(57)【要約】【課題】光の波長変換に伴う光や熱による特性低下や変質を抑制して、大きな光量を安定に出力できると共に、高速で光変調ができる光源装置を提供すること。【解決手段】レーザダイオード１０と、該レーザダイオード１０から放射された励起光を導光する光ファイバ１４と、該光ファイバ１４により導光された励起光を所望の波長変換光に波長変換して出射する波長変換ユニット１６と、を備える光源装置において、波長変換ユニット１６を、少なくとも半導体部材２４を有するものとし、該半導体部材２４は、励起光を所望の波長変換光に変換する半導体活性層２８を有するものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源と、
前記励起光源から放射された励起光を導光する導光部材と、
前記導光部材により導光された前記励起光を所望の波長変換光に波長変換して出射する波長変換ユニットと、
を具備し、
前記波長変換ユニットは、少なくとも半導体部材を有しており、
前記半導体部材は、前記励起光を所望の波長変換光に変換する活性層を有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記導光部材は、光ファイバまたは光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記波長変換ユニットから出射する波長変換光の出力の強度を、変調または可変する光出力変調手段を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項４】
前記活性層は、その構成要素として直接遷移型半導体を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項５】
前記活性層は、その構成要素として直接遷移型化合物半導体を有するともに、
前記活性層は、化合物半導体ヘテロ構造により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記活性層は、互いに異なる複数の光波長を発光可能な微細構造を有していることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記活性層の互いに異なる複数の光波長を発光可能な前記微細構造は、互いに遷移波長の異なる複数の活性層を積層した構造により構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項８】
前記半導体部材は、前記励起光の光軸方向に対して前記導光部材に近い方から順に、構成要素として第１ミラー、前記活性層、第２ミラーの順に積層された構成を有することを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第１ミラーと前記第２ミラーは、互いに組み合わされて、前記励起光の波長近傍に共振波長を有する共振器として機能するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
さらに、少なくとも前記第２ミラーは、前記励起光の波長近傍においては所定以上の反射率を有すると共に、前記活性層で発光した光波長については所定以上の透過率を有するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記半導体部材は、前記励起光の光軸方向に対して前記導光部材に近い方から順に、構成要素として第１ミラー、前記活性層の順に積層された構成を有すると共に、
前記第１ミラーは、前記励起光を透過するが、前記活性層で発光した光波長の大部分は反射するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記活性層は、前記励起光による光励起によって発光する発光機能と、電流注入によって前記光励起の場合と略等しい光波長にて発光する発光機能と、を有し、
前記光源装置は、さらに、前記活性層に電流注入する電気駆動手段を具備し、
前記光出力変調手段は、前記励起光源が放射する前記励起光を変調する強度変調手段と、前記電気駆動手段が前記活性層に注入する電流を変調する電気変調手段と、の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記活性層は、その構成要素として直接遷移型化合物半導体を有し、
前記半導体部材は、さらに、前記活性層の近傍に半導体ＰＮ接合を有し、
