JPWO2010137661A1 - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

３つ以上の波長の光波を合波して出射する光源装置において、半導体基板上に光学系要素と電気系要素とを形成することによって、光コネクタ等の光学部材を不要とし、これらの光学部材に要するスペースを省いて配置間隔を縮め、また、電気回路の配線に要するスペースを縮小して、光学系要素および電気系要素の各要素の集積度を高める。同じ半導体基板上に光学系要素と電気的要素とを層状に形成することで、光学系要素と電気的要素とをそれぞれ併設させる構成が必要とする面積よりも小さくすることができる。

Description

本発明は、例えば小型プロジェクタに適する光源装置に関する。
Ｒ波長域、Ｇ波長域、およびＢ波長域の光をスクリーン上に投影してカラー画像を表示するプロジェクタにおいて、カラー画像を形成するには各波長域の光を一点に投射する必要がある。各波長域の光を一点に投射する構成として、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステムズ）を用いたミラー機構によって各波長域の光を走査するものが知られている。
この構成は、水平方向に整合された各波長域の光をミラーによって走査する際に、各波長域の光が投射されるタイミングの時間がずれるという問題や、各波長域の走査角範囲が異なるという問題がある。
この問題を解決する先行技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、Ｘキューブと呼ばれる４体の直角プリズムを組み合わせて成るビーム結合器や、このＸキューブが有する課題を解決した３つの光学部分からなるビーム結合器等のダイクロイックプリズムを用いてＲＧＢの光波を合波することが開示されている。また、通常使用されているプロジェクタではクロスプリズムを用いてＲＧＢの光波を合波することが知られている。
また、半導体レーザから出射されるレーザビームをプリズムを用いて合波する技術は、例えば特許文献２，３で知られている。
また、光通信において方向性結合器を用いて光合分波を行う装置として、例えば特許文献４、５が提案されている。特許文献４、５には導波路によって方向性結合器を構成し、２波長を合波または分波する点が開示されている。
特表２００７−５３４９８７号公報（段落０００２〜０００５、００１７〜００２２） 特開平９−１０９３５３号公報（段落００２８） 特開平１１−６４７９３号（段落００１４） 特開平１１−６９３１号（段落００２７，００２８） 特開２０００−９９５２号（段落００５３〜００５７） 特公昭５６−２７８４６号（第２欄） 特開２００８−２６１９４２号（段落００４５，００４６）
前記したように、ダイナクロイックプリズムやクロスプリズムを用いた空間光学系の合波器は、ＲＧＢの各発光素子について３次元のアライメントが必要であり、このアライメントを行う調芯工程が複雑となるという問題がある。また、各ビームを低損失で結合するためにレンズ等の光学素子が必要となり、部品点数が増加するという問題もある。
光通信の分野では、プリズムを用いた空間光学系の合波器に代えて方向性結合器を用いることが知られており、この方向性結合器をプロジェクタに適用することによって、アライメントのための調芯工程や、部品点数の増加といった問題を解決することが期待される。
しかしながら、特許文献４，５に示される方向性結合器は２波長を合波または分波するものであって、プロジェクタに必要となる少なくともフルカラー表示に必要な広範な波長範囲における３つの特定波長の合成法について具体的な記述はない。
一方、特許文献６には、３つのポートの１つから入射させた複数の中心波長を持つ光波のうちの特定の中心波長を持つ光波のみを選択して他の１つのピッチコンバータに取り出し残りの光波を他のもう一つのポートから取り出す方向性結合器形分波器が提案されている。
しかしながら、この方向性結合器形分波器は、Ｎ個の方向性結合器による波長選択性と、Ｎ−１個のＹ字型光分岐回路による光パワーの結合を利用する構成であるため、方向性結合器の他にＹ字型光分岐回路が必要となり、構成が複雑となり、部品点数が増加するという問題がある。
また、上記したような課題を解決する一般的な構成として、発光素子や方向性結合器などの光学素子を配置する構成が考えられるが、このように各光学素子を配置して実際の光源装置を形成するには、発光素子と方向性結合器との間を光学的に接続するために、光ファイバ等の導光体やこれらを光学的の接続する光コネクタが必要となる。そのため、光接続用の部材やスペースが必要となり、依然として、部品点数の増加や大型化といった問題が生じることになる。
また、複数の光源から出力された光を合波して出力する光合波手段を備えた光源装置が提案されている。この光合波手段は、所定区間において二つの光導波路を近接させることによって光を合波させる構成が示されている（例えば、特許文献７参照）。
この光合波路を備えた光源装置は、光源と光合波手段を素子搭載面上に集積することによって光学系を小型化することができるが、半導体レーザ素子や受光素子等の電気系の素子については、サブマウントや載置部材上に載置すると共にワイヤによって電気的な接続を行う構成である。このような構成は、光源装置および光源装置を備えたプロジェクタ装置を小型化する上の阻害要因となり、光学系を小型化、集積化した効果が十分に生かせないという問題がある。
そこで本発明は、上記した課題を解決して、３つ以上の波長の光波を合波して出射する光源装置において、光学系要素および電気系要素の集積度を高めることを目的とし、小型化することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板上に光学系要素と電気系要素とを形成することによって、光コネクタ等の光学部材を不要とし、これらの光学部材に要するスペースを省いて配置間隔を縮め、また、電気回路の配線に要するスペースを縮小して、光学系要素および電気系要素の各要素の集積度を高める。
さらに、それぞれ別配置した光学系要素と電気系要素とを連結する構成では、光学系要素と電気系要素とをそれぞれ配置するスペースの他に、光学系要素と電気系要素とを連結する連結スペースが必要であり、また、この連結スペースを跨いで光学系要素と電気系要素とを電気的に接続する配線が必要である。これに対して、本発明は、同じ半導体基板上に光学系要素と電気系要素とを形成することによって、光学系要素と電気系要素とを連結するための連結スペースを不要とすることができ、半導体基板に配線も形成することができるため、連結スペースを跨いで光学系要素と電気系要素とを電気的に接続する配線についても不要とすることができる。
本発明は、半導体基板上に光学系要素と電気的要素とを形成するものであり、光学系要素については、半導体基板上に、発光素子の発光を合波する多波長合波器、発光素子と多波長合波器との間を光学的に接続する導波路を形成し、これによって光コネクタ等の光学部材を不要とすると共にこれら光学部材に要するスペースを省いて配置間隔を縮めることができる。また、電気的要素については、半導体基板上に、発光素子や発光量を検出する検出器、制御部等を電気的に接続する配線を形成し、これによって外部配線を設けることなく電気的接続を行うことができる。
また、同じ半導体基板上に光学系要素と電気的要素とを層状に形成することで、光学系要素と電気的要素とをそれぞれ併設させる構成が必要とする面積も小さくすることができる。
本発明の光源装置は、配線が形成された半導体基板と、半導体基板上に形成され、配線を外部と電気的に接続する電極端子と、半導体基板上に実装されるとともに配線と接続した、波長を異にする複数のレーザ素子と、半導体基板上に形成され、各レーザ素子が発光する光波を導波する複数の導波路と、半導体基板上に形成され、導波路型方向性結合器を有し、各導波路で導波される光波を合波する多波長合波器とを備える。
半導体基板を光学要素基板として導波路と多波長合波器とを形成し、また、半導体基板を電気要素基板として配線を形成し、さらに、この半導体基板上に発光素子、検出器、制御部等を実装して、これによって半導体基板上に発光素子、検出器、制御部、および導波路、多波長合波器を配置する。また、半導体基板内に検出器や制御部の電気回路を形成する構成とするとしてもよい。半導体基板は、例えば、シリコンを用いることができる。
さらに、半導体基板上において、発光素子を導波路の一方の端部に対向して配置することによって、光コネクタを要することなく発光素子で発光した光波を導波路に導く。光学要素基板としての半導体基板上において、導波路と多波長合波器とを光軸合わせを行った状態で形成することができるため、発光素子から導波路に導入された光波を、光コネクタを用いることなく多波長合波器に導入することができる。多波長合波器は、導波路を介して導入された波長を異にする複数の光波を合波して出射する。
本発明は、発光素子と導波路と多波長合波器とを共通の半導体基板上に配置する構成とすることによって、光コネクタ等の光学部材を不要として部品点数を少なくすることができ、これら光学部材に要するスペースを省くことによって配置間隔を縮めて光源装置を小型化することができる。
本発明の光源装置が備える多波長合波器において、導波路型方向性結合器のピッチ間隔は発光素子のピッチ間隔と異なる。通常、発光素子はレーザ素子等の、導波路とは別の半導体の発光素子で形成しているため、発光素子のピッチ間隔は導波路型方向性結合器のピッチ間隔よりも広くなる。また、各波長の発光素子を単体の素子で構成する場合には、各発光素子を半導体基板上に実装するため、所定の配置間隔を開けて配置する必要がある。
そのため、発光素子のピッチ間隔を導波路型方向性結合器のピッチ間隔に整合させる必要がある。発光素子のピッチ間隔を導波路型方向性結合器のピッチ間隔に合わせるには、通常、発光素子と導波路型方向性結合器との間にこれらを光学的に接続する導波路を設け、この導波路を湾曲させることによってピッチ間隔を徐々に狭める。導波路を湾曲させる曲率半径は、光のもれ等を考慮すると制限されるため、ピッチ間隔を整合させるために、発光素子と導波路型方向性結合器との間は、所定距離を開ける必要がある。この発光素子と導波路型方向性結合器との距離は、光源装置を大型化する要因となる。
そこで、本発明の光源装置は、ピッチコンバータを設けることによって、発光素子のピッチ間隔を導波路型方向性結合器のピッチ間隔に整合させることができる。ピッチコンバータは、発光素子のピッチ間隔を導波路型方向性結合器のピッチ間隔に整合させる光学素子である。発光素子と導波路型方向性結合器との間にピッチコンバータを設けることによって、発光素子と導波路型方向性結合器との間の距離を短縮して、光源装置をさらに小型化することができる。
ピッチコンバータをＳＨＧ波長変換素子と同じ異方性媒質によって、光学要素基板としても半導体基板上に導波路および導波路型方向性結合器と共に形成することで、結合箇所を減らし多波長合波器を小型化することができる。
ピッチコンバータは、光軸方向を曲げるベンド素子によって構成できるが、特に光軸方向を９０°変更する全反射ミラーによって構成する９０°ベンドコンバータを用いることによって、多波長合波器の長さを短縮する構成とすることができる。９０°ベンドコンバータは導波路の向きを９０°変更する。
９０°ベンドコンバータは異方性媒質を用いた全反射ミラーによっても構成することができる。全反射ミラーの入射波に対する反射面の角度は、入射波の波長に対する異方性媒質が有する２つの屈折率をパラメータとして定める。
例えば、反射角を９０°とするときの全反射ミラーの反射面の角度θは、異方性媒質の屈折率をｎo、ｎeとするとき、
ｎe 2＋ｎo 2−sin２θ（ｎo 2−ｎe 2）−２ｎo 2tanθ＝０
の式によって求められる。
この異方性媒質の屈折率ｎo、ｎeをパラメータとして反射面の角度θを求めることによって、入射波の光軸と出射波の光軸を９０°とすることができる。
本発明の光源装置の構成によれば、光源装置のサイズを大型化させることなく、光源装置が備える構成要素を配置することができ、実装部品を実装させることができる。ここで、実装部品としては、発光素子としてのレーザ素子、発光素子の発光を制御する制御部、半導体基板に形成した配線を外部と電気的に接続する電極端子がある。
本発明の光源装置の半導体基板の形状を四角形状とし、四角形状の一辺側に複数の発光素子を実装し、発光素子を実装した辺と直角をなす他辺側に、多波長合波器で合波した光を出射する出射端を設ける。
四角形状の各辺の長さは、ほぼ導波路型方向性結合器のサイズに基づいて定まる。したがって、発光素子および出射端を四角形状の直交関係を有する２辺にそれぞれ設けることによって、実装する発光素子や出射端によるサイズの拡大を抑制することができる。
また、発光素子と出射端とを四角形状の異なる辺に設けることによって実装位置を分散させ、これによって２つの実装部品が同一の実装位置となることによる実装面積の拡大を抑制することができる。
また、本発明の光源装置は、複数の発光素子の発光を制御する制御部と、半導体基板に形成した配線を外部と電気的に接続する電極端子とを備え、制御部を発光素子が実装される半導体基板の一辺側に実装し、電極端子を発光素子が実装される半導体基板の他辺側に形成する。
制御部は、発光素子を駆動する駆動回路およびこの駆動回路が供給する電流を制御する制御回路を含む構成とすることができ、ＩＣ回路によって構成することができる。制御部は、半導体基板上に実装する他に、半導体基板内に集積回路形成工程（ＩＣ工程）で形成してもよい。
制御部および電極端子についても、前記した発光素子や出射端と同様に、四角形状の直交関係を有する２辺にそれぞれ設けることによって、制御部や電極端子によるサイズの拡大を抑制することができる。
本発明の多波長合波器は、２つの入射波を合波する導波路型方向性結合器を多段に接続する。各段の導波路型方向性結合器は、波長を異にする複数の入射波を段階的に合波し、最終段の導波路型方向性結合器は、前段の各段の導波路型方向性結合器で合波した複数の入射波を合波する多波長合波器を構成する。
本発明の多波長合波器は、導波路型方向性結合器を単に多段接続するという簡易な構成とし、各段の導波路型方向性結合器によって波長の異なる光波を順次結合していくことによって複数の入射波を段階的に合波する。この構成によれば、プリズム等の空間光学系の素子を用いることなく複数の波長の異なる光波を合波することができ、部品点数の増加を抑制し、小型化することが可能となる。
本発明の多波長合波器が備える導波路型方向性結合器は、合波する波長について波長選択性をそれぞれ有する。本発明の多波長合波器の各段の導波路型方向性結合器は、各段の波長選択性によって各段で合波する光波の波長を異ならせ、これら各段で選択して合波する波長を組み合わせ、段階的に合波していくことによって、複数の異なる波長の光波の合波を可能とする。
ここで、導波路型方向性結合器は、並列配置した２本の導波路で構成する。導波路型方向性結合器の波長選択性は、並列配置する２本の導波路を平行して近接させる結合長に基づいて定まる。
