JP2024058375A - 合成光生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】さらなる小型化を実現すると共に、さらなる小型化に伴う生産性向上により製造コストを低減した合成光生成装置を提供する。【解決手段】波長の異なる光を出力する複数個のレーザダイオードと、前記波長の異なる光をそれぞれ複数個の入力ポートから入力し光合波器まで導波する複数個の入力光導波路、前記波長の異なる光を合波して多重光とする光合波器、及び少なくとも１個の出力ポートから前記多重光を出力する出力光導波路を含む光合波回路と、を備えた合成光生成装置であって、前記複数の入力ポートの隣接する中心軸間の距離が１００～７００μｍであることを特徴とする合成光生成装置である。【選択図】 図３

Description

本発明は、波長の異なる光を出力する複数個のレーザダイオードと、前記波長の異なる光をそれぞれ複数個の入力ポートから入力し光合波器まで導波する複数個の入力光導波路、前記波長の異なる光を合波して多重光とする光合波器、及び少なくとも１個の出力ポートから前記多重光を出力する出力光導波路を含む光合波回路と、を備えた合成光生成装置に関する。

近年、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置の光源として、複数のレーザダイオードを光源として用いた光合波器を備えた合成光生成装置が知られている（特許文献１を参照）。前記光合波器は、シリコン基板上に公知の化学気相成長法（ＣＶＤ）やスパッタリング法等を用いて低屈折率及び高屈折率のシリコン酸化膜を積層形成した後、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、さらに低屈折率シリコン酸化膜を積層形成するという工程を経て製造される。

また、光源である複数のレーザダイオードを載置した支持基板と、複数の波長を合波する複数の導波路を備えた合波器とを有し、前記支持基板と前記合波器を互いに位置合わせする位置合わせ機構を有する合成光生成装置も知られている（特許文献２を参照）。ここで、前記合成光生成装置は、光源と合波器等をワンタッチ装着することも可能である。

しかし、従来技術の合成光生成装置において、小型化及び製造コストの低減には限界があり、さらなる小型化の実現及び製造コストの低減が困難であるという問題があった。

特開２０１３－１９５６０３号公報 特開２０１８－１２４３９４号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、さらなる小型化を実現すると共に、さらなる小型化に伴う生産性向上により製造コストを低減した合成光生成装置を提供することを目的とする。

本発明は、波長の異なる光を出力する複数個のレーザダイオードと、前記波長の異なる光をそれぞれ複数個の入力ポートから入力し光合波器まで導波する複数個の入力光導波路、前記波長の異なる光を合波して多重光とする光合波器、及び少なくとも１個の出力ポートから前記多重光を出力する出力光導波路を含む光合波回路と、を備えた合成光生成装置であって、
前記複数個の入力ポートの隣接する中心軸間の距離が１００～７００μｍであることを特徴とする合成光生成装置を提供する。

前記入力光導波路の曲線部分長さが２００～３４００μｍであることが好ましい。

前記複数個のレーザダイオードの中で、発光波長が最も小さいレーザダイオードに対応する、前記入力光導波路の曲線部分の曲率半径が最も小さくなることが好ましい。

前記複数個のレーザダイオードの発光波長が小さくなるほど、前記入力光導波路の曲線部分の曲率半径が小さくなることが好ましい。

前記複数個のレーザダイオードがベース基板上に配設されたそれぞれのサブマウント上に搭載されることが好ましい。

合成光生成装置は、前記複数個のレーザダイオードが搭載されたそれぞれのサブマウント、光合波路回路、及びベース基板を別個に製造した後に組合せたものであることが好ましい。

前記複数個のレーザダイオードがベース基板上に配設された１つのサブマウント上に搭載されることが好ましい。

合成光生成装置は、前記複数個のレーザダイオードが搭載された１つのサブマウント、光合波路回路、及びベース基板を別個に製造した後に組合せたものであることが好ましい。

前記複数個のレーザダイオードが直接ベース基板上に搭載されることが好ましい。

合成光生成装置は、前記複数個のレーザダイオード、光合波路回路、及びベース基板を別個に製造した後に組合せたものであることが好ましい。

前記光合波回路において、余剰光を除去するための反射溝を有することが好ましい。

前記反射溝の底面に金属薄膜を形成していることが好ましい。

また、本発明は前記合成光生成装置を含む画像投影装置を提供する。

本発明によれば、複数個の入力ポートの隣接する中心軸間の距離等を特定した、さらなる小型化を実現した合成光生成装置を得ることができると共に、前記合成光生成装置に用いるシリコン基板形状の小型化に伴い、１枚のシリコンウエハーから製作可能な前記シリコン基板の数が増加し、生産性が向上することにより製造コストを低減することが可能となる。

