JP2018180513A - モニタリング機能付き光源 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力のモニタリングのための更なるバルク部品を用いる必要がなく、小型化が可能なモニタリング機能付き光源を提供する。【解決手段】モニタリング機能付き光源は、複数のレーザダイオードと、平面光波回路を用いた可視光カプラ３１０と、少なくとも１つのフォトダイオードと、を含み、可視光カプラは、複数のレーザダイオードに光学的に接続された複数の入力導波路と、複数の入力導波路から出力された光を合波する合波部３１４と、合波部で合波された光を出力する出力導波路３１５と、を含み、少なくとも１つのフォトダイオードは、複数の入力導波路、合波部又は出力導波路における光出力をモニタリングするように構成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、複数のＲ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）等の可視光源を用いたモニタリング機能付き光源に関する。

近年、眼鏡型端末やピコプロジェクタ用に、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の３原色の光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）を用いた小型ＲＧＢ光源の開発が行われている。ＬＤは、ＬＥＤに比べて直進性が高いため、フォーカスフリーなプロジェクタを実現することができる。また、ＬＤは、発光効率が高く低消費電力であり、色再現性も高く、近年注目を集めている。

図１は、ＬＤを用いたプロジェクタの代表的なシステム概略を示す。図１に示すプロジェクタでは、ＬＤ１乃至３が単一波長発振であるため、ＬＤ１乃至３からそれぞれ出力されたＲ、Ｇ、Ｂの各色の光を、レンズ４乃至６を用いてコリメートして、それぞれハーフミラー７乃至９を介してダイクロイックミラー１０乃至１２に入射させ、ダイクロイックミラー１０乃至１２を用いて複数の光を１本のビームに束ねてＲＧＢ光源として使用する。ダイクロイックミラー１０乃至１２において束ねられて出力されたＲＧＢ光は、ＭＥＭＳミラー１６などを用いてスイープし、ＬＤの変調と同期させることで映像を出力し、スクリーン１７上に投影する。

このとき、ホワイトバランスを調整するため、レンズ４乃至６を用いてコリメートされた各光の一部をハーフミラー７乃至９で分岐し、フォトダイオード（ＰＤ）１３乃至１５に入射させてＰＤ１３乃至１５により出力をモニタリングする。このため、図１に示すように、ＲＧＢ光源として使用するためには、ＬＤ１乃至３、レンズ４乃至６、ハーフミラー７乃至９、ダイクロイックミラー１０乃至１２及びＰＤ１３乃至１５などのバルク部品を空間光学系により組み合わせる必要がある。ここで、ＬＤは前後方向に発光するが、後方側のモニタリングでは精度が悪いため、前方側（フロントモニタリング）が一般的である。

さらに、Ｒ及びＧは、Ｂに比べてＬＤの出力が弱いため、Ｒ及びＧを２つずつ合波したＲＲＧＧＢ光源などが使われることもある。

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 Y. Hibino, "Arrayed-Waveguide-Grating Multi/Demultiplexers for Photonic Networks," IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits," J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924 J. Sakamoto et al. "High-efficiency multiple-light-source red-green-blue power combiner with optical waveguide mode coupling technique," Proc. of SPIE Vol. 10126 101260M-2

しかしながら、空間光学系を用いてＲＧＢ光源の各波長の光を合波する場合、ホワイトバランスの調整のための光出力のモニタリングのために、更にハーフミラーやダイクロイックミラーなどのバルク部品が必要となり、系として大型化してしまうため、光源の小型化の妨げとなるという課題があった。

本発明の一態様に係るモニタリング機能付き光源は、複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードから出力された光を合波し、当該合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、少なくとも１つのフォトダイオードと、を含み、前記可視光カプラは、前記複数のレーザダイオードに光学的に接続された複数の入力導波路と、前記複数の入力導波路から出力された光を合波する合波部と、前記合波部で合波された光を出力する出力導波路と、を含み、前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記複数の入力導波路、前記合波部又は前記出力導波路における光出力をモニタリングするように構成されていることを特徴とする。

本発明に係るモニタリング機能付き光源によると、光出力のモニタリングのための更なるハーフミラーやダイクロイックミラーなどのバルク部品を用いずに、ＰＬＣで合波器を作成して、ＰＬＣのレイアウトの工夫をしてＰＤを設けるだけで光出力のモニタリングが可能となるため、ＲＧＢ光源の小型化が可能となる。

ＬＤを用いたプロジェクタの代表的なシステム概略を示す図である。 ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラの基本構造を示す図である。 ２つの方向性結合器を用いたＲＧＢカプラの構成を示す図である。 モードカプラを用いたＲＲＧＧＢカプラの構成を示す図である。 図４に示すモードカプラを用いたＲＧＢカプラ２１０における、各波長についての０次、１次、２次モードの光の実効屈折率と導波路幅との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源の他の例を示す図である。 本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源のさらに他の例を示す図である。 本発明の実施例２に係るモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の実施例２に係るモニタリング機能付き光源の他の例を示す図である。 本発明の実施例２に係るモニタリング機能付き光源のさらに他の例を示す図である。 本発明の実施例２に係るモニタリング機能付き光源のさらに他の例を示す図である。 本発明の実施例３に係るモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の実施例４に係るモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の実施例６に係るモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の実施例７に係るモニタリング機能付き光源を示す図である。 本発明の実施例８に係るモニタリング機能付き光源を説明するための図である。

