JP2018180375A - Broadband branch optical circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、広帯域分岐光回路に関し、より詳細には、赤色光(R)、緑色光(G)、および青色光(B)の広波長域を扱う広帯域分岐光回路に関する。 The present invention relates to broadband branch optical circuits, and more particularly, to a broadband branch optical circuit that handles wide wavelength bands of red light (R), green light (G), and blue light (B).
近年、眼鏡型端末やピコプロジェクタ用にR、G、B3原色のレーザダイオード(LD)を用いた小型RGB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、投影面との距離や角度に関わらず焦点が合うフォーカスフリーなプロジェクタが実現できる。また、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。 In recent years, development of compact RGB light sources using laser diodes (LDs) of R, G and B primary colors has been underway for use in eyeglasses-type terminals and pico projectors. Since the LD has high rectilinearity compared to the LED, it is possible to realize a focus-free projector in which focusing is achieved regardless of the distance and angle with the projection surface. In addition, it has high luminous efficiency, low power consumption, high color reproducibility, and has been attracting attention in recent years.
図1に、従来のLDを用いたプロジェクタ100の代表的なシステム概略を示す。LD101は単一波長発振のため、R、G、B各色のLD光を個別にレンズ102を用いてコリメートし、ダイクロイックミラー105を用いて複数の光を1本のビームに束ねてのRGB光源として使用する。束ねられたRGB光をMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー107などを用いてLDの変調と同期させて走査することで、所望の映像をスクリーン110に投影する。
FIG. 1 shows a typical system outline of a
このとき、ホワイトバランスを調整するため、各LD光の一部をハーフミラー103などで分岐し、フォトダイオード(PD)104で各LD光の強度をモニタリングする。LD101は前後方向に発光するが、後方側のモニタリングでは精度が悪いため、図1に示すような前方側(フロントモニタリング)が一般的である。このため、図1に示す様に、RGB光源として使用するためには、LD101、レンズ102、ハーフミラー103、PD104、ダイクロイックミラー105などのバルク部品を空間光学的に組み合わせる必要がある。
At this time, in order to adjust the white balance, part of each LD light is branched by the
さらに、LD101は、RとGがBに比べて出力が弱いため、RとGのLD101を2倍にして2つずつ合波したRRGGB光源などが使われることもある。こうした複雑な光学系は、小型化が困難な要因となっている。
Furthermore, since the output of the
一方、近年、こうしたバルク部品によるRGB合波ではなく、図2に示すような石英系平面光波回路(Planar lightwave circuit:PLC)を用いたRGBカプラモジュール200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: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で各種の機能を実現する。(例えば、非特許文献2、3参照)
PLCを用いたRGBカプラモジュール200の基本構造は、図2に示す様に、3本の入力光導波路と1本の出力光導波路で形成される。合波方法は対称型の方向性結合器を2つ用いる方法や、マッハ・ツェンダ干渉計(非特許文献1参照)を利用する方法、モードカプラを利用する方法(非特許文献2参照)などが存在し、レンズ、ダイクロイックミラーで実現していたRGB合波光学系を1チップ上に集積可能である。
On the other hand, in recent years, an
The basic structure of the
PLCでは、方向性結合器やマッハ・ツェンダ干渉計(非特許文献4参照)等を用いて光の一部を分岐することが可能である。このため、分岐した光路の出力部にPDを光学的に接続することで、モニタリング機能を集積することが可能となる。通常、PLCは通信波長帯(1.55μm帯や1.31μm帯)で使用されるため、方向性結合器による分岐率の波長依存性は大きな問題とならない。 In PLC, it is possible to branch off part of light using a directional coupler, a Mach-Zehnder interferometer (see Non-Patent Document 4), or the like. For this reason, it becomes possible to integrate a monitoring function by optically connecting PD to the output part of the branched optical path. Usually, PLC is used in the communication wavelength band (1.55 μm band or 1.31 μm band), so the wavelength dependency of the branching ratio by the directional coupler does not pose a major problem.