実施例１の合成光生成装置の図である。ここで、（ａ）は上面図、（ｂ）は上面図の下側から見た側面図、（ｃ）は上面図の入力ポート端面における断面図、（ｄ）は上面図の右側から見た側面図である。 実施例２の合成光生成装置の図である。ここで、（ａ）は上面図、（ｂ）は上面図の下側から見た側面図である。 実施例３の合成光生成装置の上面図である。 実施例４の合成光生成装置の上面図である。 実施例５の合成光生成装置の製造過程における斜視図である。 実施例５の合成光生成装置の図である。ここで、（ａ）は上面図、（ｂ）は上面図の下側から見た側面図である。

以下、本発明を実施するための実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。

図１（ａ）は実施例１の合成光生成装置１０１における上面図である。赤色光レーザダイオード３、緑色光レーザダイオード４及び青色光レーザダイオード５はそれぞれサブマウント２の上に搭載され、それぞれのレーザダイオードから出力された光は、対応する３つの入力ポート１８（図示なし）から入力され、それぞれの入力光導波路６を経由し、光合波器７で合波された後、出力光導波路８を経由し、１つの出力ポート１９（図示なし）から出力される。ここで、前記入力ポート１８から出力ポート１９までの回路全体を光合波回路とする。また、前記光合波器７は、入力光導波路６から入力された３種類の光について、方向性結合器等を用いた公知の手段、方法によって１つの多重光に合波した後、出力光導波路８へ出力する機能を有する部分を概念的に示すものであり、具体的に前記光合波器７を定義する境界線は存在しない。後述する図４に示した反射溝等の説明に必要であるため、前記光合波器７を概念的に用いる。前記光合波器７の概念的形状は、合成光生成装置１０１が長方形であることから、合成光生成装置のそれぞれの辺に平行な辺を有する長方形を用いる。

前記合成光生成装置１０１の上下方向の幅は、隣接する入力ポートの中心軸間の距離１６及び入力ポート外側の距離１７の合計（（距離１６＋距離１７）×２）で表される。ここで、上記隣接する入力ポートの中心軸間の距離１６は１００～７００μｍであり、１２０～６５０μｍであることが好ましく、１４０～５５０μｍであることがさらに好ましく、１４０～４５０μｍであることが特に好ましい。隣接する入力ポートの中心軸間の距離１６は、レーザダイオードの隣接する光軸間の距離と一致しており、現在市販されているレーザダイオードの本体の最小幅は約１００μｍであることから、前記距離１６が１００μｍ未満であると、レーザダイオード本体を隣接して配設することができなくなる可能性がある。５５０μｍを超えると、本発明の合成光生成装置のさらなる小型化が困難となる可能性がある。

図１（ａ）において、緑色光レーザダイオード４に対応する入力光導波路６は直線形状であり、赤色光レーザダイオード３及び青色光レーザダイオード５のそれぞれに対応する入力光導波路６は、前記直線形状の入力光導波路６に対して、ほぼ左右対称となる曲線形状となっている。ここで、それぞれの入力光導波路６は、入力ポート１８（図示なし）から一定の直線部分長さ１２を有しており、その後、曲線部分長さ１３を経由して、光合波器７に接続する。前記入力光導波路６の曲線部分長さ１３は、２００～３４００μｍであり、４００～１７００μｍであることが好ましく、８００～１５００μｍであることがさらに好ましい。２００μｍ未満であると、曲線部分の曲率半径が小さくなりすぎて導波路からの漏洩光が大きくなる可能性がある。３４００μｍを超えると、本発明の合成光生成装置のさらなる小型化が困難となる可能性がある。

曲線部分長さ１３の始点位置、終点位置について、直線部分長さ１２における隣接する入力導波路６の中心軸間の距離が，入光ポート間の隣接する中心軸間の距離１６よりも小さくなり始める箇所を曲線部分長さ１３の始点位置とし，隣接する入力導波路６の中心軸間の距離が，光合波器回路として機能しない距離で且つ十分に隣接した距離、具体的には２０μm未満、になる箇所を曲線部分長さ１３の終点位置とする。

