発信機および通信システム
【課題】データの転送速度を向上させられる発信機および通信システムを提供する。
【解決手段】発信機としてＬＥＤ素子１０は、発光部１３０と、複数の変調部１２０とを備える。変調部１２０はそれぞれ変調用電極層１０６とモスアイ構造層１０５とを含み、それぞれ信号入力用電源１２１が接続される。変調用電極層１０６およびｎ側電極１０３に電圧を印加することによって、モスアイ構造層１０５の材料に変化する電界を生じさせ、その屈折率を変化させて発光部１３０からの光を変調する。複数の変調部１２０が、同一の発光部１３０から放射される光を、それぞれ異なる信号に基づいて変調する。
【解決手段】発信機としてＬＥＤ素子１０は、発光部１３０と、複数の変調部１２０とを備える。変調部１２０はそれぞれ変調用電極層１０６とモスアイ構造層１０５とを含み、それぞれ信号入力用電源１２１が接続される。変調用電極層１０６およびｎ側電極１０３に電圧を印加することによって、モスアイ構造層１０５の材料に変化する電界を生じさせ、その屈折率を変化させて発光部１３０からの光を変調する。複数の変調部１２０が、同一の発光部１３０から放射される光を、それぞれ異なる信号に基づいて変調する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発信機および通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体による短波長のＬＥＤ素子と蛍光体の組み合わせによる白色ＬＥＤが実用化され、白色ＬＥＤは今後の照明用光源として期待されている。白色ＬＥＤは、従来の照明光源である白熱電球や蛍光灯とは異なり、比較的高速での光の変調が可能であり、この特徴を生かした可視光通信への応用が見込まれている。照明装置からの１〜１０Ｍｂｐｓの可視光通信によって、インターネットをはじめとするオフィス、家庭内の情報通信網を構築することを目指した研究プロジェクトが国内外で活発に推進されている。
【０００３】
また、この種の可視光通信用装置として、送信データに基づいて生成された駆動電流信号に基づいて青色光励起型白色ＬＥＤを駆動し、可視光信号を受信機に対して出力するものが提案されている。特許文献１には、この可視光通信用装置は、送信データの立ち上がり時に立ち上がりパルスを付加するとともに、送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加して、多階調の駆動電流信号を生成する多階調駆動手段を備えると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０３９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、現在の光ファイバーなどによるブロードバンド通信は、１０００Ｍｂｐｓにも達しており、これと比較すると、従来のＬＥＤや白熱電球の光を用いた構成での転送速度は十分とは言い難い。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、データの全転送速度を向上させられる発信機および通信システムを提供することにある。なお、本明細書において「全転送速度」とは、単一の発信機による転送速度と、複数の発信機を並列的に動作させる容量との双方を考慮した、全体的なデータの転送速度を意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の問題点を解決するため、この発明に係る発信機は、少なくとも１つの発光部と、少なくとも１つの発光部から放射される光を変調する、複数の変調手段であって、表面に凹部または凸部が周期的に形成された材料を含む構造体と、材料に変化する電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部とを有する、複数の変調手段とを備え、変調手段の少なくとも２つは、同一の発光部から放射される光を、それぞれ異なる信号に基づいて変調する。
【０００８】
このような構成によれば、電界調整部は屈折率を変化させることにより、屈折率の変化と同じ速度で光量を変化させる。また、複数の変調手段は、共通の発光部から放射される光を変調する。
【０００９】
光は複数の波長を含み、変調手段の少なくとも２つは、複数の波長のいずれかに応じて、凹部または凸部が形成される周期が互いに異なってもよい。
複数の変調手段のそれぞれにおいて、凹部または凸部が形成される周期は、その変調手段が変調する光の光学波長より大きく、その変調手段が変調する光のコヒーレント長より小さいものであってもよい。
【００１０】
また、この発明に係る通信システムは、上述の発信機と、複数の変調手段から出射する光を、変調手段ごとに復調する復調器を有する受信機とを備える。
【００１１】
受信機は、複数の変調手段から出射する光を検出する複数の受光素子を含み、複数の受光素子の少なくとも２つは、互いに異なる変調手段から出射する光を検出してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発信機および通信システムは、データの転送速度および転送容量を向上させることにより、データの全体的な全転送速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る通信システムの構成の概略を示す模式図である。
【図２】図１のＬＥＤ素子の構成の概略を示す模式図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を通過する状態を示す。
【図５】図３のモスアイ構造層から出射する光の回折作用を示す説明図である。
【図６】図１のＬＥＤ素子とＣＣＤカメラとの位置関係を模式的に示す図である。
【図７】図１の変調手段の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は本発明に係る通信システムの構成の概略を示す模式図である。本発明に係る通信システムは、ＬＥＤ素子１０および受信機２０を備える。後述するように、ＬＥＤ素子１０は発信機または送信機として機能する。ＬＥＤ素子１０には直流電源３０が接続され、この直流電源３０がＬＥＤ素子１０に電源を供給する。
【００１５】
図２および図３に、ＬＥＤ素子１０の構成を模式的に示す。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【００１６】
図３に示すように、ＬＥＤ素子１０は、ＳｉＣ基板１０１と、ＳｉＣ基板１０１の片側の面上に形成される半導体積層部１１０と、を備えている。半導体積層部１１０は、バッファ層１１１、ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１３、電子ブロック層１１４、ｐ型ＧａＮ層１１５をＳｉＣ基板１０１側からこの順に有している。Ｐ型ＧａＮ層１１５上にはｐ側電極１０２が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１０３が形成されている。
【００１７】
ＳｉＣ基板１０１は、Ｎ及びＢが添加された単結晶６Ｈ型ＳｉＣからなり、紫外光により励起されると、ドナー・アクセプタ・ペア発光により、複数の波長を含む電球色の可視光を発する。ＳｉＣ基板１０１は、例えば、５００ｎｍ〜６５０ｎｍにピークを有する５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長の光を発する。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１は、ピーク波長が５８０ｎｍの光を発するよう調整されている。ＳｉＣ基板１０１におけるＢ及びＮのドーピング濃度は、１０１５／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３である。ここで、ＳｉＣ基板１０１は、４０８ｎｍ以下の光により励起可能である。
