JP6129160B2 - 改良された共振器光電子工学装置及びその製作方法 - Google Patents

Description

[0001] 本発明は、概括的には、光電子工学装置の分野に関する。厳密には、本発明は、改良された共振器光電子工学装置及びその製作方法に着眼するものである。

[0002] 本出願は、２０１１年５月１６日出願の米国仮特許出願第６１／５１８,９８９号、タイトル「光電子工学装置の効率を高めるための新しい新規な方法」（New and Novel methods to increase the efficiency of Opto-electronic devices）、２０１１年９月１４日出願の米国仮特許出願第６１／５７３,８７２号、タイトル「光電子工学装置の効率を高めるための新しい新規な方法」（New and Novel methods to increase the efficiency of Optoelectronic devices）、２０１１年１１月１０日出願の仮特許出願第６１／６２８,９５５号、タイトル「光電子工学装置の効率を高めるための新しい新規な方法」（New and Novel methods to increase the efficiency of Opto-electronic devices）、及び２０１１年１２月２９日出願の仮特許出願第６１／６３１,１３５号、タイトル「光電子工学装置の効率を高めるための新しい新規な方法」（New and Novel methods to increase the efficiency of Opto-electronic devices）の優先権の恩恵を請求する。これら前述の出願のそれぞれを、そのまま参考文献としてここに援用する。

[0003] 研究者及び技術者は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）及び他の発光素子などの光電子工学装置の性能、効率、品質などを改良すると共に、より低コストの発光素子、及び緑色発光半導体ベースのＬＥＤ及びＬＤに存在するいわゆる「緑の隙間」に関する事例などにおいて、現下のところ高品質で低コストの解決策に欠いている、電磁スペクトルの一部で放射する素子、を考案するよう絶えず努めている。

[0004] 光ルミネセンス材料は、さまざまな発光素子のための光学利得媒質として用いられてきた。しかし、この材料は、これらの素子の多くで使用されるようになり、さらにこれらの素子の一部がより複雑化したことで、この材料は、所望していたものより費用がかかるようになった。さらに、従来式の、燐光材料を使用する方法は、上記の緑の隙間のような、依然として存在している課題を解決することはできなかった。

[0005] １つの実施例において、本開示は、光励起システムに着眼する。システムは、入力光に応答する光共振器を含んでおり、この光共振器は、積み重ねられた多層と、共振器空洞の少なくとも１つに位置付けられている少なくとも１つの光ルミネセンス層と、を含んでいる。多層の異なる層は、さまざまな材料から成っており、さまざまな層のいくつかは、複数の反射器を画定するように設計され、構成され、配列されており、複数の反射器が多共振器空胴を画定するように位置付けられている。少なくとも１つの光ルミネセンス層は、入力光があると発光するように設計されている。

[0006] 別の実施例では、本開示は、第１の波長の入力光を受け取り、第２の波長の出力光を出力するように設計され及び構成される光共振器システムを形成する方法に着眼しており、第１及び第２の波長は、互いに異なっている。この方法は、複数の反射器を配列して、入力光及び出力光に応じて構成される複数の光学共振器空洞を画定することと、一対の複数の反射器の間に光ルミネセンス層を位置付けること、を含み、光ルミネセンス層は、入力光があると発光するように選択される。

[0007] さらに別の実施例では、本開示は、光励起システムに着眼する。このシステムは、入力光に応答する共振器を含んでおり、この共振器は、量子ドットを備えている蛍光体と、量子ドットの外部表面に付けられて光学共振器空洞を画定する反射器と、を含んでいる。量子ドットは、外部表面を有しており、蛍光体は入力光があると発光するように選択される。

[0008] さらに別の実施例では、本開示は、第１の波長の入力光を受け取り、第２の波長の出力光を出力するように設計され構成される光共振器を製作する方法に着眼しており、第１及び第２の波長は、互いに異なっている。この方法は、入力光があると発光するように選択される量子ドットを備えている蛍光体を配置することと、反射器を量子ドットの外部表面に付けることで光学共振器空洞を形成することと、を含んでおり、量子ドットは、外部表面を有している。

[0009] 本発明を説明する目的で、図面には本発明の１つ又は複数の実施例の態様を示している。しかし、本発明は、図面に示された配列及び手段に厳密に限定されるものではないことを理解頂きたい。
本発明によって作られる発光システムのハイレベル概略図である。 直列に配列される３つの光学共振器空洞を有する多空胴共振器の概略図である。 物理的に約１１４ｎｍの厚さを有し、５５０ｎｍ時には、屈折率２．４２及びｋ値０．０４である例示的な光ルミネセンス材料に関する吸収率対波長のグラフである。 最適に設計された共振器空洞の内部に設置されたときの、図３Ａの光ルミネセンス材料に関する吸収率対波長のグラフである。 １つの光学共振器空洞を有する単一の空洞共振器に関する透過率対波長のグラフである。 ３つの光学共振器空洞を有する多空胴共振器に関する透過率対波長のグラフである。 図２の多空胴共振器を作成するのに使用され得る方法の流れ図である。 図５の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図５の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図５の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図５の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 低屈折率材料を含んだ空胴を有する単一空洞光共振器に関する電界平方強度対位置のグラフである。 高屈折率材料を含んでいる空胴を有する単一空洞光共振器に関する電界平方強度対位置のグラフである。 設計波長の２倍の空洞長を有する単一空洞光共振器に関する電界平方強度対場所のグラフである。 単一空洞光共振器に関する吸収率対波長のグラフであり、光ルミネセンス蛍光体が共振器の中の最大電界位置に置かれているときのものである。 多空胴光共振器に関する吸収率対波長のグラフであり、光ルミネセンス蛍光体が１つ以上の空胴内の最大電界位置に置かれているときのものである。 不均一性の厚みを有する蛍光体層を含んでいる光共振器空胴の線図である。 入力光及び出力光の波長で同時に共振するように設計及び構成される多帯域共振器の線図である。 ４２０ｎｍの入力／励起波長時の図１３の多帯域共振器の透過率プロファイルを示す透過率対波長のグラフである。 ４２０ｎｍの入力／励起波長時の図１３の多帯域共振器に関する電界平方強度対位置のグラフである。 ６３０ｎｍの出力波長時の図１３の多帯域共振器の透過プロファイルを示す透過率対波長のグラフである。 ６３０ｎｍの出力波長時の図１３の多帯域共振器に関する電界平方強度対位置のグラフである。 図１３の多帯域共振器を作成するのに用いられ得る方法の流れ図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 図１８の方法のさまざまな段階を説明する線図である。 例示的な多空胴共振器（設計１）に関する透過率及び吸収率対波長のグラフである。 別の例示的な多空胴共振器（設計２）に関する透過率及び吸収率対波長のグラフである。 さらに別の例示的な多空胴共振器（設計３）に関する透過率及び吸収率対波長のグラフである。 さらに別の例示的な多空胴共振器（設計４）に関する透過率及び吸収率対波長のグラフである。 図２３のグラフ（設計４）に対応する例示的な多空胴共振器に関する反射率対波長のグラフである。 統合化反射器を有する量子ドットの線図である。 本発明によって作られる光の三原色（ＲＧＢ）発光システムのハイレベル概略図である。 本発明によって作られる別のＲＧＢ発光システムのハイレベル概略図である。

[0010] これより図１を参照する。１つの態様において、本発明は、発光システム１００に着眼しており、このシステムは、少なくとも一つの光共振器１０４（便宜上１つだけ図示しているが、後述の実施例では複数の共振器を示すものもある）と、入力光１１２を光共振器に提供して、又は光共振器を励起して、それぞれの光共振器が出力光１１６を出力するようになる少なくとも一つの光源１０８と、を含んでいる。光共振器１０４の独特の特徴は、光共振器が複数の光学共振器空洞１２０及び少なくとも一つの光ルミネセンス材料１２４を有していることである。本開示を全て読めば明らかとなるように、複数の光学共振器空洞１２０は、標準的には、互いに直列に位置付けられる。すなわち、それぞれの空胴は、別の空胴に隣接しているか、又は２つの空胴の間にある。

