JPS63113408A - 発光モジユ−ル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光フアイバー通信における電気光変換部に係わ
り、特に、発光ダイオードとファイバーとを高効率に結
合させた発光モジュールに関するものである。

（従来の技術〕 従来この種の発光モジュールは、発光素子から放射させ
た光を　１本の光ファイバーに直接またはレンズなどを
介して光結合させ、一体化したものである。

第２０図にその一例を示す。図においてｌは発光ダイオ
ードの発光領域（活性領域）、２は光取出し面、３は光
結合回路、４は光ファイバーである。図に示すように、
発光領域の発光面法線６の方向より光ファイバーに結合
させているのが特徴である。結合方式としては、これ迄
に各種方式（たとえば、鹿田、小林、小田切：電子通信
学会光量エレクトロニクス研究会資料、０ＱＥ７６−８
５（１９７７）　）が考案されている。大別すると、直
接結合とレンズ結合とに分けられる。直接結合は、光フ
ァイバーを光取出し面（素子結晶と空気層との界面）に
近接して結合させる方式で、発光径がコア径より大きい
ときに有効である。レンズ結合方式は、光ファイバーと
発光素子との間にレンズなどの集光器を介して結合させ
るもので、発光径がコア径より小さい場合に有効で最大
結合かえられる。

第２１図にレンズ結合方式の一例を示す。図において７
は発光ダイオード、８は集束性ロッドレンズ、９は光フ
ァイバー４のクラッド、ｌＯはコア、１１は光線である
。第２２図は直接結合とレンズ結合の中間とも言える先
球ファイバーによる結合方式である。図において、４Ａ
は光ファイバー４の先端部を球状部４Ｂとした先球ファ
イバーであり、この球状部に集束作用をもたせ、第２１
図におけるロッドレンズの代用をさせている。何れの場
合も発光面に対して垂直方向よりファイバーに結合して
いるのが特徴である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

光ファイバー通信において、発光素子からの光を一木の
光ファイバーに効率よく結合させることは、極めて重要
な課題である。光ファイバーへの結合出力が大きければ
、伝送距離を延ばしたり、ＳＮ比を向上させたり、ある
いは、伝送途中に光デバイス（光分岐、光スィッチなど
）を介して、システムの大幅な機能向上が図れる。

ところで、光ファイバーはコア径（先導波路にあたる部
分）が、５０〜１００μｍと細径であり、また受光しう
る入射角は僅かｌＯ度程度と小さいために、発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）のように、等方的に広がった光では、光
を有効にコア内に導くことは極めて難しい。　ＬＥＤの
光結合効率（光結合出力の全光出力に対する比率）は、
僅か数％である。ＬＥＤから放射される光は、等方的で
かつインコヒーレントであるために、レンズを介しても
　１点に集光できず、発光径（発光領域の径）以下に集
光することができない。したがってこれまでに理論的に
その光結合効率の限界が求められている。発光径を０１
光フアイバーのコア径および開口数（受光できる入射角
を表す）をそれぞれａおよびＮＡとすると、光結合効率
の最大値μ１ｎａｘは、次式で表される（例えば、米津
　宏雄編、光通信素子工学、工学図書（昭和５９年）　
ｐ、１４１からｐ、１５３）。

レンズ結合の場合は、 一方直接結合の場合は、 μｍａｘ　＝　　ＮＡ２Ｄ＜ａのとき ただし、光源の放射強度分布がランバート型分布（ＣＯ
５分布）に従うとしたときの理論値であるが、近似的に
は、放射強度分布が均一分布のときにも上式は成り立つ
。

したがって、最大結合パワーが得られるのは、レンズ結
合の場合であり、　Ｄ＜ａのとき直接結合方式より拡大
率Ｍ＝　（ａ／　Ｄ）　２倍だけ改善される。

以上の考察より、結合効率を良くするには発光領域の拡
大率Ｍを大きくする必要がある。このためには、光ファ
イバーのコア径ａを大きくするか、またはＬＥＤの発光
径りを小さくするかのいずれかである。ところで一般に
コア径ａは決まっているから、ＬＥＤの発光径０を小さ
くすることにつきる。しかし発光径を小さくすると、素
子の熱抵抗が大きくなり、発熱が戯しくなって大きな光
出力を得ることができない。このようなわけで、実際に
は最適な発光径が存在する。−段に光フアイバー通信用
ＬＥＤは３０〜４０μｍの発光径が典型値であるのは、
このような理由による。

