CN115668670A - 光学器件和发光器件 - Google Patents

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泷口优
伊藤昭生
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山中孝彦
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Abstract

一个实施方式的光学器件包括能够输出可见区域这样的短波长区域的光的结构。该光学器件包括UC层、第1光限制层、第2光限制层和共振模式形成层。UC层包含接收第1波长区域的激发光并输出比第1波长区域短的第2波长区域的光的上转换材料。第1光限制层具有将第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性。第2光限制层具有将第2波长区域的光的一部分反射并使剩余部分透过的光反射特性，并且以UC层位于第1及第2光限制层之间的方式配置。共振模式层设置于UC层与第1光限制层之间、或UC层与第2光限制层之间，包括基本层和多个不同折射率区域，且形成第2波长区域的光的共振模式。

Description

光学器件和发光器件
技术领域
本发明涉及光学器件和发光器件。
本申请主张于2020年5月29日申请的日本专利申请第2020-094937号的优先权，依据其内容并且将其整体参照并引入本说明书。
背景技术
在专利文献1中公开了涉及半导体发光器件的技术。该半导体发光器件包括：设置于基板的主面上的第1导电类型半导体层和第2导电类型半导体层；被第1导电类型半导体层和第2导电类型半导体层夹持并在被注入载流子时产生光的活性层；设置于与基板的主面平行的基准面上，定义应当在活性层中产生的光的波长的二维衍射晶格；和与基板的主面平行地设置且放出在活性层中产生的光的光放出面。二维衍射晶格例如具有以在具有第1折射率的介质内构成二维衍射晶格的方式设置的第2折射率的部分，第1折射率大于第2折射率。二维衍射晶格例如是三角晶格和正方晶格的任一者。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2000-332351号公报
非专利文献
非专利文献1:Jing Zhou et al.,"Upconversion Luminescent Materials:Advances and Applications",Chemical Reviews,115,pp.395-465,(2015)
非专利文献1: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)
发明内容
发明所要解决的技术问题
发明人们对上述的现有技术进行了研究，其结果，发现了以下所述的技术问题。即，在与基板的主面交叉的方向上输出激光的面发光型的发光元件中，在沿基板的主面的方向上形成共振模式的层(例如光子晶体层，下面称为“PC层”)有时设置于活性层的附近。但是，例如在绿色区域或蓝色区域等比较短的波长区域中，现状是不能实现实用的光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件(Static-iPMSEL)。
具体而言，在主要包括GaAs系半导体的发光元件的情况下，其发光波长例如为近红外区域，实现了具有实用的光输出特性(例如低的阈值电流值)的发光元件。但是，例如在主要包含GaN等氮化物半导体的发光元件的情况下，虽然其发光波长例如为绿色区域～蓝色区域，但是因材料的特性而使得形成共振模式的层的光限制系数过小，因此至今还没有实现具有实用的光输出特性的光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件。为了使可见区域中的颜色显示丰富，希望实现能够输出波长比红色区域短的例如绿色区域～蓝色区域的光的实用的光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件。
本发明是为了解决上述那样的技术问题而完成的，其目的在于，提供作为能够输出例如绿色区域或蓝色区域这样的比较短的波长区域的光的实用的光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件的光学器件和包括该光学器件的发光器件。作为一个例子，其目的在于，提供在作为激发光源的光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件应用了上述光学器件的发光器件。
解决问题的技术手段
本发明的光学器件包括上转换层(下面称为“UC层”)、第1光限制层(多层层叠结构的光反射层或单层)、第2光限制层(多层层叠结构的光反射层或单层)和共振模式形成层。UC层包含接收第1波长区域所包含的激发光并输出比该第1波长区域短的第2波长区域的光的上转换材料。第1光限制层具有将第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性。第2光限制层具有将第2波长区域的光的一部分反射，使剩余部分透过的光反射特性。此外，第2光限制层以UC层位于第1光限制层与该第2光限制层之间的方式配置。即，第2光限制层相对于UC层配置于第1光限制层的相反侧。共振模式形成层设置于第1光限制层与UC层之间、或者第2光限制层与UC层之间。共振模式层包括：基本层；和具有与该基本层的折射率不同的折射率，并且在与该共振模式形成层的厚度方向垂直的基准面上呈二维状分布的多个不同折射率区域。由此，共振模式形成层沿基准面形成第2波长区域的光的共振模式。
发明的效果
根据本发明的发光器件等，能够提供能够输出例如可见区域这样的比较短的波长区域的光的实用的光子晶体面发光激光器等。
附图说明
图1是表示第1实施方式的发光器件的截面结构的图。
图2是PC层的俯视图。
图3(a)～图3(g)是表示不同折射率区域的形状的例子的图(其1)。
图4(a)～图4(k)是表示不同折射率区域的形状的例子的图(其2)。
图5(a)～图5(k)是表示不同折射率区域的形状的例子的图(其3)。
图6是表示第2实施方式的发光器件的截面结构的图。
图7是相位调制层的俯视图。
图8是将相位调制层的一部分放大表示的图。
图9是用于说明光学器件的输出光束图案进行成像而得到的光学图像与相位调制层中的旋转角度分布的关系的图。
图10是用于说明从球面坐标向XYZ直角坐标系中的坐标的坐标转换的图。
图11是表示仅在相位调制层的特定区域内应用了图7的折射率结构的例子的俯视图。
图12(a)和图12(b)是用于说明在决定各个不同折射率区域的配置时使用常用离散傅立叶变换(或快速傅立叶变换)进行计算的情况下的注意点的图。
图13(a)～图13(d)是表示从近红外波段的GaAs系S-iPM激光器输出的光束图案(光学图像)的例子的图。
图14是第3实施方式的光学器件所具有的作为共振模式形成层的相位调制层的俯视图。
图15是表示相位调制层中的不同折射率区域的位置关系的图。
图16是表示第1变形例的发光器件的截面结构的图。
图17是表示第2变形例的发光器件的制造工序的截面图。
图18是表示第3变形例的发光器件的截面结构的图。
图19是表示第4变形例的发光器件的截面结构的图。
图20是表示第5变形例的发光器件的制造工序的截面图。
图21是表示第6变形例的发光器件的截面结构的图。
图22是表示第7变形例的发光器件的截面结构的图。
图23是表示第8变形例的发光器件的截面结构的图。
图24是表示关于在Γ点振荡的PCSEL的PC层的倒晶格空间的俯视图。
图25是立体地观察图24所示的倒晶格空间的立体图。
图26是表示关于在M点振荡的PCSEL的PC层的倒晶格空间的俯视图。
图27是表示关于在Γ点振荡的S-iPM激光器的相位调制层的倒晶格空间的俯视图。
图28是立体地观察图13所示的倒晶格空间的立体图。
图29是表示关于在M点振荡的S-iPM激光器的相位调制层的倒晶格空间的俯视图。
图30是用于说明对面内波数矢量施加具有某一定的大小和朝向的衍射矢量的操作的概念图。
图31是用于示意性地说明光线(light line)的周边结构的图。
图32是概念性地表示旋转角度分布的一个例子的图。
图33是表示相位调制层的旋转角度分布的例子的图。
图34是将图33所示的部分S放大地表示的图。
图35表示从具有图33所示的旋转角度分布的半导体发光元件输出的光束图案(光学图像)。
图36是图35所示的光束图案的示意图。
图37(a)是光束图案的示意图，图37(b)是表示光束图案的相位分布的图。
图38(a)是光束图案的示意图，图38(b)是表示光束图案的相位分布的图。
图39(a)是光束图案的示意图，图39(b)是表示光束图案的相位分布的图。
图40是用于将第4实施方式的发光器件的截面结构一边与第1实施方式的发光器件比较一边进行说明的概略图。
图41是用于说明第4实施方式的发光器件的第1制造方法(单元组装型)中的激发光源(光源部)的制造工序的图。
图42(a)和图42(b)是用于说明第1制造方法中向基台的激发光源的安装工序的图。
图43(a)和图43(b)是用于说明第1制造方法中的光学器件(共振器部)制造工序的图，图43(c)是用于说明第1制造方法中向已经安装了激发光源的基台的光学器件的安装工序的图。
图44(a)是通过第1制造方法(单元组装型)制造的发光器件的俯视图，图44(b)是沿图44(a)中所示的箭头I-I线的发光器件的截面图。
图45(a)是通过第1制造方法制造的具有第1结构的光限制层的发光器件的截面图，图45(b)是通过第1制造方法制造的具有第2结构的光限制层的发光器件的截面图。
图46(a)是通过第1制造方法制造的具有第3结构的光限制层的发光器件的截面图，图46(b)是通过第1制造方法制造的具有第4结构的光限制层的发光器件的截面图。
图47是用于说明光学器件(共振器部模型)的设计方针的图。
图48是关于具有图47所示的截面结构的光学器件的PC层的各种孔形状，表示傅立叶系数与FF值的关系的曲线图。
图49(a)和图49(b)表示能够分别增大衍射强度κ2，0和分布比例ΓUC的截面结构的一个例子，图49(c)是对于图49(a)和图49(b)所示的截面结构的光学器件，表示衍射强度κ2，0和分布比例ΓUC的计算结果的表，图49(d)和图49(e)是用于说明计算中使用的孔形状的图。
图50(a)表示为了研究UC层的厚度依赖性而准备的光学器件的截面结构的一个例子，图50(b)表示用于研究的孔形状，图50(c)～图50(f)是表示衍射强度κ2，0、分布比例ΓPC、分布比例ΓUC和有效折射率neff各自的计算结果的表。
图51是对于具有图50(a)所示的截面结构的光学器件，汇总光限制层的厚度相对于PC层的厚度的依赖性而得的表。
图52(a)表示为了研究而准备的光学器件的截面结构的一个例子，图52(b)～图52(e)是表示衍射强度κ2，0、分布比例ΓPC、分布比例ΓUC和有效折射率neff各自的计算结果的表。
图53(a)是通过第4实施方式的发光器件的第2制造方法(上转换材料注入型)制造的、具有第1结构的光限制层的发光器件的截面图，图53(b)是通过第2制造方法制造的、具有第2结构的光限制层的发光器件的截面图。
图54(a)是通过第2制造方法制造的、具有第3结构的光限制层的发光器件的截面图，图54(b)是通过第2制造方法制造的、具有第4结构的光限制层的发光器件的截面图。
图55(a)～图55(d)是用于作为一个例子来说明图54(a)所示的具有第3结构的光限制层的发光器件的制造工序的图(其1)。
图56(a)～图56(d)是用于作为一个例子来说明图54(a)所示的具有第3结构的光限制层的发光器件的制造工序的图(其2)。
图57(a)～图57(d)是用于作为一个例子来说明图54(a)所示的具有第3结构的光限制层的发光器件的制造工序的图(其3)。
图58(a)～图58(d)是用于作为一个例子来说明图54(a)所示的具有第3结构的光限制层的发光器件的制造工序的图(其4)。
具体实施方式
[本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加以说明。
(1)作为本实施方式的一个方式，本发明的光学器件包括UC层(上转换层)、第1光限制层(反射层或单层)、第2光限制层(反射层或单层)和共振模式形成层。UC层包含接收第1波长区域所包含的激发光并输出比该第1波长区域短的第2波长区域的光的上转换材料。第1光限制层具有将第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性。第2光限制层具有将第2波长区域的光的一部分反射，使剩余部分透过的光反射特性。此外，第2光限制层以UC层位于第1光限制层与该第2光限制层之间的方式配置。即，第2光限制层相对于UC层配置于第1光限制层的相反侧。共振模式形成层设置于第1光限制层与UC层之间、或者第2光限制层与UC层之间。共振模式层包括：基本层；和具有与该基本层的折射率不同的折射率，并且在与该共振模式形成层的厚度方向垂直的基准面上呈二维状分布的多个不同折射率区域。由此，共振模式形成层沿基准面形成第2波长区域的光的共振模式。
所谓上转换材料，是具有将近红外光等长波长的低能光转换成更短波长的高能光的作用的材料。在该光学器件中，当UC层接收第1波长区域(例如近红外区域)所包含的激发光时，在该UC层中产生比第1波长区域短的第2波长区域(例如红色区域、绿色区域或蓝色区域等可见区域)的光。该第2波长区域的光被限制在第1光限制层与第2光限制层之间且接受基于共振模式形成层的衍射。在共振模式形成层中，沿与共振模式形成层的厚度方向垂直的基准上的规定方向(面内方向)形成共振模式，生成与多个不同折射率区域的配置相应的模式的激光。激光在共振模式形成层的厚度方向上行进，通过第2光反射层而向光学器件的外部输出。
这样，根据上述的光学器件，能够基于较长波长的激发光输出较短波长的激光。此外，在共振模式形成层不需要使用GaN等氮化物半导体，共振模式形成层的材料选择的自由度高。因此，也容易提高共振模式形成层的光限制系数。因此，根据本发明的光学器件，能够提供能够输出例如可见区域等较短的波长区域的光的实用的光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件(Static-iPMSEL)。
其中，第1和第2光限制层各自既可以是具有电介质多层膜等多层层叠结构的光反射层，也可以是由至少沿该光限制层的厚度方向(从第1光限制层朝向第2光限制层的方向)具有实质上均匀的折射率分布并且具有比UC层的折射率低的折射率的单一材料构成的单层。此外，也可以在具有单层结构的光限制层的内部或表面区域，埋入共振模式形成层。具体而言，在为第2光限制层包含共振模式形成层的结构的情况下，作为本发明的一个方式，该第2光限制层具有包含朝向UC层的层面的该第2光限制层的一部分构成基本层并且在该层面上设置有用于定义多个不同折射率区域的多个凹部的单层结构。
(2)作为第2光限制层具有埋入了共振模式形成层的单层结构的、本实施方式的一个方式，该光学器件也与上述方式同样地包括UC层、第1光限制层(单层)、第2光限制层(反射层或单层)和共振模式形成层。UC层接收第1波长区域的激发光并输出比该第1波长区域短的第2波长区域的光。第1光限制层具有将第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性。第2光限制层具有将第2波长区域的光的一部分反射，而使剩余部分透过的光反射特性。此外，第2光限制层以UC层位于第1光限制层与该第2光限制层之间的方式配置，并且具有在其内部形成有第2波长区域的光的共振模式的单层结构。共振模式形成层形成第2波长区域的光的共振模式。具体而言，共振模式形成层包括：设置于朝向UC层的第2光限制层的层面所位于的一侧并且构成第2光限制层的一部分的基本层；和由在第2光限制层的层面上呈二维状分布的多个凹部定义并且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。
(3)作为本发明的一个方式，共振模式形成层也可以是多个不同折射率区域周期性地排列的PC层(光子晶体层)。在此情况下，从UC层输出的第2波长区域的光被限制在第1光限制层与第2光限制层之间并接受基于PC层的衍射。在PC层中，沿与该PC层的厚度方向垂直的基准面上的规定方向(面内方向)形成共振模式，光以与多个不同折射率区域的排列周期相应的波长进行振荡，生成激光。例如，在正方晶格晶体中令排列周期为光的1个波长的长度的情况下，激光的一部分在PC层的厚度方向上被衍射，通过第2光反射层而向该光学器件的外部输出。其中，在共振模式形成层，除了PC层之外，还能够应用相位调制层等。
(4)该光学器件也可以是输出光学图像的光学器件(例如相位调制发光元件)。即，作为本发明的一个方式，也可以是在设定于应当形成有多个不同折射率区域的基准面上的假想的正方晶格中，多个不同折射率区域各自配置成，在其重心与假想的正方晶格的晶格点中的对应的晶格点隔开的状态下，连结该重心和对应的晶格点的线段相对于假想的正方晶格具有与光学图像相应的旋转角度。在此情况下，从UC层输出的第2波长区域的光被限制在第1光限制层与第2光限制层之间并接受基于共振模式形成层的衍射。在共振模式形成层中，多个不同折射率区域的重心在假想的正方晶格的晶格点周围具有按每个不同折射率区域设定的旋转角度。在这样的情况下，与多个不同折射率区域的重心位于正方晶格的晶格点上的情况比较，在共振模式形成层的厚度方向(换言之，与光学器件的光输出面垂直的方向)上输出的光，即0次光的光强度减小，在相对于该方向倾斜的方向上输出的高次光，例如+1次光和-1次光的光强度增加。再有，各不同折射率区域的重心的晶格点周围的旋转角度根据光学图像被个别地设定，由此，能够按每个不同折射率区域独立地调制光的相位并输出第2波长区域的任意形状的光学图像。
(5)该光学器件也可以是输出光学图像的光学器件(例如相位调制发光元件)。作为本发明的一个方式，也可以是在设定于应当形成有多个不同折射率区域的基准面上的假想的正方晶格中，多个不同折射率区域各自的重心位置是，该重心位于通过假想的正方晶格的晶格点中的对应的晶格点并且相对于正方晶格倾斜的直线上，并且该重心与对应的晶格点的距离根据光学图像被个别地设定。从UC层输出的第2波长区域的光被限制在第1光限制层与第2光限制层之间并接受基于共振模式形成层的衍射。在共振模式形成层中，多个不同折射率区域的重心配置于通过假想的正方晶格的晶格点并且相对于正方晶格倾斜的直线上。在这样的情况下，在与光输出面垂直的方向上输出的光(0次光)的光强度减小，在相对于该方向倾斜的方向上被输出的、例如+1次光和-1次光等高次光的光强度增加。再有，各不同折射率区域的重心与对应的晶格点的距离根据光学图像被个别地设定，由此，能够按每个不同折射率区域独立地调制光的相位并输出第2波长区域的任意形状的光学图像。
(6)作为本发明的一个方式，也可以还包括：相对于第2光限制层配置于UC层的相反侧的衍射光学元件(DOE：Diffractive Optical Element)(即，第2光限制层位于衍射光学元件与UC层之间)。在此情况下，通过在衍射光学元件中事先形成基于任意形状的光学图像的相位分布，能够将通过了第2光限制层(输出)的第2波长区域的激光转换成任意形状的光学图像。因此，能够输出第2波长区域的任意形状的光学图像。
(7)作为本发明的一个方式，也可以还包括：相对于第2光限制层配置于UC层的相反侧的空间光调制器(即，第2光限制层位于空间光调制器与UC层之间)。在此情况下，通过在空间光调制器中呈现基于任意形状的光学图像的相位图案，能够将通过第2光限制层而输出的第2波长区域的激光转换成任意形状的光学图像。因此，能够输出第2波长区域的任意形状的光学图像。
(8)作为本发明的一个方式，也可以还包括：相对于第2光限制层配置于UC层的相反侧的分色镜(即，第2光限制层位于分色镜与UC层之间)。分色镜为，第2波长区域中的光透过率大于第1波长区域中的光透过率。在此情况下，即使激发光的一部分不被UC层吸收地通过第2光限制层而与第2波长区域的光混合，也由于该激发光相比于第2波长区域的光不容易通过分色镜，所以在通过分色镜后的光中激发光的成分减少。因此，能够抑制激发光混入从该光学器件输出的第2波长区域的光。
(9)作为本发明的一个方式，也可以是第1波长区域为近红外区域，第2波长区域为可见区域。如上所述，近红外区域的光能够通过例如主要包含GaAs系半导体的发光器件容易地得到。相对于此，可见区域尤其是绿色区域～蓝色区域的光，虽然能够通过例如主要包含GaN等的氮化物半导体的发光器件得到，但是因材料的特性，在光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件中难以获得实用的光输出特性。对此，根据本发明的光学器件，不需要在共振模式形成层使用GaN等氮化物半导体，共振模式形成层的材料选择的自由度高。因此，能够提供能够输出可见区域的光的实用的光子晶体面发光激光器及相位调制发光元件。由此，能够使可见区域中的颜色显示丰富。
