JP2014082257A - Semiconductor laser module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser module capable of emitting a laser beam in a predetermined one direction and changing the emission direction.SOLUTION: A semiconductor laser module 100 comprises a semiconductor laser element 10 and a flat plate condensation element 20. The flat plate condensation element comprises an objective surface 21 on an opposite side to a light emission end surface LES of the semiconductor laser element 10. The objective surface includes a plurality of curved surfaces 21a arranged in parallel to the light emission end surface LES and in parallel to a first direction in which an active layer extends. The curved surfaces are contacted with a plane f vertical to an incoming laser beam. A coordinate axis parallel to the first direction is defined as an X-axis, and each curvature radius of the curved surfaces is based on the following numerical expression (1). Here, n(X) represents a refractive index of the flat plate condensation element at a position X, θ(X) represents an angle to a normal line of the light emission end surface LES of the laser beam emitted at the position X, and frepresents a focal length in an X-axial direction of the flat plate condensation element in the case of θ(X)=0.

Description

本発明は、半導体レーザモジュールに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser module.

本願発明者らは、フォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子について提案してきた(特許文献1、非特許文献1)。このような面発光型の半導体レーザ素子は、一度に2方向に向けて同時にレーザビームを出射することができるという画期的な特徴を有している。また、複数に分割された駆動電極に、駆動電流を供給することで、駆動電極毎に2方向のレーザビームを出射することができる。各駆動電極の直下に位置するフォトニック結晶の周期を異ならせておけば、駆動電極毎に、レーザビーム対の出射角が異なることになる。更に、非特許文献1によれば、細分化した駆動電極を設け、複数の駆動電極について同時に電流を流すと共に、その電流バランスを変化させることによって、連続的なビーム方向制御も可能である。   The present inventors have proposed a semiconductor laser element using a photonic crystal (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). Such a surface-emitting type semiconductor laser device has an epoch-making feature that laser beams can be emitted simultaneously in two directions at a time. In addition, by supplying a driving current to the driving electrodes divided into a plurality, it is possible to emit a laser beam in two directions for each driving electrode. If the period of the photonic crystal located directly under each drive electrode is made different, the emission angle of the laser beam pair will be different for each drive electrode. Furthermore, according to Non-Patent Document 1, continuous beam direction control can be performed by providing subdivided drive electrodes, allowing current to flow simultaneously through a plurality of drive electrodes, and changing the current balance.

特開2009−76900号公報JP 2009-76900 A

黒坂剛孝他、"On-Chip beam-steeringphotonic-crystal lasers", Nature Photonics, vol. 4, pp.447-450, 2010Taketaka Kurosaka et al., “On-Chip beam-steering photonic-crystal lasers”, Nature Photonics, vol. 4, pp.447-450, 2010

しかしながら、2方向にレーザビームを同時に出射する半導体レーザ素子の場合、実用的な用途が限られてくる。一方、所定の1方向にレーザビームを出射する半導体レーザ素子であれば、すなわち駆動電極毎に所定の1方向のレーザビームを出射できる構造であれば、各駆動電極へ供給される駆動電流を切り替える、更に、駆動電流バランスを変化させることで、レーザビームの走査が可能となる。この場合、従来から使用されている様々なレーザビーム偏向装置等に、当該半導体レーザ素子を適用することが可能となる。レーザビーム数を多くすれば、レーザビーム偏向装置は、高精細なレーザビーム走査装置を構成することも可能である。   However, practical applications are limited in the case of a semiconductor laser element that simultaneously emits laser beams in two directions. On the other hand, in the case of a semiconductor laser element that emits a laser beam in one predetermined direction, that is, in a structure that can emit a laser beam in one predetermined direction for each drive electrode, the drive current supplied to each drive electrode is switched. Further, the laser beam can be scanned by changing the drive current balance. In this case, the semiconductor laser element can be applied to various conventionally used laser beam deflecting devices. If the number of laser beams is increased, the laser beam deflecting device can constitute a high-definition laser beam scanning device.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、所定の1方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser module capable of emitting a laser beam in one predetermined direction and changing the emission direction. To do.

本発明者らは、鋭意研究を行った結果、基板上に形成された下部クラッド層、上部クラッド層、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくとも一方との間に介在するフォトニック結晶層、並びに活性層の複数の領域に駆動電極を供給するための複数の駆動電極、を備え、活性層の複数の領域が、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向がそれぞれ異なる半導体レーザ素子に想到した。この半導体レーザ素子によれば、所定の1方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能となる。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the lower cladding layer, the upper cladding layer, the active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer, the active layer and the upper and lower claddings formed on the substrate. A photonic crystal layer interposed between at least one of the layers, and a plurality of drive electrodes for supplying drive electrodes to the plurality of regions of the active layer, wherein the plurality of regions of the active layer are on the light emitting end face The inventors have conceived of semiconductor laser elements that are parallel and are arranged side by side in the first direction in which the active layer extends, and in which the emission directions of the laser beams emitted from a plurality of regions are different from each other. According to this semiconductor laser element, it is possible to emit a laser beam in one predetermined direction and change the emission direction.

一方で、半導体レーザ素子の光出射端面に対向する平面にレーザビームを照射する場合、光出射端面の近傍に集光要素を配置し、レーザビームの拡がり角を調整する必要がある。上記の半導体レーザ素子に集光要素を組み合わせてモジュール化する場合には、以下のような新たな課題が存在することが判明した。すなわち、光出射端面と、レーザビームが照射される平面との間の距離は、半導体レーザ素子のレーザビームの出射方向に応じて異なる。このため、レーザビームが照射される平面において、レーザビームの出射方向によらずレーザビームの拡がり角を一定にするためには、集光要素の屈折力を、レーザビームの出射方向に応じて調整する必要がある。   On the other hand, when irradiating a laser beam onto a plane facing the light emitting end face of the semiconductor laser element, it is necessary to arrange a condensing element in the vicinity of the light emitting end face and adjust the divergence angle of the laser beam. It has been found that there are the following new problems when the semiconductor laser element is combined with a condensing element to form a module. That is, the distance between the light emitting end surface and the plane irradiated with the laser beam varies depending on the laser beam emitting direction of the semiconductor laser element. For this reason, in order to make the divergence angle of the laser beam constant regardless of the laser beam emission direction on the plane irradiated with the laser beam, the refractive power of the condensing element is adjusted according to the laser beam emission direction. There is a need to.

そこで、本発明者らはレーザビームの出射方向によらずレーザビームの拡がり角を一定にするための構成について更に鋭意研究を行い、出射されるレーザビームの方向を所定の1方向としながら出射されるレーザビームの方向を切り替えることができ、かつレーザビームの出射方向によらずレーザビームの拡がり角を一定にすることのできる半導体レーザモジュールに想到するに至った。   Therefore, the present inventors have further studied earnestly about the configuration for making the divergence angle of the laser beam constant regardless of the emission direction of the laser beam, and the emitted laser beam is emitted with the direction being a predetermined one direction. The semiconductor laser module has been conceived in which the direction of the laser beam to be switched can be switched and the divergence angle of the laser beam can be made constant regardless of the laser beam emission direction.

本発明に係る半導体レーザモジュールは、端面発光型の半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の光出射端面に対向して配置される平板集光要素と、を具備し、半導体レーザ素子は、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、複数の領域は、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向はそれぞれ異なっており、平板集光要素は、光出射端面に対向する側と反対側に対物面を備え、対物面は、光出射端面に直交する方向から見て第一方向に平行な方向に配列された複数の曲面を含んでおり、複数の曲面の各々は、半導体レーザ素子から当該曲面に入射するレーザビームに垂直な平面に接しており、第一方向に平行な座標軸をX軸として、X軸に沿った位置Xにおける、活性層が延びる方向に平行な平面内における複数の曲面の各々の曲率半径r(X)が、数式

Figure 2014082257

に基づいて決定され、数式(式1)において、n(X)は、位置Xにおける平板集光要素の屈折率であり、θout(X)は、位置Xにおいて対物面から出射されるレーザビームが光出射端面の法線に対してなす角度であり、f0は、θout(X)=0の場合の平板集光要素のX軸方向の焦点距離である、ことを特徴とする。 A semiconductor laser module according to the present invention includes an edge-emitting semiconductor laser element and a flat plate concentrating element disposed to face a light emitting end face of the semiconductor laser element, and the semiconductor laser element is disposed on a substrate. The formed lower cladding layer, the upper cladding layer, the active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer, and the photo interposed between the active layer and at least one of the upper and lower cladding layers A nick crystal layer and a plurality of drive electrodes for supplying a drive current to the plurality of regions of the active layer, the plurality of regions being parallel to the light emitting end face and arranged in a first direction in which the active layer extends. The emission directions of the laser beams emitted from the plurality of regions with respect to the light emission end face are different from each other, and the flat plate condensing element has an objective surface on the opposite side to the side facing the light emission end face, , Including a plurality of curved surfaces arranged in a direction parallel to the first direction when viewed from a direction perpendicular to the light emitting end surface, and each of the plurality of curved surfaces is perpendicular to the laser beam incident on the curved surface from the semiconductor laser element The curvature radius r (X of each of the plurality of curved surfaces in the plane parallel to the direction in which the active layer extends at the position X along the X-axis, with the coordinate axis parallel to the first direction as the X-axis. ) Is the formula
Figure 2014082257

Where n (X) is the refractive index of the plate condensing element at position X, and θ out (X) is the laser beam emitted from the object plane at position X. Is an angle formed with respect to the normal of the light emitting end face, and f 0 is a focal length in the X-axis direction of the flat plate condensing element when θ out (X) = 0.

本発明に係る半導体レーザモジュールによれば、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで活性層に位置する複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向がそれぞれ異なっている。半導体レーザモジュールが、半導体レーザ素子の光出射端面に対向して配置される平板集光要素を具備しており、平板集光要素が、光出射端面に対向する側と反対側に対物面を備える。この対物面が複数の曲面を含んで形成されており、複数の曲面の各々の曲率半径r(X)が上記の数式(式1)に基づいて決定される。このため、活性層の複数の領域から光出射端面の法線に対して角度θout(X)をなして出射されるレーザビームに対して、平板集光要素の焦点距離はf0/cos(θout(X))となる。それゆえ、平板集光要素によって集光される焦点と光出射端面との間の距離は、θout(X)の値によらずf0となり、レーザビームは光出射端面から距離f0の平面に集光される。したがって、レーザビームの出射方向によらずレーザビームの拡がり角を一定とすることができる。 According to the semiconductor laser module of the present invention, the emission direction of the laser beam emitted from the plurality of regions positioned in the active layer in parallel with the first direction in which the active layer extends is parallel to the light emission end surface with respect to the light emission end surface. Each is different. The semiconductor laser module includes a flat plate condensing element disposed to face the light emitting end surface of the semiconductor laser element, and the flat plate condensing element includes an objective surface on the side opposite to the side facing the light emitting end surface. . The objective surface is formed to include a plurality of curved surfaces, and the radius of curvature r (X) of each of the plurality of curved surfaces is determined based on the above mathematical formula (Formula 1). Therefore, the focal length of the flat plate condensing element is f 0 / cos (for a laser beam emitted from a plurality of regions of the active layer at an angle θ out (X) with respect to the normal of the light emitting end face. θ out (X)). Therefore, the distance between the focal point condensed by the flat plate condensing element and the light emitting end face is f 0 regardless of the value of θ out (X), and the laser beam is a plane having a distance f 0 from the light emitting end face. It is focused on. Therefore, the divergence angle of the laser beam can be made constant regardless of the laser beam emission direction.

複数の曲面の各々は、数式(式1)により決定される曲率半径に対して、収差補正のために非球面化処理されていてもよい。この場合には、平板集光要素において発生する収差を補正することができる。   Each of the plurality of curved surfaces may be aspherically processed for aberration correction with respect to the radius of curvature determined by the mathematical formula (Formula 1). In this case, the aberration generated in the flat plate condensing element can be corrected.

複数の曲面は、半導体レーザ素子から当該曲面に入射するレーザビームが光出射端面の法線に対してなす角度が大きい曲面ほど、光出射端面との距離が短くてもよい。この場合には、光出射端面の法線に対してなす角度が大きいレーザビームが入射する曲面と光出射端面との距離が短くなっている。このため、当該曲面を通過するレーザビームと、他の曲面を通過するレーザビームと、の干渉を防ぐことができる。   The plurality of curved surfaces may have a shorter distance from the light emitting end surface as the curved surface has a larger angle formed by the laser beam incident on the curved surface from the semiconductor laser element with respect to the normal line of the light emitting end surface. In this case, the distance between the curved surface on which the laser beam having a large angle with respect to the normal line of the light emitting end face is incident and the light emitting end face is short. For this reason, it is possible to prevent interference between a laser beam passing through the curved surface and a laser beam passing through another curved surface.

複数の曲面の各々は、活性層が延びる方向に垂直な方向の曲率半径を有するようにしてもよい。この場合には、曲面が活性層の延びる方向に垂直な方向の曲率半径を有する。このため、活性層が延びる方向に垂直な方向のレーザビームの拡がり角を調整することができる。   Each of the plurality of curved surfaces may have a radius of curvature in a direction perpendicular to the direction in which the active layer extends. In this case, the curved surface has a radius of curvature in a direction perpendicular to the direction in which the active layer extends. For this reason, the divergence angle of the laser beam in the direction perpendicular to the direction in which the active layer extends can be adjusted.

活性層は、複数の領域として、第1領域と第2領域とを含み、複数の駆動電極は、第1領域に駆動電流を供給するための第1駆動電極と、第2領域に駆動電流を供給するための第2駆動電極と、を含み、第1駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第1領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第1及び第2の周期構造を有しており、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第1駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう1つが光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、第2駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第2領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第3及び第4の周期構造を有しており、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第2駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう1つが光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分は、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分とは異なっていてもよい。   The active layer includes a first region and a second region as a plurality of regions, and the plurality of drive electrodes supply a drive current to the first region and a first drive electrode for supplying a drive current to the first region. A longitudinal direction of the first drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, and the photonic The region corresponding to the first region of the crystal layer has first and second periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indices from the surroundings are different from each other. When viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, two or more laser beams forming a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the first drive electrode are generated inside the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in FIG. Of these laser beams One toward the end face is set so that the refraction angle is less than 90 degrees with respect to the light exit end face, and at least one other towards the light exit end face is set so as to satisfy the total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face. The longitudinal direction of the second drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, and corresponds to the second region of the photonic crystal layer Has the third and fourth periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indices from the surroundings are different from each other, and the difference between the reciprocal numbers of the arrangement periods in the third and fourth periodic structures Accordingly, when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, two or more laser beams forming a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode are generated inside the semiconductor laser element, At the light exit end Is set so that the refraction angle is less than 90 degrees with respect to the light exit end face, and at least one other towards the light exit end face is set so as to satisfy the total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face, The difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in the first and second periodic structures may be different from the difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in the third and fourth periodic structures.

