(57)【要約】【課題】指向半値角度を制御できると共に放射強度を向上でき、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用可能な半導体レーザ光源装置およびその製造方法およびその半導体レーザ光源装置を搭載した電子機器を提供する。【解決手段】レーザチップ１から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に、レーザチップ１側から順に光散乱領域２とレンズ領域３を設ける。上記光散乱領域２は、光散乱材２１(アクリル粒子)と、含フッ素樹脂を含む母剤２２(フッ化アクリレートモノマーの単独重合体と酢酸ビニルとの重合体)とで形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に、上記半導体レーザ素子側から順に光散乱領域とレンズ領域を設けた半導体レーザ光源装置であって、
上記光散乱領域は、含フッ素樹脂または多孔質構造材を含むことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂がフッ化アクリレート樹脂またはフッ化メタクリレート樹脂であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂がフッ化ビニリデン樹脂またはテトラフロロエチレンであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂がオレフィンとの共重合体であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材がエアロゲル材料であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記エアロゲル材料がシリカエアロゲルであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材が多孔質スチレンであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項８】
請求項１または５乃至７のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に含まれていることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記マトリックス樹脂が含フッ素樹脂であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記マトリックス樹脂が含シリコーン樹脂であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に空孔を含むものであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１２】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさのフッ素樹脂からなる粒子を含むことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１３】
請求項１または５乃至１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材に含まれた空孔は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記光散乱領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.９倍以下であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記光散乱領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.８倍以下であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記光散乱領域は、上記半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を散乱させる光散乱粒子を有することを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記光散乱領域の光散乱粒子は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／５以上かつ２０倍以下の大きさであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１８】
半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に、上記半導体レーザ素子側から順に光散乱領域とレンズ領域を設けた半導体レーザ光源装置であって、
上記光散乱領域と上記レンズ領域との間に、含フッ素樹脂または多孔質構造材を含む中間領域が設けられていることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂がフッ化アクリレート樹脂またはフッ化メタクリレート樹脂であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂がフッ化ビニリデン樹脂またはテトラフロロエチレンであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂がオレフィンとの共重合体であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２２】
請求項１８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材がエアロゲル材料であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記エアロゲル材料がシリカエアロゲルであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２４】
請求項１８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材が多孔質スチレンであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２５】
請求項１８または２２乃至２４のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に含まれていることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記マトリックス樹脂が含フッ素樹脂であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２７】
請求項２５に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記マトリックス樹脂が含シリコーン樹脂であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２８】
請求項１８に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に空孔を含むものであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項２９】
請求項１８乃至２１のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記含フッ素樹脂は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさのフッ素樹脂からなる粒子を含むことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３０】
請求項１８または２２乃至２７のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記多孔質構造材に含まれた空孔は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３１】
請求項１８乃至３０のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記中間領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.９倍以下であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３２】
請求項１８乃至３０のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記中間領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.８倍以下であることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３３】
請求項１８乃至３２のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置において、