（参考例）
以下、後述の実施例を理解するために、図２乃至図５を用いて、石英系平面光波回路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）を用いたＲＧＢカプラモジュールについて説明する。

近年、図１に示すようなバルク部品によるＲＧＢ合波ではなく、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、Ｓｉなどの平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニング、反応性イオン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（例えば、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ことができる（例えば、非特許文献２及び３参照）。

図２は、ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラの基本構造を示す。図２には、第１乃至第３のＬＤ２１乃至２３と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３０と、を備えたＲＧＢカプラモジュールが示されている。ＲＧＢカプラ３０は、第１乃至第３の導波路３１乃至３３と、導波路幅が同一の対称な第１及び第２の方向性結合器３４及び３５と、を含む。図２に示すように、ＲＧＢカプラ３０は、３本の入力ポートと１本の出力ポートを有する導波路構造を有する。

ＰＬＣを用いたＲＧＢカプラモジュールにおける合波方法としては、導波路幅が同一の対称な方向性結合器を２つ用いる方法、マッハツェンダ干渉計を利用する方法（例えば非特許文献１参照）、モードカプラを利用する方法（例えば非特許文献４参照）などが存在する。ＰＬＣを用いることにより、レンズやダイクロイックミラーなどを用いて実現していたＲＧＢ合波光学系を、１チップ上に集積可能である。また、非特許文献２に示されるように、モード多重を用いて、同一波長の光を異なるモードで合波し、ＲＲＧＧＢカプラを実現する方法も報告されている。

図３を用いて、２つの方向性結合器を用いたＲＧＢカプラについて説明する。図３には、第１乃至第３の入力導波路１０１乃至１０３と、第１及び第２の方向性結合器１０４及び１０５と、第２の入力導波路１０２と接続された出力導波路１０６と、を備えた光合波回路が示されている。

図３に示す光合波回路においては、例えば、第１の入力導波路１０１は青色光Ｂ（波長λ１）、第２の入力導波路１０２は緑色光Ｇ（波長λ２）、第３の入力導波路１０３は赤色光Ｒ（波長λ３）を入射し、３色の光Ｒ、Ｇ、Ｂが第１及び第２の方向性結合器１０４及び１０５によって合波されて出力導波路１０６から出力される。

第１の方向性結合器１０４は、第１の入力導波路１０１から入射されたλ１の光を第２の入力導波路１０２に結合し、第２の入力導波路１０２から入射されたλ２の光を第１の入力導波路１０１に結合して第２の入力導波路１０２へと再び結合するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。第２の方向性結合器１０５は、第３の入力導波路１０３から入射されたλ３の光を第２の入力導波路１０２に結合し、第１の方向性結合器１０４において第２の入力導波路１０２に結合されたλ１及びλ２の光を透過するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。

以上により、図３に示す光合波回路においては、３つの波長λ１乃至λ３の光が合波されて出力導波路１０６から出射される。λ１、λ２、λ３の光としては、それぞれ、例えば４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、６３８ｎｍの光が用いられる。

続いて、図４を用いて、モードカプラを用いたＲＲＧＧＢカプラについて説明する。図４には、第１乃至第５の入力導波路２１１乃至２１５と、導波路幅が同一の第１及び第２の方向性結合器２３１及び２３２と、導波路幅の異なる第３及び第４の方向性結合器２３３及び２３４と、を含む光合波回路が示されている。

図４に示されるように、第３の入力導波路２１３は、導波路幅が異なる第１及び第２の部分２１３₁及び２１３₂を有するようにテーパ形状の導波路構造で構成されている。また、第１、第２、第４及び第５の入力導波路２１１、２１２、２１４及び２１５は、シングルモード導波路であり、第３の入力導波路２１３は、マルチモード導波路である。

第１乃至第５の入力導波路２１１乃至２１５には、例えば、緑色光Ｇ２及びＧ１、青色光Ｂ、並びに赤色光Ｒ１及びＲ２がそれぞれ入射される。例えば、光Ｂ、Ｇ１、Ｒ１は、それぞれ、４００〜４９５ｎｍ、４９５〜５７０ｎｍ、６２０〜７５０ｎｍの波長域の波長を有する光とし、Ｇ２及びＲ２は、それぞれ、４９５〜５７０＋βｎｍ、６２０〜７５０＋γｎｍの波長を有し、β、γは０以上線幅以下の微小な値とし、線幅は入射される光の光源に依るが概ね１ｎｍ以下とすることができる。

第１の方向性結合器２３１は、第２の入力導波路２１２から入射された光Ｇ１を第３の入力導波路２１３に結合し、第３の入力導波路２１３から入射された光Ｂを第２の入力導波路２１２に結合して第３の入力導波路２１３へと再び結合するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。

第２の方向性結合器２３２は、第４の入力導波路２１４から入射された光Ｒ１を第３の入力導波路２１３に結合し、第１の方向性結合器２３１において第３の入力導波路２１３に結合された光Ｇ１及びＢを透過するように導波路長、導波路幅及び導波路間のギャップが設計されている。

