JP2713892B2

JP2713892B2 - Light emitting module

Info

Publication number: JP2713892B2
Application number: JP61257051A
Authority: JP
Inventors: 匡砂田; 孝雄千葉
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1986-10-30
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPS63113408A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光ファイバー通信における電気光変換部に係
わり、特に、発光ダイオードとファイバーとの高効率に
結合させた発光モジュールに関するものである。〔従来の技術〕従来この種の発光モジュールは、発光素子から放射さ
せた光を１本の光ファイバーに直接またはレンズなどを
介して光結合させ、一体化したものである。第20図にその一例を示す。図において１は発光ダイオ
ードの発光領域（活性領域）、２は光取出し面、３は光
結合回路、４は光ファイバーである。図に示すように、
発光面の法線方向に放射強度のピークを有する光源の発
光領域の発光面法線６の方向より光ファイバーに結合さ
せているのが特徴である。結合方式としては、これ迄に
各種方式（たとえば、鹿田、小林、小田切：電子通信学
会光量エレクトロニクス研究会資料、OQE76−85（197
7））が考案されている。大別すると、直接結合とレン
ズ結合とに分けられる。直接結合は、光ファイバーを光
取出し面（素子結晶と空気層との界面）に近接して結合
させる方式で、発光径がコア径より大きいときに有効で
ある。レンズ結合方式は、光ファイバーと発光素子との
間にレンズなどの集光器を介して結合させるもので、発
光径がコア径より小さい場合に有効で最大結合がえられ
る。第21図にレンズ結合方式の一例を示す。図において７
は発光ダイオード、８は集束性ロッドレンズ、９は光フ
ァイバー４のクラッド、10はコア、11は光線である。第
22図は直接結合とレンズ結合の中間とも言える先球ファ
イバーによる結合方式である。図において、4Aは光ファ
イバー４の先端部を球状部4Bとした先球ファイバーであ
り、この球状部に集束作用をもたせ、第21図におけるロ
ッドレンズの代用をさせている。何れの場合も発光面に
対して垂直方向よりファイバーに結合しているのが特徴
である。〔発明が解決しようとする問題点〕光ファイバー通信において、発光素子からの光を一本
の光ファイバーに効率よく結合させることは、極めて重
要な課題である。光ファイバーへの結合出力が大きけれ
ば、伝送距離を延ばしたり、SN比を向上させたり、ある
いは、伝送途中に光デバイス（光分岐、光スイッチな
ど）を介して、システムの大幅な機能向上が図れる。ところで、光ファイバーはコア径（光導波路にあたる
部分）が、50〜100μｍと細径であり、また受光しうる
入射角は僅か10度程度と小さいために、発光ダイオード
（LED）のように、等方的に広がった光では、光を有効
にコア内に導くことは極めて難しい。LEDの光結合効率
（光結合出力の全光出力に対する比率）は、僅か数％で
ある。LEDから放射される光は、等方的でかつインコヒ
ーレントであるために、レンズを介しても１点に集光で
きず、発光径（発光領域の径）以下に集光することがで
きない。したがってこれまでに理論的にその光結合効率
の限界が求められている。発光径をＤ、光ファイバーの
コア径および開口数（受光できる入射角を表す）をそれ
ぞれａおよびNAとすると、光結合効率の最大値μmax
は、次式で表される（例えば、米津宏雄編、光通信素
子工学、工学図書（昭和59年）p.141からp.153）。レンズ結合の場合は、一方直接結合の場合は、ただし、光源の放射強度分布がランバート型分布（COS
分布）に従うとしたときの理論値であるが、近似的に
は、放射強度分布が均一分布のときにも上式は成り立
つ。したがって、最大結合パワーが得られるのは、レンズ
結合の場合であり、Ｄ＜ａのとき直接結合方式より拡大
率Ｍ＝（a/D）^２倍だけ改善される。以上の考察より、結合効率を良くするには発光領域の
拡大率Ｍを大きくする必要がある。このためには、光フ
ァイバーのコア径ａを大きくするか、またはLEDの発光
径Ｄを小さくするかのいずれかである。ところで一般に
コア径ａは決まっているから、LEDの発光径Ｄを小さく
することにつきる。しかし発光径を小さくすると、素子
の熱抵抗が大きくなり、発熱が激しくなって大きな光出
力を得ることができない。このようなわけで、実際には
最適な発光径が存在する。一般に光ファイバー通信用LE
Dは30〜40μｍの発光径が典型値であるのは、このよう
な理由による。ところで、これまでの結合方式は、いずれも式（１）
の理論限界値に近ずけるための方式であり、いかなるレ
ンズ系を施しても式（１）の値を超えることはできなか
った。そこで、本発明は実際の発光径（30〜40μｍ）を変え
ることなく、理論限界値（式（１））を超える方式を提
供することを目的とする。〔問題点を解決するための手段〕このような目的を達成するために、本発明の発光モジ
ュールは、発光領域を有し、該発光領域の発光面法線方
向に対して斜め方向に光を取り出し得るとともに、該発
光領域の発光面法線方向に放射強度のピークを有する単
一指向性の光源と、光ファイバと、前記斜めに取出され
た光を前記光ファイバに結合させる手段とからなること
を特徴とする。〔作用〕第１図に示すように、本発明による結合方式は発光素
子の発光面の法線方向に放射強度のピークを有する単一
指向性の光源の発光領域１の発光面の法線方向６に対し
て斜め方向、すなわち発光面法線となす角度θ方向から
光ファイバー４にレンズ結合させるものである。５は結
合方向を示す。式（１）はあくまでも発光領域を真上からみたときの
限界値であり、斜め結合では成立しない、斜め方向から
光ファイバーへ結合させると、発光領域を斜めからみる
ことになり、見かけ上の発光径（実効発光径）は小さく
なる。いま発光領域から放射される光が等方的であり、
光取り出し面での屈折がないと仮定した場合、実際の発
光領域の面積がＳ（Ｓ＝π（D/2）²;Dは発光径）であっ
ても、斜め（θ）からみたときの面積は、光取り出し面
への投影と考えて、S_eff（θ）＝Scosθと小さくなる。
そこで、S_eff（θ）を新たに発光領域と見なすと、この
ときの最大結合効率μmax（θ）は式（１）より近似的
に次式のようになる。したがって、従来方式より光結合効率が原理的に（1/
cosθ）だけ改善されることになる。このことを確証す
るために、光源を一次元とした場合について、斜め結合
による効果を考察した。光源を一次元とした場合、最大結合効率μは、となるが、斜め（θ）からみたときの見かけ上の発光径
はDcosθと小さくなると仮定する。このときの最大結合
効率μ（θ）は、となる。式（２）も式（４）もθによる改善度は同じ
で、（1/cosθ）である。ところで式（４）が成り立つ
ことを明らかにするために、計算機シミュレーションを
行った。光源は一次元でかつ等方的に放射されるもの、
すなわち無指向性光源として、光線追跡により光結合効
率を求めた。第２図に角度θを変えた時の光結合効率の計算結果を
示す。計算は発光径を100μｍとし、レンズは集束性ロ
ッドレンズ（NA0.46,直径1.8mm）、光ファイバーにはコ
ア径50μｍのGI−50を仮定して行った。図の横軸は光源
