JP2010197459A

JP2010197459A - 光合波器および光源装置

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Publication number: JP2010197459A
Application number: JP2009039155A
Authority: JP
Inventors: Michiko Takushima; 道子多久島; Manabu Shiozaki; 学塩▲崎▼; Susumu Inoue; 享井上
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】小型化可能な光合波器および光源装置を提供する.
【解決手段】光源装置１は、光合波器１０，３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３および３個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_３を備える。光合波器１０は、第１端面１１と第２端面１２との間に延在するコア１３と、このコア１３を取り囲むクラッド１４とを有する光導波路からなり、この光導波路と外部との間で光を結合するための回折格子が第１端面１１に形成されている。３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３は互いに異なる波長の光を出力する。各レンズＬ_ｎは、対応する光源Ｓ_ｎから出力される光を光合波器１０の光導波路の第１端面１１に集光して入射させる。光結合器１０は、その第１端面１１に入射した光を光導波路により伝搬させて、その光を合波して第２端面１２から外部へ出射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光合波器および光源装置に関するものである。

ディスプレイ装置やプロジェクタ装置では、光源装置において赤，緑および青の３色の光が光合波器により合波され、その光源装置から合波されて出力された光が走査ミラーや可動ミラーアレイによりスクリーン上に走査されて、そのスクリーン上に画像が表示される。３色の光源を合波するためにダイクロックミラーなどのフィルタデバイスが一般に用いられる（特許文献１参照）。

特開２００６−１５４０３２号公報

上記の構成では、各光源に対して光合波器としてダイクロックミラーが必要となり、装置が大きくなる。また、光源としてレーザダイオードが用いられる場合には、通常はビーム断面が楕円形状であるレーザダイオードからの出射光を円形形状断面の光にするための光学系がレーザダイオードとダイクロックミラーとの間に設けられることが多く、更に装置が大型化する。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、小型化可能な光合波器および光源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光合波器は、第１端面と第２端面との間に延在するコアを有する光導波路からなり、光導波路と外部との間で光を結合するための回折格子が第１端面に形成されている、ことを特徴とする。本発明に係る光合波器は、第１端面を含む長手方向の所定範囲においてコアの断面サイズがテーパ状に拡大されているのが好適である。また、本発明に係る光合波器は、光導波路の光軸に垂直な面に対して第１端面が傾斜しているのが好適である。

本発明に係る光源装置は、上記の本発明に係る光合波器と、互いに異なる波長の光を出力するＮ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_Ｎと、Ｎ個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_Ｎとを備え、各光源Ｓ_ｎから出力された光をレンズ系Ｌ_ｎにより光合波器の光導波路の第１端面に集光して入射させ、その入射した光を光導波路により伝搬させて第２端面から外部へ出射させることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。

本発明に係る光源装置は、Ｎ個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_Ｎそれぞれの光軸が共通平面上にあり、回折格子の格子方向が共通平面に対して直交しているのが好適である。Ｎ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうちの何れかがレーザダイオードであるのが好適である。各光源Ｓ_ｎから出力される光の偏光方位が回折格子の格子方向に対して直交しているのが好適である。各光源Ｓ_ｎから出力される光の偏光方位が回折格子の格子方向に対して平行であるのが好適である。また、Ｎ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_Ｎとして、赤色の光を出力する光源、緑色の光を出力する光源、および、青色の光を出力する光源を含むのが好適である。

本発明に係る光源装置は、上記の本発明に係る光合波器、互いに異なる波長の光であってビーム断面が楕円形状である光を出力するＮ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_ＮおよびＮ個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_Ｎを備え、各光源Ｓ_ｎから出力された光をレンズ系Ｌ_ｎにより光合波器の光導波路の第１端面に集光して入射させ、その集光の際の第１端面における光のビーム断面形状の長軸方向と第１端面におけるコアの長軸方向とを互いに一致させ、その入射した光を光導波路により伝搬させて第２端面から外部へ出射させることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。

本発明によれば小型化可能な光合波器および光源装置を提供することができる。

第１実施形態に係る光源装置１の構成を示す図である。第２実施形態に係る光源装置２の構成を示す図である。第３実施形態に係る光源装置３の構成を示す図である。実施例の光源装置３Ａの構成を示す図である。実施例の光源装置３Ａに含まれる光合波器３０Ａの第１端面３１における光の入射角と回折効率との関係を示すグラフである。本実施形態に係る光源装置を用いたプロジェクタ装置４の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、第１実施形態に係る光源装置１の構成を示す図である。この図に示される光源装置１は、光合波器１０，３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３および３個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_３を備える。

