DE112014001143B4

DE112014001143B4 - Laserelement und Laservorrichtung

Info

Publication number: DE112014001143B4
Application number: DE112014001143.6T
Authority: DE
Inventors: Yuu Takiguchi; Yoshiro Nomoto
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2034-03-08
Also published as: JP6333804B2; US20160020580A1; JP6557753B2; JPWO2014136962A1; JP2018113490A; DE112014001143T5; US9748737B2; WO2014136962A1

Abstract

Laserelement (LD), das eine photonische Kristallschicht (6) enthält, worauf Laserlicht fällt, die photonische Kristallschicht (6) umfassend:eine Trägerschicht (6A), die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet ist; undeine Vielzahl von Gebieten mit anderem Brechungsindex (6B), die aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet sind, das einen Brechungsindex aufweist, der von dem des Mediums mit einem ersten Brechungsindex verschieden ist, und die in der Trägerschicht (6A) angeordnet sind,wobei jedes der Vielzahl von Gebieten mit anderem Brechungsindex (6B) umfasst:ein erstes Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B1); undein zweites Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B2),wobei das erste Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B1), eine planare Form eines Kreises,eines Quadrats odereines Mehrecks mit einer Rotationssymmetrie von 90° besitzt,wobei das erste Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B1) eine erste Fläche, die senkrecht zu einer Dickenrichtung ist, besitzt;wobei die ersten Gebiete mit dem anderen Brechungsindex (6B1) an Gitterpunktstellen eines quadratischen Gitters angeordnet sind;wobei das zweite Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B2) eine zweite Fläche, die senkrecht zu der Dickenrichtung ist, aufweist, wobeidie zweite Fläche kleiner als die erste Fläche ist,wobei jedes Einheitskonfigurationsgebiet (R11 - R34) enthält:genau ein erstes Gebiet mit anderem Brechungsindex (6B1) undgenau ein zweites Gebiet mit anderem Brechungsindex (6B2), das in der Nähe des ersten Gebiets mit anderem Brechungsindex (6B1) vorgesehen ist,wobei in jedem Einheitskonfigurationsgebiet (R11 - R34) ein Drehwinkel des zweiten Gebiets mit anderem Brechungsindex (6B2) in Bezug auf das erste Gebiet mit anderem Brechungsindex (6B1) durch φ bezeichnet ist,wobei in einer XY-Ebene, die eine X-Achse und eine Y-Achse enthält, eine Vielzahl der Einheitskonfigurationsgebiete (R11 - R34) zweidimensional und angrenzend aneinander auf dem quadratischen Gitter angeordnet sind,wobei eine X-Koordinate und eine Y-Koordinate eines Mittelpunkts (G) jedes der Einheitskonfigurationsgebiete (R11 - R34) durch einen Mittelpunkt (G) des zugehörigen ersten Gebiets mit anderem Brechungsindex (6B1) gegeben ist, undwobei der Drehwinkel φ eine Funktion der X-Koordinate des Einheitskonfigurationsgebiets (R11 - R34) oder der X-Koordinate und der Y-Koordinate des Einheitskonfigurationsgebiets (R11 - R34) ist und in der gesamten photonischen Kristallschicht (6) wenigstens drei verschiedene Drehwinkel φ enthalten sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserelement und auf eine Laservorrichtung.
Stand der Technik
Eine in einem Laserelement der Patentliteratur 1 verwendete photonische Kristallschicht ist dadurch konfiguriert, dass innerhalb einer Trägerschicht, die zu einem Träger wird, eine Vielzahl von Gebieten mit einem anderen Brechungsindex periodisch vergraben sind. Das Laserelement enthält zu zweit geschichtete photonische Kristallschichten. Jede der photonischen Kristallschichten weist dieselben periodisch angeordneten Muster auf, wobei die Muster aber für jede photonische Kristallschicht anders sind.
Die Patentliteratur 2 offenbart ein Beispiel einer Technik, die sich auf eine Stärke der linearen Polarisation eines Laserstrahls bezieht. Gemäß der Patentliteratur 2 sind herkömmlich in die Trägerschicht, die die photonische Kristallschicht bildet, jeweils an Gitterpunktstellen eines quadratischen Gitters eine Vielzahl kreisförmiger Gebiete mit anderem Brechungsindex eingebettet. In diesem Fall wurde ein Problem dargelegt, dass die Polarisationsrichtungen in einer Ebene nicht konstant sind. Das heißt, wegen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit einer Mode, die innerhalb der photonischen Kristallschicht auftritt, wird ein Vektor des elektrischen Felds (eine Polarisationsrichtung) in der Weise erzeugt, dass er die Peripherie jedes der Gebiete mit anderem Brechungsindex umgibt. Diesbezüglich offenbart die Patentliteratur 2 eine Technik, in der die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Mode dadurch gelöst wird, dass an einer asymmetrischen Stelle, die von dem quadratischen Gitter abweicht, ein weiteres Gebiet mit anderem Brechungsindex angeordnet wird, wobei es möglich wird, die Richtungen des Vektors des elektrischen Felds als Ganzes anzuordnen.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1 JP 2009-76900 A
Patentliteratur 2 JP 2003-23193 A

Weitere Oberflächenemissionslaser mit einer zweidimensionalen photonischen Kristallschicht sind aus US 2009/0010298 A1 , US 2008/0240179 A1 , US 2009/0135871 A1 und US 2012/0002692 A1 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In letzter Zeit werden ein Laserelement und eine Laservorrichtung erwartet, die Laserstrahlen mit verschiedenen Mustern ausgeben können.
Die vorliegende Erfindung wurde im Bemühen gemacht, die obigen Probleme zu lösen, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Laserelement und eine Laservorrichtung zu schaffen, die Laserstrahlen mit verschiedenen Mustern emittieren können.
Lösung des Problems
Zur Lösung der obigen Probleme haben die Erfinder im Ergebnis gründlicher Untersuchungen an einer Laserelementstruktur festgestellt, dass es dadurch, dass in einer photonischen Kristallschicht Gebiete mit anderem Brechungsindizes konstruiert sind, in der Weise möglich ist, Laserstrahlen mit verschiedenen Mustern zu emittieren, dass in der Nähe eines ersten Gebiets mit anderem Brechungsindex ein zweites Gebiet mit anderem Brechungsindex, das dünner als das erste Gebiet mit anderem Brechungsindex ist, angeordnet wird und dass eine Drehstelle des zweiten Gebiets mit anderem Brechungsindex in Bezug auf die Fläche mit einem ersten Brechungsindex entsprechend Koordinaten geändert wird, wobei das erste Gebiet mit anderem Brechungsindex einen angenäherten Kreis, ein angenähertes Quadrat oder ein angenähertes regelmäßiges Vieleck mit einer Rotationssymmetrie von 90° aufweist.
Außerdem sind der angenäherte Kreis, das angenäherte Quadrat oder das angenäherte regelmäßige Vieleck mit einer Rotationssymmetrie von 90° so ausgelegt, dass sie einen Kreis, ein regelmäßiges Quadrat oder ein Mehreck mit einer Rotationssymmetrie von 90° aufweisen, aber Formen enthalten sollen, die bei der Herstellung wenig verzerrt werden.
Genauer stellt die Erfindung ein Laserelement gemäß Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den zugehörigen Unteransprüchen.
Außerdem stellt die Erfindung eine Laservorrichtung gemäß Anspruch 4 bereit.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Entsprechend dem Laserelement und der Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Laserstrahlen mit verschiedenen Mustern zu emittieren.
Figurenliste

1 ist eine Skizze, die eine Konfiguration einer Laservorrichtung darstellt.
2 ist eine Skizze, die eine Konfiguration eines ersten Laserelements darstellt.
3 ist eine Skizze, die eine Konfiguration eines zweiten Laserelements darstellt.
4 ist eine Skizze, die eine Konfiguration eines Laserelementkörperabschnitts darstellt.
5 ist eine Skizze, die eine Längsschnittkonfiguration eines dritten Laserelements darstellt.
6 ist eine Tabelle, die eine Beziehung zwischen dem Material, einem Leitfähigkeitstyp und einer Dicke (nm) von Komponenten, die ein Laserelement bilden, zeigt.
7 ist eine Skizze, die eine Längsschnittkonfiguration eines vierten Laserelements darstellt.
8 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallschicht.
9 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Lagebeziehung von Gebieten mit anderem Brechungsindex.
10 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
11 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
12 ist ein Diagramm, das eine Lagebeziehung zwischen Gebieten mit anderem Brechungsindex und einer Verteilung des elektrischen Felds darstellt.
13 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallschicht.
14 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
15 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
16 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
17 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
18 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
19 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
20 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
21 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
22 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
23 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
24 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
25 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
26 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
27 ist ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation.
28 ist eine Skizze, die eine Längsschnittkonfiguration eines Laserelements darstellt.
29 ist ein Diagramm, das eine Lagebeziehung zwischen Gebieten mit anderem Brechungsindex und einer Verteilung des elektrischen Felds darstellt.
30 ist eine Längsschnittansicht einer photonischen Kristallschicht.
31 ist ein Graph, der Stellen von Gebieten mit anderem Brechungsindex darstellt.
32 ist ein Diagramm, das eine durch eine photonische Kristallschicht gelieferte Mode darstellt.
33 ist eine Skizze, die eine Laservorrichtung darstellt, die ein Laserelement und eine Polarisationsplatte enthält.
34 ist eine Skizze, die Hauptabschnitte einer Laservorrichtung darstellt, die eine Polarisationsplatte und eine Linse enthält.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen eines Laserelements und einer Laservorrichtung beschrieben. Zur Bezeichnung gleicher Strukturelemente sind gleiche Bezugszeichen verwendet und redundante Beschreibungen davon werden weggelassen.
1 ist eine Skizze, die eine Konfiguration einer Laservorrichtung darstellt.
