DE112017003992T5

DE112017003992T5 - Lichtemittierende vorrichtung

Info

Publication number: DE112017003992T5
Application number: DE112017003992.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Kurosaka; Kazuyoshi Hirose; Takahiro Sugiyama; Yuu Tagikuchi; Yoshiro Nomoto
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-04-25
Also published as: JP6747910B2; WO2018030523A1; US20190181613A1; US11031747B2; JP2018026463A; CN109565152B; CN109565152A

Abstract

Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer Struktur, die in der Lage ist, Licht nullter Ordnung aus einem Ausgabelicht eines S-iPM-Lasers zu entfernen. Die lichtemittierende Vorrichtung enthält ein lichtemittierendes Halbleiterelement und ein Lichtabschirmelement. Das lichtemittierende Halbleiterelement enthält eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten und eine Phasenmodulationsschicht. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die jeweils einzeln an einer bestimmten Position angeordnet sind. Das Lichtabschirmelement hat die Funktion, ein bestimmtes optisches Bild, das entlang einer geneigten Richtung ausgegeben wird, zu durchlaufen und Licht nullter Ordnung, das entlang einer Normalenrichtung einer lichtemittierenden Oberfläche ausgegeben wird, abzuschirmen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Vorrichtung.
Stand der Technik
Das in Patentdokument 1 beschriebene lichtemittierende Halbleiterelement enthält eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten, die die aktive Schicht zwischen sich angeordnet haben, und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt vorgesehen ist. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen als ein Brechungsindex der Basisschicht. Beim Setzen eines Quadratgitters auf der Phasenmodulationsschicht ist jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche (Hauptlöcher) so angeordnet, dass er mit dem Mittelpunkt (Gitterpunkt) eines entsprechenden Bereichs (mit quadratischer Form) im Quadratgitter übereinstimmt. Um den modifizierten Brechungsindexbereich herum ist ein zusätzlicher modifizierter Brechungsindexbereich (Hilfsloch) vorgesehen, und Licht mit einem vorbestimmten Strahlmuster kann emittiert werden.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: Internationale Veröffentlichung Nr. 2014/136962
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Durch die Untersuchung des konventionellen lichtemittierenden Halbleiterelements haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung folgende Probleme festgestellt. Das heißt, es wird ein lichtemittierendes Halbleiterelement untersucht, das ein beliebiges optisches Bild ausgibt, indem es Phasenspektrum und Intensitätsspektrum eines von einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten lichtemittierenden Punkten emittierten Lichts steuert. Als eine Struktur eines solchen lichtemittierenden Halbleiterelements sind auf einem Halbleitersubstrat eine untere Mantelschicht, eine aktive Schicht und eine obere Mantelschicht vorgesehen, und zwischen der unteren Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Mantelschicht ist eine Phasenmodulationsschicht vorgesehen. Die Phasenmodulationsschicht enthält eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen als ein Brechungsindex der Basisschicht. Wenn ein virtuelles Quadratgitter in eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht auf einer vertikalen Oberfläche eingestellt wird, verschiebt sich die Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereichs, der jedem von einer Vielzahl von quadratischen Bereichen zugeordnet ist, die das Quadratgitter bilden, von einer Gitterpunktposition des quadratischen Bereichs, der gemäß einem zu erzeugenden optischen Bild zugeordnet ist. Ein solches lichtemittierendes Halbleiterelement wird als S-iPM (Statisch integrierbare Phasenmodulation) Laser bezeichnet und gibt einen Strahl zum Formen eines optischen Bildes mit einer zweidimensionalen beliebigen Form entlang einer Richtung (Normalenrichtung) senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und einer Richtung mit einem vorbestimmten Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aus.
Zusätzlich zu einem Signallicht, das ein gewünschtes optisches Ausgabebild ist, wird jedoch von dem vorstehend beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelement Licht nullter Ordnung ausgegeben. Das Licht nullter Ordnung ist eine Lichtausgabe in einer Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (d.h. in einer Richtung senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche) und wird normalerweise nicht im S-iPM-Laser verwendet. Um ein gewünschtes optisches Ausgabebild zu erhalten, wird das Licht nullter Ordnung folglich zu Rauschlicht, und deshalb ist es wünschenswert, das Licht nullter Ordnung aus einem optischen Bild zu entfernen.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einer Struktur, die in der Lage ist, Licht nullter Ordnung aus dem Ausgabelicht eines S-iPM-Lasers zu entfernen.
Lösung der Aufgabe
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, enthält eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein lichtemittierendes Halbleiterelement und ein Lichtabschirmelement. Das lichtemittierende Halbleiterelement weist eine lichtemittierende Oberfläche auf und gibt ein optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche und einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aus. Das Lichtabschirmelement ist so angeordnet, dass eine Achse, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche ist, einen Teil des Lichtabschirmelements kreuzt. Weiterhin enthält das lichtemittierende Halbleiterelement eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten, die die aktive Schicht umschließen, und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der aktiven Schicht und einer der beiden Mantelschichten vorgesehen und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Das Lichtabschirmelement ist so angeordnet, dass es ein bestimmtes optisches Bild unter den optischen Ausgabebildern, das in einer geneigten Richtung ausgegeben wird, durchläuft und Licht nullter Ordnung, das in einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche ausgegeben wird, abschirmt. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen als ein Brechungsindex der Basisschicht. Andererseits enthält ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements einen ersten bis vierten Schritt. Im ersten Schritt wird eine untere Mantelschicht (eine der beiden Mantelschichten) auf einem Substrat aufgebracht. Im zweiten Schritt wird die aktive Schicht auf der unteren Mantelschicht bereitgestellt. Im dritten Schritt wird eine obere Mantelschicht (die andere der beiden Mantelschichten) auf der aktiven Schicht bereitgestellt. Der vierte Schritt wird zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt oder zwischen dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt durchgeführt, und die Phasenmodulationsschicht wird zwischen der unteren Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Mantelschicht gebildet. Bei dem Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung kann eine gewünschte lichtemittierende Vorrichtung erhalten werden, indem das Lichtabschirmelement so auf das auf diese Weise hergestellte lichtemittierende Halbleiterelement aufgebracht wird, dass die Achslinie, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche ist, einen Teil des Lichtabschirmelements kreuzt.
Insbesondere ist bei der lichtemittierenden Vorrichtung und dem Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass jeder einer Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche einzeln an einer bestimmten Position angeordnet ist. Insbesondere ist die Phasenmodulationsschicht so ausgebildet, dass in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Z-Achse, die mit einer Normalenrichtung übereinstimmt, und eine X-Y-Ebene definiert ist, die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmt, die eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen und zueinander orthogonale X- und Y-Achsen enthält, wenn ein virtuelles Quadratgitter mit M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitsfeldern R mit jeweils einer quadratischen Form auf der X-Y-Ebene festgelegt wird, in dem Einheitsfeld R(x, y) auf der X-Y-Ebene, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der sich in dem Einheitsfeld R (x, y) befindet, von dem Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist, der der Mittelpunkt des Einheitsfelds R (x, y) ist, und ein Vektor vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der lichtemittierenden Vorrichtung und dem Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein Licht nullter Ordnung aus der Ausgabe eines S-iPM-Lasers entfernt werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Laserelements veranschaulicht.
3 ist eine Ansicht, die eine Änderung in Bezug auf eine Phasenmodulationsschicht veranschaulicht.
4 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht.
5 zeigt eine Positionsbeziehung von modifizierten Brechungsindexbereichen in einer Phasenmodulationsschicht.
6 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur von 4 nur in einem bestimmten Bereich einer Phasenmodulationsschicht angewendet wird.
7 ist eine Ansicht zum Erklären einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Abbildung eines Ausgabestrahlmusters eines Laserelements erhalten wird, und einer Drehwinkelverteilung in einer Phasenmodulationsschicht.
8A und 8B sind Ansichten zur Erläuterung von Punkten, die bei der Bestimmung einer Drehwinkelverteilung aus einem Ergebnis einer Fourier-Transformation eines optischen Bildes und der Anordnung von modifizierten Brechungsindexbereichen zu beachten sind.
9A ist ein Bild eines Originalmusters, das drei spezifischen Gesichtspunkten einer Phasenmodulationsschicht gemeinsam ist. 9B ist ein Bild, das durch Extrahieren einer Intensitätsverteilung durch Ausführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in 9A erhalten wird. 9C ist ein Bild, das durch Extrahieren einer Phasenverteilung erhalten wird, indem eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation in 9A durchgeführt wird.
10A ist ein Bild einer ersten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht zur Realisierung der in 9C dargestellten Phasenverteilung. 10B ist ein prognostiziertes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation der gesamten modifizierten Brechungsindexbereiche erhalten wird.
11 ist ein Diagramm, das ein S/R-Verhältnis eines Ausgabestrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor und einem Abstand r(a) in der ersten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht anzeigt.
12 sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/R-Verhältnis in der ersten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht anzeigen.
13A ist ein Bild einer zweiten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht zur Realisierung der in 9C dargestellten Phasenverteilung. 13B ist ein prognostiziertes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation der gesamten modifizierten Brechungsindexbereiche erhalten wird.
14 ist ein Diagramm, das ein S/R-Verhältnis eines Ausgabestrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor und dem Abstand r(a) in der zweiten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht anzeigt.
15 sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/R-Verhältnis in der zweiten Konfiguration der Phasenmodulationsschicht anzeigen.
16A ist ein Bild einer dritten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht zur Realisierung der in 9C dargestellten Phasenverteilung. 16B ist ein prognostiziertes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation der gesamten modifizierten Brechungsindexbereiche erhalten wird.
17 ist ein Diagramm, das ein S/R-Verhältnis eines Ausgabestrahlmusters gemäß einer Beziehung zwischen einem Füllfaktor und einem Abstand r(a) in der dritten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht anzeigt.
18 sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen dem Abstand r(a) und dem S/R-Verhältnis in der dritten Konfiguration einer Phasenmodulationsschicht anzeigen.
19A bis 19C zeigen Beispiele für Strahlmuster (optische Bilder), die von einem Laserelement ausgegeben werden.
20 ist eine Ansicht, die Bedingungen anzeigt, die für die Beugungsberechnung zu verwenden sind.
21A ist ein Diagramm, das ein Zielbild anzeigt, das für die Beugungsberechnung verwendet wird. 21B und 21C sind Ansichten, die die Phasenverteilung in einer Phasenmodulationsschicht im Falle des Gitterabstandes a = 282 nm und 141 nm mit Farbton veranschaulichen.
22 ist ein Diagramm, das Berechnungsergebnisse anzeigt und die Korrelation zwischen einem Abstand d und einem Abstand z anzeigt, wenn ein Abstand zwischen einem Ende auf der Z-Achse auf einer Beugungsbildebene und der Z-Achse durch d (µm) und ein Abstand zwischen der Beugungsbildfläche und einer lichtemittierenden Oberfläche 2b durch z (µm) gekennzeichnet ist.
23 veranschaulicht einen Teil des Beugungsbildes, das die Grundlage für das Diagramm von 22 bildet.
24 veranschaulicht einen Teil des Beugungsbildes, das die Grundlage für das Diagramm von 22 bildet.
25 veranschaulicht einen Teil des Beugungsbildes, das die Grundlage für das Diagramm von 22 bildet.
26 veranschaulicht einen Teil des Beugungsbildes, das die Grundlage für das Diagramm von 22 bildet.
27 veranschaulicht einen Teil des Beugungsbildes, das die Grundlage für das Diagramm von 22 bildet.
28 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen einem Produkt (d x L) des Abstandes d und einer Elektrodengröße L und dem Abstand z anzeigt.
29 ist ein schematisches Diagramm einer Positionsbeziehung zwischen einer lichtemittierenden Oberfläche und einem Lichtabschirmelement.
30 ist ein vergrößertes Diagramm der Umgebung eines Schnittpunktes einer Seitenkante eines ersten optischen Bildabschnitts B2 zur Z-Achse und einer Seitenkante eines Lichts B1 nullter Ordnung zum ersten optischen Bildabschnitt B2.
31 ist ein Diagramm, das eine Änderung des Strahlradius an der Strahltaille des Gaußschen Strahls anzeigt.
32A bis 32D sind Draufsichten, die konkrete Beispiele für die Anordnung von Lichtabschirmelementen veranschaulichen.
33A bis 33D sind Draufsichten, die konkrete Beispiele für die Anordnung von Lichtabschirmelementen veranschaulichen.
34 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht gemäß einer Änderung der vorliegenden Erfindung.
35A bis 35C sind Draufsichten, die Beispiele für Formen in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereichs veranschaulichen.
36A und 36B sind Draufsichten, die Beispiele für Formen in der X-Y-Ebene der modifizierten Brechungsindexbereiche veranschaulichen.
37 veranschaulicht eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einer dritten Änderung.
38 ist ein Diagramm zur Erklärung der Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten (d1, θ_tilt , θ_rot ) in Koordinaten (x, y, z) in einem orthogonalen XYZ -Koordinatensystem.

Beschreibung der Ausführungsformen
Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Zunächst wird der Inhalt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einzeln aufgeführt und beschrieben.
(1) Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein lichtemittierendes Halbleiterelement und ein Lichtabschirmelement als Teil davon. Das lichtemittierende Halbleiterelement weist eine lichtemittierende Oberfläche auf und gibt ein optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche und einer geneigten Richtung, die eine vorbestimmte Neigung und einen Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aufweist, aus. Das Lichtabschirmelement ist so angeordnet, dass eine Achse, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche ist, einen Teil des Lichtabschirmelements kreuzt. Weiterhin enthält das lichtemittierende Halbleiterelement eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten, die die aktive Schicht umgeben, und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der aktiven Schicht und einer der beiden Mantelschichten vorgesehen und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Das Lichtabschirmelement ist so angeordnet, dass es ein bestimmtes optisches Bild unter den optischen Ausgabebildern, das in einer geneigten Richtung ausgegeben wird, durchläuft und Licht nullter Ordnung, das in einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche ausgegeben wird, abschirmt. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen als ein Brechungsindex der Basisschicht. Andererseits enthält ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements einen ersten bis vierten Schritt. Im ersten Schritt wird eine untere Mantelschicht (eine von beiden Mantelschichten) auf einem Substrat aufgebracht. Im zweiten Schritt wird die aktive Schicht auf der unteren Mantelschicht bereitgestellt. Im dritten Schritt wird eine obere Mantelschicht (die andere von beiden Mantelschichten) auf der aktiven Schicht gebildet. Der vierte Schritt wird zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt oder zwischen dem zweiten Schritt und dem dritten Schritt durchgeführt, und die Phasenmodulationsschicht wird zwischen der unteren Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der oberen Mantelschicht bereitgestellt. Bei dem Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung kann eine gewünschte lichtemittierende Vorrichtung erhalten werden, indem das Lichtabschirmelement so auf das so hergestellte lichtemittierende Halbleiterelement aufgebracht wird, dass die Achslinie, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche ist, einen Teil des lichtemittierenden Elements kreuzt.
