特許 7097332 合分波素子および光源モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-29

(45)【発行日】2022-07-07

(54)【発明の名称】合分波素子および光源モジュール

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20220630BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20220630BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20220630BHJP

   G02B 27/10 20060101ALI20220630BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 331

G02B6/12 371

G02B6/12 301

G02B6/42

H01S5/40

G02B27/10

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019111331

(22)【出願日】2019-06-14

(65)【公開番号】P2020204667

(43)【公開日】2020-12-24

【審査請求日】2021-01-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松原 礼高

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 淳一

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０３５８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８０５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０７０５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０３５８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００３９５６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２１０６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１５８１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－ ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６－ ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－ ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－ ６／４３

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１可視光が入力され、該第１可視光を導波する第１導波路と、
前記第１可視光とは波長が異なる第２可視光が入力され、該第２可視光を導波する第２導波路と、
第３可視光が入力され、該第３可視光を導波する第３導波路と、
第４導波路と、
前記第１導波路、前記第２導波路および前記第４導波路と光学的に接続されており、前記第１導波路から入力された前記第１可視光と前記第２導波路から入力された前記第２可視光とを合波して前記第４導波路へ出力する第１合分波器と、
を備え、
前記第３導波路において、前記第３可視光が入力される側とは反対側に位置する第１出力部と、前記第４導波路において、前記第１合分波器と接続されている側とは反対側に位置する第２出力部と、が２．５μｍ以上１０μｍ以下の距離に近接しており、
前記第３導波路は、
前記第３可視光が入力され、該第３可視光を導波する第５導波路と、
前記第３可視光とは波長が異なる第４可視光が入力され、該第４可視光を導波する第６導波路と、
前記第５導波路から入力された前記第３可視光と前記第６導波路から入力された前記第４可視光とを合波して出力する第２合分波器と、
前記第２合分波器から出力された前記第３可視光と前記第４可視光とを導波する第７導波路と、
を備え、
前記第１出力部は、前記第７導波路により構成されており、
前記第４可視光の波長は、前記第１可視光の波長または前記第２可視光の波長と同じである
ことを特徴とする合分波素子。

【請求項2】

前記第３導波路と前記第１合分波器とは幅方向において並んでいることを特徴とする請求項１に記載の合分波素子。

【請求項3】

前記第１可視光が赤色光であり、前記第２可視光が青色光であり、前記第３可視光が緑色光であることを特徴とする請求項１または２に記載の合分波素子。

【請求項4】

前記第１可視光が青色光であり、前記第２可視光が緑色光であり、前記第３可視光が赤色光であることを特徴とする請求項１または２に記載の合分波素子。

【請求項5】

前記第１可視光が赤色光であり、前記第２可視光が緑色光であり、前記第３可視光が青色光であることを特徴とする請求項１または２に記載の合分波素子。

【請求項6】

前記第１導波路、前記第２導波路、前記第３導波路、前記第４導波路および前記第１合分波器は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の合分波素子。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一つに記載の合分波素子と、
前記第１導波路と光学的に接続されており、前記第１可視光を出力する第１可視光源と、
前記第２導波路と光学的に接続されており、前記第２可視光を出力する第２可視光源と、
前記第３導波路と光学的に接続されており、前記第３可視光を出力する第３可視光源と、
を備えることを特徴とする光源モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、合分波素子および光源モジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、携帯プロジェクター、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などの開発が加速しており、走査型レーザ投射装置の超小型化が強く求められている。走査型レーザ投射装置の主要部品として、可視光源である赤色光源、緑色光源、青色光源のそれぞれから出力された光を合波する合波モジュールがある。可視光源と合波モジュールとを含んで光源モジュールが構成される。

【0003】

合波モジュールとして、ダイクロイックミラー等の空間結合技術を用いて作製されたものがある。しかしながら、空間結合型の合波モジュールは、レンズ等の複数部品をきわめて精密に実装しなければならない、モジュールサイズの大型化を引き起こす、さらに、アセンブリ時の軸ずれによる光学系の損失増大が発生する場合がある。そこで、半導体プロセスを利用して作製可能な石英系ガラス導波路で構成される、平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）型の合波素子が、上記の課題を解決できる手段として注目されている（特許文献１～３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－１９５６０３号公報

【文献】特開２０１９－３５８７６号公報

【文献】国際公開第２０１７／０６５２２５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１、３では、赤色光、緑色光、青色光の３つの可視光を合波するために、２つの合波器を備えている。しかしながら、２つの合波器を備える構成では、小型化が困難である。特に、赤色光、緑色光、青色光は、波長間隔が離れているために、方向性結合器や多モード干渉型合波器などの干渉作用を用いて合波する場合、結合長が長くなる。したがって、合波部の長さも長くなるので、小型化は一層困難である。一方、特許文献２では、３つの導波路の出力ポートを近接させているので、各導波路の位置やサイズなど作製精度の高さが要求される。したがって、特に微細加工や導波路の間隔について、製造が困難である。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型かつ製造が容易な合分波素子および光源モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る合分波素子は、第１可視光が入力され、該第１可視光を導波する第１導波路と、前記第１可視光とは波長が異なる第２可視光が入力され、該第２可視光を導波する第２導波路と、第３可視光が入力され、該第３可視光を導波する第３導波路と、第４導波路と、前記第１導波路、前記第２導波路および前記第４導波路と光学的に接続されており、前記第１導波路から入力された前記第１可視光と前記第２導波路から入力された前記第２可視光とを合波して前記第４導波路へ出力する第１合分波器と、を備え、前記第３導波路において、前記第３可視光が入力される側とは反対側に位置する第１出力部と、前記第４導波路において、前記第１合分波器と接続されている側とは反対側に位置する第２出力部と、が近接している。