(10)此外，本发明的发光器件，作为其一个方式，包括：包括上述的结构的光学器件；和经由第1光限制层与该光学器件一体化的激发光源。通过该结构，从激发光源输出的激发光能够被供给至UC层。根据该发光器件，能够提供能够输出例如可见区域之类的比较短的波长区域的光的实用的面发光型的自发光器件。
(11)作为本发明的一个方式，激发光源也可以还包括相对于第1光限制层配置于UC层的相反侧的光子晶体面发光激光器(即，第1光限制层配置于UC层与光子晶体面发光激光器之间)。此外，优选第1光限制层的第1波长区域中的光透过率大于该第1光限制层的第2波长区域中的光透过率。在此情况下，从光子晶体面发光激光器输出的激发光通过第1光限制层后被供给至UC层。因此，能够从光学器件适当地输出第2波长区域的光。此外，根据该发光器件，在光子晶体面发光激光器的光输出面上使层叠方向相同地形成光学器件，因此能够容易地制造光学器件和激发光源为一体的发光器件。
(12)作为本发明的一个方式，在光子晶体面发光激光器或相位调制发光元件中，为了抑制区域端上的反射而设置有比发光区域大的PC层。在此情况下，在上述的发光器件中，从光子晶体面发光激光器的层叠方向观察的、光子晶体面发光激光器的PC层的面积，比从光学器件的层叠方向观察的UC层的面积大。再有，在此情况下，作为本发明的一个方式，光子晶体面发光激光器包括半导体基板、半导体层叠体、第1电极和第2电极。半导体基板具有主面和背面。半导体层叠体设置于半导体基板的主面上，包括活性层和PC层。第1电极由金属材料构成，设置于半导体基板的背面上。第2电极设置于半导体层叠体上。于是，也可以是第1电极具有用于使激发光通过的开口部，第1光限制层的至少一部分配置于第1电极的开口部内。通过使设置于半导体基板的背面上的第1电极为金属制，与透明电极相比，能够供给大电流，能够提高光子晶体面发光激光器的发光强度。此外，通过第1光限制层的至少一部分配置于第1电极的开口部内，能够使第1光限制层与半导体基板的背面彼此靠近。此外，在本发明的发光器件中，活性层及PC层、以及相位调制层也可以均由折射率更低的覆盖层夹持上下。由此，能够有效地将光限制于活性层和PC层。
(13)作为本发明的一个方式，激发光源也可以包括：相对于第1光限制层配置于UC层的相反侧的多个光子晶体面发光激光器(即，第1光限制层配置于UC层与多个光子晶体面发光激光器之间)。此外，多个光子晶体面发光激光器沿第1光限制层的表面呈一维状或二维状配置。第1光限制层的第1波长区域中的光透过率比第1光限制层的第2波长区域中的光透过率大。在此情况下，从多个光子晶体面发光激光器输出的激发光通过第1光限制层被供给至UC层，因此能够从光学器件适当地输出第2波长区域的光。此外，根据该发光器件，因为使用呈一维状或二维状排列地配置的多个光子晶体面发光激光器产生激发光，所以能够使从光输出方向观察的光学器件的面积更大。因此，例如，能够使从发光器件输出的光学图像的面积更大。
(14)作为本发明的一个方式，也可以是在设置了多个光子晶体面发光激光器的结构中，各光子晶体面发光激光器包括半导体基板、半导体层叠体、第1电极和第2电极。半导体基板具有主面和背面。半导体层叠体设置于半导体基板的主面上，包括活性层和PC。第1电极设置于半导体基板的背面上，由透明导电膜构成。第2电极设置于半导体层叠体上。此外，激发光透过第1电极而到达第1光限制层。在此情况下，与第1电极为具有开口部的金属电极的情况相比，能够使供给至光子晶体面发光激光器的活性层的电流密度分布接近均匀。因此，能够使与激发光的输出方向垂直的面内的光强度分布接近均匀，能够提高UC层的激发的均匀性。
(15)作为本发明的一个方式，从光子晶体面发光激光器的层叠方向观察的、光子晶体面发光激光器的PC层的面积也可以比从光学器件的层叠方向观察的UC层的面积小。再有，在此情况下，作为本发明的一个方式，光子晶体面发光激光器包括半导体基板、半导体层叠体、第1电极和第2电极。半导体基板具有主面和背面。半导体层叠体设置于半导体基板的主面上，包括活性层和PC层。第1电极设置于半导体基板的主面中不被半导体层叠体覆盖而露出的区域上。第2电极设置于半导体层叠体上。在该结构中，第1光限制层配置于半导体基板的背面上。这样，因为第1电极和第2电极均被配置于半导体基板的主面侧，所以向基台的本发明的发光器件的搭载作业变得容易。此外，作为本发明的一个方式，激发光源也可以包括相对于第1光限制层配置于UC层的相反侧的多个光子晶体面发光激光器(即，第1光限制层配置于UC层与多个光子晶体面发光激光器之间)。此外，多个光子晶体面发光激光器沿第1光限制层的表面呈一维状或二维状配置。第1光限制层的第1波长区域中的光透过率比第1光限制层的第2波长区域中的光透过率大。
以上，该[本发明的实施方式的说明]一栏中列举的各方式能够应用于剩余的所有方式的各个、或者这些剩余的方式的所有组合。
[本发明的实施方式的详情]
以下，参照附图，对本发明的光学器件和发光器件的具体的结构进行详细的说明。还有，本发明不限定于这些例示，意图包括由权利要求书所示且与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。此外，在附图的说明中，对相同的要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是表示本发明的第1实施方式的发光器件1A的结构的截面图。该发光器件1A包括光学器件10A和激发光源20A。激发光源20A产生第1波长区域所包含的激发光。第1波长区域例如是近红外区域(0.75μm～1.4μm)。在一个例子中，激发光的波长为940nm。第1实施方式的光学器件10A和激发光源20A分别是光子晶体面发光激光器(Photonic CrystalSurface Emitting LASER：PCSEL)。光学器件10A从激发光源20A接收激发光，输出比第1波长区域短的第2波长区域的光Lout。第2波长区域包含于可见光区域，例如是红色区域(620nm～750nm)、绿色区域(495nm～570nm)或蓝色区域(450nm～495nm)。以下，对光学器件10A和激发光源20A进行具体的说明。还有，为了容易理解，在图中根据需要定义XYZ直角坐标系。发光器件1A沿与X-Y面平行的基准面上的规定方向(面内方向)形成驻波，使光Lout在与光输出面垂直的方向(Z方向)上输出。
第1实施方式的光学器件10A包括UC层11(上转换层)、PC层12A(光子晶体层)、作为第1光限制层的第1光反射层13和作为第2光限制层的第2光反射层14。这些层与X-Y平面平行，并且沿Z方向(与各层的厚度方向一致)层叠。光Lout通过第2光反射层14(从第2光反射层14输出)。关于上转换材料的详情例如记载在上述非专利文献1中。
根据上述非专利文献1，UC层11是包含上转换材料的层。UC层11可以仅由上转换材料构成，或者也可以是上转换材料在树脂的内部分散地存在。上转换材料是接收第1波长区域所包含的激发光，输出第2波长区域的光的材料。与被高能的(短波长的)光子激发而产生低能的(长波长的)光子的通常的发光现象不同，上转换是被低能的(长波长的)光子激发而产生高能的(短波长的)光子的现象。此外，作为从某波长的光产生更短波长的光的现象，有基于双光子吸收的发光和二次谐波产生，但是上转换与这些现象也不同。
在上转换中存在：基于镧系离子(Er3+，Ho3+，Tm3+等)的上转换和基于所谓的三重态-三重态湮灭(TTA：Triplet-Triplet Annihilation)的上转换。根据上述非专利文献1，现在已知的几乎全部上转换材料，包含镧系离子作为敏化剂和发光剂。这是因为镧系离子的f电子具有大的能级，较多的f电子具有长寿命(～ms)。镧系元素的上转换过程的机制被分类为激发状态的吸收、能量移动上转换和光子雪崩这3个主要的过程。
其中，作为可应用于UC层11的树脂(紫外线硬化树脂)的主原料(上转换材料)，对于光聚合性单体来说，优选选自丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的至少一种。此外，被选择的光聚合性单体也可以是单官能性单体和多官能性单体的任一种。作为单官能性单体，例如能够列举丙烯酸羧基乙酯、丙烯酸异冰酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸硬脂酯、壬基苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯、丙烯酸二环戊烯酯、丙烯酸二环戊烯氧基乙酯、丙烯酸二环戊酯、丙烯酸苄酯、丙烯酸苯氧基乙酯、甲基丙烯酸二环戊烯氧基乙酯、甲基丙烯酸二环戊酯、甲基丙烯酸苄酯、甲基丙烯酸辛酯、2-乙基己基-二甘醇丙烯酸酯等。作为多官能性单体，例如能够列举二甘醇丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇丙烯酸酯、1,9-壬二醇二丙烯酸酯、聚丙二醇二丙烯酸酯、EO改性双酚A二丙烯酸酯、二环戊酯二丙烯酸酯、新戊二醇改性三羟甲基丙烷二丙烯酸酯、4,4'-二丙烯酰氧基芪、二甘醇甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇甲基丙烯酸酯、1,9-壬二醇二甲基丙烯酸酯、二环戊基二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、EO改性双酚A二甲基丙烯酸酯、三(2-丙烯酰氧基乙基)异氰脲酸酯、己内酯改性二季戊四醇六丙烯酸酯等。
作为衍射晶格层的PC层12A作为第1实施方式中的共振模式形成层发挥作用。PC层12A设置于第1光反射层13或第2光反射层14与UC层11之间(在图示例中，设置于第1光反射层13与UC层11之间)。在图示例中，PC层12A与UC层11邻接。
PC层12A包括基本层12a和多个不同折射率区域12b。基本层12a由第1折射率介质构成。多个不同折射率区域12b由具有与第1折射率介质的折射率不同的折射率的第2折射率介质构成，位于基本层12a内。基本层12a例如能够由SiO2这样的无机材料、或树脂等有机材料构成。基本层12a的构成材料可以具有绝缘性，也可以是半导体，还可以具有导电性。不同折射率区域12b可以是空位，也可以是在空位埋入了固体介质的结构。在不同折射率区域12b为空位的情况下，PC层12A也可以在基本层12a上还具有用于覆盖空位的层。该层的构成材料可以与基本层12a的构成材料相同，也可以不同。
多个不同折射率区域12b在与PC层12A的厚度方向(Z方向)垂直的面内(与X-Y面平行的面)呈二维状且周期性地排列。在令有效折射率(等效折射率)为n1的情况下，PC层12A选择的波长λ1(＝a1×n1，a1为晶格间隔)包含在UC层11的发光波长范围内(第2波长区域)。PC层12A在与PC层12A的厚度方向垂直的面上形成波长λ1的光的共振模式。多个不同折射率区域12b的排列周期设定成波长λ1的光进行Γ点振荡或M点振荡。因此，PC层12A能够选择UC层11的发光波长中的波长λ1并向外部输出。
图2是PC层12A的俯视图。这里，在PC层12A，在与X-Y面平行的面(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X轴的多列(x＝0,1,2,3)和沿Y轴的多行(y＝0,1,2)地呈二维状设定。单位构成区域R是由将假想的正方晶格的晶格点间2等分的直线包围的区域。多个不同折射率区域12b在各单位构成区域R内各1个或2个以上的决定的数量地设置。不同折射率区域12b的平面形状例如为圆形。在单位构成区域R(x,y)内，不同折射率区域12b的重心G与晶格点O(x,y)重叠(一致)。其中，多个不同折射率区域12b的周期结构不限于此，例如也可以代替正方晶格而设定三角晶格。
图2表示基准面上的不同折射率区域12b的形状为圆形的例子，但是不同折射率区域12b也可以具有圆形以外的形状。例如，不同折射率区域12b的形状也可以具有镜像对称性(线对称性)。这里，所谓镜像对称性(线对称性)，是指隔着与X-Y平面平行的基准面上的某直线，位于该直线的一侧的不同折射率区域12b的平面形状与位于该直线的另一侧的不同折射率区域12b的平面形状彼此能够为镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的形状的一个例子，例如图3(a)示出了正圆，图3(b)示出了正方形，图3(c)示出了正六边形，图3(d)示出了正八边形，图3(e)示出了正16边形，图3(f)示出了长方形，图3(g)示出了椭圆。
在与X-Y平面平行的基准面上定义的不同折射率区域12b的形状，也可以是不具有180°的旋转对称性的形状。作为这样的形状的一个例子，例如图4(a)示出了正三角形，图4(b)示出了等腰直角三角形，图4(c)示出了2个圆或椭圆的一部分重叠的形状，图4(d)示出了卵形(以使沿椭圆的长轴的一个端部附近的短轴方向的尺寸比另一个端部附近的短轴方向的尺寸小的方式变形了的形状)，图4(e)示出了泪滴形(使沿椭圆的长轴的一个端部变形成沿长轴方向突出的变尖了的端部的形状)，图4(f)示出了等腰三角形，图4(g)示出了箭头形(矩形的一条边呈三角形状凹陷，其相对的一条边呈三角形状变尖了的形状)，图4(h)示出了梯形，图4(i)示出了五边形，图4(j)示出了2个矩形的一部分彼此重叠的形状，图4(k)示出了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。这样，通过不同折射率区域12b的形状不具有180°的旋转对称性，能够得到更高的光输出。
图5(a)～图5(k)是表示在与X-Y平面平行的基准面上定义的不同折射率区域的形状的其他例子的俯视图。在该例中，还设置有与多个不同折射率区域12b不同的多个不同折射率区域12c。各个不同折射率区域12c由折射率与基本层12a的第1折射率介质不同的第2折射率介质构成。不同折射率区域12c与不同折射率区域12b同样地可以是空位，也可以是在空位埋入固体介质而构成。不同折射率区域12c与不同折射率区域12b分别一对一地对应地设置。于是，将不同折射率区域12b和12c合在一起的重心G位于构成假想的正方晶格的单位构成区域R的晶格点上。其中，任一不同折射率区域12b、12c均包含在构成假想的正方晶格的单位构成区域R的范围内。
不同折射率区域12c的平面形状例如为圆形，但是与不同折射率区域12b同样地能够具有各种形状。图5(a)～图5(k)表示不同折射率区域12b、12c在XY平面内的形状和相对关系的例子。图5(a)和图5(b)表示不同折射率区域12b、12c具有相同形状的图形的方式。图5(c)和图5(d)表示不同折射率区域12b、12c具有相同形状的图形，相互的一部分彼此重叠的方式。图5(e)表示不同折射率区域12b、12c具有相同形状的图形，不同折射率区域12b、12c彼此旋转了的方式。图5(f)表示不同折射率区域12b、12c具有彼此不同的形状的图形的方式。图5(g)表示不同折射率区域12b、12c具有彼此不同的形状的图形，不同折射率区域12b、12c彼此旋转了的方式。
此外，也可以如图5(h)～图5(k)所示，不同折射率区域12b被构成为包括彼此隔开的2个区域12b1、12b2。于是，将区域12b1、12b2合在一起的重心(相当于单一不同折射率区域12b的重心)与不同折射率区域12c的重心的距离也可以在单位构成区域R内被任意地设定。此外，在此情况下，也可以如图5(h)所示，区域12b1、12b2和不同折射率区域12c具有彼此相同的形状的图形。或者，也可以如图5(i)所示，区域12b1、12b2和不同折射率区域12c中的2个图形与其他图形不同。此外，也可以如图5(j)所示，除了连结区域12b1、12b2的直线相对于X轴的角度之外，不同折射率区域12c相对于X轴的角度也在单位构成区域R内被任意地设定。此外，也可以如图5(k)所示，在区域12b1、12b2和不同折射率区域12c维持彼此相同的相对角度的状态下，连结区域12b1、12b2的直线相对于X轴的角度在单位构成区域R内被任意地设定。
其中，不同折射率区域12b也可以按每个单位构成区域R各多个地设置。这里，所谓单位构成区域R，在由相对于某单位构成区域R的晶格点，与周期性地排列的其他的单位构成区域的晶格点的垂直二等分线包围的区域中，是指最小面积的区域，对应于固体物理学中的维格纳-赛茨原胞(Wigner-Seitz cell)。在此情况下，也可以是一个单位构成区域R中包含的多个不同折射率区域12b具有彼此相同的形状的图形，彼此的重心隔开。此外，也可以是不同折射率区域12b的形状在单位构成区域R间是相同的，通过平移操作，或通过平移操作和旋转操作，能够在单位构成区域R间彼此重合。在此情况下，光子能带结构的波动变少，能够得到窄线宽谱。或者，也可以是不同折射率区域的形状在单位构成区域R间并不一定相同，在相邻的单位构成区域R间形状彼此不同。
在上述的结构中，不同折射率区域12b为空位，但是不同折射率区域12b也可以是具有与基本层12a的折射率不同的折射率的无机材料被埋入在空位内。在此情况下，例如也可以是在基本层12a的空位通过蚀刻形成后，使用化学气相生沉积等将无机材料埋入在空位内。此外，也可以是在基本层12a的空位内埋入无机材料而形成不同折射率区域12b后，进一步，在其之上沉积与不同折射率区域12b相同的无机材料。其中，在不同折射率区域12b为空位的情况下，也可以在该空位封入氩、氮等不活泼气体、或氢、空气等气体。
再次参照图1。第1光反射层13具有将包含UC层11的发光波长的第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性。第1光反射层13相对于UC层11和PC层12A位于激发光源20A侧。第1光反射层13例如由电介质多层膜构成(多层层叠结构)。第1实施方式的第1光反射层13是分色镜，将包含UC层11的发光波长的第2波长区域的光反射，并且使包含从激发光源20A输出的激发光的波长的第1波长区域的光透过。在图示例中，第1光反射层13与PC层12A邻接。其中，不限于图示例，也可以在第1光反射层13与PC层12A(或者，在UC层11位于第1光反射层13与PC层12A之间的情况下，在第1光反射层13与UC层11)之间设置有其他层或空隙。
第2光反射层14具有将UC层11的发光波长(第2波长区域)的光的一部分反射，而使剩余部分透过的光反射特性。第2光反射层14相对于UC层11和PC层12A位于激发光源20A的相反侧，在与第1光反射层13之间夹着UC层11和PC层12A。第2光反射层14例如由电介质多层膜构成(多层层叠结构)。在图1的例子中，第2光反射层14与UC层11邻接。其中，不限于图1的例子，也可以在第2光反射层14与UC层11(或者，在PC层12A位于UC层11与第2光反射层14之间的情况下，在第2光反射层14与PC层12A)之间设置有其他层或空隙。
第1实施方式的发光器件1A还包括基板15和分色镜16。基板15由使UC层11的发光波长(第2波长区域)的光透过的材料例如石英板形成。在基板15的一个面形成有第2光反射层14，在另一个面形成有分色镜16。分色镜16相对于第2光反射层14配置于UC层11的相反侧。分色镜16将包含激发光的波长的第1波长区域的光反射，使包含UC层11的发光波长的第2波长区域的光透过。换言之，分色镜16的第2波长区域中的光透过率比第1波长区域中的光透过率大。分色镜16例如由电介质多层膜构成。
构成第1光反射层13、第2光反射层14和分色镜16的电介质多层膜通过具有第1折射率的第1层和具有不同于第1折射率的第2折射率的第2层被交替地层叠而构成。根据第1折射率与第2折射率的折射率差、第1层和第2层的厚度、以及第1层和第2层的层叠数，电介质多层膜的波长-光反射(或透过)特性被决定。作为第1层和第2层的构成材料，例如能够应用氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、一氧化硅(SiO)、氧化铌(Nb2O5)、五氧化二钽(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。
UC层11的厚度例如为0.1μm以上50μm以下。PC层12A的厚度例如为70nm。第1光反射层13的厚度例如为10μm。第2光反射层14的厚度例如为10μm。
接着，对第1实施方式的激发光源20A进行说明。激发光源20A经由第1光反射层13与光学器件10A一体化，将激发光供给至UC层11。如上所述，第1实施方式的激发光源20A为PCSEL，配置于在与UC层11之间夹着第1光反射层13的位置。
