WO2018116525A1 - 蛍光体素子および照明装置 - Google Patents

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WO2018116525A1
WO2018116525A1 PCT/JP2017/030841 JP2017030841W WO2018116525A1 WO 2018116525 A1 WO2018116525 A1 WO 2018116525A1 JP 2017030841 W JP2017030841 W JP 2017030841W WO 2018116525 A1 WO2018116525 A1 WO 2018116525A1
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optical waveguide
phosphor
fluorescence
cladding layer
film
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PCT/JP2017/030841
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近藤 順悟
直剛 岡田
山口 省一郎
浅井 圭一郎
周平 東原
雄一 岩田
哲也 江尻
章 浜島
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日本碍子株式会社
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    • H01S5/32308Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP

Definitions

  • the present invention relates to a phosphor element and an illumination 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 also 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 combining a semiconductor laser and a phosphor has been attracting attention as a light source that replaces the LED.
  • the phosphor glass used in automotive headlights is the phosphor glass “Lumifas” manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd., National Research and Development Corporation, National Institute for Materials Science, Tamra Manufacturing Co., Ltd. The body is considered.
  • a non-reflective film for excitation light and a total reflection film for fluorescence are formed on the incident surface of a flat optical waveguide. Fluorescence returning to the incident surface side oscillated in the optical waveguide can be reflected by the total reflection film on the incident surface and emitted from the emission surface side.
  • a reflection film is formed on the side surface of the flat plate type transmission phosphor to prevent emission of fluorescence from the side surface of the flat plate type phosphor.
  • Patent Documents 3 and 4 proposed in Patent Documents 3 and 4 that the excitation light is confined and propagated in a phosphor having an optical waveguide shape, and the generated fluorescence is confined in the optical waveguide.
  • An object of the present invention is to provide a structure for efficiently extracting fluorescence from an emission-side end face of an optical waveguide as optical waveguide propagation light in a phosphor element that emits fluorescence by causing excitation light to enter the optical waveguide.
  • the phosphor element of the present invention is Support substrate, An optical waveguide made of a phosphor that propagates excitation light in an optical waveguide and generates fluorescence, wherein the optical waveguide emits the excitation light and the fluorescence, and an end face opposite to the exit end face
  • An optical waveguide having a bottom surface, a top surface facing the bottom surface, and a pair of side surfaces, A bottom-side cladding layer covering the bottom surface of the optical waveguide;
  • An upper-side cladding layer covering the upper surface of the optical waveguide;
  • Side-side cladding layers that respectively cover the pair of side surfaces of the optical waveguide,
  • a side-surface reflective film that covers each of the side-surface-side cladding layers, and a bottom-surface-side reflective film provided between the support substrate and the bottom-surface side cladding layer are provided.
  • the present invention is a lighting device comprising a light source that oscillates excitation light and the phosphor element,
  • the present invention relates to a lighting device, wherein white light is emitted from the optical waveguide.
  • the fluorescence reflected at the boundary with the cladding layer can be propagated to the emission side end surface, and the total reflection condition of the optical waveguide cannot be satisfied. Fluorescence incident on the inside is also reflected by the reflecting films provided on the bottom surface, the top surface, and each side surface and re-enters the optical waveguide, so that the amount of emitted fluorescence from the emission side end surface can be stabilized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a phosphor element 1 according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a schematic diagram showing a planar dimension of the phosphor element 1.
  • FIG. 2 is a side view of the phosphor element 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the planar dimension of the phosphor element 11 which concerns on embodiment of this invention.
  • It is a schematic diagram which shows the planar dimension of the phosphor element 21 which concerns on embodiment of this invention.
  • 3 is a schematic diagram showing a cross section of a phosphor element 31.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the propagation of fluorescence in the phosphor element 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the propagation of fluorescence in the phosphor element 11.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the propagation of fluorescence in the phosphor element 11.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section of a phosphor element 31.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing light propagation in a cross section of phosphor element 31.
  • FIG. It is a schematic diagram of the phosphor element 41 according to a control example. It is an optical microscope photograph which shows the fluorescence radiate
  • FIG. 1 to 3 show a phosphor element 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of protrusions 8 are provided on the support substrate 2 of the phosphor element 1, and a groove 9 is provided between the protrusions 8.
  • the bottom-side reflecting film 4 ⁇ / b> A, the bonding layer 3, the bottom-side cladding layer 5 ⁇ / b> A, and the optical waveguide 6 made of an optical material are provided.
  • a bottom-side cladding layer 5A is provided on the bottom surface 6a of the optical waveguide 6, a top-side cladding layer 5B is provided on the top surface 6b, and the side-side cladding layers 5C and 5D are provided on the side surfaces 6c and 6d, respectively. Is provided. Further, the upper surface side reflection film 4B is provided on the upper surface side cladding layer 5B, and the side surface side reflection films 4C and 4D are provided on the respective side surface side cladding layers 5C and 5D.
  • a passivation film may be formed on the upper surface side reflective film 4B in order to prevent the deterioration of the reflective film. An oxide film can be exemplified as the passivation film.
  • the side wall surface 9a and the bottom wall surface 9b of the groove 9 are covered with the concave side cladding layers 5E and 5F, and the concave side cladding layers 5E and 5F are covered with the concave side reflecting films 4E and 4F.
  • the recess-side cladding layer 5E and the side-side cladding layer 5C are continuous, and the recess-side reflection film 4E and the side-side reflection films 4C and 4D are continuous.
  • the width W of the upper surface of the optical waveguide is constant between the exit end face 6f and the opposed end face 6e.
  • the thickness T of the optical waveguide is constant between the emission side end face 6f and the opposed end face 6e.
  • the excitation light may be incident from the opposing end surface, or may be incident from the emission side end surface and totally reflected by the opposing end surface.
  • the fluorescence converted in the optical waveguide 6 not only the fluorescence reflected at the boundary between the optical waveguide 6 and the cladding layers 5A to 5D can be propagated to the emission side end face, but also the optical waveguide. Fluorescence that enters the cladding layer without satisfying the total reflection condition is also reflected by the reflecting films provided on the bottom surface, top surface, and each side surface and reenters the optical waveguide. The amount of emitted light can be increased.
  • a groove having a side wall surface and a bottom wall surface is formed in the support substrate, and a recess side cladding layer that covers the side wall surface and the bottom wall surface is provided on the recess side cladding layer.
  • the concave side reflective film is provided, the concave side cladding layer and the side side cladding layer are continuous, and the concave side reflective film and the side side reflective film are continuous. Fluorescence incident at an angle that does not satisfy the total reflection condition at the interface between the optical waveguide and the clad layer is normally not reflected but radiated into the clad layer. In this case, it is reflected by each reflective film. Therefore, such reflection can be repeated to propagate through the phosphor and reach the emission end face.
  • the width of the upper surface of the optical waveguide increases from the opposed end surface toward the exit side end surface. As a result, the amount of emitted light at the exit-side end face can be further increased.
  • the width W of the optical waveguide 6A is WI at the opposed end face 6e and WO at the exit end face 6f.
  • the width W increases from WI to WO.
  • ⁇ 1 is an angle between the longitudinal direction K of the optical waveguide and the side surface 6c
  • ⁇ 2 is an angle between the longitudinal direction K of the optical waveguide and the side surface 6d.
  • the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are constant.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are preferably constant, but need not be constant, and may vary between the emission side end face and the opposed end face.
  • the width W continuously and smoothly increases from the opposing end surface toward the emission side end surface.
  • the width W of the optical waveguide 6B is WI at the opposed end face 6e and WO at the exit end face 6f.
  • the width W increases from WI to WO.
