(57)【要約】【課題】  低価格で、簡単な構成で、小型の発光装置を提供する。【解決手段】  この発光装置は、複数の面発光部３を含む面発光アレイ１と、それぞれ複数の面発光部３の出射光を１点に集光する複数の回折光学素子６を含む回折光学素子アレイ４と、その一方端が回折光学素子アレイ４によって集光された光を受け、その他方端から出射させる光ファイバ７とを備える。したがって、複数の光ファイバで集光していた従来に比べ、装置の低価格化、構成の簡単化、装置の小型化を図ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の面発光部を含む面発光アレイと、
前記複数の面発光部の出射光を１点に集光する光学素子と、
その一方端が前記光学素子によって集光された光を受け、その他方端から出射させる光ファイバとを備えた、発光装置。
【請求項２】
前記光学素子は、それぞれ前記複数の面発光部に対応して設けられ、各々が、対応の面発光部の出射光を前記光ファイバの一方端に入射させる複数の回折光学素子を含む回折光学素子アレイである、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記回折光学素子は、ガラス、樹脂、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ、ＬｉＴａＯ、ダイヤモンド、ＺｎＯ、サファイア、ＤＬＣ、フォトポリマから選ばれた少なくとも１種を含む材質で形成されている、請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記光学素子はフォトニック結晶である、請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記フォトニック結晶は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣから選ばれた少なくとも１種を含む材質で形成されている、請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記面発光アレイは、導電性窒化ガリウム基板上に少なくとも窒化物半導体層を積層して形成されている、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の発光装置。
【請求項７】
各面発光部は面発光レーザである、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発光装置に関し、特に、高出力の発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体レーザ素子の高出力化が進められているが、それにも限度がある。しかし、複数の半導体レーザ素子の出射光を１つに束ねれば、強いレーザ光を容易に得ることができる。
【０００３】
すなわち図６に示すように、複数の半導体レーザ素子３１を使用し、各半導体レーザ素子３１の出射光をコリメータレンズ３２でコリメートして光ファイバ３３の一方端に導入し、複数の光ファイバ３３の他方端からの光を１本の光ファイバ３４の一方端に導入すれば、光ファイバ３４の他方端から強いレーザ光を得ることができる。
【０００４】
また図７に示すように、面発光アレイ４１の出射光をコリメータレンズアレイ４２でコリメートして平面光源を作製し（たとえば特許文献１参照）、この平面光源の出射光を光ファイバアレイ４３の一方端に導入し、光ファイバアレイ４３の他方端からの光を１本の光ファイバ４４の一方端に導入すれば、光ファイバ４４の他方端から強いレーザ光を得ることができる。
【特許文献１】特開２００２−４９３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、複数の半導体レーザ素子３１を使用する方法では、半導体レーザ素子３１、コリメータレンズ３２および光ファイバ３３の各組毎に光軸調整をする必要があるため、装置価格が高くなり、装置構成が複雑になるという問題があった。
【０００６】
また、面発光アレイ４１を使用する方法では、面発光アレイ４１における面発光部のピッチを光ファイバアレイ４３における光ファイバの直径よりも小さくすることはできず、装置寸法を小さくすることができないという問題がある。また、光ファイバアレイ４３の精度にも限度がある。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、低価格で、簡単な構成で、小型の発光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および効果】
【０００８】
この発明に係る発光装置は、複数の面発光部を含む面発光アレイと、複数の面発光部の出射光を１点に集光する光学素子と、その一方端が光学素子によって集光された光を受け、その他方端から出射させる光ファイバとを備えたものである。したがって、面発光アレイの出射光を１つの光学素子で集光するので、複数の光ファイバで集光していた従来に比べ、容易に実装することができ、装置の低価格化、構成の簡単化を図ることができる。また、面発光アレイにおける面発光部のピッチを光ファイバの直径よりも小さくすることができ、装置の小型化を図ることができる。
【０００９】
好ましくは、光学素子は、それぞれ複数の面発光部に対応して設けられ、各々が、対応の面発光部の出射光を光ファイバの一方端に入射させる複数の回折光学素子を含む回折光学素子アレイである。この場合は、光学素子の小型化、薄型化を図ることができる。
