JP2016129208A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然な立体像の形成にも適用可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】
この半導体レーザ装置は、独立駆動可能な複数の半導体レーザ部ＬＤＣと、複数の半導体レーザ部ＬＤＣのグループに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭとを備えた半導体レーザ装置である。複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと反射膜２３との間に配置された１／４波長板２６と、複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと光出射面との間に配置された偏光板２７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空間光変調光源として機能する半導体レーザ装置に関する。

従来、立体ディスプレイとして、インテグラルフォトグラフィ方式のものが知られている（非特許文献１、非特許文献２参照）。このような立体ディスプレイでは、レンチキュラレンズの背面側に、複数の画素が配列するよう、液晶表示パネルを配置している。同一のレンチキュラレンズに属する各々の液晶表示パネルからの光は、それぞれ別々の角度に向かって進行する。したがって、各々の液晶表示パネルに適切な画像を与えることで、角度毎に所望の画像を与えることが可能となり、インテグラルフォトグラフィ方式での立体表示が可能となる。

Lippmann、「Integral photography」、 Scientific American、1911年、8月号, p.164 Ernst Lueder「3D Displays」、John Wiley & Sons、2012年、p.185-214

しかしながら、レンチキュラレンズに液晶パネルを組み合わせた半導体レーザ装置の場合、多くの視点数に応じて、多くの液晶表示パネルを設ける必要がある。したがって、全体システムが大きくなるため、立体像形成に必要な複数の光線を、十分に瞳孔内に導入することが困難となり、自然な立体像が得られないという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、自然な立体像の形成にも適用可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１の半導体レーザ装置は、独立駆動可能な複数の半導体レーザ部と、複数の前記半導体レーザ部のグループに光学的に結合した空間光変調器と、を備えた半導体レーザ装置であって、（１）個々の前記半導体レーザ部は、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層に光学的に結合した回折格子層と、を備え、複数の前記半導体レーザ部は、それぞれの厚み方向に沿ってレーザ光を出力し、（２）前記空間光変調器は、液晶層と、前記液晶層の前記半導体レーザ部とは反対側に設けられた反射膜と、二次元状に配置された複数の画素電極と、前記画素電極と共に前記液晶層を挟む共通電極とを備え、（３）それぞれの前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光は、前記空間光変調器内に入射し、それぞれの前記画素電極による前記液晶層の状態に応じて変調され、前記空間光変調器の前記反射膜で反射され、変調されたレーザ光は、それぞれの前記半導体レーザ部を再度介して、それぞれの前記半導体レーザ部の光出射面から外部に出力され、（４）前記半導体レーザ装置は、複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記反射膜との間に配置された１／４波長板と、複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記光出射面との間に配置された偏光板とを備えることを特徴とする。

この半導体レーザ装置によれば、面発光レーザ素子である半導体レーザ部から出力されたレーザ光は、厚み方向に沿って出射し、空間光変調器の反射膜で反射され、液晶層で位相が変調されて、偏光板を介して、外部に出力される。したがって、液晶層による変調の強度に応じて、偏光板から画素毎に位相変調された出力されるレーザ光の方向が異なる。半導体レーザ部から空間光変調器を介さずに外部に出射しようとするレーザ光は、偏光板によって抑制することができる。すなわち、空間光変調器に入射して反射することで、１／４波長板を２回通過したレーザ光は、位相が反転して、偏光方位が９０度回転するため、このレーザ光が偏光板を透過する。

すなわち、活性層におけるレーザ光の偏光方位を第１方向（Ａ）とすると、偏光板が透過させる偏光方位（Ｂ）は第１方向（Ａ）に直交しており、レーザ光は直接的には波長板を通過できない。一方、１／４波長板を２回通過したレーザ光は、液晶層が無い場合には、第１方向（Ａ）に直交する偏光方位（Ｂ）を有し、偏光板を透過することができる。画素電極と共通電極との間にバイアス電圧を与えて、液晶層により位相を調整された偏光成分のみが、偏光板を透過する。

なお、個々の前記画素電極の幅は、個々の半導体レーザ部の幅の１／２以下であることが好適である。画素電極の幅は、各半導体レーザ部よりも小さく、２個以上の画素電極が、単一の半導体レーザ部に対応して配置される。これにより、各半導体レーザ部で発生した光は空間光変調器を往復した後に空間光変調器の画素毎に２次元的に位相変調を受けるので、結果として半導体レーザ部毎にビームパターンを制御することが出来る。従って、出力ビームパターンとして方向制御された単峰ビームを与えるよう空間光変調器駆動回路に信号を与えることで半導体レーザ部毎に任意方向の単峰ビームを出力することが可能となり、このときの半導体レーザ部の配列周期Ｌを目の瞳孔径の半分以下に設定することでインテグラル方式による自然な立体像を形成することができる。このとき空間光変調器の画素ピッチｄと波長λを用いて各半導体レーザ部からの任意方向単峰ビームの最大回折角ΦはΦ≒λ／ｄと表わすことができるので所望のΦを得るために適切に小さなｄを設定する必要がある。

