JP2007266484A - アイセーフレーザ光源装置およびそれを用いた通信機器ならびに照明機器 - Google Patents

Abstract

【課題】アパーレント光源径が大きく、放射強度が高く、且つ長期信頼性の高いアイセーフレーザ光源装置を提供する。これを組み込んだ、高輝度な照明機器、高速通信可能な通信機器を提供する。
【解決手段】アイセーフレーザ光源装置の光源として、光導波路が平行でレーザ出射面が面一に形成された複数の共振器を備える半導体レーザ素子（１）を用い、レーザ光の進行方向に光散乱媒体（１０）を配置し、さらにその下流側に光集光用の凸レンズ（９）が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザ光源をアイセーフ化する技術に関し、特に、高い放射強度を維持しつつ、駆動寿命の長いアイセーフレーザ光源装置に関する。

近年、半導体レーザ光源を用いた通信機器においては、通信距離の長距離化や通信速度の一層の向上が求められており、半導体レーザ光源装置を用いた照明機器においては、一層の輝度の向上が求められている。更にまた、これらの機器においては、一層のコンパクト化が求められており、これらの要望に応えるためには、その本体である半導体レーザ光源装置そのものの小型化と放射強度の向上が不可欠となる。

然るに、レーザ光源装置は、光源装置を組み込む機器の用途・仕様に基づく最低減の放射強度を充足する必要がある一方、室内等で使用する機器においては、人間の眼に対する安全性が確保されている必要がある。このため、ＩＥＣ規格等により最大許容放射強度が規定されている。機器仕様から要求される最小放射強度が高い場合には、安全性規格に基づいて要求される最大許容放射強度との差が小さくなるので、レーザ光源装置の設計が難しくなる。

ここで、ＩＥＣ規格等による最大許容放射強度は、レーザ波長や駆動条件（レーザ電流、光パワー等）によっても影響されるが、その強度を決定する主要因はアパーレント光源径（見かけ上の光源径）であることが知られており、アパーレント光源径を大きくすることにより、最大許容放射強度を大きくできる。

そこで、半導体レーザ光源自体のサイズを大きくすることなく、アパーレント光源径を大きくすることにより、最大許容放射強度を増大させる技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

ＷＯ03-077389号公報 特開2005-209797号公報

上記特許文献１は、半導体レーザから出射したレーザ光を、樹脂に光散乱体を担持させた光散乱領域を通過させることにより、レーザ光のアパーレント光源径を拡大し、且つレーザ光の空間コヒーレンシーを低減したレーザ光源に関する技術である。

この技術では、レーザ光源近傍の光散乱体の濃度を、外部側の領域の濃度よりも高くすることを提案している。この技術によると、高出力半導体発光素子を用いても人の眼に安全で、高い光の取り出し効率が得られるとされる。

しかし、光散乱領域の光散乱粒子の濃度を増加させると、アパーレント光源径を拡大できるが、放射強度が低下するという問題がある。よって、低下した放射強度を高めるためには、光パワーを大きくする必要がある。しかし、光パワーを増大させすぎると、特に、ＣＯＤ（破壊的光学損傷）によって、半導体レーザ素子の信頼性が低下し、レーザの寿命が短くなるという問題が新たに生じる。

また、特許文献２は、スペックルを生ずる発光素子と、この発光素子からの放射光の放射角度と放射強度との関係を表わす放射パターンを、光通信システムが必要とする所定の光放射角度範囲での光放射強度を満足するようなパターンとなるように、スペックル量に応じて設定する放射パターン設定手段とを備えた光源装置を提案している。この技術によると、スペックルを含み且つ放射パターンマスクに適合した放射強度分布を呈する光源装置が得られるとされる。

しかし、この技術においても十分にアパーレント光源径を大きくすることはできない。

また、この技術では、両端面レーザを用いているが、両端面レーザを用いた場合、放射角度分布の制御が困難になり、所望の角度での放射強度が、従来のものに比較して２０〜３０％程度低下してしまう。従って、これまで以上に素子全体として光パワーを上げねばならず、消費電力、発熱による特性の低下など新たな課題が生じてしまう。両端面発光とすることで、端面あたりの光出射パワーは若干低下できるものの、ＣＯＤレベルそのものも低下することになり、レーザ素子の長寿命化を図ることができない。

