WO2021002254A1 - 光合波器 - Google Patents

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waveguide
optical
output
lights
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姫野　明
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セーレンＫｓｔ株式会社
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    • 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
    • G02B6/10—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
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means

Definitions

  • the present invention relates to an optical combiner that combines a plurality of lights having different wavelengths. More specifically, it is an optical combiner that combines a plurality of input lights having different wavelengths, including at least red light (R), green light (G), and blue light (B), and outputs the multiple inputs from one waveguide.
  • the present invention relates to a small optical combiner that can obtain highly efficient output light power in the output light of each light.
  • MMI multimode interference
  • An MMI tandem combiner that combines three wavelengths of light is known, but the output of red light (R), green light (G), and blue light (B) is 65 to 75% for each light. It is described that the output light power of the above can be obtained (Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such a problem, and while realizing miniaturization, all of each light has an optical power of 80% or more of the total output optical power of each from one waveguide. It is an object of the present invention to provide an optical combiner having multiple outputs.
  • a plurality of lights having different wavelengths are input from each waveguide, and by using two or more directional couplers, the plurality of lights are combined and output multiple times from one waveguide.
  • an optical combiner wherein all of the plurality of lights having different wavelengths output an optical power of 80% or more of the total output optical power of each light from the waveguide.
  • outputting 80% or more of the total output optical power of each of the optical powers from the waveguide means that the light of the plurality of light having different wavelengths is output from the plurality of waveguides of the optical combiner.
  • the total power 100%, it means that 80% or more of the optical power of each of the plurality of lights is output multiple times from one waveguide.
  • the optical combiner Since the light power is slightly attenuated by propagating the light through the waveguide, not all the input light power becomes the total output light power, but in the present invention, the optical combiner is miniaturized. Since the degree of attenuation is small due to the design of the waveguide, the total output optical power of each light is 80% or more, preferably 90% or more, and more preferably 95% of the input optical power. That is all.
  • the optical coupling waveguide length is designed so that the extreme values of the propagating optical power waves of the plurality of lights having different wavelengths overlap at the time of output, thereby directionally coupling the multiple output lights. It is preferably obtained from the output of one of the vessels.
  • the number of the optical combiner used by the directional coupler is two.
  • the plurality of lights having different wavelengths include at least red light, green light and blue light.
  • examples of other light having different wavelengths include, but are not limited to, yellow light, orange light, indigo light, and purple light.
  • the width and height of the two waveguides in the optical coupling waveguide of the directional coupler are 1.0 to 3.0 ⁇ m, respectively, and the distance between the waveguides is 0.5 to 0.5 to 3.0 ⁇ m. It is preferably 3.0 ⁇ m.
  • the optical combiner preferably has a waveguide length of 0 to 1500 ⁇ m in the optical coupling waveguide of the directional coupler.
  • the waveguide length in the optical coupling waveguide may be 0 ⁇ m.
  • a plurality of lights having different wavelengths are input from each waveguide, and by using two or more directional couplers, the plurality of lights are combined and output multiple times from one waveguide.
  • a miniaturized optical combiner in which all of the plurality of lights having different wavelengths output 80% or more of the total output optical power of each light from the waveguide. Can be done.
  • FIG. 4A is applied to a scanning display. It is a figure which shows the propagating light power wave in the simulation result of the optical combiner in Example 1. It is a figure which shows the propagating light power wave in the simulation result of the optical combiner in Example 2, (a) shows the propagating light power wave of the 1st directional coupler, and (b) is the 2nd directional coupler. Shows the propagating light power wave.
  • FIG. 1A is a plan view showing a basic pattern of the directional coupler used for the optical combined wave in the present invention, and is an input light 101 having a wavelength 1 and an input light 102 having a wavelength 2 different from the wavelength 1.
  • the cross-sectional shape of the two waveguides in the optical coupling waveguide 105 is square, rectangular or circular.
  • the two waveguides have an optical coupling waveguide distance 106 and an optical coupling waveguide length 107.
  • FIGS. 1B and 1C are plan views showing other patterns of the directional coupler used for the optical combined wave in the present invention, and the S-shaped circuit 104 is placed on the input light side and the output light side, respectively.
  • a pattern is shown in which one circuit is provided one by one, and the other circuits on the input light side and the output light side are linear waveguides having the same cross-sectional shape as the optical coupling waveguide 105.
  • a pattern or S-shaped circuit 104 in which two S-shaped circuits 104 are provided on the input light side and one on the output light side and the remaining one circuit on the output light side is a linear waveguide is provided.
  • a directional coupler having a pattern in which one circuit on the input light side and two circuits on the output light side are provided and the remaining one circuit on the input light side is a linear waveguide may be used.
  • the S-shaped circuit 104, the optical coupling waveguide 105, and the linear waveguide a pattern having an arbitrary shape or an arbitrary length can be used.
  • the width and height of the two waveguides are 1.0 to 3.0 ⁇ m, preferably 1.2 to 2.0 ⁇ m, respectively.
  • the width and height are assumed to be a case where the cross-sectional shape of the waveguide is square or rectangular, and when the cross-sectional shape is circular, it means a diameter.
  • the difference in the specific refractive index from the periphery of the waveguide is preferably 0.5 to 2.0%. In the propagation of light, when both the width and the height are less than 1.0 ⁇ m, the light confinement becomes extremely weak and the waveguide is bent, especially when the specific refractive index difference is less than 0.5%.
  • the practical waveguide function is impaired, for example, it becomes difficult to do so, and the loss increases in response to minute disturbances in the waveguide structure.
  • both the width and the height exceed 3.0 ⁇ m, especially when the specific refractive index difference exceeds 2.0%, the single mode operation is lost and the light of a plurality of modes is transmitted. It becomes a multi-mode waveguide.
  • a directional coupler as in the present invention is utilized. It becomes difficult to use in the field.
