JP2015179657A - Light emitting element and light emitting device - Google Patents

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安寿 稲田
Yasuhisa Inada
安寿 稲田
平澤 拓
Hiroshi Hirasawa
拓 平澤
享 橋谷
Akira Hashiya
享 橋谷
充 新田
Mitsuru Nitta
充 新田
山木 健之
Takeyuki Yamaki
健之 山木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting device of a new configuration with directivity.SOLUTION: A light emitting element 100 comprises a laminar light emitting body 110 that emits light of wavelength λ by receiving excitation light, and a periodic structure 120 of a dielectric formed on the surface of the light emitting body 110. When a refractive index of the light emitting body 110 is nand the period of the periodic structure 120 is p, mλ/n<p<mλ (m represents an integer of 1 or more) is satisfied.

Description

本願は、指向性を有する発光装置に関する。   The present application relates to a light emitting device having directivity.

照明、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。例えば、照明では、リフレクターやレンズなどの光学系を利用して指向性を確保し、必要な場所を照らす工夫がなされている。同様に、ディスプレイでは、正面を中心にある程度の視野角で見えるように、また、プロジェクターでは、スクリーンに画像が適切に表示されるように、光の方向性を制御するリフレクターやレンズなどの光学系が使用されている。例えば、特許文献1は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。   Optical devices such as lighting, displays, and projectors are required to emit light in a necessary direction in many applications. For example, in lighting, a device for ensuring directivity using an optical system such as a reflector or a lens and illuminating a necessary place has been devised. Similarly, an optical system such as a reflector or a lens that controls the direction of light so that the display can be viewed with a certain viewing angle centered on the front, and the projector displays an image appropriately on the screen. Is used. For example, Patent Document 1 discloses an illumination system that secures directivity using a light distribution plate and an auxiliary reflector.

特開2010−231941号公報JP 2010-231941 A

白熱電球、蛍光灯、LED照明などで使用される蛍光体は等方的に発光するので、特定の方向のみに光を出射させるためには、一般的にはリフレクターやレンズなどの光学系が必要である。しかしながら、リフレクターやレンズなどの光学系を配置すると、そのスペースを確保するために、デバイスや器具を大きくする必要がある。   Since phosphors used in incandescent bulbs, fluorescent lamps, LED lighting, etc. emit light isotropically, an optical system such as a reflector or lens is generally required to emit light only in a specific direction. It is. However, when an optical system such as a reflector or a lens is arranged, it is necessary to enlarge a device or an instrument in order to secure the space.

単色の光を発するLEDや、蛍光体の配置に工夫がなされた白色LEDでは、ある程度指向性をもつ発光を実現でき、例えば数十度程度しか広がらない光を得ることができる。しかし、プロジェクターや照明など、より高い指向性が求められる用途では、やはりリフレクターやレンズなどの光学系が必要である。   An LED that emits monochromatic light or a white LED that has been devised in the arrangement of phosphors can realize light emission having a certain degree of directivity, for example, light that spreads only about several tens of degrees. However, in applications where higher directivity is required, such as projectors and illumination, optical systems such as reflectors and lenses are still necessary.

一方、レーザーを用いれば極めて高い指向性を得ることはできる。しかしながら、レーザー光は高いコヒーレンスを持つため、人の目に入った場合、網膜を損傷して視力を損なうおそれがある。また、レーザー光で物体を照射すると、照射面にスペックルが発生し、人がその物体を見た時に不快感を覚えるおそれがある。   On the other hand, if a laser is used, extremely high directivity can be obtained. However, since laser light has high coherence, when it enters the human eye, it may damage the retina and impair visual acuity. Further, when an object is irradiated with laser light, speckles are generated on the irradiated surface, and there is a possibility that a person may feel uncomfortable when the person sees the object.

上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る発光素子は、励起光を受けて波長λの光を発するように構成された層状の発光体と、前記発光体の表面に形成された誘電体の周期構造とを備え、前記発光体の屈折率をnwav、前記周期構造の周期をpとするとき、

Figure 2015179657


(mは1以上の整数)を満足する。 In order to solve the above problems, a light-emitting element according to one embodiment of the present invention includes a layered light-emitting body configured to emit light having a wavelength λ in response to excitation light, and the light-emitting element formed on the surface of the light-emitting body A dielectric periodic structure, where n wav is the refractive index of the light emitter, and p is the period of the periodic structure,
Figure 2015179657


(M is an integer of 1 or more).

本発明の一態様によれば、簡単な構成で指向性を有する発光装置を実現できる。   According to one embodiment of the present invention, a light-emitting device having directivity with a simple configuration can be realized.

ある実施形態における発光素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the light emitting element in a certain embodiment. 図1Aに示す発光素子の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the light emitting element shown to FIG. 1A. 他の実施形態における発光素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the light emitting element in other embodiment. 図1Cに示す発光素子の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the light emitting element shown to FIG. 1C. 発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の強さを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity | strength of the light radiate | emitted in a front direction by changing the light emission wavelength and the height of a periodic structure, respectively. 式(10)におけるm=1およびm=3の条件を図示したグラフである。It is the graph which illustrated the conditions of m = 1 and m = 3 in Formula (10). 発光波長および導波路の厚さtを変えて正面方向に出力する光の強さを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity | strength of the light output to a front direction by changing the light emission wavelength and the thickness t of a waveguide. 厚さt=238nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the electric field distribution of the mode guided to x direction when thickness t = 238 nm. 厚さt=539nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the electric field distribution of the mode guided to x direction when thickness t = 539 nm. 厚さt=300nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the electric field distribution of the mode guided to x direction when thickness t = 300nm. 図2の計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードである場合について計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result calculated about the case where the polarization of light is TE mode which has an electric field component perpendicular | vertical to ay direction on the same conditions as the calculation of FIG. 2次元の周期構造の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of a two-dimensional periodic structure. 2次元周期構造に関して図2と同様の計算を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the calculation similar to FIG. 2 regarding 2D periodic structure. 発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の強さを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity | strength of the light output to a front direction by changing the light emission wavelength and the refractive index of a periodic structure. 図8と同様の条件で導波路の膜厚を1000nmにした場合の結果を示す図である。It is a figure which shows the result at the time of setting the film thickness of a waveguide to 1000 nm on the conditions similar to FIG. 発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の強さを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity | strength of the light which changes the light emission wavelength and the height of a periodic structure, and outputs it to a front direction. 図10と同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result when the refractive index of a periodic structure is set to np = 2.0 on the conditions similar to FIG. 光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして図9に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the calculation similar to the calculation shown in FIG. 9, assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction. 図9に示す計算と同様の条件で、導波路の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を示す図である。It is a figure which shows the result at the time of changing the refractive index nwav of a waveguide to 1.5 on the conditions similar to the calculation shown in FIG. 屈折率が1.5の透明基板の上に、図2に示す計算と同じ条件の導波路および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of providing the waveguide and periodic structure of the same conditions as the calculation shown in FIG. 2 on the transparent substrate whose refractive index is 1.5. 式(13)の条件を図示したグラフである。It is a graph which illustrated the conditions of Formula (13). 図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光を発光体110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the light-emitting device 200 provided with the light emitting element 100 shown to FIG. 1A and 1B and the light source 180 which makes excitation light inject into the light-emitting body 110. FIG. 励起光を導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図である。(a)はx方向の周期pxを有する1次元周期構造を示し、(b)はx方向の周期px、y方向の周期pyを有する2次元周期構造を示し、(c)は(a)の構成における光の導波モードへの吸収率の波長依存性を示し、(d)は(b)の構成における光の導波モードへの吸収率の波長依存性を示している。It is a figure for demonstrating the structure which radiate | emits light efficiently by couple | bonding excitation light with waveguide mode. (A) shows a one-dimensional periodic structure having a period px in the x direction, (b) shows a two-dimensional periodic structure having a period px in the x direction and a period py in the y direction, and (c) shows a part of (a). The wavelength dependence of the absorptance to the waveguide mode of light in the configuration is shown, and (d) shows the wavelength dependence of the absorptance to the waveguide mode of light in the configuration of (b). 2次元周期構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a two-dimensional periodic structure. 2次元周期構造の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a two-dimensional periodic structure. 透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification which formed the periodic structure on the transparent substrate. 透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。It is a figure which shows the other modification which formed the periodic structure on the transparent substrate. 図19Aの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の強さを計算した結果を示す図である。FIG. 19B is a diagram illustrating a result of calculating the intensity of light output in the front direction by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure in the configuration of FIG. 19A. 複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which mixed several powdery light emitting element. 導波路の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。It is a top view which shows the example which arranged the several periodic structure from which a period differs on a waveguide two-dimensionally. 表面に凹凸構造が形成された複数の発光体110が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the light emitting element which has the structure where the several light emitting body 110 in which the uneven structure was formed on the surface was laminated | stacked. 発光体110と周期構造120との間に保護層150を設けた構成例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between a light emitter 110 and a periodic structure 120. 発光体110の一部のみを加工することによって周期構造120を形成した例を示す図である。It is a figure which shows the example which formed the periodic structure 120 by processing only a part of light-emitting body 110. FIG. スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of a slab type | mold waveguide.

本開示の実施形態の概要は、以下のとおりである。   The outline | summary of embodiment of this indication is as follows.