  • the angle ⁇ 2 between the longitudinal direction of the optical waveguide and the side surface 6d is constant, and ⁇ 1 is 0 °.
  • the thickness of the optical waveguide increases from the opposed end surface toward the exit side end surface.
  • the thickness T of the optical waveguide 6C is TI at the opposed end face 6e, and TO at the exit end face 6f.
  • the thickness T increases from TI toward TO.
  • is an angle between the longitudinal direction K of the optical waveguide and the upper surface 6b.
  • the angle ⁇ is constant.
  • is preferably constant, but is not necessarily constant, and may be changed between the emission-side end surface and the opposed end surface.
  • the thickness T continuously and smoothly increases from the opposing end surface toward the emission side end surface.
  • the width of the optical waveguide 6 is constant.
  • the excitation light A propagates in the optical waveguide and hits the phosphor particles 12
  • fluorescence is emitted from the phosphor particles 12.
  • the fluorescence is uniformly emitted from the phosphor in all directions.
  • the fluorescence F emitted from the phosphor 12 to the end face on the emission side reaches the interface with the cladding layer at the incident angle ⁇ p.
  • the fluorescence is reflected at the interface, propagates through the optical waveguide, and exits from the exit-side end face 6f. To do.
  • the incident angle ⁇ p of the fluorescence does not satisfy the total reflection condition, the light is refracted as indicated by an arrow G, reflected by the reflective films 4C and 4D, and reflected as indicated by an arrow H.
  • the light propagating while repeating such reflection is not propagated in the optical waveguide, but part of the light is attenuated by the absorption of the reflection film or the phosphor in the phosphor, and part of the light reaches the emission side end face 6f.
  • this light since this light has no directivity and is radiated from the emission end, there is a fluorescent component that cannot be mixed with the excitation light propagating through the optical waveguide. Therefore, the extraction efficiency of white light cannot be greatly improved.
  • both the excitation light and the fluorescence propagate without being propagated through the optical waveguide.
  • Part of the light and fluorescence is attenuated in the phosphor, and both lights that have reached the emission side end face 6f have no directionality and are emitted from the end face. Therefore, it is difficult to extract white light in the front direction, which improves the extraction efficiency. difficult.
  • the fluorescence C generated from the phosphor 12 in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide is reflected by the reflecting film as indicated by an arrow D, and is repeatedly reflected in the optical waveguide and finally attenuated. It will be. Further, the fluorescence E generated from the phosphor 12 toward the opposite end face side repeats the same reflection as described above, and finally reaches the opposite end face. For this reason, it is preferable to provide a reflective film that reflects fluorescence on the opposite end surface to reflect the fluorescence toward the emission side end surface.
  • the width W of the optical waveguide 6 gradually increases from the facing end surface toward the emitting side end surface.
  • the excitation light A propagates in the optical waveguide and hits the phosphor particles 12
  • fluorescence is emitted from the phosphor particles 12.
  • the fluorescence is uniformly emitted from the phosphor in all directions.
  • the fluorescence F emitted from the phosphor 12 to the end face on the emission side reaches the interface with the cladding layer at the incident angle ⁇ p.
  • the refractive index np of the optical waveguide, the refractive index nc of the cladding layer, and the incident angle ⁇ p satisfy the total reflection condition, the fluorescence is reflected at the interface and propagates through the optical waveguide.
  • the incident angle ⁇ p of the fluorescence F becomes larger by ⁇ 2 than in the example of FIG. 7, and is totally reflected at the interface with the cladding layer. It becomes easy to do. For this reason, the fluorescent light F that could not satisfy the total reflection condition in the example of FIG. 7 is totally reflected at the interface with the cladding layer, propagates in the optical waveguide, and is not absorbed by the reflective film, and the amount of emitted light further increases. To do.
  • the incident angle ⁇ p of the fluorescence does not satisfy the total reflection condition
  • the fluorescence C generated from the phosphor 12 in the direction perpendicular to the longitudinal direction K of the optical waveguide similarly enters the cladding layer.
  • the angle is ⁇ 2, and it is assumed that the total reflection angle cannot be satisfied at this time.
  • the light is reflected by the reflective film 4D, but the angle of incidence on the interface between the opposite side surface 6c and the clad layer 5C is further increased by ⁇ 1, so that the phosphor and The total reflection condition can be satisfied at the interface with the cladding layer, and finally the optical waveguide propagates.
  • the light When the light is incident on the side surface 6d at a right angle, the light is reflected by the reflection film 4D. However, since the angle incident on the interface of the side surface 6c is increased by ⁇ 2, the light travels toward the emission end surface, and the reflection film 4C As the reflection film 4D repeats the reflection, the incident angle ⁇ p increases, the total reflection condition can be satisfied at the interface between the phosphor and the cladding layer, and the optical waveguide propagates.
  • the fluorescence proceeds to either the emitting side end surface side or the facing end surface side and is reflected. It is possible to eliminate fluorescence that is repeatedly attenuated in the phosphor.
  • the fluorescence E directed from the phosphor 12 toward the opposite end face changes every time it is reflected by the reflecting film, and changes its direction toward the exit end face by an angle ⁇ 2, so that the multiple reflection is repeated until it reaches the exit end face.
  • the propagation direction changes, and finally propagates through the optical waveguide and exits from the exit end face. Nevertheless, the fluorescence that has reached the opposing end face is reflected by the fluorescent reflecting film provided on the opposing end face, and this light can finally propagate through the optical waveguide and be emitted from the exit end face.
  • the operational effect is described only when the width is changed, but the same applies when the thickness direction is changed. Even when the upper surface is inclined by the angle ⁇ as shown in FIG.
  • the fluorescent light reflected to the side can be emitted from the emission side end face as light propagated through the optical waveguide by a similar mechanism.
  • both the width W and the thickness T are continuously increased from the opposite end surface toward the emission side end surface, so that the light propagates in the optical waveguide against the omnidirectional fluorescence generated in the phosphor. It can be converted and can be emitted to the emission side end face with high efficiency, and white light can be extracted with high efficiency by mixing with the excitation light similarly propagating through the optical waveguide.
  • the heat generated in the phosphor can be transferred to the support substrate with high thermal conductivity through the reflective film with high thermal conductivity, so that the change in uneven color can be remarkably eliminated without lowering the conversion efficiency due to thermal degradation.
  • An element can be realized.
  • the width of the optical waveguide varies from the top surface to the bottom surface.
  • the width of the optical waveguide 6D gradually increases from the width WU on the top surface toward the width WB on the bottom surface.
  • is an inclination angle of the side surface 6c (6d) with respect to the normal M of the surface 2a of the support substrate 2.
  • this structure cannot be expected to increase the amount of emitted fluorescence light, it can further increase the amount of emitted fluorescence light when combined with a structure that is inclined by an inclination angle ⁇ in the thickness direction of the optical waveguide. it can.
  • the side surface is inclined at an inclination angle ⁇
  • the fluorescence propagating in the width direction of the optical waveguide is propagated in the thickness direction of the optical waveguide when reflected by this side surface or a reflecting surface parallel to the side surface. Therefore, even when the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are not inclined in the width direction of the optical waveguide, the optical waveguide can be propagated only by the inclination in the thickness direction, and the amount of emitted light can be increased.
  • fluorescence is radiated from the phosphor 12 in all directions, and the light radiated sideways is reflected by the side surface 6c (6d).
  • the side surface 6c (6d) is inclined with respect to the normal line M, the fluorescence is reflected toward the bottom surface and further reflected on the bottom surface.
  • the fluorescence is reflected on the top surface, the bottom surface, and the side surface, and does not repeat between the side surfaces.
  • emission of fluorescence to the emission side end face is promoted.
