DE112018001622T5

DE112018001622T5 - Lichtemittierendes halbleitermodul und steuerungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112018001622T5
Application number: DE112018001622.6T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Sugiyama; Yuu Takiguchi; Yoshitaka Kurosaka; Kazuyoshi Hirose; Yoshiro Nomoto; Soh UENOYAMA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2020-01-16
Also published as: WO2018181204A1; CN110383609A; JP6979059B2; JPWO2018181204A1

Abstract

Ein lichtemittierendes Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils Licht mit einem gewünschten Strahlenprojektionsmuster ausgeben; und ein Trägersubstrat, das die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen hält. Jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen umfasst eine Phasenmodulationsschicht, die konfiguriert ist, um ein Zielstrahlenprojektionsmuster in einem Zielstrahlenprojektionsbereich zu bilden. Die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen umfasst ein erstes und zweites lichtemittierendes Halbleiterelement, die sich mit Bezug auf eine Strahlenprojektionsrichtung und/oder das Zielstrahlenprojektionsmuster und/oder eine Lichtemissionswellenlänge unterscheiden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleitermodul und ein Steuerverfahren dafür.
Stand der Technik
Ein in Patentdokument 1 beschriebenes lichtemittierendes Halbleiterelement umfasst eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht weist eine Basisschicht und mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche auf, die in der Basisschicht angeordnet sind. Das lichtemittierende Halbleiterelement, das in Patentdokument 1 beschrieben ist, gibt Licht mit einem Strahlmuster (Strahlenprojektionsmuster) aus, das einem Anordnungsmuster einer Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche entspricht. Das heißt, das Anordnungsmuster der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche wird gemäß dem Zielstrahlmuster eingestellt. Das Patentdokument 1 beschreibt auch ein Anwendungsbeispiel eines solchen lichtemittierenden Halbleiterelements. In dem zuvor beschriebenen Anwendungsbeispiel ist eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils unterschiedliche Richtungen von Laserstrahlen ausgeben, auf einem Trägersubstrat eindimensional oder zweidimensional angeordnet. Ferner ist das obige Anwendungsbeispiel derart konfiguriert, dass ein Objekt von einem Laserstrahl abgetastet wird, in dem die Vielzahl der angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelemente nacheinander bestrahlt werden. Das obige Anwendungsbeispiel wird zur Messung eines Abstands zu einem Objekt, zur Laserbearbeitung des Objekts und dergleichen durch Abtasten des Objekts mit einem Laserstrahl verwendet.
Zitationsliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: WO 2016/148075 A
Nichtpatentliteratur

Nicht-Patentdokument 1: Y. Kurosaka et al., „Effects of non-lasing band in twodimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure", Opt. Express 20, 21773-21783 (2012).
Nicht-Patentdokument 2: K. Sakai et al., „Coupled Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Laser with TE Polarization", IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010).
Nicht-Patentdokument 3: Peng et al., „Coupled-wave analysis for photonic-crystal surfaceemitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls", Optics Express Vol. 19, Nr. 24, S. 24672-24686 (2011).

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Als Ergebnis der Untersuchung des obigen Stands der Technik haben die Erfinder das folgende Problem herausgefunden. Das heißt, das in Patentdokument 1 beschriebene lichtemittierende Halbleiterelement ist ein Element, das verschiedene Anwendungen ermöglicht, wobei jedoch die in dem Patentdokument 1 beschriebenen Anwendungsbeispiele extrem begrenzt sind. Daher besteht ein Bedarf an einem lichtemittierenden Halbleitermodul, das einen Anwendungsbereich des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements erweitern kann.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das zuvor beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein lichtemittierendes Halbleitermodul und ein Steuerverfahren dafür bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Anwendungsbereich des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements zu erweitern.
Lösung des Problems
Ein lichtemittierendes Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente und ein Trägersubstrat, das konfiguriert ist, um die mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente zu halten. Jedes der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente weist eine erste Fläche, von der Licht ausgegeben wird, und eine zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche auf. Das Trägersubstrat weist eine dritte Fläche, eine vierte Fläche gegenüber der dritten Fläche und mehrere Antriebselektroden auf, die jeweils der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen entsprechen und auf der dritten Oberfläche angeordnet sind. Die mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente werden in einem Zustand auf der dritten Oberfläche angeordnet, in dem die zweiten Flächen der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente und die dritte Fläche einander zugewandt sind, wobei die mehreren Antriebselektroden dazwischen angeordnet sind.
Jedes der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente umfasst eine aktive Schicht, eine Phasenmodulationsschicht, eine erste Mantelschicht, eine zweite Mantelschicht, eine erste oberflächenseitige Elektrode und eine zweite oberflächenseitige Elektrode. Die aktive Schicht ist zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet. Die Phasenmodulationsschicht ist eine Schicht, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Darüber hinaus umfasst die Phasenmodulationsschicht einen Basisbereich mit einem ersten Brechungsindex und mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen, die in dem Basisbereich vorgesehen sind und einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Die erste Mantelschicht ist auf einer Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche mit Bezug auf eine Stapelstruktur positioniert ist, die mindestens die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht umfasst. Die zweite Mantelschicht ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf die Stapelstruktur angeordnet ist. Die erste oberflächenseitige Elektrode ist auf einer Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche in Bezug auf die erste Mantelschicht angeordnet ist. Die zweite oberflächenseitige Elektrode ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche in Bezug auf eine zweite Mantelschicht angeordnet ist. Darüber hinaus ist die zweite oberflächenseitige Elektrode elektrisch mit einer entsprechenden Antriebselektrode unter der Vielzahl von Antriebselektroden verbunden.
Ferner sind die mehreren modifiziertem Brechungsindexbereiche an einer vorbestimmten Position im Basisbereich gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt an einer um einen vorbestimmten Abstand von jedem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter im Basisbereich verschobenen Position positioniert ist. Das Anordnungsmuster ist so eingestellt, dass ein Strahlenprojektionsmuster des Lichts, das von der ersten Oberfläche ausgegeben wird, und ein Strahlenprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlenprojektionsmusters ist, jeweils mit einem Zielstrahlenprojektionsmuster und einem Zielstrahlenprojektionsbereich übereinstimmen, wenn ein Treiberstrom von einer entsprechenden Antriebselektrode zugeführt wird.
Insbesondere unterscheiden sich wenigstens ein erstes lichtemittierendes Halbleiterelement und ein zweites lichtemittierendes Halbleiterelement der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente in Bezug auf wenigstens eine Konfiguration der folgenden ersten bis dritten Konfiguration. In der ersten Konfiguration unterscheidet sich eine Strahlenprojektionsrichtung, die durch eine Bewegungsrichtung des Lichts in Richtung des Zielstrahlenprojektionsbereichs definiert wird, zwischen dem ersten und dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass ein Zielstrahlenprojektionsbereich des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und ein Zielstrahlenprojektionsbereich des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements im Wesentlichen übereinstimmen. Die zweite Konfiguration ist durch eine Differenz zwischen einem Zielstrahlenprojektionsmuster des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und einem Zielstrahlenprojektionsmuster des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements definiert. Die dritte Konfiguration ist durch eine Differenz zwischen einer Lichtemissionswellenlänge des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und einer Lichtemissionswellenlänge des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements definiert.
Ein Steuerverfahren für ein lichtemittierendes Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform steuert mit Hilfe einer Treiberschaltung einzeln eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen des lichtemittierenden Halbleitermoduls mit der zuvor beschriebenen Struktur. Bei einer bestimmten Antriebssteuerung werden beispielsweise ein oder mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente als zu steuernde Objekte ausgewählt, wobei der Betrieb der entsprechenden ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente einzeln durch die Treiberschaltung gesteuert werden. Im Übrigen umfasst das einzelne Steuern durch die Treiberschaltung zudem eine Steuerung, bei der die entsprechenden ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente gleichzeitig gesteuert werden. Darüber hinaus erfolgt die Steuerung durch die Treiberschaltung nach individuell für die jeweils ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente eingestellten Steuerungsmustern. Das Steuermuster umfasst Informationen, in denen ein Antriebszeitpunkt und/oder eine Antriebszeit eines jeden der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente entlang einer Zeitachse definiert ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, ein lichtemittierendes Halbleitermodul und ein Steuerverfahren dafür bereitzustellen, die in der Lage sind, den Anwendungsbereich des in Patentdokument 1 beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelements weiter zu erweitern.
Figurenliste

1 zeigt eine Ansicht eines lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform, aus Sicht einer ersten Oberflächenseite eines lichtemittierenden Halbleiterelements.
2 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform, aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats.
3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie III-III, in sowohl 1 als auch 2.
4 zeigt eine schematische Ansicht zur Beschreibung eines Anordnungsmusters (in einem Rotationssystem) eines modifizierten Brechungsindexbereichs in einer Phasenmodulationsschicht.
5 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs und einem Gitterpunkt O in einem virtuellen Quadratgitter als ein Beispiel des Anordnungsmusters, das durch das Rotationssystem bestimmt wird.
6 zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einem Zielstrahlenprojektionsmuster (optisches Bild) von Licht, das aus dem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird, und einer Drehwinkelverteilung in der Phasenmodulationsschicht.
7A bis 7D zeigen Ansichten eines Beispiels des Zielstrahlenprojektionsmusters in dem lichtemittierenden Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform und einer Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverse Fourier-Transformation eines Originalmusters, das dieser entspricht, erhalten wird.
8 zeigt ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung, die das lichtemittierende Halbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform enthält.
9 zeigt eine Ansicht eines lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform, aus Sicht einer ersten Oberflächenseite eines lichtemittierenden Halbleiterelements.
10 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß der zweiten Ausführungsform aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats.
11 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie X-X in sowohl 9 als auch 10.
12A bis 12F zeigen Ansichten eines Beispiels eines Zielstrahlenprojektionsmusters in dem lichtemittierenden Halbleitermodul gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform und eine Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverse Fourier-Transformation eines Originalmusters, das dieser entspricht, erhalten wird.
13A bis 13F zeigen Ansichten eines Beispiels des Zielstrahlenprojektionsmusters in dem lichtemittierenden Halbleitermodul gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform, die sich von denen der 12A bis 12F unterscheiden, und eine Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverse Fourier-Transformation eines originalen Musters, das dieser entspricht, erhalten wird.
14 zeigt ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul gemäß der zweiten Ausführungsform.
15 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform aus Sicht einer ersten Oberflächenseite eines lichtemittierenden Halbleiterelements.
16 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats.
17 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XVI-XVI in 15 und 16.
18 zeigt ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung mit einem lichtemittierenden Halbleitermodul gemäß der dritten Ausführungsform.
19 zeigt eine Ansicht eines lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß einer vierten Ausführungsform aus Sicht einer ersten Oberflächenseite eines lichtemittierenden Halbleiterelements.
20 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls gemäß der vierten Ausführungsform aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats.
21 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XX-XX in 19 und 20.
22A-22J zeigen Ansichten eines Beispiels (in dem Rotationssystem) einer Form, die keine 180°-Drehsymmetrie unter den Formen eines modifizierten Brechungsindexbereichs in einer X-Y-Ebene aufweist.
23 zeigt eine Ansicht eines ersten modifizierten Beispiels der Phasenmodulationsschicht in 4.
24 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt eines modifizierten Brechungsindexbereichs (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) und einem gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich in dem Fall, in dem zusätzlich zu dem modifizierten Brechungsindexbereich (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) der gitterpunktmodifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird, als weiteres Beispiel des Anordnungsmusters, das durch das Rotationssystem bestimmt wird.
25A-25K zeigen Ansichten eines Beispiels (in dem Rotationssystem) einer Kombination des modifizierten Brechungsindexbereichs (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) und dem gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich in dem Fall, in dem zusätzlich zu dem modifizierten Brechungsindexbereich (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
26 zeigt eine Ansicht eines modifizierten Beispiels (in dem Rotationssystem) in dem Fall, in dem zusätzlich zu dem modifizierten Brechungsindexbereich (verschobener modifizierter Brechungsindexbereich) der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
27 zeigt eine Ansicht eines zweiten modifizierten Beispiels der Phasenmodulationsschicht in 4.
28 zeigt eine schematische Ansicht zur Beschreibung eines Anordnungsmusters (im axialen Verschiebungssystem) eines modifizierten Brechungsindexbereichs in einer Phasenmodulationsschicht.
29 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen einem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs und einem Gitterpunkt O in dem virtuellen Quadratgitter als ein Beispiel des Anordnungsmusters, das durch das axiale Verschiebungssystem bestimmt wird.
30 zeigt eine Draufsicht eines Beispiels, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur nur in einem bestimmten Bereich einer Phasenmodulationsschicht verwendet wird, als erstes modifiziertes Beispiel der Phasenmodulationsschicht der 28.
31A und 31B zeigen Ansichten zur Beschreibung von Punkten, die zu beachten sind, wenn eine Phasenwinkelverteilung aus einem Ergebnis einer inversen Fourier-Transformation eines Zielstrahlenprojektionsmusters (optisches Bild) erhalten wird, um die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs zu bestimmen.
32A und 32B zeigen Ansichten eines Beispiels eines Strahlenprojektionsmusters, das aus einem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird und einer Lichtintensitätsverteilung (Diagramm) in einem Querschnitt, der eine Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements schneidet und eine Achse senkrecht zur Lichtemissionsfläche umfasst.
33A und 33B zeigen Phasenverteilungen, die dem Strahlenprojektionsmuster in 32A und einer vergrößerten Teilansicht davon entsprechen.
34 zeigt eine Ansicht, die konzeptionell ein Beispiel für ein Strahlenprojektionsmuster einer sich bewegenden Welle in jede Richtung darstellt. In diesem Beispiel ist ein Neigungswinkel einer Geraden L mit Bezug auf die X-Achse und die Y-Achse auf 45° eingestellt.
35A und 35B zeigen Ansichten des Rotationssystems zum Drehen des modifizierten Brechungsindexbereichs um den Gitterpunkt als das Verfahren zur Bestimmung des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs, und der sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL.
36A und 36B zeigen Ansichten, die das axiale Verschiebungssystem zum Bewegen des modifizierten Brechungsindexbereichs auf der Achse, die mit Bezug auf das Quadratgitter durch den Gitterpunkt geneigt ist, als das Verfahren zur Bestimmung des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs, und der sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL.
37A bis 37G zeigen Ansichten eines Beispiels (in dem axialen Verschiebungssystem) einer ebenen Form des modifizierten Brechungsindexbereichs.
38A bis 38K zeigen Ansichten eines weiteren Beispiels (in dem axialen Verschiebungssystem) der ebenen Form des modifizierten Brechungsindexbereichs.
39A bis 39K zeigen Ansichten eines noch weiteren Beispiels (in dem axialen Verschiebungssystem) der ebenen Form des modifizierten Brechungsindexbereichs.
40 zeigt ein Diagramm eines zweiten modifizierten Beispiels der Phasenmodulationsschicht der 28.
41 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung der Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (d1,θ_tilt,θ_rot) auf die ((x,y,z)-Koordinaten in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Zunächst wird der Inhalt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einzeln beschrieben und aufgelistet.
(1) Gemäß einem Aspekt umfasst ein lichtemittierendes Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente und ein Trägersubstrat, das konfiguriert ist, um die mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente zu halten. Jedes der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente weist eine erste Oberfläche, von der Licht ausgegeben wird, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche auf. Das Trägersubstrat weist eine dritte Oberfläche, eine vierte Oberfläche gegenüber der dritten Oberfläche und mehrere Antriebselektroden, die jeweils den mehreren lichtemittierenden Halbleiterelementen entsprechen und auf der dritten Oberfläche angeordnet sind, auf. Die mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente werden in einem Zustand auf der dritten Oberfläche angeordnet, in dem die zweiten Flächen der mehreren lichtemittierenden Halbleiterelemente und die dritte Fläche einander zugewandt sind, wobei die mehreren Antriebselektroden dazwischen angeordnet ist.
Jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen weist eine aktive Schicht, eine Phasenmodulationsschicht, eine erste Mantelschicht, eine zweite Mantelschicht, eine erste oberflächenseitige Elektrode und eine zweite oberflächenseitige Elektrode auf. Die aktive Schicht ist zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet. Die Phasenmodulationsschicht ist eine Schicht, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Darüber hinaus umfasst die Phasenmodulationsschicht einen Basisbereich mit einem ersten Brechungsindex und eine Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche, die jeweils im Basisbereich vorgesehen sind und einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Die erste Mantelschicht ist auf einer Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche mit Bezug auf eine Stapelstruktur angeordnet ist, die wenigstens die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht umfasst. Die zweite Mantelschicht ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche mit Bezug auf die Stapelstruktur angeordnet ist. Die erste oberflächenseitige Elektrode ist auf einer Seite angeordnet, auf der die erste Oberfläche mit Bezug auf die erste Mantelschicht angeordnet ist. Die zweite oberflächenseitige Elektrode ist auf einer Seite angeordnet, auf der die zweite Oberfläche mit Bezug auf die zweite Mantelschicht angeordnet ist. Darüber hinaus ist die zweite oberflächenseitige Elektrode mit einer entsprechenden Antriebselektrode aus der Vielzahl von Antriebselektroden elektrisch verbunden.
Ferner ist jeder der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche an einer vorbestimmten Position im Basisbereich entsprechend einem Anordnungsmuster angeordnet, das so konfiguriert ist, dass ein Strahlenprojektionsmuster, das durch Licht, das von der ersten Oberfläche ausgegeben wird, dargestellt wird und ein Strahlenprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlenprojektionsmusters ist, jeweils mit einem Zielstrahlenprojektionsmuster und einem Zielstrahlenprojektionsbereich übereinstimmen, wenn ein Treiberstrom von der entsprechenden Antriebselektrode zugeführt wird.
Als erste Vorbedingung wird ein virtuelles Quadratgitter, das durch M1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskonfigurationsbereichen R mit jeweils einer Quadratform gebildet wird, auf einer X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem festgelegt, das durch eine Z-Achse, die mit der Normalenrichtung einer ersten Oberfläche übereinstimmt, definiert ist, wobei die X-Y-Ebene orthogonal zueinander stehende X- und Y-Achsen umfasst und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmt, die die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche aufweist. In diesem Zustand wird das Anordnungsmuster derart definiert, dass ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der sich im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) befindet, von einem Gitterpunkt O(x,y), der den Mittelpunkt des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) bildet, um einen Abstand r entfernt ist, und ein Vektor zeigt von dem Gitterpunkt O(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) auf der X-Y-Ebene, die durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 bis M1) in der X-Achsenrichtung und einer Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 bis N1) in einer Y-Achsenrichtung bestimmt wird, in eine bestimmte Richtung in Richtung des Schwerpunkts G1.
Insbesondere unterscheiden sich wenigstens ein erstes lichtemittierendes Halbleiterelement und ein zweites lichtemittierendes Halbleiterelement unter der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen hinsichtlich wenigstens einer Konfiguration der nachfolgenden ersten bis dritten Konfiguration voneinander. Das heißt, in der ersten Konfiguration unterscheidet sich eine Strahlenprojektionsrichtung, die durch eine Bewegungsrichtung des Lichts in Richtung des Zielstrahlenprojektionsbereichs definiert wird, zwischen dem ersten und dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass ein Zielstrahlenprojektionsbereich des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und ein Zielstrahlenprojektionsbereich des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements im Wesentlichen übereinstimmen. Die zweite Konfiguration ist durch eine Differenz zwischen einem Zielstrahlenprojektionsmuster des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und einem Zielstrahlenprojektionsmuster des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements definiert. Die dritte Konfiguration ist durch eine Differenz zwischen einer Lichtemissionswellenlänge des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und einer Lichtemissionswellenlänge des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements definiert.
(2) Gemäß einem Aspekt steuert ein Steuerverfahren für ein lichtemittierendes Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Hilfe einer Treiberschaltung einzeln eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen des lichtemittierenden Halbleitermoduls', die die zuvor beschriebene Struktur aufweisen. Bei der bestimmten Antriebssteuerung werden beispielsweise ein oder mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente aus der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen ausgewählt, und die Betriebe der jeweiligen ausgewählten Halbleiterelemente mit Hilfe der Treiberschaltung einzeln gesteuert. Im Übrigen umfasst das einzelne Steuern durch die Treiberschaltung auch das Steuern der gleichzeitigen Ansteuerung der jeweils ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente. Darüber hinaus erfolgt die Steuerung durch die Treiberschaltung entsprechend den individuell für die jeweils ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente eingestellten Steuerungsmustern. Das Steuermuster umfasst Informationen, in denen ein Antriebszeitpunkt und/oder eine Antriebszeit eines jeden der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente entlang einer Zeitachse definiert sind.
Wie zuvor beschrieben, weisen in dem lichtemittierenden Halbleitermodul und dem Steuerungsverfahren dafür gemäß der vorliegenden Ausführungsformen wenigstens zwei lichtemittierende Halbleiterelemente aus der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen wenigstens eine beliebige Konfiguration, ausgewählt aus der obigen ersten Konfiguration (wesentliche Übereinstimmung des Zielstrahlenprojektionsbereichs), der obigen zweiten Konfiguration (Nichtübereinstimmung des Zielstrahlenprojektionsmusters) und der dritten Konfiguration (Nichtübereinstimmung der Lichtemissionswellenlänge), auf. Gemäß einer solchen Konfiguration können verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) realisiert werden. Beispielsweise ist es möglich, diese für verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem eine Vielzahl von Mustern in einer geschalteten Weise im gleichen Bereich eines Bildschirms angezeigt werden, für eine Lichtquelle für ein STED Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope), für verschiedene Arten von Beleuchtungen eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, für eine Laserverarbeitung eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend mit dem gleichen Muster von gepulstem Licht bestrahlt wird, um Löcher eines Zielmusters in ein Objekt zu bohren, und dergleichen, zu verwenden.
In dem lichtemittierenden Halbleiterelement mit der zuvor beschriebenen Struktur umfasst die Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, die Basisschicht und die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche, die jeweils in der Basisschicht eingebettet sind und einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Darüber hinaus ist in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y), der das virtuelle Quadratgitter bildet, der Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs entfernt von dem Gitterpunkt O(x,y) angeordnet. Ferner wird die Richtung des Vektors von dem Gitterpunkt O zu dem Schwerpunkt G1 für jeden Einheitskonfigurationsbereich R individuell eingestellt. Bei einer solchen Konfiguration ändert sich eine Phase eines Strahls in Abhängigkeit von der Richtung des Vektors von dem Gitterpunkt O zu dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs, das heißt, eine Winkelposition um einen Gitterpunkt des Schwerpunkts G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs. Auf diese Weise ist es möglich, die Phase des Strahls, der von jedem modifizierten Brechungsindexbereich ausgegeben wird, zu steuern, indem lediglich eine Position des Schwerpunkts des modifizierten Brechungsindexbereichs geändert wird, und ein Strahlenprojektionsmuster (eine Strahlengruppe, die ein optisches Bild bildet), das insgesamt gemäß der vorliegenden Ausführungsform in eine gewünschte Form geformt ist, zu steuern. Zu diesem Zeitpunkt kann der Gitterpunkt in dem virtuellen Quadratgitter außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs angeordnet sein, und der Gitterpunkt kann innerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs angeordnet sein.
(3) Wenn gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters (die im Wesentlichen einem Gitterabstand entspricht) A ist, erfüllt vorzugsweise der Abstand r von dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der sich innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) befindet, zu dem Gitterpunkt O(x,y) die Beziehung 0 ≤ r ≤ 0,3a. Darüber hinaus umfasst ein Originalbild (ein optisches Bild vor der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation), das als das Strahlenprojektionsmuster dient, das von dem obigen lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird, vorzugsweise einen Punkt und/oder eine aus drei oder mehr Punkten bestehende Punktgruppe und/oder eine Gerade und/oder ein Kreuz und/oder eine Linienzeichnung und/oder ein Gittermuster und/oder ein Streifenmuster und/oder eine Figur und/oder ein Foto und/oder eine Computergrafik und/oder ein Symbol.
(4) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform wird als zweite Vorbedingung zusätzlich zu der ersten Vorbedingung angenommen, dass die (x,y,z)-Koordinaten in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem eine Beziehung erfüllen, die durch die nachfolgenden Formeln (1) bis (3) mit Bezug auf sphärische Koordinaten (d1,θ_tilt,θ_rot) ausgedrückt ist, die durch eine Radiuslänge d1, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse, die auf der X-Y-Ebene definiert sind, wie in 41 gezeigt, definiert sind. Im Übrigen zeigt 41 eine Ansicht zur Beschreibung der Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (d1,θ_tilt,θ_rot) zu den x,y,z-Koordinaten in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, und ein entworfenes optisches Bild auf einer vorgegebenen Ebene (Zielstrahlenprojektionsbereich), die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das den realen Raum bildet, festgelegt ist, wird durch die x,y,z-Koordinaten ausgedrückt. Wenn das Zielstrahlenprojektionsmuster, das dem optischen Bild entspricht, das aus dem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird, ein Satz heller Punkte 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, der eine durch eine folgende Formel (4) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse, und einen Koordinatenwert k_y, der eine durch eine folgende Formel (5) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der Y-Achse entsprechenden und orthogonal zu der Kx-Achse verlaufenden Ky-Achse umgewandelt. Die normierte Wellenzahl ist eine Wellenzahl, die unter der Annahme, dass eine Wellenzahl, die dem Gitterabstand des virtuellen Quadratgitters entspricht, 1,0 ist, normalisiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlraum ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das Zielstrahlenprojektionsmuster umfasst, durch M2 (eine ganze Zahl von 1 oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildbereiche FR, die jeweils eine Quadratform aufweisen, gebildet. Im Übrigen muss die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen. In ähnlicher Weise muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Darüber hinaus sind die Formel (4) und die Formel (5) beispielsweise in dem Nicht-Patentdokument 1 offenbart. $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$

a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters
A: Oszillationswellenlänge.

