特開 2023-38676 光導波路素子及び光源モジュール

(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】P2023038676

(43)【公開日】2023-03-17

(54)【発明の名称】光導波路素子及び光源モジュール

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/125 20060101AFI20230310BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20230310BHJP

【ＦＩ】

G02B6/125 301

G02B6/42

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021145530

(22)【出願日】2021-09-07

(71)【出願人】

【識別番号】300081763

【氏名又は名称】セーレンＫＳＴ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504145320

【氏名又は名称】国立大学法人福井大学

(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】岩端 一樹

(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】矢部 勇多

(72)【発明者】

【氏名】亀井 洋次郎

(72)【発明者】

【氏名】勝山 俊夫

(72)【発明者】

【氏名】山田 祥治

(72)【発明者】

【氏名】中尾 慧

【テーマコード（参考）】

2H137

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H137AA17

2H137AB11

2H137BA36

2H137BA37

2H137BB02

2H147AA04

2H147AB04

2H147BB02

2H147BB03

2H147BD01

2H147CB03

2H147GA25

(57)【要約】

【課題】画像表示に使用可能な領域が大きく、それぞれの光のスポットのずれを容易に補正することができることからコスト低減可能であると共に、スペックルノイズを低減した画像を表示することが可能な光導波路素子を提供する。また、光源及び前記光導波路素子を含む光源モジュールを提供する。
【解決手段】波長の異なる複数の光が、それぞれの波長ごとの導波路から入力され、それぞれの光が前記導波路を伝搬後に出力される光導波路素子であって、各導波路の入力口が、他の波長の光を入力しないように離隔されていると共に、少なくとも１つの導波路が曲線形状を有し、各導波路の出力口が近接していることにより、コストを低減可能とすると共に、スペックルノイズを低減した画像を表示することを可能とする光導波路素子を得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長の異なる複数の光が、それぞれの波長ごとの導波路から入力され、それぞれの光が前記導波路を伝搬後に出力される光導波路素子であって、各導波路の入力口が、他の波長の光を入力しないように離隔されていると共に、少なくとも１つの導波路が曲線形状を有し、各導波路の出力口が近接していること、を特徴とする光導波路素子。

【請求項2】

前記複数の光が、それぞれの導波路をマルチモードで伝搬する、請求項１に記載された光導波路素子。

【請求項3】

前記それぞれの導波路の幅及び高さが、それぞれ５～５０μｍである、請求項１または２に記載された光導波路素子。

【請求項4】

前記各導波路の入力口の間の距離が、少なくとも２０μｍ以上である、請求項１～３のいずれかに記載された光導波路素子。

【請求項5】

前記各導波路の出力口の間の距離が、５～１０μｍである、請求項１～４のいずれかに記載された光導波路素子。

【請求項6】

前記各導波路の入力口及び出力口が、光伝搬方向の同一軸上に存在しない、請求項１～５のいずれかに記載された光導波路素子。

【請求項7】

前記波長の異なる複数の光が、少なくとも赤色光、緑色光及び青色光を含む、請求項１～６のいずれかに記載された光導波路素子。

【請求項8】

請求項１～７のいずれかに記載された光導波路素子の光入力端面側に複数の光源が配置されており、前記複数の光源から出射されたそれぞれの光が、前記光入力端面側からそれぞれ導波されて、前記光導波路素子の光出力端面側から出力される、光源モジュール。

【請求項9】

前記光源がレーザーダイオードである、請求項８に記載された光源モジュール。

【請求項10】

前記複数の光源が、少なくとも青色光、緑色光、及び赤色光を出射する光源である、請求項９に記載した光源モジュール。

【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光が、それぞれの波長ごとの導波路から入力され、それぞれの光が前記導波路を伝搬後に出力される光導波路素子であって、各導波路の入力口が、他の波長の光を入力しないように離隔されていると共に、少なくとも１つの導波路が曲線形状を有し、各導波路の出力口が近接していること、を特徴とする光導波路素子及び前記光導波路素子を用いた光源モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、眼鏡型端末や携帯型プロジェクタ等の小型の画像投影装置の光源回路として、複数のレーザー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導波路素子が知られている（特許文献１、２を参照）。前記光導波路素子は、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】

