WO2016171115A1 - グレーティング素子および照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ光を蛍光体に照射して蛍光を発光させるのに際して、部品点数が少ないことから長期信頼性が高く、出射する蛍光の出力や波長の変動を抑制できるようにする。 【解決手段】グレーティング素子1は、支持基板2、支持基板2上に設けられた、蛍光体からなる光導波路4、および光導波路4に形成されたブラッググレーティング5を備えている。光導波路への入射光を白色光に変換し、光導波路外に白色光を放射する。
Description
本発明は、グレーティング素子および白色光を発光する照明装置に関するものである。
最近、レーザ光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザあるいは紫外レーザと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザ光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザ光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、LEDに替わる光源として注目されている。例えば、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のYAG単結晶蛍光体が考えられている。
例えば自動車用ヘッドライトでは、図15に模式的に示すような構成が考えられる。すなわち、複数の青色半導体レーザ光源31からレーザ光を発光させ、集光光学系32によって蛍光体ガラス板33に集光する。これによって、蛍光体ガラス板33から白色光が矢印Dのように発光する。この白色光Dをパラボラリフレクタ34によって投光し、フィルタ35を通して外部に白色光を投射する。フィルタ35は、青色レーザ光の外部への投射を防止するものである。
また、非特許文献1には、蛍光体ガラスからなる光ファイバーにレーザ光を照射し、白色光を発生させることが提案されている。
レーザ光源とグレーティング素子を使用した照明装置として、特許文献1では、レーザ光源の出力側にグレーティング素子からなる反射体を配置している構造が開示されている。この装置では、蛍光体は装置の外側に配置されており、集光させるためのレンズ等の光部品が必要になることから、小型化という観点で問題となる。
レーザ光源とグレーティング素子を使用した照明装置として、特許文献1では、レーザ光源の出力側にグレーティング素子からなる反射体を配置している構造が開示されている。この装置では、蛍光体は装置の外側に配置されており、集光させるためのレンズ等の光部品が必要になることから、小型化という観点で問題となる。
特許文献2によると、YAGを単結晶化することにより、温度が上昇しても変換効率が劣化せず高効率の蛍光特性を示し、ハイパワー分野での応用が可能となった。この材料は、450nm青色励起光によって補色である黄色光を発することによって白色光を得ることができ、プロジェクターやヘッドライトへ適用するための開発が進められている。
照明用蛍光体については、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12:YAG)にCeをドープしたCe :YAG単結晶蛍光体も開発されている。従来、Ce :YAG蛍光体は、焼結合成したり、ガラスに分散させるなどして実現されてきたが、励起光のパワー密度が上がると放熱が困難になり、効率が低下するという問題があった。
「Materials Integration」 Vol.17, No3, 2004,51~56頁 「蛍光ガラスの開発」 沢登成人
古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29
「次世代車載ヘッドランプ用光源デバイス」 ‘’Panasonic Technical Journal‘’ Vol. 61, No.1, May 2015, 41 to 46頁
しかし、図15のような構造では、集光するために必要な光学系の部品点数が多く、コストが高くなる。また、自動車の振動によって軸ずれが生じやすく、発光効率が下がる。更に、発熱や吸湿により蛍光体が劣化し、発光効率が下がる。
蛍光体ガラスからなる光ファイバーにレーザ光を照射し、白色光を発生させることも考えられる。しかし、この場合には、蛍光体ガラスからなる光ファイバーからの出力光の出力や波長に変動が見られる。
本発明の課題は、レーザ光を蛍光体ガラスに照射して蛍光を発光させるのに際して、部品点数が少ないことから長期信頼性が高く、また出射する蛍光の出力や波長の変動を抑制できるような構造を提供することである。
本発明に係るグレーティング素子は、
支持基板、
支持基板上に設けられた、蛍光体からなる光導波路、および
光導波路に形成されたブラッググレーティングを備えていることを特徴とする。
支持基板、
支持基板上に設けられた、蛍光体からなる光導波路、および
光導波路に形成されたブラッググレーティングを備えていることを特徴とする。
また、本発明は、レーザ光を発振する光源および前記グレーティング素子を備えており、光導波路から白色光が発生することを特徴とする。
レーザ光を蛍光体からなる光導波路に照射して白色光を発光させる場合、光導波路を伝搬するレーザ光の波長に変動があると、レーザ光の白色光への変換効率が低下し、白色光の波長だけでなく、出力が変動する。
本発明によれば、蛍光体からなる光導波路が支持基板上に一体化された構造であることから、部品点数が少なく、信頼性が高い。その上で、蛍光体からなる光導波路にブラッググレーティングを設けることで、レーザ光の波長を安定化し、これによって光導波路から発振する白色光の波長と出力とを安定化させることに成功し、本発明に到達した。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図1、図2に示すように、グレーティング素子1には、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられたスラブ型光導波路4および光導波路4の上面を被覆する上側クラッド層6を備えている(図1では上側クラッド層6は図示省略している)。スラブ型光導波路4は薄板状であり、レーザ光が入射する入射面4aと白色光を出射する出射面4bを有する。
図1、図2に示すように、グレーティング素子1には、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられたスラブ型光導波路4および光導波路4の上面を被覆する上側クラッド層6を備えている(図1では上側クラッド層6は図示省略している)。スラブ型光導波路4は薄板状であり、レーザ光が入射する入射面4aと白色光を出射する出射面4bを有する。
本例では、スラブ型光導波路4の上面4fに、凹凸からなるブラッググレーティング5が形成されており、グレーティング部4dを構成している。入射面4aとグレーティング部4dとの間に、ブラッググレーティングのない入射側伝搬部4cが設けられており、出射面4bとグレーティング部4dとの間に、回折格子のない出射側伝搬部4eが設けられている。なお、ブラッググレーティング5は、スラブ型光導波路4の底面4g側に形成してもよい。
図2に示すように、グレーティング素子1に対向して光源11を設置する。光源11は、基板12と活性層13とを有しており、活性層13がスラブ型光導波路4の入射面4aに対向している。図1に示すように、活性層13から出射したレーザ光は、矢印Aのようにスラブ型光導波路4に入射し、光導波路4を伝搬する。このときブラッググレーティングによって回折を受け、矢印Cのように反射し、レーザ光の波長が安定する。また、光導波路4の出射面4bから矢印Bのように白色光が出射する。
図3のグレーティング素子1Aには、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3下に設けられた接着層7、下側クラッド層3上に設けられたスラブ型光導波路4および光導波路4の上面にある上側クラッド層6を備えている。
図4のグレーティング素子1Bには、支持基板9、支持基板9上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられたスラブ型光導波路4および光導波路4の上面にある上側クラッド層6を備えている。更に、グレーティング素子1Bの支持基板9上には、例えばはんだ層14を介して光源11Aが実装されており、光源11Aの活性層13がスラブ型光導波路4に対向している。
本発明によれば、蛍光体からなる光導波路4が支持基板2、9上に一体化された構造であることから、部品点数が少なく、信頼性が高い。その上で、蛍光体からなる光導波路4にブラッググレーティング5を設けることで、レーザ光の波長を安定化し、これによって蛍光体から発振する白色光の波長と出力とを安定化させることができる。