【0008】

前記第３導波路と前記第１合分波器とは幅方向において並んでいてもよい。

【0009】

前記第１可視光が赤色光であり、前記第２可視光が青色光であり、前記第３可視光が緑色光であってもよい。

【0010】

前記第１可視光が青色光であり、前記第２可視光が緑色光であり、前記第３可視光が赤色光であってもよい。

【0011】

前記第１可視光が赤色光であり、前記第２可視光が緑色光であり、前記第３可視光が青色光であってもよい。

【0012】

前記第３導波路は、前記第３可視光が入力され、該第３可視光を導波する第５導波路と、前記第３可視光とは波長が異なる第４可視光が入力され、該第４可視光を導波する第６導波路と、前記第５導波路から入力された前記第３可視光と前記第６導波路から入力された前記第４可視光とを合波して出力する第２合分波器と、前記第２合分波器から出力された前記第３可視光と前記第４可視光とを導波する第７導波路と、を備え、前記第１出力部は、前記第７導波路により構成されていてもよい。

【0013】

前記第１導波路、前記第２導波路、前記第３導波路、前記第４導波路および前記第１合分波器は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を含んでもよい。

【0014】

本発明の一態様に係る光源モジュールは、前記合分波素子と、前記第１導波路と光学的に接続されており、前記第１可視光を出力する第１可視光源と、前記第２導波路と光学的に接続されており、前記第２可視光を出力する第２可視光源と、前記第３導波路と光学的に接続されており、前記第３可視光を出力する第３可視光源と、を備える。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、小型かつ製造が容易な合分波素子および光源モジュールを実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、実施形態１に係る光源モジュールの模式的構成図である。

【図2】図２は、図１のＸ－Ｘ線断面図である。

【図3】図３は、比屈折率差Δとコアサイズとの関係の一例を示す図である。

【図4】図４は、実施形態２に係る合分波素子の模式的構成図である。

【図5】図５は、実施形態３に係る合分波素子の模式的構成図である。

【図6】図６は、作製例１の合分波素子の透過特性の一例を示す図である。

【図7】図７は、作製例２の合分波素子の透過特性の別の一例を示す図である。

【図8】図８は、実施形態４に係る合分波素子の模式的構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0018】

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光源モジュールの模式的構成図である。光源モジュール１００は、合分波素子１０と、可視光源２１、２２および２３とを備えている。合分波素子１０は、石英系ガラスからなるＰＬＣで構成されている。

【0019】

合分波素子１０は、第１導波路１１ａと、第２導波路１１ｂと、第３導波路１１ｃと、第４導波路１１ｄと、第１合分波器１１ｅと、クラッド１２とを備えている。

【0020】

クラッド１２は、第１導波路１１ａ、第２導波路１１ｂ、第３導波路１１ｃ、第４導波路１１ｄおよび第１合分波器１１ｅを取り囲んでいる。図２ではクラッド１２が第１導波路１１ａ、第２導波路１１ｂおよび第３導波路１１ｃを取り囲んでいる状態を示している。クラッド１２は、各導波路の下方に位置する下部クラッド１２ａと、各導波路の上方および側方に位置する上部クラッド１２ｂとを備えている。クラッド１２は、たとえば不図示のシリコン基板やガラス基板上に形成されている。

【0021】

合分波素子１０は、第１端部１０ａと、長手方向において第１端部１０ａと対向する第２端部１０ｂとを有する。合分波素子１０の長さ、すなわち第１端部１０ａと第２端部１０ｂとの距離はＬａである。また、合分波素子１０の幅はＷａである。

【0022】

第１合分波器１１ｅは、長手方向に延伸している。第１合分波器１１ｅは、公知の構成を有しており、たとえば方向性結合器型や多モード干渉型、Ｙ分岐型などの、導波路を含む構造を有するものである。

【0023】

第１導波路１１ａおよび第２導波路１１ｂは、屈曲しており、第１合分波器１１ｅの長手方向における一方の端部に光学的に接続されている。なお、第１導波路１１ａおよび第２導波路１１ｂの、第１合分波器１１ｅと接続されている端部とは反対側の端部は、それぞれ第１端部１０ａまで延伸している。第４導波路１１ｄは、屈曲しており、第１合分波器１１ｅの長手方向における他方の端部に光学的に接続されている。なお、第４導波路１１ｄの、第１合分波器１１ｅと接続されている端部とは反対側の端部は、第２端部１０ｂまで延伸している。第４導波路１１ｄの第２端部１０ｂ側の端部は、第２出力部としての出力部１１ｄａとなっている。すなわち、出力部１１ｄａは、第４導波路１１ｄにおいて、第１合分波器１１ｅと接続されている側とは反対側に位置する。

【0024】

第３導波路１１ｃは、屈曲しており、第１端部１０ａから第２端部１０ｂまで延伸している。第３導波路１１ｃの第２端部１０ｂ側の端部は、第１出力部としての出力部１１ｃａとなっている。第３導波路１１ｃと第１合分波器１１ｅとは幅方向において並んでいる。

