特開 2023-144957 レーザダイオードを用いた光源、光合波器及び画像投影装置

(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】P2023144957

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】レーザダイオードを用いた光源、光合波器及び画像投影装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/0234 20210101AFI20231003BHJP

   H01S 5/023 20210101ALI20231003BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20231003BHJP

   H01S 5/0225 20210101ALI20231003BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20231003BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20231003BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20231003BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

H01S5/0234

H01S5/023

H01S5/40

H01S5/0225

G02B6/42

G02B6/12 301

G02B6/12 331

G02B6/125 301

G03B21/14 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022052184

(22)【出願日】2022-03-28

(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】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】川崎 修

(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】岩端 一樹

(72)【発明者】

【氏名】矢部 勇多

(72)【発明者】

【氏名】亀井 洋次郎

【テーマコード（参考）】

2H137

2H147

2K203

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H137AB11

2H137BA44

2H137BB02

2H137BB17

2H137BB25

2H137CA34

2H137CC01

2H147AA04

2H147AB04

2H147AB17

2H147BD02

2H147BE14

2H147CB03

2H147CC12

2H147CD02

2K203FA44

2K203FA54

2K203GB23

2K203HA99

2K203MA05

5F173MA10

5F173MC03

5F173MC24

5F173MD03

5F173MD13

5F173MD63

5F173MD64

5F173MD75

5F173MD84

5F173ME64

5F173ME76

5F173ME85

5F173MF27

(57)【要約】

【課題】光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度で行うことが可能な光源を提供する。また、前記光源に加え、さらに光合波回路を備える光合波器及び画像投影装置を提供する。
【解決手段】少なくとも３個のレーザダイオードをサブマウント上に備える光源であって、それぞれのレーザダイオードのリッジを有する側における最も面積の大きい平面を基準面とし、前記基準面と当接する、それぞれ対応する高さを有する高さ調整層をサブマウント上に形成することにより、基板上にレーザダイオードを搭載した際、前記少なくとも３個のレーザダイオードの発光中心高さがすべて同一となるため、光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度で行うことを可能とする。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも３個のレーザダイオードをサブマウント上に備える光源であって、それぞれのレーザダイオードのリッジを有する側における最も面積の大きい平面を基準面とし、前記基準面と当接する、それぞれ対応する高さを有する高さ調整層をサブマウント上に形成することにより、基板上にレーザダイオードを搭載した際、前記少なくとも３個のレーザダイオードの発光中心高さがすべて同一となることを特徴とする光源。

【請求項2】

前記サブマウントが多結晶シリコンまたは単結晶シリコンからなる、請求項１に記載された光源。

【請求項3】

前記サブマウントを光源の基板と一体化して用いた、請求項１または２に記載された光源。

【請求項4】

前記少なくとも３個のレーザダイオードが赤色レーザダイオード、緑色レーザダイオード、及び青色レーザダイオードを含む、請求項１～３のいずれかに記載された光源。

【請求項5】

請求項１～４に記載された光源に加え、さらに光合波回路を備えた光合波器。

【請求項6】

請求項５に記載された光合波器を用いた画像投影装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも３個のレーザダイオードをサブマウント上に備える光源、前記光源に加え、さらに光合波回路を備えた光合波器及び画像投影装置に関する。詳しくは、それぞれのレーザダイオードのリッジを有する側における最も面積の大きい平面を基準面とし、前記基準面と当接する、それぞれ対応する高さを有する高さ調整層をサブマウント上に形成することにより、基板上にレーザダイオードを搭載した際、前記少なくとも３個のレーザダイオードの発光中心高さがすべて同一となることを特徴とする光源、前記光源に加え、さらに光合波回路を備えた光合波器及び画像投影装置に関する。

【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およ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およ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】

また、光合波器の製造工程中にエッチングを用いて、レーザダイオードを搭載するための搭載部を設け、光合波器の製造後に前記搭載部にレーザダイオードを搭載することにより、光導波路とレーザダイオードの発光中心との光学的結合を容易にする合成光生成装置も知られている（特許文献２を参照）。