Als eine dritte Vorbedingung wird in dem Wellenzahlraum eine komplexe Amplitude F(x,y) durch die nachfolgende Formel (6) angegeben, wobei j eine imaginäre Einheit ist, wobei die komplexe Amplitude F(x,y) durch zweidimensionale inverse Fourier-Transformation eines jeden Bildbereichs FR(kx,ky) erhalten wird, der durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und durch die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in Ky-Achsenrichtung in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) auf der X-Y-Ebene bestimmt wird, die durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 bis M1) in der X-Achsenrichtung und der Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 bis N1) in der Y-Achsenrichtung festgelegt wird. Darüber hinaus wird die komplexe Amplitude F(x,y) durch die nachfolgende Formel (7) definiert, wenn ein Amplitudenterm A(x,y) ist und ein Phasenterm P(x,y) ist. Ferner wird als vierte Vorbedingung der Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert, die jeweils parallel zu der x-Achse und der y-Achse verlaufen und orthogonal zueinander im Gitterpunkt O(x,y) sind, der den Mittelpunkt des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) bildet. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
In der ersten bis vierten Vorbedingung wird das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche in der Phasenmodulationsschicht durch ein Rotationssystem oder ein axiales Verschiebungssystem bestimmt. Insbesondere ist bei der Bestimmung des Anordnungsmusters durch das Rotationssystem der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) angeordnet, um eine Beziehung zu erfüllen, bei der ein Winkel φ(x,y), der durch ein den Gitterpunkt O(x,y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs verbindendes Liniensegment und die s-Achse gebildet wird, wie folgt ist: $φ (x,y) = C \times P (x,y) + B$
(hierbei ist C eine Proportionalitätskonstante, beispielsweise 180°/π, und B ist eine beliebige Konstante, beispielsweise 0).
In dem lichtemittierenden Halbleiterelement, das die zuvor beschriebene Struktur aufweist, ist in der Phasenmodulationsschicht der Abstand r von dem Mittelpunkt (Gitterpunkt) eines jeden Einheitskonfigurationsbereichs, der das virtuelle Quadratgitter bildet, zu dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs über die gesamte Phasenmodulationsschicht vorzugsweise ein konstanter Wert (im Übrigen ist eine Teildifferenz im Abstand r nicht ausgeschlossen). Wenn also die Phasenverteilung (Verteilung des Phasenterms P(x,y) in der komplexen Amplitude F(x,y), die dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) zugeordnet ist) in der gesamten Phasenmodulationsschicht gleichmäßig von Null bis 2π(rad) verteilt ist, stimmt der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs mit dem Gitterpunkt des Einheitskonfigurationsbereichs R in dem Quadratgitter im Durchschnitt überein. Somit entspricht ein zweidimensional verteilter Bragg-Beugungseffekt in der obigen Phasenmodulationsschicht ungefähr einem zweidimensional verteilten Bragg-Beugungseffekt in dem Fall, in dem der modifizierte Brechungsindexbereichs auf jedem Gitterpunkt des Quadratgitters angeordnet ist, und somit ist es einfach, eine stehende Welle zu bilden, und es ist möglich, den Schwellenstrom für die Oszillation zu verringern.
(5) Andererseits befindet sich in der ersten bis vierten Vorbedingung, bei der Bestimmung des Anordnungsmusters durch das axiale Verschiebungssystem, der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der einer Geraden entspricht, die durch den Gitterpunkt O(x,y) verläuft und zur s-Achse geneigt ist, im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y). Zu diesem Zeitpunkt ist der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) so angeordnet, dass eine Beziehung erfüllt ist, bei der eine Liniensegmentlänge r(x,y) von dem Gitterpunkt O(x,y) zu dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs wie folgt ist: $r (x,y) = C \times (P (x,y) - P_{0})$
(C: eine Proportionalitätskonstante, P₀: eine beliebige Konstante, beispielsweise Null).
Der gleiche Effekt wie in dem zuvor beschriebenen Rotationssystem wird selbst dann erzielt, wenn das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs in der Phasenmodulationsschicht durch das axiale Verschiebungssystem bestimmt wird.
(6) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform stimmt die Form, die in der X-Y-Ebene definiert ist und/oder die Fläche, die auf der X-Y-Ebene definiert ist und/oder der Abstand r, der auf der X-Y-Ebene definiert ist, jeder der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche in der Phasenmodulationsschicht in wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement aus der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die das erste und das zweite lichtemittierende Halbleiterelement umfasst, überein. Hierin umfasst der zuvor beschriebene Ausdruck „Form, die auf der X-Y-Ebene definiert ist“ auch eine Kombination aus mehreren Elementen, die einen modifizierten Brechungsindexbereich bilden (siehe 25H bis 25K). Dementsprechend ist es möglich, die Bildung von Rauschlicht und die Bildung von Rauschen verursachendem Licht nullter Ordnung im Strahlenprojektionsbereich zu verhindern. Im Übrigen ist das Licht nullter Ordnung Licht, das parallel zur Z-Achsenrichtung ausgegeben wird, und ist Licht, das in der Phasenmodulationsschicht nicht phasenmoduliert wird.
(7) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform weist die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene eine der folgenden Formen auf: einen perfekten Kreis, ein Quadrat, ein regelmäßiges Sechseck ein regelmäßiges Achteck, ein regelmäßiges Sechszehneck, ein gleichseitiges Dreieck, ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, ein Rechteck, eine Ellipse, eine Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, eine Ei-Form, eine Tropfenform, ein gleichschenkliges Dreieck, eine Pfeilform, ein Trapez, ein Fünfeck und eine Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen. Indes ist die „Ei-Form“ eine Form, die erhalten wird, indem eine Ellipse derart verformt wird, dass eine Abmessung in einer Kurzachsenrichtung in einer Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse kleiner ist als eine Abmessung in der Kurzachsenrichtung in der Nähe eines anderen Endabschnitts, wie in 22H und 38D gezeigt. Wie in 22D und 38E gezeigt, ist die „Tropfenform“ eine Form, die durch Verformung eines Endabschnitts einer Ellipse entlang ihrer Langachse davon in einen spitzen Endabschnitt gebildet wird, der entlang einer Langachsenrichtung vorsteht. Die Pfeilform ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks eine dreieckige Kerbe bildet und eine der einen Seite gegenüberliegende Seite einen dreieckigen Vorsprung bildet, wie in 22E und 38G gezeigt.
Wenn die Formen der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene der perfekte Kreis, das Quadrat, das regelmäßige Sechseck, das regelmäßige Achteck, das regelmäßige Sechszehneck, das Rechteck oder die Ellipse sind, das heißt, wenn die Formen der entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiche spiegelsymmetrisch (liniensymmetrisch) sind, ist es möglich, in der Phasenmodulationsschicht den Winkel φ, der zwischen einer Richtung von dem Gitterpunkt O(x,y) eines jeden der Vielzahl von Einheitskonfigurationsbereichen R, die das virtuelle Quadratgitter bilden, zum Schwerpunkt G1 eines jeden entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs und der s-Achse gebildet wird, mit hoher Genauigkeit parallel zur X-Achse einzustellen. Darüber hinaus ist es möglich, eine höhere Lichtleistung zu erzielen, wenn die Formen der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene das gleichseitige Dreieck, das rechtwinklige gleichschenklige Dreieck, das gleichschenklige Dreieck, die Form, in der zwei Kreise oder Ellipsen teilweise einander überlappen, die Ei-Form, die Tropfenform, die Pfeilform, das Trapez, das Fünfeck oder die Form, in der zwei Rechtecke teilweise einander überlappen, sind, das heißt, wenn sie keine 180°-Drehsymmetrie aufweisen.
(8) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die Phasenmodulationsschicht einen Innenbereich, der aus M1 × N1-Einheitskonfigurationsbereichen R gebildet ist, und einen Außenbereich, der vorgesehen ist, um einen Außenumfang des Innenbereichs in wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement aus der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen zu umgeben, aufweisen. Im Übrigen umfasst der Außenbereich eine Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexumfangsbereichen, die angeordnet sind, um jeweils Gitterpunkte eines erweiterten Quadratgitters zu überlappen, das definiert wird, indem die gleiche Gitterstruktur wie das virtuelle Quadratgitter auf einen Außenumfang des virtuellen Quadratgitters gelegt wird. In diesem Fall wird eine Lichtleckage entlang der X-Y-Ebene unterdrückt und es kann ein Oszillationsschwellenstrom verringert werden.
(9) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Phasenmodulationsschicht eine Vielzahl von weiteren modifizierten Brechungsindexbereichen umfassen, die sich von der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche unterscheidet, das heißt, eine Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichen in wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement aus der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen. Die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche sind in jedem der M1 × N1-Einheitskonfigurationsbereiche R derart angeordnet, dass jeder Schwerpunkt G2 davon mit dem Gitterpunkt O der entsprechenden Einheitskonfigurationsbereiche R übereinstimmt. In diesem Fall weist eine Form aus einer Kombination, die durch den modifizierten Brechungsindexbereich und den gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich gebildet wird, insgesamt keine 180°-Drehsymmetrie auf. Auf diese Weise wird eine hohe Lichtleistung erzielt.
Wie zuvor beschrieben, kann jeder Aspekt, der in [Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung] beschrieben ist, auf jeden der verbleibenden Aspekte oder auf alle Kombinationen dieser verbleibenden Aspekte angewendet werden.
[Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Im Nachfolgenden werden bestimmte Strukturen des lichtemittierenden Halbleitermoduls und des Steuerverfahrens dafür gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern wird durch die Ansprüche definiert, wobei die Äquivalenz und jede Änderung im Rahmen der Ansprüche darin enthalten sind. Darüber hinaus werden gleiche Elemente in der Beschreibung der Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.
(Erste Ausführungsform)
Im Nachfolgenden wird eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleitermoduls 1 gemäß einer ersten Ausführungsform mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. 1 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 1 gemäß der ersten Ausführungsform aus Sicht einer ersten Oberflächenseite des lichtemittierenden Halbleiterelements. 2 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 1 aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 1 entlang einer Linie III-III in 1 und 2.
Wie in 1 bis 3 gezeigt, umfasst das lichtemittierende Halbleitermodul 1 ein Paar von lichtemittierenden Halbleiterelementen 100-1 und 100-2 und ein Trägersubstrat 11. Jedes der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 kann die gleiche Schichtstruktur wie in 1 des Patentdokuments 1 aufweisen, müssen jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Schichtstruktur umfassen. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 weisen jeweils erste Oberflächen 100-1a und 100-2a und zweite Oberflächen 100-1b und 100-2b auf, wobei Licht von den ersten Oberflächen 100-1a und 100- 2a ausgegeben wird. Das Trägersubstrat 11 weist eine dritte Oberfläche 11a, eine vierte Oberfläche 11b und ein Paar von Antriebselektroden 11-1 und 11-2 auf, die auf der dritten Oberfläche angeordnet sind, wobei das Paar von lichtemittierenden Halbleiterelementen 100-1 und 100-2 auf dem Trägersubstrat 11 mit dem Paar von Antriebselektroden 11-1 und 11-2 montiert sein kann. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 umfassen: aktive Schichten 103-1 und 103-2; Phasenmodulationsschichten 104-1 und 104-2, die optisch mit den aktiven Schichten 103-1 und 103-2 gekoppelt sind; erste Mantelschichten 102-1 und 102-2; zweite Mantelschichten 106-1 und 106-2; zweite oberflächenseitige Elektroden 108-1 und 108-2; und erste oberflächenseitige Elektroden 110-1 und 110-2. Im Übrigen umfasst eine Stapelstruktur des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 wenigstens die aktive Schicht 103-1 und die Phasenmodulationsschicht 104-1. Andererseits umfasst eine Stapelstruktur des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 wenigstens die aktive Schicht 103-2 und die Phasenmodulationsschicht 104-2. Die Konfiguration der Stapelstruktur ist auch in den Ausführungsformen, die später beschrieben werden, gleich.
Die zweiten oberflächenseitigen Elektroden 108-1 und 108-2 in den lichtemittierenden Halbleiterelementen 100-1 und 100-2 sind jeweils mit den entsprechenden Antriebselektroden 11-1 bzw. 11-2 verbunden. Die Phasenmodulationsschichten 104-1 und 104-2 umfassen Basisbereiche 104-1a und 104-2a mit einem ersten Brechungsindex und einer Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b mit einem zweiten Brechungsindex, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet, auf. Die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b sind gemäß einem Anordnungsmuster jeweils in den Basisbereichen 104-1a und 104-2a angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt an einer Position angeordnet ist, die um einen vorbestimmten Abstand r von einem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 104-1a und 104-2a verschoben ist. Das Anordnungsmuster ist derart eingestellt, dass ein Strahlenprojektionsmuster, das durch Licht, das von den ersten Oberflächen 100-1a und 100-2a ausgegeben wird, ausgedrückt wird, und ein Strahlenprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlenprojektionsmusters ist, jeweils mit einem Zielstrahlenprojektionsmuster und einem Zielstrahlenprojektionsbereich übereinstimmen, wenn die Treiberströme von den entsprechenden Antriebselektroden 11-1 und 11-2 zugeführt werden.
Im Übrigen weisen alle lichtemittierenden Halbleitermodule gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform wenigstens eine der nachfolgenden ersten bis dritten Konfigurationen auf. Das heißt, in der ersten Konfiguration stimmen die entsprechenden Zielstrahlenprojektionsbereiche zwischen wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement (dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement) unter der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die in dem lichtemittierenden Halbleitermodul enthalten sind, und wenigstens einem weiteren lichtemittierenden Halbleiterelement (dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement), das sich von dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement unterscheidet, im Wesentlichen miteinander überein. Das heißt, in dem ersten und dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement sind die Strahlenprojektionsrichtungen verschieden. In der zweiten Konfiguration unterscheiden sich das Zielstrahlenprojektionsmuster des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und das Zielstrahlenprojektionsmuster des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements voneinander. In der dritten Konfiguration unterscheiden sich die Lichtemissionswellenlänge des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und eine Lichtemissionswellenlänge des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements voneinander.
Im Übrigen bezeichnet der Begriff „Strahlenprojektionsbereich“ in der Beschreibung einen Projektionsbereich von Licht, das von dem lichtemittierenden Halbleitermodul ausgegeben wird, wenn von einer Antriebselektrode Treiberstrom zugeführt wird, und der Begriff „Strahlenprojektionsmuster“ bezeichnet ein Projektionsmuster von Licht (ein Lichtintensitätsmuster) innerhalb des Projektionsbereichs.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements (erstes lichtemittierendes Halbleiterelement) 100-1 und der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements (zweites lichtemittierendes Halbleiterelement) 100-2 im Falle der ersten Konfiguration gleich. Bei dieser Konfiguration können das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus können die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 gleich oder unterschiedlich sein. Im Falle der zweiten Konfiguration sind das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 unterschiedlich. Bei dieser Konfiguration können der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus können die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 gleich oder unterschiedlich sein. Im Falle der dritten Konfiguration sind das Zielstrahlenprojektionsmuster und der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 gleich oder unterschiedlich zu dem Zielstrahlenprojektionsmuster und dem Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2. In jeder Konfiguration ist die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements durch ein Material der aktiven Schicht und eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters im Basisbereich der Phasenmodulationsschicht einstellbar.
Wie in 1 und 3 gezeigt, weisen die ersten oberflächenseitigen Elektroden 110-1 und 110-2 Öffnungen 110-1a und 110-2a auf, die konfiguriert sind, um jeweils Licht an mittleren Abschnitten zu emittieren. Jede erste oberflächenseitige Elektrode 110-1 und 110-2 kann anstelle der Elektrode mit der Öffnung eine transparente Elektrode sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen den aktiven Schichten 103-1 und 103-2 und den Phasenmodulationsschichten 104-1 und 104-2 kann einer in 3 dargestellten vertikalen Beziehung entgegengesetzt sein. Darüber hinaus umfassen die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 in 3 auch Substratschichten 101-1 und 101-2, die oberen Lichtleiterschichten 105b-1 und 105b-2, die unteren Lichtleiterschichten 105a-1 und 105a-2, die Kontaktschichten 107-1 und 107-2, die Isolierschichten 109-1 und 109-2 sowie die Antireflexionsschichten 111-1 bzw. 111-2. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 müssen diese Schichten jedoch nicht unbedingt aufweisen.
Obwohl die entsprechenden Schichten Bestandteile, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren und dergleichen der jeweiligen Bereiche vom Fachmann auf der Grundlage der in Patentdokument 1 oder dergleichen beschriebenen Inhalte angemessen ausgewählt werden können, werden einige Beispiele hierfür im Folgenden erläutert. Das heißt, ein Beispiel des Materials oder einer Struktur einer jeden Schicht, die in 3 gezeigt ist, ist wie folgt dargestellt. Die Substratschichten 101-1 und 101-2 sind aus GaAs hergestellt, und die ersten Mantelschichten 102-1 und 102-2 sind aus AlGaAs gebildet. Die aktiven Schichten 103-1 und 103-2 weisen eine multiple Quantentopfstruktur MQW auf. In den Phasenmodulationsschichten 104-1 und 104-2 sind die Basisbereiche 104-1a und 104-2a aus GaAs gebildet, die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b, die in den Basisbereichen 104-1a und 104-2a eingebettet sind, sind aus AlGaAs gebildet. Die oberen Lichtleiterschichten 105b-1 und 105b-2 und die unteren Lichtleiterschichten 105a-1 und 105a-2 sind aus AlGaAs gebildet. Die zweiten Mantelschichten 106-1 und 106-2 sind aus AlGaAs gebildet. Die Kontaktschichten 107-1 und 107-2 sind aus GaAs gebildet. Die Isolierschichten 109-1 und 109-2 sind aus SiO₂ oder Siliziumnitrid gebildet. Die Antireflexionsschichten 111-1 und 111-2 sind aus einem dielektrischen Einschichtfilm, wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂) oder aus einem dielektrischen Multischichtfilm gebildet. Jeder der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 104-1b und 104-2b kann ein mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefülltes Loch sein.
Wenn im Übrigen das lichtemittierende Halbleitermodul 1 die erste oder zweite Konfiguration aufweist, weist die multiple Quantentopfstruktur MQW der aktiven Schicht 103-1 oder 103-2 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AIGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs. Wenn darüber hinaus das lichtemittierende Halbleitermodul 1 die dritte Konfiguration aufweist, weist die multiple Quantentopfstruktur MQW der aktiven Schichten 103-1 oder 103-2 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AlGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs, eine Sperrschicht: GalnAsP/eine Quantentopfschicht: GalnAsP, eine Sperrschicht: InGaN/eine Quantentopfschicht: InGaN, oder eine Sperrschicht: AIGalnP/eine Quantentopfschicht: GaInP.
Beispielsweise wird den Substratschichten 101-1 und 101-2 und den ersten Mantelschichten 102-1 und 102-2 eine n-Verunreinigung hinzugefügt. Den zweiten Mantelschichten 106-1 und 106-2 und den Kontaktschichten 107-1 und 107-2 werden eine p-Verunreinigung hinzugefügt. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschichten 102-1 und 102-2 und der zweiten Mantelschichten 106-1 und 106-2 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 105b-1 und 105b-2 und der unteren Lichtleiterschichten 105a-1 und 105a-2. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 105b-1 und 105b-2 und der unteren Lichtleiterschichten 105a-1 und 105a-2 größer eingestellt als die Energiebandlücken der multiplen Quantentopfstrukturen MQW in den aktiven Schichten 103-1 und 103-2.
Als nächstes wird das Anordnungsmuster der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche in jeder Phasenmodulationsschicht mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben. 4 zeigt eine schematische Ansicht zur Beschreibung des Anordnungsmusters der modifizierten Brechungsindexbereiche in der Phasenmodulationsschicht, und 5 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs und dem Gitterpunkt in dem virtuellen Quadratgitter. Obwohl lediglich zwölf modifizierte Brechungsindexbereiche in 4 dargestellt sind, wird in der Praxis eine große Anzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen verwendet. In einem Beispiel werden 704 × 704 modifizierte Brechungsindexbereiche gebildet. Im Übrigen ist das hierin beschriebene Anordnungsmuster nicht notwendigerweise ein Anordnungsmuster der ersten Ausführungsform, und die Anordnungsmuster der zweiten bis vierten Ausführungsformen, die später beschrieben werden, sind auf gleiche Weise konfiguriert. So sind in 4 die Bezugszeichen, die die Phasenmodulationsschicht, den Basisbereich und die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche darstellen, so vereinheitlicht, dass die Phasenmodulationsschicht, der Basisbereich und die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche jeweils durch n04-m, n04-ma und n04-mb dargestellt sind. Im Übrigen ist „n“ eine Zahl zur Unterscheidung der Ausführungsformen („1“ für die erste Ausführungsform, „2“ für die zweite Ausführungsform usw.), ist „m“ eine Zahl zur Unterscheidung der lichtemittierenden Halbleiterelemente, die ein lichtemittierendes Halbleitermodul bilden und sowohl „n“ als auch „m“ werden durch eine ganze Zahl von eins oder mehr dargestellt.
Wie in 4 gezeigt, umfasst die Phasenmodulationsschicht n04-m einen Basisbereich n04-ma mit einem ersten Brechungsindex und einen modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb mit einem zweiten Brechungsindex, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet, und ein virtuelles Quadratgitter, das auf der X-Y-Ebene definiert ist, ist in der Phasenmodulationsschicht n04-m festgelegt. Im Übrigen zeigt 4 eine schematische Ansicht zur Beschreibung des Anordnungsmusters (in dem Rotationssystem) des modifizierten Brechungsindexbereichs in der Phasenmodulationsschicht. Eine Seite des Quadratgitters ist parallel zu der X-Achse und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Dabei können die Einheitskonfigurationsbereiche R, die jeweils eine Quadratform mit einem Gitterpunkt O des Quadratgitters als Mittelpunkt davon aufweisen, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Zeilen entlang der Y-Achse festgelegt werden. Eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb ist nacheinander in jedem der Einheitskonfigurationsbereiche R vorgesehen. Eine Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist beispielsweise eine Kreisform. In jedem der Einheitskonfigurationsbereiche R ist ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb entfernt von einem Gitterpunkt O, der dem Schwerpunkt G1 am nächsten ist, angeordnet. Insbesondere ist die X-Y-Ebene eine Ebene orthogonal zu einer Dickenrichtung (Z-Achse) eines jeden lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und 100-2, wie in 3 gezeigt, und stimmt mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht n04-m überein, die den modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb umfasst. Jeder der Einheitskonfigurationsbereich R, der das Quadratgitter bildet, wird durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr) in einer Y-Achsenrichtung festgelegt und als ein Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) ausgedrückt. Dabei wird der Mittelpunkt des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y), das heißt, ein Gitterpunkt, durch O(x,y) dargestellt. Im Übrigen kann der Gitterpunkt O außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb angeordnet sein oder er kann innerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb angeordnet sein. Im Übrigen wird ein Verhältnis der Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, die innerhalb eines Einheitskonfigurationsbereichs R vorhanden ist, als Füllfaktor (FF) bezeichnet. Wenn der Gitterabstand des Quadratgitters A ist, wird der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb als S/a² angegeben. Hierbei ist S die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene und durch S = π × (D/2)² angegeben, wobei ein Durchmesser D eines perfekten Kreises verwendet wird, wenn eine Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb die perfekte Kreisform ist. Wenn darüber hinaus die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ein Quadrat ist, ist S = LA², wobei eine Länge LA eine Seite des Quadrats bildet.
In 4 stellen die durch x1 bis x4 gekennzeichneten strichlierten Linien Mittelpositionen des Einheitskonfigurationsbereichs R in der X-Achsenrichtung dar, und die durch y1 bis y3 gekennzeichneten strichlierten Linien stellen Mittelpositionen des Einheitskonfigurationsbereichs R in der Y-Achsenrichtung dar. Somit stellen die unterbrochenen Linien x1 bis x4 und die unterbrochenen Linien y1 bis y3 Mittelpunkte O(1,1) bis O(3,4) der Einheitskonfigurationsbereiche R(1,1) bis R(3,4), das heißt, die Gitterpunkte, dar. Eine Gitterkonstante dieses virtuellen Quadratgitters ist a. Die Gitterkonstante A wird gemäß einer Lichtemissionswellenlänge eingestellt.
Das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb wird durch das in dem Patentdokument 1 beschriebene Verfahren gemäß dem Zielstrahlenprojektionsbereich und dem Strahlenprojektionsmuster bestimmt. Das heißt, das Anordnungsmuster wird durch Bestimmen einer Richtung bestimmt, in die der Schwerpunkt G1 eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb von einem Gitterpunkt (jedem Schnittpunkt zwischen den unterbrochenen Linien x1 bis x4 und den unterbrochenen Linien y1 bis y3) in dem virtuellen Quadratgitter in dem Basisbereich n04-ma in Abhängigkeit einer Phase verschoben wird, die durch inverse Fourier-Transformation des originalen Musters erhalten wird, das dem Zielstrahlenprojektionsbereich und dem Zielstrahlenprojektionsmuster entspricht. Wie in Patentdokument 1 beschrieben, liegt der Abstand von jedem Gitterpunkt verschobene Abstand r (siehe 5) wünschenswerterweise im Bereich von 0 < r ≤ 0,3a, wobei A die Gitterkonstante des Quadratgitters ist. Obwohl der Abstand r, der von jedem Gitterpunkt O verschoben ist, in der Regel über alle Phasenmodulationsschichten und alle modifizierten Brechungsindexbereiche gleich ist, kann der Abstand r in einigen Phasenmodulationsschichten auf einen anderen Wert als der Abstand r in den anderen Phasenmodulationsschichten eingestellt werden, oder der Abstand r einiger modifizierter Brechungsindexbereiche kann auf einen anderen Wert als der Abstand r der anderen modifizierten Brechungsindexbereiche eingestellt werden. 5 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung eines Beispiels des Anordnungsmusters (in dem Rotationssystem), das durch das Rotationssystem bestimmt wird. In 5 ist der Aufbau des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) dargestellt, und der Abstand r von dem Gitterpunkt zu dem modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb ist durch r(x,y) angegeben.
Wie in 5 gezeigt, wird der Einheitskonfigurationsbereich R(x,y), der das Quadratgitter bildet, durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert, die am Gitterpunkt O(x,y) orthogonal zueinander sind. Die s-Achse ist eine Achse parallel zu der X-Achse und entspricht den unterbrochenen Linien x1 bis x4, wie in 4 gezeigt. Die t-Achse ist eine Achse parallel zu der Y-Achse und entspricht den unterbrochenen Linien y1 bis y3, wie in 4 gezeigt. Auf diese Weise ist ein Winkel, der zwischen einer Richtung von dem Gitterpunkt O(x,y) zu dem Schwerpunkt G1 und der s-Achse gebildet wird, φ(x,y) in der s-t-Ebene, die den Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) definiert. Wenn der Drehwinkel φ(x,y) 0° beträgt, stimmt eine Richtung eines Vektors, der den Gitterpunkt O(x,y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, mit einer positiven Richtung der s-Achse überein. Darüber hinaus ist eine Länge (entsprechend dem Abstand r) des Vektors, der den Gitterpunkt O(x,y) und den Schwerpunkt G1 verbindet, als r(x,y) angegeben.
