CN109565152B - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

本实施方式涉及一种具有能够从S－iPM激光器的输出光中除去0次光的结构的发光装置。该发光装置包括半导体发光元件和光遮蔽部件。半导体发光元件包括活性层、一对覆盖层和相位调制层。相位调制层包括基本层和分别个别地配置于特定位置的多个不同折射率区域。光遮蔽部件具有如下功能：使沿倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽沿发光面的法线方向输出的0次光。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及一种发光装置。
背景技术
专利文献1中记载的半导体发光元件包括：活性层；夹着活性层的一对覆盖层；和与活性层光学耦合的相位调制层。相位调制层包括：基本层；和分别具有与基本层的折射率不同折射率的多个不同折射率区域。在相位调制层上设定了正方晶格的情况下，不同折射率区域(主孔)分别以与正方晶格中的对应区域(具有正方形形状)的中心点(晶格点)一致的方式配置。在该不同折射率区域的周围，设置有辅助的不同折射率区域(副孔)，从而能够出射规定的光束图案(beam pattern)的光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2014/136962号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
发明者对现有的半导体发光元件进行了研究，结果发现了如下所述的技术问题。即，研究了如下半导体发光元件：通过控制从排列成二维状的多个发光点出射的光的相位谱和强度谱而输出任意的光像。作为这样的半导体发光元件的一种构造，有如下构造：在半导体基板上设置下部覆盖层、活性层和上部覆盖层，并且在下部覆盖层与活性层之间或者活性层与上部覆盖层之间设置有相位调制层。相位调制层包括基本层和分别具有与基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域，在与相位调制层的厚度方向垂直的面内设定了假想的正方晶格的情况下，对构成该正方晶格的多个正方区域的各个分配的不同折射率区域的重心位置偏离于与应生成的光像对应地分配的正方区域的晶格点位置。这样的半导体发光元件被称为S－iPM(Static-integrable Phase Modulating(静态可积分相位调制))激光元件，沿与半导体基板的主面垂直的方向(法线方向)和相对于该法线方向具有规定的扩散角的方向，输出用于形成二维的任意形状的光像的光束。
然而，从上述的半导体发光元件除了输出作为所希望的输出光像的信号光之外，还输出0次光。该0次光是在与半导体基板的主面垂直的方向(即与发光面垂直的方向)输出的光，在S－iPM激光器中通常不能使用。因此，在获取所希望的输出光像时，0次光成为噪声光，因此希望从光像中除去0次光。
本发明为了解决如上述那样的技术问题而完成，其目的在于，提供一种具有能够从S－iPM激光器的输出光中除去0次光的结构的发光装置。
解决问题的技术手段
为了解决上述的技术问题，作为一个例子，本实施方式的发光装置包括半导体发光元件和光遮蔽部件。半导体发光元件具有发光面，并且沿该发光面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度及扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像。光遮蔽部件以其一部分与在发光面的重心位置上和该发光面正交的轴线交叉的方式配置。再有，半导体发光元件包括：活性层；夹着该活性层的一对覆盖层；和设置于活性层与一对覆盖层的一方之间的、与该活性层光学耦合的相位调制层。光遮蔽部件以使输出的光像中向倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽向发光面的法线方向输出的0次光的方式配置。相位调制层包括：基本层；和分别具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。另一方面，半导体发光元件的制造方法包括：在基板上设置下部覆盖层(一对覆盖层的一方)的第一工序；在下部覆盖层上设置活性层的第二工序；在活性层之上设置上部覆盖层(一对覆盖层的另一方)的第三工序；和在第一工序与第二工序之间或者在第二工序与第三工序之间执行的工序，即在下部覆盖层与活性层之间或者在活性层与上部覆盖层之间设置相位调制层的第四工序。发光装置的制造方法中，通过相对于这样制造的半导体发光元件以其一部分与在发光面的重心位置上和该发光面正交的轴线交叉的方式配置光遮蔽部件，而获得所希望的发光装置。
特别是在本实施方式的发光装置和半导体发光元件的制造方法中，相位调制层构成为多个不同折射率区域分别个别地配置在特定位置。具体而言，相位调制层构成为：在由与法线方向一致的Z轴、和与包含多个不同折射率区域的相位调制层的一方的面一致的、包含彼此正交的X轴和Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在该X－Y平面上，设定由分别具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方晶格，在由X轴方向的坐标成分x(1以上M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上N1以下的整数)特定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于该单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与作为单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分离，并且从晶格点O(x，y)向重心G1的矢量朝向特定方向。
发明的效果
根据本实施方式的发光装置和半导体发光元件的制造方法，能够从S－iPM激光器的输出中去除0次光。
附图说明
图1是表示本实施方式所涉及的发光装置的结构的立体图。
图2是表示激光元件的结构的截面图。
图3是表示与相位调制层的配置相关的变形例的图。
图4是相位调制层的俯视图。
图5是表示相位调制层中不同折射率区域的位置关系的图。
图6是表示仅在相位调制层的特定区域内应用图4的折射率大致周期结构的例子的俯视图。
图7是用于说明激光元件的输出光束图案成像而成的光像与相位调制层中的旋转角度分布的关系的图。
图8(a)和(b)是说明根据光像的傅里叶变换结果求取旋转角度分布，决定不同折射率区域的配置时的留意点的图。
图9(a)是相位调制层的具体的三个方式中共用的原图案的图像。(b)是对(a)进行二维傅里叶逆变换并抽取强度分布而得的图像。(c)是对(a)进行二维傅里叶逆变换并抽取相位分布而得的图像。
图10(a)是表示用于实现图9(c)所示的相位分布的相位调制层的第一结构的图像。(b)是通过对所有不同折射率区域进行傅里叶变换而得的预想光束图案。
图11是表示与相位调制层的第一结构中的填充因子和距离r(a)的关系对应的输出光束图案的S/N比的图表。
图12是表示相位调制层的第一结构中的距离r(a)与S/N比的关系的图表。
图13(a)是表示用于实现图9(c)所示的相位分布的相位调制层的第二结构的图像。(b)是通过对所有不同折射率区域进行傅里叶变换而得的预想光束图案。
图14是表示与相位调制层的第二结构中的填充因子和距离r(a)的关系对应的输出光束图案的S/N比的图表。
图15是表示相位调制层的第二结构中的距离r(a)与S/N比的关系的图表。
图16(a)是表示用于实现图9(c)所示的相位分布的相位调制层的第三结构的图像。(b)是通过对所有不同折射率区域进行傅里叶变换而得的预想光束图案。
图17是表示与相位调制层的第三结构中的填充因子和距离r(a)的关系对应的输出光束图案的S/N比的图表。
图18是表示相位调制层的第三结构中的距离r(a)与S/N比的关系的图表。
图19(a)～(c)表示从激光元件输出的光束图案(光像)的例子。
图20是表示在衍射计算中使用的条件的图。
图21(a)是表示衍射计算中使用的靶图像的图。(b)和(c)分别是以颜色的浓淡表示晶格间隔a＝282nm、141nm的情况下的相位调制层中的相位分布的图。
图22是表示计算结果的图表，表示当将某衍射像面上的衍射像的Z轴侧的一端与Z轴的距离设为d(μm)，并将该衍射像面与发光面2b的距离设为z(μm)时，距离d与距离z的相关性。
图23是表示作为图22所示的图表的基础的衍射像的一部分的图。
图24是表示作为图22所示的图表的基础的衍射像的一部分的图。
图25是表示作为图22所示的图表的基础的衍射像的一部分的图。
图26是表示作为图22所示的图表的基础的衍射像的一部分的图。
图27是表示作为图22所示的图表的基础的衍射像的一部分的图。
图28是表示距离d和电极尺寸L的积(d×L)与距离z的相关性的图表。
图29是发光面与光遮蔽部件的位置关系的示意图。
图30是放大表示第一光像部分B2的Z轴侧的端缘与0次光B1的第一光像部分B2侧的端缘的交点附近的图。
图31是表示高斯光束的束腰中的光束半径的变化的图表。
图32(a)～(d)是表示光遮蔽部件的配置的具体例的俯视图。
图33(a)～(d)是表示光遮蔽部件的配置的具体例的俯视图。
图34是一变形例的相位调制层的俯视图。
图35(a)～(c)是表示不同折射率区域的X―Y平面内的形状的例子的俯视图。
图36(a)和(b)是表示不同折射率区域的X―Y平面内的形状的例子的俯视图。
图37是表示第三变形例的发光装置的结构的图。
图38是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)向XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)的坐标变换的图。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
首先，分别个别地列举本发明的实施方式的内容来进行说明。
(1)本实施方式的发光装置作为其一个方式，包括半导体发光元件和光遮蔽部件。半导体发光元件具有发光面，并且沿该发光面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像。光遮蔽部件以其一部分与在发光面的重心位置上和该发光面正交的轴线交叉的方式配置。再有，半导体发光元件包括：活性层；夹着该活性层的一对覆盖层；和设置于活性层与一对覆盖层的一方之间的、与该活性层光学耦合的相位调制层。光遮蔽部件以使输出的光像中向倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽在发光面的法线方向输出的0次光的方式配置。相位调制层包括：基本层；和分别具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。另一方面，半导体发光元件的制造方法包括：在基板上设置下部覆盖层(一对覆盖层的一方)的第一工序；在下部覆盖层上设置活性层的第二工序；在活性层之上设置上部覆盖层(一对覆盖层的另一方)的第三工序；和在第一工序与第二工序之间或者在第二工序与第三工序之间执行的工序，即在下部覆盖层与活性层之间或者在活性层与上部覆盖层之间设置相位调制层的第四工序。发光装置的制造方法中，通过相对于这样制造的半导体发光元件以其一部分与在发光面的重心位置上与该发光面正交的轴线交叉的方式配置光遮蔽部件，而获得所希望的发光装置。