特に、蛍光体からなる光導波路に設けられたブラッググレーティングと光源との間で外部共振器を構成することによって、光導波路から発振する白色光の波長がより一層安定するので好ましい。
図5~図8は、リッジ型光導波路を用いたグレーティング素子を示す例である。
図5、図6のグレーティング素子21には、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられた蛍光体層24、および蛍光体層24の上面24aにある上側クラッド層6を備えている(図5では上側クラッド層6は図示省略している)。
図5、図6のグレーティング素子21には、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられた蛍光体層24、および蛍光体層24の上面24aにある上側クラッド層6を備えている(図5では上側クラッド層6は図示省略している)。
蛍光体層24の例えば上面24aにリッジ溝26が形成されており、リッジ型光導波路25が形成されている。リッジ溝26は、底面24b側に形成することもできる。光導波路25は、入射面25a、出射面25b、ブラッググレーティング5Aが形成されたグレーティング部25d、グレーティング部25dと入射面25aとの間の入射側伝搬部25cおよびグレーティング部25dと出射面25bとの間の出射側伝搬部25eを備えている。
図7に示すグレーティング素子21Aは、図6のグレーティング素子21と同様のものであるが、下側クラッド層3と支持基板2との間に接着層7が設けられている。
また、図8に示すグレーティング素子21Bにおいては、蛍光体層24の底面24b側にリッジ溝26が形成されており、これによってリッジ型光導波路25が形成されている。
他の好適な実施形態においては、光導波路が、光学材料からなるコアからなり、コアの周りをクラッドが包囲している。このコアの横断面(光の伝搬方向と垂直な方向の断面)形状は凸図形となるようにする。
凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。凸図形は、一般的な幾何学用語である。このような図形としては、三角形、四角形、六角形、八角形などの多角形、円形、楕円形などを例示できる。四角形としては、特に、上辺と下辺と一対の側面を有する四角形が好ましく、台形が特に好ましい。
たとえば図9(a)に示すように、支持基板36上に下側クラッド層43を介して、蛍光体よりなるリッジ型(チャネル型)光導波路41が形成されている。光導波路41の横断面形状は台形であり、上面41aが下面41bよりも狭い。なお、クラッド層43と支持基板36との間に接着層を形成することもできる。
図9(b)に示す素子では、支持基板36上にクラッド層42が設けられており、クラッド層42内に、蛍光体よりなる光導波路41が埋設されている。クラッド層42は、光導波路の上面を被覆する上面被覆部42b、光導波路の側面を被覆する側面被覆部42cおよび光導波路と支持基板との間に位置する底面被覆部42aを有する。
図9(c)に示す素子では、支持基板36上にクラッド層42が設けられており、クラッド層42内に、蛍光体よりなる光導波路41Aが埋設されている。クラッド層42は、光導波路の上面を被覆する上面被覆部42b、光導波路の側面を被覆する側面被覆部42cおよび光導波路と支持基板との間にある底面被覆部42aを有する。
また、図10(a)に示す素子では、支持基板36上に下側クラッド層43を介して、蛍光体よりなる光導波路41が形成されている。光導波路41の側面および上面41aには、上側クラッド層40が形成され、光導波路41を被覆している。上側クラッド層40は、光導波路41の側面を被覆する側面被覆部40bおよび上面を被覆する上面被覆部40aを有する。
また、図10(b)に示す素子では、蛍光体よりなる光導波路41Aが形成されている。光導波路41Aの横断面形状は台形であり、下面が上面よりも狭い。上側クラッド層40は、光導波路41Aの側面を被覆する側面被覆部40bおよび上面を被覆する上面被覆部40aを有する。
図11に示す発光装置は、光源モジュール55とグレーティング素子1Dとを備えている。光源モジュール55において、支持基板51上に一つまたは複数の光源11が実装されている。図11では光源11を一つ図示してあるが、光源の個数は限定されない。光源11は、基板12とその上の活性層13とを備えている。活性層13は、ワイヤー49を通してパッド50に接続されている。
グレーティング素子1Dは、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられた蛍光体層54を備えている。蛍光体層54は、スラブ型光導波路として機能するものであり、この蛍光体層の入射面54aは、光源11の出射面に対向している。
本例では、蛍光体からなるスラブ型光導波路54の上面54fに、凹凸からなるブラッググレーティング5が形成されている。しかし、ブラッググレーティングをスラブ型光導波路54の下面54gに設けることもできる。また、光導波路54は、ブラッググレーティング5が設けられたグレーティング部54d、グレーティング部54dと入射面54aとの間に設けられた、ブラッググレーティングのない入射側伝搬部54c、およびグレーティング部54dと出射側端面54bとの間に設けられた、ブラッググレーティングのない伝搬部54eを備えている。
本例では、光源11の活性層13から出射した光は、蛍光体からなるスラブ型光導波路54の入射面54aに入射し、光導波路を矢印Dのように伝搬する。そして、蛍光体を通過した光は、出射側端面54bから矢印Bのように白色光として出射する。
図12に示す発光装置は、図11のものと類似のものである。しかし、図12の例では、蛍光体からなる光導波路層54中に一対のリッジ溝26が形成されており、一対のリッジ溝26の間にリッジ型光導波路25が設けられている。光導波路25は、入射面25a、出射面25b、ブラッググレーティング5が形成されたグレーティング部25d、グレーティング部25dと入射面25aとの間の入射側伝搬部25cおよびグレーティング部25dと出射面25bとの間の出射側伝搬部25eを備えている。
本例では、光源11の活性層13から出射した光は、蛍光体からなるリッジ型光導波路25の入射面25aに入射し、光導波路を伝搬する。そして、蛍光体を通過した光は、出射側端面25bから矢印Bのように白色光として出射する。
好適な実施形態においては、光導波路に入射する入射光の伝搬方向をブラッググレーティングによって変更して光導波路から放射させることができる。
図13は、この実施形態に係るものである。
図13に示す発光装置は、光源モジュール53とグレーティング素子1Cとを備えている。光源モジュール53は、支持基板51上に複数の光源11が実装されている。各光源11は、基板12とその上の活性層13とを備えている。各活性層13は、ワイヤー49を通してパッド50に接続されている。
図13に示す発光装置は、光源モジュール53とグレーティング素子1Cとを備えている。光源モジュール53は、支持基板51上に複数の光源11が実装されている。各光源11は、基板12とその上の活性層13とを備えている。各活性層13は、ワイヤー49を通してパッド50に接続されている。
グレーティング素子1Cは、支持基板2、支持基板2上に設けられた下側クラッド層3、下側クラッド層3上に設けられた蛍光体層44を備えている。蛍光体層44は、スラブ型光導波路として機能するものであり、この蛍光体層の入射面44aは、各光源11の出射面に対向している。
本例では、蛍光体からなるスラブ型光導波路44の上面44fに、凹凸からなるブラッググレーティング5Aが形成されている。しかし、ブラッググレーティングをスラブ型光導波路44の下面44gに設けることもできる。また、光導波路44は、ブラッググレーティング5Aが設けられたグレーティング部44d、グレーティング部44dと入射面44aとの間に設けられた、ブラッググレーティングのない入射側伝搬部44c、およびグレーティング部44dと端面44bとの間に設けられた、ブラッググレーティングのない伝搬部44eを備えている。
本例では、各光源11の各活性層13から出射した光は、蛍光体からなるスラブ型光導波路44の入射面44aに入射し、光導波路を矢印Dのように伝搬する。このときブラッググレーティング5Aによって回折を受け、矢印Eのように、光導波路44の上面から外側へと向かって放射される。これとともに、光導波路44を伝搬する光は波長変換を受け、白色光となるので、白色光Eが外部へと放射されることになる。
本例では、ブラッググレーティングによって、光導波路を伝搬する光の進行方向を変更し、光導波路から外部へと放射する。このグレーティングカプラの原理について説明する。
図14に示すように、光導波路44に入射した入射光は、矢印Dのように例えばz方向に伝搬定数βoで伝搬する。ブラッググレーティングにおいて、周期構造のピッチをΛとした場合、下式(1)の位相条件を満足する伝搬定数の光が伝搬する。
