WO2017065225A1 - 光合波器及びこの光合波器を用いた画像投影装置 - Google Patents

光合波器及びこの光合波器を用いた画像投影装置 Download PDF

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香川　利雄
正尊 安藤
ピーター ジョン ロバーツ
ヴァレリー ベリーマン‐ブスケ
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シャープ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical multiplexer that multiplexes three visible lights having different wavelengths, and an image projection apparatus using the optical multiplexer.
  • Patent Document 1 discloses a technique for combining light sources having three wavelengths by using a dichroic mirror.
  • an optical coupling device using a directional coupler is known (for example, see Patent Document 2). If such an optical coupling device is used, a reduction in the size of the display can be expected.
  • Patent Document 2 discloses a technique in which three different wavelengths are incident on an optical waveguide and visible light is combined by three combining units.
  • the technique using the directional coupler described in Patent Document 2 can multiplex three wavelengths of visible light, but the multiplex part itself requires very high processing accuracy.
  • the wavelength incident on the central waveguide is limited, and there is a problem that it is difficult to further reduce the size of the waveguide pattern when considering a loss due to light absorption.
  • the present invention was created to solve such problems, and an object thereof is to provide an optical multiplexer capable of further miniaturization and an image projection apparatus using the optical multiplexer.
  • an optical multiplexer is an optical multiplexer that combines a plurality of lights having different wavelengths, the first waveguide into which light having a first wavelength is incident, and the first A second waveguide in which light having a second wavelength shorter than light of one wavelength is incident; a third waveguide in which light having a third wavelength shorter than light of the second wavelength is incident; A first combining unit for transmitting the light between the first waveguide and the second waveguide; and a second combining unit for transmitting the light between the third waveguide and the first waveguide.
  • a wave unit, wherein the second wavelength light is propagated to the first waveguide by the first multiplexing unit, and the third wavelength light is transmitted by the second multiplexing unit to the first waveguide. Propagated in a waveguide.
  • the first multiplexing unit may be configured such that the length in the propagation direction is substantially half of the length of the second multiplexing unit.
  • the first multiplexing unit may be configured to be equal to twice the mode coupling length of the light of the first wavelength.
  • the first waveguide, the second waveguide, and the third waveguide are composed of a core layer, and have a refractive index smaller than the core layer around the core layer. It is good also as a structure which has a clad layer.
  • the plurality of lights having different wavelengths are visible light.
  • the light of the first wavelength is propagated to the second waveguide by mode coupling in the first multiplexer and the first wave propagated to the second waveguide.
  • the light of one wavelength is propagated again to the first waveguide at the first multiplexing unit, and the light of the first wavelength propagated again to the first waveguide is the first multiplexing unit at the second multiplexing unit.
  • the first wavelength light propagated to three waveguides and propagated to the third waveguide may be propagated again to the first waveguide at the second multiplexing unit.
  • the light of the second wavelength is propagated to the first waveguide by mode coupling at the first multiplexer and the first wavelength propagated to the first waveguide.
  • the two-wavelength light may be configured to be propagated again to the first waveguide after being propagated to the third waveguide by the second multiplexer.
  • the third wavelength light may be configured to be propagated to the first waveguide by mode coupling in the second multiplexing unit.
  • An image projection apparatus is an image projection apparatus using the optical multiplexer having the above-described configurations, and includes a first light source that emits light of the first wavelength to the first waveguide, and the second light source.
  • a second light source that emits light of the second wavelength to the waveguide, a third light source that emits light of the third wavelength to the third waveguide, and wavelength multiplexed light emitted from the optical combiner It is good also as a structure provided with the image formation part which scans dimensionally and projects an image on a to-be-projected surface.
  • the optical multiplexer of the present invention a single mode can be obtained at a very high output rate for light of each wavelength to be combined even if there are individual differences due to the manufacturing process. As a result, it is possible to realize an optical multiplexer that is further downsized than the conventional optical multiplexer while maintaining high performance.
  • FIG. 1A It is a schematic plan view which shows the structure of the optical multiplexer which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is the side view which looked at the optical multiplexer shown to FIG. 1A from the left direction. It is a figure explaining the effect
  • 5 is a graph showing a relationship between variations in output and core width in the optical multiplexer according to the first embodiment.
  • 5 is a graph showing a relationship between variations in output and core width in the optical multiplexer according to the first embodiment.
  • 6 is a graph showing a relationship between variations in output and coupling length in the optical multiplexer according to the first embodiment.
  • 6 is a graph showing a relationship between variations in output and coupling length in the optical multiplexer according to the first embodiment.
  • 3 is a graph showing a relationship between variation in output and wavelength in the optical multiplexer according to the first embodiment. It is a schematic block diagram at the time of applying the optical multiplexer of this invention to the scanning display which is an example of an image projector.
  • FIG. 1A is a schematic plan view showing the configuration of the optical multiplexer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a side view of the optical multiplexer shown in FIG. 1A viewed from the left.
  • the three visible lights combined in the optical multiplexer according to the first embodiment are monochromatic lights, the wavelength of the first visible light is the longest, the wavelength of the second visible light is then long, and the wavelength of the third visible light Is the shortest condition.
  • red light (R), green light (G), and blue light (B) will be described as examples of three visible lights having different wavelengths.
