DE112018004614T5 - Lichtemittierendes Halbleiterelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das ein nützliches Strahlmuster bilden kann, bereitgestellt. Ein Halbleiter-Laserelement LD enthält eine aktive Schicht 4, ein Paar von Mantelschichten 2 und 7, zwischen denen die aktive Schicht 4 angeordnet ist, und eine Phasenmodulationsschicht 6, die optisch mit der aktive Schicht 4 gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht 6 enthält eine Basisschicht 6A und Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht 6A unterscheiden. Die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, die wünschenswerterweise in der Phasenmodulationsschicht 6 angeordnet sind, ermöglichen die Emission von Laserlicht, das eine dunkle Linie ohne Licht nullter Ordnung enthält.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterelement.
• Stand der Technik
• Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ein lichtemittierendes Halbleiterelement vorgeschlagen, das in Patentliteratur 1 offenbart ist. Das in Patentliteratur 1 offenbarte lichtemittierende Halbleiterelement umfasst eine aktive Schicht, ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist, und eine optisch mit der aktiven Schicht gekoppelte Phasenmodulationsschicht, wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex umfasst, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden. In einem Fall, in dem ein Quadratgitter auf der Phasenmodulationsschicht angeordnet wird, sind die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex (Hauptlöcher) genau deckungsgleich mit den Gitterpunkten des Lochgitters angeordnet. Um den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex (Nebenloch) herum ist ein Nebenbereich mit unterschiedlichem Brechungsindex vorgesehen, sodass Licht mit einem vorbestimmten Strahlmuster emittiert werden kann.
• Darüber hinaus haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein in Patentliteratur 2 offenbartes lichtemittierendes Halbleiterelement vorgeschlagen. Bei dem lichtemittierenden Halbleiterelement kann ein gewünschtes Strahlmuster leichter als je zuvor erfasst werden, da der zusätzliche Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex (Nebenloch) in der Anordnung um einen vorbestimmten Abstand von entsprechenden Positionen des Gitterpunktes verschoben ist. Darüber hinaus sind Patentliteratur 3, Nicht-Patentliteratur 1 und Nicht-Patentliteratur 2 als Stand der Technik bekannt.
• Zitationsliste
• Patentliteratur
• Patentliteratur 1: Internationale Veröffentlichung Nr. 2014/136962
• Patentliteratur 2: Internationale Veröffentlichung Nr. 2016/148075
• Patentliteratur 3: Japanisches Patent Nr. 6080941
• Nicht-Patentliteratur
• Nicht-Patentliteratur 1: Yoshitaka Kurosaka, Kazuyoshi Hirose, Takahiro Sugiyama, Yu Takiguchi, Yoshiro Nomoto, „Phase-modulating lasers toward on-chip integration", [online], Veröffentlicht: 26. Juli 2016, Nature, [Recherchiert: 6. Juli 2017] Internet <URL: http://www.nature.com/articles/srep30138.pdf>
• Nicht-Patentliteratur 2: Y. Kurosaka et al., „Controlling vertical optical confinement in two-dimensional surface-emitting photonic-crystal lasers by shape of air holes,“ Opt. Express 16, 18485-18494 (2008).
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Wie zuvor beschrieben, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung lichtemittierende Halbleiterelemente entwickelt, die Licht erzeugen. Jedoch wurde im Vergleich zu den lichtemittierenden Halbleiterelementen eine Technik zur Bildung eines völlig neuen Strahlmusters erwartet.
• Die vorliegende Erfindung wurde angesichts einer solchen Erwartung konzipiert, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein lichtemittierendes Halbleiterelement bereitzustellen, das in der Lage ist, ein beispiellos nützliches Strahlmuster zu bilden.
• Lösung des Problems
• Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ein lichtemittierendes Halbleiterelement entwickelt, das in der Lage ist, ein völlig neues Strahlmuster zu bilden. Das heißt, die Erfindung betrifft eine Technologie, die eine dunkle Linie bildet. Da sich ein bestrahltes Objekt im Verhalten zwischen einem hellen und einem dunklen Teil unterscheidet, ist die vorliegende Erfindung beispielsweise auf verschiedene Arten von Messtechnik anwendbar.
• Ein erstes lichtemittierendes Halbleiterelement umfasst: eine aktive Schicht; ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden, wobei ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, in dem eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsenrichtung definiert ist, wobei ein virtuelles quadratisches Gitter in einer XY-Ebene festgelegt ist, wobei eine Gitterkonstante a des virtuellen Quadratgitters die folgende Beziehung erfüllt: λ = √2 × a × n, wobei λ eine Emissionswellenlänge ist, und n ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht in Bezug auf das Ausgangslicht ist, und wobei ein Paar benachbarter Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht mit einem Abstand a zwischen den Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex so angeordnet ist, dass sie in einem Fall, in dem eine Verschiebung um den Abstand a in nur einer Richtung erfolgt, miteinander übereinstimmen und dass sie in andere Richtungen nicht miteinander übereinstimmen. Gemäß dem lichtemittierenden Halbleiterelement verschwindet Licht nullter Ordnung, das herkömmlicherweise in der Mitte des Ausgangslichts vorhanden sein sollte. Bei Helligkeit auf beiden Seiten davon wird Licht mit einer dunklen Linie ohne Licht nullter Ordnung ausgegeben.
• Als eine Struktur, die der zuvor beschriebenen Struktur des lichtemittierenden Halbleiterelements vorzuziehen ist, enthält ein zweites lichtemittierende Halbleiterelement: eine aktive Schicht; ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden, wobei ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, in dem eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsen-Richtung definiert ist, wobei ein erstes virtuelles Quadratgitter in einer XY-Ebene festgelegt ist, wobei ein Abstand in X-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei ein Abstand in Y-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei XY-Koordinaten (x_i, y_j) einer baryzentrischen Position einer Öffnung des ersten virtuellen Quadratgitters die folgende Beziehung erfüllen: (x_i, y_j) = ((i - 0,5) a/√2, (j - 0,5) a/√2), wobei i und j jeweils eine ganze Zahl ist, wobei ein Vektor, der die XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) einer baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex und die XY-Koordinaten (x_i, y_j), die dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex am nächsten liegen, verbindet, und der von den XY-Koordinaten (x_i, y_j) zu den XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gerichtet ist, als (Δx_i, Δy_j) definiert ist, und wobei in einem Fall, in dem die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex mit i vorhanden sind, das eine ungerade Zahl ist, wobei die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex nur dann vorhanden sind, wenn i eine ungerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, und wenn i eine gerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i und j, die ungerade Zahlen sind und die 3 ≤ i und 3 ≤ j erfüllen, gleich einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) ist, sich von einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) unterscheidet, und sich von einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) unterscheidet, und wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i und j, die gerade Zahlen sind und die 2 ≤ i und 2 ≤ j erfüllen, gleich dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) ist, sich von dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) unterscheidet, und sich von dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) unterscheidet.
• Wird in diesem Fall ein zweites virtuelles Quadratgitter mit einer jeweiligen Seitenlänge a betrachtet, wobei die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex (der nur in einem Fall vorhanden ist, in dem i eine ungerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, und in einem Fall vorhanden ist, in dem i eine gerade Zahl und j eine gerade Zahl ist) als Mittelpunkt betrachtet wird, wobei das erste virtuelle Quadratgitter um 45° in der XY-Ebene gedreht ist, befindet sich ein Einheitsbereich, der den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex im ersten virtuellen Quadratgitter aufweist, im Mittelpunkt des zweiten virtuellen Quadratgitters. In diesem Fall ist es charakteristisch, dass ein einzelnes Einheitsgitter des zweiten virtuellen Quadratgitters (und das darin enthaltene einzelne Einheitsgitter des ersten virtuellen Quadratgitters) die gleiche Form wie das Einheitsgitter in einer Richtung aus den vier benachbarten Richtungen, in denen sich die Gitterlinien erstrecken, aber nicht die gleiche Form wie die Einheitsgitter in den anderen drei Richtungen aufweist.
• Es sollte beachtet werden, dass der Fall, in dem die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex nur in einem Fall, in dem i eine ungerade Zahl und j eine ungerade Zahl und in einem Fall, in dem i eine gerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, vorhanden sind, zuvor erläutert wurde. Jedoch gilt das Gleiche in einem Fall, in dem i eine ungerade Zahl und j eine gerade Zahl, und in einem Fall, in dem i eine gerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist.
• Das heißt, ein drittes lichtemittierendes Halbleiterelement umfasst: eine aktive Schicht; ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden, wobei ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, in dem eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsenrichtung definiert ist, wobei ein erstes virtuelles Quadratgitter in einer XY-Ebene festgelegt ist, wobei ein Abstand in X-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei ein Abstand in Y-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei XY-Koordinaten (x_i, y_j) einer baryzentrischen Position einer Öffnung des ersten virtuellen Quadratgitters die folgende Beziehung erfüllen: (x_i, y_j) = ((i - 0,5) a/V√, (j - 0,5) a/√2), wobei i und j jeweils eine ganze Zahl ist, wobei ein Vektor, der die XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) einer baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex und die XY-Koordinaten (x_i, y_j), die dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex am nächsten liegen, verbindet, und der von den XY-Koordinaten (x_i, y_j) zu den XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gerichtet ist, als (Δx_i, Δy_j) definiert ist, und wobei in einem Fall, in dem die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex mit i vorhanden sind, das eine ungerade Zahl ist, wobei die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex nur dann vorhanden sind, wenn i eine ungerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, und wenn i eine gerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i, das eine gerade Zahl (2 ≤ i) ist, und j, das eine ungerade Zahl (1 ≤ j) ist, gleich einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) ist, sich von einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) unterscheidet, und sich von einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) unterscheidet, und wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i, das eine ungerade Zahl (1 ≤ i) ist, und j, das eine gerade Zahl (2 ≤ j) ist, gleich dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) ist, sich von dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) unterscheidet, und sich von dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) unterscheidet.
• Gemäß dem lichtemittierenden Halbleiterelement verschwindet das Licht nullter Ordnung, das herkömmlicherweise in der Mitte des Ausgangslichts vorhanden sein sollte. Mit einer Helligkeit auf beiden Seiten davon wird Licht mit einer dunklen Linie ohne Licht nullter Ordnung ausgegeben.
• Unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen einer Wellenzahl und einer Frequenz von Laserlicht erfüllt in einem Fall, in dem eine Wellenzahl k und eine Frequenz f des auszugebenden Laserlichts in der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht die folgende Bedingung erfüllen: f > m x |k|, wobei m > 0, Licht nullter Ordnung des Laserlichts, das senkrecht zu einer Emissionsfläche der Phasenmodulationsschicht emittiert wird, die folgende Bedingung: f ≤ m x |k|, und sind die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex so angeordnet, dass das Laserlicht eine dunkle Linie ohne Laserlicht nullter Ordnung enthält.
• Wirkungen der Erfindung
• Ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, ein beispiellos nützliches Strahlmuster zu bilden. Zum Beispiel kann Laserlicht, das eine dunkle Linie ohne Licht nullter Ordnung enthält, in Kombination mit einem oberflächenemittierenden Photonenkristalllaser (PCSEL), der nur Licht nullter Ordnung ausgibt, auf ein Lichtfilmmodul angewendet werden, das in der Lage ist, das Musterintensitätsverhältnis zwischen einem Bereich in der Mitte und einem außerhalb der Mitte liegenden Bereich zu ändern.
• Figurenliste
• 1 zeigt die Systemkonfiguration einer Laservorrichtung mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement.
• 2 zeigt die Längsschnittkonfiguration des lichtemittierenden Halbleiterelements.
• 3 zeigt eine Tabelle, die das Material, den Leitfähigkeitstyp und die Dicke jeder Schicht darstellt, die in dem lichtemittierenden Halbleiterelement enthalten ist.
• 4 zeigt eine Draufsicht einer Phasenmodulationsschicht.
• 5 zeigt eine Darstellung des Winkels jedes Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht.
• 6 zeigt eine Darstellung des Verschiebungswerts des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex von der baryzentrischen Position eines Gitterrahmens.
• 7 zeigt eine Darstellung des Γ-Punkts und des M-Punkts im realen Raum und im reziproken Gitterraum (siehe 7-(A), 7-(B), 7-(C) und 7-(D)).
• 8 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Wellenzahl k (a.u.) und der Frequenz (c/a).
• 9 zeigt Ausgabemuster, wobei die Phasenmodulationsschicht die Gitterkonstante für den Γ-Punkt und den M-Punkt aufweist (9-(A) und 9-(B)).
• 10 zeigt eine Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht.
• 11 zeigt eine Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht.
• 12 veranschaulicht die Anordnung der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß einer Ausführungsform (12-(1), 12-(2), 12-(3), 12-(4) und 12-(5)).
• 13 zeigt eine Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht.
• 14 veranschaulicht die Anordnung der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß der Ausführungsform (14-(A) und 14-(B)).
• 15 veranschaulicht die Anordnung der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß der Ausführungsform (14-(A) und 14-(B)).
• 16 zeigt eine Tabelle mit verschiedenen Beziehungsausdrücken.
• 17 veranschaulicht ein Koordinatensystem.
• 18 veranschaulicht eine Transformation.
• 19 veranschaulicht den Winkel jedes Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Im Nachfolgenden wird ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und dass somit auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
• 1 zeigt die Systemkonfiguration einer Laservorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement.
• Ein Halbleiter-Laserelement LD wird von einer Treiberschaltung DRV angesteuert, die einen pulswellenförmigen oder kontinuierlichen Treiberstrom ausgibt. Die Treiberschaltung DRV liefert den Treiberstrom an jedes einzelne Halbleiter-Laserelement LD gemäß einer Anweisung von einer Steuerschaltung CONT. Ein Computer COM gibt ein Treibersignal an die Steuerschaltung CONT ein, sodass die Steuerschaltung CONT ein Rechtecksignal erzeugt, das durch das Treibersignal angewiesen wird. Die Steuerschaltung CONT kann mit einem Zähler gebildet werden. Das von der Steuerschaltung CONT ausgegebene Rechtecksignal wird in das Gate eines in der Treiberschaltung DRV enthaltenen Transistors eingegeben, sodass der Treiberstrom zwischen Source und Drain des Transistors fließt. Da Source und Drain des Transistors mit den Elektroden an beiden Enden des Halbleiter-Laserelements LD (Anode und Kathode) verbunden sind, wird das Halbleiter-Laserelement LD mit dem Treiberstrom versorgt, sodass das Halbleiter-Laserelement LD Licht emittiert.
