JP2004151411A

JP2004151411A - 光結合装置およびその製造方法、映像表示装置

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Publication number: JP2004151411A
Application number: JP2002317062A
Authority: JP
Inventors: Akio Konuki; 明男小貫; Futoshi Ishii; 太石井; Kazuyoshi Fuse; 一義布施
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】コアとクラッドをそれぞれガラス材により構成し、半導体レーザ光に対する欠陥を防止し経時変化の少ない安定した光結合を実現する。
【解決手段】幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコア１２と前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッド１３とにより光導波路１１を構成し、コア１２の屈折率を１．６０〜１．６５とし、クラッド１３の屈折率を１．４５〜１．５５として所定の全反射条件が得られるようにすることで、光の反射、散乱、吸収の少ない特性に優れた光導波路１１を得ることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザや光ファイバ等の光学素子を光学的に接続する光結合装置とその製造方法、映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザと光ファイバを光学的に結合させるための光結合装置は、光導波路を用いて光結合する方法が取られている。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】
特開平７−６３９３５号公報（第１頁、図１）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特許文献１は、薄膜で導波路を形成するもので、この導波路では受光部のコア断面積を大きくできないことから高出力レーザの導波路としては不向きであった。
【０００４】
この発明の目的は、コアとクラッドをそれぞれガラス材により形成し、経時変化の少ない安定した光結合を実現する光結合装置とその製造方法、映像表示装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、この発明の光結合装置では、互いに異なった構造の光学素子を低損失で光結合させるためのものにあって、少なくとも幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコアと、前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッドと、を備え、光の伝播方向と直行する方向の前記コア断面形状を、光の入射部は横長で光の放出部が光ファイバのコア部直径に対して内接または外接する正方形とし、前記クラッドと接する４面がそれぞれ所定のテ−パ形状としたことを特徴とする。
【０００６】
また、この発明の光結合装置の製造方法では、コア材と第１のクラッド材を光学研磨面を接合し、前記接合された前記コア材をテーパ状に研磨し、前記研磨された面上に光学的に研磨された第２のクラッド部材を接合し、前記第１および第２のクラッド部材と前記コアとの接合面に直行する方向に所定の間隔で切り出して薄膜化し、前記薄膜の一方の切り出し面を光学研磨し、光学研磨された第３のクラッドを接合し、前記薄膜の他の切り出し面をテーパ状に光学的に研磨し、光学研磨された第４のクラッドを接合したことを特徴とする。
【０００７】
この発明の映像表示装置では、それぞれＲ，Ｇ，Ｂを出力する複数の光結合装置と、前記複数の光結合装置の各出力光を空間変調する複数の空間変調素子と、前記複数の空間変調素子によりそれぞれ空間変調されたＲ，Ｇ，Ｂ光を合成する合成手段と、前記合成手段の出力光を所定の位置に結像させる光学素子と、を具備し、前記複数の光結合装置のそれぞれは、発生したレーザ光を反射する反射面および出射面を有する半導体レーザと、該半導体レーザの出射面に対向する位置に配された少なくとも幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコアおよび該前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッドから構成された光導波路とにより構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