特别是在本实施方式的发光装置和半导体发光元件的制造方法中，相位调制层构成为多个不同折射率区域分别个别地配置在特定位置。具体而言，作为第一前提条件，在由与法线方向一致的Z轴、和与包含多个不同折射率区域的相位调制层的一方的面一致的、包含彼此正交的X轴和Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在该X－Y平面上，设定由分别具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方晶格。此时，在由X轴方向的坐标成分x(1以上M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上N1以下的整数)特定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于该单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与作为单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分离，并且从晶格点O(x，y)向重心G1的矢量朝向特定方向。
在具有上述那样的结构的半导体发光元件中，与活性层光学地耦合的相位调制层包括：基本层；和多个不同折射率区域，其分别埋入基本层内并且具有与该基本层的折射率不同的折射率。另外，在构成假想的正方晶格的单位构成区域R(x，y)中，对应的不同折射率区域的重心G1与晶格点O(x，y)分离地配置。再有，从晶格点O向重心G1的矢量的方向按每个单位构成区域R个别地设定。在这样的结构中，根据从晶格点O向对应的不同折射率区域的重心G1的矢量的方向，即该不同折射率区域的重心G1的晶格点周围的角度位置，而光束的相位发生变化。这样，根据本实施方式，仅改变不同折射率区域的重心位置，而能够控制从各个不同折射率区域输出的光束的相位，能够将作为整体形成的光束图案(形成光像的光束群)控制为所希望的形状。此时，可以为假想的正方晶格中的晶格点位于不同折射率区域的外部，或者也可以为该晶格点位于不同折射率区域的内部。
即，在本实施方式中能够应用的半导体发光元件为S－iPM激光器，能够沿发光面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度及扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像(例如在二维平面上形成的光束图案)。再有，光遮蔽部件以其一部分与在发光面的重心位置上正交的轴线(与上述Z轴一致)交叉的方式配置，具有使沿倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽0次光的功能。由此，能够从S－iPM激光器的输出中去除0次光。
(2)作为本实施方式的一个方式，优选当使假想的正方晶格的晶格常数(实质上相当于晶格间隔)为a时，位于单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与晶格点O(x，y)的距离r满足0≦r≦0.3a。另外，在上述的发光装置中，优选作为由从半导体发光元件出射的光束图案表现的原图像(二维傅里叶逆变换前的光像)，包括例如斑点、直线、十字架、白描、晶格图案、照片、条状图案、计算机图形和文字中的至少一种。
(3)在本实施方式的一个方式中，除第一前提条件之外，作为第二前提条件，XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)如图38所示，相对于由动径的长度d1、与Z轴成的斜度角θtilt、在X－Y平面上特定的与X轴成的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)，满足由下面的式(1)～式(3)表示的关系。此外，图38是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)至XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)的坐标变换的图，由坐标(x，y，z)表现在实空间即XYZ正交坐标系中设定的规定平面上的设计上的光像。当使相当于从半导体发光元件输出的光像的光束图案设为朝向以角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot被换算为由下面的式(4)规定的标准化波数即与X轴对应的Kx轴上的坐标值kx，和由下面的式(5)规定的标准化波数即与Y轴对应且与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky。标准化波数是指将相当于假想的正方晶格的晶格间隔的波数标准化为1.0的波数。此时，在由Kx轴和Ky轴规定的波数空间中，包含相当于光像的光束图案的特定的波数范围分别由正方形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个的图像区域FR构成。此外，整数M2不需要与整数M1一致。同样，整数N2不需要与整数N1一致。另外，式(4)和式(5)在例如Y.Kurosaka et al.，″Effects of non-lasingband in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified usingomnidirectional band structure,″Opt.Express 20，21773-21783(2012)中公开。
[式1]
x＝d1 sinθtilt cosθrot…(1)
[式2]
y＝d1 sinθtilt sinθrot…(2)
[式3]
z＝d1 cos θtilt…(3)
[式4]
Figure BDA0001967302920000081
[式5]
Figure BDA0001967302920000082
a：所述假想的正方晶格的晶格常数
λ：所述半导体发光元件的振动波长
作为第三前提条件，在波数空间中，将由Kx轴方向的坐标成分kx(1以上、M2以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(1以上、N2以下的整数)特定图像区域FR(kx，ky)分别二维傅里叶逆变换为由X轴方向的坐标成分x(1以上、M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上、N1以下的整数)特定的X-Y平面上的单位构成区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)，将j作为虚数单位，能够由下面的式(6)赋予。另外，在使振幅项为A(x，y)且使相位项为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由下面的式(7)规定。另外，作为第四前提条件，单位构成区域R(x，y)由分别与X轴和Y轴平行且在成为单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)正交的s轴和t轴规定。
[式6]
Figure BDA0001967302920000091
[式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(7)
上述第一～第四前提条件下，相位调制层构成为满足以下的第一条件和第二条件。即，第一条件为：在单位构成区域R(x，y)内中，多个不同折射率区域中对应的任意区域以其重心G1与晶格点O(x，y)分离的状态配置。另外，第二条件为：以在从晶格点O(x，y)至对应的不同折射率区域的重心G1的线段长度r(x，y)在M1个×N1个的单位构成区域R各自中设定为共同的值的状态下，连结晶格点O(x，y)和对应不同折射率区域的重心G1的线段与s轴所成的角度φ(x，y)满足
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数，例如180°/π
B：任意的常数，例如0
的关系的方式，该对应的不同折射率区域配置于单位构成区域R(x，y)内。
优选在具有上述的那样的结构的半导体发光元件中，在相位调制层中，构成假想的正方晶格的各单位构成区域的中心(晶格点)与对应的不同折射率区域的重心G1的距离r遍及整个相位调制层为一定值。由此，在分配到整个相位调制层中的相位分布(单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中相位项P(x，y)的分布)均匀地分布于0～2π(rad)的情况下，当平均时，不同折射率区域的重心与正方晶格中的单位构成区域R的晶格点一致。因此，由于在上述的相位调制层中的二维分布布拉格衍射效果接近在正方晶格的各晶格点上配置有不同折射率区域的情况下的二维分布布拉格衍射效果，因此容易形成驻波，期待减小用于振动的阈值电流。
(4)作为本实施方式的一个方式，优选当使从发光面至光遮蔽部件的距离为z，使在包含轴线的基准平面上从轴线至光遮蔽部件的最近的端缘的距离为Wa，使在该基准面上在距离z的地点上的0次光的光束宽度为Wz，使在基准平面上规定的发光面的宽度为L，使在基准平面上特定的光像的轴线侧的端缘与轴线所成的角为θPB，使活性层的发光波长为λ时，距离z比由下面的式(8)规定的zsh长。
[式8]
Figure BDA0001967302920000101
另外，优选距离Wa比由下面的式(9)规定的Wz的一半长。
[式9]
Figure BDA0001967302920000102
其中，上述式(9)的Z0为由下面的式(10)规定的数值。
[式10]
Figure BDA0001967302920000103
由此，光遮蔽部件能够有效地遮蔽0次光。
(5)作为本实施方式的一个方式，也可以为光像包括：向相对于轴线倾斜的第一方向输出第一光像部分；和向关于该轴线与第一方向对称的第二方向输出且关于该轴线与第一光像部分旋转对称的第二光像部分。此情况下，光遮蔽部件以还遮蔽第二光像部分的方式配置。这样，根据本方式，在第一光像部分为上述的特定的光像的情况下，也能够有效地去除不需要的第二光像部分。
(6)作为本实施方式的一个方式，也可以为光遮蔽部件包含光吸收材料。当光遮蔽部件反射0次光时，该反射光再次入射到半导体发光元件，存在影响半导体发光元件的内部的动作的可能性。由于光遮蔽部件包含光吸收材料，因此能够吸收0次光，能够抑制0次光再次入射到半导体发光元件。
(7)作为本实施方式的一个方式，也可以为该发光装置包括：分别具有发光面的多个半导体发光元件；光遮蔽部件；和个别地驱动多个半导体发光元件的驱动电路。此外，多个半导体发光元件各自沿发光面的法线方向和相对于该法线方向具有规定的斜度和扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像。光遮蔽部件以其一部分与在多个半导体发光元件各自的发光面的重心位置上和该发光面正交的轴线的各个交叉的方式配置。再有，多个半导体发光元件分别包括：活性层；夹着该活性层的一对覆盖层；和设置于该活性层与一对覆盖层的一方之间的、与该活性层光学耦合的相位调制层。光遮蔽部件以使输出的光像中向倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽分别向发光面的法线方向输出的0次光的方式配置。另外，在多个半导体发光元件的各自中，相位调制层包括：基本层；和具有与该基本层的折射率不同的折射率的多个不同折射率区域。
