(57)【要約】【課題】光モジュール自体の小型化を図る。【解決手段】光モジュールは、光出射源と、前記光出射源の光の入射を受ける光導波路２０と、前記光出射源の光を前記光導波路に集光させる光学素子と、前記光学素子を所定方向に移動させ、前記光学素子による集光スポットの光軸断面方向の位置を補正するアクチュエータとを、備える。光モジュールでは、光導波路２０の光入射側と光出射側とのうち、光導波路２０の光入射側にはテーパ部２４が形成されている。【選択図】図３
2011154221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射源と、
前記光出射源の光の入射を受ける光導波路と、
前記光出射源の光を前記光導波路に集光させる光学素子と、
前記光学素子を所定方向に移動させ、前記光学素子による集光スポットの光軸断面方向の位置を補正するアクチュエータとを、備え、
前記光導波路の光入射側と光出射側とのうち、前記光導波路の光入射側にはテーパ部が形成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記テーパ部は、光入射側が光出射側より細く、光入射側から光出射側に向かうにつれて太くなることを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記テーパ部は、光入射側が光出射側より太く、光入射側から光出射側に向かうにつれて細くなることを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
前記光導波路のモード径の小さい方向と大きい方向とのうち、大きい方向のモード径が１０〜２０μｍであることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
前記アクチュエータは、単一のアクチュエータとして備えられていることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の光モジュールにおいて、
前記アクチュエータは、前記光導波路のモード径の小さい方向で、前記光学素子による集光スポットの位置を補正することを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
前記アクチュエータが、
電圧の印加によって伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮によって変位する角柱状の駆動軸と、
前記駆動軸に対して摩擦係合されて当該駆動軸の軸方向に移動する移動体と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光結合を行うための光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路素子を用いた光モジュールにおいては、レーザ素子などの光源とその光の導波機能を有する光導波路との間で光結合を行っており、特に光源と光導波路との間で光軸を調整する（調芯する）必要がある。
例えば、特許文献１では、光源と光導波路との間に２つのレンズ（コリメートレンズ，集光レンズ）を配置して各レンズをＸ軸方向とＹ軸方向とに移動させ、光軸調整を行っている（段落００３３〜００３５，図２など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３３７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この場合に、特許文献１の技術では、レンズごとにアクチュエータを装備して各レンズを別々のアクチュエータで移動させるという構成であるため、実質的に２台のアクチュエータを必要とし、光モジュール中においてアクチュエータ２台分の領域を確保しなければならず、小型化を図り難いという問題がある。
したがって、本発明の主な目的は、光モジュール自体の小型化を図ることができる光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、
光出射源と、
前記光出射源の光の入射を受ける光導波路と、
前記光出射源の光を前記光導波路に集光させる光学素子と、
前記光学素子を所定方向に移動させ、前記光学素子による集光スポットの光軸断面方向の位置を補正するアクチュエータとを、備え、