とレンズの距離である。第３図は従来の結合方式（θ＝０度）のときの発光径
を変えた場合の光結合効率の計算結果である。レンズ、
光ファイバーは第２図の場合と同条件を仮定してある。
第２図および第３図から明らかなように、発光径100μ
ｍの光源をθ＝60度方向より光結合させると、実効上、
発光径50μｍの光源を従来の結合方式で結合した場合と
同じ結合効率（最大値）がえられ、式（４）が成り立
つ。すなわち、斜めから結合させた場合には、実効上の
発光径は結合方向に垂直な面に投影したときの発光径に
一致する。いずれにしても、結合方向（θ）を変えるだ
けで、実効上発光径を小さくすることが可能である。本方式は、実際の発光径Ｄを変えることなく、すなわ
ち、全出力P_oを低下させることなく光結合効率μを大き
くできるので、光ファイバーへの光結合パワーP_iは、式 P_i＝μ・P_o より、大幅に改善できる。従来、結合効率を上げるため
に発光径Ｄを小さくしていたが、かえってP_oが低下し結
局P_iはあまり大きくならなかった。ところで、LEDの構成材料のGaAlAsやInPなどの比屈折
率ｎは非常に大きいため（たとえば、GaAlAsではｎ＝3.
4）、発光領域（活性層）から等方的に放射された光
は、光取出し面で大きく屈折する。このため結晶外に放
射された光は一般的には無指向性ではない。LEDは第４
図に示すように主に光取出し面がフラットなフラット型
LEDであり、発光領域で発生した光がその界面に対して1
7度以上で入射した光は、全反射され結晶内に反射され
消滅する。このため、放射強度分布はよく知られるラン
バート型分布（cos分布）となり、指向性をもつ。した
がって斜め方向から光ファイバーに結合させても、実際
には発光領域をたかだか17度以内でみていることにな
り、見かけ上の発光径はあまり小さくならない。またθ
を大きくすると放射強度も低下するので、フラット型LE
Dでは斜め結合による光結合効率の改善はあまり期待で
きない。第５図はフラット型LEDに対して計算機シミュレーシ
ョンをおこなった結果である。発光径は典型値30μｍ、
レンズは第２図で使用したものと同じである。θを大き
くしても光結合効率の向上はみられない。一方第６図に
示すようなドーム型LEDの場合、光取り出し面が半球状
であるために全反射は起こらず、発光領域の光はすべて
結晶外に放射され、斜め方向に発生した光も有効に外部
に取出される。このためドーム形状が真に半球であり、
その半球の中心に発光領域が位置するようにすれば、ほ
とんど無指向性の放射強度分布となる。第２図で仮定し
たように、光源を無指向性光源とみなせる。このドーム
型LEDに対して発光径Ｓを30μｍ、ドーム半径Ｒを200μ
ｍ、発光領域のドーム中心からの深さｄ＝０μｍとして
計算を行った。第７図に発光領域の中心がドーム中心と
一致するときの放射強度分布を、また第８図にその光結
合効率の計算結果をしめす。レンズおよび光ファイバー
の条件は第２図、第３図の場合と同じである。明らかに
LEDの光取り出し面をドーム状にすることにより、斜め
結合の効果が現れる。θ＝70度では、θ＝０度よりも３
倍近くの光結合効率がえられている。θ＝80度以上では
光結合効率が低下しはじめているが、これは発光領域か
ら発生する光を表面のみに限定しているためである（実
際には裏面からも光が発生している）。ところで、本来ドーム型LEDの開発思想は、（１）発
光領域から発生した光をすべて結晶外に有効に取り出せ
るために全出力P_oを高くすることができること、（２）
放射指向性をもたせ光ファイバーへの光結合効率をよく
すること、などがあげられる。したがって、市販のドー
ム型LEDは、放射指向性をもたせるために、発光領域
（活性層）をドーム中心より、より深いところに位置さ
せている。その深さをｄとすると、例えば、ドーム半球
Ｒ＝200μｍ、ｄ＝35μｍとして計算した結果を第９図
に示す。またこのときの放射強度分布を第10図に示す。
図示されるように、放射強度のピークは発光面の法線方
向にある単一指向性である。しかし、この場合において
も、やはりθ＝０度よりもθ＞０のほうが光結合効率は
改善されている。実際に市販のドーム型LEDに対して、計算機シミュレ
ーションで使用したのと同じ集束性ロッドレンズおよび
光ファイバーGI−50を用いて同様の測定をした結果を第
11図に、またこの光源の放射強度分布（FFP）を第12図
に示す。図示されるように、放射強度のピークは発光面
の法線方向にある単一指向性である。計算機シミュレー
ションの場合と同じ結果が得られている。すなわち、斜
め結合による光結合効率の改善効果が現われている。以上の結果より、光結合パワーを大きくするには、発
光領域より発生した光のうち斜め方向にすすむ光を有効
に外部に取出せるように、結晶の光取出し面を半球状
（ドーム状）などに加工したLEDにおいて、発光領域発
光面に垂直方向となす角（θ）（θ＞０度）よりレンズ
により結合させることにより高効率な発光モジュールを
実現することができる。本発明によれば発光径Ｄを変えることなく、すなわち
全光出力P_oを低下させることなく、光結合効率を向上さ
せることができ、その結果光フィバー光結合出力P_iを大
きく改善することができる。〔実施例〕以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。実施例１第13図に本発明の実施例を示す。本実施例はLED結晶
７の端面の発光領域１の法線方向６と角度θをなすよう
に斜めカットして光取出し面２とし、取出し面２に垂直
な方向から集束性ロッドレンズ８を介して光ファイバー
４へ結合させたLEDモジュールである。５は結合方向、
９は光ファイバー４のクラッド部、10はコア部である。
本実施例によれば、発光領域１から発生した斜め光線11
が有効に光ファイバー４に結合されるので、結合出力が
改善される。実施例２第14図および第15図に光取り出し面２を半球状（また
はドーム状）に加工したLEDにたいしてθ＞０度方向よ
りレンズ８等の集光器または先球光ファイバー4Aを光源
に近接して光ファイバー４または4Aに結合させた発光モ
ジュールを示す。このとき、発光領域１をドーム中心に
位置させることにより放射強度分布は一様になり斜め結
合効果が増大する。そこで、活性層をドーム中心に位置
させたLEDにおいて、θ＝70度近辺より光結合させるこ
とにより、第８図に示した結果からわかるように高効率
なLEDモジュールが実現できる。ただし、発光領域１か
ら斜め方向に放射される光が電極等により遮へいされな
いように、電極構造をサンドイッチ構造とするとよい。第16図（Ａ）はサンドイッチ構造の電極の一例を示
す。発光ダイオード７の発光領域１を挟んでｐ−電極13
とｎ−電極14が設けられている。15はSiO₂絶縁層、16は
例えばCuなどからなるヒートシンクである。なお２は光
取出し面、５は結合方向である。第16図（Ｂ）は比較の
ために従来の電極構造を示したもので、結合方向５を発
光領域１の法線方向としているので、ｐ−電極13は発光
領域１と対向して設けられたｎ−電極14と同一平面上に
設けなければならない。第16図（Ａ）に示すサンドイッ
チ構造とすることによって、斜め方向に放射された光は
電極等に遮られないだけでなく、ヒートシンクの効率も
改善される。実施例３第17図に本発明の他の実施例を示す。本実施例は実施
例２の発光モジュールにおいて、とくにθ＝90度の場合
において結合効率をより改善するために、発光領域１の
両面（表面と裏面）より発生した光11を有効にファイバ
ーへ結合させるようにしたものである。このため活性層
