WO2017006796A1 - グレーティング素子および発光装置 - Google Patents

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phosphor
light
layer
waveguide core
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近藤　順悟
直剛 岡田
山口　省一郎
孝介 丹羽
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日本碍子株式会社
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    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge

Definitions

  • the present invention relates to a grating element and a device that emits white light.
  • a white light source combining a blue laser or an ultraviolet laser and a phosphor.
  • the light density of the excitation light can be increased by condensing the laser light, and the light intensity of the excitation light can be increased by condensing a plurality of laser lights on the phosphor.
  • the luminous flux and the luminance can be increased simultaneously without changing the light emitting area.
  • a white light source in which a semiconductor laser and a phosphor are combined attracts attention as a light source that replaces an LED.
  • the blue LED 2 is fixed to the container 3, and the phosphor-dispersed resin 4 is poured and cured thereon.
  • the resin 4 is obtained by mixing a powdery yellow phosphor 4b with a resin 4a such as silicon.
  • the light generated from the blue LED is wavelength-converted by the resin 4 and emitted as white light as indicated by an arrow A.
  • the white LED 1 can be mass-produced at a low cost.
  • the white LED using the phosphor resin as shown in FIG. 1 has a problem that it is weak against heat and water, and the fluorescent material is difficult to uniformly disperse in the resin.
  • the phosphor glass used for automotive headlights is the phosphor glass “Lumiface” from Nippon Electric Glass Co., Ltd. The body has been proposed.
  • the blue LED 2 and the phosphor glass 5 are fixed in the container 3.
  • the light generated from the blue LED is wavelength-converted by the phosphor glass 5 and emitted as white light as indicated by an arrow B.
  • Ce: YAG single crystal phosphor in which yttrium aluminum garnet Y 3 Al 5 O 12 (YAG) is doped with Ce has been developed as described above.
  • Ce: YAG phosphors have been realized by sintering synthesis or by dispersing them in glass.
  • heat dissipation becomes difficult and efficiency is lowered. It was.
  • Patent Document 1 by converting YAG into a single crystal, even if the temperature rises, the conversion efficiency is not deteriorated, and high-efficiency fluorescence characteristics are exhibited, enabling application in the high power field.
  • This material can obtain white light by emitting yellow light which is a complementary color by 450 nm blue excitation light, and development for application to projectors and headlights is underway.
  • an element 1B as shown in FIG. 3 can be considered. That is, laser light is emitted from the blue semiconductor laser light source 2 as indicated by an arrow C, and is condensed on the phosphor glass plate 5 as indicated by an arrow D by the condensing optical system 7. As a result, white light is emitted from the phosphor glass plate 5 as indicated by an arrow E.
  • Non-Patent Document 1 proposes that white light is generated by irradiating an optical fiber made of phosphor glass with laser light.
  • Patent Document 4 discloses a structure in which a reflector made of a grating element is arranged on the output side of a laser light source.
  • the phosphor is disposed outside the apparatus, and an optical component such as a lens for condensing light is necessary, which is problematic in terms of miniaturization.
  • An object of the present invention is to provide a structure with high long-term reliability since the influence of heat generation of the light source is small and the number of parts is small when the phosphor is irradiated with laser light to emit fluorescence.
  • the present invention is a grating element comprising a support substrate, a clad provided on the support substrate, an optical waveguide core provided on the clad, and a Bragg grating provided on the optical waveguide core,
  • the propagation direction of incident light incident on the optical waveguide core is changed by a Bragg grating to be emitted from the optical waveguide core, and white light is obtained by transmitting the incident light through a phosphor.
  • the present invention also relates to a light emitting device comprising the grating element and a light source that supplies the incident light.
  • the phosphor when the phosphor is formed immediately above the light source, the phosphor deteriorates due to heat generated by the light source, and it is difficult to increase the output.
  • the phosphor since the phosphor is formed on the grating element side and separated from the light source, the heat generated by the light source does not propagate directly to the phosphor, so that high output is possible.
  • the phosphor since the phosphor is provided on the support substrate, the phosphor can be further prevented from being deteriorated by forming the support substrate with a material having high heat dissipation and thermal conductivity.
  • the phosphor is heated by the heat generated by the conversion, thereby degrading the conversion efficiency.
  • the direction of the light is changed by the Bragg grating toward the direction intersecting the propagation direction in the optical waveguide core. Since the size can be increased, the heating can be suppressed.
  • the support substrate of the grating element by positioning and bonding the support substrate of the grating element with respect to the light source, a condensing optical system is unnecessary, and the miniaturization is easy.
  • the support substrate for the grating element and the mount for mounting the light source may be integrated to form the same common substrate. Thereby, not only miniaturization and cost reduction, but also heat dissipation can be improved.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the relationship between the incident light and emitted light in a Bragg grating coupler.
  • (A), (b), (c) is a cross-sectional view schematically showing each grating element.
  • (A), (b), (c) is a cross-sectional view schematically showing each grating element.
  • (A), (b) is a cross-sectional view which shows each grating element typically, respectively.
  • the light emitting device 22 includes a light source module 10 and a grating element 11.
  • a plurality of light sources 14 are mounted on the support substrate 15 of the light source module 10, and each light source 14 is connected to the pad 12 by a wire 13.
  • the grating element 11 includes a support substrate 16, a lower clad layer 17 provided on the support substrate 16, a slab type optical waveguide core 18 provided on the lower clad layer 17, and an upper surface of the optical waveguide core 18.
  • An upper clad layer 20 is provided.
  • the optical waveguide core 18 has a thin plate shape, and an incident surface on which laser light is incident faces the light source.
  • an uneven Bragg grating 19 is formed at the interface between the optical waveguide core 18 and the upper cladding layer 20. Note that an incident-side propagation portion without a Bragg grating may be provided between the incident surface and the Bragg grating 19. The Bragg grating 19 may be formed between the optical waveguide core 18 and the lower cladding layer 17.
  • a phosphor layer 21 is further provided on the upper clad layer 20. Then, light emitted from each active layer of each light source 14 enters the optical waveguide core 18 and propagates through the optical waveguide core 18 as indicated by an arrow E. At this time, it is diffracted by the Bragg grating and emitted from the inside of the optical waveguide core 18 to the outside as indicated by an arrow F. At this time, the emitted light is normally emitted toward both the upper clad layer side and the lower clad layer side.
  • the radiated light radiated from the optical waveguide core 18 to the upper clad layer side passes through the phosphor layer 21 thereon, undergoes wavelength conversion, and is radiated as white light F.