本発明は、以上に鑑みなされたものであって、高い放射強度を有し、長寿命なアイセーフレーザ光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、レーザ出射面が同一平面上に位置する複数の共振器を備えた半導体レーザ素子と、前記複数の共振器から出射されたレーザ光の進行する経路上に設けられた光散乱領域と、を備えるアイセーフレーザ光源装置である。

この構成によると、共振器の複数化により、光パワーを上げることなく光源装置のアパーレント光源径を拡大できる。また、レーザ光の進行経路上に設けられた光散乱領域によりレーザ光が散乱される。よって、放射強度を高め、アパーレント光源径を大きくしても、ＣＯＤ（破壊的光学損傷）の発生を抑制でき、光源装置の長寿命化とアイセーフ性を格段に向上させることができる。

上記構成において、前記光散乱領域を通過したレーザ光の進行方向に導光部が設けられ、前記導光部の外側表面が外部空間に接し、少なくともその一部が外部空間側に突出した凸レンズである構成とすることができる。

この構成によると、凸レンズによりレーザ光の集光特性を高めることができ、且つアパーレント光源径をさらに拡大することができる。

上記構成において、前記アイセーフレーザ光源装置は、凹穴状のザグリ穴が形成された基板を備え、前記ザグリ穴内に、前記半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子の周囲に配置された光散乱媒体と、が収容され、前記ザグリ穴内に配置された半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子本体が前記凸レンズの光軸上になく、共振器方向が前記基板に概ね平行であり、前記レーザ出射面が、前記凸レンズの光軸側にある構成とすることができる。

図３に示すように、半導体レーザ素子本体１が前記凸レンズの光軸Ａ上になく、レーザ出射面が、凸９レンズの光軸Ａ側にある構成を採用すると、半導体レーザ素子の複数の共振器から出射されるレーザ光を凸レンズ９に集めやすくなり、集光特性等が向上する。この構成における光散乱媒体は、光を散乱させる光散乱領域を構成し、例えば光散乱粒子３と樹脂４とで構成される。

上記構成において、前記複数の共振器の最も外側同士の最短距離が、前記アイセーフレーザ光源装置の横幅の１／１０以下である構成とすることができる。

前記複数の共振器の最も外側同士の最短距離を大きくすると、放射強度の低下を招くが、この構成によると、光源装置全体の大きさとのバランスを保ちつつ、放射強度の低下を抑制しえた光源装置を実現することができる。

上記アイセーフレーザ光源装置を通信機器に組み込むことにより、高速度通信が可能な通信機器を実現することができる。また、照明機器に組み込むことにより、高輝度な照明機器を実現することができる。

本発明によると、光パワーの増大させることなく、アパーレント光源径を大きくして高い放射強度を維持するので、放射強度を高めつつ眼に対する安全性を向上させることができるという顕著な効果が得られる。また、このアイセーフレーザ光源装置を通信機器や照明機器に組み込む本発明によると、長期信頼性に優れた長寿命な通信機器や照明機器等を実現することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照にして詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるアイセーフレーザ光源装置の概略図であり、図３は、アイセーフレーザ光源装置の断面図である。図１及び図３に示すように、実施の形態１にかかるアイセーフレーザ光源装置は、基板８上に、表面に金メッキ処理が施された凹状のザグリ穴２が形成されており、その底面中央付近に、２以上の共振器が平行に配列された半導体レーザ素子１が実装されている。複数の共振器の共振器方向と、基板８の表面とは平行である。

図１及び図３に示すように、半導体レーザ素子１は、基板８上に配置されたパッド６ａに金属ワイヤ５ａで電気的接続されている。また、図１に示すように、半導体レーザ素子１を駆動するＩＣ７も基板８上に実装されており、ＩＣ７とパッド６ｂ〜６ｅとが、金属ワイヤ５ｂ〜５ｅにより接続され、ＩＣ７とザグリ穴２に電気的に接続している電極パッド６ｆとが、金属ワイヤ５ｆにより接続されている。

図３に示すように、ザグリ穴２内には、樹脂４に光散乱粒子３を混錬した光散乱媒体１０が充填されている。光散乱媒体１０は、進行する光を散乱させることができ、光散乱領域として機能する。光散乱粒子３としては、樹脂と異なる屈折率を有する材料を用いることができ、例えばアクリル樹脂粒子等を用いることができる。

