(57)【要約】【課題】指向性の高い赤外光源を実現する。【解決手段】発光素子は、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造と、を備える。前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【請求項２】
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さい、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１の光は、前記周期構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとし、前記周期構造の周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ、
発光素子。
【請求項６】
透光層と、
前記透光層に形成された少なくとも一つの周期構造と、
前記周期構造に近接して配置され、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【請求項７】
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成された少なくとも一つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【請求項８】
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項１から７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成された少なくとも一つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層を有する発光素子および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線（以下、「赤外光」と称することもある。）は、様々な用途に利用されている。例えば、生体内部の観察、食品および薬品等の物質の組成の検査、生体認証、並びに赤外線通信等の用途に利用されている。これらの応用に際して、所定の波長域の赤外線を観測対象に正確に照射することが求められる。
【０００３】
赤外光および可視光等の電磁波を発するフォトルミネッセンス材料は、一般に等方的に発光する。よって、特定の方向のみに電磁波を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品が用いられることが多い。例えば、特許文献１は、可視光の例であるが、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光学デバイスにおいて、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要がある。これらの光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。
【０００６】
本開示は、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス材料の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係る発光素子は、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造と、を備え、前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。
【０００８】
上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様に係る発光素子および発光装置によれば、素子自体が高い指向性の赤外光を出射することができる。このため、従来必要であったリフレクターやレンズ等の光学部品を用いなくても指向性の高い発光が可能である。ある態様では、光の指向性だけでなく、輝度または偏光特性を制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。
【図１Ｃ】他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。
【図２】発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図３】式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。
【図４】発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図５Ａ】厚さｔ＝３４５ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図５Ｂ】厚さｔ＝９２５ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図５Ｃ】厚さｔ＝６００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図６】図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図７Ａ】２次元の周期構造の例を示す平面図である。
【図７Ｂ】２次元周期構造に関して図２と同様の計算を行った結果を示す図である。
【図８】発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図９】図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を２０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。
【図１０】発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図１１】図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。
【図１２】光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして図９に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。
【図１３】図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。
【図１４】屈折率が１．５の透明基板の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。
【図１５】式（１５）の条件を図示したグラフである。
【図１６】図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。
【図１７Ａ】励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図であり、ｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示している。
【図１７Ｂ】励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図であり、ｘ方向の周期ｐｘおよびｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示す図である。
【図１７Ｃ】図１７Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。
【図１７Ｄ】ｙ方向の周期ｐｙおよび波長に対する光の増強度の依存性を示す図である。
【図１８Ａ】２次元周期構造の一例を示す図である。
【図１８Ｂ】２次元周期構造の他の例を示す図である。
【図１９Ａ】透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。
【図１９Ｂ】透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図２０】複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。
【図２１】フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。
【図２２】表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。
【図２３】フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。
【図２４】フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成した例を示す図である。
【図２５】（ａ）および（ｂ）は、発光素子の出射光の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図２６】（ａ）および（ｂ）は、発光素子の出射光の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図２７】フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。
【図２８Ａ】発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図２８Ｂ】発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の他の例を示す模式的な平面図である。
