【手続補正書】
【提出日】平成16年7月6日(2004.7.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  光源装置およびそれを用いた光通信システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】  半導体発光素子からの放出光の光路に、動的光散乱系を含む領域を有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】  請求項１に記載の光源装置において、
上記半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴とする光源装置。
【請求項３】  請求項１または２に記載の光源装置において、
上記動的光散乱系を含む領域が、光散乱体を含む液体によって形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項４】  請求項３に記載の光源装置において、
上記光散乱体を含む液体が、シリコーンオイルであることを特徴とする光源装置。
【請求項５】  請求項３に記載の光源装置において、
上記光散乱体を含む液体の粘度(Ｐa・ｓ)と、分散される光散乱体の粒径(μｍ)の積が、略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかまたは１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下であることを特徴とする光源装置。
【請求項６】  請求項１または２に記載の光源装置において、
上記動的光散乱系を含む領域が、光散乱体を含む膨潤したゲルによって形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項７】  請求項６に記載の光源装置において、
上記光散乱体を含む膨潤したゲルが、シリコーンオイルを吸収して膨潤したシリコーンゲルであることを特徴とする光源装置。
【請求項８】  請求項６に記載の光源装置において、
上記光散乱体を含む膨潤したゲルの粘度(Ｐa・ｓ)と、分散される光散乱体の粒径(μｍ)の積が、略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかまたは１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下であることを特徴とする光源装置。
【請求項９】  請求項３または６に記載の光源装置において、
上記光散乱体が、有機系微粒子とシリコン酸化物からなる微粒子およびチタン酸化物からなる微粒子のうちの少なくとも１つの光散乱体を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１０】  請求項２に記載の光源装置において、
上記動的光散乱系を含む領域に分散される光散乱体において、上記半導体レーザの発振波長をλとし、上記光散乱体の３０ｍｓの時間における広がりを表す変位量を△ｌとするとき、△ｌ／λが略１／１００かまたは１／１００以上であることを特徴とする光源装置。
【請求項１１】  請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の光源装置において、
上記動的光散乱系を含む領域を覆うエポキシ樹脂によるモールド領域を有し、
上記半導体発光素子に直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が上記モールド領域内にあることを特徴とする光源装置。
【請求項１２】  請求項１または１１のいずれか１つに記載の光源装置を送信手段として用いたことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子が樹脂基板やリードフレームまたは小型ステム等の構造体上に搭載された光源装置およびそれを用いた光通信システムに関し、特に空間伝送用として、アイセーフティを確保した光源装置およびそれを用いた光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、ＩｒＤＡ(Infrared Data Association)規格に準ずる赤外線通信モジュールは急激な小型化が進み、短距離(２０ｃｍ)仕様品はレンズ部分の径や高さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度となるまでに至っている。通信速度については、ＩｒＤＡにおいても徐々にではあるが高速化が進む一方、光無線ＬＡＮ製品では、砲弾型のＬＥＤを２０個以上並列して光量を稼ぐ基地局と、鋭い指向性および追尾機能を有する端末装置との間で、数ｍの通信距離と１００Ｍbps程度までの高速性の両立が図られつつある。
【０００３】
このようなワイヤレス光通信技術には、指向性や遮蔽が問題となる場面もあるが、高速性や秘匿性、特にコスト面の優位性を活かして、パームトップまたはハンドヘルドタイプの携帯端末装置の高速インターフェイスとしてその応用展開が期待される。しかしながら、上記高速光無線ＬＡＮ(ローカル・エリア・ネットワーク)製品は一般的にサイズが大きく消費電力も相当に大きい。また、過去には、高速化を重視して、比較的安価な近赤外波長域の半導体レーザをアイセーフ化してワイヤレス光通信に用いる試みが少なからずあったが、比較的大掛かりな拡散板やビーム整形光学系を用いるものが多く、ＩｒＤＡ準拠品並みの小型化や低価格化を実現するのは困難であった。
【０００４】
すなわち、既存のＩｒＤＡと光無線ＬＡＮの２者の間を埋め、より高速かつ広範囲な通信エリアを持つワイヤレス光通信システムを実現するために必要な、小型かつ安価なトランシーバモジュールは、未だかつて実用に供されていない。
【０００５】
また、最近、本出願人は、高出力半導体レーザを光源素子として用いても人の目の安全を確保できる光源装置であって、高速かつ広範囲な通信エリアを有するワイヤレス光通信システムに適した小型の光源装置を製作した。なお、この光源装置は、この発明を理解しやすくするために説明するものであって、公知技術ではなく、従来技術ではない。
【０００６】