(1)本開示の一態様に係る発光素子は、励起光を受けて波長λの光を発するように構成された層状の発光体と、前記発光体の表面に形成された誘電体の周期構造と、を備え、前記発光体の屈折率をnwav、前記周期構造の周期をpとするとき、

Figure 2015179657


(mは1以上の整数)を満足する。 (1) A light-emitting element according to one embodiment of the present disclosure includes a layered light-emitting body configured to receive excitation light and emit light having a wavelength λ, and a periodic structure of a dielectric formed on a surface of the light-emitting body When the refractive index of the light emitter is n wav and the period of the periodic structure is p,
Figure 2015179657


(M is an integer of 1 or more).

(2)本開示の他の態様に係る発光素子は、透光性基板と、前記透光性基板上に形成され、励起光を受けて波長λの光を発するように構成された層状の発光体と、前記発光体の表面に形成された誘電体の周期構造と、を備え、前記透光性基板の屈折率をns、前記発光体の屈折率をnwav、前記周期構造の周期をpとするとき、

Figure 2015179657


(mは1以上の整数)を満足する。 (2) A light-emitting element according to another aspect of the present disclosure includes a light-transmitting substrate and a layered light-emitting element formed on the light-transmitting substrate and configured to emit light having a wavelength λ upon receiving excitation light. And a periodic structure of a dielectric formed on the surface of the light emitter, the refractive index of the translucent substrate is n s , the refractive index of the light emitter is n wav , and the period of the periodic structure is When p is
Figure 2015179657


(M is an integer of 1 or more).

(3)ある実施形態において、前記発光体の厚さは、前記発光体の内部で波長λの光についての導波モードが形成されるように設計されている。   (3) In one embodiment, the thickness of the light emitter is designed so that a waveguide mode for light having a wavelength λ is formed inside the light emitter.

(4)ある実施形態において、m=1である。   (4) In one embodiment, m = 1.

(5)ある実施形態において、前記周期構造を第1の周期構造とするとき、前記発光体において、前記第1の周期構造が形成されている側とは反対の側に形成され、前記第1の周期構造と同一の周期を有する第2の周期構造をさらに備える。   (5) In one embodiment, when the periodic structure is a first periodic structure, the light emitter is formed on a side opposite to a side on which the first periodic structure is formed, and the first structure A second periodic structure having the same period as the periodic structure is further provided.

(6)ある実施形態において、前記誘電体は、前記発光体と同じ材料である。   (6) In one embodiment, the dielectric is the same material as the light emitter.

(7)ある実施形態において、前記誘電体の屈折率は、前記発光体の屈折率よりも小さい。   (7) In one embodiment, the refractive index of the dielectric is smaller than the refractive index of the light emitter.

(8)ある実施形態において、前記周期構造の高さは150nm以下である。   (8) In one embodiment, the periodic structure has a height of 150 nm or less.

(9)ある実施形態において、前記発光体を第1の発光体、前記周期構造を第1の周期構造とするとき、前記透光性基板を介して前記第1の発光体の反対側に形成され、波長λ2の光を発するように構成された第2の発光体と、前記第2の発光体の表面に形成された第2の周期構造と、をさらに備える。   (9) In an embodiment, when the light emitter is a first light emitter and the periodic structure is a first periodic structure, the light emitter is formed on the opposite side of the first light emitter via the light-transmitting substrate. And a second light emitter configured to emit light of wavelength λ2, and a second periodic structure formed on the surface of the second light emitter.

(10)ある実施形態において、波長λ2と波長λとは異なっており、前記第2の発光体の屈折率をnwav2、前記第2の周期構造の周期をp2とするとき、

Figure 2015179657


(mは1以上の整数)を満足する。 (10) In an embodiment, when the wavelength λ2 and the wavelength λ are different, the refractive index of the second light emitter is n wav2 , and the period of the second periodic structure is p 2 ,
Figure 2015179657


(M is an integer of 1 or more).

(11)ある実施形態において、前記周期構造は、周期の異なる複数の領域が2次元に配列された構造を有している。   (11) In one embodiment, the periodic structure has a structure in which a plurality of regions having different periods are two-dimensionally arranged.

(12)ある実施形態において、前記周期構造は、1次元周期構造である。   (12) In one embodiment, the periodic structure is a one-dimensional periodic structure.

(13)ある実施形態において、前記周期構造は、2次元周期構造である。   (13) In one embodiment, the periodic structure is a two-dimensional periodic structure.

(14)ある実施形態において、前記周期構造は、複数の周期成分を有する2次元周期構造である。   (14) In one embodiment, the periodic structure is a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components.

(15)ある実施形態において、前記発光体は、蛍光体を含む。   (15) In one embodiment, the light emitter includes a phosphor.

(16)ある実施形態において、前記発光体は、量子ドットを含む。   (16) In one embodiment, the light emitter includes quantum dots.

(17)本開示の他の態様に係る発光装置は、上記のいずれかに記載の発光素子と、前記発光体から波長λの光を発生させるように、前記発光体に励起光を入射させる光源と、を備える。   (17) A light-emitting device according to another aspect of the present disclosure includes any one of the light-emitting elements described above and a light source that causes excitation light to enter the light-emitting body so as to generate light having a wavelength λ from the light-emitting body. And comprising.

(18)ある実施形態において、前記周期構造は、第1の方向に周期pの周期成分を有し、前記第1の方向とは異なる第2の方向に周期pとは異なる周期pexの周期成分を有する2次元周期構造であり、前記励起光の波長をλex、前記発光体に接する媒質のうち、前記周期構造を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をnoutとするとき、周期pexは、

Figure 2015179657


を満足するように設定されている。 (18) In one embodiment, the periodic structure has a periodic component having a period p in a first direction, and a period having a period p ex different from the period p in a second direction different from the first direction. A two-dimensional periodic structure having components, where the wavelength of the excitation light is λ ex , and the medium having the highest refractive index excluding the periodic structure among the media in contact with the light emitter is n out. p ex is
Figure 2015179657


Is set to satisfy.

[1.本開示の基礎となった知見]
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、白熱電球、蛍光灯、LED照明などで使われる蛍光体は等方的に発光するので、特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学系が必要である。しかしながら、もし発光体自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学系は不要になるので、デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本願発明者は、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、発光体の構成を詳細に検討した。
[1. Knowledge underlying this disclosure]
Before describing specific embodiments of the present disclosure, first, knowledge that is the basis of the present disclosure will be described. As described above, phosphors used in incandescent bulbs, fluorescent lamps, LED lighting, and the like emit isotropically, so an optical system such as a reflector or a lens is required to illuminate a specific direction with light. . However, if the light emitter itself emits light with directivity, the optical system as described above is not necessary, so that the size of the device or instrument can be greatly reduced. Based on such an idea, the inventor of the present application examined the configuration of the light emitter in detail in order to obtain directional light emission.

本願発明者は、まず、発光体からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式(1)で表される。

Figure 2015179657
The inventor of the present application first considered that the light emission itself has a specific directionality so that the light from the light emitter is biased in a specific direction. The light emission rate Γ, which is an index characterizing light emission, is expressed by the following formula (1) according to Fermi's golden rule.
Figure 2015179657

式(1)において、rは位置を表すベクトル、λは光の波長、dは双極子ベクトル、Eは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルdはランダムな方向性を有している。また、発光体のサイズが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Eの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、<(d・E(r))>2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合において発光体は等方的に発光する。 In equation (1), r is a position vector, λ is the wavelength of light, d is a dipole vector, E is an electric field vector, and ρ is a density of states. In many materials except some crystalline materials, the dipole vector d has a random orientation. In addition, when the size of the light emitter is sufficiently larger than the wavelength of light, the magnitude of the electric field E is almost constant regardless of the direction. Therefore, in most cases, the value of <(d · E (r))> 2 does not depend on the direction. That is, the light emission rate Γ is constant regardless of the direction. For this reason, in most cases, the light emitter emits isotropically.

一方、式(1)から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルdを特定の方向に揃えるか、電場Eを特定の向きにのみ増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる可能性がある。本開示では、電場Eを特定の方向にのみ増強するための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。   On the other hand, in order to obtain anisotropic light emission from the formula (1), it is necessary to devise either the dipole vector d aligned in a specific direction or the electric field E enhanced only in a specific direction. is there. There is a possibility that directional light emission can be realized by any of these devices. In the present disclosure, a configuration for enhancing the electric field E only in a specific direction is examined, and a detailed analysis result will be described below.

[2.特定の方向の電場のみを強くする構成]
本願発明者はまず、特定の方向の電場のみを強くする簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図25は、スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。導波部分110の屈折率が導波路を支持する透明基板140の屈折率よりも高いとき、導波路内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路を発光体材料で形成すれば、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なりをもつので、発光点から生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、スラブ型導波路の厚さを小さくすることにより、少数の導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
[2. Configuration to strengthen only the electric field in a specific direction]
The inventor of the present application first focused on a slab type waveguide as a simple configuration for strengthening only an electric field in a specific direction. The slab type waveguide is a waveguide in which a light guiding portion has a flat plate structure. FIG. 25 is a perspective view schematically showing an example of a slab type waveguide. When the refractive index of the waveguide portion 110 is higher than the refractive index of the transparent substrate 140 supporting the waveguide, there is a mode of light propagating in the waveguide. If such a slab-type waveguide is formed of a phosphor material, the electric field of light generated from the light emitting point largely overlaps with the electric field of the guided mode, so that most of the light generated from the light emitting point is guided to the guided mode. Can be combined. Furthermore, by reducing the thickness of the slab waveguide, it is possible to create a situation where only a small number of waveguide modes exist.