[0011] 光ルミネセンス材料１２４は、入力光１１２があると発光して所望の効果を生む実質的に任意の材料でできていてもよい。光ルミネセンス材料１２４は、論じている特有の設計に応じて、多様な中何れかの方法で光学共振器空洞１２０のうちの何れか１つ又は複数の中に位置付けられ得る。例えば、空胴１２０のうちの何れか１つの光ルミネセンス材料１２４は、空胴全体を画定するか又は充填する層として配置されてもよい。別の例では、光ルミネセンス材料１２４は、単一の空胴１２０の一部を充填するように配置されてもよく、例えば、空洞長より小さい均一の厚さの単一層、空胴の中で厚さが変化している単一層、及び１つ以上の他の材料によって分離されている空胴内の多層として配置される。さらに、１つ以上の型の光ルミネセンス材料１２４は、論じている特有の設計に応じて、単一の空胴１２０内で及び／又は複数の空胴の間で使用されてもよいことに留意されたい。

[0012] 後述する例示的な実施形態から分かるように、特色のある光共振器１０４は、新しい装置及びシステムを作成して、従来型の装置及びシステムの効率を高めるために、多様な方法で実装することができる。単に１つの実施例ではあるが、共振器１０４は、ダウンコンバータとして設計されて、高品質及び高輝度の、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）ベースの緑色発光で、現世代緑色発光ＬＥＤ及びＬＤの短所がないものを作成し得る。さらに、本明細書に記載する技術を利用した賢明な設計により、相当する従来型の装置及びシステムのコストより低いコストで装置及びシステムを作成することができる。例えば、従来型の半導体ベースの発光素子ではさまざまな光ルミネセンス材料（費用のかかる可能性あり）を使用していることが知られているが、これらの材料は、通常、比較的厚い層（例えば、およそ数百マイクロメータ）で光共振器空胴の外部に配置される。しかし、本願明細書に開示されるように、１つ又は複数の共振器空洞の内部に置かれた場合、はるかに薄い蛍光体層（例えば、およそ数十ナノメータ以下）を使用することができる。本明細書で開示する技術及び構造物のこれらの利点又はその他の利点は、後述する例示的な実施形態から明らかになる。

[0013] 光ルミネセンス材料１２４で使用され得る光ルミネセンス材料の例には、希土類元素ドーパントアクティベータのマクロ粉末、マイクロ粉末、及びナノ粉末（量子粉末）、バルク半導体材料（マクロ粉末、マイクロ粉末、ナノ粉末）、量子井戸、量子細線、量子ドット、量子ナノ管（中空円筒）、量子ナノ細線（中実円筒）、量子ナノベルト（中実矩形断面）、量子ナノシェル、量子ナノファイバ、量子ナノロッド、量子ナノリボン、量子ナノシートなどの量子閉込構造物、及び数ある中でも金のナノドット、銀のナノドット、アルミニウムのナノドットなどの金属ナノドットが含まれる。光ルミネセンス材料は、水晶、ガラス、ガラス様の組成物、ゾルゲル、半中実ゲル、半導体、酸化物、窒化物、オキシナイトライド、硫化物などの絶縁性材料、などのホスト材料に埋め込むことができる。あるいは、有機ホスト材料を選択してもよい。ホスト材料は、形態学的に非晶質、ナノ結晶質、マイクロ結晶質、多結晶質、テクスチャ付き又は単結晶質でもよいことを理解されたい。光ルミネセンス材料１２４は、外部で（ｅｘ−ｓｉｔｕ）作られて、光共振器の反射材被覆の表面に付着／堆積されてもよく、あるいは、光ルミネセンス材料は、その場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）作成／成長されてもよい。光ルミネセンス材料及び光共振器１０４に配置される各光ルミネセンス材料１２４に関する技術のさらなる例は、例えば、上で特定した、２０１１年１２月２９日出願の、米国仮特許出願第６１／６３１,１３５号、タイトル「光電子工学装置の効率を高めるための新しい新規な方法」（New and Novel methods to increase the efficiency of Opto-electronic devices）（「前述の１３５号出願」）の、１１頁から１４頁に記載されており、同出願は、光ルミネセンス材料及びそれらの使用法に関するその教示の全てに関して本開示の文脈において参考文献としてここに援用されるものである。後述する実施例から分かるように、光ルミネセンス材料１２４は、光学共振器空洞１２０のうちの何れか１つ又はそれ以上に配置され得る。

[0014] 光共振器空胴１２０はそれぞれ、例えば、以下の共振器構成、すなわち、平行平面（「ファブリペロー」とも呼ばれる）、同心状（球形）、共焦点状、半球形、凹凸形、ギレターノア干渉計又は任意の他の適切な共振器構成の何れの形態でもよい。光共振器空胴１２０はそれぞれ、２つの反射器（図示せず）で画定することができ、それらの反射器は、任意の適切な型の反射器でもよい。反射器は、平衡がとれて（同じ反射率）いてもよく、又は不平衡（異なる反射率）でもよい。両方の反射器は、統合化されていてもよく、又は一方が蛍光体構造物と密接に接触して（統合化されて）いてもよく、その一方で、他方の反射器が、光共振器１０４の中で蛍光体構造物と密接に接触していなくてもよい。光共振器１０４は、基本モードで（最小：λ／２反射鏡間隔、λは、共振の特有の設計の波長である）、又は任意の高次モードで（「ゼロでない整数＞１」倍のλ／２反射鏡間隔）作動してもよい。光学共振器空洞１２０が直列に配列されるとき、それらは、互いに連結されてもよいし、又は連結されなくてもよい。共振器空洞１２０の間の結合層（図示せず）は、第１次の（ラムダ／４状態）、又はより高次の（「奇数の整数＞１」倍のラムダ／４）解決策でもよい。

[0015] 各光共振器１０４をそれぞれ作成するための他の技術を使用することができる。実施例は、フォトニック結晶、フォトニック空胴、副波長格子及び他の高反射率用の特殊な構造物を利用することを含んでいる。さらに、当業者であれば容易に理解されるように、光共振器１０４はそれぞれ、マイクロ電子工学機械システム、マイクロ光電子工学機械システム、ナノ電子機械システム、ナノ光電子機械システムの製造技術を用いて作成されてもよい。

[0016] 共振時周波数（波長）の電界強度は、高Ｑ係数の光共振器空胴において非常に高く（強められる）なり得る。このように電界強度が強められることで、吸収器（共振時波長で吸収する）が共振器空洞の内部に設置されるときには、共振時波長の吸収率が非常に高くなる（増す）。図３Ａ及び３Ｂは、光共振器空胴が、光ルミネセンス材料による光の吸収に与える影響を示している。まず図３Ａのグラフ３００を参照すると、このグラフは、物理的な厚さが約１１４ｎｍ、５５０ｎｍでの屈折率２．４２、５５０ｎｍでのｋ値０．０４の例示的な光ルミネセンス材料に関する、波長の範囲に亘っての光の吸収率のプロット３０４を示している。波長の範囲プロット３０４から分かるように、５５０ｎｍでの光の吸収率は、約１０％である。しかし、その同じ材料が最適に設計された光共振器空胴に設置されれば、図３Ｂのプロット３５４から分かるように、５５０ｎｍでの光の吸収率は約４０％に増える。

[0017] 反射体層が、図１の各共振器空洞１２０などの本発明の光共振器空胴を画定するのに使用されるとき、当業者であれば理解されるように、電界強度のピーク／最大値は、共振器空洞内部、又は空胴を画定する反射体層の何れか１つに位置付けられ、共振器空洞及び反射材スタックの実際の設計によって決まる。これは、すなわち、最大の電界ピーク又は任意の他の下位ピーク（サイドローブ）を用いて、光ルミネセンス材料１２４で所望される所要の吸収を調整することができることを意味する。電界強度のピーク／最大値は、空胴内部に位置付けられる場合、光共振器の物理的な中心であるかもしれない、又は中心ではないかもしれない。実際、電界強度最大値／最小値は、賢明な設計により、空間的には、光共振器のどこにでも位置付けられ得る。光学共振器空洞１２０の設計に関する詳細は、前述の１３５号出願を読み通せば理解することができる。同出願は、その教示の全てに関して参考文献として本明細書に援用されるものである。

