JP4299826B2 - 蛍光ファイバを用いた白色発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光ファイバを用いた白色発光装置に関し、例えば液晶テレビジョンのバックライト光源やネオン管を含む各種の光源に用いて好適な蛍光ファイバを用いた白色発光装置に関する。

近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子やレーザ（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation：ＬＡＳＥＲ）素子等の半導体発光素子を用いた発光装置は、白熱電球と比べて小型で電力効率が良好であるとともに、長寿命である等の利点をもつことから、各種の光源として広く利用されている。

従来、この種の光源には、励起光を発する半導体発光素子と、この半導体発光素子からの励起光を受けて励起されることにより波長変換光を発する蛍光体物質を含有する波長変換部材と、この波長変換部材に励起光を導く光ファイバとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このような光源においては、半導体発光素子からの励起光が光ファイバを介して波長変換部材に到達すると、この励起光の一部を蛍光物質が受けて波長変換し、波長変換部材内で所定波長域の波長変換光を発する。そして、この波長変換光と半導体発光素子からの励起光とが混合し、照明光として外部に照射される。
特開２００５−２０５１９５号公報

しかし、特許文献１によると、波長変換部材が光ファイバの光出射側端部に接続されているため、光ファイバと波長変換部材との間で部品結合による光損失が発生し、光利用効率が低下するという問題があった。

従って、本発明の目的は、部品結合による光損失の発生を抑制することができ、もって光利用効率を高めることができる蛍光ファイバを用いた白色発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、励起光を発する青色半導体発光素子と、前記青色半導体発光素子からの励起光が一方側端面に入射し、当該励起光を他方側端面に導き、コア及びクラッドを有する蛍光ファイバとを備え、前記コアは、３価のプラセオジムイオンを含有するガラスからなり、前記励起光の一部を当該励起光と異なる波長の光に変換して、励起光の青色領域と、当該励起光と異なる波長の青色領域と、緑色領域と、赤色領域と、にピーク波長を有する白色光を発し、前記クラッドは、前記コアから発せられる白色光を外周面を通じて外部へ出射する蛍光ファイバを用いた白色発光装置を提供する。

本発明によると、部品結合による光損失の発生を抑制することができ、光利用効率を高めることができる。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る蛍光ファイバを用いた白色発光装置を説明するために示す平面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る青色半導体レーザ素子を説明するために示す図である。図２（ａ）は半導体レーザ素子の斜視図、図２（ｂ）はその断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る蛍光ファイバを用いた白色発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図である。

〔発光装置の全体構成〕
図１において、発光装置１は、励起光源としての青色半導体レーザ素子２と、この青色半導体レーザ素子２から放射された励起光（青色光）ａ及びこの励起光ａで波長変換された波長変換光の混合光を照明光（白色光）として外部に出射する蛍光ファイバ３と、この蛍光ファイバ３と青色半導体レーザ素子２との間に介在する光学レンズ４とから大略構成されている。

（青色半導体レーザ素子２の構成）
青色半導体レーザ素子２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、サファイア基板５及び共振リッジ部Ａ・正孔注入リッジ部Ｂを有し、励起光ａとして４４２ｎｍの波長をもつ青色光を発するように構成されている。サファイア基板５上には、厚さ約５０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層６が形成されている。なお、バッファ層６の材料としてはＧａＮあるいはＧａＩｎＮ・ＡｌＧａＮでもよい。

バッファ層６上には、厚さ約４．０μｍ，電子密度１×１０¹⁸ｃｍ⁻³のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮからなるｎ層７と、厚さ約５００ｎｍ，電子密度１×１０¹⁸ｃｍ⁻³のシリコン（Ｓｉ）ドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎクラッド層８と、厚さ約１００ｎｍ，電子密度１×１０¹⁸ｃｍ⁻³のＳｉドープＧａＮからなるｎガイド層９と、厚さ約３５ÅのＧａＮからなるバリア層６２と厚さ約３５ÅのＧａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎからなる井戸層６１とが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０とが順に形成されている。