しかしながら、可視光域、特に波長450nm〜650nm程度(RGB)の広帯域な波長域すべてをPLCで扱う場合、図3(b)に示すような従来の単純な方向性結合器300で光を分岐しようとすると、図3(a)に示す様に、青(450nm)と赤(650nm)で分岐率kが25倍程度異なってしまうという分岐率の波長依存性の課題がある。ここで用いた方向性結合器300は、導波路幅2μm、ギャップ2μm、比屈折率差0.45%で、青(450nm)での分岐率kが1%になるように方向性結合器の長さを設定したものである。分岐率kは、光導波路301の入力端301aから入射された光の強度を1としたときの、分岐光導波路302の出力端302bから出射される光の強度とする。
However, in the case where the PLC handles the visible light range, in particular, a wide wavelength range of about 450 nm to 650 nm (RGB), the light is split by the conventional simple
これに対し、マッハ・ツェンダ干渉計を利用した波長依存性の少ないカプラなども提案されているが(非特許文献5参照)、波長による分岐率の違いがなお大きいことや、構造が複雑なため光回路が大型化してしまうという課題がある。 On the other hand, couplers with less wavelength dependency using a Mach-Zehnder interferometer have been proposed (see Non-Patent Document 5), but the difference in branching ratio depending on the wavelength is still large and the structure is complicated. There is a problem that the optical circuit is upsized.
方向性結合器を用いた光の分岐では、導波路からの光のしみ出しによって、結合長が決定するため、広い波長域では、分岐率の波長依存性が顕著に出てしまう。このため、平面光波回路を用いた簡易な回路で可視波長全域にわたって一定の分岐率で光を分岐することはできないという課題があった。 In the branching of light using a directional coupler, the coupling length is determined by the seepage of light from the waveguide, so that the wavelength dependency of the branching ratio is prominent in a wide wavelength range. Therefore, there has been a problem that light can not be branched at a constant branching ratio over the entire visible wavelength range by a simple circuit using a planar lightwave circuit.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、平面光波回路を用いた簡易な構造で、分岐率の波長依存性が小さい分岐光回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a branched optical circuit having a simple structure using a planar lightwave circuit and having a small wavelength dependency of the branching ratio. is there.
上記の課題を解決するために、本発明は、広帯域分岐光回路であって、交差する2本の光導波路部からなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記2本の光導波路部は、コアの中心軸の交差角が5°よりも大きく15°よりも小さいことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a broadband branched optical circuit, comprising a planar lightwave circuit in which an optical waveguide composed of two intersecting optical waveguide parts is formed, and the two optical waveguide parts Is characterized in that the crossing angle of the central axis of the core is larger than 5 ° and smaller than 15 °.
請求項2に記載の発明は、広帯域分岐光回路であって、第1の光導波路部と、前記第1の光導波路部から分岐された第2の光導波路部とからなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記第1の光導波路部との分岐部における前記第1の光導波路部のコアの中心軸と前記第2の光導波路部のコアの中心軸とのなす角度は、5°よりも大きく15°よりも小さいことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is a broadband branch optical circuit, wherein an optical waveguide including a first optical waveguide portion and a second optical waveguide portion branched from the first optical waveguide portion is formed. And an angle between the central axis of the core of the first optical waveguide portion and the central axis of the core of the second optical waveguide portion at the branching portion with the first optical waveguide portion, It is characterized by being larger than 5 ° and smaller than 15 °.