は結晶７のまん中ほどに位置させ、両面より電極で挟む
構造にし、さらに活性層の層（端面）側の一方を半球状
に加工したLEDに対し、端面方向（θ＝90度）から光フ
ァイバー４へ結合させている。実施例４第18図に本発明の他の実施例を示す。本実施例は発光
領域１の中心から光取出し面２までの長さｌをドーム半
径Ｒより大きく取り、かつ発光領域の中心とドーム中心
点12とを結ぶ方向θ（θ＞０度）から光ファイバーへ光
結合させたもので、このような構成とすることによっ
て、さらに光結合効率をあげ、結合方向に指向性をもた
せることができる。実施例５従来LEDはその発光領域の形状は円形をしている。こ
のため斜め結合による光結合効率の最大値μｃはである。しかし、より結合効率をあげるには発光領域の
形状を楕円または長方形にするとよい。第19図（A1）〜（C1）は発光領域の形状を、同図（A
2）〜（C2）は発光領域を斜めに見た時の形状を示した
ものである。同図（A1）は従来の円形状の発光領域で、
その直径をａ、面積をS₁とする。同図（B1）は楕円形の
発光領域で長径をb,短径をc,面積をS₂とする。同図（C
1）は長方形の発光領域で長辺をb,短辺をd,面積をS₃と
する。そしてS₁＝S₂＝S₃とする。このように面積の等し
い発光領域を斜め方向から見ると、その形状は同図（A
2）〜（C2）のようになり、それらの面積はS₁′＞
S₂′、S₁′＞S₃′となる。従来の円形発光領域と長辺形の発光領域について比較
する。長手方向を斜めからみたときの最大結合効率μｒは、になる。bcosθはθによりDcosθ′に近ずけることがで
きるから、一方ｃ＜Ｄだからしたがって発光形状としては楕円または長方形の方が円
より光結合効率はよくなり、その結果ファイバーへの光
結合出力も大きくなる。そこで上述した各実施例におい
て、発光領域の形状を長楕円状または長方形状にし、長
手方向を結合方向と発光面法線とでつくる面内にとり、
発光領域の法線方向に対して斜め方向に光を取出して光
ファイバーに結合させると、結合効率が高く、結合出力
の大きな発光モジュールが得られる。〔発明の効果〕以上説明したように、本発明によれば、一本のファイ
バーへの光結合出力が向上することにより、伝送距離お
よびSN比が大幅に改善でき、かつ光デバイスを介してシ
ステムの機能向上が図れる。今後ますます光ファイバー
の伝送損失が小さくなることを考えると、伝送距離は結
合出力に左右されるので結合出力改善の効果は大きい。また発光径を小さくしなくても高い結合出力が得られ
るため、熱抵抗による発熱障害（特性劣化または信頼性
低下など）を避けることができ、特性の改善を図ること
ができる。さらに、発光領域の真上から光を取り出す必要がない
ので、電極を発光領域（活性層）を挟むように構成でき
るので、ヒートシンクがよくなり特性を改善されること
ができる。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electro-optical converter in optical fiber communication, and more particularly to a light emitting module in which a light emitting diode and a fiber are coupled with high efficiency. [Prior Art] Conventionally, a light emitting module of this type is one in which light emitted from a light emitting element is optically coupled to one optical fiber directly or through a lens or the like, and integrated. Fig. 20 shows an example. In the figure, 1 is a light emitting region (active region) of a light emitting diode, 2 is a light extraction surface, 3 is an optical coupling circuit, and 4 is an optical fiber. As shown in the figure,
The light source is characterized in that it is coupled to the optical fiber from the direction of the light emitting surface normal 6 in the light emitting region of the light source having a peak of the radiation intensity in the normal direction of the light emitting surface. As the coupling method, various methods (for example, Shikata, Kobayashi, and Odagiri: Materials of the Institute of Electron Communications, Institute of Light Electronics, OQE76-85 (197
7)) has been devised. It can be roughly classified into direct coupling and lens coupling. Direct coupling is a method in which an optical fiber is coupled close to a light extraction surface (interface between an element crystal and an air layer), and is effective when the emission diameter is larger than the core diameter. The lens coupling method is a method of coupling between an optical fiber and a light emitting element via a condenser such as a lens. When the light emitting diameter is smaller than the core diameter, it is effective and maximum coupling can be obtained. FIG. 21 shows an example of the lens coupling method. 7 in the figure
Is a light emitting diode, 8 is a converging rod lens, 9 is a cladding of the optical fiber 4, 10 is a core, and 11 is a light beam. No.