【0004】

しかし、このような光導波路とレーザダイオードの発光中心との光学的結合において、光導波路の中心とレーザダイオードの発光中心との位置合わせが不十分な場合、レーザダイオードから出射された光が導波路に入射する際の相対光強度を大きく損失し、光源としての品質が低下する。ここで、比較的調整が容易な水平方向に比べ、高さ方向の調整が困難であることから、レーザダイオード搭載時の高さ方向の位置合わせ手段、方法が重要となるが、レーザダイオードをサブマウント上に実装する際、レーザダイオードの電極とサブマウントの電極の電気的接合部分の厚みを制御することが容易ではないため、光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度で制御することが困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－１９５６０３号公報

【特許文献2】特開平９－３０４６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度で行うことが可能な光源を提供することである。また、前記光源に加え、さらに光合波回路を備える光合波器及び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】

【0007】

本発明は、少なくとも３個のレーザダイオードをサブマウント上に備える光源であって、それぞれのレーザダイオードのリッジを有する側における最も面積の大きい平面を基準面とし、前記基準面と当接する、それぞれ対応する高さを有する高さ調整層をサブマウント上に形成することにより、基板上にレーザダイオードを搭載した際、前記少なくとも３個のレーザダイオードの発光中心高さがすべて同一となることを特徴とする光源を提供する。

【0008】

前記サブマウントが多結晶シリコンまたは単結晶シリコンからなることが好ましい。

【0009】

前記サブマウントを光源の基板と一体化して用いることが好ましい。

【0010】

前記少なくとも３個のレーザダイオードが赤色レーザダイオード、緑色レーザダイオード、及び青色レーザダイオードを含むことが好ましい。

【0011】

本発明は、前記光源に加え、さらに光合波回路を備えた光合波器であることが好ましい。

【0012】

本発明は、前記光合波器を用いた画像投影装置であることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、少なくとも３個のレーザダイオードをサブマウント上に備える光源であって、それぞれのレーザダイオードのリッジを有する側における最も面積の大きい平面を基準面とし、前記基準面と当接する、それぞれ対応する高さを有する高さ調整層をサブマウント上に形成することにより、基板上にレーザダイオードを搭載した際、前記少なくとも３個のレーザダイオードの発光中心高さがすべて同一となることから光源として高い品質を有する。また、本発明は前記光源に加え、さらに光合波回路を備えた光合波器であり、光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度で行うことが可能となり、光合波器の良品率及び性能が向上するため、光合波器及びこれを用いた画像投影装置は、製造コストを低減すると共に高い品質を有する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】赤色レーザダイオードの基準面を示す図である。

【図2】緑色レーザダイオードの基準面を示す図である。

【図3】赤色レーザダイオード及び緑色レーザダイオードからなる光源を示す図である。

【図4】本発明の実施例である光合波器の斜視図である。

【図5】本発明の実施例である光合波器の上面図である。

【図6】本発明の実施例である光合波器を出力光端面方向及び入力光端面方向から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。

【0016】

図１（ａ）は赤色レーザダイオード１のリッジを有する側から見た上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ－Ｘ線における断面図である。図１（ａ）の上部、下部における、斜線で示した左右に長い部分が、最も面積の大きい平面であり、荷重負荷に対して最も安定性に優れることから、この部分を赤色レーザダイオード１の基準面２とした。また、リッジ５及び２つのダミーリッジ６の上部空間に電極層８（図示を省略）を形成する。図１（ｂ）における活性層３の中で励起、増幅された赤色レーザ光は、活性層３の中心付近に発光中心４を有する。ここで、前記基準面２が荷重負荷に対して最も安定性に優れることにより、レーザダイオードの高さ方向の誤差が生じにくく、サブマウント上におけるレーザダイオードの高さを高精度に制御することが可能となる。

【0017】

図２（ａ）は緑色レーザダイオード７のリッジを有する側の上側から見た上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＹ－Ｙ線における断面図である。図２（ａ）のダミーリッジ６の上面のリッジ５に近い部分は電極搭載部６’として用いられ、前記電極搭載部６’以外のダミーリッジ６の周囲における、斜線で示した上面部分が図２（ａ）において、最も面積の大きい平面であり、荷重負荷に対して最も安定性に優れることから、この部分を緑色レーザダイオード７の基準面２とした。また、図１と同様にリッジ５及び２つのダミーリッジ６の上部空間に電極層８（図示を省略）を形成し、図２（ｂ）における活性層３の中心付近に緑色レーザ光の発光中心４を有する。ここで、後述する青色レーザダイオード１１についても図１、２の赤色レーザダイオード１または緑色レーザダイオード７と同様の構造であることから説明を省略する。