Auf einer Tragplatte SB sind eine Vielzahl von Laserelementen LD eindimensional oder zweidimensional angeordnet. Jedes der Laserelemente LD wird durch eine in einer hinteren Oberfläche oder innerhalb der Tragplatte SB vorgesehene Ansteuerschaltung DRV angesteuert. Das heißt, die Ansteuerschaltung DRV führt jedem der Laserelemente LD entsprechend einer Anweisung von einer Steuerschaltung CONT einen Ansteuerstrom zu. Zum Beispiel wird der Ansteuerstrom den zweidimensional angeordneten Laserelementen LD entsprechend einer laufenden Folge von Adressen zugeführt, wo die Laserelemente LD angeordnet sind. Von dem Laserelement LD wird in einer Richtung senkrecht zu der Platte ein Laserstrahl emittiert. Wenn die Laserelemente LD in der Reihenfolge der Adressen aufeinanderfolgend leuchtengelassen werden, wird das Objekt durch den Laserstrahl auf Pseudoart abgetastet. Ein durch das Zielobjekt reflektierter Laserstrahl LB kann durch einen Photodetektor PD wie etwa eine Photodiode detektiert werden.
In die Steuerschaltung CONT wird ein Detektionssignal eingegeben, das eine Laserstrahlintensität angibt, die durch den Photodetektor PD detektiert wird. Wenn die Laserelemente LD impulsangesteuert werden, kann der Photodetektor PD eine Zeitdauer von einem Emissionszeitpunkt bis zu einem Detektionszeitpunkt des Laserstrahls messen, d. h. eine Entfernung zu dem Zielobjekt messen.
Die Laservorrichtung kann z. B. für die folgende Verwendung verwendet werden. Die Laservorrichtung kann z. B. verwendet werden, um den Laserstrahl auf das Zielobjekt zu emittieren und eine Entfernung zu einer Laserstrahl-Bestrahlungsstelle zu messen und dadurch eine dreidimensionale Form des Zielobjekts zu messen. Wenn dreidimensionale Formdaten verwendet werden, können verschiedene Bearbeitungsvorrichtungen oder medizinische Vorrichtungen die dreidimensionalen Formdaten verwenden. Außerdem ist es möglich, eine Entfernung entsprechend einer Richtung zu einem Hindernis zu messen und eine Bremse oder einen Griff als eine Sicherheitsvorrichtung zu verwenden, die bzw. der entsprechend der Entfernung eine automatische Steuerung oder eine Unterstützungssteuerung ausführt, wenn der Laserstrahl an ein bewegliches Objekt wie etwa ein Fahrzeug ausgegeben wird.
Im Folgenden wird eine genaue Struktur eines Laserelements beschrieben, das in der obenerwähnten Laservorrichtung verwendet werden soll. Das Laserelement kann Licht mit verschiedenen Intensitätsmustern emittieren.
2 ist eine Skizze, die eine Konfiguration eines ersten Laserelements darstellt.
Das Laserelement LD enthält eine photonische Kristallschicht 6, auf die Laserlicht auffällt. Das Laserlicht fällt in die photonische Kristallschicht 6 über eine optische Faser F oder direkt von einem Laserelementkörper LD1 wie etwa einem Halbleiterlaserelement ein. Die optische Faser F ist an einer Seitenfläche der photonischen Kristallschicht 6 befestigt. Es können eine Vielzahl von optischen Fasern F vorgesehen sein. In diesem Fall fällt das Laserlicht von der Vielzahl entlang der Seitenfläche der photonischen Kristallschicht 6 angeordneter optischer Fasern F in die photonische Kristallschicht 6 ein. Das Laserlicht, das in die photonische Kristallschicht 6 einfällt, bildet entsprechend einem photonischen Kristallgitter der photonischen Kristallschicht 6 eine vorgegebene Mode und emittiert in einer Richtung senkrecht zu einer Oberfläche der photonischen Kristallschicht 6 einen Laserstrahl nach außen. Auf einer unteren Oberfläche der photonischen Kristallschicht 6 ist ein Reflexionsfilm RF vorgesehen, der aus Metall wie etwa Aluminium gebildet ist. Das in Richtung der unteren Oberfläche der photonischen Kristallschicht 6 laufende Laserlicht wird durch den Reflexionsfilm RF reflektiert und in eine Richtung einer oberen Oberfläche der photonischen Kristallschicht 6 geleitet. Somit nimmt die Intensität des Laserstrahls LB durch den Reflexionsfilm RF zu.
3 ist eine Skizze, die eine Konfiguration eines zweiten Laserelements darstellt.
Das Laserelement LD ist dadurch konfiguriert, dass die Seitenfläche der obenerwähnten photonischen Kristallschicht 6 direkt angrenzend an eine Stirnfläche eines an der Kante emittierenden Laserelementkörpers LD1 angeordnet ist. Die Seitenfläche der photonischen Kristallschicht 6 kann unter Verwendung von Klebstoff oder dergleichen an der Stirnfläche des Laserelementkörpers LD1 befestigt sein. Außerdem ist es möglich, sowohl den Laserelementkörper LD1 als auch die photonische Kristallschicht 6 kontinuierlich aus einem Halbleitersubstrat zu bilden, indem eine Dicke der photonischen Kristallschicht 6 eingestellt wird. Der Laserelementkörper LD1 ist durch Schichten einer Verbundhalbleiterschicht konfiguriert. Auf einer unteren Oberfläche eines entsprechenden Schichtstoffs ist eine erste Elektrode E1 vorgesehen und auf einer oberen Oberfläche des Schichtstoffs ist eine zweite Elektrode E2 vorgesehen. Durch Zuführen eines Ansteuerstroms zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 emittiert eine aktive Schicht 4 des Laserelementkörpers LD1 Licht, wobei Laserlicht L in die photonische Kristallschicht 6 einfällt. Das einfallende Laserlicht bildet innerhalb der photonischen Kristallschicht 6 eine vorgegebene Mode und emittiert einen Laserstrahl in einer Richtung senkrecht zu einer Substratoberfläche. Auf einer unteren Oberfläche der photonischen Kristallschicht 6 ist ein wie oben beschriebener Reflexionsfilm RF vorgesehen, wobei eine ähnliche Wirkung wie oben beschrieben erzielt wird.
4 ist eine Skizze, die eine Konfiguration des obenerwähnten Laserelementkörpers LD1 darstellt.
Auf dem Halbleitersubstrat 1 sind eine untere Mantelschicht 2, eine untere Lichtleiterschicht 3, eine aktive Schicht 4, eine obere Lichtleiterschicht 5, eine obere Mantelschicht 7 und eine Kontaktschicht 8 aufeinanderfolgend geschichtet. Auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ist eine erste Elektrode E1 vorgesehen und auf einer oberen Oberfläche der Kontaktschicht 8 ist eine zweite Elektrode E2 vorgesehen. Wenn zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 ein Ansteuerstrom geliefert wird, tritt innerhalb der aktiven Schicht 4 eine Rekombination von Elektronen und Löchern auf, sodass die aktive Schicht 4 Licht emittiert. Ladungsträger, die zur Lichtemission und zum erzeugten Licht beitragen sollen, sind durch die obere und durch die untere Lichtleiterschicht 3 und 5 und durch die Mantelschichten 2 und 7 dazwischen effektiv eingeschlossen. Außerdem ist die erste Elektrode E1 auf einer gesamten unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen und ist die zweite Elektrode E2 auf einer Teilfläche einer oberen Schicht der Kontaktschicht 8 in der Weise vorgesehen, dass sie entlang einer Resonanzlängenrichtung (einer Emissionsrichtung des Laserlichts L) verläuft.
Wie oben beschrieben wurde, fällt das von dem Laserelementkörper LD1 emittierte Laserlicht L in die photonische Kristallschicht 6 ein.
5 ist eine Skizze, die eine Längsschnittkonfiguration eines dritten Laserelements darstellt.
Das Laserelement LD weist eine Struktur auf, in der in einem in 4 dargestellten Laserelementkörper eine photonische Kristallschicht 6 enthalten ist, wobei es einen sogenannten Emissionslaser mit photonischer Kristalloberfläche bildet.
Das Laserelement LD enthält eine aktive Schicht 4, die Laserlicht erzeugt, eine obere Mantelschicht 7 und eine untere Mantelschicht 2, zwischen denen die aktive Schicht 4 liegt, und Lichtleiterschichten 3 und 5, die zwischen der oberen Mantelschicht 7 und der unteren Mantelschicht 2 angeordnet sind und zwischen denen die aktive Schicht 4 liegt. Die photonische Kristallschicht 6 ist zwischen der oberen Mantelschicht 7 und der aktiven Schicht 4 angeordnet. In der in 5 dargestellten Struktur ist eine zweite Elektrode E2 in einer mittleren Fläche einer Kontaktschicht 8 vorgesehen.
In der Struktur sind auf einem Halbleitersubstrat 1 die untere Mantelschicht 2, die untere Lichtleiterschicht 3, die aktive Schicht 4, die obere Lichtleiterschicht 5, die photonische Kristallschicht 6, die obere Mantelschicht 7 und die Kontaktschicht 8 aufeinanderfolgend geschichtet. In einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ist eine erste Elektrode E1 vorgesehen und in einer oberen Oberfläche der Kontaktschicht 8 ist die zweite Elektrode E2 vorgesehen. Wenn zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 ein Ansteuerstrom zugeführt wird, tritt innerhalb der aktiven Schicht 4 eine Rekombination von Elektronen und Löchern auf und emittiert die aktive Schicht 4 Licht. Ladungsträger, die zur Lichtemission und zum erzeugten Licht beitragen sollen, sind durch die obere und durch die untere Lichtleiterschicht 3 und 5 und durch die Mantelschichten 2 und 7 dazwischen effektiv eingeschlossen.
