JP2019020610A - レーザモジュール及び眼鏡型ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ結合効率の変化に対して、シングルモードファイバからの光出力を安定させることができるレーザモジュール。【解決手段】一端に入射側端部３０が設けられ他端に出射側端部５０が設けられたファイバ４０、レーザビームを出射する１以上のレーザダイオードと、１以上のレーザダイオードから出射されるレーザビームをファイバに集光させる第２レンズ１２、第２レンズを収納するとともにファイバの入射側端部と１以上のレーザダイオードを固定する筐体２０ａ、ファイバの入射側端部と出射側端部との間に設けられファイバの曲率ｒ２を変化させるハウジング１００と、ハウジング内のファイバの曲率変化位置近傍に配置されファイバからの光を受光する受光素子を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバ結合型レーザモジュール、ＲＧＢレーザモジュール、網膜走査型レーザディスプレイ、ピコプロジェクタに適用可能なレーザモジュールに関する。

光の３原色（赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ）を出力できるレーザダイオードが知られている。ＲＧＢのレーザダイオードのビームをレンズやミラー等の光学素子を組み合わせて制御し、ビームをシングルモードファイバに結合させたＲＧＢレーザモジュールがある。

図９は、従来のファイバ結合型ＲＧＢレーザモジュールの構成を示す図である。このファイバ結合型ＲＧＢレーザモジュールは、ＲＧＢの３色のレーザビームをシングルモードファイバに結合したレーザモジュールである。レーザモジュール本体である筐体２０に、シングルモードファイバ４０の入射側フェルール３０が取り付けられている。

筐体２０内には、レーザダイオード（ＬＤ）１０−１〜１０−３、第１レンズ１１−１〜１１−３、フィルタ１３−１〜１３−３、第２レンズ１２、フォトダイオード（ＰＤ）１４−１〜１４−３が設けられている。レーザダイオード１０−１〜１０−３、フォトダイオード（ＰＤ）１４−１〜１４−３、入射側フェルール３０は、筐体２０に取り付けられている。

３つのレーザダイオード１０−１〜１０−３は、ＲＧＢに対応して設けられ且つ互いに所定距離だけ離間して配置されている。第１レンズ１１−１〜１１−３は、レーザダイオード１０−１〜１０−３に対向して配置されている。

フィルタ１３−１〜１３−３は、第１レンズ１１−１〜１１−３に対向して配置されている。フィルタ１３−１〜１３−３は、波長の異なるＲＧＢの３つのレーザダイオード１０−１〜１０−３のビームを波長合波させる。第２レンズ１２は、集光レンズに対応し、フィルタ１３−１〜１３−３で波長合波されたビームを集光させて入射側フェルール３０の中心に配置されたシングルモードファイバ４０のコアに導く。

ＲＧＢレーザモジュールは、ＲＧＢの３色のビームがシングルモードファイバから出射されているため、一点から出射された点光源として取り扱うことができ、ビーム品質が優れている特長を有する。

シングルモードファイバから出力された後のレーザビームを、電磁駆動式ミラーからなるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー等を用いて走査させることにより、コンパクトなレーザディスプレイ、ピコプロジェクタ等を実現することができる。

レーザダイオードは、電流−光出力特性に温度依存性があり、ビーム特性に電流依存性、温度依存性がある。このため、レーザダイオードの動作温度や光学素子の特性変化によって光出力が変化する。

このため、光出力の安定性が求められるレーザモジュールでは、光出力の一部をフォトダイオード等の受光素子にフィードバックさせ、光出力を安定させるＡＰＣ（Auto Power Control）が行われている（特許文献１）。

レーザダイオードビームをシングルモードファイバに結合させたレーザモジュールについて考える。特許文献１に記載されるように、シングルモードファイバに光を入射する前に光モジュール内にフォトダイオード等の受光素子を配置した場合には、動作温度や動作電流変化による横モード変化等により、光軸ずれが発生する。このため、ファイバ結合効率が変化し、フォトダイオードのモニタ電流と光出力とのバランスが崩れてしまうという問題があった。

特開２００４−１７７９０５号公報

ファイバ結合効率の変化に依存せず、ＡＰＣを行うためには、シングルモードファイバから出射後のレーザビームをフォトダイオード等の受光素子にフィードバックすることが考えられる。この場合、アプリケーションによっては、フォトダイオード及び付随した光学系の設置スペースが問題となったり、光学系によって発生した迷光が問題となったりする。

