JP2019106396A - Phase modulation layer layout method - Google Patents

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Abstract

To reduce one light of primary light and minus primary light in response to the other light.SOLUTION: A method includes: a first step S1 of preparing a plurality of complex amplitude distributions in regard to each of progressive waves AR, AL, AU, and AD; a second step S2 of modifying each complex amplitude distribution in regard to each progressive wave; a third step S3 of obtaining a comprehensive complex amplitude distribution by overlapping each complex amplitude distribution modulated in regard to each progressive wave; and a fourth step S4 of extracting a phase distribution from the comprehensive complex amplitude distribution, and determining a center of gravity of each modified refractive index area. In the second step S2, a positive and a negative between one of the progressive waves AR and AL and a phase item of each complex amplitude distribution of one of the progressive waves AU and AD is inverted. In the fourth step S4, the center of gravity of each modified refractive index area is arranged onto a straight line inclined to a square lattice by passing through a lattice point of a virtual square lattice, and the center of gravity of each modified refractive index area and a distance from the corresponded lattice point are determined on the basis of a phase distribution.SELECTED DRAWING: Figure 18

Description

本発明は、位相変調層設計方法に関するものである。   The present invention relates to a phase modulation layer design method.

特許文献1には、半導体発光素子に関する技術が記載されている。この半導体発光素子は、活性層と、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位相変調層と、を備える。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、を含む。位相変調層の厚み方向をZ軸方向とするXYZ直交座標系を設定し、XY平面内において、格子間隔aの仮想的な正方格子を設定した場合、それぞれの異屈折率領域は、その重心位置が、仮想的な正方格子における格子点位置から距離rだけずれるように配置されている。距離rは0<r≦0.3aを満たす。   Patent Document 1 describes a technique related to a semiconductor light emitting device. The semiconductor light emitting device includes an active layer, a pair of cladding layers sandwiching the active layer, and a phase modulation layer optically coupled to the active layer. The phase modulation layer includes a base layer and a plurality of different refractive index regions different in refractive index from the base layer. If an XYZ orthogonal coordinate system is set with the thickness direction of the phase modulation layer as the Z-axis direction, and a virtual square lattice with a lattice spacing a is set in the XY plane, each different refractive index area is its barycentric position Are arranged so as to be deviated by a distance r from the grid point position in the virtual square lattice. The distance r satisfies 0 <r ≦ 0.3a.

国際公開第2016/148075号International Publication No. 2016/148075

二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトル及び強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する発光装置が研究されている。このような発光装置の構造の1つとして、基板上に設けられた位相変調層を備える構造がある。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心位置が、光像に応じて仮想的な正方格子の格子点位置からずれている。このような発光装置はS−iPM(Static-integrablePhase Modulating)レーザと呼ばれ、基板の主面に垂直な方向に対して傾斜した方向に任意形状の光像を出力する。   A light emitting device has been studied which outputs an arbitrary light image by controlling the phase spectrum and intensity spectrum of light emitted from a plurality of light emitting points arranged in a two-dimensional manner. One of the structures of such a light emitting device is a structure provided with a phase modulation layer provided on a substrate. The phase modulation layer has a base layer and a plurality of different refractive index regions different in refractive index from the base layer, and a virtual square lattice is set in a plane perpendicular to the thickness direction of the phase modulation layer. In addition, the barycentric position of each modified refractive index area is shifted from the lattice point position of the virtual square lattice according to the light image. Such a light emitting device is called an S-iPM (Static-integrable Phase Modulating) laser and outputs an optical image of an arbitrary shape in a direction inclined with respect to the direction perpendicular to the main surface of the substrate.

このような発光装置からは、1次光と、1次光とは逆向きに変調された−1次光とが出力される。1次光は、基板の主面に垂直な方向に対して傾斜した第1方向に所望の出力光像を形成する。−1次光は、基板の主面と交差し該主面に垂直な方向に延びる軸線に関して第1方向と対称である第2方向に、上記出力光像とは回転対称である光像を形成する。しかしながら、用途によっては、1次光及び−1次光のうち何れか一方の光が不要な場合がある。そのような場合、1次光及び−1次光のうち不要な光を、必要な光に対して減光することが望ましい。   From such a light emitting device, primary light and -1 order light modulated in the opposite direction to the primary light are output. The primary light forms a desired output light image in a first direction inclined with respect to the direction perpendicular to the main surface of the substrate. The -1st-order light forms a light image that is rotationally symmetric to the output light image in a second direction that is symmetrical to the first direction with respect to an axis that intersects the main surface of the substrate and extends in a direction perpendicular to the main surface Do. However, depending on the application, either primary light or primary light may not be required. In such a case, it is desirable to reduce unnecessary light of the primary light and the -1 order light with respect to the necessary light.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、1次光及び−1次光のうち一方の光を、他方の光に対して減光することができる位相変調層設計方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and a phase modulation layer designing method capable of reducing one of primary light and -1 order light with respect to the other light. Intended to provide.

上述した課題を解決するために、本発明による位相変調層設計方法は、基本層、及び基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域を有し、基板上に設けられて発光部と光学的に結合された位相変調層を備え、基板の主面に垂直な方向または該方向に対して傾斜した方向、或いはその両方に光像を出力する発光装置の位相変調層を設計する方法であって、位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、位相変調層の中心点を挟んで一方の格子点配列方向に並ぶ第1領域及び第2領域、並びに、位相変調層の中心点を挟んで他方の格子点配列方向に並ぶ第3領域及び第4領域を定義するとき、第2領域から第1領域への向きに進む第1進行波、第1領域から第2領域への向きに進む第2進行波、第4領域から第3領域への向きに進む第3進行波、及び、第3領域から第4領域への向きに進む第4進行波のそれぞれに関する、光像に対応する複数の複素振幅分布を用意する第1ステップと、各進行波に関する複素振幅分布を修正する第2ステップと、各進行波に関する修正後の複素振幅分布を重ね合わせて総合的な複素振幅分布を求める第3ステップと、総合的な複素振幅分布から位相分布を抽出し、位相分布に基づいて各異屈折率領域の重心位置を決定する第4ステップと、を含む。第2ステップでは、第1進行波及び第2進行波の一方に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させるとともに、第3進行波及び第4進行波の一方に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させる。第4ステップでは、各異屈折率領域の重心を、仮想的な正方格子の格子点を通り正方格子に対して傾斜する直線上に配置するとともに、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離を、位相分布に基づいて決定する。   In order to solve the problems described above, a phase modulation layer design method according to the present invention includes a base layer and a plurality of different refractive index regions different in refractive index from the base layer, and provided on a substrate A method of designing a phase modulation layer of a light emitting device comprising an optically coupled phase modulation layer and outputting an optical image in a direction perpendicular to the main surface of the substrate and / or inclined with respect to the direction When a virtual square lattice is set in a plane perpendicular to the thickness direction of the phase modulation layer, a first region and a second region aligned in one lattice point arranging direction across the center point of the phase modulation layer. A first traveling wave traveling in the direction from the second region to the first region when defining a region and a third region and a fourth region arranged in the other lattice point arranging direction across the center point of the phase modulation layer; Second traveling wave traveling from the first area to the second area, from the fourth area First step of preparing a plurality of complex amplitude distributions corresponding to light images for the third traveling wave traveling in the direction to the three regions and the fourth traveling wave traveling in the direction from the third region to the fourth region A second step of correcting the complex amplitude distribution of each traveling wave, a third step of superposing the corrected complex amplitude distribution of each traveling wave to obtain an overall complex amplitude distribution, and an overall complex amplitude distribution And 4. a fourth step of extracting a phase distribution from and determining a barycentric position of each modified refractive index region based on the phase distribution. In the second step, the phase term of the complex amplitude distribution of one of the first traveling wave and the second traveling wave is reversed, and the phase term of the complex amplitude distribution of one of the third traveling wave and the fourth traveling wave is reversed. Invert. In the fourth step, the center of gravity of each modified refractive index area is disposed on a straight line that is inclined relative to the square lattice through the lattice points of the virtual square lattice, and the center of gravity of each modified refractive index area and the corresponding grid The distance to the point is determined based on the phase distribution.