Das von der aktiven Schicht 4 emittierte Laserlicht fällt in die photonische Kristallschicht 6 ein und bildet eine vorgegebene Mode. Außerdem enthält die photonische Kristallschicht 6 eine Trägerschicht 6A, die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet ist, und eine Vielzahl von Gebieten 6B mit anderem Brechungsindex, die aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet sind, das einen Brechungsindex aufweist, der von dem des Mediums mit einem ersten Brechungsindex verschieden ist, und die innerhalb der Trägerschicht 6A angeordnet sind. Die Vielzahl der Gebiete 6B mit anderem Brechungsindex enthalten eine periodische Struktur. Das in die photonische Kristallschicht 6 einfallende Laserlicht wird senkrecht zu einer Substratoberfläche, durch die obere Mantelschicht 7, durch die Kontaktschicht 8 und durch die obere Elektrode E2 als ein Laserstrahl nach außen emittiert.
6 ist eine Tabelle, die eine Beziehung zwischen einem Material, einem Leitfähigkeitstyp und einer Dicke (nm) von Verbundhalbleiterschichten, die ein Laserelement bilden, zeigt.
Die Materialien jedes Elements sind wie in 6 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 1 ist aus GaAs hergestellt und die untere Mantelschicht 2 ist aus AlGaAs hergestellt. Die untere Lichtleiterschicht 3 ist aus AlGaAs hergestellt, die aktive Schicht 4 ist aus einer Mehrquantentrogstruktur MQV (Sperrschicht: AlGaAs/Trogschicht: InGaAs) hergestellt und die obere Lichtleiterschicht 5 ist aus einer oberen Schicht AlGaAs/einer unteren Schicht GaAs hergestellt. In der photonischen Kristallschicht (Brechungsindex-Modulationsschicht) 6 ist die Trägerschicht 6A aus GaAs hergestellt und ist das Gebiet 6B mit anderem Brechungsindex (die vergrabene Schicht), das in der Trägerschicht 6A vergraben ist, aus AlGaAs hergestellt, ist die obere Mantelschicht 7 aus AlGaAs hergestellt und ist die Kontaktschicht aus GaAs hergestellt.
Es wird angemerkt, dass jede der Schichten, wie in 6 dargestellt ist, mit Störstellen eines ersten Leitfähigkeitstyps (N-Typs) oder mit Störstellen eines zweiten Leitfähigkeitstyps (P-Typs) dotiert ist (die Störstellenkonzentration beträgt 1 • 10¹⁷ bis 1 • 10²¹ cm^-3) und dass eine Fläche, die nicht mit irgendwelchen Störstellen dotiert ist, beabsichtigt intrinsisch ist (I-Typ). Die Konzentration der I-Störstellen beträgt 1 • 10¹⁵ cm^-3 oder weniger.
Darüber hinaus ist eine Energiebandlücke der Mantelschicht größer als eine Energiebandlücke der Lichtleiterschicht und ist die Energiebandlücke der Lichtleiterschicht größer als eine Energiebandlücke einer Trogschicht der aktiven Schicht 4 eingestellt. In AlGaAs ist es durch Ändern eines Zusammensetzungsanteils von Al leicht möglich, die Energiebandlücke und den Brechungsindex zu ändern. Wenn ein Zusammensetzungsanteil X von Al mit verhältnismäßig kleinem Atomradius in Al_xGa_1-xAs verringert (erhöht) wird, wird die Energiebandlücke mit einer positiven Korrelation mit dem A1 verringert (erhöht). Wenn durch Mischen von In mit einem großen Atomradius mit GaAs InGaAs gebildet wird, nimmt die Energiebandlücke ab. Das heißt, der Al-Zusammensetzungsanteil der Mantelschicht ist größer als der Al-Zusammensetzungsanteil der Lichtleiterschicht und der Al-Zusammensetzungsanteil der Lichtleiterschicht ist gleich oder größer als die Al-Zusammensetzung einer Sperrschicht (AlGaAs) der aktiven Schicht. Der Al-Zusammensetzungsanteil der Mantelschicht wird auf 0,2 bis 0,4, z. B. auf 0,3, eingestellt. Die Al-Zusammensetzungsanteile der Lichtleiterschicht und der aktiven Schicht werden auf 0,1 bis 0,15, z. B. auf 0,1, eingestellt.
Außerdem sind die Dicken der Schichten wie in 6 dargestellt, in der ein Zahlenbereich bevorzugte Werte repräsentiert und die Zahlen in Klammern die Optimalwerte angeben. Übrigens ist die photonische Kristallschicht so konfiguriert, dass sie eine Polarisationsrichtung in der XY-Ebene der Einheitskonfigurationsgebiete ändert, und außerdem so, dass sie Phasen in den jeweiligen Gebieten anpasst. Da eine Phase des emittierten Laserlichts von den Eigenschaften der photonischen Kristallschicht abhängt, fungiert die photonische Kristallschicht als eine Phasenmodulationsschicht.
Wie in 28 dargestellt ist, kann die photonische Kristallschicht 6 zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der aktiven Schicht 4 vorgesehen sein. In diesem Fall kann die photonische Kristallschicht 6 an einer Stelle angeordnet sein, die zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der Lichtleiterschicht 3 liegt. Diese Struktur erzielt ebenfalls dieselbe Wirkung wie oben beschrieben. Das heißt, das von der aktiven Schicht 4 emittierte Laserlicht fällt in die photonische Kristallschicht 6 ein und bildet eine vorgegebene Mode. Das in die photonische Kristallschicht 6 einfallende Laserlicht wird durch die untere Lichtleiterschicht, durch die aktive Schicht 4, durch die obere Lichtleiterschicht 5, durch die obere Mantelschicht 7, durch die Kontaktschicht 8 und durch die obere Elektrode E2 in einer Richtung senkrecht zu einer Substratoberfläche als ein Laserstrahl emittiert. Der Laserstrahl kann ebenfalls unter einem Winkel von der Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche emittiert werden.
7 ist eine Skizze, die eine Längsschnittkonfiguration eines vierten Laserelements darstellt.
Abgesehen von einer Form einer Elektrode ist eine Struktur des Laserelements LD im Wesentlichen ähnlich der in 5 dargestellten. Das heißt, eine in einer unteren Oberfläche eines Halbleitersubstrats 1 vorgesehene erste Elektrode E1 ist eine Öffnungselektrode, die in einem Mittelabschnitt davon eine Öffnung aufweist, wobei innerhalb einer und um eine Öffnung der ersten Elektrode E1 ein Antireflexfilm M vorgesehen ist. Der Antireflexfilm M ist aus einem dielektrischen Einschichtfilm wie etwa Siliciumnitrid (SiN) oder Siliciumdioxid (SiO₂) oder aus einem dielektrischen Mehrschichtfilm gebildet. Als der dielektrische Mehrschichtfilm kann ein Film verwendet werden, der durch geeignetes Schichten zweier oder mehrerer dielektrischer Schichten erzeugt wird, die aus einer Gruppe dielektrischer Schichten ausgewählt werden, die z. B. Titandioxid (TiO₂), Siliciumdioxid (SiO₂), Siliciummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titandioxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Cerdioxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirconiumdioxid (ZrO₂) enthält. Zum Beispiel wird für Licht mit einer Wellenlänge λ ein Film mit einer Dicke von λ/4 als einer optischen Dicke geschichtet. Außerdem kann durch Zerstäuben ein Reflexionsfilm oder ein Antireflexfilm gebildet werden.
Auf einer oberen Oberfläche einer Kontaktschicht 8 ist eine zweite Elektrode E2 vorgesehen. Bei Bedarf ist auf einer von der Fläche, in der die Kontaktelektrode E2 gebildet ist, verschiedenen Fläche ein Isolierfilm 9 geschichtet, der eine hintere Oberfläche schützt.
In dieser Struktur sind eine untere Mantelschicht 2, eine untere Lichtleiterschicht 3, eine aktive Schicht 4, eine obere Lichtleiterschicht 5, eine photonische Kristallschicht 6, eine obere Mantelschicht 7 und eine Kontaktschicht 8 auf einem Halbleitersubstrat 1 aufeinanderfolgend geschichtet. Wenn zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 ein Ansteuerstrom zugeführt wird, tritt innerhalb der aktiven Schicht 4 eine Rekombination von Elektronen und Löchern auf, sodass die aktive Schicht 4 Licht emittiert. Ladungsträger, die zur Lichtemission und zum erzeugten Licht beitragen sollen, sind durch die obere und durch die untere Lichtleiterschicht 3 und 5 und durch die Mantelschichten 2 und 7 dazwischen effektiv eingeschlossen.
Das von der aktiven Schicht 4 emittierte Laserlicht fällt in die photonische Kristallschicht 6 ein und bildet eine vorgegebene Mode. Außerdem enthält die photonische Kristallschicht 6 eine Trägerschicht 6A, die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet ist, und eine Vielzahl von Gebieten 6B mit anderem Brechungsindex, die aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet sind, das einen Brechungsindex aufweist, der von dem des Mediums mit einem ersten Brechungsindex verschieden ist, und die innerhalb der Trägerschicht 6A angeordnet sind. Die Vielzahl der Gebiete 6B mit anderem Brechungsindex weisen eine periodische Struktur auf. Das in die photonische Kristallschicht 6 einfallende Laserlicht wird durch die obere Lichtleiterschicht 5, durch die aktive Schicht 4, durch die untere Lichtleiterschicht 3, durch die untere Mantelschicht 2, durch das Halbleitersubstrat 1 und durch den Antireflexfilm M als ein Laserstrahl nach außen emittiert. In einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ist die erste Elektrode E1 in einer Fläche, die der zweiten Elektrode E2 zugewandt ist, nicht vorgesehen und wird das Laserlicht LB von der unteren Oberfläche nach außen emittiert. Innerhalb von Löchern der Trägerschicht 6A kann ein Gebiet 6B mit anderem Brechungsindex eingebettet werden und danach kann auf der Trägerschicht 6A eine Beschichtungsschicht mit einem geänderten Brechungsindex, die aus demselben Material wie das Gebiet 6B mit anderem Brechungsindex gebildet ist, abgelagert werden.
