DE112012005092T5

DE112012005092T5 - Halbleiterlaserelement und Laserstrahlablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE112012005092T5
Application number: DE112012005092.4T
Authority: DE
Inventors: c/o Kyoto University Noda Susumu; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Kurosaka Yoshitaka; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Watanabe Akiyoshi; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Hirose Kazuyoshi; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Sugiyama Takahiro
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Kyoto University
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Kyoto University
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN103988379B; DE112012005092B4; JP2013120801A; CN103988379A; JP5850366B2; US9048624B2; WO2013084961A1; US20140348193A1

Abstract

Gemäß einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden (a1 und a2) in ersten und zweiten periodischen Strukturen in einer Dickenrichtung eines Halbleiterlaserelements, werden mindestens zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel (δθ) bezogen auf eine Längsrichtung einer ersten Ansteuerungselektrode (E2) bilden, in dem Halbleiterlaserelement erzeugt, wobei einer der Laserstrahlen eingestellt ist, in einer Lichtemissionsendfläche eine Totalreflexion durchzuführen, und ein Brechungswinkel (θ3) des anderen Laserstrahls auf weniger als 90 Grad eingestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kantenemissionshalbleiterlaserelement mit einem photonischen Kristall und eine Laserstrahlablenkvorrichtung unter Verwendung desselben.
Stand der Technik
Die Erfinder haben ein Halbleiterlaserelement mit einem photonischen Kristall entworfen (Patentliteratur 1, Nicht-Patentliteratur 1). Ein derartiges oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement hat die bemerkenswerte Eigenschaft, dass Laserstrahlen gleichzeitig in zwei Richtungen auf einmal emittiert werden können. Darüber hinaus können bei der Speisung einer Vielzahl von Ansteuerungselektroden, die in mehrere unterteilt sind, mit Treiberstrom, die Laserstrahlen zu jeder der Ansteuerungselektroden in zwei Richtungen emittiert werden. Unterscheiden sich die Perioden des photonischen Kristalls, der direkt unter jeder der Ansteuerungselektroden angeordnet ist, weist jede der Ansteuerungselektroden unterschiedliche Laserstrahlen-Abstrahlwinkel auf. Wenn fragmentierte Ansteuerungselektroden eingebaut werden, Ströme gleichzeitig zu der Vielzahl von Ansteuerungselektroden fließen und ein Stromgleichgewicht verändert wird, ist es ferner gemäß der Nicht-Patentliteratur 1 auch möglich, eine kontinuierliche Strahlrichtungssteuerung durchzuführen.
Zitationsliste
Patentliteratur

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-76900

Nicht-Patentliteratur

[Nicht-Patentliteratur] Kurozaka Yoshitaka et al., ”On-Chip beam-steering photonic-crystal lasers”, Nature Photonics, vol. 4, pp. 44–450, 2010

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die praktische Verwendung eines Halbleiterlaserelements, das gleichzeitig Laserstrahlen in zwei Richtungen emittieren kann, ist jedoch begrenzt. Umfasst indes das Element ein Halbleiterlaserelement, das einen Laserstrahl in nur einer Richtung emittiert, d. h., eine Struktur, bei der der Laserstrahl in einer Richtung zu jeder Ansteuerungselektrode emittiert werden kann, ist es möglich, beim Schalten eines Treiberstroms, der jeder Ansteuerungselektrode zugeführt wird, und ferner beim Variieren des Treiberstromgleichgewichts, einen Abtastvorgang mit dem Laserstrahl durchzuführen. In diesem Fall kann das Halbleiterlaserelement in verschiedenen Laserstrahlablenkvorrichtungen oder dergleichen aus dem Stand der Technik angewendet werden. Wird die Anzahl der Laserstrahlen erhöht, kann die Laserstrahlablenkvorrichtung auch eine hochauflösende Laserstrahlabtastvorrichtung bilden.
In Anbetracht der oben erwähnten Probleme ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterlaserelement und eine Laserstrahlablenkvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Laserstrahl in nur einer Richtung zu emittieren und die Emissionsrichtung zu ändern.
Lösung des Problems
Zur Lösung der Probleme umfasst ein Halbleiterlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Kantenemissionshalbleiterlaserelement, umfassend: eine auf einem Substrat gebildete untere Mantelschicht; eine obere Mantelschicht; eine aktive Schicht, die zwischen der unteren Mantelschicht und der oberen Mantelschicht angeordnet ist; eine photonische Kristallschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der oberen und/oder der unteren Mantelschichten angeordnet ist; und eine erste Ansteuerungselektrode zur Zuführung eines Treiberstroms in einen ersten Abschnitt der aktiven Schicht, wobei eine Längsrichtung der ersten Ansteuerungselektrode gegenüber einer Normalen einer Lichtemissionsendfläche des Halbleiterlaserelements in einer Dickenrichtung des Halbleiterlaserelement geneigt ist, ein dem ersten Abschnitt entsprechender Abschnitt der photonischen Kristallschicht, der erste und zweite periodische Strukturen umfasst, in denen sich Anordnungsperioden von Differentialbrechungsindexabschnitten mit sich von der Umgebung unterscheidenden Brechungsindizes voneinander unterscheiden, und entsprechend einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden der ersten und zweiten periodischen Strukturen in einer Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements, mindestens zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Längsrichtung der ersten Ansteuerungselektrode bilden, in dem Halbleiterlaserelement erzeugt werden, wobei einer der Laserstrahlen in Richtung der Lichtemissionsendfläche auf weniger als einen Brechungswinkel von 90 Grad gegenüber der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, und mindestens ein getrennter Laserstrahl in Richtung der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, eine kritische Totalreflexionswinkelbedingung gegenüber der Lichtemissionsendfläche zu erfüllen.
Das heißt, in dem Kantenemissionslaserelement kann, bezogen auf die Emission durch Einspeisung des Treiberstroms in die erste Ansteuerungselektrode, wenn ein Einfallswinkel des einen Laserstrahls in dem Laserelement zur Lichtemissionsendfläche dem kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr entspricht, der Laserstrahl nicht nach außen ausgegeben bzw. abgestrahlt werden. Da der Brechungswinkel des anderen Laserstrahls kleiner als 90 Grad ist, kann der Laserstrahl über die Lichtemissionsendfläche nach außen ausgegeben werden.
Darüber hinaus umfasst das Halbleiterlaserelement gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung ferner eine zweite Ansteuerungselektrode, die ausgebildet ist, einen Treiberstrom in einen zweiten Abschnitt der aktiven Schicht einzuspeisen, wobei eine Längsrichtung der zweiten Ansteuerungselektrode gegenüber einer Normalen der Lichtemissionsendfläche des Halbleiterlaserelements in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements geneigt ist, wobei ein dem zweiten Abschnitt entsprechender Abschnitt der photonischen Kristallschicht dritte und vierte periodische Strukturen aufweist, in denen sich Anordnungsperioden von Differentialbrechungsindexabschnitten mit sich von der Umgebung unterscheidenden Brechungsindizes voneinander unterscheiden, und entsprechend einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden in den dritten und vierten periodischen Strukturen in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements, mindestens zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Längsrichtung der zweiten Ansteuerungselektrode bilden, in dem Halbleiterlaserelement erzeugt werden, wobei einer der Laserstrahlen in Richtung der Lichtemissionsendfläche auf weniger als einen Brechungswinkel von 90 Grad gegenüber der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, mindestens ein getrennter Laserstrahl in Richtung der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, eine kritische Totalreflexionswinkelbedingung gegenüber der Lichtemissionsendfläche zu erfüllen und sich die endliche Differenz zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden in den ersten und zweiten periodischen Strukturen von der endlichen Differenz zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden in den dritten und vierten periodischen Strukturen unterscheidet.
Das heißt, in dem Kantenemissionslaserelement kann, bezogen auf die Emission durch Einspeisung des Treiberstroms in die zweite Ansteuerungselektrode, wenn ein Einfallswinkel des einen Laserstrahls in dem Laserelement zur Lichtemissionsendfläche dem kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr entspricht, der Laserstrahl nicht nach außen ausgegeben werden. Da der Brechungswinkel des anderen Laserstrahls kleiner als 90 Grad ist, kann der Laserstrahl über die Lichtemissionsendfläche nach außen ausgegeben werden.
In den Abschnitten in der photonischen Kristallschicht, die den Ansteuerungselektroden entspricht, unterscheiden sich die Differenzen (Emissionsrichtungsbestimmungsfaktoren) zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden der Differentialbrechungsindexabschnitte voneinander. Ein Wert der Differenz bestimmt eine Emissionsrichtung des Laserstrahls. Dementsprechend sind in den beiden Abschnitten, da sich die Werte der Differenzen (die Emissionsrichtungsbestimmungsfaktoren) voneinander unterscheiden, die Emissionsrichtungen der Laserstrahlen in dem der ersten Ansteuerungselektrode entsprechenden Abschnitt und dem der zweiten Ansteuerungselektrode entsprechenden Abschnitt unterschiedlich. Da einer des in den Abschnitten erzeugten Laserstrahlenpaares mit dem kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr in die Lichtemissionsendfläche eintritt, wird der Laserstrahl nicht nach außen emittiert. Dementsprechend kann beim Schalten der Treiberstromzufuhr zu den Ansteuerungselektroden der Laserstrahl in nur einer Richtung in verschiedenen Richtungen ausgegeben werden.
Darüber hinaus sind in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelementes die Differenzial-Brechungsindexabschnitte in der photonischen Kristallschicht an den Gitterpunktpositionen der Gitterstruktur angeordnet, und eine Richtung eines Grundtranslationsvektors der Gitterstruktur unterscheidet sich von einer Richtung parallel zu der Lichtemissionsendfläche.
In diesem Fall kann der eine Laserstrahl die kritische Totalreflexionswinkelbedingung erfüllen.
Darüber hinaus kann die Gitterstruktur der photonischen Kristallschicht durch Anordnen eines quadratischen Gitters, eines Rechteckgitters, eines Dreiecksgitters und eines flächenzentrierten Rechteckgitters, beispielsweise des quadratischen Gitters und des Rechteckgitters, des Rechteckgitters und des Rechteckgitters, des Dreiecksgitters und des flächenzentrierten Rechteckgitters, des flächenzentrierten Rechteckgitters und des flächenzentrierten Rechteckgitters, und so weiter, in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements gebildet werden. Die Gitterstruktur der photonischen Kristallschicht wird durch Auswählen und Kombinieren von mindestens zwei Gittern aus einer Gittergruppe gebildet, die aus einem quadratischen Gitter, einem Rechteckgitter, einem Dreieckgitter und einem flächenzentrierten Rechteckgitter einschließlich dem Fall einer sich überschneidenden Auswahl gebildet ist. Das heißt, die Gitterstruktur kann durch die Kombination der Gitter, die unterschiedliche Abstände bezogen auf eine beliebige Richtung in Bezug auf ein Gitter aufweisen, wie oben beschrieben, gebildet werden.
Zudem können, vorausgesetzt, dass die Kristallstrukturen eines quadratischen Gitters und eines Reckeckgitters in der photonischen Kristallschicht vorgesehen sind, die Periode in einer axialen Richtung einer Seite des Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des Rechteckgitters als a2 bezeichnet und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 = b1, a1 ≠ a2 und b1 = b2 erfüllt werden.
In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in einem photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und ein Winkel, der durch die diagonalen Lichtwellen gebildet wird, wird gemäß der endlichen Differenz zwischen a1 und a2 geändert.
Zudem können, vorausgesetzt, dass die Kristallstrukturen des ersten und des zweiten Rechteckgitters in der photonischen Kristallschicht vorgesehen sind, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des ersten Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des zweiten Rechteckgitters als a2 bezeichnet und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 ≠ a2 und b1 = b2 erfüllt werden.
In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in einem photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und ein Winkel, der durch die diagonalen Lichtwellen gebildet wird, wird gemäß der endlichen Differenz zwischen a1 und a2 geändert.
Zudem können, vorausgesetzt, dass die Kristallstrukturen des ersten und zweiten flächenzentrierten Rechteckgitters in der photonischen Kristallschicht vorgesehen sind, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des ersten flächenzentrierten Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des zweiten flächenzentrierten Rechteckgitters als a2 bezeichnet und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 ≠ a2 und b1 = b2 erfüllt werden.
In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in einem photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und ein Winkel, der durch die diagonalen Lichtwellen gebildet wird, wird gemäß der endlichen Differenz zwischen a1 und a2 geändert.
Ferner kann das erste flächenzentrierten Rechteckgitter ein Dreiecksgitter sein. Das Dreiecksgitter bildet einen speziellen Fall, bei dem ein Winkel, der durch Grundtranslationsvektoren gebildet wird, die ein Gitter des flächenzentrierten Rechteckgitters bilden, 60 Grad wird.