激发光源20A具有：具有主面21a和背面21b的半导体基板21；设置于半导体基板21的主面21a上的半导体层叠体；第1电极27(n电极)和第2电极28(p电极)。半导体层叠体包括活性层22、PC层23(光子晶体层)、第1覆盖层24、第2覆盖层25和接触层26。第1覆盖层24设置于半导体基板21的主面21a上，在一个例子中与半导体基板21的主面21a接触。第2覆盖层25设置于第1覆盖层24上。活性层22设置于第1覆盖层24与第2覆盖层25之间。第1覆盖层24的能带隙和第2覆盖层25的能带隙比活性层22的能带隙宽。PC层23设置于第1覆盖层24与活性层22之间，或者设置于活性层22与第2覆盖层25之间。在图1的例子中，PC层23设置于活性层22与第2覆盖层25之间，与第2覆盖层25及活性层22接触。接触层26设置于第2覆盖层25上。半导体基板21、活性层22、PC层23、第1覆盖层24、第2覆盖层25和接触层26的厚度方向与Z方向一致。
也可以根据需要将用于调节光分布的光引导层设置于第1覆盖层24与活性层22之间和活性层22与第2覆盖层25之间中的至少一方。光引导层也可以包括用于将载流子有效地限制在活性层22中的载流子势垒层。在光引导层设置于活性层22与第2覆盖层25之间的情况下，PC层23设置于第2覆盖层25与光引导层之间。
PC层23(衍射晶格层)被构成为包括基本层23a和多个不同折射率区域23b。基本层23a是由第3折射率介质构成的半导体层。多个不同折射率区域23b由折射率与第3折射率介质不同的第4折射率介质构成，位于基本层23a内。多个不同折射率区域23b在与PC层23的厚度方向垂直的基准面(与X-Y面平行的面)上呈二维状且周期性地排列。在令有效折射率(等效折射率)为n2的情况下，PC层23选择的波长λ2(＝a2×n2，a2为晶格间隔)包含在活性层22的发光波长范围内(第1波长区域)。多个不同折射率区域23b的排列周期设定成波长λ2的光进行Γ点振荡。因此，PC层23通过选择活性层22的发光波长中的波长λ2而能够进行Z方向的衍射。其中，多个不同折射率区域23b的配置(其中，除了排列周期以外)和形状的变化，与上述的PC层12A同样(参照图2、图3(a)～图3(g)、图4(a)～图4(k)和图5(a)～图5(k))。
第1电极27是设置于半导体基板21的背面21b上的金属制的电极。第1电极27与半导体基板21欧姆接触。在沿与半导体基板21的背面21b垂直的方向观察时，第1电极27呈具有用于使激发光通过的开口部27a的矩形框形状。半导体基板21的背面21b通过开口部27a从第1电极27露出，其露出部分与光学器件10A的第1光反射层13相对。在一个例子中，第1光反射层13的厚度方向上的至少一部分配置于开口部27a内，与半导体基板21的背面21b接触。
第1光反射层13的平面形状及尺寸，与UC层11的平面形状及尺寸一致。另一方面，第1电极27的外缘的平面形状和尺寸，与PC层23的平面形状和尺寸一致。因此，沿激发光源20A的层叠方向(Z方向)观察的PC层23的面积，至少比从光学器件10A的层叠方向(Z方向)观察的UC层11的面积大第1电极27的量。换言之，从Z方向看时，UC层11的轮廓位于PC层23的轮廓的内侧。
第2电极28是在半导体层叠体上(在图1的例子中，在接触层26上)，至少设置于投影了第1电极27的开口部27a的区域(半导体层叠体的中央区域)的金属制的电极。第2电极28与接触层26欧姆接触。其中，与第2电极28没有接触的接触层26的部分，也可以被除去。第2电极28还具有使在活性层22产生的光反射的功能。
作为一个例子，半导体基板21为GaAs基板，第1覆盖层24、活性层22、PC层23、第2覆盖层25和接触层26由GaAs系半导体构成。此外，第1覆盖层24为AlGaAs层。活性层22具有多量子阱结构(势垒层：AlGaAs/量子阱层：InGaAs，阱层的层数例如为3)。PC层23的基本层23a为AlGaAs层或GaAs层，不同折射率区域23b为空位。第2覆盖层25为AlGaAs层。接触层26为GaAs层。在此情况下，半导体基板21的厚度例如为150μm。第1覆盖层24的厚度例如为2000nm。活性层22的厚度例如为140nm。PC层23的厚度例如为300nm。第2覆盖层25的厚度例如为2000nm。接触层26的厚度例如为200nm。假设发光波长为980nm，则第1覆盖层24的折射率例如为3.11左右，活性层22的折射率例如为3.49左右，第2覆盖层25的折射率例如为3.27左右，于是，接触层26的折射率例如为3.52左右。
对第1覆盖层24赋予与半导体基板21相同的导电类型，对第2覆盖层25和接触层26赋予与半导体基板21相反的导电类型。在一个例子中，半导体基板21和第1覆盖层24为n型，第2覆盖层25和接触层26为p型。在PC层23设置于活性层22与第1覆盖层24之间的情况下，该PC层23具有与半导体基板21相同的导电类型。相反，在PC层23设置于活性层22与第2覆盖层25之间的情况下，该PC层23具有与半导体基板21相反的导电类型。其中，杂质浓度例如为1×1016～1×1021/cm3。在没有有意添加任意杂质的本征(i型)的情况下，其杂质浓度为1×1016/cm3以下。活性层22不限于本征(i型)，也可以掺杂。其中，关于PC层23的杂质浓度，在需要抑制经杂质能级进行的光吸收所导致的损失的影响的情况等下，也可以设为本征(i型)。
第1电极27的材料根据半导体基板21的构成材料适当地选择。在半导体基板21为n型GaAs基板的情况下，第1电极27例如也可以包含Au和Ge的混合物。在一个例子中，第1电极27具有AuGe单层或AuGe层与Au层的层叠结构。第2电极28的材料能够根据接触层26的构成材料适当地选择。在接触层26由p型GaAs构成的情况下，第2电极28例如能够由包含Cr、Ti和Pt中的至少一者和Au的材料构成，例如具有Cr层和Au层的层叠结构。但是，第1电极27和第2电极28的各材料只要能够实现欧姆接合即可，不限定于这些。
具有以上结构的第1实施方式的发光器件1A如下所述进行动作。当在第1电极27与第2电极28之间供给驱动电流时，在活性层22内发生电子与空穴的再结合，从活性层22输出第1波长区域(例如近红外区域)的光。对该发光作出贡献的电子和空穴以及所产生的光，在第1覆盖层24与第2覆盖层25之间高效地分布。从活性层22输出的光，因为分布在第1覆盖层24与第2覆盖层25之间，所以进入PC层23的内部，与PC层23的内部的晶格结构相应地在沿半导体基板21的主面21a的方向上形成共振模式。于是，光以与多个不同折射率区域23b的排列周期相应的波长进行振荡，生成作为激发光的激光。从PC层23向Z方向衍射了的激发光，在与半导体基板21的主面21a垂直的方向上行进，直接从背面21b通过开口部27a向光学器件10A输出，或者在第2电极28反射后，从背面21b通过开口部27a向光学器件10A输出。
在光学器件10A中，当UC层11接收第1波长区域所包含的激发光时，在UC层11中产生比第1波长区域短的第2波长区域(例如红色区域、绿色区域或蓝色区域等可见区域)的光。该第2波长区域的光在第1光反射层13与第2光反射层14之间被限制并接受基于PC层12A的衍射。在PC层12A中，沿与PC层12A的厚度方向(Z方向)垂直的面上的规定方向(面内方向)形成共振模式，光以与多个不同折射率区域12b的排列周期相应的波长进行振荡(生成激光Lout)。激光Lout沿PC层12A的厚度方向行进，通过第2光反射层14，向光学器件10A的外部输出。
这样，根据第1实施方式的光学器件10A，能够以近红外光、红色光等比较长波长的激发光为基础，输出绿色光、蓝色光等比较短波长的激光Lout。此外，因为在PC层12A不需要使用GaN等氮化物半导体，PC层12A的材料选择的自由度高，所以还能够容易地提高PC层12A的光限制系数。此外，也没有必要使用高成本的GaN基板。因此，根据第1实施方式，能够提供例如能够输出可见区域这样的比较短的波长区域的光的实用且低成本的作为PCSEL的光学器件10A。
如第1实施方式那样在光学器件10A中形成共振模式的层，也可以是多个不同折射率区域12b周期性地排列的PC层12A。在此情况下，能够提供例如能够输出可见区域这样的比较短的波长区域的光的实用的PCSEL。
如第1实施方式那样，光学器件10A也可以包括：相对于第2光反射层14配置于UC层11的相反侧的、第2波长区域中的光透过率比第1波长区域中的光透过率大的分色镜16。在此情况下，即使激发光的一部分不被UC层11吸收地通过第2光反射层14而与第2波长区域的光混合，该激发光相比于第2波长区域的光也不容易通过分色镜16，能够减少通过分色镜16后的光Lout中的激发光的成分。因此，能够有效地抑制在从光学器件10A输出的第2波长区域的光Lout中混入激发光。
如第1实施方式那样，也可以是第1波长区域为近红外区域，第2波长区域为可见区域。近红外区域的光例如能够通过主要包含GaAs系半导体的发光元件容易地得到。相对于此，绿色区域～蓝色区域等可见区域的光虽然能够通过例如主要包含GaN等氮化物半导体的发光元件得到，但是在PCSEL中，因材料的特性，难以得到实用的光输出特性。对此，根据第1实施方式的光学器件10A，在PC层12A没有必要使用GaN等氮化物半导体，PC层12A的材料选择的自由度高，因此能够提供能够输出可见区域的光的实用的PCSEL。由此，能够使可见区域的颜色显示丰富。
第1实施方式的发光器件1A包括光学器件10A和与光学器件10A一体化了的、将激发光供给至UC层11的激发光源20A。根据该发光器件1A，能够提供例如能够输出可见区域这样比较短的波长区域的光的实用的面发光型的自发光器件。
如第1实施方式那样，也可以是激发光源20A包括配置于在与UC层11之间夹着第1光反射层13的位置的PCSEL，第1光反射层13的第1波长区域中的光透过率大于第1光反射层13的第2波长区域中的光透过率。在此情况下，因为从激发光源20A输出的激发光通过第1光反射层13被供给至UC层11，所以能够从光学器件10A适当地输出第2波长区域的光Lout。此外，根据该发光器件1A，因为在激发光源20A的光输出面(半导体基板21的背面21b)上使层叠方向相同而形成光学器件10A，所以能够容易地制造光学器件10A和激发光源20A一体化了的发光器件1A。
如第1实施方式那样，也可以是从激发光源20A的层叠方向观察的PC层23的面积大于从光学器件10A的层叠方向观察的UC层11的面积。在PCSEL中，为了抑制区域端上的反射也可以设置比发光区域大的光子晶体。在此情况下，从PCSEL的层叠方向观察的PCSEL的PC层23的面积，比从光学器件10A的层叠方向观察的UC层11的面积大。
如第1实施方式那样，也可以是作为光子晶体面发光激光器的激发光源20A具有半导体基板21、半导体层叠体、金属制的第1电极27和第2电极28。半导体层叠体包括设置于半导体基板21的主面21a上的活性层22和PC层23。第1电极27设置于半导体基板21的背面21b上。第2电极28设置于半导体层叠体上。于是，第1电极27具有用于使激发光通过的开口部27a，第1光反射层13的厚度方向上的至少一部分，也可以配置于第1电极27的开口部27a内。通过使设置于半导体基板21的背面21b上的第1电极27为金属制，与透明电极相比能够供给更大的电流，其结果，能够提高激发光源20A的发光强度。因此，能够提高来自UC层11的第2波长区域的光的输出强度，使光学器件10A中的激光振荡更稳定地进行。此外，通过将第1光反射层13的厚度方向上的至少一部分配置于第1电极27的开口部27a内，能够使第1光反射层13与半导体基板21的背面21b彼此靠近。
这里，对第1实施方式的发光器件1A的制造方法进行说明。首先，在半导体基板21的主面21a上，通过例如有机金属气相沉积法(MOCVD)，依次进行第1覆盖层24、活性层22和PC层23的基本层23a的晶体生长。接着，在基本层23a的表面上涂布电子束抗蚀剂，利用电子束扫描法进行不同折射率区域23b的图案化。例如通过感应耦合等离子体(ICP)蚀刻将电子束抗蚀剂的图案转印至基本层23a，形成PC层23。在除去电子束抗蚀剂后，例如通过MOCVD，在PC层23上依次进行第2覆盖层25和接触层26的晶体生长。
接着，为了使半导体基板21变薄，半导体基板21的背面21b被研磨，之后，对背面21b实施镜面研磨。然后，通过光刻法、真空蒸镀法和剥离法，在背面21b上形成具有开口部27a的第1电极27。此外，通过光刻法、真空蒸镀法和剥离法，在接触层26的表面上形成第2电极28。其中，也可以先进行第1电极27的形成和第2电极28的形成中的任一者。
再有，例如通过真空蒸镀法，在第1电极27的开口部27a内的背面21b上，形成作为第1光反射层13的电介质多层膜。然后，与第1光反射层13的形成连续，例如通过真空蒸镀法，在第1光反射层13上形成PC层12A的基本层12a(例如SiO2膜)。在基本层12a的表面上涂布电子束抗蚀剂，通过电子束扫描法进行不同折射率区域12b的图案化。然后，例如通过感应耦合等离子体(ICP)蚀刻将电子束抗蚀剂的图案转印至基本层12a(PC层12A的形成)。
接着，通过光刻和湿蚀刻，使第1电极27露出。然后，例如通过旋涂法或丝网印刷法等方法，在PC层12A上涂布上转换材料，形成UC层11。之后，形成在半导体基板21和半导体基板21上的各层通过切割，呈芯片状被切断。
接着，准备基板15，在基板15的一个面上，例如通过真空蒸镀法形成作为第2光反射层14的电介质多层膜。此外，在基板15的另一个面上，例如通过真空蒸镀法形成作为分色镜16的电介质多层膜。关于第2光反射层14和分色镜16的形成顺序，可以先进行任一个。然后，将第2光反射层14和UC层11接合。或者，以使第2光反射层14与UC层11邻接的方式，将基板15固定于UC层11。经过以上的工序，能够制造第1实施方式的发光器件1A。
(第2实施方式)
在上述的第1实施方式中，对包括周期性地排列有不同折射率区域12b的PC层12A的光学器件10A进行了说明，但是本发明的光学器件不限于周期性地排列有不同折射率区域的PC层(光子晶体层)，能够具有各种共振模式形成层。近年来，正在研究通过对从呈二维状排列的多个发光点输出的光的相位谱和强度谱进行控制而输出任意的光学图像的相位调制发光元件。这样的相位调制发光元件被称为S-iPM(Static-integrable PhaseModulating(静态可积分相位调制))激光器，输出空间的任意形状的光学图像。共振模式形成层也可以包含用于这样的S-iPM激光器的结构。
图6是表示第2实施方式的发光器件1B的截面结构的图。该第2实施方式的发光器件1B包括光学器件10B来代替第1实施方式的光学器件10A。其中，发光器件1B包括的激发光源20A的结构与第1实施方式相同。第2实施方式的光学器件10B与第1实施方式的光学器件10A的不同之处在于共振模式形成层的结构。该第2实施方式的光学器件10B，作为共振模式形成层具有相位调制层12B来代替上述实施方式的PC层12A。
图7是相位调制层12B的俯视图。相位调制层12B包括：由第1折射率介质构成的基本层12a；和由折射率与第1折射率介质不同的第2折射率介质构成的不同折射率区域12b。这里，在相位调制层12B，在与X-Y面平行的基准面上设定假想的正方晶格。正方晶格的一条边与X轴平行，另一条边与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X轴的多列(x＝0,1,2,3)和沿Y轴的多行(y＝0,1,2)地设定成二维状。多个不同折射率区域12b在各单位构成区域R内各设置一个。不同折射率区域12b的平面形状，与上述第1实施方式同样地能够为圆形等各种形状。在单位构成区域R(x,y)内，不同折射率区域12b的重心G与同其对应的晶格点O(x,y)隔开地配置。
如图8所示，单位构成区域R(x,y)内的位置由与X轴平行的s轴和与Y轴平行的t轴定义，s轴与t轴的交点(原点)为晶格点O(x,y)。在单位构成区域R(x,y)中，令从晶格点O(x,y)朝向重心G的方向与s轴所成的角度为φ(x,y)。x成分表示沿X轴的第x个晶格点O的位置，y成分表示沿Y轴的第y个晶格点O的位置。在旋转角度φ(x,y)为0°的情况下，连结晶格点O(x,y)和重心G的矢量的方向与s轴的正方向一致。此外，令连结晶格点O(x,y)和重心G的矢量的长度为r(x,y)。在一个例子中，r(x,y)不依赖于x、y(遍及整个相位调制层12B)地为一定。
如图7所示，在相位调制层12B中，不同折射率区域12b的重心G的晶格点O周围的旋转角度φ，能够根据所希望的光学图像按每个单位构成区域R独立地被个别地设定。单位构成区域R(x,y)中的旋转角度φ(x,y)，按由x成分和y成分的值决定的每个位置(单位构成区域R)具有特定值，但是并不一定限于用特定的函数表示。即，旋转角度分布φ(x,y)，根据在将所希望的光学图像傅立叶逆变换而得到的复数振幅分布中抽出了相位分布而得的值决定。其中，在从所希望的光学图像求取复数振幅分布时，通过应用在进行全息图生成的计算时通常使用的Gerchberg-Saxton(GS)法这样的重复算法，能够提高光束图案的再现性。
在该第2实施方式中，从UC层11输出的光被限制在第1光反射层13与第2光反射层14之间并接受基于相位调制层12B的衍射，形成与相位调制层12B的内部的晶格结构相应的规定的模式。在相位调制层12B内散射而输出的激光，通过第2光反射层14而被输出至外部。此时，0次光向相位调制层12B的厚度方向(Z方向)输出。相对于此，+1次光和-1次光向包括Z方向和相对于Z方向倾斜的方向的空间的任意方向输出。
图9是用于说明第2实施方式的光学器件10B的输出光束图案成像而得到的光学图像、与相位调制层12B的旋转角度分布φ(x,y)的关系的图。其中，输出光束图案的中心Q位于从光学器件10B的光输出面的中心向Z方向的位置，图9表示以中心Q为原点的4个象限。在图9中，作为例子表示在第1象限和第3象限获得光学图像的情况，但是在第2象限和第4象限或所有象限也能够获得像。在该第2实施方式中，如图9所示，能够获得关于原点点对称的光学图像。作为例子，图9表示在第3象限字符”A”作为+1次衍射光得到情况，在第1象限使字符”A”旋转180度而得到的图案作为-1次衍射光得到的情况。其中，在为旋转对称的光学图像(例如，十字、圆、双圆等)的情况下，重叠而观察为一个光学图像。
第2实施方式的光学器件10B的输出光束图案成像而得到的光学图像包括点、直线、十字架、线条画、晶格图案、照片、条形图案、CG(计算机图形)和字符中的至少1个。这里，为了获得所希望的光学图像，按以下的顺序决定相位调制层12B的不同折射率区域12b的旋转角度分布φ(x，y)。
首先，作为第1前提条件，在由与法线方向一致的Z轴、和与包括多个不同折射率区域12b的相位调制层12B的一个面一致的包括彼此正交的X轴和Y轴的X-Y平面规定的XYZ直角坐标系中，在该XY平面上设定由各自具有正方形状的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2前提条件，XYZ直角坐标系中的坐标(ξ,η,ζ)，如图10所示，相对于由向量径的长度r、自Z轴起的倾角θtilt、在XY平面上确定的自X轴起的旋转角θrot规定的球面坐标(r,θrot,θtilt)，满足由以下的式(1)～式(3)表示的关系。其中，图10是用于说明从球面坐标(r,θrot,θtilt)向XYZ直角坐标系中的坐标(ξ,η,ζ)的坐标转换的图，通过坐标(ξ,η,ζ)，能够表现在作为实空间的XYZ直角坐标系中设定的规定平面上的设计上的光学图像。
[数1]
ξ＝r sinθtiltcosθrot …(1)
[数2]
η＝r sinθtiltsinθrot …(2)
[数3]
ζ＝r cosθtilt …(3)
在令与从光学器件10B输出的光学图像相当的光束图案为朝向由角度θtilt和θrot规定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot被换算成作为由以下的式(4)规定的归一化波数的与X轴对应的Kx轴上的坐标值kx、和作为由以下的式(5)规定的归一化波数的与Y轴对应且与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky。归一化波数是指令与假想的正方晶格的晶格间隔相当的波数为1.0而归一化了的波数。此时，在由Kx轴和Ky轴规定的波数空间中，包含与光学图像相当的光束图案的特定的波数范围，由各自为正方形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。其中，整数M2没有必要与整数M1一致。同样地，整数N2也没有必要与整数N1一致。此外，式(4)和式(5)例如被上述非专利文献2公开。
[数4]
Figure BDA0003967268880000291
[数5]
Figure BDA0003967268880000292
a：假想的正方晶格的晶格常数
λ：光学器件10B的振荡波长