本願発明者は、このような導波モードが存在する導波路(発光体)の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の導波モードに光を結合させることを着想した。図1Aは、そのような導波路110と周期構造120とを有する発光素子100の一例を模式的に示す斜視図である。この例では、周期構造120は、各々がy方向に延びるストライプ状の複数の凸部がx方向に等間隔に並んだ1次元周期構造である。図1Bは、この発光素子100をxz面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路110に接するように周期pの周期構造120を設けると、面内方向の波数kwavをもつ導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数koutは以下の式(2)で表すことができる。

Figure 2015179657

式(2)におけるmは整数であり、回折の次数を表す。 The inventor of the present application has conceived that light is coupled to a waveguide mode in a specific angular direction by forming a periodic structure on the surface of a waveguide (light emitter) where such a waveguide mode exists. FIG. 1A is a perspective view schematically showing an example of a light emitting device 100 having such a waveguide 110 and a periodic structure 120. In this example, the periodic structure 120 is a one-dimensional periodic structure in which a plurality of stripe-shaped convex portions each extending in the y direction are arranged at equal intervals in the x direction. FIG. 1B is a cross-sectional view of the light emitting device 100 taken along a plane parallel to the xz plane. When the periodic structure 120 having the period p is provided so as to be in contact with the waveguide 110, the waveguide mode having the wave number k wav in the in-plane direction is converted into propagating light outside the waveguide, and the wave number k out is expressed by the following equation: (2).
Figure 2015179657

M in Formula (2) is an integer and represents the order of diffraction.

ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式(3)および(4)が成立するとする。

Figure 2015179657


Figure 2015179657

これらの式において、λ0は光の波長、nwavは導波路の屈折率、noutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式(2)〜(4)から、出射角度θoutは、以下の式(5)で表すことができる。
Figure 2015179657

式(5)より、nwavsinθwav=mλ0/pが成立するとき、θout=0となり、導波路の面に垂直な方向(正面)に光を出射させることができることがわかる。 Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the light guided in the waveguide approximately is a light beam propagating at an angle θ wav , and the following equations (3) and (4) hold.
Figure 2015179657


Figure 2015179657

In these equations, λ 0 is the wavelength of light, n wav is the refractive index of the waveguide, n out is the refractive index of the medium on the output side, and θ out is the output when the light is output to the substrate or air outside the waveguide. Is an angle. From the equations (2) to (4), the emission angle θ out can be expressed by the following equation (5).
Figure 2015179657

From equation (5), it can be seen that when n wav sin θ wav = mλ 0 / p is satisfied, θ out = 0, and light can be emitted in a direction (front) perpendicular to the plane of the waveguide.

以上のような原理に基づけば、発光を特定の導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。   Based on the principle as described above, it is possible to emit strong light in that direction by coupling light emission to a specific waveguide mode and converting it into light having a specific emission angle using a periodic structure. it is conceivable that.

上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、導波モードが存在しなければならないため、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式(6)で表される。

Figure 2015179657
In order to realize the above situation, there are some constraints. First, since the waveguide mode must exist, it is necessary that the light propagating in the waveguide is totally reflected. The condition for this is expressed by the following formula (6).
Figure 2015179657

この導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式(5)において−1<sinθout<1である必要がある。よって、以下の式(7)を満足する必要がある。

Figure 2015179657
In order to diffract this waveguide mode by the periodic structure and emit light outside the waveguide, it is necessary to satisfy −1 <sin θ out <1 in Equation (5). Therefore, it is necessary to satisfy the following formula (7).
Figure 2015179657

これに対し、式(6)を考慮すると、以下の式(8)が成立すればよいことがわかる。

Figure 2015179657
On the other hand, considering the equation (6), it can be seen that the following equation (8) should be satisfied.
Figure 2015179657

さらに、導波路110から出射される光の方向を正面方向(θout=0)にするためには、式(5)から、以下の式(9)が必要であることがわかる。

Figure 2015179657
Further, in order to make the direction of the light emitted from the waveguide 110 the front direction (θ out = 0), it can be seen from the equation (5) that the following equation (9) is necessary.
Figure 2015179657

式(9)および式(6)から、必要な条件は、以下の式(10)であることがわかる。

Figure 2015179657
From formula (9) and formula (6), it can be seen that the necessary condition is the following formula (10).
Figure 2015179657

なお、図1Aおよび図1Bに示すような周期構造を設けた場合には、mが2以上の高次の回折効率は低いため、m=1である1次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、m=1として、式(10)を変形した以下の式(11)を満足するように周期pが決定される。

Figure 2015179657
When the periodic structure as shown in FIGS. 1A and 1B is provided, the first-order diffracted light with m = 1 should be designed mainly because the high-order diffraction efficiency with m = 2 or higher is low. . For this reason, in the periodic structure in the present embodiment, m = 1 and the period p is determined so as to satisfy the following expression (11) obtained by modifying expression (10).
Figure 2015179657

図1Aおよび図1Bに示すように、導波路(発光体)110が透明基板に接していない場合には、noutは空気の屈折率(約1.0)となるため、以下の式(12)を満足するように周期pを決定すればよい。

Figure 2015179657
As shown in FIG. 1A and FIG. 1B, when the waveguide (light emitter) 110 is not in contact with the transparent substrate, n out is the refractive index of air (about 1.0). ) Should be determined so as to satisfy the above.
Figure 2015179657

一方、図1Cおよび図1Dに例示するような透明基板140上に発光体110および周期構造120を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板140の屈折率nsが空気の屈折率よりも大きいことから、式(11)においてnout=nsとした次式(13)を満足するように周期pを決定すればよい。

Figure 2015179657
On the other hand, a structure in which the light emitter 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D may be employed. In this case, determined from the refractive index n s of the transparent substrate 140 is larger than the refractive index of air, the following equation was n out = n s in equation (11) the period p to satisfy (13) do it.
Figure 2015179657

なお、式(12)、(13)では、式(10)においてm=1の場合を想定したが、m≧2であってもよい。すなわち、図1Aおよび図1Bに示すように発光素子100の両面が空気層に接している場合には、mを1以上の整数として、以下の式(14)を満足するように周期pが設定されていればよい。

Figure 2015179657
In equations (12) and (13), it is assumed that m = 1 in equation (10), but m ≧ 2 may be satisfied. That is, when both surfaces of the light emitting element 100 are in contact with the air layer as shown in FIGS. 1A and 1B, the period p is set so that m is an integer of 1 or more and the following expression (14) is satisfied. It only has to be done.
Figure 2015179657

同様に、図1Cおよび図1Dに示すように、発光素子100が透明基板140上に形成されている場合には、以下の式(15)を満足するように周期pが設定されていればよい。

Figure 2015179657
Similarly, as shown in FIGS. 1C and 1D, when the light emitting element 100 is formed on the transparent substrate 140, the period p may be set so as to satisfy the following expression (15). .
Figure 2015179657

以上の不等式を満足するように周期構造の周期pを決定することにより、発光体110から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。   By determining the period p of the periodic structure so as to satisfy the above inequality, light generated from the light emitter 110 can be emitted in the front direction, and thus a light emitting device having directivity can be realized.

[3.計算による検証]
[3−1.周期、波長依存性]
本願発明者は、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。導波路の膜厚を1μm、導波路の屈折率をnwav=1.8、周期構造の高さを50nm、周期構造の屈折率を1.5とし、発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の電場の強さを計算した結果を図2に示す。計算モデルは、図1Aに示すように、y方向には均一な1次元周期構造とし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるとして計算を行った。この計算では、簡単のため、発光素子の正面から光を入射したときの電場分布を電磁界解析によって求めた。実際には、外部光源から与えられる励起光によって生じた光の導波モードに起因して外部に光が出射するため、実際のプロセスは本計算とは逆のプロセスになる。図2の結果から、強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。
[3. Verification by calculation]
[3-1. Period, wavelength dependence]
The inventor of the present application has verified by optical analysis whether light can be emitted in a specific direction as described above. The optical analysis was carried out by calculation using the Cybernet DiffractMOD. The film thickness of the waveguide is 1 μm, the refractive index of the waveguide is n wav = 1.8, the height of the periodic structure is 50 nm, the refractive index of the periodic structure is 1.5, and the emission wavelength and the height of the periodic structure are respectively set. FIG. 2 shows the result of calculating the intensity of the electric field of the light emitted in the front direction. As shown in FIG. 1A, the calculation model was calculated with a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. In this calculation, for the sake of simplicity, the electric field distribution when light is incident from the front of the light emitting element was obtained by electromagnetic field analysis. Actually, since the light is emitted to the outside due to the waveguide mode of the light generated by the excitation light given from the external light source, the actual process is the reverse process of this calculation. From the results of FIG. 2, it can be seen that an intensity peak exists at a certain combination of wavelength and period.