【００１８】
バッファ層１１１はＧａＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１１１は、ｎ型ＧａＮ層１１２等よりも低温にて成長されている。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１１２は、バッファ層１１１上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層１１３は、ｎ型ＧａＮ層１１２上に形成され、ＧａＩｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の再結合により紫外光を発する。
【００１９】
電子ブロック層１１４は、多重量子井戸活性層１１３上に形成され、ｐ−ＡｌＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１１５は、電子ブロック層１１４上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。バッファ層１１１からｐ型ＧａＮ層１１５までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。
【００２０】
アノード電極としてのｐ側電極１０２は、ｐ型ＧａＮ層１１５上に形成され、ｐ側ＧａＮ層１１５側の面が反射面１０２ａをなしている。ｐ側電極１０２は、多重量子井戸活性層１１３から発せられる光に対して高い反射率を有する。ｐ側電極１０２は、多重量子井戸活性層１１３から発せられる光に対して８０％以上の反射率を有することが好ましい。本実施形態においては、ｐ側電極１０２は、例えばＡｇ系、Ｒｈ系の材料からなり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。
【００２１】
カソード電極としてのｎ側電極１０３は、ｐ型ＧａＮ層１１５からｎ型ＧａＮ層１１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１１２上に形成される。ｎ側電極１０３は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。
【００２２】
このＬＥＤ素子１０は、フリップチップ型であり、ＳｉＣ基板１０１の裏面（図３中では上側の面）から主として光が取り出される。このように、ＬＥＤ素子１０において、ＳｉＣ基板１０１、半導体積層部１１０およびｐ側電極１０２が発光部１３０を構成する。
【００２３】
ＳｉＣ基板１０１の光取り出し面（すなわち、半導体積層部１１０が形成される面とは反対側の面、図３中では上側の面）には、透明導電膜１０４と、構造体としてのモスアイ構造層１０５とがこの順に形成される。透明導電膜１０４は周知の構成を有し、たとえば電子ビーム蒸着法によって堆積させることで形成される。
モスアイ構造層１０５上には、複数の変調用電極層１０６が形成される。複数の変調用電極層１０６は互いに接触しない形状となっている。変調用電極層１０６は、ＳｉＣ基板１０１から発せられる光に対して透明であることが好ましく、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。尚、変調用電極層１０６は、モスアイ構造層１０５よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。
【００２４】
変調用電極層１０６上には、それぞれ屈折率調整用のパッド１０７が設けられる。パッド１０７は、屈折率変調用電極であり、例えばＴｉ／Ａｕから構成することができ、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。
【００２５】
図２および図３に示すように、１つの変調用電極層１０６と、モスアイ構造層１０５のうちこの変調用電極層１０６に対応する部分（すなわち、モスアイ構造層１０５のうち、その変調用電極層１０６と透明導電膜１０４とに挟まれた部分）とが、変調手段としての変調部１２０を構成する。このように、変調部１２０はそれぞれ変調用電極層１０６とモスアイ構造層１０５とを含む。図２の例では４行４列に配列された合計１６個の変調部１２０が設けられており、図３にはこのうち４個の変調部１２０の断面が示されている。各変調部１２０において、モスアイ構造層１０５には、外側すなわちＳｉＣ基板１０１とは反対側へ突出する凸部１０５ａが周期的に形成されており、変調用電極層１０６はそれぞれ、この凸部１０５ａが形成された部分に対応して形成される。
【００２６】
モスアイ構造層１０５は、圧電体からなり、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４：potassium titanyl phosphate）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３等の可視光に対して透明な材料を用いることが好ましい。各凸部１０５ａの形状は、円錐、多角錐等の先端に向けて縮径する形状とすることができる。なお、各凸部１０５ａの先端は、尖った形状としてもよく、尖っていない形状としてもよい。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０５ａにより、光の回折作用を得ることができる。
【００２７】
本実施形態では、各変調部１２０において、各凸部１０５ａは、平面視（図２と同じ方向）にて、中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部１０５ａの周期は、変調部１２０ごとに異なる。
ここで、ＳｉＣ基板１０１から放射される光は複数の波長を含むものであるが、変調部１２０は、それぞれこの光に含まれる異なる波長の光を変調するように構成される。この構成を実現するために、各変調部１２０における凸部１０５ａの周期は、その変調部１２０が変調する特定の波長に対応して決定される。凸部１０５ａの周期は、その変調部１２０が変調する光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。具体的に、凸部１０５ａの周期は、当該光の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００２８】
尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部１０５ａにおける深さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。
【００２９】
また、変調部１２０にはそれぞれ信号入力用電源１２１が接続されている。信号入力用電源１２１の一方の極はパッド１０７を介して変調用電極層１０６に接続され、他方の極はｎ側電極１０３に接続される。信号入力用電源１２１は、送信すべき信号に基づいて、変調用電極層１０６およびｎ側電極１０３の間に印加される電圧を制御する。このようにして、変調部１２０はそれぞれ光を変調する。
【００３０】
以上のように構成されたＬＥＤ素子１０は、ｐ側電極１０２とｎ側電極１０３に順方向の電圧を印加すると、多重量子井戸活性層１１３から紫外光が発せられる。紫外光のうち、ｐ側電極１０２側へ向かう光は、ｐ側電極１０２の反射面１０２ａにて反射してＳｉＣ基板１０１へ向かう。多重量子井戸活性層１１３から発せられた紫外光は、その殆どがＳｉＣ基板１０１へ直接的又は間接的に入射する。
【００３１】
ＳｉＣ基板１０１は、紫外光により励起されると、電球色の可視光を発する。そして、ｎ側電極１０３と屈折率変調用電極としてのパッド１０７に電圧を印可して、モスアイ構造層１０５に電界を生じさせると、モスアイ構造層１０５の材料の屈折率が変化する。ここで、パッド１０７および変調用電極層１０６は変調部１２０ごとに設けられているので、モスアイ構造層１０５の材料の屈折率は、変調部１２０ごとに独立して変化することになる。