上記光源装置は、図１５に示すように、凹部１２０４が設けられた樹脂基板１２０３と、上記凹部１２０４内に配置された半導体レーザ１２００と、上記凹部１２０４を覆うように設けられた盛り上がる箇所１２０９と、エポキシ樹脂モールド部１２０５とを備えている。上記凹部１２０４内の領域には、光散乱体を高濃度かつ均一に含んでいる。上記樹脂基板１２０３上および凹部１２０４内には、配線パターン１２０７を形成しており、凹部１２０４内の配線パターン１２０７上に半導体レーザ１２００の下側電極を接続する一方、半導体レーザ１２００の上側電極に、樹脂基板１２０３上に設けられた電極１２０８をワイヤ１２０２を介して接続している。上記半導体レーザ１２００から出射される高コヒーレント光は、上記凹部１２０４の光散乱体を含む領域内で多重散乱により拡散し、概ね光軸１２０１の方向に進む。上記凹部１２０４の光散乱体を含む領域には、ゲル状またはゴム状の物質を注入し、熱または光により硬化させている。
【０００７】
上記半導体レーザ１２００から出射された光は、ゲル状またはゴム状の物質で満たされた上記光散乱体を含む領域を経て、エポキシ樹脂モールド部１２０５を通過する。ゲル状またはゴム状の物質で満たされた上記光散乱体を含む領域に光散乱体が高濃度かつ均一に分散されている場合、近視野像に生じる高コントラストのスペックルはある程度までは抑制することができる。
【０００８】
ここで、近視野像のスペックル量を見積もる指標として、近視野像の位置における光強度の対平均値比ＰＡＲ(Peak-to-Average Ratio)の標準偏差σを用いることにする。ゲル状またはゴム状の物質で満たされた上記光散乱体を含む領域では静的光多重散乱を引き起こすが、凝集した光散乱体が沈降しにくく残るため、上記近視野像のＰＡＲ標準偏差σの値は０.１程度までしか低減できず、人の目に安全なアイセーフとなるレベルσ＝０.０８程度までスペックルを抑えることは容易ではない。上記光散乱体を含む領域にゲルを用いる場合、近視野像のＰＡＲ標準偏差σの値をより低減させるのに濃度を増すことも考えられるが、光の取り出し効率が極端に悪化し、実用に耐えないという問題がある。混練状態が良好で光散乱体の凝集をより少なくできれば、ＰＡＲ標準偏差σをより低減できる。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、簡単な構成で、高出力半導体発光素子を用いても人の目に安全で高い光の取り出し効率が得られると共に、低消費電力でかつ小型化と低コスト化ができ、高速かつ広範囲な通信エリアを有する光通信システムに適した光源装置およびそれを用いた光通信システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
半導体発光素子として半導体レーザからの誘導放出光を光無線通信用として空間に放つときに最も問題となるのは、レーザ光が有する高コヒーレントな光が人間の眼球内の網膜に達し、損傷を与えることである。このような高コヒーレント光を、人間に損傷を与えないインコヒーレントな光に変換するために、半導体レーザを封止するゲル状の物質やゴム状の物質に光散乱体を高濃度かつ均一に分散する方法では、静的光多重散乱であるために近視野像には、人間の目に損傷を与えるレベルのスペックルが残存する。つまり、スペックルを有する光源からの出力光が、何らかの光学系を介して眼球に入射した場合、網膜上に結ぶ像に含まれるスペックルの微細構造によって、局所的なパワー密度の集中を招き、レーザ光特有の網膜熱損傷を引き起こす可能性がある。
【００１１】
そこで、半導体レーザの近傍に、上記静的光散乱系を含む領域を満たすゲル状またはゴム状の物質に代え、液体または膨潤したゲルを用いることで、動的光多重散乱が得られることから、上記課題を解決できる可能性がある。ここで言う動的光多重散乱としては、主にブラウン運動が挙げられ、静的光多重散乱に比べて格段に光散乱効果を増すことができる。
【００１２】
そこで、上記目的を達成するため、この発明の光源装置は、半導体発光素子からの放出光の光路に、動的光散乱系を含む領域を有することを特徴としている。
【００１３】
上記構成の光源装置によれば、上記半導体発光素子からの放出光は、動的光散乱系を含む領域を通過するときに動的光多重散乱により、例えば半導体レーザからの高コヒーレントな光を人間に損傷を与えないインコヒーレントな光に変換して、眼球に入射したとき網膜上に結ぶ像に局所的なパワー密度の集中が起きないようにして、網膜熱損傷を防止する。したがって、簡単な構成で、高出力半導体発光素子を用いても人の目に安全で光の取り出し効率が得られると共に、低消費電力でかつ小型化と低コスト化ができ、さらに、高速かつ広範囲な通信エリアを有する光通信システムに適した光源装置を実現できる。なお、上記半導体発光素子は、半導体レーザに限らず、発光ダイオードであっても同様の効果が得られる。また、ここで動的光散乱系とは、ブラウン運動等を利用して散乱光の向きを時間的にゆらすもののことである。
【００１４】
また、一実施形態の光源装置は、上記半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴としている。
【００１５】
上記実施形態の光源装置によれば、上記半導体発光素子に半導体レーザを用いることによって、高出力で低消費電力な高速通信に適した光源装置が得られる。特に、高コヒーレントな光を放射する半導体レーザでは、高コヒーレント光を人間に損傷を与えないインコヒーレントな光に効果的に変換するので、人の目に安全な光源装置を提供できる。
【００１６】
また、一実施形態の光源装置は、上記動的光散乱系を含む領域が、光散乱体を含む液体によって形成されていることを特徴としている。
【００１７】
上記実施形態の光源装置によれば、上記動的光散乱系を含む領域を形成する上記光散乱体を含む液体では、入射した光の散乱光の向きを上記液体中の光散乱体のブラウン運動等を利用して時間的にゆらすことができる。
【００１８】
また、一実施形態の光源装置は、上記光散乱体を含む液体が、シリコーンオイルであることが望ましい。
【００１９】
また、一実施形態の光源装置は、上記光散乱体を含む液体の粘度(Ｐa・ｓ)と、分散される光散乱体の粒径(μｍ)の積が、略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかまたは１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下であることを特徴としている。
【００２０】