• Es sollte beachtet werden, dass in einem Fall, in dem die Halbleiter-Laserelemente LD zweidimensional angeordnet und angesteuert werden, die zuvor beschriebenen Schaltungsstrukturen in einer Matrix angeordnet werden können.
• Das vom Halbleiter-Laserelement LD ausgegebene Laserlicht bildet auf einer Projektionsebene in einer geringen Entfernung ein Fernfeldmuster FFP. Da ein Nahfeldmuster an der lichtemittierenden Fläche des Halbleiter-Laserelements LD gebildet wird, ist das Fernfeldmuster FFP annähernd ein Muster, in dem das Nahfeldmuster fouriertransformiert ist.
• Im Nachfolgenden wird die Struktur des Halbleiter-Laserelements zur Verwendung in der zuvor beschriebenen Laservorrichtung ausführlich beschrieben. Das Laserelement ist in der Lage, Laserlicht mit unterschiedlichen Intensitätsmustern zu emittieren.
• 2 veranschaulicht die Längsschnittkonfiguration des Halbleiter-Laserelements LD.
• Das Halbleiter-Laserelement LD emittiert selektiv Laserlicht von einer aktiven Schicht 4 nach außen. Das Laserlicht, das von der aktiven Schicht 4 in eine Phasenmodulationsschicht 6 eingetreten ist, bildet in der Phasenmodulationsschicht 6 eine vorbestimmte Mode, die dem Gitter der Phasenmodulationsschicht 6 entspricht. Dann wird das Laserlicht als ein Laserlicht mit einem gewünschten Muster senkrecht von der Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 6 nach außen emittiert.
• Das Halbleiter-Laserelement LD ist eine Laserlichtquelle, die eine stehende Welle in der XY-Ebenenrichtung bildet und eine Ebenenwelle in der Z-Richtung phasengesteuert ausgibt. Das Halbleiter-Laserelement LS umfasst: die aktive Schicht 4, die Laserlicht erzeugt; eine obere Mantelschicht 7 und eine untere Mantelschicht 2, zwischen denen die aktive Schicht 4 angeordnet ist, und eine untere Lichtleiterschicht 3 und eine obere Lichtleiterschicht 5, zwischen denen die aktive Schicht 4 angeordnet ist, die zwischen der oberen Mantelschicht 7 und der unteren Mantelschicht 2 vorgesehen sind, wobei die optisch mit der aktiven Schicht 4 gekoppelte Phasenmodulationsschicht 6 zwischen der oberen Mantelschicht 7 und der aktiven Schicht 4 vorgesehen ist. Es sollte beachtet werden, dass in der in 2 gezeigten Struktur eine zweite Elektrode E2 in dem mittleren Bereich der Kontaktschicht 8 vorgesehen ist.
• In der Struktur sind die untere Mantelschicht 2, die untere Lichtleiterschicht 3, die aktive Schicht, die obere Lichtleiterschicht 5, die Phasenmodulationsschicht 6, die obere Mantelschicht 7 und die Kontaktschicht 8 in dieser Reihenfolge auf einem Halbleitersubstrat 1 gestapelt. Eine erste Elektrode E1 auf der unteren Fläche des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen, und die zweite Elektrode E2 ist auf der oberen Fläche der Kontaktschicht 8 vorgesehen. In einem Fall, in dem der Treiberstrom zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 zugeführt wird, tritt in der aktiven Schicht 4 eine Rekombination der Elektronen und Löcher auf, sodass die aktive Schicht 4 Licht emittiert. Die Ladungsträger, die zu der Lichtemission beitragen, und das erzeugte Licht werden wirksam zwischen der unteren Lichtleiterschicht 3 und der oberen Lichtleiterschicht 5, sowie zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der oberen Mantelschicht 7 eingefangen.
• Das aus der aktiven Schicht 4 emittierte Laserlicht tritt in die Phasenmodulationsschicht 6 ein, um die vorbestimmte Mode zu bilden. Es sollte beachtet werden, dass die Phasenmodulationsschicht 6 umfasst: eine Basisschicht 6A aus einem ersten Brechungsindexmedium; und Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht 6A unterscheiden, wobei die Vielzahl der Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex aus einem zweiten Brechungsindexmedium hergestellt sind, das sich vom Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Eine Gruppe aus der Vielzahl der Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex weist eine im Wesentlichen periodische Struktur auf. Das Laserlicht, das in die Phasenmodulationsschicht 6 eingetreten ist, wird als Laserstrahl senkrecht zur Substratoberfläche, durch die obere Mantelschicht 7, die Kontaktschicht 8 und die obere Elektrode E2 emittiert.
• In einem Fall, in dem der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 6 als n definiert ist, wird eine Wellenlänge λ₀ (= a x n), die von der Phasenmodulationsschicht 6 auswählt wird, in den Emissionswellenbereich der aktiven Schicht 4 aufgenommen. Die Phasenmodulationsschicht (Beugungsgitterschicht) ist in der Lage, die Wellenlänge λ₀ selektiv von den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht nach außen auszugeben.
• 3 zeigt eine Tabelle des Materials, des Leitfähigkeitstyps und der Dicke einer jeden Schicht, die in dem lichtemittierenden Halbleiterelement enthalten sind.
• Für die entsprechenden Materialien der Elemente, wie in 3 gezeigt, ist das Halbleitersubstrat 1 aus GaAs gebildet, ist die untere Mantelschicht 2 aus AlGaAs gebildet, ist die untere Lichtleiterschicht 3 aus AlGaAs gebildet, weist die aktive Schicht 4 eine Mehrfachquantentopfstruktur MQW auf (Sperrschicht aus AlGaAs und Topfschicht aus InGaAs), weist die obere Lichtleiterschicht 5 eine untere Schicht aus AlGaAs und eine obere Schicht aus GaAs auf, weist die Phasenmodulationsschicht (Brechungsindexmodulationsschicht) 6 die Basisschicht 6A aus GaAs und die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex (vergrabene Schichten), die in der Basisschicht 6A vergraben sind, aus AlGaAs auf, ist die obere Mantelschicht 7 aus AlGaAs gebildet und ist die Kontaktschicht 8 aus GaAs gebildet.
• Es sollte beachtet werden, dass, wie in 3 gezeigt, jede Schicht mit einer Verunreinigung mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (N-Typ) oder einer Verunreinigung mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (P-Typ) dotiert ist (Verunreinigungskonzentration ist 1 × 10¹⁷ bis 1 × 10²¹/cm³), und ein Bereich, der absichtlich nicht mit einer der Verunreinigungen dotiert ist, ist intrinsisch (I-Typ). Die Verunreinigungskonzentration des I-Typs beträgt 1 × 10¹⁵/cm³ oder weniger.
• Die Energiebandlücke der Mantelschicht ist größer eingestellt als die Energiebandlücke der Lichtleiterschicht, und die Energiebandlücke der Lichtleiterschicht ist größer eingestellt als die Energiebandlücke der Topfschicht in der aktiven Schicht 4. Die Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses von AI in AlGaAs ermöglicht eine einfache Änderung der Energiebandlücke und des Brechungsindexes. Eine Verringerung (Erhöhung) des Zusammensetzungsverhältnisses X von AI mit einem relativ kleinen Atomradius in Al_XGa_1-XAs bewirkt eine Verringerung (Erhöhung) der Energiebandlücke, die eine positive Korrelation mit dem Zusammensetzungsverhältnis X von AI aufweist. InGaAs, das aus einem Gemisch aus GaAs und In mit einem großen Atomradius gebildet ist, weist eine geringe Energiebandlücke auf. Das heißt, das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Mantelschicht ist größer als das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Lichtleiterschicht, und das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Lichtleiterschicht ist nicht kleiner als das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Barriereschicht bzw. Sperrschicht (AIGaAs) in der aktiven Schicht. Das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Mantelschicht ist auf 0,2 bis 0,4 einstellbar, ist jedoch in dem vorliegenden Beispiel auf 0,3 festgelegt. Das Zusammensetzungsverhältnis von AI der Lichtleiterschicht und das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Sperrschicht in der aktiven Schicht sind auf 0,1 bis 0,15 einstellbar, jedoch in dem vorliegenden Beispiel sind sie auf 0,3 festgelegt. Das Zusammensetzungsverhältnis von AI der Lichtleiterschicht und das Zusammensetzungsverhältnis von AI in der Sperrschicht in der aktiven Schicht sind auf 0,1 bis 0,15 einstellbar, jedoch in dem vorliegenden Beispiel sind sie auf 0,1 eingestellt.
• Für die entsprechenden Dicken der in 3 gezeigten Schichten gibt jeder numerische Bereich in der Tabelle bevorzugte Werte an, und die numerischen Werte in der Klammer geben optimale Werte an. Die Phase des Laserlichts, das als die Ebenenwelle in Z-Richtung aus der Phasenmodulationsschicht emittiert werden soll, hängt von der Charakteristik der Phasenmodulationsschicht ab und dient somit als die Phasenmodulationsschicht.
• Es sollte beachtet werden, dass die Phasenmodulationsschicht 6 zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der aktiven Schicht 4 ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Phasenmodulationsschicht 6 derart angeordnet werden, dass sie zwischen der unteren Mantelschicht 2 und der Lichtleiterschicht 3 angeordnet ist. Die Struktur weist einen ähnlichen Effekt wie der zuvor beschriebene auf. Das heißt, das Laserlicht, das aus der aktiven Schicht 4 emittiert wird, tritt in die Phasenmodulationsschicht 6 ein, um die vorbestimmte Mode zu bilden. Das Laserlicht, das in die Phasenmodulationsschicht 6 eingetreten ist, wird als der Laserstrahl senkrecht zu der Substratoberfläche, durch die untere Lichtleiterschicht, die aktive Schicht 4, die obere Lichtleiterschicht 5, die obere Mantelschicht 7, die Kontaktschicht 8 und die obere Elektrode E2 emittiert. Es sollte beachtet werden, dass der Laserstrahl, der von der Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche geneigt ist, emittiert werden kann. Es sollte beachtet werden, dass, wenn eine beliebige Struktur, die die Phasenmodulationsschicht 6 und die aktive Schicht 4 aufweist, zwischen der oberen Mantelschicht 7 und der unteren Mantelschicht 2 vorgesehen ist, sogar eine beliebige herkömmliche bekannte Struktur der Erzielung eines ähnlichen Effekts ermöglicht.
• Es sollte beachtet werden, dass eine Verformung der Elektrodenform die Emission des Laserlichts von der unteren Fläche des Substrats ermöglicht. Das heißt, in einem Fall, in dem die erste Elektrode E1 eine Öffnung in dem Bereich, der der zweiten Elektrode E2 gegenüberliegt, auf der unteren Fläche des Halbleitersubstrats 1 aufweist, wird der Laserstrahl von der unteren Fläche nach außen emittiert. In diesem Fall ist die erste Elektrode E1, die auf der unteren Fläche des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen ist, eine Aperturelektrode mit einem mittleren Abschnitt, der mit einer Öffnung versehen ist. In der Öffnung der ersten Elektrode E1 und um diese herum kann ein Antireflexionsfilm ausgebildet werden. In diesem Fall ist der Antireflexionsfilm ein elektrischer Einschichtfilm, wie z. B. Siliziumnitrid (SiN) oder Siliziumdioxid (SiO₂), oder ein dielektrischer Mehrschichtfilm. Beispiele für den dielektrischen Mehrschichtfilm, der verwendet werden kann, umfassen einen entsprechend geschichteten Film aus zwei oder mehr Arten dielektrischer Schichten, die aus einer dielektrischen Schichtgruppe umfassend Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkoniumoxid (ZrO₂) auswählbar sind. Zum Beispiel wird ein Film mit einer Dicke von λ/4 als eine optische Dicke für Licht mit einer Wellenlänge λ geschichtet. Es sollte beachtet werden, dass ein Reflexionsfilm oder ein Antireflexionsfilm durch Sputtern gebildet werden kann.
• Obwohl die zweite Elektrode E2 auf der oberen Fläche der Kontaktschicht 8 vorgesehen ist, kann jeder Bereich, mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Kontaktelementrode E2 gebildet ist, je nach Bedarf mit einem Isolierfilm, wie beispielsweise SiO₂ oder Siliziumnitrid, bedeckt werden, um die Oberfläche zu schützen.
• Es sollte beachtet werden, dass bei der zuvor beschriebenen Struktur Löcher periodisch an einer Vielzahl von Abschnitten der Basisschicht 6A durch Ätzen ausgebildet werden und anschließend die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in den gebildeten Löchern durch metallorganische chemische Dampfabscheidung, Sputtern oder Epitaxie vergraben werden können. Nach dem Vergraben der Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in den Löchern der Basisschicht 6A kann ferner eine Abdeckschicht mit unterschiedlichem Brechungsindex, die das gleiche Material wie die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, auf den Bereichen 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex abgeschieden werden.
• 4 zeigt den Aufbau einer Ebene (XY-Ebene) der Phasenmodulationsschicht 6. Es sollte beachtet werden, dass in der Figur ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem so festgelegt ist, dass die Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 6 die Z-Achsenrichtung ist.
• Die Phasenmodulationsschicht 6 umfasst die Basisschicht 6A und die Vielzahl von Bereichen 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, die einen anderen Brechungsindex als die Basisschicht 6A aufweisen. Die Vielzahl von Bereichen 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex ist in der Basisschicht 6A vergraben, wobei jedoch deren Positionen nicht in einer einzigen Periode ausgedrückt werden können. Für die Phasenmodulationsschicht 6 werden in der XY-Ebene ein zweites virtuelles Quadratgitter (GBU) und ein erstes virtuelles Quadratgitter (Gitter zur Berechnung) (GBC) in der XY-Ebene festgelegt. Es sollte beachtet werden, dass das erste virtuelle Quadratgitter (GBC) aus einer Vielzahl von Linien, die sich in der X-Achsenrichtung erstreckt, und einer Vielzahl von Linien, die sich in der Y-Achsenrichtung erstreckt, gebildet ist, und die Form eines Einheitsgitters ein Quadrat ist.
• Der Abstand in der X-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) ist als a/√2 definiert. Der Abstand in der Y-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) ist als a/√2 definiert. Die XY-Koordinaten der baryzentrischen Position der Öffnung (Einheitsgitter) des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) ist als (x_i, y_j) definiert. Die Figur zeigt sechs Öffnungen, die in der lateralen Richtung (i = 6) angeordnet sind, und sechs Öffnungen, die in der Längsrichtung (j = 6) angeordnet sind.
• Indes ist das zweite virtuelle Quadratgitter (GBU: durch gepunktete Linien dargestellt) zur Einstellung der Positionen der unterschiedlichen Brechungsindexbereiche in der Phasenmodulationsschicht 6 aus einer Gruppe aus geraden Linien mit konstantem Abstand, die durch Y = X + y_a ausgedrückt ist (y_a stellt den Wert des Schnittpunktes auf der Y-Achse der Geraden dar), und aus einer Gruppe aus geraden Linien mit konstantem Abstand, die durch Y = -X + y_b ausgedrückt ist (y_b stellt den Wert des Schnittpunktes auf der Y-Achse der Geraden dar), gebildet. Die Form jedes Einheitsgitters ist identisch zu der Form, die sich aus der Drehung eines Quadrats mit zur X-Achse parallelen Seiten um 45° ergibt. Jede Seite eines solchen Einheitsgitters hat eine Länge a.
• Der Gitterabstand des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC), dessen Gitterlinien parallel zu der X-Achse oder der Y-Achse verlaufen, ist in Längs- und Querrichtung a/√2. Somit erfüllt die Position der Gitterlinie in Längsrichtung (X-Achsenrichtung) den folgenden Ausdruck: X = a/√2 x i, und die Position der Gitterlinie in der Querrichtung (Y-Achsenrichtung) genügt dem folgenden Ausdruck: Y = a/√2 × j.
• Die XY-Koordinaten (x_i, y_j) der baryzentrischen Position der Öffnung (Einheitsgitter) des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) ist wie folgt (es sollte beachtet werden, dass i und j ganze Zahlen sind):
• $$\text{XY-Koordinaten}\left({\text{x}}_{\text{i}},{\text{y}}_{\text{i}}\right)=\left(\left(\text{i}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd \mathrm{2,}\left(\text{j}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd 2\right)$$