【図２８Ｃ】発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図２９】マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。
【図３０】スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３１】赤外イメージングを行うシステムの概略的な構成を示す図である。
【図３２】発光装置２００と光ファイバ５００とを組み合わせたシステムの概略的な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、以下の項目に記載の発光素子および発光装置を含む。
【００１２】
［項目１］
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【００１３】
［項目２］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さい、項目１に記載の発光素子。
【００１４】
［項目３］
前記第１の光は、前記周期構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、項目１または２に記載の発光素子。
【００１５】
［項目４］
前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、項目３に記載の発光素子。
【００１６】
［項目５］
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとし、前記周期構造の周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ、
発光素子。
【００１７】
［項目６］
透光層と、
前記透光層に形成された少なくとも一つの周期構造と、
前記周期構造に近接して配置され、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【００１８】
［項目７］
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成された少なくとも一つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【００１９】
［項目８］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目１から７のいずれかに記載の発光素子。
【００２０】
［項目９］
赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成された少なくとも一つの周期構造と、
を備え、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの赤外域の第１の光を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
発光素子。
【００２１】
本開示の実施形態による発光素子は、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成された少なくとも１つの周期構造とを有する。前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む。隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含む。前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。波長λaは、近赤外あるいは中赤外の波長範囲内（約０．７５μｍ以上４μｍ以下）にある。本明細書では、この波長範囲を「赤外域」と称し、赤外域の電磁波（即ち赤外線）も「光」と表現することがある。
【００２２】
フォトルミネッセンス層は、赤外域の光を発するフォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料（即ち、ホスト材料）を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。
【００２３】
フォトルミネッセンス層に近接して配置される透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料で形成され、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）で形成される。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってよい。フォトルミネッセンス層の空気側の表面が周期構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。
【００２４】
本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成された周期構造によって、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光が周期構造と相互作用して形成されるものであり、擬似導波モードと表現することもできる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがある。その説明は、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。
【００２５】
周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、隣接する凸部間の距離（即ち、中心間距離）をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足する。言い換えれば、周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。ｎwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。
【００２６】
擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎaは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎeffは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、周期構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向（ＴＥモードとＴＭモード）により、電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは有効屈折率ｎeffは異なり得る。
【００２７】
周期構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面に周期構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層が周期構造を有する。フォトルミネッセンス層は周期構造を有さなくてもよい。このとき、周期構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはその周期構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場が周期構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層の周期構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場が周期構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。
【００２８】
周期構造は、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するので、波長の大きさで特徴づけられる。周期構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、１つとは限らず、複数の周期構造が設けられていてもよい。擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、周期構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら（即ち、全反射を繰り返しながら）周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても（即ち、周期構造の高さが小さくても）効率よく光の回折を起こすことができる。
【００２９】
以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる。すなわち、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥとＴＭモードで有効屈折率ｎeff（＝ｎwavｓｉｎθ）が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長（例えば１０００ｎｍ）の直線偏光（例えばＴＭモード）を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射される光の指向角は例えば１５°未満である。なお、指向角は正面方向を０°とした片側の角度とする。
【００３０】