  • FIG. 2 is a diagram showing a propagating optical power wave in the optical coupling waveguide 105 of the directional coupler.
  • the vertical axis represents the value of the optical power with the maximum value as 100%
  • the horizontal axis represents the optical coupled waveguide length (corresponding to the optical coupled waveguide length 107 in FIG. 1).
  • the minimum value (109, 111) of the propagating light power wave represents a state in which the input light does not exist in the waveguide and is 100% transferred to the adjacent waveguide
  • the maximum value (108, 110, 112) Indicates a state in which 100% of the input light is present in the waveguide and has not been transferred to the adjacent waveguide.
  • the maximum value and the minimum value are collectively referred to as an extreme value, and the extreme values of 108 to 112 are expressed in order as the first extreme value to the fifth extreme value.
  • the optical coupling waveguide length is 0, it is the optical coupling waveguide 105 that the propagating light is transferred to the adjacent waveguide as shown by the optical power of about 50%. It is the influence of the S-shaped circuit 104 adjacent to.
  • the optical coupling waveguide length is also possible to set to a minimum value (expressed as the 0th extreme value) in which the light does not migrate to the adjacent waveguide at 0.
  • FIG. 3 is a diagram showing a plurality of propagating light power waves having different wavelengths, in which red light (R), green light (G), and blue light (B) have a cross-sectional shape having a specific width and height. It propagates through a rectangular optical coupled waveguide 105.
  • the red light (R) has a wavelength in the range of 620 to 750 nm
  • the green light (G) has a wavelength in the range of 495 to 570 nm
  • the blue light (B) has a wavelength in the range of 450 to 495 nm.
  • the optical coupling waveguide length 107 By designing the optical coupling waveguide length 107 so that the pole values of different light propagating light power waves overlap at the time of output, the output light power for each total output light power of a plurality of lights having different wavelengths. It is possible to obtain multiple output light having an optical power of 80% or more of each of the plurality of lights from one waveguide of the directional coupler.
  • FIG. 4 is a schematic view showing an optical combiner 200 according to an embodiment of the present invention, (a) is a plan view of the optical combiner 200, and (b) is a leftward direction of the optical combiner 200 of (a). It is a side view seen from the input light side of.
  • the first to third input lights 201 to 203 having different wavelengths are input to the first to third waveguides 204 to 206, respectively.
  • the first input light 201 and the second input light 202 are combined by the first directional coupler 210 and output to the second waveguide 205 as multiple output light.
  • the first input light 201 and the second input light 202 from the second waveguide 205, and the third input light 203 from the third waveguide 206 are input to the second directional coupler 211 to combine the output light. Is output as the multiple output light of the second output light 208 or the third output light 209 through the second waveguide 205 or the third waveguide 206.
  • the first to third waveguides 204 to 206 have a sufficient distance between the waveguides so that the light propagating in the waveguides does not merge with each other.
  • the total of the output light powers of the first to third output lights 207 to 209 is called the total output light power, and the second output light 208 or the third output light to be output multiple times.
  • the optical power of 209 80% or more of the total output optical power is output.
  • the first to third waveguides 204 to 206 are shown to the right end, but the first guide that is not involved in the multiple output light is shown.
  • the waveguide 204 and the like since the waveguide to the right end is not required, the waveguide may be set in front of the right end and treated as scattered light. In this case, in order to avoid the influence of the scattered light on the multiple output light, it is preferable to bend the end in a direction other than the direction of the multiple output light.
  • the direction shown in FIG. 4 By optimizing the numerical values of the inter-wavelength distance 106 and the waveguide length 107 in the optical coupling waveguide 105 of the sex coupler, the extreme values of the propagating optical power waves of the respective input lights overlap at the time of output. It is important to output from the directional coupler, and the output light of different wavelengths in the second output light 208 or the third output light 209 from the second directional coupler 211 in the optical combiner of the present invention is output. At this point, the extreme values are output so that they overlap.
  • the directional coupler used in the optical combiner of the present invention has a function of merging two input lights
  • the directional coupler must be used in order for the optical combiner to combine three or more input lights. It is necessary to use at least two.
  • the number of directional couplers used is preferably two.
  • the optical combiner 200 can be formed by a known chemical vapor deposition method (CVD), a sputtering method, or the like.
  • CVD chemical vapor deposition method
  • a silicon oxide film having a low refractive index to be a clad layer 230 is formed on a silicon substrate 220 by a chemical vapor deposition method, and then a silicon oxide film having a high refractive index to be a core layer is laminated. Then, this core layer is patterned as an optical waveguide core having a constant width by a photolithography method using a photomask having a pattern corresponding to the shape of the first to third waveguides 204 to 206.
  • a silicon oxide film having a low refractive index to be a clad layer 230 is laminated on this, and covers the optical waveguide core.
  • the first to third waveguides 204 to 206 are formed on the substrate 220 by the optical waveguide core and the clad 230 layers around the optical waveguide core.
  • the clad layer for example, a layer having an absolute refractive index of about 1.46 can be used, and as a core layer, a layer having a refractive index difference of about 0.5 to 1.5% from the clad layer can be used. Can be used.
  • the combiner 200 is completed by polishing both end surfaces of the substrate 220 and the clad layer 230 to expose the input ends and output ends of the first to third waveguides 204 to 206.
  • the width and height of the first to third waveguides 204 to 206 in the combiner 200 are not particularly limited, but the combiner 200 includes the first directional coupler 210 and the second directional coupler 211. It is preferable that the width and height of the waveguide in the optical coupling waveguide of the directional coupler are the same as those of the directional coupler.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an apparatus when the combiner 200 of FIG. 3A is applied to a scanning display.
  • the scanning display has a control unit 1a and a display unit 1b.