前記波長変換ユニットは、さらに、前記半導体ＰＮ接合におけるＰ型半導体層とＮ型半導体層への電流注入を可能とする電極を有していることを特徴とする請求項１２に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記波長変換ユニットは、前記導光部材と前記半導体部材の間に、前記励起光に対して透明な第２の導光部材を有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れかに記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を出射する光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、ＬＥＤやレーザから放射した光を光ファイバを介して先端の光散乱体に導光し、該光散乱体で散乱された光を照明光通信に使用する光源装置の構成が開示されている。さらに、光散乱体には蛍光体が混入され、ＬＥＤやレーザの光である励起光の波長を変換して照明光を発する構成が開示されていると共に、蛍光体が混入された光散乱体はプラスチック材料で構成できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２２９２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通信用の光源用途や生化学分析・医療用などの光源用途では、高輝度で、かつ高速に強度変調できる光源が必要とされている。しかしながら、上記特許文献１に開示の構成では、熱による一時的な発光効率低下、熱や光による経時的（回復しない）発光効率低下、蛍光体の応答性が低くて高速光変調できない、などの問題があり、高輝度かつ高速変調が可能な光源装置は実現できない。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、光の波長変換に伴う光や熱による特性低下や変質を抑制して、大きな光量を安定に出力できると共に、高速で光変調ができる光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光源装置の一態様は、
励起光源と、
前記励起光源から放射された励起光を導光する導光部材と、
前記導光部材により導光された前記励起光を所望の波長変換光に波長変換して出射する波長変換ユニットと、
を具備し、
前記波長変換ユニットは、少なくとも半導体部材を有しており、
前記半導体部材は、前記励起光を所望の波長変換光に変換する活性層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光の波長変換に伴う光や熱による特性低下や変質を抑制して、大きな光量を安定に出力できると共に、高速で光変調ができる光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の変形例１における波長変換ユニットの構成を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態の変形例２における波長変換ユニットの構成を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の変形例３における波長変換ユニットの構成を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例４における波長変換ユニットの構成を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態の変形例５における波長変換ユニットの構成を示す図である。
【図７】図７は、第１実施形態の変形例６における波長変換ユニットの構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。
【図９】図９は、波長変換ユニットの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る光源装置は、レーザダイオード１０、光学結合素子１２、光ファイバ１４、波長変換ユニット１６、励起光源駆動部１８、及び変調コントローラ２０から構成されている。
【００１０】
ここで、レーザダイオード１０は、励起光を放射する励起光源として機能する。光学結合素子１２は、レーザダイオード１０から放射された励起光を光ファイバ１４に入射させる。光ファイバ１４は、入射された励起光を波長変換ユニット１６に導光する導光部材である。波長変換ユニット１６は、光ファイバ１４によって導光されてきた励起光を所望の波長変換光に変換し、この波長変換光を所望の出力光２２として出射する。励起光源駆動部１８は、レーザダイオード１０を駆動する。変調コントローラ２０は、励起光源駆動部１８を制御することで、レーザダイオード１０から放射される励起光の変調を行う。よって、励起光源駆動部１８と変調コントローラ２０は、励起光源が放射する励起光を変調する強度変調手段として機能する。
【００１１】
また、本実施形態では、波長変換ユニット１６は、半導体部材２４と、該半導体部材２４を保持する保持部２６と、から構成される。そして、半導体部材２４は、直接遷移型半導体により構成された半導体活性層２８で構成されている。直接遷移型半導体は、上記励起光を吸収し、該励起光よりも長波長の光を発光するように構成されている。