前記光導波路の光入射側と光出射側とのうち、前記光導波路の光入射側にはテーパ部が形成されていることを特徴とする光モジュールが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、光導波路の光入射側にはテーパ部が形成されているから、光導波路のモード径の大きい方向に対しては、光学素子のよる集光スポットの位置ずれをある程度許容することができる。そのため、集光スポットを光導波路のモード径の小さい方向のみ変動させるアクチュエータがあれば、集光スポットを光導波路のモード径の大きい方向に変動させるためのアクチュエータが不要であり、少なくともアクチュエータ１台の占有領域分だけ、光モジュール自体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】光モジュールの概略構成を示す概念図である。
【図２】ＳＩＤＭ装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】ＳＨＧ素子の概略構成を示す斜視図である。
【図４】光導波路のモード径の大きい方向と小さい方向との関係を概略的に説明するための図面である。
【図５】入射光束が光導波路に対してＸ軸方向にシフトずれした場合の様子を概略的に示す図面である。
【図６】光結合の効率が９５％となる光導波路のモード径とそのシフトずれ量との関係を概略的に示す図面である。
【図７】光導波路の光入射側のコア直径とそれに対応するモード径との概略的な関係を示す図面である。
【図８】光導波路への入射光束のシフトずれ量と光結合の効率との概略的な関係を示す図面である。
【図９】光モジュールの変形例を示す概略図である。
【図１０】バイモルフ型アクチュエータの概略構成を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
【０００９】
図１に示すとおり、光モジュール２は、主には、赤外光（レーザ光）を照射する赤外線半導体レーザ４と、赤外線半導体レーザ４からの光束を集光するための集光レンズ６と、ＳＨＧ素子８（ＳＨＧ；Second Harmonic Generation）とを、この順に備えている（図１中の網掛け部分は光束を示している。）。
【００１０】
赤外線半導体レーザ４は光出射源の一例である。
集光レンズ６はＳＩＤＭ装置１０に取り付けられている。
ＳＩＤＭ装置１０は、圧電素子を駆動源とする超小型高精度のアクチュエータである。ＳＩＤＭ装置１０は、集光レンズ６をＹ軸方向に移動させ、集光レンズ６による集光スポットの光軸断面方向の位置を補正することが可能となっている。本実施形態では、「Ｙ軸方向」は水平面に直交する方向（垂直方向）となっている。
【００１１】
図２に示すとおり、ＳＩＤＭ装置１０は主に圧電素子（図示略），駆動軸１２，移動体１４などから構成されている。
このうち、圧電素子は、電圧の印加により伸縮するものであり、本実施形態ではピエゾ素子が使用されている。圧電素子２の伸縮方向はＹ軸方向となっている。
駆動軸１２は柱状の部材（本実施形態では４角柱状の部材）であり、圧電素子の一端に固定され、当該圧電素子の伸縮によって変位するようになっている。
駆動軸１２は、カーボン含有材料で形成されており、本実施形態ではカーボンファイバと樹脂との混合材料（カーボンコンポジット）で構成されている。駆動軸１２の変位方向も圧電素子と同様にＹ軸方向となっている。
移動体１４は、駆動軸１２に対し、当該駆動軸１２の軸方向（Ｙ軸方向）に摺動するものであり、駆動軸１２に摩擦係合されている。移動体１４には集光レンズ６が取り付けられている。
【００１２】
続いて、ＳＩＤＭ装置１０の動作について簡単に説明する。
圧電素子に対し、緩やかに立上って急速に立下る鋸歯状波駆動パルスを印加すると、駆動パルスの緩やかな立上り時には、圧電素子が緩やかに伸長し、駆動軸１２がＹ軸方向の正方向（図２参照）に緩やかに変位する。その結果、移動体１４は駆動軸１２に対する摩擦係合力により駆動軸１２とともにＹ軸方向の正方向に移動する。
他方、駆動パルスの急速な立下り時には、圧電素子が急速に収縮し、駆動軸１２がＹ軸方向の負方向に沿って急速に変位する結果、移動体１４は慣性力により摩擦結合力に打ち勝って実質的にその位置に留まる。そして、圧電素子に前記駆動パルスを連続的に印加することにより、駆動軸１２に速度の異なる往復振動を発生させ、移動体１４を連続的にＹ軸方向の正方向に移動させることができる。