Wie in 4 gezeigt, wird in der Phasenmodulationsschicht n04-m der Drehwinkel φ(x,y) um den Gitterpunkt O(x,y) des Schwerpunkts G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb unabhängig für jeden der Einheitskonfigurationsbereiche R in Übereinstimmung mit dem Zielstrahlenprojektionsmuster (optisches Bild) eingestellt. Der Drehwinkel cp(x,y) weist einen bestimmten Wert in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) auf, wird aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion ausgedrückt. Das heißt, der Drehwinkel φ(x,y) wird auf der Grundlage eines Phasenterms einer komplexen Amplitude bestimmt, die erhalten wird, indem das Zielstrahlenprojektionsmuster in einen Wellenzahlraum umgewandelt wird und eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation eines konstanten Wellenzahlbereichs des Wellenzahlraums durchgeführt wird. Im Übrigen erhöht sich die Reproduzierbarkeit des Zielstrahlenprojektionsmusters durch Anwenden eines iterativen Algorithmus, wie dem Gerchberg-Saxton-(GS)-Verfahren, das im Allgemeinen bei der Berechnung einer Hologrammerzeugung zum Zeitpunkt des Erhaltens einer komplexen Amplitudenverteilung (komplexe Amplitude jedes der Einheitskonfigurationsbereiche R) aus dem Zielstrahlenprojektionsmuster verwendet wird.
6 zeigt eine Ansicht zur Beschreibung einer Beziehung zwischen den Zielstrahlenprojektionsmustern (optischen Bildern), die jeweils aus den lichtemittierenden Halbleiterelementen 100-1 und 100-2 ausgegeben werden, und einer Verteilung des Drehwinkels cp(x,y) in der Phasenmodulationsschicht n04-m. Insbesondere wird eine Kx-Ky-Ebene, die durch Umwandeln des Zielstrahlenprojektionsbereichs (einer Montageebene eines entworfenen optischen Bildes, das durch die (x,y,z)-Koordinaten im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem ausgedrückt wird), das der Projektionsbereich des Zielstrahlenprojektionsmusters ist, in dem Wellenzahlwellenraum erhalten wird, in Betracht gezogen. Eine Kx-Achse und eine Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene definieren, sind orthogonal zueinander, wobei jede mit einem Winkel hinsichtlich auf einer Normalenrichtung verknüpft ist, wenn eine Projektionsrichtung des Zielstrahlenprojektionsmusters aus der Normalenrichtung (der Z-Achsenrichtung) der ersten Oberflächen 100-1a und 100-2a zu den ersten Oberflächen 100-1a und 100-2a durch die obigen Formeln (1) bis (5) schwenkt. Es wird davon ausgegangen, dass ein bestimmter Bereich, der das Zielstrahlenprojektionsmuster umfasst, aus M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (eine ganze Zahl von eines oder mehr) Bildbereichen FR besteht, die jeweils eine quadratische Form auf der Kx-Ky-Ebene aufweisen. Darüber hinaus wird angenommen, dass das virtuelle Quadratgitter, das auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht n04-m festgelegt ist, aus M1 (eine ganze Zahl von eines oder mehr) × N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskonfigurationsbereichen R besteht. Die ganze Zahl M2 darf nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen. In ähnlicher Weise darf die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Dabei wird eine komplexe Amplitude F(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation jedes Bildbereichs FR(kx,ky) auf der Kx-Ky-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und der Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in der Ky-Achsenrichtung festgelegt wird, in den Einheitskonfigurationsbereich R(x,y), der durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 1 bis M1) in der X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 1 bis N1) in der Y-Achsenrichtung festgelegt wird, durch die nachfolgende Formel (8) erhalten, wobei j eine imaginäre Einheit ist. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 1}^{M 2} \sum_{k_{y} = 1}^{N 2} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (k_{x} x + k_{y} y)]$
Wenn darüber hinaus in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) ein Amplitudenterm A(x,y) ist und ein Phasenterm P(x,y) ist, wird die komplexe Amplitude F(x,y) durch die nachfolgende Formel (9) definiert. $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Wie in 6 gezeigt, entspricht die Verteilung des Amplitudenterms A(x,y) bei der komplexen Amplitude F(x,y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) der Intensitätsverteilung auf der X-Y-Ebene in einem Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1. Darüber hinaus entspricht die Verteilung des Phasenterms P(x,y) bei der komplexen Amplitude F(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) der Phasenverteilung auf der X-Y-Ebene in dem Bereich x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1. Der Drehwinkel φ(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) wird, wie später beschrieben, aus P(x,y) erhalten, und die Verteilung des Drehwinkels φ(x,y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) entspricht einer Drehwinkelverteilung auf der X-Y-Ebene in dem Bereich der Koordinatenkomponenten x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1.
Im Übrigen ist ein Mittelpunkt Q des Strahlenprojektionsmusters auf der Kx-Ky-Ebene auf einer Achse angeordnet, die senkrecht zu den ersten Flächen 100-1a und 100-2a ist, wobei vier Quadranten mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung in 6 dargestellt sind. Obwohl ein Fall, in den ein optisches Bild in dem ersten Quadranten und in dem dritten Quadranten erhalten wird, als Beispiel in 6 dargestellt ist, ist es möglich, Bilder im zweiten Quadranten und vierten Quadranten, oder in allen Quadranten zu erhalten. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein mit dem Ursprung punktsymmetrisches Muster, wie in 6 gezeigt, erhalten werden. 6 stellt einen Fall dar, bei dem beispielsweise ein Buchstabe „A“ im dritten Quadranten und ein Muster, das durch Drehen des Buchstabens „A“ um 180° im ersten Quadranten erhalten wird, erhalten werden. Im Übrigen werden drehsymmetrische optische Bilder (zum Beispiel ein Kreuz, ein Kreis, ein Doppelkreis usw.) in überlappender Weise als ein optisches Bild beobachtet.
Die von den lichtemittierenden Halbleiterelementen 100-1 und 100-2 ausgegebenen Strahlenprojektionsmuster (optische Bilder) werden optische Bilder, die dem entworfenen optischen Bild (Originalbild) entsprechen, das durch mindestens ein Element der nachfolgenden ausgedrückt wird: ein Punkt, eine Punktgruppe, die aus drei oder mehr Punkten besteht, eine Gerade, ein Kreuz, eine Linienzeichnung, ein Gittermuster, ein Foto, ein Streifenmuster, eine Computergrafik (CG) und ein Symbol. Hier wird der Drehwinkel φ(x,y) des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) durch das nachfolgende Verfahren bestimmt, um das Zielstrahlenprojektionsmuster zu erhalten.
Wie zuvor beschrieben, ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) in dem Zustand angeordnet, in dem er vom Gitterpunkt O(x,y) um einen Wert des Abstands r(x,y) entfernt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) so angeordnet, dass der Drehwinkel φ(x,y) die nachfolgende Beziehung erfüllt: φ(x,y) = C × P(x,y) + B
C: eine Proportionalitätskonstante, beispielsweise 180°/π
B: eine beliebige Konstante, beispielsweise 0
Die Proportionalitätskonstante C und die beliebige Konstante B sind für alle Einheitskonfigurationsbereiche R gleich.
Ist es wünschenswert, das Zielstrahlenprojektionsmuster zu erhalten, kann das auf der Kx-Ky-Ebene gebildete Muster, das auf den Wellenzahlbereich projiziert wird, einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht n04-m unterworfen werden, und der Drehwinkel φ(x,y), der dem Phasenterm P(x,y) der komplexen Amplitude F(x,y) entspricht, kann auf den modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb, der innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) angeordnet ist, angewendet werden. Indes kann ein Fernfeldbild nach der zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation des Laserstrahls verschiedene Formen annehmen, wie beispielsweise eine Einzelpunktform oder eine Mehrfachpunktform, eine kreisförmige Form, eine lineare Form, eine Symbolform, eine doppelkreisförmige Form, und eine Laguerre-Gausssche Strahlform. Das Zielstrahlenprojektionsmuster wird durch Wellenzahlinformation im Wellenzahlraum (auf der Kx-Ky-Ebene) dargestellt, und somit kann die zweidimensionale inverse Fourier-Transformation nach einmaliger Umwandlung der Wellenzahlinformationen bei einem Bitmap-Bild oder dergleichen, in dem das Zielstrahlenprojektionsmuster durch zweidimensionale Positionsinformationen dargestellt wird, durchgeführt werden.
Als 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 Amplitudenterms A(x,y) auf der X-Y-Ebene) unter Verwendung der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks, Inc. berechnet werden, und die Phasenverteilung (Verteilung des Phasenterms P(x,y) auf der X-Y-Ebene) kann unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Wenn, wie zuvor beschrieben, das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb bestimmt wird, kann das Licht des Zielstrahlenprojektionsmusters von jeder der ersten Oberflächen 100-1a und 100-2a der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 an den Zielstrahlenprojektionsbereich ausgegeben werden. Das Zielstrahlenprojektionsmuster kann durch einen Entwickler beliebig festgelegt werden, und kann ein Punkt, eine Punktgruppe, die aus drei oder mehr Punkten besteht, eine Gerade, eine Linienzeichnung, ein Kreuz, eine Figur, eine Foto, eine Computergrafik (CG), ein Symbol oder dergleichen sein. In der X-Y-Ebene einer jeden Phasenmodulationsschicht haben alle modifizierten Brechungsindexbereiche n04-m die gleiche Form, die gleiche Fläche und/oder den gleichen Abstand r. Darüber hinaus können die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb so ausgebildet werden, dass sie in der Lage sind, sich durch eine Translation oder eine Kombination aus Translations- und Rotationsvorgang überlappen können. In diesem Fall ist es möglich, die Erzeugung von Rauschlicht und Rauschen verursachendem Licht nullter Ordnung im Strahlenprojektionsbereich zu verhindern. Hier ist Licht nullter Ordnung das Licht, das parallel zu der Z-Achsenrichtung ausgegeben wird, und das in der Phasenmodulationsschicht n04-m nicht phasenmoduliert wird.
Hier zeigen 7A bis 7D ein Beispiel des Zielstrahlenprojektionsmusters und einer Phasenverteilung unter komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverse Fourier-Transformation des entsprechenden Originalmusters erhalten wird. 7A veranschaulicht ein Beispiel für das Zielstrahlenprojektionsmuster, das erhalten wird, wenn der Treiberstrom von der Antriebselektrode 11-1 zugeführt wird, und 7B zeigt ein Beispiel des Zielstrahlenprojektionsmusters, das erhalten wird, wenn der Treiberstrom von der Antriebselektrode 11-2 zugeführt wird. 7C und 7D zeigen die Phasenverteilungen aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverse Fourier-Transformation der Originalmuster, die jeweils den entsprechenden Strahlenprojektionsmustern in 7A und 7B entsprechen, erhalten werden. Sowohl 7C als auch 7D ist durch 704 × 704 Elemente gebildet, und eine Verteilung der Winkel von 0 bis 2π wird durch Licht und Farbton dargestellt. Ein schwarzer Abschnitt zeigt den Winkel von Null.
Im Nachfolgenden wird eine Lichtemissionsvorrichtung, die das lichtemittierende Halbleitermodul 1 aufweist, mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 1 darstellt Wie in 8 gezeigt, umfasst eine Lichtemissionsvorrichtung 140 das lichtemittierende Halbleitermodul 1, eine Stromversorgungsschaltung 141, eine Steuersignaleingabeschaltung 142 und eine Treiberschaltung 143. Die Stromversorgungsschaltung 141 führt der Treiberschaltung 143 und dem lichtemittierenden Halbleitermodul Strom zu. Die Steuersignaleingabeschaltung 142 überträgt ein von der Außenseite der Lichtemissionsvorrichtung 140 zugeführtes Steuersignal an die Treiberschaltung 143. Die Treiberschaltung 143 führt dem lichtemittierenden Halbleitermodul 1 Steuerstrom zu. Die Treiberschaltung 143 und das lichtemittierende Halbleitermodul 1 sind über zwei Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 zum Zuführen eines Treiberstroms und zweier gewöhnlicher Potentialleitungen 145-1 und 145-2 verbunden. Die Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 sind jeweils mit den Antriebselektroden 11-1 und 11-2 verbunden. Die gemeinsamen Potentialleitungen 145-1 und 145-2 sind jeweils mit den ersten oberflächenseitigen Elektroden 110-1 und 110-2 verbunden. Wie in 8 gezeigt, stellen das über der Treiberschaltung 143 dargestellte lichtemittierende Halbleitermodul 1 und das unterhalb der Treiberschaltung 143 dargestellte lichtemittierende Halbleitermodul 1 die Seite (erste Oberflächenseite) der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 und die Seite (vierte Oberflächenseite) des Trägersubstrats 11 des einzelnen lichtemittierenden Halbleitermoduls 1 dar. In 8 sind die beiden gemeinsamen Potentialleitungen 145-1 und 145-2 jeweils mit den ersten oberflächenseitigen Elektroden 110-1 bzw. 110-2 verbunden. Jedoch kann anstelle des Bereitstellens der zwei gemeinsamen Potentialleitungen eine einzelne gemeinsame Potentialleitung vorgesehen sein, so dass die einzelne gemeinsam Potentialleitung mit einer der ersten oberflächenseitige Elektroden 110-1 und 110-2 verbunden ist, und die ersten oberflächenseitigen Elektroden 110-1 und 110-2 sind über eine andere Verbindungsleitung miteinander verbunden.
Die Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 können je nach Anwendung abwechselnd oder gleichzeitig angetrieben werden. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 143 getrennt von dem lichtemittierenden Halbleitermodul 1 ausgebildet sein, oder sie kann fest verbunden auf dem Trägersubstrat 11 des lichtemittierenden Halbleitermoduls 1 ausgebildet sein.
Die Lichtemissionsvorrichtung 140 mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 1, die wie zuvor beschrieben ausgebildet ist, wird wie folgt gesteuert (gemäß einem Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform). Das heißt, in dem Steuerverfahren, wenn ein oder mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente zum Antreiben ausgewählt werden, werden die Vorgänge der jeweils ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente von der Treiberschaltung 143 gemäß einem für jedes der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente individuell eingestellten Steuerungsmuster individuell gesteuert. Das Steuermuster umfasst Informationen, in denen ein Antriebszeitpunkt und/oder eine Antriebszeit jedes der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente entlang einer Zeitachse definiert sind.
Insbesondere wird ein Treiberstrom aus der Treiberschaltung 143 zwischen einer der Antriebsleitungen 144-1 und 144-2 und den gemeinsamen Potentialleitungen 145-1 und 145-2 zugeführt. In dem lichtemittierenden Halbleiterelement, bei dem die zweite oberflächenseitige Elektrode mit der Antriebsleitung verbunden ist, in die der Treiberstrom über die Antriebselektrode zugeführt wurde, rekombinieren die Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht, so dass die aktive Schicht in dem lichtemittierenden Halbleiterelement Licht emittiert. Das durch eine solche Lichtemission erhaltene Licht wird durch die ersten Mantelschichten 102-1 und 102-2 und die zweiten Mantelschichten 106-1 und 106-2 effizient begrenzt. Das von den aktiven Schichten 103-1 und 103-2 emittierte Licht tritt in das Innere der entsprechenden Phasenmodulationsschicht ein, und es wird eine vorbestimmte Mode aufgrund eines Begrenzungseffekts, der durch die zweidimensionale Rückkopplung durch die Phasenmodulationsschicht entsteht, gebildet. Wenn ausreichend Elektronen und Löcher in die aktive Schicht eingebracht werden, oszilliert das Licht, das auf die Phasenmodulationsschicht einfällt, mit einer vorbestimmten Mode. Das die vorbestimmte Oszillationsmode bildende Licht wird gemäß dem Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche einer Phasenmodulation unterworfen, und das Licht, das der Phasenmodulation unterworfen wird, wird von der Seite der ersten oberflächenseitigen Elektrode als Licht, dass das Strahlenprojektionsmuster gemäß dem Anordnungsmuster darstellt, nach außen (Strahlenprojektionsbereich) emittiert.
(Erste Konfiguration der ersten Ausführungsform)
In der ersten Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform wird der Zielstrahlenprojektionsbereich für alle lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 gleich eingestellt (die Strahlenprojektionsrichtungen in den entsprechenden lichtemittierenden Halbleiterelementen 100-1 und 100-2 sind unterschiedlich). In der obigen ersten Konfiguration können verschiedene andere Anwendungen als das Anwendungsbeispiel in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, in dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) realisiert werden. Beispielsweise ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs auszuführen, bei dem zwei Muster im gleichen Bereich eines Bildschirms geschaltet dargestellt werden, (b) eine Anwendung auf eine Lichtquelle für ein STED mit Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope) auszuführen, (c) eine Anwendung auf verschiedene Arten von Beleuchtungen eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, auszuführen, und (d) eine Anwendung auf die Laserbearbeitung eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend mit dem gleichen Muster von gepulstem Licht bestrahlt wird, um Löcher eines Zielmusters in ein Objekt zu bohren, auszuführen.
Beispielsweise umfasst die Anwendung (a) in der ersten Konfiguration eine Anwendung, in der ein Buchstabenmuster AUS, wie in 7A gezeigt, und ein Buchstabenmuster AN, wie in 7B gezeigt, an der gleichen Position auf einem Bildschirm in geschalteter Weise gemäß einer Anweisung eines Benutzers oder einem geeigneten Zeitpunkt angezeigt werden. Zu diesem Zeitpunkt können die Lichtemissionsfarben der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 auf unterschiedliche Farben eingestellt werden. So kann beispielsweise AUS rot und EIN blau dargestellt werden.
Beispielsweise kann die Anwendung (b) in der ersten Konfiguration das lichtemittierende Halbleitermodul 1 als eine Lichtquelle für ein STED-Mikroskop verwenden, indem die Lichtemissionswellenlänge und das Strahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 auf eine Lichtemissionswellenlänge und ein Projektionsmuster eingestellt werden, die für Anregungslicht für das STED-Mikroskop geeignet sind, und die Lichtemissionswellenlänge und das Strahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 kann auf eine Lichtemissionswellenlänge und ein Projektionsmuster eingestellt werden, die für stimuliertes Emissionslicht für das STED-Mikroskop geeignet sind. Wird das lichtemittierende Halbleitermodul 1 als die Lichtquelle für das STED-Mikroskop verwendet, ist es zudem möglich, einen Detektionspunkt mit einem Galvanospiegel, einem Polygonspiegel oder mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) abzutasten.
Beispielsweise umfasst die Anwendung (c) in der ersten Konfiguration eine Anwendung, in der sowohl das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b in dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100-1 als auch das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-2b in dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100-2 im Voraus so eingestellt werden, dass der gleiche Strahlenprojektionsbereich und das gleiche Strahlenprojektionsmuster (das Strahlenprojektionsmuster ist beispielsweise ein Strahlenprojektionsmuster, das über ein Teil des oder über den gesamten Strahlenprojektionsbereich eine gleichförmige Helligkeit aufweist) erhalten werden kann, und anschließend wird ein Treiberstrom von beiden Antriebselektroden 11-1 und 11-2 zugeführt, wenn eine helle Beleuchtung erforderlich ist, oder es wird lediglich Treiberstrom von nur einer der Antriebselektroden 11-1 und 11-2 zugeführt, wenn eine dunkle Beleuchtung ausreicht.
Beispielsweise werden bei der Anwendung (d) in der ersten Konfiguration sowohl das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b in dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100-1 und das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-2b in dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100-2 im Voraus eingestellt, so dass der gleiche Strahlenprojektionsbereich und das gleiche Strahlenprojektionsmuster erhalten werden können (der Strahlenprojektionsbereich wird mit einer Position ausgerichtet, an der ein Loch eines Werkstücks gebohrt werden soll, und das Strahlenprojektionsmuster wird auf ein Muster der Form des Lochs, das gebohrt werden soll, eingestellt). Ferner gibt es eine Anwendung, bei der gepulster Strom abwechselnd von beiden Antriebselektroden 11-1 und 11-2 zugeführt wird. In diesem Fall kann ein Pulsintervall jedes Elements verlängert werden, so dass es möglich ist, von jedem Element eine höhere Spitzenleistung zu erhalten, und es ist möglich, eine größere Leistung zu erzielen.
(Zweite Konfiguration der ersten Ausführungsform)
Wird die zweite Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wird das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 auf ein Strahlenprojektionsmuster eingestellt, das sich von dem Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 unterscheidet. In der obigen zweiten Konfiguration können verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements ausgeführt werden (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird). Beispielsweise sind die nachfolgenden Anwendungen möglich. Das heißt, gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem zwei Muster im gleichen Bereich oder in zwei voneinander verschiedenen Bereichen auf einem Bildschirm in geschalteter Weise dargestellt werden, auszuführen, und (b) eine Anwendung auf eine Lichtquelle für ein STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope) auszuführen.
Beispielsweise umfasst die Anwendung (a) in der zweiten Konfiguration eine Anwendung, bei der ein Buchstabenmuster AUS, wie in 7A gezeigt, und ein Buchstabenmuster AN, wie in 7B gezeigt, an der gleichen Position oder zwei unterschiedlichen Positionen auf dem Bildschirm in geschalteter Weise gemäß einer Anweisung eines Benutzers oder einem geeigneten Zeitpunkt angezeigt werden. Dabei können die Lichtemissionsfarben der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 auf voneinander abweichende Farben eingestellt werden. So kann beispielsweise AUS rot und EIN blau dargestellt werden.
Als ein Beispiel für die Anwendung (b) in der zweiten Konfiguration kann das lichtemittierende Halbleitermodul 1 als die Lichtquelle für das STED-Mikroskop verwendet werden, indem beispielsweise die Lichtemissionswellenlänge und das Strahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 auf eine Lichtemissionswellenlänge und ein Projektionsmuster eingestellt werden, die als Anregungslicht für das STED-Mikroskop geeignet sind, und indem die Lichtemissionswellenlänge und das Strahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 auf eine Lichtemissionswellenlänge und ein Projektionsmuster eingestellt werden, die als stimuliertes Emissionslicht für das STED-Mikroskop geeignet sind. Wird das lichtemittierende Halbleitermodul 1 als Lichtquelle für das STED-Mikroskop verwendet, ist es zudem möglich, einen Detektionspunkt mit einem Galvanospiegel, einem Polygonspiegel oder mit einem mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) abzutasten.
(Dritte Konfiguration der ersten Ausführungsform)
Wird die dritte Konfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet, unterscheiden sich die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 voneinander. In der obigen dritten Konfiguration sind verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements möglich (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird). Beispielsweise sind die nachfolgenden Anwendungen möglich. Das heißt, gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem zwei Muster mit unterschiedlichen Farben in geschalteter Weise im gleichen Bereich oder in unterschiedlichen Bereichen auf einem Bildschirm angezeigt werden, auszuführen, (b) eine Anwendung auf eine Lichtquelle für das STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope) auszuführen, und (c) eine Anwendung auf verschiedene Arten von Beleuchtungen eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend oder intermittierend mit mehreren Lichtstrahlen, die das gleiche Muster und verschiedene Farben aufweisen, bestrahlt wird, auszuführen.
Beispielsweise umfasst die Anwendung (a) in der dritten Konfiguration eine Anwendung, bei der das Buchstabenmuster AUS, wie in 7A gezeigt, und das Buchstabenmuster AN, wie in 7B gezeigt, an der gleichen Position oder an zwei verschiedenen Positionen auf dem Bildschirm in geschalteter Weise gemäß einer Anweisung eines Benutzers oder einem geeigneten Zeitpunkt angezeigt werden. Da dabei die Lichtemissionsfarben der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100-1 und 100-2 unterschiedlich sind, können beispielsweise AUS rot und AN blau dargestellt werden.
Als Beispiel der Anwendung (b) in der dritten Konfiguration kann das lichtemittierende Halbleitermodul 1 als die Lichtquelle für das STED-Mikroskop verwendet werden, indem beispielsweise die Lichtemissionswellenlänge und das Strahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 auf eine Lichtemissionswellenlänge und ein Projektionsmuster eingestellt werden, das als Anregungslicht für das STED-Mikroskop geeignet ist, und indem die Lichtemissionswellenlänge und des Strahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 auf eine Lichtemissionswellenlänge und ein Projektionsmuster eingestellt werden, das als stimuliertes Emissionslicht für das STED-Mikroskop geeignet ist. Wird das lichtemittierende Halbleitermodul 1 als die Lichtquelle für das STED-Mikroskop verwendet, ist es zudem möglich, einen Detektionspunkt mit einem Galvanospiegel, einem Polygonspiegel oder mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) abzutasten.
Als Beispiel für die Anwendung (c) in der dritten Konfiguration werden sowohl das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-1b in dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100-1 und das Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche 104-2b in dem lichtemittierenden Halbleiterelement 100-2 im Voraus eingestellt, so dass der gleiche Strahlenprojektionsbereich und das gleiche Strahlenprojektionsmuster erhalten werden können (das Strahlenprojektionsmuster wird beispielsweise auf ein Strahlenprojektionsmuster eingestellt, das in einem Teil des oder im gesamten Strahlenprojektionsbereich eine gleichförmige Helligkeit aufweist). Beispielsweise gibt es auch eine Anwendung, bei der die Lichtemissionsfarbe des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-1 und die Lichtemissionsfarbe des lichtemittierenden Halbleiterelements 100-2 auf unterschiedliche Farben eingestellt sind, wobei Farben und Intensitäten der Beleuchtung in drei Schritten durch eine Kombination der Ansteuerung der Antriebselektroden 11-1 und 11-2 umgeschaltet werden können.
(Zweite Ausführungsform)
Die zweite Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente und die Anzahl der Antriebselektroden, von denen in der ersten Ausführungsform jeweils zwei (ein Paar) verwendet wurden, drei oder mehr umfasst, und diese Elemente und Elektroden sind eindimensional angeordnet, wobei die Konfigurationen mit Ausnahme der obigen Änderung jeden der ersten Ausführungsform entsprechen.
Im Nachfolgenden wird eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleitermoduls 2 gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bezug auf 9 bis 11 beschrieben. 9 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 2 gemäß der zweiten Ausführungsform aus Sicht einer ersten Oberflächenseite eines lichtemittierenden Halbleiterelements. 10 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 2 aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats. 11 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie X-X in 9 und 10. Obwohl 9 bis 11 als Beispiel dargestellt sind, bei dem fünf lichtemittierende Halbleiterelemente und fünf Antriebselektroden auf einer geraden Linie angeordnet sind, muss die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente und die Anzahl der Antriebselektroden nicht fünf sein, und die zuvor beschriebene eindimensionale Anordnung kann auch auf einer Kurve durchgeführt werden.