また、使用されるレーザダイオードとして、シングルモードファイバのカットオフ波長よりも大きい波長が使用される。中心波長が４５０ｎｍ（Ｂ）、５２０ｎｍ（Ｇ）、６４０ｎｍ（Ｒ）のレーザダイオードを使用するとき、例えば、カットオフ波長が４０５ｎｍのシングルモードファイバを使用する。これにより、各レーザビームをシングルモードで伝搬でき、横シングルモードのレーザビームを取り出すことができる。

しかしながら、シングルモードファイバでは光の波長が大きくなるに連れて、導波モードから放射モードへ変換されやすいことから、機械的な最低許容曲げ半径よりも大きなファイバ曲げ径でビームが漏れやすくなる。

本発明の課題は、受光素子のモニタ電流と光出力とのバランスが崩れることなく、ファイバ結合効率の変化に対して、シングルモードファイバからの光出力を安定させることができるレーザモジュールを提供する。

本発明に係るレーザモジュールは、上記課題を解決するために、一端に入射側端部が設けられ他端に出射側端部が設けられたファイバと、レーザビームを出射する１以上のレーザダイオードと、前記１以上のレーザダイオードから出射されるレーザビームを前記ファイバに集光させる集光レンズと、前記集光レンズを収納するとともに、前記ファイバの前記入射側端部と前記１以上のレーザダイオードを固定する筐体と、前記ファイバの前記入射側端部と前記出射側端部との間に設けられ、前記ファイバの曲率を変化させるハウジングと、前記ハウジング内の前記ファイバの曲率変化位置近傍に配置され、前記ファイバからの光を受光する受光素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ファイバの曲率を変化させるハウジングをファイバ中に設け、ハウジング内のファイバの曲率を変化させた箇所からレーザビームの一部を放射モードとして取り出し、受光素子でレーザビームを受光する。

従って、受光素子のモニタ電流と光出力とのバランスが崩れることなく、ファイバ結合効率の変化に対して、ファイバからの光出力を安定させることができる。また、ファイバ出力側以降に受光素子を配置する必要がなくなり、スペース効率を改善できる。また、迷光の影響を小さくすることができる。

本発明の実施例１のレーザモジュールの構成図である。 本発明の実施例１のレーザモジュールの変形例の構成図である。 本発明の実施例１のレーザモジュールのシングルモードファイバとハウジングとの拡大図である。 本発明の実施例２のレーザモジュールの構成図である。 本発明の実施例３のレーザモジュールの構成図である。 本発明の実施例４のレーザモジュールの構成図である。 本発明の実施例５のレーザモジュールの構成図である。 本発明の実施例６のレーザモジュールを備えた眼鏡型ディスプレイ装置の構成図である。 従来のレーザモジュールの構成を示す図である。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係るレーザモジュールを図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１のファイバ結合型ＲＧＢレーザモジュールの構成を示す図である。このファイバ結合型ＲＧＢレーザモジュールは、ＲＧＢの３色のレーザビームをシングルモードファイバに結合したレーザモジュールであり、シングルモードファイバ４０の入射側フェルール３０（入射側端部）が筐体２０ａに取り付けられている。

筐体２０ａ内には、レーザダイオード１０−１〜１０−３、第１レンズ１１−１〜１１−３、フィルタ１３−１〜１３−３、第２レンズ１２を備えている。レーザダイオード１０−１〜１０−３、入射側フェルール３０は筐体２０ａに取り付けられている。

３つのレーザダイオード１０−１〜１０−３は、ＲＧＢに対応して設けられ且つ互いに所定距離だけ離間して配置されている。第１レンズ１１−１〜１１−３は、レーザダイオード１０−１〜１０−３に対向して配置されている。

フィルタ１３−１〜１３−３は、第１レンズ１１−１〜１１−３に対向して配置されている。フィルタ１３−１〜１３−３は、波長の異なるＲＧＢの３つのレーザダイオード１０−１〜１０−３のビームを波長合波させる。第２レンズ１２は、フィルタ１３−１〜１３−３で波長合波されたビームを集光させて入射側フェルール３０の中心に配置されたシングルモードファイバ４０のコアに導く。

シングルモードファイバ４０は、一端に斜め平面研磨された入射側フェルール３０が設けられ他端に出射側フェルール５０（出射側端部）が設けられている。これらの各部品は、精密に配置され、堅牢な筐体２０ａに固定され、位置ズレしないように構成されている。

