DE112014002126T5

DE112014002126T5 - Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE112014002126T5
Application number: DE112014002126.1T
Authority: DE
Inventors: Yuu Takiguchi; Yoshiro Nomoto
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-04-26
Also published as: JP6309947B2; WO2014175447A1; US9660415B2; JPWO2014175447A1; US20160064894A1; DE112014002126B4

Abstract

Die Halbleiterlaservorrichtung enthält einen Halbleiterlaserchip und einen Raumlichtmodulator SLM, der optisch mit dem Halbleiterlaserchip verbunden ist. Der Halbleiterlaserchip LDC enthält eine aktive Schicht 4, ein Paar von Plattierschichten 2 und 7, die die aktive Schicht 4 einschließen, und eine Beugungsgitterschicht 6, die optisch mit der aktiven Schicht 4 verbunden ist. der Raumlichtmodulator SLM enthält eine transparente gemeinsame Elektrode 25, eine Vielzahl von transparenten Bildpunktelektroden 21 und eine Flüssigkristallschicht LC, die zwischen der gemeinsamen Elektrode 25 und den Bildpunktelektroden 21 angeordnet ist. Ein in einer Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht 6 ausgegebener Laserstrahl wird durch den Raumlichtmodulator SLM moduliert, geht durch diesen hindurch und wird nach außen ausgegeben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung.
Stand der Technik
Die Patentliteratur 1 gibt ein Oberflächenemissions-Laserelement mit einem zweidimensionalen periodischen Aufbau an. Das Oberflächenemissions-Laserelement enthält eine photonische Kristallschicht. Die in der Literatur beschriebene photonische Kristallschicht weist einen Aufbau auf, in dem Durchgangslöcher periodisch in zwei orthogonalen Richtungen vorgesehen sind. Die nicht-Patentliteratur 1 beschreibt ein Beispiel, in dem ein Phasenverschiebungsbereich, der eine andere Periode als seine Umgebung aufweist, zwischen mit Löchern versehenen Bereichen eingefügt wird. Durch die Verwendung eines Phasenverschiebungsbereichs kann ein Strahlmuster erhalten werden, das sich von demjenigen in einem Fall, in dem kein Phasenverschiebungsbereich verwendet wird, unterscheidet. Insbesondere ist ein ringförmiger Strahl effektiv für optische Pinzetten oder ähnliches. Mit einem gewöhnlichen Einzelpeak-Strahl ist es schwierig, eine opake Substanz zu erhalten, wobei der ringförmige Strahl aber auch für das Erfassen einer opaken Substanz (nicht-Patentliteratur 2) verwendet werden kann. Es ist zu beachten, dass die nicht-Patentliteratur 2 einen Projektor angibt, der ein Oberflächenemissions-Laserelement verwendet. Allgemein ist ein Projektor eine Vorrichtung zum Erzeugen eines gewünschten Bilds durch das wahlweise Durchlassen/Blockieren eines Strahls in jedem Bildpunkt, wobei jedoch nicht die Phase einer Wellenfront jedes Bildpunkts gesteuert wird.
Wenn eine Phase einer Wellenfront eines Laserstrahls mit einer zweidimensionalen Spreizung in jedem winzigen Bereich gesteuert werden kann, kann ein gewünschtes Bild durch die Überlagerung von Wellenfronten von winzigen Bereichen erhalten werden. Weil ein Fourier-transformiertes Nahfeldbild eines Laserstrahls mit einer zweidimensionalen Spreizung ein Fernfeldbild eines Lasers ist, ist zu erwarten, dass eine derartige Halbleiterlaservorrichtung auf verschiedene Weise angewendet werden kann. Es ist bekannt, dass ein redproduziertes Bild erhalten wird, wenn eine Fourier-Transformation in Bezug auf ein Hologramm durchgeführt wird. Es ist also zu erwarten, dass eine derartige Vorrichtung für das Entwerfen eines Hologramms oder ähnliches verwendet werden kann. Weiterhin wird ein Fourier-transformiertes Bild für eine Bildverarbeitung, einen Musterabgleich oder ähnliches in einer Prüfvorrichtung verwendet.
Referenzliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-332351
Patentliteratur 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-219307

Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentliteratur 1: Eiji Miyai et al.: „Laser producing tailored beams”. Nature 441 (2006): Seite 946.
Nicht-Patentliteratur 2: Kyosuke Sakai et al.: „Optical trapping of metal particles in doughnut-shaped beam emitted by photonic-crystal laser”. Electronics Letters 43 (2007): Seiten 107–108.

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Es ist jedoch keine Halbleiterlaservorrichtung bekannt, die eine Wellenfrontsteuerung, d. h. eine Phasensteuerung jedes winzigen Bereichs durchführen kann. Es ist also bisher nicht möglich gewesen, Wellenfronten frei zu überlagern und ein gewünschtes variables Laserstrahlmuster durch eine Halbleiterlaservorrichtung zu bilden. Die vorliegende Erfindung nimmt auf die oben geschilderten Probleme Bezug, wobei sie eine Halbleiterlaservorrichtung vorsieht, die ein gewünschtes variables Laserstrahlmuster bilden kann.
Problemlösung
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, ist eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Halbleiterlaservorrichtung, die umfasst: einen Halbleiterlaserchip; und einen Raumlichtmodulator, der optisch mit dem Halbleiterlaserchip verbunden ist, wobei der Halbleiterlaserchip eine aktive Schicht, ein Paar von Plattierschichten, die die aktive Schicht einschließen, und eine Beugungsgitterschicht, die optisch mit der aktiven Schicht verbunden ist, enthält und wobei der Raumlichtmodulator eine transparente gemeinsame Elektrode, eine Vielzahl von transparenten Bildpunktelektroden und eine Flüssigkristallschicht, die zwischen der gemeinsamen Elektrode und den Bildpunktelektroden angeordnet ist, enthält, wobei der Raumlichtmodulator an dem Halbleiterlaserchip derart angebracht ist, dass eine Laserstrahlausgabe in einer Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht eingegeben wird, eine Phase des Laserstrahls in jedem winzigen Bereich mit einer zwischen den Bildelektroden und der gemeinsamen Elektrode angelegten Treiberspannung moduliert wird und der Laserstrahl mit der modulierten Phase durchgelassen und nach außen ausgegeben wird.
Der in der Dickenrichtung von der Beugungsgitterschicht ausgegebene Laserstrahl erreicht die Flüssigkristallschicht durch die Bildpunktelektroden oder die gemeinsame Elektrode. Die Durchlässigkeit (Brechungsindex) der Flüssigkristallschicht variiert in Abhängigkeit von der an den Bildpunktelektroden angelegten Spannung. Die Länge des optischen Pfads der Flüssigkristallschicht in Bezug auf den Laserstrahl variiert also und auch die Phase variiert. Die Phase des durch die Flüssigkristallschicht hindurchgelassenen Laserstrahls wird in Bezug auf jede Bildpunktelektrode moduliert. Auf diese Weise kann eine Wellenfrontsteuerung jedes winzigen Bereichs durchgeführt werden und kann ein gewünschtes variables Laserstrahlmuster durch die Überlagerung von Wellenfronten gebildet werden.
Die vorliegende Halbleiterlaservorrichtung enthält weiterhin eine Auswahlschaltung, die auf dem Halbleiterlaserchip angeordnet ist und konfiguriert ist, um die Treiberspannung wahlweise zwischen einer der Pixelelektroden, die an einer beabsichtigten Adresse platziert ist, und der gemeinsamen Elektrode zuzuführen. Indem die Auswahlschaltung an dem Halbleiterlaserchip vorgesehen wird, kann ein Raumlichtmodulator gesteuert werden, ohne eine große externe Verdrahtungsgruppe vorzusehen.
Weiterhin enthält der Halbleiterlaserchip einen Laserstrahlerzeugungsbereich, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, und einen Ablenkungsbereich, der dem Laserstrahlerzeugungsbereich benachbart ist und konfiguriert ist, um den Laserstrahl abzulenken, wobei sich die Beugungsgitterschicht derart erstreckt, dass sie in dem Laserstrahlerzeugungsbereich und in dem Ablenkungsbereich platziert ist, und den Laserstrahl in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht ablenkt, und wobei der Raumlichtmodulator an dem Ablenkungsbereich angebracht ist. Indem in diesem Fall ein Laserstrahlerzeugungsbereich und ein Ablenkungsbereich separat vorgesehen werden, kann die Kennlinie in jedem Bereich optimiert werden.