  
• Die baryzentrische Position eines jeden Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex ist gegenüber der baryzentrischen Position einer Öffnung (ein Einheitsgitter) des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) verschoben. Für jeden Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex wird der Winkel zwischen der Verschiebungsrichtung der baryzentrischen Position des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex von der baryzentrischen Position der nächstgelegenen Öffnung (ein einzelnes Einheitsgitter) des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) und der X-Achse als Winkel φ definiert. Der Winkel φ der Verschiebungsrichtung in jeder Öffnung hat den Wert eines mehrerer verschiedener Winkel, wie z. B. φA, φB, φC, φD, φE, φF, φG, φH und φI.
• 5 veranschaulicht als Beispiel den Winkel eines jeden Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht.
• In der Figur wird die Verteilung der Winkel φ der Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht 6, wie in 4 gezeigt, mit Symbolen angegeben. Das heißt, die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex sind schachbrettartig in einer Gruppe der Öffnungen des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) angeordnet, und der Verschiebungswinkel jeder der Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex ist z. B. auf φA, φB, φC, φD, φE, φF, φG, φH oder φI festgelegt. Es sollte beachtet werden, dass, wie in 4 und 5 gezeigt, das Einheitsgitter des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC), das vollständig in jedem Einheitsgitter des zweiten virtuellen Quadratgitters (GBU) enthalten ist, das durch die gepunkteten Linien dargestellt ist, die Bedingung (1) erfüllt, in der i eine gerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, oder die Bedingung (2) erfüllt, in der i eine ungerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist. In einem Fall, in dem keine der beiden Bedingungen erfüllt ist, enthält das erste virtuelle Quadratgitter keinen Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex. Daher sind die XY-Koordinaten (x_i, y_j) des Mittelpunktes des Einheitsgitters des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) wie folgt (es sollte beachtet werden, dass i und j ganze Zahlen sind, wobei j nur dann eine gerade Zahl ist, wenn i eine gerade Zahl ist, und j nur dann eine ungerade Zahl ist, wenn i eine ungerade Zahl ist):
• $$\text{XY-Koordinaten}\left({\text{x}}_{\text{i}},{\text{y}}_{\text{i}}\right)=\left(\left(\text{i}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd \mathrm{2,}\left(\text{j}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd 2\right)$$

