することが好ましい。

前記光源がレーザダイオードまたは端面発光型ＬＥＤのいずれかであることが好ましい。

前記波長の異なる光が、少なくとも赤色光、緑色光および青色光を含むことが好ましい。
ここで、他の波長の異なる光として、黄色光、橙色光、藍色光、紫色光等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。

前記複数の導波路の幅はすべて等しくてもよいが、少なくとも1つの導波路幅が他の導波路幅と異なっており、波長の大きな光になるほど、前記導波路幅が大きくなることが好ましい。ここで、前記複数の導波路のすべての導波路幅が光の波長によって異なっていることがさらに好ましい。

前記複数の導波路の少なくとも1つの導波路において、光源との接続部分が光源に向かって徐々に幅が広がるテーパー構造であることが好ましい。ここで、前記複数の導波路のすべての導波路において、光源との接続部分が光源に向かって徐々に幅が広がるテーパー構造であることがさらに好ましい。

前記光合波装置を含む画像投影装置を提供する。
ここで、前記画像投影装置は、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の小型画像投影装置である。

本発明によれば、赤色光、緑色光および青色光等の波長の異なる光を出力する複数のレーザダイオード等を光源として用い、光源から光合波器まで導波する複数の導波路、及び前記波長の異なる光を合波して多重光として出力する光合波器を備えることにより、光源から光合波器までが一体化された光合波装置であって、前記複数の光源の出力光方向が、前記多重光の出力光方向に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜していると共に、前記複数の導波路が、波長の大きな光になるほど、大きな曲げ半径を有することにより、電気的クロストーク及び光の損失を低減する良好な特性を維持しながら、光合波装置の小型化を実現できる効果がある。

（ａ）は本発明の実施例１における光合波装置１の平面図であり、（ｂ）は各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係図である。 （ａ）は本発明の実施例２における光合波装置１の平面図であり、（ｂ）は各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係図である。 （ａ）は本発明の実施例３における光合波装置１の平面図であり、（ｂ）は各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係図である。 は本発明の実施例４における光合波装置の平面図である。 は本発明の実施例５における光合波装置の平面図である。 は本発明の実施例６であり、実施例４と５の特徴を組み合わせた光合波装置の平面図である。 ７（ａ）は本発明に対する比較例１における光合波装置１の平面図であり、（ｂ）は各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係図である。 （ａ）は本発明に対する比較例２における光合波装置１の平面図であり、（ｂ）は各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。
図１（ａ）は本発明の実施例１における光合波装置１の平面図である。波長の異なる光として、出力光方向がＲ１である赤色レーザダイオード２、出力光方向がＧ１である緑色レーザダイオード３及び出力光方向がＢ１である青色レーザダイオード４を光源とする光を用い、それぞれの光源から赤色光の導波路５、緑色光の導波路６及び青色光の導波路７を通じて光を光合波器９の入力端面８に導く。入力端面８から入力したそれぞれの光は、光合波器９により合波され、光合波器９の出力端面１０から出力光方向がＭ１である多重光１１として出力する。光合波装置１は、シリコン基板等の上に公知の方法で作成される。
ここで、赤色レーザダイオード２、緑色レーザダイオード３及び青色レーザダイオード４は、互いに電気的クロストークが実用上問題とならない程度まで低減される最小のスペースを取って載置される。好ましくは互いに電気的クロストークが発生しない最小のスペースを取って載置される。
したがって、電気的クロストークを低減することが可能となる。
また、多重光１１は１つの出力光しか図示されていないが、同一方向に出力される複数の出力光であってもよい。
光導波路の製造方法等については、特許文献４に詳細な製造方法および構造が記載されている。さらに一般的な光導波路の構造として、コア寸法が１×１〜５×５μm程度の範囲の値であり、コアとクラッドの比屈折率差が０．３〜３．０％程度の範囲の値を適切に選択することにより製造することも可能である。なお、コア寸法については、断面が正方形であることに限定されず、半円形等の他の形状であってもよい。

図１（ｂ）は、図１（ａ）における各光源の出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と多重光１１の出力光方向Ｍ１との関係図であり、出力光方向Ｍ１と出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１とがなす角度を、それぞれθｒ１、θｇ１、θｂ１とした。
ここで、前記θｒ１、θｇ１、θｂ１は、すべて５〜８０°の範囲内である。
また、出力光方向Ｍ１に対して出力光方向Ｒ１は左側に傾斜しており（この場合の角度をマイナス（−）として表記する。）、出力光方向Ｇ１、Ｂ１は右側に傾斜している（この場合の角度をプラス（＋）として表記する。）。
したがって、各光源の出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１は、多重光１１の出力光方向Ｍ１に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜している。