8 ist eine Draufsicht der obenerwähnten photonischen Kristallschicht 6.
Die photonische Kristallschicht 6 enthält die Trägerschicht 6A, die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet ist, und das Gebiet 6B mit anderem Brechungsindex, das aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der von dem des Mediums mit einem ersten Brechungsindex verschieden ist. Das Gebiet 6B mit anderem Brechungsindex ist ein Verbundhalbleiter, kann aber ein mit Argon, Stickstoff oder Luft gefülltes Loch sein.
Jedes der Vielzahl von Gebieten 6B mit anderem Brechungsindex enthält ein erstes Gebiet mit anderem Brechungsindex 6B1 innerhalb eines Lochs, das eine planare Form eines angenäherten Kreises und eine erste Fläche (die Fläche S1 in der XY-Ebene), die senkrecht zu einer Dickenrichtung (Z-Achse) ist, aufweist, und ein zweites Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex innerhalb eines Lochs, das eine zweite Fläche (die Fläche S2 in der XY-Ebene), die senkrecht zu der Dickenrichtung ist, aufweist. Die zweite Fläche S2 ist kleiner als die erste Fläche S1 (S2 < S1).
In diesem Fall sind Einheitskonfigurationsgebiete R11 bis R34 definiert. Jedes der Einheitskonfigurationsgebiete R11 bis R34 enthält ein erstes Gebiet 6B1 mit anderem Brechungsindex und ein zweites Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex, das in der Nähe des ersten Gebiets 6B1 mit anderem Brechungsindex angeordnet ist. In jedem der Einheitskonfigurationsgebiete R11 bis R34 ist ein Drehwinkel des zweiten Gebiets 6B2 (der Mitte des zweiten Gebiets 6B2) mit anderem Brechungsindex in Bezug das erste Gebiet 6B1 (eine Mitte G des ersten Gebiets 6B1) mit anderem Brechungsindex durch φ bezeichnet. Wenn der Drehwinkel φ gleich der positiven Richtung der X-Achse ist, ist φ = 0° definiert.
Wie in 8 dargestellt ist, sind in der photonischen Kristallschicht 6 die Vielzahl der Einheitskonfigurationsgebiete R11 und R34 zweidimensional in einer XY-Ebene, die eine X-Achse und eine Y-Achse enthält, angeordnet und sind die XY-Koordinaten der Einheitskonfigurationsgebiete R11 und R34 jeweils als Mittelstellen G der ersten Gebiete 6B1 mit anderem Brechungsindex gegeben. Die XY-Koordinaten (Koordinaten der Mitte G) jedes der Einheitskonfigurationsgebiete R11 und R34 sind als (X, Y) gegeben.
Die Koordinaten des Einheitskonfigurationsgebiets R11 sind (X1, Y1) und die Koordinaten des Einheitskonfigurationsgebiets Rmn sind (Xm, Yn) (wobei m und n natürliche Zahlen sind). Mit Bezug auf 8 nimmt der Drehwinkel φ proportional zu einer Zunahme der Koordinate auf der X-Achse in den Zeichnungen in gleichen Intervallen zu, wird er aber trotz einer Änderung der Koordinate auf der Y-Achse nicht geändert. Das heißt, der Drehwinkel φ ist eine Funktion von x. Die Funktion ist z. B. als φ = φ₀ + aX gegeben (wobei φ₀ eine ganze Zahl ist und a eine von 0 verschiedene ganze Zahl ist). In einer lichtemittierenden Oberfläche wird entsprechend einer Stelle ein Polarisationsmodulationsmuster erhalten, wobei es aber möglich ist, durch Durchgang durch eine Polarisationsplatte eine Umsetzung in ein Intensitätsmodulationsmuster zu ermöglichen. Wenn an dem Intensitätsmodulationsmuster durch eine konvexe Linse die Fourier-Transformation ausgeführt wird, ist es möglich, einen Strahlfleck mit einer gewünschten Form zu erhalten. Zum Beispiel ist es möglich, eine Form des Laserstrahls in einen Fleck (einen Kreis) umzusetzen. Die Funktion kann auf die gesamte photonische Kristallschicht oder auf eine spezifische Fläche der photonischen Kristallschicht angewendet werden.
9 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Beispiels einer Lagebeziehung von Gebieten mit anderem Brechungsindex. Wenn die obenerwähnte Mitte G in 9 als der Ursprung in einem Einheitskonfigurationsgebiet festgesetzt wird, sind eine x-Achse und eine y-Achse parallel zu der X-Achse und der Y-Achse eingestellt.
9 (A) stellt den Fall φ = 0 (rad) dar, 9 (B) stellt den Fall φ = 0,25n (rad) dar, 9(C) stellt den Fall φ = 0,5π (rad) dar, 9 (D) stellt den Fall φ = 0,75π (rad) dar, 9 (E) stellt den Fall φ = π (rad) dar und 9 (F) stellt den Fall φ = 1,7π (rad) dar.
10 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster eines Emissionslichts nach Durchgang durch eine Polarisationsplatte P (33) darstellt.
In 10 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (an allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. Außerdem entspricht eine Intensität einer Polarisationsrichtung. Eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls, nachdem er durch eine Linse oder durch ein Hologramm gegangen ist, sind in diesem Fall wie z. B. in 11 dargestellt. Eine Mitte aus 10 entspricht einer Richtung senkrecht zur Ebene einer Vorrichtung, d. h. einer Richtung senkrecht zu der photonischen Kristallschicht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form des Laserstrahls. In diesem Fall ist die Form des Laserstrahls ein Fleck (Kreis).
12 ist ein Diagramm, das eine Lagebeziehung zwischen Gebieten mit anderem Brechungsindex und einer Verteilung des elektrischen Felds darstellt.
12 stellt Ebenenzustände von vier Einheitskonfigurationsgebieten R11, R12, R21 und R22, die aneinander angrenzen, dar. Innerhalb der photonischen Kristallschicht 6 wird durch Laserlicht eine Mode erzeugt, in der ein elektrisches Feld so verteilt ist, dass es das erste Gebiet 6B1 mit anderem Brechungsindex umgibt. Es ist die Tatsache bekannt, dass unter der Bedingung, dass ein Gitterintervall nahezu gleich einer Wellenlänge ist, in einer Struktur, in der die ersten Gebiete 6B1 mit anderem Brechungsindex in einer quadratischen Gitterform angeordnet sind, aus ihrer Symmetrie vier Modentypen erzeugt werden. Da die vier Modentypen unterschiedliche Frequenzen aufweisen, ist durch geeignetes Auswählen einer Frequenz des auf die photonische Kristallschicht auffallenden Lichts die Mode, in der das elektrische Feld so verteilt ist, dass es das erste Gebiet 6B1 mit anderem Brechungsindex umgibt, wie oben beschrieben. In dieser Mode ist ein durch einen Pfeil angegebener Vektor des elektrischen Felds so angeordnet, dass er in Bezug auf die Mitte G gedreht ist. Dadurch, dass eingerichtet wird, dass die Mittelstelle des Vektors des elektrischen Felds mit der Mittelstelle G des ersten Gebiets 6B1 mit anderem Brechungsindex zusammenfällt, und dass eine Linie gebildet wird, die die Mittelstellen G der vier ersten Gebiete 6B1 mit anderem Brechungsindex verbindet, wird ein Quadrat konfiguriert. Das heißt, die ersten Gebiete 6B1 mit anderem Brechungsindex sind an Gitterpunktstellen eines quadratischen Gitters angeordnet. Außerdem gibt es einen Vektor des elektrischen Felds, der sich um einen Schnittpunkt der Diagonalen des konfigurierten Quadrats dreht.
Wenn sich in jedem der Einheitskonfigurationsgebiete ein dünnes zweites Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex befindet, verbleibt und wirkt effektiv nur der Vektor des elektrischen Felds an einer entsprechenden Stelle und wird der verbleibende Vektor des elektrischen Felds wahrscheinlich versetzt. Entsprechend den Randbedingungen der Maxwell-Gleichungen variiert eine Komponente des elektrischen Felds in der XY-Ebene in Abhängigkeit von einer Differenz der Elektrizitätskonstante zwischen Innen- und Außenfläche einer Brechungsindexgrenze. Im Ergebnis verbleibt der Vektor des elektrischen Felds an einer Stelle des Drehwinkels φ (Polarisationsrichtung) nur als eine Punktlichtquelle mit linearer Polarisation. Mit anderen Worten kann betrachtet werden, dass in einer zweidimensionalen Ebene auf der photonischen Kristallschicht 6 eine Vielzahl von Punktlichtquellen verteilt sind, die unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen. Außerdem kann betrachtet werden, dass durch Ausführen einer Fourier-Transformation an den Punktlichtquellen ein Fernfeldbild der Verteilung der Punktlichtquellen erhalten wird.
13 ist eine Draufsicht einer photonischen Kristallschicht.
Das in 13 Dargestellte unterscheidet sich von dem in 8 Dargestellten dadurch, dass φ eine Funktion von Y sowie eine Funktion von X ist. Das heißt, φ nimmt proportional zu einer Zunahme von X in gleichen Intervallen zu und φ nimmt außerdem proportional zu einer Zunahme von Y in gleichen Intervallen zu. Die Funktion ist als φ = φ₀ + aX + bY (φ₀ ist eine ganze Zahl, a ist eine von 0 verschiedene ganze Zahl und b ist eine von 0 verschiedene ganze Zahl) gegeben. In diesem Fall ist es möglich, ein anderes Laserstrahlmuster als das obenerwähnte Laserstrahlmuster zu erhalten. Die Funktion kann auf die gesamte photonische Kristallschicht oder auf eine spezifische Fläche der photonischen Kristallschicht angewendet werden.
14 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht nach Durchgang durch eine Polarisationsplatte darstellt.