  • the wavelength ⁇ R of red light is 620 to 750 nm
  • the wavelength ⁇ G of green light is 495 to 570 nm
  • the wavelength ⁇ B of blue light is 450 to 495 nm
  • green light having a wavelength ⁇ G 520 nm
  • the optical multiplexer 10 includes a substrate 210, a clad layer 220 formed on the substrate 210, a first waveguide 101 formed in the clad layer 220 and disposed in a plane parallel to the substrate 210, A second waveguide 102 and a third waveguide 103 are provided.
  • first waveguide 101, the second waveguide 102, and the third waveguide 103 single-mode red light (R) and green having different wavelengths from one end 101a, 102a, 103a exposed on one surface of the cladding layer 220, respectively.
  • Light (G) and blue light (B) are incident, and each color light of RGB is combined while being propagated through the first waveguide 101, the second waveguide 102, and the third waveguide 103.
  • the light is emitted from the other end 101 b of the first waveguide 101 exposed on the other surface of the cladding layer 220.
  • the red light (R) since the red light (R) has a long wavelength and has the largest loss with respect to the bending of the waveguide, it is desirable that the red light (R) is incident on the first waveguide in the center without bending.
  • a first multiplexing unit 110 and a second multiplexing unit 120 are provided in order from the one end 101a side.
  • the first waveguide 101, the second waveguide 102, and the third waveguide 103 are arranged at intervals that do not cause optical coupling in regions other than the first multiplexing unit 110 and the second multiplexing unit 120.
  • the first multiplexing unit 110 and the second multiplexing unit 120 are configured as directional couplers.
  • the second waveguide 102 is in contact with the first waveguide 101 with a gap width described later
  • the third waveguide 103 is in contact with the first waveguide 101 with a gap width to be described later, and the RGB light components are multiplexed.
  • the length L1 of the first multiplexing unit 110 is the length of the mode coupling length of the wavelength of the first visible light (the light incident on one waveguide in the directional coupler is the other waveguide). Is equal to twice the length of the coupling portion that emits 100% from the second coupling portion), and is approximately half the length L2 of the second multiplexing portion.
  • the green light of the second waveguide 102 is propagated to the first waveguide 101 by mode coupling.
  • the blue light of the third waveguide 103 is propagated to the first waveguide 101 by mode coupling.
  • the optical multiplexer 10 configured as described above can be formed by a known flame deposition method, sputtering method, or the like.
  • a low refractive index silicon oxide film to be the cladding layer 220 is formed on the silicon substrate 210 by a flame deposition method
  • a high refractive index silicon oxide film to be the core layer is laminated.
  • this core layer is patterned as an optical waveguide having a constant core width by photolithography using a photomask having a pattern corresponding to the shape of the first to third waveguides 101, 102, 103.
  • a silicon oxide film having a low refractive index to be the clad layer 220 is laminated thereon to cover the optical waveguide core.
  • the core layer is provided with a refractive index difference of about 0.5%, so that light propagating in the core repeatedly undergoes internal reflection. , Can propagate efficiently in the core. If the core diameter at this time is about 2 ⁇ m, each color light of RGB can be propagated in a single mode.
  • the thickness of the clad layer is preferably 10 ⁇ m or more for efficient light propagation.
  • both end surfaces of the substrate 210 and the cladding layer 220 are polished to expose one end 101a, 102a, 103a of the first to third waveguides 101, 102, 103 and the other end 101b of the second waveguide 102.
  • the optical multiplexer 10 is completed.
  • FIG. 2A shows the result of using 101, 102, and 103
  • FIG. 2A shows the case where single mode red light (R) is incident
  • FIG. 2B shows the case where single mode green light (G) is incident
  • FIG. In each of the cases where single mode blue light (B) is incident how each of the RGB color lights passes through the first multiplexing unit 110 and the second multiplexing unit 120 and how each of the waveguides 101, 102, 103 is processed. It is the figure which showed how it is propagated to.
  • Single mode light is ideal for efficient beam shaping with a lens or the like as a light source.
  • the intensity of the light propagating through the optical multiplexer 10 is expressed in light and dark, and the lighter portion (the black portion in the drawing) indicates that the light intensity is higher.
  • the red light (R) incident on the first waveguide 101 is propagated to the second waveguide 102 by mode coupling in the first multiplexing unit 110.
  • the red light (R) propagated to the second waveguide 102 is propagated again to the first waveguide by mode coupling in the first multiplexing unit 110.
  • the first waveguide again passes from the first waveguide 101 through the second waveguide 102. The light can be returned almost 100% to 101.
  • the length of the second multiplexing unit 120 is twice the length of the first multiplexing unit 110, the length of the second multiplexing unit 120 is four times the mode coupling length of the wavelength of the first visible light. Therefore, light can be returned almost 100% from the first waveguide 101 to the first waveguide 101 again via the third waveguide 103.
  • the propagation path of the incident red light (R) is indicated by a dashed arrow.
  • the optical waveguide due to the manufacturing process.
  • the individual difference is a manufacturing variation generated in the dimension part of the directional coupler that forms each multiplexing part, and affects the performance.
  • it may be the gap width interval between the waveguides, the width of the core portion of the waveguide, or the length of the coupling portion.
  • light sources such as LEDs and LDs
  • FIG. 3 shows the names of each part for explaining the individual differences of the optical multiplexer.
  • three optical multiplexers are arranged side by side (specifically, the three optical multiplexers shown in FIGS. 2A to 2C are arranged in that order).
  • the refractive indexes of the cores through which the light sources of respective colors are guided are n1, n2, and n3 from the left, and the core widths are a1, a2, and a3.
  • the length of the left waveguide and the central waveguide coupled is L1
  • the length of the right waveguide and the central waveguide coupled is L2.