【００１２】
このような構成の光源装置においては、光ファイバ１４の出射端より出射した励起光は、波長変換ユニット１６に導光され、この波長変換ユニット１６内で、半導体活性層２８に照射される。半導体活性層２８では、励起光よりも長波長の半導体材料特有の発光スペクトルの光を生成する。一般的には、波長変換ユニット１６より前方（励起光入射側の反対側）に出射される出力光２２のスペクトルは、上記半導体材料特有の発光スペクトルと励起光を組み合わせたものになるが、励起光が波長変換ユニット１６内で完全に吸収される場合は、半導体材料特有の発光スペクトルだけとなる。
【００１３】
半導体部材２４は、励起光による光変質が殆どなく、また、波長変換の際に生じる熱による変質も少ないので、長期的に安定な（長寿命）な光源が可能となる。従来の樹脂に混ぜた蛍光体により構成された波長変換ユニットの構成と比較して、特に、励起光としてＵＶ光などの短波長の光を必要とする場合には、励起光エネルギーによる変質、変質が殆どない。また、半導体材料は、樹脂材料と比較して、熱伝導率も、耐熱性も、共に高いので、波長変換の際に生じる熱の発散も大きく、熱的な原因による変質が小さい点が優れている。
【００１４】
また、半導体活性層２８は、従来の蛍光体による波長変換と比べて、波長変換時間が早いため、励起光を高速で強度変調することにより、これに追随して高速な出力光の変調が可能となる。このような高速な光変調は、高速光通信用途の光源として有用であるばかりでなく、生化学分析や医療用の分析光源としても重要である。
【００１５】
［変形例１］
上述の図１の波長変換ユニット１６は、各種の変形例が適用できる。  
例えば、図２は、半導体活性層２８をクラッド層３０，３２で挟んだダブルへテロ構造により、波長変換ユニット１６の半導体部材２４を構成した場合を示す。
【００１６】
クラッド層３０，３２を、半導体活性層２８よりもバンドギャップが大きい材料にすることにより、半導体活性層２８に照射された励起光を吸収して発生する電子・ホール対を空間的に高密度で半導体活性層２８に閉じ込める作用が強まる。これにより、発光そのものの効率が高められると共に、波長変換の際に発生する発熱による半導体材料の温度上昇があっても、熱的作用による励起キャリアの拡散を抑制できるので、波長変換効率が低下しにくい利点がある。
【００１７】
この場合、半導体活性層２８を量子構造にすると、さらに波長変換効率をアップさせることができる。
【００１８】
［変形例２］
図３は、図２の構成に、第１半導体多層ミラー３４と第２半導体多層ミラー３６を組み合わせた構成を示している。
【００１９】
波長変換ユニット１６の半導体部材２４は、図３に示すように、励起光の光軸（図では一点鎖線で示す）方向に、第１半導体多層ミラー３４、半導体活性層２８、第２半導体多層ミラー３６、の順で積層された構成になっている。なお、多層ミラーは、半導体多層ミラーに代えて、誘電体多層ミラーなどで作成しても良い。
【００２０】
ここで、第１半導体多層ミラー３４と第２半導体多層ミラー３６の配置と構成は、励起光の波長で共振するように設定されている。こうすることにより、励起光が共振器を往復しながら何回も半導体活性層２８を通過する（これをリサイクルという）こととなり、波長変換効率をアップさせることができる。このとき、出力光２２のスペクトルは、上記半導体材料特有の発光スペクトルと、上記第１半導体多層ミラー３４と上記第２半導体多層ミラー３６の透過・共振特性によって決まるスペクトル特性と、を掛け合わせたものになる。
【００２１】
また、少なくとも第２半導体多層ミラー３６は、励起光の波長近傍においては所定以上の反射率を有すると共に、上記半導体活性層２８で発光した光波長については所定以上の透過率を有するように構成することが望ましい。このようにすることにより、上記の励起光のリサイクル効果を維持した上で、半導体活性層２８で発光した光の出力をアップさせることができる。
【００２２】
［変形例３］
図４は、図２の構成に、第１半導体多層ミラー３４だけを組み合わせた構成を示している。
【００２３】
ここで、第１半導体多層ミラー３４は、励起光は通すが、半導体活性層２８で発光した光の波長は反射するように構成されている。これにより、半導体活性層２８で生み出された波長変換光のうち、出力光２２の方向と逆向きに進む光を反射して出力光２２に加えることができるので、実効的な波長変換効率をアップさせることができる。
【００２４】
［変形例４］
