特開 2023-104721 光合波器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023104721

(43)【公開日】2023-07-28

(54)【発明の名称】光合波器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20230721BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 331

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022005883

(22)【出願日】2022-01-18

(71)【出願人】

【識別番号】300081763

【氏名又は名称】セーレンＫＳＴ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003524

【氏名又は名称】弁理士法人愛宕綜合特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075177

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 尚純

(74)【代理人】

【識別番号】100113217

【弁理士】

【氏名又は名称】奥貫 佐知子

(74)【代理人】

【識別番号】100202496

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿角 剛二

(74)【代理人】

【識別番号】100217869

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 邦久

(72)【発明者】

【氏名】矢部 勇多

(72)【発明者】

【氏名】姫野 明

(72)【発明者】

【氏名】堀井 浩一

(72)【発明者】

【氏名】川崎 修

(72)【発明者】

【氏名】岩端 一樹

(72)【発明者】

【氏名】亀井 洋次郎

(72)【発明者】

【氏名】吉田 哲文

【テーマコード（参考）】

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H147AA04

2H147AB17

2H147BB02

2H147BE15

2H147CB03

2H147CD02

2H147EA14A

2H147EA14B

(57)【要約】

【課題】小型化を可能とすると共に、方向性結合器を安定した品質、精度で製造することが可能な光合波器を提供する。また、前記光合波器を含む画像投影装置を提供する。
【解決手段】波長の異なる複数の可視光をそれぞれの導波路から入力し、前記複数の可視光を方向性結合器によって合波した多重光を導波路から出力する光合波器であって、方向性結合器に接続する少なくとも１つの入力導波路及び出力導波路が共にテーパー構造を有することにより、光合破器の全長を短くして小型化を可能とすると共に、光結合導波路の導波路幅の誤差に対する合波効率の低下量を少なくして、安定した品質、精度で製造することが可能な光合波器を得る。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長の異なる複数の可視光をそれぞれの導波路から入力し、前記複数の可視光を方向性結合器によって合波した多重光を導波路から出力する光合波器であって、方向性結合器に接続する少なくとも１つの入力導波路及び出力導波路が共にテーパー構造を有することを特徴とする光合波器。

【請求項2】

前記テーパー構造が導波路の曲線部分に設けられている請求項１に記載された光合波器。

【請求項3】

前記方向性結合器における光結合部分の導波路幅が０．８～１．４μｍである請求項１または２に記載された光合波器。

【請求項4】

前記波長の異なる複数の可視光が、少なくとも赤色光、緑色光及び青色光を含む請求項１～３のいずれか１つに記載された光合波器。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１つに記載された光合波器を含む画像投影装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長の異なる複数の可視光をそれぞれの導波路から入力し、前記複数の可視光を方向性結合器によって合波した多重光を導波路から出力する光合波器であって、方向性結合器に接続する少なくとも１つの入力導波路及び出力導波路が共にテーパー構造を有することを特徴とする光合波器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置において、複数のレーザダイオードを光源として用い、導波路を経由して前記光源からの可視光を合波して出力する光合波器が知られている（特許文献１を参照）。前記光合波器は、シリコン基板上に公知の化学気相成長法（ＣＶＤ）やスパッタリング法等を用いて低屈折率及び高屈折率の酸化シリコン膜を積層形成した後、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、高屈折率の酸化シリコン膜からなる導波路及び方向性結合器を形成した後、さらに低屈折率酸化シリコン膜を積層形成するという製造工程を経て製造される。

【0003】

ここで、前記光合波器を眼鏡のテンプル等に組み込むためにはテンプルより小型であることが望ましく、また、光合波器を構成する方向性結合器を作製する際に厳しい作製トレランスが要求されるため、歩留まりが低下するという問題があることから（特許文献２を参照）、前記方向性結合器を安定した品質、精度で製造する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－１９５６０３号公報

【特許文献2】特開２０１９－０３５８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化を可能とすると共に、方向性結合器を安定した品質、精度で製造することが可能な光合波器を提供することである。また、前記光合波器を含む画像投影装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、波長の異なる複数の可視光をそれぞれの導波路から入力し、前記複数の可視光を方向性結合器によって合波した多重光を導波路から出力する光合波器であって、方向性結合器に接続する少なくとも１つの入力導波路及び出力導波路が共にテーパー構造を有することを特徴とする光合波器を提供する。
ここで、前記テーパー構造は、導波路の厚みを同一に保ったまま、導波路の幅が徐々に小さくなる、または導波路の幅が徐々に大きくなる構造を意味する。