  • the fluorescence reflected from the side surface can be redirected to light that reflects the reflected light upward and bottom. From this, by combining with a structure with a changed thickness, all the fluorescence generated in the phosphor can be emitted efficiently as optical waveguide propagating light to the emission side end face, It is possible to extract white light with high efficiency by mixing.
  • the optical waveguide width on the bottom surface is made larger than the optical waveguide width on the top surface, but the optical waveguide width on the bottom surface can be made smaller than the optical waveguide width on the top surface. From this point of view, a triangular shape in which one of the optical waveguide widths is zero may be used.
  • the optical waveguide width is preferably changed smoothly, but may be changed stepwise.
  • a reflecting portion that reflects fluorescence is provided on the opposing end face.
  • the reflection part that reflects the fluorescence may reflect the excitation light or transmit the excitation light.
  • the opposing end surface may be an incident surface for allowing excitation light to enter.
  • a film that totally reflects the fluorescence and does not reflect the excitation light is formed on the opposite end face side.
  • the exit-side end surface may be an incident surface on which the excitation light is incident.
  • a reflective film that totally reflects the excitation light is provided on the opposite end face side.
  • the waveguide phosphor element of the present invention may be a non-grating phosphor element that does not include a grating (diffraction grating) in the optical waveguide, or may be a grating element.
  • the thickness of the optical waveguide is a dimension of the optical waveguide viewed in a direction perpendicular to the surface 2 a of the support substrate 2.
  • the width of the optical waveguide is a dimension of the optical waveguide viewed in a direction parallel to the surface 2 a of the support substrate 2.
  • the width W of the optical waveguide is preferably 20 ⁇ m or more and more preferably 50 ⁇ m or more from the viewpoint of efficiently coupling excitation light and increasing the amount of emitted light.
  • W is preferably 900 ⁇ m or less, more preferably 500 ⁇ m or less, and even more preferably 300 ⁇ m or less.
  • the ratio (WO / WI) between the optical waveguide width WO at the output side end face and the optical waveguide width WI at the opposing end face is preferably 1.2 or more, and more preferably 1.5 or more.
  • WO / WI is preferably 10 or less, and more preferably 5 or less.
  • the thickness T of the optical waveguide is preferably 20 ⁇ m or more and more preferably 50 ⁇ m or more from the viewpoint of efficiently coupling excitation light and increasing the amount of emitted light.
  • T is preferably 900 ⁇ m or less, and from the viewpoint of reducing the influence of scattering due to the surface roughness on the side surface when forming the optical waveguide, 200 ⁇ m or less is preferable, and 150 ⁇ m or less is preferable. Further preferred.
  • the ratio (TO / TI) of the optical waveguide thickness TO at the exit end face to the optical waveguide width TI at the opposing end face is preferably 1.1 or more, and more preferably 1.2 or more.
  • TO / TI is preferably 2 or less, and more preferably 1.9 or less.
  • angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ of the top surface and the side surface with respect to the longitudinal direction of the optical waveguide are preferably 2 ° or more, and more preferably 4 ° or more, from the viewpoint of increasing the amount of emitted light.
  • angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ of the top surface and the side surface with respect to the longitudinal direction of the optical waveguide are such that excitation light and fluorescence cannot be mixed well if the angle is large, and white at the center when viewed on a surface perpendicular to the light propagation direction.
  • the angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ are preferably 13 ° or less, more preferably 10 ° or less, and even more preferably 5 ° or less.
  • the inclination angle ⁇ (see FIG. 9) of each side surface with respect to the normal M of the surface of the support substrate is preferably 10 ° or more, and more preferably 15 ° or more from the viewpoint of increasing the amount of emitted light.
  • is preferably 50 ° or less, more preferably 35 ° or less, still more preferably 30 ° or less, and particularly preferably 25 ° or less.
  • the length of the optical waveguide (the distance between the output side end face and the opposing end face) L is not particularly limited, but in general, it is necessary to repeat reflection until the fluorescence propagates in the optical waveguide. In order to reduce loss, it can also be made into 2 mm or less.
  • An anti-peeling layer preferably an oxide film, may be formed between the support substrate and the reflective film in order to prevent the reflective film from peeling off.
  • the material of such an oxide film is not particularly limited, but aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide are preferable. However, the thermal conductivity is preferably larger than that of the phosphor, and aluminum oxide is most preferable from such a viewpoint.
  • the material of the reflective film may be a metal film such as gold, aluminum, copper, or silver, a mixed crystal film containing these metal components, or a dielectric multilayer film.
  • a metal film such as gold, aluminum, copper, or silver
  • a mixed crystal film containing these metal components or a dielectric multilayer film.
  • a metal layer such as Cr, Ni, Ti, or the like can be formed as a buffer layer of the metal film so that the cladding layer does not peel off.
  • the clad layer may be made of a material having a refractive index smaller than that of the phosphor, and the clad layer may also serve as the adhesive layer.
  • the material of such a cladding layer is preferably SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , MgO or the like. Further, from the viewpoint of dissipating heat generated in the phosphor substrate through the support substrate, it is better to make the thermal conductivity higher than that of the phosphor, and Al 2 O 3 and MgO are particularly preferable as such materials.
  • a bonding layer can be provided between the cladding layer and the reflective film.
  • the material of such a bonding layer is not particularly limited, but aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide are preferable. However, the thermal conductivity is preferably larger than that of the phosphor, and aluminum oxide is most preferable from such a viewpoint.
  • Such a bonding layer may be provided between the reflective film and the support substrate.
  • the bottom side cladding layer, the bottom side reflection film, and the bonding layer are formed on the phosphor side, the bonding layer is formed on the support substrate side, and the two can be directly bonded.
  • the phosphor may be phosphor glass, single crystal, or polycrystalline.
  • rare earth element ions are dispersed in a base glass.
  • Examples of 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
  • Tb, Eu, Ce, and Nd are preferable, but La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu may be used.
  • the phosphor single crystal Y 3 Al 5 O 12 , Ba 5 Si 11 A 17 N 25 , and Tb 3 Al 5 O 12 are preferable. Further, as a doping component to be doped in the phosphor, rare earth element ions such as Tb, Eu, Ce, and Nd are used. From the viewpoint of suppressing thermal degradation, the phosphor is preferably a single crystal, but even if it is polycrystalline, if it is a dense body, the thermal resistance at the grain boundary portion can be lowered and the translucency can be increased. And can function as an optical waveguide.
  • 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, silicon nitride, tungsten, copper tungsten, magnesium oxide and the like can be exemplified.
  • An anti-peeling layer preferably an oxide film, may be formed between the support substrate and the reflective film in order to prevent the optical waveguide from peeling off.
  • the material of such an oxide film is not particularly limited, but aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide are preferable. However, the thermal conductivity is preferably larger than that of the phosphor, and aluminum oxide is most preferable from such a viewpoint.
  • a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability is suitable for exciting the phosphor 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).
  • 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 and blue with phosphor from blue laser or ultraviolet laser Method of generating white fluorescence by generating green fluorescence Method of obtaining white light by generating blue and yellow fluorescence with a phosphor from a blue laser or ultraviolet laser
  • each end face of the light source element and the phosphor element may be cut obliquely in order to suppress the end face reflection.
  • the phosphor element and the support substrate may be bonded together by adhesion or direct bonding.
  • the phosphor element may be formed on the support substrate by a film formation method such as sputtering or CVD.
  • FIG. 14 illustrates the structure of a white laser light emitting device to which the phosphor element of the present application is applied.
  • the mounting substrate 44 is fixed in the package 42, and the laser light source 43 that oscillates the excitation light and the phosphor element 1 (11, 31, 41) are linearly arranged on the mounting substrate 44.