本発明者の知見によれば、互いに逆向きに進む進行波からは、それぞれ逆向きのビームパターンが得られる。例えば、第1進行波から1次光のビームパターンが主に得られる場合、第2進行波からは−1次光のビームパターンが主に得られる。同様に、第3進行波から1次光のビームパターンが主に得られる場合、第4進行波からは−1次光のビームパターンが主に得られる。このような事実に鑑み、上記の設計方法では、第2ステップにおいて、第1進行波及び第2進行波の一方に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させるとともに、第3進行波及び第4進行波の一方に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させる。位相項の符号を反転させる前に−1次光のビームパターンが主に得られていた場合、位相項の符号を反転させた後には1次光のビームパターンが主に得られる。逆に、位相項の符号を反転させる前に1次光のビームパターンが主に得られていた場合、位相項の符号を反転させた後には−1次光のビームパターンが主に得られる。従って、上記の設計方法によれば、全ての進行波から1次光(或いは−1次光)のビームパターンを主に得ることができ、1次光及び−1次光のうち一方の光を、他方の光に対して減光することができる。   According to the findings of the present inventor, from the traveling waves traveling in opposite directions, beam patterns in the opposite direction can be obtained. For example, when a beam pattern of first-order light is mainly obtained from the first traveling wave, a beam pattern of -1st-order light is mainly obtained from the second traveling wave. Similarly, when the beam pattern of the first traveling light is mainly obtained from the third traveling wave, the beam pattern of the −1st order light is mainly acquired from the fourth traveling wave. In view of such facts, in the above-described design method, in the second step, the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution relating to one of the first traveling wave and the second traveling wave are reversed, and the third traveling wave and the fourth traveling wave are Invert the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution with respect to one of the traveling waves. If the beam pattern of -1st order light is mainly obtained before inverting the sign of the phase term, the beam pattern of 1st order light is mainly obtained after inverting the sign of the phase term. Conversely, when the beam pattern of primary light is mainly obtained before inverting the sign of the phase term, the beam pattern of −1st order light is mainly obtained after inverting the sign of the phase term. Therefore, according to the above-mentioned design method, it is possible to mainly obtain a beam pattern of primary light (or -1 order light) from all traveling waves, and one of primary light and -1 order light is used. The other light can be dimmed.

上記の位相変調層設計方法では、第2ステップにおいて、各進行波に関する複素振幅分布に重み付けを行ってもよい。これにより、各進行波に関する複素振幅分布を重ね合わせて総合的な複素振幅分布を求める際に、総合的な複素振幅分布に対する各進行波の複素振幅分布の寄与度を各進行波の強度比に応じて任意に調整し、所望の光像をより正確に表現することができる。また、第1進行波及び第2進行波の強度と、第3進行波及び第4進行波の強度とが互いに異なる場合には、第1進行波及び第2進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みと、第3進行波及び第4進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みとを互いに異ならせてもよい。また、第1進行波及び第2進行波の強度と、第3進行波及び第4進行波の強度との比は、正方格子に対する直線の傾斜角によって変化する。従って、第1進行波及び第2進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みと、第3進行波及び第4進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みとの比を、直線と正方格子との成す角に基づいて定めてもよい。   In the above-described phase modulation layer designing method, weighting may be performed on the complex amplitude distribution of each traveling wave in the second step. Thereby, when superposing the complex amplitude distribution on each traveling wave to obtain a comprehensive complex amplitude distribution, the contribution ratio of the complex amplitude distribution of each traveling wave to the overall complex amplitude distribution is set to the intensity ratio of each traveling wave. Accordingly, the desired light image can be expressed more accurately by adjusting it arbitrarily. Also, when the intensities of the first and second traveling waves and the intensities of the third and fourth traveling waves are different from each other, they are added to the complex amplitude distributions of the first and second traveling waves. The weights to be added may be different from the weights to be added to the complex amplitude distributions of the third and fourth traveling waves. Further, the ratio of the intensity of the first traveling wave and the second traveling wave to the intensity of the third traveling wave and the intensity of the fourth traveling wave changes according to the inclination angle of the straight line with respect to the square lattice. Therefore, the ratio of the weight added to each complex amplitude distribution related to the first traveling wave and the second traveling wave and the weight added to each complex amplitude distribution related to the third traveling wave and the fourth traveling wave is a straight line and a square lattice. It may be determined based on the angle formed by

上記の位相変調層設計方法では、正方格子に対する直線の傾斜角が一定であってもよい。これにより、異屈折率領域の重心配置の設計を容易に行うことができる。また、この場合、傾斜角は0°、90°、180°及び270°を除く角度であってもよい。更に、傾斜角は、45°、135°、225°または315°であってもよい。これにより、正方格子に沿って進む4つの基本波(正方格子に沿ったX軸及びY軸を設定した場合、X軸正方向に進む光、X軸負方向に進む光、Y軸正方向に進む光、及びY軸負方向に進む光)が、光像に均等に寄与することができる。なお、上記傾斜角が0°、90°、180°、または270°のとき、上記直線は正方格子のX軸またはY軸に対応するが、このとき、例えば傾斜角が0°または180°で上記直線がX軸に沿う場合、4つの基本波のうちY軸方向にて対向する2つの進行波は位相変調を受けないため、信号光へ寄与しない。また、上記傾斜角が90°または270°で上記直線がY軸に沿う場合、X軸方向にて対向する2つの進行波が信号光へ寄与しない。このため、傾斜角が0°、90°、180°、または270°である場合、高い効率で信号光を得ることができない。   In the above-described phase modulation layer design method, the inclination angle of the straight line with respect to the square grating may be constant. This makes it possible to easily design the center of gravity of the different refractive index area. Also, in this case, the inclination angles may be angles other than 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. Furthermore, the tilt angle may be 45 °, 135 °, 225 ° or 315 °. As a result, four fundamental waves traveling along a square lattice (when X axis and Y axis along a square lattice are set, light traveling in the X axis positive direction, light traveling in the X axis negative direction, Y axis positive direction The traveling light and the light traveling in the negative Y-axis direction can equally contribute to the light image. Note that when the inclination angle is 0 °, 90 °, 180 °, or 270 °, the straight line corresponds to the X axis or Y axis of the square lattice, but at this time, for example, the inclination angle is 0 ° or 180 °. When the straight line is along the X-axis, two traveling waves facing each other in the Y-axis direction among the four fundamental waves do not receive phase modulation, and thus do not contribute to the signal light. Further, when the inclination angle is 90 ° or 270 ° and the straight line is along the Y axis, two traveling waves opposed in the X axis direction do not contribute to the signal light. Therefore, when the tilt angle is 0 °, 90 °, 180 °, or 270 °, signal light can not be obtained with high efficiency.

上記の位相変調層設計方法において、発光部は基板上に設けられた活性層であってもよい。これにより、発光部と位相変調層とを容易に光結合させることができる。   In the above phase modulation layer design method, the light emitting unit may be an active layer provided on a substrate. Thus, the light emitting portion and the phase modulation layer can be easily optically coupled.

本発明の位相変調層設計方法によれば、1次光及び−1次光のうち一方の光を、他方の光に対して減光することができる。   According to the phase modulation layer designing method of the present invention, it is possible to reduce one of the primary light and the −1st light with respect to the other light.

