JP2019035876A

JP2019035876A - 光集積回路

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Publication number: JP2019035876A
Application number: JP2017157626A
Authority: JP
Inventors: 隼志阪本; Hayashi Sakamoto; 笠原　亮一; Ryoichi Kasahara; 亮一笠原; 橋本　俊和; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: JP6691518B2

Abstract

【課題】素子の小型化及び歩留まりの向上を実現可能な光集積回路を提供すること。【解決手段】本発明の光集積回路は、赤色光を出力する赤色光レーザと、緑色光を出力する緑色光レーザと、青色光を出力する青色光レーザと、前記赤色光レーザ、前記緑色光レーザ及び前記青色光レーザのいずれか１つにそれぞれ光結合した第１乃至第３の光導波路を有する平面光波回路と、を備えた光集積回路であって、前記第１乃至第３の光導波路は、それぞれ出力ポートを有し、前記第１の光導波路の出力ポートは、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の出力ポート間に設けられており、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の出力ポート間の間隔は、１５μｍ以内であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、光集積回路に関し、より詳細には、例えば、可視光のＲＧＢ（Ｒ：赤色光、Ｇ：緑色光、Ｂ：青色光）の３原色の光を出力する光集積回路に関する。

近年、眼鏡型端末やプロジェクタ用の可視光の３原色光を合波する回路素子として、石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）を用いたＲＧＢカプラモジュールが注目されている（例えば非特許文献１参照）。ＰＬＣは、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と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。

３原色光の合波回路としては、例えば、方向性結合器及び／又はマッハ・ツェンダ干渉計（非特許文献１参照）を利用するものが存在する。本明細書では、最も単純な方向性結合器を用いた場合について、図１を例に説明する。

図１は、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュールの基本構造を示す。図１に示すように、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュールの基本構造は、それぞれが可視光レーザに結合した、第１乃至第３の光導波路１乃至３の３本の光導波路で形成される。第１の光導波路１には第１の方向性結合器４が結合されている。第２の光導波路２には出力導波路５が結合されている。第３の光導波路３には第２の方向性結合器６が結合されている。第１の方向性結合器４は、波長λ１の光を第１の光導波路１から第２の光導波路２に結合するとともに、波長λ２の光を第２の光導波路２から第１の光導波路１に結合し、第１の光導波路１から第２の光導波路２に結合するように、導波路長と、導波路幅と、導波路間のギャップとが設計されている。第２の方向性結合器６は、波長λ３の光を第３の光導波路３から第２の光導波路２に結合し、波長λ１及び波長λ２の光を透過するように、導波路長と、導波路幅と、導波路間のギャップとが設計されている。

λ１＜λ２＜λ３として、例えば第１の光導波路１には青色の光（波長λ１）を入射し、第２の光導波路２には緑色の光（波長λ２）を入射し、第３の光導波路３には赤色の光（波長λ３）を入射する。３色の光は、第１の方向性結合器４及び第２の方向性結合器６を介して合波されて出力導波路５から出力される。３原色光の合波回路では、バンド幅比の小さな通信用の光合波回路とは異なり、青色の光の波長（波長帯４００ｎｍ）と赤色の光の波長（波長帯７００ｎｍ）とが大きく異なることから、結合長の波長依存性が顕著に出る。そのため、このような構成が実現可能となる。

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 330 (2014) 45-48

しかしながら、図１に示す従来の光合波回路のように、３原色光の各色の光を方向性結合器などの合波部を用いて同一導波路に合波する場合、合波部を作製する際に厳しい作製トレランスが要求されるため、歩留まりが低下するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、素子の小型化及び歩留まりの向上を実現可能な光集積回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光集積回路は、赤色光を出力する赤色光レーザと、緑色光を出力する緑色光レーザと、青色光を出力する青色光レーザと、前記赤色光レーザ、前記緑色光レーザ及び前記青色光レーザのいずれか１つにそれぞれ光結合した第１乃至第３の光導波路を有する平面光波回路と、を備えた光集積回路であって、前記第１乃至第３の光導波路は、それぞれ出力ポートを有し、前記第１の光導波路の出力ポートは、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の出力ポート間に設けられており、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の出力ポート間の間隔は、１５μｍ以内であることを特徴とする。

