JP2007526649A

JP2007526649A - Ｉｒ波長レーザ放射線の上位変換用導波構造

Info

Publication number: JP2007526649A
Application number: JP2007501408A
Authority: JP
Inventors: リッツ，アルント; ホイスラー，ゲロ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2007-09-13
Also published as: TW200606478A; EP1726072A1; US20080259977A1; KR20070004016A; WO2005088784A1; CN1930747A

Abstract

本発明は、IR波長レーザ放射線の上位変換用の導波構造であって、a）水分に対して安定な材料、機械的に安定な材料および／または温度的に安定な材料で実質的に構成された、少なくとも一つのベース基板層と、b）好ましくはフッ化物ガラスのような、実質的にハロゲン化物ガラスで構成され、前記ベース基板層の上に設置された少なくとも一つのアクティブ層と、を有し、前記少なくとも一つのベース基板層の前記材料は、前記少なくとも一つのアクティブ層の前記材料とは異なる組成を有することを特徴とする導波構造に関する。

Description

本発明は、導波構造に関し、特に、ダイオードレーザ活性化導波レーザに使用される、導波構造に関し、特に上位変換導波レーザ、および従来のアークランプの代替のための、その光源としての使用に関する。本発明による導波構造を用いた導波レーザは、従来のアークランプに置き換わる光源として使用することができ、例えば、投射ディスプレイ、および、例えばヘッドライト、店頭用、家庭用、アクセント用もしくはスポット用の照明、または劇場用照明のような各種照明用途に使用することができる。

レーザダイオードは、コヒーレントな放射線を形成する半導体装置であり、電流が流れた場合、波は、可視または赤外線（IR）スペクトルにおいて、全て同じ周波数および位相となる。導波レーザは、ポンプ源としてのレーザダイオードと、ダイオードレーザのポンプ放射線が吸収され、異なる波長に変換される導波構造とを有する。レーザダイオードおよび導波レーザは、光ファイバシステム、コンパクトディスク（CD）、半導体レーザのポンプ源、レーザプリンタ、リモートコントロール装置、侵入検知システム、および溶接または切断等の材料処理のために使用される。

通常の、ダイオードレーザ、上位変換導波レーザおよび導波構造は、従来から知られている。

しかしながら、製造時の工程数が少なく、少量の部品で、ロバスト性が高く、小型で、低コストな導波構造を提供するため、および優れた特性を有する光源を提供するため、導波構造、特に導波レーザの製造処理プロセスを単純化することに対する長期にわたる要望が存在する。

本発明の課題は、上記欠点の少なくとも一部を解決し、製作が容易で、より小型で、さらに良好な特性を有する導波構造を提供することである。

この課題は、
a）水分に対して安定な材料、機械的に安定な材料および／または温度的に安定な材料で実質的に構成された、少なくとも一つのベース基板層と、
b）好ましくはフッ化物ガラスのような、実質的にハロゲン化物ガラスで構成され、前記ベース基板層の上に設置された少なくとも一つのアクティブ層と、
を有するIR波長レーザ放射線の上位変換用の導波構造であって、
前記少なくとも一つのベース基板層の前記材料は、前記少なくとも一つのアクティブ層の前記材料とは異なる組成を有することを特徴とする導波構造によって、達成される。

本願発明者らは、より少ない部品でこれらの特徴が容易に発現できる導波構造を見出した。これによれば、特に、導波構造の製造時に、特殊な取り扱いが必要な部品をより少なくすることができるとともに、優れた特性を発現することができる。

また、アクティブ層および／またはベース層の両方は、2以上の均一な材料で構成された、一つの単一の層であっても良く、あるいは、材料組成の異なるいくつかのサブレイヤおよび／または領域を有しても良いことに留意する必要がある。

本願において「アクティブ層」という用語は、光子吸収の上位変換処理プロセスおよび放射後のエネルギー伝達によって、放射される可視光と、非結合IR光とを搬送する材料を有する、特定の層構造を意味し、例えば、可視光は、材料に含まれる希土類金属を介して、放射される。