この場合、駆動電極に駆動電流を供給することにより、半導体レーザ素子内部で2つ以上のレーザビームが生成される。生成されたレーザビームの中で光出射端面に向かう1つが光出射端面に対して屈折角90度未満となり、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たす。このため、同時に出射されるレーザビームの方向を所定の1方向とすることができる。第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分が、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分と異なっている。このため、複数の駆動電極のうちどの電極に駆動電流を供給するかにより、レーザビームの出射方向を切り替えることができる。   In this case, by supplying a drive current to the drive electrode, two or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element. One of the generated laser beams toward the light emitting end surface has a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end surface, and at least one other toward the light emitting end surface satisfies the total reflection critical angle condition with respect to the light emitting end surface. Fulfill. For this reason, the direction of the laser beam emitted simultaneously can be set to a predetermined one direction. The difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocal numbers of the respective array periods in the third and fourth periodic structures. Therefore, the laser beam emission direction can be switched depending on which electrode of the plurality of drive electrodes is supplied with the drive current.

本発明の態様に係る半導体レーザモジュールによれば、所定の1方向のみにレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することができる。   According to the semiconductor laser module according to the aspect of the present invention, it is possible to emit a laser beam in only one predetermined direction and change the emission direction.

半導体レーザモジュール及び焦点面の平面図である。It is a top view of a semiconductor laser module and a focal plane. 半導体レーザ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子の平面図である。It is a top view of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。It is a top view inside an element for explaining a progress state of a laser beam inside a semiconductor laser element. 単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。It is a top view of the photonic crystal area | region which has a single periodic structure. 単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。It is a top view of the photonic crystal area | region which has a single periodic structure. 複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。It is a top view of the photonic crystal area | region which has a some periodic structure. 複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域を、複数有するフォトニック結晶領域群の平面図である。It is a top view of a photonic crystal region group having a plurality of photonic crystal layer regions having a plurality of periodic structures. フォトニック結晶領域群を有するフォトニック結晶層の平面図である。It is a top view of the photonic crystal layer which has a photonic crystal region group. 基準方向からの偏向角δθ(各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存)に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。It is a graph which shows the incident angle and outgoing angle of a laser beam with respect to deflection angle (delta) theta from a reference direction (it depends on the difference of the reciprocal of the period in each photonic crystal region). 様々な形状の異屈折率部(構造体)の平面図である。It is a top view of the different refractive index part (structure) of various shapes. レーザビーム偏向装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a laser beam deflection | deviation apparatus. 平板集光要素のXY平面内の断面図である。It is sectional drawing in XY plane of a flat plate condensing element. 半導体レーザ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子内部の平面図である。It is a top view inside a semiconductor laser element. xy座標系において、原点OからP点(βx,βy)に向かうベクトル。A vector from the origin O to the point P (βx, βy) in the xy coordinate system. xy座標系における主要光波の向きを示すグラフである。It is a graph which shows the direction of the main light wave in xy coordinate system. 活性層3B内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。It is a top view inside an element explaining the main light wave in active layer 3B. 周期構造を有する回折格子層4’の平面図(A)、XZ平面内の断面図(B)である。FIG. 4A is a plan view of a diffraction grating layer 4 ′ having a periodic structure, and FIG. 6B is a cross-sectional view in the XZ plane. レーザビーム出射角(屈折角)θ3と、ストライプの角度θ及び周期Λとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between laser beam emission angle (refraction angle) (theta) 3, stripe angle (theta), and period (LAMBDA). グラフに用いられるデータを示す図表である。It is a chart which shows the data used for a graph. 半導体レーザ素子の部分的な領域の断面図である。It is sectional drawing of the partial area | region of a semiconductor laser element. フォトニック結晶層の平面図である。It is a top view of a photonic crystal layer.

以下、実施の形態に係る半導体レーザモジュールについて説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the semiconductor laser module according to the embodiment will be described. In addition, the same code | symbol shall be used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、半導体レーザモジュール及び焦点面の平面図である。   FIG. 1 is a plan view of a semiconductor laser module and a focal plane.

半導体レーザモジュール100は、半導体レーザ素子10と、平板集光要素20とを具備する。半導体レーザ素子10は、端面発光型の半導体レーザである。半導体レーザ素子10は、後で詳細に説明する構成により、光出射端面LESから所定の1方向にレーザビームLBを出射する。平板集光要素20は、半導体レーザ素子10により出射されたレーザビームLBを焦点面Fに集光する。   The semiconductor laser module 100 includes a semiconductor laser element 10 and a flat plate condensing element 20. The semiconductor laser element 10 is an edge emitting semiconductor laser. The semiconductor laser element 10 emits a laser beam LB in one predetermined direction from the light emitting end face LES with a configuration described in detail later. The flat plate condensing element 20 condenses the laser beam LB emitted from the semiconductor laser element 10 on the focal plane F.

以下の説明では、光出射端面LESに平行で且つ半導体レーザ素子10の活性層が延びる方向を第一方向と称する。第一方向に平行な座標軸をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とし、活性層が延びる方向に垂直な方向をZ軸とする。レーザビームLBの出射方向を表すために、レーザビームLBが光出射端面LESの法線Nに対してなす角度θoutを用いる。θout=0の場合の平板集光要素20のX軸方向の焦点距離をf0とする。 In the following description, the direction parallel to the light emitting end face LES and extending the active layer of the semiconductor laser element 10 is referred to as a first direction. A coordinate axis parallel to the first direction is taken as an X axis, a direction perpendicular to the light emitting end face LES is taken as a Y axis, and a direction perpendicular to the direction in which the active layer extends is taken as a Z axis. In order to represent the emission direction of the laser beam LB, an angle θ out formed by the laser beam LB with respect to the normal line N of the light emission end face LES is used. The focal length in the X-axis direction of the flat plate condensing element 20 when θ out = 0 is assumed to be f 0 .

次に、半導体レーザ素子10及びこれを用いたレーザビーム偏向装置について詳細に説明する。   Next, the semiconductor laser element 10 and the laser beam deflection apparatus using the same will be described in detail.

図2は、半導体レーザ素子の縦断面図であり、図3は、半導体レーザ素子の平面図である。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser element, and FIG. 3 is a plan view of the semiconductor laser element.

半導体レーザ素子10は、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、フォトニック結晶層4、上部クラッド層5、コンタクト層6を備えている。半導体基板1の裏面側には、電極E1が全面に設けられており、コンタクト層6上には、複数の駆動電極E2が設けられている。同図では、簡略的に5本の駆動電極E2が示されているが、実際には更に多くの駆動電極E2がコンタクト層6上に設けられる。   The semiconductor laser device 10 includes a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3 A, an active layer 3 B, an upper light guide layer 3 C, a photonic crystal layer 4, an upper clad layer 5, and a contact layer 6 that are sequentially formed on a semiconductor substrate 1. It has. On the back side of the semiconductor substrate 1, an electrode E <b> 1 is provided on the entire surface, and on the contact layer 6, a plurality of drive electrodes E <b> 2 are provided. In the drawing, five drive electrodes E <b> 2 are simply shown, but actually more drive electrodes E <b> 2 are provided on the contact layer 6.

なお、駆動電極E2の形成領域以外のコンタクト層6上の表面は、絶縁膜SHによって覆われている。絶縁膜SHは、例えば、SiNやSiOから形成することができる。 The surface on the contact layer 6 other than the formation region of the drive electrode E2 is covered with the insulating film SH. The insulating film SH can be formed from, for example, SiN or SiO 2 .

これらの化合物半導体層の材料/厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が1015/cm以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、1017〜1020/cmである。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層3Bおよびフォトニック結晶層4を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。上部光ガイド層3Cは、上層及び下層の2つの層からなる。
・コンタクト層6:P型のGaAs/50〜500nm
・上部クラッド層5:P型のAlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/1.0〜3.0μm
・フォトニック結晶層4:
基本層4A:GaAs/50〜400nm
埋め込み層(異屈折率部)4B:AlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/50〜400nm
・上部光ガイド層3C:
上層:GaAs/10〜200nm
下層:p型または真性のAlGaAs/10〜100nm
・活性層3B(多重量子井戸構造):
AlGaAs/InGaAs MQW/10〜100nm
・下部光ガイド層3A:AlGaAs/0〜300nm
・下部クラッド層2:N型のAlGaAs/1.0〜3.0μm
・半導体基板1:N型のGaAs/80〜350μm
The materials / thicknesses of these compound semiconductor layers are as follows. Note that an intrinsic semiconductor having an impurity concentration of 10 15 / cm 3 or less has no conductivity type. In addition, the density | concentration when an impurity is added is 10 < 17 > -10 < 20 > / cm < 3 >. Further, the following is an example of the present embodiment. If the configuration includes the active layer 3B and the photonic crystal layer 4, the material system, film thickness, and layer configuration are flexible. The upper light guide layer 3C includes two layers, an upper layer and a lower layer.
Contact layer 6: P-type GaAs / 50 to 500 nm
Upper clad layer 5: P-type AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) /1.0 to 3.0 μm
Photonic crystal layer 4:
Basic layer 4A: GaAs / 50 to 400 nm
Buried layer (different refractive index portion) 4B: AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) / 50 to 400 nm
Upper light guide layer 3C:
Upper layer: GaAs / 10-200 nm
Lower layer: p-type or intrinsic AlGaAs / 10 to 100 nm
Active layer 3B (multiple quantum well structure):
AlGaAs / InGaAs MQW / 10-100nm
Lower light guide layer 3A: AlGaAs / 0 to 300 nm
Lower clad layer 2: N-type AlGaAs / 1.0 to 3.0 μm
・ Semiconductor substrate 1: N-type GaAs / 80 to 350 μm

電極E1の材料としては例えばAuGe/Au、電極E2の材料としては例えばCr/AuやTi/Auを用いることができる。   For example, AuGe / Au can be used as the material of the electrode E1, and Cr / Au or Ti / Au can be used as the material of the electrode E2.

なお、光ガイド層は省略することも可能である。   The light guide layer can be omitted.

この場合の製法において、MOCVD法によるAlGaAsの成長温度は500℃〜850℃であって、実験では550〜700℃を採用し、成長時におけるAl原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、ガリウム原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびTEG(トリエチルガリウム)、As原料としてはAsH3(アルシン)、N型不純物用の原料としてSi26(ジシラン)、P型不純物用の原料としてDEZn(ジエチル亜鉛)を用いることができる。 In the manufacturing method in this case, the growth temperature of AlGaAs by the MOCVD method is 500 ° C. to 850 ° C. In the experiment, 550 to 700 ° C. is adopted, and TMA (trimethylaluminum) is used as the Al raw material during growth and TMG ( Trimethylgallium) and TEG (triethylgallium), AsH 3 ( arsine) as the As raw material, Si 2 H 6 (disilane) as the raw material for N-type impurities, and DEZn (diethylzinc) as the raw material for P-type impurities Can do.

上下の電極E1,E2間に電流を流すと、いずれかの電極E2の直下の領域Rを電流が流れ、この領域が発光して、レーザビームLBが基板の側方端面から所定の角度で出力される(図3参照)。駆動電極E2のいずれに駆動電流を供給するかにより、いずれのレーザビームLBが出射されるかが決定される。   When a current is passed between the upper and lower electrodes E1, E2, a current flows in a region R immediately below one of the electrodes E2, this region emits light, and the laser beam LB is output at a predetermined angle from the side end surface of the substrate. (See FIG. 3). Which laser beam LB is emitted is determined depending on which of the drive electrodes E2 is supplied with the drive current.

半導体レーザ素子の平面形状は長方形であり、XYZ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をZ軸、幅方向をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とする。XY平面内において、各駆動電極E2の延びている長手方向は、Y軸に平行な直線に対して角度φを成している。すなわち、駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜している。駆動電極E2は、光出射端面LESの位置から逆側の端面に向けて延びているが、半導体レーザ素子を完全に横断することなく、途中で途切れている。   The planar shape of the semiconductor laser element is a rectangle. When an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is set, the thickness direction is the Z axis, the width direction is the X axis, and the direction perpendicular to the light emitting end face LES is the Y axis. . In the XY plane, the extending longitudinal direction of each drive electrode E2 forms an angle φ with respect to a straight line parallel to the Y axis. That is, the longitudinal direction of the drive electrode E2 is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of the semiconductor laser element when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element. The drive electrode E2 extends from the position of the light emitting end face LES toward the opposite end face, but is interrupted halfway without completely traversing the semiconductor laser element.

図4は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。   FIG. 4 is a plan view of the inside of the device for explaining the progress of the laser beam inside the semiconductor laser device.

レーザビームは、活性層3B内において発生するが、活性層3Bから染み出した光は、隣接するフォトニック結晶層4の影響を受ける。フォトニック結晶層4内には、周期的屈折率分布構造が形成されている。このフォトニック結晶層により回折を受けた結果、活性層3Bの内部では、波数ベクトルk1〜k4で示されるレーザビームが発生している。波数ベクトルは、向きが波面の法線方向(つまり波の伝播方向)で、大きさが波数となるベクトルのことである。波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、光出射端面LESに向かっており、波数ベクトルk4、k3のレーザビームは、これらとは逆の方向に向かっている。   The laser beam is generated in the active layer 3 </ b> B, but the light that exudes from the active layer 3 </ b> B is affected by the adjacent photonic crystal layer 4. A periodic refractive index distribution structure is formed in the photonic crystal layer 4. As a result of diffraction by this photonic crystal layer, a laser beam indicated by wave number vectors k1 to k4 is generated inside the active layer 3B. The wave vector is a vector whose direction is the normal direction of the wave front (that is, the wave propagation direction) and whose magnitude is the wave number. The laser beams with wave number vectors k1 and k2 are directed toward the light emitting end face LES, and the laser beams with wave number vectors k4 and k3 are directed in the opposite direction.