第３の方向性結合器２３３は、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁近傍に配置されている。第４の方向性結合器２３４は、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂近傍に配置されている。

第３及び第４の方向性結合器２３３及び２３４は、導波路幅の異なる非対称方向性結合器で構成されたモードカプラである（例えば、非特許文献４参照）。モードカプラでは、導波路幅が細い方の細幅導波路における０次モードの光の実効屈折率と導波路幅が太い方の太幅導波路における高次モードの光の実効屈折率が一致するとき、細幅導波路を伝搬する０次モードの光は高次モードの光に変換されながら隣接する太幅導波路に１００％結合することができる。一方、太幅導波路を伝搬する０次モードの光は、細幅導波路における０次モードの光と実効屈折率が一致することはないため、隣接する細幅導波路に結合することはなくモードカプラを通過する。

モードカプラとして機能するために、第３の方向性結合器２３３は、第１の入力導波路２１１に対する光Ｇ２の０次モードにおける実効屈折率と第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に対する光Ｇ２の高次モードにおける実効屈折率とが等しくなるように、且つ、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の高次モードにおける実効屈折率と第１の入力導波路２１１に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の０次モードにおける実効屈折率とが等しくならないように、第１の入力導波路２１１及び第１の部分２１３₁の導波路幅が設定されている。

同様に、モードカプラとして機能するために、第４の方向性結合器２３４は、第５の入力導波路２１５に対する光Ｒ２の０次モードにおける実効屈折率と第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に対する光Ｒ２の高次モードにおける実効屈折率とが等しくなるように、且つ、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の高次モードにおける実効屈折率と第５の入力導波路２１５に対する光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１の０次モードにおける実効屈折率とが等しくならないように、第５の入力導波路２１５及び第２の部分２１３₂の導波路幅が設定されている。

図４に示す光合波回路の動作について説明する。第２の入力導波路２１２から入射された０次モードの光Ｇ１は、導波路幅が同一の第１の方向性結合器２３１において第３の入力導波路２１３に結合し、第３の入力導波路２１３から入射された０次モードの光Ｂは、第１の方向性結合器２３１において第２の入力導波路２１２に結合して第３の入力導波路２１３へと再び結合する。

第４の入力導波路２１４から入射された０次モードの光Ｒ１は、導波路幅が同一の第２の方向性結合器２３２において第３の入力導波路２１３に結合し、第３の入力導波路２１３を伝搬してきた光Ｇ１及びＢは、第２の方向性結合器２３２において透過する。その結果、第１乃至第３の入力導波路２１１乃至２１３に入射した光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１は、第１及び第２の方向性結合器２３１及び２３２を介して合波されて、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に入力される。

一方、第１の入力導波路２１１を伝搬している０次モードの光Ｇ２は、モードカプラとして機能する第３の方向性結合器２３３において導波モードが高次モードに変換されて第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁に結合する。結合した高次モードの光Ｇ２は、第３の入力導波路２１３の第１の部分２１３₁を伝搬している０次モードの光Ｇ１、Ｂ、Ｒ１と合波されて、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に入力される。

さらに、第５の入力導波路２１５を伝搬している０次モードの光Ｒ２は、モードカプラとして機能する第４の方向性結合器２３４において導波モードが高次モードに変換されて第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂に結合する。結合した高次モードの光Ｒ２は、第３の入力導波路２１３の第２の部分２１３₂を伝搬している合波光とさらに合波される。その結果、第１乃至第５の入力導波路２１１乃至２１５に入射した光Ｇ２、Ｇ１、Ｂ、Ｒ１及びＲ２の合波光が、第３の入力導波路２１３の出力ポートから空間変調光学素子２２０に出力される。

図５は、図４に示すモードカプラを用いたＲＧＢカプラ２１０における、各波長λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝６５０ｎｍについての０次、１次、２次モードの光の実効屈折率と導波路幅との関係を示す。導波路膜厚は３．６μｍとし、比屈折率差Δは０．４５％とした。

例えば、第１の方向性結合器２３１における導波路間ギャップを２μｍ、第２の方向性結合器２３２における導波路間ギャップを４．７μｍ、第１の入力導波路２１１及び第１の部分２１３₁と、第５の入力導波路２１５及び第２の部分２１３₂と、における導波路間ギャップをそれぞれ２．５μｍ、第１及び第２の方向性結合器２３１及び２３２における結合長を３０００μｍ、第３の方向性結合器２３３の結合長を２３８０μｍ、第４の方向性結合器２３４の結合長を９００μｍ、第１及び第５の入力導波路２１１及び２１５の導波路幅を１．５μｍとし、第２乃至第４の入力導波路２１２及び２１４の導波路幅を２μｍと仮定する。この場合、図５に基づいて、各波長λ１乃至λ３について実効屈折率が等しくなる導波路幅を検討すると、第１の部分２１３₁の導波路幅を７．１５μｍ、第２の部分２１３₂の導波路幅を８．００μｍとすることにより、図４に示すようなモードカプラを用いたＲＧＢカプラ２１０を実現することができることがわかる。