Weiterhin enthält der Halbleiterlaserchip einen Laserstrahlerzeugungsbereich, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, wobei die Beugungsgitterschicht in dem Laserstrahlerzeugungsbereich platziert ist und den Laserstrahl in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht emittiert, und wobei der Raumlichtmodulator an dem Laserstrahlerzeugungsbereich angebracht ist. In diesem Fall kann die Vorrichtung verkleinert werden, indem der Raumlichtmodulator in dem Laserstrahlerzeugungsbereich angeordnet wird.
Weiterhin ist ein verteilter Bragg-Reflektor enthalten, der zwischen einer der Plattierschichten auf einer zum dem Raumlichtmodulator fernen Seite und der Beugungsgitterschicht platziert ist, wobei eine optische Distanz t12 zwischen der Beugungsgitterschicht und dem verteilten Bragg-Reflektor derart gesetzt ist, dass 2 × t2 = λ × N oder λ × (N + 1/2) erfüllt wird, wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist und N eine Ganzzahl ist. In diesem Fall sind die Phase eines Laserstrahls, der direkt von der Beugungsgitterschicht zu dem Raumlichtmodulator fortschreitet, und die Phase eines durch den verteilten Bragg-Reflektor reflektierten Laserstrahls identisch. Die Laserstrahlen verstärken sich also gegenseitig, wobei die Intensität der in den Raumlichtmodulator eingegebenen Laserstrahlen groß wird. Es ist allgemein zu beachten, dass Strahlen einander verstärken, wenn die Differenz der optischen Pfade ein gerades Vielfaches einer halben Wellenlänge ist, und dass Strahlen einander abschwächen, wenn die Differenz ein ungerades Vielfaches davon ist. Wenn jedoch ein Strahl in eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex eintritt und reflektiert wird, wird die Phase invertiert. Wenn der Brechungsindex einer ersten Schicht in dem verteilten Bragg-Reflektor von der aktiven Schicht aus betrachtet hoch ist, wird die Phase invertiert. Laserstrahlen können also auch in dem zweiten Fall einander verstärken.
Weiterhin enthält der Halbleiterlaserchip einen Laserstrahlerzeugungsbereich, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, und einen Ablenkungsbereich, der dem Laserstrahlerzeugungsbereich benachbart ist und der konfiguriert ist, um den Laserstrahl abzulenken, und erstreckt sich die Beugungsgitterschicht derart, dass sie in dem Laserstrahlerzeugungsbereich und in dem Ablenkungsbereich platziert ist, wobei der Ablenkungsbereich durch den Laserstrahlerzeugungsbereich umgeben ist. Auch in diesem Fall ist der Raumlichtmodulator an dem Ablenkungsbereich angebracht.
Weiterhin enthält in allen den oben beschriebenen Aufbauten die Beugungsgitterschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von Anderer-Brechungsindex-Bereichen, die periodisch in der Basisschicht ausgebildet sind und jeweils Brechungsindizes aufweisen, die von der Basisschicht verschieden sind, wobei eine planare Form jedes der Anderer-Brechungsindex-Bereiche in der Beugungsgitterschicht in dem Ablenkungsbereich drehasymmetrisch ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß einer Halbleiterlaservorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ein gewünschtes variables Laserstrahlmuster gebildet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterlaservorrichtung.
2 ist ein Schaltdiagramm der Halbleiterlaservorrichtung.
3 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
4 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
5 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
6 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
7 ist eine Draufsicht auf eine Beugungsgitterschicht.
8(A) ist eine Vertikalschnittansicht eines Teils einer Halbleiterlaservorrichtung, die einen sich verjüngenden Wellenleiter enthält, und 8(B) ist eine Draufsicht auf einen Wellenleiter WG.
9 ist eine Vertikalschnittansicht eines Modifikationsbeispiels der Halbleiterlaservorrichtung von 3.
10 ist eine Vertikalschnittansicht eines Modifikationsbeispiels der Halbleiterlaservorrichtung von 4.
11 ist eine Draufsicht auf eine Beugungsgitterschicht 6.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Gleiche Bezugszeichen werden durchgehend für identische Komponenten verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterlaservorrichtung.
Die Halbleiterlaservorrichtung umfasst einen Halbleiterlaserchip LDC, der einen Verbundhalbleiter enthält, und einen Lichtmodulator SLM, der optisch mit dem Halbleiterlaserchip LDC kombiniert ist.
Der Halbleiterlaserchip LDC enthält eine Emissionsschicht LL mit einer aktiven Schicht, ein Paar von Plattierschichten 2 und 7, die die Emissionsschicht LL einschließen, und eine Beugungsgitterschicht 6, die optisch mit der Emissionsschicht LL kombiniert ist. Es ist zu beachten, dass die Emissionsschicht LL eine aktive Schicht und Lichtleiterschichten, die die aktive Schicht einschließen, wenn dies erforderlich ist, enthält. Der Halbleiterlaserchip LDC enthält ein Halbleitersubstrat 1. Es wird angenommen, dass die Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 1 eine Z-Achse ist und dass zwei dazu vertikale Richtungen jeweils eine X-Achse und eine Y-Achse sind.
Es wird angenommen, dass Halbleiterschichten seriell und epitaktisch auf einer Oberfläche in einer –Z-Achsenrichtung des Halbleitersubstrats 1 gezüchtet werden. Wenn in diesem Fall angenommen wird, dass die –Z-Achsenrichtung die Richtung nach oben ist, werden die untere Plattierschicht 2, die Emissionsschicht LL, die Beugungsgitterschicht 6, die obere Plattierschicht 7 und eine Kontaktschicht 8 seriell auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. Auf einer Oberfläche einer +Z-Achsenseite des Halbleitersubstrats 1 ist eine Elektrode EL 1 ausgebildet, und auf einer Oberfläche einer –Z-Achsenseite der Kontaktschicht 8 ist eine Elektrode E2 ausgebildet.
Dabei sind die Emissionsschicht LL und die Elektroden E1 und E2 nur in einem Laserstrahlerzeugungsbereich LD und nicht in einem Ablenkungsbereich DF ausgebildet. Wenn Strom von einer Treiberschaltung zu den Elektroden E1 und E2 zugeführt wird, emittiert die Emissionsschicht LL Licht. Wenn also ein Treiberstrom zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 zugeführt wird, wird eine Rekombination eines Elektrons und eines Lochs in einer aktiven Schicht 4 veranlasst und aktiviert die aktive Schicht 4 Licht. Ein Träger, der zu der Emission von Licht beiträgt, und das erzeugte Licht werden effizient zwischen oberen/unteren Lichtleiterschichten 3 und 5 und den Plattierschichten 2 und 7 gehalten.
Ein in der Emissionsschicht LL erzeugter Laserstrahl LB pflanzt sich in der Beugungsgitterschicht 6 fort, schreitet in einer –X-Achsenrichtung fort und erreicht den Ablenkungsbereich DF. In dem Ablenkungsbereich DF beugt die Beugungsgitterschicht 6 den Laserstrahl und transportiert den Laserstrahl in einer Richtung orthogonal zu der Dickenrichtung, d. h. in der Z-Achsenrichtung. Der gebeugte Laserstrahl schreitet in der +Z-Achsenrichtung fort und tritt in den Raumlichtmodulator SLM durch die Plattierschicht 2 und das Halbleitersubstrat 1 ein.
Der Raumlichtmodulator SLM ist an dem Ablenkungsbereich DF des Halbleiterlaserchips LDC derart angebracht, dass der in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht 6 ausgegebene Laserstrahl LB eingegeben wird. Der Raumlichtmodulator SLM moduliert die Phase des Laserstrahls LB in jedem winzigen Bereich mit einer zwischen einer Bildpunktelektrode und einer gemeinsamen Elektrode angelegten Treiberspannung, lässt den Laserstrahl mit der modulierten Phase durch und gibt den Strahl nach außen aus.
Der von dem Raumlichtmodulator SLM ausgegebene Laserstrahl LB wird in einem Zustand, in dem eine Phase in jedem winzigen Bereich eingestellt ist, überlagert und bildet verschiedene Laserstrahlmuster. In der gleichen Zeichnung bildet ein Fernfeldbild des überlagerten Laserstrahls LB den Buchstaben „A”.
