JP2002148442A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光ファイバを用いた発光装置。 【構成】 半導体レーザ素子を光源とし、該光源と光学
的に接続された光ファイバからなる発光装置であって、
前記光ファイバのクラッド部よりも外側に前記半導体レ
ーザ素子からのレーザ光によって可視光を発光可能な蛍
光物質が、備えられていることを特徴とする発光装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示装置、室内
灯、野外照明、懐中電灯等の照明器具や、各種バックラ
イト用光源などの各種発光装置に関わり、特に光ファイ
バを用いた発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバは通信や照明用のデバイスと
して広く用いられている。光ファイバの光源としては、
寿命が長い上に消費電力も小さい半導体デバイスである
半導体レーザ素子（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）
等が用いられている。特にＬＤはＬＥＤに比べて出力さ
れる光が細く絞られて強い指向性を有するため、径の小
さな光ファイバの光源として適しており、遠距離での情
報伝送が必要な通信分野においてはＬＤを用いた光ファ
イバはますます需要が増えている。また、更に多くの情
報を伝達させるためには光源の改良だけでなく、光の伝
送手段である光ファイバや周辺部材による光の損失を減
少させることが必要で、光ファイバを構成しているコア
部やそれを包むクラッド部、及びこれらを保護している
被覆部などに用いる材料や、光源など周辺部材との接合
方法について様々な研究が進められている。

【０００３】また、光ファイバを通信ではなく照明とし
て用いる場合は、距離としては通信よりも短いことから
ＬＥＤを光源として用いることが多い。光ファイバから
の光はファイバの先端から細く絞られた状態で放出され
ることが特徴で、それを利用して各種表示板や装飾用照
明、あるいは医療用内視鏡等のスポット照明に利用され
ており、光源の発光色を選択することにより、様々な色
の照明として用いることができる。

【０００４】一方、ＬＤやＬＥＤは光ファイバの光源以
外にも様々な用途に用いられており、それぞれの特性を
生かして利用されている。ＬＥＤは等方的な発光を有す
ることから、従来の蛍光ランプ等の分野に適しており、
懐中電灯や信号灯、フルカラーディスプレイ等の各種光
源に用いられている。また、ＬＤは強い指向性を利用し
てＤＶＤなどの情報記録及び再生が可能な光ディスクシ
ステムやレーザプリンタの光源などに利用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
光ファイバ及びＬＤを用いた光デバイスの用途をさらに
多くの分野に広めることが可能な発光装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明の発光装
置は、半導体レーザ素子を光源とし、光源と光学的に接
続された光ファイバからなる発光装置であって、前記光
ファイバのクラッド部よりも外側に前記半導体レーザ素
子からのレーザ光によって可視光を発光可能な蛍光物質
が備えられていることを特徴とする。このような構成と
することで、様々な形態に対応可能な発光装置とするこ
とが出来る。

【０００７】また、前記蛍光物質は、発光色が異なる少
なくとも２種類以上の蛍光物質を備えることもできる。
これにより、様々な混色光が発光可能となる。

【０００８】また、本発明の発光装置は、半導体レーザ
素子からのレーザ光の波長が３８０〜４６０ｎｍの内に
ある半導体レーザ素子を用いるのが好ましい。波長が短
いことで光源からのレーザ光がより散乱し易くなり、蛍
光物質の励起効率が向上する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、量子効率の高い半導体
レーザ素子を光源とし、この半導体レーザ素子と光学的
に接続させて半導体レーザ素子から発振される光を透過
させる光ファイバと、光ファイバのクラッド部より外側
に備えられレーザ光に励起されて可視光を発光可能な蛍
光物質と、からなることを特徴としている。以下、各本
発明の構成について詳細を述べる。