しかし、前記光導波路素子は、複数の光を単に合波して出力しているため、出力光の投影範囲内における、それぞれの光の強度分布が一致しないことや、それぞれの光強度のキャリブレーションが容易ではないこと等により、高品質の出力光を得ることが困難である。

【0004】

また、ＭＥＭＳ （Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）として知られている電磁駆動式のミラーを用いることにより、光源の要素成分、例えば、「赤」、「緑」、「青」の成分を、その出力時間を変更してタイムシフトすることにより、光強度を制御し、効率的に画像を投影する光導波路素子が知られている（特許文献３を参照）。

【0005】

しかし、前記光導波路素子は、それぞれの出射光の間隔が広いことから、ＭＥＭＳで反射された後の画像表示に使用可能な合成光の領域が小さいことや、それぞれの光のスポットのずれを大きく補正する必要があり、制御が複雑となることからコストを低減することに限界がある。また、出射されるビームはシングルモードが維持されるため、スクリーン上に表示される画像にはスペックルノイズが生じ、画質が低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５－１８９３８５号公報

【特許文献2】国際公開２０１９／０８２３４７号

【特許文献3】米国特許９６８６５１９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、画像表示等に使用可能な高品質の出力光の領域が大きく、それぞれの光のスポットのずれを容易に補正することができることからコスト低減可能であると共に、スペックルノイズを低減した画像を表示することが可能な光導波路素子を提供することである。また、光源及び前記光導波路素子を含む光源モジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、波長の異なる複数の光が、それぞれの波長ごとの導波路から入力され、それぞれの光が前記導波路を伝搬後に出力される光導波路素子であって、各導波路の入力口が、他の波長の光を入力しないように離隔されていると共に、少なくとも１つの導波路が曲線形状を有し、各導波路の出力口が近接していること、を特徴とする光導波路素子を提供する。

【0009】

前記複数の光が、それぞれの導波路をマルチモードで伝搬することが好ましい。

【0010】

前記それぞれの導波路の幅及び高さが、それぞれ５～５０μｍであることが好ましい。

【0011】

前記各導波路の入力口の間の距離が、少なくとも２０μｍ以上であることが好ましい。

【0012】

前記各導波路の出力口の間の距離が、５～１０μｍであることが好ましい。

【0013】

前記各導波路の入力口及び出力口が、光伝搬方向の同一軸上に存在しないことが好ましい。

【0014】

前記波長の異なる複数の光が、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。

【0015】

前記光導波路素子の光入力端面側に複数の光源が配置されており、前記複数の光源から出射されたそれぞれの光が、前記光入力端面側からそれぞれ導波されて、前記光導波路素子の光出力端面側から出力される、光源モジュールであることが好ましい。

【0016】

前記光源がレーザーダイオードであることが好ましい。

【0017】

前記複数の光源が、少なくとも青色光、緑色光、及び赤色光を出射する光源であることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

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、及び車載用のインテリア、エクステリアのイルミネーションや液晶ディスプレイのバックライト等の照明用途に使用することが可能な小型の光導波路素子を提供することができる。本発明の小型の光導波路素子は、必要に応じて上記以外のさまざまな用途にも用いることができるが、前記画像投影装置用途及び照明用途に用いることが好ましく、前記画像投影装置用途に用いることがさらに好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明における実施例１の光導波路素子を含む光源モジュールの上面図である。

【図2】本発明における実施例１の光導波路素子における入力口の端面図である。

【図3】本発明における実施例１の光導波路素子における出力口の端面図である。

【図4】シングルモード光及びマルチモード光の出力におけるスペックルノイズの比較である。

【図5】シングルモード光及びマルチモード光の出力における解像度の比較である。

【図6】本発明における実施例２の光導波路素子を含む光源モジュールの上面図である。

【図7】本発明における実施例３の光導波路素子を含む光源モジュールの上面図である。

【図8】本発明における実施例４の光導波路素子を含む光源モジュールの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【0021】