  • Laser light emitted from the light source 43 is directly incident on the optical waveguide of the phosphor element.
  • the element length of the laser is, for example, about 1.5 mm. When the element length of the waveguide phosphor is 2 mm, it can be realized with a size of 5 mm or less including the mounting substrate.
  • the white laser light C with high directivity of 450 lm or more can be obtained.
  • Example A (Preparation of phosphor element of Example A1) A phosphor element 1 having a form as shown in FIGS. 1 to 3 was produced. Specifically, on a heat dissipation substrate made of aluminum nitride having a thickness of 1 mm and a 4-inch wafer, an anti-peeling film (not shown) made of Al 2 O 3 is 0.2 ⁇ m by sputtering, and a reflective film 4A made of Al is 0. .5 ⁇ m film was formed. Next, a bonding layer 3 made of Al 2 O 3 was formed to a thickness of 0.3 ⁇ m.
  • a cladding layer 5A made of Al 2 O 3 was formed to a thickness of 0.3 ⁇ m on a 4-inch phosphor wafer having a thickness of 300 ⁇ m made of YAG (yttrium, aluminum, garnet) polycrystal doped with Ce. Further, the two layers were bonded together by direct bonding at room temperature with an ion gun between Al 2 O 3 layers.
  • the thin plate was polished to a thickness T of the optical waveguide of 100 ⁇ m.
  • grinder grinding and lapping were performed, and finally CMP (Chemical Mechanical) polishing was performed.
  • CMP polishing two grooves 9 having a depth of 150 ⁇ m were processed by cutting by dicing using a blade having a width of 200 ⁇ m and # 6000 to form a ridge type optical waveguide having a width W of 100 ⁇ m.
  • the clad layer 2 made of Al 2 O 3 is 0.3 ⁇ m
  • the reflective film made of Al is 0.5 ⁇ m
  • the protective film (not shown) made of Al 2 O 3 is 0.2 ⁇ m on the ridge optical waveguide forming surface.
  • Example A2 (Preparation of phosphor element of Example A2) A phosphor element 31 as shown in FIGS. 1, 2 and 6 was produced. Specifically, in the same manner as in Example A1, a polycrystalline phosphor plate was bonded to a heat dissipation substrate made of aluminum nitride to produce a composite substrate.
  • the wafer is placed on the high-speed slicing device so that the thickness T of the optical waveguide at the entrance is 100 ⁇ m. And thinned by cutting. At this time, the inclination angle ⁇ of the thickness of the phosphor waveguide was 5 °.
  • a phosphor element 41 as shown in FIGS. 2, 3 and 9 was produced. Specifically, it was produced in the same manner as in Example A2. However, in the ridge waveguide forming process by cutting, cutting was performed by selecting a blade so that the width W of the ridge upper surface portion was 100 ⁇ m and the inclination angle ⁇ was 20 °. The other processes were the same as in Example A2. After processing the thin plate, a clad layer, a reflective film, and a protective film (not shown) were formed in the same manner as in Example A1, and bar cutting, end face film formation, and chip cutting were performed to manufacture a phosphor element.
  • the average output represents the time average of the total luminous flux.
  • an integrating sphere spherical photometer
  • Temperature change A 500 cycle test was performed under an environment of 40 ° C. to 80 ° C., and the variation in color unevenness of illumination light was evaluated as described later. In this test, the measurement was performed under the condition that the temperature of the semiconductor laser, which is a light source, was not changed, and only the phosphor was changed in temperature.
  • Example B In the phosphor element of Example A2, the thickness of the phosphor at the incident portion and the waveguide width were fixed, and the inclination angles ⁇ 1 and ⁇ 2 were 0 °, 5 °, 10 °, 13 °, 15 °, and 20 °, respectively. The color unevenness of the element was measured. The results are shown in Table 2.
  • the structure of the phosphor element can be applied to structures other than those described in the above embodiments.
  • a peeling prevention film made of Al 2 O 3 and a bonding layer made of Ta 2 O 5 are formed by sputtering on a heat dissipation substrate made of aluminum nitride having a thickness of 1 mm and a 4-inch wafer, while a polycrystalline phosphor cladding layer made of Al2O3 on the wafer, the reflective film made of Al, peeling prevention film of Al 2 O 3, by forming a bonding layer made of Ta 2 O 5, by ion gun both with Ta 2 O 5 layer between You may use the structure which bonded together by normal temperature direct joining.