【００１３】
なお、移動体１４をＹ軸方向の負方向（図２参照）に移動させるには、圧電素子に印加する鋸歯状波駆動パルスの波形を、急速に立上って緩やかに立下る波形とすればよい。印加される駆動波形としては、ここで示した鋸歯状駆動パルスに限らず、駆動に適したｄｕｔｙ比をもつ矩形波や、その他の駆動に適した立上り／立下り特性を持つ波形を適用することも可能である。
【００１４】
図３に示すとおり、ＳＨＧ素子８中には光導波路２０（埋め込み型導波路）が形成されている。光導波路２０は絶縁体結晶（ＬｉＮｂＯ３など）から構成されている。光導波路とは一般にはコアとクラッドとが一体となった素子をいうが、本実施形態にかかる光導波路２０はコアに相当する部分を指している。
【００１５】
光導波路２０は、一般に、数μｍ×数μｍ程度の断面を有し、光束の入射端面２２から出射端面（図示略）に至るまで一定の断面形状を呈している。
特に、光導波路２０は、入射端面２２から光出射方向にかけて断面形状が変化しており、詳しくは光入射側がテーパ状を呈している一方、光出射側が一定の太さを有するストレート状を呈している。すなわち、光導波路２０の光入射側にはテーパ部２４が形成され、光出射側にはストレート部２６が形成されている。
光導波路２０のテーパ部２４は、図３（ａ）に示すとおり、光入射側が光出射側より太く、入射端面２２から出射端面にかけて徐々にＸ軸方向の幅が細くなるようなテーパ状を呈していてもよいし、図３（ｂ）に示すとおり、光入射側が光出射側より細く、入射端面２２から出射端面にかけて徐々にＸ軸方向の幅が太くなるようなテーパ状を呈していてもよい。本実施形態では、「Ｘ軸方向」は水平方向となっている。
要するに、本発明の一態様にかかる光導波路２０は、光入射側がテーパ状を呈しており、光入射側のモード径が光出射側のモード径より大きくなっている（モード径については後述する。）。
【００１６】
ＳＨＧ素子８は、光導波路２０を伝搬する光と相互作用して、光の入射波長の半分の波長を有する光を発生するＳＨＧ機能を有する。例えば、波長９００〜１３００ｎｍの赤外光が光導波路２０に入射すると、その光は波長４５０〜６５０ｎｍの可視光に変換される。波長の変換効率を上げるため、光導波路２０は、一般に、赤外光と可視光の位相整合をとるための周期的ドメイン反転構造を有している。
【００１７】
以上の構成を有する光モジュール２では、各部材の動作を制御する制御装置（図示略）が設けられている。当該制御装置には赤外線半導体レーザ４やＳＩＤＭ装置１０（圧電素子）などが接続されている。制御装置から制御信号が送信されると、赤外線半導体レーザ４から光束が発され、その光束が集光レンズ６で集光され、集光スポット２８が光導波路２０の入射端面２２に形成され（図３参照）、集光スポット２８を構成した光束が光導波路２０を伝播しながら波長変換され、ＳＨＧ素子８から出射される。
以上のような光モジュール２は、例えば、公知の画像投影装置におけるグリーン光の光源として好適に使用される。
【００１８】
なお、赤外線半導体レーザ４の出力モードとＳＨＧ素子８（光導波路２０）の入力モードとを一致させるため、集光レンズ６としてアナモルフィックレンズを使用することもできる。集光レンズ６は光学素子の一例であり、アナモルフィックレンズ以外のその他の種類のレンズが使用されてもよい。
【００１９】
ところで、上記のとおり、集光レンズ６で集光された光束はＳＨＧ素子８に入射するが（すなわち光結合されるが）、その結合効率の低下を抑制するには、光導波路２０のモード径の小さい方向と大きい方向との２次元方向の位置ずれが問題となる。
【００２０】
「モード径」とは、光導波路２０の入射端面２２の光強度（パワー密度）分布において、コアの中心の最大光強度に対し光強度が１／ｅ２となるところの直径である。本実施形態では、図４に示すとおり、光導波路２０のモード径の小さい方向がＹ軸方向と合致しており、光導波路２０のモード径の大きい方向がＸ軸方向と合致している。
【００２１】
光導波路２０のモード径の小さい方向（本実施形態ではＹ軸方向）の位置ずれに関しては、制御装置がＳＩＤＭ装置１０を制御して集光レンズ６をＹ軸方向に移動させることができるから、集光レンズ６の光軸を、赤外線半導体レーザ４や光導波路２０の入射端面２２に対して合わせる（調芯する）ことが可能である。すなわち、集光スポット２８をＹ軸方向に変動させることにより、集光スポット２８のＹ軸方向の位置を補正することができ、これによって対応することができる。
