WO2018216352A1 - 光合波器 - Google Patents

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WO2018216352A1
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optical
optical waveguide
optical multiplexer
light source
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香川　利雄
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Sharp Corp
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to an optical multiplexer.
  • a display device that can project an image onto a screen or the like by two-dimensional scanning with a laser beam.
  • light sources that emit light of red, green, and blue wavelengths corresponding to the three primary colors are used.
  • Light of each wavelength of red, green, and blue is multiplexed on the optical axis.
  • the light generated by the multiplexing is transmitted to the image display unit.
  • the image display unit projects the image by scanning the transmitted light two-dimensionally.
  • Patent Document 1 discloses a technique for performing the above multiplexing using a dichroic mirror.
  • a dichroic mirror since a dichroic mirror is used, there is a limit to downsizing the display device. For this reason, in a display device including a part to be worn on the user's head such as eyewear among wearable devices, it is necessary to fix the light source and the dichroic mirror to another place (such as the user's arm or waist). there were.
  • an optical coupling device using a directional coupler such as an optical waveguide is known. If the optical coupling device is used instead of the dichroic mirror, the display device can be miniaturized.
  • Patent Document 2 An example of the optical coupling device is disclosed in Patent Document 2.
  • the optical multiplexer disclosed in Patent Document 2 combines light of red, green, and blue wavelengths respectively incident on three optical waveguides.
  • the ideal light that has passed through only the core (each optical waveguide) and exited from the optical multiplexer passes through the cladding layer and exits from the optical multiplexer. There is a risk of interference. As a result, in the optical multiplexer disclosed in Patent Document 2, there is a problem that there is a possibility that it is not possible to obtain emitted light having a desired quality.
  • the light a ideally guided to the core exits the optical multiplexer through the core.
  • the light b guided to the cladding layer becomes a noise component for the light a.
  • the light b interferes with the light a, and thus there is a possibility that the output of the light emitted from the optical multiplexer cannot be observed well. Further, for example, when beam shaping is performed at the subsequent stage of the optical multiplexer, there is a possibility that the beam shaping of the light b interfered with the light a may not be performed satisfactorily. .
  • An object of one embodiment of the present invention is to realize an optical multiplexer that can obtain emitted light of a desired quality.
  • an optical multiplexer includes a plurality of optical waveguides that respectively guide a plurality of waveguide lights respectively obtained from a plurality of light sources, and the plurality of optical waveguides.
  • a light output end that is a set of the respective output ends, and the light output end is one of a plurality of extension lines each extending a principal ray of a plurality of light source output lights respectively output from the plurality of light sources. It is characterized by being arranged in a position that does not overlap.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical multiplexer 100 according to Embodiment 1 of the present invention and Embodiment 2 of the present invention to be described later.
  • the optical multiplexer 100 includes an optical waveguide 11, an optical waveguide 12, an optical waveguide 13, and a cladding layer 2.
  • the optical waveguide 11, the optical waveguide 12, and the optical waveguide 13 are cores of the optical multiplexer 100.
  • Each of the optical waveguide 11, the optical waveguide 12, the optical waveguide 13, and the cladding layer 2 is made of, for example, a silicon oxide film.
  • the clad layer 2 may be omitted (in other words, replaced with a clad made of air).
  • the refractive index of the optical waveguide 11, the refractive index of the optical waveguide 12, and the refractive index of the optical waveguide 13 are all higher than the refractive index of the cladding layer 2.
  • the optical waveguide 11, the optical waveguide 12, and the optical waveguide 13 are combined into an optical waveguide group (a plurality of optical waveguides) 1.
  • FIG. 1 the optical waveguide 11, the optical waveguide 12, and the optical waveguide 13 are combined into an optical waveguide group (a plurality of optical waveguides) 1.
  • the light source 31, the light source 32, and the light source 33 are collectively provided as a light source group (a plurality of light sources) 3.
  • the condensing lens 41, the condensing lens 42, and the condensing lens 43 are integrated into a condensing lens group (a plurality of condensing lenses) 4.
  • the optical waveguide 11 has an incident end 111 that is an entrance of light in the optical waveguide 11 and an exit end 112 that is an exit of light in the optical waveguide 11.
  • the optical waveguide 12 has an incident end 121 that is an entrance of light in the optical waveguide 12 and an exit end 122 that is an exit of light in the optical waveguide 12.
  • the optical waveguide 13 has an incident end 131 that is an entrance of light in the optical waveguide 13 and an exit end 132 that is an exit of light in the optical waveguide 13.
  • a set of the emission end 112, the emission end 122, and the emission end 132 is a light emission end 142.
  • the light source 31 emits light source emission light 51.
  • the principal ray of the light source emission light 51 is a principal ray 511.
  • the light source 32 emits light source emission light 52.
  • the principal ray of the light source emission light 52 is a principal ray 521.
  • the light source 33 emits light source emission light 53.
  • the principal ray of the light source emission light 53 is a principal ray 531.
  • Each of the light source 31, the light source 32, and the light source 33 is comprised by the laser diode, for example.
  • a combination of red wavelength light, green wavelength light, and blue wavelength light can be given.
  • the light source outgoing light 51, the light source outgoing light 52, and the light source outgoing light 53 are collected into a light source outgoing light group (a plurality of light source outgoing lights) 5.
  • the light source outgoing light 51 passes through the condenser lens 41 and becomes the condenser lens passage light 61.
  • the condenser lens passing light 61 enters the optical waveguide 11 from the incident end 111.
  • the optical waveguide 11 guides the condensing lens passing light 61 incident thereon.
  • light guided by the optical waveguide 11 is referred to as guided light 71.
