JP2008051936A - 光モジュール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境変化等に関わらず適切な光束を出射できる光モジュール装置を提供する。
【解決手段】環境温度の変化や外力の印加等によりベースＢＳに歪みが生じると、半導体レーザＬＤの光軸と光ファイバＯＦの末端との間に位置ズレが生じる恐れがある。かかる場合、光ファイバＯＦに入射された光束の光量が低下するので、光ファイバＯＦ内の光を検出する不図示のモニタからの信号に応じて、ドライバＤＲがレンズ駆動ユニットＬＤＵの圧電素子ＰＺ１，ＰＺ２に駆動信号を送信し、変位レンズＤＬを光軸方向に変位させることで、半導体レーザＬＤから出射された光束を、光ファイバＯＦの末端に適切に集光させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の光束を出射できる光モジュール装置に関する。

大型のディスプレイにおいて画像を形成しようとする場合、光の三原色である青、緑、赤を創成する十分なパワーの光源が必要となる。ここで、青色レーザと赤色レーザについては既に製品として上市されているが、緑色の光束を出射できるレーザについては、十分なパワーを有するものは、まだ開発されていないといえる。これに対し、特許文献１に示すように、第２高調波発生素子を用いて入射光の波長の１／２の光束を出射する光波長変換装置が開発されている。このような光波長変換装置によれば、比較的容易に入手できるレーザ光源を用いて、その１／２の波長の光束として緑色レーザ光を出射することができる。
特開平７−１７５０９６号公報

ここで、特許文献１に開示されている光波長変換装置において問題とされているのは、光波長変換素子の基本波伝搬導波路により伝搬される光束のビーム径が数μｍと微小なため、光波長変換素子と集光素子との僅かな位置ズレにより、集光素子により基本波伝搬導波路の入射端に光束が適切に集光されず、それにより入射光の結合効率が顕著に低下するということである。そこで、特許文献１においては、集光素子を光波長変換素子と一体化することで、基本波伝搬導波路に対して精度良く集光ビームを集光させるようにしている。

ところで、光波長変換素子をより安価に製造するために、集光素子と光波長変換素子とを取り付けるベースを銅やタングステンの合金から鉄系、銅やアルミの合金とすることが考えられている。しかるに、ベースを比較的熱膨張率の低い銅やタングステンの合金からアルミの合金に変更すると、熱ひずみなどが生じやすくなり、基本波伝搬導波路に対して精度良く集光ビームを集光させることが困難となり、それにより入射光の結合効率が低下する恐れがある。また、ベースを比較的熱伝導性が高い銅やタングステンの合金から鉄系の合金に変更すると、レーザ光源から発生する熱を効果的に外部に逃がすことが困難となる。この問題を解決するためには、例えばベースの厚さを薄くすることも考えられるが、この場合にはベース自身の剛性が減少することになり、外部からの応力によりベースが無視できないほど変形すると、基本波伝搬導波路に対して精度良く集光ビームを集光させることが困難となり、それにより入射光の結合効率が低下する恐れがある。同様の問題は、光ファイバに光源からの光束を伝搬させる光モジュール装置においても生じうる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、環境変化等に関わらず適切な光束を出射できる光モジュール装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光モジュール装置は、
板状のベースと、
前記ベースに固定された光源と、
前記ベースに対して変位可能となっており、前記光源からの光束を入射する光学素子と、
前記光学素子から出射された光束を検出する検出手段からの信号に応じて、前記光学素子を変位させる変位装置とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記光学素子から出射された光束を検出する検出手段からの信号に応じて、前記変位装置が前記光学素子を変位させるので、前記光学素子として光波長変換素子などを用いる場合、温度変化や外力の影響で前記ベースに歪みが生じた場合でも、かかる歪みの影響に基づく光束の変化を捉えてフィードバック制御することで、前記光学素子から出射される光束の位置や出射角等を変えることができ、それにより適切な光束を出射できる。尚、ベースの素材として厚さ０．２〜０．７ｍｍの鉄系の合金を用いると、安価で剛性の高いベースを得ることができる。

請求項２に記載の光モジュール装置は、請求項１に記載の発明において、前記変位装置が、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一端に固定された駆動部材と、前記光学素子に連結され、かつ前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、から構成され、前記電気機械変換素子を、伸び方向と縮み方向とで速度を変えて繰り返し伸縮させることで、前記可動部材を移動させるようになっていることを特徴とする。