In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in einem photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und ein Winkel, der durch die diagonalen Lichtwellen gebildet wird, wird gemäß der endlichen Differenz zwischen a1 und a2 geändert.
Zudem weisen in dem Halbleiterlaserelement der Ausführungsform der Differentialbrechungsindexabschnitt der photonischen Kristallschicht entsprechend dem ersten Abschnitt der aktiven Schicht und der Differentialbrechungsindexabschnitt der photonischen Kristallschicht entsprechend dem zweiten Abschnitt der aktiven Schicht in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements unterschiedliche Formen auf, so dass sich die Brechungswinkel der Laserstrahlen, die von den ersten und zweiten Abschnitten ausgegeben werden, sich voneinander unterscheiden und die Stärken (bzw. Intensitäten) miteinander übereinstimmen. Da die Intensitäten gleich sind, kann in diesem Fall das Element auf einfache Weise in elektronischen Instrumenten oder dergleichen, wie beispielsweise einen Laserdrucker, Radar oder dergleichen, verwendet werden.
In dem Halbleiterlaserelement der Ausführungsform unterscheiden sich die Abmessungen der Differenzialbrechungsindexabschnitte in den Richtungen, in denen sich die Anordnungsperioden der Differenzialbrechungsindexabschnitte in den ersten und zweiten periodischen Strukturen voneinander unterscheiden, gemäß den Positionen in den verschiedenen Richtungen, und es unterscheiden sich die Abmessungen der Differentialbrechungsindexabschnitte in den Richtungen, in denen sich die Anordnungsperioden der Differentialbrechungsindexabschnitte in den dritten und vierten periodischen Strukturen voneinander unterscheiden, gemäß den Positionen in den verschiedenen Richtungen. Dadurch kann ein Schwingungsschwellenwert reduziert werden.
Darüber hinaus umfasst das Halbleiterlaserelement der Ausführungsform ferner eine Beugungsgitterstruktur (eine Beugungsgitterschicht der 19 und 22), die einen von der Lichtemissionsendfläche reflektierten Laserstrahl mit einem in der aktiven Schicht resonierten Laserstrahl durch Erfüllen der kritischen Totalreflexionswinkelbedingung verbinden kann. In diesem Fall kann die Energienutzungseffizienz erhöht werden.
Eine Laserstrahlablenkvorrichtung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Halbleiterlaserelement und eine Treiberstromversorgungsschaltung, die ausgebildet ist, eine Elektrodengruppe, die die erste Ansteuerungselektrode und die zweite Ansteuerungselektrode umfasst, selektiv mit Treiberstrom zu speisen. Obwohl der Laserstrahl in nur einer Richtung durch Schalten des Treiberstroms in verschiedene Richtungen ausgegeben werden kann, wird der Laserstrahl pseudo-abgelenkt. Die Anzahl der Ansteuerungselektroden ist nicht auf zwei beschränkt, sondern kann drei oder mehr umfassen, und somit kann in diesem Fall eine Struktur bereitgestellt werden, die mit Laserstrahlen eine Abtastung in kleinen Abständen durchführen kann.
Außerdem weist die Treiberstromversorgungsschaltung ferner Mittel auf, um ein Verhältnis der den Elektroden der Elektrodengruppe zugeführten Treiberströme zu variieren. Das heißt, beim Variieren eines Gleichgewichts der Treiberströme, die der Elektrodengruppe zugeführt werden, die die erste Ansteuerungselektrode und die zweite Ansteuerungselektrode umfassen, kann der Strahl kontinuierlich abgelenkt werden.
Eine Periode entlang eines Grundtranslationsvektors in der ersten periodischen Struktur wird kontinuierlich variiert, wenn sich die Periode der dritten periodischen Struktur nähert. In diesem Fall kann die Erzeugung der Reflexion an einer Grenzfläche zwischen den photonischen Kristallen mit unterschiedlichen Perioden verhindert werden.
Darüber hinaus werden die folgenden Beziehungen in den ersten, zweiten, dritten und vierten periodischen Strukturen erfüllt, so dass Resonanzwellenlängen der Laserstrahlen, die von den ersten und zweiten Abschnitten der aktiven Schicht unmittelbar unter den ersten und zweiten Ansteuerungselektroden erzeugt werden, bei Speisung der ersten und zweiten Ansteuerungselektroden mit einem Treiberstrom gleich werden. b1 = b2 = b₀/√(1 – sin²δθ) δθ = φ – sin^–1(sinθ3/n_dev)
Zudem bezeichnet b₀ eine Referenzperiode in Bezug auf eine B-Richtung (eine Ausrichtungsrichtung des Gitterpunkts (eine Anordnungsrichtung des Differenzialbrechungsindexabschnitts)), φ bezeichnet eine Neigung des gesamten photonischen Kristalls, d. h., φ bezeichnet eine Neigung der Anordnungsrichtung (der B-Richtung) des Differentialbrechungsindexabschnitts in Bezug auf eine Richtung senkrecht zu der Lichtemissionsendfläche, θ3 bezeichnet einen Abstrahlwinkel des Laserstrahls, und n_dev bezeichnet einen effektiven Lichtbrechungsindex in dem Halbleiterlaserelement. Wird die Laserstrahlabtastung von einem Spiegel oder dergleichen durchgeführt, der in einem Laserdrucker oder dergleichen vorgesehen ist, vereinfacht sich eine Anwendung auf das zugehörige elektronische Gerät, da die Wellenlängen der Laserstrahlen vor und nach der Ablenkung bei konstanter Wellenlänge gleich zueinander sind.
Zudem ist ein einzelnes Lichtempfangselement, das in der Nähe der Lichtemissionsendfläche angeordnet ist, vorgesehen. Durchläuft in diesem Fall der Laserstrahl das Lichtempfangselement, kann der Laserstrahl durch Eindämmen eines Öffnungswinkel über eine weite Strecke übertragen werden, oder der Laserstrahl kann durch Einstellen einer Fokusposition an einem Ort in der Nähe empfangen werden.
Darüber hinaus ist das Lichtempfangselement eine Zylinderlinse, und eine Mittelachse der Zylinderlinse liegt senkrecht zu einer Dickenrichtung der aktiven Schicht und parallel zur Lichtemissionsendfläche. Die Zylinderlinse kann für die Konzentration von stabförmig angeordneten Lichtpunktquellen verwendet werden, und die Konzentration des Lichts kann, unabhängig von den Positionen, unter den gleichen Bedingungen durchgeführt werden.
Darüber hinaus ist das Lichtempfangselement eine konvexe Linse, wobei eine Achse, die durch einen Krümmungsmittelpunkt der konvexen Linse läuft, senkrecht zu einer Dickenrichtung der aktiven Schicht und parallel zur Lichtemissionsendfläche liegt, und wobei ein Krümmungsradius um die Achse kleiner als ein Krümmungsradius um eine Achse senkrecht dazu ist. Die gleichen Funktionen können ausgeführt werden, wenn anstelle der zylindrischen Linse die konvexe Linse verwendet.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem Halbleiterlaserelement und der Laserstrahlablenkvorrichtung gemäß verschiedener Aspekte und der oben beschriebenen Ausführungsform kann der Laserstrahl in nur einer Richtung emittiert und die Emissionsrichtung variiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Längsquerschnittansicht eines Halbleiterlaserelements;
2 ist eine Draufsicht des Halbleiterlaserelements;
3 ist eine Draufsicht der Innenseite des Halbleiterlaserelements zur Beschreibung eines Verlaufs des Laserstrahls in dem Element;
4 ist eine Draufsicht eines photonischen Kristallgebiets mit einer einzigen periodischen Struktur;
5 ist eine Draufsicht des photonischen Kristallgebiets mit der einzigen periodischen Struktur;
6 ist eine Draufsicht eines photonischen Kristallgebiets mit einer Vielzahl von periodischen Strukturen;
7 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallgebietsgruppe mit einer Vielzahl von photonischen Kristallschichtabschnitten, die eine Vielzahl von periodischen Strukturen aufweisen;
8 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallschicht mit einer photonischen Kristallgebietsgruppe;
9 ist ein Diagramm, das einen Einfallwinkel und einen Abstrahlwinkel eines Laserstrahls in Bezug auf einen Ablenkungswinkel δθ (in Abhängigkeit einer Differenz eines Kehrwerts einer Periode in jedem der photonischen Kristallgebiete) aus einer Bezugsrichtung darstellt;
10 ist eine Draufsicht eines Differentialbrechungsindexabschnitts (ein Strukturkörper) mit unterschiedlichen Formen;
11 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration der Laserstrahlablenkvorrichtung darstellt;
12 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterlaserelements;
13 ist eine Ansicht zur Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterlaserelements;
14 ist eine Längsquerschnittansicht des Halbleiterlaserelements;
15 ist eine Draufsicht der Innenseite des Halbleiterlaserelements;
16 ist ein Diagramm, das einen Vektor von einem Ursprung O zu einem Punkt P (βx, βy) in einem xy-Koordinatensystem darstellt;
17 ist ein Diagramm, das eine Richtung einer Hauptlichtwelle in dem xy-Koordinatensystem darstellt;
18 ist eine Draufsicht der Innenseite des Elements zur Beschreibung einer Hauptlichtwelle in einer aktiven Schicht 3b;
19A ist eine Draufsicht einer Beugungsgitterschicht 4' mit einer periodischen Struktur, und 19B ist eine Querschnittansicht in einer XZ-Ebene;
20 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Laserstrahlabstrahlwinkel (ein Brechungswinkel) θ3, und einem Winkel θ und eine Periode Λ einer Streifenstruktur darstellt;
21 ist eine Tabelle, die in dem Diagramm verwendete Daten zeigt;
22 ist eine Querschnittansicht eines Teilbereichs des Halbleiterlaserelements; und
23 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallschicht.
Beschreibung der Ausführungsformen
Im Nachfolgenden werden ein Kantenemissionshalbleiterlaserelement und eine Laserstrahlablenkvorrichtung unter Verwendung desselben gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Ferner sind gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
1 ist eine Längsquerschnittansicht eines Halbleiterlaserelements, und 2 ist eine Draufsicht des Halbleiterlaserelements.
Ein Laserelement 10 umfasst eine untere Mantelschicht 2, eine untere Lichtleiterschicht 3A, eine aktive Schicht 3B, eine obere Lichtleiterschicht 3C, eine photonische Kristallschicht 4, eine obere Mantelschicht 5 und eine Kontaktschicht 6, die der Reihe nach auf einem Halbleitersubstrat 1 gebildet sind. Eine Elektrode E1 ist auf einer hinteren Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 1 über der gesamten Oberfläche ausgebildet, und eine Vielzahl von Ansteuerungselektroden E2 sind auf der Kontaktschicht 6 ausgebildet. In den 1 und 2 ist, obwohl fünf Ansteuerungselektroden E2 schematisch dargestellt sind, in Wirklichkeit eine größere Anzahl von Ansteuerungselektroden E2 auf der Kontaktschicht 6 vorgesehen.
Ferner ist eine andere Oberfläche auf der Kontaktschicht 6 als ein Formungsgebiet der Ansteuerungselektrode E2 mit einer Isolierschicht SH bedeckt. Die Isolierschicht SH kann beispielsweise aus SiN oder SiO₂ gebildet werden.
Materialien/Dicken dieser Verbindungshalbleiterschichten sind im Nachfolgenden beschrieben. Ferner umfasst ein Halbleiter, dessen Leitfähigkeitstyp nicht beschrieben ist, einen intrinsischen Halbleiter mit einer Verunreinigungskonzentration von 10¹⁵/cm³ oder weniger. Ferner beträgt die Konzentration bei Hinzufügung von Verunreinigungen 10¹⁷ bis 10²⁰/cm³. Zudem ist die folgende Beschreibung ein Beispiel der Ausführungsform, und wenn das Beispiel einen Aufbau aufweist, der die aktive Schicht 3B und die photonische Kristallschicht 4 umfasst, weisen Materialien, eine Schichtdicke und ein Schichtaufbau einen Freiheitsgrad auf.
Die obere Lichtleiterschicht 3C ist aus zwei Schichten, das heißt, einer oberen Schicht und einer unteren Schicht, gebildet.

