WO2016076000A1

WO2016076000A1 - 各種新型マルチ波長合波器及び合波器を用いる新型マルチ波長光源

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Publication number: WO2016076000A1
Application number: PCT/JP2015/075277
Authority: WO
Inventors: 潤成沢
Original assignee: フォトンリサーチ株式会社
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-05-19
Also published as: CN106062600A; CN106062600B

Abstract

　携帯電話と車載用途のレーザープロジェクタに、より高い耐環境性と高い光効率、低いコストで大量生産できる小型の合波器であって、赤緑青又は近赤外の複数波長の光ビームを合波する合波器、及び、当該合波器を用いる光源に関する。　請求項１の中空型ライトガイド又は請求項４のφ１０μｍ以下の細いクラッド径のバンドルファイバで、波長及び波長帯域幅のビーム縦と横モードに左右されず、上述の耐環境性、光効率と生産性の向上等の諸課題を解決できる合波器、並びに、当該合波器と表面実装用チップ型ＬＤとの併用で、請求項３のファイバ出力型と、請求項５のＬＤ平面実装による薄いチップ型と、請求項６のＬＤ立体実装による外形円柱型又は角型と、のそれぞれ実用レベルでのマルチ波長小型レーザ光源を、低コストで量産できる。

Description

各種新型マルチ波長合波器及び合波器を用いる新型マルチ波長光源

　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、尚光通信及び、ＭＥＭＳかＤＭＤ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（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ーは、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（特許文献２）。尚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（特許文献３）。

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を作れるが、光通信以外の応用、例えばレーザーを用いる投射型ディスプレイ等デバイスと装置に、これら従来の合波器は、一般的な評価基準として、光の損失、波長帯域とビーム横モード、尚生産性とコスト等に、適用される条件と制限が以下の様に幾つかがある。
　従来の技術で光の損失は、光源から合波器への光結合効率と合波器内部の合波光学系のロス、尚合波器内部の光伝搬ロス等で、無視できないほど存在し、尚、この様な光学ロスは、合波される波長の本数または光源の数量の増加に伴って大きくなる。
　又今までの合波技術は光源をＬＤにしてもＬＥＤにしても、合波器側の構成要素をファイバにしても導波路にしても、入射と出射ビームの横モードにかなり依存される。
　尚、従来の合波器に、合波しようとする各光の波長の差による合波で、波長による透過か反射型フィルタ或いは回折素子を使われているので、それら光学部品の波長依存性により、合波器の特性は、合波される複数光の波長尚波長の帯域幅に依存される。導波路型とファイバ型合波器の場合、導波路或いはファイバ中に光を閉じ込めるのは、コアとクラッドの材質の屈折率差によるものであり、閉じ込められる光の横モードにも関係している。それらの波長依存性によって、ＬＤ等光源の帯域幅は、投射型テレビ表示用三原色の青緑赤波長に２００ｎｍ以上、尚センサ用１６００ｎｍまでの光源を加え、１２００ｎｍに延べ、従来のファイバ或いは導波路技術では全く対応不能になる。つまり殆どの従来型合波器は波長の依存性、又ビーム横モードの依存性がある。
　以上によって、合波器の光学ロス、又、ビームの横モード及び波長と波長帯域幅に対する制限と依存性等従来の問題点は、本発明が解決しようとする主要な課題である。
　投射型テレビ、特に車載用と携帯電話用の場合、大量生産を要求され、半導体プロセスの様な技術による生産性と製品の信頼性、低コスト且つ高パフォーマンスのもの、チップ型の様な極めて小型化のものは、必須なので、それらの要求に応じる合波器を作り上げる方法も、本発明が解決しようとする課題である。

　本発明に解決しようとする主要課題の一つは、従来型合波器で合波される光の波長依存性と合波されるビームの横モード依存性である。先ずこれらの問題を解決する手段として、光を伝搬される媒体は、本発明請求項１の合波器に波長依存性が無い中空のライトガイドを使う事を挙げる。更にこれらの問題のもう一つの解決手段として、請求項１に述べたライトガイドの内壁面にメタルなど波長に殆ど依存されない反射薄膜を付ける事で、それにより入射光の波長と関係なく光ビームをライトガイド中に閉じ込められる。尚、ライトガイド中に伝搬される光ビームは、どの様な横モードになっても、つまりどの様なビーム径でどの様なビーム発散角があってもライトガイド側面に付けてある薄膜の反射により、閉じ込められるので、以上諸手段で合波器のビーム横モードの依存性も解消出来る。
　尚請求項４の合波器に、以上に述べた諸課題を解決する手段としてバンドルファイバを用いているので、各々入射光源の波長特性とビーム横モード特性に合わせてバンドルされる各々ファイバ素線の種類が一本一本独自に選ばれる事より、合波される光源の波長と帯域幅尚ビームの横モード等諸制限要素にも左右されなくなる。
　従って、請求項２に述べた中空型ライトガイドと請求項４に述べたバンドルファイバの様な構成要素を手段にして作り上げる合波器は、シングル横モードのＬＤから、極めて高次モードを含むＬＥＤの様な面光源までにも適用し、尚紫外から近赤外までの波長に対しても、波長の帯域に対しても依存性は殆どない。
　又、合波器の総合的な光効率に対する課題について、合波器に入射ビーム結合効率の向上、合波器内部に入射された複数のビームを一つビームになる際に用いる光学系の合波効率の向上、尚合波器内部における光の伝搬ロス及び出射端ロスの克服等具体的な点を挙げられる。請求項１の合波器に光効率の向上する為の手段としてライトガイドを中空にすることである。先ず中空なので光の吸収は無く、中空ライトガイドの内壁に高い反射率持つ薄膜を付けているので、光を良く閉じ込めて伝搬ロスは少ない。又入射ビーム特性に合わせてライトガイドの入射端の形状設計も出来るので、入射光の結合効率を上げられる。又請求項４バンドルファイバ合波器の場合、各々入射光源の波長とビーム特性に合わせてファイバを各々独立に選ばれるので、この手段により各々入射光に対し最適な結合方法で最大の結合効率を得られる。尚、各ファイバに結合される光をそのまま出射端に直結して出力するので、入射端に入射光の結合際のロス以外に合波器本体のロスは殆ど無い。
　又は、高信頼性に小型化尚且つ低コストで大量生産の課題に対し、先ず本発明請求項２に述べた請求項１の合波器の中空型ライトガイドの作る方法、つまり、反射薄膜付の溝がある基板と反射薄膜付のカバー板の貼り合わせから合波器を作り上げる方法は、この課題に解決する手段である。つまり、請求項２の基板についてシリコンとガラス等一般的な材質とすれば、半導体プロセス用エッチング装置とかレーザービーム直描装置を用いて、請求項２に述べたライトガイド用の溝を容易に高精度で仕上げる。又電化メッキ、或いはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の蒸着方法で請求項２記載の基板上に彫り上げられたライトガイド用の溝の両側面と底面にメタルか誘電体の薄膜をコーティング出来る。以上述べた作り方法は、半導体部品作りと同じで低コストに大量生産出来る。尚、請求項４に述べた合波器をバンドルファイバから作り上げる事は、低コストで大量生産出来る手段でもある。尚本発明請求項５と請求項６のいずれによるマルチ波長光源は、上記請求項１と請求項４の様な低コスト且つ高信頼性、量産出来る合波器を部品化されて、元の複数Ｎ個光源から分立して予め用意出来るので、管理上でも生産上でも低コスト且つ高信頼性に大量生産出来る。