Insbesondere ist bei der lichtemittierenden Vorrichtung und dem Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert, dass jeder einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen einzeln an einer bestimmten Position angeordnet ist. Insbesondere wird in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Z-Achse, die mit einer Normalenrichtung übereinstimmt, und eine X-Y-Ebene definiert ist, die zueinander orthogonale X- und Y-Achsen aufweist und mit einer Fläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmt, die eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen aufweist, als erste Voraussetzung ein virtuelles Quadratgitter mit M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitsfeldern R mit jeweils einer quadratischen Form auf der X-Y-Ebene festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene, das durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, eine Phasenmodulationsschicht gebildet, so dass der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der sich im Einheitsfeld R (x, y) befindet, vom Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist, der der Mittelpunkt des Einheitsfeldes R (x, y) ist, und ein Vektor vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.
In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der vorstehend beschriebenen Struktur enthält die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelte Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils in die Basisschicht eingebettet sind und einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Weiterhin ist in dem Einheitsfeld R (x, y), das ein virtuelles Quadratgitter darstellt, der Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs vom Gitterpunkt O (x, y) entfernt angeordnet. Weiterhin wird für jedes Einheitsfeld R eine Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 individuell eingestellt. Abhängig von der Richtung des Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs in einer solchen Konfiguration, das heißt, eine Strahlphase ändert sich entsprechend einer Winkelposition um den Gitterpunkt des Schwerpunktes G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs. Wie vorstehend beschrieben, ist es nach der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Phase eines aus jedem der modifizierten Brechungsindexbereiche ausgegebenen Strahls nur durch Ändern einer Position des Schwerpunktes im modifizierten Brechungsindexbereich zu steuern. Ein als Ganzes gebildetes Strahlmuster (Strahlgruppe, die ein optisches Bild formt) kann in eine gewünschte Form gebracht werden. Zu diesem Zeitpunkt kann sich der Gitterpunkt im virtuellen quadratischen Gitter außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs befinden, und der Gitterpunkt kann innerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs liegen.
Das heißt, das auf die vorliegende Ausführungsform anwendbare lichtemittierende Halbleiterelement ist ein S-iPM-Laser und kann ein optisches Bild mit einer beliebigen Form (z.B. ein auf einer zweidimensionalen Ebene gebildetes Strahlmuster) entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche und einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung ausgeben. Darüber hinaus ist ein Lichtabschirmelement so angeordnet, dass eine Achse, die an einer Position des Schwerpunktes einer lichtemittierenden Oberfläche (die mit der Z-Achse übereinstimmt) orthogonal ist, einen Teil des Lichtabschirmelements kreuzt, und das Lichtabschirmelement funktioniert, um Licht nullter Ordnung abzuschirmen, während es ein bestimmtes optisches Bild, das entlang der geneigten Richtung ausgegeben wird, durchläuft. Dadurch kann das Licht nullter Ordnung von der Ausgabe des S-iPM-Lasers entfernt werden.
(2) Als Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform, bei der eine Gitterkonstante eines virtuellen quadratischen Gitters (im Wesentlichen entsprechend einem Gitterabstand) a ist, ist es vorzuziehen, dass der Abstand r zwischen dem Schwerpunkt G1 eines modifizierten Brechungsindexbereichs, der sich im Einheitsfeld R (x, y) befindet, und dem Gitterpunkt O (x, y) 0 ≤ r ≤ 0,3a erfüllt. Weiterhin wird in der vorstehend beschriebenen lichtemittierenden Vorrichtung vorzugsweise wenigstens ein Punkt, eine Geraden, ein Kreuz, eine Linienzeichnung, ein Gittermuster, Fotos, Streifenmuster, Computergrafiken oder Buchstaben als ein Originalbild (optisches Bild vor einer zweidimensionalen inversen Fourier-Ausgabe), das durch das vom lichtemittierenden Halbleiterelement emittierte Strahlmuster dargestellt wird, einbezogen.
(3) In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform wird zusätzlich zur ersten Voraussetzung als zweite Voraussetzung davon ausgegangen, dass, wie in 38 dargestellt ist, die Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die durch die folgenden Ausdrücke (1) bis (3) ausgedrückte Beziehung hinsichtlich der sphärischen Koordinaten (d1, θ_tilt , θ_rot ) erfüllen, die durch die Länge d1 eines Bewegungsradius, den Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und den Drehwinkel θ_rot von der X-Achse definiert sind, die auf der X-Y-Ebene spezifiziert ist. 38 ist ein Diagramm zur Erklärung der Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (d1, θ_tilt , θ_rot ) zu den Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, und es wird ein konstruiertes optisches Bild auf einer vorbestimmten Ebene, die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, die ein realer Raum ist, ausgedrückt. Wenn ein Strahlmuster, das einem von einem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegebenen optischen Bild entspricht, ein Satz von hellen Punkten ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert sind, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf der Kx-Achse entsprechend der X-Achse umgewandelt, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (4) definiert wird, und einen Koordinatenwert k_y auf der Ky-Achse orthogonal zur Kx-Achse entsprechend der Y-Achse, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (5) definiert wird. Die normierte Wellenzahl bedeutet eine Wellenzahl, die mit einer Wellenzahl normiert ist, die einem Gitterabstand eines virtuellen quadratischen Gitters von 1,0 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt, in einem Wellenzahlraum, der durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definiert ist, enthält ein spezifischer Wellenzahlbereich, der ein Strahlmuster enthält, das einem optischen Bild entspricht, M2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) x N2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildregionen FR. Es ist zu beachten, dass die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Weiterhin sind die Formeln (4) und (5) beispielsweise in Y. Kurosaka et al. offenbart: „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure", Opt. Express 20, 21773 -21783 (2012). $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 sin θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
a: Gitterkonstante des vertikalen Quadratgitters
λ: Schwingungswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements
Als dritte Voraussetzung wird in einem Wellenzahlraum eine komplexe Amplitude F (x, y), die erhalten wird
durch Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation, um jeden der Bildbereiche FR (k_x , k_y ), der durch eine Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M2 oder weniger) in der Kx-Achsenrichtung und durch eine Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N2 oder weniger) in der Ky-Achsenrichtung spezifiziert wird, zu dem Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene zu transformieren, die durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in Y-Achsenrichtung spezifiziert wird, durch die folgende Formel (6) ausgedrückt, wobei j eine imaginäre Einheit ist: Weiterhin wird diese komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (7) definiert, wobei der Amplituden-Term durch A (x, y) und der Phasen-Term durch P (x, y) bezeichnet wird. Darüber hinaus wird als vierte Voraussetzung das Einheitsfeld R (x, y) durch s- und t-Achsen definiert, die sich gegenseitig orthogonal an dem Gitterpunkt O (x, y) befinden, der parallel zur X-Achse und zur Y-Achse und der Mittelpunkt des Einheitsfeldes R (x, y) ist. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Unter der oben beschriebenen ersten bis vierten Voraussetzung ist die Phasenmodulationsschicht konfiguriert, um die folgende erste und zweite Bedingung zu erfüllen. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass im Einheitsfeld R (x, y) einer aus einer Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche einem Zustand entspricht, in dem der Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O (x, y) entfernt angeordnet ist. Weiterhin ist unter der zweiten Bedingung der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich im Einheitsfeld R (x, y) so angeordnet, dass der Winkel φ (x, y), der durch das Liniensegment gebildet wird, das den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs verbindet, und die s-Achse die folgende Beziehung in einem Zustand erfüllen, in dem die Liniensegmentlänge r (x, y) vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs auf einen gemeinsamen Wert in jedem der M1 × N1 Einheitsfelder R eingestellt ist: $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$

C: Proportionale Konstante, z.B. 180°/π
B: Beliebige Konstante, z.B. 0

In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der vorstehend beschriebenen Struktur ist in der Phasenmodulationsschicht der Abstand r zwischen dem Mittelpunkt (Gitterpunkt) jedes ein virtuelles Quadratgitter bildendendes Einheitsfeldes und dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiches vorzugsweise über die gesamte Phasenmodulationsschicht konstant. Dabei fällt für den Fall, dass die Phasenverteilung (die Verteilung des Phasen-Terms P (x, y) in der komplexen Amplitude F (x, y), die dem Einheitsfeld R (x, y) zugeordnet ist) in der gesamten Phasenmodulationsschicht im Mittel gleichmäßig von 0 bis 2π (rad) verteilt ist, der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereiches mit dem Gitterpunkt des Einheitsfeldes R in einem quadratischen Gitter zusammen. Da sich der zweidimensional verteilte Bragg-Beugungseffekt in der vorstehend beschriebenen Phasenmodulationsschicht dem zweidimensional verteilten Bragg-Beugungseffekt in dem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich auf jedem Gitterpunkt des Quadratgitters angeordnet ist, annähert, kann leicht eine stehende Welle gebildet werden, und eine Reduzierung des Schwellenstroms für die Oszillation ist zu erwarten.
(4) Als Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform wird ein Abstand von einer lichtemittierenden Oberfläche zu einem Lichtabschirmelement mit z bezeichnet, ein Abstand von einer Achse zur nächsten Kante des Lichtabschirmelements auf einer Bezugsebene einschließlich der Achse wird mit Wa bezeichnet, die Strahlbreite von Licht nullter Ordnung an einem Punkt des Abstandes z wird mit W_z bezeichnet, die Breite der auf der Bezugsebene definierten lichtemittierenden Oberfläche wird mit L bezeichnet, ein Winkel, der durch eine axiale Seitenkante eines bestimmten optischen Bildes und der Achse auf der Bezugsebene gebildet wird, wird mit θ_PB bezeichnet und die Emissionswellenlänge der aktiven Schicht wird mit λ bezeichnet, der Abstand z ist vorzugsweise größer als z_sh , der durch die folgende Formel (8) definiert ist: $z_{s h} = \frac{W_{z} + L}{2 tan θ_{P B}}$
Darüber hinaus ist der Abstand Wa vorzugsweise länger als die Hälfte von W_z , definiert durch die folgende Formel (9). $\begin{matrix} W_{Z} = \frac{4 λ}{π L} z & (wo z \geq z_{0}) \\ W_{Z} = \sqrt{2} L & (wobei z < z_{0}) \end{matrix}$
Z₀ in der obigen Formel (9) ist jedoch ein Zahlenwert, der durch die folgende Formel (10) definiert ist. $z_{0} = \frac{π}{λ} {(\frac{L}{2})}^{2}$
Dadurch kann das Lichtabschirmelement das Licht nullter Ordnung effektiv abschirmen.
(5) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann das optische Bild einen ersten optischen Bildabschnitt beinhalten, der in einer ersten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf eine Achse geneigt ist, und einen zweiten optischen Bildabschnitt, der in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die symmetrisch zur ersten Richtung in Bezug auf die Achse und rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildabschnitt in Bezug auf die Achse ist. In diesem Fall ist das Lichtabschirmelement angeordnet, um den zweiten optischen Bildabschnitt weiter abzuschirmen. Wie vorstehend beschrieben, ist es nach dem vorliegenden Gesichtspunkt möglich, unnötige zweite optische Bildabschnitte effektiv zu entfernen, wenn der erste optische Bildabschnitt das oben beschriebene spezifische optische Bild ist.
(6) In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform enthält das Lichtabschirmelement vorzugsweise ein lichtabsorbierendes Material. Wenn das Lichtabschirmelement das Licht nullter Ordnung reflektiert, tritt das reflektierte Licht wieder in das lichtemittierende Halbleiterelement ein, was den Betrieb innerhalb des lichtemittierenden Halbleiterelements beeinträchtigen kann. Durch die Einbeziehung des lichtabsorbierenden Materials in das Lichtabschirmelement ist es möglich, das Licht nullter Ordnung zu absorbieren und zu verhindern, dass das Licht nullter Ordnung wieder in das lichtemittierende Halbleiterelement eintritt.
(7) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform kann die lichtemittierende Vorrichtung eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen enthalten, die jeweils eine lichtemittierende Oberfläche, ein Lichtabschirmelement und eine Antriebsschaltung zum individuellen Betreiben einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente aufweisen. Jedes aus einer Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen gibt ein optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche und einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aus. Das Lichtabschirmelement ist so angeordnet, dass jede der Achsenlinien, die orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche und einem Teil des Lichtabschirmelements sind, sich im Schwerpunkt der lichtemittierenden Oberfläche jedes einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente kreuzen. Weiterhin enthält jedes aus einer Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten, die die aktive Schicht umschließen, und eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der aktiven Schicht und einer der beiden Mantelschichten vorgesehen und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Das Lichtabschirmelement ist so angeordnet, dass es ein bestimmtes optisches Bild unter den optischen Ausgabebildern, das in einer geneigten Richtung ausgegeben wird, durchläuft und Licht nullter Ordnung, das in einer Normalenrichtung von der lichtemittierenden Oberfläche ausgegeben wird, abschirmt. In jedem einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente weist die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen auf, die jeweils einen anderen Brechungsindex als ein Brechungsindex der Basisschicht aufweisen.
Weiterhin sind die Phasenmodulationsschichten jedes der Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente wie folgt konfiguriert. Das heißt, in jedem einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Z-Achse, die mit einer Normalenrichtung übereinstimmt, und eine X-Y-Ebene definiert ist, die zueinander orthogonale X- und Y-Achsen enthält und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht, die eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, zusammenfällt, wird ein virtuelles Quadratgitter, das M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitsfelder R mit jeweils einer quadratischen Form enthält, auf der X-Y-Ebene festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Phasenmodulationsschicht gebildet, so dass in dem Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene, das durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches, der sich in dem Einheitsfeld R (x, y) befindet, von dem Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist, der der Mittelpunkt des Einheitsfeldes R (x, y) ist, und der Vektor vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist. Wie vorstehend beschrieben, enthält die lichtemittierende Vorrichtung eine Vielzahl von einzeln betriebenen, lichtemittierenden Halbleiterelementen, so dass es möglich ist, aus jedem der lichtemittierenden Halbleiterelemente nur ein gewünschtes optisches Bild zu extrahieren. Damit ist es möglich, ein Head-Up-Display oder dergleichen durch angemessenes Betreiben der benötigten Elemente für ein Modul zu realisieren, in dem lichtemittierende Halbleiterelemente, die einer Vielzahl von Mustern entsprechen, im Voraus ausgerichtet werden.
(8) Als ein Gesichtspunkt der vorliegenden Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass jedes aus einer Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen irgendein lichtemittierendes Halbleiterelement enthält, das ein optisches Bild in einem roten Wellenlängenbereich, ein optisches Bild in einem blauen Wellenlängenbereich oder ein optisches Bild in einem grünen Wellenlängenbereich ausgibt. In diesem Fall kann ein farbiges Head-Up-Display oder Ähnliches entsprechend realisiert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann jeder in der „Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung“ aufgeführte Gesichtspunkt auf alle übrigen Gesichtspunkte oder auf alle Kombinationen dieser verbleibenden Gesichtspunkte angewendet werden.