– Kontaktschicht 6: p-GaAs/50 bis 500 nm
– Obere Mantelschicht 5: p-AlGaAs (Al_0,4Ga_0,6As)/1,0 bis 3,0 μm
– Photonische Kristallschicht 4: Basisschicht 4A: GaAs/50 bis 200 nm Vergrabene Schicht (Differentialbrechungsindexabschnitt) 4B: AlGaAs (Al_0,4Ga_0,6As)/50 bis 200 nm
– Obere Lichtleiterschicht 3C: Obere Schicht: GaAs/10 bis 200 nm Untere Schicht: p-Typ oder intrinsisches AlGaAs/10 bis 100 nm

– Aktive Schicht 3B (Multi-Quantum-Well-Struktur): AlGaAs/InGaAs MQW/10 bis 100 nm
– Untere Lichtleiterschicht 3A: AlGaAs/0 bis 300 nm
– Untere Mantelschicht 2: n-AlGaAs/1,0 bis 3,0 μm
– Halbleitersubstrat 1: n-GaAs/80 bis 350 μm

Beispielsweise kann AuGe/Au als Material für die Elektrode E1 verwendet werden, und beispielsweise kann Cr/Au oder Ti/Au als Material für die Elektrode E2 verwendet werden.
Ferner kann die Lichtleiterschicht weggelassen werden.
In einem Herstellungsverfahren beträgt in diesem vorliegenden Fall eine Wachstumstemperatur von AlGaAs durch MOCVD 500°C bis 850°C, und bei einem Versuch werden 550 bis 700°C verwendet, TMA (Trimethylaluminium) kann beim Wachstum als Al-Ausgangsmaterial verwendet werden, und TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium) kann als Gallium-Ausgangsmaterial verwendet werden, AsH₃ (Arsin) kann als As-Ausgangsmaterial verwendet werden, Si₂H₆ (Disilan) kann als Ausgangsmaterial für N-Typ Verunreinigungen verwendet werden und DEZn (Diethylzink) kann als Ausgangsmaterial für P-Typ Verunreinigungen verwendet werden.
Fließt ein Strom zwischen den Elektroden E1 und E2, die an oberen und unteren Seiten angeordnet sind, dann fließt ein Strom durch ein Gebiet R unmittelbar unter irgendeiner der Elektroden E2, das Gebiet emittiert Licht, und ein Laserstrahl LB wird von einer Seitenendfläche des Substrats in einem vorbestimmten Winkel ausgegeben (siehe 2). Wird ein Treiberstrom einer der Ansteuerungselektroden E2 zugeführt, wird bestimmt, welcher Laserstrahl LB emittiert wird.
Weist eine ebene Form des Halbleiterlaserelements eine rechteckige Form auf und wird ein dreidimensionales orthogonales XYZ-Koordinatensystem verwendet, ist eine Dickenrichtung eine Z-Achse, eine Breitenrichtung eine X-Achse und eine Richtung senkrecht zu einer Lichtemissionsendfläche LES eine Y-Achse. In einer XY-Ebene bildet eine Längsrichtung, in der sich die Ansteuerungselektrode E2 erstreckt, einen Winkel φ in Bezug auf eine gerade Linie parallel zu der Y-Achse. Das heißt, die Längsrichtung der Ansteuerungselektrode E2 ist in Bezug auf eine Normale (Y-Achse) der Lichtemissionsendfläche LES des Halbleiterlaserelements in einer Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements geneigt. Während sich die Ansteuerungselektrode E2 zu einer Endfläche einer gegenüberliegenden Seite von einer Position der Lichtemissionsendfläche LES erstreckt, überspannt die Ansteuerungselektrode E2 das Halbleiterlaserelement nicht vollständig, sondern ist irgendwo unterbrochen.
3 ist eine Draufsicht der Innenseite des Elements zur Beschreibung eines Verlaufs des Laserstrahls in dem Halbleiterlaserelement.
Während der Erzeugung des Laserstrahls in der aktiven Schicht 3B erfährt das von der aktiven Schicht 3B ausgesandte Licht einen Einfluss der benachbart dazu angeordneten photonischen Kristallschicht 4. Eine periodische Brechungsindexverteilungsstruktur wird in der photonischen Kristallschicht 4 gebildet. Als Ergebnis der Beugung durch die photonische Kristallschicht, werden Laserstrahlen, die durch die Wellenzahlvektoren k1 bis k4 dargestellt sind, in der aktiven Schicht 3B erzeugt. Der Wellenzahlvektor ist ein Vektor, bei dem ein Betrag dann eine Wellenzahl wiedergibt, wenn eine Richtung eine Normalen-Richtung einer Wellenoberfläche (d. h., eine Ausbreitungsrichtung der Welle) ist. Die Laserstrahlen der Wellenzahlvektoren k1 und k2 sind in Richtung der Lichtemissionsendfläche LES gerichtet, und die Laserstrahlen der Wellenzahlvektoren k4 und k3 sind in die entgegengesetzte Richtung davon gerichtet.
Die Laserstrahlen der Wellenzahlvektoren k1 und k2 bewegen sich so vorwärts, dass sie Winkel von ±δθ in Bezug auf eine B-Richtung bilden, die wiederum den Winkel φ mit einer geraden Linie parallel zu der Y-Achse bildet. Ferner ist die B-Richtung eine Richtung, in die sich die Ansteuerungselektrode E2 erstreckt. Ein A-Richtung ist eine Richtung senkrecht zur B-Richtung in der XY-Ebene. Ferner ist ein Koordinatensystem, das durch Drehen des orthogonalen XYZ-Koordinatensystems um die Z-Achse um den Winkel φ erhalten wird, ein orthogonales xyz-Koordinatensystem. In diesem Fall deckt sich die A-Richtung mit einer positiven x-Achsenrichtung, und die B-Richtung deckt sich mit einer negativen y-Achsenrichtung. Die Laserstrahlen der Wellenzahlvektoren k1 und k2 treffen auf die Lichtemissionsendfläche LES auf und werden nach außen emittiert, und die jeweiligen Einfallswinkel derselben sind als θ1 und θ2 gekennzeichnet. Ein Brechungswinkel des Laserstrahls des Wellenzahlvektors k1 wird als θ3 bezeichnet. θ3 ist kleiner als 90 Grad. Das heißt, der Einfallswinkel θ2 des Laserstrahls des Wellenzahlvektors k2 entspricht einem kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr, und es tritt eine Totalreflexion in der Lichtemissionsendfläche LES auf, so dass der Laserstrahl nicht nach außen ausgegeben wird. Indes ist der Einfallswinkel θ1 des Laserstrahls des Wellenzahlvektors k1 kleiner als der kritische Totalreflexionswinkel, sodass der Laserstrahl die Lichtaustrittsendfläche LES durchdringt und nach außen ausgegeben wird. Ferner ist θ4 ein Winkel, der durch eine Verlaufsrichtung des Laserstrahls, der vollständig in der Lichtemissionsendfläche LES reflektiert wird, und der negativen Y-Achsenrichtung gebildet wird, wobei dieser 90 Grad oder mehr beträgt.
Ferner wird die photonische Kristallschicht 4 durch Anordnen einer Vielzahl von photonischen Kristallgebieten 4R gebildet.
4 ist eine Draufsicht des photonischen Kristallgebiets 4R mit einer einzigen periodischen Struktur.
Der photonische Kristall ist ein Nanostrukturkörper, in dem sich ein Brechungsindex periodisch ändert, und kann Licht einer bestimmten Wellenlänge in einer bestimmten Richtung entsprechend der Periode stark koppeln, d. h., beugen. Da die Beugung zur Begrenzung des Lichts benutzt und als ein Resonator verwendet wird, kann der Laser realisiert werden. Die photonische Kristallschicht 4 der Ausführungsform wird durch die Basisschicht 4a und die vergrabene Schicht (der Differentialbrechungsindexabschnitt) 4B, die periodisch in der Basisschicht 4a vergraben ist, gebildet.
In der Ausführungsform ist eine Vielzahl von Löchern H periodisch in der Basisschicht 4a aus einem ersten Verbindungshalbleiter (GaAs) mit einer Mischstruktur ausgebildet, und die photonische Kristallschicht 4, die durch Wachsen der vergrabenen Schicht 4B aus einem zweiten Verbundhalbleiter (AlGaAs) mit einer Mischstruktur gebildet wird, ist in dem Loch H ausgebildet. Selbstverständlich sind zur Bildung des photonischen Kristalls die Brechungsindizes des ersten Verbindungshalbleiters und des zweiten Verbindungshalbleiters unterschiedlich. Ferner kann in der Ausführungsform, obwohl der zweite Verbindungshalbleiter einen kleineren Brechungsindex als der erste Verbindungshalbleiter aufweist, der erste Verbindungshalbleiter einen kleineren Brechungsindex als der zweite Verbindungshalbleiter aufweisen.
Die als die vergrabene Schicht dienenden Differentialbrechungsindexabschnitte 4B sind zur Bildung einer zweidimensionalen periodischen Struktur in der A-Richtung und der B-Richtung ausgerichtet. Hierin wird ein Abstand zwischen den Differentialbrechungsindexabschnitten 4B in der A-Richtung als a1 bezeichnet, und ein Abstand zwischen den Differentialbrechungsindexabschnitten 4B in der B-Richtung wird als b1 bezeichnet. Ferner kann der Fall eintreten, dass a1 = b1 ist. Obwohl in der gleichen Zeichnung eine rechteckige Form als ebene Form des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B in der AB-Ebene dargestellt ist, ist die ebene Form des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B nicht darauf beschränkt.
5 ist eine Draufsicht des photonischen Kristallgebiets 4R mit einer einzigen periodischen Struktur, die sich von jener der 4 unterscheidet.
Die als die vergrabene Schicht dienenden Differentialbrechungsindexabschnitte 4B sind zur Bildung einer zweidimensionalen periodischen Struktur in der A-Richtung und der B-Richtung ausgerichtet. Hierin wird ein Abstand zwischen den Differentialbrechungsindexabschnitten 4B in der A-Richtung als a2 bezeichnet, und ein Abstand zwischen den Differentialbrechungsindexabschnitten 4B in der A-Richtung wird als b2 bezeichnet. Weiterhin ist eine Beziehung a2 > a1 erfüllt. Obwohl in der gleichen Zeichnung auch eine rechteckige Form als ebene Form des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B in der AB-Ebene dargestellt ist, ist die ebene Form des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B nicht darauf beschränkt.
6 ist eine Draufsicht des photonischen Kristallgebiets 4R mit einer Vielzahl von periodischen Strukturen.
Das heißt, in dem photonischen Kristallgebiet 4R umfasst das einzelne photonische Kristallgebiet 4R die in 4 gezeigte periodische Struktur und die in 5 gezeigte periodische Struktur, und weist eine Periode a1 und eine Periode a2 auf. Zusätzlich wird in der gleichen Zeichnung die Periode der B-Richtung im Allgemeinen zu b2 (= b1).
Im Fall einer solchen Struktur wird gemäß einer endlichen Differenz zwischen einem Kehrwert (1/a1) der Periode a1 und einem Kehrwert (1/a2) der Periode a2, δθ in 3 bestimmt. Das heißt, dass bei der Ermittlung der Perioden a1 und a2 die Verlaufsrichtungen des Laserstrahls, die durch die Wellenzahlvektoren k1 und k2 dargestellt sind, bestimmt werden können. Ferner sind δθ = sin^–1(δk/k) und δk = |π{(1/a1) – (1/a2)}| erfüllt, wobei k = 2π/λ. λ ist eine Wellenlänge des Laserstrahls in dem Halbleiterlaserelement, und k ist eine Wellenzahl des Laserlichtes in dem Halbleiterlaserelement.
In der Ausführungsform ist ein Ausdruck für eine Ungleichung, der die Parameter θ1 und θ2 und einen effektiven Brechungsindex n_dev des Lichts in dem Halbleiterlaserelement erfüllt, wie folgt. 0 ≤ θ1 < sin^–1(1/n_dev) θ2 ≥ sin^–1(1/n_dev)
Zudem sind unter Berücksichtigung, dass in der vorliegenden Erfindung der gesamte photonische Kristall um φ geneigt ist, die Gleichungen, die die Parameter erfüllen, wie folgt. δθ = φ – sin^–1(sinθ3/n_dev) δk = (2π/λ₀)sin{φ – sin^–1(sinθ3/n_dev)} b1 = b2 = b₀/√(1 – sin²δθ) a1 = 1/{(δk/2π) + (1/b1)} a2 = 1/{(1/b2) – (δk/2π)}
Ferner ist b₀ eine Bezugsperiode in Bezug auf die B-Richtung (eine Ausrichtungsrichtung eines Gitterpunkts (eine Anordnungsrichtung eines Differenzialbrechungsindexabschnitts)), beispielsweise etwa 290 nm.
