光源装置的制作方法

专利名称：光源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如适合于小型投影仪的光源装置。
背景技术：
在将R波长区域、G波长区域以及B波长区域的光投影到银幕上而显示彩色图像的投影仪中，为了形成彩色图像，需要将各波长区域的光投射到一点。作为将各波长区域的光投射到一点的结构，已知以下的技术通过使用了 MEMS(微电子机械系统)的反射镜机构， 扫描各波长区域的光。该结构有以下这样的问题在通过反射镜对被整合到水平方向的各波长区域的光进行扫描时，投射各波长区域的光的定时的时间偏离；各波长区域的扫描角范围不同。作为解决该问题的现有技术，已知专利文献1。在专利文献1中，揭示了使用被称为XCUBE的将4体的直角棱镜组合起来而成的波束(beam)耦合器、解决了该X射线管所具有的问题的由3个光学部分构成的波束耦合器等的分光棱镜(dichroic prism)，对RGB的光波进行合波。另外，已知在通常使用的投影仪中，使用十字棱镜对RGB的光波进行合波。另外，关于使用棱镜对从半导体激光器出射的激光波束进行合波的技术，例如已知有专利文献2、3。另外，作为在光通信中使用方向性耦合器进行光合波分波的装置，例如提出了专利文献4、5。在专利文献4、5中，揭示了以下一点由波导(waveguide)构成方向性耦合器， 对2个波长进行合波或分波。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特表2007-5；34987号公报(段落0002 专利文献2 日本特开平9-109353号公报(段落00 )专利文献3 日本特开平11-64793号(段落0014)专利文献4 日本特开平11-6931号(段落0027,0028)专利文献5 日本特开2000-9952号(段落0053 0057)专利文献6 日本特公昭56-27846号(第2栏)专利文献7 日本特开2008-261942号(段落0045、0046)
0005,0017 0022)

发明内容
发明要解决的课题如上所述，使用了分光棱镜、十字棱镜的空间光学系统的合波器有以下的问题对于RGB的各发光元件需要3维的校准，进行该校准的调芯工序很复杂。另外还有以下的问题为了低损耗地对各波束进行耦合，需要透镜等光学元件，部件个数增加。在光通信领域中，已知使用方向性耦合器来代替使用了棱镜的空间光学系统的合波器的技术，期待通过将该方向性耦合器应用于投影仪中，解决用于校准的调芯工序、部件个数增加这样的问题。但是，专利文献4、5所示的方向性耦合器对2个波长进行合波或分波，而对于投影仪所需要的至少全彩色显示所需要的宽范围的波长范围中的3个特定波长的合成法，并没有具体记述。另一方面，在专利文献6中，提出了以下这样的方向性耦合器型分波器选择从3 个端口中之一入射的具有多个中心波长的光波中的具有特定的中心波长的光波并将其取出到另一个间距变换器，从另一个端口取出剩余的光波。但是，该方向性耦合器型分波器是利用基于N个方向性耦合器的波长选择性、基于N-I个Y字形光分支回路的光能量耦合的结构，因此有以下的问题，即除了方向性耦合器以外，还需要Y字形光分支回路，结构复杂，部件个数增加。另外，作为解决上述那样的问题的一般结构，考虑了配置发光元件、方向性耦合器等光学元件的结构，但是在这样配置各光学元件而形成实际的光源装置时，为了将发光元件与方向性耦合器之间光学地连接起来，需要光纤等导光体、对它们进行光学连接的光连接器。为此，需要光连接用的构件、空间(space)，依然会产生部件个数的增加、大型化的问题。另外，还提出了具备对从多个光源输出的光进行合波而输出的光合波单元的光源装置。该光合波单元揭示了以下的结构通过在预定区间使2条光波导接近而使光进行合波(例如参考专利文献7)。具备该光合波路径的光源装置可以通过将光源与光合波单元集成到元件安装面上而使光学系统小型化，但对于半导体激光元件、受光元件等电气系统的元件，是配置在子衬底(sub mount)、承载构件上并且通过电线进行电气连接的结构。这样的结构有以下的问题，即成为阻碍光源装置和具备光源装置的投影仪装置小型化的因素，无法充分发挥使光学系统小型化、集成化的效果。