本発明の好適実施例では、
当該導波構造の効率は、10％以上90％以下であり、前記効率は、
（当該導波構造の端面からの使用可能放射線の放射パワー／当該導波構造に吸収されたIRパワー）×100
で定義され、
使用可能な放射線は、可視スペクトルのスペクトル領域の赤、緑および／または青の上位変換として定められる。

導波構造の効率は、15％以上90％以下であることが好ましく、20％以上80％以下であることがより好ましく、30％以上70％以下であることがより好ましく、40％以上65％以下であることがさらに好ましく、50％以上60％以下であることが最も好ましい。

本発明の好適実施例では、アクティブ層の厚さは、0以上5μm以下であり、0.5以上4μm以下であることが好ましく、1以上3μm以下であることがより好ましい。そのような厚さのアクティブ層を使用することにより、前述の導波構造の効率を、より容易に得ることができることが把握されている。

また、前述の厚さのアクティブ層を用いた導波構造は、要求パワー密度が低い。要求パワー密度は、アクティブ層がレーザとして機能したまま、未変換処理を行うのに必要な最小パワー密度である。本発明の好適実施例では、アクティブ層は、0.1以上50mW／μm²以下のパワー密度で活性化され、パワー密度は、0.5以上20 mW／μm²以下であることが好ましく、1以上10mW／μm²以下であることがより好ましい。

これにより、本発明をIRレーザ源の広い範囲で使用することが可能となる。

前記アクティブ層材料は、
Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Nd、これらの組み合わせまたはこれらの混合物の群からの、1または2以上の希土類イオンでドープされ、実質的にZrF₄、BaF₂、LaF₃、AlF₃およびNaFからなるZBLAN、
Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Ndまたはこれらの組み合わせの1または2以上の希土類イオンでドープされた、LiLuF₄、LiYF₄、BaY₂F₈、SrF₂、LaCl₃、KPb₂CL₅、LaBr₃の1または2以上の結晶、
Lnを、Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Nd、これらの組み合わせ、またはこれらの混合物の1または2以上の希土類イオンとしたとき、Ba−Ln−FおよびCa−Ln−Fの金属フッ化物でドープされた、1または2以上の希土類、および／または
上記の混合物、
を含む群から選択されることが好ましい。

これらの材料は、所望の上位変換処理プロセスを実施する好適な特性を有する。ZBLAN材料は、さらに,K. Osawa、T. Shibataの、ZrF₄−BaF₂−LaF₃−NaF−AlF₃ガラス光ファイバの調製および特性,ジャーナルオブライトウェーブテクノロギー（Journal of Lightwave Technology）、LT-2(5)、p602、1984年に示されている。

ドープ材料を使用する場合、アクティブ層および／または1もしくは2以上のアクティブ層材料成分の好適なドーピングレベルは、0.01％以上40％以下であり、0.05％以上30％以下であることがより好ましく、0.1％以上20％以下であることがさらに好ましい。

本発明によるベース基板は、以下の特性を有する全ての材料から選択されることが好ましい：すなわち、
使用波長範囲での吸収が少ないこと；導波構造の全長にわたって使用される光の吸収は、0％以上50％以下であり、5％以上40％以下であることが好ましく、10％以上30％以下であることが好ましい；
300℃以上2000℃以下、好ましくは500℃以上、より好ましくは700℃以上、さらに好ましくは1000℃以上、最も好ましくは1200℃以上の軟化温度；および／または
50℃以上2000℃以下であって、アクティブ層材料およびベース基板材料とは異なる軟化温度であり、好ましくは100℃以上、より好ましくは200℃以上、さらに好ましくは300℃以上、最も好ましくは400℃以上の軟化温度；および／または
良好な表面取り扱い性；および／または
アクティブ層材料よりも低い屈折率；アクティブ層材料の屈折率とベース基板の屈折率の差は、0.001以上0.25以下であり、0.002以上0.15以下であることが好ましく、0.005以上0.05以下であることがさらに好ましい；
よりよい技術的方法での導波構造の製作が可能となる良好な化学的耐性、特に水分に対する安定性；
である。