波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、XY平面内において、Y軸に平行な直線と角度φを成すB方向に対して、それぞれ±δθの角度を成して進行する。なお、B方向は、駆動電極E2の延びている方向である。A方向は、XY平面内において、B方向に垂直な方向である。なお、XYZ直交座標系をZ軸回りにφだけ回転させた座標系をxyz直交座標系とする。この場合、A方向はx軸正方向に一致し、B方向はy軸負方向に一致する。波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、光出射端面LESに対して入射して外部に出射しようとするが、それぞれの入射角をθ1、θ2とする。波数ベクトルk1のレーザビームの屈折角はθ3とする。θ3は、90度よりも小さい。すなわち、波数ベクトルk2のレーザビームの入射角θ2は、全反射臨界角以上であり、光出射端面LESにおいて、全反射が生じ、外部には出力されない。一方、波数ベクトルk1のレーザビームの入射角θ1は、全反射臨界角未満であり、光出射端面LESを透過して、外部に出力される。なお、θ4は、光出射端面LESにおいて全反射したレーザビームの進行方向と、Y軸負方向の成す角度であり、90度以上である。   The laser beams of the wave number vectors k1 and k2 travel at an angle of ± δθ with respect to the B direction that forms an angle φ with a straight line parallel to the Y axis in the XY plane. The B direction is the direction in which the drive electrode E2 extends. The A direction is a direction perpendicular to the B direction in the XY plane. A coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system by φ around the Z axis is defined as an xyz orthogonal coordinate system. In this case, the A direction coincides with the positive x-axis direction, and the B direction coincides with the negative y-axis direction. The laser beams of the wave number vectors k1 and k2 enter the light emission end face LES and attempt to exit to the outside. The incident angles are θ1 and θ2, respectively. The refraction angle of the laser beam having the wave vector k1 is θ3. θ3 is smaller than 90 degrees. That is, the incident angle θ2 of the laser beam having the wave number vector k2 is equal to or greater than the total reflection critical angle, and total reflection occurs at the light emitting end face LES and is not output to the outside. On the other hand, the incident angle θ1 of the laser beam with the wave vector k1 is less than the total reflection critical angle, and is transmitted to the outside through the light emitting end face LES. Θ4 is an angle formed by the traveling direction of the laser beam totally reflected on the light emitting end face LES and the negative Y-axis direction, and is 90 degrees or more.

なお、フォトニック結晶層4は、複数のフォトニック結晶領域4Rが集合して形成されている。   Note that the photonic crystal layer 4 is formed of a plurality of photonic crystal regions 4R.

図5は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。   FIG. 5 is a plan view of the photonic crystal region 4R having a single periodic structure.

フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることが出来る。この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することで、レーザを実現することが出来る。本実施形態のフォトニック結晶層4は、基本層4Aと、基本層4A内に周期的に埋め込まれた埋め込み層(異屈折率部)4Bからなる。   A photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically, and can strengthen or diffract light of a specific wavelength in a specific direction according to the period. By using this diffraction for light confinement and as a resonator, a laser can be realized. The photonic crystal layer 4 of the present embodiment includes a basic layer 4A and a buried layer (different refractive index portion) 4B periodically embedded in the basic layer 4A.

本実施形態では、閃亜鉛構造の第1化合物半導体(GaAs)からなる基本層4A内に複数の穴Hを周期的に形成し、穴H内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体(AlGaAs)からなる埋め込み層4Bを成長させてなるフォトニック結晶層4を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第1化合物半導体と、第2化合物半導体の屈折率は異なる。なお、本実施形態では、第2化合物半導体の方が、第1化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第1化合物半導体の方が、第2化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。   In this embodiment, a plurality of holes H are periodically formed in the basic layer 4A made of the first compound semiconductor (GaAs) having the zinc flash structure, and the second compound semiconductor (having the zinc flash structure and having the second compound semiconductor ( The photonic crystal layer 4 is formed by growing a buried layer 4B made of (AlGaAs). Of course, since the photonic crystal is formed, the refractive index of the first compound semiconductor is different from that of the second compound semiconductor. In the present embodiment, the refractive index of the second compound semiconductor is lower than that of the first compound semiconductor. Conversely, the refractive index of the first compound semiconductor may be lower than that of the second compound semiconductor. .

埋め込み層である異屈折率部4Bは、A方向及びB方向に沿って整列し、2次元周期構造を構成している。ここでは、A方向の異屈折率部4B間のピッチをa1、B方向の異屈折率部4B間のピッチをb1とする。なお、a1=b1であってもよい。AB平面内における各異屈折率部4Bの平面形状として、同図には長方形が示されているが、異屈折率部4Bの平面形状はこれに限定されるものではない。   The different refractive index portions 4B, which are buried layers, are aligned along the A direction and the B direction to form a two-dimensional periodic structure. Here, the pitch between the different refractive index portions 4B in the A direction is a1, and the pitch between the different refractive index portions 4B in the B direction is b1. In addition, a1 = b1 may be sufficient. As a planar shape of each different refractive index portion 4B in the AB plane, a rectangle is shown in the figure, but the planar shape of the different refractive index portion 4B is not limited to this.

図6は、図5とは異なる単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。   FIG. 6 is a plan view of a photonic crystal region 4R having a single periodic structure different from FIG.

埋め込み層である異屈折率部4Bは、A方向及びB方向に沿って整列し、2次元周期構造を構成している。ここでは、A方向の異屈折率部4B間のピッチをa2、A方向の異屈折率部4B間のピッチをb2とする。なお、a2>a1の関係を満たしている。AB平面内における各異屈折率部4Bの平面形状として、同図にも長方形が示されているが、異屈折率部4Bの平面形状はこれに限定されるものではない。   The different refractive index portions 4B, which are buried layers, are aligned along the A direction and the B direction to form a two-dimensional periodic structure. Here, the pitch between the different refractive index portions 4B in the A direction is a2, and the pitch between the different refractive index portions 4B in the A direction is b2. Note that the relationship of a2> a1 is satisfied. As a planar shape of each different refractive index portion 4B in the AB plane, a rectangle is also shown in the figure, but the planar shape of the different refractive index portion 4B is not limited to this.

図7は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。   FIG. 7 is a plan view of the photonic crystal region 4R having a plurality of periodic structures.

すなわち、このフォトニック結晶領域4Rは、図5に示した周期構造と、図6に示した周期構造とを単一のフォトニック結晶領域4Rが含んでおり、周期a1と周期a2を有している。また、同図には、B方向の周期は共にb2(=b1)とすることとしたものが示されている。   That is, the photonic crystal region 4R includes the periodic structure shown in FIG. 5 and the periodic structure shown in FIG. 6 in a single photonic crystal region 4R, and has a period a1 and a period a2. Yes. In addition, the figure shows that both periods in the B direction are set to b2 (= b1).

かかる構造の場合、周期a1の逆数(1/a1)と、a2の逆数(1/a2)との差分に応じて、図4におけるδθが決定される。すなわち、周期a1とa2を決定することで、波数ベクトルk1,k2で示されるレーザビームの進行方向を決定することができる。なお、δθ=sin−1(δk/k)、δk=|π{(1/a1)−(1/a2)}|、k=2π/λである。λは半導体レーザ素子中のレーザ光の波長、kは半導体レーザ素子中のレーザ光の波数である。 In the case of such a structure, δθ in FIG. 4 is determined in accordance with the difference between the reciprocal of the period a1 (1 / a1) and the reciprocal of a2 (1 / a2). That is, by determining the periods a1 and a2, it is possible to determine the traveling direction of the laser beam indicated by the wave number vectors k1 and k2. Note that δθ = sin −1 (δk / k), δk = | π {(1 / a1) − (1 / a2)} |, and k = 2π / λ. λ is the wavelength of the laser light in the semiconductor laser element, and k is the wave number of the laser light in the semiconductor laser element.

本実施形態の場合、上記パラメータθ1、θ2、半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ndevの満たすべき不等式は、次の通りである。 In the present embodiment, the inequalities to be satisfied by the parameters θ1 and θ2 and the equivalent refractive index n dev of light in the semiconductor laser element are as follows.

0≦θ1<sin−1(1/ndev0 ≦ θ1 <sin −1 (1 / n dev )

θ2≧sin−1(1/ndevθ2 ≧ sin −1 (1 / n dev )

また、本発明の通りフォトニック結晶全体がφ傾いていることを考慮すると、各パラメータの満たすべき方程式は次の通りとなる。
δθ=φ−sin−1(sinθ3/ndev
δk=(2π/λ)sin{φ−sin−1(sinθ3/ndev)}
b1=b2=b/√(1−sinδθ)
a1=1/{(δk/2π)+(1/b1)}
a2=1/{(1/b2)−(δk/2π)}
In consideration of the fact that the entire photonic crystal is tilted as in the present invention, equations to be satisfied by the respective parameters are as follows.
δθ = φ−sin −1 (sin θ3 / n dev )
δk = (2π / λ 0 ) sin {φ−sin −1 (sin θ3 / n dev )}
b1 = b2 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ)
a1 = 1 / {(δk / 2π) + (1 / b1)}
a2 = 1 / {(1 / b2)-(δk / 2π)}

なお、bはB方向(格子点の整列方向(異屈折率部の配列方向))に対する基準周期であり、例えば290nm程度である。 B 0 is a reference period with respect to the B direction (the alignment direction of the lattice points (the arrangement direction of the different refractive index portions)), and is, for example, about 290 nm.

すなわち、φは光出射端面LESに垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向(B方向)の傾き、θ3はレーザビームの出射角、ndevは半導体レーザ素子中の光の等価屈折率とし、第1及び第2駆動電極に駆動電流を供給した場合において、第1及び第2駆動電極直下の活性層の第1及び第2領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、第1、第2、第3及び第4周期構造(後述)において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期b1、b2が、√{1−sin(φ−sin−1(sinθ3/ndev))}に反比例する。周期の設定を変えることで、出射角θ3を変化させることができる。 That is, φ is the inclination of the arrangement direction (B direction) of the different refractive index portions with respect to the direction perpendicular to the light emitting end face LES, θ3 is the emission angle of the laser beam, n dev is the equivalent refractive index of light in the semiconductor laser element, When a drive current is supplied to the first and second drive electrodes, the resonance wavelengths of the laser beams generated in the first and second regions of the active layer immediately below the first and second drive electrodes are the same. In the first, second, third, and fourth periodic structures (described later), the period b1, b2 is √ {1-sin 2 (φ−sin −1 ) with respect to one of the directions along the basic translation vector. (Sin θ3 / n dev ))}. By changing the setting of the cycle, the emission angle θ3 can be changed.

波数ベクトルk2のレーザビームの全反射条件を満たす場合の全反射臨界角θcは、θc=sin−1(1/ndev)で与えられ、本例の場合は、φ=18.5°、θ2>θc=17.6°である。 The total reflection critical angle θc when the total reflection condition of the laser beam of the wave vector k2 is satisfied is given by θc = sin −1 (1 / n dev ). In this example, φ = 18.5 °, θ2 > Θc = 17.6 °.

図8は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域4Rを、複数有するフォトニック結晶領域群4Gの平面図である。フォトニック結晶層領域4Rは、A方向に沿って整列して配置されている。   FIG. 8 is a plan view of a photonic crystal region group 4G having a plurality of photonic crystal layer regions 4R having a plurality of periodic structures. The photonic crystal layer regions 4R are arranged in alignment along the A direction.

一番左のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ1、2番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ2、2番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ3、4番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ4、5番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ5とする。便宜上、Δ1〜Δ5は、上記周期の逆数のパラメータも示すこととする。   The leftmost photonic crystal layer region 4R is the region Δ1, the second photonic crystal layer region 4R is the region Δ2, the second photonic crystal layer region 4R is the region Δ3, and the fourth photonic crystal layer region 4R is The region Δ4 and the fifth photonic crystal layer region 4R are defined as a region Δ5. For convenience, Δ1 to Δ5 also indicate parameters of the reciprocal of the above period.

領域Δ1内では、A方向に図7に示した周期a1と周期a2を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。   In the region Δ1, the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a2 shown in FIG. 7, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2.

同様に、領域Δ2内では、A方向に周期a1と周期a3を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。   Similarly, in the region Δ2, the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a3, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2.

領域Δ3内では、A方向に周期a1と周期a4を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。   In the region Δ3, the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a4, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2.

領域Δ4内では、A方向に周期a1と周期a5を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。   In the region Δ4, the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the period a1 and the period a5, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the period b2.

領域Δ5内では、A方向に周期a1と周期a6を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。但し、a1<a2<a3<a4<a5<a6の関係を満たしている。   In the region Δ5, the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a6, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2. However, the relationship of a1 <a2 <a3 <a4 <a5 <a6 is satisfied.

一般式を用いて説明すると、領域ΔN(Nは自然数)が、A方向にそってNの値が小さい順番に左から右に配列されており、領域ΔN内では、A方向に周期a1と、周期a(N+1)を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列され、aN<a(N+1)を満たしている。   If it demonstrates using a general formula, area | region (DELTA) N (N is a natural number) is arranged from left to right in order with small value of N along A direction, and within area | region (DELTA) N, period a1 in A direction, The different refractive index portions 4B are arranged so as to satisfy the cycle a (N + 1), and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2, so that aN <a (N + 1) is satisfied.

これにより、周期の逆数の差に応じて、異なる方向にレーザビームを出射することができる。   As a result, the laser beam can be emitted in different directions according to the difference in the reciprocal of the period.

図9は、フォトニック結晶領域群4Gを有するフォトニック結晶層の平面図である。   FIG. 9 is a plan view of a photonic crystal layer having the photonic crystal region group 4G.

フォトニック結晶層4内において、各領域Δ1〜Δ5は、順番にA方向に沿って配置されている。各領域Δ1〜Δ5の長手方向はB方向(駆動電極E2の長手方向)に一致している。各駆動電極E2に、選択的に駆動電流を供給する(電極E1と特定の電極E2の間に駆動電圧を印加する)と、光出射端面LESから、それぞれ異なる方向にレーザビームが出射する(図3参照)。   In the photonic crystal layer 4, the regions Δ1 to Δ5 are sequentially arranged along the A direction. The longitudinal direction of each region Δ1 to Δ5 coincides with the B direction (longitudinal direction of the drive electrode E2). When a drive current is selectively supplied to each drive electrode E2 (a drive voltage is applied between the electrode E1 and a specific electrode E2), laser beams are emitted in different directions from the light emission end face LES (FIG. 3).