  • 21a is a white light emitting surface.
  • a light emitting device 22A shown in FIG. 6 includes a light source module 10A and a grating element 11A.
  • One light source 14 is mounted on the support substrate 15 of the light source module 10 ⁇ / b> A, and the light source 14 is connected to the pad 12 by a wire 13.
  • the support substrate (mount) 15 of the light source module can be integrated with the support substrate 16 of the grating element 11A to be the same common substrate. Thereby, the heat generated by the light source can be efficiently released toward the support substrate, and the heat can be hardly conducted to the phosphor.
  • the grating element 11A covers the support substrate 16, the lower clad layer 17 provided on the support substrate 16, the optical material layer 32 provided on the lower clad layer 17, and the upper surface of the optical material layer 32.
  • An upper cladding layer 20 is provided.
  • a pair of ridge grooves 26 are formed in the optical material layer 32, and a ridge type optical waveguide core 25 is formed between the ridge grooves 26. The incident surface of the optical waveguide core 25 faces the emission surface of the light source 14.
  • an uneven Bragg grating 19 is formed at the interface between the optical waveguide core 25 and the upper cladding layer 20.
  • the Bragg grating 19 may be formed between the optical waveguide core 18 and the lower cladding layer 17.
  • a phosphor layer 21 is further provided on the upper clad layer 20.
  • the light emitted from the active layer of the light source 14 enters the ridge-type optical waveguide core 25 and propagates through the core 25 as indicated by an arrow E. At this time, it is diffracted by the Bragg grating and radiated outward from the core 25 as indicated by an arrow F.
  • the emitted light radiated from the core 25 to the upper clad layer side is transmitted through the phosphor layer 21 thereon, undergoes wavelength conversion, and is emitted as white light F.
  • FIG. 7 shows an example in which a plurality of ridge type optical waveguides are formed in the optical material layer.
  • a light emitting device 22B shown in FIG. 7 includes a light source module 10 and a grating element 11B.
  • the grating element 11B includes a support substrate 16, a lower clad layer 17 provided on the support substrate 16, an optical material layer 32 provided on the lower clad layer 17, and an upper clad that covers the upper surface of the optical material layer 32.
  • a layer 20 is provided.
  • a predetermined number of ridge grooves 26 are formed in the optical material layer 32, thereby forming a plurality of ridge-type optical waveguide cores 25. Each incident surface of each optical waveguide core 25 faces the exit surface of each light source 14.
  • an uneven Bragg grating 19 is formed at the interface between the optical material layer 32 and the upper cladding layer 20.
  • the Bragg grating 19 may be formed between the optical material layer and the lower cladding layer 17.
  • a phosphor layer 21 is further provided on the upper clad layer 20. Then, light emitted from each active layer of each light source 14 enters each optical waveguide core 25 and propagates through each core 25 as indicated by an arrow E. At this time, it is diffracted by the Bragg grating and radiated from the inside of each core 25 toward the outside as indicated by an arrow F. The radiated light radiated from each core 25 to the upper clad layer side passes through the phosphor layer 21 thereon, undergoes wavelength conversion, and is radiated as white light F.
  • a phosphor layer made of a phosphor is provided on the opposite side of the optical waveguide core from the support substrate.
  • FIG. 8 relates to this embodiment.
  • a light emitting device 22C shown in FIG. 8 includes a light source module 10 and a grating element 11C.
  • the grating element 11 ⁇ / b> C includes a support substrate 16, a lower clad layer 17 provided on the support substrate 16, and a phosphor layer 28 provided on the lower clad layer 17.
  • the phosphor layer 28 functions as a slab type optical waveguide core, and the incident surface of the phosphor layer 28 faces the emission surface of each light source 14.
  • a Bragg grating 19 made of irregularities is formed on the surface of the phosphor layer 28.
  • the incident surface of the phosphor layer and the Bragg grating 19 may be formed between the phosphor layer 28 and the lower clad layer 17.
  • each active layer of each light source 14 enters the incident surface of the phosphor layer 28 and propagates through the phosphor layer 28 as indicated by an arrow E. At this time, the light is diffracted by the Bragg grating 19 and radiated outward from the phosphor layer as indicated by an arrow F. At the same time, the light propagating through the phosphor layer undergoes wavelength conversion and becomes white light, so that the white light F is emitted from the phosphor layer to the outside.
  • the traveling direction of light propagating through the optical waveguide core is changed by the Bragg grating, and the light is emitted from the optical waveguide core to the outside.
  • the principle of this grating coupler will be described.
  • incident light that has entered the optical waveguide cores 18, 25, and 28 propagates with a propagation constant ⁇ o in the z direction, for example, as indicated by an arrow E.
  • K 2 ⁇ / ⁇ .
  • na and ns indicate the refractive indexes of the upper cladding and the lower cladding of the optical waveguide core, respectively.
  • K represents the wave number.
  • the angles (90- ⁇ a) and (90- ⁇ s) formed between the propagation direction E in the optical waveguide core and the direction of the emitted light are not particularly limited, but are preferably 30 to 90 °, more preferably 45 to 90 °. preferable. From the above, it can be seen that the radiation angle varies depending on the wavelength. In particular, when a grating is formed on the phosphor, it is necessary to satisfy the radiation angle condition for each of the excitation light and the fluorescence.
  • a reflective film that reflects radiation light from the optical waveguide is provided between the cladding under the optical waveguide core and the support substrate.
  • a reflective film may be a metal film such as gold, aluminum, copper, silver, or a dielectric multilayer film.
  • a metal layer such as Cr, Ni, or Ti can be formed as a buffer layer of the metal film so that the clad layer formed thereon is not peeled off.
  • an antireflection (AR) coat or a moth-eye structure is provided between the upper clad layer and the phosphor layer, so that reflection between the upper clad layer and the phosphor layer is achieved. Can be reduced.
  • AR antireflection
  • the Bragg grating can be formed by physical or chemical etching as follows.
  • a metal film such as Ni, Ti, Cr, or Al is formed on the optical material layer, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask. Thereafter, periodic grating grooves are formed in the cladding layer by a dry etching apparatus such as reactive ion etching. Next, the metal mask is removed.
  • the ridge-type optical waveguide is obtained by, for example, physical processing and molding by cutting with an outer peripheral blade or laser ablation processing.
  • the ridge type optical waveguide can also be formed by dry etching.
  • the method for generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following methods are conceivable.