【００３２】
ここで、図４（ａ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１０５の界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、モスアイ構造層１０５の屈折率となる。
【００３３】
一方、図４（ｂ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１０５の界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、空気の屈折率となる。すなわち、モスアイ構造層１０５の屈折率が変化すると、光の透過条件が変化する。
【００３４】
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、各凸部１０５ａの周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、各凸部１０５ａの周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。
【００３５】
図５に示すように、ＬＥＤ素子１０においてＳｉＣ基板１０１から等方的に放出される光のうち、モスアイ構造層１０５へ入射角θｉｎで入射する光は、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで反射するとともに、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θｉｎでは、強い反射光強度となる。反射光は、ｐ側電極１０２の反射面１０２ａにて反射して、再びモスアイ構造層１０５へ入射するが先に入射したときの入射角θｉｎと異なる入射角θｉｎで入射するため、先の入射条件とは異なる透過特性となる。
【００３６】
このように、各変調部１２０が変調する光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部１０５ａが形成され、各凸部１０５ａが形成されたモスアイ構造層１０５の回折面にて反射した光を反射して回折面へ再入射させる反射面１０２ａを備えることにより、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。
【００３７】
そして、ｎ側電極１０３とパッド１０７に電圧を印可して、モスアイ構造層１０５に電界を生じさせると、変調部１２０ごとにモスアイ構造層１０５の材料の屈折率が変化する。本実施形態においては、モスアイ構造層１０５は、圧電性を有することから、ポッケルス効果を利用して効率よく屈折率を変化させることができる。モスアイ構造層１０５の屈折率が変化すると、上記（２）式のｎ２が変化して回折の透過条件が変化する。これにより、ＬＥＤ素子１０の発光時、変調部１２０ごとにパッド１０７の電位を変化させて、ＬＥＤ素子１０から取り出される光量を変調部１２０ごとに独立して変化させることができる。
このように、ＬＥＤ素子１０は発信機または送信機として機能し、パッド１０７および変調用電極層１０６は屈折率変調用電極として機能する。また、パッド１０７、変調用電極層１０６およびｎ側電極１０３は、モスアイ構造層１４２の材料の屈折率を変化させる電界調整部として機能する。
【００３８】
これにより、ＬＥＤ素子１０の発光時、各パッド１０７の電位を変化させて、ＬＥＤ素子１０から取り出される光量を変調部１２０ごとに変化させることができる。従って、モスアイ構造層１０５にて生じる電界に応じて光を変調させることができ、ｎ側電極１０３及びｐ側電極１０２から注入される電子と正孔の量を調整して変調する従来の方式よりも、格段に変調速度を向上させることができる。
【００３９】
また、モスアイ構造層１０５に電圧を印加するための一対の電極のうち、一方についてはｎ側電極１０３を利用するようにしたので、ＬＥＤ素子１０に設けられる電極の数を少なくすることができる。尚、ＬＥＤ素子１０の形態に応じて、ｎ側電極１０３でなくｐ側電極１０２を利用してもよいことは勿論であるし、アノード電極及びカソード電極とは別個に屈折率変調用に一対の電極を設けても良い。
【００４０】
さらに、複数の変調部１２０が同一の発光部１３０から放射される光を利用して変調を行うので、変調部１２０ごとに発光部１３０を独立に設ける必要がなく、構成および製造工程を簡素にするとともにコストを削減することができる。
また、多くの層が複数の変調部１２０に共通して設けられるので、構成および製造工程をさらに簡素にすることができる。図３の例では、発光部１３０の他に、ｎ側電極１０３、透明導電膜１０４、およびモスアイ構造層１０５が複数の変調部１２０に共通に設けられている。
【００４１】
また、モスアイ構造層１０５を、モスアイ構造層１０５よりもシート抵抗の小さな一対の層で挟むようにしたので、モスアイ構造層１０５に確実に電界を生じさせることができる。さらに、本実施形態においては、モスアイ構造層１０５及び変調用電極層１０６を、半導体積層部１１０と同じIII属窒化物半導体で構成したので、素子の作製が比較的容易である。
【００４２】
図１に戻り、受信機２０の構成を説明する。受信機２０は光検出手段としてのＣＣＤカメラ２１を備える。ＣＣＤカメラ２１は、複数の受光素子と、入射する光を屈折させて受光素子に導くレンズとを含み、これらの受光素子が、各変調部１２０から出射する光Ｌａ〜Ｌｄを検出する。このような構成によって、ＣＣＤカメラ２１は、変調部１２０のそれぞれから出射する光を、変調部１２０ごとに検出する。
【００４３】
図６は、ＬＥＤ素子１０とＣＣＤカメラ２１との位置関係を模式的に示す。ＣＣＤカメラ２１は、ＬＥＤ素子１０のすべての変調部１２０を撮影できる位置に配置される。ＬＥＤ素子１０（または変調部１２０）とＣＣＤカメラ２１との距離は、ＣＣＤカメラ２１の分解能に応じて決定される。すなわち、変調部１２０のそれぞれから出射される光が、ＣＣＤカメラ２１の異なる受光素子において独立に検出できる距離であればよい。
【００４４】
また、図１に示すように、受信機２０は、ＣＣＤカメラ２１によって検出される光が表す信号を、変調部１２０ごとに復調する復調器２２を備える。復調器２２の構成は当業者に周知であるため具体的構成については説明を省略する。なお復調器２２はＣＣＤカメラ２１の一部として設けられてもよく、または受信機２０の外部に設けられてもよい。
このように、受信機２０は、それぞれの信号に基づいて光を変調する変調部１２０からの信号光を、空間的に分解して復調することにより、空間的に重畳された信号を変調部１２０ごとに区別して再生することができる。
【００４５】
本実施形態においては、凸部１０５ａの周期は、ある変調部１２０について５００ｎｍとすることができる。この変調部１２０が変調する光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、多重量子井戸活性層１１３から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、この変調部１２０において、各凸部１０５ａの周期は、対応する光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
なお、他の変調部１２０における凸部１０５ａの周期は、上記の説明および各変調部１２０が変調の対象とする波長に基づき、当業者が適宜決定することができる。
【００４６】
また、本実施形態においては、各凸部１０５ａは、円錐状に形成される。具体的に、各凸部１０５ａは、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは２５０ｎｍとなっている。