明の映像表示装置では、それぞれＲ，Ｇ，Ｂを出力する複数の光結合装置と、前記複数の光結合装置の出力光を１つにまとめ、巨視的に見て白色光となるようにする白色光生成手段と、前記白色光生成手段の出力光を空間変調する空間変調素子と、前記空間変調素子により空間変調された光を所定の位置に結像させる光学素子と、を具備し、前記複数の光結合装置のそれぞれは、発生したレーザ光を反射する反射面および出射面を有する半導体レーザと、該半導体レーザの出射面に対向する位置に配された少なくとも幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコアおよび該前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッドから構成された光導波路とにより構成したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、この発明による光結合装置の一実施の形態について説明するための斜視図である。
図１において、１１は幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化ざせたガラス材で形成されたコア１２とこのコア１２の光の伝播方向を除く周囲にガラス材で形成されたスクラッド１３とにより構成した光導波路である。コア１２の屈折率は１．６０〜１．６５であり、クラッド３の屈折率は１．４５〜１．５５であり、所定の臨界角条件を満足させている。
【００１０】
また、コア１２の半導体レーザ１４の光を受光する入射面１５の断面形状は、半導体レーザ１４の活性層幅が例えば１５０μｍ〜５００μｍ、活性層厚が例えば０．１μｍ〜数μｍに近似した長方形で、光を放出する側の出射面１６の断面形状は光ファイバ１７のコア１８の直径が例えば１０μｍ〜３０μｍに内接する正方形とし、それぞれコア１２とクラッド１３が接する４面がテ−パ形状を形成する構造となっている。
【００１１】
図２は、図１の光導波路の側面図を示すとともに、光導波路１１と半導体レーザ１４と光ファイバ１７の接続関係を示す側断面図である。
図２において、基台２１にロウ材等で固定された半導体レーザ１４の誘導放出口２２と光導波路１１のコア１２の光入射面１５を突き合わせ、さらに光ファイバ１７のコア部１８と光導波路１１の光射出面１６を突き合わせることにより、半導体レーザ２２からの誘導放出される光エネルギーを反射、散乱、吸収しない効率の良い特性の優れた構造になっている。また、図中の矢印は、光の進行方向を示している。
【００１２】
このように、コアがガラス材で形成されているため入射された光の伝播を阻害する欠陥がなく半導体レーザ１５から発射されるレーザ光の光エネルギーをロスなく光ファイバ１７に伝播することができる。
【００１３】
次に、この発明の光導波装置の製造方法について図３〜図６を参照しながら説明する。
図３は光導波路１１の完成品を示し、中央のコア１２は屈折率が例えば１．６０〜１．６５の範囲のガラス材で形成し、また、周囲のクラッド１３は、屈折率が例えば１．４５〜１．５５の範囲の同じガラス材で形成する。そして、コア１２とクラッド１３のそれぞれが接する４面は、必要とする所定の寸法のテ−パを形成している。光導波路１１の入射面３１ａ側が、半導体レーザ１４との接続面を示している。テ−パ長さ寸法Ｌは、入射した光が全反射条件で反射を繰り返し効率良く光射出面に出てくる値とし、例えば２０ｍｍとする。
【００１４】
まず、図４（ａ）に示したように、ガラス材のコア部材１２１とクラッド部材１３１、例えば屈折率１．４５〜１．５５のガラス材を所定の寸法に準備し、コア部材１２１とクラッド部材１３１の接合面は、予め光学研磨仕上げ加工を施す。この光学研磨面を突き合わせ、２つのガラス材のうち低い方の転移点以下の温度と、圧力３００Ｋｇ／ｃｍ^２以上の低温・高圧接合を行う。
【００１５】
次に、図４（ｂ）に示したように、コア部材１２１とクラッド部材１３１が接合されたブロック４１のうち、コア部材１２１の方を半導体レーザ１４の活性層幅ＷＬ、例えば１５０μｍと光ファイバ１７のコア材１８の直径の内接寸法また
【００１６】
は、外接寸法Ｔｃ、例えば図は内接を示し２０μｍとなるような、テ−パ寸法に
光学研磨加工で仕上げ面４２を形成する。
そして、図４（ｃ）に示すように、同様の屈折率をもつクラッド部材１３２で、予め接合面を光学研磨した面４３を、テ−パ加工したコア部材１２１の上に突き合わせ、前述した低温・高圧接合をする。さらに、一点鎖線で示した方向に砥石切断機やバンドソー切断機で厚みを例えば２ｍｍに切断し、図５（ｄ）に示すサンドイッチ構造の薄板４４を作成する。さらに、図示した切断面５１を光学研磨仕上げ加工する。仕上げ除去量は、サンドイッチ構造の薄板４４の反りを考慮して０．２ｍｍ程度に抑える。