[Einzelheiten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Im Folgenden wird eine spezifische Struktur der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht auf diese veranschaulichenden Beispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der Patentansprüche gekennzeichnet ist, und es ist beabsichtigt, Bedeutungen, die den Patentansprüchen gleichwertig sind, und alle Änderungen innerhalb des Umfangs aufzunehmen. In der Beschreibung der Zeichnungen werden dieselben Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und redundante Erklärungen weggelassen.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 1A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Vorrichtung 1A enthält ein Laserelement 2A als lichtemittierendes Halbleiterelement und ein Lichtabschirmelement 3, das optisch mit der lichtemittierenden Oberfläche 2b des Laserelements 2A gekoppelt ist. Ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem ist definiert durch eine Z-Achse, die durch den Mittelpunkt des Laserelements 2A (die Position des Schwerpunkts der lichtemittierenden Oberfläche 2b) verläuft und sich in der Dickenrichtung des Laserelements 2A erstreckt, und eine X-Y-Ebene, die eine Ebene orthogonal zur Z-Achse ist und die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 15A, die die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b enthält, übereinstimmt und eine X-Achse und Y-Achse enthält, die zueinander orthogonal sind. Das Laserelement 2A ist ein S-iPM-Laser, der entlang der X-Y-Ebene eine Stehwelle bildet und eine phasengesteuerte Planwelle in Richtung der Z-Achse ausgibt. Wie später beschrieben wird, gibt das Laserelement 2A ein zweidimensionales optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung (d.h. der Z-Achsenrichtung) der lichtemittierenden Oberfläche 2b und einer geneigten Richtung, die eine vorbestimmte Neigung und einen Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aufweist, aus. Das Lichtabschirmelement 3 ist so angeordnet, dass es der lichtemittierenden Oberfläche 2b des Laserelements 2A zugewandt ist, und schirmt Licht nullter Ordnung ab, das in einem vom Laserelement 2A ausgegebenen Strahlmuster enthalten ist. Im Folgenden werden die Konfigurationen des Laserelements 2A und des Lichtabschirmelements 3 ausführlich beschrieben.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Schichtenaufbaus des Laserelements 2A. Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, enthält das Laserelement 2A eine aktive Schicht 12, die auf einem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist, ein Paar Mantelschichten 11 und 13, die die aktive Schicht 12 umschließen, und eine Kontaktschicht 14, die auf der Mantelschicht 13 vorgesehen ist (obere Mantelschicht). Das Halbleitersubstrat 10 und jede der Schichten 11 bis 14 enthält einen Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise einen GaAs-basierten Halbleiter, einen InP-basierten Halbleiter oder einen Nitrid-basierten Halbleiter. Eine Energiebandlücke der Mantelschicht 11 (untere Mantelschicht) und eine Energiebandlücke der Mantelschicht 13 sind größer als eine Energiebandlücke der aktiven Schicht 12. Dickenrichtungen (Schichtenbildungsrichtungen) des Halbleitersubstrats 10 und jede der Schichten 11 bis 14 stimmen mit der Richtung der Z-Achse überein.
Das Laserelement 2A enthält weiterhin eine Phasenmodulationsschicht 15A, die optisch mit der aktiven Schicht 12 gekoppelt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen. Falls erforderlich, kann eine optische Leitschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 und/oder der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen werden. Wenn die optische Leitschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen ist, wird die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Mantelschicht 13 und der optischen Leitschicht bereitgestellt. Die Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 15A stimmt mit der Richtung der Z-Achse überein.
Wie in 3 dargestellt ist, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Mantelschicht 11 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen sein. Wenn die optische Leitschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, wird außerdem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Mantelschicht 11 und der optischen Leitschicht bereitgestellt.
Die Phasenmodulationsschicht 15A enthält die Basisschicht 15a, die ein erstes Brechungsindexmedium und mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 15b enthält, die ein zweites Brechungsindexmedium mit einem anderen Brechungsindex als dem des ersten Brechungsindexmediums enthalten und in der Basisschicht 15a angeordnet sind. Eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b enthält eine im Wesentlichen periodische Struktur. Wenn ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 15A durch n bezeichnet wird, wird die von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgewählte Wellenlänge λ₀ (= a × n, a ist ein Gitterabstand) in einen Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 12 einbezogen. Die Phasenmodulationsschicht (Beugungsgitterschicht) 15A kann die Wellenlänge λ₀ aus der Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12 auswählen und das Licht der gewählten Wellenlänge nach außen ausgeben. Das in die Phasenmodulationsschicht 15A einfallende Laserlicht bildet einen vorbestimmten Modus, der der Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht, und wird als Laserstrahl mit einem gewünschten Muster von einer Oberfläche des Laserelements 2A (lichtemittierende Oberfläche 2b) nach außen ausgegeben.
Das Laserelement 2A enthält weiterhin eine Elektrode 16, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 17, die auf einer Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 16 steht in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 14 und die Elektrode 17 in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10. Darüber hinaus weist die Elektrode 17 eine Öffnung 17a auf. Ein anderer Abschnitt als die Elektrode 16 auf der Kontaktschicht 14 ist mit einem Schutzfilm 18 abgedeckt (siehe 2). Es ist zu beachten, dass die Kontaktschicht 14, die nicht mit der Elektrode 16 in Kontakt steht, entfernt werden kann. Ein anderer Abschnitt der Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10b (einschließlich der Innenseite der Öffnung 17a) als die Elektrode 17 ist mit einem Antireflexionsfilm 19 bedeckt. Der Antireflexionsfilm 19 kann in einem anderen Bereich als der Öffnung 17a entfernt werden.
Wenn ein Antriebsstrom zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 17 zugeführt wird, erfolgt in der aktiven Schicht 12 (Lichtemission) eine Rekombination von Elektronen und Löchern. Die Elektronen und Löcher, die zur Lichtemission und zum erzeugten Licht beitragen, werden effizient zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 eingeschlossen.
Das von der aktiven Schicht 12 emittierte Laserlicht fällt in die Phasenmodulationsschicht 15A ein und bildet einen vorbestimmten Modus, der der Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht. Das in der Phasenmodulationsschicht 15A gestreute und emittierte Laserlicht wird von der Elektrode 16 reflektiert und von der Rückfläche 10b durch die Öffnung 17a nach außen abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das Licht nullter Ordnung des Laserlichts in eine Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche 10a emittiert. Andererseits wird ein Signallicht des Laserlichts entlang einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 10a (Normalenrichtung) und einer Richtung mit einem vorbestimmten Spreizwinkel gegenüber der Normalenrichtung ausgesendet. Es ist das Signallicht, das ein gewünschtes optisches Bild (spezifisches optisches Bild) bildet, und das Licht nullter Ordnung wird in der vorliegenden Ausführungsform nicht verwendet.
Als Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs-Substrat, und die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 sind eine Verbindungshalbleiterschicht, die Elemente enthält, die in der Gruppe enthalten sind, die aus den Elementen Ga, Al und In der Gruppe III und dem Element As der Gruppe V bestehen. In einem spezifischen Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine AlGaAs-Schicht, die aktive Schicht 12 weist eine multiple Quantentopfstruktur auf (Sperrschicht: AlGaAs/Topfschicht: InGaAs), die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A besteht aus GaAs, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, die Mantelschicht 13 ist eine AlGaAs-Schicht und die Kontaktschicht 14 ist eine GaAs-Schicht.
In einer AlGaAs können eine Energiebandlücke und ein Brechungsindex durch Ändern eines Al-Zusammensetzungsverhältnisses leicht geändert werden. In einer Al_XGa_1-XAs, wenn das Zusammensetzungsverhältnis X von Al mit einem relativ kleinen Atomradius verringert (erhöht) wird, korreliert die Energiebandlücke positiv mit dieser Abnahme (Erhöhung). Darüber hinaus, wenn In mit einem großen Atomradius mit GaAs gemischt wird, um InGaAs zu bilden, wird die Energiebandlücke klein. Das heißt, das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Mantelschichten 11 und 13 ist größer als das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Sperrschicht (AlGaAs) der aktiven Schicht 12. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Mantelschichten 11 und 13 ist beispielsweise auf 0,2 bis 0,4 eingestellt und beträgt in einem Beispiel 0,3. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Sperrschicht der aktiven Schicht 12 ist beispielsweise auf 0,1 bis 0,15 eingestellt und beträgt in einem Beispiel 0,1.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein InP-Substrat, und die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 bestehen aus einem Verbindungshalbleiter, zum Beispiel einem Verbindungshalbleiter auf InP-Basis, der nicht nur aus einem Element besteht, das in der Gruppe bestehend aus den Elementen Ga, Al und In der Gruppe III und dem Element As der Gruppe V enthalten ist. In einem konkreten Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine InP-Schicht, die aktive Schicht 12 weist eine mehrfache Quantentopfstruktur auf (Sperrschicht: GaInAsP/Topfschicht: GaInAsP), die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A besteht aus GalnAsP, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, die Mantelschicht 13 ist eine InP-Schicht, und die Kontaktschicht 14 ist eine GaInAsP-Schicht.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaN-Substrat und die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 sind eine Verbindungshalbleiterschicht, beispielsweise aus einem Verbindungshalbleiter auf Nitridbasis. Die Verbindungshalbleiterschicht besteht nicht nur aus einem Element, das in der Gruppe enthalten ist, die aus den Elementen Ga, Al und In der Gruppe III und dem Element As der Gruppe V besteht. In einem spezifischen Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine AlGaN-Schicht, die aktive Schicht 12 weist eine mehrfache Quantentopfstruktur auf (Sperrschicht: InGaN/Topfschicht: InGaN), die Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A besteht aus GaN, der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein Loch, die Mantelschicht 13 ist eine AlGaN-Schicht, und die Kontaktschicht 14 ist eine GaN-Schicht.
Es ist zu beachten, dass der gleiche Leitfähigkeitstyp wie der des Halbleitersubstrats 10 der Mantelschicht 11 verliehen wird und ein Leitfähigkeitstyp, der zum Halbleitersubstrat 10 entgegengesetzt ist, wird der Mantelschicht 13 und der Kontaktschicht 14 verliehen. In einem Beispiel sind das Halbleitersubstrat 10 und die Mantelschicht 11 n-artig und die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 p-artig. Wenn die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, hat die Phasenmodulationsschicht 15A den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10. Andererseits, wenn die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen ist, weist die Phasenmodulationsschicht 15A einen Leitfähigkeitstyp auf, der demjenigen des Halbleitersubstrats 10 entgegengesetzt ist. Die Verunreinigungskonzentration beträgt z.B. 1 × 10¹⁷ bis 1 × 10²¹/cm³. Die Phasenmodulationsschicht 15A und die aktive Schicht 12 sind intrinsisch (i-Typ), nicht absichtlich mit einer Verunreinigung dotiert, und ihre Verunreinigungskonzentration beträgt 1 × 10¹⁵/cm³ oder weniger.
Die Dicke der Mantelschicht 11 beträgt 1 × 10³ bis 3 × 10³ (nm), und in einem Beispiel 2 × 10³ (nm). Die Dicke der aktiven Schicht 12 beträgt 10 bis 100 (nm), und in einem Beispiel 30 (nm). Die Dicke der Phasenmodulationsschicht 15A beträgt 50 bis 200 (nm), und in einem Beispiel 100 (nm). Die Dicke der Mantelschicht 13 beträgt 1 × 10³ bis 3 × 10³ (nm), und in einem Beispiel 2 × 10³ (nm). Die Dicke der Kontaktschicht 14 beträgt 50 bis 500 (nm), und in einem Beispiel 200 (nm).
In der oben beschriebenen Struktur ist der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein Loch, aber der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann durch Einbetten eines Halbleiters mit einem anderen Brechungsindex als dem der Basisschicht 15a in das Loch gebildet werden. In diesem Fall können beispielsweise die Löcher der Basisschicht 15a durch Ätzen gebildet werden. Der Halbleiter kann in die Löcher eingebettet werden, indem ein metallorganisches Dampfphasenepitaxieverfahren, ein Spritzverfahren oder ein epitaktisches Verfahren verwendet wird. Nachdem der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten eines Halbleiters in die Löcher der Basisschicht 15a gebildet wurde, kann ferner der gleiche Halbleiter als der modifizierte Brechungsindexbereich 15b darauf aufgetragen werden. In dem Fall, dass der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein Loch ist, kann ein Inertgas wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder Luft in dem Loch versiegelt werden.
Der Antireflexionsfilm 19 besteht aus einem dielektrischen einschichtigen Film wie Siliziumnitrid (z.B. SiN), Siliziumoxid (z.B. SiO₂) oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. Als dielektrischer Mehrschichtfilm ist beispielsweise ein Film einsetzbar, bei dem zwei oder mehr Arten von dielektrischen Schichten laminiert sind und die dielektrischen Schichten aus der Gruppe der dielektrischen Schichten wie Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkonoxid (ZrO₂) ausgewählt werden. So wird beispielsweise ein Film mit einer Dicke von λ/4 mit einer optischen Filmdicke für Licht der Wellenlänge λ laminiert. Der Schutzfilm 18 ist ein isolierender Film wie ein Siliziumnitrid (z.B. SiN) oder ein Siliziumoxid (z.B. SiO₂).
Es ist auch möglich, eine Elektrodenform zu verformen und Laserlicht von einer Oberfläche der Kontaktschicht 14 abzugeben. Das heißt, wenn die Öffnung 17a der Elektrode 17 nicht vorgesehen ist und die Elektrode 16 auf einer Oberfläche der Kontaktschicht 14 offen ist, wird der Laserstrahl von der Oberfläche der Kontaktschicht 14 nach außen abgegeben. In diesem Fall ist in und um die Öffnung der Elektrode 16 ein Antireflexionsfilm vorgesehen.
4 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht 15A. Die Phasenmodulationsschicht 15A enthält eine Basisschicht 15a, die aus einem ersten Brechungsindexmedium und einem modifizierten Brechungsindexbereich 15b gebildet wird, der aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem anderen Brechungsindex als dem des ersten Brechungsindexmediums gebildet wird. Hier wird in der Phasenmodulationsschicht 15A ein virtuelles Quadratgitter in der X-Y-Ebene festgelegt. Eine Seite des quadratischen Gitters ist parallel zur X-Achse und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Zu diesem Zeitpunkt kann ein quadratisches Einheitsfeld R, das auf den Gitterpunkt O des quadratischen Gitters zentriert ist, zweidimensional über eine Vielzahl von Zeilen entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Zeilen entlang der Y-Achse festgelegt. Eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b wird nacheinander in jedem Einheitsfeld R bereitgestellt. Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b ist beispielsweise eine Kreisform. In jedem Einheitsfeld R ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b vom nächsten Gitterpunkt O entfernt. Insbesondere ist die X-Y-Ebene eine Ebene orthogonal zur Dickenrichtung (Z-Achse) des in den 2 und 3 dargestellten Laserelements 2A und fällt mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 15A einschließlich des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b zusammen. Jedes Einheitsfeld R, das ein Quadratgitter bildet, wird durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 oder mehr) in X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 oder mehr) in Y-Achsenrichtung spezifiziert und als Einheitsfeld R (x, y) dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Mittelpunkt des Einheitsfeldes R (x, y), d.h. der Gitterpunkt durch O (x, y) dargestellt. Es ist zu beachten, dass sich der Gitterpunkt O außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b befinden kann oder in den modifizierten Brechungsindexbereich 15b einbezogen sein kann.
