JP7201944B2 - モニタリング機能付き光源 - Google Patents

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Description

本発明は、モニタリング機能付き光源に関し、より詳細には、光の３原色など複数の波長の光を合波し、各波長の光の強度をモニタリングすることができる光源に関する。
近年、眼鏡型端末、小型のピコプロジェクタに適用する光源として、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の３原色の光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）を含む小型の光源の開発が行われている。ＬＤは、ＬＥＤに比べて直進性が高いため、フォーカスフリーなプロジェクタを実現することができる。また、ＬＤは、発光効率が高く低消費電力であり、色再現性も高く、近年注目を集めている。
図１に、ＬＤを用いたプロジェクタの代表的な光源を示す。プロジェクタ用の光源は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の単一波長の光を出力するＬＤ１～３と、ＬＤ１～３から出力された光をコリメート化するレンズ４～６と、それぞれの光を合波してＭＥＭＳミラー１６に出力するダイクロイックミラー１０～１２とを含む。１本のビームに束ねられたＲＧＢ光は、ＭＥＭＳミラー１６などを用いてスイープされ、ＬＤの変調と同期させることにより、スクリーン１７上に映像が投影される。レンズ４～６とダイクロイックミラー１０～１２との間には、ハーフミラー７～９が挿入されており、分岐した各色の光をフォトダイオード（ＰＤ）１３～１５によりモニタリングして、ホワイトバランスを調整している。
一般的に、ＬＤは共振器の前後方向に光を出射するが、後方側のモニタリングでは精度が悪いため、光を出射させる前方側でモニタリング（フロントモニタリング）するのが一般的である。図１に示したように、ＲＧＢ光源として使用するためには、ＬＤ１～３、レンズ４～６、ハーフミラー７～９、およびダイクロイックミラー１０～１２などのバルクの光学部品を、空間光学系により組み合わせる必要がある。さらに、ホワイトバランスの調整のためのモニタリングのために、ハーフミラー７～９、ＰＤ１３～１５などのバルク部品が必要となり、光学系として大型化してしまうため、光源の小型化の妨げになるという課題があった。
一方、バルク部品による空間光学系ではなく、石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）を用いたＲＧＢカプラが注目されている（例えば、非特許文献１参照）。ＰＬＣは、Ｓｉなどの平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオンエッチング加工により、光導波路を作製し、複数の基本的な光回路（例えば、方向性結合器、マッハツェンダ干渉計など）を組み合わせることにより、各種の機能を実現することができる（例えば、非特許文献２及び３参照）。
図２に、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラの基本構造を示す。Ｇ、Ｂ、Ｒの各色のＬＤ２１～２３とＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２０とを備えたＲＧＢカプラモジュールを示している。ＲＧＢカプラ２０は、第１～第３の導波路３１～３３と、２本の導波路からの光を１本の導波路に合波する第１、第２の合波器３４，３５とを含む。ＲＧＢカプラモジュールにおける合波器としては、導波路幅が同一の対称な方向性結合器を用いる方法、マッハツェンダ干渉計を利用する方法（例えば、非特許文献１参照）、モードカプラを利用する方法（例えば、非特許文献４参照）などが存在する。
ＰＬＣを用いることにより、レンズやダイクロイックミラーなどを用いた空間光学系を、１チップ上に集積することができる。また、Ｒ及びＧのＬＤは、ＢのＬＤに較べて出力が弱いため、Ｒ及びＧのＬＤを２つずつ用意したＲＲＧＧＢ光源が使われる。非特許文献２に示されるように、モード多重を用いることにより、同一波長の光を異なるモードで合波することができ、ＰＬＣを用いることにより、ＲＲＧＧＢカプラも容易に実現することができる。
図３に、２つの方向性結合器を用いたＲＧＢカプラの構成を示す。ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラ１００は、第１～第３の入力導波路１０１～１０３と、第１、第２の方向性結合器１０４，１０５と、第２の入力導波路１０２と接続された出力導波路１０６とを備えている。
第１の方向性結合器１０４は、第１の入力導波路１０１から入射されたλ２の光を第２の入力導波路１０２に結合し、第２の入力導波路１０２から入射されたλ１の光を第１の入力導波路１０１に結合して第２の入力導波路１０２へと再び結合するように導波路長、導波路幅および導波路間のギャップが設計されている。第２の方向性結合器１０５は、第３の入力導波路１０３から入射されたλ３の光を第２の入力導波路１０２に結合し、第１の方向性結合器１０４において第２の入力導波路１０２に結合されたλ１及びλ２の光を透過するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。