基板８上には基板面を保護する透明な保護膜１０７が施されており、この保護膜１０７は、基板８と光散乱媒体１０とを覆っている。そして、ザグリ穴２を含む領域には、保護膜１０７と一体形成された凸レンズ９が形成されており、これらがレーザ光を外部空間に導く導光部となる。なお、レンズの曲率半径は、半導体レーザ素子１の放射角度分布、光散乱粒子３の濃度に応じて適時設計すればよい。

図２は、実施の形態１にかかる光源装置の斜視図である。図２に示すように、図面ｘ方向は、レンズ直径が基板高さより大きいため、図２に示すようにレンズの一部は切断された形状になっている。以下、ｘ方向のレンズサイズを短辺（光源装置の横幅）、ｙ方向のレンズサイズを長辺と呼ぶこととする。

アイセーフレーザ光源装置の機能について、図３を用いて説明する。半導体レーザ素子１より凸レンズ９の光軸Ａ方向に出射したレーザ光は、光散乱粒子３で散乱され、その進行方向を変えつつザグリ穴２内を進行する。この散乱した光は直接、またはザグリ穴２の金メッキにより反射されて光散乱領域１０の上面に到達する。この上面に到達した光は、十分に散乱されており、光散乱領域１０での放射角度分布は、ほぼ完全なランバート分布になる。よって、光散乱領域１０の上面では、これ以上に集光できないランダムな指向性の二次元的面光源が形成される。これにより、レーザ光のアパーレント光源径が拡大する。この二次元的面光源から、レンズ９を経由して外部空間に光が放たれる。

図４に、本実施形態の半導体レーザ素子の概略図を示す。実施の形態１にかかる半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、基板１０１と同じ導電型の下クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型上クラッド層１０４、コンタクト層１０５ａ、１０５ｂが順次積層されている。図４に示すように、幅ｄ（２．５〜４．０μｍ）の２つのリッジ１０６ａ、１０６ｂが、間隔ｐ（略１６０μｍ）をあけて、アレイ状に平行に形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１下面、コンタクト層１０５ａ、１０５ｂの上面には、それぞれ電極（図示せず）が形成されており、電流がリッジ１０６ａ、１０６ｂを通じて活性層１０３へと流される。

よって、２つのリッジ１０６ａ、１０６ｂから注入された電流により、活性層１０３において、同一の面（図面手前側の端面）の２箇所からレーザ光が出射する。この半導体レーザ素子は、２つの共振器がアレイ状に配列されており、以後、このような半導体レーザ素子をアレイレーザ素子と称することがある。

なお、アレイレーザ素子の２つのリッジ１０６ａ、１０６ｂ以外での上クラッド層１０４の厚さは充分に薄く（およそ１５０ｎｍ）、ここでの電流広がりは無視できるほどに小さい。リッジ１０６ａ、１０６ｂが面する両端面には、それぞれ無反射コート膜（図示せず、図４の手前側端面）、高反射コート膜（図示せず、図４の奥側端面）が形成され、レーザ光は無反射コート膜側よりのみ取り出される。リッジ１０６ａ、１０６ｂで発生したレーザ光は、図面上下方向には、活性層１０３と上下クラッド層１０２、１０４の屈折率差により、図面左右方向には、リッジ１０６ａ、１０６ｂと空気の屈折率差により、縦横方向に閉じ込められる。

このようなアレイレーザ素子では、一方の導波路を伝播するレーザ光分布が、他方の導波路領域にまで広がっている場合、互いのレーザ光が干渉するおそれがあるが、本実施の形態のようにリッジ間隔ｐ（複数の共振器の最も外側同士の最短距離）が１６０μｍ以上の距離がある場合には、互いの干渉はほぼ皆無となる。

本実施の形態の場合、リッジ間隔ｐを２４μｍより大きくすることにより、他方の導波路への染み出し量を１０^−５以下にできる。よって、完全同一の特性を有する２つのレーザが並列に配置されているとみなすことができる。

他方、リッジ間隔ｐが２４μｍ以下の場合、２つのレーザ光は、相互に位相関係を保ちながら発振するのであるが、一旦出射したレーザ光は、光散乱粒子３により強く散乱され、遠視野像におけるコヒーレンシーが充分低減されるので、放射強度分布そのものはほとんど影響を受けない。以上のことから、リッジ間隔ｐをどの用に設定しても、アレイレーザは、互いに干渉しない独立なレーザが並列に配置されているとみなすことができる。

