JP7010361B2 - 発光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光を出射する発光モジュールに関する。

特許文献１には、多モードピグテールファイバと屈折レンズとを備えたファイバレンズが記載されている。このファイバレンズは、例えばレーザダイオードのような光源からの光を屈折レンズによって集束スポットに集光させることができ、効率的な光結合が可能になる。

特表２００７－５０７００７号公報

ところで、特許文献１に記載されたファイバレンズは、屈折レンズと多モードピグテールファイバとを接続している。しかしながら、屈折レンズは、例えば双曲線形状や近似双曲線形状に形成する必要があり、製造コストが上昇し易い。また、屈折レンズと多モードピグテールファイバは十分に高精度な位置合わせが必要になるため、これらを接続するのが難しいという問題がある。これに加え、特許文献１に記載されたファイバレンズは、多モードピグテールファイバを用いて屈折レンズまたはＧＲＩＮレンズに光を入射する。このため、レンズに直接的に光を入射するときに比べて、全体形状が大きくなる傾向がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、小型化が可能で高強度の光を出力可能な発光モジュールを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の発光モジュールは、基板と、前記基板に設けられ、互いに同じ波長の光を発光する複数の光源をもつアレイ型の面発光素子と、前記複数の光源を覆って前記面発光素子に取り付けられ、径方向に対して屈折率分布をもって軸方向に延びる光導波路と、を備え、前記光導波路は、複数の光線が拡散される腹部分と、複数の光線が集光される節部分と、を有しており、前記光導波路の出射端は、直近の前記腹部分から所定の突出寸法だけ突出した位置に配置されており、前記腹部分から前記節部分までの間隔寸法をＬiとし、直近の前記腹部分から前記光導波路の前記出射端までの前記突出寸法をＬoとしたときに、前記突出寸法Ｌoは、Ｌi／３＜Ｌo＜Ｌiの関係を満たす値に設定されており、前記光導波路は、前記面発光素子から出射された複数の光線を前記出射端から出射して集光することを特徴としている。

本発明によれば、小型化が可能で高強度の光を出力することができる。

本発明の第１の実施の形態による発光モジュールを示す断面図である。 面発光素子を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態による発光モジュールを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態による発光モジュールを、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１および図２は本発明の第１の実施の形態による発光モジュール１を示している。発光モジュール１は、基板２、面発光素子３、光導波路５を備えている。

基板２は、絶縁材料を用いて形成された平板である。基板２は、例えばプリント配線基板やセラミック基板が用いられる。基板２は、複数の電極層と絶縁層とが交互に積層された多層基板でもよい。基板２の表面２Ａ（一側主面）には、面発光素子３が実装されている。基板２の裏面２Ｂ（他側主面）には、電極４が形成されている。電極４は、面発光素子３に電気的に接続されている。このため、面発光素子３には、電極４を通じて外部から駆動電流が供給される。

面発光素子３は、例えばアレイ型垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）によって形成されている。面発光素子３は、複数（例えば９個）の光源３Ａ（発光部分）を備えている。これらの光源３Ａは、面発光素子３の表面に位置して、例えば３行３列のアレイ状に配置されている。これらの光源３Ａは、一緒に発光する。光源３Ａは、例えば８５０ｎｍ帯の近赤外光を発光する。光源３Ａは、面発光素子３の厚さ方向に沿った光（光線Ｒ）を出力する。面発光素子３は、例えばワイヤボンディング等の接合方法を用いて、基板２の表面２Ａに取り付けられている。なお、面発光素子３が有する光源３Ａの個数は、９個に限らず、２個ないし８個でもよく、１０個以上でもよい。また、光源３Ａは、他の波長の光を出力してもよい。

光導波路５は、屈折率分布型ファイバによって形成されている。光導波路５は、屈折率分布型コア６を有する樹脂材料からなる光ファイバによって構成されている。なお、光導波路５は、例えばガラス材料のように樹脂以外の材料を用いて形成してもよい。

光導波路５は、屈折率の高いコア６と、屈折率の低いクラッド７とを備えている。光導波路５は、円柱状に形成されている。コア６は、円柱状に形成され、光導波路５の軸中心に位置している。クラッド７は、円筒状に形成され、コア６の径方向外側に位置して、コア６の外周面を覆っている。

光導波路５は、径方向に対して屈折率分布を有し、中心軸Ｏに沿って軸方向に延びている。具体的には、光導波路５のコア６の屈折率は、径方向の中心位置で最も高く、径方向外側に向かうに従って徐々に（例えば半径の二乗に比例して）低くなっている。このとき、中心軸Ｏの位置に入射された軸方向の光線Ｒは、光導波路５の内部で中心軸Ｏに沿って直進する。一方、中心軸Ｏからずれた位置に入射された軸方向の光線Ｒは、光導波路５の内部で中心軸Ｏに接近と離間を繰り返しながら蛇行して伝搬する。このため、光導波路５は、集光と拡散を繰り返しながら、入射端５Ａから入射された光を出射端５Ｂまで伝搬させる。