[0018] 入力光１１２は、システム１００の目的とする機能に適する任意の波長であり得る。入力光１１２に含まれ得る例示的な波長は、電磁スペクトルの（例えば近い）赤外線、可視及び（近い及び深い）紫外線の部類の波長を含んでいる。それに応じて、光源１０８はそれぞれ、このような部類に含まれ、光共振器１０４の設計に相応の１つ又は複数の波長の電磁放射を発生する装置であり得る。そうした装置の実施例は、発光ダイオード、レーザ（例えば、半導体、固体、ガス、フォトニック結晶、励起錯体、化学物質など）、ランプなどが含まれるが、これらに限定されるわけではない。各光源１０８に関して使用可能な装置の具体例をいくつか、例示的な実施形態としてこの後提示する。しかし、当業者であれば容易に理解されるように、例示的な実施形態は、説明目的で提供されており、したがって、添付の請求の範囲で定義される本発明の範囲に対して制限を課すものとみなされるべきではない。

[0019] 同様に、出力光１１６は、光共振器１０４が入力光１１２に基づいて出力することができる何らかの波長であり得る。出力光１１６に含まれ得る例示的な波長は、電磁スペクトルの赤外線（例えば、近赤外線）、可視及び紫外線（近紫外線及び深紫外線）の部類の波長を含んでいる。当業者であれば理解されるように、１つ又は複数の所望の波長を出力する及び／又は特有の偏光を有する光を出力するように、光共振器１０４の設計を同調させることができる。以下の説明で分かるように、そうした同調化は、例えば、使用する蛍光体１２４ごとに適した材料を適切に選択することによって、それぞれの蛍光体構造物（例えば、量子閉込構造物）を適切に位置付ける及び配列することによって、さらに、とりわけ光学共振器空洞１２０を適切に位置付ける及び配列することによって、成し遂げることができる。具体例をこの後提示して、それぞれの光共振器１０４を作成するのに用いることができる設計技法を説明し、さらにそうした光共振器の特有の有用な適用例を説明する。

[0020] 第１の例示的な実施形態を参照する。図２は、互いに直列に配列された３つの光学共振器空洞２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃを有する多空胴共振器２００を例示しており、それぞれの共振器空洞は、間隔を空けて配置される反射材スタック２１２の対応する対２０８Ａ、２０８Ｂ及び２０８Ｃによって画定されている。それぞれの反射材スタック２１２は、異なる厚みの多層から成る場合もある。それぞれの反射材スタック２１２は、例えば、複数の薄膜被覆層、複数の厚膜被覆層又は薄膜及び厚膜両方の被覆層の組み合わせで構成され得る。本開示及び添付の請求の範囲の目的では、用語「薄膜」及び類似の用語は、２μｍ未満の物理的な厚みを有する膜を意味しており、用語「厚膜」及び類似の用語は、２μｍ又はそれ以上の厚みを有する膜を意味している。

[0021] 一般的に及び上記のように、共振器空洞２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃは、要望に応じて連結されてもよいし、又は連結されなくてもよい。単一空洞共振器ではなく、図２の共振器２００などの多空胴共振器を使用する動機の１つは、多空洞を用いれば、共振器のスペクトルプロファイルを幅の狭いピークプロファイル（例えば、図４Ａのグラフ４０４のピーク４００参照）から四角張ったピークのプロファイル（例えば、図４Ｂのグラフ４５４のピーク４５０参照）に変えることができるからである。これは、例えば、光共振器空洞長又は共振時波長の吸収を変える温度変化の影響を緩和するのに有用であり得る。なお、図４Ａのグラフ４０４は、オレゴン州ポートランドのＳｏｆｔｗａｒｅ Ｓｐｅｃｔｒａ社から入手可能なＴＦＣＡＬＣ（商標）薄膜設計ソフトウェアで生成されるような単一の共振器空洞を有する光共振器のスペクトル出力のグラフである。図４Ｂのグラフ４５４は、同様に、図２の多空胴共振器２００と類似の様式で互いに直列に配列される３つの連結した共振器空洞を有する光共振器のスペクトル出力のグラフである。多空胴共振器を使用する別の動機は、特定の異なる波長の光を出力する発光システムを作成するためであり、例えば、多空胴共振器の中の個々の共振器空洞に対応するそれぞれの色を混成した光出力を作成するためである。

[0022] 図５及び下記の表Ｉは、図２の多空胴共振器２００を製作するのに使用することができる方法５００を説明している。方法５００の複数の工程は、図６Ａから図６Ｄの対応するそれぞれ段階で図解されている。

[0023] 当業者であれば容易に理解されるように、図２の共振器２００と類似の多空胴共振器を作成するため、方法５００に多くの変更を加えることができる。例えば、上記のさまざまな任意の段階を実行する又は実行しないことの他に、複数の空胴の１つ又は複数は、図５及び上記表Ｉの段階５２０で作成される蛍光体層を必ずしも含む必要はなく、始動基板は、ガラスである必要がなく、むしろ、必要な波長／スペクトル帯域で透過率を有する任意の他の適切な材料でもよく、段階５１５、５２０、５２５及び随意選択的に５３０は、所望の数の光学共振器空洞を作成するため必要に応じて何度でも繰り返され得る。さらに、始動基板の材料（ガラスウェハ６００（図６Ａ）がこの実施例では使用された）によっては、例えば、永久基板が、最後に作成される外側反射材スタックに、又は、その反射材スタック上に形成されるヒートシンク層に取り付けられる場合、永久基板を必要に応じて取り除くことができる。当業者であれば、これらの段階を実行するのに使用される技術は、周知の技術であるので、図５及び表Ｉの、反射材被覆スタック６０８、６１６を形成することを含む、方法５００のさまざまな段階を実行する方法を理解されるであろう。さらに、技術に関するより詳しい情報及び方法５００に関する他の情報に関しては、前述の１３５号出願を参照すればよく、同出願は、このような技術及び情報についてのその教示の全てに関して参考文献として本明細書に援用されるものである。段階５４５で加えられる光源（図示せず、図１の光源１０８を参照）は、所望の励起／入力波長で発光する、とりわけ、１つ又は複数のＬＥＤ又はＬＤなどの、任意の適切な光源でもよい。

[0024] 図２を参照すると、この実施例では、対応する光共振器空胴２０４Ａ、２０４Ｂ及び２０４Ｃの長さを画定している、それぞれの反射器対２０８Ａ、２０８Ｂ及び２０８Ｃの間の空間は、例えば図６Ｃの蛍光体層６１２などの蛍光体層を含んでいる。それぞれの蛍光体層は、低指数スペーサ、高指数スペーサ又は中指数スペーサを形成している蛍光体を含み得る。それぞれの蛍光体層６１２は、対応する光共振器の全長を塞ぐことができる、又は、あるいは、特有の設計に適合させるのに所望／必要に応じて、光共振器の長さの一部だけを塞ぐこともできる。蛍光体層６１２が、一部の光学空洞長だけを塞いでいる場合には、層は、空胴の範囲内で所望の／必要とされるように位置付けられてもよく、必ずしも、空胴の長さの中間点もなくてもよい。

[0025] 図７は、単一空洞共振器（図示せず、本質的には、図６Ｃに示される単一空胴であり得る）内の電界平方強度対場所のグラフ７００である。この共振器は、ガラス基板（「Ｓ」と付記）に付けられ、空気（「Ｍ」と付記）に曝される１１枚の層（グラフのｘ軸に沿って「１」から「１１」まで表記）から成っている。当業者であれば容易に理解されるように、層１から層５は、高屈折率材料及び低屈折率材料の層が交互になって第１の反射器を形成しており、層７から層１１も同様に、高屈折率材料及び低屈折率材料の層が交互になって第２の反射器を形成している。この実施例の層５及び層７は、高屈折率材料から成っている。層６は、共振器空洞の中の層であり、低屈折率材料から成っている。図示のように、電界強度のピーク７０４は、層６（空胴）の中心に位置しており、第１のサイドローブ７０８Ａ及び７０８Ｂが、第１の反射体層４及び５、ならびに第２の反射体層７及び８の境界面でそれぞれピークに達している。図７のグラフ７００に対応する共振器設計は、光ルミネセンス材料を含んでいないが、光ルミネセンス材料を置くように所望され得る場所を、すなわち、ピーク７０４が降下している層６の中であるように図示している。