なお、３以上のリッジを形成してもよい。この場合も、隣接するリッジ間隔を２４μｍより大きくすることが好ましい。

（実施例１）
（半導体レーザの作製）
図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１（厚み０．３ｍｍ）上に、基板１０１と同じ導電型の下クラッド層１０２（厚み１．８μｍ）、活性層１０３（厚み０．０２μｍ）、ｐ型上クラッド層１０４（厚み１．５μｍ）、コンタクト層１０５ａ、ｂ（厚み０．７μｍ）を順次積層した。

この後、ウエットエッチング法により、幅ｄ＝３μｍのリッジ１０６ａ、１０６ｂを、間隔ｐ＝１６０μｍをあけて、アレイ状に平行に形成した。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１下面、コンタクト層１０５ａ、１０５ｂの上面には、それぞれ金からなる電極（図示せず）を形成した。なお、リッジ１０６ａ、１０６ｂ以外での上クラッド層１０４の厚さは１５０ｎｍである。この後、基板１０１裏面を研磨し、全体の厚さが１００μｍ程度になるようにした。

リッジ１０６ａ、１０６ｂが面する両端面に、それぞれアルミナからなる無反射コート膜（反射率２．６％）、シリコン／アルミナ積層構造からなる高反射コート膜（反射率９５％）を形成して、半導体レーザ素子１を作製した。この半導体レーザ素子の発振波長は８５０ｎｍであった。また、リッジ１０６ａ、１０６ｂ以外の横方向の等価屈折率は、それぞれ３．３１５１、３．３１２３であった。また、半導体レーザ素子１の大きさはｘ方向０．３ｍｍ、ｙ方向（共振器方向）０．５ｍｍ、ｚ方向０．１ｍｍである。

図１に示すように、ｘ方向の大きさが１．７ｍｍ、ｙ方向の大きさが２．１ｍｍ、厚みが８ｍｍであるガラスエポキシ製の基板８に、上部直径１．３ｍｍ、底部直径０．７ｍｍ、深さ０．３ｍｍのザグリ穴２を形成し、ザグリ穴２の表面を金メッキした。ザグリ穴２の底面に、上記で作製した半導体レーザ素子１を搭載した。半導体レーザ素１と、基板８上に配置されたパッド６ａと金属ワイヤ５ａで電気的に接続した。半導体レーザ１を駆動するＩＣ７を基板８上に実装し、ＩＣ７とパッド６ｂ〜６ｅとを、金属ワイヤ５ｂ〜５ｅにより接続し、ＩＣ７と半導体レーザ素子１とを、金属ワイヤ５ｆにより接続した。

図３に示すように、ザグリ穴２内には、シリコーン系低硬度樹脂４にアクリル樹脂からなる光散乱粒子３を混錬したものを充填して、光散乱領域１０を形成した。この後、基板８及び光散乱領域上に、保護膜上と一体形成されたレンズ９（エポキシ系樹脂製）を形成して、実施例１にかかるこのアイセーフレーザ光源装置を作製した。ここでは、レンズの曲率半径は、ｘ方向、ｙ方向について１．０５ｍｍ、ｚ方向について１．０ｍｍとした。

このアイセーフレーザ光源装置を駆動電流８０ｍＡ、光パワー６０ｍＷ、Ｄｕｔｙ５０％で駆動した。この結果、指向角度±１５度以内での、最大、最小の放射強度はそれぞれ１２０ｍＷ／ｓｒ、９０ｍＷ／ｓｒであった。また２次的面光源を外部より観察した際の大きさ、つまりアパーレント光源径は、ピークの1／ｅで規定される、光分布の幅で、図５のようになった。図から明らかなように、ｘ方向、ｙ方向それぞれのアパーレント光源径は、それぞれ０．５７ｍｍ、０．９０ｍｍであった。つまり、光源装置としてのアパーレント光源径は、（０．５７＋０．９０）÷２＝０．７３５ｍｍである。

実施例１と同一の構造で、リッジ間隔ｐのみ変化させたときの結果を図６に示す。これよりリッジ間隔ｐが短辺ｘ方向のサイズの１０％以下であれば、共振器の複数化により、ほぼ放射強度の損失なく、アパーレント光源径を拡大できる。なお、測定は複数のアイセーフレーザ光源を作製し、その最小の放射強度を測定して比較した。なお、実施例１では、０．１６０／１．７×１００≒９．４％である。

（比較例１）
半導体レーザ素子として、アレイレーザでなく、シングルストライプのレーザ素子（１つのリッジの大きさは同一）を用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１にかかるアイセーフレーザ光源装置を作製した。