另外，多个半导体发光元件各自的相位调制层如以下那样构成。即，在多个半导体发光元件各自中，在由与法线方向一致的Z轴、和与包含多个不同折射率区域的相位调制层的一方的面一致的、包含彼此正交的X轴及Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系下，在该X－Y平面上，设定由分别具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的假想的正方晶格。此时，相位调制层构成为：在由X轴方向的坐标成分x(1以上、M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上、N1以下的整数)特定的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于该单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分离，并且从该晶格点O(x，y)向重心G1的矢量朝向特定方向。这样，该发光装置包括能够被个别地驱动的多个半导体发光元件，能够从各半导体发光元件仅取出所希望的光像。由此，对于预先排列了与多个图案对应的半导体发光元件的模块，通过适当驱动所需的元件，能够适宜地实现平视显示(head-up display)等。
(8)作为本实施方式的一个方式，优选多个半导体发光元件各自包括输出红色波长区域的光像的半导体发光元件、输出蓝色波长区域的光像的半导体发光元件和输出绿色波长区域的光像的半导体发光元件的任意者。此情况下，能够适宜地实现彩色平视显示等。
以上，在该[本申请发明的实施方式的说明]一栏中列举的各方式能够应用于其余所有的各方式中，或者其余的方式的所有组合中。
[本申请发明的实施方式的详细内容]
下面，参照附图，对本实施方式的发光装置的具体的结构进行详细说明。此外，本发明不限于这些例示，而应当由权利要求的范围表示，能够包含在与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有改变。另外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。
图1是表示本发明的一实施方式的发光装置1A的结构的立体图。发光装置1A包括作为半导体发光元件的激光元件2A和与激光元件2A的发光面2b光学耦合的光遮蔽部件3。此外，由通过激光元件2A的中心(发光面2b的重心位置)并沿激光元件2A的厚度方向的轴即Z轴、和与该Z轴正交的平面、即与包含不同折射率区域15b的相位调制层15A的一方的面一致的、包含彼此正交的X轴和Y轴的X－Y平面来规定XYZ正交坐标系。激光元件2A是沿X―Y面形成驻波，向Z轴方向输出经相位控制的平面波的S－iPM激光器，如后面所述，沿发光面2b的法线方向(即Z轴方向)和相对于该法线方向具有规定的斜度及扩散角的倾斜方向输出任意形状的二维光像。光遮蔽部件3以与激光元件2A的发光面2b相对的状态配置，用于遮蔽从激光元件2A输出的光束图案所包含的0次光。下面，对激光元件2A和光遮蔽部件3的结构进行详细的说明。
图2是表示激光元件2A的层叠结构的截面图。如图1和图2所示，激光元件2A包括设置于半导体基板10上的活性层12、夹着活性层12的一对覆盖层11、13和设置于覆盖层13(上部覆盖层)上的接触层14。上述的半导体基板10和各层11～14由例如GaAs系半导体、InP系半导体或者氮化物系半导体之类的化合物半导体构成。覆盖层11(下部覆盖层)的能量带隙(energy band gap)和覆盖层13的能量带隙大于活性层12的能量带隙。半导体基板10和各层11～14的厚度方向(层叠方向)与Z轴方向一致。
激光元件2A还包括与活性层12光学地耦合的相位调制层15A。在本实施方式中，相位调制层15A设置于活性层12与覆盖层13之间。此外，也可以根据需要，在活性层12与覆盖层13之间以及活性层12与覆盖层11之间的至少一者设置光引导层。在光引导层设置于活性层12与覆盖层13之间的情况下，相位调制层15A设置于覆盖层13与光引导层之间。相位调制层15A的厚度方向与Z轴方向一致。
如图3所示，也可以为相位调制层15A设置于覆盖层11与活性层12之间。再有，在光引导层设置于活性层12与覆盖层11之间的情况下，相位调制层15A设置于覆盖层11与光引导层之间。
相位调制层15A由如下构成：由第一折射率介质构成的基本层15a；和由折射率与第一折射率介质不同的第二折射率介质构成，且存在于基本层15a内的多个不同折射率区域15b。多个不同折射率区域15b包括大致周期结构。在使相位调制层15A的有效折射率为n的情况下，相位调制层15A选择的波长λ0(＝a×n，a为晶格间隔)包含于活性层12的发光波长范围内。相位调制层(衍射晶格层)15A能够选择活性层12的发光波长中的波长λ0，向外部输出所选择的波长的光。入射到相位调制层15A内的激光形成与在相位调制层15A内不同折射率区域15b的配置对应的规定的模式，作为具有所希望的图案的激光束，能够从激光元件2A的表面(发光面2b)出射到外部。
激光元件2A还包括设置于接触层14上的电极16和设置于半导体基板10的背面10b上的电极17。电极16与接触层14と欧姆接触，电极17与半导体基板10欧姆接触。再有，电极17具有开口17a。接触层14上的电极16以外的部分被保护膜18(图2参照)覆盖。此外，也可以除去不与电极16接触的接触层14。半导体基板10的背面10b上的电极17以外的部分(包含开口17a内)被防反射膜19覆盖。此外，也可以除去位于开口17a以外的区域的防反射膜19。
当向电极16与电极1之间供给驱动电流时，在活性层12内发生电子与空穴的复合(发光)。有助于该发光的电子及空穴和产生的光被有效地封闭在覆盖层11与覆盖层13之间。
从活性层12出射的激光入射到相位调制层15A的内部，形成与相位调制层15A的内部的晶格结构对应的规定的模式。在相位调制层15A内散射而出射的激光在电极16发生反射，从背面10b通过开口17a向外部出射。此时，激光的0次光向与主面10a垂直的方向出射。与之相反，激光的信号光沿与主面10a垂直的方向(法线方向)和相对于该法线方向具有规定的扩散角的方向出射。形成所希望的光像(特定的光像)的是信号光，在本实施方式中不使用0次光。
作为一例，半导体基板10是GaAs基板，覆盖层11、活性层12、相位调制层15A、覆盖层13和接触层14分别是通过由III族元素Ga、Al、In和V族元素As构成的组中所含的元素而构成的化合物半导体层。作为具体的例子，覆盖层11是AlGaAs层，活性层12具有多重量子阱结构(势垒层：AlGaAs/阱层：InGaAs)，相位调制层15A的基本层15a为GaAs，不同折射率区域15b为空穴，覆盖层13为AlGaAs层，接触层14为GaAs层。
在AlGaAs中，通过改变Al的组成比，能够容易地改变能量带隙和折射率。在AlXGa1－XAs中，当相对地减少(增加)原子半径较小的Al的组成比X时，与之正相关的能量带隙变小(增大)。另外，当在GaAs中混入原子半径较大的In而成为InGaAs时，能量带隙变小。即，覆盖层11、13的Al组成比大于活性层12的势垒层(AlGaAs)的Al组成比。将覆盖层11、13的Al组成比设定为例如0.2～0.4，在一例中为0.3。将活性层12的势垒层的Al组成比设定为例如0.1～0.15，在一例中为0.1。
另外，作为其他的例子，半导体基板10为InP基板，覆盖层11、活性层12、相位调制层15A、覆盖层13和接触层14由仅由III族元素Ga、Al、In和V族元素As组成的组所含的元素无法构成的化合物半导体，例如InP系化合物半导体构成。作为具体的例子，覆盖层11为InP层，活性层12具有多重量子阱结构(势垒层：GaInAsP/阱层：GaInAsP)，相位调制层15A的基本层15a为GaInAsP，不同折射率区域15b为空穴，覆盖层13为InP层，接触层14为GaInAsP层。
另外，作为另一例，半导体基板10为GaN基板，覆盖层11、活性层12、相位调制层15A、覆盖层13和接触层14是仅由III族元素Ga、Al、In和V族元素As组成的组所含元素无法构成的化合物半导体层，例如由氮化物系化合物半导体构成。作为具体的例子，覆盖层11为AlGaN层，活性层12具有多重量子阱结构(势垒层：InGaN/阱层：InGaN)，相位调制层15A的基本层15a为GaN，不同折射率区域15b为空穴，覆盖层13为AlGaN层，接触层14为GaN层。
此外，覆盖层11被赋予与半导体基板10相同的导电类型，覆盖层13和接触层14被赋予与半导体基板10相反的导电类型。在一例中，半导体基板10和覆盖层11为n型，覆盖层13和接触层14为p型。相位调制层15A在设置于活性层12与覆盖层11之间的情况下，具有与半导体基板10相同的导电类型。另一方面，相位调制层15A在设置于活性层12与覆盖层13之间的情况下，具有与半导体基板10相反的导电类型。此外，杂质浓度为例如1×1017～1×1021/cm3。相位调制层15A和活性层12是有意地未添加任何杂质的真性(i型)，其杂质浓度为1×1015/cm3以下。
覆盖层11的厚度为1×103～3×103(nm)，在一例中为2×103(nm)。活性层12的厚度为10～100(nm)，在一例中为30(nm)。相位调制层15A的厚度为50～200(nm)，在一例中为100(nm)。覆盖层13的厚度为1×103～3×103(nm)，在一例中为2×103(nm)。接触层14的厚度为50～500(nm)，在一例中为200(nm)。
另外，在上述的结构中，不同折射率区域15b成为空穴，但不同折射率区域15b也可以在空穴内埋入与基本层15a的折射率不同的半导体而形成。此情况下，例如基本层15a的空穴也可以通过蚀刻而形成。也可以使用有机金属气相生长法、溅射法或者外延生长法将半导体埋入空穴内。另外，通过在基本层15a的空穴内埋入半导体而形成了不同折射率区域15b之后，还可以在其上堆积与不同折射率区域15b相同的半导体。此外，在不同折射率区域15b为空穴的情况下，可以在该空穴中封入氩、氮、氢之类的不活泼气体或者空气。
防反射膜19例如由硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等的电介质单层膜或者电介质多层膜构成。电介质多层膜中，能够使用从例如氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、一氧化硅(SiO)、氧化铌(Nb2O5)、五氧化钽(Ta2O5)、氟化镁(MgF2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化铟(In2O3)、氧化锆(ZrO2)等电介质层组中选择的两种以上的电介质层层叠而成的膜。例如，在与波长λ的光对应的光学膜厚上层叠λ/4的厚度的膜。另外，保护膜18为例如硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等的绝缘膜。
此外，也能够使电极形状变形，从接触层14的表面出射激光。即，在不设置电极17的开口17a，而在接触层14的表面上电极16开口的情况下，激光束能够从接触层14的表面出射到外部。此情况下，防反射膜设置于电极16的开口内和周边。