Die Halbleiterlaservorrichtung enthält weiterhin eine Auswahlschaltung (Reihenauswahlschaltung DR1 und Spaltenauswahlschaltung DR2), die an dem Halbleiterlaserchip LDC angeordnet ist und wahlweise eine Treiberspannung zwischen einer an einer gewünschten Adresse platzierten Bildpunktelektrode und einer gemeinsamen Elektrode vorsieht. Weil diese Auswahlschaltung an dem Halbleiterlaserchip vorgesehen ist, kann der Raumlichtmodulator gesteuert werden, ohne eine große externe Verdrahtungsgruppe vorzusehen.
2 ist ein Schaltdiagramm der Halbleiterlaservorrichtung.
Der Raumlichtmodulator SLM enthält eine transparente gemeinsame Elektrode 25, eine Vielzahl von transparenten Bildpunktelektroden 21 und eine Flüssigkristallschicht LC, die zwischen der gemeinsamen Elektrode 25 und den Bildpunktelektroden 21 angeordnet ist. Die Flüssigkristallschicht LC enthält einen nematischen Flüssigkristall, einen ferroelektrischen Flüssigkristall oder ähnliches. Von einer Treiberschaltung DR wird ein Treiberstrom zu einem Laserstrahlerzeugungsbereich LD in einem Halbleiterlaserelement zugeführt. Dementsprechend wird der Laserstrahl LB aus der Emissionsschicht LL ausgegeben. Der Laserstrahl LB erreicht die Flüssigkristallschicht LC durch die Bildpunktelektroden 21 des Raumlichtmodulators. Dann wird der Laserstrahl LB nach einer Phasenmodulation in der Flüssigkristallschicht LC durch die gemeinsame Elektrode 25 nach außen ausgegeben. Die gemeinsame Elektrode 25 ist mit einem fixen Potential (Erde) verbunden, und jede der Bildpunktelektroden 21 ist mit der Reihenauswahlschaltung DR1 über ein Schaltelement Q1 und eine Reihenleitung verbunden. Eine Spaltenleitung erstreckt sich von der Spaltenauswahlschaltung DR2 und ist mit einem Steueranschluss des Schaltelements Q1 verbunden. Das Schaltelement Q1 ist ein Feldeffekttransistor. In diesem Fall ist der Steueranschluss ein Gate eines Transistors.
Wenn in dem Raumlichtmodulator eine bestimmte Adresse (x, y) spezifiziert wird, wird ein EIN-Signal von der Spaltenauswahlschaltung DR2 zu einer Spaltenleitung einer Koordinate x ausgegeben und wird ein gewünschtes Potential von der Reihenauswahlschaltung DR1 zu einer Reihenleitung einer Koordinate y zugeführt. In diesem Fall wird eine Treiberspannung zwischen der Bildpunktelektrode 21 an der Adresse (x, y) und der gemeinsamen Elektrode 25 angelegt und variiert der Brechungsindex in der Flüssigkristallschicht. Deshalb variiert die optische Pfadlänge und wird die Phase eines Laserstrahls eingestellt. Es ist zu beachten, dass in dem Raumlichtmodulator eine Reihenrichtung und eine Spaltenrichtung subjektiv bestimmt werden und miteinander austauschbare Richtungen sind. Die Größe der Treiberspannung wird in Abhängigkeit von dem Ausgangspotential der Reihenauswahlschaltung DR1 und von dem Ausgangspotential der Spaltenauswahlschaltung DR2 bestimmt und kann konstant sein. Wenn jedoch eine präzisere Phasensteuerung durchgeführt wird, ist zum Beispiel ein variabler Widerstand mit jedem Schaltelement Q1 verbunden und wird der Wert des variablen Widerstands durch eine Auswahleinheit mit einer ähnlichen Konfiguration gesteuert.
Damit eine Vorrichtung ein gewünschtes Muster auch dann ausgibt, wenn eine in-Ebenen-Variation in der Phase des Raumlichtmodulators während der Herstellung gegeben ist, sind eine Speichereinrichtung zum vorausgehenden Messen der Phasenverteilung des Raumlichtmodulators und zum Korrigieren derselben und eine Treiberschaltung für einen Raumlichtmodulator, die eine Treiberspannung erzeugt, die zu jeder Bildpunktelektrode über eine Auswahlschaltung basierend auf Speicherdaten in der Speichereinrichtung zugeführt wird, vorgesehen. Die Halbleiterlaservorrichtung kann also eine Speichereinrichtung zum vorausgehenden Messen der Phasenverteilung des Raumlichtmodulators, zum Speichern eines Korrekturwerts einer anfänglichen Phase, deren Wert für die Korrektur einer in-Ebenen-Variation in einer Phase basierend auf dem Messwert dient, und zum Ausgeben jeweils einer anderen anfänglichen Phase zu jeder Bildpunktelektrode des Raumlichtmodulators enthalten. Mit anderen Worte enthält die Vorrichtung eine Speichereinrichtung MEM, die einen anfänglichen Korrekturwert einer Treiberspannung in jeder Bildpunktelektrode speichert. Die Treiberspannung wird von einer Steuereinrichtung CONT jeder der Auswahlschaltungen DR1 und DR2 angelegt. Die Treiberspannung und der anfängliche Korrekturwert werden in der Speichereinrichtung MEM gespeichert. Eine Basisphasenverteilung kann mit der gemessenen Phasenverteilung verglichen werden, um als einen anfänglichen Korrekturwert einen Wert einer Treiberspannung in Entsprechung zu einer Differenz der Phase jedes Bildpunkts zu setzen. Wenn die Treiberspannung des anfänglichen Korrekturwerts zu jeder Bildpunktelektrode zugeführt wird, wird die Basisphasenverteilung realisiert. Um eine gewünschte Phasenverteilung zu erhalten, kann eine gewünschte Treiberspannung auf die Treiberspannung in Entsprechung zu dem anfänglichen Korrekturwert überlagert werden.
3 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
Ein in der Dickenrichtung von der Beugungsgitterschicht 6 ausgegebener Laserstrahl erreicht die Flüssigkristallschicht LC durch die Bildpunktelektroden 21 (oder die gemeinsame Elektrode 25, wenn der Raumlichtmodulator invertiert ist). Die Durchlässigkeit (Brechungsindex) der Flüssigkristallschicht LC variiert in Abhängigkeit von der an den Bildpunktelektroden 21 angelegten Spannung. Deshalb variiert die optische Pfadlänge der Flüssigkristallschicht LC in Bezug auf einen Laserstrahl und variiert die Phase. Die Phase des durch die Flüssigkristallschicht LC durchgelassenen Laserstrahls LB wird für jede Bildpunktelektrode 21 moduliert. Es kann also eine Wellenfrontsteuerung jedes winzigen Bereichs durchgeführt werden und es kann ein gewünschtes variables Laserstrahlmuster durch die Überlagerung von Wellenfronten gebildet werden.
Es ist zu beachten, dass eine Isolationsschicht 9 aus SiO₂ oder SiNx auf dem Ablenkungsbereich DF ausgebildet ist. Auf der Isolationsschicht 9 sind Bildpunktelektroden 21 eines Raumlichtmodulators SLM in einer Matrix angeordnet. Auf den Bildpunktelektroden 21 ist ein Schutzfilm 22 zum Glätten einer Fläche ausgebildet. Auf dem Schutzfilm 22 ist ein Antireflexionsfilm 23 ausgebildet. Auf dem Antireflexionsfilm ist ein Rahmenabstandsglied 24 zum Halten des Flüssigkristalls vorgesehen. Ein Raum im Inneren des Abstandsglieds 24 ist mit einer Flüssigkristallschicht LC gefüllt. An dem Abstandsglied 24 und der Flüssigkristallschicht LC ist eine transparente Elektrode 25 ausgebildet. An der transparenten Elektrode 25 sind ein transparentes Substrat 26 und ein Antireflexionsfilm 27 seriell ausgebildet. Ein Ausrichtungsfilm ist auf den oberen und unteren Flächen der Flüssigkristallschicht LC vorgesehen.