【0018】

図３は、図１（ｂ）の赤色レーザダイオード１及び図２（ｂ）の緑色レーザダイオード７の上下を反転して用いた光源の例を示す。左側に赤色レーザダイオード１及び右側に緑色レーザダイオード７を同一のサブマウント９上に形成されたそれぞれ電極層８の上に搭載しており、電極層８の周囲には、それぞれ対応する高さを有する高さ調整層１０が形成されており、赤色レーザダイオード１及び緑色レーザダイオード７のそれぞれ発光中心４の高さ（図示を省略、活性層３の高さの中心に相当する）が同一になるように形成されている。ここで、前記サブマウント９の材料は、熱伝導性がよく、熱膨張係数がレーザダイオードの熱膨張係数に近く、加工性のよい多結晶シリコン（Ｓｉ）、単結晶シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）の他、銅タングステン（ＣｕＷ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）等限定されるものではないが、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンであることが好ましい。多結晶シリコンまたは単結晶シリコンである場合、加工性に優れているため後述の高さ調整層を高精度に形成することができ、また、前記サブマウント９を後述する図４や図６に示した基板１２と一体化して光源単体の基板として用いることができる。
また、前記サブマウント９は酸化シリコン層を積層してもよい。
ここで、高さ調整層１０が有するそれぞれ対応する高さとは、それぞれのレーザダイオードの発光中心４の高さを同一にする目的に対応する高さであり、それぞれの高さが異なる場合、同一となる場合の両方を含む。

【0019】

電極層８はサブマウント上に形成された電極８ａとレーザダイオードのＰ側電極８ｂを接合して形成し、レーザダイオードの上側がｎ側電極（図示を省略）となる。各電極は真空蒸着後、高温でアロイ化する等、公知の手段、方法で作成することができる。また、電極の素材には金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、スズ（Ｓｎ）等公知の材料を必要に応じて用いることができるが、スズ（Ｓｎ）または金（Ａｕ）を含む合金を用いることが好ましく、金－スズ（Ａｕ－Ｓｎ）共晶はんだ合金を用いることがさらに好ましい。

【0020】

電極層８の高さは、電極層８の周囲に存在する高さ調整層１０によって調整する。サブマウント９及び高さ調整層１０は公知の化学気相成長法（ＣＶＤ）やスパッタリング法等を用いることにより積層される。ここでは、単結晶シリコン製サブマウント９の上に多結晶シリコン層１０ｂ、エッチングストップ層として機能する酸化シリコン層１０ａを積層した高さ調整層１０を作製し、その上に緑色レーザダイオード７の基準面２を荷重負荷により当接させて当該緑色レーザダイオード７を搭載する。さらに、多結晶シリコン層１０ｂ、酸化シリコン層１０ａを積層した高さ調整層１０の上に、赤色レーザダイオード１の基準面２を荷重負荷により当接させて当該赤色レーザダイオード１を搭載することで、両者の発光中心４の高さを同一にすることが可能となる。ここで、緑色レーザダイオード７及び赤色レーザダイオード１のそれぞれ基準面２は、最も面積の大きい平面であり、荷重負荷に対して最も安定性に優れることから、それぞれ高さ調整層１０の上部における酸化シリコン層１０ａに当接することで、レーザダイオード搭載時の上部からの荷重負荷に対して安定して精度よく、各レーザダイオードを高さ調整層１０上に搭載することができ、サブマウント上における電極層８の高さを高精度に制御することが可能となる。

【0021】

図３は、同一のサブマウント９上に、それぞれ対応する高さ調整層１０を有する赤色レーザダイオード１及び緑色レーザダイオード７を搭載しているが、前記高さ調整層１０の共通部分を一体化して作製してもよい。つまり、赤色レーザダイオード１の右側の高さ調整層１０と緑色レーザダイオード７の左側の高さ調整層１０の共通部分を一体化して作製してもよい。
また、逆にサブマウント９を公知の手段、方法で切断してそれぞれのレーザダイオードごとにサブマウント９を有するように作製してもよい。
ここで、青色レーザダイオード１１についても赤色レーザダイオード１または緑色レーザダイオード７と同様であることから説明を省略する。