  • Method of obtaining white light by generating yellow fluorescence with blue laser and phosphor Method of obtaining white light by generating red and green fluorescence with blue laser and phosphor Red, blue with phosphor from blue laser or ultraviolet laser
  • Method of generating green fluorescence and obtaining white light Method of obtaining blue and yellow fluorescence with a phosphor from a blue laser or ultraviolet laser to obtain white light
  • the phosphor may be phosphor glass.
  • a phosphor glass is obtained by dispersing rare earth element ions in a base glass.
  • the base glass include silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, and oxide glass containing barium chloride.
  • YAG yttrium, aluminum garnet
  • YAG yttrium, aluminum garnet
  • the rare earth element ions dispersed in the glass are preferably Tb, Eu, Ce, and Nd, but may be La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu.
  • TAG terbium, aluminum, garnet
  • sialon, BOS barium orthosilicate
  • Examples include YAG (yttrium, aluminum, garnet) and LuAG (lutetium, aluminum, garnet).
  • the phosphor may be a Ce: YAG phosphor in which yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12: YAG) is doped with Ce.
  • the Ce: YAG phosphor may be a sintered and synthesized polycrystal or a single crystal. From the viewpoint of reducing light propagation loss, a single crystal phosphor is preferable.
  • the material of the lower cladding layer and the upper cladding layer may be any material having a refractive index smaller than that of the phosphor glass layer, and may be an adhesive layer.
  • the upper cladding layer may be air, which is equivalent to the case without the upper cladding layer.
  • the material of the cladding layers, SiO 2, Al2O3, MgF 2 , CaF 2 is particularly preferred.
  • the material of the optical waveguide core and the optical material layer may be an oxide containing SiO 2 , an oxide such as Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , Ta 2 O 5 , or a glass material containing SiO 2 .
  • the specific material of the support substrate is not particularly limited, and may be glass such as lithium niobate, lithium tantalate, quartz glass, or quartz.
  • a support substrate having good heat dissipation characteristics can be used.
  • alumina, aluminum nitride, silicon carbide, Si and the like can be exemplified.
  • each end face of the light source element and the grating element may be cut obliquely in order to suppress the end face reflection.
  • the grating element and the support substrate may be bonded together by adhesion or direct bonding.
  • the grating element may be formed on the support substrate by a film forming method such as sputtering, vapor deposition, or CVD.
  • a non-reflective film (not shown) can be provided on the outer end surface of the light source opposite to the grating element.
  • a low reflection film can be provided on the end surface of the active layer on the grating element side, but an antireflection film can also be formed.
  • a non-reflective layer (not shown) can be provided on the incident surface of the optical waveguide of the grating element.
  • the optical waveguide is a channel optical waveguide such as a ridge optical waveguide, and the optical waveguide width in the grating portion is larger than the optical waveguide width in the incident surface of the optical element. This makes it possible to increase the light beam incident on the phosphor layer and suppress heating of the phosphor layer.
  • a tapered portion is provided between the incident surface of the optical waveguide and the grating portion, and the width of the tapered portion is increased from the incident surface toward the grating portion.
  • the width of the grating part is preferably 3 ⁇ m or more, and more preferably 5 ⁇ m or more, from the viewpoint of suppressing heating of the phosphor layer. Further, the width of the grating portion is preferably 10 ⁇ m or less, and more preferably 7 ⁇ m or less from the viewpoint of stabilizing laser oscillation.
  • a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability is preferable for exciting the phosphor glass for illumination.
  • a light source such as a laser array arranged in a one-dimensional manner can also be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • an AR coat made of a dielectric multilayer film is formed on the incident surface of the optical waveguide.
  • a single layer film made of a material having a refractive index lower than that of the material of the optical waveguide is formed.
  • the thickness of such a single layer film does not need to be determined exactly as in the AR coating, and end face reflection can be reduced simply by forming a single layer film.
  • the degree of reflection suppression may be reduced or eliminated depending on the relationship between the refractive index and the thickness between the multilayer films, and it is necessary to control the thickness of each layer of the multilayer film. Therefore, the single layer film is superior. Thereby, the end surface reflectance of the grating element can be surely reduced as compared with the case where there is no single layer film.
  • the thickness of the single layer film is preferably 1 ⁇ m or less.
  • a plurality of light source elements are arranged in parallel on the array and input to the phosphor glass, thereby realizing a miniaturized and high output lighting device. Furthermore, it is also possible to realize an illuminating device in which excitation light is propagated through the entire area of the phosphor glass by folding the end face of the phosphor glass with a single light source element, and white light is generated from the entire area.
  • the optical waveguide is a ridge-type optical waveguide and is provided in the optical material layer.
  • the optical waveguide may be formed on the same surface as the Bragg grating, or may be formed on the opposite surface.
  • an optical material layer 32 is formed on a support substrate 16 via a lower buffer layer 17.
  • a pair of ridge grooves 26 are formed in the optical material layer 32, and a ridge type optical waveguide core 25 is formed between the ridge grooves.
  • the Bragg grating can be provided on the support substrate side of the optical waveguide core, or can be provided on the opposite side of the support substrate.
  • 30 is a thin part, 29 is an extension part.
  • An adhesive layer may be provided between the buffer layer 17 and the support substrate 16.
  • the upper clad layer 20 is further formed on the optical material layer 32, and the phosphor layer 21 is formed on the upper clad layer 20.
  • an optical material layer 32 is formed on the support substrate 16 via the lower clad layer 17.
  • a pair of ridge grooves 26 are formed in the optical material layer 32, and a ridge type optical waveguide core 25 is formed between the ridge grooves.
  • a ridge groove is provided on the support substrate side.
  • 30 is a thin part, 29 is an extension part.
  • the optical waveguide is composed of a core made of an optical material, and a clad surrounds the core.
  • the cross section of the core (cross section in the direction perpendicular to the light propagation direction) is a convex figure.
  • the convex figure means that a line segment connecting any two points of the outer contour line of the core cross section is located inside the outer contour line of the core cross section.
  • a convex figure is a general geometric term. Examples of such figures include triangles, quadrangles, hexagons, octagons, and other polygons, circles, ellipses, and the like.
  • a quadrangle having an upper side, a lower side and a pair of side surfaces is particularly preferable, and a trapezoid is particularly preferable.
  • an optical waveguide core 31 made of an optical material is formed on a support substrate 16 via a lower cladding layer 17.
  • the cross-sectional shape of the core 31 is trapezoidal, and the upper surface 31a is narrower than the lower surface 31b.