図１（ｂ）は実施例１の合成光生成装置１０１における前記上面図の下側から見た側面図である。ベース基板１１の上に公知の化学気相成長法およびエッチング加工等を行い、低屈折率シリコン酸化膜から構成されるクラッド９、高屈折率シリコン酸化膜から構成されるコア１０により合成光生成装置１０１は製造される。ここで、前記コア１０は光導波路として作用、機能するため、上面図である図１（ａ）における入力ポート１８、入力光導波路６、光合波器７内の光導波路、出力光導波路８、及び出力ポート１９に相当する。ここで、前記ベース基板１１の材料には、公知の熱伝導性が良く加工性に優れるシリコン、放熱性の高い窒化アルミニウム、石英等を用いることができる。

図１（ｃ）は実施例１の合成光生成装置１０１における入力ポート端面の断面図である。３つのレーザダイオードから出力された光は、それぞれ対応する３つの入力ポート１８から入力光導波路６に入力される。

図１（ｄ）は実施例１の合成光生成装置１０１における前記上面図の右側から見た側面図である。光合波器７で合波された多重光が出力光導波路８を経由して出力ポート１９から出力される。

図２（ａ）は実施例２の合成光生成装置１０２における上面図であり、図２（ｂ）は前記合成光生成装置１０２における上面図の下側から見た側面図である。サブマウント２が省略され、３つのレーザダイオード３～５が直接、ベース基板１１の上に搭載されている点以外はそれぞれ図１（ａ）及び図１（ｂ）と同じである。サブマウント２を省略することにより、部材の削減及び製造工程が簡略化できることから製造コストを低減できる。なお、サブマウント２の代替として、ベース基板１１上のレーザダイオード搭載部分にベース基板１１とは高さの異なる台座を設けてもよく、前記台座はエッチング加工時に製造できることから製造コストを大きく増加するものではない。

図３は実施例３の合成光生成装置１０３における上面図である。図１（ａ）の実施例１と比較すると、入力光導波路６の曲線部分について、発光波長が小さくなるほど入力光導波路６の曲線部分からの漏洩光が減少することから曲率半径を小さくすることが可能であるため、赤色光レーザダイオード３に対応する入力光導波路６、緑色光レーザダイオード４に対応する入力光導波路６、及び青色光レーザダイオード５に対応する入力光導波路６の中で、発光波長が最も小さい青色光レーザダイオード５に対応する入力光導波路６の曲線部分の曲率半径を最も小さくすることができる。青色光レーザダイオード５に対応する入力ポート１８と光合波器７を図３のように配置することにより、結果として入力光導波路６の曲線部分長さを最も小さくすることができる。

なお、この場合、赤色光レーザダイオード３に対応する入力光導波路６、及び緑色光レーザダイオード４に対応する入力光導波路６の曲率半径はどちらが小さくてもよいが、レーザダイオードの発光波長が小さくなるほど、つまり、赤色光レーザダイオード３に対応する入力光導波路６、緑色光レーザダイオード４に対応する入力光導波路６、青色光レーザダイオード５に対応する入力光導波路６の順に入力光導波路６の曲率半径を小さくすることが好ましい。

また、図３における赤色光レーザダイオード３、緑色光レーザダイオード４及び青色光レーザダイオード５は、１つのサブマウント２上に搭載されている点でも図１（ａ）の合成光生成装置１０１と異なる。１つのサブマウント２を用いることで、よりレーザダイオード間の距離を小さくでき、また、製造工程が簡略化できることから製造コストを低減できる。
ここで，前記サブマウント２の材料には，公知の熱伝導性が良く加工性に優れるシリコン、放熱性の高い窒化アルミ等を用いることができる．

図４（ａ）、（ｂ）は実施例４の合成光生成装置１０４における上面図であり、両者は反射溝２０、２１の形状が異なると共に、サブマウント２が３つのレーザダイオードごとに設けられるか１つであるのかで異なる。図１（ａ）の実施例１と比較すると、余剰光を除去するための反射溝２０、２１を光合波器７の側面部分に有する点で異なる。反射溝はエッチング等公知の方法を用いて加工することができる。本発明は小型であることから、レーザダイオード３～５から出力後、入力ポート１８に入力されなかった余剰光が光合波器の側面部分（クラッド）を通過し、出力ポート１９の端面から出力され、合成光生成装置の性能を低下させる可能性がある。反射溝２０、２１により前記余剰光を合成光生成装置１０４側面の外側へ反射することにより、出力ポート１９の端面から出力される余剰光を低減することができる。