導波路型方向性結合器の結合長は、通常、導波路の０次モードと１次モードの伝搬定数、および波長をパラメータとして定まる。２本の導波路が近接する長さが結合長であるとき、一方の導波路の光波は他方の導波路に移行し、近接する長さが結合長からずれると導波路間での光波の移行は行われない。
本発明は、導波路型方向性結合器の光波の移行において、導波路間の光波の移行状態は結合長の長さに依存して周期的に変動するという結合長の周期性、およびこの結合長の周期性は波長によって異なるという波長依存性を利用するものであり、この結合長の周期性と波長依存性とを組み合わせることで、導波路型方向性結合器に波長選択性を持たせ、この波長選択性を利用して、多段に構成した導波路型方向性結合器によって段階的に複数の異なる波長の光波を合波する。
本発明は、導波路型方向性結合器の結合長の周期性と波長依存性とによって、各波長が有する複数の結合長の組合せの中に結合長の長さが同じとなる部分があることを見出し、導波路型方向性結合器の結合長をこの長さとすることによって、複数の異なる波長の光波を合波するものである。
１つの導波路型方向性結合器によって異なる波長の複数の光波を合波するには、合波器する光波に適した結合長を選択する必要がある。従来提案される導波路型方向性結合器は、通常１つの波長の光波を導波路間で移行して合波を行う構成であるため、移行する波長に対応した結合長を選択している。このように１つの波長にのみ対応した結合長によって複数の異なる波長の光波を合波しようとする場合には、共通する結合長に対応しない波長の光波を合波させることができない。
そのため、導波路型方向性結合器を単に従属接続する構成では、後段の導波路型方向性結合器において、前段の導波路型方向性結合器で合波した光波にさらに別の波長の光波を合波させようとする際、前段で合波した波長成分は他の導波路に分岐され、複数の波長を合波させることができない。
本発明の導波路型方向性結合器は、各段で合波する複数の波長の周期において、結合長が同じ長さとなる組み合わせを選択することによって、複数の波長を合波させることができる。この導波路型方向性結合器による波長の合波を複数段で行うことによって、所望とする複数波長について合波することができる。
本発明の導波路型方向性結合器の一構成は、２本の導波路を配設し、結合長の長さに亘って平行に近接して成り、２つの入力ポートから波長を異にする少なくとも２つの複数の入射波を入射し、これらの複数の入射波の内から波長選択性によって選択される複数の入射波を合波し、合波した光波を１つの出力ポートから出射する。残りの出力ポートからは、合波されなかった波長の光波が出射される。
本発明の導波路型方向性結合器は、合波する光波を可視光域波長の可視光とすることができ、この導波路型方向性結合器を備えた多波長合波器は、合波した可視光をプロジェクタのスクリーン上に投射して表示させることができる。
この導波路型方向性結合器において、入射波は異なる可視光域波長の可視光であり、可視光はＲ波長成分、Ｇ波長成分、およびＢ波長成分を含む。このＲ波長成分、Ｇ波長成分、およびＢ波長成分を合波する場合には、多段の導波路型方向性結合器は２段で形成し、第１段の導波路型方向性結合器は３つの波長成分から選択した２つの波長成分を合波し、第２段の導波路型方向性結合器は第１の導波路型方向性結合器で合波した光波と残余の１つの波長成分の光波とを合波する。この構成によって、第２段の導波路型方向性結合器の出力ポートからは、Ｒ波長成分、Ｇ波長成分、およびＢ波長成分の３波長成分を合波した光波が出射される。
ここで、可視光は、半導体レーザ又は第２次高調波発生レーザ（ＳＨＧレーザ）の発光素子から発することができる。例えば、可視光のＲ波長成分およびＢ波長成分は、半導体レーザの発光素子から発し、Ｇ波長成分は第２次高調波発生レーザ（ＳＨＧレーザ）の発光素子から発することができる。
本発明の導波路は、半導体基板上に形成した光導波性材料からなる膜のパターニングにより形成する。光導波性材料は、シリコン窒化膜、ゲルマニウムをドープしたシリコン酸化膜、樹脂膜等を用いることができる。シリコン窒化膜やゲルマニウムをドープしたシリコン酸化膜のパターニングはプラズマを用いたドライエッチングによって行うことができる。樹脂膜のパターニングは、ＵＶ感光性樹脂の場合にはＵＶ光の露光によって行うことができ、ＵＶ非感光性樹脂の場合にはＯ2プラズマ処理によって行うことができ、また、熱硬化樹脂やＵＶ硬化樹脂に対してモールドを押し付けて行うナノインプリント技術によっても行うことができる。
導波路は単独での導波モードを単一モードとし、複数の態様で形成することができる。
導波路の第１の態様は、光学要素基板を構成する半導体基板上の薄膜によりコアを形成してなる平面型導波路であり、導波路型方向性結合器は２本のコアを結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させて形成することができる。
導波路の第２の態様は、光学要素基板を構成する半導体基板上にリッジ部を形成してなるリッジ型導波路であり、導波路型方向性結合器は２本のリッジ部を結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させて形成することができる。
導波路の第３の態様は、光学要素基板を構成する半導体基板上に固定した光ファイバであり、２本の光ファイバのコアを結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させて形成することができる。
本発明は、上記した多波長合波器と各波長域の入射波を発生する複数の発光素子とを同一の半導体基板上に形成して光源装置を構成することができる。
光源装置は、多段接続される複数の導波路型方向性結合器の内、最終段の導波路型方向性結合器を除く導波路型方向性結合器の合波出力する出力ポート以外の出力ポートの出射波の光強度を検出する検出器と、初段の導波路型方向性結合器において結合される入射波の光強度を検出する検出器と、発光素子が発生する入射波の強度を制御する制御部とを備える構成とすることができる。
制御部は、各検出器で検出される光強度を帰還して発光素子を制御し、出射される光量を一定に保持することができる。
また、光源装置において、Ｒ波長域、Ｇ波長域、およびＢ波長域の各波長域の入射波を発生する複数の発光素子を同一の半導体基板上に備えることでＲＧＢの光源装置を構成することができる。
このＲＧＢ光源装置において、Ｒ波長域の入射波を検出する第１の検出器と、第１段の導波路型方向性結合器の漏れ出力の光強度を検出する第２の検出器と、第２段の導波路型方向性結合器の漏れ出力の光強度を検出する第３の検出器と、発光素子が発生する入射波の強度を制御する制御部とを備える構成とすることができる。制御部は、各検出器で検出される光強度を帰還して発光素子を制御する。
本発明の導波路型方向性結合器によれば、光学要素基板を構成する半導体基板上に形成した導波路や光ファイバによって一体で方向性結合器を形成することができる。
また、本発明の導波路型方向性結合器によれば、結合長の周期性に基づいて各導波路型方向性結合器で結合する合波の組み合わせを適宜選択することによって、多波長合波器の全長を短くすることができる。
本発明の光源装置によれば、多波長合波器の長さを短縮することによって全長を短くすることができる。また、発光素子と導波路型方向性結合器との間に９０°ベンドコンバータを設けることによって、光源装置の全長を短くすることができる。
本発明の半導体基板に形成する配線は、半導体基板上に形成した金属膜をパターニングすることで形成することができる。また、金属膜のパターニングにより配線とともに接合部を形成する。この接合部にはレーザ素子が接合される。金属膜はＡｕからなる膜とすることができる。
本発明によれば、複数の波長の光波を合波して出射する光源装置において、光学系要素および電気系要素の集積度を高めることができ、小型化することができる。
典型的な導波路型の方向性結合器の概念図とその動作原理を示す図である。 １つの光波が導波路間で移行する際の結合長の周期性を説明するための図である。 波長λ1の光波に波長λ2の光波を結合する場合を説明するための図である。 波長λ2の光波に波長λ1の光波を結合する場合を説明するための図である。 波長λ3の光波に波長λ1と波長λ2との合波を結合する場合を説明するための図である。 波長λ1と波長λ2との合波に、波長λ3の光波を結合する場合を説明するための図である。 本発明の３本の導波路に対して２つの導波路型方向性結合器を２段で接続する例を説明するための図である。 本発明の３本の導波路に対して２つの導波路型方向性結合器を２段で接続する例の合波状態を説明するための図である。 本発明の３本の導波路に対して２つの導波路型方向性結合器を２段で接続する別の例を説明するための図である。 本発明の複数の導波路型方向性結合器を接続する構成例を説明するための概略図である。 本発明の４つの異なる波長の光波を結合して合波を形成する構成例を説明するための概略図である。 本発明の４つの異なる波長の光波を結合して合波を形成する構成例を説明するための概略図である。 本発明の４つの異なる波長の光波を結合して合波を形成する構成例を説明するための概略図である。 本発明の多波長合波器の構成例を説明するための図である。 本発明の多波長合波器の構成例を説明するための図である。 本発明の光源装置の構成例を説明するための図である。 本発明の光源装置の一実施例を説明するための図である。 本発明の光源装置の他の一実施例を説明するための図である。 本発明の光源装置の他の一実施例を説明するための図である。 本発明の光源装置の他の一実施例を説明するための図である。 本発明の光源装置の他の一実施例を説明するための図である。 本発明の光源装置のピッチコンバータの効果を説明するための図である。 本発明の光源装置のピッチコンバータの効果を説明するための図である。 本発明の導波路の導波路パラメータとｙ偏光の基本モードの光強度分布を示す図である。 本発明の導波路の実効屈折率特性を示す図である。 本発明の導波路型方向性結合器の形状の一例を示す図である。 本発明の導波路型方向性結合器の挿入損失を示す図である。 本発明の他の構成の導波路の導波路パラメータとｙ偏光の基本モードの光強度分布を示す図である。 導波路の波長分散特性を示す図である。 導波路の合波に必要な結合長を示す図である。 本発明の異方性媒質を用いた全反射ミラーの概略図である。 本発明の異方性媒質を用いた全反射ミラーのパラメータの関係を示す図である。 出射角θ2の算出を説明するための図である。 ＲＧＢの各波長での反射角を説明するための図である。 出射角θ2の算出を説明するための図である。 ＲＧＢの各波長での反射角を説明するための図である。 本発明の９０°ベンド導波路の構造とＦＤＴＤ法による解析例を示す図である。 本発明の９０°ベンド導波路のモデルを説明するための図である。 ｘ−ｚ面で見たＥｘ成分の基本モードを示す図である。 ｘ−ｙ面で見たＥｘ成分の基本モードを示す図である。 本発明の９０°ベンド導波路の別の構成例を説明するための図である。 本発明の９０°ベンド導波路の別の構成例を説明するための図である。 本発明の９０°ベンド導波路の別の構成例を説明するための図である。 窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による光導波路の形成を説明するためのフローチャートである。 窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による光導波路の形成を説明するための概略図である。 ＵＶ感光樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートである。 ＵＶ感光樹脂材による光導波路の形成を説明するための概略図である。 ＵＶ非感光樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートである。 ＵＶ非感光樹脂材による光導波路の形成を説明するための概略図である。 ＵＶ硬化樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートである。 熱硬化樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートである。 ＵＶ硬化樹脂材又は熱硬化樹脂材による光導波路の形成を説明するための概略図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を後工程で実装するプロセスの手順を説明するためのフローチャートである。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を後工程で実装するプロセスの手順を説明するための概略図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を後工程で実装するプロセスの各手順における構成図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を後工程で実装するプロセスの各手順における構成図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を後工程で実装するプロセスの各手順における構成図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセスの手順を説明するためのフローチャートである。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセスの手順を説明するための概略図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセスの各手順における構成図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセスの各手順における構成図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセスの各手順における構成図である。 光学系要素と電気的要素の形成において検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセスの各手順における構成図である。 ＳＢＧの配置を説明するための図である。 本発明の光源装置を用いたプロジェクタを説明するための図である。
１ 多波長合波器
２ 導波路型方向性結合器
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 導波路型方向性結合器
２ａ，２ｂ 導波路型方向性結合器
３ ピッチコンバータ
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ ピッチコンバータ
４ レーザ素子
４ａ 青色発光素子
４ｂ 赤色発光素子
４ｃ 緑色発光素子
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｎ 検出器
６，６Ａ，６Ｂ 制御部
７ 光導波路