本発明の一実施形態に係る発光装置として、半導体発光素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a semiconductor light-emitting device as a light-emitting device based on one Embodiment of this invention. 半導体発光素子の積層構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laminated structure of a semiconductor light-emitting device. 位相変調層が下部クラッド層と活性層との間に設けられる場合の半導体発光素子の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure of a semiconductor light-emitting device in case a phase modulation layer is provided between a lower cladding layer and an active layer. 位相変調層の平面図である。It is a top view of a phase modulation layer. 位相変調層における異屈折率領域の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the different refractive index area | region in a phase modulation layer. 位相変調層の特定領域内にのみ屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。It is a top view which shows the example which applied the refractive index substantially periodic structure only in the specific area | region of a phase modulation layer. 半導体発光素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層における距離の分布との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the optical image obtained by imaging the output beam pattern of a semiconductor light-emitting device, and distribution of the distance in a phase modulation layer. 球面座標からXYZ直交座標系における座標への座標変換を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the coordinate transformation from a spherical surface coordinate to the coordinate in a XYZ rectangular coordinate system. (a),(b)光像のフーリエ変換結果から位相角分布を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明する図である。(A), (b) It is a figure explaining the point taken care of when phase angle distribution is calculated | required from the Fourier-transform result of a light image, and arrangement | positioning of a different refractive index area | region is determined. (a)半導体発光素子から出力されるビームパターン(光像)の例を示す。(b)半導体発光素子の発光面と交差し発光面に垂直な軸線を含む断面における光強度分布を示すグラフである。(A) The example of the beam pattern (optical image) output from a semiconductor light-emitting device is shown. (B) It is a graph which shows the light intensity distribution in the cross section containing the light emitting surface of a semiconductor light emitting element, and including the axis line perpendicular | vertical to a light emitting surface. (a)図10(a)に示されたビームパターンに対応する位相分布を示す図である。(b)図11(a)の部分拡大図である。(A) It is a figure which shows the phase distribution corresponding to the beam pattern shown by FIG. 10 (a). (B) It is the elements on larger scale of Fig.11 (a). 正方格子型のS−iPMレーザの位相変調層を概念的に示す平面図である。It is a top view which shows notionally the phase modulation layer of square lattice type S-iPM laser. 各方向の進行波のビームパターンの例を概念的に示す図である。この例では、X軸及びY軸に対する直線Dの傾斜角を45°としている。It is a figure which shows notionally the example of the beam pattern of the traveling wave of each direction. In this example, the inclination angle of the straight line D with respect to the X axis and the Y axis is 45 °. 位相変調層の面内における進行波の強度分布を示すグラフである。It is a graph which shows intensity distribution of a traveling wave in the field of a phase modulation layer. 位相変調層の面内における進行波の強度分布を示すグラフである。It is a graph which shows intensity distribution of a traveling wave in the field of a phase modulation layer. 位相変調層の面内における進行波の強度分布を示すグラフである。It is a graph which shows intensity distribution of a traveling wave in the field of a phase modulation layer. 位相変調層の面内における進行波の強度分布を示すグラフである。It is a graph which shows intensity distribution of a traveling wave in the field of a phase modulation layer. 一実施形態による位相変調層の設計方法を示すフローチャートである。5 is a flowchart illustrating a method of designing a phase modulation layer according to one embodiment. (a)異屈折率領域を格子点の周りで回転させる従来の方式を示す図である。(b)進行波を示す図である。(A) It is a figure which shows the conventional system which rotates a different refractive index area | region around a lattice point. (B) It is a figure which shows a traveling wave. (a)格子点を通り正方格子に対して傾斜した軸線上を異屈折率領域が移動する方式を示す図である。(b)進行波を示す図である。(A) It is a figure which shows the system which a different refractive index area | region moves on the axis line which inclined with respect to a square lattice through a lattice point. (B) It is a figure which shows a traveling wave. 異屈折率領域のXY平面内の形状の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the shape in XY plane of a different refractive index area | region. 異屈折率領域のXY平面内の形状の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the shape in XY plane of a different refractive index area | region. 第2変形例に係る位相変調層の平面図である。It is a top view of the phase modulation layer concerning the 2nd modification. 第2変形例の位相変調層における異屈折率領域の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the different refractive index area | region in the phase modulation layer of a 2nd modification. XY平面内の異屈折率領域の形状の別の例を示す平面図である。It is a top view which shows another example of the shape of the modified refractive index area | region in XY plane. XY平面内の異屈折率領域の形状の別の例を示す平面図である。It is a top view which shows another example of the shape of the modified refractive index area | region in XY plane. 第3変形例による発光装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the light-emitting device by a 3rd modification. 第2実施形態に係る半導体発光素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the semiconductor light-emitting device concerning 2nd Embodiment. 位相変調層が下部クラッド層と活性層との間に設けられる場合の半導体発光素子の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure of a semiconductor light-emitting device in case a phase modulation layer is provided between a lower cladding layer and an active layer. 半導体発光素子を表面側から見た平面図である。It is the top view which looked at the semiconductor light emitting element from the surface side. レーザ素子がGaAs系化合物半導体からなる場合(発光波長940nm帯)の層構造を示す表である。It is a table | surface which shows the layer structure in case a laser element consists of a GaAs type compound semiconductor (emission wavelength 940 nm band). 図31に示された層構造を備えるレーザ素子の屈折率分布およびモード分布である。It is refractive index distribution and mode distribution of a laser element provided with the layer structure shown by FIG. レーザ素子がInP系化合物半導体からなる場合(発光波長1300nm帯)の層構造を示す表である。It is a table | surface which shows the layer structure in case a laser element consists of an InP type compound semiconductor (emission wavelength 1300 nm band). 図33に示された層構造を備えるレーザ素子の屈折率分布およびモード分布である。It is a refractive index distribution and mode distribution of a laser element provided with the layer structure shown by FIG. レーザ素子が窒化物系化合物半導体からなる場合(発光波長405nm帯)の層構造を示す表である。It is a table | surface which shows the layer structure in case a laser element consists of a nitride type compound semiconductor (emission wavelength 405 nm band). 図35に示された層構造を備えるレーザ素子の屈折率分布およびモード分布である。It is a refractive index distribution and mode distribution of a laser element provided with the layer structure shown by FIG. 6層のスラブ型導波路によって導波路構造を近似する場合を説明するための断面図および屈折率分布である。It is sectional drawing and refractive index distribution for demonstrating the case where waveguide structure is approximated by six layers of slab type | mold waveguides. 5層のスラブ型導波路によって導波路構造を近似する場合を説明するための断面図および屈折率分布である。It is sectional drawing and refractive index distribution for demonstrating the case where a waveguide structure is approximated by five layers of slab type | mold waveguides. 6層のスラブ型導波路において、光導波路層に関する3層スラブ構造を示す断面図および屈折率分布である。It is sectional drawing and refractive index distribution which show three-layer slab structure regarding an optical waveguide layer in six-layer slab type | mold waveguide. 6層のスラブ型導波路において、コンタクト層に関する3層スラブ構造を示す断面図および屈折率分布である。It is sectional drawing and refractive index distribution which show three-layer slab structure regarding a contact layer in six-layer slab type | mold waveguide. 5層のスラブ型導波路において、光導波路層に関する3層スラブ構造を示す断面図および屈折率分布である。It is sectional drawing and refractive index distribution which show three-layer slab structure regarding an optical waveguide layer in five-layer slab type | mold waveguide. 5層のスラブ型導波路において、コンタクト層に関する3層スラブ構造を示す断面図および屈折率分布である。It is sectional drawing and refractive index distribution which show three-layer slab structure regarding a contact layer in five-layer slab type | mold waveguide. 下部クラッド層、光導波路層、および上部クラッド層からなる3層スラブ構造を示す断面図とその屈折率分布である。It is sectional drawing and its refractive index distribution which show the 3 layer slab structure which consists of a lower clad layer, an optical waveguide layer, and an upper clad layer. レーザ素子がGaAs系化合物半導体からなる場合の5層スラブ構造の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of 5 layer slab structure in case a laser element consists of a GaAs type compound semiconductor. 計算に用いられた屈折率n1、n2、およびn3、非対称パラメータa’および下部クラッド層の屈折率ncladを示す表と、下限値および上限値の計算結果を示す表である。It is a table showing the refractive index n 1 , n 2 and n 3 used in the calculation, the asymmetry parameter a ′ and the refractive index n clad of the lower cladding layer, and the calculation results of the lower limit value and the upper limit value. 式(1)および式(2)によって示される光導波路層の規格化導波路幅V1と、規格化伝搬係数bとの関係を示すグラフである。Equation (1) and standards influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer represented by formula (2) is a graph showing the relationship between the normalized propagation factor b. 計算に用いられた屈折率n4、n5、およびn6、非対称パラメータa’および下部クラッド層の屈折率ncladを示す表と、上限値の計算結果を示す表である。Calculating a refractive index n 4 used in, n 5, and n 6, a table showing the refractive index n clad of the asymmetry parameter a 'and the lower cladding layer is a table showing the calculation results of the upper limit. 式(5)および式(6)によって示されるコンタクト層の規格化導波路幅V2と、規格化伝搬係数bとの関係を示すグラフである。Equation (5) and standards influencing for good waveguide width V 2 of the contact layer represented by the formula (6) is a graph showing the relationship between the normalized propagation factor b. 図44に示された層構造を備えるレーザ素子の屈折率分布およびモード分布である。It is a refractive index distribution and mode distribution of a laser element provided with the layer structure shown by FIG. レーザ素子がInP系化合物半導体からなる場合の6層スラブ構造の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of a 6 layer slab structure in case a laser element consists of an InP type compound semiconductor. 計算に用いられた屈折率n1、n2、およびn3、非対称パラメータa’および下部クラッド層の屈折率ncladを示す表と、下限値および上限値の計算結果を示す表である。It is a table showing the refractive index n 1 , n 2 and n 3 used in the calculation, the asymmetry parameter a ′ and the refractive index n clad of the lower cladding layer, and the calculation results of the lower limit value and the upper limit value. 式(1)および式(2)によって示される光導波路層の規格化導波路幅V1と、規格化伝搬係数bとの関係を示すグラフである。Equation (1) and standards influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer represented by formula (2) is a graph showing the relationship between the normalized propagation factor b. 計算に用いられた屈折率n4、n5、およびn6、非対称パラメータa’および下部クラッド層の屈折率ncladを示す表と、上限値の計算結果を示す表である。Calculating a refractive index n 4 used in, n 5, and n 6, a table showing the refractive index n clad of the asymmetry parameter a 'and the lower cladding layer is a table showing the calculation results of the upper limit. 式(5)および式(6)によって示されるコンタクト層の規格化導波路幅V2と、規格化伝搬係数bとの関係を示すグラフである。Equation (5) and standards influencing for good waveguide width V 2 of the contact layer represented by the formula (6) is a graph showing the relationship between the normalized propagation factor b. 図50に示された層構造を備えるレーザ素子の屈折率分布およびモード分布である。It is a refractive index distribution and mode distribution of a laser element provided with the layer structure shown by FIG. レーザ素子が窒化物系化合物半導体からなる場合の6層スラブ構造の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of the 6 layer slab structure in case a laser element consists of a nitride type compound semiconductor. 計算に用いられた屈折率n1、n2、およびn3、非対称パラメータa’および下部クラッド層の屈折率ncladを示す表と、下限値および上限値の計算結果を示す表である。It is a table showing the refractive index n 1 , n 2 and n 3 used in the calculation, the asymmetry parameter a ′ and the refractive index n clad of the lower cladding layer, and the calculation results of the lower limit value and the upper limit value. 式(1)および式(2)によって示される光導波路層の規格化導波路幅V1と、規格化伝搬係数bとの関係を示すグラフである。Equation (1) and standards influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer represented by formula (2) is a graph showing the relationship between the normalized propagation factor b. 計算に用いられた屈折率n4、n5、およびn6、非対称パラメータa’および下部クラッド層の屈折率ncladを示す表と、上限値の計算結果を示す表である。Calculating a refractive index n 4 used in, n 5, and n 6, a table showing the refractive index n clad of the asymmetry parameter a 'and the lower cladding layer is a table showing the calculation results of the upper limit. 式(5)および式(6)によって示されるコンタクト層の規格化導波路幅V2と、規格化伝搬係数bとの関係を示すグラフである。Equation (5) and standards influencing for good waveguide width V 2 of the contact layer represented by the formula (6) is a graph showing the relationship between the normalized propagation factor b. 図56に示された層構造を備えるレーザ素子の屈折率分布およびモード分布である。It is a refractive index distribution and mode distribution of a laser element provided with the layer structure shown by FIG.

