CN112262508B - 发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一个实施方式涉及的发光装置降低S‑iPM激光器的输出中包含的0次光。该发光装置具备发光部和相位调制层，相位调制层具有基本层和分别包含多个异折射率要素的多个异折射率区域。以设定于相位调制层上的假想的正方晶格的晶格点为中心的各单位构成区域中，从对应的晶格点至异折射率要素的各重心的距离大于晶格间隔的0.30倍且为0.50倍以下。此外，从对应的晶格点至异折射率要素整体的重心的距离大于0且为晶格间隔的0.30倍以下。
Description
技术领域
本发明涉及发光装置。
背景技术
通过对从二维排列的多个发光点输出的光的相位谱和强度谱进行控制来形成任意的光像(输出光束图案)的半导体发光元件正被研究。作为这样的半导体发光元件的结构之一，存在具有活性层和与该活性层光学耦合的相位调制层的结构。相位调制层具有：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异折射率区域。在与相位调制层的厚度方向垂直的面上设置有假想的正方晶格的情况下，各异折射率区域的重心位置，根据要输出的光像，偏离假想的正方晶格的晶格点的位置。这样的半导体发光元件被称为S-iPM(Static-integrable Phase Modulating：静态可积相位调制)激光器。沿着设置有相位调制层的基板的主面的法线方向和与该法线方向交叉的倾斜方向，输出任意形状的光像。非专利文献1中记载有关于iPM激光器的技术。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Yoshitaka Kurosaka et al.，“Phase-modulating lasers towardon-chip integration”，Sientific Reports，6：30138(2016)
非专利文献2：Y.Kurosaka et al.，“Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure，”Opt.Express 20，21773-21783(2012)
非专利文献3：K.Sakai et al.，“Coupled-Wave Theory for Square-LatticePhotonic Crystal Lasers With TE Polarization”，IEEE J.Q.E.46，788-795(2010)
发明内容
发明要解决的技术问题
发明人们对现有技术进行了研究，发现了以下这样的技术问题。即，通常，从上述的S-iPM激光器除了输出形成期望的光像的光(信号光)之外，还输出0次光。该0次光是向基板的主面的法线方向(即与发光面垂直的方向)输出的光，在S-iPM激光器中，根据设计光束图案而不优选。因此，得到期望的光像时0次光成为噪声光，因而期望从光像中去除0次光。
本发明是为了解决上述这样的技术问题而完成的，其目的在于提供能够使SiPM激光器的输出中包含的0次光减少的发光装置。
用于解决技术问题的手段
本实施方式涉及的发光装置沿着基板的主面的法线方向、与该法线方向交叉的倾斜方向或该法线方向和该倾斜方向这两者，输出形成光像的光。该发光装置具备发光部和相位调制层。相位调制层是设置在基板上且与发光部光学耦合的层。此外，相位调制层具有：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异折射率区域。而且，相位调制层的多个异折射率区域如以下这样配置。即，由与法线方向一致的Z轴和与包含多个异折射率区域的相位调制层的一个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，由分别具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成的假想的正方晶格设定在X-Y平面上，并且由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)确定的单位构成区域R(x，y)设定在X-Y平面上。该设定条件下，构成位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域的多个异折射率要素的各重心G1离开作为该单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)。而且，将从晶格点O(x，y)延伸至由位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素整体规定的重心G2的线段设为第一线段，将通过晶格点O(x，y)且与X轴方向或Y轴方向平行的线段设为第二线段时，这些第一线段和第二线段所成的角度以输出形成光像的光的方式设定。具体而言，从晶格点O(x，y)至位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素的各重心G1的距离，大于假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍且为0.50倍以下。此外，从晶格点O(x，y)至由位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素整体规定的重心G2的距离，大于0且为假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍以下。
发明效果
根据本实施方式涉及的发光装置，能够减少S-iPM激光器的输出中包含的0次光。
附图说明
图1是表示作为本实施方式涉及的发光装置的一例的半导体发光元件的结构的立体图。
图2是表示半导体发光元件的层叠结构的截面图。
图3是表示相位调制层设置于下部覆盖层与活性层之间的情况下的半导体发光元件的层叠结构的图。
图4是相位调制层的俯视图。
图5是表示相位调制层中的异折射率要素的位置关系的图。
图6是用于说明从球面坐标向XYZ正交坐标系中的坐标的坐标转换的图。
图7是表示仅在相位调制层的特定区域内应用折射率大致周期结构的例子的俯视图。
图8是用于说明半导体发光元件的输出光束图案成像而得到的光像与相位调制层的旋转角度分布的关系的图。
图9的(a)和图9的(b)是说明从光像的傅立叶逆变换的结果求出位相角分布从而决定异折射率要素的配置时的留意点的图。
图10是将相位调制层的一部分放大表示的图。
图11的(a)～图11的(d)是表示从半导体发光元件输出的光束图案(光像)的例子的图。
图12是说明相位调制层中产生的4个方向的基本光波的图。
图13是表示0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光各自的振幅强度与从晶格点到对应的各异折射率要素的重心的距离的关系的曲线图。
图14是表示图13所示的曲线的平方值的曲线图。
图15是表示第一变形例涉及的相位调制层的俯视图。
图16是将第一变形例涉及的相位调制层放大表示的图。
图17是将第二变形例涉及的相位调制层放大表示的俯视图。
图18是将第二变形例涉及的相位调制层放大表示的俯视图。
图19是将第三变形例涉及的相位调制层放大表示的俯视图。
图20是将第三变形例涉及的相位调制层放大表示的俯视图。
图21的(a)～图21的(g)是表示异折射率要素的X-Y平面内的形状的例子的俯视图。
图22的(a)～图22的(k)是表示异折射率要素的X-Y平面内的形状的例子的俯视图。
图23的(a)～图23的(k)是表示X-Y平面内的异折射率要素的形状的另一个例子的俯视图。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
首选，分别单独列举本申请发明的实施方式的内容进行说明。