  • the phosphor layer 21 is formed so as to cover the core 31.
  • An adhesive layer can also be formed between the cladding layer 17 and the support substrate 16.
  • a clad layer 33 is provided on a support substrate 16, and an optical waveguide core 31 made of an optical material is embedded in the clad layer 33.
  • the clad layer 33 includes an upper surface covering portion 33b covering the upper surface of the optical waveguide core, a side surface covering portion 33c covering the side surface of the optical waveguide, and a bottom surface covering portion 33a positioned between the optical waveguide and the support substrate.
  • the phosphor layer 21 is formed on the cladding layer 33.
  • a clad layer 33 is provided on a support substrate 16, and an optical waveguide core 31 A made of an optical material is embedded in the clad layer 33.
  • the clad layer 33A has an upper surface covering portion 33b covering the upper surface of the optical waveguide core, a side surface covering portion 33c covering the side surface of the core, and a bottom surface covering portion 33a between the core and the support substrate.
  • the phosphor layer 21 is formed on the cladding layer 33.
  • an optical waveguide core 31 made of an optical material is formed on the support substrate 16 via the lower clad layer 17.
  • An upper cladding layer 34 is formed on the side surface and the upper surface 31 a of the optical waveguide core 31 to cover the optical waveguide core 31.
  • the upper cladding layer 34 includes a side surface covering portion 34 b that covers the side surface of the optical waveguide 31 and an upper surface covering portion 34 a that covers the upper surface.
  • the phosphor layer 21 is formed on the upper cladding layer 34.
  • an optical waveguide core 31A made of an optical material is formed.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide 31A is trapezoidal, and the lower surface is narrower than the upper surface.
  • the upper cladding layer 34 includes a side surface covering portion 34b that covers the side surface of the optical waveguide core 31A and an upper surface covering portion 34a that covers the upper surface.
  • the phosphor layer 21 is formed on the upper cladding layer 34.
  • the width W of the optical waveguide means the minimum value of the width of the optical waveguide in the cross section.
  • the width W of the optical waveguide is the width of the upper surface
  • the width W of the optical waveguide is the width of the lower surface. is there.
  • Example 1 An illumination module as shown in FIGS. 6 and 10A was produced. Specifically, Ti 50 nm, Pt 50 nm, and gold 500 nm were formed on the support substrate 16 made of aluminum nitride by a sputtering apparatus, and Pt 50 nm and Ti 50 nm were further formed to form a reflective layer. Next, the lower clad layer 17 made of SiO 2 is formed on the reflective layer with a sputtering apparatus to a thickness of 1.0 ⁇ m, and then alumina (Al 2 O 3 ) is used as the optical material layer 32 with the sputtering apparatus. A 2 ⁇ m (Ts) film was formed.
  • Ti 50 nm, Pt 50 nm, and gold 500 nm were formed on the support substrate 16 made of aluminum nitride by a sputtering apparatus, and Pt 50 nm and Ti 50 nm were further formed to form a reflective layer.
  • the lower clad layer 17 made of SiO 2
  • Ti was formed on the optical material layer 32 by a sputtering apparatus, and a grating pattern was formed by etching with a reactive ion etching apparatus by electron beam exposure. Further, by using this Ti pattern as a mask, alumina was etched by a reactive ion etching apparatus, thereby regularly forming grating grooves having a pitch interval of ⁇ 260 nm and a length of 3000 ⁇ m, and a Bragg grating 19 was obtained. Groove depth t d of the grating was set to 40 nm.
  • an upper clad layer 20 made of SiO 2 was formed to a thickness of 0.5 ⁇ m with a sputtering apparatus, and a yellow phosphor layer 21 was further formed thereon to a thickness of 50 ⁇ m. After that, it is cut into a bar shape with a dicing device, both end surfaces are optically polished, a 0.1% AR coat is formed on the input side end surface of the light source, and finally the chip is cut to obtain a slab type waveguide grating element. Produced.
  • the element size was 10 mm wide and 10 mm long.
  • a GaN-based blue laser light source 14 having a wavelength of 450 nm and an output of 30 mW mounted on the aluminum nitride substrate 15 was optically coupled to the chipped grating element and fixed with AuSn solder to produce a module.
  • the module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • the output fluctuation was within 1%.
  • white light with no output fluctuation of 3 lm on average could be observed from the output side of the module. At this time, it was confirmed that there was no fluctuation in output even if the operation was continued for 1000 hours.
  • Example 2 An illumination module as shown in FIGS. 6 and 10A was produced. Specifically, Ti 50 nm, Pt 50 nm, and gold 500 nm were formed on the support substrate 16 made of aluminum nitride by a sputtering apparatus, and Pt 50 nm and Ti 50 nm were further formed to form a reflective layer. Next, a lower clad layer 17 made of SiO 2 is formed on the reflective layer by a sputtering apparatus to a thickness of 1.0 ⁇ m, and then alumina is formed as an optical material layer 32 by a sputtering apparatus to a thickness of 2 ⁇ m (Ts). Filmed.
  • Ti 50 nm, Pt 50 nm, and gold 500 nm were formed on the support substrate 16 made of aluminum nitride by a sputtering apparatus, and Pt 50 nm and Ti 50 nm were further formed to form a reflective layer.
  • a lower clad layer 17 made of SiO 2 is formed
  • Ti was formed on the optical material layer 32 by a sputtering apparatus, and a grating pattern was formed by etching with a reactive ion etching apparatus by electron beam exposure. Further, by using this Ti pattern as a mask, alumina was etched by a reactive ion etching apparatus to form a grating groove having a pitch interval of ⁇ 258 nm and a length of 3000 ⁇ m, and a Bragg grating 19 was obtained. Groove depth t d of the grating was set to 40 nm.
  • a ridge groove and a ridge type optical waveguide having a width W of 3 ⁇ m and a depth of 1.6 ⁇ m were formed by reactive ion etching in the same manner as in Example 1.
  • an upper clad layer 20 made of SiO 2 was formed to a thickness of 0.5 ⁇ m by a sputtering apparatus, and a yellow phosphor layer 21 was further formed thereon to a thickness of 50 ⁇ m.
  • the element size was 10 mm wide and 10 mm long.
  • a module was fabricated by optically coupling a GaN-based blue laser light source having a wavelength of 450 nm and an output of 30 mW mounted on an aluminum nitride substrate to a grating element made into a chip and fixing it with AuSn solder.