以下、本発明の各実施例について説明する。本明細書では、具体的な合波方法を用いて実施例を説明するが、合波方法によって本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
図６乃至図８を用いて、本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源を説明する。図６は、本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源を示す。図６には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０と、ＲＧＢカプラ３１０に光学的に接続された第１乃至第３のＰＤ３０２₁乃至３０２₃と、を備えたモニタリング機能付き光源が示されている。

図６に示されるように、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０は、第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃と光学的に接続された第１乃至第３の入力導波路３１１₁乃至３１１₃と、導波路を伝搬する光を２分岐する第１乃至第３の分岐部３１２₁乃至３１２₃と、第１乃至第３の分岐部３１２₁乃至３１２₃でそれぞれ分岐された光を第１乃至第３のＰＤ３０２₁乃至３０２₃に出力する第１乃至第３のモニタリング用導波路３１３₁乃至３１３₃と、入力した光を合波する合波部３１４と、合波部３１４で合波された光を出力する出力導波路３１５と、を含む。

図６に示すＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０では、第１乃至第３の入力導波路３１１₁乃至３１１₃にそれぞれ入射した光は、第１乃至第３の分岐部３１２₁乃至３１２₃でそれぞれ２分岐される。当該分岐された光の一方は第１乃至第３のモニタリング用導波路３１３₁乃至３１３₃を介して第１乃至第３のＰＤ３０２₁乃至３０２₃に出力され、当該分岐された光の他方は合波部３１４で合波されて出力導波路３１５に出力される。

合波部３１４としては、例えば図３に示したような方向性結合器を用いた光合波回路を用いることができる（以下の実施例でも同様である）。この場合、第１乃至第３の入力導波路３１１₁乃至３１１₃が、それぞれ、図３に示す第１乃至第３の入力導波路１０１乃至１０３に結合し、出力導波路３１５が、図３に示す出力導波路１０６に結合する。しかし、これに限定されず、合波部３１４として、導波路型の他の合波手段（例えば、マッハツェンダ干渉計など）を用いてもよい（以下の実施例でも同様である）。

図６に示すように、第１乃至第３の入力導波路３１１₁乃至３１１₃を伝搬する光を第１乃至第３の分岐部３１２₁乃至３１２₃でそれぞれ分岐した場合、第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃と第１乃至第３の入力導波路３１１₁乃至３１１₃との結合特性をモニタリング可能であるとともに、事前に合波部３１４の特性把握のための測定をすることで、モニタリング値を用いてホワイトバランスを調整することが可能である。

図７は、本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源の他の例を示す。図７に示す例では、合波部３１４の近傍に分岐部３１２が設けられており、合波部３１４において合波し切れなかった、又は漏れてきた光が出力される捨てポートから出力される各色が混ざった光を分岐部３１２によって分岐して、ＰＤ３０２に入力している。

合波部３１４として図３に示す光合波回路を例にすると、最も出力側に近い方向性結合器である第２の方向性結合器１０５を分岐部３１２として用い、出力ポートに結合されていない入力導波路のうち最も出力側に近い第３の入力導波路１０３をそのままＰＤ３０２に接続してモニタリング用導波路３１３として用いることが好ましい。また、最も出力側に近い方向性結合器である第２の方向性結合器１０５の近傍か、又は出力ポートに結合されていない入力導波路のうち最も出力側に近い第３の入力導波路１０３の先端部分の近傍に、分岐部３１２を設けてもよい。

図７に示すように、合波部３１４を伝搬する光を分岐部３１２で分岐する場合、合波部３１４の捨てポートを利用してＲ、Ｇ、Ｂの各色が混ざった光をＰＤ３０２に入力するため、Ｒ、Ｇ、Ｂごとにモニタリング用の回路を用意することなくモニタリングが可能であるため、より小型な光源を実現できるとともに、事前に合波部３１４の特性把握のための測定をすることで、モニタリング値を用いてホワイトバランスを調整することが可能である。

図８は、本発明の実施例１に係るモニタリング機能付き光源のさらに他の例を示す。図８に示す例では、出力導波路３１５の近傍に分岐部３１２が設けられており、出力導波路３１５を伝搬する合波光を分岐部３１２によって分岐して、ＰＤ３０２に入力している。

図８に示すように、出力導波路３１５を伝搬する光を分岐部３１２で分岐する場合、出力導波路３１５の出力を直接モニタリング可能であり、各色ごとのモニタリング用の回路を用意することなくモニタリングが可能であるため、より小型な光源を実現できるとともに、合波部３１４の合波特性を事前に把握することなく、ホワイトバランスを調整することが可能となる。

本実施例１では光源がＲ、Ｇ、Ｂの各色１つずつの場合について説明したが、ＲＲＧＧＢのような５光源を用いる場合も、合波部３１４として図４に示す光合波回路を用い、追加のＰＤ３０２、分岐部３１２及びモニタリング用導波路３１３を用いることにより、同様にモニタリング可能であることは言うまでもない。以下の実施例でも同様である。

