JP6535848B2 - チップ型バンドルファイバ合波器及びチップ型マルチ波長光源 - Google Patents

Description

本発明は画像処理装置、内視鏡と眼科装置等光による医療診断と治療、光通信及び、ＭＥＭＳによるスキャン型或いはＬＣＯＳによる投影型プロジェクタ三原色ＲＧＢ（Ｒ＝Ｒｅｄ、Ｇ＝Ｇｒｅｅｎ、Ｂ＝Ｂｌｕｅ波長）光源など応用装置における多波長レーザーでの合波、又は、同一波長のＬＤ多数で空間的な合波による点光源での高出力化の技術に関する。

従来光通信にファイバ波長多重での合波器及び分波器は、高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ＝Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）の場合にアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ＝Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅ−Ｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）を多く使っている（１例として特許文献１）。最近、プロジェクタ方式小型レーザーディスプレイは、携帯電話と車載に実用化される為、小型化された導波路方式のＲＧＢ三波長合波器もある（例えば特許文献２参照）。尚車載ヘッドアップ型及びメガネ型レーザープロジェクタ用途で低コスト且つ高結合効率のファイバ出力、フィルタ方式のＲＧＢ合波器もある（例えば特許文献３参照）。

特開２００５−２３４２４５号公報 特開２０１３−１９５６０３号公報 特開２０１３−２２８６５１

上述の様な従来の技術で様々なマルチ波長の合波器と分波器を作れるが、レーザーを用いる医療機、画像処理と表示装置、及び投射型テレビ等デバイスと装置に、これら従来の合波器は適用される条件と制限が以下の様に幾つかある。

先ず、従来の技術での合波器は製造コストが高く、特に携帯電話等マスプロダクト向けに要求される極めて低いコストに対して製造段階でのコストダウンは難しい。又、波長による合波の技術は従来いくつかあるが、合波される波長の本数を増やすほど、コストが高くなる一方、合波される光のロスも急激に増えるので、これも解決すべき課題になる。

従来の技術では、合波器の波長依存性により、各ビーム波長のバンド幅に対する制限があり、極端の二つ特例として、バンドル幅を持てない波長が極めて接近或いは同一波長の複数の光源の場合、又波長と波長間にバンドル幅が数百ｎｍ以上広すぎる場合の複数光源の場合に、この様な制限を掛けられてしまう問題があり、解決すべき課題である。更に、合波される光源からの光ビームを容易且つ効率高く合波器に入力出来る事も本発明に解決しようとする課題である。

本発明では、複数本の光ビームを、１つの点光源からの光ビームになるように空間的に合波して出力する光ビームの合波器を提供する。当該合波器は、
光ビームの入射端面と出射端面を有する、コア、及び厚み１μｍ以下のクラッドで構成される外径１０μｍ以下の複数本の光ファイバ素線と、
前記光ファイバ素線のそれぞれを固定する複数の固定溝が表面に設けられたチップ型板と、を備える。
前記固定溝は、前記チップ型板の１つの縁に沿ってお互いに間隔をあけて前記入射端面が配置されるように設けられた複数の入射部と、前記チップ型板の他の縁に前記出射端面が配置される出射部と、を備え、前記固定溝は、前記光ファイバ素線のそれぞれを前記入射部から前記出射部まで誘導するように、前記光ファイバ素線のそれぞれに対応して前記チップ型板の表面上に設けられ、
前記複数の固定溝は、前記入射部から前記出射部に進むに連れて互いに近づき、前記出射部において前記複数の固定溝が１つの溝として統合され、
前記出射部における統合された前記固定溝では、前記光ファイバ素線を密状態に束ねて接着剤で固定した前記光ファイバ素線の束が、統合された前記固定溝内に固定される。
また、本発明では、チップ型マルチ波長レーザー光源を提供する。当該チップ型マルチ波長レーザー光源は、
前記光ビームの合波器と、
前記チップ型板の前記１つの縁に沿って前記入射部の位置に対応した位置に配置される、互いに異なる複数の波長の光を発するレーザーダイオード光源と、
前記レーザーダイオード光源及び前記チップ型板を載置する基板と、を備え、
前記レーザーダイオード光源からの光ビームを、レンズを用いて、あるいはレンズを用いることなく直接、前記入射部から前記コアへ入射させる。
具体的には、Ｎ対１バンドルファイバを用いる合波器において、入力側に横並びになるＮ本ファイバ中の特定な１本に入れられたＮ本の光ビーム中の特定な１本の光は、出力側に束ねたＮ本ファイバ中の該当ファイバの端面からそのまま出射されるので、合波器内部の各々のファイバ中において各々の波長の光ビームのロスは殆どなく、つまり、合波器本体において光学的な効率はほぼ１００％に達している。