[0026] 図８は、単一空洞共振器（図示されていないが、本質的には、図６Ｃに示される単一空胴であり得る）内の電界平方強度対場所のグラフ８００である。この共振器は、ガラス基板（「Ｓ」と付記）に付けられ、空気（「Ｍ」と付記）に曝される１３枚の層（グラフのｘ軸に沿って「１」から「１３」まで付記）から成っている。当業者であれば容易に理解されるように、層１から層６は、高屈折率材料及び低屈折率材料の層が交互になって第１の反射器を形成しており、層８から層１３も同様に、高屈折率材料及び低屈折率材料の層が交互になって第２の反射器を形成している。この実施例の層６及び層８は、低屈折率材料から成っている。層７は、共振器空洞内の層であり、高屈折率材料から成っている。図示のように、この構成では、電界強度は、空胴層７と第１の反射体層６との間、ならびに空胴層７と第２の反射体層８との間の境界面にそれぞれ２つのピーク８０４Ａ及び８０４Ｂを有している。第１のサイドローブ８０８Ａ及び８０８Ｂは、図７のグラフ７００と同じ位置、すなわち、第１の反射体層４及び５、第２の反射体層７及び８の境界面でそれぞれピークに達している。図７に対応する共振器設計のように、図８のグラフ８００に対応する共振器設計は、いかなる光ルミネセンス材料も含んでいない。グラフ８００を提示する目的は、異なる共振器設計が異なる電界強度プロフィルを生み出し得ることを示すためである。図７及び図８のグラフ７００及び８００をそれぞれ比較すれば明らかになるように、設計者は、特有の用途に適合させるのに所望／必要に応じて共振器空洞の電界強度プロフィルを同調させることができる。図８に対応する共振器において、光ルミネセンス材料を位置付けるための賢明な選択は、層６及び層７の境界面、ならびに層７及び層８の境界面であり、すなわち、それぞれのピーク８０４Ａ及び８０４Ｂとほぼ一致する。

[0027] それぞれの光共振器空胴の中の材料の屈折率を変更することに加えて、空胴の長さを変えることで、特有の設計に適合させることができる。例えば、空洞長は、任意のゼロ以外の整数倍の２分の１設計又は共振波長、すなわちλ／２でもよい。図９は、空洞長、すなわち、図９のグラフ９００の層７の厚さが、λ／２の４倍、あるいは設計又は共振波長の２倍である実施例を例示している。グラフ９００に示されるように、この配列では、電界強度は、光共振器（すなわち、層７）の中で３つのピーク９０４Ａ、９０４Ｂ、９０４Ｃ、及び光共振器と反射体層６、８との対応する境界面で２つのピーク９０８Ａ及び９０８Ｂを有することになる。図９で示している共振器は、いかなる光ルミネセンス材料も含んでいないが、当業者であれば理解されるように、１つ又は複数の光ルミネセンス層を加えると、それぞれが、ピーク９０４Ａ、９０４Ｂ、９０４Ｃ、９０８Ａ及び９０８Ｂの１つ又は複数と一致するか、少なくともすぐ近くであり、そうした場所での高い電界を利用することができ有益である。１つの実施例では、光ルミネセンス材料の非常に薄い層（例えば、量子層）を、光共振器の中、ここでは層７の中のそれぞれのピーク９０４Ａ、９０４Ｂ、９０４Ｃに位置付けることができる。言うまでもなく、これ以外の層構成及び配列も可能であり、当業者であれば、そのような代替案を理解されるであろう。

[0028] 図７から図９についての前述の説明から明らかなように、１つ又は複数の光ルミネセンス層を共振器の光共振器の中に挿入することで、蛍光体層の厚さ（及びコスト）を低減することになり、ならびに、蛍光体の吸収を調整及び最適化することが可能になり、これにより、蛍光体の出力プロファイルを同調させることが可能になる。

[0029] 単一空洞光共振器は、共振器空洞の中に１つ又は複数の光ルミネセンス材料／層を位置付けることから恩恵を受けることができるが、本明細書に開示される新規な多空胴共振器は、さらに望ましい結果を実現することができる。例えば、図１０及び図１１は、単一空洞光共振器の間で吸収率の異なる実施例を示しており、空胴は、光ルミネセンス蛍光体（図１０）を含んでおり、多空胴光共振器は、複数の光ルミネセンス蛍光体層（図１１）を備えた複数の空胴を含んでいる。図１０の吸収率対波長のグラフ１０００に示されるように、単一空洞共振器に関する、吸収率曲線１００８のピーク１００４は、約３５％の吸収率になっている。しかし、四空胴共振器に関する図１１の吸収率対波長グラフ１１００では、吸収率曲線１１０８のピーク１１０４は、約８４％の吸収率になっている。図１０及び図１１の吸収率曲線１００８及び１１０８を比較すれば明らかになるように、それぞれ、多空胴光共振器は、吸収率の範囲がかなり幅広くなり得て、吸収率の数値も高くなる。蛍光体が、励振源（ＬＥＤ、ＬＤなど）を使用するダウンコンバータとして使用されるとき、多空胴共振器は、励起波長で最大吸収率を示し、さらに、ダウンコンバート／出力された波長で最大透過率を示すように設計されれば理想的である。

[0030] 光共振器の中に蛍光体層を設置することは、よく知られており、その文脈では、蛍光体層は、「光学的利得媒体」と呼ばれる、又はとりわけ全体的な装置は、「光増幅器装置」と呼ばれることを留意されたい。しかし、発明者の知る限りでは、光ルミネセンス蛍光体は、様々な理由からそうした装置では使用されなかった。例えば、ＬＥＤ光源を使用して、従来型の蛍光体を含む光学装置を励起させる場合、単一空洞共振器は、ＬＥＤ入力光源に対して共振する波長の範囲が非常に狭いものにしか対応しない。したがって、ＬＥＤ入力の大きなスペクトルは、単一空洞共振器の中に全く入らないで、蛍光体層に吸収され、明らかに高い効率損失をもたらすことになる。この状況は、共振器のＱ係数が高くなるにつれてさらに悪化する。Ｑ係数が高くなると、共振器の帯域幅（帯域通過）の減少／狭小化につながる。同じように、ＬＤを使用して、従来型の単一空洞の蛍光体を含む共振器を励起させる場合、ＬＤは、安定化した波長である必要がある（ヒートシンク及びセンサに伴う追加費用）。さもないと、ＬＤ波長のわずかな変動が、蛍光体層の吸収を有意に変動させることとなり、結果的に、出力波長及び振幅が大きく変動する。

[0031] 前述の実施例では、蛍光体を含む層は、厚さが均一であるように図示されている。しかし、他の実施形態では、それぞれの光共振器の蛍光体を含む層の１つ又は複数のそれぞれ、いくつか又は全ては、厚さが均一ではなくてもよい。このような実施例の１つが、図１２に図示されており、この図は、第１及び第２の反射器１２０４及び１２０８によって画定される単一の光共振器空胴１２００を示している。この光共振器空洞は、不均一な厚さの光ルミネセンス蛍光体層１２１２を含んでおり、ここでの厚さは、一定の変化率を有していて、楔型を有する層になっている。蛍光体層１２１２に異なる厚さの領域があることで、出力光１２１６は、均一の入力光１２２０の下では、異なる領域に対応した複数の波長、ここではλ１、λ２及びλ３を有することになる。光ルミネセンス蛍光体層１２１２の厚さは、図１２に図示するように単調な傾斜を有する必要はないことを留意されたい。実際には、段階的である場合、さまざまな曲率を有する形状など他の幾何学的形状である場合もあり得る。さらに、多空胴光共振器に関して、幾何学的形状は、光学的空洞が複数ある種類のものと同じでもよく、又は、複数の空胴のあるものとは異なってもよい。

[0032] 均一ではない厚さの蛍光体層を作成するためさまざまな技術が存在する。例えば、実質的に均一な厚さの蛍光体層に、優先的にエッチング／アブレーション加工を施して、所望の変動性を有する層の厚さを作り上げてもよい。直接的なエッチング加工は、イオンビームエッチング、化学エッチング、レーザアシストエッチング、光学的切除、有向プラズマエッチングなどで施されてもよく、グレースケールリソグラフィ及びマイクロ／ナノ刷り込みなどの技術を用いて、フォトレジストの所望のパターンを作成してもよい。次いで、パターンは、等方性又は異方性のエッチング機構を用いて、その後所望の変動性を有する層の厚さを作り上げ、蛍光体層に転写され得る。