Das heißt, wenn φ eine Neigung der Anordnungsrichtung (B-Richtung) des Differentialbrechungsindexabschnitts in Bezug auf eine Richtung senkrecht zur Lichtemissionsendfläche LES ist, θ3 ein Abstrahlwinkel des Laserstrahls ist, n_dev ein effektiver Brechungsindex des Lichts in dem Halbleiterlaserelement ist, und der Treiberstrom den ersten und zweiten Ansteuerungselektroden zugeführt wird, sind die Perioden b1 und b2 umgekehrt proportional zu √{1 – sin²(φ – sin^–1(sinθ3/n_dev))} bezogen auf eine der Richtungen entlang des Grundtranslationsvektors in den ersten, zweiten, dritten und vierten periodischen Strukturen (die im Nachfolgenden beschrieben werden), so dass die Resonanzwellenlängen der Laserstrahlen, die in den ersten und zweiten Gebieten der aktiven Schicht direkt unter den ersten und zweiten Ansteuerungselektroden erzeugt werden, gleich zueinander sind. Da die Einstellung der Perioden variiert wird, kann der Abstrahlwinkel θ3 variiert werden.
Ist eine Totalreflexionsbedingung des Laserstrahls des Wellenzahlvektors k2 erfüllt, wird ein kritischer Totalreflexionswinkel θc als θc = sin^–1(1/n_dev) angegeben, und im Beispiel beträgt φ = 18,5°, und θ2 > θc = 17,6°.
7 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallgebietsgruppe 4G mit der Vielzahl von photonischen Kristallschichtgebieten 4R, die jeweils eine Vielzahl von periodischen Strukturen aufweisen. Die photonischen Kristallschichtgebiete 4R sind in der A-Richtung ausgerichtet und angeordnet.
Ein erstes photonisches Kristallschichtgebiet 4R von links ist ein Gebiet Δ1, ein zweites photonisches Kristallschichtgebiet 4R ist ein Gebiet Δ2, ein drittes photonisches Kristallschichtgebiet 4R ist ein Gebiet Δ3, ein viertes photonisches Kristallschichtgebiet 4R ist ein Gebiet Δ4 und ein fünftes photonisches Kristallschichtgebiet 4R ist ein Gebiet Δ5. Der Einfachheit halber stellen Δ1 bis Δ5 Parameter der Kehrwerte der Perioden dar.
In dem Gebiet Δ1 sind die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B, die die Periode a1 und die Periode a2, wie in 6 gezeigt, erfüllen, in der A-Richtung angeordnet, und die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B mit der Periode b2 sind in der B-Richtung angeordnet.
Auf ähnliche Weise sind im Gebiet Δ2 die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B, die die Periode a1 und die Periode a3 erfüllen, in der A-Richtung angeordnet, und die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B mit der Periode b2 sind in der B-Richtung angeordnet.
In dem Gebiet Δ3 sind die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B, die die Periode a1 und die Periode a4 erfüllen, in der A-Richtung angeordnet, und die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B mit der Periode b2 sind in der B-Richtung angeordnet.
In dem Gebiet Δ4 sind die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B, die die Periode a1 und die Periode a5 erfüllen, in der A-Richtung angeordnet, und die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B mit der Periode b2 sind in der B-Richtung angeordnet.
In dem Gebiet Δ5 sind die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B, die die Periode a1 und die Periode a6 erfüllen, in der A-Richtung angeordnet, und die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B mit der Periode b2 sind in der B-Richtung angeordnet. Es ist jedoch eine Beziehung a1 < a2 < a3 < a4 < a5 < a6 erfüllt.
Unter Verwendung einer allgemeinen Gleichung sind die Gebiete ΔN (wobei N eine natürliche Zahl ist) in der A-Richtung so angeordnet, dass ein Wert von N in der Reihenfolge von links nach rechts, von einem kleinen Wert ausgehend, angeordnet ist, und in den Gebieten ΔN sind die Differenzbrechungsindexabschnitte 4B, die die Periode a1 und die Periode a(N + 1) erfüllen, in der A-Richtung angeordnet, und die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B mit der Periode b2 sind in der B-Richtung angeordnet, um aN < a(N + 1) zu erfüllen.
Dementsprechend können die Laserstrahlen entsprechend einer Differenz zwischen den Kehrwerten der Perioden in verschiedene Richtungen emittiert werden.
8 ist eine Draufsicht der photonischen Kristallschicht mit der photonischen Kristallgebietsgruppe 4G.
In der photonischen Kristallschicht 4 sind die Gebiete Δ1 bis Δ5 der Reihe nach in der A-Richtung angeordnet. Eine Längsrichtung eines jeden Gebiets Δ1 bis Δ5 fällt mit der B-Richtung (die Längsrichtung der Ansteuerungselektrode E2) zusammen. Wird der Treiberstrom selektiv jeder der Ansteuerungselektroden E2 zugeführt (es wird eine Treiberspannung zwischen der Elektrode E1 und der bestimmten Elektrode E2 angelegt), werden die Laserstrahlen jeweils von der Lichtemissionsendfläch LES in verschiedene Richtungen emittiert (siehe 2).
9 ist ein Diagramm, das einen Einfallwinkel und einen Abstrahlwinkel eines Laserstrahls in Bezug auf einen Ablenkungswinkel δθ (in Abhängigkeit einer Differenz zwischen den Kehrwerten der Perioden in den photonischen Kristallgebieten) aus einer Bezugsrichtung (B-Richtung) darstellt.
Wird bei der Erhöhung der Differenz zwischen den Kehrwerte der Perioden der Winkel δθ erhöht, erhöhen sich die Einfallswinkel θ1 und θ2, und ein Brechungswinkel (ein Abstrahlwinkel) des Laserstrahls, der als ein k1 Vektor dargestellt ist, wird von 90° auf 0° verringert. φ = 18,5° und δθ wird von 0° bis 18,5° variiert. Der effektive Brechungsindex n_dev des Lichts in dem Halbleiterlaserelement beträgt 3.3. Beim Einstellen des Winkels δθ kann ein Abstrahlwinkel des Laserstrahls als Teil davon innerhalb eines breiten Bereichs eingestellt werden. Da indes θ2, unabhängig von dem Wert δθ, immer einen kritischen Totalreflexionswinkel im Laserstrahl, der als ein ks Vektor bezeichnet wird, überschreitet, wird immer die Totalreflexion erzeugt, aber nicht nach außen ausgegeben.
10 ist eine Draufsicht des Differentialbrechungsindexabschnitts (der Strukturkörper) 4B mit unterschiedlichen Formen.
In der oben erwähnten Beschreibung kann die Form, obwohl die rechteckige Form (A) als eine Form in der AB-Ebene (die XY-Ebene) des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B gezeigt ist, ein Quadrat (B), eine Ellipse oder ein Kreis (C) sein, oder sie kann auch ein gleichschenkliges oder gleichseitiges Dreieck (D) umfassen. Zudem können im Hinblick auf eine Richtung des Dreiecks, zusätzlich zu einem Dreieck (D) mit einer Basis parallel zur Richtung A, ein Dreieck (E) mit einer Basis parallel zur B-Richtung und ein Dreieck (F), das durch Rotation des unter (D) gezeigten Dreiecks um 180° erhalten wird, verwendet werden. Ferner kann die Rotation oder das Abmessungsverhältnis jeder der Formen variiert werden. Ferner kann ein Abstand zwischen den Mittelpunkten der Formen als eine Anordnungsperiode dieser Formen verwendet werden.
Da sich ferner die beiden periodischen Strukturen überschneiden und somit aufgrund einer Differenz zwischen den Perioden ein Unterschied in der Anzahl der Öffnungen auftritt, wird durch die zwei periodischen Strukturen ein Unterschied in der Beugungsintensität erzeugt. Zur Verringerung der Differenz, gilt es, eine Formlänge in der A-Richtung in Bezug auf die Struktur der Periode a1 mit a1/b1 zu multiplizieren, und eine Formlänge in der A-Richtung in Bezug auf die Struktur der Periode a2 mit a2/b2 (= b1) zu multiplizieren.
Beträgt ferner die Anzahl der Ansteuerungselektroden E2 eins, wird in der oben erwähnten Ausführungsform das Halbleiterlaserelement, das den Strahl in nur einer Richtung ausgeben kann, gebildet. Beträgt die Anzahl der Ansteuerungselektroden E2 ein Vielfaches, kann die Laserstrahlablenkvorrichtung gebildet werden.
11 ist eine Ansicht, die einen Aufbau der Laserstrahlablenkvorrichtung unter Verwendung des Halbleiterlaserelements zeigt.
Zudem umfasst die Laserstrahlablenkvorrichtung das oben erwähnte Halbleiterlaserelement 10 und eine Treiberstromversorgungsschaltung 11, die ausgebildet ist, selektiv einen Treiberstrom einer Elektrodengruppe mit einer ersten Ansteuerungselektrode E2 (die Ansteuerungselektrode ganz links), einer zweiten Ansteuerungselektrode (eine zweite Ansteuerungselektrode von links), einer dritten Ansteuerungselektrode (eine dritte Ansteuerungselektrode von links), einer vierten Ansteuerungselektrode (eine vierte Ansteuerungselektrode von links) und einer fünften Ansteuerungselektrode (eine fünfte Ansteuerungselektrode von links) zuzuführen.
Die Treiberstromversorgungsschaltung 11 umfasst einen Stromkreis 11A, der ausgebildet ist, einen Treiberstrom den Ansteuerungselektroden E2 über Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 und SW5 zuzuführen, und einen Regelkreis 11B, der ausgebildet ist, einen EIN/AUS Zustand der Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 und SW5 zu steuern. Während der Laserstrahl LB in nur einer Richtung in verschiedene Richtungen ausgegeben werden kann, wenn der vom Stromkreis 11A zugeführte Treiberstrom durch den Regelkreis 11B geschaltet wird, wird der Laserstrahl LB pseudo-abgelenkt. Während der Ablenkvorgang selbst dann möglich ist, wenn die Anzahl der Ansteuerungselektroden zwei beträgt, ist bei einer Anzahl von drei oder mehr auch das Bereitstellen einer Struktur möglich, die mit Laserstrahlen eine Abtastung in kleinen Abständen durchführen kann.
12 und 13 zeigen eine Ansicht zur Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterlaserelements.
Ein N-Typ Mantelschicht (AlGaAs) 2, eine Leiterschicht (AlGaAs) 3A, eine Multi-Quantum-Well-Struktur (InGaAs/AlGaAs) 3B, eine Lichtleiterschicht (GaAs/AlGaAs) oder eine Abstandshalterschicht (AlGaAs) 3C und eine Basisschicht (GaAs) 4A aus einer photonischen Kristallschicht werden nacheinander epitaxial auf einem N-Typ (als erster Leitungstyp bezeichnet) Halbleitersubstrat (GaAs) 1 unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Dampfabscheidung-(MOCVD)-Verfahrens (12(A)) gewachsen.
Als nächstes wird ein Resist R1 auf der Basisschicht 4a (12(B)) aufgebracht und ein 2-dimensionales Feinmuster durch ein Elektronenstrahl-Lithographiesystem gezeichnet und entwickelt, wodurch das 2-dimensionale Feinmuster (entsprechend einer Position des Differenzialbrechungsindexabschnitts) auf dem Resist (12(C)) gebildet wird.
Danach wird das 2-dimensionale Feinmuster mit einer Tiefe von etwa 100 nm durch Trockenätzen auf die Basisschicht 4a übertragen (12(D)) und der Resist entfernt (12(E)). Danach wird ein erneuter Wachstumsschritt unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens durchgeführt, der Differenzialbrechungsindexabschnitt 4b in der Basisschicht 4a ausgebildet und die Mantelschicht 5 darauf gebildet.
Im erneuten Wachstumsschritt wächst die vergrabene Schicht (AlGaAs) 4B in das Loch H, danach werden die P-Typ Mantelschicht (AlGaAs) 5 und eine P-Typ Kontaktschicht (GaAs) 6 nacheinander epitaxial aufgewachsen (12(F)).
Als nächstes wird ein Resist R2 auf der P-Typ Kontaktschicht 6 (13(g)) gebildet, ein streifenförmiges Muster wird durch optisches Belichten des Resist R2 (13(H)) strukturiert, die Elektrode E über dem Resist R2 (13(I)) abgeschieden und ein Elektrodenmaterial wird durch Abheben entfernt, sodass nur die Elektrode E2 (13(J)) übrigbleibt. Dann wird die Isolierschicht SH auf einer Oberfläche der Kontaktschicht 6 mit Ausnahme des Formungsgebiets der Elektrode E2 (13(K)) ausgebildet, und schließlich wird auf einer Rückfläche des N-Typ Halbleitersubstrats 1 die N-Typ Elektrode E1 (13(L)) zur Fertigstellung des Halbleiterlaserelements ausgebildet.