尚、合波器に使われるファイバ素線について、一般光通信に使われるガラスファイバの様なものだと、シングル横モードファイバの場合コア径は数μｍ（＝ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ）程度だが、ハンドリングし易い為クラッド径は１２５μｍになり、束ねられたファイバのコアとコア間に１２５μｍ以上の距離を離れてしまう。

それの代わりに、請求項１の合波器に述べたＮ本のコアとクラッドで構成されるファイバ素線について、シングル或いは低次横モードの場合にコア径数μｍ程度、それに対して極端に薄めにするクラッドの肉厚は、１μｍ程度か或いは１μｍ以下、従って素線の外径は１０μｍ以下の様なものになり、合波器の出力側に前記Ｎ本ファイバの出射端面はお互い密接的に束ねてあるので、各ファイバの各コアとコア間の距離は１０μｍ程度で非常に接近されている。

この様なファイバ素線で上述の様な手段でバンドルされる合波器の出力側に前記のＮ本ファイバの出射端から出射されるＮ本のビームを、実用レベルで一つの点光源に収束して一つのビームに合波されて出力する様になっている。

この論点を検証の為、合波器出力側に焦点距離＝Ｆのレンズを用いてＮ本のファイバの出射端からのＮ本の出射ビームを平行光にコリメートして考査してみよう。例えば赤緑青のＲＧＢ三色合波の為Ｎ＝３、尚、ファイバ素線は、ＮＡ＝０．１２、コア径＝５μｍのシングルモードにし、クラッドの肉厚を１．５μｍに薄くする事により素線の外径Φ＝８μｍとすると、前記方法で出射端にバンドルされたファイバ３本中に任意２本の間にコア対コアの間隔は、Ｄ（＝素線外径Φ）＝８μｍになり、前記レンズをＦ＝１０ｍｍにして、コリメートされて出射する３本平行光ビーム中任意２本間のなす角、
θ＝２×ｔａｎ^−１（Ｄ÷２÷Ｆ）＝０．０４５８°≦０．８ｍｒａｄ
式中に角度の単位は、ミクロン弧度＝ｍａｒｄ（＝ｍｉｌｌｉ−ｒａｄｉａｎ）になる。ここに、θ≦０．８ｍｒａｄの角度としては、コリメートされた３本のＲＧＢレーザービームの拡がり角と同等レベルの小さなものである。

つまり、複数Ｎ＝３際にＲＧＢ三波長の場合に請求項１に述べたファイバ素線の諸仕様及びバンドルされる際の諸条件さえ合えば、前記合波器出力端に３本ファイバの３個出射端面から３個点光源で出力されるＲＧＢの３本のビームを、実用レベルで、一つの点光源から出射される一つのビームと見做される。

以上Ｎ＝３際にバンドルファイバ出射端面から出る３本ビームの同光軸性に関する検証は、複数Ｎ≧３の場合にも請求項１に述べたファイバ素線の諸仕様とバンドル際の諸条件付で実用レベルに適用出来る。

複数Ｎ本波長が異なるＮ個のシングル横モードＬＤを光源とする場合に請求項１の合波器に使われるファイバ素線の選定について、波長が異なると、ファイバ素線ガラスの分散、尚コア径と開口数ＮＡによってファイバ中に伝搬される光のモードフィールド径ＭＦＤ（＝Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）も異なる。それにより合波される複数Ｎ本波長の全帯域幅に対して、一種のファイバ素線で全ての波長にシングル横モードに合わせられない場合は多い。

請求項１の場合にＮ本のファイバは独立に使われて、出射端にバンドルされるだけなので、各波長に合わせて各種ファイバで、コア径とＮＡは独自に選ばれ、Ｎ本波長が異なる光ビームの全てに対してシングル横モードファイバの条件を満たす事は可能である。

更に、一般導波路型とフィルタ型の様な合波と違って、請求項１に、空間的な合波に基づいているので、合波器の波長依存性は殆ど無く、ある意味で非常に汎用的なものになる。つまり、空間的に独立な光源であれば、同じ波長のみの複数の光源又は、違う波長と同じ波長を交えて複数の光源に問題なく適用出来る。例えば、ＲＧＢ三波長の３個ＬＤの場合にも、ＲＧＧＢ、つまり赤と青波長各１個と緑波長２個、総じて４個ＬＤの場合にも、請求項１の合波器は適用出来る。