上記光散乱領域は、上記半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を散乱させる光散乱粒子を有することを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の半導体レーザ光源装置において、
上記光散乱領域の光散乱粒子は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／５以上かつ２０倍以下の大きさであることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項３５】
半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に光散乱領域と中間領域およびレンズ領域が設けられた半導体レーザ光源装置の製造方法であって、
上記半導体レーザ素子を覆うように上記光散乱領域を形成する工程と、
上記光散乱領域上に上記レンズ領域よりも屈折率が低い中間領域を形成する工程と、
上記中間領域上に上記レンズ領域を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ光源装置の製造方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の半導体レーザ光源装置の製造方法において、
上記中間領域を形成する工程では、上記光散乱領域上にイオン結合結晶を含む領域を形成した後、上記イオン結合結晶を含む領域に対するエッチングにより空孔を形成して、上記空孔を含む上記中間領域を形成することを特徴とする半導体レーザ光源装置の製造方法。
【請求項３７】
請求項１乃至３４のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ光源装置およびその製造方法および電子機器に関し、半導体レーザ素子からの出射光を光散乱領域により散乱させることにより実質的に光源径を拡大した半導体レーザ光源装置およびその製造方法および半導体レーザ光源装置を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザ光源装置としては、半導体レーザ素子からの出射光が外部空間に至る光路上に光散乱領域を設けることにより実質的に光源径を拡大したものがある(例えば、特再公表ＷＯ０３／０７７３８９(特許文献１)参照)。図１２は、その半導体レーザ光源装置の代表的な構成を示す断面図を示しており、図１２に示すように、半導体レーザ素子１０１からの出射光は、光散乱領域１０２を介してレンズ領域１０３に入射する。上記光散乱領域２は、光散乱剤１２１と、それを取り囲む母剤１２２となる樹脂材料からなっている。この半導体レーザ光源装置では、レンズ領域１０３を形成する材料としてエポキシ系樹脂(屈折率１.５５)を用いると共に、光散乱領域１０２の母剤１２２としてシリコーン系樹脂(屈折率１.４３)を用い、光散乱剤１２１として有機スチレン粒子(屈折率１.５９５)を用いている。上記光散乱領域１０２の母剤１２２に対する光散乱剤１２１の混合比率は、重量比で約５〜１０wt％である。
【０００３】
上記構成の半導体レーザ光源装置では、眼に対する安全性確保の観点から、光散乱領域１０２により、レーザ光の指向性は完全に消失するまでに散乱を受ける。このとき、光散乱領域１０２内では、レーザ光の指向性は完全ランバーシアン分布となる。図１３にて説明すると、光散乱領域１０２とレンズ領域１０３との界面において光軸(Ｚ軸)と入射光とのなす角をθ2とし、光軸(Ｚ軸)と出射光とのなす角をθ3とするとき、光散乱領域１０２とレンズ領域１０３との界面の光散乱領域１０２側では、光線の角度分布は、次の式１に従う。
【数１】
2006086416.tif 000003
これは指向半値角度(光強度が最大値から１／２に減少する時の広がり角度)で約±６０度になり、ほぼ−９０〜＋９０度の範囲にわたって分布している。光散乱領域１０２とレンズ領域１０３との界面に入射角θ２で入射した光線は、スネルの法則によりレンズ領域１０３では、界面に対する出射角θ3は、次の式２に示す角度方向に屈折する。
【数２】
2006086416.tif 000004
ここで、ｎLは光散乱領域１０２の屈折率、ｎHはレンズ領域１０３の屈折率である。この屈折のためレンズ領域１０３では、光の角度分布は−６４〜＋６４度と少し狭く限定されている。
【０００４】
一方、光散乱領域１０２とレンズ領域１０３との界面を通過する光線の空間的広がりについて考えると、空間的光の広がりは光散乱領域１０２の厚さに比例し、最適な散乱濃度では、光散乱領域１０２の厚さの１〜２倍に及ぶ。この空間的光の広がりを２次的面光源と呼ぶ。このように、従来の半導体レーザ光源装置では、広い２次的面光源内から±６４度の範囲で光線が分布するため、レンズ領域１０３の通過後の光線の指向角度制御に限界があり、その結果、十分な放射強度が得られない。特に、近年携帯電話をはじめとする携帯機器の小型化の進展は著しく、そこで求められる光源も小さいものである。つまり、２次的面光源のサイズを確保してアイセーフティを満たしつつ、レンズ領域１０３の径を小さくすることは放射強度のさらなる低下につながる。
【０００５】
上記従来の半導体レーザ光源装置においては、光散乱領域１０２とレンズ領域１０３との間に低屈折率層を挿入することで、低屈折率層から光散乱領域１０２に戻る全反射が存在し、散乱領域を長く通ることで結果的にコヒーレンシーの更なる低減がなされることが示されている。しかしながら、ここでは、放射強度の改善効果については何ら言及されていなし、具体的な材料構成についても記載がない。
【特許文献１】特再公表ＷＯ０３／０７７３８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の目的は、指向半値角度を制御できると共に放射強度を向上でき、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用可能な半導体レーザ光源装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、この発明のもう１つ目的は、上記半導体レーザ光源装置を搭載した電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の半導体レーザ光源装置は、２次的面光源の光源径を損なうことなく、放射強度を高めることのできる半導体レーザ光源装置に関するものであって、特に外部空間と接し、レンズ機能を有するレンズ領域内部での光線の指向性を制御することで、上記目的を達成する。
【０００９】
第１の発明の半導体レーザ光源装置は、半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に、上記半導体レーザ素子側から順に光散乱領域とレンズ領域を設けた半導体レーザ光源装置であって、上記光散乱領域は、含フッ素樹脂または多孔質構造材を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成の半導体レーザ光源装置によれば、上記含フッ素樹脂または多孔質構造材を含む光散乱領域からレンズ領域に光が入射するときの屈折効果を用いて、レンズ領域内の光の放射角度分布幅を狭くすることが可能となる。このように、指向半値角度(光強度が最大値から１／２に減少する時の広がり角度)を制御できると共に放射強度を向上でき、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用可能な半導体レーザ光源装置を実現することができる。上記光散乱領域には、含フッ素樹脂を主成分とする樹脂材料が好適であり、また、多孔質構造を用いることが可能である。また、含フッ素樹脂に代表される低屈折率樹脂を混合した複数の材料からなる樹脂であってもよい。
【００１１】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂がフッ化アクリレート樹脂またはフッ化メタクリレート樹脂であることが好適である。
【００１２】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂がフッ化ビニリデン樹脂またはテトラフロロエチレンであることが好適である。
【００１３】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂がオレフィンとの共重合体であることを特徴とする。
【００１４】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記含フッ素樹脂がオレフィンとの共重合体であることによって、屈折率が低くかつ膜特性が優れた光散乱領域を形成できる。
【００１５】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材がエアロゲル材料であることを特徴とする。
【００１６】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記多孔質構造材としてエアロゲル材料を用いることによって、エアロゲル材料の微小な空孔により低屈折率の光散乱領域を設けることができる。
【００１７】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記エアロゲル材料がシリカエアロゲルであることを特徴とする。
【００１８】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記エアロゲル材料としてシリカエアロゲルを用いることによって、光散乱領域の屈折率を極めて小さくできる。