Ferner können in der Ausführungsform, obwohl das Elektronenstrahl-Belichtungsverfahren als Verfahren zur Bildung des Lochs H beschrieben wurde, andere Feinverarbeitungsverfahren, wie optische Belichtung von Nanoprägungen, Interferenzbelichtung, FIB, Stepperverfahren, und dergleichen, verwendet werden.
Ferner kann in der oben erwähnten Beschreibung, obwohl das Beispiel unter Verwendung einer photonischen Kristallschicht 4 beschrieben worden ist, das Beispiel unter Verwendung von zwei photonischen Kristallschichten 4 ausgebildet werden.
14 ist eine Längsquerschnittansicht des Halbleiterlaserelements.
Das in 14 gezeigte Element unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Element nur insofern, dass eine zweite photonische Kristallschicht 4' zwischen der Mantelschicht 2 und der Lichtleiterschicht 3A (die aktive Schicht 3B) vorgesehen ist. Ferner umfasst die zweite photonische Kristallschicht 4' eine Basisschicht 4A', die aus dem gleichen Material wie die erste photonische Kristallschicht 4 gebildet ist, und einen Differentialbrechungsindexabschnitt 4B'.
Wenn die in 1 gezeigte photonische Kristallschicht 4 die erste photonische Kristallschicht bildet, weist die photonische Kristallschicht 4 eine Brechungsindexverteilungsstruktur mit einer in 4 gezeigten einzelne periodischen Struktur auf, und die zweite photonische Kristallschicht 4' weist eine Brechungsindexverteilungsstruktur auf, bei der die Perioden a3 bis a4 in den Gebieten in der A-Richtung angeordnet sind, zusätzlich zu der in 5 gezeigten einzelnen periodischen Struktur der Periode a2. Das heißt, bei einer Überschneidung der photonischen Kristallschichten 4 und 4' in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements, ähnlich jener in der 7, sind die Gebiete Δ1 bis Δ5 in der A-Richtung ausgerichtet. Selbst im Fall einer solchen Struktur kann, da die Parameter wie oben beschrieben eingestellt sind, der gleiche Nutzungseffekt wie bei der in 1 gezeigten Struktur erhalten werden.
Ferner wird bei der Herstellung einer solchen Struktur, nach der Bildung der Mantelschicht 2, das gleiche Herstellungsverfahren wie bei der ersten photonischen Kristallschicht 4 durchgeführt (jedoch wird das Wachstumsverfahren nach der Bildung des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B beendet), und anschließend können die der Lichtleiterschicht 3A folgenden Schichten anhand desselben Verfahrens wie das oben erwähnte Herstellungsverfahren auf dieser gebildet werden.
Zudem wird selbst in einer Struktur, die die zweite photonische Kristallschicht 4' mit der gleichen Struktur wie die erste photonische Kristallschicht 4 verwendet, die zwei periodische Brechungsindexstrukturen anstelle der ersten photonischen Kristallschicht 4 aufweist, die gleiche Wirkung erzielt.
Wie zuvor beschrieben, ist das obige Halbleiterlaserelement ein Kantenemissionshalbleiterlaserelement, und umfasst die auf dem Substrat 1 ausgebildete untere Mantelschicht 2, die obere Mantelschicht 5, die aktive Schicht 3B (die die Lichtleiterschicht umfassen kann) zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der oberen Mantelschicht 5, die photonische Kristallschicht 4 bzw. 4', die zwischen der aktiven Schicht 3B und der oberen und/oder unteren Mantelschicht angeordnet ist, und die erste Ansteuerungselektrode E2, die ausgebildet ist, einen Treiberstrom einem ersten Gebiet R (einem Bereich unmittelbar unter der einen Ansteuerungselektrode E2) der aktiven Schicht 3B zuzuführen, wobei eine Längsrichtung der ersten Ansteuerungselektrode E2 gegenüber einer Normalen (Y-Achse) der Lichtemissionsendfläche LES des Halbleiterlaserelements in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements geneigt ist, wobei das Gebiet Δ1, das dem ersten Gebiet R des photonischen Kristallschicht 4 bzw. 4' entspricht, erste und zweite periodischen Strukturen aufweist, die unterschiedliche Anordnungsperioden der Differentialbrechungsindexabschnitte mit sich von der Umgebung unterscheidenden Brechungsindizes aufweisen, wobei zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel δθ mit Bezug auf die Längsrichtung (B-Richtung) der ersten Ansteuerungselektrode E2 bilden, in dem Halbleiterlaserelement gemäß einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden (a1, a2) in den ersten und zweiten periodischen Strukturen in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements erzeugt werden, wobei nur einer der Laserstrahlen festgelegt ist, eine Totalreflexionsbedingung zu erfüllen, und ein Brechungswinkel θ3 des anderen Laserstrahl auf weniger als 90 Grad eingestellt ist.
Das heißt, in dem Kantenemissionslaserelement kann, bezogen auf die Emission durch Einspeisung des Treiberstroms in die erste Ansteuerungselektrode E2, wenn ein Einfallswinkel θ des einen Laserstrahls in dem Laserelement zur Lichtemissionsendfläche dem kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr entspricht, der Laserstrahl nicht nach außen ausgegeben werden. Da der Brechungswinkel θ3 des anderen Laserstrahls kleiner als 90 Grad ist, kann der Laserstrahl über die Lichtemissionsendfläche nach außen ausgegeben werden.
Darüber hinaus umfasst das Halbleiterlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ferner die zweite Ansteuerungselektrode E2, die einen Treiberstrom einem zweiten Gebiet R (einem Bereich unmittelbar unter der einen Ansteuerungselektrode E2) der aktiven Schicht 3B zuführt, wobei eine Längsrichtung (die B-Richtung) der zweiten Ansteuerungselektrode E2 gegenüber einer Normalen (Y-Achse) der Lichtemissionsendfläche LES des Halbleiterlaserelements in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements geneigt ist, wobei das Gebiet Δ2, das dem zweiten Gebiet R des photonischen Kristallschicht entspricht, dritte und vierte periodischen Strukturen aufweist, die unterschiedliche Anordnungsperioden der Differentialbrechungsindexabschnitte mit sich von der Umgebung unterscheidenden Brechungsindizes aufweisen, wobei zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel δθ mit Bezug auf die Längsrichtung der zweiten Ansteuerungselektrode E2 bilden, in dem Halbleiterlaserelement gemäß einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden (a1, a3) in den dritten und den vierten periodischen Strukturen in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements erzeugt werden, wobei nur einer der Laserstrahlen festgelegt ist, eine Totalreflexion in der Lichtemissionsendfläche durchzuführen, ein Brechungswinkel θ3 des anderen Laserstrahl auf weniger als 90 Grad eingestellt ist und sich die endliche Differenz zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden (a1, a2) der ersten und zweiten periodischen Strukturen von der endlichen Differenz zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden (a1, a3) der dritten und der vierten periodischen Strukturen unterscheidet.
In dem Emissionslaserelement kann, bezogen auf die Emission durch Einspeisung des Treiberstroms in die erste Ansteuerungselektrode E2, wenn ein Einfallswinkel des einen Laserstrahls zur Lichtemissionsendfläche in dem Laserelement dem kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr entspricht, der Laserstrahl nicht nach außen ausgegeben werden. Da der Brechungswinkel θ3 des anderen Laserstrahls kleiner als 90 Grad ist, kann der Laserstrahl über die Lichtemissionsendfläche nach außen ausgegeben werden.
Ferner ist der gleiche Effekt selbst bei der dritten Ansteuerungselektrode E2 und den links davon Nachfolgenden erzielbar.
In den Gebieten in den photonischen Kristallschichten 4 und 4', die den Ansteuerungselektroden entsprechen, unterscheidet sich die Differenz (ein Emissionsrichtungsbestimmungsfaktor) zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden der Differentialbrechungsindexabschnitte 4B. Ein Wert der Differenz bestimmt die Emissionsrichtung des Laserstrahls. Da sich der Wert der Differenz (der Emissionsrichtungsbestimmungsfaktor) in beiden Gebieten unterscheidet, unterscheidet sich folglich die Emissionsrichtung des Laserstrahls in dem Gebiet Δ1, das der ersten Ansteuerungselektrode E2 entspricht, und in dem Gebiet Δ2, das der zweiten Ansteuerungselektrode E2 entspricht. In dem in den Gebieten erzeugten Laserstrahlenpaar wird, da ein Laserstrahl im kritischen Totalreflexionswinkel oder mehr auf die Lichtemissionsendfläche trifft, der Laserstrahl nicht nach außen emittiert. Folglich kann beim Schalten der Treiberstromzufuhr zu den Ansteuerungselektroden der Laserstrahl in nur einer Richtung in verschiedenen Richtungen ausgeben werden.
Ferner kann selbstverständlich in der Ausführungsform, obwohl beschrieben wurde, dass die Periode in der A-Richtung und der B-Richtung auf einem quadratischen Gitter (b1, b1) beruht, das als photonischer Kristall mit unterschiedlichen Perioden dient, die Periode auf einem Rechteckgitter (a1, b1) beruht, das als eine erste periodische Struktur dient, und die Periode auf einem Rechteckgitter (a2, b1) beruht, das als eine zweite periodische Struktur dient, eine Struktur, bei der sich die Periode in der A-Richtung auf der Grundlage des Dreieckgitters unterscheidet, verwendet werden.
15 ist eine Draufsicht der Innenseite des Elements, bei dem der Brechungswinkel θ3 des emittierten Strahls, der geringfügig variiert wird, durch Umkehren der Ober- und Unterseite der Draufsicht der 3 erhalten wird. 3 ist die gleiche wie zuvor.
Das orthogonale xyz-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das durch Drehen des orthogonalen XYZ-Koordinatensystems um die Z-Achse um einen Winkel +φ erhalten wird, wobei eine +x-Richtung mit einer +A-Richtung zusammenfällt und eine +y-Richtung mit einer –B-Richtung zusammenfällt. Die Anordnung des Musters der Öffnungen des photonischen Kristalls ist gegenüber der Lichtemissionsendfläche um den Winkel φ geneigt. Wie gezeigt, ist ein Winkel, der durch eine Reflexionsrichtung des Wellenzahlvektors k2 (eine Laserstrahlverlaufsrichtung des Wellenzahlvektors k2') und der Lichtemissionsendfläche LES gebildet wird, als θ2' gekennzeichnet, und ein Winkel, der durch eine Reflexionsrichtung des Laserstrahls des Wellenzahlvektors k1 (eine Laserstrahlverlaufsrichtung des Wellenzahlvektors k1') und der Lichtemissionsendfläche LES gebildet wird, ist als θ3' gekennzeichnet.
In der oben erwähnten Ausführungsform wird die Anzahl der von dem Element emittierten Laserstrahlen auf 1 gesetzt, und der Laserstrahl des Wellenzahlvektors k2 wird eingestellt, die Totalreflexion in der Lichtemissionsendfläche LES durchzuführen. Kann jedoch die Leistung des Laserstrahls in dem Element wiederbenutzt werden, erhöht sich die Energieumwandlungseffizienz der elektrischen Energie in dem Laserstrahl. Hierin wird eine Bedingung für die Wiederverwendung des reflektierten Laserstrahl Y2' überprüft. Ferner werden die Laserstrahlen (die als Hauptlichtwellen bezeichnet werden), die den Wellenzahlvektoren k1, k2, k3, k4, k1' und k2' entsprechen, als Y1, Y2, Y3, Y4, Y1' und Y2' bezeichnet, um auch Vektoren der Lichtwellen darzustellen. Zudem werden ein durch die X-Achse gebildeter Winkel und die Hauptlichtwelle Y4 als θt bezeichnet, und ein durch die X-Achse gebildeter Winkel und die Hauptlichtwelle Y3 werden als θr bezeichnet.
Die Parameter θt, θr, θ2' und θ3' erfüllen die folgenden Beziehungen. Ferner geben β₀, ß₁ und β₂ einen reziproken Basisgittervektor in der B-Richtung, einen reziproken Basisgittervektor in der A-Richtung der ersten periodischen Struktur und einen reziproken Basisgittervektor in der A-Richtung der zweiten periodischen Struktur an, und werden wie folgt dargestellt: β₀ = 2π/b1 (= b2), β₁ = 2π/a1, β₂ = 2π/a2, Δβ = β₂ – β₁ und α = β₀/Δβ.