作为第3前提条件，在波数空间中，通过将由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)特定的图像区域FR(kx,ky)分别二维离散傅立叶逆变换成由X轴方向的坐标成分x(0以上M1-1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(0以上N1-1以下的整数)特定的XY平面上的单位构成区域R(x,y)而得到的复数振幅F(x,y)，以j为虚数单位，由以下的式(6)给出。此外，该复数振幅F(x,y)在以振幅项为A(x,y)且以相位项为P(x,y)时，由以下的式(7)规定。再有，作为第4前提条件，单位构成区域R(x,y)由分别与X轴、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。
[数6]
Figure BDA0003967268880000301
[数7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)] …(7)
在上述第1～第4前提条件下，相位调制层12B构成为满足以下的第1和第2条件。即，第1条件是，在单位构成区域R(x,y)内，重心G以与晶格点O(x,y)隔开的状态配置。此外，第2条件是，以在从晶格点O(x,y)至对应的重心G为止的线段长r(x,y)在M1个×N1个单位构成区域R的各个中被设定为共同值的状态，连结晶格点O(x,y)和对应的重心G的线段与s轴所成的角度φ(x,y)满足以下关系的方式，对应的不同折射率区域12b配置于单位构成区域R(x,y)内。
φ(x,y)＝C×P(x,y)+B
C：比例常数，例如为180/π
B：为任意常数，例如为0。
图11是表示仅在相位调制层的特定区域内应用了图7的折射率结构的例子的俯视图。在图11所示的例子中，在正方形的内侧区域RIN的内部，形成有用于输出目的光束图案的折射率结构(例如图7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，配置有重心位置一致的正圆形的不同折射率区域。在内侧区域RIN的内部，以及在外侧区域ROUT内，假想地设定的正方晶格的晶格间隔均相同。在该结构的情况下，通过使光还分布在外侧区域ROUT内，具有能够抑制因在内侧区域RIN的周边部光强度急剧地变化而产生的高频噪声(所谓的窗函数噪声)的产生这样的优点。此外，因为能够抑制光向面内方向泄漏，能够提高从激发光转换至光Lout的转换效率。
作为从进行二维傅立叶逆变换而得到的复数振幅分布获得强度分布和相位分布的方法，例如对于强度(振幅)分布I(x,y)，通过使用MathWorks公司的数值解析软件“MATLAB”的abs函数能够计算，对于相位分布P(x,y)，通过使用MATLAB的angle函数能够计算。
这里，说明在从光学图像的傅立叶逆变换结果求取旋转角度分布φ(x,y)而决定各不同折射率区域12b的配置时，使用常用离散傅立叶变换(或快速傅立叶变换)进行计算的情况下的注意点。根据作为所希望的光学图像的通过图12(a)的傅立叶逆变换得到的复数振幅分布计算出的输出光束图案，如图12(b)所示。当如图12(a)、图12(b)那样将空间分割为A1、A2、A3和A4这4个象限时，在图12(b)的输出光束图案的第1象限，显现使图12(a)的第1象限旋转180度的图案与图12(a)的第3象限的图案重叠后的图案。在光束图案的第2象限，显现使图12(a)的第2象限旋转180度的图案与图12(a)的第4象限的图案重叠后的图案。在光束图案的第3象限，显现使图12(a)的第3象限旋转180度的图案与图12(a)的第1象限的图案重叠后的图案。在光束图案的第4象限，显现使图12(a)的第4象限旋转180度的图案与图12(a)的第2象限的图案重叠后的图案。此时，旋转180度的图案是通过-1次光成分形成的图案。
因此，在作为傅立叶逆变换前的光学图像(原光学图像)使用仅在第一象限具有值的光学图像的情况下，在得到的光束图案的第三象限显现原光学图像的第一象限，在得到的光束图案的第一象限显现使原光学图像的第一象限旋转了180度的图案。
图13(a)～图13(d)表示从利用了与第2实施方式相同的原理的近红外波段的GaAs系S-iPM激光器输出的光束图案(光学图像)的例子。图13(a)～图13(d)各自的中心，位于从S-iPM激光器的光输出面的中心向Z方向的位置。如这些图13(a)～图13(d)所示，S-iPM激光器输出：包含在相对于从光输出面的中心沿Z方向延伸的轴线倾斜了的第1方向输出的第1光学图像部分E1的+1次光；包含在关于该轴线与第1方向对称的第2方向输出并且关于该轴线与第1光学图像部分E1旋转对称的第2光学图像部分E2的-1次光；和在该轴线上行进的0次光E3。这在该第2实施方式的光学器件10B中也是同样的。
在第2实施方式中，从UC层11输出的第2波长区域的光，被限制在第1光反射层13与第2光反射层14之间并接受基于相位调制层12B的衍射，结果是，形成与相位调制层12B的内部的晶格结构相应的规定的模式。在相位调制层12B中，多个不同折射率区域12b的重心，在假想的正方晶格的晶格点周围具有按每个不同折射率区域12b设定的旋转角度φ(x,y)。在这样的情况下，与多个不同折射率区域12b的重心G位于正方晶格的晶格点上的情况(参照图2)相比，在相位调制层12B的厚度方向(换言之，与光学器件10B的光输出面垂直的Z方向)上输出的光，即0次光的光强度减少，在相对于该方向倾斜的方向上输出的高次光，例如+1次光和-1次光的光强度增加。再有，通过将各个不同折射率区域12b的重心G的晶格点周围的旋转角度φ(x,y)根据所希望的光学图像个别地设定，光的相位能够按每个不同折射率区域12b独立地调制，结果是，能够在与光输出面垂直的Z方向和相对于Z方向倾斜的方向上输出空间的任意形状的光学图像。该光学图像(输出光Lout)通过第2光反射层14和分色镜16被输出至光学器件10B的外部。
在第2实施方式的光学器件10B中，也与上述的第1实施方式同样地能够基于近红外光、红色光等比较长的波长的激发光，输出绿色光、蓝色光等比较短的波长的光Lout。此外，因为没有必要在相位调制层12B使用GaN等氮化物半导体，相位调制层12B的材料选择的自由度高，所以还能够提高相位调制层12B的光限制系数。因此，根据该第2实施方式，能够提供作为能够输出例如可见区域这样的比较短的波长区域的二维光学图像的实用的相位调制发光元件的光学器件10B。其中，该第2实施方式的光学器件10B能够经与第1实施方式的光学器件10A同样的工序制造。
(第3实施方式)
S-iPM激光器不限定于上述的第2实施方式的结构。例如，即使是该第3实施方式的相位调制层的结构，也能够适当地实现S-iPM激光器。图14是第3实施方式的光学器件具有的作为共振模式形成层的相位调制层12C的俯视图。此外，图15是表示相位调制层12C中的不同折射率区域12b的位置关系的图。
如图14和图15所示，在相位调制层12C的单位构成区域R(x,y)中，各不同折射率区域12b的重心G配置于直线D上。直线D是通过单位构成区域R(x,y)的对应的晶格点O(x,y)、且相对于正方晶格的各个边倾斜的直线。换言之，直线D是相对于X轴和Y轴两者倾斜的直线。直线D相对于正方晶格的一边(X轴)的倾斜角为θ。倾斜角θ在相位调制层12C内是一定的。倾斜角θ满足0°＜θ＜90°，在一个例子中θ＝45°。或者，倾斜角θ满足180°＜θ＜270°，在一个例子中θ＝225°。在倾斜角θ满足0°＜θ＜90°或180°＜θ＜270°的情况下，直线D从由X轴和Y轴规定的坐标平面的第1象限延伸至第3象限。或者，倾斜角θ满足90°＜θ＜180°，在一个例子中θ＝135°。或者，倾斜角θ满足270°＜θ＜360°，在一个例子中θ＝315°。在倾斜角θ满足90°＜θ＜180°或270°＜θ＜360°的情况下，直线D从由X轴和Y轴规定的坐标平面的第2象限延伸至第4象限。这样，倾斜角θ是除了0°、90°、180°和270°之外的角度。通过采用这样的倾斜角θ，能够在光输出束中，有助于在X轴方向行进的光波和在Y轴方向行进的光波这两者。这里，令单位构成区域R(x,y)的晶格点O(x，y)与重心G的距离为r(x,y)。x成分表示X轴上的第x个晶格点O的位置，y成分表示Y轴上第y个晶格点O的位置。在距离r(x,y)为正值的情况下，重心G位于第1象限(或第2象限)。在距离r(x,y)为负值的情况下，重心G位于第3象限(或第4象限)。在距离r(x,y)为0的情况下，晶格点O与重心G彼此一致。
图14所示的各不同折射率区域12b的重心G、与单位构成区域R(x,y)中的对应的晶格点O(x,y)的距离r(x,y)，根据所希望的光学图像按每个不同折射率区域12b被个别地设定。距离r(x,y)的分布在由x成分和y成分的值决定的每个位置(单位构成区域)具有特定值，但是并不一定限于由特定的函数表示。距离r(x,y)的分布，根据在对所希望的光学图像进行傅立叶逆变换而得到的复数振幅分布中抽出了相位分布的值而被决定。即，在图15所示的某坐标(x,y)处的相位P(x,y)为P0的情况下，距离r(x,y)被设定为0，在相位P(x,y)为π+P0的情况下将距离r(x,y)设定为最大值R0，在相位P(x,y)为-π+P0的情况下距离r(x,y)被设定为最小值-R0。于是，相对于其中间的相位P(x,y)，以成为r(x,y)＝{P(x,y)-P0}×R0/π的方式设定距离r(x,y)。这里，初始相位P0能够被任意地设定。当令正方晶格的晶格间隔为a时，r(x,y)的最大值R0例如在下式的范围内。
[数8]
Figure BDA0003967268880000341
其中，在根据所希望的光学图像求取复数振幅分布时，通过应用在全息图生成的计算时通常使用的GS法这样的反复算法，能够提高光束图案的再现性。
在该第3实施方式中，通过按以下的顺序决定相位调制层12C的不同折射率区域12b的距离r(x,y)的分布，能够得到所希望的光学图像。即，在上述的第2实施方式中说明了的第1～第4前提条件下，相位调制层12C构成为满足以下的条件。即，以从晶格点O(x,y)至对应的不同折射率区域12b的重心G为止的距离r(x,y)满足下式的方式，将该对应的不同折射率区域12b配置于单位构成区域R(x,y)内。
r(x,y)＝C×(P(x,y)-P0)
C：比例常数，例如为R0/π
P0：任意常数，例如为0。
即，距离r(x,y)，在某坐标(x,y)处的相位P(x,y)为P0的情况下被设定为0，在相位P(x,y)为π+P0的情况下被设定为最大值R0，在相位P(x,y)为-π+P0的情况下被设定为最小值-R0。在希望获得所希望的光学图像的情况下，对该光学图像进行离散傅立叶逆变换，将与其复数振幅的相位P(x,y)相应的距离r(x,y)的分布赋予给多个不同折射率区域12b即可。也可以是相位P(x,y)与距离r(x,y)彼此成比例。
其中，在该第3实施方式中，也可以仅在相位调制层12C的特定区域内应用图14的折射率结构。例如，也可以如图11所示的例子那样，在正方形的内侧区域RIN的内部形成用于输出目的光束图案的折射率结构(例如图14的结构)。在此情况下，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重心位置一致的正圆形的不同折射率区域。在内侧区域RIN的内部以及在外侧区域ROUT内，假想地设定的正方晶格的晶格间隔均是相同的。在该结构的情况下，通过在外侧区域ROUT内也分布光，能够抑制因在内侧区域RIN的周边部光强度急剧地变化而产生的高频噪声(所谓的窗函数噪声)的产生。此外，能够抑制光向面内方向的泄漏，所以能够提高从激发光向光Lout转换的转换效率。
作为根据通过傅立叶逆变换得到的复数振幅分布获得强度分布和相位分布的方法，例如对于强度分布I(x,y)，通过使用MathWorks公司的数值解析软件“MATLAB”的abs函数能够进行计算，对于相位分布P(x,y)，通过使用MATLAB的angle函数能够进行计算。其中，在根据光学图像的傅立叶逆变换结果求取相位分布P(x,y)而决定各不同折射率区域12b的距离r(x,y)时，使用常用离散傅立叶变换(或快速傅立叶变换)来计算的情况下的注意点，与上述的第2实施方式是相同的。
在第3实施方式中，从UC层11输出的第2波长区域的光，被限制在第1光反射层13与第2光反射层14之间并接受基于相位调制层12C的衍射，结果是，形成与相位调制层12C的内部的晶格结构相应的规定的模式。在相位调制层12C中，多个不同折射率区域12b的重心G配置于通过假想的正方晶格的晶格点O且相对于正方晶格倾斜的直线D上。于是，按每个单位构成区域R(x,y)，不同折射率区域12b的重心G与对应的晶格点O(x,y)的距离r(x,y)根据光学图像被个别地设定。在这样的情况下，与多个不同折射率区域12b的重心G位于正方晶格的晶格点O上的情况下(参照图2)相比，在相位调制层12C的厚度方向(换言之，与光学器件的光输出面垂直的Z方向)输出的光，即0次光的光强度减少，在相对于该方向倾斜的方向输出的高次光，例如+1次光和-1次光的光强度增加。再有，通过将各不同折射率区域12b的重心G与对应的晶格点O的距离r(x,y)根据所希望的光学图像个别地设定，能够按每个不同折射率区域12b独立地调制光的相位，在与光输出面垂直的Z方向和相对于Z方向倾斜的方向输出空间的任意形状的光学图像。该光学图像(输出光Lout)通过第2光反射层14和分色镜16被输出至光学器件的外部。
第3实施方式的光学器件也与上述的第1和第2实施方式同样地能够基于近红外光、红色光等比较长的波长的激发光，输出绿色光、蓝色光等比较短的波长的光Lout。此外，因为没有必要在相位调制层12C使用GaN等氮化物半导体，相位调制层12C的材料选择的自由度高，所以能够提高相位调制层12C的光限制系数。因此，根据该第3实施方式，能够提供作为能够输出例如可见区域这样比较短的波长区域的二维光学图像的实用的相位调制发光元件的光学器件。其中，第3实施方式的光学器件能够经与第1实施方式的光学器件10A同样的工序制造。
(第1变形例)
图16是表示第1变形例的发光器件1C的截面结构的图。该第1变形例的发光器件1C具有光学器件10C来代替第1实施方式的光学器件10A。其中，激发光源20A的结构与第1实施方式相同。第1变形例的光学器件10C除了第1实施方式的光学器件10A的结构之外还具有衍射光学元件(DOE)17。衍射光学元件17配置于在与UC层11之间夹着第2光反射层14的位置。在图16的例子中，衍射光学元件17形成在基板15的一对面中形成有第2光反射层14的面的相反侧的面。因此，图1所示的分色镜16不能形成在基板15的面上。但是，形成在其他基板的分色镜16也可以与衍射光学元件17光学地耦合。
衍射光学元件17是利用形成在光透过性的基板(例如基板15)的表面的凹凸(此时，按呈二维状排列的每个单位构成区域R独立地设定凹凸的深度(高度))，对所透过的光的相位分布进行空间控制的光学器件。在该第1变形例中，例如通过在基板15的表面形成凹凸，能够设置衍射光学元件17。
根据第1变形例，通过在衍射光学元件17事先形成基于任意形状的光学图像的相位分布，通过第2光反射层14输出的第2波长区域的激光能够被转换成任意形状的光学图像。因此，根据第1变形例，能够输出第2波长区域的任意形状的光学图像。第1变形例的光学器件10C，通过代替第1实施方式的光学器件10A的制造工序中在基板15的另一个面上形成作为分色镜16的电介质多层膜的工序，进行形成衍射光学元件17的工序，能够被适当地制造。衍射光学元件17例如通过在基板15的表面涂布电子束抗蚀剂，通过电子束扫描在电子束抗蚀剂实施图案化后，在基板15的表面实施干蚀刻而形成。其中，不同于基板15的基板、即形成有衍射光学元件17的基板也可以被贴附于基板15。
(第2变形例)
图17是表示第2变形例的发光器件1D的制造工序的截面图。该第2变形例的发光器件1D包括光学器件10A1和激发光源20A。光学器件10A1不具有PC层12A，代替此而在UC层11形成有不同折射率区域11b，由此UC层11的厚度方向上的一部分作为PC层发挥作用，在该点上与第1实施方式的光学器件10A不同。此外，光学器件10A1的其他结构，与第1实施方式的光学器件10A相同。在该第2变形例中，在基板15的两面形成第2光反射层14和分色镜16后，在第2光反射层14之上涂布分散在树脂中的上转换材料。接着，通过利用纳米压印法等在树脂层形成不同折射率区域11b，形成PC层。然后，在半导体基板21的背面21b上形成第1光反射层13，使第1光反射层13和PC层接合。作为激发光源，不限于作为PCSEL的激发光源20A，也能够应用其他各种面发光型的激发光源。不同折射率区域11b的分布，不限于第1实施方式的分布，也可以是第2实施方式或第3实施方式的分布(参照图7或图14)。此外，在该第2变形例中，虽然使第1光反射层13和PC层彼此接合，但是也可以使它们彼此分离。在此情况下，激发光从第1光反射层13空间性地传播而被供给至UC层11。
(第3变形例)
图18是表示第3变形例的发光器件1E的截面结构的图。该第3变形例的发光器件1E代替第1变形例的激发光源20A而具有激发光源20B。其中，光学器件10C的结构与第1变形例相同。第3变形例的激发光源20B是垂直共振器面发光激光器(VCSEL：Vertical CavitySurface Emitting Laser)，具有半导体基板21、第1DBR层29、活性层22、第2DBR层30、接触层26、第1电极27和第2电极28。
第1DBR层29和第2DBR层30具有用于分布布拉格反射器(Distributed BraggReflector：DBR)的结构，具体而言，通过第1半导体层和折射率不同于该第1半导体层的第2半导体层交替地层叠而形成。这些第1和第2半导体层，相对于激光波长λ能够确定膜厚为λ/4nd(nd：相应的半导体层的折射率)，此时反射光的相位一致，能够获得高的反射率。第1DBR层29设置于半导体基板21的主面21a上，在一个例子中与半导体基板21的主面21a接触。第2DBR层30设置于第1DBR层29上。活性层22设置于第1DBR层29与第2DBR层30之间。活性层22的膜厚能够设定成为λ/2na(na：活性层的有效折射率)的整数倍。通过将具有光学增益的量子阱配置于电场内的位置，能够提高模式增益，能够降低振荡阈值电流。接触层26设置于第2DBR层30上。第1DBR层29的能带隙和第2DBR层30的能带隙比活性层22的能带隙大。半导体基板21、活性层22、第1DBR层29、第2DBR层30和接触层26的厚度方向，与Z方向一致。
第1电极27是设置于半导体基板21的背面21b上的金属制的电极。第2电极28是设置于接触层26上的金属制的电极。第1电极27和第2电极28的材料和形状，与第1实施方式的激发光源20A相同。其中，在俯视时位于第2电极28的外侧的接触层26可被除去。在此情况下，因为能够抑制电流注入不需要的区域，所以能够向发光部(活性层22)高效地注入电流。
在一个例子中，半导体基板21是GaAs基板。第1DBR层29、活性层22、第2DBR层30和接触层26由GaAs系半导体构成。此外，第1DBR层29是AlGaAs层。活性层22具有多量子阱结构(势垒层：AlGaAs/量子阱层：InGaAs)。第2DBR层30是AlGaAs层。接触层26是GaAs层。
对第1DBR层29赋予与半导体基板21相同的导电类型，对第2DBR层30和接触层26赋予与半导体基板21相反的导电类型。在一个例子中，半导体基板21和第1DBR层29为n型，第2DBR层30和接触层26为p型。其中，杂质浓度例如为1×1016～1×1021/cm3。在没有有意地添加任意杂质的本征(i型)中，其杂质浓度为1×1016/cm3以下。活性层22不限于本征(i型)，也可以被掺杂。
第3变形例的激发光源20B如下所述进行动作。当在第1电极27与第2电极28之间供给驱动电流时，在活性层22内发生电子和空穴的再结合，从活性层22输出第1波长区域(例如近红外区域)的光。该光在第1DBR层29与第2DBR层30之间在Z方向共振而进行激光振荡，生成作为激发光的激光。该激光的一部分通过第1DBR层29，从半导体基板21的背面21b通过开口部27a被输出至光学器件10C。
也可以如该第3变形例那样，激发光源为VCSEL。在此情况下，能够对光学器件10C的UC层11适当地供给激发光。其中，发光器件1E也可以代替光学器件10C而具有第1实施方式的光学器件10A、第2实施方式的光学器件10B或第3实施方式的光学器件。此外，也可以如第2变形例那样，使光学器件与激发光源分离而光耦合。
(第4变形例)
图19是表示第4变形例的发光器件1F的截面结构的图。该第4变形例的发光器件1F包括光学器件10D、激发光源201和空间光调制器40。光学器件10D具有从第1实施方式的光学器件10A除去了分色镜16的结构，但是也可以具有分色镜16。此外，从Z方向观察的光学器件10D的尺寸，比从Z方向观察的第1实施方式的光学器件10A的尺寸格外大。
激发光源201与光学器件10D一体化，将激发光供给至UC层11。激发光源201包括多个激发光源20A。与第1实施方式同样，这些激发光源20A是PCSEL，配置于在与UC层11之间夹着第1光反射层13的位置。此外，这些激发光源20A，沿第1光反射层13的表面13a，呈一维状或二维状排列而配置。这些激发光源20A的半导体基板21的背面21b隔着通过第1电极27的开口部27a形成的空隙与第1光反射层13的表面13a相对。在彼此相邻的激发光源20A的边界部，形成有用于电分离的狭缝33。在多个激发光源20A中，半导体基板21也可以是共同的。在此情况下，激发光源201是在共同的半导体基板21形成了多个PCSEL的激光元件阵列。