ところで、これまでの結合方式は、いずれも式（１）の
理論限界値に近ずけるための方式であり、いかなるレン
ズ系を施しても式（１）の値を超えることはできなかっ
た。

そこで、本発明は実際の発光径　（３０〜４０μｍ）を
変えることなく、理論限界値（式（１））を超える方式
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明の発光モジュ
ールは発光領域を有し、発光領域の発光面法線方向に対
して斜め方向に光を取出し得る光源と、光ファイバーと
、斜めに取出された光を光ファイバーに結合させる手段
とからなることを特徴とする。

〔作　用〕

第１図に示すように、本発明による結合方式は発光素子
の発光領域ｌの発光面の法線方向６に対して斜め方向、
すなわち発光面法線となす角度θ方向から光ファイバー
４にレンズ結合させるものである。５は結合方向を示す
。

式（１）はあくまでも発光領域を真上からみたときの限
界値であり、斜め結合では成立しない。斜め方向から光
ファイバーへ結合させると、発光領域を斜めからみるこ
とになり、見かけ上の発光径（実効発光径）は小さくな
る。いま発光領域から放射される光が等方向であり、光
取り出し面での屈折がないと仮定した場合、実際の発光
領域の面積が５（Ｓ＝π（Ｄ／２）２；Ｄは発光径）で
あっても、斜め（θ）からみたときの面積は、光取り出
し面への投影と考えて、Ｓｅ＋ｆ　（θ）　＝　Ｓ　ｃ
ｏｓθと小さくなる。そこでＳｅ＋＋（θ）を新たに発
光領域と見なすと、このときの最大結合効率μｍａｘ（
θ）は式（１）より近似的に次式のようになる。

したがって、従来方式より光結合効率か原理的に（ｔ／
　ＣＯＳθ）だけ改善されることになる。このことを確
証するために、光源を一次元とした場合について、斜め
結合による効果を考察した。

光源を一次元とした場合、最大結合効率μは、μ　＝□
・　ＮＡ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（３）となるが、斜め（θ）からみたときの見かけ上の
発光径はＤ　ｃｏｓθと小さくなると仮定する。このと
きの最大結合効率μ（θ）は、 μ（θ）＝□・ＮＡ　　　　　（４） Ｄ　　ｃｏｓθ となる。式（２）も式（４）もθによる改善度は同じで
、（１／　ｃｏｓθ）である。ところで式（４）が成り
立つことを明らかにするために、計算機シミュレーショ
ンを行った。光源は一次元でかつ等方向に放射されるも
の、すなわち無指向性光源として、光線追跡により光結
合効率を求めた。

第２図に角度θを変えた時の光結合効率の計算結果を示
す。計算は発光径を１００μｍとし、レンズは集束性ロ
ッドレンズ（ＮＡ　Ｏ，４６，直径１．８ｍｍ）、光フ
ァイバーにはコア径５０μｍのＧＩ−５０を仮定して行
った。図の横軸は光源とレンズの距離である。

第３図は従来の結合方式（θ＝θ度）のときの発光径を
変えた場合の光結合効率の計算結果である。レンズ、光
ファイバーは第２図の場合と同条件を仮定しである。第
２図および第３図から明らかなように、発光径１００μ
ｍの光源をθ＝６０度方向上方向結合させると、実効上
、発光径５０μｍの光源を従来の結合方式で結合した場
合と同じ結合効率（最大値）がえられ、式（４）が成り
１つ。すなわち、斜めから結合させた場合には、実効上
の発光径は結合方向に垂直な面に投影したときの発光径
に一致する。いずれにしても、結合方向（θ）を変える
だけで、実効上発光径を小さくすることが可能である。

末男式は、実際の発光径りを変えることなく、すなわち
、全出力ｐｏを低下させることなく光結合効率μを大き
くできるので、光ファイバーへの光結合パワーＰｉは、
式 ％式％ より、大幅に改善できる。従来、結合効率を上げるため
に発光径りを小さくしていたが、かえってｐｏが低下し
結局Ｐｉはあまり大きくならなかった。

ところで、　ＬＥＤの構成材料のＧａＡｌＡｓやＩｎＰ
などの比屈折率ｎは非常に大きいため（たとえば、Ｇａ
ＡｌＡｓではｎ＝３．４　）　、発光領域（活性層）か
ら等方向に放射された光は、光取出し面で大きく屈折す
る。このため結晶外に放射された光は一般的には無指向
性でない。ＬＥＤは第４図に示すように主に光取出し面
がフラットなフラット型ＬＥＤであり、発光領域で発生
した光がその界面に対して１７度以上で入射した光は、
全反射され結晶内に反射され消滅する。このため、放射
強度分布はよく知られるランバート型分布（ｃｏｓ分布
）となり、指向性をもつ。したがって斜め方向から光フ
ァイバーに結合させても、実際には発光領域をたかだた
１７度以内でみていることになり、見かけ上の発光径は
あまり小さくならない。またθを大きくすると放射強度
も低下するので、フラット型ＬＥＤでは斜め結合による
光結合効率の改善はあまり期待できない。