Für den Fall, dass der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kreisförmig ist, ist der Bereich S = π (D/2)², dessen Durchmesser durch D bezeichnet wird. Ein Verhältnis der Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b, der innerhalb eines Einheitsfeldes R liegt, ist definiert als ein Füllfaktor (FF). Die Fläche eines Einheitsfeldes R ist gleich der Fläche in einer Gittereinheit eines virtuellen quadratischen Gitters.
Wie in 5 dargestellt ist, werden die ein Quadratgitter bildenden Einheitsfelder R (x, y) durch s- und t-Achsen, die am Gitterpunkt O (x, y) orthogonal zueinander sind, definiert. Es ist zu beachten, dass die s-Achse eine Achse parallel zur X-Achse ist und die t-Achse eine Achse parallel zur Y-Achse. Auf diese Weise wird in der s-t-Ebene, die das Einheitsfeld R (x, y) definiert, ein Winkel, der durch die Richtung vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 und der s-Achse gebildet wird, durch φ (x, y) erhalten. Wenn der Drehwinkel φ (x, y) 0° beträgt, stimmt die Richtung eines Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, mit der positiven Richtung der s-Achse überein. Weiterhin wird die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, durch r (x, y) bestimmt. Als Beispiel ist r (x, y) konstant (über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A) in dem gesamten Einheitsfeld.
Wie in 4 dargestellt ist, wird in der Phasenmodulationsschicht 15A der Drehwinkel φ (x, y) des Schwerpunkts G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b um den Gitterpunkt O (x, y) unabhängig für jedes Einheitsfeld R entsprechend eingestellt. Der Drehwinkel φ (x, y) hat einen bestimmten Wert in dem Einheitsfeld R (x, y), wird aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion ausgedrückt. Das heißt, der Drehwinkel φ (x, y) wird aus einem Phasen-Term einer komplexen Amplitude bestimmt, die durch Umwandeln eines gewünschten optischen Bildes in einen Wellenzahlraum und Durchführen einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in einen konstanten Wellenzahlbereich des Wellenzahlraums erhalten wird. Wenn die komplexe Amplitudenverteilung (die komplexe Amplitude jedes einzelnen Einheitsfeldes R) aus einem gewünschten optischen Bild erhalten wird, indem ein iterativer Algorithmus wie beispielsweise das Gerchberg-Saxton (GS)-Verfahren, das allgemein zum Zeitpunkt einer Berechnung einer Hologrammerzeugung verwendet wird, angewendet wird, wird die Reproduzierbarkeit eines Strahlmusters verbessert.
6 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur von 4 nur in einem bestimmten Bereich einer Phasenmodulationsschicht angewendet wird. Im Beispiel von 6 wird innerhalb eines quadratischen Innenbereichs RIN eine im Wesentlichen periodische Struktur (z.B. die Struktur von 4) zum Ausstrahlen eines Zielstrahlmusters gebildet. Andererseits wird in einem äußeren Bereich ROUT, der den inneren Bereich RIN umgibt, ein echter kreisförmiger, modifizierter Brechungsindexbereich angeordnet, in dem die Position des Schwerpunktes mit einer Gitterpunktposition des Quadratgitters übereinstimmt. So wird beispielsweise der Füllfaktor FF im äußeren Bereich ROUT auf 12% gesetzt. Weiterhin ist der Gitterabstand des virtuell eingestellten Quadratgitters gleich (= a) sowohl innerhalb des inneren Bereichs RIN als auch innerhalb des äußeren Bereichs ROUT. Da das Licht auch im äußeren Bereich ROUT verteilt wird, gibt es im Fall dieser Struktur den Vorteil, dass es möglich ist, das Auftreten von hochfrequentem Rauschen (sog. Fensterfunktionsrauschen) bedingt durch abrupte Änderung der Lichtintensität im peripheren Teil des inneren Bereichs RIN unterdrückt werden kann. Darüber hinaus kann ein Ausströmen von Licht in einer Richtung auf gleicher Ebene unterdrückt und eine Reduzierung eines Schwellenstroms erwartet werden.
7 ist ein Diagramm zur Erklärung der Beziehung zwischen einem optischen Bild, das dem vom Laserelement 2A ausgegebenen Strahlmuster entspricht, und der Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) in der Phasenmodulationsschicht 15A. Genauer gesagt, wird über die Kx-Ky-Ebene untersucht, die durch Umwandlung einer Ebene (eine Installationsfläche eines optischen Konstruktionsbildes, ausgedrückt durch Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem) in einen Wellenzahlraum erhalten wird, auf der ein optisches Bild durch den vom Laserelement 2A emittierten Strahl erzeugt wird. Die Kx-Achse und die Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene definieren, sind orthogonal zueinander, und jede von ihnen entspricht einem Winkel in Bezug auf eine Normalenrichtung, wenn die Emissionsrichtung eines Strahls von der Normalenrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 zur Hauptfläche 10a gemäß den vorstehend beschriebenen Formeln (1) bis (5) geschwenkt wird. Auf dieser Kx-Ky-Ebene enthält ein bestimmter Bereich mit einem Strahlmuster, das einem optischen Bild entspricht, M2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildbereiche FR. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass ein virtuelles Quadratgitter, das auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A festgelegt ist, M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitsfelder R enthält. Es ist zu beachten, dass die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine komplexe Amplitude F (x, y) im Einheitsfeld R (x, y), das erhalten wird, indem eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation ausgeführt wird, um jeden der Bildbereiche FR (k_x , k_y ) auf der Kx-Ky-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M2 oder weniger) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N2 oder weniger) in der Ky-Achsenrichtung spezifiziert wird, in das Einheitsfeld R (x,y) zu transformieren, das durch die Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert wird, durch die folgende Formel (11) erhalten, wobei j eine imaginäre Einheit ist. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
Im Einheitsfeld R (x, y), in dem der Amplituden-Term durch A (x, y) und der Phasen-Term durch P (x, y) bezeichnet werden, ist die komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (12) definiert. $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Wie in 7 dargestellt ist, entspricht im Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1 die Verteilung des Amplituden-Term A (x, y) mit der komplexen Amplitude F (x, y) des Einheitsfeldes R (x, y) der Intensitätsverteilung auf der X-Y-Ebene. Weiterhin entspricht im Bereich von x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1 die Verteilung von P (x, y) an der komplexen Amplitude F (x, y) im Einheitsfeld R (x, y) der Phasenverteilung auf der X-Y-Ebene. Der Drehwinkel φ (x, y) im Einheitsfeld R (x, y) ergibt sich aus P (x, y), wie später beschrieben wird, und im Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1 entspricht die Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) des Einheitsfeldes R (x, y) der Drehwinkelverteilung auf der X-Y-Ebene.
Der Mittelpunkt Q des Ausgabestrahlmusters auf der Kx-Ky-Ebene befindet sich auf der Achse senkrecht zur Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10. 7 veranschaulicht vier Quadranten mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung. 7 veranschaulicht beispielhaft den Fall, in dem ein optisches Bild im ersten und dritten Quadranten erhalten wird, aber es ist auch möglich, Bilder im zweiten und vierten Quadranten oder in allen Quadranten zu erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 7 dargestellt ist, kann ein optisches Bild erhalten werden, das punktsymmetrisch zum Ursprung ist. 7 veranschaulicht beispielhaft den Fall, dass im dritten Quadranten ein Buchstabe „A“ erhalten wird und im ersten Quadranten ein Muster, in dem der Buchstabe „A“ um 180° gedreht ist. Im Fall eines rotationssymmetrischen optischen Bildes (z.B. ein Kreuz, ein Kreis, ein Doppelkreis, etc.) überlappen sich die Bilder und werden als ein optisches Bild wahrgenommen.
Das vom Laserelement 2A ausgegebene Strahlmuster (optisches Bild) ist ein optisches Bild, das einem optischen Konstruktionsbild (Originalbild) entspricht, das durch mindestens einen Punkt, eine Gerade, ein Kreuz, eine Linienzeichnung, ein Gittermuster, ein Foto, ein Streifenmuster, CG (Computergrafiken) und/oder Buchstaben dargestellt wird. Um hier ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, wird der Drehwinkel φ (x, y) des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b im Einheitsfeld R (x, y) durch das folgende Verfahren bestimmt.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b im Einheitsfeld R (x, y) in einem Zustand vom Gitterpunkt O (x, y) durch r (x, y) entfernt angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt ist der modifizierte Brechungsindexbereich 15b im Einheitsfeld R (x, y) so angeordnet, dass der Drehwinkel φ (x, y) die folgende Beziehung erfüllt. $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$

C: Proportionale Konstante, z.B. 180°/π
B: Beliebige Konstante, z.B. 0

Es ist zu beachten, dass die proportionale Konstante C und die beliebige Konstante B für alle Einheitsfelder R gleich sind.
Das heißt, wenn es darum geht, ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, wird ein auf der Kx-Ky-Ebene erzeugtes optisches Bild, das auf den Wellenzahlraum projiziert wird, durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation in das Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A transformiert und der Drehwinkel φ (x, y) wird entsprechend dem Phasen-Term P (x, y) der komplexen Amplitude F (x, y) an den im Einheitsfeld R (x, y) angeordneten modifizierten Brechungsindexbereich 15b gegeben. Es ist zu beachten, dass ein Fernfeldmuster nach der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation des Laserstrahls in verschiedene Formen geformt werden kann, wie z.B. eine einzelne oder eine Vielzahl von Punktformen, ringförmige Formen, lineare Formen, Buchstabenformen, doppelte-kreisförmige Ringformen und Laguerre-Gaußsche-Strahlformen. Da das Strahlmuster durch Wellenzahlinformationen im Wellenzahlraum (auf der Kx-Ky-Ebene) dargestellt wird, kann im Falle eines Bitmap-Bildes oder dergleichen, in dem das Zielstrahlmuster durch zweidimensionale Positionsinformationen dargestellt wird, eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation nach einmaliger Umwandlung in Wellenzahlinformation durchgeführt werden.
In einem Verfahren zum Erhalten der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung auf der X-Y-Ebene, die durch die zweidimensionale inverse Fourier-Transformation erhalten wird, kann beispielsweise die Intensitätsverteilung (die Verteilung des Amplituden-Term A (x, y) auf der X-Y-Ebene) durch Verwendung der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks berechnet werden. Die Phasenverteilung (die Verteilung der Phasen-Terme P (x, y) auf der X-Y-Ebene) kann mit der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Hier wird die Drehwinkelverteilung (die Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) auf der X-Y-Ebene) aus dem Ergebnis der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation eines optischen Bildes erhalten, und wenn die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b in jedem der Einheitsfelder R bestimmt wird, werden Punkte beschrieben, die bei der Berechnung unter Verwendung der allgemeinen diskreten zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation oder der schnellen zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation zu beachten sind. Wenn ein optisches Bild vor der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation (optisches Konstruktionsbild auf einer vorbestimmten Ebene, ausgedrückt durch Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem) in vier Quadranten wie A1, A2, A3 und A4 unterteilt wird, wie das in 8A dargestellte Originalbild, ist das erhaltene Strahlmuster ein in 8B dargestelltes Muster. Das heißt, im ersten Quadranten des Strahlmusters von 8B erscheint ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters erhalten wird, das durch Drehen des ersten Quadranten von 8A um 180° erhalten wird, und ein Muster des dritten Quadranten von 8A. Im zweiten Quadranten des Strahlmusters von 8B erscheint ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters erhalten wird, das durch Drehen des zweiten Quadranten von 8A um 180° erhalten wird, und ein Muster im vierten Quadranten von 8A. Im dritten Quadranten des Strahlmusters von 8B erscheint ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters erhalten wird, das durch Drehen des dritten Quadranten von 8A um 180° erhalten wird, und ein Muster des ersten Quadranten von 8A. Im vierten Quadranten des Strahlmusters von 8B erscheint ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters erhalten wird, das durch Drehen des vierten Quadranten von 8A um 180° erhalten wird, und ein Muster des zweiten Quadranten von 8A.
Wenn also ein Muster mit einem Wert nur im ersten Quadranten als optisches Bild (optisches Originalbild) vor der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation verwendet wird, erscheint das Muster des ersten Quadranten des optischen Originalbildes im dritten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters. Andererseits erscheint im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters ein Muster, das durch Drehen des ersten Quadranten des optischen Originalbildes um 180° erhalten wird.
Als nächstes wird ein bevorzugter Abstand zwischen dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b und dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters beschrieben. Wenn der Gitterabstand des Quadratgitters durch a bezeichnet wird, erhält man den Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b als S/a². Hier ist S die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b in der X-Y-Ebene. Zum Beispiel erhält man im Falle einer echten Kreisform S = π × (D/2)² unter Verwendung des Durchmessers D des echten Kreises. Im Falle einer quadratischen Form ist S = LA² durch die Verwendung der Länge LA einer Seite des Quadrats gegeben.
Im Folgenden werden drei spezifische Konfigurationen der Phasenmodulationsschicht 15A beschrieben. 9A ist ein Bild eines Originalmusters, das jeder Konfiguration gemeinsam ist, und ist ein Schriftzug von „Licht“, das aus 704 × 704 Pixeln besteht. Zu diesem Zeitpunkt existiert der Buchstabe „Licht“ im ersten Quadranten, und es gibt keine Muster im zweiten Quadranten bis zum vierten Quadranten. 9B ist ein Bild, das durch Extrahieren der Intensitätsverteilung durch zweidimensionale Fourier-Transformation in 9A erhalten wird und aus 704 × 704 Elementen besteht. 9C ist ein Bild, das durch Extrahieren einer Phasenverteilung durch Durchführen einer zweidimensionalen Fourier-Transformation anhand von 9A erhalten wird und aus 704 × 704 Elementen besteht. Dies entspricht auch gleichzeitig der Winkelverteilung, und 9C zeigt die Verteilung der Phase von 0 bis 2π (rad) in Abhängigkeit vom Farbton. Der schwarze Farbanteil repräsentiert die Phase 0 (rad).