請求項3に記載の発明は、広帯域分岐光回路であって、テーパ部を有する第1の入力光導波路部と、前記テーパ部に接続された第2の出力光導波路部および第3の出力光導波路部とからなる光導波路が形成された平面光波回路を備え、前記第2の出力光導波路部および前記第3の出力光導波路部の前記テーパ部との接続端面は平行であり、前記第2の出力光導波路部および前記第3の出力光導波路部の前記接続端面における導波路幅は異なることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is a broadband branch optical circuit, which comprises: a first input optical waveguide having a tapered portion; a second output optical waveguide connected to the tapered portion; and a third output light guide A planar lightwave circuit in which an optical waveguide composed of a waveguide portion is formed, and a connection end face of the second output optical waveguide portion and the tapered portion of the third output optical waveguide portion is parallel; The waveguide widths at the connection end faces of the output optical waveguide part and the third output optical waveguide part are different.
本発明は、分岐光回路の分岐率の波長依存性を小さくでき、平面光波回路を用いた簡易な構造で実現することができる。 The present invention can reduce the wavelength dependency of the branching ratio of the branching optical circuit, and can be realized with a simple structure using a planar lightwave circuit.
本発明は、光導波路同士を浅い角度で交差、又は枝分かれさせることで、光の干渉を利用するのではなく、物理的に光を分岐する。 The present invention crosses or branches light waveguides at a shallow angle, thereby physically branching light rather than utilizing light interference.
(実施形態1)
従来、平面光波回路において、導波路の交差部は、交差角θを大きくして光が漏れてしまわないように設計していた。これに対し、本発明の実施形態1では、導波路交部の交差角θを小さくして光の漏れを積極的に利用し、波長依存性の低い光の分岐を実現する。
(Embodiment 1)
Conventionally, in the planar lightwave circuit, the intersections of the waveguides are designed so as to prevent light leakage by increasing the intersection angle θ. On the other hand, in the first embodiment of the present invention, the intersection angle θ of the waveguide intersection portion is reduced to actively use the light leakage to realize the branching of the light with low wavelength dependency.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図4に、本発明の実施形態1に係る分岐光回路10の構成を示す。分岐光回路10は、PLC上に形成された光回路でる。光導波路部11、12は、どちらも導波路幅2μm、比屈折率差0.45%とし、コアの中心軸の交差角θが10°程度、すなわち5°よりも大きく15°よりも小さくなるように交差されている。分岐率kは、光導波路部11の入力端11aに入射した光の強度を1としたときの、光導波路部12の出力端12bから出射される光の強度とする。
FIG. 4 shows the configuration of the branching
図5に、実施形態1の分岐光回路10での、その交差角θを5°、10°、15°とした時の波長450nm〜650nmにおける分岐率の計算結果を示す。また図6に、同様に実施形態1の分岐光回路10での損失の計算結果を示す。
FIG. 5 shows calculation results of the branching ratio at
交差角θが5°程度の場合、図5に示すように、波長450nm〜650nmにおいて最大の分岐率が波長650nmで約2%、最少の分岐率が波長450〜500nmで約0.2%となり、分岐率kの波長依存性が大きい。加えて、図6に示すように、全波長において10%以上の損失も発生する。また、交差角θが15°程度の場合、図5に示すように、波長450nm〜650nmにわたって波長に関係なくほとんど分岐されない。 When the crossing angle θ is about 5 °, as shown in FIG. 5, the maximum branching ratio is about 2% at a wavelength of 450 nm to 650 nm and about 0.2% at a wavelength of 450 to 500 nm. The wavelength dependency of the branching ratio k is large. In addition, as shown in FIG. 6, a loss of 10% or more occurs at all wavelengths. Further, when the crossing angle θ is about 15 °, as shown in FIG. 5, the light beam is hardly branched regardless of the wavelength over the wavelength of 450 nm to 650 nm.