【0025】

第１導波路１１ａ、第２導波路１１ｂ、第３導波路１１ｃ、第４導波路１１ｄおよび第１合分波器１１ｅは、屈折率を高めるドーパントであるジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む石英系ガラスからなる。一方、クラッド１２はたとえば純石英ガラスからなる。ここで、純石英ガラスとは、不純物を含まない石英ガラスと、不純物を含むが石英ガラスの屈折率を変化させる不純物を含まない石英ガラスとを含むものと規定する。第１導波路１１ａ、第２導波路１１ｂ、第３導波路１１ｃ、第４導波路１１ｄおよび第１合分波器１１ｅの、クラッド１２に対する比屈折率差Δは特に限定されないが、本実施形態では０．４５％であり、ゲルマニア（ＧｅＯ_２）をドーパントして使用する場合よりも低濃度で高比屈折率差を実現できる。

【0026】

第１導波路１１ａ、第２導波路１１ｂ、第３導波路１１ｃ、第４導波路１１ｄおよび第１合分波器１１ｅは、所定の波長の可視光をシングルモードで導波する条件に、その断面サイズと比屈折率差Δとの関係が設定されている。ただし、断面サイズと比屈折率差Δとの関係は、所定の波長の可視光をマルチモードで導波する条件に設定されていてもよい。

【0027】

図３は、比屈折率差Δとコアサイズとの関係の一例を示す図である。コアサイズとは、導波路の長手方向に垂直な断面における断面形状を正方形とした場合の、正方形の一辺の長さである。コアサイズは波長λの光をシングルモードで導波することができる値を示している。波長λとして、通信において使用される１５５０ｎｍの場合と、可視光領域のうち比較的短波である４６０ｎｍの場合を示している。図３に示すように、１５５０ｎｍの場合と比較して、４６０ｎｍの場合、コアサイズを大幅に小さくする必要がある。たとえば、比屈折率差Δが０．４５％の場合、コアサイズは波長１５５０ｎｍでは一辺が７．５μｍであるものが、波長４６０ｎｍでは一辺が３μｍである。図３はシングルモード導波の場合を示すが、マルチモード導波の場合も、コアサイズの大小の波長依存性は同様の傾向を示す。

【0028】

図１に戻って、可視光源２１は、第１導波路１１ａと光学的に接続しており、第１導波路１１ａに第１可視光としての赤色光Ｌ１を出力する。可視光源２２は、第２導波路１１ｂと光学的に接続しており、第２導波路１１ｂに、第１可視光とは波長が異なる第２可視光としての青色光Ｌ２を出力する。可視光源２３は、第３導波路１１ｃと光学的に接続しており、第３導波路１１ｃに第３可視光としての緑色光Ｌ３を出力する。可視光源２１、２２、および２３は、合分波素子１０にバットジョイント接続されていてもよい。

【0029】

本実施形態では、第１導波路１１ａは、赤色光Ｌ１が第１端部１０ａ側から入力され、赤色光Ｌ１をシングルモードで導波する構成を有する。赤色光Ｌ１の波長はたとえば６２０ｎｍ～７５０ｎｍである。第２導波路１１ｂは、青色光Ｌ２が第１端部１０ａ側から入力され、青色光Ｌ２をシングルモードで導波する構成を有する。青色光Ｌ２の波長はたとえば４５０ｎｍ～４９５ｎｍである。第１合分波器１１ｅは、第１導波路１１ａから入力された赤色光Ｌ１と第２導波路１１ｂから入力された青色光Ｌ２とを合波して第４導波路１１ｄへ出力する。第４導波路１１ｄは、入力された赤色光Ｌ１と青色光Ｌ２とを導波し、出力部１１ｄａから出力する。なお、光の相反性により、第１合分波器１１ｅは光の合波機能と分波機能とを有する。

【0030】

第３導波路１１ｃは、緑色光Ｌ３が第１端部１０ａ側から入力され、緑色光Ｌ３をシングルモードで導波し、出力部１１ｃａから出力する構成を有する。緑色光Ｌ３の波長はたとえば４９５ｎｍ～５７０ｎｍである。すなわち、出力部１１ｃａは、第３導波路１１ｃにおいて、緑色光Ｌ３が入力される側とは反対側に位置する。

【0031】

ここで、出力部１１ｃａと出力部１１ｄａとは近接している。これにより、合分波素子１０は、赤色光Ｌ１と、青色光Ｌ２と、緑色光Ｌ３とを、１つのビームとみなせるＲＧＢ光Ｌ４として出力する。第２端部１０ｂにおける出力部１１ｃａと出力部１１ｄａとの距離、すなわち出力部１１ｃａと出力部１１ｄａの間のクラッド１２の長さは、たとえば１０μｍ以下である。また、当該クラッド１２の長さはたとえば２．５μｍ以上である。

【0032】

光源モジュール１００は、合分波素子１０を備えており、合分波素子１０は、合分波器としては１つの第１合分波器１１ｅを備え、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３の３つの可視光をＲＧＢ光Ｌ４として出力する。これにより、合分波素子１０および光源モジュール１００は、小型であり、特に長手方向において短い。また、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３を出力する可視光源２１、２２、および２３が半導体レーザ素子などである場合、発振波長は作製プロセスに起因してばらつく。そのため、各色の光の波長帯域において、たとえば±１０ｎｍの広帯域な合分波特性（たとえば透過特性）が強く求められている。合分波素子１０では、合分波器は１つだけであるため、その作製プロセスにおいてサイズが設計値から変動することで透過特性が変動しても、ある程度の帯域を確保することができる。すなわち、合分波素子１０は、安定して広帯域を実現することができる。なお、合分波素子が、複数の合波器が接続された構成を備える場合、それぞれの合分波器の設計値からの変動が連動し、透過特性が大きく変動するので、損失増大を引き起こしてしまうおそれがある。