10A ist ein Bild, das die erste Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A zur Realisierung der in 9C dargestellten Phasenverteilung anzeigt, die Basisschicht 15a ist schwarz dargestellt und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist weiß dargestellt. In dieser ersten Konfiguration sind 704 × 704 modifizierte Brechungsindexbereiche 15b enthalten, die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b ist ein echter Kreis, und der Gitterabstand a des Quadratgitters beträgt 284 nm. 10A veranschaulicht den Fall, dass der Durchmesser D des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 111 nm und der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 8,52 nm beträgt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 12% und der Abstand r 0,03a. 10B ist ein prognostiziertes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereiches erhalten wird.
11 ist ein Diagramm, das das S/R-Verhältnis eines Ausgabestrahlmusters gemäß dem Verhältnis zwischen dem Füllfaktor FF und dem Abstand r(a) in der ersten Konfiguration (Probe 1) der Phasenmodulationsschicht 15A anzeigt, d.h. das Intensitätsverhältnis eines gewünschten Strahlmusters und Rauschens. 12 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Abstand r(a) und dem S/R-Verhältnis im Falle von 11 (Probe 1 der ersten Konfiguration) anzeigt. Im Falle dieser Struktur ist, wenn der Abstand r 0,3a oder weniger beträgt, S/R höher als im Fall des Überschreitens von 0,3a, und wenn der Abstand r 0,01a oder mehr beträgt, ist S/R höher als im Fall, wenn der Abstand r 0 ist. Insbesondere unter Bezugnahme auf 12, existiert ein Höchstwert des S/R-Verhältnisses innerhalb dieser Zahlenbereiche. Das heißt, unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung des S/R-Verhältnisses ist der Abstand r vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, möglichst 0,01a ≤ r ≤ 0,3a, und optimalerweise 0,03a ≤ r ≤ 0,25. Aber auch wenn r kleiner als 0,01a ist, kann ein Strahlmuster erhalten werden, obwohl das S/R-Verhältnis klein ist.
13A ist ein Bild (zweite Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A), das die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b zur Realisierung der in 9C dargestellten Phasenverteilung anzeigt, die Basisschicht 15a ist schwarz und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist weiß dargestellt. In dieser zweiten Konfiguration ist die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b ein Quadrat, die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und der Gitterabstand a des Quadratgitters sind gleich der ersten Konfiguration festgelegt. In 13A beträgt die Länge L einer Seite des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 98,4 nm und der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 8,52 nm. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 12% und der Abstand r 0,03a. 13B ist ein prognostiziertes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereiches erhalten wird.
14 ist ein Diagramm, das das S/R-Verhältnis eines Ausgabestrahlmusters gemäß dem Verhältnis zwischen dem Füllfaktor FF und dem Abstand r(a) in der zweiten Konfiguration (Probe 2) der Phasenmodulationsschicht anzeigt, d.h. das Intensitätsverhältnis eines gewünschten Strahlmusters und Rauschens. 15 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Abstand r(a) und dem S/R-Verhältnis im Falle von 14 anzeigt (Probe 2 der zweiten Konfiguration). Selbst im Falle dieser Struktur ist, wenn der Abstand r 0,3a oder weniger beträgt, S/R höher als im Fall des Überschreitens von 0,3a, und wenn der Abstand r 0,01a oder mehr beträgt, ist S/R höher als im Fall, in dem der Abstand r 0 ist. Insbesondere unter Bezugnahme auf 15, liegt ein Höchstwert des S/R-Verhältnisses innerhalb dieser Zahlenbereiche vor. Das heißt, unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung des S/R-Verhältnisses ist der Abstand r vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, möglichst 0,01a ≤ r ≤ 0,3a, und optimalerweise 0,03a ≤ r ≤ 0,25. Aber auch wenn r kleiner als 0,01a ist, kann ein Strahlmuster erhalten werden, obwohl das S/R-Verhältnis klein ist.
16A ist ein Bild (dritte Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A), das die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b zur Realisierung der in 9C dargestellten Phasenverteilung anzeigt, die Basisschicht 15a ist schwarz und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist weiß dargestellt. In der dritten Konfiguration ist die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b eine Form, die durch Überlagerung von zwei voneinander verschobenen echten Kreisen erhalten wird, und der Schwerpunkt eines echten Kreises wird so gewählt, dass er mit dem Gitterpunkt O übereinstimmt. Die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und der Gitterabstand a des Quadratgitters werden so festgelegt, dass sie gleich sind wie in der ersten Konfiguration. 10A veranschaulicht den Fall, dass die Durchmesser der beiden perfekten Kreise beide 111 nm betragen und der Abstand r zwischen dem Schwerpunkt des anderen echten Kreises und dem Gitterpunkt O 14,20 nm beträgt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b 12% und der Abstand r 0,05a. 16B ist ein prognostiziertes Strahlmuster, das durch Fourier-Transformation des gesamten modifizierten Brechungsindexbereiches erhalten wird.
17 ist ein Diagramm, das das S/R-Verhältnis eines Ausgabestrahlmusters gemäß dem Verhältnis zwischen dem Füllfaktor FF und dem Abstand r(a) in der dritten Konfiguration (Probe 3) der Phasenmodulationsschicht 15A anzeigt, d.h. ein Diagramm, das das Intensitätsverhältnis eines gewünschten Strahlmusters und Rauschens anzeigt. 18 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Abstand r(a) und dem S/R-Verhältnis im Falle von 17 anzeigt (Probe 3 der dritten Konfiguration). Selbst im Falle dieser Struktur ist, wenn der Abstand r 0,3a oder weniger beträgt, S/R höher als im Fall des Überschreitens von 0,3a, und wenn der Abstand r 0,01a oder mehr beträgt, ist S/R höher als im Fall, in dem der Abstand r 0 ist. Insbesondere unter Bezugnahme auf 18, gibt es einen Höchstwert des S/R-Verhältnisses innerhalb dieser Zahlenbereiche. Das heißt, unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung des S/R-Verhältnisses ist der Abstand r vorzugsweise 0 < r ≤ 0,3a, möglichst 0,01a ≤ r ≤ 0,3a, und optimalerweise 0,03a ≤ r ≤ 0,25. Aber auch wenn r kleiner als 0,01a ist, kann ein Strahlmuster erhalten werden, obwohl das S/R-Verhältnis klein ist.
Es ist zu beachten, dass im Fall von 11 (Probe 1), 14 (Probe 2) und 17 (Probe3) der Bereich, in dem das S/R-Verhältnis 0,9, 0,6, 0,3 überschreitet, durch die folgende Funktion gegeben ist. FF 3, FF 6, FF 9, FF 12, FF 15, FF 18, FF 21, FF 24, FF 27, FF 30 in 12 (Probe1), 15 (Probe 2) und 18 (Probe 3) sind jeweils FF = 3%, FF = 6%, FF = 9%, FF = 12%, FF = 15%, FF = 18%, FF = 21%, FF = 24%, FF = 27%, FF = 30%.

(S/R ist 0,9 oder mehr in 11.) FF > 0.03, r > 0.06, r < -FF + 0,23, und r> -FF+ 0,13
(S/R ist 0,6 oder mehr in 11.) FF > 0.03, r > 0.03, r < -FF + 0,25, und r> -FF + 0,12
(S/R ist 0,3 oder mehr in 11.) FF > 0.03, r > 0.02, r < -(2/3) FF + 0,30, und r > -(2/3) FF + 0,083
(S/R ist 0,9 oder mehr in 14.) r > -2FF + 0,25, r < -FF + 0,25, und r > FF-0,05
(S/R ist 0,6 oder mehr in 14.) FF > 0.03, r > 0.04, r < -(3/4) FF + 0,2375, und r > -FF + 0,15
(S/R ist 0,3 oder mehr in 14.) FF > 0.03, r > 0.01, r < -(2/3) FF + 1/3, und r > -(2/3) FF + 0,10
(S/R ist 0,9 oder mehr in 17.) r > 0.025, r > -(4/3) FF + 0,20, und r <- (20/27) FF + 0,20
(S/R ist 0,6 oder mehr in 17) FF > 0.03, r > 0.02, r > -(5/4) FF + 0,1625, und r < -(13/18) FF+ 0,222
(S/R ist 0,3 oder mehr in 17.) FF > 0.03, r > 0.01, r < -(2/3) FF + 0,30, und r > -(10/7) FF + 1/7

In der vorstehend beschriebenen Struktur können das Materialsystem, die Filmdicke und der Schichtenaufbau unterschiedlich verändert werden, solange sie die aktive Schicht 12 und die Phasenmodulationsschicht 15A beinhalten. Hier gilt für den sogenannten photonischen Quadratgitter-Kristall-Laser, bei dem die Störung durch das virtuelle Quadratgitter 0 ist, die Skalierungsregel. Das heißt, wenn die Wellenlänge zu einer Konstanten α-Male wird, kann der gleiche Stehwellenzustand durch Multiplikation der gesamten Quadratgitterstruktur mit α erreicht werden. Ebenso ist es auch in dieser Ausführungsform möglich, die Struktur der Phasenmodulationsschicht 15A nach der der Wellenlänge entsprechenden Skalierungsregel zu bestimmen. Daher ist es auch möglich, ein Laserelement 2A zu realisieren, das sichtbares Licht ausgibt, indem die aktive Schicht 12, die Licht wie beispielsweise Blau, Grün und Rot emittiert, verwendet und eine Skalierungsregel entsprechend der Wellenlänge angewendet wird.
Bei der Herstellung des Laserelements 2A wird jede Verbindungshalbleiterschicht durch ein metallorganisch-chemisches Dampfabscheidungs- (MOCVD) Verfahren („Metal Organic Chemical Vapor Deposition“) erhalten. Ein Kristallwachstum wird auf einer Oberfläche (001) des Halbleitersubstrats 10 durchgeführt, ist aber nicht darauf beschränkt. Bei der Herstellung des Laserelements 2A, in dem AIGaN verwendet wird, beträgt die Wachstumstemperatur von AIGaAs 500°C bis 850°C, und die Temperatur wurde im Experiment auf 550 bis 700°C eingestellt. Folgende Materialien werden während des Wachstums verwendet: Trimethylaluminium (TMA) als Al-Material, Trimethylgallium (TMG) und Triethylgallium (TEG) als Gallium-Material, Arsin (AsH₃) als As-Material, Disilan (Si₂H₆) als Material für N-Typ Verunreinigungen und Diethylzink (DEZn) als Material für P-Typ Verunreinigungen. TMG und Arsin werden für das Wachstum von GaAs verwendet, aber TMA wird nicht verwendet. InGaAs wird unter Verwendung von TMG, Trimethylindium (TMI) und Arsin hergestellt. Der Isolierfilm kann durch Sputtern eines Objekts mit dem Materialbestandteil als Rohmaterial gebildet werden.
Das heißt, im vorstehend beschriebenen Laserelement 2A werden eine AlGaAs-Schicht als n-artige Mantelschicht 11, eine InGaAs/AlGaAs-Mehrfachquantentopfstruktur als die aktive Schicht 12, eine GaAs-Schicht als Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A nacheinander epitaktisch unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) auf einem GaAs-Substrat als N-artiges Halbleitersubstrat 10 gezüchtet. Um die Ausrichtung nach dem epitaktischen Wachstum durchzuführen, wird anschließend auf der Basisschicht 15a durch ein PCVD-Verfahren (Plasma-CVD) eine SiN-Schicht gebildet und anschließend ein Abdeckmittel auf der SiN-Schicht ausgebildet. Weiterhin wird das Abdeckmittel freigelegt und entwickelt, die SiN-Schicht mit dem Abdeckmittel als Maske geätzt und eine Ausrichtungsmarkierung in einem Zustand gebildet, in dem ein Teil der SiN-Schicht übrigbleibt. Verbleibendes Abdeckmittel wird entfernt.
Als nächstes wird ein weiteres Abdeckmittel auf die Basisschicht 15a aufgebracht und mit einer Elektronenstrahl-Zeichenvorrichtung unter Bezugnahme auf die Ausrichtungsmarkierung ein zweidimensionales Feinmuster auf das Abdeckmittel gezeichnet. Durch Entwickeln des Abdeckmittels nach dem Zeichnen entsteht ein zweidimensionales Feinmuster auf dem Abdeckmittel. Anschließend wird unter Verwendung des Abdeckmittels als Maske das zweidimensionale Feinmuster durch Trockenätzen auf die Basisschicht 15a übertragen und das Abdeckmittel nach der Lochbildung entfernt. Die Tiefe des Lochs beträgt z.B. 100 nm. Diese Löcher werden als modifizierte Brechungsindexbereiche 15b verwendet. Alternativ werden in diesen Löchern Verbindungshalbleiter (AlGaAs) zu mehr als die Tiefe der Löcher als modifizierte Brechungsindexbereiche 15b nachgezüchtet. Wenn das Loch der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist, kann ein Gas wie Luft, Stickstoff oder Argon in dem Loch versiegelt werden. Anschließend werden eine AlGaAs-Schicht als Mantelschicht 13 und eine GaAs-Schicht als Kontaktschicht 14 sequentiell durch MOCVD gebildet, und die Elektroden 16 und 17 werden durch ein Dampfabscheidungsverfahren oder ein Sputterverfahren gebildet. Weiterhin werden bei Bedarf der Schutzfilm 18 und der Antireflexionsfilm 19 durch Sputtern oder dergleichen gebildet.
In dem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, kann die Phasenmodulationsschicht 15A auf der Mantelschicht 11 vor dem Formen der aktiven Schicht 12 gebildet werden. Der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters ist ein Maß, das durch Division einer Wellenlänge durch einen äquivalenten Brechungsindex erhalten wird und beispielsweise auf etwa 300 nm eingestellt ist.
Im Falle eines Quadratgitters eines Gitterintervalls a, wenn die Einheitsvektoren einer orthogonalen Koordinate als x und y angenommen werden, werden parallele Basisvektoren als a₁ = ax, a₂ = ay angenommen. Reziproke Basisgittervektoren werden in Bezug auf die Parallelvektoren a₁, a₂ wird als b₁ = (2π/a)y, b₂ = (2π/a)x angenommen. Wenn der Wellenzahlvektor der im Gitter vorhandenen Welle k = nb₁ + mb₂ ist (n, m ist eine beliebige ganze Zahl), existiert die Wellenzahl k an einem Punkt Γ. Insbesondere wenn die Größe eines Wellenzahlvektors gleich der Größe eines reziproken Basisgittervektors ist, erhält man einen Resonanzmodus (Stehwelle in der X-Y-Ebene), wobei der Gitterabstand a gleich der Wellenlänge λ ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Schwingung in einem solchen Resonanzmodus (Stehwellenzustand) erhalten. Betrachtet man einen TE-Modus, in dem ein elektrisches Einheitsfeld in einer Ebene parallel zum Quadratgitter vorhanden ist, so gibt es aufgrund der Symmetrie des Quadratgitters im Stehwellenzustand vier Modi, in denen der Gitterabstand und die Wellenlänge wie oben beschrieben gleich sind. In der vorliegenden Ausführungsform kann ein gewünschtes Strahlmuster ebenfalls in Oszillation in jedem Modus in diesen vier Stehwellenzuständen erhalten werden.