前記変位装置において、前記電気機械変換素子に対して例えば鋸歯状の波形をしたパルスなどの駆動電圧をごく短時間印加することで、前記電気機械変換素子を微少に伸長または収縮するように変形させることができるが、そのパルスの形状により伸長または収縮の速度を変えることができる。ここで、前記電気機械変換素子を伸長または収縮方向へ速い速度で変形したとき、前記可動部材は、その質量の慣性により、前記駆動部材の動作に追随せず、そのままの位置に留まる。一方、前記電気機械変換素子がそれよりも遅い速度で反対方向へと変形したとき、前記可動部材は、その間に作用する摩擦力で駆動部材の動作に追随して移動する。したがって、前記電気機械変換素子が伸縮を繰り返すことにより、前記可動部材は一方向へ連続して移動することができる。即ち、高い応答性を有する本発明の変位装置を用いることで、前記可動部材に連結した光学素子を高速に移動させることもでき、且つ微小量移動させることもできる。更に、前記可動要素を定位置に保持するような場合には、前記電気機械変換素子への電力供給を中断すれば、前記可動要素と前記駆動部材との間に作用する摩擦力によって保持されるので、省エネも図れる。加えて、前記変位装置の構成は、簡素で小型化が可能で、低コストであるという利点もある。

請求項３に記載の光モジュール装置は、請求項２に記載の発明において、前記電気機械変換素子は圧電素子であることを特徴とするので、低コストな光ピックアップ装置を提供できる。

請求項４に記載の光モジュール装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光源からの光束を光ファイバーに出射することを特徴とする。

請求項５に記載の光モジュール装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光源からの光束を入射して所定の状態にする光機能素子を有することを特徴とする。所定の状態とは、入射光の波長を変化させることなどをいうが、それに限られない。

本発明によれば、環境変化等に関わらず適切な光束を出射できる光モジュール装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる光モジュール装置ＯＭＤの断面図である。ヒートシンクＨＳ上に、厚さＴ＝０．２〜０．７ｍｍであり、熱伝導率がＡ＝８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である鉄、銅、またはアルミ系の合金板（たとえば鉄材）から形成されたベースＢＳが配置されている。なお、熱歪みの影響を抑えるため、Ｔ＜０．００５×Ａであると好ましい。

ベースＢＳの左右両端には壁Ｗ１，Ｗ２が取り付けられ、これらを取り囲むようにして、点線で示すようにカバー部材ＣＶが設けられている。壁Ｗ２は中央に開口ＡＰを形成している。

ベースＢＳの上面には、壁Ｗ１の近傍において台座ＡＴ１が取り付けられ、その上に光源としての半導体レーザＬＤと、かかる半導体レーザＬＤから出射された光束を透過するカップリングレンズＣＵＬが配置されている。更にベースＢＳの上面には、壁Ｗ２の近傍において台座ＡＴ２が取り付けられ、その上に光機能素子ＳＨＧと、かかる光機能素子ＳＨＧから出射された光束を平行光束に変換するコリメートレンズＣＯＬが配置されている。光機能素子ＳＨＧは、上面中央に水平方向に延びた導波路を有し、かかる導波路に入射した光束の波長の１／２である波長の光束を出射するようになっているが、詳細は特開平７−１７５０９６号公報等に記載されているので、詳細は省略する。

壁Ｗ２の開口ＡＰを通過した平行光束が入射する位置にハーフミラーＨＭを配置している。ハーフミラーＨＭを通過した光束は、本来の目的である例えばディスプレイにおいて画像を形成するために用いられる。一方、ハーフミラーＨＭで反射された光束は、検出手段としての光検出器ＰＤに入射する。受光量に応じて光検出器ＰＤから出力された信号は、ドライバＤＲに入力される。ドライバＤＲは、台座ＡＴ１と台座ＡＴ２との間に配置された、レンズ駆動ユニットＬＤＵ内の第１圧電素子ＰＺ１及び第２圧電素子ＰＺ２に独立して信号を送信するようになっている。

図２は、変位装置であるレンズ駆動ユニットＬＤＵの斜視図である。ここでは、半導体レーザＬＤの光軸方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する鉛直方向をＺ方向とし、Ｘ方向に直交する水平方向をＹ方向とするものとする。ベースＢＳ（図１）上に固定された固定部ＦＸの側面には、第１圧電素子ＰＺ１の一端が取り付けられている。第１圧電素子ＰＺ１の他端は、Ｙ方向に延在する第１駆動軸ＤＳ１に連結されている。第１駆動軸ＤＳ１上には、適度な摩擦力をもって移動可能に第１ホルダＨＤ１が設けられている。