　請求項１に波長依存性が無い中空ライトガイドを用いるので、紫外から可視尚近赤外まで１０００ｎｍ以上非常に広帯域で複数波長光の合波は出来る。請求項４の合波器もバンドルファイバを用いるので紫外から近赤外までの広帯域にファイバ素線ガラスの透過バンド内であれば適用出来る。つまり本発明請求項１と請求項４の二種合波器は、波長と波長帯域幅に依存性が殆ど無いもので、波長特性に優れた効果はある。
　又請求項１中空型ライトガイドは光伝搬方向に対する各側面に付けてある反射薄膜により、入力される光ビームの発散角と殆ど関係なく光を閉じ込められるので、横モードシングルのＬＤから面光源で高次マルチ横モードのＬＥＤまで、ビーム横モードと殆ど依存性が無くそれぞれ応用に応じてそれぞれ波長尚それぞれ横モードの光源の合波は出来る。又請求項４のバンドルファイバにも入射光源ビームの各々横モードの特性に合わせて各々のファイバ素線の種類を選ばれる。つまり、本発明請求項１と請求項４の二種合波器は、入射光源ビームの横モードに優れた適用性を持っている。
　基本構造から見ると請求項１ライトガイドも、請求項４バンドルされるファイバも、合波される光源ごとに他の部品を介してなく入射光は受光端面から出射端までに直結して出射されるので、ロスが殆ど無く合波器本体の効率は１００％に近い。特にシングル横モードＬＤを光源とする際に光出射から合波器出力まで総合的な光効率は、請求項１場合に７０％、請求項４場合に９０％以上に得られ、効率の向上効果は非常に高い。更に以上二種の合波器は、コンパクトで作られているので、合波器内部に光の伝搬光路は上述の様に入射と出射両端の間に直結型且つ非常に短距離で、伝搬中にビームの空間コヒーレンスを最大限に保てる効果もある。
　又、請求項１と請求項４の二種合波器は、前述複数波長の複数表面実装ＬＤ光源から作り上げるマルチ波長光源の欠かせないキー部品として、コンパクトで薄いチップ型なので、製品信頼性と実用性の向上に効果もある。
　請求項２に記載の中空ライトガイド溝のエッチングと反射膜の蒸着等半導体製造方法を用いているので請求項１の様な合波器は低コストで量産出来る。尚、請求項４の様なバンドルファイバを用いるチップ型合波器は、従来導波路型かフィルタ型合波器と比べ、コストを劇的に低減出来る。マルチ波長の光源のキー部品として、本発明請求項１と請求項４の二種合波器は、量産性とコストの面でも顕在の効果がある。
　更に、請求項３により、コンパクトに薄いチップ型合波器でファイバ出力のマルチ波長光源も出来る。メガネ型と車載ヘッドアップ型プロジェクタの場合、この様な光源はファイバで光を伝送するので、光源とディスプレイ表示装置の間に分離して設置出来る。例えば、掛けメガネ方式の場合、光源とドライバ電源はポケットに、光がファイバで繋いでメガネにプロジェクタ光学系だけ置かれるので、軽量且つ小型で出来る。車載の場合に、ヘッドアッププロジェクタの置く場所は車内の気温変化が大きいところなので、マイナス３０℃からプラス９０℃までの範囲に装置の作動条件になり、光源とするＬＤに対してこの様な広範囲温度の作動は厳しいが、ファイバ合波器を用いる事で、ＲＧＢ三波長ＬＤとドライバを別の温度管理し易い場所に設置し、光をファイバで伝送されてくるヘッドアッププロジェクタは、光学系だけ置かれ、冷熱激しい場所にも耐えられる。以上に述べた各応用分野へ本発明による合波器を用いるとそれぞれの装置作りに大きな利便性はある。尚、請求項６の表面実装用ＬＤチップを立体化に実装して放熱性を改善する事により、Φ３ｍｍからΦ６ｍｍ程円柱型、或いは３ｍｍから５ｍｍ角の立方体棒型で、ウェアラブル（Ｗｅａｒａｂｌｅ）式電子デバイスに使われるマルチ波長レーザー光源として、実装性がある形で極めて小型化の効果はある。