図１は、実施例１の光導波路素子１を含む光源モジュールの上面図を示す。光導波路素子１の左側において、光源であるレーザーダイオード２ｂ、２ｇ及び２ｒからそれぞれ青色光、緑色光及び赤色光が出射され、光導波路素子１における入力口端面３における青色光入力口３ｂ、緑色光入力口３ｇ及び赤色光入力口３ｒからそれぞれの光が光導波路素子１に入力される。その後、それぞれ曲線形状を有する青色光導波路４ｂ、緑色光導波路４ｇ及び赤色光導波路４ｒを通じて、光導波路素子１における出力口端面５における青色光出力口５ｂ、緑色光出力口５ｇ及び赤色光出力口５ｒからそれぞれの光が出力される。ここで、各光導波路の幅及び高さについては同一であっても異なっていてもよいが、水平方向及び垂直方向における光の伝搬状況が同等になることから、同一であることが好ましい。

【0022】

前記青色光は４３０～４９５ｎｍ、緑色光は４９５～５７０ｎｍ及び赤色光は６２０～７５０ｎｍの波長を有している。本発明の光導波路素子に用いられる波長の異なる複数の光は、少なくとも前記青色光、緑色光及び赤色光を含むことが好ましいが、他の波長の異なる光を含んでもよく、前記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。また、青色光、緑色光及び赤色光の位置関係等も図１の例示に制限されるものではない。

【0023】

前記青色光導波路４ｂ、緑色光導波路４ｇ及び赤色光導波路４ｒは、すべての導波路が曲線形状を有している。また、前記曲線形状を有していることにより、各導波路の前記青色光入力口３ｂ、緑色光入力口３ｇ及び赤色光入力口３ｒ、並びに前記青色光出力口５ｂ、緑色光出力口５ｇ及び赤色光出力口５ｒが、それぞれ光伝搬方向の同一軸上に存在しないことが好ましい。前記出力口が、前記入力口と光伝搬方向の同一軸上に存在せず、ずれが生じていることにより、導波路の曲線部分で光伝搬方向の直線方向に漏れ出た迷光等の影響を低減することが可能となる。

【0024】

導波路中の伝搬光の損失を低減するために、前記曲線部分の曲率半径ｒは３０００μｍ以上であることが好ましい。曲率半径ｒが３０００μｍ未満である場合、導波路の曲線部分で光伝搬方向の直線方向に漏れ出る迷光を抑制することが困難となる可能性がある。

【0025】

前記青色光導波路４ｂ、緑色光導波路４ｇ及び赤色光導波路４ｒは、それぞれの光をシングルモード及びマルチモードのどちらでも伝搬させることができるが、マルチモードで伝搬させることが好ましい。その理由、根拠は後述する。

【0026】

前記青色光導波路４ｂ、緑色光導波路４ｇ及び赤色光導波路４ｒの幅及び高さは、それぞれ５～５０μｍであることが好ましく、５μｍ未満の場合、レーザーダイオードから出射された光を導波路へ入力する結合効率が低下する可能性がある。５０μｍを超える場合、得られる画像の光学特性が劣る可能性がある。

【0027】

レーザーダイオード２ｂ、２ｇ及び２ｒは、入力口端面３との距離を１０μｍ以上離して実装することが好ましい。１０μｍ未満の場合、端面３におけるレーザーダイオードのパワー密度が大きくなり、入力口端面３及び光導波路素子に損傷を与える可能性がある。前記距離の上限値は特に限定されないが、距離が大きくなるほど本発明の光導波路素子との結合効率が減少することから、必要に応じて前記距離は設定される。前記距離は、各光源について同一であっても異なっていてもよい。

【0028】

図２は、実施例１の光導波路素子における入力口端面３を示しており、前記青色光入力口３ｂ、緑色光入力口３ｇ及び赤色光入力口３ｒは、それぞれの入力口が、他の波長の光を入力しないように離隔されている。入力口の間の距離ｄ３１、ｄ３２は、それぞれ少なくとも２０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上であることがさらに好ましい。２０μｍ以上とすることにより、さらに光源同士も離隔することができ、放熱が容易となるため、光源の信頼性を確保することが可能となる。２０μｍ未満の場合、隣接する他の波長の光が入力される可能性があり、また前記光源の信頼性を確保できない可能性がある。前記距離の上限値は特に限定されないが、大きくなるほど本発明の光導波路素子のサイズが大きくなることから、必要に応じて前記距離は設定される。前記距離ｄ３１、ｄ３２は同一であっても異なっていてもよい。