In 14 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist z. B. in 15 eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls, nachdem er durch eine Linse oder durch ein Hologramm gegangen ist, dargestellt. Eine Mitte von 14 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Anteil entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist die Form des Laserstrahls ein Fleck (Kreis).
Außerdem ist es unter Verwendung eines Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung möglich, eine bestimmte Intensitätsverteilung zu verwirklichen. Mit anderen Worten ist es möglich, eine Ansammlung von Punktlichtquellen mit einer bestimmten Intensitätsverteilung zu verwirklichen. Da ein von der Ansammlung von Punktlichtquellen erhaltenes Fernfeldbild durch Ausführen einer Fourier-Transformation an einer Intensitätsverteilung der Punktlichtquellen erhalten wird, kann ein bestimmtes Fernfeldbild erhalten werden, falls eine bestimmte Intensitätsverteilung verwirklicht wird. Genauer kann ein bestimmtes Fernfeldbild erhalten werden, wenn die durch Ausführen einer Fourier-Transformation an einem gewünschten Fernfeldbild erhaltene Intensitätsverteilung entsprechend einem Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgelegt wird. Beispiele eines Intensitätsverteilungsmusters werden im Folgenden beschrieben.
16 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
In 16 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls nach Durchgang durch eine Linse oder durch ein Hologramm wie z. B. in 17 dargestellt. Eine Mitte aus 16 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist es möglich, einen Laserstrahl mit einem Linienmuster entlang einer Y-AchsenRichtung zu erhalten.
18 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
In 18 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls nach Durchgang durch eine Linse oder durch ein Hologramm wie z. B. in 19 dargestellt. Eine Mitte aus 18 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist es möglich, einen Laserstrahl mit einem ringförmigen Muster zu erhalten.
20 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
In 20 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls nach Durchgang durch eine Linse oder durch ein Hologramm wie z. B. in 21 dargestellt. Eine Mitte aus 20 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist es möglich, einen Dreipunkt-Mehrfleck-Laserstrahl zu erhalten.
22 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
In 22 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls nach Durchgang durch eine Linse oder durch ein Hologramm wie z. B. in 23 dargestellt. Eine Mitte aus 22 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist es möglich, einen Laserstrahl mit einer Schriftzeichenform für „
(Licht)“ zu erhalten.
24 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
In 24 repräsentieren Farben eine Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls nach Durchgang durch eine Linse oder durch ein Hologramm wie z. B. in 25 dargestellt. Eine Mitte aus 24 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist es möglich, einen doppelringförmigen Laserstrahl zu erhalten.
26 ist ein Diagramm, das ein Intensitätsverteilungsmuster von Emissionslicht darstellt.
In 26 repräsentieren Farben die Intensitätsverteilung (die φ entspricht) von Laserlicht an jeder Stelle (allen Koordinaten), wobei Intensitäten von 0 bis zum Maximum schwarz bis weiß entsprechen. In diesem Fall ist eine Form oder ein Fernfeldbild des Laserstrahls nach Durchgang durch eine Linse oder durch ein Hologramm wie z. B. in 27 dargestellt. Eine Mitte aus 26 entspricht einer Stelle, die von einer Mitte einer lichtemittierenden Oberfläche einer Vorrichtung in einer vertikalen Richtung ausgeht, d. h. einer Stelle, die von einer Mitte der photonischen Kristallschicht in einer vertikalen Richtung ausgeht. Ein weißer Abschnitt entspricht einer Form eines Laserstrahls. In diesem Fall ist es möglich, einen Laguerre-Gauß-Strahl genannten Vektorstrahl zu erhalten.
Wie oben beschrieben wurde, kann ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation eines Laserstrahls verschiedene Formen wie etwa eine Ein- oder Mehrpunktform, eine Ringform, eine lineare Form, eine Schriftzeichenform, eine Doppelringform oder eine Laguerre-Gauß-Strahlform aufweisen.
Wie oben beschrieben wurde, werden im Fall der obenerwähnten Struktur in dem Laserlicht von den jeweiligen zweiten Gebieten 6B2 mit anderem Brechungsindex die Polarisationsrichtungen des jeweiligen Laserlichts (die Intensität nach Durchgang durch die Polarisationsplatte) voneinander verschieden, wenn die räumlichen Koordinaten voneinander verschieden sind, da der Drehwinkel φ eine Funktion der Koordinaten ist. Somit ist es möglich, jedes der zweiten Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex als eine Punktlichtquelle zu betrachten, und ist es möglich, seine Intensität für jede Koordinate entsprechend einer Stelle des Drehwinkels φ zu ändern. Wenn es möglich ist, die Intensität jeder der Lichtquellen, die zweidimensional verteilt sind, einzustellen, ist es möglich, verschiedene Laserstrahlmuster zu emittieren.
Wie oben beschrieben wurde, kann ein Fernfeldbild einer Punktlichtquellengruppe, die zweidimensional verteilt ist, als ein Fourier-Transformations-Bild einer Punktlichtquellengruppe angesehen werden. Im Fall des Konfigurierens eines kreisförmigen Laserstrahlflecks durch Fourier-Transformation kann eine Intensität jeder Punktlichtquelle dadurch eingestellt werden, dass an einer spezifischen Stelle eine inverse Fourier-Transformation des Kreises ausgeführt wird. Das heißt, wenn jeder Drehwinkel φ im Fall der Ausführung der inversen Fourier-Transformation des Kreises an einer spezifischen Stelle entsprechend auf eine Intensität jeder Punktlichtquelle eingestellt wird, ist es möglich, an der spezifischen Stelle einen Kreislaserstrahlfleck zu erhalten. Mit anderen Worten ist es möglich, an einer Stelle in einer schrägen Richtung einen Fleck mit einer zweidimensionalen Monomode-Intensitätsverteilung zu erhalten.
Außerdem sind die Laserstrahlemissionswinkel verschieden, wobei die obenerwähnte Laservorrichtung ein beliebiges der obigen Vielzahl von Laserelementen, die ein- oder zweidimensional angeordnet sind, und eine Ansteuerschaltung, die das Laserelement ansteuert, enthält und einen Laserstrahl in eine Vielzahl von Richtungen ausgibt. Die Vorrichtung kann als eine Pseudo-Laserstrahl-Abtastvorrichtung fungieren.
Obgleich jedes der Gebiete 6B1 und 6B2 mit anderem Brechungsindex im obigen Fall einen angenäherten Kreis aufweist, kann jedes der Gebiete 6B1 und 6B2 mit anderem Brechungsindex ein angenähertes Quadrat oder ein angenähertes Mehreck mit einer Rotationssymmetrie von 90° aufweisen. Da die Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex ihre eigene Funktion ausführen, auch wenn die Punktsymmetrie ihrer Form etwas niedrig ist, weisen die Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex möglicherweise keinen angenäherten Kreis, kein angenähertes Quadrat oder angenähertes Mehreck mit einer Rotationssymmetrie von 90° auf. Außerdem sind der angenäherte Kreis, das angenäherte Quadrat oder das angenäherte Mehreck mit einer Rotationssymmetrie von 90° dafür ausgelegt, einen Kreis, ein Quadrat oder ein Mehreck mit einer Rotationssymmetrie von 90° aufzuweisen, sollen aber Formen enthalten, die bei der Herstellung wenig verzerrt werden.
Unter den obenerwähnten Strukturen hat die Struktur, die die aktive Schicht 4 und die photonische Kristallschicht 6 enthält, eine Freiheit eines Materialsystems, einer Dicke, einer Schichtkonfiguration. Wenn das Laserelement hergestellt wird, wird jede Verbundhalbleiterschicht durch eine metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt. Das Kristallwachstum wird in einer (001)-Ebene des Halbleitersubstrats 1 ausgeführt, wobei die vorliegende Erfindung aber darauf nicht beschränkt ist. Wenn ein Laserelement unter Verwendung des obenerwähnten AlGaN hergestellt wird, liegt eine Wachstumstemperatur des AlGaAs in einem Bereich von 500 °C bis 850 °C, wobei im Experiment eine Temperatur von 550 °C bis 700 °C verwendet wird. Beim Wachstum wird TMA (Trimethylaluminium) als ein Al-Ausgangsstoff verwendet, werden TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium) als ein Galliumausgangsstoff verwendet, wird AsH₃ (Arsin) als ein As-Ausgangsstoff verwendet, wird Si₂H₆ (Disilan) als ein Ausgangsstoff für N-Störstellen verwendet und wird DEZn (Diethylzink) als ein Ausgangsstoff für P-Störstellen verwendet. Beim GaAs-Wachstum werden TMG und Arsin verwendet, während TMA nicht verwendet wird. InGaAs wird unter Verwendung von TMG, TMI (Trimethylindium) und Arsin hergestellt. Die Bildung eines Isolierfilms kann durch Ausführen eines Zerstäubens auf ein Ziel unter Verwendung seiner Zusammensetzungsmaterialien als Ausgangsstoffe gebildet werden.
Das heißt, das obenerwähnte Laserelement wird durch aufeinanderfolgendes und epitaktisches Wachstum einer N-Mantelschicht (AlGaAs) 2, einer Leiterschicht (AlGaAs) 3, einer Mehrquantentrogstruktur (InGaAs/AlGaAs) 4, einer Lichtleiterschicht (GaAs/AlGaAs) 5, einer Trägerschicht (GaAs) 6A unter Verwendung von MOCVD (metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung) auf einem N-Halbleitersubstrat (GaAs) 1 hergestellt. Um nach dem epitaktischen Wachstum eine Ausrichtung vorzunehmen, wird nachfolgend auf der Trägerschicht 6A eine SiN-Schicht gebildet und wird daraufhin auf der SiN-Schicht durch das PCVD-Verfahren (Plasma-CVD-Verfahren) ein Resist gebildet. Darüber hinaus wird der Resist belichtet und entwickelt und wird die SiN-Schicht unter Verwendung des Resists als Maske geätzt, was veranlasst, dass die SiN-Schicht teilweise verbleibt, um eine Ausrichtmarke zu bilden. Der verbleibende Resist wird entfernt.