βq=βo+qK (q=0、±1、±2、・・・)・・・・・・(1)
ここで、βoはグレーティングがない場合の導波路中の導波モードの伝搬定数である。K=2π/Λである。
βq=βo+qK (q=0、±1、±2、・・・)・・・・・・(1)
ここで、βoはグレーティングがない場合の導波路中の導波モードの伝搬定数である。K=2π/Λである。
|βq|<na・k、または
|βq|<ns・k
を満たす次数qがある場合、導波路の上側と支持基板側との両方に放射する。
ここで、na、nsはそれぞれ光導波路コアの上側クラッド、下側クラッドの屈折率を示す。またkは波数を示す。
|βq|<ns・k
を満たす次数qがある場合、導波路の上側と支持基板側との両方に放射する。
ここで、na、nsはそれぞれ光導波路コアの上側クラッド、下側クラッドの屈折率を示す。またkは波数を示す。
このときの放射角θa、θsは、下式(2)で決められる。
na・k・sinθa=ns・k・sinθs=βq ・・・・(2)
na・k・sinθa=ns・k・sinθs=βq ・・・・(2)
光導波路コア内における伝搬方向Dと、放射光の方向とのなす角度(90-θa)、(90-θs)は特に制限されないが、通常は30~90°が好ましく、45~90°が更に好ましい。
上記から放射角は波長により異なることがわかり、特に、蛍光体にグレーティングを形成する場合には、励起光と蛍光のそれぞれについて放射角の条件を満足する必要がある。
上記から放射角は波長により異なることがわかり、特に、蛍光体にグレーティングを形成する場合には、励起光と蛍光のそれぞれについて放射角の条件を満足する必要がある。
好適な実施形態においては、光導波路下のクラッドと支持基板との間に、光導波路からの放射光を反射する反射膜を設ける。これによって、素子外に放射する放射光の光量を高くすることができる。こうした反射膜としては、金、アルミニウム、銅、銀、等の金属膜、あるいは、誘電体多層膜であってよい。
反射膜として金属膜を使用する場合には、その上に形成するクラッド層がはがれないようにするために、Cr、Ni、Ti、等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。
反射膜として金属膜を使用する場合には、その上に形成するクラッド層がはがれないようにするために、Cr、Ni、Ti、等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。
また、上側クラッド層と蛍光体層との間には、反射防止(AR)コートを設けたり、あるいは、モスアイ構造を設けたりすることにより、上側クラッド層と蛍光体層との間での反射を低減できる。
下側クラッド層、上側クラッド層の材質は、蛍光体層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。上側クラッド層は、空気であってもよく、この場合は、上側クラッド層がない場合と等しい。
下側クラッド層、上側クラッド層の材質は、蛍光体層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。上側クラッド層は、空気であってもよく、この場合は、上側クラッド層がない場合と等しい。
支持基板が、光導波路を構成する蛍光体よりも屈折率が大きい場合には、下側クラッド層は必須であり、これにより光導波路に光が閉じこもることになり、導波路の伝搬損失を低減するという観点で好ましい。
光源のグレーティング素子とは反対側の外側端面には、図示しない反射膜を設けることができる。活性層のグレーティング素子側の端面には、光源が単独でレーザ発振するために低反射膜を設けることができるが、無反射膜を形成することもできる。更に、グレーティング素子の光導波路の入射面、出射面には、それぞれ、図示しない低反射層を設けることができる。
これら低反射層の反射率は、グレーティング反射率よりも小さい値であればよく、さらに0.1%以下が好ましい。しかし、端面における反射率がグレーティング反射率よりも小さい値であれば、低反射層はなくてもよく、低反射層の代わりに反射膜を設けることもできる。
低反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、低反射層に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタル、フッ化マグネシウムなどの酸化物で積層した膜が例示できる。
この場合、レーザ光の発振波長は、ブラッググレーティングにより反射される波長で決定される。ブラッググレーティングによる反射光と活性層のグレーティング素子側の端面からの反射光がレーザのゲイン閾値を上回れば、発振条件を満足する。これにより波長安定性の高いレーザ光を得ることができる。
波長安定性をより高くするには、グレーティングからの帰還量を大きくすればよく、この観点からグレーティングの反射率は活性層の端面における反射率よりも大きくする方が好ましい。
光源としては、照明用蛍光体の励起用として高い信頼性を有するGaN材料による半導体レーザが好適である。また、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ(SOA)であってもよい。
なお、半導体レーザとグレーティング素子との組み合わせでパワー安定化を行う方法は、下記に開示されている。
(非特許文献2: 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29)
(非特許文献2: 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29)
ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ni、Ti、Cr、Alなどの金属膜を蛍光体ガラス層上に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝をクラッド層に形成する。次いで、金属マスクを除去する。
具体例として、Ni、Ti、Cr、Alなどの金属膜を蛍光体ガラス層上に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝をクラッド層に形成する。次いで、金属マスクを除去する。
リッジ型光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。あるいは、リッジ型光導波路も、クラッド層上のグレーティング溝と同じように、ドライエッチングによって形成することができる。
半導体レーザと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
青色レーザと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザや紫外レーザから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザや紫外レーザから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザや紫外レーザから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザや紫外レーザから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
蛍光体としては、蛍光体ガラスや単結晶が好ましい。
蛍光体ガラスは、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。
ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示でき、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)であってもよい。
蛍光体ガラスは、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。
ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示でき、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)であってもよい。
蛍光体ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Tb、Eu、Ce、Nd、が好ましいが、La、Pr、Sc、Sm、Er、Tm、Dy、Gd、Luであってもよい。
蛍光体として、TAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット)系、サイアロン系、BOS(バリウム・オルソシリケート)系、
YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)が例示できる。