活性層１０上には、厚さ約１００ｎｍ，ホール密度５×１０¹⁷ｃｍ⁻³のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮからなるｐガイド層１１と、厚さ約５０ｎｍ，ホール密度５×１０¹⁷ｃｍ⁻³のＭｇドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｐ層１２と、厚さ約５００ｎｍ，ホール密度５×１０¹⁷ｃｍ⁻³のＭｇドープＡｌ_0.１Ｇａ_0.９Ｎからなるｐクラッド層１３と、厚さ２００ｎｍ，ホール密度５×１０¹⁷ｃｍ⁻³のＭｇドープＧａＮからなるｐコンタクト層１４とが形成されている。なお、ｐコンタクト層１４の材料としてはＡｌＧａＮあるいはＧａＩｎＮでもよい。

ｐコンタクト層１４上には、幅５μｍのニッケル（Ｎｉ）からなる電極１５が形成されている。また、ｎ層７上には、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極１６が形成されている。

共振リッジ部Ａはｎクラッド層８及びｎガイド層９・活性層１０・ｐガイド層１１・ｐ層１２から、また正孔注入リッジ部Ｂはｐクラッド層１３及び・ｐコンタクト層１４・電極１５からそれぞれ構成されている。

（蛍光ファイバ３の構成）
蛍光ファイバ３は、図３に示すように、コア３Ａ及びクラッド３Ｂを有し、青色半導体レーザ素子２に光学レンズ４（図１に示す）を介して光学的に接続されている。そして、青色半導体レーザ素子２からの青色光ａを一方側端面（入射面）に入射させてその一部をそのまま、また青色光ａの一部をコア３Ａ内で波長変換して例えば青色及び緑色、赤色の波長変換光を他方側端面（出射面）にそれぞれ導き、一方これら波長変換光と励起光ａとの混合光を照明光（白色光）としてファイバ外周面（クラッド外周面）から外部に出射するように構成されている。この蛍光ファイバ１７はＺｒＦ_４、ＨｆＦ_４およびＴｈＦ_４等を含有せず、ＡｌＦ_３を主成分とするフッ化物ガラスにより、可視域から赤外まで透明で、かつ化学的耐久性がよく、機械的強度の大なる安定なガラスが得られた。この種のガラスはフォノンエネルギーが小さいというフッ化物ガラスの本質的な利点を有する。

蛍光ファイバ３のファイバ長は、青色半導体レーザ素子２からの励起光の全てを光出射側端面から出射せず、また波長変換によって青色光及び緑色光、赤色光の各色光を発するような１００ｍｍ程度の寸法に設定されている。

コア３Ａは、３価希土類イオンとして少なくともＰｒ^3＋（プラセオジムイオン）を赤外線透過フッ化物ガラス等の低フォノンガラスに３０００ｐｐｍ程度含有してなる波長変換部材によって形成されている。そして、青色半導体レーザ素子２からの励起光（青色光）ａの一部で励起されることにより青色及び緑色、赤色の波長変換光を発するように構成されている。コア３Ａには、緑色調整にテルビウムイオンを、また緑・赤色調整にエルビウムイオンあるいはホルミウムイオンの３価のイオンをそれぞれ添加して色調整することが可能である。コア３Ａのコア径は４μｍ程度の寸法に設定されている。なお、低フォノンガラスとしては、赤外線透過フッ化物ガラスの他に重金属酸化物ガラスが用いられる。

クラッド３Ｂは、コア３Ａの周囲に配置され、全体がガラスや透明性樹脂によって形成されている。クラッド３Ｂの屈折率ｎ１は、コア３Ａの屈折率ｎ２（ｎ２≒１．５）より小さい屈折率（ｎ２≒１．４５）に設定されている。クラッド３Ｂのクラッド径（蛍光ファイバ３の外径）は、２００μｍ程度の寸法に設定されている。クラッド３Ｂの外周面は、光透過性樹脂からなるカバー部材１８で被覆されている。カバー部材１８は、着色して色調整することが可能である。