【００１９】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材が多孔質スチレンであることを特徴とする。
【００２０】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記多孔質構造材として多孔質スチレンを用いることによって、多孔質スチレンの微小な空孔により低屈折率の光散乱領域を設けることができる。
【００２１】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に含まれていることを特徴とする。
【００２２】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、ひび割れや剥離を防止できる低屈折率でかつ熱的安定性に優れたマトリックス樹脂を用いることにより、信頼性を向上できる。また、上記多孔質構造材が粉体で飛散するような場合、マトリックス樹脂に多孔質構造材を混合することで、多孔質構造材をマトリックス樹脂で取り囲んで飛散を防止できる。
【００２３】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記マトリックス樹脂が含フッ素樹脂であることを特徴とする。
【００２４】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記マトリックス樹脂に含フッ素樹脂を用いることによって、光散乱領域の屈折率をより低くできる。
【００２５】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記マトリックス樹脂が含シリコーン樹脂であることを特徴とする。
【００２６】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、マトリックス樹脂に含シリコーン樹脂を用いることによって、熱硬化後にもマトリックス樹脂の硬度が小さいため、例えばエポキシ樹脂からなるレンズ領域やガラスエポキシ基板からの応力が半導体レーザ素子に伝わりにくく、電流注入のオン／オフに伴う半導体レーザ素子の温度変化による収縮に伴う応力が緩和され、信頼性を向上できる。
【００２７】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に空孔を含むものであることを特徴とする。
【００２８】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、例えばマトリックス樹脂を攪拌して形成された空孔により低屈折率の光散乱領域を設けることができる。また、一般的なパルスレーザを走査することにより、光散乱領域のマトリックス樹脂内部に空孔を任意の大きさ,割合に設定でき、ランダムに作製したり規則正しく作製したりできる。
【００２９】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂が、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさのフッ素樹脂からなる粒子を含むことを特徴とする。
【００３０】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさのフッ素樹脂からなる粒子は、散乱材として機能せず透明材料として振るまい、上記光散乱領域の屈折率が低くなる。
【００３１】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材に含まれた空孔が、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさであることを特徴とする。
【００３２】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさの空孔は、散乱材として機能せず透明材料として振るまい、上記光散乱領域の屈折率が低くなる。
【００３３】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記光散乱領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.９倍以下であることを特徴とする。
【００３４】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記光散乱領域の屈折率がレンズ領域の屈折率の０.９倍以下とすることによって、放射強度の改善効果が十分に得られる。なお、上記レンズ領域の屈折率を上げた構造としてもまったく同様の効果が得られる。
【００３５】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記光散乱領域の屈折率が、上記レンズ領域の屈折率の０.８倍以下であることがより好ましい。
【００３６】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記光散乱領域が、上記半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を散乱させる光散乱粒子を有することを特徴とする。
【００３７】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、半導体レーザ素子から発した光は、光散乱粒子(アクリル粒子、有機スチレン粒子、多孔質有機スチレン粒子など)を有する光散乱領域において、その指向性がほぼ完全に消失するまで多重散乱を受けてアイセーフティが保たれる。
【００３８】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記光散乱領域の光散乱粒子が、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／５以上かつ２０倍以下の大きさであることを特徴とする。
【００３９】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記光散乱領域の光散乱粒子の大きさを、材料中の光の波長すなわち半導体レーザ素子の発振波長の１／５以上かつ２０倍以下とすることによって、光散乱粒子が光散乱剤として機能する。これに対して、上記光散乱領域の光散乱粒子の大きさが１／５以下の粒径の場合は、散乱材として機能せず透明材料として振るう一方、２０倍以上の粒径の場合は、光散乱剤ではなく、屈折材もしくは障害物として振舞う。
【００４０】
また、第２の発明の半導体レーザ光源装置は、半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に、上記半導体レーザ素子側から順に光散乱領域とレンズ領域を設けた半導体レーザ光源装置であって、上記光散乱領域と上記レンズ領域との間に、含フッ素樹脂または多孔質構造材を含む中間領域が設けられていることを特徴とする。
【００４１】
上記構成の半導体レーザ光源装置によれば、半導体レーザ素子から放射したレーザ光は、光散乱領域で十分な散乱を受けて指向性のない状態で、含フッ素樹脂または多孔質構造材を含む中間領域に入射する。この中間領域の屈折率を光散乱領域よりも低くすることによって、光散乱領域から中間領域に透過するのは、光散乱領域でレンズ領域の光軸方向に向きがそろった光に限定される。さらに、上記含フッ素樹脂または多孔質構造材を含む光散乱領域からレンズ領域に光が入射するときの屈折効果を用いて、レンズ領域内の光の放射角度分布幅を狭くすることが可能となる。このように、指向半値角度を制御できると共に放射強度を向上でき、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用可能な半導体レーザ光源装置を実現することができる。上記中間領域には、含フッ素樹脂を主成分とする樹脂材料が好適であり、また、多孔質構造を用いることが可能である。また、含フッ素樹脂に代表される低屈折率樹脂を混合した複数の材料からなる樹脂であってもよい。
【００４２】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂がフッ化アクリレート樹脂またはフッ化メタクリレート樹脂であることが好適である。
【００４３】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂がフッ化ビニリデン樹脂またはテトラフロロエチレンであることが好適である。
【００４４】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂がオレフィンとの共重合体であることを特徴とする。
【００４５】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記含フッ素樹脂がオレフィンとの共重合体であることによって、屈折率が低くかつ膜特性が優れた光散乱領域を形成できる。
【００４６】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材がエアロゲル材料であることを特徴とする。
【００４７】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記多孔質構造材としてエアロゲル材料を用いることによって、エアロゲル材料の微小な空孔により低屈折率の中間領域を設けることができる。