Wird der Winkel θr wie in 16 gezeigt beschrieben, wird in dem xy-Koordinatensystem ein Vektor von einem Ursprung O zu einem Punkt P (βx, βy) als ein in Bezug auf die x-Achse gebildeter Winkel θβ = tan^-1(βy/βx) gebildet. Hier wird θt als (Gleichung 1) dargestellt, da der Winkel φ als βx = (1/2)xΔβ addiert wird und βy = β0 bei θβ. Die übrigen Parameter werden ebenfalls in ähnlicher Weise berechnet und als (Gleichung 2) bis (Gleichung 4) dargestellt. θt = tan^–1(2α) + φ (Gleichung 1) θr = 180° – tan^–1(2α) + φ (Gleichung 2) θ2' = tan^–1(2α) – φ (Gleichung 3) θ3'= 180° – tan^–1(2α) – φ (Gleichung 4)
Ist keine zusätzliche Struktur vorhanden, so dass die total reflektierte Hauptlichtwelle Y2 zur Laserstrahlresonanz beitragen kann, sollten der Winkel θ2' und der Winkel θt der Hauptlichtwelle Y2' zusammentreffen (θ2' = θt). In diesem Fall ist φ = 0. Außerdem sollten ein Winkel θ3' und ein Winkel θr einer reflektierten Hauptlichtwelle Y1' zusammentreffen (θ3' = θr). In diesem Fall ist φ = 0. Indes sollte in den zwei Hauptlichtwellen Y1 und Y2 zur Totalreflexion der einen Hauptlichtwelle φ ≠ 0 erfüllt sein. Dementsprechend kann bei Bildung der Totalreflexion derart, dass die Anzahl der Ausgangsstrahlen eins wird, die durch die Lichtemissionsendfläche reflektierte Hauptlichtwelle nicht effektiv zur Laserstrahlresonanz beitragen.
Dementsprechend wird eine zusätzliche Struktur, die das reflektierte Licht nutzen kann, bewertet.
17 ist ein Diagramm, das eine Richtung der Hauptlichtwelle in dem xy-Koordinatensystem darstellt. Die x-Achse des xy-Koordinatensystems wird mit Bezug auf die X-Achse um den Winkel φ gedreht.
Um zu ermöglichen, dass die als das reflektierte Licht dienende Hauptlichtwelle Y2' mit der für die Resonanz vorgesehenen Hauptlichtwelle Y4 zusammentrifft, kann eine Richtung der Lichtwelle Y2' um einen Winkel 2φ gedreht werden. Die Koordinaten eines distalen Endes P4 eines Vektors, der die Hauptlichtwelle Y4 in dem xy-Koordinatensystem darstellt, sind (Δβ/2, β₀), und die Koordinaten eines distalen Endes P2' eines Vektors der Hauptlichtwelle Y2' sind Koordinaten, die durch Drehen des distalen Endes P4 um –2φ erhalten werden.
Indes werden in dem XY-Koordinatensystem die Koordinaten (Δβ/2, β₀) des Vektors Y4 (das distale Ende P4) des xy-Koordinatensystem in die Koordinaten (XA, YA), die durch Drehen der Koordinaten um +φ erhalten werden, umgewandelt, und die Koordinaten des Vektors Y2' werden in die Koordinaten (XB, YB), die durch Drehen der Koordinaten des Vektors Y4 des xy-Koordinatensystems um –φ erhalten werden, umgewandelt. (XA, YA) = (Δβcosφ/2 – β₀sinφ, Δβsinφ/2 + β₀cosφ) (Gleichung 5) (XB, YB) = (Δβcosφ/2 + β₀sinφ, –Δβsinφ/2 + β₀cosφ) (Gleichung 6)
Befindet sich der äquivalente reziproke Gittervektor an einem Vektor AY, wird die Hauptlichtwelle Y2' mit der Hauptlichtwelle Y4 gekoppelt. Das heißt, der Vektor ΔY wird mit dem Vektor Y2' addiert und wird zum Vektor Y4. Der Vektor ΔY wird wie folgt dargestellt, und wenn zudem eine neue periodische Struktur mit dem gleichen reziproken Gittervektor für den Vektor ΔY verwendet wird, kann die total reflektierte Lichtwelle Y2' zur Resonanz beitragen. ΔY = (XA – XB, YA – YB) = (–2β₀sinφ, Δβsinφ)
Ferner kann die neue periodische Struktur eine Struktur bilden, in der die Differentialbrechungsindexabschnitte in Streifenform angeordnet sind. Die streifenförmige periodische Struktur weist eine hohe Anisotropie eines optischen Kopplungskoeffizienten auf und kann eine Beeinträchtigung auf die Y1 und Y2 Resonanzzustände verringern.
18 ist eine Draufsicht der Innenseite des Elements zur Beschreibung der Hauptlichtwelle in der aktiven Schicht 3B.
Eine Schnittlinie zwischen der XY-Ebene und der Lichtemissionsendfläche LES fällt mit der X-Achse zusammen. Ist der oben erwähnte Vektor ΔY vorhanden, wird der Wellenzahlvektor der Lichtwelle Y2' mit einem an den Koordinaten P2' angeordneten distalen Ende in den Wellenzahlvektor der Lichtwelle Y4 mit einem an den Koordinaten P4 angeordneten distalen Ende umgewandelt. Eine Gerade senkrecht zum Vektor ΔY wird als L bezeichnet. Die neue periodische Struktur kann so eingestellt sein, dass die Lichtwelle in einer Richtung senkrecht zu der Geraden L in der aktiven Schicht 3B verläuft. Zur Steuerung der Verlaufsrichtung der Lichtwelle in der aktiven Schicht 3B, wird das Muster der optisch daran gekoppelten Beugungsgitterschicht gesteuert. In der zuvor erwähnten 14 sind die oberen und unteren photonischen Kristallschichten (Beugungsgitterschichten) 4 und 4' vorgesehen. Im Fall einer solchen Struktur kann die photonische Kristallschicht, die die oben erwähnte Totalreflexion bildet, in der oberen Beugungsgitterschicht 4 hergestellt werden, und die neue periodische Struktur, die ausgebildet ist, das reflektierte Licht bei der Resonanz zu verwenden, kann in einer Beugungsgitterschicht 4' (selbstverständlich können diese periodischen Strukturen durch Überschneiden der Struktur mit einer oder beiden der Schichten gebildet werden) hergestellt werden.
19(A) ist eine Draufsicht der Beugungsgitterschicht 4' mit der periodischen Struktur, die den Vektor ΔY bildet, und 19(B) ist eine Querschnittansicht in der XZ-Ebene.
Die Beugungsgitterschicht 4' weist die Basisschicht 4A' und den Differentialbrechungsindexabschnitt 4B' auf, der sich in Streifenform entlang der Geraden L in der XY-Ebene erstreckt, wobei diese Brechungsindizes verschieden sind. Die Differenzbrechungsindexabschnitte 4B' sind in der Basisschicht 4A periodisch vergraben. Dementsprechend wird eine streifenförmige periodische Brechungsindexverteilungsstruktur in der Beugungsgitterschicht 4' gebildet und dient als eine Beugungsgitterschicht, die ausgebildet ist, eine Lichtwelle in einer ΔY-Richtung vorwärts zu bewegen. Wird ein Breitenverhältnis der Basisschicht 4A' in einer Richtung senkrecht zu der Geraden L, die eine Periode Λ der periodischen Struktur einnimmt, verändert, kann die Stärke der Beugung durch die streifenförmige periodische Brechungsindexverteilungsstruktur verändert werden. Eine Länge L2 des reziproken Gittervektors ΔY im reziproken Gitterraum, die Periode Λ und der Winkel θ, der durch die Gerade L und die X-Achse gebildet wird, werden wie folgt dargestellt. L2 = {(2β₀sinφ)² + (Δβsinφ)²}^1/2 (Gleichung 7) Λ = 2π/L2 = 1/{(2sinφ/a_y)² + ((1/a_|| – 1/a_|)sinφ)²}^1/2 (Gleichung 8) θ = θt – φ = tan^–1(2α) = tan^–1{(2/a_y)/(1/a_|| – 1/a_|)} (Gleichung 9)
Ferner sind β₀ = 2π/a_y, β₁ = 2π/a_| und β₂ = 2π/a_|| erfüllt, a_y bezeichnet eine Periode in der B-Richtung, a_| bezeichnet eine Periode in der A-Richtung der ersten periodischen Struktur und a_|| bezeichnet eine Periode in der A-Richtung der zweiten periodischen Struktur.
20 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Laserstrahlabstrahlwinkel (dem Brechungswinkel) θ3, dem Winkel θ der Streifen und die Periode Λ darstellt, und 21 ist eine Tabelle, die die in dem Diagramm verwendeten Daten zeigt. Eine vertikale Achse der Daten von θ (°) ist auf der linken Seite des Diagramms dargestellt und eine vertikale Achse der Daten von Λ (nm) ist auf der rechten Seite des Diagramms dargestellt.
Es versteht sich, dass sich der Winkel θ des Streifens erhöht, und die Periode Λ verringert, wenn der Laserstrahlabstrahlwinkel θ3 erhöht wird. In dem gleichen Diagramm, wenn der Winkel θ3 von 0° bis 70° erhöht wird, während der Winkel θ von 84,27° auf 89,54° erhöht und die Periode Λ von 486,08 nm auf 463,43 nm verringert wird, fallen diese in einen realistisch realisierbaren numerischen Bereich.
Ferner kann in 14, wenn das Periodenmuster für die Totalreflexion in beiden der photonischen Kristallschichten 4 und 4' hergestellt wird, getrennt davon eine Beugungsgitterschicht 4'' der neuen periodischen Struktur (die Struktur ist dieselbe wie jene der Beugungsgitterschicht 4' in 19) zur Bildung von ΔY zwischen der oberen Mantelschicht 5 und der Beugungsgitterschicht 4 (22(A)) hergestellt werden. Alternativ kann die Beugungsgitterschicht 4'' der neuen periodischen Struktur (die Struktur ist dieselbe wie jene der Beugungsgitterschicht 4' in 19) zur Bildung von ΔY zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der Beugungsgitterschicht 4' (22(B)) gebildet werden. Auf diese Weise ist in diesem Beispiel ferner eine Beugungsgitterstruktur (eine Beugungsgitterschicht der 19 und 22) zur Koppelung des von der Lichtemissionsendoberfläche reflektierten Laserstrahls mit dem in der aktiven Schicht resonierten Laserstrahl vorgesehen, um durch Erfüllung der kritischen Totalreflexionswinkelbedingung zur Resonanz beizutragen. In diesem Fall erhöht sich der Energienutzungseffizienz.
23 zeigt eine Draufsicht der photonischen Kristallschicht 4 mit verschiedenen periodischen Strukturen. Auch sind in der gesamten photonischen Kristallschicht 4 die Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B periodisch in der Basisschicht 4A vergraben. Ein quadratisches Gitter ist in 23(A) gezeigt, ein Rechteckgitter ist in 23(B) gezeigt, ein Dreiecksgitter ist in 23(C) gezeigt und ein flächenzentriertes Rechteckgitter ist in 23(D) gezeigt. Wie oben beschrieben, verwendet die photonische Kristallschicht 4 einen Aufbau, bei dem sich zwei periodische Strukturen mit unterschiedlichen Perioden in der einen photonischen Kristallschicht 4 überlagern oder bei dem beide periodische Strukturen in jeder der zwei photonischen Kristallschichten 4 und 4' enthalten sind, und sich in Draufsicht überlagern. In diesen Zeichnungen sind Beispiele der periodischen Strukturen vor der Überlagerung gezeigt, und zwei Arten von periodischen Strukturen sind so angeordnet, dass sie sich überlagern, so dass die Basistranslationsvektoren davon (durch Pfeile dargestellt) miteinander übereinstimmen.
Insbesondere sind in der photonischen Kristallschicht 4 der 23(A) die Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B an Gitterpunktpositionen des quadratischen Gitters angeordnet. Das quadratischen Gitter weist eine solche Form auf, dass die quadratischen Formen ohne Abstand angeordnet werden können, und eine Länge a einer Seite der quadratischen Form, die ein Gitter bildet, gleich einer Länge b der anderen Seite ist. Mit anderen Worten, ist eine Anordnungsperiode a in einer horizontalen Richtung des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B gleich einer Anordnungsperiode b in einer vertikalen Richtung. Hierin bezeichnet ein durchgezogener Pfeil in der Zeichnung einen Basistranslationsvektor des Gitters. Selbst wenn das Muster um eine lineare Summe einer ganzen Zahl mal die Translationsvektoren parallel verschoben wird, überlagert das Muster ein ursprüngliches Muster. Das heißt, das Gittersystem weist eine durch die Grundtranslationsvektoren definierte Translationssymmetrie auf.