因此，本发明的目的在于解决上述的问题，在使3个以上的波长的光波进行合波而出射的光源装置中，提高光学系统元件和电气系统元件的集成度，另外，其目的在于小型化。解决上述课题的手段为了达到上述目的，本发明通过在半导体衬底上形成光学系统元件和电气系统元件，而不需要光连接器等光学构件，节省了这些光学构件所需要的空间而缩小了配置间隔， 另外缩小了电气电路的配线所需要的空间，提高了光学系统元件和电气系统元件的各元件的集成度。进而，在将分别配置的光学系统元件与电气系统元件连接起来的结构中，除了分别配置光学系统元件和电气系统元件的空间以外，还需要将光学系统元件和电气系统元件连接起来的连接空间，另外，还需要跨过该连接空间将光学系统元件与电气系统元件电连接起来的布线。与此相对，本发明通过将光学系统元件与电气系统元件形成在同一半导体衬底上，可以不要用于连接光学系统元件和电气系统元件的连接空间，还可以将布线也形成在半导体衬底上，因此，也不需要跨过连接空间而将光学系统元件和电气系统元件电连接起来的布线。本发明将光学系统元件和电气系统元件形成在半导体衬底上，对于光学系统元件，在半导体衬底上形成对发光元件的发光进行合波的多波长合波器、将发光元件和多波长合成器之间光学地连接起来的波导，由此，不需要光连接器等光学构件，并且能够节省这些光学构件所需要的空间，缩小配置间隔。另外，对于电气元件，在半导体衬底上形成将检测发光元件、发光量的检测器、控制部件等电连接起来的布线，由此，不设置外部布线就能够进行电连接。另外，通过在同一半导体衬底上层状地形成光学系统元件和电气元件，还能够缩小需要分别同时设置光学系统元件和电气元件的结构的面积。本发明的光源装置具备形成有布线的半导体衬底；电极端子，其被形成在半导体衬底上，将布线与外部电连接；多个激光元件，其被安装在半导体衬底上，并且与布线连接，波长不同；多条波导，其被形成在半导体衬底上，对各激光元件所发出的光波进行导向； 多波长合波器，其被形成在半导体衬底上，具有波导型方向性耦合器，对通过各波导导向的光波进行合波。以半导体衬底作为光学元件衬底而形成波导和多波长合波器，另外以半导体衬底作为电气元件衬底而形成布线，进而在该半导体衬底上安装发光元件、检测器、控制部件等，由此将发光元件、检测器、控制部件、以及波导、多波长合波器配置在半导体衬底上。另外，也可以是在半导体衬底内形成检测器、控制部件的电气电路的结构。半导体衬底例如可以使用硅。进而，通过在半导体衬底上，与波导的一方端部相对地配置发光元件，不需要光连接器就将由发光元件发出的光波导入到波导。在作为光学元件衬底的半导体衬底上，可以在进行了光轴匹配的状态下形成波导和多波长合波器，因此，能够不使用光连接器而将从发光元件导入到波导的光波导入到多波长合波器。多波长合波器对经由波导导入的波长不同的多个光波进行合波后出射。本发明通过在共用的半导体衬底上配置发光元件、波导、多波长合波器的结构，能够不需要光连接器等光学构件而减少部件个数，通过省去这些光学构件所需要的间隙，能够缩小配置间隔，使光源装置小型化。在本发明的光源装置所具备的多波长合波器中，波导型方向性耦合器的间距间隔与发光元件的间距间隔不同。通常，发光元件由激光元件等与波导不同的半导体的发光元件形成，因此发光元件的间距间隔比波导型方向性耦合器的间距间隔宽。另外，在由单个元件构成各波长的发光元件的情况下，由于将各发光元件安装在半导体衬底上，所以需要隔开预定的配置间隔进行配置。因此，需要使发光元件间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配。为了使发光元件的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配，通常在发光元件与波导型方向性耦合器之间设置光学地将它们连接起来的波导，通过使该波导弯曲，而逐渐地减小间距间隔。考虑到光的泄漏等而限制波导弯曲的曲率半径，因此为了使间距间隔匹配，而需要在发光元件与波导型方向性耦合器之间隔开预定距离。该发光元件与波导型方向性耦合器的距离成为光源装置大型化的原因。因此，本发明的光源装置通过设置间距变换器，能够使发光元件的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配。