Ein von der Flüssigkristallschicht LC ausgegebener Laserstrahl wird durch die gemeinsame Elektrode 25, das transparente Substrat 26 und den Antireflexionsfilm 27 nach außen ausgegeben. Weiterhin ist die Distanz t1 zwischen (der Mittenposition in der Dickenrichtung) der Beugungsgitterschicht 6 und der Kontaktschicht 8 derart gesetzt, dass der an einer freiliegenden Fläche der Kontaktschicht 8 in dem Halbleiterlaserchip reflektierte Laserstrahl LB und das sich direkt von der Beugungsgitterschicht 6 zu dem Raumlichtmodulator SLM bewegende Licht einander verstärken. Das heißt, dass eine optische Distanz t1 derart gesetzt ist, dass sie 2 × t1 = λ × (N + 1/2) erfüllt, wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist und N eine Ganzzahl ist. Wenn ein Strahl auf Metall einfällt und reflektiert wird, wird die Phase invertiert. Deshalb wird die Bedingung von t1, mit der sich Strahlen einander verstärken, zu der oben beschriebenen.
Die Emissionsschicht LL von 1 enthält die aktive Schicht 4 und die diese einschließenden Lichtführungsschichten 3 und 5, wobei diese Schichten nur in dem Laserstrahlerzeugungsbereich ausgebildet sind. Weiterhin ist bei Bedarf die Kontaktschicht 8 vorgesehen.
Der Halbleiterlaserchip enthält den Laserstrahlerzeugungsbereich LD, in dem die aktive Schicht 4 ausgebildet ist, und einen Ablenkungsbereich DF, der zu dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD benachbart ist und einen Laserstrahl ablenkt. Die Beugungsgitterschicht 6 erstreckt sich derart, dass sie in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD und dem Ablenkungsbereich DF platziert ist. Die Beugungsgitterschicht 6 lenkt einen Laserstrahl in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht 6 ab. Der Raumlichtmodulator SLM ist an dem Ablenkungsbereich DF angebracht. Indem in der ersten Ausführungsform der Laserstrahlerzeugungsbereich LD und der Ablenkungsbereich DF separat vorgesehen sind, können die Eigenschaften jedes Bereichs optimiert werden.
4 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR) 72 und eine Abstandsschicht 71 zwischen einer Plattierschicht 7 und einer Beugungsgitterschicht 6 angeordnet sind, während die Ausführungsformen ansonsten identisch sind. Der DBR 72 ist zwischen einer Plattierschicht 7 auf der fernen Seite von einem Raumlichtmodulator SLM und der Beugungsgitterschicht 6 platziert. Dabei ist die optische Distanz t2 zwischen der Beugungsgitterschicht 6 und dem DBR 72 derart gesetzt, dass 2 × t2 = λ × N oder λ × (N + 1/2) erfüllt wird, wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist und N eine Ganzzahl ist. Allgemein verstärken Strahlen einander, wenn die Differenz der optischen Pfade ein gerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist, während Strahlen einander abschwächen, wenn die Differenz ein ungerades Vielfaches davon ist. Wenn jedoch ein Strahl in eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex eintritt und reflektiert wird, wird die Phase invertiert. Wenn der Brechungsindex einer ersten Schicht in dem verteilten Bragg-Reflektor von der aktiven Schicht aus gesehen hoch ist, wird die Phase invertiert. Auf diese Weise können Laserstrahlen einander auch in dem zweiten Fall verstärken.
In diesem Fall sind die Phase eines Laserstrahls, der direkt von der Beugungsgitterschicht 6 zu dem Raumlichtmodulator SLM fortschreitet, und die Phase eines durch den DBR 72 reflektierten Laserstrahls identisch. Die Laserstrahlen verstärken also einander, sodass die Intensität der in den Raumlichtmodulator SLM eingegebenen Laserstrahlen groß wird.
Es wird angenommen, dass die Distanz zwischen einer Mittenposition in einer Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht 6 und einer Mittenposition in einer Dickenrichtung des DBR 72 die Distanz t2 ist. Der verteilte DBR-Reflektor (DBR) ist ein Reflexionsspiegel, in dem Schichten mit verschiedenen Brechungsindizes alternierend in einer Länge einer Viertelwelle laminiert sind. AlGaAs wird, für ein VCSEL oder ähnliches, als ein DBR-Material eines Halbleiters verwendet. In einem derartigen Material kann ein Träger fließen.
5 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
Die Position eines Raumlichtmodulators SLM und der Elektrodenaufbau eines Lasers in der dritten Ausführungsform unterscheiden sich von denjenigen in der ersten Ausführungsform, während die anderen Konfigurationen identisch sind.
Der Halbleiterlaserchip enthält einen Laserstrahlerzeugungsbereich LD, in dem eine aktive Schicht 4 ausgebildet ist. Eine Beugungsgitterschicht 6 ist in einem Laserstrahlerzeugungsbereich LD platziert und emittiert einen Laserstrahl LB in einer Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht 6. Der Raumlichtmodulator SLM ist an dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD angebracht. In diesem Fall kann eine Vorrichtung verkleinert werden, indem der Raumlichtmodulator SLM in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD angeordnet wird.
Auf einer Oberfläche auf einer +Z-Seite eines Halbleitersubstrats 1 ist eine transparente Elektrode oder ein Halbleiterbereich mit einer hohen Verunreinigungsdichte (leitender Bereich E3) ausgebildet und ist ein Isolationsfilm 9 darauf ausgebildet. Eine Elektrode E1 ist elektrisch und physikalisch mit dem leitenden Bereich E3 verbunden und weist eine geöffnete Form auf. Der Raumlichtmodulator ist in dem Inneren der geöffneten Form der Elektrode E1 vorgesehen. In diesem Fall sind eine Reihenauswahlschaltung DR1 und eine Spaltenauswahlschaltung DR2 außerhalb der Elektrode E1 platziert. Deshalb ist eine Verbindungsverdrahtungsleitung von jeder dieser Schaltungen zu einer Bildpunktelektrode und einer gemeinsamen Elektrode vorgesehen.
6 ist eine Vertikalschnittansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
Die Position des Raumlichtmodulators SLM und der Elektrodenaufbau des Lasers in der vierten Ausführungsform unterscheiden sich von denjenigen in der zweiten Ausführungsform, während die anderen Konfigurationen identisch sind.
Der Halbleiterlaserchip enthält einen Laserstrahlerzeugungsbereich LD, in dem eine aktive Schicht 4 ausgebildet ist. Eine Beugungsgitterschicht 6 ist in einem Laserstrahlerzeugungsbereich LD platziert und emittiert einen Laserstrahl LB in einer Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht 6. Der Raumlichtmodulator SLM ist an dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD angebracht. In diesem Fall kann eine Vorrichtung verkleinert werden, indem der Raumlichtmodulator SLM in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD angeordnet wird.
Es ist zu beachten, dass auf einer +Z-Seite eines Halbleitersubstrats 1 eine transparente Elektrode oder ein Halbleiterbereich mit einer hohen Verunreinigungsdichte (leitender Bereich E3) ausgebildet ist und ein Isolationsfilm 9 darauf ausgebildet ist. Eine Elektrode E1 ist elektrisch und physikalisch mit dem leitenden Bereich E3 verbunden und weist eine geöffnete Form auf. Der Raumlichtmodulator ist im Inneren der geöffneten Form der Elektrode E1 vorgesehen. In diesem Fall sind eine Reihenauswahlschaltung DR1 und eine Spaltenauswahlschaltung DR2 außerhalb der Elektrode E1 platziert. Deshalb ist eine Verbindungsverdrahtungsleitung von jeder derselben zu einer Bildpunktelektrode und einer gemeinsamen Elektrode vorgesehen.
7 ist eine Draufsicht auf eine Beugungsgitterschicht.