  • the module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • the output fluctuation was within 1%.
  • white light having an output fluctuation of 2.4 lm on average was observed from the output side of the module. At this time, it was confirmed that there was no fluctuation in output even if the operation was continued for 1000 hours.
  • Example 3 In the same manner as in Example 1, an illumination module as shown in FIGS. 7 and 10A was produced. However, four ridge-type waveguide cores were formed at intervals of 80 ⁇ m. Thereafter, a laser array in which the same laser light sources as those in Example 1 were arranged at intervals of 80 ⁇ m was opposed to manufacture a module. The module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • An illumination module 1B as shown in FIG. 3 was produced. Specifically, a ⁇ 10 mm lens 7 and a 50 ⁇ m-thick phosphor 5 are attached to a module package, and a CAN-type laser light source having the same characteristics as in Example 1 is optically aligned and fixed with AuSn solder. To make a module. The module had a diameter of 12 mm and a length of 40 mm.
  • the characteristics of the obtained module were measured.
  • the spot shape of the near field on the emission surface from the phosphor was a diameter of 10 ⁇ m.
  • an average white light of 2.3 lm could be observed from the output side of the module.
  • the output fluctuation was ⁇ 16% even after 1000 hours of continuous operation. This is probably because the spot shape is small, and the phosphor is heated by the light absorption in the phosphor portion, and the efficiency fluctuates.
  • Example 4 An illumination module as shown in FIG. 8 was produced. Specifically, Ti 50 nm, Pt 50 nm, and gold 500 nm were formed on a support substrate 16 made of aluminum nitride by a sputtering apparatus, and Pt 50 nm and Ti 50 nm were further formed to form a reflective layer. Next, 1 ⁇ m of SiO 2 was formed on the reflective layer with a sputtering apparatus. Next, a YAG single crystal phosphor substrate was prepared, and 1 ⁇ m of SiO 2 was formed thereon by a sputtering apparatus. Thereafter, both substrates were directly bonded at room temperature with SiO 2 as an interface. Further, the surface opposite to the bonding surface of the phosphor substrate was polished, and the phosphor substrate was thinned to 3 ⁇ m to form the phosphor layer 28.
  • Ti was formed by a sputtering apparatus, and a grating pattern was formed by etching with a reactive ion etching apparatus by electron beam exposure. Further, by etching the phosphor with the same apparatus using this Ti pattern as a mask, a grating groove having a pitch interval of 340 nm and a length of 3000 ⁇ m was formed, and a Bragg grating 19 was obtained. Groove depth t d of the grating was set to 100 nm.
  • mold waveguide grating element was produced.
  • the element size was 10 mm wide and 10 mm long.
  • a GaN-based blue laser light source 14 having a wavelength of 450 nm and an output of 30 mW mounted on a support substrate 15 made of aluminum nitride was optically coupled to a chipped grating element and fixed with AuSn solder to produce a module.
  • the module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • the output fluctuation was within 1%.

Abstract

【課題】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、光源の発熱の影響が少なく、また部品点数が少ないことから長期信頼性が高い構造を提供する。 【解決手段】グレーティング素子２２は、支持基板１６、支持基板１６上に設けられたクラッド１７、クラッド上に設けられた光導波路コア１８および光導波路コア１８に設けられているブラッググレーティング１９を備える。光導波路コア１８に入射する入射光Ｅの伝搬方向をブラッググレーティング１９によって変更して光導波路コア１８から放射させるとともに、入射光を蛍光体に透過させることによって白色光を得る。

Description

グレーティング素子および発光装置
　本発明は、グレーティング素子および白色光を発光する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。
　一般的な樹脂製蛍光体による白色ＬＥＤの場合には、例えば図１に模式的に示すように、容器３に青色ＬＥＤ２を固定し、その上に蛍光体分散樹脂４を流し込んで硬化させる。樹脂４は、パウダー状の黄色蛍光体４ｂをシリコン等の樹脂４ａに混合したものである。青色ＬＥＤから発生した光は、樹脂４で波長変換され、白色光として矢印Ａのように出射される。この構造により、白色ＬＥＤ１を低コストで量産できるようになった。
　しかし、図１のように蛍光体樹脂を用いた白色ＬＥＤは、熱や水に弱く、また蛍光材が樹脂内に均一に分散しにくいことが問題であった。
　一方、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単結晶蛍光体が提案されている。
　例えば図２に示すチップ１Ａでは、容器３内に青色ＬＥＤ２と蛍光体ガラス５とを固定している。青色ＬＥＤから発生した光は、蛍光体ガラス５で波長変換され、白色光として矢印Ｂのように出射される。
　また、上述したように、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。
　特許文献１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。
　一方、例えば自動車用ヘッドライトでは、図３、図４に模式的に示すように、光学系を用いることでＬＥＤと蛍光体を空間的に分離することが考えられる。
　例えば、図３に示すような素子１Ｂが考えられる。すなわち、青色半導体レーザ光源２からレーザ光を矢印Ｃのように発光させ、集光光学系７によって矢印Ｄのように蛍光体ガラス板５に集光する。これによって、蛍光体ガラス板５から白色光が矢印Ｅのように発光する。