以下、添付図面を参照しながら本発明による位相変調層設計方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment of a phase modulation layer designing method according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

図1は、本発明の一実施形態に係る発光装置として、半導体発光素子1Aの構成を示す斜視図である。なお、半導体発光素子1Aの中心を通り半導体発光素子1Aの厚さ方向に延びる軸をZ軸とするXYZ直交座標系を定義する。半導体発光素子1Aは、XY面内方向において定在波を形成し、位相制御された平面波をZ軸方向に出力するS−iPMレーザであって、後述するように、半導体基板10の主面10aに垂直な方向(すなわちZ軸方向)またはこれに対して傾斜する方向、或いはその両方を含む二次元的な任意形状の光像を出力する。   FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor light emitting element 1A as a light emitting device according to an embodiment of the present invention. An XYZ orthogonal coordinate system is defined in which an axis extending through the center of the semiconductor light emitting element 1A and extending in the thickness direction of the semiconductor light emitting element 1A is the Z axis. The semiconductor light emitting element 1A is an S-iPM laser that forms a standing wave in the XY in-plane direction and outputs a phase controlled plane wave in the Z-axis direction, and as described later, the main surface 10a of the semiconductor substrate 10 Output a two-dimensional light image of an arbitrary shape including a direction perpendicular to (ie, the Z-axis direction) or a direction inclined with respect to this or both.

図2は、半導体発光素子1Aの積層構造を模式的に示す図である。図1及び図2に示されるように、半導体発光素子1Aは、半導体基板10の主面10a上に設けられた発光部としての活性層12と、主面10a上に設けられて活性層12を挟む一対のクラッド層11及び13と、クラッド層13上に設けられたコンタクト層14と、を備える。これらの半導体基板10及び各層11〜14は、例えばGaAs系半導体、InP系半導体、もしくは窒化物系半導体といった化合物半導体によって構成される。クラッド層11のエネルギーバンドギャップ、及びクラッド層13のエネルギーバンドギャップは、活性層12のエネルギーバンドギャップよりも大きい。半導体基板10及び各層11〜14の厚さ方向は、Z軸方向と一致する。   FIG. 2 is a view schematically showing a laminated structure of the semiconductor light emitting element 1A. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the semiconductor light emitting element 1A is provided on the main surface 10a of the semiconductor substrate 10 as an active layer 12 as a light emitting portion and on the main surface 10a. A pair of sandwiching cladding layers 11 and 13 and a contact layer 14 provided on the cladding layer 13 are provided. The semiconductor substrate 10 and the layers 11 to 14 are made of, for example, a compound semiconductor such as a GaAs-based semiconductor, an InP-based semiconductor, or a nitride-based semiconductor. The energy band gap of the cladding layer 11 and the energy band gap of the cladding layer 13 are larger than the energy band gap of the active layer 12. The thickness direction of the semiconductor substrate 10 and the layers 11 to 14 coincides with the Z-axis direction.

半導体発光素子1Aは、活性層12と光学的に結合された位相変調層15を更に備える。本実施形態では、位相変調層15は活性層12とクラッド層13との間に設けられている。必要に応じて、活性層12とクラッド層13との間、及び活性層12とクラッド層11との間のうち少なくとも一方に、光ガイド層が設けられてもよい。光ガイド層が活性層12とクラッド層13との間に設けられる場合、位相変調層15は、クラッド層13と光ガイド層との間に設けられる。位相変調層15の厚さ方向は、Z軸方向と一致する。なお、光ガイド層は、キャリアを活性層12に効率的に閉じ込めるためのキャリア障壁層を含んでも良い。   The semiconductor light emitting device 1A further includes a phase modulation layer 15 optically coupled to the active layer 12. In the present embodiment, the phase modulation layer 15 is provided between the active layer 12 and the cladding layer 13. If necessary, a light guide layer may be provided between at least one of the active layer 12 and the cladding layer 13 and between the active layer 12 and the cladding layer 11. When the light guide layer is provided between the active layer 12 and the cladding layer 13, the phase modulation layer 15 is provided between the cladding layer 13 and the light guide layer. The thickness direction of the phase modulation layer 15 coincides with the Z-axis direction. The light guide layer may include a carrier barrier layer for efficiently confining carriers in the active layer 12.

図3に示されるように、位相変調層15は、クラッド層11と活性層12との間に設けられてもよい。光ガイド層が活性層12とクラッド層11との間に設けられる場合、位相変調層15は、クラッド層11と光ガイド層との間に設けられる。   As shown in FIG. 3, the phase modulation layer 15 may be provided between the cladding layer 11 and the active layer 12. When the light guide layer is provided between the active layer 12 and the cladding layer 11, the phase modulation layer 15 is provided between the cladding layer 11 and the light guide layer.

位相変調層15は、第1屈折率媒質からなる基本層15aと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第2屈折率媒質からなり、基本層15a内に存在する複数の異屈折率領域15bとを含んで構成されている。複数の異屈折率領域15bは、略周期構造を含んでいる。位相変調層15の実効屈折率をnとした場合、位相変調層15が選択する波長λ(=a×n、aは格子間隔)は、活性層12の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層15は、活性層12の発光波長のうちの波長λを選択して、外部に出力することができる。位相変調層15内に入射したレーザ光は、位相変調層15内において異屈折率領域15bの配置に応じた所定のモードを形成し、所望のパターンを有するレーザビームとして、半導体発光素子1Aから外部に出射される。 The phase modulation layer 15 includes a base layer 15a made of a first refractive index medium, and a second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium, and a plurality of different refractive index areas present in the base layer 15a. And 15b. The plurality of modified refractive index regions 15 b include a substantially periodic structure. Assuming that the effective refractive index of the phase modulation layer 15 is n, the wavelength λ 0 (= a × n, a is a lattice spacing) selected by the phase modulation layer 15 is included in the emission wavelength range of the active layer 12 . The phase modulation layer 15 can select the wavelength λ 0 of the emission wavelength of the active layer 12 and output it to the outside. The laser beam incident in the phase modulation layer 15 forms a predetermined mode in the phase modulation layer 15 according to the arrangement of the different refractive index region 15b, and a laser beam having a desired pattern is externally provided from the semiconductor light emitting element 1A. It is emitted to.