【0007】

前記テーパー構造が導波路の曲線部分に設けられていることが好ましい。

【0008】

前記方向性結合器における光結合部分の導波路の幅が０．８～１．４μｍであることが好ましい。

【0009】

前記波長の異なる複数の可視光が、少なくとも赤色光、緑色光及び青色光を含むことが好ましい。

【0010】

前記光合波器を含む画像投影装置であることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置用途等に使用することが可能な小型の光合波器を提供することができる。本発明の光合波器は、必要に応じて上記以外に照明、バックライト等のさまざまな用途にも用いることができるが、前記眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置用途に用いることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】従来の方向性結合器の概要を示す図である。

【図2】本発明における方向性結合器の概要を示す図である。

【図3】方向性結合器の導波路幅が異なり、且つ光結合導波路の内側面間距離を同じにした場合の伝搬光の光強度を示す図である。

【図4】本発明における、光結合導波路の中心間距離を２．８μｍで固定したときの導波路結合長と導波路幅の関係を表す図である。

【図5】実施例１の光合波器の図である。

【図6】比較例１の光合波器の図である。

【図7】実施例１の導波路幅の誤差と合波効率の関係を表す図である。

【図8】比較例１の導波路幅の誤差と合波効率の関係を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を実施するための実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施例に限られるものではない。

【0014】

図１は、従来の方向性結合器の概要を示す図であり、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、それぞれ曲線部分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または長方形である。前記２つの導波路は光結合導波路長１０６、光結合導波路の内側面間距離１０７、及び光結合導波路の中心間距離１０８を有している。また、導波路幅１０９はすべて同一である。

【0015】

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、異なる２つの波長を有する光は互いの導波路を行きつ戻りつ移行しながら伝搬した後、合波して多重出力光１０３が出力される。ここで、波長の異なる２つ以上の光が１つの導波路に結合して混在している状態を合波という。

【0016】

図２は、本発明における方向性結合器の概要を示す図であり、導波路の幅が変化するテーパー構造が曲線部分１０４に設けられており、光結合導波路１０５の幅１１０は、入力光部分及び出力光部分の導波路の幅１０９より小さくなっている。ここで、光結合導波路の内側面間距離１０７、中心間距離１０８の記載は省略した。

【0017】

図３は、図２の方向性結合器の光結合導波路１０５における入力光が伝搬する光強度の波（伝搬光強度波）の繰り返し周期を示す図である。縦軸は最大値を１００％とする光強度の値、横軸は光結合導波路長１０６を表す。光結合導波路の内側面間距離１０７を１．０μｍに固定し、実線は「光結合導波路の内側面間距離１０７／光結合導波路の導波路幅１０９／光結合導波路の中心間距離１０８」を「１．０μｍ／１．２μｍ／２．２μｍ」と仮定した場合、破線は「１．０μｍ／１．８μｍ／２．８μｍ」と仮定した場合について、周知の電磁場解析法であるビーム伝搬法（ＢＰＭ）を用いたシミュレーション結果である。
ここで、「光結合導波路の内側面間距離１０７」＋「光結合導波路の導波路幅１０９、１１０」＝「光結合導波路の中心間距離１０８」の関係式が成り立つ。

【0018】

光強度の極大値（１００％）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、極小値（０％）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。

【0019】

図３から、光結合導波路の内側面間距離１０７を不変とし、導波路幅１０９、１１０を小さくした場合、中心間距離１０８を小さくすることができ、光結合導波路１０５における入力光の伝搬光強度波の繰り返し周期が早くなることから、方向性結合器の長さを小さくできることがわかる。

【0020】

図４は、図２の方向性結合器の光結合導波路１０５において、導波路厚みを１．６μｍ、導波路（高屈折率の酸化シリコン）と周囲のクラッド（低屈折率の酸化シリコン）との屈折率差を１．１％と仮定した場合における、それぞれ青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）について、光結合導波路の中心間距離を２．８μｍで固定した時の光結合導波路長１０６と光結合導波路幅１０９、１１０の関係をシミュレーションした結果を表す図である。

【0021】

光結合導波路幅が０．８～１．４μｍの範囲における光結合導波路長の傾きが小さいことから、上記光結合導波路幅であれば、光結合導波路長の製造誤差の許容範囲が広いことがわかる。したがって、光結合導波路幅は０．８～１．４μｍであることが好ましい。また、１．０～１．２μｍであることがより好ましい。

【0022】

本発明における導波路厚みは１．０～３．０μｍであることが好ましく、１．２～２．５μｍであることがより好ましく、１．４～２．０μｍであることがさらに好ましい。
また、本発明における前記屈折率差は０．５～２．０％であることが好ましく、０．７～１．８％であることがより好ましく、１．０～１．５％であることがさらに好ましい。
光の伝搬において、導波路厚みが１．０μｍ未満の場合、または前記屈折率差が０．５％未満である場合、導波路における光の閉じ込めが弱くなり、光を閉じ込めたまま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、導波路厚みが３．０μｍを超える場合、または前記屈折率差が２．０％を超える場合、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。