图4是相位调制层15A的俯视图。相位调制层15A包括：由第一折射率介质构成的基本层15a；和由折射率与第一折射率介质不同的第二折射率介质构成的不同折射率区域15b。此处，在相位调制层15A设定X―Y面内的假想的正方晶格。正方晶格的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，能够将以正方晶格的晶格点O为中心的正方形形状的单位构成区域R设定为遍及沿X轴的多列和沿Y轴的多行的二维状。多个不同折射率区域15b逐一地设置在各单位构成区域R内。不同折射率区域15b的平面形状为例如圆形形状。在各单位构成区域R内，不同折射率区域15b的重心G1与最靠近它的晶格点O分离配置。具体而言，X－Y平面为与图2和图3所示的激光元件2A的厚度方向(Z轴)正交的平面，与包含不同折射率区域15b的相位调制层15A的一方的面一致。构成正方晶格的单位构成区域R分别由X轴方向的坐标成分x(1以上的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上的整数)特定而表示为单位构成区域R(x，y)。此时，单位构成区域R(x，y)的中心，即晶格点由O(x，y)表示。此外，晶格点O可以位于不同折射率区域15b的外部，也可以包含于不同折射率区域15b的内部。
在不同折射率区域15b为圆形的情况下，若使其直径为D，则面积S＝π(D/2)2。将在一个单位构成区域R内所占的不同折射率区域15b的面积S的比例规定为填充因子(FF(filling factor))。一个单位构成区域R的面积等于假想的正方晶格的一个单位晶格内的面积。
如图5所示，构成正方晶格的单位构成区域R(x，y)由在晶格点O(x，y)彼此正交的s轴和t轴规定。此外，s轴是与X轴平行的轴，t轴是与Y轴平行的轴。这样，在规定单位构成区域R(x，y)的s－t平面中，将从晶格点O(x，y)向重心G1的方向与s轴所成的角度定为φ(x，y)。在旋转角度φ(x，y)为0°的情况下，连结晶格点O(x，y)与重心G1的矢量的方向与s轴的正方向一致。另外，将连结晶格点O(x，y)与重心G1的矢量的长度定为r(x，y)。作为一例，r(x，y)在所有单位构成区域中(遍及相位调制层15A整体)是一定的。
如图4所示，在相位调制层15A中，根据所希望的光像而对每个单位构成区域R独立地设定不同折射率区域15b的重心G1的晶格点O(x，y)周围的旋转角度φ(x，y)。旋转角度φ(x，y)在单位构成区域R(x，y)中具有特定的值，但不限于必须以特定的函数表示。即，旋转角度φ(x，y)是由将所希望的光像在波数空间上进行变换，在该波数空间的一定的波数范围进行二维傅里叶逆变换而得到的复振幅的相位项决定的。此外，在根据所希望的光像求取复振幅分布(各单位构成区域R的复振幅)时，通过应用在生成全息图(hologram)的计算时通常使用的Gerchberg-Saxton(GS)法的那样的重复算法，光束图案的再现性提高。
图6是表示仅在相位调制层的特定区域内应用了图4的折射率的大致周期结构的例子的俯视图。在图6所示的例子中，在正方形的内侧区域RIN的内部，形成有用于出射作为目标的光束图案的大致周期结构(例：图4的结构)。另一方面，在包围内侧区域RIN的外侧区域ROUT，在正方晶格的晶格点位置配置有与重心位置一致的正圆形的不同折射率区域。例如，将外侧区域ROUT的填充因子FF设定为12％。另外，无论在内侧区域RIN的内部，还是在外侧区域ROUT内，假想地设定的正方晶格的晶格间隔是相同的(＝a)。在该结构的情况下，存在这样的优点：通过在外侧区域ROUT内分布光，能够抑制在内侧区域RIN的周边部产生因光强度急剧变化而产生的高频噪声(所谓的窗函数噪声)。另外，能够抑制向面内方向泄露光，有望降低阈值电流。
图7是用于说明和从激光元件2A输出的光束图案相当的光像与相位调制层15A中的旋转角度φ(x，y)的分布的关系的图。具体而言，考察将由从激光元件2A出射的光束形成光像的平面(由XYZ正交坐标系中的坐标(x,y,z)表示的设计上的光像的设置面)在波数空间上进行变换而得到的Kx-Ky平面。规定Kx-Ky平面的Kx轴和Ky轴彼此正交且分别根据上述式(1)～式(5)与使光束的出射方向从半导体基板10的主面10a的法线方向投至该主面10a时的相对于该法线方向的角度建立对应。在该Kx-Ky平面上，包含相当于光像的光束图案的特定区域分别为由正方形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个的图像区域FR构成的晶格。另外，在相位调制层15A上的X-Y平面上设定的假想的正方晶格为由M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个的单位构成区域R构成的晶格。此外，整数M2无需与整数M1一致。同样地，整数N2无需与整数N1一致。此时，将由Kx轴方向的坐标成分kx(1以上M2以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(1以上N2以下的整数)特定的、在Kx-Ky平面上的各图像区域FR(kx，ky)二维傅里叶逆变换为由X轴方向的坐标成分x(1以上M1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(1以上N1以下的整数)特定的单位构成区域R(x，y)而得的单位构成区域R(x，y)中的复振幅F(x，y)，将j作为虚数单位，由下面的式(11)赋予。
[式11]
Figure BDA0001967302920000181
另外，在单位构成区域R(x，y)中，当使振幅项为A(x，y)、使相位项为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由下面的式(12)规定。
[式12]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(12)
如图7所示，在坐标成分x＝1～M1和y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的振幅项即A(x，y)的分布相当于X-Y平面上的强度分布。另外，在x＝1～M1、y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的相位项即P(x，y)的分布相当于X-Y平面上的相位分布。单位构成区域R(x，y)中的旋转角度φ(x，y)如下述那样能够根据P(x，y)获得，在坐标成分x＝1～M1和y＝1～N1的范围内，单位构成区域R(x，y)的旋转角度φ(x，y)的分布相当于X－Y平面上的旋转角度分布。
此外，Kx－Ky平面上的输出光束图案的中心Q位于相对于半导体基板10的主面10a垂直的轴线上，图7表示以中心Q为原点的四个象限。在图7中，表示了作为一例在第一象限和第三象限获得光像的情况，但也能够在第二象限和第四象限或者所有象限获得像。在本实施方式中，如图7所示，能够得到关于原点点对称的光像。图7表示了作为一例在第三象限获得文字“A”、在第一象限获得将文字“A”旋转了180°的图案的情况。此外，在为旋转对称的光像(例如，十字、圈、两重圈等)的情况下，将其重叠而作为一个光像来观察。
从激光元件2A输出的光束图案(光像)成为与由斑点、直线、十字架、白描、晶格图案、照片、条状图案、CG(计算机图形)和文字中的至少一种表现的设计上的光像(原图像)对应的光像。此处，为了得到所希望的光像，通过以下的工序来决定单位构成区域R(x，y)中的不同折射率区域15b的旋转角度φ(x，y)。
如上述那样，在单位构成区域R(x，y)内，不同折射率区域15b的重心G1以距晶格点O(x，y)离开r(x，y)的状态配置。此时，在单位构成区域R(x，y)内，旋转角度φ(x，y)以满足以下的关系的方式配置不同折射率区域15b。
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数，例如180°/π
B：任意的常数，例如0
其中，比例常数C和任意的常数B对于所有的单位构成区域R为相同的值。
即，在想要获得所希望的光像的情况下，将投影到波数空间上的、形成于Kx－Ky平面上的光像二维傅里叶逆变换到相位调制层15A上的X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)，将与其复振幅F(x，y)的相位项P(x，y)对应的旋转角度φ(x，y)赋予配置于该单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域15b即可。此外，激光束的二维傅里叶逆变换后的远视野像能够为一个或者多个斑点形状、圆环形状、直线形状、文字形状、二重圆环形状或者拉盖尔高斯光束形状等各种的形状。此外，光束图案是由波数空间上的波数信息表示的如按(Kx－Ky平面上)，因此在作为目标的光束图案为由二维的位置信息表示的位图图像等的情况下，也可以在变换为波数信息之后，再进行二维傅里叶逆变换。
作为根据通过二维傅里叶逆变换得到的X－Y平面上的复振幅分布来获得强度分布和相位分布的方法，例如强度分布(X－Y平面上的振幅项A(x，y)的分布)能够通过使用MathWorks公司的数值分析软件“MATLAB”的abs函数来计算，相位分布(X－Y平面上的相位项P(x，y)的分布)能够通过使用MATLAB的angle函数来计算。
此处，说明根据光像的二维傅里叶逆变换的结果来求取旋转角度分布(X－Y平面上的旋转角度φ(x，y)的分布)，决定各单位构成区域R中的不同折射率区域15b的配置时，使用一般的离散二维傅里叶逆变换或者高速二维傅里叶逆变换来进行计算的情况下所需要注意之处。当如图8(a)所示的原图像那样，将由二维傅里叶逆变换前的光像(XYZ正交坐标系中的坐标(x,y,z)表示的规定平面上的设计上的光像)分割为A1、A2、A3和A4这四个象限时，得到的光束图案成为图8(b)所示的图案。即，在图8(b)的光束图案的第一象限，出现将图8(a)的第一象限旋转了180°的图案与图8(a)的第三象限的图案重叠的图案。在图8(b)的光束图案的第二象限，出现将图8(a)的第二象限旋转了180°的图案与图8(a)的第四象限的图案重叠的图案。在图8(b)的光束图案的第三象限，出现将图8(a)的第三象限旋转了180°的图案与图8(a)的第一象限的图案重叠的图案。在图8(b)的光束图案的第四象限，出现将图8(a)的第四象限旋转了180°的图案与图8(a)的第二象限的图案重叠的图案。
因此，作为二维傅里叶逆变换前的光像(原光像)，在使用仅在第一象限具有值的图案的情况下，在得到光束图案的第三象限出现原光像的第一象限的图案。另一方面，在得到光束图案的第一象限出现将原光像的第一象限旋转了180°的图案。
接着，对不同折射率区域15b的重心G1于假想的正方晶格的晶格点O的适宜的距离进行说明。当将正方晶格的晶格间隔设为a时，不同折射率区域15b的填充因子FF被定为S/a2。但是，S是X―Y平面的不同折射率区域15b的面积，例如在正圆形形状的情况下，使用正圆的直径D而被定为S＝π×(D/2)2。另外，在正方形形状的情况下，使用正方形的一边的长度LA而被定为S＝LA2。
下面，对相位调制层15A的具体的三种结构进行说明。图9(a)是各结构中共用的原图案的图像，是由704×704像素构成的文字“光”。此时，文字“光”存在于第一象限，在第二象限～第四象限不存在图案。图9(b)是对图9(a)进行了二维傅里叶变换并抽取了强度分布的图像，由704×704要素构成。图9(c)是对图9(a)进行了二维傅里叶变换并抽取了相位分布的图像，由704×704要素构成。它们同时也与角度分布相对应，图9(c)通过色的浓淡来表示0～2π(rad)的相位的分布。色为黑色的部分表示相位0(rad)。