Fig. 22 shows a coupling method using a spherical fiber that can be said to be intermediate between direct coupling and lens coupling. In the figure, reference numeral 4A is a spherical fiber having a spherical portion 4B at the distal end of the optical fiber 4, and this spherical portion has a converging action and substitutes for the rod lens in FIG. In any case, the fiber is connected to the fiber in a direction perpendicular to the light emitting surface. [Problems to be Solved by the Invention] In optical fiber communication, it is extremely important to efficiently couple light from a light emitting element to one optical fiber. If the coupling output to the optical fiber is large, the transmission distance can be extended, the S / N ratio can be improved, or the function of the system can be greatly improved through an optical device (optical branch, optical switch, etc.) during transmission. By the way, an optical fiber has a small core diameter (a part corresponding to an optical waveguide) of 50 to 100 μm and an incident angle at which light can be received is as small as about 10 degrees, so that it is isotropic like a light emitting diode (LED). It is extremely difficult to effectively guide the light into the core with the light that has spread widely. The light coupling efficiency (ratio of light coupling output to total light output) of an LED is only a few percent. Since the light emitted from the LED is isotropic and incoherent, it cannot be condensed at one point even through a lens, and cannot be condensed to a light emission diameter (emission area diameter) or less. Therefore, a limit of the optical coupling efficiency has been theoretically required. Assuming that the light emission diameter is D and the core diameter and the numerical aperture (representing the incident angle at which light can be received) of the optical fiber are a and NA, respectively, the maximum value of the optical coupling efficiency μmax
Is expressed by the following equation (for example, edited by Hiroo Yonezu, Optical Communication Device Engineering, Engineering Books (1984), pp. 141-153). In the case of lens combination, On the other hand, for a direct join, However, the radiation intensity distribution of the light source is Lambertian type distribution (COS
Distribution), the above expression holds approximately when the radiation intensity distribution is uniform. Therefore, the maximum coupled power is obtained, the case of the lens coupling, D <magnification M = (a / D) than the direct coupling method when a is improved by a factor of ^two. From the above considerations, it is necessary to increase the magnification M of the light emitting region in order to improve the coupling efficiency. For this purpose, either the core diameter a of the optical fiber is increased or the emission diameter D of the LED is reduced. By the way, since the core diameter a is generally determined, it is necessary to reduce the light emission diameter D of the LED. However, when the emission diameter is reduced, the thermal resistance of the element increases, and the heat generation becomes severe, so that a large light output cannot be obtained. For this reason, there is actually an optimum emission diameter. Generally, LE for optical fiber communication
It is for this reason that D has a typical emission diameter of 30 to 40 μm. By the way, all of the conventional coupling methods use the formula (1).