上記実施形態の光源装置によれば、上記光散乱体を含む液体の粘度(Ｐa・ｓ)と上記光散乱体の粒径(μｍ)の積が略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかまたは１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下であるという条件を満たす光散乱体を含む液体を用いることによって、固視状態の眼球の動き以下までスペックルパターンの構造を微細化し、かつ、撹乱振幅がはっきりと観測できなくなるまで、時間的かつ空間的なコヒーレンスを低減するので、近視野像の光強度をアイセーフのレベルにでき、アイセーフ光源装置を実現することができる。
【００２１】
また、一実施形態の光源装置は、上記動的光散乱系を含む領域が、光散乱体を含む膨潤したゲルによって形成されていることを特徴としている。
【００２２】
上記実施形態の光源装置によれば、上記動的光散乱系を含む領域を形成する上記光散乱体を含む膨潤したゲルでは、入射した光の散乱光の向きを上記膨潤したゲル中の光散乱体のブラウン運動等を利用して時間的にゆらすことができる。上記光散乱体を含む膨潤したゲルとは、液体を吸収して体積を増したゲルにおいて、そのゲルに吸収された液体中に光散乱体があるものである。
【００２３】
また、一実施形態の光源装置は、上記光散乱体を含む膨潤したゲルが、シリコーンオイルを吸収して膨潤したシリコーンゲルであることが望ましい。
【００２４】
また、一実施形態の光源装置は、上記光散乱体を含む膨潤したゲルの粘度(Ｐa・ｓ)と、分散される光散乱体の粒径(μｍ)の積が、略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかまたは１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下であることを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態の光源装置によれば、上記光散乱体を含む膨潤したゲルの粘度(Ｐa・ｓ)と上記光散乱体の粒径(μｍ)の積が略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかまたは１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下であるという条件を満たす膨潤したゲルを用いることによって、固視状態の眼球の動き以下までスペックルパターンの構造を微細化し、かつ、撹乱振幅がはっきりと観測できなくなるまで、時間的かつ空間的なコヒーレンスを低減するので、近視野像の光強度をアイセーフのレベルにでき、アイセーフ光源装置を実現することができる。
【００２６】
また、一実施形態の光源装置は、上記光散乱体が、有機系微粒子とシリコン酸化物からなる微粒子およびチタン酸化物からなる微粒子のうちの少なくとも１つの光散乱体を含むことを特徴としている。
【００２７】
上記実施形態の光源装置によれば、上記光散乱体が、有機系微粒子とシリコン酸化物からなる微粒子およびチタン酸化物からなる微粒子のうちの少なくとも１つの光散乱体を含むことによって、ブラウン運動等を利用して散乱光の向きを時間的にゆらす動的光散乱系が得られる。
【００２８】
また、一実施形態の光源装置は、上記動的光散乱系を含む領域に分散される光散乱体において、上記半導体レーザの発振波長をλとし、上記光散乱体の３０ｍｓの時間における広がりを表す変位量を△ｌとするとき、△ｌ／λが略１／１００かまたは１／１００以上であることを特徴としている。
【００２９】
ここで、上記光散乱体の３０ｍｓの時間における広がりを表す変位量△ｌとは、溶媒中の一点から光散乱体が時間の経過とともに広がる程度を表しており、変位量△ｌが小さいほど広がり方が小さく、変位量△ｌが大きいほど広がり方が大きくなる。上記実施形態の光源装置によれば、上記動的光散乱系を含む領域に分散される光散乱体については、半導体レーザの発振波長をλとするとき、アイセーフに必要な上記△ｌ／λは略１／１００程度かそれ以上が要求される。より望ましくは２／１００である。ここで、３０ｍｓとは、観測に用いられるＣＣＤの１フレームの時間であり、人間の固視微動のうち最も速い動きの周期とほぼ同程度の長さである。
【００３０】
また、一実施形態の光源装置は、上記動的光散乱系を含む領域を覆うエポキシ樹脂によるモールド領域を有し、上記半導体発光素子に直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が上記モールド領域内にあることを特徴としている。
【００３１】
上記エポキシ樹脂によるモールド領域または動的光散乱系を含む領域が何らかの原因により破損した場合、アイセーフを実現できない可能性がある。そこで、上記実施形態の光源装置によれば、上記半導体発光素子に直接または間接に接続されたワイヤの少なくとも一部が上記動的光散乱系を含む領域を覆うエポキシ樹脂によるモールド領域内に存在するようにすることによって、モールド領域または動的光散乱系を含む領域が破損したときにそのモールド領域を通るワイヤが切断されることで、半導体発光素子からの放出光を遮断し、アイセーフを維持することができる。
【００３２】
また、この発明の光通信システムは、上記のいずれか１つの光源装置を送信手段として用いたことを特徴としている。
【００３３】
上記構成の光通信システムによれば、上記光源装置を送信手段として用いることによって、人の目に安全であると共に、低消費電力でかつ小型化と低コスト化ができ、さらに高速かつ広範囲な通信エリアを有する光通信システムを実現できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の光源装置およびそれを用いた光通信システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第１実施形態)
図１はこの発明の第１実施形態の光源装置としてのアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。
【００３５】