Nachfolgend wird auf der Trägerschicht 6A ein getrennter Resist beschichtet und wird auf dem Resist unter Verwendung einer Ausrichtmarke als Referenz durch eine Elektronenstrahlzeichenvorrichtung ein zweidimensionales dünnes Muster gezeichnet und entwickelt, wobei auf dem Resist das zweidimensionale dünne Muster gebildet wird. Danach wird das zweidimensionale dünne Muster mit einer Tiefe von etwa 100 nm durch Trockenätzen unter Verwendung des Resists als Maske auf die Trägerschicht 6A übertragen, um ein Loch (eine Bohrung) zu bilden, und wird der Resist entfernt. Die Tiefe des Lochs beträgt 100 nm. Innerhalb des Lochs wird ein Verbundhalbleiter, der zu dem Gebiet 6B mit anderem Brechungsindex wird (AlGaAs), auf mehr als die Tiefe des Lochs nachwachsen gelassen. Durch MOCVD werden aufeinanderfolgend eine obere Mantelschicht (AlGaAs) 7 und eine Kontaktschicht (GaAs) 8 gebildet und auf der oberen und auf der unteren Oberfläche des Substrats wird durch ein Ablagerungsverfahren oder durch ein Zerstäubungsverfahren ein geeignetes Elektrodenmaterial gebildet, wobei die erste und die zweite Elektrode gebildet werden. Außerdem ist es bei Bedarf möglich, auf der oberen und auf der unteren Oberfläche des Substrats durch ein Zerstäubungsverfahren oder dergleichen einen Isolierfilm zu bilden.
Wenn die photonische Kristallschicht unter der aktiven Schicht abgelagert wird, kann die photonische Kristallschicht vor Bildung der aktiven Schicht und der unteren Lichtleiterschicht auf der unteren Mantelschicht gebildet werden.
Im Fall der Herstellung eines Laserelementkörpers, der keine photonische Kristallschicht enthält, kann dieser Herstellungsprozess weggelassen werden. Außerdem kann ein säulenförmiges Gebiet Luft mit anderem Brechungsindex als ein Hohlraum hergestellt werden und kann Luft oder ein Gas wie etwa Stickstoff oder Argon darein gefüllt werden. Außerdem kann in dem obenerwähnten quadratischen Gitter ein Intervall zwischen vertikalen und horizontalen Gitterlinien angenähert durch Dividieren einer Wellenlänge durch einen äquivalenten Brechungsindex erhalten werden, wobei es genauer bevorzugt auf etwa 300 nm eingestellt wird. Außerdem ist es möglich, das erste Gebiet mit anderem Brechungsindex an einer Gitterpunktstelle in einem dreieckigen Gitter anstelle einer Gitterpunktstelle in einem quadratischen Gitter anzuordnen. Im Fall des dreieckigen Gitters wird ein Intervall zwischen den horizontalen und schrägen Gitterlinien angenähert durch Dividieren einer Wellenlänge durch einen äquivalenten Brechungsindex und außerdem durch Dividieren der Wellenlänge durch sin 60° erhalten, wobei es genauer bevorzugt auf etwa 350 nm eingestellt wird.
Wenn die Einheitsvektoren orthogonaler Koordinaten im Fall eines quadratischen Gitters mit einem Gitterintervall a auf x und y eingestellt sind, sind die Translationsbasisvektoren a₁ = ax, a₂ = ay und sind die Basisvektoren des reziproken Gitters für die Translationsvektoren a₁ und a₂ b₁ = (2π/a)y und b₂ = (2π/a)x. Falls ein Wellenzahlvektor in einer Energiebandlücke des photonischen Kristalls k = nb₁ + mb₂ ist (wobei n und m beliebige ganze Zahlen sind), ist es möglich, eine Resonanzmode (eine stehende Welle in der XY-Ebene) zu erhalten, in der ein Wellenzahlvektor k zu einem Γ-Punkt wird, wobei das Gitterintervall a gleich einer Wellenlänge λ ist. Außerdem ist die Mode A eine Mode, in der die niedrigste Frequenz geliefert wird, und ist die Mode B eine Mode, in der die zweitniedrigste Frequenz geliefert wird.
Außerdem wird durch eine Polarisationsplatte eine Intensitätsmodulation der Verteilung des elektromagnetischen Felds in der Ebene einer stehenden Welle in der obenerwähnten photonischen Kristallschicht (Polaritätsverteilung in der Ebene einer Punktlichtquelle) ausgeführt. Danach kann eine durch Ausführen einer Fourier-Transformation erhaltene Form so gebildet werden, dass sie nicht nur ein Monomode-Strahl (Fleck), sondern wie oben beschrieben auch eine Schriftzeichenform, eine Gruppe zweier oder mehrerer Flecke mit derselben Form, ein Vektorstrahl oder dergleichen ist.
Außerdem liegt ein Brechungsindex der Trägerschicht 6A in einem Bereich von 3,0 bis 3,5 und liegt ein Brechungsindex des Gebiets 6B mit anderem Brechungsindex in einem Bereich von 1,0 bis 3,4. Außerdem ist es bevorzugt, dass ein durchschnittlicher Durchmesser der Gebiete 6B1 mit anderem Brechungsindex innerhalb eines Lochs der Trägerschicht 6A in einem Bereich von 38 nm bis 76 nm liegen kann und dass ein durchschnittlicher Durchmesser der Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex innerhalb des Lochs in einem Bereich von 24 nm bis 54 nm liegen kann.
Wie oben beschrieben wurde, ist ein beliebiges wie oben beschriebenes Laserelement außerdem ein Laserelement, das eine photonische Kristallschicht enthält, auf die Laserlicht auffällt, und weisen eine Vielzahl von Gebieten mit anderem Brechungsindex in der photonischen Kristallschicht eine planare Form auf, die ein angenäherter Kreis, ein angenähertes Quadrat oder ein angenähertes Mehreck mit einer Rotationssymmetrie von 90° ist. Außerdem sind die Drehwinkel φ in Abhängigkeit von einer Stelle (von Koordinaten) verschieden, wobei in der gesamten photonischen Kristallschicht wenigstens drei verschiedene Drehwinkel φ enthalten sind, wenn die XY-Koordinaten eines Einheitskonfigurationsgebiets (x, y) sind. Entsprechend dem Drehwinkel φ wird eine Phasendifferenz veranlasst, wobei somit ein Laserstrahl in einer gewünschten Richtung erhalten werden kann. Der Drehwinkel φ ist in der gesamten photonischen Kristallschicht oder in einer spezifischen Fläche der photonischen Kristallschicht eine Funktion von x oder eine Funktion von x und y und kann einen Fleck bilden.
Eine Ansammlung von Flecken kann eine kompliziertere Form bilden. In dem obenerwähnten Laserelement weist ein Fernfeldmusterbild des Laserstrahls, der durch die Polarisationsplatte geht, eine Ein- oder Mehrfleckform, eine Ringform, eine lineare Form, eine Schriftzeichenform, eine Doppelringform oder die Laguerre-Gauß-Strahlform auf. Außerdem entspricht eine zweidimensionale Intensitätsverteilung des durch Ausführen einer inversen Fourier-Transformation an dem Fernfeld erhaltenen Bilds einer Verteilung der Drehwinkel φ der zweiten Gebiete mit anderem Brechungsindex an den Stellen der Einheitskonfigurationsgebiete.
29 ist ein Diagramm, das eine Lagebeziehung zwischen Gebieten mit anderem Brechungsindex und einer Verteilung des elektromagnetischen Felds darstellt.
Eine Fläche der XY-Ebene des zweiten Gebiets 6B2 mit anderem Brechungsindex kann in Abhängigkeit von einer Lage geändert werden. Das heißt, die Durchmesser des rechten oberen zweiten Gebiets 6B2 mit anderem Brechungsindex und des linken unteren zweiten Gebiets 6B2 mit anderem Brechungsindex sind voneinander verschieden und ihre Flächen sind voneinander verschieden. Dadurch, dass das zweite Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex mit einem kleinen Durchmesser in der Nähe der Mitte G, die ein Gitterpunkt ist, an dieser Stelle angeordnet ist, ist es möglich, eine elektrische Flussdichte zu ändern. In 29 sind zwei Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex mit zwei Größen verwendet und auf einer Linie, die die schräg aneinander angrenzenden Gitterpunkte verbindet, (einer Diagonale eines Rechtecks, das die Mitte G enthält) angeordnet. In diesem Fall ist eine elektrische Flussdichte durch eine Vektorsumme jeweiliger elektrischer Flussdichten der zweiten Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex gegeben. Da die Größen der zweiten Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex als Ganzes verschieden sind, wird im Innern des dargestellten Rechtecks eine Abweichung der elektrischen Flussdichte verursacht, sodass Polarisationskomponenten in einer vorgegebenen Richtung erzeugt werden. Da das rechte obere zweite Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex eine Polarisationskomponente in Richtung nach rechts unten aufweist und das linke untere zweite Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex eine Polarisationskomponente nach links oben aufweist, werden einige der Komponenten versetzt, während die verbleibenden Komponenten alle Polarisationskomponenten in der Einheitsfläche werden.
30 ist eine Längsschnittansicht der in 29 dargestellten photonischen Kristallschicht längs eines Pfeils A-A.
Die zweiten Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex, die die photonische Kristallschicht bilden, können wie in 30(A) dargestellt dieselbe Tiefe (Dicke) aufweisen, können aber wie in 30(B) dargestellt unterschiedliche Tiefen (Dicken) aufweisen. Wenn die Tiefen unterschiedlich sind, ist ein Brechungsindex geändert. Somit ist es durch Einstellen der Tiefen der zweiten Gebiete 6B2 mit anderem Brechungsindex möglich, eine Phase des Emissionslichts zu ändern. In 30(B) ist das zweite Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex mit einem größeren Durchmesser in der Weise dargestellt, dass es eine größere Tiefe als das zweite Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex mit einem kleineren Durchmesser aufweist.