This is a method for approaching the theoretical limit value of the above, and the value of the equation (1) could not be exceeded even if any lens system was applied. Therefore, an object of the present invention is to provide a method that exceeds the theoretical limit value (Equation (1)) without changing the actual emission diameter (30 to 40 μm). [Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, a light emitting module of the present invention has a light emitting region, and emits light in a direction oblique to a normal direction of a light emitting surface of the light emitting region. A light source that can be taken out and has a unidirectional light source having a peak of radiation intensity in the normal direction of the light emitting surface of the light emitting region, an optical fiber, and a unit that couples the obliquely extracted light to the optical fiber. It is characterized by the following. [Operation] As shown in FIG. 1, the coupling system according to the present invention uses the normal line of the light emitting surface of the light emitting region 1 of the unidirectional light source having a peak of the radiation intensity in the normal direction of the light emitting surface of the light emitting element. The lens is coupled to the optical fiber 4 from a direction oblique to the direction 6, that is, an angle θ direction formed with the normal to the light emitting surface. 5 indicates a binding direction. Equation (1) is a limit value when the light emitting region is viewed from directly above, and is not satisfied by diagonal coupling. When the light emitting region is coupled to the optical fiber from an oblique direction, the light emitting region is viewed obliquely, and the apparent light emitting diameter (Effective emission diameter) becomes smaller. Now the light emitted from the light emitting area is isotropic,
Assuming that there is no refraction at the light extraction surface, even when the actual area of the light emitting region is S (S = π (D / 2) ² ; The area is small as S _eff (θ) = Scos θ, assuming that the area is projected onto the light extraction surface.
Therefore, when S _eff (θ) is newly regarded as a light emitting region, the maximum coupling efficiency μmax (θ) at this time is approximately as shown in the following equation from the equation (1). Therefore, the optical coupling efficiency is basically (1/1 /
cos θ). To confirm this, the effect of oblique coupling was considered when the light source was one-dimensional. When the light source is one-dimensional, the maximum coupling efficiency μ is However, it is assumed that the apparent light emission diameter when viewed from an oblique angle (θ) is as small as Dcos θ. The maximum coupling efficiency μ (θ) at this time is Becomes The degree of improvement by θ is the same for both equation (2) and equation (4), that is, (1 / cos θ). By the way, in order to clarify that the equation (4) holds, a computer simulation was performed. The light source is one-dimensional and isotropically emitted,
That is, the light coupling efficiency was obtained by ray tracing as a non-directional light source. FIG. 2 shows a calculation result of the optical coupling efficiency when the angle θ is changed. The calculations were performed on the assumption that the emission diameter was 100 μm, the lens was a converging rod lens (NA 0.46, diameter 1.8 mm), and the optical fiber was GI-50 with a core diameter of 50 μm. The horizontal axis in the figure is the distance between the light source and the lens. FIG. 3 is a calculation result of the optical coupling efficiency when the emission diameter is changed in the conventional coupling method (θ = 0 °). lens,
The optical fiber assumes the same conditions as in FIG.
As apparent from FIGS. 2 and 3, the emission diameter is 100 μm.
When the light source of m is optically coupled from the direction of θ = 60 degrees,
The same coupling efficiency (maximum value) as when a light source having an emission diameter of 50 μm is coupled by a conventional coupling method is obtained, and the equation (4) holds. That is, when the light is coupled diagonally, the effective light emission diameter matches the light emission diameter when projected on a plane perpendicular to the coupling direction. In any case, only by changing the coupling direction (θ), the emission diameter can be reduced effectively. In this method, the optical coupling efficiency μ can be increased without changing the actual light emission diameter D, that is, without reducing the total output _Po , so that the optical coupling power P _i to the optical fiber is given by the equation P _i = μ · than P _o, it can be significantly improved. Conventionally, the emission diameter D has been reduced in order to increase the coupling efficiency, but on the contrary, P _o has decreased and eventually _Pi has not become so large. By the way, since the relative refractive index n of the constituent material of the LED, such as GaAlAs or InP, is very large (for example, n = 3.