  • the light source outgoing light 52 passes through the condenser lens 42 and becomes the condenser lens passage light 62.
  • the condenser lens passing light 62 is incident on the optical waveguide 12 from the incident end 121.
  • the optical waveguide 12 guides the condensing lens passing light 62 incident thereon.
  • the light guided by the optical waveguide 12 is a guided light 72.
  • the light source outgoing light 53 passes through the condenser lens 43 and becomes the condenser lens passage light 63.
  • the condenser lens passing light 63 is incident on the optical waveguide 13 from the incident end 131.
  • the optical waveguide 13 guides the condensing lens passing light 63 incident thereon.
  • the light guided by the optical waveguide 13 is guided light 73.
  • the condensing lens passage light 61, the condensing lens passage light 62, and the condensing lens passage light 63 are combined into a condensing lens passage light group (a plurality of condensing lens passage lights) 6.
  • the guided light 71, the guided light 72, and the guided light 73 are combined into a guided light group (a plurality of guided lights) 7.
  • the guided light 71, the guided light 72, and the guided light 73 are combined and output from the light output end 142.
  • the light emitted from the light emitting end 142 is referred to as emitted light 8. It can be said that the outgoing light 8 is the outgoing light of the optical multiplexer 100.
  • the light emitting end 142 is disposed at a position that does not overlap with the extension line 91 obtained by extending the principal ray 511.
  • the light emitting end 142 is disposed at a position that does not overlap the extension line 92 that extends the principal ray 521.
  • the light emitting end 142 is disposed at a position that does not overlap the extension line 93 that extends the principal ray 531.
  • the extension line 91, the extension line 92, and the extension line 93 are combined into an extension line group (a plurality of extension lines) 9. That is, the light emitting end 142 is disposed at a position where it does not overlap any of the extension lines 91 to 93 constituting the extension line group 9.
  • the optical multiplexer 100 of the light incident on the optical multiplexer 100 (the condensing lens passing light group 6), the light that is not completely incident on the optical waveguide group 1 and is guided by the cladding layer 2. However, it is possible to make it difficult to reach the light emitting end 142. Further, the intensity of light that is guided by the cladding layer 2 and reaches the light emitting end 142 can be reduced. Therefore, according to the optical multiplexer 100, interference of light emitted from the optical multiplexer 100 after passing through the cladding layer 2 with respect to ideal light that has passed through only the optical waveguide group 1 and emitted from the optical multiplexer 100 can be reduced. Can be suppressed. Therefore, according to the optical multiplexer 100, it is possible to obtain outgoing light with a desired quality.
  • the light emitting end 142 is disposed between two adjacent extension lines 9, that is, between the extension line 91 and the extension line 92.
  • the optical multiplexer 100 it is possible to realize a configuration in which the light emitting end 142 is disposed at a position that does not overlap any of the extension lines 91 to 93.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the optical multiplexer 101 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the difference between the optical multiplexer 101 and the optical multiplexer 100 (see FIG. 1) is the arrangement of the light emitting end 142.
  • FIG. 2 defines the X direction and the Y direction, which are two directions perpendicular to each other.
  • the X direction is a direction parallel to each of the extension lines 91 to 93.
  • the Y direction is along the plane shown in FIG. 2 and is perpendicular to the X direction.
  • the optical waveguide 11, the optical waveguide 12, and the optical waveguide 13 are all bent by approximately 90 ° from the X direction to the Y direction.
  • the direction in which the emitted light 8 is emitted from the light emitting end 142 is substantially along the Y direction and is substantially orthogonal to each of the extension lines 91 to 93.
  • the light emitting end 142 is not opposite to the end 1011 of the optical multiplexer 101 on which the incident end 111, the incident end 121, and the incident end 131 are formed. It is arranged on one of the end sides 1013 (here, the end side 1012).
  • optical multiplexer 101 it is possible to realize a configuration in which the light guided by the cladding layer 2 described above is less likely to reach the light emitting end 142.
  • extension line 91 to the extension line 93 are parallel to each other, but it is not essential that the extension line 91 to the extension line 93 are parallel to each other. In other words, it is sufficient if at least one of the extension lines 91 to 93 is along the X direction (in other words, substantially orthogonal to the direction in which the outgoing light 8 is emitted from the light outgoing end 142). .
  • FIG. 3A is a schematic diagram showing the configuration of the optical multiplexer 102 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining how to obtain a later-described divergence angle ⁇ 1 to divergence angle ⁇ 3.
  • the difference between the optical multiplexer 102 and the optical multiplexer 100 (see FIG. 1) is the arrangement of the light emitting end 142.
  • the condensing lens 41 condenses the light source outgoing light 51 so that the light flux of the light source outgoing light 51 converges most at the position of the incident end 111. For this reason, the condensing lens passing light 61 diverges in the optical multiplexer 102 after entering the optical multiplexer 102.
  • the divergence angle (full angle) of the condensing lens passing light 61 generated by the divergence is defined as a divergence angle ⁇ 1.
  • a sector having a divergence angle ⁇ 1 as a central angle is a sector f1.
  • the condensing lens 42 condenses the light source outgoing light 52 so that the light flux of the light source outgoing light 52 converges most at the position of the incident end 121. For this reason, the condensing lens passing light 62 enters the optical multiplexer 102 and then diverges in the optical multiplexer 102.
  • the divergence angle (full angle) of the condensing lens passing light 62 generated by the divergence is defined as a divergence angle ⁇ 2.
  • a sector shape having a divergence angle ⁇ 2 as a central angle is a sector shape f2.
  • the condensing lens 43 condenses the light source outgoing light 53 so that the light flux of the light source outgoing light 53 converges most at the position of the incident end 131. For this reason, the condensing lens passing light 63 enters the optical multiplexer 102 and then diverges in the optical multiplexer 102.