図10は、基準方向(B方向)からの偏向角δθ(各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存)に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。   FIG. 10 is a graph showing the incident angle and the outgoing angle of the laser beam with respect to the deflection angle δθ from the reference direction (B direction) (depending on the difference in the reciprocal of the period in each photonic crystal region).

周期の逆数の差が大きくなり、角度δθが大きくなると、入射角θ1及びθ2が大きくなり、k1ベクトルで示されるレーザビームの屈折角(出射角)が90°から0°まで減少する。φ=18.5°であり、δθは、0°から18.5°まで変化させた。半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ndevは3.3とした。角度δθを調整することで、目的とするレーザビームの出射角は広い範囲で調整することができる。一方、k2ベクトルで示されるレーザビームではδθの値に拘らず、θ2は常に全反射臨界角を超えているため、常に全反射を生じ、外部には出力されない。 When the difference in the reciprocal of the period increases and the angle δθ increases, the incident angles θ1 and θ2 increase, and the refraction angle (emission angle) of the laser beam indicated by the k1 vector decreases from 90 ° to 0 °. φ = 18.5 °, and δθ was changed from 0 ° to 18.5 °. The equivalent refractive index n dev of light in the semiconductor laser element was 3.3. By adjusting the angle δθ, the target laser beam emission angle can be adjusted in a wide range. On the other hand, in the laser beam indicated by the k2 vector, regardless of the value of δθ, since θ2 always exceeds the total reflection critical angle, total reflection always occurs and is not output to the outside.

図11は、様々な形状の異屈折率部(構造体)4Bの平面図である。   FIG. 11 is a plan view of various refractive index portions (structures) 4B having various shapes.

上記では、異屈折率部4BのAB平面(XY平面)内における形状として長方形(A)のものを示したが、これは正方形(B)、楕円形又は円形(C)とすることもでき、二等辺や正三角形(D)とすることもできる。また、三角形の向きとして、底辺がA方向に平行なもの(D)の他、底辺がB方向に平行なもの(E)、(D)に示す三角形を180度回転させたもの(F)とすることもできる。なお、いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。なお、これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。   In the above, a rectangular (A) shape is shown as the shape in the AB plane (XY plane) of the different refractive index portion 4B, but this may be a square (B), an ellipse or a circle (C), It can also be an isosceles or equilateral triangle (D). In addition to the direction of the triangle (D), the base is parallel to the A direction (D), the base is parallel to the B direction (E), and the triangle shown in (D) is rotated 180 degrees (F) You can also Any figure can be rotated and the ratio of dimensions can be changed. Note that the distance between the centers of gravity of each figure can be used as the arrangement period of these figures.

なお、2つの周期構造を重畳させるにあたり、周期が異なることにより孔の個数に差異が生じるため、2つの周期構造による回折強度に差が生じる。これを低減するため、周期a1の構造に対してはA方向の形状長さをa1/b1倍し、周期a2の構造に対してはA方向の形状長さをa2/b2(=b1)倍することが効果的である。   Note that, when the two periodic structures are overlapped, a difference in the number of holes due to a difference in the period causes a difference in diffraction intensity between the two periodic structures. In order to reduce this, the shape length in the A direction is multiplied by a1 / b1 for the structure of the period a1, and the shape length in the A direction is multiplied by a2 / b2 (= b1) for the structure of the period a2. It is effective to do.

なお、上述の実施形態では、駆動電極E2の数が1つの場合には、単一方向のビームのみを出力可能な半導体レーザ素子を構成する。駆動電極E2の数は、複数であれば、レーザビーム偏向装置を構成することができる。   In the above-described embodiment, when the number of drive electrodes E2 is one, a semiconductor laser element that can output only a beam in a single direction is configured. As long as the number of drive electrodes E2 is plural, a laser beam deflecting device can be configured.

次に、平板集光要素20について、図13を参照して詳細に説明する。図13の(A)は、半導体レーザ素子10及び平板集光要素20をXY平面に平行な面で切断して示す断面図である。図13の(B)は、図13の(A)内に点線で示す楕円Rb内を拡大して示す図である。図13の(C)は、図13の(A)内に点線で示す楕円Rc内を拡大して示す図である。半導体レーザ素子10及び平板集光要素20は、X座標が正の領域にも延びているが、その形状は、X座標が負の領域における形状と同様である。このため、図13では、半導体レーザ素子10及び平板集光要素20のうち、X座標が正の領域に位置する部分を省略して示している。   Next, the flat plate condensing element 20 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 13A is a cross-sectional view showing the semiconductor laser element 10 and the flat plate condensing element 20 cut along a plane parallel to the XY plane. FIG. 13B is an enlarged view of the inside of an ellipse Rb indicated by a dotted line in FIG. FIG. 13C is an enlarged view of the inside of an ellipse Rc indicated by a dotted line in FIG. The semiconductor laser element 10 and the flat plate condensing element 20 extend to the region where the X coordinate is positive, but the shape thereof is the same as the shape in the region where the X coordinate is negative. For this reason, in FIG. 13, portions of the semiconductor laser element 10 and the flat plate condensing element 20 that are located in a region where the X coordinate is positive are omitted.

平板集光要素20は、Z軸方向に延びる柱状のフレネルレンズである。平板集光要素20の屈折率は、X軸方向に沿って変化する。平板集光要素20の一方の面は対物面21であり、他方の面は平面22である。半導体レーザモジュール100において、平板集光要素20は、半導体レーザ素子10の光出射端面LESに対向して配置される。平面22は、光出射端面LESに対向する。平面22は、光出射端面LESと接触していてもよいし、平面22と光出射端面LESとが離れていてもよい。図13では、平面22と光出射端面LESとが離れている場合を示している。   The flat plate condensing element 20 is a columnar Fresnel lens extending in the Z-axis direction. The refractive index of the flat plate condensing element 20 changes along the X-axis direction. One surface of the flat plate condensing element 20 is an objective surface 21, and the other surface is a flat surface 22. In the semiconductor laser module 100, the flat plate condensing element 20 is disposed to face the light emitting end face LES of the semiconductor laser element 10. The plane 22 faces the light emitting end surface LES. The plane 22 may be in contact with the light emitting end surface LES, or the plane 22 and the light emitting end surface LES may be separated from each other. FIG. 13 shows a case where the plane 22 and the light emitting end surface LES are separated from each other.

対物面21は、光出射端面LESに対向する側と反対側に位置する。対物面21は、複数(ここではN枚)の曲面21a1、21a2、・・・、21aX、・・・、21aN(以下、曲面21aと総称する)を含む。対物面は、隣り合う曲面21a同士を接続する面21bを含む。図13では21bがy軸と平行な場合について示したが、21bはy軸と平行でなくとも良い。複数の曲面21aは、光出射端面LESに直交するY軸方向から見て、X軸方向(第一方向)に並んで位置する。N枚の曲面21aは、それぞれ半導体レーザ素子10のN個のフォトニック結晶領域4Rの1つに対応するように設けられる。半導体レーザ素子に含まれる駆動電極E2の数と曲面21aの枚数Nは一致する。   The objective surface 21 is located on the side opposite to the side facing the light emitting end surface LES. The object surface 21 includes a plurality (N in this case) of curved surfaces 21a1, 21a2, ..., 21aX, ..., 21aN (hereinafter collectively referred to as a curved surface 21a). The objective surface includes a surface 21b that connects adjacent curved surfaces 21a. Although FIG. 13 shows the case where 21b is parallel to the y axis, 21b may not be parallel to the y axis. The plurality of curved surfaces 21a are positioned side by side in the X-axis direction (first direction) when viewed from the Y-axis direction orthogonal to the light emitting end surface LES. Each of the N curved surfaces 21 a is provided so as to correspond to one of the N photonic crystal regions 4 </ b> R of the semiconductor laser element 10. The number of drive electrodes E2 included in the semiconductor laser element matches the number N of curved surfaces 21a.

図13の(B)及び(C)に示すように、曲面21aの各々は、半導体レーザ素子10から当該曲面21aに入射するレーザビームLBに垂直な平面fに接している。曲面21aの各々に入射するレーザビームLBの進行方向は、曲面21aごとに異なっており、レーザビームLBに垂直な平面fがXZ平面に対してなす角度も、曲面21aごとに異なっている。図13の(B)は、X座標が0の位置に配置された曲面21a1を拡大して示している。曲面21a1には、半導体レーザ素子10の光出射端面LESから出射されて平板集光要素20内を進行してきたレーザビームLBが入射する。このレーザビームLBの進行方向は、Y軸に平行である。したがって、曲面21a1は、レーザビームLBに垂直な平面f、すなわちXZ平面に平行な平面に接する。また、図13の(C)は、X座標がXの位置に配置された曲面21aXを拡大して示している。曲面21aXには、半導体レーザ素子10の光出射端面LESから出射されて平板集光要素20内を進行してきたレーザビームLBが入射する。このレーザビームLBの進行方向は、XY平面に平行であり、Y軸に対して角度θout(X)をなしている。したがって、曲面21aXは、レーザビームLBに垂直な平面f、すなわちXZ平面に対して角θout(X)をなし、Z軸に平行な平面に接する。 As shown in FIGS. 13B and 13C, each of the curved surfaces 21 a is in contact with a plane f perpendicular to the laser beam LB incident on the curved surface 21 a from the semiconductor laser element 10. The traveling direction of the laser beam LB incident on each curved surface 21a is different for each curved surface 21a, and the angle formed by the plane f perpendicular to the laser beam LB with respect to the XZ plane is also different for each curved surface 21a. FIG. 13B shows an enlarged curved surface 21a1 arranged at a position where the X coordinate is zero. The laser beam LB emitted from the light emitting end face LES of the semiconductor laser element 10 and traveling through the flat plate condensing element 20 is incident on the curved surface 21a1. The traveling direction of the laser beam LB is parallel to the Y axis. Therefore, the curved surface 21a1 is in contact with a plane f perpendicular to the laser beam LB, that is, a plane parallel to the XZ plane. FIG. 13C shows an enlarged curved surface 21aX in which the X coordinate is located at the X position. The laser beam LB emitted from the light emitting end face LES of the semiconductor laser element 10 and traveling through the flat plate condensing element 20 is incident on the curved surface 21aX. The traveling direction of the laser beam LB is parallel to the XY plane and forms an angle θ out (X) with respect to the Y axis. Therefore, the curved surface 21aX forms an angle θ out (X) with respect to the plane f perpendicular to the laser beam LB, that is, the XZ plane, and touches the plane parallel to the Z axis.

X軸に沿った位置Xにおける、活性層3Bが延びる方向に平行なXY平面内における複数の曲面21aの各々の曲率半径r(X)は、次の(式2)である。

Figure 2014082257
The curvature radius r (X) of each of the plurality of curved surfaces 21a in the XY plane parallel to the extending direction of the active layer 3B at the position X along the X axis is the following (Expression 2).
Figure 2014082257

(式2)において、n(X)は、位置Xにおける平板集光要素20の屈折率である。θout(X)は、位置Xにおいて対物面21から出射されるレーザビームLBが光出射端面LESの法線Nに対してなす角度である。f0は、θout(X)=0の場合の平板集光要素のX軸方向の焦点距離である。 In (Expression 2), n (X) is the refractive index of the flat plate condensing element 20 at the position X. θ out (X) is an angle formed by the laser beam LB emitted from the object plane 21 at the position X with respect to the normal line N of the light emitting end face LES. f 0 is the focal length of the flat plate condensing element in the X-axis direction when θ out (X) = 0.

上記の(式2)の導出過程について説明する。一方の面が曲率半径r(X)を有する球面であり、他方の面が平面であり、屈折率がn(X)であり、焦点距離がf(X)のレンズについて、以下の(式3)が成立することが知られている。
r(X)=f(X)・{n(X)−1} …(式3)
The derivation process of the above (Formula 2) will be described. For a lens in which one surface is a spherical surface having a radius of curvature r (X), the other surface is a plane, the refractive index is n (X), and the focal length is f (X), the following (formula 3) ) Is known to hold.
r (X) = f (X) · {n (X) −1} (Formula 3)

図1を参照すると、レーザビームLBの出射角度θout(X)によらず、対物面22から距離f0だけ離れた焦点面FにレーザビームLBを集光させるためには、次の(式4)が成立する必要がある。
f(X)≒f0/cos(θout(X)) …(式4)
Referring to FIG. 1, in order to focus the laser beam LB on the focal plane F separated from the object plane 22 by the distance f 0 regardless of the emission angle θ out (X) of the laser beam LB, 4) must be established.
f (X) ≈f 0 / cos (θ out (X)) (Formula 4)

(式4)を(式3)に代入すると、上記の(式2)が得られる。   By substituting (Equation 4) into (Equation 3), the above (Equation 2) is obtained.

曲面21aの各々は、Z軸方向の曲率半径を有していない。すなわち、Z軸に平行な平面と曲面21aとの交線は、直線となる。このため、平板集光要素20をXY平面に平行な平面で切断した場合、切断面の位置に関わらず、平板集光要素20の断面形状は同一である。   Each of the curved surfaces 21a does not have a radius of curvature in the Z-axis direction. That is, the line of intersection between the plane parallel to the Z axis and the curved surface 21a is a straight line. For this reason, when the flat plate condensing element 20 is cut along a plane parallel to the XY plane, the cross-sectional shape of the flat plate condensing element 20 is the same regardless of the position of the cut surface.

複数の曲面21aは、X軸の負の側に配置されているものほど、光出射端面LESとの距離が短い。すなわち、半導体レーザ素子10から入射するレーザビームLBが光出射端面LESの法線、すなわちY軸方向に対してなす角度が大きい曲面21aほど、光出射端面LESとの距離が短い。   As the plurality of curved surfaces 21a are arranged on the negative side of the X axis, the distance from the light emitting end surface LES is shorter. That is, the distance from the light emitting end surface LES is shorter as the curved surface 21a has a larger angle formed by the laser beam LB incident from the semiconductor laser element 10 with respect to the normal line of the light emitting end surface LES, that is, the Y-axis direction.