８ 光学要素基板
９ 配線基板
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 光源装置
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ ９０°ベンド導波路
１１ａ 導波路
１１ｂ ミラー部分
１１ｃ ミラー裏面
１１ｄ アンダークラッド表面
１１ｅ リッジ下部断面
１２ 導波路
２０ プロジェクタ
２１ コントローラ
２２ 光源装置
２３ 偏向装置
２４ 投影レンズ
３１ 画像信号
３２ 制御信号
３３ 制御信号
３４ 光束
３５ 偏向光束
１００ 基板
１０１ ＳｉＯ2膜
１０２ ＳｉＮ膜
１０３ レジスト膜
１０５ ナノプリント用モールド
１０６ Ａｕ膜
１０７ レジスト膜
１０８ 集積回路部
１０９ 保護膜
１１０ 感光樹脂材
１１１ 非感光樹脂材
１１２ 硬化樹脂材
１１３ 熱硬化樹脂材
１２２ ビアホール
２００ クラッド
２０１ アンダークラッド
本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
以下、はじめに、図１〜図６を用いて本発明の導波路型方向性結合器における結合長および波長選択性について説明し、図７〜図１３を用いて本発明の導波路型方向性結合器の多段接続について説明し、図１４〜１６を用いて本発明の多波長合波器およびＲＧＢ光源装置の構成について説明し、図１７〜図６４を用いて本発明の多波長合波器の各構成の実施例について説明し、図６５を用いて光源装置を用いたプロジェクタの構成例について説明する。
はじめに、本発明の導波路型方向性結合器における結合長および波長選択性について図１〜図６を用いて説明する。
図１は、典型的な導波路型の方向性結合器の概念図とその動作原理を示す図であり、図１（ａ）は導波路型方向性結合器の全体の概略構成を示し、図１（ｂ）は結合長部分における動作原理を示している。
２本の光導波路（図中のWaveguideＩ、Waveguide II）は、等価な構造として図１に示す区間の長さＬｃの間で近接して平行に配置される。ここで、２本の導波路は、それぞれが個別に導波するときはシングルモードであると仮定する。２本の導波路が平行して近接配置されている箇所では、相互の導波路のモードが干渉し結合するためシングルモードではなくなる。
方向性結合器内の電場は反射を考えなくて良い場合には、２つの進行波である偶モードＥeven(y)（０次モード）と奇モードＥodd(y)（一次モード）の重ね合わせで近似することができる。ここで、偶モードの伝搬定数をβ0（等価屈折率ｎeven）とし、奇モードの伝搬定数をβ1（等価屈折率ｎodd）とし、伝搬方向をｚ軸方向とすると、ｚの位置での電場Ｅ(y,z)は以下の式で表すことができる。
一方の導波路（図中のWaveguideＩ）に結合するｚ＝０の位置における入射電場E1(y)は
となる。ここで，入射電場E1(y)は導波路Ｉ（図中のWaveguideＩ）の固有モードである。
また、ｚ＝π／（βeven―βodd）の位置おける入射電場E1(y)は
となる。
このとき（ｚ＝Lとおく）の電場E2(y)は、導波路II（図中のWaveguide II）の固有モードであり、導波路I（図中のWaveguideＩ）の入射電場E1(y)は、式（４）に示す結合長(coupling length)Lｃにおいて、導波路II（図中のWaveguide II）の電場E2(y)に完全に移る。したがって、図１（ｂ）において、導波路Ｉのポート１から入射された光波は、結合長Ｌの間に導波路Ｉから導波路IIに移り、導波路IIのポート３から出射される。
ここで、結合長Lｃは各モードの等価屈折率（または実効屈折率）および波長（真空中）λの関数となる。また、等価屈折率は、導波路を形成する材料固有の屈折率の波長分散によって変わり、導波路の形状によっても固有モードが変わるため変化する。
なお、上記説明では、近接した２本の導波路で方向性結合器を構成する例で説明しているが、２本の導波路を融合させて形成する合流型のマルチモード導波路（またはマルチモード干渉型結合器）によっても方向性結合器を構成することができる。
次に、図２〜図６を用いて結合長の波長選択性について説明する。
はじめに、結合長の周期性について図２〜図４を用いて説明する。なお、図に示す結合長の周期性は説明の便宜上から模式的に示すものであって、実際の周期性を示すものではない。
１つの光波が導波路間で移行する際の結合長Ｌｃは上記式（４）で表されると共に周期性を有している。図２は１つの光波が導波路間で移行する際の結合長の周期性を示している。図２において、図２（ａ）は２本の導波路から成る導波路型方向性結合器の概略構成を示し、図２（ｂ）はポート１からポート３への挿入損失の結合長による周期変化を示している。
２本の導波路の縮退した個々の伝搬定数が等しいとすると、ポート１からポート３への光パワーの流れＰ1-3は、式（６）で表すことができる。また、ポート１からポート４への光パワーの流れＰ1-4は、式（７）で表すことができる。実際の方向性結合器では、導波路からの散乱や２本の導波路の結合状態が理想的でないことによる損失など結合は理想的にはならないが、ここでは、簡単のために損失等は考慮しない。
なお、κは、導波路を伝搬する信号波長の関数である。この式（７）で示すκは、式（５）で示すモード結合係数と同じである。
図２（ａ）において、導波路型方向性結合器は２本の導波路を平行に近接させて成り、一方の導波路は入射側にポート１を有し出射側にポート４を有し、他方の導波路は入射側にポート２を有し出射側にポート３４を有している。
一方の導波路のポート１から入射した単一波長の光波（図中の破線で示す）は、式（６）で示すように、結合長Ｌの部分で他方の導波路に移行してポート３から出射される。ここで、結合長Ｌを変化させると、図２（ｂ）に示すように、ポート１からポート３への挿入損失が周期的に変化する。この結合長の周期は光波の波長に依存して変化する。
導波路型方向性結合器の結合長は、この結合長の周期性の波長依存性を利用することによって、複数の結合長Ｌの長さから選択することができる。
次に、２つの波長（λ1，λ2）の光波（λ1＜λ2）を結合する場合において、結合長の周期性および波長選択性を図３および図４を用いて説明する。
図３は波長λ1の光波に波長λ2の光波を結合する場合を示している。図３は２つの異なる波長の光波が導波路間で移行する際の結合長の周期性を示し、図３（ａ），図３（ｂ）は導波路型方向性結合器の結合長が異なる場合の移行状態を示し、図３（ｃ）は例えばポート１からポート３へ等の導波路間の挿入損失の結合長による周期変化を示している。
図３（ｃ）において、２つの異なる波長（λ1，λ2）のポート１からポート３への挿入損失は、光波の結合長Ｌの長さに依存して変化する。この挿入損失の結合長による周期変化は波長依存性を有し短波長の方が式（６）および（７）の周期が長くなる。例えば、結合長の長さがＬ1あるいはＬ2では、波長λ1（破線で示す）の挿入損失は小さく、波長λ2（実線で示す）の挿入損失は大きい。
図３（ａ）は結合長がＬ1の場合を示し、図３（ｂ）は結合長がＬ2の場合を示している。この結合長Ｌ1，Ｌ2によれば、ポート１から入射した波長λ1の光波は、ポート１からポート３への挿入損失が小さいためポート３に移行する。一方、ポート２から入射した波長λ2の光波は、導波路間での挿入損失が大きいため移行することなくポート３に進む。したがって、この結合長の周期性によって、導波路型方向性結合器は合波について波長選択性を有することになる。
図４は波長λ2の光波に波長λ1の光波を結合する場合を示している。図３と同様に、図４は２つの異なる波長の光波が導波路間で移行する際の結合長の周期性を示し、図４（ａ），（ｂ）は導波路型方向性結合器の結合長が異なる場合の移行状態を示し、図４（ｃ）は導波路間の挿入損失の結合長による周期変化を示している。
図４（ｃ）において、２つの異なる波長（λ1，λ2）の導波路間の挿入損失は、光波の結合長Ｌの長さに依存して変化する。この挿入損失の結合長による周期変化は波長依存性を有し、例えば、結合長の長さがＬ3あるいはＬ4では、波長λ1（破線で示す）の挿入損失は大きく、波長λ2（実線で示す）の挿入損失は小さい。
図４（ａ）は結合長がＬ3の場合を示し、図４（ｂ）は結合長がＬ4の場合を示している。この結合長Ｌ3，Ｌ4によれば、ポート２から入射した波長λ2の光波は導波路間の挿入損失が小さいためポート４に移行し、ポート１から入射した波長λ1の光波は導波路間の挿入損失が大きいため移行することなくポート４に進む。この結合長の周期性によって、導波路型方向性結合器は合波について波長選択性を有することになる。
次に、複数の波長を含む光波に対する合波について図５，図６を用いて説明する。
図５は波長λ3の光波に、波長λ1と波長λ2との合波を結合する場合を示している。図５は３つの異なる波長の光波が導波路間で移行する際の結合長の周期性を示し、図５（ａ），図５（ｂ）は導波路型方向性結合器の結合長が異なる場合の移行状態を示し、図５（ｃ）は導波路間の挿入損失の結合長による周期変化を示している。
図５（ｃ）において、３つの異なる波長（λ1，λ2，λ3）（λ1＜λ2＜λ3）の導波路間での挿入損失は、光波の結合長Ｌの長さに依存して変化する。この挿入損失の結合長による周期変化は波長依存性を有し、短波長の方が式（６）および（７）の周期が長くなる。例えば、結合長の長さがＬ5あるいはＬ6では、波長λ1（破線で示す）と波長2（実線で示す）の挿入損失は小さく、波長λ3（一点鎖線で示す）の挿入損失は大きい。
図５（ａ）は結合長がＬ5の場合を示し、図５（ｂ）は結合長がＬ6の場合を示している。この結合長Ｌ5，Ｌ6によれば、ポート１から入射した波長λ1の光波および波長λ2の光波は挿入損失が小さいためポート３に移行し、ポート３から入射した波長λ3の光波は挿入損失が大きいため移行することなくポート３に進む。この結合長の周期性によって、導波路型方向性結合器は複数の波長を含む場合についても合波に波長選択性を有することになる。
また、図６は波長λ1と波長λ2との合波に、波長λ3の光波を結合する場合を示している。図５と同様に、図６は３つの異なる波長の光波が導波路間で移行する際の結合長の周期性を示し、図６（ａ），（ｂ）は導波路型方向性結合器の結合長が異なる場合の移行状態を示し、図６（ｃ）は導波路間の挿入損失の結合長による周期変化を示している。
図６（ｃ）において、３つの異なる波長（λ1，λ2，λ3）の導波路間の挿入損失は、光波の結合長Ｌの長さに依存して変化する。この挿入損失の結合長による周期変化は波長依存性を有し、例えば、結合長の長さがＬ7あるいはＬ8では、波長λ1（破線で示す）と波長2（実線で示す）の挿入損失は大きく、波長λ3（一点鎖線で示す）の挿入損失は小さい。
図６（ａ）は結合長がＬ7の場合を示し、図６（ｂ）は結合長がＬ8の場合を示している。この結合長Ｌ7，Ｌ8によれば、ポート１から入射した波長λ3の光波は挿入損失が小さいためポート３に移行し、ポート３から入射した波長λ1とλ2の光波は挿入損失が大きいため移行することなくポート３に進む。この結合長の周期性によって、導波路型方向性結合器は複数の波長を含む場合についても合波に波長選択性を有することになる。
次に、導波路型方向性結合器を多段に接続する構成について図７〜図１３を用いて説明する。図７〜図１０は、３つの異なる波長の光波を合波する導波路型方向性結合器の多段接続の例を示している。また、図１１〜図１３は、４つの異なる波長の光波を合波する導波路型方向性結合器の多段接続の例を示している。
図７に示す接続例は３本の導波路に対して２つの導波路型方向性結合器を２段で接続する例を示している。図７（ａ）は導波路型方向性結合器の多段接続を示し、図７（ｂ）は導波路間の２つの結合長での挿入損失を示している。
図７（ａ）において、はじめに、３本の導波路の内で隣接する２本の導波路間に結合長Ｌ11で第１段目の導波路型方向性結合器を形成し、次に、結合した導波路と残りの導波路との間に結合長Ｌ12で第２段目の導波路型方向性結合器を形成する。
各導波路からそれぞれ異なる波長λ1，λ2，λ3（λ1＜λ2＜λ3）の光波を入射する。ポート１から入射した波長λ1の光波とポート２から入射した波長λ2の光波は、図７（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ11において波長λ1の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ2の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、１番目の導波路に入射した波長λ1の光波は２番目の導波路に結合される。
次に、２番目の導波路の合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と３番目の導波路に入射された波長λ3の光波は、図７（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ12において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は小さく波長λ3の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、２番目の導波路の波長λ1および波長λ2の光波は３番目の導波路に結合される。これによって、３番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
図８はこの合波状態を示している。図８（ａ），図８（ｂ），および図８（ｄ）はそれぞれ波長λ1，波長λ2，波長λ3の結合長の周期性を示している。
図８（ｃ）に示すように、第１段目の導波路型方向性結合器の結合長Ｌ11での挿入損失は、図８（ａ）に示す波長λ1の結合長の周期性と図８（ｂ）に示す波長λ2の結合長の周期性の組み合わせによって、波長λ1は小さく（破線で示す）、波長λ2は大きい（実線で示す）。これによって、第１段目の導波路型方向性結合器は波長λ1の光波を波長λ2の光波に結合する。
次に、図８（ｅ）に示すように、第２段目の導波路型方向性結合器の結合長Ｌ12での挿入損失は、図８（ａ）に示す波長λ1の結合長の周期性と図８（ｂ）に示す波長λ2の結合長の周期性と図８（ｄ）に示す波長λ3の結合長の周期性との組み合わせによって、波長λ1（破線で示す）および波長λ2は小さく（実線で示す）、波長λ3（一点鎖線で示す）は小さい。これによって、第２段目の導波路型方向性結合器は波長λ1および波長λ2の合波を波長λ3の光波に結合する。
図９に示す接続例は３本の導波路に対して２つの導波路型方向性結合器を２段で接続する別の例を示している。図９（ａ）は導波路型方向性結合器の多段接続を示し、図９（ｂ）は導波路間の２つの結合長での挿入損失を示している。
図９（ａ）において、はじめに、３本の導波路の内で隣接する２本の導波路間に結合長Ｌ13で第１段目の導波路型方向性結合器を形成し、次に、結合した導波路と残りの導波路との間に結合長Ｌ14で第２段目の導波路型方向性結合器を形成する。