第１ホルダＨＤ１の下面には、第２圧電素子ＰＺ２の上端が取り付けられている。第２圧電素子ＰＺ２の下端は、Ｚ方向に延在する第２駆動軸ＤＳ２に連結されている。第２駆動軸ＤＳ２上には、重力に抗して静止できる程度に適度な摩擦力をもって且つ移動可能に第２ホルダＨＤ２が設けられている。第２ホルダＨＤ２は、変位レンズＤＬを保持しており、その光軸方向に沿って延在するガイド軸ＧＳにガイドされつつ変位可能となっている。尚、ここでは、圧電素子ＰＺ１，ＰＺ２が電気機械変換素子であり、駆動軸ＤＳ１、ＤＳ２が駆動部材であり、ホルダＨＤ１，ＨＤ２が可動部材である。

次に、レンズ駆動ユニットＬＤＵの駆動原理を図面を参照して説明する。図３は、第１圧電素子ＰＺ１の駆動原理を示す図であるが、圧電素子の歪み量は実際より誇張して示している。なお、第２圧電素子ＰＺ２も同様に動作するので、以下、説明を省略する。

圧電素子は、ＰＺＴ(ジルコン・チタン酸鉛)などで形成された圧電セラミックスを積層してなる。圧電セラミックスは、その結晶格子内の正電荷の重心と負電荷の重心とが一致しておらず、それ自体分極していて、その分極方向に電圧を印加すると伸びる性質を有している。しかし、圧電セラミックスのこの方向への歪みは微小であり、この歪み量により被駆動部材を駆動することは困難であるため、図４に示すように、複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電素子が実用可能なものとして提供されている。本実施の形態では、この積層型圧電素子を駆動源として用いている。

次に、このレンズ駆動ユニットＬＤＵによる変位レンズＤＬの駆動方法について説明する。一般に、積層型の圧電素子ＰＺ１は、電圧印加時の変位量は小さいが、発生力は大でその応答性も鋭い。したがって、図５（ａ）に示すように立ち上がりがゆっくりで立ち下がりが鋭い略鋸歯状波形のパルス電圧を印加すると、圧電素子ＰＺ１は、パルスの立ち上がり時にゆっくり伸び、立ち下がり時にそれよりも急激に縮む。したがって、図５（ａ）に示す状態から、圧電素子ＰＺ１がゆっくり伸長すると、駆動軸ＤＳ１の移動と共に、摩擦力で結合されたホルダＨＤ１も移動する（図５（ｂ）参照）。しかし、圧電素子ＰＺ１が急激に縮むと、ホルダＨＤ１の慣性により、駆動軸ＤＳ１とホルダＨＤ１との間の摩擦力を超えて両者の相対移動が生じるので、駆動軸ＤＳ１は移動してもホルダＨＤ１はその場に留まることとなる（図５（ｃ）参照）。これにより、圧電素子ＰＺ１に１パルス与えて１ストローク駆動させて、ホルダＨＤ１を距離Δだけ移動させることができる。従って、圧電素子ＰＺ１をｎストローク駆動させると、距離ｎ×ΔだけホルダＨＤ２ごと変位レンズＤＬをＹ軸方向に移動させることができる。

尚、以上より明らかであるが、図５（ｂ）に示すように電圧の立ち上がりが急激で、立ち下がりがゆっくりしたパルスを印加すれば、ホルダＨＤ１を逆の方向へ移動させることができる。このようにレンズ駆動ユニットＬＤＵは、圧電素子ＰＺ１を伸び方向と縮み方向とで速度を変えて繰り返し伸縮させることで、ホルダＨＤ２を任意の位置へと駆動できる。

更に、第２の圧電素子ＰＺ２に同様の略鋸歯状波形のパルス電圧を印加することで、変位レンズＤＬを保持した第２ホルダＨＤ２を、Ｚ方向両方向に任意の変位量で移動させることができる。以上から明らかであるが、ドライバＤＲからの駆動信号に応じて、変位レンズＤＬを光軸直交方向の任意の位置に変位させることができる。