比較例１にかかるアイセーフレーザ光源装置を、上記実施例１と同様に６０ｍＷ、Ｄｕｔｙ５０％駆動した。この結果、±１５度以内の最大、最小放射強度は、それぞれ１２５ｍＷ／ｓｒ、９０ｍＷ／ｓｒであった。また、アパーレント光源径は、ｙ方向については実施例１と同一の０．９０ｎｍであったものの、ｘ方向については、図１１に示す様に、０．４０ｍｍとなり、実施例１よりも０．１７ｍｍ小さくなった。また、この光源のアパーレント光源径は（０．４０＋０．９０）÷２＝０．６５ｍｍである。

実施例１におけるｘ方向のアパーレント光源径の拡大は、２つの共振器がｘ方向に１６０μｍの間隔をあけて配置されている効果によるものと考えられる。これは、ｘ方向のアパーレント光源径の拡大幅０．１７ｍｍと、リッジ間隔ｐ＝１６０μｍとがほぼ同等であることからも裏付けられる。

次に、従来技術と比較した本発明の効果をより詳細に説明する。
比較例１のような従来型のアイセーフレーザ光源装置を作製した場合、使用温度、素子の実装位置ずれ、使用する半導体レーザの個体差、駆動回路の電流ばらつきなどにより、ある角度範囲での最大、最小の放射強度は、ある程度の範囲内でばらつきがある。

図１２に示すグラフは、アパーレント光源径を変化させた場合の放射強度の最大、最小を示したものである。光散乱粒子の濃度とアパーレント光源径との関係はおよそ１対１の関係があるため、グラフの横軸のようにアパーレント光源径を変化させるために光散乱粒子の濃度を調整した。

多数の比較例１にかかるアイセーフレーザ光源装置を作製し、アパーレント光源径と放射強度とを測定して、アイセーフレーザ光源装置のアパーレント光源径と放射強度のばらつきとの関係を測定したところ、図１２の縦線領域内で変動することがわかった。

図１２の上部点線は、国際的な安全性規格ＩＥＣ６０８２５−１修正第２版のクラス１による、眼に安全なレーザが空間に放出できる最大許容放射強度を示す（レーザ発振波長が８５０ｎｍの場合）。図１２から、アパーレント光源径が０．６２ｍｍ（縦線領域上端辺と、点線との交点）を下回ると、アイセーフレーザ光源装置の放射強度が最大許容放射強度を超える可能性があることがわかる。このため、アパーレント光源径を０．６２ｍｍ以上とする必要がある。

図１２の下部実線は、レーザ光源装置を組み込む機器仕様から決まる最小放射強度を示す（参考値として、２０ｍＷ／ｓｒとする）。この最小放射強度を常に満たすためには、光散乱粒子の濃度を調整して、アパーレント光源径が０．７４ｍｍ（縦線領域下端辺と、下部実線との交点）以下になるように制御する必要がある。

つまり、光散乱粒子の濃度を最適に設定し、アパーレント光源径が０．６２〜０．７４ｍｍに収まるようにすれば、素子実装状態、使用温度、使用するレーザ、使用するＩＣのばらつきに無関係に、安全で且つ機器仕様を満たしたアイセーフレーザ光源装置として使用することが可能である。

図１３に示すグラフは、機器仕様から決まる最小放射強度を、図１２の２０ｍＷ／ｓｒから２６ｍＷ／ｓｒに引き上げられた場合を示す。図１３から明らかなように、比較例１にかかるアイセーフレーザ光源装置では、最小放射強度仕様が２６ｍＷ／ｓｒになると、放射強度変動幅を考慮すると、安全性、機器仕様の双方を満たすことができなくなる。
なお、レーザ素子実装状態の改善、ＩＣ、レーザ素子の選別、作製後の従来型アイセーフレーザ光源装置の特性評価等を行い、ばらつきの小さいものを選別すると、双方の要求を満たすことは可能であるが、歩留まりが大きく低下して、コスト高になる。

この様な場合に、従来では、光散乱粒子の濃度を高めてアパーレント光源径を拡大して、安全上の上限と、機器仕様からの下限との放射強度差が大きくなるようにし、この間にばらつきが収まるようにしていた。この手法を、上記実施例１、比較例１、下記実施例２、比較例２を用いて検討する。