なお、上記の例では各半導体レーザ部毎に任意方向の単峰ビームを出力することとしたが、画素ピッチｄが適切な数あれば半導体レーザ部毎に任意のビームパターンを得ることが可能であり、各半導体レーザ部毎に複数の任意方向ビームを得ることも可能となる。この場合、同時並列的に多方向へのビームが得られるので、自然な立体像表示形成時における視点数を増やすことが出来る。或いは、視点数を同一として、フレームレートを高速化することが可能となる。

第２の半導体レーザ装置においては、複数の前記半導体レーザ部は、第１波長のレーザ光を出力する第１半導体レーザ部と、第２波長のレーザ光を出力する第２半導体レーザ部と、第３波長のレーザ光を出力する第３半導体レーザ部と、を備え、前記第１、第２、及び第３波長は、互いに異なっていることを特徴とする。

この半導体レーザ装置によれば、３種類以上の波長のレーザ光を用いることで、様々なカラーの立体像を形成することができる。

第３の半導体レーザ装置においては、複数の前記半導体レーザ部は、第４波長のレーザ光を出力する第４半導体レーザ部と、第５波長のレーザ光を出力する第５半導体レーザ部と、第６波長のレーザ光を出力する第６半導体レーザ部と、を備え、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６波長は、互いに異なっていることを特徴とする。

この半導体レーザ装置によれば、６種類以上の波長のレーザ光を用いることで、更に多様なカラーの立体像を形成することができる。

本発明によれば、自然な立体像の形成にも適用可能な半導体レーザ装置を提供することができる。

第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 半導体レーザ装置の斜視図（Ａ）と、単位要素としての半導体レーザ部の平面図（Ｂ）を示す図である。 回折格子層の平面図である。

以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。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。

図１は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

この半導体レーザ装置は、化合物半導体からなる複数の半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）（Ｎは自然数：図１はＮ＝１，２，３の場合を示す）及びこの半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）のグループに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備えている。同図では、半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）は、完全に分離したチップ示しているが、これらは共通の基板上に形成し、各チップ間にアイソレーション構造を設けることとしてもよい。完全分離の場合も、アイソレーション分離の場合も、それぞれの半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）は、半導体レーザ部として機能する。

半導体レーザチップＬＤＣは、活性層４を含む発光層と、発光層を挟む一対のクラッド層２，７と、発光層に光学的に結合した回折格子層６とを備えている。なお、発光層は、活性層４と必要に応じて活性層を挟む光ガイド層３，５とからなる。それぞれの半導体レーザチップＬＤＣは、半導体基板１を備えている。半導体基板１の厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２方向をＸ軸及びＹ軸とする。

製造時においては、半導体基板１の−Ｚ軸方向の表面上に、順次、各半導体層がエピタキシャル成長されるものとする。この場合、−Ｚ軸方向を上向きとした場合、半導体基板１上には、下部クラッド層２、発光層（光ガイド層３、活性層４、光ガイド層５）、回折格子層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８が順次形成される。半導体基板１の＋Ｚ軸側の表面上には駆動電極Ｅ３が形成されており、コンタクト層８の−Ｚ軸側の表面上には、電極Ｅ２が形成されている。これらの電極Ｅ３，Ｅ２は駆動電極であり、駆動電極は、半導体基板の全面に広がるストライプ或いはメッシュ状などの複数の開口を有する又は透明電極からなる。

それぞれの半導体レーザチップＬＤＣの駆動電極Ｅ３と第２電極Ｅ２との間に、レーザ駆動回路Ｌ−ＤＲから電流を供給すると、それぞれの発光層が独立して発光する。すなわち、駆動電極Ｅ３と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。

発光層において発生したレーザ光ＬＢは、回折格子層６内を伝播して、回折格子層６は、レーザ光を厚み方向に垂直な方向、すなわちＺ軸方向に出射する。回折格子層６から出射されたレーザ光は、＋Ｚ軸方向に進行し、クラッド層２、半導体基板１を介して、空間光変調器ＳＬＭに入射する。

空間光変調器ＳＬＭは、回折格子層６の厚み方向に沿って出力されたレーザ光ＬＢが入力されるように、半導体レーザチップＬＤＣのグループに取り付けられている。レーザ光は、空間光変調器ＳＬＭの共通電極２５及び画素電極２１のうちの透明な方を介して、液晶層ＬＣに入射する。これらの電極位置は入れ替えることができ、画素電極２１を透明にすることもできる。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光ＬＢの微小領域毎の位相を、その画素電極と共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を反射させ、半導体レーザチップを介して、外部に出力する。