[0033] 本開示よって作られる光共振器の、図６Ｃの層６１２などの光ルミネセンス蛍光体層はそれぞれ、単一の蛍光体材料から成っていてもよく、又は複数の蛍光体材料から成っていてもよい。例えば、複数の活性体種の材料を、同じホスト又は複数のホストに埋め込んだ後、光共振器空胴に挿入することができる。さまざまなサイズ及び組成の量子ドットを、混ぜ合わせて、又は互いの表面上に積み重ねてから、光共振器空胴に挿入することができる。同様に、さまざまなサイズ及び組成の量子井戸及びその他の量子閉込構造物を、混ぜ合わせて、又は互いの表面上に積み重ねてから、光共振器空胴に挿入してもよい。さまざまな厚さ及び組成の多層半導体膜を、混ぜ合わせて、又は互いの表面上に積み重ねてから、光共振器空胴に挿入してもよい。

[0034] 本開示によって作られる装置の光ルミネセンス蛍光体層には、薄膜形状の、多くのさまざまな半導体材料を、使用することができる。これらの被覆層は、量子閉込である必要はない。これらの半導体薄膜は、例えば、前述の１３５号出願の４１頁から４３頁で概説されるような材料の何れかで構成されてもよく、同出願は、本発明によって作られる光共振器の蛍光体層の例示的な材料及び配列の全てに関する参考文献としてここに援用されるものである。これらの膜は、形態的には、単結晶質、多結晶質、優先的有向性を有する、テクスチャ付きのマイクロ又はナノ結晶質、又は非晶質でもよい。光ルミネセンス蛍光体層で使用するのに特に興味深い材料として、広バンドギャップＩＩ−ＶＩ族材料が挙げられ得る。ＩＩ−ＶＩ族半導体は、直接的エネルギーギャップ及び大きな実効質量を有しているので、これらは、光の吸収及び放出において非常に効率的である。ＩＩ−ＶＩ族材料は、とりわけ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳＳｅ、ＣｄＳＴｅ、ＣｄＳｅＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅなどの、二成分、三成分、四成分化合物で構成されてもよい。

[0035] 前述の実施形態では、空胴を画定する反射器は、共振時入力／励起波長に対して高反射性を有するように最適化される。しかし、反射器は、共振時入力／励起波長に対して高反射性を有するように最適化されるだけでなく、さらに、光ルミネセンス蛍光体層からの出力光を反射して優先的に再方向付けする高反射率を有するように設計されれば、好都合である。例えば、入力光６２０が図６Ｄに示すように入射する、図６Ｄに描写される単一空胴２０４Ａの文脈では、第１の反射材スタック６０８は、出力光６２４に対して高反射性を有するが、一方、第２の反射材スタック６１６は、出力光６２４に関して、可能な限り透過性を有するようにできている。この型の共振器構成は、方向付けが特異的である。この設計では、入力光６２０が、図６Ｄに図示するように底部から入ってくることは不可避である。入力光６２０が上部から差し込まれるのであれば、出力光６２４は、単純に反射されて入力光方向に戻されるであろう。別の反射器を集合体に加えれば、出力光を分離して、再方向付けすることもできる。しかし、こうすると、光学レイアウトの複雑さをまさしく増すことになる。

[0036] 上記の例示的な実施形態は、入力光波長を共振時に吸収するように最適化される光共振器を含んでいる。しかし、入力波長と同時に出力光の波長で共振するようにさらに最適化される、多空胴設計を実装することもできる。そうした新規な共振器は、「多帯域共振器」と呼ばれ得る。図１３は、さまざまな材料及び厚さの１５枚の層から成る例示的な多帯域共振器１３００を示している。本発明者は、前述のＴＦＣＡＬＣ（商標）ソフトウェアを使用して、下記表ＩＩの入力パラメータ及び表ＩＩＩの被覆設計を用いて、多帯域共振器をモデル化した。

この設計では、層４及び層１２は、入力／励起波長及び出力波長の両方のための光学共振器空洞になっている。これは、後述する図１５及び図１７に示してある。

[0037] 次に、図１４を参照すると、この図は、入力／励起光に関する透過率対波長のグラフ１４００であり、おおよそ４２０ｎｍの入力／励起波長を中心とした、幾分角張った、双ピークプロファイル１４０４を示している。図１５は、図１３の多帯域共振器１３００内の正規化電界平方強度対場所のグラフ１５００である。上述のように、また、ピーク１５０４及び１５０８の場所によって図１５に示されるように、層４及び層１２は、この設計では共振器空洞として働いている。層１から層３及び層５から層７は、共振器空洞層４用の反射器対として働いており、同様に、層９から層１１及び層１３から層１５は、共振器空洞層１２用の反射器対として働いている。

[0038] 図１６は、出力光に関する透過率対波長のグラフ１６００であり、おおよそ６２２ｎｍ辺りの波長を中心とした、幾分角張った、双ピークプロファイル１６０４を示している。図１７は、約６３０ｎｍの出力波長に関する図１３の多帯域共振器１３００内の正規化電界平方強度対場所のグラフ１７００である。ピーク１７０４及び１７０８の場所によって図１７に示されるように、層４及び層１２は、４２０ｎｍ入力光波長用共振器空洞として働いているが、さらに、出力光波長用共振器空洞としても働いている。前述のように、層１から層３及び層５から層７は、共振器空洞層４用の反射器対として働いており、同様に、層９から層１１及び層１３から層１５は、共振器空洞層１２用の反射器対として働いている。当業者であれば容易に理解されるように、図１３の共振器１３００の性能は、共振器空洞層４及び層１２のうちの一方、もう一方又は両方の中に１つ又は複数の光ルミネセンス材料を位置付けることによって改良され得る。

[0039] 図１８及び下記の表ＩＶは、方法１８００を例示しており、この方法は、図１９に示されるように、多帯域共振器１９００を製作するのに使用され得る。概括的には、方法１８００は、単一の光共振器空胴を形成することを目的としているが、１つ又は複数の光共振器空胴を任意の適切な様式で図１９Ｇ（量子井戸スタック１９２０に対応する）に示される当初の空胴に加えることで多空胴共振器を作ることが可能である。方法１８００の多くの段階を、図１９Ａから図１９Ｇの対応するそれぞれの図で例示している。

[0040] 当業者であれば容易に理解されるように、方法１８００は、単なる例示であり、制限的なものではない。実際には、この明示的実施例で提示される段階及び材料には可能な変型例が多数存在する。利用可能な代替案の意味を読者に示すために、このような変型例のいくつか以下に記載する。ＧａＡｓ担体基板１９０４は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ又は、任意の他の適切な材料、例えば前述の１３５号出願に明示される材料の何れかなどの、別の適切な担体基板に置き換えてもよく、同出願は、担体基板材料の開示に関して参考文献としてここに援用されるものである。

[0041] 担体基板が透明である（例えば、広バンドギャップ基板が入力／励起波長を吸収しない）場合、担体基板は、段階１８３５で除去される必要はない可能性もあることを留意されたい。また、始動担体基板１９０４は、基板選択及び設計に応じて、背面を完全に薄膜化しても、又は背面を一部だけ薄膜化してもよい。量子井戸１９１２は、任意のその他の量子閉込層と置き換えてもよい。さらに、量子井戸、量子ドットなどの組み合わせは、そのように所望される場合、一緒に混ぜ合わされてもよい。その上、デバイス構造で使用する量子井戸又は量子閉込層の数は、１つ又はそれより多い任意の数でもよい。

[0042] ＩＩ−ＶＩ族材料が使用される場合、ＩＩ−ＶＩ族被覆層構造物は閃亜鉛鉱又はウルツ鉱でもよい。例えば、ＣｄＳを障壁層１９１２で使用してもよく、ＣｄＳｅを量子−井戸層１９０８で使用してもよい。それぞれの障壁層は、半導体材料又は絶縁性材料で構成されてもよい。量子閉込層で使用することができるその他のＩＩＩ−Ｖ族材料には、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＢＮ及び前述の１３５号出願で量子閉込材料として示された任意のその他の材料が含まれており、同出願は、そのような材料に関する参考文献としてここに援用されるものである。