  • the control unit 1a and the display unit 1b may be integrally configured, but in the illustrated example, the control unit 1a and the display unit 1b are separately configured, and the control unit 1a and the display unit 1b are electrically connected. They are connected by signal lines capable of transmitting target and optical signals.
  • the display unit 1b is attached to the user's head by using, for example, a spectacle-shaped wearing tool.
  • the control unit 1a includes a control unit 12, an operation unit 13, an external interface (I / F) 14, an R laser driver 15a, a G laser driver 15b, a B laser driver 15c, an R-LD16a, and a G-. It has an LD16b, a B-LD16c, and a combiner 10.
  • the control unit 12 is composed of, for example, a CPU, a ROM, a microcomputer including a RAM, and the like.
  • the control unit 12 has an R signal, a G signal, a B signal, a horizontal signal, and a vertical signal, which are elements for synthesizing an image based on image data supplied from an external device such as a PC via an external I / F14. Occurs.
  • the control unit 12 transmits the R signal to the R laser driver 15a, the G signal to the G laser driver 15b, and the B signal to the B laser driver 15c, respectively.
  • the control unit 12 transmits a horizontal signal to the horizontal scanning driver 23 and a vertical signal to the vertical scanning driver 26, respectively.
  • the horizontal signal and the vertical signal include a synchronization signal that determines the operation timing of the horizontal scanner 22 and the vertical scanner 25, and a drive signal transmitted from the horizontal scanning dryer b23 and the vertical scanning driver 26 to the horizontal scanner 22 and the vertical scanner 25. It includes drive setting signals that set the voltage and frequency.
  • the operation unit 13 is composed of various buttons that receive scanning from the user, an interface circuit that transmits operation signals generated when the various buttons are pressed, and the like to the control unit 12.
  • Various buttons for receiving operations from the user are provided, for example, on the surface of the housing of the control unit 1a.
  • the external I / F 14 is an interface for electrically connecting the control unit 1a and an external device such as a PC.
  • the R laser driver 15a drives the R-LD16a so as to generate a red laser having an amount of light corresponding to the R signal from the control unit 12.
  • the G laser driver 15b drives the R-LD16b so as to generate a green laser having an amount of light corresponding to the G signal from the control unit 12.
  • the B laser driver 15c drives the B-LD 16c so as to generate a blue laser having a light amount corresponding to the B signal from the control unit 12.
  • the laser light of each color generated from the R-LD16a, G-16b, and B-LD16c is incident on the combiner 10 and emitted from the combiner 10 in a state of being combined as wavelength division multiplexing light.
  • the emitted laser light is transmitted to the display unit 1b via the optical fiber included in the signal line.
  • the display unit 1b includes a collimating optical system 21, a horizontal scanner 22, a horizontal scanning driver 23, a relay optical system 24, a vertical scanner 25, a vertical scanning driver 26, and an eyepiece optical system 27.
  • the collimating optical system 21 converts the laser light emitted from the optical fiber into parallel light.
  • the laser beam converted into parallel light is incident on the horizontal scanner 22.
  • the horizontal scanner 22 operates the laser beam from the collimating optical system 21 in the horizontal direction.
  • the horizontal scanner 22 has a swinging reflective surface. As the reflecting surface swings, the laser beam incident on the reflecting surface is scanned in the horizontal direction.
  • the horizontal scanner 22 can be configured by, for example, a resonance type MEMS (MicroElectromechanical System) mirror used by using a piezoelectric element.
  • the horizontal scanning driver 23 controls the swinging state of the horizontal scanner 22 according to the horizontal synchronization signal from the control unit 12.
  • the horizontally scanned laser beam enters the relay optical system 24.
  • the vertical scanner 25 scans the laser beam from the relay optical system 24 in the vertical direction.
  • the vertical scanner 25 has a swinging reflective surface.
  • the laser beam incident on the reflecting surface is scanned in the vertical direction.
  • it can be configured with a swinging MEMS mirror.
  • the vertical scanning driver 27 controls the swing state of the vertical scanner 25 according to the vertical synchronization signal from the control unit 12.
  • the laser beam is investigated in the horizontal direction by the horizontal scanner 22, it becomes the image light scanned two-dimensionally by the vertical scanner 25.
  • the two-dimensionally scanned image light is incident on the eyepiece optical system 27.
  • the types of the first to third input lights 201 to 203 in the optical combiner 200 shown in FIG. 4A are red light (R), green light (G), and blue light (B).
  • R red light
  • G green light
  • B blue light
  • Table 1 shows Examples 1 and 2 in which the ratio of the output light power to the total output light power is calculated when the "extreme order of the propagating light power wave of each input light in the point range" is set to a specific numerical value, and each of them is shown.
  • the propagating light power waves in the simulation results of are shown in FIGS. 6 to 7.
  • the beam propagation method (BPM) which is a well-known electromagnetic field analysis method, is used in which the propagating light power wave of the input light is sequentially calculated using Maxwell's equations. There was.
  • the extreme values in the propagating light power waves of a plurality of lights having different wavelengths do not exactly match with the same optical coupling waveguide length in the simulation, and a slight deviation occurs. Therefore, it is difficult to design the optical coupling waveguide length so that the extreme values of the propagating optical power waves of the plurality of lights having different wavelengths completely overlap at the time of output. Since it is difficult to make the exact match, the value of the propagating light power wave capable of outputting 80% or more of the total output light power of each of the plurality of lights having different wavelengths in the vicinity of the extreme value is set.
  • the operating point range is a range of values of a propagating light power wave that includes the extreme values of each of a plurality of lights having different wavelengths and can output 80% or more of the total output optical power of each.
  • the optical coupling waveguide length is designed to be within the operating point range.
  • FIG. 6 is a diagram showing a propagating optical power wave in the simulation result of the optical combiner in the first embodiment.