　また、白色光の輝度を上げたい場合には、複数の光源を使用する。すなわち、図４に示すように，複数の青色半導体レーザ光源２からレーザ光を発光させ、集光光学系７Ａによって蛍光体ガラス板５に集光し、蛍光体ガラス板５から白色光を矢印Ｄのように発光させる。そして、この白色光Ｄをパラボラリフレクタ８によって投光し、フィルタ９を通して外部に白色光を投射する。フィルタ９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４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。
特許第５６２０５６２号 特許３８６４９４３ ＷＯ　２０１３／０７３７０１　Ａ１ 特許５２３１９９０
「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
　しかし、図１、図２のように青色ＬＥＤ上に蛍光体を載せたチップでは、青色ＬＥＤと蛍光体とが接触しているので、ＬＥＤの熱の影響から蛍光体の温度も上下し、長期信頼性に問題があると思われる。
　図３、図４のようなチップでは、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、レーザ光を蛍光体に照射して蛍光を発光させるのに際して、光源の発熱の影響が少なく、また部品点数が少ないことから長期信頼性が高い構造を提供することである。
　本発明は、支持基板、前記支持基板上に設けられたクラッド、前記クラッド上に設けられた光導波路コアおよび前記光導波路コアに設けられているブラッググレーティングを備えているグレーティング素子であって、
　光導波路コア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コアから放射させるとともに、入射光を蛍光体に透過させることによって白色光を得ることを特徴とする。
　また、本発明は、前記グレーティング素子、および前記入射光を供給する光源を備えていることを特徴とする、発光装置に係るものである。
　図１、２に示すように、蛍光体を光源の直上に形成した場合には、光源の発熱で蛍光体が劣化してしまい、高出力化が難しい。これに対して、本発明では、蛍光体をグレーティング素子側に形成し、光源と分離していることから、光源の発熱が直接蛍光体に伝搬しないので、高出力化が可能である。その上、支持基板上に蛍光体を設けることから、支持基板を放熱性、熱伝導性の高い材料によって形成することで、蛍光体の劣化を一層防止できる。
　一方、レーザ照明の場合には、従来の構造では蛍光体に照射する面積が小さくなるために、変換にともなう発熱により蛍光体が加熱して、それにより変換効率が劣化していた。本発明では、上記のように放熱特性をよくすることに加えて、ブラッググレーティングにより光導波路コア内の伝搬方向とは交差する方向に向かって光の方向を変更するので、放射する白色光のスポットサイズを広げることができるので、上記加熱を抑制できる。
　更に、グレーティング素子の支持基板を光源に対して位置決めして接合することで、集光光学系が不要であり、小型化が容易である。
　なお、グレーティング素子の支持基板と光源を実装するマウントとを一体化し、同一の共通基板としてもよい。これにより、小型化やコストの低減だけでなく、放熱性をよくすることができる。
　なお、従来は、複数の光源を使用する場合には、それぞれ集光光学系レンズを使用する必要があり、装置が大きくなり、実装が大変になっていた。本発明では、グレーティング素子の支持基板上に蛍光体を実装することで、レンズを必要とせずに複数の光源を容易にアレイ化することができるので、コンパクトな構造となり、実装も容易となる。
従来の白色ＬＥＤの例である。 従来の白色ＬＥＤの例である。 集光光学系を使用した照明装置の例である。 集光光学系を使用した照明装置の例である。 本発明の実施例に係る照明装置２２を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施例に係る照明装置２２Ａを模式的に示す斜視図である。 本発明の実施例に係る照明装置２２Ｂを模式的に示す斜視図である。 本発明の実施例に係る照明装置２２Ｃを模式的に示す斜視図である。 ブラッググレーティングカプラにおける入射光と放射光との関係を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各グレーティング素子を模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各グレーティング素子を模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、各グレーティング素子を模式的に示す横断面図である。
　以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
　図５～図８は、それぞれ、本発明の実施例に係る発光装置を示すものである。
　図５に示すように、発光装置２２は、光源モジュール１０とグレーティング素子１１とを備えている。光源モジュール１０の支持基板１５上には、複数個の光源１４が実装されており、各光源１４は、パッド１２に対してワイヤー１３によって接続されている。
　一方、グレーティング素子１１には、支持基板１６、支持基板１６上に設けられた下側クラッド層１７、下側クラッド層１７上に設けられたスラブ型光導波路コア１８および光導波路コア１８の上面を被覆する上側クラッド層２０を備えている。光導波路コア１８は薄板状であり、レーザ光が入射する入射面が光源に対向している。
　本例では、光導波路コア１８と上側クラッド層２０との界面に、凹凸からなるブラッググレーティング１９が形成されている。なお、入射面とブラッググレーティング１９の間に、ブラッググレーティングのない入射側伝搬部を設けることもできる。なお、ブラッググレーティング１９は、光導波路コア１８と下側クラッド層１７との間に形成してもよい。
　本例では、上側クラッド層２０上に更に蛍光体層２１が設けられている。そして、各光源１４の各活性層から出射した光は、光導波路コア１８に入射し、光導波路コア１８を矢印Ｅのように伝搬する。このときブラッググレーティングによって回折して、矢印Ｆのように、光導波路コア１８内から外側へと向かって放射される。このときには、通常、放射光は、上側クラッド層側と下側クラッド層側との両方に向かって放射される。
　ここで、光導波路コア１８から上側クラッド層側へと放射された放射光は、その上の蛍光体層２１を透過して波長変換を受け、白色光Ｆとなって放射される。２１ａは白色光の出射面である。
　図６に示す発光装置２２Ａは、光源モジュール１０Ａとグレーティング素子１１Ａとを備えている。光源モジュール１０Ａの支持基板１５上には、一個の光源１４が実装されており、光源１４は、パッド１２に対してワイヤー１３によって接続されている。
　光源モジュールの支持基板（マウント）１５は、グレーティング素子１１Ａの支持基板１６と一体化し、同一の共通基板とすることができる。これにより、光源によって発生した熱を支持基板の方へ効率的に逃がすことができ、蛍光体へ熱が伝導しにくくできる。
　一方、グレーティング素子１１Ａには、支持基板１６、支持基板１６上に設けられた下側クラッド層１７、下側クラッド層１７上に設けられた光学材料層３２および光学材料層３２の上面を被覆する上側クラッド層２０を備えている。光学材料層３２には一対のリッジ溝２６が形成されており、リッジ溝２６の間にリッジ型光導波路コア２５が形成されている。光導波路コア２５の入射面は、光源１４の出射面に対向している。
　本例では、光導波層コア２５と上側クラッド層２０との界面に、凹凸からなるブラッググレーティング１９が形成されている。なお、ブラッググレーティング１９は、光導波路コア１８と下側クラッド層１７との間に形成してもよい。
　本例では、上側クラッド層２０上に更に蛍光体層２１が設けられている。そして、光源１４の活性層から出射した光は、リッジ型光導波路コア２５に入射し、コア２５を矢印Ｅのように伝搬する。このときブラッググレーティングによって回折して、矢印Ｆのように、コア２５から外側へと向かって放射される。コア２５から上側クラッド層側へと放射された放射光は、その上の蛍光体層２１を透過して波長変換を受け、白色光Ｆとして放射される。
　図７は、光学材料層内に複数のリッジ型光導波路を形成した例である。
　図７に示す発光装置２２Ｂは、光源モジュール１０とグレーティング素子１１Ｂとを備えている。グレーティング素子１１Ｂには、支持基板１６、支持基板１６上に設けられた下側クラッド層１７、下側クラッド層１７上に設けられた光学材料層３２および光学材料層３２の上面を被覆する上側クラッド層２０を備えている。光学材料層３２には、所定個数のリッジ溝２６が形成されており、これによって複数のリッジ型光導波路コア２５が形成されている。各光導波路コア２５の各入射面は、各光源１４の出射面に対向している。
　本例では、光学材料層３２と上側クラッド層２０との界面に、凹凸からなるブラッググレーティング１９が形成されている。なお、ブラッググレーティング１９は、光学材料層と下側クラッド層１７との間に形成してもよい。
　本例では、上側クラッド層２０上に更に蛍光体層２１が設けられている。そして、各光源１４の各活性層から出射した光は、各光導波路コア２５に入射し、各コア２５を矢印Ｅのように伝搬する。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Ｆのように、各コア２５内からそれぞれ外側へと向かって放射される。各コア２５から上側クラッド層側へと放射された放射光は、その上の蛍光体層２１を透過して波長変換を受け、白色光Ｆとなって放射される。
　上述の各例では、光導波路コアの支持基板とは反対側に蛍光体からなる蛍光体層が設けられている。しかし、光導波路コアを蛍光体によって形成することも可能であり、これによって光導波路コア内を伝搬する伝搬光を波長変換しつつ、同時に放射光として光導波路コア外に放射することができる。
　図８は、この実施形態に係るものである。