分岐部３１２は、方向性結合器やＹ分岐導波路等の、導波路を伝搬する光の分岐が可能な回路を用いることにより、光をモニタ用に分岐することができる。図６乃至図８に示されるように、光を分岐する箇所は、入力導波路３１１、合波部３１４、出力導波路３１５のいずれであってもよい。いずれの場合も、ハーフミラーのような追加の部品が不要であり、光路追加による大型化もないため、光源モジュールを小型化することができる。

（実施例２）
図９乃至図１２を用いて本発明の実施例２に係るモニタリング機能付き光源を説明する。図９乃至図１２は、本発明の実施例２に係るモニタリング機能付き光源の例を示す。図９乃至図１２には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１乃至第３のＬＤ４０１₁乃至４０１₃と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ４１０と、ＲＧＢカプラ４１０に光学的に接続されたＰＤ４０２と、を備えたモニタリング機能付き光源が示されている。

図９乃至図１２に示されるように、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ４１０は、第１乃至第３のＬＤ４０１₁乃至４０１₃と光学的に接続された第１乃至第３の入力導波路４１１₁乃至４１１₃と、導波路を伝搬する光を２分岐する分岐部４１２と、分岐部４１２で分岐された光をＰＤ４０２に出力するモニタリング用導波路４１３と、入力した光を合波する合波部４１４と、合波部４１４で合波された光を出力する出力導波路４１５と、を含む。

本実施例２では、ＬＤとＰＤの位置関係について説明する。実施例１のように、ＬＤ４０１の出射面と対向するようにＰＤ４０２を配置すると、ＰＤ４０２に迷光が入射しまい正確な値が取れない可能性がある。

そこで、本実施例２では、ＬＤ４０１とＰＤ４０２が対向しないように、９０°の光路変換用の曲げ導波路を用いることにより、第１乃至第３のＬＤ４０１₁乃至４０１₃における光の出射方向がＰＤ４０２における光の入射方向に対して概垂直となるように構成することで、迷光がＰＤに入射することを回避することができる。

例えば、図９に示す例ではモニタリング用導波路４１３として９０°の光路変換用の曲げ導波路を用いることにより、また、図１０に示す例では第１乃至第３の入力導波路４１１₁乃至４１１₃として９０°の光路変換用の曲げ導波路を用いることにより、第１乃至第３のＬＤ４０１₁乃至４０１₃における光の出射方向がＰＤ４０２における光の入射方向に対して概垂直となるように構成されている。

一方で、導波路を曲げるには、長い回路長が必要となり、モジュールが大型化する。また、光Ｒ、Ｇ、Ｂは波長４５０〜６５０ｎｍと広帯域に渡るため、損失なく導波路を曲げることができる最少曲げ半径は色によって異なる。特に、光のしみ出しの大きい光Ｒは、光Ｇ及びＢと比べて最少曲げ半径が大きい。例えば、屈折率差０．４５％で導波路幅３．５μｍ程度の導波路であると、光Ｇ及びＢを伝搬する導波路の最少曲げ半径が１〜２ｍｍであるのに対して、光Ｒを伝搬する導波路の最少曲げ半径は約５ｍｍである。

そこで、図１１に示すように、光Ｒを伝搬する入力導波路４１１₁の曲げを不要とするために、光Ｒを出力するＬＤ４０１₁の出射面がＰＤ４０２の入射面と対向するようにＬＤ４０１₁を配置して入力導波路４１１₁及び出力導波路４１５を直線導波路として構成し、光Ｇ及びＢを出力するＬＤ４０１₂及び４０１₃の出射面がＬＤ４０１₁の出射面に対して直交するように配置して光Ｇ及びＢを伝搬する入力導波路４１１₂及び４１１₃を９０°光路変換するように曲げて構成し、さらに、光Ｒを出力するＬＤ４０１₁の出射面の中心線上に来ないようにＰＤ４０２を配置した。これにより、迷光が入射しにくく小型なモニタリング機能付き光源を実現することができる。

あるいは、図１２に示す例では、ＬＤ４０１₁乃至４０１₃とＰＤ４０２とが対向しないように、モニタリング用導波路４１３として９０°光路変換用の曲げ導波路を用いることによりＰＤ４０２への迷光の入射を減少させていることに加え、出力光を出力する出射面に対向する側の面にＬＤ４０１₁乃至４０１₃を設け、光Ｒを伝搬する入力導波路４１１₃及び出力導波路４１５を直線導波路とし、光Ｂ及びＧをそれぞれ伝搬する入力導波路４１１₁及び４１１₂を光路変換用の曲げ導波路として、それぞれ合波部４１４に接続している。また、光Ｒを出力するＬＤ４０１₃は、３つのＬＤ４０１₁乃至４０１₃のうち最も端に配置され、且つ入力導波路４１１₃の入射面に平行な方向においてＰＤ４０２から最も離れた位置に配置されている。

これにより、導波路の曲げ領域をＲＧＢカプラ４１０の幅方向の片側に寄せつつチップの長さを最小にすることができるため、モニタリング機能付き光源の小型化を実現することが可能となる。さらに、図１２に示す構成では、各ＬＤ４０１₁乃至４０１₃の出射面の中心線上に出力導波路４１５の出射面を配置しないことで、出力導波路４１５の出射面に迷光が入射することを減少させることが可能となる。