請求項２に述べた方法から作られる請求項１のＮ本入射と１本出射中空型ライトガイドを用いる合波器の構成を示す概念図。上の段は下の面に光反射薄膜を付けてあるカバー板、下の段は各側面と底面に光反射膜付Ｎ＋１本のライトガイド用溝を彫ってある基板。二者の貼り合わせで、Ｎ本の入射及び１本の出射、つまりＮ＋１本のライトガイドは形成される。カバー板下の面及び、Ｎ＋１本ライトガイド用溝の各側面と底面にコートしてある光全反射薄膜を付ける事により、入射ライトガイド中に入力される各波長の光ビームは、出射ライトガイドの出力端までに閉じ込められる。実施例１として、請求項２に示す基板上に溝を彫る方法によって作り上げる合波器のライトガイドの断面構造、つまり基板上に入射及び出射ライトガイドの形成パターンを示す図面。図２は各ライトガイド用溝及び結合部の構造を見易い為、拡大して、比例しないで描かれている。シングル横モードＬＤの場合にこの基板から作られる合波器の各入射と出射ライトガイド及び外形寸法について、後の実施例１にて詳細に述べてある。実施例２に請求項４に複数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図３合波器出力端に付くフェルールの中心にある内径Φ２５μｍ穴の中にバンドルされてある３本クラッド径Φ１０μファイバの出射端面の顕微鏡写真実施例２とするコンパクトで薄いチップ型ＲＧＢレーザー光源、図中に合波器は図３による３対１のもので、合波器入射側の光源は６３８ｎｍ、５２０ｎｍ及び４５０ｎｍのＲＧＢ三波長シングル横モード表面実装型ＬＤである実施例３の一例、円柱体外形を持つＲＧＢ光源の構造を示す３次元ＣＡＤ設計図。図中に表面実装型ＬＤ三個を円心対称で立体的に実装、尚請求項４バンドルファイバ型３対１合波器を用いられている。実施例３の更に一例、ＬＤを立体的に実装されるマルチ波長光源の構造を示す３次元ＣＡＤ設計図。図中の右部分は、角の棒型外形を持つＲＧＢとＮＩＲの四波長光源で、表面実装型ＬＤ四個は、立方体四周の面に中心対称で実装され、４対１の合波器は、請求項４バンドルファイバ型のものを用いられている。また、図中右側の角の棒型光源（図中７１１から７３２までの部品で組立てられるもの）を図中左側にある放熱為尚保護為の円柱型金属ケース（図中７４０）に入れて、円柱体の外形にすることも可能。実施例３と実施例４試作品の外形写真。左側の写真８０１は、実施例３による円柱型ＲＧＢ三波長ＬＤ光源で、右側の写真８０２は、実施例４として請求項３に述べたライトガイドに介してファイバ出力型合波器によるＲＧＢ三波長光源。

　本発明請求項２に述べる方法で作り上げる請求項１の中空型ライトガイドを用いる合波器の構造を図１に概要的に示している。図中に示す入射と出射ライトガイド及び結合部の詳細形状とサイズは、入射光源の横モード、又それと関連して出射側ビームの横モードによって変わる。尚それら諸構造の基本部分を見易い為、図１中にライトガイドの寸法は、基板のサイズと比例してなく、任意的に拡大して描かれている。
　先ず波長ＲＧＢ（＝赤緑青）のシングル横モードＬＤ用３対１の三波長合波器に通じて、本発明請求項２に述べる中空型ライトガイドの形成方法を図２に示す。請求項２に述べる基板上に溝を彫ってライトガイドを作る方法により、図２の基板上に入力側の３本と出力側の１本計４本の溝は、それら中空型ライトガイドの光伝達媒体の中空部分を形成する。つまり、図２に示す基板上各々溝の形状は実際ライトガイドそのものの形状であり、合波器ライトガイドの形成パターンでもある。本例の光源は、ＲＧＢシングル横モードＬＤなので、合波器各ライトガイドの断面、つまり基板上溝の断面形状は、実用化レベルで数ミクロン（μｍ）程度の四角形で、極めて細いものになる。それらライトガイドの詳細形状を分り易く示す為、図２に溝の寸法は、基板サイズと比例しなく、任意に拡大して描かれている。
　本実施例１に、赤６６０ｎｍ、緑５２０ｎｍ、及び青４５０ｎｍの三波長で共に高輝度シングル横モードＬＤを光源にする。典型的なビーム特性は、発散全角ＦＡＨＭ（Ｆｕｌｌ　Ａｎｇｌｅ　ａｔ　Ｈａｌｆ　Ｍａｘｉｍｕｍ）＝２５°のファスト軸ＦＡ（Ｆａｓｔ　Ａｘｉｓ）に発光点（エミッタ）幅は約１．５μｍ、ＦＡＨＭ＝１０°のスロー軸ＳＡ（Ｓｌｏｗ　Ａｘｉｓ）に発光点幅約５μｍで、ビーム品質指数エムスクエアＭ＾２は、大よそ１．２になっている。
　本発明請求項１によると、本例にＮ＝３で、ライトガイドの本数は入射光Ｎ＝３本、出射光１本の計４本だが、出射光の１本は入射光３本の内に波長が赤の１本と統合して図２上にＲＧＢ三波長の３本のライトガイドのみと見られる。
　先ずＬＤとライトガイドの間にレンズを使わず光を直接結合する場合、図２中に描かれたライトガイドの光伝搬方向と垂直する断面形状は、３本共に横方向（＝図２中溝の幅方向）に６．５±０．５μｍ、縦方向（＝溝の深さ方向）に３．５±０．５μｍになるものを試作した。この場合にＲＧＢ三色で計３個のシングル横モードＬＤを用いて本合波器の光効率を調べた。先ずＬＤのＦＡとＳＡをそれぞれ本例合波器の縦と横の方向に置かれて、尚、各々ＬＤの発光点を、本例合波器入力側にある各々ライトガイド受光面の縦と横両方向の中心位置に合わせ、尚光軸方向に前記受光面と大よそ５μｍに離れる位置に合わせて調芯すると、ＬＤ元の出力に対して、本例合波器出力側の出口から、赤７５％、緑７１％、青６８％の割合で、光の総合効率を得られている。合波器からの出射ビームは、Ｍ＾２＝１．６程度で、これは、Ｍ＾２の予想値２．１よりかなり良い。こうなる理由について、本例の合波器は小型で、入射から出射までライトガイドの光路長が僅か数ｍｍ程度で、ビームは未だ充分に予想の高次横モードまでに拡散されてない。
　又、ＬＤとライトガイド間に、ＦＡ方向に倍率１対２．５、ＳＡ方向に倍率１対１の円筒形レンズを用いてビームをほぼ正方形に整形して合波器へ結合する場合、合波器入射側にＲＧＢ各ライトガイドの断面形状も入射ビーム形状に合わせて、横と縦両方向共に５μｍの正方形にした。この合波器を用いるＲＧＢ光源からの出力は、Ｍ＾２＝１．３のシングル横モードビームで、大よそ９０％の総合光効率を得られている。
　本実施例１の場合、厚み１ｍｍ以下程度のシリコンウエハー基板の上面にフォトレジストに通じてドライエッチングにより以上に述べた断面形状の溝を作り、溝の側面と底面に金薄膜を蒸着するプロセスも用いた。図２は実寸と比率してないが、本例の合波器は、入射側に横並びになる３本のライトガイドは、お互いに１．５ｍｍの間隔をもって、長さ方向に５ｍｍにし、幅Ｗ５ｍｍ×長さＬ５ｍｍ×厚みｔ１．５ｍｍ程度のチップの形になる。更に、この合波器と、表面実装チップ型ＲＧＢ三波長ＬＤに合わせて実装し、光源を試作した。この光源は、ＲＧＢ三原色シングル横モード出力で、直接結合場合に外形Ｗ５ｍｍ×Ｌ８ｍｍ×ｔ２．５ｍｍに、レンズ結合場合に外形Ｗ５ｍｍ×Ｌ１２ｍｍ×ｔ２．８ｍｍで、両方共にコンパクトなチップ型になっている。