空间光调制器40与光学器件10D光学耦合，配置于在与UC层11之间夹着第2光反射层14的位置。空间光调制器40例如具有光透过型的结构。在图19的例子中，空间光调制器40相对于基板15配置于第2光反射层14的相反侧。空间光调制器40可以与光学器件10D一体化，也可以以与光学器件10D分离的状态配置。
空间光调制器40具有二维排列的多个像素，通过在该多个像素呈现全息图，对从光学器件10D输出的激光Lout1的相位按每个像素独立地进行调制。空间光调制器40例如具有液晶型的结构。在空间光调制器40为液晶型的情况下，对二维排列的多个像素电极施加构成全息图的个别的电压。由此，按每个像素控制施加至液晶层的电场的大小。各像素的液晶层中的光路长，与电场的大小相应地变化。因此，能够按每个像素独立地调制光的相位。其中，空间光调制器40的方式不限于液晶型，能够应用各种方式的空间光调制器。空间光调制器40输出利用全息图进行相位调制后的光学图像Lout2。
根据第4变形例，通过在空间光调制器40中呈现基于任意形状的光学图像的相位图案，能够将通过第2光反射层14输出的第2波长区域的激光Lout1转换成任意形状的光学图像Lout2。因此，根据第4变形例，能够输出第2波长区域的任意形状的光学图像Lout2。此外，通过使空间光调制器40呈现的相位图案随时间而发生变化，还能够使光学图像Lout2动态地变化。
此外，如第4变形例那样，也可以是激发光源201包括多个激发光源20A，多个激发光源20A沿第1光反射层13的表面13a呈一维状或二维状配置。于是，也可以是激发光的波长区域(第1波长区域)中的第1光反射层13的光透过率大于UC层11的发光波长区域(第2波长区域)中的第1光反射层13的光透过率。在此情况下，因为从激发光源201输出的激发光通过第1光反射层13被供给至UC层11，所以能够从光学器件10D适当地输出第2波长区域的激光Lout1。此外，根据第4变形例的发光器件1F，因为使用呈一维状或二维状排列而配置的多个激发光源20A产生激发光，所以能够使从光输出方向观察的光学器件10D的面积更大。因此，能够使从发光器件1F输出的光学图像Lout2的面积更大。
其中，在制造第4变形例的发光器件1F时，在形成第1实施方式的第1电极27和第2电极28的工序后，通过形成狭缝33而进行元件分离。此外，代替在基板15的另一个面上形成作为分色镜16的电介质多层膜的工序，进行配置空间光调制器40的工序。此外，在光透过性的基板(例如石英基板)的一个面上形成第1光反射层13、PC层12A和UC层11，该基板的背面与第1电极27接合。
(第5变形例)
图20是表示第5变形例的发光器件1G的制造工序的截面图。该发光器件1G包括光学器件10E和激发光源201。光学器件10E不具有PC层12A，代之在UC层11形成不同折射率区域11b，由此使UC层11的厚度方向上的一部分作为PC层发挥作用，在该点上与第4变形例的光学器件10D不同。其中，光学器件10E的其它结构与第4变形例的光学器件10D相同。在第5变形例中，在基板15的一个面形成第2光反射层14后，在第2光反射层14之上涂布分散在树脂中的上转换材料。接着，通过利用纳米压印法等在树脂层形成不同折射率区域11b，而形成PC层。然后，在光透过性的基板18的一个面上形成第1光反射层13，使第1光反射层13和PC层接合。此外，使基板18的另一个面与第1电极27接合。最后，配置空间光调制器40。不同折射率区域11b的分布，不限于第1实施方式的分布，也可以是第2实施方式或第3实施方式的分布(参照图7或图14)。此外，在该第5变形例中，第1光反射层13与PC层彼此接合，但是它们也可以彼此分离。在此情况下，激发光从第1光反射层13空间性地传播而被供给至UC层11。
(第6变形例)
图21是表示第6变形例的发光器件1G的截面结构的图。该第6变形例的发光器件1G，除了第4变形例的发光器件1F的结构之外，还包括配置于光学器件10D的侧方(与Z方向交叉的方向)的透镜41。于是，从光学器件10D的侧方经由透镜41向UC层11供给激发光Lex1。激发光Lex1是从与激发光源201不同的激发光源(例如激光二极管或PCSEL)输出的光。激发光Lex1的波长与从激发光源201输出的激发光的波长相等。也可以如该第6变形例那样，还向UC层11供给与从激发光源201供给的激发光不同的激发光Lex1。在此情况下，供给至UC层11的激发光的密度增加，从UC层11输出的光的发光强度变得更大，因此能够容易地超过光学器件10D的振荡阈值。
(第7变形例)
图22是表示第7变形例的发光器件1H的截面结构的图。该第7变形例的发光器件1H代替第3变形例的激发光源201而包括激发光源202。激发光源202与光学器件10D一体化，将激发光供给至UC层11。激发光源202被构成为包括多个激发光源20C。这些激发光源20C是PCSEL，相对于第1光反射层13配置于UC层11的相反侧。此外，这些激发光源20C沿第1光反射层13的表面13a呈一维状或二维状排列而配置。
激发光源20C代替第1实施方式的激发光源20A具有的第1电极27而具有第1电极31。激发光源20C的其它结构与激发光源20A相同。第1电极31由至少对激发光的波长具有光透过性的透明导电膜构成，遍及半导体基板21的背面21b上的整个面地设置。于是，光学器件10D的第1光反射层13面对第1电极31，在一个例子中与第1电极31接触。透明导电膜例如能够应用氧化铟锡(ITO)、氧化锌系的透明导电膜、氧化锡系的透明导电膜等各种材料。
在该第7变形例中，在第1电极31与第2电极28之间供给驱动电流。于是，在各激发光源20C中产生的激发光透过第1电极31到达第1光反射层13，进一步透过第1光反射层13被供给至UC层11。其中，在多个激发光源20C中半导体基板21也可以是共同的。在此情况下，激发光源202是在共同的半导体基板21形成了多个PCSEL的激光元件阵列。
(第8变形例)
图23是表示第8变形例的发光器件1J的截面结构的图。该第8变形例的发光器件1J包括具有与第1实施方式相同的结构的光学器件10A、和激发光源42。激发光源42与光学器件10A分离地配置，将第1波长区域的激发光Lex2供给至光学器件10A的UC层11。因此，激发光源42与光学器件10A的UC层11空间性地光耦合。此外，激发光源42通过与UC层11的侧面光耦合，使激发光Lex2不通过第1光反射层13和第2光反射层14地避开，并供给至UC层11。因此，第1光反射层13和第2光反射层14均不需要对激发光Lex2的光透过特性，因此例如作为第1光反射层13，还能够代替电介质多层膜而应用金属膜等其它光反射膜。
(第9变形例)
对上述第2实施方式的相位调制层12B的变形例进行详细说明。在该第9变形例中，假想的正方晶格的晶格间隔a和UC层11的发光波长λ满足M点振荡的条件。再有，在相位调制层12B中考虑倒晶格空间(波数空间)时，接受基于旋转角度分布φ(x,y)的相位调制，形成表示分别包含与形成光学图像光的角度扩展对应的波数扩展的驻波的4方向的面内波数矢量。于是，该面内波数矢量中至少1个矢量的大小小于2π/λ(光线)。以下，关于这些方面进行详细说明。
首先，为了比较，对在倒晶格空间中的Γ点进行振荡的光子晶体激光器(PCSEL)进行说明。PCSEL具有活性层、和多个不同折射率区域呈二维状周期性地排列的PC层。PCSEL在与PC层的厚度方向垂直的面内，形成与不同折射率区域的排列周期对应的振荡波长的驻波，并且沿半导体基板的主面的法线方向输出激光。此外，为了Γ点振荡，假想的正方晶格的晶格间隔a、UC层11的发光波长λ和模式的等效折射率(有效折射率)n满足条件：λ＝na即可。
图24是表示关于在Γ点振荡的PCSEL的PC层的倒晶格空间(波数空间)的俯视图。该图24表示多个不同折射率区域位于正方晶格的晶格点上的情况，图24中的点P表示倒晶格点。此外，图24中的箭头B1表示基本倒晶格矢量，箭头B2分别表示基本倒晶格矢量B1的2倍的倒晶格矢量。此外，箭头K1、K2、K3和K4表示4个面内波数矢量。4个面内波数矢量K1、K2、K3和K4经90°和180°的衍射而彼此结合，形成驻波状态。这里，在倒晶格空间中定义彼此正交的Γ-X轴和Γ-Y轴。Γ-X轴与正方晶格的一个边平行，Γ-Y轴与正方晶格的另一边平行。面内波数矢量是将波数矢量投影至Γ-X·Γ-Y平面内的矢量。即，面内波数矢量K1朝向Γ-X轴正方向，面内波数矢量K2朝向Γ-Y轴正方向，面内波数矢量K3朝向Γ-X轴负方向，面内波数矢量K4朝向Γ-Y轴负方向。根据图24明显可知，在Γ点振荡的PCSEL中，面内波数矢量K1～K4的大小(即面内方向的驻波的大小)与基本倒晶格矢量B1的大小相等。其中，面内波数矢量K1～K4的大小k由以下的式(9)给出。
[数9]
Figure BDA0003967268880000441
图25是立体地观察图24所示的倒晶格空间时的立体图。图25表示与Γ-X轴及Γ-Y轴的方向正交的Z轴。该Z轴与图1所示的Z轴相同。如图25所示，在Γ点振荡的PCSEL中，通过衍射，面内方向的波数成为0，产生向面垂直方向(Z轴方向)的衍射(图中的箭头K5)。因此，激光基本上在Z轴方向上被输出。
接着，对在M点振荡的PCSEL进行说明。为了M点振荡，假想的正方晶格的晶格间隔a、UC层11的发光波长λ和模式的等效折射率n满足条件：λ＝(21/2)n×a即可。图26是表示关于在M点振荡的PCSEL的PC层的倒晶格空间(波数空间)的俯视图。该图26还表示多个不同折射率区域位于正方晶格的晶格点上的情况，图26中的点P表示倒晶格点。此外，图26中的箭头B1表示与图24相同的基本倒晶格矢量，箭头K6、K7、K8和K9表示4个面内波数矢量。这里，在倒晶格空间中定义彼此正交的Γ-M1轴和Γ-M2轴。Γ-M1轴与正方晶格的一个对角方向平行，Γ-M2轴与正方晶格的另一个对角方向平行。面内波数矢量是将波数矢量投影在Γ-M1·Γ-M2平面内的矢量。即，面内波数矢量K6朝向Γ-M1轴正方向。面内波数矢量K7朝向Γ-M2轴正方向。面内波数矢量K8朝向Γ-M1轴负方向。面内波数矢量K9朝向Γ-M2轴负方向。根据图26明显可知，在M点振荡的PCSEL中，面内波数矢量K6～K9的大小(即，面内方向的驻波的大小)小于基本倒晶格矢量B1的大小。其中，面内波数矢量K6～K9的大小k由以下的式(10)给出。
[数10]
Figure BDA0003967268880000442
衍射在波数矢量K6～K9在倒晶格矢量(大小为2mπ/a，m：整数)的矢量和的方向发生。但是，在M点振荡的PCSEL中，通过衍射，面内方向的波数不能成为0，不产生向面垂直方向(Z轴方向)的衍射。因此，因为在面垂直方向不输出激光，所以通常在PCSEL中不使用M点振荡。
接着，对在Γ点振荡的S-iPM激光器进行说明。其中，Γ点振荡的条件与上述的PCSEL的情况相同。图27是表示关于在Γ点振荡的S-iPM激光器的相位调制层的倒晶格空间的俯视图。基本倒晶格矢量B1与Γ点振荡的PCSEL相同(参照图24)，但面内波数矢量K1～K4接受基于旋转角度分布φ(x,y)的相位调制，分别具有与光学图像的扩展角对应的波数扩展SP。波数扩展SP以Γ点振荡的PCSEL的各面内波数矢量K1～K4的前端为中心，x轴方向和y轴方向的边的长度分别能够表示为2Δkxmax、2Δkymax的矩形区域。通过这样的波数扩展SP，各面内波数矢量K1～K4在(Kix+Δkx，Kiy+Δky)的矩形状的范围扩展(i＝1～4，Kix是矢量Ki的x方向成分，Kiy是矢量Ki的y方向成分)。这里，成为-Δkxmax≦Δkx≦Δkxmax，-Δkymax≦Δky≦Δkymax。其中，Δkxmax和Δkymax的大小根据光学图像的扩展角而决定。换言之，Δkxmax和Δkymax的大小依赖于要显示的光学图像。
图28是立体地观察图27所示的倒晶格空间时的立体图。图28表示与沿Γ-X轴的方向及沿Γ-Y轴的方向分别正交的Z轴。该Z轴与图1所示的Z轴相同。如图28所示，在为在Γ点振荡的S-iPM激光器的情况下，输出具有不仅包含向面垂直方向(Z轴方向)的0次光、还包含向相对于Z轴方向倾斜的方向的+1次光和-1次光的二维的扩展的光学图像(光束图案)LM。
接着，对在M点振荡的S-iPM激光器进行说明。其中，M点振荡的条件与上述的PCSEL的情况相同。图29是表示关于在M点振荡的S-iPM激光器的相位调制层的倒晶格空间的俯视图。基本倒晶格矢量B1与M点振荡的PCSEL相同(参照图26)，但是面内波数矢量K6～K9分别具有基于旋转角度分布φ(x,y)的波数扩展SP。其中，波数扩展SP的形状和大小与上述的Γ点振荡的情况相同。在S-iPM激光器中，在M点振荡的情况下，面内波数矢量K6～K9的大小(即，面内方向的驻波的大小)小于基本倒晶格矢量B1的大小(通过衍射，面内方向的波数不能成为0，不产生向面垂直方向(Z轴方向)的衍射)。因此，不输出向面垂直方向(Z轴方向)的0次光、以及向相对于Z轴方向倾斜的方向的+1次光和-1次光这两者。
这里，在该第9变形例中，在M点振荡的S-iPM激光器中通过对相位调制层12B实施如下所述的处理，在不输出0次光的情况下输出+1次光和-1次光的一部分。具体而言，如图30所示，通过对面内波数矢量K6～K9加上具有某一定大小和方向的衍射矢量V，面内波数矢量K6～K9中的至少1个(在图中为面内波数矢量K8)的大小被设定为小于2π/λ。换言之，加上衍射矢量V后的面内波数矢量K6～K9中的至少1个(面内波数矢量K8)收敛于半径2π/λ的圆形区域(光线)LL内。其中，在图30中虚线所示的面内波数矢量K6～K9表示衍射矢量V的加法计算前，实线所示的面内波数矢量K6～K9表示衍射矢量V的加法计算后。光线LL对应于全反射条件，收敛于光线LL内的大小的波数矢量，具有面垂直方向(Z轴方向)的成分。在一个例子中，衍射矢量V的方向沿着Γ-M1轴或Γ-M2轴，其大小在从2π/(21/2)a-π/λ至2π/(21/2)a+π/λ的范围内(作为一个例子，为2π/(21/2)a)。
对用于使面内波数矢量K6～K9中的至少1个面内波数矢量收敛于光线LL内的衍射矢量V的大小和方向进行研究。以下的式(11)～(14)分别表示加上衍射矢量V前的面内波数矢量K6～K9。
[数11]
Figure BDA0003967268880000461
[数12]
Figure BDA0003967268880000462
[数13]
Figure BDA0003967268880000463
[数14]
Figure BDA0003967268880000464
其中，波数矢量的扩展Δkx和Δky分别满足以下的式(15)和式(16)，面内波数矢量的x轴方向的扩展的最大值Δkxmax和y轴方向的扩展的最大值Δkymax，由形成设计上的光学图像的光的角度扩展规定。
[数15]
-Δkxmax≤Δkx≤Δkxmax …(15)
[数16]
-Δkymax≤Δky≤Δkymax …(16)
这里，当如以下的式(17)那样表示衍射矢量V时，加上衍射矢量V后的面内波数矢量K6～K9成为以下的式(18)～(21)。
[数17]
V＝(Vx，Vy) …(17)
[数18]
Figure BDA0003967268880000471
[数19]
Figure BDA0003967268880000472
[数20]
Figure BDA0003967268880000473
[数21]
Figure BDA0003967268880000474
在上述式(18)～(21)中考虑到波数矢量K6～K9的任一个收敛于光线LL内，以下的式(22)的关系成立。
[数22]
Figure BDA0003967268880000475
即，通过加上满足上述式(22)的衍射矢量V，波数矢量K6～K9的任一个收敛于光线LL内，输出+1次光和-1次光的一部分。
其中，使光线LL的大小(半径)为2π/λ的理由如下所述。图31是用于示意性地说明光线LL的周边结构的图，表示从与Z轴方向垂直的方向观察的器件与空气的边界。真空中的光的波数矢量的大小为2π/λ，但在如图31那样光在器件介质中传播时，折射率n的介质内的波数矢量Ka的大小成为2πn/λ。此时，为了使光在器件与空气的边界传播，需要使与边界平行的波数成分连续(波数守恒定律)。在图31中波数矢量Ka与Z轴形成角度θ的情况下，投影在面内的波数矢量(即，面内波数矢量)Kb的长度成为(2πn/λ)sinθ。另一方面，一般根据介质的折射率n＞1的关系，在介质内的面内波数矢量Kb大于2π/λ的角度的情况下波数守恒定律不成立。此时，不能将光全反射而取出至空气侧。与该全反射条件对应的波数矢量的大小成为光线LL的大小，成为2π/λ。
作为在面内波数矢量K6～K9加上衍射矢量V的具体的方式的一个例子，能够考虑对作为用于形成所希望的光学图像的相位分布的旋转角度分布φ1(x,y)(第1相位分布)，重叠与光学图像无关系的旋转角度分布φ2(x,y)(第2相位分布)的方式。在此情况下，相位调制层12B的旋转角度分布φ(x,y)被表示为：
φ(x,y)＝φ1(x,y)+φ2(x,y)。
φ1(x,y)相当于如上所述对光学图像进行傅立叶逆变换时的复数振幅的相位。此外，φ2(x,y)是用于加上满足上述式(22)的衍射矢量V的旋转角度分布。图32是概念性地表示旋转角度分布φ2(x,y)的一个例子的图。如图32所示，在该例中，第1相位值φA和与该第1相位值φA不同的第2相位值φB，呈棋盘形图案排列。即，与第1相位值φA不同的值的第2相位值φB，分别沿正交的2个方向交替地排列。在一个例子中，第1相位值φA为0(rad)，第2相位值φB为π(rad)。即，第1相位值φA和第2相位值φB逐次变化π。通过这样的相位值的排列，能够适当地实现沿Γ-M1轴或Γ-M2轴的衍射矢量V。在第1相位值φA和第2相位值φB如上所述呈棋盘格图案排列的情况下，如V＝(±π/a,±π/a)那样，该衍射矢量V每次与图29的波数矢量K6～K9抵消。此外，通过使第1和第2相位值φA、φB的排列方向从45°发生变化，能够将衍射矢量V的朝向调节至任意的朝向。
其中，在该第9变形例的结构中，如果是包括UC层11和相位调制层12B的结构，则材料系、膜厚、层的结构能够被各种各样地改变。这里，关于从假想的正方晶格起的摄动为0的情况下的所谓的正方晶格光子晶体激光器，比例定律成立。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，在本变形例中，能够利用与波长相应的比例定律决定相位调制层12B的结构。
对以上说明了的通过第9变形例的相位调制层12B得到的效果进行说明。在该第9变形例中，假想的正方晶格的晶格间隔a和UC层11的发光波长λ满足M点振荡的条件。通常，在M点振荡的驻波状态下在相位调制层12B内传播的光会全反射，信号光(+1次光和-1次光)和0次光这两者的输出被抑制。但是，在第9变形例中，在相位调制层12B的倒晶格空间形成的面内波数矢量、即分别包含基于旋转角度分布φ(x,y)的波数扩展Δk的4个方向的面内波数矢量K6～K9中的至少1个面内波数矢量的大小比2π/λ(光线LL)小。在S-iPM激光器中，例如通过对旋转角度分布φ(x,y)下工夫，能够进行这样的面内波数矢量K6～K9的调节。于是，在至少1个面内波数矢量的大小比2π/λ小的情况下，该面内波数矢量具有Z轴方向的成分，因此其结果是，信号光的一部分从相位调制层12B被输出。但是，0次光依然在与形成M点的驻波的4个波数矢量(±π/a，±π/a)中的任一个一致的方向上被限制在面内，因此不会从相位调制层12B输出至光线内。即，根据该第9变形例，能够将S-iPM激光器的输出中包含的0次光从光线内除去，仅将信号光输出至光线内。
此外，如第9变形例那样，旋转角度分布φ(x,y)也可以为，与光学图像相应的旋转角度分布φ1(x,y)和与光学图像无关系的旋转角度分布φ2(x,y)重叠。在此情况下，旋转角度分布φ2(x,y)也可以是用于在相位调制层12B的倒晶格空间上，对基于旋转角度分布φ1(x,y)的4个方向的面内波数矢量K6～K9加上具有某一定大小和方向的衍射矢量V的旋转角度分布。于是，在对4个方向的面内波数矢量K6～K9加上衍射矢量V的结果是，4个方向的面内波数矢量K6～K9中至少1个面内波数矢量的大小也可以比2π/λ小。由此，能够容易地实现在倒晶格空间中分别包含基于旋转角度分布φ(x,y)的波数扩展Δkx、Δky的4个方向的面内波数矢量K6～K9中的至少1个的大小比2π/λ(光线)小的结构。
此外，如该第9变形例那样，旋转角度分布φ2(x,y)也可以是值彼此不同的相位值φA、φB呈棋盘格图案排列的图案。通过这样的旋转角度分布φ2(x,y)，能够容易地实现上述的衍射矢量V。