各導波路からそれぞれ異なる波長λ1，λ2，λ3（λ1＜λ2＜λ3）の光波を入射する。ポート１から入射した波長λ1の光波とポート２から入射した波長λ2の光波は、図９（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ11において波長λ1の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ2の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、１番目の導波路に入射した波長λ1の光波は２番目の導波路に結合される。
次に、２番目の導波路に合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と３番目の導波路に入射された波長λ3の光波は、図９（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ13において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は大きく波長λ3の光波の挿入損失（実線で示す）は小さいため、３番目の導波路の波長λ3の光波は２番目の導波路に結合される。これによって、３番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
複数の導波路型方向性結合器の接続は、複数の形態によって行うことができる。図１０は、複数の導波路型方向性結合器を接続する構成例を説明するための概略図である。
図１０（ａ）は複数の導波路型方向性結合器２Ａ，２Ｂ，２Ｃを順次段階的に接続する構成であり、前段の導波路型方向性結合器で結合した光波を、次段に導波路型方向性結合器によって他の導波路の光波に結合する。この結合を順次繰り返すことによって複数の異なる波長の光波を結合して合波を形成する。
図１０（ｂ）は導波路型方向性結合器２Ａによって結合した光波と導波路型方向性結合器２Ｂによって結合した光波を、後段に接続する導波路型方向性結合器２Ｃで結合する構成であり、この構成を繰り返すことによって複数の異なる波長の光波を結合して合波を形成する。
以下、４つの異なる波長の光波を結合して合波を形成する構成例について、図１１〜図１３を用いて説明する。
図１１に示す構成例は、図７で示した構成例と同様に、導波路型方向性結合器を順次段階的に接続する構成であり、図１０（ａ）に示す形態に対応する構成である。
図１１（ａ）は導波路型方向性結合器の多段接続を示し、図１１（ｂ）は導波路間の各結合長での挿入損失を示している。
図１１（ａ）において、はじめに、４本の導波路の内で隣接する２本の導波路間に結合長Ｌa1で第１段目の導波路型方向性結合器を形成し、次に、結合した導波路と３番目の導波路との間に結合長Ｌa2で第２段目の導波路型方向性結合器を形成し、最後に、結合した導波路と４番目の導波路との間に結合長Ｌa3で第３段目の導波路型方向性結合器を形成する。
各導波路からそれぞれ異なる波長λ1，λ2，λ3，λ4（λ1＜λ2＜λ3＜λ4）の光波を入射する。ポート１から入射した波長λ1の光波とポート２から入射した波長λ2の光波は、図１１（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌa1において波長λ1の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ2の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、１番目の導波路に入射した波長λ1の光波は２番目の導波路の波長λ2に結合される。
次に、２番目の導波路に合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と３番目のポート３から入射された波長λ3の光波は、図１１（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌa2において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は小さく波長λ3の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、２番目の導波路の波長λ1および波長λ2の光波は３番目の導波路のλ3に結合される。これによって、３番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
最後に、３番目の導波路に合波された波長λ1の光波、波長λ2の光波、および波長λ3の光波と４番目のポート４から入射された波長λ4の光波は、図１１（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌa3において波長λ1，波長λ2，および波長λ3の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ4の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、３番目の導波路の波長λ1，波長λ2および波長λ3の光波は４番目の導波路のλ4に結合される。これによって、４番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3，λ4の光波が合波されることになる。
図１２に示す構成例は、一本の導波路に対して複数の導波路型方向性結合器を順次接続する構成である。
図１２（ａ）は導波路型方向性結合器の多段接続を示し、図１２（ｂ）は導波路間の各結合長での挿入損失を示している。
図１２（ａ）に示す構成は、４本の導波路の内の１本の導波路に対して複数の導波路型方向性結合器を順次接続する構成であり、第１段目の導波路型方向性結合器を結合長Ｌb1で形成し、第２段目の導波路型方向性結合器を結合長Ｌb2で形成し、第３段目の導波路型方向性結合器を結合長Ｌb3で形成する。
各導波路からそれぞれ異なる波長λ1，λ2，λ3，λ4（λ1＜λ2＜λ3＜λ4）の光波を入射する。ポート１から入射した波長λ1の光波とポート２から入射した波長λ2の光波は、図１２（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌb1において波長λ2の光波の挿入損失（実線で示す）は小さく波長λ1の光波の挿入損失（破線で示す）は大きいため、２番目の導波路の波長λ2は１番目の導波路に入射した波長λ1の光波に結合される。
次に、１番目の導波路に合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と、３番目のポート３から入射された波長λ3の光波は、図１２（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌb2において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は小さく波長λ3の光波の挿入損失（一点鎖線で示す）は大きいため、３番目の導波路のλ3は１番目の導波路の波長λ1および波長λ2の光波に結合される。これによって、１番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
最後に、１番目の導波路に合波された波長λ1の光波、波長λ2の光波、および波長λ3の光波と、４番目のポート４から入射された波長λ4の光波は、図１２（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌb3において波長λ1，波長λ2，および波長λ3の光波の挿入損失（破線、実線、一点鎖線で示す）は小さく波長λ4の光波の挿入損失（破線で示す）は大きいため、４番目の導波路のλ4の光波は３番目の導波路の波長λ1，波長λ2および波長λ3の光波に結合される。これによって、１番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3，λ4の光波が合波されることになる。
図１３に示す構成例は、導波路型方向性結合器を順次段階的に接続する別の構成であり、図１０（ｂ）に示す形態に対応する構成である。
図１３（ａ）は導波路型方向性結合器の多段接続を示し、図１３（ｂ）は導波路間の各結合長での挿入損失を示している。
図１３（ａ）に示す構成は、４本の導波路の内、２本の導波路を導波路型方向性結合器で接続する構成を２組形成し、さらに、この２組の導波路型方向性結合器で形成される２本の導波路を導波路型方向性結合器で接続する。
１番目の導波路と２番目の導波路に結合長Ｌc1の第１段目の導波路型方向性結合器を形成し、３番目の導波路と４番目の導波路に結合長Ｌc2の第１段目の導波路型方向性結合器を形成し、さらに、結合された２本の導波路に結合長Ｌc3の第２段の導波路型方向性結合器を形成する。
各導波路からそれぞれ異なる波長λ1，λ2，λ3，λ4（λ1＜λ2＜λ3＜λ4）の光波を入射する。ポート１から入射した波長λ1の光波とポート２から入射した波長λ2の光波は、図１３（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌc1において波長λ1の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ2の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、１番目の導波路の波長λ1は２番目の導波路に入射した波長λ2の光波に結合される。
一方、ポート３から入射した波長λ3の光波とポート４から入射した波長λ4の光波は、図１３（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌc2において波長λ4の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ3の光波の挿入損失（一点鎖線で示す）は大きいため、１４目の導波路の波長λ4は３番目の導波路に入射した波長λ3の光波に結合される。
最後に、合波された波長λ1と波長λ2の光波と、同じく結合された波長λ3と波長λ4の光波は、図１３（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌc3において波長λ3，波長λ4の光波の挿入損失（破線および一点鎖線で示す）は小さく、波長λ1，波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は大きいため、波長λ3と波長λ4の光波は波長λ1と波長λ2の光波に結合される。
本発明の多波長合波器は、上記したように、合波を行う各波長の光波が持つ結合長の周期性に基づいて、合波を行うことができる結合長の組み合わせを選択し、これらの結合長の組み合わせによる導波路型方向性結合器を構成して複数波長を結合し、さらに、この導波路型方向性結合器を複数段で組み合わせることで、複数波長を合波することができる。
また、本発明の導波路型方向性結合器によれば、上記した結合長の組み合わせにおいて、多波長合波器の全長が短くなる組み合わせを選択することによって、多波長合波器を小型化することができる。
なお、上記説明では、各波長の関係をλ1＜λ2＜λ3＜λ4としているが、この波長関係に限定されるものではなく、結合長の周期性は、前記した波長と周期との関係に基づいて定めることができる。
次に、本発明の多波長合波器の構成例について図１４，図１５を用いて説明し、本発明の光源装置の構成例について図１６を用いて説明する。
図１４（ａ）において、多波長合波器１は、複数の導波路型方向性結合器２ａ，２ｂ，…，２ｎを備え、複数の導波路に対して前記した多段接続によって形成される。多波長合波器１には、異なる波長λ1〜波長λnの入射光１〜入射光ｎが入射され、多段接続され導波路型方向性結合器２ａ〜２ｎによって結合される。得られた合波は出射光として出力される。
多波長合波器１は、図１４（ｂ）に示すように、複数の導波路型方向性結合器２ａ〜２ｎに加えてピッチコンバータ３を備える構成としてもよい。ピッチコンバータ３は、入射光を各導波路型方向性結合器２ａ〜２ｎに導く複数の導波路のピッチ間隔を導波路型方向性結合器のピッチ間隔に合わせる素子である。入射光の発光素子を例えば半導体素子で形成する場合には、半導体素子を構成するために必要なサイズの要請から、導波路間のピッチ間隔は導波路型方向性結合器における導波路間のピッチ間隔より広い間隔が必要となる。
ピッチコンバータ３は、ピッチ間隔を切り換えて導波路間のピッチ間隔を狭めることによって上記した空間的な要求を満たして、導波路型方向性結合器に入射光を入射させることができる。
なお、ピッチコンバータは、図１５のように方向性結合器の後や間に挿入しても良い。図１５の構成では、ピッチコンバータ３は、導波路型方向性結合器２ａ〜２ｃと導波路型方向性結合器２ｏ〜２ｒの間に配置し、ピッチコンバータ３の入射側の導波路型方向性結合器２ａ〜２ｃのピッチ間隔からピッチコンバータ３の出射側の導波路型方向性結合器２ｏ〜２ｒのピッチ間隔に変換する。
本発明の光源装置１０は、本発明の多波長合波器１と共に発光素子および制御手段を同一の半導体基板上に形成する装置であり、制御手段によって発光素子から発する光を制御することによって、プロジェクタに投射する画像を制御することができる。
図１６において、光源装置１０は、同一の配線基板９上に導波路型方向性結合器２ａ〜２ｎとピッチコンバータ３と含む多波長合波器１と、レーザ素子４と、検出器５ａ〜５ｎと、制御部６とを形成して構成される。
レーザ素子４は各波長λ1〜波長λnの光を発生して入射光1〜入射光ｎを形成する。検出器５ａ〜５ｎは、発光素子の発光光量を制御するために、各波長の光を検出する。例えば、検出器５ａは導波路型方向性結合器２ａの導波路から得られる光の光量を検出する。この導波路からは、導波路型方向性結合器２で結合されなかった光が放出される。検出器はこの放出光を検出することによって、その波長を発生するレーザ素子４の発光光量をモニタすることができる。導波路型方向性結合器２からの放出光で検出できない波長については、レーザ素子４側に設けた検出器５ｎによって検出する。制御部６は、検出器５からの検出信号を帰還し、レーザ素子４の発光を制御する。
本発明の多波長合波器および光源装置は、半導体基板上に平面回路として形成することができる。
［実施例］
次に、図１７〜図６４を用いて、本発明の多波長合波器および光源装置の一実施例について説明する。
はじめに、本発明の多波長合波器の一実施例について図１７〜図２３を用いて説明する。なお、図１７，１８に示す実施例は、発光素子と出射端とが四角形状の半導体基板の互いに対向する２つの辺に配列される構成例であり、図１９〜図２３は発光素子と出射端とが、四角形状の半導体基板の互いに直交する二つの辺に配置される構成例である。
図１７において、光源装置１０Ａは、導波路および多波長合波器１のブロックを形成した光学要素基板８と、レーザ素子４（４ａ〜４ｃ）のブロックとを配線基板９上に実装して、平面光回路を形成している。図１７は、多波長をＲ波長、Ｇ波長、およびＢ波長とするＲＧＢ光源装置の例を示している。