本実施形態に係る半導体レーザモジュール100によれば、光出射端面LESに平行で且つ活性層3Bが延びるX軸方向に並んで活性層3Bに位置する複数の領域から出射されるレーザビームLBの光出射端面LESに対する出射方向がそれぞれ異なっている。半導体レーザモジュール100が、半導体レーザ素子10の光出射端面LESに対向して配置される平板集光要素20を具備しており、平板集光要素20が、光出射端面LESに対向する側と反対側に対物面21を備える。この対物面21が複数の曲面21aを含んで形成されており、複数の曲面21aの各々の曲率半径r(X)が上記の数式(式2)に基づいて決定される。このため、活性層3Bの複数の領域から光出射端面LESの法線に対して角度θout(X)をなして出射されるレーザビームLBに対して、平板集光要素LESの焦点距離はf0/cos(θout(X))となる。したがって、平板集光要素LESによって集光される焦点と光出射端面LESとの間の距離は、θout(X)の値によらずf0となり、レーザビームLBは光出射端面LESから距離f0の平面Fに集光される。したがって、レーザビームLBの出射方向によらずレーザビームLBの拡がり角を一定とすることができる。 According to the semiconductor laser module 100 according to the present embodiment, the light of the laser beam LB emitted from a plurality of regions positioned in the active layer 3B parallel to the light emitting end face LES and aligned in the X-axis direction in which the active layer 3B extends. The emission directions with respect to the emission end face LES are different from each other. The semiconductor laser module 100 includes a flat plate condensing element 20 disposed to face the light emitting end face LES of the semiconductor laser element 10, and the flat plate condensing element 20 is opposite to the side facing the light emitting end face LES. An object plane 21 is provided on the side. The objective surface 21 is formed including a plurality of curved surfaces 21a, and the radius of curvature r (X) of each of the plurality of curved surfaces 21a is determined based on the above equation (Equation 2). For this reason, the focal length of the flat plate condensing element LES is f with respect to the laser beam LB emitted from the plurality of regions of the active layer 3B at an angle θ out (X) with respect to the normal of the light emitting end face LES. 0 / cos (θ out (X)). Therefore, the distance between the focal point condensed by the flat plate condensing element LES and the light emission end face LES is f 0 regardless of the value of θ out (X), and the laser beam LB is a distance f from the light emission end face LES. It is condensed on a plane F of 0 . Therefore, the spread angle of the laser beam LB can be made constant regardless of the emission direction of the laser beam LB.

半導体レーザ素子10から入射するレーザビームLBが光出射端面LESの法線に対してなす角度が大きい曲面21aほど、光出射端面LESとの距離が短い。このため、当該曲面21aを通過するレーザビームLBと、他の曲面21aを通過するレーザビームLBと、の干渉を防ぐことができる。   The curved surface 21a having a larger angle formed by the laser beam LB incident from the semiconductor laser element 10 with respect to the normal line of the light emitting end surface LES has a shorter distance from the light emitting end surface LES. Therefore, interference between the laser beam LB passing through the curved surface 21a and the laser beam LB passing through the other curved surface 21a can be prevented.

複数の曲面21aの各々は、数式(式2)により決定される曲率半径に対して、収差補正のために非球面化処理されていてもよい。この場合には、平板集光要素20において発生する収差を補正することができる。   Each of the plurality of curved surfaces 21a may be subjected to aspherical processing for aberration correction with respect to the radius of curvature determined by Expression (Expression 2). In this case, the aberration generated in the flat plate condensing element 20 can be corrected.

複数の曲面21aの各々は、活性層3Bが延びる方向に垂直な方向の曲率半径を有するようにしてもよい。この場合には、曲面21aが活性層3Bの延びる方向に垂直な方向の曲率半径を有する。このため、活性層3Bが延びる方向に垂直な方向のレーザビームLBの拡がり角を調整することができる。   Each of the plurality of curved surfaces 21a may have a radius of curvature in a direction perpendicular to the direction in which the active layer 3B extends. In this case, the curved surface 21a has a radius of curvature in a direction perpendicular to the direction in which the active layer 3B extends. For this reason, the divergence angle of the laser beam LB in the direction perpendicular to the direction in which the active layer 3B extends can be adjusted.

曲面21aの数Nは、半導体レーザ素子10のフォトニック結晶領域4Rの数と一致しなくてもよい。特に、曲面21aの数Nをフォトニック結晶領域4Rの数よりも増やしておけば、隣接する2つの駆動電極E2,E2に同時に電流を供給することによって、一方の駆動電極E2に電流を供給した場合のレーザビームLBの出射方向と、他方の駆動電極E2に電流を供給した場合のレーザビームLBの出射方向との中間の方向にレーザビームLBが出射された場合にも、平板集光要素20がレーザビームLBを好適に集光することができる。   The number N of the curved surfaces 21a may not match the number of photonic crystal regions 4R of the semiconductor laser element 10. In particular, if the number N of the curved surfaces 21a is larger than the number of the photonic crystal regions 4R, the current is supplied to one of the two drive electrodes E2 by supplying the current to the two adjacent drive electrodes E2 and E2 at the same time. Even when the laser beam LB is emitted in the intermediate direction between the emission direction of the laser beam LB in this case and the emission direction of the laser beam LB when current is supplied to the other drive electrode E2, the flat plate condensing element 20 Can suitably focus the laser beam LB.

平板集光要素20の屈折率n(X)は、X軸方向に沿って変化するものとしたが、屈折率n(X)がX座標に応じて連続的に変化するようにしてもよいし、特定のX座標の位置において不連続に変化するようにしてもよい。また、平板集光要素20全体を、一定の屈折率nを有する単一の材料により構成し、屈折率n(X)がX座標によらず一定となるようにしてもよい。   Although the refractive index n (X) of the flat plate condensing element 20 changes along the X-axis direction, the refractive index n (X) may change continuously according to the X coordinate. Alternatively, it may be changed discontinuously at a specific X coordinate position. Alternatively, the entire flat plate condensing element 20 may be made of a single material having a constant refractive index n so that the refractive index n (X) is constant regardless of the X coordinate.

なお、上記では、1つのフォトニック結晶層4を用いた例について説明したが、これは2つのフォトニック結晶層4を用いて構成してもよい。   In addition, although the example using the one photonic crystal layer 4 was demonstrated above, you may comprise this using the two photonic crystal layers 4. FIG.

図14は、半導体レーザ素子の縦断面図である。   FIG. 14 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device.

図2に示したものとの相違点は、クラッド層2と光ガイド層3A(活性層3B)との間に、第2のフォトニック結晶層4’を備えている点のみである。なお、第2のフォトニック結晶層4’は、第1のフォトニック結晶層4と同じ材料からなる基本層4A’と異屈折率部4B’とを備えている。   The only difference from that shown in FIG. 2 is that a second photonic crystal layer 4 'is provided between the cladding layer 2 and the light guide layer 3A (active layer 3B). The second photonic crystal layer 4 ′ includes a basic layer 4 A ′ made of the same material as the first photonic crystal layer 4 and a different refractive index portion 4 B ′.

図2に示したフォトニック結晶層4を第1のフォトニック結晶層とすると、このフォトニック結晶層4は、図5に示した単一の周期構造を有する屈折率分布構造を有しており、第2のフォトニック結晶層4’は、図6に示した周期a2の単一の周期構造のほか、各領域内の周期がa3〜a4となるものを、A方向に並べた屈折率分布構造を有している。すなわち、半導体レーザ素子の厚み方向から、これらのフォトニック結晶層4,4’の重なりを見ると、図8に示したものと同様に、領域Δ1〜領域Δ5が、A方向に沿って整列していることになる。かかる構造の場合においても、各パラメータを上記のように設定することにより、図2に示した構造と同様の作用効果を得ることができる。   When the photonic crystal layer 4 shown in FIG. 2 is a first photonic crystal layer, the photonic crystal layer 4 has a refractive index distribution structure having a single periodic structure shown in FIG. The second photonic crystal layer 4 ′ has a refractive index distribution in which the single periodic structure with the period a2 shown in FIG. It has a structure. That is, when the overlap of the photonic crystal layers 4 and 4 ′ is seen from the thickness direction of the semiconductor laser element, the regions Δ1 to Δ5 are aligned along the A direction as shown in FIG. Will be. Even in the case of such a structure, the same effects as the structure shown in FIG. 2 can be obtained by setting each parameter as described above.

なお、かかる構造を製造する場合、クラッド層2の形成後に、第1のフォトニック結晶層4と同様の製造方法を行い(但し、異屈折率部4Bが形成された時点で成長を停止する)、しかる後、この上に、光ガイド層3A以降の各層を、上述の製造方法と同様に製造すればよい。   In the case of manufacturing such a structure, after the formation of the clad layer 2, the same manufacturing method as that for the first photonic crystal layer 4 is performed (however, the growth is stopped when the different refractive index portion 4B is formed). Then, after that, each layer after the light guide layer 3A may be manufactured in the same manner as described above.

また、2つの屈折率周期構造を含む第1のフォトニック結晶層4と同一の構造の第2のフォトニック結晶層4’を、第1のフォトニック結晶層4に代えて用いた構造であっても、同様の効果を奏する。   Further, the second photonic crystal layer 4 ′ having the same structure as the first photonic crystal layer 4 including two refractive index periodic structures is used in place of the first photonic crystal layer 4. However, the same effect can be obtained.

以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板1上に形成された下部クラッド層2と、上部クラッド層5と、下部クラッド層2と上部クラッド層5との間に介在する活性層3B(光ガイド層を含んでもよい)と、活性層3Bと上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層4,4’と、活性層3Bの第1領域R(1つの駆動電極E2の直下領域)に駆動電流を供給するための第1駆動電極E2と、を備え、第1駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層4,4’の第1領域Rに対応する領域Δ1は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第1及び第2の周期構造を有しており、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期(a1、a2)の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第1駆動電極E2の長手方向(B方向)に対して所定の角度(δθ)を成す2つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、全反射条件を満たすように設定され、他方の屈折角θ3は90度未満となるように設定されることを特徴とする。   As described above, the semiconductor laser element described above is an edge-emitting semiconductor laser element, and includes a lower cladding layer 2, an upper cladding layer 5, a lower cladding layer 2 and an upper surface formed on a substrate 1. Photonic crystal layers 4 and 4 interposed between the active layer 3B (which may include a light guide layer) interposed between the cladding layer 5 and the active layer 3B and at least one of the upper and lower cladding layers. , And a first drive electrode E2 for supplying a drive current to the first region R of the active layer 3B (a region immediately below one drive electrode E2). The longitudinal direction of the first drive electrode E2 is a semiconductor When viewed from the thickness direction of the laser element, it is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of this semiconductor laser element and corresponds to the first region R of the photonic crystal layers 4 and 4 ′. Area Δ1 is the surrounding and refraction Have different first and second periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions are different from each other, and the difference between the reciprocals of the arrangement periods (a1, a2) in the first and second periodic structures. Accordingly, when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, two laser beams forming a predetermined angle (δθ) with respect to the longitudinal direction (B direction) of the first drive electrode E2 are generated inside the semiconductor laser element, Only one of these laser beams is set to satisfy the total reflection condition, and the other refraction angle θ3 is set to be less than 90 degrees.

すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第1駆動電極E2への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角θを全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角θ3は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。   That is, in the edge-emitting laser element, with respect to light emission by supplying a drive current to the first drive electrode E2, the incident angle θ of one laser beam inside the laser element to the light emitting end face is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle. Thus, the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle θ3 of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.

また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、活性層3Bの第2領域R(2番目の駆動電極E2の直下の領域)に駆動電流を供給するための第2駆動電極E2を更に備え、第2駆動電極E2の長手方向(B方向)は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の前記第2領域に対応する領域Δ2は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに第3及び第4の周期構造を有しており、前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期(a1,a3)の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第2駆動電極E2の長手方向に対して所定の角度δθを成す2つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、光出射端面において全反射するように設定され、他方の屈折角θ3は90度未満となるように設定され、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期(a1,a2)の逆数の差分は、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期(a1,a3)の逆数の差分とは異なる。   The semiconductor laser device according to an aspect of the present invention further includes a second drive electrode E2 for supplying a drive current to the second region R of the active layer 3B (a region immediately below the second drive electrode E2). When viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, the longitudinal direction (B direction) of the second drive electrode E2 is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of the semiconductor laser element, The region Δ2 corresponding to the second region of the photonic crystal layer has third and fourth periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indices from the surroundings have the third and fourth periodic structures, respectively. According to the difference of the reciprocal of each of the arrangement periods (a1, a3) in the periodic structure of 4, when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, a predetermined angle δθ is set with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode E2. Two laser beams formed are semiconductor lasers Only one of these laser beams generated inside the laser beam is set so as to be totally reflected at the light emitting end face, and the other refraction angle θ3 is set to be less than 90 degrees, and the first and second periods are set. The difference of the reciprocal number of each arrangement period (a1, a2) in the structure is different from the difference of the reciprocal number of each arrangement period (a1, a3) in the third and fourth periodic structures.

端面発光型のレーザ素子において、第2駆動電極E2への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。   In the edge-emitting laser element, with respect to light emission by supplying a drive current to the second drive electrode E2, the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the light emission end face is set to a total reflection critical angle or more. The laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.

なお、左から3番目以降の駆動電極E2に関しても同様の作用効果がある。   It should be noted that the same effect is obtained with respect to the third and subsequent drive electrodes E2 from the left.

ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層4,4’内の領域では、異屈折率部4Bの配列周期の逆数の差(出射方向決定因子)が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差(出射方向決定因子)の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第1駆動電極E2に対応する領域Δ1と、第2駆動電極E2に対応する領域Δ2では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面に入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に1方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。   Here, in the regions within the photonic crystal layers 4 and 4 ′ corresponding to the respective drive electrodes, the difference in the reciprocal of the arrangement period of the different refractive index portions 4 </ b> B (exit direction determining factor) is different. The difference value determines the laser beam emission direction. Therefore, since the value of the difference (exiting direction determining factor) is different in both regions, the emitting direction of the laser beam is the region Δ1 corresponding to the first drive electrode E2 and the region Δ2 corresponding to the second drive electrode E2. So it will be different. One of the pair of laser beams generated in each region is incident on the light emitting end face with a total reflection critical angle or more, and thus is not emitted to the outside. Therefore, by switching the supply of the drive current to each drive electrode, it becomes possible to output only one direction of laser beam in different directions.