【0029】

また、図１のレーザーダイオード２ｂ、２ｇ及び２ｒは、入力口端面３に対して垂直方向からそれぞれの光を出射しているが、出射方向の角度を変更し、入力口端面３に対して斜め方向から光を出射してもよい。出射方向の角度を変更することにより迷光を低減することができる場合がある。さらに、前記出射方向の角度に応じて、それぞれ青色光入力口３ｂ、緑色光入力口３ｇ及び赤色光入力口３ｒに接続する青色光導波路４ｂ、緑色光導波路４ｇ及び赤色光導波路４ｒを、入力口端面３に対して斜め方向に形成してもよい。

【0030】

図３は、実施例１の光導波路素子における出力口端面５を示しており、前記青色光出力口５ｂ、緑色光出力口５ｇ及び赤色光出力口５ｒは、それぞれの出力口が、前記複数の光が画像を表示できるように近接している。出力口の間の距離ｄ５１、ｄ５２は、５～１０μｍであることが好ましい。５μｍ未満の場合、隣接する導波路間で光結合が発生し、導波路から他の導波路へ光が移動する可能性がある。１０μｍを超える場合、画像表示等に使用可能な出力光の領域が小さくなる可能性がある。前記距離ｄ５１、ｄ５２は同一であっても異なっていてもよい。

【0031】

図４は、シングルモード光及びマルチモード光の出力におけるスペックルノイズの比較であり、図４（ａ）はスペックルノイズ比較グラフ、図４（ｂ）～（ｃ）は、それぞれシングルモード、及びマルチモードファイバーを用いて得られたシングルモード光及びマルチモード光におけるスペックルノイズ画像を示す。スペックルノイズは多光束干渉縞ともいわれ、レーザーダイオードから出射されるコヒーレント光に特有の現象である。スペックルノイズは少ない方が好ましいことからシングルモード光よりマルチモード光の方が好ましい。

【0032】

図５は、シングルモード光及びマルチモード光の出力における解像度の比較であり、図５（ａ）は解像度比較グラフ、図５（ｂ）～（ｃ）は、それぞれシングルモード、及びマルチモードファイバーを用いて得られたシングルモード光及びマルチモード光におけるターゲット画像を示す。三角印で示すように（ｂ）は垂直方向の解像度が４．０及び水平方向の解像度が４．５であり、（ｃ）は垂直方向及び水平方向の解像度が共に３．０である。解像度の数値は大きい方が好ましいことからマルチモード光よりシングルモード光の方が好ましい。

【0033】

スペックルノイズ低減の観点からはマルチモード光が好ましく、解像度数値の観点からはシングルモード光が好ましいという結果が得られた。ここで、スペックルノイズ低減と解像度数値の優先順位について、解像度数値は一般的に画像サイズが大きくなるほど重要性が増加するのに対し、本発明の光導波路素子は、小型の画像投影装置等に用いるものであり、解像度数値の重要性は低いことから、スペックルノイズ低減を優先することが適切であるため、シングルモード光よりマルチモード光の方が好ましい。

【0034】

本発明におけるマルチモード光は、光が導波路内を伝搬する際に複数の経路を経て伝搬する光をいう。導波路の幅及び高さが、それぞれ２μｍの場合はほぼシングルモード光であるのに対し、導波路の幅及び高さが大きくなる（導波路の断面積が大きくなる）ことに連動してシングルモード光からマルチモード光へ移行する。シングルモード光からマルチモード光へ移行する際の導波路断面積の大きさについては、光の波長によって異なり一律ではないが、導波路の幅及び高さが、それぞれ５μｍ以上の場合には、可視光領域における波長の光がマルチモード光となる。マルチモード光が伝搬する導波路においては、光が伝搬する導波路の幅及び高さが大きくなることから、光源から出射された光を導波路へ入力する際の結合効率が向上する。