なお、図１１及び図１２に示す構成において、光Ｒ、Ｂ及びＧを出力するＬＤ４０１の配置を入れ替えて構成してもよい。

（実施例３）
図１３を用いて、本発明の実施例３に係るモニタリング機能付き光源について説明する。図１３は、本発明の実施例３に係るモニタリング機能付き光源の断面図である。図１３に示されるように、モニタリング用導波路５１３の出射端に、入射した光の光路を９０°変換する跳ね上げミラー５０１が設けられている。また、ＰＤ５０２は、跳ね上げミラー５０１で光路変換された光と光学的に接続するように配置されている。

本実施例では、ＰＤ５０２がＰＬＣに表面実装されており、モニタリング用導波路５１３から出射した光を跳ね上げミラー５０１を用いて基板上方に反射し、ＰＤ５０２に入射させている。跳ね上げミラー５０１は、Ｓｉなどを用いて別途作成した４５°の傾斜を有する面をモニタリング用導波路５１３の出射端面に貼り付ける方法や、基板を４５°に傾けてドライエッチングし、モニタリング用導波路５１３の途中に作り込む方法により作製可能である。

本実施例によると、ＬＤの出射面と対向しないようにＰＤ５０２を配置できるためＰＤに迷光が入射しにくいいとともに、導波路を曲げる必要がないため小型なモニタリング機能付き光源を実現することができる。

（実施例４）
図１４は、本発明の実施例４に係るモニタリング機能付き光源を例示する。図１４には、Ｇ２、Ｇ１、Ｂ、Ｒ１、Ｒ２の光をそれぞれ出力する第１乃至第５のＬＤ６０１₁乃至６０１₅と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ６１０と、ＲＧＢカプラ６１０に光学的に接続された第１乃至第３のＰＤ６０２₁乃至６０２₃と、を備えたモニタリング機能付き光源が示されている。

図１４に示されるように、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ６１０は、第１乃至第５のＬＤ６０１₁乃至６０１₅と光学的に接続された第１乃至第５の入力導波路６１１₁乃至６１１₅と、導波路を伝搬する光を２分岐する第１乃至第５の分岐部６１２₁乃至６１２₅と、第１乃至第５の分岐部６１２₁乃至６１２₅でそれぞれ分岐された光を第１乃至第３のＰＤ６０２₁乃至６０２₃に出力する第１乃至第５のモニタリング用導波路６１３₁乃至６１３₅と、入力した光を合波する合波部６１４と、合波部６１４で合波された光を出力する出力導波路６１５と、を含む。

図１４に示されるように、実施例４に係るモニタリング機能付き光源では、第１及び第２のＬＤ６０１₁及び６０１₂が出力する同一色の光Ｇ２及びＧ１は、それぞれ第１及び第２の分岐部６１２₁及び６１２₂を介して第１のＰＤ６０２₁に入力され、第３のＬＤ６０１₃が出力する光Ｂは、第３の分岐部６１２₃を介して第２のＰＤ６０２₂に入力され、第４及び第５のＬＤ６０１₄及び６０１₅が出力する同一色の光Ｒ１及びＲ２は、それぞれ第４及び第５の分岐部６１２₄及び６１２₅を介して第３のＰＤ６０２₃に入力されている。

従来、ＬＤ毎に対応する１つのＰＤを配置することによりモニタリングしていたが、図１４に示すように、同一色の光を出力するＬＤ６０１と分岐部６１２を介して光学的に接続されたモニタリング用導波路６１３の組を同一のＰＤ６０２に光学的に接続して、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に同一のＰＤ６０２に同一色の光を入射させることで、ＰＤの個数を削減して更なる小型化を図りながら、ホワイトバランス調整に必要な各色の光パワーをモニタリングすることが可能となる。

（実施例５）
図７及び図８を用いて、本発明の実施例５に係るモニタリング機能付き光源について説明する。図７及び図８で示したような合波部３１４や出力導波路３１５近傍に分岐部３１２を設けた構成では、各色が混ざった光がＰＤ３０２に入力される。このため、正確に各色の光パワーをモニタリングするためには、各色の光を分離する必要がある。

実施例５に係るモニタリング機能付き光源では、第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃の出力光を時分割変調又は周波数変調することで、電気信号処理の際に同じＰＤ３０２からの信号を各色毎に分離することが可能となる。

例えば、映像出力に必要な第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃の変調周波数ｆ_LDは、以下の（式１）で決定する。
ｆ_LD=（画素数）×（フレームレート）÷（ブランキングタイム割合） （式１）

一般的に、フレームレートは６０Ｈｚであり、ブランキングタイム割合（ＬＤが発光しない時間の割合）は０．５であり、画素数は約１５３６００〜１３８２４００であるため、第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃としては、１８．４〜１６５．９ＭＨｚ程度の変調が映像出力に必要となる。

第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃の出力光を時分割変調する場合、映像に影響を与えないように、少なくともフレームレートが６０Ｈｚより高くなるように、第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃の出力光を時分割変調し各色の出力光をモニタリングすることが可能となる。また、この場合、映像とは無関係なブランキングタイム中に第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃のうちの１つのＬＤを順次発光させることが好ましい。

