(57)【要約】【課題】輝度が均一で、温度による色度変化が少なく、発光効率が良い発光デバイスを提供する。【解決手段】  二次以上の次数を持つファイバグレーティング６５０のクラッド２７０もしくは外周の表面に導波光を拡散させるために、光２５から放射モード光４００を発生させるための回折格子２６１を設け、放射モード光４００を照明に使えるようにコヒーレンシを抑制する。光源として、温度変化の少ない単一波長で発振する分布帰還型レーザや分布Bragg反射型レーザを用いてもよく、蛍光体を最も効率良く励起できる波長の光を得る。【選択図】図１
2007227573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバへ導波する導波光を発光するために該光ファイバの端部に配置された発光体と、
前記光ファイバの長手方向へ沿って配置され該光ファイバに導波された前記導波光を外周方向へ放射するための光学構造と、
前記光学構造から外周方向へ放射された前記導波光を拡散させるための光学拡散構造と、
を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
光ファイバへ導波する導波光を発光するために該光ファイバの端部に配置された発光体と、
前記光ファイバの長手方向へ沿って配置され該光ファイバに導波された前記導波光を外周方向へ放射するための光学構造と、
前記光学構造から外周方向へ放射された前記導波光の波長に励起されて発光する蛍光体と、
を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項３】
複数の前記光ファイバと、
互いに異なる波長の前記導波光をそれぞれ発光する複数の前記発光体と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記光学構造は、
前記導波光の波長に対して二次以上のＢｒａｇｇ回折格子機能を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記蛍光体を励起するのに最も効率の良い波長の前記導波光を発光する前記発光体と、
前記最も効率の良い波長の前記導波光を選択的に放射する前記光学構造と、
を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記発光体は、
前記蛍光体の励起に最も効率の良い波長で発振する分布帰還型もしくは分布Ｂｒａｇｇ反射型の半導体レーザにより構成されていることを特徴とする請求項５に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を線状に放射するための発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体発光素子の代表例としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ： Laser Diode)がある。これらの固体発光素子は出力や発光色のヴァリエーションおよび指向性の点で、かなり満足すべき特性が得られており様々な分野への応用が進んでいる。
【０００３】
これらの固体発光素子は基本的に指向性の強い点光源であり、可視光の照明応用としては、線状や面状のインコヒーレントな光源が望まれる。また、ＬＥＤやＬＤは、温度が上昇すると波長が長波長にシフトするので、色度の温度安定性が悪く、色の変化が起きやすい。
【０００４】
ところで、面状の光源としては、有機、無機のＥＬがあるが、色のヴァリエーションが少ないことや輝度および信頼性の点で応用分野が限定されている。そこで発明者は、従来より、矩形断面を持つ平面導波路の表面にホログラフィックな構造として、例えば、二次以上のＢｒａｇｇ散乱を起す回折格子を形成することにより実現可能な線状の発光体を提案している。さらに、これらの平面導波路を並べることで、面状の発光体の実現も可能としている。
【０００５】
ただし、平面導波路を用いた面状の発光体では、二次以上の回折格子から放射される放射モードは上下方向に限定されている。壁型照明ではない据置タイプの照明では、光が３６０度に放射される方が望ましい場合もある。また、光ファイバを介して遠方の光源より光を持ってくる場合は光学ファイバとの光学結合の必要がある。
【０００６】
また、これらとは別に、ファイバを用いたユニークな白色照明がある（http://www.nichia.co.jp/domino01/nichia/newsnca.nsf/2005/04141）。この白色照明の構成の一例の横断面図を図９に示す。この白色照明の光源では、青色ＬＤ２０”からの発光ビームをレンズ９００で絞って光学ファイバ６００の近端６１０に結合させる。
【０００７】
ファイバ６００は、光エネルギーを外に漏らさず導波する。光学ファイバ６００の遠端６２０には蛍光体（ＹＡＧ： Yttrium Aluminum Garnet）を含む蛍光体ユニット７１０を設けてある。青色の光エネルギーは遠端６２０から初めて放射され、ＹＡＧを励起し黄色発光を得る。また、自身も青い光として一緒に散乱される。このようにして、青色と黄色の疑似白色光をファイバ遠端６２０で実現できる。ただし、遠端６２０の断面サイズに近い蛍光体ユニット７１０は点光源であり、発光そのものの空間的拡がりを実現するものではない。