この第１実施形態のアイセーフ光源装置は、図１に示すように、樹脂基板１０３に上方に向かって広がる円錐台形状の凹部１０４を設け、その凹部１０４内に半導体レーザ１００を配置している。上記樹脂基板１０３上および凹部１０４にＡｕめっき配線パターン１０７を形成し、凹部１０４のＡｕめっき配線パターン１０７上に半導体レーザ１００の下側電極(図示せず)を電気的に接続している。一方、半導体レーザ１００の上側電極(図示せず)を、樹脂基板１０３上かつ凹部１０４近傍に設けられた電極１０８にワイヤ１０２を介して電気的に接続している。さらに、樹脂基板１０３上に凹部１０４を囲うように円筒部１０９を配置している。上記円筒部１０９を樹脂基板１０３または配線パターン１０７上に銀ペーストによって固着している。さらに、上記円筒部１０９の内壁にＡgめっきにより金属層１１０を形成することにより、内部表面を反射面にしている。
【００３６】
上記凹部１０４内および円筒部１０９の内側に、光散乱体が所望の濃度に均一に分散された液体(または膨潤したゲル)を満たして、動的光散乱系を含む領域１２０を形成している。そして、上記円筒部１０９上部を透明ガラス１１１で覆い、動的光散乱系を含む領域１２０の液体(または膨潤したゲル)を閉じ込めている。上記光散乱体を含む液体としては、アクリル系等の有機系微粒子とシリコン酸化物からなる微粒子およびチタン酸化物からなる微粒子のうちの少なくとも１つの光散乱体を含むシリコーンオイルを用いる。また、上記光散乱体を含む膨潤したゲルとしては、シリコーンオイルを吸収して膨潤したシリコーンゲルであって、アクリル系等の有機系微粒子とシリコン酸化物からなる微粒子およびチタン酸化物からなる微粒子のうちの少なくとも１つの光散乱体を含むシリコーンゲルを用いる。
【００３７】
そして、上記樹脂基板１０３上にエポキシ樹脂によるモールド部１０５を形成している。上記モールド部１０５は、遠視野像を整形するために、透明ガラス１１１に対応する領域に凸レンズ形状を有している。このモールド部１０５の製造工程は、約８０℃から１５０℃の範囲にて行うことができる。なお、上記モールド部１０５に光散乱体を分散させてもよい。
【００３８】
上記構成のアイセーフ光源装置において、半導体レーザ１００からの高コヒーレント光は、典型的には半導体レーザ１００のμｍオーダのスポットから放出され、上記動的光散乱系を含む領域１２０内で多重散乱により拡散し、概ね光軸１０１の方向に進む。上記動的光散乱系を含む領域１２０である多重散乱領域は流体で構成されているため、製造工程上、透明ガラス１１１のように何らかの手法により透過損失の極力少ない透明物質で流体を閉じ込める仕組みが要求される。
【００３９】
図２は、本出願人が行った実験結果を示す図であり、流体の粘度をパラメータとし、０.０２Ｐa・ｓから１０Ｐa・ｓまでの範囲において、光散乱体の粒径ｒ(図２の横軸)と、３０ｍｓの時間における変位量△ｌを半導体レーザの発振波長λで規格化した規格化変位量△ｌ／λ(図２の縦軸)との関係を表す図である。なお、上記変位量△ｌは、
【数１】
2003258353.tif 000001
(ただし、ｌは変位量、ＫBは定数、Ｔは温度、ｔは時間、ηは粘度、ａは直径）
の関係式に基づいて算出している。
【００４０】
図２において、実験値のうち○印は近視野像のＰＡＲ標準偏差σがアイセーフとなる０.０８以下の場合を示し、×印はＰＡＲ標準偏差σがアイセーフとならない０.０８より大きい場合を示している。また、図２に示す実線は、上記関係式を用いて求めた光散乱体の粒径ｒと規格化変位量△ｌ／λとの関係を示している。そして、図２に示す点線は、ＰＡＲ標準偏差σが０.０８付近、つまりアイセーフかどうかの境界を示すものである。図２より、近視野像のスペックルがアイセーフのレベルとなるためには、母材となる流体の粘度が低く、光散乱体の粒径が微小であることが望まれる。概ねアイセーフを満たす光散乱体の規格化変位量△ｌ／λは、略１／１００であるが、より望ましくは２／１００である。
【００４１】
そうして、アイセーフに必要となる粘度と粒径の関係について定量化すると、図２の点線に示す境界より、光散乱体を含む液体(または膨潤したゲル)の粘度と、分散される光散乱体の粒径との積が、略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍかそれ以下とすることによって、近視野像のスペックルがアイセーフのレベルとなることが導かれる。
【００４２】
一方、流体の粘度が１０Ｐa・ｓ程度では、光散乱体の粒径が１０ｎｍより小さい場合に達成できることになり、アイセーフのレベルの実現の可能性が低くなる。
【００４３】
(第２実施形態)
図３はこの発明の第２実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、このアイセーフ光源装置は、光散乱体を含む液体として、液体にシリコーンオイル(粘度０.５Ｐa・ｓ)を用い、光散乱体に粒径１５ｎｍの二酸化チタンからなる微粒子を用いたものである。
【００４４】
このアイセーフ光源装置は、図３に示すように、樹脂基板３０３上に形成された配線パターン３０７上にサブマウント３０８を固定し、サブマウント３０８の側面に形成された電極３１２上に、半導体レーザ３００を出射端が図３の上方を向くように配置している。上記半導体レーザ３００とサブマウント３０８上の電極３１２との間を、ボンディングされたワイヤ３０２を介して電気的に接続している。上記半導体レーザ３００が搭載されたサブマウント３０８を囲うように、円筒部３０９を樹脂基板３０３または配線パターン３０７上に銀ペーストによって固着している。上記円筒部３０９の内壁には、Ａgめっきにより金属層３１０を形成している。
【００４５】
上記円筒部３０９内に、所望の濃度で均一に分散された光散乱体を含む非電解質の液体を満たし、動的光散乱系を含む領域３０４を形成し、円筒部３０９上部を透明ガラス３１１で覆うことにより動的光散乱系を含む領域３０４内の液体を封止する。上記動的光散乱系を含む領域３０４は、樹脂基板３０３上の配線パターン３０７と円筒部３０９の金属層３１０により、上側を除いて内部表面を反射面としている。そして、上記半導体レーザ３００から出射された光は、光軸３０１の方向に進み、動的光散乱系を含む領域３０４にて拡散され、インコヒーレント光に変換される。
【００４６】
なお、図３において、モールド部については上記第１実施形態の図１に示すアイセーフ光源装置と同様であり、図および説明を省略する。
【００４７】