【0033】

第１合分波器１１ｅとして２入力×２出力の多モード干渉型合分波器を用いた場合、合分波素子１０は長さＬａ×幅Ｗａをたとえば６．５ｍｍ×０．５ｍｍとできる。第１合分波器１１ｅとして方向性結合器型などの他の形式のものを用いた場合も同様のサイズとできる。

【0034】

また、合分波素子１０は、第３導波路１１ｃと第４導波路１１ｄとの２つの導波路を近接させていることによって、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３の３つの可視光を、ＲＧＢ光Ｌ４として出力する。これにより、３つの導波路を近接させる構成と比べて、合分波素子１０は、各導波路の位置やサイズなど作製精度の要求が低減されるので、製造が容易である。また、出力されるＲＧＢ光Ｌ４はビーム形状が楕円形状であるが、近接させる導波路の数の低減によって、合分波素子１０では、コア形状やビーム形状の個体差が低減され、安定したビーム形状が得られる。

【0035】

また、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３を出力する可視光源２１、２２、および２３が半導体レーザ素子である場合、緑色レーザ光源である可視光源２３は、赤色レーザ光源や青色レーザ光源である可視光源２１、２２よりも出力が低い場合がある。これに対して、合分波素子１０では、緑色光Ｌ３は、第１合分波器１１ｅを通過せず、第１合分波器１１ｅの過剰損失を受けないで出力される。その結果、合分波素子１０は、入力される緑色光Ｌ３と、赤色光Ｌ１および青色光Ｌ２との間の強度差を減少させることができる。

【0036】

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る合分波素子の模式的構成図である。合分波素子１０Ａは、実施形態１と同様に、石英系ガラスからなるＰＬＣで構成されている。

【0037】

合分波素子１０Ａは、第１導波路１１Ａａと、第２導波路１１Ａｂと、第３導波路１１Ａｃと、第４導波路１１Ａｄと、第１合分波器１１Ａｅと、クラッド１２Ａとを備えている。

【0038】

クラッド１２Ａは、第１導波路１１Ａａ、第２導波路１１Ａｂ、第３導波路１１Ａｃ、第４導波路１１Ａｄおよび第１合分波器１１Ａｅを取り囲んでいる。クラッド１２Ａは、実施形態１のクラッド１２と同様の構成である。

【0039】

合分波素子１０Ａは、第１端部１０Ａａと、長手方向において第１端部１０Ａａと対向する第２端部１０Ａｂとを有する。第１合分波器１１Ａｅは、長手方向に延伸している。第１合分波器１１Ａｅは、実施形態１の第１合分波器１１ｅと同様に公知の構成を有している。

【0040】

第１導波路１１Ａａおよび第２導波路１１Ａｂは、屈曲しており、第１合分波器１１Ａｅの長手方向における一方の端部に光学的に接続されている。なお、第１導波路１１Ａａおよび第２導波路１１Ａｂの、第１合分波器１１Ａｅと接続されている端部とは反対側の端部は、それぞれ第１端部１０Ａａまで延伸している。第４導波路１１Ａｄは、第１合分波器１１Ａｅの長手方向における他方の端部に光学的に接続されている。なお、第４導波路１１Ａｄの、第１合分波器１１Ａｅと接続されている端部とは反対側の端部は、第２端部１０Ａｂまで延伸している。第４導波路１１Ａｄの第２端部１０Ａｂ側の端部は、第２出力部としての出力部１１Ａｄａとなっている。

【0041】

第３導波路１１Ａｃは、屈曲しており、第１端部１０Ａａから第２端部１０Ａｂまで延伸している。第３導波路１１Ａｃの第２端部１０Ａｂ側の端部は、第１出力部としての出力部１１Ａｃａとなっている。第３導波路１１Ａｃと第１合分波器１１Ａｅとは幅方向において並んでいる。

【0042】

第１導波路１１Ａａ、第２導波路１１Ａｂ、第３導波路１１Ａｃ、第４導波路１１Ａｄおよび第１合分波器１１Ａｅは、ジルコニアを含む石英系ガラスからなる。第１導波路１１Ａａ、第２導波路１１Ａｂ、第３導波路１１Ａｃ、第４導波路１１Ａｄおよび第１合分波器１１Ａｅの、クラッド１２Ａに対する比屈折率差Δは特に限定されない。

【0043】

第１導波路１１Ａａ、第２導波路１１Ａｂ、第３導波路１１Ａｃ、第４導波路１１Ａｄおよび第１合分波器１１Ａｅは、所定の波長の可視光をシングルモードで導波する条件に、その断面サイズと比屈折率差Δとの関係が設定されているが、マルチモードで導波する条件に設定されていてもよい。

【0044】

本実施形態では、第１導波路１１Ａａは、第１可視光としての青色光Ｌ２が第１端部１０Ａａ側から入力され、青色光Ｌ２をシングルモードで導波する構成を有する。第２導波路１１Ａｂは、第２可視光としての緑色光Ｌ３が第１端部１０Ａａ側から入力され、緑色光Ｌ３をシングルモードで導波する構成を有する。第１合分波器１１Ａｅは、第１導波路１１Ａａから入力された青色光Ｌ２と第２導波路１１Ａｂから入力された緑色光Ｌ３とを合波して第４導波路１１Ａｄへ出力する。第４導波路１１Ａｄは、入力された青色光Ｌ２と緑色光Ｌ３とを導波し、出力部１１Ａｄａから出力する。

【0045】

第３導波路１１Ａｃは、第３可視光としての赤色光Ｌ１が第１端部１０Ａａ側から入力され、赤色光Ｌ１をシングルモードで導波し、出力部１１Ａｃａから出力する構成を有する。