  • the divergence angle (full angle) of the condensing lens passing light 63 generated by the divergence is defined as a divergence angle ⁇ 3.
  • a sector shape having a divergence angle ⁇ 3 as a central angle is a sector shape f3.
  • the sector f1, the sector f2, and the sector f3 are grouped into a sector group (a plurality of sectors) f.
  • the light emitting end 142 is disposed at a position where it does not overlap any of the sector shapes f1 to f3 constituting the sector group f.
  • the inside of the sector f1 is equal to the region where the converging lens passing light 61 diverged inside the optical multiplexer 102 can exist.
  • the inside of the sector f2 is equal to the region where the condensing lens passing light 62 diverged inside the optical multiplexer 102 can exist.
  • the inside of the fan-shaped f3 is equal to the region where the condensing lens passing light 63 diverged inside the optical multiplexer 102 can exist. According to the optical multiplexer 102, since the light emitting end 142 is arranged avoiding these regions, the light guided by the cladding layer 2 described above reaches the light emitting end 142 more. A difficult configuration can be realized.
  • the divergence angle ⁇ 1 can be obtained by the following formulas (1) to (4) with reference to FIG.
  • the divergence angle ⁇ 2 and the divergence angle ⁇ 3 can also be obtained in the same manner as the divergence angle ⁇ 1.
  • NA Numerical aperture of the condenser lens 41 L: Distance from the light exit surface of the condenser lens 41 to the cladding layer 2 ⁇ : Beam diameter of the light source outgoing light 51 n: Refractive index from the condenser lens 41 to the cladding layer 2 ( Usually air is assumed) n c : Refractive index of the clad layer 2 ⁇ : Incident angle (half angle) of the condensing lens passing light 61 to the clad layer 2 ⁇ c : Divergence angle (half angle) of the condensing lens passing light 61 in the cladding layer 2 It is.
  • the condenser lens 41, the light source emission light 51, and the condenser lens passage light 61 may be replaced with the condenser lens 42, the light source emission light 52, and the condenser lens passage light 62, respectively. It's just that.
  • the condensing lens 41, the light source emission light 51, and the condensing lens passage light 61 may be replaced with the condensing lens 43, the light source emission light 53, and the condensing lens passage light 63, respectively. It's just that.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of an optical multiplexer 101 ′ according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the optical multiplexer 101 ′ has the same configuration as that of the optical multiplexer 101 (see FIG. 2), but in addition to the configuration of the optical multiplexer 101, the optical waveguide 11 to the optical waveguide 13, the light source 31 to the light source 33, The matching is optimized.
  • the optical waveguide 11, the optical waveguide 12, and the optical waveguide 13 are all bent by approximately 90 ° from the X direction to the Y direction.
  • the optical waveguide (first optical waveguide) 11 is bent along a first circle c1 having a first radius r1.
  • the optical waveguide (second optical waveguide) 12 is bent along a second circle c2 having a second radius r2.
  • the optical waveguide (third optical waveguide) 13 is bent along a third circle c3 having a third radius r3.
  • the second radius r2 is larger than the first radius r1, and the third radius r3 is larger than the second radius r2.
  • the wavelength of light guided through the optical waveguide 12 is preferably larger than the wavelength of light guided through the optical waveguide 11.
  • the wavelength of light guided through the optical waveguide 13 is preferably larger than the wavelength of light guided through the optical waveguide 12.
  • the combination of the light source outgoing light 51, the light source outgoing light 52, and the light source outgoing light 53 is a combination of red wavelength light, green wavelength light, and blue wavelength light.
  • the light source 31 emits light having a blue wavelength (generally, a wavelength of 450 nm or more and 495 nm or less), and the optical waveguide 11 guides the condensing lens passing light 61 obtained from the light having the blue wavelength.
  • the light source 32 emits green wavelength light (generally, a wavelength of 495 nm or more and 570 nm or less), and the optical waveguide 12 guides the condensing lens passing light 62 obtained from the green wavelength light. Is preferred.
  • the light source 33 emits light having a red wavelength (generally, a wavelength of 620 nm or more and 750 nm or less), and the optical waveguide 13 guides the condensing lens passing light 63 obtained from the light having the red wavelength. Is preferred.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship of the waveguide efficiency of light in the optical waveguide 11 with respect to the bending R of the optical waveguide 11 (corresponding to the first radius r1).
  • the waveguiding efficiency the light emitting end 112 side of the region with respect to the intensity of light incident on the light incident end 111 side (boundary I1 in FIG. 4) most of the region where the optical waveguide 11 and the first circle c1 overlap.
  • the ratio of the intensity of light emitted from (boundary I2 in FIG. 4) is shown as a percentage.
  • Tr indicates the characteristic of light having a red wavelength
  • Tg indicates the characteristic of light having a green wavelength
  • Tb indicates the characteristic of light having a blue wavelength.
  • FIG. 5 shows how efficiently light of a certain wavelength is guided through the optical waveguide 11 having the bending R.
  • the light having a red wavelength has a waveguide efficiency of about 10% when the bending R is about 2.5 mm.
  • the bending R is required to be about 1.1 mm for the green wavelength light, and about 0.9 mm for the blue wavelength light. That is, in order to ensure the waveguide efficiency for light having a longer wavelength, it is necessary to increase the bend R of the optical waveguide 11.
  • the waveguide efficiency tends to decrease.
  • the tolerance to the bending R increases as the wavelength of the guided light decreases.
  • the waveguide efficiency (Tb) of the blue wavelength light is about 100%.