図４は図３で示すアイセーフ光源装置における近視野像を示している。比較のため、粘度２Ｐa・ｓのシリコーンゲルに径が２μｍのアクリルの粒子を重量濃度３０％で均一に分散させた場合の近視野像を図５に示している。図４,図５には、近視野像の光強度分布を示す生データの曲線と、その曲線をもとに周囲のデータから求めた平均強度分布の曲線と、その平均強度分布の曲線からの生データの変位を表す曲線の３種類の線が描かれている。なお、図４,図５において、生データの曲線と平均強度分布の曲線とは重なりあって見にくいが、滑らかな曲線の方が平均強度分布である。また、図４,図５の平均強度分布の曲線からの生データの変位を表す曲線の両側の相対強度の低い領域は省略している。
【００４８】
図４では、図５と比較して、生データの曲線と平均強度分布の曲線がほぼ重なっており、位置による光強度の変動が少ないことから、流体を用いた方の近視野像でスペックル量がより小さいことがわかる。図４では近視野像のＰＡＲ標準偏差σは０.０６であり、図５では近視野像のＰＡＲ標準偏差σは０.１であることから、液体を用いた方がアイセーフに耐える動的光多重散乱が得られる。
【００４９】
また、シリコーンオイルでも粘度を５Ｐa・ｓに上げた場合では、光散乱体の粒径を１５ｎｍとしても、近視野像のＰＡＲ標準偏差σは０.１３であり、スペックル量はアイセーフに耐えるレベルにはならない。
【００５０】
(第３実施形態)
図６はこの発明の第３実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、このアイセーフ光源装置は、光散乱体を含む液体として電解質の溶液に牛乳を用いている。牛乳の粘度は、約１.５ｍＰa・ｓである。電解質の場合は、半導体レーザに直接接触すると、短絡により発光効率等の特性が劣化する恐れがあるため、以下に示すような構成とする必要がある。なお、この場合、用いる流体は非電解質でもよい。
【００５１】
このアイセーフ光源装置は、図６に示すように、樹脂基板４０３上に形成された配線パターン４０７上にサブマウント４０８を固定し、サブマウント４０８の側面に形成された電極４１６上に、半導体レーザ４００を出射端が図６の上方を向くように配置している。上記半導体レーザ４００とサブマウント４０８上の電極４１６との間を、ボンディングされたワイヤ４０２を介して電気的に接続している。
【００５２】
半導体レーザ４００が搭載されたサブマウント４０８を囲うように、円筒部４０９を樹脂基板４０３または配線パターン４０７上に銀ペーストによって固着している。上記円筒部４０９の内壁には、Ａgめっきにより金属層４１０を形成している。上記半導体レーザ４００が搭載されたサブマウント４０８は、円筒４０９の空間４０４中に包含され、透明ガラス４１１により封止されている。
【００５３】
さらに、上記円筒部４０９上部を透明ガラス４１１で覆った後、その透明ガラス４１１上に円筒部４０９と同じ径の円筒部４１３をＡgペーストによって固着している。上記円筒部４１３の内壁には、Ａgめっきにより金属層４１２を形成している。
【００５４】
上記円筒部４１３内に、光散乱体を含む非電解質の液体として牛乳を満たし、動的光散乱系を含む領域４１４を形成し、円筒部４１３上部を透明ガラス４１５で覆うことにより動的光散乱系を含む領域４１４内の液体を封止する。上記動的光散乱系を含む領域４１４は、円筒部４１３の金属層４１２により、上側を除いて内部表面を反射面としている。そして、上記半導体レーザ４００から出射された光は、光軸４０１の方向に進み、動的光散乱系を含む領域４１４にて拡散され、インコヒーレント光に変換される。
【００５５】
なお、図６において、モールド部については上記第１実施形態の図１に示すアイセーフ光源装置と同様であり、図および説明を省略する。
【００５６】
この系における近視野像のＰＡＲ標準偏差σは０.０４５であり、牛乳を用いた場合は問題なくアイセーフに耐える値が得られる。
【００５７】
(第４実施形態)
動的光散乱系を含む領域を満たす母材が流体であるため、封止するための手段が要求される。封止する物質は透明であり、光の透過損失ができる限り少なくなるものが望まれる。この第４実施形態では、動的光散乱系を含む領域を満たす母材の封止方法について述べる。
【００５８】
図７はこの発明の第４実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、このアイセーフ光源装置は、光散乱体を含む液体として、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)に粒径１５ｎｍの二酸化チタンを分散させた流体を用いている。この流体の粘度は２５ｍＰa・ｓである。
【００５９】
このアイセーフ光源装置は、図７に示すように、樹脂基板５０３に上方に向かって広がる円錐台形状の凹部５０４を設け、その凹部５０４内に半導体レーザ５００を配置している。上記樹脂基板５０３上および凹部５０４にＡｕめっき配線パターン５０７を形成し、凹部５０４のＡｕめっき配線パターン５０７上に半導体レーザ５００の下側電極(図示せず)を電気的に接続している。一方、半導体レーザ５００の上側電極(図示せず)を、樹脂基板５０３上かつ凹部５０４近傍に設けられた電極５０８にワイヤ５０２を介して電気的に接続している。さらに、樹脂基板５０３上かつ凹部５０４周囲に円筒部５０９を配置している。上記円筒部５０９を樹脂基板５０３または配線パターン５０７上に銀ペーストによって固着している。さらに、上記円筒部５０９の内壁にＡgめっきにより金属層５１０を形成することにより、内部表面を反射面にしている。
【００６０】
上記凹部５０４内および円筒部５０９の内側に、光散乱体が所望の濃度に均一に分散された液体(または膨潤したゲル)を満たして、動的光散乱系を含む領域５２０を形成している。上記円筒部５０９上部を透明ガラス５１１で覆い、動的光散乱系を含む領域５２０の液体(または膨潤したゲル)を閉じ込めている。上記半導体レーザ５００からの出射光は、上記動的光散乱系を含む領域５２０内で多重散乱により拡散し、概ね光軸５０１の方向に進む。
【００６１】
この第４実施形態では、上記多重光散乱領域を流体で満たすための手法として、上記動的光散乱系を含む領域に多めの流体を注入し、一度溢れさせた後、透明ガラス５１１で封止する。そして、溢れた流体５１２を熱等で乾燥後、熱硬化型(または光硬化型)の接着剤５１３で固めることで、気体が混入することなく流体を閉じ込めることができる。なお、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)は非常に揮発性が高いため、乾燥には必ずしも熱等を加える必要はない。
【００６２】