構造体としてのモスアイ構造層１０５は、ポッケルス効果の大きい材料が好ましい。具体的には、圧電性を有することが好ましく、等方性結晶であることがより好ましい。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０５ａにより、光の回折作用を得ることができる。
【００４７】
尚、実施の形態１においては、ｐ側電極１０２が反射面１０２ａをなすものを示したが、反射面１０２ａとして機能しなかったり、反射面１０２ａが存在しない場合であっても、モスアイ構造層１０５に生じる電界により、ＬＥＤ素子１０からの光取り出し量が変化する。要は、モスアイ構造層１０５と、モスアイ構造層１０５の材料に電界を生じさせて屈折率を変化させる電界調整部とを備えていればよい。
【００４８】
また、前記実施形態においては、モスアイ構造層１０５をＡｌＮから形成したものを示したが、例えば図７に示すように、ｎ型ＧａＮ層１０５ｘとＡｌＮ層１０５ｙを交互に積層して形成してもよい。この場合、各ＡｌＮ層１０５ｙに生じる電界が強くなるため、モスアイ構造層１０５の屈折率変化を大きくすることができる。尚、光の変調には、ポッケルス効果を利用してモスアイ構造層１０５の屈折率を変えることが好ましいが、ポッケルス効果より屈折率の変化量は小さいものの、カー効果を利用して屈折率を変えることもできる。
【００４９】
また、前記実施形態においては、屈折率変調構造をＬＥＤ素子１０に設けたものを示したが、多重量子井戸活性層１１３等を省略することにより、発光部１３０を持たない屈折率変調器とすることもできる。この屈折率変調器は、屈折率変調器を透過する光の変調を行うことができ、例えば、白熱電球等の発光体と組み合わせ使用することで、発光体から発せられる光の変調が可能となる。
【００５０】
また、実施の形態１においては、ＳｉＣ基板１０１をＮ及びＢが添加された単結晶６Ｈ型ＳｉＣとして電球色を発するようにしたものを示したが、例えばＡｌ、Ｎ及びＢが添加された６Ｈ型ＳｉＣとして白色光を発するようにしたり、Ｎ及びＢが添加された６Ｈ型ＳｉＣとＮ及びＡｌが添加された６Ｈ型ＳｉＣの２層構造として白色光を発するようにしてもよい。
【００５１】
また、実施の形態１においては、ＬＥＤ素子１０がフリップチップ型であるものを示したが、フェイスアップ型としてもよいことは勿論である。また、モスアイ構造層１０５に周期的に凸部１０５ａが形成されたものを示したが、周期的に凹部を形成してもよい。また、例えば、凸部又は凹部を角柱状とし、所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成してもよい。さらに、凸部又は凹部を三角錐状、四角錐状のような多角錐状としてもよく、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【００５２】
また、実施の形態１においては、ＬＥＤ素子１０は単一の発光部１３０のみを備え、１６個の変調部１２０がすべて同一の発光部１３０から放射される光を変調するが、変形例として、ＬＥＤ素子は複数の発光部を備えてもよく、また発信機が複数のＬＥＤ素子を備えてもよい。このような構成であっても、変調手段のうち少なくとも２つが共通の発光部から放射される光を変調する構成であれば、構成および製造工程を簡素にするとともにコストを削減することができる。
また、変調部１２０の数は複数であれば１６個でなくともよく、少なくとも２個であればよい。たとえば２個である場合、ＣＣＤカメラ２１の受光素子のうち少なくとも２つが、互いに異なる変調部１２０から出射する光を検出すればよい。
【００５３】
また、実施の形態１においては、各変調部１２０における凸部１０５ａの周期は、その変調部１２０が変調する特定の波長に対応してそれぞれ異なるものであるが、変形例として、必ずしもすべての変調部１２０における周期を異ならせる必要はなく、少なくとも２つの変調部１２０において周期が異なっていればよい。
【００５４】
さらに、凸部１０５ａの周期はすべての変調部１２０について同一であってもよい。この場合には、すべての変調部１２０から同一の波長（または同一の波長の範囲）を有する光が出射することになるので、ＬＥＤ素子１０（または変調部１２０）とＣＣＤカメラ２１との距離）はＣＣＤカメラ２１の分解能に応じて決定する必要がある。
なお、複数の変調部１２０は、それぞれ異なる信号に基づいて光を変調してもよく、一部または全部の変調部１２０が同じ信号に基づいて光を変調してもよい。
【００５５】
また、実施の形態１ではＣＣＤカメラ２１によって光検出手段を構成したが、光検出手段はＣＣＤカメラでなくともよく、変調部１２０の変調速度に対応できる動作速度を持つフォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトＩＣ、等によって構成することができる。
【００５６】
また、実施の形態１では、ＬＥＤ素子１０と受信機２０との距離（あるいは変調部１２０とＣＣＤカメラ２１との距離）は、ＣＣＤカメラ２１の分解能に応じて決定されるが、変形例として、この距離はＣＣＤカメラ２１の分解能を超えるものであってもよい。すなわち、ＣＣＤカメラ２１の各受光素子から変調部１２０のそれぞれが独立に認識できる距離の範囲を超えてもよい。そのような場合であっても、各変調部１２０における凸部１０５ａの周期はそれぞれ異なるので、出射する光の波長は変調部１２０ごとに異なり、波長に基づいて各変調部１２０からの光を区別することができる。この場合は、ＬＥＤ素子１０において、同一の波長を出射する変調部１２０が隣接しない構成（すなわち、互いに隣接する変調部１２０から出射される光の波長が異なる構成）とし、同一の波長の光を出射する変調部１２０がＣＣＤカメラ２１において互いに識別できる距離であればよい。光検出手段としては、異なる波長の光を検出する受光素子を備えたＣＣＤカメラを用いてもよく、またＣＣＤカメラの各受光素子の前に特定の波長を通過させる光学フィルタ備えたものを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０ ＬＥＤ素子（発信機）、２０ 受信機、２１ ＣＣＤカメラ、２２ 復調器、３０ 直流電源、１０１ ＳｉＣ基板、１０２ ｐ側電極、１０２ａ 反射面、１０３ ｎ側電極（電界調整部）、１０４ 透明導電膜、１０５ モスアイ構造層（構造体）、１０５ａ 凸部、１０５ｘ ｎ型ＧａＮ層、１０５ｙ ＡｌＮ層、１０６ 変調用電極層（電界調整部）、１０７ パッド（電界調整部）、１１０ 半導体積層部、１１１ バッファ層、１１２ ｎ型ＧａＮ層、１１３ 多重量子井戸活性層、１１４ 電子ブロック層、１１５ ｐ型ＧａＮ層、１２０ 変調部（変調手段）、１２１ 信号入力用電源、１３０ 発光部、θｉｎ 入射角、θｏｕｔ 透過角、θｒｅｆ 反射角。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発信機および通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体による短波長のＬＥＤ素子と蛍光体の組み合わせによる白色ＬＥＤが実用化され、白色ＬＥＤは今後の照明用光源として期待されている。白色ＬＥＤは、従来の照明光源である白熱電球や蛍光灯とは異なり、比較的高速での光の変調が可能であり、この特徴を生かした可視光通信への応用が見込まれている。照明装置からの１〜１０Ｍｂｐｓの可視光通信によって、インターネットをはじめとするオフィス、家庭内の情報通信網を構築することを目指した研究プロジェクトが国内外で活発に推進されている。
【０００３】