空間光変調器ＳＬＭから出力されたレーザ光ＬＢは、微小領域毎の位相が調整された状態で重ね合わせられ、様々なレーザビームパターンを形成する。例えば、重ね合されたレーザビームＬＢの遠視野像が、特定の文字を構成することができる。

この半導体レーザ装置では、空間光変調器ＳＬＭにより、ビーム方向を変化させることができ、偏向した複数のレーザ光のビームが、目の瞳孔内に入射する。目の瞳孔内に複数のレーザビームを入射させるため、半導体レーザチップＬＤＣのＸ軸方向の幅Ｌ（配列周期）は、２．５ｍｍ以下に設定する。また、現実的なビームの振れ角を得るために、空間光変調器ＳＬＭの画素電極２１のＸ軸方向の幅ｄ（ピッチ）は、６０μｍ以下に設定する。

半導体レーザ装置は、半導体レーザチップＬＤＣ上に配置され、所望のアドレスに位置する画素電極と共通電極との間に、選択的に駆動電圧を与える空間光変調器駆動回路Ｓ−ＤＲ（行選択回路，列選択回路を含む）を更に備えている。これらの選択回路を半導体レーザチップ上に設けることにより、大規模な外部配線群を設置することなく、空間光変調器を制御することができる。

空間光変調器ＳＬＭは、透明な共通電極２５と、透明な複数の画素電極２１と、共通電極２５と画素電極２１との間に配置された液晶層ＬＣとを備え。共通電極２５は透明基板ＴＳ上に形成されている。液晶層ＬＣは、ネマチック液晶、又は、強誘電性液晶などからなる。駆動回路からは、半導体レーザ素子を構成する半導体レーザチップに、駆動電極を介して、駆動電流が供給される。これにより、発光層からレーザ光ＬＢが出力され、レーザ光ＬＢは、空間光変調器の画素電極２１を介して液晶層ＬＣに至り、液晶層ＬＣで位相変調された後、反射鏡或いは反射膜２３によって反射され、共通電極２５を介して、外部に出力される。共通電極２５は、固定電位（グランド）に接続されており、画素電極２１はスイッチ素子及び行ラインを介して行選択回路に接続されている。列選択回路からは列ラインが延びており、スイッチ素子の制御端子に接続されている。このスイッチ素子は、電界効果トランジスタである。この場合、制御端子はトランジスタのゲートとなる。

空間光変調器において、特定のアドレス（ｘ，ｙ）を指定した場合、列選択回路から座標ｘの列ラインにＯＮ信号が出力され、行選択回路から座標ｙの行ラインに所望の電位が与えられる。この場合、アドレス（ｘ，ｙ）の画素電極２１と共通電極２５との間には、駆動電圧が印加され、液晶層の屈折率が変化することとなり、光路長が変化して、レーザ光の位相が調整される。なお、空間光変調器において、行方向と列方向は主観によって決まるものであり、相互に置換可能な方向である。駆動電圧の大きさは行選択回路からの出力電位と列選択回路の出力電位によって決定されるものであり、一定とすることができるが、更に精密な位相制御を行う場合には、例えば、上記スイッチ素子毎に可変抵抗を接続し、当該可変抵抗の値を同様の構成からなる選択回路によって制御すればよい。

なお、製造時に空間光変調器の位相が面内でばらつきを有した際でもデバイスが所望のパターンを出力するように、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、これを補正するための記憶装置と、記憶装置の記憶データに基づいて、各画素電極に選択回路を介して与えられる駆動電圧を生成する空間光変調器用の駆動回路とを設けても良い。すなわち、この半導体レーザ装置は、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、測定値に基づいて位相の面内ばらつきを補正するための初期位相の補正値を記憶し、空間光変調器の画素電極毎に異なる初期位相を与えるための記憶装置を備えることができる。換言すれば、この装置は、駆動電圧の初期補正値を画素電極毎に記憶する記憶装置（図示せず）を備えている。駆動電圧は、制御装置（図示せず）から空間光変調器駆動回路Ｓ−ＤＲの行選択回路及び列選択回路に印加されるが、この駆動電圧及び初期補正値は、記憶装置に記憶される。基準の位相分布と、測定された位相分布とを比較し、各画素毎の位相の差分に対応する駆動電圧の値を初期補正値とすることができ、初期補正値の駆動電圧を画素電極に与えた場合には、基準の位相分布が実現される。所望の位相分布を得るため、初期補正値に対応する駆動電圧に、所望の駆動電圧を重畳することができる。