  
• Zum Beispiel ist der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex mit φE in dem Einheitsgitter an der Position (i = 3, j = 3) vorhanden, und der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex weist einen identischen Winkel wie der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex mit φE auf, der in dem Einheitsgitter an der Position (i = 4, j = 4) vorhanden ist. Obwohl hier vier Einheitsgitter (i, j) = (2, 2), (2, 4), (4, 2), (4, 4) dem Einheitsgitter an der Position (i = 3, j = 3) am nächsten liegen, weist nur das Einheitsgitter (i, j) = (4, 4) den Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex auf, der einen identischen Winkel wie das Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) aufweist. Mit anderen Worten, der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex mit φE ist in dem Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) und dem Einheitsgitter (i, j) = (4, 4) vorhanden. Mit Bezug auf das Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) fällt aufgrund der Parallelverschiebung das Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) mit dem oberen rechten Einheitsgitter in den nächst gelegenen vier Einheitsgittern zusammen. Selbst wenn jedoch die Parallelverschiebung in die anderen drei Richtungen ausgeführt wird, fällt das Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) nicht mit einem der anderen Einheitsgitter zusammen. Mit Bezug auf das Einheitsgitter (i, j) = (4, 4), fällt aufgrund der Parallelverschiebung das Einheitsgitter (i, j) = (4, 4) mit dem unteren linken Einheitsgitter in den nächst gelegenen vier Einheitsgittern zusammen. Selbst wenn jedoch die Parallelverschiebung in den anderen drei Richtungen ausgeführt wird, fällt das Einheitsgitter (i, j) = (4, 4) nicht mit einem der anderen Einheitsgitter zusammen. Mit anderen Worten fällt jedes Einheitsgitter nur mit einem der nächst gelegenen vier Einheitsgitters zusammen, fällt jedoch nicht mit den anderen drei zusammen.
• Die Position des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex wird im Folgenden näher beschrieben.
• 6 veranschaulicht den Verschiebungswert des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex von der baryzentrischen Position in einer Öffnung (einem Gitterrahmen) in dem Quadratgitter.
• Das virtuelle Quadratgitter (GBU) ist aus einer Vielzahl von geraden Linien gebildet, die schräg verlaufen (mit gepunkteten Linien gekennzeichnet). Eine Vielzahl von geraden Linien, die sich entlang der X-Achse oder der Y-Achse (durch Punkt- und Strichlinien gekennzeichnet) erstrecken, drücken die Grenzlinien BL des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) aus. Eine Öffnung ist ein Bereich, der von vier Grenzlinien BL des ersten virtuellen Quadratgitters umgeben ist, und der Mittelpunkt davon ist die baryzentrische Position O(x_i, y_j) der Öffnung. 6 zeigt das Einheitsgitter des zweiten virtuellen Quadratgitters (GBU). Jede Seite des Einheitsgitters des zweiten virtuellen Quadratgitters (GBU) hat eine Länge a.
• Die baryzentrische Position O(x_i, y_j) des Einheitsgitters des zweiten virtuellen Quadratgitters (GBU) fällt mit der baryzentrischen Position O(x_i, y_j) des Einheitsgitters des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) zusammen. Es ist ein Vektor definiert, der die Position des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in dem Einheitsgitter angibt. Der Vektor, der die XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position G eines beliebigen Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex und die baryzentrische Position O(Xi, y_j) des Einheitsgitters verbindet, der von den XY-Koordinaten (x_i, y_j) des Mittelpunktes des Einheitsgitters zu den XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex gerichtet ist, ist als (Δx_i, Δy_j) definiert.
• Es sollte beachtet werden, dass der Winkel φ_i,j des Vektors den nachfolgenden Ausdruck erfüllt: φ_i,j = tan(Δy_j/Δx_i) = ((y_Bj - y_j)/(X_Bi - x_i)). Es sollte beachtet werden, dass die Erfüllung von (x_Bi - x_i) = 0 und (y_Bj - y_j) > 0 zu φ_i,j = π/2 führt, und die Erfüllung von (x_Bi - x_i) = 0 und (y_Bj - y_j) < 0 zu φ_i,j = 3π/2 führt.
• Für die in 5 dargestellte Schachbrettanordnung ist der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Öffnung des Einheitsgitters des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) vorhanden, das in dem Einheitsgitter des Quadratgitters (GBU) enthalten ist. In einem Fall, in dem i und j jeweils eine ungerade Zahl ist, oder in einem Fall, in dem i und j jeweils eine gerade Zahl ist, ist der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Öffnung des ersten virtuellen Quadratgitters vorhanden, andernfalls ist kein Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden. Insbesondere in einem Fall, in dem die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden ist, wobei i eine ungerade Zahl ist, sind die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines beliebigen Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex nur in einem Fall, in dem i eine ungerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, und in einem Fall, in dem i eine gerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, vorhanden. In 5 ist der Winkel φ φA für i = 1 und j = 1, und in ähnlicher Weise ist der Winkel φ φA für i = 2 und j = 2. Kurz gesagt, ist der Vektor (Δx_i, Δy_j) für i = 1 und j = 1 gleich dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) für i = 2 und j = 2.
• In einem Fall, in dem i und j jeweils drei oder mehr ist, ist die nachfolgende Bedingung erfüllt. Das heißt, für jede Öffnung einschließlich des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in den Öffnungen des ersten virtuellen Quadratgitters ist der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) gleich einem der Vektoren, die in den vier nächstgelegenen Einheitsgittern enthalten ist, aber unterschiedlich zu den anderen drei.
• Beispielsweise ist in 5, mit Bezug auf den Öffnungsrahmen mit φE (i = 3, j = 3), in ähnlicher Weise φE im oberen rechten Öffnungsrahmen (i = 4, j = 4) erfüllt. Der auf φE für (i, j) = (3, 3) angegebene Vektor ist gleich dem Vektor (an einem Winkel von φE) für (i, j) = (4, 4), aber unterschiedlich zu dem Vektor beim Winkel φ in jedem der anderen Einheitsgitter, die (i, j) = (3, 3) am nächsten liegen. Das heißt, obwohl die Einheitsgitter (i, j) = (2, 2), (4, 2), (4, 4), (2, 4) dem Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) am nächsten liegen, weist nur das Einheitsgitter (4, 4) davon den gleichen Winkel φ wie das Einheitsgitter (i, j) = (3, 3) auf, und der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex ist in jedem der anderen Einheitsgitter in einem anderen Winkel vorhanden.
• Gemäß dem Halbleiter-Laserelement verschwindet das Licht nullter Ordnung, das herkömmlicherweise in der Mitte des Ausgangslichts vorhanden sein sollte. Bei Helligkeit auf beiden Seiten des Elements wird Licht einschließlich einer dunklen Linie ohne Licht nullter Ordnung ausgegeben (siehe 9-(B)).
• Das Verschwinden des Lichts nullter Ordnung wird im Nachfolgenden untersucht.
• 7 zeigt als Beispiel einen Γ-Punkt und einen M-Punkt in den realen Räumen (A) und (B) und in den reziproken Gitterräumen (C) und (D). Jeder Kreis in der Figur gibt den zuvor beschriebenen Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex an.
• 7-(A) zeigt den verschiedenen Brechungsindexbereich, der sich in der Mitte der Öffnung eines Gitterrahmens im Quadratgitter im realen Raum mit einem dreidimensionalen orthogonalen XYZ-Koordinatensystem befindet. Der Gitterabstand des Quadratgitters ist a, und der baryzentrische Abstand zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in der X-Achsenrichtung oder der Y-Achsenrichtung ist a. Die Lichtemission am Γ-Punkt in der Phasenmodulationsschicht tritt in einem Fall auf, in dem λ/n mit a zusammenfällt, wobei λ die Emissionswellenlänge darstellt und n den effektiven Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht zum Ausgangslicht darstellt. In diesem Fall wird das Laserlicht in der Z-Achsenrichtung emittiert. 7-(C) veranschaulicht das reziproke Gitter des Gitters der 7-(A). Obwohl der Abstand zwischen den benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex entlang der Längsrichtung (Γ-Y) oder entlang der Querrichtung (Γ-X) 2n/a ist, fällt 2π/a mit (2nπ/λ) zusammen (n ist der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht).
• 7-(B) zeigt den verschiedenen Brechungsindexbereich, der in der Mitte der Öffnung eines Gitterrahmens in dem Quadratgitter im realen Raum angeordnet ist, das ein dreidimensionales kartesisches XYZ-Koordinatensystem aufweist. Der Gitterabstand des Quadratgitters ist a, und der baryzentrische Abstand zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in der X-Achsenrichtung oder in der Y-Achsenrichtung ist √2·a. Der Wert λ/n, der aus der Emissionswellenlänge λ dividiert durch den effektiven Brechungsindex n resultiert, ist a multipliziert mit √2 (λ/n = a × 2^0,5). In diesem Fall tritt eine Lichtemission am Endpunkt in der Phasenmodulationsschicht auf. 7-(D) zeigt das reziproke Gitter des Gitters der 7-(B). Der Abstand zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex entlang der Γ-M-Richtung ist (2^0,Sπ)/a, die mit (2nπ/λ) zusammenfällt (n ist der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht). Es sollte beachtet werden, dass die durchgezogenen weißen Pfeile in 7 die Richtung angeben, in der eine Lichtwelle oszilliert.
• Die Oszillation wird im Nachfolgenden ausführlich beschrieben.
• Eine Γ-Punktoszillation mit einer Störung von 0, d. h. die Beziehung d = 0 ist erfüllt (siehe 6), entspricht der Γ-Punktoszillation des Quadratgitters, wie in 7-(C) gezeigt. Wie in der Figur gezeigt, orientiert sich der Wellenvektor einer Grundwelle in der Ebene der Phasenmodulationsschicht 6 in Querrichtung (Γ-X-Richtung) und in Längsrichtung (Γ-Y-Richtung). In einem Fall, in dem der Abstand d nicht null ist, d. h., dass eine Abweichung von jeder baryzentrischen Position in dem Quadratgitter vorhanden ist, wird ein Teil der stehenden Welle, die in der Ebene erzeugt wird, von der Substratoberfläche als der Laserstrahl mit einem gewünschten Muster nach außen emittiert, der ein Strahl mit einer Ausbreitung senkrecht zur Substratoberfläche ist. In einem Fall, in dem der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht 6 als n definiert ist, wird eine Wellenlänge λ₀(=a × n), die die Phasenmodulationsschicht 6 auswählt, in den Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 4 aufgenommen. Die Phasenmodulationsschicht (Beugungsgitterschicht) ist in der Lage, die Wellenlänge λ₀ von den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht selektiv nach außen abzugeben.
• Indes wird für die M-Punktoszillation, wie in 7-(D) gezeigt, der Vektor der Grundwelle der Laseroszillation (Richtung der Grundwellenlänge λ) im Vergleich zu dem Fall der 7-(C) um 45° gedreht. Das heißt, der Vektor ist anstelle der Γ-X-Richtung oder der Γ-Y-Richtung in die Γ-M-Richtung gerichtet.
• 8 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der normierten Wellenzahl k (2π/a) in der Ebene und der Frequenz f (c/a) des Laserlichts. Es sollte beachtet werden, dass c die Lichtgeschwindigkeit und a die Gitterkonstante des Quadratgitters (GBU der 6) in der Phasenmodulationsschicht ist. Die Wellenzahl und die Frequenz des Halbleiter-Laserelements für den Γ-Punkt in 7-(A), der einem Punkt entspricht, der als Γ-Punkt in 8 angegeben ist, befinden sich auf der Oberseite von zwei gepunkteten Linien (Lichtlinien). Wenn das Laserlicht in der Luft ausgegeben wird, wird das Laserlicht nicht total reflektiert, sodass die Lichtausgabe in der Richtung senkrecht zur Ebene erfolgt. Indes befinden sich die Wellenzahl und die Frequenz des Halbleiter-Laserelements für den M-Punkt auf der Unterseite der beiden gepunkteten Linien (Lichtlinien) in 8. Wenn das Laserlicht in der Luft ausgegeben wird, tritt eine totale Reflexion auf. In einem Fall, in dem die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in regelmäßigen Abständen in einer Quadratgitterform angeordnet sind, die den M-Punkt erfüllt, wird keine Lichtausgabe in der Richtung senkrecht zur Ebene erfasst.
• Das heißt, für das zuvor beschriebene Halbleiter-Laserelement ist das orthogonale XYZ-Koordinatensystem derart eingestellt, dass die Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht die Z-Achsenrichtung ist. Das zweite virtuelle Quadratgitter wird in der XY-Ebene festgelegt. Die Gitterkonstante a des Quadratgitters erfüllt den nachfolgenden Ausdruck: a = λ/(2^0,5n), wobei λ die Emissionswellenlänge darstellt. Ein Paar von benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht mit einem Abstand a zwischen den benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex ist so angeordnet, dass sie in einem Fall zusammenfallen, in dem die Verschiebung um den Abstand a nur in einer Richtung erfolgt, und in einer anderen Richtung nicht zusammenfallen.
• Unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen der Wellenzahl k in der Ebene und der Frequenz f = (c/a) des Laserlichts sind die Lichtlinien, die durch die gepunkteten Linien der 8 angegeben werden, durch f = m × |k| definiert. (Es sollte beachtet werden, dass m > 0) Der M-Punkt ist auf der Unterseite der rechten Lichtlinie vorhanden, und der Γ-Punkt, an dem das Laserlicht emittiert wird, ist auf der Oberseite der Lichtlinien vorhanden. Somit erfüllt in einem Fall, in dem die Wellenzahl k und die Frequenz f des Laserlichts, das in der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht ausgegeben wird, die nachfolgende Bedingung erfüllt: f > m × |k|, wobei m > 0, unter der Bedingung, dass der Bereich den Γ-Punkt auf der Oberseite der Lichtlinien umfasst, das Licht nullter Ordnung des senkrecht zur lichtemittierenden Fläche der Phasenmodulationsschicht zu emittierenden Laserlichts die folgende Bedingung: f ≤ m × k. Die Vielzahl der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex ist derart angeordnet, dass das Laserlicht eine dunkle Linie ohne Licht nullter Ordnung umfasst.
• Eine beispielhafte Anordnung der Vielzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex kann durch inverse Operation aus einem Fernfeldmuster, wie im Folgenden beschrieben, erhalten werden.
• 9 zeigt Ausgabemuster, in denen die Phasenmodulationsschicht die Gitterkonstante für den Γ-Punkt (A) und den M-Punkt (B) aufweist.
• Wie in 9-(A) gezeigt erscheint, in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht derart vorgesehen ist, dass ein Gittermuster auf einer Projektionsebene mit dem Γ-Punkt projiziert wird, ein Punkt des Lichts nullter Ordnung in der Mitte des Ausgabemusters. Das Muster der Phasenmodulationsschicht mit dem Γ-Punkt kann wie folgt erfasst werden: das Fernfeldmuster (Gittermuster) auf der Projektionsebene wird durch Projektion in den Wellenzahlraum einer inversen Fouriertransformation unterzogen. Die baryzentrische Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex wird um den Abstand d um den Winkel φ von der baryzentrischen Position der Öffnung des zweiten virtuellen Quadratgitters (oder des ersten virtuellen Quadratgitters) in der Phasenmodulationsschicht verschoben, d. h., der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex wird derart angeordnet, dass die Funktion des Vektors (Δx_i, Δy_j) erfüllt ist.
• 10 zeigt eine Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht. Die Zahlen 200 bis 1400, die um die Figur herum angegeben sind, bezeichnen die Koordinaten der Pixel auf dem Bildschirm des Computers und geben an, dass ein 1400 x 1400 Pixel angezeigt werden. Ein Balken mit einer Abstufung auf der unteren Seite der 10 gibt den Wert einer Phase θ an. Der schwarze Bereich an der Position null am linken Ende gibt die Phase θ = 0 (Radiant), und der Restbereich an der Position 2π gibt die Phase θ = 2π (Radiant) an. Es sollte beachtet werden, dass die Phase θ hierin die Phase des Lichts, das im Phasenterm P der Mehrfachamplitude F des Lichts enthalten ist, in einem Fall ist, in dem ein optisches Muster in den Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene der Phasenmodulationsschicht, ähnlich wie im Falle der 12-(3), zweidimensional invers fouriertransformiert wird.
• Wie in 9-(B) gezeigt, wird in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht derart vorgesehen ist, dass ein Gittermuster mit Ausnahme des Lichts nullter Ordnung auf der Projektionsebene projiziert wird, das Muster der Phasenmodulationsschicht wie folgt eingestellt. Das heißt, für das Muster der Phasenmodulationsschicht mit dem M-Punkt, wird zunächst das Fernfeldmuster (Gittermuster) auf der Projektionsebene durch Projektion in den Wellenzahlraum invers fouriertransformiert und anschließend wird das Muster der Phasenmodulationsschicht ähnlich wie im Fall der 9-(A) gebildet. Anschließend wird ein Muster, bei dem das Muster der Phasenmodulationsschicht in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung doppelt so groß ist, in den Hintergrund gesetzt. Dann wird ein Gitterrahmen (Öffnung), in dem nichts vorhanden ist, zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in der X-Achsenrichtung und ein Gitterrahmen (Öffnung), in dem nichts vorhanden ist, zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Y-Achsenrichtung so angeordnet, dass die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex schachbrettartig angeordnet sind. Auf diese Weise verschwindet das Licht nullter Ordnung auf der Projektionsebene, wodurch ein Fernfeldmuster mit schrägen dunklen Linien erhalten wird.
• 11 zeigt eine Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht. Die um die Figur angegebenen Zahlen 200 bis 1400 geben die Koordinaten der Pixel auf dem Bildschirm des Computers an, und zeigen, dass 1400 × 1400 Pixel angezeigt werden. Ein Balken mit einer Abstufung auf der unteren Seite der 11 gibt den Wert der Phase θ der komplexen Amplitude eines optischen Musters, das invers fouriertransformiert ist, auf der Phasenmodulationsschicht ähnlich dem Fall der 10 an.
• Es sollte beachtet werden, dass für das Fernfeldmuster des aus der Phasenmodulationsschicht emittierten Laserlichts eine Ausbreitungsberechnung (Beugungsberechnung) an der komplexen Amplitudenverteilung des Lichts auf der Geräteoberfläche durchgeführt wird, sodass ein Muster in unendlicher Entfernung (Fernfeldmuster) erfasst werden kann. Es sollte beachtet werden, dass für die unendliche Entfernung ein Ergebnis der Beugungsberechnung in etwa dem Ergebnis der Fouriertransformation entspricht. Insbesondere ermöglicht die Fouriertransformation der komplexen Amplitudenverteilung des Lichts auf der Oberfläche der Phasenmodulationsschicht (Oberfläche des Halbleiter-Laserelements) die Erfassung der komplexen Amplitudenverteilung des Fernfeldmusters. Typischerweise wird die Intensitätsverteilung des Amplitudenterms zum Quadrat, nach der Teilung der komplexen Amplitude in den Amplitudenterm und den Phasenterm, gemessen. Die inverse Fouriertransformation der komplexen Amplitudenverteilung des Fernfeldmusters ermöglicht die Erfassung der komplexen Amplitudenverteilung auf der Oberfläche der Phasenmodulationsschicht. Die Verteilung der „Intensität“ des Amplitudenterms zum Quadrat, nach der Teilung der komplexen Amplitude in den Amplitudenterm und den Phasenterm, ist eine zu messende Intensitätsverteilung.
• 12 zeigt als Erläuterung die Anordnung der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß der Ausführungsform.
• Zunächst wird, wie in 12-(1) gezeigt, ein Zielbild (1400 Pixel × 1400 Pixel) als Fernfeldmuster in einen Speicher im Computer eingelesen. Dann wird, wie in 12-(2) gezeigt, der Neigungswinkel jedes hellen Punkts des Zielbildes zur Richtung senkrecht zur Geräteoberfläche in die Wellenzahl umgewandelt, wie durch die mathematischen Ausdrücke (A4) und (A5) der 16 gezeigt, sodass das Zielbild als eine Gruppe heller Punkte im Wellenzahlraum ausgedrückt wird. Wie in 12-(3) gezeigt, wird ein Schritt, in dem die komplexe Amplitude eines jeden hellen Punkts, der im Wellenzahlraum definiert ist, invers fouriertransformiert wird, um ein Nahfeldmuster zu erfassen, und anschließend das Muster erneut fouriertransformiert wird, um die komplexe Amplitude eines jeden hellen Punkts, der im Wellenzahlraum ausgedrückt ist, zu erfassen, in etwa 10- bis 1000-mal wiederholt (Gerchberg-Saxton (GS)-Algorithmus) (mathematische Ausdrücke (A6) bis (A8) der 16). In jedem Wiederholungsschritt wird die Amplitudenverteilung mit einer Sollverteilung aus den jeweiligen komplexen Amplituden im Wellenzahlraum und im Nahfeldmuster ersetzt, sodass das Fernfeldmuster in der Nähe des Sollbildes liegt. Die komplexe Amplitudenverteilung des nach dem vorliegenden Schritt erfassten Nahfeldmusters weist eine Amplitudenkomponente und eine Phasenkomponente auf. Somit wird die Phase für jede Koordinate in dem Nahfeldmuster (Phasenverteilung) extrahiert, und der Winkel φ entsprechend der Phase bestimmt.
• Im Nachfolgenden wird das Koordinatensystem beschrieben. Die Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem erfüllen die durch die Ausdrücke (A1) bis (A3) der 16 angegebenen Beziehung zu den sphärischen Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot), die durch die Länge r eines Radiusvektors, den Neigungswinkel θ_tilt des Radiusvektors zur Z-Achse und den Winkel θ_rot eines Liniensegments, das der Radiusvektor projiziert auf die X-Y-Ebene ist, zur X-Achse (Drehwinkel des Liniensegments zur X-Achse) angegeben sind, wie in 17 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass 17 als Erläuterung die Koordinatentransformation von den sphärischen Koordinaten (r, θ_tilt, θ_rot) in die (x, y, z)-Koordinaten im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem veranschaulicht, und (x, y, z)-Koordinaten drücken den Entwurf des optischen Musters auf einer vorbestimmten Ebene aus, die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das den realen Raum darstellt, festgelegt ist.
• Wenn ein Strahlmuster entsprechend dem optischen Muster, das das lichtemittierende Halbleiterelement ausgibt, als eine Gruppe heller Punkte definiert ist, die in die Richtung zeigt, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot angegeben wird, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in den Koordinatenwert kx, der die normierte Wellenzahl ist, die durch Ausdruck (A4) der 16 bestimmt wird, auf der Kx-Achse entsprechend der X-Achse, und den Koordinatenwert ky, der die normierte Wellenzahl ist, die durch den Ausdruck (A5) der 16 bestimmt wird, auf der Ky-Achse, die der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse ist, umgewandelt. Jede normierte Wellenzahl bedeutet eine Wellenzahl, die mit 1,0 normiert ist, wobei die Wellenzahl dem Gitterabstand des zweiten virtuellen Quadratgitters entspricht. In diesem Fall wird im Wellenzahlraum, der durch die Kx-Achse und die Ky-Achse bestimmt wird, ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das Strahlmuster entsprechend dem optischen Muster enthält, aus M2 (ganze Zahl von eins oder mehr) × N2 (ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR, die Quadrate sind (siehe 18), gebildet. Es sollte beachtet werden, dass die ganze Zahl M2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. In ähnlicher Weise muss die ganze Zahl N2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen.
• Die Ausdrücke (A4) und (A5) der 16 sind beispielsweise in Y. Kurosaka et al.,„Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure,“ Opt. Express 20, 21773-21783 (2012) offenbart. Es sollte beachtet werden, dass a und λ in den Ausdrücken (A4) und (A5) der 16 die nachfolgenden Parameter angeben.
• a: die Gitterkonstante des zweiten virtuellen Quadratgitters (GBU), wie zuvor beschrieben
• λ: die Oszillationswellenlänge des Halbleiter-Laserelements (lichtemittierenden Elements)
• Im Nachfolgenden wird das zuvor beschriebene Verfahren genauer beschrieben. 18 zeigt erläuternd die Beziehung zwischen dem optischen Muster, das dem vom Halbleiter-Laserelement LD ausgegebenen Strahlmuster entspricht, und der Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) in der Phasenmodulationsschicht 6. Insbesondere wird die Kx-Ky-Ebene berücksichtigt, die durch Umwandeln der Ebene erhalten wird, auf der der vom Halbleiter-Laserelement LD emittierte Strahl das optische Muster (Einstellen der Ebene hinsichtlich des Entwurfs für das optische Muster, die durch die Koordinaten (x, y, z) in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem ausgedrückt wird) im Wellenzahlraum bildet. Die Kx-Achse und die Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene bilden, sind orthogonal zueinander, und jede wird dem Winkel zur Normalenrichtung zu dem Zeitpunkt zugeordnet, zu dem die Emissionsrichtung des Strahls von der Normalenrichtung der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 1 zur Hauptfläche auf der Grundlage der Ausdrücke (A1) bis (A5) der 16 geändert wird. Auf der Kx-Ky-Ebene wird ein bestimmter Bereich einschließlich des Strahlmusters, das dem optischen Muster entspricht, aus M2 (ganze Zahl von eins oder mehr) x N2 (ganze Zahl von eins oder mehr) Bildbereichen FR, die Quadrate sind, gebildet. Das zweite virtuelle Quadratgitter, das auf der X-Y-Ebene der Phasenmodulationsschicht 15A festgelegt ist, wird aus M1 (ganze Zahl von eins oder mehr) x N1 (ganze Zahl von eins oder mehr) Einheitskonfigurationsbereichen R gebildet. Es sollte beachtet werden, dass die Zahl M2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. In ähnlicher Weise muss die ganze Zahl N2 nicht unbedingt mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. In diesem Fall wird die komplexe Amplitude F(x, y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x, y), der durch zweidimensionale inverse Fouriertransformation eines jeden Bildbereichs FR (kx, ky) in der Kx-Ky-Ebene, der durch die Koordinatenkomponente kx (ganze Zahl von eins bis M2) in der Kx-Achsenrichtung und durch die Koordinatenkomponente ky (ganze Zahl von eins bis N2) in der Ky-Achsenrichtung bestimmt wird, in den Einheitskonfigurationsbereich R(x, y), der durch die Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von eins bis M1) in der X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von eins bis N1) in der Y-Achsenrichtung bestimmt wird, durch den Ausdruck (A6) der 16 definiert, wobei j die imaginäre Einheit darstellt.
• Wenn der Amplitudenterm und der Phasenterm jeweils als A(x, y) und P(x, y) definiert werden, wird in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) die komplexe Amplitude F(x, y) durch den Ausdruck (A7) der 16 bestimmt..
