DE112019004322T5

DE112019004322T5 - Lichtemissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019004322T5
Application number: DE112019004322.6T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Hirose; Yuu Takiguchi; Takahiro Sugiyama; Yoshitaka Kurosaka
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US11923655B2; CN112640234A; CN112640234B; US20210226412A1; JPWO2020045453A1; JP7316285B2; WO2020045453A1

Abstract

Eine Ausführungsform betrifft eine Lichtemissionsvorrichtung, die Licht nullter Ordnung aus dem Ausgangslicht eines S-iPM-Lasers entfernt. Die Lichtemissionsvorrichtung umfasst eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht. Die Phasenmodulationsschicht enthält eine Basisschicht und modifizierte Brechungsindexbereiche. Während der Einstellung eines virtuellen Quadratgitters auf der Phasenmodulationsschicht wird der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs von einem entsprechenden Gitterpunkt getrennt, und ein Drehwinkel um jeden Gitterpunkt, der die Position jedes Schwerpunkts bestimmt, wird entsprechend einer Phasenverteilung für die optische Bilderzeugung eingestellt. Ein Gitterabstand und eine Emissionswellenlänge erfüllen eine Bedingung der M-Punkt-Oszillation in einem reziproken Gitterraum. Ein Betrag von mindestens einem der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren des reziproken Gitterraums, die jeweils eine Wellenzahlverteilung entsprechend einer Winkelverteilung des Ausgangslichts enthalten, ist kleiner als 2π/λ.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtemissionsvorrichtung.
Stand der Technik
Es wurden Halbleiter-Lichtemissionselemente erforscht, die ein beliebiges optisches Bild erzeugen, indem sie eine Phasenverteilung und eine Intensitätsverteilung von Licht steuern, das von einer Vielzahl von Lichtemissionspunkten ausgegeben wird, die in einer zweidimensionalen Form angeordnet sind. Als eine der Strukturen solcher Halbleiter-Lichtemissionselemente gibt es eine Struktur mit einer Phasenmodulationsschicht, die optisch mit einer aktiven Schicht gekoppelt ist. Die Phasenmodulationsschicht umfasst eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen mit einem Brechungsindex, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. In einem virtuellen Quadratgitter, das auf einer Ebene senkrecht zu einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht angeordnet ist, ist eine Position des Schwerpunkts jedes modifizierten Brechungsindexbereichs entsprechend einer Phasenverteilung von einem entsprechenden Gitterpunkt verschoben, um ein optisches Bild zu erzeugen. Ein solches Halbleiter-Lichtemissionselement wird als statisch-integrierbarer Phasenmodulationslaser (S-iPM) bezeichnet, und ein optisches Bild mit beliebiger zweidimensionaler Form wird durch Licht gebildet, das in einer Normalenrichtung einer Hauptoberfläche eines Substrats, auf dem die Phasenmodulationsschicht vorgesehen ist, und einer die Normalenrichtung schneidenden Neigungsrichtung ausgegeben wird. Das Nicht-Patentdokument 1 beschreibt eine Technik, die sich auf den S-iPM-Laser bezieht.
Zitationsliste
Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentdokument 1: Yoshitaka Kurosaka et al., „Phase-modulating lasers toward on-chip integration", Scientific Reports, 6:30138 (2016).
Nicht-Patentdokument 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).
Nicht-Patentdokument 3: Y. Liang et al., „Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverseelectric polarization: finite-size effects," Optics Express 20, 15945-15961 (2012).

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Erfinder haben als Ergebnis der Untersuchung der oben erwähnten Stands der Technik die folgenden Probleme gefunden. Das heißt, normalerweise gibt der oben erwähnte S-iPM-Laser zusätzlich zum Signallicht, das ein gewünschtes optisches Ausgangsbild ist, Licht nullter Ordnung aus. Dieses Licht nullter Ordnung ist eine Komponente einer gebeugten Welle, an der keine Phasenmodulation durchgeführt wird. Im Falle der Γ-Punkt-Oszillation des verwandten Standes der Technik (Oszillationsbetrieb an einem Γ-Punkt im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht) ist das Licht nullter Ordnung ein punktförmiges Licht, das in der Normalenrichtung (d. h. einer Richtung senkrecht zu einer Lichtemissionsfläche) der Hauptoberfläche des Substrats ausgegeben wird, und ist je nach Anwendung im S-iPM-Laser nicht erwünscht. Insbesondere gibt es einige Fälle, in denen eine Intensitätsungleichheit zwischen dem Licht nullter Ordnung und einem anderen Signallicht auftritt. Wenn das Licht der nullten Ordnung zu Rauschlicht wird, um das gewünschte optische Ausgangsbild zu erhalten, gibt es einige Fälle, in denen es wünschenswert ist, das Licht der nullten Ordnung aus dem optischen Bild zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtemissionsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Licht nullter Ordnung zu entfernen, das im Ausgangslicht eines S-iPM-Lasers enthalten ist.
Lösung des Problems
Eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise eine Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Licht ausgibt, das ein optisches Bild entlang einer Normalenrichtung einer Hauptoberfläche eines Substrats, einer Neigungsrichtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der Neigungsrichtung bildet. In einem Aspekt umfasst die Lichtemissionsvorrichtung einen Lichtemissionsabschnitt und eine Phasenmodulationsschicht, die auf dem Substrat vorgesehen ist. Die Phasenmodulationsschicht ist optisch mit dem Lichtemissionsabschnitt gekoppelt. Die Phasenmodulationsschicht enthält eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die in der Basisschicht so vorgesehen sind, dass sie in einer zweidimensionalen Form auf einer Ebene senkrecht zur Normalenrichtung verteilt sind, wobei die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Hier ist in einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter auf der Ebene eingestellt ist, jeder modifizierte Brechungsindexbereich in einem Zustand angeordnet, in dem er von Gitterpunkten, die den Schwerpunkten jedes modifizierten Brechungsindexbereichs entsprechen, durch einen vorbestimmten Abstand getrennt ist, und ein Drehwinkel um jeden Gitterpunkt in dem virtuellen Quadratgitter (Drehwinkel eines Liniensegments, das den Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und den entsprechenden Gitterpunkt in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter verbindet) wird gemäß einer Phasenverteilung zum Bilden des optischen Bildes eingestellt. Ein Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und eine Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsanteils erfüllen eine Oszillationsbedingung an einem M-Punkt von symmetrischen Punkten in einem reziproken Gitterraum, der einem Wellenzahlenraum der Phasenmodulationsschicht entspricht. Ein Betrag von mindestens einem ersten In-Ebene-Wellenzahlvektor aus ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet werden, ist kleiner als 2π/λ.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der Lichtemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung aus der Lichtlinie entfernt, und somit kann das Signallicht in die Lichtlinie ausgegeben werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiter-Lichtemissionselements 1A als Lichtemissionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die die laminierte Struktur des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A zeigt.
4 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15A.
5 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen modifizierten Brechungsindexbereichen 15b in einem Einheitskomponentenbereich R der Phasenmodulationsschicht 15A zeigt.
6 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem eine im Wesentlichen periodische Struktur eines Brechungsindexes aus 4 nur innerhalb eines bestimmten Bereichs der Phasenmodulationsschicht aufgebracht wird.
7 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Abbildung eines Ausgangsstrahlmusters des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A erhalten wird, und einer Drehwinkelverteilung φ(x,y) in der Phasenmodulationsschicht 15A.
8 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Koordinatenumrechnung von sphärischen Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) in Koordinaten (ξ, η, ζ) in einem kartesischen XYZ- Koordinatensystem.
9A und 9B sind Diagramme zur Beschreibung von Punkten, die zu beachten sind, wenn die Berechnung unter Verwendung einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) bei der Entscheidung über die Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b durchgeführt wird.
10 ist eine Draufsicht, die einen reziproken Gitterraum einer photonischen Kristallschicht des PCSEL zeigt, die an einem Γ-Punkt schwingt.
11 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht des in 10 dargestellten reziproken Gitterraums.
12 ist eine Draufsicht, die einen reziproken Gitterraum für eine photonische Kristallschicht des PCSEL zeigt, die an einem Punkt M schwingt.
13 ist eine Draufsicht, die einen reziproken Gitterraum bezogen auf eine Phasenmodulationsschicht eines im Γ-Punkt schwingenden S-iPM-Lasers zeigt.
14 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht des in 13 dargestellten reziproken Gitterraums.
15 ist eine Draufsicht, die einen reziproken Gitterraum in Bezug auf eine Phasenmodulationsschicht eines im Punkt M schwingenden S-iPM-Lasers zeigt.
16 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Beschreibung eines Vorgangs der Addition eines Beugungsvektors V, der eine bestimmte konstante Größe und Orientierung in Bezug auf die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 hat.
17 ist ein Diagramm zur schematischen Beschreibung einer peripheren Struktur einer Lichtlinie LL.
18 ist ein Diagramm, das konzeptionell ein Beispiel für eine Drehwinkelverteilung φ₂(x,y) darstellt.
19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Drehwinkelverteilung φ(x, y) der Phasenmodulationsschicht 15A zeigt.
20 ist eine vergrößerte Ansicht eines in 19 dargestellten Teils S.
21 zeigt ein Strahlenmuster (optisches Bild), das von dem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A mit der in 19 dargestellten Drehwinkelverteilung φ(x,y) ausgegeben wird.
22 ist eine schematische Darstellung des in 21 gezeigten Strahlengangs.
23Aist ein schematisches Diagramm eines Strahlenmusters, und 23B ist ein Diagramm, das eine Phasenverteilung des Strahlenmusters zeigt.
24Aist ein schematisches Diagramm eines Strahlenmusters, und 24B ist ein Diagramm, das eine Phasenverteilung des Strahlenmusters zeigt.
25Aist ein schematisches Diagramm eines Strahlenmusters, und 25B ist ein Diagramm, das eine Phasenverteilung des Strahlenmusters zeigt.
26 ist ein konzeptionelles Diagramm zur Beschreibung eines Vorgangs der Addition des Beugungsvektors V zum In-Ebene-Wellenzahlvektor unter Ausschluss einer Wellenzahlverteilung Δk aus den In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in vier Richtungen.
27 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15B gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel.
28 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Positionsbeziehung zwischen modifizierten Brechungsindexbereichen 15b in einem Einheitskomponentenbereich R in der Phasenmodulationsschicht 15B.
29A bis 29G sind Draufsichten, die ein Beispiel für eine Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in einer X-Y-Ebene zeigen.
30A bis 30K sind Draufsichten, die ein Beispiel für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene zeigen.
31Abis 31K sind Draufsichten, die ein weiteres Beispiel für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene zeigen.
32 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs in der X-Y-Ebene zeigt.
33 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung 1B gemäß einem vierten Modifikationsbeispiel zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Im Nachfolgenden werden die Inhalte einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einzeln aufgeführt und beschrieben.
(1) Eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Licht ausgibt, das ein optisches Bild entlang einer Normalenrichtung einer Hauptoberfläche eines Substrats, einer Neigungsrichtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der Neigungsrichtung bildet. In einem Aspekt umfasst die Lichtemissionsvorrichtung einen Lichtemissionsabschnitt und eine Phasenmodulationsschicht, die auf dem Substrat vorgesehen ist. Die Phasenmodulationsschicht ist optisch mit dem Lichtemissionsabschnitt gekoppelt. Die Phasenmodulationsschicht enthält eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen, die in der Basisschicht so vorgesehen sind, dass sie in einer zweidimensionalen Form auf einer Ebene senkrecht zur Normalenrichtung verteilt sind, wobei die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Hier ist in einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter auf der Ebene eingestellt ist, jeder modifizierte Brechungsindexbereich in einem Zustand angeordnet, in dem er von Gitterpunkten, die den Schwerpunkten jedes modifizierten Brechungsindexbereichs entsprechen, durch einen vorbestimmten Abstand getrennt ist, und ein Rotationswinkel um jeden Gitterpunkt in dem virtuellen Quadratgitter (Rotationswinkel eines Liniensegments, das den Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und den entsprechenden Gitterpunkt in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter verbindet) wird gemäß einer Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes eingestellt. Ein Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und eine Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsabschnitts erfüllen eine Oszillationsbedingung an einem M-Punkt von symmetrischen Punkten (Punkte, die durch einen Wellenzahlvektor unter Verwendung eines reziproken Basis-Gittervektors ausgedrückt werden, der so ausgewählt wird, dass ein Betrag minimiert wird) in einem reziproken Gitterraum, der einem Wellenzahlraum der Phasenmodulationsschicht entspricht. Ein Betrag von mindestens einem ersten In-Ebene-Wellenzahlvektor aus ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet werden, ist kleiner als 2π/λ.
Zum Beispiel ist die Phasenverteilung eine Phasenverteilung, in der eine erste Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes und eine zweite Phasenverteilung, die in keinem Zusammenhang mit der Bildung des optischen Bildes steht, überlagert sind, und die zweite Phasenverteilung ist eine Phasenverteilung zum Addieren (Vektorsumme) eines Beugungsvektors, der eine bestimmte konstante Größe und Orientierung hat, zu zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen in der ersten Phasenverteilung, die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt kann eine Größe von mindestens einem dritten In-Ebene-Wellenzahlvektor von dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die durch Addieren des Beugungsvektors zu den zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen (In-Ebene-Wellenzahlvektoren, die den ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen entsprechen) erhalten werden, auf einen Wert kleiner als 2π/λ eingestellt werden.
In der Lichtemissionsvorrichtung gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt ist der Schwerpunkt jedes der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche getrennt von dem entsprechenden Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters angeordnet, und der Drehwinkel um den entsprechenden Gitterpunkt ist entsprechend der Phasenverteilung für das optische Bild eingestellt. Gemäß einer solchen Struktur kann Licht, das ein optisches Bild mit beliebiger Form entlang der Normalenrichtung der Hauptoberfläche des Substrats, der Neigungsrichtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder beider Richtungen bildet, als S-iPM-Laser ausgegeben werden. In der Lichtemissionsvorrichtung erfüllen der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und die Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsanteils die Bedingung der M-Punkt-Oszillation. Normalerweise wird in einem Stehwellenzustand der M-Punkt-Oszillation Licht, das sich in der Phasenmodulationsschicht ausbreitet, vollständig reflektiert, und die Ausgabe sowohl des Signallichts als auch des Lichts nullter Ordnung wird unterdrückt. In der Lichtemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch stehende Wellen entsprechend der Phasenverteilung im reziproken Gitterraum (entsprechend dem Wellenzahlraum) der Phasenmodulationsschicht phasenmoduliert und bilden die In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen (können die ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren sein und können jeweils eine Wellenzahlverteilung bzw. -spreizung enthalten, die einer Winkelverteilung des Ausgangslichts entspricht, das das optische Bild bildet). Ein Betrag von mindestens einem dieser In-Ebene-Wellenzahlvektoren ist kleiner als 2π/λ (Lichtlinie). Im S-iPM-Laser kann ein solcher In-Ebene-Wellenzahlvektor z. B. durch Anpassen der Phasenverteilung eingestellt werden. Wenn der Betrag mindestens eines In-Ebene-Wellenzahlvektors kleiner als 2π/λ ist, hat der In-Ebene-Wellenzahlvektor eine Komponente in der Normalenrichtung der Hauptfläche des Substrats. Da an der Grenze zur Luft keine Totalreflexion auftritt, wird schließlich ein Teil des Signallichts aus der Phasenmodulationsschicht ausgegeben. Wenn jedoch die Bedingung der M-Punkt-Oszillation erfüllt ist, wird das Licht nullter Ordnung an der Grenze zur Luft total reflektiert und nicht in die Lichtlinie von der Phasenmodulationsschicht ausgegeben. Das heißt, gemäß der Lichtemissionsvorrichtung nach dem vorliegenden Aspekt wird das Licht nullter Ordnung, das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthalten ist, aus der Lichtlinie entfernt, und somit kann nur das Signallicht ausgegeben werden.
(2) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen ähnlich dem zuvor beschriebenen Aspekt. In einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter auf die Ebene senkrecht zur Normalenrichtung gesetzt ist, ist jeder modifizierte Brechungsindexbereich so angeordnet, dass ein Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs durch einen entsprechenden Gitterpunkt verläuft und auf einer geraden Linie positioniert ist, die in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter geneigt ist, und ein Abstand entlang der geraden Linie zwischen dem Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und dem entsprechenden Gitterpunkt gemäß einer Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes gesetzt ist. Ein Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und eine Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsabschnitts sind so eingestellt, dass sie eine Oszillationsbedingung an einem M-Punkt symmetrischer Punkte (Punkte, die durch einen Wellenzahlvektor unter Verwendung eines reziproken Basisgittervektors ausgedrückt werden, der so gewählt wird, dass ein Betrag minimiert wird) in einem reziproken Gitterraum erfüllen, der einem Wellenzahlraum der Phasenmodulationsschicht entspricht. Ein Betrag von mindestens einem ersten In-Ebene-Wellenzahlvektor von In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen (erste In-Ebene-Wellenzahlvektoren), die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet werden und jeweils eine Wellenzahlverteilung enthalten, die einer Winkelverteilung von Ausgangslicht entspricht, das ein optisches Bild bildet, ist als kleiner als 2π/λ definiert.
In der Lichtemissionsvorrichtung gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt geht der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs durch den entsprechenden Gitterpunkt des virtuellen Quadratgitters und ist auf einer Geraden angeordnet, die in Bezug auf das Quadratgitter geneigt ist. Der Abstand zwischen dem Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs und dem entsprechenden Gitterpunkt (Abstand entlang der Geraden) wird entsprechend der Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes eingestellt. Gemäß einer solchen Struktur, ähnlich dem oben genannten Aspekt (Struktur) mit dem Drehwinkel um den Gitterpunkt, dem der Schwerpunkt jedes modifizierten Brechungsindexbereichs entspricht, kann das Licht, das das optische Bild bildet, das eine beliebige Form entlang der Normalenrichtung der Hauptoberfläche des Substrats hat, wobei die Neigungsrichtung die Normalenrichtung schneidet, als S-iPM-Laser ausgegeben werden. In der Lichtemissionsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Aspekt erfüllen der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und die Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsabschnitts die Bedingung der M-Punkt-Oszillation, und die stehenden Wellen werden entsprechend der Phasenverteilung im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht phasenmoduliert und bilden die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen (können die ersten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren sein und können jeweils die Wellenzahlverteilung entsprechend der Winkelverteilung des das optische Bild bildenden Ausgangslichts enthalten). Der Betrag von mindestens einem der In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen ist kleiner als 2π/λ (Lichtlinie). Dementsprechend wird das im Ausgangslicht des S-iPM-Lasers enthaltene Licht nullter Ordnung aus der Lichtlinie entfernt, und somit kann nur das Signallicht ausgegeben werden.
(3) In einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenverteilung eine Phasenverteilung, in der eine erste Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes und eine zweite Phasenverteilung, die nichts mit der Bildung des optischen Bildes zu tun hat, überlagert sind, und die zweite Phasenverteilung ist eine Phasenverteilung zum Addieren (Vektorsumme) eines Beugungsvektors, der eine bestimmte konstante Größe und Orientierung hat, zu zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen in der ersten Phasenverteilung, die im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet ist. Die zweiten In-Ebene-Vektoren in den vier Richtungen sind In-Ebene-Wellenzahl-Vektoren in vier Richtungen, die jeweils eine Wellenzahlverteilung enthalten, die einer Winkelverteilung des Ausgangslichts entspricht, das ein optisches Bild bildet. In diesem Fall wird ein Betrag von mindestens einem dritten In-Ebene-Wellenzahlvektor von dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die den oben erwähnten ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen entsprechen, die durch Addition des Beugungsvektors zu den zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen erhalten werden, so eingestellt, dass er kleiner als 2π/λ ist. Gemäß diesem Aspekt lässt sich auf einfache Weise eine Konfiguration realisieren, bei der der Betrag mindestens eines der im reziproken Gitterraum gebildeten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen, die jeweils die Wellenzahlverteilung enthalten, kleiner als 2π/λ (Lichtlinie) ist.
(4) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die Phasenverteilung eine Phasenverteilung sein, in der eine erste Phasenverteilung zur Bildung des optischen Bildes und eine zweite Phasenverteilung, die nichts mit der Bildung des optischen Bildes zu tun hat, überlagert sind, und die zweite Phasenverteilung kann eine Phasenverteilung zum Addieren (Vektorsumme) eines Beugungsvektors mit einer bestimmten konstanten Größe und Orientierung zu zweiten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren in vier Richtungen der ersten Phasenverteilung sein, die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet wird, ohne eine Wellenzahlverteilung einzuschließen, die einer Winkelverteilung des Ausgangslichts entspricht, das das optische Bild bildet. In diesem Fall wird ein Betrag von mindestens einem dritten In-Ebene-Wellenzahlvektor von dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die den ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen entsprechen, die durch Addition des Beugungsvektors zu den zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen erhalten werden, so eingestellt, dass er kleiner ist als ein Wert, der durch Subtraktion der Wellenzahlverteilung, die der Winkelverteilung des das optische Bild bildenden Ausgangslichts entspricht, von 2π/λ erhalten wird. Gemäß diesem Aspekt kann auf einfache Weise eine Konfiguration realisiert werden, bei der der Betrag mindestens eines der im reziproken Gitterraum gebildeten In-Ebene-Wellenzahlvektoren ohne Berücksichtigung der Wellenzahlverteilung in den vier Richtungen kleiner als 2π/λ (Lichtlinie) ist.
(5) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die zweite Phasenverteilung eine Verteilung (Verteilung, in der die Phasenwerte in einem Karomuster angeordnet sind) sein, in der erste Phasenwerte und zweite Phasenwerte, die sich von den ersten Phasenwerten unterscheiden, abwechselnd entlang zweier zueinander orthogonaler Richtungen angeordnet sind. Mit einer solchen Phasenverteilung kann der oben erwähnte Beugungsvektor leicht realisiert werden. Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die zweite Phasenverteilung eine Verteilung sein, in der sich der erste Phasenwert und der vom ersten Phasenwert verschiedene zweite Phasenwert um π ändern.
Wie zuvor beschrieben, ist jeder der im Abschnitt [Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung] aufgeführten Aspekte auf jeden der übrigen Aspekte oder alle Kombinationen dieser übrigen Aspekte anwendbar.
[Details der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Nachfolgend wird ein konkreter Aufbau einer Lichtemissionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Beachten Sie, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch den Umfang der Ansprüche definiert ist. Die vorliegende Erfindung soll Bedeutungen umfassen, die dem Umfang der Ansprüche und allen Modifikationsbeispielen innerhalb des Umfangs entsprechen. Des Weiteren werden in der Beschreibung der Zeichnungen die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine redundante Beschreibung wird weggelassen.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiter-Lichtemissionselements 1A als eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A veranschaulicht. Es ist ein kartesisches XYZ-Koordinatensystem definiert, das als Z-Achse eine Achse aufweist, die durch einen Mittelpunkt des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A verläuft und sich in einer Dickenrichtung des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A erstreckt. Das Halbleiter-Lichtemissionselement 1A ist ein S-iPM-Laser, der eine stehende Welle in einer XY-Ebenenrichtung bildet und eine ebene Welle ausgibt, deren Phase in einer Z-Achsenrichtung gesteuert wird, und Licht ausgibt, das ein optisches Bild mit einer beliebigen zweidimensionalen Form entlang einer Normalenrichtung einer Hauptoberfläche 10a eines Halbleitersubstrats 10 (d.h. der Z-Achsenrichtung), einer Neigungsrichtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der Neigungsrichtung bildet, wie später beschrieben wird.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, enthält das Halbleiter-Lichtemissionselement 1A eine aktive Schicht 12 als Lichtemissionsabschnitt, die über dem Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist, ein Paar von Mantelschichten 11 und 13, die die aktive Schicht 12 sandwichartig umgeben, und eine Kontaktschicht 14, die auf der Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Das Halbleitersubstrat 10 und die Schichten 11 bis 14 bestehen aus einem Verbindungshalbleiter wie einem Halbleiter auf GaAs-Basis, einem Halbleiter auf InP-Basis oder einem Halbleiter auf Nitrid-Basis. Die Energiebandlücken der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 sind größer als eine Energiebandlücke der aktiven Schicht 12. Die Dickenrichtungen des Halbleitersubstrats 10 und der Schichten 11 bis 14 fallen mit der Richtung der Z-Achse zusammen.
Das Halbleiter-Lichtemissionselement 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. Falls erforderlich, kann zumindest zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 oder zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 eine optische Führungsschicht vorgesehen sein. Eine Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht 15A fällt mit der Richtung der Z-Achse zusammen. Die optische Führungsschicht kann eine Trägersperrschicht zum effizienten Einschluss von Trägern in der aktiven Schicht 12 enthalten.
Wie in 3 dargestellt, kann die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der Mantelschicht 11 und der aktiven Schicht 12 vorgesehen sein.
Die Phasenmodulationsschicht 15A umfasst eine Basisschicht 15a und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b. Die Basisschicht 15a ist aus einem ersten Brechungsindexmedium gebildet. Jeder modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet, gebildet und ist in der Basisschicht 15a vorhanden. Die zweidimensionale Anordnung der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b umfasst eine im Wesentlichen periodische Struktur. Wenn ein äquivalenter Brechungsindex einer Mode n ist, ist eine durch die Phasenmodulationsschicht 15A ausgewählte Wellenlänge λ₀ (= (√2)a × n, a ist ein Gitterabstand) in einem Emissionswellenlängenbereich der aktiven Schicht 12 enthalten. Die Phasenmodulationsschicht 15A kann selektiv Licht mit einer Bandkantenwellenlänge nahe der Wellenlänge λ₀ der Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 12 nach außen abgeben. Ein in der Phasenmodulationsschicht 15A einfallender Laserstrahl bildet eine vorbestimmte Mode, die der Anordnung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b in der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht, und wird als Laserstrahl mit einem gewünschten Muster von einer Vorderfläche des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A nach außen emittiert.
Das Halbleiter-Lichtemissionselement 1A umfasst ferner eine Elektrode 16, die auf der Kontaktschicht 14 vorgesehen ist, und eine Elektrode 17, die auf einer Rückfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 vorgesehen ist. Die Elektrode 16 steht in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 14. Die Elektrode 17 steht in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 10. Die Elektrode 17 hat eine Öffnung 17a. Die Elektrode 16 ist in einem zentralen Bereich der Kontaktschicht 14 vorgesehen. Ein Teil der Kontaktschicht 14, der sich nicht in der Elektrode 16 befindet, ist mit einer Schutzschicht 18 bedeckt (siehe 2). Die Kontaktschicht 14, die nicht in Kontakt mit der Elektrode 16 ist, kann entfernt werden. Ein Teil der Rückseite 10b des Halbleitersubstrats 10 außer der Elektrode 17 (einschließlich der Innenseite der Öffnung 17a) ist mit einer Antireflexionsschicht 19 bedeckt. Die Antireflexionsschicht 19 in einem anderen Bereich als der Öffnung 17a kann entfernt werden.
Wenn ein Treiberstrom zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 17 zugeführt wird, werden Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht 12 rekombiniert, und Licht wird in der aktiven Schicht 12 emittiert. Die Elektronen und Löcher, die zur Lichtemission in der aktiven Schicht 12 beitragen, und das erzeugte Licht werden effizient zwischen der Mantelschicht 11 und der Mantelschicht 13 eingeschlossen.
Das von der aktiven Schicht 12 ausgegebene Licht tritt in ein Inneres der Phasenmodulationsschicht 15A ein und bildet eine vorbestimmte Mode, die einer Gitterstruktur des Inneren der Phasenmodulationsschicht 15A entspricht. Der von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegebene Laserstrahl wird direkt von der hinteren Fläche 10b zur Außenseite des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A durch die Öffnung 17a ausgegeben, oder er wird von der Elektrode 16 reflektiert und dann von der hinteren Fläche 10b zur Außenseite des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A durch die Öffnung 17a ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das im Laserstrahl enthaltene Signallicht entlang der Normalenrichtung der Hauptoberfläche 10a, der die Normalenrichtung schneidenden Neigungsrichtung oder beiden dieser Richtungen ausgegeben. Das Licht, das aus dem Ausgangslicht ein gewünschtes optisches Bild bildet, ist das Signallicht. Das Signallicht ist hauptsächlich Licht der +1. Ordnung und der -1. Ordnung. Wie später beschrieben wird, wird die nullte Ordnung nicht von der Phasenmodulationsschicht 15A der vorliegenden Ausführungsform ausgegeben.
In einem Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaAs-Substrat, und die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Mantelschicht 13, die Kontaktschicht 14 und die Phasenmodulationsschicht 15A sind Verbindungshalbleiterschichten, die aus einem Element der Gruppe III und einem Element der Gruppe V bestehen. Insbesondere ist die Mantelschicht 11 eine AlGaAs-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: AlGaAs/Quantentopfschicht: InGaAs). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a ein GaAs, und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist eine leere Öffnung. Die Mantelschicht 13 ist eine AlGaAs-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist eine GaAs-Schicht.
In der zuvor beschriebenen Konfiguration beträgt die Dicke des Halbleitersubstrats 10 50 µm bis 300 µm und beträgt in einem Beispiel 150 µm. Das Halbleitersubstrat kann dicker als der zuvor beschriebene Bereich sein, solange die Elemente getrennt werden können. Im Gegensatz dazu kann bei einer Struktur mit einem separaten Trägersubstrat das Halbleitersubstrat nicht vorgesehen sein. Die Dicke der Mantelschicht 11 beträgt 500 nm bis 10000 nm und beträgt in einem Beispiel 2000 nm. Eine Dicke der aktiven Schicht 12 beträgt 100 nm bis 300 nm, z. B. 175 nm. Eine Dicke der Phasenmodulationsschicht 15Abeträgt 100 nm bis 500 nm, z. B. 280 nm. Die Dicke der Mantelschicht 13 beträgt 500 nm bis 10000 nm und beträgt in einem Beispiel 2000 nm. Die Dicke der Kontaktschicht 14 beträgt 50 nm bis 500 nm und beträgt in einem Beispiel 150 nm.
In AlGaAs können die Energiebandlücke und der Brechungsindex durch Ändern des Zusammensetzungsverhältnisses von A1 leicht verändert werden. In Al_xGa_1-xAs, wenn ein Zusammensetzungsverhältnis x von A1 mit einem relativ kleinen Atomradius verringert (erhöht) wird, wird die Energiebandlücke, die positiv mit dem Al-Zusammensetzungsverhältnis korreliert ist, klein (groß). Im Fall von InGaAs, in dem In mit einem großen Atomradius mit GaAs gemischt ist, wird die Energiebandlücke klein. Das heißt, das Al-Zusammensetzungsverhältnis in den Mantelschichten 11 und 13 ist größer als das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Sperrschicht (AlGaAs) in der aktiven Schicht 12. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis in den Mantelschichten 11 und 13 ist z. B. auf 0,2 bis 1,0 eingestellt und beträgt in einem Beispiel 0,4. Das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Sperrschicht in der aktiven Schicht 12 ist z. B. auf 0 bis 0,3 eingestellt, in einem Beispiel auf 0,15.
In einem anderen Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein InP-Substrat. Die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 bestehen z. B. aus einem InP-basierten Verbindungshalbleiter. Insbesondere ist die Mantelschicht 11 eine InP-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: GaInAsP/Quantentopfschicht: GaInAsP). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a GaInAsP oder InP, und der Bereich mit modifiziertem Brechungsindex 15b ist eine leere Öffnung (Loch). Die Mantelschicht 13 ist eine InP-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist GaInAsP, GaInAs oder InP.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein InP-Substrat. Die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 bestehen z. B. aus einem InP-basierten Verbindungshalbleiter. Insbesondere ist die Mantelschicht 11 eine InP-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: AlGaInAs/Quantentopfschicht: AlGalnAs). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a AlGaInAs oder InP, und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein leeres Loch. Die Mantelschicht 13 ist eine InP-Schicht. Die Kontaktschicht 14 ist eine GaInAs- oder eine InP-Schicht. Diese Materialien und die im „anderen Beispiel“ beschriebenen Materialien mit GaInAsP und InP können für eine optische Kommunikationswellenlänge in den Bändern 1,3 und 1,55 µm verwendet werden, und Licht mit einer augensicheren Wellenlänge von mehr als 1,4 µm kann ausgegeben werden.
In einem weiteren Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein GaN-Substrat. Die Mantelschicht 11, die aktive Schicht 12, die Phasenmodulationsschicht 15A, die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 bestehen z. B. aus einem Verbindungshalbleiter auf Nitridbasis. Insbesondere ist die Mantelschicht 11 eine AlGaN-Schicht. Die aktive Schicht 12 hat eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Sperrschicht: InGaN/Quantentopfschicht: InGaN). In der Phasenmodulationsschicht 15A ist die Basisschicht 15a ein GaN, und der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist ein leeres Loch. Die Mantelschicht 13 ist eine AlGaN-Schicht, und die Kontaktschicht 14 ist eine GaN-Schicht.
Als Mantelschicht 11 wird der gleiche Leitfähigkeitstyp wie für das Halbleitersubstrat 10 verwendet. Ein dem Halbleitersubstrat 10 entgegengesetzter Leitfähigkeitstyp wird als Mantelschicht 13 und als Kontaktschicht 14 verwendet. In einem Beispiel sind das Halbleitersubstrat 10 und die Mantelschicht 11 vom n-Typ, und die Mantelschicht 13 und die Kontaktschicht 14 vom p-Typ. Die Phasenmodulationsschicht 15A hat denselben Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10, wenn die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, und hat den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10, wenn die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 13 vorgesehen ist. Die Verunreinigungskonzentration beträgt z. B. 1 × 10¹⁶ to 1 × 10²¹/cm³. Die aktive Schicht 12 ist intrinsisch (i-Typ), bei der Verunreinigungen nicht absichtlich hinzugefügt werden, und die Verunreinigungskonzentration beträgt 1 × 10¹⁶/cm³ oder weniger. Die Verunreinigungskonzentration der Phasenmodulationsschicht 15A kann intrinsisch (i-Typ) sein, wenn es notwendig ist, den Einfluss eines Verlustes durch Lichtabsorption über einen Verunreinigungsgrad zu unterdrücken.
Obwohl der modifizierte Brechungsindexbereich 15b das leere Loch in dem zuvor beschriebenen Beispiel ist, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten eines Halbleiters mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Basisschicht 15a unterscheidet, in ein leeres Loch gebildet werden. In diesem Fall kann zum Beispiel, nachdem ein leeres Loch der Basisschicht 15a durch Ätzen gebildet wurde, der zuvor beschriebene Halbleiter in das leere Loch eingebettet werden, indem ein metallorganisches Dampfphasen-Wachstumsverfahren, ein Sputterverfahren oder ein Epitaxieverfahren verwendet wird. Wenn die Basisschicht 15a beispielsweise aus GaAs besteht, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b aus AlGaAs bestehen. Nachdem der modifizierte Brechungsindexbereich 15b durch Einbetten des Halbleiters in das leere Loch der Basisschicht 15a gebildet wurde, kann der gleiche Halbleiter wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b weiter auf dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b abgeschieden werden. Wenn der modifizierte Brechungsindexbereich 15b ein leeres Loch ist, kann ein Inertgas wie Argon oder Stickstoff oder ein Gas wie Wasserstoff oder Luft in das leere Loch eingeschlossen werden.
Die Antireflexionsschicht 19 ist beispielsweise aus einer dielektrischen Einschichtfolie wie Siliziumnitrid (z. B. SiN) oder einem Siliziumoxid (z. B. SiO₂) oder einer dielektrischen Mehrschichtschicht gebildet. Ein Film, in dem zwei oder mehr Arten von dielektrischen Schichten, ausgewählt aus einer dielektrischen Schichtgruppe wie Titanoxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziummonoxid (SiO), Nioboxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Magnesiumfluorid (MgF₂), ein Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Indiumoxid (In₂O₃) und Zirkoniumoxid (ZrO₂) laminiert sind, können als dielektrischer Mehrschichtfilm verwendet werden. Die Schichtdicke ist z. B. eine optische Schichtdicke in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge λ und beträgt etwa λ/4. Die Schutzschicht 18 ist z. B. eine isolierende Schicht wie Siliziumnitrid (z. B. SiN) oder Siliziumoxid (z. B. SiO₂). Wenn das Halbleitersubstrat 10 und die Kontaktschicht 14 aus einem Halbleiter auf GaAs-Basis bestehen, kann die Elektrode 16 aus einem Material bestehen, das Au und mindestens eines der Elemente Cr, Ti und Pt enthält und z.B. eine laminierte Struktur aus einer Cr-Schicht und einer Au-Schicht aufweist. Die Elektrode 17 kann aus einem Material bestehen, das Au und mindestens eines von AuGe und Ni enthält, und hat z. B. eine laminierte Struktur aus einer AuGe-Schicht und einer Au-Schicht. Die Materialien der Elektroden 16 und 17 sind nicht auf die aufgeführten Materialien beschränkt, solange ein ohmscher Übergang realisiert werden kann.
Eine Elektrodenform wird verformt, und somit kann der Laserstrahl von der vorderen Fläche der Kontaktschicht 14 ausgegeben werden. Das heißt, wenn die Öffnung 17a der Elektrode 17 nicht vorgesehen ist und die Elektrode 16 auf der vorderen Fläche der Kontaktschicht 14 geöffnet ist, wird der Laserstrahl von der vorderen Fläche der Kontaktschicht 14 nach außen ausgegeben. In diesem Fall ist die Antireflexionsschicht innerhalb und um eine Öffnung der Elektrode 16 herum vorgesehen.
4 ist eine Draufsicht auf die Phasenmodulationsschicht 15A. Die Phasenmodulationsschicht 15A umfasst eine Basisschicht 15a und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b. Die Basisschicht 15a ist aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex gebildet. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Hier wird ein virtuelles Quadratgitter auf eine Fläche der Phasenmodulationsschicht 15A gesetzt, die mit einer X-Y-Ebene zusammenfällt. Eine Seite des Quadratgitters ist parallel zu einer X-Achse und die andere Seite ist parallel zu einer Y-Achse. Zu diesem Zeitpunkt können quadratische Einheitskomponentenbereiche R(x, y) mit Gitterpunkten O des Quadratgitters als Zentren in einer zweidimensionalen Form über eine Vielzahl von Spalten (x = 0, 1, 2, 3,...) entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Zeilen (y = 0, 1, 2,...) entlang der Y-Achse gesetzt werden. Wenn davon ausgegangen wird, dass die XY-Koordinaten jedes Einheitskomponentenbereichs R an einer Position des Schwerpunkts jedes Einheitskomponentenbereichs R gegeben sind, fällt diese Position des Schwerpunkts mit dem Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters zusammen. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b ist beispielsweise in jedem Einheitskomponentenbereich R vorgesehen. Der Gitterpunkt O kann außerhalb des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b positioniert sein oder in einer Innenseite des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b enthalten sein.
Das Verhältnis einer Fläche S des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, die einen Einheitskomponentenbereich R einnimmt, wird als Füllfaktor (FF) bezeichnet. Wenn der Gitterabstand des Quadratgitters a ist, ist der Füllfaktor FF des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b gegeben als S/a². S ist die Fläche des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene und wird als S = π(d/2)² angegeben, wenn z. B. der Durchmesser d eines perfekten Kreises verwendet wird und die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ein perfekter Kreis ist. Wenn die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b quadratisch ist, wird die Fläche desselben als S = LA² angegeben, indem eine Länge LA einer Seite des Quadrats verwendet wird.
5 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil (Einheitskomponentenbereich R) der Phasenmodulationsschicht 15Azeigt. Wie in 5 dargestellt, hat jeder der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b einen Schwerpunkt G, und die Position des Schwerpunkts G in dem Einheitskomponentenbereich R ist durch eine s-Achse und eine t-Achse orthogonal zum Gitterpunkt O gegeben. Hier wird angenommen, dass ein Winkel, der durch einen Vektor vom Gitterpunkt O(x, y) in Richtung des Schwerpunkts G und der s-Achse gebildet wird, φ(x,y) in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) ist, der durch die s-Achse und die t-Achse orthogonal zueinander definiert ist. x bezeichnet eine Position eines x-ten Gitterpunkts entlang der X-Achse, und y bezeichnet eine Position eines y-ten Gitterpunkts entlang der Y-Achse. Wenn ein Drehwinkel φ gleich 0° ist, fällt eine Orientierung des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, mit einer positiven Richtung der X-Achse zusammen. Es wird angenommen, dass eine Länge des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G verbindet, r(x, y) ist. In einem Beispiel ist r(x, y) konstant (über die gesamte Phasenmodulationsschicht 15A), unabhängig von x und y.
Wie in 4 dargestellt, entspricht die Orientierung des Vektors, der den Gitterpunkt O(x, y) und den Schwerpunkt G (den Schwerpunkt des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b) verbindet, d. h. der Drehwinkel φ um den Gitterpunkt des Schwerpunkts G des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, einem gewünschten optischen Bild und wird für jeden Gitterpunkt O(x, y) gemäß einem Phasenmuster individuell eingestellt. Das Phasenmuster, d. h. eine Drehwinkelverteilung φ(x,y), hat für jede Position einen bestimmten Wert, der durch die Werte von x und y bestimmt wird, aber nicht durch eine bestimmte Funktion dargestellt werden muss. Das heißt, die Drehwinkelverteilung φ(x,y) wird aus einer Phasenverteilung bestimmt, die aus den komplexen Amplitudenverteilungen extrahiert wird, die durch die Durchführung der inversen Fourier-Transformation des gewünschten optischen Bildes erhalten wurden. Wenn die komplexen Amplitudenverteilungen aus dem gewünschten optischen Bild gewonnen werden, kann die Reproduzierbarkeit des Strahlenmusters durch Anwendung eines iterativen Algorithmus wie z. B. einer Gerchberg-Saxton (GS)-Methode, die üblicherweise bei der Berechnung eines Hologramms verwendet wird, verbessert werden.
6 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem die im Wesentlichen periodische Struktur des Brechungsindex von 4 nur innerhalb eines bestimmten Bereichs der Phasenmodulationsschicht aufgebracht wird. In dem in 6 dargestellten Beispiel wird die im Wesentlichen periodische Struktur (Beispiel: die Struktur aus 4) zur Ausgabe eines Zielstrahlmusters in einem inneren Bereich RIN des Quadrats ausgebildet. Andererseits ist in einem äußeren Bereich ROUT, der den inneren Bereich RIN umgibt, ein perfekter kreisförmiger Bereich mit modifiziertem Brechungsindex angeordnet, dessen Position des Schwerpunkts mit einer Position des Gitterpunkts des Quadratgitters übereinstimmt. Der Füllfaktor FF im äußeren Bereich ROUT wird z. B. auf 12 % gesetzt. Der Gitterabstand des virtuell gesetzten Quadratgitters ist sowohl auf einer Innenseite des inneren Bereichs RIN als auch auf einer Innenseite des äußeren Bereichs ROUT gleich (= a). Bei dieser Struktur besteht der Vorteil, dass die Erzeugung von hochfrequentem Rauschen (sogenanntes Fensterfunktionsrauschen), das durch eine abrupte Änderung der Lichtintensität in einem Randbereich des inneren Bereichs RIN verursacht wird, durch die Verteilung des Lichts im äußeren Bereich ROUT unterdrückt werden kann. Es kann eine Lichtstreuung in Richtung der Ebene unterdrückt werden, und es ist eine Reduzierung des Schwellenstroms zu erwarten.
7 ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das ein Ausgangsstrahlmuster des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A ist, und der Drehwinkelverteilung φ(x,y) in der Phasenmodulationsschicht 15A. Ein Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlmusters kann nicht auf einer Achse senkrecht zur Hauptoberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 positioniert sein, sondern kann auch auf der senkrechten Achse angeordnet sein. Hier wird der Einfachheit halber angenommen, dass ein Mittelpunkt Q eines Wellenzahlraums, der durch eine Kx-Achse und eine Ky-Achse orthogonal zueinander gegeben ist, auf der Achse senkrecht zur Hauptfläche 10a positioniert ist. 7 zeigt vier Quadranten mit dem Mittelpunkt Q als Ursprung. 7 zeigt einen Fall, in dem optische Bilder in einem ersten Quadranten und einem dritten Quadranten als Beispiel erhalten werden, aber Bilder können auch in einem zweiten Quadranten und einem vierten Quadranten oder allen Quadranten erhalten werden. In der vorliegenden Ausführungsform werden optische Bilder, die punktsymmetrisch in Bezug auf den Ursprung sind, wie in 7 dargestellt, erhalten. Als Beispiel zeigt 7 einen Fall, in dem ein Buchstabe „A“ im dritten Quadranten und ein Muster, das durch Drehen des Buchstabens „A“ um 180 Grad erhalten wird, im ersten Quadranten erhalten wird. Bei rotationssymmetrischen optischen Bildern (z. B. einem Kreuz, einem Kreis, einem Doppelkreis und dergleichen) werden diese optischen Bilder als ein überlagertes optisches Bild betrachtet.
Das optische Bild des Ausgangsstrahlmusters des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A umfasst mindestens eines von einem Punkt, einer geraden Linie, einem Kreuz, einer Linienzeichnung, einem Gittermuster, einer Fotografie, einem Streifenmuster, einer Computergrafik (CG) und einem Zeichen. Hier wird, um ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, die Drehwinkelverteilung φ(x,y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b der Phasenmodulationsschicht 15A durch das folgende Verfahren bestimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann das gewünschte optische Bild durch Bestimmen der Drehwinkelverteilung φ(x,y) durch das folgende Verfahren erhalten werden. Zunächst wird in einer ersten Vorbedingung ein virtuelles Quadratgitter, das durch M1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N1 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Einheitskomponentenbereiche R gebildet wird, die jeweils eine quadratische Form aufweisen, auf der X-Y-Ebene in dem kartesischen XYZ-Koordinatensystem festgelegt, das durch die Z-Achse, die mit der Normalenrichtung zusammenfällt, und die X-Y-Ebene definiert ist, die mit einer Fläche der Phasenmodulationsschicht 15A zusammenfällt, die die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b enthält, und die X-Achse und die Y-Achse orthogonal zueinander umfasst.
In einer zweiten Vorbedingung wird angenommen, dass Koordinaten (ξ, η, ζ) im kartesischen XYZ-Koordinatensystem eine Beziehung erfüllen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) dargestellt wird, die durch eine Länge r eines radialen Durchmessers, einen Neigungswinkel θ_tilt von der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot von der X-Achse definiert sind, die in der X-Y-Ebene angegeben sind, wie in 8 dargestellt. 8 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Koordinatenumwandlung von den sphärischen Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) in die Koordinaten (ξ, η, ζ) im kartesischen XYZ-Koordinatensystem, und ein optisches Bild auf einer vorbestimmten Ebene im kartesischen XYZ-Koordinatensystem, das ein reeller Raum ist, wird durch die Koordinaten (ξ, η, ζ) ausgedrückt. Wenn das Strahlenmuster, das dem von dem Halbleiter-Lichtemissionselement ausgegebenen optischen Bild entspricht, ein Satz von hellen Flecken ist, die sich in eine Richtung bewegen, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert ist, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf der Kx-Achse, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (4) definiert ist und der X-Achse entspricht, und in einen Koordinatenwert k_y auf der Ky-Achse, der eine normierte Wellenzahl ist, die durch die folgende Formel (5) definiert ist, der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse ist, umgewandelt. Die normierte Wellenzahl bedeutet die Wellenzahl, die mit einer Wellenzahl 2π/a normiert ist, die dem Gitterabstand des virtuellen Quadratgitters als 1,0 entspricht. Dabei wird in dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlenraum ein bestimmter Wellenzahlenbereich, der das dem optischen Bild entsprechende Strahlenmuster enthält, durch M2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) × N2 (ganze Zahl von 1 oder mehr) Bildbereiche FR gebildet. Die ganze Zahl M2 muss nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen. Gleichermaßen muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Formel (4) und Formel (5) sind beispielsweise in dem zuvor beschriebenen Nicht-Patentdokument 2 offenbart. $ξ = r sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$η = r sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$
$ζ = r cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{a}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$

a: Gitterkonstante des virtuellen Quadratgitters
λ: Oszillationswellenlänge

In einer dritten Vorbedingung wird im Wellenzahlenraum eine komplexe Amplitude F(x, y), die durch Ausführen einer zweidimensionalen inversen diskreten Fourier-Transformation von jedem Bildbereich FR(k_x, k_y), der durch eine Koordinatenkomponente k_x (ganze Zahl von 0 oder mehr und M2-1 oder weniger) in Richtung der Kx-Achse und eine Koordinatenkomponente k_y (ganze Zahl von 0 oder mehr und N2-1 oder weniger) in Richtung der Ky-Achse spezifiziert ist, in den Einheitskomponentenbereich R(x, y) auf der X-Y Ebene, die durch eine Koordinatenkomponente x (ganze Zahl von 0 oder mehr und M1-1 oder weniger) in der X-Achsenrichtung und eine Koordinatenkomponente y (ganze Zahl von 0 oder mehr und N1-1 oder weniger) in der Y-Achsenrichtung spezifiziert ist, ist in der folgenden Formel (6) mit j als imaginärer Einheit gegeben. Wenn ein Amplitudenterm A(x, y) und ein Phasenterm P(x, y) ist, ist die komplexe Amplitude F(x, y) durch die folgende Formel (7) definiert. In einer vierten Vorbedingung ist der Einheitskomponentenbereich R(x, y) durch die s-Achse und die t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse und zur Y-Achse verlaufen und im Gitterpunkt O(x, y) als Mittelpunkt des Einheitskomponentenbereichs R(x, y) orthogonal sind. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 0}^{M 2 - 1} \sum_{k_{y} = 0}^{N 2 - 1} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (\frac{k_{x}}{M 2} x + \frac{k_{y}}{N 2} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Unter den zuvor beschriebenen ersten bis vierten Vorbedingungen ist die Phasenmodulationsschicht 15A so ausgebildet, dass sie die folgenden ersten und zweiten Bedingungen erfüllt. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass der Schwerpunkt G im Einheitskomponentenbereich R(x, y) in einem Zustand angeordnet ist, in dem er von dem Gitterpunkt O(x, y) getrennt ist. In der zweiten Bedingung ist der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich 15b in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) so angeordnet, dass ein Winkel φ(x,y), der durch ein Liniensegment, das den Gitterpunkt O(x, y) und den entsprechenden Schwerpunkt G verbindet, und die s-Achse gebildet wird, eine Beziehung der folgenden Formel in einem Zustand erfüllt, in dem eine Liniensegmentlänge r₂(x,y) von dem Gitterpunkt O(x, y) zu dem entsprechenden Schwerpunkt G auf einen gemeinsamen Wert in den M1 × N1-Einheitskomponentenbereichen R gesetzt ist. $φ (x, y) = C \times P (x, y) + B$

C: Proportionalitätskonstante, z. B. 180°/π
B: beliebige Konstante, z. B. 0

Um aus den durch die inverse Fourier-Transformation erhaltenen komplexen Amplitudenverteilungen eine Intensitäts- (Amplituden-) verteilung und eine Phasenverteilung zu erhalten, kann beispielsweise eine Intensitätsverteilung I(x, y) unter Verwendung einer abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks berechnet werden, und eine Phasenverteilung P(x, y) kann unter Verwendung einer Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Wenn die Anordnung jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b durch die Gewinnung der Drehwinkelverteilung φ(x,y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes bestimmt wird, werden im Folgenden die Punkte beschrieben, die bei der Berechnung mit einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) zu beachten sind. Wenn das optische Bild vor der inversen Fourier-Transformation in vier Quadranten wie A1, A2, A3 und A4 unterteilt wird, wie in 9A dargestellt, ergibt sich das in 9B gezeigte Strahlenmuster. Das heißt, ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters, das durch Drehen des ersten Quadranten von 9A um 180 Grad erhalten wird, mit einem Muster des dritten Quadranten von 9A erhalten wird, erscheint im ersten Quadranten des in 9B dargestellten Strahlmusters. Ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters, das durch Drehen eines Musters des zweiten Quadranten von 9A um 180 Grad auf einem Muster des vierten Quadranten von 9A erhalten wird, erscheint im zweiten Quadranten des in 9B dargestellten Strahlmusters. Ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters, das durch Drehen eines Musters des dritten Quadranten von 9A um 180 Grad auf einem Muster des ersten Quadranten von 9A erhalten wird, erscheint im dritten Quadranten des in 9B dargestellten Strahlmusters. Ein Muster, das durch Überlagerung eines Musters, das durch Drehen eines Musters des vierten Quadranten von 9A um 180 Grad auf einem Muster des zweiten Quadranten von 9A erhalten wurde, erscheint im vierten Quadranten des in 9B dargestellten Strahlmusters.
Dementsprechend erscheint, wenn ein optisches Bild mit einem Wert nur im ersten Quadranten als optisches Bild (optisches Originalbild) vor der inversen Fourier-Transformation verwendet wird, das Muster des ersten Quadranten des optischen Originalbildes im dritten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters, und ein Muster, das durch Drehen des Musters des ersten Quadranten des optischen Originalbildes um 180 Grad erhalten wird, erscheint im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlmusters.
Wie zuvor beschrieben, wird in dem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A eine Phasenmodulation auf einer Wellenoberfläche durchgeführt und dadurch ein gewünschtes Strahlmuster erhalten. Dieses Strahlmuster kann nicht nur ein Paar unimodaler Strahlen (Flecken) sein, sondern auch eine Buchstabenform, eine Gruppe von zwei oder mehr Flecken mit der gleichen Form oder ein Vektorstrahl, bei dem die Phasen- und Intensitätsverteilungen wie zuvor beschrieben räumlich ungleichmäßig sind, sein.
Vorzugsweise beträgt der Brechungsindex der Basisschicht 15a 3,0 bis 3,5 und der Brechungsindex jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b 1,0 bis 3,4. Ein durchschnittlicher Radius jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in dem Loch der Basisschicht 15a beträgt beispielsweise 20 nm bis 90 nm im Fall eines 940-nm-Bandes. Die Größe jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b ändert sich, und damit ändert sich auch die Beugungsintensität. Diese Beugungseffizienz ist proportional zu einem optischen Kopplungskoeffizienten, der durch einen Koeffizienten dargestellt wird, wenn eine Fourier-Transformation an der Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b durchgeführt wird. Der optische Kopplungskoeffizient wird z. B. in dem zuvor beschriebenen Nicht-Patentdokument 3 beschrieben.
Als nächstes werden die Merkmale der Phasenmodulationsschicht 15A der vorliegenden Ausführungsform im Detail beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform erfüllen ein Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und eine Emissionswellenlänge λ der aktiven Schicht 12 eine Bedingung der M-Punkt-Oszillation. Wenn ein reziproker Gitterraum (Wellenzahlraum) in der Phasenmodulationsschicht 15A betrachtet wird, zeigen in der Ebene liegende Wellenzahlvektoren in vier Richtungen stehende Wellen an, die durch die Drehwinkelverteilung φ(x,y) phasenmoduliert sind und jeweils eine Wellenzahlverteilung enthalten, die einer Winkelverteilung des Lichts entspricht, das das optische Bild bildet. Der Betrag von mindestens einem der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren ist kleiner als 2π/λ (Lichtlinie). Nachfolgend werden diese Punkte im Detail beschrieben.
Zunächst wird zum Vergleich ein photonischer Kristalllaser (PCSEL) beschrieben, der an einem Γ-Punkt im reziproken Gitterraum schwingt. Der PCSEL hat eine aktive Schicht und eine photonische Kristallschicht, in der die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche periodisch in einer zweidimensionalen Form angeordnet ist. In einer Ebene senkrecht zu einer Dickenrichtung der photonischen Kristallschicht ist der PCSEL ein Halbleiterelement, das einen Laserstrahl entlang der Normalenrichtung der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats abgibt und dabei eine stehende Welle mit einer Oszillationswellenlänge bildet, die einer Anordnungsperiode des modifizierten Brechungsindexbereichs entspricht. Für die Γ-Punkt-Oszillation können der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters, die Emissionswellenlänge λ der aktiven Schicht 12 und ein äquivalenter Brechungsindex n der Mode eine Bedingung erfüllen: λ = na.
10 ist eine Draufsicht, die den reziproken Gitterraum (Wellenzahlraum) der photonischen Kristallschicht des am Γ-Punkt oszillierenden PCSEL zeigt. Diese Zeichnung veranschaulicht einen Fall, in dem die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche auf den Gitterpunkten des Quadratgitters positioniert ist, und ein Punkt P in dieser Zeichnung stellt einen reziproken Gitterpunkt dar. Ein Pfeil B1 in dieser Zeichnung stellt einen reziproken Basis-Gittervektor dar, und jeder Pfeil B2 stellt einen reziproken Gittervektor dar, der doppelt so groß ist wie der reziproke Basis-Gittervektor B1. Die Pfeile K1, K2, K3 und K4 stellen vier In-Ebene-Wellenzahlvektoren dar. Die vier in-plane Wellenzahlvektoren K1, K2, K3 und K4 werden durch 90°- und 180°-Beugung miteinander kombiniert und es entsteht ein stehender Wellenzustand. Dabei werden im reziproken Gitterraum eine Γ-X-Achse und eine Γ-Y Achse definiert, die zueinander orthogonal sind. Die Γ-X-Achse ist parallel zu einer Seite des Quadratgitters, und die Γ-Y Acllse ist parallel zur anderen Seite des Quadratgitters. Der In-Ebene-Wellenzahlvektor ist ein Vektor, den man durch Projektion des Wellenzahlvektors in die Γ-X- und Γ-Y Ebenen erhält. Das heißt, der In-Ebene-Wellenzahlvektor K1 weist eine positive Richtung auf der Γ-X-Achse auf, der In-Ebene-Wellenzahlvektor K2 weist eine positive Richtung auf der Γ-Y Achse auf, der In-Ebene-Wellenzahlvektor K3 weist eine negative Richtung auf der Γ-X-Achse auf, und der In-Ebene-Wellenzahlvektor K4 weist eine negative Richtung auf der Γ-Y Achse auf. Wie aus 10 ersichtlich ist, sind in dem am Γ-Punkt schwingenden PCSEL die Beträge der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K1 bis K4 (d. h. die Beträge der stehenden Wellen in In-Ebene-Richtung) gleich dem Betrag des reziproken Grundgittervektors B1. Die Beträge k der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K1 bis K4 ergeben sich aus der folgenden Formel (8). $k = | B 1 | = \frac{2 π}{a}$
11 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht des in 10 dargestellten reziproken Gitterraums. In 11 ist die Z-Achse orthogonal zu den Richtungen der Γ-X-Achse und der Γ-Y Achse dargestellt. Diese Z-Achse ist die gleiche wie die in 1 dargestellte Z-Achse. Wie in 11 dargestellt, wird bei dem am Γ-Punkt oszillierenden PCSEL die Wellenzahl in der In-Ebene-Richtung aufgrund der Beugung 0, und die Beugung erfolgt in einer vertikalen Richtung der Ebene (Z-Achsen-Richtung) (Pfeil K5 in dieser Zeichnung). Dementsprechend wird der Laserstrahl grundsätzlich in Richtung der Z-Achse ausgegeben.
Als nächstes wird ein PCSEL beschrieben, der an einem Punkt M schwingt. Für die M-Punkt-Oszillation können der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters, die Emissionswellenlänge λ der aktiven Schicht 12 und der äquivalente Brechungsindex n der Mode eine Bedingung erfüllen: λ = (√2)n × a. 12 ist eine Draufsicht, die den reziproken Gitterraum (Wellenzahlraum) der photonischen Kristallschicht des am Punkt M oszillierenden PCSEL zeigt. 12 zeigt auch einen Fall, in dem die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche auf den Gitterpunkten des Quadratgitters positioniert ist, und ein Punkt P in 12 stellt einen reziproken Gitterpunkt dar. Ein Pfeil B1 in 12 repräsentiert den gleichen reziproken Basis-Gittervektor wie der in 10, und die Pfeile K6, K7, K8 und K9 repräsentieren vier in der Ebene liegende Wellenzahl-Vektoren. Hier sind im reziproken Gitterraum eine Γ-M1-Achse und eine Γ-M2-Achse definiert, die zueinander orthogonal sind. Die Γ-M1-Achse ist parallel zu einer Diagonalrichtung des Quadratgitters, und die Γ-M2-Achse ist parallel zur anderen Diagonalrichtung des Quadratgitters. Der In-Ebene-Wellenzahlvektor ist ein Vektor, den man durch Projektion des Wellenzahlvektors in die Γ-M1- und Γ-M2-Ebenen erhält. Das heißt, der In-Ebene-Wellenzahlvektor K6 weist eine positive Richtung auf der Γ-M1-Achse auf, der In-Ebene-Wellenzahlvektor K7 weist eine positive Richtung auf der Γ-M2-Achse auf, der In-Ebene-Wellenzahlvektor K8 weist eine negative Richtung auf der Γ-M1-Achse auf, und der In-Ebene-Wellenzahlvektor K9 weist eine negative Richtung auf der Γ-M2-Achse auf. Wie aus 12 ersichtlich ist, sind in dem am Punkt M schwingenden PCSEL die Beträge der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 (also die Beträge der stehenden Wellen in In-Ebene-Richtung) größer als der Betrag des reziproken Basis-Gittervektors B1. Die Beträge k der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 ergeben sich aus der folgenden Formel (9). $k = \frac{1}{\sqrt{2}} \frac{2 π}{a}$
Die Beugung erfolgt in Richtung einer Vektorsumme aus den Wellenzahlvektoren K6 bis K9 und dem reziproken Gittervektor (Betrag ist 2 mπ/a, m: ganzzahlig). Im PCSEL, der am Punkt M oszilliert, kann die Wellenzahl in der In-Ebene-Richtung aufgrund der Beugung jedoch nicht 0 sein, und eine Beugung in der vertikalen Richtung der Ebene (Z-Achsen-Richtung) findet nicht statt. Da der Laserstrahl also nicht in der vertikalen Richtung der Ebene ausgegeben wird, wird die M-Punkt-Oszillation normalerweise nicht im PCSEL verwendet.
Als nächstes wird der S-iPM-Laser beschrieben, der am Γ-Punkt schwingt. Die Bedingung der Γ-Punkt-Oszillation ist die gleiche wie im Fall des zuvor beschriebenen PCSEL. 13 ist eine Draufsicht, die den reziproken Gitterraum für die Phasenmodulationsschicht des im Γ-Punkt oszillierenden S-iPM-Lasers zeigt. Der reziproke Basis-Gittervektor B1 ist der gleiche wie im PCSEL der Γ-Punkt-Oszillation (siehe 10), aber die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K1 bis K4 sind durch die Drehwinkelverteilung φ(x,y) phasenmoduliert und haben jeweils eine Wellenzahlverteilung SP, die dem Spreizwinkel des optischen Bildes entspricht. Die Wellenzahlverteilung SP kann als ein rechteckiger Bereich ausgedrückt werden, in dem die Seitenlängen in x-Achsenrichtung und der y-Achse 2Δkx_max und 2Δky_max betragen, indem als Mittelpunkt eine Spitze jedes der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K1 bis K4 im PCSEL der Γ-Punkt-Oszillation verwendet wird. Aufgrund einer solchen Wellenzahlverteilung SP spreizt sich jeder der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K1 bis K4 über einen rechteckigen Bereich von (Kix + Δkx, Kiy + Δky) (i = 1 bis 4, Kix ist eine Komponente des Vektors Ki in x-Richtung, Kiy ist eine Komponente des Vektors Ki in y-Richtung). Dabei sind -Δkx_max ≤ Δkx ≤ Δkx_max und -Δky_max ≤ Δky ≤ Δky_max. Die Beträge von Δkx_max und Δky_max werden entsprechend dem Streuwinkel des optischen Bildes festgelegt. Mit anderen Worten, die Beträge von Δkx_max und Δky_max hängen von dem optischen Bild ab, das auf dem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A angezeigt werden soll.
14 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht des in 13 dargestellten reziproken Gitterraums. In 14 ist die Z-Achse orthogonal zu einer Richtung entlang der Γ-X-Achse und einer Richtung entlang der Γ-Y Achse dargestellt. Diese Z-Achse ist die gleiche wie die in 1 dargestellte Z-Achse. Wie in 14 dargestellt, wird im Fall des S-iPM-Lasers, der am Γ-Punkt schwingt, ein optisches Bild (Strahlmuster) LM mit einer zweidimensionalen Ausbreitung ausgegeben, das nicht nur das Licht der nullten Ordnung in der vertikalen Richtung der Ebene (Z-Achsenrichtung), sondern auch das Licht der +1. Ordnung und das Licht der -1. Ordnung in der zur Z-Achsenrichtung geneigten Richtung enthält.
Als nächstes wird der im Punkt M oszillierende S-iPM-Laser beschrieben. Die Bedingung der M-Punkt-Oszillation ist die gleiche wie im Fall des zuvor beschriebenen PCSEL. 15 ist eine Draufsicht, die den reziproken Gitterraum für die Phasenmodulationsschicht des im Punkt M oszillierenden S-iPM-Lasers zeigt. Der reziproke Basis-Gittervektor B1 ist derselbe wie der im PCSEL der M-Punkt-Oszillation (siehe 12), aber die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 haben jeweils die Wellenzahlverteilung SP aufgrund der Drehwinkelverteilung φ(x,y). Form und Betrag der Wellenzahlverteilung SP sind die gleichen wie im Fall der zuvor beschriebenen Γ-Punkt-Oszillation. Auch im S-iPM-Laser sind die Beträge der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 (d. h. die Beträge der stehenden Wellen in der Richtung der Ebene) kleiner als der Betrag des reziproken Grundgittervektors B1 im Fall der M-Punkt-Oszillation (die Wellenzahl in der Richtung der Ebene kann wegen der Beugung nicht 0 sein, und die Beugung in der vertikalen Richtung der Ebene (Z-Achsenrichtung) tritt nicht auf). Dementsprechend werden das Licht nullter Ordnung in der vertikalen Richtung der Ebene (Z-Achsenrichtung) und sowohl das Licht +1-ter Ordnung als auch das Licht -1-ter Ordnung in der Richtung, die in Bezug auf die Z-Achsenrichtung geneigt ist, nicht ausgegeben.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Phasenmodulationsschicht 15A in dem am M-Punkt oszillierenden S-iPM-Laser wie folgt aufgebaut, und somit wird ein Teil des Lichts der +1. Ordnung und des Lichts der -1. Ordnung ausgegeben, ohne dass das Licht der nullten Ordnung ausgegeben wird. Insbesondere wird, wie in 16 dargestellt, ein Beugungsvektor V mit einem bestimmten Betrag und einer bestimmten Richtung zu den in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 addiert, und somit wird der Betrag von mindestens einem (in dieser Zeichnung der in der Ebene liegende Wellenzahlvektor K8) der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 so eingestellt, dass er kleiner als 2π/λ ist. Mit anderen Worten: Mindestens einer der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 (der In-Ebene-Wellenzahlvektor K8) liegt nach Addition des Beugungsvektors V innerhalb eines kreisförmigen Bereichs (Lichtlinie) LL mit einem Radius von 2π/λ. Die durch gestrichelte Linien in 16 dargestellten In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 stellen Vektoren vor der Addition des Beugungsvektors V dar, und die durch durchgezogene Linien dargestellten In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 stellen Vektoren nach der Addition des Beugungsvektors V dar. Die Lichtlinie LL entspricht einer Totalreflexionsbedingung, und der Wellenzahlvektor mit einer Größe zum Einschließen des In-Ebene-Wellenzahlvektors in die Lichtlinie LL hat eine Komponente in der vertikalen Richtung der Ebene (Richtung der Z-Achse). In einem Beispiel liegt eine Richtung des Beugungsvektors V entlang der Γ-M1-Achse oder der Γ-M2-Achse, und ein Betrag davon liegt in einem Bereich von 2π/(√2)a - π/λ bis 2π/(√2)a + π/λ (zum Beispiel 2π/(√2)a).
Es werden die Größe und die Orientierung des Beugungsvektors V für die Einbeziehung mindestens eines der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in die Lichtlinie LL untersucht. Die folgenden Formeln (10) bis (13) geben die In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 an, bevor der Beugungsvektor V angewendet wird. $K 6 = (\frac{π}{a} + Δ k x, \frac{π}{a} + Δ k y)$
$K7 = (- \frac{π}{a} + Δ k x, \frac{π}{a} + Δ k y)$
$K8 = (- \frac{π}{a} + Δ k x, - \frac{π}{a} + Δ k y)$
$K9 = (\frac{π}{a} + Δ k x, - \frac{π}{a} + Δ k y)$
Die Wellenzahl-Vektorverteilungen Δkx und Δky erfüllen die folgenden Formeln (14) und (15), und ein Maximalwert Δkx_max der in der Ebene liegenden Wellenzahl-Vektorverteilung in x-Achsenrichtung und ein Maximalwert Δky_max der Verteilung in y-Achsenrichtung sind durch die Winkelverteilung des Lichts, das das optische Bilddesign bildet, definiert. $- Δ k x_{m a x} \leq Δ k x \leq Δ k x_{m a x}$
$- Δ k y_{m a x} \leq Δ k y \leq Δ k y_{m a x}$
Hier, wenn der Beugungsvektor V durch die folgende Formel (16) ausgedrückt wird, werden die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 nach der Addition des Beugungsvektors V zu den folgenden Formeln (17) bis Formel (20). $V = (Vx, Vy)$
$K 6 = (\frac{π}{a} + Δ k x + Vx, \frac{π}{a} + Δ k y + Vy)$
$K7 = (- \frac{π}{a} + Δ k x + Vx, \frac{π}{a} + Δ k y + Vy)$
$K8 = (- \frac{π}{a} + Δ k x + Vx, - \frac{π}{a} + Δ k y + Vy)$
$K9 = (\frac{π}{a} + Δ k x + Vx, - \frac{π}{a} + Δ k y + Vy)$
Wenn berücksichtigt wird, dass einer der Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in der Lichtlinie LL in der obigen Formel (17) bis Formel (20) enthalten ist, wird eine Beziehung der folgenden Formel (21) hergestellt. ${(\pm \frac{π}{a} + Δ k x + Vx)}^{2} + {(\pm \frac{π}{a} + Δ k y + Vy)}^{2} < {(\frac{2 π}{λ})}^{2}$
Das heißt, der Beugungsvektor V, der die obige Formel (21) erfüllt, wird addiert, und somit ist jeder der Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in der Lichtlinie LL enthalten. Dementsprechend wird ein Teil des Lichts der +1. Ordnung und des Lichts der -1. Ordnung ausgegeben.
Der Grund, warum die Größe (Radius) der Lichtlinie LL auf 2π/λ festgelegt ist, ist folgender. 17 ist ein Diagramm zur schematischen Beschreibung einer peripheren Struktur der Lichtlinie LL und zeigt eine Grenze zwischen der Vorrichtung und der Luft, gesehen aus einer Richtung senkrecht zur Z-Achsenrichtung. Obwohl ein Betrag eines Wellenzahlvektors des Lichts im Vakuum 2π/λ ist, ist ein Betrag eines Wellenzahlvektors Ka in einem Medium mit einem Brechungsindex n 2πη/λ, wenn sich das Licht in einem Vorrichtungsmedium ausbreitet, wie in 17 dargestellt. Damit sich das Licht an der Grenze zwischen dem Gerät und der Luft ausbreiten kann, muss zu diesem Zeitpunkt eine Wellenzahlkomponente parallel zur Grenze stetig sein (Wellenzahlerhaltungssatz). Wenn der Wellenzahlvektor Ka und die Z-Achse in 17 einen Winkel θ bilden, ist die Länge eines in die Ebene projizierten Wellenzahlvektors (d. h. des In-Ebene-Wellenzahlvektors) Kb (2πin/λ)sinθ. Andererseits gilt der Wellenzahlerhaltungssatz im Allgemeinen nicht bei einem Winkel, bei dem der In-Ebene-Wellenzahlvektor Kb im Medium größer als 2π/λ ist, aus einer Beziehung des Brechungsindex n des Mediums > 1. Zu diesem Zeitpunkt wird das Licht total reflektiert und kann nicht zur Luftseite herausgeführt werden. Der Betrag des Wellenzahlvektors, der dieser Totalreflexionsbedingung entspricht, ist der Betrag der Lichtlinie LL und beträgt 2π/λ.
Ein Verfahren zur Überlagerung einer Drehwinkelverteilung φ₂(x,y) (zweite Phasenverteilung), die nicht im Zusammenhang mit dem optischen Bild steht, mit einer Drehwinkelverteilung φ₁(x, y) (erste Phasenverteilung), die eine Phasenverteilung zur Bildung eines gewünschten optischen Bildes ist, wird als ein Beispiel für ein konkretes Verfahren zur Addition des Beugungsvektors V zu den in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 betrachtet. In diesem Fall wird die Drehwinkelverteilung φ(x,y) der Phasenmodulationsschicht 15A als die folgende Formel dargestellt.
φ(x,y) = φ₁(x, y) + φ₂(x,y) φ₁(x, y) entspricht der Phase der komplexen Amplitude, wenn die inverse Fourier-Transformation auf dem optischen Bild wie zuvor beschrieben durchgeführt wird. φ₂(x,y) ist eine Drehwinkelverteilung für die Addition des Beugungsvektors V, die die obige Formel (21) erfüllt. 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Drehwinkelverteilung φ₂(x,y) konzeptionell darstellt. Wie in 18 dargestellt, sind in diesem Beispiel erste Phasenwerte φ_A und zweite Phasenwerte φ_B , die einen anderen Wert als die ersten Phasenwerte φ_A haben, in einem Karomuster angeordnet. Das heißt, die zweiten Phasenwerte φ_B , die einen anderen Wert als die ersten Phasenwerte φ_A haben, sind abwechselnd entlang der beiden orthogonalen Richtungen angeordnet. In einem Beispiel ist der Phasenwert φ_A 0 (Rad) und der Phasenwert φ_B ist π (Rad). Das heißt, der erste Phasenwert φ_A und der zweite Phasenwert φ_B ändern sich um π. Mit einer solchen Anordnung der Phasenwerte kann der Beugungsvektor V entlang der Γ-M1-Achse oder der Γ-M2-Achse in geeigneter Weise realisiert werden. Wenn die ersten Phasenwerte φ_A und die zweiten Phasenwerte φ_B wie zuvor beschrieben im Prüfmuster angeordnet sind, ist der Beugungsvektor V genau um die Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in 15 wie V = (± π/a, ± π/a) versetzt. Die Orientierung des Beugungsvektors V kann durch Änderung der Anordnungsrichtung der Phasenwerte φ_A und φ_B von 45° in eine beliebige Richtung eingestellt werden.
In der zuvor beschriebenen Struktur können die Materialien, die Schichtdicke und die Struktur der Schichten auf verschiedene Weise geändert werden, solange die Struktur die aktive Schicht 12 und die Phasenmodulationsschicht 15A enthält. Hier wird das Skalierungsgesetz für den sogenannten photonischen Kristalllaser mit quadratischem Gitter aufgestellt, wenn die Störung des virtuellen Quadratgitters 0 ist. Das heißt, wenn die Wellenlänge ein Vielfaches einer Konstanten α wird, kann der gleiche Stehwellenzustand durch Multiplikation der gesamten Quadratgitterstruktur mit α erhalten werden. In ähnlicher Weise kann in der vorliegenden Ausführungsform die Struktur der Phasenmodulationsschicht 15A entsprechend dem Skalierungsgesetz entsprechend der Wellenlänge bestimmt werden. Dementsprechend kann das Halbleiter-Lichtemissionselement 1A, das sichtbares Licht ausgibt, unter Verwendung der aktiven Schicht 12, die blaues, grünes, rotes und ähnliches Licht emittiert, und unter Anwendung des der Wellenlänge entsprechenden Skalierungsgesetzes realisiert werden.
Bei der Herstellung des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A wird eine metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder eine Molekularstrahlepitaxie-Methode (MBE) für das Wachstum jeder Verbindungshalbleiterschicht angewendet. Bei der Herstellung des Halbleiter-Lichtemissionselements 1A unter Verwendung von AlGaAs beträgt die Wachstumstemperatur von AlGaAs 500°C bis 850°C, und 550 bis 700°C wird in einem Experiment angenommen. Trimethylaluminium (TMA) als Al-Rohmaterial während des Wachstums, Trimethylgallium (TMG) und Triethylgallium (TEG) als Gallium-Rohmaterial, AsH₃ (Arsin) als As-Rohmaterial, Si₂H₆ (Disilan) als Rohmaterial für n-Typ-Verunreinigungen und DEZn (Diethylzink) als Rohmaterial für p-Typ-Verunreinigungen werden verwendet. TMG und Arsin werden beim Wachstum von GaAs verwendet, aber TMA wird nicht eingesetzt. InGaAs wird unter Verwendung von TMG, Trimethylindium (TMI) und Arsin hergestellt. Eine isolierende Schicht kann durch Sputtern eines Targets unter Verwendung eines Ausgangsmaterials oder durch ein Plasma-CVD-Verfahren (PCVD) hergestellt werden.
Das heißt, in dem zuvor beschriebenen Halbleiter-Lichtemissionselement 1A werden zunächst eine AlGaAs-Schicht als n-Typ-Mantelschicht 11, eine InGaAs/AlGaAs-Mehrfach-Quantentopfstruktur als aktive Schicht 12 und eine GaAs-Schicht als Basisschicht 15a der Phasenmodulationsschicht 15A nacheinander auf einem GaAs-Substrat als n-Typ-Halbleitersubstrat 10 epitaktisch aufgewachsen, indem ein metallorganisches Dampfphasen-Wachstumsverfahren (MOCVD) verwendet wird.
Als nächstes wird ein weiterer Resist auf die Basisschicht 15a aufgebracht. Nachdem ein zweidimensionales Feinmuster mit einem Elektronenstrahl-Zeichengerät auf den Resist gezeichnet wurde, wird das zweidimensionale Feinmuster auf dem Resist durch Entwickeln des gezeichneten Resists gebildet. Danach wird das zweidimensionale Feinmuster durch Trockenätzen mit dem Resist als Maske auf die Basisschicht 15a übertragen, und es werden Löcher in der Basisschicht 15a gebildet. Danach wird der Resist entfernt. Eine SiN-Schicht oder eine SiO₂-Schicht kann auf der Basisschicht 15a durch das PCVD-Verfahren gebildet werden, bevor der Lack gebildet wird, und die Lackmaske kann auf der SiN-Schicht oder der SiO₂-Schicht gebildet werden. Nachdem das feine Muster durch reaktives Ionenätzen (RIE) auf die SiN-Schicht oder die SiO₂-Schicht übertragen wurde, kann der Resist entfernt und anschließend ein Trockenätzverfahren durchgeführt werden. In diesem Fall kann die Beständigkeit gegenüber dem Trockenätzen erhöht werden. Diese Löcher werden als die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b verwendet, oder der Verbindungshalbleiter (AlGaAs), der zu den modifizierten Brechungsindexbereichen 15b wird, wird in diesen Löchern neu aufgewachsen, so dass er eine Tiefe hat, die gleich oder tiefer als diese Löcher ist. Wenn die Löcher als die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b verwendet werden, kann ein Gas wie Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Argon in den Löchern eingeschlossen werden. Anschließend werden nacheinander eine AlGaAs-Schicht als Mantelschicht 13 und eine GaAs-Schicht als Kontaktschicht 14 durch MOCVD und die Elektroden 16 und 17 durch ein Aufdampfverfahren oder ein Sputterverfahren gebildet. Falls erforderlich, werden die Schutzschicht 18 und die Antireflexionsschicht 19 durch das Sputter- oder PCVD-Verfahren o. ä. gebildet.
Wenn die Phasenmodulationsschicht 15A zwischen der aktiven Schicht 12 und der Mantelschicht 11 vorgesehen ist, kann die Phasenmodulationsschicht 15A auf der Mantelschicht 11 gebildet werden, bevor die aktive Schicht 12 gebildet wird.
Im Folgenden werden Effekte, die durch das Halbleiter-Lichtemissionselement 1A gemäß der zuvor beschriebenen vorliegenden Ausführungsform erzielt werden, beschrieben. In diesem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A sind die Schwerpunkte G der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 15b von den entsprechenden Gitterpunkten O des virtuellen Quadratgitters entfernt angeordnet und haben die Drehwinkel, die dem optischen Bild um die Gitterpunkte O entsprechen. Gemäß einer solchen Struktur kann das Licht, das das optische Bild in beliebiger Form entlang der Normalenrichtung (Z-Achsenrichtung) der Hauptoberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10, der die Normalenrichtung schneidenden Neigungsrichtung oder beider Richtungen bildet, als der S-iPM-Laser ausgegeben werden. In dem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A erfüllen der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und die Emissionswellenlänge λ der aktiven Schicht 12 die Bedingung der M-Punkt-Oszillation. Normalerweise wird im Stehwellenzustand der M-Punkt-Oszillation das sich in der Phasenmodulationsschicht 15A ausbreitende Licht vollständig reflektiert, und die Ausgänge sowohl des Signallichts (das Licht der +1. Ordnung und das Licht der -1. Ordnung) als auch des Lichts der nullten Ordnung werden unterdrückt. In dem Halbleiter-Lichtemissionselement lAder vorliegenden Ausführungsform ist jedoch der Betrag von mindestens einem der gleichphasigen Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in vier Richtungen, die die im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht 15A gebildeten in-plane Wellenzahlvektoren sind und jeweils die Wellenzahlverteilung Δk aufgrund der Drehwinkelverteilung φ(x,y) enthalten, kleiner als 2π/λ (Lichtlinie LL). Beim S-iPM-Laser können z. B. die In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 durch die Ausprägung der Drehwinkelverteilung φ(x,y) eingestellt werden. Wenn der Betrag von mindestens einem In-Ebene-Wellenzahlvektor kleiner als 2π/λ ist, hat der In-Ebene-Wellenzahlvektor eine Komponente in Richtung der Z-Achse, und somit wird ein Teil des Signallichts von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegeben. Da jedoch das Licht nullter Ordnung immer noch in der Ebene in der Richtung begrenzt ist, die mit einem der vier Wellenzahlvektoren (±π/a, ±π/a) zusammenfällt, die die stehenden Wellen am Punkt M bilden, wird das Licht nullter Ordnung nicht in die Lichtlinie von der Phasenmodulationsschicht 15A ausgegeben. Das heißt, gemäß dem Halbleiter-Lichtemissionselement 1Ader vorliegenden Ausführungsform kann das Licht nullter Ordnung, das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthalten ist, aus der Lichtlinie entfernt werden, und nur das Signallicht kann in die Lichtlinie ausgegeben werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Drehwinkelverteilung φ(x, y) durch Überlagerung der Drehwinkelverteilung φ₁(x, y), die dem optischen Bild entspricht, mit der Drehwinkelverteilung φ₂(x,y), die nicht mit dem optischen Bild in Beziehung steht, erhalten werden. In diesem Fall kann die Drehwinkelverteilung φ₂(x,y) die Drehwinkelverteilung zum Addieren der Beugungsvektoren V mit bestimmter konstanter Größe und Orientierung zu den in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen aufgrund der Drehwinkelverteilung φ₁(x, y) im inversen Gitterraum der Phasenmodulationsschicht 15A sein. Als Ergebnis der Addition des Beugungsvektors V zu den In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen kann der Betrag von mindestens einem der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen kleiner als 2π/λ sein. Dementsprechend lässt sich leicht eine Konfiguration realisieren, bei der der Betrag mindestens eines der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen einschließlich der Wellenzahlverteilungen Δkx und Δky aufgrund der Drehwinkelverteilung φ(x,y) kleiner als 2π/λ (helle Linie) im reziproken Gitterraum ist.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Drehwinkelverteilung φ₂(x,y) ein Muster sein, in dem die Phasenwerte φ_A und φ_B mit unterschiedlichen Werten im Karomuster angeordnet sind. Mit einer solchen Drehwinkelverteilung φ₂(x,y) kann der zuvor beschriebene Beugungsvektor V leicht realisiert werden.
19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Drehwinkelverteilung φ(x, y) der Phasenmodulationsschicht 15A zeigt. 20 ist eine vergrößerte Ansicht eines in 19 dargestellten Abschnitts S. In 19 und 20 wird eine Größe eines Drehwinkels durch Farbschattierungen dargestellt, und je dunkler der Bereich wird, desto größer wird der Drehwinkel (d.h. ein Phasenwinkel wird größer). Aus 20 ist ersichtlich, dass Muster, in denen Phasenwerte mit unterschiedlichen Werten in einem Karomuster angeordnet sind, überlagert werden. 21 zeigt ein Strahlenmuster (optisches Bild), das von dem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A mit der in 19 dargestellten Drehwinkelverteilung φ(x,y) ausgegeben wird. 22 ist ein schematisches Diagramm des in 21 dargestellten Strahlenmusters. Die Mittelpunkte der 21 und 22 entsprechen der Z-Achse. Wie aus den 21 und 22 ersichtlich ist, gibt das Halbleiter-Lichtemissionselement 1ALicht der +1. Ordnung aus, das einen ersten optischen Bildabschnitt LM1 enthält, der in einer ersten Richtung, die in Bezug auf die Z-Achse geneigt ist, ausgegeben wird, und Licht der -1. Ordnung, das einen zweiten optischen Bildabschnitt LM2 enthält, der in einer zweiten Richtung symmetrisch zur ersten Richtung in Bezug auf die Z-Achse ausgegeben wird und in Bezug auf die Z-Achse rotationssymmetrisch zum ersten optischen Bildabschnitt LM1 ist, aber kein Licht der nullten Ordnung ausgibt, das sich auf der Z-Achse bewegt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann das Muster, das die Z-Achse umfasst und symmetrisch zur Z-Achse ist, ausgegeben werden. Da es zu diesem Zeitpunkt kein Licht nullter Ordnung gibt, treten auch auf der Z-Achse keine Ungleichmäßigkeiten in der Intensität des Musters auf. Konstruktionsbeispiele für solche Strahlmuster sind 5 × 5 Mehrpunktverbindungen (multipoints), Netze (mesh) und eindimensionale Muster. Schematische Darstellungen und Phasenverteilungen dieser Strahlmuster sind in 23A, 23B, 24A, 24B, 25A und 25B dargestellt. Ein solches Strahlmuster kann z. B. für die Objekterkennung und dreidimensionale Messung verwendet werden, und eine augensichere Lichtquelle kann durch Verwendung einer augensicheren Wellenlänge oder Ähnlichem bereitgestellt werden.
(Erstes Modifikationsbeispiel)
Wenn in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die Wellenzahlverteilung, die auf der Winkelverteilung des optischen Bildes basiert, in einen Kreis mit dem Radius Δk mit einem bestimmten Punkt des Wellenzahlraums als Mittelpunkt eingeschlossen ist, kann folgendes einfach berücksichtigt werden. Der Beugungsvektor V wird zu den In-Ebene-Wellenzahl-Vektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen addiert, und somit wird der Betrag von mindestens einem der In-Ebene-Wellenzahl-Vektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen kleiner als 2π/λ (Lichtlinie LL) gesetzt. Es kann berücksichtigt werden, dass der Beugungsvektor V zum In-Ebene-Wellenzahlvektor ohne die Wellenzahlverteilung Δk aus den In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen addiert wird (d. h. die In-Ebene-Wellenzahl-vektoren in den vier Richtungen im Quadratgitter PCSEL der M-Punkt-Oszillation, siehe 12), und somit wird der Betrag von mindestens einem der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen kleiner als ein Wert {(2π/λ) - Δk} gesetzt, den man durch Subtraktion der Wellenzahlverteilung Δk von 2π/λ erhält.
26 ist ein Diagramm, das die zuvor beschriebene Funktionsweise konzeptionell veranschaulicht. Wie in dieser Zeichnung dargestellt, wird der Beugungsvektor V zu den In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 unter Ausschluss der Wellenzahlverteilung Δk addiert, und somit wird der Betrag von mindestens einem der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 so eingestellt, dass er kleiner als {(2π/λ) - Δk} ist. In dieser Zeichnung ist ein Bereich LL2 ein kreisförmiger Bereich mit einem Radius von {(2π/λ) - Δk}. In 26 stellen die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, vor der Addition des Beugungsvektors V dar, und die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9, die durch durchgezogene Linien dargestellt sind, nach der Addition des Beugungsvektors V Der Bereich LL2 entspricht einem Bereich, in dem ein Effekt der Wellenzahlverteilung Δk des Strahlmusters von der Totalreflexionsbedingung subtrahiert wird, und der Wellenzahlvektor, der den Betrag für die Einbeziehung des In-Ebene-Wellenzahlvektors im Bereich LL2 hat, breitet sich in der vertikalen Richtung der Ebene (Z-Achsenrichtung) aus.
Im vorliegenden Änderungsbeispiel werden die Größe und die Orientierung des Beugungsvektors V zur Einbeziehung mindestens eines der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 im Bereich LL2 beschrieben. Die folgenden Formeln (22) bis (25) stellen die In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 dar, bevor der Beugungsvektor V hinzugefügt wird. $K 6 = (\frac{π}{a}, \frac{π}{a})$
$K7 = (- \frac{π}{a}, \frac{π}{a})$
$K8 = (- \frac{π}{a}, - \frac{π}{a})$
$K9 = (\frac{π}{a}, - \frac{π}{a})$
Wenn der Beugungsvektor V wie in der obigen Formel (16) dargestellt wird, ergeben sich die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 nach der Addition des Beugungsvektors V wie folgt Formel (26) bis Formel (29). $K 6 = (\frac{π}{a} + Vx, \frac{π}{a} + Vy)$
$K7 = (- \frac{π}{a} + Vx, \frac{π}{a} + Vy)$
$K 6 = (- \frac{π}{a} + Vx, - \frac{π}{a} + Vy)$
$K9 = (\frac{π}{a} + Vx, - \frac{π}{a} + Vy)$
Wenn davon ausgegangen wird, dass einer der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in dem Bereich LL2 in der obigen Formel (26) bis Formel (29) enthalten ist, wird die folgende Formel (30) aufgestellt. ${(\pm \frac{π}{a} + Vx)}^{2} + {(\pm \frac{π}{a} + Vy)}^{2} < {(\frac{2 π}{λ} - Δ k)}^{2}$
Das heißt, der Beugungsvektor V, der die obige Formel (30) erfüllt, wird addiert, und somit wird jeder der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 mit Ausnahme der Wellenzahlverteilung Δk in den Bereich LL2 aufgenommen. Auch in einem solchen Fall kann ein Teil des Lichts der +1. Ordnung und des Lichts der -1. Ordnung ausgegeben werden, ohne dass das Licht der nullten Ordnung ausgegeben wird.
(Zweites Modifikationsbeispiel)
27 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 15B gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der zuvor beschriebenen Ausführungsform. 28 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen den modifizierten Brechungsindexbereichen 15b in der Phasenmodulationsschicht 15B zeigt. Wie in den 27 und 28 dargestellt, ist der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b des vorliegenden Modifikationsbeispiels auf einer geraden Linie D angeordnet. Die gerade Linie D ist eine gerade Linie, die durch den entsprechenden Gitterpunkt O(x, y) des Einheitskomponentenbereichs R(x, y) verläuft und in Bezug auf jede Seite des Quadratgitters geneigt ist. Wie in 28 dargestellt, ist jeder einheitsbildende Bereich R ein Bereich, der durch die zur X-Achse parallele s-Achse und die zur Y-Achse parallele t-Achse definiert ist. Mit anderen Worten, die Gerade D, die in jedem Einheitskomponentenbereich R liegt, ist eine Gerade, die sowohl in Bezug auf die X-Achse als auch auf die Y-Achse geneigt ist. Ein Neigungswinkel der Geraden D in Bezug auf eine Seite (X-Achse) des Quadratgitters ist θ. Der Neigungswinkel θ ist in der Phasenmodulationsschicht 15B konstant. Der Neigungswinkel θ erfüllt 0°< θ < 90°, und beträgt in einem Beispiel θ = 45°. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ die Bedingung 180° < θ < 270° und beträgt in einem Beispiel θ = 225°. Wenn der Neigungswinkel θ 0° < θ < 90° oder 180° < θ < 270° erfüllt, erstreckt sich die Gerade D vom ersten Quadranten zum dritten Quadranten der durch die X-Achse und die Y-Achse definierten Koordinatenebene. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180°, und beträgt in einem Beispiel θ = 135°. Alternativ erfüllt der Neigungswinkel θ die Bedingung 270° < θ < 360° und beträgt in einem Beispiel θ = 315°. Wenn der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180° oder 270° < θ < 360° erfüllt, erstreckt sich die Gerade D vom zweiten Quadranten zum vierten Quadranten der durch die X-Achse und die Y-Achse definierten Koordinatenebene. Der Neigungswinkel θ ist also ein Winkel, der 0°, 90°, 180° und 270° ausschließt. Hier wird angenommen, dass der Abstand zwischen dem Gitterpunkt O(x, y) und dem Schwerpunkt G r(x, y) beträgt. x bezeichnet die Position des x-ten Gitterpunkts auf der X-Achse und y die Position des y-ten Gitterpunkts auf der Y-Achse. Wenn der Abstand r(x, y) ein positiver Wert ist, befindet sich der Schwerpunkt G im ersten Quadranten (oder im zweiten Quadranten). Wenn der Abstand r(x, y) ein negativer Wert ist, befindet sich der Schwerpunkt G im dritten Quadranten (oder im vierten Quadranten). Wenn der Abstand r(x, y) 0 ist, fallen der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G zusammen. Der Neigungswinkel beträgt zweckmäßigerweise 45°, 135°, 225° und 275°. Die Phasenmodulation wird bei diesen Winkeln nur auf zwei von vier Wellenzahlvektoren durchgeführt, die im Punkt M stehende Wellen bilden (z. B. die in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren (±π/a, ±π/a)), und die Phasenmodulation wird nicht auf den anderen beiden durchgeführt. So kann eine stabile stehende Welle gebildet werden. Der Neigungswinkel θ kann in den Einheitskomponentenbereichen R(x, y) gleich sein.
Die Abstände r(x, y) zwischen den Schwerpunkten G der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und den entsprechenden Gitterpunkten O der in 27 dargestellten Einheitskomponentenbereiche R werden individuell für jeden modifizierten Brechungsindexbereich 15b gemäß dem Phasenmuster eingestellt, das dem gewünschten optischen Bild entspricht. Das Phasenmuster, d. h. die Verteilung der Abstände r(x, y) hat für jede Position einen bestimmten Wert, der durch die Werte von x und y bestimmt wird, aber nicht durch eine bestimmte Funktion dargestellt werden muss. Die Verteilung der Abstände r(x, y) wird aus der Phasenverteilung bestimmt, die aus den komplexen Amplitudenverteilungen extrahiert wird, die durch die Durchführung der inversen Fourier-Transformation auf dem gewünschten optischen Bild erhalten werden. Das heißt, in dem in 28 dargestellten Einheitskomponentenbereich R(x, y) wird, wenn die Phase P(x, y) P₀ ist, der Abstand r(x, y) auf 0 gesetzt. Wenn die Phase P(x, y) π + P₀ ist, wird der Abstand r(x, y) auf einen Maximalwert R₀ gesetzt. Wenn die Phase P(x, y) -π + P₀ ist, wird der Abstand r(x, y) auf einen Minimalwert - R₀ gesetzt. Wenn die Phase P(x, y) eine Zwischenphase P(x, y) davon ist, wird der Abstand r(x, y) so eingestellt, dass r(x, y) = {P(x, y) - P₀} × R₀/n. Ein Bereich der Phase P(x, y) wird so eingestellt, dass er ein Zwischenwert zwischen π + P₀ und -π + P₀ ist. Dabei kann eine Anfangsphase P₀ zufällig gesetzt werden. Es wird angenommen, dass der Gitterabstand des virtuellen Quadratgitters a ist, der Maximalwert R₀ von r(x, y) liegt z. B. in einem Bereich, der durch die folgende Formel (31) dargestellt wird. $0 \leq R_{0} \leq \frac{a}{\sqrt{2}}$
Wenn die komplexen Amplitudenverteilungen aus dem gewünschten optischen Bild erhalten werden, kann die Reproduzierbarkeit des Strahlenmusters durch Anwendung eines iterativen Algorithmus, wie z. B. der Gerchberg-Saxton (GS)-Methode, die üblicherweise bei der Berechnung eines Hologramms verwendet wird, verbessert werden.
In dem vorliegenden Modifikationsbeispiel kann das gewünschte optische Bild erhalten werden, indem die Verteilung der Abstände r(x, y) in den modifizierten Brechungsindexbereichen 15b der Phasenmodulationsschicht 15B bestimmt wird. Unter denselben ersten bis vierten Voraussetzungen wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird die Phasenmodulationsschicht 15B so ausgebildet, dass sie die folgenden Bedingungen erfüllt. Das heißt, der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich 15b ist in dem Einheitskomponentenbereich R(x, y) so angeordnet, dass der Abstand r(x, y) von dem Gitterpunkt O(x, y) zu dem Schwerpunkt G des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b eine Beziehung der folgenden Formel erfüllt. $r (x, y) = C \times (P (x, y) - P_{0})$

C: Proportionalitätskonstante, z.B. R₀/π
P₀: beliebige Konstante, z.B. 0

D. h., der Abstand r(x, y) wird auf 0 gesetzt, wenn die Phase P(x, y) im Einheitskomponentenbereich R(x, y) P₀ ist, wird auf den Maximalwert R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x, y) π + P₀ ist, und wird auf den Minimalwert - R₀ gesetzt, wenn die Phase P(x, y) -π + P₀ ist. Ein Bereich der Phase P(x, y) wird so eingestellt, dass er einen Zwischenwert zwischen π + P₀ und -π + P₀ darstellt. Wenn versucht wird, das gewünschte optische Bild zu erhalten, wird die inverse Fourier-Transformation an dem optischen Bild durchgeführt, und so kann die Verteilung der Abstände r(x, y), die der Phase P(x, y) der komplexen Amplitude entsprechen, an die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b gegeben werden. Die Phase P(x, y) und der Abstand r(x, y) können proportional zueinander sein.
Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann als Verfahren zum Erhalten der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung aus den komplexen Amplitudenverteilungen, die durch die inverse Fourier-Transformation erhalten wurden, beispielsweise die Intensitätsverteilung I(x, y) unter Verwendung der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von Math Works berechnet werden, und die Phasenverteilung P(x, y) kann unter Verwendung der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden. Wenn der Abstand r(x, y) jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b bestimmt wird, indem die Phasenverteilung P(x, y) aus dem Ergebnis der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes erhalten wird, sind die Punkte, die im Fall der Berechnung unter Verwendung einer allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) zu beachten sind, die gleichen wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform erfüllen im vorliegenden Modifikationsbeispiel der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und die Emissionswellenlänge λ der aktiven Schicht 12 die Bedingung der M-Punkt-Oszillation. Wenn der reziproke Gitterraum in der Phasenmodulationsschicht 15B betrachtet wird, ist der Betrag von mindestens einem der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen jeweils einschließlich der Wellenzahlverteilung aufgrund der Verteilung der Abstände r(x, y) kleiner als 2π/λ (Lichtlinie).
Genauer gesagt wird im vorliegenden Modifikationsbeispiel die Phasenmodulationsschicht 15B im S-iPM-Laser, der am Punkt M oszilliert, wie folgt entwickelt, und somit wird ein Teil des Lichts der +1. Ordnung und des Lichts der -1. Ordnung ausgegeben, ohne dass das Licht der nullten Ordnung in die Lichtlinie ausgegeben wird. Insbesondere wird, wie in 16 dargestellt, der Beugungsvektor V, der eine bestimmte konstante Größe und Orientierung hat, zu dem in der Ebene liegenden Wellenzahlvektor K6 bis K9 addiert, und somit wird die Größe von mindestens einem der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 so eingestellt, dass sie kleiner als 2π/λ ist. Mit anderen Worten, mindestens einer der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 ist nach Addition des Beugungsvektors V in dem kreisförmigen Bereich (Lichtlinie) LL mit einem Radius von 2π/λ enthalten. Das heißt, der Beugungsvektor V, der die obige Formel (21) erfüllt, wird addiert, und somit ist jeder der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in der Lichtlinie LL enthalten. Dementsprechend wird ein Teil des Lichts der +1. Ordnung und des Lichts der -1. Ordnung ausgegeben.
Alternativ wird, wie in 26 des zuvor beschriebenen ersten Modifikationsbeispiels dargestellt, der Beugungsvektor V zu dem Wellenzahlvektor ohne die Wellenverteilung Δk aus den Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen (d. h. den In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen im Quadratgitter-PCSEL der M-Punkt-Oszillation, siehe 12), und somit kann der Betrag von mindestens einem der In-Ebene-Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen kleiner als der Wert {(2π/λ) - Δk} eingestellt werden, den man durch Subtraktion der Wellenzahlverteilung Δk von 2π/λ erhält. Das heißt, der Beugungsvektor V, der die obige Formel (30) erfüllt, wird addiert, und somit ist jeder der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 im Bereich LL2 enthalten. Dementsprechend wird ein Teil des Lichts der +1. Ordnung und des Lichts der -1. Ordnung ausgegeben.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Überlagerung der Abstandsverteilung r₂(x, y) (zweite Phasenverteilung), die nicht mit dem optischen Bild in Beziehung steht, mit der Abstandsverteilung r₁(x, y) (erste Phasenverteilung), die die Phasenverteilung ist, die dem optischen Bild entspricht, als ein Beispiel für ein konkretes Verfahren der Addition des Beugungsvektors V zu den in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 beschrieben. In diesem Fall wird die Abstandsverteilung r(x, y) der Phasenmodulationsschicht 15B als die folgende Formel dargestellt.
$r (x, y) = r_{1} (x, y) + r_{2} (x, y) r_{1} (x, y)$
entspricht der Phase der komplexen Amplitude, wenn die inverse Fourier-Transformation auf dem optischen Bild wie zuvor beschrieben durchgeführt wird. r₂(x, y) ist die Abstandsverteilung für die Addition des Beugungsvektors V, die die obige Formel (30) erfüllt. Ein konkretes Beispiel für die Abstandsverteilung r₂(x, y) ist das gleiche wie in 18. Wenn die Abstandsverteilung r(x, y) einen Bereich von -R₀ bis R₀ überschreitet, kann die Abstandsverteilung durch Addieren oder Subtrahieren von 2 R₀ so umgewandelt werden, dass sie einen Wert innerhalb dieses Bereichs hat.
Im vorliegenden Modifikationsbeispiel ist der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b auf der Geraden D angeordnet, die durch den Gitterpunkt O des virtuellen Quadratgitters verläuft und in Bezug auf das Quadratgitter geneigt ist. Der Abstand r(x, y) zwischen dem Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b und dem entsprechenden Gitterpunkt O wird individuell entsprechend der optischen Abbildung eingestellt. Gemäß einer solchen Struktur, ähnlich der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei der der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 15b den Drehwinkel hat, der dem optischen Bild um jeden Gitterpunkt O entspricht, kann das optische Bild in beliebiger Form in Richtung der Z-Achse, in der Richtung, die in Bezug auf die Z-Achsenrichtung geneigt ist, oder in beiden Richtungen durch Verwendung des S-iPM-Lasers ausgegeben werden. Im vorliegenden Modifikationsbeispiel erfüllen der Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und die Emissionswellenlänge λ der aktiven Schicht 12 die Bedingung der M-Punkt-Oszillation, die Phasenmodulation erfolgt auf die ebenen Wellen, die die stehenden Wellen bilden, durch die Verteilung der Abstände r(x, y) im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht 15B, und der Betrag mindestens eines der in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen jeweils einschließlich der Wellenzahlstreuung Δk aufgrund der Winkelstreuung des optischen Bildes kleiner als 2π/λ (Lichtlinie) eingestellt wird. Alternativ wird der Beugungsvektor V zu dem Wellenzahlvektor ohne die Wellenzahlverteilung Δk aus den Wellenzahlvektoren K6 bis K9 in den vier Richtungen addiert, und somit wird der Betrag mindestens eines in der Ebene liegenden Wellenzahlvektors kleiner als der Wert {(2π/λ) -Δk} eingestellt, der sich durch Subtraktion der Wellenzahlverteilung Δk von 2π/λ ergibt. Dementsprechend kann das Licht nullter Ordnung, das in der Ausgabe des S-iPM-Lasers enthalten ist, aus der Lichtlinie entfernt werden, und nur das Signallicht kann ausgegeben werden.
(Drittes Modifikationsbeispiel)
29A bis 29G und 30A bis 30K sind Draufsichten, die ein Beispiel für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene zeigen. In den zuvor beschriebenen Ausführungs- und Modifikationsbeispielen ist ein Beispiel dargestellt, in dem die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene kreisförmig ist. Der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann jedoch auch eine andere Form als den Kreis haben. Zum Beispiel kann die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene spiegelsymmetrisch (liniensymmetrisch) sein. Hier kann die Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie), eine ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, die auf einer Seite der geraden Linie positioniert ist, und eine ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b, die auf der anderen Seite der geraden Linie positioniert ist, mit einer bestimmten geraden Linie entlang der X-Y-Ebene, die dazwischen liegt, spiegelsymmetrisch (liniensymmetrisch) zueinander sein. Beispiele für die Form mit der Spiegelsymmetrie (Liniensymmetrie) sind ein in 29A dargestellter perfekter Kreis, ein in 29B dargestelltes Quadrat, ein in 29C dargestelltes regelmäßiges Sechseck, ein in 29D dargestelltes regelmäßiges Achteck, ein in 29E dargestelltes regelmäßiges Sechzehneck, ein in 29F dargestelltes Rechteck und eine in 29G dargestellte Ellipse. Somit ist die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene spiegelsymmetrisch (liniensymmetrisch). In diesem Fall, da der modifizierte Brechungsindexbereich eine einfache Form in jedem der Einheitskomponentenbereiche R des virtuellen Quadratgitters der Phasenmodulationsschicht hat, werden die Richtung und die Position des Schwerpunkts G des entsprechenden modifizierten Brechungsindexbereichs 15b vom Gitterpunkt O aus mit hoher Genauigkeit bestimmt, und somit kann die Strukturierung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene kann eine Form sein, die keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist. Beispiele für eine solche Form sind ein regelmäßiges Dreieck, das in 30A dargestellt ist, ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck, das in 30B dargestellt ist, eine Form, in der Teile zweier Kreise oder Ellipsen überlappen, wie in 30C dargestellt, eine Form (Eiform), bei der die Ellipse so verformt ist, dass eine Abmessung in der Nähe eines Endabschnitts einer Ellipse entlang einer Hauptachse in einer Nebenachsenrichtung kleiner ist als eine Abmessung in der Nähe des anderen Endabschnitts in der Nebenachsenrichtung, wie in 30D dargestellt, eine Form (Tränenform), bei der ein Endabschnitt entlang der Hauptachse der Ellipse zu einem spitzen Endabschnitt verformt ist, der entlang der Hauptachsenrichtung hervorsteht, wie in 30E dargestellt, ein gleichschenkliges Dreieck, das in 30F dargestellt ist, eine Form (Pfeilform), bei der eine Seite eines Rechtecks in einer Dreiecksform vertieft ausgebildet ist und eine der vertieften Seite gegenüberliegende Seite eine spitze Dreiecksform aufweist, wie in 30G dargestellt, ein Trapez, das in 30H dargestellt sit, ein Fünfeck, das in 30I dargestellt ist, eine Form, in der Teile von zwei Rechtecken überlappt sind, wie in 30J dargestellt, und eine Form, in der Teile der beiden Rechtecke überlappt sind und die keine Spiegelsymmetrie aufweist, wie in 30K dargestellt. Da, wie zuvor beschrieben, die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15b in der X-Y-Ebene keine Rotationssymmetrie von 180° aufweist, kann eine höhere Lichtleistung erzielt werden.
31A bis 31K und 32 sind Draufsichten, die ein weiteres Beispiel für die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs in der X-Y-Ebene zeigen. In diesem Beispiel ist ferner eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15c vorgesehen, die sich von der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen 15b unterscheiden. Jeder modifizierte Brechungsindexbereich 15c besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums der Basisschicht 15a unterscheidet. Ähnlich wie der modifizierte Brechungsindexbereich 15b kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15c ein leeres Loch sein, oder ein Verbindungshalbleiter kann in das leere Loch eingebettet sein. Die modifizierten Brechungsindexbereiche 15c sind in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den modifizierten Brechungsindexbereichen 15b vorgesehen. Ein Schwerpunkt G der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c liegt auf einer Geraden D, die den Gitterpunkt O des das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitskomponentenbereichs R schneidet. Die beiden modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c sind im Bereich des das virtuelle Quadratgitter bildenden Einheitskomponentenbereiches R enthalten. Der Einheitskomponentenbereich R ist ein Bereich, der von einer geraden Linie umgeben ist, die die Gitterpunkte des virtuellen Quadratgitters halbiert.
Obwohl die ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c z. B. der Kreis ist, kann der modifizierte Brechungsindexbereich verschiedene Formen aufweisen, die dem modifizierten Brechungsindexbereich 15b ähnlich sind. In den 31A bis 31K sind Beispiele für die Formen und die relative Beziehung der modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c in der X-Y-Ebene dargestellt. Die 31Aund 31B veranschaulichen eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit gleicher Form aufweisen. 31C und 31D veranschaulichen eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit gleicher Form aufweisen und Teile davon einander überlappen. 31E veranschaulicht eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit gleicher Form aufweisen und gedreht sind. 31F zeigt eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit unterschiedlicher Form aufweisen. 31G zeigt eine Form, bei der die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c Figuren mit unterschiedlichen Formen aufweisen und die modifizierten Brechungsindexbereiche 15b und 15c voneinander getrennt sind.
Wie in den 31H bis 31K dargestellt, kann der modifizierte Brechungsindexbereich 15b zwei voneinander getrennte Bereiche 15b1 und 15b2 umfassen. Zu diesem Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass der Schwerpunkt der Bereiche 15b1 und 15b2 dem Schwerpunkt des einzelnen modifizierten Brechungsindexbereichs 15b entspricht. In diesem Fall können, wie in den 31H und 31K dargestellt, die Bereiche 15b1 und 15b2 und der modifizierte Brechungsindexbereich 15c Figuren mit der gleichen Form aufweisen. Alternativ können, wie in den 31I und 31J dargestellt, zwei Figuren der Bereiche 15b1 und 15b2 und des modifizierten Brechungsindexbereichs 15c voneinander verschieden sein.
Die Form des modifizierten Brechungsindexbereichs in der X-Y-Ebene kann zwischen den Gitterpunkten gleich sein. Das heißt, die modifizierten Brechungsindexbereiche können an allen Gitterpunkten die gleiche Gestalt aufweisen und können zwischen den Gitterpunkten durch eine Translationsoperation oder eine Translationsoperation und eine Rotationsoperation überlagert werden. In diesem Fall kann eine Variation des Phasenwinkels aufgrund einer Variation der Form unterdrückt und das Strahlmuster mit hoher Genauigkeit emittiert werden. Alternativ können die Formen der modifizierten Brechungsindexbereiche in der X-Y-Ebene zwischen den Gitterpunkten nicht gleich sein, und die Formen können sich zwischen den benachbarten Gitterpunkten voneinander unterscheiden, wie z. B. in 32 dargestellt.
(Viertes Modifikationsbeispiel)
33 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Lichtemissionsvorrichtung 1B gemäß einem vierten Modifikationsbeispiel zeigt. Die Lichtemissionsvorrichtung 1B umfasst ein Trägersubstrat 6, eine Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionselementen 1A, die in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Form auf dem Trägersubstrat 6 angeordnet sind, und eine Ansteuerschaltung 4 zum individuellen Ansteuern der Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionselementen 1A. Die Konfiguration jedes Halbleiter-Lichtemissionselements 1A ist die gleiche wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Die Vielzahl der Halbleiter-Lichtemissionselemente 1A kann jedoch ein Laserelement enthalten, das ein optisches Bild in einem roten Wellenlängenbereich ausgibt, ein Laserelement, das ein optisches Bild in einem blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und ein Laserelement, das ein optisches Bild in einem grünen Wellenlängenbereich ausgibt. Das Laserelement, das das optische Bild im roten Wellenlängenbereich ausgibt, besteht z.B. aus einem GaAs-basierten Halbleiter. Das Laserelement, das das optische Bild im blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und das Laserelement, das das optische Bild im grünen Wellenlängenbereich ausgibt, bestehen z.B. aus einem Halbleiter auf Nitridbasis. Die Treiberschaltung 4 ist auf einer Rückseite oder einer Innenseite des Trägersubstrats 6 vorgesehen und treibt die Halbleiter-Lichtemissionselemente 1A einzeln an. Die Treiberschaltung 4 liefert Treiberströme an die einzelnen Halbleiter-Lichtemissionselemente 1A entsprechend einer Anweisung von einer Steuerschaltung 7.
Wie im vorliegenden Modifikationsbeispiel kann ein Head-up-Display oder ähnliches in geeigneter Weise realisiert werden, indem ein notwendiges Element für ein Modul, in dem die Halbleiter-Lichtemissionselemente, die einer Vielzahl von Mustern entsprechen, im Voraus aufgereiht werden, in geeigneter Weise angesteuert wird, indem die Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionselementen 1A individuell angesteuert wird und das gewünschte optische Bild von jedem Halbleiter-Lichtemissionselement 1A extrahiert wird. Ein Farb-Head-up-Display oder ähnliches kann in geeigneter Weise realisiert werden, indem das Laserelement, das das optische Bild im roten Wellenlängenbereich ausgibt, das Laserelement, das das optische Bild im blauen Wellenlängenbereich ausgibt, und das Laserelement, das das optische Bild im grünen Wellenlängenbereich ausgibt, in die Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionselementen 1A aufgenommen werden.
Die Lichtemissionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene andere Modifikationen vorgenommen werden. Obwohl zum Beispiel das Laserelement, das aus dem Verbindungshalbleiter auf GaAs-Basis, InP-Basis und NitridBasis (insbesondere GaN-Basis) gebildet ist, in der zuvor beschriebenen Ausführungsform als Beispiel beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung auf Laserelemente angewendet werden, die aus anderen verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen.
Obwohl es in der zuvor beschriebenen Ausführungsform beschrieben wurde, dass die aktive Schicht, die auf dem Halbleitersubstrat gemeinsam mit der Phasenmodulationsschicht vorgesehen ist, als der Lichtemissionsabschnitt verwendet wird, kann der Lichtemissionsabschnitt getrennt von dem Halbleitersubstrat in der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein. Solange der Lichtemissionsabschnitt optisch mit der Phasenmodulationsschicht gekoppelt ist und Licht an die Phasenmodulationsschicht liefert, kann der gleiche Effekt wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform auch mit einer solchen Konfiguration in geeigneter Weise gezeigt werden.
Bezugszeichenliste

1A: Halbleiter-Lichtemissionselement (Lichtemissionsvorrichtung);
1B: Lichte- missionsvorrichtung;
4: Treiberschaltung;
6: Trägersubstrat;
7: Steuerschaltung;
10: Halbleitersubstrat;
10a: Hauptoberfläche;
10b: Rückseitenfläche;
11,13: Mantelschicht;
12: Aktive Schicht,
14: Kontaktschicht;
15A, 15B: Pha- senmodulationsschicht;
15a: Basisschicht;
15b, 15c: Modifizierter Brechungs- indexbereich;
16, 17: Elektrode;
17a: Öffnung;
18: Schutzschicht;
19: Anti- reflexionsschicht;
B1: reziproke Basis-Gittervektor;
FR: Bildbereich;
G: Schwerpunkt;
K1 bis K9: In-Ebene-Wellenzahlvektor;
Ka: Wellenzahlvektor;
Kb: In-Ebene-Wellenzahlvektor;
LL: Lichtlinie;
LL2: Kreisförmiger Bereich;
LM1, LM2: Optischer Bildabschnitt;
O: Gitterpunkt;
P: Reziproker Gitterpunkt;
R: Einheitskomponentenbereich;
RIN: Innerer Bereich;
ROUT: Äußerer Bereich;
V: Beugungsvektor; und
φA, φB: Phasenwert.

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

Yoshitaka Kurosaka et al., „Phase-modulating lasers toward on-chip integration“, Scientific Reports, 6:30138 (2016) [0002]
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) [0002]
Y. Liang et al., „Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverseelectric polarization: finite-size effects,“ Optics Express 20, 15945-15961 (2012) [0002]

Claims

Lichtemissionsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Licht ausgibt, das ein optisches Bild entlang einer Normalenrichtung einer Hauptoberfläche eines Substrats, einer Neigungsrichtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der Neigungsrichtung bildet, wobei die Lichtemissionsvorrichtung umfasst: einen Lichtemissionsabschnitt; und eine Phasenmodulationsschicht, die auf dem Substrat vorgesehen ist, wobei die Phasenmodulationsschicht optisch mit dem Lichtemissionsabschnitt gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, die in der Basisschicht so vorgesehen sind, dass sie in einer zweidimensionalen Form auf einer Ebene senkrecht zu der Normalenrichtung verteilt sind, wobei die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, in einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter auf die Ebene gesetzt ist, die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen in einem Zustand angeordnet ist, in dem sie von Gitterpunkten, die den Schwerpunkten der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen entsprechen, durch einen vorbestimmten Abstand getrennt sind, und ein Drehwinkel, der um jeden Gitterpunkt in dem virtuellen Quadratgitter vorhanden ist, gemäß einer Phasenverteilung zum Bilden des optischen Bildes festgelegt ist, wobei der Drehwinkel ein Drehwinkel eines Liniensegments ist, das den Schwerpunkt jedes der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen und den entsprechenden Gitterpunkt bezüglich des virtuellen Quadratgitters verbindet, ein Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und eine Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsanteils so eingestellt sind, dass sie eine Oszillationsbedingung an einem M-Punkt von symmetrischen Punkten in einem reziproken Gitterraum erfüllen, der einem Wellenzahlraum der Phasenmodulationsschicht entspricht, und ein Betrag von mindestens einem ersten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektor aus ersten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet werden, kleiner als 2π/λ ist.
Lichtemissionsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Licht ausgibt, das ein optisches Bild entlang einer Normalenrichtung einer Hauptoberfläche eines Substrats, einer Neigungsrichtung, die die Normalenrichtung schneidet, oder sowohl der Normalenrichtung als auch der Neigungsrichtung bildet, wobei die Lichtemissionsvorrichtung umfasst: einen Lichtemissionsabschnitt; und eine Phasenmodulationsschicht, die auf dem Substrat vorgesehen ist, wobei die Phasenmodulationsschicht optisch mit dem Lichtemissionsabschnitt gekoppelt ist, wobei die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen enthält, die in der Basisschicht so vorgesehen sind, dass sie in einer zweidimensionalen Form auf einer Ebene senkrecht zu der Normalenrichtung verteilt sind, wobei die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, in einem Zustand, in dem ein virtuelles Quadratgitter auf der Ebene festgelegt ist, die Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen so angeordnet ist, dass ein Schwerpunkt von jedem der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen durch einen entsprechenden Gitterpunkt verläuft und auf einer geraden Linie positioniert ist, die in Bezug auf das virtuelle Quadratgitter geneigt ist, und ein Abstand entlang der geraden Linie zwischen dem Schwerpunkt von jedem der Vielzahl von modifizierten Brechungsindexbereichen und dem entsprechenden Gitterpunkt gemäß einer Phasenverteilung zum Erzeugen des optischen Bildes festgelegt ist, ein Gitterabstand a des virtuellen Quadratgitters und eine Emissionswellenlänge λ des Lichtemissionsanteils so eingestellt sind, dass sie eine Oszillationsbedingung an einem M-Punkt von symmetrischen Punkten in einem reziproken Gitterraum erfüllen, der einem Wellenzahlraum der Phasenmodulationsschicht entspricht, und ein Betrag von mindestens einem ersten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektor aus ersten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die im reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet werden, kleiner als 2π/λ ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phasenverteilung eine Phasenverteilung ist, in der eine erste Phasenverteilung zur Erzeugung des optischen Bildes und eine zweite Phasenverteilung, die in keinem Zusammenhang mit der Erzeugung des optischen Bildes steht, überlagert sind, die zweite Phasenverteilung eine Phasenverteilung zum Addieren eines Beugungsvektors mit einer bestimmten konstanten Größe und Orientierung zu zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen in der ersten Phasenverteilung ist, die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet ist, wobei die zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen jeweils eine Wellenzahlverteilung enthalten, die einer Winkelverteilung des Ausgangslichts entspricht, das das optische Bild bildet, und ein Betrag von mindestens einem dritten In-Ebene-Wellenzahlvektor aus dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die den ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen entsprechen, auf einen Wert kleiner als 2π/λ eingestellt ist, wobei die dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen durch Addition des Beugungsvektors zu den zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen erhalten werden.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phasenverteilung eine Phasenverteilung ist, in der eine erste Phasenverteilung zur Erzeugung des optischen Bildes und eine zweite Phasenverteilung, die in keinem Zusammenhang mit der Erzeugung des optischen Bildes steht, überlagert sind, die zweite Phasenverteilung eine Phasenverteilung zum Addieren eines Beugungsvektors mit einer bestimmten konstanten Größe und Orientierung zu zweiten in der Ebene liegenden Wellenzahlvektoren in vier Richtungen der ersten Phasenverteilung ist, die in dem reziproken Gitterraum der Phasenmodulationsschicht gebildet ist, ohne eine Wellenzahlverteilung einzuschließen, die einer Winkelverteilung von Ausgangslicht entspricht, das das optische Bild bildet, und ein Betrag von mindestens einem dritten In-Ebene-Wellenzahlvektor aus dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in vier Richtungen, die den ersten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen entsprechen, kleiner ist als ein Wert, der durch Subtraktion der Wellenzahlverteilung von 2π/λ erhalten wird, wobei die dritten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen durch Addition des Beugungsvektors zu den zweiten In-Ebene-Wellenzahlvektoren in den vier Richtungen erhalten werden.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweite Phasenverteilung eine Verteilung ist, in der erste Phasenwerte und zweite Phasenwerte, die sich von den ersten Phasenwerten unterscheiden, abwechselnd entlang zweier zueinander orthogonaler Richtungen angeordnet sind.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zweite Phasenverteilung eine Verteilung ist, in der sich die ersten Phasenwerte und die von den ersten Phasenwerten verschiedenen zweiten Phasenwerte um π ändern.