(57)【要約】  レーザダイオードの劣化を防ぎ、気密封止することなく、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可視光光源を提供する。可視光光源は、可視光を出力するレーザダイオードと、前記レーザダイオードと光学的に結合された入力導波路を含む平面光波回路（ＰＬＣ）とを備え、前記レーザダイオードの出射端面と前記入力導波路との間に空隙を有し、無機材料が充填されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光を出力するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードと光学的に結合された入力導波路を含む平面光波回路（ＰＬＣ）とを備え、
前記レーザダイオードの出射端面と前記入力導波路との間に空隙を有し、無機材料が充填されていることを特徴とする可視光光源。
【請求項２】
可視光を出力する複数のレーザダイオードと、
前記複数のレーザダイオードとそれぞれ光学的に結合された複数の入力導波路と、
前記複数の入力導波路から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を備え、
前記複数のレーザダイオードの出射端面と前記複数の入力導波路との間に空隙を有し、無機材料が充填されていることを特徴とする可視光光源。
【請求項３】
前記複数の入力導波路のそれぞれに挿入された複数の分岐部であって、前記複数の入力導波路からの光を分岐し、分岐された一方の光を前記合波部に出力し、分岐された他方の光をモニタリング用導波路に出力する、分岐部と、
前記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と
をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の可視光光源。
【請求項４】
前記出力導波路の出射端面にスポットサイズ変換器を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の可視光光源。
【請求項５】
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２、３または４に記載の可視光光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光光源に関し、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合波回路と、この光合波回路を含む可視光光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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）。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
そこで、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可視光光源を構成することが求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】Y. Hibino, ”Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks,” IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27
【非特許文献３】A. Himeno, et al., “Silica-Based Planar Lightwave Circuits,” J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924
【非特許文献４】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
【発明の概要】
【００１３】
本発明の目的は、レーザダイオードの劣化を防ぎ、気密封止することなく、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光合波回路と、この光合波回路を含む可視光光源を提供することにある。
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、可視光光源の一実施態様は、可視光を出力するレーザダイオードと、前記レーザダイオードと光学的に結合された入力導波路を含む平面光波回路（ＰＬＣ）とを備え、前記レーザダイオードの出射端面と前記入力導波路との間に空隙を有し、無機材料が充填されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、レーザダイオードの劣化を防ぎ長寿命化を図るとともに、気密封止することなく、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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】図２は、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラの基本構造を示す図、
【図３】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】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】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のＬＤとＲＧＢカプラの結合の様子を示す図、
【図６】図６は、第２の実施形態におけるＬＤとＲＧＢカプラの結合の他の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
［第１の実施形態］
図２に示したＬＤ２１〜２３とＲＧＢカプラ２０との光学的な接続は、空隙を介して光軸を合わせるのが一般的である。しかしながら、光源に用いる可視光用のＬＤ２１〜２３は、通信波長帯のＬＤと比較すると波長が短く、モードフィールド径も小さい。従って、通信波長帯と同じ光出力パワーであっても、そのパワー密度は１桁高くなる。さらに、可視光から紫外光のエネルギーは、通信波長帯の光のエネルギーよりも高いので、光の集塵効果などにより出射端面の劣化が激しく、ＬＤの寿命が短くなる。そこで、金属または樹脂製の筐体に、ＬＤとＲＧＢカプラとを気密封止することにより劣化を抑制する。
【００１９】
図４に、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。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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
［第２の実施形態］
一方、金属または樹脂製の筐体による気密封止は、可視光光源の作製工程が増加し、製造コストが上昇してしまう。そこで、気密封止を不要とする、ＬＤとＲＧＢカプラ２０との光学的接続を実現する。第２の実施形態のモニタリング機能付き光源の構成は、第１の実施形態と同じであり、第１〜第３のＬＤ２０１1〜２０１3とＲＧＢカプラ２１０との光学的な結合の方法が異なる。
【００２６】
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のＬＤとＲＧＢカプラの結合の様子を示す。図５（ａ）に示すように、ＲＧＢカプラは、Ｓｉ基板４０１上に形成されたＳｉＯ２層４０２に光回路が形成され、金属の筐体４０３の底部に固定されている。Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のＬＤ４０５は、駆動回路を含むチップ４０６とともに、放熱用のマウント４０４に実装され、筐体４０３の底部に固定されている。
【００２７】
ＬＤ４０５と、ＳｉＯ２層４０２に形成されている入力導波路４０７との光学的な接続は、上述したように、空隙を介して結合されている。図５（ｂ）に示すように、導波路４０７の幅Ｗは数μｍ程度あり、空隙の幅Ｓも数μｍ程度である。ＬＤ４０５のチップの大きさは１５０μｍ角程度であるが、活性層の幅は数μｍ程度であり、入力導波路４０７と対向するように位置合わせが成されている。第２の実施形態では、空隙にポリシザラン等の無機材料４０８を充填し、焼結してある。
【００２８】
図６に、第２の実施形態におけるＬＤとＲＧＢカプラの結合の他の実施例を示す。無機材料４０８は、ＬＤ４０５の出射端と入力導波路４０７との間の空隙を覆っておけば良い。そこで、ＲＧＢカプラに形成された入力導波路４０７の両脇に、溝４０９ａ，４０９ｂを形成し、無機材料４０８が空隙に沿って広がらないようにする。
【００２９】
このような構成により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のＬＤの出射端が無機材料により覆われることにより、光の集塵効果などにより出射端面に有機物が付着することを防ぐことができる。その結果、ＬＤの劣化を防ぎ長寿命化を図るとともに、気密封止することなく、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。
【００３０】
［第３の実施形態］
図４に示したＲＧＢカプラ２１０の第１〜第３のモニタリング用導波路２１３１〜２１３3の出射端は、第１〜第３のＬＤ２０１1〜２０１3の出力と比較して低いパワーの光が出射されるものの、短波長の光であることから出射端面の劣化が起こりうる。また、出力導波路２１５の出射端は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光が合波された広い波長域の光であるものの、パワーの高い光が出射され、やはり、出射端面の劣化が起こりうる。そこで、第１〜第３のモニタリング用導波路２１３１〜２１３3と出力導波路２１５の出射端には、スポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Spot Size Convertor）を設けてモードフィールド径を大きくし、出射端面におけるパワー密度を下げることが好ましい。
【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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【国際調査報告】
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