[0043] 現在業界では、適切な緑色の、ＬＥＤ及びＬＤがない状況である一方で、青色及び青紫色のＬＥＤ及びＬＤが広く使用されている。上記のように、図１９の光共振器１９００の構造を使用して、励起青色／青紫色のＬＥＤ又はＬＤをダウンコンバートし、緑色、あるいは赤色又はさらに好ましい青色のＬＥＤ及びＬＤを作り出してもよい。ＩｎＧａＮベースの緑色ＬＥＤを実現する最大の現代の課題の１つは、装置を加工するのに使用される高温下でインジウムを量子井戸から移動させることである。従来型のエレクトロルミネセンス装置では通常であるように、本実施形態の光ルミネセンス蛍光体ベースのダウンコンバージョン解決策は、ＩｎＧａＮの境界を成すｐ型及びｎ型層を必要としないことは、明らかである。したがって、確立されたインフラを使用し、本明細書で開示する光共振器設計で加工することで、すでに実現可能であるＩｎＧａＮ量子井戸を、簡単に実装して、持続性の、高品質緑色のＬＥＤ及びＬＤを実現することができる。

[0044] 量子井戸材料及び障壁層材料のバンドギャップは、入力／励起波長が、量子井戸層の中だけで、又は、さらに障壁層においても吸収されるように選択されてもよい。量子井戸は（複数ある場合）、全く同じ厚さでもよく又は異なる厚さ及び／又は組成でもよい。同様に、障壁層は、全く同じ厚さでもよく又は異なる厚さ及び／又は組成でもよい。それぞれの量子井戸は、共振器空洞の中で定在波の波腹に位置付けられてもよく又は位置付けられなくてもよい。

[0045] ヒートシンク層１９３２のヒートシンク材料又は熱放散材料は、前述の１３５号出願の担体基板材料の項で列挙された任意の材料で構成されてもよく、同出願は、そのような列挙に関する参考文献としてここに援用されるものである。特有の実施例では、材料は、未被覆サファイヤ、炭化珪素、ダイヤモンド、ダイヤモンド様被覆、黒鉛、グラフェン、マイカ、などでもよい。

[0046] 反射材被覆スタック、例えば図１９Ｃ及び図１９Ｇの反射材被覆スタック１９２４及び１９４４などは、金属、半導体又は絶縁物（誘電体）層で構成されてもよい。１つの実施例では、それぞれの反射材被覆スタックは、絶縁性又は広いバンドギャップ半導体（すなわち、入力／励起波長を吸収しない）で作られている。

[0047] 上記の如く、最大の電界ピーク又は任意の他の下位ピーク（サイドローブ）を用いて、量子井戸光ルミネセンス材料で所望される所要の吸収を調整することができる。出力波長は、青色、緑色、赤色又は近赤外線の任意波長でもよい。出力波長は、青色及び緑色、又は青色及び赤色、又は緑色及び赤色、又は青色、緑色及び赤色（白色光）の組み合わせ、又は電磁スペクトルの可視及び近赤外領域で所望される任意の他の組み合わせでもよい。基本的には、励起／入力波長は、深紫外、紫外、紫、可視から近赤外までの任意の波長でもよく、出力波長は、深紫外、紫外、紫、可視から近赤外までの任意の波長、又は蛍光体及び設計を選択することによって、口述されるように１つより多い波長の組み合わせでもよい。その上、出力波長は、量子閉込層／障壁層の賢明な設計を選択することによって、波長及び帯域幅に関して調整されて、特定の複素屈折率を作り出すことができる。出力波長は、特定の偏光に合わせて設計することができる。明示される構成を使用すれば、新規な光励起ＶＣＳＥＬ、ＶＥＣＳＥＬ、ＯＰＳ−ＶＥＣＳＥＬ、ＶＣＳＯＡ、ＯＰＳＬ、ＳＤＬ、などを作成することができる。明示される構成を使用すれば、さらに、超放射、超蛍光、コヒーレンス増白、増幅自然放出、光学的利得などの現象の効率を高めることもできる。

[0048] 上記のように、表ＩＩ及び表ＩＩＩは、前述のＴＦＣＡＬＣ（商標）ソフトウェア用パラメータに関して図１３の光共振器１３００の特有の実施例を画定している。表Ｖ及び表ＶＩは、下記に光共振器１３００の第２の特有の実施例を提示している。表ＶＩＩ及び表ＶＩＩＩは、下記に光共振器１３００の第３の特有の実施例を提供しており、さらに、下記の表ＩＸ及び表Ｘは、光共振器１３００の第４の特有の実施例を提供している。このように、これらのさまざまな設計は、さまざまな入出力波長のためのものである。

[0049] 本発明者は、図１３に関連して上で明示された多帯域共振器構成を最適化することで、ポーラリトンベースのＬＥＤ又はＬＤ型光電子工学装置を作成することができることを提示する。図１３の多帯域共振器に関連して詳細に明示されたように、光学共振器空洞用反射材被覆スタックは、装置が完成すると、光共振器が、入力励起波長だけでなくさらに出力波長に対しても同時に強め合って共振するように設計され得る。したがって、このように構築すれば、励起子及び光子の共存が可能になる。励起子は、量子閉込層（例えば、図１９Ｂの量子井戸１９０８）で入力／励起波長が吸収されることによって作成され、（出力波長の）光子は、同じ量子閉込層で最大限に共振する。これによって、励起子及び光子用の共存シナリオが生まれる。

[0050] 表ＩＩ及び表ＩＩＩ、表Ｖ及び表ＶＩ、表ＶＩＩ及び表ＶＩＩＩ、表ＩＸ及び表Ｘのパラメータのそれぞれを使用して、ＴＦＣＡＬＣ（商標）ソフトウェアでモデル化されている、図１３の光共振器１３００の先行している４つの特有の実施例に加えて、本発明者がＴＦＣＡＬＣ（商標）ソフトウェアを使用してモデル化した４つのさらなる特定の例示的共振器設計を以下に示す。

[0051] 第１設計
この設計は、励起波長で高い吸収率及び出力波長で高透過率を有している例示的な多空胴光共振器を表している。この型の共振器構成は、例えば、ダウンコンバートされたＬＥＤで使用してもよい。この設計は、厚さが約３ｎｍのＣｄＳｅの単一の光ルミネセンス蛍光体吸収層だけを使用していることを留意されたい。この薄層は、典型的量子井戸厚さ（概略値）の利得媒体を表している。任意の利得媒体では典型的であるように、吸収と同様に媒体からの放出が存在している。この設計も、絶縁物（誘電体）材料を使用しているが、当業者であれば容易に理解されるように、この構成は、ＬＥＤ、ＬＤなどを製造するのに使用される典型的な半導体にまで拡張され得る。すべての反射率計算は、被覆が１．５までの屈折率を有するガラス基板上に堆積されると仮定したものである。

[0052] この設計は、ＴＦＣＡＬＣ（商標）のソフトウェアの用語体系では、ガラス／Ｈ２ＬＨＬ Ｈ４ＬＨＬ Ｈ１．９Ｌ ０．２３６５Ｈ（ＣｄＳｅ−３ｎｍ）０．２３６５ Ｈ １．８５ ＬのＨＬＨ２ＬＨ／空気であり、高指数（Ｈ）材料は、２．３６３３＠６０ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有するＺｎＳであり、低指数（Ｌ）材料は、１．３４５＠６００ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有する氷晶石であり、ＣｄＳｅの吸収層は、２．７５０１までの屈折率、ｋ〜０．３４７を有している。この設計での基準波長は、６００ｎｍである。

[0053] 図２０は、透過率及び吸収率対波長のグラフ２０００であり、第１設計用透過率スペクトルプロット２００４及び吸収率スペクトルプロット２００８を示している。容易に分かるように、透過率スペクトルプロット２００４には、約６１０ｎｍを中心とした出力光波長帯域に関して三ピーク部分２００４Ａがあり、吸収率スペクトルプロット２００８には、約４９７ｎｍのピーク２００８Ａがあり、これは、入力／励起波長である。