  • the vertical axis represents optical power
  • the horizontal axis represents the length of the optical coupled waveguide (indicated as an arbitrary unit; the same applies hereinafter), and the propagating light of red light (R), green light (G), and blue light (B), respectively. Shows a power wave.
  • the range of 0.5 to 0.65 shown by the thin dotted line in the optical coupling waveguide length in FIG. 6 is the secondary polar region (minimum value) of red light (R) and the primary polar region of green light (G). It represents the operating point range of the first directional coupler 210 including (maximum value), and the optical coupling of the first directional coupler 210 so as to be multiple output to the waveguide within the range of the operating point range. Design the waveguide length.
  • the range of 1.3 to 1.5 shown by the thin dotted line in the optical coupling waveguide length in FIG. 6 is the fourth polar region (minimum value) of red light (R) and the first of green light (G).
  • the optical coupling waveguide length of the second directional coupler 211 is designed so that multiple outputs are output to the waveguide.
  • 90% or more ( ⁇ ) of the total output light power from the optical combiner 200 is combined to combine the light powers from one waveguide. I was able to output multiple times.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams showing the propagating light power wave in the simulation result of the optical combiner in the second embodiment
  • FIG. 7A shows the propagating light power wave of the first directional coupler
  • FIG. 7B shows the propagating light power wave in the second direction.
  • the propagating optical power wave of the sex coupler is shown.
  • the operating point range of (a) includes the primary polar region (maximum value) of red light (R) and the 0th polar region (minimum value) of blue light (B), and the operation point range of (b)
  • the operating point range is the tertiary polar region (maximum value) of red light (R), the primary polar region (maximum value) of blue light (B), and the secondary polar region (minimum value) of green light (G).
  • the optical coupling waveguide lengths of the first directional coupler 210 and the second directional coupler 211 are designed so that the multiple outputs are output to the waveguide within the range of each operating point range.
  • the optical power of 80% or more ( ⁇ ) of the total output optical power from the optical combiner 200 is combined and combined from one waveguide. I was able to output multiple times.
  • red light (R), green light (G), and blue light (B) are taken as examples of three lights having different wavelengths, but the present invention is light consisting of only a certain wavelength. It is also possible to combine three lights other than the above as long as they satisfy the above wavelength conditions.
  • the first to third waveguides 204 to 206 are formed in a plane parallel to the surface of the substrate, but the substrate is not always necessary. Further, the arrangement of the waveguides 204 to 206 is not input from the same end face as described above, but may be input from different end faces. Further, in the above description, the waveguides 204 to 206 are integrally formed by embedding the core layer inside the clad layer 220, but the waveguides 204 to 206 composed of the core layer and the clad layer are separately formed. It may be formed and arranged on a support such as a substrate.