【００１７】
そして、図５（ｅ）では、サンドイッチ構造の薄板４４と予め準備しておいた同様の屈折率をもつクラッド部材１３３で、光学研磨仕上げ加工がしてある面５２と突き合わせ、同様の低温・高圧接合を実施し、接合ブロック５３を得る。
【００１８】
さらに、図６（ｆ）に示したように、接合ブロック５３のサンドイッチ構造薄板部４４を半導体レーザ１４の活性層厚ＴＬ、例えば５μｍと光ファイバ１７のコア１８の直径の内接寸法もしくは外接寸法Ｔｃ、例えば図は内接寸法を示し２０μｍを構成するテ−パに光学研磨仕上げ加工を行う。
【００１９】
最後に、同様の屈折率をもつクラッド部材１２ｄのブロックで１面を光学研磨仕上げ加工した面２１を図６（ｆ）で説明した接合ブロック２０の光学研磨面とを突き合わせて、同様の低温・高圧接合を実施し、出射面側から見た状態の図１に示した光導波路１１を得ることができる。また、端面６１，６２も両面とも光学研磨仕上げ加工を施す。
【００２０】
上記した製造方法では、コア部材とクラッド部材の接合は、それぞれの突合せ面を光学研磨仕上げ加工後、転移点Ｔｇ以下の温度と高加圧、例えば３００Ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力による低温・高圧接合により、コア部材とクラッド部材間の僅かな熱膨張係数差から発生するガラス材へのクラックの発生を防止でき、さらにコア部材を固体のまま接合するため溶融形成のような気泡、異物等の混入欠陥が生じることなく、半導体レーザの光エネルギーを効率良く伝達できる光結合装置が製作できる。
【００２１】
以上、図４〜図６に示す（ａ）〜（ｇ）の各工程を経て図３に示す光導波路を得ることができる。なお、前述してきた光学研磨とは、加工面粗さがＲｍａｘ≦λ／１０（λ：光の波長）程度の平滑な面を指している。
【００２２】
図７は、この発明の光結合装置を用いた映像表示装置の一実施の形態を概略的に示したものである。
７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂは、Ｒ，Ｇ，Ｂの出射光を得る光結合装置である。この例では、各光結合装置７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂは、図２に示した構成を用いている。
すなわち、光結合装置７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂは、それぞれ半導体レーザ１４、光導波路１１、光ファイバ１７を有する。光結合装置７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂは、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの出力光が得られるように光ファイバ１７に添加する希土類およびその濃度などが設定されている。
【００２３】
各光結合装置７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂから出力されるＲ，Ｇ，Ｂ光は、それぞれの光に応じた液晶パネル７２Ｒ，７２Ｇ，７２Ｂに入射され空間変調を受ける。空間変調を受けたＲ，Ｇ，Ｂ光は、ダイクロイックプリズムなどの合成手段７３によって合成され、投射レンズ７４に入射する。この入射光は、投射レンズ７４によってスクリーン７５に映像として表示させる。
【００２４】
図８は、この発明の光結合装置を用いた映像表示装置の他の実施の形態を概略的に示したものである。
光結合装置７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂから出力されるＲ，Ｇ，Ｂ光を１つにまとめて巨視的（全体的）に見た場合の白色光を作る。この白色光をカラーフィルタ付の液晶パネル８１に入射し、投射レンズ３４によってスクリーン７５に映像として表示させる。
【００２５】
上記したこの発明の各映像表示装置によれば、半導体レーザ光に対する欠陥を防止し経時変化の少ない安定した光結合装置を用いることで量産性に寄与することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の光結合装置では、コアをガラス材で形成したことにより入射された光の伝播を阻害する欠陥がなく、光エネルギーロスの少ない伝播の実現が可能となる。
【００２７】