半導体発光素子1Aは、コンタクト層14上に設けられた電極16と、半導体基板10の裏面10b上に設けられた電極17とを更に備える。電極16はコンタクト層14とオーミック接触を成しており、電極17は半導体基板10とオーミック接触を成している。更に、電極17は開口17aを有する。電極16は、コンタクト層14の中央領域に設けられている。コンタクト層14上における電極16以外の部分は、保護膜18によって覆われている。なお、電極16と接触していないコンタクト層14は、取り除かれても良い。半導体基板10の裏面10bのうち電極17以外の部分(開口17a内を含む)は、反射防止膜19によって覆われている。開口17a以外の領域にある反射防止膜19は取り除かれてもよい。   The semiconductor light emitting element 1A further includes an electrode 16 provided on the contact layer 14 and an electrode 17 provided on the back surface 10b of the semiconductor substrate 10. The electrode 16 is in ohmic contact with the contact layer 14, and the electrode 17 is in ohmic contact with the semiconductor substrate 10. Furthermore, the electrode 17 has an opening 17a. The electrode 16 is provided in the central region of the contact layer 14. The portion other than the electrode 16 on the contact layer 14 is covered by a protective film 18. The contact layer 14 not in contact with the electrode 16 may be removed. A portion (including the inside of the opening 17 a) of the back surface 10 b of the semiconductor substrate 10 other than the electrode 17 is covered with the anti-reflection film 19. The antireflective film 19 in the area other than the opening 17a may be removed.

電極16と電極17との間に駆動電流が供給されると、活性層12内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層12が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、クラッド層11及びクラッド層13の間に効率的に閉じ込められる。   When a drive current is supplied between the electrode 16 and the electrode 17, recombination of electrons and holes occurs in the active layer 12, and the active layer 12 emits light. The electrons and holes that contribute to the light emission, and the generated light are efficiently confined between the cladding layer 11 and the cladding layer 13.

活性層12から出射された光は、位相変調層15の内部に入射し、位相変調層15の内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層15から出射したレーザ光は、直接に、裏面10bから開口17aを通って半導体発光素子1Aの外部へ出力されるか、または、電極16において反射したのち、裏面10bから開口17aを通って半導体発光素子1Aの外部へ出力される。このとき、レーザ光に含まれる0次光は、主面10aに垂直な方向へ出射する。これに対し、レーザ光に含まれる信号光(1次光及び−1次光)は、主面10aに垂直な方向及びこれに対して傾斜した方向を含む二次元的な任意方向へ出射する。所望の光像を形成するのは信号光である。   The light emitted from the active layer 12 enters the inside of the phase modulation layer 15 and forms a predetermined mode according to the lattice structure inside the phase modulation layer 15. The laser light emitted from the phase modulation layer 15 is directly output from the back surface 10b to the outside of the semiconductor light emitting element 1A through the opening 17a, or after being reflected by the electrode 16, passes from the back surface 10b to the opening 17a. As a result, the light is output to the outside of the semiconductor light emitting element 1A. At this time, the zero-order light contained in the laser light is emitted in the direction perpendicular to the major surface 10a. On the other hand, the signal light (primary light and −1st order light) contained in the laser light is emitted in a two-dimensional arbitrary direction including a direction perpendicular to the major surface 10 a and a direction inclined with respect thereto. It is the signal light that forms the desired light image.

或る例では、半導体基板10はGaAs基板であり、クラッド層11、活性層12、クラッド層13、コンタクト層14、及び位相変調層15は、それぞれIII族元素およびV族元素により構成される化合物半導体層である。一実施例では、クラッド層11はAlGaAs層であり、活性層12は多重量子井戸構造(障壁層:AlGaAs/井戸層:InGaAs)を有し、位相変調層15の基本層15aはGaAsであり、異屈折率領域15bは空孔であり、クラッド層13はAlGaAs層であり、コンタクト層14はGaAs層である。   In one example, the semiconductor substrate 10 is a GaAs substrate, and the cladding layer 11, the active layer 12, the cladding layer 13, the contact layer 14, and the phase modulation layer 15 are compounds composed of group III elements and group V elements, respectively. It is a semiconductor layer. In one embodiment, the cladding layer 11 is an AlGaAs layer, the active layer 12 has a multiple quantum well structure (barrier layer: AlGaAs / well layer: InGaAs), and the base layer 15a of the phase modulation layer 15 is GaAs. The modified refractive index region 15 b is a void, the cladding layer 13 is an AlGaAs layer, and the contact layer 14 is a GaAs layer.

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。AlxGa1-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11,13のAl組成比は、活性層12の障壁層(AlGaAs)のAl組成比よりも大きい。クラッド層11,13のAl組成比は例えば0.2〜1.0に設定され、一実施例では0.4である。活性層12の障壁層のAl組成比は例えば0〜0.3に設定され、一実施例では0.15である。 In AlGaAs, the energy band gap and the refractive index can be easily changed by changing the composition ratio of Al. In Al x Ga 1 -x As, when the composition ratio x of relatively small atomic radius is decreased (increased), the energy band gap positively correlated with this decreases (larger), and the atomic radius of GaAs is reduced. The energy band gap is reduced by mixing In with large In of. That is, the Al composition ratio of the cladding layers 11 and 13 is larger than the Al composition ratio of the barrier layer (AlGaAs) of the active layer 12. The Al composition ratio of the cladding layers 11 and 13 is set to, for example, 0.2 to 1.0, and is 0.4 in one embodiment. The Al composition ratio of the barrier layer of the active layer 12 is set to, for example, 0 to 0.3, and is 0.15 in one embodiment.

なお、半導体発光素子1Aから出射される、光像に相当するビームパターンには、網目状の暗部を有するノイズ光が重畳することがある。発明者の研究によれば、この網目状の暗部を有するノイズ光は、半導体発光素子1Aの内部での積層方向の高次モードに起因する。ここで、積層方向の基本モードとは、活性層12を含みクラッド層11とクラッド層13で挟まれた領域に亘って1つのピークが存在する強度分布を有するモードのことであり、高次モードとは、2以上のピークが存在する強度分布を有するモードのことである。なお、基本モードの強度分布のピークが活性層12近傍に形成されるのに対し、高次モードの強度分布のピークはクラッド層11、クラッド層13、コンタクト層14などにも形成される。また、積層方向のモードとしては導波モードと漏れモードとが存在するが、漏れモードは安定して存在しないので、ここでは導波モードのみに着目する。また、導波モードには、層の面内方向に電界ベクトルが存在するTEモードと、層面の垂直方向に電界ベクトルが存在するTMモードとがあるが、ここではTEモードのみに着目する。活性層12とコンタクト層との間のクラッド層13の屈折率が、活性層12と半導体基板との間のクラッド層11の屈折率よりも大きい場合に、そのような高次モードが顕著に生じる。通常、活性層12およびコンタクト層14の屈折率は、各クラッド層11,13の屈折率よりも格段に大きい。したがって、クラッド層13の屈折率がクラッド層11の屈折率よりも大きい場合、クラッド層13にも光が閉じ込められ、導波モードが形成される。これによって高次モードが生じる。   Note that noise light having a mesh-like dark part may be superimposed on the beam pattern corresponding to the light image emitted from the semiconductor light emitting element 1A. According to the inventor's research, the noise light having the mesh-like dark part is caused by the higher order mode in the stacking direction inside the semiconductor light emitting element 1A. Here, the fundamental mode in the stacking direction refers to a mode having an intensity distribution in which one peak is present over the region including the active layer 12 and sandwiched between the cladding layer 11 and the cladding layer 13. Is a mode having an intensity distribution in which two or more peaks are present. The peak of the intensity distribution of the fundamental mode is formed in the vicinity of the active layer 12, while the peak of the intensity distribution of the higher mode is also formed in the cladding layer 11, the cladding layer 13, the contact layer 14 and the like. Further, as the mode in the stacking direction, a guided mode and a leaked mode exist, but since the leaked mode does not stably exist, only the guided mode is focused here. Further, although there are TE modes in which the electric field vector exists in the in-plane direction of the layer and TM modes in which the electric field vector exists in the direction perpendicular to the layer surface, the waveguide mode focuses on only the TE mode. When the refractive index of the cladding layer 13 between the active layer 12 and the contact layer is larger than the refractive index of the cladding layer 11 between the active layer 12 and the semiconductor substrate, such a higher order mode occurs notably . Usually, the refractive indices of the active layer 12 and the contact layer 14 are much larger than the refractive indices of the cladding layers 11 and 13. Therefore, when the refractive index of the cladding layer 13 is larger than the refractive index of the cladding layer 11, light is confined also in the cladding layer 13 to form a waveguide mode. This results in higher order modes.