图33是表示相位调制层12B的旋转角度分布φ(x,y)的例子的图。此外，图34是将图33所示的部分S放大表示的图。在图33和图34中，旋转角度的大小由颜色的浓度表示，越浓的区域表示的旋转角度越大(即相位角大)。参照图34可知，值彼此不同的相位值呈棋盘格图案排列的图案被重叠。图35表示从具有图33所示的旋转角度分布φ(x,y)的光学元件输出的光束图案(光学图像)。此外，图36是图21所示的光束图案的示意图。图35和图36的中心对应Z轴。根据图35和图36明显可知，光学元件输出：在相对于Z轴倾斜的第1方向上输出的包含第1光学图像部分LM1的+1次光；和在关于Z轴与第1方向对称的第2方向上输出且包含关于Z轴与第1光学图像部分LM1旋转对称的第2光学图像部分LM2的-1次光，但是不输出在Z轴上行进的0次光。
在该第9变形例中，也能够输出包含Z轴且关于Z轴对称的图案。此时因为没有0次光，所以在Z轴上也不会产生图案的强度不均。作为这样的光束图案的设计例，有5×5的多点、网和1维图案。这些光束图案的示意图如图37(a)、图38(a)和图39(a)所示，光束图案的相位分布如图37(b)、图38(b)和图39(b)所示。通过在可见区域输出这样的光束图案，例如能够应用于显示用途等。
(第10变形例)
在该第10变形例中，在上述第3实施方式的相位调制层12C中，与上述的第9变形例同样，假想的正方晶格的晶格间隔a和UC层11的发光波长λ满足M点振荡的条件。再有，在相位调制层12C中考虑倒晶格空间时，分别包含基于距离r(x,y)的分布的波数扩展的4个方向的面内波数矢量中的至少1个面内波数矢量的大小小于2π/λ(光线)。
如果进行详细说明的话，则在第10变形例中，通过在M点振荡的S-iPM激光器中对相位调制层12C实施如下所述的工夫，在不将0次光输出至光线内的状态下，输出+1次光和-1次光的一部分。具体而言，如图30所示，通过对面内波数矢量K6～K9加上具有某一定大小和方向的衍射矢量V，面内波数矢量K6～K9中的至少1个面内波数矢量的大小被设定得小于2π/λ。换言之，加上衍射矢量V后的面内波数矢量K6～K9中的至少1个收敛于半径2π/λ的圆状区域(光线)LL内。即，通过加上满足上述的式(22)的衍射矢量V，面内波数矢量K6～K9的任一个面内波数矢量收敛于光线LL内，输出+1次光和-1次光的一部分。
在第10变形例中也是假想的正方晶格的晶格间隔a和UC层11的发光波长λ满足M点振荡的条件，并且在相位调制层12C的倒晶格空间上，通过距离r(x,y)的分布，形成驻波的平面波被相位调制，分别包含基于光学图像的角度扩展的波数扩展Δk的4个方向的面内波数矢量K6～K9中的至少1个面内波数矢量的大小小于2π/λ(光线)。或者，通过对从4个方向的面内波数矢量K6～K9除去了波数扩展Δk的面内波数矢量加上衍射矢量V，至少1个面内波数矢量的大小变得小于从2π/λ减去波数扩展Δk后的值{(2π/λ)-Δk}。因此，能够将S-iPM激光器的输出中包含的0次光从光线内除去，仅输出信号光。
本发明的光学器件和发光器件，不限于上述的实施方式，能够进行其他各种变形。例如，在上述的说明中，将激发光源20A及20C作为PCSEL，但是激发光源20A及20C也可以是S-iPMSEL。
(第4实施方式)
在上述的第1～第3实施方式和第1～第10变形例中公开了在激发光源20A～20C的背面侧配置有电极并且设置有具有UC层(上转换层)的光学器件10A～10E、10A1的发光器件1A～1H、1J。但是，在这些发光器件的制造中，在成为光源部的激发光源20A～20C的背面侧形成电极的情况下，需要高精度的电极形成技术。即，在将电极设置于激发光源的背面侧的光学器件中，为了不扰乱面内导波模式，对于2个光限制层和被这2个光限制层夹着的UC层、PC层(或相位调制层)的表面要求高度的平坦性和平行性。尤其是在上述的实施方式和变形例中，为了以在激发光源的背面侧的电极设置了开口的状态形成光限制层，确保上述的平坦性、平行性是重要的。在该第4实施方式中，为了缓和这样的严格的制造条件，通过改变激发光源的电极配置，具有在激发光源的平坦的背面设置了光学器件的器件结构。
另一方面，在成为共振器部的光学器件10A～10E、10A1中，作为光限制层，应用都由电介质多层膜构成的第1光反射层和第2光反射层。但是，在第4实施方式中，代替这些第1光反射层和第2光反射层中的至少第2光反射层，应用由沿光学器件的层叠方向具有实质上均匀的折射率分布、并且具有比UC层的折射率低的折射率的单一材料构成的光限制层。在此情况下，相比于电介质多层膜能够实现制造工序的简单化，尤其是对于代替第2光反射层的单层结构的光限制层，能够将层厚抑制为较薄。通过光限制层的薄层化，能够期待抑制沿该光学器件的层叠方向的高次模式形成。不仅如此，在代替第2光反射层而采用单层结构的光限制层的情况下，还能够将与UC层邻接的PC层(光子晶体层)埋入光限制层的内部或表面部分(容易进行振荡的共振器结构)。
再有，在第4实施方式的光学器件中，PC层(或相位调制层)相比于UC层配置于输出侧。通过采用该结构，即使在UC层包含散射性材料的情况下对共振模式的形成施加的影响也小，能够防止振荡阈值的增大，并且能够使混入至输出波面(光束图案)的噪声混入小。
图40是用于将该第4实施方式的发光器件的结构作为一个例子与第1实施方式的发光器件一边比较一边进行说明的概略图。其中，箭头(a)所示的光学器件100A和箭头(b)所示的光学器件100B，都能够置换成上述的光学器件10A～10E、10A1。此外，箭头(c)所示的激发光源200A也能够置换成上述的激发光源20A～20C。还能够应用对1个光学器件100A～100F应用了多个激发光源200A(各激发光源200A包括光子晶体面发光激光器)的结构，这点也与上述的实施方式和变形例是同样的。再有，在第4实施方式的发光器件中，也能够与上述的实施方式和变形例同样地，相对于第2光限制层140在UC层11的相反侧配置分色镜16、衍射光学元件17和空间光调制器40的任一个。其中，在表示第4实施方式的发光器件的结构的所有图中，省略了分色镜16、衍射光学元件17和空间光调制器40的图示。
在图40的例子中，箭头(a)所示的光学器件100A具有：基板15(具有光透过性的石英板)；设置于该基板15的一个面上的第2光限制层430；设置于该第2光限制层140上的PC层120(也可以是相位调制层)；设置于该PC层120上的UC层11；和设置于该UC层11上的第1光限制层130。在基板15的另一个面上，与上述的第1～第3实施方式和第1～第10变形例同样地可以配置分色镜16、衍射光学元件17和空间光调制器40的任一者。PC层120由基本层120a和具有与该基本层120a的折射率不同的折射率的多个PC层120构成，第2光限制层140采用沿厚度方向具有实质上均匀的折射率分布的单层结构。其中，在该光学器件100A中，第1光限制层130能够采用电介质多层膜或单层结构。
在图40的例子中，箭头(b)所示的光学器件100B具有：具有光透过性的基板15；设置于该基板15的一个面上的第2光限制层140；设置于该第2光限制层140的内部或表面的PC层120(也可以是相位调制层)；设置于包含该PC层120的第2光限制层140上的UC层11；和设置于该UC层11上的第1光限制层130。在基板15的另一个面上，也可以与光学器件100A同样地配置分色镜16、衍射光学元件17和空间光调制器40中的任一个。埋入第2光限制层140的PC层120由基本层120a和具有与该基本层120a的折射率不同的折射率的多个PC层120构成，第2光限制层140由沿厚度方向具有实质上均匀的折射率分布的单一材料构成(具有单层结构)。其中，在该光学器件100B中也是第1光限制层130能够采用电介质多层膜或单层结构。
在图40的例子中，箭头(c)所示的激发光源200A(包括作为光子晶体面发光激光器发挥作用的半导体层叠体)包括：半导体基板21；设置于该半导体基板21的主面21a上的第1覆盖层24(作为光限制层发挥作用的层)；设置于该第1覆盖层24上的活性层22；设置于该活性层22上的PC层23；设置于该PC层23上的第2覆盖层25(作为光限制层发挥作用的层)；设置于该第2覆盖层25上的接触层26；设置于包括活性层22和PC层23的半导体层叠体上的第2电极28(p电极)；和设置于半导体基板21的主面21a上的第1电极27(n电极)。其中，在图40所示的激发光源200A中，在半导体基板21的背面21b上，公开了构成光学器件100A或光学器件100B的一部分的第1光限制层130。这是因为存在第1光限制层130在该激发光源200A的下述的制造工序的最后阶段被设置于半导体基板21的背面21b的制造方式。此外，在图40所示的激发光源200A中，设置于半导体基板21的背面21b上的第1光限制层130，表示为电介质多层膜，但是也可以与上述的第2光限制层140同样地采用沿厚度方向具有实质上均匀的折射率分布的单层结构。
尤其是在第4实施方式的激发光源200A中，第1电极27和第2电极28这两者配置于半导体基板21的主面21a侧。因此，从半导体层叠体(光子晶体面发光激光器)的层叠方向观察的PC层23的面积，小于从上述的光学器件100A和100B的层叠方向观察的UC层11的面积，更具体而言，小于半导体基板21的主面21a的面积(第1电极27设置于半导体基板21的主面21a中未被半导体层叠体覆盖而露出的区域上)。通过这样的电极配置，因为第1电极和第2电极都配置于半导体基板21的主面21a侧，所以本发明的发光器件向基台的搭载作业变得容易，并且能够增大有效区域。
具有上述那样的结构的第4实施方式的发光器件，能够通过单元组装型(第1制造方法)或上转换材料注入型(第2制造方法)制造。于是，首先，使用图41～图44，对于单元组装型的制造方法进行详细说明。还有，下面进行说明。图41是用于说明第4实施方式的发光器件的单元组装型的制造工序(第1制造方法)中的、作为发光部的激发光源200A的制造工序的图。图42(a)和图42(b)是用于说明第1制造方法中激发光源向基台的安装工序的图。图43(a)和图43(b)是用于说明第1制造方法中的光学器件(共振器部)制造工序的图，图43(c)是用于说明第1制造方法中光学器件向已经安装了激发光源的基台的安装工序的图。图44(a)和图44(b)表示制造后的发光器件的俯视图和截面图。
激发光源200A的制造工序，如图41所示按箭头(a)、(b)和(c)的顺序进行。首先，在宽度800μm以上的半导体基板21的主面21a上，依次设置第1覆盖层24、活性层22、由基本层23a和多个不同折射率区域23b构成的PC层23、第2覆盖层25和接触层26。其中，PC层23的衍射晶格区域的宽度为400μm左右即可。这样在半导体基板21的主面21a上设置的半导体层叠体的制造，与上述的第1～第3实施方式和第1～第10变形例的激发光源20A～20C是同样的。
接着，通过对设置于半导体基板21的主面21a上的半导体层叠体的一部分进行蚀刻，使半导体基板21的主面21a的一部分露出，能够得到图41的箭头(a)所示的截面结构。此时，残留的半导体层叠体的宽度为500μm左右，露出的区域成为第1电极27的设置区域。当通过蚀刻确保第1电极27的设置区域时，在残留在半导体基板21的主面21a上的半导体层叠体和露出区域涂布SiN等绝缘层290。接着，在位于第1电极27和第2电极28的设置区域的绝缘层290的一部分被除去后，实施Au镀，第1电极27和第2电极28被图案化。其中，在Au镀后，根据需要也可以通过CMP(Chemical Mechanical Planarization(化学机械抛光))使主面21a上平坦化。因此，设置于主面21a上的第1电极27与设置于半导体层叠体的接触层26侧的第2电极28，隔着绝缘层290绝缘。经过该工序，能够得到图41的箭头(b)所示的截面结构。
如上所述，因为第1电极27和第2电极28配置于半导体基板21的主面21a侧，所以在半导体基板21的背面21b上，作为第1光限制层130，直接形成SiN单层或电介质多层膜。由此，能够得到图41的箭头(c)所示的截面结构。其中，箭头(c)所示的激发光源200A(图示的激发光源200A)的各部分的厚度的比率，与实际制造的器件中的各部分的厚度的比率不同，但整体上，激发光源200A的厚度最多为100μm～150μm左右。此外，在半导体基板21的主面21a上，第1电极27具有包围第2电极28的形状。
当经过图41所示的制造工序得到激发光源200A时，如图42(a)所示，将激发光源200A倒装在2mm×2.5mm的基台500的主面500a。其中，在准备的基台500的主面500a上，事先印制应当与第1电极27电连接的n电极用垫520和应当与第2电极28电连接的p电极用垫510。此外，当激发光源200A被固定在基台500时，以包围该激发光源200A的方式，由绝缘材料构成的间隔件550a～550d也被固定在基台500的主面500a。
另一方面，在制造光学器件100A的情况下，如图43(a)所示，首先，准备具有光透过性的基板15。其中，因为在所准备的基板15，仅使用层叠部分的平坦的中心部分，所以使用充分大的石英板。在该基板15的一个面上，首先，设置具有由SiN、TiO2等构成的单层结构的第2光限制层140。再有，在第2光限制层140上，设置由基本层和多个不同折射率区域构成的PC层120。在PC层120之上，通过旋涂法涂布以上转换材料为主原料的紫外线硬化树脂(UC层11)后，使UC层11UV硬化。其中，在该UC层11的制造中，平坦性和平行性是非常重要的。尤其是在通过旋涂法涂布紫外线硬化树脂(作为主原料包含上转换材料)的情况下，不能得到端部上的平坦性。因此，如图43(b)所示，因为使用基板15上的中心部分(层叠部分平坦的区域)，所以通过将包括基板15的层叠体以2mm宽度切断，能够得到2mm×2mm左右的光学器件100A(第1光限制层130形成在激发光源200A侧)。
如上所述得到的光学器件100A，如图43(c)所示，为UC层11直接与倒装在基台500上的激发光源200A侧的第1光限制层130接触的状态，并且隔着间隔件550a～550d安装于基台500。
其中，图44(a)是如上所述利用将构成该第4实施方式的发光器件的单元(激发光源200A和光学器件100A)个别地制造后加以组装的第1制造方法(单元组装型)制造的发光器件的俯视图，图44(b)是沿图44(a)中所示的箭头I-I线的发光器件的截面图。图44(b)中没有图示分色镜等构成要素。
图45(a)是通过上述的单元组装型的制造方法(第1制造方法)制造的、具有第1结构的光限制层的发光器件的截面图。第4实施方式的图45(a)的发光器件包括激发光源200A和隔着第1光限制层130与激发光源200A抵接的光学器件100C。
在图45(a)所示的例子中，激发光源200A能够置换成上述的第1～第3实施方式和第1～第10变形例的激发光源20A～20C，基本的结构具有图40的箭头(c)所示的截面结构。即，激发光源200A包括：由GaAs构成的半导体基板21；设置于半导体基板21的主面21a上的第1覆盖层24；设置于第1覆盖层24上的活性层22；设置于活性层22上的PC层23(也可以是相位调制层)；设置于PC层23上的第2覆盖层25；设置于第2覆盖层25上的接触层26；设置于接触层26上的第2电极28；设置于半导体基板21的主面21a中未被包含上述的活性层22和PC层23的半导体层叠体覆盖而露出的区域的第1电极27；和覆盖除了第1电极27和第2电极28以外的主面21a和半导体层叠体表面的由SiN等构成的绝缘层290。其中，PC层23通过由GaAs构成的基本层23a和设置于基本层23a的由空位定义的多个不同折射率区域23b构成。
另一方面，光学器件100C经由由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在上述的激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该光学器件100C包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的、具有第1结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的内部或表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该光学器件100C中，第2光限制层140具有各自由SiN或TiO2构成的单层结构的基台141和盖层142。PC层120位于基台141与盖层142之间，包括基本层120a和多个不同折射率区域120b。基本层120a也具有由SiN或TiO2构成的单层结构。PC层120的多个不同折射率区域是空隙。盖层142也具有由SiN或TiO2构成的单层结构。这里，在基台141和PC层120的基本层120a由不同材料构成的情况下(例如，基台141由SiN构成，基本层12a由TiO2构成的情况下)，该光学器件100C的结构实质上与图40中的箭头(a)所示的光学器件100A的结构一致。另一方面，在基台141、PC层120的基本层120a和盖层142由相同材料构成的情况下(例如各自由SiN构成的情况下)，该光学器件100C的结构实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的内部的结构。
根据通过上述的单元组装型的制造方法(第1制造方法)得到的发光器件(第2光限制层140具有第1结构的第4实施方式)，不会对设置于基板15上的UC层11施加不需要的热量。此外，设置于PC层120的多个不同折射率区域120b(空隙)不会被上转换材料填满。再有，在将光学器件100C安装于激发光源200A前，还能够测量仅光子晶体面发光激光器的初始光学特性。
图45(b)是通过上述的单元组装型的制造方法(第1制造方法)制造的、具有第2结构的光限制层的发光器件的截面图。第4实施方式的图45(b)的发光器件包括：激发光源200A；和隔着第1光限制层130与激发光源200A抵接的光学器件100D。此外，图45(b)的发光器件，除了光学器件100D具有第2结构的PC层120的点之外，具有与图45(a)的发光器件同样的结构。
即，光学器件100D隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该光学器件100D包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的具有第2结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该光学器件100D中，第2光限制层140具有由SiN构成的单层结构的基台141和由TiO2构成的单层结构的盖层142。PC层120位于基台141与盖层142之间，包括基本层120a和多个不同折射率区域120b。基本层120a也具有由SiN构成的单层结构，实质上构成第2光限制层140的一部分。PC层120的多个不同折射率区域120b，由设置于构成第2光限制层140的一部分的基本层120a的多个凹部定义，在这多个凹部填充有与盖层142的材料相同的TiO2材料。这里，在基台141和PC层120的基本层120a由不同材料构成的情况下(例如，基台141由SiN构成，基本层12a由TiO2构成的情况下)，该光学器件100D的结构实质上与图40中的箭头(a)所示的光学器件100A的结构一致。在此情况下，虽然基本层120a和多个不同折射率区域120b由相同材料构成，但是基本层120a的折射率与多个不同折射率区域120b的折射率不同。另一方面，在基台141和PC层120的基本层120a由相同材料构成的情况下(例如，都由SiN构成的情况下)，该光学器件100D的结构实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120埋入具有单层结构的第2光限制层140的表面区域的结构。
通过该图45(b)所示的发光器件(第2光限制层140具有第2结构的第4实施方式)，也能够获得与图45(a)所示的发光器件同样的效果。
图46(a)是通过上述的单元组装型的制造方法(第1制造方法)制造的、具有第3结构的光限制层的发光器件的截面图。第4实施方式的图46(a)的发光器件包括激发光源200A、和隔着第1光限制层130与激发光源200A抵接的光学器件100E。此外，图46(a)的发光器件，除了光学器件100E具有第3结构的PC层120的点以外，具有与图45(a)的发光器件同样的结构。
即，光学器件100E隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该光学器件100E包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的具有第3结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该光学器件100E中，第2光限制层140具有由SiN构成的单层结构，在其表面形成有用于定义PC层120的多个不同折射率区域120b的多个凹部。因此，形成了多个凹部的第2光限制层140的表面区域成为PC层120的基本层120a。其中，在该第3结构的PC层120中，第2光限制层140的表面和多个凹部的内壁(包含底部)被由TiO2构成的盖层120c覆盖。具有该第3结构的PC层120的该光学器件100E，实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的表面区域的结构。