図１７に示すＲＧＢ光源装置１０Ａの概念構成において、配線基板９上にレーザ素子４（４ａ〜４ｃ）と、多波長合波器１と、制御部６Ａと、電極端子６Ｂとを実装する。多波長合波器１は導波路型方向性結合器２を備え、光学要素基板８上に形成される。ここで、光学要素基板８と配線基板９とを共に半導体基板で形成することができる。半導体基板は、例えば、シリコン基板を用いることができる。
レーザ素子４のブロックはＲＧＢ発光素子を備える。このＲＧＢ発光素子において、青色発光素子４ａと赤色発光素子４ｂは、例えばそれぞれInGaN（青色）と AlInGaP（赤色）の半導体レーザを用いることができる。一方、緑色発光素子４ｃは直接発光型の緑色LDを用いても良いが、実用的な緑色の半導体レーザに適当な素子の入手が難しいため、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation:第２次高調波発生）レーザを緑色発光素子として用いる。
各発光素子の波長は、例えば、青色発光素子４ａの波長は４５０〜４７０ｎｍ、赤色発光素子４ｂの波長は６３０〜６５０ｎｍ、緑色発光素子４ｃの基本波を発生する近赤外ＬＤの波長は１０５０〜１０７０ｎｍとしている。
ＳＨＧレーザの緑色光出力を安定化させるために、近赤外ＬＤの基本波を部分的に反射させるために表面ブラッググレーティング（surface Bragg grating (SBG)）４ｅを設け、周波数ロックのために非線形光学結晶部（PPLN (periodically poled lithium niobate)）４ｄをＰＰＬＮ導波路上に形成する。近赤外ＬＤとしては、ファブリ−ペロー型やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）型や面発光型を用いることができる。近赤外ＬＤが例えばＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)やＤＦＢ(Distributed-feedback)型で、波長や周波数ロック機構を内蔵している場合、表面ブラッググレーティングは省略できる。
各レーザ素子のレーザ出力は、接続用の導波路を介してＲＧＢ合波のための多波長合波器１の各入力ポートに接続する。図１７では、青と緑の出力を赤の導波路にそれぞれ接続する設計の導波路型方向性結合器の構成を示している。緑色光出力の一部は、ポンプレーザである近赤外ＬＤの出力を安定化させるために、ＰＤ (photo diode)の検出器５に結合する。このＲＧＢ光源装置１０Ａは光回路を構成する導波路がシングルモードであるため、合波された出力光をレンズやＭＥＭＳやその他の光学系に容易に外部接続することが可能である。
図１８に示す光源装置１０Ｂは、図１７に示した光源装置１０Ａと同様に、多波長合波器１のブロックを含む光学要素基板８とレーザ素子４のブロックとを配線基板９上に実装して平面光回路によって構成している。
図１８に示すＲＧＢ光源装置１０Ｂの概念構成において、配線基板９上にレーザ素子４（４ａ〜４ｃ）と、多波長合波器１と、制御部６Ａと、電極端子６Ｂと、ピッチコンバータ３Ａを実装する。多波長合波器１や導波路やピッチコンバータ３Ａは、光学要素基板８上に形成される。
ピッチコンバータ３Ａは、光源装置１０Ｂのレーザ素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ）のピッチ間隔を多波長合波器１の方向性結合器２のピッチ間隔に整合する。
図１７に示す構成では、発光素子４ａ，４ｂ，４ｃのピッチ間隔を多波長合波器１の導波路型方向性結合器２のピッチ間隔に合わせるために、Ｄ１の距離で導波路を湾曲させている。一方、図１８に示す構成では、発光素子４ａ，４ｂ，４ｃのピッチ間隔を多波長合波器１の導波路型方向性結合器２のピッチ間隔に合わせるために、ピッチコンバータ３Ａによって整合させている。ピッチコンバータ３Ａは長さＤ２を有し、ピッチコンバータを用いない構成と比較して短縮することができる。
図１９〜図２１に、本発明のＲＧＢ光源装置の具体的な構成の一例を示す。図１９〜２１に示す構成では、９０°ピッチコンバータ３Ｂを設けることによって配置する。
図１９〜図２１において、多波長合波器１は実際には非常に細長い形状をしているが、図１９〜図２１では構成の理解を容易にするために一部を拡大して示している。
ＲＧＢ光源装置１０Ｃは、配線基板９上に、レーザ素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ）、９０°ベンド部を兼ねた９０°ピッチコンバータ３Ｂ、導波路型方向性結合器２を含む多波長合波器１、検出器５（５ａ〜５ｃ），制御部６Ａ、電極端子６Ｂを実装してなる。９０°ピッチコンバータ３Ｂおよび導波路型方向性結合器２を含む多波長合波器１は、光学要素基板８上に形成される。
なお、光学要素基板８は、シリコン基板等の半導体基板の他に、金属基板や誘電体基板を用いることができる。配線基板９は、図１８の構成と同様に、絶縁体基板や導電基板を用いることができ、基板の材料としては、例えば、金属、シリコン、窒化アルミ、ＳｉＯ2、樹脂等を用いることができる。
各基板を半導体基板以外の材料を用いる構成とする場合には、ベースとなるシリコン基板等の半導体基板上に、各材料で形成された配線基板および光学要素基板を積層することで構成することができる。
各発光素子４ａ，４ｂの半導体レーザ、および発光素子４ｃのＳＨＧレーザの実装間隔に対して、各導波路型方向性結合器２ａ，２ｂからなる多波長合波器１の各導波路の間隔は非常に狭い。そこで、発光素子側の導波路のピッチ間隔と導波路型方向性結合器側のピッチ間隔を整合するために、９０°ベンド部を兼ねた９０°ピッチコンバータ３Ｂをレーザ素子４の接続用導波路と多波長合波器１の各ポートの間に設ける。なお、９０°ピッチコンバータには、内側に共振エリアを設けた方式を示しているが、共振エリアを設けない単純な９０°エルボー型の導波路も用いることができる。
また、青色光の出力をモニタするためにＰＤ (photo diode)の検出器５ａを導波路型方向性結合器２ａの他方の出力ポートに接続し、緑色光の出力をモニタするためにＰＤ (photo diode)の検出器５ｂを導波路型方向性結合器２ｂの他方の出力ポートに接続する。また、赤色光の出力をモニタするためにＰＤ (photo diode)の検出器５ｃを赤色の発光素子４ｂに接続する。
図１９の構成例の光源装置１０Ｃでは、９０°ピッチコンバータ３Ｂおよび多波長合波器１の幅Ｄ３は、例えば２００μｍ程度とすることができ、発光素子側の幅Ｄ４は、例えば７ｍｍ程度とすることができる。また、光源装置１０Ｃの長さ（図１９の左右方向の長さ）は例えば８ｍｍ程度とすることができる。また、図１９に示す構成例では、制御部６Ａを配線基板９の一方の辺側に実装し、電極端子６Ｂを一方の辺側と直交する他方の辺側に実装する構成を示している。
図２０に示す構成例は、図１９に示す構成において、９０°ピッチコンバータ３Ｂのピッチ間隔をさらに縮めた構成例を示している。この構成例の光源装置１０Ｄでは、９０°ピッチコンバータ３Ｂおよび多波長合波器１の幅Ｄ３'は、例えば２００μｍ程度以下とすることができ、これによって、光源装置１０Ｄの長さ（図１９の左右方向の長さ）は例えば８ｍｍ程度以下とすることができる。また、図２０に示す構成例では、制御部６Ａおよび、電極端子６Ｂを配線基板９の一方の辺側に実装する構成を示している。
図２１に示す構成例は、図１９に示す構成において、緑色発光素子４ｃに設けた、表面ブラッググレーティングＳＢＧ４ｅ、および非線形光学結晶部ＰＰＬＮ４ｄを発光素子４ａ，４ｂが配置される辺と直交する辺に設ける構成例である。この構成とすることで、ＳＢＧ４ｅおよびＰＰＬＮ４ｄを実装するスペースを縮小することができる。この構成例の光源装置１０Ｅでは、発光素子側の幅Ｄ４を、例えば７ｍｍ程度以下とすることができる。
次に、図２２および図２３を用いて、本発明の光源装置においてピッチコンバータによる効果を説明する。
図２２は、図１７で示した光源装置１０Ａおよび図１８で示した光源装置１０Ｂにおいて、ピッチコンバータによる小型化の効果を説明するための図である。なお、図２２（ｃ）はピッチコンバータを配置しない構成例を示している。
図２２（ａ）に示す光源装置１０Ａでは、四角形状の配線基板９の一方の辺側に発光素子４ａ〜４ｃを実装し、対向する他方の辺側に出射端を配置し、導波路７と多波長合波器１との間にピッチコンバータ３Ａを配置した構成例である。光源装置１０Ａと図２２（ｃ）の構成とを比較すると、ピッチコンバータ３Ａによって導波路部分の長さを短縮して光源装置１０Ａの長さを短くすることができる。
また、図２２（ｂ）に示す光源装置１０Ｂでは、四角形状の配線基板９の一方の辺側に発光素子４ａ〜４ｃを実装し、直交する他方の辺側に出射端を配置し、導波路７と多波長合波器１との間に９０°ピッチコンバータ３Ｂを配置した構成例である。光源装置１０Ｂと図２２（ｃ）の構成とを比較すると、ピッチコンバータ３Ｂによって導波路部分の長さおよびを短縮して光源装置１０Ａの長さを短くすると共に、光源装置１０Ａの幅（図中の上下方向）を短くすることができる。
図２３は、図１８で示した光源装置１０Ｂにおいて、９０°ピッチコンバータによる小型化の効果を説明するための図であり、光波の進行方向を９０°変更することに意義を説明する。なお、図２３（ｂ）は４５°ピッチコンバータを配置しない場合を示している。
図２３（ａ）に示す光源装置１０Ｂでは、四角形状の配線基板９の一方の辺側に発光素子４ａ〜４ｃを実装し、直交する他方の辺側に出射端を配置し、導波路７と多波長合波器１との間に９０°ピッチコンバータ３Ｂを配置した構成例である。これに対して、図２３（ｂ）の４５°ピッチコンバータ３Ｃは、光波の進行方向を４５°変更するものである。
４５°ピッチコンバータ３Ｃの場合には、ピッチコンバータ自体の幅（図中の上下方向）が長くなる他、多波長合波器１の配置位置が図中の下方位置となるため、光源装置の長さ（図中の左右方向）および幅（図中の上下方向）が共に長くなる。
これに対して、９０°ピッチコンバータ３Ｂによって導波路部分の長さおよびを短縮して光源装置１０Ａの長さを短くすると共に、光源装置１０Ａの幅（図中の上下方向）を短くすることができる。
また、図示していないが、ピッチコンバータとして９０°を越える鈍角として構成においても、ピッチコンバータ自体の幅（（図中の上下方向）が長くなる他、多波長合波器１の配置位置が図中の上方位置となるため、光源装置の長さ（図中の左右方向）および幅（図中の上下方向）が共に長くなる。
したがって、９０°ピッチコンバータとすることによって、光源装置を効率よく小型化することができる。
次に、光導波路設計用の統合ソフトウェアであるAPSS2.3g（Apollo Software）による検討結果について説明する。
はじめに、導波路のモード解析を行う。実際のＲＧＢのそれぞれの波長は、使用する半導体レーザやＳＨＧレーザの波長にあわせて設計する必要があるが、ここでは使用する波長帯域として青から赤までの可視光領域の４５０−６５０ｎｍ程度をカバーするものとする。
図２４は導波路の断面における導波路パラメータと、４６０ｎｍでのｙ偏光の基本モードの光強度分布を示している。ここでは、ｙ偏光（Ｅｙモード）が半導体レーザからの出射偏光であるためＥｙモードについて解析を行っている。図２４に示す導波路はリッジ型導波路であり、光学要素基板として石英からなる誘電体基板を用い、この誘電体基板（屈折率ｎs＝１．４４）上に、厚さ１μｍの平面部上に厚さ３μｍで幅４μｍの突出部を設けたリッジ部（屈折率ｎw＝１．４６）を形成している。オーバークラッド層の屈折率はｎoc＝１．４４としている。
また、本発明の導波路の基本構造においては、図２５に示す実効屈折率特性のように偏光依存性が小さいことが確認できる。そこで、以降では、導波路に結合するレーザ光はＥｙ波であるため、ｙ偏光のみで解析を行う。
次に、本発明の導波路の基本構造を用いて方向性結合器を構成し、結合部の長さ（coupled section length）の関数としてポート１からポート３への結合における損失計算を行う。図２６は解析に用いた導波路型方向性結合器の形状の一例を示している。
図２７は、図２６に示す形状の導波路型方向性結合器の結合長の長さを変え、波長をパラメータとしてポート１からポート３への挿入損失（ＩＬ）の関数として求めたプロットを示している。
解析はビーム伝搬法により行っている。前記では、２本の導波路を近接させてモード間干渉を利用した方向性結合器を例として説明しているが、実用的には、十分なモード結合を起こすために２本の導波路間の距離をサブμｍオーダーで、なおかつ、間隔の誤差を抑えて形成する必要がある。このように導波路間距離が微小であることから、導波路を形成するプロセスで生じる揺らぎが特性に大きく影響することが予想される。そこで、ここでのシミュレーションでは、分離タイプではなく、結合部については２本の導波路を融合した合流導波路型（マルチモード干渉型）の導波路型方向性結合器で検討している。
図２７に示したシミュレーション結果によれば、結合長Ｌｃ＝Ｌ１（５７０μｍ）の近傍で，Ｒ波長（６４０ｎｍ）とＢ波長（４６０ｎｍ）とを結合できることが分かる。また、結合長Ｌｃ＝Ｌ２（２２７０μｍ）において、Ｒ波長およびＢ波長をＧ波長と結合できることが分かる。そのため、図１９で示したＲＢＧ光源装置の構成では、発光素子側から第１段目の導波路型方向性結合器の結合長をＬ１とし、第２段目の導波路型方向性結合器の結合長をＬ２とすることによって、異なる半導体レーザの発光素子からのＲ波長、Ｇ波長、およびＢ波長の光波を合波することができる。
次に、導波路の材料と構造について別の構成例について説明する。
図２８は導波路の概略構造を説明するための図であり、図２４と同様に、導波路の断面における導波路パラメータと、ｙ偏光の基本モードの光強度分布を示している。この例では、導波路にＭｇＯを５mol％ドープしたCongruent LN（一致溶融組成ニオブ酸リチウム）を用いている。
図２８に示す導波路はリッジ型導波路であり、Ｓｉ基板等の半導体基板上に、屈折率ｎ＝１．４６で厚さが１μｍのＳｉＯ2のクラッド層、ＭｇＯを５mol％ドープしたCongruent LNによって、厚さが１μｍの平面部上に厚さ２．５μｍで幅３．５μｍの突出部を設けたリッジ部を形成している。
図２９は導波路材料であるＭｇＯドープCLNの材料波長分散特性を示し、図３０は合波に必要な結合長のグラフを示している。この構成例において、複数の結合長の中から選択して得られる複数種の結合長の組み合わせによって、複数波長の光波を合波することができる。
例えば、第１の形態では、Ｒ波長（６５０nm）とＢ波長（４６０nm）の光波を、結合長Ｌｃが６５０μｍの長さの一段目の導波路型方向性結合器によって合波し、合波したＲ波長とＢ波長の光波を、結合長Ｌｃが３４１０μｍの２段目の導波路型方向性結合器でＧ波長（５２３nm）の光波と合波する。図３０では、この結合長の組み合わせを丸付き数字１で示している。