（光学レンズ４の構成）
光学レンズ４は、両凸レンズからなり、前述したように青色半導体レーザ素子２と蛍光ファイバ３との間に配置されている。そして、蛍光ファイバ３（コア３Ａ）の光入射側端面に位置する部位に青色半導体レーザ素子２からの励起光ａを集光するように構成されている。

〔発光装置１の動作〕
先ず、青色半導体レーザ素子２に電源から電圧が印加されると、その発光層において青色光ａを発光し、これら青色光ａが光学レンズ側に放射される。次いで、青色半導体レーザ素子２からの青色光ａが光学レンズ４を介して蛍光ファイバ３に入射する。そして、蛍光ファイバ３においては、青色光ａの一部がコア３Ａに光入射面から入射し、コア３Ａ内で全反射を繰り返しながらコア３Ａの光出射面へ導出される。この場合、コア３Ａ内では青色光ａがプラセオジムイオンを励起して青色及び緑色、赤色の波長変換光を発する。しかる後、励起青色光ａ及び赤色・緑色・青色の波長変換光の混合光（白色光）がファイバ３（コア３Ａ及びクラッド３Ｂ）を透過し、クラッド３Ｂ（カバー部材１８）の外周面から蛍光ファイバ３外に励起青色光及び赤色光・緑色光・青色光の混合光が出力光ｂとして出射される。

次に、本実施の形態に示す発光装置１から出射される出力光を観察した実験結果について説明する。

本実験は、青色半導体レーザ素子２（２０ｍＷ）から青色光（波長４４２ｎｍ）ａを蛍光ファイバ３に入射して実施した。これによると、蛍光ファイバ３（カバー部材１８）の外周面に白色光が確認された。蛍光ファイバ３の出射光を測定すると、励起光の青色光ａと波長変換光の赤色光・緑色光・青色光等に発光波長ピークをもつ発光スペクトルが観測された。このことは、図４（縦軸は光強度を、また横軸は波長をそれぞれ示す。）に示す通りである。

[第１の実施の形態の効果]
以上説明した第１の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）蛍光ファイバ３のコア３Ａが波長変換部材によって形成されているため、従来必要とした光ファイバと波長変換部材との間の部品結合が不要になる。これにより、部品結合による光損失の発生を抑制することができ、光利用効率を高めることができる。

（２）３からの出射光には赤色・緑色・青色の各色光が含まれているため、演色性の良好な白色光を得ることができ、例えば液晶表示パネルのバックライト光源に使用してきわめて有効である。

（３）蛍光ファイバ３がＺｒＦ_４、ＨｆＦ_４およびＴｈＦ_４等を含有せず、ＡｌＦ_３を主成分としたフッ化物ガラスからなる低フォノンガラスによって形成されているため、蛍光ファイバ３の機械的強度及び化学的耐久性が高くなり、その損傷・劣化発生を防止することができる。

[第２の実施の形態]
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図である。図５において、図３と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、第２の実施の形態に示す発光装置（図１に示す）は、コア３Ａの外周面に隣接する第１クラッド５１Ａ及びこの第１クラッド５１Ａの外周面に隣接する第２クラッド５１Ｂからなるクラッド５１を有する蛍光ファイバ５０を備えた点に特徴がある。

このため、第１クラッド５１Ａの屈折率ｎ１は、コア３Ａの屈折率ｎ２（ｎ２≒１．５０）より小さく、かつ第２クラッド５１Ｂの屈折率ｎ３（ｎ３≒１．４５）より大きい屈折率（ｎ１≒１．４８）に設定されている。

[第２の実施の形態の効果]
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）に加え、次に示す効果が得られる。

第１クラッド５１Ａを光導波路として機能させることができるとともに、第１クラッド５１Ａ内に導入した励起光ａをコア３Ａに導出して青色及び緑色、赤色の波長変換光を得ることができる。