また、この種の可視光通信用装置として、送信データに基づいて生成された駆動電流信号に基づいて青色光励起型白色ＬＥＤを駆動し、可視光信号を受信機に対して出力するものが提案されている。特許文献１には、この可視光通信用装置は、送信データの立ち上がり時に立ち上がりパルスを付加するとともに、送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加して、多階調の駆動電流信号を生成する多階調駆動手段を備えると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０３９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、現在の光ファイバーなどによるブロードバンド通信は、１０００Ｍｂｐｓにも達しており、これと比較すると、従来のＬＥＤや白熱電球の光を用いた構成での転送速度は十分とは言い難い。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、データの全転送速度を向上させられる発信機および通信システムを提供することにある。なお、本明細書において「全転送速度」とは、単一の発信機による転送速度と、複数の発信機を並列的に動作させる容量との双方を考慮した、全体的なデータの転送速度を意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の問題点を解決するため、この発明に係る発信機は、少なくとも１つの発光部と、少なくとも１つの発光部から放射される光を変調する、複数の変調手段であって、表面に凹部または凸部が周期的に形成された材料を含む構造体と、材料に変化する電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部とを有する、複数の変調手段とを備え、変調手段の少なくとも２つは、同一の発光部から放射される光を、それぞれ異なる信号に基づいて変調する。
【０００８】
このような構成によれば、電界調整部は屈折率を変化させることにより、屈折率の変化と同じ速度で光量を変化させる。また、複数の変調手段は、共通の発光部から放射される光を変調する。
【０００９】
光は複数の波長を含み、変調手段の少なくとも２つは、複数の波長のいずれかに応じて、凹部または凸部が形成される周期が互いに異なってもよい。
複数の変調手段のそれぞれにおいて、凹部または凸部が形成される周期は、その変調手段が変調する光の光学波長より大きく、その変調手段が変調する光のコヒーレント長より小さいものであってもよい。
【００１０】
また、この発明に係る通信システムは、上述の発信機と、複数の変調手段から出射する光を、変調手段ごとに復調する復調器を有する受信機とを備える。
【００１１】
受信機は、複数の変調手段から出射する光を検出する複数の受光素子を含み、複数の受光素子の少なくとも２つは、互いに異なる変調手段から出射する光を検出してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発信機および通信システムは、データの転送速度および転送容量を向上させることにより、データの全体的な全転送速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る通信システムの構成の概略を示す模式図である。
【図２】図１のＬＥＤ素子の構成の概略を示す模式図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を通過する状態を示す。
【図５】図３のモスアイ構造層から出射する光の回折作用を示す説明図である。
【図６】図１のＬＥＤ素子とＣＣＤカメラとの位置関係を模式的に示す図である。
【図７】図１の変調手段の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は本発明に係る通信システムの構成の概略を示す模式図である。本発明に係る通信システムは、ＬＥＤ素子１０および受信機２０を備える。後述するように、ＬＥＤ素子１０は発信機または送信機として機能する。ＬＥＤ素子１０には直流電源３０が接続され、この直流電源３０がＬＥＤ素子１０に電源を供給する。
【００１５】
図２および図３に、ＬＥＤ素子１０の構成を模式的に示す。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【００１６】
図３に示すように、ＬＥＤ素子１０は、ＳｉＣ基板１０１と、ＳｉＣ基板１０１の片側の面上に形成される半導体積層部１１０と、を備えている。半導体積層部１１０は、バッファ層１１１、ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１３、電子ブロック層１１４、ｐ型ＧａＮ層１１５をＳｉＣ基板１０１側からこの順に有している。Ｐ型ＧａＮ層１１５上にはｐ側電極１０２が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１０３が形成されている。
【００１７】
ＳｉＣ基板１０１は、Ｎ及びＢが添加された単結晶６Ｈ型ＳｉＣからなり、紫外光により励起されると、ドナー・アクセプタ・ペア発光により、複数の波長を含む電球色の可視光を発する。ＳｉＣ基板１０１は、例えば、５００ｎｍ〜６５０ｎｍにピークを有する５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長の光を発する。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１は、ピーク波長が５８０ｎｍの光を発するよう調整されている。ＳｉＣ基板１０１におけるＢ及びＮのドーピング濃度は、１０１５／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３である。ここで、ＳｉＣ基板１０１は、４０８ｎｍ以下の光により励起可能である。
【００１８】
バッファ層１１１はＧａＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１１１は、ｎ型ＧａＮ層１１２等よりも低温にて成長されている。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１１２は、バッファ層１１１上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層１１３は、ｎ型ＧａＮ層１１２上に形成され、ＧａＩｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の再結合により紫外光を発する。
【００１９】
電子ブロック層１１４は、多重量子井戸活性層１１３上に形成され、ｐ−ＡｌＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１１５は、電子ブロック層１１４上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。バッファ層１１１からｐ型ＧａＮ層１１５までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。
【００２０】
アノード電極としてのｐ側電極１０２は、ｐ型ＧａＮ層１１５上に形成され、ｐ側ＧａＮ層１１５側の面が反射面１０２ａをなしている。ｐ側電極１０２は、多重量子井戸活性層１１３から発せられる光に対して高い反射率を有する。ｐ側電極１０２は、多重量子井戸活性層１１３から発せられる光に対して８０％以上の反射率を有することが好ましい。本実施形態においては、ｐ側電極１０２は、例えばＡｇ系、Ｒｈ系の材料からなり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。
【００２１】
カソード電極としてのｎ側電極１０３は、ｐ型ＧａＮ層１１５からｎ型ＧａＮ層１１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１１２上に形成される。ｎ側電極１０３は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。
【００２２】