本発明請求項１により、バンドルされるファイバで合波するため、合波器本体の光学効率は、ほぼ１００％に得られる。尚、光効率と合波される光ビームの本数は無関係で、本数を増やすほど光効率の効果は高くなる。

又、複数波長シングル横モード光源からのビーム合波の場合、請求項１バンドルファイバ方式で合波される各光源の波長尚ビームの横モードに合せて各々のファイバを個別的に選ばれるので、各光源からの出力ビームの空間コヒーレンスを最大限に保てる。

又、請求項１バンドルファイバを用いる合波器は、チップ型なので、請求項２に述べた複数波長の複数表面実装レーザーダイオード（ＬＤ）光源から作り上げるコンパクトで薄いチップ型のマルチ波長光源の欠かせないキー部品になる。

この様なバンドルファイバを用いるチップ型合波器は、従来導波路型か、或いは、ロングパスかショートパスの様な二波長性を有するフィルタ型合波器と比べ、コストを劇的に低減出来、尚シングル横モードのＬＤからシングル横モードのファイバの間に光の結合効率も容易に上げられ、二者間の実装もし易いため、請求項２の様なコンパクトで薄いチップ型のＲＧＢレーザー光源を高度な信頼性に低コストで量産出来る。

本発明請求項１に述べたバンドルファイバを用いるチップ型合波器で、複数Ｎ＝３に、ＲＧＢ三波長シングル横モードＬＤの合波に使われるものを実施例１として図１のＣＡＤ図面に基本構造を示している。

光源はシングル横モードＬＤなので、使われる素線ファイバもシングル横モード、つまりＮＡ＝０．１２〜０．１３、コア径Φ＝３．５〜４．０μｍのものであれば、元ＬＤのビームの空間的な干渉性は崩されない。

但し、市販品のシングル横モードファイバのクラッド径は、Φ１２５μｍなので、本実施例１に理想的なファイバ素線は、コア径Φ４μｍにクラッド径Φ８〜１０μｍ程度のものだが、本発明出願の時点では、実用レベルで、ＮＡ＝０．２、コア径Φ７μｍ、クラッド径Φ１０μｍのファイバ素線の既存品はバンドルされて合波器に使われてある。この様な請求項１にＮ＝３のＲＧＢ合波器は、幅と長さ共に６ｍｍ、厚み２ｍｍ程度のチップ型になっている。

図１で構成される実施例１のＲＧＢ三波長シングル横モード合波器出力側にバンドルされたファイバの出射端面の顕微鏡写真を図２に示している。写真に示す通りに、密接的にバンドルされたファイバ３本の相隣コア間の距離は大よそ１０μｍ程度になっている。

作り方として、バンドルされる３本ファイバ端面を研磨で仕上げる為、中心にΦ２５μｍ程度の穴があるΦ１ｍｍ外径のガラスチューブ型フェルール中に素線を入れて接着剤で固定してある。

前述の通り、実施例１の合波器本体の光学伝搬ロスは殆ど無いが、合波器入力側にＬＤからファイバへ光の結合効率を調べたところ、シングル横モード６３８ｎｍ波長ＬＤからのレーザービームを合わせ込みアクティブ調芯、つまり光源とするＬＤからのビームを出力しながら結合レンズを光軸調整してファイバ入射端面に光を入力すると、バンドルされたファイバ出射端に、約８５％のスループットで出力を得られている。光学的な効率を更に向上する為、ファイバの入射と出射両端面に反射防止誘電体薄膜を付けることも出来る。

尚合波器の出力側にファイバから出射される６３８ｎｍ光ビームの横モード特性も調べたが、ビーム横モードの品質の指数エムスクエアＭ＾２＝２以下になっている。つまり本実施例１合波器実際に出力されるビームの横モードは、ファイバ素線本体のコア径７μｍ、ＮＡ０．２から試算されるＭ＾２＝３．４より、かなり良くなっている。

こうなった理由だが、本実施例１合波器のファイバ素線の長さは約６ｍｍ程度で、ビームの伝搬距離は極めて短く、ビームのファイバ中に高次モードへの混ぜる効果は未だ顕在してなく、入力されたビームは横モードが崩れてないままに出力端に到ってしまう事である。