　本発明請求項４に述べるバンドルファイバを用いるチップ型に複数Ｎ＝３のＲＧＢ三波長シングル横モードＬＤに適用される合波器は、実施例２として図３のＣＡＤ図面に基本構造を示されている。また、本実施例２の目標物は、この合波器を用いる本発明請求項５のＲＧＢ三原色ＬＤのチップ型光源であり、この光源の基本構成は図５に示されてある。
　上述合波器にバンドルされる素線ファイバはシングル横モード、つまりＮＡ＝０．１２~０．１３、コア径Φ＝３．５~４．０μｍのものであれば、元々光源とするＬＤの横モードとマッチングし、合波器から出力されるビームの空間的な可干渉性は崩されない。但し市販シングル横モードファイバは、クラッド径Φ１２５μｍのため、本実施例２に適用されない。理想的なファイバ素線はコア径Φ４μｍにクラッド径Φ６~８μｍ程度のものだが、本発明出願時点に実用レベルで、ＮＡ＝０．２、コア径Φ７μｍ、クラッド径Φ１０μｍのファイバ素線の既存品を使って、合波器を作った。クラッド径１０μｍ以下のシングル横モード素線ファイバは、今開発中だが、低融点無機ガラス、或いはプラスチックを材質とするものである。
　図３で構成される実施例２のＲＧＢ三波長シングル横モード合波器の出力側にバンドルされた３本ファイバの出射端面の顕微鏡写真を図４に示している。正三角形デルタ型で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になっている。図４写真のものの作り方として、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程度の穴を開いてあるΦ１ｍｍ外径のガラスチューブ型フェルール中に３本素線を入れて接着剤で固定してある。合波器入力側に３本ファイバの入射端面はお互い２ｍｍの間隔で横並びされている。この様な請求項４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。
　現時点で以上ＮＡ０．２、コア径Φ７μｍ素線、Ｎ＝３本でのバンドルファイバ合波器を用いる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５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最大の場合に６５％程度、光源ＬＤと合波器間に結合レンズを用いる場合に光の結合効率は最大８５％に上がれるが、外形は長さ方向に１１ｍｍになってしまう。現状バンドルファイバ入射と出射両端面に反射防止誘電体薄膜を付けてないが、付けると光の結合効率を更に５％以上に向上出来る。基本的に図５中の合波器について、請求項４のバンドルファイバ方式から請求項１の中空型ライトガイド方式に切換え出来る。二者に関する特性は前述の様にほぼ同じで、作られるＲＧＢ光源も同じチップ型の外形尚同等レベルの結合効率でシングル横モード出力を得られている。つまり、図５に示す本実施例２の目標物とする本発明請求項５のＲＧＢ光源は、請求項１と請求項４の二種類方式のチップ型合波器の場合を含んでいる。
　尚、実施例２合波器出力側にバンドルファイバから出射されるＲＧＢ三波長光ビームの横モード特性も調べた。ファイバ素線コア径７μｍ、ＮＡ０．２から試算されると、ビーム横モードに関する品質指数エムスクエアＭ＾２は、赤波長６３８ｎｍに３．５、緑波長５２０ｎｍに４．２、青波長４５０ｎｍに４．９に対し、実測値は、赤緑青共に２以下、ほぼシングル横モードに近い。こうなった理由は、本例に合波器ファイバ素線の長さが約６ｍｍ程度で、ビームのファイバ中での伝搬距離として極めて短いなので、高次モードへの混ぜる効果が未だ顕在されてなく、入力されたビームの横モードが崩れてないままに出力端に到ってしまう為である。
　更に本実施例２光源から出射するＲＧＢ三波長ビームの同光軸性も調べたが、バンドルファイバ出射口に焦点距離２０ｍｍのアクロマティック（＝消色収差）レンズを置いて、１メートル先でビーム径を最小になる様にコリメートして、測れたＲとＧとＢ三つのビームスポット径（ＦＷＨＭ）は、大よそΦ０．５ｍｍ以下になった。尚三波長三つビームのお互いに離れた距離は、大よそ０．５ｍｍ程度で、一つΦ１．５ｍｍ同心円の中に入っているため、実用レベルで三波長の一つビームとして使える。
　以上の評価結果により、元ＬＤからの出射光に対して本実施例２合波器に通った後の出力は、赤色６３８ｎｍの１６０ｍＷに１３５ｍＷ、緑色５２０ｎｍの８０ｍＷに６５ｍＷ、青色４５０ｎｍの８０ｍＷに６２ｍＷで、合波器ファイバから出射三波長のビーム共にほぼシングル横モードになって、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を満たしている。