このＬＥＤ素子１０は、フリップチップ型であり、ＳｉＣ基板１０１の裏面（図３中では上側の面）から主として光が取り出される。このように、ＬＥＤ素子１０において、ＳｉＣ基板１０１、半導体積層部１１０およびｐ側電極１０２が発光部１３０を構成する。
【００２３】
ＳｉＣ基板１０１の光取り出し面（すなわち、半導体積層部１１０が形成される面とは反対側の面、図３中では上側の面）には、透明導電膜１０４と、構造体としてのモスアイ構造層１０５とがこの順に形成される。透明導電膜１０４は周知の構成を有し、たとえば電子ビーム蒸着法によって堆積させることで形成される。
モスアイ構造層１０５上には、複数の変調用電極層１０６が形成される。複数の変調用電極層１０６は互いに接触しない形状となっている。変調用電極層１０６は、ＳｉＣ基板１０１から発せられる光に対して透明であることが好ましく、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。尚、変調用電極層１０６は、モスアイ構造層１０５よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。
【００２４】
変調用電極層１０６上には、それぞれ屈折率調整用のパッド１０７が設けられる。パッド１０７は、屈折率変調用電極であり、例えばＴｉ／Ａｕから構成することができ、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。
【００２５】
図２および図３に示すように、１つの変調用電極層１０６と、モスアイ構造層１０５のうちこの変調用電極層１０６に対応する部分（すなわち、モスアイ構造層１０５のうち、その変調用電極層１０６と透明導電膜１０４とに挟まれた部分）とが、変調手段としての変調部１２０を構成する。このように、変調部１２０はそれぞれ変調用電極層１０６とモスアイ構造層１０５とを含む。図２の例では４行４列に配列された合計１６個の変調部１２０が設けられており、図３にはこのうち４個の変調部１２０の断面が示されている。各変調部１２０において、モスアイ構造層１０５には、外側すなわちＳｉＣ基板１０１とは反対側へ突出する凸部１０５ａが周期的に形成されており、変調用電極層１０６はそれぞれ、この凸部１０５ａが形成された部分に対応して形成される。
【００２６】
モスアイ構造層１０５は、圧電体からなり、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４：potassium titanyl phosphate）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３等の可視光に対して透明な材料を用いることが好ましい。各凸部１０５ａの形状は、円錐、多角錐等の先端に向けて縮径する形状とすることができる。なお、各凸部１０５ａの先端は、尖った形状としてもよく、尖っていない形状としてもよい。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０５ａにより、光の回折作用を得ることができる。
【００２７】
本実施形態では、各変調部１２０において、各凸部１０５ａは、平面視（図２と同じ方向）にて、中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部１０５ａの周期は、変調部１２０ごとに異なる。
ここで、ＳｉＣ基板１０１から放射される光は複数の波長を含むものであるが、変調部１２０は、それぞれこの光に含まれる異なる波長の光を変調するように構成される。この構成を実現するために、各変調部１２０における凸部１０５ａの周期は、その変調部１２０が変調する特定の波長に対応して決定される。凸部１０５ａの周期は、その変調部１２０が変調する光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。具体的に、凸部１０５ａの周期は、当該光の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００２８】
尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部１０５ａにおける深さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。
【００２９】
また、変調部１２０にはそれぞれ信号入力用電源１２１が接続されている。信号入力用電源１２１の一方の極はパッド１０７を介して変調用電極層１０６に接続され、他方の極はｎ側電極１０３に接続される。信号入力用電源１２１は、送信すべき信号に基づいて、変調用電極層１０６およびｎ側電極１０３の間に印加される電圧を制御する。このようにして、変調部１２０はそれぞれ光を変調する。
【００３０】
以上のように構成されたＬＥＤ素子１０は、ｐ側電極１０２とｎ側電極１０３に順方向の電圧を印加すると、多重量子井戸活性層１１３から紫外光が発せられる。紫外光のうち、ｐ側電極１０２側へ向かう光は、ｐ側電極１０２の反射面１０２ａにて反射してＳｉＣ基板１０１へ向かう。多重量子井戸活性層１１３から発せられた紫外光は、その殆どがＳｉＣ基板１０１へ直接的又は間接的に入射する。
【００３１】
ＳｉＣ基板１０１は、紫外光により励起されると、電球色の可視光を発する。そして、ｎ側電極１０３と屈折率変調用電極としてのパッド１０７に電圧を印可して、モスアイ構造層１０５に電界を生じさせると、モスアイ構造層１０５の材料の屈折率が変化する。ここで、パッド１０７および変調用電極層１０６は変調部１２０ごとに設けられているので、モスアイ構造層１０５の材料の屈折率は、変調部１２０ごとに独立して変化することになる。
【００３２】
ここで、図４（ａ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１０５の界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、モスアイ構造層１０５の屈折率となる。
【００３３】
一方、図４（ｂ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１０５の界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、空気の屈折率となる。すなわち、モスアイ構造層１０５の屈折率が変化すると、光の透過条件が変化する。
【００３４】
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、各凸部１０５ａの周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、各凸部１０５ａの周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。
【００３５】
図５に示すように、ＬＥＤ素子１０においてＳｉＣ基板１０１から等方的に放出される光のうち、モスアイ構造層１０５へ入射角θｉｎで入射する光は、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで反射するとともに、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θｉｎでは、強い反射光強度となる。反射光は、ｐ側電極１０２の反射面１０２ａにて反射して、再びモスアイ構造層１０５へ入射するが先に入射したときの入射角θｉｎと異なる入射角θｉｎで入射するため、先の入射条件とは異なる透過特性となる。
【００３６】
このように、各変調部１２０が変調する光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部１０５ａが形成され、各凸部１０５ａが形成されたモスアイ構造層１０５の回折面にて反射した光を反射して回折面へ再入射させる反射面１０２ａを備えることにより、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。