间距变换器是使发光元件的间距间隔与波导型方向性耦合器的间距间隔匹配的光学元件。通过在发光元件与波导型方向性耦合器之间设置间距变换器，能够缩短发光元件与波导型方向性耦合器之间的距离，进一步使光源装置小型化。通过与SHG波长变换元件相同的各向异性介质，作为光学元件衬底在半导体衬底上与波导和波导型方向性耦合器一起还形成间距变换器，由此能够减少耦合位置，使多波长合波器小型化。可以由使光轴方向弯曲的弯曲元件来构成间距变换器，但通过特别地使用由使光轴方向变更90度的全反射反射镜构成的90度弯曲变换器，能够成为缩短多波长合波器的长度的结构。90度弯曲变换器将波导的方向变更90度。也可以由使用了各向异性介质的全反射反射镜构成90度弯曲变换器。将与入射波的波长对应的各向异性介质所具有的2个折射率作为参数来确定全反射反射镜的相对于入射波的反射面的角度。例如，在设各向异性介质的折射率为!^、!^时，通过下式求出设反射角为90度时的全反射反射镜的反射面的角度θ ne2+n02-sin2 θ (n02-ne2) _2n02tan θ = 0通过将该各向异性介质的折射率rv 作为参数求出反射面的角度θ，能够使入射波的光轴与出射波的光轴为90度。根据本发明的光源装置的结构，不用使光源装置尺寸大型化，就能够配置光源装置所具备的构成元件，能够安装安装部件。在此，作为安装部件，有作为发光元件的激光元件、控制发光元件的发光的控制部件、将形成在半导体衬底上的布线与外部电连接起来的电极端子。设本发明的光源装置的半导体衬底的形成为四角形状，将多个发光元件安装在四角形状的一边侧，将使由多波长合波器合波了的光出射的出射端设置在与安装发光元件的边成直角的另一边侧。大致根据波导型方向性耦合器的尺寸来确定四角形状的各边的长度。因此，通过分别将发光元件和出射端设置在四角形状的具有垂直关系的2边，能够抑制因所安装的发光元件、出射端导致的尺寸的扩大。通过将发光元件和出射端设置在四角形状的不同的边来分散安装位置，由此能够抑制因2个安装部件位于同一安装位置而造成的安装面积的扩大。另外，本发明的光源装置具备控制部件，其控制多个发光元件的发光；电极端子，其将形成在半导体衬底上的布线与外部电连接起来，其中，将控制部件安装在安装发光元件的半导体衬底的一边侧，将电极端子形成在安装发光元件的半导体衬底的另一边侧。控制部件可以构成为包含驱动发光元件的驱动电路和控制该驱动电路所提供的电流的控制电路，可以由IC电路构成。控制部件除了安装在半导体衬底上以外，还可以在半导体衬底内由集成电路形成工序(IC工序)形成。对于控制部件和电极端子，也与上述的发光元件和出射端子一样，通过分别设置在四角形状的具有垂直关系的2边上，能够抑制因控制部件和电极端子所造成的尺寸的扩大。本发明的多波长合波器与对2个入射波进行合波的波导型方向性耦合器多级地连接。各级的波导型方向性耦合器分级地对波长不同的多个入射波进行合波，最末级的波导型方向性耦合器构成对由前面的各段波导型方向性耦合器进行合波后的多个入射波进行合波的多波长合波器。本发明的多波长合波器为简单地将波导型方向性耦合器进行多级连接这样的简单结构，通过各级的波导型方向性耦合器依次耦合波长不同的光波，由此分级地对多个入射波进行合波。根据该结构，可以不使用棱镜等空间光学系统的元件地对多个波长不同的光波进行合波，能够抑制部件个数的增加，实现小型化。本发明的多波长合波器所具备的波导型方向性耦合器对于所合波的波长分别具有波长选择性。本发明的多波长合波器的各级的波导型方向性耦合器通过各级的波长选择性而使由各级进行合波的光波的波长不同，通过组合由这些各级选择并进行合波的波长， 阶段性地进行合波，能够进行多个不同波长的光波的合波。在此，波导型方向性耦合器由并列配置的2条波导构成。根据使并列配置的2条波导平行而接近的耦合长度来确定波导型方向性耦合器的波长选择性。波导型方向性耦合器耦合长通常将波导的0次模式和1次模式的传输常数以及波长作为参数来确定波导型方向性耦合器的耦合长度。在2条波导接近的长度是耦合长度时，一方波导的光波转移到另一方波导，如果接近的长度与耦合长度偏离，则不进行波导间的光波的转移。