また、第２の形態では、Ｒ波長（６５０nm）とＢ波長（４６０nm）の光波を、結合長Ｌｃが１２１０μｍの長さの一段目の導波路型方向性結合器によって合波し、合波したＲ波長とＢ波長の光波を、結合長Ｌｃが２６６０μｍの２段目の導波路型方向性結合器でＧ波長（５２３nm）の光波と合波する。図３０では、この結合長の組み合わせを丸付き数字２で示している。
［９０°ベンド型ピッチコンバータ］
次に、本発明の多波長合波器が備える９０°ベンドピッチコンバータについて、図３１〜図４０を用いて説明する。以下の説明では異方性材料を扱えるように異方性材料の例で説明をおこなうが、ＳｉＯ2系や有機の等方性材料の場合は、ｎe＝ｎoとして同様に扱うことができる。
図３１は、異方性媒質を用いた全反射ミラーの概略図である。全反射ミラーの外側は空気（ｎair＝１）とする。高屈折率媒質から低屈折率媒質（この場合は空気）へ光波を入射させた場合、Snell's lawにしたがってｎo・sinθ1が１より大きくなる臨界角以上になると、透過光は空気側の空間へ伝搬できないため全反射となる。また、通常、等方性媒質では入射角θ1と出射角θ2は等しくなる。一方、異方性媒質中では入射光の波面法線ベクトルｋ1と出射波面法線ベクトルとは、伝搬する媒質の屈折率楕円体の方向との関係によって、境界面で境界条件を満たす必要がある。そのため、入射角θ1と出射角θ2とは必ずしも等しくはならない。
なお、図３１は説明を容易にするため、入射光と反射光との位相を示す界面での波面を同じ位置で表現してあるが、実際は、臨界角以上の全反射状態では媒質の屈折率や入射角に依存して入射光と反射光とは位相のとびが生じ界面での波面には位相にとびに相当する波面のずれが生じ、また、エバネッセント波が界面近傍で生じるとともにグース・ヘンシェンシフトと呼ばれる入射および反射光線のずれも生じるがここでは表示していない。
簡単のためここでは異方性媒質を負の一軸性結晶（negative uniaxial crystal, no>ne.)と仮定すると、波長λ1と波長λ2は以下の関係となる。
ここで、波長λ1および波長λ2は、それぞれ入射側の波長および出射側の波長であり、ｃは光速度であり、屈折率ｎ1および屈折率ｎ2は、それぞれ入射時の屈折率および出射時の屈折率である。また、電場ベクトルの接線方向成分と一致するという境界条件を満たすためには、入射角θ1および出射角θ2と波長λ1および波長λ2との間で、
の関係が成立する必要がある。ここで、ｌは波長の境界面への射影成分の長さである。
この式（８）および式（９）から、全反射光に対する関係式（１０）が導かれる。
角度の定義が異なるものの、式（１０）の形はSnell's lawの式と同じとなる。
次に、実際の結晶方位を仮定して検討する。全反射ミラーを形成する結晶（ここでは、ニオブ酸リチウムＬＮを仮定する）のｃ軸をｚ方向に平行とする。反射ミラーのｘ軸から測った角度をπ／４（４５度）として、入射波面法線ベクトルはｘ軸に沿って伝搬する方向とする。また，入射面はｘ−ｚ面に平行にとる。このとき、結晶の屈折率楕円体を入射面ｘ−ｚ面で切り屈折率楕円体の主軸を基準にすると、図３２によって各パラメータの関係が表される。ここで、入射偏光はｓ偏光（ｙ偏光）とする。
図３２の屈折率楕円体の定義から、
また、
とおける。
式（１１），式（１２）とβ＝π／４−θ2およびθ1＝π／４の関係を使って整理すると式（１３）を式（１４）のように簡単化することができる。
ｆ（θ2）＝式（７）の左辺として、真空中の波長６３２．８ｎｍにおいて、ＬＮ基板のｎe＝2.200，ｎo＝2.286を代入してｆ−θ2の関係をプロットすると図３３が得られる。
図３３から解があることが分かり、式（１３）式の４５度近傍の解は、θ2＝0.7485[rad] (42.886 [deg])である。
等方性媒質の４５度反射と比較すると、約２度だけ反射角が小さくなっていることが分かる。
次に、反射角の波長依存性について検討する。
ＭｇＯを５モルドープしたＬＮの反射係数ｎe、ｎoを用いて計算すると、ＲＧＢの各波長での反射角は図３４で表される。
この演算結果によれば、Ｂ波長(４７０ｎｍ)では４２．５９度となり、Ｇ波長(５３０ｍ)では４２．６９度となり、Ｒ波長(６４０ｎｍ)では４２．８０度が求める。
次に、反射ミラーの調整について説明する。前記の演算の結果、例えば、４７０ｎｍの波長において，反射角θ2は約４２．６度となる。したがって、入射波と反射波とのなす角αは，４５＋４２．６＝８７．６度と９０度より小さくなる。そのため、９０°ベンドを形成するためには、反射ミラーの角度を調整する必要がある。
そこで、（１３）式において、θ1＋θ2＝π／２とおいて整理すると式（１５）を得る。
一例として、ｆ（θ2）＝式（１４）の左辺とし、真空中の波長４７０ｎｍにおいて、ＬＮ：ＭｇＯ基板の屈折率ｎe＝2.255419、ｎo＝2.356908を代入して、ｆ−θ2の関係をプロットすると図３５を得る。図３５から解があることが分かる。式（１３）式の４５度近傍の解は、θ2＝0.7634[rad] (43.740 [deg])である。
図３２に示した関係とθ1＋θ2＝π／２の条件により、ｘ軸から測ったミラー角度γとθ2は等しくなる。
次に、式（１５）を用いて計算した波長とミラー角度との関係を図３６に示す。この演算結果によれば、ミラー角度γはＢ波長(４７０ｎｍ)では４３．７４度となり、Ｇ波長(５３０ｍ)では４３．８０度となり、Ｒ波長(６４０ｎｍ)では４３．８６度が求められる。
したがって、入射波が平面波で近似できるときはミラー角度を上記のように決めれば９０°ベンドが可能なことが分かる。
図３７は、９０°ベンド導波路の構造と、ＦＤＴＤ法による解析例を示している。リッジ型導波路に全反射ミラーを形成することで小さいロスで半導体レーザからの出射光を９０度に曲げることができる。このような９０°ベンド導波路を用いると、図１９に示す９０°ベンドピッチコンバータを構成することができる。
各半導体レーザやＰＰＬＮの大きさからＬＤ部の実装ピッチは数百μｍから数ミリの大きさになる。これに対して、図２６に示すように導波路型方向性結合器の幅は２００μｍ以下で形成することができる。
このようにＬＤ部の実装ピッチは導波路型方向性結合器の幅よりも大きくなるため、ピッチ間隔を合わせる必要が生じる。このピッチ間隔の調整を、直線的なピッチ変換で行う場合には、導波路を形成する材料の屈折率にもよるが、放射モードの発生を小さく導波路の伝搬損失を小さくするために長い距離が必要となり、その結果光回路が大きくなる。
これに対して、本発明の９０°ベンド型ピッチコンバータを介して接続することによって光回路の大きさを小型化することが可能となる。
上記の説明では、材料屈折率をそのまま使って平面波近似にて解析をおこなったが、実際の導波路構造では、導波路の形状に依存する等価屈折率（実効屈折率）を考えて、導波路の伝搬モードに対する光波解析の必要がある。
次に、異方性媒質基板を用いた９０°ベンド導波路の設計例について説明する。ここでは、図３８に示す９０°ベンド導波路１１Ａのモデルに基づいて、ＦＤＴＤ法（FDTD solutions）を用いて行う。
この構造は、Ｓｉ基板、ＳｉＯ2クラッド層、ＭｇＯをドープしたＬＮからなるコア層の３層から形成される。導波路１１ａのコアとなるＬＮ基板は異方性があるが、ＬＮ層のｚ軸（ｃ軸）を図３８のデカルト座標のｙ軸と平行にとる。ここで、ＬＮ基板は、ｙカット基板を仮定する。モード解析から入力するＥｘ成分（波長５３２nm）の基本モードを図３９（ａ）に示す。図３９において、入力側ではｙ軸と平行な横軸３μｍの位置が導波路の中央であり、出力側ではｘ軸と平行な横軸３μｍの位置が導波路の中央である。ミラー角を４５度としたとき、出力側のモードを示す図３９（ｂ）のＥｘ成分は、３μｍより最大値が左側にずれる。ミラー角を４３．８度としたときは、ほぼ３μｍの位置に電界Exの最大点がある。この角度は、前記した平面波近似での解析結果と一致する。なお、図４０は、図３９と同じ条件での電界分布をｘ−ｙ平面で見たときの図を示している。
上記したベンド回路は、コアを形成する導波路幅や高さの等しい異方性媒質を導波路に用いた場合を示したが、ＳｉＯ2や有機導波路などで等方性媒質によって形成することも可能で、その場合は、設計パラメータ設定時にｎeおよびｎoを媒質の等価屈折率に置き換えることで実現可能である。
本発明の光源装置が備える導波路型方向性結合器を構成する導波路は、リッジ型導波路、平面型導波路、光ファイバ等の種々の形態を用いることができる。
例えば、光学要素基板上にリッジ部を形成してなるリッジ型導波路は、リッジ部の等価屈折率を両側に比べて大きくすることで形成され、導波路型方向性結合器は２本のリッジ部を結合長の長さ分の間だけ平行に隣接させて形成することができる。
平面型導波路は、光学要素基板として半導体基板を用い、この半導体基板上の薄膜によりコアを形成してなり、例えば、イオン交換法により高屈折率領域を形成し、この高屈折率領域を導波路として使用するチタン拡散型やプロトン交換型のＬＮ導波路を用いることができる。
また、導波路として光ファイバを用いる形態では、光学要素基板上に光ファイバを固定し、２本の光ファイバを結合長の長さ分の間だけ平行に隣接させて導波路型方向性結合器を形成することができる。
図４１，４２は９０°ベンド導波路の別の構成例を示している。図４１，４２に示す９０°ベンド導波路１１Ｂは、図３８に示した９０°ベンド導波路１１Ａの構成において、ミラー部分１１ｂにおける光の漏れを低減する構成を備えるものであり、ミラー部分１１ｂにおいてリッジ部分の一部を削除した構成を備えている。
図４１（ａ），（ｂ）は、ミラー部分１１ｂを裏面側から見た概略図である。９０°ベンド導波路１１Ｂは、ミラーの裏面１１ｃ側のリッジ部をアンダークラッドの表面１１ｄまで掘り下げて開口部１１ｅを形成する。リッジ部の掘り下げは、例えばエッチング等によって行うことができる。この構成とすることによって、ミラー部分１１ｂにおいて導波路１１ａからの光の漏れを低減させ、ミラーの反射性を高めることができる。
図４２（ａ）に示す開口部１１ｅは、掘り下げ部分を大きくとって、ミラーの裏面１１ｃと連続するリッジ下部の断面１１ｆを露出させる構成であり、図４２（ｂ）に示す開口部１１ｅは、掘り下げ部分を小さくとって、リッジ下部の断面１１ｆの露出部分を小さくした構成である。このリッジ下部の断面１１ｆの露出量は、ミラー部分１１ｂからの光の漏れに応じて定めることができる。
図４３は９０°ベンド導波路のさらに別の構成例を示している。図４３に示す９０°ベンド導波路１１Ｃは、曲がり導波路によって形成した例である。この曲がり導波路では、通過する光に波長依存性がある。そのため、曲がり導波路の曲率半径や屈折率等を発光素子の光の波長に応じて設定する。
[光導波路の形成]
次に、図４４〜図５２を用いて光導波路の形成例について説明する。以下では、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による光導波路の形成、樹脂膜による光導波路の形成、およびナノインプリント技術を用いた光導波路の形成について説明する。
（窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による光導波路の形成）
窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による光導波路の形成について図４４,図４５を用いて説明する。図４４，４５は窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による光導波路の形成を説明するためのフローチャート、および概略図である。
はじめに、シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）１０１を形成する。ＳｉＯ2膜１０１は、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする(S1)。ＳｉＯ2膜１０１上に窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）１０２をプラズマＣＶＤによって形成する。ＳｉＮ膜１０２の膜厚は３μｍ程度とする（図４５（ａ））(S2)。
ＳｉＮ膜１０２上にフォトレジストを塗布し、光導波路のパターンを形成するレジストパターンを形成する（図４５（ｂ））(S3)。レジストパターンをマスクとしてプラズマを用いたドライエッチングを行ってＳｉＮ膜１０２をエッチングする。エッチングはＳｉＯ2膜１０１との境界、あるいはＳｉＯ2膜１０１を残して終了する。
ＳｉＯ2膜１０１との境界までエッチングした場合には、Ｓｉ基板１００上にＳｉＮ膜１０２による独立型の光導波路を形成することができる。また、ＳｉＯ2膜１０１の境界の手前でエッチングを終了して、ＳｉＮ膜１０２を残した場合には、Ｓｉ基板１００上にＳｉＮ膜１０２によるリッジ型の光導波路を形成することができる（図４５（ｃ））(S4)。
また、形成した光導波路およびＳｉＯ2膜１０１上に例えば２μｍの膜厚のＳｉＯ2膜を形成する。このとき、上層のＳｉＯ2膜は光導波路のクラッド２００上のオーバークラッド２０２を形成し、下層のＳｉＯ2膜１０１はアンダークラッド２０１を形成する（図４５（ｄ））（S5）。
（樹脂膜による光導波路の形成）
樹脂膜による光導波路の形成について図４６〜４９を用いて説明する。樹脂膜は、ＵＶ感光樹脂材又はＵＶ非感光樹脂材を用いることができる。図４６，４７はＵＶ感光樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートおよび概略図であり、図４８，４９はＵＶ非感光樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートおよび概略図である。
はじめに、ＵＶ感光樹脂材を用いた光導波路の形成について説明する。
シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）１０１を形成する。ＳｉＯ2膜１０１は、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする(S11)。ＳｉＯ2膜１０１の全面にＵＶ感光樹脂材１１０を塗布する。（図４７（ａ））(S12)。
ＵＶ感光樹脂材１１０上にＣｒを材料としたフォトレジストマスクを介して、光導波路のパターンをＵＶ光で露光する（図４７（ｂ））(S13)。
ＵＶ光が照射されたＵＶ感光樹脂材１１０部分を分解して除去し、残ったＵＶ感光樹脂材１１０部分を硬化して光導波路を形成する（図４７（ｃ））(S14)。なお、ＵＶ感光樹脂材１１０の特性によって、露光部分を残して光導波路を形成する場合もある。
次に、非感光樹脂材を用いた光導波路の形成について図４８、図４９に基づいて説明する。
シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）１０１を形成する。ＳｉＯ2膜１０１は、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする(S21)。ＳｉＯ2膜１０１の全面にＵＶ非感光樹脂材１１１を塗布する。（図４９（ａ））(S22)。