しかし、このイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)の高い揮発性のため、動的光散乱領域を含む領域５０４にＩＰＡを注入する段階で揮発による濃縮が起こることが考えられる。そのような場合は、光散乱体が分散されたＩＰＡが充分な量の入った容器に、動的光散乱体を含む領域５２０ごとモジュールを完全に浸す。上記透明ガラス５１１と円筒部５０９との間を、圧着性の物質を用いてＩＰＡ中にて密閉する。そして、上記容器からモジュールを引き上げた後、透明ガラス５１１と円筒部５０９との間を接着剤等で完全に固着させる。以上により、揮発性の高い流体でも封止することができる。
【００６３】
なお、図７において、モールド部については上記第１実施形態の図１に示すアイセーフ光源装置と同様であり、図と説明を省略する。
【００６４】
上記第４実施形態では、ＩＰＡを用いた場合の近視野像のＰＡＲ標準偏差σは０.０２であり、アイセーフには問題なく用いることができる。
【００６５】
次に、図７に示すアイセーフ光源装置の製造工程の概略を図８(a)〜(c)を用いて説明する。
まず、図８(a)に示すように、上記動的光散乱系を含む領域となる凹部６０４内に半導体レーザ６００を固着させて、ワイヤボンディング６０２を施す。
次に、図８(b)に示すように、内周面にＡgめっきにより金属層６１０が形成された円筒部６０９を樹脂基板６０３上に銀ペースト等により固着させる。
次に、図８(c)に示すように、上記凹部６０４内および円筒部６０９の内側の領域(動的光散乱系を含む領域)に光散乱体を含む液体(または膨潤したゲル)を満たし、円筒部６０９の上部に透明ガラス６１１を乗せ、熱硬化型または光硬化型の接着剤６１３にて透明ガラス６１１を固定して、上記光散乱体を含む液体を封止する。
【００６６】
(第５実施形態)
図９はこの発明の第５実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。この第５実施形態では、動的光散乱系を含む領域を満たす母材の封止方法について述べる。
【００６７】
このアイセーフ光源装置は、図９に示すように、樹脂基板７０３に上方に向かって広がる円錐台形状の凹部７０４を設け、その凹部７０４内に半導体レーザ７００を配置している。上記樹脂基板７０３上および凹部７０４にＡｕめっき配線パターン７０７を形成し、凹部７０４のＡｕめっき配線パターン７０７上に半導体レーザ７００の下側電極(図示せず)を電気的に接続している。一方、半導体レーザ７００の上側電極(図示せず)を、樹脂基板７０３上かつ凹部７０４近傍に設けられた電極７０８にワイヤ７０２を介して電気的に接続している。さらに、樹脂基板７０３上に凹部７０４を囲むように円筒部７０９を配置している。上記円筒部７０９を樹脂基板７０３または配線パターン７０７上に銀ペーストによって固着している。さらに、上記円筒部７０９の内壁にＡgめっきにより金属層７１０を形成することにより、内部表面を反射面にしている。
【００６８】
上記凹部７０４内および円筒部７０９の内側に、光散乱体が所望の濃度に均一に分散された液体(または膨潤したゲル)を満たして、動的光散乱系を含む領域７２０を形成している。上記円筒部７０９上部を透明ガラス７１１で覆い、熱硬化型または光硬化型の物質で透明ガラス７１１を固定して、動的光散乱系を含む領域７２０の液体(または膨潤したゲル)を閉じ込めている。上記半導体レーザ７００からの出射光は、上記動的光散乱系を含む領域７２０内で多重散乱により拡散し、概ね光軸７０１の方向に進む。
【００６９】
この第５実施形態では、上記動的光散乱系を含む領域７２０である多重散乱領域を流体で満たすための手法として、円筒部７０９の一部に穴を開け、細管７１４により光散乱体を含む流体(非電解質の液体または膨潤したゲル)を注入する。このとき、流体と入れ換えで押し出されてくる気体が通り易くなるように、細管７１４中に通路が２つできるよう仕切りが設けてあってもよい。そして、円筒部７０９内部が流体で満たされた後、熱硬化型または光硬化型の物質で細管７１４用の穴を塞ぐことにより、流体の充填が完了する。
【００７０】
なお、図９において、モールド部については上記第１実施形態の図１に示すアイセーフ光源装置と同様であり、図と説明を省略する。
【００７１】
(第６実施形態)
図１０はこの発明の第６実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。この第６実施形態では、動的光散乱系を含む領域を満たす母材の封止方法について述べる。
【００７２】
このアイセーフ光源装置は、図１０に示すように、樹脂基板８０３に上方に向かって広がる円錐台形状の凹部８０４を設け、その凹部８０４内に半導体レーザ８００を配置している。上記樹脂基板８０３上および凹部８０４にＡｕめっき配線パターン８０７を形成し、凹部８０４のＡｕめっき配線パターン８０７上に半導体レーザ８００の下側電極(図示せず)を電気的に接続している。一方、半導体レーザ８００の上側電極(図示せず)を、樹脂基板８０３上かつ凹部８０４近傍に設けられた電極８０８にワイヤ８０２を介して電気的に接続している。さらに、樹脂基板８０３上に凹部８０４を囲むように円筒部８０９を配置している。上記円筒部８０９を樹脂基板８０３または配線パターン８０７上にＡgペーストによって固着している。さらに、上記円筒部８０９の内壁にＡgめっきにより金属層８１０を形成することにより、内部表面を反射面にしている。
【００７３】
上記凹部８０４内および円筒部８０９の内側に、光散乱体が所望の濃度に均一に分散された液体(または膨潤したゲル)を満たして、動的光散乱系を含む領域８２０を形成している。上記半導体レーザ８００からの高コヒーレント光は、上記動的光散乱系を含む領域８２０内で多重散乱により拡散し、概ね光軸８０１の方向に進む。
【００７４】
上記動的光散乱系を含む領域８２０である多重散乱領域を流体で満たすための手法として、気体は自由に出入りできるが、この発明で用いる光散乱体を含む流体は通過できない微孔性ポリマー等の半透膜８１１によって流体を封止する。まず、上記動的光散乱系を含む領域８２０に流体を円筒部８０９いっぱいに満たし、半透膜８１１で覆う。このとき、若干の気体８１４が混入しても構わない。次に、熱硬化型または光硬化型の接着剤８１３にて半透膜８１１を円筒部８０９に固着させる。上記半透膜８１１の上にゲル状またはゴム状の物質８１５を、上記気体８１４が半透膜８１１を通して押し出されるよう徐々に流し込む。そうして、半透膜８１１で封止された円筒部８０９を、ゲル状またはゴム状の物質８１５で覆った後、硬化することで流体を閉じ込めることができる。