第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃の出力光を周波数変調する場合、映像出力に必要な変調周波数より十分高い（例えば、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）周波数であって、赤色光、青色光又は緑色光を出力するＬＤ３０１毎に異なる周波数を用いて、第１乃至第３のＬＤ３０１₁乃至３０１₃の出力光を周波数変調することで、映像に影響を与えることなく、各色の出力光をモニタリングすることが可能となる。

これにより、各色の光のモニタリングを可能にしつつ、ＰＤ数削減により小型なモニタリング機能付き光源を実現することができる。

また、ＬＤでは、ＬＤの高いコヒーレンスのため、反射光が干渉し、映像がギラギラと光るスペックルが発生する。ＬＤ３０１の出力に前述した周波数変調を加えた場合、擬似的にコヒーレンスを低減することになり、スペックル低減の効果も加えて得ることができる。

（実施例６）
図１５は、本発明の実施例６に係るモニタリング機能付き光源を示す。図１５には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ７１０と、第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃とＲＧＢカプラ７１０との接続部上面にそれぞれ配置された第１乃至第３のＰＤ７０２₁乃至７０２₃と、を備えたモニタリング機能付き光源が示されている。

図１５に示されるように、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ３１０は、第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃と光学的に接続された第１乃至第３の入力導波路７１１₁乃至７１１₃と、第１乃至第３の入力導波路７１１₁乃至７１１₃から入力した光を合波する合波部７１４と、合波部７１４で合波された光を出力する出力導波路７１５と、を含む。

上記実施例では、分岐部を用いて光を分岐し、その分岐光をモニタリング用導波路を介してモニタリングしたが、本実施例では、第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃とＲＧＢカプラ７１０との接続部近傍（例えば、接続部上方）に第１乃至第３のＰＤ７０２₁乃至７０２₃をそれぞれ配置し、接続損となった漏れ光をモニタリングする。

第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃と第１乃至第３の入力導波路７１１₁乃至７１１₃は、構造にもよるが、モードフィールドが異なるため、１〜２ｄＢの接続損失が発生する。第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃から出射されて第１乃至第３の入力導波路７１１₁乃至７１１₃に接続できなかった光は、その接続部付近に散乱するため、第１乃至第３のＬＤ７０１₁乃至７０１₃と第１乃至第３の入力導波路７１１₁乃至７１１₃との接続部近傍に第１乃至第３のＰＤ７０２₁乃至７０２₃をそれぞれ配置することで、光源の出力をモニタリング可能となる。

本実施例によると、分岐部及びモニタリング用導波路を用意する必要が無いため、小型なモニタリング用光源を実現可能となる。

（実施例７）
図１６は、本発明の実施例７に係るモニタリング機能付き光源の構成を例示する。図１６には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれ出力する第１乃至第３のＬＤ８０１₁乃至８０１₃と、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ８１０と、ＲＧＢカプラ８１０に光学的に接続されたＰＤ８０２と、を備えたモニタリング機能付き光源が示されている。

図１６に示すように、ＰＬＣ型のＲＧＢカプラ８１０は、第１乃至第３のＬＤ８０１₁乃至８０１₃と光学的に接続された第１乃至第３の入力導波路８１１₁乃至８１１₃と、第１乃至第３の入力導波路８１１₁乃至８１１₃から入力した光を合波する合波部８１４と、合波部８１４で合波された光を出力する出力導波路８１５と、出力導波路８１５を伝搬する光の一部を反射する反射部８１７と、反射部８１７によって反射された光を伝搬してＰＤ８０２に出力するモニタリング用導波路８１３と、を含む。

出力導波路８１５には、出力光の出射面に対して傾斜して出力光が出射されるように曲げ部８１６が設けられている。モニタリング用導波路８１３と出力導波路８１５との接続部分には反射部８１７が設けられており、反射部８１７は出力導波路８１５の出射面に出力光を所望の割合を反射するＨＲコート８１８を施すことにより構成されている。

合波部８１４から出力された合波光は、曲げ部８１６において出力光の出射面に対して傾斜してＨＲコート８１８が施された反射部８１７に入射し、反射部８１７において所望の割合で反射される。反射部８１７で反射された光は、モニタリング用光としてモニタリング用導波路８１３を伝搬してＰＤ８０２に入射し、反射部８１７を透過した光を出力光として出力される。

本実施例７によると、分岐部及び９０°光路変換用の曲げ用導波路を用意する必要が無いため、小型なモニタリング用光源を実現可能となる。

（実施例８）
図１７を用いて、本発明の実施例８に係るモニタリング機能付き光源を説明する。図１７（ａ）は本発明の実施例８に係るモニタリング機能付き光源における導波路の出射面の構成を例示し、図１７（ｂ）は従来のモニタリング機能付き光源における導波路の出射面の構成を例示する。図１７（ｂ）に示すように、従来のモニタリング機能付き光源における導波路では、出射面に到達するまで導波路が設けられている。

可視レーザ光は、導波路の出射面でのエネルギー密度が高いと、雰囲気中の有機物等を集塵することが知られている。出射ビームはガウス形状をしているため、集塵された有機物はレンズ形状となり、出射ビーム形状が変形するといった課題が存在する。