例えば、第１の入力導波路１０１には緑色光Ｇ（波長λ２）、第２の入力導波路１０２には青色光Ｂ（波長λ１）、第３の入力導波路１０３には赤色光Ｒ（波長λ３）を入射し、３色の光Ｒ、Ｇ、Ｂが第１、第２の方向性結合器１０４，１０５によって合波されて出力導波路１０６から出力される。λ１、λ２、λ３の波長としては、それぞれ４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、６３８ｎｍの光が用いられる。
しかしながら、このようなＲＧＢカプラを適用して、ホワイトバランスの調整のためのモニタリング機能を含めた光源を構成することについては、光源の小型化、モニタリングの精度の観点から検討がなされていなかった。
A. Nakao, R. Morimoto, Y. Kato, Y. Kakinoki, K. Ogawa and T. Katsuyama, "Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays", Optics Communications 3２０ (2014) 45-48 Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks," IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits," J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924 J. Sakamoto et al. "High-efficiency multiple-light-source red-green-blue power combiner with optical waveguide mode coupling technique," Proc. of SPIE Vol. 10126 101260M-2
本発明の目的は、温度変化によるレーザダイオードの発振波長の変化を測定することにより、複数の波長の光をそれぞれ精度よくモニタリングすることができるモニタリング機能付き光源を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、モニタリング機能付き光源の一実施態様は、複数の入力導波路から出力された光をそれぞれ分岐する複数の分岐部と、前記複数の分岐部でそれぞれ分岐された一方の光を合波する合波部と、前記合波部で合波された光を出力する出力導波路と、前記複数の分岐部でそれぞれ分岐された他方の光を、第１のモニタリング用導波路を介して入力する複数のモニタリング用フィルタであって、各々のモニタリング用フィルタの透過率５０％の波長が、前記他方の光の各々の中心波長となるように設定され、想定される温度変化に伴う波長の変化がＦＳＲの１／２未満となるように設定された、複数のモニタリング用フィルタと、前記複数のモニタリング用フィルタの出力を、それぞれ出力する複数の第２のモニタリング用導波路とを含む光合波回路、前記複数の入力導波路とそれぞれ光学的に結合された複数のレーザダイオード、および前記第２のモニタリング用導波路とそれぞれ光学的に結合された複数のフォトダイオードを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、温度変化によるレーザダイオードの発振波長の変化を、モニタリング用フィルタを介してフォトダイオードにて受光した光の光強度変化として測定できるので、複数の波長の光をそれぞれ精度よくモニタリングすることが可能となる。
図１は、ＬＤを用いたプロジェクタの代表的な光源を示す図、 図２は、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラの基本構造を示す図、 図３は、２つの方向性結合器を用いたＲＧＢカプラの構成を示す図、 図４は、本発明の第１の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す図、 図５は、本発明の第２の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す図、 図６は、方向性結合器の透過率の波長依存性を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、合波器として、方向性結合器を用いる方法を用いて説明するが、合波方法によって本発明が限定されるものではない。
［第１の実施形態］
図４に、本発明の第１の実施形態の実施例１にかかるモニタリング機能付き光源を示す。モニタリング機能付き光源２００は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１～第３のＬＤ２０１1～２０１3と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０と、ＲＧＢカプラ２１０に光学的に接続された第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3とを備えている。ＲＧＢカプラ２１０の出力は、筐体に設けられた窓２０３から取り出され、例えば、プロジェクタに適用される場合は、ＭＥＭＳミラーに照射される。
