JP2022106709A - ガリウム及び窒素含有レーザ源を有するインテリジェント可視光 - Google Patents

ガリウム及び窒素含有レーザ源を有するインテリジェント可視光 Download PDF

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Abstract

【課題】可視光通信用に構成された光源装置を提供する。【解決手段】光源は、データ信号を受信し、当該データ信号に基づいて駆動電流及び変調信号を生成するように構成されるモデムを有したコントローラを備える。更に、この光源は、変調信号を使用してデータ信号を搬送するように変調された紫外線または青色波長領域の第１のピーク波長を有した指向性電磁放射を生成するために、駆動電流を受け取るポンプ光デバイスとして構成された発光素子を備える。更に、この光源は、方向性電磁放射を導くように構成された経路と、当該経路に光学的に結合されて方向性電磁放射を受け取り、白色スペクトルを出力する波長変換素子とを備える。更に、この光源は、対象の目標物を照射し、データ信号を伝送するために、白色スペクトルを指向するように構成されたビーム整形素子を備える。【選択図】図２０Ａ

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１７年９月２８日に出願された米国特許出願第１５／７１９４５５号の利益を主張し、その全ての開示は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、ガリウム及び窒素含有レーザ源を有したインテリジェント可視光に関する。
１８００年代後半、トーマス・エジソンは電球を発明した。２０１４年１０月７日、赤崎勇、天野浩、中村修二の各氏に対し、「高輝度・低消費電力白色光源を可能とした高効率青色発光ダイオードの発明」、即ち、より簡略化すればＬＥＤランプに関して、ノーベル物理学賞が授与された。
しかし、ＬＥＤは、半導体光源のみではなく、特定の照明用途では好ましい光源とはならないない場合がある。ＬＥＤは、多くの用途において制限を有する。
一態様において、本発明は、可視光通信用に構成された光源装置を提供する。本光源装置は、モデムとドライバとを備えたコントローラを有する。モデムは、データ信号を受信するように構成される。一態様において、コントローラは、データ信号に基づいて駆動電流及び変調信号を生成するようにドライバを動作させるための１つまたは複数の制御信号を生成するように構成される。本光源装置は、ガリウム及び窒素含有材料と光学キャビティとからなるポンプ光デバイスとして構成された発光素子を有する。一態様において、光学キャビティは、光導波路領域と１つまたは複数のファセット領域とを備える。光学キャビティは、１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つに基づく駆動電流をガリウム及び窒素含有材料に供給するための電極を有するように構成される。駆動電流は、光導波路領域内を伝搬する電磁放射に光学利得を与える。一態様において、電磁放射は、紫外線または青色波長領域内の第１のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、１つまたは複数のファセット領域のうちの少なくとも１つを介して出力される。この指向性電磁放射は、ドライバが供給する変調信号を使用してデータ信号を搬送するように変調される。本光源装置は、指向性電磁放射を方向付け、フィルタリングし、または分割するように構成された経路と、この経路に光学的に結合され、ポンプ光デバイスから指向性電磁放射を受け取る波長変換素子とを有する。一態様において、波長変換素子は、第１のピーク波長を有する指向性電磁放射の少なくとも一部を、第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長に少なくとも変換し、少なくとも第２のピーク波長と部分的に第１のピーク波長とを含む白色スペクトルを出力するように構成される。一態様において、本光源装置は、対象の目標物を照射し、当該対象の目標物にある受信機に、第１のピーク波長を有する指向性電磁放射の少なくとも一部を介してデータ信号を送信するために、白色スペクトルを指向するように構成されたビーム整形素子を有する。
本発明のいくつかの実施形態に係る、端部に劈開ミラーまたはエッチングされたミラーで終端される方向にキャビティが指向された状態で、ガリウム及び窒素含有基板上に形成されたレーザダイオードの簡略化された概略図である。 本発明の一実施形態に係るレーザデバイスの断面図である。 本発明の一実施形態に係る、ガリウム及び窒素含有基板上に形成された一般的なレーザダイオードベースのチップオンサブマウント（ＣｏＳ）を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る、加工済みレーザダイオードの断面の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、リフトオフされ、転写されたエピタキシャルガリウム及び窒素含有層を基礎とするＣｏＳを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る、青色ポンプレーザと波長変換素子とを備える、レーザベースの白色光源に関する機能ブロック図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、複数の青色ポンプレーザと波長変換素子とを備える、レーザベースの白色光源に関する機能ブロック図である。 本発明の更にもう１つの実施形態に係る、青色ポンプレーザと、波長変換素子と、赤色及び緑色のレーザダイオードとを備える、レーザベースの白色光源の機能ブロック図である。 本発明の更にもう１つの実施形態に係る、青色、緑色、及び赤色のレーザデバイスを備え、波長変換素子を備えない、レーザベースの白色光源の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、透過モードで動作し、ＴＯキャニスタ型パッケージ内に収容された、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、反射モードで動作し、ＴＯキャニスタ型パッケージ内に収容された、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、反射モードで動作し、バタフライパッケージに収容された、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、透過モードで動作し、バタフライパッケージに収容された、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明の一実施形態に係る、複数のキャビティ部材を備えたレーザデバイスの簡略正面図である。 本発明の一実施形態に係る、個々に制御可能なレーザパッケージを示す簡略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、光学結合器を用いて構成された複数のレーザバーを示す簡略図である。 本発明の一例に係る、自由空間ミラーベースのレーザコンバイナの概略図である。 本発明の一例に係る、封入自由空間レーザモジュールの概略図である。 本発明の一例に係る、延長伝送ファイバに加えて蛍光体変換器を備えた、封入自由空間マルチチップレーザモジュールの概略図である。 本発明の一実施形態に係る、反射モードで動作する、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、反射モードで動作する、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明の一実施形態に係る、表面実装パッケージ内において反射モードで動作する、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、表面実装パッケージ内において反射モードで動作する、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、表面実装パッケージ内において側面励起蛍光体を用いて動作する、レーザベースの白色光源の概略図である。 本発明の一実施形態に係る、可視光通信を可能とする、レーザベースの白色光源の機能ブロック図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る、可視光通信を可能とする、レーザベースの白色光源の機能ブロック図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、動的光源の機能ブロック図である。 本発明の一例に係る、ビームステアリング素子を備えた封入動的光源の概略図である。 本発明の一実施形態に係る、反射構造を有した走査蛍光体ディスプレイの概略図である。 本発明の一実施形態に係る、透過構造を有した走査蛍光体ディスプレイの概略図である。 本発明の代替の実施形態に係る、反射構造を有した走査蛍光体ディスプレイの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、可視光通信用の投射光としての青色レーザをベースとする白色レーザ光源の使用事例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る、光スポットの強度及びスペクトルの動的空間制御を可能にする複合波長変換素子の概略図である。 本発明の一実施形態に係る、複合波長変換素子の断面の概略図である。 本発明の一実施形態に係る、複合波長変換素子の断面の概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、レーザベースのスマート照明システムに関する機能ブロック図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、動的な、レーザベースのスマート照明システムに関する機能図である。 光の強度及び色の出力空間分布が、センサからの入力に基づき所定の方法で変更されるような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図である。 光の強度の出力空間分布が、センサからの入力に基づき所定の方法で変更されるような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図である。 光のスペクトルの出力空間分布が、センサからの入力に基づき所定の方法で変更されるような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図である。 光源装置が、機械的につながれていない無人航空機またはドローンに組み込まれているような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図である。 光源装置が、機械的につながれたバルーン、機械的につながれて航空機よりも軽量の飛行体、または機械的につながれた無人航空機もしくはドローンに組み込まれているような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図である。 光源装置が、機械的につながれたバルーン、機械的につながれもしくはつながれておらず航空機よりも軽量の飛行体、或いは機械的につながれもしくはつながれていない無人航空機もしくはドローンに組み込まれているような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図であり、複数の空中プラットフォームを利用し、ある範囲にわたって継続的な照明及び可視光通信が提供される。 光源装置が、機械的につながれたバルーン、機械的につながれもしくはつながれておらず航空機よりも軽量の飛行体、或いは機械的につながれもしくはつながれていない無人航空機もしくはドローンに組み込まれているような、本発明のいくつかの実施形態に係る使用事例を示す概略図であり、複数の空中プラットフォームを利用し、ある範囲にわたって継続的な照明及び可視光通信が提供される。
本発明は、転写されたガリウム及び窒素含有材料のレーザプロセスに基づくガリウム及び窒素含有レーザダイオードと組み合わされた様々なセンサベースのフィードバックループを用いて構成されたシステム、装置、並びにそれらの製造方法及び使用を提供する。いくつかの例に過ぎないが、本発明は、遠隔操作可能で統合されたスマートレーザ照明装置及び方法、投影ディスプレイ及び空間的に動的な照明装置及び方法、並びにＬＩＤＡＲ、ＬｉＦｉ、及び可視光通信装置及び方法を提供するほか、これらの様々な組み合わせを、一般照明、商業照明及び表示、自動車照明及び通信、防衛及びセキュリティ、産業処理、並びにインターネット通信などの用途において提供する。
背景技術として、ＬＥＤベースの光源は、白熱ベースの光源よりも大きな利点を提供するが、ＬＥＤデバイスの物理的性質に関連する課題及び限界が依然として存在する。ＬＥＤの更なる制限は、それらの輝度にも関連しており、より具体的には、それらの空間的輝度に関連するものである。従来の高輝度発光ダイオードは、エピタキシャル領域のｍｍ２当たりで最大１Ｗを放射する。いくつかの進歩と画期的な進歩により、これはおそらく５倍～１０倍まで増大可能であり、エピタキシャル領域のｍｍ２当たりで５Ｗ～１０Ｗまで増加することができる。最後に、従来のｃ面ＧａＮ上に生成したＬＥＤは強い内部分極場を受け、これが電子と正孔の波動関数を空間的に分離し、不十分な放射性再結合効率をもたらす。このような現象は、波長発光増大のためにインジウム含有量が増加したＩｎＧａＮ層において、より顕著になるので、ＵＶまたは青色ＧａＮ系のＬＥＤの特性を緑青色または緑色の領域まで拡張することは困難であった。
レーザダイオードをベースとする、興味深い新しい部類の半導体照明が急速に出現してきている。ＬＥＤと同様に、レーザダイオードは、電磁放射を発する２線式半導体光源である。しかし、主に自然放出であるＬＥＤからの出力とは異なり、レーザダイオードの出力は主に誘導放出からなる。レーザダイオードは、電子・正孔対の再結合を介して発光するように機能する利得媒質と、この利得媒質から発せられた光のための共振器として機能するキャビティ領域とを備える。電極に適正な電圧を印加して利得媒質を十分にポンピングすると、その利得がキャビティ損失を上回り、レーザダイオードはいわゆる閾値条件に達し、光出力対電流入力特性に急峻な増加が観測される。閾値条件ではキャリア密度がクランプし、誘導放出が発光を支配する。ＬＥＤを悩ますドループ現象は、キャリア密度に依存するので、レーザダイオード内のクランプされたキャリア密度は、ドループの問題に対する解決策を提供する。更に、レーザダイオードは、ＬＥＤよりも桁違いに高い空間輝度で、指向性が強く可干渉性の光を放射する。例えば、市販のＧａＮ系の端面発光レーザダイオードは、幅１５μｍ、高さ約０．５μｍのアパーチャにおいて、約２Ｗの出力を確実に生成することが可能であり、これは２５００００Ｗ／ｍｍ２を超えることに等しい。このような空間的輝度は、ＬＥＤよりも５桁以上高いか、または別の言い方をすれば、ＬＥＤよりも１００００倍明るいことになる。
ＧａＮ－ＬＥＤに関する実質的に全ての先駆的な研究に基づき、ＧａＮ技術を基礎とする可視レーザダイオードが、これまでの２０年間にわたって急速に出現してきた。現在、唯一実用可能となっている直接的な青色及び緑色のレーザダイオード構造は、ウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ材料系から製造されている。ＧａＮ系材料からの発光ダイオードの製造は、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びサファイアなどの異種基板上におけるＧａＮのヘテロエピタキシャル成長が主流を占める。レーザダイオードデバイスは、ヘテロエピタキシャル成長に関連する結晶欠陥が許容されないような高電流密度で動作する。このため、欠陥密度が非常に低く、独立したＧａＮ基板が、ＧａＮレーザダイオード製造のために選択される基板となっている。残念ながら、このようなバルクＧａＮ基板は高価であり、大きな直径の状態では広く入手可能とはなっていない。例えば、２インチの直径は、今日では最も一般的なレーザ品質のバルクｃ面ＧａＮ基板サイズであって、近年の進歩により４インチの直径も可能であるが、成熟した基板技術に関して流通している６インチ以上の直径と比較すれば依然として小さい。本発明の更なる詳細は、本明細書を介して見出すことが可能であり、より詳細には以下のとおりである。
本発明を用いて、既存の技術よりも優れた更なる利点が達成される。即ち、本発明は、費用効果の高い白色光源を可能にする。具体的な一実施形態において、本光学装置は、比較的単純かつ費用効果の高い方法で製造することができる。実施形態に応じ、本装置及び方法は、従来の材料及び方法の少なくとも一方を使用し、通常の技術に従って形成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、ガリウム及び窒素含有レーザダイオード光源が、ｃ面窒化ガリウム材料に基づくものであり、別の実施形態では、レーザダイオードが、無極性または半極性のガリウム及び窒化物材料に基づくものである。一実施形態において、白色光源は、サブマウント上に一体型蛍光体を有するチップオンサブマウント（ＣｏＳ）から構成されて、チップ蛍光体搭載サブマウント（Chip and Phosphor on Submount：ＣＰｏＳ）白色光源を形成する。いくつかの実施形態では、中間サブマウント部材が設けられていてもよい。いくつかの実施形態において、レーザダイオード及び蛍光体部材は、パッケージベースのような共通支持部材によって支持される。この実施形態の場合には、レーザダイオードと共通支持部材との間に設けられるサブマウント部材または付加的支持部材があってもよい。同様に、蛍光体部材と共通支持部材との間に設けられるサブマウント部材または付加的支持部材があってもよい。
種々の実施形態において、レーザデバイス及び蛍光体デバイスは、中間サブマウントの有無に関わらず、共通の支持部材上に一体パッケージ化または実装され、蛍光体材料が、透過モード、反射モード、または側面ポンプモードで動作することにより、白色発光レーザベースの光源が得られる。更なる種々の実施形態では、レーザデバイスからの電磁放射が、自由空間結合、または光ファイバケーブルもしくはそれ以外の固体導波路材などの導波路との結合などの方法を介して蛍光体デバイスに遠隔結合され、蛍光体材料が、透過モード、反射モード、または側面ポンプモードで動作することにより、白色発光レーザベースの光源が得られる。単なる一例として、本発明は、白色照明、白色スポット照明、懐中電灯、自動車用ヘッドライト、不整地走行車用ライト、カメラフラッシュのようなフラッシュ光源、自転車走行、サーフィン、ランニング、レーシング、ボート漕ぎ、などのレクリエーションスポーツに使用される光源、ドローン、飛行機、ロボットや、それ以外の移動用途や自動機械用途、安全対策、防衛用途における対抗手段に使用される光源、多色照明、フラットパネル、医療、計測、ビームプロジェクタ、及びその他の用途に用いる表示用照明、高輝度ランプ、分光器、娯楽用照明、劇場用照明、音楽用照明、コンサート用照明、偽物判定及び真正物判定の少なくとも一方、工具、水処理、レーザダズラー、ターゲティング、通信、ＬｉＦｉ、可視光通信（ＶＬＣ）、検出、感知、距離検出、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）、変換、搬送、レベリング、硬化やその他の化学処理、加熱、切断または除去、他の光学デバイスや他の光電子デバイスの励起といった用途、並びに光源などに適用することが可能である。
レーザダイオードは蛍光体励起源として理想的である。従来のＬＥＤの１００００倍を上回る空間輝度（単位面積あたりの光強度）と、レーザ放射の極端な指向性により、レーザダイオードは、ＬＥＤやその他の光源では達成不可能な特性を可能とする。具体的には、１Ｗ以上、５Ｗ以上、１０Ｗ以上、更には１００Ｗ以上のレーザダイオード出力ビームを、１ｍｍ未満、５００μｍ未満、１００μｍ未満、また更には５０μｍ未満の直径の非常に小さなスポットサイズに集束させることができるので、１Ｗ／ｍｍ２、１００Ｗ／ｍｍ２、また更には２５００Ｗ／ｍｍ２以上の出力密度を達成することができる。このようなレーザ励起光の非常に小さく強力なビームが蛍光体材料に入射すると、白色光の究極の点光源を得ることができる。発光白色光の蛍光体変換比を、励起光の光学ワット当たり２００ルーメンと仮定すると、５Ｗの励起出力により、１００μｍ、または５０μｍ以下のビーム直径で１０００ルーメンを生成することができる。このような点光源は、スポットライトや測距のような用途における方針を変えるものであって、放物面反射器またはレンズ光学系を点光源に組み合わせれば、ＬＥＤを使用する以前、即ち電球の技術により可能となっていた距離よりも大幅に長い距離を伝わることが可能な高度に平行化された白色光スポットを作り出すことが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態において、ガリウム及び窒素含有発光デバイスは、レーザデバイスでなくてもよく、スーパールミネッセンスダイオードまたはスーパールミネッセンス発光ダイオード（ＳＬＥＤ）デバイスとして構成してもよい。本発明の場合、ＳＬＥＤデバイスとレーザダイオードデバイスを互いに置き換えて使用することができる。ＳＬＥＤは、電流を注入すると光学的に活性化し、広範囲の波長にわたって増幅自然放出光（ＡＳＥ）と利得とを発生するという電気的励起接合に基づいているので、レーザダイオードに似ている。光出力がＡＳＥによって支配されるようになると、光出力対電流（ＬＩ）特性が急変し、光出力の単位量は、注入電流の単位量に対して劇的に大きくなる。ＬＩ曲線におけるこのような急変は、レーザダイオードの閾値に似ているが、かなり緩やかである。ＳＬＥＤデバイスの利点は、ＳＬＥＤは、レーザダイオードの高発光出力と極めて高い空間輝度という類のない特性を組み合わせることができ、これにより、高効率の長距離投光照明及び高輝度蛍光体励起の用途に理想的なものとなり、場合によっては眼の安全性及び画質の向上をもたらすような広いスペクトル幅（５ｎｍを上回る）を有したものとなる。スペクトル幅が広いため、ＬＥＤと同様の小さいコヒーレンス長となる。小さなコヒーレンス長により、目の安全性の向上などの改善された安全性が得られる。更に、広いスペクトル幅により、表示または照明の用途における光学的歪みを劇的に減少させることができる。例えば、「スペックル」と呼ばれる周知の歪みパターンは、面上または目視面における一組の波面の相互干渉によって生成される強度パターンに起因するものである。スペックルの程度を定量化するために通常使用される一般式は、スペクトル幅に反比例したものとなる。本明細書では、レーザダイオード（ＬＤ）デバイス及びスーパールミネセンス発光ダイオード（ＳＬＥＤ）デバイスの両方を、単に「レーザデバイス」と呼称する場合がある。
ガリウム及び窒素含有レーザダイオード（ＬＤ）又はスーパールミネセンス発光ダイオード（ＳＬＥＤ）は、活性領域とキャビティ部材とを有するガリウム及び窒素含有デバイスを少なくとも備えていてもよく、光子の誘導放出によって生成される放出スペクトルによって特徴付けられる。いくつかの実施形態において、赤色レーザ光、即ち約６００ｎｍ～７５０ｎｍの波長の光を放射するレーザデバイスが提供される。これらの赤色レーザダイオードは、活性領域及びキャビティ部材を有するガリウムリン及びヒ素含有デバイスを少なくとも備えていてもよく、光子の誘導放出によって生成される放出スペクトルによって特徴付けられる。ディスプレイの用途のための赤色デバイスの理想的な波長は６３５ｎｍまでであり、緑色は５３０ｎｍまで、青色は４４０ｎｍ～４７０ｎｍである。いくつかの波長については、その他の波長よりも目が敏感なので、異なる波長のレーザを使用してディスプレイでどのような色を表現するかということと、ディスプレイがどの程度明るいかということの間にトレードオフの関係がある場合がある。
本発明に係るいくつかの実施形態では、複数のレーザダイオード光源が、同一の蛍光体または蛍光体ネットワークを励起するように構成される。複数のレーザ源を組み合わせることにより、本発明によって得ることが可能な多くの利点を提供することができる。第１に、ビーム結合によって励起パワーを増加させることで、より強力な励起スピットが得られ、従ってより明るい光源を生成することができる。いくつかの実施形態では、個別のレーザチップが、レーザ－蛍光体光源内に構成される。各々が１Ｗ、２Ｗ、３Ｗ、４Ｗ、５Ｗもしくはそれ以上の電力を放射する複数のレーザを備えることによって、励起パワーを増加させることが可能となり、従って、光源の輝度を増加させることができる。例えば、同一の蛍光体領域を励起する２つの３Ｗレーザを備えることにより、励起パワーを白色光輝度の２倍の６Ｗまで増加させることができる。１Ｗのレーザ励起パワー当たりで約２００ルーメンの白色光が生成される例では、白色光出力は６００ルーメンから１２００ルーメンに増加する。個々のレーザダイオード発光素子のパワーを増大させることのほか、レーザダイオード発光素子の総数を増加していくことによって、白色光源の総光束を増加させることが可能であり、レーザダイオード発光素子の数は、数十個から数百個、更には数千個までの範囲とすることが可能で、その結果、数十ｋＷから数百ｋＷのレーザダイオード励起パワーが得られる。レーザダイオード発光素子の数の調整は、共通パッケージ内に複数のレーザを備える方法、一般的な屈折光学系または偏光結合を介した空間ビーム結合など、多くの方法で達成することができる。更に、レーザダイオードバーまたはレーザダイオードアレイ、及びレーザダイオードミニバーを利用することが可能であり、この場合、各レーザチップが多数の隣接するレーザダイオード発光素子を備える。例えば、１つのレーザダイオードバーは、それぞれ約１０μｍから約４００μｍ離間して配置された２個～１００個のレーザダイオード発光素子を備えていてもよい。同様に、より低い駆動条件で複数の発光源を用い、より大電流及び高電圧といった、より過酷な条件で駆動される単一の発光源と同じ励起パワーとなるようにすることで、発光源の信頼性を高めることができる。
複数のレーザダイオード発光素子からの発光を組み合わせることの更なる利点は、楕円形レーザビームを分散させる第１の自由空間を、楕円形レーザビームを分散させる第２の自由空間に対して９０度回転させ、中心合わせした楕円を蛍光体上に重ねることで、より円形に近いスポットを形成可能となることである。或いは、楕円形レーザビームを分散させる第１の自由空間を、楕円レーザビームを分散させる第２の自由空間に対して１８０度回転させ、中心合わせしていない楕円を蛍光体上に重ねて、低速軸の分散方向のスポット直径を増大させることで、より円形に近いスポットを形成することができる。別の構成では、２つを超えるレーザが設けられ、上述のビーム整形スポットの外形整形のいくつかの組み合わせがなされる。重要な第３の利点は、発光デバイス内の多色レーザが、可視スペクトルの紫色／青色及びシアン領域内のスペクトルの充填を改善することによって、色品質（ＣＲＩ及びＣＱＳ）を著しく改善できることである。例えば、わずかに変更された波長（例えば、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍなど）を有する２つ以上の青色励起レーザを設けて黄色蛍光体を励起し、より大きな青色スペクトルを生成することができる。
本明細書で使用する場合に、ＧａＮ基板という用語は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、または出発材料として使用される他のＩＩＩ族含有合金または組成物を含むＩＩＩ族窒化物系材料に関連する。このような出発材料には、極性ＧａＮ基板（即ち、最大面積面が名目上（ｈ ｋ ｌ）面であり、ｈ＝ｋ＝０で、ｌが０でない基板）、無極性ＧａＮ基板（即ち、最大面積面が、上述の極性配向から約８０度～１００度の範囲の角度で（ｈ ｋ ｌ）面に向かって配向されており、ｌ＝０で、ｈ及びｋのうちの少なくとも１つが０でない基板材料）、または半極性ＧａＮ基板（即ち、最大面積面が、上述の極性配向から（ｈ ｋ ｌ）面に向かって約０．１度～８０度または１１０度～１７９．９度の範囲の角度で配向されており、ｌ＝０で、ｈ及びｋのうちの少なくとも１つが０でない基板材料）が含まれる。当然、これらとは別の変形、改変、及び代替があってもよい。
レーザダイオードデバイスは、極性ｃ面のようなガリウム及び窒素含有膜もしくは基板（例えばＧａＮ）の一般的な配向、ｍ面のような無極性の配向、または｛３０－３１｝、｛２０－２１｝、｛３０－３２｝、｛１１－２２｝、｛１０－１１｝、｛３０－３－１｝、｛２０－２－１｝、｛３０－３－２｝、もしくはｃ面に向かって±１０度以内、ａ面に向かって±１０度以内、及びｍ面に向かって±１０度以内の少なくともいずれかのこれら極性面、無極性面、及び半極性面のいずれかのオフカットのような半極性の配向に製造することができる。いくつかの実施形態では、ガリウム及び窒素含有レーザダイオードが、ガリウム及び窒素含有基板を備える。基板部材は、ガリウム及び窒素含有基板の極性｛０００１｝面（ｃ面）、無極性面（ｍ面、ａ面）、及び半極性面（｛１１－２２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２１｝、｛３０－３１｝）、またはそれ以外の面上に表面領域を有してもよい。レーザデバイスは、約３９０ｎｍ～約５４０ｎｍの１つまたは複数の波長を特徴とするレーザビームを発するように構成することができる。
図１は、本発明のいくつかの実施形態に係り、劈開ミラーまたはエッチングされたミラーで終端する方向にキャビティが指向された状態で、ガリウム及び窒素含有基板上に形成されたレーザダイオードの簡略化された概略図である。一例において、基板面１０１は極性ｃ面であり、レーザストライプ領域１１０は、実質的にｍ方向１０のキャビティ配向を特徴とし、これは、実質的にａ方向２０に対して直角であるが、実質的にａ方向のキャビティ配向など、他の向きとすることができる。レーザストライプ領域１１０は、第１端部１０７及び第２端部１０９を有し、｛０００１｝ガリウム及び窒素含有基板上において、ｍ方向に形成され、互いに対向する一対の劈開またはエッチングされたミラー構造を有する。別の例では、基板面１０１が半極性平面であり、レーザストライプ領域１１０は、実質的にａ方向２０に対して実質的に直角であるｃ方向１０への突出によるキャビティ配向によって特徴付けられるが、実質的にａ方向のキャビティ配向など、他の向きであってもよい。レーザストライプ領域１１０は、第１の端部１０７及び第２の端部１０９を有し、｛４０－４１｝、｛３０－３１｝、｛２０－２１｝、｛４０－４－１｝、｛３０－３－１｝、｛２０－２－１｝、｛２０－２１｝、またはｃ面及びａ面ガリウム及び窒素含有基板から±５度以内のこれらの面のオフカットなどの半極性基板上に形成される。必要に応じ、窒化ガリウム基板部材は、無極性または半極性の結晶表面領域を有することを特徴とするバルクＧａＮ基板とするが、他のものであってもよい。また、このバルクＧａＮ基板は、１０５ｃｍ－２以下または１０５ｃｍ－２～１０７ｃｍ－２の表面転位密度を有していてもよい。この窒化物結晶またはウェハは、０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１とするとき、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮを含んでもよい。具体的な一実施形態では、窒化物結晶がＧａＮを含む。一実施形態では、ＧａＮ基材が、約１０５ｃｍ－２と約１０８ｃｍ－２との間の密度で、面に対して実質的に直角または斜めの向きに貫通転位を有する。
図１に例示するレーザダイオードデバイスは、一対の劈開またはエッチングされたミラー構造１０９及び１０７を有し、これらは互いに対向する。第１の劈開またはエッチングされたファセット１０９は、反射コーティングを備え、第２の劈開またはエッチングされたファセット１０７は、コーティングを備えないか、もしくは反射防止コーティングを備え、またはガリウム及び窒素含有材料を露出させる。第１の劈開またはエッチングされたファセット１０９は、第２の劈開またはエッチングされたファセット１０７と実質的に平行である。第１及び第２の劈開ファセット１０９，１０７は、一実施形態に係るスクライブ及びブレーキング処理によって、或いは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）、もしくは化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などのエッチング技術、またはそれ以外の方法によって得られる。反射コーティングは、二酸化ケイ素、ハフニア、及びチタニア、五酸化タンタル、ジルコニア、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び酸窒化アルミニウム、並びにこれらの組み合わせなどから選択される。構成に応じ、ミラー表面は、反射防止コーティングを備えることもできる。
具体的な一実施形態において、ファセット形成の方法は、パターン形成のために基板にレーザを照射することを含む。好ましい実施形態において、このパターンは、リッジ構造レーザ用の一対のファセットの形成のために構成される。好ましい実施形態において、一対のファセットは、互いに対向し、互いに平行に配列されている。好ましい実施形態において、この方法は、ＵＶ（３５５ｎｍ）レーザを使用してレーザバーをスクライブ加工する。具体的な一実施形態において、レーザは、様々なパターン及び形状に構成された正確なスクライブラインを可能にするシステム上に構成される。一実施形態において、レーザスクライブは、用途に応じ、裏面、おもて面、またはその両方で実行することができる。当然、別の変形、改変、及び代替があってもよい。
具体的な一実施形態において、本方法では、裏面レーザスクライブなどを使用する。裏面レーザスクライブにより、本方法では、好ましくは、ＧａＮ基板の裏面のレーザバーに直角な連続ラインレーザスクライブを形成する。具体的な一実施形態において、レーザスクライブは、一般に、約１５μｍ～２０μｍの深さとし、または他の適切な深さとする。好ましくは、裏面スクライブが有利となることがあり得る。即ち、レーザスクライブプロセスは、レーザバーのピッチまたは他の同様のパターンに依存しない。従って、裏面レーザスクライブは、好ましい実施形態によって、それぞれの基板上に、より高密度のレーザバーを得ることができる。但し、特定の実施形態では、裏面レーザスクライブが、ファセット上のテープから残留物を生じることがある。特定の実施形態では、背面レーザスクライブは、しばしば、テープ上で基板を下向きにすることが必要となる。前面レーザスクライブでは、基板の背面がテープに接する。当然、別の変形、改変、及び代替があってもよい。
化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング、または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）といったエッチング技術は、エッチングされたファセットレーザダイオードのファセットとして使用可能な、平滑で直角なエッチング側壁領域が得られることがよく知られている。エッチングファセットプロセスでは、マスキング層がウェハの表面上に堆積されてパターン化される。エッチマスク層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、これらの組合せ、または別の誘電体材料などの誘電体から構成することができる。更に、マスク層は、ＮｉまたはＣｒなどの金属層から構成することができるが、金属化合物の積層体、または金属と誘電体との積層体から構成してもよい。別の手法では、フォトレジストマスクが、単独で、または誘電体及び金属の少なくとも一方との組み合わせで使用できる。エッチマスク層は、一般的なフォトリソグラフィ及びエッチング工程を用いてパターン化される。アライメントリソグラフィーは、コンタクトアライナーまたはステッパーアライナーで行うことができる。このようなリソグラフィで形成されたミラーは、設計エンジニアに高レベルの制御を提供する。エッチングマスクの上にフォトレジストマスクのパターニングが完了した後、ウェットエッチングまたはドライエッチング技術を用いて、パターンをエッチングマスクに転写する。最後に、ＣＡＩＢＥ、ＩＣＰ、ＲＩＥ、及びそれ以外の技術の少なくとも１つから選択されるドライエッチング技術を用いて、ファセットパターンをウェハにエッチングする。エッチングされたファセット面は、ウェハの表面平面から約８７度と約９３度との間の範囲、または約８９度と約９１度との間の範囲の高精度の直角でなければならない。エッチングされたファセット面領域は、約５０ｎｍ、２０ｎｍ、５ｎｍ、または１ｎｍ未満の二乗平均粗さ値を有する非常に滑らかなものでなければならない。最後に、エッチングされたファセット面領域は、実質的に損傷を受けるものであってはならず、非放射再結合中心として作用し、従って、致命的光学ミラー損傷（ＣＯＭＤ）の閾値を緩和し得るものである。ＣＡＩＢＥは、エッチングの化学的特性により、非常に滑らかで、損傷の少ない側壁を提供することが知られているが、同時に、ＣＡＩＢＥは、エッチングにおいて潜在する何らかの角度を補償するために、ウェハステージを傾斜させる能力により、高精度に直角なエッチングを提供することができる。
レーザストライプ領域１１０は、長さ及び幅によって特徴付けられる。長さは、約５０μｍ～約３０００μｍの範囲にあり、好ましくは、約１０μｍと約４００μｍとの間、約４００μｍと約８００μｍとの間、または約８００μｍと約１６００μｍとの間であるが、これ以外であってもよい。また、ストライプは、約０．５μｍ～約５０μｍの範囲の幅を有し、単一横モード動作の場合には、約０．８μｍと約２．５μｍとの間であることが好ましく、多重横モード動作の場合には、約２．５μｍと約５０μｍとの間であることが好ましいが、これ以外の寸法であってもよい。具体的な一実施形態において、本装置は、約０．５μｍ～約１．５μｍの範囲の幅、約１．５μｍ～約３．０μｍの範囲の幅、約３．０μｍ～約５０μｍの範囲の幅、及びそれ以外の幅を有する。具体的な一実施形態において、幅は実質的に一定であるが、わずかな変化があってもよい。幅及び長さは、本技術分野で一般的に使用されているマスキング及びエッチングプロセスを使用して形成されることが多い。
レーザストライプ領域１１０は、ドライエッチング及びウェットエッチングから選択されるエッチングプロセスによって提供される。また、本装置は、上部誘電体領域を有し、この領域はｐ型コンタクト領域を露出させている。このコンタクト領域の上には、金属もしくは導電性酸化物、またはこれらの組み合わせとすることが可能なコンタクト材料がある。ｐ型電気コンタクトは、熱蒸着、電子ビーム蒸着、電気メッキ、スパッタリング、またはそれ以外の適切な技術によって堆積させてもよい。基板の研磨された領域の上には、第２のコンタクト材料があり、この第２のコンタクト材料は、金属もしくは導電性酸化物、またはこれらの組み合わせとすることが可能であり、ｎ型電気コンタクトを含む。このｎ型電気コンタクトは、熱蒸着、電子ビーム蒸着、電気メッキ、スパッタリング、またはそれ以外の適切な技術によって堆積させてもよい。
具体的な一実施形態において、レーザデバイスは、６００ｎｍと７５０ｎｍとの間の中心波長を有する赤色光を発することができる。このようなデバイスは、ｘ＋ｙ≦１、且つｚ≦１とするとき、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＡｓｚＰ１－ｚの可変組成物の層を備えていてもよい。赤色レーザデバイスは、少なくとも、ｎ型及びｐ型クラッド層と、ｎ型クラッドよりも屈折率の高いｎ型ＳＣＨと、ｐ型クラッドよりも屈折率の高いｐ型ＳＣＨと、光が出射される活性領域とを有している。具体的な一実施形態において、レーザストライプは、ドライエッチング及びウェットエッチングから選択されるエッチングプロセスによって提供される。好ましい実施形態において、エッチングプロセスは乾式であるが、別のものであってもよい。また、本デバイスは、接触領域を露出する上部誘電体領域を有する。具体的な一実施形態において、誘電体領域は、二酸化ケイ素などの酸化物であるが、それ以外のものであってもよい。当然、別の変形、改変、及び代替があってもよい。レーザストライプ領域は、長さ及び幅によって特徴付けられる。長さは約５０μｍから約３０００μｍの範囲にあり、好ましくは１０μｍと４００μｍとの間、約４００μｍと８００μｍとの間、または約８００μｍと１６００μｍとの間であるが、１６００μｍより大というように別の長さとしてもよい。また、ストライプ領域は、約０．５μｍ～約８０μｍの範囲の幅を有し、単一横モード動作の場合は０．８μｍと２．５μｍとの間であることが好ましく、多重横モード動作の場合は２．５μｍと６０μｍとの間であることが好ましいが、それ以外の寸法であってもよい。レーザストライプ領域は、互いに対向する一対の劈開またはエッチングされたミラー構造を有する第１の端部及び第２の端部を備える。第１のファセットは反射コーティングを備え、第２のファセットはコーティングを備えないか、もしくは反射防止コーティングを備え、またはガリウム及び窒素含有材料を露出させる。第１のファセットは、第２の劈開またはエッチングされたファセットと実質的に平行である。
ガリウム及び窒素含有基板の高いコスト、ガリウム及び窒素含有基板のサイズ拡大の難しさ、小さなウェハの処理に固有の非効率性、及び潜在的な供給制限を考慮すると、入手可能なガリウム及び窒素含有基板、及びその上にあるエピタキシャル材料を最大限に利用することが極めて望ましい。ラテラルキャビティレーザダイオードの製造においては、レーザキャビティの幅によってではなく、ワイヤボンディングパッドなどのデバイス構成要素、または機械的な取扱い上の考慮事項によって最小ダイサイズが決定されるというのが一般的である。ダイサイズを小さくするほど、単一の処理実行で単一のウェハ上に、より多くのデバイスを製造することが可能になるので、ダイサイズを最小化することは、製造コストを低減する上で重要である。本発明は、ダイ拡張プロセスを介してキャリアウェハ上にエピタキシャル材料を広げることによって、所定のガリウム及び窒素含有基板及びその上のエピタキシャル材料から製造することが可能なデバイスの数を最大にする方法である。
端面発光レーザダイオードと同様に、ＳＬＥＤは、端面発光デバイスとして構成されるのが一般的であり、この場合、高輝度、高指向性の出射光が、半導体チップの側面から外側に向けられている導波路から出る。ＳＬＥＤは、導波路に沿って発生する自然放出光に対して高い単光路利得または増幅を有するように設計されている。しかしながら、レーザダイオードとは異なり、ＳＬＥＤは、キャビティ内に不十分なフィードバックを形成して、利得が導波路キャビティ内の全損失に等しくなるというレーザ発振条件を達成するように構成されている。典型的な例において、導波路の両端部即ち両ファセットのうちの少なくとも１つは、導波路内に戻っていく反射率が極めて低くなるように構成される。いくつかの方法を使用して、導波路の端部即ちファセットの反射率を低減させることができる。１つのアプローチにおいて、光学コーティングが、ファセットの少なくとも１つに適用され、このとき、この光学コーティングは、１％未満、０．１％未満、０．００１％未満、または０．０００１％未満の反射率といった低い反射率となるように構成される。反射率を低減するための別のアプローチでは、チップ内に反射して戻る光がキャビティ内の光と構造上干渉せずにフィードバックを提供するように、導波路の端部が、光伝播の方向に対して傾斜または角度を有するように構成される。最適なパフォーマンスを得るためには、反射率対角度の関係において、零の周辺で傾斜角を注意深く設定する必要がある。傾斜または角度付けしたファセットのアプローチは、多くの方法で達成可能であり、光伝播の方向に対して最適化された水平角で形成されるエッチングされたファセットを設けることが含まれる。傾斜の角度は、リソグラフィによって画定されるエッチングされたファセットパッタによって予め決定される。これに代え、角度のついた出力ファセットは、半導体チップ内の所定の結晶面上に形成される劈開ファセットに対する導波路の湾曲及び角度付けの少なくとも一方によって達成してもよい。反射率を低減するためのもう１つのアプローチは、ファセット上に、粗面化されたまたはパターン化された表面を設けて、キャビティへのフィードバックを低減することである。粗面化は、化学エッチング及びドライエッチングの少なくとも一方を用いるか、またはこれに代わる技術を用いて達成することができる。もちろん、キャビティへのフィードバックを低減してＳＬＥＤデバイスを形成するための別の方法があってもよい。多くの実施形態では、多くの技術をファセット反射率の低減のために組み合わせて使用することが可能であり、これには、光伝播に対して角度付けまたは傾斜した出力ファセットと組み合わせて、低反射率コーティングを使用することが含まれる。
無極性Ｇａ含有基板による具体的な一実施形態において、本装置は、ｃ方向に実質的に直角に偏光される自然放出光を特徴とする。好ましい実施形態において、この自然放出光は、ｃ方向に直角で、０．１より大きく約１までの偏光比によって特徴付けられる。好ましい実施形態において、この自然放出光は、青色発光を生じる約４３０ｎｍ～約４７０ｎｍの範囲の波長、または緑色発光を生じる約５００ｎｍ～約５４０ｎｍの範囲の波長などによって特徴付けられる。例えば、この自然放出光は、紫色（例えば、３９５ｎｍ～４２０ｎｍ）、青色（例えば、４２０ｎｍ～４７０ｎｍ）、緑色（例えば、５００ｎｍ～５４０ｎｍ）、またはそれ以外とすることができる。好ましい実施形態において、この自然放出光は、大きく偏光され、０．４より大きい偏光比によって特徴付けられる。半極性｛２０－２１｝Ｇａ含有基板によるもう１つの具体的な実施形態において、本装置は、ａ方向に実質的に平行、即ちキャビティ方向に実質的に直角に偏光されることを特徴とし、これは、ｃ方向の放射に配向される。