  • the wave guide efficiency (Tg) of light of green wavelength is about 90%, but the wave guide efficiency (Tr) of light of red wavelength is as low as several percent.
  • the optical waveguide 12 and the optical waveguide 13 have the characteristics of the light guide efficiency with respect to the bending R (corresponding to the second radius r2 and the third radius r3, respectively).
  • an efficient optical multiplexer 101 ′ can be configured by guiding the light of the red wavelength by the optical waveguide 13 capable of increasing the bending R as much as possible.
  • An optical multiplexer includes a plurality of optical waveguides (optical waveguide group 1) that respectively guide a plurality of guided lights (guided light group 7) obtained from a plurality of light sources (light source group 3). And a light exit end that is a set of exit ends of each of the plurality of optical waveguides, and the light exit end includes a plurality of light source exit lights (a light source exit light group) respectively emitted from the plurality of light sources. 5) are arranged at positions that do not overlap any of a plurality of extension lines (extension line group 9) obtained by extending the principal rays respectively.
  • the light incident on the optical multiplexer the light that cannot be incident on the plurality of optical waveguides and is guided by the clad (cladding layer 2) is transmitted to the light emitting end. It can be hard to reach. Further, the intensity of light that is guided by the clad and reaches the light emitting end can be reduced. Therefore, according to the above configuration, it is possible to suppress interference of light emitted from the optical multiplexer after passing through the cladding with respect to ideal light that has passed through only the plurality of optical waveguides and emitted from the optical multiplexer. . Therefore, according to the above configuration, it is possible to obtain outgoing light with a desired quality.
  • the light emitting end is disposed between two adjacent ones of the plurality of extension lines (between the extension line 91 and the extension line 92). ing.
  • At least one of the plurality of extension lines and a direction in which light is emitted from the light emission end are substantially orthogonal.
  • the optical multiplexer according to aspect 4 of the present invention is the optical multiplexer according to any one of the aspects 1 to 3, wherein the light exit end includes a plurality of light collecting light beams obtained by passing the plurality of light source light beams through the condenser lenses.
  • the light passing through the optical lens (collecting lens passing light group 6) is included in any of a plurality of sectors (fan group f) each having a divergence angle (full angle) when the light diverges inside the optical multiplexer as a central angle. Is located in no position.
  • the inside of the plurality of sectors is equal to the area where a plurality of condensing lens passing lights diverged inside the optical multiplexer can exist. According to the above configuration, since the light emitting end is arranged avoiding these regions, it is possible to realize a configuration in which the light guided by the cladding is less likely to reach the light emitting end. it can.