Wie in 9 bis 11 gezeigt, umfasst das lichtemittierende Halbleitermodul 2 eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen 200-1 bis 200-5 und ein Trägersubstrat 21. Jedes der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 kann die gleiche Schichtstruktur wie 2 in Patentdokument 1 aufweisen, es ist jedoch nicht erforderlich, dass sie die gleiche Schichtstruktur aufweisen. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 weisen jeweils erste Oberflächen 200-1a bis 200-5a und zweite Oberflächen 200-1b bis 200-5b auf, wobei das Licht von den ersten Oberflächen 200-1a bis 200-5a ausgegeben wird. Das Trägersubstrat 21 weist eine dritte Oberfläche 21a und eine vierte Oberfläche 21b sowie eine Vielzahl von Antriebselektroden 21-1 bis 21-5, die auf der dritten Oberfläche angeordnet sind, auf. Darüber hinaus ist es möglich, eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen 200-1 bis 200-5 auf dem Trägersubstrat 21 zu montieren. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 umfassen: aktive Schichten 203-1 bis 203-5; Phasenmodulationsschichten 204-1 bis 204-5, die optisch mit den aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 gekoppelt sind; erste Mantelschichten 202-1 bis 202-5; zweite Mantelschichten 206-1 bis 206-5; zweite oberflächenseitige Elektroden 208-1 bis 208-5; und erste oberflächenseitige Elektroden 210-1 bis 210-5. Indes umfasst jede Stapelstruktur der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 jeweils wenigstens die aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 und die Phasenmodulationsschichten 204-1 bis 204-5. Darüber hinaus ist gemäß der zweiten Ausführungsform eine X-Y-Ebene in jedem der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 an jeder Grenzoberfläche zwischen jeder zweiten Mantelschicht 206-1 bis 206-5 und jeder Phasenmodulationsschicht 204-1 bis 204-5 in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform eingestellt. Darüber hinaus fällt eine Z-Achse orthogonal zu der X-Y-Ebene mit einer Stapelrichtung in jedem der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 zusammen.
Die zweiten oberflächenseitigen Elektroden 208-1 bis 208-5 der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 sind wenigstens mit einer der entsprechenden Antriebselektroden 21-1 bis 21-5 verbunden. Die Phasenmodulationsschichten 204-1 bis 204-5 umfassen jeweils Basisbereiche 204-1a bis 204-5a mit einem ersten Brechungsindexbereich und einer Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b mit einem zweiten Brechungsindex, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b ist jeweils in den Basisbereichen 204-1a bis 204-5a gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt an einer Position angeordnet ist, die um einen vorbestimmten Abstand r von einem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 204-1a bis 204-5a verschoben ist. Das Anordnungsmuster ist derart festgelegt, dass ein Strahlenprojektionsmuster, das durch Licht, das von den ersten Oberflächen 200-1a bis 200-5a ausgegeben wird, ausgedrückt wird, und ein Strahlenprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlenprojektionsmusters ist, jeweils mit einem Zielstrahlenprojektionsmuster und einem Zielstrahlenprojektionsbereich übereinstimmen, wenn die Treiberströme von den entsprechenden Antriebselektroden 21-1 bis 21-5 zugeführt werden.
Auch in der zweiten Ausführungsform weist das lichtemittierende Halbleitermodul 2 wenigstens eine der nachfolgenden ersten bis dritten Konfigurationen auf. Das heißt, in der ersten Konfiguration stimmen die entsprechenden Zielstrahlenprojektionsbereiche im Wesentlichen zwischen wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement (dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement) aus der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die im lichtemittierenden Halbleitermodul enthalten sind, und wenigstens einem weiteren lichtemittierenden Halbleiterelement (dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement), das sich von dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement unterscheidet, zusammen. Das heißt, eine Strahlenprojektionsrichtung unterscheidet sich zwischen dem ersten und dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement. In der zweiten Konfiguration unterscheiden sich das Zielstrahlenprojektionsmuster des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und das Zielstrahlenprojektionsmuster des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements voneinander. In der dritten Konfiguration unterscheiden sich eine Lichtemissionswellenlänge des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und eine Lichtemissionswellenlänge des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements voneinander.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Zielstrahlenprojektionsbereich im Falle der ersten Konfiguration in allen lichtemittierenden Halbleiterelementen 200-1 bis 200-5 gleich. In dieser Konfiguration können die Zielstrahlenprojektionsmuster der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 alle gleich sein oder sie können verschieden sein. Darüber hinaus können die Lichtemissionswellenlängen der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 alle gleich sein, oder sie können verschieden sein. Im Falle der zweiten Konfiguration ist wenigstens eines der Zielstrahlenprojektionsmuster der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 unterschiedlich zu dem Zielstrahlenprojektionsmuster von wenigstens einem anderen lichtemittierenden Halbleiterelement. In dieser Konfiguration können die Zielstrahlenprojektionsbereiche der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 alle gleich sein, oder einige können unterschiedlich zu den anderen sein. Darüber hinaus können die Lichtemissionswellenlängen der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 alle gleich sein oder einige können unterschiedlich zu anderen sein. Im Falle der dritten Konfiguration unterscheidet sich eine Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 von einer Lichtemissionswellenlänge von wenigstens einem anderen lichtemittierenden Halbleiterelement. In dieser Konfiguration können die Zielstrahlenprojektionsmuster und die Zielstrahlenprojektionsbereiche der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 alle gleich sein oder einige können unterschiedlich zu anderen sein. In jeder Konfiguration kann die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements durch ein Material der aktiven Schicht und eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters im Basisbereich der Phasenmodulationsschicht eingestellt werden.
Wie in 9 und 11 gezeigt, weisen die ersten oberflächenseitigen Elektroden 210-1 bis 210-5 Öffnungen 210-1a bis 210-5a auf, die konfiguriert sind, um jeweils Licht an mittleren Abschnitten zu emittieren. Jede der ersten oberflächenseitigen Elektroden 210-1 bis 210-5 können anstelle der Elektrode mit der Öffnung eine transparente Elektrode aufweisen.
Eine vertikale Beziehung zwischen den aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 und den Phasenmodulationsschichten 204-1 bis 204-5 kann einer in 11 dargestellten vertikalen Beziehung entgegengesetzt sein. Darüber hinaus veranschaulicht 11 auch die Substratschichten 201-1 bis 201-5, die oberen Lichtleiterschichten 205b-1 bis 205b-5, die unteren Lichtleiterschichten 205a-1 bis 205a-5, die Kontaktschichten 207-1 bis 207-5, die Isolierschichten 209-1 bis 209-5 und die Antireflexionsschichten 211-1 bis 211-5, wobei jedoch die lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 nicht unbedingt diese Schichten aufweisen müssen.
Obwohl die entsprechenden Schichten, die Bestandteilmaterialien, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren und dergleichen der entsprechenden Bereiche von einem Fachmann auf der Grundlage des in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalts in geeigneter Weise gewählt werden kann, werden einige Beispiele davon wird im Nachfolgenden dargestellt. Das heißt, im Nachfolgenden wird ein Beispiel des Materials oder einer Schicht einer jeden in 11 dargestellten Schicht angegeben. Die Substratschichten 201-1 bis 201-5 sind aus GaAs gebildet. Die ersten Mantelschichten 202-1 bis 202-5 sind aus AlGaAs gebildet. Die aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 weisen eine Mehrfachquantentopfstruktur MQW auf. Die Phasenmodulationsschichten 204-1 bis 204-5 sind aus den Basisbereichen 204-1a bis 204-5a und der Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b, die jeweils in den Basisbereichen 204-1a bis 204-5a eingebettet sind, gebildet. Die Basisbereiche 204-1a bis 204-5a sind aus GaAs gebildet, und die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b sind aus AlGaAs gebildet. Die oberen Lichtleiterschichten 205b-1 bis 205b-5 und die unteren Lichtleiterschichten 205a-1 bis 205a-5 sind aus AI-GaAs gebildet. Die zweiten Mantelschichten 206-1 bis 206-5 sind aus AlGaAs gebildet. Die Kontaktschichten 207-1 bis 207-5 sind aus GaAs gebildet. Die Isolierschichten 209-1 bis 209-5 sind aus SiO₂ oder Siliziumnitrid gebildet. Die Antireflexionsschichten 211-1 bis 211-5 sind aus einem dielektrischen Einzelschichtfilm, wie beispielsweise Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂), oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm gebildet. Die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 204-1b bis 204-5b können mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllte Löcher sein.
Wenn das lichtemittierende Halbleitermodul 2 eine der ersten und zweiten Konfigurationen aufweist, weist die Mehrfachquantentopfstruktur MQW der aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AIGaAs/eine Topfstruktur: InGaAs. Wenn darüber hinaus das lichtemittierende Halbleitermodul 2 die dritte Konfiguration aufweist, weist die Mehrfachquantentopfstruktur MQW der aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AIGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs, eine Sperrschicht: GalnAsP/eine Quantentopfschicht: GalnAsP, eine Sperrschicht: InGaN/eine Quantentopfschicht: InGaN, oder eine Sperrschicht: AIGalnP/eine Quantentopfschicht: GalnP.
Als Beispiel wird den Substratschichten 201-1 bis 201-5 und den ersten Mantelschichten 202-1 bis 202-5 eine n-Verunreinigung hinzugefügt. Den zweiten Mantelschichten 206-1 bis 206-5 und den Kontaktschichten 207-1 bis 207-5 wird eine p-Verunreinigung hinzugefügt. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschichten 202-1 bis 202-5 und der zweiten Mantelschichten 206-1 bis 206-5 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 205b-1 bis 205b-5 und der unteren Lichtleiterschichten 205a-1 bis 205a-5. Die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 205b-1 bis 205b-5 und der unteren Lichtleiterschichten 205a-1 bis 205a-5 werden größer eingestellt als die Energiebandlücken der Mehrfachquantentopfstrukturen MQW in den aktiven Schichten 203-1 bis 203-5.
Hierin zeigen 12A bis 12F und 13A bis 13F Beispiele des Zielstrahlenprojektionsmusters und einer Phasenverteilung aus einer komplexen Amplitudenverteilung, die durch inverse Fourier-Transformation des dazu gehörigen Originalmusters gemäß der vorliegenden Ausführungsform und einer später zu beschreibenden dritten Ausführungsform erhalten wird. 12A bis 12C zeigen Beispiele der Zielstrahlenprojektionsmuster, die erhalten werden, wenn ein Treiberstrom von den jeweiligen Antriebselektroden 21-1, 21-3 und 21-5 zugeführt wird. 12D bis 12F zeigen die Phasenverteilungen aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverse Fourier-Transformation der Originalmuster erhalten werden, die jeweils den entsprechenden Strahlenprojektionsmustern in 12A bis 12C entsprechen.
13A bis 13C zeigen weitere Beispiele der Zielstrahlenprojektionsmuster, die erhalten werden, wenn ein Treiberstrom jeweils von den Antriebselektroden 21-1, 21-3 und 21-5 zugeführt wird. 13D bis 13F zeigen die Phasenverteilungen aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch inverse Fourier-Transformation der Originalmuster erhalten werden, die den entsprechenden Strahlenprojektionsmustern in 13A bis 13C entsprechen. Sowohl die 12D bis 12F als auch die 13D bis 13F sind aus 704 × 704 Elementen gebildet, und eine Verteilung der Winkel von 0 bis 2π wird durch Licht und Farbton dargestellt. Ein schwarzer Abschnitt repräsentiert den Winkel von Null.
Im Nachfolgenden wird eine Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 mit Bezug auf 14 beschrieben. 14 zeigt ein Blockdiagramm einer Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2. Wie in 14 gezeigt, umfasst die Lichtemissionsvorrichtung 240 das lichtemittierende Halbleitermodul 2, eine Stromversorgungsschaltung 241, eine Steuersignaleingabeschaltung 242 und eine Treiberschaltung 243. Die Stromversorgungsschaltung 241 führt der Treiberschaltung 243 und dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 Strom zu. Die Steuersignaleingabeschaltung 242 überträgt ein Steuersignal, das von außerhalb der Lichtemissionsvorrichtung 240 zugeführt wird, an die Treiberschaltung 243. Die Treiberschaltung 243 führt dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 Treiberstrom zu. Die Treiberschaltung 243 und das lichtemittierende Halbleitermodul 2 sind über mehrere Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 zum Zuführen eines Treiberstroms und einer Vielzahl von gemeinsamen Potentialleitungen 245-1 bis 245-5 verbunden. Die Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 sind mit den jeweiligen Antriebselektroden 21-1 bis 21-5 verbunden. Die gemeinsamen Potentialleitungen 245-1 bis 245-5 sind jeweils mit den ersten oberflächenseitigen Elektroden 210-1 bis 210-5 verbunden. Im Übrigen stellen in 14 das lichtemittierende Halbleitermodul 1, das über der Treiberschaltung 243 dargestellt ist, und das lichtemittierende Halbleitermodul 2, das unter der Treiberschaltung 243 dargestellt ist, jeweils die Seite (erste Oberflächenseite) der lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 und die Seite (die vierte Oberflächenseite) des Trägersubstrats 21 des einzelnen lichtemittierenden Halbleitermoduls 2 dar. Obwohl die mehreren gemeinsamen Potentialleitungen 245-1 bis 245-5 jeweils mit den ersten oberflächenseitigen Elektroden 210-1 bis 210-5 verbunden sind, wie in 14 gezeigt, kann anstelle der Vielzahl von gemeinsamen Potentialleitungen eine einzelne gemeinsame Potentialleitung vorgesehen sein. In einem solchen Fall kann die einzelne gemeinsame Potentialleitung mit einer beliebigen der ersten oberflächenseitigen Elektroden 210-1 bis 210-5 verbunden sein, und die ersten oberflächenseitigen Elektroden 210-1 bis 210-5 können über andere Verbindungsleitungen miteinander verbunden sein.
Die Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 können entsprechend einer Anwendung abwechselnd angetrieben werden, oder die mehreren Antriebsleitungen können gleichzeitig angetrieben werden. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 243 getrennt von dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 ausgebildet sein, oder sie kann fest verbunden auf dem Trägersubstrat 21 des lichtemittierenden Halbleitermoduls 2 vorgesehen sein.
Die Lichtemissionsvorrichtung 240 mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2, die wie zuvor beschrieben ausgebildet ist, wird wie folgt gesteuert (ein Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform). Das heißt, wenn bei dem Steuerverfahren ein oder mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente zum Antreiben ausgewählt werden, werden die Operationen der entsprechenden ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente einzeln gemäß einem Steuermuster, das individuell für jedes der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterlaserelemente eingestellt ist, durch die Treiberschaltung 243 gesteuert. Das Steuermuster umfasst Informationen, die einen Antriebszeitpunkt und/oder eine Antriebszeit jedes ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelements entlang einer Zeitachse definiert.
Insbesondere wird ein Treiberstrom von der Treiberschaltung 243 zwischen einer der Antriebsleitungen 244-1 bis 244-5 und den gemeinsamen Potentialleitungen 245-1 bis 245-5 zugeführt. In dem lichtemittierenden Halbleiterelement, in dem die zweite oberflächenseitige Elektrode mit der Antriebsleitung verbunden ist, die über die Antriebselektrode mit Treiberstrom versorgt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht derart, dass die aktive Schicht in dem lichtemittierenden Halbleiterelement Licht emittiert. Das durch eine solche Lichtemission erhaltene Licht wird effizient durch die ersten Mantelschichten 202-1 bis 202-5 und die zweiten Mantelschichten 206-1 bis 206-5 begrenzt. Das von den aktiven Schichten 203-1 bis 203-5 emittierte Licht dringt in das Innere der entsprechenden Phasenmodulationsschicht ein, wodurch sich aufgrund eines Begrenzungseffekts durch die zweidimensionale Rückkopplung durch die Phasenmodulationsschicht eine vorbestimmte Mode bildet. Wird eine ausreichende Menge an Elektronen und Löchern in die aktive Schicht eingebracht, oszilliert das auf der Phasenmodulationsschicht auftreffende Licht in einer vorbestimmten Mode. Das Licht, das die vorbestimmte Oszillationsmode bildet, wird gemäß dem Anordnungsmuster der modifizierten Brechungsindexbereiche einer Phasenmodulation unterworfen, und das Licht, das der Phasenmodulation unterworfen wird, wird von der Seite der ersten oberflächenseitigen Elektrode als Licht des Strahlenprojektionsmusters gemäß dem Anordnungsmuster nach außen (Strahlenprojektionsbereich) emittiert.
(Erste Konfiguration der zweiten Ausführungsform)
Wird die erste Konfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet, ist der Zielstrahlenprojektionsbereich in allen lichtemittierenden Halbleiterelementen 200-1 bis 200-5 gleich. In diesem Fall können verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements ausgeführt werden (das Anwendungsbeispiel, in dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird). Beispielsweise ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, in dem mehrere (drei oder mehr) Muster in geschalteter Weise im gleichen Bereich auf einem Bildschirm angezeigt werden, auszuführen, (b) eine Anwendung auf eine Lichtquelle für ein STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope) auszuführen, (c) eine Anwendung auf verschiedene Arten von Beleuchtungen eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend oder intermittierend mit dem gleichen Lichtmuster bestrahlt wird, auszuführen, und (d) eine Anwendung auf eine Laserbearbeitung eines Typs, in dem eine Stelle fortlaufend mit dem gleichen Muster von gepulsten Lichts zum Bohren eines Lochs eines Zielmusters in ein Objekt bestrahlt wird, auszuführen.
Ein Beispiel der Anwendung (a) in der ersten Konfiguration umfasst Anwendungen, in denen eine Animation in einem Bereich dargestellt wird, indem Symbole für einen Indikator angezeigt werden, die sich schrittweise in geschalteter Weise ändern, wie in 12A bis 12C gezeigt, indem eine Vielzahl von Informationsarten in geschalteter Weise, wie in 13A bis 13C gezeigt, angezeigt werden, und indem fortlaufend leicht unterschiedliche Muster in geschalteter Weise angezeigt werden. Solche Anzeigen können eine Anzeige auf einem normalen Display oder auf einem transmissiven Display einer Blickrichtungsanzeige (Head-up Display) sein. Es ist auch möglich, die Lichtemissionsfarben der entsprechenden lichtemittierenden Halbleiterelementen 200-1 bis 200-5 auf voneinander abweichende Farben einzustellen.
Als ein Beispiel der Anwendung (b) in der ersten Konfiguration kann beispielsweise die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente in dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 auf mehrere Paare (gerade Zahl) eingestellt werden, und die entsprechenden Paare der lichtemittierenden Halbleiterelemente können als Lichtquellen für das STED-Mikroskop verwendet werden, deren Erfassungspunkte leicht unterschiedlich voneinander sind. In diesem Fall können die mehreren Detektionspunkte gleichzeitig beobachtet werden, so dass es möglich ist, die gesamte Abtastung eines Objekts unter Verwendung des STED-Mikroskops zu beschleunigen.
Ein Beispiel der Anwendung (c) in der ersten Konfiguration umfasst eine Anwendung, bei der die als Beispiel für die Anwendung (c) in der ersten Konfiguration der ersten Ausführungsform beschriebene Beleuchtung so geändert wird, dass sie in mehreren Schritten umschaltbar ist.
Ein Beispiel der Anwendung (d) in der ersten Konfiguration umfasst eine Anwendung, bei der die als Beispiel für die Anwendung (d) in der ersten Konfiguration der ersten Ausführungsform beschriebene Laserbearbeitung auf sequentielles Pulsantreiben einer Vielzahl von Antriebselektroden umgeschaltet wird. In diesem Fall kann ein Impulsintervall jedes Elements verlängert werden, so dass es möglich ist, von jedem Element eine höhere Spitzenleistung zu erhalten, und es ist möglich, eine größere Leistung zu erzielen.
(Zweite Konfiguration der zweiten Ausführungsform)
Wird die zweite Konfiguration in der vorliegenden Ausführungsform verwendet, wird ein Zielstrahlenprojektionsmuster wenigstens eines lichtemittierenden Halbleiterelements so eingestellt, dass es sich von einem Zielstrahlenprojektionsmuster wenigstens eines weiteren lichtemittierenden Halbleiterelements unterscheidet. Somit können verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) ausgeführt werden. Beispielsweise ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem mehrere (drei oder mehr) Muster in geschalteter Weise in dem gleichen Bereich oder in mehreren unterschiedlichen Bereichen auf einem Bildschirm angezeigt werden, zu realisieren und (b) eine Anwendung auf eine Lichtquelle für ein STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope) zu realisieren.
Ein Beispiel der Anwendung (a) in der zweiten Konfiguration umfasst Anwendungen, in denen eine Animation in einem Bereich angezeigt wird, indem Symbole für einen Indikator, der schrittweise in geschalteter Weise, wie in 12A bis 12C gezeigt, geändert wird, angezeigt werden, mehrere Informationstypen, wie in 13A bis 13C in geschalteter Weise angezeigt werden und fortlaufend leicht unterschiedliche Muster in geschalteter Weise angezeigt werden. Solche Anzeigen können eine Anzeige auf einem normalen Display oder eine Anzeige auf einem transmissiven Display einer Blickrichtungsanzeige (Head-up Display) sein. Es ist möglich, die Lichtemissionsfarben der entsprechenden lichtemittierenden Halbleiterelemente 200-1 bis 200-5 auf voneinander abweichende Farben einzustellen.
Als Beispiel der Anwendung (b) in der zweiten Konfiguration kann beispielsweise die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente in dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 auf mehrere Paare (gerade Zahl) festgelegt werden, und die entsprechenden Paare der lichtemittierenden Halbleiterelemente können als Lichtquellen für das STED-Mikroskop verwendet werden, deren Detektionspunkte leicht unterschiedlich zueinander sind. In diesem Fall können die mehreren Detektionspunkte gleichzeitig erfasst werden, wobei es möglich ist, das gesamte Abtasten eines Objekts unter Verwendung des STED-Mikroskops zu beschleunigen.
(Dritte Konfiguration der zweiten Ausführungsform)
Wird die dritte Konfiguration in der vorliegenden Ausführungsform verwendet, unterscheidet sich eine Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines lichtemittierenden Halbleiterelements von einer Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines weiteren lichtemittierenden Halbleiterelements. Somit können verschiedene weitere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, bei dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) ausgeführt werden. Beispielsweise ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, (a) eine Anwendung auf verschiedene Anzeigevorrichtungen eines Typs, bei dem mehrere (drei oder mehr) Muster mit unterschiedlichen Farben in geschalteter Weise in dem gleichen Bereich oder in mehreren unterschiedlichen Bereichen auf einem Bildschirm angezeigt werden, auszuführen, (b) eine Anwendung auf eine Lichtquelle für ein STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion Microscope) auszuführen, und (c) eine Anwendung auf verschiedene Beleuchtungsarten eines Typs, bei dem eine Stelle fortlaufend oder intermittierend mit einer Vielzahl von Lichtstrahlen mit dem gleichen Muster und unterschiedlichen Farben bestrahlt wird, auszuführen.
Ein Beispiel der Anwendung (a) in der dritten Konfiguration umfasst Anwendungen, in denen eine Animation in einem Bereich angezeigt wird, indem Symbole für einen Indikator, der sich schrittweise in geschalteter Weise ändert, wie in 12A bis 12C gezeigt, angezeigt werden, indem mehrere Beleuchtungstypen in geschalteter Weise, wie in 13A bis 13C gezeigt, angezeigt werden und indem fortlaufend leicht unterschiedliche Muster in geschalteter Weise angezeigt werden. Solche Anzeigen können eine Anzeige auf einem normalen Display oder eine Anzeige auf einem transmissiven Display einer Blickrichtungsanzeige (Head-up Display) sein. Die Lichtemissionsfarbe eines jeden lichtemittierenden Halbleiterelements 200-1 bis 200-5 kann aus einer Vielzahl von Farben, die Licht emittieren können, beliebig ausgewählt werden.
Als Beispiel der Anwendung (b) in der dritten Konfiguration kann beispielsweise die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente in dem lichtemittierenden Halbleitermodul 2 auf mehrere Paare (gerade Zahl) festgelegt werden, und die entsprechenden Paare von lichtemittierenden Halbleiterelementen können als Lichtquellen für das STED-Mikroskop verwendet werden, deren Erfassungspunkte leicht unterschiedlich zueinander sind. In diesem Fall können mehrere Detektionspunkte gleichzeitig beobachtet werden, wodurch es möglich ist, die gesamte Abtastung eines Objekts unter Verwendung des STED-Mikroskops zu beschleunigen.
Ein Beispiel der Anwendung (c) in der dritten Konfiguration umfasst eine Anwendung, bei der die als Anwendung (c) in der dritten Konfiguration der ersten Ausführungsform beschriebene Beleuchtung in mehreren Schritten umschaltbar verändert wird.
(Dritte Ausführungsform)
Die dritte Ausführungsform ist eine Ausführungsform, die erhalten wird, indem die eindimensionale Anordnung der lichtemittierenden Halbleiterelemente gemäß der zweiten Ausführungsform auf eine zweidimensionale Anordnung geändert wird, wobei die anderen Konfigurationen mit Ausnahme der obigen Änderung jenen der zweiten Ausführungsform entsprechen.
Im Nachfolgenden wird eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleitermoduls 3 gemäß der dritten Ausführungsform mit Bezug auf 15 bis 71 beschrieben. 15 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 3 gemäß der dritten Ausführungsform aus Sicht einer Oberflächenseite eines lichtemittierenden Halbleiterelements. 16 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 3 aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats. 17 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XVI-XVI in 15 und 16. Obwohl 15 bis 17 ein Beispiel darstellen, bei dem fünfzehn lichtemittierende Halbleiterelemente und fünfzehn Antriebselektroden in drei Reihen und fünf Spalten angeordnet sind, kann eine andere Anzahl an lichtemittierenden Halbleiterelementen und Antriebselektroden als fünfzehn verwendet werden, und eine solche zweidimensionale Anordnung kann beliebig erfolgen.