また、この半導体レーザ装置は、液晶を透過することで偏光状態が乱れ、結果として偏光板を透過して得られる光出力の強度が変化する場合を想定して、予め空間光変調器の各位相に対して出力光の強度を測定しておき、これを補正するための記憶装置と、記憶装置の記憶データに基づいて、位相パターン毎に半導体レーザチップＬＤＣに与える駆動電流を補正する補正回路を備えても良い。換言すれば、この装置は半導体レーザチップ毎に駆動電流を補正するための補正回路（図示せず）と、各半導体レーザチップに対応する範囲に含まれる全ての画素の位相パターン毎に半導体レーザチップＬＤＣに与える駆動電流を補正するための電流値の補正値を記憶した記憶装置（図示せず）とを備えることが出来る。これによれば、各瞬間（各フレーム内）に、各半導体レーザチップＬＤＣ毎に、各半導体レーザチップＬＤＣに対応する全ての画素の位相パターンに応じて駆動電流を補正することが出来、液晶を透過することによる偏光状態の乱れの影響を受けない一様な光量分布を実現することが可能となる。

なお、上記は記憶装置を用いた補正について説明したが、記憶装置を設ける代わりに各半導体レーザチップＬＤＣの出力をモニタする手段と、モニタされた出力値に応じてフィードバック制御をするためのフィードバック回路を設ける方式でも良い。

回折格子層６から厚み方向に出力されたレーザ光は、共通電極２５（或いは画素電極と位置を入れ替えた場合には画素電極２１）を介して液晶層ＬＣに至る。液晶層ＬＣの誘電率（屈折率）は、画素電極２１への印加電圧によって変化し、したがって、レーザ光に対する液晶層ＬＣの光路長が変化し、位相が変化する。液晶層ＬＣを透過し往復したレーザ光ＬＢの位相は画素電極２１毎に変調される。したがって、微小領域毎の波面制御を行うことができ、波面の重ね合わせにより、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。

なお、駆動電極Ｅ３上には、ＳｉＯ_２又はＳｉＮｘからなる透明絶縁膜（反射防止膜）９が形成されている。透明絶縁膜９上には、空間光変調器ＳＬＭの１／４波長板２６、透明基板ＴＤ及び共通電極２５が配置されている。共通電極２５上には、液晶を保持するための枠状のスペーサ２４が設けられ、スペーサ２４内部の空間に液晶層ＬＣが充填されている。スペーサ２４及び液晶層ＬＣ上には、反射膜２３が形成され、反射膜２３上には、保護膜２２を介して、複数の画素電極２１が配置されている。画素電極２１は、基板２０と保護膜２２との間に位置している。画素電極２１等の形成時においては、好ましくは半導体からなる基板２０上に、画素電極２１を形成した後、その表面が平坦化するように保護膜２２に画素電極２１を被覆し、更に、保護膜２２上に反射膜２３を形成し、この中間体の基板を反転させて、枠状のスペーサ２４上に配置する。なお、液晶層ＬＣの上下面には適当な配向膜が設けられる。

液晶層ＬＣ上の反射膜２３で反射されたレーザ光ＬＢは、共通電極２５及び半導体レーザチップＬＤＣを介して、外部に出力される。また、回折格子層６（の厚み方向中央位置）と、コンタクト層８との間の距離ｔ１は、半導体レーザチップにおけるコンタクト層８の露出表面で反射されたレーザ光ＬＢと、回折格子層６から直接、空間光変調器ＳＬＭへと向かう光が強めあうように設定される。すなわち、距離ｔ１は、以下の関係を満たすことができる。２×ｔ１＝λ×Ｎ、または、２×ｔ１＝λ×（Ｎ＋１／２）。但し、λはレーザ光の波長、Ｎは整数を満たすように設定されている。

発光層は、活性層４及びこれを挟む光ガイド層３，５からなり、コンタクト層８は、必要に応じて設けられる。半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤを備えており、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤに位置しており、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光ＬＢを出射する。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光生成領域ＬＤ上に取り付けられている。この構造の場合、レーザ光生成領域ＬＤ上に空間光変調器ＳＬＭを配置することで、装置を小型化することができる。

なお、半導体基板１の＋Ｚ側の面には、駆動電極Ｅ３が配置されている。この半導体レーザ装置は、半導体レーザチップＬＤＣ及びこの半導体レーザチップＬＤＣに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備え、半導体レーザチップＬＤＣの厚み方向に沿って出力されたレーザ光ＬＢを、空間光変調器ＳＬＭで変調して、外部に出力する半導体レーザ装置であって、半導体レーザチップＬＤＣは、活性層４と、活性層４を挟む一対のクラッド層２，７と、活性層４に光学的に結合した回折格子層６と、空間光変調器ＳＬＭ側のクラッド層２と空間光変調器ＳＬＭとの間に配置され、活性層４に電流を供給するための駆動電極Ｅ３と、を備えている。