  • An optical multiplexer according to aspect 5 of the present invention is the optical multiplexer according to any one of the aspects 1 to 4, wherein the plurality of optical waveguides are bent along a first circle having a first radius (optical waveguide). 11) and a second optical waveguide (optical waveguide 12) bent along a second circle having a second radius larger than the first radius, and is guided through the second optical waveguide. Is longer than the wavelength of the light guided through the first optical waveguide.
  • an efficient optical multiplexer can be comprised because the 2nd optical waveguide which can enlarge bending R guides light with a large wavelength.
  • Optical waveguide group (multiple optical waveguides) 2 Clad layer 3
  • Light source group (multiple light sources) 4 condenser lens group (multiple condenser lenses)
  • Light source output light group (plural light source output light) 6
  • Condensing lens passing light group (plural condensing lens passing light) 7
  • Guided light group (Multiple guided light) 8
  • Emission light 9
  • Extension line group (multiple extension lines)
  • Optical waveguide (first optical waveguide) 12
  • Optical waveguide (second optical waveguide) 13 Optical waveguide 31, 32, 33
  • Light source 41, 42, 43 Condensing lens 51, 52, 53
  • Light source emission light 61, 62, 63 Condensing lens passing light 71, 72, 73 Waveguide light 91, 92, 93 Extension line 100 , 101, 102, 101 ′

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Abstract

所望の品位の出射光を得ることができる光合波器を実現する。光出射端（１４２）は、光源群（３）からそれぞれ出射された光源出射光群（５）の主光線（５１１、５２１、５３１）をそれぞれ延長した延長線群（９）のいずれとも重ならない位置に配置されている。

Description

光合波器
　本発明は、光合波器に関する。
　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は、色の三原色に相当する、赤色、緑色、青色の各波長の光を発する光源が使用される。赤色、緑色、青色の各波長の光は、互いに光軸上で合波される。当該合波によって生成された光は、画像表示部に伝送される。当該画像表示部は、伝送された光を二次元的に走査して、画像を投影する。
　上記のディスプレイ装置の一例として、特許文献１には、ダイクロイックミラーを使用して上記の合波を行う技術が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示されている技術においては、ダイクロイックミラーを使用するため、ディスプレイ装置の小型化に限界があった。そのため、ウェアラブルデバイスの中でもアイウェア等のように使用者の頭部に装着する部位を含むディスプレイ装置においては、光源およびダイクロイックミラーを他の場所（使用者の腕または腰等）に固定する必要があった。
　ところで、光導波路等の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。ダイクロイックミラーに替えて、当該光学結合デバイスを使用すれば、ディスプレイ装置の小型化が可能であると考えられる。
　上記光学結合デバイスの一例が、特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されている光合波器は、３つの光導波路に対してそれぞれ入射した赤色、緑色、青色の各波長の光を合波するものである。
日本国公開特許公報「特開２００７－９３９４５号公報（２００７年４月１２日公開）」 日本国公開特許公報「特開２０１３－１９５６０３号公報（２０１３年９月３０日公開）」
　特許文献２に開示されている光合波器においては、コア（各光導波路）のみを通過して光合波器から出た理想的な光に対して、クラッド層を通過して光合波器から出た光が干渉する虞がある。そしてこれにより、特許文献２に開示されている光合波器においては、所望の品位の出射光を得ることができない虞があるという問題が発生する。
　すなわち、理想的にコアに導波された光ａは、当該コアを通って光合波器から出る。一方、クラッド層に導波された光ｂは、当該光ａに対する雑音成分となる。
　そして、光ａに対して光ｂが干渉することにより、光合波器から出る光の出力の観測を良好に行うことができなくなる虞がある。また、例えば、光合波器の後段にてビーム整形を行うときに、光ａに対して光ｂが干渉した光のビーム整形が行われ、当該ビーム整形を良好に行うことができなくなる虞がある。
　本発明の一態様は、所望の品位の出射光を得ることができる光合波器を実現することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光合波器は、複数の光源からそれぞれ得られた複数の導波光をそれぞれ導波する複数の光導波路と、上記複数の光導波路のそれぞれの出射端の集合である光出射端とを備えており、上記光出射端は、上記複数の光源からそれぞれ出射された複数の光源出射光の主光線をそれぞれ延長した複数の延長線のいずれとも重ならない位置に配置されていることを特徴としている。