本発明に係る光集積回路によれば、素子の小型化及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。

ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュールの基本構造を示す図である。本発明の実施例１に係る光集積回路の構成を例示する図である。本発明の実施例２に係る光集積回路の構成を例示する図である。本発明の実施例３に係る光集積回路の構成を例示する図である。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る光集積回路の構成を例示する。図２には、緑色光を出力する可視光レーザＧと、赤色光を出力する可視光レーザＲと、青色光を出力する可視光レーザＢと、ＰＬＣ１００と、を備えた光集積回路が示されている。以下、可視光レーザＲ、Ｇ及びＢが出力する光をそれぞれ光Ｒ、Ｇ及びＢと表す。

図２に示されるように、ＰＬＣ１００は、可視光レーザＲに光結合した第１の光導波路１０１と、可視光レーザＧに光結合した第２の光導波路１０２と、可視光レーザＢに光結合した第３の光導波路１０３と、を含む。第１乃至第３の光導波路１０１乃至１０３は、可視光レーザＲ、Ｇ及びＢから入力した光Ｒ、Ｇ及びＢを出力する出力ポートを有する。第１の光導波路１０１の出力ポートは、第２及び第３の光導波路１０２及び１０３の出力ポート間に設けられている。

図２に示されるように、本実施例１に係る光集積回路では、可視光レーザＲ、Ｇ及びＢはＰＬＣ１００の出力ポートが設けられた出力端面と対向する第１の端面に配置されている。

第２及び第３の光導波路１０２及び１０３は、それぞれ、９０°の光路変換用の第１の曲げ導波路部分１０２₁及び１０３₁並びに第２の曲げ導波路部分１０２₂及び１０３₂を有している。光Ｇが伝搬する第２の光導波路１０２の第１及び第２の曲げ導波路部分１０２₁及び１０２₂は、光Ｂが伝搬する第３の光導波路１０３の第１及び第２の曲げ導波路部分１０３₁及び１０３₂よりも曲げ半径が大きくなるように構成されている。例えば、導波路の屈折率差が０．４５％、導波路幅及び厚みが３．５μｍの場合、第２の光導波路１０２の第１及び第２の曲げ導波路部分１０２₁及び１０２₂の曲げ半径は好ましくは２．０ｍｍとし、第３の光導波路１０３の第１及び第２の曲げ導波路部分１０３₁及び１０３₂の曲げ半径は好ましくは１．５ｍｍとすることができる。

第１乃至第３の光導波路１０１乃至１０３は、出力ポートに近づくにつれて徐々に各光導波路の幅が小さくなっていき、その出力ポートにおいて、基本モード光を構成できるような幅を少なくとも有するように構成されている。例えば、導波路の屈折率差が０．４５％、導波路幅及び厚みが３．５μｍの場合、第１乃至第３の光導波路１０１乃至１０３の入力ポートにおける幅は３．５μｍとし、出力ポートに向けて徐々に幅を小さくしていき、出力ポートにおける幅が１．０μｍとなるように光導波路幅を設計することができる。

また、第１乃至第３の光導波路１０１乃至１０３の各出力ポートは、第１乃至第３の光導波路１０１乃至１０３を点光源とみなすことができるように近接している。例えば、３つの出力ポートが１５μｍ以内に存在すれば、人の目には各出力ポートから出力される光が１つの出力ポート（点光源）から出力されたものと見えるため、第２及び第３の光導波路１０２及び１０３間の間隔が１５μｍ以内になるように構成することができる。しかしながら、出力ポートのズレは、映像化した際の映像のにじみの原因となる為、必要最低限に抑えることが望ましい。

このように、本発明では、３原色の各光を１本の光導波路に合波せず、出力ポートに近づくにつれて徐々に各導波路の幅を細らせ、３本の光導波路の出力ポートを点光源とみなすことができる程度に近づける構成としている。それにより、素子の小型化及び歩留まりの向上を実現可能な光集積回路を提供することが可能となる。

（実施例２）
図３は、本発明の実施例２に係る光集積回路の構成を例示する。図３には、緑色光を出力する可視光レーザＧと、赤色光を出力する可視光レーザＲと、青色光を出力する可視光レーザＢと、ＰＬＣ２００と、を備えた光集積回路が示されている。

ＰＬＣ２００は、可視光レーザＧに光結合した第１の光導波路２０１と、可視光レーザＲに光結合した第２の光導波路２０２と、可視光レーザＢに光結合した第３の光導波路２０３と、を含む。第１乃至第３の光導波路２０１乃至２０３はそれぞれ出力ポートを有する。第１の光導波路２０１の出力ポートは、第２及び第３の光導波路２０２及び２０３の出力ポート間に設けられている。