In der photonischen Kristallschicht 4 der 23(B) sind die Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B an Gitterpunktpositionen des Rechteckgitters angeordnet. Das Rechteckgitter mit unterschiedlichen vertikalen und horizontalen Längen weist eine solche Form auf, dass die rechteckigen Formen ohne Abstand angeordnet werden können, und eine Länge a einer Seite der rechteckigen Form, die ein Gitter bildet, unterscheidet sich von einer Länge b der anderen Seite. Mit anderen Worten unterscheidet eine Anordnungsperiode a in der horizontalen Richtung des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B von einer Anordnungsperiode b in der vertikalen Richtung. Hierin bezeichnet ein durchgezogener Pfeil in der Zeichnung einen Grundtranslationsvektor des Gitters. Selbst wenn das Muster um eine lineare Summe einer ganzen Zahl mal die Translationsvektoren parallel verschoben wird, überlagert das Muster ein ursprüngliches Muster. Das heißt, das Gittersystem weist eine durch die Grundtranslationsvektoren definierte Translationssymmetrie auf.
In der photonischen Kristallschicht 4 der 23(C) sind die Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B an Gitterpunktpositionen des Dreieckgitters angeordnet. Das Dreiecksgitter weist eine solche Form auf, dass die Dreiecke ohne Abstand angeordnet werden können, eine Länge einer unteren Seite des Dreiecks, das ein Gitter bildet, als a bezeichnet wird und eine Höhe als b bezeichnet wird. Wenn das Dreieck ein gleichseitiges Dreieck ist, ist die Länge a der unteren Seite die Anordnungsperiode a in der horizontalen Richtung des Differentialbrechungsindexabschnitts 4B, und die Anordnungsperiode b in der vertikalen Richtung ist √2 mal a. Hierin bezeichnet ein durchgezogener Pfeil in der Zeichnung einen Grundtranslationsvektor des Gitters. Selbst wenn das Muster um eine lineare Summe einer ganzen Zahl mal die Translationsvektoren parallel verschoben wird, überlagert das Muster ein ursprüngliches Muster. Das heißt, das Gittersystem weist eine durch die Grundtranslationsvektoren definierte Translationssymmetrie auf.
In der photonischen Kristallschicht 4 der 23(D) sind die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B an Gitterpunktpositionen der flächenzentrierten Rechteckgitter angeordnet. Das flächenzentrierten Rechteckgitter bildet ein Gitter, das zusätzlich Gitterpunkte an einer Mittelposition in jedem Gitter des Rechteckgitters aufweist, und in dem Rechteckgitter selbst können die rechteckige Formen ohne Abstand angeordnet werden. Hierin bezeichnet ein durchgezogener Pfeil in der Zeichnung einen Grundtranslationsvektor des Gitters. Selbst wenn das Muster um eine lineare Summe einer ganzen Zahl mal die Translationsvektoren parallel verschoben wird, überlagert das Muster ein ursprüngliches Muster. Das heißt, das Gittersystem weist eine durch die Grundtranslationsvektoren definierte Translationssymmetrie auf.
Ferner ist, wie oben beschrieben, eine A-Achse gegenüber der X-Achse geneigt, und diese sind nicht parallel zueinander. Mit anderen Worten, auch in der gesamten photonischen Kristallschicht 4, die in 1 bis 23 beschriebenen ist, sind in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements die Differentialbrechungsindexabschnitte 4B in der photonischen Kristallschicht 4 an den Gitterpunktpositionen der Gitterstruktur angeordnet, und eine Richtung des Basistranslationsvektors (die A-Achse und die B-Achse) der Gitterstruktur unterscheidet sich von der Richtung (X-Achse) parallel zu der Lichtemissionsendfläche LES (siehe 3). In diesem Fall kann, wenn die Neigung einen bestimmten Grad oder mehr aufweist, ein Laserstrahl die kritische Totalreflexionswinkelbedingung erfüllen.
Darüber hinaus kann die Gitterstruktur der photonischen Kristallschicht durch die Kombination des quadratischen Gitters, des Rechteckgitters, des Dreieckgitters und des flächenzentrierten Rechteckgitters gebildet werden, beispielsweise durch Verbinden des quadratischen Gitters und des Rechteckgitters, des Rechteckgitters und des Rechteckgitters, des Dreieckgitters und des flächenzentrierten Rechteckgitters, des flächenzentrierten Rechteckgitters und des flächenzentrierten Rechteckgitters, und so weiter, in der Dickenrichtung. Das heißt, die Gitterstruktur kann durch die Kombination von Gittern mit unterschiedlichen Abständen in Bezug auf das eine Gitter, wie oben beschrieben, in einer beliebigen Richtung gebildet werden.
Wenn sich das zuvor genannte quadratische Gitter (23(A)) und das Rechteckgitter (23(B)) überschneiden, werden die Kristallstrukturen des quadratischen Gitters und des Rechteckgitters in die photonische Kristallschicht 4 (oder 4 und 4') eingebunden, und somit können, wenn die Periode in der axialen Richtung einer Seite des Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des Rechteckgitters als a2 bezeichnet und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 = b1, a1 ≠ a2 und b1 = b2 erfüllt werden. In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in der photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und es zeigt sich ein Effekt des Veränderns eines durch die diagonalen Lichtwellen gebildeten Winkels gemäß einer endlichen Differenz zwischen a1 und a2.
Wenn sich zudem die beiden Rechteckgitter (23(B)) überlagern, werden die Kristallstrukturen der ersten und zweiten Rechteckgitter in die photonische Kristallschicht 4 (oder 4 und 4') eingebunden, und somit können, wenn die Periode in der axialen Richtung einer Seite des ersten Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des zweiten Rechteckgitters als a2 bezeichnet und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 ≠ a2 und b1 = b2 erfüllt werden. In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in der photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und es zeigt sich ein Effekt des Veränderns eines durch die diagonalen Lichtwellen gebildeten Winkels gemäß einer endlichen Differenz zwischen a1 und a2.
Wenn sich außerdem die beiden flächenzentrierten Rechteckgitter (23(D)) überlagern, werden die Kristallstrukturen der ersten und zweiten flächenzentrierten Rechteckgitter in die photonische Kristallschicht 4 (oder 4 und 4') eingebunden, und somit können, wenn die Periode in der axialen Richtung einer Seite des ersten flächenzentrierten Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des zweiten flächenzentrierten Rechteckgitters als a2 bezeichnet und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 ≠ a2 und b1 = b2 erfüllt werden. In diesem Fall wird ein Zustand einer stehenden Welle durch diagonale Lichtwellen, die nicht senkrecht zueinander sind, in der photonischen Kristallschichtoberfläche gebildet, und es zeigt sich ein Effekt des Veränderns eines durch die diagonalen Lichtwellen gebildeten Winkels gemäß einer endlichen Differenz zwischen a1 und a2.
Das eine flächenzentrierte Rechteckgitter kann das Dreiecksgitter sein. Das Dreiecksgitter bildet einen spezieller Fall, in dem ein Winkel, der durch die Basistranslationsvektoren, die das Gitter des flächenzentrierten Rechteckgitter bilden, gebildet wird, 60 Grad beträgt.
Zusätzlich umfasst das Halbleiterlaserelement 10, wie in 1 gezeigt, Gebiete (ein erstes Gebiet, ein zweites Gebiet, ...) R unmittelbar unter der Ansteuerungselektrode der aktiven Schicht 3B. Der Differentialbrechungsindexabschnitt 4B der photonischen Kristallschicht, der dem ersten Gebiet R der aktiven Schicht 3B entspricht, und der Differentialbrechungsindexabschnitt 4B der photonischen Kristallschicht, der dem zweiten Gebiet R der aktiven Schicht 3B entspricht, sind so eingestellt, dass die Brechungswinkel der Laserstrahlen, die von dem ersten Gebiet R und dem zweiten Gebiet R ausgegeben werden, voneinander verschieden sind, die Intensitäten miteinander übereinstimen und verschiedene Formen in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements sich voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten wird eine Größe einer Öffnung (ein Differentialbrechungsindexabschnitt) so variiert, dass die Beugungsintensitäten einer Vielzahl von photonischen Kristallen gleich werden. Da die Intensitäten gleich sind, kann die Öffnung auf einfache Weise in elektronischen Instrumenten und so weiter, wie beispielsweise einem Laserdrucker, Radar oder dergleichen verwendet werden.
Zum Beispiel ändert die Öffnung (der Differentialbrechungsindexabschnitt) eine Länge in einer Richtung entlang des Basistranslationsvektors einer Seite, an der sich die Perioden unterscheiden. Insbesondere unterscheiden sich im ersten Gebiet R die Abmessungen der Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B in der Richtung (z. B., die B-Achse), in der sich die Anordnungsperioden der Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B in der ersten periodischen Struktur und der zweiten periodischen Struktur voneinander unterscheiden, entsprechend den Positionen in den verschiedenen Richtungen, und im zweiten Gebiet R die Abmessungen der Differentialbrechungsindexabschnitte 4B in der Richtung (z. B., die B-Achse), in der sich die Anordnungsperioden der Differenzialbrechungsindexabschnitte 4B in den dritten und vierten periodischen Strukturen voneinander unterscheiden, entsprechend den Positionen in den verschiedenen Richtungen. Dementsprechend können die Beugungsintensitäten in der ersten periodischen Struktur und der zweiten periodischen Struktur oder die Beugungsintensitäten in der dritten periodischen Struktur und der vierten periodischen Struktur festgesetzt und die Oszillation stabilisiert werden.
Zusätzlich umfasst die in 11 gezeigte Laserstrahlablenkvorrichtung das Halbleiterlaserelement 10, und die Treiberstromversorgungsschaltung 11, die selektiv einen Treiberstrom der Elektrodengruppe E2 zuführt, umfasst die erste Ansteuerungselektrode und die zweite Ansteuerungselektrode. Bei der Steuerung der Treiberstromzufuhr kann die Emission des Laserstrahls LB gesteuert werden. Hierbei kann die Treiberstromversorgungsschaltung 11 ferner Mittel zum Ändern eines Verhältnisses der den Elektroden E2 der Elektrodengruppe zugeführten Treiberströme umfassen. Das heißt, in 11 bezeichnen die Bezugszeichen SW1 bis SW5 schalterbefestigte Verstärker, und es kann ein Aufbau, bei dem eine Größe des vom Stromkreis 11A zugeführten Treiberstrom durch den entsprechenden Verstärker gesteuert wird, bereitgestellt werden. In diesem Fall kann der Regelkreis 11B das Verhältnis des Treiberstroms, der jeder der Elektroden E2 durch Steuern der Verstärkung eines jeden Verstärkers zugeführt wird, steuern.
Darüber hinaus kann die Periode entlang des Basistranslationsvektors in der ersten periodischen Struktur in dem ersten Gebiet R bei der Näherung an die dritte periodische Struktur in dem zweiten Gebiet R kontinuierlich geändert werden. In diesem Fall wird die Erzeugung der Reflexion an einer Grenzfläche zwischen den photonischen Kristallen mit unterschiedlichen Perioden verhindert.
Zudem können in der Laserstrahlablenkvorrichtung in der 11 die Wellenlängen der Laserstrahlen, die von der aktiven Schicht unmittelbar unter den Elektroden E2 ausgegeben werden, zueinander gleich sein. Dies liegt daran, dass bei der Durchführung der Laserstrahlabtastung mit einem Spiegel oder dergleichen die Wellenlängen der Laserstrahlen, vor und nach der Ablenkung gleich sind. Hierin können, wenn der Treiberstrom den ersten und zweiten Ansteuerungselektroden E2 zugeführt wird, die Resonanzwellenlängen der Laserstrahlen, die von dem ersten Gebiet R und dem zweiten Gebiet R der aktiven Schicht unmittelbar unter den ersten und zweiten Ansteuerungselektroden E2 erzeugt werden, so eingestellt werden, dass sie zueinander gleich sind.
Das heißt, dass die sich im ersten Gebiet R überlagernden periodischen Strukturen (die erste periodische Struktur und die zweite periodische Struktur) und die sich im zweiten Gebiet überlagernden periodischen Strukturen (die dritte periodische Struktur und die vierte periodische Struktur) die folgende Beziehung erfüllen. Zum Beispiel sind unter Berücksichtigung der Struktur, die durch die Kombination des Rechteckgitters und des Rechteckgitters gebildet ist, die folgenden Beziehungen erfüllt. b11 = b21 = b₀/√(1 – sin²δθ1) δθ1 = φ – sin^–1(sinθ31/n_dev) b12 = b22 = b₀/√(1 – sin²δθ2) δθ2 = φ – sin^–1(sinθ32/n_dev)
Hierin wird die Periode in der B-Achsenrichtung des ersten sich im ersten Gebiet überlagernden Rechteckgitter als b11 bezeichnet, die Periode in der B-Achsenrichtung des zweiten Rechteckgitter als b21 bezeichnet, der Strahlenabstrahlwinkel des ersten Gebiets R als θ31 bezeichnet, die Periode in der B-Achsenrichtung des ersten sich im zweiten Gebiet überlagernden Rechteckgitter als b12 bezeichnet, ist die Periode in der B-Achsenrichtung des zweiten Rechteckgitters als b22 bezeichnet und der Strahlenabstrahlwinkel des zweiten Gebiets R als θ32 bezeichnet.