なお、本実施例では周期の異なるフォトニック結晶としてA方向とB方向の周期が(b1,b1)の正方格子をベースとし、第1周期構造として周期が(a1,b1)の長方格子、第2周期構造として周期が(a2,b1)の長方格子の場合について説明したが、もちろん三角格子をベースとしてA方向の周期を互いに異ならせた構造を用いても良い。   In this embodiment, a photonic crystal having a different period is based on a square lattice having a period (b1, b1) in the A direction and the B direction, and a rectangular lattice having a period (a1, b1) as the first periodic structure. Although the case of a rectangular lattice with a period of (a2, b1) has been described as the second periodic structure, it is of course possible to use a structure in which the periods in the A direction are different from each other based on a triangular lattice.

図15は、図4に示した平面図の天地を反転させ、出射されるビームの屈折角θ3を若干変更して示した素子内部の平面図である。図4においても同様である。   FIG. 15 is a plan view of the inside of the element shown by inverting the top and bottom of the plan view shown in FIG. 4 and slightly changing the refraction angle θ3 of the emitted beam. The same applies to FIG.

xyz直交座標系は、XYZ直交座標系をZ軸の周りに角度+φだけ回転させた座標系であり、+x方向は+A方向に一致し、+y方向は−B方向に一致する。フォトニック結晶の孔のパターンの配列は、光出射端面に対して角度φだけ傾斜している。図示のように、波数ベクトルk2の反射方向(波数ベクトルk2’のレーザビーム進行方向)と光出射端面LESの成す角度をθ2’、波数ベクトルk1のレーザビームの反射方向(波数ベクトルk1’のレーザビーム進行方向)と光出射端面LESとの成す角度をθ3’とする。   The xyz orthogonal coordinate system is a coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system around the Z axis by an angle + φ, and the + x direction coincides with the + A direction and the + y direction coincides with the −B direction. The arrangement of the photonic crystal hole patterns is inclined by an angle φ with respect to the light emitting end face. As shown in the figure, the angle formed by the reflection direction of the wave vector k2 (the laser beam traveling direction of the wave vector k2 ′) and the light emitting end face LES is θ2 ′, and the reflection direction of the laser beam of the wave vector k1 (the laser of the wave vector k1 ′). The angle formed between the beam traveling direction) and the light exit end face LES is defined as θ3 ′.

上述の実施形態では、素子から出射されるレーザビーム数が1本となるように、波数ベクトルk2のレーザビームに関しては、光出射端面LESにおいて全反射されるように、設定した。しかしながら、このレーザビームのパワーを、素子内部において再利用することができれば、電気エネルギーからレーザビームへのエネルギー変換効率が高くなるものと考えられる。そこで、反射したレーザビームY2’を内部で再利用できる条件について、検討する。なお、波数ベクトルk1、k2、k3、k4、k1’、k2’に対応するレーザビーム(主要光波とする)を、それぞれY1、Y2、Y3、Y4、Y1’、Y2’とし、これらは光波のベクトルも示しているものとする。また、X軸と主要光波Y4との成す角度をθt、X軸と主要光波Y3との成す角度をθrとする。   In the embodiment described above, the laser beam having the wave number vector k2 is set so as to be totally reflected at the light emitting end face LES so that the number of laser beams emitted from the element is one. However, if the power of the laser beam can be reused inside the device, the energy conversion efficiency from electric energy to the laser beam is considered to increase. Therefore, the conditions under which the reflected laser beam Y2 'can be reused are examined. The laser beams (main light waves) corresponding to the wave number vectors k1, k2, k3, k4, k1 ′, and k2 ′ are Y1, Y2, Y3, Y4, Y1 ′, and Y2 ′, respectively. Also assume that the vector is shown. In addition, an angle formed between the X axis and the main light wave Y4 is θt, and an angle formed between the X axis and the main light wave Y3 is θr.

各パラメータθt、θr、θ2’、θ3’は、以下の関係式を満たしている。なお、β、β、βはそれぞれ、B方向における基本逆格子ベクトル、第1周期構造のA方向における基本逆格子ベクトル、第2周期構造のA方向における基本逆格子ベクトルを意味するものとし、β=2π/b1(=b2)、β=2π/a1、β=2π/a2、Δβ=β−β、α=β/Δβとする。 Each parameter θt, θr, θ2 ′, θ3 ′ satisfies the following relational expression. Β 0 , β 1 , and β 2 mean a basic reciprocal lattice vector in the B direction, a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the first periodic structure, and a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the second periodic structure, respectively. [Beta] 0 = 2 [pi] / b1 (= b2), [beta] 1 = 2 [ pi] / a1, [beta] 2 = 2 [ pi] / a2, [Delta] [beta] = [beta] 2- [ beta] 1 , and [alpha] = [beta] 0 / [Delta] [beta].

角度θrについて説明すると、図16に示すように、xy座標系において、原点OからP点(βx,βy)に向かうベクトルが、x軸と成す角度θβ=tan−1(βy/βx)で与えられる。ここで、θtはθβにおいて、βx=(1/2)×Δβ、βy=βとして、角度φを加えた場合であるから、(式5)で与えられる。残りのパラメータも同様に計算され、(式6)〜(式8)で与えられる。
θt=tan−1(2α)+φ …(式5)
θr=180°−tan−1(2α)+φ …(式6)
θ2’=tan−1(2α)−φ …(式7)
θ3’=180°−tan−1(2α)−φ …(式8)
The angle θr will be described. As shown in FIG. 16, in the xy coordinate system, a vector from the origin O to the point P (βx, βy) is given by an angle θβ = tan −1 (βy / βx) formed with the x axis. It is done. Here, [theta] t in θβ, βx = (1/2) × Δβ, as [beta] y = beta 0, since it is the case of adding the angle phi, is given by (Equation 5). The remaining parameters are calculated in the same manner and are given by (Equation 6) to (Equation 8).
θt = tan −1 (2α) + φ (Formula 5)
θr = 180 ° −tan −1 (2α) + φ (Expression 6)
θ2 ′ = tan −1 (2α) −φ (Expression 7)
θ3 ′ = 180 ° −tan −1 (2α) −φ (Expression 8)

何らの付加的な構造が存在しない場合、全反射した主要光波Y2’が、レーザ光共振に寄与するためには、主要光波Y2’の角度θ2’と角度θtが一致する必要がある(θ2’=θt)。この場合、φ=0となる。また、反射した主要光波Y1’の角度θ3’と角度θrが一致する必要がある(θ3’=θr)。この場合、φ=0となる。一方、2つの主要光波Y1,Y2のうち、一方を全反射させるためには、φ≠0である必要がある。したがって、出力されるビーム数を1本となるように全反射を行った場合には、光出射端面にて反射した主要光波をレーザ光共振に有効に寄与させることはできない。   In the absence of any additional structure, in order for the totally reflected main light wave Y2 ′ to contribute to laser light resonance, the angle θ2 ′ of the main light wave Y2 ′ needs to match the angle θt (θ2 ′). = Θt). In this case, φ = 0. Further, the angle θ3 ′ and the angle θr of the reflected main light wave Y1 ′ need to coincide with each other (θ3 ′ = θr). In this case, φ = 0. On the other hand, in order to totally reflect one of the two main light waves Y1 and Y2, it is necessary that φ ≠ 0. Therefore, when total reflection is performed so that the number of output beams becomes one, the main light wave reflected by the light emitting end face cannot be effectively contributed to the laser light resonance.

したがって、反射光を利用可能な付加的な構造について検討する。   Therefore, an additional structure that can use reflected light is examined.

図17は、xy座標系における主要光波の向きを示すグラフである。xy座標系におけるx軸は、X軸に対して角度φだけ回転している。   FIG. 17 is a graph showing the directions of main light waves in the xy coordinate system. The x axis in the xy coordinate system is rotated by an angle φ with respect to the X axis.

反射光としての主要光波Y2’を、共振に供する主要光波Y4に一致させるためには、光波Y2’の向きを角度2φだけ回転させればよい。xy座標系における主要光波Y4を示すベクトルの先端P4の座標は(Δβ/2,β)であり、主要光波Y2’を示すベクトルの先端P2’の座標は、これを−2φだけ回転した座標である。 In order to make the main light wave Y2 ′ as reflected light coincide with the main light wave Y4 subjected to resonance, the direction of the light wave Y2 ′ may be rotated by an angle 2φ. The coordinates of the tip P4 of the vector indicating the main light wave Y4 in the xy coordinate system are (Δβ / 2, β 0 ), and the coordinates of the tip P2 ′ of the vector indicating the main light wave Y2 ′ are coordinates obtained by rotating this by −2φ. It is.

一方、XY座標系においては、xy座標系のベクトルY4(先端P4)の座標(Δβ/2,β)は、これを+φだけ回転した座標(XA,YA)に変換され、ベクトルY2’の座標は、xy座標系のベクトルY4の座標を−φだけ回転した座標(XB,YB)に変換される。
(XA,YA)=(Δβcosφ/2−βsinφ,Δβsinφ/2+βcosφ) …(式9)
(XB,YB)=(Δβcosφ/2+βsinφ,−Δβsinφ/2+βcosφ) …(式10)
On the other hand, in the XY coordinate system, the coordinates (Δβ / 2, β 0 ) of the vector Y4 (tip P4) in the xy coordinate system are converted into coordinates (XA, YA) rotated by + φ, and the vector Y2 ′ The coordinates are converted into coordinates (XB, YB) obtained by rotating the coordinates of the vector Y4 in the xy coordinate system by −φ.
(XA, YA) = (Δβ cos φ / 2−β 0 sin φ, Δβ sin φ / 2 + β 0 cos φ) (Equation 9)
(XB, YB) = (Δβ cos φ / 2 + β 0 sin φ, −Δβ sin φ / 2 + β 0 cos φ) (Equation 10)

ベクトルΔYに等しい逆格子ベクトルが存在すれば、主要光波Y2’が主要光波Y4に結合する。すなわち、ベクトルY2’に、ベクトルΔYを加えれば、ベクトルY4となる。ベクトルΔYは以下のように表され、このベクトルΔYに等しい逆格子ベクトルを有する新たな周期構造を付加的に採用すれば、全反射した光波Y2’を共振に寄与させることができる。
ΔY=(XA−XB,YA−YB)=(−2βsinφ,Δβsinφ)
If there is a reciprocal lattice vector equal to the vector ΔY, the main light wave Y2 ′ is coupled to the main light wave Y4. That is, the vector Y4 is obtained by adding the vector ΔY to the vector Y2 ′. The vector ΔY is expressed as follows. If a new periodic structure having a reciprocal lattice vector equal to the vector ΔY is additionally employed, the totally reflected light wave Y2 ′ can be contributed to resonance.
ΔY = (XA−XB, YA−YB) = (− 2β 0 sinφ, Δβsinφ)

なお、この新たな周期構造は、異屈折率部がストライプ状に配置されていることが好ましい。ストライプ状の周期構造は、光結合係数の異方性が高く、共振状態のY1,Y2が受ける影響を小さくすることができる。   In this new periodic structure, it is preferable that the different refractive index portions are arranged in a stripe shape. The stripe-shaped periodic structure has a high anisotropy of the optical coupling coefficient and can reduce the influence of the resonance state Y1 and Y2.

図18は、活性層3B内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。   FIG. 18 is a plan view of the inside of the element for explaining main light waves in the active layer 3B.

XY平面と光出射端面LESとの交線はX軸に一致している。上述のベクトルΔYが存在する場合には、座標P2’に先端がある光波Y2’の波数ベクトルは座標P4に先端がある光波Y4の波数ベクトルに変換される。ベクトルΔYに垂直な直線をLとする。新たな周期構造は、活性層3B内において、光波が直線Lに垂直な方向に進行するように設定すればよい。活性層3B内の光波の進行方向を制御するため、これに光学的に結合している回折格子層のパターンを制御する。上述の図14においては、上下のフォトニック結晶層(回折格子層)4,4’を備えることとした。このような構造の場合において、上述の全反射を達成するフォトニック結晶層を上部の回折格子層4内に作製し、反射光を共振に利用するための上記新たな周期構造を回折格子層4’内に作製することができる(もちろん、これらの周期構造はどちらか一方、或いは両方の層に重畳して作製してもよい)。   The line of intersection between the XY plane and the light emitting end face LES coincides with the X axis. When the above-described vector ΔY exists, the wave vector of the light wave Y2 'having the tip at the coordinate P2' is converted into the wave vector of the light wave Y4 having the tip at the coordinate P4. Let L be a straight line perpendicular to the vector ΔY. The new periodic structure may be set so that the light wave travels in a direction perpendicular to the straight line L in the active layer 3B. In order to control the traveling direction of the light wave in the active layer 3B, the pattern of the diffraction grating layer optically coupled thereto is controlled. In FIG. 14 described above, upper and lower photonic crystal layers (diffraction grating layers) 4, 4 'are provided. In the case of such a structure, a photonic crystal layer that achieves the above-described total reflection is produced in the upper diffraction grating layer 4, and the new periodic structure for using reflected light for resonance is formed in the diffraction grating layer 4. (Of course, these periodic structures may be produced by superimposing one or both layers).

図19(A)は、上記ベクトルΔYを与える周期構造を有する回折格子層4’の平面図であり、図19(B)は、そのXZ平面内の断面図である。   FIG. 19A is a plan view of a diffraction grating layer 4 ′ having a periodic structure that gives the vector ΔY, and FIG. 19B is a cross-sectional view in the XZ plane.