これに対し本実施形態のようにコアの中心軸の交差角θを10°程度に設定すると、波長450nm〜650nmにおいて、最大の分岐率kが波長550nmで約1.5%、最少の分岐率kが波長450nmで約1.1%となり、波長に関係なく、約1%の分岐率を得ることが可能となる。さらに、このときの損失は、図6に示すように波長450nmで最大で5%程度に抑えられる。
On the other hand, if the crossing angle θ of the central axis of the core is set to about 10 ° as in this embodiment, the maximum branching ratio k is about 1.5% at the
このように、モニタ用などに僅かな光を分岐するには、交差角θを10°程度、すなわち5°よりも大きく15°よりも小さく設定した交差導波路を用いることで、非常に簡易で、波長依存性の小さい分岐光回路が実現できる。 As described above, in order to split a small amount of light for monitoring, etc., it is extremely simple to use a cross waveguide in which the crossing angle θ is set to about 10 °, that is, more than 5 ° and less than 15 °. A branched optical circuit with small wavelength dependency can be realized.
尚、図4では、導波路を交差させたが、本実施形態では図7に示すように、入出力端を有する2本の光導波路部を交差させる代わりに、入力端21aおよび出力端21bを有する光導波路部21と、光導波路部21から分岐された(枝分かれされた)分岐光導波路部22からなる分岐光回路20においても、角度θを10°程度、すなわち5°よりも大きく15°よりも小さくすることにより同様の効果が得られることは言うまでもない。
Although the waveguides are crossed in FIG. 4, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, the
(実施形態2)
図8に、本発明の実施形態2に係る分岐光回路30の構成を示す。実施形態1では単に同じ幅の導波路を交差または枝分かれさせたが、本実施形態に係る分岐光回路30は、1つの入力光導波路31の導波路幅をテーパ状に広げ、拡径端部34において主出力光導波路32と分岐出力光導波路33とに枝分かれさせた分岐光回路である。主出力光導波路32および分岐出力光導波路33の入力光導波路31との接続端面は平行であり、主出力光導波路32の導波路幅t1と分岐出力光導波路33の導波路幅t2とは、接続端面においてそれぞれ異なる。主出力光導波路32は、分岐出力光導波路33よりも導波路幅が広く(t2>t1)、分岐率kも高いため、より高強度の光が伝搬する。図8に示す分岐光回路は、主出力光導波路32は直線導波路からなり、分岐出力光導波路33は曲線導波路および直線導波路からなるが、曲げ損失が許容される範囲内であれば主出力光導波路32も曲線導波路を含む構成とすることもできる。分岐率kは、入力光導波路31の入力端31aに入射した光の強度を1としたときの、分岐出力光導波路33の出力端33bから出射される光の強度とする。
Second Embodiment
FIG. 8 shows the configuration of the branching
図9に、本発明の実施形態2に係る分岐光回路30において、その分岐部の導波路幅の比(t1/(t1+t2))を変化させた時の、R(650nm)、G(520nm)、B(450nm)の分岐率kのシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、入力光導波路31および分岐出力光導波路32の導波路幅t1は2μmに固定し、主出力光導波路33の導波路幅t2を変化させることにより行ったものである。また、入力光導波路31、主出力光導波路32および分岐出力光導波路33は、全て非屈折率差を0.45%とした。図9に示すように、R(650nm)、G(520nm)、B(450nm)のいずれの分岐率kも主出力光導波路32の導波路幅t2の変化に対して同じように変化しており、分岐率kの変化の波長依存性は低い。
FIG. 9 shows R (650 nm) when the waveguide width ratio (t 1 / (t 1 + t 2 )) of the branch portion is changed in the branch
このように本実施形態に係る分岐光回路30では、導波路幅比(t1/t2)を変えることで、波長依存性を低く維持したまま分岐率を変化させることができる。
As described above, in the branching
10、20、30 分岐光回路
11、12、21、22 光導波路
31 入力光導波路
32 主出力光導波路
33 分岐出力光導波路
100 プロジェクタ
101 LD
102、106 レンズ
103 ハーフミラー
104 PD
105 ダイクロイックミラー
107 MEMSミラー
110 スクリーン
200 RGBカプラモジュール
10, 20, 30 Branching
102, 106
105
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