　本発明の一態様によれば、所望の品位の出射光を得ることができる。
本発明の実施の形態１および実施の形態２に係る光合波器の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る光合波器の構成を示す概略図である。 （ａ）は本発明の実施の形態４に係る光合波器の構成を示す概略図であり、（ｂ）は発散角の求め方を説明するための図である。 本発明の実施の形態５に係る光合波器の構成を示す概略図である。 光導波路の曲げＲに対する、光導波路における光の導波効率の関係を示すグラフである。
　本発明を実施するための形態について、図１～図５を参照して説明する。なお、説明の便宜上、先に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
　〔実施の形態１〕
　図１は、本発明の実施の形態１、および後述する本発明の実施の形態２に係る光合波器１００の構成を示す概略図である。光合波器１００は、光導波路１１、光導波路１２、光導波路１３、およびクラッド層２を備えている。
　光導波路１１、光導波路１２、および光導波路１３は、換言すれば、光合波器１００のコアである。光導波路１１、光導波路１２、光導波路１３、およびクラッド層２の各々は、例えばシリコン酸化膜によって構成されている。クラッド層２は、省略（換言すれば、空気からなるクラッドに置換）されてもよい。光導波路１１の屈折率、光導波路１２の屈折率、および光導波路１３の屈折率はいずれも、クラッド層２の屈折率より高い。図１においては、光導波路１１、光導波路１２、および光導波路１３をまとめて、光導波路群（複数の光導波路）１としている。また、図１においては、光源３１、光源３２、および光源３３をまとめて、光源群（複数の光源）３としている。また、図１においては、集光レンズ４１、集光レンズ４２、および集光レンズ４３をまとめて、集光レンズ群（複数の集光レンズ）４としている。
　光導波路１１は、光導波路１１における光の入口である入射端１１１と、光導波路１１における光の出口である出射端１１２とを有している。光導波路１２は、光導波路１２における光の入口である入射端１２１と、光導波路１２における光の出口である出射端１２２とを有している。光導波路１３は、光導波路１３における光の入口である入射端１３１と、光導波路１３における光の出口である出射端１３２とを有している。光合波器１００において、出射端１１２、出射端１２２、および出射端１３２の集合を、光出射端１４２としている。
　光源３１は、光源出射光５１を出射する。図１においては、光源出射光５１の主光線を主光線５１１としている。光源３２は、光源出射光５２を出射する。図１においては、光源出射光５２の主光線を主光線５２１としている。光源３３は、光源出射光５３を出射する。図１においては、光源出射光５３の主光線を主光線５３１としている。光源３１、光源３２、および光源３３の各々は、例えばレーザダイオードによって構成されている。また、光源出射光５１、光源出射光５２、および光源出射光５３の組み合わせの一例として、赤色の波長の光、緑色の波長の光、および青色の波長の光の組み合わせが挙げられる。図１においては、光源出射光５１、光源出射光５２、および光源出射光５３をまとめて、光源出射光群（複数の光源出射光）５としている。
　光源出射光５１は、集光レンズ４１を通過して、集光レンズ通過光６１となる。集光レンズ通過光６１は、入射端１１１から光導波路１１に対して入射する。光導波路１１は、自身に入射した集光レンズ通過光６１を導波する。図１においては、光導波路１１が導波する光を、導波光７１としている。光源出射光５２は、集光レンズ４２を通過して、集光レンズ通過光６２となる。集光レンズ通過光６２は、入射端１２１から光導波路１２に対して入射する。光導波路１２は、自身に入射した集光レンズ通過光６２を導波する。図１においては、光導波路１２が導波する光を、導波光７２としている。光源出射光５３は、集光レンズ４３を通過して、集光レンズ通過光６３となる。集光レンズ通過光６３は、入射端１３１から光導波路１３に対して入射する。光導波路１３は、自身に入射した集光レンズ通過光６３を導波する。図１においては、光導波路１３が導波する光を、導波光７３としている。図１においては、集光レンズ通過光６１、集光レンズ通過光６２、および集光レンズ通過光６３をまとめて、集光レンズ通過光群（複数の集光レンズ通過光）６としている。また、図１においては、導波光７１、導波光７２、および導波光７３をまとめて、導波光群（複数の導波光）７としている。
　光合波器１００においては、導波光７１、導波光７２、および導波光７３が合波され、光出射端１４２から出射される。図１においては、この光出射端１４２から出射された光を、出射光８としている。出射光８は、光合波器１００の出射光であるとも言える。
　ここで、光出射端１４２は、主光線５１１を延長した延長線９１と重ならない位置に配置されている。また、光出射端１４２は、主光線５２１を延長した延長線９２と重ならない位置に配置されている。さらに、光出射端１４２は、主光線５３１を延長した延長線９３と重ならない位置に配置されている。図１においては、延長線９１、延長線９２、および延長線９３をまとめて、延長線群（複数の延長線）９としている。つまり、光出射端１４２は、延長線群９を構成する延長線９１～延長線９３のいずれとも重ならない位置に配置されている。
　光合波器１００によれば、光合波器１００への入射光（集光レンズ通過光群６）のうち、光導波路群１に入射し切れず、クラッド層２が導波することになった光が、光出射端１４２に対して届きにくくすることができる。また、当該クラッド層２が導波することになった光であって、光出射端１４２に対して届く光の強度を小さくすることができる。従って、光合波器１００によれば、光導波路群１のみを通過して光合波器１００から出た理想的な光に対する、クラッド層２を通過して光合波器１００から出た光の干渉を抑制することができる。従って、光合波器１００によれば、所望の品位の出射光を得ることができる。
　〔実施の形態２〕
　図１に示した光合波器１００において、光出射端１４２は、延長線群９のうち隣接する２つの間、すなわち、延長線９１と延長線９２との間に配置されている。
　これにより、光合波器１００において、光出射端１４２が、延長線９１～延長線９３のいずれとも重ならない位置に配置されている構成を実現することができる。
　〔実施の形態３〕
　図２は、本発明の実施の形態３に係る光合波器１０１の構成を示す概略図である。光合波器１０１と光合波器１００（図１参照）との相違点は、光出射端１４２の配置にある。
　図２においては、互いに垂直な２方向である、Ｘ方向およびＹ方向を規定している。Ｘ方向は、延長線９１～延長線９３のそれぞれと平行な方向である。Ｙ方向は、図２に示す面に沿っており、Ｘ方向に対して垂直な方向である。
　光導波路１１、光導波路１２、および光導波路１３はいずれも、Ｘ方向からＹ方向へと略９０°屈曲している。この結果、光出射端１４２から出射光８が出射される方向は、Ｙ方向と略沿っており、延長線９１～延長線９３のそれぞれと略直交している。またこのとき、光出射端１４２は、入射端１１１、入射端１２１、および入射端１３１が形成された光合波器１０１の端辺１０１１と対向の関係にない、光合波器１０１の端辺１０１２および端辺１０１３のいずれか（ここでは端辺１０１２）に配置されている。