回折格子層4’は、XY平面内において、直線Lに沿ってストライプ状に延びた基本層4A’と異屈折率部4B’とを備えており、これらの屈折率は異なっている。異屈折率部4B’は、周期的に基本層4A’内に埋め込まれている。これにより、回折格子層4’内に、ストライプ状の周期的屈折率分布構造が形成され、ΔYの方向に光波は進行させる回折格子層として機能する。直線Lに垂直な方向に沿った基本層4A’の幅がこの周期構造の周期Λに対して占める割合を変化させることにより、本ストライプ状周期的屈折率分布構造による回折の強度を変化させることが出来る。逆格子空間におけるΔYの逆格子ベクトルの長さL2、周期Λ、直線LとX軸との成す角度θは、以下のように与えられる。   The diffraction grating layer 4 'includes a basic layer 4A' and a different refractive index portion 4B 'extending in a stripe shape along the straight line L in the XY plane, and these refractive indexes are different. The different refractive index portions 4B 'are periodically embedded in the basic layer 4A'. As a result, a striped periodic refractive index distribution structure is formed in the diffraction grating layer 4 ′, and functions as a diffraction grating layer in which light waves travel in the direction of ΔY. By changing the ratio of the width of the basic layer 4A ′ along the direction perpendicular to the straight line L to the period Λ of the periodic structure, the intensity of diffraction by the stripe-shaped periodic refractive index distribution structure is changed. I can do it. The length L2 of the reciprocal lattice vector of ΔY in the reciprocal lattice space, the period Λ, and the angle θ formed by the straight line L and the X axis are given as follows.

L2={(2βsinφ)+(Δβsinφ)1/2 …(式11)
Λ=2π/L2
=1/{(2sinφ/a+((1/aII−1/a)sinφ)1/2 …(式12)
θ=θt−φ
=tan−1(2α)
=tan−1{(2/a)/(1/aII−1/a)} …(式13)
L2 = {(2β 0 sin φ) 2 + (Δβ sin φ) 2 } 1/2 (Expression 11)
Λ = 2π / L2
= 1 / {( 2 sin φ / a y ) 2 + ((1 / a II −1 / a I ) sin φ) 2 } 1/2 (Expression 12)
θ = θt−φ
= Tan -1 (2α)
= Tan −1 {(2 / a y ) / (1 / a II −1 / a I )} (Formula 13)

なお、β=2π/a、β=2π/a、β=2π/aIIであり、aはB方向の周期、aは第1周期構造のA方向の周期、aIIは第2周期構造のA方向の周期を示している。 Β 0 = 2π / a y , β 1 = 2π / a I , β 2 = 2π / a II , a y is the period in the B direction, a I is the period in the A direction of the first periodic structure, a II shows the period in the A direction of the second periodic structure.

図20は、レーザビーム出射角(屈折角)θ3と、ストライプの角度θ、周期Λの関係を示すグラフであり、図21は、このグラフに用いられるデータを示す図表である。θ(°)のデータの縦軸はグラフの左側に示し、Λ(nm)のデータの縦軸はグラフの右側に示す。   FIG. 20 is a graph showing the relationship between the laser beam emission angle (refraction angle) θ3, the stripe angle θ, and the period Λ, and FIG. 21 is a chart showing data used in this graph. The vertical axis of the θ (°) data is shown on the left side of the graph, and the vertical axis of the Λ (nm) data is shown on the right side of the graph.

レーザビームの出射角θ3が大きくなるにつれて、ストライプの角度θは増加し、周期Λは小さくなることが分かる。同グラフでは、角度θ3を0°から70°まで増加させた場合に、角度θは84.27°から89.54°まで増加し、周期Λは486.08nmから463.43nmまで減少しているが、現実的に実施可能な数値範囲内に収まっている。   It can be seen that as the laser beam emission angle θ3 increases, the stripe angle θ increases and the period Λ decreases. In the graph, when the angle θ3 is increased from 0 ° to 70 °, the angle θ increases from 84.27 ° to 89.54 °, and the period Λ decreases from 486.08 nm to 463.43 nm. However, it is within the practically feasible numerical range.

なお、図14において、全反射用の周期パターンを双方のフォトニック結晶層4,4’内に作製している場合には、これらとは別に、上記ΔYを与える新たな周期構造の回折格子層4”(構造は図19の場合の回折格子層4’と同一)を、上部クラッド層5と回折格子層4との間に作製することができる(図22(A))。或いは、上記ΔYを与える新たな周期構造の回折格子層4”(構造は図19の場合の回折格子層4’と同一)を下部クラッド層2と回折格子層4’との間に形成すればよい(図22(B))。このように、上記例では、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面によって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造(図19、図22の回折格子層)を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率が高くなる。   In FIG. 14, when a periodic pattern for total reflection is formed in both photonic crystal layers 4 and 4 ′, a diffraction grating layer having a new periodic structure that gives the above ΔY separately from these. 4 ″ (the structure is the same as that of the diffraction grating layer 4 ′ in the case of FIG. 19) can be formed between the upper cladding layer 5 and the diffraction grating layer 4 (FIG. 22A). A new diffraction grating layer 4 ″ having the same structure as that of the diffraction grating layer 4 ′ in FIG. 19 may be formed between the lower cladding layer 2 and the diffraction grating layer 4 ′ (FIG. 22). (B)). As described above, in the above example, the diffraction grating structure that contributes to resonance by coupling the laser beam reflected by the light emitting end face with the laser beam that resonates inside the active layer by satisfying the total reflection critical angle condition (see FIG. 19 and the diffraction grating layer of FIG. 22). In this case, energy use efficiency is increased.

図23は、様々な周期構造を有するフォトニック結晶層4の平面図である。いずれのフォトニック結晶層4においても、基本層4A内に周期的に異屈折率部4Bが埋め込まれている。図23(A)には正方格子、図23(B)には長方格子、図23(C)には三角格子、図23(D)には面心長方格子が示されている。上述のように、フォトニック結晶層4においては、周期の異なる2つの周期構造を1つのフォトニック結晶層4内に重畳して含むか、或いは、2つのフォトニック結晶層4,4’内にそれぞれ含ませて平面視において重畳させる構成を採用する。これらの図では、重畳前の各周期構造の例を示しており、2種類の周期構造を、それぞれの基本並進ベクトル(矢印で示す)の向きが一致するように重ねて配置する。   FIG. 23 is a plan view of the photonic crystal layer 4 having various periodic structures. In any photonic crystal layer 4, the different refractive index portions 4B are periodically embedded in the basic layer 4A. 23A shows a square lattice, FIG. 23B shows a rectangular lattice, FIG. 23C shows a triangular lattice, and FIG. 23D shows a face-centered rectangular lattice. As described above, in the photonic crystal layer 4, two periodic structures having different periods are included so as to overlap in one photonic crystal layer 4, or in the two photonic crystal layers 4, 4 ′. A configuration in which each is included and overlapped in plan view is employed. In these figures, examples of each periodic structure before superposition are shown, and two types of periodic structures are arranged so as to overlap each other so that the directions of the respective basic translation vectors (indicated by arrows) coincide.

詳細には、図23(A)のフォトニック結晶層4では、正方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。正方格子は、正方形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する正方形の一方の辺の長さaは、他方の辺の長さbに等しい。換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bに等しい。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。   Specifically, in the photonic crystal layer 4 of FIG. 23A, the different refractive index portions 4B are arranged at the lattice point positions of the square lattice. A square lattice has a shape in which squares are arranged without gaps, and the length a of one side of a square constituting one lattice is equal to the length b of the other side. In other words, the horizontal arrangement period a of the different refractive index portions 4B is equal to the vertical arrangement period b. Here, the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.

図23(B)のフォトニック結晶層4では、長方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。縦横の長さの異なる長方格子は、長方形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する長方形の一方の辺の長さaは、他方の辺の長さbとは異なる。換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bとは異なる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。   In the photonic crystal layer 4 of FIG. 23B, the different refractive index portions 4B are arranged at the lattice point positions of the rectangular lattice. The rectangular lattices having different vertical and horizontal lengths are shapes in which rectangles are arranged without gaps, and the length a of one side of a rectangle constituting one lattice is different from the length b of the other side. In other words, the horizontal arrangement period a of the different refractive index portions 4B is different from the vertical arrangement period b. Here, the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.

図23(C)のフォトニック結晶層4では、三角格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。三角格子は、三角形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する三角形の底辺の長さをa、高さをbとする。三角形が正三角形である場合には、底辺の長さaは換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bはaの√2倍となる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。   In the photonic crystal layer 4 of FIG. 23C, the different refractive index portions 4B are arranged at the lattice point positions of the triangular lattice. The triangular lattice is a shape in which triangles are arranged without gaps, and the length of the bases of the triangles constituting one lattice is a, and the height is b. When the triangle is an equilateral triangle, in other words, the length a of the base is the horizontal arrangement period a of the different refractive index portions 4B, and the vertical arrangement period b is √2 times a. Here, the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.

図23(D)のフォトニック結晶層4では、面心長方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。面心長方格子は、長方格子の各格子内の中央位置に付加的に格子点を備える格子であり、長方格子自体は長方形を隙間無く並べてできている。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。   In the photonic crystal layer 4 in FIG. 23D, the different refractive index portions 4B are arranged at the lattice point positions of the face-centered rectangular lattice. The face-centered rectangular lattice is a lattice additionally provided with a lattice point at the center position in each lattice of the rectangular lattice, and the rectangular lattice itself is formed by arranging rectangles without gaps. Here, the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.

なお、上述のように、A軸はX軸に対して傾斜しており、これらは平行ではない。換言すれば、図2〜図12及び図14〜図23において説明したフォトニック結晶層4は、いずれにおいても、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、フォトニック結晶層4における異屈折率部4Bは、その格子構造の格子点位置に配置されており、格子構造の基本並進ベクトル(A軸、B軸)の方向は、光出射端面LES(図4参照)に平行な方向(X軸)とは異なっている。この場合、傾きを一定以上にすることで一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。   As described above, the A axis is inclined with respect to the X axis, and these are not parallel. In other words, the photonic crystal layer 4 described in FIGS. 2 to 12 and FIGS. 14 to 23 has a different refractive index portion in the photonic crystal layer 4 when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element. 4B is arranged at a lattice point position of the lattice structure, and the direction of the basic translation vector (A axis, B axis) of the lattice structure is a direction (X axis) parallel to the light emitting end face LES (see FIG. 4). Is different. In this case, one laser beam can satisfy the total reflection critical angle condition by setting the inclination to a certain value or more.

また、フォトニック結晶層の格子構造は、その厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。つまり、上記に示した1つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。   The lattice structure of the photonic crystal layer, when viewed from the thickness direction, is a square lattice and a rectangular lattice, a rectangular lattice and a rectangular lattice, a triangular lattice and a face-centered rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice and a surface. It can be constituted by a combination of a square lattice, a rectangular lattice, a triangular lattice, or a face-centered rectangular lattice, such as a centered rectangular lattice. That is, it is possible to configure a single grating as described above by combining gratings having different pitches in one direction.

上述の正方格子(図23(A))と、長方格子(図23(B))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれていることとなり、正孔格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1=b1、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。   When the above-described square lattice (FIG. 23A) and the square lattice (FIG. 23B) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a tetragonal lattice and a rectangular lattice of crystals. A period of one axial direction of the hole lattice is a1, a period of the axial direction perpendicular to the one axis is b1, a period of one axial direction of the rectangular lattice is a2, When the period in the axial direction orthogonal to one of the axes is b2, a1 = b1, a1 ≠ a2, and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.

また、2つの長方格子(図23(B))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には第1及び第2の長方格子の結晶構造が含まれており、第1の長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、第2の長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。   When two rectangular lattices (FIG. 23B) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) includes the crystal structures of the first and second rectangular lattices. , The period of one axial direction of the first rectangular lattice is a1, the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1, the period of one axial direction of the second rectangular lattice is a2, When the period in the axial direction orthogonal to the axis is b2, a1 ≠ a2 and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.

また、2つの面心長方格子(図23(D))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には、第1及び第2の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第1の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、第2の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。   When two face-centered rectangular lattices (FIG. 23D) are superimposed, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a crystal structure of the first and second face-centered rectangular lattices. The period of one axial direction of the first face-centered rectangular lattice is a1, the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1, and one axis of the second face-centered rectangular lattice is If the period in the direction is a2 and the period in the axial direction orthogonal to the one axis is b2, a1 ≠ a2 and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.

一方の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が60度となる特別な場合である。   One face-centered rectangular lattice can be a triangular lattice. The triangular lattice is a special case in which the angle formed by the basic translation vectors forming the lattice of the face-centered rectangular lattice is 60 degrees.

また、図2に示したように、半導体レーザ素子10は、活性層3Bの駆動電極直下の領域(第1領域、第2領域・・・)Rを備えている。活性層3Bの第1領域Rに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部4Bと、活性層3Bの第2領域Rに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部4Bとは、第1領域R及び第2領域Rそれぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なるように設定することができる。換言すれば、複数あるフォトニック結晶の回折強度を同一とするよう、孔(異屈折率部)の大きさを変化させる。強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。   As shown in FIG. 2, the semiconductor laser element 10 includes regions (first region, second region...) R immediately below the drive electrode of the active layer 3B. The different refractive index portion 4B of the photonic crystal layer corresponding to the first region R of the active layer 3B and the different refractive index portion 4B of the photonic crystal layer corresponding to the second region R of the active layer 3B are the first region. The laser beams output from R and the second region R can be set to have different shapes when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element so that the refraction angles of the laser beams are different and the intensities are matched. In other words, the size of the hole (different refractive index portion) is changed so that the diffraction intensities of a plurality of photonic crystals are the same. Since the intensity is the same, it can be easily applied to electronic devices such as laser printers and radars.

例えば、孔(異屈折率部)は、周期が異なる方の基本並進ベクトルに沿った方向にそった長さを変化させる。具体的には、第1領域R内では、第1周期構造及び第2周期構造における異屈折率部4Bの配列周期が異なる方向(例えばB軸)に沿った異屈折率部4Bの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、第2領域R内では、第3及び第4周期構造における異屈折率部4Bの配列周期が異なる方向(例えばB軸)に沿った異屈折率部4Bの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる。これにより、第1周期構造及び第2周期構造における回折強度、或いは第3周期構造及び第4周期構造における回折強度をそれぞれ揃えることが可能となり、発振を安定化させることができる。   For example, the hole (different refractive index portion) changes the length along the direction along the basic translation vector having a different period. Specifically, in the first region R, the dimension of the different refractive index portion 4B along the direction in which the arrangement periods of the different refractive index portions 4B in the first periodic structure and the second periodic structure are different (for example, the B axis) is In the second region R, the different refractive index portions along the direction in which the arrangement periods of the different refractive index portions 4B in the third and fourth periodic structures are different (for example, the B axis) are different depending on the positions along the different directions. The dimension of 4B changes according to the position along the said different direction. As a result, the diffraction intensities in the first periodic structure and the second periodic structure, or the diffraction intensities in the third periodic structure and the fourth periodic structure can be made uniform, and the oscillation can be stabilized.