具体的な一実施形態において、本発明は、リッジレーザの形態において５０１ｎｍ以上の光を発することができる代替のデバイス構造を提供する。本デバイスは、エピタキシャル成長した以下の構成要素を備えている。
厚さが１００ｎｍ～３０００ｎｍで、５×１０１７ｃｍ－３～３×１０１８ｃｍ－３のＳｉドーピングレベルを有するｎ－ＧａＮまたはｎ－ＡｌＧａＮクラッド層、
２％と１５％との間のインジウムのモル分率及び２０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有するＩｎＧａＮからなるｎ側ＳＣＨ層、
１．５ｎｍ以上で、必要に応じ約１２ｎｍまでとされるＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁によって分離された２．０ｎｍ～８．５ｎｍの少なくとも２つのＩｎＧａＮ量子井戸からなる単一量子井戸または多重量子井戸活性領域、
インジウムのモル分率が１％と１０％との間で厚さが１５ｎｍ～２５０ｎｍのＩｎＧａＮからなるｐ側ＳＣＨ層、または上部ＧａＮガイド層、
アルミニウムのモル分率が０％と２２％との間で厚さが５ｎｍ～２０ｎｍであって、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮからなる電子ブロッキング層、
厚さが４００ｎｍ～１５００ｎｍで、２×１０１７ｃｍ－３～２×１０１９ｃｍ－３のＭｇドーピングレベルを有するｐ－ＧａＮまたはｐ－ＡｌＧａＮクラッド層、及び
厚さが２０ｎｍ～４０ｎｍで、１×１０１９ｃｍ－３～１×１０２１ｃｍ－３のＭｇドーピングレベルを有するｐ＋＋－ＧａＮコンタクト層。
また、ガリウム及び窒素含有レーザダイオードレーザデバイスは表面リッジ構造、埋め込みヘテロ構造様式、及び活性領域を選択的に励起する複数の金属電極のうちの少なくとも１つなど、別の構造を備えていてもよい。例えば、活性領域は、第１及び第２のガリウム及び窒素含有クラッド層と、これら第１及び第２のクラッド層の間に配置されたインジウム及びガリウム含有発光層とを備えていてもよい。本レーザデバイスは、ｎ型ガリウム及び窒素含有材料と、このｎ型ガリウム及び窒素含有材料の上に重なるｎ型クラッド材料とを更に備えていてもよい。具体的な一実施形態において、本デバイスは、上部ｎ型窒化ガリウム層、活性領域、及びレーザストライプ領域として構成された上部ｐ型窒化ガリウム層も有する。更に、本デバイスは、様々な特徴の中でも特に、ｎ側分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）、ｐ側導波層またはＳＣＨ、ｐ－ＡｌＧａＮ ＥＢＬを備えていてもよい。具体的な一実施形態において、本デバイスは、コンタクト領域を形成するｐ＋＋型窒化ガリウム材料も有する。具体的な一実施形態において、ｐ＋＋型コンタクト領域は、適切な厚さを有し、約１０ｎｍ、または約５０ｎｍなどの厚さとしてもよい。具体的な一実施形態において、ドーピングレベルは、ｐ型クラッド領域及びバルク領域の少なくとも一方よりも高くすることができる。具体的な一実施形態において、ｐ＋＋型領域は、約１０１９Ｍｇ／ｃｍ３～１０２１Ｍｇ／ｃｍ３などの範囲のドーピング濃度を有する。ｐ＋＋型領域は、半導体領域とその上の金属コンタクト領域との間でトンネル効果を引き起こすことが好ましい。具体的な一実施形態において、これらの領域の各々は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、またはＧａＮ成長に適した他のエピタキシャル成長技術といったエピタキシャル堆積技術を少なくとも使用して形成される。具体的な一実施形態において、エピタキシャル層は、ｎ型窒化ガリウム層の上に重なる高品質のエピタキシャル層である。いくつかの実施形態において、この高品質層は、例えば、約１０１６ｍ－３と１０２０ｃｍ－３との間のドーパント濃度を有するｎ型材料を形成するために、ＳｉまたはＯでドープされる。
図２は、本開示のいくつかの実施形態に係るレーザデバイス２００の断面図である。図示のように、このレーザデバイスは、下方にｎ型メタルバックコンタクト領域２０１が重ねられた窒化ガリウム基板２０３を備える。例えば、この基板２０３は、半極性配向または無極性配向を特徴としてもよい。また、本デバイスは、上部ｎ型窒化ガリウム層２０５と、活性領域２０７と、レーザストライプ領域２０９として構成された上部ｐ型窒化ガリウム層とを有する。これらの領域の各々は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、またはＧａＮ成長に適した他のエピタキシャル成長技術といったエピタキシャル堆積技術を少なくとも用いて形成される。このエピタキシャル層は、ｎ型窒化ガリウム層の上に重なる高品質のエピタキシャル層である。いくつかの実施形態において、この高品質層は、例えば、約１０１６ｃｍ－３と１０２０ｃｍ－３との間のドーパント濃度を有するｎ型材料を形成するために、ＳｉまたはＯでドープされる。
０≦ｕ，ｖ，ｕ＋ｖ≦１とするとき、ｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１－ｕ－ｖＮ層が基板上に堆積される。キャリア濃度は、約１０１６ｃｍ－３と１０２０ｃｍ－３の間にある。この堆積は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥを使用して実施してもよい。
例えば、バルクＧａＮ基板は、ＭＯＣＶＤ反応器内のサセプタ上に置かれる。反応器を閉じ、排気し、大気圧まで（即ち、ロードロック方式を使用して）再充填した後、窒素含有ガスの存在下で約１０００℃と約１２００℃との間の温度にサセプタが加熱される。サセプタは、アンモニア流動下で約９００℃～１２００℃に加熱される。トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）などのガリウム含有有機金属前駆体の流動が、キャリアガス中で、約１標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）と５０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）との間の総流量で開始される。キャリアガスは、水素、ヘリウム、窒素、またはアルゴンを含んでいてもよい。成長中のＩＩＩ族前駆体（トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム）の流量に対するＶ族前駆体（アンモニア）の流量の比は、約２０００と約１２０００との間にある。キャリアガス中のジシランの流動が、約０．１ｓｃｃｍと１０ｓｃｃｍとの間の総流量で開始される。
一実施形態において、レーザストライプ領域は、ｐ型窒化ガリウム層２０９である。レーザストライプは、ドライエッチングプロセスによって提供されるが、ウェットエッチングを使用することもできる。ドライエッチングプロセスは、塩素含有種を使用する誘導結合プロセス、または類似の化学物質を使用する反応性イオンエッチングプロセスである。塩素含有種は、一般に、塩素ガスなどから誘導される。また、本デバイスは、コンタクト領域２１３を露出する上部誘電体領域を有する。この誘電体領域は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの酸化物であり、コンタクト領域は、上部金属層２１５に結合される。この上部金属層は、金及び白金（Ｐｔ／Ａｕ）、パラジウム及び金（Ｐｄ／Ａｕ）、またはニッケル金（Ｎｉ／Ａｕ）、或いはこれらの組み合わせを含む多層構造とするのが好ましい。いくつかの実施形態では、バリア層と、より多くの複合金属積層体とを備える。
活性領域２０７は、発光のための１個～１０個の量子井戸領域または２重ヘテロ構造領域を備えるのが好ましい。所望の厚さを達成するためにｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１－ｕ－ｖＮ層を堆積させた後、活性層が堆積される。量子井戸は、これら量子井戸を分離するＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮバリア層を有するＩｎＧａＮとするのが好ましい。別の実施形態では、０≦ｗ，ｘ，ｙ，ｚ，ｗ＋ｚ，ｙ＋ｚ≦１として、ｗ＜ｕ，ｙ及びｘ＞ｖ，ｚの少なくとも一方とするとき、井戸層がＡｌｗＩｎｘＧａ１－ｗ－ｘＮを含み、バリア層がＡｌｙＩｎｚＧａ１－ｙ－ｚＮを含むことで、井戸層のバンドギャップが、バリア層及びｎ型層のバンドギャップよりも小さい。井戸層及びバリア層はそれぞれ、約１ｎｍと約２０ｎｍとの間の厚さを有する。活性層の組成及び構造は、予め選択された波長で発光が得られるように選択される。活性層は、ドープされない（または意図せずにドープされた）ままであってもよいし、ｎ型またはｐ型にドープされていてもよい。
また、活性領域は、電子ブロック領域と、分離閉じ込めヘテロ構造とを備えることができる。電子ブロック層は、０≦ｓ，ｔ，ｓ＋ｔ≦１とするとき、活性層よりも高いバンドギャップを有するＡｌｓＩｎｔＧａ１－ｓ－ｔＮを含んでいてもよく、ドープされたｐ型であってもよい。具体的な一実施形態において、電子ブロック層はＡｌＧａＮを含む。別の実施形態において、電子ブロック層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を含み、ＡｌＧａＮとＧａＮとの交互の層を含み、それぞれの層の厚さは、約０．２ｎｍと約５ｎｍとの間にある。
上述のように、ｐ型窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウム構造は、電子ブロック層及び活性層の上方に堆積される。ｐ型層は、約１０１６ｃｍ－３と１０２２ｃｍ－３との間のレベルまで、約５ｎｍと約１０００ｎｍとの間の厚さでＭｇをドープしてもよい。ｐ型層の最も外側の１ｎｍ～５０ｎｍの部分は、改善された電気的接触が可能となるように、当該ｐ型層の残りの部分よりも大量にドープされてもよい。また、本デバイスは、コンタクト領域２１３を露出する上部誘電体領域を有し、この上部誘電体領域は、例えば二酸化ケイ素である。
金属コンタクトは、銀、金、アルミニウム、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、クロムなどの適切な材料で作られる。この金属コンタクトは、熱蒸着、電子ビーム蒸着、電気メッキ、スパッタリング、またはそれ以外の適切な技術によって堆積するようにしてもよい。好ましい実施形態において、電気コンタクトは、光学デバイスのｐ型電極として機能する。別の実施形態では、電気コンタクトが、光学デバイスのｎ型電極として機能する。図１及び図２に示し、上述したレーザデバイスは、比較的低電力の用途に適しているのが一般的である。
種々の実施形態において、本発明は、レーザキャビティ部材の一部を、１．０μｍ～３．０μｍの単一横モード形式から５．０μｍ～２０μｍの多重横モード形式に広げることにより、ダイオードレーザからの高出力パワーを実現するものである。場合によっては、５０μｍ以上の幅のキャビティを有するレーザダイオードが用いられる。
レーザストライプ長、またはキャビティ長は、１００μｍ～３０００μｍの範囲にあり、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／７５９２７３号（２０１０年４月１３日出願）に記載されているような成長技術及び製造技術が採用される。一例として、レーザダイオードは、無極性または半極性ガリウム含有基板上に製造され、このとき、内部電界は、極性ｃ面配向デバイスに対して実質的に排除または低減される。内部電界の減少により、より効率的な放射再結合が可能となることが多いと理解するべきである。更に、重い正孔質量は、無極性及び半極性基板上では、軽くなることが期待され、レーザからのより良い利得特性を達成することが可能となる。
選択的なものとして、図２は、ガリウム及び窒素系のレーザダイオードデバイスの一例の断面図を示す。エピタキシャルデバイス構造は、ガリウム及び窒素含有基板部材２０３の上に形成される。この基板部材は、Ｏ及びＳｉの少なくとも一方によるドーピングでｎ型ドープされてもよい。エピタキシャル構造は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩＮＧａＮ、またはＩｎＧａＮから構成されるｎ型バッファ層、及びＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮから構成されるｎ型クラッド層などのｎ側層２０５を備える。ｎ型層は、０．３μｍ～約３μｍ、または約５μｍまでの範囲の厚さを有していてもよく、１×１０１６ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３の濃度まで、ＳｉまたはＯなどのｎ型キャリアでドープされてもよい。ｎ型層の上には、活性領域及び導波路層２０７が重ねられる。この領域は、モードの光導波を補助するために、ｎ側導波路層、またはＩｎＧａＮのような分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）を備えていてもよい。ＩｎＧａＮ層は、約３０ｎｍ～約２５０ｎｍの範囲の厚さを有し、１％～１５％のモル分率のＩｎＮで構成され、Ｓｉなどのｎ型種でドープされてもよい。ＳＣＨ層の上には、二重ヘテロ構造または量子井戸活性領域からなることが可能な発光領域がある。量子井戸活性領域は、ＩｎＧａＮからなる厚さ１ｎｍ～２０ｎｍの範囲の１～１０個の量子井戸から構成することが可能である。ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＮから構成されるバリア層が、量子井戸発光層を分離する。バリア層の厚さは１ｎｍ～約２５ｎｍの範囲にある。発光層の上には、必要に応じ、５％～約３５％のＡｌＮを有するＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮ電子ブロック層があり、必要に応じ、Ｍｇなどのｐ型種をドープされる。また、必要に応じ、モードの光導波を補助するための、ＩｎＧａＮなどのｐ側導波路層またはＳＣＨも選択肢である。ＩｎＧａＮ層は、３０ｎｍ～約２５０ｎｍの範囲の厚さを有し、１％～１５％のモル分率のＩｎＮで構成され、Ｍｇのようなｐ型種でドープしてもよい。活性領域、及び任意の電子ブロック層及びｐ側導波路層の上には、ｐ型クラッド領域及びｐ＋＋コンタクト層がある。ｐ型クラッド領域は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩＮＧａＮ、またはこれらの組み合わせからなる。ｐ型クラッド層の厚さは、０．３μｍ～約２μｍの範囲にあり、１×１０１６ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３Ｏの濃度までＭｇがドープされている。リッジ２１１は、ドライエッチングプロセスまたはウェットエッチングプロセスから選択されるエッチングプロセスを使用して、導波路内の横方向閉じ込めのためにｐクラッド領域内に形成される。二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの誘電体材料２１３が、本デバイスの表面領域上に堆積され、リッジの上部に開口部が形成されて、ｐ＋＋ＧａＮ層の一部が露出している。本デバイスの上面には、ｐ型コンタクト２１５が堆積されて、露出したｐ＋＋コンタクト領域に接する。ｐ型コンタクトは、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、またはＡｇを含む金属積層体から構成されてもよく、電子ビーム蒸着、スパッタ蒸着、または熱蒸着によって堆積してもよい。基板部材の底部には、ｎ型コンタクト２０１が形成されている。ｎ型コンタクトは、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、またはＡｇを含む金属積層体から構成されてもよく、電子ビーム蒸着、スパッタ蒸着、または熱蒸着によって堆積してもよい。
本発明に係る複数の実施形態において、本デバイスは、スーパールミネセンス発光ダイオード即ちＳＬＥＤを備える。全ての適用可能な実施形態において、ＳＬＥＤデバイスは、本発明が示す方法及び構成に従い、レーザダイオードデバイスと置き換え可能であり、またはレーザダイオードデバイスと組み合わせ可能である。ＳＬＥＤは、多くの点で端面発光レーザダイオードに類似するが、デバイスの発光ファセットは、非常に低い反射率を有するように構成される。ＳＬＥＤは、電流を注入すると光学的に活性になり、広範囲の波長にわたって増幅された自然放出光（ＡＳＥ）と利得を発生するという電気的励起接合に基づいているので、レーザダイオードに似ている。光出力がＡＳＥによって支配されるようになると、光出力対電流（ＬＩ）特性に急変が生じ、光出力の単位量は、注入電流の単位量当たりで劇的に大きくなる。このようなＬＩ曲線の急変は、レーザダイオードの閾値に似ているが、かなり緩やかである。ＳＬＥＤは、横方向に導波される光学モードが形成され得るように、より低い光学屈折率の材料で上下にクラッドされた１つまたは複数の発光層を有するように構成された層構造を有してもよい。また、ＳＬＥＤは、横方向の光閉じ込めを提供するような特徴を有するように作成してもよい。これらの横方向閉じ込めの構成は、エッチングされたリッジからなっていてもよく、空気、真空、金属、または誘電体材料がリッジを取り囲み、低光屈折率クラッドを提供する。また、横方向閉じ込めの構成は、注入された電流がデバイス内の有限領域に閉じ込められるように、電気コンタクトを成形することによって得るようにしてもよい。このような「利得導波」構造において、注入されたキャリア密度を有する発光層の光学屈折率における分散により、光学モードの横方向の閉じ込めを得るために必要な光学屈折率コントラストが得られる。
ＳＬＥＤは、導波路に沿って発生する自然放出光に対して高い単光路利得または増幅を有するように構成されている。また、ＳＬＥＤデバイスは、好ましくは１ｃｍ－１未満となるような低内部損失を有するように構成されるが、ＳＬＥＤは、これよりも高い内部損失で動作することができる。理想的な場合において、発光ファセットの反射率は零であるが、実際の用途では、零の反射率を達成することは困難であり、発光ファセットの反射率は、１％未満、０．１％未満、０．００１％未満、または０．０００１％未満となるように設定される。発光ファセットの反射率を減少させると、デバイスキャビティ内へのフィードバックが減少し、それによって、デバイスがレーザ発振を開始する注入電流密度が増加する。非常に低い反射率の発光ファセットは、反射防止コーティングの追加の組み合わせ、及びファセットの表面法線と導波モードの伝搬方向とが実質的に非平行になるように、ＳＬＥＤキャビティに対して発光ファセットを角度付けることによって達成され得る。一般に、これは、１～２度を超える偏向を意味する。実際には、理想的な角度は、使用する反射防止コーティングにある程度依存し、最適な性能を得るためには、傾斜角度を、反射率対角度の関係において、零の周辺で注意深く設定しなければならない。導波モードの伝搬方向に対するファセットの傾斜は、導波モードの伝搬方向に対して任意の方向に行うことができるが、ファセット形成の方法に応じ、いくつかの方向が製造する上で容易になる場合がある。エッチングによるファセットは、ファセット角度決定の上で最も柔軟性がある。これに代わる、キャビティ内の建設的干渉を低減するための角度付き出力を達成するための非常に一般的な方法は、半導体チップ内の所定の結晶面上に形成される劈開ファセットに対する導波路の湾曲及び角度付けの少なくとも一方であろう。この構成では、光の伝搬角度が、劈開ファセットに対する低反射率のために設定される特定の角度でオフノーマルとなる。
ＳＬＥＤから発せられるスペクトルは、いくつかの点でレーザとは異なる。ＳＬＥＤデバイスは、横方向の導波モードにおいて光学利得を生成するが、発光ファセットにおいて低減された光学フィードバックにより、より広くかつより連続的な発光スペクトルが得られる。例えば、ファブリペロー（ＦＰ）レーザでは、導波路の端部における光の反射により、キャビティの長さに依存する建設的干渉をもたらす光の反射の増大が生じうる光の波長が制限される。従って、ＦＰレーザのスペクトルはくし形であり、縦モードに対応したピークと谷とを有し、キャビティによって保持される利得媒質と横モードとによって定義される包絡線を有する。更に、レーザにおいて、発光ファセットからのフィードバックにより、横モードの１つが有限の電流密度で閾値に確実に到達することになる。これが起こると、縦モードのサブセットがスペクトルを支配する。ＳＬＥＤでは、光フィードバックが抑制され、これにより利得スペクトルのくし形のピークから谷までの高さが減少し、また、閾値がより高い電流密度に押し出される。次いで、ＳＬＥＤは、比較的広く（５ｎｍを上回る）インコヒーレントなスペクトルによって特徴付けられ、これは、分光法、眼の安全性、及びスペックルの低減に関して利点を有する。一例として、「スペックル」と呼ばれる周知の歪みパターンは、面上または観察平面内での一組の波面の相互干渉によって生成される強度パターンの結果である。スペックルの程度を定量化するために通常使用される一般的な方程式は、スペクトル幅に反比例する。
また、レーザダイオードまたはＳＬＥＤリッジに関し、または利得導波型デバイスの場合には、電気的に注入される領域を均一な幅としないことも可能である。こうすることの目的は、一端または両端で幅を拡大した導波路またはキャビティを生成することである。これは、均一な幅のリッジまたは注入領域に対して２つの主たる利点を有する。第１に、導波路は、得られたキャビティが単一の横モードを維持することだけを可能とする一方、均一な幅の導波路を有するデバイスで達成可能な面積よりも、デバイスの全面積を著しく大きくすることが可能となるように成形することができる。これにより、単一横モードを有するデバイスで達成可能な光パワーが増加する。第２に、これにより、ファセットにおける光学モードの断面積を、均一な幅の導波路を有する単一モードデバイスよりも著しく大きくすることが可能となる。そのような構成により、ファセットにおけるデバイスの光パワー密度が低減され、その結果、高パワーでの動作がファセットへの光学的ダメージをもたらす可能性が減少する。単一横モードデバイスは、分光法または可視光通信において幾つかの利点を有し得るものであり、この場合、単一の横モードは、均一な幅の広いリッジを有する多重横モードデバイスと比較して、スペクトル幅に大幅な減少が生じる。これにより、スペクトルは、重なりがより少なくなり、フィルタ検出器を用いて多重分離するのがより容易になるため、中心波長の差がより小さな、より多くのレーザデバイスを、同じＶＬＣエミッタに設けることが可能になる。必要に応じ、マルチモード及びシングルモードレーザのいずれも、同じピーク波長のスペクトルを有するＬＥＤと比較して、著しく狭いスペクトルを有しうる。
一実施形態において、ＬＤまたはＳＬＥＤデバイスは、不均一な幅を有するリッジによって特徴付けられる。このリッジは、均一な幅の第１の部分と、幅が変化する第２の部分とから構成される。第１の部分は、１００μｍと５００μｍとの間の長さを有するが、これより長くてもよい。第１の部分は、１μｍと２．５μｍとの間の幅を有しており、１μｍと１．５μｍとの間の幅を有するのが好ましい。リッジの第２の部分は、第１の端部及び第２の端部を有する。第１の端部は、リッジの第１の部分に接続し、リッジの第１の部分と同じ幅を有する。リッジの第２の部分の第２の端部は、リッジの第１の部分よりも幅が広く、５μｍと５０μｍとの間の幅を有しており、１５μｍと３５μｍとの間の幅を有するのがより好ましい。リッジ導波路の第２の部分は、その第１の端部と第２の端部との間で幅が滑らかに変化する。いくつかの実施形態では、リッジ幅対長さの二次導関数は零であって、リッジのテーパが直線状となっている。いくつかの実施形態では、二次導関数が、正または負となるように選択される。一般に、幅の増加率は、リッジの幅が光学モードよりも著しく速く拡大しないように選択される。具体的な一実施形態では、導波路のテーパ部分の一部のみで電気的に注入がなされるように、電気的に注入される領域がパターン化される。
一実施形態において、異なる波長で発光する複数のレーザダイは、互いに近接して、好ましくは互いに１ｍｍ以内、より好ましくは互いに約２００μｍ以内、最も好ましくは互いに約５０μｍ以内で、同じキャリアウェハに転写される。レーザダイの波長は、それらのスペクトルの半値幅の少なくとも２倍だけ波長が分離されるように選択される。例えば、４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び４６０ｎｍの波長でそれぞれ発光する３つのダイは、ダイによって発せられるレーザ光の中心間の全横方向分離が２００μｍ未満となるように、５０μｍ未満の幅のダイと５０μｍ未満の幅のダイとの間に間隔を設けて単一のキャリアチップに転写される。レーザダイの近接によって、それらの発光を、同じ光学トレインもしくは光ファイバ導波路内に容易に結合させることができ、または遠方に投射して重なり合ったスポットにすることが可能となる。ある意味で、このようなレーザは単一のレーザ光源として効果的に動作させることができる。
このような構成は、例えば、個々のレーザ光源をそれぞれ独立して制御し、ＤＣオフセットに重畳されたＲＦ信号の周波数及び位相変調を用いて情報を伝えることができるという利点がある。各信号のＤＣオフセットを調整することにより、異なる光源からの光の時間平均比率を調整するようにしてもよい。受光器側では、個々のレーザ源からの信号が、白色光スペクトルの蛍光体由来成分だけでなく、レーザ源の１つ以外の全てからのポンプ光の両方をフィルタで除去する個々の光検出器上のノッチフィルタを使用することによって、多重分離されることになる。このような構成は、ＬＥＤベースの可視光通信（ＶＬＣ）光源に比べ、帯域幅がレーザエミッタの数に応じて容易に帯域幅を拡大縮小できるという利点を提供することになる。もちろん、同様の利点を有する同様の実施形態を、ＳＬＥＤエミッタから構成してもよい。
以上のようなレーザダイオードチップの製造後は、レーザダイオードをサブマウンドに取り付けることができる。いくつかの例において、サブマウントは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢｅＯ、ダイヤモンド、または金属、セラミック、もしくは複合材料などといったその他の材料から構成される。サブマウントは、ＣＰｏＳの蛍光体部材も取り付けられる共通の支持部材とすることができる。或いは、サブマウントは、蛍光体材料が取り付けられる共通支持部材に取り付けられるように意図された中間サブマウントであってもよい。サブマウント部材は、幅、長さ、及び厚さによって特徴付けることができる。サブマウントが蛍光体及びレーザダイオードチップの共通支持部材である例において、このサブマウントは、約０．５ｍｍ～約５ｍｍまたは約１５ｍｍまでの範囲の幅及び長さ、並びに約１５０μｍ～約２ｍｍの範囲の厚さを有していてもよい。サブマウントが、レーザダイオードチップと共通支持部材との間の中間サブマウントである例では、このサブマウントが、約０．５ｍｍ～約５ｍｍの範囲の幅及び長さ、並びに約５０μｍ～約５００μｍの範囲の厚さを有することを特徴としてもよい。レーザダイオードは、ボンディングプロセス、はんだ付けプロセス、接着プロセス、またはこれらの組み合わせを用いてサブマウントに取り付けられる。一実施形態において、サブマウントは、電気的に絶縁性を有し、上部に堆積された金属ボンディングパッドを有する。レーザチップは、それらの金属ボンディングパッドのうちの少なくとも１つに取り付けられる。レーザチップは、ｐ側を下にして、またはｐ側を上にして取り付けることができる。レーザチップをボンディングした後、チップからサブマウントへのワイヤボンドがなされることにより、最終的なチップオンサブマウント（ＣｏＳ）が完成し、集積化の準備が整う。
本発明に係るガリウム及び窒素含有基板上に形成された一般的なレーザダイオードをベースとするＣｏＳを示す概略図が図３に示されている。このＣｏＳは、レーザダイオードチップ３０２と最終実装面との間の中間部材として機能するように構成されたサブマウント部材３０１から構成される。サブマウントは、Ａｕなどの堆積金属層で形成してもよい電極３０３，３０５を備える。一例において、これら電極にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが使用される。ワイヤボンド３０４は、レーザダイオードからのレーザビーム出力３０６を生成するために、サブマウント上の電極３０３，３０５からの電力をレーザダイオードチップに供給するように構成される。電極３０３，３０５は、レーザドライバ、電流源、または電圧源といった外部電源への電気的接続のために構成される。ワイヤボンド３０４は、レーザダイオードデバイスに電力を供給し、レーザを活性化するために、電極上に形成することができる。
別の実施形態において、ガリウム及び窒素含有レーザダイオードの製造には、エピタキシャル成長したガリウム及び窒素層をリフトオフし、これらエピタキシャル層を、レーザ製造後にサブマウントを設けることが可能なキャリアウェハに転写するために準備するエピタキシャル分離工程を含む。転写工程では、レーザダイオードデバイス内へのエピタキシャル層の後続の加工を可能にするために、キャリアウェハ上にエピタキシャル層を正確に配置することが必要となる。キャリアウェハへの取り付けプロセスは、金属－金属、半導体－半導体、ガラス－ガラス、誘電体－誘電体、またはこれらの組み合わせからなる接合界面を用いたウェハボンディング工程を含んでいてもよい。
このＣＰｏＳ白色光源の更に別の好ましい変形例では、ガリウム及び窒素含有エピタキシャル材料をリフトオフし、それを共通支持部材に転写するプロセスを使用して、ガリウム及び窒素含有レーザエピタキシャル材料をサブマウント部材に取り付けることができる。この実施形態では、ガリウム及び窒素含有基板上でエピタキシャル成長したガリウム及び窒素エピタキシャル材料が、このガリウム及び窒素含有基板から分離される。一例として、エピタキシャル材料は、光電気化学（ＰＥＣ）エッチング技術を用いて分離することができる。次に、このエピタキシャル材料は、接合界面が形成されるウェハボンディングのような技術を用いてサブマウント材料に転写される。例えば、接合界面は、Ａｕ－Ａｕ接合で構成することができる。サブマウント材料は、ＳｉＣのような高い熱伝導性を有するのが好ましく、エピタキシャル材料は、その後に加工処理されて、キャビティ部材、前面及び背面ファセット、及び電流注入用の電気コンタクトを有したレーザダイオードを形成する。レーザダイオードの製造が完了した後、蛍光体材料がサブマウント上に導入されて、一体型白色光源が形成される。蛍光体材料は、サブマウントと蛍光体材料との間に配置された中間材料を有していてもよい。この中間材料は、銅などの熱伝導性材料から構成されてもよい。蛍光体材料は、ＡｕＳｎはんだなどのはんだを使用する一般的なダイ取り付け技術を使用してサブマウントに取り付けることができるが、ＳＡＣ３０５などのＳＡＣはんだ、鉛含有はんだ、またはインジウムといった別の技術であってもよいし、それ以外のものであってもよい。これに代わる実施形態では、焼結Ａｇペーストまたはフィルムを、接触面における取り付けプロセスに使用することができる。焼結Ａｇの取り付け材料は、標準的な処理装置及びサイクル温度を使用して供給または堆積させることが可能であり、より高い熱伝導率及び改善された電気伝導率という付加的な利益を伴う。例えば、ＡｕＳｎは、約５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約１６μΩｃｍの電気伝導率を有するが、常圧焼結Ａｇは、約１２５Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約４μΩｃｍの電気伝導率を有することができ、または加圧焼結Ａｇは、約２５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約２．５μΩｃｍの電気伝導率を有することができる。ペーストから焼結形態への溶融温度の極端な変化（２６０℃～９００℃）により、プロセスは下流プロセスへの熱負荷制限を回避でき、完成したデバイスが非常に良好で不変の接合状態を全体にわたって得ることが可能となる。最低の熱インピーダンスを得るための接合の最適化は、蛍光体からの熱放散のための鍵となる要素であり、これは蛍光体劣化及び蛍光体材料の熱消光を防止する上で重要である。リフトオフされ、転写されたガリウム及び窒素含有材料を有する本実施形態を使用する利点は、コストの低減、レーザ性能の改善、及び本技術を使用した一体化についての柔軟性の高さである。
本発明の一実施形態に係る、加工処理されたレーザダイオードの断面の一例を図４に示す。この例では、エッチングされてリッジ導波路８０４を形成するｎ型ガリウム及び窒素コンタクト層８０２とｎ型クラッド層８０３との上部にｎ型コンタクト８０１が形成される。ｎ型クラッド層８０３は、ｎ側導波路層、即ち分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層８０５の上に重ねられ、このｎ側ＳＣＨは、量子井戸などの発光層を含む活性領域８０６の上に重ねられる。活性領域は、選択的に設けられるｐ側ＳＣＨ層８０７及び電子ブロック層（ＥＢＬ）８０８の上に重ねられる。この選択的に設けられるｐ側ＳＣＨ層は、ｐ型クラッド層８０９及びｐ型コンタクト層８１０の上に重ねられる。ｐ型コンタクト層８１０の下には、キャリアウェハ８１２に転写されたガリウム及び窒素含有エピタキシャル層を取り付けるために使用されるｐ型コンタクト及びボンディング金属を含む金属積層体８１１が重ねられる。
レーザダイオードが、キャリアウェハに転写されたガリウム及び窒素含有層内で完全に加工処理されると、キャリアウェハを裁断する必要がある。キャリアウェハを裁断するために幾つかの技術を使用することができ、最適な加工処理方法は、キャリアウェハの材料選択に依存することになる。一例として、非常に容易に劈開するＳｉ、ＩｎＰ、またはＧａＡｓのキャリアウェハの場合、劈開処理を使用することが可能であり、この場合、一般的なダイヤモンドスクライブ技術を使用するスクライブ及びブレーキ処理が最も適していることがある。劈開がより困難になる、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、サファイアなどの比較的硬い材料の場合、レーザスクライブ及びブレーキ技術が最も適していることがある。別の実施形態において、鋸引き処理が、キャリアウェハを別個のレーザチップに裁断するための最も適した方法となる場合がある。鋸引き処理では、ダイヤモンドのような硬い切断面を有して急速回転するブレードが使用され、ブレードを冷却し、潤滑するために水を噴霧することと併せて使用されるのが一般的である。ウェハを一般に裁断するために使用される鋸引きツールの例には、Ｄｉｓｃｏ（登録商標）製鋸、及びＡｃｃｒｅｔｅｃｈ（登録商標）製鋸が含まれる。
レーザチップと実装面との間のサブマウントとして適したＡｌＮ、ＢｅＯ、ダイヤモンド、またはＳｉＣのようなキャリアウェハ材料を選択することによって、キャリアウェハ上の裁断されたレーザチップは、それ自体、チップオンサブマウント（ＣｏＳ）となる。このウェハレベルパッケージングの特徴が、本発明の、リフトオフされ、転写されたガリウム及び窒素含有エピタキシャル層の実施形態の強力な利点となる。サブマウントは、ＣＰｏＳの蛍光体部材も取り付けられる共通の支持部材とすることができる。これに代え、サブマウントは、蛍光体材料が取り付けられる共通支持部材に取り付けられるように意図された中間サブマウントとすることもできる。サブマウント部材は、幅、長さ、及び厚さによって特徴付けられる。サブマウントが蛍光体及びレーザダイオードの共通支持部材となる一例において、サブマウントは、約０．５ｍｍ～約３ｍｍまたは約５ｍｍの範囲の長さ、約０．３ｍｍ～約１ｍｍ、または約１ｍｍ～３ｍｍの範囲の幅、及び約２００μｍ～約１ｍｍの範囲の厚さを有することができる。サブマウントが、レーザダイオードと共通支持部材との間の中間サブマウントとなる一例において、サブマウントは、約０．５ｍｍ～約２ｍｍの範囲の長さ、約１５０μｍ～約１ｍｍの範囲の幅、及び約５０μｍ～約５００μｍの範囲の厚さを特徴としてもよい。
本発明に係る、リフトオフ及び転写されたエピタキシャルガリウム及び窒素含有層に基づくＣｏＳを示す概略図を図５に示す。このＣｏＳは、転写されたエピタキシャル材料を有するキャリアウェハから構成されたサブマウント材料９０１に、エピタキシャル材料内に形成されたレーザダイオード９０２を有して構成される。電極９０３，９０４は、レーザダイオードデバイスのｎ側及びｐ側に電気的に接続され、外部電源からレーザダイオードに電力を伝送することにより、レーザダイオードからレーザビーム出力９０５を生成するように構成される。これら電極は、レーザドライバ、電流源、または電圧源などの外部電源への電気的接続のために構成される。電極上には、レーザダイオードデバイスに電力を供給するためのワイヤボンドを形成することができる。転写されたエピタキシャル材料を有したこの集積ＣｏＳデバイスは、低い熱インピーダンスにより、サイズ、コスト、及び性能などの点で従来の構成を上回る利点を提供する。
原材料のガリウム及び窒素含有基板から転写されたガリウム及び窒素含有エピタキシャル層に形成されたレーザダイオードに関する本実施形態の更なる製法及びデバイスの説明は、米国特許出願第１４／３１２４２７号及び米国特許公開第２０１５／０１４０７１０号に記載されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。一例として、このＧａＮ転写の技術は、より低コスト、より高性能で、より容易に製造可能なプロセスフローを可能にする。
いくつかの実施形態において、キャリアウェハは、一体型ＣＰｏＳ白色光源のための理想的なサブマウント材料を提供するように選択することができる。即ち、レーザダイオードのサブマウントとなるキャリアウェハは、レーザダイオード及び蛍光体の共通支持部材としての役割も果たし、超小型の一体型ＣＰｏＳ白色光源が可能となる。一例において、キャリアウェハは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成される。ＳｉＣは、その高い熱伝導率、低い電気伝導率、高い硬度及び堅牢性、並びに広い利用可能性により、理想的な候補である。別の例では、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、またはそれ以外の材料を、キャリアウェハとして使用し、その結果として得られるＣＰｏＳ用のサブマウントとして使用することができる。一例において、レーザチップは、蛍光体に向けられる前方レーザファセットの前方に領域が存在するように裁断される。その後、蛍光体材料が、キャリアウェハに接合され、本実施形態に係るレーザ励起のための構成がなされる。
サブマウント部材上にレーザダイオードを製造した後、本発明の実施形態では、一体型白色光源の製造工程が、レーザダイオード及び共通支持部材と蛍光体との一体化に進むことになる。蛍光体の選択は、レーザベースの一体型白色光源内で考慮すべき重要事項である。蛍光体は、レーザ励起スポットによって誘起される極端な光強度とそれに伴う加熱に対し、重大な劣化を生じることなく耐えることができなければならない。蛍光体の選択に関して考慮すべき重要な特性には、以下のものが含まれる。
・光励起電力の白色光ルーメンへの高い変換効率。黄色蛍光体を励起する青色レーザダイオードの例では、光ワットあたり１５０ルーメン以上、または光ワットあたり２００ルーメン以上、または光ワットあたり３００ルーメン以上の変換効率が望まれる。
・１ｍｍ、５００μｍ、２００μｍ、１００μｍ、または５０μｍの直径からなるスポットにおける１～２０Ｗのレーザ出力に耐えることができる高い光損傷閾値。
・１５０℃を超える温度、２００℃を超える温度、または３００℃を超える温度に変質することなく耐えることができる高い熱損傷閾値。
・１５０℃、２００℃、または２５０℃を超える温度に達しても蛍光体が効率を維持するような低い熱消光特性。
・熱を放散し、温度を調節するための高い熱伝導率であって、３Ｗ／ｍ－Ｋ以上、５Ｗ／ｍ－Ｋ以上、１０Ｗ／ｍ－Ｋ以上、更に１５Ｗ／ｍ－Ｋ以上の熱伝導率が望ましい。
・用途に適した蛍光体発光色。
・熱伝導率または光学効率の許容できない減少を生じることなく、コヒーレント励起の所望の散乱をもたらす適切な気孔率特性。
・用途に適した形状因子。このような形状因子には、ブロック、プレート、ディスク、球、シリンダ、ロッド、またはこれに類似する幾何学的要素が含まれるが、これらに限定されない。蛍光体が透過モードで動作するか反射モードで動作するか、及び蛍光体中の励起光の吸収長に応じて、適切な選択がなされることになる。
・用途に最適化された表面条件。一例において、蛍光体表面は、光抽出の改善のために意図的に粗くすることができる。
好ましい実施形態において、４２０ｎｍ～４８０ｎｍの波長範囲で動作する青色レーザダイオードは、レーザダイオードの青色発光と混合されると白色光が生成されるように、５６０ｎｍ～５８０ｎｍの波長範囲の黄色発光を生じる蛍光体材料と組み合わされることがある。例えば、黒体軌跡上の白色点に合致するためには、組み合わされるスペクトルのエネルギーが、青色レーザ発光からの約３０％と、黄色蛍光体発光からの約７０％とから構成されてもよい。別の実施形態では、赤色、緑色、黄色、更には青色の発光を有する蛍光体を、紫色、紫外線、または青色の波長範囲のレーザダイオード励起源と組み合わせて使用し、混色により白色光を生成することができる。このような白色光システムは、２つ以上の蛍光体部材を使用するために、より複雑になり得るが、演色性の改善などの利点を達成することができる。
一例において、レーザダイオードから発せられた光は、蛍光体素子によって部分的に変換される。一例において、蛍光体素子内で生成され発せられた部分的に変換された光は、外観が白色となるような色点が得られる。一例において、白色光の色点は、プランク黒体軌跡上に位置する。一例において、白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０１０未満のｄｕ'ｖ'内に位置する。一例において、白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０３未満のｄｕ'ｖ'内に位置するのが好ましい。
蛍光物質材料は、透過モード、反射モード、もしくは透過モードと反射モードとの組み合わせ、またはそれ以外のモードで作動させることができる。蛍光体材料は、変換効率、熱損傷に対する耐性、光学的損傷に対する耐性、熱消光特性、散乱励起光に対する多孔性、及び熱伝導性によって特徴付けられる。好ましい実施形態において、蛍光体材料は、光ワット当たり１００ルーメンを超え、光ワット当たり２００ルーメンを超え、または光ワット当たり３００ルーメンを超える変換効率を有した、Ｃｅでドープされた黄色発光ＹＡＧ材料から構成され、多結晶セラミック材料または単結晶材料とすることができる。
本発明のいくつかの実施形態において、蛍光体の周囲の構成は、コストをほとんどまたは全く追加せずに、高効率が得られるように独立して調整することができる。レーザダイオード励起に関する蛍光体の最適化には、高い透明度、散乱または非散乱特性、及びセラミック蛍光体プレートの使用を含めることができる。低下した温度感度は、ドーピングレベルによって決定することができる。セラミック蛍光体の裏面には反射体を付加することが可能であり、損失を低減することができる。蛍光体は、インカップリングの増加、アウトカップリングの増加、及び後方反射の減少の少なくとも１つを達成するように成形することができる。表面の粗面化は、固体材料からの光の抽出を増加させるための周知の手法である。コーティング、ミラー、またはフィルタを蛍光体に付加して、非一次発光面から出る光の量を減らし、一次発光面を介したより効率的な光の出射を促進し、レーザ励起光のより効率的なインカップリングを促進することができる。当然、更なる変形、改変、及び代替があり得る。
いくつかの実施形態では、特定のタイプの蛍光体が、レーザ励起源を伴った、このような高度の技術を要する用途に最も適している。一例として、Ｃｅ３＋イオンでドープされたセラミックイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、またはＹＡＧ系蛍光体を理想的な候補とすることができる。それらは、適切な発光色を達成するためにＣｅなどの種でドープされ、励起光源の光を散乱させる気孔率特性を備えることが多く、レーザ励起におけるコヒーレンスを良好に分解する。その立方晶結晶構造の結果として、ＹＡＧ：Ｃｅは多結晶バルク材料となると共に高透明度単結晶として形成することができる。透明度及びルミネセンスの程度は、化学量論的組成、ドーパントの含有量、並びに全ての加工処理及び焼結の手順に依存する。透明度及び散乱中心の程度は、青色光及び黄色光の均一な混合に対して最適化することができる。ＹＡＧ：Ｃｅは、緑色光を発するように構成することができる。いくつかの実施形態において、ＹＡＧは、赤色光を発するためにＥｕでドープすることができる。
本発明による好ましい実施形態において、白色光源は、光励起ワット当たり１００ルーメンを超える、光励起ワット当たり２００ルーメンを超える、または光励起ワット当たり３００ルーメンを超える光変換効率を備えたセラミック多結晶ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体で構成される。加えて、このセラミックＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、１５０℃を超える、２００℃を超える、または２５０℃を超える温度消光特性と５Ｗ／ｍ－Ｋ～１０Ｗ／ｍ－Ｋの高い熱伝導率とによって特徴付けられ、ヒートシンク部材に熱を効果的に放散させ、蛍光体を作動可能な温度に保つ。