• Wie in 18 gezeigt, entspricht in dem Bereich der Koordinatenkomponente x = 1 bis M1 und der Koordinatenkomponente y = 1 bis N1 die Verteilung des Amplitudenterms A(x, y) in der komplexen Amplitude F(x, y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x, y) der Intensitätsverteilung in der X-Y-Ebene. In dem Bereich von x = 1 bis M1 und y = 1 bis N1 entspricht die Verteilung des Phasenterms P(x, y) in der komplexen Amplitude F(x, y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x, y) der Phasenverteilung in der X-Y-Ebene. Wie im Nachfolgenden beschrieben, wird der Drehwinkel φ(x, y) in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) aus P(x, y) erhalten. In dem Bereich der Koordinatenkomponente x = 1 bis M1 und der Koordinatenkomponente y = 1 bis N1 entspricht die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) des Einheitskonfigurationsbereichs R(x, y) der Drehwinkelverteilung in der X-Y-Ebene.
• Es sollte beachtet werden, dass der Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlmusters auf der Kx-Ky-Ebene auf einer Achse senkrecht zu der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 1 angeordnet ist. In 18 sind vier Quadranten dargestellt, wobei der Mittelpunkt Q den Ursprung bildet. 18 zeigt ein Beispiel, bei dem das optische Muster in dem ersten Quadranten und dem dritten Quadranten erhalten wird. Jedoch kann das Muster im zweiten Quadranten und im vierten Quadranten oder in allen Quadranten erhalten werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das optische Muster mit Punktsymmetrie bezüglich des Ursprungs, wie in 18 gezeigt, erhalten. 18 zeigt ein Beispiel, in dem ein Muster erhalten wird, bei dem ein Buchstabe „A“ und ein Buchstabe „A“, der um 180° gedreht ist, jeweils im dritten Quadranten und im ersten Quadranten angeordnet sind. Es sollte beachtet werden, dass für ein rotationssymmetrisches optisches Muster (z. B. ein Kreuz, ein Kreis oder ein Doppelkreuz) ein überlagertes optisches Muster beobachtet wird.
• Das Strahlmuster (optische Muster), das aus dem Halbleiter-Laserelement LD ausgegeben wird, entspricht dem entworfenen optischen Muster (ursprüngliches Bild), das durch wenigstens eines der nachfolgenden Muster ausgedrückt wird: einen Punkt, eine Gerade, ein Kreuz, eine Strichzeichnung, ein Gittermuster, ein Bild, ein Bandmuster, eine Computergrafik (CG) und einen Buchstaben. Hier wird zur Erfassung eines gewünschten optischen Musters der Drehwinkel φ(x, y) des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex im Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) gemäß dem nachfolgenden Verfahren bestimmt.
• Wie zuvor beschrieben, ist der Schwerpunkt G des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex um r(x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) im Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) beabstandet. In diesem Fall ist der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in dem Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) derart angeordnet, dass der Drehwinkel φ(x, y) der Beziehung des Ausdrucks (A8) der 16 genügt. Es sollte beachtet werden, dass im Ausdruck (A8): φ(x, y) = C x P(x, y) + B, C eine Proportionalitätskonstante darstellt und beispielsweise 180°/π ist, und B eine willkürliche Konstante darstellt und beispielsweise null ist. Es sollte beachtet werden, dass die Proportionalitätskonstante C und die beliebige Konstante B jeweils einen konstanten Wert für jeden Einheitskonfigurationsbereich R aufweisen.
• Das heißt, für den Erhalt eines gewünschten optischen Musters wird wenigstens das optische Muster, das auf der Kx-Ky-Ebene gebildet ist, die im Wellenzahlraum projiziert ist, in den Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) auf der X-Y-Ebene auf der Phasenmodulationsschicht 15A zweidimensional invers fouriertransformiert, und anschließend wird der Drehwinkel φ(x, y) entsprechend dem Phasenterm P(x, y) der komplexen Amplitude F(x, y) dem Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, der im Einheitskonfigurationsbereich R(x, y) angeordnet ist, zugeordnet. Es sollte beachtet werden, dass das zweidimensional invers fouriertransformierte Fernfeldmuster des Laserstrahls unterschiedliche Formen, wie beispielsweise eine Einpunkt- oder Mehrfachpunktform, eine Kreisform, eine lineare Form, eine Zeichenform, eine doppelte Ringform und eine Laguerre-gaußsche Strahlform aufweisen kann. Es sollte beachtet werden, dass, da das Strahlmuster mit Wellenzahlinformationen über den Wellenzahlraum (auf der Kx-Ky-Ebene) ausgedrückt wird, z. B., für eine Bitmapbild, in dem Sollstrahlmuster mit zweidimensionaler Positionsinformation ausgedrückt wird, die zweidimensionale inverse Fouriertransformation vorzugsweise nach einmaliger Transformation der Wellenzahlinformationen durchgeführt wird.
• Als Verfahren zur Erfassung der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung auf der X-Y-Ebene, die durch die zweidimensionale inverse Fouriertransformation erhalten wird, kann beispielsweise die Intensitätsverteilung (die Verteilung des Amplitudenterms A(x, y) auf der X-Y-Ebene) mit der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWork berechnet werden, und der Phasenterm (Verteilung des Phasenterms P(x, y) auf der X-Y-Ebene) kann mit der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden. 12-(3) zeigt die Phasenverteilung. 13 zeigt 12-(3) in vergrößerter Form. 13 zeigt die Phasenverteilung in der Phasenmodulationsschicht. Die Zahlen von 200 bis 1400, die um die Figur herum angegeben sind, zeigen die Koordinaten der Pixel auf dem Bildschirm des Computers und drücken aus, dass 1400 x 1400 Pixel angezeigt werden. Ein Balken mit einer Abstufung auf der unteren Seite der 11 gibt den Wert der Phase θ an. Der schwarze Bereich an der Position von Null am linken Ende gibt an, dass die Phase θ = 0 (Radiant) ist, und der weiße Bereich an der Position 2π gibt an, dass die Phase θ = 2π (Radiant) ist.
• Somit müssen in einem Fall, in dem die komplexe Amplitude dem Ausdruck (A7) der 16 genügt, der Abstand d und der Winkel φ des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex, der in 6 gezeigt ist, wenigstens auf der Grundlage des Ausdrucks (A8) der 16 eingestellt werden.
• Im Nachfolgenden wird, wie in 12-(4) gezeigt, der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex mit dem Winkel φ, der auf diese Weise erhalten wurde, im ersten virtuellen Quadratgitter (erstes Muster) festgelegt. Darüber hinaus werden, wie in 12-(5) gezeigt, die Abmessungen in Querrichtung (X-Achsenrichtung) und in Längsrichtung (Y-Achsenrichtung) des ersten Musters und die Anzahl der Gitteröffnungen verdoppelt (zweites Muster). Das heißt, wie in 12-(5) gezeigt, wird eine Gitteröffnung, in der kein Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden ist, seitlich und in Längsrichtung neben jeder Gitteröffnung in 12-(4) ausgebildet (siehe 4 und 5). Somit genügt der Abstand zwischen jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex im Allgemeinen der Gitterbedingung für den M-Punkt. Jedoch genügt genau genommen nur eine Gruppe aus paarweise angeordneten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in den diagonal rechts benachbarten Öffnungen der Gitterbedingung für den M-Punkt (λ = √2 × a × n (es sollte beachtet werden, dass n der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht zum Ausgangslicht ist)). Hierin wurde als Beispiel der Fall beschrieben, bei dem eine Gruppe von paarweise angeordneten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in den diagonal rechts benachbarten Öffnungen genau der Gitterbedingung für den M-Punkt genügt. Jedoch kann auch eine Gruppe von paarweise angeordneten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in den diagonal links benachbarten Öffnungen genau der Gitterbedingung für den M-Punkt entsprechen. In diesem Fall wird die dunkle Linie horizontal gespiegelt erfasst.
• Somit verschwindet, wie zuvor beschrieben, das Licht nullter Ordnung, sodass das Laserlicht erfasst werden kann, in dem die dunkle Linie vorhanden ist.
• Es sollte beachtet werden, dass es andere Verfahren als ein Verfahren zur Transformation der Anordnung zur Erfüllung der Gitterbedingung für den M-Punkt in 12-(5) gibt.
• 14 zeigt ein Anordnungsbeispiel der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß der Ausführungsform.
• Für die zuvor beschriebene Phasenextraktion, wie in 14-(A) gezeigt, wird in einem Fall, in dem die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, deren Winkel φ φA, φB, φD und φE sind, in einem 2 × 2-Gitterrahmen erhalten werden, die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex im zweiten virtuellen Quadratgitter (erstes Muster) festgelegt. Ferner werden, wie in 14-(B) gezeigt, die Abmessungen in Querrichtung (X-Achsenrichtung) und Längsrichtung (Y-Achsenrichtung) des ersten Musters und die Anzahl der Gitteröffnungen verdoppelt. Das heißt, wie in 14-(B) gezeigt, wird eine Gitteröffnung, in der kein Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden ist, seitlich und in Längsrichtung neben jeder Gitteröffnung in 14-(A) gebildet. Somit genügt der Abstand zwischen jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex im Allgemeinen der Gitterbedingung für den M-Punkt. Jedoch genügt nur eine Gruppe von paarweise angeordneten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in den diagonal rechts benachbarten Öffnungen genau der Gitterbedingung für den M-Punkt (λ = √2 × a × n (es sollte beachtet werden, dass n der effektive Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht zum Ausgangslicht ist)).
• Somit verschwindet, wie zuvor beschrieben, das Licht nullter Ordnung, sodass das Laserlicht erfasst werden kann, in dem die dunkle Linie vorhanden ist.
• 15 zeigt ein Anordnungsbeispiel der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex gemäß der Ausführungsform.
• Für diese zuvor beschriebene Phasenextraktion, wie in 15-(A) gezeigt, werden in einem Fall, in dem die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, deren Winkel φ φA, φB, φD, φE, φG und φH sind, in einem 3 × 2-Gitterrahmen erfasst werden, die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex im zweiten virtuellen Quadratgitter (erstes Muster) festgelegt. Ferner werden, wie in 15-(B) gezeigt, die Abmessungen in Querrichtung (X-Achsenrichtung) und Längsrichtung (Y-Achsenrichtung) des ersten Musters und die Anzahl der Gitteröffnungen verdoppelt. Das heißt, wie in 15-(B) gezeigt, wird eine Gitteröffnung, in der kein Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden ist, seitlich und in Längsrichtung neben jeder Gitteröffnung in 15-(A) ausgebildet. Somit genügt der Abstand zwischen jedem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex im Allgemeinen der Gitterbedingung für den M-Punkt. Jedoch genügt genau genommen nur eine Gruppe von paarweise angeordneten Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex in den diagonal rechts benachbarten Öffnungen der Gitterbedingung für den M-Punkt (λ = √2 × a × n (es sollte beachtet werden, dass n der effektive Brechungsindex für die Phasenmodulationsschicht zum Ausgangslicht ist)).
• Somit verschwindet, wie zuvor beschrieben, das Licht nullter Ordnung, sodass das Laserlicht erfasst werden kann, in dem die schwarze Linie vorhanden ist.
• Es sollte beachtet werden, dass 19 den Fall darstellt, bei dem die in 5 gezeigten Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex hinsichtlich der Anordnungsposition verändert sind. In der Figur wird die Verteilung der Winkel φ der Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht 6 der 4, ähnlich wie in 5, mit Symbolen angegeben. Das heißt, die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex sind schachbrettartig in einer Gruppe der Öffnungen des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) angeordnet, und der Verschiebungswinkel jedes Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex ist beispielsweise auf φA, φB, φC, φD, φE, φF, φG, φH oder φI festgelegt.
• Ähnlich wie im Fall der 5 ist der Vektor, der die XY-Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines beliebigen Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex und die nächstgelegenen XY-Koordinaten (x_i, y_j) zu dem Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex verbindet, und der von den XY-Koordinaten (x_i, y_j) zu den XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gerichtet ist, als (Δx_i, Δy_j) definiert. In 19 sind die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in einem Fall vorhanden, in dem i + j eine ungerade Zahl ist.
• Es sollte beachtet werden, dass, wie in 19 gezeigt, das Einheitsgitter des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC), dass vollständig in jedem Einheitsgitter des zweiten virtuellen Quadratgitters (GBU), das durch die gepunkteten Linien angegeben ist, enthalten ist, der Bedingung (1) genügt, wobei i eine gerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, oder der Bedingung (2) genügt, wobei i eine ungerade Zahl und j eine gerade Zahl ist. In einem Fall, in dem keine der obigen Bedingungen erfüllt ist, umfasst das erste virtuelle Quadratgitter keinen Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex. Somit sind die XY-Koordinaten (x_i, y_j) des Mittelpunkts des Einheitsgitters des ersten virtuellen Quadratgitters (GBC) wie folgt (es sollte beachtet werden, dass i und j ganze Zahlen sind, wobei j nur dann eine gerade Zahl ist, wenn i eine ungerade Zahl ist, und j nur dann eine ungerade Zahl ist, wenn i eine gerade Zahl ist):
• $$\text{XY-Koordinaten}\left({\text{x}}_{\text{i}},{\text{y}}_{\text{i}}\right)=\left(\left(\text{i}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd \mathrm{2,}\left(\text{j}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd 2\right)$$