Wie in 15 bis 17 gezeigt, umfasst das lichtemittierende Halbleitermodul 3 eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen 300-1 bis 300-15 und ein Trägersubstrat 31. Jedes der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 kann die gleiche Schichtkonfiguration wie 2 in Patentdokument 1 aufweisen, wobei sie nicht die gleiche Schichtkonfiguration aufweisen müssen. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 weisen erste Oberflächen 300-1a bis 300-15a und zweite Oberflächen 300-1b bis 300-15b auf, wobei Licht aus den ersten Oberflächen 300-1a bis 300-15a ausgegeben wird. Das Trägersubstrat 31 weist eine dritte Oberfläche 31a und eine vierte Oberfläche 31b sowie eine Vielzahl von Antriebselektroden 31-1 bis 31-15, die auf der dritten Oberfläche angeordnet sind, auf. Darüber hinaus ist es möglich, die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen 300-1 bis 300-15 auf dem Trägersubstrat 31 zu montieren. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 umfassen: aktive Schichten 303-1 bis 303-15; Phasenmodulationsschichten 304-1 bis 304-15, die mit den aktiven Schichten 303-1 bis 303-15 optisch gekoppelt sind; erste Mantelschichten 302-1 bis 302-15; zweite Mantelschichten 306-1 bis 306-15; zweite oberflächenseitige Elektroden 308-1 bis 308-15; und erste oberflächenseitige Elektroden 310-1 bis 310-15. Indes umfasst jede Stapelstruktur der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 jeweils wenigstens die aktiven Schichten 303-1 bis 303-15 und die Phasenmodulationsschichten 304-1 bis 304-15. Darüber hinaus wird in der dritten Ausführungsform eine X-Y-Ebene in jedem der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-5 auf jede Grenzfläche zwischen jede der zweiten Mantelschichten 306-1 bis 306-15 und jede der Phasenmodulationsschichten 304-1 bis 304-15 eingestellt, so wie in der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus fällt eine Z-Achse orthogonal zu der X-Y-Ebene mit einer Stapelrichtung in jedem der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-5 zusammen.
Die zweiten oberflächenseitigen Elektroden 308-1 bis 308-15 der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 sind jeweils mit den entsprechenden Antriebselektroden 31-1 bis 31-15 verbunden. Die Phasenmodulationsschichten 304-1 bis 304-15 umfassen jeweils Basisbereiche 304-1a bis 304-15a mit einem ersten Brechungsindex und eine Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b mit einem zweiten Brechungsindex, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b sind jeweils gemäß einem Anordnungsmuster in den Basisbereichen 304-1a bis 304-15a angeordnet, bei dem jeder Schwerpunkt an einer Position angeordnet ist, die um einen vorbestimmten Abstand r von jedem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter in jedem der Basisbereiche 304-1a bis 304-15a verschoben ist. Das Anordnungsmuster wird derart festgelegt, dass ein Strahlenprojektionsbereich und ein Strahlenprojektionsmuster des von der ersten Oberfläche 300-1a bis 300-15a ausgegebenen Lichts jeweils ein Zielstrahlenprojektionsbereich und ein Zielstrahlenprojektionsmuster wird, wenn Treiberströme von den entsprechenden Antriebselektroden 31-1 bis 31-15 zugeführt werden.
Auch in der dritten Ausführungsform weist das lichtemittierende Halbleitermodul 3 wenigstens eine der nachfolgenden ersten bis dritten Konfigurationen auf. Das heißt, in der ersten Konfiguration stimmen die entsprechenden Zielstrahlenprojektionsbereiche zwischen wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement (dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement) unter der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die in dem Licht emittierenden Halbleitermodul enthalten sind, und wenigstens einem weiteren lichtemittierenden Halbleiterelement (dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement), das sich von dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement unterscheidet, im Wesentlichen miteinander überein. Das heißt, eine Strahlenprojektionsrichtung ist zwischen dem ersten und dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement verschieden. In der zweiten Konfiguration unterscheidet sich ein Zielstrahlenprojektionsmuster des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements von einem Zielstrahlenprojektionsmuster des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements. In der dritten Konfiguration unterscheidet sich eine Lichtemissionswellenlänge des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements von einer Lichtemissionswellenlänge des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements.
In der vorliegenden Ausführungsform ist im Falle der ersten Konfiguration der Zielstrahlenprojektionsbereich in allen lichtemittierenden Halbleiterelementen 300-1 bis 300-15 gleich. In diesem Fall können die Zielstrahlenprojektionsmuster der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 alle gleich sein, oder es ist möglich, dass einige anders als andere sind. Darüber hinaus können die Lichtemissionswellenlängen der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 alle gleich sein, oder einige können anders als andere sein. Im Falle der zweiten Konfiguration unterscheidet sich ein Zielstrahlenprojektionsmuster wenigstens eines lichtemittierenden Halbleiterelements von einem Zielstrahlenprojektionsmuster wenigstens eines anderen lichtemittierenden Halbleiterelements. In diesem Fall können die Zielstrahlenprojektionsmuster der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 alle gleich sein, oder einige können sich von den anderen unterscheiden. Darüber hinaus können die Lichtemissionswellenlängen der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 alle gleich sein oder einige können sich von anderen unterscheiden. Im Falle der dritten Konfiguration unterscheidet sich eine Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines lichtemittierenden Halbleiterelements von einer Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines weiteren lichtemittierenden Halbleiterelements. In diesem Fall können die Zielstrahlenprojektionsmuster und die Zielstrahlenprojektionsbereiche der lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 alle gleich sein, oder einige können sich von den anderen unterscheiden. Bei jeder Konfiguration kann die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements durch ein Material der aktiven Schicht und eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters in dem Basisbereich der Phasenmodulationsschicht eingestellt werden.
Wie in 15 und 17 gezeigt, weisen die ersten oberflächenseitigen Elektroden 310-1 bis 310-15 jeweils Öffnungen 310-1a bis 310-15a auf, die ausgebildet sind, um Licht an mittleren Abschnitten zu emittieren. Jede erste oberflächenseitige Elektrode 310-1 bis 310-15 kann anstelle der Elektrode mit der Öffnung eine transparente Elektrode sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen den aktiven Schichten 303-1 bis 303-15 und den Phasenmodulationsschichten 304-1 bis 304-15 kann entgegengesetzt zu einer in 17 dargestellten vertikalen Beziehung sein. Darüber hinaus zeigt 17 auch Substratschichten 301-1 bis 301-15, obere Lichtleiterschichten 305b-1 bis 305b-15, untere Lichtleiterschichten 305a-1 bis 305a-15, Kontaktschichten 307-1 bis 307-15, Isolierschichten 309-1 bis 309-15 und Antireflexionsschichten 311-1 bis 311-15, wobei die lichtemittierenden Halbleiterelemente 300-1 bis 300-15 nicht unbedingt diese Schichten aufweisen müssen.
Obwohl die entsprechenden Schichten, Bestandteilmaterialien, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren und dergleichen der entsprechenden Bereiche von einem Fachmann auf der Grundlage des in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalts und dergleichen in geeigneter Weise gewählt werden können, werden im Nachfolgenden einige Beispiele davon dargestellt. Das heißt, das Material oder eine Struktur einer jeden in 17 dargestellten Schicht ist wie folgt. Die Substratschichten 301-1 bis 301-15 sind aus GaAs gebildet. Die ersten Mantelschichten 302-1 bis 302-15 sind aus AlGaAs gebildet. Die aktiven Schichten 303-1 bis 303-15 weisen eine Mehrfachquantentopfstruktur MQW auf. Die Phasenmodulationsschichten 304-1 bis 304-15 umfassen die Basisbereiche 304-1a bis 304-15a und die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b, die in den Basisbereichen 304-1a bis 304-15a eingebettet sind. Die Basisbereiche 304-1a bis 304-15a sind aus GaAs gebildet, und die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b sind aus AlGaAs gebildet. Die oberen Lichtleiterschichten 305b-1 bis 305b-15 und die unteren Lichtleiterschichten 305a-1 bis 305a-15 sind aus AlGaAs gebildet. Die zweiten Mantelschichten 306-1 bis 306-15 sind aus AlGaAs gebildet. Die Kontaktschichten 307-1 bis 307-15 sind aus GaAs gebildet. Die Isolierschichten 309-1 bis 309-15 sind aus SiO₂ oder Siliziumnitrid gebildet. Die Antireflexionsschichten 311-1 bis 311-15 sind aus einem dielektrischen Einschichtfilm, wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂), oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm gebildet. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 304-1b bis 304-15b können mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllte Löcher sein.
Wenn indes das lichtemittierende Halbleitermodul 3 die erste oder die zweite Konfiguration aufweist, hat die Mehrfachquantentopfstruktur MQW der aktiven Schichten 303-1 bis 303-15 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AIGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs. Wenn darüber hinaus das lichtemittierende Halbleitermodul 1 die dritte Konfiguration aufweist, weist die Mehrfachquantentopfstruktur MQW der aktiven Schichten 303-1 bis 303-15 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AlGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs, eine Sperrschicht: GalnAsP/eine Quantentopfschicht: GalnAsP, eine Sperrschicht: InGaN/eine Quantentopfschicht: InGaN, oder eine Sperrschicht: AIGalnP/eine Quantentopfschicht: GaInP.
Beispielsweise werden in den Substratschichten 301-1 bis 301-15 und den ersten Mantelschichten 302-1 bis 302-15 eine n-Verunreinigung hinzugefügt. Den zweiten Mantelschichten 306-1 bis 306-15 und den Kontaktschichten 307-1 bis 307-15 werden eine p-Verunreinigung hinzugefügt. Ferner sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschichten 302-1 bis 302-15 und der zweiten Mantelschichten 306-1 bis 306-15 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 305b-1 bis 305b-15 und der unteren Lichtleiterschichten 305a-1 bis 305a-15. Die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 305b-1 bis 305b-15 und der unteren Lichtleiterschichten 305a-1 bis 305a-15 sind größer eingestellt als die Energiebandlücken der Mehrfachquantentopfstrukturen MQW der aktiven Schichten 303-1 bis 303-15.
Im Nachfolgenden wird eine Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 3 mit Bezug auf 18 beschrieben. 18 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 3 darstellt. Wie in 18 gezeigt , umfasst die Lichtemissionsvorrichtung 340 das lichtemittierende Halbleitermodul 3, eine Stromversorgungsschaltung 341, eine Steuersignaleingabeleitung 342 und eine Treiberschaltung 343. Die Stromversorgungsschaltung 341 führt der Treiberschaltung 343 und dem lichtemittierenden Halbleitermodul 3 Strom zu. Die Steuersignaleingabeschaltung 342 überträgt ein Steuersignal, das von außerhalb der Lichtemissionsvorrichtung 340 zugeführt wird, an die Treiberschaltung 343. Die Treiberschaltung 343 führt dem lichtemittierenden Halbleitermodul 3 einen Treiberstrom zu. Der Treiberschaltung 343 und das lichtemittierende Halbleitermodul 3 sind über mehrere Antriebsleitungen 344-1 bis 344-15 zum Zuführen eines Treiberstroms und eine einzelne gemeinsame Potentialleitung 345 miteinander verbunden. Die ersten oberflächenseitigen Elektroden 310-1 bis 310-15 sind über eine Verbindungsleitung 346 miteinander verbunden. Die Antriebsleitungen 344-1 bis 344-15 sind jeweils mit den Antriebselektroden 31-1 bis 31-15 verbunden und die gemeinsame Potentialleitung 345 ist mit einer beliebigen (der ersten oberflächenseitigen) Elektrode 310-15 in 18) der ersten oberflächenseitigen Elektroden 310-1 bis 310-15 verbunden. Indes stellen in 18 das lichtemittierende Modul 3, das über der Treiberschaltung 343 dargestellt ist und das lichtemittierende Halbleitermodul 3, das unter der Treiberschaltung 343 dargestellt ist, die Seite (die erste Oberflächenseite) der lichtemittierenden Halbleiterelementen 300–1bis 300-15 und die Seite (die vierte Oberflächenseite) des Trägersubstrats 31 des einzelnen lichtemittierenden Halbleitermoduls 3 dar. In 18 sind die ersten oberflächenseitigen Elektroden 310-1 bis 310-15 über die Verbindungsleitung 346 miteinander verbunden, und die einzelne gemeinsame Potentialleitung 345 ist mit der einen ersten oberflächenseitigen Elektrode 310-15 verbunden. Jedoch können anstelle der obigen Verbindung so viele gemeinsame Potentialleitungen vorgesehen sein, wie es erste oberflächenseitige Elektroden gibt, so dass die Treiberschaltung 343 und die ersten oberflächenseitigen Elektroden 310-1 bis 310-15 über unterschiedliche gemeinsame Potentialleitungen verbunden sind.
Die Antriebsleitungen 344–1 bis 344–15 können entsprechend einer Anwendung abwechselnd angetrieben werden, oder mehrere Antriebsleitungen können gleichzeitig angetrieben werden. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 343 getrennt von dem lichtemittierenden Halbleitermodul 3 ausgebildet sein oder fest verbunden auf dem Trägersubstrat 31 des lichtemittierenden Halbleitermoduls 3 vorgesehen sein.
Die Lichtemissionsvorrichtung 340 mit dem lichtemittierenden Halbleitermodul 3, die wie zuvor beschrieben ausgebildet ist, wird wie folgt gesteuert (ein Steuerverfahren der vorliegenden Ausführungsform). Das heißt, bei dem Steuerverfahren, wenn ein oder mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente zum Antreiben ausgewählt werden, werden die Operationen der entsprechenden ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente durch die Treiberschaltung 343 gemäß einem Steuermuster, das individuell für jedes der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente festgelegt ist, einzeln gesteuert. Das Steuermuster umfasst Informationen, in denen ein Antriebszeitpunkt und/oder eine Antriebszeit für jedes der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelementen entlang einer Zeitachse definiert sind.
Insbesondere, wenn ein Treiberstrom von der Treiberschaltung 343 zwischen einer der Antriebsleitungen 344–1 bis 344–15 und der gemeinsamen Potentialleitung 345 zugeführt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht in dem lichtemittierenden Halbleiterelement, in dem die zweite oberflächenseitige Elektrode mit der Antriebsleitung verbunden ist, der über die Antriebselektrode Treiberstrom zugeführt wurde, so dass die aktive Schicht in dem lichtemittierenden Halbleiterelement Licht emittiert. Das durch eine solche Lichtemission erhaltene Licht wird durch die ersten Mantelschichten 302–1 bis 302–15 und die zweiten Mantelschichten 306–1 bis 306–15 effizient begrenzt. Das von den aktiven Schichten 303–1 bis 303–15 emittierte Licht tritt ins Innere der entsprechenden Phasenmodulationsschicht ein, wodurch sich aufgrund eines Begrenzungseffekts durch die zweidimensionale Rückkopplung durch die Phasenmodulationsschicht eine vorbestimmte Mode bildet. Wird eine hinreichend hohe Anzahl an Elektronen und Löchern in die aktive Schicht eingebracht, oszilliert das auf die Phasenmodulationsschicht treffende Licht in einer vorbestimmten Mode. Das Licht, das die vorbestimmte Oszillationsmode bildet, wird gemäß dem Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs einer Phasenmodulation unterworfen, und das der Phasenmodulation unterworfene Licht wird von der Seite der ersten oberflächenseitigen Elektrode als Licht, das den Strahlenprojektionsbereich und das Strahlenprojektionsmuster gemäß dem Anordnungsmuster aufweist, zur Außenseite emittiert.
(Erste Konfiguration der dritten Ausführungsform)
Wird die erste Konfiguration in der vorliegenden Ausführungsform verwendet, wird der Zielstrahlenprojektionsbereich in allen lichtemittierenden Halbleiterelementen 300–1 bis 300–15 gleich eingestellt. Somit können verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, in dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) ausgeführt werden. Mögliche Anwendungen sind gleich wie die Anwendungen (a) bis (d) in der ersten Konfiguration der zweiten Ausführungsform.
(Zweite Konfiguration der dritten Ausführungsform)
Wird die zweite Konfiguration in der vorliegenden Ausführungsform verwendet, unterscheidet sich ein Zielstrahlenprojektionsmuster wenigstens eines lichtemittierenden Halbleiterelements von einem Zielstrahlenprojektionsmuster wenigstens eines weiteren lichtemittierenden Halbleiterelements. Somit können verschiedene andere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, in dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) ausgeführt werden. Mögliche Anwendungen sind gleich wie die Anwendungen (a) bis (b) in der zweiten Konfiguration der zweiten Ausführungsform.
(Dritte Konfiguration der dritten Ausführungsform)
Wird die dritte Konfiguration in der vorliegenden Ausführungsform verwendet, unterscheidet sich eine Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines lichtemittierenden Halbleiterelements von einer Lichtemissionswellenlänge wenigstens eines weiteren lichtemittierenden Halbleiterelements. Somit können verschiedene weitere Anwendungen als das in Patentdokument 1 beschriebene Anwendungsbeispiel des lichtemittierenden Halbleiterelements (das Anwendungsbeispiel, in dem ein Objekt mit einem Laserstrahl abgetastet wird) ausgeführt werden. Mögliche Anwendungen entsprechen den Anwendungen (a) bis (c) in der dritten Konfiguration der zweiten Ausführungsform.
(Vierte Ausführungsform)
Eine vierte Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der die Lichtausgabe, die von der Seite der Substratschichten 101-1 und 101-2 in der ersten Ausführungsform genommen wird, geändert wird, und von der gegenüberliegenden Seite der Substratschichten 101-1 und 101-2 genommen wird. Dementsprechend wird die Lichtausgabe nicht durch die Substratschicht geleitet, und somit ist es möglich, eine Absorption des Ausgabelichts durch die Substratschicht zu beseitigen und eine Abschwächung des Ausgabelichts sowie eine Wärmeerzeugung in der Substratschicht zu verhindern. Die vierte Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der obigen Änderung.
Im Nachfolgenden wird eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleitermoduls 1B gemäß der vierten Ausführungsform mit Bezug auf 19 bis 21 beschrieben. 19 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 1B gemäß der vierten Ausführungsform aus Sicht einer ersten Oberflächenseite des lichtemittierenden Halbleiterelements, und 20 zeigt eine Ansicht des lichtemittierenden Halbleitermoduls 1B aus Sicht einer vierten Oberflächenseite eines Trägersubstrats. 21 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XX-XX in 19 und 20.
Wie in 19 bis 21 gezeigt, umfasst das lichtemittierende Halbleitermodul 1B ein Paar von lichtemittierenden Halbleiterelementen 100B–1 und 100B–2 sowie ein Trägersubstrat 11B. Jedes lichtemittierende Halbleiterelement 100B–1 und 100B–2 kann die gleiche Schichtkonfiguration wie 2 in Patentdokument 1 aufweisen, muss jedoch nicht unbedingt die gleiche Schichtkonfiguration aufweisen. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100B-1 bis 100B-2 weisen erste Oberflächen 100B-1a und 100B-2a und zweite Oberflächen 100B-1b und 100B-2b auf, wobei das Licht von den ersten Oberflächen 100B-1a und 100B-2a ausgegeben wird. Das Trägersubstrat 11B weist eine dritte Oberfläche 11Ba und eine vierte Oberfläche 11Bb auf und umfasst ein Paar von Antriebselektroden 11B-1 und 11B-2, die auf der dritten Oberfläche angeordnet sind. Darüber hinaus ist es möglich, das Paar von lichtemittierenden Halbleiterelementen 100B-1 und 100B-2 auf dem Trägersubstrat 11B zu montieren. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100B-1 und 100B-2 umfassen: aktive Schichten 103B-1 und 103B-2; Phasenmodulationsschichten 104B-1 und 104B-2, die optisch mit den aktiven Schichten 103B-1 und 103B-2 gekoppelt sind; erste Mantelschichten 102B-1 und 102B-2; zweite Mantelschichten 106B-1 und 106B-2; zweite oberflächenseitige Elektroden 108B-1 und 108B-2; und erste oberflächenseitige Elektroden 110B-1 und 110B-2. Indes umfasst jede Stapelstruktur der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100B-1 und 100B-2 jeweils wenigstens die aktiven Schichten 103B-1 und 103B-2 und die Phasenmodulationsschichten 104B-1 bzw. 104B-2.
Die zweiten oberflächenseitigen Elektroden 108B-1 und 108B-2 der lichtemittierenden Halbleiterelemente 100B-1 und 100B-2 sind jeweils mit den entsprechenden Antriebselektroden 11B-1 bzw. 11B-2 verbunden. Die Phasenmodulationsschichten 104B-1 und 104B-2 umfassen jeweils Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a mit einem ersten Brechungsindex und mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b mit einem zweiten Brechungsindexbereich, der sich von dem ersten Brechungsindexbereich unterscheidet. Darüber hinaus sind mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b jeweils in den Basisbereichen 104B-1a und 104B-2a gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet, in dem jeder Schwerpunkt an einer Position positioniert ist, die um einen vorbestimmten Abstand von jedem Gitterpunkt in einem virtuellen Quadratgitter in jedem Basisbereich 104B-1a und 104B-2a verschoben ist. Das Anordnungsmuster ist derart festgelegt, dass ein Strahlenprojektionsmuster, das durch das von den ersten Oberflächen 100B-1a und 100B-2a ausgegebene Licht ausgedrückt wird, und ein Strahlenprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlenprojektionsmusters ist, jeweils mit einem Zielstrahlenprojektionsmuster und einem Zielstrahlenprojektionsbereich übereinstimmen, wenn Treiberströme von den entsprechenden Antriebselektroden 11B-1 und 11B-2 zugeführt werden.
Auch in der vierten Ausführungsform weist das lichtemittierende Halbleitermodul 1B wenigstens eine der folgenden ersten bis dritten Konfigurationen auf. Das heißt, in der ersten Konfiguration fallen die entsprechenden Zielstrahlenprojektionsbereiche zwischen wenigstens einem lichtemittierenden Halbleiterelement (dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement) unter den mehreren lichtemittierenden Halbleiterelementen, die in dem lichtemittierenden Halbleitermodul enthalten sind, und wenigstens einem weiteren lichtemittierenden Halbleiterelement (dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement), das sich von dem ersten lichtemittierenden Halbleiterelement unterscheidet, zusammen. Das heißt, eine Strahlenprojektionsrichtung ist zwischen dem ersten und dem zweiten lichtemittierenden Halbleiterelement verschieden. In der zweiten Konfiguration unterscheidet sich das Zielstrahlenprojektionsmuster des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements von dem Zielstrahlenprojektionsmuster des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements. In der dritten Konfiguration unterscheidet sich die Lichtemissionswellenlänge des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements von einer Lichtemissionswellenlänge des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements.
Wie in 19 und 21 gezeigt, können die ersten oberflächenseitigen Elektroden 110B-1 und 110B-2 jeweils Öffnungen 110B-1a und 110B-2a aufweisen, die konfiguriert sind, um Licht an mittleren Abschnitten zu emittieren. Jede erste oberflächenseitige Elektrode 110B-1 und 110B-2 kann anstelle der Elektrode mit der Öffnung eine transparente Elektrode sein.
Eine vertikale Beziehung zwischen den aktiven Schichten 103B-1 und 103B-2 und den Phasenmodulationsschichten 104B-1 und 104B-2 kann entgegengesetzt zu einer vertikalen Beziehung, die in 21 gezeigt ist, sein. Darüber hinaus kann jede DBR-Schicht 120B-1 und 120B-2 zwischen jeder der Substratschichten 101B-1 und 101B-2 und jeder der ersten Mantelschichten 102B-1 und 102B-2 vorgesehen sein, um eine Lichtabsorption in jeder der Substratschichten 101B-1 und 101B-2 zu verringern. Die DBR-Schichten 120B-1 und 120B-2 können an anderen Positionen vorgesehen sein, solange jede der DBR-Schichten 120B-1 und 120B-2 zwischen jeder der Phasenmodulationsschichten 104B-1 und 140B-2 und jeder der Substratschichten 101B-1 und 101B-2 vorgesehen ist. Darüber hinaus sind in 21 ebenfalls Substratschichten 101B-1 und 101B-2, die oberen Lichtleiterschichten 105Ba-1 und 105Ba-2, die unteren Lichtleiterschichten 105Bb-1 und 105Bb-2, die Kontaktschichten 107B-1 und 107B-2, die Isolierschichten 109B-1 und 109B-2 sowie die Antireflexionsschichten 111B-1 und 111B-2 dargestellt, wobei die lichtemittierenden Halbleiterelemente 100B-1 und 100B-2 nicht notwendigerweise diese Schichten umfassen müssen.
Obwohl die entsprechenden Schichten, Bestandteilmaterialien, Formen, Abmessungen, Herstellungsverfahren und dergleichen der entsprechenden Bereiche von einem Fachmann auf der Grundlage der in Patentdokument 1 beschriebenen Inhalte und dergleichen in geeigneter Weise gewählt werden können, werden im Nachfolgenden einige Beispiele davon dargestellt. Das heißt, ein Beispiel des Materials oder einer Struktur einer jeden in 21 dargestellten Schicht ist wie folgt. Die Substratschichten 101B-1 und 101B-2 sind aus GaAs gebildet. Die ersten Mantelschichten 102B-1 und 102B-2 sind aus AlGaAs gebildet. Die aktiven Schichten 103B-1 und 103B-2 weisen eine Mehrfachquantentopfstruktur MQW auf. Die Phasenmodulationsschichten 104B-1 und 104B-2 umfassen jeweils die Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a und die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b, die in den Basisbereichen 104B-1a und 104B-2a eingebettet sind. Die Basisbereiche 104B-1a und 104B-2a sind aus GaAs gebildet. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b sind aus AlGaAs gebildet. Die oberen Lichtleiterschichten 105Ba-1 und 105Ba-2 und die unteren Lichtleiterschichten 105Bb-1 und 105Bb-2 sind aus AlGaAs gebildet. Die zweiten Mantelschichten 106B-1 und 106B-2 sind aus AlGaAs gebildet. Die Kontaktschichten 107B-1 und 107B-2 sind aus GaAs gebildet. Die Isolierschichten 109B-1 und 109B-2 sind aus SiO₂ oder Siliziumnitrid gebildet. Die Antireflexionsschichten 111B-1 und 111B-2 sind aus einem dielektrischen Einschichtfilm, wie Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumdioxid (SiO₂) oder einem dielektrischen Multischichtfilm gebildet. Die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 104B-1b und 104B-2b können aus mit Argon, Stickstoff, Luft oder dergleichen gefüllte Löcher sein.
Wenn indes das lichtemittierende Halbleitermodul 1B die erste oder die zweite Konfiguration aufweist, weist die Mehrfachquantentopfstruktur MQW der aktiven Schicht 103B-1 und 103B-2 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AlGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs. Wenn darüber hinaus das lichtemittierende Halbleitermodul 1 die dritte Konfiguration aufweist, weist die Mehrfachquantentopfstruktur MQW der aktiven Schichten 103B-1 oder 103B-2 vorzugsweise folgende Struktur auf: eine Sperrschicht: AIGaAs/eine Quantentopfschicht: InGaAs, eine Sperrschicht: GalnAsP/eine Quantentopfschicht: GalnAsP, eine Sperrschicht: InGaN/eine Quantentopfschicht: InGaN, oder eine Sperrschicht: AIGalnP/eine Quantentopfschicht: GaInP.