蛍光体として、TAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット)系、サイアロン系、BOS(バリウム・オルソシリケート)系、
YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)が例示できる。
蛍光体単結晶としてはY3Al5O12、Ba5Si11Al7N25、Tb3Al5O12が好ましい。また、蛍光体単結晶中にドープするドープ成分としては、Tb、Eu、Ce、Nd等の希土類元素イオンとする。
支持基板の具体的材質は特に限定されず,ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶であってよい。しかし、光源の熱が蛍光体に伝導すること、あるいは、波長変換や外部から蛍光体自体が加熱することを抑制するために、放熱特性のよい支持基板を使用することができる。この場合には、支持基板の材質として、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Siなどを例示することができる。
クラッド層の材質は、光導波路を構成する蛍光体の屈折率よりも低い屈折率を有する材質であれば、特に限定はされない。しかし、光導波路を構成する蛍光体の屈折率とクラッド層の屈折率との差を大きくすることが好ましく、この差は0.1以上が好ましく、さらに0.2以上が好ましい。これらを満足する材料としてSiO2、Al2O3などを例示できる。
また、光源素子、グレーティング素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、グレーティング素子と支持基板の接合は、接着固定でもよく、直接接合でもよい。支持基板にスパッタ、CVD等の成膜法によりグレーティング素子を形成してもよい。
好適な実施形態においては、光導波路の入射面と出射面との少なくとも一方に誘電体多層膜からなるARコートが形成されている。
他の好適な実施形態においては、蛍光体層を構成する材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなる単層膜が形成されている。こうした単層膜の厚さは、ARコートのように厳密に決定する必要はなく、単に単層膜を形成することによって端面反射を低減することができる。ここで、多層膜にすると、多層膜間の屈折率と厚さの関係によっては、反射抑制の度合いが低下したり、無くなったりする可能性があり、多層膜の各層の厚さを制御する必要があるので、単層膜の方が優れている。これによりグレーティング素子の端面反射率は単層膜がない場合よりも確実に低減することができる。単層膜の厚みは、好適には1μm以下である。
他の好適な実施形態においては、蛍光体層を構成する材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなる単層膜が形成されている。こうした単層膜の厚さは、ARコートのように厳密に決定する必要はなく、単に単層膜を形成することによって端面反射を低減することができる。ここで、多層膜にすると、多層膜間の屈折率と厚さの関係によっては、反射抑制の度合いが低下したり、無くなったりする可能性があり、多層膜の各層の厚さを制御する必要があるので、単層膜の方が優れている。これによりグレーティング素子の端面反射率は単層膜がない場合よりも確実に低減することができる。単層膜の厚みは、好適には1μm以下である。
好適な実施形態においては、光導波路が、リッジ型光導波路のようにチャネル型光導波路であり、光学素子の入射面における光導波路幅よりも出射面における光導波路幅のほうが大きい。これによって、蛍光体層に入射する光ビームを大きくし、蛍光体層の加熱を抑制することが可能である。この場合、特に好ましくは、光導波路の入射面と出射面の間にテーパ部を設け、テーパ部の幅を入射面側から出射面側へと向かって大きくする。これによって、光の伝搬損失を最小限とし、発光強度を高くできる。
図16は、この実施形態に係るものであり、光学素子50に形成されたチャネル型光導波路51の平面的パターンを示す。光導波路51は、入射部51a、グレーティングが設けられたグレーティング部51b、テーパ部51cおよび出射部51dを備えている。入射部51aにおける光導波路幅Winよりも、出射部51dにおける光導波路幅Woutのほうが大きい。この場合、蛍光体層の発熱を抑制するという観点からは、Wout/Winは、2以上が好ましく、5以上が特に好ましい。また、上限値の制限は特にないが、大きくしても光が十分に広がらなくなることからは、Wout/Winは、1000以下が好ましく、500以下が特に好ましい。
グレーティング部の幅Wgrは、横モードがマルチモードにしてスペックルノイズを抑制するという観点からは、3μm以上が好ましく、5μm以上が更に好ましい。また、グレーティング部の幅Wgrは、レーザ発振を安定にするという観点から10μm以下が好ましく、更に7μm以下が好ましい。なお、Wgrは、図7~図10に図示するように、グレーティング部の幅(グレーティング部における光導波路の幅)である。
Wgrが光源のスポットサイズ(ニアフィールド径)よりも大きい場合には、入力部にもテーパ部を設けて、WinをWgrよりも小さくすることができる。
本例では、グレーティング部51bの幅Wgrが入射部の幅Winと同じになっている。また、テーパ部51cの幅は、入射側ではWinであり、出射面側ではWoutになっており、その間では入射面51e側から出射面51f側へと向かって徐々に増大している。
なお、チャネル型光導波路がリッジ型光導波路である場合には、チャネル型光導波路の幅Win、Wout、Wgrは、光導波路の長手方向に対して垂直な横断面における光導波路幅である。また、光導波路の幅は、光導波路の前記横断面における幅のうち最も狭い部分の幅とする。
なお、チャネル型光導波路がリッジ型光導波路である場合には、チャネル型光導波路の幅Win、Wout、Wgrは、光導波路の長手方向に対して垂直な横断面における光導波路幅である。また、光導波路の幅は、光導波路の前記横断面における幅のうち最も狭い部分の幅とする。
光学素子の全長Lwgは、特に限定されないが、通常は1mm~30mmが好ましい。また、グレーティング部51bの長さLgは、外部共振器としての機能という観点からは、10μm以上が好ましい。テーパ部51cの長さLtpは、伝搬損失低減という観点からは、50μm~5000μmが好ましい。
光源素子は複数個アレイ上に並列に配置し、蛍光体に入力することにより、小型化、かつ高出力の照明装置を実現することができる。さらに、光源素子は1個で蛍光体ガラスの端面を折り返すことにより蛍光体ガラス内全域は励起光を伝搬させ、全域から白色光を発生する照明装置を実現することもできる。
好適な実施形態においては、蛍光体が、希土類元素イオンがドープされた単結晶からなり、光導波路の厚さが3μm以上、80μm以下である。希土類元素イオンがドープされた単結晶からなる蛍光体は、前述したものである。
本実施形態では、支持基板上に光導波路を設け、その光導波路の厚さを80μm以下とする。ここで、光導波路の厚さとは、支持基板の表面に垂直な方向に見た光導波路の寸法であり、図2~図12に示すTにあたる。
本発明者は、特に希土類元素をドープした単結晶からなる蛍光体から白色光を発生させる技術を検討した。しかし、こうしたいわゆる単結晶蛍光体は脆いため、小型化すると取り扱いが困難である。このため、こうした単結晶蛍光体を支持基板上に固定し、青色光等を入射させて出射光を観測してみた。しかし、実際に単結晶蛍光体から出射される白色光には、いわゆる色ムラが生ずることがわかった。
すなわち、単結晶蛍光体からの出射光を観察すると、場所によって色調が異なり、目的とする白色光が得られていない場所が多かった。
すなわち、単結晶蛍光体からの出射光を観察すると、場所によって色調が異なり、目的とする白色光が得られていない場所が多かった。
本発明者は、この理由について検討し、以下の知見を得た。すなわち、単結晶蛍光体中での希土類元素イオンの濃度には不可避的にバラツキがあり、場所によってイオン濃度に濃淡がある。ここで、従来のように、単結晶蛍光体板に対して垂直に青色光を当てると、光は直進し、単結晶蛍光体板を透過して出射する。すると、出射光のスペクトルは、単結晶蛍光体板における希土類イオン濃度の濃淡を反映することになる。
ここで、本発明者は、単結晶蛍光体を支持基板上に固定して光導波路を形成することを試みたが、その場合にも、光導波路が厚い場合には、出射光のスペクトルが、単結晶蛍光体中での希土類イオンの濃淡を反映し、色ムラが生ずることを見いだした。
本発明者は、こうした知見に立ち、単結晶蛍光体を支持基板上に設けた場合については、その厚さを80μm以下とすることで、出射光の色ムラを抑制できることを見いだした。この理由であるが、支持基板上に設ける単結晶蛍光体を薄くすると、支持基板との界面と、その反対側の表面との間で伝搬光が反射を繰り返し、この結果として単結晶蛍光体内における希土類イオンの濃淡の影響が平均化されるものと考えられる。