第５図はフラット型ＬＥＤに対して計算機シミュレーシ
ョンをおこなった結果である。発光径は典型値３０μｍ
、レンズは第２図で使用したものと同じである。θを大
きくしても光結合効率の向上はみられない。一方第６図
に示すようなドーム型ＬＥＤの場合、光取り出し面が半
球状であるために全反射は起こらず、発光領域の光はす
べて結晶外に放射され、斜め方向に発生した光も有効に
外部に取出される。このためドーム形状が真に半球であ
り、その半球の中心に発光領域が位置するようにすれば
、はとんど無指向性の放射強度分布となる。第２図で仮
定したように、光源を無指向性光源とみなせる。このド
ーム型ＬＥＤに対して発光径Ｓを３０μｍ、　　ドーム
半径Ｒを２００ｕｍ、発光領域のドーム中心からの深さ
ｄ＝ｏμｍとして計算を行った。第７図に発光領域の中
心がドーム中心と一致するときの放射強度分布を、また
第８図にその光結合効率の計算結果をしめす。レンズお
よび光ファイバーの条件は第２図、第３図の場合と同じ
である。明らかに　ＬＥＤの光取り出し面をドーム状に
することにより、斜め結合の効果が現れる。

θ＝７０度では、θ＝　０度よりも３倍近くの光結合効
率がえられている。θ＝８０度以上では光結合効率が低
下しはじめているが、これは発光領域から発生する光を
表面のみに限定しているためである（実際には裏面から
も光が発生している）。

ところで、本来ドーム型ＬＥＤの開発思想は、（１）発
光領域から発生した光をすべて結晶外に有効に取り出せ
るために全出力ＰＯを高くすることができること、（２
）放射指向性をもたせ光ファイバーへの光結合効率をよ
くすること、などがあげられる。したがって、市販のド
ーム型ＬＥＤは、放射指向性をもたせるために、発光領
域（活性層）をドーム中心より、より深いところに位置
させている。その深さをｄとすると、例えば、ドーム半
径Ｒ＝２００μｍ、ｄ＝３５μｍとして計算した結果を
第９図に示す。またこのときの放射強度分布を第１０図
に示す。しかし、この場合においても、やはりθ＝０度
よりもθ〉０のほうが光結合効率は改善されている。

実際に市販のドーム型ＬＥＤに対して、計算機シミュレ
ーションで使用したのと同じ集束性ロッドレンズおよび
光ファイバー　ＧＩ−５０を用いて同様の測定をした結
果を第１１図に、またこの光源の放射強度分布（ＦＦＰ
）を第１２図に示す。計算機シミュレーションの場合と
同じ結果が得られている。すなわち、斜め結合による光
結合効率の改善効果が現われている。

以上の結果より、光結合パワーを大きくするには、発光
領域より発生した光のうち斜め方向にすすむ光を有効に
外部に取出せるように、結晶の光取出し面を半球状（ド
ーム状）などに加工したＬＥＤにおいて、発光領域発光
面に垂直方向となす角（θ）（θ〉０度）よりレンズに
より結合させることにより高効率な発光モジュールを実
現することができる。

本発明によりば発光径りを変えることなく、すなわち全
先出力Ｐｏを低下させることなく、光結合効率を向上さ
せることができ、その結果光フィバー光結合出力Ｐｉを
大きく改善することができる。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

Ｘ五皿ユ 第１３図に本発明の実施例を示す０本実施例はＬＥＤ結
晶７の端面を発光領域１の法線方向６と角度θをなすよ
うに斜めカクトして光取出し面２とし、取出し面２に垂
直な方向から集束性ロッドレンズ８を介して光ファイバ
ー４へ結合させたＬＥＤモジュールである。５は結合方
向、９は光ファイバー４のクラッド部、１０はコア部で
ある。本実施例によれば、発光領域１から発生した斜め
光線１１が有効に光ファイバー４に結合されるので、結
合出力が改善される。