更に、実施例１合波器の出力側に６３８ｎｍ、５２０ｎｍと４５０ｎｍのＲＧＢ三波長のバンドルファイバからの出射光ビームを焦点距離２０ｍｍのアクロマティックレンズを用いてコリメートし、１メートル先前方にビーム径を最小になる様に調整し合わせた際に、測れた３個ＲＧＢ三色レーザービームスポット径は、大よそΦ１ｍｍ以下（Ｍ＾２≦２）になって、尚三波長ビームのお互いに離れた距離は、≦０．５ｍｍ程度になって、一つΦ１．５ｍｍの同心円中に入っているので、実用レベルで三波長の一つビームとして使える。

本発明請求項による実施例１の合波器を用いて請求項２に述べたチップ型ＲＧＢの３波長同光軸出力光源を実施例２として、図３にＣＡＤ図面でその基本構成を示している。

光源であるシングル横モードＬＤは表面実装チップ型のタイプで、外形は、幅０．８ｍｍ、長さ２．０ｍｍ、厚み０．３ｍｍのものになる。実装の便利さから、実施例１合波器入力側に、ＲＧＢ三波長で３個のＬＤを等間隔２ｍｍに横一列に、銅板のヒートシンク上に固定している。本実施例２の場合、ＬＤからファイバへレーザービームをレンズ無しで直接結合して大よそ５０％程度出力はバンドルされたファイバ出射端に出力されている。

図３の様な構成図に示した配置関係で、一つＬＤ発光点と相手の一つファイバの入射端面の間に光を１対１の直接結合なので、結合効率を向上する為ファイバへ光ビームの合わせ込み調芯精度は、±０．５μｍ以内に必須。尚本実施例２の場合に、光源側に一列に横並びの３個ＲＧＢのＬＤと相手合波器入力側に一列に横並びＲＧＢ入射ファイバ端面のお互い配置の位置も実装される際に、全て揃って同じ±０．５μｍ以内の精度で必要なので、非常に難しい。

それの代わりに、ＬＤ発光点と相手ファイバ受光端面の間に結合レンズを用いて光を結合する事により、ＬＤの実装及び相手側の合波器入力側のファイバ受光端面の位置合わせ実装精度を緩和できる。尚合波器ファイバをＶ溝で位置を合わせたり、ＬＤをアクティブ調芯したり組立して精度を上げたりする事により、光のファイバへの結合効率を向上出来る。

実施例２のＲＧＢ三波長チップ型光源は、ＬＤとファイバの間にレンズ無しで光を直接結合する場合、図３に示す通り、幅６ｍｍ、長さ８．５ｍｍ、厚み１．８ｍｍの外形で、ＬＤと合波器ファイバ間の光結合効率は大よそ５０％しか出来ない。光源ＬＤと合波器ファイバ受光端面間に結合レンズを用いる場合、光の結合効率は、７５％以上に上がれるが、外形について長さ方向に１１ｍｍに長くなってしまう。この様に作り上げている光のスループットが高い本実施例２のチップ型ＲＧＢ光源は、現状最大に、赤６３８ｎｍで８０ｍＷ、緑５２０ｎｍで５５ｍＷ、青４５０ｎｍで波長５０ｍＷのパワーで、ファイバから三波長共にほぼシングル横モードのビームで出力され、車載と携帯電話用の投射型プロジェクタに要求される高輝度高出力に達している。

請求項１に述べたバンドルファイバを用いるチップ型の合波器は、複数Ｎ個空間的に独立な光源からＮ個独立な光ビームを空間的に合波して光軸が揃って一つ点光源になって出力出来るので、複数Ｎ＝３の場合、ＲＧＢ三原色、又Ｎ＝４の時にセンシング用近赤外波長を加え、四波長の独立な光源ＬＤからの光を低コスト且つ高度な実用レベルにＲＧＢ三波長或いは近赤外ＮＩＲ（＝Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）も加えて四波長で合波される一つの点光源として、ＭＥＭＳスキャンを用いるレーザープロジェクタ等の応用に期待出来る。

尚、請求項２の様な小型化されるチップ型ＲＧＢ或いはＲＧＢ＋ＮＩＲの様なマルチ波長光源は、極めてコンパクトで薄さを要求されるメガネ方式と携帯電話に内蔵される投射型ディスプレイに初めて小型化に適用出来て、尚車載と携帯電話用プロジェクタに必要以上の高輝度高出力にも実現されているので、これらの応用に欠かせないものである。

実施例１として、請求項１に述べた複数Ｎ＝３のバンドルファイバを用いる３ビーム入力、１ビーム出力の３対１光ビームの空間的な合波器 実施例１の合波器出力端にフェルールの径Φ２５μｍ穴中にバンドルされてある３本ファイバの出射端面の顕微鏡写真 実施例２として、実施例１複数Ｎ＝３場合の合波器の入力側に実装されてある６３８ｎｍ、５２０ｎｍ及び４５０ｎｍのＲＧＢ三波長シングル横モード表面実装型ＬＤの３本空間的に独立な光ビームから合波器出力側に一つ点光源として出力されるコンパクトで薄いチップ型ＲＧＢレーザー光源