こうした観点からは、光導波路の厚さを80μm以下とするが、50μm以下とすることが好ましく、30μm以下とすることが一層好ましい。これによって色ムラが一層低減され、出射光のコヒーレンス長も長くなる。
一方、光導波路の厚さを3μm以上、更には10μm以上とすることによって、出射光の平均出力が向上し、かつコヒーレンス長さも改善される。
一方、光導波路の厚さを3μm以上、更には10μm以上とすることによって、出射光の平均出力が向上し、かつコヒーレンス長さも改善される。
上述の実施例では、例えば図13にも示すように、光源モジュールをグレーティング素子の隣に配置し、光源から出射した光を光導波路の入射面に入射させている。しかし、本発明では、グレーティング素子の支持基板側から光を入射させ、支持基板を通して光導波路に光を入射させてもよい。この場合にも、支持基板から光導波路に入射した光は、光導波路内を伝搬し、光導波路の端面から出射したり,あるいは図13のようにブラッググレーティングの上方に出射する。
支持基板側から光を入射させる場合は、支持基板は入射光に対して透明であることが好ましい。
また、光源としては、前記した光源以外にもLEDも使用することができ、光ファイバで励起光を伝搬し、グレーティング素子に入射させる構成であってもよい。
また、光源としては、前記した光源以外にもLEDも使用することができ、光ファイバで励起光を伝搬し、グレーティング素子に入射させる構成であってもよい。
なお、入射光を支持基板側から入射させる場合は、この光導波路の厚みは、蛍光体の屈折率np、励起光の波長λpに対して、λp/np以上とすることが好ましい。例えば、蛍光体の屈折率が1.8、励起光の波長が450nmの場合、蛍光体の厚みは250nm以上とすることができる。
蛍光体からなる光導波路に熱応力がかかると、変換効率が劣化し、励起光から発生する蛍光の発生効率が低下することがわかった。この現象は、蛍光体の厚みが100μm以下のときに発現し、3μm以下になると変換効率の劣化がより顕著となることを見いだした。
このことから、変換効率の劣化を防止するためには、クラッド層と支持基板の熱膨張係数差を小さくすることが好ましい。特に好ましくは、支持基板を構成する材質の元素と、クラッド層を構成する材質の元素とが同じである。これによって、グレーティング素子からの発光強度の熱による劣化を抑制できる。
なお、材質の元素が同じであるとは、材質を構成する 元素の組み合わせが一致することを意味しており、元素の組成比率は同一であっていてもよく、異なっていても良い。しかし、材質を構成する元素組成が同じであることが好ましい。また、材質の微構造や結晶形が同一である必要はない。こうした元素組成としては、SiO2、Al2O3を例示できる。
具体的には、クラッド層の材質をSi02とした場合には、支持基板の材質として石英、石英ガラス、水晶を例示できる。また,クラッド層および支持基板の材質をアルミナとすることができる。
具体的には、クラッド層の材質をSi02とした場合には、支持基板の材質として石英、石英ガラス、水晶を例示できる。また,クラッド層および支持基板の材質をアルミナとすることができる。
(実施例1)
図1、図2に示すようなグレーティング素子1を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2上にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、赤、青、緑の3原色の蛍光体を分散させた蛍光ガラス板と直接接合した後、蛍光ガラス板を3μmの厚みまで研磨してスラブ型光導波路4を形成した。次に、スラブ型光導波路4上にNiを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Niパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ118nm、長さ3000μmのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
図1、図2に示すようなグレーティング素子1を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2上にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、赤、青、緑の3原色の蛍光体を分散させた蛍光ガラス板と直接接合した後、蛍光ガラス板を3μmの厚みまで研磨してスラブ型光導波路4を形成した。次に、スラブ型光導波路4上にNiを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Niパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ118nm、長さ3000μmのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子に、出力30mWのGaN系青色レーザ光源11を光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、ピーク波長に変動がないことが確認できた。
この結果、モジュールの出力側から平均3lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
この結果、モジュールの出力側から平均3lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例2)
図1、図3に示すようなグレーティング素子1Aを作製した。
具体的には、蛍光体ガラス板上にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、蛍光体ガラス板の成膜面と支持基板2とを樹脂接合によって貼りあわせた。次いで、実施例1と同様にして蛍光体ガラス板を研磨し、厚さ3μmのスラブ型光導波路4を得た。得られた素子について、実施例1と同様にして試験したところ、モジュールの出力側から平均3lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
図1、図3に示すようなグレーティング素子1Aを作製した。
具体的には、蛍光体ガラス板上にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、蛍光体ガラス板の成膜面と支持基板2とを樹脂接合によって貼りあわせた。次いで、実施例1と同様にして蛍光体ガラス板を研磨し、厚さ3μmのスラブ型光導波路4を得た。得られた素子について、実施例1と同様にして試験したところ、モジュールの出力側から平均3lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例3)
図5、図6に示すようなグレーティング素子21を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、赤、青、緑の3原色の蛍光体を分散させた蛍光ガラス板と直接接合した後、蛍光ガラス板を3μmの厚み(Tgr)まで研磨して蛍光体ガラス層を形成した。次に、光導波路層上にNiを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Niパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ116nm、長さ3000μmのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。次に上記と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅Wgr3μm、深さTr2μmのリッジ溝26およびリッジ型光導波路25を形成した。
図5、図6に示すようなグレーティング素子21を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、赤、青、緑の3原色の蛍光体を分散させた蛍光ガラス板と直接接合した後、蛍光ガラス板を3μmの厚み(Tgr)まで研磨して蛍光体ガラス層を形成した。次に、光導波路層上にNiを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Niパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ116nm、長さ3000μmのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。次に上記と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅Wgr3μm、深さTr2μmのリッジ溝26およびリッジ型光導波路25を形成した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子を30mWのGaN系青色レーザ光源11に光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、波長変動がないことが確認できた。この結果、モジュールの出力側から平均2.4lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例4)