  • Example A2 an element in which the inclination angle ⁇ shown in FIG. 9 was changed was produced. However, in the ridge waveguide forming step by cutting, cutting was performed by selecting a blade having a width W of the ridge upper surface portion of 100 ⁇ m and an inclination angle ⁇ changed from 0 ° to 60 °. The other processes were the same as in Example A2.

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Abstract

本発明の蛍光体素子は、支持基板、励起光を伝搬し、蛍光を発振する蛍光体からなる光導波路であって、光導波路が、励起光および前記蛍光を出射する出射側端面、出射側端面と反対側の対向端面、前記光導波路の長手方向に向かって伸びる底面、この底面に対向する上面、および一対の側面を有している光導波路、光導波路の底面を被覆する底面側クラッド層、光導波路の前記上面を被覆する上面側クラッド層、光導波路の一対の前記側面をそれぞれ被覆する側面側クラッド層、上面側クラッド層を被覆する上面側反射膜、側面側クラッド層をそれぞれ被覆する側面側反射膜、および支持基板と底面側クラッド層との間に設けられている底面側反射膜を備えている。

Description

蛍光体素子および照明装置
 本発明は、蛍光体素子、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、レーザー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、青色レーザーあるいは紫外レーザーと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザー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、複数のレーザー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、半導体レーザー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。
 特許文献1によれば、平板型の光導波路の入射面に、励起光に対する無反射膜かつ蛍光に対する全反射膜を形成する。光導波路中で発振した入射面側に戻ってきた蛍光は、入射面上の全反射膜で反射し、出射面側から出射させることができる。
 また、特許文献2によれば、平板型の透過型蛍光体の側面に反射膜を形成し、平板型蛍光体の側面からの蛍光の出射を防止している。
WO2014-203488 A1 特開2014-116081 特開2016-156481 特開2016-002354
 しかし、平板形状の蛍光体中に励起光を伝搬させて蛍光を発生させる素子では、蛍光および励起光の光密度に限界がある。
 本出願人は、特許文献3、4において、光導波路形状の蛍光体の中に励起光を閉じ込めて伝搬させ、発生した蛍光を光導波路中に閉じ込めることを提案した。
 しかし、これらの蛍光体素子を種々検討した結果、いまだ次の問題が残っていることが判明してきた。すなわち、蛍光体を光導波路型構造にすると、励起光は導波路伝搬する。しかし、蛍光の一部は導波路伝搬光となるものの、蛍光の一部は導波路伝搬せずに導波路外へ放出されて損失になる蛍光があった。
 この理由は、励起光により変換された蛍光は、方向性がなく、ランダムな方向に向かって発光する。このため、図12に示すように、蛍光は、導波路光として出射側端面に向かって前方に伝搬する光もあるものの、一方で、光導波路の全反射条件を満足できない光もあり、外部へと向かって出射するため(図13参照)、白色光として利用できず、変換効率の低減の原因となっていた。
 本発明の課題は、光導波路に励起光を入射させ、蛍光を発生する蛍光体素子において、光導波路の出射側端面からの蛍光を光導波路伝搬光として高効率に取り出す構造を提供することである。
 本発明の蛍光体素子は、
 支持基板、
 励起光を光導波路伝搬し、蛍光を発生する蛍光体からなる光導波路であって、前記光導波路が、前記励起光および前記蛍光を出射する出射側端面、前記出射側端面と反対側の対向端面、底面、この底面に対向する上面、および一対の側面を有している光導波路、
 前記光導波路の前記底面を被覆する底面側クラッド層、
 前記光導波路の前記上面を被覆する上面側クラッド層、
 前記光導波路の一対の前記側面をそれぞれ被覆する側面側クラッド層、
 前記上面側クラッド層を被覆する上面側反射膜、
 前記側面側クラッド層をそれぞれ被覆する側面側反射膜、および
 前記支持基板と前記底面側クラッド層との間に設けられている底面側反射膜を備えていることを特徴とする。
 また、本発明は、励起光を発振する光源および前記蛍光体素子を備える照明装置であって、
 前記光導波路から白色光が放射することを特徴とする、照明装置に係るものである。
 本発明によれば、光導波路内で発生した蛍光のうち、クラッド層との境界で反射される蛍光を出射側端面へと伝搬できるだけでなく、光導波路の全反射条件を満足できずにクラッド層内に入射する蛍光も、底面、上面および各側面に設けられた各反射膜によって反射されて光導波路内に再入射するので、出射側端面からの蛍光の出射光量を安定させることができる。
本発明の実施形態に係る蛍光体素子1を示す模式図である。 蛍光体素子1の平面的寸法を示す模式図である 蛍光体素子1の側面図である。 本発明の実施形態に係る蛍光体素子11の平面的寸法を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る蛍光体素子21の平面的寸法を示す模式図である。 蛍光体素子31の横断面を示す模式図である。 蛍光体素子1における蛍光の伝搬を示す模式図である。 蛍光体素子11における蛍光の伝搬を示す模式図である。 蛍光体素子31の横断面を示す模式図である。 蛍光体素子31の横断面における光の伝搬を示す模式図である。 対照例に係る蛍光体素子41の模式図である。 光導波路から出射する蛍光を示す光学顕微鏡写真である。 光導波路から出射する蛍光および漏れ光を示す光学顕微鏡写真である。 光源と蛍光体素子とを実装した発光装置を示す模式図である。
 図1~図3は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子1を示す。
 蛍光体素子1の支持基板2には突起8が複数設けられており、突起8の間に溝9が設けられている。そして、突起8上には、底面側反射膜4A、接合層3、底面側クラッド層5A、光学材料からなる光導波路6が設けられている。
 光導波路6の底面6aには底面側クラッド層5Aが設けられており、上面6bには上面側クラッド層5Bが設けられており、各側面6c、6d上にはそれぞれ側面側クラッド層5C、5Dが設けられている。更に、上面側クラッド層5B上には上面側反射膜4Bが設けられており、各側面側クラッド層5C、5D上にそれぞれ側面側反射膜4C、4Dが設けられている。上面側反射膜4Bの上には、反射膜の劣化を防ぐために、パッシベーション膜を形成していてもよい。パッシベーション膜として酸化膜を例示できる。
 本実施形態では、溝9の側壁面9aおよび底壁面9bが凹部側クラッド層5E、5Fによって被覆されており、凹部側クラッド層5E、5Fが、凹部側反射膜4E、4Fによって被覆されている。そして、凹部側クラッド層5Eと側面側クラッド層5Cとが連続しており、凹部側反射膜4Eと側面側反射膜4C、4Dとが連続している。
 本例では、図2に示すように、光導波路の上面の幅Wは、出射側端面6fと対向端面6eとの間で一定となっている。また、図3に示すように、光導波路の厚さTは、出射側端面6fと対向端面6eとの間で一定となっている。なお、励起光は、対向端面から入射させてもよく、出射側端面から入射させて対向端面で全反射させてもよい。
 本実施形態によれば、光導波路6内で変換された蛍光のうち、光導波路6とクラッド層5A~5Dとの境界で反射される蛍光を出射側端面へと伝搬できるだけでなく、光導波路の全反射条件を満足できずにクラッド層内に入射する蛍光も、底面、上面および各側面に設けられた各反射膜によって反射されて光導波路内に再入射するので、出射側端面からの蛍光の出射光量を増加させことができる。
 好適な実施形態においては、支持基板に、側壁面と底壁面とを有する溝が形成されており、側壁面と底壁面とを被覆する凹部側クラッド層と、この凹部側クラッド層上に設けられた凹部側反射膜を備えており、凹部側クラッド層と側面側クラッド層とが連続しており、凹部側反射膜と側面側反射膜とが連続している。光導波路とクラッド層との界面の全反射条件を満たさない角度で入射した蛍光は、通常は反射されずにクラッド層中に放射されるが、この場合は各反射膜によって反射される。したがって、このような反射を繰り返し蛍光体を伝搬し出射端面に到達することができる。
さらに、本実施形態の作用効果として放熱特性の改善をあげることができる。