ＵＶ非感光樹脂材１１１上の全面にＳｉＯ2膜をプラズマＣＶＤ等によって成膜し(S23)、フォトリソ工程によってＳｉＯ2膜をパターニングして耐エッチングマスクを形成する (S24)。Ｏ2プラズマ処理によって、カーボンを主成分とする樹脂をＣＯの反応によって除去する（図４９（ｂ））(S25)。
Ｏ2プラズマ処理の後、耐エッチングマスクを除去して光導波路を形成する（図４９（ｃ））。なお、ＵＶ感光樹脂材１１０の特性によって、露光部分を残して光導波路を形成する場合もある。
（ナノインプリント技術を用いた光導波路の形成）
ナノインプリント技術を用いた光導波路の形成について図５０〜５２を用いて説明する。樹脂膜は、ＵＶ硬化樹脂材又は熱硬化樹脂材を用いることができる。図５０はＵＶ硬化樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートであり、図５１は熱硬化樹脂材による光導波路の形成を説明するためのフローチャートであり、図５２は、ＵＶ硬化樹脂材又は熱硬化樹脂材による光導波路の形成を説明するための概略図である。
はじめに、ＵＶ硬化樹脂材にナノインプリント技術を適用した光導波路の形成について説明する。
シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）１０１を形成する。ＳｉＯ2膜１０１は、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする(S31)。ＳｉＯ2膜１０１の全面にＵＶ硬化樹脂材１１２を塗布する。（図５２（ａ））(S32)。
ＵＶ硬化樹脂材１１２上に、ナノプリント用モールド１０５を押し込んで、光導波路部分を形成する。ナノプリント用モールド１０５は、例えば石英等の材質で形成することができる（図５２（ｂ））(S33)。
ナノプリント用モールド１０５で押圧した状態で、ＵＶ光を照射してＵＶ硬化樹脂材１１２を硬化させる (S34)。
ナノプリント用モールド１０５を剥離し、硬化したＵＶ硬化樹脂材１１２によって光導波路を形成する（図５２（ｃ）） (S35)。
次に、熱硬化樹脂材にナノインプリント技術を適用した光導波路の形成について説明する。
シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）１０１を形成する。ＳｉＯ2膜１０１は、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする(S41)。ＳｉＯ2膜１０１の全面に熱硬化樹脂材１１３を塗布する。（図５２（ａ））(S42)。
熱硬化樹脂材１１３上に、ナノプリント用モールド１０５を押し込んで、光導波路部分を形成する。ナノプリント用モールド１０５は、例えば石英等の材質で形成することができる（図５２（ｂ））(S43)。
ナノプリント用モールド１０５で押圧した状態で、加熱して熱硬化樹脂材１１３を硬化させる (S44)。ナノプリント用モールド１０５を剥離し、硬化した熱硬化樹脂材１１３によって光導波路を形成する（図５２（ｃ）） (S45)。
[光学系要素と電気的要素の形成]
次に、半導体基板上に光学系要素と電気的要素とを形成する形成方法について説明する。以下では、検出器と制御部を後工程で実装するプロセス例と、検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセス例について説明する。
ここで、光学系要素は、例えば、光導波路や多波長合波器要素であり、電気的要素は、例えば、配線や電極端子である。また、検出器と制御部を半導体基板内に作り込む場合には、配線等の電気的要素と共に検出器や制御部を形成することができる。
（検出器と制御部を後工程で実装するプロセス例）
光学系要素と電気的要素の形成において、検出器と制御部を後工程で実装するプロセス例について図５３〜５７を用いて説明する。図５３,５４はプロセスの手順を説明するためのフローチャートおよび手順を説明するための概略図であり、図５５〜図５７はプロセスの各手順における構成図である。
はじめに、S51〜S55の工程で光学系要素を形成する。シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）１０１を形成する。ＳｉＯ2膜１０１は、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする（図５４（ａ））(S51)。ＳｉＯ2膜１０１上に窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）１０２をプラズマＣＶＤによって形成する。ＳｉＮ膜１０２の膜厚は３μｍ程度とする（図５４（ｂ））(S52)。
ＳｉＮ膜１０２上にフォトレジストを塗布し、光導波路のパターンを形成するレジストパターンを形成する。フォトレジストのパターニングでは、例えば、導波路型方向性結合器２、ピッチコンバータ３、ピッチコンバータ３とレーザ素子４とを繋ぐ光導波路７のパターンが形成されている（図５４（ｃ），（ｄ））(S53,S54)。レジストパターンをマスクとしてプラズマを用いたドライエッチングを行ってＳｉＮ膜１０２をエッチングし、光導波路を形成する。図５５は、半導体基板上に、導波路型方向性結合器２、ピッチコンバータ３、光導波路７等の光学系要素を形成した状態を示している（図５４（ｅ）、図５５）(S55)。
次に、S56の工程で電気的要素を形成する。電気的要素の形成工程では、Ａｕ膜による配線、外部接続用の電極、制御部等の実装品を電気的に接続するための電極を形成する。実装品を電気的に接続するための電極はマイクロバンプによって形成することができる(S56)。この工程では、ＳｉＯ2膜１０１上にＡｕ膜１０６を形成した後（図５４（ｆ））、配線あるいは電極として残したい部分にレジスト膜１０３をパターニングして形成し（図５４（ｇ））、レジスト膜１０３をマスクとしてエッチングを行って、レジスト膜１０３で覆われていない部分のＡｕ膜１０６を除去し、配線や電極を形成する。このとき、ＳｉＯ2膜１０１やＳｉＮ膜１０２による光導波路は残る（図５４（ｈ））。
次に、電極の内、部品を実装する部分にはマイクロバンプ用のレジスト膜１０７を形成する。また、配線として残す場合には、レジスト膜１０３をＡｕ膜１０６の全面に形成する（図５４（ｉ））。
この後、ハーフエッチングによって、マイクロバンプ用のレジスト膜１０７の間のＡｕ膜１０６には所定深さの凹凸が形成される（図５４（ｊ））。このＡｕ膜１０６に形成された凹凸によってマイクロバンプが形成される。Ａｕ膜１０６は下層で繋がっているため、電極として導通状態となる。一方、配線側にはマイクロバンプが形成されないため、平坦面が形成されている。図５６は、Ａｕ配線、電極等の電気的要素を形成した状態を示している（図５４（ｋ）,図５６）(S56)。
マイクロバンプが形成されたＡｕ膜１０６は実装品の接合部を構成し、この接合部にレーザ素子や制御部等の実装品を実装する。マイクロバンプによる接合は、常温活性化接合であり、低温で接合することができる（図５４（ｌ））(S57)。その後、電極と配線との間をＡｕのワイヤボンディングによって接続する。なお、制御部の実装では、制御部のＩＣをベアチップの状態でアルミパッド上にＡｕ膜を形成しておき、フリップした状態で行う(S58)。
図５７は、レーザ素子４、検出器５，制御部６、ＰＰＬＮ４ｄ、ＳＧＢ４ｅ等の実装品を実装し、レーザ素子４の上部電極とＡｕ配線との間をＡｕのワイヤボンディングによって接続した状態を示している。（図５４（ｍ）、図５７）。
（検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセス例）
光学系要素と電気的要素の形成において、検出器と制御部を半導体基板内に作り込むプロセス例について図５８〜６３を用いて説明する。図５８,５９はプロセスの手順を説明するためのフローチャートおよび手順を説明するための概略図であり、図６０〜図６３はプロセスの各手順における構成図である。
はじめに、61〜S66の工程で光学系要素を形成する。シリコン基板（Ｓｉ基板）１００内に、制御部、検出器等の回路構成、および配線等の集積回路部１０８を集積回路形成工程（ＩＣ工程）で形成する、配線は、例えばＡｌ配線で形成される（図５９（ａ））。 図６０は、半導体基板内に、検出器５，制御部６，および配線が形成された状態を示している、配線は、例えば、電源ラインや外部との信号線として用いられる(S61)。
シリコン基板（Ｓｉ基板）１００上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）によって保護膜１０９を形成する。この保護膜１０９は、光導波路を形成する工程において、集積回路形成工程（ＩＣ工程）で形成した集積回路部１０８がダメージを受けないようにするために設けられる。ＳｉＯ2膜の保護膜１０９は、プラズマＣＶＤ膜で形成することができ、１μｍ程度の膜厚とする（図５９（ｂ））(S62)。保護膜１０９上に窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）１０２をプラズマＣＶＤによって形成する。ＳｉＮ膜１０２の膜厚は３μｍ程度とする（図５９（ｃ））(S63)。
ＳｉＮ膜１０２上にフォトレジストを塗布し(S64)、光導波路のパターンを形成するレジストパターンを形成する。フォトレジストのパターニングでは、例えば、導波路型方向性結合器２、ピッチコンバータ３、ピッチコンバータ３とレーザ素子４とを繋ぐ光導波路７のパターンが形成されている（図５９（ｄ））(65)。レジストパターンをマスクとしてプラズマを用いたドライエッチングを行ってＳｉＮ膜１０２をエッチングし、光導波路を形成する（図５９（ｄ）〜（ｆ）、図６１）(S66)。
半導体基板内に形成したＡｌ配線や電極と、以後の工程において保護膜１０９上に形成するＡｕ膜１０６の配線や電極との間は、保護膜１０９によって電気的に絶縁された状態となる。そこで、これらの間を電気的に接続するために、ビアホール１２２を形成する(S67)。ビアホール１２２の形成は、例えば、ビアホールのパターンに対応したレジストパターンによって保護膜１０９に開口部を形成して行うことができる。このビアホール１２２内に導電層を埋め込むことによって、保護膜１０９を挟んで電気的導通を行うことができる（図５９（ｇ））(S67)。
図６１は、半導体基板に、前記した工程で半導体基板内に検出した検出器５，制御部６，および配線の上層側に、導波路型方向性結合器２、ピッチコンバータ３、光導波路７等の光学系要素を形成した状態を示している。
次に、S68,S69の工程で電気的要素を形成する。電気的要素の形成工程では、Ａｕ膜による配線、外部接続用の電極、制御部等の実装品を電気的に接続するための電極を形成する。実装品を電気的に接続するための電極はマイクロバンプによって形成することができる。この工程では、Ｓｉ基板１００上に、Ｔｉ膜またはＣｒ膜を介してＡｕ膜１０６を形成した後（図５９（ｈ））、配線あるいは電極として残したい部分にレジスト膜１０３をパターニングして形成し（図５９（ｉ））、レジスト膜１０３をマスクとしてエッチングを行って、レジスト膜１０３で覆われていない部分のＡｕ膜１０６を除去し、配線や電極を形成する。このとき、ＳｉＮ膜１０２による光導波路は残る（図５９（ｊ））。
次に、電極の内、部品を実装する部分にはマイクロバンプ用のレジスト膜１０７を形成する。また、配線として残す場合には、レジスト膜１０３をＡｕ膜１０６の全面に形成する（図５９（ｋ））。
この後、ハーフエッチングによって、マイクロバンプ用のレジスト膜１０７の間のＡｕ膜１０６には所定深さの凹凸が形成される（図５９（ｌ））。このＡｕ膜１０６に形成された凹凸によってマイクロバンプが形成される。Ａｕ膜１０６は下層で繋がっているため、電極として導通状態となる。一方、配線側にはマイクロバンプが形成されないため、平坦面が形成されている。図６２は、Ａｕ配線、電極等の電気的要素を形成した状態を示している（図５９（ｍ）,図６２）(S68)。
マイクロバンプが形成されたＡｕ膜１０６は実装品の接合部を構成し、この接合部にレーザ素子や制御部等の実装品を実装する。マイクロバンプによる接合は、常温活性化接合であり、低温で接合することができる（図５９（ｎ））(S70)。その後、電極と配線との間をＡｕのワイヤボンディングによって接続する。なお、制御部の実装では、制御部のＩＣをベアチップの状態でアルミパッド上にＡｕ膜を形成しておき、フリップした状態で行う(S71)。
図６３は、レーザ素子４、検出器５，制御部６、ＰＰＬＮ４ｄ、ＳＧＢ４ｅ等の実装品を実装し、レーザ素子４の上部電極とＡｕ配線との間をＡｕのワイヤボンディングによって接続した状態を示している。（図５９（ｏ）、図６３）。
次に、本発明の光源装置が備えるＳＢＧについて図６４を用いて説明する。
ＳＢＧは、近赤外ＬＤの基本波を部分的に反射させるために表面ブラッググレーティング（surface Bragg grating (SBG)）であり、ＳＨＧレーザの緑色光出力を安定化させるために設けられる。
ＳＢＧは、前記した図１９〜図２１に示した構成例のように、波長変換素子上に形成する構成とする他に、光導波路上に形成する構成とすることができる。
図６４は、ＳＢＧの配置を説明するための図である。図６４（ａ）はＰＰＬＮ（波長変換素子）４ｄ上にＳＢＧ４ｅを形成する構成を示し、図６４（ｂ）〜（ｄ）は光導波路７上にＳＢＧ４ｅを形成する構成を示している。
図６４（ｂ）は、ＰＰＬＮ（波長変換素子）４ｄと曲がり導波路１２との間に光導波路７上に形成する構成例であり、図６４（ｃ）は、光路上において曲がり導波路１２の後方に形成する構成例であり、図６４（ｄ）は、曲がり導波路１２上に形成する構成例である。
ＳＢＧを光導波路上に形成する場合には、エッチング等によってグレーティング形状を形成する方法、あるいは光導波路にＵＶ光に反応する材料を用いてＵＶ光によって光書き込みを行って屈折率に差を形成させる方法がある。
ＵＶ光の書き込みによる場合には、ＧｅドープしたＳｉＯ2膜等の、ＵＶ光で屈折率が変化する材料を光導波路とし、この光導波路に二光束干渉露光法を用いて直接書き込むことができる。二光束干渉露光法は、２つの波長のＵＶレーザを干渉させることでパターンを形成する方法である。
次に、本発明の光源装置をプロジェクタへの適用例について図６５を用いて説明する。
図６５に示す構成例において、プロジェクタ２０は、コントローラ２１，光源装置２２，偏向装置２３、投影レンズ２４を備え、画像信号を光束に変換してスクリーン等に投影する。
コントローラ２１は、入力した画像信号に基づいて、例えば、画素単位でＲＧＢの各波長成分を求め、光源装置２２のレーザ素子を駆動する制御信号を形成する。光源装置２２のレーザ素子は、コントローラ２１から制御信号３２を受けて、ＲＧＢの各波長の光を発光する。光源装置２２は、ＲＧＢの各波長の光を合波して光束３４を出射する。
偏向装置２３は、光源装置２２から出射された光束３４を偏向して偏向光束３５を形成する。偏向装置２３は、例えば、ＭＥＭＳミラー等によって形成することができ、コントローラ２１からの制御信号３３によって光束３４を所定方向に偏向して偏向光束３５を形成する。