本発明による別の好ましい実施形態において、白色光源は、ＹＡＧ：Ｃｅなどの単結晶蛍光体（ＳＣＰ）で構成される。一例として、Ｃｅ：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２ＳＣＰは、チョクラルスキ技法によって成長させることができる。本発明に係る本実施形態において、ＹＡＧ：Ｃｅに基づくＳＣＰは、光励起ワット当たり１００ルーメンを超える、光励起ワット当たり２００ルーメンを超える、または光励起ワット当たり３００ルーメンを超える光変換効率を特徴とする。更に、単結晶ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、１５０℃以上、２００℃以上、または３００℃以上の温度消光特性と、８Ｗ／ｍ－Ｋ～２０Ｗ／ｍ－Ｋの高い熱伝導率とを特徴とし、ヒートシンク部材に熱を効果的に放散させ、蛍光体を作動可能な温度に保つ。高い熱伝導率、高い熱消光閾値、及び高い変換効率に加え、レーザで励起されたときに理想的な「点」光源として機能し得る微小な形態に蛍光体を形成可能であることは魅力的な特徴である。
いくつかの実施形態において、ＹＡＧ：Ｃｅは、黄色光を発するように構成することができる。これに代わる、または同じ実施形態において、ＹＡＧ：Ｃｅは、緑色光を発するように構成することができる。更にこれに代わる、または同じ実施形態において、ＹＡＧをＥｕでドープすることで赤色光を発するようにすることができる。いくつかの実施形態では、ＬｕＡＧが発光のために構成される。これに代わる実施形態では、窒化ケイ素またはアルミニウムオキシ窒化物を、赤色、緑色、黄色、または青色光のための結晶ホスト材料として使用することができる。
別の実施形態では、黄色蛍光体または緑色蛍光体などの粉末単結晶またはセラミック蛍光体が含まれる。粉末蛍光体は、透過モード動作のための透明部材上に、または反射モード動作のために、蛍光体の裏面上に反射層を有する固体部材上、もしくは蛍光体と固体部材との間に分配することができる。蛍光体粉末は、バインダ材料を使用して一体構造として一緒に保持するようにしてもよく、バインダ材料は、高い光学損傷閾値及び好ましい熱伝導率を有する無機材料であるのが好ましい。粉末蛍光体は、着色蛍光体から構成されてもよく、青色レーザビームによって励起され、この青色レーザビームと組み合わされるか、または紫色レーザビームによって励起されると、白色光を発するように構成してもよい。粉末蛍光体は、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ、またはそれ以外のタイプの蛍光体から構成されてもよい。
本発明の一実施形態において、蛍光体材料は、イットリウムアルミニウムガーネットホスト材料及び希土類ドーピング元素などを含む。一例において、波長変換素子は、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｓｍ、及びこれらの組み合わせから選択される希土類ドーピング元素を含む蛍光体である。一例として、蛍光体材料は、高密度蛍光体成分である。一例において、この高密度蛍光体成分は、純粋なホスト結晶の９０％を超える密度を有する。セリウム（ＩＩＩ）ドープＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ３＋、またはＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）を使用すると、蛍光体が青色レーザダイオードからの光を吸収し、緑色から赤色まで広範囲で発光し、出力の大部分は黄色になる。残りの青色光と組み合わされた黄色光によって「白色」光が得られ、この光は、暖色系（黄色がかった）または寒色系（青がかった）の白色となる色温度に調節することができる。Ｃｅ３＋：ＹＡＧの黄色発光は、セリウムをテルビウム及びガドリニウムなど、他の希土類元素で置換することによって調整することが可能であり、ＹＡＧ中のアルミニウムの一部または全部をガリウムで置換することによってさらに調整することができる。
別の例では、様々な蛍光体を本発明に適用することが可能であって、この蛍光体には、有機染料、共役ポリマ、ＡｌＩｎＧａＰもしくはＩｎＧａＮなどの半導体、Ｃｅ３＋でドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）である（Ｙ１－ａＧｄａ）３（Ａｌ１－ｂＧａｂ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＳ：Ｅｕ３＋、テルビウムアルミニウム系ガーネット（ＴＡＧ）（Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ５）、またはＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、もしくはＣｄＴｅを含むコロイド量子ドット薄膜が含まれるが、これらに限定されない。
更に別の例では、いくつかの希土類ドープＳｉＡｌＯＮを蛍光体として用いることができる。ヨーロピウム（ＩＩ）ドープβ－ＳｉＡｌＯＮは、紫外線及び可視光帯域において光を吸収し、極めて強い広帯域可視光を発する。その輝度と色は、温度安定な結晶構造のため、温度によって大きく変化しない。別の例として、緑色及び黄色のＳｉＡｌＯＮ蛍光体と赤色のＣａＡｌＳｉＮ３系（ＣＡＳＮ）蛍光体を使用してもよい。
更に別の例において、白色光源は、近紫外発光レーザダイオードを、高効率のユーロピウム系の赤色発光蛍光体と青色発光蛍光体との混合物に加え、銅及びアルミニウムをドープした緑色発光する硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）と組み合わせることによって構成することができる。
一例において、蛍光体または蛍光体混合体は、（Ｙ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｓｃ，Ｌｕ，Ｌａ）３（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋と、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＳ：Ｅｕ２＋と、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、またはＣｄＴｅを含むコロイド量子ドット薄膜とからなる群の中から選択することができる。例えば、蛍光体は、実質的に赤色光を発光可能とすることができ、この場合、（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ）２Ｏ３：Ｅｕ３＋，Ｂｉ３＋、（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ）２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋，Ｂｉ３＋、（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ）ＶＯ４：Ｅｕ３＋，Ｂｉ３＋、Ｙ２（Ｏ，Ｓ）３：Ｅｕ３＋、Ｃａ１－ｘＭｏ１－ｙＳｉｙＯ４（但し、０．０５＜ｘ＜０．５，０＜ｙ＜０．１）、（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ）５Ｅｕ（Ｗ，Ｍｏ）Ｏ４、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ２＋、ＳｒＹ２Ｓ４：Ｅｕ２＋、ＣａＬａ２Ｓ４：Ｃｅ３＋、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ２＋、３．５ＭｇＯ×０．５ＭｇＦ２×ＧｅＯ２：Ｍｎ４＋（ＭＦＧ）、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）ＭｇｘＰ２Ｏ７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋、（Ｙ，Ｌｕ）２ＷＯ６：Ｅｕ３＋，Ｍｏ６＋、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）３ＭｇｘＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋（但し、１＜ｘ＜２）、（ＲＥ１－ｙＣｅｙ）Ｍｇ２－ｘＬｉｘＳｉ３－ｘＰｘＯ１２（但し、ＲＥは、Ｓｃ、Ｌｕ、Ｇｄ、Ｙ、及びＴｂの少なくとも１つであり、０．０００１＜ｘ＜０．１、０．００１＜ｙ＜０．１である）、（Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｌａ）２－ｘＥｕｘＷ１－ｙＭｏｙＯ６（但し、０．５＜ｘ＜１．０、０．０１＜ｙ＜１．０）、（ＳｒＣａ）１－ｘＥｕｘＳｉ５Ｎ８（但し、０．０１＜ｘ＜０．３）、ＳｒＺｎＯ２：Ｓｍ＋３、ＭｍＯｎＸ（但し、Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、ランタニド、アルカリ土類金属、及びこれらの混合物であり、Ｘはハロゲンであり、１＜ｍ＜３、１＜ｎ＜４であって、ランタニドドーピングレベルは、０．１％～４０％スペクトル重量の範囲とすることができる）、Ｅｕ３＋活性化リン酸塩蛍光体またはホウ酸塩蛍光体、及びこれらの混合物からなる群の中から選択される。他の蛍光体種及び関連技術の更なる詳細は、２０１５年２月１７日に発行された、ラリング（Ｒａｒｉｎｇ）らを名義とする、名称「無極性または半極性ガリウム含有材料及び蛍光体を使用する白色光デバイス」の米国特許第８９５６８９４号に見出すことが可能であり、その詳細は共有され、参照により本明細書に組み込まれる。
本発明のいくつかの実施形態において、セラミック蛍光体材料は、シリコンなどのバインダ材料内に埋め込まれる。この構成は、バインダ材料がしばしば熱伝導性に乏しいため、熱くなり、急速に劣化して、燃焼することさえあるので、一般的にあまり好ましいものではない。このような「埋め込まれた」蛍光体は、スピニングホイールが蛍光体を冷却し、蛍光体の周囲に放射状に励起スポットを広げるカラーホイールのような動的蛍光体の用途においてしばしば使用される。
蛍光体からの十分な熱放散は、レーザダイオード励起に基づく一体型白色光源のための重要な設計上の考慮事項である。具体的には、光学的にポンピングされる蛍光体システムは、損失の発生源を蛍光体中に有し、この損失は、結果として熱エネルギーとなるため、最適な性能を得るためにヒートシンクに放散する必要がある。２つの主な損失の源はストークス損失であり、これは、より高いエネルギーの光子をより低いエネルギーの光子に変換することにより、エネルギーの差がシステムの損失として生じ、熱という形で放散されることによるものである。加えて、再放射に成功した吸収光子の割合を示す量子効率または量子収量は、非変換光子に関連した別の内部吸収プロセスから生じる熱の存在により一様ではない。励起波長と変換後の波長によっては、ストークス損失が、１０％を超え、２０％を超え、及び３０％を超える可能性があり、入射光パワーの損失を増大させ、消散しなければならない熱パワーが生じる。量子損失は、これに加えて、１０％、２０％を超え、また３０％を超える入射光パワーをもたらし、結果として、消散されなければならない熱パワーが生じる。１ｍｍ未満、５００μｍ未満、または更に１００μｍ未満の直径のスポットサイズに集束された１Ｗ～１００Ｗの範囲のレーザビームパワーでは、１Ｗ／ｍｍ２、１００Ｗ／ｍｍ２、または更に２５００Ｗ／ｍｍ２を超えるパワー密度を生成することができる。例えば、スペクトルが青色励起光の３０％及び変換黄色光の７０％からなり、ストークス損失及び量子損失に関する最良のケースの状況を仮定すると、蛍光体における１０％の全損失に対する熱の形態での放散パワー密度を、０．１Ｗ／ｍｍ２、１０Ｗ／ｍｍ２、または２５０Ｗ／ｍｍ２を超えるものと算出することができる。従って、このような最良のケースの状況の例であっても、放散すべき熱は、膨大な量となる。高強度レーザ励起下で蛍光体内に発生するこの熱は、蛍光体変換性能、色品質、寿命を制限する可能性がある。
最適な蛍光体性能及び寿命のためには、蛍光体材料自体が高い熱伝導率を有する必要があるだけでなく、高い熱伝導率の接合部材を用いてサブマウントまたは共通支持部材に蛍光体を取り付け、蛍光体から熱を取り出してヒートシンクに伝達する必要がある。本発明において、蛍光体は、ＣＰｏＳにおけるレーザダイオードと同様に共通支持部材に取り付けられるか、または後で共通支持部材に取り付けられる中間サブマウント部材に取り付けられる。共通支持部材または中間サブマウント部材の候補となる材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ダイヤモンド、銅、銅タングステン、サファイア、アルミニウム、またはそれ以外の材料である。蛍光体をサブマウント部材または共通支持部材に接合する接合材は、慎重に考慮されなければならない。接合材料は、はんだ（またはそれ以外のもの）などの高熱伝導率材料から構成され、熱移動を妨げる可能性がある空隙などの欠陥が実質的にないものでなければならない。いくつかの実施形態では、接着材料を使用して蛍光体を固定することができる。蛍光体結合材は、当該接合材の蛍光体側及び支持部材側の両方に平坦な面を有した実質的に大きな面積を有するのが理想的である。
本発明において、レーザダイオード出力ビームは、蛍光体材料に入射されて、当該蛍光体を励起するように構成されなければならない。いくつかの実施形態として、蛍光体に直接レーザビームを入射してもよく、別の実施形態として、レーザビームは、蛍光体に入射する前に、光学素子、反射器、導波路、またはビームを操作するためのそれ以外の物体と相互作用するようにしてもよい。このような光学部材の例としては、ボールレンズ、非球面コリメータ、非球面レンズ、高速軸コリメータまたは低速軸コリメータ、ダイクロイックミラー、回転ミラー、光アイソレータが挙げられるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態において、本装置は、典型的には、レーザデバイスから蛍光物質材料へのレーザビームの放射を透過させる非導波レーザビーム特性を有した自由空間を備える。レーザビームのスペクトル幅、波長、サイズ、形状、強度、及び偏光は、蛍光体材料を励起するように構成される。レーザビームは、蛍光体からの正確な距離に位置決めすることによって、レーザダイオードのビーム発散特性を利用し、所望のスポットサイズが得られるように構成することができる。一実施形態において、レーザダイオードから蛍光体への入射角は、蛍光体上に所望のビーム形状が得られるように最適化される。例えば、レーザーアパーチャの非対称性及びレーザビームの高速軸及び低速軸上の異なる発散角に起因して、蛍光体に直角となるように構成されたレーザビームから生成された蛍光体上のスポットは、一般的に、高速軸の直径が低速軸の直径よりも大きい楕円形となることになる。これを補償するために、蛍光体に対するレーザビーム入射角を最適化して、低速軸方向にレーザビームを拡張し、レーザビームが蛍光体上でより円形になるようにすることができる。別の実施形態では、コリメートレンズのような自由空間光学素子を用いて、蛍光体への入射前にレーザビームを整形することができる。レーザビームは、５０％を超え１００％未満の偏光純度によって特徴付けることができる。本明細書で使用する場合、用語「偏光純度」は、発せられた電磁放射の５０％を超えるものが、横方向電気（ＴＥ）偏光状態または横方向磁気（ＴＭ）偏光状態などと実質的に同様の偏光状態にあることを意味するが、それ以外では通常の意味と一致する意味を有しうるものである。
また、白色光源装置は、レーザビームを生成して蛍光体材料を励起するために、レーザダイオードデバイスに入力電力を供給するように構成された電気的入力インタフェースを有する。一例として、蛍光体に入射するレーザビームは、０．１Ｗ未満、０．１Ｗより大、０．５Ｗより大、１Ｗより大、５Ｗより大、１０Ｗより大、または２０Ｗより大のパワーを有する。白色光源は、１ルーメン、１０ルーメン、１００ルーメン、１０００ルーメン、１００００ルーメンまたはこれ以上の白色光出力を生成するように構成される。
支持部材は、少なくとも１つのレーザダイオードデバイス及び蛍光体材料からヒートシンクに熱エネルギーを移動するように構成される。支持部材は、レーザデバイスからヒートシンクまでの熱伝達経路を特徴付けるものとして、放散電力のワット当たりで、１０℃未満、５℃未満、または３℃未満の熱インピーダンスを提供するように構成される。支持部材は、約４００Ｗ／（ｍ－Ｋ）の熱伝導率を有する銅、約２００Ｗ／（ｍ－Ｋ）の熱伝導率を有するアルミニウム、約３７０Ｗ／（ｍ－Ｋ）の熱伝導率を有する４Ｈ－ＳｉＣ、約４９０Ｗ／（ｍ－Ｋ）の熱伝導率を有する６Ｈ－ＳｉＣ、約２３０Ｗ／（ｍ－Ｋ）の熱伝導率を有するＡｌＮ、約１０００Ｗ／（ｍ－Ｋ）を上回る熱伝導率を有する合成ダイヤモンド、サファイア、またはそれ以外の金属、セラミック、または半導体から構成される。支持部材は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、または合成ダイヤモンドなどの成長プロセスから形成され、次いで機械加工、切削、トリミング、または型成形によって機械的に成形されてもよい。或いは、銅、銅タングステン、アルミニウム、またはそれ以外などの金属から、機械加工、切削、トリミング、または型成形によって支持部材を形成してもよい。
現在、半導体照明は、青色または紫色発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用して、より広いスペクトルの光を放射する蛍光体を励起するシステムが主流を占めている。いわゆるポンプＬＥＤと蛍光体との組み合わせスペクトルは、制御可能な色点と良好な演色指数を有する白色光スペクトルを生じるように最適化することができる。最先端のＬＥＤに対する最大電力変換効率（ピークウォールプラグ効率）は、７０％を超えてかなり高くなっており、ＬＥＤベースの白色電球は、現在、発光効率に関して主要な照明技術となっている。レーザ光源として、特に、ガリウム及び窒素含有材料をベースとする、新規な製造プロセスで製造される高出力青色レーザダイオードは、従来のＬＥＤと比較して、量子効率、パワー密度、変調速度、表面輝度に関する多くの有利な機能を示してきた。これにより、可視光を用いて高帯域幅で情報を伝送する手段として、半導体光源に基づく照明器具、照明システム、ディスプレイ、プロジェクタなどを使用する機会がもたらされる。また、変調レーザ信号または直接的なレーザ光スポット操作を利用して、周囲環境を測定し、または周囲環境と相互作用し、他の電子システムにデータを伝送し、種々のセンサからの入力に動的に応答することができる。このような応用は、本明細書において「スマート照明」アプリケーションと称する。
いくつかの実施形態において、本発明は、可視光通信システムなどの通信システムにおけるガリウム及び窒素含有レーザダイオードの新規な使用及び構成を提供する。より具体的には、本発明は、フィードバックループまたは制御回路を用いて、１つまたは複数のセンサに組み合わされ、１つまたは複数の所定の応答及びスマート照明と可視光通信との組み合わせで反応するように光源をトリガするガリウム及び窒素ベースのレーザ光源を備えたスマート照明アプリケーションに関連する通信システムを提供する。このようなシステムにおいて、光は、１つまたは複数のレーザドライバによって電力供給されるレーザデバイスを使用して生成される。いくつかの実施形態では、別個のレーザデバイスが使用され、赤色、緑色及び青色のスペクトルを合成して白色光スペクトルとするための光学素子が設けられる。別の実施形態では、青色または紫色のレーザ光が、レーザ源によって供給され、白色光スペクトルが生成されるように、波長変換素子によってより広いスペクトルのより長い波長の光に部分的または完全に変換される。
青色または紫色のレーザデバイスは、波長変換素子に光を照射し、この波長変換素子が、ポンプ光の一部を吸収し、より広いスペクトルのより長い波長の光を再放射する。波長変換素子によって吸収される光は「ポンプ」光と称する。光エンジンは、波長変換素子からの光と変換されていないポンプ光との両方の一部が、この光エンジンから放射されるように構成される。変換されない青色ポンプ光と、波長変換素子によって放射される、より長い波長の光とが組み合わされると、白色光スペクトルが形成されるようにしてもよい。一例として、波長変換素子が生成して発する部分的に変換された放射光は、外観上は白くなる色点を生じる。一例として、白色光の色点は、プランク黒体軌跡上に位置する。一例として、白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０１０未満となるｄｕ'ｖ'の範囲内に位置する。一例として、白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０３未満となるｄｕ'ｖ'の範囲内に位置するのが好ましい。
一例において、波長変換素子は、ガーネットホスト材料及びドーピング成分を含む蛍光体である。一例において、波長変換素子は、蛍光体であり、イットリウムアルミニウムガーネットホスト材料及び希土類ドーピング成分、並びにそれ以外の材料を含む。一例において、波長変換素子は、希土類ドーピング成分を含有する蛍光体であり、Ｎｄ、Ｃｒ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｔｍ Ｃｒ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｔｂ、及びＣｅのうちの１種以上から選択され、またはこれらの組み合わせ等からなる。一例として、波長変換素子は、希土類ドーピングの有無にかかわらず、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｉ、Ａｌのうちの１つまたは複数を含有する酸窒化物を含有した蛍光体である。一例において、波長変換素子は、Ｍ２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋（但し、Ｍは、Ｂａ２＋、Ｓｒ２＋及びＣａ２＋のうちの１つまたは複数）のようなアルカリ土類シリケートを含む蛍光体である。一例において、波長変換素子は、Ｓｒ２ＬａＡｌＯ５：Ｃｅ３＋、Ｓｒ３ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋またはＭｎ４＋ドープフッ化物蛍光体を含む蛍光体である。一例として、波長変換素子は高密度蛍光体素子である。一例において、波長変換素子は、９０％を超える密度の純粋なホスト結晶を有する高密度蛍光体素子である。一例として、波長変換材料は粉末である。一例として、波長変換材料は、ガラス、セラミック、またはポリマーマトリックス中に懸濁または埋め込まれた粉末である。一例として、波長変換材料は単結晶部材である。一例において、波長変換材料は、完全に密な材料の７５％を超える密度に焼結された粉末である。一例として、波長変換材料は、様々な組成及び様々な屈折率の少なくとも一方を有する粉末の焼結混合物である。一例として、波長変換素子は、ガラス状マトリックスまたはポリマーマトリックス中に懸濁された１種以上の蛍光体の粉末または顆粒である。一例として、波長変換素子は半導体である。一例として、波長変換素子は、半導体材料の量子ドットを備える。一例として、波長変換素子は、半導体の粉末または顆粒によって構成される。
レーザダイオードの場合、蛍光体はレーザダイから離れていてもよく、これにより、蛍光体の熱を十分に除くことが可能になり、高い入力パワー密度が可能になる。これは、一般的に蛍光体がＬＥＤダイに接しているＬＥＤと比較して有利な構成である。蛍光体を離間したＬＥＤも存在するが、ＬＥＤの面積が大きく、発光角度が広いため、ＬＥＤ用の遠隔配置された蛍光体は、ＬＥＤ光の全てを効率的に吸収して変換するために、かなり大きな体積の蛍光体を必要とし、その結果、発光領域が大きく、輝度が低い白色発光体となってしまうという欠点がある。
ＬＥＤの場合、蛍光体から発せられた光が、ＬＥＤダイに戻り、そこでは、蛍光体からの光が吸収によって失われる可能性がある。レーザダイオードモジュールの場合、蛍光体の周辺環境は独立して調整することが可能であり、コストをほとんどまたは全く追加せずに、高効率を達成することができる。レーザダイオードモジュールのための蛍光体の最適化には、高透明、非散乱の、セラミック蛍光体プレートを含めることができる。低下した温度感度は、ドーピングレベルによって決定することができる。セラミック蛍光体の裏面に反射体を付加することが可能であり、損失を低減することができる。この蛍光体は、インカップリングを増加させ、バック反射を減少させるように成形することができる。当然ながら、更なる変形、改変、及び代替があってもよい。
レーザダイオードの場合、蛍光体または波長変換素子は、透過モードまたは反射モードのいずれかで動作させることができる。透過モードでは、レーザ光が波長変換素子を通して現れる。透過モードデバイスからの白色光スペクトルは、蛍光体に吸収されないレーザ光と、波長変換素子が放射するスペクトルとの組み合わせとなる。反射モードでは、レーザ光が波長変換素子の第１の面に入射する。レーザ光の一部は、鏡面反射と拡散反射の組み合わせによって、第１の面から反射される。レーザ光の一部は蛍光体に入り、吸収されて、より長い波長の光に変換される。反射モードデバイスによって放射される白色光スペクトルは、波長変換素子からのスペクトル、波長変換素子の第１の面から拡散反射されるレーザ光の一部、及び波長変換素子の内部から放散されるなんらかのレーザ光によって構成される。
具体的な実施形態において、レーザ光は、反射モードで波長変換素子に照射される。即ち、レーザ光は、波長変換素子の同じ面に入射して集光される。波長変換素子は、エミッタパッケージに熱を逃がして、積極的に冷却するようにしてもよい。粗い面は散乱用であり、滑らかな面は鏡面反射用となる。単結晶蛍光体などのようないくつかの場合には、波長変換素子のＡＲコーティングの有無にかかわらず、粗い面が設けられ、励起光の大部分を変換及びランベルト発光のために蛍光体に取り込む一方、励起光の一部を、放出される変換光と同様のランベルトパターンで、この粗面から散乱させる。内部に散乱中心を内蔵したセラミック蛍光体が波長変換素子として用いられるような他の実施形態では、滑らかな面が設けられ、全てのレーザ励起光を蛍光体に入射させて、青色光及び波長変換された光が同様のランベルトパターンで出射することを可能にする。
具体的な実施形態において、レーザ光は、透過モードで波長変換素子に照射される。即ち、レーザ光は、波長変換素子の片側に入射し、蛍光体を横切って、波長変換素子に一部が吸収され、蛍光体の反対側から集められる。
波長変換素子は、一般に、それ自体に散乱素子を設けることができる。レーザ光が波長変換素子に吸収されると、素子からのより長い波長の光は、広い範囲の方向にわたって放射される。透過モード及び反射モードの両方において、集光光学素子上のどの点から見ても、得られる白色光スペクトルが実質的に同じであることを確実にするために、入射レーザ光は、同様の角度分布に散乱されなければならない。レーザ光を十分に散乱させるために波長変換素子に散乱素子を添加してもよい。このような散乱素子は、空孔のような低屈折率介在物、例えば、異なる屈折率のマトリックス内に蛍光体の粒子を懸濁させるか、または異なる組成及び屈折率の粒子を一緒に焼結することによってもたらすことができるような、波長変換素子の光学屈折率における空間的変動、波長変換素子の第１または第２の面のテクスチャリングなどを含んでもよい。
具体的な実施形態において、レーザまたはＳＬＥＤドライバモジュールが提供される。例えば、レーザドライバモジュールは、駆動電流を生成し、この駆動電流は、画像のデジタル符号化されたフレーム、オーディオ及びビデオ記録のデジタルまたはアナログ符号化信号、または２進値の任意の数列などといった、１つまたは複数の信号を送信するようにレーザダイオードを駆動するのに適合したものとされる。具体的な実施形態において、レーザドライバモジュールは、約５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ、または１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの変調周波数の範囲でパルス変調された光信号を生成するように構成される。もう１つの実施形態において、レーザドライバモジュールは、約５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ、または１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの変調周波数の範囲で、複数の独立したパルス変調光信号を生成するように構成される。一実施形態において、レーザドライバ信号は、アナログ電圧信号またはアナログ電流信号によって変調することができる。
図６Ａは、本発明の一実施形態に係る、青色ポンプレーザと波長変換素子とを備えるレーザベース白色光源の機能ブロック図である。いくつかの実施形態において、この白色光源は、ＶＬＣまたはスマート照明アプリケーションの「光エンジン」として使用される。図６Ａを参照すると、３９０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心点波長を有するスペクトルを放射する青色または紫色のレーザデバイス１２０２が設けられる。青色のレーザデバイス１２０２からの光は、波長変換素子１２０３に入射し、当該波長変換素子１２０３が、この青色光の一部または全部を、白色光スペクトルが生成されるように、より広い波長の光のより広範なスペクトルに変換する。レーザデバイス１２０２に電力を供給するレーザドライバ１２０１が設けられる。いくつかの実施形態として、白色光スペクトルを整形または集束するために、１つまたは複数のビーム整形光学素子１２０４を設けてもよい。必要に応じ、１つまたは複数のビーム整形光学素子１２０４は、低速軸コリメートレンズ、高速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、全反射（ＴＩＲ）光学素子、放物面レンズ光学素子、屈折光学素子、またはこれらの組合せから選択されたものとすることができる。別の実施形態において、１つまたは複数のビーム整形光学素子１２０４は、波長変換素子１２０３にレーザ光が入射する手前に配置することができる。
図６Ｂは、本発明のもう１つの実施形態に係る、複数の青色ポンプレーザと波長変換素子とを備えるレーザベース白色光源の機能ブロック図である。図６Ｂを参照すると、レーザドライバ１２０５が設けられ、このレーザドライバ１２０５は、制御された量の電流を十分に高い電圧で供給し、レーザデバイス１２０６，１２０７，１２０８を動作させる。３つの青色レーザデバイス１２０６，１２０７，１２０８は、それぞれが発した光を、透過モードまたは反射モードのいずれかで波長変換素子１２０９に入射させるように構成される。波長変換素子１２０９は、青色レーザ光の一部または全てを吸収し、より長い波長の光子を放射する。波長変換素子１２０９によって放出されたスペクトル及び一部が吸収されなかった場合の残存するレーザ光は、レンズまたはミラーなどのビーム整形光学素子１２１０によって集められ、このビーム整形光学素子１２１０は、光を好ましいビーム形状で好ましい方向に向ける。必要に応じ、波長変換素子１２０９は、蛍光体系材料とする。必要に応じ、２つ以上の波長変換素子を使用することができる。必要に応じ、ビーム整形光学素子は、低速軸コリメートレンズ、高速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、全反射（ＴＩＲ）光学素子、放物線レンズ光学素子、屈折光学素子、及びこれ以外の素子の群から選択された１つまたは複数の組み合わせとすることができる。必要に応じ、ビーム整形光学素子は、レーザ光が波長変換素子に入射する手前に設けられる。
本実施形態において、光エンジンは、特定の数のレーザデバイスに限定されるものではないと理解すべきである。図６Ｂは、複数の青色レーザダイオードまたは紫色レーザダイオード、例えば、第１の青色レーザダイオード１２０６、第２の青色レーザダイオード１２０７、及び第３の青色レーザダイオード１２０８を備える、ＶＬＣまたはスマート照明アプリケーションのためのレーザダイオードベースの光エンジンの一例に関する機能図を示す。３つの全てからの光は、波長変換素子１２０９に入射し、この波長変換素子１２０９は、白色光スペクトルが生成されるように、青色光の一部または全部を、より広いスペクトルのより長い波長の光に変換する。いくつかの実施形態において、レーザ光エンジンは、２個、４個、５個、６個、またはそれ以上の青色または紫色レーザダイオードを備えていてもよい。一例として、光エンジンは、３８０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心波長を有する光を発する２つ以上のレーザまたはＳＬＥＤの「ポンプ」光源を備え、個々のポンプ光源の中心波長は少なくとも５ｎｍだけ離れている。レーザ光源のスペクトル幅は、２ｎｍ未満であるのが好ましいが、中心波長の離間値の７５％までの幅が許容できることもある。レーザドライバ１２０５は、レーザデバイスを駆動するために設けられ、１つまたは複数のレーザデバイスを個別に制御対象として選定可能であり、残りのレーザデバイスとは独立して電力を供給できるように構成される。いくつかの実施形態では、白色光スペクトルを整形または集束するために、１つまたは複数のビーム整形光学素子１２１０が設けられる。
図６Ｃは、本発明の更にもう１つの実施形態に係る、青色ポンプレーザと、波長変換素子と、赤色レーザデバイスと、緑色レーザデバイスとを備えた、レーザダイオードベース白色光源の機能ブロック図である。図６Ｃを参照すると、レーザドライバ１２１１が設けられ、このレーザドライバ１２１１は、制御された量の電流を十分に高い電圧で供給し、レーザデバイス１２１２，１２１３，１２１４を動作させる。青色レーザデバイス１２１２は、透過モードまたは反射モードのいずれかで波長変換素子１２１５に入射するように生成された光を放射するために設けられる。波長変換素子１２１５は、青色レーザデバイス１２１２から発せられた青色レーザ光の一部または全部を吸収し、より長い波長の光子を放射する。必要に応じ、波長変換素子１２１５は、青色光の一部または全部を、白色光スペクトルが生成されるように、より広いスペクトルのより長い波長光に変換する。更に、赤色発光レーザデバイス１２１３と緑色発光レーザデバイス１２１４とが別個に設けられる。このような構成では、赤色レーザ光及び緑色レーザ光は、波長変換素子１２１５に入射されないが、赤色レーザ光及び緑色レーザ光を変換することなく、赤色レーザ光及び緑色レーザ光を波長変換素子に入射させることも可能である。波長変換素子１２１５が発するスペクトル、及び緑色及び赤色レーザデバイスから発せられて残存するレーザ光は、レンズまたはミラーなどのビーム整形光学素子１２１６によって集められ、ビーム整形光学素子１２１６が、光を好ましい方向に向け及び好ましいビーム形状とする。
具体的な一実施形態において、光エンジンは、３８０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心波長の光を発する２つ以上のレーザまたはＳＬＥＤの「ポンプ」光源からなり、個々のポンプ光源の中心波長は、少なくとも５ｎｍだけ離れている。レーザ光源のスペクトル幅は、２ｎｍ未満であるのが好ましいが、中心波長の離間値の７５％までの幅が許容できることもある。レーザデバイスに電力を供給するレーザドライバ１２１１が設けられ、このレーザドライバ１２１１は、レーザデバイスを個別に制御対象として選定可能であり、残りのレーザデバイスとは独立して電力を供給できるように構成される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のビーム整形光学素子１２１６が、波長変換素子１２１５からの白色光スペクトルを整形または集束するために設けられる。また、ビーム整形光学素子１２１６は、赤色レーザ光及び緑色レーザ光を白色光スペクトルと合成するように構成してもよい。いくつかの実施形態において、赤色レーザ光及び緑色レーザ光のそれぞれも、波長変換素子１２１５に入射し、波長変換された青色光と空間的に重なる。波長変換素子１２１５の材料は、非変換（赤色または緑色）のレーザ光が、波長変換された青色光と同様の放射パターンで散乱される一方で、吸収による損失が最小になるように選択される。
もう１つの具体的な実施形態において、本発明は、一般的な照明用途及び表示用途のための白色光源として、また可視光通信のためのエミッタとして機能することができる、波長変換素子を備えた光エンジンを提供する。エミッタは、３つ以上のレーザまたはＳＬＥＤ光源からなる。少なくとも１つの光源が、３８０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、青色光源として作用する。少なくとも１つの光源は、４８０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、緑色光源として作用する。少なくとも１つの光源は、６００ｎｍ～６７０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、赤色光源として作用する。各光源は、個別に制御対象として選定可能であることによって、互いに独立して動作可能であり、独立した通信チャンネルとして動作可能となっており、また赤、緑、もしくは青の波長範囲の複数のエミッタの場合には、各波長範囲の複数の光源を集合的に制御対象として選定することができるが、各波長範囲の複数の光源は、他の波長範囲の光源とは独立して制御対象として選定することが可能である。青色の波長範囲で発光する光源の１つまたは複数の光は、波長変換素子に照射され、この波長変換素子がポンプ光の一部を吸収し、より広いスペクトルのより長い波長の光を放射する。光エンジンは、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が光エンジンから発せられるように構成される。本実施形態は、赤色光、緑色光、及び青色光の組み合わせを複数可能として、色を調整可能な光源として機能する。また、高ＣＲＩ白色光源として、波長変換素子を介して広い白色光スペクトルをもたらし、広い白色光スペクトル上に赤色帯域及び緑色帯域を重ね合わせて、色点を動的に変動させることができる。
必要に応じ、変換されないレーザ光のレーザデバイスは、赤色光及び緑色光に対応するスペクトルを有さなくてもよい。例えば、変換されないレーザ光のレーザデバイスは、８００ｎｍと２μｍと間の波長の赤外線を放射するようにしてもよい。例えば、このようなデバイスは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いてＩｎＰ基板上に形成することも、ＩｎＡｌＧａＡｓＰを用いてＧａＡｓ基板上に形成することもできる。更に、このようなレーザデバイスは、本発明によるエピタキシャル転写技術を用いて、可視青色ＧａＮレーザダイオード源と同じキャリアウェハ上に形成してもよい。このようなデバイスは、赤外線デバイスが光エンジンの発光効率を増すことなく、通信のための不可視帯域を提供するので、通信に有利となることもある。これにより、より広範囲の条件下でデータ転送を継続することが可能になる。例えば、可視光エミッタのみを使用するＶＬＣ対応ライトエンジンは、例えば、特に映画館、プレゼンテーション中の会議室、独特に照明されたレストランまたはバー、もしくは夜間のベッドルームで見られることがあるように、光源が実質的にオフにされたときに、データを効果的に送信することができないことがある。もう１つの例として、変換を受けないレーザデバイスが、３９０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心波長を有する青色光または紫色光に対応するスペクトルを発するようにしてもよい。もう１つの実施形態において、変換されない青色レーザまたは紫色レーザは、波長変換素子に入射せず、ビーム整形及び合成用の光学系において白色光スペクトルと合成するようにしてもよい。
更にもう１つの実施形態において、本発明は、一般的な照明用途だけではなく、表示用の白色光源として、また可視光通信のためのエミッタとしても機能することができる光エンジンを提供する。エミッタは、３８０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心波長の光を発して青色光源として作動する少なくとも１つまたは複数のレーザまたはＳＬＥＤ「ポンプ」光源からなる。また、光エンジンは、７００ｎｍより長い不可視波長で発光する１つまたは複数のレーザまたはＳＬＥＤ光源を備える。青色の波長範囲で発光する光源の１つまたは複数は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子がポンプ光の一部を吸収し、より広いスペクトルのより長い波長の光を放射する。光エンジンは、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が光エンジンから発せられるように構成される。各ポンプ光源は、個々に制御対象として選定可能であることにより、互いに独立して操作され、独立した通信チャンネルとして作用することが可能である。波長変換素子は、これまでに述べたものと同じである。また、非可視光源も、個別に制御対象として選定可能であり、人間の目には見えない波長でデータを伝送するために使用することができる。一例として、非可視レーザまたはＳＬＥＤは、１．３μｍと１．５５μｍとの間といった代表的な電気通信波長で発光することができる。もう１つの例として、非可視レーザまたはＳＬＥＤは、８００ｎｍと２μｍとの間の中心波長を有するスペクトルを発するようにしてもよい。
図６Ｄは、本発明の更にもう１つの実施形態に係る、青色、緑色、及び赤色のレーザデバイスを備え、波長変換素子を備えないレーザベース白色光源の機能ブロック図である。図６Ｄを参照すると、レーザドライバ１２１７が設けられ、このレーザドライバ１２１７は、制御された量の電流を十分に高い電圧で供給して、レーザダイオード１２１８，１２１９，１２２０を動作させる。必要に応じ、青色レーザデバイス１２１８、赤色レーザデバイス１２１９、及び緑色レーザデバイス１２２０が設けられる。３つのレーザデバイスの各々によって発せられたレーザ光は、レンズまたはミラーなどのビーム整形光学素子１２２１によって集光され、このビーム整形光学素子１２２１は、好ましい方向に光を向け、好ましいビーム形状とする。
本実施形態では、青色レーザデバイス１２１８、赤色レーザデバイス１２１９、及び緑色レーザデバイス１２２０が設けられ、３つの独立して制御可能なカラー「チャンネル」のための基礎を形成する。レーザデバイスに電力を供給するレーザドライバ１２１７が設けられ、３つのレーザデバイスが個別に制御対象として選定可能であり、残りのレーザデバイスとは独立して電力を供給できるように構成される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のビーム整形光学素子１２２１が、波長変換素子からの白色光スペクトルを整形または集束するために設けられる。また、ビーム整形光学素子１２２１は、赤色、緑色、及び青色のレーザ光を、同様の発散及び伝搬方向を有した単一ビームに合成するように構成してもよい。必要に応じ、それぞれの色の複数のレーザダイオードを使用するようにしてもよい。
カラーチャンネルのいずれかに複数のレーザを有する実施形態では、複数のレーザが、集合的に、または独立して電力供給されるようにしてもよく、または、複数のデバイスの一部が集合的に電力供給される一方、他部がレーザドライバによって個別に制御対象として選定可能であるように構成してもよい。一例において、レーザ光エンジンは、赤色、緑色及び青色のレーザダイオードによってそれぞれもたらされる赤色、緑色及び青色のカラーチャンネルを備える。青色チャンネルは、例えば、４２０ｎｍ、４５０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び４８０ｎｍの中心波長を有する４つの青色レーザダイオードによって構成される。４２０ｎｍ及び４８０ｎｍのデバイスは、レーザドライバによって個別に制御対象として選定可能であるが、４５０ｎｍの２つのデバイスは、ドライバによって集合的に制御対象として選定可能となっているため、互いに独立して異なる電力レベルで動作させることができなくなっている。このような構成により、個々に制御可能な「サブチャンネル」が得られ、これはいくつかの理由で有利である。第１に、波長が変化するレーザの相対強度を調節して、所望の色点を有するスペクトルを生成することができ、その結果、光エンジンの色域は、単一の赤色、緑色、及び青色の光源で達成可能な色域よりも大きくなる。第２に、異なる波長の光が、人体の健康及び機能に影響を及ぼすことが判明しており、用途の一例では、夜間の短波長光への暴露による自然な概日リズムへの干渉を制限するように、青色レーザ源を１日を通して個別に制御することによって、短波長青色光対長波長青色光の比を調整するようにしてもよい。