上記の計算において、周期構造の断面は、図1Bに示すような矩形であるものとしている。断面が矩形の構造においては、奇数次の回折光のみが発生し、偶数次の回折光は発生しない。これを確認するために、式(10)におけるm=1およびm=3の条件を図示したグラフを図3に示す。図2と図3とを比較すると、予想通り図2におけるピーク位置はm=1とm=3に対応するところに存在することがわかる。m=1の方が強度が強いのは、3次以上の高次の回折光よりも1次の回折光の回折効率の方が高いからである。m=2のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。   In the above calculation, the cross section of the periodic structure is assumed to be rectangular as shown in FIG. 1B. In a structure with a rectangular cross section, only odd-order diffracted light is generated, and even-order diffracted light is not generated. In order to confirm this, a graph illustrating the conditions of m = 1 and m = 3 in equation (10) is shown in FIG. Comparing FIG. 2 with FIG. 3, it can be seen that the peak positions in FIG. 2 exist at locations corresponding to m = 1 and m = 3 as expected. The reason why m = 1 is stronger is that the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is higher than that of the third-order or higher-order diffracted light. The reason why the peak of m = 2 does not exist is that the diffraction efficiency in the periodic structure is low.

図3で示したm=1およびm=3のそれぞれに対応する領域内において、図2では複数のラインが存在することが確認できる。これは、導波モードが複数存在するからであると考えられる。   In the region corresponding to each of m = 1 and m = 3 shown in FIG. 3, it can be confirmed that there are a plurality of lines in FIG. This is considered to be because there are a plurality of waveguide modes.

[3−2.厚さ依存性]
図4は、導波路の屈折率をnwav=1.8、周期構造の周期を400nm、高さを50nm、屈折率を1.5とし、発光波長および導波路の厚さtを変えて正面方向に出力する光の電場の強さを計算した結果を示す図である。導波路の厚さtが特定の値であるときに光の強さがピークに達することがわかる。
[3-2. Thickness dependence]
FIG. 4 is a front view in which the refractive index of the waveguide is n wav = 1.8, the period of the periodic structure is 400 nm, the height is 50 nm, the refractive index is 1.5, and the emission wavelength and the waveguide thickness t are changed. It is a figure which shows the result of having calculated the intensity | strength of the electric field of the light output to a direction. It can be seen that the light intensity reaches a peak when the thickness t of the waveguide is a specific value.

図4においてピークが存在する波長600nm、厚さt=238nm、539nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図5Aおよび図5Bにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないt=300nmの場合について同様の計算を行った結果を図5Cに示す。計算モデルは、上記と同様、y方向に均一な1次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。t=238nm、539nmの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、t=300nmでは全体的に電場強度が低い。これは、t=238nm、539nmの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。また、t=238nmの場合とt=539nmの場合とを比較すると、z方向の電場の節(白い部分)の数が1つだけ異なることがわかる。これは、導波モードの次数が1だけ異なることによる効果である。さらに、t=238nm、539nmの電場分布では、必ず周期構造120の各凸部の中心位置に電場の腹が存在することがわかる。つまり、周期構造120の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。   FIG. 5A and FIG. 5B show the results of calculating the electric field distribution of the mode guided in the x direction when the wavelength where the peak exists in FIG. 4 is 600 nm and the thickness is t = 238 nm and 539 nm. For comparison, FIG. 5C shows the result of the same calculation performed when t = 300 nm where no peak exists. The calculation model was assumed to be a one-dimensional periodic structure uniform in the y direction, as described above. In each figure, the black region indicates that the electric field strength is high, and the white region indicates that the electric field strength is low. In the case of t = 238 nm and 539 nm, there is a high electric field intensity distribution, whereas in the case of t = 300 nm, the electric field intensity is low overall. This is because when t = 238 nm and 539 nm, a waveguide mode exists and light is strongly confined. Further, comparing the case of t = 238 nm and the case of t = 539 nm, it can be seen that the number of nodes (white portions) of the electric field in the z direction is different by one. This is an effect due to the difference in the order of the waveguide mode by one. Furthermore, it can be seen that in the electric field distribution of t = 238 nm and 539 nm, an antinode of the electric field always exists at the center position of each convex portion of the periodic structure 120. That is, it can be seen that a guided mode is obtained according to the arrangement of the periodic structure 120.

[3−3.偏光依存性]
次に偏光依存性を確認するために、図2の計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードである場合について計算を行った。本計算の結果を図6に示す。TMモードのとき(図2)に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図3で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、TMモード、TEモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
[3-3. Polarization dependence]
Next, in order to confirm the polarization dependence, calculation was performed for the case where the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those in FIG. The result of this calculation is shown in FIG. Compared to the TM mode (FIG. 2), the peak position is slightly changed, but the peak position is within the region shown in FIG. Therefore, it was confirmed that the configuration of this embodiment is effective for both TM mode and TE mode polarization.

[3−4.2次元周期構造]
さらに、2次元の周期構造による効果の検討を行った。図7Aは、x方向およびy方向の両方向に凹部および凸部が配列された2次元の周期構造120’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような2次元周期構造では、x方向とy方向の両方の回折を考慮する必要がある。x方向のみ、あるいはy方向のみの回折に関しては1次元の場合と同様であるが、x、y両方の成分を有する方向(斜め45°方向)の回折も存在するため、1次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような2次元周期構造に関して計算した結果を図7Bに示す。周期構造以外の計算条件は図2の条件と同じである。図7Bに示すように、図2に示すピーク位置に加えて、図6に示すTEモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、2次元周期構造により、TMモードの導波モードも、回折によりTEモードに変換されて出力されていることを示している。また、2次元周期構造については、x方向およびy方向の両方について、同時に1次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期pの√2倍の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、1次元周期構造の場合のピークに加えて、周期pの√2倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図7Bでは、このようなピークも確認できる。
[3-4.2 Two-dimensional periodic structure]
Furthermore, the effect by a two-dimensional periodic structure was examined. FIG. 7A is a plan view showing a part of a two-dimensional periodic structure 120 ′ in which concave and convex portions are arranged in both the x and y directions. The black area in the figure indicates a convex portion, and the white area indicates a concave portion. In such a two-dimensional periodic structure, it is necessary to consider diffraction in both the x and y directions. Diffraction only in the x direction or only in the y direction is the same as in the one-dimensional case, but there is also diffraction in a direction having both x and y components (oblique 45 ° direction). Different results can be expected. FIG. 7B shows the result of calculation regarding such a two-dimensional periodic structure. The calculation conditions other than the periodic structure are the same as the conditions in FIG. As shown in FIG. 7B, in addition to the peak position shown in FIG. 2, a peak position coinciding with the peak position in the TE mode shown in FIG. 6 was also observed. This result indicates that, due to the two-dimensional periodic structure, the TM mode waveguide mode is also converted into the TE mode by diffraction and output. In addition, regarding the two-dimensional periodic structure, it is necessary to consider diffraction that satisfies the first-order diffraction conditions simultaneously in both the x direction and the y direction. Such diffracted light is emitted in the direction of an angle corresponding to a period that is √2 times the period p. Therefore, in addition to the peak in the case of the one-dimensional periodic structure, it is considered that a peak is generated for a period that is √2 times the period p. In FIG. 7B, such a peak can also be confirmed.

2次元周期構造としては、図7Aに示すようなx方向およびy方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、x方向およびy方向の周期が異なる構造であってもよい。また、三角格子や六角格子などの他の格子構造であってもよい。   The two-dimensional periodic structure is not limited to a square lattice structure having the same period in the x direction and the y direction as shown in FIG. 7A, and may be a structure having different periods in the x direction and the y direction. Further, other lattice structures such as a triangular lattice and a hexagonal lattice may be used.

以上のように、本実施形態では、周期構造と導波路とによって形成される特徴的な導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、導波路を発光体材料で作製し、その発光体を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。   As described above, according to the present embodiment, the characteristic guided mode light formed by the periodic structure and the waveguide can be selectively emitted only in the front direction using the diffraction phenomenon by the periodic structure. It could be confirmed. With such a configuration, a waveguide is made of a luminescent material, and the luminescent material is excited with excitation light such as ultraviolet light or blue light, whereby directional light emission can be obtained.

[4.周期構造および導波路の構成の検討]
次に、周期構造および導波路の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
[4. Examination of periodic structure and waveguide configuration]
Next, the effect when various conditions such as the structure of the periodic structure and the waveguide and the refractive index are changed will be described.