【００１０】光ファイバは屈折率の大きい材料からなる
コア部と、コア部よりも屈折率の小さい材料からなるク
ラッド部とから構成され、クラッド部はコア部を同心円
状に包むように形成されている。コア部の径は数μｍか
ら数百μｍであり、その外側のクラッド部は直径１００
〜２００μｍ程度のものが一般的である。使用時には水
分等から保護し、またはハンドリングを良くするなどの
目的でクラッド部の外側にプラスチックやナイロン等の
樹脂からなる被覆部を形成させることもできる。このよ
うな光ファイバの一端である入射端に光源である半導体
レーザ素子を光学的に接続させることで、光ファイバの
入射端から入射された光はクラッドとコアの境界面で反
射されながらコアに閉じ込められて、他方の一端である
出射端にまで伝送される。しかし、光が出射端に到達す
るまでの間には光の損失があり、この損失を低減させる
ことが光通信の信頼性や高容量化に大きく関わってく
る。ここで、光の損失は主に、吸収と散乱による損失
と、境界面での散乱と曲がりによる損失、ファイバ
の接続による損失、が主な原因として挙げられる。

【００１１】の吸収と散乱による損失は、光ファイバ
中に含まれているＦｅやＣｕ等の遷移元素や水分などの
不純物による吸収や、波長よりもミクロな屈折率のゆら
ぎなどによるレイリー散乱によるものが挙げられる。レ
イリー散乱は波長λの４乗に逆比例するので波長が長い
ほど小さくなるが、この大きさは伝送されるモードには
よらないし、またコア径にもよらない。このような吸収
やレイリー散乱は光ファイバ自身の基礎的な伝送損失で
あり、ファイバの材料の特性に依存するものである。

【００１２】の境界面での散乱と曲がりによる損失
は、光ファイバのコアとクラッドの境界面の僅かな凹凸
によるモード変換と放射によるものである。このような
界面損失は、コア部の径を大きくしたり、境界面におけ
る光の強度を下げるためにコア部に屈折率分布を付ける
ことで避けることが出来る。また、光ファイバが曲がる
ことによってもモード変換と放射が起こって光は損失す
る。曲がりによる損失はコア径に依存し、特に伝送モー
ド間の結合の大きさはコア径の６乗に比例するので、大
口径になると曲がりによる損失が増加する。

【００１３】のファイバの接続による損失は、接続の
際に２つの光ファイバのコア部の中心がずれることによ
り起こるものであるが、コア径の１０％程度までずれて
もほぼ許容されるので、コア径の大きいファイバほど接
続には有利である。コア径の小さなファイバでは、クラ
ッド部の中心からコア部が偏芯していると接続の際に２
つのコア部の中心が一致せず、接続損失が増すことにな
る。

【００１４】本発明では上記のような光の損失現象を利
用して発光装置とするものである。その損失の中でも、
材料に依存するゆらぎによる損失や、コア部とクラッド
部の境界面の不完全による損失や、曲がりによる損失を
利用するものである。このように、光ファイバの出射端
以外から放出されたレーザ光によって、蛍光物質を励起
して発光させることが出来る。以下、図面を参照しなが
ら本発明に係る実施の形態の発光装置について説明す
る。

【００１５】実施の形態１ 本発明の実施の形態の発光装置は、図１に示すような中
心のコア部１を同心円状に包むようにクラッド部２が形
成され、更にその周りを同心円状の被覆部３で覆ってい
る光ファイバ５である。蛍光物質４は被覆部３に備えら
れている。光ファイバと接続させた半導体レーザ素子に
通電させることで被覆部３内の蛍光物質４を励起して発
光させ、所望の形状が表示可能な発光装置とすることが
できる。また、光ファイバは固定せずに柔軟性を生かし
たフレキシブルな発光装置とすることもできる。

【００１６】実施の形態２ 本発明の実施の形態２の発光装置は、図２に示すように
コア部及びクラッド部からなる光ファイバ７を図２に示
すようにパッケージ８内に文字などの所望の形状に配置
させるとともに入射端に半導体レーザ素子６が備えられ
た発光装置である。パッケージ８には蛍光物質が備えら
れている。半導体レーザ素子６に通電させることで光フ
ァイバから放出されたレーザ光でパッケージ８に含有さ
せた蛍光物質を励起させて面状に発光させることができ
る。このとき、パッケージ８に反射材などを設けること
でより均一な面状発光とすることができる。また、蛍光
物質を含有させるパッケージ８はＳｉＯ２等の無機物で
もよく、また板状以外の形状とすることもできる。蛍光
物質はパッケージ全体に備えられてもいいし、例えば図
２中の９のように任意の意匠部などに備えられてもよ
い。また、光ファイバは複数用いてもよく、蛍光物質は
発光色の異なるものを用いてもよい。