実施例3において、石英からなる支持基板2にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、蛍光ガラス板と樹脂接合にて貼りあわせた。その他は実施例3と同様にしてグレーティング素子を得た。得られた素子について、実施例3と同様に試験したところ、モジュールの出力側から平均2.4lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
実施例3において、石英からなる支持基板2にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、蛍光ガラス板と樹脂接合にて貼りあわせた。その他は実施例3と同様にしてグレーティング素子を得た。得られた素子について、実施例3と同様に試験したところ、モジュールの出力側から平均2.4lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例5)
実施例3と同様な素子を作製した。ただし、蛍光ガラス板を厚さ3μmに加工した後に、得られたスラブ型光導波路の上面にリッジ溝を形成することによって、80μm間隔で10個のリッジ型導波路25を形成した。その後、実施例3と同じレーザ光源を80μm間隔に配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。
実施例3と同様な素子を作製した。ただし、蛍光ガラス板を厚さ3μmに加工した後に、得られたスラブ型光導波路の上面にリッジ溝を形成することによって、80μm間隔で10個のリッジ型導波路25を形成した。その後、実施例3と同じレーザ光源を80μm間隔に配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。
そして、実施例1と同様にして各レーザ光源からレーザ光を発振させたところ、モジュールの出力側から平均24lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(比較例1)
実施例1において、スラブ型光導波路にブラッググレーティングを設けなかった。それ以外は実施例1と同様にしてグレーティング素子を作製した。そして、実施例1と同様にGaNレーザ光源を結合したモジュールを組立て、光学特性を評価した。
実施例1において、スラブ型光導波路にブラッググレーティングを設けなかった。それ以外は実施例1と同様にしてグレーティング素子を作製した。そして、実施例1と同様にGaNレーザ光源を結合したモジュールを組立て、光学特性を評価した。
この結果、レーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は5%以上であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、ピーク波長変動が±5nmであった。この結果、モジュールの出力側から平均2.7lmの出力変動のある白色光が観測できた。
(実施例6)
実施例1と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2上にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、その上に単結晶YAG蛍光体プレートを直接接合した後、この蛍光体プレートを3μmの厚みまで研磨することによって、YAG単結晶からなるスラブ型光導波路4を形成した。次に、スラブ型光導波路4上にAlを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Alパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ123nm、長さ300μmのグレーティング溝を形成し、ブラッググレーティング5を得た。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
実施例1と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2上にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、その上に単結晶YAG蛍光体プレートを直接接合した後、この蛍光体プレートを3μmの厚みまで研磨することによって、YAG単結晶からなるスラブ型光導波路4を形成した。次に、スラブ型光導波路4上にAlを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Alパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ123nm、長さ300μmのグレーティング溝を形成し、ブラッググレーティング5を得た。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子1に、波長450nm、 出力30mWのGaN系青色レーザ光源11を光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、ピーク波長に変動がないことが確認できた。
この結果、モジュールの出力側から平均3.2lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
この結果、モジュールの出力側から平均3.2lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例7)
実施例2と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、実施例1において、支持基板2にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、単結晶YAG蛍光体プレートと樹脂接合によって貼りあわせた。次いで、実施例6と同様にして単結晶YAG蛍光体を研磨し、スラブ型光導波路4を得た。
実施例2と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、実施例1において、支持基板2にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、単結晶YAG蛍光体プレートと樹脂接合によって貼りあわせた。次いで、実施例6と同様にして単結晶YAG蛍光体を研磨し、スラブ型光導波路4を得た。
得られた素子について、実施例1と同様にして試験したところ、モジュールの出力側から平均3.2lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例8)
実施例3と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、単結晶YAG蛍光体プレートと直接接合した後、この蛍光体プレートを3μmの厚み(Tgr)まで研磨して蛍光体層24を形成した。次に、蛍光体層24上にAlを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Alパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ121nm、長さ300μmのグレーティング溝を形成し、ブラッググレーティング25を得た。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
実施例3と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、単結晶YAG蛍光体プレートと直接接合した後、この蛍光体プレートを3μmの厚み(Tgr)まで研磨して蛍光体層24を形成した。次に、蛍光体層24上にAlを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Alパターンをマスクにして反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ121nm、長さ300μmのグレーティング溝を形成し、ブラッググレーティング25を得た。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