  • the combiner of the present invention can be widely applied to a device that combines a plurality of lights having different wavelengths and projects an image, and can be applied to a spectacle-type terminal, a portable projector, or the like.
  • Control unit 1b Display unit 101 Input light with wavelength 1 102 Input light with wavelength 2 103 Multiplex output light 104 S-shaped circuit 105 Optical coupling waveguide 106 Waveguide distance 107 Waveguide length 200 Combiner 201 First input Light 202 2nd input light 203 3rd input light 204 1st waveguide 205 2nd waveguide 206 3rd waveguide 207 1st output light 208 2nd output light 209 3rd output light 210 1st directional coupler 211 Bidirectional coupler 220 Substrate 230 Clad layer

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Abstract

小型化を実現すると共に、それぞれの光のすべてにおいて、総出力光パワーの８０％以上の光パワーを１つの導波路から多重出力する光合波器を提供する。　波長の異なる複数の光（２０１、２０２、２０３）をそれぞれの導波路（２０４、２０５、２０６）から入力し、方向性結合器（２１０、２１１）を２個以上用いることにより、前記複数の光を合波して１つの導波路から多重出力する光合波器（２００）であって、前記波長の異なる複数の光のすべては、それぞれの総出力光パワーの８０％以上の光パワーを１つの導波路から多重出力する。

Description

光合波器
　本発明は、波長の異なる複数の光を合波する光合波器に関する。より詳しくは、少なくとも赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）を含む波長の異なる複数の入力光を合波して、１つの導波路から多重出力する光合波器であって、それぞれの光の出力光において、高効率の出力光パワーが得られる小型の光合波器に関する。
　従来、画像投影装置に用いられる光合波器であって、ＬＥＤやレーザダイオード等を光源として用いた、異なる波長の光を合波する光合波器として、ＭＭＩ（マルチモード干渉）を利用して可視光の３波長を合波するＭＭＩタンデム合波器が知られているが、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）の出力は、それぞれの光において、６５～７５％の出力光パワーを得ることができることが記載されている（特許文献１）。
　ここで、画像投影装置は、輝度が高いほどコントラスト比が大きく鮮明な画像を得ることが可能となることから、前記光合波器の出力光パワーは大きい方が望ましく、出力光パワーを大きくするためには、より多くの光を入力するために合波器の大型化、または、より光パワーの大きい光を入力するために光源の大型化等は不可避である。
　また、光源としてレーザダイオードを用い、３原色光の合波回路として方向性結合器を用いた光集積回路であって、入力光の端面がそれぞれ異なると共に、出力光の端面とも異なることによって、小型化を実現した光集積回路が提案されているが、出力光パワーの増大化については、なんら説明が記載されていない（特許文献２）。
　そうすると、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置の光源として用いられる光合波器において、小型化を実現することが望ましいが、コントラスト比が大きく鮮明な画像を得るためには、より大きな出力光パワーを得る必要があるため、合波器の大型化等が不可避であるという問題がある。
特開２０１２－０４８０７１号公報 特開２０１９－０３５８７７号公報
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、小型化を実現すると共に、それぞれの光のすべてが、それぞれの総出力光パワーの８０％以上の光パワーを１つの導波路から多重出力する光合波器を提供することを目的とする。
　本発明は、波長の異なる複数の光をそれぞれの導波路から入力し、方向性結合器を２個以上用いることにより、前記複数の光を合波して１つの導波路から多重出力する光合波器であって、前記波長の異なる複数の光のすべてが、それぞれの総出力光パワーの８０％以上の光パワーを前記導波路から出力することを特徴とする光合波器を提供する。
　ここで、前記それぞれの総出力光パワーの８０％以上の光パワーを前記導波路から出力することは、光合波器の複数の導波路から出力される、波長の異なる複数の光のそれぞれの光パワーの合計を１００％とした場合に、前記複数の光のそれぞれ８０％以上の光パワーが１つの導波路から多重出力することを意味する。
　なお、光は導波路を伝搬することで光パワーが若干減衰することから、入力した光パワーがすべて総出力光パワーとなるものではないが、本発明においては、光合波器を小型化するように導波路を設計することから減衰の程度は小さくなるため、それぞれの光における総出力光パワーは、入力した光パワーの８０％以上であり、好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは９５％以上である。
　前記方向性結合器のそれぞれにおいて、光結合導波路長を、前記波長の異なる複数の光の伝搬光パワー波の極値が出力時点で重なるように設計することにより、多重出力光を方向性結合器の一方の出力から得ることが好ましい。
　前記光合波器は、前記方向性結合器の用いる数が２個であることが好ましい。
　前記光合波器は、前記波長の異なる複数の光が、少なくとも赤色光、緑色光および青色光を含むことが好ましい。
　ここで、他の波長の異なる光として、黄色光、橙色光、藍色光、紫色光等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
　前記光合波器は、前記方向性結合器の光結合導波路における、２つの導波路の幅及び高さがそれぞれ１．０～３．０μｍであり、かつ、導波路間距離が０．５～３．０μｍであることが好ましい。
　前記光合波器は、前記方向性結合器の光結合導波路における導波路長が０～１５００μｍであることが好ましい。
　ここで、設計上、前記光結合導波路における導波路長が０μｍの場合もありえる。