  • 4A and 4B indicate the deviation ⁇ S from the reference gap width.
  • ⁇ S 12 is the amount of deviation from the design value of the gap between the cores of the first waveguide 101 and the second waveguide 102 in the first multiplexing unit 110
  • ⁇ S 23 is the first waveguide 101 in the second multiplexing unit 120.
  • the reference gap width S is 2 ⁇ m.
  • 4A and 4B indicate the ratio T of the intensity of the output light with respect to the intensity of the light input to the optical multiplexer 10. As shown in FIGS.
  • a single mode in the reference gap width, a single mode can be obtained with an output of 98% or more for red light (R), green light (G), and blue light (B). If the deviation is about ⁇ 0.08 ⁇ m with respect to the reference gap, a single mode can always be obtained with an output of 80% or more at each wavelength.
  • the horizontal axis of FIGS. 5A to 5C indicates the amount of deviation ⁇ a from the reference core width.
  • ⁇ a 1 is the amount of deviation from the core width a 1 of the first waveguide 101
  • ⁇ a 2 is the amount of deviation from the core width a 2 of the second waveguide 102
  • ⁇ a 3 is the core width a 3 of the third waveguide 103. This is the amount of deviation.
  • the reference core width is 2 ⁇ m.
  • 5A to 5C indicate the ratio T of the intensity of the output light with respect to the intensity of the light input to the optical multiplexer 10. As shown in FIGS.
  • a single mode in the reference core width, a single mode can be obtained with an output of 98% or more for red light (R), green light (G), and blue light (B). If the deviation is about ⁇ 0.03 ⁇ m from the reference core width, a single mode can always be obtained with an output of 80% or more at each wavelength.
  • FIGS. 6A and 6B indicate the amount of deviation ⁇ L from the reference coupling length.
  • ⁇ L 1 is the amount of deviation from the design value L 1 of the first multiplexing unit 110
  • ⁇ L 2 is the amount of deviation from the design value L 2 of the second multiplexing unit 120.
  • the reference coupling length is related to the wavelength used and the core diameter.
  • L1 1.4 mm
  • L2 2.8 mm.
  • 6A and 6B represents the ratio T of the intensity of the output light with respect to the intensity of the light input to the optical multiplexer 10. As shown in FIGS.
  • a single mode in the reference coupling length, a single mode can be obtained with an output of 98% or more for each of red light (R), green light (G), and blue light (B). If the deviation is about ⁇ 200 ⁇ m with respect to the reference coupling length, a single mode can always be obtained with an output of 80% or more at each wavelength.
  • the horizontal axis indicates the amount of deviation from the reference wavelength
  • the vertical axis indicates the ratio T of the intensity of the output light to the intensity of the light input to the optical multiplexer 10.
  • the optical multiplexer 10 of the first embodiment a single mode can be obtained at a very high output rate for light of each wavelength to be multiplexed even if there is an individual difference due to the manufacturing process. it can. As a result, it is possible to realize an optical multiplexer that is further downsized than the conventional optical multiplexer while maintaining high performance.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram when the optical multiplexer 10 having the above-described configuration is applied to a scanning display which is an example of an image projection apparatus.
  • the scanning display is roughly divided into the control unit 12, the laser drivers 15a to 15c of the R, G, and B, the LDs 16a to 16c corresponding to the R, G, and B, the optical multiplexer 10, the lens 21, and the scanner 22. , A scanning driver 23, a relay optical system 24, a screen 25, and the like. In FIG. 8, the specific configuration of the relay optical system 24 is not shown.
  • the control unit 12 controls the laser output of each wavelength, and currents corresponding to the results are respectively sent from the R laser driver 15a, the G laser driver 15b, and the B laser driver 15c to the R-LD 16a, G-LD 16b, and B- Applied to each of the LDs 16c.
  • the output light passes through the optical multiplexer 10, is adjusted to desired light, passes through the lens 21, and is beam-formed.
  • the shape of this beam shaping varies depending on the performance of the scanner 22 used and the specifications of the display.
  • the light molded by the lens 21 is reflected by the scanner 22, projected onto the screen 25, and imaged as a bright spot on the screen 25 as the projection light 26.
  • the control unit 12 controls the scanner 22 by transmitting a horizontal signal and a vertical signal to the scanning driver 23.
  • This signal includes a synchronization signal that determines the operation timing of the scanner 22, a drive setting signal that sets the voltage and frequency of the drive signal, and the like.
  • the laser drivers 15a to 15c modulate and drive the lasers 16a to 16c so as to generate lasers having light amounts corresponding to the signals of the respective wavelengths from the control unit 12. By adjusting the output ratio of laser light of each color, laser light that reproduces a desired color is output.
  • the scanner 22 is scanned horizontally and vertically in synchronization with the modulation driving of the lasers 16a to 16c, whereby the projection light 26 is scanned so as to draw a locus 27 on the screen 25, and a two-dimensional image is formed on the screen 25. Portrayed.
  • each color light of RGB is described as an example of three visible lights having different wavelengths, but the present invention is light (monochromatic light) having only a certain wavelength, and the above wavelength condition is satisfied. It is also possible to multiplex three visible lights other than RGB color lights as long as they satisfy the requirements.
  • the waveguides 101, 102, and 103 are formed in a plane parallel to the surface of the substrate 210.
  • the substrate is not necessarily required.
  • the arrangement of the waveguides 101, 102, and 103 is not limited to the two-dimensional arrangement as described above.
  • other waveguides 102 and 103 are arranged on the circumference centered on the waveguide 101.
