JP7163478B2

JP7163478B2 - 光導波路、平面型光回路および光源モジュール

Info

Publication number: JP7163478B2
Application number: JP2021502017A
Authority: JP
Inventors: 俊樹松岡; 孝宏松原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2022-10-31
Anticipated expiration: 2040-02-18
Also published as: JPWO2020175236A1; WO2020175236A1

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１９年２月２５日に出願された日本国特許出願２０１９－３１８２６号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本開示は、光導波路、平面型光回路および光源モジュールに関する。

光導波路として、例えば、下記特許文献１に記載の高分子光導波路が知られている。特許文献１に記載の高分子光導波路は、帯状のコア層を備えている。コア層は、帯状の層幅が導波光の入射端部から出射端部まで導波光の進行方向に連続的に縮小している。

特許第４２００４３６号公報

本開示の光導波路は、第１端部から第２端部にかけて延びた第１導波路と、前記第１導波路よりも光の入射側に位置しており、且つ、前記第１端部に接続された複数の第２導波路と、前記第２端部に位置する光の出射部とを備えている。平面視において、前記第１導波路は、前記第１端部から離れるにつれて前記第１導波路の第１中心軸に垂直な方向における幅が大きくなる第１領域と、前記第１領域よりも前記第１端部から離れて位置しており、且つ、前記第１領域から離れるにつれて前記幅が小さくなる第２領域とを有している。

本開示の平面型光回路は、上述した本開示に係る光導波路と、前記光導波路を囲むように位置するクラッドと、前記光導波路および前記クラッドを実装する基板とを備えている。

本開示の光源モジュールは、上述した本開示に係る平面型光回路と、前記出射部に対向して位置するレンズと、前記複数の第２導波路における光の入射側に位置する端部に対向して位置する光半導体素子と、前記平面型光回路、前記レンズおよび前記光半導体素子を収容する容器とを備えている。

本開示の実施形態に係る光導波路および平面型光回路を示す斜視図である。図１に示す光導波路および平面型光回路の平面図である。図２に示す光導波路における第１導波路の拡大図である。図３に示す第１導波路における第１領域の拡大図である。図３に示す第１導波路における第２領域の拡大図である。本開示の実施形態に係る光源モジュールを示す斜視図である。図６に示す光源モジュールにおいて蓋を省略した状態の平面図である。

＜光導波路＞
以下、本開示の実施形態に係る光導波路について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な構成のみを簡略化して示したものである。したがって、本開示の光導波路は、参照する図に示されていない任意の構成を備え得る。また、図中の構成の寸法は、実際の構成の寸法および寸法比率などを忠実に表したものではない。例えば、図１および図２に例示されている光導波路１は、クラッド１１で囲まれているが、便宜的に実線で示す。上述した点は、後述する平面型光回路および光源モジュールにおいても同様である。

図１および図２に示す光導波路１は、コアとも呼ばれる部分であり、第１導波路２、複数の第２導波路３および光の出射部４を備えている。

図３に示すように、第１導波路２は、第１端部２ａから第２端部２ｂにかけて延びている。第１導波路２は、複数の第２導波路３から入射される光を合成させる部位として機能することが可能である。それゆえ、第１導波路２は、複数の第２導波路３を１本に結合させる結合部と言い換えることができる。

複数の第２導波路３は、第１導波路２よりも光の入射側に位置しており、且つ、第１導波路２の第１端部２ａに接続されている。複数の第２導波路３は、第１導波路２へ光を入射させる部位として機能することが可能である。

複数の第２導波路３のそれぞれの構成は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。第２導波路３の数は、２本以上であればよく、その上限値は特に限定されない。図１および図２に例示されている光導波路１は、複数の第２導波路３として、赤色（Ｒ）用導波路３１、緑色（Ｇ）用導波路３２および青色（Ｂ）用導波路３３を備えている。図２に示す平面視において、Ｒ用導波路３１およびＢ用導波路３３は曲線状であり、Ｇ用導波路３２は直線状である。また、Ｇ用導波路３２は、Ｒ用導波路３１およびＢ用導波路３３の間に位置している。Ｒ用導波路３１、Ｇ用導波路３２およびＢ用導波路３３のそれぞれの形状および位置は、例示した構成に限定されない。

光の出射部４は、図３に示すように、第１導波路２の第２端部２ｂに位置している。出射部４は、外部に光を出射させる部位として機能することが可能である。図３に例示されている出射部４の断面形状は、矩形状である。出射部４の断面形状は、矩形状に限定されない。