 蛍光体は励起光から蛍光に変換するときに変換損失に伴う発熱が起こり、この発熱により蛍光体自身の温度が上昇すると、変換効率の低下に至り、励起光量と蛍光量のバランスが変化して色むらの原因となる。また、反射膜に吸収されて反射膜が発熱し、これによって蛍光体の温度が上昇して同様に光特性が変化する場合がある。
 しかし、本実施形態では、蛍光体で発生した熱が、直接、底面側のクラッド層、反射膜を介して支持基板に放射される伝熱パスがあるだけでなく、上面および各側面に設けられたクラッド層、反射膜を通じて凹部側クラッド層および凹部側反射膜に向かって支持基板側に伝導し、支持基板に放射できるので、蛍光体の熱劣化に伴う変換効率低減を抑制でき、この結果、発熱による色ムラの変動を抑制できる。
 好適な実施形態においては、光導波路の上面の幅が、対向端面から出射側端面へと向かって大きくなっている。これによって、出射側端面における出射光量を一層増加させることができる。
 すなわち、図4の蛍光体素子11においては、光導波路6Aの幅Wが、対向端面6eにおいてはWIであり、出射側端面6fにおいてはWOである。そして、幅Wは、WIからWOに向かって大きくなっている。
 なお、θ1は、光導波路の長手方向Kと側面6cとの角度であり、θ2は、光導波路の長手方向Kと側面6dとの角度である。本例では角度θ1、θ2は一定である。θ1、θ2は、一定であることが好ましいが、一定である必要はなく、出射側端面と対向端面との間で変化していてもよい。好ましくは、幅Wは、対向端面から出射側端面へと向かって連続的に、滑らかに増大している。
 図5の蛍光体素子21においては、光導波路6Bの幅Wが、対向端面6eにおいてはWIであり、出射側端面6fにおいてはWOである。そして、幅Wは、WIからWOに向かって大きくなっている。なお、光導波路の長手方向と側面6dとの角度θ2は一定であり、θ1は0°となっている。
 また、好適な実施形態においては、光導波路の厚さが、対向端面から出射側端面へと向かって大きくなっている。例えば、図6の蛍光体素子31においては、光導波路6Cの厚さTが、対向端面6eにおいてはTIであり、出射側端面6fにおいてはTOである。そして、厚さTは、TIからTOに向かって大きくなっている。
 なお、αは、光導波路の長手方向Kと上面6bとの角度である。本例では角度αは一定である。αは、一定であることが好ましいが、一定である必要はなく、出射側端面と対向端面との間で変化していてもよい。好ましくは、厚さTは、対向端面から出射側端面へと向かって連続的に、滑らかに増大している。
 次に、光導波路の幅や厚さを変化させることによる利点について更に説明する。
 図7に示す蛍光体素子1においては、光導波路6の幅が一定である。ここで、励起光Aが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子12に当たると、蛍光体粒子12から蛍光が発光する。このとき、蛍光は蛍光体からあらゆる方向に向かって均一に発光する。ここで、蛍光体12から出射側端面へと放射された蛍光Fは入射角θpでクラッド層との界面に達する。
 ここで、光導波路の屈折率np、クラッド層の屈折率nc、入射角度θpが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で反射され、光導波路伝搬し出射側端面6fから出射する。一方、蛍光の入射角θpが全反射条件を満足しない場合には、矢印Gのように屈折し、反射膜4C、4Dによって反射され、矢印Hのように反射する。このような反射を反復しながら伝搬する光は、光導波路伝搬でなく、一部は蛍光体内で反射膜の吸収や蛍光体の吸収によって減衰し、一部は出射側端面6fに到達する。しかし、この光は方向性がなく出射端から放射するので、光導波路伝搬する励起光とミキシングできない成分の蛍光成分もあるため、白色光の取出し効率を大きく改善することはできない。
 クラッド層を設けず、各反射膜が蛍光体に直接接触している場合には、光導波路伝搬せずに励起光と蛍光双方とも反射膜で反射を繰り返しながら伝搬するので、前述のように励起光と蛍光の一部は蛍光体内で減衰し、出射側端面6fに到達した双方の光は方向性を持たず端面から出射するので前面方向に白色光を取り出すことが難しく、取出し効率の改善が難しい。
 ここで、蛍光体12から、光導波路の長手方向に対して垂直な方向へと発生した蛍光Cは、反射膜で矢印Dのように反射され、光導波路内で反射を繰り返し最終的に減衰することになる。また、蛍光体12から対向端面側へと発生された蛍光Eは、上記と同様な反射を繰り返し、最終的に対向端面に到達することになる。このため、対向端面に、蛍光を反射する反射膜を設けることで、出射側端面側へと向かって蛍光を反射させることが好ましい。
 一方、図8に示す蛍光体素子11においては、光導波路6の幅Wが対向端面から出射側端面へと向かって徐々に大きくなっている。ここで、励起光Aが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子12に当たると、蛍光体粒子12から蛍光が発光する。このとき、蛍光は蛍光体からあらゆる方向に向かって均一に発光する。ここで、蛍光体12から出射側端面へと放射された蛍光Fは入射角θpでクラッド層との界面に達する。光導波路の屈折率np、クラッド層の屈折率nc、入射角度θpが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で反射し光導波路伝搬する。
 例えば光導波路の側面6dが長手方向Kに対してθ2傾斜している場合には、蛍光Fの入射角θpが、図7の例に比べてθ2だけ大きくなり、クラッド層との界面で全反射しやすくなる。このため図
7の例で全反射条件を満足できなかった蛍光Fは、クラッド層との界面で全反射するようになり、光導波路伝搬し反射膜による吸収が起こらないので、出射光量は一層増加する。
 一方、蛍光の入射角θpが全反射条件を満足しない場合として、例えば、蛍光体12から、光導波路の長手方向Kに対して垂直な方向に発生した蛍光Cは、同様にクラッド層への入射角はθ2となるが、このときに全反射角を満足できないとする。この場合は、反射膜4Dで反射されることになるが、次に反対側側面6cのクラッド層5Cとの界面に入射する角度はさらにθ1だけ大きくなるのでこれらの反射を繰り返すうちに蛍光体とクラッド層との界面で全反射条件を満足できるようになり、ついには光導波路伝搬することになる。側面6dに直角に入射する場合においては、反射膜4Dで反射することになるが、側面6cの界面に入射する角度はθ2だけ大きくなるので、出射端面側に向かって進行し、反射膜4Cと反射膜4Dで反射を繰り返すうちに入射角θpが大きくなり、蛍光体とクラッド層との界面で全反射条件を満足できるようになり、光導波路伝搬するようになる。
 以上のことから、光導波路6の幅Wが対向端面から出射側端面へと向かって徐々に大きくなっている場合には、蛍光は出射側端面側か対向端面側のどちらかに進行し反射を繰り返し蛍光体内で減衰してしまう蛍光をなくすことが可能となる。
 蛍光体12から対向端面側へ向かう蛍光Eについては、反射膜によって反射されるごとに、角度θ2だけ出射側端面側へと方向が変わるので、多重反射を繰り返していくうちに出射側端面側に伝搬方向が変化し、最終的に光導波路伝搬し出射側端面から出射される。それでも対向端面に到達した蛍光は、対向端面に設けた蛍光反射膜によって反射し、この光も最終的に光導波路伝搬し、出射側端面から出射することができる。
 ここでは、幅を変化させた場合のみの作用効果について述べたが、厚み方向を変化させた場合も同じであり、図6のように上面側のみ角度αだけ傾斜している場合においても、上面側に反射した蛍光は同様なメカニズムによって出射側端面から光導波路伝搬光として出射することができる。
 また、幅W、および厚みTについて、双方とも対向端面から出射側端面に向かって連続的に大きくする構造とすることによって、蛍光体内で発生する全方向の蛍光に対して、光導波路伝搬光に変換することができ出射側端面に高効率に出射することができ、同じく光導波路伝搬する励起光とミキシングして高効率に白色光を取り出すことが可能となる。
 さらに、蛍光体で発生する熱を高熱伝導の反射膜を通じて高効率に高熱伝導の支持基板に伝熱することができるので、熱劣化による変換効率低下もなく色むらの変化を著しく消失できる蛍光体素子を実現することができる。
 好適な実施形態においては、光導波路の幅が、上面から底面へと向かって変化している。例えば、図9に示す蛍光体素子41においては、光導波路6Dの幅が、上面における幅WUから底面における幅WBに向かって徐々に大きくなっている。なお、βは、支持基板2の表面2aの法線Mに対する側面6c(6d)の傾斜角度である。
 本構造は、それのみでは蛍光の出射光量が増大する効果は期待できないが、光導波路の厚み方向に傾斜角度αだけ傾斜させた構造と組合せることによって、蛍光の出射光量を一層増大させることができる。つまり、光導波路の幅方向に伝搬する蛍光は、側面が傾斜角度β傾斜している場合、この側面、あるいはこの側面と平行な反射面で反射すると、光導波路の厚み方向に向かって伝搬するようになるので、光導波路の幅方向において角度θ1、θ2の傾斜を設けない場合でも、厚み方向の傾斜だけで光導波路伝搬するようにでき、出射光量を増大できる。
 本実施形態の作用効果について図10を参照して述べる。
 本例では、蛍光体12からあらゆる方向へと蛍光が放射されるが、このうち真横に放射された光は、側面6c(6d)によって反射される。このとき、側面6c(6d)が法線Mに対して傾斜していることから、蛍光は底面へと向かって反射され、底面で更に反射される。このように多重反射を繰り返すうちに、蛍光は、上面、底面、側面で反射されることになり、側面間で反復することはない。ここで、光導波路の幅と厚さとの少なくとも一方を前述のように出射側端面と対向端面との間で変化させていると、蛍光の出射側端面への出射が促進されることになる。このように傾斜した場合、側面で反射した蛍光は、反射した光を上・底面側に反射する光に向きを変えることができる。このことから厚みを変化した構造と組み合わせることによって、蛍光体内で発生する蛍光すべてに対して、出射側端面に光導波路伝搬光として高効率に出射することができ、同じく光導波路伝搬する励起光とミキシングして高効率に白色光を取り出すことが可能となる。