（比較例２）
光散乱粒子の濃度を増加させて、アパーレント光源径の最大値を約０．８ｍｍにまで大きくしたこと以外は、上記比較例１と同様にして、比較例２にかかるアイセーフレーザ光源装置を作製した。

ここで、光散乱粒子の増大により、比較例１の駆動条件では、放射強度が最小で１７ｍＷ／ｓｒ程度まで低下するおそれがあるので、光パワーを９２ｍＷにまで引き上げた。これにより、比較例２にかかるアイセーフレーザ光源装置は、装置仕様の２６ｍＷ／ｓｒ以上と、安全性とを両立できた。この関係を図１４に示す。

しかしながら、比較例２は、比較例１の光パワーの約１．５３倍（９２÷６０≒１．５３）の条件で駆動されている。この倍率は、機器仕様の最小放射強度の比２６／２０＝１．３倍を大きく上回っている。

比較例２では、使用時に頓死（使用中、急に使用不能状態に陥ること）が多く確認された。これは、光パワーの過剰な引き上げによるものと考えられる。

（実施例２）
次に、光散乱粒子の濃度を増加させて、アパーレント光源径の最大値を約０．８ｍｍにまで大きくしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２にかかるアイセーフレーザ光源装置を作製した。この時、比較例２のアイセーフレーザ光源装置と同様に、実施例１のアイセーフレーザ光源よりも放射強度が低下したが、光パワーを７４ｍＷ（７４÷６０≒１．２３倍）にすることにより、図７に示すような特性が得られた。なお、光パワー増加率１．２３倍は、機器仕様の最小放射強度の増加率２６／２０＝１．３倍を下回っている。

（実施例と比較例との比較）
実施例と比較例とを比較しつつ、実施例の効果について説明する。本実施例では、図５（ａ）と図１１との比較から明らかなように、ｘ方向のアパーレント光源径は、レーザのアレイ化により、ほぼリッジ間隔分大きくなっている。アパーレント光源径は、ｘ方向のアパーレント光源径とｙ方向のアパーレント光源径との平均値であるから、リッジ間隔の１／２程度のアパーレント光源径拡大効果があることがわかる。なお、実施例１，２の場合でも、レーザ放射強度のばらつきの大きさがほとんど変化しないことを確認した。

図７と図１４との比較から、実施例にかかるアイセーフレーザ光源装置は、機器仕様から決まる最小放射強度の上昇率１．３倍よりも小さい光パワーの増大率（１．２３倍）で安全性（最大許容放射強度）及び最小放射強度を満足できるのに対し、比較例では、該上昇率よりも高い光パワーの増大率（１．５２倍）にしなければ、安全性（最大許容放射強度）及び最小放射強度を満足できないことがわかる。また、実施例では、共振器を２つ備えるため、レーザ出射端面あたりの光パワーを１／２にできる。よって、実施例にかかる光源装置は、比較例に比べ、長期使用しても頓死発生確率が極めて低い。

（比較例３）
両端面出射型レーザを用いたこと以外は、上記比較例１と同様にして、アイセーフレーザ光源装置を作製した。なお、両端面出射型レーザの端面の反射率は、両面とも１５％とした。

レーザ出射ポイント間距離（アレイレーザの場合、リッジ間隔であり、シングルストライプの両端面レーザの場合、両端面間の距離である）を大きくすると、図６に示すように放射強度が低下する。しかし、両端面レーザの場合、共振器方向長さ（レーザ出射ポイント間距離）を光源の短辺の１／１０以下にすることはサイズ的な要因から難しい。比較例３においては、レーザ出射ポイント間距離を、光源の短辺の１／５とした。このため、最小放射強度は約２３％低下する。従って、必要光パワーは、
６０ｍＷ×２６／２０÷（１−０．２３）≒１０１ｍＷ
となるので、光パワー１０１ｍＷで駆動した。これは比較例２よりも大きな値である。

ＣＯＤの発生の観点から考えると、端面あたりの放射出力がこれを決める要因となるが、比較例２では端面あたりの放射出力は１０１ｍＷ÷２＝５０．５ｍＷである。ここで、両端面レーザの両端面の反射率１５％は、実施例２、比較例２の無反射−反射（ＡＲ−ＨＲ）コートをされた片端面レーザの光取り出し側の反射率２．６％に比べ高い値である。すなわち端面付近での光の多くが共振器内部に折り返し内部光密度はさほど下がらない。ここで、コーティング膜を施さない材料固有のＣＯＤレベルＰ_０に対して、反射率Ｒのコーティングを行った膜では、ＣＯＤレベルＰは、下記数式１で示される。