本发明在波导型方向性耦合器的光波的转移中，利用了波导间的光波的转移状态依存于耦合长的长度而周期地变动这样的耦合长的周期性、以及该耦合长的周期性因波长而不同这样的波长依存性，通过组合该耦合长的周期性和波长依存性，使波导型方向性耦合器具有波长选择性，利用该波长选择性，通过多级地构成的波导型方向性耦合器阶段地对多个不同波长的光波进行合波。本发明根据波导型方向性耦合器的耦合长的周期性和波长依存性，发现在各波长所具有的多个耦合长的组合中有耦合长的长度相同的部分，并通过使波导型方向性耦合器的耦合长成为该长度，来对多个不同的波长的光波进行合波。在通过1个波导型方向性耦合器对不同波长的多个光波进行合波时，需要选择适合于合波器的光波的耦合长。以前提出的波导型方向性耦合器通常是在波导之间转移1个波长的光波而进行合波的结构，因此，选择与转移的波长对应的耦合长。在这样根据只与1 个波长对应的耦合长对多个不同波长的光波进行合波的情况下，无法对与共用的耦合长不对应的波长的光波进行合波。因此，在简单地对波导型方向性耦合器进行从属连接的结构中，在要使在后级的波导型方向性耦合器中对由前级的波导型方向性耦合器进行合波而得的光波进一步与其他波长的光波进行合波时，通过前级合波后的波长分量被分支到其他波导，无法对多个波长进行合波。本发明的波导型方向性耦合器通过在各段中进行合波的多个波长的周期中，选择耦合长相同的长度的组合，能够对多个波长进行合波。能够通过多级进行该波导型方向性耦合器的波长的合波，对希望的多个波长进行合波。本发明的波导型方向性耦合器的一个结构是配置2条波导，横跨耦合长的长度平行地接近而成，从2个输入端口入射波长不同的至少2个的多个入射波，对根据波长选择性从这些多个入射波内选择的多个入射波进行合波，从1个输出端口出射合波后的光波。从剩余的输出端口出射没有被合波的波长的光波。
本发明的波导型方向性耦合器可以将合波的光波设为可视光区域波长的可视光， 具备该波导型方向性耦合器的多波长合波器能够将合波后的可视光投射到投影仪的银幕上进行显示。在该波导型方向性耦合器中，入射波是不同的可视光区域波长的可视光，可视光包含R波长分量、G波长分量以及B波长分量。在对该R波长分量、G波长分量、以及B波长分量进行合波的情况下，多级的波导型方向性耦合器由2级形成，第一级的波导型方向性耦合器对从3个波长分量中选择出的2个波长分量进行合波，第二级的波导型方向性耦合器对由第一级波导型方向性耦合器进行合波后的光波和剩余的1个波长分量的光波进行合波。通过该结构，从第二级的波导型方向性耦合器的输出端口出射对R波长分量、G波长分量以及B波长分量的3个波长分量进行了合波后的光波。在此，可以从半导体激光器或二次谐波产生激光器(SHG激光器)的发光元件发出可视光。例如，可视光的R波长分量和B波长分量可以从半导体激光器的发光元件发出，G 波长分量可以从二次谐波产生激光器(SHG激光器)的发光元件发出。本发明的波导通过由形成在半导体衬底上的导光性材料构成的膜的图案形成来形成。导光性材料可以使用氮化硅膜、掺杂了锗的氧化硅膜、树脂膜等。可以通过使用了等离子体的干式蚀刻来进行氮化硅膜、掺杂了锗的硅氧化膜的图案形成。关于树脂膜的图案形成，在UV感光性树脂的情况下可以通过UV光的曝光来进行，在UV非感光性树脂的情况下，可以通过O2等离子体处理来进行，另外也可以通过将模按压到热硬化树脂、UV硬化树脂来进行的纳米压印技术来进行。可以将单独的波导模式设置为单一模式，而以多个的方式来形式波导。波导的第一方式是通过构成光学元件衬底的半导体衬底上的薄膜来形成芯而成的平面型波导，可以只在耦合长的长度的间隙中使2条芯平行地相邻或融合来形成波导型方向性耦合器。波导的第二方式是在构成光学元件衬底的半导体衬底上形成脊部而成的脊型波导，可以只在耦合长的长度的间隙中使2个脊部平行地相邻或融合来形成波导型方向性耦