　図８に示す発光装置２２Ｃは、光源モジュール１０とグレーティング素子１１Ｃとを備えている。グレーティング素子１１Ｃには、支持基板１６、支持基板１６上に設けられた下側クラッド層１７、下側クラッド層１７上に設けられた蛍光体層２８を備えている。蛍光体層２８は、スラブ型光導波路コアとして機能するものであり、この蛍光体層２８の入射面は、各光源１４の出射面に対向している。
　本例では、蛍光体層２８の表面に、凹凸からなるブラッググレーティング１９が形成されている。なお、蛍光体層の入射面とブラッググレーティング１９は、蛍光体層２８と下側クラッド層１７との間に形成してもよい。
　本例では、各光源１４の各活性層から出射した光は、蛍光体層２８の入射面に入射し、蛍光体層２８を矢印Ｅのように伝搬する。このときブラッググレーティング１９によって回折して、矢印Ｆのように、蛍光体層から外側へと向かって放射される。これとともに、蛍光体層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Ｆが蛍光体層から外部へと放射される。
　本発明では、ブラッググレーティングによって、光導波路コアを伝搬する光の進行方向を変更し、光導波路コア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９に示すように、光導波路コア１８、２５、２８に入射した入射光は、矢印Ｅ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｜＜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。
　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）
　光導波路コア内における伝搬方向Ｅ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。
　好適な実施形態においては、光導波路コア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。
　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。
　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などの金属膜を光学材料層上に成膜し、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、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
　蛍光体は、蛍光体ガラスであってよい。こうした蛍光体ガラスは、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。
　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）、ＬｕＡＧ（ルテチウム・アルミニウム・ガーネット）が例示できる。
　また、蛍光体は、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蛍光体であってよい。またＣｅ :ＹＡＧ蛍光体は焼結合成された多結晶であっても、単結晶であってもよい。光の伝搬損失低減の観点からは、単結晶蛍光体であることが好ましい。
　下側クラッド層、上側クラッド層の材質は、蛍光体ガラス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。また、各クラッド層の材質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２が特に好ましい。
　光導波路コア、光学材料層の材質は、ＳｉＯ２を含む酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等の酸化物、あるいはＳｉＯ２を含むガラス材料であってもよい。
　支持基体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、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Ｓｉなどが例示することができる。
　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、蒸着、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。
　光源のグレーティング素子とは反対側の外側端面には、図示しない無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、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には、図示しない無反射層を設けることができる。
　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な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グレーティング部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グレーティング部の間にテーパ部を設け、テーパ部の幅を入射面からグレーティング部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。
　グレーティング部の幅は、蛍光体層の加熱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。
　光源としては、照明用蛍光体ガラス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。
　好適な実施形態においては、光導波路の入射面に、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、光導波路の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。
　光源素子は複数個アレイ上に並列に配置し、蛍光体ガラス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、光導波路はリッジ型光導波路であり、光学材料層に設けられている。この場合、光導波路は、ブラッググレーティングと同一面に形成されていてもよく、相対する面に形成されていてもよい。
　好適な実施形態においては、図１０（ａ）に示すように、支持基板１６上に下側バッファ層１７を介して光学材料層３２が形成されている。光学材料層３２には例えば一対のリッジ溝２６が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型光導波路コア２５が形成されている。ブラッググレーティングは、光導波路コアの支持基板側に設けることができ、あるいは支持基板とは反対側に設けることができる。３０は薄肉部であり、２９は延在部である。本例では上側クラッド層がなく、光学材料層３２上に蛍光体層２１が形成されている。なお、バッファ層１７と支持基板１６との間に接着層を設けることもできる。
　また、図１０（ｂ）に示す素子では、光学材料層３２上に更に上側クラッド層２０が形成されており、上側クラッド層２０上に蛍光体層２１が形成されている。
　また、図１０（ｃ）に示すように、支持基板１６上に下側クラッド層１７を介して光学材料層３２が形成されている。光学材料層３２には例えば一対のリッジ溝２６が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型光導波路コア２５が形成されている。本例ではリッジ溝が支持基板側に設けられている。３０は薄肉部であり、２９は延在部である。
　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１１（ａ）に示すように、支持基板１６上に下側クラッド層１７を介して、光学材料よりなる光導波路コア３１が形成されている。コア３１の横断面形状は台形であり、上面３１ａが下面３１ｂよりも狭い。そして、コア３１を被覆するように蛍光体層２１が形成されている。なお、クラッド層１７と支持基板１６との間に接着層を形成することもできる。
　図１１（ｂ）に示す素子では、支持基板１６上にクラッド層３３が設けられており、クラッド層３３内に、光学材料よりなる光導波路コア３１が埋設されている。クラッド層３３は、光導波路コアの上面を被覆する上面被覆部３３ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部３３ｃ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３３ａを有する。クラッド層３３上に蛍光体層２１が形成されている。
　図１１（ｃ）に示す素子では、支持基板１６上にクラッド層３３か設けられており、クラッド層３３内に、光学材料よりなる光導波路コア３１Ａが埋設されている。クラッド層３３Ａは、光導波路コアの上面を被覆する上面被覆部３３ｂ、コアの側面を被覆する側面被覆部３３ｃおよびコアと支持基板との間にある底面被覆部３３ａを有する。クラッド層３３上に蛍光体層２１が形成されている。
　また、図１２（ａ）に示す素子では、支持基板１６上に下側クラッド層１７を介して、光学材料よりなる光導波路コア３１が形成されている。光導波路コア３１の側面および上面３１ａには、上側クラッド層３４が形成され、光導波路コア３１を被覆している。上側クラッド層３４は、光導波路３１の側面を被覆する側面被覆部３４ｂおよび上面を被覆する上面被覆部３４ａを有する。上側クラッド層３４上に蛍光体層２１が形成されている。
　また、図１２（ｂ）に示す素子では、光学材料よりなる光導波路コア３１Ａが形成されている。光導波路３１Ａ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３４は、光導波路コア３１Ａの側面を被覆する側面被覆部３４ｂおよび上面を被覆する上面被覆部３４ａを有する。上側クラッド層３４上に蛍光体層２１が形成されている。
