(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、グレーティング３０が形成された光導波路２０と、前記光出射源の光を光導波路２０に集光させるための光学素子と、前記光学素子を所定方向に移動させ、集光スポット３２の位置または角度を補正するアクチュエータと、を備え、前記アクチュエータを駆動することにより、集光スポット３２をグレーティング３０上に集光させ、前記光出射源を前記光導波路に導波させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射源と、
グレーティングが形成された光導波路と、
前記光出射源の光を前記光導波路に集光させるための光学素子と、
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位置または角度を補正するアクチュエータと、を備え、
前記アクチュエータを駆動することにより、前記光学素子による集光スポットを前記グレーティング上に集光させ、前記光出射源を前記光導波路に導波させ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、
前記アクチュエータが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３】
請求項１または２に記載の光モジュールにおいて、
前記アクチュエータは、前記光学素子による集光スポットの前記グレーティング面に対する入射角度を変動させるか、または前記光学素子による集光スポットを前記グレーティングの面内方向に変動させて、前記光出射源を前記光導波路に導波させ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、
前記光学素子がレンズであり、
前記光学素子による集光スポットはコリメート光として集光されており、
前記アクチュエータは、前記レンズを所定の１軸方向に移動させ、前記光学素子による集光スポットの前記グレーティング面に対する入射角度を変動させて、前記光出射源を前記光導波路に導波させることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
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、
前記光学素子が平面ミラーであり、
前記アクチュエータは、前記光学素子を回動させ、前記光学素子による集光スポットの前記グレーディング面に対する入射角度を変動させて、前記光出射源を前記光導波路に導波させることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
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、
前記光学素子がレンズであり、
前記光学素子による集光スポットは、光軸断面のうち１方向がコリメート光として集光されており、
前記アクチュエータは、前記光学素子を所定の１軸方向に移動させ、前記光学素子による集光スポットを、前記グレーティング面内方向でかつ前記光学素子による集光スポットの短辺方向に変動させて、前記光出射源を前記光導波路に導波させることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
前記光学素子による集光スポットの光束長が０．１〜１．５ｍｍであることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７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】
従来から、光集積ピックアップ，光通信デバイス，センサ用ＩＣなどのような光導波路デバイスは広く普及しており、近年ではますますその小型化が図られている。光導波路デバイス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いるが、光源と光導波路とを光結合するのに、例えば、光導波路にグレーティング（回折格子）を形成してこれを介して導波させることがある（特許文献１，２参照）。光導波路にグレーティングを形成した場合は、集光スポットのグレーティングへの入射角度がずれると、そのずれの影響が光結合の損失に繋がるため、入射角度を補正する必要がある。もちろん、グレーティングを形成しないような光結合も存在し、その一態様として、例えば、特許文献３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】特開昭６３−２７６００４号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１８３２号公報
【特許文献３】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】
ところで、光モジュールの小型化を図ろうとする趨勢に反して、特許文献３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、グレーティング構造を有する光モジュールであって、温度変化などによるグレーティングへの光結合効率のゆらぎを抑えつつ、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、
グレーティングが形成された光導波路と、
前記光出射源の光を前記光導波路に集光させるための光学素子と、
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位置または角度を補正するアクチュエータと、を備え、
前記アクチュエータを駆動することにより、前記光学素子による集光スポットを前記グレーティング上に集光させ、前記光出射源を前記光導波路に導波させることを特徴とする光モジュールが提供される。
【０００６】
ここでいう「集光」には、光束を絞るという意味のみならず、光束断面の少なくとも１次元方向においてコリメートする（平行化する）という意味も含まれる。したがって「光学素子」には集光レンズのみならず、コリメートレンズやアナモルフィックレンズなども含まれる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、アクチュエータの駆動により、集光スポットの位置または角度を補正してグレーティング上に集光させるから、集光スポットにおける断面のうち１方向の位置ずれや入射角度ずれを許容することが可能であり、温度変化などによるグレーティングへの光結合効率のゆらぎを抑えつつ、１台のアクチュエータで光結合を行うことができ、光結合を行うのに２台のアクチュエータは必要としない。したがって、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】
【０００８】
【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平面図である。
【図４】ＳＨＧ素子の概略構成を示す拡大断面図である。
【図５】集光スポットの光束長を概略的に説明するための図面である。
【図６】集光スポットの光束長の下限（０．１ｍｍ）を概略的に説明するための図面である。
【図７】ＬＤ（半導体レーザ）−レンズ間隔と戻り光との関係を概略的に示す図面である。
【図８】集光スポットの光束長の上限（１．５ｍｍ）を概略的に説明するための図面である。
【図９】光モジュールの変形例を示す概略的な平面図である。
【図１０】光モジュールの変形例を示す概略図である。
【図１１】グレーティング構造の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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、集光レンズ６を透過した光束を反射する平面ミラー７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。）。
【００１１】
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は光学素子の一例であり、集光レンズ６としてコリメートレンズが使用されている。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り、集光レンズ６をＹ軸方向に移動させ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。
【００１２】
光モジュール２では、ＳＩＤＭ装置１０が単一のアクチュエータである。
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
光導波路２０は、端面２２から端面２４に向けて徐々にＸ軸方向の幅が狭くなるようなテーパ状を呈しており、そのテーパ部分（光導波路２０の中途部）から端面２４に向けて幅が一定の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２６が形成され、光出射側にはストレート部２８が形成されている。本実施形態では、「Ｘ軸方向」は水平方向のうちの１方向（左右方向）となっている。
図４に示すとおり、テーパ部２６はＳＨＧ素子８の表面に露出しており、その露出部にはグレーティング３０（回折格子）が形成されている。グレーティング３０は断面視して鋸歯状を呈している。
図３に示すとおり、グレーティング３０の溝はＸ軸方向に沿って形成されており、各溝がＺ軸方向に等間隔で配列されている。本実施形態では、「Ｚ軸方向」は水平方向のうちのＸ軸方向と直交する方向（前後方向）となっている。グレーティング３０の形成領域は好ましくは、集光レンズ６，平面ミラー７により形成される集光スポット３２よりも広くなるように（グレーティング３０のＸ軸方向の幅とＺ軸方向の長さとがともに集光スポット３２の直径より大きくなるように）設計・形成されている。
【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やＳＩＤＭ装置１０が駆動し、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で平行光とされ平面ミラー７で反射され、ＳＨＧ素子８のテーパ部２６に集光スポット３２が形成される。
【００１８】
温度変化などにより集光スポット３２の入射角度がずれた場合には、制御装置により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、集光スポット３２のグレーティング３０の表面に対する入射角度を変動させる。これにより、集光スポット３２の入射角度を補正することができ、赤外線半導体レーザ４の光を光導波路２０に導波させることができる。
【００１９】
ここで、グレーティング３０に入射する光束（集光スポット３２）の光束長（Ｌ１）は、好ましくは０．１〜１．５ｍｍとする。
「光束長（Ｌ１）」とは、図５に示すとおり、グレーティング３０に入射する光束の光強度分布において１／ｅ２の強度に相当する部分の直径であって、光伝搬方向に沿う長さ（径）をいう。本実施形態では、「光伝搬方向」はＺ軸方向と合致している。
【００２０】
光束長Ｌ１を０．１〜１．５ｍｍとするのは次の理由による。
例えば、赤外線半導体レーザ４のＸＹ断面の一方向の１／ｅ２強度の光束出射角をＮＡ０．１０（ＬＤ（Laser Diode）出射角の短軸方向でおよそ一般的な値）と、集光レンズ６の焦点距離を０．５ｍｍとすると、その光束長Ｌ１は０．１ｍｍとなる（図６参照）。このとき集光レンズ６は理想レンズとする。
この場合に、光束長Ｌ１をこれ以上小さくするには、集光レンズ６の焦点距離を短くする必要があるが、赤外線半導体レーザ４と集光レンズ６との距離を短くすると、赤外線半導体レーザ４への戻り光が発生して赤外線半導体レーザ４の動作が不安定になってしまう。
【００２１】
図７は、ＬＤ−レンズ間隔（赤外線半導体レーザ４と集光レンズ６との間の間隔）と戻り光の光量との関係を、理論計算から算出したグラフである。
当該理論計算では、戻り光の結合効率ηを式（１）に基づき算出し、反射面となるレンズ端面を平面と仮定し、波長λを１．０６μｍとし、ＬＤ光源のモード半径ωを２．０μｍとした。式（１）中、ｄは光源とレンズ間隔、Ｒはレンズ表面の反射率であり、Ｒ＝１％とした。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
図７に示すとおり、ＬＤ−レンズ間隔が０．４ｍｍの場合、戻り光の光量は−５０ｄＢ程度に抑えられているが、ＬＤ−レンズ間隔をさらに狭くすると（すなわち、集光レンズ６の焦点距離を０．５ｍｍより小さくすると）、急激に戻り光の光量が増えてしまう。そのため、光束長Ｌ１は０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２４】
他方、赤外線半導体レーザ４のＸＹ断面の一方向の１／ｅ２強度の光束出射角をＮＡ０．３５（ＬＤ出射角の長軸方向でおよそ一般的な値）と、集光レンズ６の焦点距離を、戻り光を低減するために２ｍｍとすると（このときの戻り光量は−６５ｄＢとなり十分である。）、光束長Ｌ１はおよそ１．５ｍｍとなる（図８参照）。この場合に、光束長Ｌ１をこれ以上大きくすると、光伝搬方向の光束径が最大で１．５ｍｍの差があるため、もっとも手前（端面２２側）から入射して導波した光線がグレーティング３０を介して再度空気層に放射する可能性があり、伝搬ロスが多くなってしまうおそれがある（図４参照）。そのため、光束長Ｌ１は１．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
なお、上記のとおり、グレーティング３０の形成領域は好ましくは集光スポット３２の径より広いから、グレーティング長Ｌ２（グレーティング３０のＺ軸方向の長さ，図３参照）も、グレーティング３０に入射する光束の光束長Ｌ１より大きい。グレーティング３０に入射する光束の強度分布における１／ｅ２の強度は、入射光束全体の光強度のうち８６％程度の光強度を有するため、それより大きい光強度を有する光束がグレーティング３０を通過できるようにグレーティング長Ｌ２または集光レンズ６の開口を大きくするのがよい。
【００２６】
そして集光スポット３２を構成した光束は、グレーティング３０から光導波路２０内に入射し、光導波路２０を伝搬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。
【００２７】
以上の本実施形態によれば、光導波路２０の光入射側にはテーパ部２６とグレーティング３０とが形成され、集光スポット３２をグレーティング３０の形成領域に集光させると、仮に集光スポット３２の位置ずれがあっても、基本的には入射光束を光導波路２０に導波させることができる。集光スポット３２の入射角度にずれがあっても、単一のアクチュエータであるＳＩＤＭ装置１０の作動で、集光スポット３２のグレーティング３０の表面に対する入射角度を補正することができる。そのため、１台のアクチュエータ（ＳＩＤＭ装置１０）による集光スポット３２の補正だけで効率的な光結合を実現することができ（温度変化などによる集光スポット３２のグレーティング３０への光結合の効率のゆらぎを抑えることができ）、光結合を行うのに２台のアクチュエータを必要としない。以上から、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２自体の小型化を図ることができる。
【００２８】
［変形例１］
集光レンズ６の位置を固定し（集光レンズ６をＳＩＤＭ装置１０に取り付けずに）、平面ミラー７にＳＩＤＭ装置１０を取り付けてもよい。
この場合、ＳＩＤＭ装置１０を制御装置で制御して平面ミラー７を回動させ（傾きを調整し）、集光スポット３２のグレーティング３０の表面に対する入射角度を変動させ、赤外線半導体レーザ４の光を光導波路２０に導波させる。「回動」とは移動の一態様であり、平面ミラー７を回動させるとはＸ軸方向を中心として所定の角度だけ回転させるという意味である。
変形例１では、平面ミラー７が光学素子として機能する。
【００２９】
［変形例２］
集光レンズ６として、光軸断面のうち１方向（Ｘ軸方向）をコリメート光として集光可能なアナモルフィックレンズを使用するとともに、ＳＩＤＭ装置１０により当該集光レンズ６をＸ軸方向に移動可能とし、さらに、図９に示すとおり、光導波路２０をストレート部２８だけで構成してもよい。
この場合、図９に示すとおり、ＳＩＤＭ装置１０を制御装置で制御して集光レンズ６をＸ軸方向に移動させ、集光スポット３２を、グレーティング３０の面内方向と集光スポット３２の短辺方向とに対応するＸ軸方向に変動させ、赤外線半導体レーザ４の光を光導波路２０に導波させる。Ｙ軸方向では集光スポット３２がコリメート光であり、集光スポット３２のＹ軸方向の補正が必要ないため、Ｙ軸方向に集光レンズ６を移動させるためのアクチュエータが不要であり、光モジュール２の小型化を図ることができる。
【００３０】
［変形例３］
図１０に示すとおり、平面ミラー７（図１参照）を使用せずに、赤外線半導体レーザ４の光束を、集光レンズ６を介して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、制御装置によりＳＩＤＭ装置１０を制御して集光レンズ６を所定の１軸方向に移動させ、集光スポット３２のグレーティング３０の表面に対する入射角度を変動させ、赤外線半導体レーザ４の光を光導波路２０に導波させる。
【００３１】
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。
さらに、光モジュール２では、ＳＩＤＭ装置１０に代えてこれ以外のアクチュエータを使用してもよいし、グレーティング３０を鋸歯状とする場合に代えて（図４参照）、図１１に示すとおり、凹凸が連続するパルス波状としてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
２  光モジュール
４  赤外線半導体レーザ
６  集光レンズ
７  平面ミラー
８  ＳＨＧ素子
１０  ＳＩＤＭ装置
１２  駆動軸
１４  移動体
２０  光導波路
２２，２４  端面
２６  テーパ部
２８  ストレート部
３０  グレーティング
３２  集光スポット
Ｌ１  光束長
Ｌ２  グレーティング長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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