本実施の形態によれば、半導体レーザＬＤから出射された光束は、カップリングレンズＣＵＬを経て、変位レンズＤＬに入射し、ここから光機能素子ＳＨＧの導波路に集光されるようになっており、更に光機能素子ＳＨＧから出射された光束は、コリメートレンズＣＯＬで平行光束に変換され、壁Ｗ２の開口ＡＰを通って外部に出射される。

ここで、環境温度の変化や外力の印加等によりベースＢＳに歪みが生じると、半導体レーザＬＤの光軸と導波路との間に位置ズレが生じる恐れがある。かかる場合、光機能素子ＳＨＧから出射された光束の光量が低下するので、ハーフミラーＨＭから反射される光束の量も低下する。従って、これをモニタしていた光検出器ＰＤからの信号に応じて、ドライバＤＲがレンズ駆動ユニットＬＤＵの圧電素子ＰＺ１，ＰＺ２に駆動信号を送信し、光量が増大する方向に変位レンズＤＬを変位させることで、半導体レーザＬＤから出射された光束を、導波路に適切に集光させることが可能となる。

図６は、レンズ駆動ユニットＬＤＵの変形例を示す図であるが、Ｚ軸方向に駆動する構成は省略している。図６のレンズ駆動ユニットＬＤＵにおいては、駆動部材である駆動軸ＤＳ１の一端には、電気機械変換素子である圧電素子ＰＺ１が固定されている。駆動軸ＤＳ１の他端は固定部ＦＸに固定されている。変位レンズＤＬが取り付けられたＬ字状のホルダＨＤ２には、板ばねＳＰＧが取り付けられ、駆動軸ＤＳ１の外周をホルダＨＤ２に向かって付勢している。本変形例においても、圧電素子ＰＺ１に、図５に示すようなパルス状の電圧を印加することで、ホルダＨＤ２を変位レンズＤＬごとＹ軸方向に任意の量だけ移動させることができる。なお、このような駆動装置については、特開２００２−９５２７４号公報、特開２００２−３００７８９号公報、特開２００２−３００７９０号公報、特開２００３−３３０５３号公報等に詳細に開示されている。

図７は、第２の実施の形態にかかる光モジュール装置ＯＭＤの断面図である。ヒートシンクＨＳ上に、厚さ０．２〜０．７ｍｍである鉄系の合金板から形成されたベースＢＳが配置されている。ベースＢＳの左右両端には壁Ｗ１，Ｗ２が取り付けられ、これらを取り囲むようにして、点線で示すようにカバー部材ＣＶが設けられている。壁Ｗ２は中央に開口ＡＰを形成している。

ベースＢＳの上面には、壁Ｗ１の近傍において台座ＡＴが取り付けられ、その上に光源としての半導体レーザＬＤと、かかる半導体レーザＬＤから出射された光束を透過するカップリングレンズＣＵＬが配置されている。更にベースＢＳの上面には、壁Ｗ２の近傍において、レンズ駆動ユニットＬＤＵが配置されている。レンズ駆動ユニットＬＤＵについては、上述した構成と同様であるため説明を省略する。

壁Ｗ２の外面には、コネクタＣＮがブラケットＢＫＴを介して固定されており、ここに光ファイバＯＦの末端が挿入されて取り付けられている。

本実施の形態によれば、半導体レーザＬＤから出射された光束は、カップリングレンズＣＵＬを経て、変位レンズＤＬに入射し、壁Ｗ２の開口ＡＰを通って外部に出射され、光ファイバＯＦの末端に集光されるよになっている。

ここで、環境温度の変化や外力の印加等によりベースＢＳに歪みが生じると、半導体レーザＬＤの光軸と光ファイバＯＦの末端との間に位置ズレが生じる恐れがある。かかる場合、光ファイバＯＦに入射された光束の光量が低下するので、光ファイバＯＦ内の光を検出する不図示のモニタ（検出手段）からの信号に応じて、ドライバＤＲがレンズ駆動ユニットＬＤＵの圧電素子ＰＺ１，ＰＺ２（図３）に駆動信号を送信し、変位レンズＤＬを光軸方向に変位させることで、半導体レーザＬＤから出射された光束を、光ファイバＯＦの末端に適切に集光させることが可能となる。なお、第１の実施の形態を第２の実施の形態と組み合わせてもよい。