周期構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、周期構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い１次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる２次元周期構造であってもよい。
【００３１】
フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期（ピッチ）が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向（軸）が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、異なる複数の面に形成（即ち積層）されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数の周期構造を有してもよい。
【００３２】
周期構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光が周期構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つ周期構造を用いればよい。ｎwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を有する構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、４５０ｎｍであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する赤外光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。
【００３３】
［１．本開示の基礎となった知見］
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光するので、特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学部品は不要になるので（若しくは小さくできるので）、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
【００３４】
本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。
【数１】
2017003697.tif 000003
【００３５】
式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。
【００３６】
一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用するための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。
【００３７】
［２．特定の方向の電場のみを強くする構成］
本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方で形成された周期構造とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
【００３８】
つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）とすることで、発光を特定方向の伝播光へと変換される擬似導波モードへ結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。
【００３９】
導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図３０は、スラブ型導波路１１０Ｓの一例を模式的に示す斜視図である。導波路１１０Ｓの屈折率が導波路１１０Ｓを支持する透明基板１４０の屈折率よりも高いとき、導波路１１０Ｓ内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路を、フォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた赤外光の電場が導波モードの電場と大きく重なりをもつので、フォトルミネッセンス層で生じた赤外光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
【００４０】
さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。
【００４１】
また、周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成され、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質となる。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。
【００４２】
本発明者らは、まずこのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに発光を結合させることについて検討を行った。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層）１２０とを有する発光素子１００の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層１２０が周期構造を形成している場合（即ち、透光層１２０に周期的な屈折率の変動を有する構造が形成されている場合）、透光層１２０自体を周期構造１２０ということがある。この例では、周期構造１２０は、各々がｙ方向に延びるストライプ状の複数の凸部がｘ方向に等間隔に並んだ１次元周期構造である。図１Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数ｋwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
【数２】
2017003697.tif 000004
【００４３】
式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
【００４４】
ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式（３）および（４）が成立するとする。
【数３】
2017003697.tif 000005
【数４】
2017003697.tif 000006
【００４５】
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式（２）〜（４）から、出射角度θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
【数５】
2017003697.tif 000007
【００４６】
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝０となり、導波路の面に垂直な方向（即ち、正面）に光を出射させることができることがわかる。
【００４７】
以上のような原理に基づけば、発光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。
【００４８】
上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式（６）で表される。
【数６】
2017003697.tif 000008
【００４９】
この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式（５）において−１＜ｓｉｎθout＜１である必要がある。よって、以下の式（７）を満足する必要がある。
【数７】
2017003697.tif 000009
【００５０】
これに対し、式（６）を考慮すると、以下の式（８）が成立すればよいことがわかる。
【数８】
2017003697.tif 000010
【００５１】
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝０）にするためには、式（５）から、以下の式（９）が必要であることがわかる。
【数９】
2017003697.tif 000011
【００５２】
式（９）および式（６）から、必要な条件は、以下の式（１０）であることがわかる。
【数１０】
2017003697.tif 000012
【００５３】
なお、図１Ａおよび図１Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いため、ｍ＝１である１次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。
【数１１】
2017003697.tif 000013
【００５４】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、導波路（フォトルミネッセンス層）１１０が透明基板に接していない場合には、ｎoutは空気の屈折率（約１．０）となるため、以下の式（１２）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数１２】
2017003697.tif 000014
【００５５】
一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板１４０の屈折率ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎsとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数１３】