通过该图46(a)所示的发光器件(第2光限制层140具有第2结构的第4实施方式)，也能够得到与图45(a)所示的发光器件同样的效果。
图46(b)是通过上述的单元组装型的制造方法(第1制造方法)制造的、具有第4结构的光限制层的发光器件的截面图。第4实施方式的图46(b)的发光器件包括激发光源200A和隔着第1光限制层130与激发光源200A抵接的光学器件100E。此外，图46(b)的发光器件除了光学器件100E具有第4结构的PC层120的点之外，具有与图45(a)的发光器件同样的结构。
即，光学器件100F隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该光学器件100F包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的具有第4结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该光学器件100F中，第2光限制层140具有由SiN构成的单层结构，在其表面形成有用于定义PC层120的多个不同折射率区域120b的多个凹部。因此，形成有多个凹部的第2光限制层140的表面区域成为PC层120的基本层120a。其中，在该第4结构的PC层120中，第2光限制层140的表面和多个凹部的内壁(包含底部)直接被UC层11覆盖，成为在多个凹部的各个填充了UC层11的一部分的状态。具有该第4结构的PC层120的该光学器件100F，实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的表面区域的结构。
通过该图46(b)所示的发光器件(第2光限制层140具有第2结构的第4实施方式)，也能够得到与图45(a)所示的发光器件同样的效果。
接着，对容易进行振荡的共振器结构进行研究。图47是用于说明光学器件(包括第2光限制层140和PC层120的共振器部模型)的设计方针的图。图47所示的模型100G，具有由PC层120(也可以看是相位调制层)、第2光限制层140和UC层11构成的层叠体被一对石英板151、152夹着的结构。石英板151、152都相对于波长550nm的光具有1.46的折射率。UC层11相对于波长550nm的光具有1.5的折射率。第2光限制层140由SiN构成，相对于波长550nm的光具有2.0的折射率。PC层120的基本层120a由TiO2构成，多个不同折射率区域120b是设置于该基本层120a的空位。此外，在基本层120a的表面上，实际的不同折射率区域120b相对于1个不同折射率区域120b的可设置面积的占有率(以下，记为“FF(Filling Factor(填充因子))”)为30％。
用于设计容易进行振荡的共振器结构的第1条件是，增大UC层11中分布的光的分布比例ΓUC(增大增益)。为了满足该第1条件，需要注意光存在于折射率高的层、远离折射率低的层的性质而设计适当的层结构。此外，第2条件是，增大共振器部内的光限制强度，即，增大PC层120的衍射强度κ2,0。其中，衍射强度κm,n(cm-1)由以下的式(23)表示
[数23]
Figure BDA0003967268880000611
其中，在上述式(23)中，κm,n是PC层120的衍射强度(相当于耦合系数)。下标m，n表示进行衍射的倒晶格矢量的数量。例如，在面内的180°衍射的情况下，2个倒晶格矢量进行衍射，因此由(m,n)＝(2,0)或(0,2)表示。此外，在从面内向垂直方向的90°衍射的情况下，1个倒晶格矢量进行衍射，因此由(m,n)＝(1,0)或(0,1)表示。k0是真空中的平面波的传播常数，λ是光的波长。β是传播常数。neff是有效折射率。ΓPC是层叠方向的光(电场分布)中分布在PC层120的光的分布比例。εin是PC层120的空位(各不同折射率区域120b)内的介电常数。εout是PC层120中的空位外的介电常数。此外，Fm,n是依赖于设置于PC层120的不同折射率区域120b的平面形状的傅立叶系数(在180°衍射的情况下，(m,n)＝(2,0)或(0,2)，在90°衍射的情况下，(m,n)＝(1,0)或(0,1))。
根据上述式(23)，为了增大共振器的光限制强度(以使光的电场分布不变形的方式增大衍射强度κ2,0)，需要分别留意增大ΓPC、增大PC层120的内部与周边区域间的折射率差、以及增大设置于PC层120的不同折射率区域120b(空位)的平面形状的傅立叶系数F2,0而设计适当的层结构。此时，当留意光从折射率低的层远离时，相比于在各不同折射率区域120b的内部填充折射率低的空气，可能埋入其他材料更好。
进行以上的研究的结果是，具体而言，优选PC层120的折射率设定得比周边区域的折射率高。进一步可知，以对PC层120的内部与周边区域的介电常数差(εin-εout)附上差的方式，优选为在形成于由SiN构成的基本层120a的孔埋入了TiO2的不同折射率区域120b等、埋入型PC层结构。因此，为了进一步研究详细条件，使用图48、图49(a)～图49(e)、图50(a)～图50(f)、图51和图52(a)～图52(e)进行研究。
图48是关于具有图47所示的截面结构的光学器件的PC层中的各种孔形状，表示傅立叶系数与FF值的关系的曲线图。准备的孔形状(设置于基本层120a的不同折射率区域120b的平面形状)，是正圆(图案1)、正方形(图案2)、正三角形(图案3)和等腰直角三角形(图案4)。
图48关于上述图案1～4表示傅立叶系数F2,0(180°衍射)与F1,0(90°衍射)的大小和FF值的关系。根据这些曲线图可知，即使因制造公差而使得孔形状稍微变小，也由于傅立叶系数F2,0不靠近0，因此不同折射率区域120b的平面形状优选为FF30％的等腰直角三角形。之后的计算中，主要对不同折射率区域120b的平面形状为FF30％的等腰直角三角形的情况进行。
图49(a)～图49(e)是基于上述的研究结果，表示容易进行振荡的共振器部结构的具体的结构条件的图。即，图49(a)表示能够增大衍射强度κ2,0的、光学器件(包括第2光限制层140和PC层120的共振器部模型)的截面结构的一个例子，图49(b)表示能够增大分布比例ΓUC(存在于UC层11的光的分布比例)的、光学器件(包括第2光限制层140和PC层120的共振器部模型)的截面结构的一个例子。图49(c)是关于图49(a)和图49(b)所示的截面结构的光学器件表示衍射强度κ2,0与分布比例ΓUC的计算结果的表。此外，图49(d)和图49(e)是用于说明应用于计算的孔形状的图。
图49(a)表示具有增大衍射强度的结构(结构I)的模型100H的截面结构。该模型100H包括：石英板151；设置于该石英板151上的厚度200nm的PC层120(也可以是相位调制层)；设置于该PC层120上的厚度200nm的第2光限制层140；和设置于该第2光限制层140上的厚度2μm的UC层11。石英板151相对于波长550nm的光具有1.46的折射率。UC层11相对于波长550nm的光具有1.5的折射率。第2光限制层140由SiN构成，相对于波长550nm的光具有2.0的折射率。PC层120的基本层120a由TiO2构成，多个不同折射率区域120b是设置于该基本层120a的空位。此外，所准备的不同折射率区域120b的平面形状为图49(d)所示的FF＝10％的图案1(正圆)和图49(e)所示的FF＝30％的图案4(等腰直角三角形)。
另一方面，图49(b)表示具有能够增大UC层11中存在的光的分布比例(ΓUC)的结构(结构II)的模型100I的截面结构。该模型100I由以下各部构成：石英板151；设置于该石英板151上的厚度100nm的PC层120(也可以是相位调制层)；设置于该PC层120上的厚度100nm的第2光限制层140；和设置于该第2光限制层140上的厚度2μm的UC层11。石英板151相对于波长550nm的光具有1.46的折射率。UC层11相对于波长550nm的光具有1.5的折射率。第2光限制层140由SiN构成，相对于波长550nm的光具有2.0的折射率。PC层120的基本层120a由SiN(相对于波长550nm的光的折射率为2.0)构成，多个不同折射率区域120b是设置于该基本层120a的空位。此外，所准备的不同折射率区域120b的平面形状与图49(a)同样地是FF＝10％的图案1(图49(d)参照)和FF＝30％的图案4(参照图49(e))。
根据图49(c)的表可知，关于存在于UC层11的光的分布比例ΓUC，具有结构II的模型100I较高。关于衍射强度κ2,0，图案1和图案2的均具有结构I的模型100H较大。其中，关于结构I的模型100H和结构II的模型100I都是相比于图案1，图案4的衍射强度κ2,0较大。
图50(a)～图50(f)是表示UC层11的厚度依赖性的计算结果的图。图50(a)表示所准备的光学器件(包括第2光限制层140和PC层120的共振器部模型)的截面结构的一个例子，图50(b)表示用于计算的孔形状。图50(c)～图50(f)是表示衍射强度κ2,0、分布比例ΓPC(存在于PC层的光的比例)、分布比例ΓUC和有效折射率neff各自的计算结果的表。
图50(a)所示的模型100J具有由PC层120、第2光限制层140和UC层11构成的层叠体被一对石英板151、152夹着的结构。石英板151、152都对波长550nm的光具有1.46的折射率。UC层11对波长550nm的光具有1.5的折射率，具有20nm～2μm的厚度。第2光限制层140由TiO2构成，对波长550nm的光具有2.5的折射率。此外，第2光限制层140具有10nm的厚度。PC层120的基本层120a由SiN构成，对波长550nm的光具有2.0的折射率。多个不同折射率区域120b通过在设置于该基本层120a的孔填充TiO2而得到。此外，PC层120的不同折射率区域120b的平面形状，如图50(b)所示为等腰直角三角形，FF为30％。
图50(c)对于具有厚度30nm、50nm和100nm的PC层120与具有厚度50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm和2000nm的UC层11的组合，表示衍射强度κ2,0的计算结果。图50(d)对于具有厚度30nm、50nm和100nm的PC层120与具有厚度50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm和2000nm的UC层11的组合，表示分布比例ΓPC的计算结果。图50(e)对于具有厚度30nm、50nm和100nm的PC层120与具有厚度50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm和2000nm的UC层11的组合，表示分布比例ΓUC的计算结果。此外，图50(f)对于具有厚度30nm、50nm和100nm的PC层120与具有厚度50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm和2000nm的UC层11的组合，表示有效折射率(等效折射率)neff的计算结果。
根据这些图50(c)～图50(f)的结果可知，UC层11在具有200nm以上的厚度的情况下，尤其不容易受到厚度变动的影响。
图51是对于具有图50(a)所示的截面结构的光学器件，将光限制层(第2光限制层140)的厚度相对于PC层120的厚度的依赖性汇总而得的表。尤其是在图51的上段，对于具有厚度0nm、5nm、10nm、20nm、30nm、50nm和100nm的TiO2层(第2光限制层140)与具有厚度10nm、20nm、30nm、50nm和100nm的PC层120的组合，表示衍射强度κ2,0(cm-1)的计算结果。此外，在图51的下段，对于具有厚度0nm、5nm、10nm、20nm、30nm、50nm和100nm的TiO2层(第2光限制层140)与具有厚度10nm、20nm、30nm、50nm和100nm的PC层120的组合，表示分布比例ΓUC的计算结果。
根据图51的计算结果，能够较大地设定衍射强度κ2,0和分布比例ΓUC这两者的最佳范围，即，衍射强度κ2,0为1000(cm-1)以上且分布比例ΓUC为40％的范围，成为PC层120的厚度为30nm～50nm、并且直接设置于该PC层120上的TiO2层(第2光限制层140)的厚度为0nm～10nm的范围。图51中该最佳范围被实线包围。
再有，对于具有第4结构的光限制层140的光学器件，研究光限制层140的厚度和PC层120(相位调制层)的厚度的最佳范围。图52(a)表示为了研究而准备的光学器件(包括第2光限制层140和PC层120的共振器部模型)的截面结构的一个例子，图52(b)～图52(e)是表示衍射强度κ2,0、分布比例ΓPC(存在于PC层的光的比例)、分布比例ΓUC和有效折射率neff各自的计算结果的表。其中，图52(b)～图52(e)，作为“光限制层的厚度”与“相位调制层的厚度”的关系，表示各种计算结果，实质上是指“光限制层的厚度”和“PC层的厚度”。
图52(a)所示的模型100K由石英板151、设置于该石英板151上的厚度50nm～200nm的第2光限制层140(PC层120埋入表面区域)和设置于该第2光限制层140上的厚度2μm的UC层11构成。PC层120的基本层120a是第2光限制层140的表面区域，作为多个不同折射率区域120b，在该第2光限制层140的表面设置有多个凹部。石英板151对波长550nm的光具有1.46的折射率。UC层11对波长550nm的光具有1.5的折射率。第2光限制层140由TiO2构成，对波长550nm的光具有2.5的折射率。PC层120的基本层120a是第2光限制层140的表面区域，构成UC层11的紫外线硬化树脂的一部分进入定义多个不同折射率区域120b的各个的各凹部。此外，PC层120的各不同折射率区域120b的平面形状为直角三角形，FF为30％。
图52(b)对于具有厚度50nm、100nm和200nm的第2光限制层140与具有厚度10nm、20nm、50nm、100nm、150nm和200nm的PC层120(相位调制层)的组合，表示衍射强度κ2,0的计算结果。图52(c)对于具有厚度50nm、100nm和200nm的第2光限制层140与具有厚度10nm、20nm、50nm、100nm、150nm和200nm的PC层120(相位调制层)的组合，表示分布比例ΓPC的计算结果。图52(d)对于具有厚度50nm、100nm和200nm的第2光限制层140与具有厚度10nm、20nm、50nm、100nm、150nm和200nm的PC层120(相位调制层)的组合，表示分布比例ΓUC的计算结果。此外，图52(e)对于具有厚度50nm、100nm和200nm的第2光限制层140与具有厚度10nm、20nm、50nm、100nm、150nm和200nm的PC层120(相位调制层)的组合，表示有效折射率(等效折射率)neff的计算结果。
其中，图52(b)～图52(e)中由实线包围的区域为最佳范围。即，第2光限制层140的厚度优选50nm～100nm的范围，PC层120(相位调制层)的厚度优选为50nm。
图53(a)是通过第4实施方式的发光器件的上转换材料注入型的制造方法(第2制造方法)制造的、具有第1结构的光限制层的发光器件的截面图。其中，图53(a)表示由切断线Sa、Sb将各部分切开前的状态。
该第2制造工序，作为UC层11的制造工序包括构成该UC层11的紫外线硬化树脂(作为主材料包含上转换材料)的注入工序。在该点上，与将激发光源200A和光学器件100C～100F作为不同单元制造，最后将这些单元组装的上述的第1制造方法不同。即，在该第2制造方法中，准备相对于多个激发光源200A共同的光学器件100C～100F，最后由图53(a)所示的切断线Sa和Sb(a)将完成物切开，由此能够得到图45(a)所示的发光器件。
具体而言，在图53(a)所示的例子(切断前)中，对共同的光学器件100C设置多个激发光源200A。各激发光源200A能够置换成上述的第1～第3实施方式和第1～第10变形例的激发光源20A～20C，基本结构具有图40的箭头(c)所示的截面结构。即，各激发光源200A包括：由GaAs构成的半导体基板21；设置于半导体基板21的主面21a上的第1覆盖层24；设置于第1覆盖层24上的活性层22；设置于活性层22上的PC层23；设置于PC层23上的第2覆盖层25；设置于第2覆盖层25上的接触层26；设置于接触层26上的第2电极28；设置于半导体基板21的主面21a中未被包含上述的活性层22和PC层23的半导体层叠体覆盖而露出的区域的第1电极27；和覆盖除了第1电极27和第2电极28以外的主面21a和半导体层叠体表面的、由SiN等构成的绝缘层290。其中，PC层23通过由GaAs构成的基本层23a和由设置于基本层23a的空位定义的多个不同折射率区域23b构成。
另一方面，共同的光学器件100C，隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在上述的激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该共同的光学器件100C包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的、具有第1结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的内部或表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。尤其是在PC层120与第1光限制层130之间，为了注入构成UC层11的紫外线硬化树脂，配置用于防止该紫外线硬化树脂的泄漏并且定义UC层11的厚度的间隔件110(分散了多个珠子的紫外线硬化树脂)。此外，在该空间，为了抑制UV硬化后的UC层11的中心附近的收缩(抑制以第1光限制层130为基准的UC层11的厚度变动)，还配置有由紫外线硬化树脂构成的分隔部件111。
在该光学器件100C中，第2光限制层140具有各自由SiN或TiO2构成的单层结构的基台141和盖层142。PC层120位于基台141与盖层142之间，包括基本层120a和多个不同折射率区域120b。基本层120a也具有由SiN或TiO2构成的单层结构。PC层120的多个不同折射率区域是空隙。盖层142也具有由SiN或TiO2构成的单层结构。这里，在基台141和PC层120的基本层120a由不同材料构成的情况下(例如，在基台141由SiN构成，基本层12a由TiO2构成的情况下)，该光学器件100C的结构实质上与图40中的箭头(a)所示的光学器件100A的结构一致。另一方面，在基台141、PC层120的基本层120a和盖层142由相同材料构成的情况下(例如各自由SiN构成的情况下)，该光学器件100C的结构实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的内部的结构。
根据通过上述的上转换材料注入型的制造方法(第2制造方法)获得的发光器件，尤其是由切断线Sa、Sb切开的各个发光器件(第2光限制层140具有第1结构的第4实施方式)，不会对设置于基板15上的UC层11施加不需要的热量。此外，设置于PC层120的多个不同折射率区域120b(空隙)不会被上转换材料填满。再有，在将光学器件100C安装于激发光源200A前，还能够测量仅光子晶体面发光激光器的初始光学特性。
再有，根据该第2制造方法，通过一次的器件制造能够得到大量的相同结构的发光器件，还能够减小各器件的尺寸。此外，因为UC层11的厚度通过间隔件110被定义，所以能够进行高精度的厚度控制。因为能够对UC层11进行高精度的厚度控制，所以该UC层11的厚度成为最佳值，能够有效地抑制不需要的纵模式的产生。进一步，能够使UC层11与例如基板15等的其它层平行地制造，还能够抑制可见面内方向共振模式的导波损失。
图53(b)是通过第2制造方法制造的、具有第2结构的光限制层的发光器件的截面图。其中，在图53(b)中也表示由切断线Sa、Sb将各部分切开前的状态。
该图53(b)的发光器件(切断前)包括多个激发光源200A和隔着第1光限制层130与这些激发光源200A抵接的共同的光学器件100D。图53(b)所示的发光器件，除了共同的光学器件100D具有第2结构的PC层120的点以外，具有与图53(a)的发光器件同样的结构。