【００４８】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記エアロゲル材料がシリカエアロゲルであることを特徴とする。
【００４９】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記エアロゲル材料としてシリカエアロゲルを用いることによって、中間領域の屈折率を極めて小さくできる。
【００５０】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材が多孔質スチレンであることを特徴とする。
【００５１】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記多孔質構造材として多孔質スチレンを用いることによって、多孔質スチレンの微小な空孔により低屈折率の中間領域を設けることができる。
【００５２】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に含まれていることを特徴とする。
【００５３】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、ひび割れや剥離を防止できる低屈折率でかつ熱的安定性に優れたマトリックス樹脂を用いることにより、信頼性を向上できる。また、上記多孔質構造材が粉体で飛散するような場合、マトリックス樹脂に多孔質構造材を混合することで、多孔質構造材をマトリックス樹脂で取り囲んで飛散を防止できる。
【００５４】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記マトリックス樹脂が含フッ素樹脂であることを特徴とする。
【００５５】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記マトリックス樹脂に含フッ素樹脂を用いることによって、中間領域の屈折率をより低くできる。
【００５６】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記マトリックス樹脂が含シリコーン樹脂であることを特徴とする。
【００５７】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、マトリックス樹脂に含シリコーン樹脂を用いることによって、熱硬化後にもマトリックス樹脂の硬度が小さいため、例えばエポキシ樹脂からなるレンズ領域やガラスエポキシ基板からの応力が半導体レーザ素子に伝わりにくく、電流注入のオン／オフに伴う半導体レーザ素子の温度変化による収縮に伴う応力が緩和され、信頼性を向上できる。
【００５８】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材は、マトリックス樹脂に空孔を含むものであることを特徴とする。
【００５９】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、例えばマトリックス樹脂を攪拌して形成された空孔により低屈折率の中間領域を設けることができる。また、一般的なパルスレーザを走査することにより、中間領域のマトリックス樹脂内部に空孔を任意の大きさ,割合に設定でき、ランダムに作製したり規則正しく作製したりできる。
【００６０】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記含フッ素樹脂が、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさのフッ素樹脂からなる粒子を含むことを特徴とする。
【００６１】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさのフッ素樹脂からなる粒子は、散乱材として機能せず透明材料として振るまい、上記中間領域の屈折率が低くなる。
【００６２】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記多孔質構造材に含まれた空孔が、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさであることを特徴とする。
【００６３】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／１０以下の大きさの空孔は、散乱材として機能せず透明材料として振るまい、上記中間領域の屈折率が低くなる。
【００６４】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記中間領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.９倍以下であることを特徴とする。
【００６５】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記中間領域の屈折率がレンズ領域の屈折率の０.９倍以下とすることによって、放射強度の改善効果が十分に得られる。なお、上記レンズ領域の屈折率を上げた構造としてもまったく同様の効果が得られる。
【００６６】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記中間領域の屈折率が上記レンズ領域の屈折率の０.８倍以下であることがより好ましい。
【００６７】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記光散乱領域は、上記半導体レーザ素子の発振波長のレーザ光を散乱させる光散乱粒子を有することを特徴とする。
【００６８】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、半導体レーザ素子から発した光は、光散乱粒子(アクリル粒子、有機スチレン粒子、多孔質有機スチレン粒子など)を有する光散乱領域において、その指向性がほぼ完全に消失するまで多重散乱を受けてアイセーフティが保たれる。
【００６９】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置は、上記光散乱領域の光散乱粒子は、上記半導体レーザ素子の発振波長の１／５以上かつ２０倍以下の大きさであることを特徴とする。
【００７０】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、上記光散乱領域の光散乱粒子の大きさを、材料中の光の波長すなわち半導体レーザ素子の発振波長の１／５以上かつ２０倍以下とすることによって、光散乱粒子が光散乱剤として機能する。これに対して、上記光散乱領域の光散乱粒子の大きさが１／５以下の粒径の場合は、散乱材として機能せず透明材料として振るう一方、２０倍以上の粒径の場合は、光散乱剤ではなく、屈折材もしくは障害物として振舞う。
【００７１】
また、この発明の半導体レーザ光源装置の製造方法は、半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に光散乱領域と中間領域およびレンズ領域が設けられた半導体レーザ光源装置の製造方法であって、上記半導体レーザ素子を覆うように上記光散乱領域を形成する工程と、上記光散乱領域上に上記レンズ領域よりも屈折率が低い中間領域を形成する工程と、上記中間領域上に上記レンズ領域を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００７２】
上記半導体レーザ光源装置の製造方法によれば、半導体レーザ素子を覆うように光散乱領域を形成し、その光散乱領域上にレンズ領域よりも屈折率が低い中間領域を形成する。そして、上記中間領域上にレンズ領域を形成する。これにより、半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの光路領域の一部に光散乱領域と中間領域およびレンズ領域が設けられた半導体レーザ光源装置を製造する。上記半導体レーザ光源装置は、簡単な構成で指向半値角度を制御できると共に放射強度を向上でき、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用可能な半導体レーザ光源装置を提供することができる。
【００７３】
また、一実施形態の半導体レーザ光源装置の製造方法は、上記中間領域を形成する工程では、上記光散乱領域上にイオン結合結晶を含む領域を形成した後、上記イオン結合結晶を含む領域に対するエッチングにより空孔を形成して、上記空孔を含む上記中間領域を形成することを特徴とする。ここで、イオン結合結晶とは、イオン結合によって形成される結晶のことである。
【００７４】
上記実施形態の半導体レーザ光源装置の製造方法によれば、上記光散乱領域上にイオン結合結晶を含む領域を形成し、エッチングによりイオン結合結晶が溶解することによって、中間領域の屈折率を小さくできる極めて微小な空孔を形成できる。
【００７５】
また、この発明の電子機器は、請求項１乃至３６のいずれか１つに記載の半導体レーザ光源装置を搭載したことを特徴とする。
【００７６】