ο波导的第三方式是固定在构成光学元件衬底的半导体衬底上的光纤，可以只在耦合长的长度的间隙中使2条光纤的芯平行地相邻或融合来形成。本发明可以将上述多波长合波器、产生各波长区域的入射波的多个发光元件形成在同一半导体衬底上来构成光源装置。光源装置可以构成为具备检测器，其检测进行多级连接的多个波导型方向性耦合器中的、除了最末级的波导型方向性耦合器以外的波导型方向性耦合器的合波输出的输出端口以外的输出端口的出射波的光强度；检测器，其检测在第一级的波导型方向性耦合器中耦合的入射波的光强度；控制部件，其控制发光元件所产生的入射波的强度。控制部件可以反馈由各检测器检测的光强度而控制发光元件，将出射的光量保持为恒定。另外，在光源装置中，可以通过在同一半导体衬底上具备产生R波长区域、G波长区域、以及B波长区域的各波长区域的入射波的多个发光元件，来构成RGB光源装置。在该RGB光源装置中，可以构成为具备第一检测器，检测R波长区域的入射波；第二检测器，检测第一级的波导型方向性耦合器的泄漏输出的光强度；第三检测器，检测第二级波导型方向性耦合器的泄漏输出的光强度；以及控制部件，控制发光元件所产生的入射波的强度。控制部件反馈由各检测器检测的光强度，来控制发光元件。根据本发明的波导型方向性耦合器，可以由形成在构成光学元件衬底的半导体衬底上的波导、光纤来一体地形成方向性耦合器。另外，根据本发明的波导型方向性耦合器，可以通过根据耦合长的周期性来适当地选择由各波导型方向性耦合器耦合的合波的组合，来缩短多波长合波器的全长。根据本发明的光源装置，可以通过缩短多波长合波器的长度，来缩短全长。还可以通过在发光元件和波导型方向性耦合器之间设置90度弯曲变换器，来缩短光源装置的全长。可以通过对形成在半导体衬底上的金属膜进行图案形成，来形成本发明的形成在半导体衬底上的布线。另外，通过金属膜的图案形成，而与布线一起形成接合部。该接合部将激光元件接合起来。金属膜可以是由Au构成的膜。根据本发明，在对多个波长的光波进行合波后出射的光源装置中，能够提高光学系统元件和电气系统元件的集成度，实现小型化。


图1是典型的波导型方向性耦合器的概念图和表示其动作原理的图。图2是用于说明1个光波在波导之间转移时的耦合长的周期性的图。图3是用于说明将波长λ 2的光波耦合到波长λ 1的光波的情况的图。图4是用于说明将波长λ 1的光波耦合到波长λ 2的光波的情况的图。图5是用于说明将波长λ 1和波长λ 2的合波耦合到波长λ 3的光波的情况的图。图6是用于说明将波长λ 3的光波耦合到波长λ 1和波长λ 2的合波的情况的图。图7是用于说明针对本发明的3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的例子的图。图8是用于说明针对本发明的3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的例子的合波状态的图。图9是用于说明针对本发明的3条波导通过2级将2个波导型方向性耦合器连接起来的另一个例子的图。图10是用于说明将本发明的多个波导型方向性耦合器连接起来的结构例子的概要图。图11是用于说明本发明的对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子的概要图。图12是用于说明本发明的对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子的概要图。图13是用于说明本发明的对4个不同波长的光波进行耦合而形成合波的结构例子的概要图。图14是用于说明本发明的多波长合波器的结构例子的图。图15是用于说明本发明的多波长合波器的结构例子的图。
图16是用于说明本发明的光源装置的结构例子的图。图17是用于说明本发明的光源装置的一个实施例的图。图18是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。图19是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。图20是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。图21是用于说明本发明的光源装置的另一个实施例的图。图22是用于说明本发明的光源装置的间距变换器的效果的图。图23是用于说明本发明的光源装置的间距变换器的效果的图。图M是用于说明本发明的波导的波导参数和y偏光的基模(fundamental mode) 的光强度分布的图。图25是表示本发明的波导的有效折射率特性的图。图沈是表示本发明的波导型方向性耦合器的形状的一个例子的图。图27是表示本发明的波导型方向性耦合器的插入损耗的图。图观是表示本发明的其他结构的波导的波导参数和y偏光的基模的光强度分布的图。