一実施形態によれば、本発明は、波長変換素子を有さない光エンジンを提供し、この光エンジンは、一般的な照明用途だけではなく、表示用の白色光源として、また、可視光通信のためのエミッタとして機能することができる。エミッタは、３つ以上のレーザまたはＳＬＥＤの光源からなる。少なくとも１つの光源が、４２０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、青色光源として作動する。少なくとも１つの光源は、４８０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、緑色光源として作動する。少なくとも１つの光源は、６００ｎｍ～６７０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、赤色光源として作動する。また、光エンジンは、７００ｎｍより長い不可視波長で発光する１つまたは複数のレーザまたはＳＬＥＤの光源も備える。各光源は、個別に制御対象として選定可能であることによって、互いに独立して動作し、独立した通信チャンネルとして動作することが可能であり、或いは赤、緑、または青の波長範囲で複数のエミッタを用いる場合、それぞれの波長範囲の複数の光源を集合的に制御対象として選定することができるが、それぞれの波長範囲の複数の光源は、他の波長範囲の光源とは独立して制御対象として選定可能である。また、不可視光源も、赤、緑、及び青の波長範囲の光源から独立して、グループとして個別に制御対象として選定可能であり、人間の目には見えない波長でデータを伝送するために使用することができる。一例において、非可視レーザまたはＳＬＥＤは、１．３μｍと１．５５μｍとの間といった代表的な電気通信波長で光を発するようにしてもよい。もう１つの例として、非可視レーザまたはＳＬＥＤは、８００ｎｍと１．３μｍとの間の中心波長を有するスペクトルを発するようにしてもよい。本実施形態は、赤色光、緑色光、及び青色光の複数の組み合わせを可能とするだけでなく、非可視波長でのデータ伝送を可能として、色を調整可能な光源として機能する。
一実施形態によれば、本発明は、波長変換素子を有さない光エンジンを提供し、この光エンジンは、一般的な照明用途のためだけではなく、表示用の白色光源として、また、可視光通信のためのエミッタとして機能することができる。エミッタは、３つ以上のレーザまたはＳＬＥＤ光源からなる。少なくとも１つの光源が、４２０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、青色光源として作動する。少なくとも１つの光源は、４８０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、緑色光源として作動する。少なくとも１つの光源は、６００ｎｍ～６７０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを発し、赤色光源として作動する。各光源は、個別に制御対象として選定可能であることにより、互いに独立して動作し、独立した通信チャンネルとして動作することが可能であり、或いは赤、緑、または青の波長範囲で複数のエミッタを用いる場合、それぞれの波長範囲の複数の光源を集合的に制御対象として選定することができるが、それぞれの波長範囲の複数の光源は、他の波長範囲の光源とは独立して制御対象として選定可能である。本実施形態は、色を調整可能な光源として機能し、１つまたは複数のレーザデバイスを使用してデータ伝送を可能とする赤色、緑色、及び青色光の複数の組み合わせを可能にする。幾つかの好ましい実施形態として、レーザ光源のコヒーレンス及びコリメーションを減少させるために散光素子を使用してもよい。
いくつかの実施形態において、光エンジンは、波長変換素子の第１の表面に入射する複数の青色または紫色のポンプレーザを備える。複数の青色または紫色のポンプレーザは、各ポンプレーザが波長変換素子の第１の表面の異なる領域を照射するように構成される。具体的な一実施形態では、ポンプレーザによって照射される領域が重複しない。具体的な一実施形態では、ポンプレーザによって照射される領域が部分的に重複している。具体的な一実施形態では、ポンプレーザの一部は、波長変換素子の第１の表面の完全に重複した領域を照らす一方、それ以外の１つまたは複数のポンプレーザは、波長変換素子の第１の表面の重複しない領域及び部分的に重複した領域のいずれかを照らすように構成される。このような構成は、ポンプレーザを互いに独立に駆動することによって、結果として得られる光源のサイズ及び形状を動的に修正可能となるので、適切な光学素子を介して投射された白色光の結果として生じるスポットが、移動機構を必要とせずに、異なるサイズ及び形状を有するように動的に形成できるので、有利である。
これに代わる一実施形態において、レーザまたはＳＬＥＤポンプ光源及び波長変換素子は、密封されたパッケージ内に収容され、白色光スペクトルがパッケージから放射されることを可能にするために、パッケージには開口が設けられる。具体的な一実施形態では、開口が、透明材料によって覆われるか、または封止されるが、いくつかの実施形態として、開口が封止されなくてもよい。一例において、パッケージは、ポンプ光及びダウンコンバートされた光の全部または一部を透過する窓を有したＴＯキャニスタである。
図７Ａは、本発明の一実施形態に係る、透過モードで動作し、ＴＯキャニスタ型パッケージ内に収容されるレーザベース白色光源の概略図である。図７Ａを参照すると、ＴＯキャニスタパッケージは、ベース部材１００１と、成形された台座部材１００５と、ピン１００２とを備える。ベース部材１００１は、銅、銅タングステン、アルミニウム、または鋼などの金属で構成することができる。ピン１００２は、ベース部材に接地されるか、またはベース部材から電気的に絶縁され、レーザデバイスに電気的に接続する手段となる。台座部材１００５は、当該台座部材からベース部材１００１に熱を伝達するように構成され、ベース部材１００１では、その後、熱がヒートシンクに伝達される。キャップ部材１００６には、気密封止された窓１００７が設けられている。キャップ部材１００６自体もベース部材１００１に対して気密に封止され、ＴＯキャニスタパッケージ内にレーザベースの白色光源を封入する。
レーザデバイス１００３は、その発光ファセットが波長変換素子１００４に向くように、ＣＰｏＳパッケージ内で台座部材１００５に取り付けられるようにして設けられる。台座部材への取り付けは、ＡｕＳｎはんだ、ＳＡＣ３０５などのＳＡＣはんだ、鉛含有はんだ、またはインジウムの使用などによるはんだ付けまたは接着技術を用いて行うことができるが、それ以外のものであってもよい。これに代わる一実施形態では、焼結Ａｇペーストまたは薄膜を界面における接着処理に使用することができる。焼結Ａｇ接着材料は、標準的な処理装置及び温度サイクルを用いて供給または堆積させることが可能であり、更なる利点として、より高い熱伝導率及び改善された電気伝導率とが得られる。例えば、ＡｕＳｎは、約５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約１６μΩｃｍの電気伝導率を有するが、常圧焼結Ａｇは、約１２５Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約４μΩｃｍの電気伝導率を有することができ、また加圧焼結Ａｇは、約２５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約２．５μΩｃｍの電気伝導率を有することができる。例えば２６０℃－９００℃のペーストから焼結形態へのメルト温度の極端な変化により、プロセスは下流プロセスに対する熱荷重の制限を回避することができ、完成したデバイスが全体にわたって非常に良好で一様な接合状態を得ることが可能となる。レーザダイオードのｐ電極及びｎ電極からの電気接続は、ピン１００２に接続するワイヤボンド１００８を使用して行われる。ピンは、その後、電源に電気的に接続されて、白色光源に電力を供給し、白色光発光を生成する。この構成では、白色光源がキャップをかぶせられたり、封止されたりしておらず、開放環境に曝される。
レーザデバイス１００３から出射されたレーザ光は、波長変換素子１００４を通るように照射され、完全にまたは部分的により長い波長の光に変換される。このダウンコンバートされた光、及び残りのレーザ光は、その後、波長変換素子１００４から出射される。図７Ａに示すような缶形パッケージに構成されたＣＰｏＳパッケージ白色光源は、ベース部材１００１上の白色光源の周囲に封止構造を形成するための付加的なキャップ部材１００６を備える。キャップ部材１００６は、ベース部材に、はんだ付け、ろう付け、溶接、または接着することができる。キャップ部材１００６は、出射された白色光を外部環境に向けて通過させて、用途に利用できるようにする透明な窓１００７を有する。シールの様式は、環境シールまたは密封シールとすることができ、一例として、シーリングされたパッケージは、窒素ガス、または窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスが充填される。必要に応じ、窓１００７とキャップ部材１００６とは、窓用材料に適切な接合技術の中でも、エポキシ、接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシール、及び摩擦溶着などを使用して接合される。必要に応じ、キャップ部材１００６は、ベース部材１００１のヘッダ上に圧着されるか、または、密封シールが形成されるようなキャップ材料に適した接合技術の中でも、エポキシ、接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシール、及び摩擦溶着などを使用して所定位置でシールされる。
レーザデバイスは、当該レーザデバイスが波長変換素子１００４に光を照射し、変換されていないポンプ光の少なくとも一部が波長変換素子１００４を透過し、キャップ部材１００６の窓１００７を通ってキャニスタから出るように構成される。波長変換素子によって出射されるダウンコンバートされた光も同様に、ＴＯキャニスタから窓１００７を通って出射される。
一実施形態において、ＣＰｏＳ光源パッケージは、ポンプ光及びダウンコンバートされた光の全てまたは一部を通過させる窓を備えたＴＯキャニスタであり、波長変換素子は反射モードで光を照射される。図７Ｂは、本発明のもう１つの実施形態に係る、反射モードで動作し、ＴＯキャニスタ型パッケージ内に収容されたレーザベース白色光源の概略図である。キャニスタベースは、ヘッダ１１０６と、楔状部材１１０２と、ヘッダを貫通する電気的に絶縁されたピンとからなる。レーザデバイス１１０１及び波長変換素子１１０５は、銀エポキシなどの熱伝導性接着剤を使用して、または好ましくはＡｕＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＰｂＳｎ、またはＩｎのうちの１つまたは複数から選択されるはんだ材料を使用して、それぞれ、楔形部材１１０２及び台座に取り付けられる。パッケージは、透明な窓１１０４を取り付けたキャップ１１０３で封止される。窓１１０４とキャップ１１０３とは、窓材料に適した接合技術の中でも、エポキシ、接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシール、及び摩擦溶着などを使用して接合される。キャップ１１０３は、ヘッダ１１０６に圧着されるか、または密封シールが形成されるように、キャップ材料に適した接合技術の中でも、エポキシ、接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシール、及び摩擦溶着などを使用し、所定位置で密封される。レーザデバイスは、当該レーザデバイスが波長変換素子１１０５に光を照射し、変換されていないポンプ光の少なくとも一部が波長変換素子１１０５から反射または散乱され、キャニスタからキャップの窓１１０４を通って出射するように構成される。波長変換素子１１０５によって出射されるダウンコンバートされた光も同様に、キャニスタから窓１１０４を通って出射される。
もう１つの実施形態では、一体型反射モード白色光源が、平行化された白色ビームを作成するために、図７Ｃに示されているようにレンズ部材を備えた平形パッケージ内に構成される。図７Ｃを参照すると、平形パッケージは、ベースまたはハウジング部材１３０１を有し、白色光源１３０２がベースに取り付けられており、平行化された白色ビームを生成して、ベースまたはハウジング部材の側面に設けられた窓１３０３から出射するように構成されている。ベースまたはハウジングへの取り付けは、ＡｕＳｎはんだ、ＳＡＣ３０５などのＳＡＣはんだ、鉛含有はんだ、またはインジウムなどの使用といったはんだ付けまたは接着技術を使用して行うことができるが、それ以外のものであってもよい。これに代わる一実施形態では、焼結Ａｇペーストまたは薄膜を界面における接着処理に使用することができる。焼結Ａｇ接着材料は、標準的な処理装置及び温度サイクルを使用して供給または堆積させることができ、更なる利点として、より高い熱伝導率及び改善された電気伝導率が得られる。例えば、ＡｕＳｎは、約５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約１６μΩｃｍの電気伝導率を有するが、常圧焼結Ａｇは、約１２５Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約４μΩｃｍの電気伝導率を有することができ、または加圧焼結Ａｇは、約２５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約２．５μΩｃｍの電気伝導率を有することができる。ペーストから焼結形態へのメルト温度の極端な変化（２６０℃－９００℃）により、プロセスは下流プロセスへの熱負荷制限を回避することができ、完成したデバイスが全体にわたって非常に良好で一様な接合状態を得ることが可能となる。白色光源への電気的接続は、外部ピン１３０５に電気的に接続されるフィードスルー１３０４へのワイヤボンドで行うことができる。この例において、平行反射モード白色光源１３０２は、レーザダイオード１３０６と、レーザビームを受け入れるように構成された蛍光体波長変換素子１３０７と、放射された白色光を集め、平行ビームを形成するように蛍光体の前面に構成された非球面レンズ１３０８のようなコリメートレンズとを備える。平行化されたビームは、窓１３０３に向けられ、この窓の領域は透明材料から形成される。透明材料は、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド、プラスチック、またはあらゆる適切な透明材料とすることができる。外部ピン１３０５は、電源に電気的に接続されて、白色光源に電力を供給し、白色光発光を生成する。図７Ｃに示されるように、任意の数のピンを平形パッケージに設けることができる。この例では、６つのピンがあり、一般的なレーザダイオードドライバには、アノード用とカソード用の２ピンだけが必要となる。従って、余分なピンは、温度を監視して調整を支援するフォトダイオードまたはサーミスタといった安全機能などの付加的な素子のために使用することが可能である。もちろん、図７Ｃは一例に過ぎず、白色光源を封止する１つの可能な構成の例示を意図するものである。
本発明に係る一実施形態において、透過モード統合白色光源は、平行化された白色ビームを作成するために、図７Ｄに示すように、レンズ部材を備えた平形パッケージ内に構成される。図７Ｄを参照すると、平形パッケージは、ベースまたはハウジング部材１３１１を有し、白色光源１３１２がベースに取り付けられており、平行化された白色ビームを生成して、ベースまたはハウジング部材の側面に形成された窓１３１５から出射するように構成されている。ベースまたはハウジングへの取り付けは、ＡｕＳｎはんだ、ＳＡＣ３０５などのＳＡＣはんだ、鉛含有はんだ、またはインジウムなどの使用といったはんだ付けまたは接着技術を使用して行うことができるが、それ以外のものであってもよい。これに代わる一実施形態では、焼結Ａｇペーストまたは薄膜を界面における接着処理に使用することができる。焼結Ａｇ接着材料は、標準的な処理装置及び温度サイクルを使用して供給または堆積させることができ、更なる利点として、より高い熱伝導率及び改善された電気伝導率が得られる。例えば、ＡｕＳｎは、約５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約１６μΩｃｍの電気伝導率を有するが、常圧焼結Ａｇは、約１２５Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約４μΩｃｍの電気伝導率を有することができ、または加圧焼結Ａｇは、約２５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約２．５μΩｃｍの電気伝導率を有することができる。ペーストから焼結形態へのメルト温度の極端な変化（２６０℃－９００℃）により、プロセスは下流プロセスへの熱負荷制限を回避することができ、完成したデバイスが全体にわたって非常に良好で一様な接合状態を得ることが可能となる。白色光源への電気的接続は、外部ピン１３１４に電気的に接続されるフィードスルー１３１３へのワイヤボンドで行うことができる。この例では、平行透過モード白色光源１３１２は、レーザダイオード１３１６と、レーザビームを受け入れるように構成された蛍光体波長変換素子１３１７と、発光された白色光を集めて平行ビームを形成するように蛍光体の前面に構成された非球面レンズ１３１８のようなコリメートレンズとを備える。平行化されたビームは、窓１３１５の方へ向けられ、この窓の領域は透明材料から形成される。透明材料は、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド、プラスチック、または適切なあらゆる透明材料とすることができる。外部ピン１３１４は、電源に電気的に接続されて、白色光源に電力を供給し、白色光発光を生成する。図７Ｄを参照すると、任意の数のピンを平形パッケージに設けることができる。この例では、６つのピンがあり、一般的なレーザダイオードドライバでは、アノード用とカソード用の２ピンだけが必要となる。従って、余分なピンは、温度を監視して調整を支援するフォトダイオードまたはサーミスタといった安全機能などの付加的な素子のために使用することができる。もちろん、図７Ｄは一例に過ぎず、白色光源を封止する１つの可能な構成の例示を意図するものである。
もう１つの例として、パッケージは、バタフライパッケージの形式とすることができる。バタフライパッケージは、側面、底面、及び上面のうちの１つまたは複数に設けられた窓を有することが可能であり、この窓は、ポンプ光及びダウンコンバートされた光を透過する。もう１つの例では、レーザはＳＬＥＤポンプ光源が、波長変換素子と共に共通基板上に一緒にパッケージされる。ポンプ光源または波長変換素子のいずれかを共通基板から分離する成形部材を設け、波長変換素子の表面法線に平行とはならない角度でポンプ光が波長変換素子に入射するようにしてもよい。また、このパッケージは、他の光学的、機械的、及び電気的な素子を備えることもできる。具体的な一実施において、バタフライパッケージは、１つまたは複数のレーザデバイスが発した光を平行化するためのレンズを備える。具体的な一実施形態において、バタフライパッケージは、レーザ光を指向するために、１つまたは複数の軸周りに回転可能な１つまたは複数のＭＥＭＳミラーを備える。
１つまたは複数のレーザダイオード励起源を使用して蛍光体材料の遠隔ポンピングを可能にする幾つかの構成がある。一実施形態では、１つまたは複数のレーザダイオードが、自由空間光学系構成を有する１つまたは複数の蛍光体部材に離間して組み合わされる。即ち、レーザダイオードの発光部分から蛍光体部材までの光路の少なくとも一部は、自由空間光学系構成からなる。このような自由空間光学系構成では、レーザダイオードからの光ビームは、高速軸コリメータ、低速軸コリメータ、非球面レンズ、ボールレンズ、またはそれ以外のガラスロッドなどといった素子を含むコリメートレンズなどの光学素子を使用して整形することができる。自由空間光ポンピングの別の実施形態では、ビームを整形せず、単に蛍光体に直接結合するようにしてもよい。もう１つの実施形態では、導波素子を用い、１つまたは複数のレーザダイオードからの光励起パワーを蛍光体部材に結合する。導波素子は、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＰ、酸化物などから選択される１つまたは複数の材料を含む。
もう１つの実施形態では、光ファイバが導波素子として使用され、光ファイバの一端において、１つまたは複数のレーザダイオードからの電磁放射が取り込まれて光ファイバに入射し、光ファイバの他端では、電磁放射がファイバから取り出されて出射した後、蛍光体部材に入射する。光ファイバは、シリカ、ポリマー材料、またはそれ以外といったガラス材料から構成してもよく、１００μｍ～約１００ｍまたはそれ以上の範囲の長さを有していてもよい。
別の例として、導波素子は、ガラスロッドや、光学素子のほか、シリコンフォトニクスデバイスなどの特殊用途の導波路アーキテクチャから構成されてもよい。
図８は、複数のキャビティ部材を備えたレーザデバイスを示す簡略正面図である。図８を参照すると、活性領域１４０７が基板１４０１内に配置されていることが分かる。キャビティ部材１４０２は、図示するように、ビア３０６を備える。ビアは、キャビティ部材上に設けられ、二酸化シリコンなどの誘電体層１４０３において開口している。ビアを有するキャビティ部材の頂部は、電気的接続のための電極１４０４を露出させるレーザーリッジとして見ることができる。電極１４０４はｐ型電極を含む。具体的な一実施形態では、共通のｐ型電極が、キャビティ部材及び誘電体層１４０３の上に堆積される。
キャビティ部材は、電極１４０４によって互いに電気的に接続される。各々がそのキャビティ部材を介して電気的接続を有するレーザダイオードは、共通のｎ側電極を共有する。用途に応じ、異なる構成で、ｎ側電極をキャビティ部材に電気的に結合することができる。好ましい実施形態では、共通のｎ側電極が、基板の底面に電気的に接続される。特定の実施形態では、ｎ型コンタクトが基板の上面にあり、電気的接続は、上面から下方に向けて基板内に深くエッチングした後、金属コンタクトを堆積させることによって形成される。例えば、レーザダイオードは、並列で互いに電気的に接続される。このような構成では、電流が電極に供給されたときに、全てのレーザキャビティを比較的均等にポンピングすることができる。更に、リッジ幅は、１．０μｍ～５．０μｍの範囲で比較的狭いので、キャビティ部材の中心は、リッジ（例えば、ビア）の縁部に近接することになり、その結果、電流の集中または不均一な注入が緩和される。
複数のキャビティ部材を有するレーザデバイスは、ｎ×ｗの有効リッジ幅を有し、これは、１０μｍ～５０μｍの範囲内の幅を有する従来の高出力レーザの幅に容易に近付けることができると理解されるべきである。このマルチストライプレーザの代表的な長さは、４００μｍ～２０００μｍの範囲としてもよいが、３０００μｍ程度であってもよい。図８に示すレーザデバイスは、広範囲な用途を有する。例えば、レーザデバイスを電源に接続し、０．５Ｗ～１０Ｗの電力レベルで動作させることができる。特定の用途において、電源は、特に、１０Ｗを超える電力レベルで動作するように構成される。レーザデバイスの動作電圧は、５Ｖ未満、５．５Ｖ、６Ｖ、６．５Ｖ、７Ｖ、及びそれ以外の電圧とすることができる。種々の実施形態において、変換効率（例えば、総電力光パワー変換効率）は、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上、３５％以上とすることができる。
図９は、本発明の一実施形態に係る、個々に制御対象として選定可能なレーザパッケージを示す簡略図である。レーザバーは、リッジ構造によって分離された複数の発光素子を備える。発光素子の各々は、約９０μｍ～２００μｍの幅によって特徴付けられるが、これ以外の寸法も同様に可能であることを理解されたい。発光素子の各々は、ｐ型コンタクトのワイヤボンド用のパッドを備える。例えば、発光素子を選択的にオン・オフすることができるように、電極を個々に発光素子に接続することができる。図９に示す個別に制御対象として選定可能な構成は、多くの利点を提供する。例えば、複数の発光素子を有するレーザバーが個々に制御対象として選定可能でない場合、バーが合格品となるためには多くの個別のレーザデバイスが良好である必要があり、これは、レーザバーの歩留まりが個々の発光素子の歩留まりよりも低いことを意味するので、製造中のレーザバーの歩留まりが問題となることがある。更に、単一発光素子の選定可能性を有したレーザバーを構築することにより、各発光素子を選別することが可能になる。ある実施形態では、レーザバーのデバイスを個々に制御するために、制御モジュールがレーザに電気的に接続されている。
図１０は、本発明の実施形態に係る、光学結合器を用いて構成されたレーザバーを示す簡略図である。図示するように、この図には、複数の発光素子のためのパッケージまたはエンクロージャが含まれている。各デバイスは、共通のヒートシンク上に配置された、単一のセラミックまたはセラミック上の複数のチップ上に構成される。図示するように、このパッケージは、自由空間出力のために空間的にもしくは偏光的に多重化され、またはファイバもしくはそれ以外の導波媒体内で再集束する、全てが独立した光学結合器、コリメータ、ミラーを備える。一例として、パッケージは、薄型外形を有し、多層または単層セラミックのフラットパックを備えていてもよい。この層は、銅、バタフライパッケージもしくは被覆ＣＴマウントなどの銅タングステンベース、またはＱマウントなどを含むことができる。具体的な一実施形態において、レーザデバイスは、低熱抵抗を有するＣＴＥ整合材料（例えば、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ダイヤモンド化合物）の上にはんだ付けされ、セラミック上にサブアセンブルされたチップを形成する。サブアセンブルされたチップは、その後、例えば、活性冷却（即ち、単純な冷却水路または冷却用マイクロチャネル）を含む銅のような低熱抵抗の第２の材料上に一緒に組み立てられるか、またはピンのような接続部を全て備えたパッケージの基部を直接形成する。フラットパックには、光学的インタフェースとして、窓、自由空間光学系、及び生成された光を案内するためのコネクタまたはファイバなどが装備されると共に、環境的な保護のためのカバーが装備される。
図１１は、自由空間ミラーベースのレーザコンバイナの一例を示す。個々のレーザビームは、まず、高速軸コリメート（ＦＡＣ）レンズ及び低速軸コリメート（ＳＡＣ）レンズのような自由空間光学素子を介して平行化される。次に、平行化されたレーザビームを回転ミラーに入射させ、レーザビームの方向を９０度変える。これは、配列された複数のレーザダイオードビームに対して行われ、１つの単一ビームに合成された後、ファイバのような光導波路内に結合される。
図１２Ａは、封入自由空間レーザモジュールの一例を示す。図１１の自由空間ミラーベースのレーザコンバイナを組み立てるために、ケース１８００が使用される。このレーザモジュールは、レーザダイオードのための駆動電圧を供給するための２つの給電ピン１８１０を備える。ケース１８００は、一連のミラーを介して全てのレーザダイオードからのビームを合成した光導波路の出力と結合するファイバのための孔を備える。アクセス用リッド１８２０は、アセンブリ内の光学素子に容易に処理を施すことができるように構成されている。コンパクトなプラグアンドプレイ構造は、多くの柔軟性と使いやすさを提供する。
図１２Ｂは、本発明の一例に係る、延長伝送ファイバに加えて蛍光体変換器を備えた、封入自由空間マルチチップレーザモジュールの概略図である。図示するように、封入自由空間マルチチップレーザモジュールは、図１２Ａに示されるものと実質的に類似しており、紫色光スペクトルまたは青色光スペクトルのレーザ光ビームを生成する。パッケージ内の複数のレーザチップは、多くの新しい用途に必要とされる光源に、実質的に高い強度を提供する。更に、特定の用途のために、レーザ光ビームを１００ｍまで、またはそれ以上の所望の距離まで更に導くために、延長光ファイバの一端が光ガイド出力と結合される。必要に応じ、光ファイバを、シリコンフォトニクスデバイスと一体化するための平面構造内に組み込まれた複数の導波路に置き換えることもできる。光ファイバの他端には、蛍光体材料ベースの波長変換素子を配置し、レーザ光を受け取るようにして、紫色または青色のレーザ光を白色光に変換し、開口またはコリメーションデバイスを介して放射するようにしてもよい。その結果、小型で、遠隔ポンプ光源を有し、設置に柔軟性を備えた白色光源が提供される。
もう１つの例として、パッケージは、プラスチック、金属、セラミック、及び複合材料のうちの１つまたは複数から形成された専用パッケージである。
もう１つの実施形態において、レーザデバイスは、波長変換素子と共に共通基板上に一緒に実装される。ポンプ光が波長カバー部材の表面法線に平行でない角度で波長変換素子に入射するように、レーザデバイスまたは波長変換素子のいずれかを共通基板から分離する成形部材を設けてもよい。レーザ光が、パッケージ開口に面していない波長変換素子の側に入射する透過モードの構成が可能である。また、パッケージは、別の光学的、機械的、及び電気的な素子を備えることもできる。
一実施形態において、共通基板は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ－Ｋより大きい固体材料である。一例として、共通基板は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ－Ｋより大きい固体材料であるのが好ましい。一例として、共通基板は、４００Ｗ／ｍ－Ｋより大きい熱伝導率を有する固体材料であるのが好ましい。例えば、共通基板は、１×１０６Ωｃｍを超える電気抵抗率を有した電気絶縁体を有する固体材料であるのが好ましい。例えば、共通基板は、１×１０６Ωｃｍの薄膜材料を有した固体材料であるのが好ましい。一例として、共通基板は、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢｅＯ、及びダイヤモンドのうちの１つまたは複数から選択される。一例として、共通基板は、結晶ＳｉＣからなることが好ましい。一例として、共通基板は、上面にＳｉ３Ｎ４の薄膜が堆積された結晶ＳｉＣからなるのが好ましい。一例として、共通基板は、１つまたは複数のレーザダイオード間の導電性接続を提供する金属トレースを備える。一例として、共通基板は、１つまたは複数のレーザダイオードと共通基板との間の熱伝導上の接続を提供する金属トレースを備える。
一実施形態において、共通基板は、異なる組成または導電率の複数の層または領域からなる複合構造となっている。一例において、共通基板は、絶縁プラスチックの層によって囲まれたアルミニウムまたは銅のコア層によって構成される金属コアプリント回路基板である。貫通ビア、はんだマスク、及びはんだパッドを設けてもよい。一例において、共通基板は、ボンディング及び電気的接触のためのパターン化された金属パッドにクラッドされたセラミックコアプレートによって構成されるセラミック基板である。セラミック基板は、セラミック板の両面の間での電気的導通を提供するための金属充填ビアを備えていてもよい。一例において、共通基板は、プラスチックまたはセラミックといった絶縁材料によって囲まれた金属コアまたはスラグからなる。周囲の絶縁材料は、基板のおもて面と裏面との間での電気的導通のための貫通ビアを備えてもよい。また、絶縁材料は、ワイヤボンディングのために、その上にパターン化された金属またはそれ以外の導電性パッドを有してもよい。
一実施形態において、１つまたは複数のレーザダイオードは、はんだ材料で共通基板に取り付けられる。一例において、１つまたは複数のレーザダイオードは、ＡｕＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＰｂＳｎ、及びＩｎの１つまたは複数から選択されるのが好ましいはんだ材料で、共通基板上の金属トレースに取り付けられる。
一実施形態において、波長変換材料は、はんだ材料で共通基板に取り付けられる。一例において、波長変換材料は、ＡｕＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＰｂＳｎ、及びＩｎのうちの１つまたは複数から選択されるのが好ましいはんだ材料で、共通基板上の金属トレースに取り付けられる。
一例において、波長変換素子は、波長変換素子と共通基板への熱伝導性接続部材との間に介装される光反射性材料を備える。
一実施形態において、波長変換素子と共通基板への熱伝導性接続部材との間に介在する光学的反射材料は、５０％を超える反射率値を有する。一実施形態において、波長変換素子と共通基板への熱伝導性接続部材との間に介在する光学的反射材料は、８０％を超える反射率値を有する。一例において、波長変換素子と共通基板への熱伝導性接続部材との間に介在する光学的反射材料は、９０％を超える反射率値を有する。一例では、光ビーム整形素子が、レーザダイオードと波長変換素子との間に配置される。
一実施形態において、波長変換素子は、１つまたは複数のレーザダイオードのそれぞれに対して位置合わせされた幾何学的特徴を備える。一例において、波長変換素子は、共通基板及び１つまたは複数のレーザダイオードに直角な縁部の主要部分に、光反射材料を更に備え、レーザダイオードのそれぞれに位置合わせされた幾何学的特徴は、光反射材料を備えていない。一例として、共通基板は光学的に透明である。一例において、波長変換素子は、透明な共通基板に部分的に取り付けられる。一例において、波長変換された光は、共通基板を通って導かれる。一例において、波長変換素子は、少なくとも上面に光学的反射材料を備える。一例において、１つまたは複数のレーザダイオード及び波長変換素子は、周囲環境への露出を抑制するために、封止部材内に収容される。
図１３Ａは、本発明に係る、レーザ－蛍光体一体型白色光源の軸外反射モードの実施形態を示す概略図である。本実施形態では、ガリウム及び窒素含有リフトオフ、並びに転写技術が展開されて、転写されたエピタキシャル層から形成されたレーザダイオードチップを有する非常に小型でコンパクトなサブマウント部材が形成される。更に、本実施形態では、蛍光体が、レーザビームの高速軸に対して角度ω１で傾斜している。レーザベース白色光源は、転写されたガリウム及び窒素含有エピタキシャル層１４０３内に形成されたレーザダイオードまたはＣｏＳ１４０２の支持部材として機能する支持部材１４０１を備える。蛍光体材料１４０６は、支持部材１４０８上に取り付けられ、支持部材１４０１及び支持部材１４０８は、表面実装パッケージなどのパッケージ部材における表面などといった共通の支持部材に取り付けられることになる。レーザダイオードまたはＣｏＳは、堆積させた金属層で形成してもよい電極１４０４，１４０５を有して構成され、この金属層は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇチタン、またはそれ以外のインジウムスズ酸化物などの透明導電性酸化物などの材料を含むが、これらに限定されるものではない。レーザビーム出力は、出力レーザファセットの前に配置された蛍光体材料１４０６を励起する。電極１４０４，１４０５は、レーザドライバ、電流源、または電圧源などといった外部電源への電気的接続のために構成される。ワイヤボンドを電極上に行って、電力をレーザダイオードデバイスに供給することで、レーザダイオードから出力されて蛍光体材料１４０６に入射するレーザビーム１４０７を生成することができる。当然ながら、これは、構成の一例に過ぎず、本実施形態には多くの変形例が存在しうるものであって、変形例には、様々な形状の蛍光体、様々な幾何学的形状のサブマウントや支持部材、蛍光体に対するレーザ出力ビームの様々な方向付け、並びに様々な電極及び電気的構成などが含まれるが、これらに限定されるものではない。
図１３Ｂは、本発明に係る、レーザ－蛍光体一体型白色光源の実施形態として、軸外反射モードの蛍光体を、２つのレーザダイオードデバイスと共に示す概略図である。本実施形態では、ガリウム及び窒素含有リフトオフ、並びに転写技術が展開され、転写されたエピタキシャル層から形成されたレーザダイオードチップを有する非常に小型でコンパクトなサブマウント部材が形成される。更に、本実施形態では、蛍光体が、レーザビームの高速軸に対して角ω１で傾斜している。レーザベース白色光源は、転写されたガリウム及び窒素含有エピタキシャル層１４０３内に形成された２つのレーザダイオード１４０２の支持部材として機能する支持部材１４０１を備えた２つ以上のレーザダイオードから構成される。蛍光体材料１４０６は、支持部材１４０８上に取り付けられ、支持部材１４０１，１４０８は、表面実装パッケージなどのパッケージ部材における表面などといった共通の支持部材に取り付けられることになる。レーザダイオードまたはＣｏＳデバイスは、堆積させた金属層で形成してもよい電極１４０４，１４０５を有して構成され、この金属層は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇチタン、またはそれ以外のインジウムスズ酸化物などの透明導電性酸化物などを含むがこれらに限定されるものではない。複数のレーザビーム１４０７が、出力レーザファセットの前に配置された蛍光物質材料１４０６を励起する。
図１３Ｂを参照すると、２つのレーザダイオード励起ビーム１４０７は、より円形に近づく励起スポットを形成するべく、第１のビームの高速軸が第２のビームの低速軸に対して位置合わせされるように、互いに対して回転される。電極１４０４，１４０５は、レーザドライバ、電流源、または電圧源などといった外部電源への電気的接続のために構成される。ワイヤボンドを電極上に行うことで、電力をレーザダイオードデバイスに供給し、蛍光体１４０６に入射する複数のレーザビーム１４０７を生成することができる。当然ながら、これは、構成の一例に過ぎず、本実施形態には多くの変形例が存在しうるものであって、変形例には、４つのレーザダイオードのうちの３つのように、２つを上回るレーザダイオード、様々な形状の蛍光体、様々な幾何学的形状のサブマウントや支持部材、蛍光体に対するレーザ出力ビームの様々な方向付け、レーザダイオードの直列または並列接続、様々な電極、並びに個別に制御対象として選定可能なレーザを含む様々な電気的構成などが含まれるが、これらに限定されるものではない。
図１４Ａは、本発明の一実施形態に係る、反射モードで動作し、表面実装パッケージ内に収容される、例示的なレーザベース白色光源の概略図である。図１４Ａを参照すると、反射モード白色光源が、表面実装デバイス（ＳＭＤ）型のパッケージ内に構成される。ＳＭＤパッケージは、共通支持用のベース部材１６０１を有する。反射モードの蛍光体部材１６０２は、ベース部材１６０１に取り付けられる。必要に応じ、中間サブマウント部材が、蛍光体部材１６０２とベース部材１６０１との間に設けられてもよい。レーザダイオード１６０３は、傾斜支持部材１６０４上に取り付けられ、傾斜支持部材１６０４は、ベース部材１６０１に取り付けられる。ベース部材１６０１は、熱を白色光源から取り出してヒートシンクに伝導するように構成される。ベース部材１６０１は、銅、銅タングステン、アルミニウム、ＳｉＣ、鋼、ダイヤモンド、複合ダイヤモンド、ＡｌＮ、サファイア、またはそれ以外の金属、セラミックス、もしくは半導体等の熱伝導性材料からなる。
ベース部材１６０１への取り付けは、ＡｕＳｎはんだ、ＳＡＣ３０５などのＳＡＣはんだ、鉛含有はんだ、またはインジウムの使用などといったはんだ付けまたは接着技術を使用して達成することができるが、これ以外のものであってもよい。これに代えて、焼結Ａｇペーストまたは薄膜を、界面における接着処理のために使用することができる。焼結Ａｇ接着材料は、標準的な処理装置及び温度サイクルを使用して供給または堆積させることが可能であり、更なる利点として、より高い熱伝導率及び改善された電気伝導率が得られる。例えば、ＡｕＳｎは、約５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約１６μΩｃｍの電気伝導率を有するが、常圧焼結Ａｇは、約１２５Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約４μΩｃｍの電気伝導率を有することができ、また加圧焼結Ａｇは、約２５０Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率及び約２．５μΩｃｍの電気伝導率を有することができる。ペーストから焼結形態への溶融温度の極端な変化（２６０℃－９００℃）により、プロセスは下流プロセスへの熱負荷制限を回避でき、完成したデバイスが全体にわたって非常に良好で一様な接合状態を有することが可能となる。取り付けの接着部分は、熱伝導性接着剤、銀エポキシなどの熱エポキシ、及びそれ以外の材料から形成してもよい。
レーザダイオードの電極からの電気的接続は、電極部材１６０６に対するワイヤボンド１６０５の適用によってなされる。ワイヤボンド１６０７，１６０８は、内部フィードスルー１６０９，１６１０に接続される。これらフィードスルーは、外部リードに電気的に接続される。外部リードを電源に電気的に接続し、白色光源に電力を供給することにより、白色光発光を発生させることができる。
ベース部材１６０１の上面は、反射層で構成、コーティング、または充填することにより、下向きの光または反射光に関連する損失を防止または抑制するようにしてもよい。更に、レーザダイオード及びサブマウント部材を含むパッケージ内の全ての表面は、反射率が増大するように処理して、有用な白色光出力の改善を補助するようにしてもよい。
本構成において、白色光源は、外部環境に曝されるように、キャップを取り付けたりシールしたりすることはない。一体型白色光源装置の本実施形態のいくつかの例では、過渡電圧抑制（ＴＶＳ）素子といった静電気放電（ＥＳＤ）保護素子が設けられる。当然ながら、図１４Ａは一例に過ぎず、表面実装パッケージ型白色光源の１つの実施可能な単純な構成の例示を意図するものである。特に、表面実装型パッケージは、ＬＥＤやそれ以外のデバイスに関して広く普及しており、入手可能な市販品であるため、低コストで高度に適合可能となる解決策の１つの選択肢となり得る。
図１４Ｂは、本発明に係る、２つのレーザダイオードチップを備える、パッケージ化された白色光源の代替例を示す。この例では、反射型白色光源が、ＳＭＤ型パッケージに構成されている。ＳＭＤ型パッケージは、反射モードの蛍光体部材１６０２が支持部材上またはベース部材上に取り付けられた状態のベース部材１６０１を有する。第１のレーザダイオードデバイス１６１３は、第１の支持部材１６１４またはベース部材１６０１上に取り付けられてもよい。第２のレーザダイオードデバイス１６１５は、第２の支持部材１６１６またはベース部材１６０１上に取り付けられてもよい。支持部材及びベース部材は、蛍光体部材１６０２及びレーザダイオードデバイス１６１３，１６１５から熱を取り出して伝導するように構成されている。
外部リードは、電源に電気的に接続することが可能であり、レーザダイオードベースの白色光源に電力を供給することで、第１のレーザダイオードデバイス１６１３から第１のレーザビーム１６１８を放射させ、第２のレーザダイオードデバイス１６１５から第２のレーザビーム１６１９を放射させることができる。これらレーザビームは、蛍光体部材１６０２に入射し、励起スポット及び白色光発光を生成する。これらレーザビームは、形状及びサイズの少なくとも一方が最適化された励起スポットを生成するために、蛍光体部材１６０２上に重ねられるのが好ましい。例えば、第１及び第２のレーザダイオードからのレーザビームは、第１のレーザビーム１６１８の低速軸が第２のレーザビーム１６１９の高速軸に位置合わせされるように、互いに対して９０度回転される。
ベース部材１６０１の上面は、反射層で構成、コーティング、または充填することで、下向きの光または反射光に関連する損失を防止または抑制するようにしてもよい。更に、レーザダイオード部材及びサブマウント部材を含むパッケージ内の全ての表面は、反射率を増加させるための処理を施して、有用な白色光出力の改善を補助するようにしてもよい。本構成において、白色光源は、キャップを取り付けたりシールしたりせず、外部環境に曝されるようになっている。一体型白色光源装置の本実施形態のいくつかの例では、ＴＶＳ素子などのＥＳＤ保護素子が設けられる。当然ながら、図１４Ｂは一例に過ぎず、表面実装パッケージ白色光源の１つの実施可能な単純な構成の例示を意図するものである。特に、表面実装型パッケージは、ＬＥＤやそれ以外のデバイスに関して広く普及しており、入手可能な市販品であるため、低コストで高度に適合可能となる解決策の１つの選択肢となり得る。
図１４Ｃは、本発明に係るパッケージ化された白色光源の代替例である。この例でも、反射型白色光源が、ＳＭＤ型パッケージに構成されている。ＳＭＤ型パッケージは、サブマウント、即ち支持部材１６２３に取り付けられた側面励起型の蛍光体部材１６２２と、サブマウント、即ち支持部材１６２５に取り付けられたレーザダイオードデバイス１６２４とのための共通支持部材として機能するベース部材１６０１を有する。いくつかの実施形態において、レーザダイオード１６２４及び蛍光体部材１６２２は、パッケージのベース部材１６０１に直接取り付けられてもよい。支持部材及びベース部材１６０１は、蛍光体部材１６２２及びレーザダイオードデバイス１６２４から熱を取り出して伝導するように構成される。ベース部材１６０１は、図１４Ａ及び図１４Ｂに示したＳＭＤ型パッケージにおけるベース部材と実質的に同じタイプである。
ｐ電極及びｎ電極からの電気的接続部材は、サブマウント部材１６２５上の電極１６２６，１６２７に電気的に接続することが可能であり、これら電極１６２６，１６２７は、パッケージ内の内部フィードスルーに接続されることになる。内部フィードスルーは、外部リードに電気的に接続される。電源に外部リードを電気的に接続し、レーザダイオードに電力を供給することで、蛍光体部材１６２２の側面に入射するレーザビームを生成することができる。蛍光体部材１６２２は、好ましくは、当該蛍光体部材１６２２の上面から一次白色光１６２８を放射するように構成してもよい。ベース部材１６０１の上面は、反射層で構成、コーティング、または充填することにより、下向きの光または反射光に関連する損失を防止または抑制するようにしてもよい。更に、レーザダイオード部材及びサブマウント部材を含むパッケージ内の全ての表面は、反射率を増加させるための処理を施して、有用な白色光出力の改善を補助するようにしてもよい。この構成では、白色光源は、キャップが取り付けられたり、シールされたりせず、外部環境に曝されるようになっている。一体型白色光源装置の本実施形態のいくつかの例では、ＴＶＳ素子などのＥＳＤ保護素子が設けられる。当然ながら、図１４Ａおよび図１４Ｂの例は、一例に過ぎず、表面実装パッケージ白色光源の１つの実施可能な単純な構成の例示を意図するものである。特に、表面実装型パッケージは、ＬＥＤ及びそれ以外のデバイスに関して広く普及しており、入手可能な市販品であるため、低コストで高度に適合可能となる解決策の１つの選択肢となり得る。