【００７５】
図１０において、モールド部については上記第１実施形態の図１に示すアイセーフ光源装置と同様であり、図と説明を省略する。
【００７６】
(第７実施形態)
図１１はこの発明の第７実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。この第７実施形態では、動的光散乱系を含む領域を満たす母材の封止方法について述べる。
【００７７】
このアイセーフ光源装置は、図１１に示すように、樹脂基板９０３に上方に向かって広がる円錐台形状の凹部９０４を設け、その凹部９０４内に半導体レーザ９００を配置している。上記樹脂基板９０３上および凹部９０４にＡｕめっき配線パターン９０７を形成し、凹部９０４のＡｕめっき配線パターン９０７上に半導体レーザ９００の下側電極(図示せず)を電気的に接続している。一方、半導体レーザ９００の上側電極(図示せず)を、樹脂基板９０３上かつ凹部９０４近傍に設けられた電極９０８にワイヤ９０２を介して電気的に接続している。上記凹部９０４と盛り上がる箇所９０５には、光散乱体が所望の濃度に均一に分散される。上記半導体レーザ９００からの高コヒーレント光は、上記動的光散乱系を含む領域(凹部９０４)内で多重散乱により拡散し、概ね光軸９０１の方向に進む。
【００７８】
上記動的光散乱系を含む領域(凹部９０４)である多重散乱領域を流体で満たすための手法として、上記動的光散乱系を含む領域(凹部９０４)において、光硬化型の流体を、盛り上がる箇所９０５ができる程度に満たす。次に、半導体レーザ９００の近傍を流体のままで、その流体が漏れないように盛り上がる箇所９０５のみを硬化させるため、主に側面より光を照射する。以上の工程により、気体を混入させることなく、流体を封止することができる。これによって、前記円筒部を設ける必要がなく、製造工程上の簡略化を図ることができる。なお、樹脂基板９０３上の電極９０８は、凹部９０４内または盛り上がる箇所９０５内またはモールド部領域のいずれに配置されてもよい。
【００７９】
また、この第７実施形態で、動的光散乱系を含む領域(凹部９０４)と盛り上がりの箇所９０５に異なる物質を用いてもよい。その場合は、例として、動的光散乱系を含む領域(凹部９０４)にシリコーンオイルを用い、盛り上がりの箇所９０５に光硬化型のシリコーンゲルを用いることが考えられる。また、シリコーンゲルは熱硬化型でもよい。
【００８０】
図１１において、モールド部については上記第１実施形態の図１に示すアイセーフ光源装置と同様であり、図と説明を省略する。
【００８１】
(第８実施形態)
この発明におけるアイセーフ光源装置より出射される光を、トランシーバ間でデータの送受信を行うときに用いることができる。図１２はこの発明の第８実施形態の光通信システムの概略構成を示している。
【００８２】
図１２では、第１トランシーバ１の送信部１０００には、この発明の液体または膨潤したゲルによる光拡散構造のアイセーフ光源装置を送信手段として用いた送信モジュールが搭載され、人が存在する自由空間にインコヒーレント光を放出する。また、第２トランシーバ２の送信部１００４についても同様である。上記第１トランシーバ１と第２トランシーバ２には、それぞれ受信部１００１,１００２が搭載され、各送信部１０００,１００４から放出されたインコヒーレント光を受光することにより、データの受け渡しが行われる。
【００８３】
したがって、半導体レーザから高コヒーレントな光が出射された場合でも、安全なレベルのインコヒーレント光に変換できるため、この発明の光送信モジュールをワイヤレスの光通信システムに適用することが可能となる。このように、半導体レーザが光通信で用いられることによって、従来の発光ダイオードを送信手段に用いた場合に比べて、低消費電力で小型化と低コスト化ができ、高速かつ広範囲な通信エリアを有する光通信システムを実現することができる。
【００８４】
(第９実施形態)
この発明におけるアイセーフ光源装置では、モールド領域(エポキシ樹脂モールド部)または動的光散乱系を含む領域が何らかの原因により破損した場合、アイセーフを実現できない可能性がある。そこで、この第９実施形態では、上記領域が破損した場合でもアイセーフを維持することができる構成を示している。
【００８５】
図１３はこの発明の第９実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図である。なお、この第９実施形態のアイセーフ光源装置は、ワイヤ１０１２の接続を除いて第１実施形態のアイセーフ光源装置と同一の構成をしている。
【００８６】
図１３において、１０００は半導体レーザ、１００１は上記半導体レーザ１０００の光軸、１００２はワイヤ、１００３は樹脂基板、１００４は上記樹脂基板１００３に設けられた凹部、１００５はモールド領域としてのエポキシ樹脂によるモールド部、１００７は上記樹脂基板１００３上および凹部１００４に形成された配線パターン、１００８は上記樹脂基板１００３上に形成された電極、１００９は上記樹脂基板１００３上に配置された円筒部、１０１０は上記円筒部１００９の内壁にＡgめっきにより形成された金属層、１０１１は上記円筒部１００９の上部に固着された透明ガラスである。上記凹部１００４内および円筒部１００９内側に、光散乱体が所望の濃度に均一に分散された液体(または膨潤したゲル)を満たして、動的光散乱系を含む領域１０２０を形成している。上記動的光散乱系を含む領域１０２０には光散乱体が所望の濃度に均一に分散している。
【００８７】
上記アイセーフ光源装置においてインコヒーレント光が得られる仕組みは、上記第２実施形態までに説明した通りである。エポキシ樹脂によるモールド部１００５または動的光散乱系１００４が何らかの原因により破損した場合、半導体レーザ１０００からのコヒーレント光が充分安全なレベルのインコヒーレント光に変換されずに空間に放出される可能性がある。ここでは、モールド部１００５が樹脂基板１００３より剥離した場合を想定する。その対策として、配線パターン１００７を図示するように一部取り除き、ワイヤ１０１２のみで接続する。これにより、モールド部１００５が基板より剥離したときにそこを通るワイヤ１０１２が切断されるので、半導体レーザ１０００からのコヒーレント光を遮断し、アイセーフを維持することができる。
【００８８】
(第１０実施形態)