图四是表示波导的波长分散特性的图。图30是表示波导的合波所需要的耦合长的图。图31是使用了本发明的各向异性介质的全反射反射镜的概要图。图32是表示使用了本发明的各向异性介质的全反射反射镜的参数的关系的图。图33是用于说明出射角θ 2的计算的图。图34是用于说明RGB的各波长的反射角的图。图35是用于说明出射角θ 2的计算的图。图36是用于说明RGB的各波长的反射角的图。图37是表示本发明的90度弯曲波导的构造和通过FDTD法进行的分析例子的图。图38是用于说明本发明的90度弯曲波导的模型的图。图39是表示在x-z面看到的Ex分量的基模的图。图40是表示在χ-y面看到的Ex分量的基模的图。图41是用于说明本发明的90度弯曲波导的其他结构例子的图。图42是用于说明本发明的90度弯曲波导的其他结构例子的图。图43是用于说明本发明的90度弯曲波导的其他结构例子的图。图44是用于说明氮化硅(SiN)膜的光波导的形成的流程图。图45是用于说明氮化硅(SiN)膜的光波导的形成的概要图。图46是用于说明UV感光树脂材料的光波导的形成的流程图。图47是用于说明UV感光树脂材料的光波导的形成的概要图。图48是用于说明UV非感光树脂材料的光波导的形成的流程图。图49是用于说明UV非感光树脂材料的光波导的形成的概要图。图50是用于说明UV感光树脂材料的光波导的形成的流程图。图51是用于说明热硬化树脂材料的光波导的形成的流程图。图52是用于说明UV硬化树脂材料或热硬化树脂材料的光波导的形成的概要图。
图53是用于说明在光学系统元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理步骤的流程图。图M是用于说明在光学系统元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理步骤的概要图。图55是在光学系统元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理的各步骤的结构图。图56是在光学系统元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理的各步骤的结构图。图57是在光学系统元件和电气元件的形成中在后工序中安装检测器和控制部件的处理的各步骤的结构图。图58是用于说明在光学系统元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的步骤的流程图。图59是用于说明在光学系统元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的步骤的流程图。图60是在光学系统元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。图61是在光学系统元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。图62是在光学系统元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。图63是在光学系统元件和电气元件的形成中将检测器和控制部件做到半导体衬底内的处理的各步骤的结构图。图64是用于说明SBG的配置的图。图65是用于说明使用了本发明的光源装置的投影仪的图。符号说明1 多波长合波器；2波导型方向性耦合器；2A、2B、2C 波导型方向性耦合器；2a、 2b 波导型方向性耦合器；3 间距变换器；3A、;3B、3C 间距变换器；4 激光元件；如蓝色发光元件；4b 红色发光元件；4c 绿色发光元件；5、5a、5b、5C、5n 检测器；6、6A、6B 控制部件；7 :光波导；8 光学元件衬底；9 布线衬底；10、10A、10B、10C、10D、10E 光源装置； 11A、1 IBUlC 90度弯曲波导；Ila 波导；lib 反射镜部分；Ilc 反射镜背面；Ild 下包层 (under clad)表面；lie 脊下部截面；12 波导；20 投影仪；21 控制器；22 光源装置； 23 偏转装置；24投影透镜；31 图像信号；32 控制信号；33 控制信号；34 光束；35 偏转光束；100 衬底；101 =SiO2膜；102 =SiNII ；103抗蚀膜；105纳米印刷用模；106 =Au膜； 107 抗蚀膜；108 集成电路部件；109 保护膜；110感光树脂材料；111 非感光树脂材料； 112 硬化树脂材料；113 热硬化树脂材料；122 通孔；200 包层(clad) ；201下包层