実３」０− 第１４図および第１５図に光取り出し面２を半球状（ま
たはドーム状）に加工したＬＥＤにたいしてθ〉０度方
向よりレンズ８等の集光器または先球光ファイバー４八
を光源に近接して光ファイバー４または４Ａに結合させ
た発光モジュールを示す。このとき、発光領域ｌをドー
ム中心に位置させることにより放射強度分布は一様にな
り斜め結合効果が増大する。そこで、活性層をドーム中
心に位置させたＬＥＤにおいて、θ＝７０度近辺より光
結合させることにより、第８図に示した結果かられかる
ように高効率なＬＥＤモジュールが実現できる。ただし
、発光領域ｌから斜め方向に放射される光が電極等によ
り遮へいされないように、電極構造をサンドイッチ構造
とするとよい。

第１６図（Ａ）はサンドイッチ構造の電極の一例を示す
。発光ダイオード７の発光領域ｌを挟んでｐ−電極１３
とｎ−電極１４が設けられている。１５は５ｉ０２絶縁
層、１６は例えばＣｕなどからなるヒートシンクである
。なお２は光取出し面、５は結合方向である。第１６図
ＣＢ）は比較のために従来の電極構造を示したもので、
結合方向５を発光領域１の法線方向としているので、ｐ
−電極１３は発光領域ｌと対向して設けられたｎ−電極
１４と同一平面上に設けなければならない。第１６図（
Ａ）に示すサンドイッチ構造とすることによって、斜め
方向に放射された光は電極等に遮られないだけでなく、
ヒートシンクの効率も改善される。

実施例３ 第１７図に本発明の他の実施例を示す。本実施例は実施
例２の発光モジュールにおいて、と（にθ＝９０度の場
合において結合効率をより改善するために、発光領域１
の両面（表面と裏面）より発生した光１１を有効にファ
イバーへ結合させるようにしたものである。このため活
性層は結晶７のまん中はどに位置させ、両面より電極で
挟む構造にし、さらに活性層の層（端面）側の一方を半
球状に加工したＬＥＤに対し、端面方向（θ＝９０度）
から光ファイバー４へ結合させている。

実施例４ 第１８図に本発明の他の実施例を示す０本実施例は発光
領域ｌの中心から光取出し面２までの長さＬをドーム半
径Ｒより大きく取り、かつ発光領域の中心とドーム中心
点１２とを結ぶ方向θ（θ〉０度）から光ファイバーへ
光結合させたもので、このような構成とすることによっ
て、さらに光結合効率をあげ、結合方向に指向性をもた
せることができる。

実施例５ 従来ＬＥＤはその発光領域の形状は円形をしている。こ
のため斜め結合による光結合効率の最大値μＣは である。しかし、より結合効率をあげるには発光領域の
形状を楕円または長方形にするとよい。

第１９図（ＡＩ）〜（Ｃ１）は発光領域の形状を、同図
（Ａ２）〜（Ｃ２）は発光領域を斜めに見た時の形状を
示したものである。同図（Ａ１）は従来の円形状の発光
領域で、その直径をａ、面積を５１とする。同図（Ｂ１
）は楕円形の発光領域で長径をす、短径をＣ１面積を５
２とする。同図（Ｃ１）は長方形の発光領域で長辺をす
、短辺をｄ９面積を５３とする。そしてＳ、＝Ｓ。

＝＝５ｓとする。このように面積の等しい発光領域を斜
め方向から見ると、その形状は同図（Ａ２）〜（Ｃ２）
のようになり、それらの面積はｓ、’　＞ｓ、’　、ｓ
、’〉５３′　　となる。

従来の円形発光領域と長辺形の発光領域について比較す
る。

長手方向を斜めからみたときの最大結合効率μｒは、 になる、ｂｃｏｓθはθにより　Ｄ　ｃｏｓθ°に近ず
けることができるから、 □（□　　θ）Ｏ ｂ　ｃｏｓθ　　　　Ｄ　ｃｏｓθ 一方ｃ＜Ｄだから □　ＮＡ　＞　　　−ＮＡ　　　　　　＋”＋　　μ「
　〉μＣＣＤ したがって発光形状としては楕円または長方形の方が円
より光結合効率はよくなり、その結果ファイバーへの光
結合出力も大きくなる。そこで上述した各実施例におい
て、発光領域の形状を長楕円状または長方形状にし、長
手方向を結合方向と発光面法線とでつくる面内にとり、
発光領域の法線方向に対して斜め方向に光を取出して光
ファイバーに結合させると、結合効率が高く、結合出力
の大きな発光モジュールが得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、−木のファイバ
ーへの光結合出力が向上することにより、伝送距離およ
びＳＮ比が大幅に改善でき、かつ光デバイスを介してシ
ステムの機能向上が図れる。今後ますます光ファイバー
の伝送損失が小さくなることを考えると、伝送距離は結
合出力に左右されるので結合出力改善の効果は大きい。