(1)本实施方式涉及的发光装置沿着基板的主面的法线方向、与该法线方向交叉的倾斜方向或该法线方向和该倾斜方向这两者，输出形成光像的光。作为本实施方式的一个方式，该发光装置具备发光部和相位调制层。相位调制层是设置在基板上且与发光部光学耦合的层。此外，相位调制层具有：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异折射率区域。而且，相位调制层的多个异折射率区域如以下这样配置。即，由与法线方向一致的Z轴和与包含多个异折射率区域的相位调制层的一个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，由分别具有正方形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成的假想的正方晶格设定在X-Y平面上，并且由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)确定的单位构成区域R(x，y)设定在X-Y平面上。该设定条件下，构成位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域的多个异折射率要素的各重心G1离开作为该单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)。而且，将从晶格点O(x，y)延伸至由位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素整体规定的重心G2的线段设为第一线段，将通过晶格点O(x，y)且与X轴方向或Y轴方向平行的线段设为第二线段时，这些第一线段和第二线段所成的角度以输出形成光像的光的方式设定。具体而言，从晶格点O(x，y)至位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素的各重心G1的距离，大于假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍且为0.50倍以下。此外，从晶格点O(x，y)至由位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素整体规定的重心G2的距离，大于0且为假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍以下。其中，重心G2是通过将多个异折射率要素各自的重心合成而得到的重心(合成重心)，意味着实质上由多个异折射率要素构成的1个异折射率区域的重心。
根据具有上述这样的结构的发光装置，能够沿着与基板的主面的法线方向交叉的倾斜方向输出用于形成任意形状的光像的光。此外，该发光装置中，从晶格点O(x，y)至位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素的各重心G1的距离，大于假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍且为0.50倍以下。根据后述的本发明人们的见解，在各单位构成区域R(x，y)中，从晶格点O(x，y)至各重心G1的距离在上述的范围内，由此能够减少S-iPM激光器的输出中包含的0次光。进一步，该发光装置中，从晶格点O(x，y)至由位于单位构成区域R(x，y)内的多个异折射率要素整体规定的重心G2的距离，大于0且为假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍以下。各单位构成区域R(x，y)中，从晶格点O(x，y)至将各个重心G1合成而得到的重心G2的距离在上述的范围内，由此获得输出光束图案的S/N比被降低的实用的S-iPM激光器。
(2)作为本实施方式的一个方式，也可以为：位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域，包含分别具有彼此不同的面积的至少2个异折射率要素，作为上述的多个异折射率要素。作为本实施方式的一个方式，也可以为：从晶格点O(x，y)至位于单位构成区域R(x，y)内的上述的多个异折射率要素的重心G1的各个距离，彼此不同。作为本实施方式的一个方式，也可以为：位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域，包含不满足关于晶格点O(x，y)点对称的关系地配置的2个异折射率要素，作为上述的多个异折射率要素。例如，发光装置具有这些方式中的至少一个方式的情况下，在1个单位构成区域内，能够使由构成与该单位构成区域关联的异折射率区域的多个异折射率要素整体规定的重心G2的位置离开对应的晶格点。
(3)作为本实施方式的一个方式，也可以为：位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域，包含3个以上的异折射率要素，作为上述的多个异折射率要素。根据该方式，能够将每1个异折射率要素的面积抑制得小。其结果是，能够抑制由制作时误差等所致的异折射率区域的扩展引起的、相邻的单位构成区域间的异折射率区域彼此的光学耦合。
(4)作为本实施方式的一个方式，优选从晶格点O(x，y)至位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率要素的各重心G1的距离，为假想的正方晶格的晶格间隔的0.38倍。根据后述的本发明人的见解，在1个单位构成区域R(x、y)内，从晶格点O(x，y)至异折射率要素的各重心G1的距离为晶格间隔的0.38倍的情况下，能够使S-iPM激光器的输出中包含的0次光几乎接近零。
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方式中的各方式或这些其余的方式的所有组合。
[本申请发明的实施方式的详细]
以下，参照附图详细说明本实施方式涉及的发光装置的具体结构。另外，本发明不限定于这些示例，由权利要求表示，包含与权利要求等同的意义和范围内的所有变更。此外，附图的说明中，对同一要素标注同一符号，省略重复的说明。
图1是表示作为本实施方式涉及的发光装置的一例的半导体发光元件1A的结构的立体图。图2是表示半导体发光元件1A的层叠结构的截面图。另外，定义将沿着半导体发光元件1A的厚度方向延伸的轴作为Z轴的XYZ正交坐标系。半导体发光元件1A是在X-Y面内方向形成驻波，并向Z轴方向输出被位相控制后的平面波的S-iPM激光器。半导体发光元件1A如后所述，沿着半导体基板10的主面10a的法线方向(即Z轴方向)或与该法线方向交叉的倾斜方向或者沿着法线方向和倾斜方向这两者，输出形成任意形状的光像(光束图案)的光。
如图1和图2所示，半导体发光元件1A具备：设置在半导体基板10上的作为发光部的活性层12；和夹着活性层12的一对覆盖层11和13；设置在覆盖层13上的接触层14。半导体基板10和各层11～14各自由例如GaAs类半导体、InP类半导体、氮化物类半导体等的化合物半导体构成。覆盖层11的能带隙和覆盖层13的能带隙比活性层12的能带隙大。半导体基板10和各层11～14的厚度方向与Z轴方向一致。
半导体发光元件1A还具备与活性层12光学耦合的相位调制层15A。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。根据需要，也可以在活性层12与覆盖层13之间和活性层12与覆盖层11之间中的至少一者，设置有光引导层。在光引导层设置于活性层12与覆盖层13之间的情况下，该光引导层设置于覆盖层13与相位调制层15A之间和活性层12与相位调制层15A之间中的至少一者。相位调制层15A的厚度方向与Z轴方向一致。另外，光引导层也可以包含用于将载流子有效地限制在活性层12中的载流子阻挡层。
如图3所示，相位调制层15A也可以设置在覆盖层11与活性层12之间。进一步，在光引导层设置于活性层12与覆盖层11之间的情况下，该光引导层设置于覆盖层11与相位调制层15A之间和活性层12与相位调制层15A之间中的至少一者。