Beispielsweise wird den Substratschichten 101B-1 und 101B-2 und den ersten Mantelschichten 102B-1 und 102B-2 eine n-Verunreinigung hinzugefügt. Den zweiten Mantelschichten 106B-1 und 106B-2 und den Kontaktschichten 107B-1 und 107B-2 wird eine p-Verunreinigung hinzugefügt. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der ersten Mantelschichten 102B-1 und 102B-2 und der zweiten Mantelschichten 106B-1 und 106B-2 größer als die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 105Ba-1 und 105Ba-2 und der unteren Lichtleiterschichten 105Bb-1 und 105Bb-2. Darüber hinaus sind die Energiebandlücken der oberen Lichtleiterschichten 105Ba-1 und 105Ba-2 und der unteren Lichtleiterschichten 105Bb-1 und 105Bb-2 größer als die Energiebandlücken der Mehrfachquantentopfstrukturen MQW der Schichten 103B-1 und 103B-2.
(Erste Konfiguration der vierten Ausführungsform)
Der Zielstrahlenprojektionsbereich wird im Falle der ersten Konfiguration in allen lichtemittierenden Halbleiterelementen 100B-1 und 100B-2 gleich eingestellt. In dieser Konfiguration unterscheidet sich das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 von dem Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2. Darüber hinaus unterscheidet sich die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 von der Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2. Darüber hinaus sind im Falle der ersten Konfiguration die gleichen Anwendungen möglich wie im Falle der ersten Ausführungsform.
(Zweite Konfiguration der vierten Ausführungsform)
Im Falle der zweiten Konfiguration unterscheidet sich das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 von dem Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2. In dieser Konfiguration kann der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 und der Zielstrahlenprojektionsbereich des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2 gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus kann die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 und die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2 gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus sind im Falle der zweiten Konfiguration die gleichen Anwendungen möglich wie bei der zweiten Konfiguration der ersten Ausführungsform.
(Dritte Konfiguration der vierten Ausführungsform)
Im Falle der dritten Konfiguration ist die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 unterschiedlich zur Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2. In dieser Konfiguration können der Zielstrahlenprojektionsbereich und das Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-1 gleich oder unterschiedlich zu dem Zielstrahlenprojektionsbereich und dem Zielstrahlenprojektionsmuster des lichtemittierenden Halbleiterelements 100B-2 sein. In jeder Konfiguration kann die Lichtemissionswellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterelements durch ein Material der aktiven Schicht und eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters in dem Basisbereich der Phasenmodulationsschicht eingestellt werden. Darüber hinaus sind im Falle der dritten Konfiguration die gleichen Anwendungen wie in der dritten Konfiguration der ersten Ausführungsform möglich.
Obwohl die erste bis vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zuvor beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene erste bis vierte Ausführungsform beschränkt.
Beispielsweise wurde in 4 und 5 das Beispiel beschrieben, bei dem der modifizierte Brechungsindexbereich der Kreis (perfekte Kreis) ist, wobei jedoch der modifizierte Brechungsindexbereich eine andere Form als den Kreis aufweisen kann. Wenn beispielsweise die Form der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene ein der folgenden ist: der perfekte Kreis, ein Quadrat, ein regelmäßiges Sechseck, ein regelmäßiges Achteck, ein regelmäßiges Sechszehneck, ein Rechteck und eine Ellipse, das heißt, wenn die Formen der entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiche spiegelbildsymmetrisch (liniensymmetrisch) sind, ist es möglich, den Winkel φ; der zwischen der Richtung von dem Gitterpunkt O eines jeden der mehreren Einheitskonfigurationsbereiche R, die das virtuelle Quadratgitter bilden, in Richtung des Schwerpunkts G1 eines jeden entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs und der s-Achse gebildet wird, parallel zur X-Achse, mit hoher Genauigkeit in der Phasenmodulationsschicht, einzustellen. Darüber hinaus können die Formen der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche auf der X-Y-Ebene Formen sein, die keine 180°-Drehsymmetrie aufweisen, wie in 22A bis 22J gezeigt. Beispiele der Formen, die keine 180°-Drehsymmetrie aufweisen, umfassen ein gleichseitiges Dreieck, wie in 22B gezeigt, ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, wie in 22A gezeigt,, ein gleichschenkliges Dreieck, wie in 22C gezeigt, eine in 22I gezeigte Form, in der zwei Kreise oder Ellipsen teilweise einander überlappen, eine in 22H gezeigte Ei-Form, und eine 22G gezeigte eine Tropfenform, eine in 22E gezeigte Pfeilform, ein in 22F gezeigtes Trapez, ein in 22G gezeigtes Fünfeck, eine in 22J gezeigte Form, in der zwei Rechtecke einander teilweise überlappen. In diesem Fall ist es möglich, eine höhere Lichtausgabe zu erzielen. Indes ist die „Ei-Form“ eine Form, die erhalten wird, indem eine Ellipse derart verformt wird, dass eine Abmessung in einer Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Langachse kleiner als eine Abmessung in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitts ist, wie in 22H gezeigt. Wie in 22D gezeigt, ist die „Tropfenform“ eine Form, die erhalten wird, indem ein Endabschnitt einer Ellipse entlang einer Langachse davon in einen spitzen Endabschnitt verformt wird, der entlang der Langachsenrichtung vorsteht. Die Pfeilform ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks eine dreieckige Kerbe bildet und eine Seite gegenüber der einen Seite einen dreieckigen Vorsprung bildet, wie in 22E gezeigt.
Obwohl die erste bis dritte Ausführungsform ausgebildet ist, um Licht von der Seite der Substratschicht eines jeden lichtemittierenden Halbleiterelements auszugeben, können sie so konfiguriert sein, dass Licht von der Seite gegenüber der Substratschicht, wie in der vierten Ausführungsform, ausgegeben wird. Obwohl die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente zwei (ein Paar) in der vierten Ausführungsform ist, können auch drei oder mehr lichtemittierende Halbleiterelemente eindimensional oder zweidimensional, in ähnlicher Weise wie in der zweiten und dritten Ausführungsform, angeordnet werden. In der Konfiguration, bei der Licht von der Seite gegenüber der Substratschicht ausgegeben wird, wird das ausgegebene Licht nicht durch die Substratschicht geleitet, und somit ist es möglich, eine Lichtabsorption durch die Substratschicht zu vermeiden und die Abschwächung des ausgegebenen Lichts sowie eine Wärmeentwicklung in der Substratschicht zu verhindern.
Die Phasenmodulationsschicht kann mit einem Innenbereich A, der mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche aufweist, die ausgebildet sind, um einen Strahlenprojektionsbereich und ein Strahlenprojektionsmuster zu bilden, und einem Außenbereich B, der einen Außenumfang des Innenbereichs A umgibt, ausgebildet sein, wie in einem ersten modifizierten Beispiel in 23 gezeigt (ein modifiziertes Beispiel n04-m der Phasenmodulationsschicht in 4). Der Innenbereich A ist im Wesentlichen ein Bereich, der durch die Einheitskonfigurationsbereiche R gebildet wird, in denen jeweils die entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiche angeordnet sind. Der Außenbereich B ist mit einer Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Umfangsbrechungsindexbereichen ausgebildet. Beispielsweise stimmen die Schwerpunkte der Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Umfangsbrechungsindexbereichen mit Gitterpunkten in einem erweiterten Quadratgitter überein, das definiert wird, indem die gleiche Gitterstruktur wie das virtuelle Quadratgitter auf einen Außenumfang des virtuellen Quadratgitters gelegt wird. Indes zeigt 23 einen Aspekt, in dem das modifizierte Beispiel der Phasenmodulationsschicht in einer Schichtdickenrichtung (Z-Achsenrichtung) betrachtet wird. In 23 stellt ein Umriss (der Außenbereich B) einen Teil des Phasenmodulationsbereichs dar. Der Innenbereich A, der von dem Außenbereich B umgeben ist, ist ein Phasenmodulationsbereich, der eine Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche umfasst, die konfiguriert sind, um einen Strahlenprojektionsbereich und ein Strahlenprojektionsmuster zu bilden (ein Bereich, der im Wesentlichen durch die mehreren Einheitskonfigurationsbereiche R gebildet wird), ähnlich wie in der ersten bis vierten Ausführungsform. Somit wird der Phasenmodulationsbereich der Phasenmodulationsschicht durch den Innenbereich A und den Außenbereich B in dem Beispiel der 23 gebildet. Wie zuvor beschrieben, ist der Außenbereich B ein Bereich, der die mehreren gitterpunktgelagerten modifizierten Umfangsbrechungsindexbereiche aufweist, die den Schwerpunkt an der Gitterpunktposition in dem virtuellen Quadratgitter aufweisen, wobei im Folgenden ein Beispiel davon dargestellt ist. Das heißt, eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters im Außenbereich B kann gleich einer Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters im Innenbereich A sein, und eine Form und eine Größe eines jeden gitterpunktgelagerten modifizierten Umfangsbrechungsindexbereichs im Außenbereich B kann gleich einer Form und einer Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs im Innenbereich A sein. Gemäß diesem modifizierten Beispiel wird eine Lichtleckage in einer Richtung in der Ebene unterdrückt und ein Oszillationsschwellenstrom verringert.
Ferner zeigen 4 und 5 das Beispiel, in dem die modifizierten Brechungsindexbereiche (nachfolgende „verschobene modifizierte Brechungsindexbereiche“ genannt) mit den Schwerpunkten G1 an den um den folgenden Abstand von den jeweiligen Gitterpunkten im virtuellen Quadratgitter im Basisbereich verschobenen Positionen nacheinander im jeweiligen Einheitskonfigurationsbereich bereitgestellt werden. Jedoch können die verschobenen modifizierten Brechungsindexbereiche in mehrere Abschnitte unterteilt werden, so dass alle Schwerpunkte an den Positionen positioniert sind, die um den vorbestimmten Abstand von den entsprechenden Gitterpunkten verschoben sind. Darüber hinaus können Gitterpunkt-Brechungsindexbereiche an den entsprechenden Gitterpunkten zusätzlich zu den verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichen vorgesehen sein. Der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich ist ein Bereich mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex (dem ersten Brechungsindex) des Basisbereichs ähnlich dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich unterscheidet, kann jedoch auch aus dem gleichen Material (ein Material mit dem gleichen Brechungsindex) wie der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich gebildet sein, oder ein Teil davon kann mit einem Abschnitt des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs überlappen.
Im Nachfolgenden wird ein Beispiel im Falle des Bereitstellens des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs zusätzlich zu dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich mit Bezug auf 24, 25A bis 25K und 26 beschrieben. 24 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs und dem gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereich im Falle des Bereitstellens der gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs zusätzlich zu dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich. 25A bis 25K zeigen Ansichten eines Beispiels (in dem Rotationssystem) über eine Kombination des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs in dem Fall des Bereitstellens des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs zusätzlich zu dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich. 26 zeigt eine Ansicht eines modifizierten Beispiels (in dem Rotationssystem) des Falls, in dem der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich zusätzlich zu dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich bereitgestellt wird.
In diesen Zeichnungen kennzeichnet O den Gitterpunkt, G1 kennzeichnet den Schwerpunkt des verschobenen Brechungsindexbereichs und G2 kennzeichnet einen Schwerpunkt des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs. Obwohl die Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und dem Gitterpunkt O, wie in 24 dargestellt, gleich wie die in 5 ist, ist in 24 zusätzlich ein gitterpunktgelagerter modifizierter Brechungsindexbereich dargestellt. Obwohl der Schwerpunkt G2 des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mc den Gitterpunkt O in 24 überlappt, muss der Schwerpunkt G2 nicht notwendigerweise auf dem Gitterpunkt O liegen, wie in 26 gezeigt. Obwohl sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Kreise sind und beide in 24 nicht einander überlappen, ist eine Kombination beider Bereiche nicht darauf beschränkt.
Wie in 25A bis 25K gezeigt, sind verschiedene Kombinationen als Kombination des verschobenen modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mc denkbar. 25A zeigt die Kombination der 24. 25B zeigt eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Quadrate sind. 25C zeigt eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Kreise sind und einander teilweise überlappen. 25D zeigt eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Quadrate sind und beide einander teilweise überlappen. 25E zeigt eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc der 25D beliebig um die entsprechenden Schwerpunkte G1 und G2 (den Gitterpunkt O) derart gedreht sind, dass beide einander nicht überlappen. 25F zeigt eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb ein Dreieck ist und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc ein Quadrat ist. 25G zeigt eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc der 25F beliebig um die entsprechenden Schwerpunkte G1 und G2 (den Gitterpunkt O) derart gedreht sind, dass beide einander nicht überlappen. 25H zeigt eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb der 25A in zwei kreisförmige Bereiche unterteilt ist. 25I zeigt eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb in ein Quadrat und ein Dreieck unterteilt ist, und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc ein Dreieck ist. 25J ist eine Kombination, bei der der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb und der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc der 25I beliebig um die entsprechenden Schwerpunkte G1 und G2 (den Gitterpunkt O) gedreht sind. 25K zeigt eine Kombination, bei der sowohl der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb als auch der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich n04-mc Quadrate sind, der verschobene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb in zwei Quadrate unterteilt ist, und die Richtungen der Seiten der entsprechenden Quadrate jeweils in die gleichen Richtungen zeigen. Wenn der gitterpunktgelagerte modifizierte Brechungsindexbereich zusätzlich zu dem verschobenen modifizierten Brechungsindexbereich vorgesehen ist, weist der modifizierte Brechungsindexbereich, der beide Bereiche kombiniert, insgesamt keine 180°-Drehsymmetrie auf, und somit ist es möglich, eine höhere Lichtausgabe zu erzielen.
Wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs (einschließlich des gitterpunktgelagerten modifizierten Umfangsbrechungsindexbereichs und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs) als eine Form ausgebildet ist, die eine lineare Seite aufweist, ist es wünschenswert, eine Richtung der Seite mit einer bestimmten ebenen Ausrichtung von Kristallen auszurichten, die die Substratschicht bilden. Wenn dann der modifizierte Brechungsindexbereich ein mit Argon, Stickstoff oder Luft gefülltes Loch ist, wird es leicht, eine Form des Lochs zu steuern, und es ist möglich, einen Defekt in einer auf dem Loch gewachsenen Kristallschicht zu unterdrücken.
Indes sind die Formen oder die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche (einschließlich des gitterpunktgelagerten modifizierten Umfangsbrechungsindexbereichs und des gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichs), die den jeweiligen Gitterpunkten entsprechen, innerhalb eines Phasenmodulationsbereichs nicht unbedingt gleich. Wie in 27 gezeigt (ein zweites modifiziertes Beispiel der in 4 dargestellten Phasenmodulationsschicht n04-m), können die Formen und die Anzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche für jeden Gitterpunkt unterschiedlich sein.
Im Nachfolgenden wird ein Fall beschrieben, bei dem ein Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der Phasenmodulationsschicht n04-m durch ein Verschiebungssystem auf der Achse (on-axis shift system) bestimmt wird. Als Verfahren zum Bestimmen des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der Phasenmodulationsschicht n04-m wird die erhaltene Phasenmodulationsschicht in den lichtemittierenden Halbleitermodulen gemäß den zuvor beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen verwendet, selbst wenn das Verschiebungssystem auf der Achse anstelle des zuvor beschriebenen Rotationssystems verwendet wird.
28 zeigt eine schematische Ansicht zur Beschreibung des Anordnungsmusters (in dem Verschiebungssystem auf der Achse) des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb in der Phasenmodulationsschicht n04-m. Die Phasenmodulationsschicht n04-m umfasst den Basisbereich n04-ma mit einem ersten Brechungsindex und den modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb mit einem zweiten Brechungsindex, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Hierbei wird ein virtuelles Quadratgitter, das auf einer X-Y-Ebene definiert ist, in der Phasenmodulationsschicht n04-m auf die gleiche Weise wie in dem Beispiel der 4 festgelegt. Eine Seite des Quadratgitters verläuft parallel zu der X-Achse und die andere Seite verläuft parallel zu der Y-Achse. Dabei werden die Einheitskonfigurationsbereiche R, die jeweils eine Quadratform mit einem Gitterpunkt O des Quadratgitters als Mittelpunkt davon aufweisen, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten (x1 bis x4) entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Reihen (y1 bis y3) entlang der Y-Achse festgelegt. Unter der Annahme, dass die Koordinaten der entsprechenden Einheitskonfigurationsbereiche R mit den Schwerpunktpositionen der jeweiligen Einheitskonfigurationsbereiche R angegeben werden, stimmen die Schwerpunktpositionen mit den Gitterpunkten O der virtuellen Quadratgitter überein. Mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche n04-mb werden nacheinander in jedem der Einheitskonfigurationsbereiche R ausgebildet. Eine Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist beispielsweise eine Kreisform. Der Gitterpunkt O kann außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb angeordnet sein, oder er kann in dem modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb enthalten sein.
Im Übrigen wird ein Verhältnis der Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, die innerhalb eines Einheitskonfigurationsbereichs R liegt, als ein Füllfaktor (FF) bezeichnet. Wenn der Gitterabstand des Quadratgitters A ist, ist der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb als S/a² angegeben. Hierbei ist S die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene und wird als S = π × (D/2)² mit einem Durchmesser D eines perfekten Kreises angegeben, wie beispielsweise eine Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb die perfekte Kreisform ist. Ist die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ein Quadrat, ist S = LA² unter Verwendung einer Länge LA einer Seite des Quadrats.
29 zeigt ein Diagramm zur Beschreibung einer Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und dem Gitterpunkt O(x,y) in dem virtuellen Quadratgitter als Beispiel des Anordnungsmusters, das durch das Verschiebungssystem auf der Achse bestimmt wird. Wie in 29 gezeigt, ist der Schwerpunkt G1 eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der geraden Linie L angeordnet. Die gerade Linie L ist eine gerade Linie, die durch den entsprechenden Gitterpunkt O(x,y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) verläuft und mit Bezug auf jede Seite des Quadratgitters geneigt ist. Mit anderen Worten ist die gerade Linie L eine Gerade, die mit Bezug auf sowohl die s-Achse als auch die t-Achse geneigt ist, die jeden der Einheitskonfigurationsbereiche R(x,y) definieren. Ein Neigungswinkel der geraden Linie L mit Bezug auf die s-Achse ist θ. Der Neigungswinkel θ ist innerhalb der Phasenmodulationsschicht n04-m konstant. Der Neigungswinkel θ genügt 0° < θ < 90°, und θ = 45° in einem Beispiel. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ die Beziehung 180° < θ < 270° und θ = 225° in einem Beispiel. Wenn der Neigungswinkel θ die Beziehung 0° < θ < 90° oder 180° < θ < 270° erfüllt, erstreckt sich die gerade Linie L von dem ersten Quadranten zu dem dritten Quadranten der Koordinatenebene, die durch die s-Achse und die t-Achse definiert wird. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ die Beziehung 90° < θ < 180° und θ = 135° in einem Beispiel. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ die Beziehung 270° < θ < 360° und θ = 315° in einem Beispiel. Wenn der Neigungswinkel θ die Beziehung 90° < θ < 180° oder 270° < θ < 360° erfüllt, erstreckt sich die gerade Linie L von dem zweiten Quadranten zu dem vierten Quadranten der Koordinatenebene, die durch die s-Achse und die t-Achse definiert wird. Auf diese Weise ist der Neigungswinkel θ ein Winkel ohne 0°, 90°, 180° und 270°. Hier wird ein Abstand zwischen dem Gitterpunkt O(x,y) und dem Schwerpunkt G1 als r(x,y) angenommen. Dabei gibt x eine Position des x-ten Gitterpunkts auf der X-Achse, und y eine Position des y-ten Gitterpunkts auf der Y-Achse an. Wenn der Abstand r (x,y) ein positiver Wert ist, ist der Schwerpunkt G1 im ersten Quadranten (oder im zweiten Quadranten) angeordnet. Wenn der Abstand r(x,y) ein negativer Wert ist, ist der Schwerpunkt G1 im dritten Quadranten (oder im vierten Quadranten) angeordnet. Wenn der Abstand r(x,y) Null ist, stimmen der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G1 überein.
Der Abstand r(x,y) zwischen dem Schwerpunkt G1 eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb und dem entsprechenden Gitterpunkt O(x,y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y), wie in 28 gezeigt, wird für jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb gemäß einem Zielstrahlenprojektionsmuster (optischen Bild) individuell eingestellt. Eine Verteilung des Abstands r(x,y) weist einen bestimmten Wert an jeder Position auf, der durch die Werte von x (x1 bis x4 in dem Beispiel der 28) und y (y1 bis y3 in dem Beispiel der 28) bestimmt wird, aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion dargestellt wird. Die Verteilung des Abstands r(x,y) wird aus einer Phasenverteilung bestimmt, die aus einer komplexen Amplitudenverteilung extrahiert wird, die durch inverse Fourier-Transformation eines Zielstrahlenprojektionsmusters erhalten wird. Das heißt, der Abstand r(x,y) wird auf Null gesetzt, wenn die Phase P(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y), wie in 29 gezeigt, P₀ ist, der Abstand r(x,y) wird auf einen Höchstwert R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x,y) gleich π + P₀ ist, und der Abstand r(x,y) wird auf einen Mindestwert -R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x,y) -π + P₀. Ferner wird der Abstand r(x,y) derart eingestellt, dass r(x,y) = {P(x,y)-P₀} × R₀/π für eine Zwischenphase P(x,y) davon. Hier kann eine Anfangsphase P₀ beliebig eingestellt werden. Unter der Annahme, dass der Gitterabstand des Quadratgitters A ist, liegt der Höchstwert R₀ von r(x,y) beispielsweise innerhalb eines Bereichs der nachfolgenden Formel (10). $0 \leq R_{0} \leq \frac{a}{\sqrt{2}}$
Die Reproduzierbarkeit des Strahlenprojektionsmusters wird durch Verwenden eines iterativen Algorithmus, wie dem Gerchberg-Saxton (GS)-Verfahren verbessert, das im Allgemeinen bei einer Hologrammerzeugungsberechnung zum Zeitpunkt des Erhaltens einer komplexen Amplitudenverteilung aus dem Zielstrahlenprojektionsmuster verwendet wird.
30 zeigt eine Draufsicht eines Beispiels, in dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur nur innerhalb eines bestimmten Bereichs einer Phasenmodulationsschicht als erstes modifiziertes Beispiel für die Phasenmodulationsschicht der 28 angewendet wird. In dem in 30 dargestellten Beispiel wird innerhalb des quadratischen Innenbereichs RIN eine im Wesentlichen periodische Struktur (beispielsweise die Struktur der 28) gebildet, die konfiguriert ist, um ein Zielstrahlenprojektionsmuster zu emittieren, in ähnlicher Weise wie in dem in 23 gezeigten Beispiel. Andererseits ist ein modifizierter Brechungsindexbereich, der in einem perfekten Kreis ausgebildet ist und dessen Schwerpunktposition mit einer Gitterpunktposition des Quadratgitters übereinstimmt, in einem Außenbereich ROUT, der den Innenbereich RIN umgibt, angeordnet. Der Gitterabstand des Quadratgitters, das virtuell festgelegt wird, ist im Innenbereich RIN und im Außenbereich ROUT gleich (= a). Bei dieser Struktur wird Licht auch im Außenbereich ROUT verteilt, so dass es möglich ist, das Auftreten von Hochfrequenzrauschen (sogenanntes Fensterfunktionsrauschen), das durch eine abrupte Änderung der Lichtintensität im Randbereich des Innenbereichs RIN verursacht wird, zu unterdrücken. Darüber hinaus kann die Lichtleckage in der Ebene unterdrückt und eine Verringerung des Schwellenstroms erwartet werden.
Indes ist die Beziehung zwischen dem optischen Bild, das als Strahlenprojektionsmuster erhalten wird, das von jedem der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen in den lichtemittierenden Halbleitermodulen gemäß den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgegeben wird, und der Phasenverteilung P(x,y) in der Phasenmodulationsschicht n04-m die gleiche wie in dem Fall des zuvor beschriebenen Rotationssystems (5). Dementsprechend ist die Phasenmodulationsschicht n04-m konfiguriert, um die nachfolgenden Bedingungen unter der oben beschriebenen ersten Vorraussetzung, die das Quadratgitter definiert, zu erfüllen, wobei die oben beschriebene zweite Vorraussetzung durch die oben genannten Formeln (1) bis (3) definiert ist, die zuvor beschriebene dritte Vorraussetzung durch die zuvor genannten Formeln (4) und (5) definiert ist, und die zuvor beschriebene vierte Vorraussetzung durch die zuvor genannten Formeln (6) und (7) definiert ist. Das heißt, der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb ist innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) so angeordnet, dass er die Beziehung erfüllt, dass der Abstand r(x,y) vom Gitterpunkt O(x,y) zum Schwerpunkt G des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist: $r (x, y) = C \times (P (x,y) - P_{0})$

(C: eine Proportionalitätskonstante, beispielsweise R₀/π,
P₀: eine beliebige Konstante, zum Beispiel Null).

Das heißt, der Abstand r(x,y) wird auf Null gesetzt, wenn die Phase P(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) P₀ ist, wird auf den Höchstwert R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x,y) gleich π + P₀ ist, und wird auf den Mindestwert -R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x,y) gleich -π + P₀ ist. Wenn ein Zielstrahlenprojektionsmuster erhalten werden soll, wird vorzugsweise das Zielstrahlenprojektionsmuster einer inversen Fourier-Transformation unterzogen und die Verteilung des Abstands r(x,y) gemäß der Phase P(x,y) der komplexen Amplitude davon an den mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen n04-mb angewendet. Die Phase P(x,y) und der Abstand r(x,y) können proportional zueinander sein.
Indes kann ein Fernfeldbild nach der Fourier-Transformation des Laserstrahls verschiedene Formen annehmen, wie zum Beispiel eine einzelne Punktform oder eine Vielzahl von Punktformen, eine ringförmige Form, eine lineare Form, eine Zeichenform, eine doppelte Ringform und eine Laguerre-Gausssche Strahlenform. Es ist auch möglich, eine Strahlrichtung zu steuern, wodurch es möglich ist, eine Laserbearbeitungsmaschine zu entwickeln, die elektrisch Hochgeschwindigkeitsabtastungen durchführt, beispielsweise durch eindimensionales oder zweidimensionales Anordnen der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen in jedem der lichtemittierenden Halbleitermodule gemäß den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen. Indes wird das Strahlenprojektionsmuster durch Winkelinformationen in dem Fernfeld dargestellt, und somit kann die inverse Fourier-Transformation nach einmaliger Umwandlung der Winkelinformationen durchgeführt und dann bei einem Bitmap-Bild oder dergleichen in einen Wellenzahlraum umgewandelt werden, indem das Zielstrahlenprojektionsmuster durch zweidimensionale Positionsinformationen dargestellt wird.