光合波器１０は、第１端面１１と第２端面１２との間に延在するコア１３と、このコア１３を取り囲むクラッド１４とを有する光導波路からなり、この光導波路と外部との間で光を結合するための回折格子が第１端面１１に形成されている。この光導波路は、光ファイバであってもよいし、基板上に形成されたものであってもよい。第１端面１１における回折格子は、例えば、切断および研磨された端面にマスクが配置されてエッチングされることで形成され得る。

３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３は互いに異なる波長の光を出力する。各レンズＬ_ｎは、対応する光源Ｓ_ｎから出力される光を光合波器１０の光導波路の第１端面１１に集光して入射させる。光結合器１０は、その第１端面１１に入射した光を光導波路により伝搬させて、その光を合波して第２端面１２から外部へ出射させる。

３個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_３それぞれの光軸が共通平面上にあり、第１端面１１に形成された回折格子の格子方向が該共通平面に対して直交しているのが好適である。３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３それぞれは如何なる種類の光源であってもよいが、小型化の観点からは３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３のうちの何れかがレーザダイオードであるのが好適である。各光源Ｓ_ｎから出力される光の偏光方位が回折格子の格子方向に対して直交しているのが好適であり、或いは、各光源Ｓ_ｎから出力される光の偏光方位が回折格子の格子方向に対して平行であるのが好適である。３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３として、赤色の光を出力する光源、緑色の光を出力する光源、および、青色の光を出力する光源を含むのが好適である。
各レンズ系Ｌ_ｎにより集光されて第１端面１１に入射される光の主光線の方位は、その光の波長および回折格子の周期などの構造で決まる回折条件を満たす方位に設定される。３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３それぞれから出力された光は、回折格子にて光導波路の光軸方向に回折されることにより、光導波路にて効率良く合波され、光導波路の第２端面１２から円形断面の光として外部へ出力される。

なお、通常、直交する２つの偏光方位のうち一方の偏光方位の光の回折効率の方が高くなる。このことから、光源Ｓ_ｎからの出射光に偏光特性がある場合は、その光源Ｓ_ｎからの出射光の偏光方位を回折効率が高くなる方位に合わせて配置することが好ましい。

図２は、第２実施形態に係る光源装置２の構成を示す図である。この図に示される光源装置２は、光合波器２０，３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３および３個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_３を備える。

光合波器２０は、第１端面２１と第２端面２２との間に延在するコア２３と、このコア２３を取り囲むクラッド２４とを有する光導波路からなり、この光導波路と外部との間で光を結合するための回折格子が第１端面２１に形成されている。この光導波路は、光ファイバであってもよいし、基板上に形成されたものであってもよい。光結合器２０は、各光源Ｓ_ｎから出力されレンズＬ_ｎにより集光されて第１端面２１に入射した光を光導波路により伝搬させて、その光を合波して第２端面２２から外部へ出射させる。

特に第２実施形態においては、光合波器２０は、第１端面２１を含む長手方向の所定範囲においてコア２３の断面サイズがテーパ状に拡大されている。第１実施形態の場合と比較して、第２実施形態では、光結合器２０の第１端面２１においてコア２３の断面サイズが拡大されているので、第１端面２１のうちコア２３において広い領域に回折格子が形成され、これにより外部から光導波路への光結合の効率が高められる。

図３は、第３実施形態に係る光源装置３の構成を示す図である。この図に示される光源装置３は、光合波器３０，３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３および３個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_３を備える。

光合波器３０は、第１端面３１と第２端面３２との間に延在するコア３３と、このコア３３を取り囲むクラッド３４とを有する光導波路からなり、この光導波路と外部との間で光を結合するための回折格子が第１端面３１に形成されている。この光導波路は、光ファイバであってもよいし、基板上に形成されたものであってもよい。光結合器３０は、各光源Ｓ_ｎから出力されレンズＬ_ｎにより集光されて第１端面３１に入射した光を光導波路により伝搬させて、その光を合波して第２端面３２から外部へ出射させる。