相位调制层15A如图2和图3所示，具备由第一折射率介质构成的基本层15a和存在于基本层15a内的多个异折射率区域。另外，多个异折射率区域分别由具有与第一折射率介质的折射率不同的折射率的第二折射率介质构成。多个异折射率区域按分别以假想的正方晶格的晶格点为中心的多个单位构成区域中的每个单位构成区域配置。配置于各单位构成区域的异折射率区域由多个异折射率要素15b构成。在假想的正方晶格(晶格间隔a)中，重心位置在离开晶格点位置的圆周上以后述的方法旋转地配置。相位调制层15A中，在设模式的等效折射率为n0的情况下，相位调制层15A选择的波长λ0(＝a×n0，a为晶格间隔)包含在活性层12的发光波长范围内。相位调制层15A能够选择活性层12的发光波长中的波长λ0，将其输出至外部。入射至相位调制层15A内的激光，在相位调制层15A内形成与异折射率要素15b的配置相应的规定模式，作为具有期望的图案的激光束，从半导体发光元件1A的表面向外部输出。
半导体发光元件1A还具备设置在接触层14上的电极16和设置在半导体基板10的背面10b上的电极17。电极16与接触层14欧姆接触，电极17与半导体基板10欧姆接触。进一步，电极17具有开口17a。电极16设置在接触层14的中央区域。接触层14上的电极16以外的部分由保护膜18(参照图2)覆盖。另外，未与电极16接触的接触层14也可以被去除。半导体基板10的背面10b中的电极17以外的部分(包含开口17a内)由反射防止膜19覆盖。开口17a以外的区域中的反射防止膜19也可以被去除。
当向电极16与电极17之间供给驱动电流时，在活性层12内，通过电子和空穴的复合而产生光。有助于该发光的电子和空穴、以及产生的光有效地被限制在覆盖层11与覆盖层13之间。
从活性层12放出的光也在相位调制层15A的内部分布，形成与层叠结构相应的规定的层厚方向模式和与相位调制层15A的内部的晶格结构相应的规定的面内模式。从相位调制层15A输出的激光直接从背面10b经开口17a向该半导体发光元件1A的外部输出。此外，来自相位调制层15A的激光在电极16被反射后，从背面10b经开口17a向该半导体发光元件1A的外部输出。此时，激光中包含的0次光向主面10a的法线方向输出。与此相对，激光中包含的信号光沿着主面10a的法线方向和与该法线方向交叉的倾斜方向这两者输出。形成期望的光像的是信号光。信号光主要为1次光和-1次光。
在某个例子中，半导体基板10是GaAs基板，覆盖层11、活性层12、覆盖层13、接触层14和相位调制层15A分别是由III族元素和V族元素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/势阱层：InGaAs)。相位调制层15A中，基本层15a是GaAs，异折射率要素15b是空孔。覆盖层13是AlGaAs层。接触层14是GaAs层。
AlGaAs中，通过改变Al的组分比，能够容易地改变该AlGaAs的能带隙和折射率。AlxGa1-xAs中，当使原子半径相对小的Al的组分比x减少(增加)时，与该组分比正相关的能带隙变小(变大)。此外，通过在GaAs中混入原子半径大的In而得到的InGaAs的能带隙变小。即，覆盖层11、13的Al组分比大于活性层12的势垒层(AlGaAs)的Al组分比。覆盖层11、13的Al组分比例如被设定为0.2～1.0，优选为0.4。活性层12的势垒层的Al组分比例如被设定为0～0.3，优选为0.15。
在另一个例子中，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各自例如由InP类化合物半导体构成。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/势阱层：GaInAsP)。相位调制层15A中，基本层15a为GaInAsP，异折射率要素15b为空孔。覆盖层13为InP层。接触层14为GaInAsP层。
在又一个例子中，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各自例如由氮化物类化合物半导体构成。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/势阱层：InGaN)。相位调制层15A中，基本层15a为GaN，异折射率要素15b为空孔。覆盖层13为AlGaN层。接触层14为GaN层。
覆盖层11具有与半导体基板10的导电型相同的导电型。覆盖层13和接触层14具有与半导体基板10的导电型相反的导电型。一例中，半导体基板10和覆盖层11分别为n型，覆盖层13和接触层14分别为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的导电型相同的导电型。另一方面，在设置于活性层12与覆盖层13之间的情况下，相位调制层15A具有与半导体基板10的导电型相反的导电型。另外，杂质浓度例如为1×1016～1×1021/cm3。活性层12是未有意添加任何杂质的本征型(i型)，其杂质浓度为1×1016/cm3以下。不过，在由杂质能级引起的光吸收所致的损失小的情况下，也可以进行杂质掺杂。另外，在需要抑制由杂质能级引起的光吸收所致的损失的影响的情况下等，相位调制层15A的杂质浓度也可以为本征型(i型)。
覆盖层11的厚度为1×103～3×103(nm)，优选为2×103(nm)。活性层12的厚度为10～100(nm)，优选为30(nm)。相位调制层15A的厚度为50～200(nm)，优选为100(nm)。覆盖层13的厚度为1×103～3×103(nm)，优选为2×103(nm)。接触层14的厚度为50～500(nm)，优选为200(nm)。
上述的结构中，异折射率要素15b成为空孔。但是，异折射率要素15b也可以通过将具有与基本层15a的折射率不同的折射率的半导体埋入空孔内而形成。在此情况下，例如基本层15a的空孔通过蚀刻而形成后，使用有机金属气相生长法、溅射法或外延法将半导体埋入空孔内。例如，在基本层15a由GaAs构成的情况下，异折射率要素15b也可以由AlGaAs构成。此外，也可以在通过将半导体埋入基本层15a的空孔内而形成异折射率要素15b后，进一步在其上沉积与异折射率要素15b相同的半导体。另外，在异折射率要素15b为空孔的情况下，也可以在该空孔中封入氩、氮等不活泼气体或氢、空气等气体。
反射防止膜19例如由硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等电介质单层膜或电介质多层膜构成。作为电介质多层膜，例如能够应用从氧化钛(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)等的电介质层组选择的2种以上的电介质层层叠而成的膜。例如在电介质单层膜的情况下，以对于波长λ的光的光学膜厚，层叠λ/4的厚度的膜。此外，保护膜18是例如硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等的绝缘膜。在半导体基板10和接触层14由GaAs类半导体构成的情况下，电极16能够由包含Cr、Ti和Pt中的至少1个和Au的材料构成。例如，电极16具有Cr层和Au层的层叠结构。电极17能够由包含AuGe和Ni中的至少1个和Au的材料构成。例如，电极17具有AuGe层和Au层的层叠结构。另外，电极16、17的材料只要能够实现欧姆接合即可，不限定于上述的元素。
另外，通过将电极形状变形，也能够从接触层14的表面输出激光。即，不设置电极17的开口17a而电极16在接触层14的表面上开口的情况下，激光束从接触层14的表面输出到外部。在此情况下，反射防止膜设置在电极16的开口内和周边。