  • a three-dimensional configuration may be used.
  • the waveguides 101, 102, and 103 are integrally formed by embedding the core layer in the cladding layer 220.
  • the waveguides 101 and 102 including the core layer and the cladding layer are formed.
  • 103 may be formed separately and arranged on a support such as a substrate.
  • SYMBOLS 10 Optical multiplexer 12 Control part 15a R laser driver 15b G laser driver 15c B laser driver 16a R-LD 16b G-LD 16c B-LD DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Lens 22 Scanner 23 Scan driver 24 Relay optical system 25 Screen 101 1st waveguide 102 2nd waveguide 103 3rd waveguide 110 1st multiplexing part 120 2nd multiplexing part

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Abstract

波長の異なる複数の光を合波する光合波器（１０）であって、第１波長の光が入射される第１導波路（１０１）と、第１波長の光よりも短波長の第２波長の光が入射される第２導波路（１０２）と、第２波長の光よりも短波長の第３波長の光が入射される第３導波路（１０３）と、第１導波路（１０１）と第２導波路（１０２）との間で光を伝搬する第１合波部（１１０）と、第１導波路（１０１）と第３導波路（１０３）との間で光を伝搬する第２合波部（１２０）とを備え、第２波長の光は、第１合波部（１１０）で第１導波路（１０１）に伝搬され、第３波長の光は、第２合波部（１２０）で第１導波路（１０１）に伝搬される。

Description

光合波器及びこの光合波器を用いた画像投影装置
　本発明は、異なる波長の３つの可視光を合波する光合波器及びこの光合波器を用いた画像投影装置に関する。
　従来、レーザ光の二次元的な走査により画像をスクリーン等へ投影させることができるディスプレイ装置が知られている。このディスプレイ装置において、光源としては色の三原色に相当する、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各波長の光源が光軸上で合波されることによりディスプレイ装置の光源として利用される。この合波された３色の可視光は、画像表示部に伝送される。画像表示部は、伝送された光を二次元的に走査して、映像を投影する。例えば、特許文献１には、ダイクロイックミラーを使用することで、３つの波長の光源を合波する技術が開示されている。
　しかし、この種のディスプレイ装置では、ダイクロイックミラーを使用することで更なる光源の小型化が困難であった。そのため、ウェアラブルデバイスのなかでもアイウェア等のように使用者の頭部に装着するような場合、光源が大きくなることで装置が大型となり、光源自体は他の場所（使用者の腕や腰など）に固定する必要があった。
　ところで、方向性結合器を利用した光学結合デバイスが知られている（例えば特許文献２参照）。このような光学結合デバイスを利用すれば、ディスプレイの小型化が期待できる。
　例えば、特許文献２には、光導波路に異なる３波長を入射し、３つの合波部により可視光を合波する技術が開示されている。
特開２００７－９３９４５号公報 特開２０１３－１９５６０３号公報
　特許文献２に記載の方向性結合器を用いた技術では３波長の可視光を合波することができるが、合波部自体に非常に高い加工精度が必要となる。また中央の導波路に入射させる波長を限定しており導波路パターン作成時、光の吸収による損失等を考慮するとさらなる小型化が難しくなる、という問題がある。
　本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、さらなる小型化が可能な光合波器及びこの光合波器を用いた画像投影装置を提供することにある。
　上記の課題を解決するため、本発明の光合波器は、波長の異なる複数の光を合波する光合波器であって、第１波長の光が入射される第１導波路と、前記第１波長の光よりも短波長の第２波長の光が入射される第２導波路と、前記第２波長の光よりも短波長の第３波長の光が入射される第３導波路と、前記第１導波路と前記第２導波路との間で前記光が伝搬する第１合波部と、前記第３導波路と前記第１導波路との間で前記光が伝搬する第２合波部と、を備え、前記第２波長の光は、前記第１合波部で前記第１導波路に伝搬され、前記第３波長の光は、前記第２合波部で前記第１導波路に伝搬されることを特徴としている。
　また、本発明の光合波器によれば、前記第１合波部は、前記伝搬方向における長さが前記第２合波部の長さの略半分であるように構成してもよい。
　また、本発明の光合波器によれば、前記第１合波部は、前記第１波長の光のモード結合長の２倍の長さと等しいように構成してもよい。
　また、本発明の光合波器によれば、前記第１導波路、第２導波路、及び第３導波路は、コア層からなり、前記コア層の周囲に前記コア層よりも屈折率の小さいクラッド層を有する構成としてもよい。
　また、本発明の光合波器によれば、前記波長の異なる複数の光は可視光であることが好ましい。