出射側フェルール５０の出射端面は、ＡｄＰＣ球面研磨されており、他のシングルモードファイバ４０との間でＰＣ（Physical Contact）接続できるようになっている。

シングルモードファイバ４０は、曲率ｒ１で曲げられている。また、シングルモードファイバ４０の入射側フェルール３０と出射側フェルール５０との間には、シングルモードファイバ４０の曲率を変化させるハウジング１００が配置されている。図１に示す実施例１では、ハウジング１００が出射側フェルール５０側に配置され、図２に示す変形例１では、ハウジング１００が入射側フェルール３０側に配置されている。

図３（ａ）は、実施例１のレーザモジュールのシングルモードファイバ４０とハウジング１００との拡大図である。ハウジング１００内には、図３（ｂ）に示すように、サイクロイド曲線等のように曲率が変化する形状の溝１００ａが形成されている。ハウジング１００の溝１００ａは、シングルモードファイバ４０の曲率ｒ１よりも大きい曲率ｒ２が形成されている。

溝１００ａ内部には溝１００ａに沿ってシングルモードファイバ４０が配置されている。このため、入射側フェルール３０からハウジング１００の溝１００ａを通り出射側フェルール５０の方向に向かってレーザビームが導波される。

導波モードが存在できなくなる曲率ｒ２で曲げられた箇所に、レーザビームが到達すると、一部のレーザビームがシングルモードファイバ４０のコアから漏れる。

このとき、導波モードの一部は放射モードに変換される。シングルモードファイバ４０のコアから漏れる割合は、曲率ｒ２の大きさ及び曲率ｒ２の円弧の長さに比例する。シングルモードファイバ４０のコアから漏れたレーザビームは、クラッド層内を伝播し、クラッド層から保護層を通って、自由空間に漏れる。

フォトダイオード１０１−１は、本発明の受光素子に対応し、ハウジング１００内のファイバ４０の曲率変化位置近傍に配置され、シングルモードファイバ４０のコアから漏れたレーザビームを検出する。

また、ハウジング１００の出口から出射側フェルール５０までの間に曲率がｒ２よりも小さく、導波モードから放射モードへの変換が十分に小さく無視できる場合がある。この場合、フォトダイオード１０１−１で検出したモニタ電流と出射側フェルール５０から出射される光出力の間には、一定の相関関係がある。

このため、制御回路１１０は、フォトダイオード１０１−１で検出したモニタ電流に基づき、レーザダイオード１０−１〜１０−３の動作電流を調整することによりＡＰＣを行うことができる。以上の構成により、ファイバ結合効率の変化に対して、出射側フェルール５０からの光出力を安定させることができる。

このように実施例１のレーザモジュールによれば、シングルモードファイバ４０の入射側フェルール３０と出射側フェルール５０との間にシングルモードファイバ４０の曲率を変化させるハウジング１００を設け、シングルモードファイバ４０の曲率を変化させた箇所からレーザビームを放射モードとして取り出す。そして、ハウジング１００内のシングルモードファイバ４０の曲率変化位置近傍に配置されたフォトダイオード１０１−１が、放射モードのレーザビームを受光する。

従って、受光素子のモニタ電流と光出力とのバランスが崩れることなく、ファイバ結合効率の変化に対して、ファイバからの光出力を安定させることができる。また、ファイバ出力側以降に受光素子を配置する必要がなくなり、スペース効率を改善できる。また、迷光の影響を小さくすることができる。

なお、実施例１では、フォトダイオード１０１−１を１個設けたが、例えば、フォトダイオード１０１−１を複数個設けても良い。また、フォトダイオード１０１−１への入射効率を高めるために、レンズ等の光学素子を配置し、ビームを制御することもできる。

実施例１では、ハウジング１００内のシングルモードファイバ４０の曲率を変化させるための溝１００ａの形状は、サイクロイド曲線であったが、サイクロイド曲線に限定されるものではなく、その他の曲線であってもよい。

また、ＲＧＢ等の複数のレーザダイオードを用い、多色を利用するアプリケーションにおいて本発明を適用する場合には、各レーザダイオードを個別に点灯させた任意のタイミングに応じて、フォトダイオード１０１−１のモニタ電流を測定するように制御を行ってもよい。これにより、１つのフォトダイオード１０１−１で多色のレーザモジュールに対して制御することができる。