图4是相位调制层15A的俯视图。如图4所示，在与XY平面一致的相位调制层15A的设计面(基准面)上设定假想的正方晶格。正方晶格的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方晶格的晶格点O为中心的正方形状的单位构成区域R能够遍及沿着X轴的多列和沿着Y轴的多行地设定成二维状。多个异折射率要素15b在各单位构成区域R内各设置N个(N为2以上的整数，图中示例N＝2的情况)。即，由1个单位构成区域R内设置的2个以上的异折射率要素15b构成与该1个单位构成区域R对应的异折射率区域。各异折射率要素15b的俯视形状例如为圆形形状。在各单位构成区域R内，晶格点O既可以位于异折射率要素15b的外部，也可以包含于异折射率要素15b的内部。
具体而言，图4中，由x0～x3示出的虚线表示单位构成区域R中的X轴方向的中心位置，由y0～y2示出的虚线表示单位构成区域R中的Y轴方向的中心位置。因此，虚线x0～x3和虚线y0～y2的各交点表示单位构成区域R(0，0)～R(3，2)各自的中心O(0，0)～O(3，2)，即晶格点。该假想的正方晶格的晶格常数为a。另外，晶格常数a根据发光波长来调整。
异折射率要素15b的面积S在1个单位构成区域R内所占的比率被称为填充因子(FF)。当设正方晶格的晶格间隔为a时，异折射率要素15b的填充因子FF被作为S/a2给出。S是1个单位构成区域R内的N个异折射率要素15b的面积之和，例如在N个异折射率要素15b的形状为彼此具有相等的直径的正圆形状的情况下，使用正圆的直径d，被作为S＝N×π(d/2)2给出。此外，在N个异折射率要素15b的形状为彼此大小相等的正方形的情况下，使用正方形的一边的长度LA，被作为S＝N×LA2给出。
图5是将相位调制层15A的一部分(单位构成区域R)放大表示的图。具体而言，图5所示的单位构成区域(x，y)内的位置信息由通过晶格点(x，y)的与X轴平行的s轴、通过晶格点(x，y)的与Y轴平行的t轴确定。如图5所示，N个异折射率要素15b各自具有重心G1，在N个异折射率要素15b整体具有重心G2(由1个单位构成区域R内的N个异折射率要素15b构成的异折射率区域的重心)。此处，将从晶格点O(x，y)去往重心G2的矢量与s轴所成的角度设为φ(x，y)。在旋转角度φ为0°的情况下，将晶格点O(x，y)和重心G2连接的矢量的朝向与s轴的正方向一致。此外，设将晶格点O(x，y)和重心G2连接的矢量的长度为r2(x，y)。一例中，r2(x，y)不依赖于x成分和y成分而(遍及整个相位调制层15A)固定。
如图4所示，将晶格点O(x，y)和重心G2连接的矢量的朝向，即由N个异折射率要素15b构成的异折射率区域的重心G2的绕晶格点O(x，y)的旋转角度φ，根据期望的光像按各晶格点O(x，y)单独设定。旋转角度分布φ(x，y)按每个由x成分和y成分的值决定的位置具有特定的值，但不一定用特定的函数表示。即，旋转角度分布φ(x，y)基于从将期望的光像进行傅立叶逆变换而得到的复振幅分布中提取的位相分布来决定。另外，在根据期望的光像来求取复振幅分布时，通过应用在生成全息图的计算时一般使用的Gerchberg-Saxton(GS)法这样的重复算法，光束图案的再现性提高。
本实施方式中，通过按照以下的顺序决定旋转角度分布φ(x，y)，能够得到期望的光像。首先，作为第一前提条件，在由与法线方向一致的Z轴以及与包含多个异折射率要素15b的相位调制层15A的一个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)个单位构成区域R构成的假想的正方晶格。
作为第二前提条件，XYZ正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)如图6所示，对于由矢径的长度r、与Z轴所成的倾斜角θtilt和在XY平面上特定的与X轴所成的旋转角θrot规定的球面坐标(r，θrot，θtilt)，满足以下的式(1)～式(3)表示的关系。另外，图6是用于说明从球面坐标(r，θrot，θtilt)向XYZ正交坐标系中的坐标(ξ，η，ζ)的坐标转换的图，作为实体空间的XYZ正交坐标系中设定的规定平面上的设计上的光像由坐标(ξ，η，ζ)表示。设从半导体发光元件输出的相当于光像的光束图案为去往由角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot可换算成与X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和与Y轴对应且与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，其中，坐标值kx是由以下的式(4)规定的归一化波数，坐标值ky是由以下的式(5)规定的归一化波数。归一化波数意味着将相当于假想的正方晶格的晶格间隔的波数设为1.0进行归一化而得到的波数。此时，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由分别为正方形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。另外，整数M2不需要与整数M1一致。同样地，整数N2也不需要与整数N1一致。此外，式(4)和式(5)例如已在上述非专利文献2中公开。
[数学式1]
ξ＝rsinθtiltcosθrot …(1)
[数学式2]
η＝rsinθtiltsinθrot …(2)
[数学式3]
ζ＝rcosθtilt …(3)
[数学式4]
[数学式5]
a：假想的正方晶格的晶格常数
λ：振荡波长
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(0以上M2-1以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(0以上N2-1以下的整数)确定的图像区域FR(kx，ky)分别二维离散傅立叶逆变换到由X轴方向的坐标成分x和Y轴方向的坐标成分y确定的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)，以j为虚数单位，由以下的式(6)给出。此外，将振幅项设为A(x，y)且将位相项设为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由以下的式(7)规定。进一步，作为第四前提条件，单位构成区域R(x，y)由与X轴和Y轴分别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。
[数学式6]
[数学式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15A构成为满足以下的第一条件和第二条件。即，第一条件是在单位构成区域R(x，y)内，重心G2以离开晶格点O(x，y)的状态配置。此外，第二条件是在从晶格点O(x，y)到对应的重心G2的线段长r2(x，y)分别在M1个×N1个单位构成区域R中被设定为共同的值的状态下，以将晶格点O(x，y)与对应的重心G2连接的线段与s轴所成的角度φ(x，y)满足以下的关系的方式，对应的异折射率要素15b配置在单位构成区域R(x，y)内。
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
图7是表示仅在相位调制层的特定区域内应用图4的折射率结构的例子的俯视图。图7所示的例子中，在正方形的内侧区域RIN的内部形成有用于输出作为目标的光束图案的折射率结构(例：图4的结构)。另一方面，在包围内侧区域RIN的外侧区域ROUT，配置有重心位置与正方晶格的晶格点位置一致的正圆形的异折射率区域。例如，外侧区域ROUT中的填充因子FF设定为12％。此外，在内侧区域RIN的内部和外侧区域ROUT内，假想地设定的正方晶格的晶格间隔都相同(＝a)。在该结构的情况下，光也分布在外侧区域ROUT内，由此有能够抑制光强度在内侧区域RIN的周边部急剧地变化而带来的高频噪声(所谓的窗函数噪声)的产生的优点。此外，能够抑制向面内方向的漏光，能够期待阈值电流的降低。