上記実施形態の電子機器によれば、上記放射強度が改善された半導体レーザ光源装置を用いることによって、所定の放射角度以内の単位光出力あたりの最低放射強度が大幅に向上するので、所定の放射強度を得るための光出力を低くでき、低消費電力化と低電流化が図れる。また、このような低消費電力化と低電流化によって、半導体レーザ素子の駆動回路の小型化が実現でき、携帯電話機などの小型携帯端末への搭載が容易に実現できる。また、上記半導体レーザ光源装置の放射強度の改善に伴い所定の放射角度外への放射光も低いレベルに抑えられて、例えば光無線通信装置を搭載したノート型のパーソナルコンピュータとの干渉などを生じることがなく、１対多元接続の無線網を構築することができる。
【発明の効果】
【００７７】
以上より明らかなように、この発明の半導体レーザ光源装置およびその製造方法によれば、半導体レーザ素子とレンズ領域との間に含フッ素樹脂または多孔質構造材を含んだ放射強度を改善する領域を設けることを特徴としている。これにより、放射強度を１０％以上向上することが可能となる。したがって、簡単な構成で指向半値角度の制御や放射強度の向上が可能になり、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用することができる。
【００７８】
通常、半導体発光素子から、レンズ領域を介して外部に光を放射する半導体発光光源では、半導体発光素子の屈折率および、レンズ領域の屈折率と、レンズ領域の形状によりその放射強度−角度分布が決定される。このような光学系では、半導体発光素子とレンズ領域との間に、任意の屈折率の領域を設けても放射強度−角度分布が基本的に改善されることはない。この発明で生じる効果は、光散乱領域内で、光線の角度分布が上記式１で表され、屈折率によらない光源に特有のものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７９】
以下、この発明の半導体レーザ光源装置およびその製造方法および電子機器を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００８０】
〔Ｉ．含フッ素樹脂を含む領域を設けた半導体レーザ光源装置〕
まず、この発明の第１,第２実施形態の半導体レーザ光源装置は、フッ素系樹脂材料を用いて放射強度改善領域を形成するものである。第１実施形態では、フッ素系樹脂を光散乱領域の母剤として用い、第２実施形態では、フッ素系樹脂を光散乱領域に混入することで放射強度改善領域を形成している。これらの第１,第２実施形態では、いずれも放射強度改善領域は、光散乱機能も有する形態のものである。
【００８１】
(第１実施形態)
この発明の第１実施形態の半導体レーザ光源装置について説明する。この第１実施形態は、この発明の半導体レーザ光源装置をＩｒＤＡ(Infrared Data Association)用光モジュールに適用した場合である。図１は、第１実施形態の半導体レーザ光源装置の断面図を示している。
【００８２】
図１に示すように、ガラスエポキシ基板７上に、半導体レーザ素子の一例としてのレーザチップ１を配置すべくザグリ穴７aを設ける。このザグリ穴７aの内部は、レーザチップ１の下部電極としての機能と光反射部としての機能を満たすため、金メッキ加工が施された金属反射部５が形成されている。このザグリ穴７aの中央部にレーザチップ１を導電性ペースト材にてダイボンド実装する。一方、レーザチップ１の上面には、上部電極(図示せず)が形成されており、上部電極とガラスエポキシ基板７の上部の電極用パターン６とを金ワイヤ５を介して電気的に接続している。ザグリ穴７aの内部に、光散乱剤２１を含んだ母剤２２を流し込む。流し込まれた母剤２２は常温では液状であるため、ザグリ穴７aの最上面ではほぼ平坦な面を形成する。その後、１５０℃程度で熱硬化させた後、トランスファーモールドによりエポキシ樹脂レンズ３が形成される。
【００８３】
次に、この発明の主要な構成部である光散乱領域２(放射強度改善領域を兼ねる)について説明する。光散乱領域２を形成する母剤２２となる樹脂は、含フッ素樹脂であるフッ化アクリレート樹脂の一例としてのフッ化アクリレートモノマー(２,２,２−トリフルオロエチルアクリレート、構造式１)の単独重合体と、酢酸ビニルとの重合体である。
【００８４】
[構造式１]    ＣＨ2＝Ｃ(Ｈ)-ＣＯＯＣＨ3ＣＦ3
フッ化アクリレートモノマーは、アクリル系モノマーの一種で、水素原子をフッ素原子で置換したものである。このため、波長８９０ｎｍの光に対して母剤２２の屈折率は１.３４まで低減できる。フッ化アクリレートモノマーの別の例としては、１,１,２,２−テトラフルオロプロピルアクリレート、オクタフルオロペンチルアクリレートなどであっても良いし、さらには、これらモノマーと重合する材料として、上述の酢酸ビニルの他にエチレン、プロピレン、塩化ビニリデン、ブタジエン等があげられる。
【００８５】
また、上記光散乱剤２１としては、光散乱粒子の一例としての平均粒径２μｍのアクリル粒子(同屈折率１.５０)を５〜１０wt%混入してある。すなわち、この第１実施形態では、母剤２２、光散乱剤２１の何れもがアクリル系樹脂であるが、母剤２２だけがフッ素を含有しており、屈折率１.３４と低くなっている。
【００８６】
上記レーザチップ１より発した光は、光散乱領域２で、その指向性がほぼ完全に消失するまで多重散乱を受ける。しかしながら、金属反射部４のために、最終的には光散乱領域２からエポキシレンズ領域３へと入射し、レンズ領域３のレンズ面によりその指向性を制御された形で自由空間へと放射される。このとき、外部空間よりこの半導体レーザ光源装置を観察すると、エポキシ樹脂からなるレンズ領域３は透明であるが、光散乱領域２は不透性であるため、レーザ光は、光散乱領域２とレンズ領域３との境界に２次的面光源を形成する。この面光源のサイズを大きくとることで眼に対する安全性を確保することが可能となっている。この面光源の大きさは、指向性がほぼ消失する最適な光散乱剤濃度に対しては、光散乱領域２の厚さのみで決定される。
【００８７】
この半導体レーザ光源装置は、閾値１９ｍＡで発振し始め、効率０.９Ｗ／Ａである。したがって、１３０ｍＡの通電に対して、１００ｍＷの光出力を得た。図２は、この半導体レーザ光源装置の単位光出力(１ｍＷ)あたりの放射強度−角度分布を示す。図２において、横軸は角度[deg]を表し、縦軸は単位光出力(１ｍＷ)あたりの放射強度[／sr]を表している。
【００８８】
この例では、図１のy方向の放射強度を示したが、直交するｘ方向の放射強度−角度分布もほぼ同様である。結果、指向半値角度は±１８.５°、軸上の放射強度は１９５ｍＷ/srであった。また、放射角度±１５°以内の最低放射強度は、１１９ｍＷ/srであった。ＩｒＤＡ(Infrared Data Association)では、光軸に対して放射角度±１５°以内で通信が行えるように規格が制定されている。この角度範囲での最低放射強度は１００ｍＷ/srが求められているが、この第１実施形態では、この規格を満たし、２０％程度のパワーマージンのとれた良好な光源が実現できていることがわかる。なお、放射強度分布中に現れる凹凸は、単一波長レーザであるが故のスペックルであって、光散乱領域２によりその大部分のスペックルは消失しているが、若干ながら残存スペックルが存在する。しかしながら、その残存スペックルの大きさは十分に小さく、所定の角度範囲において、最低放射強度１００ｍＷ/srを下回るものではない。
【００８９】
(比較例)
次に、この発明が適用される以前の図１２に示す従来の半導体レーザ光源装置を比較例として、第１実施形態と比較する。
【００９０】
図１２に示す従来の半導体レーザ光源装置では、光散乱領域２の母剤２２として、通常の半導体デバイスを封止するジャンクションコーティングレジンと呼ばれるシリコーンゴムもしくはゲルが用いられてきた。このシリコーンゴムもしくはゲルの屈折率は約１.４３である。また、光散乱剤２１として有機スチレン粒子(同屈折率１.６)が用いられてきた。この場合においても、光散乱剤２１は、光散乱領域２で光の指向性がほとんど消失する程度に設定されており、光散乱の程度は第１実施形態とほとんど同じである。結果、エポキシ樹脂からなるレンズ領域３(屈折率１.５５)を通過して外部空間に放射される。この比較例と第１実施形態との差は、光散乱領域２の母剤２２だけである。
【００９１】
図３に比較例の放射強度−角度分布を示しており、指向半値角度は第１実施形態と同じく±１８.５°であるが、軸上の放射強度は１７５ｍＷ/sr、放射角度±１５°以内の最低放射強度は１０５ｍＷ/srであった。したがって、ＩｒＤＡの最低放射強度１００ｍＷ/srに対するマージンは１０％程度しかなく、結果、製品としてのマージンを確保するため、１０％程度光出力を増して使わざるを得ない。ひいては注入電流を引き上げることになり、電池寿命の低下や、光モジュールの長期信頼性などへの影響がある。
【００９２】
上述の比較例と第１実施形態の差について言及すると、光散乱領域２内部では、光の指向性は消失しており、両者にほとんど差は見られない。第１実施形態では、放射強度改善領域である光散乱領域２から、高屈折率層のレンズ領域３に光が入射する際に受ける屈折の屈折角が比較例より大きいため、レンズ領域３の光線の進行方向が光軸の周りに集まり、その結果、レンズ領域３で放射強度の制御が効果的に行えることとなった。
【００９３】
上記第１実施形態の別の低屈折率重合体の例として特に好ましいものは、フッ化メタクリル系樹脂またはフッ化ビニリデン系樹脂などがある。例えば、フッ化メタクリレート樹脂としてのフッ化メタクリレートモノマーとしては、