【0022】

図４は、本発明の実施例である、ベース基板１２と光合波基板１３を組み合わせた光合波器の斜視図を示す。光源を含むベース基板１２と前記ベース基板と別個に作製された光合波基板１３を嵌合、接着等することにより光合波器とすることができる。前記ベース基板１２は右手前部分にサブマウント９を有しており、前記サブマウント９上に図３で説明した赤色レーザダイオード１及び緑色レーザダイオード７に加え、青色レーザダイオード１１を搭載している。ここで、光合波基板１３は、必ずしもベース基板１２と別個に作製する必要はなく、ベース基板の作製時に一体として作製してもよい。

【0023】

図５は、図４に示した光合波器の組み合わせ後の上面図である。赤色レーザダイオード１、緑色レーザダイオード７、及び青色レーザダイオード１１から出射された光は、それぞれ光合波基板１３の導波路１４に入射し、光合波回路１６によって合波光となった後、１本の導波路１４によって出力される。ここで、それぞれのレーザダイオードの発光中心４の高さは、それぞれの導波路の中心１５の高さに一致する。

【0024】

また、レーザダイオードの発光中心４と導波路の中心１５の間の距離１７は１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。１０μｍを超えるとレーザダイオードから出射された光が拡散して、導波路に入射する際の相対光強度が５０％未満となるため、光強度の損失が大きくなる。

【0025】

さらに、レーザダイオードの発光中心４と導波路の中心１５の水平方向のズレ量（図５における上下方向のズレ量）は、１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることがさらに好ましい。１μｍを超えるとレーザダイオードから出射された光が導波路に入射する際の相対光強度が５０％未満となるため、光強度の損失が大きくなる。ここで、前記水平方向のズレ量に対する調整は、高さ方向のズレ量に対する調整に比較して容易に行うことができる。

【0026】

図６は、図５に示した光合波器について、出力光端面方向及び入力光端面方向から見た図を示す。図６の左側に記載した光合波基板１３は前記出力光端面方向から見た図であり、右側に記載した青色レーザダイオード１１、赤色レーザダイオード１及び緑色レーザダイオード７は前記入力光端面方向から見た図を示す（電極８ａ等の一部の図示を省略）。合波後の出力光端面における導波路１４の中心１５の高さと、それぞれのレーザダイオードの発光中心４の高さは一致する。

【0027】

また、導波路の中心１５の高さとレーザダイオードの発光中心４の高さ方向のズレ量は、１μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍであることがさらに好ましく、０．５μｍ以下であることが特に好ましい。１μｍを超えるとレーザダイオードから出射された光が導波路に入射する際の相対光強度が５０％未満となるため、光強度の損失が大きくなる。ここで、前記高さ方向のズレ量に対する調整は困難であるが、本発明において、レーザダイオードの高さを精度よく制御することにより、光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度に行うことが可能な光源を得ることができる。

【0028】

このように、光源における少なくとも３個のレーザダイオードは発光中心４の高さがすべて同一であり、光導波路１４の中心１５の高さに一致することから、光合波器の良品率及び性能が向上するため、製造コストを低減すると共に高い品質を有する光合波器を得ることが可能となる。

【0029】

さらに、本発明は前記光合波器を用い、公知の技術を採用することにより、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の画像投影装置とすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明の光源は、少なくとも３個のレーザダイオードの発光中心高さがすべて同一となることから光源として高い品質を有する。また、本発明は前記光源に加え、さらに光合波回路を備えた光合波器であり、光導波路とレーザダイオードの発光中心の光学的結合を容易かつ高精度に行うことが可能となり、光合波器の良品率及び性能が向上するため、光合波器及びこれを用いた画像投影装置は、製造コストを低減すると共に高い品質を有する。

【符号の説明】

【0031】

１ 赤色レーザダイオード
２ レーザダイオードの基準面
３ 活性層
４ レーザ光の発光中心
５ リッジ
６ ダミーリッジ
６’ ダミーリッジ６の電極搭載部
７ 緑色レーザダイオード
８ 電極層
８ａ サブマウント上に形成された電極
８ｂ レーザダイオードのＰ側電極
９ サブマウント
１０ 高さ調整層
１０ａ 酸化シリコン層
１０ｂ 多結晶シリコン層
１１ 青色レーザダイオード
１２ ベース基板
１３ 光合波基板
１４ 導波路
１５ 導波路の中心
１６ 光合波回路
１７ レーザダイオードの発光中心と導波路の中心の間の距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】