　なお、光導波路の幅Ｗは、横断面において光導波路の幅の最小値を意味する。光導波路の形状が上面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは上面の幅であり、光導波路の形状が下面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは下面の幅である。
（実施例１）
　図６、図１０（ａ）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１６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からなる下側クラッド層１７を厚さ１．０μｍ成膜し、次にスパッタ装置にて光学材料層３２としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を２μｍ（Ｔｓ）成膜した。
　その後、光学材料層３２上にスパッタ装置にてＴｉを成膜し、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アルミナを反応性イオンエッチング装置にてエッチングすることにより、ピッチ間隔Λ２６０ｎｍ、長さ３０００μｍのグレーティング溝を規則的に形成し、ブラッググレーティング１９を得た。グレーティングの溝深さｔｄは４０ｎｍとした。
　次に、スパッタ装置にて、ＳｉＯ２からなる上側クラッド層２０を厚さ０．５μｍ成膜し、さらにその上に黄色の蛍光体層２１を５０μｍ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、光源の入力側端面に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、全長１０ｍｍ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１５に実装された波長４５０ｎｍ、出力３０ｍＷのＧａＮ系青色レーザ光源１４を光学的に結合し、ＡｕＳｎ半田にて固定して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８８°（θａ＝２°）の方向に、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１５００μｍ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ないことが確認できた。
（実施例２）
　図６、図１０（ａ）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１６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からなる下側クラッド層１７を厚さ１．０μｍ成膜し、次にスパッタ装置にて光学材料層３２としてアルミナを２μｍ（Ｔｓ）成膜した。
　その後、光学材料層３２上にスパッタ装置にてＴｉを成膜し、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アルミナを反応性イオンエッチング装置にてエッチングすることにより、ピッチ間隔Λ２５８ｎｍ、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１９を得た。グレーティングの溝深さｔｄは４０ｎｍとした。
　次に、実施例１と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅Ｗ３μｍ、深さ１．６μｍのリッジ溝およびリッジ型光導波路を形成した。
　次にスパッタ装置にてＳｉＯ２からなる上側クラッド層２０を厚さ０．５μｍ成膜し、さらにその上に黄色の蛍光体層２１を５０μｍ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、光源の入力側端面に０．１％のＡＲコートを形成し、最後にチップ切断を行い、リッジ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１０ｍｍ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てＡｕＳｎ半田にて固定して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８８°（θａ＝２°）の方向に、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３μｍ、長さ１５００μｍ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２．４ｌｍ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ないことが確認できた。
（実施例３）
　実施例１と同様にして、図７、図１０（ａ）に示すような照明モジュールを作製した。
　ただし、リッジ型導波路コアは８０μｍ間隔で４個形成した。その後、実施例１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。モジュールの大きさは、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ２ｍｍであった。
　得られたモジュールの特性を測定した。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、全ての出力変動は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８８°（θａ＝２°）の方向に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９．６ｌｍ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ないことが確認できた。
（比較例１）
　図３に示すような照明モジュール１Ｂを作製した。
　具体的には、モジュール用パッケージに、φ１０ｍｍのレンズ７と５０μｍ厚みの蛍光体５を取り付け、ＣＡＮ型の実施例１と同じ特性のレーザ光源を光学的に調芯してＡｕＳｎはんだにて固定してモジュールを作製した。モジュールの大きさは、直径φ１２ｍｍ、長さ４０ｍｍであった。
　得られたモジュールの特性を測定した。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直径φ１０μｍであった。またモジュールの出力側から平均２．３ｌｍの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±１６％あることが確認できた。この原因は、スポット形状が小さいために蛍光体部での光吸収により蛍光体が加熱して効率が変動してしまったと考えられる。
（実施例４）
　図８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１６上にスパッタ装置にてＴｉ５０ｎｍ、Ｐｔ５０ｎｍ、金５００ｎｍ成膜し、さらにＰｔ５０ｎｍ、Ｔｉ５０ｎｍ成膜して反射層を形成した。次に、反射層の上に、スパッタ装置にて、ＳｉＯ２を１μｍ成膜した。次にＹＡＧ単結晶蛍光体基板を準備し、その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、蛍光体基板を３μｍまで薄くして蛍光体層２８を形成した。
　次に、スパッタ装置にてＴｉを成膜し、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１９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、全長１０ｍｍとした。
　チップ化したグレーティング素子に、窒化アルミニウムからなる支持基板１５に実装された波長４５０ｎｍ、出力３０ｍＷのＧａＮ系青色レーザ光源１４を光学的に結合してＡｕＳｎ半田にて固定して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°）の方向に放射し、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。

Claims (7)

  1. 　支持基板、前記支持基板上に設けられたクラッド、前記クラッド上に設けられた光導波路コアおよび前記光導波路コアに設けられているブラッググレーティングを備えているグレーティング素子であって、
    　前記光導波路コア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コアから放射させるとともに、前記入射光を蛍光体に透過させることによって白色光を得ることを特徴とする、グレーティング素子。
  2. 　前記光導波路コアの前記支持基板とは反対側に前記蛍光体からなる蛍光体層が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の素子。
  3. 　前記光導波路コアが前記蛍光体からなることを特徴とする、請求項１記載の素子。
  4. 　前記光導波路コアと前記支持基板との間に前記白色光を反射する反射膜が設けられていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  5. 　前記光導波路コアがリッジ型光導波路を形成してい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。
  6. 　請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載のグレーティング素子、および前記入射光を供給する光源を備えていることを特徴とする、発光装置。
  7. 　前記光源が半導体レーザ、発光ダイオードまたは光ファイバーであることを特徴とする、請求項６記載の装置。
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