图10(a)是表示用于实现图9(c)所示的相位分布的相位调制层15A的第一结构的图像，基本层15a由黑色表示，不同折射率区域15b由白色表示。此外，在该第一结构中，不同折射率区域15b存在704个×704个，不同折射率区域15b的平面形状为正圆，正方晶格的晶格间隔a为284nm。图10(a)表示不同折射率区域15b的直径D为111nm，假想的正方晶格的晶格点O与不同折射率区域15b的重心G1的距离r为8.52nm的情况下。此时，不同折射率区域15b的填充因子FF为12％，距离r为0.03a。图10(b)是通过对所有不同折射率区域进行傅里叶变换而得到的预想光束图案。
图11是表示和相位调制层15A的第一结构(样本1)中的填充因子FF与距离r(a)的关系对应的、输出光束图案的S/N比，即所希望的光束图案与噪声的强度比的图表。另外，图12是表示图11的情况(第一结构的样本1)下的距离r(a)与S/N比的关系的图表。该结构的情况下，也至少可知：距离r为0.3a以下的情况下，S/N高于距离r超过0.3a的情况，在距离r为0.01a以上的情况下，与距离r为0的情况相比S/N变高。特别是当参照图12时，在上述的数值范围内存在S/N比的峰值。即，从提高S/N比的观点出发，距离r优选为0＜r≦0.3a，进一步优选为0.01a≦r≦0.3a，更优选为0.03a≦r≦0.25。但是，在r小于0.01a的情况下，也能够获得S/N比较小的光束图案。
图13(a)是表示用于实现图9(c)所示的相位分布的不同折射率区域15b的配置的图像(相位调制层15A的第二结构)，基本层15a由黑色表示，不同折射率区域15b由白色表示。在该第二结构中，不同折射率区域15b的平面形状为正方形，不同折射率区域15b的个数和正方晶格的晶格间隔a与第一结构相同。图13(a)表示不同折射率区域15b的一边的长度L为98.4nm，假想的正方晶格的晶格点O与不同折射率区域15b的重心G1的距离r为8.52nm的情况。此时，不同折射率区域15b的填充因子FF为12％，距离r为0.03a。图13(b)是通过对所有不同折射率区域进行傅里叶变换而得到的预想光束图案。
图14是表示和相位调制层的第二结构(样本2)中的填充因子FF与距离r(a)的关系对应的、输出光束图案的S/N比，即所希望的光束图案与噪声的强度比的图表。另外，图15是表示图14的情况(第二结构的样本2)下的距离r(a)与S/N比的关系的图表。在该结构的情况下，也至少可知：距离r为0.3a以下的情况下，S/N比高于距离r超过0.3a的情况，距离r为0.01a以上的情况下，与距离r为0的情况下S/N变高。特别是参照图15，在上述的数值范围内存在S/N比的峰值。即，从提高S/N比的观点出发，距离r优选为0＜r≦0.3a，进一步优选为0.01a≦r≦0.3a，更优选为0.03a≦r≦0.25。但是，在r小于0.01a的情况下，也能够得到S/N比较小的光束图案。
图16(a)是表示用于实现图9(c)所示的相位分布的不同折射率区域15b的配置的图像(相位调制层15A的第三结构)，基本层15a由黑色表示，不同折射率区域15b由白色表示。在该第三结构中，不同折射率区域15b的平面形状为两个正圆彼此偏离地重叠而成的形状，使一个正圆的重心与晶格点O一致。不同折射率区域15b的个数和正方晶格的晶格间隔a与第一结构相同。图10(a)表示两个正圆的直径一共为111nm，另一个正圆的重心与晶格点O的距离r为14.20nm的情况。此时，不同折射率区域15b的填充因子FF为12％，距离r为0.05a。图16(b)是通过对所有不同折射率区域进行傅里叶变换而得到的预想光束图案。
图17是表示和相位调制层15A的第三结构(样本3)中的填充因子FF与距离r(a)的关系对应的、输出光束图案的S/N比，即所希望的光束图案与噪声的强度比的图表。另外，图18使表示图17的情况(第三结构的样本3)下的距离r(a)与S/N比的关系的图表。在该结构的情况下，也至少可知：距离r为0.3a以下的情况下，S/N高于距离r超过0.3a的情况，距离r为0.01a以上的的情况下，与距离r为0的情况相比S/N变高。特别是参照图18，在上述的数值范围内存在S/N比的峰值。即，从提高S/N比的观点出发，距离r优选为0＜r≦0.3a，进一步优选为0.01a≦r≦0.3a，更优选为0.03a≦r≦0.25。但是，在r小于0.01a的情况下，也能够得到S/N比较小的光束图案。
此外，在图11(样本1)、图14(样本2)和图17(样本3)中，S/N比超过0.9、0.6、0.3的区域被定为以下的函数。此外，在图12(样本1)、图15(样本2)和图18(样本3)中，FF3、FF6、FF9、FF12、FF15、FF18、FF21、FF24、FF27、FF30分别表示FF＝3％、FF＝6％、FF＝9％、FF＝12％、FF＝15％、FF＝18％、FF＝21％、FF＝24％、FF＝27％、FF＝30％。
(在图11中S/N为0.9以上)
FF＞0.03，且
r＞0.06，且
r＜－FF+0.23，且
r＞－FF+0.13
(在图11中S/N为0.6以上)
FF＞0.03，且
r＞0.03，且
r＜－FF+0.25，且
r＞－FF+0.12
(在图11中S/N为0.3以上)
FF＞0.03，且
r＞0.02，且
r＜－(2/3)FF+0.30，且
r＞－(2/3)FF+0.083
(在图14中S/N为0.9以上)
r＞－2FF+0.25，且
r＜－FF+0.25，且
r＞FF－0.05
(在图14中S/N为0.6以上)
FF＞0.03，且
r＞0.04，且
r＜－(3/4)FF+0.2375，且
r＞－FF+0.15
(在图14中S/N为0.3以上)
FF＞0.03，且
r＞0.01，且
r＜－(2/3)FF+1/3，且
r＞－(2/3)FF+0.10
(在图17中S/N为0.9以上)
r＞0.025，且
r＞－(4/3)FF+0.20，且
r＜－(20/27)FF+0.20
(在图17中S/N为0.6以上)
FF＞0.03，且
r＞0.02，且
r＞－(5/4)FF+0.1625，且
r＜－(13/18)FF+0.222
(在图17中S/N为0.3以上)
FF＞0.03，且
r＞0.01，且
r＜－(2/3)FF+0.30，且
r＞－(10/7)FF+1/7
此外，在上述的结构中，当为包含活性层12和相位调制层15A的构成时，材料系、膜厚、层的构成能够进行各种改变。此处，关于来自假想的正方晶格的扰动为0的情况下的、所谓的正方晶格光子晶体激光，比例规律成立。即，波长为常数α倍的情况下，通过使正方晶格结构整体成为α倍而能够得到同样的驻波状态。同样地，在本实施方式中，根据与波长对应的比例规律，能够决定相位调制层15A的结构。因此，使用发出蓝色，绿色，红色等的光的活性层12，并且应用与波长对应的比例规律，从而能够实现能够输出可见光的激光元件2A。
在激光元件2A制造时，各化合物半导体层能够通过有机金属气相生长(MOCVD)法获得。能够在半导体基板10的(001)面上进行晶体生长，但不限于此。另外，在使用了AlGaN的激光元件2A的制造中，AlGaAs的生长温度我500℃～850℃，在实验中采用550～700℃。作为生长时的Al原料可以使用TMA(三甲基铝)，作为镓原料可以使用TMG(三甲基镓)和TEG(三乙基镓)，作为As原料可以使用AsH3(砷化氢)，作为N型杂质用的原料可以使用Si2H6(二硅烷)，作为P型杂质用的原料可以使用DEZn(二乙基锌)。在GaAs的生长中，可以使用TMG和砷化氢，但不可以使用TMA。InGaAs能够使用TMG、TMI(三甲基铟)和砷化氢来制造。绝缘膜可以通过将其构成物质作为原料并对目标进行溅射来形成。
即，关于上述的激光元件2A，首先在作为N型的半导体基板10的GaAs基板上，使用MOCVD(有机金属气相生长)法，依次使作为n型的覆盖层11的AlGaAs层、作为活性层12的InGaAs/AlGaAs多重量子阱结构、作为相位调制层15A的基本层15a的GaAs层外延生长。接着，由于在外延生长后要对准，因此通过PCVD(等离子体CVD)法在基本层15a上形成SiN层，接着，在SiN层上形成抗蚀剂。然后，对抗蚀剂进行露光/显影，将抗蚀剂作为掩模来蚀刻SiN层，在残留有一部分SiN层的状态下形成对准标记。能够除去残留的抗蚀剂。
接着，在基本层15a涂布其他抗蚀剂，以对准标记为基准由电子光束描绘装置在抗蚀剂上描绘二维微小图案。在描绘后，通过使抗蚀剂显影以在该抗蚀剂上形成二维微小图案。之后，将抗蚀剂作为掩模，通过干蚀刻将二维微小图案转印到基本层15a上，在形成孔(穴)后除去抗蚀剂。孔的深度为例如100nm。使这些孔为不同折射率区域15b，或者在这些孔中使成为不同折射率区域15b的化合物半导体(AlGaAs)再生长到孔的深度以上。在使孔为不同折射率区域15b的情况下，可以在孔内封入空气、氮或者氩等的气体。接着，依次通过MOCVD形成了作为覆盖层13的AlGaAs层、作为接触层14的GaAs层后，通过蒸镀法或者溅射法形成电极16、17。另外，根据需要，通过溅射等形成保护膜18和防反射膜19。
此外，在相位调制层15A设置于活性层12与覆盖层11之间的情况下，在形成活性层12之前，在覆盖层11上形成相位调制层15A即可。另外，假想的正方晶格的晶格间隔a为波长除以等价折射率的程度，设定为例如300nm左右。
此外，在晶格间隔a为正方晶格的情况下，当将正交坐标的单位矢量设为x，y时，基本平移矢量a1＝ax，a2＝ay，与平移矢量a1，a2对应的基本逆晶格矢量b1＝(2π/a)y，b2＝(2π/a)x。在晶格中存在的波的波数矢量为k＝nb1+mb2(n，m为任意的整数)的情况下，波数k存在于Γ点。尤其是波数矢量的大小等于基本逆晶格矢量的大小的情况下，能够得到晶格间隔a等于波长λ的共振模式(X―Y平面内的驻波)。在本实施方式中，能够得到这样的共振模式(驻波状态)中的振动。此时，当考虑在与正方晶格平行的面内存在电场那样的TE样式时，像这样晶格间隔与波长相等的驻波状态按照正方晶格的对称性存在4种样式。在本实施方式中，在以该4种驻波状态的任意者的样式振动的情况下，都同样能够得到所希望的光束图案。
此外，上述的相位调制层15A内的驻波通过孔形形状散射，对在面垂直方向获得的波面进行了相位调制从而得到所希望的光束图案。因此，偏光板至少能够得到所希望的光束图案。该光束图案不仅可以是一对单峰光束(斑点)，也可以如上述那样，是文字形状、2个以上的相同形状斑点群或者相位、强度分布在空间上不均匀的矢量光束等。
此外，优选基本层15a的折射率为3.0～3.5，不同折射率区域15b的折射率为1.0～3.4。另外，基本层15a的孔内的各不同折射率区域15b的平均直径例如为38nm～76nm。通过该孔的大小变化而向Z轴方向去的衍射强度变化。该衍射效率与由对不同折射率区域15b的形状进行了傅里叶变换时的一次系数表示的光结合系数κ1成比例。关于光结合系数，例如记载于K.Sakaietal.,“Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic CrystalLasers With TE Polarization,IEEE J.Q.E.46,788-795(2010)”。
接着，对图1所示的光遮蔽部件3进行详细的说明。光遮蔽部件3支承于用于收纳例如激光元件2A的壳体或者是构成壳体的一部分的板状的部件。或者，光遮蔽部件3也可以直接形成于激光元件2A上。光遮蔽部件3以与在激光元件2A的发光面2b的重心位置正交的轴线(即图1所示的Z轴)的一部分交叉的方式配置。另外，光遮蔽部件3的一个板面与激光元件2A的发光面2b相对。更详细而言，该轴线通过发光面2b的中心(矩形的发光面2b的重心位置)即开口17a的中心。从激光元件2A沿该轴线，即沿发光面2b的法线方向输出0次光。