具体实施例方式利用附图，说明本发明的实施方式。以下，首先，利用图1 图6说明本发明的波导型方向性耦合器中的耦合长和波长选择性，利用图7 图13说明本发明的波导型方向性耦合器的多段连接，利用图14 图16 说明本发明的多波长合波器和RGB光源装置的结构，利用图17 图64说明本发明的多波长合波器的各结构的实施例，利用图65说明使用了光源装置的投影仪的结构例子。首先，利用图1 图6说明本发明的波导型方向性耦合器中的耦合长和波长选择性。图1是典型的波导型的方向性耦合器的概念图和表示其动作原理的图，图1 (a)表示波导型方向性耦合器的全体的概要结构，图1(b)表示耦合长部分的动作原理。作为等价的构造，在图1所示的区间的长度Lc之间，接近并平行地配置2条光波导(图中的波导I (WaveguideI)、波导II (WaveguidelD)0在此，2条波导在分别个别地进行导向时，假设是单模式(single mode)。在平行地接近配置2条波导的位置，并不是相互波导的模式干涉而耦合的单模式。方向性耦合器内的电场在可以不考虑反射的情况下，可以通过作为2个行进波的偶模式(Even mode) Eeven (y) (0次模式)和奇模式(Odd mode) Eodd (y)(—次模式)的重合来近似。在此，如果设偶模式的传输常数为β 0(等价折射率η even)，设奇模式的传输常数为β (等价折射率η odd)，设传输方向为ζ轴方向，则在ζ位置的电场E(y，ζ)可以用下式表不。[公式1]E(y, ζ) = Eeven (y)exp (-j β evenz) +Eodd (y) exp (-j β。ddz) ......(1)与一方的波导(图中的波导I)耦合的ζ = 0位置的入射电场El (y)为[公式2]IE (y，0) I = | Eeven (y) +Eodd (y) | = E1 (y)……O)在此，入射电场El (y)是波导1(图中的波导I)的固有模式。另外，ζ = Ji/(^even-^odd)的位置处的入射电场El (y)为[公式3]E(y, ζ) = Eeven (y)-Eodd (y) | = E2 (y)……(3)这时(z = L)的电场E2(y)是波导II(图中的波导II)的固有模式，波导1(图中的波导I)的入射电场El (y)在公式(4)所示的耦合长(coupling Length) Lc下，完全转移到波导11(图中的波导II)的电场E2(y)。因此，在图1(b)中，从波导I的端口 1入射的光波在耦合长L之间从波导I转移到波导II，从波导II的端口 3出射。[公式4]
权利要求
1.一种光源装置，其特征在于包括 形成有布线的半导体衬底；电极端子，其被形成在上述半导体衬底上，将上述布线与外部电连接； 多个激光元件，其被安装在上述半导体衬底上，并且与上述布线连接，波长不同； 多条波导，其被形成在上述半导体衬底上，对上述各激光元件所发出的光波进行导向；多波长合波器，其被形成在上述半导体衬底上，具有波导型方向性耦合器，对通过上述各波导导向的光波进行合波。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于上述多波长合波器具备多级连接的对至少2个入射波进行合波的波导型方向性耦合器，上述各级波导型方向性耦合器分级地对波长不同的多个入射波进行合波， 最末级的波导型方向性耦合器对由前级的各级波导型方向性耦合器进行合波的多个入射波进行合波。
3.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于上述波导型方向性耦合器具有基于并列配置的2条波导的耦合长的波长选择性。
4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于通过形成在上述半导体衬底上的由光导向性材料构成的膜的图案形成来形成上述波导，上述波导型方向性耦合器使图案形成后的2条上述波导在耦合长的长度之间平行地相邻或融合。