Als Verfahren zum Erhalten einer Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der durch eine inverse Fourier-Transformation erhaltenen komplexen Amplitudenverteilung, kann beispielsweise eine Intensitätsverteilung I(x,y) mit der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks, Inc. und die Phasenverteilung P(x,y) mit der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Im Nachfolgenden erfolgt eine Beschreibung der Punkte, die bei der Berechnung mit einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) zu beachten sind, wenn der Abstand r(x,y) jedes modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb durch Erhalten der Phasenverteilung P(x,y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des Zielstrahlenprojektionsmusters bestimmt wird. 31A und 31B zeigen Ansichten zur Beschreibung der Punkte, die zu beachten sind, wenn eine Phasenwinkelverteilung (entsprechend einer Drehwinkelverteilung in dem Rotationssystem) aus einem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation eines Zielstrahlenprojektionsmusters erhalten wird, um die Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs zu bestimmen. Das Strahlenprojektionsmuster, das aus der komplexen Amplitudenverteilung berechnet wird, die durch die inverse Fourier-Transformation in 31A erhalten wird, die das Zielstrahlenprojektionsmuster ist, befindet sich in dem in 31B dargestellten Zustand. Wenn das Muster in vier Quadranten aufgeteilt wird, das heißt, A1, A2, A3, und A4, wie in 31A und 31B gezeigt, erscheint im ersten Quadranten des Strahlenprojektionsmusters in 31B ein überlagertes Muster, bei dem ein durch Drehen des ersten Quadranten von 31A um 180 Grad erhaltenes Muster und ein Muster im dritten Quadranten in 31A übereinander angeordnet sind. Im zweiten Quadranten der 31B erscheint ein überlagertes Muster, bei dem ein Muster, das durch Drehen des zweiten Quadranten von 31A um 180 Grad erhalten wird, und ein Muster im vierten Quadranten von 31A einander überlagert werden. Im dritten Quadranten der 31B erscheint ein überlagertes Muster, bei dem das durch Drehen des dritten Quadranten der 31A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im ersten Quadranten der 31A einander überlagert sind. Im vierten Quadranten von 31B erscheint ein überlagertes Muster, bei dem das durch Drehen des vierten Quadranten der 31A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster im zweiten Quadranten der 31A einander überlagert sind. Zu diesem Zeitpunkt ist das um 180 Grad gedrehte Muster ein Muster, das aus Lichtkomponenten negativer erster Ordnung besteht.
Wenn somit ein Muster mit einem Wert nur im ersten Quadranten als optisches Bild (optisches Originalbild) verwendet wird, das nicht der inversen Fourier-Transformation unterzogen wird, erscheint das Muster im ersten Quadranten des optischen Originalbildes in dem dritten Quadranten des erhaltenen Strahlenprojektionsmusters, und das Muster, das durch Drehen des ersten Quadranten des optischen Originalbildes um 180 Grad erhalten wird, erscheint im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlenprojektionsmusters.
Indes können ein Materialsystem, eine Filmdicke und eine Schichtkonfiguration unterschiedlich geändert werden, solange sie so konfiguriert sind, dass in der obigen Struktur die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht enthalten sind. Hier gilt eine Skalierungsregel für einen sogenannten photonischen Quadratgitter-Kristalllaser, bei dem die Störung durch das virtuelle Quadratgitter Null ist. Das heißt, wenn eine Wellenlänge α-mal konstant wird, kann die gleiche stehende Welle erhalten werden, indem die gesamte Quadratgitterstruktur mit α multipliziert wird. In ähnlicher Weise ist es möglich, die Struktur der Phasenmodulationsschicht n04-m gemäß der Skalierungsregel in Abhängigkeit von der Wellenlänge selbst in der vorliegenden Ausführungsform zu bestimmen. Somit ist es möglich, das lichtemittierende Halbleiterelement zu realisieren, das sichtbares Licht ausgibt, indem die aktive Schicht 12 verwendet wird, die Licht, wie Blau, Grün und Rot emittiert, und indem die Skalierungsregel in Abhängigkeit von der Wellenlänge angewendet wird.
Wenn im Falle des Quadratgitters mit dem Gitterabstand A die Einheitsvektoren der orthogonalen Koordinaten x und y sind, sind die Grundtranslationsvektoren a₁ = ax und a₂ = ay, und die reziproken Grundgittervektoren sind b₁ = (2π/a)x und b₂ = (2π/a)y für die Translationsvektoren a₁ und a₂. Wenn ein Wellenzahlvektor einer Welle, die in einem Gitter vorhanden ist, k = nb₁ + mb₂ ist (n und m sind beliebige ganze Zahlen), ist eine Wellenzahl k am Γ-Punkt vorhanden. Wenn ferner die Magnitude des Wellenzahlvektors gleich der Magnitude des reziproken Grundgittervektors ist, wird eine Resonanzmode (eine stehende Welle in der X-Y-Ebene) erhalten, in der der Gitterabstand A gleich einer Wellenlänge λ ist. In den zuvor beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen wird eine Oszillation in einer solchen Resonanzmode (stehender Wellenzustand) erhalten. Unter Berücksichtigung einer TE-Mode, in der zu diesem Zeitpunkt ein elektrisches Feld in einer Ebene parallel zum Quadratgitter vorhanden ist, gibt es vier Moden des stehenden Wellenzustands, in denen der Gitterabstand und die Wellenlänge aufgrund der Symmetrie des Quadratgitters, wie zuvor beschrieben, gleich sind. In den zuvor beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen kann ein gewünschtes Strahlenprojektionsmuster ebenfalls in jeder Oszillationsart in einem dieser vier stehenden Wellenzustände erhalten werden.
Indes kann das gewünschte Strahlenprojektionsmuster erhalten werden, wenn die stehende Welle in der Phasenmodulationsschicht n04-m durch die Lochform gestreut wird und die in vertikaler Richtung der Ebene erhaltene Wellenfront phasenmoduliert wird. So kann das gewünschte Strahlenprojektionsmuster auch ohne Polarisationsplatte erzielt werden. Dieses Strahlenprojektionsmuster kann nicht nur ein Paar einzelner Peak-Strahlen (Punkte) sein, sondern auch eine Symbolform oder zwei oder mehr Punktgruppen mit der gleichen Form, wie zuvor beschrieben, oder ein Vektorstrahl oder dergleichen, wobei die Phasen- oder Intensitätsverteilung räumlich ungleichmäßig ist, sein.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Basisbereichs n04-mb beispielsweise 3,0 bis 3,5 und der Brechungsindex des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist beispielsweise 1,0 bis 3,4. Darüber hinaus ist beispielsweise ein mittlerer Radius der entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb in dem Loch des Basisbereichs n04-ma 20 nm bis 120 nm im Falle eines Bandes von 940 nm. Wenn sich die Größe eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ändert, ändert sich auch die Beugungsintensität in der Z-Achsenrichtung. Diese Beugungseffizienz ist proportional zu einem optischen Kopplungskoeffizienten κ1, der durch einen Koeffizienten erster Ordnung zum Zeitpunkt der Fourier-Transformation der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb dargestellt wird. Der optische Kopplungskoeffizient ist beispielsweise in dem zuvor beschriebenen Nicht-Patentdokument 2 beschrieben.
Im Nachfolgenden erfolgt eine Beschreibung über einen Effekt, der durch ein lichtemittierendes Halbleiterelement erhalten wird, das die Phasenmodulationsschicht n04-m aufweist, deren Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb durch das Verschiebungssystem auf der Achse, wie zuvor beschrieben, bestimmt wurde. Herkömmlicherweise ist das lichtemittierende Halbleiterelement als ein lichtemittierendes Halbleiterelement bekannt, bei dem der Schwerpunkt G1 eines jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb vom entsprechenden Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters entfernt angeordnet ist und einen Drehwinkel gemäß einem optischen Bild um jeden der Gitterpunkt O aufweist (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Wenn es möglich ist, eine neue Lichtemissionsvorrichtung zu realisieren, bei der sich die Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb und jedem Gitterpunkt O von der aus dem Stand der Technik unterscheidet, vergrößert sich ein Spielraum für den Entwurf der Phasenmodulationsschicht n04-m, was sehr vorteilhaft ist.
Die Phasenmodulationsschicht n04-m, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, umfasst den Basisbereich n04-ma und die mehreren modifizierten Brechungsindexbereichen n04-mb, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich von jenem des Basisbereichs n04-ma unterscheidet, und der Schwerpunkt G1 eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb ist, auf der geraden Linie L angeordnet, die durch den Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters verläuft und mit Bezug auf sowohl die s-Achse als auch die t-Achse in dem Einheitskonfigurationsbereich R, der durch das orthogonale Koordinatensystem der s-Achse und t-Achse definiert wird, geneigt ist. Ferner wird der Abstand r(x,y) von dem Schwerpunkt G1 eines jeden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb zu dem entsprechenden Gitterpunkt O gemäß dem Zielstrahlenprojektionsmuster individuell eingestellt. In einem solchen Fall ändert sich die Phase eines Strahls in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem Gitterpunkt O und dem Schwerpunkt G1. Das heißt, es ist möglich, die Phase des Strahls, der von jedem modifizierten Brechungsindexbereich n04-mb emittiert werden soll, zu steuern, indem nur die Position des Schwerpunkts G1 geändert wird, und das Strahlenprojektionsmuster so zu bilden, dass es insgesamt eine gewünschte Form aufweist (Zielstrahlenprojektionsmuster). Das heißt, jedes der zuvor beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelemente ist ein S-iPM-Laser. Gemäß einer solchen Struktur ist es möglich, ein Strahlenprojektionsmuster mit einer beliebigen Form in einer Richtung auszugeben, die mit Bezug einer Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche geneigt ist, von der Licht, ähnlich wie bei der herkömmlichen Struktur, ausgegeben wird, in der der Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb den Drehwinkel um jeden der Gitterpunkte O gemäß dem Zielstrahlenprojektionsmuster aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, im Verschiebungssystem auf der Achse das lichtemittierende Halbleiterelement und das lichtemittierende Halbleitermodul bereitzustellen, bei denen sich die Positionsbeziehung zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb und jedem der Gitterpunkte O vollständig vom Stand der Technik unterscheiden.
Hierin zeigt 32A eine Ansicht eines Beispiels des Strahlenprojektionsmusters (optisches Bild), das von dem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird. Die Mitte der 32A entspricht einer Achse, die die Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements schneidet und senkrecht zu der Lichtemissionsfläche ist. Darüber hinaus zeigt 32B ein Diagramm einer Lichtintensitätsverteilung in einem Querschnitt mit der Achse, die die Lichtemissionsfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements schneidet und senkrecht zu der Lichtemissionsfläche ist. 32B wird durch Integrieren und Plotten der vertikalen Anzahl von 1344 × 1024 Bilddatenpunkten und in einem Fernfeldbild erhalten, das mit einem optischen FFP-Systems (A3267-12 von Hamamatsu Photonics KK), einer Kamera (ORCA-05G von Hamamatsu Photonics KK) und einem Strahlenmessgerät (Lepas-12 von Hamamatsu Photonics KK) aufgenommen wurde. Eine höchste Zählzahl in 32A wird 255 normiert und das Licht B0 nullter Ordnung ist gesättigt, um die Intensitätsverhältnisse von Licht positiver und negativer erster Ordnung deutlich darzustellen. Eine Intensitätsdifferenz zwischen dem Licht erster Ordnung und dem Licht negativer erster Ordnung ist aus 32B leicht zu erkennen. Darüber hinaus zeigt 33A eine Ansicht, die eine Phasenverteilung darstellt, die dem in 32A dargestellten Strahlenprojektionsmuster entspricht. 33B zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht von 33A. In den 33A und 33B wird an jedem Punkt in der Phasenmodulationsschicht n04-m eine Phase durch Schraffierung dargestellt. Je dunkler die Schattierung wird, desto mehr nähert sich der Phasenwinkel 0°, und je heller die Schattierung wird, desto mehr nähert sich der Phasenwinkel 360°. Jedoch ist der Phasenwinkel nicht notwendigerweise im Bereich von 0° bis 360° eingestellt, da der Mittelwert des Phasenwinkels beliebig wählbar ist. Wie in 32A und 32B gezeigt, gibt das lichtemittierende Halbleiterelement Licht erster Ordnung, das einen ersten optischen Bildabschnitt B1 enthält, der in einer ersten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Achse geneigt ist, und das Licht negativer erster Ordnung, das einen zweiten optischen Bildabschnitt B2 enthält, der in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die symmetrisch zur ersten Richtung in Bezug auf die Achse ist, und rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildabschnitt B1 in Bezug auf die Achse ist, aus. Typischerweise erscheint der erste optische Bildabschnitt B1 im ersten Quadranten in der X-Y-Ebene und der zweite optische Bildabschnitt B2 im dritten Quadranten in der X-Y-Ebene. Es gibt jedoch einen Fall, bei dem nur das Licht erster Ordnung verwendet wird, und das Licht negativer erster Ordnung je nach Anwendung nicht verwendet wird. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, dass die Lichtmenge des Lichts negativer erster Ordnung kleiner als diejenige des Lichts erster Ordnung ist.
34 zeigt eine Ansicht, die konzeptionell ein Beispiel eines Strahlenprojektionsmusters einer sich bewegenden Welle in jeder Richtung darstellt. In diesem Beispiel beträgt der Neigungswinkel der Geraden L mit Bezug auf die s-Achse und die t-Achse 45° in dem Einheitskonfigurationsbereich R. In der Phasenmodulationsschicht des S-iPM-Lasers vom Quadratgittertyp werden entlang der X-Y-Ebene sich bewegende Grundwellen AU, AD, AR und AL erzeugt. Die sich bewegenden Wellen AU und AD sind Licht, das sich entlang von Seiten, die sich in der Y-Achsenrichtung erstrecken, unter den jeweiligen Seiten des Quadratgitters bewegt. Die sich bewegende Welle AU bewegt sich in die positive Y-Achsenrichtung, und die sich bewegende Welle AD bewegt sich in die negative Y-Achsenrichtung. Ferner sind die sich bewegenden Wellen AR und AL Licht, das sich entlang von Seiten, die sich in der X-Achsenrichtung erstrecken, unter den entsprechenden Seiten des Quadratgitters bewegt. Die sich bewegende Welle AR bewegt sich in die positive X-Achsenrichtung, und die sich bewegende Welle AL bewegt sich in die negative X-Achsenrichtung. In diesem Fall werden Strahlenprojektionsmuster in entgegengesetzten Richtungen aus den sich bewegenden Wellen erhalten, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Beispielsweise wird ein Strahlenprojektionsmuster BU mit nur dem zweiten optischen Bildabschnitt B2 aus der sich bewegenden Welle AU erhalten, und ein Strahlenprojektionsmuster Band mit nur dem ersten optischen Bildabschnitt B1 wird aus der sich bewegenden Welle AD erhalten. In ähnlicher Weise wird ein Strahlenprojektionsmuster BR mit nur dem zweiten optischen Bildabschnitt B2 aus der sich bewegenden Welle AR erhalten, und ein Strahlenprojektionsmuster BL mit nur dem ersten optischen Bildabschnitt B1 wird aus der sich bewegenden Welle AL erhalten. Mit anderen Worten, wird eine der sich bewegenden Wellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, das Licht erster Ordnung und die andere wird das Licht negativer erster Ordnung. Das Strahlenprojektionsmuster, das von dem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben wird, ist ein Muster, bei dem die Strahlenprojektionsmuster BU, BD, BR und BL übereinander gelagert sind.
Gemäß den Untersuchungen der vorliegenden Erfinder umfasst das herkömmliche lichtemittierende Halbleiterelement, bei dem der modifizierte Brechungsindexbereich um den Gitterpunkt gedreht wird, notwendigerweise beide sich bewegenden Wellen, die aufgrund der Natur der Anordnung des modifizierten Brechungsindexbereichs sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Das heißt, bei dem herkömmlichen System tritt die gleiche Menge Licht erster Ordnung und Licht negativer erster Ordnung in einer der vier sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL, die eine stehende Welle bilden, auf, und das Licht nullter Ordnung wird in Abhängigkeit von einem Radius eines Rotationskreises erzeugt (der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs und dem Gitterpunkt). Somit ist es prinzipiell schwierig, eine Differenz der Lichtmengen des Lichts erster Ordnung und des Lichts negativer erster Ordnung anzuwenden, und es ist schwierig, eine davon selektiv zu verringern. Somit ist es schwierig, die Lichtmenge des Lichts negativer erster Ordnung bezogen auf die Lichtmenge des Lichts erster Ordnung zu verringern.
Hierin zeigen 35A und 35B Ansichten des Rotationssystems, bei dem der zuvor beschriebene modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb um den Gitterpunkt gedreht wird, als das Verfahren zur Bestimmung des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs, sowie die sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL. Es erfolgt eine Beschreibung hinsichtlich des Grunds, warum es schwer ist, das Licht erster Ordnung oder das Licht negativer erster Ordnung in dem Rotationssystem zu verhindern, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb um den Gitterpunkt O gedreht wird. Die sich bewegende Welle AU in der positiven Richtung der t-Achse, wie in 35B gezeigt, dient als ein Beispiel für vier sich bewegende Wellen für eine Designphase φ(x,y) an einer bestimmten Position (entsprechend dem Drehwinkel in 5 in dem Rotationssystem). Zu diesem Zeitpunkt wird eine Verschiebung vom Gitterpunkt O r·sinφ(x,y) für die sich bewegende Welle AU aufgrund einer geometrischen Beziehung, und somit erfüllt eine Phasendifferenz eine Beziehung von (2π/a)r·sinφ(x,y). Folglich wird eine Phasenverteilung Φ(x,y) (entsprechend der zuvor beschriebenen Phasenverteilung P(x,y)) für die sich bewegende Welle AU durch Φ(x,y) = exp{j(2π/a)r·sinφ(x,y)}, wenn der Einfluss der Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb so klein ist, dass der Einfluss vernachlässigbar ist. Der Anteil der Phasenverteilung Φ(x,y) am Licht nullter Ordnung und an dem Licht positiver und negativer erster Ordnung wird durch die Komponenten n = 0 und n = ± 1 im Falle einer Erweiterung durch exp{jnΦ(x,y)} (n: eine ganze Zahl) angegeben. Wenn indes eine mathematische Formel verwendet wird, die durch die nachfolgende Formel (11) definiert ist, die sich auf eine Bessel-Funktion Jn(z) einer ersten Art der Ordnung n bezieht, kann die Phasenverteilung Φ(x,y) einer Reihenentwicklung unterzogen werden, und jede Lichtmenge des Lichts nullter Ordnung und des Lichts positiver und negativer erster Ordnung kann damit beschrieben werden. $e^{J z sin ϕ} = \sum_{n = - \infty}^{\infty} J_{n} (z) \cdot e^{j n ϕ}$
Dabei werden eine Lichtkomponente nullter Ordnung, eine Lichtkomponente erster Ordnung und eine Lichtkomponente negativer erster Ordnung der Phasenverteilung (x,y) durch J₀(2πr/a), J₁(2πr/a) und J_-1(2πr/a) ausgedrückt. Die Größen der Lichtkomponenten positiver und negativer erster Ordnung werden gleich, da die Beziehung zwischen J₁(x) = -J_-1(x) hinsichtlich der Bessel-Funktionen positiver und negativer erster Ordnung besteht. Obwohl die sich bewegende Welle AU in der positiven Y-Achsenrichtung als das Beispiel für die vier sich bewegenden Wellen betrachtet wurde, gilt auch die gleiche Beziehung für die anderen drei Wellen (die sich bewegenden Wellen AD, AR und AL) und die Größen der Lichtkomponenten positiver und negativer erster Ordnung werden gleich. Aus dem obigen Argument ist es prinzipiell schwierig, die Differenz der Lichtmengen der Lichtkomponenten positiver und negativer erster Ordnung im herkömmlichen System anzuwenden, in dem der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb um den Gitterpunkt O gedreht wird.
Andererseits tritt gemäß der Phasenmodulationsschicht n04-m, bei der das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb durch das Verschiebungssystem auf der Achse bestimmt wird, die Differenz zwischen den Lichtmengen des Lichts erster Ordnung und des Lichts negativer erster Ordnung für die einzelne sich bewegende Welle auf, wobei die ideale Phasenverteilung erhalten werden kann, wenn sich die Verschiebungsgröße R₀ einem oberen Grenzwert der obigen Formel (9) nähert, beispielsweise, wenn der Neigungswinkel θ 45°, 135°, 225° oder 315° ist. Dadurch wird das Licht nullter Ordnung reduziert, und das Licht erster Ordnung und das Licht negativer erster Ordnung selektiv in jeder der sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL reduziert. Somit wird es möglich, die Differenz der Lichtmengen des Lichts erster Ordnung und des Lichts negativer erster Ordnung im Prinzip anzuwenden, indem selektiv eine der sich bewegenden Wellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, reduziert wird.
36A und 36B zeigen Ansichten des Verschiebungssystems auf der Achse, bei dem der modifizierte Brechungsindexbereich auf der Achse, die mit Bezug auf das Quadratgitter durch den Gitterpunkt geneigt ist, bewegt wird, als Verfahren zur Bestimmung des Anordnungsmusters des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, sowie der sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL. Im Nachfolgenden erfolgt eine Beschreibung hinsichtlich eines Grunds, warum es möglich ist, entweder das Licht erster Ordnung oder das Licht negativer erster Ordnung in dem Verschiebungssystem auf der Achse, wie in 36A gezeigt, selektiv zu verringern, bei dem der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der Geraden L, die durch den Gitterpunkt O verläuft und mit Bezug auf sowohl die s-Achse als auch die t-Achse, die den Einheitskonfigurationsbereich R bilden, geneigt ist, bewegt wird. Die sich bewegende Welle AU in der positiven Richtung der t-Achse in 36B wird als Beispiel für vier sich bewegende Wellen mit Bezug auf die Designphase Φ(x,y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) in Betracht gezogen. Dabei wird eine Verschiebung vom Gitterpunkt O aufgrund der geometrischen Beziehung zu r sinθ{φ(x,y)-φ₀}/ für die sich bewegende Welle AU, und somit erfüllt eine Phasendifferenz eine Beziehung (2π)/a)r sinθ {φ(x,y)-φ₀}/π. Hierbei erfolgt aus Gründen der Einfachheit die Einstellung so, dass der Neigungswinkel θ = 45° und der Phasenwinkel φ₀ = 0°. Zu diesem Zeitpunkt wird die Phasenverteilung Φ(x,y) hinsichtlich der sich bewegenden Welle AU durch die nachfolgende Formel (12) angegeben, wenn der Einfluss der Größe des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb so klein ist, dass der Einfluss vernachlässigbar ist. $Φ (x, y) = exp {j (\frac{\sqrt{2 r}}{a}) ϕ (x, y)}$
Der Beitrag der Phasenverteilung Φ(x,y) zum Licht nullter Ordnung und zum Licht positiver und negativer erster Ordnung wird durch Komponenten von n = 0 und n = ± 1 im Falle der Erweiterung durch um exp{jnΦ(x,y)} (n: eine ganze Zahl) angegeben. Wenn eine Funktion f(z), die durch die folgende Formel (13) ausgedrückt wird, einer Laurent-Serienentwicklung unterworfen wird, ergibt sich eine mathematische Formel, die durch die Formel (14) definiert ist. $f (z) = z^{c}$
wobei $\begin{array}{l} 0 < | c | < 1 \\ c = \frac{\sqrt{2 r}}{a} \\ z = exp {j φ (x, y)} \end{array}$
$z^{c} = \sum_{n = - \infty}^{\infty} e^{j π (c - n)} \cdot sin c [π (c - n)] \cdot z^{n}$
Hierin ist sinc(x) = x/sin(x). Wird eine mathematische Formel, die durch die obige Formel (14) definiert ist, verwendet, kann die Phasenverteilung Φ(x,y) einer Serienentwicklung unterworfen werden, und sowohl die Lichtmenge des Lichts nullter Ordnung als auch die Lichtmenge des Lichts positiver und negativer erster Ordnung kann dadurch beschrieben werden. Wenn dabei darauf geachtet wird, dass ein Absolutwert des Exponententerms exp{jπ(c-n)} in der obigen Formel (14) eins ist, wird eine Größe der Lichtkomponente nullter Ordnung der Phasenverteilung Φ(x,y) durch die nachfolgende Formel (15) ausgedrückt. $sin c (\frac{\sqrt{2} π r}{a})$
Darüber hinaus wird eine Größe einer Lichtkomponente erster Ordnung der Phasenverteilung Φ(x,y) durch die nachfolgende Formel (16) ausgedrückt. $sin c \cdot π (- 1 + \frac{\sqrt{2} r}{a})$
Eine Größe einer Lichtkomponente negativer erster Ordnung der Phasenverteilung Φ(x,y) wird durch die nachfolgende Formel (17) ausgedrückt. $sin c \cdot π (1 + \frac{\sqrt{2} r}{a})$
Ferner erscheinen in den obigen Formeln (15) bis (17) die Lichtkomponente nullter Ordnung und die Lichtkomponente negativer erster Ordnung zusätzlich zu der Lichtkomponente erster Ordnung, mit Ausnahme des Falls, dass die durch den folgenden Ausdruck (18) definierte Bedingung erfüllt wird. Die Größen der Lichtkomponenten positiver und negativer erster Ordnung werden jedoch nicht gleich groß. $r = \frac{a}{\sqrt{2}}$
Obwohl die sich bewegende Welle AU in der positiven Y-Achsenrichtung als Beispiel der vier sich bewegenden Wellen in der obigen Beschreibung betrachtet wurde, kann die gleiche Beziehung für die anderen drei Wellen (die sich bewegenden Wellen AD, AR und AL) gebildet werden, und es tritt ein Unterschied zwischen den Größen der Lichtkomponenten positiver und negativer erster Ordnung auf. Aus dem obigen Argument ist es im Prinzip möglich, die Differenz zwischen den Lichtmengen der Lichtkomponenten positiver und negativer erster Ordnung gemäß dem Verschiebungssystem auf der Achse anzuwenden, bei dem sich der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb auf der Geraden L bewegt, die durch den Gitterpunkt O verläuft und von dem Quadratgitter geneigt ist. Somit ist es im Prinzip möglich, nur ein gewünschtes optisches Bild (den ersten optischen Bildabschnitt B1 oder den zweiten optischen Bildabschnitt B2) selektiv herauszunehmen, indem das Licht negativer erster Ordnung oder das Licht erster Ordnung verringert wird. Selbst in der zuvor beschriebenen 32B wird verstanden, dass der Intensitätsunterschied zwischen dem Licht erster Ordnung und dem Licht negativer erster Ordnung auftritt.