特に第３実施形態においては、光合波器３０は、光導波路の光軸に垂直な面に対して第１端面３１が傾斜している。第１実施形態の場合と比較して、第３実施形態でも、光結合器３０の第１端面３１においてコア３３の断面サイズが拡大されているので、第１端面３１のうちコア３３において広い領域に回折格子が形成され、これにより外部から光導波路への光結合の効率が高められる。

また、第３実施形態においては、レーザダイオード等のように出力光のビーム断面が楕円形状であるものが光源Ｓ_ｎとして用いられる場合に、その光源Ｓ_ｎから出力された光がレンズ系Ｌ_ｎにより光合波器３０の第１端面３１に集光される際に、第１端面３１における光のビーム断面形状の長軸方向と第１端面３１におけるコアの長軸方向とが互いに一致するのが好適である。これにより外部から光導波路への光結合の効率が高められる。

以上の実施形態の光源装置１〜３の何れも、光合波の為の部品の点数が少ないので、小型化が可能である。

なお、回折格子の構造，光の波長および回折格子への入射角の間の関係は、回折格子の周期が波長に対して十分大きい場合（例えば波長の１０倍程度以上である場合）には、スカラー波動解析（例えば、工藤恵栄著「分光の基礎と方法」オーム社を参照。）により計算され得る。また、回折格子の周期が小さい場合は、電磁場に基づく解析が必要となるが、市販されている電磁場解析に基づくシミュレータが用いられて、回折格子の構造等が最適化され得る。

次に、第３実施形態に係る光源装置３の具体的な実施例について説明する。図４は、実施例の光源装置３Ａの構成を示す図である。本実施例の光源装置３Ａに含まれる光合波器３０Ａでは、屈折率１.４５のコア３３を有する光ファイバ（光導波路）が用いられ、この光ファイバの第１端面３１付近でコア３３がテーパ状に拡大され、傾斜角θが６６°（すなわち、回折角が９０−θ=２４°）となるよう第１端面３１が斜め研磨され、この第１端面３１におけるコア３３にエッチングにより回折格子が形成される。この回折格子の周期は４５０ｎｍであり、深さは７５０ｎｍであり、デューティは３５％である。

光源Ｓ_１〜Ｓ_３として、波長６３３ｎｍのレーザダイオード、波長４４５ｎｍのレーザダイオード、および、固体レーザの第二高調波を用いた波長５３２ｎｍの光源が用いられる。各光源Ｓ_ｎから出射される光は、レンズ系Ｌ_ｎにより光ファイバの第１端面３１上に集光される。集光された光ビームの主光線と第１端面３１の法線（ファイバの軸に対して９０°−θ の角度をなす線）とがなす角度は、波長６３３ｎｍの光に対して５４.８°となり、波長５３２ｎｍの光に対して３６.３°となり、波長４４５ｎｍの光に対して２３.５°となるように、各光源Ｓ_ｎおよび各レンズＬ_ｎが配置される。

レーザダイオード光源の出射光のビーム断面は楕円形状である。この出射光のビーム断面の長軸が図４中のｘ-ｚ平面内にある向きにレーザダイオード光源が配置される。さらに、光源からの出射光のＴＥモードがｘ-ｚ平面内にある向きに各光源が配置される。なお、通常、レーザダイオードからの出射光のビーム断面における長軸方向がＴＥモードであることが一般的に多い。また、回折格子における回折効率が偏光依存性を有する場合、格子方向と直交する方向へ光を入射させると、ＴＭモードよりＴＥモードの方が一般的に効率は高い。ただし、パラメータによってはＴＭモードの方が効率が高くなる条件もある。

このように構成される実施例の光源装置３Ａでは、レーザダイオード光源からの出射光のビーム断面における長軸と、光ファイバの第１端面３１におけるコアの長軸とが互いに一致していると、高い結合効率が得られる。また、回折格子の格子方向に対し、回折効率が高くなる方向に入射光の偏光方位が調整されることで、高効率の光合波器が構成される。さらに、光ファイバの第２射端３２から取り出される光のビーム断面が円形となるので、その後の光学系での処理が容易となる。

図５は、実施例の光源装置３Ａに含まれる光合波器３０Ａの第１端面３１における光の入射角と回折効率との関係を示すグラフである。第１端面３１へ入射する光はＴＥモードであるとした。この図に示されるように、回折効率は、入射角に依存し、また、波長にも依存する。また、入射角が適切に選択されることで、何れの波長においても回折効率７５％以上が可能である。