２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート
１,１,２,２−テトラフルオロプロピルメタクリレート
２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート
１,１、２,２,３,３,３−ヘプタデカフルオロデシルメタクリレート
オクタフルオロプロペンチルメタクリレート
α、α、α−トリフルオロエチルメタクリレート(構造式２)
α、α、α、２,２,２−ヘキサフルオロエチルメタクリレート(構造式３)
などがあり、これらモノマーと酢酸ビニル、エチレン、プロピレン、塩化ビニリデン、ブタジエン等のモノマーとの共重合体があげられる。
【００９４】
[構造式２]    ＣＨ2＝Ｃ(Ｈ)-ＣＯＯＣ2Ｈ5
[構造式３]    ＣＨ2＝Ｃ(ＣＦ3)-ＣＯＯＣＨ2ＣＦ3
また、フッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデン樹脂や、フッ化ビニリデンと他の成分、例えばテトラフロロエチレン(構造式４)、トリフロロエチレン、ヘキサフロロプロピレン、ヘキサフロロアセトン単独重合体、その他の前述のモノマーとの共重合体がある。
【００９５】
[構造式４]    ＣＦ2＝ＣＦ2
これら樹脂の屈折率は１.２５から１.４ぐらいであり、より屈折率が低いかつ膜特性の優れたものがよい。具体的には、ポリオレフィン構造であるテトラフロロエチレン含有樹脂および旭硝子製の光ファイバ(ルキナ)に用いられている全フッ化樹脂(構造式５)等や、更には、
α、α、α−置換フッ化メタクリレート(構造式２および構造式３)
が代表的ものとしてあげられる。溶解性向上のためにはポリプロピレン等の共重合体にしてもよい。
[構造式５]
【化１】
2006086416.tif 000005
【００９６】
なお、以下、実施形態では、このＩｒＤＡ向け光源装置として、放射角度±１５°以内の最低放射強度を最大化することを目的に詳述する。本明細書において屈折率と言うときには、ＩｒＤＡで用いられる波長８７０〜８９０ｎｍ程度の光に対する屈折率のことを言う。一般の樹脂材料の場合、任意波長での屈折率に関するデータはないため、５８９ｎｍのナトリウムＤ線を用いた屈折率で置き換えてもよい。以下の実施形態においても同様である。もちろん、本発明の趣旨は、半導体レーザ光源装置の放射強度を大きくすることであって、その適用の範囲はＩｒＤＡに限られるものではない。
【００９７】
上記第１実施形態の半導体レーザ光源装置によれば、含フッ素樹脂を含む光散乱領域２からレンズ領域３に光が入射するときの屈折効果を用いて、レンズ領域３内の光の放射角度分布幅を狭くすることができ、指向半値角度を制御できると共に放射強度を向上できる。したがって、光無線通信や光センサー応用等の幅広い範囲に適用可能な半導体レーザ光源装置を実現することができる。
【００９８】
(第２実施形態)
次に、この発明の第２実施形態の半導体レーザ光源装置について説明する。この第２実施形態では、光散乱領域２として、低屈折率の領域を得る他の例について述べる。この第２実施形態の半導体レーザ光源装置の形状は、光散乱領域２を形成する母剤を除いて第１実施形態の半導体レーザ光源装置と同一の構成をしており、図１を用いて説明する。
【００９９】
光散乱領域２を形成する母剤２２は、シリコーンゲル(屈折率１.４３)とフッ素系アクリルモノマー(屈折率１.２８)を体積比１５：８５で混合したものを用いた。フッ素系アクリルモノマーは、例えば、２,２,２−トリフルオロエチルメタアクリレート(構造式６)を用いれば、屈折率１.２８程度のモノマーが得られるし、この構成中のメチル基を水素原子で置き換えた２,２,２−トリフルオロエチルアクリレート(構造式１)を用いれば屈折率１.３４程度のモノマーが得られる。
【０１００】
[構造式６]    ＣＨ2＝Ｃ(ＣＨ3)-ＣＯＯＣＨ2ＣＦ3
この第２実施形態に適用可能な他のモノマー樹脂の例として、第１実施形態で説明したモノマー粒子がそのまま使用可能である。
【０１０１】
上記屈折率１.２８のフッ素系アクリルモノマーをシリコーンゲルと１５：８５の割合で混合すると、シリコーンゲル、フッ素系アクリルモノマーのそれぞれの屈折率をｎS、ｎAとすると、合成樹脂の屈折率ｎ2は次式で与えられる。
【数３】
2006086416.tif 000006
ここで、ｒは体積割合で、ｒ＝０.１５(＝１５／(１５＋８５))、つまり、ｎ2＝１.３０となる。
【０１０２】
ここで、合成された樹脂は、その構成要素サイズがレーザ波長８７０〜８９０ｎｍより十分に小さいために透明な樹脂として形成される。
【０１０３】
こうして得られた母剤２２に、光散乱粒子の一例としての有機スチレン粒子２２を混合攪拌させ、ザグリ穴７aに流し込み、熱硬化させることで第１実施形態と同様、光散乱領域２を形成する。
【０１０４】
上記第２実施形態の半導体レーザ光源装置について、第１実施形態と同様に特性を評価したところ、放射角度±１５°以内の最低放射強度は、光出力１００ｍＷに対して、１２２ｍＷ/srが得られた。この第２実施形態では、最低放射強度は第１実施形態と比較して若干あがっており、ＩｒＤＡの規格値に対して２０%以上のマージンを確保している。
【０１０５】
そして、母剤２２にシリコーンゲルをブレンドすることで熱硬化後にも母剤２２の硬度が小さいため、エポキシ樹脂からなるレンズ領域３、ガラスエポキシ基板７からの応力がレーザチップ１に伝わりにくい。これにより、電流注入のオン／オフに伴うレーザチップ１の温度変化による収縮に伴うされ、光源の信頼性が向上した。
【０１０６】
〔II．多孔質構造材を含む領域を設けた半導体レーザ光源装置〕
次に、第３〜第５実施形態では、放射強度改善領域を得る方法として多孔質構造材を用いたものを示す。ここで多孔質構造材は、マトリックス樹脂に空孔を含むものも含まれる。
【０１０７】
(第３実施形態)
この発明の第３実施形態の半導体レーザ光源装置は、光散乱剤として中空粒子を用いたものである。具体的には、光散乱粒子および多孔質構造の一例としての多孔質有機スチレン粒子である。多孔質有機スチレン粒子は、粒径が０.５μｍ〜１μｍ程度であって、光波長０.８７μｍと同程度と大きいため、光散乱剤として機能する。実際に粒子が光散乱剤として機能するためには、材料中の光の波長に対してその大きさが１／５倍〜２０倍程度であればよいことがわかる。この１／５以下の粒径(例えば１／１０以下など)に対しては、散乱材として機能せず透明材料として振るう。一方、２０倍以上の粒径のものに対しては、光散乱剤ではなく、屈折材もしくは障害物として振舞う。
【０１０８】
一方、多孔質有機スチレン粒子の空孔は、レーザチップ１の発振波長の１／１０以下の大きさであり、散乱材として機能せず透明材料として振るまい、光散乱領域２の屈折率を低くする。
【０１０９】
この第３実施形態の半導体レーザ光源装置を図４を用いて説明する。母剤２２は含シリコーン樹脂の一例としてのシリコーンゲルを用いた。シリコーンゲルに光散乱剤２１としての多孔質スチレン粒子(平均粒径０.７μｍ)を５０wt%攪拌混合した。第１,第２実施形態と同様に放射角度±１５°以内の最低放射強度を測定したところ、光出力１００ｍＷに対して最低放射強度１２８ｍＷ/srが得られた。これは、先の比較例よりも約２２%放射強度が改善しており、光散乱領域の実質的な屈折率を押し下げる効果があるものと思われる。実質的屈折率としては、第１実施形態と第２実施形態から概算した結果、実質的屈折率として約１.２５程度と予想される。実際に同様の方法で、薄板を作製し屈折率を測定したところ、実質的な屈折率(マクロにみた平均屈折率)は、１.２５５であった。
【０１１０】
他の中空粒子の例として、粉体のシリカエアロゲルを用いても良い。シリカエアロゲルは、エアロゲル構造を有する多孔質体で平均の屈折率は１.０３と極めて低屈折率である。シリカエアロゲルについては、後述する第７実施形態で詳述する。
【０１１１】
中空粒子の材料の差により、樹脂成分の屈折率は異なるが、空気の屈折率との差が大きいため、結果に大きな影響を与えないことを確認している。
【０１１２】
(第４実施形態)
この発明の第４実施形態の半導体レーザ光源装置として、光散乱領域２に満たされた母剤２２に空孔を直接あける方法について説明する。図５に示すように、容器に充填されたマトリックス樹脂の一例としてのシリコーンゲルに光散乱剤２１として有機スチレン粒子を混合し、攪拌棒８で急速回転させ、シリコーンゲル内部に均一に攪拌する。このとき、空孔２３も同時に作製されるようにする。その後、ザグリ穴７aに流し込んだ状態であらかじめ硬化温度(たとえば２００℃)に設定されたオーブンにて硬化させる。通常、空孔を含んだ樹脂は放置するもしくは、真空引きすることで空孔を消失させるが、ここでは攪拌直後にこのままザグリ孔に充填させる。また、硬化においても、低温から高温まで昇温しながら加熱することで内部に空孔が発生しないようにしているが、この第４実施形態では、急激に温度を上昇させることによりその逆の効果を用いたものである。つまり、あえて樹脂内部に空孔を多数作ることにより、これが光散乱領域２の実質的屈折率の低下の役割を担っている。上記空孔２３を含むシリコーンゲルで多孔質構造材を構成している。
【０１１３】
上記第４実施形態の半導体レーザ光源装置について、第１,第２実施形態と同様に、光出力１００ｍＷのときの放射角度±１５°以内の最低放射強度を測定したところ、１１９ｍＷ/srであった。実質的屈折率として１.３０程度が予想される。