本発明の好適実施例では、ベース基板層材料は、石英ガラス、硬質ガラス、MgF₂およびそれらの混合物を有する群から選択される。これらの材料は、前述の必要なおよび好適な特性の全てを備えている。

本発明の好適実施例では、アクティブ層は、ホットディップスピンコート法により、ベース基板層上にコーティングされる。ホットディップスピンコート法は、従来技術であり、例えば本願の参照文献として取り入れられている、ファーブル（Favre）らのSPIE フォトニクスウェストカンファレンス（Photonics West Conference）、論文4990-21、サンジョーズ、カリフォルニア、25-31、2003年1月に示されている。簡単に言えば、ホットディップスピンコート法は、最初に、溶融材料の入ったるつぼに、必要に応じて予め加熱した基板を浸漬し、基板上に層を形成する。コーティング基板が、溶融層材料の浴から取り出された後、コーティング基板には、通常約2000rpmのスピン速度が付加される。これにより過剰な層材料が排除され、層が必要な厚さに薄膜化される。

この場合、この技術には、ベース基板軟化温度が300℃以上2000℃以下であり、好ましくは500℃以上、より好ましくは700℃以上、さらに好ましくは1000℃以上、最も好ましくは1200℃以上のベース基板が、最も好適であることを本願発明者らは見出した。これにより、厚さが抑制された層をベース基板上に形成することができるためである。最初に、溶融層材料中にベース基板を浸漬することにより形成される層は、ベース基板の単純なスピン処理により、所望の厚さに調整される。これには、スピン処理の間、液体状態を持続することができる溶融層材料が必要である。そうでなければ、その後の層の厚さの低減制御を行うことができなくなるからである。従って、溶融層材料に浸漬するときのベース基板の温度は、ベース基板上の層を薄膜化するための「時間窓」を拡張し、温度安定性が得られ、層材料の粘度が確保されるように、できる限り高くする必要がある。当然のことながら、ベース基板自体は、ホットディップスピン処理に影響を受けないものである必要がある。本願発明者らは、前述の軟化温度を有するベース基板が最も好ましいことを見出した。

本発明の好適実施例では、前記アクティブ層の長さは、100μm以上100,000μm以下であり、好ましくは200μm以上であり、より好ましくは500μm以上であり、さらに好ましくは、1000μm以上50,000μm以下であり、および／または前記アクティブ層の幅は、1μm以上200μm以下であり、2μm以上100μm以下であることが好ましく、10μm以上50μm以下であることが最も好ましい。アクティブ層の厚さは、0.1μm以上100μm以下であることが好ましく、レーザ源よりも1μm以上50μm以下だけ長いことが好ましい。

ただし、アクティブ層の長さと幅は、
導波構造に衝突するIR放射は、50％以上の量が吸収され、好ましくは60％以上、より好ましくは80％以上の量が吸収される；
導波構造の寸法は、IR放射線源と整合し、および／または適合される；ように選定する必要がある。

本発明の好適実施例では、導波構造は、さらに、前記アクティブ層上に設置されたシール層を有し、前記アクティブ層は、前記ベース基板層と前記シール層の間にあり、
前記シール層の材料は、SiO₂、Al₂O₃および／もしくはSi₃N₄であることが好ましい高屈折率材料、高分子、スピンオンガラス、またはこれらの混合物を有する群から、単独で、あるいは、光隔離層との組み合わせによって、好ましくは未ドープZBLANから、選択されることが好ましい。

アクティブ層に好適材料は、水分に対する反応性が高いため、アクティブ層は、まず、水分に対して安定なベース基板によって、次にシール層によって、両方の側を保護することが好ましい。このような構造によって、導波構造の大量生産を容易に行うことが可能となり、導波構造自体のロバスト性が向上する。

本発明の別の目的は、本発明の導波構造を少なくとも一つを有する照明ユニットであって、
店頭照明、
家庭用照明、
アクセント照明、
スポット照明、
劇場用照明、
自動車用照明、
光ファイバ用途、および
投射システムのいずれかの用途に使用されるように設計された、照明ユニットに関する。