【実施例0023】

図５（ａ）は、本発明の実施例１の光合波器の図である。導波路幅が１．８μｍである３本の導波路に対し、左側の上から青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）及び緑色光（Ｇ）を入力し、最初に青色光（Ｂ）及び赤色光（Ｒ）が、導波路の曲線部分に設けられたテーパー構造により、導波路幅が１．８μｍから１．２μｍに変化した後、光結合導波路の導波路幅が１．２μｍ、光結合導波路の内側面間距離が１．０μｍの第１の方向性結合器を用いて合波され、次に、緑色光（Ｇ）が、導波路の曲線部分に設けられたテーパー構造により、導波路幅が１．８μｍから１．２μｍに変化した後、上記合波光と光結合導波路の導波路幅が１．２μｍ、光結合導波路の内側面間距離が１．０μｍの第２の方向性結合器を用いて合波され、最終的に右側の１番下の導波路に設けられたテーパー構造により、導波路幅が１．２μｍから１．８μｍに変化した後、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）及び緑色光（Ｇ）の合波光を出力する、全長１３０５μｍの光合波器を得ることができる。テーパー構造は導波路の直線部分に設けてもよいが、光合波器の全長を小さくできることから曲線部分に設けることが好ましい。

【0024】

ここで、図５（ａ）の赤色光（Ｒ）の導波路における第１の方向性結合器の出力導波路、及び第２の方向性結合器の入力導波路の接続部分の形状について、導波路幅が１．２μｍから１．８μｍ及び１．８μｍから１．２μｍに変化するように、それぞれの方向性結合器の入力側と出力側の導波路形状を左右対称のテーパー構造としてもよいが、前記接続部分の長さが大きくなることから、前記左右対称のテーパー構造を採用せずに１．２μｍの導波路幅として接続する等、それぞれの方向性結合器の入力側と出力側の導波路を左右非対称の形状としてもよい。したがって、図５（ａ）においては、前記接続部分の導波路幅を１．２μｍから１．５μｍに変化した後、再び１．２μｍとする前記左右非対称の形状とした。複数の方向性結合器を用いた光合波器の場合、方向性結合器を安定した品質、精度で製造すると共に光合波器の小型化を可能とするため、それぞれの方向性結合器の接続部分に前記左右対称のテーパー構造を採用せず、前記複数の方向性結合器の入力側と出力側の導波路形状が左右非対称となる形状を用いることが好ましい。

【0025】

また、図５（ｂ）は、図５（ａ）における、それぞれ赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）について、下側から光が入力し、上側から光が出力する場合の光結合のシミュレーション結果を示す図である。

【0026】

実施例１の光合波器における、それぞれ赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の入力光強度を１００％とした場合の出力光強度の割合は、９９％、９３％及び９５％であった。

【0027】

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、導波路の幅を全て１．８μｍとし、光結合導波路の内側面間距離が上記実施例１と同じである構造を有する比較例１の光合波器の図及び光結合のシミュレーション結果を示す図であり、全長１９５０μｍの合波器を得ることができる。

【0028】

比較例１の光合波器における、それぞれ赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の入力光強度を１００％とした場合の出力光強度の割合は、８７％、８５％及び８７％であった。

【0029】

図５、図６の比較より、実施例１は、比較例１に比べ、幅の狭い導波路を使用することで光結合導波路の中心間距離を小さくすることが出来るため、光合破器の全長を短くすると共に、入力光強度に対する出力光強度の割合も大きくすることができることがわかる。

【0030】

図７は、実施例１の光結合導波路の導波路幅を１．２０μｍとした場合に対する導波路幅の誤差に対する合波効率の関係を示す。導波路幅が細くなる場合は負の誤差、太くなる場合は正の誤差である。誤差±０．１０μｍにおける合波効率は８８％以上であることがわかる。
ここで、合波効率は、導波路に入力された波長の異なる複数の可視光のそれぞれの光強度を１００％とした場合に対し、多重出力光において、合波して出力される前記複数の可視光のそれぞれの光強度の割合を意味する。

【0031】

図８は、図７と同様に比較例１の光結合導波路の導波路幅を１．８０μｍとした場合に対する導波路幅の誤差に対する合波効率の関係を示す。誤差±０．１０μｍにおける合波効率は６５％以上であることがわかる。

【0032】

図７、図８の比較より、実施例１は、比較例１に対して光結合導波路の導波路幅の誤差に対する合波効率の低下量を少なくすることができることから、安定した品質、精度を実現できることがわかる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】