光導波路５は、軸方向に対して２ｍｍないし４ｍｍ程度の長さ寸法を有している。このとき、光導波路５には、複数の光線Ｒが集光される節部分Ａと、複数の光線Ｒが拡散される腹部分Ｂとが形成される。節部分Ａと腹部分Ｂとは、軸方向に沿って交互に配置される。節部分Ａと腹部分Ｂとの間隔寸法Ｌiは、例えばコア６内の屈折率分布、伝搬する光の波長等によって決定される。光導波路５の出射端５Ｂは、光導波路５の軸方向と直交した平坦面となっている。なお、光導波路５の出射端５Ｂは、平坦面に限らず、例えば外部（出射方向）に向けて半球状に突出した半球面であってもよい。

また、光導波路５の出射端５Ｂは、直近の腹部分Ｂから所定の突出寸法Ｌoだけ突出した位置に配置されている。即ち、光導波路５の出射端５Ｂは、腹部分Ｂから節部分Ａに到達する途中位置に配置されている。このとき、突出寸法Ｌoは、間隔寸法Ｌiの１／３よりも大きく、間隔寸法Ｌiよりも小さい範囲（Ｌi／３＜Ｌo＜Ｌi）に設定されている。これにより、光導波路５を伝搬した光は集光傾向となった状態で出射端５Ｂから出射される。このため、出射端５Ｂから出射された光は、出射端５Ｂの周囲で集光され、スポットＳを形成する。

光導波路５は、例えば透明な接着剤からなる接合部８を用いて面発光素子３に取り付けられている。コア６は、面発光素子３の全ての光源３Ａを覆う大きさを有している。このため、コア６には、面発光素子３の全ての光源３Ａからの光（光線Ｒ）が入射される。面発光素子３の全ての光源３Ａからの光（光線Ｒ）が入射できる範囲であれば、コア６の中心と面発光素子３の中心とを厳密に位置合わせする必要はない。

本発明の第１の実施の形態による発光モジュール１は以上のような構成を有するものであり、次にその動作を説明する。

まず、電極４を通じて面発光素子３に駆動電流を供給すると、面発光素子３の複数の光源３Ａが発光する。これらの光源３Ａは、基板２の厚さ方向に沿った光線Ｒを出力する。このとき、面発光素子３の出力面（表面）は光導波路５によって覆われている。このため、全ての光源３Ａからの光線Ｒは、光導波路５のコア６に入射される。光導波路５の入射端５Ａに入射された光線Ｒは、光導波路５の内部で集束と拡散を繰り返しながら、光導波路５の軸方向に伝搬する。光導波路５を伝搬した光は、集光傾向となった状態で、出射端５Ｂから出射される。これにより、面発光素子３の複数の光源３Ａから出力された光は、光導波路５の出射端５Ｂの周囲で集光され、スポットＳを形成する。

かくして、本実施の形態による発光モジュール１では、光導波路５は、面発光素子３から出射された複数の光線Ｒを集光する。これにより、光導波路５は、面発光素子３の複数の光源３Ａから出射された複数の光線Ｒを集光するから、光導波路５から高強度の光を出力することができる。また、面発光素子３を光導波路５の入射端５Ａに取り付ければいいため、従来技術のように多モードピグテールを用いる必要がなく、発光モジュール１を小型化することができる。

また、光導波路５は、屈折率分布型コア６を有する樹脂材料からなる光ファイバによって構成されている。このため、屈折率分布の自由度を高めることができるから、面発光素子３の大きさに合わせて、光導波路５を形成することができる。

また、光導波路５の出射端５Ｂは、直近の腹部分Ｂから所定の突出寸法Ｌoだけ突出した位置に配置されている。突出寸法Ｌoは、腹部分Ｂから節部分Ａまでの間隔寸法Ｌiの１／３よりも大きく、間隔寸法Ｌiよりも小さい範囲（Ｌi／３＜Ｌo＜Ｌi）に設定されている。これにより、光導波路５を伝搬した光は集光傾向となった状態で出射端５Ｂから出射される。このため、出射端５Ｂから出射された光は、出射端５Ｂの周囲で集光され、スポットＳを形成する。