图19(a)～图19(c)表示从激光元件2A输出的光束图案(光像)的例子。图19(a)～图19(c)各自的中心与和激光元件2A的发光面2b正交的轴线对应。如上述图19(a)～图19(c)所示，从发光面2b输出的光像包括；在该轴线上作为亮点出现的0次光B1；向相对于该轴线倾斜的第一方向输出的第一光像部分B2；和向关于该轴轴对称的第二方向输出且关于该轴线与第一光像部分B2旋转对称的第二光像部分B3。典型地，第一光像部分B2被输出到X―Y平面内的第一象限，第二光像部分B3被输出到X―Y平面内的第三象限。
本实施方式的光遮蔽部件3以使这样的光像中所希望的光像(例如第一光像部分B2)通过且至少遮蔽作为亮点出现的0次光B1的方式配置。更优选地，光遮蔽部件3还遮蔽不是所希望的光像的第二光像部分B3。也可以为光遮蔽部件3至少在激光元件2A侧的面包含光吸收材料，从而吸收0次光和第二光像部分B3。另外，也可以为光遮蔽部件3只遮蔽激光元件2A的发光波长的光即可，透过其他波长的光。作为光遮蔽部件3的构成材料，可以举出例如Au、Ti、Cr、Al等的金属薄膜。另外，作为光吸收材料，可以举出例如花青素、酞菁化合物、萘菁化合物、二硫醇镍配合物、方酸菁色素、醌系化合物、二亚胺化合物、偶氨化合物、六硼化镧、氧化钨铯、ITO、锑酸锡。
此处，详细研究Z轴方向上的光遮蔽部件3与发光面2b的适宜的距离，和X－Y平面内上的光遮蔽部件3的适宜的位置。作为光遮蔽部件3的适宜的范围，考虑所谓的远视野像的范围(夫琅禾费衍射区域)。然而，当使L为开口17a的最大宽度，使λ为波长时，夫琅禾费衍射区域的Z轴方向的范围被定为z＞L2/λ(Eugene Hecht著“光学II”第244页)。当使开口17a的宽度L为例如400μm，波长λ为940nm时，z＞170mm。另外，当使宽度L为200μm，λ为940nm时，z＞42mm。任意情况下，作为远视野像的位置是从发光面2b隔开数cm以上间隔的位置，在一边的长度不足1mm的激光元件2A上像这样分离的位置配置光遮蔽部件3有时伴随着困难。因此，本发明者研究了在更靠近发光面2b的位置设置光遮蔽部件3的情况。
在所谓的菲涅尔衍射像、夫琅禾费衍射像的计算式中使用了近似，但它们各自能够应用的距离的范围有限。因此，本发明者如下述的那样，不使用近似而计算了距发光面2b的距离z的衍射像的计算(下面的式(13))。此外，如图20那样设定了在衍射计算中使用的条件。即，相位调制层15A中能够获得发光的部分，即从相位调制层15A之中与电极16对应的部分产生的光如何衍射进行了计算。在图20的例子中，掩模100的开口部H对应于在相位调制层15A之中与电极16对应的部分。下面，将开口部H的宽度称为开口尺寸(电极尺寸)。另外，当计算衍射像时，使用了惠更斯－菲涅尔原理的第一瑞利·索末菲解(Joseph W.Goodman著“傅里叶光学”第3.5节)。另外，为了再现0次光，在发光面2b上的复振幅分布整体上重叠了一定值。
[式13]
Figure BDA0001967302920000281
此外，在上述式(13)中，U(P)表示某一位置P处的复振幅，P0表示能够获得衍射像的观测点的位置，P1表示开口部H(即在相位调制层15A之中与电极16对应的部分)的位置，λ表示平面波的波长，Σ表示开口部的面积，k表示波数，r01表示开口部的面上的点与衍射像面上的点的距离(即矢量r01的长度)。此处，矢量n表示与开口部H垂直的单位矢量。此外，图20中带有波浪号“～”的P0是为了方便计算而设定的点，位于在P0相反侧关于P1的对称的位置，是与P0的相位相差180°的点。
图21(a)是表示上述的衍射计算中使用的靶图像的图。另外，图21(b)和图21(c)分别是以颜色的浓淡来表示晶格间隔a＝282nm、141nm的情况下的相位调制层15A中的相位分布的图。此外，由于使靶图像的要素数为256×256，因此相位调制层15A中的相位分布的要素数在图21(b)和图21(c)中都为256×256。然而，为反映晶格间隔的不同，在晶格间隔a为282nm的情况下，开口尺寸(电极尺寸)为一边72.2μm，在晶格间隔a为141nm的情况下，开口尺寸(电极尺寸)为一边36.1μm。
图22是表示上述的计算结果的图表，表示当使某一衍射像面上的衍射像的Z轴侧的一端与Z轴的距离为d(μm)，使该衍射像面与发光面2b的距离为z(μm)时，距离d与距离z的相关性。另外，图23～图27表示成为该图表的基础的衍射像的一部分。图23表示相位分布的要素数128×128、晶格间隔a＝282nm、开口尺寸(电极尺寸)一边36.1μm、波长λ＝940nm的情况。图24表示相位分布的要素数256×256、晶格间隔a＝282nm、开口尺寸(电极尺寸)一边72.2μm，波长λ＝940nm的情况表示25は，相位分布的要素数512×512，晶格间隔a＝282nm，开口尺寸(电极尺寸)一边144.4μm、波长λ＝940nm的情况。图26表示相位分布的要素数384×384、晶格间隔a＝282nm、开口尺寸(电极尺寸)一边108.3μm、波长λ＝940nm的情况。图27表示相位分布的要素数1024×1024、晶格间隔a＝282nm、开口尺寸(电极尺寸)一边288.8μm、波长λ＝940nm的情况。
参照图22，可知不论开口尺寸(电极尺寸)L为何，距离d与距离z大致存在比例关系。另外，图28使表示距离d和开口尺寸(电极尺寸)L之积(d×L)与距离z的相关性的图表。参照图28，可知积(d×L)与距离z大致存在比例关系。根据以上所述，下面的式(14)成立。
[式14]
Figure BDA0001967302920000291
根据上述情况，图29表示了包含Z轴的基准平面RP(图1参照)上的发光面2b与光遮蔽部件3的位置关系的示意图。在图29中，从激光元件2A的发光面2b沿与发光面2b垂直的Z轴方向出射0次光B1，另外从发光面2b向相对于Z轴方向倾斜的方向(倾斜方向)出射所希望的第一光像部分B2。而且，光遮蔽部件3以遮蔽整个0次光B1，通过整个第一光像部分B2的方式配置。
图30是放大地表示第一光像部分B2的Z轴侧的端缘与0次光B1的第一光像部分B2侧的端缘的交点V附近的图。此处，着眼于图30所示的三角形DL。三角形DL是直角三角形，边DL1是从发光面2b的一端2c与Z轴平行地延伸的线段，边DL2是从与Z轴垂直地从交点V延伸到边DL1的线段，斜边DL3是连结发光面2b的一端2c与交点V的线段。着眼于该三角形DL，下面的式(15)成立。
[式15]
Figure BDA0001967302920000301
另外，若使上述式(15)变形，则能够得到下面的式(16)。但是，Wz由下面的式(17)赋予。
[式16]
Figure BDA0001967302920000302
[式17]
Figure BDA0001967302920000303
此处，Wz是距离z处的0次光B1的光束宽度(在包含Z轴的基准平面RP上规定)，L是在基准平面RP上规定的发光面2b的宽度(参照图29)，θPB是该基准平面RP上的第一光像部分B2的Z轴侧的端缘与Z轴所成的角(参照图30)，λ是活性层12的发光波长。另外，上述式(17)中z0表示瑞利区域，能够由下面的式(18)导出。
[式18]
Figure BDA0001967302920000304
因此，优选从发光面2b至光遮蔽部件3的距离z比由上述数式(16)规定的zsh长。由此，能够在0次光B1与第一光像部分B2分离的位置(即比交点V靠远处的位置)配置光遮蔽部件3。另外，优选从Z轴至光遮蔽部件3的端缘3c的距离Wa(参照图29)比由上述的数式(17)规定的光束宽度Wz的一半长。由此，能够将光遮蔽部件3的端缘3c配置在0次光B1与第一光像部分B2之间。
此处，对上述式(17)进行补充。图31是表示高斯光束的束腰中的光束半径的变化的图表。在本研究中，将0次光B1视为高斯光束。高斯光束的光束半径W(z)由下面的式(19)赋予。
[式19]
Figure BDA0001967302920000311
其中，W0为束腰半径。另外，z0为瑞利区域，由下面的式(20)赋予。
[式20]
Figure BDA0001967302920000312
光束半径W(z)随着z的增加而逐渐变大，当z＝z0时达到√2W0，相对于z单调增加。在z充分大于z0的情况下，能够忽略上述式(19)的第一项，得到由下面的式(21)表示的线性的关系。其中，θ0为在远处的光束角度(参照图31)。
[式21]
Figure BDA0001967302920000313
此处，根据上述式(20)能够获得由下面的式(22)表示的关系，因此光束角θ0能够由下面的式(23)表示。即，远处的光束角度θ0与波长λ成比例，与束腰径W0成反比。
[式22]
Figure BDA0001967302920000314
[式23]
Figure BDA0001967302920000321
鉴于以上情况，考虑0次光B1的光束径。当使电极17的一边的长度为L，波长为λ时，在距离z满足下面的式(24)的情况下，光束半径R1满足下一式(25)。
[式24]
Figure BDA0001967302920000322
[式25]
Figure BDA0001967302920000323
另外，当距离z变得大于上述式(24)的右边时，光束半径R1满足下一式(26)。
[式26]
Figure BDA0001967302920000324
图32(a)～图32(d)和图33(a)～图33(d)是表示光遮蔽部件3的配置的具体例的俯视图。此外，在这些图中，由虚线表示的范围E表示0次光B1的照射范围。照射范围E的平面形状为正方形，其一边的长度为Wz，其中心位于Z轴上(与X―Y平面平行的Xs－Ys平面的原点)。在任一个方式中，光遮蔽部件3与Z轴重叠，并且光遮蔽部件3的端缘3c与Z轴隔开距离Wz/2的间隔，光遮蔽部件3以完全包含0次光B1的照射范围E的方式配置。
在图32(a)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第三象限和第四象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3(参照图19(a)～图19(c))存在于第三象限或者第四象限(或者这两个象限)的情况下是有效的。另外，在图32(b)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第一象限和第二象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第一象限或者第二象限(或者这两个象限)的情况下是有效的。另外，在图32(c)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第二象限和第三象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第二象限或者第三象限(或者这两个象限)的情况下是有效的。另外，在图32(d)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第一象限和第四象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第一象限或者第四象限(或者这两个象限)的情况下是有效的。