【０００８】
なお、図９において、青色ＬＤ１０とファイバを固定するレセプタクルは、一般的構造でもあり簡単のため省略している。
【特許文献１】特開２００２−２１７４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、従来の発光デバイスにおいては、ＬＥＤやＬＤを用いた指向性点光源の平面アレイの構成において点光源としての輝度が高くなってしまい、面全体での輝度の均一性を得ることは難しかった。
【００１０】
また、ＬＥＤやＬＤは自身の温度が上昇すると光の波長が長波長方向へシフトしてしまうので、色度の温度安定性が満足されにくく光の色の変化も起きる可能性があった。
【００１１】
また、ファイバを用いて遠端に光を導波する方式は遠端も点光源となってしまうので、光を線状もしくは面状光源に変換するには、遠端に生じる点光源をさらに別のデバイスに結合して線状もしくは面状光源に変換する必要があった。
【００１２】
また、平面導波路に沿って二次以上の回折格子を形成して放射モード光を取り出す発光デバイスは、上下方向の発光が基本であるので、３６０度方向の照明を期待する用途には向かないものであった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、輝度が均一で、温度による色度変化が少なく、発光効率が良い発光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る発光デバイスは、光ファイバへ導波する導波光を発光するために該光ファイバの端部に配置された発光体と、前記光ファイバの長手方向へ沿って配置され該光ファイバに導波された前記導波光を外周方向へ放射するための光学構造と、前記光学構造から外周方向へ放射された前記導波光を拡散させるための光学拡散構造と、を備えることを特徴としている。
【００１５】
本発明にあっては、放射モード光を出力できるホログラフィックな加工を施した光ファイバとして、二次以上の次数を持つファイバグレーティング（ＦＢＧ）を用いる。そして、ＦＢＧのクラッドもしくは外周の表面に導波光を拡散させるための（ホログラフィックな）光学構造を設けて、放射モード光を照明に使えるようにコヒーレンシを抑制する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、輝度が均一で、温度による色度変化が少なく、発光効率が良い発光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜第１の実施の形態＞
図１は、発光デバイスの第１の実施の形態に係る斜視図を示す。また、図２は、発光デバイスの第１の実施の形態に係る断面図を示している。
【００１８】
この図１に示すのは、光２５を発生するＬＥＤ２０と、ＬＥＤ２０が発光した光２５を集光するためのレンズ９００と、このレンズ９００により集光された光２５が入射するコア２６０と、このコア２６０に入射し導波される光２５を放射モード光４００にするための回折格子２６１と、コア２６０を覆うクラッド２７０および被覆材５２０である。なお、コア２６０と回折格子２６１とクラッド２７０と被覆材５２０とでもってファイバグレーティング６５０を構成している。
【００１９】
このような図１に示す構成において、回折格子２６１による二次のＢｒａｇｇ散乱によって放射モード光４００を発生する周期構造が形成されたファイバグレーティング（ＦＢＧ）６５０のコア２６０と、および外側のクラッド２７０と、光２５の拡散（散乱）を起す被覆材（外周部）５２０からなる内部構造を説明のために外側から順に除去して示している。
【００２０】
ファイバグレーティング６５０のコアには、屈折率が周期的に変化する等価的な二次以上のＢｒａｇｇ回折格子が形成されている。このようなＢｒａｇｇ回折格子の形成は、例えば、紫外線を用いた二光束干渉露光法やフェーズマスク法などによりＧｅの添加された光ファイバのコアへ屈折率の周期的な変化を誘起させることで実現することができる。あるいは適当なマスクを用いてイオンインプランテーションを実行することにより生成する方法でもよい。
【００２１】
一般に、ファイバのような導波路においては、そもそも導波方向以外に光が漏れず、ファイバの端面からのみで光の入出力が可能である。しかしながら、ファイバの端面以外に、導波光を導波路に沿って線状に取り出す方法もあり、Ｂｒａｇｇ散乱次数が二次以上の回折格子（周期構造）を導波路に沿って形成することにより実現できる。この周期構造に結合した導波光を、いわゆる放射モード光（radiation mode）として取り出すことができる。回折格子は一種の単純なホログラムであるので、同様なホログラフィックな位相パターンによって、導波路に沿って出力を取り出すことができる。
【００２２】
これらのradiation modeに関する解析は、たとえば、Streiferetal, IEEE journal of Quantum Electronics, Vol.11, pp.867-873, (1975)、あるいは、同Vol.12, pp.74-78, (1976)、同Vol.12, pp.737-797, (1976)、同Vol.13, pp.131-141, (1977)等に詳細が掲載されている。