[4−1.周期構造の屈折率]
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。導波路の膜厚を200nm、導波路の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造とし、高さを50nm、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の強さを計算した結果を図8に示す。また、同様の条件で導波路の膜厚を1000nmにした場合の結果を図9に示す。まず、導波路の膜厚に着目すると、膜厚が200nmの場合(図8)に比べ、膜厚が1000nmの場合(図9)のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長(ピーク波長)のシフトが小さいことがわかる。これは、膜厚が小さいほど、導波モードが周期構造の屈折率の変化による導波路の有効屈折率の変化の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちQ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果の高い、即ちQ値の高い導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率が導波路の屈折率に比べて大きすぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体の屈折率を、導波路を構成する発光材料の屈折率よりも小さくすればよい。
[4-1. Refractive index of periodic structure]
First, the refractive index of the periodic structure was examined. The film thickness of the waveguide is 200 nm, the refractive index of the waveguide is n wav = 1.8, the periodic structure is a one-dimensional periodic structure uniform in the y direction as shown in FIG. 1A, the height is 50 nm, and the period is 400 nm. The calculation was performed assuming that the polarization of light is a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 8 shows the result of calculating the intensity of light output in the front direction by changing the emission wavelength and the refractive index of the periodic structure. Further, FIG. 9 shows the result when the thickness of the waveguide is 1000 nm under the same conditions. First, focusing on the thickness of the waveguide, the light intensity with respect to the change in the refractive index of the periodic structure is more peak when the thickness is 1000 nm (FIG. 9) than when the thickness is 200 nm (FIG. 8). It can be seen that the shift of the wavelength (peak wavelength) is small. This is because as the film thickness is smaller, the waveguide mode is more susceptible to changes in the effective refractive index of the waveguide due to changes in the refractive index of the periodic structure. That is, the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the effective refractive index, and the corresponding peak wavelength shifts to the longer wavelength side. This effect becomes more pronounced as the film thickness decreases. Next, paying attention to the change in the peak with respect to the change in the refractive index of the periodic structure, it can be seen that the higher the refractive index, the wider the peak and the lower the intensity. This is because the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the rate at which guided mode light is emitted to the outside, so that the effect of confining the light decreases, that is, the Q value decreases. In order to keep the peak intensity high, it is only necessary to use a waveguide mode that has a high light confinement effect, that is, a high Q value, so that light is appropriately emitted to the outside. In order to realize this, it is understood that it is not desirable to use a material having a refractive index that is too large compared to the refractive index of the waveguide for the periodic structure. Therefore, in order to increase the peak intensity and Q value to some extent, the refractive index of the dielectric constituting the periodic structure may be made smaller than the refractive index of the light emitting material constituting the waveguide.

[4−2.周期構造の高さ]
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。導波路の膜厚を1000nm、導波路の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造で屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の強さを計算した結果を図10に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を図11に示す。図10に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やQ値(ピークの線幅)が変化していないのに対して、図11に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。これは、導波路の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも高い場合(図10)には、光が全反射するので、導波モードの電場の染み出し(エバネッセント)部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、導波路の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合(図11)は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図11を見る限り、高さは100nm程度あれば十分であり、150nmを超える領域ではピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。したがって、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを150nm以下に設定すればよい。
[4-2. Periodic structure height]
Next, the height of the periodic structure was examined. The film thickness of the waveguide is 1000 nm, the refractive index of the waveguide is n wav = 1.8, the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A, and the refractive index is n p = 1.5, The calculation was performed on the assumption that the period was 400 nm and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 10 shows the result of calculating the intensity of light output in the front direction by changing the emission wavelength and the height of the periodic structure. FIG. 11 shows the calculation result when the refractive index of the periodic structure is n p = 2.0 under the same conditions. In the result shown in FIG. 10, the peak intensity and the Q value (peak line width) do not change at a certain height or higher, whereas in the result shown in FIG. It turns out that intensity | strength and Q value are falling. This is because, when the refractive index n wav of the waveguide is higher than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 10), the light is totally reflected, so that only the portion where the electric field of the waveguide mode oozes out (evanescent). This is due to the interaction with the periodic structure. When the height of the periodic structure is sufficiently large, the influence of the interaction between the evanescent part of the electric field and the periodic structure is constant even if the height changes further. On the other hand, when the refractive index n wav of the waveguide is lower than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 11), the light reaches the surface of the periodic structure without being totally reflected. The bigger it is, the more affected. As can be seen from FIG. 11, it is sufficient that the height is about 100 nm, and the peak intensity and the Q value are lowered in the region exceeding 150 nm. Therefore, in order to increase the peak intensity and Q value to some extent, the height of the periodic structure may be set to 150 nm or less.

[4−3.偏光方向]
次に、偏光方向に関して検討を行った。図9に示す計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして計算した結果を図12に示す。TEモードでは、導波モードの電場の染み出しがTMモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率npが導波路の屈折率nwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびQ値の低下がTMモードよりも著しい。
[4-3. Polarization direction]
Next, the polarization direction was examined. FIG. 12 shows the result of calculation assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those shown in FIG. In the TE mode, the leakage of the electric field in the waveguide mode is larger than that in the TM mode, so that it is easily affected by the periodic structure. Therefore, in the region where the refractive index n p of the periodic structure is larger than the refractive index n wav of the waveguide, the peak intensity and the Q value are significantly decreased as compared with the TM mode.

[4−4.導波路の屈折率]
次に、導波路の屈折率に関して検討を行った。図9に示す計算と同様の条件で、導波路の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を図13に示す。導波路の屈折率nwavが1.5の場合においても概ね図9と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が600nm以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式(10)より、λ0<nwav×p/m=1.5×400nm/1=600nmとなるからである。
[4-4. Refractive index of waveguide]
Next, the refractive index of the waveguide was examined. FIG. 13 shows the result when the refractive index n wav of the waveguide is changed to 1.5 under the same conditions as the calculation shown in FIG. It can be seen that the same effect as in FIG. 9 is obtained even when the refractive index n wav of the waveguide is 1.5. However, it can be seen that light having a wavelength of 600 nm or more is not emitted in the front direction. This is because λ 0 <n wav × p / m = 1.5 × 400 nm / 1 = 600 nm from Equation (10).

以上の分析から、周期構造の屈折率は導波路の屈折率よりも小さくするか、周期構造の屈折率が導波路の屈折率と同等またはそれ以上の場合には、高さを150nm以下にすれば、ピーク強度およびQ値を高くできることがわかる。   From the above analysis, if the refractive index of the periodic structure is smaller than the refractive index of the waveguide, or if the refractive index of the periodic structure is equal to or higher than the refractive index of the waveguide, the height is reduced to 150 nm or less. It can be seen that the peak intensity and the Q value can be increased.

[5.変形例]
以下、本実施形態の変形例を説明する。
[5. Modified example]
Hereinafter, modifications of the present embodiment will be described.

[5−1.基板を有する構成]
上述のように、発光素子は、図1Cおよび図1Dに示すように、透明基板140の上に導波路110および周期構造120が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子100aを作製するには、まず、透明基板140上に導波路110を構成する発光材料で薄膜を形成し、その上に周期構造120を形成する方法が考えられる。このような構成において、導波路110と周期構造120とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板140の屈折率nsに注意する必要がある。透明基板140を導波路110に接するように設けた場合、式(10)における出射媒質の屈折率noutをnsとした式(15)を満足するように周期pを設定する必要がある。
[5-1. Configuration with substrate]
As described above, the light emitting element may have a structure in which the waveguide 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as shown in FIGS. 1C and 1D. In order to manufacture such a light emitting device 100a, first, a method of forming a thin film with a light emitting material constituting the waveguide 110 on the transparent substrate 140 and forming the periodic structure 120 thereon may be considered. In this arrangement, the waveguide 110 and the periodic structure 120, in order to have a function of emitting light in a specific direction, it is necessary to pay attention to the refractive index n s of the transparent substrate 140. When the transparent substrate 140 is provided so as to be in contact with the waveguide 110, it is necessary to set the period p so as to satisfy Expression (15) where the refractive index n out of the output medium in Expression (10) is n s .

このことを確認するために、屈折率が1.5の透明基板140の上に、図2に示す計算と同じ条件の導波路110および周期構造120を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図14に示す。図2の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図2の結果とは異なることがわかる。これに対して、式(10)の条件をnout=nsとした式(15)の条件を図15に示す。図14において、図15に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。 In order to confirm this, calculation was performed when the waveguide 110 and the periodic structure 120 having the same conditions as those shown in FIG. 2 were provided on the transparent substrate 140 having a refractive index of 1.5. The result of this calculation is shown in FIG. As in the result of FIG. 2, it can be confirmed that a peak of light intensity appears in a specific period for each wavelength, but it can be seen that the range of the period in which the peak appears is different from the result of FIG. In contrast, shows the condition of the expression condition of (10) was n out = n s equation (15) in FIG. 15. In FIG. 14, it can be seen that the peak of the light intensity appears in the region corresponding to the range shown in FIG.

したがって、透明基板140上に導波路110と周期構造120とを設けた発光素子100aでは、式(15)を満足する周期pの範囲において効果が得られ、式(13)を満足する周期pの範囲において特に顕著な効果が得られる。   Therefore, in the light emitting element 100a in which the waveguide 110 and the periodic structure 120 are provided on the transparent substrate 140, an effect can be obtained in the range of the period p that satisfies the expression (15), and the period p that satisfies the expression (13). A particularly remarkable effect is obtained in the range.

[5−2.励起光源を有する発光装置]
図16は、図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光を発光体110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、発光体材料で作製した発光体を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源180を設けることにより、指向性をもつ発光装置200を実現できる。光源180から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、発光体110を構成する発光材料に応じて適宜決定される。なお、図16では、光源180が発光体110の側面から励起光を入射させるように描かれているが、このような例に限定されず、例えば、発光体110の背面や斜めから励起光を入射させてもよい。
[5-2. Light emitting device having excitation light source]
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a light emitting device 200 including the light emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B and a light source 180 that causes excitation light to enter the light emitter 110. As described above, in the configuration of the present disclosure, light emission having directivity can be obtained by exciting a light emitter made of a light emitter material with excitation light such as ultraviolet light or blue light. By providing the light source 180 configured to emit such excitation light, the light emitting device 200 having directivity can be realized. The wavelength of the excitation light emitted from the light source 180 is typically a wavelength in the ultraviolet or blue region, but is not limited thereto, and is appropriately determined according to the light emitting material constituting the light emitter 110. In FIG. 16, the light source 180 is drawn so that the excitation light is incident from the side surface of the light emitter 110. However, the present invention is not limited to such an example. It may be incident.