図８は、本発明者の行った実験結果を示すグラフである。図８（ａ）に示すグラフは、図１に示す光モジュール装置において、半導体レーザＬＤの光軸と光機能素子ＳＨＧの導波路とのＸ軸方向の位置ズレ量と、光機能素子ＳＨＧから出力される光束の光量との関係を示しており、図８（ｂ）に示すグラフは、図１に示す光モジュール装置において、半導体レーザＬＤの光軸と光機能素子ＳＨＧの導波路とのＹ軸方向の位置ズレ量と、光機能素子ＳＨＧから出力される光束の光量との関係を示している。ここで、Ｘ軸とＹ軸とは光軸に直交し且つ互いに直交している。図８によれば、位置ズレに関してはＹ軸方向の方が許容範囲が狭くなっており、光機能素子ＳＨＧから出力される光束において十分な光量を得るためには、位置ズレを±０．５μｍ以内に収めることが必要であることがわかる。

図９は、本発明者の行った別な実験結果を示すグラフである。図９に示すグラフは、図１に示す光モジュール装置において、光モジュール装置に外部から応力を加えたときの光出力を示している。可動部材による位置制御を行わない場合、外部応力により各部品の位置に誤差が生じ、光モジュール装置からの出力が低下するが、可動部材による位置制御を小なった場合、出力低下はほとんど見られず、本発明による位置ズレ補正が有効であることが確認された。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、レンズ駆動ユニットＬＤＵを駆動するアクチュエータとしては、圧電素子に限らず、ボイスコイルモータ、ステッピングモータなど種々のものを用いることができる。又、上述した実施の形態では、変位レンズＤＬを光軸直交方向にのみ変位させるようにしたが、同様の構成を用いて光軸方向にも変位させることができることは言うまでもない。さらに、光機能素子としては、ＬｉＮｂＯ₃結晶を用いたマッハツェンダ型光変調器や光スイッチ、石英光導波路を用いた光スイッチ、光減衰器、導波路型２次高調波発生素子などがある。

第１の実施の形態にかかる光モジュール装置ＯＭＤの断面図である。 変位装置であるレンズ駆動ユニットＬＤＵの斜視図である。 第１圧電素子ＰＺ１の駆動原理を示す図である。 複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータＰＺを示す斜視図である。 圧電アクチュエータＰＺに印加される電圧パルスの波形を示す図である。 レンズ駆動ユニットＬＤＵの変形例を示す図である 第２の実施の形態にかかる光モジュール装置ＯＭＤの断面図である。 本発明者の行った実験結果を示すグラフである。 本発明者の行った別の実験結果を示すグラフである。

符号の説明

ＡＰ 開口
ＡＴ 台座
ＡＴ１ 台座
ＡＴ２ 台座
ＢＫＴ ブラケット
ＢＳ ベース
Ｃ 電極
ＣＮ コネクタ
ＣＯＬ コリメートレンズ
ＣＵＬ カップリングレンズ
ＣＶ カバー部材
ＤＬ 変位レンズ
ＤＲ ドライバ
ＤＳ１ 第１駆動軸
ＤＳ２ 第２駆動軸
ＦＸ 固定部
ＧＳ ガイド軸
ＨＤ１ 第１ホルダ
ＨＤ２ 第２ホルダ
ＨＭ ハーフミラー
ＨＳ ヒートシンク
ＬＤ 半導体レーザ
ＬＤＵ レンズ駆動ユニット
ＯＦ 光ファイバ
ＯＭＤ 光モジュール装置
ＰＤ 光検出器
ＰＥ 圧電セラミックス
ＰＺ 圧電素子
ＰＺ１ 第１圧電素子
ＰＺ２ 第２圧電素子
ＳＨＧ 光機能素子
Ｗ１，Ｗ２ 壁

Claims (5)

1. 板状のベースと、
   前記ベースに固定された光源と、
   前記ベースに対して変位可能となっており、前記光源からの光束を入射する光学素子と、
   前記光学素子から出射された光束を検出する検出手段からの信号に応じて、前記光学素子を変位させる変位装置とを有することを特徴とする光モジュール装置。
2. 前記変位装置が、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一端に固定された駆動部材と、前記光学素子に連結され、かつ前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、から構成され、前記電気機械変換素子を、伸び方向と縮み方向とで速度を変えて繰り返し伸縮させることで、前記可動部材を移動させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール装置。
3. 前記電気機械変換素子は圧電素子であることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール装置。
4. 前記光源からの光束を光ファイバーに出射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光モジュール装置。
5. 前記光源からの光束を入射して所定の状態にする光機能素子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光モジュール装置。
   
   

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