 上の例では、底面における光導波路幅を上面における光導波路幅よりも大きくしたが、底面における光導波路幅を上面における光導波路幅よりも小さくすることもできる。この観点からはどちらかの光導波路幅を零にする三角形状であってもよい。また、光導波路幅は、滑らかに変化させることが好ましいが、段階的に変化させてもよい。
 好適な実施形態においては、蛍光を反射する反射部が対向端面に設けられている。この蛍光を反射する反射部は、励起光を反射してもよく、あるいは励起光を透過してもよい。
 対向端面は、励起光を入射させるための入射面であってよい。この場合には、対向端面側には蛍光に対しては全反射し、励起光に対しては無反射となる膜が形成してあることが好ましい。あるいは、出射側端面が、前記励起光を入射させるための入射面であってよい。この場合には、対向端面側に、励起光を全反射する反射膜を設ける。
 本発明の導波路型蛍光体素子は、グレーティング(回折格子)を光導波路内に含んでいない無グレーティング型蛍光体素子であってよく、あるいはグレーティング素子であってよい。
 光導波路の厚さとは、支持基板2の表面2aに垂直な方向に見た光導波路の寸法である。また、光導波路の幅とは、支持基板2の表面2aに平行な方向に見た光導波路の寸法である。
 光導波路の幅Wは、励起光を効率よく結合し出射光量を増加させるという観点からは、20μm以上が好ましく、また50μm以上が好ましい。一方、光導波路伝搬するという観点からは、Wは、900μm以下が好ましく、500μm以下が更に好ましく、300μm以下が更に好ましい。
 出射側端面における光導波路幅WOと、対向端面における光導波路幅WIとの比率(WO/WI)は、本発明の観点からは、1.2以上が好ましく、1.5以上が更に好ましい。一方、WO/WIは10以下が好ましく、5以下が更に好ましい。
 光導波路の厚さTは、励起光を効率よく結合し出射光量を増加させるという観点からは、20μm以上が好ましく、また50μm以上が好ましい。一方、本発明の観点からは、Tを900μm以下とすることが好ましく、光導波路形成時の側面での表面粗さによる散乱の影響を小さくするという観点からは、200μm以下が好ましく、150μm以下が更に好ましい。
 出射側端面における光導波路厚さTOと、対向端面における光導波路幅TIとの比率(TO/TI)は、本発明の観点からは、1.1以上が好ましく、1.2以上が更に好ましい。一方、TO/TIは2以下が好ましく、1.9以下が更に好ましい。
 光導波路の長手方向に対する上面、側面の角度θ1、θ2、αは、出射光量を増加させるという観点からは、2°以上が好ましく、4°以上が更に好ましい。
 光導波路の長手方向に対する上面、側面の角度θ1、θ2、αは、角度が大きいと励起光と蛍光がうまくミキシングできず、光の伝搬方向に垂直な面で見たときにその中心部では白色になるが、外周部では蛍光のみが存在する照明パターンになる傾向があることがわかった。これは、前記θ1、θ2、αがある程度大きくなると、レーザー光である励起光については、蛍光体内に拡がらず伝搬するためで、これに対して蛍光は等方性に発光するので、蛍光体内に拡がることから起る現象と考えられる。この観点から、角度θ1、θ2、αは、13°以下が好ましく、10°以下が更に好ましく、5°以下が一層好ましい。
 また、支持基板の表面の法線Mに対する各側面の傾斜角度β(図9参照)は、出射光量を増加させるという観点からは、10°以上が好ましく、15°以上が更に好ましい。一方、βは、50°以下が好ましく、35°以下が更に好ましく、30°以下が一層好ましく、25°以下が特に好ましい。
 光導波路の長さ(出射側端面と対向端面との間隔)Lは特に限定されないが、一般的には蛍光を光導波路伝搬させるまで反射を繰り返す必要があるので、200μm以上が好ましく、伝搬に伴う損失を低減するために2mm以下とすることもできる。
 支持基板と反射膜との間には、反射膜のはがれを防止するために、剥離防止層、好ましくは酸化膜を形成してもよい。このような酸化膜の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。
 反射膜の材質としては、金、アルミニウム、銅、銀、等の金属膜、またはこれらの金属成分が含まれる混晶膜、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、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。
 クラッド層の材質は、蛍光体よりも屈折率の小さい材料であればよく、クラッド層が接着層を兼ねていても良い。こうしたクラッド層の材料は、SiO、Al、MgF、CaF、MgOなどがよい。また蛍光体基板で発生した熱を支持基板を通して放熱するという観点では、蛍光体よりも熱伝導率を高くする方がよく、こうした材料として、Al、MgOが特に好ましい。
 クラッド層と反射膜との間に接合層を設けることができる。こうした接合層の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。
 こうした接合層は、反射膜と支持基板との間にあってもよい。この場合は、蛍光体側に底面側クラッド層と底面側反射膜、接合層を形成し、支持基板側に接合層を形成し、両者を直接接合するようなプロセスで製造することができる。ここで反射膜と接合層、および支持基板と接合層の間に剥離防止層があってもよい。
 蛍光体は、蛍光体ガラス、単結晶、多結晶であってよい。
蛍光体ガラスの場合は、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。
 蛍光体単結晶としてはYAl12、BaSi11l725、TbAl12が好ましい。また、蛍光体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。熱劣化を抑制するという観点では、蛍光体は単結晶が好ましいが、多結晶であっても緻密体であれば粒界部での熱抵抗を下げることができ、かつ透光性をあげることができ、光導波路として機能することができる。
 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、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Si、窒化珪素、タングステン、銅タングステン、酸化マグネシウムなどを例示することができる。
 支持基板と反射膜との間には、光導波路のはがれを防止するために、剥離防止層、好ましくは酸化膜を形成してもよい。このような酸化膜の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。
 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ーが好適である。また、一次元状に配列したレーザー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。
 半導体レーザー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。
 青色レーザーと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
 青色レーザー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
 また青色レーザーや紫外レーザー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
 青色レーザーや紫外レーザー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
 また、光源素子、蛍光体素子の各端面は、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、蛍光体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等の成膜法により蛍光体素子を形成してもよい。
 本願の蛍光体素子を応用した白色レーザー光発光装置の構造を図14に例示する。本構造では、パッケージ42内に実装基板44を固定し、実装基板44上に、励起光を発振するレーザー光源43と、蛍光体素子1(11、31、41)とを直線的に配置し、光源43から出射するレーザー光を直接に蛍光体素子の光導波路に入射する。レーザーの素子長は例えば1.5mm程度となっており、導波路蛍光体の素子長を2mmとした場合に、実装基板も含めて5mm以下のサイズで実現できる。
 また蛍光体の入射側はレーザー光のスポット形状と実装する際の十分な位置決め公差を含めた大きさの形状にしておくことによって、安価でかつ高効率の白色レーザーを実現でき、4Wクラスのレーザーを使用した場合に、450lm以上の指向性の高い白色レーザー光Cを得ることができる。
(実験A)
(実施例A1の蛍光体素子の作製)
 図1~図3に示すような形態の蛍光体素子1を作製した。
 具体的には、厚み1mm、4インチウエハーの窒化アルミニウムからなる放熱基板上にスパッタリングにてAlからなる剥離防止膜(図示せず)を0.2μm、Alからなる反射膜4Aを0.5μm成膜した。次に、Alからなる接合層3を0.3μm成膜した。また、CeをドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)多結晶からなる厚み300μm、4インチ蛍光体ウエハー上にAlからなるクラッド層5Aを厚さ0.3μm成膜した。さらに、両者をAl層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行った。