　以上に述べた実施例１と実施例２の様なＲＧＢマルチ波長光源は、複数ＬＤを放熱出来る一つ平面上に並ばれて実装されるタイプなので、波長ごとに１００ｍＷ以上の高出力化に伴って、複数表面実装型ＬＤチップであっても高い消費電流によって、尚極めて小型化為高密度で実装される事によって放熱問題は顕在化される。本実施例３のＲＧＢ光源は、前述２例の様な一つ平面上に複数ＬＤチップの実装と違って、同じ表面実装型ＬＤチップを用いるが請求項６に述べる方法で立体的に実装されて、外形を円柱型と多角形の棒型の様な立体形になる。本例の光源は、この様に多数のＬＤに立体的に実装される事により、放熱性に改善される上、円柱型等外形に変えられる事で色々な応用に実装し易い形にもなる。
　図６は、一例として、表面実装チップ型ＬＤと、結合レンズ及び、請求項４に述べるバンドルファイバ式合波器の三者から請求項６に述べる方法で立体的に実装されるＲＧＢ光源の組立原理と構造を示すものである。この光源の外形を円柱型にしている為、円柱形金属ケースの内側に立体的に組立されるＲＧＢのＬＤからの三つ発光点と、合波器の入射側にある３本ファイバの三つ受光端面を、面対面に発光点と受光面を１対１に合わせて同サイズの等三角形デルタ型分布で、三つの結合レンズを用いて三つのＬＤの各々出力光を三つとする各々ファイバ端面に通じて３本中の各々ファイバに結合する。本図６のものは、長さ８ｍｍ、径Φ５．６ｍｍの円柱体の外形に設計し、試作された。レンズを使わず直接結合方式で実装されれば、径Φ４．８ｍｍ、長さ６ｍｍまでに小型化出来る。
　図７は、もう一つの例として、四角形の角型で実装される可視ＲＧＢと近赤外四波長ＬＤ光源モジュールの組立構造図である。図６の例と同様、４個結合レンズを用いて立体型分布の四個ＬＤからの４波長ビームは、同じ立体型分布を持つ４対１バンドルファイバ合波器に結合される。図７右側にある角型４色ＬＤモジュール（図中に７１１から７３２までの一式）を左側にある外径Φ５ｍｍ、長さ８ｍｍの円柱型収納ケース（図中に７４０）の中にパッケージも出来る。今までこの様にパッケージされたＲＧＢ−ＮＩＲ光源は、試作された実物の一つとして、図８中に左側の写真で写されている。このモジュールは、外径Φ６ｍｍ、長さ１２ｍｍになっている。

　実施例４は、請求項３に述べたライトガイドに介されるファイバ型合波器によるＲＧＢ光源で、図８右側の写真に示される。Φ３．８のカン型シングル横モードＲＧＢのＬＤからのレーザー光は、レンズを用いて前記合波器入力側ライトガイドに結合されて、そして出射ライトガイドからの出力光も、レンズを用いて１本のシングル横モードファイバに結合されて、元々ＬＤからの出力に対して約６０％の効率で最後にファイバから出力されている。
　本実施例４方式の合波器を用いるマルチ波長ＬＤ光源での応用デバイスに対して、キーポイントは、ファイバ出力である。ＬＤを含む光源とファイバ出力端の間にファイバによる光伝送なので、光源と離れた所に応用デバイスに所要の光を出力出来る事で、光源本体のみを別置きする事により、放熱対策は容易になる。前述車載の場合、光出力されるヘッドアッププロジェクタの設置場所における環境温度は、マイナスの３５℃からプラスの９０℃以上の広範囲になっても、ＬＤを含まれるＲＧＢ光源の本体は別置きされるので、正常作動出来る。つまりこの様な光源は、車載での応用にとって不可欠なものである。

　請求項１と請求項４に述べる薄くてコンパクトなチップ型合波器をキー部品として用いて、請求項５の様な実装技術と併用すれば、平面実装で薄くコンパクトなマルチ波長光源を作れ、小型と要求される携帯電話やその他ウェアラブル表示装置、例えばＭＥＭＳかＤＭＤ、ＬＣＯＳ等を用いるレーザープロジェクタ等応用へ利用出来る。
　また請求項４ファイバ出力型合波器を用いるマルチ波長光源では、ＬＤ光源と光が届く先プロジェクタの間にファイバで伝送されるため、車と野外等温度が厳しい環境への耐性を持たせ易くなり、車載分野等応用への利用は可能になる。
　更に請求項６に多波長複数の高出力ＬＤを一緒に立体的に実装する事で、外径Φ５ｍｍ以下円柱型の様な多波長光源を作れるので、実装し易い外形に放熱性も改善される為、レーザーポインタやメガネ式等ウェアラブルレーザー表示装置に利用出来る。
　尚、小型マルチ波長レーザー光源の実装に関して、請求項１と請求項４の合波器の様な要素部品を用いれば、内部部品毎の実装による合波器そのものの実装作業と、各単体ＬＤからの光を合波器へ結合する実装作業の様に、二つ大きな作業に分担されるので、特に大量生産の場合に、従来方式複数ＬＤを絡んでの実装作業より管理と製造の両面に行ない易くなり、コストダウンの上に製品の信頼性も向上できる。