次に、図３を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態の特徴は、光導波路が、光線の出射端に位置してレンズを有することにある。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施の形態による発光モジュール１１は、第１の実施の形態と同様に、基板２、面発光素子３、光導波路１２を備えている。光導波路１２は、第１の実施の形態による光導波路５と同様に形成されている。このため、光導波路１２は、第１の実施の形態によるコア６、クラッド７と同様なコア１３、クラッド１４を備えている。光導波路１２の入射端１２Ａには、接合部８によって面発光素子３が取り付けられている。

レンズ１５は、光導波路１２の出射端１２Ｂに取り付けられている。このとき、光導波路１２の出射端１２Ｂは、光導波路１２の腹部分Ｂから節部分Ａに至る途中位置である必要はなく、光導波路１２の腹部分Ｂに位置してもよい。レンズ１５は、例えば外部（出射方向）に向けて突出した半球状に形成されている。このとき、レンズ１５は、光導波路１２の出射端１２Ｂに溶融した樹脂材料を付着させたときに、樹脂材料の表面張力を利用して形成されている。その後、樹脂材料を硬化させることによって、レンズ１５は、光導波路１２に固着されている。なお、レンズ１５は、表面張力を利用して形成したものに限らず、例えば別個に成型した凸レンズを光導波路１２の出射端１２Ｂに接着してもよく、ボールレンズを治具等によって光導波路１２の出射端１２Ｂに取り付けてもよい。

かくして、このように構成された第２の実施の形態においても、前述した第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。また、光導波路１２は、光線Ｒの出射端１２Ｂに位置してレンズ１５を有している。これにより、面発光素子３の複数の光源３Ａから出射された複数の光線Ｒを、レンズ１５によって集光することができる。この結果、回折限界まで光を集光させることができる。

なお、前記各実施の形態で記載した具体的な数値は、一例を示したものであり、例示した値に限らない。これらの数値は、例えば適用対象の仕様に応じて適宜設定される。

前記各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。

次に、上記の実施の形態に含まれる発明について記載する。本発明の発光モジュールは、基板と、前記基板に設けられ、複数の光源をもつアレイ型の面発光素子と、前記複数の光源を覆って前記面発光素子に取り付けられ、径方向に対して屈折率分布をもって軸方向に延びる光導波路と、を備え、前記光導波路は、前記面発光素子から出射された複数の光線を集光することを特徴としている。

これにより、光導波路は、面発光素子の複数の光源から出射された複数の光線を集光するから、光導波路から高強度の光を出力することができる。また、面発光素子を光導波路の入射端に取り付ければいいため、コネクタを用いる必要がなく、発光モジュールを小型化することができる。

本発明では、前記光導波路は、前記光線の出射端に位置してレンズを有している。これにより、面発光素子の複数の光源から出射された複数の光線を、レンズによって集光することができる。この結果、回折限界まで光を集光させることができる。

本発明では、前記光導波路は、屈折率分布型コアを有する樹脂材料からなる光ファイバによって構成されている。これにより、屈折率分布の自由度を高めることができるから、面発光素子の大きさに合わせて、光導波路を形成することができる。

本発明では、複数の光線が拡散される腹部分から複数の光線が集光される節部分までの間隔寸法をＬiとし、直近の前記腹部分から前記光導波路の出射端までの突出寸法をＬoとしたときに、前記突出寸法Ｌoは、Ｌi／３＜Ｌo＜Ｌiの関係を満たす値に設定されている。これにより、光導波路を伝搬した光は集光傾向となった状態で出射端から出射される。このため、出射端から出射された光は、出射端の周囲で集光され、スポットを形成する。

１，１１ 発光モジュール
２ 基板
３ 面発光素子
３Ａ 光源
５，１２ 光導波路
５Ａ，１２Ａ 入射端
５Ｂ，１２Ｂ 出射端
１５ レンズ

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板に設けられ、互いに同じ波長の光を発光する複数の光源をもつアレイ型の面発光素子と、
   前記複数の光源を覆って前記面発光素子に取り付けられ、径方向に対して屈折率分布をもって軸方向に延びる光導波路と、を備え、
   前記光導波路は、複数の光線が拡散される腹部分と、複数の光線が集光される節部分と、を有しており、
   前記光導波路の出射端は、直近の前記腹部分から所定の突出寸法だけ突出した位置に配置されており、
   前記腹部分から前記節部分までの間隔寸法をＬiとし、直近の前記腹部分から前記光導波路の前記出射端までの前記突出寸法をＬoとしたときに、前記突出寸法Ｌoは、Ｌi／３＜Ｌo＜Ｌiの関係を満たす値に設定されており、
   前記光導波路は、前記面発光素子から出射された複数の光線を前記出射端から出射して集光することを特徴とする発光モジュール。
2. 前記光導波路は、前記光線の出射端に位置してレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記光導波路は、屈折率分布型コアを有する樹脂材料からなる光ファイバによって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。

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