次に上記と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅Wgr3μm、深さTr2μmのリッジ溝 およびリッジ型光導波路を形成した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子を波長450nm、30mWのGaN系青色レーザ光源11に光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、波長変動がないことが確認できた。この結果、モジュールの出力側から平均2.5lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例9)
実施例4と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
実施例8において、石英からなる支持基板2にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、単結晶YAG蛍光体プレートと樹脂接合にて貼りあわせた。その他は実施例8と同様にしてグレーティング素子を得た。
実施例4と同様なグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
実施例8において、石英からなる支持基板2にSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜した後、単結晶YAG蛍光体プレートと樹脂接合にて貼りあわせた。その他は実施例8と同様にしてグレーティング素子を得た。
得られた素子について、実施例8と同様に試験したところ、モジュールの出力側から平均2.5lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例10)
実施例8と同様な素子を作製した。ただし、蛍光体プレートを厚さ3μmに加工した後に、得られたスラブ型光導波路の上面にリッジ溝を形成することによって、80μm間隔で10個のリッジ型導波路 を形成した。その後、実施例8と同じレーザ光源を80μm間隔に配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。
実施例8と同様な素子を作製した。ただし、蛍光体プレートを厚さ3μmに加工した後に、得られたスラブ型光導波路の上面にリッジ溝を形成することによって、80μm間隔で10個のリッジ型導波路 を形成した。その後、実施例8と同じレーザ光源を80μm間隔に配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。
そして、実施例6と同様にして各レーザ光源からレーザ光を発振させたところ、モジュールの出力側から平均25lmの出力変動のない白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例11)
図13に示すような照明モジュールを作製した。
具体的には、窒化アルミニウムからなる支持基板2上にスパッタ装置にてTi50nm、Pt50nm、金500nm成膜し、さらにPt50nm、Ti50nm成膜し、反射層を形成した。次に、反射層の上にスパッタ装置にてSiO2を1μm成膜し、下側クラッド層3を得た。一方、YAG単結晶蛍光体基板上にスパッタ装置にてSiO2を1μm成膜した。その後、両基板をSiO2を界面にして常温直接接合した。さらに蛍光体基板の接合面と反対側の面を研磨して3μmまで薄くし、蛍光体からなるスラブ型光導波路44を形成した。
図13に示すような照明モジュールを作製した。
具体的には、窒化アルミニウムからなる支持基板2上にスパッタ装置にてTi50nm、Pt50nm、金500nm成膜し、さらにPt50nm、Ti50nm成膜し、反射層を形成した。次に、反射層の上にスパッタ装置にてSiO2を1μm成膜し、下側クラッド層3を得た。一方、YAG単結晶蛍光体基板上にスパッタ装置にてSiO2を1μm成膜した。その後、両基板をSiO2を界面にして常温直接接合した。さらに蛍光体基板の接合面と反対側の面を研磨して3μmまで薄くし、蛍光体からなるスラブ型光導波路44を形成した。
次に、スパッタ装置にてTiを成膜して電子ビーム露光にてグレーティングパターンを反応性イオンエッチング装置にてエッチングして形成した。さらに、このTiパターンをマスクに同じ装置にて蛍光体をエッチングすることにより、ピッチ間隔Λ340nm、長さ3000μmのグレーティング溝を形成し、ブラッググレーティング5Aを得た。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、片側端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、スラブ型導波路グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅10mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子に、窒化アルミニウム基板に実装された波長450nm、出力30mWのGaN系青色レーザ光源を光学的に結合し、AuSn半田にて固定し、照明モジュールを作製した。モジュールの大きさは、幅10mm、長さ20mm、高さ2mmであった。
このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光はグレーティング素子の蛍光体面の法線方向に対して66°(θa=24°)の方向に、蛍光により発せられた黄色光は88°(θa=2°)の方向に放射し、蛍光体からの放射面でのニアフィールドのスポット形状は幅50μm、長さ100μmの大きさで放射していることを確認できた。
この結果、モジュールの出力側から平均3lmの出力変動のない白色光が観測できた。このとき1000時間連続動作させても出力の変動が±1%以内であることが確認できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
この結果、モジュールの出力側から平均3lmの出力変動のない白色光が観測できた。このとき1000時間連続動作させても出力の変動が±1%以内であることが確認できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例12:単結晶蛍光体の場合)
図1、図2に示すようなグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2上にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、Ceをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)単結晶からなる厚さ500μmの蛍光体プレートを直接接合した。ついで、この蛍光体プレートを、表1に示す厚みになるまで研磨し、スラブ型光導波路4を形成した。次に、光導波路4上にAlを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターン5を作製した。その後、Alパターンをマスクにして、反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ123nm、長さ300μmのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
図1、図2に示すようなグレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板2上にスパッタ装置にてSiO2からなる下側クラッド層3を厚さ1.0μm成膜し、Ceをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)単結晶からなる厚さ500μmの蛍光体プレートを直接接合した。ついで、この蛍光体プレートを、表1に示す厚みになるまで研磨し、スラブ型光導波路4を形成した。次に、光導波路4上にAlを成膜して、フォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターン5を作製した。その後、Alパターンをマスクにして、反応性イオンエッチングにより、ピッチ間隔Λ123nm、長さ300μmのグレーティング溝を形成した。グレーティングの溝深さtdは100nmとした。
その後、ダイシング装置にて素子をバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子1を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子1に、波長450nm、 出力30mWのGaN系青色レーザ光源11を光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、ピーク波長に変動がないことが確認できた。
チップ化したグレーティング素子1に、波長450nm、 出力30mWのGaN系青色レーザ光源11を光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、ピーク波長に変動がないことが確認できた。
この各例の評価を表1に示す。ただし、各項目は以下のようにして測定した。