【００２３】
発光素子として、例えばＬＥＤ２０の光２５をレンズ９００で絞ってファイバグレーティング６５０に結合し、結合した光はファイバグレーティング６５０中を導波される。コア２６０の二次の周期構造は、その断面の円周方向３６０°に放射モード光４００を放射する。この放射は、比較的コヒーレンシのよい放射モード光４００を拡散構造５２０によって拡散散乱される。
【００２４】
これによって、広い角度から視認されるようになり、視覚的にソフトな線状の可視光照明用の光源を実現することができる。光源であるＬＥＤ２０からの光結合効率を良好に確保することにより、効率よく放射モード光４００を得ることができる。
【００２５】
また、二次の周期構造から放射される放射モード光４００は、周期によって波長が選択されるため、波長の変化が少ない利点を有する。
【００２６】
拡散構造体としての被覆材５２０は、クラッド２７０に密着していても良いし、あるいは空間を介してもよい。また光源はＬＥＤ２０ではなくて、同じ導波路を持つデバイスであり比較的に放射角の狭い半導体レーザ（ＬＤ）を用いてもよい。半導体レーザを用いることにより導波路への光結合の効率を良くすることができる。
【００２７】
＜第２の実施の形態＞
図３は、発光デバイスの第２の実施の形態に係る断面図を示す。この第２の実施の形態と第１の実施の形態との相違は、ファイバグレーティング６５０の一端面から光２５を入射するＬＥＤ２０の他に、他端面からもＬＥＤ２１の光２５を入射させる。これにより、ファイバグレーティング６５０に沿う放射モード光４００の分布を制御しやすくなる。
【００２８】
また、コア部は二次の周期構造を持つ部分２６０と周期構造を持たない部分２６２に分かれている。放射モード光４００を発生するのは二次の周期構造を持つ部分２６０であるから、必要な部分にのみ放射モード光４００の出力を配することができる。
【００２９】
＜第３の実施の形態＞
図４は、発光デバイスの第３の実施の形態に係る斜視図を示している。また、図５は、発光デバイスの第３の実施の形態に係る断面図を示している。
【００３０】
図４では、二次のＢｒａｇｇ散乱によって放射モード光４００を発生する周期構造が形成されたファイバグレーティング６５０のコア２６０、外側のクラッド２７０、蛍光体（ＹＡＧ）を含む被覆材７００からなる内部構造が見えるように外側の構造を順に除去している。
【００３１】
すでに説明した第１の実施の形態との相違点は、放射モード光４００に対して拡散（散乱）を起す被覆材（外周部）５２０の代わりに蛍光体（ＹＡＧ）を含む被覆材（外周部）７００が配されていることである。また、ＬＥＤ２０はドミナント波長が４７０ｎｍの青色のスペクトルの光２６を放射する。
【００３２】
この光２６をレンズ９００で絞って、ファイバグレーティング６５０に結合させる。結合した光２６はファイバグレーティング６５０中を導波される。コア２６０の二次の周期構造は、その断面の円周方向３６０°に青色の放射モード光４００を放射する。被覆材（外周部）７００に含まれる黄色の蛍光体であるＹＡＧは、この青色の光によって励起され黄色の発光４０１を得る。さらに放射モード光４００自身も青い光として一緒に散乱される。つまり、青色と黄色の光が混じった疑似白色光を線状の光源として実現できる。
【００３３】
また、二次の周期構造から放射される放射モード光４００は、周期によって波長が選択されるため、波長の変化が少ない利点を有する。ＬＥＤ２０は一般的に、温度上昇により長波長側に波長がシフトする。これにより蛍光体の励起効率も変化し、色味としては複雑に変化する。ＬＥＤ２０の波長変化があっても回折格子２６１のフィルタ作用により放射モード光４００の波長が決定される。したがって、本実施の形態では、ＬＥＤ２０の温度変化による波長の変化に対して影響されない安定した色度が得られる。
【００３４】
蛍光体を含む拡散構造体としての被覆材７００は、クラッド２７０に密着していても良いし、あるいは空間を介してもよい。また光源はＬＥＤ２０ではなくて、同じ導波路を持つデバイスであり比較的に放射角の狭い半導体レーザ（ＬＤ）を用いてもよい。半導体レーザを用いることにより導波路への光結合の効率を良くすることができる。
【００３５】
＜第４の実施の形態＞
図６は、光デバイスの第４の実施の形態に係る斜視図を示している。この第４の実施の形態においては、すでに説明した第１の実施の形態に示すような拡散表面を持つファイバグレーディング６５０を３本備える点において異なっている。
【００３６】
三本のファイバグレーティング６５０、６５１、６５２に、それぞれ、三原色Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のＬＥＤ２０、２１、２２からの光を結合させて、三原色の放射モード光を得る。これを基本構成要素として束ねると、線状の白色光源を実現できる。それぞれの色の強さを調整することで、全ての色の線状光源を実現できる。
【００３７】
＜第５の実施の形態＞
図７は、発光デバイスの第５の実施の形態に係る斜視図を示している。すでに説明した第３の実施の形態において、その構成が一本のファイバグレーティング６５０であったのに対し、この第５の実施の形態では、ファイバグレーティング６５０を複数本でまとめて束ねている。