Es ist zu beachten, dass die Stehwelle in der Phasenmodulationsschicht 15A durch die Lochform gestreut wird und die in vertikaler Richtung zur Wellenfront erhaltene Wellenfront phasenmoduliert ist, wodurch ein gewünschtes Strahlmuster erhalten werden kann. Dadurch kann auch ohne Polarisationsplatte ein gewünschtes Strahlmuster erreicht werden. Dieses Strahlmuster ist nicht nur ein Paar einzelner Höchstwertstrahlen (Punkte), sondern kann auch ein Vektorstrahl einer Buchstabenform oder zwei oder mehr identische Formpunktgruppen oder ein Vektorstrahl sein, bei dem die Phasen- und Intensitätsverteilung räumlich ungleichmäßig sind.
Ein Brechungsindex der Basisschicht 15a ist vorzugsweise 3,0 bis 3,5. Ein Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ist vorzugsweise 1,0 bis 3,4. Der durchschnittliche Durchmesser jedes modifizierten Brechungsindexbereiches 15b im Loch der Basisschicht 15a beträgt beispielsweise 38 nm bis 76 nm. Wenn sich die Größe dieses Lochs ändert, ändert sich die Beugungsintensität in Richtung der Z-Achse. Diese Beugungseffizienz ist proportional zum optischen Kopplungskoeffizienten κ1, der durch den Koeffizienten erster Ordnung dargestellt wird, wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b Fourier-transformiert wird. Der optische Kopplungskoeffizient wird beispielsweise in K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010)" beschrieben.
Anschließend wird das in 1 dargestellte Lichtabschirmelement 3 ausführlich beschrieben. Das Lichtabschirmelement 3 wird beispielsweise von einem Gehäuse getragen, in dem das Laserelement 2A untergebracht ist, oder es ist ein plattenförmiges Element, das einen Teil des Gehäuses bildet. Alternativ kann das Lichtabschirmelement 3 direkt auf dem Laserelement 2A ausgebildet werden. Das Lichtabschirmelement 3 ist so angeordnet, dass ein Teil des Lichtabschirmelements 3 eine Achse orthogonal zum Schwerpunkt der lichtemittierenden Oberfläche 2b des Laserelements 2A, d.h. der in 1 dargestellten Z-Achse, kreuzt. Eine Plattenoberfläche des Lichtabschirmelements 3 ist der lichtemittierenden Oberfläche 2b des Laserelements 2A zugewandt. Genauer gesagt, verläuft diese Achse durch den Mittelpunkt der lichtemittierenden Oberfläche 2b (die Position des Schwerpunktes der rechteckigen lichtemittierenden Oberfläche 2b), d.h. den Mittelpunkt der Öffnung 17a. Vom Laserelement 2A wird entlang dieser Achse, d.h. entlang der Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche 2b, Licht nullter Ordnung ausgegeben.
19A bis 19C sind Beispiele für Strahlmuster (optische Bilder), die vom Laserelement 2A ausgegeben werden. Der Mittelpunkt jeder der 19A bis 19C entspricht der Achse orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche 2b des Laserelements 2A. Wie in den 19A bis 19C dargestellt ist, enthält die optische Bildausgabe von der lichtemittierenden Oberfläche 2b Licht nullter Ordnung B1, das als heller Punkt auf der Achse erscheint, und einen ersten optischen Bildabschnitt B2, der in einer ersten Richtung zur Achse geneigt ausgegeben wird, und einen zweiten optischen Bildabschnitt B3, der in einer zweiten Richtung symmetrisch zur Achse ausgegeben wird und der rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildabschnitt B2 in Bezug auf die Achse ist. Typischerweise wird der erste optische Bildabschnitt B2 im ersten Quadranten in der X-Y-Ebene und der zweite optische Bildabschnitt B3 im dritten Quadranten in der X-Y-Ebene ausgegeben.
Das Lichtabschirmelement 3 der vorliegenden Ausführungsform ist so angeordnet, dass es aus solchen optischen Bildern ein gewünschtes optisches Bild (z.B. den ersten optischen Bildabschnitt B2) durchläuft und zumindest das als heller Punkt erscheinende Licht nullter Ordnung B1 abschirmt. Vorzugsweise schirmt das Lichtabschirmelement 3 weiterhin den zweiten optischen Bildabschnitt B3 ab, der nicht das gewünschte optische Bild ist. Das Lichtabschirmelement 3 kann das Licht nullter Ordnung und den zweiten optischen Bildabschnitt B3 absorbieren, indem es ein lichtabsorbierendes Material auf mindestens einer Oberfläche auf der Seite des Laserelements 2A enthält. Darüber hinaus kann das Lichtabschirmelement 3 Licht einer anderen Wellenlänge übertragen, solange das Emissionswellenlängenlicht des Laserelements 2A abgeschirmt wird. Beispiele für einen Bestandteil des Lichtabschirmelements 3 beinhalten einen metallischen Dünnfilm wie Au, Ti, Cr und Al. Beispiele für ein lichtabsorbierendes Material sind ein Cyaninfarbstoff, eine Phthalocyaninverbindung, eine Naphthalocyaninverbindung, ein Nickeldithiolenkomplex, ein Squaryliumfarbstoff, eine Chinonverbindung, eine Diimmoniumverbindung, eine Azoverbindung, Lanthanhexaborid, Cäsium-Wolframoxid, ITO und Antimonoxid Zinn.
Hier wird ein bevorzugter Abstand zwischen dem Lichtabschirmelement 3 und der lichtemittierenden Oberfläche 2b in Richtung der Z-Achse und eine bevorzugte Position des Lichtabschirmelements 3 in der X-Y-Ebene näher untersucht. Als bevorzugter Bereich des Lichtabschirmelements 3 ist ein Bereich eines sogenannten Fernfeldmusters (Fraunhofer-Beugungsbereich) denkbar. Der Bereich des Fraunhofer-Beugungsbereichs in Richtung der Z-Achse ergibt sich jedoch aus z > L²/λ, wobei L die maximale Breite der Öffnung 17a und λ die Wellenlänge ist (Eugene Hecto, „Hect Optics II“ Seite 244). Unter der Annahme, dass die Breite L der Öffnung 17a 400 µm und die Wellenlänge λ 940 nm beträgt, ist z > 170 mm. Weiterhin, wenn die Breite L 200 µm beträgt und λ 940 nm ist, beträgt z > 42 mm. In jedem Fall befindet sich das Fernfeldmuster in einem Abstand von mehreren Zentimetern oder mehr von der lichtemittierenden Oberfläche 2b, und es kann schwierig sein, das Lichtabschirmelement 3 an einer so weit entfernten Stelle auf dem Laserelement 2A mit einer Seitenlänge von weniger als 1 mm anzuordnen. Daher hat der gegenwärtige Erfinder untersucht, das Lichtabschirmelement 3 an einer Position näher an der lichtemittierenden Oberfläche 2b bereitzustellen.
Annäherungen werden in den sogenannten Fresnel-Beugungsbild- und Fraunhofer-Beugungsbildberechnungsformeln verwendet, und der Bereich des anwendbaren Abstands ist jeweils begrenzt. Daher hat der vorliegende Erfinder, wie im Folgenden beschrieben wird, ein Beugungsbild im Abstand z von der lichtemittierenden Oberfläche 2b ohne Näherung berechnet (die folgende Formel (13)). Die für die Beugungsberechnung verwendeten Bedingungen wurden, wie in 20 dargestellt ist, festgelegt. Das heißt, wie das Licht, das aus dem Abschnitt der Phasenmodulationsschicht 15A erzeugt wird, in dem die Lichtemission erhalten wird, d.h. der der Elektrode 16 in der Phasenmodulationsschicht 15A entsprechende Abschnitt beugt, berechnet wird. Im Beispiel von 20 entspricht die Öffnung H der Maske 100 dem Abschnitt, der der Elektrode 16 in der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht. Im Folgenden wird eine Breite der Öffnung H als Öffnungsgröße (Elektrodengröße) bezeichnet. Darüber hinaus wurde die erste Rayleigh-Sommerfeld-Lösung (Joseph W. Goodman „Fourier Optics“ Abschnitt 3.5) des Huygens-Fresnel-Prinzips bei der Berechnung eines Beugungsbildes verwendet. Um das Licht nullter Ordnung wiederzugeben, wurde der gesamten komplexen Amplitudenverteilung auf der lichtemittierenden Oberfläche 2b ein konstanter Wert überlagert. $U (P_{0}) = \frac{1}{j λ} \int \int_{Σ} U (P_{1}) \frac{exp (j k r_{01})}{r_{01}} cos θ d s$
In der obigen Formel (13) stellt U(P) eine komplexe Amplitude an einer bestimmten Position P dar, P₀ stellt eine Position eines Beobachtungspunktes dar, an dem ein Beugungsbild erhalten wird, P₁ stellt eine Position der Öffnung H dar (d.h. ein Teil der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht der Elektrode 16), λ stellt die Wellenlänge einer ebenen Welle dar, Σ stellt die Fläche einer Öffnung dar, k stellt eine Wellenzahl dar, r₀₁ stellt einen Abstand zwischen einem Punkt auf einer Oberfläche der Öffnung und einem Punkt auf einem gebeugten Bild dar (d.h. die Länge eines Vektors r₀₁ ). Hier stellt der Vektor n einen Einheitsvektor senkrecht zur Öffnung H dar. Es ist zu beachten, dass P₀ mit einer Tilde „∼“ in 20 ein Punkt ist, der zur Vereinfachung der Berechnung gesetzt wurde, er befindet sich an einer symmetrischen Position auf der entgegengesetzten Seite zu P₀ und P₁ , und seine Phase ist 180° verschieden von P₀ .
21A ist eine Ansicht eines Zielbildes, das für die obige Beugungsberechnung verwendet wird. Weiterhin sind die 21B und 21C Ansichten, die eine Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 15A im Falle des Gitterabstandes a = 282 nm, 141 nm, mit Farbton veranschaulichen. Da die Anzahl der Elemente eines Zielbildes 256 × 256 beträgt, ist die Anzahl der Elemente einer Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht 15A auch 256 × 256 in den beiden 21B und 21C. Wenn jedoch der Gitterabstand a 282 nm beträgt, beträgt die Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 72,2 µm auf einer Seite und wenn der Gitterabstand a 141 nm beträgt, beträgt die Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 36,1 µm auf einer Seite, was den Unterschied im Gitterabstand widerspiegelt.
22 ist ein Diagramm, das das oben beschriebene Berechnungsergebnis anzeigt und die Korrelation zwischen einem Abstand d und einem Abstand z in dem Fall anzeigt, in dem ein Abstand zwischen einem Ende auf der Z-Achsenseite des Beugungsbildes auf einer Beugungsbildoberfläche und der Z-Achse mit d bezeichnet wird (µm) und ein Abstand zwischen der Beugungsbildoberfläche und der lichtemittierenden Oberfläche 2b mit z (µm) bezeichnet wird. Die 23 bis 27 veranschaulichen einen Teil des Beugungsbildes, das die Grundlage für dieses Diagramm bildet. 23 veranschaulicht den Fall, dass die Anzahl der Elemente der Phasenverteilung 128 × 128 beträgt, der Gitterabstand a = 282 nm, eine Seite der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 36,1 µm und die Wellenlänge λ = 940 nm. 24 veranschaulicht den Fall, dass die Anzahl der Elemente der Phasenverteilung 256 × 256 beträgt, der Gitterabstand a = 282 nm, eine Seite der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 72,2 µm und die Wellenlänge λ = 940 nm. 25 veranschaulicht den Fall, dass die Anzahl der Elemente der Phasenverteilung 512 × 512 beträgt, der Gitterabstand a = 282 nm, eine Seite der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 144,4 µm und die Wellenlänge λ = 940 nm. 26 veranschaulicht den Fall, dass die Anzahl der Elemente der Phasenverteilung 384 × 384 beträgt, der Gitterabstand a = 282 nm, eine Seite der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 108,3 µm und die Wellenlänge λ = 940 nm. 27 veranschaulicht den Fall, dass die Anzahl der Elemente der Phasenverteilung 1024 × 1024 beträgt, der Gitterabstand a = 282 nm, eine Seite der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) 288,8 µm und die Wellenlänge λ = 940 nm.
Unter Bezugnahme auf 22 ist unabhängig von der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) L ersichtlich, dass der Abstand d und der Abstand z etwa proportional zueinander sind. Weiterhin ist 28 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen dem Produkt (d × L) des Abstandes d und der Öffnungsgröße (Elektrodengröße) L und dem Abstand z anzeigt. Anhand von 28 ist ersichtlich, dass das Produkt (d × L) und der Abstand z etwa proportional zueinander sind. Aus dem Obenstehenden ergibt sich die folgende Formel (14). $d \propto \frac{z}{L}$
Basierend auf dieser Tatsache zeigt 29 ein schematisches Diagramm der Positionsbeziehung zwischen der lichtemittierenden Oberfläche 2b und dem Lichtabschirmelement 3 auf einer Bezugsebene RP (siehe 1), die die Z-Achse enthält. In 29 wird das Licht nullter Ordnung B1 von der lichtemittierenden Oberfläche 2b des Laserelements 2A entlang der Z-Achsenrichtung senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche 2b emittiert, und von der lichtemittierenden Oberfläche 2b wird ein gewünschter erster optischer Bildabschnitt B2 in der zur Z-Achsenrichtung geneigten Richtung (geneigte Richtung) emittiert. Das Lichtabschirmelement 3 ist so angeordnet, dass es das gesamte Licht nullter Ordnung B1 abschirmt und den gesamten ersten optischen Bildabschnitt B2 durchläuft.