　本発明によれば、波長の異なる複数の光をそれぞれの導波路から入力し、方向性結合器を２個以上用いることにより、前記複数の光を合波して１つの導波路から多重出力する光合波器であって、前記波長の異なる複数の光のすべてが、それぞれの総出力光パワーの８０％以上の光パワーを前記導波路から出力する、小型化を実現した光合波器を得ることができる。
光合波器に用いる方向性結合器を示す平面図であり、（ａ）は方向性結合器の基本的なパターンを示し、（ｂ）及び（ｃ）は方向性結合器の他のパターンを示す。 方向性結合器の光結合導波路１０５における伝搬光パワー波を示す図である。 波長の異なる複数の伝搬光パワー波を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光合波器を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の合波器を左方向の入力光側から見た側面図である。 図４（ａ）の合波器を走査型ディスプレイに適用した場合における装置の概略構成図である。 実施例１における光合波器のシミュレーション結果における伝搬光パワー波を示す図である。 実施例２における光合波器のシミュレーション結果における伝搬光パワー波を示す図であり、（ａ）は第１方向性結合器の伝搬光パワー波を示し、（ｂ）は第２方向性結合器の伝搬光パワー波を示す。
　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１（ａ）は、本発明における光合波に用いる方向性結合器の基本的なパターンを示す平面図であり、波長１を有する入力光１０１、及び波長１と異なる波長２を有する入力光１０２を左方向から導波路に入力すると、それぞれＳ字回路１０４を通過し、光結合導波路１０５に導かれる。光結合導波路１０５における２つの導波路の断面形状は正方形、長方形または円形である。前記２つの導波路は光結合導波路間距離１０６、及び光結合導波路長１０７を有している。
　光結合導波路１０５において、２つの導波路が近距離で隣接していることから、各波長の光は互いの導波路を行きつ戻りつ移行しながら伝搬する。異なる波長を有する２つの光においては移行特性が異なるため、適切に光結合導波路１０５を設計することにより、前記異なる波長を有する２つの光を一つの導波路に多重出力光１０３として出力することが可能となる。
　また、図１（ｂ）及び（ｃ）は、本発明における光合波に用いる方向性結合器の他のパターンを示す平面図であり、Ｓ字回路１０４を、それぞれ入力光側及び出力光側に１つずつ設け、その他の入力光側及び出力光側の回路を光結合導波路１０５と同様の断面形状を有する直線導波路としたパターンを示す。
　そして、図示はされていないが、Ｓ字回路１０４を入力光側に２つ、出力光側に１つ設け、出力光側の残り１つの回路を直線導波路としたパターンやＳ字回路１０４を入力光側に１つ、出力光側に２つ設け、入力光側の残り１つの回路を直線導波路としたパターンの方向性結合器を用いてもよい。
　さらに、Ｓ字回路１０４、光結合導波路１０５及び前記直線導波路については任意の形状や任意の長さのパターンを用いることができる。
　前記２つの導波路の幅及び高さは、それぞれ１．０～３．０μｍであり、好ましくは１．２～２．０μｍである。ここで、前記の幅及び高さとは、導波路の断面形状が正方形または長方形の場合を想定しており、断面形状が円形の場合は直径を意味する。
　また、導波路の周囲との比屈折率差は０．５～２．０％が好ましい。光の伝搬において、前記幅及び高さが共に１．０μｍ未満の場合、特に前記比屈折率差が０．５％未満であると格別顕著に、光の閉じ込めが極めて弱くなり、導波路を曲げることが困難となること、及び導波路構造の微小な乱れに敏感に反応して損失が増大すること等、実用的な導波路機能が損なわれる。逆に、前記幅及び高さが共に３．０μｍを超える場合、特に前記比屈折率差が２．０％を超えると格別顕著に、単一モード動作が失われ、複数のモードの光が伝わる多モード導波路となる。多モード導波路では、各モードに対する結合特性が大きく異なることから、導波路伝搬光の各モードのパワーの割合を制御することは困難であるので、本発明のような方向性結合器を活用する分野での使用は難しくなる。
　図２は、方向性結合器の光結合導波路１０５における伝搬光パワー波を示す図である。ここで、縦軸は最大値を１００％とする光パワーの値、横軸は光結合導波路長（図１における光結合導波路長１０７に相当する）を表す。伝搬光パワー波の極小値（１０９、１１１）は、入力光が当該導波路に存在せず、隣接する導波路に１００％移行している状態を表しており、極大値（１０８、１１０、１１２）は、入力光が当該導波路に１００％存在し、隣接する導波路には移行していない状態を表す。
　ここで、極大値及び極小値を合わせて極値と呼び、上記１０８～１１２の極値を順番に第１次極値～第５次極値と表現する。
　また、図２において、光結合導波路長が０であっても、光パワーが約５０％を示しているように伝搬光が隣接する導波路に移行しているのは、光結合導波路１０５に隣接するＳ字回路１０４の影響である。前記Ｓ字回路の設計パラメータによっては、光結合導波路長が０において、光が隣接する導波路に移行していない極小値（第０次極値と表現する。）とすることもできる。
　図３は、波長の異なる複数の伝搬光パワー波を示す図であり、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）が、ある特定の幅及び高さの断面形状を有する長方形の光結合導波路１０５を伝搬している。ここで、それぞれ赤色光（Ｒ）は６２０～７５０ｎｍ、緑色光（Ｇ）は４９５～５７０ｎｍ、青色光（Ｂ）は４５０～４９５ｎｍの範囲の波長を有している。
　光結合導波路長１０７を、異なった光の伝搬光パワー波におけるそれぞれの極値が出力時点で重なるように設計することにより、波長の異なる複数の光のそれぞれの総出力光パワーに対する出力光パワーの損失割合が低く、前記複数の光のそれぞれ８０％以上の光パワーを含む多重出力光を方向性結合器の一方の導波路から得ることができる。
　図４は、本発明の一実施形態に係る光合波器２００を示す概略図であり、（ａ）は光合波器２００の平面図、（ｂ）は（ａ）の光合波器２００を左方向の入力光側から見た側面図である。（ａ）において、波長の異なる第１～第３入力光２０１～２０３をそれぞれの第１～第３導波路２０４～２０６へ入力する。第１入力光２０１及び第２入力光２０２は、第１方向性結合器２１０によって合波され、第２導波路２０５へ多重出力光として出力される。次に第２導波路２０５から第１入力光２０１及び第２入力光２０２、並びに第３導波路２０６から第３入力光２０３を第２方向性結合器２１１に入力して合波された出力光は、第２導波路２０５または第３導波路２０６を通じ、第２出力光２０８または第３出力光２０９の多重出力光として出力される。なお、第１～第３導波路２０４～２０６は、互いの導波路を伝搬する光が合波しないよう十分な導波路間距離を有する。
　この時、入力光２０１～２０３のそれぞれについて、第１～第３出力光２０７～２０９における出力光パワーの合計を総出力光パワーといい、多重出力される第２出力光２０８または第３出力光２０９の光パワーは、前記総出力光パワーの８０％以上の光パワーが出力される。
　ここで、図４では第１～第３出力光２０７～２０９のすべてについて、それぞれの第１～第３導波路２０４～２０６が右端まで示されているが、多重出力光に関与しない第１導波路２０４等については、右端までの導波路は不要であることから、右端手前で末端とし、散乱光として処理してもよい。この場合、前記散乱光による多重出力光への影響を避けるため、前記末端を多重出力光の方向以外の方向へ曲げて処理することが好ましい。