次に、光導波路１による光の出射について、光源として光半導体素子を使用する場合を例に挙げて説明する。図１および図２に例示されている光半導体素子１０２は、赤色（Ｒ）レーザダイオード１０３、緑色（Ｇ）レーザダイオード１０４および青色（Ｂ）レーザダイオード１０５である。Ｒレーザダイオード１０３、Ｇレーザダイオード１０４およびＢレーザダイオード１０５は、Ｒ用導波路３１、Ｇ用導波路３２およびＢ用導波路３３における光の入射側に位置する端部３ａに対向して位置している。

照射面をＸＹ平面、光の進行方向をＺとするとき、広がり角がＸ方向とＹ方向とで異なる光源からの光が、Ｒ用導波路３１、Ｇ用導波路３２およびＢ用導波路３３の３本の第２導波路３にそれぞれ入射される。そして、３本の第２導波路３にそれぞれ入射されたＲＧＢ光は、第１導波路２において白色光となった後、出射部４から外部へ出射される。

ここで、図３に示すように、平面視において、第１導波路２は、第１領域２１と第２領域２２とを有している。第１領域２１は、第１端部２ａから離れるにつれて第１導波路２の第１中心軸Ｓ１に垂直な方向における幅Ｗが大きくなっている。第２領域２２は、第１領域２１よりも第１端部２ａから離れて位置しており、且つ、第１領域２１から離れるにつれて幅Ｗが小さくなっている。このような構成によれば、光漏れが発生しにくく、且つ、Ｘ方向とＹ方向とで同じ広がり角で照射面に光を照射することができる。

具体的に説明すると、第１導波路２が第１領域２１を有していない場合には、第１領域２１に対応する領域において、第２導波路３から第１導波路２に入射される光が全反射せずに透過してしまい、光漏れが発生する。その場合、光がロスされるだけでなく、迷光となる。

図４に示すように、第１導波路２が第１領域２１を有していると、第１導波路２への入射角度θ１が、第１領域２１を有していない場合よりも相対的に大きくなる。その結果、第２導波路３から第１導波路２に入射される光が第１導波路２を透過せずに全反射し得るため、光漏れが発生しにくい。

また、出射部４からの出射光は、光源の照射角を反映する。光源からの光が、Ｘ方向とＹ方向とで広がり角が異なると、照射面でも広がり方が異なる。図５に示すように、第２領域２２において、第１角度θ２は、出射部４における第１中心軸Ｓ１と光線Ｒとがなす角度であり、第２角度θ３は、第１中心軸Ｓ１と光線Ｒとがなす角度である。このように、第１導波路２が第２領域２２を有していると、第１角度θ２が第２角度θ３よりも大きくなる。一方、第１導波路２が第２領域２２を有していない場合には、照射面におけるＸ方向の寸法が狭くなることがある。このように、第１導波路２が第２領域２２を有していると、上述のように出射部４における第１角度θ２が相対的に大きくなることから、照射面におけるＸ方向の寸法も広がる。その結果、ＸＹ方向における広がり角に偏りが少なくなり、同じ広がり角で照射面に光を照射することができる。

第１中心軸Ｓ１は、第１端部２ａの中心と、第２端部２ｂの中心とを結ぶ線であってもよい。第１中心軸Ｓ１は、光軸とも呼ばれる。また、図３に例示されている、第１領域２１（第２領域２２）において最大となる幅Ｗは、複数の第２導波路３のそれぞれの幅を合算した幅に相当する第１端部２ａの幅Ｗ２ａよりも広くてもよい。例えば、Ｒ用導波路３１、Ｇ用導波路３２およびＢ用導波路３３のそれぞれの幅が３５μｍである場合には、幅Ｗ２ａは１０５μｍであり、幅Ｗは１２０～２６０μｍに設定されてもよい。

入射角度θ１は、第１導波路２の界面（第１領域２１の界面２１１）に垂直な仮想直線Ｌ１と、光線Ｒとがなす角度であってもよい。また、第１角度θ２および第２角度θ３は、第１導波路２の寸法と、光導波路１（コア）の屈折率とに応じて決定されてもよい。例えば、図３において、第１領域２１の長さＬ２１を１．５ｍｍ、後述する第３領域２３の長さＬ２３を０．１３ｍｍ、第２領域２２の長さＬ２２を１．５ｍｍ、第１端部２ａの幅Ｗ２ａを１０５μｍ、第１領域２１の最大幅Ｗを２６０μｍ、第２端部２ｂの幅Ｗ２ｂを３５μｍに設定してよい。また、図４に例示されている入射角度θ１を８５度に設定した場合、図５に例示されている第２角度θ３は５度となってもよい。更に、光導波路１の屈折率を１．６とした場合、第１角度θ２は２９度となってもよい。