本発明に使用される測定方法は、従来技術である。ただし、いかなる当業者も、本願の参照文献として取り入れられている、以下の1または2以上の資料を容易に得ることができる。
・マッシコット(J. F. Massicott)ら、エレクトロニクスレター（Electronics Letters）、第29巻（24）、p2119−2120、1993年、
・サンドロック（T. Sandrock）ら、オプティクスレター（Optics Letters）、第24巻（18）、p1284-1286、1999年、
・（希土類ドープファイバレーザおよび増幅器）、ミッシェルディゴーネット（Michel J. F. Digonnet）監修、Verlag−Marcel Dekker社、特にp204以降、
・トロッパー（A. C. Tropper）ら、ジャーナルオブザオプティカルソサイエティオブアメリカ（Journal of the Optical Society of America）B、第11巻（5）、p886-893。

Claims

a）水分に対して安定な材料、機械的に安定な材料および／または温度的に安定な材料で実質的に構成された、少なくとも一つのベース基板層と、
b）好ましくはフッ化物ガラスのような、実質的にハロゲン化物ガラスで構成され、前記ベース基板層の上に設置された少なくとも一つのアクティブ層と、
を有するIR波長レーザ放射線の上位変換用の導波構造であって、
前記少なくとも一つのベース基板層の前記材料は、前記少なくとも一つのアクティブ層の前記材料とは異なる組成を有することを特徴とする導波構造。
当該導波構造の効率は、10％以上90％以下であり、前記効率は、
（当該導波構造からの使用可能放射線の放射および／または放出されたパワー／当該導波構造に吸収されたIRパワー）×100
で定義され、
使用可能な放射線は、赤、緑および／または青の上位変換として定められることを特徴とする請求項1に記載の導波構造。
前記アクティブ層の厚さは、0以上5μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の導波構造。
前記アクティブ層材料は、
Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Ndまたはこれらの組み合わせの群からの、1または2以上の希土類イオンでドープされ、実質的にZrF₄、BaF₂、LaF₃、AlF₃およびNaFからなるZBLAN、
Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Ndまたはこれらの組み合わせの1または2以上の希土類イオンでドープされた、LiLuF₄、LiYF₄、BaY₂F₈、SrF₂、LaCl₃、KPb₂CL₅、LaBr₃の1または2以上の結晶、
Lnを、Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Nd、これらの組み合わせ、またはこれらの混合物の1または2以上の希土類イオンとしたとき、Ba−Ln−FおよびCa−Ln−Fの金属フッ化物でドープされた、1または2以上の希土類、または
上記の混合物、
を含む群から選択されることを特徴とする請求項1または3に記載の導波構造。
前記ベース基板層材料は、300℃以上2000℃以下の軟化点を有し、および／または前記アクティブ層材料よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の導波構造。
前記ベース基板層材料は、石英ガラス、硬質ガラス、MgF₂およびこれらの混合物を有する群から選択されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の導波構造。
前記アクティブ層は、ホットディップスピンコート法により、前記ベース基板層上にコーティングされることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の導波構造。
前記アクティブ層の長さは、100μm以上100,000μm以下であり、好ましくは200μm以上であり、より好ましくは500μm以上であり、さらに好ましくは、1000μm以上50,000μm以下であり、および／または前記アクティブ層の幅は、1μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の導波構造。
さらに、前記アクティブ層上に設置されたシール層を有し、前記アクティブ層は、前記ベース基板層と前記シール層の間にあり、
前記シール層の材料は、SiO₂、Al₂O₃および／もしくはSi₃N₄であることが好ましい高屈折率材料、高分子、スピンオンガラス、またはこれらの混合物を有する群から、単独で、あるいは、光隔離層との組み合わせによって、好ましくは未ドープZBLANから、選択されることが好ましいことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つに記載の導波構造。
少なくとも、請求項1乃至9のいずれか一つに記載の導波構造を一つを有する照明ユニットであって、
店頭照明、家庭用照明、アクセント照明、スポット照明、劇場用照明、自動車用照明、光ファイバ用途、および投射システムのいずれかの用途に使用されるように設計された、照明ユニット。