31 ist ein Graph, der die Lagen von Gebieten mit anderem Brechungsindex darstellt.
In Bezug auf eine Mitte G eines ersten Gebiets 6B1 mit anderem Brechungsindex ist ein zweites Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex an einer Stelle (x, y) angeordnet. Ein Winkel zwischen dem zweiten Gebiet 6B2 mit anderem Brechungsindex und der x-Achse ist φ (x, y).
In diesem Fall wird eine Intensität I des Laserlichts nach Durchgang durch eine Polarisationsplatte durch die folgende Gleichung repräsentiert. $\begin{array}{l} I (x,y) \propto f (x,y) \cdot g (φ, θ) \cdot h (D) \cdot p (X,Y) = f (x, \\ y) \cdot d {φ (x,y), θ} \cdot h (D) \cdot p (X,Y) . \end{array}$
Im Folgenden wird eine ausführliche Beschreibung gegeben.
f(x, y) ist eine Funktion, die eine Änderung der Intensität entsprechend einer Zwischen-Einheitsgitter-Anordnungsstelle (x, y) eines Nebenlochs (des zweiten Gebiets 6B2 mit anderem Brechungsindex) repräsentiert.
32 ist ein Diagramm, das eine durch die photonische Kristallschicht gelieferte Mode darstellt. Mit Bezug auf 32 sind die in einer quadratischen Gitterstruktur theoretisch vorhandenen Verteilungen des elektrischen Felds die Mode 1 bis die Mode 4. In einer Konfiguration, in der Licht von außen in die photonische Kristallschicht eingeführt wird, weisen die Mode 1 bis die Mode 4 unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf, sodass eine Mode entsprechend einer Wellenlänge des eingeführten Lichts ausgewählt werden kann. In diesem Fall ist eine Mode, die leicht zu behandeln ist, die Mode 1 oder die Mode 2.
Außerdem veranlassen die Mode 3 und die Mode 4 in einer Konfiguration, in der ein Hauptloch (das erste Gebiet mit anderem Brechungsindex) ein Resonator für die Schwingung ist, einen großen Lichtleckverlust von dem Resonator und besitzen sie eine sehr niedrige Möglichkeit zu schwingen, sodass entweder die Mode 1 oder die Mode 2 eine Möglichkeit zu schwingen besitzt. Dementsprechend ist es möglich, die Mode 1 oder die Mode 2 anzunehmen.
Im Fall der Mode 1 (32(A)) wird eine Amplitude eines Magnetfelds an Stellen der Hauptlöcher (einer Stelle A in 32(A)) zum Maximum. Außerdem wird eine Amplitude eines Magnetfelds an Punkten, die von den Stellen um eine Hälfte des Gitterintervalls in der x-Richtung und in der y-Richtung beabstandet sind (eine Stelle B in 32(A)), zum Maximum. Die Magnetfelder von A und B weisen Phasen auf, die gegeneinander um n versetzt sind. Wenn A und B als ein Bauch des Magnetfelds bezeichnet werden, existieren elektrische Felder so, dass sie den Bauch des Magnetfelds umgeben. In einem bestimmten Moment sind die Orientierung eines elektrischen Felds, das A umgibt, und die Orientierung eines elektrischen Felds, das B umgibt, entgegengesetzt zueinander. Außerdem wird eine Amplitude des elektrischen Felds in einem Mittelabschnitt einer Linie, die A und B verbindet, die aneinander angrenzen, zu dem Maximalwert. In einem Mittelabschnitt einer Linie, die A und A verbindet, die aneinander angrenzen, und in einem Mittelabschnitt einer Linie, die B und B verbindet, die aneinander angrenzen, werden die Amplituden des elektrischen Felds null. Außerdem geben A1 und A2 Orientierungen elektrischer Felder (Polarisation) an.
Im Fall der Mode 2 (32(B)) ist eine Verteilung des elektrischen Felds als die die Verteilung des elektrischen Felds der Mode 1, die um eine Hälfte des Gitterabstands in der x-Richtung oder in der y-Richtung verschoben ist, verteilt. Die Verteilungen des elektromagnetischen Felds der Mode 1 und der Mode 2 weisen wie oben beschriebene Eigenschaften auf. f (x, y) wird in Abhängigkeit von der Stärke des elektrischen Felds in einem an das Nebenloch angrenzenden Abschnitt geändert.
g(φ, θ) ist eine Funktion, die eine Intensitätsänderung wegen einer Polarisationsrichtung φ an einer Stelle eines Nebenlochs und einer Transmissionsachsenrichtung θ einer Polarisationsplatte angibt (wobei f durch eine Stelle (x, y) geändert wird). Wenn bei φ(x, y) die Transmissionsachsenrichtung θ der Polarisationsplatte gleich einer Polarisationsrichtung ist, wird ein Transmissionsgrad hoch und nimmt die Intensität zu.
Genauer ist g (φ, θ) = I₀cos² (θ - φ) gegeben. In diesem Fall ist I₀ ein durch den Lichtverlust wegen der Polarisationsplatte bestimmter Wert und entspricht er dem Transmissionsgrad der Polarisationsplatte im Fall von θ = φ. φ ist eine Polarisationsrichtung des Ausgangslichts in dem Nebenloch und θ ist eine Transmissionsachsenrichtung der Polarisationsplatte.
h(D) ist eine Funktion, die eine Intensitätsänderung wegen eines Durchmessers des Nebenlochs angibt.
Wie oben beschrieben wurde, weist die Verteilung des elektrischen Felds der Mode 1 oder der Mode 2 eine zu verwendende Möglichkeit auf. Falls es kein Nebenloch gibt, ist die Verteilung des elektrischen Felds in Bezug auf eine Mitte des Hauptlochs sowohl in der Mode 1 als auch in der Mode 2 notwendig antisymmetrisch. Mit anderen Worten, elektrische Felder an symmetrischen Stellen in Bezug auf die Mitte des Hauptlochs weisen entgegengesetzte Orientierungen und denselben Betrag auf. Somit wird in Licht, das in der Z-Richtung gebeugt wird, wenn kein Nebenloch versetzt ist, das elektrische Feld, dessen Orientierungen zueinander entgegengesetzt sind, versetzt (destruktive Interferenz), wobei ein Nettoenergieausbreitungsbetrag (im Fall einer unendlichen periodischen Struktur) zu null wird. Wenn ein Nebenloch vorgesehen ist, variiert das elektrische Feld in einer xy-Ebene, die vertikal durch eine Seitenwand des Nebenlochs geht, in Abhängigkeit von einer Differenz der Dielektrizitätskonstanten zwischen dem Innern und dem Äußeren des Lochs. Das heißt, ein elektrisches Feld innerhalb des Nebenlochs weist gegenüber einem elektrischen Feld an einer zu dem Nebenloch in Bezug auf eine Mitte des Hauptlochs symmetrischen Stelle die entgegengesetzte Orientierung und einen anderen Betrag auf. Die Differenz zwischen den zwei elektrischen Feldern verursacht eine Beugung in der z-Richtung. Die Änderung wegen einer Asymmetrie des elektrischen Felds in der xy-Ebene, die von einer Änderung der Öffnung abhängt, ist als ha(D) definiert.
Außerdem wird eine Beugungsstärke in der z-AchsenRichtung durch eine Änderung der Größe eines Lochs geändert. Die Beugungseffizienz ist proportional zu einem Koeffizienten κ1 der optischen Kopplung, der im Fall der Ausführung einer Fourier-Transformation einer Lochform durch einen Ein-Ordnungs-Koeffizienten repräsentiert wird. Der Koeffizient der optischen Kopplung ist z. B. in K. Sakai u. a., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010)“, beschrieben. In diesem Fall ist h(D) ∝ ha(D) • κ1(D) gegeben. Dabei ist haD) eine Änderung der Asymmetrie des elektrischen Felds in der xy-Ebene, die von einer Änderung der Öffnung abhängt, und ist κ1(D) ein optischer Ein-Ordnungs-Koeffizient der optischen Kopplung, der von der Änderung der Öffnung abhängt. Wenn die Gitterkonstante, die ein Intervall der Mitte G definiert, als a eingestellt ist, ist ein Füllfaktor des Gebiets mit anderem Brechungsindex als F = n • (D/2)²/a² gegeben.
p(X, Y) ist eine Intensitätsverteilungsfunktion an der Stelle (X, Y) in der photonischen Kristallschicht. Unter Verwendung der Wellentheorie optischer Kopplung, die in Y Liang u. a., „Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverse-electric polarization: finite size effects“, Opt Express 20, 15945-15961 (2012), offenbart ist, ist es möglich, eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung des Gesamtelements zu berechnen.
33 ist eine Skizze, die eine Laservorrichtung darstellt, die ein Laserelement und eine Polarisationsplatte enthält.
Von einer Lichtemissionsoberfläche des Laserelements LD wird Laserlicht mit einer Vielzahl von Polarisationsrichtungen Dp ausgegeben (33(A)). Das Laserlicht wird durch Durchgang durch die Polarisationsplatte P intensitätsmoduliert. 33(B). Das heißt, die Laservorrichtung enthält das obenerwähnte Laserelement LD und eine Polarisationsplatte P, die einer lichtemittierenden Oberfläche des Laserelements LD zugewandt ist.
In dem obenerwähnten Laserelement sind die Positionen der Nebenlöcher in Bezug auf die Einheitsgitter verschieden, sodass somit Licht mit unterschiedlichen Polarisationen in Bezug auf die Einheitsgitter erhalten wird. Somit ist es durch Kombinieren von Polarisationsplatten auf einer Emissionsseite möglich, ebene Wellen zu erhalten, deren Intensitäten verschieden sind, während die Phasen in Bezug auf die Einheitsgitter ausgerichtet sind.