なお、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定されているが、半導体レーザチップＬＤＣの厚み方向をＺ軸方向とし、半導体レーザチップＬＤＣと空間光変調器ＳＬＭとの界面に平行な平面をＸＹ平面とした場合、駆動電極Ｅ３は、ＸＹ平面内に位置している。また、駆動電極Ｅ３は、Ｚ軸方向から見て、複数の開口を有しており、駆動電極Ｅ３は、非周期構造を有しているが、ＩＴＯ等（酸化インジウム錫）の透明電極から構成することもできる。

駆動電極を構成する導電領域の材料としては、ＡｇやＡｕなどの金属を用いることができるが、半導体基板１内に、これよりも高濃度の不純物を拡散して、導電領域を形成することもできる。なお、駆動電極の材料として、ＩＴＯ、ＺｎＯ、グラフェン、Ａｇナノワイヤなどの透明電極を用いることも可能ではあるが、低抵抗の材料の方が好ましいため、透明電極よりも、ストライプやメッシュ状の開口を有する不透明金属材料を用いることが好ましい。

駆動電極上には透明絶縁膜９が形成されている。空間光変調器ＳＬＭは、駆動電極Ｅ３の上部に設けられる。この場合、図示しない行選択回路及び列選択回路は、駆動電極Ｅ３の外部に位置することになるため、これらから画素電極及び共通電極までは、適当な接続配線を施す。また、電極Ｅ２はレーザ光ＬＢについて、一部または全部を透過するように構成されている。電極Ｅ２も駆動電極Ｅ３と同様の構造を採用することができる。

回折格子層６は、例えば三角形形状が正方格子状に並べられたような構造から構成されており、上下方向に直線偏光の光を回折する。このときの回折格子層６から出力される直線偏光の偏光透過軸を軸Ａとすると、偏光板２７の偏光透過軸は軸Ａと直交する方向（軸Ｂとする）に設定されている。また、１／４波長板の速軸は、軸Ａから４５°回転した方向に設定されている。１／４波長板２６を介して空間光変調器ＳＬＭに入射し、空間光変調器ＳＬＭを往復して、再度、１／４波長板２６を逆方向へ通過したレーザ光は、偏光方位が９０度回転する。すなわち、レーザ光ＬＢが、第１の偏光方向（軸Ａ）を有する直線偏光として、１／４波長板２６に入射した場合には、これを２度通過した後には、第１の偏光方向に対して９０度回転した第２の偏光方向（軸Ｂ）を有する直線偏光となる。

したがって、偏光板２７における偏光方向を、第２の偏光方向（軸Ｂ）に一致させれば、空間光変調器ＳＬＭを往復したレーザ光のみが偏光板２７を透過し、他の偏光方向の成分は偏光板２７によって遮断される。したがって、液晶層ＬＣによる変調を受けていないノイズ成分が、出力画像から除去され、コントラストが改善する。なお、共通電極２５と１／４波長板２６の位置は入れ替えることができる。

図５は、回折格子層の平面図である。

上述の回折格子層６は、例えば、基本層６Ａと異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは所定の深さで基本層６Ａ内に埋め込まれており、これと屈折率が異なる。異屈折率領域６Ｂの平面形状は円形のものが示されているが、三角形や楕円形など他の形状とすることも可能である。例えば、特定の偏光方向の強度を上げるためには、９０度の回転対称性をもたない形状とすることができる。直線偏光を得るためには、この形状は、例えば、二等辺三角形、直角三角形、直角二等辺三角形とすることができる。異屈折率領域６Ｂは、正方格子の格子点位置に配置されているが、これは三角格子の格子点位置に配置されていてもよい。回折格子層６は、異屈折率領域の埋め込みにより、二次元的に屈折率変化する周期構造を有しているため、回折格子として機能すると共に、フォトニック結晶層として機能する。同図では、真円形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用いているが、三角形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用いても良く、半導体レーザ素子は、面発光レーザとして機能する。

なお、上述のレーザ素子の材料について説明する。

レーザ光生成領域ＬＤを構成する半導体レーザ素子の材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。回折格子層（位相変調層、屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなる。

なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃｍ^３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、回折格子層６をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ〜３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０〜３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜２００ｎｍ）、回折格子層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ〜２００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ〜５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。

また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０〜１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。

なお、回折格子層６における柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、回折格子層６においては、ＸＹ平面内における正方格子又は三角格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂが配置されている。この正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、レーザ光の波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。

なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ_１＝ａｘ、ａ_２＝ａｙであり、基本並進ベクトルａ_１、ａ_２に対する基本逆格子ベクトルｂ_１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ_２＝（２π／ａ）ｘである。フォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点、すなわち、波数ベクトルｋ＝ｎｂ_１＋ｍｂ_２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。

また、上述の共通電極及び画素電極は、これらが透明である場合には、ＩＴＯ、又は、ＺｎＯからなる。このような材料は、レーザ光に対して透明であり、レーザ光が透過できる。

また、上述の反射膜２３は、アルミニウムなど金属の単層膜或いは多層膜ミラーからなり、多層膜ミラーは、高屈折率材料層（＝ｎＨとする）と、これに対して相対的に低い屈折率を有する低屈折率材料層（＝ｎＬとする）とを交互に積層してなる。高屈折率材料層（ｎＨ）の材料は、Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５及びＨｆＯ_２等からなる酸化物群（絶縁体群）から選択される少なくとも１つの材料（例えばＴａ_２Ｏ_５）を含む。低屈折率材料層（ｎＬ）の材料は、ＳｉＯ_２及びＭｇＦ_２等からなる絶縁体群から選択される少なくとも１つの材料（例えばＳｉＯ_２）を含む。高屈折材料層（ｎＨ）及び低屈折率材料層（ｎＬ）のそれぞれの光学膜厚を、レーザ光の波長λの１／４に設定する。これらの誘電体層の積層構造としては、以下の種類が考えられる。

（１）：第１の構造は、低屈折率材料層（ｎＬ）と高屈折材料層（ｎＨ）とからなる組（＝Ａ）を、ｍ回、繰り返して積層した構造であり、この場合、全体の層数は２×Ａ×ｍとなる。ｍは自然数である。なお、最も下側の層を低屈折率材料層（ｎＬ）とする。

（２）：第２の構造は、前述の組（Ａ）を、ｍ回、繰り返して積層した後に、最表面に位置する高屈折材料層（ｎＨ）上に更に低屈折率材料層（ｎＬ）を積層した構造であり、この場合、全体の層数は２×Ａ×ｍ＋１となる。

（３）：上述の（１）又は（２）の構造において、高屈折率材料層（ｎＨ）と低屈折材料層（ｎＬ）の位置を入れ替えた構造も採用することができる。（３）の構造の場合、最も下側の層は高屈折率材料層（ｎＨ）となる。

最後に、上述の半導体レーザ素子について簡単に説明する。

半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。ＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、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Ｓｉ₂Ｈ₆（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。ＡｌＧａＡｓの成長においては、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシンを用い、ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡは用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。

すなわち、半導体レーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２を形成した後、光ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５を形成し、続いて、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。

次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。

次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成し、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。

回折格子層６を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上に回折格子層を形成すればよい。

また、製造においては、半導体基板１上に絶縁膜９を介して１／４波長板２６を配置し、コンタクト層８の表面に偏光板２７を配置する。なお、半導体基板１に駆動電極Ｅ３を形成する場合、フォトリソグラフィ―法を用いて、半導体基板１上にパターニングを行う。

以上、説明したように、上述の装置によれば、活性層で生じた光は回折格子層による変調を受け、２次元単一モード発振し、発振した光のうち一部は、回折格子層による２次の回折を受け、液晶層に平面波として入射している。液晶は屈折率異方性を有するため、その回転角に応じて光出力と平行な方向の等価的な屈折率が変化する。このとき、液晶層の物理的な長さは一定であるため、屈折率が変化することにより、光路長が変化する。従って、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその光路長を変化させることが出来る。言い換えると、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその位相を変化させることが出来るので、出射波面の形状を制御することが可能となる。このように、２次元単一モード発振するレーザ光は、平面波として液晶層に入射し、画素毎に位相変調された波面が下部から光出力として得られる。

図４は、半導体レーザ装置の斜視図（Ａ）と、単位要素としての半導体レーザ部の平面図（Ｂ）を示す図である。

複数の半導体レーザチップＬＤＣが、ＸＹ平面内において２次元状に配列されており、それぞれの半導体レーザチップＬＤＣは独立して駆動することができる。各半導体レーザチップＬＤＣの背面側には、空間光変調器ＳＬＭが配置されているため、各半導体レーザチップＬＤＣからは特定の方向に向けてレーザ光が出射する。例えば、１つの半導体レーザチップＬＤＣには、４×４＝１６個の画素電極２１が配置されており、半導体レーザチップＬＤＣのＸ軸方向の幅をＬとすると、画素電極２１のＸ軸方向の幅はｄであり、Ｌ≧４×ｄである。なお、これらのＹ軸方向の寸法は、Ｘ軸方向と同一である。