4) Light emitted isotropically from the light emitting region (active layer) is largely refracted on the light extraction surface. For this reason, light emitted outside the crystal is generally not omnidirectional. LED is 4th
Flat type with a flat light extraction surface as shown in the figure
LED, the light generated in the light emitting area is 1
Light incident at 7 degrees or more is totally reflected, reflected in the crystal, and disappears. For this reason, the radiation intensity distribution becomes a well-known Lambert type distribution (cos distribution) and has directivity. Therefore, even if the optical fiber is coupled to the optical fiber from an oblique direction, the light emitting region is actually viewed at no more than 17 degrees, and the apparent light emitting diameter does not become so small. Also θ
If the value of
In D, improvement in optical coupling efficiency due to diagonal coupling cannot be expected much. FIG. 5 shows the results of a computer simulation performed on a flat LED. The emission diameter is typically 30 μm,
The lenses are the same as those used in FIG. Even if θ is increased, the optical coupling efficiency is not improved. On the other hand, in the case of a dome-shaped LED as shown in FIG. 6, since the light extraction surface is hemispherical, total reflection does not occur, all light in the light emitting region is emitted outside the crystal, and light generated in an oblique direction is also effective. To be taken out. Because of this, the dome shape is truly hemispherical,
If the light-emitting region is located at the center of the hemisphere, an almost omnidirectional radiation intensity distribution is obtained. As assumed in FIG. 2, the light source can be regarded as an omnidirectional light source. For this dome type LED, the emission diameter S is 30 μm and the dome radius R is 200 μm.
m, and the depth d from the center of the dome of the light emitting region was d = 0 μm. FIG. 7 shows the radiation intensity distribution when the center of the light emitting region coincides with the center of the dome, and FIG. 8 shows the calculation results of the optical coupling efficiency. The conditions of the lens and the optical fiber are the same as those in FIGS. clearly
By making the light extraction surface of the LED a dome shape, the effect of diagonal coupling appears. At θ = 70 degrees, it is 3 more than θ = 0 degrees.
The optical coupling efficiency is nearly doubled. When θ = 80 degrees or more, the optical coupling efficiency starts to decrease, because light generated from the light emitting region is limited only to the front surface (actually, light is also generated from the back surface). Meanwhile, the development philosophy of original dome LED, it can increase the total output P _o to effectively take out the crystal out all the light generated from (1) light-emitting region, (2)
Giving radiation directivity and improving the efficiency of optical coupling to an optical fiber. Therefore, a commercially available dome-type LED has a light-emitting region (active layer) located deeper than the center of the dome in order to have radiation directivity. Assuming that the depth is d, for example, FIG. 9 shows the result of calculation with the dome hemisphere R = 200 μm and d = 35 μm. FIG. 10 shows the radiation intensity distribution at this time.
As shown, the peak of the radiation intensity is unidirectional in the normal direction of the light emitting surface. However, also in this case, the optical coupling efficiency is more improved when θ> 0 than when θ = 0 degrees. The same measurement was performed on a commercially available dome-shaped LED using the same focusing rod lens and optical fiber GI-50 used in the computer simulation.
FIG. 11 shows the radiation intensity distribution (FFP) of the light source in FIG. As shown, the peak of the radiation intensity is unidirectional in the normal direction of the light emitting surface. The same results as in the computer simulation are obtained. That is, the effect of improving the optical coupling efficiency due to the oblique coupling has appeared. According to the above results, in order to increase the optical coupling power, the light extraction surface of the crystal should be hemispherical (dome-shaped) or the like so that the light traveling in the oblique direction out of the light generated from the light emitting region can be effectively extracted to the outside. In a processed LED, a highly efficient light emitting module can be realized by coupling the lens with a lens at an angle (θ) (θ> 0 degree) which is perpendicular to the light emitting area light emitting surface. Without changing the emission diameter D according to the present invention, i.e., without reducing the total light output P _o, it is possible to improve the optical coupling efficiency, to improve greatly the result light Fiba light coupled output P _i it can. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Embodiment 1 FIG. 13 shows an embodiment of the present invention. In this embodiment, the light extraction surface 2 is cut obliquely so as to form an angle θ with the normal direction 6 of the light emitting region 1 on the end face of the LED crystal 7, and the light is emitted through a converging rod lens 8 from a direction perpendicular to the extraction surface 2. This is an LED module coupled to the optical fiber 4. 5 is the binding direction,
9 is a cladding part of the optical fiber 4, and 10 is a core part.