In dem obenerwähnten Laserelement wird eine ebene Welle mit verschiedenen Intensitäten für jeweilige Einheitsgitter als Emissionslicht erhalten. Mit anderen Worten, es wird eine ebene Welle mit verschiedenen Intensitäten für jeweilige Stellen als Emissionslicht erhalten. Wenn die ebene Welle mit verschiedenen Intensitäten für jeweilige Stellen erhalten wird, ist es möglich, unter Verwendung des in W. H. Lee, „Sampled fourier transform hologram generated by computer“, Appl. Opt. 9, 639-643 (1970), beschriebenen Verfahrens ein Hologramm zu erhalten. Somit ist es möglich, ein bestimmtes Strahlmuster zu erhalten.
Wenn ein Beispiel entsprechend einer spezifischen Prozedur beschrieben wird, wird z. B. ein gewünschtes Strahlmuster, d. h. zweidimensionale Winkel-Intensitäts-Informationen, als eine zweidimensionale Anordnung vorbereitet und wird an den zweidimensionalen Winkel-Intensitäts-Informationen eine zweidimensionale diskrete Fourier-Transformation oder eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation ausgeführt, wodurch eine zweidimensionale Anordnung mit einer komplexen Amplitude erhalten wird. In diesem Fall ist die Anzahl der Elemente der zweidimensionalen Anordnung der Winkel-Intensitäts-Informationen eines ursprünglich vorbereiteten Strahlmusters gleich der Anzahl der Elemente der zweidimensionalen Anordnung mit der komplexen Amplitude nach der Transformation. Die komplexe Amplitude jedes Elements ist aus einem Realteil und einem Imaginärteil zusammengesetzt, wobei der Realteil und der Imaginärteil einen positiven bzw. einen negativen Wert aufweisen.
Entsprechend dem Verfahren der obenerwähnten Lee-Literatur entsprechen vier geteilte streifenförmige Gebiete mit derselben Breite einer wie oben beschriebenen komplexen Amplitude, wobei Intensitäten der geteilten Gebiete entsprechend der folgenden Prozedur zugewiesen werden. In diesem Fall werden die streifenförmigen Gebiete aufeinanderfolgend von links als ein erstes Gebiet, ein zweites Gebiet, ein drittes Gebiet und ein viertes Gebiet definiert. Wenn ein Realteil der obigen komplexen Amplitude einen positiven Wert aufweist, wird dem ersten Gebiet ein Wert des Realteils der komplexen Amplitude zugewiesen und wird dem dritten Gebiet null zugewiesen. Wenn der Realteil der obigen komplexen Amplitude einen negativen Wert aufweist, wird dem ersten Gebiet null zugewiesen und wird dem dritten Gebiet ein Absolutwert des Werts des Realteils der komplexen Amplitude zugewiesen. Wenn der Realteil der komplexen Amplitude 0 ist, wird dem ersten Gebiet und dem dritten Gebiet 0 zugewiesen. Außerdem wird dem zweiten Gebiet ein Wert des Imaginärteils der komplexen Amplitude zugewiesen und wird dem vierten Gebiet null zugewiesen, wenn ein Imaginärteil der obigen komplexen Amplitude einen positiven Wert aufweist. Wenn der Imaginärteil der obigen komplexen Amplitude einen negativen Wert aufweist, wird dem zweiten Gebiet null zugewiesen und wird dem vierten Gebiet ein Absolutwert des Werts des Imaginärteils der komplexen Amplitude zugewiesen. Wenn der Imaginärteil der komplexen Amplitude 0 ist, wird dem zweiten Gebiet und dem vierten Gebiet 0 zugewiesen. Die wie oben beschrieben zugewiesenen Werte sind alle negative Werte, wobei es möglich ist, eine Korrespondenz der Intensitätsverteilungen auszuführen.
Nachdem die Intensitätsverteilungen den jeweiligen streifenförmigen Gebieten entsprechend der obenerwähnten Prozedur zugewiesen worden sind, werden Stellen der Nebenlöcher in der Weise zugewiesen, dass eine gewünschte Intensitätsverteilung erhalten wird. Das heißt, entsprechend der Funktion g(φ, θ), die eine Intensitätsänderung wegen der Polarisationsrichtung φ und der Transmissionsachsenrichtung θ der Polarisationsplatte repräsentiert, wird die Intensitätsverteilung jedes Orts in die Anordnung von Nebenlöchern umgesetzt. Entsprechend der obenerwähnten Prozedur ist es möglich, Stellen der Nebenlöcher zum Erhalten eines gewünschten Strahlmusters zu erhalten.
Obgleich als das Verfahren zum Bestimmen der Stellen der Nebenlöcher aus einem gewünschten Strahlmuster das Verfahren von Lee gegeben ist, ist die vorliegende Erfindung dadurch charakterisiert, dass eine bestimmte Intensitätsverteilung erhalten wird, in der Phasen durch die Anordnung der Nebenlöcher ausgerichtet werden, wobei als ein Verfahren zum Bestimmen der Stellen der Nebenlöcher außer dem Verfahren von Lee andere Verfahren betrachtet werden können. Obgleich ein Verfahren zum Zuweisen von Intensitätsverteilungen zu drei streifenförmigen Gebieten und zum Erhalten eines ähnlichen Ergebnisses wie das Verfahren von Lee in C. B. Burckhardt, „A simplification of Lee's method of generating holograms by computer“, Appl. Opt 9, 1949 (1970), offenbart ist, kann z. B. dieses Verfahren verwendet werden oder kann ein anderes Verfahren verwendet werden, das äquivalente Ergebnisse erhalten kann.
34 ist eine Skizze, die Hauptabschnitte einer Laservorrichtung darstellt, die eine Polarisationsplatte P und ein optisches Element LS enthält. Das heißt, es ist möglich, das optische Element LS wie etwa eine Linse oder ein Hologramm in einer nachfolgenden Stufe der Polarisationsplatte P anzuordnen. Das optische Element LS kann an einfallendem Laserlicht eine Fourier-Transformation ausführen und das Laserlicht ausgeben.
Bezugszeichenliste

6: photonische Kristallschicht,
6A: Trägerschicht,
6B1: erstes Gebiet mit anderem Brechungsindex,
6B2: zweites Gebiet mit anderem Brechungsindex

Claims

Laserelement (LD), das eine photonische Kristallschicht (6) enthält, worauf Laserlicht fällt, die photonische Kristallschicht (6) umfassend: eine Trägerschicht (6A), die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet ist; und eine Vielzahl von Gebieten mit anderem Brechungsindex (6B), die aus einem Medium mit einem zweiten Brechungsindex gebildet sind, das einen Brechungsindex aufweist, der von dem des Mediums mit einem ersten Brechungsindex verschieden ist, und die in der Trägerschicht (6A) angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Gebieten mit anderem Brechungsindex (6B) umfasst: ein erstes Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B1); und ein zweites Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B2), wobei das erste Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B1), eine planare Form eines Kreises, eines Quadrats oder eines Mehrecks mit einer Rotationssymmetrie von 90° besitzt, wobei das erste Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B1) eine erste Fläche, die senkrecht zu einer Dickenrichtung ist, besitzt; wobei die ersten Gebiete mit dem anderen Brechungsindex (6B1) an Gitterpunktstellen eines quadratischen Gitters angeordnet sind; wobei das zweite Gebiet mit dem anderen Brechungsindex (6B2) eine zweite Fläche, die senkrecht zu der Dickenrichtung ist, aufweist, wobei die zweite Fläche kleiner als die erste Fläche ist, wobei jedes Einheitskonfigurationsgebiet (R11 - R34) enthält: genau ein erstes Gebiet mit anderem Brechungsindex (6B1) und genau ein zweites Gebiet mit anderem Brechungsindex (6B2), das in der Nähe des ersten Gebiets mit anderem Brechungsindex (6B1) vorgesehen ist, wobei in jedem Einheitskonfigurationsgebiet (R11 - R34) ein Drehwinkel des zweiten Gebiets mit anderem Brechungsindex (6B2) in Bezug auf das erste Gebiet mit anderem Brechungsindex (6B1) durch φ bezeichnet ist, wobei in einer XY-Ebene, die eine X-Achse und eine Y-Achse enthält, eine Vielzahl der Einheitskonfigurationsgebiete (R11 - R34) zweidimensional und angrenzend aneinander auf dem quadratischen Gitter angeordnet sind, wobei eine X-Koordinate und eine Y-Koordinate eines Mittelpunkts (G) jedes der Einheitskonfigurationsgebiete (R11 - R34) durch einen Mittelpunkt (G) des zugehörigen ersten Gebiets mit anderem Brechungsindex (6B1) gegeben ist, und wobei der Drehwinkel φ eine Funktion der X-Koordinate des Einheitskonfigurationsgebiets (R11 - R34) oder der X-Koordinate und der Y-Koordinate des Einheitskonfigurationsgebiets (R11 - R34) ist und in der gesamten photonischen Kristallschicht (6) wenigstens drei verschiedene Drehwinkel φ enthalten sind.
Laserelement (LD) nach Anspruch 1, wobei die Drehwinkel φ proportional zu der X-Koordinate des Einheitskonfigurationsgebiets (R11 - R34) oder proportional zu der X-Koordinate und der Y-Koordinate des Einheitskonfigurationsgebiets (R11 - R34) in gleichen Intervallen zunehmen.
Laserelement (LD) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine aktive Schicht (4), die zum Emittieren des Laserlichts konfiguriert ist; eine obere und eine untere Mantelschicht (7, 2), zwischen denen die aktive Schicht (4) liegt; und die photonische Kristallschicht (6), die zwischen der oberen oder der unteren Mantelschicht (7, 2) und der aktiven Schicht (4) angeordnet ist.
Laservorrichtung, umfassend: ein Laserelement (LD) nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Polarisationsplatte (P), die in der Weise angeordnet ist, dass sie einer lichtemittierenden Oberfläche des Laserelements (LD) zugewandt ist.