图8是用于说明本实施方式中的半导体发光元件1A的输出光束图案(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，考虑将输出光束图案的投射范围、即光束投射区域(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)转换到波数空间上而得到的Kx-Ky平面。规定该Kx-Ky平面的Kx轴和Ky轴彼此正交，并且分别通过上述式(1)～式(5)将作为目标的输出光束图案的输出方向与从光输出面的法线方向(Z轴方向)摆动到该光输出面时的相对于该法线方向的角度建立对应。另外，输出光束图案的中心Q位于沿着半导体基板10的主面10a的法线方向延伸的轴线上，图8中示出以中心Q为原点的4个象限。图8的例子中，示出在第一象限和第三象限得到光像的情况，但也可能在第二象限和第四象限或所有的象限中得到像。本实施方式中，如图8所示，得到关于原点点对称的光像。图8中，作为例子示出在第三象限中作为1次光得到文字“A”，在第一象限中作为-1次光得到将文字“A”旋转180度后的图案的情况。另外，在为旋转对称的光像(例如十字、圆、双重圆等)的情况下，重叠而作为一个光像被观察。
半导体发光元件1A的输出光束图案(光像)包含斑点、直线、十字架、线条画、晶格图案、照片、条状图案、CG(计算机图形)和文字中的至少1个。
如上所述，在想要得到期望的光像的情况下，将该想要的光像转换为波数空间上的像，将该光像傅立叶逆变换，将与其复振幅的位相相应的旋转角度分布φ(x，y)赋予由多个异折射率要素15b规定的重心G2即可。另外，作为期望的光像，激光束的傅立叶变换后的远视野像能够为单一或多个斑点形状、圆环形状、直线形状、文字形状、双重圆环形状或者拉盖尔高斯光束形状等各种的形状。因为能够控制光束方向，所以通过将半导体发光元件1A一维或二维地阵列化，例如能够实现电气地进行高速扫描的激光加工机。
作为从傅立叶逆变换所得到的复振幅分布获得强度分布和位相分布的方法，例如对于强度(振幅)分布A(x，y)，能够通过使用MathWorks公司的数值分析软件“MATLAB”的abs函数来进行计算，并且对于位相分布P(x，y)，能够通过使用MATLAB的angle函数来进行计算。
此处，叙述从光像的傅立叶逆变换结果求取旋转角度φ(x，y)的分布，决定各异折射率要素15b的配置时，使用一般的离散傅立叶逆变换(或高速傅立叶变换)进行计算的情况下的留意点。当将傅立叶变换前的光像如图9的(a)所示分割为A1、A2、A3和A4的4个象限时，获得的光束图案如图9的(b)所示。即，图9的(b)中，在光束图案的第一象限出现将图9的(a)的第一象限的图案旋转180度后的图案和图9的(a)的第三象限的图案重叠的图案。在光束图案的第二象限出现将图9的(a)的第二象限的图案旋转180度后的图案和图9的(a)的第四象限的图案重叠的图案。在光束图案的第三象限出现将图9的(a)的第三象限的图案旋转180度后的图案和图9的(a)的第一象限的图案重叠的图案。在光束图案的第四象限出现将图9的(a)的第四象限的图案旋转180度后的图案和图9的(a)的第二象限的图案重叠的图案。
因此，作为傅立叶逆变换前的光像(原光像)使用仅在第一象限具有值的光像的情况下，在获得的光束图案的第三象限出现原光像的第一象限，在获得的光束图案的第一象限出现将原光像的第一象限旋转180度后的图案。
为了说明通常的S-iPM激光器，图10中示出在各单位构成区域R设置1个异折射率要素15b的情况的例子。图10中放大表示相位调制层的一部分(单位构成区域R)。图11的(a)～图11的(d)表示图10的例中从半导体发光元件输出的光束图案(光像)的例子。各图的中心对应于沿着半导体基板10的主面10a的法线方向的轴线(Z轴)。如图11的(a)～图11的(d)所示，半导体发光元件输出：1次光，其包含向相对于该轴线倾斜的第一方向输出的第一光像部分B1；-1次光，其包含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B1旋转对称的第二光像部分B2；和在该轴线上行进的0次光B3。
如上所述，相位调制层15A中，由N个异折射率要素15b整体规定的重心G2(由分配到1个单位构成区域R的N个异折射率要素15b构成的异折射率区域的重心)具有绕假想的正方晶格的晶格点O按每个异折射率要素15b设定的旋转角度。在此情况下，与异折射率要素15b的重心位于正方晶格的晶格点O上的所谓的光子晶体激光器相比较，向半导体基板10的主面10a的法线方向输出的光(0次光B3)的光强度减小，换言之，向与该法线方向交叉的倾斜方向输出的高次光(例如1次光和-1次光)的光强度增加。进一步，通过由N个异折射率要素15b整体规定的重心G2具有与光像相应的旋转角度，能够按每个晶格点O调制光的位相。因此，根据该半导体发光元件1A，能够沿与半导体基板10的主面10a的法线方向交叉的倾斜方向输出用于形成任意形状的光像的光。
说明如图10所示在按每个单位构成区域R设置1个异折射率要素15b的情况下，该1个异折射率要素15b的重心G1和假想的正方晶格的晶格点O的优选距离。如图12所示，相位调制层15A中，生成沿着正方晶格的一个排列方向(X轴)的正方向和负方向以及沿着正方晶格的另一个排列方向(Y轴)的正方向和负方向的4个方向的基本光波PR、PL、PU和PD。这些基本光波的位相差ΔφR、ΔφL、ΔφU和ΔφD的理论式如以下的式(8)～式(11)所示。其中，n为衍射次数，φ(x，y)为设计位相分布，Jn为n次的贝塞尔函数，a为假想的正方晶格的晶格间隔，r为各异折射率要素15b的重心G1与对应的晶格点O的距离(换言之，将晶格点O与重心G1连接的矢量的长度)。
[数学式8]
[数学式9]
[数学式10]
[数学式11]
上述式(8)～式(11)中包含的部分，即，以下的式(12)～式(15)中表述的部分，表示这些基本光波中包含的n次衍射的振幅。
[数学式12]
[数学式13]
[数学式14]
[数学式15]
图13是表示0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光各自的振幅与距离r的关系的曲线图。曲线G11表示0次衍射光，曲线G12表示1次衍射光，曲线G13表示-1次衍射光。此外，图14的曲线G21～G23分别表示图13所示的曲线G11～G13的强度(与振幅的平方成比例)。其中，图13和图14中，横轴表示距离r，纵轴表示振幅和强度(将距离r＝0时设为1地进行归一化后的值)。图14中，曲线G22、G23完全一致，因此彼此重叠地表示。
如曲线G11、G21所示，距离r越大(即，重心G1越远离晶格点O)，0次衍射光的振幅和强度越小。而且，在距离r大于0.3a且为0.50a以下的范围内，0次衍射光的强度成为距离r＝0的情况的约10％以下这样的小值，充分被抑制。此外，在距离r为0.341a以上且为0.429a以下的范围内，0次衍射光的强度成为距离r＝0的情况的约2％以下这样的极小值，进一步被抑制。特别是，在距离r为0.38a或其附近的情况下，0次衍射光的强度几乎接近0，最有效地被抑制。另外，0.38a对应于0次的贝塞尔函数J0(2πr/a)＝0的r的值。
另外，图13和图14所示的趋势不取决于异折射率要素15b的俯视形状和大小、各单位构成区域R中的异折射率要素15b的数量、半导体材料的种类、层结构和各层的厚度这样的各种变动要素。图13和图14所示的趋势在对应的异折射率要素15b绕晶格点O旋转的类型的所有iPM激光器中是共同的。