【０１１４】
(第５実施形態)
この発明の第５実施形態の半導体レーザ光源装置の樹脂内部に空孔を作る別の方法について説明する。図６に示すように、ザグリ穴７aにシリコーン樹脂からなる母剤２２をあらかじめ充填して熱硬化させておく。このシリコーン樹脂からなる母剤２２に対して短パルスレーザ加工機(図示せず)を用いて樹脂内部に直接空孔２３を空けていくものである。短パルスレーザからの放出光は、光学系により２つの光束９a,９bに分岐され、双方の光が集光レンズ１０a,１０bで樹脂中の一点で集光するようになっている。双方の光束のパルスを同期させることにより、集光点ではパルス通過時にはきわめて高い光密度が達成される。このため、２光子吸収過程が生じ、集光点のみ急激な温度上昇が生じ、樹脂が昇華して空孔２３が残るものである。これは、一般的な短パルスレーザ加工機の加工手順であってこれ自体新しいものではないが、この方法で光散乱剤となる空孔２３を作ることはまったく新しい試みである。上記空孔２３を含むシリコーン樹脂で多孔質構造材を構成している。
【０１１５】
この方法の特徴は、パルスレーザ波長、パルスレーザパワーを調整することで、空孔２３の大きさを設定でき、安定して作ることができることである。また、空孔２３の割合も任意に設定することが可能である。また、パルスレーザを走査することで空孔を樹脂内部でランダムに作製することも、規則正しく作製することも可能である。この例では、光散乱剤として用いているためランダム走査により樹脂内部のいたるところに空孔を設けている。こうして空孔が樹脂体積の７０%を占めるように空孔２３を開けた。
【０１１６】
上記第５実施形態の半導体レーザ光源装置について、第１,第２実施形態と同様に、光出力１００ｍＷでの放射強度を測定したところ、放射角度±１５°以内での最低放射強度は１３０ｍＷ/srが得られた。実質的な屈折率として１.２５にまで低減していることが確認できた。
【０１１７】
〔III．低屈折率層を設けた半導体レーザ光源装置〕
これまでの第１〜第５実施形態では、放射強度改善領域が光散乱機能も同時に兼ね備えていたが、以下の第６,第７実施形態は、光散乱領域とは別に放射強度改善領域を得て、第１〜第５実施形態と同等の効果を得るものである。ここでは、放射強度改善領域として、光散乱領域とレンズ領域との間に挿入する低屈折率の中間領域の例について述べる。
【０１１８】
(第６実施形態)
図７は、この発明の第６実施形態の半導体レーザ光源装置を説明するものである。光散乱剤２１と少量の酸化セリウム(図示せず)を母剤２２に分散させておく。この樹脂をザグリ穴１１内部に満たし、熱硬化させ、光散乱領域２を形成しておく。この状態で、半導体レーザ素子１からの放射光が、光散乱剤２１により散乱を受けて指向性が消失するように、光散乱剤２１の濃度を調整してある。
【０１１９】
ザグリ穴１１の形状について説明する。ザグリ穴１１は、小さい内径を有する第１領域１１１と、それの上部にあって、大きい内径を有する第２領域１１２とに分かれている。この例では、第１領域１１１は、底面の径が０.７ｍｍ、深さが０.３ｍｍであり、上面の径が１.３ｍｍとなっている。その上部に位置する第２領域１１２は、径が２.２ｍｍ、深さが０.２ｍｍである。さて、ザグリ穴１１にシリコーンゲルなどの樹脂を滴下する工程においては、樹脂粘度は作業湿度や温度により変化し、たとえ一定の温度、湿度の中での工程であったとしても経時変化により変化する。したがって、滴下量は±４０％程度で変化しうる。我々の半導体レーザ光源装置は、光散乱剤２１の濃度、散乱領域２の厚さにより散乱特性が変化するので、光散乱領域２の厚さの制御は特に重要である。この実施形態のザグリ穴形状にし、シリコーン樹脂が少なくとも第１領域１１１を満たすように滴下量を設定することにより、滴下量変動に対する散乱領域の厚さの変動を抑えることができる。これにより、第１〜第５実施形態に示した第１領域１１１しか有しないザグリ穴１１使用に比べて、光散乱領域２の厚さのばらつき幅が１／２に低減された。また、滴下量が想定される最大量に達した際でも第１領域１１１の半分にも満たない程度であり、ザグリ穴１１からシリコーンゲルがあふれることはない。ザグリ穴１１からあふれたシリコーンゲルは、基板７とレンズ領域３との密着性を低下させ、商品の信頼性を著しく損なう。この第６実施形態のザグリ穴構造では、この問題を回避でき、製品不良率を１／１００に低減できた。
【０１２０】
次に、陰イオンを豊富に含んだアニオン溶液、上記アニオン溶液と同等の屈折率を有する陽イオンを豊富に含んだカチオン溶液をザグリ穴１１の１１２部に交互に積層(塗布)し、総厚１００μｍ以上になるまで繰り返し、中間領域１２を得る。この状態で、アニオン層、カチオン層の界面では、イオン結合結晶１３が生じる。
【０１２１】
さらに、このアニオン層、カチオン層を塩酸によりウエットエッチングすることで、図７(b)に示すように、イオン結合結晶１３が溶解し、その部分が空孔１４となるものである。アニオン層、カチオン層の積層方法については、印刷法もしくはインクジェット法が最適で、これにより厚さ数ｎｍ〜数μｍまでの範囲で各層の厚さを制御して積層可能である。
【０１２２】
この空孔１４の大きさは１０ｎｍ程度であり、波長８７０〜８９０ｎｍの光は散乱されず透明体として振る舞う。その屈折率は、式３にしたがって低くなり、約１.１５の屈折率の層が得られた。
【０１２３】
この半導体レーザ光源装置の特性について説明すると、レーザチップ１から放射したレーザ光は、これまでと同様に、光散乱領域２で十分な散乱を受け、指向性のない状態で、中間領域１２に入射する。この中間領域１２は先ほど説明したように、低屈折率の層であるため、ここでは界面に対して大きな入射角で入射した光は全反射され再び光散乱領域２に押し戻される。押し戻された光は、金属に吸収されない限り再び、中間領域１２に入射することになる。結果、光散乱領域２から中間領域１２に透過するためには、光散乱領域２で比較的Ｚ軸方向(レンズ領域３の光軸方向)に向きがそろった光に限定される。中間領域１２に入射した光は屈折によりまた角度は広がるが、エポキシ樹脂からなるレンズ領域３に入射する際には、再び内側に大きく折り返されることになり、結果、空間に放射したときの放射強度の向上につながる。この中間領域１２は、屈折により最終的な光源の放射強度を向上させるものであって、ここでは散乱は無視できる程度にしか起こらないので、その厚さは特性に影響を与えない。
【０１２４】
この第６実施形態の放射強度−角度分布を図８に示す。この第６実施形態での１００ｍＷ光出力時の放射角度±１５°以内の最低放射強度は、約１４５ｍＷ/srであり、これは、これまでの実施形態の中でも最も放射強度の改善効果が現れた例である。これは、この第６実施形態の中間領域１２が、他の実施形態に比べてもっとも屈折率が低いからであって、光散乱領域２とレンズ領域３との間に中間領域１２を挿入する構成にしたからではない。特に、比較例で見られた放射角度±６０°以外の不要放射の割合が格段に小さくなっており、この分の光が所定の放射角度内に配分されたものと考えられる。
【０１２５】
(第７実施形態)
次に、この発明の第７実施形態の半導体レーザ光源装置について説明する。この第７実施形態の半導体レーザ光源装置は、中間領域の材料を除き第６実施形態の図８に示す半導体レーザ光源装置と同一の構成をしており、図８を援用する。
【０１２６】
上記第６実施形態で示した交互に積層されたアニオン層,カチオン層をウエットエッチングした中間領域１２に対して、この第７実施形態の半導体レーザ光源装置では、その他の材料、特にエアロゲル構造からなる多孔質体により低屈折率の中間領域を設ける。このエアロゲル構造の形成については、アルコキシ体(エトキシ体、メトキシ体等)の加水分解重合反応によって得られる湿潤状態のゲル状化合物を、エチルアルコール等の低級アルコール、フッ化アルキル、塩化アルキルあるいは二酸化炭素等の分散剤中で、分散剤の臨界点以上で乾燥させることにより得ることができる。より具体的に説明すると、ゲル状化合物を液化二酸化炭素中に浸漬させ、ゲル状化合物が含む溶剤の全部、場合によっては一部を、より臨界点の低い液化二酸化炭素に置換し、二酸化炭素の単独系、あるいはアルコール等の混合系の超臨界条件下で乾燥することにより得ることができる。
【０１２７】
エアロゲル材料としては代表的なものとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等から得られるシリカエアロゲル、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン等から得られるチタンエアロゲルが代表的な材料としてあげることができる。特に、シリカエアロゲルは効率よく多孔質体が得られることより好ましい。更には、シリカエアロゲルとチタンエアロゲルを同時に形成することにより、シリカエアロゲルを骨格としてチタンエアロゲルが付着した複合系の多孔質構造にし、より低屈折領域を強くすることもできる(依田  智, 物質研ニュース, Ｎｏ.２０(１９９６).  S.Yoda,et.al.,J. Ｍater.Chem., 10,2151(2000).)。
【０１２８】