【0046】

ここで、出力部１１Ａｃａと出力部１１Ａｄａとは近接している。これにより、合分波素子１０Ａは、赤色光Ｌ１と、青色光Ｌ２と、緑色光Ｌ３とを、１つのビームとみなせるＲＧＢ光Ｌ５として出力する。第２端部１０Ａｂにおける出力部１１Ａｃａと出力部１１Ａｄａとの距離は、たとえば１０μｍ以下である。

【0047】

合分波素子１０Ａは、合分波器としては１つの第１合分波器１１Ａｅを備え、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３の３つの可視光をＲＧＢ光Ｌ５として出力する。これにより、実施形態１と同様に、合分波素子１０は、小型であり、特に長手方向において短く、さらに安定して広帯域を実現することができる。また、合分波素子１０Ａは、第３導波路１１Ａｃと第４導波路１１Ａｄとの２つの導波路を近接させている。これにより、実施形態１と同様に、合分波素子１０は製造が容易であり、コア形状やビーム形状の個体差が低減される。

【0048】

また、一般的に、導波路の曲げ損失は、波長が長くなるにしたがって大きくなるので、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３の中では赤色光Ｌ１が最も曲げ損失が大きい。これに対して、合分波素子１０Ａでは、赤色光Ｌ１は、第１端部１０Ａａから第２端部１０Ａｂまで延伸している第３導波路１１Ａｃを導波する。これにより、合分波素子１０Ａにおいて第３導波路１１Ａｃに対して長手方向に広いスペースを割り当てることができ、曲げ半径を比較的大きく設計できる。その結果、合分波素子１０Ａでは、赤色光Ｌ１の曲げ損失が低減される。

【0049】

なお、合分波素子１０Ａと、実施形態１の可視光源２１、２２および２３とを組み合わせて、小型の光源モジュールを構成することができる。

【0050】

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る合分波素子の模式的構成図である。合分波素子１０Ｂは、実施形態１と同様に、石英系ガラスからなるＰＬＣで構成されている。

【0051】

合分波素子１０Ｂは、第１導波路１１Ｂａと、第２導波路１１Ｂｂと、第３導波路１１Ｂｃと、第４導波路１１Ｂｄと、第１合分波器１１Ｂｅと、クラッド１２Ｂとを備えている。

【0052】

クラッド１２Ｂは、第１導波路１１Ｂａ、第２導波路１１Ｂｂ、第３導波路１１Ｂｃ、第４導波路１１Ｂｄおよび第１合分波器１１Ｂｅを取り囲んでいる。クラッド１２Ｂは、実施形態１のクラッド１２と同様の構成である。

【0053】

合分波素子１０Ｂは、第１端部１０Ｂａと、長手方向において第１端部１０Ｂａと対向する第２端部１０Ｂｂとを有する。第１合分波器１１Ｂｅは、長手方向に延伸している。第１合分波器１１Ｂｅは、実施形態１の第１合分波器１１ｅと同様に公知の構成を有している。

【0054】

第１導波路１１Ｂａおよび第２導波路１１Ｂｂは、屈曲しており、第１合分波器１１Ｂｅの長手方向における一方の端部に光学的に接続されている。なお、第１導波路１１Ｂａおよび第２導波路１１Ｂｂの、第１合分波器１１Ｂｅと接続されている端部とは反対側の端部は、それぞれ第１端部１０Ｂａまで延伸している。第４導波路１１Ｂｄは、第１合分波器１１Ｂｅの長手方向における他方の端部に光学的に接続されている。なお、第４導波路１１Ｂｄの、第１合分波器１１Ｂｅと接続されている端部とは反対側の端部は、第２端部１０Ｂｂまで延伸している。第４導波路１１Ｂｄの第２端部１０Ｂｂ側の端部は、第２出力部としての出力部１１Ｂｄａとなっている。

【0055】

第３導波路１１Ｂｃは、屈曲しており、第１端部１０Ｂａから第２端部１０Ｂｂまで延伸している。第３導波路１１Ｂｃの第２端部１０Ｂｂ側の端部は、第１出力部としての出力部１１Ｂｃａとなっている。第３導波路１１Ｂｃと第１合分波器１１Ｂｅとは幅方向において並んでいる。

【0056】

第１導波路１１Ｂａ、第２導波路１１Ｂｂ、第３導波路１１Ｂｃ、第４導波路１１Ｂｄおよび第１合分波器１１Ｂｅは、ジルコニアを含む石英系ガラスからなる。第１導波路１１Ｂａ、第２導波路１１Ｂｂ、第３導波路１１Ｂｃ、第４導波路１１Ｂｄおよび第１合分波器１１Ｂｅの、クラッド１２Ｂに対する比屈折率差Δは特に限定されない。

【0057】

第１導波路１１Ｂａ、第２導波路１１Ｂｂ、第３導波路１１Ｂｃ、第４導波路１１Ｂｄおよび第１合分波器１１Ｂｅは、所定の波長の可視光をシングルモードで導波する条件に、その断面サイズと比屈折率差Δとの関係が設定されているが、マルチモードで導波する条件に設定されていてもよい。

【0058】

本実施形態では、第１導波路１１Ｂａは、第１可視光としての赤色光Ｌ１が第１端部１０Ｂａ側から入力され、赤色光Ｌ１をシングルモードで導波する構成を有する。第２導波路１１Ｂｂは、第２可視光としての緑色光Ｌ３が第１端部１０Ｂａ側から入力され、緑色光Ｌ３をシングルモードで導波する構成を有する。第１合分波器１１Ｂｅは、第１導波路１１Ｂａから入力された赤色光Ｌ１と第２導波路１１Ｂｂから入力された緑色光Ｌ３とを合波して第４導波路１１Ｂｄへ出力する。第４導波路１１Ｂｄは、入力された赤色光Ｌ１と緑色光Ｌ３とを導波し、出力部１１Ｂｄａから出力する。