図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃに示す白色光源は、光エンジンを形成するための多くの方法で封入することができる。必要に応じ、光エンジンは、成形エポキシまたはプラスチックカバー（図示せず）内に封入される。成形カバーは、平坦な頂部を有していてもいし、また、光抽出を支援するために湾曲または球面を有するように成形されてもよい。カバーは、事前に成形され、所定の位置に接着することが可能であり、或いは液体またはゲル前駆体から所定の位置に成形することが可能である。ポリマーカバーまたは成形された封止用材料は、レーザ光または波長変換素子からのダウンコンバートされた光を吸収する可能性があるので、加熱及び光吸収のために封止用材料が老化することになるという大きなリスクがある。このような材料が老化すると、より一層光学的な吸収性が増す傾向があり、装置の故障に必然的につながる暴走プロセスに至る。レーザデバイスが非常に高い輝度と光束で光を放射するレーザベースのデバイスの場合、このような老化による影響はかなり厳しいものと予想される。次に、ポリマーカバーは、レーザデバイスと波長変換素子との間のレーザビームの経路からだけでなく、レーザの発光ファセット近傍の領域から離間していることが好ましい。必要に応じ、成形されたカバーは、レーザデバイス及び波長変換素子のいずれとも接触せず、また、レーザ光ビームが波長変換素子と交差する前に、カバーが当該レーザ光ビームと交差することもない。必要に応じ、成形カバーは、レーザデバイス及び波長変換素子の一部または大部分を覆うと共に、それらと接するが、レーザの発光ファセットも波長変換素子の表面も覆わず、レーザデバイスと波長変換素子との間のレーザ光ビームの経路と交差することもない。必要に応じ、封止材料は、レーザデバイスのワイヤボンディングを行った後にレーザデバイスを覆って成形され、空隙や隙間は含まれない。
もう１つの実施形態において、光エンジンは、セラミック製または金属製ハウジングといった硬質の部材を使用して封入される。例えば、プレス加工された金属壁が、共通基板の外縁の寸法形状に近い寸法形状を有するようにすることができる。この金属壁を共通基板に取り付け、様々な接合技術の中でも、エポキシもしくはそれ以外の接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシール、または摩擦溶着を用いて気密シールを形成するようにしてもよい。壁の上端は、例えば、透明カバーを取り付けることによって密封するようにしてもよい。透明カバーは、シリカ含有ガラス、サファイア、スピネル、プラスチック、ダイヤモンド、及びそれ以外の様々な鉱物を含め、任意の透明材料から構成してもよい。このカバーは、カバー材料に適した様々な接合技術の中でも、エポキシ、接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシール、または摩擦溶着を用いて壁に取り付けることができる。
いくつかの実施形態において、エンクロージャは、ＭＥＭＳデバイスの加工処理で使用されるものと同様の標準的なリソグラフィ技術を使用して、共通基板上に直接形成してもよい。レーザダイオードのような多くの発光素子を同じ共通基板上に形成するようにしてもよく、一旦形成が完了すると、鋸引き、またはレーザスクライブなどの加工処理を用いて個別のデバイスに分離する。
レーザベースのスマート照明の発明の幾つかの実施形態では、レーザベースの光源が通信用に構成される。この通信は、歩行者、消費者、アスリート、警察官やそれ以外の公務員、軍人、旅行者、ドライバ、通勤者、レクリエーション活動者、またはそれ以外で動物、植物、もしくはそれ以外の生きている物といった生物などの生物学的媒体を対象とすることができる。また、通信は、自動車もしくは自律的な例を含むあらゆるタイプの自律的な移動物体、飛行機、ドローン、もしくはそれ以外の飛行体（自律的であり得るもの）、または、道路標識、道路、トンネル、橋、ビルディング、オフィス並びに住居の内部空間並びにそこに含まれるもの、仕事場、アリーナ及びフィールドを含む競技場、スタジアム、レクリエーションの場所、及びそれ以外の任意の物体または領域などといった任意の広範囲の物を対象としてもよい。いくつかの好ましい実施形態において、スマート光源は、モノのインターネット（Internet of Things；ＩｏＴ）で使用され、この場合、レーザベースのスマート光源は、家庭用具（即ち、冷蔵庫、オーブン、ストーブなど）、照明、冷暖房システム、電子機器のほか、ソファ、椅子、テーブル、ベッド、ドレッサなどの家具、用水システム、セキュリティシステム、オーディオシステム、ビデオシステムなどと通信するために使用される。即ち、レーザベースのスマート光源は、コンピュータ、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、拡張現実（ＡＲ）コンポーネント、仮想現実（ＶＲ）コンポーネント、ビデオゲーム機を含むゲーム機、テレビ、及びそれ以外のあらゆる電子デバイスと通信するように構成することができる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、レーザ光源は、様々な方法で通信することができる。１つの好ましい方法では、スマート光源が、ＬｉＦｉシステムのような可視光通信（ＶＬＣ）システムとして構成され、このとき、光源における電磁放射の少なくとも１つのスペクトル成分は、データを符号化するように変調され、光がデータを伝送する。いくつかの例では、可視スペクトルの一部が変調され、別の例では、赤外線または紫外線源などの非可視光源が通信のために用いられる。変調パターンまたはフォーマットは、デジタルフォーマットまたはアナログフォーマットとしてもよく、対象物即ちデバイスによって受信されるように構成されることがある。いくつかの実施形態として、通信は、レーザベースのスマート照明システムからの発光の空間パターニングを使用して実行してもよい。一実施形態では、マイクロディスプレイを使用して、光をピクセル化またはパターン化しており、これは、連続的に流れる情報を通信するために、迅速に動的に行うようにしてもよく、或いは、パターンを定期的に静的パターンに変更し、更新可能な静的メッセージを通信する。通信の例として、来るべきイベント、店内に何があるか、特別なプロモーション、指示、教育、販売、及び安全について、個人または群衆に知らせるようにしてもよい。これに代わる実施形態において、発光ビームの形状または発散角は、マイクロディスプレイ、または液晶レンズのような調整可能レンズを用いて、拡散光からスポット光、またはその逆に変えられる。通信の例として、個人または群衆に、危険について警告し、教育し、または促すように指示するようにしてもよい。レーザ光ベースの通信の更にもう１つの実施形態では、スマート照明システムの色が、寒色系の白色から暖色系の白色、または赤色、緑色、青色、もしくは黄色といった単色にさえ変化させることができる。
一般に、レーザスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）は非常に狭く、レージングに関わる多くの横モードを有した高出力デバイスでさえ、スペクトルは幅２ｎｍ未満である。青色ＬＥＤは、通常、２０ｎｍ以上のＦＷＨＭを有する。レーザスペクトル及びＳＬＥＤスペクトルの幅が狭いことは、非常に帯域の狭いノッチフィルタを使用して、蛍光体の発光スペクトルからレーザスペクトルを分離できる点で有利である。更に重要なことに、このような狭いスペクトルは、蛍光体を照射する複数のレーザ源によってＶＬＣエミッタが構成される波長分割多重方式（ＷＤＭ）を可能にする。このとき、ＶＬＣエミッタは、広帯域の蛍光体発光に複数のレーザデバイスからの発光を加えたスペクトルを発するが、これらレーザ光は、わずかに異なる波長を有するようにして、別個の通信チャンネルとして使用するようにしてもよい。一例として、このようなＶＬＣ光エンジン用のＶＬＣ受信機が複数の検出器を有し、検出器の各々が、エミッタからのスペクトル中の光の様々な波長に対応した「ノッチ」フィルタまたは「バンドパス」フィルタを有するようにしてもよい。このとき、ＶＬＣ受信機内の各検出器は、ＶＬＣ光エンジン内に設けられた対応するレーザデバイスからの光を集光し、レーザ光スペクトルの狭さにより、レーザ源間の干渉が最小限に抑えられ、ノッチフィルタにより、それぞれ対応する検出器におけるレーザパワーの損失が最小限に抑えられる。このような構成は、レーザデバイスの数に比例してＶＬＣ光エンジンの帯域幅が増加するという点で有利である。別の実施形態として、各波長通信チャンネルに対して逐次的にチューニングする動的フィルタリング機能を採用して、単一の検出器を使用することが可能である。
実施形態において、ＶＬＣ光エンジンは、特定の数のレーザデバイスに限定されないと理解すべきである。具体的な一実施形態において、光エンジンは、「ポンプ」光源として作動する単一のレーザデバイスを備え、このレーザデバイスは、３９０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心波長で発光するレーザダイオード及びＳＬＥＤデバイスのいずれかである。ここで、「ポンプ」光源は、波長変換素子に光を照射するレーザダイオードまたはＳＬＥＤデバイスであり、レーザダイオードまたはＳＬＥＤデバイスからのレーザ光の一部または全部が、波長変換素子によってより長い波長の光に変換される。ポンプ光源のスペクトル幅は、２ｎｍ未満であるのが好ましいが、２０ｎｍまでの幅が許容可能となることもある。もう１つの実施形態において、ＶＬＣ光エンジンは、３８０ｎｍと４８０ｎｍとの間の中心波長で発光する２つ以上のレーザまたはＳＬＥＤの「ポンプ」光源からなり、個々のポンプ光源の中心波長は、少なくとも５ｎｍだけ分離される。レーザ光源のスペクトル幅は、２ｎｍ未満であるのが好ましいが、中心波長の分離間隔の７５％までの幅は許容可能となることもある。ポンプ光源が蛍光体を照射し、この蛍光体がポンプ光を吸収し、より広いスペクトルのより長い波長の光を放射する。各ポンプ光源は、個々に制御対象として選定可能であるため、互いに独立して操作し、独立した通信チャンネルとして作動することができる。
レーザまたはＳＬＥＤによる通信のための情報の符号化は、様々な方法によって達成することができる。最も基本的には、ＬＤまたはＳＬＥＤの強度を変化させて、オーディオ信号、ビデオ画像もしくはピクチャ、またはあらゆるタイプの情報のアナログまたはデジタルによる表示を生成することができる。アナログ表示は、ＬＤまたはＳＬＥＤの強度の変動の振幅または周波数が元のアナログ信号の値に比例するものとしてもよい。
レーザダイオードベースまたはＳＬＥＤベースの照明システムを含む本発明の主たる利点は、レーザダイオード及びＳＬＥＤのいずれも、誘導放出で動作することであり、直接変調速度は、自発放出で動作するＬＥＤのようにキャリア寿命によって支配されることはない。具体的には、ＬＥＤの変調速度または周波数応答は、キャリア寿命に反比例し、ダイオード及びデバイス構造の電気的寄生（即ち、ＲＣ時定数）に比例する。キャリア寿命は、ＬＥＤについてはナノ秒のオーダーであるため、周波数応答は、ＭＨｚ範囲に制限され、一般的には、ＭＨｚの数１００倍（即ち、３００ＭＨｚ～５００ＭＨｚ）の範囲内にある。更に、照明に使用されるのが一般的な高電力または中電力のＬＥＤは、０．２５ｍｍ２～２ｍｍ２のオーダーの大きなダイオード領域を必要とするので、ダイオードの固有静電容量は過大であり、変調率をさらに制限する可能性がある。これに対し、レーザダイオードは誘導放出のもとで動作し、変調速度は、ピコ秒のオーダーとなる光子寿命によって支配され、レーザ構造の種類、微分利得、活性領域の体積、及び光閉じ込め因子並びに電気的寄生に応じ、約１ＧＨｚ～約３０ＧＨｚのＧＨｚ範囲の変調速度が可能となる。その結果、レーザダイオードベースのＶＬＣシステムは、ＬＥＤベースのＶＬＣシステムと比較して、１０倍、１００倍、及び潜在的には１０００倍の高い変調速度、従ってデータ転送速度を提供することが可能となる。ＶＬＣ（即ち、ＬｉＦｉ）システムは、一般に、ＷｉＦｉシステムよりも高いデータ転送速度を提供することができるので、レーザベースのＬｉＦｉシステムは、従来のＷｉＦｉシステムと比較して、１００倍～１００００倍のデータ転送速度が可能となり、多数のユーザがいる場合（例えば、スタジアム）、及び転送されるデータの特性により、ある程度の量のビットが必要となる場合（例えば、ゲーム）の少なくとも一方など、大きなデータ量を必要とする用途におけるデータの伝送に対して非常に大きな利点を提供する。
レーザダイオードの応答の変調を最大にするために、高い差動利得、小さい活性領域体積、低い光閉じ込め、及び低い電気的寄生が、より高い変調帯域幅を可能にするために必要となる。高い差動利得は、最適化された活性材料の品質、並びに無極性及び半極性ＧａＮなどの新規な材料の使用の少なくとも一方で達成することができる。小さい活性領域体積は、最小化されたキャビティ面積に加えて、１個～３個の量子井戸といった少数の量子井戸と、２ｎｍ～８ｎｍまたは３ｎｍ～６ｎｍの範囲の薄さといった薄い量子井戸とを備えた活性領域構造によって達成することができる。端面発光レーザダイオードにおいてキャビティ面積を最小にするために、ストライプ幅及びキャビティ長を最小にすることができる。従来の高電力（即ち、高ワット数）の端面発光レーザダイオードでは、キャビティ長が１ｍｍより長く、２ｍｍまで、または２ｍｍより長くなり、キャビティは、通常、３μｍより長い、６μｍより長い、１２μｍより長い、２０μｍより長い、３０μｍより長い、４０μｍより長い、６０μｍより長い、または８０μｍより長い寸法で多重横モードを可能とする。これらの多重横モードの高出力ＧａＮ系端面発光レーザダイオードは、比較的大きな活性領域を有し、従って、３ＧＨｚ未満、５ＧＨｚ未満、または１０ＧＨｚ未満に制限された３ｄＢの周波数応答帯域幅を有するようにしてもよい。
より狭いキャビティまたはより短いキャビティのレーザ構造を採用することによって、より高い帯域幅を達成することができる。本発明に係るいくつかの実施形態では、活性領域を減少させたレーザダイオードが、レーザベースのスマート照明装置に設けられる。例えば、１つまたは複数の波長変換部材を励起することによって白色光を発生するという主たる機能を果たす高出力ＧａＮレーザと共に、データ伝送という主たる機能を果たす単一横モード短キャビティＧａＮレーザを備えるようにしてもよい。
垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、光学キャビティがエピタキシャル成長方向に直交するレーザダイオードデバイスである。これらの構造は、エピタキシャル成長の厚さによって規定される非常に短いキャビティ長を有し、高反射率の分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）がキャビティの各端部を終端する。ＶＣＳＥＬのキャビティ長が極端に短く、従ってキャビティ面積が小さいため、高速変調に理想的であり、変調帯域幅は１０ＧＨｚを上回り、２０ＧＨｚを上回り、３０ＧＨｚを上回ることが可能である。本発明のいくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬを設けることができる。そのようなＶＣＳＥＬは、ＧａＮ及びその関連材料、ＩｎＰ及びその関連材料、またはＧａＡｓ及びその関連材料に基づいたものとしてもよい。
低いＲＣ時定数は、ダイオード領域を小さくすると共に、空乏層または固有領域の厚さを大きく保ち、デバイス構造から生じる静電容量の寄与を最小限に抑えることによって達成することができる。レーザダイオード及びそれ以外のダイオードデバイスは、単純な平行平板コンデンサとしてモデル化できる２つの主な静電容量源から構成される。第１は活性領域自体であり、活性領域がコンデンサの領域を規定し、空乏層幅が平行板間隔を規定する。従って、ダイオード領域の減少は、光子寿命の減少及び静電容量の減少によって、変調応答も改善することになる。第２の主たる静電容量の寄与は、アノード及びカソードの少なくとも一方といった電気的なボンディングパッド領域から生じる。この寄生静電容量を最小化するためには、ボンディングパッド及びそれ以外の電気的構成を慎重に設計して、領域を最小化すると共に、２つの電気を帯びたプレートの間隔を増加させる必要がある。小さいボンディングパッドの面積の、厚い（約２００ｎｍ～１００００ｎｍの）誘電体、またはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの低ｋ誘電体を使用することに加え、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を金属ボンディングパッドの下方に使用して、静電容量を低減することができる。或いは、より単純には、ＳｉＯ２ＡまたはＳｉｘＮｙのような一般的な誘電体材料の厚さを、静電容量が最小限となるように設計することができる。好ましい実施形態において、エピタキシャル転写方法は、キャリアウェハ上にＧａＮ系レーザダイオードを形成するために使用されるが、このキャリアウェハは半絶縁性基板である。ボンディングパッド領域の大部分は半絶縁性基板の上に形成されるので、静電容量は最小化され、従来の製造技術を用いて形成されたレーザダイオードと比較して、変調速度の増大が可能となる。
上述の説明は、主にレーザダイオード光源自体の直接変調に焦点を当てているが、本発明の別の実施形態では、レーザダイオードが生成する搬送波信号の変調を実行するために、別個の素子が設けられる。これら別個の素子には、逆バイアスによる搬送波信号の優先的吸収に依存する電界吸収型変調器（ＥＡＭ）、またはマッハ・ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型変調器が含まれる。ＥＡＭ変調器及びＭＺＩ変調器の利点は、より高速の変調速度及び負のチャープを含むことである。多くの集積化手法を用い、導波路によって接続されたレーザダイオードと同じチップ上にモノリシックに集積化してもよいし、或いは別個のチップとして分離して設けてもよいが、この場合、レーザダイオードの光出力を、変調器に結合することが必要となることがある。これは、自由空間結合、ファイバ結合、または光学素子を用いて達成することができる。いくつかの好ましい実施形態において、レーザダイオード及び変調器は、本発明が示すエピタキシャル転写技術を用いて同じキャリアウェハ上に形成され、ＧａＮレーザダイオードを形成する。
このスマート照明の発明におけるレーザベース光源からの搬送波信号は、利用可能なあらゆる変調フォーマットで変調し、可視光通信またはＬｉＦｉでデータを伝送することができる。例えば、変調を、振幅変調（ＡＭ）または周波数変調（ＦＭ）とすることができる。一般的なＡＭ変調方式には、両側波帯変調（ＤＳＢ）、全搬送波両側波帯変調（ＤＳＢ－ＷＣ）（ＡＭラジオ放送帯域で使用）、両側波帯搬送波抑制変調（ＤＳＢ－ＳＣ）、両側波帯搬送波低減変調（ＤＳＢ－ＲＣ）、単側波帯変調（ＳＳＢ、またはＳＳＢ－ＡＭ）、全搬送波単側波帯変調（ＳＳＢ－ＷＣ）、単側波帯搬送波抑制変調（ＳＳＢ－ＳＣ）、残留側波帯変調（ＶＳＢ、またはＶＳＢ－ＡＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）、パルス振幅変調（ＰＡＭ）が含まれる。同様に、一般的なデジタルＦＭ変調技術は、有限数の位相が使用されるＰＳＫ（位相シフトキーイング）、有限数の周波数が使用されるＦＳＫ（周波数シフトキーイング）、有限数の振幅が使用されるＡＳＫ（振幅シフトキーイング）、及び有限数の少なくとも２つの位相と少なくとも２つの振幅とが使用されるＱＡＭ（直交振幅変調）を含むキーイングに基づいている。列挙したこれらのデジタル変調技術のそれぞれにはいくつかの変形があり、それらも本発明に含むことができる。ＡＳＫの最も一般的な変形例は、単純なオンオフキーイング（ＯＯＫ）である。更なる変調方式には、連続位相変調（ＣＰＭ）方法、最小シフトキーイング（ＭＳＫ）、ガウス型最小シフトキーイング（ＧＭＳＫ）、連続位相周波数シフトキーイング（ＣＰＦＳＫ）、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）変調、適応変調とビットローディングとを含む離散マルチトーン（ＤＭＴ）変調、及びウェーブレット変調が含まれる。
デジタル符号化は、一般的な符号化方式であり、送信するデータが数値情報として表された後、情報の様々な値に対応する方法でＬＤまたはＳＬＥＤの発光強度を変化させる。一例として、ＬＤまたはＳＬＥＤは、バイナリ値に相関するオン及びオフ状態において、完全にオン及びオフとしてもよいし、バイナリ値を表す高強度状態及び低強度状態にしてもよい。後者は、レーザダイオードのターンオン遅延が回避されることになるので、より高速の変調速度が可能となることになる。ＬＤまたはＳＬＥＤは、伝送データを表すわずかな変動を出力の基本レベルに重ね合わせた状態で、ある基本レベルの出力で作動させてもよい。これは、無線周波数信号またはオーディオ信号上にＤＣオフセットまたはバイアスを有することに類似している。このわずかな変動は、１ビット以上のデータを表す出力中の離散的な変化の形態であってもよいが、この符号化方式は、多数のレベルの出力を用いてより効率的にビットを符号化する場合に、誤りを生じやすい。例えば、２つのレベルを使用して１つの２進数またはビットを表してもよい。これらのレベルは、光出力のいくらかの差によって分離されることになる。より効率的な符号化は、基本レベルに対して４つの離散的な光出力レベルを使用し、光出力の１つの値が２つの２進数またはビットの任意の組み合わせを表すことができるようにすることである。光出力レベル間の違いは、ｎ－１に比例して変化し、ｎは光出力レベルの数である。このように符号化の効率を高めると、符号化された値を区別する信号の差が小さくなり、従って、符号化された値を示す際の誤り率が高くなる。
ゼロ復帰（ＲＺ）及びゼロ非復帰（ＮＲＺ）プロトコルは、ＯＯＫデジタル符号化フォーマットのよく知られた変形例である。もう１つの符号化方式は、低値と高値との間の光強度の変化の立ち下がりエッジに対して２進値を立ち上がりに符号化することである。例えば、マンチェスタ位相符号化（ＭＰＥ）を使用してもよく、この場合、マスタクロックまたはタイミング信号のサイクルの特定の点における、２つのレベル間の信号強度の立ち上がりまたは立ち下がりによって２進値が表される。この方式は、ｎ番目のクロックサイクルの開始時に信号を前のサイクルと同じままにするか、または信号レベルを変更することによって、２進値が伝送される差動ＭＰＥに拡張することができる。この場合、クロックサイクル当たり１つの信号レベル変化のみが存在し、その結果、信号変化の平均周期を使用して、マスタクロックとの同期を維持することができる。もう１つの例示的な符号化方式は、非ゼロ復帰反転（ＮＲＺＩ）であり、１及び０を表す信号レベルは、前のサイクルの信号レベルとは反対になるように切り替わる。これにより、信号レベルの変化は、マスタクロックサイクルのエッジでのみ発生する。もちろん、これらの符号化方式のいずれも、例えばパルス振幅変調の場合のように、複数の振幅レベルを含むように拡張してもよく、この場合、マスタクロックサイクルにおける信号遷移のタイミング並びに信号振幅の様々な組み合わせが、データの複数ビットを符号化するために使用される。
代替の方式は、例えば、サインまたはコサインといった周期的な信号をベースレベルに重畳した後、信号の振幅、周波数、及び位相の１つまたは複数をシフトさせることによって２進値を符号化することである。これは、無線伝送符号化方式における振幅変調（ＡＭ）、周波数変調（ＦＭ）及び位相変調と同等ということになる。もう１つの可能性は、同じ周期であるが位相がずれた複数の周期的な信号を組み合わせ、振幅と位相シフトとの組み合わせが、ビット値の様々な組み合わせを表すように、２つの信号の間で振幅と位相シフトの両方を変化させることである。例えば、振幅及び位相シフトの２つの値を有するシステムが、２ビットの２進値数列、即ち、００、０１、１０、１１を符号化するようにしてもよい。別の符号化方式も可能である。ベースレベルの出力に小さな信号を重畳することは、ベースレベルに対する小さな信号の時間平均電力を零近傍または零に維持して、目に見えるエミッタの明るさが、信号ではなく出力のベースレベルによって支配されるようにすることができるという利点を有する。ＰＷＭ符号化方式、またはエミッタがその出力範囲のかなりの部分にわたって変調されるような何らかの方式において、目に見えるデバイスの輝度は、伝送するデータに依存して変化するすることになり、例えば、全てが０、または全てが０のデータを伝送することは、エミッタがほとんどオンまたはほとんどオフのいずれかとなることになる。別の実施形態では、コヒーレント検出方式を使用して、レーザダイオードベースのＶＬＣシステムからのデータストリームを検知する。
複数のアナログメッセージ信号またはデジタルデータストリームを、共用媒体を介して単一の信号に多重化するか、または結合する。複数の光源からの個々の信号を受信機で識別できるように、本発明の実施形態において、レーザ光源またはＳＬＥＤ光源を組み合わせることが可能である。この方法の１つは、波長分割多重方式（ＷＤＭ）である。前述の実施形態で述べたように、複数のレーザ光源またはＳＬＥＤ光源を組み合わせ、選択された中心波長を有する単一の光エンジンとし、この中心波長については、狭い帯域の光学的帯域通過フィルタ、または「ノッチ」フィルタをＶＬＣ受信機で使用し、個々のレーザデバイスまたはＳＬＥＤデバイスに対応しない波長の光の大部分をフィルタリングして除去可能となるほど十分に分離させて選択されるようにしてもよい。
一実施形態において、光エンジンは、２ｎｍのＦＷＨＭ、並びに４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び４６０ｎｍの中心波長を有したスペクトルを放射するポンプ光源として作動する３つの青色レーザを備える。これらのポンプ光源は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子が、ポンプ光の一部を吸収して、より広いスペクトルのより長い波長の光を再放射する。光エンジンは、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が光エンジンから出射されるように構成される。各ポンプ光源は、独立して制御対象として選定可能であって、約５０ＭＨｚ～５００ＭＨｚ、５００ＭＨｚ～５ＧＨｚ、５ＧＨｚ～２０ＧＨｚ、または２０ＧＨｚを超える変調周波数範囲でパルス変調光信号を生成するように構成されたレーザドライバモジュールによって制御される。光エンジンのデータ伝送帯域幅は、１つのレーザポンプ光源を有する光エンジンのそれより３倍大きい。適切に構成されたＶＬＣ受信機は、４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、及び４６０ｎｍの通信チャンネル上で同時に独立してデータを受信することになる。例えば、ＶＬＣ受信機は、約５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ～５ＧＨｚ、５ＧＨｚ～２０ＧＨｚ、または２０ＧＨｚを超える変調周波数範囲でパルス変調光信号を検知することができる３つの光検出器を使用してＶＬＣ信号を検知することができる。各光検出器に入射する光は、狭帯域通過フィルタ（帯域通過幅が１０ｎｍ未満で、４４０ｎｍ、４５０ｎｍまたは４６０ｎｍのいずれかの放射波長に中心波長を設定）によってフィルタリングされる。この実施形態の例は、青色ポンプレーザデバイスの数、または中心波長の割り当てを限定するものではないことを理解すべきである。例えば、具体的な一実施形態において、４００ｎｍ～４７０ｎｍの範囲内に中心波長を有する２、３、４、または５個以上のポンプ光源を有してもよい。これに代わる好ましい実施形態では、６個以上、１２個以上、１００個以上、または１０００個以上のレーザダイオードまたはＳＬＥＤポンプ光源を有してもよく、レーザダイオードデバイスまたはＳＬＥＤデバイスの一部または全部を離散通信チャンネルとして動作させて、通信システムの総帯域幅を増減するようにしてもよい。
一実施形態では、多重化が、２つ以上のレーザ光源またはＳＬＥＤ光源から発せられる光の偏光方向を変えることによって達成される。光エンジンから光が放射されたときに個々のデータ通信チャンネルが異なる偏光方向を有するように光エンジン内の複数のレーザまたはＳＬＥＤを構成することができるよう、レーザまたはＳＬＥＤから発せられる光を大きく偏光させることができる。偏波フィルタを備えたＶＬＣ受信機が、２つのチャンネルからの信号を識別するようにして、それによりＶＬＣ伝送の帯域幅を増加させるようにしてもよい。
図１５Ａは、一般的な照明及び表示用途のための白色光源として、また、ＬｉＦｉのような可視光通信のための送信機として機能することができる、基本的なレーザダイオードベースのＶＬＣ対応レーザ光源または「光エンジン」に関する機能ブロック図を示す。図１５Ａを参照すると、白色光源は３つのサブシステムを備える。第１のサブシステムは、単一のレーザデバイスまたは複数のレーザデバイス（１５０３，１５０４，１５０５，１５０６）のいずれかからなる発光器１５０９である。レーザデバイスは、各レーザデバイスからのレーザ光が、蛍光体などの波長変換素子１５０７に入射するように構成され、この波長変換素子１５０７が、１つまたは複数のレーザデバイスからのレーザ光の一部または全体を吸収し、より低エネルギーの光子のより広いスペクトルに変換する。第２のサブシステムはコントローラ１５１０であり、このコントローラ１５１０は、少なくともレーザドライバ１５０２及びＶＬＣモデム１５０１を備える。レーザドライバ１５０２は、全てのレーザデバイス（１５０３，１５０４，１５０５，１５０６）に電力を供給して変調し、これらレーザデバイスによる可視光通信を可能にする。必要に応じ、レーザドライバ１５０２は、少なくとも、１つのレーザデバイスを、残りのレーザデバイスから独立して駆動することができる。ＶＬＣモデム１５０１は、（有線または無線で）１つまたは複数のデータソースからデジタル符号化データを受信し、このデジタル符号化データを、レーザドライバ１５０２の出力を決定するアナログ信号に変換するように構成される。符号化データに基づくレーザドライバによるレーザ光の変調は、２つ以上の別個のレベルの間で変化するレーザ出力によるデジタル変調であるか、または、データが振幅、周波数、位相、または互いに加算される２つ以上の正弦波変動の間の位相シフトなどの変化によって信号に符号化される時間変化パターンを伴うレーザ強度の変化に基づくものとすることができる。
一例として、本明細書で使用する場合、用語「モデム」は通信デバイスを指す。また、通信デバイスは、無線、有線、ケーブル、または光による通信リンク、及びそれらのいずれかの組合せのための様々なデータ受信及び伝送デバイスを備えることができる。一例として、通信デバイスは、適切なフィルタ及びアナログフロントエンドを備えた、送信機付き受信機、即ちトランシーバを備えることができる。一例において、通信デバイスは、ジグビー（ＺｉｇＢｅｅ、登録商標）、及びジーウェーブ（Ｚ－Ｗａｖｅ、登録商標）などを含むメッシュネットワークなどのワイヤレスネットワークに組み込むことができる。一例として、無線ネットワークは、８０２．１１無線規格またはその同等物に基づくものとすることができる。一例において、ワイヤレス通信デバイスは、３Ｇ、ＬＴＥ、及び５Ｇなどの電気通信ネットワークに接続することもできる。一例として、通信デバイスは、イーサネット（登録商標）などの物理層に連動することができる。また、通信デバイスは、ドライバまたは増幅器に接続されたレーザを含む光通信と連携することができる。当然ながら、別の変形、改変、及び代替があってもよい。
いくつかの好ましい実施形態では、レーザドライバの出力が、デジタル信号用に構成される。第３のサブシステムは、必要に応じて設けられるビーム整形器１５０８である。（入射レーザ光を吸収した）波長変換素子１５０７から出射された光と共に、吸収されずに散乱するレーザ光が、ビーム整形器１５０８を通過し、このビーム整形器１５０８が、光を方向付けし、平行化し、集束させ、またはそれ以外の方法で光の角度分布を修正する。ビーム整形器１５０８を経ると、光は通信信号として調整され、自由空間を通って、または光ファイバのような導波路を介して伝搬する。光エンジン、即ちレーザベースの白色光源は、ＶＬＣ対応光源として提供される。必要に応じ、ビーム整形器１５０８は、波長変換素子１５０７に光が入射する手前に配置されてもよい。必要に応じ、これに代わるビーム整形器が、波長変換素子１５０７の上流側及び下流側の両方の光路に配置される。
いくつかの実施形態では、レーザダイオード部材と波長変換素子との間に更なるビーム整形素子が設けられることがあり、蛍光体に入射する前に、ポンプビームを事前調整する。例えば、好ましい実施形態において、レーザまたはＳＬＥＤの発光は、レーザ光励起スポットが特定の制御されたサイズ及び位置を有するように、波長変換素子への入射前に平行化されることになる。
単一のレーザベースのＶＬＣ光源の場合、このような構成は、レーザ励起された蛍光体からの光と、レーザから発せられて残留する、変換されていない青色光との組み合わせから白色光を作り出すことができるという利点がある。レーザが著しく散乱すると、それは、波長変換素子が放射する光に類似したランベルト分布を有することになり、その結果、投射された光のスポットは、角度及び位置にわたって均一な色を有するだけでなく、白色光強度に比例して増減する出射レーザ光パワーを有する。レーザ光を激しく散乱させない波長変換素子の場合、ビーム整形素子は、ポンプ光及びダウンコンバート光が同じような領域上に同じような発散角で集められ、その結果、投射角度にわたって均一で、スポット内の位置にわたって均一な色を有するだけでなく、白色光強度に比例して増減する出射レーザ光パワーを有した光の投射スポットが得られるように構成することができる。また、この実施形態は、複数のポンプレーザが設けられた構成で実施される場合に、複数のレーザからのポンプレーザ光を波長変換素子上に空間的に重ねて、最小サイズのスポットを形成することが可能となるという点で有利である。また、この実施形態は、設けられたレーザが、波長変換素子をポンピングするのに有効な波長で光を放射する場合、全てのレーザを使用して波長変換素子をポンピングすることができ、その結果、いずれか１つのレーザから必要とされるパワーが低くなり、従って、同一の全白色光出力を達成するために、より安価でより低パワーのレーザの使用が可能となり、または、システムの信頼性及び寿命を改善するために、より高パワーのレーザの軽減駆動を可能にするという点でも有利である。
図１５Ｂは、一般的な照明及び表示用途のための、また、可視光通信のための送信機として機能しうる、基本的なレーザダイオードベースのＶＬＣ対応光源に関するもう１つの機能図を示す。図１５Ｂを参照すると、白色光源は３つのサブシステムを備える。第１のサブシステムは、発光器１５３０であり、波長変換素子１５２７と、単一のレーザデバイスまたは複数のレーザデバイス１５２３，１５２４，１５２５，１５２６のいずれかとから構成される。レーザデバイスは、レーザデバイス１５２３及びレーザデバイス１５２４のサブセットからのレーザ光が、波長変換素子１５２７によって、より低エネルギーの光子のより広いスペクトルに部分的にまたは完全に変換されるように構成される。レーザデバイス１５２５及びレーザデバイス１５２６の別のサブセットからの光は、変換されないが、波長変換素子に入射されるようにしてもよい。第２のサブシステムは、少なくともレーザドライバ１５２２及びＶＬＣモデム１５２１を備えるコントローラ１５２０である。レーザドライバ１５２２は、レーザデバイスに電力を供給して変調するように構成される。必要に応じ、レーザドライバ１５２２は、複数のレーザデバイス（例えば、１５２３，１５２４，１５２５，１５２６）のうち、少なくとも１つのレーザデバイスを、残りのレーザデバイスとは独立して駆動するように構成される。ＶＬＣモデム１５２１は、デジタルデータソースと（有線または無線で）接続し、デジタル符号化されたデータを、レーザドライバ１５２２の出力を決定するアナログ信号に変換するように構成される。第３のサブシステムは、必要に応じて設けられるビーム整形光学素子１５４０である。波長変換素子１５２７から放射された光と共に、吸収されずに散乱するレーザ光が、ビーム整形光学素子１５４０を通過し、このビーム整形光学素子１５４０が、光を方向付けし、平行化し、集束し、またはそれ以外の方法で光の角度分布を修正することにより、調整された可視光信号にする。
いくつかの実施形態では、レーザダイオードデバイスと波長変換素子との間に更なるビーム整形光学素子が設けられることがあり、蛍光体に入射する前にポンプ光ビームを事前調整する。例えば、好ましい実施形態において、レーザまたはＳＬＥＤの発光は、レーザ光励起スポットが特定の制御されたサイズ及び位置を有するように、波長変換素子への入射前に平行化されることがある。その後、光信号は、光エンジンを出て、自由空間を通り、または光ファイバのような導波路を介して伝搬する。一実施形態では、非変換レーザ光が波長変換素子１５２７に入射するが、非変換レーザ光は、波長変換素子１５２７によって効率的に散乱または反射され、入射光の１０％未満が波長変換素子１５２７による吸収に対して失われる。
本実施形態は、データ伝送するレーザ光の１つまたは複数が波長変換素子によって変換されないという利点を有する。これは、１つまたは複数のレーザ光が、波長変換素子に入射しないように構成されるか、またはレーザデバイスが、波長変換素子によって効率的に変換される波長で発光しないことによるものとすることができる。いくつかの例として、変換されない光は、シアン、緑、または赤の色としてもよく、これらを使用することで、データ伝送のためのチャンネルを依然として提供しながら、白色光スペクトルの演色評価数を改善するようにしてもよい。これらのレーザデバイスからの光は、波長変換素子によって変換されないので、より低いパワーのレーザデバイスを使用することができ、より低いデバイスコストが可能となるだけではなく、マルチモードレーザよりもさらに狭いスペクトルを有する単一横モードデバイスを可能にする。より狭いレーザスペクトルにより、ＶＬＣ光源における一層効率的な波長分割多重化を可能にすることになる。
もう１つの利点は、ＶＬＣ対応光源から高度に飽和したスペクトルが放射されることが可能となるように、波長変換素子をバイパスするレーザ光を構成してもよいことである。例えば、波長変換素子の材料や構成によっては、波長変換素子への青色レーザの入射が得られず、一部がより長い波長の光に変換されない場合がある。これは、より長い波長の光からなる放射スペクトルのかなりの成分が常に存在することになるので、高度に飽和した青色スペクトルを生成するには、そのような光源を使用することが不可能となることがあることを意味する。発した光が波長変換素子に入射しない追加の青色レーザ源を設けることによって、そのような光源は、白色光スペクトルだけでなく、飽和した青色スペクトルをも放射することができる。緑色発光及び赤色発光のレーザを追加することにより、この光源は、青色または紫色のポンプレーザのダウンコンバージョンによる白色光スペクトルに加え、色域の広い領域にわたる色点を有した多重スペクトルを生成することが可能な、飽和した色調整可能スペクトルをも放射することが可能となる。
再び図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃを参照すると、ＳＭＤ型パッケージ内のＶＬＣ対応固体白色光源のいくつかの実施形態が示されている。必要に応じ、複数のレーザデバイスのそれぞれからのレーザ光が、波長変換素子の上面から１０～４５度の角度で波長変換素子１４０６または波長変換素子１６０２に入射するように、ＳＭＤ型パッケージ内の楔状部材１４０１，１６０４，１６１４，１６１６が構成される。必要に応じ、波長変換素子１６０２は、はんだ材料を使用して共通基板１６０１に接合される。必要に応じ、波長変換素子１６０２の接合面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属積層体などの接着促進層が設けられる。必要に応じ、接着促進層は、高反射性の第１の層を含む。必要に応じ、接着促進層は、Ａｇ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕであってもよく、この場合、Ａｇは、波長変換素子に隣接し、波長変換素子の下方に高反射性の面を提供する。レーザデバイスは、レーザデバイスチップ上の電気的接触パッドと、共通基板上の上側ワイヤボンドパッドとの間のワイヤボンディングを用いて、裏面はんだパッドに電気的に接続される。必要に応じ、ＳＭＤ型パッケージとされた白色光源における複数のレーザデバイスのうちの１つのみが、４０５ｎｍと４７０ｎｍとの間の中心波長の青色ポンプ光源となる。必要に応じ、波長変換素子をＹＡＧベースの蛍光体プレートとし、この波長変換素子が、ポンプ光を吸収し、ポンプ光スペクトルと蛍光体光スペクトルとの組み合わせが白色光スペクトルを生成するように、より広いスペクトルの黄緑色光を放射する。白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０３未満のｄｕ'ｖ'の範囲内に位置するのが好ましい。必要に応じ、複数のレーザ装置の１つは、５００ｎｍと５４０ｎｍとの間の中心波長の緑色発光レーザダイオードであり、複数のレーザデバイスの１つは、６００ｎｍと６５０ｎｍとの間の中心波長の範囲の赤色発光レーザダイオードである。蛍光体ベースの波長変換素子及び青色ポンプレーザデバイスのスペクトルに、拡散反射された赤色及び緑色レーザ光を加えることで、動的に調整可能な色点を有するだけでなく、異なる中心波長の３つのレーザ源の波長分割多重化により、データを同時に且つ独立して伝送する能力を有する白色光源が得られる。
同じ波長のレーザデバイスを複数使用することにより、一定パワーの発光白色光スペクトルに関して、１つのポンプレーザだけで行うよりも低いパワーで各レーザデバイスを作動させることが可能になる。変換されない赤色レーザ光と緑色レーザ光とを追加することで、放射スペクトルの色点を調整することが可能となる。１つの青色発光素子を設ければ、波長変換素子の変換効率がポンプレーザ光強度で飽和しない限り、白色光スペクトルの色点が、青色レーザ光の色と、波長変換素子が発するダウンコンバートされたスペクトルと、ダウンコンバート効率及び波長変換素子が散乱するポンプレーザ光の量によって決まる２つのスペクトルのパワーの比とで決まる色空間内の一点に固定される。独立して制御される緑色レーザ光を追加することによって、スペクトルの最終的な色点を、プランク黒体軌跡より上方に引き上げることができる。独立して制御される赤色レーザ光を追加することによって、スペクトルの最終的な色点を、プランク黒体軌跡より下方に引き下げることができる。波長変換素子によって効率的に吸収されない波長を有し、独立して制御される紫色またはシアン色のレーザ光を追加することによって、色域の青色側に向けて戻るように色点を調整することができる。各レーザは独立に駆動されるので、各レーザ光の時間平均伝送パワーを調整して、最終的な白色光スペクトルの色点及びＣＲＩを微調整することが可能となる。
必要に応じ、４２０ｎｍ、４３０ｎｍ、及び４４０ｎｍのそれぞれの中心波長を有する複数の青色ポンプレーザ光を使用するようにしてもよく、このとき、変換されない緑色レーザ光及び赤色レーザ光のレーザデバイスが、装置スペクトルの色点調整に使用される。必要に応じ、変換されないレーザ光のレーザデバイスが、赤色光及び緑色光に対応する中心波長を有する必要はない。例えば、変換されないレーザ光のレーザデバイスは、８００ｎｍと２μｍとの間の波長の赤外線領域でレーザ光を発するようにしてもよい。このような光エンジンは、白色光源の視感度を増加させない赤外線デバイスとして、または通信用の不可視チャンネルを有する可視光源として、通信にとって有利なものとなることがある。これにより、より広い範囲の条件下でのデータ伝送の継続を可能にし、データ伝送用に構成された非可視レーザが、電気通信レーザまたは垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの高速変調に一層最適に適合しているのであれば、より高いデータレートを可能としうる。通信に非可視レーザダイオードを使用することによるもう１つの利点は、ＶＬＣ対応白色光源が、用途における何らかの理由で可視光源がオフにされた場合であっても、データを効率的に伝送することができる非可視エミッタを使用可能とすることである。
いくつかの実施形態では、より最適なＶＬＣ機能のために、特化されたガリウム及び窒素含有レーザダイオードが設けられていてもよい。一例として、より高い変調速度、従ってより高いデータ伝送能力を得るために、より低出力または単一横モードレーザを備えてもよい。より低出力のレーザは、一般的に、減少した活性領域体積、従って、より高い変調周波数を可能にするより短い光子寿命とより低い寄生静電容量とを必要とする。静電容量または電極を減少させるための低ｋ誘電体の使用、進行波型の電極の追加、及び高速用に構成された電極といった付加的手段を講じることができる。一実施形態では、データ伝送用に構成された１つまたは複数のガリウム及び窒素含有レーザダイオードが、本来の蛍光体励起レーザダイオードに加えて設けられる。データ伝送用レーザダイオードは、５ＧＨｚより高い、１０ＧＨｚより高い、または２０ＧＨｚより高い３ｄＢ変調速度が可能である。