　図４に示す光合波器における第１方向性結合器２１０及び第２方向性結合器２１１において、多重出力される出力光のそれぞれの出力光パワーを最大化するためには、図１に示す方向性結合器の光結合導波路１０５における導波路間距離１０６、及び導波路長１０７の数値を最適化して設計することにより、それぞれの入力光の伝搬光パワー波の極値が出力時点で重なるように方向性結合器から出力することが重要であり、本発明の光合波器における第２方向性結合器２１１からの第２出力光２０８または第３出力光２０９における波長の異なる出力光は、出力時点でそれぞれの極値が重なるように出力される。
　本発明の光合波器に用いる方向性結合器は２つの入力光を合波する機能を有することから、光合波器が３つ以上の入力光を合波するためには、方向性結合器は最低でも２個以上用いることが必要である。ここで、前記方向性結合器の用いる数に上限を設ける必要はないが、光合波器の小型化を考慮すると方向性結合器の用いる数は２個であることが好ましい。
　前記光合波器２００は、公知の化学気相成長法（ＣＶＤ）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２２０上にクラッド層２３０となる低屈折率のシリコン酸化膜を化学気相成長法で成膜した後、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２０４～２０６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幅の光導波路コアとしてパターニングする。
　この後、この上にクラッド層２３０となる低屈折率のシリコン酸化膜を積層し、前記光導波路コア上を覆う。これにより、前記光導波路コアとその周囲のクラッド２３０層とで、基板２２０上に第１～第３導波路２０４～２０６が形成される。なお、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ことができ、コア層としては、前記クラッド層との屈折率差が０．５～１．５％程度のものを用いることができる。
　最後に、基板２２０及びクラッド層２３０の両端面を研磨して第１～第３導波路２０４～２０６の入力端部及び出力端部を露出させることで、合波器２００が完成する。
　ここで、前記合波器２００における第１～第３導波路２０４～２０６の幅及び高さは特に限定されないが、合波器２００が第１方向性結合器２１０及び第２方向性結合器２１１を含めて一体で形成されることから、方向性結合器の光結合導波路における導波路の幅及び高さと同一であることが好ましい。
　図５は、図３（ａ）の合波器２００を走査型ディスプレイに適用した場合における装置の概略構成図である。
　図５に示すように、走査型ディスプレイは、制御ユニット１ａと、表示ユニット１ｂとを有する。制御ユニット１ａと表示ユニット１ｂとは一体に構成されていてもよいが、図示の例では制御ユニット１ａと表示ユニット１ｂとは別体に構成されていて、制御ユニット１ａと表示ユニット１ｂとは電気的及び光学的な信号を伝達可能な信号線によって接続されている。
　表示ユニット１ｂは、例えば眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。
　制御ユニット１ａは、制御部１２と、操作部１３と、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）１４と、Ｒレーザドライバ１５ａと、Ｇレーザドライバ１５ｂと、Ｂレーザドライバ１５ｃと、Ｒ－ＬＤ１６ａと、Ｇ―ＬＤ１６ｂと、Ｂ―ＬＤ１６ｃと、合波器１０とを有する。制御部１２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むマイコンなどで構成される。制御部１２は、ＰＣなどの外部機器から外部Ｉ／Ｆ１４を介して供給される画像データに基づいて、画像を合成するための要素となるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号、水平信号及び垂直信号を発生する。制御部１２は、Ｒ信号をＲレーザドライバ１５ａに、Ｇ信号をＧレーザドライバ１５ｂに、Ｂ信号をＢレーザドライバ１５ｃに、それぞれ送信する。
　制御部１２は、水平信号を水平走査ドライバ２３に、垂直信号を垂直走査ドライバ２６にそれぞれ送信する。水平信号及び垂直信号には、水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５の動作のタイミングを決定する同期信号や、水平走査ドライアｂ２３及び垂直走査ドライバ２６から水平スキャナ２２及び垂直スキャナ２５に送信される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。
　操作部１３は、使用者からの走査を受け付ける各種ボタンと、各種ボタンが押下された際に発生する操作信号を制御部１２に送信するインターフェース回路などによって構成される。使用者からの操作を受け付ける各種ボタンは、例えば、制御ユニット１ａの筐体表面に設けられる。外部Ｉ／Ｆ１４は、制御ユニット１ａとＰＣなどの外部機器とを電気的に接続するためのインターフェースである。
　Ｒレーザドライバ１５ａは、制御部１２からのＲ信号に応じた光量の赤色レーザを発生させるように、Ｒ―ＬＤ１６ａを駆動する。Ｇレーザドライバ１５ｂは、制御部１２からのＧ信号に応じた光量の緑色レーザを発生させるように、Ｒ―ＬＤ１６ｂを駆動する。Ｂレーザドライバ１５ｃは、制御部１２からのＢ信号に応じた光量の青色レーザを発生させるように、Ｂ―ＬＤ１６ｃを駆動する。各色のレーザ光の強度比を調整することによって、所望の色を有するレーザ光が合成可能となる。Ｒ―ＬＤ１６ａ、Ｇ―１６ｂ及びＢ―ＬＤ１６ｃから発生した各色のレーザ光は、合波器１０に入射し、波長多重光として合波された状態で、合波器１０から出射される。出射されたレーザ光は、信号線に含まれる光ファイバを介して、表示ユニット１ｂに伝達される。
　表示ユニット１ｂは、コリメート光学系２１と、水平スキャナ２２と、水平走査ドライバ２３と、リレー光学系２４と、垂直スキャナ２５と、垂直走査ドライバ２６と、接眼光学系２７とを有する。
　コリメート光学系２１は、光ファイバから出射したレーザ光を平行光に変換する。平行光に変換されたレーザ光は、水平スキャナ２２に入射する。
　水平スキャナ２２は、コリメート光学系２１からのレーザ光を水平方向に操作する。具体的には、水平スキャナ２２は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、水平方向に走査させる。水平スキャナ２２は、例えば、圧電素子を用いて用道する共振型のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーで構成可能である。水平走査ドライバ２３は、制御部１２からの水平同期信号に従って、水平スキャナ２２の揺動状態を制御する。水平走査されたレーザ光は、リレー光学系２４に入射する。
　垂直スキャナ２５は、リレー光学系２４からのレーザ光を垂直方向に走査する。具体的には、垂直スキャナ２５は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、垂直方向に走査される。例えば、揺動するＭＥＭＳミラーで構成可能である。垂直走査ドライバ２７は、制御部１２からの垂直同期信号にしたがって、垂直スキャナ２５の揺動状態を制御する。ここで、レーザ光は、水平スキャナ２２によって水平方向に捜査せれているので、垂直スキャナ２５によって二次元的に走査された画像光となる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７に入射する。