再次参照图5。本实施方式中，各异折射率要素15b的重心G1与对应的晶格点O的距离r1对N个异折射率要素15b中的各个异折射率要素15b彼此相等。换言之，N个异折射率要素15b的各重心G1位于以对应的晶格点O为中心的半径r1的圆CR上。而且，在N＝2的情况下，N个异折射率要素15b的各重心G1配置在关于对应的晶格点O非点对称的位置。即，将晶格点O与一个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量，和将晶格点O与另一个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量彼此成小于180°的角度。这是因为，由异折射率要素15b整体规定的重心G2(由存在于1个单位构成区域R内的异折射率要素15b构成的异折射率区域的重心)与晶格点O不重叠(即距离r2大于0)。换言之，在各单位构成区域R内，由异折射率要素15b整体规定的重心G2离开最靠近其的晶格点O地配置。另外，本实施方式中，N个异折射率要素15b的俯视形状既可以彼此相同(例如圆形)，也可以彼此不同。不过，N个异折射率要素15b的在X-Y平面中的面积彼此相等。
接着，说明由异折射率要素15b整体规定的重心G2与假想的正方晶格的晶格点O的优选距离。图14的曲线G22、23示出+1次衍射光和-1次衍射光的强度。此时，在异折射率要素15b为多个的情况下，将重心G2与晶格点O的距离r2置换为上述的r考虑即可。参照图14的曲线G22、23可知，当距离r超过0.30a时，+1次衍射光和-1次衍射光变弱，效率降低。因此，在各单位构成区域R中设置1个异折射率要素15b的情况下，当使距离r变大时，阈值电流增大。因此，优选重心G2与对应的晶格点O的距离r2为0.30a以下。
另外，在上述的结构中，只要为包含活性层12和相位调制层15A的结构，材料系、膜厚、层的结构可进行各种改变。此处，关于自假想的正方晶格起的扰动为0的情况下的所谓的正方晶格光子晶体激光器，标度律成立。即，在波长成为常数α倍的情况下，通过使正方晶格结构整体为α倍，能够获得同样的驻波状态。同样地，在本实施方式中，根据与波长相应的标度律，能够决定相位调制层15A的结构。因此，通过使用发出蓝色、绿色、红色等的光的活性层12，应用与波长相应的标度律，也能够实现输出可见光的半导体发光元件1A。
在制造半导体发光元件1A时，各化合物半导体层的生长应用有机金属气相生长(MOCVD)法或者分子束外延法(MBE)。在使用AlGaAs的半导体发光元件1A的制造中，AlGaAs的生长温度为500℃～850℃，并且实验中采用550～700℃。作为生长时的Al原料，利用TMA(三甲基铝)，作为镓原料利用TMG(三甲基镓)和TEG(三乙基镓)，作为As原料利用AsH3(砷化氢)，作为n型杂质用的原料利用Si2H6(乙硅烷)，作为p型杂质用的原料利用DEZn(二乙基锌)。在GaAs的生长中，利用TMG和砷化氢，但不利用TMA。InGaAs利用TMG、TMI(三甲基铟)和砷化氢制造。绝缘膜能够通过将其构成物质作为原料对目标进行溅射或者利用PCVD(等离子体CVD)法来形成。
即，上述的半导体发光元件1A，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，对基本层15a涂敷其他抗蚀剂。以对准标记为基准在抗蚀剂上用电子光束描绘装置描绘二维细微图案。然后，通过使描绘后的抗蚀剂显影而在该抗蚀剂上形成二维细微图案。其后，将抗蚀剂作为掩模，利用干式蚀刻将二维细微图案转印到基本层15a上。即，孔(穴)形成于基本层15a后，去除抗蚀剂。另外，也可以在抗蚀剂形成前利用PCVD法在基本层15a上形成SiN层、SiO2层。也可以进一步在SiN层、SiO2层之上形成抗蚀剂掩模后，使用反应离子蚀刻(RIE)将细微图案转印到SiN层、SiO2层。另外，SiN层、SiO2层在去除抗蚀剂后被干式蚀刻。在此情况下，能够提高干式蚀刻的耐性。将这些孔作为异折射率要素15b，或者在这些孔中，使成为异折射率要素15b的化合物半导体(AlGaAs)再生长至孔的深度以上。在将孔作为异折射率要素15b的情况下，也可以在孔内封入空气、氮、氩等的气体。接着，依次通过MOCVD形成作为覆盖层13的AlGaAs层、作为接触层14的GaAs层。电极16、17通过蒸镀法或溅射法形成。此外，根据需要，通过溅射、PCVD法等形成保护膜18和反射防止膜19。
另外，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，只要在形成活性层12前在覆盖层11上形成相位调制层15A即可。此外，假想的正方晶格的晶格间隔a为波长除以等效折射率的程度，例如设定为300nm左右。
另外，在晶格间隔a的正方晶格的情况下，当设正交坐标的单位矢量为x、y时，基本平移矢量a1＝ax、a2＝ay，相对于平移矢量a1、a2的基本倒易晶格矢量b1＝(2π/a)x、b2＝(2π/a)y。在存在于晶格中的波的波数矢量为k＝nb1+mb2(n、m为任意的整数)的情况下，波数k存在于Γ点，尤其在波数矢量的大小与基本倒易晶格矢量的大小相等的情况下，获得晶格间隔a与波长λ相等的共振模式(X-Y平面内的驻波)。本实施方式中，获得这样的共振模式(驻波状态)下的振荡。此时，考虑在与正方晶格平行的面内存在电场这样的TE模式时，像这样晶格间隔与波长相等的驻波状态由于正方晶格的对称性存在4个模式。本实施方式中，在以该4个驻波状态中的任一模式振荡的情况下能够同样地获得期望的光束图案。
另外，上述的相位调制层15A内的驻波被孔形状散射，并且在面垂直方向上获得的波面被位相调制，由此获得期望的光束图案。该光束图案不只是一对单峰光束(斑点)，如前所述，也能够为文字形状、2个以上的相同形状斑点组，或位相、强度分布在空间上不均匀的矢量光束等。
另外，优选基本层15a的折射率为3.0～3.5，异折射率要素15b的折射率为1.0～3.4。此外，基本层15a的孔内的各异折射率要素15b的平均半径在940nm带的情况下，例如为20nm～120nm。通过各异折射率要素15b的大小发生变化，向Z轴方向的衍射强度发生变化。该衍射效率与将异折射率要素15b的形状傅立叶变换时的以一次系数表示的光耦合系数κ1成比例。光耦合系数例如记载于上述非专利文献3。
由以上说明的本实施方式的半导体发光元件1A获得的效果如下所述。本实施方式中，设置于1个单位构成区域R的N个异折射率要素15b的各重心G1离开假想的正方晶格的对应的晶格点O地配置，并且绕该晶格点O具有与光像相应的旋转角度。根据这样的结构，能够沿着与半导体基板10的主面10a的法线方向交叉的倾斜方向输出形成任意形状的光像的光。此外，本实施方式中，N个异折射率要素15b的各重心G1与对应的晶格点O的距离r1大于晶格间隔a的0.30倍且为0.50倍以下。如利用图13和图14所说明，通过距离r1包含于这样的范围内，能够有效地降低S-iPM激光器的输出中包含的0次光。进一步，在本实施方式中，由N个异折射率要素15b整体规定的重心G2与对应的晶格点O的距离r2大于0且为晶格间隔a的0.30倍以下。如上所述，通过距离r2包含于这样的范围内，能够提供输出光束图案的S/N比降低的实用的S-iPM激光器。此外，通过距离r2大于0，即，使晶格点O和重心G2不一致，能够抑制1次光由于消失性干涉而彼此削弱。
此外，如上所述，距离r1也可以为晶格间隔a的0.38倍。如利用图13和图14所说明，通过距离r1为晶格间隔a的0.38倍，能够使S-iPM激光器的输出中包含的0次光几乎接近零。
此外，如上所述，在各单位构成区域R中设置有2个异折射率要素15b的情况下，2个异折射率要素15b的各重心G1也可以配置在关于对应的晶格点O非点对称的位置。通过例如这样的结构，能够将由N个异折射率要素15b规定的重心G2离开对应的晶格点O地配置。
(第一变形例)
图15是表示上述实施方式的变形例涉及的相位调制层15B的俯视图。图15所示的单位构成区域R的设定与图4中的设定相同。图16是将相位调制层15B放大表示的图，表示某一个单位构成区域R。其他单位构成区域R的结构也与此同样。上述实施方式的相位调制层15A也可以置换为本变形例的相位调制层15B。