本実施形態の半導体発光素子1Aでは、クラッド層13の屈折率が、クラッド層11の屈折率以下となっている。これにより、上述のような高次モードの発生が抑制され、ビームパターンに重畳される網目状の暗部を有するノイズ光が低減され得る。   In the semiconductor light emitting device 1A of the present embodiment, the refractive index of the cladding layer 13 is less than or equal to the refractive index of the cladding layer 11. As a result, the generation of the high-order mode as described above can be suppressed, and noise light having a mesh-like dark portion superimposed on the beam pattern can be reduced.

また、光導波路層と、該光導波路層に隣接する2層とにより構成された3層スラブ導波路構造は、以下の条件を満たすのが好ましい。具体的には、当該3層スラブ導波路構造における光導波路層は、位相変調層15の屈折率がクラッド層11の屈折率よりも小さい場合に活性層12により構成される。一方、光導波路層は、位相変調層15の屈折率がクラッド層11の屈折率以上である場合に位相変調層15および活性層12により構成される。なお、何れの場合も、光導波路層は、クラッド層11,13は含まない。このような3層スラブ導波路構造において、TEモードでの規格化導波路幅Vを以下の式(1)および(2)によって規定し、非対称パラメータa’および規格化伝搬係数bを以下の式(3)および(4)をそれぞれ満たす実数とするとき、規格化導波路幅Vの解が1つのみ存在する範囲内に収まるよう、規格化導波路幅Vおよび規格化伝搬係数bが設定される。




ここで、TEモードは層厚方向の伝搬モード、n1は活性層12を含む光導波路層の屈折率、n2は光導波路層に隣接する層のうち屈折率の高い層の屈折率、Nはモード次数、ncladはクラッド層11の屈折率、nは光導波路層に隣接する層のうち屈折率の低い層の屈折率、neffは3層スラブ導波路構造におけるTEモードの等価屈折率である。
Further, it is preferable that the three-layer slab waveguide structure configured by the optical waveguide layer and the two layers adjacent to the optical waveguide layer satisfy the following conditions. Specifically, the optical waveguide layer in the three-layer slab waveguide structure is formed of the active layer 12 when the refractive index of the phase modulation layer 15 is smaller than the refractive index of the cladding layer 11. On the other hand, when the refractive index of the phase modulation layer 15 is equal to or higher than the refractive index of the cladding layer 11, the optical waveguide layer is formed of the phase modulation layer 15 and the active layer 12. In any case, the optical waveguide layer does not include the cladding layers 11 and 13. In such a three-layer slab waveguide structure, the normalized waveguide width V 1 in the TE mode is defined by the following equations (1) and (2), and the asymmetry parameter a ′ and the normalized propagation coefficient b are as follows: when a real number satisfying the equation (3) and (4) respectively, so that the solutions of standards influencing for good waveguide width V 1 is within the range that exists only one standard influencing for good waveguide width V 1 and the normalized propagation coefficients b Is set.




Here, the TE mode is a propagation mode in the layer thickness direction, n 1 is the refractive index of the optical waveguide layer including the active layer 12, n 2 is the refractive index of the layer having the higher refractive index among the layers adjacent to the optical waveguide layer, N 1 is the mode order, n clad is the refractive index of the cladding layer 11, n 3 is the refractive index of the low refractive index layer among the layers adjacent to the optical waveguide layer, n eff is the TE mode equivalent in the three-layer slab waveguide structure It is a refractive index.

発明者らの研究によれば、活性層12を含む光導波路層(高屈折率層)においても高次モードが発生することが分かった。そして、光導波路層の厚さおよび屈折率を適切に制御することにより、高次モードを抑制できることを見出した。すなわち、光導波路層の規格化導波路幅Vの値が上述の条件を満たすことにより、高次モードの発生が更に抑制され、ビームパターンに重畳される網目状の暗部を有するノイズ光のより一層低減が可能になる。 According to the research of the inventors, it has been found that high-order modes are generated also in the optical waveguide layer (high refractive index layer) including the active layer 12. Then, it has been found that higher order modes can be suppressed by appropriately controlling the thickness and refractive index of the optical waveguide layer. That is, the value of the standard influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer satisfies the condition described above, generation of higher order modes is further suppressed, and more of the noise light having a net-like dark portion that is superimposed on the beam pattern Further reduction is possible.

また、コンタクト層と、該コンタクト層に隣接する2層とにより構成された別の3層スラブ導波路構造は、以下の条件を満たすのが好ましい。具体的に、このような別の3層スラブ導波路構造において、コンタクト層14の規格化導波路幅Vを以下の式(5)および(6)によって規定し、非対称パラメータa’および規格化伝搬係数bを以下の式(7)および(8)をそれぞれ満たす実数とするとき、規格化導波路幅Vが解なしとなる範囲内に収まるよう、規格化導波路幅Vおよび規格化伝搬係数bが設定される。 Further, another three-layer slab waveguide structure configured by the contact layer and the two layers adjacent to the contact layer preferably satisfies the following conditions. Specifically, in such another three-layer slab waveguide structure, the normalized waveguide width V 2 of the contact layer 14 is defined by the following equations (5) and (6), and the asymmetry parameter a ′ and the normalization when the propagation coefficients b and real number satisfying the following equation (7) and (8), respectively, so as to fall within the scope of the no standard influencing for good waveguide width V 2 collapsed, standard influencing for good waveguide width V 2 and normalized The propagation coefficient b is set.





ここで、n4はコンタクト層14の屈折率、nはコンタクト層14に隣接する層のうち屈折率の高い層の屈折率、nはコンタクト層14に隣接する層のうち屈折率の低い層の屈折率、Nはモード次数、neffは上記別の3層スラブ導波路構造におけるTEモードの等価屈折率である。




Here, n 4 is the refractive index of the contact layer 14, n 5 is the refractive index of the layer having a high refractive index among the layers adjacent to the contact layer 14, and n 6 is the low refractive index of the layers adjacent to the contact layer 14. The refractive index of the layer, N 2 is the mode order, and n eff is the equivalent refractive index of the TE mode in the other three-layer slab waveguide structure.

このように、コンタクト層14の厚さを適切に制御することにより、コンタクト層14に起因する導波モードの発生が抑制され、レーザ素子に生じる高次モードの発生が更に抑制され得る。   As described above, by appropriately controlling the thickness of the contact layer 14, the generation of the guided mode caused by the contact layer 14 can be suppressed, and the generation of the higher order mode generated in the laser element can be further suppressed.

別の例では、半導体基板10はInP基板であり、クラッド層11、活性層12、位相変調層15、クラッド層13、及びコンタクト層14は、例えばInP系化合物半導体からなる。一実施例では、クラッド層11はInP層であり、活性層12は多重量子井戸構造(障壁層:GaInAsP/井戸層:GaInAsP)を有し、位相変調層15の基本層15aはGaInAsPであり、異屈折率領域15bは空孔であり、クラッド層13はInP層であり、コンタクト層14はGaInAsP層である。   In another example, the semiconductor substrate 10 is an InP substrate, and the cladding layer 11, the active layer 12, the phase modulation layer 15, the cladding layer 13, and the contact layer 14 are made of, for example, an InP-based compound semiconductor. In one embodiment, the cladding layer 11 is an InP layer, the active layer 12 has a multiple quantum well structure (barrier layer: GaInAsP / well layer: GaInAsP), and the base layer 15a of the phase modulation layer 15 is GaInAsP The modified refractive index region 15 b is a void, the cladding layer 13 is an InP layer, and the contact layer 14 is a GaInAsP layer.

また、更に別の例では、半導体基板10はGaN基板であり、クラッド層11、活性層12、位相変調層15、クラッド層13、及びコンタクト層14は、例えば窒化物系化合物半導体からなる。一実施例では、クラッド層11はAlGaN層であり、活性層12は多重量子井戸構造(障壁層:InGaN/井戸層:InGaN)を有し、位相変調層15の基本層15aはGaNであり、異屈折率領域15bは空孔であり、クラッド層13はAlGaN層であり、コンタクト層14はGaN層である。   In still another example, the semiconductor substrate 10 is a GaN substrate, and the cladding layer 11, the active layer 12, the phase modulation layer 15, the cladding layer 13, and the contact layer 14 are made of, for example, a nitride compound semiconductor. In one embodiment, the cladding layer 11 is an AlGaN layer, the active layer 12 has a multiple quantum well structure (barrier layer: InGaN / well layer: InGaN), and the basic layer 15 a of the phase modulation layer 15 is GaN. The modified refractive index region 15 b is a void, the cladding layer 13 is an AlGaN layer, and the contact layer 14 is a GaN layer.