いくつかの実施形態において、白色光源は、ビーム整形光学素子を有するスマート光源となるように構成される。必要に応じ、ビーム整形光学素子は、放射光の８０％を超える光が、３０度の放射角度内に含まれる光ビームを提供する。必要に応じ、ビーム整形光学素子は、放射光の８０％を超える光が、１０度の放射角度内に含まれる光ビームを提供する。必要に応じ、白色光源は、既存のＭＲ、ＰＡＲ、及びＡＲ１１１ランプの、一般に受け入れられている標準的な形状及びサイズの範囲内に形成することができる。必要に応じ、白色光源は、レーザベースの光モジュールに電力を供給するための、一体型電源を更に備える。必要に応じ、白色光源は、更に、一般に認められている規格内の入力電力を有した一体型電源を備える。当然ながら、別の変形、改変、及び代替が可能である。
いくつかの実施形態において、少なくともレーザベースの光モジュールを備えるスマート光源は、通信を可能にする１つまたは複数のビームステアリング素子を有する。必要に応じ、ビームステアリング素子は、放射されたレーザ光の伝搬方向を動的に制御することができる反射素子を提供する。必要に応じ、ビームステアリング素子は、放射されたレーザ光及び波長変換素子から放射される光の伝搬方向を動的に制御することができる反射素子を提供する。必要に応じ、スマート光白色光源は、更に、ビームステアリング素子に電力を供給するための一体型電源を備える。必要に応じ、スマート光白色光源は、更に、ビームステアリング素子の機能を動的に制御するための一体型電子制御ユニットを備える。
スマート照明は、要求に応じた静的な態様で照らすことが可能な、または時間と共に変化させることで動的な光パターンを生成することが可能な様々な照明効果を達成するために、光ビームの空間制御を必要とする。理想的なスマート照明の空間的なビームパターンには、２５画素を可能とする基本的なマトリックス光ビーム照射、ＶＧＡの６４０×４８０画素といった、より高解像度の画素まで可能なマトリックス光ビーム照射、ＨＤの１９２０×１０８０画素まで可能なマトリックス光ビーム照射、３８４０×２１６０画素や、７６８０×４３２０画素といったＵＨＤの画素まで可能なマトリックス光ビーム照射が含まれる。照明パターンは、広角のフラッドライトから、狭いビーム角度のスポットライトまで適応可能であるべきである。照明モジュールは、極めてコンパクトで、光の５０％以上を通過させることにより、高効率であるべきである。照明モジュールは、消費者や自動車製品に関わる一般的な機械的衝撃及び振動に耐えるように堅牢でなければならない。
一実施形態によれば、本発明は、動的ビームステアリング、ビームパターニング、またはビームピクセル化効果を提供するためのマイクロディスプレイ素子を備えた動的レーザベースの光源または光投射装置を提供する。放射光の空間パターン及び色の少なくとも一方を動的に修正するために、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）走査ミラー即ち「フライングミラー」、デジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）チップもしくはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはリキッドクリスタルオンシリコン（ＬＣＯＳ）といったマイクロディスプレイを設けることができる。一実施形態において、光は、特定の画素を活性化すると共に、それ以外の画素を活性化しないことで、白色光の空間パターンまたは画像を形成するために、ピクセル化される。もう１つの例では、動的光源が、光ビームを操作または指向するように構成される。この操作または指向は、ダイヤル、スイッチ、またはジョイスティック機構から形成されるユーザ入力によって達成することができ、またはセンサを含むフィードバックループによって制御することができる。
動的光ビーム制御を達成するための１つのアプローチは、反射ビームが同じ蛍光体部材の異なる点に、または異なる蛍光体部材に入射するように、レーザビームを能動的に操作する走査型ＭＥＭＳミラーを用いるものである。このアプローチは、光学効率が高いという利点を有し、光の８０％以上がＭＥＭＳミラーから反射されて蛍光体上に導かれ、効率的なダウンコンバージョンが行われる。その後、ダウンコンバートされた蛍光体からの光は、光学系に取り込まれ、ＭＥＭＳミラーの偏向が変化するにつれて変化する空間ビームパターンを、光学系から出た後に形成する。走査型ＭＥＭＳミラーは、電磁式、静電式、圧電式、電熱式、空圧式、または形状記憶合金型のアクチュエータをベースに構成することができる。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、１０度以上の大きい偏向角を生成することもある。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、５Ｖ未満の低駆動電圧で、電力消費が１００ｍＷ未満、更には１ｍＷ未満の低消費電力となることもある。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、ＨＤ分解能を生成することが可能な高走査周波数を有することもある。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、２０００ｇを超える衝撃及び振動下で堅牢であることもある。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、ベクトルポインティングのための共振動作を実行可能であることもある。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、高パワー動作のために、高い反射率、即ち、８０％を上回り、理想的には９９％を上回る反射率を提供可能であることがある。必要に応じ、スマート照明用のＭＥＭＳミラーは、低コストとするための簡単な製造技術によって製造されることもある。例えば、単一２軸２Ｄミラー構造（１Ｄミラー構造に代えて）は、低コストで単純な構成を達成することができる。
一実施形態において、ＭＥＭＳ走査ミラーマイクロディスプレイが装置に設けられ、動的に変調され得る所定の角度で光を反射することによって光のビームを操作するように構成される。一例において、ＭＥＭＳ走査ミラーは、１つまたは複数のレーザダイオードからのレーザ励起光の平行ビームを操作して、蛍光体部材上に、励起光の所定の空間的パターン及び時間的パターンの少なくとも一方を生成するように構成される。この例では、マイクロディスプレイが、光路における波長変換部材の上流側にある。その後、蛍光体部材からの波長変換された光の少なくとも一部を、光学レンズのようなビーム整形光学素子を用いて再度平行化または整形するようにしてもよい。第２の例において、ＭＥＭＳ走査ミラーは、少なくとも一部が波長変換された光の平行ビームを操作し、変換された光の所定の空間的パターン及び時間的パターンの少なくとも一方を、ターゲット表面またはターゲット空間内に生成するように構成される。この例では、マイクロディスプレイが、光路における波長変換部材の下流側にある。ＭＥＭＳ走査ミラーまたはマイクロスキャナは、動的空間変調のために構成され、この場合、単一ミラーの変調動作は、１軸または２軸上における、平行移動または回転のいずれかとすることができる。平行移動変調の場合、光への位相シフト効果が生じる。回転変調の場合、ＭＥＭＳ走査ミラーが、偏向時のミラーの回転角位置によって決まる角度で偏向される。走査ミラーの偏向により、偏向の度合いに基づいた角度で入射光ビームを反射させる。このような走査ミラーの技術は、１０８０Ｐまたは４Ｋ解像度などの高精細ビデオを提供し、レーザダイオード及び波長変換素子をベースとする白色光源によるくっきりと画成された空間パターンの生成を可能とする。
本発明に含まれるＭＥＭＳマイクロスキャニングチップは、１ｍｍ×１ｍｍ未満、１ｍｍ×１ｍｍ以上、約３ｍｍ×３ｍｍより大きい、約５ｍｍ×５ｍｍより大きい、または約１０ｍｍ×１０ｍｍより大きい寸法を有することが可能であり、この場合、最適な寸法は、マイクロスキャナが反射するように構成される平行ビームの光パワー及び直径を含め、用途に基づいて選択されることになる。一部の実施形態では、特化された高反射率コーティングがＭＥＭＳマイクロスキャナチップ上に使用され、チップ内の光ビームの吸収を防止する。このような吸収は、パワーが過度に高い場合に、ＭＥＭＳチップの加熱や故障を引き起こす可能性がある。例えば、このコーティング材料は、約９５％を超える反射率、約９９％を超える反射率、約９９．９％を超える反射率、またはそれより高い反射率を有していてもよい。走査周波数は、約０．１ｋＨｚ未満から５０ｋＨｚ超までの範囲であり、この場合、偏向動作は、共振または準静的のいずれかである。マイクロスキャナの機械的偏向角は、約±３０度より大きく広がり、このとき、傾斜動作によって、投射面上または空間内に、平行光を動的に向けることができる。マイクロスキャナの偏向を開始するために使用される力には、電磁力、静電力、熱電力、及び圧電力を含むことができる。
電熱駆動型ＭＥＭＳミラーの場合、一般的に、電圧がデバイスに印加され、電流が流れることによって熱が生じる。バイメタルデバイスのような熱膨張係数の異なる２つの材料に熱が生じると、一方の材料が他方の材料よりも多く膨張し、アクチュエータは、供給される電圧及び電流に応じ、異なるたわみに適応するように曲がる。もう１つのアプローチは、異なる幾何学的特性を有し、従って異なる電気抵抗を有する２つの類似または同一の材料を電気的に活性化し、デバイスの各部分に異なる熱を生じさせ、結果としてアクチュエータのたわみを生じさせることである。このようなデバイスは、共振モードと非共振モードの両方で駆動することが可能である。このようなアプローチは、頑丈で衝撃や振動に鈍感であり、製造する上で極めて単純で優れたものとすることができるが、帯域幅が限定され、電力消費が大きく、走査角度が不十分であるという問題を抱えている。
もう１つのアプローチは、圧電型ＭＥＭＳミラーであり、これは、アクチュエータに印加される電界によって材料内に応力を誘起することができるという原理に基づいて作動する。このようなアプローチは、速い応答及び高い帯域幅、並びに衝撃及び振動に対する堅牢な動作をもたらすことができるが、高い駆動電圧を必要とし、アクチュエータの偏向角度を制御するのが難しい。
一般的なＭＥＭＳミラーの構成は、静電界の変化に応じて機械的運動を生成する静電アクチュエータを使用する。この構成は、製造が複雑でない、信頼性の高い動作、低消費電力という利点を有する。しかしながら、この構成は、比較的低いトルク及び制限された帯域幅という特性を有し、ショックと振動に敏感であり、高い駆動電圧を必要とする。平行板のアプローチが一般的であるが、共振動作をもたらし、ベクトル走査ができない。非共振モードの構成は、垂直または回転くし型構造を使用することにより可能である。
もう１つの一般的なＭＥＭＳミラーの構成は、電磁アクチュエータを使用する。このアクチュエータは、一般的に、ミラー背面のコイルを備え、永久磁場と相互作用して駆動を行う。このような構成は、低電圧、及び高帯域幅で作動し、並びに衝撃や振動に対して影響を受けにくく、大きな偏向角を提供するが、静電型のような他のアプローチよりも大きな電力消費を必要とする。一般的なアプローチは、複雑ではない製造のために共振モードの構成を利用することであるが、これは、静的ビームポインティングまたはベクトル走査を可能とせず、連続的に走査される動作モードを制約する。非共振モードの構成が、ベクトル走査を必要とする用途に使用され、課題は複雑な製造を含むことである。
一実施形態によれば、本発明は、開口を有したハウジングを備える動的レーザベース光源または光投射装置を提供する。この装置は、光源の動的特徴を作動させる信号を受け取るための入力インタフェースを備えることができる。この装置は、ビデオ処理モジュールまたは信号処理モジュールを備えることができる。更に、この装置は、レーザ源に基づく光源を備える。このレーザ源は、紫色レーザダイオードまたは青色レーザダイオードを備える。動的特徴の光出力は、レーザダイオードの出力ビームによって励起される蛍光体放射光、またはレーザダイオードの放射光と蛍光体部材の放射光との組み合わせから構成される。紫色または青色のレーザダイオードが、極性、無極性、または半極性配向Ｇａ含有基板上に生成される。この装置は、レーザ光またはレーザ励起蛍光体白色光を、外界の特定の位置に投射するように構成されたマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）走査ミラー、即ち「フライングミラー」を備えることができる。ＭＥＭＳミラーを用いてレーザビームを走査することにより、２次元の画素を形成して、パターンまたは画像を作成することができる。
もう１つの実施形態によれば、本発明は、開口と、画像フレームなどの信号を受信するための入力インタフェースとを有したハウジングを備える。また、動的光システムは、処理モジュールを備える。一実施形態において、処理モジュールは、レーザダイオード及びＭＥＭＳ走査ミラーを駆動するためのＡＳＩＣに電気的に接続される。
一実施形態では、レーザドライバモジュールが提供される。とりわけ、レーザドライバモジュールは、レーザダイオードに供給される電力量を調整するようになっている。例えば、レーザドライバモジュールは、画像のフレームのようなデジタル信号から画素に基づいて駆動電流を生成し、この駆動電流はレーザダイオードの駆動に適合したものとなっている。具体的な一実施形態において、レーザドライバモジュールは、約５０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの周波数範囲でパルス変調された光信号を生成するように構成される。
これに代わる一実施形態では、ＤＬＰまたはＤＭＤマイクロディスプレイチップが、装置に設けられ、画素に対応するマイクロミラーの２次元アレイからの光を、各画素をオンまたはオフにする所定の角度で反射することによって、光ビームの操作、パターン化、及びピクセル化の少なくとも１つを実行するように構成される。一例において、ＤＬＰまたはＤＭＤチップは、１つまたは複数のレーザダイオードからのレーザ励起光の平行ビームを操作し、波長変換部材または蛍光体部材に、励起光の所定の空間的パターン及び時間的パターンの少なくとも一方を生成するように構成される。次に、蛍光体部材からの波長変換された光の少なくとも一部を、光学素子のようなビーム整形素子を用いて再び平行化または整形するようにしてもよい。この例では、マイクロディスプレイが、光路における波長変換部材の上流側にある。第２の例では、ＤＬＰまたはＤＭＤマイクロディスプレイチップが、変換された光の所定の空間的パターン及び時間的パターンの少なくとも一方を、ターゲット表面上またはターゲット空間内に生成するために、少なくとも一部が波長変換された光の平行ビームを操作するように構成される。この例では、マイクロディスプレイが、光路における波長変換部材の下流側にある。ＤＬＰまたはＤＭＤマイクロディスプレイチップは、動的空間変調のために構成され、この場合、画像は、シリコンチップといった半導体チップ上にアレイ状に配列された微小ミラーによって作成される。これらミラーは、高速で位置的な変調を受け、レンズなどの光ビーム整形素子を通過するように、またはビームダンプ内に向かうように、光を反射する。微小ミラーの各々は、１つまたは複数の画素を表し、そのピッチは、５．４μｍ以下であってもよい。ミラーの数は、投影される画像の解像度に対応、即ち相関する。このようなＤＬＰマイクロディスプレイチップの一般的な解像度には、８００×６００、１０２４×７６８、１２８０×７２０、及び１９２０×１０８０（ＨＤＴＶ）などがあり、更に高解像度であってもよい。
一実施形態によれば、本発明は、開口を有したハウジングを備える動的レーザベース光源または光投射装置を提供する。この装置は、光源の動的特徴を作動させる信号を受け取るための入力インタフェースを備えることができる。この装置は、ビデオ処理モジュールまたは信号処理モジュールを備えることができる。更に、この装置は、レーザ源に基づく光源を備える。このレーザ源は、紫色レーザダイオードまたは青色レーザダイオードを備える。動的特徴の光出力は、レーザダイオードの出力ビームによって励起される蛍光体放射光、またはレーザダイオードの放射光と蛍光体部材の放射光との組み合わせから構成される。紫色または青色のレーザダイオードは、極性、無極性、または半極性配向Ｇａ含有基板上に生成される。この装置は、レーザ源に組み合わされたレーザドライバモジュールを備えることができる。この装置は、デジタルミラーデバイスを含むデジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）チップを備えることができる。デジタルミラーデバイスは複数のミラーを備え、ミラーの各々は画像のフレームの画素に対応する。この装置は、レーザ源及びデジタルライトプロセッシングチップに電気的に結合された電源を備える。
この装置は、レーザ源に組み合わされたレーザドライバモジュールを備えることができる。この装置は、レーザ源の近傍に設けられた光学部材を備え、この光学部材は、レーザビームをデジタルライトプロセッシングチップに向けるようになっている。この装置は、レーザ源及びデジタルライトプロセッシングチップに電気的に接続された電源を備える。一実施形態において、光源の動的特徴は、装置の使用者によって開始されてもよい。例えば、使用者は、スイッチ、ダイヤル、ジョイスティック、またはトリガを作動させて、静的モードから動的モードへ、１つの動的モードから異なる動的モードへ、または１つの静的モードから異なる静的モードへと光出力を変更するようにしてもよい。
これに代わる実施形態では、リキッドクリスタルオンシリコン（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイチップが装置に設けられ、画素に対応する液晶ミラーの２次元アレイからの光を、各画素をオンまたはオフにする所定の角度で反射または吸収することによって、光ビームの操作、パターン化、及びピクセル化の少なくとも１つを実行するように構成される。一例において、ＬＣＯＳチップは、１つまたは複数のレーザダイオードからのレーザ励起光の平行ビームを操作して、波長変換部材または蛍光体部材に、励起光の所定の空間的パターン及び時間的パターンの少なくとも一方を生成するように構成される。次に、蛍光体部材からの波長変換された光の少なくとも一部を、光学素子といったビーム整形素子を用いて再び平行化または整形するようにしてもよい。この例では、マイクロディスプレイが、光路における波長変換部材の上流側にある。第２の例では、ＬＣＯＳマイクロディスプレイチップが、少なくとも一部が波長変換された光の平行ビームを操作して、変換された光の所定の空間パターン及び時間パターンの少なくとも一方を、ターゲット表面またはターゲット空間内に生成するように構成される。この例では、マイクロディスプレイが、光路における波長変換部材の下流側にある。前者の例は、ＬＣＯＳチップが偏光感受型であり、多くの場合、レーザダイオードの出力が、例えば、７０％、８０％、９０％、または９５％より大きく偏光されるので、好ましい例である。レーザ源からの直接放射光の、このように高い偏光比は、光の約半分を浪費するような偏光されないＬＥＤまたは過去の光源と比較して、レーザ励起光に関する高い光学スループット効率を可能にする。
ＬＣＯＳマイクロディスプレイチップでは、空間光変調が構成され、このとき、画像は、シリコンチップ上に整列して配置された微小な能動素子によって生成される。この能動素子の反射率は、高速度で変調され、光を選択的に反射して、レンズなどの光ビーム整形素子を通過させる。能動素子の数は、投影画像の解像度に対応、即ち相関する。このようなＬＣＯＳマイクロディスプレイチップの一般的な解像度は、８００×６００、１０２４×７６８、１２８０×７２０、及び１９２０×１０８０（ＨＤＴＶ）を含み、更にそれ以上の解像度を含む。
必要に応じ、波長変換素子から放射される部分的に変換された光は、外観が白色となるような色点をもたらす。必要に応じ、白色光の色点は、プランク黒体軌跡上に位置する。必要に応じ、白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０１０未満となるｄｕ'ｖ'の範囲内にある。必要に応じ、白色光の色点は、プランク黒体軌跡から０．０３未満となるｄｕ'ｖ'の範囲内に位置するのが好ましくい。必要に応じ、複数のポンプ光源が独立して動作されることで、それらの相対強度を変化させ、白色光の色点及び演色評価数（ＣＲＩ）を動的に変更する。
いくつかの好ましい実施形態では、１つまたは複数のビーム整形素子が本発明に含まれる。このようなビーム整形素子は、１つまたは複数のレーザダイオード励起ビームを形成するために、蛍光体または波長変換部材に入射する前の光路に設けてもよい。いくつかの実施形態において、ビーム整形素子は、レーザダイオード励起光の少なくとも一部が蛍光体または波長変換部材によって変換された後の光路に設けられる。更なる実施形態では、ビーム整形素子が、変換されないレーザダイオード光の光路に設けられる。多くの好ましい実施形態において、これらのビーム整形素子のそれぞれの１つ以上の組み合わせが本発明に含まれるのは当然である。
いくつかの実施形態において、レーザダイオード出力ビームは、蛍光体材料に入射されて蛍光体を励起するように構成されなければならない。いくつかの実施形態において、レーザビームは、蛍光体に直接入射するようにしてもよく、別の実施形態では、レーザビームが、光学素子、反射部材、またはそれ以外のものと相互作用して、蛍光体に入射する前に当該ビームを操作または整形するようにしてもよい。このような光学素子の例には、ボールレンズ、非球面コリメータ、非球面レンズ、高速軸または低速軸コリメータ、ダイクロイックミラー、回転ミラー、光アイソレータが含まれるが、これらに限定されるものではなく、別のものも含まれうる。いくつかの実施形態では、光ビームの整形、平行化、指向、フィルタリング、または操作のために、別の光学素子を様々な組み合わせで設けることができる。このような光学素子の例には、再撮像反射部材、ボールレンズ、非球面コリメータ、ダイクロイックミラー、回転ミラー、光アイソレータが含まれるが、これらに限定されるものではなく、別のものも含まれうる。
いくつかの実施形態において、白色光源などの変換光の光源は、生成された白色光を操作するために、１つまたは複数の光学部材と組み合わされる。一例として、白色光源のような変換光の光源は、懐中電灯、スポットライト、自動車用ヘッドランプ、または特定の位置もしくは領域に光を指向もしくは投射する必要がある何らかの指向灯用途といったスポット照明システムにおいて機能するようにしてもよい。一実施形態では、反射部材が、白色光源に組み合わされる。具体的には、放物面状（または放物体、もしくは放物面）反射器が配置されて、白色光を投射する。白色光源を放物面状反射器の焦点に配置することにより、平面波が反射され、放物面状反射器の中心軸線に沿って平行ビームとして伝搬することになる。もう１つの例では、レンズを使用し、白色光を平行化して投射ビームにする。一例として、単純な非球面レンズを蛍光体の前方に配置して、白色光を平行化することもある。もう１つの例では、平行化のために内部全反射光学素子が使用される。別の実施形態として、球面レンズまたは非球面レンズのような、別のタイプの平行化用光学素子を使用してもよい。いくつかの実施形態では、光学素子の組み合わせが使用される。
いくつかの実施形態において、少なくともレーザベース光モジュールを備えたスマート白色光源は、ビーム整形素子を備える。必要に応じ、ビーム整形素子は、放射光の８０％を超える光が、３０度の放射角度範囲内に含まれる光ビームをもたらす。必要に応じ、ビーム整形素子は、放射光の８０％を超える光が、好ましくは１０度の放射角度範囲内に含まれる光ビームをもたらす。必要に応じ、ビーム整形素子は、放射光の８０％を超える光が、好ましくは５度の放射角度範囲内に含まれる光ビームをもたらす。いくつかの実施形態では、放物面状反射部材、内部全反射（ＴＩＲ）光学素子、回折光学素子、それ以外のタイプの光学素子、及びこれら光学素子の組み合わせなどの平行化用光学素子が使用される。
必要に応じ、スマート白色光源は、既存のＭＲ、ＰＡＲ、及びＡＲ１１１ランプの一般に受け入れられている標準形状及びサイズの範囲内で形成することができる。必要に応じ、半導体白色光源は、レーザベース光モジュールに電気的に通電するための、一体型電源を更に備える。必要に応じ、半導体白色光源は、一般に認められている規格内の入力電力を有した一体型電源を更に備える。当然ながら、別の変形、改変、及び代替が可能である。
一実施形態では、レーザまたはＳＬＥＤドライバモジュールが設けられる。例えば、レーザドライバモジュールは駆動電流を生成し、この駆動電流は、レーザダイオードを駆動して、画像のデジタル符号化されたフレーム、オーディオ及びビデオ記録のデジタルもしくはアナログ符号化信号、または２進値の任意の数列などといった１つまたは複数の信号を送信するのに適合したものとなっている。具体的な一実施形態において、レーザドライバモジュールは、約５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ、または１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの変調周波数範囲で、パルス変調光信号を生成するように構成される。もう１つの実施形態では、レーザドライバモジュールが、約５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ、または１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの変調周波数範囲で、複数の独立したパルス変調光信号を生成するように構成される。一実施形態において、レーザドライバ信号は、低電力のアナログ電圧信号またはアナログ電流信号によって変調することができる。
一実施形態において、本装置は、投射光の何らかの品質を動的に調整する手段を介し、使用者または別の観察者に情報を伝達することができる。このような品質には、スポットのサイズ、形状、色相、及び色点だけではなく、スポットの独立した動きを介したものが含まれる。一例として、本装置は、スポットの形状を動的に変更することによって情報を伝達するようにしてもよい。一例として、本装置は、懐中電灯または自転車灯として使用され、使用者の前方の道を照らしながら、ペアになったスマートフォンアプリケーションから受信した指示または情報を伝えるようにしてもよい。情報を伝えることができるスポットの形状の変化には、とりわけ、使用者が歩いて所定の経路で辿るべき方向を示す矢印の形状にスポットを形成すること、及び、電子メール、テキストメッセージ、通話、またはそれ以外のプッシュ通知の受信を示すアイコンの形状にスポットを形成することが含まれる。また、白色光スポットは、スポット内にテキストを表示することによって、情報を伝達するために使用してもよい。例えば、使用者が受信したテキストメッセージを、スポット内に表示してもよい。もう１つの例として、放射光スペクトルの色相または色点を変更するための機構を備えた装置の実施形態では、これらの品質の変化を介して使用者に情報を伝達するようにしてもよい。例えば、使用者に指示を提供する前述の自転車灯は、放射された光スペクトルの色相を白色から赤色に急速に変化させ、ランプの照射範囲を超えた所にある交差点または停止標識に使用者が近づいていることを知らせるようにしてもよい。
一実施形態では、モデム回路が設けられる。このモデム回路は、２値データを符号化して、ポンプ光ドライバに送信される制御信号にする。
一実施形態において、本装置は、投射光の何らかの品質を動的に調整する手段を介し、使用者または別の観察者に情報を伝達することができる。このような品質には、スポットのサイズ、形状、色相、及び色点だけでなく、スポットの独立した動きを介したもののほか、可視光通信またはＬｉＦｉを介したものが含まれる。一例において、本装置は、放射された光スポットの形状または色を動的に調整することによって、所定の経路に沿って移動するための方向に関する情報を使用者に伝える自転車灯として使用してもよい。このとき、本装置は、ＶＬＣまたはＬｉＦｉを使用し、スポットによって照らされた物体に、使用者に関する情報を伝達することもできる。そのようなデータは、使用者の行動または進路をより正確に予測するために、自律車両によって使用されるようにしてもよい。
第２のグループの実施形態として、本発明は、フィードバックループまたは制御回路を用いて１つまたは複数のセンサと組み合わされ、光源をトリガして、光の動きによる応答、光の色による応答、光の輝度による応答、空間的な光パターンによる応答、通信による応答、またはそれ以外の応答といった１つまたは複数の所定の応答をもって反応する、動的なガリウム及び窒素系レーザ光源を備える。
動的光源を含む本発明の具体的な実施形態において、動的特徴は、センサを含むフィードバックループによって作動される。そのようなセンサは、マイクロフォン、ジオフォン、ハイドロフォン、水素センサやＣＯ２センサもしくは電子ノーズセンサといった化学センサ、流量センサ、水量計、ガスメータ、ガイガーカウンタ、高度計、対気速度センサ、速度センサ、距離計、圧電センサ、ジャイロスコープ、慣性センサ、加速度計、ＭＥＭＳセンサ、ホール効果センサ、金属検出器、電圧検出器、光電センサ、光検出器、光伝導セル、圧力センサ、歪みゲージ、サーミスタ、熱電対、高温計、温度ゲージ、動作検出器、受動赤外線センサ、ドップラーセンサ、バイオセンサ、静電容量センサ、ビデオセンサ、トランスデューサ、画像センサ、赤外線センサ、レーダ、ソナー、ＬＩＤＡＲ、またはそれ以外のものから選択してもよいが、これらに限定されるものではない。
一例では、センサとして運動センサを有したフィードバックループを備える動的な光学的特徴が含まれる。この動的光源は、動作の空間的位置を検出し、その位置に出力ビームを操作することによって、動作が検出された位置を照明するように構成される。もう１つの例では、センサとして加速度計を有したフィードバックループを備える動的な光学的特徴が設けられる。この加速度計は、装置の使用者が所望の位置を照射するように光源を移動可能となる前であっても、レーザ光源装置が移動して向かっている場所を予想し、その場所に出力ビームを操作するように構成されている。もちろん、これらは、センサを含むフィードバックループを有した動的光源の実施例にすぎない。動的光源をセンサと組み合わせることを含む、本発明の概念についての別の実施例が多く存在し得る。
いくつかの実施形態において、本発明は、双方向通信のための可視光通信トランシーバとして適用可能となり得る。必要に応じ、このトランシーバは、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、またはそれ以外で光信号を電気エネルギーに変換する手段を含む検出器も備える。この検出器はモデムに接続される。本実施形態において、モデムは、検出された光信号を２値データに復号し、そのデータをコンピュータ、携帯電話、腕時計、またはそれ以外の電子デバイスといった制御システムに中継することも可能である。
いくつかの実施形態において、本発明は、自動車の外部環境を照明するために自動車に使用されるスマート白色光源を提供する。代表的な使用例は、パーキングライト、ヘッドライト、フォグライト、シグナルライト、またはスポットライトとしての使用ということになる。一実施形態では、開口を有するハウジングを備えた照明装置が提供される。更に、この照明装置は、１つまたは複数の青色レーザ光源または青色ＳＬＥＤ光源を含む１つまたは複数のポンプ光源を備える。個々の青色レーザまたはＳＬＥＤは、４００ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有した発光スペクトルを有する。青色の波長範囲で発光する１つまたは複数のポンプ光源は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子が、ポンプ光の一部を吸収し、より長い波長の光のより広いスペクトルを再放射する。各ポンプ光源は、波長変換素子からの光と、１つまたは複数の光源から直接放射される光との両方が白色光スペクトルとして合成されるように構成される。この照明装置は、更に、白色光を集束及び平行化し、白色光スポットを整形するための光学素子を備える。
このスマート照明装置では、各ポンプ光源は独立に制御対象として選定可能であり、１０ＭＨｚと１００ＧＨｚとの間の周波数範囲でパルス変調光信号を発生するように構成されたレーザドライバモジュールによって制御される。このレーザドライバは、データ伝送のためにポンプレーザ源の変調を制御するべく、センサ及び電子コントローラからデジタル信号またはアナログ信号を受信するための入力インタフェースを備える。この照明装置は、車両に関するデータ、または当該照明装置が取り付けられた設備に関するデータを、青色または紫色のレーザ光源またはＳＬＥＤ光源の変調を介し、適切に構成されたＶＬＣ受信機を有する別の車両に送信することができる。例えば、白色光源は、対向車を照らすことができるようにしてもよい。必要に応じ、同じ方向に走行する車両の後方または側方から照明するようにしてもよい。一例として、この照明装置は、ＶＬＣ受信機を使用可能な道路標識、路面表示、及び交通信号のほか、高速道路上またはその近傍に設置された専用ＶＬＣ受信機を照らすようにしてもよい。このとき、照明装置は、受信側車両、及び送信側車両の周辺のインフラストラクチャに情報を送信することになる。必要に応じ、この照明装置は、車両の位置、速度、及び方位に関する情報だけでなく、自律車両または半自律車両の場合には、交通信号光の切り替えを効率的にスケジューリングするため、または隊列走行など、自律車両間での協調動作を調整するために、車両の目的地または走行ルートに関する情報を送信するようにしてもよい。
いくつかの実施形態において、本発明は、直感的に照準を定めることができる通信装置を提供する。この通信装置の使用例は、渓谷を横切る場合、谷間にある場合、山頂間、長い距離離間した建物間、及び水中などのような遠隔した区域において、高帯域幅を有した一時的なネットワークを生成するためのものとなることがある。これらの位置関係では、距離は、標準的な無線ネットワークにとって距離が長すぎ、或いは水中の場合のように、水による電波の吸収のため、無線周波数による通信が困難となることがある。本通信装置は、開口を有したハウジングを備える。更に、本通信装置は、１つまたは複数の青色レーザ光源または青色ＳＬＥＤ光源を備える。個々の青色レーザまたはＳＬＥＤは、４００ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有した発光スペクトルを有する。青色の波長範囲で発光する光源の１つまたは複数は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子が、ポンプ光の一部を吸収し、より長い波長の光のより広いスペクトルを再放射する。光源は、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が白色光スペクトルとして出射されるように構成される。通信装置は、白色光を集束及び平行化し、白色光スポットを整形するための光学素子を備える。必要に応じ、通信装置内の各光源は、独立に制御対象として選定可能であり、１０ＭＨｚと１００ＧＨｚとの間の変調周波数範囲でパルス変調光信号を生成するように構成されたドライバモジュールによって制御される。このドライバモジュールは、データ伝送のためにレーザ光源の変調を制御するべく、センサ及び電子コントローラからデジタル信号またはアナログ信号を受信するための入力インタフェースを備える。
通信装置は、ＶＬＣ受信機として機能する１つまたは複数の光検出器と、レーザ光源またはＳＬＥＤ光源のうちの２つ以上を識別するための１つまたは複数のバンドパスフィルタとを備える。必要に応じ、ＶＬＣ受信機は、約５０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの周波数範囲でパルス変調された光信号を検知できる複数のアバランシェフォトダイオードを使用して、ＶＬＣ信号を検出するようにしてもよい。必要に応じ、通信装置は、光を集束させ平行化して、好ましくは５度未満、最も好ましくは２度未満の角度範囲の発散のビームとするための、ミラーまたはレンズなどの１つまたは複数の光学素子を備える。２つのこのような通信装置は、１００ｍ～３００ｍの距離で、それぞれ直径約３ｍ～１０ｍのスポットサイズをもたらし、集束された白色光スポットにより、単に、サーチライトを用いたときのように相手側を照射することで、長距離であったとしても、オペレータが互いにＶＬＣトランシーバに狙いを定めることができるようになる。
いくつかの実施形態において、本発明で開示する通信デバイスは、データ情報を搬送する、カメラフラッシュなどのフラッシュ光源として適用することができる。データは、フラッシュを介して伝送されることで、撮影された画像に関する情報を伝えるようにしてもよい。例えば、本発明の実施形態によるＶＬＣ対応半導体光源で構成されたカメラ付き電話を使用し、個人が会場で写真を撮ってもよい。電話機は、バーに設置されたＶＬＣ受信機に参照番号を送信し、この参照番号は、特定の時間及び場所で撮影された画像を、ソーシャルメディアウェブサイト上で識別する方法を提供するものとなる。
いくつかの実施形態において、本発明は投影装置を提供する。この投影装置は、開口を有したハウジングを備える。この装置はまた、画像の１つまたは複数のフレームを受信するための入力インタフェースを備える。この装置は、ビデオ処理モジュールを備える。更に、この装置は、ハウジング内に配置された１つまたは複数の青色レーザ光源または青色ＳＬＥＤ光源を備える。個々の青色レーザまたはＳＬＥＤは、４００ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有した発光スペクトルを有する。青色の波長範囲で発光する光源の１つまたは複数は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子がポンプ光の一部を吸収し、より長い波長の光のより広いスペクトルを再放射する。光源は、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が白色光スペクトルとして放射されるように構成される。更に、この装置は、白色光を集束させ平行化して、白色光スポットを整形するための光学素子を備える。この装置では、各光源が個別に制御対象として選定可能であり、１０ＭＨｚと１００ＧＨｚとの間の変調周波数範囲でパルス変調光信号を発生するように構成されたレーザドライバモジュールによって制御される。また、レーザドライバは、データ伝送のためにレーザ源の変調を制御するべく、センサ及び電子コントローラからデジタル信号またはアナログ信号を受信するための入力インタフェースを備える。更に、この装置は、レーザ光源及びデジタルライトプロセッシングチップに電気的に接続された電源を備える。本実施形態は、緑色及び青色のレーザダイオードが同じ基板を共有する実施形態、または異なるカラーレーザの２つ以上が同じパッケージに収容され得る実施形態など、多くの変形例が存在し得る。青色、緑色、及び赤色のレーザダイオードからの出力は、単一のビームに合成されることになる。
一実施形態において、本発明は、家庭、オフィスビル、工場、商店または専門店、倉庫、駐車デッキ、劇場、食料雑貨店、駐車場、及び街路または道路などといった、人工照明によって照らされる領域内で、様々な機器、電子デバイス、及びセンサとの可視光通信を可能にする照明装置を提供する。この装置は、１つまたは複数の青色レーザ光源または青色ＳＬＥＤ光源を保持し、開口を有したハウジングを備える。個々の青色レーザまたはＳＬＥＤは、４００ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有した発光スペクトルを有する。青色光波長の範囲で発光する青色光源の１つまたは複数は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子が、青色光の一部を吸収し、より長い波長の光のより広いスペクトルを再放射する。この装置は、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が白色光スペクトルとして放射されるように構成される。この装置は、白色光を集束させて平行化し、白色光スポットを整形するための光学素子を備えていてもよい。この装置では、青色レーザデバイスのうちの１つまたは複数が、個別に制御対象として選定可能であり、１０ＭＨｚと１００ＧＨｚとの間の周波数範囲で変調された電流を生成するように構成されたレーザドライバモジュールによって制御される。また、レーザドライバは、デジタル信号またはアナログ信号を受信するための入力インタフェースを備える。例えば、この装置は、ＦＭまたはＡＭラジオ受信機、無線ローカルエリアネットワークまたはパーソナルエリアネットワークを介して通信するための短距離無線周波数トランシーバを備えていてもよい。例えば、装置は、ＩＥＥＥ８０２．１１通信規格、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信プロトコル、または同様の無線周波数ベース通信規格を使用して通信するための受信機またはトランシーバを備えていてもよい。もう１つの例では、この装置が、当該装置に電力を供給する電力線を介した通信を可能にする受信機またはトランシーバを備えている。一例において、この装置は、可視光通信用の受信機を備え、当該装置をＶＬＣトランシーバとする。一例として、この装置は、とりわけイーサネット（登録商標）または光ファイバ通信などの有線ローカルエリアネットワークプロトコルのための受信機またはトランシーバを備える。この装置は、提供されたＲＦ、有線、またはＶＬＣベースの通信チャンネルからデータを受信し、青色レーザ光源またはＳＬＥＤ光源の変調を介してデータを再送信する。
単なる例ではあるが、このような装置は、分散配置されたセンサ及び機器にデータを送信するのに有利となることがある。例えば、無線ネットワークの受信や有線ネットワークへのアクセスに関係なく、部屋のどこにでもプリンタを配置することができる。ドキュメントを記述するデータと共にドキュメントを印刷する要求は、プリンタが本装置によって照らされている限り、建物内のプリンタの位置に関係なくプリンタに送信することができる。このほかに通信することができる機器には、とりわけ、テレビ、冷蔵庫、オーブントースター、オーブン、食器洗浄機、洗濯機及び乾燥機、サーモスタット、電子レンジ、煙検知器、火災検知器、一酸化炭素検知器、加湿器、光源、緊急出口標識及び緊急照明器具が含まれる。このような装置が、イーサネット（登録商標）または光ファイバベースのトランシーバを備える場合、この装置は、ＷｉＦｉベースの技術で達成可能な転送レートよりもはるかに高い転送レートで、ＶＬＣプロトコルを介して複数の電子デバイスに無線伝送を提供することができる。
図１６Ａは、本発明のいくつかの実施形態に係る、動的光源の機能ブロック図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改修を認識するであろう。図示するように、動的光源は、１つまたは複数の紫色または青色のレーザデバイス１７０４，１７０５，１７０６，１７０７を備える。個々の紫色または青色のレーザデバイスは、３８０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲の中心波長を有したスペクトルを発する。必要に応じ、この動的光源は、１つまたは複数のビーム整形光学素子１７０８，１７０９，１７１０，１７１１を備える。レーザデバイス１７０４，１７０５，１７０６，１７０７は、１つまたは複数の青色レーザデバイスによって放出されたビームを平行化し、集束させ、またはそれ以外の方法で整形するために、その放出ファセットが、それぞれ対応するビーム成形整形光学素子１７０８，１７０９，１７１０，１７１１に向けられるように構成される。ビーム整形光学素子は、レンズまたはミラーから構成されてもよく、ビーム平行化及びビーム集束だけでなく、レーザ光の伝播方向の制御といった機能を提供するようにしてもよい。各青色レーザデバイスからのレーザ光は、波長変換素子１７１３に入射する。ビームステアリング光学素子１７１２は、レーザ光を波長変換素子１７１３に向ける。波長変換素子１７１３におけるレーザ光の位置は、ビームステアリング光学素子１７１２によって動的に制御され、ビームステアリング光学素子１７１２は、ステアリング素子ドライバ１７１４によって制御される。必要に応じ、ビームステアリング光学素子１７１２は、ミラーガルバノメータ、ＭＥＭＳ走査ミラー、回転ポリゴンミラー、ＤＬＰチップ、ＬＣＯＳチップ、ファイバスキャナなどを多数備えるもののうちの１つまたは複数の組み合わせとすることができる。ステアリング素子ドライバ１７１４は、マイクロコントローラまたはアナログ回路のような外部システムから入力を受け取って、ビームステアリング光学素子１７１２の位置決めを制御するように構成されることにより、動的に制御可能な形状及び強度特性を有した白色光スポットを波長変換素子１７１３上に形成可能とするべく、どのようにレーザ光を波長変換素子１７１３に照射するかを動的に制御する。