5.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于对氮化硅膜、掺杂了锗的氧化硅膜、树脂膜中的任意一个进行图案形成来形成上述波导。
6.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于上述波导是在半导体衬底上形成高折射率区域而形成的平面型波导， 上述波导型方向性耦合器使2条芯在耦合长的长度之间平行地相邻或融合。
7.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于上述波导是在半导体衬底上形成等价折射率不同的脊部而形成的脊型波导， 上述波导型方向性耦合器使2个脊部在耦合长的长度之间平行地相邻或融合。
8.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于上述波导是固定在半导体衬底上的光纤，使2条光纤的芯在耦合长的长度之间平行地相邻或融合。
9.根据权利要求1 8中任意一项所述的光源装置，其特征在于包括间距变换器，其将上述波导彼此之间的间隔从将上述多个激光元件配置在上述半导体衬底上的间距间隔切换为上述波导型方向性耦合器的波导之间的间距间隔。
10.根据权利要求9所述的光源装置，其特征在于上述间距变换器是将上述波导的方向变更90度的90度弯曲变换器。
11.根据权利要求10所述的光源装置，其特征在于上述半导体衬底是四角形状，上述多个激光元件被安装在四角形状的一边侧，使通过上述多波长合波器进行合波后的光出射的出射端被设置在与安装有上述激光元件的边成直角的另一边侧。
12.根据权利要求1 11中任意一项所述的光源装置，其特征在于 通过形成在上述半导体衬底上的金属膜的图案形成来形成上述布线。
13.根据权利要求12所述的光源装置，其特征在于具备通过上述金属膜的图案形成而与上述布线一起形成的由金属材料构成的接合部， 在上述接合部接合上述激光元件。
14.根据权利要求12或13所述的光源装置，其特征在于 上述金属膜是由Au构成的膜。
15.根据权利要求1 14中任意一项所述的光源装置，其特征在于具备控制部件，其具有经由形成在上述半导体衬底上的布线来驱动上述各激光元件的驱动电路。
16.根据权利要求15所述的光源装置，其特征在于在上述半导体衬底的内部通过集成电路形成工序来形成上述控制部件。
17.根据权利要求15所述的光源装置，其特征在于由安装在上述半导体衬底上的集成电路构成上述控制部件。
18.根据权利要求15 17中任意一项所述的光源装置，其特征在于 具备检测器，其对出射波的光强度进行检测，该出射波来自多级连接的多个波导型方向性耦合器中的、除了最末级的波导型方向性耦合器以外的波导型方向性耦合器的进行合波输出的输出端口以外的输出端口；检测器，其检测在起始级的波导型方向性耦合器中耦合的入射波的光强度；以及控制部件，其控制上述激光元件所产生的入射波的强度，上述控制部件反馈由上述各检测器检测出的光强度，控制上述发光元件。
19.根据权利要求1 18中任意一项所述的光源装置，其特征在于 具备对上述激光元件所发出的光波进行波长变换的波长变换元件， 上述波导对通过上述波长变换元件进行变换后的光波进行导向。
20.根据权利要求1 19中任意一项所述的光源装置，其特征在于上述各波导对R波长区域、G波长区域、以及B波长区域的各波长区域的光波进行导向。全文摘要
本发明提供一种对3个以上波长的光波进行合波并出射的光源装置，通过在半导体衬底上形成光学系统元件和电气系统元件，而不需要光连接器等光学构件，节省了这些光学构件所需要的空间而缩小了配置间隔，另外缩小了电气电路的布线所需要的空间，提高了光学系统元件和电气系统元件的各元件的集成度。通过在同一半导体衬底上层状地形成光学系统元件和电气元件，与分别并列设置光学系统元件和电气元件的结构所需要的面积相比，能够减小面积。
文档编号G02B6/122GK102449520SQ201080023408
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年5月28日
发明者井出昌史, 泷泽亨 申请人:西铁城控股株式会社