ここでは、ＳＩＤＭ装置１０で集光レンズ６をＹ軸方向に移動させているが、集光レンズ６の集光スポット２８をＹ軸方向に変動させることができるのであれば、ＳＩＤＭ装置１０に代えてそれ以外の他のアクチュエータを用いて、集光レンズ６をＹ軸方向以外の別の方向に移動させるものとしてもよい。さらに、複数の集光レンズ６を組み合わせてそのいくつかをＹ軸方向またはこれとは別の方向に移動させ、集光スポット２８をＹ軸方向に変動させるものとしてもよい。
【００２２】
他方、光導波路２０のモード径の大きい方向（本実施形態ではＸ軸方向）の位置ずれに関しては、上記のとおり、光導波路２０の光入射端のモード径を大きくしているので、これによって対応することができる。すなわち、光モジュール２では、光導波路２０の光入射側がテーパ状を呈しており、光導波路２０のＸ軸方向のモード径がＹ軸方向のモード径より大きくなっているため、集光スポット２８のＸ軸方向のずれをある程度まで許容することができる。
好ましくは、光導波路２０の光入射端のモード径（モード径が大きい方向の直径）は１０〜２０μｍである。
【００２３】
モード径を１０〜２０μｍとするのは次の理由による。
光導波路２０への光束入射モードと光導波路２０のモードとが一致しているとき、入射光束が光導波路２０に対してＸ軸方向にシフトずれした場合（図５参照）、光結合の効率が低下する。
結合効率が９５％となる光導波路２０のモード径とそのシフトずれ量との関係は、概略的には図６のとおりとなる。
通常、シングルモードの半導体レーザまたはＳＨＧ波長変換レーザのモード直径は数μｍ程度であるが、ＳＨＧ素子８に光束を入射させるとき、シフトずれを起こしても結合効率の変動を５％以内に収めるには、シフトずれ量をサブミクロンオーダーまで抑える必要がある。例えば、図６に示すとおり、モード直径が５μｍである場合、９５％以上の結合効率を補償するには、光束のシフト量を０．６μｍ（６００ｎｍ）程度に抑える必要がある。
そこで、本実施形態では、モード径を大きくして入射光束のシフトずれに対応させる。すなわち、モード径が１０μｍ程度であれば、光束のシフトずれ量として１μｍ以上の値までシフトずれを許容することができるため、光導波路２０の光入射端のモード径の下限を１０μｍ程度としている。
【００２４】
他方、単純にモード径を大きくすればよいというわけでもない。
図７は下記のシミュレーション条件下においてＢＰＭ（Beam Propagation Method）法で、光導波路２０の光入射側のコア直径とそれに対応するモード径との関係を示す図面である。
図７からわかるように、モード径が大きくなるにつれてコア直径が小さくなっている。モード径を過大に大きくしてコア径を小さくしすぎると、製造上のバラツキによる伝搬ロスが発生してしまう。例えば、コア直径の製造上のバラツキやコア−クラッド境界面に生じる散乱体の影響（屈折率の不均一性など）、光導波路２０の製造難易度が高くなる、などの障害が発生してしまう。そのため、光導波路２０のモード径の上限は最大でも２０μｍ程度にするのがよい。
【００２５】
＜ＢＰＭシミュレーション条件＞
光源波長：１．０６４μｍ
コア屈折率：グレートインデックス
コア−クラッド屈折率差Δｎ＝０．０１
光入射側のコアの直径      横方向：変数
縦方向：２．３μｍ
光出射側のコアの直径      横方向：３．０μｍ
縦方向：２．３μｍ
テーパ部の長さ：１ｍｍ
テーパ部の後続のストレート部の長さ：２ｍｍ
入射光束モード径：テーパ部分の入射端面コア径に最適なモード径
当該シミュレーションでは、コアの光入射端面から光出射端面までの伝搬効率を１００％と擬制している。
【００２６】
図８は、光導波路２０への入射光束のシフトずれ量と光結合の効率との関係を、光導波路２０のモード径ごと（モード径を５μｍ，１５μｍ，１６μｍとした。）に算出した図面である。
図８からわかるように、９５％以上の結合効率を実現するのに、光導波路２０のモード径が１０〜２０μｍの範囲外にある場合（５μｍ）は、入射光側のＸ軸方向のシフトずれ量を０．５〜０．６μｍ程度までしか許容することができないのに対し、モード径が１０〜２０μｍの範囲内にある場合（１５μｍ，１６μｍ）は、シフトズレ量を１．７μｍ程度まで許容することができ、シフトずれ量の許容量を飛躍的に向上させることができる。