１つの半導体レーザチップＬＤＣから出力された第１のレーザ光ＬＢは、観測者の右目Ｒ−Ｅｙｅに入射し、別の半導体レ−ザチップＬＤＣから出力された第２のレーザ光ＬＢは、観測者の左目Ｌ−Ｅｙｅに入射する。右目に入射するレーザ光ＬＢと、左目に入射するレーザ光ＬＢは、独立に制御することができるため、立体像を形成することができる。

図２は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

この半導体レーザ装置においては、複数の半導体レーザチップ（半導体レーザ部）ＬＤＣは、第１波長（Ｒｅｄ）のレーザ光ＬＢを出力する第１半導体レーザ部ＬＤＣ（１）と、第２波長（Ｇｒｅｅｎ）のレーザ光ＬＢを出力する第２半導体レーザ部ＬＤＣ（２）と、第３波長（Ｂｌｕｅ）のレーザ光ＬＢを出力する第３半導体レーザ部ＬＤＣ（３）とを備えている。これらの第１、第２、及び第３波長は、互いに異なっており、３種類以上の波長を用いることができる。

この半導体レーザ装置によれば、３種類以上の波長のレーザ光を用いることで、レーザ光の重ね合わせにより、様々なカラーの立体像を形成することができる。

図３は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

この半導体レーザ装置においては、複数の半導体レーザチップ（半導体レーザ部）ＬＤＣは、は、第２実施形態のものに加えて、第４波長（Ｃｙａｎ）のレーザ光ＬＢを出力する第４半導体レーザ部ＬＤＣ（４）と、第５波長（Ｍａｇｅｎｔａ）のレーザ光ＬＢを出力する第５半導体レーザ部ＬＤＣ（５）と、第６波長（Ｙｅｌｌｏｗ）のレーザ光ＬＢを出力する第６半導体レーザ部ＬＤＣ（６）とを備えている。これらの第１、第２、第３、第４、第５及び第６波長は、互いに異なっており、６種類以上の波長を用いることができる。

この半導体レーザ装置によれば、６種類以上の波長のレーザ光を用いることで、更に多様なカラーの立体像を形成することができる。

以上、説明したように、上述の半導体レーザ装置は、独立駆動可能な複数の半導体レーザ部ＬＤＣと、複数の半導体レーザ部ＬＤＣのグループに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭとを備えた半導体レーザ装置であって、以下の要素を備えている。

（１）個々の半導体レーザ部ＬＤＣは、活性層４と、活性層４を挟む一対のクラッド層２，７と、活性層４に光学的に結合した回折格子層６と、を備え、複数の半導体レーザ部ＬＤＣは、それぞれの厚み方向に沿ってレーザ光を出力する。

（２）空間光変調器ＳＬＭは、液晶層ＬＣと、液晶層ＬＣの半導体レーザ部ＬＤＣとは反対側に設けられた反射膜２３と、二次元状に配置された複数の画素電極２１と、画素電極２１と共に液晶層ＬＣを挟む共通電極とを備え、個々の画素電極２１の幅ｄは、個々の半導体レーザ部ＬＤＣの幅Ｌの１／２以下である。

（３）それぞれの半導体レーザ部ＬＤＣから出射されたレーザ光は、空間光変調器ＳＬＭ内に入射し、それぞれの画素電極２１による液晶層ＬＣの状態に応じて変調され、空間光変調器ＳＬＭの反射膜２３で反射され、変調されたレーザ光は、それぞれの半導体レーザ部ＬＤＣを再度介して、それぞれの半導体レーザ部ＬＥＣの光出射面（偏光板２７の−Ｚ軸側の表面）から外部に出力される。

（４）半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと反射膜２３との間に配置された１／４波長板（位相差板）２６と、複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと前記光出射面との間に配置された偏光板２７とを備えることを特徴とする。偏光板２７は、１枚であって、全ての半導体レーザ部ＬＤＣをカバーしているが、これは半導体レーザ部毎に分離していてもよい。

この半導体レーザ装置によれば、面発光レーザ素子である半導体レーザ部ＬＤＣから出力されたレーザ光は、厚み方向に沿って出射し、空間光変調器ＳＬＭの反射膜２３で反射され、液晶層ＬＣで位相が変調されて、偏光板２７を介して、外部に出力される。したがって、液晶層ＬＣによる変調の強度に応じて、偏光板から画素毎に位相変調された出力されるレーザ光の方向が異なる。半導体レーザ部ＬＤＣから空間光変調器ＳＬＭを介さずに外部に出射しようとするレーザ光は、偏光板２７によって抑制することができる。すなわち、空間光変調器ＳＬＭに入射して反射することで、１／４波長板２６を２回通過したレーザ光は、位相が反転して、偏光方位が９０度回転するため、このレーザ光が偏光板２７を透過する。