30 ist ein vergrößertes Diagramm der Umgebung eines Schnittpunktes V einer Seitenkante des ersten optischen Bildabschnitts B2 zur Z-Achse und der Seitenkante des Lichtes nullter Ordnung B1 zum ersten optischen Bildabschnitt B2. Hier wird ein in 30 dargestelltes Dreieck DL näher betrachtet. Das Dreieck DL ist ein rechtwinkliges Dreieck, eine Seite DL1 ist ein Liniensegment, das sich von einem Ende 2c der lichtemittierenden Oberfläche 2b parallel zur Z-Achse erstreckt, eine Seite DL2 ist ein Liniensegment, das sich senkrecht zur Z-Achse vom Schnittpunkt V zur Seite DL1 erstreckt und eine schräge Seite DL3 ist ein Liniensegment, das das eine Ende 2c der lichtemittierenden Oberfläche 2b und den Schnittpunkt V verbindet. Wenn man dieses Dreieck DL näher betrachtet, gilt der folgende Ausdruck (15). $tan θ_{P B} = \frac{\frac{1}{2} (W_{z} + L)}{z_{s h}}$
Weiterhin, wenn die obige Formel (15) modifiziert wird, wird die folgende Formel (16) erhalten. W_z ist jedoch durch die folgende Formel (17) gegeben. $z_{s h} = \frac{W_{z} + L}{2 tan θ_{P B}}$
$\begin{matrix} W_{Z} = \frac{4 λ}{π L} z & (wenn z \geq z_{0}) \\ W_{Z} = \sqrt{2} L & (wenn z < z_{0}) \end{matrix}$
Hier stellt W_z die Strahlbreite (definiert auf der Bezugsebene RP einschließlich der Z-Achse) des Lichts nullter Ordnung B1 im Abstand z dar, L stellt die Breite der auf der Bezugsebene RP definierten lichtemittierenden Oberfläche 2b (siehe 29) dar, θ_PB stellt einen Winkel (siehe 30) dar, der durch die Seitenkante des ersten optischen Bildabschnitts B2 zur Z-Achse und der Z-Achse auf der Bezugsebene RP gebildet wird, und λ stellt die Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12 dar. Außerdem stellt z₀ in der obigen Formel (17) den Rayleigh-Bereich dar und wird von der folgenden Formel (18) abgeleitet. $z_{0} = \frac{π}{λ} {(\frac{L}{2})}^{2}$
Daher ist es vorzuziehen, dass der Abstand z von der lichtemittierenden Oberfläche 2b zum Lichtabschirmelement 3 länger ist als z_sh , der durch die obige Formel (16) definiert ist. Dadurch kann das Lichtabschirmelement 3 an einer Position angeordnet werden, an der das Licht nullter Ordnung B1 und der erste optische Bildabschnitt B2 getrennt sind (d.h. weiter weg vom Schnittpunkt V). Weiterhin ist es vorzuziehen, dass der Abstand Wa (siehe 29) von der Z-Achse zur Kante 3c des Lichtabschirmelements 3 länger ist als die Hälfte der durch die vorstehende Formel (17) definierten Strahlbreite W_z . Dadurch kann die Kante 3c des Lichtabschirmelements 3 zwischen dem Licht nullter Ordnung B1 und dem ersten optischen Bildabschnitt B2 angeordnet werden.
Hier wird die obige Formel (17) ergänzt. 31 ist ein Diagramm, das eine Änderung des Strahlradius an der Strahltaille eines Gaußschen Strahls anzeigt. In dieser Studie wird das Licht nullter Ordnung B1 als Gaußscher Strahl betrachtet. Der Strahlradius W(z) des Gaußschen Strahls wird durch die folgende Formel (19) erhalten. $W (z) = W_{0} {[1 + {(\frac{z}{z_{0}})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}$
Wobei W₀ ein Strahltaillenradius ist. Weiterhin ist z₀ ein Rayleigh-Bereich und wird durch die folgende Formel (20) erhalten. $z_{0} = \frac{π}{λ} W_{0}^{2}$
Der Strahlradius W(z) nimmt mit zunehmendem z allmählich zu, erreicht √2W₀, wenn z = z₀ ist, und nimmt mit z weiter monoton zu. Wenn z ausreichend größer als z₀ ist, wird der erste Term der obigen Formel (19) ignoriert und eine lineare Beziehung, ausgedrückt durch die folgende Formel (21), erhalten. Es ist zu beachten, dass θ₀ ein Strahlwinkel in einem Abstand ist (siehe 31). $W (z) \approx \frac{W_{0}}{z_{0}} z = θ_{0} z$
Da die durch die folgende Formel (22) dargestellte Beziehung aus der obigen Formel (20) erhalten wird, wird hier der Strahlwinkel θ₀ durch die folgende Formel (23) ausgedrückt. Mit anderen Worten, der Strahlwinkel θ₀ ist in einem Abstand proportional zur Wellenlänge λ und umgekehrt proportional zum Strahltaillendurchmesser W₀ . $W_{0} = {(\frac{λ z_{0}}{π})}^{\frac{1}{2}}$
$θ_{0} = \frac{λ}{π W_{0}}$
Basierend auf dem oben Gesagteh wird der Strahldurchmesser des Lichts nullter Ordnung B1 berücksichtigt. Wenn die Länge einer Seite der Elektrode 17 mit L und die Wellenlänge mit λ angegeben ist, erfüllt der Strahlradius R1 die folgende Formel (25), wenn der Abstand z die folgende Formel (24) erfüllt. $z < \frac{π}{λ} {(\frac{L}{2})}^{2}$
$R 1 < \frac{L}{\sqrt{2}}$
Wenn ferner der Abstand z größer wird als die rechte Seite der obigen Formel (24), erfüllt der Strahlradius R1 die folgende Formel (26). $R 1 = \frac{2 λ}{π L} z$
32A bis 32D und 33A bis 33D sind Draufsichten, die konkrete Beispiele für die Anordnung der Lichtabschirmelemente 3 veranschaulichen. In diesen Figuren stellt ein durch eine gestrichelte Linie gekennzeichneter Bereich E einen Strahlungsbereich des Lichts nullter Ordnung B1 dar. Die ebene Form des Strahlungsbereichs E ist ein Quadrat, die Länge einer Seite davon ist W_z , und der Mittelpunkt davon befindet sich auf der Z-Achse (der Ursprung der Xs-Ys-Ebene parallel zur X-Y-Ebene). In einer der Ausführungsformen überlappt das Lichtabschirmelement 3 die Z-Achse, die Kante 3c des Lichtabschirmelements 3 ist durch den Abstand W_z/2 von der Z-Achse getrennt, und das Lichtabschirmelement 3 ist so angeordnet, dass es den Strahlungsbereich E des Lichts nullter Ordnung B1 vollständig abdeckt.
In 32A ist das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den dritten und vierten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 (siehe 19A bis 19C) im dritten oder vierten Quadranten (oder beiden) vorhanden ist. Weiterhin ist in 32B das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den ersten Quadranten und den zweiten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im ersten oder zweiten Quadranten (oder beiden) vorhanden ist. Weiterhin ist in 32C das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den zweiten und dritten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im zweiten oder dritten Quadranten (oder beiden) vorhanden ist. Weiterhin ist in 32D das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den ersten Quadranten und den vierten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im ersten oder vierten Quadranten (oder beiden) vorhanden ist.
Weiterhin ist in 33A das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den ersten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im ersten Quadranten vorhanden ist. Weiterhin ist in 33B das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den zweiten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im zweiten Quadranten vorhanden ist. Weiterhin ist in 33C das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den dritten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im dritten Quadranten vorhanden ist. Weiterhin ist in 33D das Lichtabschirmelement 3 so angeordnet, dass es den vierten Quadranten vollständig abdeckt. Eine solche Anordnung ist wirksam, wenn der unnötige zweite optische Bildabschnitt B3 im vierten Quadranten vorhanden ist.
Die Effekte, die durch die lichtemittierende Vorrichtung 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit der obigen Konfiguration erzielt werden, werden beschrieben. Im Laserelement 2A weist die mit der aktiven Schicht 12 optisch gekoppelte Phasenmodulationsschicht 15A die Basisschicht 15a und eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b auf, die von denen der Basisschicht 15a verschiedene Brechungsindizes aufweisen. In jedem Einheitsfeld R, das ein virtuelles Quadratgitter bildet, ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b vom Gitterpunkt O (der Mittelpunkt des Einheitsfeldes Rno) entfernt und die Richtung eines Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1 für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 15b individuell festgelegt. In diesem Fall ändert sich die Phase eines Strahls entsprechend der Richtung eines Vektors vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G1, d.h. der Winkellage des Schwerpunktes G1 um den Gitterpunkt O. Das heißt, nur durch eine Änderung der Position des Schwerpunktes G1 ist es möglich, die Phase der von den modifizierten Brechungsindexbereichen 15b emittierten Strahlen zu steuern, und das insgesamt gebildete Strahlmuster kann eine gewünschte Form aufweisen.
Das heißt, das Laserelement 2A ist ein S-iPM-Laser und kann ein optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche 2b und einer geneigten Richtung, die eine vorbestimmte Neigung und einen Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aufweist, ausgeben. Darüber hinaus ist in dieser lichtemittierenden Vorrichtung 1A das Lichtabschirmelement 3 so vorgesehen, dass es mindestens die Achse (d.h. die Z-Achse) orthogonal zur Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche 2b überlappt und das gewünschte optische Bild durch sie hindurchgehen lässt und das Licht nullter Ordnung B1 abschirmt. Dadurch kann das Licht nullter Ordnung B1 von der Ausgabe des S-iPM-Lasers entfernt werden.
Wenn das optische Bild den ersten optischen Bildabschnitt B2 und den zweiten optischen Bildabschnitt B3 enthält, kann das Lichtabschirmelement 3 ferner den zweiten optischen Bildabschnitt B3 wie in der vorliegenden Ausführungsform weiter abschirmen. Wenn der erste optische Bildabschnitt B2 ein gewünschtes optisches Bild ist, können somit auch unnötige zweite optische Bildabschnitte B3 effektiv entfernt werden.
Weiterhin kann das Lichtabschirmelement 3, wie in dieser Ausführungsform, ein lichtabsorbierendes Material enthalten. Wenn das Lichtabschirmelement 3 das Licht nullter Ordnung B1 reflektiert, tritt das reflektierte Licht wieder in das Laserelement 2A ein, was den Betrieb innerhalb des Laserelements 2A beeinträchtigen kann. Durch die Aufnahme eines lichtabsorbierenden Materials in das Lichtabschirmelement 3 ist es möglich, das Licht nullter Ordnung B1 zu absorbieren und zu verhindern, dass das Licht nullter Ordnung B1 wieder in das Laserelement 2A gelangt.
(Erste Änderung)
34 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15B gemäß einer Änderung der oben beschriebenen Ausführungsform. Zusätzlich zur Konfiguration der Phasenmodulationsschicht 15A der oben beschriebenen Ausführungsform enthält die Phasenmodulationsschicht 15B der vorliegenden Änderung weiterhin eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15c. Jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche 15c enthält eine periodische Struktur und besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem anderen Brechungsindex als dem des ersten Brechungsindexmediums der Basisschicht 15a. Der modifizierte Brechungsindexbereich 15c wird in Eins-zu-Eins-Entsprechung mit dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b bereitgestellt. Der Schwerpunkt G2 des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c fällt mit dem Gitterpunkt O (der Mittelpunkt jedes der Einheitsfelder R) eines virtuellen Quadratgitters zusammen. Die planare Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c ist beispielsweise kreisförmig. Wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15c ein Loch sein oder durch Einbetten eines Verbindungshalbleiters in das Loch gebildet werden. So können beispielsweise auch bei der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht wie bei der vorliegenden Änderung die Auswirkungen der oben beschriebenen Ausführungsform angemessen dargestellt werden.
(Zweite Änderung)
35A bis 35C und 36A bis 36B sind Draufsichten, die Beispiele für Formen in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b veranschaulichen. In dem in 35A dargestellten Beispiel (Muster 1 bis 5) weist die Form in der X-Y-Ebene des modifizierten Brechungsindexbereiches 15b eine Rotationssymmetrie auf. Das heißt, die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereiches in der X-Y-Ebene ist ein perfekter Kreis (Muster 1), ein Quadrat (Muster 2), ein regelmäßiges Sechseck (Muster 3), ein regelmäßiges Achteck (Muster 4) oder ein regelmäßiges Sechzehneck (Muster 5). Im Vergleich zu einer rotationsasymmetrischen Figur hat die Figur der 35A auch bei einer Verschiebung des Musters in Drehrichtung weniger Einfluss, so dass eine sehr genaue Musterung möglich ist.
In dem in 35B dargestellten Beispiel (Muster 1 bis 3) weist die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereiches in der X-Y-Ebene eine Spiegelbild-Symmetrie (Liniensymmetrie) auf. Das heißt, die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereiches in der X-Y-Ebene ist ein Rechteck (Muster 1), eine Ellipse (Muster 2), eine Form, in der sich zwei Kreise oder ein Teil einer Ellipse überlappen (Muster 3). Der Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters liegt außerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche.
Im Vergleich zu einer rotationsasymmetrischen Figur kann die Figur in 35B die Position des Liniensegments als liniensymmetrische Referenz deutlich erkennen, so dass eine sehr genaue Musterung möglich ist.
In den Beispielen (Muster 1 bis 3), die in 35C dargestellt sind, ist die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereiches in der X-Y-Ebene trapezförmig (Muster 1), eine Form, in der die Abmessung in der Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang der Längsachse einer Ellipse so verformt wird, dass sie kleiner ist als die Abmessung der Kurzachse in der Nähe des anderen Endabschnitts (Eiertyp: Muster 2), oder eine Form, in der ein Endabschnitt entlang der Längsachse einer Ellipse zu einem geschärften Endabschnitt verformt wird, der entlang der Langachsenrichtung vorsteht (Tränentyp: Muster 3). Der Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters liegt außerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche. Selbst bei der Figur der 35C kann die Phase eines Strahls durch die Position des Schwerpunkts des modifizierten Brechungsindexbereichs verändert werden, der vom Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters um einen Abstand r verschoben wird.
In dem in 36A dargestellten Beispiel (Muster 1 bis 3) weist die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereiches in der X-Y-Ebene eine Spiegelbild-Symmetrie (Liniensymmetrie) auf. Das heißt, die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereichs in der X-Y-Ebene ist ein Rechteck (Muster 1), eine Ellipse (Muster 2), eine Form, in der sich zwei Kreise oder ein Teil einer Ellipse überlappen (Muster 3). Die Gitterpunkte O des virtuellen Quadratgitters befinden sich innerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche.
Im Vergleich zu einer rotationsasymmetrischen Figur kann die Figur in 36A die Position des Liniensegments als liniensymmetrische Referenz deutlich erkennen, so dass eine hochgenaue Musterung möglich ist. Da der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und der Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereiches klein ist, ist es außerdem möglich, das Auftreten von Rauschen des Strahlmusters zu reduzieren.
In den Beispielen (Proben 1 bis 4), die in 36B dargestellt sind, ist die Form jedes modifizierten Brechungsindexbereichs in der X-Y-Ebene ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck (Muster 1), ein Trapez (Muster 2), eine Form, in der die Abmessung in Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang der Längsachse einer Ellipse so verformt ist, dass sie kleiner ist als die Abmessung in Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts (Eiertyp: Muster 3), oder eine Form, in der ein Endabschnitt entlang der Längsachse einer Ellipse zu einem geschärften Endabschnitt verformt wird, der entlang der Längsrichtung vorsteht (Tränentyp: Muster 4). Die Gitterpunkte O des virtuellen Quadratgitters befinden sich innerhalb dieser modifizierten Brechungsindexbereiche. Selbst bei der Figur der 36B kann die Phase eines Strahls durch die Position des Schwerpunkts des modifizierten Brechungsindexbereiches geändert werden, der vom Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters um den Abstand r verschoben wird. Da der Abstand r zwischen dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters und der Position des Schwerpunktes des modifizierten Brechungsindexbereiches klein ist, ist es außerdem möglich, das Auftreten von Rauschen des Strahlmusters zu reduzieren.