According to the present embodiment, the oblique light rays 11 generated from the light emitting region 1
Is effectively coupled to the optical fiber 4, so that the coupling output is improved. Example 2 FIGS. 14 and 15 show a light collector 2 having a hemispherical (or dome-shaped) light extraction surface 2 and a condenser such as a lens 8 or a spherical optical fiber 4A closer to the light source from the direction of θ> 0 degree. And a light emitting module coupled to the optical fiber 4 or 4A. At this time, by positioning the light emitting area 1 at the center of the dome, the radiation intensity distribution becomes uniform, and the oblique coupling effect increases. Therefore, in an LED in which the active layer is positioned at the center of the dome, by performing optical coupling from around θ = 70 degrees, a highly efficient LED module can be realized as can be seen from the results shown in FIG. However, the electrode structure may be a sandwich structure so that light emitted in the oblique direction from the light emitting region 1 is not blocked by the electrodes or the like. FIG. 16A shows an example of an electrode having a sandwich structure. The p-electrode 13 sandwiching the light emitting region 1 of the light emitting diode 7
And an n-electrode 14 are provided. Reference numeral 15 denotes an SiO ₂ insulating layer, and reference numeral 16 denotes a heat sink made of, for example, Cu. In addition, 2 is a light extraction surface, and 5 is a coupling direction. FIG. 16 (B) shows a conventional electrode structure for comparison. Since the bonding direction 5 is the normal direction of the light emitting region 1, the p-electrode 13 is provided to face the light emitting region 1. Must be provided on the same plane as the n-electrode 14. With the sandwich structure shown in FIG. 16 (A), not only the light emitted in the oblique direction is not blocked by the electrodes and the like, but also the efficiency of the heat sink is improved. Embodiment 3 FIG. 17 shows another embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the light emitting module of the second embodiment, in order to further improve the coupling efficiency particularly when θ = 90 degrees, light 11 generated from both surfaces (front and back surfaces) of the light emitting region 1 is effectively coupled to the fiber. It is intended to be. For this reason, the active layer is positioned in the middle of the crystal 7 and has a structure sandwiched by electrodes from both sides. Furthermore, one of the layers (end faces) of the active layer is processed into a hemispherical shape. ) To the optical fiber 4. Embodiment 4 FIG. 18 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, the length l from the center of the light emitting region 1 to the light extraction surface 2 is larger than the dome radius R, and the optical fiber is measured from the direction θ (θ> 0 degree) connecting the center of the light emitting region and the dome center point 12. With such a configuration, the optical coupling efficiency can be further increased, and directivity can be provided in the coupling direction. Embodiment 5 In the conventional LED, the shape of the light-emitting area is circular. Therefore, the maximum value μc of the optical coupling efficiency due to the oblique coupling is It is. However, in order to further increase the coupling efficiency, the shape of the light emitting region may be made elliptical or rectangular. FIGS. 19 (A1) to (C1) show the shapes of the light emitting regions, and FIGS.
2) to (C2) show shapes when the light emitting region is viewed obliquely. The same figure (A1) shows a conventional circular light emitting area.
The diameter a, the area and S _1. FIG (B1) is the major axis in the light emitting region of the oval b, and minor c, and area and S _2. Figure (C
1) b of the long side a rectangular light-emitting region, the short sides d, the area and S _3. Then, S ₁ = S ₂ = S ₃ . When the light-emitting regions having the same area are viewed from an oblique direction, the shape is the same as in FIG.
2) to (C2), and their area is S ₁ ′>
S ₂ ′ and S ₁ ′> S ₃ ′. A comparison is made between a conventional circular light emitting region and a long side light emitting region. The maximum coupling efficiency μr when the longitudinal direction is viewed obliquely is become. Since bcosθ can approach Dcosθ ′ by θ, On the other hand, c <D Therefore, an elliptical or rectangular light-emitting shape has a higher optical coupling efficiency than a circular shape, and as a result, the optical coupling output to the fiber is larger. Therefore, in each of the above-described embodiments, the shape of the light emitting region is formed into an oblong or rectangular shape, and the longitudinal direction is set in a plane formed by the coupling direction and the light emitting surface normal,
When light is extracted in an oblique direction with respect to the normal direction of the light emitting region and coupled to the optical fiber, a light emitting module having a high coupling efficiency and a large coupling output can be obtained. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the transmission distance and the SN ratio can be significantly improved by improving the optical coupling output to one fiber, and the system can be connected via an optical device. Function can be improved. Considering that the transmission loss of the optical fiber will be further reduced in the future, the transmission distance depends on the coupling output, so that the effect of improving the coupling output is great. In addition, since a high coupling output can be obtained without reducing the light emission diameter, heat damage due to thermal resistance (deterioration of characteristics or deterioration of reliability) can be avoided, and characteristics can be improved. Furthermore, since there is no need to extract light from directly above the light emitting region, the electrodes can be configured so as to sandwich the light emitting region (active layer), so that a heat sink is improved and characteristics can be improved.

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の高効率発光モジュールの基本構成図、第２図は無指向性光源に対する結合角度（θ）の違いに
よる光結合効率の計算結果を示す線図、第３図は従来例における発光径の違いによる光結合効率
の計算結果を示す線図、第４図はフラット型LEDの光取出し面での光の屈折の様
子を示す図、第５図はフラット型LEDに対する光結合度の計算結果を
示す線図、第６図はドーム型LEDの光取出し面での光の屈折の様子
を示す図、第７図は発光領域の中心がドーム中心に位置するドーム
型LEDの放射強度分布の計算結果を示す線図、第８図は第７図のLEDに対する光結合効率の計算結果を
示す線図、第９図は発光領域がドーム中心より深いところに位置す
るドーム型LEDに対する光結合効率の計算結果を示す線
図、第10図は、第９図のLEDの放射強度分布の計算結果を示