前記反射溝形状について、図４（ａ）の反射溝２０は平行四辺形、図４（ｂ）の反射溝２１は三角形の形状を示しているが、これらの形状に限定されるものでなく、公知の反射溝形状を用いることが可能である。反射性能を向上できることから、反射溝の底面に金属薄膜を形成していることが好ましい。

反射溝の入射光面（入力光導波路６が存在せず、レーザダイオードからの出射光が直進したと仮定した場合において、当該出射光が反射溝に最初に入射する面）と光合波器７の側面（上記レーザダイオードから直進した出射光の方向と平行な面）がなす角度（補角の関係にある２つの角度の内、９０°未満の角度）は４５°以下であることが好ましく、４２°以下であることがさらに好ましい。反射溝の数は光合波器７の側面のそれぞれに１個以上あればよいが、余剰光を確実に除去できることから２個以上あることが好ましい。

図５は実施例５の合成光生成装置１０５の製造過程における斜視図である。光合波回路基板２２を含む光合波回路２３、３つのレーザダイオードを搭載した１つのサブマウント２、及びベース基板１１の３つの部材を別個に製造した後、前記光合波回路２３及びサブマウント２をベース基板１１上に一体化して合成光生成装置１０５とすることを示す。具体的には、実施例１～４と同様の製造方法を用いて、光合波回路基板２２上に３個の入力ポート１８、複数個の入力光導波路６（図示なし）、光合波器７（図示なし）、出力光導波路８（図示なし）、及び出力ポート１９（図示なし）を有する光合波回路２３を製造する。また別個に、赤色光レーザダイオード３、緑色光レーザダイオード４及び青色光レーザダイオード５を搭載する１つのサブマウント２を製造する。さらに別個に、ベース基板１１を製造する。その後、接着剤等を用いて前記光合波回路２３及びサブマウント２をベース基板１１上に固定することにより一体化し、合成光生成装置１０５を製造する。ここで、ベース基板１１上に固定する際、前記光合波回路２３を上下逆にして固定してもよい。また、サブマウント２を使用せず、３つのレーザダイオードを直接ベース基板１１上に搭載してもよい。
ここで、前記光合波回路基板２２の材料には、公知の熱伝導性が良く加工性に優れるシリコン、石英等を用いることができる。

図６（ａ）は実施例５の合成光生成装置１０５における上面図、図６（ｂ）は前記上面図の下側から見た側面図である。前記光合波回路基板２２を含む光合波回路２３、及び赤色光レーザダイオード３、緑色光レーザダイオード４及び青色光レーザダイオード５を搭載する１つのサブマウント２をベース基板１１上に固定することにより一体化した合成光生成装置１０５を示す。

光合波回路２３、サブマウント２、及びベース基板１１の３つの部材を別個に製造することにより、合成光生成装置における多数の製造工程をそれぞれの部材の製造工程に分割し、それぞれの部材を同時並行で製造することができる。また、それぞれの部材の製造途中で不良品が発生したとしても他の部材の良品率には影響しないことから、総合的な生産の効率が高くなるため、製造コストをさらに低減することが可能となる。

（実施例６～９、比較例１～２）
表１に、入力ポート外側の距離１７を２００μｍとすると共に、入力光導波路の直線部分長さ１２（直線長さ１２）、合波器長さ１４及び出力光導波路長さ１５の合計を２６９０μｍとした場合の、入力ポート１８の隣接する中心軸間の距離１６（入力ポート間距離１６）、及び入力光導波路の曲線部分長さ１３（曲線長さ１３）が異なる実施例６～９、比較例１～２の光合波回路の形状について、それぞれの幅及び長さ（図１～３の合成光生成装置の上面図の前記光合波回路における上下距離及び左右長さ）をＡ及びＢとして算出し、それぞれの前記光合波回路の面積（Ａ×Ｂ）を算出した結果を示す。

入力ポート間距離１６が小さくなるほど、入力光導波路間の距離が小さくなるため、入力光導波路の曲線部分長さ１３（曲線長さ１３）を小さくすることができる。また、前述したように現在市販されているレーザダイオード本体の最小幅は約１００μｍであることから、隣接するレーザダイオード本体間の冷却のための距離を少なくとも５０μｍと仮定して、入力ポート間距離１６の最小値は１５０μｍとした（実施例６）。そして、従来の入力ポート間距離１６は７５０μｍ以上とした（比較例１、２）。各実施例及び比較例の入力ポート間距離１６に応じて、シミュレーション解析を行い、入力光導波路の曲線部分長さ１３における漏洩光が発生しない最小値を算出した。