　光合波器１０１によれば、上述したクラッド層２が導波することになった光が、光出射端１４２に対してより届きにくい構成を実現することができる。
　なお、図２においては、延長線９１～延長線９３が互いに平行であるものとして説明を行ったが、延長線９１～延長線９３が互いに平行であることは必須でない。すなわち、延長線９１～延長線９３のうち少なくとも１つがＸ方向に沿っている（換言すれば、光出射端１４２から出射光８が出射される方向と略直交している）構成であればよい。
　〔実施の形態４〕
　図３の（ａ）は、本発明の実施の形態４に係る光合波器１０２の構成を示す概略図である。図３の（ｂ）は、後述する発散角θ１～発散角θ３の求め方を説明するための図である。光合波器１０２と光合波器１００（図１参照）との相違点は、光出射端１４２の配置にある。
　集光レンズ４１は、入射端１１１の位置にて光源出射光５１の光線束が最も収束するように、光源出射光５１を集光する。このため、集光レンズ通過光６１は、光合波器１０２に対して入射した後、光合波器１０２内で発散することとなる。図３の（ａ）においては、当該発散により生じる集光レンズ通過光６１の発散角（全角）を発散角θ１としている。また、図３の（ａ）においては、発散角θ１を中心角とする扇形を扇形ｆ１としている。集光レンズ４２は、入射端１２１の位置にて光源出射光５２の光線束が最も収束するように、光源出射光５２を集光する。このため、集光レンズ通過光６２は、光合波器１０２に対して入射した後、光合波器１０２内で発散することとなる。図３の（ａ）においては、当該発散により生じる集光レンズ通過光６２の発散角（全角）を発散角θ２としている。また、図３の（ａ）においては、発散角θ２を中心角とする扇形を扇形ｆ２としている。集光レンズ４３は、入射端１３１の位置にて光源出射光５３の光線束が最も収束するように、光源出射光５３を集光する。このため、集光レンズ通過光６３は、光合波器１０２に対して入射した後、光合波器１０２内で発散することとなる。図３の（ａ）においては、当該発散により生じる集光レンズ通過光６３の発散角（全角）を発散角θ３としている。また、図３の（ａ）においては、発散角θ３を中心角とする扇形を扇形ｆ３としている。図３の（ａ）においては、扇形ｆ１、扇形ｆ２、および扇形ｆ３をまとめて、扇形群（複数の扇形）ｆとしている。そして、光出射端１４２は、扇形群ｆを構成する扇形ｆ１～扇形ｆ３のいずれとも重ならない位置に配置されている。
　扇形ｆ１の内側は、光合波器１０２の内部で発散した集光レンズ通過光６１が存在し得る領域と等しい。扇形ｆ２の内側は、光合波器１０２の内部で発散した集光レンズ通過光６２が存在し得る領域と等しい。扇形ｆ３の内側は、光合波器１０２の内部で発散した集光レンズ通過光６３が存在し得る領域と等しい。光合波器１０２によれば、これらの領域を避けて光出射端１４２が配置されているため、上述したクラッド層２が導波することになった光が、光出射端１４２に対してより届きにくい構成を実現することができる。
　なお、発散角θ１は、図３の（ｂ）を参照して、下記の数式（１）～（４）によって求めることができる。発散角θ２および発散角θ３についても、発散角θ１と同様の要領で求めることができる。
　　ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ　　　・・・（１）
　　ｎ・ｓｉｎθ＝ｎｃ・ｓｉｎθｃ　　　・・・（２）
　　Φ＝２・Ｌ・ｔａｎθ　　　・・・（３）
　　θ１＝２・θｃ　　　・・・（４）
　但し、
　　ＮＡ：集光レンズ４１の開口数
　　Ｌ：集光レンズ４１の光出射面からクラッド層２までの距離
　　Φ：光源出射光５１のビーム径
　　ｎ：集光レンズ４１からクラッド層２までの屈折率（通常、空気を想定）
　　ｎｃ：クラッド層２の屈折率
　　θ：クラッド層２への集光レンズ通過光６１の入射角（半角）
　　θｃ：クラッド層２内での集光レンズ通過光６１の発散角（半角）
である。発散角θ２を求める場合、集光レンズ４１、光源出射光５１、および集光レンズ通過光６１を、それぞれ、集光レンズ４２、光源出射光５２、および集光レンズ通過光６２に置換すればよいだけのことである。発散角θ３を求める場合、集光レンズ４１、光源出射光５１、および集光レンズ通過光６１を、それぞれ、集光レンズ４３、光源出射光５３、および集光レンズ通過光６３に置換すればよいだけのことである。
　〔実施の形態５〕
　図４は、本発明の実施の形態５に係る光合波器１０１´の構成を示す概略図である。光合波器１０１´は、見かけ上は光合波器１０１（図２参照）と同じ構成であるが、光合波器１０１の構成に加え、光導波路１１～光導波路１３と、光源３１～光源３３とのマッチングが最適化されている。
　上述したとおり、光導波路１１、光導波路１２、および光導波路１３はいずれも、Ｘ方向からＹ方向へと略９０°屈曲している。具体的に、光導波路（第１光導波路）１１は、第１半径ｒ１を持つ第１円ｃ１に沿って曲げられている。また、光導波路（第２光導波路）１２は、第２半径ｒ２を持つ第２円ｃ２に沿って曲げられている。また、光導波路（第３光導波路）１３は、第３半径ｒ３を持つ第３円ｃ３に沿って曲げられている。第２半径ｒ２は第１半径ｒ１より大きく、第３半径ｒ３は第２半径ｒ２より大きい。
　上記構成を有する光導波路群１において、光導波路１２を導波する光の波長は、光導波路１１を導波する光の波長より大きいことが好ましい。また、上記構成を有する光導波路群１において、光導波路１３を導波する光の波長は、光導波路１２を導波する光の波長より大きいことが好ましい。具体例として、光源出射光５１、光源出射光５２、および光源出射光５３の組み合わせが、赤色の波長の光、緑色の波長の光、および青色の波長の光の組み合わせである場合を考える。この場合、光源３１が青色の波長の光（一般に、波長４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下）を発光し、光導波路１１が当該青色の波長の光から得られた集光レンズ通過光６１を導波することが好ましい。またこの場合、光源３２が緑色の波長の光（一般に、波長４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）を発光し、光導波路１２が当該緑色の波長の光から得られた集光レンズ通過光６２を導波することが好ましい。またこの場合、光源３３が赤色の波長の光（一般に、波長６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下）を発光し、光導波路１３が当該赤色の波長の光から得られた集光レンズ通過光６３を導波することが好ましい。
　図５は、光導波路１１の曲げＲ（第１半径ｒ１に相当）に対する、光導波路１１における光の導波効率の関係を示すグラフである。当該導波効率としては、光導波路１１と第１円ｃ１とが重なる領域のうち最も入射端１１１側（図４の境界Ｉ１）に入射する光の強度に対する、当該領域のうち最も出射端１１２側（図４の境界Ｉ２）から出射する光の強度の割合を百分率で示している。また、図５中、Ｔｒは赤色の波長の光の特性を示しており、Ｔｇは緑色の波長の光の特性を示しており、Ｔｂは青色の波長の光の特性を示している。