一般的に、光が曲げ半径を有する導波路を伝搬する場合、単位曲げ角度当たりの放射損失を生ずることから、この放射損失を無視できる程度に低減して全反射させるため、導波路の曲げ半径をある一定値以上となるように設計する必要がある。また、同一構造の導波路を波長の異なる光が伝搬する場合、小さな波長の光より大きな波長の光の方が放射損失は大きくなる傾向があることから、低損失特性を維持して導波路回路の小型化を図るためには、大きな波長の光ほど曲げ半径を大きく設計する必要がある。
したがって、光の損失を低減することが可能となる。
ここで、すべての導波路曲げ半径を、最も大きな波長の光の導波路曲げ半径に統一した場合、光合波装置を最小化することまではできないかもしれないが、光の損失を低減することは可能となる。

実施例１のように、光源の出力光方向が、光合波器から出力される多重光の出力光方向に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜していると共に、それぞれの光を光源から光合波器まで導波する導波路が、波長の大きな光になるほど、大きな曲げ半径を有して全反射することから、光合波装置を前記光合波器の長辺方向及び短辺方向の両方に対して小型化することが可能となる。
また、前記複数の光源から光合波器まで導波する導波路を有し、光源と導波路は、光入出力端面を近接させ、接続・固定させることにより、光合波器と光源を一体化することが可能となる。したがって、通常は必要となる光源と入力端面の導波路との位置調整が不要となり、搭載工程を簡略化できるため、低コスト化することができる。

図１の実施例１では、最も導波路の曲げ半径の大きい赤色レーザダイオード１を右端、次に曲げ半径の大きい緑色レーザダイオード２を中央、最も曲げ半径の小さい青色レーザダイオード３を左端に載置することにより、光合波装置を一体的に小型化することができる。

図２（ａ）は本発明の実施例２における光合波装置１の平面図であり、最も導波路の曲げ半径の大きい赤色レーザダイオード２を右端、次に曲げ半径の大きい緑色レーザダイオード３を左端、最も曲げ半径の小さい青色レーザダイオード４を中央に載置することにより、光合波装置を一体的に小型化することができる。
図２（ｂ）は、図１（ｂ）と同様に図２（ａ）における各光源の出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と多重光１１の出力光方向Ｍ１との関係図であり、それぞれθｒ１、θｇ１、θｂ１は、出力光方向Ｍ１に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜している。

図３（ａ）は本発明の実施例３における光合波装置１の平面図であり、最も導波路の曲げ半径の大きい赤色レーザダイオード２を中央、次に曲げ半径の大きい緑色レーザダイオード３を右端、最も曲げ半径の小さい青色レーザダイオード４を左端に載置することにより、光合波装置を一体的に小型化することができる。
図３（ｂ）は、図１（ｂ）と同様に図３（ａ）における各光源の出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と多重光１１の出力光方向Ｍ１との関係図であり、それぞれθｒ１、θｇ１、θｂ１は、出力光方向Ｍ１に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜している。

図４は本発明の実施例４における光合波装置１の平面図である。図１の実施例１における光合波装置１の導波路５〜７の導波路幅が光の波長により異なっており、青色光の導波路５、緑色光の導波路６、赤色光の導波路７の順に、波長の大きな光になるほど、前記導波路幅が大きくなっている。
各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係は図１と同一であるため省略する。
同じ構造を有する光導波路では、大きな波長の光ほど曲線導波路を伝搬する損失が大きくなる傾向にある。
より大きな波長の光が伝搬する光導波路５の導波路幅を大きくすることにより、放射損失が無視できる曲げ半径を小さくすることができる。また、より小さな波長の光が伝搬される光導波路７の導波路幅を小さくすることにより、高次モードの発生を抑え安定して光を伝搬させることが可能となる。
図２〜３における実施例２〜３においても同様に導波路５〜７の導波路幅を光の波長によって変更することは可能である。

図５は本発明の実施例５における光合波装置１の平面図である。図１の実施例１における光合波装置１の導波路５〜７の光源２〜４との接続部分１２が光源に向かって徐々に幅が広がるテーパー構造となっている。テーパー幅を広くした場合、導波路と光源の位置ズレ許容度が緩和されるが、接続効率が低下する。またテーパー角をある一定の傾斜で維持する必要があるため、テーパー長が大きくなり回路サイズが大きくなる。従ってテーパー幅は、損失性能、実装の難しさ、回路サイズに強く関係するコストのバランスで選定する必要がある。
各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係は図１と同一であるため省略する。
前記接続部分１２を有することにより、光の損失は多少増加するものの、光源と光導波路５〜７との位置ずれ許容度を増加させることが可能となる。
図２〜３における実施例２〜３においても同様に導波路５〜７の導波路における前記接続部分１２を採用することは可能である。