Die oben beschriebene Beugungsgitterschicht 6 enthält zum Beispiel eine Basisschicht 6A und einen Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B. Der Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B ist in der Basisschicht 6A mit einer vorbestimmten Tiefe eingebettet und weist einen davon verschiedenen Brechungsindex auf. Die planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B ist kreisförmig gezeigt, wobei er aber auch eine andere Form wie etwa diejenige eines Dreiecks oder eines Ovals aufweisen kann. Um zum Beispiel die Intensität in einer spezifischen Polarisationsrichtung zu verstärken, kann die Form eine Form ohne eine Drehsymmetrie über 90° sein. Um ein linear polarisiertes Licht zu erhalten, kann die Form zum Beispiel ein gleichschenkliges Dreieck, ein rechtwinkliges Dreieck oder ein gleichschenkliges, rechtwinkliges Dreieck sein. Der Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B ist an einer Gitterposition eines rechtwinkligen Gitters angeordnet, kann aber auch an einer Gitterposition eines dreieckigen Gitters angeordnet sein. Wegen der Einbettung eines Anderer-Brechungsindex-Bereichs weist die Beugungsgitterschicht 6 einen periodischen Aufbau auf, in dem ein Brechungsindex zweidimensional variiert ist. Die Beugungsgitterschicht 6 funktioniert also als eine photonische Kristallschicht und auch als ein Beugungsgitter.
Der periodische Aufbau in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD und der periodische Aufbau in dem Ablenkungsbereich DF sind wie gezeigt identisch, weisen jedoch verschiedene Formen auf. Zum Beispiel kann ein periodischer Aufbau, in dem kreisförmige Durchgangslöcher in einem rechteckigen Gitter angeordnet sind, in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD verwendet werden und kann ein periodischer Aufbau, in dem dreieckige Durchgangslöcher in einem rechteckigen Gitter angeordnet sind, in dem Ablenkungsbereich DF verwendet werden. Dabei heben die nach oben und unten gebeugten Strahlen in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD aufgrund einer symmetrischen Eigenschaft einander auf, wobei die nach oben und unten gebeugten Strahlen einander nicht vollständig aufheben und in dem Ablenkungsbereich DF ausgegeben werden. Es wird also keine unnötige Ausgabe von dem Laserstrahlerzeugungsbereich durchgeführt, und es ist eine Verbesserung der Effizienz zu erwarten.
Das oben beschriebene Halbleiterlaserelement ist ein Oberflächenemissionslaser, wobei ein Teil desselben in einer horizontalen Richtung herausgezogen wird (3 und 4) oder in einer Dickenrichtung herausgezogen wird (5 und 6) und in den Raumlichtmodulator SLM eingegeben wird. Wenn das Halbleiterlaserelement ein Endoberflächenemissionslaser ist, kann der folgende Aufbau verwendet werden.
8(A) ist eine Vertikalschnittansicht eines Teils einer Halbleiterlaservorrichtung mit einem darin enthaltenen sich verjüngenden Wellenleiter, und 8B ist eine Draufsicht auf den Wellenleiter WG. Ein nicht gezeigter Teil ist identisch mit dem Aufbau von 3 oder 4, wobei auf eine Beugungsgitterschicht 6 verzichtet werden kann. Ein in einer horizontalen Richtung von der aktiven Schicht 4 ausgegebener Laserstrahl LB wird in einen dazu benachbarten Wellenleiter WG eingegeben. Der Wellenleiter WG enthält einen sich verjüngenden Wellenleiter WG1 und einen Wellenleiter (Diffusionsteil) WG2 mit einer rechteckigen planaren Form. Die Breite in einer Y-Achsenrichtung des Laserstrahls wird durch den sich verjüngenden Wellenleiter WG1 vergrößert, und ein Laserstrahl in einem Breitenbereich wird in der Dickenrichtung (Z-Achsenrichtung) eines Substrats durch den Streuteil WG2 abgelenkt. In dem Streuteil ist ein Beugungsgitter, das mit demjenigen von 7 identisch ist, ausgebildet, wobei der Streuteil als eine Beugungsgitterschicht funktioniert. Ähnlich wie oben tritt der abgelenkte Laserstrahl in einen Raumlichtmodulator SLM ein. Der Streuteil WG2 ist optisch mit einer aktiven Schicht verbunden.
Wie oben beschrieben, ist jede der Halbleiterlaservorrichtungen eine Halbleiterlaservorrichtung, die umfasst: einen Halbleiterlaserchip; und einen Raumlichtlaserchip, der optisch mit dem Halbleiterlaserchip verbunden ist, wobei der Halbleiterlaserchip eine aktive Schicht, ein Paar von Plattierschichten, die die aktive Schicht einschließen, und eine Beugungsgitterschicht, die optisch mit der aktiven Schicht verbunden ist, enthält und wobei der Raumlichtmodulator eine transparente gemeinsame Elektrode, eine Vielzahl von transparenten Bildpunktelektroden und eine Flüssigkristallschicht, die zwischen der gemeinsamen Elektrode und den Bildpunktelektroden angeordnet ist, enthält, wobei der Raumlichtmodulator an dem Halbleiterlaserchip derart angebracht ist, dass ein in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht ausgegebener Laserstrahl eingegeben wird, die Phase des Laserstrahls in jedem winzigen Bereich mit einer zwischen den Bildpunktelektroden und der gemeinsamen Elektrode angelegten Treiberspannung moduliert wird und der Laserstrahl mit der modulierten Phase durchgelassen und nach außen ausgegeben wird.
Im Folgenden wird das Material des oben beschriebenen Laserelements beschrieben
Als ein Beispiel für das Material des Halbleiterlaserelements LD weist ein Halbleitersubstrat 1 GaAs auf, weist eine untere Plattierschicht 2 AlGaAs auf, weist eine untere Lichtleiterschicht 3 AlGaAs auf, weist eine aktive Schicht 4 einen Mehrquantentopfaufbau MQW (Grenzschicht: AlGaAs/Topfschicht: InGaAs) auf, weist eine obere Lichtleiterschicht 5 eine untere Schicht aus AlGaAs und eine obere Schicht aus GaAs auf, weist eine obere Plattierschicht 7 AlGaAs auf und weist eine Kontaktschicht 8 GaAs auf. In einer Beugungsgitterschicht (Phasenmodulationsschicht und Brechungsindex-Modulationsschicht) 6 weist eine Basisschicht 6A GaAs auf und weist ein Anderer-Brechungsindex-Bereich (eingebettete Schicht) 6B, die in der Basisschicht 6A eingebettet ist, AlGaAs auf.
In jeder Schicht ist eine Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps (N-Typ) oder eines zweiten Leitfähigkeitstyps (P-Typ) zugesetzt (die Verunreinigungsdichte beträgt 1 × 10¹⁷ bis 1 × 10²¹/cm³). Das Halbleitersubstrat 1 kann vom N-Typ sein, die untere Plattierschicht 2 kann vom N-Typ sein, die untere Lichtleiterschicht 3 kann vom I-Typ sein, die aktive Schicht 4 kann von I-Typ sein, die untere Schicht der oberen Lichtleiterschicht 5 kann vom P-Typ oder I-Typ sein und die obere Schicht derselben kann von I-Typ sein, wobei die Beugungsgitterschicht 6 vom I-Typ sein kann, die obere Plattierschicht 7 vom P-Typ sein kann und die Kontaktschicht 8 vom P-Typ sein kann. Es ist zu beachten, dass ein Bereich, dem nicht eigens eine Verunreinigung zugesetzt ist, intrinsisch ist (I-Typ). Die Verunreinigungsdichte des I-Typs ist 1 × 10¹⁵/cm³ oder kleiner.
Weiterhin kann die Dicke des Halbleitersubstrats 1 150 μm (80 μm bis 350 μm) betragen, kann die Dicke der unteren Plattierschicht 2 2 × 10³ nm (1 × 10₃ nm bis 3 × 10₃ nm) betragen, kann die Dicke der unteren Lichtleiterschicht 3 150 nm (0 bis 300 nm) betragen, kann die Dicke der aktiven Schicht 4 30 nm (10 nm bis 100 nm) betragen, kann die Dicke der unteren Schicht der oberen Lichtleiterschicht 5 50 nm (10 nm bis 100 nm) betragen und kann die Dicke der oberen Schicht derselben 50 nm (10 nm bis 200 nm) betragen, kann die Dicke der Beugungsgitterschicht 6 100 nm (50 nm bis 300 nm) betragen, kann die Dicke der oberen Plattierschicht 7 2 × 10³ nm (1 × 10³ nm bis 3 × 10³ nm) betragen und kann die Dicke der Kontaktschicht 8 200 nm (50 nm bis 500 nm) betragen. Es ist zu beachten, dass die Werte in Klammern bevorzugte Werte sind.