図６は、本実施形態に係る光源装置を用いたプロジェクタ装置４の構成を示す図である。プロジェクタ装置４は、光源装置３Ｂ、駆動部４２、スキャンミラー４３およびスクリーン４４を備える。光源装置３Ｂは、前述した第３実施形態に係る光源装置３に加えて、光合波器３０の第２端面３２から出力される光をコリメートするコリメータ４１を更に備える。

このプロジェクタ装置４では、光源装置３Ｂにおいて、３個の光源Ｓ_１〜Ｓ_３から出力された三原色の光は、レンズ系を経て光合波器３０の第１端面３１に入射され、光合波器３０により合波され、光合波器３０の第２端面３２から出射されて、コリメータ４１によりコリメートされる。光源装置３Ｂにより合波されコリメートされて出力された三原色の光は、ビーム断面形状が円形であり、スキャンミラー４３により反射されてスクリーン４４上に走査される。この走査に際して、駆動部４２により、スキャンミラー４３と各光源Ｓ_ｎの駆動とが同期されて、スクリーン４４上の各画素位置に光ビームがあたる際の三原色の光強度比が適当に設定されることにより、スクリーン４４上に所望の画像が表示される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では波長５３２ｎｍの緑の光源として比較的入手しやすい第二高調波を利用した光源が用いられたが、レーザダイオードなどにより本波長が実現できれば、これが用いられても良い。

また、上記実施形態では光合波器としての構成を示したが、光の進行の向きを逆にすることにより、光分波器としても利用できる。その際、本実施形態において光源が配置された位置には、他の光学系や光センサなどが配置されることとなる。

１〜３…光源装置、１０…光合波器、１１…第１端面、１２…第２端面、１３…コア、１４…クラッド、２０…光合波器、２１…第１端面、２２…第２端面、２３…コア、２４…クラッド、３０…光合波器、３１…第１端面、３２…第２端面、３３…コア、３４…クラッド、Ｓ_１〜Ｓ_３…光源、Ｌ_１〜Ｌ_３…レンズ系。

Claims

第１端面と第２端面との間に延在するコアを有する光導波路からなり、前記光導波路と外部との間で光を結合するための回折格子が前記第１端面に形成されている、ことを特徴とする光合波器。
前記第１端面を含む長手方向の所定範囲において前記コアの断面サイズがテーパ状に拡大されていることを特徴とする請求項１に記載の光合波器。
前記光導波路の光軸に垂直な面に対して前記第１端面が傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の光合波器。
請求項１〜３の何れか１項に記載の光合波器と、互いに異なる波長の光を出力するＮ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_Ｎと、Ｎ個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_Ｎとを備え、
各光源Ｓ_ｎから出力された光をレンズ系Ｌ_ｎにより前記光合波器の前記光導波路の前記第１端面に集光して入射させ、その入射した光を前記光導波路により伝搬させて前記第２端面から外部へ出射させる、
ことを特徴とする光源装置（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の各整数）。
前記Ｎ個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_Ｎそれぞれの光軸が共通平面上にあり、前記回折格子の格子方向が前記共通平面に対して直交している、ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
前記Ｎ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_Ｎのうちの何れかがレーザダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
各光源Ｓ_ｎから出力される光の偏光方位が前記回折格子の格子方向に対して直交していることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
各光源Ｓ_ｎから出力される光の偏光方位が前記回折格子の格子方向に対して平行であることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
前記Ｎ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_Ｎとして、赤色の光を出力する光源、緑色の光を出力する光源、および、青色の光を出力する光源を含むことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
請求項３項に記載の光合波器、互いに異なる波長の光であってビーム断面が楕円形状である光を出力するＮ個の光源Ｓ_１〜Ｓ_ＮおよびＮ個のレンズ系Ｌ_１〜Ｌ_Ｎを備え、
各光源Ｓ_ｎから出力された光をレンズ系Ｌ_ｎにより前記光合波器の前記光導波路の前記第１端面に集光して入射させ、その集光の際の前記第１端面における光のビーム断面形状の長軸方向と前記第１端面における前記コアの長軸方向とを互いに一致させ、その入射した光を前記光導波路により伝搬させて前記第２端面から外部へ出射させる、
ことを特徴とする光源装置（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の各整数）。