さらに、モニタリング機能付き光源２００は、サーミスタ２０４を備えている。ＬＤ２０１は、温度変化により発振波長が変動するので、温度変化に応じて、ＬＤ２０１をフィードバック制御する。
ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０は、第１～第３のＬＤ２０１1～２０１3と光学的に接続された第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3と、導波路を伝搬する光を２分岐する第１～第３の分岐部２１２1～２１２3と、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ分岐された一方の光を合波する合波部２１４と、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ分岐された他方の光を、第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3に出力する第１～第３のモニタリング用導波路２１３１～２１３3と、合波部２１４で合波された光を出力する出力導波路２１５とを含む。
ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ２１０において、第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3にそれぞれ入射した光は、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ２分岐される。分岐された光の一方は、第１～第３のモニタリング用導波路２１３１～２１３3を介して第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3に出力され、分岐された光の他方は、合波部２１４で合波されて出力導波路２１５に出力される。
合波部２１４としては、図３に示した方向性結合器を用いた光合波回路を用いることができる。この場合、第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3が、それぞれ、図３に示す第１～第３の入力導波路１０１～１０３に結合し、出力導波路２１５が、図３に示す出力導波路１０６に結合する。しかしながら、合波部２１４としては、これに限定されず、導波路型の他の合波手段（例えば、マッハツェンダ干渉計、モードカプラなど）を用いてもよい。
図４に示したように、第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3を伝搬する光を、第１～第３の分岐部２１２1～２１２3でそれぞれ分岐した場合、第１～第３のＬＤ２０１1～２０１3と第１～第３の入力導波路２１１1～２１１3との結合特性をモニタリングすることができる。加えて、事前に、合波部２１４の合波特性を把握しておくことにより、第１～第３のＰＤ２０２1～２０２3のモニタリング値を用いて、光源としてのホワイトバランスを調整することが可能である。
［第２の実施形態］
（光源の構成）
第１の実施形態において、サーミスタ２０４は、モニタリング機能付き光源２００のパッケージ内部において、ＬＤ２０１の近傍に配置される。しかしながら、放熱の観点から、ＬＤ２０１は、熱伝導性の良いマウントを介してパッケージに実装されている。従って、サーミスタ２０４をＬＤ２０１の近傍に配置したとしても、ＬＤ２０１自体の温度を正確に測定しているわけではない。また、パッケージ内の実装上の制約から、個々のＬＤ２０１にサーミスタを配置することはせず、１個のサーミスタで測定するのが一般的である。従って、個々のＬＤ２０１とサーミスタ２０４との間の距離も異なり、個々のＬＤ２０１の温度を正確に測定することができない。
そこで、第２の実施形態では、温度変化による波長変化を精度よくモニタリングすることにより、ＬＤ２０１をフィードバック制御できる構成とする。
図５に、本発明の第２の実施形態にかかるモニタリング機能付き光源を示す。モニタリング機能付き光源３００は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１～第３のＬＤ３０１1～３０１3と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０と、ＲＧＢカプラ３１０に光学的に接続された第１～第３のＰＤ３０２1～３０２3とを備えている。ＲＧＢカプラ３１０の出力は、筐体に設けられた窓３０３から取り出され、例えば、プロジェクタに適用される場合は、ＭＥＭＳミラーに照射される。
ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０は、第１～第３のＬＤ３０１1～３０１3と光学的に接続された第１～第３の入力導波路３１１1～３１１3と、導波路を伝搬する光を２分岐する第１～第３の分岐部３１２1～３１２3と、第１～第３の分岐部３１２1～３１２3でそれぞれ分岐された一方の光を合波する合波部３１４と、合波部２１４で合波された光を出力する出力導波路３１５とを含む。