Darüber hinaus kann der Neigungswinkel θ (der Winkel zwischen der s-Achse und der Geraden L) der Geraden L in dem Einheitskonfigurationsbereich R in der Phasenmodulationsschicht n04-m in dem Verschiebungssystem auf der Achse konstant sein. Folglich ist es möglich, die Anordnung des Schwerpunkts G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf einfache Weise zu entwerfen. Darüber hinaus kann der Neigungswinkel in diesem Fall 45°, 135°, 225° oder 315° sein. Folglich können die vier Grundwellen (im Falle des Einstellens der X- und Y-Achsen entlang des Quadratgitters des Licht in positiver X-Achsenrichtung, des Lichts in negativer X-Achsenrichtung, des Lichts in positiver Y-Achsenrichtung und des Lichts in negativer Y-Achsenrichtung, gleichermaßen zum optischen Bild beitragen. Wenn der Neigungswinkel θ 45°, 135°, 225° oder 315° beträgt, werden die Richtungen der elektromagnetischen Felder auf der Geraden L durch Auswahl einer geeigneten Bandkantenmode in eine Richtung ausgerichtet, so dass linear polarisiertes Licht erhalten werden kann. Als Beispiel für eine solche Mode sind die zuvor beschriebenen und in 3 des Nicht-Patentdokuments 3 dargestellten Moden A und B erwähnt. Wenn der Neigungswinkel θ 0°, 90°, 180° oder 270° ist, trägt ein Paar von sich bewegenden Wellen, die sich in die Y-Achsenrichtung oder die X-Achsenrichtung bewegen, unter den vier sich bewegenden Wellen AU, AD, AR und AL nicht zum Licht erster Ordnung (Signallicht) bei, und somit ist es schwierig, das Signallicht hocheffizient zu gestalten.
Indes kann die optische Kopplung leicht erzielt werden, auch wenn die Positionsbeziehung zwischen der aktiven Schicht und der Phasenmodulationsschicht n04-m entlang der Z-Achsenrichtung umgekehrt wird, die dann gleich wie in dem zuvor beschriebenen Rotationssystem ist.
37A bis 37G und 38A bis 38K zeigen Ansichten verschiedener Beispiele (in dem Verschiebungssystem auf der Achse) einer ebenen Form des modifizierten Brechungsindexbereichs. In dem zuvor beschriebenen Beispiel ist die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene ein Kreis. Jedoch kann der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb eine andere Form als den Kreis aufweisen. Beispielsweise kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb Spiegelbildsymmetrie aufweisen (Liniensymmetrie). Hier bedeutet Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie), dass eine Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mit Bezug, die auf der einen Seite einer Geraden angeordnet ist, und einer Ebenenform des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb, der auf der anderen Seite der Geraden angeordnet ist, spiegelbildsymmetrisch (liniensymmetrisch) zueinander sein können, wobei eine bestimmte Gerade entlang der X-Y-Ebene dazwischen angeordnet ist. Beispiele der Form mit der Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie) umfassen einen in 37A dargestellten perfekten Kreis, ein in 37B dargestelltes Quadrat, ein in 37C dargestelltes regelmäßiges Sechseck, ein in 37D dargestelltes regelmäßiges Achteck, ein in 37E dargestelltes regelmäßiges Sechszehneck, ein in 37F dargestelltes Rechteck, eine in 37G dargestellte Ellipse und dergleichen. Wenn auf diese Weise die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene eine Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) aufweist, hat jeder der Einheitskonfigurationsbereiche R des virtuellen Quadratgitters der Phasenmodulationsschicht n04-m eine einfache Form, und die Richtung und Position des Schwerpunkts G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb kann mit hoher Genauigkeit vom Gitterpunkt O bestimmt werden. Das heißt, es ist möglich, eine Musterbildung mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Darüber hinaus kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene eine Form aufweisen, die keine 180-Grad-Drehsymmetrie aufweist. Beispiele einer solchen Form umfassen ein in 38A dargestelltes gleichseitiges Dreieck, ein in 38B dargestelltes rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, eine in 38C dargestellte Form, bei der zwei Kreise oder Ellipsen sich teilweise überlappen, eine in 38D dargestellte Ei-Form, eine in 38E dargestellte Tropfenform, ein in 38F dargestelltes gleichschenkliges Dreieck, eine in 38G dargestellte Pfeilform, ein in 38H dargestelltes Trapez, ein in 38I dargestelltes Fünfeck, eine in 38J dargestellte Form, bei der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen, eine in 38K dargestellte Form, bei der sich zwei Rechtecke ohne Spiegelsymmetrie teilweise überlappen, und dergleichen. Indes ist die „Ei-Form“ eine Form, die derart verformt ist, dass eine Abmessung einer Ellipse in einer Kurzachsenrichtung in der Nähe eines Endabschnitts entlang einer Langachse kleiner als eine Abmessung in der Kurzachsenrichtung in der Nähe des anderen Endabschnitt ist. Die „Tropfenform“ ist eine Form, die durch Verformung eines Endabschnitts entlang der Längsachse der Ellipse in einen spitzen Endabschnitt, der entlang einer langen Achsenrichtung vorsteht, erhalten wird. Die „Pfeilform“ ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks zu einer Dreiecksform vertieft ist, und eine Seite gegenüber der einen Seite spitz in eine Dreiecksform ausgebildet wird. Da die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-mb auf der X-Y-Ebene somit keine 180-Grad-Drehsymmetrie aufweist, ist es möglich, eine höhere Lichtausgabe zu erzielen. Indes kann der modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb aus einer Vielzahl von Elementen, wie in 38J und 38K gezeigt, gebildet sein, und in einem solchen Fall ist der Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs n04-m ein kombinierter Schwerpunkt der mehreren Komponenten.
39A bis 39K zeigen Beispiele eines noch weiteren Beispiels (in dem Verschiebungssystem auf der Achse) der ebenen Form des modifizierten Brechungsindexbereichs. Darüber hinaus zeigt 40 eine Ansicht eines zweiten modifizierten Beispiels der Phasenmodulationsschicht von 28.
In dem in 39A bis 39K und 40 dargestellten Beispiel ist jeder modifizierte Brechungsindexbereich n04-mb aus mehreren Komponenten 15b und 15c gebildet. Der Schwerpunkt G1 ist ein kombinierter Schwerpunkt aus all den Komponenten und auf der Geraden L angeordnet. Beide Komponenten 15b und 15c weisen einen zweiten Brechungsindex auf, der sich von dem ersten Brechungsindex des Basisbereichs n04-ma unterscheidet. Beide Komponenten 15b und 15c können Löcher sein, und ein Verbundhalbleiter kann in den Löchern eingebettet sein. In jedem der Einheitskonfigurationsbereiche R sind die Komponenten 15c in einer Eins-zu-Eins-Anordnung mit den Komponenten 15b bereitgestellt. Ferner ist der kombinierte Schwerpunkt G1 der Komponenten 15b und 15c auf der Geraden L positioniert, die den Gitterpunkt O des Einheitskonfigurationsbereichs R durchquert, der das virtuelle Quadratgitter bildet. Indes sind beide Komponenten 15b und 15c im Bereich des Einheitskonfigurationsbereichs R, der das virtuelle Quadratgitter bildet, enthalten. Der Einheitskonfigurationsbereich R ist ein Bereich, der von Geraden umgeben ist, die sich zwischen Gitterpunkten des virtuellen Quadratgitters halbieren.
Eine Ebenenform der Komponente 15c ist beispielsweise ein Kreis, kann jedoch unterschiedliche Formen aufweisen, wie beispielsweise in den verschiedenen Beispielen in 37A bis 37G und 38A bis 38K gezeigt. 39A bis 39K zeigen Beispiele der Formen und Relativbeziehungen der Komponenten 15b und 15c auf der X-Y-Ebene. 39A und 39B zeigen eine Ausführungsform, bei der beide Komponenten 15b und 15c Figuren mit der gleichen Form aufweisen. 39C und 39D zeigen eine Ausführungsform, bei der beide Komponenten 15b und 15c Figuren mit der gleichen Form aufweisen und Teile davon einander überlappen. 39E zeigt eine Ausführungsform, bei der beide Komponenten 15b und 15c Figuren mit der gleichen Form aufweisen und ein Abstand zwischen den Schwerpunkten der Komponenten 15b und 15c für jeden Gitterpunkt beliebig eingestellt ist. 39F zeigt eine Ausführungsform, bei der die Komponenten 15b und 15c Figuren mit unterschiedlichen Formen aufweisen. 39G zeigt eine Ausführungsform, bei der beide Komponenten 15b und 15c Figuren mit gegenseitig unterschiedlichen Formen aufweisen und ein Abstand zwischen den Schwerpunkten der Komponenten 15b und 15c für jeden Gitterpunkt beliebig eingestellt ist.
Darüber hinaus kann, wie in 39H bis 39K gezeigt, die Komponente 15b, die einen Teil des Differentialbrechungsindexbereichs n04-mb bildet, aus zwei voneinander getrennten Bereichen 15b1 und 15b2 gebildet sein. Darin kann für jeden Gitterpunkt ein Abstand zwischen einem kombinierten Schwerpunkt (entsprechend dem Schwerpunkt der einzelnen Komponente 15b) der Bereiche 15b1 und 15b2 und dem Schwerpunkt der Komponente 15c beliebig eingestellt werden. Darüber hinaus können in diesem Fall die Bereiche 15b1 und 15b2 und die Komponente 15c Figuren mit der gleichen Form aufweisen, wie in 39H gezeigt. Alternativ können zwei Figuren der Bereiche 15b1 und 15b2 und der Komponente 15c von der anderen Figur, wie in 39I gezeigt, verschieden sein. Darüber hinaus kann ein Winkel der Komponente 15c mit Bezug auf die s-Achse für jeden Gitterpunkt beliebig eingestellt werden, zusätzlich zu einem Winkel einer Geraden, die die Bereiche 15b1 und 15b2 mit Bezug auf die s-Achse, wie in 39J gezeigt, verbindet. Darüber hinaus kann der Winkel der Geraden, die die Bereiche 15b1 und 15b2 mit Bezug auf die s-Achse miteinander verbindet, für jeden Gitterpunkt beliebig eingestellt werden, während die Bereiche 15b1 und 15b2 und die Komponente 15c den gleichen relativen Winkel zueinander beibehalten, wie in 39K gezeigt.
Im Übrigen können die Ebenenformen der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb unter den Einheitskonfigurationsbereichen R gleich sein. Das heißt, die modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb können in allen Einheitskonfigurationsbereichen R den gleichen Wert aufweisen und durch eine Translation oder durch eine Translation und Rotation zwischen den Gitterpunkten überlappen. In einem solchen Fall ist es möglich, die Erzeugung von Rauschlicht und Licht nullter Ordnung zu unterdrücken, das im Strahlenprojektionsmuster zu Rauschen führt. Alternativ müssen die ebenen Formen der modifizierten Brechungsindexbereiche n04-mb unter den Einheitskonfigurationsbereichen R nicht unbedingt gleich sein, und die Formen können sich zwischen den benachbarten Einheitskonfigurationsbereichen R unterscheiden, wie beispielsweise in 40 gezeigt. Indes wird der Mittelpunkt der Geraden L, die durch jeden der Gitterpunkte O verläuft, vorzugsweise so eingestellt, dass er mit dem Gitterpunkt O in allen Fällen der 37A bis 37G, 38A bis 38K, 39A bis 39K und 40 übereinstimmt, wie in den Beispielen der 36(a) und 36(b) gezeigt.
Wie zuvor beschrieben, ist es möglich, selbst bei der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht, bei der das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs durch das Verschiebungssystem auf der Achse bestimmt wird, die gleichen Effekte zu erzielen, wie bei den Ausführungsformen, die die Phasenmodulationsschicht verwenden, bei der das Anordnungsmuster des modifizierten Brechungsindexbereichs durch das Rotationssystem bestimmt wird.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3, 1B: lichtemittierendes Halbleitermodul;
11, 21, 31, 11B: Trägersubstrat;
100-m (m ist eine positive ganze Zahl): lichtemittierendes Halbleiterelement;
200-m, 300-m, 100B-m
102-m, 202-m, 302-m, 102B-m: erste Mantelschicht;
103-m, 203-m, 303-m, 103B-m: aktive Schicht;
104-m, 204-m, 304-m, 104B-m: Phasenmodulationsschicht;
104-ma, 204-ma, 304-ma, 104B-ma: Basisgebiet;
104-mb, 204-mb, 304-mb, 104B-mb: Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche;
106, 206, 306, 106B-m: zweite Mantelschicht;
108-m, 208-m, 308-m, 108B-m: zweite oberflächenseitige Elektrode; und
110-m-, 210-m-, 310-m-, 110-B-m: erste oberflächenseitige Elektrode.

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 Patentliteratur

WO 2016/148075 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Kurosaka et al., „Effects of non-lasing band in twodimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure“, Opt. Express 20, 21773-21783 (2012) [0003]
K. Sakai et al., „Coupled Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Laser with TE Polarization“, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010) [0003]
Peng et al., „Coupled-wave analysis for photonic-crystal surfaceemitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls“, Optics Express Vol. 19, Nr. 24, S. 24672-24686 (2011) [0003]

Claims

Lichtemittierendes Halbleitermodul, umfassend: eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die jeweils eine erste Oberfläche, die Licht ausgibt, und eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche aufweist; und ein Trägersubstrat mit einer dritten Oberfläche, einer der dritten Oberfläche gegenüberliegenden vierten Oberfläche und einer Vielzahl von Antriebselektroden, die jeweils der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen entsprechen, wobei die Vielzahl von Antriebselektroden auf der dritten Oberfläche angeordnet ist, wobei auf dem Trägersubstrat die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen auf der dritten Oberfläche in einem Zustand montiert ist, in dem die zweiten Oberflächen der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen und die dritte Oberfläche einander gegenüberliegen, wobei die Vielzahl von Antriebselektroden dazwischen angeordnet ist, wobei jedes der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen umfasst: eine aktive Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche; eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet und optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht einen Basisbereich mit einem ersten Brechungsindex und mehrere modifizierte Brechungsindexbereiche umfasst, die sich im Basisbereich befinden und einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet; eine erste Mantelschicht, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die erste Oberfläche mit Bezug auf eine Stapelstruktur angeordnet ist, die mindestens die aktive Schicht und die Phasenmodulationsschicht umfasst; eine zweite Mantelschicht, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die zweite Oberfläche mit Bezug auf die Stapelstruktur angeordnet ist; eine erste oberflächenseitige Elektrode, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die erste Oberfläche mit Bezug auf die erste Mantelschicht angeordnet ist; und eine zweite oberflächenseitige Elektrode, die auf einer Seite angeordnet ist, auf der die zweite Oberfläche mit Bezug auf die zweite Mantelschicht angeordnet ist, wobei die zweite oberflächenseitige Elektrode mit einer entsprechenden Antriebselektrode aus der Vielzahl von Antriebselektroden verbunden ist, wobei jede Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche an einer vorbestimmten Position im Basisbereich gemäß einem Anordnungsmuster angeordnet ist, das konfiguriert ist, sodass ein Strahlenprojektionsmuster, das ein Projektionsmuster des Lichts ist, das von der ersten Oberfläche ausgegeben wird, wenn ein Treiberstrom von der entsprechenden Antriebselektrode zugeführt wird, und ein Strahlenprojektionsbereich, der ein Projektionsbereich des Strahlenprojektionsmusters ist, jeweils mit einem Zielstrahlenprojektionsmuster und einem Zielstrahlenprojektionsbereich übereinstimmen, wobei in einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter, das aus M1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) x N1 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskonfigurationsbereichen R mit jeweils einer Quadratform gebildet ist, auf eine X-Y-Ebene in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, das durch eine Z-Achse definiert ist, die mit einer Normalrichtung der ersten Oberfläche und der X-Y-Ebene übereinstimmt, die orthogonal zueinander X- und Y-Achsen umfasst und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht übereinstimmt, die die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche umfasst, das Anordnungsmuster so definiert ist, dass ein Schwerpunkt G1 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der in einem Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) angeordnet ist, von einem Gitterpunkt O(x,y) als Mittelpunkt des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) durch einen Abstand r im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) auf der X-Y-Ebene getrennt ist, der durch eine Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von eins oder mehr und M1 oder weniger) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von eins oder mehr und N1 oder weniger) in einer Y-Achsenrichtung bestimmt ist, und wobei ein Vektor von dem Gitterpunkt O(x,y) zu dem Schwerpunkt G1 in eine bestimmte Richtung gerichtet ist, und wobei die Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen ein erstes lichtemittierendes Halbleiterelement und ein zweites lichtemittierendes Halbleiterelement umfasst, die sich mit Bezug auf die Strahlenprojektionsrichtung, die eine Laufrichtung des Lichts zu dem Zielstrahlenprojektionsbereich definiert, und/oder das Zielstrahlenprojektionsmuster und/oder eine Lichtemissionswellenlänge voneinander unterscheiden.
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei eine erste Strahlenprojektionsrichtung des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements und eine zweite Strahlenprojektionsrichtung des zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements unterschiedlich sind, und die erste und zweite Strahlenprojektionsrichtung so eingestellt sind, dass die Zielstrahlenprojektionsbereiche des ersten und zweiten lichtemittierenden Halbleiterelements im Wesentlichen übereinstimmen.
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem solchen Zustand, in dem die Phasenmodulationsschicht die folgende erste bis siebte Bedingung erfüllt, wobei die erste Bedingung so definiert ist, dass, wenn eine Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters A ist, der Abstand r die Beziehung 0 ≤ r ≤ 0,3a erfüllt; die zweite Bedingung so definiert ist, dass die (x,y,z)-Koordinaten im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die Beziehungen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) mit Bezug auf die sphärischen Koordinaten (d1,θtilt,θrot) definiert sind, die durch eine Länge d1 eines Radiusvektors, einen Neigungswinkel θtilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θrot von der auf der X-Y-Ebene angegebenen X-Achse definiert sind, erfüllen: $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
die dritte Bedingung so definiert ist, dass ein Zielstrahlenprojektionsmuster ein Satz heller Punkten ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θtilt und θrot definiert sind, wobei die Winkel θtilt und θrot in einen Koordinatenwert kx, der eine durch eine folgende Formel (4) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse, und einen Koordinatenwert ky, der eine durch eine folgende Formel (5) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der Y-Achse entsprechenden und orthogonal zu der Kx-Achse verlaufenden Ky--Achse 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 virtuellen Quadratgitters λ: Schwingungswellenlänge; die vierte Bedingung so definiert ist, dass ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das Zielstrahlenprojektionsmuster umfasst, aus M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) x N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR besteht, die jeweils eine Quadratform in einem Wellenzahlbereich aufweisen, der durch die Kx-Achse und die Ky--Achse definiert ist; die fünfte Bedingung so definiert ist, dass eine komplexe Amplitude F(x,y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation eines jeden Bildbereichs FR(kx, ky), der durch die Koordinatenkomponente kx (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente ky (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in der Ky-Achsenrichtung bestimmt wird, in den Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) in der X-Y-Ebene im Wellenzahlbereich erhalten wird, durch eine folgende Formel (6) mit j als imaginäre Einheit gegeben 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 sechste Bedingung so definiert ist, dass die komplexe Amplitude F(x,y) durch eine folgende Formel (7) definiert ist, wenn im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) ein Amplitudenterm A(x,y) ist und ein Phasenterm P(x,y) ist: $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
(7); und die siebte Bedingung so definiert ist, dass der Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert ist, die parallel zur X-Achse und der Y-Achse und orthogonal zueinander am Gitterpunkt O(x,y) verlaufen, die Phasenmodulationsschicht dann so konfiguriert ist, dass der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich, der eine Beziehung erfüllt, dass ein Winkel φ(x,y), der durch ein den Gitterpunkt O(x,y) und den Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs verbindendes Liniensegment und die s-Achse gebildet wird, $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$
ist, (C: eine Proportionalitätskonstante, B: eine beliebige Konstante), innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) angeordnet ist.
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem solchen Zustand, dass die Phasenmodulationsschicht die folgenden ersten bis sechs Bedingungen erfüllt, wobei die erste Bedingung so definiert ist, dass die (x,y,z)-Koordinaten im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die Beziehungen erfüllen, die durch die folgenden Formeln (8) bis (10) mit Bezug auf die sphärischen Koordinaten (d1,θtilt,θrot), die durch eine Länge d1 eines Radiusvektors, einen Neigungswinkel θtilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θrot von der auf der X-Y-Ebene angegebenen X-Achse definiert sind, dargestellt werden: $x = d 1 sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$y = d 1 sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$z = d 1 cos θ_{t i l t}$
die zweite Bedingung so definiert ist, dass ein Zielstrahlenprojektionsmuster ein Satz heller Punkten ist, die in Richtungen gerichtet sind, die durch die Winkel θtilt und θrot definiert sind, wobei die Winkel θtilt und θrot in einen Koordinatenwert kx, der eine durch eine folgende Formel (11) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der X-Achse entsprechenden Kx-Achse, und einen Koordinatenwert ky, der eine durch eine folgende Formel (12) definierte normierte Wellenzahl ist, auf einer der Y-Achse entsprechenden und orthogonal zu der Kx-Achse verlaufenden Ky--Achse 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 virtuellen Quadratgitters λ: Schwingungswellenlänge; die dritte Bedingung so definiert ist, dass ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das Strahlenprojektionsmuster umfasst, aus M2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) x N2 (eine ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR besteht, die jeweils eine Quadratform in einem Wellenzahlbereich aufweisen, der durch die Kx-Achse und die Ky--Achse definiert ist; die vierte Bedingung so definiert ist, dass eine komplexe Amplitude F(x,y), die durch eine zweidimensionale inverse Fourier-Transformation eines jeden Bildbereichs FR(kx, ky), der durch die Koordinatenkomponente kx (eine ganze Zahl von 1 bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente ky (eine ganze Zahl von 1 bis N2) in der Ky-Achsenrichtung bestimmt wird, in den Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) in der X-Y-Ebene im Wellenzahlbereich erhalten wird, durch eine folgende Formel (13) mit j als imaginäre Einheit gegeben 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 so definiert ist, dass die komplexe Amplitude F(x,y) durch eine folgende Formel (14) definiert ist, wenn im Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) ein Amplitudenterm A(x,y) ist und ein Phasenterm P(x,y) ist: $F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
und die sechste Bedingung so definiert ist, dass der Einheitskonfigurationsbereich R(x,y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert ist, die parallel zur X-Achse und der Y-Achse und orthogonal zueinander am Gitterpunkt O(x,y) sind, die Phasenmodulationsschicht dann so konfiguriert ist, dass der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich, der eine Beziehung erfüllt, dass ein Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs auf einer durch den Gitterpunkt O(x,y) verlaufenden und von der s-Achse geneigten Geraden angeordnet ist, und eine Liniensegmentlänge r(x,y) von dem Gitterpunkt O(x,y) zu dem Schwerpunkt G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs $r (x, y) = C \times (P (x, y) - P_{0})$
ist, (C: eine Proportionalitätskonstante, P₀: eine beliebige Konstante), innerhalb des Einheitskonfigurationsbereichs R(x,y) angeordnet ist.
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens eine Form, die in der X-Y-Ebene definiert ist, und/oder eine Fläche, die in der X-Y-Ebene definiert ist, und/oder Abstand r, der in der X-Y-Ebene definiert ist, in jedem der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereiche in der Phasenmodulationsschicht in mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterelement der Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen, die das erste und zweite lichtemittierende Halbleiterelement umfasst, übereinstimmen.
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vielzahl modifizierter Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene eine der folgenden Formen umfassen: einen perfekten Kreis, ein Quadrat, ein regelmäßiges Sechseck, ein regelmäßiges Achteck, ein regelmäßiges Sechseck, ein gleichseitige Dreieck, ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, ein Rechteck, eine Ellipse, eine Form, in der sich zwei Kreise oder Ellipsen teilweise überlappen, eine Ei-Form, die durch Verformen einer Ellipse erhalten wird, so dass eine Abmessung in einer Kurzachsenrichtung in einer Nähe eines Endabschnitts entlang einer Längsachse kleiner ist als eine Abmessung in der Kurzachsenrichtung in einer Nähe eines anderen Endabschnitts, eine Tropfenform, die erhalten wird, indem ein Endabschnitt einer Ellipse entlang einer Längsachse in einen spitzen Endabschnitt verformt wird, der entlang einer langen Achsenrichtung vorsteht, ein gleichschenkliges Dreieck, eine Pfeilform, in der eine Seite eines Rechtecks eine dreieckige Kerbe bildet und eine der einen Seite gegenüberliegende Seite einen dreieckigen Vorsprung, ein Trapez, ein Fünfeck und eine Form, in der sich zwei Rechtecke teilweise überlappen.
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterelement aus der Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente, die Phasenmodulationsschicht umfasst: einen Innenbereich, der aus M1 × N1 Einheitskonfigurationsbereichen R gebildet ist; und einen Außenbereich, der so vorgesehen ist, dass er einen Außenumfang des Innenbereichs umgibt, wobei der Außenbereich eine Vielzahl von gitterpunktgelagerten, modifizierten Brechungsindex-Umfangsbereichen umfasst, die so angeordnet sind, dass sie jeweils mit Gitterpunkten in einem erweiterten Quadratgitter überlappen, das definiert wird, indem die gleiche Gitterstruktur wie das virtuelle Quadratgitter auf einen Außenumfang des virtuellen Quadratgitters gelegt wird..
Lichtemittierendes Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in mindestens einem lichtemittierenden Halbleiterelement aus der Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente, die Phasenmodulationsschicht eine Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichen umfasst, die jeweils in den M1 × N1-Einheitskonfigurationsbereichen R angeordnet sind, wobei die Vielzahl von gitterpunktgelagerten modifizierten Brechungsindexbereichen jeweils einen Schwerpunkt G2 aufweisen, der mit dem Gitterpunkt O des entsprechenden Einheitenkonfigurationsbereichs R übereinstimmt.
Steuerverfahren für ein lichtemittierendes Halbleitermodul, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen des lichtemittierenden Halbleitermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8; Auswählen eines oder mehrerer lichtemittierender Halbleiterelemente als zu steuernde Objekte aus der Vielzahl der lichtemittierenden Halbleiterelemente, die das erste und das zweite lichtemittierende Halbleiterelement umfasst; und einzelnes Steuern von Operationen der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelementen durch eine Treiberschaltung gemäß einem Steuermuster, das für jedes der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelemente einzeln eingestellt wird.
Steuerverfahren für das lichtemittierende Halbleitermodul nach Anspruch 9, wobei das Steuermuster Informationen enthält, in denen ein Antriebszeitpunkt und/oder ein Antriebszeitpunkt eines jeden der ausgewählten lichtemittierenden Halbleiterelementen entlang einer Zeitachse definiert ist/sind.