す線図、第11図はドーム型LEDに対する光結合特性（光ファイバ
ー端出力分布）の測定結果を示す特性図、第12図は第11図で使用したLEDの放射強度分布（FFP）の
測定結果を示す特性図、第13図は、本発明による発光モジュールの１実施例の構
成図、第14図は本発明によるドーム型LEDに対しレンズ結合を
行った発光モジュールの実施例の構成図、第15図は本発明によるドーム型LEDに対し先球ファイバ
ー結合をした発光モジュールの実施例の構成図、第16図（Ａ）は本発明によるサンドイッチ構造の電極構
造を示す図、同図（Ｂ）は従来のドーム型LEDに使用さ
れている電極構造を示す図、第17図は端面球面型LEDに実施した、本発明による光モ
ジュールの実施例の構成図、第18図は結合方向（θ）に指向性をもたせたLEDに対し
て実施した、本発明による発光モジュールの実施例の構
成図、第19図（A1）ないし（C2）は発光領域の形状の違いによ
る斜めからみたときの形状変化を示す図、第20図は従来の発光モジュールの基本構成図、第21図は従来のレンズ結合による発光モジュールの一例
の構成図、第22図は従来の先球ファイバーに結合した発光モジュー
ルの一例の構成図である。１……発光領域、２……光取出し面、３……光結合回路、４……光ファイバー、 4A……先球ファイバー、５……結合方向、６……発光面法線、７……発光ダイオード結晶、８……集束性ロッドレンズ、９……クラッド、 10……コア、 11……光線、 12……ドーム中心点、 13……ｐ−電極、 14……ｎ−電極、 15……絶縁層、 16……ヒートシンク。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a basic configuration diagram of a high-efficiency light emitting module of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a calculation result of optical coupling efficiency depending on a coupling angle (θ) with respect to an omnidirectional light source. FIG. 3 is a diagram showing a calculation result of light coupling efficiency depending on a difference in light emission diameter in a conventional example, FIG. 4 is a diagram showing a state of refraction of light on a light extraction surface of a flat LED, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing a calculation result of a light coupling degree with respect to a flat LED, FIG. 6 is a diagram showing a state of refraction of light on a light extraction surface of a dome LED, and FIG. 8 is a diagram showing the calculation results of the radiation intensity distribution of the dome-shaped LED, FIG. 8 is a diagram showing the calculation results of the optical coupling efficiency for the LED of FIG. 7, and FIG. 9 is a portion where the light emitting region is deeper than the center of the dome. Diagram showing calculation results of optical coupling efficiency for located dome-shaped LED, FIG. 10 9, a diagram showing the calculation results of the radiation intensity distribution of the LED of FIG. 9, FIG. 11 is a characteristic diagram showing the measurement results of the optical coupling characteristics (optical fiber end power distribution) for the dome-shaped LED, and FIG. 12 is FIG. FIG. 13 is a characteristic diagram showing the measurement results of the radiation intensity distribution (FFP) of the LED used in FIG. 13, FIG. 13 is a configuration diagram of one embodiment of the light emitting module according to the present invention, and FIG. FIG. 15 is a configuration diagram of an embodiment of a light emitting module in which coupling is performed, FIG. 15 is a configuration diagram of an embodiment of a light emitting module in which a domed LED according to the present invention is coupled to a spherical fiber, and FIG. FIG. 1B is a view showing an electrode structure of a sandwich structure, FIG. 1B is a view showing an electrode structure used in a conventional dome-shaped LED, and FIG. 17 is an embodiment of an optical module according to the present invention implemented on an end-face spherical LED. Fig. 18 shows the directivity in the coupling direction (θ). FIG. 19 (A1) to (C2) are diagrams showing a shape change when viewed from an oblique direction due to a difference in shape of a light emitting region, which is performed on a held LED, according to an embodiment of the light emitting module according to the present invention. FIG. 20 is a basic configuration diagram of a conventional light-emitting module, FIG. 21 is a configuration diagram of an example of a conventional light-emitting module by lens coupling, and FIG. 22 is a configuration diagram of an example of a conventional light-emitting module coupled to a spherical fiber. is there. 1 ... light-emitting area, 2 ... light extraction surface, 3 ... light coupling circuit, 4 ... optical fiber, 4A ... spherical fiber, 5 ... connection direction, 6 ... light-emitting surface normal, 7 ... light emission Diode crystal, 8: Focusing rod lens, 9: Cladding, 10: Core, 11: Ray, 12: Dome center point, 13: P-electrode, 14: N-electrode, 15: Insulation layer, 16 heat sink.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−114448（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−111007（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−149072（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−17760（ＪＰ，Ｕ) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-53-114448 (JP, A) JP-A-58-111007 (JP, A) JP-A-59-149072 (JP, A) Shokai 61-17760 (JP, U)

Claims

(57) [Claims] A light source having a light emitting region, capable of extracting light in a direction oblique to a light emitting surface normal direction of the light emitting region, and a unidirectional light source having a radiation intensity peak in a light emitting surface normal direction of the light emitting region; A light emitting module comprising: an optical fiber; and means for coupling the obliquely extracted light to the optical fiber. 2. 2. The light emitting module according to claim 1, wherein the light source is a light emitting diode whose end face is cut obliquely with respect to the normal direction of the light emitting surface and whose light is taken out. 3. The light emitting module according to claim 1, wherein the light source is a light emitting diode having a light extraction surface formed of a hemispherical or dome-shaped spherical surface. 4. The light emitting module according to any one of claims 1 to 3, wherein light is extracted in a direction of an end face of the light emitting region. 5. A patent wherein a distance between the light emitting region and the light extraction surface is larger than a radius of curvature of the curved surface, and a direction connecting a center of the light emitting region and a center of curvature of the curved surface is a light coupling direction. The light emitting module according to claim 3. 6. The light emitting module according to any one of claims 1 to 5, wherein the light source has an electrode disposed with the light emitting region interposed therebetween. 7. The light emitting module according to any one of claims 1 to 6, wherein the shape of the light emitting region is an elliptical shape or a rectangular shape. 8. The light emitting module according to any one of claims 1 to 7, wherein the coupling unit is a converging rod lens. 9. The light emitting module according to any one of claims 1 to 7, wherein the coupling means is a spherical portion provided at a tip portion of the optical fiber.