图15和图16中，在各单位构成区域R中示例N＝3的情况。而且，与上述的实施方式同样，各异折射率要素15b的重心G1与对应的晶格点O的距离r1分别对N个异折射率要素15b彼此相等。换言之，3个异折射率要素15b的各重心G1位于以对应的晶格点O为中心的半径r1的圆上。而且，在N≥3的情况下，N个异折射率要素15b的各重心G1绕对应的晶格点O以彼此不同的间隔配置。即，在1个单位构成区域R内，将晶格点O和3个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量彼此成与(360/N)°不同的角度。这是因为，由N个异折射率要素15b整体规定的重心G2与晶格点O不重叠(即距离r2大于0)。另外，本变形例中，N个异折射率要素15b的俯视形状既可以彼此相同(例如圆形)，也可以彼此不同。不过，N个异折射率要素15b的X-Y平面上的面积彼此相等。
即使为本变形例这样的相位调制层的结构，也能够适宜地获得上述实施方式的效果。此外，也可以如本变形例这样，分别在构成假想的正方晶格的单位构成区域R(晶格点O位于中心)设置3个以上的异折射率要素15b。由此，能够将1个异折射率要素15b的面积抑制得小。而且，也能够期待抑制制作时误差等所致的异折射率要素15b的扩展引起的、与相邻的单位构成要素中的异折射率要素15b的合体的效果。
(第二变形例)
图17和图18是将上述实施方式的变形例涉及的相位调制层放大表示的俯视图，表示某一个单位构成区域R。另外，其他单位构成区域R的结构也与此相同。
本变形例中，设置于各个单位构成区域R的N个异折射率要素15b中的至少2个异折射率要素15b的X-Y平面内的面积彼此不同。图17中，作为一例，示出在各单位构成区域R内设置2个异折射率要素15b，这些异折射率要素15b的面积彼此不同的例子。此外，图18中，作为另一个例子，示出在各单位构成区域R内设置3个异折射率要素15b，这些异折射率要素15b的面积彼此不同的情况。
通过像这样异折射率要素15b的面积彼此不同，能够使由异折射率要素15b整体规定的重心G2与晶格点O不重叠(即距离r2大于0)。N个异折射率要素15b的俯视形状既可以彼此相同(例如圆形)也可以彼此不同。
另外，本变形例中，位于1个单位构成区域R的异折射率要素15b的各重心G1与对应的晶格点O的距离r1也可以对N个异折射率要素15b中的各个异折射率要素15b彼此相等。换言之，N个异折射率要素15b的各重心G1也可以位于将对应的晶格点O作为中心的半径r1的圆上。而且，在N＝2的情况下，N个异折射率要素15b的各重心G1也可以配置在关于对应的晶格点O点对称的位置。即，将晶格点O与一个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量，和将晶格点O与另一个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量也可以彼此成180°。此外，在N≥3的情况下，N个异折射率要素15b的各重心G1也可以绕对应的晶格点O以等间隔配置。即，将晶格点O与异折射率要素15b各自的重心G1连接的矢量也可以彼此成(360/N)°。
(第三变形例)
图19和图20是将上述实施方式的变形例涉及的相位调制层放大表示的俯视图，表示某一个单位构成区域R。另外，其他单位构成区域R的结构也与此相同。
本变形例中，设置于各单位构成区域R的N个异折射率要素15b中的至少2个异折射率要素15b的重心G1与晶格点O的距离r1彼此不同。图19中，作为一例，示出在各单位构成区域R设置2个异折射率要素15b，这些异折射率要素15b的重心G1与晶格点O的距离r1彼此不同的情况。此外，在图20中，作为另一个例子，示出在各单位构成区域R设置3个异折射率要素15b，这些异折射率要素15b的重心G1与晶格点O的距离r1彼此不同的情况。换言之，在1个单位构成区域R中，N个异折射率要素15b的各重心G1分别位于将对应的晶格点O作为中心且具有彼此不同的半径的圆上。
像这样，通过1个单位构成区域R内的N个异折射率要素15b中的至少2个异折射率要素15b的重心G1与对应的晶格点O的距离r1彼此不同，能够使得由异折射率要素15b整体规定的重心G2与对应的晶格点O不重叠(即距离r2大于0)。特别是，通过以N个异折射率要素15b各自的与晶格点O的距离r1的平均接近0.38a的方式设定该距离r1，相互消除彼此的0次光，因此更加优选。
N个异折射率要素15b的俯视形状既可以彼此相同(例如圆形)，也可以彼此不同。其中，N个异折射率要素15b在X-Y平面的面积彼此相等。此外，在N＝2的情况下，将晶格点O与一个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量，和将晶格点O与另一个异折射率要素15b的重心G1连接的矢量，也可以彼此成180°。此外，在N≥3的情况下，将晶格点O与异折射率要素15b各自的重心G1连接的矢量也可以彼此成(360/N)°。
(第四变形例)
图21和图22是表示各异折射率要素15b的X-Y平面内的形状的例子的俯视图。上述实施方式和各变形例中，示出X-Y平面内的异折射率要素15b的形状为圆形的例子。但是，异折射率要素15b也可以具有圆形以外的形状。例如，XY平面内的异折射率要素15b的形状也可以具有镜像对称性(线对称性)。此处，镜像对称性(线对称性)是指，夹着沿着X-Y平面的某直线，位于该直线的一侧的异折射率要素15b的俯视形状，和位于该直线的另一侧的异折射率要素15b的俯视形状彼此能够成为镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的形状，可以举出例如图21的(a)所示的正圆、图21的(b)所示的正方形、图21的(c)所示的正六边形、图21的(d)所示的正八边形、图21的(e)所示的正十六边形、图21的(f)所示的长方形和图21的(g)所示的椭圆等。像这样，X-Y平面内的异折射率要素15b的形状具有镜像对称性(线对称性)。在此情况下，在相位调制层15A的假想的正方晶格的单位构成区域R中的各个单位构成区域R中，为简单的形状，因此能够自晶格点O高精度地确定对应的异折射率要素15b的重心G1的方向和位置，因而能够实现高精度的图案化。
此外，X-Y平面内中的异折射率要素15b的形状也可以为不具有180°的旋转对称性的形状。作为这样的形状，可以举出例如图22的(a)所示的正三角形、图22的(b)所示的等腰直角三角形、图22的(c)所示的2个圆或椭圆的一部分重叠的形状、图22的(d)所示的蛋形形状、图22的(e)所示的泪型形状、图22的(f)所示的等腰三角形、图22的(g)所示的箭头型形状、图22的(h)所示的梯形、图22的(i)所示的五边形、图22的(j)所示的2个矩形的一部分彼此重叠的形状、图22的(k)所示的2个矩形的一部分彼此重叠且不具有镜像对称性的形状等。另外，蛋形形状是以沿着椭圆的长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的短轴方向的尺寸的方式变形的形状。泪型形状是将沿着椭圆的长轴的一个端部变形为沿着长轴方向突出的尖的端部的形状。箭头型形状是矩形的一边呈三角形状凹陷，其相对的一边呈三角形状尖出的形状。像这样，通过X-Y平面内的异折射率要素15b的形状不具有180°的旋转对称性，能够获得更高的光输出。
图23是表示X-Y平面内的异折射率要素(由配置在1个单位构成区域R内的多个异折射率要素构成)的形状的另一个例子的俯视图。该例子中，还设置多个异折射率要素15b之外的多个异折射率要素15c。各异折射率要素15c由具有与基本层15a(第一折射率介质)的折射率不同的折射率的第二折射率介质构成。异折射率要素15c与异折射率要素15b同样，既可以为空孔，也可以在空孔中埋入化合物半导体而构成。异折射率要素15c分别与异折射率要素15b一对一地对应设置。而且，使异折射率要素15b和异折射率要素15c合起来而得到的重心相当于上述的重心G1(各异折射率要素的重心)。另外，任一异折射率要素15b、15c都包含在构成假想的正方晶格的单位构成区域R的范围内。单位构成区域R成为由将假想的正方晶格的晶格点间二等分的直线包围的区域。