另外，在图33(a)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第一象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第一象限的情况下是有效的。另外，在图33(b)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第二象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第二象限的情况下是有效的。另外，在图33(c)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第三象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第三象限的情况下是有效的。另外，在图33(d)中，光遮蔽部件3以全部覆盖第四象限的方式配置。这样的配置在不需要的第二光像部分B3存在于第四象限的情况下是有效的。
对采用具有以上的结构的本实施方式的发光装置1A而得到的效果进行说明。在激光元件2A中，与活性层12光学地耦合的相位调制层15A包括基本层15a和与基本层15a的折射率不同的多个不同折射率区域15b。在各构成假想的正方晶格的单位构成区域R中，不同折射率区域15b的重心G1与晶格点O(单位构成区域Rno中心)分离地配置，并且从晶格点O向重心G1的矢量的方向按不同折射率区域15b个别地设定。这样的情况下，根据从晶格点O向重心G1的矢量的方向，即重心G1绕晶格点O的角度位置，光束的相位发生变化。即，仅改变重心G1的位置，从而能够控制从各不同折射率区域15b出射的光束的相位，能够使作为整体形成的光束图案成为所希望的形状。
即，该激光元件2A是S－iPM激光器，能够沿相对于发光面2b的法线方向和该法线方向具有规定的斜度及扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像。另外，在该发光装置1A中，光遮蔽部件3以至少与在发光面2b的重心位置正交的轴线(即Z轴)重叠的方式设置，使所希望的光像通过并且遮蔽0次光B1。由此，能够从S－iPM激光器的输出中去除0次光B1。
另外，如本实施方式那样，也可以为在光像包含第一光像部分B2和第二光像部分B3的情况下，光遮蔽部件3还遮蔽第二光像部分B3。由此，在第一光像部分B2为所希望的光像的情况下，也能够有效地去除不需要的第二光像部分B3。
另外，如本实施方式那样，光遮蔽部件3还可以包含光吸收材料。当光遮蔽部件3反射0次光B1时，其反射光再次入射激光元件2A，存在影响激光元件2A的内部的动作的可能性。光遮蔽部件3包含光吸收材料，从而能够吸收0次光B1，能够抑制0次光B1再次入射到激光元件2A。
(第一变形例)
图34是上述实施方式的一变形例的相位调制层15B的俯视图。本变形例的相位调制层15B除了上述实施方式的相位调制层15A的结构之外，还具有多个不同折射率区域15c。不同折射率区域15c分别包含周期结构，由与基本层15a的第一折射率介质的折射率不同的第二折射率介质构成。不同折射率区域15c分别与不同折射率区域15b一对一对应地设置。然后，不同折射率区域15c的重心G2分别与假想的正方晶格的晶格点O(各单位构成区域R的中心)一致。不同折射率区域15c的平面形状为例如圆形。不同折射率区域15c与不同折射率区域15b同样可以为空穴，也可以为在空穴中埋入化合物半导体而构成。例如即使为本变形例这样的相位调制层的结构，也能够适宜地起到上述实施方式的效果。
(第二变形例)
图35和图36是表示不同折射率区域15b的X―Y平面内的形状的例的俯视图。在图35(a)所示的例(图案1～5)中，不同折射率区域15b的X―Y平面内的形状具有旋转对称性。即，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状为正圆(图案1)、正方形(图案2)、正六边形(图案3)、正八边形(图案4)或者正十六边形(图案5)。图35(a)的图形与非旋转对称图形相比，即使图案偏离旋转方向，影响也较小，因此能够以高精度进行图案绘制。
在图35(b)所示的例子(图案1～3)中，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状具有镜像对称性(轴对称)。即，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状为长方向(图案1)、椭圆(图案2)、两个圆或者椭圆的一部分重叠的形状(图案3)。假想的正方晶格的晶格点O存在于这些不同折射率区域的外部。
图35(b)的图形与非旋转对称图形比较，明确可知作为轴对称的基准的线段位置，因此能够以高精度进行图案绘制。
在图35(c)所示的例子(图案1～3)中，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状为梯形(图案1)，以沿椭圆的长轴的一端部附近的短轴方向的尺寸小于另一端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形的形状(卵形：图案2)，或者以使沿椭圆的长轴的一端部成为沿长轴方向突出的变尖的端部的方式变形的形状(泪滴形：图案3)。假想的正方晶格的晶格点O存在于这些不同折射率区域的外部。即使为图35(c)的图形，由于不同折射率区域的重心位置从假想的正方晶格的晶格点O偏离距离r，因此也能够改变光束的相位。
在图36(a)所示的例子(图案1～3)中，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状具有镜像对称性(轴对称)。即，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状为长方形(图案1)、椭圆(图案2)、两个圆或者椭圆的一部分重叠的形状(图案3)。假想的正方晶格的晶格点O存在于这些不同折射率区域的内部。
图36(a)的图形与非旋转对称图形，明确可知作为轴对称的基准的线段位置，因此能够以高精度进行图案绘制。另外，由于假想的正方晶格的晶格点O与不同折射率区域的重心位置的距离r较小，因此能够减少产生光束图案的噪声。
在图36(b)所示的例子(样本1～4)中，各个不同折射率区域的X―Y平面内的形状为直角等边三角形(图案1)，梯形(图案2)，以沿椭圆的长轴的一端部附近的短轴方向的尺寸小于另一端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形的形状(卵形：图案3)，或者以使沿椭圆的长轴的一端部成为沿长轴方向突出的变尖的端部的方式变形的形状(泪滴形：图案4)。假想的正方晶格的晶格点O存在于这些不同折射率区域的内部。即使为图36(b)的图形，由于不同折射率区域的重心位置从假想的正方晶格的晶格点O偏离距离r，因此也能够改变光束的相位。另外，由于假想的正方晶格的晶格点O与不同折射率区域的重心位置的距离r小，因此能够减少产生光束图案的噪声。
(第三变形例)
图37是表示第三变形例的发光装置1B的结构的图。该发光装置1B包括：支承基板6；在支承基板6上以一维或者二维状排列的多个激光元件2A；与多个激光元件2A相对地配置的光遮蔽部件3B；和单独驱动多个激光元件2A的驱动电路4。各激光元件2A的结构与上述实施方式相同。但是，多个激光元件2A分别包括输出红色波长区域的光像的激光元件、输出蓝色波长区域的光像的激光元件和输出绿色波长区域的光像的激光元件的任意的元件。输出红色波长区域的光像的激光元件由例如GaAs系半导体构成。输出蓝色波长区域的光像的激光元件和输出绿色波长区域的光像的激光元件由例如氮化物系半导体构成。驱动电路4设置于支承基板6的背面或者内部，能够个别地驱动各激光元件2A。驱动电路4根据来自控制电路7的指示，向各个激光元件2A供给驱动电流。
光遮蔽部件3B是以至少与在多个激光元件2A的发光面2b各自的重心位置上正交的多个轴线(Z轴)重叠的方式设置的板状的部件。即，在本变形例中，图1所示的光遮蔽部件3与多个激光元件2A配置相同数量，使这些光遮蔽部件3形成为一体以构成光遮蔽部件3B。该光遮蔽部件3B也可以与用于收纳支承基板6的壳体形成为一体。光遮蔽部件3B与上述实施方式的光遮蔽部件3同样，使从各激光元件2A出射的光像中的第一光像部分B2通过并遮蔽0次光B1。另外，光遮蔽部件3B还可以遮蔽不需要的第二光像部分B3。
如本变形例那样，也可以为在能够被单独驱动的多个激光元件2A上设置光遮蔽部件3B，从各激光元件2A仅取出所希望的光像。此情况下，对于预先排列了与多个图案对应的半导体发光元件的模式，通过适当地驱动所需的元件，能够适宜地实现平视显示等。另外，如本变形例，多个激光元件2A包括输出红色波长区域的光像的激光元件、输出蓝色波长区域的光像的激光元件、输出绿色波长区域的光像的激光元件的任意者，因此能够适宜地实现彩色平视显示等。
本发明的半导体发光元件不限于上述的实施方式，能够有其他各种变形。例如，在上述实施方式和实施例中例示了由GaAs系、InP系和氮化物系(特别是GaN系)的化合物半导体构成的激光元件，但本发明也能够应用于除它们以外的由各种半导体材料构成的激光元件。
符号的说明
1A、1B…发光装置，2A…激光元件，2b…发光面，3…光遮蔽部件，3B…光遮蔽部件，3c…端缘，4…驱动电路，6…支承基板，7…控制电路，10…半导体基板，11、13…覆盖层，12…活性层，14…接触层，15A、15B…相位调制层，15a…基本层，15b、15c…不同折射率区域，16、17…电极，17a…开口，18…保护膜，19…防反射膜，B1…0次光，B2…第一光像部分，B3…第二光像部分，G1、G2…重心，O…晶格点，R…单位构成区域。

Claims (6)

1.一种发光装置，其特征在于，
包括：
半导体发光元件，其具有发光面，并且沿所述发光面的法线方向和相对于所述法线方向具有规定的斜度及扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像；和
光遮蔽部件，以其一部分与所述发光面的重心位置上和所述发光面正交的轴线交叉的方式配置，
所述半导体发光元件包括：活性层；夹着所述活性层的一对覆盖层；和设置于所述活性层与所述一对覆盖层的一方之间的、与所述活性层光学耦合的相位调制层，
所述光遮蔽部件以使所述光像中向所述倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽向所述发光面的法线方向输出的0次光的方式配置，
所述相位调制层包括：基本层；和多个不同折射率区域，其分别具有与所述基本层的折射率不同的折射率，
再有，在由与所述法线方向一致的Z轴和与包含所述多个不同折射率区域的所述相位调制层的一方的面一致的、包含彼此正交的X轴及Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在所述X－Y平面上，设定由分别具有正方形状的M1×N1个的单位构成区域R构成的假想的正方晶格时，所述相位调制层构成为：
在由X轴方向的坐标成分x和Y轴方向的坐标成分y特定的所述X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于所述单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与作为所述单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分离并且从所述晶格点O(x，y)向所述重心G1的矢量朝向特定方向，