さらに、ＲＧＢカプラ３１０は、第１～第３の分岐部３１２1～３１２3でそれぞれ分岐された他方の光を、第１～第３のモニタリング用フィルタ３１６1～３１６3のそれぞれに出力する第１～第３のモニタリング用導波路３１３１～～３１３3と、第１～第３のモニタリング用合波部３１６1～３１６3の出力を、第１～第３のＰＤ３０２1～３０２3に出力する第１～第３のモニタリング用導波路３１７１～３１７3とを含む。
第１～第３のモニタリング用フィルタ３１６1～３１６3は、温度変化によるＬＤ２０１の発振波長の変化を、ＰＤ３０２にて受光した光の光強度変化として測定できるようにする。従って、モニタリング用フィルタ３１は、ＬＤ２０１の発振波長の変化を光強度の変化として測定できる程度に、波長依存性を有する回路であればよく、波長依存性の強い回路であれば、測定が容易になる。この光強度の変化から、ＬＤ２０１の温度変化を推定し、ＬＤ２０１をフィードバック制御する。
このような構成により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のＬＤ３０１の温度変化を、サーミスタを用いることなく、正確にモニタリングすることができる。その結果、高精度の色制御が可能となり、光源としてのホワイトバランスも精度よく調整することができる。
（モニタリング用フィルタ）
波長依存性を有するモニタリング用フィルタ３１６として、方向性結合器を適用した場合の具体例について説明する。
図６に、方向性結合器の透過率の波長依存性を示す。緑色光Ｇ（波長λ２＝５２０ｎｍ）をモニタリングするための、第１のモニタリング用フィルタ３１６1について示している。図６（ｂ）に示す方向性結合器において、導波路のコア厚Ｈ＝１．７５μｍ、比屈折率差Δ＝１．０％であり、方結長Ｌ＝２２２μｍ、導波路幅Ｗ＝１．５μｍ、導波路間のギャップＧ＝１．０μｍとし、入力ポートに対してクロスポートを出力としたときの透過率が図６（ａ）である。第１のＬＤ３０１1の発振波長５２０ｎｍのとき、透過率が４９．６％となるように設計されている。
一般的に、可視光の半導体ＬＤは、温度５０度程度の変化に対して、波長が３ｎｍ程度変化する。例えば、５０度の温度変化に対して発振波長が±３ｎｍ変化すると仮定すると、図６（ｂ）に示した方向性結合器の出力は、発振波長±３ｎｍの変化に対して、出力の光強度が±１．５％程度変化する。従って、従来のＰＤを用いたモニタリング機能により、十分に測定することができる。
方向性結合器を使用する場合、波長変化に対してパワーの変動が最も大きくなる、透過率５０％の点に、ＬＤ３０１の中心波長がくるように設定することが好ましい。また、想定される波長変化の範囲で、単調減少または単調増加となるようにＦＳＲを設定する必要がある。すなわち、想定される温度変化に伴う波長の変化がＦＳＲの１／２未満となるように設定することが好ましい。
また、方向性結合器に代えて、マッハツェンダ（ＭＺ）干渉計を適用したモニタリング用フィルタを用いることもできる。非対称型ＭＺにおいて、２本のアーム増派路の行路長差ΔＬに対して、入力ポートに対するクロスポート側の出力を、
ｃｏｓ２（πｎ（λ）ΔＬ／λ）
となるように設定する。ここで、λはＬＤ３０１の中心波長、ｎ（λ）は屈折率である。非対称型ＭＺの所望の波長域に対して、必要な光強度の変動が得られるように、ΔＬを調整することにより発振波長の変化、さらに温度変化を間接的に知ることができる。

Claims (4)

  1. 複数の入力導波路から出力された光をそれぞれ分岐する複数の分岐部と、
    前記複数の分岐部でそれぞれ分岐された一方の光を合波する合波部と、
    前記合波部で合波された光を出力する出力導波路と、
    前記複数の分岐部でそれぞれ分岐された他方の光を、第１のモニタリング用導波路を介して入力する複数のモニタリング用フィルタであって、各々のモニタリング用フィルタの透過率５０％の波長が、前記他方の光の各々の中心波長となるように設定され、想定される温度変化に伴う波長の変化がＦＳＲの１／２未満となるように設定された、複数のモニタリング用フィルタと、
    前記複数のモニタリング用フィルタの出力を、それぞれ出力する複数の第２のモニタリング用導波路とを含む光合波回路、
    前記複数の入力導波路とそれぞれ光学的に結合された複数のレーザダイオード、および
    前記第２のモニタリング用導波路とそれぞれ光学的に結合された複数のフォトダイオード
    を備えたことを特徴とするモニタリング機能付き光源。
  2. 前記複数のレーザダイオードは、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の３原色の光を出力する３つのレーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のモニタリング機能付き光源。
  3. 前記複数のモニタリング用フィルタは、方向性結合器であることを特徴とする請求項１または２に記載のモニタリング機能付き光源。
  4. 前記複数のモニタリング用フィルタは、マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする請求項１または２に記載のモニタリング機能付き光源。
JP2021514692A 2019-04-16 2019-04-16 モニタリング機能付き光源 Active JP7201944B2 (ja)

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