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公開番号2025093441
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-24
出願番号2023209080
出願日2023-12-12
発明の名称光素子、レーザモジュール、網膜投影装置、及びニアアイウェアラブル装置
出願人TDK株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類G02B 6/14 20060101AFI20250617BHJP(光学)
要約【課題】可視光の偏波モードを変換可能な光素子、レーザモジュール、網膜投影装置、及びニアアイウェアラブル装置を提供すること。
【解決手段】光素子のモード変換器35Bは、幅が入射端54aから出射端54bに向かって、TM0モードの実効屈折率がTE1モードの実効屈折率よりも大きくなる幅W11からTM0モードの実効屈折率がTE1モードの実効屈折率よりも小さくなる幅W12まで増加するテーパ部54と、非対称方向性結合器60を構成する線路部55,56と、を備える。線路部55の幅及び線路部56の幅は、位置X3における、線路部55でのTE1モードの実効屈折率と線路部56でのTE0モードの実効屈折率との大小関係が、入射端60aにおける、線路部55でのTE1モードの実効屈折率と線路部56でのTE0モードの実効屈折率との大小関係と反転するように設定されている。
【選択図】図5

特許請求の範囲【請求項１】
主面を有する基板と、
前記主面に設けられ、電気光学効果を有する材料によって構成されたコア層と、
を備え、
前記コア層は、可視光の偏波モードをＴＭ０モードからＴＥ０モードに変換するモード変換器を備え、
前記モード変換器は、
前記主面に沿った第１方向に延びる第１導波路と、
前記第１方向に延びる第２導波路と、
を備え、
前記第１導波路は、
前記可視光が入射する第１入射端及び前記可視光を出射する第１出射端を有し、前記主面に沿うとともに前記第１方向と交差する第２方向における長さが前記第１入射端から前記第１出射端に向かって第１長さから第２長さまで増加するテーパ部と、
前記第１出射端から出射された前記可視光が伝搬する第１線路部と、
を備え、
前記第２導波路は、前記第２方向において前記第１線路部と並んで配置された第２線路部を備え、
前記第１長さは、前記ＴＭ０モードの実効屈折率である第１実効屈折率がＴＥ１モードの実効屈折率である第２実効屈折率よりも大きくなる長さであり、
前記第２長さは、前記第１実効屈折率が前記第２実効屈折率よりも小さくなる長さであり、
前記第１線路部と前記第２線路部とは非対称方向性結合器を構成し、
前記非対称方向性結合器は、前記第１方向における両端である第２入射端及び第２出射端を有し、
前記第１線路部の前記第２方向における長さ及び前記第２線路部の前記第２方向における長さは、前記非対称方向性結合器の前記第２入射端とは異なる位置における、前記第１線路部での前記第２実効屈折率と前記第２線路部での前記ＴＥ０モードの実効屈折率である第３実効屈折率との大小関係が、前記第２入射端における、前記第１線路部での前記第２実効屈折率と前記第２線路部での前記第３実効屈折率との大小関係と反転するように設定されている、光素子。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記第１線路部の前記第２方向における長さは、前記第２入射端から前記位置に向かって増加し、
前記第２線路部の前記第２方向における長さは、前記第２入射端から前記位置に向かって増加する、請求項１に記載の光素子。
【請求項３】
前記第１線路部の前記第２方向における長さは、前記第２入射端から前記位置に向かって増加し、
前記第２線路部の前記第２方向における長さは、前記第２入射端から前記位置までの範囲にわたって一定である、請求項１に記載の光素子。
【請求項４】
前記第１線路部の前記第２方向における長さ及び前記第２線路部の前記第２方向における長さは、前記第２出射端における、前記第１線路部での前記第２実効屈折率と前記第２線路部での前記第３実効屈折率との大小関係が、前記位置における、前記第１線路部での前記第２実効屈折率と前記第２線路部での前記第３実効屈折率との大小関係と反転するように設定されている、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項５】
前記モード変換器は、前記第１導波路及び前記第２導波路が設けられた平板状のスラブを更に備える、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項６】
前記モード変換器の前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向における長さは、前記可視光の波長よりも小さい、請求項５に記載の光素子。
【請求項７】
前記第１導波路の前記第１方向と交差する断面形状は、前記主面に向かうにつれて前記第２方向における長さが大きくなる台形形状である、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項８】
前記コア層は、
赤色光の偏波モードを前記ＴＭ０モードから前記ＴＥ０モードに変換する前記モード変換器である第１モード変換器と、
緑色光の偏波モードを前記ＴＭ０モードから前記ＴＥ０モードに変換する前記モード変換器である第２モード変換器と、
青色光の偏波モードを前記ＴＭ０モードから前記ＴＥ０モードに変換する前記モード変換器である第３モード変換器と、
前記赤色光、前記緑色光、及び前記青色光を合波してレーザ光を出射する合波器と、
を備える、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項９】
前記第１モード変換器の前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向における長さ、前記第２モード変換器の前記第３方向における長さ、及び前記第３モード変換器の前記第３方向における長さは同じである、請求項８に記載の光素子。
【請求項１０】
前記コア層は、
前記赤色光の光強度を変調する第１変調器と、
前記緑色光の光強度を変調する第２変調器と、
前記青色光の光強度を変調する第３変調器と、
を更に備える、請求項８に記載の光素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、光素子、レーザモジュール、網膜投影装置、及びニアアイウェアラブル装置に関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