其中，M1为1以上的整数，N1为1以上的整数，x为1以上M1以下的整数，y为1以上N1以下的整数，
所述XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)相对于由动径的长度d1、与所述Z轴成的斜度角θtilt、及在所述X－Y平面上特定的与所述X轴成的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)，满足由下面的式(1)～式(3)所示的关系，
[式1]
x＝d1sinθtiltcosθrot …(1)
[式2]
y＝d1sinθtiltsinθrot …(2)
[式3]
z＝d1cosθtilt …(3)
当使相当于从所述半导体发光元件输出的所述光像的光束图案为朝向以角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，所述角度θtilt和θrot被换算为作为由下面的式(4)规定的标准化波数的与所述X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和作为由下面的式(5)规定的标准化波数的与所述Y轴对应且与所述Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，
[式4]
Figure FDA0002632925630000021
[式5]
Figure FDA0002632925630000022
a：所述假想的正方晶格的晶格常数
λ：所述半导体发光元件的振动波长
在由所述Kx轴和所述Ky轴规定的波数空间中，包含所述光束图案的特定的波数范围分别由正方形状的M2×N2个的图像区域FR构成，其中，M2为1以上的整数，N2为1以上的整数，
在所述波数空间中，将由Kx轴方向的坐标成分kx和Ky轴方向的坐标成分ky特定的图像区域FR(kx，ky)分别二维傅里叶逆变换为所述X－Y平面上的所述单位构成区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)，以j为虚数单位，由下面的式(6)赋予，其中，kx为1以上M2以下的整数，ky为1以上N2以下的整数，
[式6]
Figure FDA0002632925630000031
在所述单位构成区域R(x，y)中，当使振幅项为A(x，y)并使相位项为P(x，y)时，所述复振幅F(x，y)由下面的式(7)规定，并且
[式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)] …(7)
所述单位构成区域R(x，y)由分别与所述X轴和所述Y轴平行且在所述晶格点O(x，y)正交的s轴和t轴规定时，
所述相位调制层构成为：在从所述晶格点O(x，y)至所述对应的不同折射率区域的重心G1的线段长度r(x，y)在所述M1个×N1个的单位构成区域R的各个中被设定为共同的值的状态下，连结所述晶格点O(x，y)和所述对应的不同折射率区域的重心G1的线段与所述s轴所成的角度φ(x，y)满足
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数
B：任意常数的关系的所述对应的不同折射率区域配置在所述单位构成区域R(x，y)内，
当使从所述发光面至所述光遮蔽部件的距离为z，使在包含所述轴线的基准平面上从所述轴线至所述光遮蔽部件的最近的端缘的距离为Wa，使在所述基准面上所述距离z的地点上的0次光的光束宽度为Wz，使在所述基准平面上规定的所述发光面的宽度为L，使在所述基准平面上所述特定的光像的所述轴线侧的端缘与所述轴线所成的角为θPB，使所述活性层的发光波长为λ时，
所述距离z比由下面的式(8)规定的zsh长，
[式8]
Figure FDA0002632925630000032
所述距离Wa比由下面的式(9)规定的Wz的一半长，
[式9]
Figure FDA0002632925630000041
(z≥z0时)
Figure FDA0002632925630000042
(z<z0时)…(9)
所述式(9)的Z0为由下面的式(10)规定的数值，
[式10]
Figure FDA0002632925630000043
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
当使所述假想的正方晶格的晶格常数为a时，位于所述单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与所述晶格点O(x，y)的距离r满足0≦r≦0.3a。
3.如权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于：
所述光像包括：向相对于所述轴线倾斜的第一方向输出的第一光像部分；和向关于所述轴线与所述第一方向对称的第二方向输出且关于所述轴线与所述第一光像部分旋转对称的第二光像部分，
所述光遮蔽部件以还遮蔽所述第二光像部分的方式配置。
4.如权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于：
所述光遮蔽部件包含光吸收材料。
5.一种发光装置，其特征在于，
包括：
多个半导体发光元件，其分别具有发光面，分别沿所述发光面的法线方向和相对于所述法线方向具有规定的斜度及扩散角的倾斜方向输出任意形状的光像；
光遮蔽部件，以其一部分与在所述多个半导体发光元件各自的所述发光面的重心位置上与所述发光面正交的轴线分别交叉的方式配置；和
驱动电路，个别地驱动所述多个半导体发光元件，
所述多个半导体发光元件分别包括：活性层；夹着所述活性层的一对覆盖层；和设置于所述活性层与所述一对覆盖层的一方之间的、与所述活性层光学耦合的相位调制层，
所述光遮蔽部件以使所述光像中向所述倾斜方向输出的特定的光像通过，而遮蔽分别向所述发光面的法线方向输出的0次光的方式配置，
在所述多个半导体发光元件的各个中，所述相位调制层包括：基本层；和多个不同折射率区域，其分别具有与所述基本层的折射率不同的折射率，
再有，在所述多个半导体发光元件的各个中，在由与所述法线方向一致的Z轴和与包含所述多个不同折射率区域的所述相位调制层的一方的面一致的、包含彼此正交的X轴及Y轴的X－Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在所述X－Y平面上，设定由分别具有正方形状的M1×N1个的单位构成区域R构成的假想的正方晶格时，所述相位调制层构成为：
在由X轴方向的坐标成分x和Y轴方向的坐标成分y特定的所述X－Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于所述单位构成区域R(x，y)内的不同折射率区域的重心G1与作为所述单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)分离并且从所述晶格点O(x，y)向所述重心G1的矢量朝向特定方向，
其中，M1为1以上的整数，N1为1以上的整数，x为1以上M1以下的整数，y为1以上N1以下的整数，
所述XYZ正交坐标系中的坐标(x，y，z)相对于由动径的长度d1、与所述Z轴成的斜度角θtilt、及在所述X－Y平面上特定的与所述X轴成的旋转角θrot规定的球面坐标(d1，θtilt，θrot)，满足由下面的式(11)～式(13)所示的关系，
[式11]
x＝d1sinθtiltcosθrot …(11)
[式12]
y＝d1sinθtiltsinθrot …(12)
[式13]
z＝d1cosθtilt …(13)
当使相当于从所述半导体发光元件输出的所述光像的光束图案为朝向以角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，所述角度θtilt和θrot被换算为作为由下面的式(14)规定的标准化波数的与所述X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和作为由下面的式(15)规定的标准化波数的与所述Y轴对应且与所述Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，
[式14]
Figure FDA0002632925630000061
[式15]
Figure FDA0002632925630000062
a：所述假想的正方晶格的晶格常数
λ：所述半导体发光元件的振动波长
在由所述Kx轴和所述Ky轴规定的波数空间中，包含所述光束图案的特定的波数范围分别由正方形状的M2×N2个的图像区域FR构成，其中，M2为1以上的整数，N2为1以上的整数，
在所述波数空间中，将由Kx轴方向的坐标成分kx和Ky轴方向的坐标成分ky特定的图像区域FR(kx，ky)分别二维傅里叶逆变换为所述X－Y平面上的所述单位构成区域R(x，y)而得到的复振幅F(x，y)，以j为虚数单位，由下面的式(16)赋予，其中，kx为1以上M2以下的整数，ky为1以上N2以下的整数，
[式16]
Figure FDA0002632925630000063
在所述单位构成区域R(x，y)中，当使振幅项为A(x，y)并使相位项为P(x，y)时，所述复振幅F(x，y)由下面的式(17)规定，并且
[式17]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)] …(17)
所述单位构成区域R(x，y)由分别与所述X轴和所述Y轴平行且在所述晶格点O(x，y)正交的s轴和t轴规定时，
所述相位调制层构成为：在从所述晶格点O(x，y)至所述对应的不同折射率区域的重心G1的线段长度r(x，y)在所述M1个×N1个的单位构成区域R的各个中被设定为共同的值的状态下，连结所述晶格点O(x，y)和所述对应的不同折射率区域的重心G1的线段与所述s轴所成的角度φ(x，y)满足
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数
B：任意常数的关系的所述对应的不同折射率区域配置在所述单位构成区域R(x，y)内，
当使从所述发光面至所述光遮蔽部件的距离为z，使在包含所述轴线的基准平面上从所述轴线至所述光遮蔽部件的最近的端缘的距离为Wa，使在所述基准面上所述距离z的地点上的0次光的光束宽度为Wz，使在所述基准平面上规定的所述发光面的宽度为L，使在所述基准平面上所述特定的光像的所述轴线侧的端缘与所述轴线所成的角为θPB，使所述活性层的发光波长为λ时，
所述距离z比由下面的式(18)规定的zsh长，
[式18]
Figure FDA0002632925630000071
所述距离Wa比由下面的式(19)规定的Wz的一半长，
[式19]
Figure FDA0002632925630000081
(z≥z0时)
Figure FDA0002632925630000082
(z<z0时)…(19)
所述式(19)的Z0为由下面的式(20)规定的数值，
[式20]
Figure FDA0002632925630000083
6.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于：
所述多个半导体发光元件分别包括输出红色波长区域的所述光像的半导体发光元件、输出蓝色波长区域的所述光像的半导体发光元件和输出绿色波长区域的所述光像的半导体发光元件的任意的元件。
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