Weiterhin wird eine derartige Einstellung vorgenommen, dass die Energiebandlücke in der Plattierschicht größer ist als die Energiebandlücke in der Lichtleiterschicht und dass die Energiebandlücke in der Lichtleiterschicht größer ist als die Energiebandlücke in der Topfschicht der aktiven Schicht 4. In AlGaAs können die Energiebandlücke und der Brechungsindex einfach geändert werden, indem das Zusammensetzungsverhältnis von Al geändert wird. Wenn in Al_XGa_1-XAs das Zusammensetzungsverhältnis X von Al mit einem relativ kleinen Atomradius verkleinert (vergrößert) wird, wird die damit positiv korrelierte Energiebandlücke kleiner (größer). Und wenn In mit einem großen Atomradius in GaAs und InGaAs gemischt wird, wird die Energiebandlücke kleiner. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis in der Plattierschicht ist also größer als das Al-Zusammensetzungsverhältnis in der optischen Führungsschicht, und das Al-Zusammensetzungsverhältnis in der Lichtleiterschicht ist gleich oder größer als dasjenige der Grenzschicht (AlGaAs) in der aktiven Schicht. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Plattierschicht ist auf 0,2 bis 0,4 gesetzt und ist in diesem Beispiel auf 0,3 gesetzt. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Grenzschicht in der Lichtleiterschicht und in der aktiven Schicht ist auf 0,1 bis 0,15 gesetzt und ist in diesem Beispiel auf 0,1 gesetzt. Es ist zu beachten, dass eine Schicht, die 10 bis 100 nm beträgt und ein Al-Zusammensetzungsverhältnis, das demjenigen der Plattierschicht entspricht, aufweist, zwischen der Lichtleiterschicht und der Plattierschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps (p-Typs) vorgesehen sein kann, um ein Lecken eines Elektrons von der aktiven Schicht zu steuern.
Ein säulenförmiger Anderer-Brechungsindex-Bereich in der Beugungsgitterschicht 6 kann als ein Leerraum ausgebildet sein und mit einem Gas wie etwa Luft, Stickstoff oder Argon gefüllt sein. Weiterhin ist in der Beugungsgitterschicht 6 der Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B an einer Gitterposition in einem rechteckigen Gitter oder einem dreieckigen Gitter auf einer XY-Ebene angeordnet. Die Distanz zwischen vertikalen und horizontalen Gitterlinien in dem rechteckigen Gitter ist ein Wert um eine Wellenlänge eines Laserstrahls, der durch einen entsprechenden Brechungsindex dividiert wird, herum und ist vorzugsweise auf ungefähr 300 nm gesetzt. Der Anderer-Brechungsindex-Bereich kann anstatt an der Gitterposition in dem rechteckigen Gitter auch an der Gitterposition in dem dreieckigen Gitter angeordnet sein. Die Distanz zwischen horizontalen und geneigten Gitterlinien im Fall eines dreieckigen Gitters ist ein Wert um eine Wellenlänge herum, der durch einen entsprechenden Brechungsindex dividiert wird und weiterhin durch Sin 60° dividiert wird, und ist vorzugsweise auf ungefähr 350 nm gesetzt.
Es ist zu beachten, dass im Fall eines rechteckigen Gitters mit einem Gitterabstand a, wenn Einheitsvektoren in orthogonalen Koordinaten x und y sind, primitive Übersetzungsvektoren a₁ = ax und a₂ = ay sind und primitive reziproke Gittervektoren b₁ = (2π/a)y und b₂ = (2π/a)x in Bezug auf die primitiven Übersetzungsvektoren a₁ und a₂ sind. Im Fall eines Punkts Γ in einem photonischen Band eines photonischen Kristalls, d. h. im Fall eines Wellenvektors k = nb₁ + mb₂ (n und m sind beliebige Ganzzahlen), wird ein Resonanzmodus, in dem der Gitterabstand a gleich der Wellenlänge λ ist (stehende Welle in der XY-Ebene), erhalten.
Weiterhin sind die oben beschriebene gemeinsame Elektrode und die Bildpunktelektroden aus ITO oder ZnO ausgebildet. Ein derartiges Material ist transparent für einen Laserstrahl, sodass ein Laserstrahl hindurchgehen kann.
Der oben beschriebene DBR 72 und die Abstandsschicht 71 weisen jeweils die folgenden Materialien und Dicken auf. Der DBR 72 weist AlGaAs (80 nm) mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis von 0,3 und AlGaAs (70 nm) mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis von 0,9 auf. Die Abstandsschicht 71 weist AlGaAs mit einer Dicke auf, die die oben beschriebene Gleichung der Distanz t2 erfüllt. Weiterhin weist jeder der Antireflexionsfilme 27 und 23 eine dielektrische Mehrfachschicht aus einer dielektrischen Substanz wie etwa SiO₂ oder Ta₂O₅ auf.
Im Folgenden wird das oben genannte Halbleiterlaserelement kurz beschrieben.
Bei der Herstellung eines Halbleiterlaserelements wird ein metallorganisches, chemisches Dampfabscheidungsverfahren (MOCVD) für jede Verbindungshalbleiterschicht verwendet. Eine Kristallzüchtung wird auf einer (001)-Fläche des Halbleitersubstrats 1 durchgeführt. Dies stellt jedoch keine Beschränkung dar. Bei der Produktion eines Laserelements unter Verwendung von AlGaAs liegt die Züchtungstemperatur von AlGaAs bei 500 bis 850°C. In einem Experiment werden 550 bis 700°C verwendet. Trimethylaluminium (TMA) wird als ein Al-Material für die Züchtung verwendet, Trimethylgallium (TMG) und Triethylgallium (TEG) werden als Galliummaterialien verwendet, Arsin (AsH₃) wird als ein As-Material verwendet, Disilan (Si₂H₆) wird als ein Material für eine N-Typ-Verunreinigung verwendet und Diethylzink (DEZn) wird als ein Material für eine P-Typ-Verunreinigung verwendet. Für das Züchten von AlGaAs werden TMA, TMG und Arsin verwendet. Für das Züchten von GaAS werden TMG und Arsin verwendet, wird aber kein TMA verwendet. InGaAs wird unter Verwendung von TMG, Trimethylindium (TMI) und Arsin erzeugt. Ein Isolationsfilm wird aus einem Material einer Konfigurationssubstanz und durch das Zerstäuben eines Ziels ausgebildet.
Für das Halbleiterlaserelement von 3 wird also zuerst die N-Typ-Plattierschicht (AlGaAs) 2 auf dem N-Typ-Halbleitersubstrat (GaAs) 1 ausgebildet. Dann wird ein Teil der Plattierschicht 2 geätzt und werden die Leiterschicht (AlGaAs) 3, der Mehrquantentopfaufbau (InGaAs/AlGaAs) 4 und die Lichtleiterschicht (GaAs/AlGaAs) 5 auf dem geätzten Bereich ausgebildet. Dann wird die Basisschicht (GaAs) 6A, die eine photonische Kristallschicht werden soll, epitaktisch unter Verwendung des metallorganischen, chemischen Dampfphasenabscheidungsverfahrens (MOSVD) gezüchtet.
Dann wird für eine Ausrichtung nach der epitaktischen Züchtung eine SiN-Schicht auf der Basisschicht 6A durch ein Plasma-CVD(PCVD)-Verfahren gezüchtet und wird ein Resist auf der SiN-Schicht ausgebildet. Weiterhin wird das Resist freigelegt und entwickelt und wird die SiN-Schicht mit dem Resist als einer Maske geätzt. Ein Teil der SiN-Schicht wird zurückgelassen, und es wird eine Ausrichtungsmarke ausgebildet. Das restliche Resist wird entfernt.