クラッド層11には半導体基板10と同じ導電型が付与され、クラッド層13及びコンタクト層14には半導体基板10とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板10及びクラッド層11はn型であり、クラッド層13及びコンタクト層14はp型である。位相変調層15は、活性層12とクラッド層11との間に設けられる場合には半導体基板10と同じ導電型を有し、活性層12とクラッド層13との間に設けられる場合には半導体基板10とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば1×1017〜1×1021/cm3である。活性層12は、いずれの不純物も意図的に添加されていない真性(i型)であり、その不純物濃度は1×1015/cm3以下である。なお、位相変調層15の不純物濃度については、不純物準位を介した光吸収による損失の影響を抑制する必要がある場合等には、真性(i型)としてもよい。 The same conductivity type as the semiconductor substrate 10 is given to the cladding layer 11, and the opposite conductivity type to the semiconductor substrate 10 is given to the cladding layer 13 and the contact layer 14. In one example, the semiconductor substrate 10 and the cladding layer 11 are n-type, and the cladding layer 13 and the contact layer 14 are p-type. The phase modulation layer 15 has the same conductivity type as the semiconductor substrate 10 when provided between the active layer 12 and the cladding layer 11, and is semiconductor when being provided between the active layer 12 and the cladding layer 13. It has a conductivity type opposite to that of the substrate 10. The impurity concentration is, for example, 1 × 10 17 to 1 × 10 21 / cm 3 . The active layer 12 is intrinsic (i-type) to which no impurity is intentionally added, and the impurity concentration is 1 × 10 15 / cm 3 or less. The impurity concentration of the phase modulation layer 15 may be intrinsic (i-type) when it is necessary to suppress the influence of loss due to light absorption through the impurity level.

半導体基板10の厚さは例えば150μmである。クラッド層11の厚さは例えば2000nmである。活性層12の厚さは例えば175nmである。位相変調層15の厚さは例えば280nmである。異屈折率領域15bの深さは例えば200nmである。クラッド層13の厚さは例えば2000nmである。コンタクト層14の厚さは例えば150nmである。   The thickness of the semiconductor substrate 10 is, for example, 150 μm. The thickness of the cladding layer 11 is, for example, 2000 nm. The thickness of the active layer 12 is, for example, 175 nm. The thickness of the phase modulation layer 15 is, for example, 280 nm. The depth of the modified refractive index area 15b is, for example, 200 nm. The thickness of the cladding layer 13 is, for example, 2000 nm. The thickness of the contact layer 14 is, for example, 150 nm.

上述の構造では、異屈折率領域15bが空孔となっているが、異屈折率領域15bは、基本層15aとは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれて形成されてもよい。その場合、例えば基本層15aの空孔をエッチングにより形成し、有機金属気相成長法、スパッタ法又はエピタキシャル法を用いて半導体を空孔内に埋め込んでもよい。例えば、基本層15aがGaAsからなる場合、異屈折率領域15bはAlGaAsからなってもよい。また、基本層15aの空孔内に半導体を埋め込んで異屈折率領域15bを形成した後、更に、その上に異屈折率領域15bと同一の半導体を堆積してもよい。なお、異屈折率領域15bが空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素、水素といった不活性ガス又は空気が封入されてもよい。   In the above-described structure, the modified refractive index region 15b is a void, but the modified refractive index region 15b may be formed by burying a semiconductor having a refractive index different from that of the base layer 15a. In that case, for example, the pores of the base layer 15a may be formed by etching, and the semiconductor may be embedded in the pores using metal organic chemical vapor deposition, sputtering or epitaxial method. For example, when the base layer 15a is made of GaAs, the modified refractive index region 15b may be made of AlGaAs. Alternatively, after the semiconductor is embedded in the pores of the base layer 15a to form the modified refractive index region 15b, the same semiconductor as the modified refractive index region 15b may be deposited thereon. When the modified refractive index region 15 b is a hole, the hole may be filled with an inert gas such as argon, nitrogen or hydrogen, or air.

反射防止膜19は、例えば、シリコン窒化物(例えばSiN)、シリコン酸化物(例えばSiO2)などの誘電体単層膜、或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、二酸化シリコン(SiO2)、一酸化シリコン(SiO)、酸化ニオブ(Nb25)、五酸化タンタル(Ta25)、フッ化マグネシウム(MgF2)、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム(Al23)、酸化セリウム(CeO2)、酸化インジウム(In23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)などの誘電体層群から選択される2種類以上の誘電体層を積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ/4の厚さの膜を積層する。また、保護膜18は、例えばシリコン窒化物(例えばSiN)、シリコン酸化物(例えばSiO2)などの絶縁膜である。半導体基板10及びコンタクト層14がGaAs系半導体からなる場合、電極16は、Cr、Ti、及びPtのうち少なくとも1つと、Auとを含む材料により構成されることができ、例えばCr層及びAu層の積層構造を有する。電極17は、AuGe及びNiのうち少なくとも1つと、Auとを含む材料により構成されることができ、例えばAuGe層及びAu層の積層構造を有する。なお、電極16,17の材料は、オーミック接合が実現できればよく、これらの範囲に限定されない。 The antireflective film 19 is made of, for example, a dielectric single layer film such as silicon nitride (for example, SiN), silicon oxide (for example, SiO 2 ), or a dielectric multilayer film. Examples of dielectric multilayer films include titanium oxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), silicon monoxide (SiO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), and fluorine. Dielectric layers such as magnesium fluoride (MgF 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) A film in which two or more types of dielectric layers selected from the group are stacked can be used. For example, a film with a thickness of λ / 4 is stacked with an optical film thickness for light of wavelength λ. The protective film 18 is, for example, an insulating film such as silicon nitride (for example, SiN) or silicon oxide (for example, SiO 2 ). When the semiconductor substrate 10 and the contact layer 14 are made of a GaAs-based semiconductor, the electrode 16 can be made of a material containing at least one of Cr, Ti, and Pt, and Au, for example, a Cr layer and an Au layer Have a laminated structure of The electrode 17 can be made of a material containing at least one of AuGe and Ni, and Au, and has, for example, a laminated structure of an AuGe layer and an Au layer. The materials of the electrodes 16 and 17 are not limited to these ranges as long as ohmic contact can be realized.

なお、上述の構造において、活性層12および位相変調層15を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成は様々に変更され得る。ここで、仮想的な正方格子からの摂動が0の場合のいわゆる正方格子フォトニック結晶レーザに関してはスケーリング則が成り立つ。すなわち、波長が定数α倍となった場合には、正方格子構造全体をα倍することによって同様の定在波状態を得ることが出来る。同様に、本実施形態においても、波長に応じたスケーリング則によって位相変調層15の構造を決定することが可能である。従って、青色、緑色、赤色などの光を発光する活性層12を用い、波長に応じたスケーリング則を適用することで、可視光を出力する半導体発光素子1Aを実現することも可能である。   In the above-described structure, as long as the structure includes the active layer 12 and the phase modulation layer 15, the material system, the film thickness, and the layer structure may be variously changed. Here, with respect to a so-called square lattice photonic crystal laser in the case where the perturbation from the virtual square lattice is zero, a scaling law holds. That is, when the wavelength is multiplied by a constant α, a similar standing wave state can be obtained by multiplying the entire square lattice structure by α. Similarly, also in this embodiment, it is possible to determine the structure of the phase modulation layer 15 by the scaling rule according to the wavelength. Therefore, it is also possible to realize the semiconductor light emitting element 1A that outputs visible light by applying the scaling rule according to the wavelength using the active layer 12 that emits light such as blue, green and red.

半導体発光素子1Aを製造する際、各化合物半導体層の成長には、有機金属気相成長(MOCVD)法若しくは分子線エピタキシー(MBE)法を用いる。AlGaAsを用いた半導体発光素子1A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。GaAsの成長においては、TMGとアルシンを用いるが、TMAを用いない。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するか、またはPCVD(プラズマCVD)法により形成すればよい。 When the semiconductor light emitting element 1A is manufactured, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) is used to grow each compound semiconductor layer. In the manufacture of the semiconductor light emitting device 1A using AlGaAs, the growth temperature of AlGaAs is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is adopted in the experiment, and TMA (trimethylaluminum) as an Al source during growth, TMG (trimethylgallium) and TEG (triethylgallium) as gallium sources, AsH 3 (arsine) as As sources, Si 2 H 6 (disilane) as sources for n-type impurities, DEZn (diethyl) as sources for p-type impurities Use zinc). In the growth of GaAs, TMG and arsine are used but TMA is not used. InGaAs is manufactured using TMG, TMI (trimethylindium) and arsine. The insulating film may be formed by sputtering a target using the constituent material as a raw material or by PCVD (plasma CVD).