光導波路を伝搬する光の偏波モードには、基板に対して水平方向の主電界を有する偏波モードであるＴＥ（Transverse Electric）モードと、基板に対して垂直方向の主電界を有する偏波モードであるＴＭ（Transverse Magnetic）モードとがある。これらの偏波モードを変換する光導波路素子が知られている。例えば、非特許文献１には、テーパ構造と非対称方向性結合器とを含む偏光スプリッタ回転子が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
Daoxin Dai and John E. Bowers, “Novelconcept for ultracompact polarization splitter-rotator based on siliconnanowires”, Optics Express, 2011年, Vol.19, Issue 11, pp. 10940-10949
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載の光導波路素子は、１．４５μｍ～１．６μｍの波長を有するＴＭ０モードの光をＴＥ０モードの光に変換している。しかしながら、可視光については考慮されていない。
【０００５】
本開示は、可視光の偏波モードをＴＭ０モードからＴＥ０モードに変換可能な光素子、レーザモジュール、網膜投影装置、及びニアアイウェアラブル装置を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一側面に係る光素子は、主面を有する基板と、主面に設けられ、電気光学効果を有する材料によって構成されたコア層と、を備える。コア層は、可視光の偏波モードをＴＭ０モードからＴＥ０モードに変換するモード変換器を備える。モード変換器は、主面に沿った第１方向に延びる第１導波路と、第１方向に延びる第２導波路と、を備える。第１導波路は、可視光が入射する第１入射端及び可視光を出射する第１出射端を有し、主面に沿うとともに第１方向と交差する第２方向における長さが第１入射端から第１出射端に向かって第１長さから第２長さまで増加するテーパ部と、第１出射端から出射された可視光が伝搬する第１線路部と、を備える。第２導波路は、第２方向において第１線路部と並んで配置された第２線路部を備える。第１長さは、ＴＭ０モードの実効屈折率である第１実効屈折率がＴＥ１モードの実効屈折率である第２実効屈折率よりも大きくなる長さである。第２長さは、第１実効屈折率が第２実効屈折率よりも小さくなる長さである。第１線路部と第２線路部とは非対称方向性結合器を構成している。非対称方向性結合器は、第１方向における両端である第２入射端及び第２出射端を有している。第１線路部の第２方向における長さ及び第２線路部の第２方向における長さは、非対称方向性結合器の第２入射端とは異なる位置における、第１線路部での第２実効屈折率と第２線路部でのＴＥ０モードの実効屈折率である第３実効屈折率との大小関係が、第２入射端における、第１線路部での第２実効屈折率と第２線路部での第３実効屈折率との大小関係と反転するように設定されている。
【０００７】
この光素子においては、テーパ部において、ＴＭ０モードの実効屈折率とＴＥ１モードの実効屈折率とが実質的に一致する領域が形成される。したがって、第１入射端にＴＭ０モードの可視光が入射すると、上記領域において、ＴＭ０モードとＴＥ１モードとの間で相互作用が生じ、可視光の偏波モードがＴＭ０モードからＴＥ１モードに変換され、第１出射端からＴＥ１モードの可視光が出射される。さらに、非対称方向性結合器の第２入射端と第２入射端とは異なる位置との間において、第１線路部におけるＴＥ１モードの実効屈折率と第２線路部におけるＴＥ０モードの実効屈折率とが実質的に一致する領域が形成される。したがって、第２入射端にＴＥ１モードの可視光が入射すると、上記領域において、ＴＥ１モードとＴＥ０モードとの間で相互作用が生じ、可視光の偏波モードがＴＥ１モードからＴＥ０モードに変換され、第２出射端からＴＥ０モードの可視光が出射される。以上のように、可視光の偏波モードをＴＭ０モードからＴＥ０モードに変換することが可能となる。
【０００８】
第１線路部の第２方向における長さは、第２入射端から上記位置に向かって増加してもよく、第２線路部の第２方向における長さは、第２入射端から上記位置に向かって増加してもよい。この構成によれば、第１線路部における第２実効屈折率及び第２線路部における第３実効屈折率は、ともに第２入射端から上記位置に向かって増加する。このため、第１線路部における第２実効屈折率及び第２線路部における第３実効屈折率のいずれか一方が第２入射端から上記位置までの範囲にわたって一定である構成と比較して、第１方向における位置と第１線路部における第２実効屈折率との関係を示す曲線と、第１方向における位置と第２線路部における第３実効屈折率との関係を示す曲線とが成す角度を小さくすることができる。これにより、ＴＥ１モードからＴＥ０モードへの変換効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
第１線路部の第２方向における長さは、第２入射端から上記位置に向かって増加してもよく、第２線路部の第２方向における長さは、第２入射端から上記位置までの範囲にわたって一定であってもよい。この構成によれば、第１線路部における第２実効屈折率は、第２入射端から上記位置に向かって増加する一方、第２線路部における第３実効屈折率は、第２入射端から上記位置までの範囲にわたって一定である。このため、第２入射端から上記位置までの長さを長くすることによって、第１方向における位置と第１線路部における第２実効屈折率との関係を示す曲線と、第１方向における位置と第２線路部における第３実効屈折率との関係を示す曲線とが成す角度を小さくすることができる。これにより、ＴＥ１モードからＴＥ０モードへの変換効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
第１線路部の第２方向における長さ及び第２線路部の第２方向における長さは、第２出射端における、第１線路部での第２実効屈折率と第２線路部での第３実効屈折率との大小関係が、上記位置における、第１線路部での第２実効屈折率と第２線路部での第３実効屈折率との大小関係と反転するように設定されてもよい。この場合、上記位置と第２出射端との間において、第１線路部におけるＴＥ１モードの実効屈折率と第２線路部におけるＴＥ０モードの実効屈折率とが実質的に一致する領域が形成され、ＴＥ１モードとＴＥ０モードとの間で相互作用が生じる。これにより、ＴＥ１モードからＴＥ０モードに変換される回数を増やすことができ、変換効率を向上させることが可能となる。
（【００１１】以降は省略されています）

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