図４に示すように、複数の第２導波路３のうち少なくとも１つは、第２導波路３の第２中心軸Ｓ２を第１導波路２に向かって延ばした仮想線Ｌ２が第１領域２１の界面２１１と交わるように第１端部２ａに接続されていてもよい。図４に示す一例においては、Ｒ用導波路３１およびＢ用導波路３３が上述した構成を満たす。第２中心軸Ｓ２は、第１中心軸Ｓ１と同様に定義することができる。第２導波路３が曲線状のときは、第２導波路３の長手方向に垂直な断面の中心を連続することで第２中心軸Ｓ２を得てもよい。

図３に示すように、第１領域２１は、第１端部２ａに接続されていてもよい。このような構成を満たすときは、第２導波路３から第１導波路２にスムーズに光が入射される。第１領域２１は、その機能を奏する限りにおいて、第１端部２ａとの間に間隔をおいて位置していてもよい。

第２領域２２は、第２端部２ｂに接続されていてもよい。このような構成を満たすときは、第２端部２ｂに位置している出射部４からスムーズに光が出射される。第２領域２２は、その機能を奏する限りにおいて、第２端部２ｂとの間に間隔をおいて位置していてもよい。

第１端部２ａの幅Ｗ２ａは、第２端部２ｂの幅Ｗ２ｂよりも大きくてもよい。

第１中心軸Ｓ１に平行な方向における第１領域２１の長さＬ２１は、第１中心軸Ｓ１に平行な方向における第２領域２２の長さＬ２２よりも短くてもよい。長さＬ２２を長くすることによって、全反射する光が増加し得るので、光漏れが発生しにくく、迷光が少なくなり得る。

平面視において、第１導波路２は、第１領域２１および第２領域２２の間に位置しており、且つ、第１中心軸Ｓ１に垂直な方向における幅Ｗが一定である第３領域２３をさらに有していてもよい。このような構成を満たすときは、第１中心軸Ｓ１に平行な方向における第１導波路２の全体の長さを調整し易い。

第３領域２３の幅Ｗが一定であるとは、第３領域２３の全長にわたって幅Ｗが厳密に一定であることに限らない。すなわち、第３領域２３の幅Ｗは、実質的に一定であればよい。

図３に例示されている第３領域２３は、第１中心軸Ｓ１に平行な方向における第３領域２３の長さＬ２３が、長さＬ２１および長さＬ２２のいずれよりも短いが、これに限定されない。長さＬ２３を短くすることによって、全長を短くすることができる。但し、長さＬ２３は、例えば、長さＬ２１または長さＬ２２よりも長くてもよく、また、長さＬ２１または長さＬ２２と同じであってもよい。長さＬ２３は、例えば、１２５μｍ以上に設定されてもよい。

第１導波路２は、第３領域２３を有していなくてもよい。言い換えれば、第２領域２２が第１領域２１に接続されていてもよい。

図３に示す一例のように、出射部４の数が１つであってもよい。このような構成によれば、例えば、後述する光源モジュールにおけるレンズの数を１つにすることができる。その結果、光源モジュールを構成する部品点数を少なくすることができ、光源モジュールを小型化することができる。図３に例示されている出射部４には、他の導波路が接続されていない。

上述した光導波路１の材質としては、例えば、エポキシまたはアクリルなどの透明な樹脂、石英ガラスまたはシリコンなどが挙げられる。光導波路１は、例えば、フォトリソグラフィ技術などを利用して製造することができる。

＜平面型光回路＞
次に、本開示の実施形態に係る平面型光回路について、上述した光導波路１を備える場合を例に挙げて、図１および図２を参照して詳細に説明する。

図１および図２に示す平面型光回路（Planar Lightwave Circuit：以下、「ＰＬＣ」ということがある。）１０は、光導波路１と、光導波路１（コア）を囲むように位置するクラッド１１と、光導波路１およびクラッド１１を実装する基板１２とを備えている。

ＰＬＣ１０は、光漏れが発生しにくく、且つ、同じ広がり角で照射面に光を照射できる光導波路１を備えることから、光漏れによる光学損失を低減しつつ、高品質な光を照射することができる。

クラッド１１は、光導波路１よりも屈折率が小さい部材であってもよい。クラッド１１の材質としては、例えば、エポキシまたはアクリルなどの透明な樹脂、石英ガラスまたはシリコンなどが挙げられる。