図３に示されるように、本実施例２に係る光集積回路では、可視光レーザＲはＰＬＣ２００の出力ポートが設けられた出力端面と対向する第１の端面に配置され、可視光レーザＧ及びＢはＰＬＣ２００の出力端面及び第１の端面とは異なる第２の端面に配置されている。

第１及び第３の光導波路２０１及び２０３は、それぞれ、９０°の光路変換用の曲げ導波路部分２０１₁及び２０３₁を有している。光Ｇが伝搬する第１の光導波路２０１の曲げ導波路部分２０１₁は、光Ｂが伝搬する第３の光導波路２０３の曲げ導波路部分２０３₁よりも曲げ半径が大きくなるように構成されている。例えば、導波路の屈折率差が０．４５％、導波路幅及び厚みが３．５μｍの場合、第１の光導波路２０１の曲げ導波路部分２０１₁の曲げ半径は好ましくは２．０ｍｍとし、第３の光導波路２０３の曲げ導波路部分２０３₁の曲げ半径は好ましくは１．５ｍｍとすることができる。

第１乃至第３の光導波路２０１乃至２０３は、出力ポートに近づくにつれて徐々に各光導波路の幅が小さくなっていき、その出力ポートにおいて、基本モード光を構成できるような幅を少なくとも有するように構成されている。例えば、導波路の屈折率差が０．４５％、導波路幅及び厚みが３．５μｍの場合、第１乃至第３の光導波路２０１乃至２０３の入力ポートにおける幅は３．５μｍとし、出力ポートに向けて徐々に幅を小さくしていき、出力ポートにおける幅が１．０μｍとなるように光導波路幅を設計することができる。

また、第１乃至第３の光導波路２０１乃至２０３の各出力ポートは、第１乃至第３の光導波路２０１乃至２０３を点光源とみなすことができるように近接している。例えば、３つの出力ポートが１５μｍ以内に存在すれば、人の目には各出力ポートから出力される光が１つの出力ポート（点光源）から出力されたものと見えるため、第１及び第３の光導波路２０１及び２０３間の間隔が１５μｍ以内になるように構成することができる。しかしながら、出力ポートのズレは、映像化した際の映像のにじみの原因となる為、必要最低限に抑えることが望ましい。

このように、本実施例２のような導波路構造を利用する場合であっても、素子の小型化及び歩留まりの向上を実現可能な光集積回路を提供することが可能となる。

（実施例３）
図４は、本発明の実施例３に係る光集積回路の構成を例示する。図３には、緑色光を出力する可視光レーザＧと、赤色光を出力する可視光レーザＲと、青色光を出力する可視光レーザＢと、ＰＬＣ３００と、を備えた光集積回路が示されている。ＰＬＣ３００は、可視光レーザＲに光結合した第１の光導波路３０１と、可視光レーザＧに光結合した第２の光導波路３０２と、可視光レーザＢに光結合した第３の光導波路３０３と、を含む。第１の光導波路３０１の出力ポートは、第２及び第３の光導波路３０２及び３０３の出力ポート間に設けられている。

図４に示されるように、本実施例３に係る光集積回路では、可視光レーザＲ、Ｇ及びＢは、ＰＬＣ３００の出力ポートが設けられた出力端面及び当該出力端面に対向する第１の端面とは異なる第２の端面に配置されている。

第１乃至第３の光導波路３０１乃至３０３は、それぞれ、９０°の光路変換用の曲げ導波路部分３０１₁乃至３０３₁を有している。光Ｒが伝搬する第２の光導波路３０２の曲げ導波路部分３０２₁は、光Ｇが伝搬する第１の光導波路３０１の曲げ導波路部分３０１₁よりも曲げ半径が大きくなるように構成され、光Ｇが伝搬する第１の光導波路３０１の曲げ導波路部分３０１₁は、光Ｂが伝搬する第３の光導波路３０３の曲げ導波路部分３０３₁よりも曲げ半径が大きくなるように構成されている。例えば、導波路の屈折率差が０．４５％、導波路幅及び厚みが３．５μｍの場合、第１の光導波路３０１の曲げ導波路部分３０１₁の曲げ半径は好ましくは２．０ｍｍとし、第２の光導波路３０２の曲げ導波路部分３０２₁の曲げ半径は好ましくは５．０ｍｍとし、第３の光導波路３０３の曲げ導波路部分３０３₁の曲げ半径は好ましくは１．５ｍｍとすることができる。