【００３７】
そして、ｎ側電極１０３とパッド１０７に電圧を印可して、モスアイ構造層１０５に電界を生じさせると、変調部１２０ごとにモスアイ構造層１０５の材料の屈折率が変化する。本実施形態においては、モスアイ構造層１０５は、圧電性を有することから、ポッケルス効果を利用して効率よく屈折率を変化させることができる。モスアイ構造層１０５の屈折率が変化すると、上記（２）式のｎ２が変化して回折の透過条件が変化する。これにより、ＬＥＤ素子１０の発光時、変調部１２０ごとにパッド１０７の電位を変化させて、ＬＥＤ素子１０から取り出される光量を変調部１２０ごとに独立して変化させることができる。
このように、ＬＥＤ素子１０は発信機または送信機として機能し、パッド１０７および変調用電極層１０６は屈折率変調用電極として機能する。また、パッド１０７、変調用電極層１０６およびｎ側電極１０３は、モスアイ構造層１４２の材料の屈折率を変化させる電界調整部として機能する。
【００３８】
これにより、ＬＥＤ素子１０の発光時、各パッド１０７の電位を変化させて、ＬＥＤ素子１０から取り出される光量を変調部１２０ごとに変化させることができる。従って、モスアイ構造層１０５にて生じる電界に応じて光を変調させることができ、ｎ側電極１０３及びｐ側電極１０２から注入される電子と正孔の量を調整して変調する従来の方式よりも、格段に変調速度を向上させることができる。
【００３９】
また、モスアイ構造層１０５に電圧を印加するための一対の電極のうち、一方についてはｎ側電極１０３を利用するようにしたので、ＬＥＤ素子１０に設けられる電極の数を少なくすることができる。尚、ＬＥＤ素子１０の形態に応じて、ｎ側電極１０３でなくｐ側電極１０２を利用してもよいことは勿論であるし、アノード電極及びカソード電極とは別個に屈折率変調用に一対の電極を設けても良い。
【００４０】
さらに、複数の変調部１２０が同一の発光部１３０から放射される光を利用して変調を行うので、変調部１２０ごとに発光部１３０を独立に設ける必要がなく、構成および製造工程を簡素にするとともにコストを削減することができる。
また、多くの層が複数の変調部１２０に共通して設けられるので、構成および製造工程をさらに簡素にすることができる。図３の例では、発光部１３０の他に、ｎ側電極１０３、透明導電膜１０４、およびモスアイ構造層１０５が複数の変調部１２０に共通に設けられている。
【００４１】
また、モスアイ構造層１０５を、モスアイ構造層１０５よりもシート抵抗の小さな一対の層で挟むようにしたので、モスアイ構造層１０５に確実に電界を生じさせることができる。さらに、本実施形態においては、モスアイ構造層１０５及び変調用電極層１０６を、半導体積層部１１０と同じIII属窒化物半導体で構成したので、素子の作製が比較的容易である。
【００４２】
図１に戻り、受信機２０の構成を説明する。受信機２０は光検出手段としてのＣＣＤカメラ２１を備える。ＣＣＤカメラ２１は、複数の受光素子と、入射する光を屈折させて受光素子に導くレンズとを含み、これらの受光素子が、各変調部１２０から出射する光Ｌａ〜Ｌｄを検出する。このような構成によって、ＣＣＤカメラ２１は、変調部１２０のそれぞれから出射する光を、変調部１２０ごとに検出する。
【００４３】
図６は、ＬＥＤ素子１０とＣＣＤカメラ２１との位置関係を模式的に示す。ＣＣＤカメラ２１は、ＬＥＤ素子１０のすべての変調部１２０を撮影できる位置に配置される。ＬＥＤ素子１０（または変調部１２０）とＣＣＤカメラ２１との距離は、ＣＣＤカメラ２１の分解能に応じて決定される。すなわち、変調部１２０のそれぞれから出射される光が、ＣＣＤカメラ２１の異なる受光素子において独立に検出できる距離であればよい。
【００４４】
また、図１に示すように、受信機２０は、ＣＣＤカメラ２１によって検出される光が表す信号を、変調部１２０ごとに復調する復調器２２を備える。復調器２２の構成は当業者に周知であるため具体的構成については説明を省略する。なお復調器２２はＣＣＤカメラ２１の一部として設けられてもよく、または受信機２０の外部に設けられてもよい。
このように、受信機２０は、それぞれの信号に基づいて光を変調する変調部１２０からの信号光を、空間的に分解して復調することにより、空間的に重畳された信号を変調部１２０ごとに区別して再生することができる。
【００４５】
本実施形態においては、凸部１０５ａの周期は、ある変調部１２０について５００ｎｍとすることができる。この変調部１２０が変調する光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、多重量子井戸活性層１１３から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、この変調部１２０において、各凸部１０５ａの周期は、対応する光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
なお、他の変調部１２０における凸部１０５ａの周期は、上記の説明および各変調部１２０が変調の対象とする波長に基づき、当業者が適宜決定することができる。
【００４６】
また、本実施形態においては、各凸部１０５ａは、円錐状に形成される。具体的に、各凸部１０５ａは、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは２５０ｎｍとなっている。
構造体としてのモスアイ構造層１０５は、ポッケルス効果の大きい材料が好ましい。具体的には、圧電性を有することが好ましく、等方性結晶であることがより好ましい。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０５ａにより、光の回折作用を得ることができる。
【００４７】
尚、実施の形態１においては、ｐ側電極１０２が反射面１０２ａをなすものを示したが、反射面１０２ａとして機能しなかったり、反射面１０２ａが存在しない場合であっても、モスアイ構造層１０５に生じる電界により、ＬＥＤ素子１０からの光取り出し量が変化する。要は、モスアイ構造層１０５と、モスアイ構造層１０５の材料に電界を生じさせて屈折率を変化させる電界調整部とを備えていればよい。
【００４８】
また、前記実施形態においては、モスアイ構造層１０５をＡｌＮから形成したものを示したが、例えば図７に示すように、ｎ型ＧａＮ層１０５ｘとＡｌＮ層１０５ｙを交互に積層して形成してもよい。この場合、各ＡｌＮ層１０５ｙに生じる電界が強くなるため、モスアイ構造層１０５の屈折率変化を大きくすることができる。尚、光の変調には、ポッケルス効果を利用してモスアイ構造層１０５の屈折率を変えることが好ましいが、ポッケルス効果より屈折率の変化量は小さいものの、カー効果を利用して屈折率を変えることもできる。
【００４９】
また、前記実施形態においては、屈折率変調構造をＬＥＤ素子１０に設けたものを示したが、多重量子井戸活性層１１３等を省略することにより、発光部１３０を持たない屈折率変調器とすることもできる。この屈折率変調器は、屈折率変調器を透過する光の変調を行うことができ、例えば、白熱電球等の発光体と組み合わせ使用することで、発光体から発せられる光の変調が可能となる。
【００５０】
また、実施の形態１においては、ＳｉＣ基板１０１をＮ及びＢが添加された単結晶６Ｈ型ＳｉＣとして電球色を発するようにしたものを示したが、例えばＡｌ、Ｎ及びＢが添加された６Ｈ型ＳｉＣとして白色光を発するようにしたり、Ｎ及びＢが添加された６Ｈ型ＳｉＣとＮ及びＡｌが添加された６Ｈ型ＳｉＣの２層構造として白色光を発するようにしてもよい。
【００５１】
また、実施の形態１においては、ＬＥＤ素子１０がフリップチップ型であるものを示したが、フェイスアップ型としてもよいことは勿論である。また、モスアイ構造層１０５に周期的に凸部１０５ａが形成されたものを示したが、周期的に凹部を形成してもよい。また、例えば、凸部又は凹部を角柱状とし、所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成してもよい。さらに、凸部又は凹部を三角錐状、四角錐状のような多角錐状としてもよく、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【００５２】