(数式１)

ここでＲ_０は材料から空気への反射率であり、およそ０．２８６である。ＡＲ−ＨＲ膜の反射率を２．６％−９５％とし、反射率の積を変えないようにすると、両端面出射型レーザでは反射率は、両面とも１５％となる。上述したように、比較例２の光パワーでレーザの頓死が発生していることから、比較例２の光パワーとＣＯＤレベルＰとの比率を１．０とすると、上記比較例３および実施例２の端面あたりの光パワー／ＣＯＤレベル（ＣＯＤレベル比）は下記表１のようになる。なお、ＣＯＤレベル比が高いほど、ＣＯＤが発生しやすくなる。

これより、両端面レーザを用いた場合、従来の片端面レーザを用いた比較例１の場合と比べ、ＣＯＤレベル比改善効果がわずかであることがわかる。よって、長期使用によってＣＯＤが発生しやすい。一方、実施例１のようにアレイレーザを用いた場合、ＣＯＤレベル比を顕著に改善できることがわかる。

最後に、レーザの実装の方向について説明する。片方の端面からのレーザ光を出射するアレイレーザを用いる場合、図３に示すように、半導体レーザ素子の直上にレンズ９がくるものではない。このため、半導体レーザ１からのレーザ光の出射方向（共振器方向）がレンズ９の長辺ｙの方向と平行となるように（レーザ光が図１の矢印方向に出射されるように）実装することが望ましい。

（実施の形態２）
実施の形態２では、青色半導体レーザ素子（波長４００ｎｍ帯）を用いた照明機器について説明する。図８は、青色半導体レーザ素子を用いた照明機器である。青色半導体レーザ素子の基本構造は、図４と同様であるが、半導体レーザ素子中でのリッジ数は３とし、リッジ間隔は１００μｍとし、最大のアレイ間隔は２００μｍとした。なお、アレイ数を３とすることで、最大光密度を１／３に低減できる。

同図（ｂ）は、基板の概観図であり、同図（ａ）は実施形態１で説明した光源単位ユニットの詳細図である。構成について説明する。高熱伝導性ガラスエポキシ基板８に設けられた２次元面上のザグリ穴２と、その内部に配置された半導体レーザ素子１は、実施形態１と同じように、光散乱粒子３と、シリコーン系低高度樹脂４とで囲まれている。

図９に示すように、この基板を蛍光体１１を含む樹脂でモールドし、保護層と一体形成されたレンズ９を形成する。この蛍光体１１は、インジウムナイトライド（ＩｎＮ）化合物半導体粒子からなり、そのサイズは約５ｎｍ、６ｎｍ、１３ｎｍである。これら蛍光体１１は、波長４００ｎｍの光により励起され、それぞれ青、緑、赤の蛍光を発する。結果、白色の照明機器として用いることができる。

なお、この蛍光体は波長に対して十分に小さいため、蛍光体により光が散乱されることはない。光散乱は、光散乱粒子３の存在する領域で起こり、この領域でアパーレントな光源径が決定される。アパーレント光源径は、アレイレーザ素子を用いることにより、効率よく拡大されている。

本実施の形態によると、アパーレント光源径の拡大が容易に行えるため、照明機器そのものを薄型で設計することが可能となり、半導体レーザの個数を同一にした場合であっても、照明機器として強度および輝度のムラを押さえることができ、照明機器の大型化が可能となる。

このような、薄型で大型化可能な照明機器は、液晶ディスプレイのバックライトとして用いることができる。本照明機器を用いることで、従来の蛍光灯よりさらに薄型のバックライトを得ることができる。また、上述したように色ムラのない美しい画面を実現することができる。また、近年実現されつつある発光ダイオードを用いたバックライトと比較しても、一定の使用時間における光強度の低下量が少なく長期信頼性に優れたバックライト光源となる。

（実施の形態３）
この実施の形態は、実施の形態２の応用例であって、実施の形態２の照明機器において、それぞれのレーザに印加される電流に信号を変調し重畳することで照明機器兼光通信装置としたものである。

図１０に通信機能つき照明機器の例を示す。図９の照明機器を格納した光透過性筐体１２から、変調された可視光信号が、部屋全体に配光される。可視光線の場合、空間に放射可能な放射強度は、赤外線の場合より大きくすることが可能であり、通信可能距離が伸びる。また、照明光のみが存在する室内での利用の場合には、受信特性に影響を与える背景光を制御することが可能で、さらなる受信感度の向上が可能となる。また発光ダイオードを用いた場合に比べて半導体レーザは変調特性が優れており、通信速度の点においても有利である。