  
• Kurz gesagt, ist in einem Fall, in dem i eine gerade Zahl (2 ≤ i) und j eine ungerade Zahl (1 ≤ j) ist, der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) gleich dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1), unterscheidet sich jedoch vom Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1), vom Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) und vom Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1).
• In einem Fall, in dem eine ungerade Zahl (1 ≤ i) und j eine gerade Zahl (2 ≤ j) ist, ist der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) gleich dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1), unterscheidet sich jedoch vom Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1), vom Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) und vom Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1).
• Beispielsweise ist der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex mit φE im Einheitsgitter an der Position (i = 4, j = 3) vorhanden, und der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, der den gleichen Winkel wie der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex mit φE aufweist, ist in dem Einheitsgitter an der Position (i = 3, j = 4) vorhanden. Obwohl hier vier Einheitsgitter (i, j) = (5, 2), (5, 4), (3, 4), (3, 2) vorhanden sind, die dem Einheitsgitter an der Position (i = 4, j = 3) am nächsten liegen, weist nur das Einheitsgitter (i, j) = (3, 4) den Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex auf, der den gleichen Winkel wie das Einheitsgitter (i, j) = (4, 3) aufweist. Mit anderen Worten ist der Bereich 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex mit φE im Einheitsgitter (i, j) = (4, 3) und im Einheitsgitter (i, j) = (3, 4) vorhanden. Mit Bezug auf das Einheitsgitter (i, j) = (4, 3) stimmt das Einheitsgitter (i, j) = (4, 3) aufgrund der Parallelverschiebung mit dem oberen linken Einheitsgitter in den nächstgelegenen vier Einheitsgittern überein. Jedoch, selbst, wenn die Parallelverschiebung in die anderen drei Richtungen durchgeführt wird, stimmt das Einheitsgitter (i, j) = (4, 3) nicht mit einem der anderen Einheitsgitter überein. Mit Bezug auf das Einheitsgitter (i, j) = (3, 4) stimmt das Einheitsgitter (i, j) = (3, 4) aufgrund der Parallelverschiebung mit dem unteren rechten Einheitsgitter in den nächstgelegenen vier Einheitsgittern überein. Selbst wenn jedoch die Parallelverschiebung in den anderen drei Richtungen ausgeführt wird, stimmt das Einheitsgitter (i, j) = (3, 4) nicht mit einem der anderen Einheitsgitter überein. Ferner stimmt, mit anderen Worten, jedes Einheitsgitter nur mit einem der nächstgelegenen vier Einheitsgitter überein, und stimmt nicht mit den anderen drei überein.
• Das lichtemittierende Halbleiterelement mit der in 19 gezeigten Struktur unterscheidet sich nur hinsichtlich der Anordnung des Winkels φ von der Struktur der 5, ist aber in den anderen Punkten identisch. Somit hat das lichtemittierende Halbleiterelement mit der Struktur von 19 eine ähnliche funktionale Wirkung, außer, dass die Richtung, in der die dunkle Linie erfasst wird, horizontal gespiegelt ist.
• Bezugszeichenliste