[0054] 第２設計
この設計は、励起波長で高い吸収率及び出力波長で高い透過率を有する例示的な多空胴光共振器を表している。この型の共振器構成は、例えば、ダウンコンバートされたＬＥＤで使用してもよい。この設計は、厚さが約３ｎｍのＣｄＳｅの単一の光ルミネセンス蛍光体吸収層だけを使用していることを留意されたい。この薄層は、典型的量子井戸厚さ（概略値）の利得媒体を表している。任意の利得媒体では典型的であるように、吸収と同様に媒体からの放出が存在している。この設計も、絶縁物（誘電体）材料を使用しているが、当業者であれば容易に理解されるように、この構成は、ＬＥＤ、ＬＤなどを製造するのに使用される典型的な半導体にまで拡張され得る。すべての反射率計算は、被覆が１．５までの屈折率を有するガラス基板上に堆積されると仮定したものである。

[0055] この設計は、ＴＦＣＡＬＣ（商標）のソフトウェアの用語体系では、ガラス／Ｈ２ＬＨＬ Ｈ２ＬＨＬ Ｈ２ＬＨＬ Ｈ ０．５４２９ Ｌ ０．２６３３ Ｈ（ＣｄＳｅ−３ｎｍ）０．２６３３ Ｈ ０．５ Ｌ ０．７ＨＬＨ２ＬＨ／空気であり、高指数（Ｈ）材料は、２．３６３３＠６０ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有するＺｎＳであり、低指数（Ｌ）材料は、１．３４５＠６００ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有する氷晶石であり、ＣｄＳｅの吸収層は、２．７５０１までの屈折率、ｋ〜０．３４７を有している。この設計での基準波長は、５４５ｎｍである。

[0056] 図２１は、透過率及び吸収率対波長のグラフ２１００であり、第２設計用透過率スペクトルプロット２１０４及び吸収率スペクトルプロット２１０８を示している。容易に分かるように、透過率スペクトルプロット２１０４には、約５５０ｎｍを中心とした出力光波長帯域に関して三ピーク部分２１０４Ａがあり、吸収率スペクトルプロット２１０８には、約４９２ｎｍのピーク２１０８Ａがあり、これは、入力／励起波長である。図２１のグラフ２１００を図２０のグラフ２０００と比較すると、第２設計の励起波長ピーク２１０８Ａ及び出力波長ピーク２１０４Ａ（図２１）が、第１設計の励起波長ピーク２００８Ａ及び出力波長ピーク２００４Ａ（図２０）と比べて互いにかなり近くなっていることを留意されたい。したがって、第２設計は、第１設計と比較してストークスシフト損失がかなり小さくなっている。

[0057] 第３設計
この設計は、励起波長で高い吸収率及び出力波長で高い透過率を有する例示的な多空胴光共振器を表している。この型の共振器構成は、例えば、ダウンコンバートされたＬＥＤで使用してもよい。この設計は、厚さがそれぞれ約５ｎｍのＣｄＳｅの２つの光ルミネセンス蛍光体吸収層だけを使用していることを留意されたい。これらの層のそれぞれの厚さは、典型的量子井戸厚さ（概略値）の利得媒体を表している。任意の利得媒体では典型的であるように、吸収と同様に媒体からの放出が存在している。この設計も、絶縁物（誘電体）材料を使用しているが、当業者であれば容易に理解されるように、この構成は、ＬＥＤ、ＬＤなどを製造するのに使用される典型的な半導体にまで拡張され得る。すべての反射率計算は、被覆が１．５までの屈折率を有するガラス基板上に堆積されると仮定したものである。

[0058] この設計は、ＴＦＣＡＬＣ（商標）のソフトウェアの用語体系では、ガラス／Ｈ２ＬＨＬ Ｈ２ＬＨＬ Ｈ２ＬＨＬ Ｈ０．００８３Ｌ ０．１４４５Ｈ（ＣｄＳｅ−５ｎｍ）０．１４４５Ｈ（ＣｄＳｅ−５ｎｍ）０．１４４５ＨＬ１．８５Ｈ／空気であり、高指数（Ｈ）材料は、２．３６３３＠６０ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有するＺｎＳであり、低指数（Ｌ）材料は、１．３４５＠６００ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有する氷晶石であり、ＣｄＳｅの吸収層は、２．７５０１までの屈折率、ｋ〜０．３４７を有している。この設計での基準波長は、６５０ｎｍである。

[0059] 図２２は、透過率及び吸収率対波長のグラフ２２００であり、第２設計用透過率スペクトルプロット２１０４及び吸収率スペクトルプロット２１０８を示している。容易に分かるように、透過率スペクトルプロット２２０４には、出力光に関する、約６６０ｎｍを中心とした三ピーク部分２２０４Ａがあり、吸収率スペクトルプロット２２０８には、約３８５ｎｍ及び約５３５ｎｍにそれぞれ２つの突出したピーク２２０８Ａ及び２２０８Ｂがあり、ピーク２２０８Ｂは、入力／励起波長である。

[0060] 第４設計
この設計は、励起波長で高い吸収率及び出力波長で高い透過率を有する例示的な多空胴光共振器を表している。この型の共振器構成は、例えば、ダウンコンバートされたＬＥＤで使用してもよい。この設計は、厚さが約３ｎｍのＣｄＳｅの単一の光ルミネセンス蛍光体吸収層だけを使用していることを留意されたい。この薄層は、典型的量子井戸厚さ（概略値）の利得媒体を表している。任意の利得媒体では典型的であるように、吸収と同様に媒体からの放出が存在している。この設計も、絶縁物（誘電体）材料を使用しているが、当業者であれば容易に理解されるように、この構成は、ＬＥＤ、ＬＤなどを製造するのに使用される典型的な半導体にまで拡張され得る。すべての反射率計算は、被覆が１．５までの屈折率を有するガラス基板上に堆積されると仮定したものである。

[0061] この設計は、ＴＦＣＡＬＣ（商標）のソフトウェアの用語体系では、ガラス／Ｈ２ＬＨＬ Ｈ２ＬＨＬ Ｈ０．８５ＬＨＬ Ｈ０．５８２８Ｌ ０．２６３３Ｈ（ＣｄＳｅ−３ｎｍ）０．２６３３Ｈ ０．５Ｌ ０．３ＨＬＨ０．８５ＬＨ／空気であり、高指数（Ｈ）材料は、２．３６３３＠６０ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有するＺｎＳであり、低指数（Ｌ）材料は、１．３４５＠６００ｎｍまでの屈折率、ｋ〜１０^−６を有する氷晶石であり、ＣｄＳｅの吸収層は、２．７５０１までの屈折率、ｋ〜０．３４７を有している。この設計での基準波長は、５４５ｎｍである。

[0062] 図２３は、透過率及び吸収率対波長のグラフ２３００であり、第４設計用透過率スペクトルプロット２３０４及び吸収率スペクトルプロット２３０８を示している。図２４は、第４設計用反射率対波長のグラフ２４００である。図２３のグラフ２３００から分かるように、第４設計には、約４７７ｎｍの入力／励起波長に吸収率ピーク２３０８Ａがあるが、透過率スペクトルプロット２３０４は、約５２５ｎｍから約６１０ｎｍの出力光波長帯域の領域２３０４Ａでは、むしろ平坦である。しかし、図２４のグラフ２４００から分かるように、第４設計は、反射率スペクトルプロット２４０４の幅広いピーク２４０４Ａで示されるように、出力光波長帯域で高反射率を有している。

[0063] 上記のとおり、本明細書に開示される光共振器構成のさまざまな実施形態は、量子ドットを含む光ルミネセンス吸収構造物として量子閉込構造物を利用している。量子ドットがこのような実施形態で使用されるとき、それらが、当初の形態で、すなわち何の表面コーティングも無く使用されることが一般的には想定される。しかし、その他の実施形態では、本発明者は、統合化反射器を表面に付けることで、特別に加工した量子ドットの使用を提案する。図２５は、これを説明する、反射器が取り付けられた量子ドット２５００を例示している。