すなわち、活性層４におけるレーザ光の偏光方位を第１方向（Ａ）とすると、偏光板２７が透過させる偏光方位（Ｂ）は第１方向（Ａ）に直交しており、レーザ光は直接的には波長板を通過できない。一方、１／４波長板を２回通過したレーザ光は、液晶層ＬＣが無い場合には、第１方向（Ａ）に直交する偏光方位（Ｂ）を有し、偏光板２７を透過することができる。画素電極２１と共通電極２５との間にバイアス電圧を与えて、液晶層ＬＣにより位相を調整された偏光成分のみが、偏光板２７を透過する。

画素電極の幅は、各半導体レーザ部よりも小さく、２個以上の画素電極が、単一の半導体レーザ部に対応して配置される。これにより、各半導体レーザ部ＬＤＣで発生した光は空間光変調器ＳＬＭを往復した後に空間光変調器ＳＬＭの画素毎に２次元的に位相変調を受けるので、結果として半導体レーザ部ＬＤＣ毎にビームパターンを制御することが出来る。従って、出力ビームパターンとして方向制御された単峰ビームを与えるよう空間光変調器駆動回路Ｓ−ＤＲに信号を与えることで半導体レーザ部ＬＤＣ毎に、任意方向の単峰ビームを出力することが可能となり、このときの半導体レーザ部ＬＤＣの配列周期Ｌを目の瞳孔径の半分以下に設定することで、インテグラル方式による自然な立体像を形成することができる。このとき空間光変調器ＳＬＭの画素ピッチｄと波長λを用いて各半導体レーザ部ＬＤＣからの任意方向単峰ビームの最大回折角ΦはΦ≒λ／ｄと表わすことができるので所望のΦを得るために適切に小さなｄを設定する必要がある。

なお、上記の例では各半導体レーザ部ＬＤＣ毎に任意方向の単峰ビームを出力することとしたが、画素ピッチｄが適切な数あればＬＤＣ毎に任意のビームパターンを得ることが可能であり、各半導体レーザ部ＬＤＣ毎に複数の任意方向ビームを得ることも可能となる。この場合、同時並列的に多方向へのビームが得られるので、自然な立体像表示形成時における視点数を増やすことが出来る。或いは、視点数を同一として、フレームレートを高速化することが可能となる。

なお、液晶層ＬＣは無バイアスの状態で９０度の偏光回転するものでもよく、０度の偏光回転を行うものでもよい。いずれの場合も画素電極へのバイアス電圧の印加により、所望の偏光方位に調整できる。

ＳＬＭ…空間光変調器、ＬＤＣ…半導体レーザチップ（半導体レーザ部）、４…活性層、２，７…クラッド層、６…回折格子層。

Claims (4)

1. 独立駆動可能な複数の半導体レーザ部と、
   複数の前記半導体レーザ部のグループに光学的に結合した空間光変調器と、
   を備えた半導体レーザ装置であって、
   個々の前記半導体レーザ部は、
   活性層と、
   前記活性層を挟む一対のクラッド層と、
   前記活性層に光学的に結合した回折格子層と、
   を備え、
   複数の前記半導体レーザ部は、それぞれの厚み方向に沿ってレーザ光を出力し、
   前記空間光変調器は、
   液晶層と、
   前記液晶層の前記半導体レーザ部とは反対側に設けられた反射膜と、
   二次元状に配置された複数の画素電極と、
   前記画素電極と共に前記液晶層を挟む共通電極と、
   を備え、
   それぞれの前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光は、前記空間光変調器内に入射し、それぞれの前記画素電極による前記液晶層の状態に応じて変調され、
   前記空間光変調器の前記反射膜で反射され、変調されたレーザ光は、それぞれの前記半導体レーザ部を再度介して、それぞれの前記半導体レーザ部の光出射面から外部に出力され、
   前記半導体レーザ装置は、
   複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記反射膜との間に配置された１／４波長板と、
   複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記光出射面との間に配置された偏光板と、
   を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 個々の前記画素電極の幅は、個々の半導体レーザ部の幅の１／２以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 複数の前記半導体レーザ部は、
   第１波長のレーザ光を出力する第１半導体レーザ部と、
   第２波長のレーザ光を出力する第２半導体レーザ部と、
   第３波長のレーザ光を出力する第３半導体レーザ部と、
   を備え、
   前記第１、第２、及び第３波長は、互いに異なっている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装置。
4. 複数の前記半導体レーザ部は、
   第４波長のレーザ光を出力する第４半導体レーザ部と、
   第５波長のレーザ光を出力する第５半導体レーザ部と、
   第６波長のレーザ光を出力する第６半導体レーザ部と、
   を備え、
   前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６波長は、互いに異なっていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。

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