Anschließend wird ein anderes Resist auf der Basisschicht 6A aufgetragen. Dann wird ein zweidimensionales, winziges Muster auf dem Resist durch eine Elektronenstrahl-Zeichenvorrichtung mit der Ausrichtungsmarke als einer Basis gezeichnet und wird das Resist entwickelt, wodurch ein zweidimensionales, winziges Muster auf dem Resist ausgebildet wird. Dann wird ein zweidimensionales, winziges Muster mit einer Tiefe von ungefähr 100 bis 300 nm, wobei das Resist als Maske dient, auf die Basisschicht 6A durch ein Trockenätzen übertragen und wird ein Durchgangsloch (Loch) ausgebildet. Anschließend wird das Resist entfernt. Die Tiefe des Durchgangslochs ist 100 nm. In dem Durchgangsloch wird ein Verbindungshalbleiter, der ein Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B (AlGaAs) werden soll, derart nachgezüchtet, dass der Verbindungshalbleiter gleich oder tiefer als das Durchgangsloch wird. Dann werden die obere Plattierschicht (AlGaAs) 7 und die Kontaktschicht (GaAs) 8 seriell durch das MOCVD ausgebildet und wird ein beliebiges Elektrodenmaterial auf oberen und unteren Flächen eines Substrats durch ein Verdampfungsverfahren oder ein Zerstäubungsverfahren ausgebildet, wodurch erste und zweite Elektroden gebildet werden. Außerdem kann bei Bedarf ein Isolationsfilm auf den oberen und unteren Flächen des Substrats durch das Zerstäubungsverfahren oder ähnliches ausgebildet werden.
Wenn die Beugungsgitterschicht 6 in dem unteren Teil der aktiven Schicht enthalten ist, wird eine Beugungsgitterschicht auf der unteren Plattierschicht ausgebildet, bevor die aktive Schicht und die untere Lichtleiterschicht ausgebildet werden.
Bei dem Aufbau von 4 werden durch das MOCVD-Verfahren oder ähnliches die Abstandsschicht 71 und der DBR 72 seriell nach der Beugungsgitterschicht 6 ausgebildet.
Der Aufbau von 5 und 6 unterscheidet sich dadurch, dass die Plattierschicht 2 nicht geätzt werden muss und der leitende Bereich E3 bei Bedarf auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet wird. Die anderen Teile können durch ein ähnliches Herstellungsverfahren ausgebildet werden.
Wie oben beschrieben wird gemäß der oben beschriebenen Vorrichtung ein in der aktiven Schicht erzeugtes Licht durch die Beugungsgitterschicht moduliert und in einem zweidimensionalen Einzelmodus oszilliert. Ein Teil des oszillierten Lichts wird durch die Beugungsgitterschicht zweimal gebeugt und tritt als eine plane Welle in die Flüssigkristallschicht ein. Weil ein Flüssigkristall eine Brechungsindex-Anisotropie aufweist, variiert ein entsprechender Brechungsindex in einer Richtung parallel zu der optischen Ausgabe in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel. Weil dabei die physikalische Länge der Flüssigkristallschicht konstant ist, variiert die optische Pfadlänge aufgrund der Variation eines Brechungsindex. Wenn also eine plane Welle von einem unteren Teil in die Flüssigkristallschicht eintritt, kann die optische Pfadlänge in jedem Bildpunkt variiert werden. Wenn mit anderen Worten die plane Welle von dem unteren Teil in die Flüssigkristallschicht eintritt, kann die Phase in jedem Bildpunkt variiert werden. Auf diese Weise kann die Form einer Emissionswellenfront gesteuert werden. Auf diese Weise tritt der in dem zweidimensionalen Einzelmodus oszillierte Laserstrahl als eine plane Welle in die Flüssigkristallschicht ein. Dann wird eine Wellenfront als eine in jedem Bildpunkt modulierte Phase als eine optische Ausgabe von einem oberen Teil erhalten.
9 ist eine Vertikalschnittansicht eines Modifikationsbeispiels der Halbleiterlaservorrichtung von 3.
Ein Unterschied zwischen dieser Halbleiterlaservorrichtung und der Halbleiterlaservorrichtung von 3 besteht darin, dass ein Ablenkungsbereich DF durch einen Laserstrahlerzeugungsbereich LD in einer Draufsicht in einer Z-Achsenrichtung umgeben ist. Die anderen Konfigurationen sind identisch. Bei diesem Aufbau pflanzt sich ein in dem Laserstrahlerzeugungsbereich erzeugter Laserstrahl in einer horizontalen Richtung (X-Achsenrichtung) fort, erreicht den Ablenkungsbereich DF und wird nach oben (Z-Achsenrichtung) in dem Ablenkungsbereich DF abgelenkt.
Entsprechend ist 10 eine vertikale Schnittansicht eines Modifikationsbeispiels der Halbleiterlaservorrichtung von 4.
Ein Unterschied zwischen dieser Halbleiterlaservorrichtung und der Halbleiterlaservorrichtung von 4 besteht darin, dass ein Ablenkungsbereich DF durch einen Laserstrahl-Erzeugungsbereich LD in einer Draufsicht in einer Z-Achsenrichtung umgeben ist. Die anderen Konfigurationen sind identisch. Bei diesem Aufbau pflanzt sich ein in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD erzeugter Laserstrahl ebenfalls in einer horizontalen Richtung (X-Achsenrichtung) fort, erreicht den Ablenkungsbereich DF und wird nach oben (Z-Achsenrichtung) in dem Ablenkungsbereich DF abgelenkt.
11 ist eine Draufsicht auf eine Beugungsgitterschicht 6, die jeweils auf den Aufbau von 9 und 10 angewendet ist.
Wie oben beschrieben ist der Ablenkungsbereich DF durch den Laserstrahlerzeugungsbereich LD umgeben. Dabei weisen ein Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B (IN) in dem Ablenkungsbereich DF und ein Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B (OUT) in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD jeweils verschiedene planare Formen auf. Die Beugungsgitterschicht 6 umfasst eine Basisschicht 6A und den Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B. Der Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B ist in der Basisschicht 6A mit einer vorbestimmten Tiefe eingebettet und weist einen Brechungsindex auf, der sich von demjenigen der Basisschicht 6A unterscheidet. In der Zeichnung ist eine planare Form des inneren Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (IN) als ein Dreieck (rechtwinkliges Dreieck) gezeigt und ist diejenige des anderen Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT) als ein Kreis gezeigt. Mit anderen Worten ist die planare Form des inneren Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (IN) eine drehasymmetrische Figur um die Z-Achse und ist die planare Form der anderen Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B OUT) eine drehsymmetrische Figur um die Z-Achse oder eine Figur mit einer beliebigen Form.
Weiterhin ist der oben beschriebene Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B an einem Gitterpunkt in einem Gitter auf der XY-Ebene angeordnet.
In 11 ist ein Fall gezeigt, in dem das Gitter ein rechteckiges Gitter ist. Dabei wird ein Wert, in dem die Distanz zwischen den Durchgangslöchern, die durch einen entsprechenden Brechungsindex dividiert wird, um eine Wellenlänge herum ist, erhalten und wird eine Oszillation an einem Punkt Γ in einem reziproken Gitterraum erhalten. In der Oszillation an dem Punkt Γ wird Licht nicht nur in einer Richtung der XY-Ebene gebeugt, sondern auch in einer Z-Richtung. Um die Nutzungseffizienz des Lichts hoch zu halten, wird das Licht vorzugsweise nicht in der Z-Richtung in dem Lichtquellenteil fortgepflanzt (Laserstrahlerzeugungsbereich LD). Um dies zu realisieren, ist eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), der als ein Lichtquellenteil funktioniert, vorzugsweise eine drehsymmetrische Form. Das heißt, dass der Punkt Γ in dem rechteckigen Gitter als eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), der als ein Lichtquellenteil funktioniert, verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Form eines Durchgangslochs vorzugsweise eine drehsymmetrische Form.
Wenn dagegen ein Wert, der die Distanz zwischen Durchgangslöchern in dem rechteckigen Gitteraufbau ist, wobei diese Distanz durch einen entsprechenden Brechungsindex dividiert wird, auf 2^–1/2 mal größer als die Wellenlänge gesetzt wird, wird eine Oszillation an einem Punkt M in dem reziproken Gitterraum erhalten. In der Oszillation an dem Punkt M wird Licht in der Richtung der XY-Ebene, aber nicht in der Z-Richtung gebeugt. Deshalb kann eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), die als der Lichtquellenteil funktioniert, eine beliebige Form aufweisen. Der Punkt M in dem rechteckigen Gitter kann also als eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), der als der Lichtquellenteil funktioniert, verwendet werden. In diesem Fall kann die Form eines Durchgangslochs eine beliebige Form sein.