これら以外には、錫、アルミニュウム、ジルコニュウムのアルコキシ体等もあげることができる。これらシリカエアロゲルの作成については、米国特許第４,４０２,９２７号明細書、米国特許第４,４３２,９５６号明細書、特開平５−２７９０１１号公報、特開平７−１３８３７５号公報等に開示されている。また、チタンエアロゲルの作成については、特開２００１−２４８０２４号公報、特開２００２−２７４８３５号公報等に開示されている。このようにして形成されたエアロゲル構造は、ナノオーダーサイズの空孔を有する多孔質体であり、屈折率が１.０３と非常に空気に近い値を有する。シリカエアロゲルはそれ自体が板状に形成されるので単体で中間領域１２として機能する。
【０１２９】
上記以外にも、形成されたエアロゲル構造のひび割れ、また、金属反射膜との剥離を防止する観点より低屈折率で熱的安定性に優れた高分子化合物を放射強度改善領域にマトリックス樹脂として用いることも場合によっては可能ある。これらマトリックス樹脂としてはシリコーンゲルの他に第１実施形態にて説明した含フッ素樹脂である重合体樹脂が適している。これらマトリックス樹脂のシリカエアロゲルに占める割合は少ないほどよいが、３〜９０％が適当である。これらマトリックス樹脂はアルコキシ体に溶解もしくは分散して用いる。
【０１３０】
この第７実施形態の中間領域１２(屈折率１.０３)を半導体レーザ光源装置に用いた場合の放射強度−角度の結果を図９に示しており、中間領域１２の屈折率が実施形態中で最も低いため、最大の放射強度１５５ｍＷ/srが得られた。
【０１３１】
上記第６,第７実施形態に限らず、中間領域として、第１,第２実施形態に記載された含フッ素樹脂を含む領域を形成してもよいし、第３〜第５実施形態および後述する第８実施形態に記載された多孔質構造材を含む領域を形成してもよいことは言うまでもない。
【０１３２】
〔IV．光散乱領域に空孔を設けた半導体レーザ光源装置〕
上記第６実施形態にて、低屈折率の層をレーザチップ１とレンズ領域３との間の中間領域１２として用いてもよいし、光散乱領域２そのものに採用してもよいことを示した。次に、光散乱領域２に波長の１/１０以下のサイズの空孔を設けた第８実施形態について以下に説明する。
【０１３３】
(第８実施形態)
上記第１〜第５実施形態と上記第６,第７実施形態とから、図１０に示すような第８実施形態が検討される。図１０では、シリコーンゲルからなる母剤２２に、酸化セリウム(図示せず)、陰イオンを含んだアニオン溶液、陰イオンを含んだカチオン溶液、有機スチレン粒子からなる光散乱剤２１を攪拌して、混合した後、ザグリ穴に滴下して硬化させた例を示す。先と同様に塩酸によりウエットエッチングすることで、シリコーンゲル内に形成したイオン結合結晶が溶解し、大きさ数１０ｎｍの空孔１４ができる。この空孔１４のため、光散乱領域２全体の屈折率は小さく(約１.１５)なる。
【０１３４】
これにより、低屈折率で、光散乱機能を備えた光散乱領域２を得ることができる。このときの１００ｍＷ光出力時の放射角度±１５°以内の最低放射強度は、約１４２ｍＷ/srであり、中間領域として低屈折率層を導入した場合と効果は変わらない。先の第７実施形態では、アニオン層、カチオン層を順次積層したが、そもそも空孔１４はランダムな配置でよく、規則正しく積層しなくともほぼ同等の効果は得られる。
【０１３５】
これらの実施形態を通じて、本発明者は、次のことを実験的に確認した。半導体レーザ素子からレンズ領域にいたる光路の一部に、少なくとも含フッ素樹脂または多孔質構造材を含む放射強度改善領域(光散乱領域を兼ねる場合を含む)を設けることで、アイセーフティを保ちつつ、レーザ光の放射パワーを効果的に空間に放射でき、所望の角度内での最低放射強度を高める構造とすることができる。このときの放射強度改善領域を得る方法は、第１〜第８実施形態に示した方法に限らず、他の方法であってもよい。
【０１３６】
上記放射強度改善領域の実際の屈折率は、例えば、レンズ領域の屈折率の０.９倍以下であれば十分効果があり、レンズ領域の屈折率の０.８倍以下であることがより好ましく、さらに低ければ一層の放射強度改善が期待される。加えて言うならば、レンズ領域の屈折率を上げた構造としてもまったく同様の効果が得られる。この発明では、レンズ領域を構成する材料としてエポキシ樹脂を用いているが、半導体レーザ素子の波長(８７０〜８９０ｎｍ)に対するエポキシ樹脂の屈折率は１.５５前後である。たとえば、高屈折率ガラス(屈折率１.７０〜)などを用いればよい。
【０１３７】
上記第１〜第８実施形態および比較例の特性比較の結果を図９にまとめている。図９において、横軸は低屈折率領域の屈折率を表し、縦軸は最低放射強度(±１５度以内、光出力100mW)を表している。図９から明らかなように、比較例(屈折率１.４３)から、光散乱領域または中間領域の屈折率が下がることで、所定の放射角度範囲(この例では±１５°以内)の最低放射強度を高めることができる。そして、その効果は構造によらずに、半導体レーザ素子とレンズ領域との間に存在する低屈折率層(光散乱領域または中間領域)の屈折率と、レンズ領域の屈折率の比によりほぼ決定される。
【０１３８】
〔Ｖ．半導体レーザ光源装置を用いた電子機器〕
(第９実施形態)
上記半導体レーザ光源装置を光無線通信システムに用いた場合の例について説明する。図１１は、この発明の第９実施形態の半導体レーザ光源装置を、電子機器の一例としての光無線通信装置に用いた例である。光無線通信装置３１は携帯電話機３０に搭載され、天井に敷設された基地局３２に向けて上り光信号３３を放射し、基地局３２は、光通信装置３１に向けて下り信号３４を放射する。ここで、上り光信号３３の放射角度±１５°以内の単位光出力あたりの最低放射強度は、従来の光源装置を用いた場合に比較して、約３８％向上している。したがって、所定の放射強度を得るための光出力は３８％低くてよく、低消費電力化、低電流化に寄与する。低電流化が図れることにより、半導体レーザ素子の駆動回路の小型化が実現でき、携帯電話機などの小型携帯端末への搭載が容易になる。また、第６実施形態で説明したように、放射角度±１５°以外への放射光３５も従来に比べ低いレベルに抑えられているので、同様の光無線通信装置３７を搭載したノート型のパーソナルコンピュータ３６との干渉などを生じることがなく、１対多元接続の無線網が構築できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
この発明の半導体レーザ光源装置およびその製造方法および電子機器は、半導体レーザ素子を人間に眼に対する安全性を確保しつつ、高強度で自由空間に放出できるように供されており、さまざまな光源装置の置き換えとしての利用が可能である。特に、所定の方向に対して放射強度を高めたい要求のある光無線通信などへの利用においてもっとも効果的である。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の半導体レーザ光源装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２はこの発明の第１実施形態の半導体レーザ光源装置の放射強度−角度分布を示す図である。
【図３】図３は従来例(比較例)の半導体レーザ光源装置の放射強度−角度分布を示す図である。
【図４】図４はこの発明の第３実施形態の半導体レーザ光源装置の構成を示す断面図である。
【図５】図５はこの発明の第４実施形態の半導体レーザ光源装置の製法の一工程を示す断面図である。
【図６】図６はこの発明の第５実施形態の半導体レーザ光源装置の製法の一工程を示す断面図である。
【図７】図７はこの発明の第６実施形態の半導体レーザ光源装置の製法の一工程を示す断面図である。
【図８】図８はこの発明の第６実施形態の半導体レーザ光源装置の放射強度−角度分布を示す図である。
【図９】図９は第１〜第８実施形態および比較例の特性比較図である。
【図１０】図１０はこの発明の第８実施形態の半導体レーザ光源装置の構成を示す断面図である。
【図１１】図１１はこの発明の第９実施形態の電子機器の一例としての光無線通信システムの概略を示す模式図である。
【図１２】図１２は従来の半導体レーザ光源装置の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は上記半導体レーザ光源装置を説明する補足図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１…レーザチップ
２…光散乱領域
３…レンズ領域
４…金属反射部
５…ワイヤ
６…電極
７…ガラスエポキシ基板
７a…ザグリ穴
８…攪拌棒
９a,９b…光束
１０a,１０b…集光レンズ
１１…ザグリ穴
１２…中間領域
１３…イオン結合結晶
１４…空孔
２１…光散乱剤
２２…母剤
２３…空孔
３０…携帯電話機
３１…光通信装置
３６…パーソナルコンピュータ
３７…光無線通信装置
１１１…第１領域
１１２…第２領域
【図１】
2006086416.tif 000007
【図２】
2006086416.tif 000008
【図３】
2006086416.tif 000009
【図４】
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【図５】
2006086416.tif 000011
【図６】
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【図７】
2006086416.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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