【0059】

第３導波路１１Ｂｃは、第３可視光としての青色光Ｌ２が第１端部１０Ｂａ側から入力され、青色光Ｌ２をシングルモードで導波し、出力部１１Ｂｃａから出力する構成を有する。

【0060】

ここで、出力部１１Ｂｃａと出力部１１Ｂｄａとは近接している。これにより、合分波素子１０Ｂは、赤色光Ｌ１と、青色光Ｌ２と、緑色光Ｌ３とを、１つのビームとみなせるＲＧＢ光Ｌ６として出力する。第２端部１０Ｂｂにおける出力部１１Ｂｃａと出力部１１Ｂｄａとの距離は、たとえば１０μｍ以下である。

【0061】

合分波素子１０Ｂは、合分波器としては１つの第１合分波器１１Ｂｅを備え、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３の３つの可視光をＲＧＢ光Ｌ６として出力する。これにより、実施形態１と同様に、合分波素子１０Ｂは、小型であり、特に長手方向において短く、さらに安定して広帯域を実現することができる。また、合分波素子１０Ｂは、第３導波路１１Ｂｃと第４導波路１１Ｂｄとの２つの導波路を近接させている。これにより、実施形態１と同様に、合分波素子１０Ｂは製造が容易であり、コア形状やビーム形状の個体差が低減される。

【0062】

また、一般的に、合波器における結合長は、波長が短くなるにしたがって長くなる。これに対して、合分波素子１０Ｂでは、第１合分波器１１Ｂｅによって、比較的波長が長い赤色光Ｌ１と緑色光Ｌ３を合波する。これにより、第１合分波器１１Ｂｅは比較的短くなるので、合分波素子１０Ａはより一層小型になる。

【0063】

なお、合分波素子１０Ｂと、実施形態１の可視光源２１、２２および２３とを組み合わせて、小型の光源モジュールを構成することができる。

【0064】

以下、ビーム伝搬法(Beam Propagation Method:ＢＰＭ)を用いたシミュレーション計算結果およびその作製例を参照して説明する。

【0065】

はじめに、比較計算例として、平面視で矩形の多モード干渉型の合分波器について、その大きさを計算した。なお、比屈折率差Δは０．４５％とした。第１、第２、第４導波路のコアサイズは３μｍ×３μｍとした。合分波器の幅は６μｍとした。その結果、波長４６５ｎｍの青色光と波長６３０ｎｍの赤色光とを合波する設計では、合分波器の長さが４．５ｍｍであった。また、波長４６５ｎｍの青色光と波長６３０ｎｍの赤色光と波長５２０ｎｍの緑色光とを合波する設計では、合分波器の長さが１０ｍｍであった。したがって、この２つの合分波器を用いて合分波素子を作製すると、長さが２０ｍｍを超えると考えられる。

【0066】

つづいて、計算例１として、実施形態１に係る合分波素子１０について、その大きさを計算した。なお、第１合分波器１１ｅは方向性結合器型とした。そして、計算結果に基づき、作製例１として、公知のＰＬＣ作製技術を用いて合分波素子を作製した。なお、比屈折率差Δは０．４５％とした。第１～第４導波路のコアサイズは３μｍ×３μｍとした。第１導波路１１ａ、第２導波路１１ｂの最小曲げ半径は５．０ｍｍとした。第３導波路１１ｃの最小曲げ半径は５．０ｍｍとした。その結果、合分波素子のサイズは５．０ｍｍ×０．５ｍｍときわめて小型であった。

【0067】

図６は、作製例１の合分波素子の透過特性を示す図である。領域Ｒ１は、矢印で示す波長４６５ｎｍを中心として±１０ｎｍの青色領域を示している。領域Ｒ２は、矢印で示す波長５２０ｎｍを中心として±１０ｎｍの緑色領域を示している。領域Ｒ３は、矢印で示す波長６３０ｎｍを中心として±１０ｎｍの赤色領域を示している。凡例におけるＲ→Ｃは第１導波路（図１では１１ａ）から第４導波路（図１では１１ｄ）の透過特性を示している。凡例におけるＢ→Ｃは第１導波路（図１では１１ａ）から第４導波路（図１では１１ｄ）までの透過特性を示している。凡例におけるＧ→Ｃは第３導波路（図１では１１ｃ）の透過特性を示している。

【0068】

作製例１の合分波素子では、光損失が、領域Ｒ１の青色領域において０．１ｄＢ～０．４ｄＢ、領域Ｒ２の緑色領域において０．０５ｄＢ～０．２ｄＢ、領域Ｒ３の赤色領域において０．３ｄＢ～０．９ｄＢであり、実用上好ましい値であった。

【0069】

つづいて、計算例２として、実施形態２に係る合分波素子１０Ａについて、その大きさを計算した。なお、第１合分波器１１Ａｅは方向性結合器型とした。そして、計算結果に基づき、作製例２として、公知のＰＬＣ作製技術を用いて合分波素子を作製した。なお、比屈折率差Δは０．４５％とした。第１～第４導波路のコアサイズは３μｍ×３μｍとした。第１導波路１１Ａａ、第２導波路１１Ａｂの最小曲げ半径は２．０ｍｍとした。第３導波路１１Ａｃの最小曲げ半径は５．０ｍｍとした。その結果、合分波素子のサイズは４．５ｍｍ×０．５ｍｍときわめて小型であった。