励起光を導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図17は、そのような方法を説明するための図である。この例では、図1C、1Dに示す構成と同様、透明基板140上に層状の発光体110および周期構造120が形成されているものとする。まず、図17(a)に示すように、発光増強のためにx方向の周期pxを決定し、続いて、図17(b)に示すように、励起光を導波モードに結合させるためにy方向の周期pyを決定する。周期pxは、式(10)においてpをpxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期pyは、mを1以上の整数、励起光の波長をλex、発光体110に接する媒質のうち、周期構造120を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をnoutとして、以下の式(16)を満足するように決定される。

Figure 2015179657
There is also a method for efficiently emitting light by coupling excitation light to a waveguide mode. FIG. 17 is a diagram for explaining such a method. In this example, it is assumed that the layered light emitter 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as in the configuration shown in FIGS. 1C and 1D. First, as shown in FIG. 17A, the period p x in the x direction is determined to enhance the emission, and then, as shown in FIG. 17B, the excitation light is coupled to the waveguide mode. determining the period p y in the y direction. The period p x is determined so as to satisfy the condition in which p is replaced with p x in Equation (10). On the other hand, in the period py , m is an integer of 1 or more, the wavelength of the excitation light is λ ex , and the medium having the highest refractive index excluding the periodic structure 120 among the media in contact with the light emitter 110 is n out . It is determined so as to satisfy the following expression (16).
Figure 2015179657

ここで、noutは、図17の例では透明基板140のnsであるが、図16のように透明基板140を設けない構成では、空気の屈折率(約1.0)である。 Here, n out is n s of the transparent substrate 140 in the example of FIG. 17, but in the configuration in which the transparent substrate 140 is not provided as in FIG. 16, it is the refractive index of air (about 1.0).

特に、m=1として、次の式(17)を満足するように周期pyを決定すれば、励起光を導波モードに変換する効果をより高くすることができる。

Figure 2015179657
In particular, if m = 1 and the period py is determined so as to satisfy the following expression (17), the effect of converting the excitation light into the waveguide mode can be further enhanced.
Figure 2015179657

このように、式(16)の条件(特に式(17)の条件)を満足するように周期pyを設定することで、励起光を導波モードに変換することができる。その結果、発光体110の薄膜に効率的に光を吸収させることができ、波長λexの光についても外部に出射させることができる。 Thus, by setting the period py so as to satisfy the condition of the expression (16) (particularly the condition of the expression (17)), the excitation light can be converted into the waveguide mode. As a result, light can be efficiently absorbed by the thin film of the illuminant 110, and light having the wavelength λex can also be emitted to the outside.

図17(c)、(d)は、それぞれ、図17(a)、(b)に示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、px=365nm、py=265nmとし、発光体110からの発光波長λを約600nm、励起光の波長λexを約450nm、発光体110の消衰係数は0.003としている。図17(d)に示すように、発光体110から生じた光だけでなく、励起光である約450nmの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に導波モードに変換されることで、発光体に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約600nmに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約600nmの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に導波モードに変換されるということである。よって、もし波長が約600nmの光が発生した場合は、この逆の過程が起き、導波モードが効果的に伝播光に変換されるということになる。 FIGS. 17C and 17D are diagrams showing the results of calculating the ratio of light absorption for each wavelength when light is incident on the structure shown in FIGS. 17A and 17B, respectively. It is. In this calculation, p x = 365 nm, and p y = 265 nm, about 600nm and emission wavelength lambda of the light emitter 110, about 450nm wavelength lambda ex of the exciting light, the extinction coefficient of the light emitter 110 is 0.003 . As shown in FIG. 17 (d), high absorptance is shown not only for light generated from the light emitter 110 but also for light of about 450 nm which is excitation light. This is because the incident light is effectively converted into the waveguide mode, so that the proportion absorbed by the light emitter can be increased. In addition, the absorptance is increased with respect to the emission wavelength of about 600 nm. This is because, if light having a wavelength of about 600 nm is incident on this structure, it is effectively converted into the waveguide mode as well. It is converted. Therefore, if light having a wavelength of about 600 nm is generated, the reverse process occurs, and the waveguide mode is effectively converted into propagating light.

このように、図17(b)に示す周期構造120は、x方向およびy方向のそれぞれに周期の異なる構造(周期成分)を有する2次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する2次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図17(c)、(d)では励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。   As described above, the periodic structure 120 illustrated in FIG. 17B is a two-dimensional periodic structure having structures (periodic components) having different periods in the x direction and the y direction, respectively. Thus, by using a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components, it is possible to increase the emission intensity while increasing the excitation efficiency. In FIGS. 17C and 17D, the excitation light is incident from the substrate side, but the same effect can be obtained even if it is incident from the periodic structure side.

さらに、複数の周期成分を有する2次元周期構造としては、図18Aまたは図18Bに示すような構成を採用してもよい。図18Aに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部を周期的に並べた構成や、図18Bに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸(図の例では軸1〜3)を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式(10)に相当する条件を満足するように各周期が設定される。   Furthermore, as a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components, a configuration as shown in FIG. 18A or 18B may be adopted. A configuration in which a plurality of convex portions having a hexagonal planar shape are periodically arranged as shown in FIG. 18A, and a configuration in which a plurality of convex portions having a triangular planar shape are periodically arranged as shown in FIG. 18B By doing so, a plurality of main axes (in the example of the figure, axes 1 to 3) that can be regarded as periods can be determined. For this reason, a different period can be assigned to each axial direction. Each of these periods may be set to increase the directivity of light having a plurality of wavelengths, or may be set to efficiently absorb the excitation light. In any case, each cycle is set so as to satisfy the condition corresponding to the equation (10).

[5−3.透明基板上の周期構造]
図19Aおよび図19Bに示すように、透明基板140上に周期構造120aを形成し、その上に発光体110を設けてもよい。図19Aの構成例では、基板140上の凹凸からなる周期構造120aに追従するように発光体110が形成された結果、発光体110の表面にも同じ周期の周期構造120bが形成されている。一方、図19Bの構成例では、発光体110の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造120aの周期pを式(15)を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。
[5-3. Periodic structure on transparent substrate]
As shown in FIGS. 19A and 19B, the periodic structure 120a may be formed on the transparent substrate 140, and the light emitter 110 may be provided thereon. In the configuration example of FIG. 19A, as a result of the light emitter 110 being formed so as to follow the periodic structure 120a made of irregularities on the substrate 140, the periodic structure 120b having the same period is also formed on the surface of the light emitter 110. On the other hand, in the configuration example of FIG. 19B, the surface of the light emitter 110 is processed to be flat. Also in these configuration examples, directional light emission can be realized by setting the period p of the periodic structure 120a so as to satisfy Expression (15).

この効果を検証するため、図19Aの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の強さを計算した。ここで、発光体110の膜厚を1000nm、発光体110の屈折率をnwav=1.8、周期構造120aはy方向に均一な1次元周期構造で高さを50nm、屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとした。本計算の結果を図19Cに示す。本計算においても、式(15)の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。 In order to verify this effect, the intensity of light output in the front direction was calculated by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure in the configuration of FIG. 19A. Here, the film thickness of the light emitter 110 is 1000 nm, the refractive index of the light emitter 110 is n wav = 1.8, the periodic structure 120a is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, the height is 50 nm, and the refractive index is n p. = 1.5, the period was 400 nm, and the polarization of the light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. The result of this calculation is shown in FIG. 19C. Also in this calculation, a peak of light intensity was observed at a period satisfying the condition of Expression (15).

[5−4.紛体]
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、導波路の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光する発光材料を用いて図1A、1Bのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図1A、1Bのような発光体の構成を粉末状にして、蛍光体として利用してもよい。また、図1A、1Bのような発光体を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
[5-4. Powder]
According to the above embodiment, light emission of an arbitrary wavelength can be emphasized by adjusting the period of the periodic structure and the film thickness of the waveguide. For example, if a light emitting material that emits light in a wide band is used as shown in FIGS. 1A and 1B, only light having a certain wavelength can be emphasized. Therefore, the structure of the light emitter as shown in FIGS. 1A and 1B may be powdered and used as a phosphor. Further, a light emitter as shown in FIGS. 1A and 1B may be used by being embedded in a resin or glass.

図1A、1Bのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図20に示すように周期構造の周期や導波路の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子100を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子100の一方向のサイズは、例えば数μm〜数mm程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の1次元または2次元の周期構造を含み得る。   1A and 1B, since only a specific wavelength can be emitted in a specific direction, it is difficult to realize light emission such as white having a spectrum in a wide wavelength range. Therefore, as shown in FIG. 20, by using a mixture of a plurality of powdered light emitting elements 100 having different conditions such as the period of the periodic structure and the film thickness of the waveguide, a light emitting device having a spectrum in a wide wavelength region is obtained. realizable. In this case, the size of each light emitting element 100 in one direction is, for example, about several μm to several mm, and may include, for example, a one-dimensional or two-dimensional periodic structure of several cycles to several hundred cycles.