第１乃至第３の光導波路３０１乃至３０３は、出力ポートに近づくにつれて徐々に各光導波路の幅が小さくなっていき、その出力ポートにおいて、基本モード光を構成できるような幅を少なくとも有するように構成されている。例えば、導波路の屈折率差が０．４５％、導波路幅及び厚みが３．５μｍの場合、第１乃至第３の光導波路３０１乃至３０３の入力ポートにおける幅は３．５μｍとし、出力ポートに向けて徐々に幅を小さくしていき、出力ポートにおける幅が１．０μｍとなるように光導波路幅を設計することができる。

また、第１乃至第３の光導波路３０１乃至３０３の各出力ポートは、第１乃至第３の光導波路３０１乃至３０３を点光源とみなすことができるように近接している。例えば、３つの出力ポートが１５μｍ以内に存在すれば、人の目には各出力ポートから出力される光が１つの出力ポート（点光源）から出力されたものと見えるため、第１及び第３の光導波路３０１及び３０３間の間隔が１５μｍ以内になるように構成することができる。しかしながら、出力ポートのズレは、映像化した際の映像のにじみの原因となる為、必要最低限に抑えることが望ましい。

このように、本実施例３のような導波路構造を利用する場合であっても、素子の小型化及び歩留まりの向上を実現可能な光集積回路を提供することが可能となる。

以上、本発明について上記実施例１乃至３を用いて説明したが、本発明は、上記実施例に限定されず、本発明の概念に逸脱しない程度に適宜変更可能である。例えば、上記実施例１乃至３では、図２乃至図４に示したような可視光レーザＲ、Ｇ及びＢの配置としたが、これに限定されず、可視光レーザＲ、Ｇ及びＢの配置を入れ替えることにより適宜構成してもよい。また、上記実施例では、曲げ導波路を用いて第１乃至第３の光導波路を近づけるように構成したが、これに限定されず、他の手法により第１乃至第３の光導波路を近づけるように構成してもよい。

Claims

赤色光を出力する赤色光レーザと、
緑色光を出力する緑色光レーザと、
青色光を出力する青色光レーザと、
前記赤色光レーザ、前記緑色光レーザ及び前記青色光レーザのいずれか１つにそれぞれ光結合した第１乃至第３の光導波路を有する平面光波回路と、
を備えた光集積回路であって、
前記第１乃至第３の光導波路は、それぞれ出力ポートを有し、
前記第１の光導波路の出力ポートは、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の出力ポート間に設けられており、
前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路の出力ポート間の間隔は、１５μｍ以内であることを特徴とする光集積回路。
前記第１乃至第３の光導波路は、前記第１乃至第３の光導波路の入力ポートから前記出力ポートに近づくにつれて光導波路幅が徐々に小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
前記赤色光レーザは前記第１の光導波路に光結合され、
前記緑色光レーザは前記第２の光導波路に光結合され、
前記青色光レーザは前記第３の光導波路に光結合され、
前記第１乃至第３の光導波路の入力ポートは、前記平面光波回路において前記出力ポートが設けられた出力端面と対向する端面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
前記第２及び第３の光導波路は、９０°の光路変換用の第１及び第２の曲げ導波路部分を有することを特徴とする請求項３に記載の光集積回路。
前記緑色光レーザは前記第１の光導波路に光結合され、
前記赤色光レーザは前記第２の光導波路に光結合され、
前記青色光レーザは前記第３の光導波路に光結合され、
前記第２の光導波路の入力ポートは、前記平面光波回路において前記出力ポートが設けられた出力端面と対向する第１の端面に設けられ、
前記第１及び第３の光導波路の入力ポートは、前記平面光波回路において前記出力端面及び前記第１の端面とは異なる第２の端面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
前記第１及び第３の光導波路は、９０°の光路変換用の曲げ導波路部分を有することを特徴とする請求項５に記載の光集積回路。
前記緑色光レーザは前記第１の光導波路に光結合され、
前記赤色光レーザは前記第２の光導波路に光結合され、
前記青色光レーザは前記第３の光導波路に光結合され、
前記第１乃至第３の光導波路の入力ポートは、前記平面光波回路において前記出力ポートが設けられた出力端面及び前記出力端面と対向する第１の端面とは異なる第２の端面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
前記第１乃至第３の光導波路は、９０°の光路変換用の曲げ導波路部分を有することを特徴とする請求項７に記載の光集積回路。