ファイバスキャナは、動的光源におけるビームステアリング光学素子として、走査ミラーに比べ、いくつかの性能上の利点と欠点を有する。走査ミラーは、表示及び画像化用途に関し、かなり多くの利点を有するようである。例えば、走査周波数は、ファイバスキャナの場合よりも、走査ミラーの場合の方がはるかに高くすることができる。走査ミラーは、より高解像度（１μｍ未満）で、２Ｄスキャンの制限なしに、１０００ｋＨｚ付近で走査することができるが、ファイバスキャナは、２Ｄスキャンの制限があり、最大５０ｋＨｚまでの走査のみができる。加えて、走査ミラーは、ファイバスキャナよりもはるかに高い光強度を取り扱うことができる。走査ミラーは、ファイバスキャナに比べ、白色光またはＲＧＢ光のための光の最適化を伴う物理的な設定、及び画像用の光検出器との組み合わせが容易であり、ファイバスキャナよりも、衝撃及び振動に対して影響を受けにくい。光ビーム自体が走査ミラーで直接走査されるので、ファイバスキャナにおいてファイバ自体が走査されることで、ある程度のコリメーション損失と曲面上のＡＲ損失を伴うのとは異なり、コリメーション損失、ＡＲ損失、及びターン数制限が存在しない。もちろん、ファイバスキャナは、ミラースキャナによって得られれる角度変位（±約２０度）よりもはるかに大きな角度変位（８０度近く）が得られる点で実際に有利である。
動的光源にはＶＬＣモデム１７０１が設けられている。ＶＬＣモデム１７０１は、有線または無線リンクを介してデータソースからデジタル制御データを受信し、レーザドライバ１７０２に制御信号を供給することができる。レーザドライバ１７０２は、制御された電圧で制御された電流を、１つまたは複数のレーザデバイス１７０４，１７０５，１７０６，１７０７に供給する。必要に応じ、レーザドライバ１７０２は、１つまたは複数の紫色または青色のレーザデバイス１７０４，１７０５，１７０６，１７０７を個別に制御または変調することができる。
必要に応じ、１つまたは複数の光学素子が、各青色レーザデバイスの合成光と、波長変換素子１７１３によって放射された光とを投影面上に結像するために設けられる。画像を投影するための１つの光学素子は、カラーホイールを備える。一例として、このカラーホイールは、光源から放射された光の色を変更する蛍光物質材料を備えていてもよい。必要に応じ、カラーホイールは、複数の領域を備え、各領域は、特定の色（例えば、赤、緑、青など）に対応する。必要に応じ、カラーホイールは、青色光のためのスロットまたは透明部分と、青色光を緑色光に変換するための蛍光体含有領域とを備える。動作中、青色光源（例えば、青色レーザダイオードまたは青色ＬＥＤ）は、スロットを介して青色光を供給し、蛍光体含有領域から緑色光を励起し、赤色光源が、赤色光を別個に供給する。蛍光体からの緑色光は、カラーホイールを透過するか、またはカラーホイールから反射して戻ってもよい。いずれの場合も、緑色光は光学系によって集められ、マイクロディスプレイの方に向け直される。スロットを通過した青色光もマイクロディスプレイに向けられる。青色光源は、無極性または半極性配向ＧａＮ上に生成されたレーザダイオードまたはＬＥＤであってもよい。これに代えて、蛍光体を有した青色レーザダイオードの代わりに、緑色レーザダイオードを使用し、緑色光を放射してもよい。着色光源とカラーホイールとの、これ以外の組み合わせも可能であることを理解されたい。
図１６Ｂは、本発明に係る図１６Ａのいくつかの実施形態の例に従った、ビームステアリング素子を備えた動的光源の図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改変を認識するであろう。図示するように、この光源は、ケース１７００内に組み立てられたレーザベースのスマート光源である。レーザダイオード１７２４は、本発明による紫色または青色のレーザデバイスの１つである。レーザ光は、まず、コリメーションレンズ１７２５を通過し、ビームスプリッタ１７２６によって分割される。レーザ光の一部は、強度監視のために光検出器１７２７に向けられる。レーザ光の他部は、ビームステアリング・走査デバイス１７２２の方に光の向きを再度変更するミラー１７２８に更に導かれ、このビームステアリング・走査デバイス１７２２は、サーボコントローラによって制御され、特定のフィードバック信号に基づいてビーム方向を動的に変えることが可能である。ビームステアリング・走査デバイス１７２２から出射されたレーザ光は、まず、ビームを光変換素子１７３５に集束させるための再撮像レンズ１７３４を通過し、光変換素子１７３５で紫色または青色のレーザを白色光に変換し、次に、ケース１７００の窓１７３６から導出される。必要に応じ、ビームステアリング・走査デバイス１７２２は、複数のＭＥＭＳ走査ミラーで構成される。必要に応じ、ビームステアリング・走査デバイス１７２２は、回転ポリゴンミラー、ＬＣＯＳ、ＤＬＰなどである。必要に応じ、光変換素子１７３５は蛍光体材料である。
本発明によるこの白色光または多色の動的画像投影技術は、使用者または観察者に対するスマート照明の利益を可能にする。本発明のこの実施形態は、レーザベース光源が、２つの異なる方法で使用者、物品、または物体と通信するように構成され、ここで、第１の方法は、システム内で電磁搬送波の高速のアナログ変調またはデジタル変調を使用するＬｉＦｉのようなＶＬＣ技術を介するものであり、第２の方法は、視聴者が見る視覚的なサイン及びメッセージを形成する光の動的空間パターン化によるものである。これらの２つのデータ通信方法は、コーヒーショップまたはオフィス環境などのような場所で、２つの別個の通信機能を別々に実行するために使用することが可能であり、この場合、ＶＬＣ／ＬｉＦｉ機能により、使用者のスマートフォンやコンピュータにデータを提供して、使用者の仕事またはインターネット探索を支援する一方、投影標識または動的照明の機能により、メニュー、リスト、指示、または選択的な照明などの情報を通信して、使用者がいる場所で使用者が体験することを通知し、支援し、または改善する。
本発明によるこの白色光または多色の動的画像投影技術は、使用者または観察者に対するスマート照明の利益を可能にする。本発明のこの実施形態は、レーザベース光源が、２つの異なる方法で使用者、物品、または物体と通信するように構成され、ここで、第１の方法は、システム内で電磁搬送波の高速のアナログ変調またはデジタル変調を使用するＬｉＦｉのようなＶＬＣ技術を介するものであり、第２の方法は、視聴者が見る視覚的なサイン及びメッセージを形成する光の動的空間パターン化によるものである。これらの２つのデータ通信方法は、コーヒーショップまたはオフィス環境などのような場所で、２つの別個の通信機能を別々に実行するために使用することが可能であり、この場合、ＶＬＣ／ＬｉＦｉ機能により、使用者のスマートフォンやコンピュータにデータを提供して、使用者の仕事またはインターネット探索を支援する一方、投影標識または動的照明の機能により、メニュー、リスト、指示、または選択的な照明などの情報を通信して、使用者がいる場所で使用者が体験することを通知し、支援し、または改善する。
図１７Ａは、本発明の一実施形態に係る、反射構造を有する走査蛍光体ディスプレイの概略図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改変を認識するであろう。図示するように、コントローラは、ビデオデータを受信し、そのデータを（紫色または青色の波長範囲で）レーザデバイスのためのリアルタイム駆動信号に変換して、この駆動信号に基づき、レーザデバイスがレーザビームを生成するように構成される。レーザビームは、ＭＥＭＳスキャナに当たる前に、コリメーションレンズを通過している。ＭＥＭＳスキャナは、サーボ制御ユニットによって制御され、このサーボ制御ユニットもコントローラによって制御される。ＭＥＭＳスキャナは、ダイクロニックミラーのそれぞれのスポットにレーザビームを制御可能に案内するように構成され、ダイクロニックミラーは、レーザビームを蛍光体材料に向けて反射する。ＭＥＭＳスキャナは、受信したビデオ信号に基づき、レーザスポットの位置を動的に変化させる。蛍光体材料は、紫色または青色のレーザを白色光に変換する光変換材料として作用する。蛍光体材料は、反射膜として設けられ、ダイクロイックミラーを通って戻るように白色光を導く。ダイクロイックミラーと、ＭＥＭＳスキャナによって動的に制御されたパターン化画像を表示するスクリーンとの間には、再結像レンズが介装される。
図１７Ｂは、本発明の一実施形態に係る、透過構造を有した走査蛍光体ディスプレイの概略図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改変を認識するであろう。図示するように、この走査蛍光体ディスプレイは、図１７Ａに示すものと実質的に同様である。必要に応じ、蛍光体材料は、入射レーザ光が通過して白色光に変換することを可能とする透過フィルムとして設定される。
図１７Ｃは、本発明の代替の実施形態に係る、反射構造を有した走査蛍光体ディスプレイの概略図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改変を認識するであろう。図示するように、この走査蛍光体ディスプレイは、図１７Ａに示す実施形態のもう１つの変形例である。必要に応じ、ダイクロイックミラーは、初めて通過する青色光が蛍光体材料に到達することができるように構成される。蛍光体材料は、反射モードにあり、入射する青色光を変換することによって生成された白色光を反射するように構成される。その後、白色光ビームは、ダイクロイックミラーによって反射され、再結像レンズを通過して、スクリーンまたは光検出器に向かうように導かれる。なお、白色光のスポットは、スクリーン上に直接表示されるか、または光検出器によって検出され、この走査蛍光体ディスプレイについては、可視光通信が不要である。
図１８は、本発明の一実施形態に係る、装置に関する使用事例の概略図である。装置２６０２は、テキスト、絵文字、変動する形状、色相の変化などの形態の情報を含む画像２６０３を投影するために使用される。ＶＬＣ符号化方式を使用して投射光中に符号化されるのは、データストリーム２６０４である。このデータストリームは、使用者が保持または着用する様々なスマートデバイスによって受信され、より多くの情報を使用者に提供することができる。例えば、デジタルデータストリームが、レストランのメニューに関するより詳細な情報を提供するか、またはより詳細な情報を含むウェブサイトへのアドレスを提供するようにしてもよい。この場合、使用者は、スマートフォン２６０８のほか、スマートメガネ２６０９などのウェアラブルデバイスを用いてＶＬＣデータを受信するが、別のデバイスがこのデータを受信し、処理してもよいことは当業者に明らかなはずである。例えば、スマートウォッチ、仮想現実及び拡張現実のヘッドセット、タブレットコンピュータ、及びラップトップコンピュータなどを用いてデータを受信し、処理するようにしてもよい。データは、ＲＦ送信、ＷｉＦｉ、ＬｉＦｉ、またはＶＬＣを介して、または有線による送信を介して提供されるデジタル情報として、装置に供給することができる。装置は、当該装置に格納され、外部ソースから受信されないデータを、ＶＬＣを使って送信するようにしてもよい。この場合、データは、装置の内蔵部品としての揮発性メモリまたは不揮発性メモリの形態、またはカード、ハードディスク、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、またはそれ以外の何らかの光学もしくは磁気記憶媒体といった取り外し可能な形態のいずれかで記憶するようにしてもよい。
もう１つの態様では、本発明が、調整可能な色を伴う一般的照明用途のための白色光源として機能することができる動的光源または「光エンジン」を提供する。
一実施形態において、光エンジンは、２つ以上のレーザ光源またはＳＬＥＤ光源からなる。光源の少なくとも１つは、３８０ｎｍ～４５０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを放射する。光源のうちの少なくとも１つは、４５０ｎｍ～５２０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを放射する。本実施形態は、特定の色点を達成するために多くの蛍光体について、レーザ光源の波長と蛍光体によって放射されるスペクトルの最短波長との間に著しいギャップがあるという点で有利である。著しく異なる波長の複数の青色レーザを備えることによって、このギャップを埋めることができ、その結果、演色性が改善された同様の色点が得られる。
一実施形態では、緑色及び赤色のレーザ光ビームが、透過モードの波長変換素子に入射され、この波長変換素子によって散乱される。この実施形態では、赤色及び緑色のレーザ光が、波長変換素子によって大量には吸収されない。
一実施形態において、波長変換素子は、組成または色変換特性が様々に異なる複数の領域からなる。例えば、波長変換素子は、蛍光体の組成物が互いに異なる複数の領域によって構成されてもよい。１つの組成物は、３８５ｎｍ～４５０ｎｍの波長範囲内の青色または紫色のレーザ光を吸収し、このレーザ光を４３０ｎｍ～４８０ｎｍの波長範囲内のより長い波長の青色光に変換する。第２の組成物は、青色または紫色のレーザ光を吸収し、このレーザ光を４８０ｎｍ～５５０ｎｍの波長範囲内の緑色光に変換する。第３の組成物は、青色または紫色のレーザ光を吸収し、それを５５０ｎｍ～６７０ｎｍの波長範囲内の赤色光に変換する。レーザ光源と波長変換素子との間には、ＭＥＭＳミラー、回転ポリゴンミラー、ミラーガルバノメータなどのビームステアリング素子がある。このビームステアリング素子は、波長変換素子上の複数領域のアレイを横切るように紫色または青色のレーザスポットを走査し、波長変換素子によって放射または散乱される赤色光、緑色光、及び青色光が、波長変換素子の領域を横切る際に変化することができるように、レーザの強度が波長変換素子上のスポットの位置に同期して調整される。
一実施形態において、蛍光体素子は、複数の単結晶蛍光体小板である。
一実施形態において、蛍光体素子は、小板状に焼結された、またはポリマもしくはガラス状バインダによってカプセル化された蛍光体粉末からなる複数の領域である。
もう１つの実施形態では、波長変換素子からなる複数の波長変換領域が、青色光または緑色光を生成するためのＩｎＧａＮ、ＧａＮ単一または多重量子井戸、並びに黄色光及び赤色光を生成するためのＡｌＩｎＧａＡｓＰの様々な混合からなる単一及び多重量子井戸構造などといった半導体素子のアレイによって構成されるが、これは一例にすぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、これ以外の代替半導体材料または光変換構造を認識するであろう。
もう１つの実施形態では、波長変換素子からなる複数の波長変換領域が、青色光、赤色光、または緑色光を生成するためのＩｎＧａＮ、ＧａＮ量子ドット、並びに黄色光及び赤色光を生成するためのＡｌＩｎＧａＡｓＰの様々な混合からなる量子ドットなどといった半導体素子のアレイによって構成されるが、これは一例にすぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、これ以外の代替半導体材料または光変換構造を認識するであろう。
図１９Ａは、一実施形態に係る、複数の波長変換領域を備えた波長変換素子の概略図である。複数の波長変換領域は、青色または紫色のレーザ光を主に赤色スペクトルに変換する領域１９０２と、青色または紫色のレーザ光を主に緑色スペクトルに変換する領域１９０３と、紫色レーザ光を主に青色スペクトルに、または青色レーザ光を主に当該青色レーザよりも長い波長の青色光のスペクトルに変換する領域１９０４とから構成される。複数の波長変換領域は、ポリマ、金属、セラミック、ガラス、または複合材料のいずれかとすることができるマトリックス１９０１によって取り囲まれている。当業者には、領域１９０２，１９０３，１９０４の形状及び相対位置には多くの態様があることが明らかであろう。一般に、横方向の寸法は、波長変換領域への投射時に、最小限で、青色または紫色のポンプレーザのスポットサイズと同じであるべきである。
もう１つの実施形態では、波長変換素子が、レーザ光を散乱させる非波長変換材料の領域も備える。この構成の利点は、青色レーザ光が変換損失なしに広く散乱されることにより、光源全体の効率が向上することである。このような非変換性であるが散乱性を有した材料の例は、ポリマもしくはガラス状マトリックス中に懸濁されたワイドバンドギャップセラミックスもしくは誘電体材料の粒状体、粗面を有するワイドバンドギャップセラミックもしくは誘電体材料、粗面もしくはパターン形成面上に重ねられたダイクロイックミラーコーティング、または粗面上に堆積された金属ミラーもしくは金属・誘電体ハイブリッドミラーである。
図１９Ｂは、一実施形態に係る、図１９Ａの断面Ａ－Ａ'の概略図である。この断面図は、マトリックス１９０１に埋め込まれた、複数の波長変換領域または散乱領域１９０２，１９０３，１９０４を示しており、このマトリックス１９０１は、物理的な支持だけではなく、各領域から熱を取り出して伝播する経路を提供する。マトリックスは、領域１９０２，１９０３，１９０４の縁部のほか、各領域の背面を取り囲む。また、接合層１９０５が設けられている。この接合層は、エポキシもしくは接着剤などのポリマ、または金、銅、アルミニウム、銀、金・錫はんだなどのはんだ、及び共晶はんだなどの１つもしくは複数の金属から構成することができる。
図１９Ｃは、もう１つの実施形態に係る、図１９Ａの断面Ａ－Ａ'の概略図である。この断面図は、マトリックス１９０１に埋め込まれた、複数の波長変換領域または散乱領域１９０２，１９０３，１９０４を示しており、マトリックス１９０１は、物理的な支持だけではなく、各領域から熱を取り出して伝播する経路を提供する。マトリックスは、領域１９０２，１９０３，１９０４の縁部を取り囲むが、各領域の背面には重なっていない。また、接合層１９０５が設けられている。この接合層は、エポキシもしくは接着剤などのポリマ、または金、銅、アルミニウム、銀、金・錫はんだなどのはんだ、及び共晶はんだなどの１つもしくは複数の金属から構成することができる。この構成は、マトリクス材料が高熱伝導性でない場合に有利である。波長変換領域を熱伝導性の高い接合層と直接接触させることにより、波長変換素子から熱を効率的に除去するための熱伝導性の高い熱伝導経路をヒートシンクまで形成することができる。
いくつかの実施形態において、装置は、様々な入力に対する予めプログラムされた応答に基づいて、またはスマートデバイスによる制御に基づいて、白色光スポットの空間的変動を動的に調整するか、またはスポット内の領域の輝度を空間的に変化させる。
一実施形態の例として、装置は、白色光スポットの形状を調整するだけでなく、時間帯に応じてスポットの輝度を空間的に変化させてもよい。スポットの動的制御は、装置に予めプログラムするようにしてもよい。一例として、この装置は、放射される白色光を調整して、午前の中ごろから午後にかけての時間帯に、最大で均一の輝度の広いスポットを形成するようにプログラムしてもよい。この装置は、午後の遅い時間帯において、スポットの寸法を徐々に減少させると共に輝度を徐々に下げ、夜までに、そのスポットが最小の直径及び輝度になり、それによって、装置が設置されている部屋が、夜間にはわずかに照明されるようになるようにプログラムしてもよい。
また、このような装置は、とりわけ、室温、窓もしくは別の光源からの周辺光、日付もしくは週などといった別の入力に対し、予めプログラムされた応答を有するようにしてもよい。
もう１つの実施形態の例では、装置が、スマートデバイスと組み合わされており、このスマートデバイスを介して、装置にコマンドを与え、光が照射された領域内の輝度の形状及び空間的変動を制御することが可能となっている。この場合、スマートデバイスには、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ及びデスクトップコンピュータ、並びに任意のソフトウェアアプリケーションを実行可能なスマートウォッチ及びスマートフォンなどが含まれる。スマートデバイスからのコマンドには、使用者による装置の出力の連続的な調整、またはスポットの形状、サイズ、及び輝度の変化について予めなされた設定が含まれていてもよい。
また、スマートデバイスは、何らかの情報を使用者に伝えるために、複数の構成を順次採用するように装置に命令することができる。一例として、スマートデバイスは、電話着信を知らせるために、ある一定の調子で、スポットサイズを繰り返し狭めたり拡大したりするように、装置に命令するようにしてもよい。光スポットの別の変化のほか、スマートデバイスから装置に送信するコマンドを生じさせる別のトリガも可能である。
図２０Ａは、本発明のいくつかの実施形態に係る、レーザベースのスマート照明システムに関する機能ブロック図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改変を認識するであろう。図示するように、スマート照明システムは、３８０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有したスペクトルを放射する青色レーザデバイス２００５を含む、レーザベースの動的白色光源を備える。このシステムは、レーザデバイス２００５が放射したビームを平行化し、集束し、またはそれ以外の方法で整形するために設けられたビーム整形光学素子２００６を備える。レーザデバイス２００５からのレーザ光は、波長変換素子２００７に入射される。このシステムは、波長変換素子２００７から放射された白色光を整形し、操作するための素子２００８を更に備える。センサ１（２００２）、センサ２（２００３）、そしてセンサＮ（２００４）までといった、１つまたは複数のセンサは、レーザドライバ２００１によって受信されるデジタルまたはアナログのセンサ出力と、レーザドライバ出力がセンサからの入力によって変調される仕組みとを備える。
具体的な一実施形態において、レーザドライバへの入力は、１つまたは複数のセンサによって供給されるデジタル信号またはアナログ信号である。
具体的な一実施形態において、センサからの出力は、マイクロコントローラまたはそれ以外のデジタル回路によって測定または読み取られ、このマイクロコントローラまたはそれ以外のデジタル回路が、センサからの入力信号に基づいて、レーザドライバ出力の変調を指示するデジタル信号またはアナログ信号を出力する。
具体的な一実施形態において、レーザドライバへの入力は、１つまたは複数のセンサからマイクロコントローラまたはそれ以外のデジタル回路への入力に基づいて、当該マイクロコントローラまたはそれ以外のデジタル回路によって供給されるデジタル信号またはアナログ信号である。
必要に応じ、スマート照明システムで使用されるセンサには、とりわけ、圧力センサ、熱電対、サーミスタ、抵抗温度計、クロノメータもしくはリアルタイムクロック、湿度センサ、環境光度計、ｐＨセンサ、赤外線温度計、溶存酸素計、磁力計並びにホール効果センサ、比色計、土壌湿度センサ、及びマイクロフォンといった、大気条件及び環境条件を測定するセンサが含まれていてもよい。
必要に応じ、スマート照明システムに使用されるセンサには、とりわけ、紫外線光センサ、赤外線光センサ、赤外線カメラ、赤外線動作検出器、ＲＦＩＤセンサ、及び赤外線近接センサといった、非可視光及び電磁放射を測定するセンサが含まれていてもよい。
必要に応じ、スマート照明システムに使用されるセンサには、とりわけ、歪ゲージ、ロードセル、力感応抵抗器、及び圧電トランスデューサといった力を測定するためのセンサが含まれていてもよい。
必要に応じ、スマート照明システムで使用されるセンサには、とりわけ、指紋スキャナ、パルスオキシメータ、心拍数モニタ、心電図センサ、脳波センサ、及び筋電図センサといった、生体の特性を測定するためのセンサが含まれていてもよい。
一実施形態において、光源の動的特性は、装置の使用者によって設定されてもよい。例えば、使用者は、スイッチ、ダイヤル、ジョイスティック、またはトリガを作動させて、静的モードから動的モードへ、１つの動的モードから別の動的モードへ、または１つの静的モードから別の静的モードへと光出力を変更してもよい。
スマート照明システムの一例において、当該システムは、センサ、例えば、運動センサが設けられているフィードバックループ内に構成された動的光源を備える。この動的光源は、動きが検知された方向に白色光ビームの出力を操作することによって、特定の位置を照明するように構成される。センサを有するフィードバックループを備えた動的な光学的特徴のもう１つの例では、加速度計が設けられる。この加速度計は、光源の運動方向を検知するように構成される。このとき、システムは出力ビームを動作の方向に向けて操作する。このようなシステムは、例えば、懐中電灯または手持ちのスポットライトとして使用することができる。もちろん、これらは、センサを含むフィードバックループを有する動的光源の実施例にすぎない。動的光源をセンサと組み合わせることを含む、本発明の概念には、別の多くの実施例が存在し得る。
一実施形態によれば、本発明は、空間的に調整可能な動的レーザベース光源または光投射装置を提供する。この装置は、光源の動的特徴を活性化するための信号を受信するための入力インタフェースを有した光源を保持する、開口付きハウジングを備える。必要に応じ、この装置は、ビデオ処理モジュールまたは信号処理モジュールを設けることができる。更に、この装置は、開口を有するハウジング内に配置されたレーザ源を備える。このレーザ源は、１つまたは複数の紫色レーザダイオードまたは青色レーザダイオードを備える。ダイナミック光源は、レーザダイオード光スペクトルと、レーザダイオードの出力ビームによって励起される蛍光体放射光とからなる出力を特徴とする。紫色または青色のレーザダイオードは、極性、無極性、または半極性配向Ｇａ含有基板上に生成される。この装置は、レーザ光またはレーザ励起蛍光体白色光を外界の特定の場所に投射するように構成された、反射検流計、またはマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラー、即ち「フライングミラー」を備えることができる。ＭＥＭＳミラーを用いてレーザビームを走査することにより、２次元の複数画素を形成し、パターンまたは画像を作成することができる。また、この装置は、レーザ光またはレーザ励起蛍光体白色光を外部の特定の場所に投射するように、当該装置を動的に配向させるためのアクチュエータを備えることができる。
一実施形態によれば、本発明は、調整可能な色を伴う一般的照明用途のための白色光源として機能することができる動的光源または「光エンジン」を提供する。光エンジンは、３つ以上のレーザ光源またはＳＬＥＤ光源からなる。少なくとも１つの光源が、３８０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有したスペクトルを放射し、青色光源として作動する。少なくとも１つの光は、４８０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内の中心波長を有したスペクトルを放射し、緑色光源として作動する。少なくとも１つの光は、６００ｎｍ～６７０ｎｍの範囲内の中心波長を有したスペクトルを放射し、赤色光源として作動する。各光源は、個別に制御対象として選定可能であることで、互いに独立して動作し、独立した通信チャンネルとして動作することが可能であり、一方、赤、緑、または青の波長範囲の発光体が複数設けられる場合、それぞれの範囲の複数の光源を集合的に制御対象として選定することができるが、それぞれの範囲の複数の光源は、別の波長範囲の光源とは独立して制御対象として選定指定可能である。青色の波長範囲で発光する光源の１つまたは複数は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子が、ポンプ光の一部を吸収し、より長い波長の光のより広いスペクトルを再放射する。光エンジンは、波長変換素子からの光と複数の光源からの光との両方が光エンジンから放射されるように構成される。外部供給源からの入力に基づいて光エンジンを動的に制御することができるレーザまたはＳＬＥＤドライバモジュールが設けられる。例えば、レーザドライバモジュールは、駆動電流を生成し、この駆動電流は、１つまたは複数の信号に基づいて、１つまたは複数のレーザダイオードを駆動するのに適合したものとなっている。
必要に応じ、白色光源によって放射される光の品質は、１つまたは複数のセンサからの入力に基づいて調整されてもよい。信号に応じて調整することができる光の品質には、光源の全光束、異なる中心波長によって特徴付けられる複数の青色レーザ光源の相対強度を調整することによって制御される長波長及び短波長の青色光の相対割合、並びに赤色及び緑色のレーザ光源の相対強度を調整することによる白色光源の色点が含まれるが、これらに限定されない。このような光の質の動的な調整によって、光の質を労働条件に適合させることで、労働者の生産性及び健康を改善するようにしてもよい。
必要に応じ、白色光源が発する白色光の品質は、室内の個体数を検出するセンサからの入力に基づいて調整される。そのようなセンサには、とりわけ、赤外線運動センサ、マイクロフォン、ビデオカメラ、個人のＲＦＩＤ可能バッジを監視する無線式識別（ＲＦＩＤ）受信機といった運動センサを含んでいてもよい。
必要に応じ、光源によって放射されるスペクトルの色点は、緑色光源及び赤色光源の強度に対して青色「ポンプ」レーザ源の強度を動的に調整することによって調整される。相対的比率は、室内の照明色点及び輝度レベルが室内の人員の好みに合致するように、当該人員が着用する無線識別（ＲＦＩＤ）バッジを検知するセンサからの入力によって制御される。
必要に応じ、白色光源によって放射されるスペクトルの色点は、緑色光源及び赤色光源の強度に対して青色「ポンプ」レーザ源の強度を動的に調整することによって調整される。光源の全光束及び相対比率は、クロノメータ、温度センサ、及び周囲光センサからの入力により制御され、昼間の太陽の見かけの色に合うように色点を調整し、光源の明るさを調整して昼間の周囲光強度の変化を補償する。周囲光センサは、主に窓からの入力を測定するように、その位置または向きが設定されることもあり、または、光源の出力が減少または停止される短い期間に、周囲光を測定することで、人の目が気付かないほど測定期間が短くなることもある。
必要に応じ、白色光源によって放射されるスペクトルの色点は、緑色光源及び赤色光源の強度に対して青色「ポンプ」レーザ源の強度を動的に調整することによって調整される。光源の全光束及び相対比率は、クロノメータ、温度センサ、及び周囲光センサからの入力により制御され、周囲環境による照明における欠陥を補償するために色点を調整する。例えば、白色光源は、曇り空による太陽からの周囲光の低下を補償するために、全光束を自動的に調整してもよい。別の例として、白色光源は、曇った日の減少した太陽光を補償するために、放射されたスペクトルに過度の青色光を加えてもよい。周囲光センサは、主に窓からの入力を測定するように、その位置または向きが設定されることもあり、または、光源の出力が減少または停止される短い期間に、周囲光を測定することで、人の目が気付かないほど測定期間が短くなることもある。
具体的な一実施形態において、白色光源は、４２０ｎｍ～４７０ｎｍの範囲にわたる異なる中心波長を有したスペクトルを放射する複数の青色レーザデバイスを備える。例えば、この光源は、約４２０ｎｍ、４４０ｎｍ、及び４６０ｎｍで発光する３つの青色レーザデバイスを備えていてもよい。もう１つの例では、光源が、約４２０ｎｍ、４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、及び４７０ｎｍで発光する５つの青色レーザデバイスを備えていてもよい。光源の全光束、並びに長波長青色光及び短波長青色光の相対比率は、クロノメータ及び周囲光センサからの入力によって制御され、その結果、放射された白色光のスペクトルは、健康な概日リズムを促進し、生産的な作業環境を促進するために、午前中または曇りの日の間には、４４０ｎｍと４７０ｎｍとの間の中間波長青色光の割合がより大きくなる。周囲光センサは、主に窓からの入力を測定するように、その位置または向きが設定されることもあり、または、光源の出力が減少または停止される短い期間に、周囲光を測定することで、人の目が気付かないほど測定期間が短くなることもある。
必要に応じ、白色光源は、複数の当該白色光源がＶＬＣメッシュネットワークを形成することができるように、ＶＬＣ受信機を備えることがある。このようなネットワークにより、白色光源が、様々なセンサからの測定値を通信できることになる。一例において、ＶＬＣ対応白色光源で構成されるＶＬＣメッシュネットワークは、光センサを用いて周囲光条件を監視すると共に、作業空間または建物の至る所に設けられた動作検出器を用いて部屋の使用を監視するだけでなく、周囲光強度の測定を協調して行わせることにより、隣接する光源がこれらの測定を妨害しないようにすることができる。一例として、このような設備が、とりわけ、ＲＴＤやサーミスタといった温度センサを使用して、特定の場所の温度を監視するようにしてもよい。
一実施形態において、白色光源には、コンピュータ制御のビデオカメラが設けられている。この白色光源は、４２０ｎｍ～４７０ｎｍの範囲にわたる異なる中心波長を有したスペクトルを放射する複数の青色レーザデバイスを備える。例えば、この白色光源は、約４２０ｎｍ、４４０ｎｍ、及び４６０ｎｍで発光する３つの青色レーザデバイスを備えていてもよい。もう１つの例では、白色光源が、約４２０ｎｍ、４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、及び４７０ｎｍで発光する５つの青色レーザデバイスを備えていてもよい。白色光源の全光束、並びに長波長と短波長との青色光の相対比率は、部屋を使用している個人の特性を決定するためにコンピュータ制御で利用される、顔認識と機械学習とをベースとするアルゴリズムからの入力によって制御される。一例では、部屋にいる人の数が測定される。もう１つの例では、部屋にいる人が、タイプによって、例えば、識別可能な様々な身体的特徴の中でも、性別、背格好、及び衣服の色によって分類されるようにしてもよい。もう１つの例として、部屋にいる人の気分及び活動レベルが、その人の動きの量及びタイプによって定量化されるようにしてもよい。
図２０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に係る、動的な、レーザベースのスマート照明システムに関する機能図である。この図は一例に過ぎず、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は、多くの変形、代替、及び改変を認識するであろう。図示するように、１つまたは複数のレーザデバイス２１０６が、ビーム整形光学素子２１０７と共に設けられる。レーザデバイス２１０６及びビーム整形光学素子２１０７は、レーザ光が波長変換素子２１０８に入射し、この波長変換素子２１０８が、レーザ光の一部または全部を吸収し、より長い波長スペクトルの光を放射するように構成される。残存するレーザ光と共に波長変換素子２００８からの光を収集して光源の外方に向けるビーム整形光学素子及びビームステアリング光学素子２１１０が設けられる。この光源は、制御された電流及び電圧を１つまたは複数のレーザデバイス２００６に供給するレーザドライバ２００５を備える。レーザドライバ２１０５の出力は、マイクロコントローラ（または別のデジタルまたはアナログ制御回路）２１０１のデジタル出力またはアナログ出力によって決定される。また、この光源には、ビームステアリング光学素子２１１０を制御するステアリング素子ドライバ２１０９も設けられている。ステアリング素子ドライバ２１０９の出力は、制御回路からの入力によって決定される。また、１つまたは複数のセンサ２１０２，２１０３，２１０４が設けられる。これらセンサのデジタル出力またはアナログ出力は、マイクロコントローラ２１０１によって読み取られた後、光源の出力がセンサの出力によって動的に制御されるように、制御回路からレーザドライバ２１０５及びステアリング素子ドライバ２１０９への出力の所定の変化または変調に変換される。
いくつかの実施形態において、ビームステアリング光学素子は、走査ミラーを備える。一例において、１つまたは複数のレーザデバイスの中で、少なくとも１つのレーザデバイスは、３８０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の中心波長を有するスペクトルを放射し、紫色光源または青色光源として作動する。青色の範囲波長の光は、波長変換素子を照射し、この波長変換素子が、ポンプ光の一部を吸収し、より長い波長の光のより広いスペクトルを再び放射する。波長変換素子からの光及び１つまたは複数のレーザデバイスからの光の両方が、白色光として放出される。必要に応じ、レーザドライバモジュールまたはＳＬＥＤドライバモジュールが、外部供給源からの入力に基づいて１つまたは複数のレーザデバイスを動的に制御して動的光源を構成するために設けられる。例えば、レーザドライバモジュールは、駆動電流を生成し、この駆動電流は、１つまたは複数の信号に基づいて、１つまたは複数のレーザダイオードを駆動するのに適合したものとなっている。動的光源は、走査ミラーと、ビーム操作のための別の光学素子とを有し、このビーム操作は、放射された白色光スペクトルを収集して走査ミラーに向け、光を平行化または集束させるものである。外部供給源からの入力に基づいて走査ミラーを動的に制御することができる走査ミラードライバが設けられる。例えば、この走査ミラードライバは、駆動電流または駆動電圧のいずれかを生成し、この駆動電流または駆動電圧は、１つまたは複数の信号に基づいて、走査ミラーを特定の向きに、または特定の運動範囲にわたって駆動するのに適合したものとなっている。
このような実施形態の用途には、１つまたは複数のセンサからの入力に基づいて動的に制御されるスポット光の色点、位置、または形状に、美的価値、情報としての価値、または芸術的な価値がある任意のものが含まれる。そのような用途に対する本装置の主な利点は、この装置がいくつかの設定の間で遷移することができ、それぞれの設定は、様々な起こりうる状況に対して最適な照明を提供するものである。異なる照明特性が求められる可能性のあるいくつかの状況の例には、とりわけ、一般的な照明、室内の特定の対象物を目立たせること、動いている人または物に追従するスポット照明、時刻、屋外照明、または周辺照明に調和するように色点を変更する照明が含まれる。
一使用例として、本装置は、博物館または美術館の美術品を照明する光源として使用してもよい。運動センサが、光の放射スポットの形状及び強度の変化をトリガするようにして、運動センサのトリガに対応し、一般的な照明を目的とした空間的設定及び色設定から、いつも心地よい方法で美術品を目立たせる設定に切り替える。このような構成は、店舗においても有利であり、この場合、この装置が、トリガ入力によって、１つまたは複数の商品を売り物として優先的に照明するまでは、一般的な照明を行うようにしてもよい。
図２１Ａは、上述の実施形態に関する使用事例の概略図である。関心対象物２５０４は、本発明に従って構成された装置２５０３によって照明される。この装置は、関心対象物を含む領域の一般的な照明のために設定されたスポット２５０５を提供する。センサ２５０１が設けられ、このセンサ２５０１は、センサ入力２５０６に基づき、観察者２５０２が関心対象物に近いか、または注目しているかを判定するように構成されている。センサは、多くのタイプのうちの１つまたは複数であり得ることは、当業者に明らかであろう。例えば、センサは、赤外線運動検出器、または赤外線もしくは可視光ビームのオクルージョンの測定に基づく検出器であってもよい。また、センサは、ビデオまたはスチルカメラに基づくコンピュータビジョンシステムであってもよく、この場合、センサは、その視野内の人間の存在を検出する。また、コンピュータビジョンベースのシステムを使用し、身体、頭部、顔、及び目の位置及び動きの追跡に基づいて、観察者の意識が特定の物体に向けられている可能性が高いかどうかを判定してもよい。
図２１Ｂは、観察者が関心対象物に接近した状態の、図２１Ａの使用事例の概略図である。センサによって測定された信号２５０７は、装置の出力の変化をトリガするための所定の基準を満たし、トリガ信号２５０８が、装置によって受信される。トリガは、放射される白色光スポット２５０９の空間分布を変化させるように装置を誘導し、関心対象物を目立たせるか、またはそうでなく、より魅力的になって、賞賛され、または購入される可能性が生じるように、関心対象物の周囲に美的な状態を生成する。当業者には、センサ及び装置が様々な方法で相互に作用し、センサが、デジタル信号もしくはアナログ信号または通信を装置に提供してもよいし、装置が、デジタル信号もしくはアナログ信号または通信を使用し、センサの状態を要求してもよいことが明らかであろう。
図２１Ｃは、観察者が関心対象物に接近した状態の、図２１Ａの使用事例の概略図である。センサによって測定された信号２５１０は、装置の出力の変化をトリガするための所定の基準を満たし、トリガ信号２５１１が、装置によって受信される。トリガは、放射された白色光スポット２５１２の色またはスペクトルの空間分布を変化させるように装置を誘導し、関心対象物を目立たせるか、またはそうではなく、より魅力的になって、賞賛され、または購入される可能性が生じるように、関心対象物の周囲の美的な状態を生成する。この場合、装置は、異なる色相の中心スポットを有するように空間色分布を変更するが、空間分布に対する別の変更が可能であることは明らかである。当業者には、センサ及び装置が様々な方法で相互に作用し、センサが、デジタル信号もしくはアナログ信号または通信を装置に提供してもよいし、装置が、デジタル信号もしくはアナログ信号または通信を使用し、センサの状態を要求してもよいことが明らかであろう。
もう１つの使用例として、本装置は、小部屋で占められたオフィススペースのような大きな建物、倉庫または工場の床、食料品店または百貨店のような小売場所などを照明するために使用してもよい。空間内にくまなく分散配置された運動センサが、動きを検出し、装置が、トリガされたセンサの方へ光スポットを向けて、移動する人のための局所的な照明を提供することもある。このようなシステムの利点は、最小限の数の光源を使用し、空間内の位置及び状況に適合した照明を提供できることである。
必要に応じ、ビームステアリング光学素子は、反射検流計であるか、またはＤＬＰチップ、ＬＣＯＳチップ、もしくは走査ファイバであってもよい。必要に応じ、ビームステアリング光学素子は、２つ以上の反射検流計である。必要に応じ、ビームステアリング光学素子は、１つまたは複数の回転軸を有した１つまたは複数のＭＥＭＳ走査ミラーである。このＭＥＭＳミラーは、小型のサイズ、耐衝撃性、及びコストの点で好ましいものである。図１６Ｂは、ビームステアリング光学素子としてＭＥＭＳ走査デバイスを使用した動的スマート光源の例を示している。
必要に応じ、ビームステアリング光学素子は、圧縮空気、ステッパモータ、サーボモータ、ブラシレスＤＣモータ、またはそれ以外の回転運動源によって駆動されるポリゴン走査ミラーであるが、好ましい実施形態として、ステッパモータまたはそれ以外の運動手段を使用することにより、ミラー位置の開ループ制御を可能にするものもある。
必要に応じ、白色光スポットの位置を動的に制御するためのビームステアリング光学素子は、白色光を平行化するか、または白色光を走査ミラー上に集めるための１つまたは複数のレンズを備える。必要に応じ、この走査ミラーは、個別コンポーネントボイスコイルスキャナまたはソレノイドを備える。
用途には、近づいてくる交通手段もしくは歩行者、物体もしくは人の存在、環境に対する変化、知らせる必要があるような危険なもしくは重要な切迫状況のように、きっかけにより高速でのデータ接続が必要となることが含まれる。用途の一例は、建物内の照明源として用いるものであり、この場合、火災検知システムのような安全システムを用いて装置をトリガし、建物内にいる人の電話、タブレット、メディアプレーヤなどといったスマートデバイスに、避難指示や地図を送信するようにしてもよい。
本装置は、センサの入力に基づいて情報の送信をトリガする必要があるような照明用途において有利になることがある。用途の一例として、車のヘッドライトとして装置を利用してもよい。ＬＩＤＡＲまたは画像認識システムからの測定結果により、自車の前に他の車両が存在することを検知し、ＶＬＣを介して自車の位置、進行方向、及び速度についての他の車両への送信をトリガすることもある。
用途には、空間内の特定の位置、またはセンサによって決定される特定の対象物にデータを送信するだけの選択的領域ＶＬＣが含まれ、空間選択的ＷｉＦｉ／ＬｉＦｉは、受信者の位置を追跡し、データを連続的に提供することが可能である。また、畳み込まれたデータストリームが、ビームステアリングデバイスの変調を介し、異なる使用者または対象物に順次送信される時空間分割多重化を行うことさえ可能である。これにより、使用者の位置を追跡できる非常にセキュアなエンドユーザデータリンクを提供可能となる。
一実施形態において、本装置は、装置の視野内の個人の位置を判定するためのセンサまたはそれ以外の電子システムからの入力に基づき、使用者の位置に関する情報が提供される。センサは、運動検出器、デジタルカメラ、超音波式距離計、または人の電子機器からの無線周波数放射を検出することによって、その人の位置を三角測量するＲＦ受信機であってもよい。本装置は、動的に制御可能な白色光スポットを介して可視光通信を提供し、また、白色光スポットの大きさ及び位置を制御するだけでなく、一定照度の広いスポットが形成されたように見えるほど十分に速く白色光スポットを走査することができる。装置に対する使用者の判定位置は、特定の使用者に向けられたＶＬＣデータ送信を、当該特定の使用者が占有する視野の領域のみに集中させるために使用することができる。このような構成は、干渉が抑制された室内で使用される複数のＶＬＣ送信機のためのビームステアリング機構を提供するので、有利である。例えば、室内に互いに隣接して配置された２つの従来型のＬＥＤまたは電球ベースのＶＬＣ送信機は、使用者のＶＬＣ受信機に入る両ＶＬＣ送信機からの放射電力が類似または同等となるような部屋の領域において、強い干渉が生じる領域を生成することがある。上述のような実施形態は、２つのそのような光源が互いに隣接しているとき、第１の装置のＶＬＣデータ送信を含む領域が、ＶＬＣデータが送信されていない第２の装置からの領域と重なり合う可能性がより高いという点で有利である。受信光パワーにおけるＤＣオフセットは、ＶＬＣ伝送からフィルタで除去することが容易であるので、これにより、複数のユーザに高い伝送レートを提供しながら、複数のＶＬＣ対応光源をより密に集めることが可能になる。