図１に関する符号：
１１０　請求項１合波器のライトガイド用溝が彫られている基板
１１１　基板１１０の上の面、この面上にライトガイド用溝を彫られている
１１２　面１１１に彫られたＮ＋１本ライトガイド用の溝、図中に、ｎ＝１，…，ＮはＮ本目入射ライトガイド、ｎ＝Ｎ＋１は１本の出射ライトガイドを示す
１１３　入射と出射ライトガイド用溝の側面と底面、光を閉じ込む為これらの側面と底面に光を全反射するメタル薄膜、或いは誘電体薄膜をコートしてある
１２０　基板１１０の上面と貼り合わせるライトガイド溝をカバーするカバー板
１２１　カバー板１２０の下の面、つまり、この面と貼りあわせる対向の基板１１０上の面１１１に彫ってあるライトガイド用の溝をカバーしてライトガイドを形成する面。形成されるライトガイドに光を閉じ込む為この面に光を全反射するメタル薄膜、或いは誘電体薄膜をコートしてある
図２に関する符号：
２００　請求項２の方法で作られる請求項１合波器の出射ライトガイド用溝の出力端
２０１　複数Ｎ＝３本の内に、１本目赤波長の入射ライトガイドの光ビームの入力端
２０２　２本目青波長の入射ライトガイドの光ビームの入力端
２０３　３本目緑波長の入射ライトガイドの光ビームの入力端
２１０　出射ライトガイド用の溝
２１１　１本目赤波長の入射ライトガイド用の溝
２１２　２本目青波長の入射ライトガイド用の溝
２１３　３本目緑波長の入射ライトガイド用の溝
２２２　２本目青波長の入射と出射ライトガイドの結合部
２２３　３本目緑波長の入射と出射ライトガイドの結合部　※
　※　図２中に示した様に１本目赤波長にとって、入力端２０１から出力端２００まで一直線になって、つまり、入射ライトガイド２１１は、結合部を持ってなく出射ライトガイド２１０と直結して、二者を１本になっている。
図３に関する符号：
３００　請求項４バンドルファイバ型合波器にファイバを固定されてあるチップ型板
３０１　合波器の入力側
３０２　合波器の出力側
３１０　合波器出力側に密接にバンドルされてある複数Ｎ＝３本ファイバの出射端
３１ｉ　ｉ＝１，２，３；合波器入力側に３本ファイバの入射端面
３２ｊ　ｊ＝１，２，３；チップ型板３００上に３本ファイバの高精度位置決め及び固定為の３本溝
図４（顕微鏡写真）に関する符号：
４００　図３に示す合波器出力側にファイバをバンドルされたフェルールの研磨されてある出射端面
４１ｉ　ｉ＝１，２，３；フェルール端面にバンドルされたクラッド径Φ１０μｍの３本ファイバ素線、写真からこの３本ファイバが正三角形デルタ型で密接的にバンドルされてある事が判明出来る
４２１　ファイバ素線のコア
４２２　ファイバ素線のクラッド
４３０　顕微鏡写真に示すスケール、単位長さ＝１０μｍ
図５に関する符号：
５０１　青（Ｂｌｕｅ）４５０ｎｍ波長表面実装ＣＯＳ型シングル横モードＬＤ
５０２　赤（Ｒｅｄ）６３８ｎｍ波長ＣＯＳ型シングル横モードＬＤ
５０３　緑（Ｇｒｅｅｎ）５２０ｎｍ波長ＣＯＳ型シングル横モードＬＤ
５０４　ＲＧＢ三波長ＬＤのヒートシンク銅板
５０５　請求項１に述べる合波器のファイバを固定されてあるチップ型板；合波器はこの板５０５と３本バンドルファイバ５１ｉ（ｉ＝Ｂ，Ｒ，Ｇ三色）から構成される
５１ｉ　図中左からｉ＝Ｂ，Ｒ，Ｇ三色，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本ファイバの素線は、コア径Φ７μｍにＮＡ０．２尚クラッド径Φ１０μｍのものである
５１４　合波器出力側に請求項１に述べる条件を満たしてバンドルされている複数Ｎ＝３本ファイバの出射端面
図６に関する符号：
６１１−ｉ　三色ｉ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ表面実装型ＣＯＳ型ＬＤ（３個）
６１２−ｊ　三色ｊ＝Ｒ，Ｇ，ＢのＬＤ電極（陰極と陽極３セットで６個）
６１３−ｋ　三色ｋ＝Ｒ，Ｇ，ＢのＬＤ放熱用ヒートシンク（３式）
６２１−ｓ　三色ｓ＝Ｒ，Ｇ，ＢのＬＤから合波器へ光の結合レンズ（３式）
６３０　３本バンドルファイバ６３１−ｉ（ｉ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ）で構成される合波器本体
６３１−ｔ　三色ｔ＝Ｒ，Ｇ，ＢのＬＤからの光を受け入れる合波器の三本バンドルファイバ　※
※　ＲＧＢ三色ＬＤ光源本体は、以上リストされた６１１−ｉのＬＤ、６１２−ｊのＬＤ電極、６１３−ｋのヒートシンク、６２１−ｓの結合レンズ及び６３０の合波器等図中右側の諸部品から構成され、図中の配置関係で立体的に実装されて、一つのモジュールになっている
６３２　バンドルファイバ方式合波器のビーム出射口
６４０　上述された図中右側にある三色ＲＧＢレーザー光源本体モジュールを収納される外部ケース、外形はＬ８ｍｍ×Φ５．６ｍｍ円柱形になる
図７に関する符号：
７１１−ｉ　四色ｉ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲ近赤外表面実装ＣＯＳ型ＬＤ（４個）
７１２ａ−ｊ　四色ｊ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲのＬＤの＋電極（陽極計４個）
７１２ｂ−ｊ　四色ｊ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲのＬＤの−電極（陰極計４個）
７１３　ＲＧＢとＮＩＲ四つＬＤを一緒にボンディングされる放熱用ヒートシンク
７２１−ｋ　四色ｋ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲのＬＤから合波器への四式結合レンズ
７３０　バンドルファイバ方式４対１合波器本体
７３１−ｓ　四色ｓ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＮＩＲのＬＤからの光を受ける合波器の四本バンドルファイバ
７３２　請求項４バンドルファイバ型合波器のビーム出射口
※　ＲＧＢ＋ＮＩＲ四色ＬＤ光源本体は、以上リストされた７１１−ｉのＬＤ、７１２ａ−ｊと７１２ｂ−ｊのＬＤ電極、７１３のヒートシンク、７２１−ｋの結合レンズ及び７３０の合波器等図中右側の諸部品から構成され、図中の配置関係で立体的に実装されて、一つのモジュールになっている
７４０　図中右側ＲＧＢ＋ＮＩＲの４色ＬＤ光源本体を収納する外部ケース、外形Ｌ８ｍｍ×Φ５ｍｍの円柱型になる
図８（写真）に関する符号：
８０１　請求項６による実施例３、ＬＤを立体的に実装される円柱型ＲＧＢ三波長光源モジュールの試作品の写真
８０２　請求項３による実施例４のライトガイド型合波器を用いるファイバ出力ＲＧＢ三波長光源モジュールの写真
８１０　ＬＤと合波器尚出射ファイバを実装されたＲＧＢ三波長光源本体
８１１　緑５２０ｎｍ波長、Ｃａｎ−３．８パッケージ、シングル横モードＬＤ
８１２　赤６３８ｎｍ波長、Ｃａｎ−３．８パッケージ、シングル横モードＬＤ
８１３　青４５０ｎｍ波長、Ｃａｎ−３．８パッケージ、シングル横モードＬＤ
８２１　ＲＧＢ三波長ＬＤからの光ビームを結合されて、光源本体８１０から外部へ光を出力するシングル横モードファイバ
８２２　ファイバ８２１出力端のフェルール、ＲＧＢ三波長の光は、このフェルールの端面から出力される