　また、本発明の光合波器によれば、前記第１波長の光は、前記第１合波部でモード結合により前記第２導波路に伝搬され、前記第２導波路に伝搬された前記第１波長の光は、前記第１合波部で再び前記第１導波路に伝搬され、前記第１導波路に再び伝搬された前記第１波長の光は、前記第２合波部で前記第３導波路に伝搬され、前記第３導波路に伝搬された前記第１波長の光は、前記第２合波部で再び前記第１導波路に伝搬されるように構成してもよい。
　また、本発明の光合波器によれば、前記第２波長の光は、前記第１合波部でモード結合により前記第１導波路へ伝搬され、前記第１導波路に伝搬された前記第２波長の光は、前記第２合波器で前記第３導波路へ伝搬された後、再び前記第１導波路に伝搬されるように構成してもよい。
　また、本発明の光合波器によれば、前記第３波長の光は、前記第２合波部でモード結合により前記第１導波路に伝搬されるように構成してもよい。
　また、本発明の画像投影装置は、上記各構成の光合波器を用いた画像投影装置であって、前記第１導波路に前記第１波長の光を出射する第１光源と、前記第２導波路に前記第２波長の光を出射する第２光源と、前記第３導波路に前記第３波長の光を出射する第３光源と、記光合波器から出射された波長多重光を二次元的に走査して被投影面に画像を投影する画像形成部と、を備えた構成としてもよい。
　本発明の光合波器によれば、製造過程に起因する個体差があっても、合波する各波長の光に対して、極めて高い出力率でシングルモードを得ることができる。これにより、高い性能を維持しつつ上記従来の光合波器よりもさらに小型化した光合波器を実現することができる。
本発明の実施形態１に係る光合波器の構成を示す概略平面図である。 図１Ａに示す光合波器を左方向から見た側面図である。 実施形態１に係る光合波器の作用を説明する図であり、シングルモードの赤色光（Ｒ）を入射した場合における光の伝搬の様子を示したものである。 実施形態１に係る光合波器の作用を説明する図であり、シングルモードの緑色光（Ｇ）を入射した場合における光の伝搬の様子を示したものである。 実施形態１に係る光合波器の作用を説明する図であり、シングルモードの青色光（Ｂ）を入射した場合における光の伝搬の様子を示したものである。 実施形態１に係る光合波器における個体差が発生する箇所を説明した図である。 実施形態１に係る光合波器における出力とギャップ幅とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力とギャップ幅とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力とコア幅とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力とコア幅とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力とコア幅とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力と結合長とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力と結合長とのばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１に係る光合波器における出力と波長とのばらつきの関係を示すグラフである。 本発明の光合波器を画像投影装置の一例である走査型ディスプレイに適用した場合の概略構成図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
　＜実施形態１＞
　図１Ａは本発明の実施形態１に係る光合波器の構成を示す概略平面図、図１Ｂは、図１Ａに示す光合波器を左方向から見た側面図である。
　実施形態１に係る光合波器において合波する３つの可視光は、単色光であって、第１可視光の波長が最も長く、次いで第２可視光の波長が長く、第３可視光の波長が最も短いことが条件となる。
　以下の説明では、波長の異なる３つの可視光として、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を例に挙げて説明する。
　一般に、赤色光の波長λＲは６２０～７５０ｎｍ、緑色光の波長λＧは４９５～５７０ｎｍ、青色光の波長λＢは４５０～４９５ｎｍの範囲であり、ＲＧＢの３つの波長間には、λＢ＜λＧ＜λＲの関係が成立する。例えば、赤色光として波長λＲ＝６３８ｎｍのものを、緑色光として波長λＧ＝５２０ｎｍのものを、青色光として波長λＢ＝４５０ｎｍのものを選択する。
　光合波器１０は、基板２１０と、基板２１０の上に形成されたクラッド層２２０と、このクラッド層２２０の中に形成され、基板２１０と平行な平面内に配置された第１導波路１０１、第２導波路１０２、及び第３導波路１０３とを備えている。
　第１導波路１０１、第２導波路１０２、及び第３導波路１０３には、クラッド層２２０の一面に露出する一端１０１ａ，１０２ａ，１０３ａからそれぞれ波長の異なるシングルモードの赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）が入射され、このＲＧＢの各色光のそれぞれが、第１導波路１０１、第２導波路１０２、及び第３導波路１０３内を伝搬されつつ合波されて、クラッド層２２０の他面に露出する第１導波路１０１の他端１０１ｂから出射される。このとき赤色光（Ｒ）は波長が長く、導波路の曲げに対する損失が最も大きいため、曲げの無い中央の第１導波路に入射されることが望ましい。
　第１導波路１０１の可視光の伝搬経路上には、一端１０１ａ側から順に第１合波部１１０、第２合波部１２０が設けられている。第１導波路１０１、第２導波路１０２、及び第３導波路１０３は、第１合波部１１０と第２合波部１２０以外の領域では光結合を生じない間隔で配置される。