図６は本発明の実施例６における光合波装置１の平面図である。図１の実施例１における光合波装置１の導波路５〜７について、実施例４の導波路幅が光の波長によって異なること、及び実施例５の光源２〜４との接続部分１２におけるテーパー構造を組み合わせた実施例である。
各光源の出力光方向と光合波器から出力される多重光１１の出力光方向との関係は図１と同一であるため省略する。

図７（ａ）は比較例１における光合波装置１の平面図であり、赤色レーザダイオード２を右端、緑色レーザダイオード３を中央、青色レーザダイオード４を左端に載置するが、光源の出力光方向と光合波器の出力光方向が同一であり、電気的クロストークが発生する可能性があることから、光源の位置をずらして載置する必要があるため、光合波器９の長辺方向の小型化に限界がある。
図７（ｂ）は、各光源の出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と多重光１１の出力光方向Ｍ１との関係図であるが、各光源の出力光方向と多重光の出力光方向が同一であるため、角度はすべて０°である。

図８（ａ）は比較例２における光合波装置１の平面図である。赤色レーザダイオード２を左向きで右端に載置し、導波路５中に全反射ミラー等を設けることにより赤色光を光合波器９に導波し、緑色レーザダイオード３を右向きで左端に載置し、導波路５中に全反射ミラー等を設けることにより赤色光を光合波器９に導波し、青色レーザダイオード４を中央に載置し、出力光方向は光合波器の出力光方向と同一である。光源を左右の横向きに載置することから、光合波器９の短辺方向の小型化に限界がある。
図８（ｂ）は、各光源の出力光方向Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１と多重光１１の出力光方向Ｍ１との関係図であるが、Ｒ１、Ｇ１と多重光の出力光方向の角度は−９０°、＋９０°であり、Ｂ１と多重光の出力光方向は同一であるため、角度は０°である。

本発明は、赤色光、緑色光および青色光等の波長の異なる光を出力する複数のレーザダイオード等を光源として用い、光源から光合波器まで導波する複数の導波路、及び前記波長の異なる光を合波して多重光として出力する光合波器を備えることにより、光源から光合波器までが一体化された光合波装置であって、電気的クロストーク及び光の損失を低減する性能を維持しながら回路の小型化をすることができる。また光導波路と光源の位置値決め精度も緩和されることから搭載工程が簡略化でき、低コスト化が可能となる。

１ 光合波装置
２ 赤色レーザダイオード
３ 緑色レーザダイオード
４ 青色レーザダイオード
５ 赤色光の導波路
６ 緑色光の導波路
７ 青色光の導波路
８ 光合波器の入力端面
９ 光合波器
１０ 光合波器の出力端面
１１ 多重光
１２ 導波路と光源の接続部分（テーパー構造）
Ｍ１ 多重光の出力光方向
Ｒ１ 赤色光の出力光方向
Ｇ１ 緑色光の出力光方向
Ｂ１ 青色光の出力光方向
θｒ１ 出力光方向Ｍ１とＲ１がなす角度
θｇ１ 出力光方向Ｍ１とＧ１がなす角度
θｂ１ 出力光方向Ｍ１とＢ１がなす角度

Claims (7)

1. 波長の異なる光を出力する複数の光源、前記波長の異なる光を光源から光合波器まで導波する複数の導波路、及び前記波長の異なる光を合波して多重光として出力する光合波器を備えた光合波装置であって、前記複数の光源の出力光方向が、前記多重光の出力光方向に対し、左右方向に±５〜８０°の角度で傾斜していることを特徴とする光合波装置。
2. 前記複数の導波路が、波長の大きな光になるほど、大きな曲げ半径を有する請求項１に記載された光合波装置。
3. 前記光源がレーザダイオードまたは端面発光型ＬＥＤのいずれかである請求項１〜２のいずれか１つに記載された光合波装置。
4. 前記波長の異なる光が、少なくとも赤色光、緑色光および青色光を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載された光合波装置。
5. 前記複数の導波路の少なくとも1つの導波路幅が他の導波路幅と異なっており、波長の大きな光になるほど、前記導波路幅が大きくなる請求項１〜４のいずれか１つに記載された光合波装置。
6. 前記複数の導波路の少なくとも1つの導波路において、光源との接続部分が光源に向かって徐々に幅が広がるテーパー構造である請求項１〜５のいずれか１つに記載された光合波装置。
7. 前記請求項１〜６のいずれか１つに記載された光合波装置を含む画像投影装置。

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