【００３８】
黄色の蛍光体（ＹＡＧ）を含む被覆材（外周部）７００は、このファイバグレーティング６５０の束を囲むように配されている。つまり、bundle fiberを構成しており、束ねることで径が太くなり、より効率良く発光素子２０’からの青色の光２６を結合できる。
【００３９】
＜第６の実施の形態＞
図８に、光デバイスの第６の実施の形態に係る斜視図を示している。この第６の実施の形態では、すでに説明した第５の実施の形態の蛍光体が黄色のＹＡＧ一種類であったのに対し、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色の蛍光体を被覆材７１０に混在させている点において異なっている。また、励起波長帯も紫外を含む青紫領域である。
【００４０】
本実施の形態の場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの蛍光体における最も効率の良い励起波長は互いに微妙に異なっている。そこで全ての蛍光体を効率良く励起するには、励起波長帯にマッチした波長で発光する光源が必要である。
【００４１】
そのようなニーズを満たすのが、単一波長で発振する分布帰還型レーザ（Distributed FeedBack (DFB) Laser）や分布Bragg反射型レーザ（Distributed Bragg Reflector (DBR) Laser）  である。（例えば、伊藤良一、中村道治共編、半導体レーザ、培風館、133、ISBN4-563-03437-1 C3055）。
【００４２】
これらの単一縦モードレーザは、発振波長の温度変化も小さいため、安定な蛍光体の励起を実現できる。この実施の形態では、蛍光体の励起波長帯にピンポイントに発振波長を合わせた三種のＤＦＢレーザ２０’、２１’、２２’からの光を、ファイバグレーティング６５０の束に結合している。ファイバグレーティング６５０の周期も、それぞれの波長がファイバグレーティング６５０の長さ方向に沿って空間的にバランス良く、それぞれの波長の放射モードを放射できるように、微妙に周期を変化させている（Chirped Grating）。
【００４３】
以上説明した第１〜６の実施の形態によれば、放射モード光を出力できるホログラフィックな加工を施した光ファイバを用いることにより、二次以上の次数を持つファイバグレーティングのクラッドもしくは外周の表面に導波光を拡散させるための光学構造を設け、放射モード光を照明に使えるようにコヒーレンシを抑制することができる。
【００４４】
また、ファイバグレーティングのクラッド、もしくは外周の被覆材に蛍光体を混ぜて混色光（白色を含む）を得ることができる。
【００４５】
また、複数の線状のファイバ発光体を束ねることで、混色や蛍光体の励起を効率良く行うことができる。
【００４６】
また、蛍光体を最も効率良く励起できる波長の光を用いるために、光源として、温度変化の少ない単一波長で発振する分布帰還型レーザ（Distributed FeedBack (DFB) Laser）や分布Bragg反射型レーザ（Distributed Bragg Reflector (DBR) Laser）を用いることができる。
【００４７】
また、輝度が均一で、温度による色度変化が少なく、発光効率が良い発光デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】発光デバイスの第１の実施の形態に係る斜視図を示す。
【図２】発光デバイスの第１の実施の形態を示す断面図を示す。
【図３】発光デバイスの第２の実施の形態に係る断面図を示す。
【図４】発光デバイスの第３の実施の形態に係る斜視図を示す。
【図５】発光デバイスの第３の実施の形態に係る断面図を示す。
【図６】発光デバイスの第４の実施の形態に係る斜視図を示す。
【図７】発光デバイスの第５の実施の形態に係る斜視図を示す。
【図８】発光デバイスの第６の実施の形態に係る斜視図を示す。
【図９】従来のファイバを用いた白色光源の構成例の断面図を示す。
【符号の説明】
【００４９】
２０、２１…ＬＥＤ
２０’、２１’、２２’…ＤＦＢレーザ
２０”…半導体レーザ
２６０…周期構造が形成されたファイバコア
２６１…周期構造が形成されていないファイバコア部
２７０…ファイバクラッド
４００…放射モード光
５２０…光拡散効果を有するファイバ被覆材
６００…光ファイバ
６１０…光ファイバ近端
６２０…光ファイバ遠端
６５０、６５１、６５２…ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
７００、７０１、７１０…蛍光体入り被覆材もしくは蛍光体塗布面
７２０…ＹＡＧ蛍光体ユニット
９００、９０１…光結合用レンズ
【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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【図８】
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【図９】
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