図１４はこの発明の第１０実施形態のアイセーフ光源装置の構成を示す断面図であり、モールド領域(エポキシ樹脂モールド部)または動的光散乱系を含む領域が破損した場合でもアイセーフを維持することができる構成を示している。なお、この第１０実施形態のアイセーフ光源装置は、ワイヤ１１０２の接続を除いて第７実施形態のアイセーフ光源装置と同一の構成をしている。
【００８９】
図１４において、１１００は半導体レーザ、１１０１は上記半導体レーザ１１００の光軸、１１０２はワイヤ、１１０３は樹脂基板、１１０４は上記樹脂基板１１０３に設けられた凹部、１１０５は盛り上がる箇所１１０５、１１０６はモールド領域としてのエポキシ樹脂によるモールド部、１１０７は上記樹脂基板１１０３上および凹部１１０４に形成された配線パターン、１１０８は上記樹脂基板１００３上に形成された電極である。
【００９０】
上記エポキシ樹脂によるモールド部１１０６または動的光散乱系を含む領域(凹部１１０４)が何らかの原因により破損した場合、半導体レーザ１１００からのコヒーレント光が充分安全なレベルのインコヒーレント光に変換されずに空間に放出される可能性がある。そこで、上記半導体レーザ１１００に接続されるワイヤ１１０２をモールド部１１０６内まで通す。これにより、モールド部１１０６または動的光散乱系を含む領域(凹部１１０４)が破損したときにそこを通るワイヤ１１０２が切断されるので、半導体レーザ１１００からのコヒーレント光を遮断し、アイセーフを維持することができる。
【００９１】
上記実施の形態では、自由空間での光伝送に用いた光源装置について説明したが、この発明の光源装置はこれに限らず、光ファイバー伝送等に適用してもよい。
【００９２】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の光源装置によれば、上記動的光散乱系を含む領域にゲル状またはゴム状の物質を用いた場合に比べて、液体または膨潤したゲルを用いることにより、近視野像のＰＡＲ標準偏差σを概ね１桁以上低減することができ、アイセーフに必要なＰＡＲ標準偏差σを０.０８以下にすることができる。
【００９３】
また、光散乱体の規格化変位量を略λ・１／１００にすることでアイセーフを満たすことができ、より望ましい値としてはλ・２／１００にすることでアイセーフを満たすことができる。さらに、動的光散乱系に含まれる液体または膨潤したゲルの粘度と、分散される光散乱体の粒径の積を、略１.５×１０-1Ｐa・ｓ・μｍ以下にすることで、近視野像の光強度をアイセーフのレベルにすることができる。
【００９４】
したがって、半導体レーザからの高コヒーレントな光が出射された場合でも、人の目に安全なレベルのインコヒーレント光に変換できるため、この発明の光源装置を光通信システムに適用することが可能となる。そうして、半導体レーザを光通信で用いることによって、従来発光ダイオードで行われていた場合に比べて、低消費電力かつ高速伝送を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１はこの発明の第１実施形態のアイセーフ光源装置の断面図である。
【図２】  図２は上記アイセーフ光源装置において、流体の粘度をパラメータとしたときの光散乱体の粒径と３０ｍｓにおける規格化変位量△ｌ／λの関係を示す図である。
【図３】  図３はこの発明の第２実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図４】  図４は上記アイセーフ光源装置における近視野像である。
【図５】  図５はシリコーンゲルにアクリルの粒子を均一に分散させた場合の近視野像である。
【図６】  図６はこの発明の第３実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図７】  図７はこの発明の第４実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図８】  図８(a)〜(c)は上記アイセーフ光源装置の製造工程を示す概略図である。
【図９】  図９はこの発明の第５実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図１０】  図１０はこの発明の第６実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図１１】  図１１はこの発明の第７実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図１２】  図１２はこの発明の第８実施形態の光通信システムの構成図である。
【図１３】  図１３はこの発明の第９実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図１４】  図１４はこの発明の第１０実施形態のアイセーフ光源装置を示す断面図である。
【図１５】  図１５は光源装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１００,３００,４００,５００,６００,７００,８００,９００,１０００,１１００…半導体レーザ、
１０１,３０１,４０１,５０１,７０１,８０１,９０１,１００１,１１０１…半導体レーザの光軸、
１０２,３０２,４０２,５０２,６０２,７０２,８０２,９０２,１００２,１０１２,１１０２…ワイヤ、
１０３,３０３,４０３,５０３,７０３,８０３,９０３,１００３,１１０３…樹脂基板、
１０４,３０４,５０４,６０４,７０４,８０４,９０４,１００４,１１０４…凹部、
１０５,１００５,１１０６…モールド部、
１０７,３０７,４０７,５０７,７０７,８０７,９０７,１００７,１１０７…配線パターン、
１０８,５０８,７０８,８０８,９０８,１００８,１１０８…電極、
１０９,３０９,４０９,４１３,５０９,６０９,７０９,８０９,１００９…円筒部、
１１０,３１０,４１０,４１２,５１０,６１０,７１０,８１０,１０１０…金属層、
１１１,３１１,４１１,４１５,５１１,６１１,７１１,８１１,１０１１…透明ガラス、
１２０,４１４,５２０,７２０,８２０,１０２０…動的光散乱系を含む領域、
３０８,４０８…サブマウント、
４０４…空間、
５１２…乾燥される流体、
５１３,６１３,７１３,８１３…接着剤、
７１４…細管、
８１４…気体、
８１５…ゲル状またはゴム状の物質、
９０５,１１０５…盛り上がる箇所。