図１に関する符号：
１００ 請求項１に述べた合波器のファイバを固定されてあるチップ型板
１０１ 合波器の入力側
１０２ 合波器の出力側
１０３ 以上１００のチップ型板上にファイバの固定位置を決める溝
１１０ 合波器出力側にバンドルされてある複数Ｎ＝３本ファイバの出射端
１１１ 合波器入力側に１本目ファイバの入射端面
１１２ 合波器入力側に２本目ファイバの入射端面
１１３ 合波器入力側に３本目ファイバの入射端面
図２の顕微鏡写真に関する符号：
２００ 研磨されてあるフェルール端面
２１１ フェルール端面にバンドルされたクラッド径１０μｍのファイバ素線その一
２１２ フェルール端面にバンドルされたクラッド径１０μｍのファイバ素線その二
２１３ フェルール端面にバンドルされたクラッド径１０μｍのファイバ素線その三、以上３本ファイバ素線を正三角形に密接的にバンドルされてある様子を写真中に良く映されてある
２２１ ファイバ素線のコア
２２２ ファイバ素線のクラッド
２３０ 顕微鏡写真に示すスケール、単位長さ＝１０μｍ
図３に関する符号：
３０１ 青（Ｂｌｕｅ）波長４５０ｎｍ表面実装シングル横モードＬＤ
３０２ 赤（Ｒｅｄ）波長６３８ｎｍ表面実装シングル横モードＬＤ
３０３ 緑（Ｇｒｅｅｎ）波長５２０ｎｍ表面実装シングル横モードＬＤ
３０４ ＲＧＢ三波長ＬＤのヒートシンク銅板
３０５ 請求項１に述べた合波器のファイバを固定されてあるチップ型板
３１ｉ ｉ＝１，２，３，合波器入力端にＲＧＢのＬＤ光源と１対１直接光結合方式で実装されてある複数Ｎ＝３本のファイバ、本実施例１の場合に３本ファイバ素線のコアは、径Φ７μｍにＮＡ０．２、尚クラッド径はΦ１０μｍのものである
３１４ 合波器出力側に請求項１に述べた条件を満たしてバンドルされてある複数Ｎ＝３本ファイバの出射端面

Claims (3)

1. 複数本の光ビームを、１つの点光源からの光ビームになるように空間的に合波して出力する光ビームの合波器であって、
   光ビームの入射端面と出射端面を有する、コア、及び厚み１μｍ以下のクラッドで構成される外径１０μｍ以下の複数本の光ファイバ素線と、
   前記光ファイバ素線のそれぞれを固定する複数の固定溝が表面に設けられたチップ型板と、を備え、
   前記固定溝は、前記チップ型板の１つの縁に沿ってお互いに間隔をあけて前記入射端面が配置されるように設けられた複数の入射部と、前記チップ型板の他の縁に前記出射端面が配置される出射部と、を備え、前記固定溝は、前記光ファイバ素線のそれぞれを前記入射部から前記出射部まで誘導するように、前記光ファイバ素線のそれぞれに対応して前記チップ型板の表面上に設けられ、
   前記複数の固定溝は、前記入射部から前記出射部に進むに連れて互いに近づき、前記出射部において前記複数の固定溝が１つの溝として統合され、
   前記出射部における統合された前記固定溝では、前記光ファイバ素線を密状態に束ねて接着剤で固定した前記光ファイバ素線の束が、統合された前記固定溝内に固定される、ことを特徴とする光ビームの合波器。
2. 前記出射部における統合された前記固定溝の溝断面形状は、前記複数の光ファイバ素線の束の固定のために、溝深さ方向において溝底に向かって溝幅が狭くなる先細り形状になっている、請求項１に記載の光ビームの合波器。
3. 請求項１または２に記載の光ビームの合波器と、
   前記チップ型板の前記１つの縁に沿って前記入射部の位置に対応した位置に配置される、互いに異なる複数の波長の光を発するレーザーダイオード光源と、
   前記レーザーダイオード光源及び前記チップ型板を載置する基板と、を備え、
   前記レーザーダイオード光源からの光ビームを、レンズを用いて、あるいはレンズを用いることなく直接、前記入射部から前記コアへ入射させる、ことを特徴とするチップ型マルチ波長レーザー光源。