【0070】

図７は、作製例２の合分波素子の透過特性を示す図である。領域Ｒ１、領域Ｒ２および、領域Ｒ３については、図６と同様である。凡例におけるＲ→Ｃは第３導波路（図４では１１Ａｃ）の透過特性を示している。凡例におけるＢ→Ｃは第１導波路（図４では１１ａ）から第４導波路（図４では１１Ａｄ）までの透過特性を示している。凡例におけるＧ→Ｃは第２導波路（図１では１１Ａｂ）から第４導波路までの透過特性を示している。

【0071】

作製例２の合分波素子では、光損失が、領域Ｒ１の青色領域において０．１ｄＢ～０．５ｄＢ、領域Ｒ２の緑色領域において０．２ｄＢ～０．８ｄＢ、領域Ｒ３の赤色領域において０．０５ｄＢ～０．２ｄＢであり、実用上好ましい値であった。

【0072】

（実施形態４）
上記実施形態では、３つの可視光を合波しているが、本発明は、４つ以上の可視光を合波する場合にも適用できる。

【0073】

図８は、実施形態４に係る合分波素子の模式的構成図である。合分波素子１０Ｃは、実施形態１と同様に、石英系ガラスからなるＰＬＣで構成されている。

【0074】

合分波素子１０Ｃは、第１導波路１１Ｃａと、第２導波路１１Ｃｂと、第３導波路１１Ｃｃと、第４導波路１１Ｃｄと、第１合分波器１１Ｃｅと、クラッド１２Ｃとを備えている。

【0075】

クラッド１２Ｃは、第１導波路１１Ｃａ、第２導波路１１Ｃｂ、第３導波路１１Ｃｃ、第４導波路１１Ｃｄおよび第１合分波器１１Ｃｅを取り囲んでいる。クラッド１２Ｃは、実施形態１のクラッド１２と同様の構成である。

【0076】

合分波素子１０Ｃは、第１端部１０Ｃａと、長手方向において第１端部１０Ｃａと対向する第２端部１０Ｃｂとを有する。第１合分波器１１Ｃｅは、長手方向に延伸している。第１合分波器１１Ｃｅは、実施形態１の第１合分波器１１ｅと同様に公知の構成を有している。

【0077】

第１導波路１１Ｃａおよび第２導波路１１Ｃｂは、屈曲しており、第１合分波器１１Ｃｅの長手方向における一方の端部に光学的に接続されている。なお、第１導波路１１Ｃａおよび第２導波路１１Ｃｂの、第１合分波器１１Ｃｅと接続されている端部とは反対側の端部は、それぞれ第１端部１０Ｃａまで延伸している。第４導波路１１Ｃｄは、第１合分波器１１Ｃｅの長手方向における他方の端部に光学的に接続されている。なお、第４導波路１１Ｃｄの、第１合分波器１１Ｃｅと接続されている端部とは反対側の端部は、第２端部１０Ｃｂまで延伸している。第４導波路１１Ｃｄの第２端部１０Ｃｂ側の端部は、第２出力部としての出力部１１Ｃｄａとなっている。

【0078】

第３導波路１１Ｃｃは、屈曲しており、第１端部１０Ｃａから第２端部１０Ｃｂまで延伸している。第３導波路１１Ｃｃの第２端部１０Ｃｂ側の端部は、第１出力部としての出力部１１Ｃｃａとなっている。第３導波路１１Ｃｃと第１合分波器１１Ｃｅとは幅方向において並んでいる。

【0079】

第３導波路１１Ｃｃは、第５導波路１１Ｃｃ１と、第６導波路１１Ｃｃ２と、第２合分波器１１Ｃｃ３と、第７導波路１１Ｃｃ４とを備える。第５導波路１１Ｃｃ１と第６導波路１１Ｃｃ２とは一方の端部が第１端部１０Ｃａ側まで延伸し、他方の端部が第２合分波器１１Ｃｃ３に光学的に接続している。第７導波路１１Ｃｃ４は一方の端部が第２端部１０Ｃｂ側まで延伸し、他方の端部が第２合分波器１１Ｃｃ３に光学的に接続している。第７導波路１１Ｃｃ４は出力部１１Ｃｃａを構成している。第２合分波器１１Ｃｃ３は、長手方向に延伸している。第２合分波器１１Ｃｃ３は、公知の構成を有しており、たとえば方向性結合器型や多モード干渉型、Ｙ分岐型などの、導波路を含む構造を有するものである。

【0080】

第１導波路１１Ｃａ、第２導波路１１Ｃｂ、第３導波路１１Ｃｃ、第４導波路１１Ｃｄおよび第１合分波器１１Ｃｅは、ジルコニアを含む石英系ガラスからなる。第１導波路１１Ｃａ、第２導波路１１Ｃｂ、第３導波路１１Ｃｃ、第４導波路１１Ｃｄおよび第１合分波器１１Ｃｅの、クラッド１２Ｃに対する比屈折率差Δは特に限定されない。

【0081】

第１導波路１１Ｃａ、第２導波路１１Ｃｂ、第３導波路１１Ｃｃ、第４導波路１１Ｃｄおよび第１合分波器１１Ｂｅは、所定の波長の可視光をシングルモードで導波する条件に、その断面サイズと比屈折率差Δとの関係が設定されているが、マルチモードで導波する条件に設定されていてもよい。