2017003697.tif 000015
【００５６】
なお、式（１２）、（１３）では、式（１０）においてｍ＝１の場合を想定したが、ｍ≧２であってもよい。すなわち、図１Ａおよび図１Ｂに示すように発光素子１００の両面が空気層に接している場合には、ｍを１以上の整数として、以下の式（１４）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
【数１４】
2017003697.tif 000016
【００５７】
同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａのようにフォトルミネッセンス層１１０が透明基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（１５）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
【数１５】
2017003697.tif 000017
【００５８】
以上の不等式を満足するように周期構造の周期ｐを決定することにより、フォトルミネッセンス層１１０から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。
【００５９】
［３．計算による検証］
［３−１．周期、波長依存性］
本発明者らは、以上のような特定方向への赤外光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
【００６０】
フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の高さを１００ｎｍ、周期構造の屈折率を１．８とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する赤外光の増強度を計算した。図２は、その結果を示している。計算モデルは、図１Ａに示すように、ｙ方向には均一な１次元周期構造とし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとして計算を行った。図２の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図２において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い（即ち黒い）方が増強度が大きく、淡い（即ち白い）方が増強度が小さい。
【００６１】
上記の計算において、周期構造の断面は、図１Ｂに示すような矩形であるものとしている。式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフを図３に示す。図２と図３とを比較すると、図２におけるピーク位置はｍ＝１とｍ＝３に対応するところに存在することがわかる。ｍ＝１の方が強度が強いのは、３次以上の高次の回折光よりも１次の回折光の回折効率の方が高いからである。ｍ＝２のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。
【００６２】
図３で示したｍ＝１およびｍ＝３のそれぞれに対応する領域内において、図２では複数のラインが存在することが確認できる。これは、擬似導波モードが複数存在するからであると考えられる。
【００６３】
［３−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の周期を１２００ｎｍ、高さを１００ｎｍ、屈折率を１．８とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さｔが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
【００６４】
図４においてピークが存在する波長１５００ｎｍ、厚さｔ＝３４５ｎｍ、９２５ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないｔ＝６００ｎｍの場合について同様の計算を行った結果を図５Ｃに示す。計算モデルは、上記と同様、ｙ方向に均一な１次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。ｔ＝３４５ｎｍ、９２５ｎｍの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、ｔ＝６００ｎｍでは全体的に電場強度が低い。これは、ｔ＝３４５ｎｍ、９２５ｎｍの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。さらに、凸部または凸部の直下に電場が最も強い部分（腹）が必ず存在しており、周期構造１２０と相関のある電場が発生している特徴が見て取れる。つまり、周期構造１２０の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。また、ｔ＝３４５ｎｍの場合とｔ＝９２５ｎｍの場合とを比較すると、ｚ方向の電場の節（白い部分）の数が１つだけ異なるモードであることが分かる。
【００６５】
［３−３．偏光依存性］
次に偏光依存性を確認するために、図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図６に示す。ＴＭモードのとき（図２）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図３で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、ＴＭモード、ＴＥモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
【００６６】
［３−４．２次元周期構造］
さらに、２次元の周期構造による効果の検討を行った。図７Ａは、ｘ方向およびｙ方向の両方向に凹部および凸部が配列された２次元の周期構造１２０’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような２次元周期構造では、ｘ方向とｙ方向の両方の回折を考慮する必要がある。ｘ方向のみ、あるいはｙ方向のみの回折に関しては１次元の場合と同様であるが、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在するため、１次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような２次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図７Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図２の条件と同じである。図７Ｂに示すように、図２に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図６に示すＴＥモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、２次元周期構造により、ＴＥモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、２次元周期構造については、ｘ方向およびｙ方向の両方について、同時に１次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期ｐの√２倍（即ち、２1/2倍）の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、１次元周期構造の場合のピークに加えて、周期ｐの√２倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図７Ｂでは、このようなピークも確認できる。
【００６７】
２次元周期構造としては、図７Ａに示すようなｘ方向およびｙ方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図１８Ａおよび図１８Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）の周期が異なる構造であってもよい。
【００６８】
以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。
【００６９】
［４．周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討］
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
【００７０】
［４−１．周期構造の屈折率］
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚ｔを４００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造とし、高さｈを１００ｎｍ、周期ｐを１２００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図８に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚ｔを２０００ｎｍにした場合の結果を図９に示す。
【００７１】
まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が４００ｎｍの場合（図８）に比べ、膜厚が２０００ｎｍの場合（図９）のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長（ピーク波長と称する。）のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。
【００７２】
次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちＱ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い（即ちＱ値が高い）擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体（即ち、透光層）の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。
【００７３】
［４−２．周期構造の高さ］
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造で屈折率をｎp＝１．５、周期を１２００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図１０に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を図１１に示す。図１０に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度およびＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないのに対して、図１１に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも高い場合（図１０）には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し（エバネッセント）部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合（図１１）は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図１１を見る限り、高さは２００ｎｍ程度あれば十分であり、３００ｎｍを超える領域ではピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合に、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを３００ｎｍ以下に設定すればよい。
【００７４】
［４−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図９に示す計算と同じ条件で、光の偏光が伝播方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして計算した結果を図１２に示す。ＴＥモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＭモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率ｎpがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびＱ値の低下がＴＭモードよりも著しい。
【００７５】
［４−４．フォトルミネッセンス層の屈折率］
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を図１３に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが１．５の場合においても概ね図９と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が１８００ｎｍ以上の赤外光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１０）より、λ0＜ｎwav×ｐ／ｍ＝１．５×１２００ｎｍ／１＝１８００ｎｍとなるからである。
【００７６】
以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを３００ｎｍ以下にすれば、ピーク強度およびＱ値を高くできることがわかる。
【００７７】
［５．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
【００７８】
［５−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎsはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎoutをｎsとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定する必要がある。
【００７９】
このことを確認するために、屈折率が１．５の透明基板１４０の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図１４に示す。図２の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図２の結果とは異なることがわかる。これに対して、式（１０）の条件をｎout＝ｎsとした式（１５）の条件を図１５に示す。図１４において、図１５に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。
【００８０】
したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを設けた発光素子１００ａでは、式（１５）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（１３）を満足する周期ｐの範囲において特に顕著な効果が得られる。
【００８１】
［５−２．励起光源を有する発光装置］
図１６は、図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源１８０を設けることにより、指向性をもつ発光装置２００を実現できる。光源１８０から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図１６では、光源１８０がフォトルミネッセンス層１１０の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の上面から励起光を入射させてもよい。
【００８２】
励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図１７Ａ、１７Ｂは、そのような方法を説明するための図である。この例では、図１Ｃ、１Ｄに示す構成と同様、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成されている。まず、図１７Ａに示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７Ｂに示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち、周期構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
【数１６】
2017003697.tif 000018
【００８３】
ここで、ｎoutは、図１７Ａ、１７Ｂの例では透明基板１４０のｎsであるが、図１６のように透明基板１４０を設けない構成では、空気の屈折率（約１．０）である。
【００８４】
特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。
【数１７】
2017003697.tif 000019
【００８５】
このように、式（１６）の条件（特に式（１７）の条件）を満足するように周期ｐyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。
【００８６】
図１７Ｃは、図１７Ａに示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、ｐx＝１２００ｎｍ、励起光の波長λexを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数を０．００３としている。図１７Ｄは、図１７Ｂに示す構造においてｙ方向の周期ｐｙに対する波長ごとの増強度を示す図である。図１７Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層１１０から生じた光だけでなく、励起光である約４５０ｎｍの光に対して高い吸収率を示すことがわかる。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、約１４００ｎｍおよび約１９００ｎｍに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし上記波長の近赤外光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図１７Ｂに示す周期構造１２０は、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期の異なる構造（周期成分）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７Ａ、１７Ｂでは励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。