　第１合波部１１０及び第２合波部１２０は、方向性結合器として構成され、第１合波部１１０では、第２導波路１０２が第１導波路１０１に後述するギャップ幅をもって接し、第２合波部１２０では、第３導波路１０３が第１導波路１０１に後述するギャップ幅をもって接して、ＲＧＢの各色光の合波が行われるようになっている。
　実施形態１では、第１合波部１１０の長さＬ１は、第１可視光の波長のモード結合長の長さ（方向性結合器において一方の導波路に入射した光が、他方の導波路から１００％出射する結合部の長さ）の２倍と等しく、かつ、第２合波部の長さＬ２のほぼ半分となるようにしている。
　３つの可視光がＲＧＢの各色光である場合の長さＬ１，Ｌ２の具体的寸法としては、例えば、長さＬ１＝１４００μｍ程度、長さＬ２＝２８００μｍ程度を挙げることができる。
　第１合波部１１０では、第２導波路１０２の緑色光がモード結合により第１導波路１０１へ伝搬される。なお、第１合波部１１０では、第２導波路１０２の緑色光のほぼ全部が第１導波路１０１へ伝搬されるのが好ましい。
　第２合波部１２０では、第３導波路１０３の青色光がモード結合により第１導波路１０１に伝搬される。なお、第２合波部１２０では、第３導波路１０３の青色光のほぼ全てが第１導波路１０１に伝搬されるのが好ましい。
　上記構成の光合波器１０は、公知の火炎堆積法やスパッタリング法等で形成することができる。例えば、シリコン製の基板２１０上にクラッド層２２０となる低屈折率のシリコン酸化膜を火炎堆積法で成膜した後、コア層となる高屈折率のシリコン酸化膜を積層する。その後、このコア層を、第１～第３導波路１０１，１０２，１０３の形状に応じたパターンを有するフォトマスクを用いて、フォトリソグラフィー法により一定のコア幅をもった光導波としてパターニングする。
　この後、この上にクラッド層２２０となる低屈折率のシリコン酸化膜を積層し、前記の光導波路コア上を覆う。また、クラッド層としては、例えば絶対屈折率が１．４６程度のものを用いると、コア層としては、屈折率差０．５％程度設けることで、コア内を伝播する光が内面反射を繰り返し、コア内を効率的に伝播することが出来る。このときのコア径は２μｍ程度であれば、ＲＧＢの各色光はシングルモードで伝播させることができる。クラッド層の層厚については、効率的な光の伝播のために、１０μｍ以上形成することが望ましい。
　最後に、基板２１０及びクラッド層２２０の両端面を研磨して第１～第３導波路１０１，１０２，１０３の一端１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ及び第２導波路１０２の他端１０１ｂを露出させることで、光合波器１０が完成する。
　次に、上記構成の光合波器１０における作用及び効果について、図２Ａ乃至図２Ｃを参照しつつ説明する。
　図２Ａ乃至図２Ｃは、絶対屈折率＝１．４６のクラッド層２２０と、径２μｍでクラッド層２２０との屈折率差０．５％のコア層とから構成される第１～第３導波路１０１，１０２，１０３を用いた結果を示すものであり、図２Ａはシングルモードの赤色光（Ｒ）を入射した場合、図２Ｂはシングルモードの緑色光（Ｇ）を入射した場合、図２Ｃはシングルモードの青色光（Ｂ）を入射した場合のそれぞれにおいて、ＲＧＢの各色光が第１合波部１１０、及び第２合波部１２０を経て、各導波路１０１，１０２，１０３内をどのように伝搬されていくかを示した図である。なお光源として効率的にレンズ等でビーム成形を行うためにはシングルモードの光が理想的である。
　なお、図２Ａ乃至図２Ｃにおいては、光合波器１０を伝搬する光の強度を明暗で表しており、明るい部分（図面では黒い部分）ほど光の強度が強いことを示している。
　図２Ａに示すように、第１導波路１０１に入射された赤色光（Ｒ）は、第１合波部１１０でモード結合により、出力のほぼ全部が第２導波路１０２に伝搬される。そして、第２導波路１０２に伝搬された赤色光（Ｒ）が、第１合波部１１０でモード結合により再び第１導波路に伝搬される。第１合波部１１０の長さを第１可視光の波長のモード結合長の２倍の長さとすることで、第１導波路１０１から第２導波路１０２を経由して再び第１導波路１０１に光をほぼ１００％戻すことができる。その後、第２合波部１２０でも前述と同様のモード結合により、赤色光（Ｒ）の出力のほぼ全部が第３導波路１０３に伝搬された後、再び第１導波路１０１に伝搬される。第２合波部１２０の長さを第１合波部１１０の長さの２倍とすると、第２合波部１２０の長さは第１可視光の波長のモード結合長の４倍の長さとなるので、第１導波路１０１から第３導波路１０３を経由して再び第１導波路１０１に光をほぼ１００％戻すことができる。なお、図２Ａでは、入射された赤色光（Ｒ）の伝搬経路を破線の矢印で示している。
　図２Ｂに示すように、第２導波路１０２に入射された緑色光（Ｇ）は、第１合波部１１０でモード結合により第１導波路１０１へ出力のほぼ全部が伝搬される。そして、第１導波路１０１へ伝搬された緑色光（Ｇ）が、第２合波部１２０でモード結合により第３導波路１０３へ伝搬された後、再びモード結合により、最終的に第１導波路１０１に伝搬される。なお、図２Ｂでは、入射された緑色光（Ｇ）の伝搬経路を破線の矢印で示している。
　図２Ｃに示すように、第３導波路１０３に入射された青色光（Ｂ）は、第２合波部１２０でモード結合により第１導波路１０１へ出力のほぼ全部が伝搬される。なお、図２Ｃでは、入射された青色光（Ｂ）の伝搬経路を破線の矢印で示している。
　以上より、３つの導波路１０１，１０２，１０３のそれぞれにシングルモードのＲＧＢの各色光を同時に入射すれば、ＲＧＢの各色光を合波した合波光が各色光の強度に応じた発色光となって第２導波路１０２の他端１０２ｂから出力される。
　ところで、光導波路には、その製造過程に起因する個体差が存在する。個体差とは、各合波部を形成する方向性結合器の寸法部に発生する製造バラツキで有り、性能へ影響を与える。例えば、導波路間のギャップ幅の間隔や、導波路のコア部の幅、若しくは結合部の長さ、等であったりする。また、ＬＥＤやＬＤなどの光源においても、製造過程に起因する個体差が存在し、出射される光の波長がばらつく。以下、図３乃至図７を参照しつつ、これらばらつきに対して光合波器１０からの出力がどのように変化するかを説明する。