例えば、出射側フェルール５０から出射されたビームをＭＥＭＳミラーにより走査させ、画像を表示させるアプリケーションを考える。この場合、Ｘ方向及びＹ方向のラインを順番に走査させる。ビームが走査の一番端に到達したときに、ＭＥＭＳミラーで反射されたビームはケラれ、画像が表示されないように光学系が設計されているものとする。

ビームが走査の一番端に到達したタイミングに同期して、制御回路１１０が単色のみを点灯させ、フォトダイオード１０１−１が単色光を受光してモニタ電流を検出し、制御回路１１０が検出されたモニタ電流に基づき、単色の出力を補正することができる。

また、単色を順番に点灯させることにより、各色の出力を補正することができる。純粋なＡＰＣではなく、ＡＣＣ（Auto Current Control）を行うが、逐一光出力を補正することにより、ＡＰＣに近い制御を行うことができる。

また、レーザビームの波長が長くなるほど、曲率が大きくなったときに、レーザビームの漏れが発生し易くなる。このため、ある長波長の色のみに対してＡＰＣを行うこともできる。

また、短波長に比べて長波長の色は、漏れが発生し易い。そのため、各々のＡＰＣを、１つのフォトダイオードで行う場合は感度のダイナミックレンジが大きいため、ＡＰＣ回路が複雑化する。この場合には、フォトダイオード１０１−１に、長波長の受光感度を下げるフィルタを形成しても良い。これにより、ダイナミックレンジを狭くすることができ、ＡＰＣ回路を簡単化及び高速化することができる。

なお、実施例１では、ファイバとしてシングルモードファイバ４０を使用したが、マルチモードファイバ、マルチコアファイバ、フォトニック結晶ファイバを用いても同様の動作及び効果を得ることができる。

（実施例２）
図４は、本発明の実施例２のレーザモジュールの構成図である。図４（ａ）に示すように、ハウジング１００内には溝１００ａが形成され、図４（ｂ）に示すように、溝１００ａの表面には、鏡面加工が施された鏡面加工部１０５が形成されている。鏡面加工部１０５により高反射加工が施されているので、ファイバ４０から漏れたレーザビーム光を効率よく、フォトダイオード１０１−１に入射させることができる。

（実施例３）
図５は、本発明の実施例３のレーザモジュールの構成図である。図５（ａ）は、シングルモードファイバ４０の断面構造を示す。図５（ａ）に示すように、シングルモードファイバ４０は、コア４１と該コア４１を覆うクラッド層４２と該クラッド層４２を覆う保護層４３とを有する。図５（ｂ）に示すように、ハウジング１００内の曲率が変化される箇所のファイバ４０は、クラッド層４２及び保護層４３の一部に切欠部４４が形成されている。なお、切欠部４４は、クラッド層４２又は保護層４３に形成してもよい。

また、図５（ｃ）に示すように、ハウジング１００内の曲率が変化される箇所のファイバ４０には、クラッド層４２及び保護層４３の一部にＶ字溝４５が形成されている。なお、Ｖ字溝４５は、クラッド層４２又は保護層４３に形成してもよい。

このように実施例３のレーザモジュールによれば、クラッド層４２及び保護層４３の一部に切欠部４４又はＶ字溝４５が形成されているので、この部分から、ファイバクラッド伝搬モードを効率良く放射させることができる。

（実施例４）
図６は、本発明の実施例４のレーザモジュールの構成図である。図６では、ハウジング１００内の曲率が変化される箇所のファイバ４０におけるコア４１とクラッド層４２とを示している。

出射側フェルール５０から出射されるレーザビームのロスを減らすために、導波モードから放射モードへの変換を抑制する方法として、コア４１とクラッド層４２との界面で発生する近接場光を取り出し、近接場光をフォトダイオード１０１−１で検出することができる。

また、光の取り出し効率を向上させるために、光取り出し部に蛍光分子４６を配置し、レーザ光で蛍光分子４６を励起させることにより発光させる。この発光をフォトダイオード１０１−１で検出することもできる。

このように、コア４１表面界面からの近接場光から、効率的にエネルギーを取り出すことができる。

（実施例５）
図７は、本発明の実施例５のレーザモジュールの構成図である。図７では、ハウジング１００内の溝１００ａに埋め込まれたファイバ４０を示している。また、ハウジング１００内の曲率が変化される箇所に、ファイバ４０の曲率を調整する板バネ４７が配置されている。