[0064] 図２５に示されるように、反射器を取り付けた量子ドット２５００は、おおよそ球状の量子ドット２５０４、及び量子ドットの表面２５０４Ａに付けられた反射器２５０８を備えている。量子ドット２５０４は、前述の１３５号出願の４１頁及び４２頁に列挙してある材料などの、これらに限定するわけではないが、任意の適切な材料から成っていてもよく、同出願は、適切な量子ドット材料及び量子ドットを形成する技術を教示することに関する参考文献としてここに援用されるものである。この実施例では、反射器２５０８は、さまざまな屈折率を有する複数の層、ここでは２５１２Ａから２５１２Ｃ、を備えているＤＢＲである。当業者であれば、層２５１２Ａから２５１２Ｃに使用する材料を容易に決めることができるであろう。そのうちのいくつかを上記の実施例のいくつかで開示している。層２５１２Ａから２５１２Ｃを、何らかの適切な方法で量子ドット２５０４に付けることで、反射器を取り付けた量子ドット２５００を作成することができる。当業者であれば容易に理解されるように、球状の反射器２５０８が包囲する量子ドット２５０４は、無数の、全方向で正反対に向かい合う鏡対として、量子ドット容積の全体を通して効果的に機能することになり、そのために、全方向光共振器空胴内に量子ドット（すなわち、励起光の波長によって決まる光ルミネセンス材料）を置く。

[0065] 図２６及び図２７は、本明細書において開示される多空胴共振器及び／又は多帯域共振器を用いて作られ得る多色発光システム２６００、２７００をそれぞれ例示している。まず図２６を参照すると、システム２６００は、多波長ダウンコンバート共振器構造体２６０４及び入力励起光２６１２を共振器構造体に提供する光源２６０８を含んでいる。励起光２６１２に応えて、共振器構造体２６０４は、ある所定の波長の光２６１６、すなわちさまざまな色の光を出力する。本実施例では、共振器構造体２６０４は、ＲＧＢ光２６１６Ａ、２６１６Ｂ及び２６１６Ｃをそれぞれ出力する赤、緑、青（ＲＧＢ）ダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃを備えている。言うまでもなく、これ以外の色、色数及び色の組合せも可能であり、ＲＧＢダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃは、電子表示装置及びその他の装置のＲＧＢ発光素子に偏在する一例として使用されているに過ぎない。

[0066] ＲＧＢダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃは、入力光及び出力光２６１６Ａ、２６１６Ｂ、２６１６Ｃの特有の波長にそれぞれ同調された、対応するそれぞれの個別の多空胴共振器及び／又は多帯域共振器２６２０Ａ、２６２０Ｂ及び２６２０Ｃで実装され得る。このような実施形態では、それぞれの多空胴及び／又は多空胴共振器２６２０Ａ、２６２０Ｂ及び２６２０Ｃは、上記で開示される技術を用いて作ることができる。他の実施形態では、ＲＧＢダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃは、例えば、図１２に関連して先に記載した可変的厚さの光ルミネセンス層を使用することを含む技術を使用して、一般的な共振器の中の一部として実装され得る。

[0067] 入力光２６１２は、特有の設計を満足させる必要に応じて、任意の１つ又は複数の波長でもよい。いくつかの実施形態では、光源２６０８は、ＬＤ又はＬＥＤが放射しており、その結果、励起光２６１２は、単一の第１の波長である。それぞれのＬＤ又はＬＥＤは、例えば、共振器構造体２６０４の領域と実質的に一致している放射領域を有する広域源でもよい。光源２６０８が共振器構造体２６０４の領域と比較して比較的狭い光のビーム（図示せず）を放射する場合、それは、周知のように適切なビーム拡大器（図示せず）を利用してもよい。他の実施形態では、光源２６０４は、ＲＧＢダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃごとに１つ又は複数の個別の光源（図示せず）から成っていてもよい。このような実施形態では、これらの光源は全て、同じ第１の波長で光を放射することができる、又は、それらの光源は、異なる波長で光を放射することができ、それぞれの波長は、対応するＲＧＢダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃの設計に基づいて選択される。

[0068] 次に、図２７を参照すると、例示的な多色発光システム２７００は、図２６の発光システム２６００と類似しているが、図２７における多波長ダウン変換共振器構造体２７０４の構成は、図２６のＲＧＢダウンコンバータ２６０４Ａ、２６０４Ｂ及び２６０４Ｃの事例のように励起光２６１２に対して互いに並列になっておらず、むしろ、（励起光２７１２の光源２７０８からの指向性に対して）互いに直列になったＲＧＢダウンコンバータ２７０４Ａ、２７０４Ｂ及び２７０４Ｃを有しているということだけが異なっている。図７の多色発光システム２７００のその他の態様は、図２６のシステム２６００の対応する態様と同様であり得る。

[0069] 例えば、励起光２７１２に応答して、共振器構造体２７０４は、ある所定の波長の混合ＲＧＢ光２７１６、すなわちさまざまな色の光を出力する。本実施例では、共振器構造体２７０４は、混合ＲＧＢ光２７１６を出力する赤、緑、青（ＲＧＢ）ダウンコンバータ２７０４Ａ、２７０４Ｂ及び２７０４Ｃを備えている。言うまでもなく、これ以外の色、色数及び色の組合せも可能であり、ＲＧＢダウンコンバータ２７０４Ａ、２７０４Ｂ及び２７０４Ｃは、電子表示装置及びその他の装置のＲＧＢ発光素子に偏在する一例として使用されているに過ぎない。

[0070] ＲＧＢダウンコンバータ２７０４Ａ、２７０４Ｂ及び２７０４Ｃは、入力光及び出力光の特有の波長にそれぞれ同調された、対応するそれぞれの個別の多空胴共振器及び／又は多帯域共振器２７２０Ａ、２７２０Ｂ及び２７２０Ｃで実装され得る。このような実施形態では、それぞれの多空胴及び／又は多空胴共振器２７２０Ａ、２７２０Ｂ及び２７２０Ｃは、上記で開示される技術を用いて作ることができる。

[0071] 入力光２７１２は、特有の設計を満足させる必要に応じて、任意の１つ又は複数の波長でもよい。いくつかの実施形態では、光源２７０８は、ＬＤ又はＬＥＤが放射しており、その結果、励起光２７１２は、単一の第１の波長である。それぞれのＬＤ又はＬＥＤは、例えば、共振器構造体２７０４の領域と実質的に一致している放射領域を有する広域源でもよい。光源２７０４が、共振器構造体２７０４の領域と比較して比較的狭い光のビーム（図示せず）を放射する場合、それは、周知のように適切なビーム拡大器（図示せず）を利用してもよい。他の実施形態では、光源２７０４は、ＲＧＢダウンコンバータ２７０４Ａ、２７０４Ｂ及び２７０４Ｃごとに１つ又は複数の個別の光源（図示せず）から成っていてもよい。このような実施形態では、これらの光源は全て、同じ第１の波長で光を放射することができる、又は、それらの光源は、異なる波長で光を放射することができ、それぞれの波長は、対応するＲＧＢダウンコンバータ２７０４Ａ、２７０４Ｂ及び２７０４Ｃの設計に基づいて選択される。

[0072] ここまで、例示的な実施形態を開示して、添付図面で図解してきた。当業者であれば理解されるであろうが、本明細書で詳細に開示されることに、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくさまざまな変更、省略及び追加を加えることができる。

Claims (1)

1. 第１の周波数の入力光に応答する光共振器を備える光励起システムであって、
   前記光共振器は、積み重ねられた互いにモノリシック構造である多層を有し、前記多層の異なる層は、さまざまな材料から成っており、前記さまざまな材料の層のいくつかは、複数の反射器を画定するように設計され、構成され、配列されており、前記複数の反射器は、多共振器空洞を画定するように位置付けられており、
   前記光共振器は、前記共振器空洞の少なくとも１つに位置付けられている少なくとも1つの光ルミネセンス層をさらに有し、前記少なくとも一つの光ルミネセンス層は、前記入力光があると発光して前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の光ルミネセンス光を生成するように設計されており、
   前記少なくとも一つの共振器空洞は、前記入力光及び前記光ルミネセンス光の異なる前記第１及び第２の周波数で同時に共振するように設計され、構成されている、光励起システム。

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