　図３は前述の光合波器の個体差を説明するための各部の名称を示したものである。この図では理解を助けるため同じ光合波器を横に３つ並べて（具体的には、図２Ａ～図２Ｃに示した３つの光合波器をその順に並べて）説明を行っている。例えば、中央の光合波器の図で説明すると、各色の光源が導波されるコアの屈折率を左からｎ１、ｎ２、ｎ３、コアの幅をａ１、ａ２、ａ３とする。また一番左の光合波器の図で説明すると、左の導波路と中央の導波路が結合される長さをＬ１、右の導波路と中央の導波路が結合される長さをＬ２とする。
　また、図４Ａ及び図４Ｂの横軸は、基準のギャップ幅からのずれ量ΔＳを示している。ΔＳ12は第１合波部１１０において第１導波路１０１と第２導波路１０２のコア間ギャップの設計値からのズレ量であり、ΔＳ23は第２合波部１２０において第１導波路１０１と第３導波路１０３のコア間ギャップの設計値からのズレ量である。基準のギャップ幅Ｓは、２μｍである。図４Ａ及び図４Ｂの縦軸は、光合波器１０に入力された光の強度に対する、出力された光の強度の割合Ｔを示している。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、基準ギャップ幅において、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）ともに、９８％以上の出力でシングルモードを得ることができる。そして、基準ギャップに対して±０．０８μｍ程度のずれであれば、各波長において常に８０％以上の出力でシングルモードを得ることができる。
　また、図５Ａ乃至図５Ｃの横軸は、基準のコア幅からのずれ量Δａを示している。Δａ1は第１導波路１０１のコア幅ａ１からのズレ量であり、Δａ2は第２導波路１０２のコア幅ａ２からのズレ量であり、Δａ3は第３導波路１０３のコア幅ａ３からのズレ量である。基準のコア幅は、２μｍである。図５Ａ乃至図５Ｃの縦軸は、光合波器１０に入力された光の強度に対する、出力された光の強度の割合Ｔを示している。図５Ａ乃至図５Ｃに示すように、基準コア幅において、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）ともに、９８％以上の出力でシングルモードを得ることができる。そして、基準コア幅に対して±０．０３μｍ程度のずれであれば、各波長において常に８０％以上の出力でシングルモードを得ることができる。
　また、図６Ａ及び図６Ｂの横軸は、基準の結合長からのずれ量ΔＬを示している。ΔＬ1は第１合波部１１０の設計値Ｌ１からのズレ量であり、ΔＬ2は第２合波部１２０の設計値Ｌ２からのズレ量である。基準の結合長は、使用する波長やコア径に関係するが、例えば実施形態１であればおおよそＬ１＝１．４ｍｍ、Ｌ２＝２．８ｍｍである。図６Ａ及び図６Ｂの縦軸は、光合波器１０に入力された光の強度に対する、出力された光の強度の割合Ｔを示している。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、基準結合長において、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）ともに、９８％以上の出力でシングルモードを得ることができる。そして、基準結合長に対して±２００μｍ程度のずれであれば、各波長において常に８０％以上の出力でシングルモードを得ることができる。
　図７は、横軸が基準の波長からのずれ量を示し、縦軸は光合波器１０に入力された光の強度に対する、出力された光の強度の割合Ｔを示している。基準の波長は、赤色光（Ｒ）が波長λＲ＝６３８ｎｍ、緑色光（Ｇ）が波長λＧ＝５２０ｎｍ、青色光（Ｂ）が波長λＢ＝４５０ｎｍである。図７に示すように、基準波長に対して±１０ｎｍ程度のずれであれば、各波長において常に８８％以上の出力でシングルモードを得ることができる。
　このように、実施形態１の光合波器１０によれば、製造過程に起因する個体差があっても、合波する各波長の光に対して、極めて高い出力率でシングルモードを得ることができる。これにより、高い性能を維持しつつ上記従来の光合波器よりもさらに小型化した光合波器を実現することができる。
　［走査型ディスプレイの構成］
　図８は、上記構成の光合波器１０を画像投影装置の一例である走査型ディスプレイに適用した場合の概略構成図である。
　この走査型ディスプレイは、大別すると、制御部１２、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザドライバ１５ａ～１５ｃ、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した各ＬＤ１６ａ～１６ｃ、光合波器１０、レンズ２１、スキャナ２２、走査ドライバ２３、リレー光学系２４、スクリーン２５等によって構成されている。図８では、リレー光学系２４の具体的な構成は図示を省略する。
　制御部１２によって各波長のレーザ出力を制御し、その結果に応じた電流がＲレーザドライバ１５ａ、Ｇレーザドライバ１５ｂ、及びＢレーザドライバ１５ｃのそれぞれから、Ｒ－ＬＤ１６ａ、Ｇ―ＬＤ１６ｂ、及びＢ―ＬＤ１６ｃのそれぞれに印加される。そして、出力された光は光合波器１０を通過し、所望の光に調整された後、レンズ２１を通過し、ビーム成形される。このビーム成形の形状は使用するスキャナ２２の性能や、ディスプレイの仕様により異なる。
　レンズ２１で成形された光はスキャナ２２にて反射され、スクリーン２５へ投影され、投影光２６としてスクリーン２５上に輝点として結像される。制御部１２は、水平信号と垂直信号それぞれを走査ドライバ２３に送信することでスキャナ２２の制御を行う。この信号にはスキャナ２２の動作のタイミングを決定する同期信号や、駆動信号の電圧や周波数を設定する駆動設定信号などが含まれる。