また、実施の形態１においては、ＬＥＤ素子１０は単一の発光部１３０のみを備え、１６個の変調部１２０がすべて同一の発光部１３０から放射される光を変調するが、変形例として、ＬＥＤ素子は複数の発光部を備えてもよく、また発信機が複数のＬＥＤ素子を備えてもよい。このような構成であっても、変調手段のうち少なくとも２つが共通の発光部から放射される光を変調する構成であれば、構成および製造工程を簡素にするとともにコストを削減することができる。
また、変調部１２０の数は複数であれば１６個でなくともよく、少なくとも２個であればよい。たとえば２個である場合、ＣＣＤカメラ２１の受光素子のうち少なくとも２つが、互いに異なる変調部１２０から出射する光を検出すればよい。
【００５３】
また、実施の形態１においては、各変調部１２０における凸部１０５ａの周期は、その変調部１２０が変調する特定の波長に対応してそれぞれ異なるものであるが、変形例として、必ずしもすべての変調部１２０における周期を異ならせる必要はなく、少なくとも２つの変調部１２０において周期が異なっていればよい。
【００５４】
さらに、凸部１０５ａの周期はすべての変調部１２０について同一であってもよい。この場合には、すべての変調部１２０から同一の波長（または同一の波長の範囲）を有する光が出射することになるので、ＬＥＤ素子１０（または変調部１２０）とＣＣＤカメラ２１との距離）はＣＣＤカメラ２１の分解能に応じて決定する必要がある。
なお、複数の変調部１２０は、それぞれ異なる信号に基づいて光を変調してもよく、一部または全部の変調部１２０が同じ信号に基づいて光を変調してもよい。
【００５５】
また、実施の形態１ではＣＣＤカメラ２１によって光検出手段を構成したが、光検出手段はＣＣＤカメラでなくともよく、変調部１２０の変調速度に対応できる動作速度を持つフォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトＩＣ、等によって構成することができる。
【００５６】
また、実施の形態１では、ＬＥＤ素子１０と受信機２０との距離（あるいは変調部１２０とＣＣＤカメラ２１との距離）は、ＣＣＤカメラ２１の分解能に応じて決定されるが、変形例として、この距離はＣＣＤカメラ２１の分解能を超えるものであってもよい。すなわち、ＣＣＤカメラ２１の各受光素子から変調部１２０のそれぞれが独立に認識できる距離の範囲を超えてもよい。そのような場合であっても、各変調部１２０における凸部１０５ａの周期はそれぞれ異なるので、出射する光の波長は変調部１２０ごとに異なり、波長に基づいて各変調部１２０からの光を区別することができる。この場合は、ＬＥＤ素子１０において、同一の波長を出射する変調部１２０が隣接しない構成（すなわち、互いに隣接する変調部１２０から出射される光の波長が異なる構成）とし、同一の波長の光を出射する変調部１２０がＣＣＤカメラ２１において互いに識別できる距離であればよい。光検出手段としては、異なる波長の光を検出する受光素子を備えたＣＣＤカメラを用いてもよく、またＣＣＤカメラの各受光素子の前に特定の波長を通過させる光学フィルタ備えたものを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０ ＬＥＤ素子（発信機）、２０ 受信機、２１ ＣＣＤカメラ、２２ 復調器、３０ 直流電源、１０１ ＳｉＣ基板、１０２ ｐ側電極、１０２ａ 反射面、１０３ ｎ側電極（電界調整部）、１０４ 透明導電膜、１０５ モスアイ構造層（構造体）、１０５ａ 凸部、１０５ｘ ｎ型ＧａＮ層、１０５ｙ ＡｌＮ層、１０６ 変調用電極層（電界調整部）、１０７ パッド（電界調整部）、１１０ 半導体積層部、１１１ バッファ層、１１２ ｎ型ＧａＮ層、１１３ 多重量子井戸活性層、１１４ 電子ブロック層、１１５ ｐ型ＧａＮ層、１２０ 変調部（変調手段）、１２１ 信号入力用電源、１３０ 発光部、θｉｎ 入射角、θｏｕｔ 透過角、θｒｅｆ 反射角。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの発光部と、
前記少なくとも１つの発光部から放射される光を変調する、複数の変調手段であって、
表面に凹部または凸部が周期的に形成された材料を含む構造体と、
前記材料に変化する電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部と
を有する、複数の変調手段と
を備え、
前記変調手段の少なくとも２つは、同一の前記発光部から放射される光を、それぞれ異なる信号に基づいて変調する、発信機。
【請求項２】
前記光は複数の波長を含み、
前記変調手段の前記少なくとも２つは、前記複数の波長のいずれかに応じて、前記凹部または凸部が形成される周期が互いに異なる、請求項１に記載の発信機。
【請求項３】
前記複数の変調手段のそれぞれにおいて、前記凹部または凸部が形成される周期は、その変調手段が変調する光の光学波長より大きく、その変調手段が変調する光のコヒーレント長より小さい、請求項１または２に記載の発信機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発信機と、
前記複数の変調手段から出射する光を、前記変調手段ごとに復調する復調器を有する受信機と
を備える通信システム。
【請求項５】
前記受信機は、前記複数の変調手段から出射する前記光を検出する複数の受光素子を含み、
前記複数の受光素子の少なくとも２つは、互いに異なる前記変調手段から出射する光を検出する
請求項４に記載の通信システム。
【請求項１】
少なくとも１つの発光部と、
前記少なくとも１つの発光部から放射される光を変調する、複数の変調手段であって、
表面に凹部または凸部が周期的に形成された材料を含む構造体と、
前記材料に変化する電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部と
を有する、複数の変調手段と
を備え、
前記変調手段の少なくとも２つは、同一の前記発光部から放射される光を、それぞれ異なる信号に基づいて変調する、発信機。
【請求項２】
前記光は複数の波長を含み、
前記変調手段の前記少なくとも２つは、前記複数の波長のいずれかに応じて、前記凹部または凸部が形成される周期が互いに異なる、請求項１に記載の発信機。
【請求項３】
前記複数の変調手段のそれぞれにおいて、前記凹部または凸部が形成される周期は、その変調手段が変調する光の光学波長より大きく、その変調手段が変調する光のコヒーレント長より小さい、請求項１または２に記載の発信機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発信機と、
前記複数の変調手段から出射する光を、前記変調手段ごとに復調する復調器を有する受信機と
を備える通信システム。
【請求項５】
前記受信機は、前記複数の変調手段から出射する前記光を検出する複数の受光素子を含み、
前記複数の受光素子の少なくとも２つは、互いに異なる前記変調手段から出射する光を検出する
請求項４に記載の通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１３７５４２（Ｐ２０１２−１３７５４２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８８３９３（Ｐ２０１０−２８８３９３）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
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