Claims

　複数Ｎ本の光ビームを入射させるＮ本の入射ライトガイドから、１本の出射ライトガイドに前記Ｎ本の入射光を合波して出力する目的であって、前記Ｎ本中第ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）本ライトガイドに光進行方向の終端とする第ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）個ターミナルがあって、前記Ｎ本中第ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）本目光ビームを前記Ｎ個中第ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）個目のターミナルから前記出射ライトガイドに移させて出射する為に備えるＮ個の結合部を設けて、前記Ｎ本のライトガイドのＮ個入射端面から入射させる前記Ｎ本の光ビームを全て前記１本の出射ライトガイドに合波して出力する目的を実現させる事があって、尚、前記Ｎ本の入射光と前記１本の出射光を伝搬させる為のＮ＋１本のライトガイドの形成に関して、ライトガイド本体を中空にして、ライトガイドの内側壁の全面に光に対して全反射のメタル薄膜、或いは誘電体薄膜をコーティングする事で、光ビームをライトガイド中に完全に閉じ込んで伝搬出来る構造にして、前記Ｎ本の入射ライトガイド中に入射される前記Ｎ本の光に対して効率が良く前記１本の出射ライトガイドに合波して出力させることを特徴とするＮ対１の光の合波器
　請求項１のＮ対１合波器に構成の基本要素とするＮ＋１本の反射薄膜コート付中空型の入射と出射ライトガイドの形成に関して、先ずシリコンかメタル、もしくはセラミックかガラス、もしくは光結晶を材質とする基板１枚を予め設けて、前記Ｎ本の入射ライトガイドと前記１本出射ライトガイド及び入射と出射ライトガイド間の前記Ｎ個の結合部の形成パターンを予め設計し、前記基板の上の面から深さ方向に、ウエットエッチングかドライエッチング、或いは基板材によって、レーザービームかイオンビーム等ビームの微細加工により前記Ｎ個の結合部付Ｎ＋１本ライトガイドと形成するパターンに沿って、Ｎ＋１本ライトガイド用の溝を彫り、前記手段で彫られたライトガイド用の前記Ｎ＋１本溝の底面と両側面の全ての表面に、光に対し全反射のメタル薄膜、或いは、誘電体薄膜のコートを施し、尚、前記基板上に彫られた前記Ｎ＋１本のライトガイド用の溝の上方に開放されているので、カバーする為もう一枚の（出来れば前記基板と同じ材質）カバー板を設けて、前記カバー板の下の面に光に対して全反射のメタル薄膜か誘電体薄膜をコーティングし、前記手段で作り上げた底面と両側面に全反射薄膜コート付のＮ＋１本ライトガイド用の溝が有った前記基板の上の面に前記手段で作り上げた全反射薄膜コートが有った前記カバー板の下の面と合わせてカバー板を貼り付ける事により前記基板のＮ＋１本ライトガイド用溝の両側面と底の面、尚前記貼られたカバー板の下の面、つまりライトガイドとして光伝搬方向に沿って全ての側面に光の全反射薄膜を付けてある事により、前記Ｎ＋１本中空の溝の中に光を閉じ込める事を特徴とする請求項１のＮ対１合波器に前記のＮ＋１本のライトガイドの作る方法。
　請求項１の中空型ライトガイド方式の複数Ｎ対１基本合波器にベースして、
　上記合波器の出射ライトガイドからの出力光を予め設ける１本のファイバに結合して、Ｎ本の入力ライトガイドと１本の出力ファイバを備えるタイプ１の合波器；
　または、予め設ける複数Ｎ本ファイバと上記基本合波器のＮ本入射ライトガイドの間に１対１で光ビームを直接結合、或いはレンズを用いて結合し、Ｎ本の入力ファイバと１本の出力ライトガイドを備えるタイプ２の合波器；
　または、予め設ける上記タイプ２の合波器の出射ライトガイドからの出力光を、タイプ１の合波器と同じく、予め設ける１本のファイバに結合して、Ｎ本の入力ファイバと１本の出力ファイバを備えるタイプ３の合波器；
　以上の三タイプの内にいずれの構成のファイバに介されるＮ対１の合波器