基板１２は、光導波路１およびクラッド１１を実装可能に構成されている。基板１２の材質としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックなどが挙げられる。

ＰＬＣ１０は、基板１２に実装されている複数の第１電極１３をさらに備えていてもよい。このような構成を満たすときは、複数の第１電極１３を介して外部からの電力を光半導体素子１０２に供給することができる。

＜光源モジュール＞
次に、本開示の実施形態に係る光源モジュールについて、上述したＰＬＣ１０を備える場合を例に挙げて、図６および図７を参照して詳細に説明する。

図６および図７に示す光源モジュール１００は、ＰＬＣ１０と、レンズ１０１と、光半導体素子１０２と、容器１０６とを備えている。レンズ１０１は、出射部４に対向して位置している。光半導体素子１０２は、複数の第２導波路３における光の入射側に位置する端部３ａに対向して位置している。容器１０６は、ＰＬＣ１０、レンズ１０１および光半導体素子１０２を収容している。

光源モジュール１００は、光漏れが発生しにくく、且つ、同じ広がり角で照射面に光を照射できる光導波路１を含むＰＬＣ１０を備えることから、光漏れによる光学損失を低減しつつ、高品質な光を照射することができる。

レンズ１０１は、コリメートレンズとも呼ばれ、出射部４からの出射光を平行光にすることが可能な部材である。レンズ１０１の材質としては、例えば、サファイア、非晶質ガラスまたは透明プラスティックなどが挙げられる。図６および図７に例示されているレンズ１０１は、容器１０６に実装されているが、レンズ１０１は、ＰＬＣ１０の基板１２に実装されていてもよい。

図６および図７に示す一例のように、レンズ１０１の数が１つであってもよい。このような構成によれば、光源モジュール１００を構成する部品点数を少なくすることができ、光源モジュール１００を小型化することができる。

光半導体素子１０２は、光源として機能することが可能な部材である。光半導体素子１０２としては、例えば、発光ダイオードまたは半導体レーザダイオードなどが挙げられる。図６および図７に例示されている光半導体素子１０２は、Ｒレーザダイオード１０３、Ｇレーザダイオード１０４およびＢレーザダイオード１０５である。したがって、図６および図７に例示されている光源モジュール１００は、ＲＧＢレーザモジュールとも呼ばれる。図６および図７に例示されている光半導体素子１０２は、ＰＬＣ１０の基板１２に実装されているが、光半導体素子１０２は、容器１０６に実装されていてもよい。

容器１０６は、その内部にＰＬＣ１０、レンズ１０１および光半導体素子１０２を収容可能に構成されている。容器１０６の材質としては、例えば、各種セラミック材料、銅、タングステン、鉄、ニッケルまたはコバルトなどの金属、あるいはこれらの金属を複数種含む合金、更には各種セラミックと金属を組み合わせたものなどが挙げられる。

図６に示すように、容器１０６は、ＰＬＣ１０、レンズ１０１および光半導体素子１０２を挿通可能な開口部１０７を有していてもよい。このような構成を満たすときは、ＰＬＣ１０、レンズ１０１および光半導体素子１０２を容器１０６の内部に収容するときの作業性に優れる。

容器１０６は、開口部１０７を塞ぐ蓋１０８をさらに有していてもよい。このような構成を満たすときは、容器１０６の内部を気密にできる。蓋１０８は、容器１０６の材質で例示した金属および合金の他、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックなどのセラミックスで構成されていてもよい。また、開口部１０７を蓋１０８で塞ぐときは、接合部材を使用してもよい。接合部材としては、例えば、ろう材または半田などが挙げられる。

容器１０６は、レンズ１０１よりも光の出射側に位置している側壁部１０９と、側壁部１０９のうちレンズ１０１に対向して位置している部位を厚み方向に貫通している貫通孔１１０とをさらに有していてもよい。このような構成を満たすときは、貫通孔１１０を介して容器１０６の外部に光を出射させることができる。

図６および図７に示すように、光源モジュール１００は、容器１０６の内部から貫通孔１１０を塞ぐように位置しており、且つ、光を透過可能なウィンドウ１１１をさらに備えていてもよい。このような構成を満たすときは、容器１０６の気密性を維持しつつ、ウィンドウ１１１および貫通孔１１０を介して容器１０６の外部に光を出射させることができる。ウィンドウ１１１の材質としては、例えば、サファイアまたはガラスなどが挙げられる。