【0082】

本実施形態では、第１導波路１１Ｃａは、第１可視光としての赤色光Ｌ１が第１端部１０Ｃａ側から入力され、赤色光Ｌ１をシングルモードで導波する構成を有する。第２導波路１１Ｃｂは、第２可視光としての緑色光Ｌ３ａが第１端部１０Ｂａ側から入力され、緑色光Ｌ３ａをシングルモードで導波する構成を有する。第１合分波器１１Ｃｅは、第１導波路１１Ｃａから入力された赤色光Ｌ１と第２導波路１１Ｃｂから入力された緑色光Ｌ３ａとを合波して第４導波路１１Ｃｄへ出力する。第４導波路１１Ｃｄは、入力された赤色光Ｌ１と緑色光Ｌ３ａとを導波し、出力部１１Ｃｄａから出力する。

【0083】

一方、第３導波路１１Ｃｃにおいて、第５導波路１１Ｃｃ１は、第３可視光としての青色光Ｌ２が第１端部１０Ｃａ側から入力され、青色光Ｌ２をシングルモードで導波する構成を有する。第６導波路１１Ｃｃ２は、第３可視光とは波長が異なる第４可視光としての緑色光Ｌ３ｂが第１端部１０Ｃａ側から入力され、緑色光Ｌ３ｂをシングルモードで導波する構成を有する。第２合分波器１１Ｃｃ３は、第５導波路１１Ｃｃ１から入力された青色光Ｌ２と第６導波路１１Ｃｃ２から入力された緑色光Ｌ３ｂとを合波して第７導波路１１Ｃｃ４へ出力する。第７導波路１１Ｃｃ４は、入力された青色光Ｌ２と緑色光Ｌ３ｂとを導波し、出力部１１Ｃｃａから出力する。

【0084】

ここで、出力部１１Ｃｃａと出力部１１Ｃｄａとは近接している。これにより、合分波素子１０Ｃは、赤色光Ｌ１と、青色光Ｌ２と、緑色光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂとの４つの可視光を、１つのビームとみなせるＲＧＢ光Ｌ７として出力する。第２端部１０Ｃｂにおける出力部１１Ｃｃａと出力部１１Ｃｄａとの距離は、たとえば１０μｍ以下である。

【0085】

合分波素子１０Ｃは、合分波器としては２つの第１合分波器１１Ｃｅおよび第２合分波器１１Ｃｃ３を備えており、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂの４つの可視光をＲＧＢ光Ｌ７として出力する。これにより、実施形態１と同様に、合分波素子１０Ｂは、小型であり、特に長手方向において短く、さらに安定して広帯域を実現することができる。また、合分波素子１０Ｃは、第３導波路１１Ｃｃと第４導波路１１Ｃｄとの２つの導波路を近接させている。これにより、実施形態１と同様に、合分波素子１０Ｂは製造が容易であり、コア形状やビーム形状の個体差が低減される。

【0086】

また、赤色光Ｌ１、青色光Ｌ２および緑色光Ｌ３を出力する光源が半導体レーザ素子である場合、緑色レーザ光源は、赤色レーザ光源や青色レーザ光源よりも出力が低い場合がある。これに対して、合分波素子１０Ｃでは、緑色光として、緑色光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂを入力できる。その結果、合分波素子１０は、入力される緑色光Ｌ３ａと緑色光Ｌ３ｂとの合計の強度と、赤色光Ｌ１および青色光Ｌ２との間の強度差を減少させることができる。

【0087】

また、合分波素子１０Ｃと、実施形態１の可視光源２１、２２および２つの可視光源２３を組み合わせて、小型の光源モジュールを構成することができる。

【0088】

なお、本実施形態では、第４可視光が緑色光であるが、第４可視光は青色光、赤色光、またはその他の色のなど、他の波長の可視光であってもよい。また、第１～第３可視光の波長についても、他の波長の可視光でもよい。

【0089】

さらには、５以上の可視光を合波する場合には、可視光の数よりも１つ以上少ない合分波器と、可視光の数よりも１つ以上少ない出力部とを近接させることで、本発明の実施形態に係る合分波素子を構成できる。

【0090】

また、上記実施形態では、各導波路はジルコニアを含んでいるが、ゲルマニアを含んでいてもよい。屈折率を高めるドーパントよらず合分波素子の小型化と製造容易性とが実現される。

【0091】

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0092】

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 合分波素子
１０ａ、１０Ａａ、１０Ｂａ、１０Ｃａ 第１端部
１０ｂ、１０Ｂｂ、１０Ｃｂ 第２端部
１１ａ、１１Ａａ、１１Ｂａ、１１Ｃａ 第１導波路
１１ｂ、１１Ａｂ、１１Ｂｂ、１１Ｃｂ 第２導波路
１１ｃ、１１Ａｃ、１１Ｂｃ、１１Ｃｃ 第３導波路
１１ｃａ、１１ｄａ、１１Ａｃａ、１１Ａｄａ、１１Ｂｃａ、１１Ｂｄａ、１１Ｃｃａ、１１Ｃｄａ 出力部
１１ｄ、１１Ａｄ、１１Ｂｄ、１１Ｃｄ 第４導波路
１１ｅ、１１Ａｅ、１１Ｂｅ、１１Ｃｅ 第１合分波器
１１Ｃｃ１ 第５導波路
１１Ｃｃ２ 第６導波路
１１Ｃｃ３ 第２合分波器
１１Ｃｃ４ 第７導波路
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ クラッド
１２ａ 下部クラッド
１２ｂ 上部クラッド
２１、２２、２３ 可視光源
１００ 光源モジュール
Ｌ１ 赤色光
Ｌ２ 青色光
Ｌ３、Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ 緑色光
Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７ ＲＧＢ光
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】