【００１０】
また好ましくは、回折光学素子は、ガラス、樹脂、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ、ＬｉＴａＯ、ダイヤモンド、ＺｎＯ、サファイア、ＤＬＣ、フォトポリマから選ばれた少なくとも１種を含む材質で形成されている。この場合は、高い回折効果を得ることができ、回折光学素子の薄型化を図ることができる。
【００１１】
また好ましくは、光学素子はフォトニック結晶である。この場合は、光学素子の小型化、薄型化を図ることができる。
【００１２】
また好ましくは、フォトニック結晶は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣから選ばれた少なくとも１種を含む材質で形成されている。この場合は、半導体プロセスで加工することができ、高い屈折率を得ることができる。
【００１３】
また好ましくは、面発光アレイは、導電性窒化ガリウム基板上に少なくとも窒化物半導体層を積層して形成されている。この場合は、高い熱伝導率を得ることができるので、面発光部の熱を充分に放散することができ、面発光部を高密度でアレイ化することができる。また、基板と各層の熱膨張係数が近いので、不要な応力がかからない。
【００１４】
また好ましくは、各面発光部は面発光レーザである。この場合は、面発光部の高出力化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による発光装置の構成を示す図である。図１において、この発光装置は、面発光アレイ１、回折光学素子アレイ４および光ファイバ７を備える。面発光アレイ１は、４角形の基板２と、その表面に複数行複数列（ここでは４行４列とする）に配置された１６の面発光部３とを含む。
【００１６】
面発光アレイ１は、基板２である導電性窒化ガリウム基板の表面に少なくとも窒化物半導体層を積層して形成することが好ましい。これにより、高い放熱性を得ることができ、面発光部３の発光時に発生する熱を効率よく放散することができる。また、基板と各層の熱膨張係数の差に起因するクラックの発生を抑制することができる。面発光部３は、面発光レーザであることが好ましい。これにより、高い出力を得ることができる。
【００１７】
回折光学素子アレイ４は、透光性基板５の表面に１６の回折光学素子６を形成したものである。１６の回折光学素子６は、それぞれ１６の面発光部３に対応して設けられている。各回折光学素子６は、対応の面発光部３の出射光を光ファイバ７の一方端に入射させる。
【００１８】
回折光学素子６は、回折格子層を含む。回折格子層では、比較的小さな屈折率（または膜厚）を有する第１の局所的領域と、比較的大きな屈折率（または膜厚さ）を有する第２の局所的領域とが所定の周期で交互に形成されている。回折光学素子を形成する方法としては、エネルギービームの照射によって屈折率が変化する材料で透光性層を形成した後にエネルギービームを周期的パターンで照射する方法や、フォトリソグラフィとエッチングを利用して透光性層を加工する方法がある。
【００１９】
第１の局所的領域を通過した光と、第２の局所的領域を通過した光との位相差に起因して回折現象が生じる。第１および第２の局所的領域の屈折率（または膜厚）の比を調整することにより回折光学素子６の回折角度を調整することができる。回折光学素子アレイ４の中心からの距離が大きな回折光学素子６の回折角度を大きくし、回折光学素子アレイ４の中心からの距離が小さな回折光学素子６の回折角度を小さくすることにより、１６の面発光部３の出射光を光ファイバ７の一方端の中心に集光する。
【００２０】
回折光学素子６は、ガラス、樹脂、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ、ＬｉＴａＯ、ダイヤモンド、ＺｎＯ、サファイア、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン：ダイヤモンド状炭素）、フォトポリマから選ばれた少なくとも１種を含む材質で形成されている。これにより、高い回折効果を得ることができ、回折光学素子６の薄型化を図ることができる。
【００２１】
光ファイバ７の一方端に入射された１６のレーザビームは、光ファイバ７で１つのレーザビームに束ねられて光ファイバ７の他方端から出射される。
【００２２】
この実施の形態１では、面発光アレイ１の出射光を回折光学素子アレイ４で集光するので、複数の光ファイバ３３や光ファイバアレイ４３で集光していた従来に比べ、容易に実装することができ、装置の低価格化、構成の簡単化を図ることができる。また、面発光アレイ１における面発光部３のピッチを光ファイバ７の直径よりも小さくすることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００２３】
[実施の形態２]
図２は、この発明の実施の形態２による発光装置の構成を示す図である。図２を参照して、この発光装置が図１の発光装置と異なる点は、回折光学素子４がフォトニック結晶１０で置換されている点である。
【００２４】