[5−5.周期の異なる構造を配列]
図21は、導波路(発光体)の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。この例では、3種類の周期構造120a、120b、120cが隙間なく配列されている。周期構造120a、120b、120cは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、導波路の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルをもつ指向性発光体を実現できる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
[5-5. Arrange structures with different periods]
FIG. 21 is a plan view showing an example in which a plurality of periodic structures having different periods are two-dimensionally arranged on a waveguide (light emitter). In this example, three types of periodic structures 120a, 120b, and 120c are arranged without a gap. For example, the periodic structures 120a, 120b, and 120c have a period set so as to emit light in the red, green, and blue wavelength ranges to the front. Thus, a directional light emitter having a spectrum in a wide wavelength region can be realized by arranging a plurality of structures with different periods on the waveguide. The configuration of the plurality of periodic structures is not limited to the above, and may be set arbitrarily.

[5−6.積層構造]
図22は、表面に凹凸構造が形成された複数の発光体110が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数の発光体110の間には、透明基板140が設けられ、各層の発光体110の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造に相当する。図22に示す例では、3層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層の発光体110の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルを持つ発光体を実現できる。
[5-6. Laminated structure]
FIG. 22 shows an example of a light-emitting element having a structure in which a plurality of light-emitting bodies 110 having an uneven structure formed on the surface are stacked. A transparent substrate 140 is provided between the plurality of light emitters 110, and the uneven structure formed on the surface of the light emitter 110 of each layer corresponds to the periodic structure. In the example shown in FIG. 22, the three-layer periodic structures having different periods are formed, and the periods are set so as to emit light in the red, blue, and green wavelength ranges to the front. Further, the material of the light emitter 110 of each layer is selected so as to emit light of a color corresponding to the period of each periodic structure. Thus, a light emitter having a spectrum in a wide wavelength range can also be realized by laminating a plurality of periodic structures having different periods.

なお、層数や各層の発光体110および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば2層の構成では、透光性の基板を介して第1の発光体と第2の発光体とが対向するように形成され、第1および第2の発光体の表面に、それぞれ第1および第2の周期構造が形成されることになる。この場合、第1の発光体および第1の周期構造の対と、第2の発光体および第2の周期構造の対のそれぞれについて、式(15)に相当する条件を満足していればよい。3層以上の構成においても同様に、各層における発光体および周期構造について、式(15)に相当する条件を満足していればよい。発光体と周期構造との位置関係が図22に示すものとは逆転していてもよい。図22に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。   Note that the number of layers and the configurations of the light emitters 110 and the periodic structures in each layer are not limited to those described above, and may be arbitrarily set. For example, in the two-layer configuration, the first light emitter and the second light emitter are formed to face each other with the light-transmitting substrate interposed therebetween, and the first and second light emitters are respectively formed on the surfaces of the first and second light emitters. And the 2nd periodic structure will be formed. In this case, the first light emitter and the first periodic structure pair and the second light emitter and the second periodic structure pair need only satisfy the conditions corresponding to Expression (15). . Similarly, in the configuration of three layers or more, it is only necessary to satisfy the condition corresponding to the formula (15) for the light emitter and the periodic structure in each layer. The positional relationship between the light emitter and the periodic structure may be reversed from that shown in FIG. In the example shown in FIG. 22, the period of each layer is different, but they may all be the same period. In that case, the spectrum cannot be widened, but the emission intensity can be increased.

[5−7.保護層を有する構成]
図23は、発光体110と周期構造120との間に保護層150を設けた構成例を示す断面図である。このように、発光体150を保護するための保護層150を設けても良い。ただし、保護層150の屈折率が発光体110の屈折率よりも低い場合は、保護層150の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層150が波長よりも厚い場合には、周期構造120に光が届かないため、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層150の屈折率が発光体110の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層150の内部にまで光が到達するので、保護層150に厚みの制約は無い。ただし、その場合でも、導波路部分の材料の大部分を発光体110で形成したほうが大きな光の出力が得られるので、やはり保護層150は薄いほうが望ましい。
[5-7. Configuration with protective layer]
FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between the light emitter 110 and the periodic structure 120. As described above, the protective layer 150 for protecting the light-emitting body 150 may be provided. However, when the refractive index of the protective layer 150 is lower than the refractive index of the light emitter 110, the electric field of light oozes out only about half the wavelength inside the protective layer 150. Therefore, when the protective layer 150 is thicker than the wavelength, light does not reach the periodic structure 120, and thus a function of emitting light in a specific direction cannot be obtained. When the refractive index of the protective layer 150 is equal to or higher than the refractive index of the light emitter 110, the light reaches the inside of the protective layer 150, and thus the protective layer 150 is not limited in thickness. However, even in that case, it is desirable that the protective layer 150 is thin because a larger light output can be obtained by forming most of the material of the waveguide portion with the light emitter 110.

[6.材料および製造方法]
以上のような条件を満たす材料で導波路および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。導波路には発光材料を用いるが、周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、導波路や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低化し、ピーク強度およびQ値が低下する。よって、導波路および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
[6. Material and Manufacturing Method]
If the waveguide and the periodic structure are made of a material that satisfies the above conditions, directional light emission can be realized. A light emitting material is used for the waveguide, but any material can be used for the periodic structure. However, if the light absorptivity of the medium forming the waveguide or the periodic structure is high, the effect of confining light is reduced, and the peak intensity and the Q value are reduced. Therefore, a medium having a relatively low light absorption can be used as a medium for forming the waveguide and the periodic structure.

周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、MgF(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂、MgO(酸化マグネシウム)、ITO(酸化インジウム錫)、TiO2(酸化チタン)、SiN(窒化シリコン)、Ta25(五酸化タンタル)、ZrO2(ジルコニア)、ZnSe(セレン化亜鉛)、ZnS(硫化亜鉛)などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率を発光体の屈折率よりも低くする場合、屈折率が1.3〜1.5程度であるMgF、LiF、CaF2、SiO2、ガラス、樹脂を好適に用いることができる。 As the material of the periodic structure, for example, a dielectric having low light absorption can be used. Examples of the material of the periodic structure include, for example, MgF (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, resin, MgO (magnesium oxide), ITO (indium tin oxide), TiO2 (titanium oxide), SiN (silicon nitride), Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide), ZrO 2 (zirconia), ZnSe (zinc selenide), and the like ZnS (zinc sulfide) . However, when the refractive index of the periodic structure is lower than the refractive index of the light emitter as described above, MgF, LiF, CaF 2 , SiO 2 , glass, and resin having a refractive index of about 1.3 to 1.5 are preferable. Can be used.

発光体の材料としては、蛍光体や、量子ドット、その他の色素が挙げられる。一般に、無機材料をホストとする蛍光体は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光体としては、例えば、M10(PO46Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、BaMgAl1017:Eu2+、M3MgSi28:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M5SiO4Cl6:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。緑色に発光する蛍光体としては、例えば、M2MgSi27:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、SrSi5AlO27:Eu2+、SrSi222:Eu2+、BaAl24:Eu2+、BaZrSi39:Eu2+、M2SiO4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、BaSi342:Eu2+Ca8Mg(SiO44Cl2:Eu2+、Ca3SiO4Cl2:Eu2+、CaSi12-(m+n)Al(m+n)n16-n:Ce3+、β−SiAlON:Eu2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光体としては、例えば、CaAlSiN3:Eu2+、SrAlSi47:Eu2+、M2Si58:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSiN2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSi222:Yb2+(M=SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、Y22S:Eu3+,Sm3+、La22S:Eu3+,Sm3+、CaWO4:Li1+,Eu3+,Sm3+、M2SiS4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M3SiO5:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。黄色に発光する蛍光体としては、例えば、Y3Al512:Ce3+、CaSi222:Eu2+、Ca3Sc2Si312:Ce3+、CaSc24:Ce3+、α−SiAlON:Eu2+、MSi222:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M7(SiO36Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。 Examples of the light emitting material include phosphors, quantum dots, and other dyes. In general, a phosphor using an inorganic material as a host tends to have a high refractive index. Examples of phosphors emitting blue light include M 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca), BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ , M 3 MgSi 2 O 8 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), M 5 SiO 4 Cl 6 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) Can be used. Examples of phosphors emitting green light include M 2 MgSi 2 O 7 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca), SrSi 5 AlO 2 N 7 : Eu 2+ , SrSi 2. O 2 N 2 : Eu 2+ , BaAl 2 O 4 : Eu 2+ , BaZrSi 3 O 9 : Eu 2+ , M 2 SiO 4 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) BaSi 3 O 4 N 2 : Eu 2+ Ca 8 Mg (SiO 4 ) 4 Cl 2 : Eu 2+ , Ca 3 SiO 4 Cl 2 : Eu 2+ , CaSi 12-(m + n) Al (m + n ) ) O n n 16-n: Ce 3+, β-SiAlON: Eu 2+ can be used. Examples of phosphors emitting red light include CaAlSiN 3 : Eu 2+ , SrAlSi 4 O 7 : Eu 2+ , M 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca). Species), MSiN 2 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), MSi 2 O 2 N 2 : Yb 2+ (at least one selected from M = Sr and Ca), Y 2 O 2 S: Eu 3+ , Sm 3+ , La 2 O 2 S: Eu 3+ , Sm 3+ , CaWO 4 : Li 1+ , Eu 3+ , Sm 3+ , M 2 SiS 4 : Eu 2+ (At least one selected from M = Ba, Sr and Ca), M 3 SiO 5 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) can be used. Examples of phosphors that emit yellow light include Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ , CaSi 2 O 2 N 2 : Eu 2+ , Ca 3 Sc 2 Si 3 O 12 : Ce 3+ , and CaSc 2 O 4. : Ce 3+ , α-SiAlON: Eu 2+ , MSi 2 O 2 N 2 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), M 7 (SiO 3 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) can be used.