【００１７】以上に説明したように、本発明の発光装置
は、光ファイバの特性を利用し、それを覆う被覆部やパ
ッケージに蛍光物質を備えることで、線状や面状、ある
いは立体的な形状など様々な形状の発光装置とすること
ができる。また、光源であるＬＤは発光させたい位置と
離れた位置に配置させることができるので、光ファイバ
の一部を屋外や水中などの厳しい使用環境下に設置する
ことも可能である。

【００１８】以下、本発明に係る発光装置における各構
成要素に関する好ましい材料等について説明する。 （光ファイバ）光ファイバの材料としては、光通信やフ
ァイバ照明の分野で既知のものは全て利用可能であり、
目的や用途に応じて有機または無機材料からなる種々の
材料を選択することができる。特に、コア部及びクラッ
ド部の界面に凹凸などの構造不整があり、通信分野では
光の放出による損失が著しくて実用的ではないレベルの
ものを用いることができる。コアの材料としては石英ガ
ラスや透光性重合体、またクラッドの材料としてはコア
よりも屈折率が小さい石英ガラスや透光性重合体が好ま
しい。特にオールプラスチックファイバは耐曲げ特性に
優れていると共に耐振動特性が良く様々な形態に対応可
能なので好ましい。

【００１９】光ファイバがオールプラスチックの場合、
コア部は溶融させた樹脂を繊維状に押し出して紡糸する
などして得ることができ、これをクラッド部で包むため
に、アセトンや酢酸メチルなどの有機溶剤に溶解させた
クラッド部原料をコア部に塗布した後に溶剤を乾燥させ
る方法や、クラッド部原料を加熱して溶融状態にした後
コア部に塗布する方法、あるいはコア部を押出機に導入
してクラッド部材とともの押出形成する方法などを用い
ることが出来る。また、コア部とクラッド部及び被覆部
の原料をそれぞれ用意して３層複合ノズルに導入して得
る方法を用いてもよい。これらの方法で光ファイバを製
造する際に原料に予め蛍光物質を混合させておくこと
で、被覆部に蛍光物質を含有させることができる。蛍光
物質が粉体である場合は、予め分散させておくことで、
ノズルのツマリをなくすことができ、また均一に混合さ
せやすくなる。 （被覆部、パッケージ）蛍光物質を備える被覆部やパッ
ケージは、蛍光物質からの光を透過させる有機または無
機の材料が好ましく、透光性のアクリル樹脂や、ＳｉＯ
２などを用いることができる。これらは外部からかかる
力によって光ファイバが損傷するのを防ぐための保護部
材としての機能も備えている。被覆部に蛍光物質を混合
させる場合は、上述したように光ファイバを得るのと同
時に形成させることもできるし、クラッド部外側に塗布
するなどの方法で備えることもできる。同様に、パッケ
ージに混合させる場合も、蛍光物質を予め混合させた樹
脂等を硬化させてもよいし、成形されたパッケージに塗
布することもできる。

【００２０】２種類以上の蛍光物質を用いる場合は、混
合せずに発光色ごとに層を形成させることもできる。例
えば、発光輝度の異なる蛍光物質を混合させる場合、発
光輝度の低い蛍光物質を多用しないと色調のバランスが
悪くなるが、発光輝度の低い蛍光物質をより外側に備え
ることで少量の蛍光物質でも効率よく色調のバランスを
調整することができる。また、粒径や比重の異なる蛍光
物質を均一に混合させるのが困難な場合も同様で、粒径
のより大きい蛍光物質を中心に近い側に備え、外側に粒
径の小さい蛍光物質を備えるなどの構造とすることで、
色調の均一性を向上させることができる。また、波長の
短い光は吸収されやすいので、より外側に配置させるこ
とで、波長の長い光と混色させやすくなる。このように
蛍光物質の特性を考慮して最適な条件を選択すること
で、より効率的に発光を得ることができる。このような
光はファイバは押出機に導入する際のノズルの調整で容
易に得ることができる。