図５（Ａ）の構成は、図２の構成と同様である。ただし、半導体活性層２８を、バルクの単一層の発光層とする代わりに、図５（Ｂ）に示すように、互いに異なるピーク波長で発光する発光層を２つ組み込んだ構成としている。すなわち、半導体活性層２８は、光ファイバ１４側から順に、クラッド層３８、第１発光層４０、クラッド層３８、第２発光層４２、クラッド層３８、の順に積層されて構成されている。
【００２５】
これにより、半導体活性層２８に励起光が照射されると、第１発光層４０と第２発光層４２から互いに異なるピーク波長の光を出射することができる。
【００２６】
図５の構成は、出力光２２のスペクトルピークを複数設定したり、あるいは、複数の発光スペクトルを用いて任意の広がりのあるスペクトルを実現したりする際に活用できる。
【００２７】
［変形例５］
図６（Ａ）の構成は、上記変形例４と同じく、図５の構成と同様である。ただし、図５の（Ｂ）に示す構成においては第１発光層４０と第２発光層４２を積層しているが、本変形例では、その代わりに、互いに異なるピーク波長で発光する発光領域４４，４６を平面状に配置している。具体例として、発光領域４４，４６は、化合物半導体の量子箱構造を平面状に配置することで実現可能である。
【００２８】
図６の構成は、上記変形例４の構成同様、出力光２２のスペクトルピークを複数設定したり、あるいは、複数の発光スペクトルを用いて任意の広がりのあるスペクトルを実現したりする際に活用できる。
【００２９】
［変形例７］
図７は、図２の構成において、光ファイバ１４と半導体部材２４との間に、第２の導光部材４８を挿入した構成を示している。
【００３０】
このような構成では、励起光は、光ファイバ１４から出射した後に、第２の導光部材４８によってビーム径を拡げて半導体部材２４の半導体活性層２８に照射される。このため、半導体活性層２８における光波長変換の際に発生する熱の集中や、励起光の密度を下げることができる。よって、光や熱による特性劣化や変質を抑制して、大きな光量を出力できる。
【００３１】
なお、極力熱による影響を緩和するため、第２の導光部材４８の材料は、励起光を通し、熱伝導率が良く、励起光による光変質が少なく、励起光による熱変質の少ない熱耐久性の良い材料、例えば、半導体材料、ガラス、セラミック等が望ましい。
【００３２】
［第２実施形態］
図８に示すように、本発明の第２実施形態に係る光源装置は、レーザダイオード１０、光学結合素子１２、光ファイバ１４、波長変換ユニット１６、励起光源駆動部１８、変調コントローラ２０、第２の導光部材４８、電極５０、及び電流駆動部５２から構成されている。
【００３３】
ここで、レーザダイオード１０、光学結合素子１２、光ファイバ１４、波長変換ユニット１６、励起光源駆動部１８、及び変調コントローラ２０は、上記第１実施形態と同様のものである。ただし、波長変換ユニット１６の保持部２６は、半導体部材２４に加えて、上記第１実施形態の変形例７で説明したような第２の導光部材４８を、光ファイバ１４と半導体部材２４との間に保持する。また、半導体部材２４の詳細な構成例については、実施例として、頭９を参照して後述する。
【００３４】
電極５０は、半導体部材２４の両端に接続され、電流駆動部５２は、上記変調コントローラ２０の制御の下、上記電極５０により半導体部材２４に電流を注入する。
【００３５】
以下、上記第１実施例と重複する部分は一部省略し、本第２実施形態の作用効果を説明する。
【００３６】
波長変換ユニット１６は、上記第１実施形態で説明したような励起光によるだけでなく、電流注入によっても、ほぼそれと同じ光スペクトルで発光が可能である。
【００３７】
即ち、上記第１実施形態で説明したように、波長変換ユニット１６を光励起する場合は、レーザダイオード１０を励起光源駆動部１８により駆動する。光ファイバ１４から入射した励起光は、波長変換ユニット１６の半導体部材２４の直接遷移型半導体でなる半導体活性層２８に照射されて、励起光よりも長波長の半導体材料特有の発光スペクトルの光を生成し、外部に出力光２２として出射する。
【００３８】
一方、波長変換ユニット１６を電流励起する場合は、電流駆動部５２を駆動し、電極５０より例えばＰＮ接合によって直接遷移型半導体でなる半導体活性層２８に電流を注入する。これにより、上記半導体活性層２８において、該半導体活性層２８を構成する半導体材料特有の発光スペクトルの光を生成し、外部に出力光２２として出射する。
【００３９】
ここで、波長変換ユニット１６の半導体活性層２８は、光励起によっても、また電流注入によっても、略等しい光波長を発光する。
【００４０】
変調コントローラ２０は、励起光源駆動部１８と電流駆動部５２の駆動強度や変調タイミング、変調波形を制御する信号を出すものである。すなわち、変調コントローラ２０と励起光源駆動部１８が組み合わされて、レーザダイオード１０が放射する励起光を変調または可変することで該光源装置の出力光２２の強度や波形を変調または可変する強度変調手段として機能し、また、変調コントローラ２０と電流駆動部５２が組み合わされて、半導体活性層２８に注入する電流を変調または可変することで該光源装置の出力光２２の強度や波形を変調または可変する電気変調手段として機能する。
【００４１】
用途に応じて、変調コントローラ２０の制御信号を設定することにより、発熱量の制約が大きい場合は、励起光による励起の割合を強くすることができるし、励起光による光変質の問題が大きい場合、あるいは、励起光の透過が問題になるような場合は、光励起よるよりも電流駆動による発光の割合を大きくすることができる。すなわち、発熱の制約、出力光２２に含まれる励起光の透過の程度制約、及び、励起光による素材の変質を防ぐための励起光量制約、などの制約要件に応じて、光励起と電流注入励起の割合やＯＮ／ＯＦＦを自在に設定することができる。
【００４２】
以上のように、本第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、半導体部材２４は励起光による光変質が殆どなく、熱伝導性も良いので、波長変換の際に生じる熱による変質が少なく長期的に安定な（長寿命）な光源が可能となる。従来の樹脂に混ぜた蛍光体により構成された波長変換ユニットの構成と比較して、特に、励起光としてＵＶ光などの短波長の光を必要とする場合でも、励起光エネルギーによる変質、変質が殆どなく、また、波長変換の際に生じる熱による変質が小さい点が優れている。
【００４３】
また、半導体活性層２８を使うことにより、励起光の波長変換時間時間が短く、また、電流による直接変調も高速であるため、高速の光変調が可能となる。このような高速な光強度変調は、高速光通信用途の光源として有用であるばかりでなく、生化学分析や医療用の分析光源としても重要である。
【００４４】
［実施例］
ここで、半導体部材２４の実施例を説明する。  
例えば、上記第２実施形態における半導体部材２４は、図９に示すように構成される。すなわち、半導体部材２４は、励起光の光軸（図８では一点鎖線で示す）方向に、Ｎ型半導体基板５４、第１半導体多層ミラー３４として機能するＮ型半導体多層ミラー５６、直接遷移型半導体よりなる半導体活性層２８、第２半導体多層ミラー３６として機能するＰ型半導体多層ミラー５８、の順で積層された構成になっている。
【００４５】
なお、第１半導体多層ミラー３４（Ｎ型半導体多層ミラー５６）と第２半導体多層ミラー３６（Ｐ型半導体多層ミラー５８）は、上記第１実施形態の変形例２で説明したように、励起光に共振波長を有する共振器として機能するように構成されている。
【００４６】
すなわち、波長変換ユニット１６を光励起する場合は、光ファイバ１４から入射した励起光は、Ｎ型半導体多層ミラー５６とＰ型半導体多層ミラー５８の間で往復しながら何回も半導体活性層２８に照射されて、該半導体活性層２８を構成する直接遷移型半導において、励起光より長波長の半導体材料特有の発光スペクトルの光を生成し、Ｐ型半導体多層ミラー５８を経て外部に出力光２２として出射される。
【００４７】
また、波長変換ユニット１６を電流励起する場合は、電流駆動部５２が駆動されて、ＰＮ接合により直接遷移型半導体よりなる半導体活性層２８に電流が注入されて、半導体活性層２８を発光させる。ここで、Ｎ型半導体多層ミラー５６とＰ型半導体多層ミラー５８には、各々、電流注入を可能とする電極５０が形成されており、電流駆動部５２により半導体活性層２８に電流注入ができるように構成されている。半導体活性層２８は、該半導体活性層２８を構成する半導体材料特有の発光スペクトルの光を生成し、Ｐ型半導体多層ミラー５８を経て外部に出力光２２として出射される。
【００４８】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００４９】
例えば、励起光源は、レーザダイオード１０に限定するものではなく、ＬＥＤなどであっても良く、導光部材についても、光ファイバ１４に限定するものではなく、光導波路であっても構わない。
【符号の説明】
【００５０】
１０…レーザダイオード、  １２…光学結合素子、  １４…光ファイバ、  １６…波長変換ユニット、  １８…励起光源駆動部、  ２０…変調コントローラ、  ２２…出力光、  ２４…半導体部材、  ２６…保持部、  ２８…半導体活性層、  ３０，３２，３８…クラッド層、  ３４…第１半導体多層ミラー、  ３６…第２半導体多層ミラー、  ４０…第１発光層、  ４２…第２発光層、  ４４，４６…発光領域、  ４８…第２の導光部材、  ５０…電極、  ５２…電流駆動部、  ５４…Ｎ型半導体基板、  ５６…Ｎ型半導体多層ミラー、  ５８…Ｐ型半導体多層ミラー。
【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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