また、図12に示したレーザビーム偏向装置は、半導体レーザ素子10と、第1駆動電極及び第2駆動電極を含む電極群E2に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路11とを備えている。駆動電流の供給を制御することで、レーザビームLBの出射を制御することができる。ここで、駆動電流供給回路11は、電極群の各電極E2に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することができる。すなわち、図12において、符号SW1〜SW5が、スイッチ付きのアンプを示すものとし、電源回路11Aから供給される駆動電流の大きさを当該アンプが制御する構成とすることができる。この場合、制御回路11Bは、各アンプの利得を制御することで、各電極E2に供給される駆動電流の比率を制御することができる。   The laser beam deflecting device shown in FIG. 12 includes a semiconductor laser element 10 and a drive current supply circuit 11 that selectively supplies a drive current to the electrode group E2 including the first drive electrode and the second drive electrode. ing. By controlling the supply of the drive current, the emission of the laser beam LB can be controlled. Here, the drive current supply circuit 11 can further include means for changing the ratio of the drive current supplied to each electrode E2 of the electrode group. That is, in FIG. 12, reference numerals SW1 to SW5 indicate amplifiers with switches, and the amplifiers can control the magnitude of the drive current supplied from the power supply circuit 11A. In this case, the control circuit 11B can control the ratio of the drive current supplied to each electrode E2 by controlling the gain of each amplifier.

また、第1領域Rにおける第1周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、第2領域Rにおける第3周期構造に近づくにしたがって連続的に変化させることもできる。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。   In addition, the period along the basic translation vector in the first periodic structure in the first region R can be continuously changed as the third periodic structure in the second region R is approached. In this case, there is an effect that reflection can be prevented from occurring at the interface between the photonic crystals having different periods.

また、図12に示したレーザビーム偏向装置において、各電極E2の直下の活性層から出力されるレーザビームの波長は、同一であることが好ましい。ミラー等でレーザビーム走査が行われた場合は、偏向前後のレーザビームの波長は同一であるからである。そこで、第1及び第2駆動電極E2に駆動電流を供給した場合において、第1及び第2駆動電極E2の直下の活性層の第1領域R及び第2領域Rでそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、設定することが好ましい。   In the laser beam deflection apparatus shown in FIG. 12, the wavelengths of the laser beams output from the active layer immediately below each electrode E2 are preferably the same. This is because when the laser beam is scanned by a mirror or the like, the wavelengths of the laser beams before and after the deflection are the same. Therefore, when a drive current is supplied to the first and second drive electrodes E2, the resonances of the laser beams generated in the first region R and the second region R of the active layer immediately below the first and second drive electrodes E2, respectively. It is preferable to set so that the wavelengths are the same.

すなわち、第1領域Rにおいて重畳された周期構造(第1周期構造、第2周期構造)と、第2領域Rにおいて重畳された周期構造(第3周期構造、第4周期構造)とは、以下の関係を満たしている。
例えば、長方格子と長方格子の組み合わせからなる構造を考えると、以下の関係式となる。
b11=b21=b/√(1−sinδθ1)
δθ1=φ−sin−1(sinθ31/ndev
b12=b22=b/√(1−sinδθ2)
δθ2=φ−sin−1(sinθ32/ndev
That is, the periodic structure (first periodic structure, second periodic structure) superimposed in the first region R and the periodic structure (third periodic structure, fourth periodic structure) superimposed in the second region R are as follows: Meet the relationship.
For example, when considering a structure composed of a combination of a rectangular lattice and a rectangular lattice, the following relational expression is obtained.
b11 = b21 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ1)
δθ1 = φ−sin −1 (sin θ31 / n dev )
b12 = b22 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ2)
δθ2 = φ−sin −1 (sin θ32 / n dev )

但し、第1領域Rにおいて重畳された第1の長方格子のB軸方向の周期をb11、第2の長方格子のB軸方向の周期をb21、第1領域Rのビーム出射角をθ31とし、第2領域Rにおいて重畳された第1の長方格子のB軸方向の周期をb12、第2の長方格子のB軸方向の周期をb22、第2領域Rのビーム出射角をθ32とした。   However, the B-axis direction period of the first rectangular lattice superimposed in the first region R is b11, the B-axis direction period of the second rectangular lattice is b21, and the beam emission angle of the first region R is θ31. The period of the first rectangular lattice superimposed in the second region R in the B-axis direction is b12, the period of the second rectangular lattice in the B-axis direction is b22, and the beam emission angle of the second region R is θ32 It was.

なお、上記は、長方格子と長方格子の組み合わせについて示したが、他の格子系においても同様である。   Although the above shows a combination of a rectangular lattice and a rectangular lattice, the same applies to other lattice systems.

なお、上述のレーザビーム偏向装置は、素子自体が偏向機能を有するため、小型化が可能であり、高信頼性、高速化も期待することができる。小型であるため、携帯機器に組み込み、また、医療用カプセル内視鏡に組み込んだレーザメスや光線力学的治療(PDT:Photo Dynamic Therapy)用光源とすることも期待される。もちろん、大型のレーザ走査によるディスプレイへの応用も考えられる。レーザビームの迷光は外部に出力されないので、信頼性の向上も期待される。   Note that the above-described laser beam deflection apparatus can be miniaturized because the element itself has a deflection function, and high reliability and high speed can be expected. Since it is small in size, it is expected to be used as a laser knife or a photodynamic therapy (PDT) light source incorporated in a portable device or incorporated in a medical capsule endoscope. Of course, the application to the display by a large-sized laser scanning is also considered. Since the stray light of the laser beam is not output to the outside, an improvement in reliability is expected.

10…半導体レーザ素子、1…半導体基板、2…下部クラッド層、3A…下部光ガイド層、3B…活性層、3C…上部光ガイド層、4…フォトニック結晶層、5…上部クラッド層、6…コンタクト層、20…平板集光要素、21…対物面、21a,21a1〜21aN…曲面、E2…駆動電極、LES…光出射端面、N…法線、f…平面。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor laser element, 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Lower clad layer, 3A ... Lower light guide layer, 3B ... Active layer, 3C ... Upper light guide layer, 4 ... Photonic crystal layer, 5 ... Upper clad layer, 6 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Contact layer, 20 ... Flat plate condensing element, 21 ... Objective surface, 21a, 21a1 to 21aN ... Curved surface, E2 ... Drive electrode, LES ... Light emission end surface, N ... Normal, f ... Plane.

Claims (5)

端面発光型の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の光出射端面に対向して配置される平板集光要素と、を具備し、
前記半導体レーザ素子は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
前記活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、
前記複数の領域は、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、前記複数の領域から出射されるレーザビームの前記光出射端面に対する出射方向はそれぞれ異なっており、
前記平板集光要素は、
前記光出射端面に対向する側と反対側に対物面を備え、
前記対物面は、前記光出射端面に直交する方向から見て前記第一方向に平行な方向に配列された複数の曲面を含んでおり、
前記複数の曲面の各々は、前記半導体レーザ素子から当該曲面に入射するレーザビームに垂直な平面に接しており、
前記第一方向に平行な座標軸をX軸として、前記X軸に沿った位置Xにおける、前記活性層が延びる方向に平行な平面内における前記複数の曲面の各々の曲率半径r(X)が、数式
Figure 2014082257

に基づいて決定され、
前記数式(式1)において、n(X)は、位置Xにおける前記平板集光要素の屈折率であり、θout(X)は、位置Xにおいて前記対物面から出射されるレーザビームが前記光出射端面の法線に対してなす角度であり、f0は、θout(X)=0の場合の前記平板集光要素のX軸方向の焦点距離である、
ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
An edge emitting semiconductor laser element;
A flat plate concentrating element disposed to face the light emitting end face of the semiconductor laser element,
The semiconductor laser element is
A lower cladding layer formed on the substrate;
An upper cladding layer;
An active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer;
A photonic crystal layer interposed between the active layer and at least one of the upper and lower cladding layers;
A plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions of the active layer,
The plurality of regions are positioned parallel to the light emitting end surface and aligned in a first direction in which the active layer extends, and the emission directions of the laser beams emitted from the plurality of regions with respect to the light emitting end surface are different from each other,
The flat plate condensing element is
An object surface is provided on the side opposite to the side facing the light emitting end surface,
The objective surface includes a plurality of curved surfaces arranged in a direction parallel to the first direction when viewed from a direction orthogonal to the light emitting end surface,
Each of the plurality of curved surfaces is in contact with a plane perpendicular to a laser beam incident on the curved surface from the semiconductor laser element,
A radius of curvature r (X) of each of the plurality of curved surfaces in a plane parallel to a direction in which the active layer extends at a position X along the X axis, where the coordinate axis parallel to the first direction is the X axis, Formula
Figure 2014082257

Based on
In the equation (Equation 1), n (X) is the refractive index of the flat plate condensing element at the position X, and θ out (X) is the laser beam emitted from the object plane at the position X. An angle formed with respect to the normal of the exit end face, and f 0 is a focal length in the X-axis direction of the flat plate condensing element when θ out (X) = 0.
A semiconductor laser module.
前記複数の曲面の各々は、前記数式(式1)により決定される曲率半径に対して、収差補正のために非球面化されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザモジュール。
Each of the plurality of curved surfaces is aspherical for correction of aberration with respect to the radius of curvature determined by the mathematical formula (Formula 1).
The semiconductor laser module according to claim 1.
前記複数の曲面は、前記半導体レーザ素子から当該曲面に入射するレーザビームが前記光出射端面の法線に対してなす角度が大きい曲面ほど、前記光出射端面との距離が短い、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザモジュール。
The plurality of curved surfaces have a shorter distance from the light emitting end surface as the curved surface having a larger angle formed by the laser beam incident on the curved surface from the semiconductor laser element with respect to the normal line of the light emitting end surface,
3. The semiconductor laser module according to claim 1, wherein the semiconductor laser module is a semiconductor laser module.
前記複数の曲面の各々は、前記活性層が延びる方向に垂直な方向の曲率半径を有する、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
Each of the plurality of curved surfaces has a radius of curvature in a direction perpendicular to a direction in which the active layer extends.
The semiconductor laser module according to claim 1, wherein:
前記活性層は、前記複数の領域として、第1領域と第2領域とを含み、
前記複数の駆動電極は、前記第1領域に駆動電流を供給するための第1駆動電極と、前記第2領域に駆動電流を供給するための第2駆動電極と、を含み、
前記第1駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第1領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第1及び第2の周期構造を有しており、
前記第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第1駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、
前記第2駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第2領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第3及び第4の周期構造を有しており、
前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第2駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
前記第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
The active layer includes a first region and a second region as the plurality of regions,
The plurality of drive electrodes include a first drive electrode for supplying a drive current to the first region, and a second drive electrode for supplying a drive current to the second region,
The longitudinal direction of the first drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
A region corresponding to the first region of the photonic crystal layer has first and second periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the first drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods of the first and second periodic structures. 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. And at least one further toward the light exit end face is set to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face,
The longitudinal direction of the second drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
A region corresponding to the second region of the photonic crystal layer has third and fourth periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other.
A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods of the third and fourth periodic structures. 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. And at least one other toward the light exit end face is set so as to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face,
The difference between the reciprocal numbers of the array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocal numbers of the array periods in the third and fourth periodic structures.
The semiconductor laser module according to claim 1, wherein:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021200994A1 (en) * 2020-03-31 2021-10-07 国立大学法人京都大学 Two-dimensional photonic crystal laser

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09258010A (en) * 1996-03-26 1997-10-03 Matsushita Electric Works Ltd Condenser lens
JP2000131510A (en) * 1998-10-29 2000-05-12 Toppan Printing Co Ltd Fresnel lens with toric surface
US20040013156A1 (en) * 2002-07-18 2004-01-22 Hongyu Deng Edge emitting lasers using photonic crystals
JP2005277219A (en) * 2004-03-25 2005-10-06 Kyoto Univ Photonic crystal laser
US20070064423A1 (en) * 2004-03-10 2007-03-22 Citizen Electronics Co. Ltd Lens having fresnel lens surface(s) and lighting apparatus using it
US20090074024A1 (en) * 2007-08-31 2009-03-19 Japan Science And Technology Agency Photonic crystal laser
US20100265979A1 (en) * 2005-12-02 2010-10-21 The Regents Of The University Of California Horizontal emitting, vertical emitting, beam shaped, distributed feedback (dfb) lasers fabricated by growth over a patterned substrate with multiple overgrowth
JP2012190847A (en) * 2011-03-08 2012-10-04 Kyoto Univ Edge-emitting semiconductor laser element
WO2013084961A1 (en) * 2011-12-06 2013-06-13 国立大学法人京都大学 Semiconductor laser element and laser beam deflecting device

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09258010A (en) * 1996-03-26 1997-10-03 Matsushita Electric Works Ltd Condenser lens
JP2000131510A (en) * 1998-10-29 2000-05-12 Toppan Printing Co Ltd Fresnel lens with toric surface
US20040013156A1 (en) * 2002-07-18 2004-01-22 Hongyu Deng Edge emitting lasers using photonic crystals
US20070064423A1 (en) * 2004-03-10 2007-03-22 Citizen Electronics Co. Ltd Lens having fresnel lens surface(s) and lighting apparatus using it
JP2005277219A (en) * 2004-03-25 2005-10-06 Kyoto Univ Photonic crystal laser
US20100265979A1 (en) * 2005-12-02 2010-10-21 The Regents Of The University Of California Horizontal emitting, vertical emitting, beam shaped, distributed feedback (dfb) lasers fabricated by growth over a patterned substrate with multiple overgrowth
US20090074024A1 (en) * 2007-08-31 2009-03-19 Japan Science And Technology Agency Photonic crystal laser
JP2009076900A (en) * 2007-08-31 2009-04-09 Japan Science & Technology Agency Photonic crystal laser
JP2012190847A (en) * 2011-03-08 2012-10-04 Kyoto Univ Edge-emitting semiconductor laser element
WO2013084961A1 (en) * 2011-12-06 2013-06-13 国立大学法人京都大学 Semiconductor laser element and laser beam deflecting device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021200994A1 (en) * 2020-03-31 2021-10-07 国立大学法人京都大学 Two-dimensional photonic crystal laser

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