【００８７】
さらに、複数の周期成分を有する２次元周期構造としては、図１８Ａまたは図１８Ｂに示すような構成を採用してもよい。図１８Ａに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図１８Ｂに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸（図の例では軸１〜３）を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式（１０）に相当する条件を満足するように各周期が設定される。
【００８８】
［５−３．透明基板上の周期構造］
図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、透明基板１４０上に周期構造１２０ａを形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０を設けてもよい。図１９Ａの構成例では、基板１４０上の凹凸からなる周期構造１２０ａに追従するようにフォトルミネッセンス層１１０が形成された結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。一方、図１９Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。この効果を検証するため、図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造１２０ａはｙ方向に均一な１次元周期構造で高さを５０ｎｍ、屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとした。本計算の結果を図１９Ｃに示す。本計算においても、式（１５）の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。本計算は、可視光の波長域で行ったが、赤外光の波長域においても同様の一致性が確認できる。
【００８９】
［５−４．粉体］
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図１Ａ、１Ｂのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
【００９０】
図１Ａ、１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ赤外光の発光を実現することは難しい。そこで、図２０に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の発光素子１００を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子１００の一方向のサイズは、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の１次元または２次元の周期構造を含み得る。
【００９１】
［５−５．周期の異なる構造を配列］
図２１は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。この例では、３種類の周期構造１２０ｅ、１２０ｆ、１２０ｇが隙間なく配列されている。周期構造１２０ｅ、１２０ｆ、１２０ｇは、異なる波長域の赤外光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
【００９２】
［５−６．積層構造］
図２２は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層１１０の間には、透明基板１４０が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造に相当する。図２２に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、異なる波長域の赤外光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する波長の赤外光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
【００９３】
なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２２に示すものとは逆転していてもよい。図２２に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。
【００９４】
［５−７．保護層を有する構成］
図２３は、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層１１０を保護するための保護層１５０を設けても良い。ただし、保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い場合は、保護層１５０の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層１５０が波長よりも厚い場合には、周期構造１２０に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層１５０の内部にまで光が到達する。よって、保護層１５０に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分（以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。）の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いほうが望ましい。なお、保護層１５０を周期構造（透光層）１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層１２０の屈折率はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さいことが望ましい。
【００９５】
［６．材料］
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
【００９６】
周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３〜１．５程度であるＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＳｉＯ2、ガラス、樹脂を用いることができる。
【００９７】
フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。
【００９８】
近赤外域（波長が約７５０ｎｍ〜約２５００ｎｍ）の領域において発光する蛍光体材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+、ＳｒＡｌＳｉ4Ｏ7：Ｅｕ2+、Ｍ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｙｂ2+（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｌａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、ＣａＷＯ4：Ｌｉ1+，Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｍ2ＳｉＳ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ3ＳｉＯ5：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ｚｎ３Ｇａ２Ｇｅ２Ｏ１０：Ｃｒ、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２（ＬｕＡＧ）：Ｃｒ、ＬｉＡｌ５Ｏ８：Ｃｒ、ＧＧＧ：Ｃｒ、Ｋ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２・ｘＨ２Ｏ：Ｎｄ，Ｃｅ、Ｌｕ２Ｏ２Ｓ：Ｎｄ，Ｙｂ、ＬａＯＣｌ：Ｎｄ，Ｙｂ、ＹＶＯ４系：Ｎｄ，ＹｂＹ（ＰＯ３）３：Ｎｄ，Ｙｂ、ＣａＧａ２Ｓ４：Ｍｎ、ＬｉＡｌＯ２：Ｆｅ、ＣａＳ：Ｙｂ，Ｃｌ、ＣａＴｉＡｌＯ３：Ｂｉ、Ｙ２Ｏ３：Ｙｂ，Ｅｒ、Ｇｄ２Ｏ３：Ｙｂ，Ｅｒ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｙｂ，Ｅｒ、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ３＋，Ｎｄ３＋を用いることができる。
【００９９】
中赤外（波長が約２．５μｍ〜約４μｍ）の領域において発光する材料としては、例えば、希土類イオン（Ｙｂ３＋，Ｅｒ３＋，Ｔｍ３＋，Ｈｏ３＋，Ｄｙ３＋）をドープしたガラスや蛍光体を用いることができる。
【０１００】
量子ドットについては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、コア・シェル型ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、合金型ＣｄＳＳｅ／ＺｎＳなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。
【０１０１】
図１Ｃ、１Ｄなどに示す透明基板１４０は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、ＭｇＦ（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。