【００２７】
以上の本実施形態によれば、光導波路２０の光入射側がテーパ状に形成され、光導波路２０のＸ軸方向のモード径がＹ軸方向のモード径より大きくなっているから、赤外線半導体レーザ４からの入射光束のＸ軸方向へのシフトずれが広く許容され、その一方で、光導波路２０のモード径の小さい方向（Ｙ軸方向）においては、単一のアクチュエータであるＳＩＤＭ装置１０の作動により、集光スポット２８のＹ軸方向の位置が補正される。すなわち、集光レンズ６による集光スポット２８の位置の補正は、Ｘ軸方向においては不要となり、Ｙ軸方向においてのみ行われる。そのため、集光レンズ６をＸ軸方向に移動させるためのアクチュエータが不要であり、少なくともその分だけ、光モジュール２の小型化を図ることができる。
【００２８】
さらに、光導波路２０のＸ軸方向のモード径がＹ軸方向のモード径より大きくなっているため、光モジュール２の製造（組立て）が容易である。
すなわち、光モジュール２を組み立てる際には、赤外線半導体レーザ４，ＳＩＤＭ装置１０，ＳＨＧ素子８などを支持体の上に設置する。この場合に、これら部材を同じ高さ位置（支持体上面を基準としたＹ軸方向の同じ位置）に固定して各部材間で光軸を一致させる必要があるが、組立て時に各部材のＹ軸方向の位置を一致させるのは困難である。
このような状況において、光導波路２０のＸ軸方向のモード径をＹ軸方向のモード径より大きくした場合、各部材のＹ軸方向の位置ずれはＳＩＤＭ装置１０による光学素子６の移動で対応すればよく、あとは各部材の支持体上でのＸ軸方向の配置を変更すればよいだけであってその配置変更は容易な作業であるから、組立て全体における作業性を向上させることができる。
【００２９】
なお、光モジュール２では、赤外線半導体レーザ４，ＳＨＧ素子８の代わりにそれぞれ光ファイバを使用し、光モジュール２を、光ファイバ同士の光結合をおこなう光モジュールとして構成してもよい。この場合、光出射側の光ファイバが光出射源として機能する。
【００３０】
また、光モジュール２では、集光レンズ６に代えて、図９に示すとおり、凹面鏡３０（ミラー）を光学素子として使用し、赤外線半導体レーザ４の光束を凹面鏡３０で反射させＳＨＧ素子８に入射させるような構成としてもよい。
この場合でも、光導波路２０の光入射側のモード径が大きくなっているから、凹面鏡３０に対しＳＩＤＭ装置１０やその他のアクチュエータを装備して凹面鏡３０を揺動させれば、集光スポット２８の位置を補正することができる。「揺動」は移動の一態様であって、凹面鏡３０を揺動させるとはＸ軸方向を中心として所定の角度だけ回転させたり、Ｘ軸方向を基準として湾曲させたりするという意味である。
凹面鏡３０を使用する場合、アクチュエータとして、図１０に示すバイモルフ構造を有するバイモルフ型アクチュエータ４０を用いてもよい。この場合、バイモルフ型アクチュエータ４０を凹面鏡３０の背面に装備して凹面鏡３０を揺動させる。バイモルフ型アクチュエータ４０は、圧電材料で形成された２枚の基準部材４２が、陽極，陰極，陽極の順に３つの電極４４で挟まれた構成を有しており、各電極間に電圧が印加されると、基準部材４２が撓み、凹面鏡３０を揺動させることができる。
【符号の説明】
【００３１】
２  光モジュール
４  赤外線半導体レーザ
６  集光レンズ
８  ＳＨＧ素子
１０  ＳＩＤＭ装置
１２  駆動軸
１４  移動体
２０  光導波路
２２  入射端面
２４  テーパ部
２６  ストレート部
２８  集光スポット
３０  凹面鏡
４０  バイモルフ型アクチュエータ
４２  基準部材
４４  電極
【図１】
2011154221.tif 000003
【図２】
2011154221.tif 000004
【図３】
2011154221.tif 000005
【図４】
2011154221.tif 000006
【図５】
2011154221.tif 000007
【図６】
2011154221.tif 000008
【図７】
2011154221.tif 000009
【図８】
2011154221.tif 000010
【図９】
2011154221.tif 000011
【図１０】
2011154221.tif 000012