(平均出力)
平均出力は、全光束の時間平均を表す。全光束測定は,積分球(球形光束計)を使用して,被測定光源と全光束が値付けられた標準光源とを同じ位置で点灯し,その比較によって行う。詳細にはJIS C 7801にて規定されている方法を用いて測定を行った。
(色ムラ)
導波路型蛍光体素子端面4bより出力した光を、輝度分布測定装置を用いて観測し、色度図で評価を行った。色度図において、中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にある場合には、「色ムラなし」と評価し、この範囲外にある場合には「色ムラあり」と評価した。
(コヒーレンス長)
マイケルソン干渉計を用いた光スペクトルアナライザーによりスペクトル線幅を測定して、下記計算式より求めた。
コヒーレンス長(Lc)=C/ΔV
C:光の速さ=2.9979258×108m/sec
ΔV:線幅(Hz)
(平均出力)
平均出力は、全光束の時間平均を表す。全光束測定は,積分球(球形光束計)を使用して,被測定光源と全光束が値付けられた標準光源とを同じ位置で点灯し,その比較によって行う。詳細にはJIS C 7801にて規定されている方法を用いて測定を行った。
(色ムラ)
導波路型蛍光体素子端面4bより出力した光を、輝度分布測定装置を用いて観測し、色度図で評価を行った。色度図において、中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にある場合には、「色ムラなし」と評価し、この範囲外にある場合には「色ムラあり」と評価した。
(コヒーレンス長)
マイケルソン干渉計を用いた光スペクトルアナライザーによりスペクトル線幅を測定して、下記計算式より求めた。
コヒーレンス長(Lc)=C/ΔV
C:光の速さ=2.9979258×108m/sec
ΔV:線幅(Hz)
このように、光導波路の厚さを80μm以下とすることによって、色ムラがみられなくなった。また、光導波路の厚さを3μm以上とすることによって、平均出力が増大している。更に、光導波路の厚さを50μm以下とした場合には、コヒーレンス長が一層短くなる。
(実施例13)
図1、図2に示すように、グレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、支持基板2と、CeをドープしたYAGからなる単結晶蛍光体からなるプレート(厚さ500μm)とを樹脂接合によって貼りあわせた後、実施例12と同様にして蛍光体プレートを研磨し、厚さ50μmのスラブ型光導波路4を得た。得られた素子について、実施例1と同様にして試験したところ、モジュールの出力側から平均3.2lmの出力変動がなく、色ムラの無い白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
図1、図2に示すように、グレーティング素子および照明モジュールを作製した。
具体的には、支持基板2と、CeをドープしたYAGからなる単結晶蛍光体からなるプレート(厚さ500μm)とを樹脂接合によって貼りあわせた後、実施例12と同様にして蛍光体プレートを研磨し、厚さ50μmのスラブ型光導波路4を得た。得られた素子について、実施例1と同様にして試験したところ、モジュールの出力側から平均3.2lmの出力変動がなく、色ムラの無い白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例14)
図5、図6に示すようなグレーティング素子21を作製し、照明モジュールを作製した。
具体的には、支持基板2と、CeをドープしたYAGからなる単結晶蛍光体プレート(厚さ500μm)とを直接接合した後、厚さ50μmまで研磨してグレーティング溝を形成した後、反応性イオンエッチングにより、幅Wgr3μm、深さTr2μmのリッジ溝26およびリッジ型光導波路25を形成した。
図5、図6に示すようなグレーティング素子21を作製し、照明モジュールを作製した。
具体的には、支持基板2と、CeをドープしたYAGからなる単結晶蛍光体プレート(厚さ500μm)とを直接接合した後、厚さ50μmまで研磨してグレーティング溝を形成した後、反応性イオンエッチングにより、幅Wgr3μm、深さTr2μmのリッジ溝26およびリッジ型光導波路25を形成した。
その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、両端面に0.1%のARコートを形成し、最後にチップ切断を行い、グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅1mm、長さLwg10mmとした。
チップ化したグレーティング素子を波長450nm、30mWのGaN系青色レーザ光源11に光学的に結合してモジュールを作製した。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は1%以内であった。また、レーザ光の波長変動を光スペクトルアナライザーで測定した結果、波長変動がないことが確認できた。この結果、モジュールの出力側から平均2.5lmの出力変動がなく、色ムラの無い白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
(実施例15)
実施例14と同様な素子を作製した。ただし、単結晶蛍光体プレートを厚さ50μmまで研磨加工した後に、得られたスラブ型光導波路の上面にリッジ溝を形成することによって、80μm間隔で10個のリッジ型導波路を形成した。その後、実施例14と同じレーザ光源を80μm間隔に10個配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。
実施例14と同様な素子を作製した。ただし、単結晶蛍光体プレートを厚さ50μmまで研磨加工した後に、得られたスラブ型光導波路の上面にリッジ溝を形成することによって、80μm間隔で10個のリッジ型導波路を形成した。その後、実施例14と同じレーザ光源を80μm間隔に10個配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。
そして、各レーザ光源からレーザ光を発振させたところ、モジュールの出力側から平均25lmの出力変動がなく、色ムラの無い白色光が観測できた。また、色ムラについては、色度図で中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にあることを確認した。
Claims (11)
- 支持基板、
前記支持基板上に設けられた、蛍光体からなる光導波路、および
前記光導波路に形成されたブラッググレーティングを備えていることを特徴とする、グレーティング素子。 - 前記光導波路がスラブ型光導波路であることを特徴とする、請求項1記載の素子。
- 前記光導波路がリッジ型光導波路であることを特徴とする、請求項1記載の素子。
- 前記リッジ型光導波路が複数設けられていることを特徴とする、請求項3記載の素子。
- 前記蛍光体が、蛍光体ガラスまたは単結晶からなることを特徴とする、請求項1~4のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 前記光導波路に入射する入射光の伝搬方向を前記ブラッググレーティングによって変更して前記光導波路から放射させることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 前記蛍光体が、希土類元素イオンがドープされた単結晶からなり、前記光導波路の厚さが3μm以上、80μm以下であることを特徴とする、請求項5記載の素子。
- レーザ光を発振する光源およびグレーティング素子を備える照明装置であって、
前記グレーティング素子が、請求項1~7のいずれか一つの請求項に記載のグレーティング素子であり、前記光導波路から白色光が放射することを特徴とする、照明装置。 - 前記光源と前記ブラッググレーティングとが外部共振器を構成していることを特徴とする、請求項8記載の装置。
- 前記光導波路に入射する前記入射光の伝搬方向を前記ブラッググレーティングによって変更し、前記光導波路から前記白色光を放射させることを特徴とする、請求項8記載の装置。
- 前記光源が複数設けられていることを特徴とする、請求項8~10のいずれか一つの請求項に記載の装置。
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Legal Events
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ENP | Entry into the national phase |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16783136 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |