DE112019002936T5

DE112019002936T5 - Lichtemittierende vorrichtung

Info

Publication number: DE112019002936T5
Application number: DE112019002936.3T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Hirose; Takahiro Sugiyama; Yuu Takiguchi; Yoshiro Nomoto; Soh UENOYAMA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2021-04-01
Also published as: US20210249842A1; JP7125865B2; US11870218B2; JP2019216148A; WO2019239960A1; CN112262508A

Abstract

Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform reduziert das in der Ausgabe eines S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung. Die lichtemittierende Vorrichtung umfasst eine Lichtemissionseinheit und eine Phasenmodulationsschicht. Die Phasenmodulationsschicht umfasst eine Basisschicht und modifizierte Brechungsindexbereiche, die jeweils modifizierte Brechungsindexelemente enthalten. In jedem Einheitskomponentenbereich, der auf einen Gitterpunkt eines imaginären Quadratgitters zentriert ist, das auf der Phasenmodulationsschicht eingestellt ist, ist der Abstand vom entsprechenden Gitterpunkt zu jedem der Schwerpunkte der modifizierten Brechungsindexelemente größer als das 0,30-fache und nicht größer als das 0,50-fache des Gitterabstands. Darüber hinaus ist der Abstand vom entsprechenden Gitterpunkt zum Schwerpunkt der modifizierten Brechungsindexelemente insgesamt größer als 0 und nicht größer als das 0,30-fache des Gitterabstandes.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung.
Stand der Technik
Es wurde ein lichtemittierendes Halbleiterelement untersucht, das ein beliebiges optisches Bild (Ausgangsstrahlmuster) durch Steuerung der Phasenspektren und Intensitätsspektren von Licht erzeugt, das von einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten Lichtemissionspunkten ausgegeben wird. Eine der Strukturen eines solchen lichtemittierenden Halbleiterelements ist eine Struktur mit einer aktiven Schicht und einer Phasenmodulationsschicht, die optisch mit der aktiven Schicht gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht umfasst eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. In einem Fall, in dem ein imaginäres Quadratgitter auf einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht festgelegt wird, wird die Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs von der Position des Gitterpunkts des imaginären Quadratgitters in Abhängigkeit von einem auszugebenden optischen Bild verschoben. Ein solches lichtemittierendes Halbleiterelement wird als S-iPM-Laser (Static-integrable Phase Modulating Laser) bezeichnet. Ein optisches Bild mit einer beliebigen Form wird entlang der Normalenrichtung auf eine Hauptfläche eines Substrats, das mit einer Phasenmodulationsschicht ausgebildet ist, und einer geneigten Richtung, die die Normalenrichtung schneidet, ausgegeben. Im Nichtpatentdokument 1 wird eine Technik beschrieben, die sich auf einen iPM-Laser bezieht.
Zitationsliste
Nichtpatentliteratur
Nichtpatentdokument 1: Yoshitaka Kurosaka et al., „Phase-modulating lasers toward on-chip integration“, Scientific Reports, 6:30138 (2016)
Nichtpatentdokument 2: 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).
Nichtpatentdokument 3: K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers with TE Polarization", IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010).
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Als Ergebnis der Untersuchung der herkömmlichen Techniken fanden die Erfinder das folgende Problem. Das heißt, normalerweise wird von dem zuvor beschriebenen S-iPM-Laser zusätzlich zum Licht (Signallicht), das ein gewünschtes optisches Bild erzeugt, Licht nullter Ordnung ausgegeben. Bei diesem Licht nullter Ordnung handelt es sich um Licht, das in Normalenrichtung auf eine Hauptfläche eines Substrats (d.h. in der Richtung senkrecht zu einer lichtemittierenden Oberfläche) ausgegeben wird und je nach Entwurf des Strahlmusters im S-iPM-Laser nicht bevorzugt wird. Daher wird Licht nullter Ordnung zu Rauschlicht, wenn ein gewünschtes optisches Bild erhalten wird, und es ist wünschenswert, das Licht nullter Ordnung aus dem optischen Bild zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das zuvor beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Licht nullter Ordnung zu reduzieren, das in der Ausgabe eines S-iPM-Lasers enthalten ist.
Lösung des Problems
Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform emittiert Licht, das ein optisches Bild entlang der Normalenrichtung auf eine Hauptfläche eines Substrats, einer geneigten Richtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der geneigten Richtung bildet. Die lichtemittierende Vorrichtung umfasst eine Lichtemissionseinheit und eine Phasenmodulationsschicht. Die Phasenmodulationsschicht ist eine Schicht, die auf dem Substrat vorgesehen und optisch mit der Lichtemissionseinheit gekoppelt ist. Darüber hinaus hat die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Darüber hinaus ist die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen der Phasenmodulationsschicht wie folgt angeordnet. D.h. in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch die Z-Achse, die mit der Normalenrichtung zusammenfällt, und eine X-Y-Ebene, die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht zusammenfällt, definiert ist und die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, wobei die X-Y-Ebene die orthogonal zueinander verlaufende X-Achse und Y-Achse enthält, wird ein imaginäres Quadratgitter, das aus M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R gebildet ist, die jeweils eine quadratische Form aufweisen, auf der X-Y-Ebene festgelegt, und wird ein Einheitskomponentenbereich R (x, y), der durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung bestimmt wird, auf der X-Y-Ebene festgelegt. Unter dieser Einstellungsbedingung ist jeder der Schwerpunkte G1 einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen, die einen modifizierten Brechungsindexbereich bilden, der sich in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt, der der Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R(x, y) ist. Wenn zudem ein Liniensegment, das sich von dem Gitterpunkt O(x, y) zu einem Schwerpunkt G2 erstreckt, der durch die Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente definiert ist, die sich insgesamt in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, als ein erstes Liniensegment definiert wird, und ein Liniensegment, das durch den Gitterpunkt O(x, y) verläuft und parallel zur X-Achsenrichtung oder zur Y-Achsenrichtung ist, als ein zweites Liniensegment definiert wird, wird der durch das erste und zweite Liniensegment gebildete Winkel so eingestellt, dass Licht, das ein optisches Bild bildet, ausgegeben wird. Insbesondere ist der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte G1 der Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, größer als das 0,30-fache und nicht größer als das 0,50-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters. Darüber hinaus ist der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G2, der durch die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen definiert ist, die sich insgesamt im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, größer als 0 und nicht größer als das 0,30-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der lichtemittierenden Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform kann das in der Ausgabe eines S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung reduziert werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleiterelements als Beispiel für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur des lichtemittierenden Halbleiterelements zeigt.
3 ist eine Ansicht, die eine laminierte Struktur eines lichtemittierenden Halbleiterelements in einem Fall veranschaulicht, in dem eine Phasenmodulationsschicht zwischen einer unteren Mantelschicht und einer aktiven Schicht vorgesehen ist.
4 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht.
5 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung von modifizierten Brechungsindexelementen in der Phasenmodulationsschicht zeigt.
6 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Koordinatenumwandlung von sphärischen Koordinaten in Koordinaten in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem.
7 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel darstellt, bei dem eine im Wesentlichen periodische Brechungsindexstruktur nur in einem bestimmten Bereich der Phasenmodulationsschicht angewendet wird.
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen einem optischen Bild, das durch die Abbildung eines Ausgangsstrahlmusters des lichtemittierenden Halbleiterelements erhalten wird, und der Drehwinkelverteilung in der Phasenmodulationsschicht.
9A und 9B sind Diagramme zur Erläuterung von Punkten, die zu beachten sind, wenn die Anordnung der modifizierten Brechungsindexelemente bestimmt wird, indem die Phasenwinkelverteilung aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation eines optischen Bildes ermittelt wird.
10 ist ein Diagramm, das einen Teil der Phasenmodulationsschicht vergrößert darstellt.
11A bis 11D sind Diagramme, die Beispiele von Strahlmustern (optische Bilder) zeigen, die vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegeben werden.
12 ist ein Diagramm zur Erläuterung der in der Phasenmodulationsschicht erzeugten Lichtgrundwellen in vier Richtungen.
13 zeigt Diagramme, die die Beziehungen zwischen den Amplitudenintensitäten von gebeugtem Licht nullter Ordnung, gebeugtem Licht +1. Ordnung und gebeugtem Licht -1. Ordnung und dem Abstand von einem Gitterpunkt zum Schwerpunkt jedes der entsprechenden modifizierten Brechungsindexelemente darstellen.
14 zeigt Diagramme, in denen die Quadratwerte der in 13 dargestellten Diagramme dargestellt sind.
15 ist eine Draufsicht, die eine Phasenmodulationsschicht gemäß einer ersten Modifikation zeigt.
16 ist ein Diagramm, das die Phasenmodulationsschicht gemäß der ersten Modifikation vergrößert darstellt.
17 ist eine Draufsicht, die eine Phasenmodulationsschicht gemäß einer zweiten Modifikation vergrößert darstellt.
18 ist eine Draufsicht, die die Phasenmodulationsschicht gemäß der zweiten Modifikation vergrößert darstellt.
19 ist eine Draufsicht, die eine Phasenmodulationsschicht gemäß einer dritten Modifikation vergrößert darstellt.
20 ist eine Draufsicht, die die Phasenmodulationsschicht gemäß der dritten Modifikation vergrößert darstellt.
21A bis 21G sind Draufsichten, die Beispiele für die Form des modifizierten Brechungsindexelements in einer X-Y-Ebene zeigen.
22A bis 22K sind Draufsichten, die Beispiele für die Form des modifizierten Brechungsindexelements in der X-Y-Ebene zeigen.
23A bis 23K sind Draufsichten, die weitere Beispiele für die Form des modifizierten Brechungsindexelements in der X-Y-Ebene zeigen.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung]
Zunächst wird jeder Inhalt einer Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung einzeln aufgezeigt und erläutert.

(1) Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform emittiert Licht, das ein optisches Bild entlang der Normalenrichtung zu einer Hauptfläche eines Substrats, einer geneigten Richtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der geneigten Richtung bildet. Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform enthält die lichtemittierende Vorrichtung eine Lichtemissionseinheit und eine Phasenmodulationsschicht. Die Phasenmodulationsschicht ist eine auf dem Substrat vorgesehene Schicht, die optisch mit der Lichtemissionseinheit gekoppelt ist. Zusätzlich umfasst die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Darüber hinaus ist die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche der Phasenmodulationsschicht wie folgt angeordnet. D.h. in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch die Z-Achse, die mit der Normalenrichtung zusammenfällt, und eine X-Y-Ebene, die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht zusammenfällt, definiert ist und die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche enthält, wobei die X-Y-Ebene die X-Achse und die Y-Achse umfasst, die orthogonal zueinander verlaufen, wird ein imaginäres Quadratgitter, das aus M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R gebildet ist, die jeweils eine quadratische Form aufweisen, auf der X-Y-Ebene festgelegt, und wird ein Einheitskomponentenbereich R (x, y), der durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung bestimmt wird, auf der X-Y-Ebene festgelegt. Unter dieser Einstellungsbedingung ist jeder der Schwerpunkte G1 einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen, die einen modifizierten Brechungsindexbereich bilden, der sich in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt, der der Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R(x, y) ist. Wenn darüber hinaus ein Liniensegment, das sich von dem Gitterpunkt O(x, y) zu einem Schwerpunkt G2 erstreckt, der durch die Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente definiert ist, die sich insgesamt in dem Einheitsbildungsbereich R(x, y) befinden, als ein erstes Liniensegment definiert wird, und ein Liniensegment, das durch den Gitterpunkt O(x, y) verläuft und parallel zur X-Achsen-richtung oder zur Y-Achsenrichtung ist, als ein zweites Liniensegment definiert wird, wird der durch das erste und zweite Liniensegment gebildete Winkel so eingestellt, dass Licht, das ein optisches Bild bildet, ausgegeben wird. Insbesondere ist der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte G1 der Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, größer als das 0,30-fache und nicht größer als das 0,50-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters. Darüber hinaus ist der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G2, der durch die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen definiert ist, die sich insgesamt im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, größer als 0 und nicht größer als das 0,30-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters. Es sollte bachtet werden, dass der Schwerpunkt G2 der Schwerpunkt (kombinierter Schwerpunkt) ist, der durch Kombinieren der Schwerpunkte der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen erhalten wird, und damit der Schwerpunkt des einen modifizierten Brechungsindexbereichs gemeint ist, der im Wesentlichen durch die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen gebildet wird. Entsprechend der lichtemittierenden Vorrichtung mit der zuvor beschriebenen Struktur ist es möglich, Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes beliebiger Form entlang der geneigten Richtung auszugeben, die die Normalenrichtung zur Hauptfläche des Substrats schneidet. Darüber hinaus ist in der lichtemittierenden Vorrichtung der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte G1 der Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, größer als das 0,30-fache und nicht größer als das 0,50-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters. Da der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem Schwerpunkt G1 in jedem Einheitskomponentenbereich R(x, y) innerhalb des obigen Bereichs liegt, kann nach den später zu beschreibenden Kenntnissen der Erfinder das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung reduziert werden, da der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem Schwerpunkt G1 in jedem Einheitskomponentenbereich R(x, y) innerhalb des obigen Bereichs liegt. Darüber hinaus ist in der lichtemittierenden Vorrichtung der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G2, der durch die Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente definiert ist, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) insgesamt befinden, größer als 0 und nicht größer als das 0,30-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters. Da in jedem Einheitskomponentenbereich R(x, y) der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G2, der durch Kombination der jeweiligen Schwerpunkte G1 erhalten wird, in den obigen Bereich fällt, kann in jedem Einheitskomponentenbereich R(x, y) ein praktischer S-iPM-Laser mit einem reduzierten S/N-Verhältnis des Ausgangsstrahlmusters erhalten werden.
(2) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann der modifizierte Brechungsindexbereich, der sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, als die zuvor beschriebenen mehreren modifizierten Brechungsindexelemente mindestens zwei modifizierte Brechungsindexelemente mit voneinander verschiedenen Bereichen enthalten. Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform können die jeweiligen Abstände vom Gitterpunkt O(x, y) zu den Schwerpunkten G1 der zuvor beschriebenen mehreren modifizierten Brechungsindexelemente, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, voneinander verschieden sein. Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann der modifizierte Brechungsindexbereich, der sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, als die zuvor beschriebenen mehreren modifizierten Brechungsindexelemente zwei modifizierte Brechungsindexelemente enthalten, die angeordnet sind, ohne die Beziehung der Punktsymmetrie in Bezug auf den Gitterpunkt O(x, y) zu erfüllen. Zum Beispiel ist es in einem Fall, in dem die lichtemittierende Vorrichtung mindestens einen dieser Aspekte aufweist, möglich, in einem Einheitskomponentenbereich die Position des Schwerpunkts G2 von dem entsprechenden Gitterpunkt zu trennen, wobei die Position des Schwerpunkts G2 durch die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente als Ganzes definiert ist, die den modifizierten Brechungsindexbereich bilden, der dem Einheitskomponentenbereich zugeordnet ist.
(3) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann der modifizierte Brechungsindexbereich, der sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, als die zuvor beschriebenen mehreren modifizierten Brechungsindexelemente drei oder mehr modifizierte Brechungsindexelemente enthalten. Entsprechend diesem Aspekt kann die Fläche für ein modifiziertes Brechungsindexelement klein gemacht werden. Infolgedessen ist es möglich, die optische Kopplung zwischen modifizierten Brechungsindexbereichen in benachbarten Einheitskomponentenbereichen zu unterdrücken, die durch die Ausbreitung des modifizierten Brechungsindexbereichs aufgrund eines Herstellungsfehlers oder ähnlichem verursacht wird.
(4) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte G1 der modifizierten Brechungsindexelemente, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, vorzugsweise das 0,38-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters. Gemäß den Erkenntnissen der Erfinder, die später beschrieben werden, kann in einem Fall, in dem der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte G1 der modifizierten Brechungsindexelemente das 0,38-fache des Gitterabstandes in einem Einheitskomponentenbereich R(x, y) beträgt, Licht nullter Ordnung, das in der S-iPM-Laserausgabe enthalten ist, nahe an Null gebracht werden.

Wie zuvor beschrieben, kann jeder Aspekt, der im Abschnitt [Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Anwendung] erwähnt wird, auf alle übrigen Aspekte oder auf alle Kombinationen der übrigen Aspekte angewandt werden.
[Details der Ausführungsform der Erfindung der vorliegenden Anmeldung]
Nachfolgend wird ein konkreter Aufbau einer lichtemitierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sollte bachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch die Ansprüche definiert ist und alle Änderungen im Sinne und Umfang der Ansprüche und deren Äquivalente umfassen soll. Es sollte bachtet werden, dass in der Beschreibung der Zeichnungen identische Elemente durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet sind und auf überschneidende Beschreibungen verzichtet wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines lichtemittierenden Halbleiterelements 1A als Beispiel für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A veranschaulicht. Es sollte bachtet werden, dass ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem definiert ist, in dem eine Achse, die sich entlang der Dickenrichtung des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A erstreckt, die Z-Achse ist. Das lichtemittierende Halbleiterelement 1A ist ein S-iPM-Laser, der eine stehende Welle in der X-Y-Ebenenrichtung bildet und eine phasengesteuerte ebene Welle in der Z-Achsenrichtung ausgibt. Wie später beschrieben wird, gibt das lichtemittierende Halbleiterelement 1A Licht aus, das ein optisches Bild (Strahlmuster) mit beliebiger Form entlang der Normalenrichtung zu einer Hauptfläche 10a eines Halbleitersubstrats 10 (d.h. der Z-Achsen-Richtung) oder einer geneigten Richtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der geneigten Richtung bildet.
Wie in 1 und 2 dargestellt, enthält das lichtemittierende Halbleiterelement 1A eine aktive Schicht 12, die als Lichtemissionseinheit dient und auf dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist, ein Paar von Mantelschichten 11 und 13, die die aktive Schicht 12 zwischen sich einschließen, und eine Kontaktschicht 14, die auf der Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Sowohl das Halbleitersubstrat 10 als auch die jeweiligen Schichten 11 bis 14 sind aus einem Verbundhalbleiter, wie z.B. einem GaAs-Halbleiter, einem InP-Halbleiter oder einem Nitrid-Halbleiter, gebildet. Sowohl die Energiebandlücke der Mantelschicht 11 als auch die Energiebandlücke der Mantelschicht 13 ist größer als die Energiebandlücke der aktiven Schicht 12. Die Dickenrichtungen des Halbleitersubstrats 10 und der jeweiligen Schichten 11 bis 14 fallen mit der Z-Achsenrichtung zusammen.
Das lichtemittierende Halbleiterelement 1A enthält ferner eine Phasenmodulationsschicht 15A, die optisch mit der aktiven Schicht 12 gekoppelt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen. Bei Bedarf kann eine Lichtleiterschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 und/oder zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen werden. In einem Fall, in dem die Lichtleiterschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen ist, ist die Lichtleiterschicht zwischen der Mantelschicht 13 und der Phasenmodulationsschicht 15A und/oder zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A vorgesehen. Die Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 15A fällt mit der Z-Achsenrichtung zusammen. Es sollte bachtet werden, dass die Lichtleiterschicht eine Ladungsträgersperrschicht enthalten kann, um Ladungsträger effizient in der aktiven Schicht 12 einzuschließen.
Wie in 3 dargestellt, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Mantelschicht 11 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen werden. In einem Fall, in dem die Lichtleiterschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, wird die Lichtleiterschicht ferner zwischen der Mantelschicht 11 und der Phasenmodulationsschicht 15A und/oder zwischen der aktiven Schicht 12 und der Phasenmodulationsschicht 15A ausgebildet.
Wie in 2 und 3 dargestellt, besteht die Phasenmodulationsschicht 15A aus einer Basisschicht 15a, die aus einem ersten Brechungsindexmedium und einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen besteht, die in der Basisschicht 15a vorhanden sind. Es sollte bachtet werden, dass jeder der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex gebildet ist, der sich von dem Brechungsindex des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche ist jeweils in der Vielzahl der Einheitskomponentenbereiche angeordnet. Jeder der Vielzahl von Einheitskomponentenbereichen ist auf einen Gitterpunkt des imaginären Quadratgitters zentriert. Der modifizierte Brechungsindexbereich, der in jedem Einheitskomponentenbereich angeordnet ist, wird durch eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen 15b gebildet. Im imaginären Quadratgitter (Gitterabstand a) ist eine Schwerpunktposition so angeordnet, dass sie gemäß einem später beschriebenen Verfahren auf einem von der Gitterpunktposition entfernten Umfang gedreht wird. In der Phasenmodulationsschicht 15A ist in einem Fall, in dem der äquivalente Brechungsindex der Mode n₀ ist, die von der Phasenmodulationsschicht 15A gewählte Wellenlänge λ₀ (= a × n₀, a ist der Gitterabstand) im Lichtemissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 12 enthalten. Die Phasenmodulationsschicht 15A kann die Wellenlänge λ₀ in den Lichtemissionswellenlängen der aktiven Schicht 12 auswählen und die Wellenlänge λ₀ nach außen ausgeben. Das Laserlicht, das in die Phasenmodulationsschicht 15A eingetreten ist, bildet eine vorbestimmte Mode entsprechend der Anordnung der modifizierten Brechungsindexelemente 15b in der Phasenmodulationsschicht 15A und wird von einer Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A als Laserstrahl mit einem gewünschten Muster nach außen ausgegeben.
Das lichtemittierende Halbleiterelement 1A enthält ferner eine Elektrode 16, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 17, die auf einer Rückseite 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 16 steht in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 14, und die Elektrode 17 steht in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10. Darüber hinaus hat die Elektrode 17 eine Öffnung 17a. Die Elektrode 16 ist in einem mittleren Bereich der Kontaktschicht 14 vorgesehen. Der andere Abschnitt der Kontaktschicht 14 mit Ausnahme der Elektrode 16 ist mit einem Schutzfilm 18 bedeckt (siehe 2). Es sollte bachtet werden, dass die Kontaktschicht 14, die nicht in Kontakt mit der Elektrode 16 steht, entfernt werden kann. Der Teil der Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 mit Ausnahme der Elektrode 17 (einschließlich der Innenseite der Öffnung 17a) ist mit einem Antireflexionsfilm 19 bedeckt. Der Antireflektionsfilm 19 kann in einem anderen Bereich als die Öffnung 17a entfernt werden.
Wenn ein Treiberstrom zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 17 zugeführt wird, wird in der aktiven Schicht 12 aufgrund der Rekombination von Elektronen und Elektronenlöchern Licht erzeugt. Die Elektronen und Elektronenlöcher, die zur Lichtemission und zum erzeugten Licht beitragen, werden effizient zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 eingeschlossen.
Licht, das von der aktiven Schicht 12 emittiert wird, wird auch innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15A verteilt und bildet eine vorbestimmte Schichtdickenrichtungsmode gemäß der laminierten Struktur und eine vorbestimmte Mode in der Ebene gemäß der Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 15A. Laserlicht, das von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegeben wird, wird direkt von der Rückfläche 10b durch die Öffnung 17a zur Außenseite des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A ausgegeben. Alternativ wird das Laserlicht aus der Phasenmodulationsschicht 15A von der Elektrode 16 reflektiert und dann von der Rückseite 10b durch die Öffnung 17a zur Außenseite des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A ausgegeben. Dabei wird das im Laserlicht enthaltene Licht nullter Ordnung in der Normalenrichtung zur Hauptfläche 10a ausgegeben. Im Gegensatz dazu wird das im Laserlicht enthaltene Signallicht sowohl entlang der Normalen zur Hauptfläche 10a als auch in einer geneigten Richtung, die die Normalenrichtung schneidet, ausgegeben. Das Signallicht bildet ein gewünschtes optisches Bild. Das Signallicht besteht hauptsächlich aus Licht der +1. Ordnung und Licht der -1. Ordnung.
In einem Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs-Substrat, und jede der Mantelschicht 11, der aktiven Schicht 12, der Mantelschicht 13, der Kontaktschicht 14 und der Phasenmodulationsschicht 15A ist eine Verbundhalbleiterschicht, die aus einem Element der Gruppe III und einem Element der Gruppe V besteht. Als konkretes Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine AlGaAs-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfachquantentopfstruktur (Sperrschicht: AlGaAs/Quantentopfschicht: InGaAs). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a eine GaAs-Schicht und das modifizierte Brechungsindexelement 15b ein Loch. Die Mantelschicht 13 ist eine AlGaAs-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist eine GaAs-Schicht.
Bei AlGaAs können die Energiebandlücke und der Brechungsindex der AlGaAs durch Änderung des Al-Zusammensetzungsverhältnisses leicht verändert werden. Wenn bei AlxGal-xAs das Zusammensetzungsverhältnis x von Al mit einem relativ kleinen Atomradius verringert (vergrößert) wird, wird die Energiebandlücke, die eine positive Korrelation mit dem Zusammensetzungsverhältnis hat, kleiner (größer). Darüber hinaus wird die Energiebandlücke von InGaAs, die durch Hinzufügen von In mit einem großen Atomradius in GaAs erhalten wird, kleiner (größer). Das heißt, das Al-Zusammensetzungsverhältnis jeder der Mantelschichten 11 und 13 ist höher als das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Sperrschicht (AlGaAs) der aktiven Schicht 12. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis jeder der Mantelschichten 11 und 13 wird z.B. auf 0,2 bis 1,0 eingestellt und beträgt vorzugsweise 0,4. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Sperrschicht der aktiven Schicht 12 wird beispielsweise auf 0 bis 0,3 eingestellt und beträgt vorzugsweise 0,15.
In einem anderen Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein InP-Substrat, und jede der Mantelschicht 11, der aktiven Schicht 12, der Phasenmodulationsschicht 15A, der Mantelschicht 13 und der Kontaktschicht 14 besteht beispielsweise aus einem InP-Verbundhalbleiter. Als konkretes Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine InP-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfachquantentopfstruktur (Sperrschicht: GaInAsP/Quantentopfschicht: GaInAsP). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a GaInAsP und das modifizierte Brechungsindexelement 15b ist ein Loch. Die Mantelschicht 13 ist eine InP-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist eine GaInAsP-Schicht.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaN-Substrat, und jede der Mantelschicht 11, der aktiven Schicht 12, der Phasenmodulationsschicht 15A, der Mantelschicht 13 und der Kontaktschicht 14 besteht beispielsweise aus einem Nitrid-Verbundhalbleiter. Als konkretes Beispiel ist die Mantelschicht 11 eine AlGaN-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfachquantentopfstruktur (Sperrschicht: InGaN/Quantentopfschicht: InGaN). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a eine GaN-Schicht und das modifizierte Brechungsindexelement 15b ein Loch. Die Mantelschicht 13 ist eine AlGaN-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist eine GaN-Schicht.
Die Mantelschicht 11 weist einen Leitfähigkeitstyp auf, der mit dem Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrats 10 identisch ist. Sowohl die Mantelschicht 13 als auch die Kontaktschicht 14 weisen einen Leitfähigkeitstyp auf, der dem Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrats 10 entgegengesetzt ist. In einem Beispiel ist sowohl das Halbleitersubstrat 10 als auch die Mantelschicht 11 ein n-Typ und sowohl die Mantelschicht 13 als auch die Kontaktschicht 14 ein p-Typ. In einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, weist die Phasenmodulationsschicht 15A einen Leitfähigkeitstyp auf, der mit dem Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrats 10 identisch ist. Im Gegensatz dazu weist in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen ist, die Phasenmodulationsschicht 15A einen Leitfähigkeitstyp auf, der dem Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrats 10 entgegengesetzt ist. Es sollte bachtet werden, dass die Verunreinigungskonzentration z.B. 1×10¹⁶ to 1×10²¹/cm³ beträgt. Die aktive Schicht 12 ist intrinsisch (i-Typ) und weist somit keine absichtlich dotierten Verunreinigungen auf, wobei die Verunreinigungskonzentration 1×10¹⁶/cm³ oder weniger beträgt. In Fällen, in denen der durch Lichtabsorption aufgrund des Verunreinigungsgrades verursachte Verlust jedoch gering ist, kann eine Dotierung mit Verunreinigungen vorgenommen werden. Es sollte bachtet werden, dass hinsichtlich der Verunreinigungskonzentration der Phasenmodulationsschicht 15A die Phasenmodulationsschicht 15A intrinsisch (i-Typ) sein kann, z.B. in einem Fall, in dem es notwendig ist, den Effekt des Verlusts, der durch Lichtabsorption aufgrund des Verunreinigungsgrads verursacht wird, zu unterdrücken.
Die Dicke der Mantelschicht 11 beträgt 1×10³ to 3×10³ (nm), vorzugsweise 2×10³ (nm). Die Dicke der aktiven Schicht 12 beträgt 10 bis 100 (nm), vorzugsweise 30 (nm). Die Dicke der Phasenmodulationsschicht 15A beträgt 50 bis 200 (nm), vorzugsweise 100 (nm). Die Dicke der Mantelschicht 13 beträgt 1×10³ to 3×10³ (nm), vorzugsweise 2×10³ (nm). Die Dicke der Kontaktschicht 14 beträgt 50 bis 500 (nm), vorzugsweise 200 (nm).
In der obigen Struktur ist das modifizierte Brechungsindexelement 15b ein Loch. Das modifizierte Brechungsindexelement 15b kann jedoch durch Einbetten eines Halbleiters mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht 15a unterscheidet, in ein Loch gebildet werden. In diesem Fall wird z.B. nach der Bildung eines Lochs in der Basisschicht 15a durch Ätzen der Halbleiter mit Hilfe eines metallorganischen chemischen Aufdampfverfahrens, eines Sputterverfahrens oder eines Epitaxieverfahrens in das Loch eingebettet. In einem Fall, in dem die Basisschicht 15a beispielsweise aus GaAs besteht, kann das modifizierte Brechungsindexelement 15b aus AlGaAs bestehen. Nachdem das modifizierte Brechungsindexelement 15b durch Einbetten eines Halbleiters in das Loch der Basisschicht 15a gebildet wurde, kann der Halbleiter, der mit dem modifizierten Brechungsindexelement 15b identisch ist, weiter darauf abgeschieden werden. Es sollte bachtet werden, dass in einem Fall, in dem das modifizierte Brechungsindexelement 15b ein Loch ist, ein inertes Gas wie Argon oder Stickstoff oder ein Gas wie Wasserstoff oder Luft in dem Loch eingeschlossen sein kann.
Der Antireflexionsfilm 19 besteht z.B. aus einem dielektrischen Einschichtfilm, wie einem Siliziumnitrid (z.B. SiN) oder einem Siliziumoxid (z.B. SiO₂), oder einem dielektrischen Mehrschichtfilm. Als dielektrischer Mehrschichtfilm kann z.B. ein Film verwendet werden, in dem zwei oder mehr Typen dielektrischer Schichten, ausgewählt aus einer Gruppe dielektrischer Schichten, wie Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkonoxid (ZrO₂), laminiert werden. Zum Beispiel wird im Falle eines dielektrischen Einschichtfilms ein Film mit einer optischen Dicke von λ/4 für Licht mit der Wellenlänge λ laminiert. Darüber hinaus ist der Schutzfilm 18 ein ein Isolierfilm wie Siliziumnitrid (z.B. SiN) oder Siliziumoxid (z.B. SiO₂). In einem Fall, in dem sowohl das Halbleitersubstrat 10 als auch die Kontaktschicht 14 aus einem GaAs-Halbleiter besteht, kann die Elektrode 16 aus einem Material gebildet sein, das Au und mindestens eines der Elemente Cr, Ti und Pt enthält. Zum Beispiel hat die Elektrode 16 eine laminierte Struktur aus einer Cr-Schicht und einer Au-Schicht. Die Elektrode 17 kann aus einem Material gebildet sein, das Au und mindestens eines der Elemente AuGe und Ni enthält. Zum Beispiel hat die Elektrode 17 eine laminierte Struktur aus einer AuGe-Schicht und einer Au-Schicht. Es sollte bachtet werden, dass die Materialien der Elektroden 16 und 17 nicht auf die zuvor beschriebenen Elemente beschränkt sind, solange ein ohmscher Kontakt realisiert werden kann.
Es sollte bachtet werden, dass Laserlicht von einer Oberfläche der Kontaktschicht 14 ausgegeben werden kann, indem die Form der Elektroden verändert wird. Das heißt, in einem Fall, in dem die Öffnung 17a der Elektrode 17 nicht vorgesehen ist und die Elektrode 16 auf der Oberfläche der Kontaktschicht 14 geöffnet ist, wird ein Laserstrahl von der Oberfläche der Kontaktschicht 14 nach außen abgegeben. In diesem Fall ist die Antireflektionsschicht innerhalb und um die Öffnung der Elektrode 16 herum vorgesehen.
4 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht 15A. Wie in 4 dargestellt, ist ein imaginäres Quadratgitter auf einer Entwurfsfläche (Bezugsfläche) der Phasenmodulationsschicht 15A, die mit der X-Y-Ebene zusammenfällt, eingestellt. Es wird angenommen, dass eine Seite des Quadratgitters parallel zur X-Achse und die andere Seite parallel zur Y-Achse liegt. Dabei können Einheitskomponentenbereiche R, die jeweils eine quadratische Form haben und auf einem Gitterpunkt O des Quadratgitters zentriert sind, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Reihen entlang der Y-Achse festgelegt werden. Die Vielzahl N (N ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr, und der Fall von N = 2 ist in der Figur dargestellt) von modifizierten Brechungsindexelementen 15b ist in jedem der Einheitskomponentenbereiche R vorgesehen. In jedem Einheitskomponentenbereich R kann der Gitterpunkt O außerhalb des modifizierten Brechungsindexelements 15b liegen oder im modifizierten Brechungsindexelement 15b enthalten sein.
Insbesondere zeigen in 4 die mit x0 bis x3 gekennzeichneten gestrichelten Linien die Mittelpositionen im Einheitskomponentenbereich R in X-Achsenrichtung und die mit y0 bis y2 gekennzeichneten gestrichelten Linien die Mittelpositionen im Einheitskomponentenbereich R in Y-Achsenrichtung an. Daher zeigen die Schnittpunkte der gestrichelten Linien x0 bis x3 und der gestrichelten Linien y0 bis y2 die jeweiligen Mittelpunkte O (0, 0) bis O (3, 2) der Einheitskomponentenbereiche R (0, 0) bis R (3, 2), d.h. die Gitterpunkte, an. Die Gitterkonstante dieses virtuellen quadratischen Gitters ist a. Es sollte beachtet werden, dass die Gitterkonstante a entsprechend der Emissionswellenlänge angepasst wird.
Das Verhältnis einer Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in einem Einheitskomponentenbereich R wird als Füllfaktor (FF) bezeichnet. Wenn der Gitterabstand des Quadratgitters a ist, wird der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b als S/a² angegeben. S ist die Summe der Flächen der N modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in einem Einheitskomponentenbereich R. In einem Fall, in dem die Formen der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b perfekte Kreisformen mit identischem Durchmesser sind, wird S = N × π(d/2)² unter Verwendung des Durchmessers d des perfekten Kreises angegeben. Wenn die Formen der N modifizierten Brechungsindexbereiche 15b Quadrate gleicher Größe sind, wird S als S = N × LA² unter Verwendung der Seitenlänge LA des Quadrats angegeben.
5 ist ein Diagramm, das einen Teil (Einheitskomponentenbereich R) der Phasenmodulationsschicht 15A vergrößert darstellt. Konkret wird die Positionsinformation in dem in 5 dargestellten Einheitskomponentenbereich (x, y) durch eine durch den Gitterpunkt (x, y) und parallel zur X-Achse verlaufende s-Achse und eine durch den Gitterpunkt (x, y) und parallel zur Y-Achse verlaufende t-Achse spezifiziert. Wie in 5 dargestellt, hat jedes der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b einen Schwerpunkt G1, und die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt haben einen Schwerpunkt G2 (Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs, der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b in einem Einheitskomponentenbereich R gebildet wird). Hier ist der Winkel, den der Vektor vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G2 und zur s-Achse bildet, φ(x, y). In einem Fall, in dem der Drehwinkel φ 0° beträgt, fällt die Richtung des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G2 verbindet, mit der positiven s-Achsenrichtung zusammen. Darüber hinaus ist die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G2 verbindet, r₂(x, y). In einem Beispiel ist r₂(x, y) unabhängig von der x-Komponente und der y-Komponente konstant (über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A).
Wie in 4 dargestellt, wird die Richtung des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G2 verbindet, d.h. der Drehwinkel φ des Schwerpunkts G2 des modifizierten Brechungsindexbereichs, der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b mit dem Gitterpunkt O(x, y) als Mittelpunkt gebildet wird, für jeden Gitterpunkt O(x, y) entsprechend dem gewünschten optischen Bild individuell eingestellt. Die Drehwinkelverteilung φ(x, y) hat für jede Position einen konkreten Wert, der durch die Werte der x-Komponente und der y-Komponente bestimmt wird; sie wird jedoch nicht immer durch eine bestimmte Funktion dargestellt. Das heißt, die Drehwinkelverteilung φ(x, y) wird auf der Grundlage der Phasenverteilung bestimmt, die aus der komplexen Amplitudenverteilung extrahiert wird, die durch Ausführen einer inversen Fourier-Transformation an einem gewünschten optischen Bild erhalten wird. Es sollte bachtet werden, dass, wenn die komplexe Amplitudenverteilung aus einem gewünschten optischen Bild bestimmt wird, die Reproduzierbarkeit eines Strahlmusters durch Anwendung eines iterativen Algorithmus, wie z.B. einer Gerchberg-Saxton (GS)-Methode, die üblicherweise bei der Berechnung der Hologrammerzeugung verwendet wird, verbessert werden kann.
In der vorliegenden Ausführungsform kann ein gewünschtes optisches Bild durch Bestimmung der Drehwinkelverteilung φ(x, y) nach folgendem Verfahren erhalten werden. Zunächst wird als erste Voraussetzung in dem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch die Z-Achse, die mit der Normalenrichtung zusammenfällt, und die X-Y-Ebene, die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 15Azusammenfällt, die mehrere modifizierte Brechungsindexelemente 15b enthält, definiert ist, wobei die X-Y-Ebene die X-Achse und die Y-Achse orthogonal zueinander enthält, ein imaginäres Quadratgitter aus M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitskomponentenbereichen R, die jeweils eine quadratische Form aufweisen, auf die X-Y-Ebene gesetzt.
Als zweite Voraussetzung erfüllen die Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) ausgedrückten Beziehungen in Bezug auf die sphärischen Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt), die durch die Länge r eines Radiusvektors, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel O_rot von der X-Achse definiert sind, die auf der X-Y-Ebene festgelegt sind, wie in 6 gezeigt. Es sollte bachtet werden, dass 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Koordinatenumwandlung von den sphärischen Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) zu den Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem ist, und dass die Koordinaten (ξ, η, ζ) ein optisches Entwurfsbild auf einer vorbestimmten Ebene ausdrücken, die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem festgelegt ist, das ein realer Raum ist. Wenn ein Strahlmuster, das dem vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgegebenen optischen Bild entspricht, ein Satz heller Punkte ist, die in die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definierte Richtung gerichtet sind, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf der Kx-Achse, die der X-Achse entspricht, wobei der Koordinatenwert k_x eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (4) definiert ist, und einen Koordinatenwert k_y auf der Ky-Achse, die der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse verläuft, wobei der Koordinatenwert k_y eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (5) definiert ist, umgewandelt. Die normierte Wellenzahl bedeutet eine Wellenzahl, die mit der Wellenzahl normiert ist, die dem Gitterabstand eines imaginären Quadratgitters von 1,0 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt ist in dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlraum ein bestimmter Wellenzahlbereich einschließlich eines einem optischen Bild entsprechenden Strahlmusters aus M2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildbereichen FR konfiguriert, die jeweils eine quadratische Form aufweisen. Es sollte bachtet werden, dass die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Darüber hinaus sind die Formeln (4) und (5) z.B. in dem oben genannten Nichtpatentdokument 2 offengelegt. $ξ = r sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$η = r sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$ζ = r cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
Gitterkonstante eines imaginären Quadratgitters
Oszillationswellenlänge
Als dritte Voraussetzung wird im Wellenzahlraum die komplexe Amplitude F(x, y), die dadurch erhalten wird, dass jeder Bildbereich FR (k_x, k_y), der durch die Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von 0 oder mehr und M2-1 oder weniger) in der Kx-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von 0 oder mehr und N2-1 oder weniger) in der Ky-Achsenrichtung spezifiziert ist, einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation in den Einheitskomponentenbereich R (x, y) unterzogen wird, auf der X-Y-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente x in der X-Achsenrichtung und die Koordinatenkomponente y in der Y-Achsenrichtung festgelegt ist, durch die folgende Formel (6) mit j als imaginäre Einheit ausgedrückt. Wenn außerdem der Amplitudenterm A(x, y) und der Phasenterm P(x, y) ist, wird die komplexe Amplitude F(x, y) durch die folgende Formel (7) definiert. Darüber hinaus wird als vierte Voraussetzung der Einheitskomponentenbereich R(x, y) durch die s-Achse und die t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse bzw. zur Y-Achse verlaufen und orthogonal zueinander am Gitterpunkt O (x, y) liegen, der als Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R (x, y) dient. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 0}^{M 2 - 1} \sum_{k_{y} = 0}^{N 2 - 1} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (\frac{k_{x}}{M 2} x + \frac{k_{y}}{N 2} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Unter den zuvor erwähnten ersten bis vierten Voraussetzungen ist die Phasenmodulationsschicht 15A so konfiguriert, dass sie die folgenden ersten und zweiten Voraussetzungen erfüllt. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass der Schwerpunkt G2 im Einheitskomponentenbereich R(x, y) in einem Zustand angeordnet ist, in dem er vom Gitterpunkt O(x, y) getrennt ist. Darüber hinaus ist die zweite Bedingung, dass das entsprechende modifizierte Brechungsindexelement 15b in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) so angeordnet ist, dass in einem Zustand, in dem die Liniensegmentlänge r₂(x, y) von dem Gitterpunkt O(x, y) zu dem entsprechenden Schwerpunkt G2 in jedem der M1 × N1-Einheitskomponentenbereiche R auf einen gemeinsamen Wert gesetzt ist, der Winkel φ(x, y), der durch das Liniensegment, das den Gitterpunkt O(x, y) und den entsprechenden Schwerpunkt G2 verbindet, und die s-Achse gebildet wird, folgende Beziehung erfüllt: $φ (x,y) = C \times P (x,y) + B,$
wobei
C: proportionale Konstante, zum Beispiel 180°/π, und
B: eine beliebige Konstante, zum Beispiel 0.
7 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel darstellt, bei dem eine Brechungsindexstruktur in 4 nur in einem bestimmten Bereich der Phasenmodulationsschicht angewendet wird. In dem in 7 dargestellten Beispiel wird eine Brechungsindexstruktur (Beispiel: die Struktur in 4) zur Ausgabe eines Zielstrahlmusters innerhalb eines inneren Bereichs RIN mit quadratischer Form gebildet. Im Gegensatz dazu ist in einem äußeren Bereich ROUT, der den inneren Bereich RIN umgibt, ein modifizierter Brechungsindexbereich vorgesehen, der eine echte Kreisform aufweist und dessen Schwerpunkt mit der Gitterpunktposition des Quadratgitters zusammenfällt. Zum Beispiel wird der Füllfaktor FF im äußeren Bereich ROUT auf 12% gesetzt. Außerdem ist der Gitterabstand des eingestellten imaginären Quadratgitters sowohl innerhalb des inneren Bereichs RIN als auch innerhalb des äußeren Bereichs ROUT identisch (=a). Bei dieser Struktur besteht der Vorteil darin, dass es möglich ist, die Erzeugung von hochfrequentem Rauschen (sog. Fensterfunktionsrauschen) zu unterdrücken, das durch eine abrupte Änderung der Lichtintensität im peripheren Abschnitt des inneren Bereichs RIN aufgrund der Lichtverteilung im äußeren Bereich ROUT verursacht wird. Darüber hinaus kann eine Lichtleckage in der In-Ebene-Richtung unterdrückt werden, und es ist eine Reduzierung des Schwellenstroms zu erwarten.
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen dem Ausgangsstrahlmuster (optisches Bild) des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A und der Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) in der Phasenmodulationsschicht 15A in der vorliegenden Ausführungsform. Konkret wird eine Kx-Ky-Ebene betrachtet, die durch Umwandlen eines Strahlprojektionsbereichs, der der Projektionsbereich des Ausgangsstrahlmusters (Installationsfläche des entworfenen optischen Bildes, dargestellt durch die Koordinaten (x, y, z) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem) ist, auf den Wellenzahlraum erhalten wird. Die Kx-Achse und die Ky-Achse, die die Kx-Ky-Ebene definieren, sind orthogonal zueinander und sind dem Winkel in Bezug auf die Normalenrichtung zugeordnet, der erhalten wird, wenn die Ausgaberichtung des Zielausgabestrahlmusters von der Normalenrichtung (Z-Achsenrichtung) der Lichtaustrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche unter Verwendung der obigen Formeln (1) bis (5) geschwenkt wird. Es sollte bachtet werden, dass der Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlmusters auf der Achse liegt, die sich entlang der Normalenrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 erstreckt, und 8 zeigt vier Quadranten mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung. Das Beispiel in 8 veranschaulicht einen Fall, in dem ein optisches Bild in jedem des ersten und dritten Quadranten erhalten wird; es ist jedoch auch möglich, ein Bild in jedem des zweiten und vierten Quadranten oder in allen Quadranten zu erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in 8 dargestellt, ein optisches Bild erhalten, das in Bezug auf den Ursprung punktsymmetrisch ist. 8 stellt als Beispiel einen Fall dar, in dem der Buchstabe „A“ als Licht +1. Ordnung im dritten Quadranten, und das Muster, das durch Drehen des Buchstabens „A“ um 180 Grad erhalten wird, wird als Licht -1. Ordnung im ersten Quadranten erhalten. Es sollte bachtet werden, dass im Fall von rotationssymmetrischen optischen Bildern (z.B. ein Kreuz, ein Kreis, ein Doppelkreis oder ähnliches) die optischen Bilder überlagert und als ein optisches Bild betrachtet werden.
Das Ausgangsstrahlmuster (optisches Bild) des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A umfasst einen Punkt und/oder eine Gerade und/oder eine Kreuz und/oder eine Strichzeichnung und/oder eine Gittermuster und/oder eine Fotografie und/oder ein Streifenmuster und/oder eine Computergrafik (CG) und/oder einen Buchstaben.
Wie zuvor beschrieben, ist es in einem Fall, in dem ein gewünschtes optisches Bild erhalten werden soll, vorzuziehen, dass das gewünschte optische Bild in ein Bild im Wellenzahlraum umgewandelt wird, das erhaltene optische Bild einer inversen Fourier-Transformation unterzogen wird und die Drehwinkelverteilung φ(x, y), die der Phase der komplexen Amplitude entspricht, auf den Schwerpunkt G2 übertragen wird, der durch die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente 15b definiert ist. Es sollte bachtet werden, dass das der Fourier-Transformation des Laserstrahls unterworfene Fernfeldbild als gewünschtes optisches Bild verschiedene Formen haben kann, wie z.B. eine einzelne oder mehrere Fleckformen, eine Ringform, eine lineare Form, eine Buchstabenform, eine doppelte Ringform oder eine Laguerre-Gauß'sche Strahlform. Da auch die Strahlrichtung gesteuert werden kann, kann mit einem ein- oder zweidimensionalen Array der lichtemittierenden Halbleiterelemente 1A eine Laserbearbeitungsmaschine realisiert werden, die z.B. elektrisch eine Hochgeschwindigkeitsabtastung durchführt.
Als Verfahren zur Gewinnung der Intensitätsverteilung und Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung, die beispielsweise durch inverse Fourier-Transformation erhalten wird, kann die Intensitäts- (Amplituden-) Verteilung A(x, y) unter Verwendung der abs-Funktion von „MATLAB“, einer numerischen Analysesoftware von MathWorks, Inc., und die Phasenverteilung P (x, y) unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Im Folgenden werden die Punkte beschrieben, die zu beachten sind, wenn die Verteilung des Drehwinkels φ (x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten und die Berechnung unter Verwendung einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) bei der Bestimmung der Anordnung jedes der modifizierten Brechungsindexelemente 15b durchgeführt wird.
Wenn ein optisches Bild, bevor es einer Fourier-Transformation unterzogen wird, in die vier Quadranten A1, A2, A3 und A4 unterteilt wird, wie in 9A dargestellt, ist das erhaltene Strahlmuster so, wie in 9B dargestellt. Das heißt, in 9B erscheint im ersten Quadranten des Strahlmusters ein Muster, in dem sich das durch Drehung des Musters des ersten Quadranten von 9A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster des dritten Quadranten von 9A überlappen. Im zweiten Quadranten des Strahlmusters erscheint ein Muster, in dem sich das Muster, das durch Drehen des Musters des zweiten Quadranten der 9A um 180 Grad erhalten wird, und das Muster des vierten Quadranten der 9A überlappen. Im dritten Quadranten des Strahlmusters erscheint ein Muster, in dem sich das durch Drehung des Musters des dritten Quadranten der 9A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster des ersten Quadranten der 9A überlappen. Im vierten Quadranten des Strahlmusters erscheint ein Muster, in dem sich das durch Drehung des Musters des vierten Quadranten der 9A um 180 Grad erhaltene Muster und das Muster des zweiten Quadranten der 9A überlappen.
Daher erscheint in einem Fall, in dem ein optisches Bild mit einem Wert nur im ersten Quadranten als optisches Bild verwendet wird, bevor es einer inversen Fourier-Transformation unterzogen wird (ursprüngliches optisches Bild), der erste Quadrant des ursprünglichen optischen Bildes im dritten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters, und das durch Drehen des ersten Quadranten des ursprünglichen optischen Bildes um 180 Grad erhaltene Muster erscheint im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters.
Zur Erläuterung eines normalen S-iPM-Lasers zeigt 10 ein Beispiel für einen Fall, bei dem in jedem Einheitskomponentenbereich R ein modifiziertes Brechungsindexelement 15b vorgesehen ist. In 10 ist ein Teil der Phasenmodulationsschicht (Einheitskomponentenbereich R) vergrößert dargestellt. 11A bis 11D sind Diagramme, die Beispiele von Strahlmustern (optische Bilder) darstellen, die von dem lichtemittierenden Halbleiterelement im Beispiel von 10 ausgegeben werden. Der Mittelpunkt jeder Figur entspricht der Achse (Z-Achse) entlang der Normalenrichtung der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10. Wie in 11A bis 11D dargestellt, gibt das lichtemittierende Halbleiterelement Licht +1. Ordnung, einschließlich eines ersten optischen Bildteils B1, der in einer ersten Richtung ausgegeben wird, die in Bezug auf die Achse geneigt ist, Licht -1. Ordnung, das in einer zweiten Richtung ausgegeben wird, die symmetrisch zur ersten Richtung in Bezug auf die Achse ist und einen zweiten optischen Bildteil B2 enthält, der rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildteil B1 in Bezug auf die Achse ist, und Licht nullter Ordnung B3, das sich auf der Achse ausbreitet, aus.
Wie zuvor beschrieben, hat in der Phasenmodulationsschicht 15A der Schwerpunkt G2, der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt definiert ist (Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs, der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b gebildet wird, die einem Einheitskomponentenbereich R zugeordnet sind), einen Drehwinkel, der für jedes modifizierte Brechungsindexelement 15b um den Gitterpunkt O des imaginären Quadratgitters festgelegt ist. In einem solchen Fall wird im Vergleich zu einem sogenannten photonischen Kristalllaser, bei dem sich der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexelements 15b auf dem Gitterpunkt O des Quadratgitters befindet, die Lichtintensität von Licht (Licht nullter Ordnung B3), das in senkrechter Richtung zur Hauptfläche 10a im Halbleitersubstrat 10 ausgegeben wird, verringert, d.h. die Lichtintensität von Licht höherer Ordnung (z.B. Licht +1. Ordnung und Licht -1. Ordnung), das in einer geneigten Richtung ausgegeben wird, die die senkrechte Richtung schneidet, erhöht sich. Da außerdem der Schwerpunkt G2, der durch die N modifizierte Brechungsindexelemente 15b definiert ist, insgesamt einen Drehwinkel gemäß dem optischen Bild aufweist, kann die Lichtphase für jeden Gitterpunkt O moduliert werden. Daher ist es gemäß dem lichtemittierenden Halbleiterelement 1A möglich, Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes mit beliebiger Form entlang einer geneigten Richtung auszugeben, die die Normalenrichtung zur Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 schneidet.
Wie in 10 dargestellt, wird ein bevorzugter Abstand zwischen dem Schwerpunkt G1 eines modifizierten Brechungsindexelements 15b und einem Gitterpunkt O eines imaginären Quadratgitters in einem Fall beschrieben, in dem ein modifiziertes Brechungsindexelement 15b für jeden Einheitskomponentenbereich R vorgesehen ist. Wie in 12 dargestellt, werden in der Phasenmodulationsschicht 15A Lichtgrundwellen PR, PL, PU und PD in vier Richtungen erzeugt, d.h. die positive und negative Richtung entlang einer Anordnungsrichtung (X-Achse) des Quadratgitters und die positive und negative Richtung entlang der anderen Anordnungsrichtung (Y-Achse) des Quadratgitters. Die theoretischen Formeln für die Phasendifferenzen Δφ_R, Δφ_L, Δφ_U und Δφ_D dieser Lichtgrundwellen werden durch die folgenden Formeln (8) bis (11) ausgedrückt. Es sollte bachtet werden, dass n die Beugungsordnung, φ(x, y) die Entwurfsphasenverteilung, Jn eine Besselfunktion n. Ordnung, a der Gitterabstand des imaginären Quadratgitters und r der Abstand zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes modifizierten Brechungsindexelements 15b und dem entsprechenden Gitterpunkt O (mit anderen Worten, die Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O mit dem Schwerpunkt G1 verbindet) ist. $Δ ϕ_{R} (x, y) = \sum_{n = - \infty}^{\infty} e^{- j \frac{n π}{2}} J_{- n} (\frac{2 π r}{a}) \cdot exp (i n ϕ (x, y))$
$Δ ϕ_{L} (x, y) = \sum_{n = - \infty}^{\infty} e^{- j \frac{n π}{2}} J_{n} (\frac{2 π r}{a}) \cdot exp (i n ϕ (x, y))$
$Δ ϕ_{U} (x, y) = \sum_{n = - \infty}^{\infty} J_{n} (\frac{2 π r}{a}) \cdot exp (i n ϕ (x, y))$
$Δ ϕ_{D} (x, y) = \sum_{n = - \infty}^{\infty} J_{- n} (\frac{2 π r}{a}) \cdot exp (i n ϕ (x, y))$
Die in den obigen Formeln (8) bis (11) enthaltenen Anteile, d.h. die durch die folgenden Formeln (12) bis (15) dargestellten Anteile bezeichnen die Amplituden der in diesen Lichtgrundwellen enthaltenen Beugungen n. Ordnung. $e^{- j \frac{n π}{2}} J_{- n} (\frac{2 π r}{a})$
$e^{- j \frac{n π}{2}} J_{n} (\frac{2 π r}{a})$
$J_{n} (\frac{2 π r}{a})$
$J_{- n} (\frac{2 π r}{a})$
In 13 sind Diagramme dargestellt, die die Beziehungen zwischen dem Abstand r und den Amplituden von gebeugtem Licht nullter Ordnung, gebeugtem Licht +1. Ordnung und gebeugtem Licht -1. Ordnung zeigen. Ein Diagramm G11 zeigt gebeugtes Licht nullter Ordnung, ein Diagramm G12 zeigt gebeugtes Licht +1. Ordnung und ein Diagramm G13 zeigt gebeugtes Licht -1. Ordnung. Darüber hinaus stellen die Diagramme G21 bis G23 in 14 die Intensitäten (proportional zum Quadrat der Amplitude) der Diagramme G11 bis G13 dar, die jeweils in 13 dargestellt sind. Es sollte bachtet werden, dass in den 13 und 14 die horizontale Achse den Abstand r und die vertikale Achse die Amplitude und Intensität darstellt (Wert normiert unter der Annahme, dass der bei einem Abstand r=0 erhaltene Wert 1 ist). Da in 14 die Diagramme G22 und G23 vollständig übereinstimmen, sind die Diagramme G22 und G23 so dargestellt, dass sie sich gegenseitig überlappen.
Wie in den Diagrammen G11 und G21 dargestellt, sind die Amplitude und die Intensität des gebeugten Lichts nullter Ordnung kleiner, je größer der Abstand r ist (d.h. je weiter der Schwerpunkt G1 vom Gitterpunkt O entfernt ist). Dann wird innerhalb des Bereichs, in dem der Abstand r größer als 0,3a und nicht größer als 0,50a ist, die Intensität des gebeugten Lichts nullter Ordnung zu einem kleinen Wert, wie etwa 10% oder weniger der Intensität im Falle des Abstands r = 0, und wird ausreichend unterdrückt. Darüber hinaus wird die Intensität des gebeugten Lichts nullter Ordnung innerhalb des Bereichs, in dem der Abstand r gleich oder größer als 0,341a und nicht größer als 0,429a ist, zu einem extrem kleinen Wert, wie etwa 2% oder weniger der Intensität im Falle des Abstands r = 0, und wird noch mehr unterdrückt. Insbesondere in einem Fall, in dem der Abstand r 0,38a oder ein Wert nahe 0,38a beträgt, ist die Intensität des gebeugten Lichts nullter Ordnung nahezu 0 und wird am wirksamsten unterdrückt. Es sollte bachtet werden, dass 0,38a dem Wert von r in einem Fall entspricht, in dem die Besselfunktion nullter Ordnung J0(2πr/a) = 0 erfüllt ist.
Es sollte bachtet werden, dass die in 13 und 14 dargestellten Trends nicht von verschiedenen Variablen wie der planaren Form und Größe des modifizierten Brechungsindexelements 15b, der Anzahl der modifizierten Brechungsindexelemente 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R, dem Typ des Halbleitermaterials, der Schichtstruktur und der Dicke jeder Schicht abhängen. Die in 13 und 14 dargestellten Trends sind allen iPM-Lasern des Typs gemeinsam, bei dem sich das entsprechende modifizierte Brechungsindexelement 15b um den Gitterpunkt O dreht.
Es wird erneut Bezug auf 5 genommen. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand r₁ zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes modifizierten Brechungsindexelements 15b und dem entsprechenden Gitterpunkt O bei jedem der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b identisch. Mit anderen Worten, die jeweiligen Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b liegen auf einem Kreis CR mit einem Radius r₁, der auf den entsprechenden Gitterpunkt O zentriert ist. Dann sind im Falle von N = 2 die Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b an Positionen angeordnet, die bezüglich des entsprechenden Gitterpunktes O nicht punktsymmetrisch sind. Das heißt, der Vektor, der den Gitterpunkt O und den Schwerpunkt G1 des einen modifizierten Brechungsindexelements 15b verbindet, und der Vektor, der den Gitterpunkt O und den Schwerpunkt G1 des anderen modifizierten Brechungsindexelements 15b verbindet, bilden einen Winkel kleiner als 180°. Dadurch soll der Schwerpunkt G2, der durch die modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt definiert ist (Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexbereichs, der durch die modifizierten Brechungsindexelemente 15b gebildet wird, die in einem Einheitskomponentenbereich R vorhanden sind), nicht mit dem Gitterpunkt O überlappen (d.h. den Abstand r₂ größer als 0 machen). Mit anderen Worten, in jedem Einheitskomponentenbereich R ist der Schwerpunkt G2, der durch die modifizierten Brechungsindexelemente 15b als Ganzes definiert ist, von dem Gitterpunkt O, der dem Schwerpunkt G2 am nächsten liegt, entfernt angeordnet. Es sollte bachtet werden, dass in der vorliegenden Ausführungsform die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b eine identische planare Form (z.B. eine Kreisform) oder unterschiedliche planare Formen aufweisen können. Die Flächen der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b auf der X-Y-Ebene sind jedoch untereinander gleich.
Als nächstes wird ein bevorzugter Abstand zwischen dem Schwerpunkt G2, der durch die modifizierten Brechungsindexelemente 15b als Ganzes definiert ist, und dem Gitterpunkt O des imaginären Quadratgitters beschrieben. Die Diagramme G22 und G23 in 14 zeigen jeweils Intensitäten des gebeugten Lichts der +1. Ordnung und der -1. Ordnung. Zu diesem Zeitpunkt kann in einem Fall, in dem es eine Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente 15b gibt, der Abstand r₂ zwischen dem Schwerpunkt G2 und dem Gitterpunkt O durch das obige r ersetzt werden. Unter Bezugnahme auf die Diagramme G22 und 23 in 14 ist zu erkennen, dass, wenn der Abstand r 0,30a überschreitet, das gebeugte Licht der +1. Ordnung und das gebeugte Licht der -1. Ordnung geschwächt werden und die Effizienz sinkt. Daher erhöht sich in einem Fall, in dem ein modifiziertes Brechungsindexelement 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorhanden ist, ein Schwellenstrom, wenn der Abstand r zunimmt. Daher ist der Abstand r₂ zwischen dem Schwerpunkt G2 und dem entsprechenden Gitterpunkt O vorzugsweise nicht größer als 0,30a.
Es sollte bachtet werden, dass bei der zuvor beschriebenen Struktur das Material, die Dicke und der Schichtaufbau unterschiedlich verändert werden können, solange die Struktur die aktive Schicht 12 und die Phasenmodulationsschicht 15A umfasst. Hier gilt ein Skalierungsgesetz für sogenannte photonische Kristalllaser mit quadratischem Gitter, wenn die Störung des imaginären Quadratgitters gleich Null ist. Das heißt, in einem Fall, in dem die Wellenlänge das α -fache einer Konstanten wird, kann ein ähnlicher Zustand einer stehenden Welle durch Multiplikation der gesamten Rechteckgitterstruktur mit dem α -fachen erhalten werden. In ähnlicher Weise ist es auch in der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Struktur der Phasenmodulationsschicht 15A nach dem der Wellenlänge entsprechenden Skalierungsgesetz zu bestimmen. Daher ist es auch möglich, das lichtemittierende Halbleiterelement 1A, das sichtbares Licht abgibt, zu realisieren, indem die aktive Schicht 12, die Licht in Blau, Grün, Rot und dergleichen emittiert, verwendet und ein der Wellenlänge entsprechendes Skalierungsgesetz anwendet wird.
Bei der Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A wird für das Wachstum jeder Verbundhalbleiterschicht eine metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) angewandt. Bei der Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterelements 1A unter Verwendung von AlGaAs beträgt die Wachstumstemperatur von AlGaAs 500°C bis 850°C, und im Experiment wurden 550 bis 700°C angenommen. Während des Wachstums wird TMA (Trimethylaluminium) als Al-Rohstoff verwendet, TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium) werden als Gallium-Rohstoff verwendet, AsH₃ (Arsin) wird als Rohmaterial verwendet, Si₂H₆ (Disilan) wird als Rohmaterial für eine n-Typ-Verunreinigung verwendet, DEZn (Diethylzink) wird als Rohmaterial für eine p-Verunreinigung verwendet. Beim Wachstum von GaAs werden TMG und Arsin verwendet, aber TMA wird nicht verwendet. Bei der Herstellung von InGaAs werden TMG, TMI (Trimethylindium) und Arsin verwendet. Ein Isolierfilm kann durch Sputtern eines Targets unter Verwendung des darin enthaltenen Materials als Rohmaterial oder durch ein PCVD (Plasma-CVD)-Verfahren gebildet werden.
D.h. bei dem zuvor beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterelement 1A werden zunächst auf einem GaAs-Substrat als n-Halbleitersubstrat 10 die AlGaAs-Schicht als n-Mantelschicht 11, die InGaAs/AlGaAs-Mehrfachquantentopfstruktur als aktive Schicht 12, die GaAs-Schicht als Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A nacheinander unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) epitaktisch aufgewachsen.
Als nächstes wird ein weiterer Resist auf die Basisschicht 15a aufgetragen. Mit einem Elektronenstrahl-Zeichengerät wird ein zweidimensionales Feinmuster mit einer Ausrichtungsmarkierung als Referenz auf den Resist gezeichnet. Dann wird der gezeichnete Resist entwickelt, um ein zweidimensionales Feinmuster auf dem Resist zu bilden. Danach wird das zweidimensionale Feinmuster durch Trockenätzen unter Verwendung des Resists als Maske auf die Basisschicht 15a übertragen. Das heißt, der Resist wird entfernt, nachdem Löcher in der Basisschicht 15a entstanden sind. Es sollte bachtet werden, dass eine SiN-Schicht oder eine SiO₂-Schicht auf der Basisschicht 15a durch das PCVD-Verfahren gebildet werden kann, bevor der Resist gebildet wird. Außerdem kann nach der Bildung einer Resistmaske auf der SiN-Schicht oder der SiO₂-Schicht durch reaktives Ionenätzen (RIE) ein Feinmuster auf die SiN-Schicht oder die SiO₂-Schicht übertragen werden. Es sollte bachtet werden, dass die SiN-Schicht oder die SiO₂-Schicht nach dem Entfernen des Resists trocken geätzt wird. In diesem Fall kann die Beständigkeit gegen das Trockenätzen erhöht werden. Diese Löcher werden als modifizierte Brechungsindexelemente 15b verwendet, oder ein Verbundhalbleiter (AlGaAs), der als modifizierte Brechungsindexelemente 15b dient, wird erneut in den Löchern bis zu einer Tiefe gewachsen, die nicht geringer ist als die Tiefe der Löcher. In einem Fall, in dem das Loch das modifizierte Brechungsindexelement 15b ist, kann ein Gas wie Luft, Stickstoff oder Argon in dem Loch eingeschlossen sein. Als nächstes werden nacheinander die AlGaAs-Schicht als Mantelschicht 13 und die GaAs-Schicht als Kontaktschicht 14 mittels MOCVD gebildet. Die Elektroden 16 und 17 werden durch ein Aufdampfverfahren oder ein Sputterverfahren gebildet. Zusätzlich werden, falls erforderlich, die Schutzschicht 18 und die Antireflexionsschicht 19 durch Sputtern, das PCVD-Verfahren oder ähnliches gebildet.
Es sollte bachtet werden, dass in einem Fall, in dem die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, die Phasenmodulationsschicht 15A auf der Mantelschicht 11 gebildet werden kann, bevor die aktive Schicht 12 gebildet wird. Darüber hinaus ist der Gitterabstand a des imaginären Quadratgitters etwa der Wert, den durch Division der Wellenlänge durch den äquivalenten Brechungsindex erhalten wird, und wird z.B. auf etwa 300 nm eingestellt.
Es sollte bachtet werden, dass im Falle des Quadratgitters mit dem Gitterabstand a, unter der Annahme, dass die Einheitsvektoren der orthogonalen Koordinaten x und y sind, sind einfache Translationsvektoren a₁ = ax und a₂ = ay und einfache reziproke Gittervektoren b₁ = (2π /a)x und b₂ = (2π/a)y in Bezug auf die Translationsvektoren a₁ und a₂. In einem Fall, in dem der Wellenzahlvektor der im Gitter vorhandenen Welle k = nb₁ + mb₂ ist (n und m sind beliebige ganze Zahlen), existiert die Wellenzahl k am Punkt Γ, und in einem Fall, in dem die Größe des Wellenzahlvektors gleich der Größe des einfachen reziproken Gittervektors ist, wird eine Resonanzmode (stehende Welle auf der X-Y-Ebene), in dem der Gitterabstand a gleich der Wellenlänge λ ist, erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform wird in einer solchen Resonanzmode (stehender Wellenzustand) eine Schwingung erhalten. Unter Berücksichtigung einer TE-Mode, bei der ein elektrisches Feld in einer Ebene parallel zum Rechteckgitter existiert, gibt es derzeit vier Moden im stehenden Wellenzustand, bei denen der Gitterabstand und die Wellenlänge aufgrund der Symmetrie des Rechteckgitters gleich sind. In der vorliegenden Ausführungsform kann ein gewünschtes Strahlmuster in ähnlicher Weise erreicht werden, wie im Falle der Oszillation in einer beliebigen Mode dieser vier stehenden Wellenzustände.
Es sollte bachtet werden, dass ein gewünschtes Strahlmuster erhalten wird, weil die stehende Welle in der zuvor beschriebenen Phasenmodulationsschicht 15A durch die Lochform gestreut wird und die in der Richtung senkrecht zur Ebene erhaltene Wellenfront phasenmoduliert ist. Dieses Strahlmuster besteht nicht nur aus einem Paar unimodaler Strahlen (Spots), sondern kann, wie zuvor beschrieben, eine Buchstabenform, eine Gruppe von zwei oder mehr Spots mit identischer Form oder ein Vektorstrahl sein, bei dem die Phasen- und Intensitätsverteilung räumlich ungleichmäßig ist.
Es sollte bachtet werden, dass die Basisschicht 15a vorzugsweise einen Brechungsindex von 3,0 bis 3,5 und das modifizierte Brechungsindexelement 15b vorzugsweise einen Brechungsindex von 1,0 bis 3,4 aufweist. Darüber hinaus beträgt der mittlere Radius der modifizierten Brechungsindexelemente 15b in den Löchern der Basisschicht 15a beispielsweise 20 nm bis 120 nm im Falle eines 940 nm-Bandes. Die Beugungsintensität in Z-Achsenrichtung ändert sich in Abhängigkeit von einer Größenänderung jedes modifizierten Brechungsindexelements 15b. Diese Beugungseffizienz ist proportional zu einem optischen Kopplungskoeffizienten κ1, ausgedrückt durch einen linearen Koeffizienten in einem Fall, in dem die Form des modifizierten Brechungsindexelements 15b einer Fourier-Transformation unterzogen wird. Der optische Kopplungskoeffizient wird z.B. in dem oben genannten Nichtpatentdokument 3 beschrieben.
Die Effekte, die durch das lichtemittierende Halbleiterelement 1A der zuvor beschriebenen vorliegenden Ausführungsform erzielt werden, sind wie folgt. In der vorliegenden Ausführungsform ist jeder der Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b, die in einem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind, getrennt von dem entsprechenden Gitterpunkt O des imaginären Quadratgitters angeordnet und hat einen Drehwinkel um den Gitterpunkt O gemäß dem optischen Bild. Mit einer solchen Struktur ist es möglich, Licht zur Erzeugung eines optischen Bildes mit beliebiger Form entlang einer geneigten Richtung auszugeben, die die Normale auf die Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 schneidet. Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand r₁ zwischen jedem der Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b und dem entsprechenden Gitterpunkt O größer als das 0,30-fache und nicht größer als das 0,50-fache des Gitterabstandes a. Da der Abstand r₁ in einem solchen Bereich liegt, ist es, wie in 13 und 14 beschrieben, möglich, das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung wirksam zu reduzieren. Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand r₂ zwischen dem Schwerpunkt G2, der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt definiert ist, und dem entsprechenden Gitterpunkt O größer als 0 und nicht größer als das 0,30-fache des Gitterabstands a. Da der Abstand r₂ innerhalb eines solchen Bereichs liegt, ist es, wie zuvor beschrieben, möglich, einen praktischen S-iPM-Laser bereitzustellen, bei dem das S/N-Verhältnis des Ausgangsstrahlmusters reduziert ist. Da außerdem der Abstand r₂ größer als 0 ist, d.h. der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G2 nicht zusammenfallen, ist es möglich zu verhindern, dass sich das Licht +1. Ordnung durch verschwindende Interferenz gegenseitig abschwächen.
Zusätzlich kann, wie zuvor beschrieben, der Abstand r₁ das 0,38-fache des Gitterabstandes a betragen. Da der Abstand r₁ das 0,38-fache des Gitterabstandes a beträgt, kann, wie mit Bezug auf 13 und 14 beschrieben, das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung nahe an Null gebracht werden.
Darüber hinaus sind, wie zuvor beschrieben, in einem Fall, in dem zwei modifizierte Brechungsindexelemente 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind, die beiden modifizierten Brechungsindexelemente 15b so angeordnet, dass die Schwerpunkte G1 der beiden modifizierten Brechungsindexelemente 15b in Bezug auf den entsprechenden Gitterpunkt O nicht punktsymmetrisch sind. Beispielsweise kann bei einer solchen Konfiguration der Schwerpunkt G2, der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b definiert ist, entfernt vom entsprechenden Gitterpunkt O angeordnet werden.
(Erste Modifikation)
15 ist eine Draufsicht, die eine Phasenmodulationsschicht 15B gemäß einer Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsform zeigt. Die in 15 gezeigte Einstellung eines Einheitskomponentenbereichs R ist identisch mit der Einstellung in 4. 16 ist ein Diagramm, das die Phasenmodulationsschicht 15B vergrößert darstellt und einen bestimmten Einheitskomponentenbereich R veranschaulicht. Die Konfiguration aller anderen Einheitskomponentenbereiche R ist diesem ähnlich. Die Phasenmodulationsschicht 15A der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann durch die Phasenmodulationsschicht 15B der vorliegenden Modifikation ersetzt werden.
15 und 16 zeigen einen Fall, in dem N = 3 in jedem Einheitskomponentenbereich R. Dann ist, ähnlich wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, der Abstand r₁ zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes der modifizierten Brechungsindexelemente 15b und einem entsprechenden Gitterpunkt O in jedem der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b identisch. Mit anderen Worten, die jeweiligen Schwerpunkte G1 der drei modifizierten Brechungsindexelemente 15b liegen auf einem Kreis mit einem Radius r₁, der auf den entsprechenden Gitterpunkt O zentriert ist. Dann sind im Fall von N ≥ 3 die jeweiligen Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b um den entsprechenden Gitterpunkt O in voneinander verschiedenen Abständen angeordnet. Das heißt, in einem Einheitskomponentenbereich R bilden die Vektoren, die den Gitterpunkt O und die Schwerpunkte G1 der drei modifizierten Brechungsindexelemente 15b verbinden, von (360/N)° verschiedene Winkel. Dadurch soll verhindert werden, dass sich der durch die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt definierte Schwerpunkt G2 mit dem Gitterpunkt O überlappt (d.h. der Abstand r₂ ist größer als 0). Es sollte bachtet werden, dass auch in der vorliegenden Modifikation die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b eine identische planare Form (z.B. eine Kreisform) oder unterschiedliche planare Formen aufweisen können. Die Flächen der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b auf der X-Y-Ebene sind jedoch untereinander identisch.
Auch mit der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht gemäß der vorliegenden Modifikation können die Effekte der zuvor beschriebenen Ausführungsform in geeigneter Weise erzielt werden. Zusätzlich können, wie in der vorliegenden Modifikation, drei oder mehr modifizierte Brechungsindexelemente 15b in jedem der Einheitskomponentenbereiche R (oin denen der Gitterpunkt O im Mittelpunkt liegt) vorgesehen werden, die ein imaginäres Quadratgitter bilden. Infolgedessen kann die Fläche pro modifiziertem Brechungsindexelement 15b reduziert werden. Darüber hinaus wird ein Effekt der Unterdrückung der Koaleszenz eines modifizierten Brechungsindexelements 15b mit einem modifizierten Brechungsindexelement 15b in einem benachbarten Einheitskomponentenelement aufgrund der Ausbreitung des modifizierten Brechungsindexelements 15b, die durch Herstellungsfehler oder ähnlichem entstehen, erwartet.
(Zweite Modifikation)
Bei 17 und 18 handelt es sich um Draufsichten, die eine Phasenmodulationsschicht entsprechend einer Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsform in vergrößerter Form darstellen und einen bestimmten Einheitskomponentenbereich R veranschaulichen. Es sollte bachtet werden, dass die Konfiguration aller anderen Einheitskomponentenbereiche R diesem ähnlich ist.
In der vorliegenden Modifikation sind Flächen in der X-Y-Ebene von mindestens zwei modifizierten Brechungsindexelementen 15b der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b, die in jedem Einheitkomponentenbereich R vorgesehen sind, voneinander verschieden. 17 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei modifizierte Brechungsindexelemente 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind und die Flächen dieser modifizierten Brechungsindexelemente 15b voneinander verschieden sind. Darüber hinaus zeigt 18 ein weiteres Beispiel, bei dem drei modifizierte Brechungsindexelemente 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind und die Flächen dieser modifizierten Brechungsindexelemente 15b voneinander verschieden sind.
Wie zuvor beschrieben, ist es, da die Flächen der modifizierten Brechungsindexelemente 15b voneinander verschieden sind, möglich zu verhindern, dass sich ein durch die modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt definierter Schwerpunkt G2 mit einem Gitterpunkt O überlappt (d.h. einen Abstand r₂ größer als 0 macht). Die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b können eine identische planare Form (z.B. Kreisform) oder unterschiedliche planare Formen haben.
Es sollte bachtet werden, dass in der vorliegenden Modifikation ein Abstand r₁ zwischen dem Schwerpunkt G1 jedes modifizierten Brechungsindexelements 15b, das sich in einem Einheitskomponentenbereich R befindet, und dem entsprechenden Gitterpunkt O in jedem der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b identisch sein kann. Mit anderen Worten, die jeweiligen Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b befinden sich auf dem Kreis mit einem Radius r₁, der auf den entsprechenden Gitterpunkt O zentriert ist. Dann können im Falle von N = 2 die Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b an Positionen angeordnet sein, die bezüglich des entsprechenden Gitterpunktes O punktsymmetrisch sind. Das heißt, der Winkel zwischen dem Vektor, der den Gitterpunkt O mit dem Schwerpunkt G1 des einen modifizierten Brechungsindexelements 15b verbindet, und dem Vektor, der den Gitterpunkt O mit dem Schwerpunkt G1 des anderen modifizierten Brechungsindexelements 15b verbindet, kann 180° betragen. Darüber hinaus können im Fall von N ≥ 3 die jeweiligen Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b um den entsprechenden Gitterpunkt O in gleichem Abstand angeordnet sein. Das heißt, die Vektoren, die den Gitterpunkt O und die jeweiligen Schwerpunkte G1 der modifizierten Brechungsindexelemente 15b verbinden, können Winkel (360/N)° bilden.
(Dritte Modifikation)
19 und 20 zeigen Draufsichten, die eine Phasenmodulationsschicht gemäß einer Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsform vergrößert darstellen und einen bestimmten Einheitskomponentenbereich R veranschaulichen. Es sollte bachtet werden, dass die Konfiguration aller anderen Einheitskomponentenbereiche R diesem ähnlich ist.
In der vorliegenden Modifikation unterscheiden sich die Abstände r₁ zwischen einem Gitterpunkt O und den Schwerpunkten G1 von mindestens zwei modifizierten Brechungsindexelementen 15b unter N modifizierten Brechungsindexelementen 15b, die in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind, voneinander. 19 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei modifizierte Brechungsindexelemente 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind und die Abstände r₁ zwischen dem Gitterpunkt O und den Schwerpunkten G1 dieser modifizierten Brechungsindexelemente 15b voneinander abweichen. Darüber hinaus zeigt 20 ein weiteres Beispiel, bei dem drei modifizierte Brechungsindexelemente 15b in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen sind und sich die Abstände r₁ zwischen dem Gitterpunkt O und den Schwerpunkten G1 dieser modifizierten Brechungsindexelemente 15b voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten, in einem Einheitskomponentenbereich R liegen die Schwerpunkte G1 der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b auf Kreisen mit unterschiedlichen Radien mit dem entsprechenden Gitterpunkt O als Mittelpunkt.
Da sich, wie zuvor beschrieben, die Abstände r₁ zwischen dem entsprechenden Gitterpunkt O und den Schwerpunkten G1 von mindestens zwei modifizierten Brechungsindexelementen 15b der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b in einem Einheitskomponentenbereich R voneinander unterscheiden, kann, wie zuvor beschrieben, verhindert werden, dass sich der durch die modifizierten Brechungsindexelemente 15b insgesamt definierte Schwerpunkt G2 mit dem entsprechenden Gitterpunkt O überlappt (d.h. einen Abstand r₂ größer als 0 macht). Insbesondere warden vorzugsweise die Abstände r₁ vom Gitterpunkt O zu den N modifizierten Brechungsindexelementen 15b so eingestellt, dass der Mittelwert der Abstände r₁ sich 0,38a nähert, da sich Licht nullter Ordnung der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b gegenseitig auslöscht.
Die N modifizierten Brechungsindexelemente 15b können eine identische planare Form (z.B. eine Kreisform) oder unterschiedliche planare Formen aufweisen. Die Flächen der N modifizierten Brechungsindexelemente 15b auf der X-Y-Ebene sind jedoch untereinander identisch. Darüber hinaus kann im Falle von N = 2 der Winkel zwischen dem Vektor, der den Gitterpunkt O mit dem Schwerpunkt G1 des einen modifizierten Brechungsindexelements 15b verbindet, und dem Vektor, der den Gitterpunkt O mit dem Schwerpunkt G1 des anderen modifizierten Brechungsindexelements 15b verbindet, 180° betragen. Darüber hinaus können im Fall von N ≥ 3 die Vektoren, die den Gitterpunkt O und die jeweiligen Schwerpunkte G1 der modifizierten Brechungsindexelemente 15b verbinden, Winkel (360/N)° bilden.
(Vierte Modifikation)
21A bis 21G und 22A bis 22K sind Draufsichten, die Beispiele für die Form jedes modifizierten Brechungsindexelements 15b in einer X-Y-Ebene zeigen. In der Ausführungsform und jeder zuvor beschriebenen Modifikation wurden Beispiele beschrieben, in denen das modifizierte Brechungsindexelement 15b in der X-Y-Ebene eine Kreisform hat. Ein modifiziertes Brechungsindexelement 15b kann jedoch eine andere Form als einen Kreis aufweisen. Beispielsweise kann die Form eines modifizierten Brechungsindexelements 15b in der X-Y-Ebene spiegelsymmetrisch sein (liniensymmetrisch). Spiegelbildsymmetrie (Liniensymmetrie) bedeutet hier, dass die ebene Form eines modifizierten Brechungsindexelements 15b, das sich auf einer Seite in Bezug auf eine bestimmte Gerade entlang der X-Y-Ebene befindet, und die ebene Form eines modifizierten Brechungsindexelements 15b, das sich auf der anderen Seite in Bezug auf die Gerade befindet, spiegelsymmetrisch (liniensymmetrisch) zueinander sein können. Beispiele für die Form mit Spiegelymmetrie (Liniensymmetrie) sind ein perfekter Kreis, wie in 21A dargestellt, ein Quadrat, wie in 21B dargestellt, ein regelmäßiges Sechseck, wie in 21C dargestellt, ein regelmäßiges Achteck, wie in 21D dargestellt, ein regelmäßiges 16-seitiges Polygon, wie in 21E dargestellt, ein Rechteck, wie in 21F dargestellt, und eine Ellipse, wie in 21G dargestellt. Wie beschrieben, weist die Form des modifizierten Brechungsindexelements 15b auf der X-Y-Ebene eine Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) auf. Da in diesem Fall die Form des modifizierten Brechungsindexelements 15b in jedem der Einheitskomponentenbereiche R des imaginären Quadratgitters der Phasenmodulationsschicht 15A eine einfache Form aufweist, kann die Richtung und Position des Schwerpunkts G1 des entsprechenden modifizierten Brechungsindexelements 15b vom Gitterpunkt O aus genau bestimmt werden. Daher kann die Strukturierung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Darüber hinaus kann die Form des modifizierten Brechungsindexelements 15b auf der X-Y-Ebene eine Form sein, die keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist. Beispiele für eine solche Form sind ein gleichseitiges Dreieck, wie in 22A dargestellt, ein gleichschenkliges Dreieck, wie in 22B dargestellt, eine Form, bei der sich Teile zweier Kreise oder Ellipsen überlappen, wie in 22C dargestellt, eine ovale Form, wie in 22D dargestellt, eine Tropfenform, wie in 22E dargestellt, ein gleichschenkliges Dreieck, wie in 22F dargestellt, eine Pfeilform, wie in 22G dargestellt, ein Trapez, wie in 22H dargestellt, ein Fünfeck, wie in 22I dargestellt, eine Form, bei der sich Teile von zwei Rechtecken überlappen, wie in 22J dargestellt, und eine Form, bei der sich Teile von zwei Rechtecken überlappen und die keine Spiegelsymmetrie aufweist, wie in 22K dargestellt. Es sollte bachtet werden, dass es sich bei der ovalen Form um eine Form handelt, die so verformt ist, dass die Abmessung in Nebenachsenrichtung in der Nähe des einen Endes entlang der Hauptachse der Ellipse kleiner ist als die Abmessung in Nebenachsenrichtung in der Nähe des anderen Endes. Die Tropfenform ist eine Form, bei der ein Ende entlang der Hauptachse der Ellipse zu einem scharfen Ende verformt wird, das entlang der Hauptachsenrichtung vorsteht. Die Pfeilform ist eine Form, bei der eine Seite eines Rechtecks dreieckig vertieft und die gegenüberliegende Seite dreieckig spitz ist. Wie zuvor beschrieben, kann, da das modifizierte Brechungsindexelement 15b auf der X-Y-Ebene nicht die Rotationssymmetrie von 180° aufweist, eine höhere Lichtleistung erzielt werden.
23A bis 23K sind Draufsichten, die andere Beispiele für die Form des modifizierten Brechungsindexelements (bestehend aus einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen, die in einem Einheitskomponentenbereich R angeordnet sind) in der X-Y-Ebene veranschaulichen. In jedem der Beispiele ist ferner eine Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente 15c vorgesehen, die sich von dem modifizierten Brechungsindexelement 15b unterscheiden. Jedes der modifizierten Brechungsindexelemente 15c besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht 15a unterscheidet (erstes Brechungsindexmedium). Ähnlich wie das modifizierte Brechungsindexelement 15b kann das modifizierte Brechungsindexelement 15c ein Loch sein, oder ein Verbundhalbleiter kann in das Loch eingebettet sein. Die modifizierten Brechungsindexelemente 15c werden in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den modifizierten Brechungsindexelementen 15b bereitgestellt. Dann entspricht der Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexelements 15b und des modifizierten Brechungsindexelements 15c dem zuvor beschriebenen Schwerpunkt G1 (Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexelements). Es sollte bachtet werden, dass jedes der modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c in dem Bereich des Einheitskomponentenbereichs R enthalten ist, der das imaginäre Quadratgitter bildet. Der Einheitskomponentenbereich R ist ein Bereich, der von Geraden umgeben ist, von denen jede den Anstand zwischen den Gitterpunkten des imaginären Quadratgitters halbiert.
Die planare Form des modifizierten Brechungsindexelements 15c ist z.B. eine Kreisform; ähnlich wie das modifizierte Brechungsindexelement 15b kann das modifizierte Brechungsindexelement 15c jedoch verschiedene Formen aufweisen. 23A bis 23K zeigen Beispiele für die Formen und die relative Beziehung der modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c auf der X-Y-Ebene. 23A und 23B veranschaulichen Modi, in denen die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c Figuren mit identischer Form aufweisen. 23C und 23D veranschaulichen Modi, in denen die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c Figuren mit identischer Form aufweisen und Teile davon einander überlappen. 23E veranschaulicht einen Modus, in dem die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c Figuren mit identischer Form aufweisen und die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c gegeneinander verdreht sind. 23F veranschaulicht einen Modus, in dem die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c unterschiedlich geformte Figuren aufweisen. 23G veranschaulicht einen Modus, in dem die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c unterschiedlich geformte Figuren haben und die modifizierten Brechungsindexelemente 15b und 15c gegeneinander verdreht sind.
Darüber hinaus kann, wie in 23H bis 23K dargestellt, das modifizierte Brechungsindexelement 15b so konfiguriert werden, dass es zwei voneinander getrennte Bereiche 15b1 und 15b2 umfasst. Dann kann der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Elemente 15b1 und 15b2 (entsprechend dem Schwerpunkt des einzelnen modifizierten Brechungsindexelements 15b) und dem Schwerpunkt des modifizierten Brechungsindexelements 15c innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R beliebig festgelegt werden. Zusätzlich können in diesem Fall, wie in 23H dargestellt, die Elemente 15b1 und 15b2 und das modifizierte Brechungsindexelement 15c Figuren mit identischer Form aufweisen. Alternativ können, wie in 23I dargestellt, zwei der Figuren der Elemente 15b1 und 15b2 und des modifizierten Brechungsindexelements 15c von der anderen verschieden sein. Darüber hinaus kann, wie in 23J dargestellt, zusätzlich zu dem Winkel der die Elemente 15b1 und 15b2 verbindenden Geraden in Bezug auf die X-Achse der Winkel des modifizierten Brechungsindexelements 15c in Bezug auf die X-Achse innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R beliebig eingestellt werden. Darüber hinaus kann, wie in 23K dargestellt, während die Elemente 15b1 und 15b2 und das modifizierte Brechungsindexelement 15c einen identischen relativen Winkel zueinander beibehalten, der Winkel der die Elemente 15b1 und 15b2 verbindenden Geraden in Bezug auf die X-Achse innerhalb des Einheitskomponentenbereichs R beliebig eingestellt werden.
Die modifizierten Brechungsindexelemente können in der X-Y-Ebene über den Einheitskomponentenbereichen R eine identische Form aufweisen. Das heißt, es ist möglich, dass die modifizierten Brechungsindexelemente in allen Einheitskomponentenbereichen R identische Werte haben und dass sich die Einheitskomponentenbereiche R durch Translationsoperation oder durch Translations- und Rotationsoperation überlappen. Alternativ dazu müssen die Formen der modifizierten Brechungsindexelemente in der X-Y-Ebene zwischen den Einheitskomponentenbereichen R nicht notwendigerweise identisch sein und benachbarte Einheitskomponentenberieche R können verschieden sein.
Die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. In der obigen Ausführungsform wurde z.B. ein Laserelement aus GaAs-, InP- oder Nitrid- (insbesondere GaN-) Verbundhalbleitern als Beispiel beschrieben; die vorliegende Ausführungsform kann jedoch auf ein Laserelement angewandt werden, das aus verschiedenen anderen Halbleitermaterialien als den Verbundhalbleitern besteht.
Zusätzlich wurde in der zuvor beschriebenen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, in dem die auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene aktive Schicht, die der Phasenmodulationsschicht gemeinsam ist, als Lichtemissionseinheit fungiert; in der vorliegenden Ausführungsform kann die Lichtemissionseinheit jedoch so vorgesehen sein, dass sie vom Halbleitersubstrat getrennt ist. Solange es sich bei einer Lichtemissionseinheit um einee Komponente handelt, die optisch an eine Phasenmodulationsschicht gekoppelt ist und der Phasenmodulationsschicht Licht zuführt, können auch bei einer solchen Konfiguration in geeigneter Weise ähnliche Effekte wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform erzielt werden.
Bezugszeichenliste

1A: lichtemittierendes Halbleiterelement;
10: Halbleitersubstrat;
10a: Hauptfläche;
10b: Rückseite;
11, 13: Mantelschicht;
12: aktive Schicht;
14: Kontaktschicht;
15A, 15B: Phasenmodulationsschicht;
15a: Basisschicht;
15b: modifiziertes Brechungsindexelement;
16, 17: Elektrode;
17a: Öffnung;
18: Schutzfilm;
19: Antireflektionsfilm;
B1, B2: Optischer Bildabschnitt;
B3: Licht nullter Ordnung;
G1, G2: Schwerpunkt;
O: Gitterpunkt;
PR, PL, PU, PD: Lichtgrundwelle;
und R: Einheitskomponentenbereich.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Kurosaka et al., „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure“, Opt. Express 20, 21773-21783 (2012) [0004]
K. Sakai et al., „Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers with TE Polarization“, IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010) [0005]

Claims

Lichtemittierende Vorrichtung, die Licht ausgibt, das ein optisches Bild entlang einer Normalenrichtung zu einer Hauptfläche eines Substrats, einer geneigten Richtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der geneigten Richtung bildet, wobei die lichtemittierende Vorrichtung umfasst: eine Lichtemissionseinheit; und eine Phasenmodulationsschicht, die auf dem Substrat vorgesehen und optisch mit der Lichtemissionseinheit gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen aufweist, die jeweils einen Brechungsindex haben, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine Z-Achse, die mit der Normalenrichtung zusammenfällt, und eine X-Y Ebene, die mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht zusammenfällt, die mehrere Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex enthält, wobei die X-Y-Ebene eine X-Achse und eine Y-Achse enthält, die orthogonal zueinander verlaufen, definiert ist, ein imaginäres Quadratgitter, das aus einer M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitskomponentenbereichen gebildet ist, die jeweils eine quadratische Form aufweisen, auf der X-Y-Ebene festgelegt ist, und ein Einheitskomponentenbereich R(x, y), der durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 1 oder mehr und M1 oder weniger) in einer X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 1 oder mehr und N1 oder weniger) in einer Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, auf der X-Y-Ebene festgelegt ist, in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) in einem Zustand, in dem jeder der Schwerpunkte G1 einer Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen, die einen modifizierten Brechungsindexbereich bilden, der sich in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, von einem Gitterpunkt O(x, y) entfernt ist, der ein Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R(x, y) ist, ein Winkel, der durch ein erstes Liniensegment, das sich von einem Gitterpunkt O(x, y) zu einem Schwerpunkt G2, der durch die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen definiert ist, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) insgesamt befinden, ersteckt, und ein zweites Liniensegment, das durch den Gitterpunkt O(x, y) verläuft und parallel zur X-Achsenrichtung oder zur Y-Achsenrichtung ist, gebildet wird, so eingestellt ist, dass Licht, das ein optisches Bild bildet, ausgegeben wird, ein Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte G1 der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, größer als das 0,30-fache und nicht größer als das 0,50-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters ist, und ein Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zum Schwerpunkt G2, der durch die Vielzahl modifizierter Brechungsindexelemente definiert ist, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) insgesamt befinden, größer als 0 und nicht größer als das 0,30-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters ist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der modifizierte Brechungsindexbereich, der sich in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, als die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente mindestens zwei modifizierte Brechungsindexelemente mit voneinander verschiedenen Flächen enthält.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die jeweiligen Abstände vom Gitterpunkt O(x, y) zu den Schwerpunkten G1 der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexelementen, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, voneinander verschieden sind.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der modifizierte Brechungsindexbereich, der sich in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, als die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente zwei modifizierte Brechungsindexelemente enthält, die angeordnet sind, ohne eine Beziehung der Punktsymmetrie in Bezug auf den Gitterpunkt O(x, y) zu erfüllen.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der modifizierte Brechungsindexbereich, der sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befindet, als die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexelemente drei oder mehr modifizierte Brechungsindexelemente enthält.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abstand vom Gitterpunkt O(x, y) zu jedem der Schwerpunkte Gl der modifizierten Brechungsindexelemente, die sich im Einheitskomponentenbereich R(x, y) befinden, das 0,38-fache des Gitterabstandes des imaginären Quadratgitters beträgt.