光源モジュール１００は、容器１０６に実装されている複数の第２電極１１２をさらに備えていてもよい。このような構成を満たすときは、例えば、複数の第２電極１１２をボンディングワイヤなどで複数の第１電極１３と電気的に接続して、外部からの電力を光半導体素子１０２に供給することができる。

光源モジュール１００は、サーミスタをさらに備えていてもよい。サーミスタのサイズとしては、例えば、０６０３などが挙げられるが、これに限定されない。サーミスタは、容器１０６に実装されていてもよく、また、ＰＬＣ１０の基板１２に実装されていてもよい。

上述した光源モジュール１００は、例えば、ピコプロジェクタのレーザ光源として使用することができる。ピコプロジェクタとしては、例えば、ＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）用、ＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）用またはＭＲ（Mixed Reality：複合現実）用のゴーグルまたはグラス、ＨＵＤ（Head-Up Display）などを含む車載ディスプレイ、スマートフォンまたはタブレット端末などからの投影、携帯プロジェクタまたはポケットパソコンなどが挙げられる。光源モジュール１００の用途は、例示した用途に限定されない。

以上、本開示に係る実施形態について例示したが、本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない限り任意のものとすることができることはいうまでもない。

１・・・光導波路
２・・・第１導波路
２ａ・・・第１端部
２ｂ・・・第２端部
２１・・・第１領域
２１１・・・界面
２２・・・第２領域
２３・・・第３領域
Ｓ１・・・第１中心軸
３・・・第２導波路
３ａ・・・端部
３１・・・赤色（Ｒ）用導波路
３２・・・緑色（Ｇ）用導波路
３３・・・青色（Ｂ）用導波路
Ｓ２・・・第２中心軸
４・・・出射部
１０・・・平面型光回路（ＰＬＣ）
１１・・・クラッド
１２・・・基板
１３・・・第１電極
１００・・・光源モジュール
１０１・・・レンズ
１０２・・・光半導体素子
１０３・・・赤色（Ｒ）レーザダイオード
１０４・・・緑色（Ｇ）レーザダイオード
１０５・・・青色（Ｂ）レーザダイオード
１０６・・・容器
１０７・・・開口部
１０８・・・蓋
１０９・・・側壁部
１１０・・・貫通孔
１１１・・・ウィンドウ
１１２・・・第２電極

Claims

第１端部から第２端部にかけて延びた第１導波路と、
前記第１導波路よりも光の入射側に位置しており、且つ、前記第１端部に接続された３本の第２導波路と、
前記第２端部に位置する光の出射部とを備え、
前記第１端部の幅が、前記第２端部の幅よりも大きく、
平面視において、前記第１導波路は、
前記第１端部から離れるにつれて前記第１導波路の第１中心軸に垂直な方向における幅が大きくなる第１領域と、
前記第１領域よりも前記第１端部から離れて位置しており、且つ、前記第１領域から離れるにつれて前記幅が小さくなる第２領域とを有し、
平面視において、前記３本の第２導波路のうち２つは、残りの１つを間に挟んで位置しており、且つ、当該前記３本の第２導波路のうち２つの少なくとも一方は、その第２中心軸を前記第１導波路に向かって延ばした仮想線が前記第１領域の界面と交わるように前記第１端部に接続されている、光導波路。
前記第１中心軸に平行な方向における前記第１領域の長さが、前記第１中心軸に平行な方向における前記第２領域の長さよりも短い、請求項１に記載の光導波路。
平面視において、前記第１導波路は、前記第１領域および前記第２領域の間に位置しており、且つ、前記第１中心軸に垂直な方向における前記幅が一定である第３領域をさらに有する、請求項１または２に記載の光導波路。
前記第１中心軸に平行な方向における前記第３領域の長さが、前記第１中心軸に平行な方向における前記第１領域の長さおよび前記第２領域の長さのいずれよりも短い、請求項３に記載の光導波路。
前記第１中心軸に平行な方向における前記第３領域の長さが、前記第１中心軸に平行な方向における前記第１領域の長さまたは前記第２領域の長さと、同じか、または長い、請求項３に記載の光導波路。
前記出射部の数が１つである、請求項１～５のいずれか１つに記載の光導波路。
請求項１～６のいずれか１つに記載の光導波路と、
前記光導波路を囲むように位置するクラッドと、
前記光導波路および前記クラッドを実装する基板とを備える、平面型光回路。
請求項７に記載の平面型光回路と、
前記出射部に対向して位置するレンズと、
前記３本の第２導波路における光の入射側に位置する端部に対向して位置する光半導体素子と、
前記平面型光回路、前記レンズおよび前記光半導体素子を収容する容器とを備える、光源モジュール。