即，共同的光学器件100D隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在多个激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该共同的光学器件100D包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的、具有第2结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该共同的光学器件100D中，第2光限制层140具有：由SiN构成的单层结构的基台141；和由TiO2构成的单层结构的盖层142。PC层120位于基台141与盖层142之间，包括基本层120a和多个不同折射率区域120b。基本层120a也具有由SiN构成的单层结构，实质上构成第2光限制层140的一部分。PC层120的多个不同折射率区域由设置于构成第2光限制层140的一部分的基本层120a的多个凹部定义，与盖层142的材料相同的TiO2材料被填充于这些多个凹部。尤其是在PC层120与第1光限制层130之间，为了注入构成UC层11的紫外线硬化树脂，配置有用于防止该紫外线硬化树脂的泄漏并且定义UC层11的厚度的间隔件110。此外，在该空间，为了抑制UV硬化后的UC层11的中心附近的收缩(抑制以第1光限制层130为基准的UC层11的厚度变动)，还配置有由紫外线硬化树脂构成的分隔部件111。
这里，在基台141和PC层120的基本层120a由不同材料构成的情况下(例如，基台141由SiN构成，基本层12a由TiO2构成的情况下)，该共同的光学器件100D的结构实质上与图40中的箭头(a)所示的光学器件100A的结构一致。其中，在此情况下，基本层120a和多个不同折射率区域120b由相同材料构成，但是基本层120a的折射率与多个不同折射率区域120b的折射率不同。另一方面，在基台141和PC层120的基本层120a由相同材料构成的情况下(例如，都由SiN构成的情况下)，该共同的光学器件100D的结构实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的表面区域的结构。
通过该图53(b)所示的发光器件，尤其是切断后的各发光器件(第2光限制层140具有第2结构的第4实施方式)，也能够得到与图45(a)所示的发光器件同样的效果。此外，得到该图53(b)所示的发光器件的制造方法还能够得到与得到上述的图53(a)所示的发光器件的制造方法同样的效果。
图54(a)是通过第2制造方法制造的具有第3结构的光限制层的发光器件的截面图。其中，图54(a)中也表示由切断线Sa、Sb切开各部分前的状态。
该图54(a)的发光器件(切断前)包括多个激发光源200A和隔着第1光限制层130与这些激发光源200A抵接的共同的光学器件100E。图54(a)所示的发光器件，除了共同的光学器件100E具有第3结构的PC层120的点以外，具有与图53(a)的发光器件同样的结构。
即，共同的光学器件100E隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在多个激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该共同的光学器件100E包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的具有第3结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该共同的光学器件100E中，第2光限制层140具有由SiN构成的单层结构，在其表面形成有用于定义PC层120的多个不同折射率区域120b的多个凹部。因此，形成了多个凹部的第2光限制层140的表面区域成为PC层120的基本层120a。其中，在该第3结构的PC层120中，第2光限制层140的表面和多个凹部的内壁(包含底部)被由TiO2构成的盖层120c覆盖。此外，在PC层120与第1光限制层130之间，为了注入构成UC层11的紫外线硬化树脂，配置有用于防止该紫外线硬化树脂的泄漏并且定义UC层11的厚度的间隔件110。此外，在该空间，为了抑制UV硬化后的UC层11的中心附近的收缩(抑制以第1光限制层130为基准的UC层11的厚度变动)，还配置有由紫外线硬化树脂构成的分隔部件111。
具有该第3结构的PC层120的该共同的光学器件100E，实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的表面区域的结构。
利用该图54(a)所示的发光器件，尤其是切断后的各发光器件(第2光限制层140具有第2结构的第4实施方式)，也能够得到与图45(a)所示的发光器件同样的效果。不仅如此，得到该图53(b)所示的发光器件的制造方法，还能够得到与得到上述的图53(a)所示的发光器件的制造方法同样的效果。
图54(b)是通过第2制造方法制造的、具有第4结构的光限制层的发光器件的截面图。其中，图54(b)也表示由切断线Sa、Sb将各部分切开前的状态。
该图54(b)的发光器件(切断前)包括多个激发光源200A和隔着第1光限制层130与这些激发光源200A抵接的共同的光学器件100F。图54(b)所示的发光器件，除了共同的光学器件100F具有第4结构的PC层120的点以外，具有与图53(a)的发光器件同样的结构。
即，共同的光学器件100F隔着由电介质多层膜构成的第1光限制层130(也可以具有由SiN、TiO2等构成的单层结构)安装在多个激发光源200A上(半导体基板21的背面21b上)。该共同的光学器件100F包括：具有光透过性的基板15；设置于基板15的一个面上的、具有第4结构的第2光限制层140；埋入第2光限制层140的表面区域的PC层120(也可以是相位调制层)；被PC层120和第1光限制层130夹着的UC层11；和第1光限制层130。
在该共同的光学器件100F中，第2光限制层140具有由SiN构成的单层结构，在其表面形成有用于定义PC层120的多个不同折射率区域120b的多个凹部。因此，形成了多个凹部的第2光限制层140的表面区域成为PC层120的基本层120a。其中，在该第4结构的PC层120中，第2光限制层140的表面和多个凹部的内壁(包含底部)直接被UC层11覆盖，成为UC层11的一部分填充于多个凹部的各个的状态。此外，在PC层120与第1光限制层130之间，为了注入构成UC层11的紫外线硬化树脂，配置有用于防止该紫外线硬化树脂的泄漏并且定义UC层11的厚度的间隔件110。不仅如此，在该空间，为了抑制UV硬化后的UC层11的中心附近的收缩(抑制以第1光限制层130为基准的UC层11的厚度变动)，还配置有由紫外线硬化树脂构成的分隔部件111。
具有该第4结构的PC层120的该共同的光学器件100F，实质上与图40中的箭头(b)所示的光学器件100B的结构一致。即，能够实现PC层120被埋入具有单层结构的第2光限制层140的表面区域的结构。
利用该图54(b)所示的发光器件，尤其是切断后的各发光器件(第2光限制层140具有第2结构的第4实施方式)，能够得到与图45(a)所示的发光器件同样的效果。不仅如此，得到该图53(b)所示的发光器件的制造方法，还能够得到与得到上述的图53(a)所示的发光器件的制造方法同样的效果。
接着，对上述的上转换材料注入型的制造方法(第2制造方法)进行说明。图55(a)～图58(d)是作为一个例子，用于对具有图54(a)所示的第3结构的光限制层的发光器件的制造工序进行说明的图。
首先，如图55(a)所示，在所准备的GaAs基板21的一个面(主面21a)上，利用MO-CVD法依次层叠第1覆盖层24(n型覆盖层)、活性层22、成为PC层23的基本层23a。另一方面，在GaAs基板21的另一个面(背面21b)，通过蒸镀法或溅射法形成电介质多层膜(红外透过可见反射镜)。
当向GaAs基板21的两面的层形成完成时，如图55(b)所示，在PC层23的基本层23a，通过电子束扫描法和干蚀刻法形成定义多个不同折射率区域23b的多个凹部。接着，在图55(c)中，在由基本层23a和多个不同折射率区域23b构成的PC层23上，利用MO-CVD法依次层叠第2覆盖层25(p覆盖层)和接触层26。
如上所述设置于GaAs基板21上的层叠部分，如图55(d)所示，利用光刻法和湿蚀刻法对元件部分(各自包括光子晶体面发光激光器的各激发光源200A)进行图案化(元件间的不要部分被蚀刻)。之后，如图56(a)所示，利用等离子体CVD法，在GaAs基板21的一个面(主面21a)和层叠体表面层叠由SiN构成的绝缘层290。
在绝缘层290的层叠后，位于元件间的绝缘层290的一部分，如图56(b)所示，利用光刻法和湿蚀刻法被除去(图案化)，进一步，利用光刻法和蒸镀法，蒸镀第1电极27(n电极)。其中，在蒸镀后，该第1电极27在氢气氛中合金化。接着，如图56(c)所示，利用光刻法和湿蚀刻法，位于接触层26所位于的层叠体的上部的绝缘层290的一部分被除去(图案化)，利用光刻法和蒸镀法，蒸镀第2电极28(p电极)，激发光源200A侧完成。
接着，对共振器部分(光学器件)的制造进行说明。如图56(d)所示，在具有光透过性的基板15(例如，石英板)的一个面上，利用等离子体CVD法，层叠应当成为第2光限制层140的SiN层140a。进一步，如图57(a)所示，在SiN层140a的表面，利用电子束扫描法和干蚀刻法形成用于定义PC层120的多个不同折射率区域120b的多个凹部。此时，形成了多个凹部的SiN层140a的表面区域成为基本层120a，这些多个凹部成为多个不同折射率区域120b。
接着，在SiN层140a的表面(基本层120a的表面)和多个凹部(多个不同折射率区域120b)的内壁和底部，利用原子层沉积法(ALD法)，TiO2层120c被成膜，如图57(b)所示得到第2光限制层140。
另一方面，在激发光源侧(图56(c))，如图57(c)所示，为了定义应当成为UC层11的空间，在第1光限制层130上形成由紫外线硬化树脂构成的分隔部件111。该分隔部件111的形成通过对涂布在第1光限制层130上的紫外线硬化树脂(与UC层11的构成材料相同)进行图案化而得到。进一步，在第1光限制层130上，如图57(d)所示，沿GaAs基板21的边缘配置间隔件110。具体而言，分散了间隔件110用的珠子的紫外线硬化树脂被涂布在第1光限制层130上。在该阶段，事先设为将树脂注入用开口112(注入包含上转换材料的树脂的开口)打开的状态。这样，通过涂布间隔件110，能够在宽的范围(晶片尺寸)担保平行性。
之后，如图58(a)所示，将图57(d)所示的激发光源侧和图57(b)所示的光学器件侧以合体的状态设置于真空中。其中，在此状态下，应当形成有UC层11的空间，如图58(b)所示，被间隔件110(包含多个珠子的紫外线硬化树脂层)包围(设置有树脂注入用开口112)，在其内部配置有分隔部件111。
然后，如图58(c)所示，在由间隔件110确保的空间内，从树脂注入用开口112注入紫外线硬化树脂(包含与分隔部件111相同的上转换材料的紫外线硬化树脂)。之后，从基板15侧照射紫外线，注入的紫外线硬化树脂硬化。图58(d)是表示UV硬化后的UC层11的状态的俯视图。然后，通过利用切割法，在由切断线Sa、Sb所示的元件分离位置将图58(c)所示的制造物切断，能够得到具有图46(a)所示的截面结构的发光器件。
符号的说明
1A～1H,1J…发光器件、10A～10E,10A1,100A～100F…光学器件、11…UC层(上转换层)、12A,120…PC层(光子晶体层)、12a,120a…基本层、11b,12b,12c,120b…不同折射率区域、120c…TiO2层、12B,12C…相位调制层、13…第1光反射层(第1光限制层)、13a…表面、14…第2光反射层(第2光限制层)、110…间隔件、111…分隔部件、112…树脂注入用开口、130…第1光限制层、140…第2限制层、141…基台、142…盖层、15…基板、16…分色镜、17…衍射光学元件、20A,20B,20C,200A…激发光源、21…半导体基板、21a…主面、21b…背面、22…活性层、23…PC层、23a…基本层、23b…不同折射率区域、24…第1覆盖层、25…第2覆盖层、26…接触层、27…第1电极(n电极)、27a…开口部、28…第2电极(p电极)、29…第1DBR层、30…第2DBR层、31…第1电极、33…狭缝、40…空间光调制器、41…透镜、42,201,202…激发光源、290…绝缘层、500…基台、510…p电极用垫、520…n电极用垫、E1…第1光学图像部分、E2…第2光学图像部分、E3…0次光、D…直线、G…重心、Lex,Lex1,Lex2…激发光、Lout…光、Lout1…激光、Lout2…光学图像、O…晶格点、Q…中心、R…单位构成区域、RIN…内侧区域、ROUT…外侧区域、θ…倾斜角。

Claims (21)

1.一种光学器件，其特征在于，
包括：
上转换层，其包含接收第1波长区域的激发光并输出比所述第1波长区域短的第2波长区域的光的上转换材料；
第1光反射层，其具有将所述第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性；
第2光反射层，其具有将所述第2波长区域的光的一部分反射，而使剩余部分透过的光反射特性，以所述上转换层位于所述第1光反射层与该第2光反射层之间的方式配置；和
共振模式形成层，其设置于所述上转换层与所述第1光反射层之间、或所述上转换层与所述第2光反射层之间，且包括基本层、和具有与所述基本层的折射率不同的折射率并且在与该共振模式形成层的厚度方向垂直的基准面上呈二维状分布的多个不同折射率区域，并且沿所述基准面形成所述第2波长区域的光的共振模式。
2.一种光学器件，其特征在于，
包括：
上转换层，其包含接收第1波长区域的激发光并输出比所述第1波长区域短的第2波长区域的光的上转换材料；
第1光限制层，其具有将所述第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性；
第2光限制层，其具有将所述第2波长区域的光的一部分反射，而使剩余部分透过的光反射特性，以所述上转换层位于所述第1光限制层与该第2光限制层之间的方式配置；和
共振模式形成层，其设置于所述上转换层与所述第1光限制层之间、或所述上转换层与所述第2光限制层之间，且包括基本层、和具有与所述基本层的折射率不同的折射率并且在与该共振模式形成层的厚度方向垂直的基准面上呈二维状分布的多个不同折射率区域，并且沿所述基准面形成所述第2波长区域的光的共振模式。
3.如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，
所述第1光限制层和所述第2光限制层各自包括：具有多层层叠结构的光反射层，或者，由沿从所述第1光限制层朝向所述第2光限制层的厚度方向具有实质上均匀的折射率分布并且具有比所述上转换层的折射率低的折射率的单一材料构成的单层。
4.如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，
所述第2光限制层具有包含朝向所述上转换层的层面的所述第2光限制层的一部分构成所述基本层，并且在所述层面上设置有用于定义所述多个不同折射率区域的多个凹部的单层结构。
5.一种光学器件，其特征在于，
包括：
上转换层，其包含接收第1波长区域的激发光并输出比所述第1波长区域短的第2波长区域的光的上转换材料；
第1光限制层，其具有将所述第2波长区域的光的至少一部分反射的光反射特性；
第2光限制层，其具有将所述第2波长区域的光的一部分反射，而使剩余部分透过的光反射特性，以所述上转换层位于所述第1光限制层与该第2光限制层之间的方式配置，并且具有在其内部形成有所述第2波长区域的光的共振模式的单层结构；和
共振模式形成层，其形成所述第2波长区域的光的所述共振模式，且包括：基本层，其设置于朝向所述上转换层的所述第2光限制层的层面所位于的一侧，并且构成所述第2光限制层的一部分；和多个不同折射率区域，其由在作为与该共振模式形成层的厚度方向垂直的基准面的所述第2光限制层的所述层面上呈二维状分布的多个凹部定义，并且具有与所述基本层的折射率不同的折射率。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述共振模式形成层是所述多个不同折射率区域周期性地排列的光子晶体层。
7.如权利要求1～6中任一项所述的光学器件，其特征在于，
是输出光学图像的光学器件，
在设定于应当形成有所述多个不同折射率区域的所述基准面上的假想的正方晶格中，所述多个不同折射率区域分别配置成，在其重心与所述假想的正方晶格的晶格点中的对应的晶格点隔开规定距离的状态下，连结所述重心和所述对应的晶格点的线段相对于所述假想的正方晶格具有与所述光学图像相应的旋转角度。
8.如权利要求1～6中任一项所述的光学器件，其特征在于，
是输出光学图像的光学器件，
在设定于应当形成有所述多个不同折射率区域的所述基准面上的假想的正方晶格中，所述多个不同折射率区域各自的重心位置为，其重心位于通过所述假想的正方晶格的晶格点中的对应的晶格点并且相对于所述正方晶格倾斜的直线上，并且所述重心与所述对应的晶格点的距离根据所述光学图像被个别地设定。
9.如权利要求2～8中任一项所述的光学器件，其特征在于，
还包括相对于所述第2光限制层配置于所述上转换层的相反侧的衍射光学元件。
10.如权利要求2～8中任一项所述的光学器件，其特征在于，
还包括相对于所述第2光限制层配置于所述上转换层的相反侧的空间光调制器。
11.如权利要求2～8中任一项所述的光学器件，其特征在于，
还包括：分色镜，其相对于所述第2光限制层配置于所述上转换层的相反侧，且所述第2波长区域中的光透过率大于所述第1波长区域中的光透过率。
12.如权利要求1～11中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述第1波长区域是近红外区域，所述第2波长区域是可见区域。
13.一种发光器件，其特征在于，
包括：
权利要求2～12中任一项所述的光学器件；和
激发光源，其经由所述第1光限制层与所述光学器件一体化，且将所述激发光供给至所述上转换层。
14.如权利要求13所述的发光器件，其特征在于，
所述激发光源包括相对于所述第1光限制层配置于所述上转换层的相反侧的光子晶体面发光激光器，
所述第1光限制层的所述第1波长区域中的光透过率大于所述第1光限制层的所述第2波长区域中的光透过率。
15.如权利要求14所述的发光器件，其特征在于，
从所述光子晶体面发光激光器的层叠方向观察的所述光子晶体面发光激光器的光子晶体层的面积比从所述光学器件的层叠方向观察的所述上转换层的面积大。
16.如权利要求15所述的发光器件，其特征在于，
所述光子晶体面发光激光器具有：
半导体基板，其具有主面和背面；
半导体层叠体，其设置于所述半导体基板的所述主面上，且包括活性层和光子晶体层；
金属制的第1电极，其设置于所述半导体基板的所述背面上；和
第2电极，其设置于所述半导体层叠体上，
所述第1电极具有用于使所述激发光通过的开口部，
所述第1光限制层的至少一部分配置于所述第1电极的所述开口部内。
17.如权利要求14所述的发光器件，其特征在于，
所述激发光源包括相对于所述第1光限制层配置于所述上转换层的相反侧且分别具有与所述光子晶体面发光激光器相同的结构的多个光子晶体面发光激光器，
所述多个光子晶体面发光激光器沿所述第1光限制层的表面呈一维状或二维状配置。
18.如权利要求14或17所述的发光器件，其特征在于，
所述光子晶体面发光激光器具有：
半导体基板，其具有主面和背面；
半导体层叠体，其设置于所述半导体基板的所述主面上，且包括活性层和光子晶体层；
第1电极，其设置于所述半导体基板的所述背面上，且由透明导电膜构成；和
第2电极，其设置于所述半导体层叠体上，
所述激发光透过所述第1电极而到达所述第1光限制层。
19.如权利要求14所述的发光器件，其特征在于，
从所述光子晶体面发光激光器的层叠方向观察的所述光子晶体面发光激光器的光子晶体层的面积比从所述光学器件的层叠方向观察的所述上转换层的面积小。
20.如权利要求19所述的发光器件，其特征在于，
所述光子晶体面发光激光器具有：
半导体基板，其具有主面和背面；
半导体层叠体，其设置于所述半导体基板的所述主面上，且包括活性层和光子晶体层；
第1电极，其设置于所述半导体基板的所述主面中未被所述半导体层叠体覆盖而露出的区域上；和
第2电极，其设置于所述半导体层叠体上，
所述第1光限制层配置于所述半导体基板的所述背面上。
21.如权利要求20所述的发光器件，其特征在于，
所述激发光源包括相对于所述第1光限制层配置于所述上转换层的相反侧且分别具有与所述光子晶体面发光激光器相同的结构的多个光子晶体面发光激光器，
所述多个光子晶体面发光激光器沿所述第1光限制层的表面呈一维状或二维状配置。
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