本発明によるアイセーフレーザ光源は、放射強度の低下を招くことなく、アパーレント光源径を拡大できるので、人が見ることが生じる場所に用いる電子機器に搭載できる。たとえば、これまで、用いることができなかった光無線通信機器等に搭載することで、従来の発光ダイオードを用いた通信機器では実現できなかった高速光通信が可能となる。

また、本発明によると、ＣＯＤの発生率を顕著に低下させることができる。一般に、ＣＯＤ発生率は、端面の温度が高いほど高くなり、駆動電流パルスの時間が長い場合に顕著に高くなる傾向にある。よって、本発明はＣＯＤが発生しやすいような条件で使用する用途、高速光通信はもちろんのこと、低速の光通信、ＣＷ発振させるような照明機器への搭載が可能となる。よって産業上の意義は大きい。

図１は、実施の形態１のアイセーフレーザ光源装置を示す図である。 図２は、実施の形態１のアイセーフレーザ光源装置を示す図である。 図３は、実施の形態１のアイセーフレーザ光源装置の断面図である。 図４は、実施の形態１にかかるアイセーフレーザ光源装置に用いるアレイレーザ素子の概観図である。 図５は、実施の形態１のアイセーフレーザ光源装置のアパーレント光源径を示すグラフである。 図６は、実施の形態１において、リッジ間隔と放射強度との関係を示す図である。 図７は、実施の形態１のアパーレント光源径と放射強度の相関を示す図である。 図８は、実施の形態２のアイセーフレーザ光源装置を示す図である。 図９は、実施の形態２のアイセーフレーザ光源装置を示す図である。 図１０は、実施の形態３の通信機能付き照明機器を示す図である。 図１１は、従来例（比較例１）のアイセーフレーザ光源装置のアパーレント光源径を示す図である。 図１２は、従来例（比較例１）のアパーレント光源径と放射強度の相関を示す図である。 図１３は、従来例（比較例１）のアパーレント光源径と放射強度の相関を示す図である。 図１４は、従来例（比較例１）のアパーレント光源径と放射強度の相関を示す図である。

符号の説明

１・・・半導体レーザ素子
２・・・ザグリ穴（金メッキが施されている）
３・・・光散乱粒子
４・・・樹脂
５・・・ワイヤ
６・・・電極パッド
７・・・ＩＣ
８・・・基板
９・・・レンズ
10・・・光散乱媒体（光散乱領域）
11・・・蛍光体
12・・・照明器筐体
101・・・ＧａＡｓ基板
102・・・下クラッド層
103・・・活性層
104・・・上クラッド層
105・・・コンタクト層
106・・・リッジ
107・・・保護膜

Claims (6)

1. レーザ出射面が同一平面上に位置する複数の共振器を備えた半導体レーザ素子と、
   前記複数の共振器から出射されたレーザ光の進行する経路上に設けられた光散乱領域と、
   を備えるアイセーフレーザ光源装置。
2. 前記光散乱領域を通過したレーザ光の進行方向に導光部が設けられ、
   前記導光部の外側表面が外部空間に接し、少なくともその一部が外部空間側に突出した凸レンズである、
   ことを特徴とする請求項１記載のアイセーフレーザ光源装置。
3. 前記アイセーフレーザ光源装置は、凹状のザグリ穴が形成された基板を備え、
   前記ザグリ穴内に、前記半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子の周囲に配置された光散乱媒体と、が収容され、
   前記ザグリ穴内に配置された半導体レーザ素子は
   半導体レーザ素子本体が前記凸レンズの光軸上になく、
   共振器方向が前記基板に概ね平行であり、
   前記レーザ出射面が、前記凸レンズの光軸側にある、
   ことを特徴とする請求項２記載のアイセーフレーザ光源装置。
4. 前記複数の共振器の最も外側同士の最短距離が、前記アイセーフレーザ光源装置の横幅の１／１０以下であることを特徴とする請求項１記載のアイセーフレーザ光源装置。
5. 請求項１に記載のアイセーフレーザ光源装置を組み込んだ通信機器。
6. 請求項１に記載のアイセーフレーザ光源装置を組み込んだ照明機器。
   

Images