1

Halbleitersubstrat

2

untere Mantelschicht

3

untere Lichtleiterschicht

4

aktive Schicht

5

obere Lichtleiterschicht

6

Phasenmodulationsschicht

6A

Basisschicht

6B

Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex

7

obere Mantelschicht

8

Kontaktschicht

COM

Computer

CONT

Steuerschaltung

DRV

Treiberschaltung

E1

Elektrode

E2

Kontaktelektrode

G

baryzentrische Position

LD

Halbleiter-Laserelement

• 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
• JP 6080941 [0003]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Yoshitaka Kurosaka, Kazuyoshi Hirose, Takahiro Sugiyama, Yu Takiguchi, Yoshiro Nomoto, „Phase-modulating lasers toward on-chip integration“, [online], Veröffentlicht: 26. Juli 2016, Nature, [Recherchiert: 6. Juli 2017 [0003]

Claims (4)

1. Lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend: eine aktive Schicht; ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden, wobei ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, in dem eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsenrichtung definiert ist, wobei ein virtuelles Quadratgitter in einer XY-Ebene festgelegt ist, wobei eine Gitterkonstante a des virtuellen Quadratgitters die folgende Beziehung erfüllt: $$\mathrm{\lambda }=\surd 2\times \text{a}\times \text{n},$$

   

   wobei λ eine Emissionswellenlänge ist, und n ein effektiver Brechungsindex der Phasenmodulationsschicht in Bezug auf das Ausgangslicht ist, und wobei ein Paar benachbarter Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht mit einem Abstand a zwischen den Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex so angeordnet ist, dass sie in einem Fall, in dem eine Verschiebung um den Abstand a in nur einer Richtung erfolgt, miteinander übereinstimmen und dass sie in andere Richtungen nicht miteinander übereinstimmen.
2. Lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend: eine aktive Schicht; ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden, wobei ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, in dem eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsen-Richtung definiert ist, wobei ein erstes virtuelles Quadratgitter in einer XY-Ebene festgelegt ist, wobei ein Abstand in X-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei ein Abstand in Y-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei XY-Koordinaten (x_i, y_j) einer baryzentrischen Position einer Öffnung des ersten virtuellen Quadratgitters die folgende Beziehung erfüllen: $$\left({\text{x}}_{\text{i}},{\text{y}}_{\text{i}}\right)=\left(\left(\text{i}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd \mathrm{2,}\left(\text{j}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd 2\right)$$

   

   wobei i und j jeweils eine ganze Zahl ist, wobei ein Vektor, der die XY-Koordinaten (X_Bi, y_Bj) einer baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex und die XY-Koordinaten (x_i, y_j), die dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex am nächsten liegen, verbindet, und der von den XY-Koordinaten (x_i, y_j) zu den XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gerichtet ist, als (Δx_i, Δy_j) definiert ist, und wobei in einem Fall, in dem die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex mit i vorhanden sind, das eine ungerade Zahl ist, wobei die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex nur dann vorhanden sind, wenn i eine ungerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, und wenn i eine gerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i und j, die ungerade Zahlen sind und die 3 ≤ i und 3 ≤ j erfüllen, gleich einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) ist, sich von einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) unterscheidet, und sich von einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) unterscheidet, und wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i und j, die gerade Zahlen sind und die 2 ≤ i und 2 ≤ j erfüllen, gleich dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) ist, sich von dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) unterscheidet, und sich von dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) unterscheidet.
3. Lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend: eine aktive Schicht; ein Paar von Mantelschichten, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist; und eine Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die sich im Brechungsindex von der Basisschicht unterscheiden, wobei ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, in dem eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht als Z-Achsenrichtung definiert ist, wobei ein erstes virtuelles Quadratgitter in einer XY-Ebene festgelegt ist, wobei ein Abstand in X-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei ein Abstand in Y-Achsenrichtung des ersten virtuellen Quadratgitters a/√2 ist, wobei XY-Koordinaten (x_i, y_j) einer baryzentrischen Position einer Öffnung des ersten virtuellen Quadratgitters die folgende Beziehung erfüllen: $$\left({\text{x}}_{\text{i}},{\text{y}}_{\text{i}}\right)=\left(\left(\text{i}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd \mathrm{2,}\left(\text{j}-\mathrm{0,5}\right)\text{a}/\surd 2\right)$$

   

   wobei i und j jeweils eine ganze Zahl ist, wobei ein Vektor, der die XY-Koordinaten (X_Bi, y_Bj) einer baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex und die XY-Koordinaten (x_i, y_j), die dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex am nächsten liegen, verbindet, und der von den XY-Koordinaten (x_i, y_j) zu den XY-Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex gerichtet ist, als (Δx_i, Δy_j) definiert ist, und wobei in einem Fall, in dem die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex mit i vorhanden sind, das eine ungerade Zahl ist, wobei die Koordinaten (x_Bi, y_Bj) der baryzentrischen Position eines der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex nur dann vorhanden sind, wenn i eine ungerade Zahl und j eine gerade Zahl ist, und wenn i eine gerade Zahl und j eine ungerade Zahl ist, wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i, das eine gerade Zahl (2 ≤ i) ist, und j, das eine ungerade Zahl (1 ≤ j) ist, gleich einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) ist, sich von einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von einem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) unterscheidet, und sich von einem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) unterscheidet, und wobei der Vektor (Δx_i, Δy_j) für die Koordinaten (X_Bi, y_Bj) = (x_i + Δx_i, y_j + Δy_j) mit i, das eine ungerade Zahl (1 ≤ i) ist, und j, das eine gerade Zahl (2 ≤ j) ist, gleich dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j-1) ist, sich von dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j+1) unterscheidet, sich von dem Vektor (Δx_i+1, Δy_j+1) unterscheidet, und sich von dem Vektor (Δx_i-1, Δy_j-1) unterscheidet.
4. Lichtemittierendes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einem Fall, in dem eine Wellenzahl k und eine Frequenz f eines Laserlichts, das in der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht ausgegeben wird, die folgende Bedingung erfüllen: $$\text{f}>\text{m}\times \left|\text{k}\right|,$$

   

   wobei m > 0, Licht nullter Ordnung des Laserlichts, das senkrecht zu einer Lichtemissionsfläche der Phasenmodulationsschicht emittiert wird, die folgende Bedingung erfüllt: $$\text{f}\le \text{m}\times \left|\text{k}\right|,$$

   

   und die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex so angeordnet sind, dass das Laserlicht eine dunkle Linie ohne Licht nullter Ordnung enthält.

Images