【０１０２】
［７．製造方法］
続いて、製造方法の一例を説明する。
【０１０３】
図１Ｃ、１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板１４０上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層１１０の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造１２０を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造１２０を形成してもよい。図２４に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。
【０１０４】
図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、１Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。
【０１０５】
図１９Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造１２０ａを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造１２０ａの凹部をフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって図１９Ｂに示す構成を実現することもできる。
【０１０６】
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。
【０１０７】
[８．角度依存性]
出射光強度の角度依存性を計算した結果を図２５および図２６に示す。図２５は、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させた場合の計算結果を示している（下段）。図２６は、１次元周期構造１２０のライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合についての計算結果を示している（下段）。図２５および図２６のそれぞれにおいて、ＴＭモードおよびＴＥモードの直線偏光について計算した。図２５（ａ）はＴＭモード、図２５（ｂ）はＴＥモード、図２６（ａ）はＴＥモード、図２６（ｂ）はＴＭモードの直線偏光についての結果を示している。図２５および図２６から明らかなように、ＴＭモードの方が光を増強する効果が高く、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、約２４００ｎｍの光については、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。正面方向に出射される光の指向角は、例えば１５％未満にすることができる。ここで「指向角」とは、光強度が最大強度の５０％である方向の、最大強度の方向に対する角度を意味する。
【０１０８】
上述したように、本開示の発光素子が有する周期構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、周期構造の構成に依存する。図２７に示すように、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されており、図１Ａに示した１次元周期構造１２０を有する場合を例示する。１次元周期構造１２０によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造１２０の周期をｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav、光が出射される外部の媒質の屈折率をｎoutとし、１次元周期構造１２０への入射角をθwav、１次元周期構造１２０から外部の媒質への出射角をθoutとすると、ｐ×ｎwav×ｓｉｎθwav−ｐ×ｎout×ｓｉｎθout＝ｍλの関係を満足する（上記の式（５）参照）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。
【０１０９】
上記式から、θout＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎout］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図２７に模式的に示すように、観察する方向によって、波長が異なることになる。
【０１１０】
この角度依存性を低減させるためには、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが、波長λによらず一定となるように、ｎwavおよびｎoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが波長λに依存しないような、ｎwavおよびｎoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎoutは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および一次元周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率ｎwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。
【０１１１】
また、図２８Ａに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、複数の波長域の赤外光を出射できるようにできる。図２８Ａに示す例では、第１の波長域の赤外光を増強できる周期構造１２０ｅと、第２の波長域の赤外光を増強できる周期構造１２０ｆと、第３の波長の赤外光を増強できる周期構造１２０ｇとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｅ、１２０ｆおよび１２０ｇは、例えば、１次元周期構造であり、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、第１から第３の波長域の全ての赤外光について同じである。周期構造１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃによって、発光増強を受けた三波長の赤外域の直線偏光が出射される。
【０１１２】
マトリクス状に配列された複数の周期構造の各々を単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。
【０１１３】
周期構造１２０ｅ、１２０ｆおよび１２０ｇの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、これらの周期構造に対して共通であってもよいし、それぞれの波長に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。
【０１１４】
図２８Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部または凹部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列してもよい。図２８Ｂに示す例では、周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む複数の周期構造がマトリクス上に配列されている。複数の周期構造が増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。図２８Ｂに示すように向きが異なる周期構造を配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図２８Ａにおける周期構造１２０ｅ、１２０ｆ、１２０ｇのそれぞれについて、図２８Ｂのように向きを変えて配置すると、全体として非偏光の広帯域の赤外光を得ることができる。
【０１１５】
前述のように、周期構造は、１次元周期構造に限らず、図２８Ｃに示すように２次元周期構造であってもよい。図２８Ｃに示す２次元周期構造は、周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む。周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設計される。
【０１１６】
図２９は、発光素子の他の例を示す部分断面図である。図２９に示すように、発光素子の光出射側にマイクロレンズ１３０が配置されていてもよい。これにより、斜め方向に出射される波長の赤外光を法線方向に曲げることができ、複数の波長の赤外光を特定の方向（例えば正面方向）に出射させることができる。
【０１１７】