(Dritte Änderung)
37 veranschaulicht eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 1B gemäß einer dritten Änderung. Die lichtemittierende Vorrichtung 1B enthält ein Trägersubstrat 6, eine Vielzahl von Laserelementen 2A, die ein- oder zweidimensional auf dem Trägersubstrat 6 angeordnet sind, ein Lichtabschirmelement 3B, das gegenüber einer Vielzahl der Laserelemente 2A angeordnet ist, und eine Antriebsschaltung 4 zum individuellen Betreiben einer Vielzahl der Laserelemente 2A. Die Konfiguration jedes Laserelements 2A ist die gleiche wie die der oben beschriebenen Ausführungsform. Allerdings enthält jedes aus einer Vielzahl der Laserelemente 2A ein Laserelement, das ein optisches Bild im roten Wellenlängenbereich ausgibt, ein Laserelement, das ein optisches Bild im blauen Wellenlängenbereich ausgibt, oder ein Laserelement, das ein optisches Bild im grünen Wellenlängenbereich ausgibt. Das Laserelement zur Ausgabe des optischen Bildes im roten Wellenlängenbereich enthält beispielsweise einen GaAsbasierten Halbleiter. Das Laserelement, das ein optisches Bild im blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und das Laserelement, das ein optisches Bild im grünen Wellenlängenbereich ausgibt, beinhalten beispielsweise einen Nitridhalbleiter. Die Antriebsschaltung 4 ist auf der Rückseite oder der Innenseite des Trägersubstrats 6 vorgesehen und betreibt die jeweiligen Laserelemente 2A einzeln. Die Antriebsschaltung 4 liefert jedem der Laserelemente 2A gemäß einem Befehl der Steuerschaltung 7 einen Treibstrom.
Das Lichtabschirmelement 3B ist ein plattenförmiges Element, das so vorgesehen ist, dass es mindestens eine Vielzahl von Achsen (Z-Achse) überlappt, die orthogonal zueinander an einer Position des Schwerpunktes jeder der lichtemittierenden Oberflächen 2b einer Vielzahl der Laserelemente 2A liegen. Das heißt, in der vorliegenden Änderung sind die gleiche Anzahl von Lichtabschirmelementen 3, wie in 1 dargestellt, als eine Vielzahl der Laserelemente 2A angeordnet, und diese Lichtabschirmelemente 3 werden integriert um das Lichtabschirmelement 3B zu bilden. Das Lichtabschirmelement 3B kann in ein Gehäuse integriert werden, das das Trägersubstrat 6 aufnimmt. Ähnlich wie das Lichtabschirmelement 3 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durchläuft das Lichtabschirmelement 3B den ersten optischen Bildabschnitt B2 und schirmt das Licht nullter Ordnung B1 unter den von den jeweiligen Laserelementen 2A emittierten optischen Bildern ab. Darüber hinaus kann das Lichtabschirmelement 3B unnötige zweite optische Bildabschnitte B3 weiter abschirmen.
Wie in der vorliegenden Änderung kann das Lichtabschirmelement 3B auf einer Vielzahl der einzeln angesteuerten Laserelemente 2A vorgesehen sein, und aus jedem Laserelement 2A kann nur das gewünschte optische Bild entnommen werden. In diesem Fall ist es möglich, ein Head-Up-Display oder dergleichen durch entsprechendes Betreiben der benötigten Elemente für ein Modul zu realisieren, in dem lichtemittierende Halbleiterelemente, die einer Vielzahl von Mustern entsprechen, im Voraus ausgerichtet werden. Weiterhin, wie in der vorliegenden Änderung, wenn eine Vielzahl der Laserelemente 2A ein Laserelement, das ein optisches Bild in einem roten Wellenlängenbereich ausgibt, ein Laserelement, das ein optisches Bild in einem blauen Wellenlängenbereich ausgibt, oder ein Laserelement, das ein optisches Bild in einem grünen Wellenlängenbereich ausgibt, enthält, kann ein Farb-Head-Up-Display oder dergleichen in geeigneter Weise realisiert werden.
Das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß dieser Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann vielfältig verändert werden. So wird beispielsweise in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen ein Laserelement aus einem Verbindungshalbleiter auf GaAs-, InP- und Nitridbasis (insbesondere GaN-Basis) exemplarisch dargestellt, wobei die vorliegende Erfindung auf ein Laserelement anwendbar ist, das von verschiedenen von diesen unterschiedlichen Halbleitermaterialien hergestellt ist.
Bezugszeichenliste
1A, 1B .... lichtemittierende Vorrichtung; 2A .... Laserelement; 2b .... lichtemittierende Oberfläche; 3 .... Lichtabschirmelement; 3B ... Lichtabschirmelement; 3c Kante; 4 ... Antriebsschaltung; 6 . Trägersubstrat; 7 ... Steuerschaltung; 10 ... Halbleitersubstrat; 11, 13... Mantelschicht; 12 ... aktive Schicht; 14 ... Kontaktschicht; 15A, 15B ... Phasenmodulationsschicht; 15a ... Basisschicht; 15b, 15c ... modifizierter Brechungsindexbereich; 16, 17 .... Elektrode; 17a ... Öffnung; 18 ... Schutzfilm; 19 ... Antireflexionsfilm; B1 ... Licht nullter Ordnung; B2 ... erster optischer Bildabschnitt; B3 ... zweiter optischer Bildabschnitt; G1, G2 ... Schwerpunkt; O ... Gitterpunkt; und R ... Einheitsfeld.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Kurosaka et al. offenbart: „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure“, Opt. Express 20, 21773 -21783 (2012) [0016]
K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010)“ [0080]

Claims

Eine lichtemittierende Vorrichtung, umfassend: ein lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer lichtemittierenden Oberfläche und konfiguriert, um ein optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche und einer geneigten Richtung, die eine vorbestimmte Neigung und einen Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung aufweist, auszugeben; und ein Lichtabschirmelement, das so angeordnet ist, dass eine Achse, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche ist, einen Teil des Lichtabschirmelements kreuzt, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten, die die aktive Schicht umschließen, und eine Phasenmodulationsschicht enthält, die zwischen der aktiven Schicht und einer der beiden Mantelschichten vorgesehen und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, das Lichtabschirmelement so angeordnet ist, dass es ein spezifisches optisches Bild unter den optischen Bildern, das in der geneigten Richtung ausgegeben wird, durchläuft und Licht nullter Ordnung, das in einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche ausgegeben wird, abschirmt, die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen aufweist, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, und die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass: wenn in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Z-Achse, die mit der Normalenrichtung übereinstimmt, und eine X-Y-Ebene mit X- und Y-Achsen definiert ist, die orthogonal zueinander sind und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht, die eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, übereinstimmen, ein virtuelles Quadratgitter, das aus M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) x N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitsfeldern R mit jeweils einer quadratischen Form besteht, auf der X-Y-Ebene festgelegt ist, in dem Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene, das durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches, der sich in dem Einheitsfeld R (x, y) befindet, von einem Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist, der der Mittelpunkt des Einheitsfeldes R (x, y) ist, und ein Vektor vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.
Die lichtemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei, wenn eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters mit a bezeichnet wird, ein Abstand r zwischen dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches, der sich in dem Einheitsfeld R (x, y) befindet, und dem Gitterpunkt O (x, y) 0 ≤ r ≤ 0.3a erfüllt.
Die lichtemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei in einem Zustand des Erfüllens der folgenden ersten bis sechsten Bedingung: die erste Bedingung definierte, dass die Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eine durch die folgenden Formeln (1) bis (3) dargestellte Beziehung in Bezug auf sphärische Koordinaten (d1, θ_tilt, θ_rot), die durch eine Länge d1 eines Bewegungsradius, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der auf der X-Y-Ebene spezifizierten X-Achse definiert werden, erfüllen: $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 sin θ_{t i l t}$
die zweite Bedingung definierte, dass ein Zulassen eines Strahlmusters, das dem optischen Bild, das vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird, entspricht, ein Satz von hellen Punkten ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert sind, wobei die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse, der eine durch die folgende Formel (4) definierte normierte Wellenzahl ist, und einen Koordinatenwert k_y auf einer der Y-Achse entsprechenden und zur Kx-Achse orthogonalen Ky-Achse, der eine durch die folgende Formel (5) definierte spezifische Wellenzahl ist, umgewandelt werden: $k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
a: Gitterkonstante des vertikalen Quadratgitters A: Schwingungswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements die dritte Bedingung definierte, dass ein bestimmter das Strahlmuster enthaltender Wellenzahlbereich M2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildbereiche FR enthält, die jeweils eine quadratische Form in einem Wellenzahlenraum aufweisen und durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definiert sind, die vierte Bedingung definierte, dass im Wellenzahlraum eine komplexe Amplitude F (x, y), die erhalten wird, indem eine zweidimensionale inverse FourierTransformation durchgeführt wird, um jeden der Bildbereiche FR (k_x, k_y), die durch eine Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M2 oder weniger) in der Kx-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N2 oder weniger) in der Ky-Achsenrichtung spezifiziert werden, zum Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene zu transformieren, durch die folgende Formel (6) ausgedrückt wird, wobei j eine imaginäre Einheit ist: $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
die fünfte Bedingung definierte, dass die komplexe Amplitude F (x, y) durch die folgende Formel (7) definiert wird, während ein Amplituden-Term durch A (x, y) und ein Phasen-Term durch P (x, y) in dem Einheitsfeld R (x, y) bezeichnet werden: $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
die sechste Bedingung definierte, dass das Einheitsfeld R (x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert ist, die parallel zur X-Achse und der Y-Achse und orthogonal am Gitterpunkt O (x, y) sind, die Phasenmodulationsschicht so konfiguriert ist, dass: in einem Zustand, in dem eine Liniensegmentlänge r (x, y) vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiches auf einen gemeinsamen Wert in jedem der M1 × N1-Einheitsfelder R festgelegt ist, ein Winkel φ (x, y), der durch ein den Gitterpunkt O (x, y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiches verbindendes Liniensegment gebildet wird, und die s-Achse eine durch die folgende Formel ausgedrückte Beziehung erfüllen: $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$
C: proportionale Konstante B: beliebige Konstante und der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich ist in dem Einheitsfeld R (x, y) angeordnet.
Die lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei, wenn ein Abstand von der lichtemittierenden Oberfläche zu dem Lichtabschirmelement mit z bezeichnet wird, ein Abstand von der Achse zu einer nächsten Endkante des Lichtabschirmelements auf einer Referenzebene, die die Achse enthält, durch Wa bezeichnet wird, eine Strahlbreite von Licht nullter Ordnung an einem Punkt des Abstands z auf der Referenzfläche durch W_z bezeichnet wird, eine Breite der auf der Referenzebene definierten lichtemittierenden Oberfläche durch L bezeichnet wird, ein Winkel, der durch die axiale Linienseitenkante des spezifischen optischen Bildes und die Achse auf der Referenzebene gebildet wird, durch θ_PB bezeichnet wird und eine Emissionswellenlänge der aktiven Schicht durch λ bezeichnet wird, der Abstand z länger als z_sh ist, der durch die folgende Formel (8) definiert wird: $z_{s h} = \frac{W_{z} + L}{2 tan θ_{P B}}$
der Abstand Wa länger als eine Hälfte von W_z ist, die durch die folgende Formel (9) definiert wird: $\begin{matrix} W_{Z} = \frac{4 λ}{π L} z & (wo z \geq z_{0}) \\ W_{Z} = \sqrt{2} L & (wobei z < z_{0}) \end{matrix}$
Z₀ der Formel (9) ist ein Zahlenwert, der durch die folgende Formel (10) definiert wird: $z_{0} = \frac{π}{λ} {(\frac{L}{2})}^{2}$
Die lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei das optische Bild einen ersten optischen Bildabschnitt enthält, der in einer ersten Richtung auszugeben ist, die in Bezug auf die Achse geneigt ist, und einen zweiten optischen Bildabschnitt, der in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die symmetrisch zu der ersten Richtung in Bezug auf die Achse und rotationssymmetrisch zu dem ersten optischen Bildabschnitt in Bezug auf die Achse ist, und das Lichtabschirmelement angeordnet ist, um den zweiten optischen Bildabschnitt weiter abzuschirmen.
Die lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, worin das Lichtabschirmelement ein lichtabsorbierendes Material enthält.
Eine lichtemittierende Vorrichtung, umfassend: eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils eine lichtemittierende Oberfläche aufweisen und konfiguriert sind, um ein optisches Bild mit einer beliebigen Form entlang einer Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche und einer geneigten Richtung mit einer vorbestimmten Neigung und einem Spreizwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung auszugeben, ein Lichtabschirmelement, das so angeordnet ist, dass ein Teil des Lichtabschirmelements jede der Achsen, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche eines jeden aus einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche sind, schneidet, eine Antriebsschaltung, die konfiguriert ist, um eine Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente einzeln zu betreiben, und ein Lichtabschirmelement, das so angeordnet ist, dass ein Teil des Lichtabschirmelements eine Achse, die an einer Position des Schwerpunktes der lichtemittierenden Oberfläche orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche ist, schneidet, wobei jedes aus einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente eine aktive Schicht, ein Paar Mantelschichten, die die aktive Schicht umschließen, und eine Phasenmodulationsschicht enthält, die zwischen der aktiven Schicht und einer der beiden Mantelschichten vorgesehen und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, das Lichtabschirmelement so angeordnet ist, dass es ein bestimmtes optisches Bild unter den optischen Bildern, das in der geneigten Richtung ausgegeben wird, durchläuft und Licht nullter Ordnung abschirmt, das jeweils in der Normalenrichtung der lichtemittierenden Oberfläche ausgegeben wird, in jedem einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen aufweist, die jeweils einen von einem Brechungsindex der Basisschicht verschiedenen Brechungsindex aufweisen, und die Phasenmodulationsschicht in jedem einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente so konfiguriert ist, dass: wenn in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine mit der Normalenrichtung übereinstimmende Z-Achse und eine X-Y-Ebene mit X- und Y-Achsen, die orthogonal zueinander sind und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmen, die eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, definiert ist, ein virtuelles Quadratgitter mit M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitsfeldern R, die jeweils eine quadratische Form aufweisen, auf der X-Y-Ebene festgelegt ist, in dem Einheitsfeld R (x, y) auf der X-Y-Ebene, das durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereiches, der sich in dem Einheitsfeld R (x, y) befindet, von einem Gitterpunkt O (x, y) entfernt ist, der der Mittelpunkt des Einheitsfeldes R (x, y) ist, und ein Vektor vom Gitterpunkt O (x, y) zum Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.
Die lichtemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 7, worin jedes aus einer Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente ein lichtemittierendes Halbleiterelement enthält, das konfiguriert ist, um das optische Bild in einem roten Wellenlängenbereich auszugeben, das konfiguriert ist, um das optische Bild in einem blauen Wellenlängenbereich auszugeben, oder das konfiguriert ist, um das optische Bild in einem grünen Wellenlängenbereich auszugeben.