　実施例として、図４（ａ）に示された光合波器２００における第１～第３入力光２０１～２０３の種別として、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）のいずれかを用い、第１方向性結合器２１０及び第２方向性結合器２１１の導波路間距離１０６及び導波路長１０７をシミュレーションで数値計算を行うことにより、それぞれの方向性結合器の「動作点範囲における各入力光の伝搬光パワー波の極値次数」を特定の数値とした場合の総出力光パワーに対する出力光パワーの割合を算出した実施例１～２を表１に示すと共に、それぞれのシミュレーション結果における伝搬光パワー波を図６～７に示す。
　ここで、前記シミュレーションで数値計算を行うことについて、入力光の伝搬光パワー波をマクスウェルの方程式を用いて逐次的に計算して行う、周知の電磁場解析法であるビーム伝搬法（ＢＰＭ）を用いた。
　前記動作点範囲について説明する。図６～７に示すように波長の異なる複数の光のそれぞれの伝搬光パワー波における極値は、シミュレーション上、同一の光結合導波路長で厳密に一致するものではなく、微妙にずれが生じることから、光結合導波路長を、前記波長の異なる複数の光の伝搬光パワー波の極値が出力時点で完全に重なるように設計することは困難である。
　そして、前記厳密に一致させることが困難であることから、極値近辺で、波長の異なる複数の光のそれぞれの総出力光パワーの８０％以上を出力することができる伝搬光パワー波の値を動作点といい、波長の異なる複数の光のそれぞれの前記極値を含み、それぞれの総出力光パワーの８０％以上を出力することができる伝搬光パワー波の値の範囲を動作点範囲という。光結合導波路長は前記動作点範囲内に含まれるように設計する。
　図６は、実施例１における光合波器のシミュレーション結果における伝搬光パワー波を示す図である。縦軸は光パワー、横軸は光結合導波路長（任意の単位として示す。以下同じ。）を示し、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）のそれぞれの伝搬光パワー波を示す。
　図６の光結合導波路長における細い点線で示した０．５～０．６５の範囲が、赤色光（Ｒ）の第２次極地（極小値）及び緑色光（Ｇ）の第１次極地（極大値）を含む、第１方向性結合器２１０の動作点範囲を表しており、前記動作点範囲の範囲内で導波路に多重出力されるように第１方向性結合器２１０の光結合導波路長を設計する。
　同様に、図６の光結合導波路長における細い点線で示した１．３～１．５の範囲が、赤色光（Ｒ）の第４次極地（極小値）、緑色光（Ｇ）の第２次極地（極小値）、及び青色光（Ｂ）の第１次極地（極大値）を含む、第２方向性結合器２１１の動作点範囲を表しており、前記動作点範囲の範囲内で導波路に多重出力されるように第２方向性結合器２１１の光結合導波路長を設計する。
　実施例１においては、第１～第３入力光２０１～２０３のそれぞれについて、光合波器２００からの総出力光パワーの９０％以上（◎）の光パワーを合波して１つの導波路から多重出力することができた。
　図７は、実施例２における光合波器のシミュレーション結果における伝搬光パワー波を示す図であり、（ａ）は第１方向性結合器の伝搬光パワー波を示し、（ｂ）は第２方向性結合器の伝搬光パワー波を示す。実施例１と同様、（ａ）の動作点範囲が赤色光（Ｒ）の第１次極地（極大値）、青色光（Ｂ）の第０次極地（極小値）を含み、（ｂ）の動作点範囲が赤色光（Ｒ）の第３次極地（極大値）、青色光（Ｂ）の第１次極地（極大値）、及び緑色光（Ｇ）の第２次極地（極小値）を含んでいる。それぞれの動作点範囲の範囲内で導波路に多重出力されるように、第１方向性結合器２１０の及び第２方向性結合器２１１の光結合導波路長を設計する。
　実施例２においては、第１～第３入力光２０１～２０３のそれぞれについて、光合波器２００からの総出力光パワーの８０％以上（○）の光パワーを合波して１つの導波路から多重出力することができた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
　例えば、上記の説明では波長の異なる３つの光として赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）を例に挙げて説明したが、本発明は一定の波長のみからなる光であって上記の波長条件を満たすものであれば、上記以外の３つの光を合波することも可能である。
　また、上記の説明では基板の表面と平行な面内に第１～第３導波路２０４～２０６を形成したが、基板は必ずしも必要ではない。また、導波路２０４～２０６の配置も、上記のように同一の端面から入力されるものでなく、それぞれ異なる端面から入力されてもよい。
　さらに、上記の説明では、クラッド層２２０の内部にコア層を埋め込むことで導波路２０４～２０６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２０４～２０６を別々に形成し、基板等の支持体上に配置するようにしてもよい。
　本発明の合波器は、波長の異なる複数の光を合波して画像投影等する装置に広く適用が可能であり、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等に適用が可能である。
１ａ　　　　制御ユニット
１ｂ　　　　表示ユニット
１０１　　　波長１を有する入力光
１０２　　　波長２を有する入力光
１０３　　　多重出力光
１０４　　　Ｓ字回路
１０５　　　光結合導波路
１０６　　　導波路間距離
１０７　　　導波路長
２００　　　合波器
２０１　　　第１入力光
２０２　　　第２入力光
２０３　　　第３入力光
２０４　　　第１導波路
２０５　　　第２導波路
２０６　　　第３導波路
２０７　　　第１出力光
２０８　　　第２出力光
２０９　　　第３出力光
２１０　　　第１方向性結合器
２１１　　　第２方向性結合器
２２０　　　基板
２３０　　　クラッド層

Claims (6)

  1. 　波長の異なる複数の光をそれぞれの導波路から入力し、方向性結合器を２個以上用いることにより、前記複数の光を合波して１つの導波路から多重出力する光合波器であって、前記波長の異なる複数の光のすべてが、それぞれの総出力光パワーの８０％以上の光パワーを前記導波路から出力することを特徴とする光合波器。
  2. 　前記方向性結合器のそれぞれにおいて、光結合導波路の長さを、前記波長の異なる複数の光の伝搬光パワー波の極値が出力時点で重なるように設計することにより、多重出力光を方向性結合器の一方の出力から得る請求項１に記載された光合波器。
  3. 　前記方向性結合器の用いる数が２個である請求項１または２に記載された光合波器。
  4. 　前記波長の異なる複数の光が、少なくとも赤色光、緑色光および青色光を含む請求項１から３までのいずれかに記載された光合波器。
  5. 　前記方向性結合器の光結合導波路における、２つの導波路の幅及び高さがそれぞれ１．０～３．０μｍであり、かつ、導波路間距離が０．５～３．０μｍである請求項１から４までのいずれかに記載された光合波器。
  6. 　前記方向性結合器の光結合導波路における導波路長が０～１５００μｍである請求項１から５までのいずれかに記載された光合波器。
     
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