Wenn dagegen ein Wert, der die Distanz zwischen Durchgangslöchern in dem dreieckigen Gitteraufbau ist, wobei diese Distanz durch einen entsprechenden Brechungsindex dividiert wird, als ein Wert um eine Wellenlänge herum gesetzt wird, wird eine Oszillation an einem Punkt Γ in einem reziproken Gitterraum erhalten. In der Oszillation an dem Punkt Γ wird Licht nicht nur in der Richtung der XY-Ebene, sondern auch in der Z-Richtung gebeugt. Um die Nutzungseffizienz des Lichts hoch zu halten, wird das Licht vorzugsweise nicht in der Z-Richtung in dem Lichtquellenteil fortgepflanzt. Um dies zu realisieren, ist die planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B (OUT), der als ein Lichtquellenteil funktioniert, vorzugsweise eine drehsymmetrische Form. Das heißt, dass der Punkt Γ in dem dreieckigen Gitter als eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), der als ein Lichtquellenteil funktioniert, verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Form eines Durchgangslochs vorzugsweise eine drehsymmetrische Form.
Und wenn ein Wert, der eine Distanz zwischen den Durchgangslöchern in dem dreieckigen Gitteraufbau ist, wobei diese Distanz durch den entsprechenden Brechungsindex dividiert wird, auf 2 × 2^–1/2 mal größer als die Wellenlänge gesetzt wird, wird eine Oszillation an einem Punkt J in einem reziproken Gitterraum erhalten. In der Oszillation an dem Punkt J wird Licht in der Richtung der XY-Ebene, aber nicht in der Z-Richtung gebeugt. Deshalb kann eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), der als der Lichtquellenteil funktioniert, eine beliebige Form sein. Das heißt, dass der Punkt J in dem dreieckigen Gitter als eine planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT), der als der Lichtquellenteil funktioniert, verwendet werden kann. In diesem Fall kann die Form eines Durchgangslochs eine beliebige Form sein.
Die planare Form des Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (IN) auf einer Innenseite, wobei dieser Bereich eine Extraktion und Modulation des Lichts durchführt, ist eine drehasymmetrische Form unabhängig von der planaren Form des äußeren Anderer-Brechungsindex-Bereichs 6B (OUT). Der innere Anderer-Brechungsindex-Bereich 6B (IN) kann derart angeordnet sein, dass ein Wert, der die Distanz zwischen Durchgangslöchern ist, wobei diese Distanz durch den entsprechenden Brechungsindex dividiert wird, in dem rechteckigen Gitter oder in dem dreieckigen Gitter ein Wert um eine Wellenlänge herum wird. Dabei wird eine Oszillation an einem Punkt Γ in einem photonischen Band eines photonischen Kristalls erhalten. In der Oszillation an dem Punkt Γ wird Licht nicht nur in der Richtung der XY-Ebene, sondern auch in der Z-Richtung gebeugt. Indem die Form eines Durchgangslochs drehasymmetrisch ausgebildet wird, kann in diesem Fall das Licht effizient extrahiert werden.
Wie oben beschrieben enthält der Halbleiterlaserchip den Laserstrahlerzeugungsbereich LD, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, und den Ablenkungsbereich DF, der dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD benachbart ist und der einen Laserstrahl ablenkt. Die Beugungsgitterschicht 6 erstreckt sich derart, dass sie in dem Laserstrahlerzeugungsbereich LD und in dem Ablenkungsbereich DF platziert ist. Der Ablenkungsbereich DF ist durch den Laserstrahlerzeugungsbereich LD umgeben und kann einen in der Umgebung erzeugten Laserstrahl effizient ablenken.
Weiterhin enthält die Beugungsgitterschicht 6 die Basisschicht 6A und die Vielzahl von Anderer-Brechungsindex-Bereichen 6B, die periodisch in der Basisschicht 6A ausgebildet sind und jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der von demjenigen der Basisschicht 6A verschieden ist. Die planare Form jedes der Anderer-Brechungsindex-Bereiche 6B in der Beugungsgitterschicht 6 in dem Ablenkungsbereich DF ist drehasymmetrisch und ist zum Beispiel dreieckig, aus der Z-Achsenrichtung betrachtet, wie in 11 gezeigt. Auf diese Weise kann der oben beschriebene Effekt erhalten werden.
Bezugszeichenliste

SLM: Raumlichtmodulator
LDC: Halbleiterlaserchip
4: aktive Schicht
2, 7: Plattierschicht
6: Beugungsgitterschicht

Claims

Halbleiterlaservorrichtung, die umfasst: einen Halbleiterlaserchip, und einen Raumlichtmodulator, der optisch mit dem Halbleiterlaserchip verbunden ist, wobei: der Halbleiterlaserchip enthält: eine aktive Schicht, ein Paar von Plattierschichten, die die aktive Schicht einschließen, und eine Beugungsgitterschicht, die optisch mit der aktiven Schicht verbunden ist, und der Raumlichtmodulator enthält: eine transparente gemeinsame Elektrode, eine Vielzahl von transparenten Bildpunktelektroden, und eine Flüssigkristallschicht, die zwischen der gemeinsamen Elektrode und den Bildpunktelektroden angeordnet ist, wobei der Raumlichtmodulator an dem Halbleiterlaserchip derart angebracht ist, dass eine Laserstrahlausgabe in einer Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht eingegeben wird, die Phase des Laserstrahls in jedem winzigen Bereich mit einer zwischen den Bildpunktelektroden und der gemeinsamen Elektrode angelegten Treiberspannung moduliert wird und der Laserstrahl mit der modulierten Phase durchgelassen und nach außen ausgegeben wird.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Auswahlschaltung umfasst, die an dem Halbleiterlaserchip angeordnet ist und konfiguriert ist, um die Treiberspannung wahlweise zwischen einer der Bildpunktelektroden, die an einer gewünschten Adresse platziert ist, und der gemeinsamen Elektrode zuzuführen.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin eine Speichereinrichtung umfasst, die konfiguriert ist, um einen anfänglichen Korrekturwert der Treiberspannung in jeder der Bildpunktelektroden zu speichern.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Halbleiterlaserchip enthält: einen Laserstrahlerzeugungsbereich, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, und einen Ablenkungsbereich, der zu dem Laserstrahlerzeugungsbereich benachbart ist und der konfiguriert ist, um den Laserstrahl abzulenken, wobei: sich die Beugungsgitterschicht derart erstreckt, dass sie in dem Laserstrahlerzeugungsbereich und in dem Ablenkungsbereich platziert ist, und den Laserstrahl in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht beugt, und der Raumlichtmodulator an dem Ablenkungsbereich angebracht ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Halbleiterlaserchip einen Laserstrahlerzeugungsbereich enthält, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, die Beugungsgitterschicht in dem Laserstrahlerzeugungsbereich platziert ist und den Laserstrahl in der Dickenrichtung der Beugungsgitterschicht emittiert, und der Raumlichtmodulator an dem Laserstrahlerzeugungsbereich angebracht ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiterhin einen verteilten Bragg-Reflektor umfasst, der zwischen einer der Plattierschichten auf einer von dem Raumlichtmodulator fernen Seite und der Beugungsgitterschicht platziert ist, wobei: die optische Distanz t2 zwischen der Beugungsgitterschicht und dem verteilten Brigg-Reflektor derart gesetzt ist, dass sie 2 × t2 = λ × N oder λ × (N + 1/2) erfüllt, wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist und N eine Ganzzahl ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Halbleiterlaserchip enthält: einen Laserstrahlerzeugungsbereich, in dem die aktive Schicht ausgebildet ist, und einen Ablenkungsbereich, der dem Laserstrahlerzeugungsbereich benachbart ist und der konfiguriert ist, um den Laserstrahl abzulenken, wobei: sich die Beugungsgitterschicht derart erstreckt, dass sie in dem Laserstrahlerzeugungsbereich und in dem Ablenkungsbereich platziert ist, und der Ablenkungsbereich durch den Laserstrahlerzeugungsbereich umgeben ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Raumlichtmodulator an dem Ablenkungsbereich angebracht ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 4, 7 oder 8, wobei: die Beugungsgitterschicht enthält: eine Basisschicht, und eine Vielzahl von Anderer-Brechungsindex-Bereichen, die periodisch in der Basisschicht ausgebildet sind und jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der verschieden von demjenigen der Basisschicht ist, wobei: eine planare Form jedes der Anderer-Brechungsindex-Bereiche in der Beugungsgitterschicht in dem Ablenkungsbereich drehasymmetrisch ist.