量子ドットについては、例えば、CdS、CdSe、コア・シェル型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnSなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。   For the quantum dots, for example, materials such as CdS, CdSe, core / shell CdSe / ZnS, and alloy type CdSSe / ZnS can be used, and various emission wavelengths can be obtained depending on the material.

図1C、1Dなどに示す透明基板140は、導波路110の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、MgF(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂が挙げられる。 The transparent substrate 140 shown in FIGS. 1C and 1D is made of a light-transmitting material lower than the refractive index of the waveguide 110. Examples of such materials include MgF (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, and resin.

続いて、製造方法の一例を説明する。   Then, an example of a manufacturing method is demonstrated.

図1C、1Dに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板140上に蛍光体を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によって発光体110の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造120を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造120を形成してもよい。また、図24に示すように、発光体110の一部のみを加工することによって周期構造120を形成してもよい。その場合、周期構造120は発光体110と同じ材料で形成されることになる。   As a method for realizing the configuration shown in FIGS. 1C and 1D, for example, a thin film of the light emitter 110 is formed on the transparent substrate 140 by a process such as vapor deposition, sputtering, and coating, and then a dielectric is formed. There is a method of forming the periodic structure 120 by patterning by a method such as photolithography. Instead of the above method, the periodic structure 120 may be formed by nanoimprinting. In addition, as shown in FIG. 24, the periodic structure 120 may be formed by processing only a part of the light emitter 110. In that case, the periodic structure 120 is formed of the same material as the light emitter 110.

図1A、1Bに示す発光素子100は、例えば、図1C、1Dに示す発光素子100aを作製した後、基板140から導波路110および周期構造120の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。   1A and 1B can be realized by, for example, manufacturing the light emitting element 100a shown in FIGS. 1C and 1D and then removing the waveguide 110 and the periodic structure 120 from the substrate 140. .

図19Aに示す構成は、例えば、透明基板140上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造120aを形成した後、その上に発光体110を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造120aの凹部を発光体110で埋め込むことによって図19Aに示す構成を実現することもできる。   In the configuration shown in FIG. 19A, for example, the periodic structure 120a is formed on the transparent substrate 140 by a method such as a semiconductor process or nanoimprint, and then the material constituting the light emitter 110 is formed thereon by a method such as vapor deposition or sputtering. This is possible. Alternatively, the structure shown in FIG. 19A can be realized by embedding the concave portion of the periodic structure 120a with the light emitter 110 using a method such as coating.

なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。   In addition, said manufacturing method is an example and the light emitting element of this indication is not limited to said manufacturing method.

本開示の発光素子によれば、指向性を有する発光装置を実現できるため、例えば、照明、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスに適用可能である。   According to the light emitting element of the present disclosure, since a light emitting device having directivity can be realized, the light emitting device can be applied to an optical device such as an illumination, a display, and a projector.

100、100a 発光素子
110 発光体(導波路)
120、120’、120a、120b、120c 周期構造
140 透明基板
150 保護層
180 光源
200 発光装置
100, 100a Light-emitting element 110 Light emitter (waveguide)
120, 120 ′, 120a, 120b, 120c Periodic structure 140 Transparent substrate 150 Protective layer 180 Light source 200 Light emitting device

Claims (18)

励起光を受けて波長λの光を発するように構成された層状の発光体と、
前記発光体の表面に形成された誘電体の周期構造と、
を備え、
前記発光体の屈折率をnwav、前記周期構造の周期をpとするとき、
Figure 2015179657
(mは1以上の整数)を満足する発光素子。
A layered light emitter configured to emit light of wavelength λ in response to excitation light;
A periodic structure of a dielectric formed on the surface of the light emitter;
With
When the refractive index of the light emitter is n wav and the period of the periodic structure is p,
Figure 2015179657
A light-emitting element satisfying (m is an integer of 1 or more).
透光性基板と、
前記透光性基板上に形成され、励起光を受けて波長λの光を発するように構成された層状の発光体と、
前記発光体の表面に形成された誘電体の周期構造と、
を備え、
前記透光性基板の屈折率をns、前記発光体の屈折率をnwav、前記周期構造の周期をpとするとき、
Figure 2015179657
(mは1以上の整数)を満足する発光素子。
A translucent substrate;
A layered light emitter formed on the translucent substrate and configured to emit light of wavelength λ upon receiving excitation light;
A periodic structure of a dielectric formed on the surface of the light emitter;
With
When the refractive index of the translucent substrate is n s , the refractive index of the light emitter is n wav , and the period of the periodic structure is p,
Figure 2015179657
A light-emitting element satisfying (m is an integer of 1 or more).
前記発光体の厚さは、前記発光体の内部で波長λの光についての導波モードが形成されるように設計されている、請求項1または2に記載の発光素子。   3. The light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the light emitter is designed so that a waveguide mode for light having a wavelength λ is formed inside the light emitter. m=1である、請求項1から3のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein m = 1. 前記周期構造を第1の周期構造とするとき、
前記発光体において、前記第1の周期構造が形成されている側とは反対の側に形成され、前記第1の周期構造と同一の周期を有する第2の周期構造をさらに備える請求項1から4のいずれかに記載の発光素子。
When the periodic structure is the first periodic structure,
The light emitter further includes a second periodic structure formed on a side opposite to the side on which the first periodic structure is formed and having the same period as the first periodic structure. 5. The light emitting device according to any one of 4.
前記誘電体は、前記発光体と同じ材料である、請求項1から5のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the dielectric is the same material as the light emitter. 前記誘電体の屈折率は、前記発光体の屈折率よりも小さい、請求項1から5のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting element according to claim 1, wherein a refractive index of the dielectric is smaller than a refractive index of the light emitter. 前記周期構造の高さは150nm以下である、請求項1から7のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein a height of the periodic structure is 150 nm or less. 前記発光体を第1の発光体、前記周期構造を第1の周期構造とするとき、
前記透光性基板を介して前記第1の発光体の反対側に形成され、波長λ2の光を発するように構成された第2の発光体と、
前記第2の発光体の表面に形成された第2の周期構造と、
をさらに備える請求項2に記載の発光素子。
When the light emitter is a first light emitter and the periodic structure is a first periodic structure,
A second light emitter formed on the opposite side of the first light emitter through the translucent substrate and configured to emit light of wavelength λ2,
A second periodic structure formed on the surface of the second light emitter;
The light emitting device according to claim 2, further comprising:
波長λ2と波長λとは異なっており、
前記第2の発光体の屈折率をnwav2、前記第2の周期構造の周期をp2とするとき、
Figure 2015179657
(mは1以上の整数)を満足する、請求項9に記載の発光素子。
Wavelength λ2 and wavelength λ are different,
When the refractive index of the second light emitter is n wav2 and the period of the second periodic structure is p 2 ,
Figure 2015179657
The light emitting device according to claim 9, wherein m is an integer of 1 or more.
前記周期構造は、周期の異なる複数の領域が2次元に配列された構造を有している、請求項1から10のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 10, wherein the periodic structure has a structure in which a plurality of regions having different periods are two-dimensionally arranged. 前記周期構造は、1次元周期構造である、請求項1から11のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the periodic structure is a one-dimensional periodic structure. 前記周期構造は、2次元周期構造である、請求項1から11のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the periodic structure is a two-dimensional periodic structure. 前記周期構造は、複数の周期成分を有する2次元周期構造である、請求項1から11のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the periodic structure is a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components. 前記発光体は、蛍光体を含む、請求項1から14のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitter includes a phosphor. 前記発光体は、量子ドットを含む、請求項1から14のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting element according to claim 1, wherein the light emitter includes quantum dots. 請求項1から16のいずれかに記載の発光素子と、
前記発光体から波長λの光を発生させるように、前記発光体に励起光を入射させる光源と、
を備える発光装置。
The light emitting device according to any one of claims 1 to 16,
A light source that makes excitation light incident on the light emitter so as to generate light of wavelength λ from the light emitter;
A light emitting device comprising:
前記周期構造は、第1の方向に周期pの周期成分を有し、前記第1の方向とは異なる第2の方向に周期pとは異なる周期pexの周期成分を有する2次元周期構造であり、
前記励起光の波長をλex、前記発光体に接する媒質のうち、前記周期構造を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をnoutとするとき、周期pexは、
Figure 2015179657
を満足するように設定されている、請求項17に記載の発光素子。
The periodic structure is a two-dimensional periodic structure having a periodic component having a period p in a first direction and having a periodic component having a period p ex different from the period p in a second direction different from the first direction. Yes,
When the wavelength of the excitation light is λ ex and the refractive index of the medium having the highest refractive index excluding the periodic structure among the media in contact with the light emitter is n out , the period p ex is
Figure 2015179657
The light emitting device according to claim 17, which is set to satisfy
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