Während ferner die Kombination des Rechteckgitters und des Rechteckgitters beschrieben worden ist, trifft die oben erwähnte Beschreibung auch auf ein anderes Gittersystem zu.
Zusätzlich kann, wie in 11 gezeigt, die Laserstrahlablenkvorrichtung ein einzelnes Lichtaufnahmeelement (eine Linse) LS umfassen, das in der Nähe der Lichtemissionsendfläche LES angeordnet ist. Ein Öffnungswinkel des Emissionslichts kann durch das Lichtaufnahmeelement unterdrückt (bzw. eingedämmt) werden, der Laserstrahl kann über eine weite Strecke übertragen werden, und der Laserstrahl kann durch Einstellen einer Fokusposition an einer in einem geeigneten Abstand von dem Element beabstandeten Position empfangen werden. Das Lichtaufnahmeelement LS ist eine Zylinderlinse, und eine Mittelachse X der Zylinderlinse liegt senkrecht zu der Dickenrichtung (der Z-Achse) der aktiven Schicht und parallel zu der Lichtemissionsendfläche (XZ-Ebene). Ein Krümmungsradius der Zylinderlinse ist nur in der YZ-Ebene definiert.
Ferner kann eine konvexe Linse als Lichtaufnahmeelement LS verwendet werden. Eine Achse (X-Achse), die durch einen Krümmungsmittelpunkt der konvexen Linse läuft, liegt senkrecht zu der Dickenrichtung (der Z-Achse) der aktiven Schicht und parallel zu der Lichtemissionsendfläche (XZ-Ebene), und eine Krümmungsradius um die Achse (X-Achse) ist kleiner als der Krümmungsradius (näherungsweise bis unendlich) um die Achse (Y-Achse oder die Z-Achse) senkrecht dazu. Mit anderen Worten kann eine konvexe Linse, die einen leicht ansteigenden Abschnitt der Zylinderlinse aufweist, verwendet werden.
Ferner kann die oben genannte Laserstrahlablenkvorrichtung miniaturisiert werden und zudem kann diese eine hohe Zuverlässigkeit und Beschleunigung aufweisen, da das Element selbst eine Ablenkfunktion aufweist. Aufgrund der geringen Größe der Vorrichtung kann die Vorrichtung mit einer mobilen Vorrichtung kombiniert werden oder als eine Lichtquelle für die Laser mes oder fotodynamische Therapie (PDT) in Kombination mit einem medizinischen Kapselendoskop verwendet werden. Selbstverständlich umfasst dies auch die Anwendung auf eine Anzeige durch Großlaserabtastung. Da kein Streulicht des Laserstrahls nach außen ausgegeben wird, ergibt sich eine Verbesserung der Zuverlässigkeit.
Bezugszeichenliste

10: HalbleiterlasereElement
1: Halbleitersubstrat
2: Untere Mantelschicht
3A: Untere Lichtleiterschicht
3B: Aktive Schicht
3C: Obere Lichtleiterschicht
4: Photonische Kristallschicht
5: Obere Mantelschicht
6: Kontaktschicht
E2: Ansteuerungselektrode

Claims

Kantenemissionshalbleiterlaserelement, umfassend: eine auf einem Substrat gebildete untere Mantelschicht; eine obere Mantelschicht; eine aktive Schicht, die zwischen der unteren Mantelschicht und der oberen Mantelschicht angeordnet ist; eine photonische Kristallschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der oberen und/oder der unteren Mantelschichten angeordnet ist; und eine erste Ansteuerungselektrode zum Einspeisen eines Treiberstroms in einen ersten Abschnitt der aktiven Schicht, wobei eine Längsrichtung der ersten Ansteuerungselektrode gegenüber einer Normalen einer Lichtemissionsendfläche des Halbleiterlaserelements in einer Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements geneigt ist, ein dem ersten Abschnitt entsprechender Abschnitt der photonischen Kristallschicht, der erste und zweite periodische Strukturen umfasst, in denen sich Anordnungsperioden von Differentialbrechungsindexabschnitten mit Brechungsindizes voneinander unterscheiden, und entsprechend einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden der ersten und zweiten periodischen Strukturen in einer Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements, mindestens zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Längsrichtung der ersten Ansteuerungselektrode bilden, in dem Halbleiterlaserelement erzeugt werden, wobei einer der Laserstrahlen in Richtung der Lichtemissionsendfläche auf weniger als einen Brechungswinkel von 90 Grad gegenüber der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, und mindestens ein getrennter Laserstrahl in Richtung der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, eine kritische Totalreflexionswinkelbedingung gegenüber der Lichtemissionsendfläche zu erfüllen.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zweite Ansteuerungselektrode, die ausgebildet ist, einen Treiberstrom in einen zweiten Abschnitt der aktiven Schicht einzuspeisen, wobei eine Längsrichtung der zweiten Ansteuerungselektrode gegenüber einer Normalen der Lichtemissionsendfläche des Halbleiterlaserelements in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements geneigt ist, wobei ein dem zweiten Abschnitt entsprechender Abschnitt der photonischen Kristallschicht dritte und vierte periodische Strukturen aufweist, in denen sich Anordnungsperioden von Differentialbrechungsindexabschnitten mit sich von der Umgebung unterscheidenden Brechungsindizes voneinander unterscheiden, und entsprechend einer endlichen Differenz zwischen Kehrwerten der Anordnungsperioden in den dritten und vierten periodischen Strukturen in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements, mindestens zwei Laserstrahlen, die einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Längsrichtung der zweiten Ansteuerungselektrode bilden, in dem Halbleiterlaserelement erzeugt werden, wobei einer der Laserstrahlen in Richtung der Lichtemissionsendfläche auf weniger als einen Brechungswinkel von 90 Grad gegenüber der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, mindestens ein getrennter Laserstrahl in Richtung der Lichtemissionsendfläche eingestellt ist, eine kritische Totalreflexionswinkelbedingung gegenüber der Lichtemissionsendfläche zu erfüllen und die endliche Differenz zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden in den ersten und zweiten periodischen Strukturen sich von der endlichen Differenz zwischen den Kehrwerten der Anordnungsperioden in den dritten und vierten periodischen Strukturen unterscheidet.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, wobei in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelementes die Differenzial-Brechungsindexabschnitte in der photonischen Kristallschicht an den Gitterpunktpositionen der Gitterstruktur angeordnet sind, und sich eine Richtung eines Grundtranslationsvektor der Gitterstruktur von einer Richtung parallel zu der Lichtemissionsendfläche unterscheidet.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, wobei die Gitterstruktur der photonischen Kristallschicht durch Auswählen und Kombinieren von mindestens zwei Gittern aus einer Gittergruppe gebildet ist, die aus einem quadratischen Gitter, einem Rechteckgitter, einem Dreieckgitter und einem flächenzentrierten Rechteckgitter, einschließlich dem Fall einer sich überschneidenden Auswahl, gebildet ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, wobei, vorausgesetzt, dass die Kristallstrukturen ein quadratisches Gitter und eine Reckeckgitter in der photonischen Kristallschicht umfassen, die Periode in einer axialen Richtung einer Seite des Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des Rechteckgitters als a2 bezeichnet wird und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 = b1, a1 ≠ a2, und b1 = b2 erfüllt sind.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, wobei, vorausgesetzt, dass die Kristallstrukturen das erste und das zweite Rechteckgitter in der photonischen Kristallschicht umfassen, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des ersten Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, und die Periode in der axialen Richtung einer Seite des zweiten Rechteckgitters als a2 bezeichnet wird und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 ≠ a2, und b1 = b2 erfüllt sind.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, wobei, vorausgesetzt, dass die Kristallstrukturen das erste und zweite flächenzentrierte Rechteckgitter in der photonischen Kristallschicht umfassen, die Periode in der axialen Richtung einer Seite des ersten flächenzentrierten Rechteckgitters als a1 bezeichnet wird und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b1 bezeichnet wird, und die Periode in der axialen Richtung einer Seite des zweiten flächenzentrierten Rechteckgitters als a2 bezeichnet wird und die Periode in der axialen Richtung senkrecht zu der einen Achse als b2 bezeichnet wird, a1 ≠ a2, und b1 = b2 erfüllt sind.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 7, wobei das erste flächenzentrierte Rechteckgitter ein Dreiecksgitter ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 2, wobei der Differentialbrechungsindexabschnitt der photonischen Kristallschicht entsprechend dem ersten Abschnitt der aktiven Schicht und der Differentialbrechungsindexabschnitt der photonischen Kristallschicht entsprechend dem zweiten Abschnitt der aktiven Schicht in der Dickenrichtung des Halbleiterlaserelements unterschiedliche Formen aufweisen, so dass die Brechungswinkel der Laserstrahlen, die von den ersten und zweiten Abschnitten ausgegeben werden, sich voneinander unterscheiden und die Stärken miteinander übereinstimmen.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 9, wobei sich die Abmessungen der Differenzialbrechungsindexabschnitte in den Richtungen, in denen sich die Anordnungsperioden der Differenzialbrechungsindexabschnitte in den ersten und zweiten periodischen Strukturen voneinander unterscheiden, gemäß den Positionen in den verschiedenen Richtungen unterscheiden, und sich die Abmessungen der Differentialbrechungsindexabschnitte in den Richtungen, in denen sich die Anordnungsperioden der Differentialbrechungsindexabschnitte in den dritten und vierten periodischen Strukturen voneinander unterscheiden, gemäß den Positionen in den verschiedenen Richtungen unterscheiden.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Beugungsgitterstruktur, die ausgebildet ist, einen von der Lichtemissionsendfläche reflektierten Laserstrahl mit einem in der aktiven Schicht resonierten Laserstrahl durch Erfüllen der kritischen Totalreflexionswinkelbedingung zu kombinieren.
Laserstrahlablenkvorrichtung, umfassend: das Halbleiterlaserelement nach Anspruch 2; und eine Treiberstromversorgungsschaltung, die ausgebildet ist, eine Elektrodengruppe, die die erste Ansteuerungselektrode und die zweite Ansteuerungselektrode umfasst, selektiv mit Treiberstrom zu speisen.
Laserstrahlablenkvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Treiberstromversorgungsschaltung ferner Mittel aufweist, um ein Verhältnis der den Elektroden der Elektrodengruppe zugeführten Treiberströme zu variieren.
Laserstrahlablenkvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Periode entlang eines Grundtranslationsvektors in der ersten periodischen Struktur kontinuierlich geändert wird, wenn sich die Periode der dritten periodischen Struktur nähert.
Laserstrahlablenkvorrichtung nach Anspruch 12, wobei, wenn φ eine Neigung der Anordnungsrichtung (der B-Richtung) des Differentialbrechungsindexabschnitts in Bezug auf eine Richtung senkrecht zu der Lichtemissionsendfläche bezeichnet, θ3 einen Abstrahlwinkel des Laserstrahls bezeichnet und n_dev einen effektiven Lichtbrechungsindex in dem Halbleiterlaserelement bezeichnet, die Periode umgekehrt proportional zu √{1 – sin²(φ – sin^–1(sinθ3/n_dev))} bezogen auf eine der Richtungen entlang des Grundtranslationsvektors in den ersten, zweiten, dritten und vierten periodischen Strukturen ist, so dass die Resonanzwellenlängen der Laserstrahlen, die in den ersten und zweiten Gebieten der aktiven Schicht direkt unter den ersten und zweiten Ansteuerungselektroden erzeugt werden, bei Speisung der ersten und zweiten Ansteuerungselektroden mit einem Treiberstroms gleich zueinander sind.
Laserstrahlablenkvorrichtung nach Anspruch 12, umfassend ein einzelnes Lichtempfangselement, das in der Nähe der Lichtemissionsendfläche angeordnet ist.
Laserstrahlablenkvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Lichtempfangselement eine Zylinderlinse umfasst, und eine Mittelachse der Zylinderlinse senkrecht zu einer Dickenrichtung der aktiven Schicht und parallel zu der Lichtemissionsendfläche angeordnet ist.
Laserstrahlablenkvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Lichtempfangselement eine konvexe Linse umfasst, wobei eine Achse, die durch einen Krümmungsmittelpunkt der konvexen Linse läuft, senkrecht zu einer Dickenrichtung der aktiven Schicht und parallel zur Lichtemissionsendfläche angeordnet ist, und wobei ein Krümmungsradius um die Achse kleiner als ein Krümmungsradius um eine Achse senkrecht dazu ist.