　各レーザドライバ１５ａ～１５ｃは、制御部１２からの各波長の信号に応じた光量のレーザを発生させるように、各レーザ１６ａ～１６ｃを変調駆動する。各色のレーザ光の出力比を調整することによって、所望の色を再現したレーザ光が出力される。
　各レーザ１６ａ～１６ｃの変調駆動と同期してスキャナ２２が水平走査及び垂直走査されることで、投影光２６はスクリーン２５上で軌跡２７を描くように走査され、スクリーン２５上に二次元画像が描写される。
　本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。
　例えば、上記構成では波長の異なる３つの可視光としてＲＧＢの各色光を例に挙げて説明しているが、本発明は一定の波長のみからなる光（単色光）であって上記の波長条件を満たすものであれば、ＲＧＢの各色光以外の３つの可視光を合波することも可能である。
　＜実施形態２＞
　上記実施形態１では、基板２１０の表面と平行な面内に導波路１０１，１０２，１０３を形成する構成としたが、基板は必ずしも必要ではない。また、導波路１０１，１０２，１０３の配置も、上記のような二次元的なものに限られず、例えば導波路１０１を中心とする円周上に他の導波路１０２，１０３を配置するなど、三次元的な構成であってもよい。
　＜実施形態３＞
　また、上記実施形態１では、クラッド層２２０の内部にコア層を埋め込むことで導波路１０１，１０２，１０３を一体的に形成しているが、コア層とクラッド層とからなる導波路１０１，１０２，１０３を別々に形成し、基板等の支持体上に配置するように構成してもよい。
　なお、今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
　なお、この出願は、２０１５年１０月１４日に日本で出願された特願２０１５－２０３２３３に基づく優先権を請求する。これに言及することにより、その全ての内容は本願出願に組み込まれるものである。
　本発明によれば、異なる波長の可視光を合波する光合波器及びこの光合波器を用いた画像投影装置の技術分野において、装置のさらなる小型化を実現することができる。
　１０　光合波器
　１２　制御部
　１５ａ　Ｒレーザドライバ
　１５ｂ　Ｇレーザドライバ
　１５ｃ　Ｂレーザドライバ
　１６ａ　Ｒ－ＬＤ
　１６ｂ　Ｇ－ＬＤ
　１６ｃ　Ｂ－ＬＤ
　２１　レンズ
　２２　スキャナ
　２３　走査ドライバ
　２４　リレー光学系
　２５　スクリーン
　１０１　第１導波路
　１０２　第２導波路
　１０３　第３導波路
　１１０　第１合波部
　１２０　第２合波部

Claims (9)

  1. 　波長の異なる複数の光を合波する光合波器であって、
    　第１波長の光が入射される第１導波路と、
    　前記第１波長の光よりも短波長の第２波長の光が入射される第２導波路と、
    　前記第２波長の光よりも短波長の第３波長の光が入射される第３導波路と、
    　前記第１導波路と前記第２導波路との間で前記光が伝搬する第１合波部と、
    　前記第３導波路と前記第１導波路との間で前記光が伝搬する第２合波部と、を備え、
    　前記第２波長の光は、前記第１合波部で前記第１導波路に伝搬され、
    　前記第３波長の光は、前記第２合波部で前記第１導波路に伝搬されることを特徴とする光合波器。
  2. 　請求項１に記載の光合波器であって、
    　前記第１合波部は、前記伝搬方向における長さが前記第２合波部の長さの略半分であることを特徴とする光合波器。
  3. 　請求項２に記載の光合波器であって、
    　前記第１合波部は、前記第１波長の光のモード結合長の２倍の長さと等しいことを特徴とする光合波器。
  4. 　請求項１から３までのいずれか一つに記載の光合波器であって、
    　前記第１導波路、第２導波路、及び第３導波路は、コア層からなり、前記コア層の周囲に前記コア層よりも屈折率の小さいクラッド層を有することを特徴とする光合波器。
  5. 　請求項１から４までのいずれか一つに記載の光合波器であって、
    　前記波長の異なる複数の光は可視光であることを特徴とする光合波器。
  6. 　請求項１から５までのいずれか一つに記載の光合波器であって、
    　前記第１波長の光は、前記第１合波部でモード結合により前記第２導波路に伝搬され、
    　前記第２導波路に伝搬された前記第１波長の光は、前記第１合波部で再び前記第１導波路に伝搬され、
    　前記第１導波路に再び伝搬された前記第１波長の光は、前記第２合波部で前記第３導波路に伝搬され、
    　前記第３導波路に伝搬された前記第１波長の光は、前記第２合波部で再び前記第１導波路に伝搬されることを特徴とする光合波器。
  7. 　請求項１から６までのいずれか一つに記載の光合波器であって、
    　前記第２波長の光は、前記第１合波部でモード結合により前記第１導波路へ伝搬され、
    　前記第１導波路に伝搬された前記第２波長の光は、前記第２合波部で前記第３導波路へ伝搬された後、再び前記第１導波路に伝搬されることを特徴とする光合波器。
  8. 　請求項１から７までのいずれか一つに記載の光合波器であって、
    　前記第３波長の光は、前記第２合波部でモード結合により前記第１導波路に伝搬されることを特徴とする光合波器。
  9. 　請求項１から８までのいずれか一つに記載の光合波器を用いた画像投影装置であって、
    　前記第１導波路に前記第１波長の光を出射する第１光源と、
    　前記第２導波路に前記第２波長の光を出射する第２光源と、
    　前記第３導波路に前記第３波長の光を出射する第３光源と、
    　前記光合波器から出射された波長多重光を二次元的に走査して被投影面に画像を投影する画像形成部と、を備えたことを特徴とする画像投影装置。
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