そこで、本実施例８に係るモニタリング機能付き光源では、図１７（ａ）に示すように、出射面に到達する手前で、出力導波路及び／又はモニタリング用導波路が終端している。そのようにすることで、ＲＧＢカプラの端面（導波路出射端）での光のエネルギー密度を低下させることが可能になり、良好な出射ビーム形状を得ることができる。さらに、導波路出射端での光のエネルギー密度の低下により、端面で反射した光がほとんど導波路に再結合せず、また導波路に入射せずにチップ内に入射した迷光のエネルギー密度を低減することができるため、ＰＤへの迷光の入射を低減することが可能となる。

上記実施例１乃至８に係る構成は、本発明の原理及び概念に逸脱しない範囲において、適宜組み合わせて適用可能である。

Claims (12)

1. 複数のレーザダイオードと、
   前記複数のレーザダイオードから出力された光を合波し、当該合波光を出力する、平面光波回路を用いた可視光カプラと、
   少なくとも１つのフォトダイオードと、
   を含み、
   前記可視光カプラは、
   前記複数のレーザダイオードに光学的に接続された複数の入力導波路と、
   前記複数の入力導波路から出力された光を合波する合波部と、
   前記合波部で合波された光を出力する出力導波路と、を含み、
   前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記複数の入力導波路、前記合波部又は前記出力導波路における光出力をモニタリングするように構成されていることを特徴とするモニタリング機能付き光源。
2. 前記可視光カプラは、
   導波路を伝搬する光を分岐するための少なくとも１つの分岐部と、
   前記少なくとも１つの分岐部によって分岐された光を伝搬して前記少なくとも１つのフォトダイオードに出力する少なくとも１つのモニタリング用導波路と、
   をさらに含み、
   前記少なくとも１つの分岐部は、前記複数の入力導波路、前記合波部又は前記出力導波路の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のモニタリング機能付き光源。
3. 前記複数の入力導波路又は前記少なくとも１つのモニタリング用導波路は、９０°光路変換用の曲げ導波路であることを特徴とする請求項２に記載のモニタリング機能付き光源。
4. 前記複数の入力導波路のうち、赤色光を出力するレーザダイオードに接続された入力導波路は、直線導波路であり、
   前記複数の入力導波路のうち、前記赤色光を出力するレーザダイオードに接続された入力導波路を除く入力導波路は、光路変換用の曲げ導波路であり、
   前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記赤色光を出力するレーザダイオードの出射面の中心線上に配置されていないことを特徴とする請求項２に記載のモニタリング機能付き光源。
5. 前記複数の入力導波路のうち、赤色光を出力するレーザダイオードに接続された入力導波路及び前記出力導波路は、直線導波路であり、
   前記少なくとも１つのモニタリング用導波路は、９０°光路変換用の曲げ導波路であり、
   前記複数の入力導波路のうち、前記赤色光を出力するレーザダイオードに接続された入力導波路を除く入力導波路は、光路変換用の曲げ導波路であり、
   前記赤色光を出力するレーザダイオードは、前記複数のレーザダイオードの最も端に配置され、且つ前記複数の入力導波路の入射面に平行な方向において前記少なくとも１つのフォトダイオードから最も離れた位置に配置され、
   前記出力導波路の出射面は、前記赤色光を出力するレーザダイオードの出射面の中心線上に配置されていないことを特徴とする請求項２に記載のモニタリング機能付き光源。
6. 前記出力導波路及び／又は前記少なくとも１つのモニタリング用導波路は、出射面に到達する手前で終端していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のモニタリング機能付き光源。
7. 前記モニタリング用導波路の途中又は出射端に設けられた、入射した光の光路を変換する跳ね上げミラーをさらに備え、
   前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記光路変換された光が入射するように配置されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のモニタリング機能付き光源。
8. 前記分岐部は、前記複数の入力導波路の各々の近傍に設けられており、
   同一色の光を出力する前記レーザダイオードに前記分岐部を介して光学的に接続された前記モニタリング用導波路の組は、同一の前記フォトダイオードに光学的に接続されていることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載のモニタリング機能付き光源。
9. 前記可視光カプラは、
   前記出力導波路を伝搬する光の一部を反射する反射部と、
   前記反射部によって反射された光を伝搬して前記少なくとも１つのフォトダイオードに出力する少なくとも１つのモニタリング用導波路と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のモニタリング機能付き光源。
10. 前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記合波部又は前記出力導波路における光出力をモニタリングするように構成されており、
    フレームレートが６０Ｈｚより高くなるように、前記複数のレーザダイオードの出力光を時分割変調することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のモニタリング機能付き光源。
11. 前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記合波部又は前記出力導波路における光出力をモニタリングするように構成されており、
    前記複数のレーザダイオードの出力光を、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数であって、赤色光、青色光又は緑色光を出力するレーザダイオード毎に異なる周波数を用いて周波数変調することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のモニタリング機能付き光源。
12. 前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記複数のレーザダイオードから出射されて前記複数の入力導波路に接続できなかった光を検出するように、前記複数のレーザダイオードと前記複数の入力導波路との接続部近傍を配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモニタリング機能付き光源。

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