【0035】

図６（ａ）は、実施例２の光導波路素子１’を含む光源モジュールの上面図を示しており、図１の実施例１とは、入力口端面３における青色光入力口３ｂ’、緑色光入力口３ｇ’、及び赤色光入力口３ｒ’が水平面におけるテーパー形状である点で異なる。図６（ｂ）は、前記青色光入力口３ｂ’の形状を拡大した図であり、幅Ｗ及び長さＬのテーパー形状を有する。例えば、前記幅Ｗは直線導波路幅５μｍに対し８μｍであり、前記長さＬは１０００μｍである。テーパー形状を有することにより、テーパー形状を持たない直線導波路で結合できたマルチモード光が結合できなくなり、伝搬する光のモード分布が低次モード側にシフトする。そのため、結果として結合効率は減少するものの、表示画像はテーパー形状を持たない直線導波路を用いた場合よりも解像度を改善することが可能となる。

【0036】

前記テーパー形状は必要に応じて変更することが可能であり、前記青色光入力口３ｂ’、緑色光入力口３ｇ’、及び赤色光入力口３ｒ’のテーパー形状は同一であっても異なっていてもよい。前記幅Ｗは導波路幅より大きいことを前提として、６～１００μｍであることが好ましい。６μｍ未満である場合、導波路の幅とほぼ同じとなり、テーパー形状とする作用、効果を得ることができない可能性がある。１００μｍを超える場合、光導波路素子のサイズが必要以上に大きくなる可能性がある。また、前記長さＬは５０～５０００μｍが好ましい。５０μｍ未満である場合、テーパー角が大きくなり、導波路から漏れ出る迷光が増加する可能性がある。また、５０００μｍを超える場合、光導波路素子のサイズが必要以上に大きくなる可能性がある。また、すべての入力口がテーパー形状でなくてもよい。

【0037】

図７（ａ）は、実施例３の光導波路素子１’’を含む光源モジュールの上面図を示しており、図１の実施例１とは、入力口端面３における青色光入力口３ｂ’’、緑色光入力口３ｇ’’、及び赤色光入力口３ｒ’’が水平面における逆テーパー形状である点で異なる。図７（ｂ）は、前記青色光入力口３ｂ’’の形状を拡大した図であり、幅Ｗ’及び長さＬ’の逆テーパー形状を有する。例えば、前記幅Ｗ’は直線導波路幅５μｍに対しシングルモード光を伝搬する１．５μｍであり、前記長さＬ’は１０００μｍである。前記逆テーパー形状を有することにより、マルチモード光が伝搬する導波路であってもシングルモード光に似た光が伝搬するため、表示画像はテーパー形状を持たない直線導波路を用いた場合よりも解像度を改善することが可能となる。ただし、前記逆テーパー形状を有する光導波路素子においては、スペックルノイズの低減効果は薄れ、また結合効率も減少する。

【0038】

前記逆テーパー形状は必要に応じて変更することが可能であり、前記青色光入力口３ｂ’’、緑色光入力口３ｇ’’、及び赤色光入力口３ｒ’’の逆テーパー形状は同一であっても異なっていてもよい。前記幅Ｗ’は導波路幅より小さいことを前提として、２μｍ未満であることが好ましい。２μｍ以上である場合、波長によってはマルチモード光が励起されるため、逆テーパー形状とする作用、効果を得ることができない可能性がある。また、前記長さＬ’は５００μｍ以上が好ましい。５００μｍ未満である場合、テーパー角が大きくなり、マルチモード光が励起されシングルモードに似た光の伝搬が得られない可能性がある。前記長さＬ’の上限値は特に限定されないが、大きくなるほど本発明の光導波路素子のサイズが大きくなることから、必要に応じて前記長さＬ’は設定される。また、すべての入力口が逆テーパー形状でなくてもよい。

【0039】

図８は、実施例４の光導波路素子１’’’を含む光源モジュールの上面図を示す。図１の実施例１とは、導波路形状において、緑色光導波路４ｇ’が直線であり、前記緑色光導波路４ｇ’に対して青色光導波路４ｂ’及び赤色光導波路４ｒ’が、左右対称の曲線形状を有する点で異なると共に、出力口端面５における青色光出力口５ｂ’、緑色光出力口５ｇ’及び赤色光出力口５ｒ’の位置が異なる。

【0040】

本発明の光導波路素子及び光源モジュールを画像投影装置等の製品に用いる場合、各種レンズやＭＥＭＳ等の公知技術は特に制限されることなく採用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】