【００２１】また、表面処理を施した蛍光物質を用いて
もよく、コントラストを良くするために顔料を付着させ
たものを用いることもできる。有機蛍光物質を用いる場
合は、溶解可能な溶剤を選択して予め溶解させておくこ
ともでき、こうすることによって均一な発光を得ること
ができる。 （半導体レーザ素子）半導体レーザ素子は、細く絞った
光を放出することができるため、光ファイバの光源とし
ては最適である。光がほぼ等方的に拡がるＬＥＤに比べ
て指向性が強く、広がり角が垂直方向に±２０度、水平
方向に±５〜１０程度であるため、光ファイバへの光利
用効率は１０ｄＢ程度高くなる。本発明の半導体レーザ
素子に用いる半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しく
はＩｎＮ、またはこれらの混晶である窒化ガリウム系化
合物半導体（ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮ、０≦ａ、
０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）が好ましい。発振される波長は３
８０〜４６０ｎｍの紫外〜近紫外が好ましく、更に好ま
しくは３９０〜４００ｎｍである。

【００２２】窒化物半導体を形成させる基板としてはＣ
面、Ｒ面及びＡ面のいずれかを主面とするサファイヤ、
スピネル、ＧａＮ系基板のような絶縁性基板や、ＳｉＣ
（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡ
ｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板
等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知
られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いるこ
とが出来る。好ましい基板としてはサファイア、スピネ
ルが挙げられる。このような異種基板を用いる場合は基
板と窒化物半導体層との格子不整合を是正するためにバ
ッファ層を形成することが望ましい。バッファ層として
は、低温で形成させた窒化アルミニウムや窒化ガリウム
などで形成させることができる。

【００２３】バッファ層の上にｎ型層、活性層、ｐ型層
を成長させる。まず、ｎ型層としてＳｉドープＡｌＧａ
Ｎ層よりなるｎ型コンタクト層、ＩｎＧａＮよりなるク
ラック防止層、アンドープのＡｌＧａＮとＳｉドープの
ＧａＮが交互に積層されてなるｎ型クラッド層、アンド
ープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を順次成長させ
る。尚、クラック防止層は省略可能である。次に活性層
として上記のｎ型層の上にＳｉドープのＩｎＧａＮより
なる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層を
有する多重量子井戸構造の活性層を成長させる。活性層
の上にｐ型層として、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなる
ｐ型電子閉じ込め層、アンドープのＧａＮよりなるｐ型
光ガイド層、アンドープのＡｌＧａＮとＭｇドープのＧ
ａＮを相互に積層させてなるｐ型クラッド層、Ｍｇドー
プのＡｌＩｎＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を順次積
層させる。上記の各層を成長させて得られたウエハを窒
素雰囲気中、炉等による加熱、または低速電子線照射や
プラズマ照射等によりｐ型層を更に低抵抗化させること
ができる。