板バネ４７は、逆Ｃ字状をなし、溝１００ａとファイバ４０との間に配置される。板バネ４７は、内側（→←方向）に復元する力が働くので、ファイバ４０はＦ方向に応力がかかる。このため、光弾性効果により、屈折率変化が発生し、クラッド伝搬モードを取り出すことができる。クラッド伝搬モードの光をフォトダイオード１０１−１で検出することができる。

（実施例６）
図８は、本発明の実施例６のレーザモジュールを備えた眼鏡型ディスプレイ装置の構成図である。眼鏡型ディスプレイ装置は、図８に示すように、メガネリム５１とメガネリム５１に連結される細長いメガネテンプル５２とメガネテンプル５２に連結され且つ耳にかける先セル５３とを有するメガネフレームを備えている。

眼鏡型ディスプレイ装置は、実施例１乃至実施例５のいずれかのレーザモジュールの内のファイバ４０とハウジング１００とフォトダイオード１０１−１とを備えている。

ファイバ４０は、先セル５３とメガネテンプル５２とを挿通しメガネリム５１に導かれている。このため、ファイバ４０からの光がメガネリム５１に導かれる。ハウジング１００及びフォトダイオード１０１−１は、先セル５３に格納されている。

このように、実施例６のレーザモジュールを備えた眼鏡型ディスプレイ装置によれば、スマートメガネ端末に実施例６のレーザモジュールを応用することができる。また、先セル５３にハウジング１００及びフォトダイオード１０１−１を設けることができるので、スペース効率を向上することができる。

本発明は、眼底検査装置や顕微鏡用光源として使用されるマルチカラーレーザモジュール等に適用可能である。

１０−１〜１０−３ レーザダイオード
１１−１〜１１−３ 第１レンズ
１２ 第２レンズ
１３−１〜１３−３ フィルタ
２０，２０ａ 筐体
３０ 入射側フェルール
４０ シングルモードファイバ
４１ コア
４２ クラッド層
４３ 保護層
４４ 切欠部
４５ Ｖ字溝
４６ 蛍光分子
４７ 板バネ
５０ 出射側フェルール
５１ メガネリム
５２ メガネテンプル
５３ 先セル
１００ ハウジング
１００ａ 溝
１０１−１ フォトダイオード（ＰＤ）
１０５ 鏡面加工部
１１０ 制御回路
１１１ メガネフレーム
１１３ メガネつる
ｒ１，ｒ２ 曲率

Claims (6)

1. 一端に入射側端部が設けられ他端に出射側端部が設けられたファイバと、
   レーザビームを出射する１以上のレーザダイオードと、
   前記１以上のレーザダイオードから出射されるレーザビームを前記ファイバに集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズを収納するとともに、前記ファイバの前記入射側端部と前記１以上のレーザダイオードを固定する筐体と、
   前記ファイバの前記入射側端部と前記出射側端部との間に設けられ、前記ファイバの曲率を変化させるハウジングと、
   前記ハウジング内の前記ファイバの曲率変化位置近傍に配置され、前記ファイバからの光を受光する受光素子と、
   を備えることを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記ハウジング内には溝が形成され、前記溝には鏡面加工が施されていることを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
3. 前記ファイバは、コアと該コアを覆うクラッド層と該クラッド層を覆う保護層とを有し、
   前記ハウジング内の曲率が変化される箇所の前記ファイバには、前記クラッド層と前記保護層との少なくとも一方の一部に切欠部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザモジュール。
4. 前記受光素子は、前記ハウジング内の曲率が変化される箇所において、前記ファイバのコアに発生する近接場光を検知することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーザモジュール。
5. 前記ハウジング内の曲率が変化される箇所に、前記ファイバの曲率を調整するバネが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のレーザモジュール。
6. メガネリムとメガネテンプルと先セルとを有するメガネフレームを備えた眼鏡型ディスプレイ装置であって、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のレーザモジュールの内の前記ファイバと前記ハウジングと前記受光素子とを備え、
   前記ファイバは、前記先セルと前記メガネテンプルとを挿通し前記メガネリムに導かれ、前記ハウジング及び前記受光素子は、前記先セルに格納されていることを特徴とする眼鏡型ディスプレイ装置。

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