　入力側に複数Ｎ個の点光源、或いは複数Ｎ本の平行光出力レーザーからの空間的に独立されているＮ本の光ビームから、出力側に光軸を揃えて一つの点光源になって合波して出力する目的であって、
　材質がガラスか金属のチップ型板１枚と、入射端面と出射端面に導光の為研磨されるコア及びクラッドで構成される光ファイバ素線Ｎ本を予め用意し、前記チップ型板の両脇に光の入力側と出力側を設けて、前記チップ型板の入力側の縁に沿って、前記Ｎ本ファイバ素線の入射端を合波しようとする空間的に独立されている前記Ｎ個光源からのＮ本光ビームの入射位置に合わせて一定的な間隔に置いて一列横並びにして接着剤で固定し、又、前記チップ型板の出力側の縁に、前記Ｎ本ファイバ素線の出射端をお互いに密接的に束ねて接着剤で固定すると、
　前記Ｎ個点光源或いはＮ本平行光ビームを前記チップ型板の入力側のＮ本ファイバ素線の入射端面にレンズ等光学系を用いて１対１で入力すれば、前記チップ型板の出力側にバンドルされているＮ本ファイバの出射端面からＮ本の光ビームをそのままストレートで出力する事になるが、
　更に、前記コア及びクラッドから構成されるＮ本ファイバ素線を予め用意される際に、素線のコアに包まれるクラッド層を一層限界までの厚み（例えば１μｍ程度まで）に薄くして、つまり前記Ｎ本ファイバ素線の外径（つまりクラッド径）を極端に細くする事（例えばシングル横モードの場合コア径Φ４μｍ以下で、尚前述クラッド層の厚み１μｍ以下によると素線の外径がΦ６μｍ以下）により、
　通常Ｎ個の点光源と見られる前記Ｎ本ファイバ出射端面から出力されるＮ本光ビームを、前記Ｎ本ファイバの出射端に密接的にバンドルされて、尚且つコアとコアの間に極めて接近している（前述クラッド厚み１μｍ以下の場合二者の間隔が２μｍ以下）為、収束して一つの点光源と見做して出力される事、つまり、空間的に独立されたＮ個光源からのＮ本光ビームを、出力端に実用レベルで一つの点光源として空間的に一つの光ビームに合波されて出力される事を特徴とするバンドルファイバを用いるチップ型Ｎ対１のビームの空間的な合波器。
　コンパクトで薄いチップ型のマルチ波長光源を作る目的であって、予め設けるマウント上に予め設ける複数Ｎ個表面実装用チップ型ＬＤを横一列に並んで平面的に実装し、又、請求項１の中空ライトガイド型、或いは請求項４のバンドルファイバ型のいずれの方式で作られる薄くてコンパクトなチップ型の複数Ｎ対１合波器を予め設けて、前記平面実装されたＮ個ＬＤと、前記合波器Ｎ本中空ライトガイド或いはＮ本のバンドルファイバのＮ個受光用入射端面間に、１対１で光を直接結合、或いはレンズを用いて結合し、前記合波器を通じて合波して一つの点光源で出力するコンパクトで薄いチップ型と特徴するマルチ波長レーザー光源モジュール。
　コンパクトなマルチ波長光源を作る目的であって、また高密度で実装される複数のＬＤの発熱を逃がし易い尚且つ応用デバイスの実装に要求される外形に合わせてデザイン出来る為、
　予め設けた円柱型或いは立方体型等立体形状を持つＬＤの発熱を逃がし易いマウントの上に立体的に実装されている薄いチップ型の複数Ｎ本波長が異なる複数Ｎ個の表面実装用チップ型ＬＤと、請求項１の中空ライトガイド型、或いは請求項４のバンドルファイバ型のいずれの方式での複数Ｎ対１の合波器を設けて、
　次に、前記合波器の入射側の手前に設けてある前記複数Ｎ個ＬＤからの光の受光為のライトガイド、或いはバンドルファイバのＮ個入射端面も前記複数Ｎ個ＬＤと同様な立体的な分布に合わせて合波器本体の入力側に配置し、更に複数Ｎ個の結合レンズを予め設けて、各々レンズの調芯により前記合波器入力側の各々の前記入射端面に合わせて各々前記ＬＤからの光を合波器に結合して、合波器の働きにより入射されたＮ本の光をまとめて出射側に一つ点光源で出力する事により、
　立体分布に実装される複数Ｎ個ＬＤ光源と、それと同様な立体分布で複数Ｎ個入射端を持つ合波器と、光源から合波器へ光を入力する為の複数Ｎ個の結合レンズと諸要素部品の構成から立体的に組立される事で、ＬＤの発熱を逃がし易い構造、尚いろいろ応用に実装され易いコンパクトな円柱型或いは立方体型等外形を持たせる点光源で出力する事と特徴になるマルチ波長レーザー光源モジュール。