いくつかの実施形態において、本装置は、使用者がどこにいるかについての情報を、ＲＦ受信機から受信する。例えば、使用者は、ＶＬＣを使用してデータを受信するが、より低い帯域幅のＷｉＦｉ接続を使用してデータを送信するようにしてもよい。三角測量及びビーム生成技術を使用し、複数のＷｉＦｉ送信アンテナにおける使用者のＷｉＦｉ送信の強度を分析することにより、部屋内の使用者の位置を正確に特定することができる。
いくつかの実施形態において、使用者は、ＶＬＣまたはＷｉＦｉのいずれかによってデータを送信し、使用者の位置は、使用者のところにある装置からのＶＬＣ信号の強度を測定した後、そのデータを、使用者のＶＬＣ対応デバイスから、ＷｉＦｉまたはＶＬＣを介して装置に送り返すことによって決定される。これにより、装置は、ＶＬＣ通信スポットで部屋を走査することができ、使用者が最大ＶＬＣ信号を検出した時刻は、使用者にＶＬＣビームの狙いを定めるためにスポット位置に関連付けられる。
一実施形態において、本装置は、無線制御式または自律式の無人航空機に取り付けられる。この無人航空機は、ドローン、即ち、小型ヘリコプタ、クワッドコプタ、またはそれ以外のマルチロータもしくはシングルロータ垂直離着陸機や飛行機など、パイロットまたはそれ以外の人間を運ぶようには構成されていない小規模の移動体とすることができる。無人航空機は、無線操縦装置または自動操縦装置を組み込んで改良した実物大の航空機であってもよい。無人航空機は、軟式小型飛行船、操縦可能型飛行船、ヘリウムバルーン、及び水素バルーンなどのように、浮力によって上昇が得られる飛行体であってもよい。
無人航空機に、ＶＬＣ対応の、レーザベースの動的白色光源を付加することは、目標を狙った照明を、インフラストラクチャが殆どないか、または全くない領域に提供する必要がある用途にとって、非常に有利な構成となる。実施形態の一例として、１つまたは複数の装置が、無人航空機に設けられる。装置のための電力は、バッテリ、発電機、航空機に設けられた太陽電池パネル、航空機に設けられた風力タービンなどからの内部電力、または電力線を備えたつなぎ綱によって供給される外部電力といった、１つまたは複数の手段によって供給される。航空機へのデータ伝送は、航空機への専用無線接続によって、またはつなぎ綱に組み込まれた伝送線を介して行うことができる。このような構成は、インフラストラクチャが殆どないか、または全くない領域に照明を提供する必要があり、照明が方向性を有する必要があり、照明の方向を修正できることが重要であるような用途に有利である。装置の小型化と、白色光スポットの形状や大きさを動的に変更する装置の能力とに加え、使用者による遠隔制御によって、または内蔵プログラミングによって、無人航空機がその位置を変更する能力を組み合わせることにより、１つまたは複数のこのような航空機が、固定インフラストラクチャの設置を必要とすることなく、１つの場所に、照明に加えてＶＬＣ通信を提供することが可能になる。このようなことが有利となるような状況には、建設及び道路工事の現場、夜間に人々が集まるイベント会場、スタジアム、コロシアム、駐車場などが含まれるが、これらに限定されない。無人航空機に指向性の高い光源を組み合わせることで、インフラストラクチャが乏しい、より大きな領域を、より少ない光源で照らすことが可能となる。このような装置は、赤外線撮像及び画像認識アルゴリズムと組み合わせてもよく、これにより、無人航空機が歩行者または移動車両を識別し、それらを選択的に照明し、それらの近傍では、一般的な照明に加え、ＶＬＣを介したネットワーク接続性を提供することが可能となる。
図２２Ａは、本発明の一実施形態に係る、１つまたは複数の装置に関する使用事例の概略図である。無人のドローン２２０１には、可視光通信（ＶＬＣ）または無線周波数受信機２２０４と共に、１つまたは複数の動的な白色光装置２２０５が設けられている。これらの装置は、地上の使用者を照らす光スポット２２０８，２２０６を放射する。地上基地局２２０２は、無線周波数または可視光の通信チャンネル２２０３を使用して、デジタルデータをドローンに送信する。このデジタルデータは、白色光スポット２２０６，２２０８におけるレーザ光の変調を用い、可視光通信ストリーム２２０７，２２０９を介して複数の使用者に中継される。ＶＬＣデータは、スマートウォッチ、スマートフォン、コンピュータ化されたウェアラブルデバイス、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータなどのスマートシステムを使用して使用者により受信される。ドローン２２０１は、垂直方向及び水平方向に位置を変更して、その下方にある個体に照明及びＶＬＣ通信を提供する能力を最適化することができる。このドローンは、ヘリコプタやマルチロータ飛行体のようなプロペラ駆動型の飛行体であってもよいし、軟式小型飛行船や操縦可能型飛行船のように航空機よりも軽量のものであってもよく、または固定翼機であってもよい。
図２２Ｂは、本発明の一実施形態に係る、１つまたは複数の装置に関する使用事例の概略図である。無人のドローン２３０１には、１つまたは複数の動的な白色光装置２３０５が設けられている。これらの装置は、地上の使用者を照らす光スポット２３０８，２３０６を放射する。地上基地局２３０２は、基地局をドローンに接続するつなぎ綱２３０３と共に設けられる。デジタルデータは、ドローンを動かすと共に白色発光装置に供給するための電力と共に、つなぎ綱を介してドローンに伝送される。このデジタルデータは、白色光ビーム２３０６，２３０８におけるレーザ光の変調を使用し、可視光通信ストリーム２３０７，２３０９を介して複数の使用者に中継される。ＶＬＣデータは、スマートウォッチ、スマートフォン、コンピュータ化されたウェアラブルデバイス、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータなどのスマートシステムを使用して使用者により受信される。
いくつかの実施形態において、ドローン２３０１は、垂直方向及び水平方向に位置を変更して、その下方にある個体に照明及びＶＬＣ通信を提供する能力を最適化することができる。このドローンは、ヘリコプタやマルチロータ飛行体のようなプロペラ駆動型の飛行体であってもよいし、軟式小型飛行船や操縦可能型飛行船のように航空機よりも軽量のものあってもよく、または固定翼機であってもよい。
他の実施形態では、ドローンが、その位置を独立して制御することができない。この場合、ドローンは、ヘリコプタやマルチロータ飛行体などのようなプロペラ駆動型の飛行体とすることができる。また、ドローンは、軟式小型飛行船や操縦可能型飛行船などのように航空機よりも軽量なものとすることができる。
図２２Ｃ及び図２２Ｄは、本発明の一実施形態に係る、装置に関する使用事例の概略図である。この場合、操縦可能な２つのドローン２４０３，２４０７が設けられる。図２２Ｃにおいて、第１のドローンには、基地局２４０１及びつなぎ綱が設けられる。第２のドローンには、別個の基地局２４０８及びつなぎ綱２４０４が設けられる。各ドローンには、本発明の一実施形態に係る、ＶＬＣ対応の白色光源が１つまたは複数設けられる。第１のドローンが放射する白色光スポット２４０６のレーザ成分の変調を使用するＶＬＣ通信２４０５を介し、データストリーム２４０２が使用者に送信される。使用者が移動するにつれて、ドローンは、使用者に対する自身の位置を能動的に変更すると共に、白色光スポットの形状及び方向を動的に制御することによって、使用者の継続的な照明及び使用者へのＶＬＣ通信可能範囲の継続的な提供を行う。図２２Ｄでは、使用者が移動し続けると、使用者は、いずれ第１のドローンの利用可能範囲を超えることになり、この利用可能範囲は、つなぎ綱の長さ及び装置の投射距離によって制限される。この時点で、第２のドローンへの受け渡しを行う必要がある。今度は、第２のドローン２４１１が、照明のためだけでなく、つなぎ綱２４１４を介して第２の基地局２４１３から供給されるＶＬＣデータストリーム２４１５のための白色光スポット２４１２を提供する。３つ以上のドローンを使用して、更に広い領域に利用可能範囲を提供することができることは、当業者に明らかなことである。更に、通信チャンネルを、基地局間、ドローン間、または遠隔制御システム間に設け、ドローンの位置及び動きを調整することにより、照明及びデータ伝送の両方に関して優れた利用可能範囲を提供できるようにすることが可能である。
一実施形態において、本装置は、自律走行車、トラック、ボート、または船舶といった自律移動型輸送手段に取り付けられる。
いくつかの好ましい実施形態において、スマート光源は、モノのインターネット（ＩｏＴ）で使用され、この場合、家庭用器具（即ち、冷蔵庫、オーブン、ストーブなど）、照明、冷暖房システム、電子機器、ソファやテーブル、ベッド、ドレッサなどの家具、用水システム、セキュリティシステム、オーディオシステム、ビデオシステムなどのものと通信するために、レーザベーススマート光が使用される。また、コンピュータ、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、拡張現実（ＡＲ）コンポーネント、仮想現実（ＶＲ）コンポーネント、ビデオゲーム機を含むゲーム機、テレビ、及びそれ以外のあらゆる電子デバイスと通信するように、レーザベーススマート光を構成できることは明らかである。
いくつかの実施形態において、本装置は、拡張現実の用途のために使用される。そのような用途の一つは、拡張現実用のメガネまたはヘッドセットと相互作用して、使用者の周囲の状況に関する、より多くの情報を提供することができる動的光源を提供するものである。例えば、本装置は、可視光通信（ＬｉＦｉ）を介して拡張現実用ヘッドセットと通信するだけでなく、光のスポットを迅速に走査するか、または室内の物体上に光のパターンを迅速に投射するようにしてもよい。このような動的に調整された光のパターンまたはスポットは、個別のスポットとして人間の目が知覚するにはあまりにも速すぎる速さで調整されることになる。拡張現実用ヘッドセットには、光パターンが物体に投射されるときに、当該光パターンを撮像し、室内の物体の形状と位置に関する情報を推測するカメラが設けられることもある。このとき、拡張現実システムは、室内の物体とより良好に融合して形成された画像を、システムディスプレイから提供することができ、従って、使用者に、より没入型の体験を提供することができる。
空間的に動的な実施形態の場合、レーザ光または得られる白色光は、動的に照準を定めなければならない。ＭＥＭＳミラーは、これを行うための最小で最も汎用性のある方法であるが、この事柄については、ＤＬＰ及びＬＣＯＳなどといった別のものを使用してもよいことが含まれる。従来は、回転ポリゴンミラーが一般的であったが、この回転ポリゴンミラーは、２つ以上の方向に走査するために、複数のモータと多面ミラーとを備えた大きなシステムを必要とする。一般に、走査ミラーは、高反射性表面を生成するようにコーティングされる。コーティングには、とりわけ、銀、アルミニウム、及び金などの金属コーティングを含めることができる。銀及びアルミニウムは、広範囲の波長にわたって反射率が比較的高いため、好ましい金属コーティングである。また、コーティングは、異なる屈折率の層からなる二色性コーティングを含んでもよい。このようなコーティングは、比較的狭い波長範囲にわたって格別高い反射率を提供することができる。いくつかの波長範囲を対象とする複数の二色性膜の積層体に組み合わせることにより、広いスペクトルの反射膜を形成することができる。いくつかの実施形態では、二色性膜及び金属反射体の両方が利用される。例えば、まず、アルミニウム膜がミラー表面上に堆積され、次いで、６５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲で高反射性を有した二色性膜が上に重ねられるようにしてもよい。アルミニウムは、これらの波長では反射性が低いので、組み合わせて得られた膜積層体は、可視スペクトル内の全ての波長に対して比較的一定の反射率を有した面を生成することになる。一例では、走査ミラーが、銀膜でコーティングされる。この銀膜には、４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲で５０％を超える反射率を有した二色性膜積層体が上に重ねられる。
いくつかの実施形態において、１つまたは複数のセンサからの信号は、ステアリング素子ドライバに直接入力され、このステアリング素子ドライバには、センサ入力信号を、１つまたは複数の走査ミラーのための駆動電流または駆動電圧に変換する回路が設けられる。別の実施形態では、コンピュータ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはそれ以外でステアリング素子ドライバの外部にある制御回路が設けられ、センサ信号を、１つまたは複数の走査ミラーを制御する際にステアリング素子ドライバに指示する制御信号に変換する。
いくつかの実施形態において、走査ミラードライバは、ジャイロスコープまたは加速度計といった運動センサからの入力に応答する。一実施形態の例において、白色光源は、スポット光源として作動し、狭く発散する白色光のビームを供給する。走査ミラードライバは、光ビームを角度付けして光源の動きを生じさせることにより、１つまたは複数の加速度計からの入力に応答する。一例において、光源は、手持ち式懐中電灯として使用される。懐中電灯が弧を描くようにさっと動かされると、走査ミラーは、懐中電灯の光の移動方向に向かうように角度が付けられた方向に光源の出力を向ける。一実施形態の例において、白色光源は、スポット光源として作動し、狭く発散する白色光のビームを供給する。走査ミラードライバは、光源の位置にかかわらず同じスポットを照らすようにビームを向けることによって、１つまたは複数の加速度計及びジャイロスコープからの入力に応答する。このような装置の用途として、ヘリコプタまたは自動車のような輸送手段における自動照準光とすることもある。
一実施形態において、動的白色光源を使用し、自動車用の動的ヘッドライトを提供するようにしてもよい。投射ビームの形状、強度、及び色点は、車両内の種々のセンサからの入力に応じて変更される。一例では、走行中の車両速度を判定するために速度計が使用される。限界閾値速度を超えると、ヘッドランプの投射ビームの輝度及び形状が変更され、速度の増加と共に増加する距離での照明が強調される。もう１つの例では、車両の走行経路に隣接する道路標識または歩行者の存在を検出するために、センサが使用される。このようなセンサには、前方監視赤外線、赤外線カメラ、ＣＣＤカメラ、カメラ、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）システム、及び超音波測距儀などを含めてもよい。
一例では、近接する車両の前部、後部、または側部の窓の存在を検出するためにセンサが使用される。投射ビームの形状、強度、及び色点を修正して、ヘッドライトビームが他の車両の乗客及び運転者を照らす程度を低減する。このような防眩技術は、どれくらい良好に照明するかが最適化される車両上のランプの配置と、眩しさを減らして他の運転者の安全性を向上させるようなビームの配置との間で妥協がなされなければならない夜間での用途において有利になることがある。
現在、ハイビームとロービームとがヘッドライトに採用されており、運転者は、既知のあらゆる欠点を伴いながら、これらを手動で切り替えなければならない。一部車両では、ヘッドライトの水平旋回機構が採用されているが、現在は機器全体の機械的回転で実現されている。本発明により開示された動的光源により、接近する車両、歩行者、自転車、または障害物までの距離を検知する単純なセンサ（複数も可）に基づいて、ビームをハイビームからロービームに徐々にかつ自動的に移動させることが可能である。このようなセンサからのフィードバックにより、ビームを自動的に移動させて最良の視認性を維持すると同時に、反対方向に向かう運転者の目眩ましを防止することになる。２Ｄスキャナ及び単純なセンサにより、水平及び垂直走査能力を有した走査レーザベースのヘッドライトを実現することができる。
必要に応じ、接近する車両、障害物などまでの距離、または霧の濃さを、いくつかの方法によって検知することができる。このようなセンサには、暗がりで検知するための赤外線カメラを含む単純なカメラ、光学距離センサ、単純なレーダ、光散乱センサなどを含んでいてもよい。距離センサは、垂直方向のビーム位置決めのための信号を供給し、従って、最良の視認性を提供し、接近する車両の運転者の目を眩まさない最適なビーム高さをもたらすことになる。
これに代わる実施形態として、動的白色光源を使用し、マシンビジョンに基づく動的照明をレストランで提供するようにしてもよい。食事客のいるテーブルを撮像するために、赤外線カメラまたは可視光カメラが使用される。テーブルにいる食事客の数及び位置は、コンピュータ、マイクロコントローラ、ＡＳＩＣ、またはそれ以外のコンピュータデバイスによって識別される。次に、マイクロコントローラは、レーザドライバ及び走査ミラーに調整信号を出力し、食事の間中、動的に変化する空間的に局所化された照明効果を実現する。白色光スポットを十分迅速に走査することにより、人間の目には光が静止した照明であるように見える。例えば、白色光源に赤色及び緑色のレーザを設けてもよく、これらを用いて、個々の食事客を照らす白色光の色点を変調し、当該食事客の衣服の色を補うようにしてもよい。動的白色光源は、料理及び飲み物を優先的に照らすようにしてもよい。ダイナミック白色光源に近ＵＶレーザ光源を設け、近ＵＶ光を、テーブルにある特定の物体に優先的に照射することにより、蛍光を介し、この特定の物体を強調するようにしてもよい。白色光源は、テーブルの占有時間に加えてテーブル上の食物の数を計測し、食事の個々の区切りに対して、照明の明るさと色点とを調整するようにしてもよい。
このような白色光源は、他の場所でも用途がある。もう１つの使用例として、動的白色光源を使用し、劇場や倉庫などの暗くなった部屋を移動する人々を優先的に照明するようにしてもよい。
もう１つの実施形態として、動的白色光源を用いて作業場所を照明してもよい。一例として、動的に変化する光の空間的分布に加え、動的に変化する光の色点を用い、作業環境及び作業についての情報の手がかりを作業者に提供することにより、工場における人間と機械との相互のやりとりを支援するようにしてもよい。例えば、作業者が近づくと、予め決められた色点の光点で、危険な機器の部位を目立たせるようにしてもよい。もう１つの例として、建物の中にいる人の位置に基づき、個々の人に合わせてカスタマイズされた緊急脱出の指示を、建物の床またはそれ以外の面に投影してもよい。
別の実施形態では、個人が、ＲＦＩＤバッジによる三角測量や、Ｗｉ－Ｆｉ伝送、または携帯電話、スマートウォッチ、ラップトップコンピュータ、もしくは何らかのタイプのデバイスといったデバイスに含まれうる別の手段による三角測量を用いて追跡されることがある。
これに代わる態様では、本開示が、色及び輝度の動的制御を備えたスマート照明システムを提供する。このスマート照明システムは、１つまたは複数の制御信号を生成するための入力情報を受け取るように構成されたマイクロコントローラを備える。更に、スマート照明システムは、１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つによって駆動され、紫色または青色のスペクトルの色範囲内の第１のピーク波長を有する第１のレーザビームと、第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する第２のレーザビームとを少なくとも放射するように構成されたレーザデバイスを備える。加えて、スマート照明システムは、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを動的に案内するように構成された経路を備える。スマート照明システムは、経路から第１のレーザビームまたは第２のレーザビームのいずれかを受け取るように構成された波長変換部材を更に備え、この波長変換部材は、第１のピーク波長を有する第１のレーザビームの第１の部分を、第１のピーク波長よりも長い第３のピーク波長を有する第１のスペクトルに変換するか、または第２のピーク波長を有する第２のレーザビームの第２の部分を、第２のピーク波長よりも長い第４のピーク波長を有する第２のスペクトルに変換するように構成される。第１のスペクトル及び第２のスペクトルは、第１のピーク波長を有する第１のレーザビーム及び第２のピーク波長を有する第２のレーザビームのそれぞれの残りの部分と合成し、第１の色点から第２の色点まで動的に変化する、より広いスペクトルの出力光ビームが出射される。更に、スマート照明システムは、出力光ビームを平行化して集束させるように構成されたビーム整形光学素子と、出力光ビームを方向付けるように構成されたビームステアリング光学素子とを備える。スマート照明システムは更に、マイクロコントローラに接続されたビームステアリングドライバを備え、このビームステアリングドライバは、ビームステアリング光学素子に関する入力情報に基づく１つまたは複数の制御信号のいくつかを受け取り、出力光ビームを実質的に白色で動的に走査して、空間的に変調された照明を提供し、第１のピーク波長を有して異なる色範囲にある複数のレーザビームのうちの１つもしくは複数を、１つもしくは複数の選択された期間内に、１つもしくは複数のターゲット領域のうちの１つもしくは複数の領域に選択的に向け、または複数のターゲット方向のうちの１つもしくは複数の方向に選択的に向ける。更に、スマート照明システムは、コントローラに接続されたフィードバックループ回路内に構成された１つまたは複数のセンサを備える。この１つまたは複数のセンサは、リアルタイムで検出された対象のターゲットに関連する様々なパラメータに基づき、１つまたは複数のフィードバック電流または電圧をコントローラに供給し、光の動きによる応答、光の色による応答、光の明るさによる応答、空間光パターンによる応答、及びデータ信号通信による応答のうちの１つまたは複数がトリガされるように構成される。
必要に応じ、レーザデバイスは、３８０ｎｍ～４２０ｎｍの範囲の紫外スペクトルまたは４２０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲の青色スペクトルに第１のピーク波長を有した、第１のレーザビームを放射する１つまたは複数の第１のレーザダイオードを備える。
必要に応じ、レーザデバイスは、６００ｎｍ～６７０ｎｍの範囲の赤色スペクトル、または４８０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲の緑色スペクトル、または第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する別の青色スペクトルに、第２のピーク波長を有する第２のレーザビームを放出する１つまたは複数の第２のレーザダイオードを備える。
必要に応じ、１つまたは複数の第１のレーザダイオードは、１つまたは複数の駆動電流によって駆動されるように構成された、ガリウム及び窒素含有材料を含む活性領域を備える。
必要に応じ、ガリウム及び窒素含有材料は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮのうちの１つまたは複数を含む。
必要に応じ、１つまたは複数の第２のレーザダイオードは、１つまたは複数の駆動電流によって駆動されるように構成された、ガリウム及びヒ素含有材料を含む活性領域を備える。
必要に応じ、波長変換部材は、紫色スペクトルに第１のピーク波長を有する第１のレーザビームの第１の割合の部分を吸収し、第１のピーク波長よりも長い第３のピーク波長を有する第１のスペクトルに変換して第１の色点を有する第１の出力光ビームを放射するように選択された第１の蛍光体材料と、青色スペクトルに第１のピーク波長を有する第１のレーザビームの第２の割合の部分を吸収し、第１のピーク波長よりも長い第３のピーク波長を有する第２のスペクトルに変換して第２の色点を有する第２の出力光ビームを放射するように選択された第２の蛍光体材料と、第２のピーク波長を有する第２のレーザビームの第３の割合の部分を吸収し、第２のピーク波長より長い第４の波長を有する第３のスペクトルに変換して第３の色点を有する第３の出力光ビームを放射するように選択された第３の蛍光体材料とを備える。
必要に応じ、経路は、第１のレーザビームまたは第２のレーザビームのいずれかを、遠隔光源として遠隔に配置された波長変換素子部材に案内する光ファイバを備える。
必要に応じ、経路は、動的に変化する色点を有した出力光ビームを生成するために、第１のレーザビームまたは第２のレーザビームのいずれかを波長変換素子部材に導くための導波路を備える。
必要に応じ、経路は、自由空間光学デバイスを備える。
必要に応じ、ビーム整形光学素子は、低速軸コリメートレンズ、高速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、内部全反射（ＴＩＲ）光学素子、放物面レンズ光学素子、屈折光学素子、及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーの群から選択され、角度分布を変更した出力光ビームを、方向付け、平行化し、集束させるように構成された１つまたは複数の光学素子の組合せを備える。
必要に応じ、ビームステアリング光学素子は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラー、デジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）チップ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、及びリキッドクリスタルオンシリコン（ＬＣＯＳ）チップのうちの１つから選択される。
必要に応じ、ビームステアリング光学素子は、マイクロミラーの２次元アレイを備え、各画素をオンまたはオフにする所定の角度で、画素の光を反射することによって、色点が変化する複数の出力光ビームの操作、パターン化、及びピクセル化の少なくとも１つを行う。
必要に応じ、マイクロミラーの２次元アレイは、入力情報に基づいてマイクロコントローラからビームステアリングドライバが受信した１つまたは複数の制御信号のうちのいくつかによってアクティブ化されて複数の出力光ビームを操作し、これら出力光ビームのそれぞれの色点が動的に調整されて、ターゲット領域の表面に、またはターゲット空間の方向に、色及び輝度のパターンをもたらすように構成される。
必要に応じ、マイクロコントローラは、ユーザ入力ダイヤル、スイッチ、もしくはジョイスティック機構、または１つもしくは複数のセンサを介してリアルタイムで更新される入力情報を受け取るためのフィードバックループモジュールとして構成されたインタフェースを備える。
必要に応じ、色及び輝度のパターンは、テキスト、画像、ホログラフィ画像として、またはスクリーン上に投影されるビデオである。
必要に応じ、マイクロコントローラは、スマートフォン、スマートウォッチ、コンピュータ化されたウェアラブルデバイス、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、車載コンピュータ、またはドローンの中に設けられる。
必要に応じ、１つまたは複数のセンサは、マイクロフォン、ジオフォン、運動センサ、無線識別（ＲＦＩＤ）受信機、ハイドロフォン、水素センサもしくはＣＯ２センサもしくは電子ノーズセンサを含む化学センサ、流量センサ、水量センサ、ガスメータ、ガイガーカウンタ、高度計、対気速度センサ、速度センサ、距離計、圧電センサ、ジャイロスコープ、慣性センサ、加速度計、ＭＥＭＳセンサ、ホール効果センサ、金属検出器、電圧検出器、光電センサ、光検出器、光抵抗器、圧力センサ、歪みゲージ、サーミスタ、熱電対、高温計、温度ゲージ、運動検出器、受動赤外線センサ、ドップラーセンサ、バイオセンサ、静電容量センサ、ビデオカメラ、トランスデューサ、画像センサ、赤外線センサ、レーダ、ソナー、ＬＩＤＡＲから選択される１つまたは複数の組合せからなる。
必要に応じ、１つまたは複数のセンサは、フィードバックループ回路内に設けられ、１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つを調整して、第１のピーク波長を有する第１のレーザビームまたは第２のピーク波長を有する第２のレーザビームのいずれかの輝度を調整するために、フィードバック電流またはフィードバック電圧をマイクロコントローラに供給するように構成される。
必要に応じ、１つまたは複数のセンサは、フィードバックループ回路内に設けられ、出力光ビームによって照射される空間位置を調整するようにビームステアリング光学素子を動作させるための、１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つを調整するために、フィードバック電流またはフィードバック電圧をマイクロコントローラに供給するように構成される。
必要に応じ、１つまたは複数のセンサは、フィードバックループ回路内に設けられ、ビーム整形光学素子を調整して、第１のレーザビームまたは第２のレーザビームのいずれかの入射角を調整することにより、それぞれの出力光ビームの色点を調整するための、波長変換部材のそれぞれの蛍光体材料によって変換される第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのそれぞれの割合を調整する、１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つを調整するために、フィードバック電流またはフィードバック電圧をマイクロコントローラに供給するように構成される。

Claims (19)

  1. モデムとドライバとを備えるコントローラであって、前記モデムは、データ信号を受信するように構成され、前記コントローラは、前記データ信号に基づいて駆動電流及び変調信号を生成するように前記ドライバを動作させるための１つまたは複数の制御信号を生成するように構成される、コントローラと、
    ガリウム及び窒素含有材料と光学キャビティとからなるポンプ光デバイスとして構成される発光素子であって、前記光学キャビティは、光導波路領域と１つまたは複数のファセット領域とを備え、前記光学キャビティは、前記１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つに基づく前記駆動電流を前記ガリウム及び窒素含有材料に供給するための電極を有するように構成され、前記駆動電流は、前記光導波路領域内を伝播する電磁放射に光学利得を与え、前記電磁放射は、紫外線または青色波長領域内の第１のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、前記１つまたは複数のファセット領域のうちの少なくとも１つを介して出力され、前記指向性電磁放射は、前記ドライバが供給する前記変調信号を使用して前記データ信号を搬送するように変調される、発光素子と、
    前記指向性電磁放射を方向付け、フィルタリングし、または分割するように構成された経路と、
    前記経路に光学的に結合され、前記ポンプ光デバイスから前記指向性電磁放射を受け取る波長変換素子であって、前記第１のピーク波長を有する前記指向性電磁放射の少なくとも一部を、前記第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長に少なくとも変換し、少なくとも前記第２のピーク波長と部分的に前記第１のピーク波長とを含む白色スペクトルを出力するように構成された波長変換素子と、
    対象の目標物を照射し、当該対象の目標物にある受信機に、前記第１のピーク波長を有する前記指向性電磁放射の少なくとも一部を介して前記データ信号を送信するために、前記白色スペクトルを指向するように構成されたビーム整形素子と、
    を備える、可視光通信用に構成された光源。
  2. 前記ポンプ光デバイスは、レーザダイオードデバイスを備え、または前記ポンプ光デバイスは、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＥＤ）デバイスを備える、請求項１に記載の光源。
  3. 前記第１のピーク波長を有する前記指向性電磁放射は、３８０ｎｍ～４２０ｎｍの範囲内の第１のピーク波長を有する紫色スペクトル、及び４２０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲内の第１のピーク波長を有する青色スペクトルの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の光源。
  4. 前記モデムは、有線または無線で接続されたデータ源から前記データ信号を受信し、前記データ信号を、前記ドライバの出力を決定するためのアナログ信号に変換するように構成され、前記ドライバの前記出力は、前記ポンプ光デバイスから放射される前記指向性電磁放射の強度を制御するための駆動電流と、前記データ信号に基づく振幅変調または周波数変調のいずれかに基づいた所定のフォーマットの変調信号とを少なくとも含む、請求項１に記載の光源。
  5. 前記指向性電磁放射は、前記データ信号に基づいて、約５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ～１ＧＨｚ、及び１ＧＨｚ～１００ＧＨｚから選択される変調周波数範囲にある複数のパルス変調光信号を含み、前記白色スペクトルは、前記発光素子からの前記指向性電磁放射の少なくとも一部によって搬送される前記データ信号に基づいて変調された前記複数のパルス変調光信号を含む、請求項１に記載の光源。
  6. 前記波長変換素子は、前記方向性電磁放射を入射角をもって受ける表面を有して反射モードとして構成される蛍光体材料を備え、前記白色スペクトルは、前記蛍光体材料によって変換された前記第２のピーク波長のスペクトルと、前記蛍光体材料の前記表面から反射され、前記第１のピーク波長を有する前記方向性電磁放射の一部と、前記蛍光体材料の内部から散乱された前記方向性電磁放射の一部との組み合わせである、請求項１に記載の光源。
  7. 前記波長変換素子は、通過する指向性電磁放射を受ける透過モードとして構成された蛍光体材料を備え、前記白色スペクトルが、前記蛍光体材料によって吸収されない一部の指向性電磁放射と、前記蛍光体材料によって変換された前記第２のピーク波長のスペクトルとの組み合わせである、または、
    前記波長変換素子は、青色または紫色の波長領域を、主に赤色スペクトル、主に緑色スペクトル、及び前記指向性電磁放射の前記第１のピーク波長よりも長いピーク波長を有する主に青色スペクトルの少なくともいずれか１つに変換する複数の波長変換領域を備える、
    請求項１に記載の光源。
  8. 前記ビーム整形素子は、異なる目標物に、異なる受信機のための前記データ信号の異なるストリームを搬送して送信するための、主に赤色スペクトル、主に緑色スペクトル、及び主に青色スペクトルを独立して操作する複数の特定色用光学素子を備える、請求項１に記載の光源。
  9. 前記ビーム整形素子は、低速軸コリメートレンズ、高速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、内部全反射（ＴＩＲ）光学素子、放物レンズ光学素子、屈折光学素子、及びマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーの群から選択され、白色スペクトルを方向付け、平行化し、集束させて、当該白色スペクトルの角度分布を少なくとも変更するように構成された、１つの光学素子または複数の光学素子の組合せを備える、請求項１に記載の光源。
  10. 前記ビーム整形素子は、所望の方向に沿って前記対象の目標物を照射するための照射光源として前記白色スペクトルを指向するように構成される、請求項１に記載の光源。
  11. 前記対象の目標物の周囲の空間的範囲を動的に走査するため、前記白色スペクトルを指向するように構成されたビームステアリングデバイスを備える、請求項１に記載の光源。
  12. 前記経路は、遠隔に配置されて前記白色スペクトルを生成する前記波長変換素子に前記指向性電磁放射を導くための光ファイバを備え、または、
    前記経路は、前記指向性電磁放射を前記波長変換素子に導くための導波路を備え、または、
    前記経路は、自由空間光学デバイスを備える、
    請求項１に記載の光源。
  13. 前記対象の目標物にある前記受信機は、フォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードと、光電子増倍管と、約５０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの変調周波数範囲でパルス変調された光信号を検出するための１つまたは複数のバンドパスフィルタとを備え、当該受信機は、前記光信号を２値データに復号するように構成されたモデムと組み合わされる、請求項１に記載の光源。
  14. 入力情報に基づいてビームステアリングドライバによって生成された１つまたは複数の電圧及び電流信号を受信して白色光を動的に走査し、パターン化された照明を複数の領域に供給し、同時にデータ信号を複数の領域の異なる受信機に送信するように構成されたビームステアリング光学素子を更に備える、請求項１に記載の光源。
  15. 前記変調信号は、前記データ信号に基づく変調フォーマットを有し、当該変調フォーマットは、両側波帯変調（ＤＳＢ）、全搬送波両側波帯変調（ＤＳＢ－ＷＣ）、両側波帯搬送波抑制変調（ＤＳＢ－ＳＣ）、両側波帯搬送波低減変調（ＤＳＢ－ＲＣ）、単側波帯変調（ＳＳＢ－ＡＭ）、全搬送波単側波帯変調（ＳＳＢ－ＷＣ）、単側波帯搬送波抑制変調（ＳＳＢ－ＳＣ）、残留側波帯変調（ＶＳＢ、またはＶＳＢ－ＡＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）、パルス振幅変調（ＰＡＭ）、位相シフトキーイング（ＰＳＫ）、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）、連続位相変調（ＣＰＭ）、最小シフトキーイング（ＭＳＫ）、ガウス型最小シフトキーイング（ＧＭＳＫ）、連続位相周波数シフトキーイング（ＣＰＦＳＫ）、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）、及び離散マルチトーン（ＤＭＴ）から選択された１つからなる、請求項１に記載の光源。
  16. 空間的に変調された照明を有するスマート光源であって、
    １つまたは複数の制御信号を生成するための入力情報を受信するように構成されたコントローラと、
    ガリウム及び窒素含有材料と光学キャビティとからなるポンプ光デバイスとして構成される発光素子であって、前記光学キャビティは、光導波路領域と１つまたは複数のファセット領域とを含み、前記光学キャビティは、前記１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つに基づいて前記ガリウム及び窒素含有材料に駆動電流を供給する電極を有して構成され、前記駆動電流は、前記光導波路領域内を伝播する電磁放射に光学利得を与え、前記電磁放射は、紫外線または青色波長領域内の第１のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、前記１つまたは複数のファセット領域のうちの少なくとも１つを介して出力される、発光素子と、
    前記指向性電磁放射を特定の方向及び焦点に平行化して集束させるように構成されたビーム整形素子と、
    前記指向性電磁放射を案内するための光学的経路と、
    前記ポンプ光デバイスからの前記指向性電磁放射に光学的に結合された波長変換素子の空間的に変調された励起を生成するために前記指向性電磁放射を操作するように構成されたビームステアリング光学素子と、を備え、
    前記波長変換素子は、前記第１のピーク波長を有する前記指向性電磁放射の少なくとも一部を吸収して、前記第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有するスペクトルを励起し、前記第２のピーク波長と部分的に前記第１のピーク波長とを少なくとも含むより広いスペクトルを有した出力電磁放射を再放出するように構成され、
    前記スマート光源は、
    白色スペクトルのビームを特定の方向または特定の焦点に向けて平行化するように構成されたビーム整形素子と、
    前記コントローラに組み合わされたフィードバックループ回路内に構成され、リアルタイムで検出された対象の目標物に関連する様々なパラメータに基づいて１つまたは複数のフィードバック電流または電圧を前記コントローラに供給することで、光の動きによる応答、光の色による応答、光の明るさによる応答、空間光パターンによる応答、及びデータ信号通信による応答のうちの１つまたは複数をトリガするように構成される１つまたは複数のセンサと、
    を更に備える、スマート光源。
  17. 前記入力情報は、使用者によって入力される輝度の空間パターン、またはセンサフィードバックに基づいて動的に調整される輝度の空間パターンを含み、前記入力情報に基づき前記スマート光源が駆動されて、前記出力電磁放射を生成して操作し、前記対象の目標物の領域に、または前記対象の目標物の方向に、前記輝度の空間パターンに対応する前記空間的に変調された照明を供給し、前記空間的に変調された照明は、懐中電灯、スポットライト、自動車用ヘッドランプ、または、光が特定の位置または領域に向けられるか、もしくは投射される必要がある任意の方向の光用途としてのスポットライトシステムとして構成される、請求項１６に記載のスマート光源。
  18. 前記波長変換素子は、青色または紫色の波長領域を、主に赤色スペクトルまたは主に緑色スペクトル、及び前記指向性電磁放射の前記第１のピーク波長よりも長いピーク波長を有する主に青色スペクトルの少なくとも一方に変換する複数の波長変換領域を備え、
    前記ビームステアリング光学素子は、主に赤色スペクトル、主に緑色スペクトル、及び主に青色スペクトルを、独立して操作して異なるターゲット領域または異なるターゲット方向に向けるための複数の特定色用光学素子を備え、
    前記ビーム整形素子は、低速軸コリメートレンズ、高速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、内部全反射（ＴＩＲ）光学素子、放物線レンズ光学素子、屈折光学素子、及びマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーの群から選択される光学素子のうちの１つまたは複数の組合せを備え、前記指向性電磁放射を指向し、平行化し、集束させて、前記波長変換素子への入射ビームとして、少なくとも前記指向性電磁放射の角度分布を変更するように構成される、
    請求項１６に記載のスマート光源。
  19. 前記ビームステアリング光学素子は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）ミラー、デジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）チップ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはリキッドクリスタルオンシリコン（ＬＣＯＳ）チップのうちの１つを備え、前記出力電磁放射を操作し、パターニングし、またはピクセル化し、
    前記ビームステアリング光学素子は、前記１つまたは複数のセンサからのリアルタイムフィードバックを含む入力情報に基づく、前記コントローラからの前記１つまたは複数の制御信号のうちのいくつかによって起動されるように構成され、
    前記ビームステアリング光学素子は、前記出力電磁放射を、スポット光源として柔軟に案内する光ファイバを更に備え、
    前記１つまたは複数のセンサは、マイクロフォン、ジオフォン、動作センサ、無線識別（ＲＦＩＤ）受信機、ハイドロフォン、水素センサもしくはＣＯ２センサもしくは電子ノーズセンサを含む化学センサ、流量センサ、水量センサ、ガスメータ、ガイガーカウンタ、高度計、対気速度センサ、速度センサ、距離計、圧電センサ、ジャイロスコープ、慣性センサ、加速度計、ＭＥＭＳセンサ、ホール効果センサ、金属検出器、電圧検出器、光電センサ、光検出器、光抵抗器、圧力センサ、歪みゲージ、サーミスタ、熱電対、高温計、温度ゲージ、運動検出器、受動赤外線センサ、ドップラーセンサ、バイオセンサ、静電容量センサ、ビデオカメラ、トランスデューサ、イメージセンサ、赤外線センサ、レーダ、ソナー、及びＬＩＤＡＲから選択される１つまたは複数の組み合わせからなり、
    前記１つまたは複数のセンサは、前記フィードバックループ回路内に構成され、前記１つまたは複数の制御信号のうちの少なくとも１つを調整するために、フィードバック電流または電圧を前記コントローラに供給し、前記１つまたは複数の制御信号は、前記発光素子からの前記指向性電磁放射の輝度を調整するか、または前記ビームステアリング光学素子を操作して、前記出力電磁放射によって照射される空間的位置を調整するか、または、前記ビーム整形素子を調整して前記指向性電磁放射の入射角を調整し、前記第１のピーク波長が前記第２のピーク波長に変換される前記指向性電磁放射の割合を調整するものであり、
    前記光学的経路は、自由空間光学素子、導波路、及び光ファイバから選択されて、前記指向性電磁放射の導波、フィルタリング、平行化、集束、合成、及び分割を行うように構成された光学素子を備える、
    請求項１６に記載のスマート光源。
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