図２９に示した発光素子は、領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は、図２８Ａに示す周期構造１２０ｅ、１２０ｆおよび１２０ｇをそれぞれ有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｅによって、波長λ１の赤外光が法線方向に出射され、例えば波長λ２の赤外光は斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された波長λ２の赤外光は法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、波長λ１の赤外光と波長λ２の赤外光とが混合されて観察される。同様に、領域Ｒ２においては、周期構造１２０ｆによって、波長λ２の赤外光が法線方向に出射され、例えば波長λ３の赤外光は斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された波長λ３の赤外光は法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、波長λ２の赤外光と波長λ３の赤外光とが混合されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズ１３０を一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図２８Ｂまたは図２８Ｃに示した構成にも適用できる。
【０１１８】
また、斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに限らず、例えばレンチキュラーレンズを用いることもできる。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムもアレイとしてもよい。周期構造に対応して個々に配置してもよい。プリズムの形状は、特に限定されず、例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。
【０１１９】
[９．応用例]
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。
【０１２０】
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い赤外光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、生体組織の観察、食品および薬品等の物質の組成の検査、生体認証、並びに赤外線通信等に応用することができる。高い指向性をもつ本開示の発光素子を用いることで、狙った場所にのみ赤外光を照射することができる。また、特定の波長の赤外光を増強することができるため、イメージングの感度を向上させることができる。
【０１２１】
図３１は、このような赤外イメージングを行うシステムの概略的な構成を示す図である。このシステムは、発光装置２００と、センサ３００と、処理装置４００とを備える。発光装置２００は、上述したいずれかの実施形態と同様の構成を有する発光装置である。上述した少なくとも１つの周期構造により、所定の波長の赤外光ＩＲを出射する。センサ３００は、赤外光ＩＲを含む波長域の赤外光に感度を有するイメージセンサである。センサ３００は、検体Ｓで散乱または反射された赤外光ＩＲを受けて電気信号あるいは画像信号を出力する。処理装置４００は、センサ３００から出力された電気信号あるいは画像信号を処理する処理回路（またはプロセッサ）を含む。発光装置２００が検体Ｓに向けて赤外線を出射すると、検体Ｓは、内部の物性に応じて光を吸収する。センサ３００は、吸収されずに散乱または反射された赤外光を受ける。センサ３００が受ける赤外光の強度は、検体Ｓの組成または物性に応じて位置によって異なる。このため、センサ３００から出力された電気信号あるいは画像情報に基づいて検体Ｓの組成や状態を検知することができる。この例では、センサ３００は検体Ｓの散乱光または反射光を検出するが、用途に応じて透過光を検出するように構成されていてもよい。
【０１２２】
このようなシステムは、例えば、人の脳などの生体組織の観察に用いられ得る。生体組織の観察には、例えば７００ｎｍ〜１４００ｎｍの波長域に含まれる波長の近赤外線が用いられる。生体内のヘモグロビンは７００ｎｍ以下の光を吸収し、水は１４００ｎｍ以上の近赤外線を吸収する性質がある。一方、７００ｎｍ〜１４００ｎｍの近赤外線の吸収率は低い。よって、この波長域の光を生体に照射すれば、生体内部まで侵入し、その散乱光を観察することができる。これにより、例えば脳などの生体内部の情報を得ることができる。
【０１２３】
同様のシステムは、生体認証にも利用することができる。例えば図３１に示す発光装置２００を用いて人の手の平に近赤外線を照射し、センサ３００でその反射光および散乱光を検出すると、手の平の静脈の位置を特定できる。これは、静脈に流れるヘモグロビン（還元ヘモグロビン）が近赤外線をよく吸収するためである。センサ３００で検出される画像は、静脈の位置における輝度が低く、その他の位置における輝度が高いものになる。この画像から得られる静脈の分布に基づいて個人を識別することができる。
【０１２４】
食品等の成分分析にも本システムは好適に利用できる。食品に含まれる水分、蛋白質、脂肪は、近赤外線を吸収するが、その吸収波長域は異なっている。例えば蛋白質の吸収波長域は約１．３〜１．７μｍであり、水の吸収波長域は約１．４μｍ〜２μｍであり、脂肪の吸収波長域は約２．２μｍ〜約２．５μｍである。このため、計測対象の成分に応じて選択した波長域の赤外線を用いて撮像することにより、食品の成分分析や検査が可能である。同様の構成により、薬品の成分分析や、製品に混入した異物の検知、製品の配合むらの自動検査等を実現することもできる。
【０１２５】
本開示の発光装置は、赤外光通信に利用することもできる。その場合、発光装置は、例えば光ファイバに導入される赤外光源として使用され得る。図３２は、発光装置２００と光ファイバ５００とを組み合わせたシステムの概略的な構成を示す図である。この発光装置２００における発光素子１００は、例えば１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍ（Ｏ−Ｂａｎｄ）または１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ（Ｓ−Ｂａｎｄ）の波長域の近赤外光を出射するように設計される。この近赤外光を光ファイバ５００に導入することにより、通信に利用できる。
【０１２６】
本開示の発光素子および発光装置は、太陽光下でも高い感度でイメージングする撮像システムに利用することもできる。太陽光は、概ね３００ｎｍ〜３μｍの範囲内の波長域の光（近紫外線〜中赤外線）を発する。このうち、一部の光は、大気の上層に存在するオゾンや、大気中の水蒸気、炭酸ガス、酸素などの気体に吸収される。その結果、地表に届かない波長の光が存在する。例えば、１．３〜１．５μｍおよび１．８〜２．０μｍの波長域の近赤外線は地表に殆ど届かない。よって、これらの波長域の近赤外線を出射するように設計された発光素子と、その波長域に感度を有するイメージセンサとを用いることにより、白昼でも飽和することなく高い感度で撮像することができる。
【０１２７】
また、本開示の発光素子では、例えば図８および図９を参照して上述したように、周期構造の屈折率が変化すると、増強される光の波長が変化し、増強される光の出射方向も変化する。また、フォトルミネッセンス層の屈折率によっても、増強される光の波長および出射方向が変化する。したがって、発光素子の近傍の媒質の屈折率変化を容易に感度良く検知することができる。例えば、以下の様にして、様々な物質を検出するセンサを構成することができる。
【０１２８】
まず、開示の発光素子の周期構造に近接して、測定対象の物質（タンパク質や匂い分子、ウィルスなど）と選択的に結合する物質（酵素など）を配置しておく。測定対象の物質が結合すると、発光素子の近傍の媒質の屈折率が変化する。この屈折率の変化を、上述の増強される光の波長または出射方向の変化として検出できる。これによって、様々な物質の存在を検知することができる。
【０１２９】
以上のように、本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更するだけで、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の赤外光を出射させることもできる。このため、赤外光を利用する様々な用途に利用することができる。
【０１３０】
本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本開示の発光素子および発光装置は、生体内部の観察、食品および薬品等の物質の組成の検査、生体認証、並びに赤外線通信等の種々の用途に適用され得る。
【符号の説明】
【０１３２】
１００、１００ａ    発光素子
１１０    フォトルミネッセンス層（導波層）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ    透光層（周期構造）
１４０    透明基板
１５０    保護層
１８０    光源
２００    発光装置
３００    センサ
４００  処理装置
５００  光ファイバ
【図１Ａ】
2017003697.tif 000020
【図１Ｂ】
2017003697.tif 000021
【図１Ｃ】
2017003697.tif 000022
【図１Ｄ】
2017003697.tif 000023
【図２】
2017003697.tif 000024
【図３】
2017003697.tif 000025
【図４】
2017003697.tif 000026
【図５Ａ】
2017003697.tif 000027
【図５Ｂ】
2017003697.tif 000028
【図５Ｃ】
2017003697.tif 000029
【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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