 その後、光導波路の厚さTを100μmの厚みまで薄板研磨を行った。薄板研磨は、グラインダー研削、ラップを行い、最後にCMP(化学機械)研磨を行った。CMP研磨後、幅200μm、#6000のブレードを使用してダイシングによる切削加工にて深さ150μmの溝9を2本加工して、幅W100μmのリッジ型光導波路を形成した。
 さらに、リッジ光導波路形成面にAlからなるクラッド層2を0.3μm、Alからなる反射膜を0.5μm、Alからなる保護膜(図示せず)を0.2μm形成した。
 成膜後、複合ウエハーをダイシングにて幅200μm、#4000のブレードにて光導波路長1mmのバー状に切断し、入射側の端面については、IBS(Ion-beam Sputter Coater)成膜装置にて励起光である450nm帯では無反射、蛍光である560nm帯では全反射となる誘電体多層膜を成膜した。
 最後に、成膜後の切断で使用したブレードを使用して幅0.8mmにチップ切断をして、蛍光体素子を作製した。
(実施例A2の蛍光体素子の作製)
 図1、図2および図6に示すような蛍光体素子31を作製した。
 具体的には、実施例A1と同様にして窒化アルミニウムからなる放熱基板に多結晶蛍光体板を貼り合わせし、複合基板を作製した。
 その後、高速スライシング装置にて幅1mm、#6000のブレードで先端の傾斜角5°のくさび形状のものを使用して入射部の光導波路の厚みTが100μmになるようにウエハーを高速スライシング装置上にセッティングして切削加工にて薄板化した。このとき蛍光体導波路の厚みの傾斜角度α は5°であった。
(実施例A3の蛍光体素子の作製)
 図2、図3および図9に示すような蛍光体素子41を作製した。具体的には、実施例A2と同様にして作製した。
 ただし、切削加工によるリッジ導波路形成工程では、リッジ上面部の幅Wが100μm、傾斜角度βが20°になるようにブレードを選定して切削加工を実施した。その他のプロセスは実施例A2と同じとした。
 薄板加工後、実施例A1と同様にクラッド層、反射膜、保護膜(図示せず)を成膜し、バー切断、端面成膜、チップ切断を実施し、蛍光体素子を作製した。
(比較例1の蛍光体素子の作製)
 実施例A1と同様にして、図11、図2、図3に示す形態の蛍光体素子41を作製した。
 ただし、図11に示すように、光導波路の側面側、上面側には、反射膜を設けなかった。
(比較例2の蛍光体素子の作製)
 実施例1と同様にして、図1、図2、図3に示す形態の蛍光体素子を作製した。ただし、本例では、クラッド層を設けず、光導波路の上面、底面、側面上にそれぞれ反射膜を直接形成した。
(光学特性評価)
 チップ化した各素子は、出力3WのGaN系青色レーザー光源を使用して照明光の評価を行った。各例の蛍光体素子の評価結果を表1に示す。
(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、JISC7801にて規定されている方法を用いて測定を行った。
(色ムラ温度特性)
 温度変化―40℃から80℃での環境下で、500サイクル試験を実施して、後述のように照明光の色ムラ変動を評価した。この試験においては、光源である半導体レーザーには温度変動がない状態とし、蛍光体のみに温度変化がおこる条件下で測定した。
(色ムラ測定)
 出力した光を輝度分布測定装置を用いて色度図で評価を行った。そして、色度図において、中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にある場合は「色ムラなし」とし、この範囲外の場合には「色ムラあり」とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(実験B)
 実施例A2の蛍光体素子において、入射部の蛍光体厚みと導波路幅を固定して傾斜角θ1、θ2を、0°、5°、10°、13°、15°、20°にした各素子の色ムラを測定した。この結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 この結果、傾斜角度が15°以上では、色ムラが発生することがわかった。この照明パターンを観察したところ、中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部が蛍光のみしか存在していないパターンとなっており、角度を大きくするとこの現象が顕著となっていた。これを色ムラ面内分布有りと定義した。
(実験C)
 また、実験Bと同様にして、厚み方向の傾斜角αを0°、5°、10°、13°、15°、20°に変化させた。この場合も、実験Bと同じ角度で、色ムラ面内分布有りが発生した。
 蛍光体素子の構造においては、上記の実施例に記載した構造以外にも適用できる。
 例えば、厚み1mm、4インチウエハーの窒化アルミニウムからなる放熱基板上にスパッタリングにてAlからなる剥離防止膜、Taからなる接合層を成膜して、一方、多結晶蛍光体ウエハー上にAl2O3からなるクラッド層、Alからなる反射膜、Alからなる剥離防止膜、Taからなる接合層を成膜して、両者をTa層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行った構造を使用してもよい。
(実験D)
 実施例A2において、図9に示す傾斜角度βを変更した素子を作製した。
 ただし、切削加工によるリッジ導波路形成工程では、リッジ上面部の幅Wを100μmとし、傾斜角度βは、0°から60°に変更したものをブレードを選定して切削加工を実施した。その他のプロセスは実施例A2と同じとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 この結果、傾斜角度βが10°以上、50°以下では、色ムラが発生することなく、白色光の強度も特に大きくなることがわかった。βが60°の場合、照明パターンを観察したところ、中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部では蛍光のみしか存在していないパターンとなっており、角度を大きくするとこの現象が現れる傾向があった。これを「色ムラ面内分布有り」と定義した。

 

Claims (13)

  1.  支持基板、
     励起光を光導波路伝搬し、蛍光を発生する蛍光体からなる光導波路であって、前記光導波路が、前記励起光および前記蛍光を出射する出射側端面、前記出射側端面と反対側の対向端面、底面、この底面に対向する上面、および一対の側面を有している光導波路、
     前記光導波路の前記底面を被覆する底面側クラッド層、
     前記光導波路の前記上面を被覆する上面側クラッド層、
     前記光導波路の一対の前記側面をそれぞれ被覆する側面側クラッド層、
     前記上面側クラッド層を被覆する上面側反射膜、
     前記側面側クラッド層をそれぞれ被覆する側面側反射膜、および
     前記支持基板と前記底面側クラッド層との間に設けられている底面側反射膜を備えていることを特徴とする、蛍光体素子。
  2.  前記支持基板に、側壁面と底壁面とを有する溝が形成されており、前記側壁面と前記底壁面とを被覆する凹部側クラッド層と、この凹部側クラッド層上に設けられた凹部側反射膜を備えており、前記凹部側クラッド層と前記側面側クラッド層とが連続しており、前記凹部側反射膜と前記側面側反射膜とが連続していることを特徴とする、請求項1記載の素子。
  3.  前記光導波路の前記上面の幅が、前記対向端面から前記出射側端面へと向かって大きくなっていることを特徴とする、請求項1または2記載の素子。
  4.  前記光導波路の長手方向に対する前記一対の前記側面のうち少なくとも一方の傾斜角度が2°以上、13°以下であることを特徴とする、請求項3記載の素子。
  5.  前記光導波路の厚さが、前記対向端面から前記出射側端面へと向かって大きくなっ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.  前記光導波路の長手方向に対する前記上面または前記底面の傾斜角度が2°以上、13°以下であることを特徴とする、請求項5記載の素子。
  7.  前記光導波路の幅が、前記上面から前記底面へと向かって変化していることを特徴とする、請求項1~6のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  8.  前記底面の法線に対する前記一対の側面のうち少なくとも一方の傾斜角度が10°以上、50°以下であることを特徴とする、請求項7記載の素子。
  9.  前記蛍光を反射する反射部が前記対向端面に設けられていることを特徴とする、請求項1~8のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  10.  前記対向端面が、前記励起光を入射させるための入射面であることを特徴とする、請求項1~9のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  11.  前記出射側端面が、前記励起光を入射させるための入射面であることを特徴とする、請求項1~10のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  12.  前記支持基板と前記底面側反射膜との間に設けられた剥離防止層を備えていることを特徴とする、請求項1~11のいずれか一つの請求項に記載の素子。
  13.  励起光を発振する光源および蛍光体素子を備える照明装置であって、
     前記蛍光体素子が、請求項1~12のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子であり、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。

     
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