以上、本発明の発光装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）各実施の形態では、青色半導体レーザ素子２から出射される励起光ａとして４４２ｎｍの波長をもつ青色光である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、励起効率が高い励起光として使用可能な４３０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲にある波長をもつ青色光であればよい。

（２）各実施の形態では、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ^3＋）の含有量ｍが３０００ｐｐｍの含有量に設定されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、１００ｐｐｍ≦ｍ≦１００００ｐｐｍの範囲にある含有量に設定されていればよい。この場合、含有量ｍが１００ｐｐｍより小さいと、コア３Ａ内で波長変換光が得られない。また、含有量が１００００ｐｐｍより大きいと、コア３Ａ内の光透過性が悪くなる。

（３）各実施の形態では、クラッド３Ｂ，５１が添加剤を混入しないガラスや透明性樹脂によって単に形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、クラッドに添加剤として光拡散剤を含有してもよい。この場合、クラッド内で励起光及び波長変換光を拡散させることができ、演色性の良好な白色光を一層効果的に得ることができる。また、励起光及び波長変換光の拡散効果は、クラッドの外周面に凹凸部を設けることによっても得ることができる。

（４）各実施の形態では、青色半導体発光素子として青色半導体レーザ素子２である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、青色発光ダイオード素子であっても各実施の形態と同様の効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る蛍光ファイバを用いた白色発光装置を説明するために示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の青色半導体レーザ素子を説明するために示す斜視図と断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置から出射される出力光のスペクトル図。 本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の蛍光ファイバを用いた白色発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図。

符号の説明

１…発光装置、２…青色半導体レーザ素子、３，５０…蛍光ファイバ、３Ａ…コア、３Ｂ，５１…クラッド、４…光学レンズ、５…サファイア基板、６…バッファ層、７…ｎ層、８…ｎクラッド層、９…ｎガイド層、１０…活性層、１１…ｐガイド層、１２…ｐ層、１３…ｐクラッド層、１４…ｐコンタクト層、１５，１６…電極、５１Ａ…第１クラッド、５１Ｂ…第２クラッド、ａ…励起光（青色光）、ｂ…出力光

Claims (7)

1. 励起光を発する青色半導体発光素子と、
   前記青色半導体発光素子からの励起光が一方側端面に入射し、当該励起光を他方側端面に導き、コア及びクラッドを有する蛍光ファイバとを備え、
   前記コアは、３価のプラセオジムイオンを含有するガラスからなり、前記励起光の一部を当該励起光と異なる波長の光に変換して、励起光の青色領域と、当該励起光と異なる波長の青色領域と、緑色領域と、赤色領域と、にピーク波長を有する白色光を発し、
   前記クラッドは、前記コアから発せられる白色光を外周面を通じて外部へ出射する蛍光ファイバを用いた白色発光装置。
2. 前記コアは、３価のテルビウムイオン、３価のエルビウムイオン及び３価のホルミウムイオンの少なくとも１つがさらに添加されている請求項１に記載の蛍光ファイバを用いた白色発光装置。
3. 前記コアは、ＺｒＦ_４、ＨｆＦ_４およびＴｈＦ_４を含有せず、ＡｌＦ_３を主成分とするフッ化物ガラスからなる請求項１または２に記載の蛍光ファイバを用いた白色発光装置。
4. 前記３価のプラセオジムイオンは、その含有量ｍが１００ｐｐｍ≦ｍ≦１００００ｐｐｍの範囲にある含有量に設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載の蛍光ファイバを用いた白色発光装置。
5. 前記蛍光ファイバは、前記クラッドに光拡散剤が含有されている請求項１から４のいずれか１項に記載の蛍光ファイバを用いた白色発光装置。
6. 前記蛍光ファイバは、前記クラッドの外周面に凹凸部が設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載の蛍光ファイバを用いた白色発光装置。
7. 前記青色半導体発光素子は、青色発光ダイオード素子又は青色半導体レーザ素子からなる請求項１から６のいずれか１項に記載の蛍光ファイバを用いた白色発光装置。

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