上記した回路構成は一例であって上記回路の限られるものではなく、他の回路構成を用いて検出回路を構成することもできる。
図２（ａ）において、導波路型方向性結合器は２本の導波路を平行に近接させて成り、一方の導波路は入射側にポート１を有し出射側にポート４を有し、他方の導波路は入射側にポート２を有し出射側にポート３を有している。
図５（ａ）は結合長がＬ5の場合を示し、図５（ｂ）は結合長がＬ6の場合を示している。この結合長Ｌ5，Ｌ6によれば、ポート１から入射した波長λ1の光波および波長λ2の光波は挿入損失が小さいためポート３に移行し、ポート２から入射した波長λ3の光波は挿入損失が大きいため移行することなくポート３に進む。この結合長の周期性によって、導波路型方向性結合器は複数の波長を含む場合についても合波に波長選択性を有することになる。
次に、２番目の導波路の合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と３番目の導波路に入射された波長λ3の光波は、図７（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ12において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は小さく波長λ3の光波の挿入損失（一点鎖線で示す）は大きいため、２番目の導波路の波長λ1および波長λ2の光波は３番目の導波路に結合される。これによって、３番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
次に、図８（ｅ）に示すように、第２段目の導波路型方向性結合器の結合長Ｌ12での挿入損失は、図８（ａ）に示す波長λ1の結合長の周期性と図８（ｂ）に示す波長λ2の結合長の周期性と図８（ｄ）に示す波長λ3の結合長の周期性との組み合わせによって、波長λ1（破線で示す）および波長λ2は小さく（実線で示す）、波長λ3（一点鎖線で示す）は大きい。これによって、第２段目の導波路型方向性結合器は波長λ1および波長λ2の合波を波長λ3の光波に結合する。
各導波路からそれぞれ異なる波長λ1，λ2，λ3（λ1＜λ2＜λ3）の光波を入射する。ポート１から入射した波長λ1の光波とポート２から入射した波長λ2の光波は、図９（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ13において波長λ1の光波の挿入損失（破線で示す）は小さく波長λ2の光波の挿入損失（実線で示す）は大きいため、１番目の導波路に入射した波長λ1の光波は２番目の導波路に結合される。
次に、２番目の導波路に合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と３番目の導波路に入射された波長λ3の光波は、図９（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌ14において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は大きく波長λ3の光波の挿入損失（一点鎖線で示す）は小さいため、３番目の導波路の波長λ3の光波は２番目の導波路に結合される。これによって、３番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
次に、２番目の導波路に合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と３番目のポート３から入射された波長λ3の光波は、図１１（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌa2において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は小さく波長λ3の光波の挿入損失（一点鎖線で示す）は大きいため、２番目の導波路の波長λ1および波長λ2の光波は３番目の導波路のλ3に結合される。これによって、３番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
最後に、３番目の導波路に合波された波長λ1の光波、波長λ2の光波、および波長λ3の光波と４番目のポート４から入射された波長λ4の光波は、図１１（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌa3において波長λ1，波長λ2，および波長λ3の光波の挿入損失（破線、実線、一点鎖線で示す）は小さく波長λ4の光波の挿入損失（長い破線で示す）は大きいため、３番目の導波路の波長λ1，波長λ2および波長λ3の光波は４番目の導波路のλ4に結合される。これによって、４番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3，λ4の光波が合波されることになる。
次に、１番目の導波路に合波された波長λ1の光波および波長λ2の光波と、３番目のポート３から入射された波長λ3の光波は、図１２（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌb2において波長λ1および波長λ2の光波の挿入損失（破線および実線で示す）は大きく波長λ3の光波の挿入損失（一点鎖線で示す）は小さいため、３番目の導波路のλ3は１番目の導波路の波長λ1および波長λ2の光波に結合される。これによって、１番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3の光波が合波されることになる。
最後に、１番目の導波路に合波された波長λ1の光波、波長λ2の光波、および波長λ3の光波と、４番目のポート４から入射された波長λ4の光波は、図１２（ｂ）の挿入損失特性が示すように、結合長Ｌb3において波長λ1，波長λ2，および波長λ3の光波の挿入損失（破線、実線、一点鎖線で示す）は大きく波長λ4の光波の挿入損失（破線で示す）は小さいため、４番目の導波路のλ4の光波は３番目の導波路の波長λ1，波長λ2および波長λ3の光波に結合される。これによって、１番目の導波路には波長λ1，λ2，λ3，λ4の光波が合波されることになる。
なお、ピッチコンバータは、図１５のように方向性結合器の後や間に挿入しても良い。図１５の構成では、ピッチコンバータ３ａは、導波路型方向性結合器２ａ〜２ｃと導波路型方向性結合器２ｏ〜２ｒの間に配置し、ピッチコンバータ３ａの入射側の導波路型方向性結合器２ａ〜２ｃのピッチ間隔からピッチコンバータ３ａの出射側の導波路型方向性結合器２ｏ〜２ｒのピッチ間隔に変換する。
図２０に示す構成例は、図１９に示す構成において、９０°ピッチコンバータ３Ｂのピッチ間隔をさらに縮めた構成例を示している。この構成例の光源装置１０Ｄでは、９０°ピッチコンバータ３Ｂおよび多波長合波器１の幅Ｄ３'は、例えば２００μｍ程度より小さくすることができ、これによって、光源装置１０Ｄの長さ（図２０の左右方向の長さ）は例えば８ｍｍ程度より小さくすることができる。また、図２０に示す構成例では、制御部６Ａおよび、電極端子６Ｂを配線基板９の一方の辺側に実装する構成を示している。
図２１に示す構成例は、図１９に示す構成において、緑色発光素子４ｃに設けた、表面ブラッググレーティングＳＢＧ４ｅ、および非線形光学結晶部ＰＰＬＮ４ｄを発光素子４ａ，４ｂが配置される辺と直交する辺に設ける構成例である。この構成とすることで、ＳＢＧ４ｅおよびＰＰＬＮ４ｄを実装するスペースを縮小することができる。この構成例の光源装置１０Ｅでは、発光素子側の幅Ｄ４'を、例えば７ｍｍ程度より小さくすることができる。
図２３は、図１８で示した光源装置１０Ｂにおいて、９０°ピッチコンバータによる小型化の効果を説明するための図であり、光波の進行方向を９０°変更することに意義を説明する。なお、図２３（ｂ）は４５°ピッチコンバータを配置する場合を示している。
また、第２の形態では、Ｒ波長（６５０nm）とＧ波長（５２３nm）の光波を、結合長Ｌｃが１２１０μｍの長さの一段目の導波路型方向性結合器によって合波し、合波したＲ波長とＧ波長の光波を、結合長Ｌｃが２６６０μｍの２段目の導波路型方向性結合器でＢ波長（４６０nm）の光波と合波する。図３０では、この結合長の組み合わせを丸付き数字２で示している。
ｆ（θ2）＝式（１４）の左辺として、真空中の波長６３２．８ｎｍにおいて、ＬＮ基板のｎe＝2.200，ｎo ＝2.286を代入してｆ−θ2の関係をプロットすると図３３が得られる。
図４２（ａ），（ｂ）は、ミラー部分１１ｂを裏面側から見た概略図である。９０°ベンド導波路１１Ｂは、ミラーの裏面１１ｃ側のリッジ部をアンダークラッドの表面１１ｄまで掘り下げて開口部１１ｅを形成する。リッジ部の掘り下げは、例えばエッチング等によって行うことができる。この構成とすることによって、ミラー部分１１ｂにおいて導波路１１ａからの光の漏れを低減させ、ミラーの反射性を高めることができる。
Ｏ２プラズマ処理の後、耐エッチングマスクを除去して光導波路を形成する（図４９（ｃ））。

Claims (20)

  1. 配線が形成された半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、前記配線を外部と電気的に接続する電極端子と、
    前記半導体基板上に実装されるとともに前記配線と接続した、波長を異にする複数のレーザ素子と、
    前記半導体基板上に形成され、前記各レーザ素子が発光する光波を導波する複数の導波路と、
    前記半導体基板上に形成され、導波路型方向性結合器を有し、前記各導波路で導波される光波を合波する多波長合波器と、を備えたことを特徴とする、光源装置。
  2. 前記多波長合波器は、
    少なくとも２つの入射波を合波する導波路型方向性結合器を多段に接続して備え、
    前記各段の導波路型方向性結合器は、波長を異にする複数の入射波を段階的に合波し、
    最終段の導波路型方向性結合器は、前段の各段の導波路型方向性結合器で合波した複数の入射波を合波することを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記導波路型方向性結合器は、並列配置した２本の導波路の結合長に基づいた波長選択性を有することを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。
  4. 前記導波路は、前記半導体基板上に形成した光導波性材料からなる膜のパターニングにより形成され、
    前記導波路型方向性結合器は、パターニングされた２本の前記導波路を結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
  5. 前記導波路は、シリコン窒化膜、ゲルマニウムをドープしたシリコン酸化膜、樹脂膜の何れか一つをパターニングして形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の光源装置。
  6. 前記導波路は半導体基板上に高屈折率領域を形成してなる平面型導波路であり、
    前記導波路型方向性結合器は、２本のコアを結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
  7. 前記導波路は半導体基板上に等価屈折率を異にするリッジ部を形成してなるリッジ型導波路であり、
    前記導波路型方向性結合器は、２本のリッジ部を結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
  8. 前記導波路は半導体基板上に固定された光ファイバであり、２本の光ファイバのコアを結合長の長さ分の間だけ平行に隣接または融合させることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
  9. 前記導波路どうしの間隔を、前記複数のレーザ素子を前記半導体基板上に配置するピッチ間隔から、前記導波路型方向性結合器の導波路間のピッチ間隔に切り換えるピッチコンバータを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一つに記載の光源装置。
  10. 前記ピッチコンバータは、前記導波路の向きを９０°変更する９０°ベンドコンバータであることを特徴とする、請求項９に記載の光源装置。
  11. 前記半導体基板は四角形状であり、
    前記複数のレーザ素子は四角形状の一辺側に実装され、
    前記多波長合波器で合波した光を出射する出射端は前記レーザ素子を実装した辺と直角をなす他辺側に設けられることを特徴とする、請求項１０に記載の光源装置。
  12. 前記配線は、前記半導体基板上に形成した金属膜のパターニングにより形成されたことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一つに記載の光源装置。
  13. 前記金属膜のパターニングにより、前記配線とともに形成された金属材料からなる接合部を備え、
    前記接合部に前記レーザ素子が接合されたことを特徴とする、請求項１２に記載の光源装置。
  14. 前記金属膜はＡｕからなる膜であることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の光源装置。
  15. 前記半導体基板に形成された配線を介して前記各レーザ素子を駆動する駆動回路を有する制御部を備えたことを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の光源装置。
  16. 前記制御部は、前記半導体基板の内部に集積回路形成工程により形成されたことを特徴とする、請求項１５に記載の光源装置。
  17. 前記制御部は、前記半導体基板上に実装された集積回路により構成されることを特徴とする、請求項１５に記載の光源装置。
  18. 多段接続される複数の導波路型方向性結合器の内、最終段の導波路型方向性結合器を除く導波路型方向性結合器の合波出力する出力ポート以外の出力ポートの出射波の光強度を検出する検出器と、初段の導波路型方向性結合器において結合される入射波の光強度を検出する検出器と、
    前記レーザ素子が発生する入射波の強度を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記各検出器で検出される光強度を帰還し、前記発光素子を制御することを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか一つに記載の光源装置。
  19. 前記レーザ素子が発光する光波を波長変換する波長変換素子を備え、
    前記導波路は、前記波長変換素子で変換された光波を導波することを特徴とする、請求項１から１８のいずれか一つに記載の光源装置。
  20. 前記各導波路は、Ｒ波長域、Ｇ波長域、およびＢ波長域の各波長域の光波を導波することを特徴とする、請求項１から１９のいずれか一つに記載の光源装置。
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