フォトニック結晶１０は、図３に示すように、第１の方向に延在する柱状部材１１が所定周期で配置された第１の層と、第１の方向と直交する第２の方向に延在する柱状部材１２が所定周期で配置された第２の層とを交互に配置した３次元周期構造のバルク中に、光の通過可能な光路を形成したものである。１６の面発光部３から出射された光は、フォトニック結晶１０内に形成された光路を通過してフォトニック結晶１０の中心点から光ファイバ７の一方端に放出される。
【００２５】
フォトニック結晶１０は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣから選ばれた少なくとも１種を含む材質で形成される。これにより、半導体プロセスで加工することができ、高い屈折率を得ることができる。
【００２６】
次に、この発光装置の作製方法について具体的に説明する。まず、面発光アレイ１として、導電性窒化ガリウム基板を用いた面発光レーザアレイを用意した。面発光レーザアレイには１０行１０列の発光部（面発光部３）が配置されている。発光部のピッチは２００μｍである。出射光の波長は４０５ｎｍであり、発光部１つ当たりの光出力は５ｍＷである。この面発光レーザアレイは、発光面にフォトニック結晶１０を接合するため、アレイ基板端部の電極から全発光部に通電可能なように形成されている。
【００２７】
フォトニック結晶用材料としては、屈折率ｎ＝２．４のＧａＮを選択した。ＧａＡｓ基板上に厚み１３０ｎｍのＳｉＯ２膜をスパッタ蒸着法で形成し、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法で１１９ｎｍピッチのラインおよびスペースを形成した。次に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮを１１９ｎｍの厚みで堆積した。ただし、ＳｉＯ２膜上にはＧａＮは成長しない。次いで、ＳｉＯ２膜を除去し、図４（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板上にＧａＮのラインＬのみが残った部材を作製した。
【００２８】
このとき、上記面発光レーザアレイの出射光を受光する箇所および１箇所に集光するための導光経路ＡにはＧａＮが残らないように、すなわち、一定のラインＬおよびスペースＳではなく、ラインＬの一部がなくなっている部分ができるように、フォトリソグラフィ用のマスクは特別に設計したものを使用した。なお、図４（ａ）では、図面の簡単化のため１つの導光経路Ａのみが示されている。この手法を用いて、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、フォトニック結晶で集光させるのに必要な層数（図では４層）分のＧａＮ付ＧａＡｓ基板を作製、準備した。
【００２９】
次に、上の層から順番にＧａＮ付ＧａＡｓ基板を超高真空槽に導入し、窒素プラズマでＧａＮの接合面を清浄化し、そのままＧａＮ面を合わせて高温高圧をかけ、ウェハボンディングの要領で接合した。接合後、上面側のＧａＡｓが残るように、下側のＧａＡｓのみを除去した。次に、上から３層目と４層目のＧａＮ付ＧａＡｓ基板を上述の手順で接合した部材と先の１層目および２層目の部材とを接合した。図５（ａ）はこのようにして形成したフォトニック結晶の正面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。奇数番目の層のラインＬと偶数番目の層のラインＬとは直交して配置される。面発光レーザアレイの発光部から出射されたレーザ光は、ラインＬの欠落部によって形成された導光経路Ａを通って出射口に導かれる。
【００３０】
以上のようにして、必要な厚みの３次元格子状のフォトニック結晶を作製した。この後、面発光レーザアレイと作製した３次元格子状フォトニック結晶を、面発光レーザアレイの発光部がフォトニック結晶の導光部に合うように位置決めし、上述の手法で接合した。作製したフォトニック結晶付面発光レーザアレイを発振させたところ、フォトニック結晶の１つの出射部から光が出射した。出射光の出力は、約４８０ｍＷであった。
【００３１】
この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。
【００３２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施の形態１による発光装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２による発光装置の構成を示す図である。
【図３】図２に示したフォトニック結晶の構成を示す図である。
【図４】図３に示したフォトニック結晶の作製方法を示す図である。
【図５】図３に示したフォトニック結晶の作製方法を示す他の図である。
【図６】従来の発光装置の構成を示す図である。
【図７】従来の他の発光装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１,４１  面発光アレイ、２  基板、３  面発光部、４  回折光学素子アレイ、５  透光性基板、６  回折光学素子、７，３３，３４，４４  光ファイバ、１０  フォトニック結晶、１１，１２  柱状部材、Ｌ  ライン、Ｓ  スペース、Ａ  導光経路、３１  半導体レーザ、３２  コリメータレンズ、４２  コリメータレンズアレイ、４３  光ファイバアレイ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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