　図５は、ある波長の光が曲げＲを持った光導波路１１を導波するときに、どの程度の効率で導波するのかを示したものである。例えば、図５によれば、赤色の波長の光は、曲げＲが約２．５ｍｍの場合、導波効率が約１０％となる。また、図５によれば、導波効率１０％を確保する場合、緑色の波長の光については曲げＲが約１．１ｍｍ、青色の波長の光については約０．９ｍｍ必要である。すなわち、波長が長い光ほど導波効率を確保するためには、光導波路１１の曲げＲを大きくする必要がある。
　光導波路１１は、曲げＲが小さいと導波効率が下がる傾向となる。また、光導波路１１においては、導波する光の波長が小さいほど曲げＲに対する裕度が上がり、例えば曲げＲが２ｍｍである場合、青色の波長の光の導波効率（Ｔｂ）は約１００％、緑色の波長の光の導波効率（Ｔｇ）は約９０％となるが、赤色の波長の光の導波効率（Ｔｒ）は数％と低い。光導波路１２および光導波路１３についても、光導波路１１と同様の、曲げＲ（それぞれ、第２半径ｒ２および第３半径ｒ３に相当）に対する、光の導波効率の特性を有している。
　よって、できるだけ曲げＲを大きくすることができる光導波路１３が赤色の波長の光を導波することで、効率的な光合波器１０１´を構成することができる。
　〔まとめ〕
　本発明の態様１に係る光合波器は、複数の光源（光源群３）からそれぞれ得られた複数の導波光（導波光群７）をそれぞれ導波する複数の光導波路（光導波路群１）と、上記複数の光導波路のそれぞれの出射端の集合である光出射端とを備えており、上記光出射端は、上記複数の光源からそれぞれ出射された複数の光源出射光（光源出射光群５）の主光線をそれぞれ延長した複数の延長線（延長線群９）のいずれとも重ならない位置に配置されている。
　上記の構成によれば、光合波器への入射光のうち、複数の光導波路に入射し切れず、クラッド（クラッド層２）が導波することになった光が、光出射端に対して届きにくくすることができる。また、当該クラッドが導波することになった光であって、光出射端に対して届く光の強度を小さくすることができる。従って、上記の構成によれば、複数の光導波路のみを通過して光合波器から出た理想的な光に対する、クラッドを通過して光合波器から出た光の干渉を抑制することができる。従って、上記の構成によれば、所望の品位の出射光を得ることができる。
　本発明の態様２に係る光合波器は、上記態様１において、上記光出射端は、上記複数の延長線のうち隣接する２つの間（延長線９１と延長線９２との間）に配置されている。
　上記の構成によれば、光出射端が、複数の延長線のいずれとも重ならない位置に配置されている構成を実現することができる。
　本発明の態様３に係る光合波器は、上記態様１において、上記複数の延長線のうち少なくとも１つと、上記光出射端から光が出射される方向とが略直交している。
　上記の構成によれば、クラッドが導波することになった光が、光出射端に対してより届きにくい構成を実現することができる。
　本発明の態様４に係る光合波器は、上記態様１から３のいずれかにおいて、上記光出射端は、上記複数の光源出射光がそれぞれ集光レンズを通過して得られた、複数の集光レンズ通過光（集光レンズ通過光群６）が上記光合波器の内部で発散するときの発散角（全角）をそれぞれ中心角とした複数の扇形（扇形群ｆ）のいずれにも含まれない位置に配置されている。
　複数の扇形の内側は、それぞれ、光合波器の内部で発散した複数の集光レンズ通過光が存在し得る領域と等しい。上記の構成によれば、これらの領域を避けて光出射端が配置されているため、クラッドが導波することになった光が、光出射端に対してより届きにくい構成を実現することができる。
　本発明の態様５に係る光合波器は、上記態様１から４のいずれかにおいて、上記複数の光導波路は、第１半径を持つ第１円に沿って曲げられた第１光導波路（光導波路１１）と、当該第１半径より大きな第２半径を持つ第２円に沿って曲げられた第２光導波路（光導波路１２）とを有しており、上記第２光導波路を導波する光の波長は、上記第１光導波路を導波する光の波長より大きい。
　光導波路は、曲げＲ（第１光導波路における第１半径、第２光導波路における第２半径）が小さいと導波効率が下がる傾向となる。また、光導波路においては、導波する光の波長が小さいほど曲げＲに対する裕度が上がる。上記の構成によれば、曲げＲを大きくすることができる第２光導波路が波長の大きい光を導波することで、効率的な光合波器を構成することができる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１　光導波路群（複数の光導波路）
２　クラッド層
３　光源群（複数の光源）
４　集光レンズ群（複数の集光レンズ）
５　光源出射光群（複数の光源出射光）
６　集光レンズ通過光群（複数の集光レンズ通過光）
７　導波光群（複数の導波光）
８　出射光
９　延長線群（複数の延長線）
１１　光導波路（第１光導波路）
１２　光導波路（第２光導波路）
１３　光導波路
３１、３２、３３　光源
４１、４２、４３　集光レンズ
５１、５２、５３　光源出射光
６１、６２、６３　集光レンズ通過光
７１、７２、７３　導波光
９１、９２、９３　延長線
１００、１０１、１０２、１０１´　光合波器
１１１、１２１、１３１　入射端
１１２、１２２、１３２　出射端
１４２　光出射端
５１１、５２１、５３１　主光線
１０１１、１０１２、１０１３　端辺
ｃ１　第１円
ｃ２　第２円
ｃ３　第３円
ｆ　扇形群（複数の扇形）
ｆ１、ｆ２、ｆ３　扇形
Ｉ１、Ｉ２　境界
ｒ１　第１半径
ｒ２　第２半径
ｒ３　第３半径
θ１、θ２、θ３　発散角

Claims (5)

  1. 　複数の光源からそれぞれ得られた複数の導波光をそれぞれ導波する複数の光導波路と、
    　上記複数の光導波路のそれぞれの出射端の集合である光出射端とを備えており、
    　上記光出射端は、上記複数の光源からそれぞれ出射された複数の光源出射光の主光線をそれぞれ延長した複数の延長線のいずれとも重ならない位置に配置されていることを特徴とする光合波器。
  2. 　上記光出射端は、上記複数の延長線のうち隣接する２つの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光合波器。
  3. 　上記複数の延長線のうち少なくとも１つと、上記光出射端から光が出射される方向とが略直交していることを特徴とする請求項１に記載の光合波器。
  4. 　上記光出射端は、上記複数の光源出射光がそれぞれ集光レンズを通過して得られた、複数の集光レンズ通過光が上記光合波器の内部で発散するときの発散角（全角）をそれぞれ中心角とした複数の扇形のいずれにも含まれない位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光合波器。
  5. 　上記複数の光導波路は、第１半径を持つ第１円に沿って曲げられた第１光導波路と、当該第１半径より大きな第２半径を持つ第２円に沿って曲げられた第２光導波路とを有しており、
    　上記第２光導波路を導波する光の波長は、上記第１光導波路を導波する光の波長より大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光合波器。
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JP2020064218A (ja) * 2018-10-18 2020-04-23 国立大学法人福井大学 光合波器、光源モジュール、２次元光走査装置及び画像投影装置

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