また発光径を小さくしなくても高い結合出力が得られる
ため、熱抵抗による発熱障害（特性劣化または信頼性低
下など）を避けることができ、特性の改善を図ることが
できる。

さらに、発光領域の真上から光を取り出す必要がないの
で、電極を発光領域（活性層）を挟むように構成できる
ので、ヒートシンクがよくなり特性を改善されることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高効率発光モジュールの基本構成図、 第２図は無指向性光源に対する結合角度（θ）の違いに
よる光結合効率の計算結果を示す線図、 第３図は従来例における発光径の違いによる光結合効率
の計算結果を示す線図、 第４図はフラット型ＬＥＤの光取出し面での光の屈折の
様子を示す図、 第５図はフラット型ＬＥＤに対する光結合度の計算結果
を示す線図、 第６図はドーム型ＬＥＤの光取出し面での光の屈折の様
子を示す図、 第７図は発光領域の中心がドーム中心に位置するドーム
型ＬＥＤの放射強度分布の計算結果を示す線図、 第８図は第７図のＬＥＤに対する光結合効率の計算結果
を示す線図、 第９図は発光領域がドーム中心より深いところに位置す
るドーム型ＬＥＤに対する光結合効率の計算結果を示す
線図、 第１０図は、第９図のＬＥＤの放射強度分布の計算結果
を示す線図、 第１１図はドーム型ＬＥＤに対する光結合特性（光フア
イバ一端出力分布）の測定結果を示す特性図、 第１２図は第１１図で使用したＬＥＤの放射強度分布（
ＦＦＰ）の測定結果を示す特性図、 第１３図は、本発明による発光モジュールの１実施例の
構成図、 第１４図は本発明によるドーム型ＬＥＤに対しレンズ結
合を行った発光モジュールの実施例の４１４成図、 第１５図は本発明によるドーム型ＬＥＤに対し先球ファ
イバー結合をした発光モジュールの実施例の構成図、 第１６図（Ａ）は本発明によるサンドインチ構造の電極
構造を示す図、同図（８）は従来のドーム型ＬＥＤに使
用されている電極構造を示す図、第１７図は端面球面型
ＬＥＤに実施した、本発明による光モジュールの実施例
の構成図、 第１８図は結合方向（θ）に指向性をもたせたＬＥＤに
対して実施した、本発明による発光モジュールの実施例
の構成図、 第１９図（八１）ないしくＣ２）は発光領域の形状の違
いによる斜めからみたときの形状変化を示す図、第２０
図は従来の発光モジュールの基本構成図、 第２１図は従来のレンズ結合による発光モジュールの一
例の構成図、 第２２図は従来の先球ファイバーに結合した発光モジュ
ールの一例の構成図である。 １・・・発光領域、 ２・・・光取出し面、 ３・・・光結合回路、 ４・・・光ファイバー、 ４Ａ・・・先球ファイバー、 ５・・・結合方向、 ６・・・発光面法線、 ７・・・発光ダイオード結晶、 ８・・・集束性ロッドレンズ、 ９・・・クラッド、 １０・・・コア、 １１・・・光線、 １２・・・ドーム中心点、 １３・・・ｐ−電極、 １４・・・ｎ−電極、 １５・・・絶縁層、 １６・・・ヒートシンク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）発光領域を有し、該発光領域の発光面法線方向に対
   して斜め方向に光を取出し得る光源と、光ファイバーと
   、 前記斜めに取出された光を前記光ファイバーに結合させ
   る手段とからなることを特徴とする発光モジュール。 ２）前記光源が端面を前記発光面法線方向に対して斜め
   に切断して光を取出す面とした発光ダイオードであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の発光モジュ
   ール。 ３）前記光源が半球状またはドーム状の曲面からなる光
   取出し面を有する発光ダイオードであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の発光モジュール。 ４）前記発光領域の端面方向に光が取出されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   に記載の発光モジュール。 ５）前記発光領域と前記光取出し面との距離が、前記曲
   面の曲率半径より大きく、かつ前記発光領域の中心と前
   記曲面の曲率中心とを結ぶ方向が光の結合方向であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の発光モジュ
   ール。 ６）前記光源が前記発光領域を挟んで配設された電極を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ５項のいずれかに記載の発光モジュール。 ７）前記発光領域の形状が楕円状あるいは長方形状であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項
   のいずれかに記載の発光モジュール。 ８）前記結合手段が集束性ロッドレンズであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか
   に記載の発光モジュール。 ９）前記結合手段が前記光ファイバーの先端部に設けら
   れた球状部であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第７項のいずれかに記載の発光モジュール。