表１における前記光合波回路の面積について、実施例６～９は、比較例１～２に比較して小さくなることが明らかとなった。特に実施例６は、比較例１、２に対し、それぞれ１／３以下、１／４以下となることから、合成光生成装置について、さらなる小型化を実現すると共に、さらなる小型化に伴う生産性向上により製造コストを低減できることが明らかとなった。

本発明の合成光生成装置は、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置の光源として用いることができ、さらなる小型化を実現すると共に、さらなる小型化に伴う生産性向上により製造コストを低減することができる。

１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 合成光生成装置
２ サブマウント
３ 赤色光レーザダイオード
４ 緑色光レーザダイオード
５ 青色光レーザダイオード
６ 入力光導波路
７ 光合波器
８ 出力光導波路
９ クラッド
１０ コア
１１ ベース基板
１２ 入力光導波路の直線部分長さ
１３ 入力光導波路の曲線部分長さ
１４ 光合波器長さ
１５ 出力光導波路長さ
１６ 入力ポート間の隣接する中心軸間の距離
１７ 入力ポート外側の距離
１８ 入力ポート
１９ 出力ポート
２０ 平行四辺形反射溝
２１ 三角形反射溝
２２ 光合波回路基板
２３ 光合波回路

（実施例６～９、比較例１～２）
表１に、入力ポート外側の距離１７を２００μｍとすると共に、入力光導波路の直線部分長さ１２（直線長さ１２）、合波器長さ１４及び出力光導波路長さ１５の合計を３６００μｍとした場合の、入力ポート１８の隣接する中心軸間の距離１６（入力ポート間距離１６）、及び入力光導波路の曲線部分長さ１３（曲線長さ１３）が異なる実施例６～９、比較例１～２の光合波回路の形状について、それぞれの幅及び長さ（図１～３の合成光生成装置の上面図の前記光合波回路における上下距離及び左右長さ）をＡ及びＢとして算出し、それぞれの前記光合波回路の面積（Ａ×Ｂ）を算出した結果を示す。

Claims (13)

1. 波長の異なる光を出力する複数個のレーザダイオードと、前記波長の異なる光をそれぞれ複数個の入力ポートから入力し光合波器まで導波する複数個の入力光導波路、前記波長の異なる光を合波して多重光とする光合波器、及び少なくとも１個の出力ポートから前記多重光を出力する出力光導波路を含む光合波回路と、を備えた合成光生成装置であって、
   前記複数個の入力ポートの隣接する中心軸間の距離が１００～７００μｍであることを特徴とする合成光生成装置。
2. 前記入力光導波路の曲線部分長さが２００～３４００μｍである請求項１に記載の合成光生成装置。
3. 前記複数個のレーザダイオードの中で、発光波長が最も小さいレーザダイオードに対応する、前記入力光導波路の曲線部分の曲率半径が最も小さくなる請求項１または２に記載の合成光生成装置。
4. 前記複数個のレーザダイオードの発光波長が小さくなるほど、前記入力光導波路の曲線部分の曲率半径が小さくなる請求項１または２に記載の合成光生成装置。
5. 前記複数個のレーザダイオードがベース基板上に配設されたそれぞれのサブマウント上に搭載される請求項１または２に記載の合成光生成装置。
6. 前記複数個のレーザダイオードが搭載されたそれぞれのサブマウント、光合波路回路、及びベース基板を別個に製造した後に組合せた請求項５に記載の合成光生成装置。
7. 前記複数個のレーザダイオードがベース基板上に配設された１つのサブマウント上に搭載される請求項１または２に記載の合成光生成装置。
8. 前記複数個のレーザダイオードが搭載された１つのサブマウント、光合波路回路、及びベース基板を別個に製造した後に組合せた請求項７に記載の合成光生成装置。
9. 前記複数個のレーザダイオードが直接ベース基板上に搭載される請求項１または２に記載の合成光生成装置。
10. 前記複数個のレーザダイオード、光合波路回路、及びベース基板を別個に製造した後に組合せた請求項９に記載の合成光生成装置。
11. 前記光合波回路において、余剰光を除去するための反射溝を有する請求項１または２に記載の合成光生成装置。
12. 前記反射溝の底面に金属薄膜を形成している請求項１１に記載の合成光生成装置。
13. 請求項１または２に記載の合成光生成装置を含む画像投影装置。

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