また、この発明の光結合装置の製造方法では、低温・高圧接合により、合わせ込みの難しい、ガラス材の熱膨張係数の差を低温接合で回避することができる。さらに、この発明の映像表示装置では、光の反射、散乱、吸収の少ない導波特性に優れた光結合装置を用いることで経時変化の少ない安定した映像表示を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の光結合装置のコア部領域について説明するための斜視図。
【図２】この発明による光結合装置と半導体レーザと光ファイバの関係を示す側面図
【図３】この発明による光結合装置の製造方法による完成品について説明するための斜視図。
【図４】この発明による光結合装置の製造方法の（ａ）〜（ｃ）の工程について説明するための斜視図。
【図５】この発明による光結合装置の製造方法の（ｄ），（ｅ）の工程について説明するための斜視図。
【図６】この発明による光結合装置の製造方法の（ｆ），（ｇ）の工程について説明するための斜視図。
【図７】この発明の光結合装置を用いた映像表示装置の一実施の形態について説明するための概略構成図。
【図８】この発明の光結合装置を用いた映像表示装置の他の実施の形態について説明するための概略構成図。
【符号の説明】
１１…光導波路
１２…コア
１３…クラッド
１４…半導体レーザ
１７…光ファイバ
７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂ…光結合装置

Claims

互いに異なった構造の光ファイバを低損失で光結合させるための光結合装置において、
少なくとも幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコアと、前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッドと、を備え、
光の伝播方向と直行する方向の前記コア断面形状を、光の入射部は横長で光の放出部が光ファイバのコア部直径に対して内接または外接する正方形とし、前記クラッドと接する４面をそれぞれ所定のテ−パ形状としたことを特徴とする光結合装置。
前記コアと前記クラッドとが相互に接する４面は、それぞれのガラス材の有する転移点温度以下とし、所定値以上の圧力で接合した条件としたことを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
前記コアの屈折率範囲は１．６０〜１．６５、前記クラッドの屈折率範囲は１．４５〜１．５５の組み合せで構成したことを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
コア材と第１のクラッド材の光学研磨面同士を接合し、
前記接合された前記コア材をテーパ状に研磨し、
前記研磨された面上に光学的に研磨された第２のクラッド部材を接合し、
前記第１および第２のクラッド部材と前記コアとの接合面に直行する方向に所定の間隔で切り出して薄膜化し、
前記薄膜の一方の切り出し面を光学研磨し、光学研磨された第３のクラッドを接合し、
前記薄膜の他の切り出し面をテーパ状に光学的に研磨し、光学研磨された第４のクラッドを接合したことを特徴とする光結合装置の製造方法。
それぞれＲ，Ｇ，Ｂを出力する複数の光結合装置と、
前記複数の光結合装置の各出力光を空間変調する複数の空間変調素子と、
前記複数の空間変調素子によりそれぞれ空間変調されたＲ，Ｇ，Ｂ光を合成する合成手段と、
前記合成手段の出力光を所定の位置に結像させる光学素子と、を具備し、
前記複数の光結合装置のそれぞれは、発生したレーザ光を反射する反射面および出射面を有する半導体レーザと、該半導体レーザの出射面に対向する位置に配された少なくとも幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコアおよび該前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッドから構成された光導波路とにより構成したことを特徴とする映像表示装置。
それぞれＲ，Ｇ，Ｂを出力する複数の光結合装置と、
前記複数の光結合装置の出力光を１つにまとめ、巨視的に見て白色光となるようにする白色光生成手段と、
前記白色光生成手段の出力光を空間変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子により空間変調された光を所定の位置に結像させる光学素子と、を具備し、
前記複数の光結合装置のそれぞれは、発生したレーザ光を反射する反射面および出射面を有する半導体レーザと、該半導体レーザの出射面に対向する位置に配された少なくとも幅もしくは厚さを光の伝播方向に徐々に変化させたガラス材で形成されたコアおよび該前記コアを取り囲むようにガラス材で形成されたクラッドから構成された光導波路とにより構成したことを特徴とする映像表示装置。