【００２４】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層させた後、ウエハを反応容器から取り出し、
最上層のｐ型コンタクト層の表面に絶縁性の保護膜を形
成し、反応性イオンエッチング等によりエッチングして
ｎ電極を形成させるためのｎ型コンタクト層の表面を露
出させる。保護膜としては、ＳｉＯ２が好ましい。次い
で、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプ
を形成させる。リッジストライプは所定の形状のマスク
を用いたフォトリソグラフィ等により得ることができ
る。次いで、ｎ電極及びｐ電極を形成させてからウエハ
を分割し、半導体レーザ素子を得ることができる。 （蛍光物質）本発明に利用可能な蛍光物質は、ＬＤから
出力されるレーザ光によってレーザ光よりも長波長の可
視光を発光可能な蛍光物質ならば無機蛍光体でも有機蛍
光体でもよく、また、発光色は紫色〜赤色までの全ての
可視光のものが適用できる。具体的には、無機蛍光体と
してはケイ酸塩系蛍光体、リン酸塩系蛍光体、アルミン
酸系蛍光体、希土類系蛍光体、酸希土類系蛍光体、硫化
亜鉛系蛍光体などが挙げられる。具体的には緑色系発光
蛍光体では、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ１１
Ｏ１９：Ｃｅ，Ｔｂ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｍ
ｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａ
ｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、青色
系発光蛍光体では（ＳｒＣａＢａ）５（ＰＯ４）３Ｃ
ｌ：Ｅｕ、（ＢａＣａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、Ｂ
ａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃ
ｌ：Ｅｕ、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ７：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ、Ａ
ｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、Ｚｎ
Ｓ：ＡｇＣｌ、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅ
ｄ）、赤色系発光蛍光体ではＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ
２Ｓ：Ｅｕ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、
３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ２・ＧｅＯ２：Ｍｎ、Ｙ
（ＰＶ）Ｏ４：Ｅｕ、５ＭｇＯ・３Ｌｉ２Ｏ・Ｓｂ２Ｏ
５：Ｍｎ、Ｍｇ２ＴｉＯ４：Ｍｎ等が挙げられる。比較
的発光効率が高いものとしては、緑色系発光蛍光体では
ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、青色系発光蛍光体ではＳｒ５
（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色系発光蛍光体ではＹ２Ｏ
２Ｓ：Ｅｕが挙げられる。

【００２５】また、有機蛍光体としては、アミノ基を有
する高分子重合体とアルデヒド基と水酸基を有する芳香
族化合物との反応生成物からなる高分子配位子と有機化
合物配位子とを同時に金属に配位された有機高分子錯体
発光体が挙げられ、特に下記一般式（１）及び（２）で
表される繰り返し単位の化合物を１０％以上含む有機高
分子錯体発光体が好ましい。

【００２６】

【化１】 （式中、Ｘはメチレン基またはフェニル基を表す。ｍは
０〜６の内の整数であり、ｎは１００〜５０万の内の整
数である。） あるいは、ベータジケトン基を有する高分子重合体配位
子及び有機化合物配位子が金属に配位されてなる有機高
分子錯体発光体も好ましく用いることが出来る。特に、
下記の一般式（３）〜（８）で表される繰り返し単位を
１０％以上含む重合体とβ−ジケトンとの反応生成物で
ある有機高分子錯体発光体が好ましい。

【００２７】

【化２】 （式中、Ｘ’はハロゲン基を表す。ｎ’は１００〜５０
万の内の整数である。） 上記の有機蛍光体は、用いる金属化合物及び配位子の組
み合わせによって発光波長を変化させることが出来る。

【００２８】

【発明の効果】本発明のように、半導体レーザ素子から
のレーザ光を光ファイバを用いて伝達させて蛍光物質を
発光させることで、様々な用途に適用可能な照明装置と
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態を説明する光ファイバ
の略断面図

【図２】 本発明の他の実施の形態を説明する光ファイ
バの略断面図

【符号の簡単な説明】

１・・・光ファイバのコア部 ２・・・光ファイバのクラッド部 ３・・・光ファイバの被覆部 ４・・・蛍光物質 ５、７・・・光ファイバ ６・・・半導体レーザ素子 ８・・・パッケージ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子を光源とし、該光源と
   光学的に接続された光ファイバからなる発光装置であっ
   て、前記光ファイバのクラッド部よりも外側に前記半導
   体レーザ素子からのレーザ光によって可視光を発光可能
   な蛍光物質が、備えられていることを特徴とする発光装
   置。
2. 【請求項２】 前記蛍光物質は、発光色が異なる少なく
   とも２種類以上の蛍光物質が備えられている請求項１記
   載の発光装置。
3. 【請求項３】 前記半導体レーザ素子からのレーザ光
   は、発振波長が３８０〜４６０ｎｍの内にある請求項１
   および請求項２記載の発光装置。