异折射率要素15c的俯视形状例如为圆形，但与异折射率要素15b同样地，能够具有各种形状。图23的(a)～图23的(k)中示出异折射率要素15b、15c的X-Y平面内的形状和相对关系的例子。图23的(a)和图23的(b)示出异折射率要素15b、15c具有相同形状的图形的形态。图23的(c)和图23的(d)示出异折射率要素15b、15c具有相同形状的图形且彼此的一部分彼此重叠的形态。图23的(e)示出异折射率要素15b、15c具有相同形状的图形且异折射率要素15b、15c彼此旋转后的形态。图23的(f)示出异折射率要素15b、15c具有彼此不同的形状的图形的形态。图23的(g)示出异折射率要素15b、15c具有彼此不同的形状的图形且异折射率要素15b、15c彼此旋转后的形态。
此外，也可以如图23的(h)～图23的(k)所示，异折射率要素15b包含彼此隔开间隔的2个区域15b1、15b2地构成。而且，使要素15b1、15b2合起来而得到的重心(相当于单一异折射率要素15b的重心)与异折射率要素15c的重心的距离也可以在单位构成区域R内任意地设定。此外，在此情况下，也可以如图23的(h)所示，要素15b1、15b2和异折射率要素15c具有彼此相同的形状的图形。此外，也可以如图23的(i)所示，要素15b1、15b2和异折射率要素15c中的2个图形与其他不同。此外，也可以如图23的(j)所示，除了将要素15b1、15b2连接的直线的相对于X轴的角度之外，异折射率要素15c的相对于X轴的角度在单位构成区域R内任意地设定。此外，也可以如图23的(k)所示，保持要素15b1、15b2和异折射率要素15c维持彼此相同的相对角度的状态，将要素15b1、15b2连接的直线相对于X轴的角度在单位构成区域R内任意地设定。
异折射率要素的X-Y平面内的形状在单位构成区域R间也可以彼此相同。即，也可以为，异折射率要素在所有的单位构成区域R中具有同一图形，通过平移操作或平移操作和旋转操作，能够在单位构成区域R间彼此重叠。此外，异折射率要素的X-Y平面内的形状可以在单位构成区域R间不一定相同，也可以在相邻的单位构成区域R间，形状彼此不同。
本实施方式涉及的发光装置不限于上述实施方式，其他能够进行各种变形。例如，上述实施方式中，示例由GaAs类、InP类和氮化物类(特别是GaN类)的化合物半导体构成的激光器元件，但本实施方式能够应用于由这以外的各种半导体材料构成的激光器元件。
此外，上述的实施方式中，说明了设置在与相位调制层共同的半导体基板上的活性层作为发光部起作用的例子，但本实施方式中，发光部也可以以与半导体基板分离的状态设置。发光部只要为与相位调制层光学耦合且向相位调制层供给光的结构要素，即使为这样的结构，也能够适当地获得与上述实施方式相同的效果。
附图标记说明
1A…半导体发光元件，10…半导体基板，10a…主面，10b…背面，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…异折射率要素，16、17…电极，17a…开口，18…保护膜，19…反射防止膜，B1、B2…光像部分，B3…0次光，G1、G2…重心，O…晶格点，PR、PL、PU、PD…基本光波，R…单位构成区域。
Claims (9)
1.一种发光装置，其沿着基板的主面的法线方向、与所述法线方向交叉的倾斜方向或所述法线方向和所述倾斜方向这两者，输出形成光像的光，该发光装置的特征在于，具备：
发光部；和
设置在所述基板上且与所述发光部光学耦合的相位调制层，
所述相位调制层具有：基本层；和分别具有与所述基本层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
由与所述法线方向一致的Z轴和与包含所述多个异折射率区域的所述相位调制层的一个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，在所述X-Y平面上，设定由分别具有正方形状的M1×N1个单位构成区域R构成的假想的正方晶格，并且由X轴方向的坐标成分x和Y轴方向的坐标成分y确定的单位构成区域R(x，y)设定在所述X-Y平面上时，
在所述单位构成区域R(x，y)中，构成位于所述单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域的多个异折射率要素的各重心G1离开成为所述单位构成区域R(x，y)的中心的晶格点O(x，y)的状态下，从所述晶格点O(x，y)延伸至由位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述多个异折射率要素整体规定的重心G2的第一线段，与通过所述晶格点O(x，y)且与所述X轴方向或所述Y轴方向平行的第二线段所成的角度，以输出形成所述光像的光的方式设定，
从所述晶格点O(x，y)至位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述多个异折射率要素的各重心G1的距离，大于所述假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍且为0.50倍以下，
从所述晶格点O(x，y)至由位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述多个异折射率要素整体规定的重心G2的距离，大于0且为所述假想的正方晶格的晶格间隔的0.30倍以下，
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。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述异折射率区域，包含分别具有彼此不同的面积的至少2个异折射率要素，作为所述多个异折射率要素。
3.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
从所述晶格点O(x，y)至位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述多个异折射率要素的重心G1的各个距离，彼此不同。
4.如权利要求2所述的发光装置，其特征在于：
从所述晶格点O(x，y)至位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述多个异折射率要素的重心G1的各个距离，彼此不同。
5.如权利要求1至4中任一项所述的发光装置，其特征在于：
位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述异折射率区域，包含不满足关于所述晶格点O(x，y)点对称的关系地配置的2个异折射率要素，作为所述多个异折射率要素。
6.如权利要求1至4中任一项所述的发光装置，其特征在于：
位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述异折射率区域，包含3个以上的异折射率要素，作为所述多个异折射率要素。
7.如权利要求1至4中任一项所述的发光装置，其特征在于：
从所述晶格点O(x，y)至位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述异折射率要素的各重心G1的距离，为所述假想的正方晶格的晶格间隔的0.38倍。
8.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于：
从所述晶格点O(x，y)至位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述异折射率要素的各重心G1的距离，为所述假想的正方晶格的晶格间隔的0.38倍。
9.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于：
从所述晶格点O(x，y)至位于所述单位构成区域R(x，y)内的所述异折射率要素的各重心G1的距离，为所述假想的正方晶格的晶格间隔的0.38倍。
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