すなわち、上述の半導体発光素子1Aは、まず、n型の半導体基板10としてのGaAs基板上に、n型のクラッド層11としてのAlGaAs層、活性層12としてのInGaAs/AlGaAs多重量子井戸構造、位相変調層15の基本層15aとしてのGaAs層を、MOCVD法若しくはMBE法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。   That is, first, the above-described semiconductor light emitting device 1A has an AlGaAs layer as the n-type cladding layer 11, an InGaAs / AlGaAs multiple quantum well structure as the active layer 12, and a phase on the GaAs substrate as the n-type semiconductor substrate 10. A GaAs layer as the base layer 15a of the modulation layer 15 is epitaxially grown sequentially using the MOCVD method or the MBE method.

次に、基本層15a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2次元微細パターンを基本層15a上に転写し、孔(穴)を形成したのち、レジストを除去する。なお、レジスト形成前にSiN層やSiO2層をPCVD法で基本層15a上に形成し、その上にレジストマスクを形成し、反応性イオンエッチング(RIE)を使ってSiN層やSiO2層に微細パターンを転写し、レジストを除去してからドライエッチングしても良い。この場合、ドライエッチングの耐性を高めることができる。孔の深さは、例えば100nmである。これらの孔を異屈折率領域15bとするか、或いは、これらの孔の中に、異屈折率領域15bとなる化合物半導体(AlGaAs)を孔の深さ以上に再成長させる。孔を異屈折率領域15bとする場合、孔内に空気、窒素又はアルゴン等の気体を封入してもよい。こうして、位相変調層15が形成される。なお、位相変調層15を活性層12とクラッド層11との間に設ける場合には、活性層12の形成前に、クラッド層11上に位相変調層15を形成すればよい。 Next, another resist is applied to the basic layer 15a, and a two-dimensional fine pattern is drawn on the resist by an electron beam drawing apparatus using the alignment mark as a reference, and a two-dimensional fine pattern is formed on the resist by development. . Thereafter, using the resist as a mask, the two-dimensional fine pattern is transferred onto the basic layer 15a by dry etching to form a hole, and then the resist is removed. Before the resist formation, a SiN layer or SiO 2 layer is formed on the base layer 15a by PCVD, a resist mask is formed thereon, and a SiN layer or SiO 2 layer is formed using reactive ion etching (RIE). The fine pattern may be transferred, the resist may be removed, and then dry etching may be performed. In this case, the resistance of dry etching can be enhanced. The depth of the holes is, for example, 100 nm. These holes are used as the modified refractive index regions 15 b or, in these holes, a compound semiconductor (AlGaAs) to be converted into the modified refractive index regions 15 b is regrown to the depth of the holes or more. In the case where the hole is a modified refractive index region 15b, a gas such as air, nitrogen or argon may be enclosed in the hole. Thus, the phase modulation layer 15 is formed. When the phase modulation layer 15 is provided between the active layer 12 and the cladding layer 11, the phase modulation layer 15 may be formed on the cladding layer 11 before the formation of the active layer 12.

続いて、クラッド層13としてのAlGaAs層、コンタクト層14としてのGaAs層を順次MOCVD法若しくはMBE法で形成し、電極16,17を蒸着法又はスパッタ法により形成する。また、必要に応じて、保護膜18及び反射防止膜19をスパッタやPCVD法等により形成する。以上の工程を経て、本実施形態の半導体発光素子1Aが作製される。   Subsequently, an AlGaAs layer as the cladding layer 13 and a GaAs layer as the contact layer 14 are sequentially formed by the MOCVD method or the MBE method, and the electrodes 16 and 17 are formed by the vapor deposition method or the sputtering method. In addition, the protective film 18 and the antireflective film 19 are formed by sputtering, PCVD method or the like as required. The semiconductor light emitting element 1A of the present embodiment is manufactured through the above steps.

図4は、位相変調層15の平面図である。前述したように、位相変調層15は、第1屈折率媒質からなる基本層15aと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第2屈折率媒質からなる異屈折率領域15bとを含む。ここで、位相変調層15に、XY面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はX軸と平行であり、他辺はY軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Oを中心とする正方形状の単位構成領域Rが、X軸に沿った複数列及びY軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。それぞれの単位構成領域RのXY座標をぞれぞれの単位構成領域Rの重心位置で与えられることとすると、この重心位置は仮想的な正方格子の格子点Oに一致する。複数の異屈折率領域15bは、各単位構成領域R内に1つずつ設けられる。異屈折率領域15bの平面形状は、例えば円形状である。格子点Oは、異屈折率領域15bの外部に位置しても良いし、異屈折率領域15bの内部に含まれていても良い。   FIG. 4 is a plan view of the phase modulation layer 15. As described above, the phase modulation layer 15 includes the basic layer 15a made of the first refractive index medium, and the modified refractive index area 15b made of the second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium. Here, a virtual square lattice in the XY plane is set in the phase modulation layer 15. One side of the square lattice is parallel to the X axis, and the other side is parallel to the Y axis. At this time, a square unit constituent region R centered on the lattice point O of the square lattice can be set in a two-dimensional manner over a plurality of columns along the X axis and a plurality of rows along the Y axis. Assuming that the XY coordinates of each unit constituting area R are given by the position of the center of gravity of each unit constituting area R, the position of the center of gravity coincides with the lattice point O of the virtual square lattice. The plurality of different refractive index areas 15 b are provided one by one in each unit configuration area R. The planar shape of the modified refractive index area 15b is, for example, a circular shape. The lattice point O may be located outside the modified refractive index area 15 b or may be included inside the modified refractive index area 15 b.

1つの単位構成領域R内に占める異屈折率領域15bの面積Sの比率は、フィリングファクタ(FF)と称される。正方格子の格子間隔をaとすると、異屈折率領域15bのフィリングファクタFFはS/a2として与えられる。SはXY平面における異屈折率領域15bの面積であり、例えば真円形状の場合には、真円の直径dを用いてS=π(d/2)2として与えられる。また、正方形形状の場合には、正方形の一辺の長さLAを用いてS=LA2として与えられる。 The ratio of the area S of the differential refractive index area 15b occupied in one unit constituent area R is referred to as a filling factor (FF). Assuming that the lattice spacing of the square lattice is a, the filling factor FF of the modified refractive index area 15 b is given as S / a 2 . S is the area of the modified refractive index region 15b in the XY plane, and for example, in the case of a perfect circle, it is given as S = π (d / 2) 2 using the diameter d of the true circle. Also, in the case of a square shape, it is given as S = LA 2 using the length LA of one side of the square.

図5は、位相変調層15における異屈折率領域15bの位置関係を示す図である。図5に示されるように、各異屈折率領域15bの重心Gは、直線D上に配置されている。直線Dは、各単位構成領域Rの対応する格子点Oを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Dは、X軸及びY軸の双方に対して傾斜する直線である。正方格子の一辺(X軸)に対する直線Dの傾斜角はθである。傾斜角θは、位相変調層15内において一定である。傾斜角θは、0°<θ<90°を満たし、一例ではθ=45°である。または、傾斜角θは、180°<θ<270°を満たし、一例ではθ=225°である。傾斜角θが0°<θ<90°または180°<θ<270°を満たす場合、直線Dは、X軸及びY軸によって規定される座標平面の第1象限から第3象限にわたって延びる。或いは、傾斜角θは、90°<θ<180°を満たし、一例ではθ=135°である。或いは、傾斜角θは、270°<θ<360°を満たし、一例ではθ=315°である。傾斜角θが90°<θ<180°または270°<θ<360°を満たす場合、直線Dは、X軸及びY軸によって規定される座標平面の第2象限から第4象限にわたって延びる。このように、傾斜角θは、0°、90°、180°及び270°を除く角度である。ここで、格子点Oと重心Gとの距離をr(x,y)とする。xはX軸におけるx番目の格子点の位置、yはY軸におけるy番目の格子点の位置を示す。距離r(x,y)が正の値である場合、重心Gは第1象限(または第2象限)に位置する。距離r(x,y)が負の値である場合、重心Gは第3象限(または第4象限)に位置する。距離r(x,y)が0である場合、格子点Oと重心Gとは互いに一致する。   FIG. 5 is a view showing the positional relationship of the modified refractive index area 15 b in the phase modulation layer 15. As shown in FIG. 5, the center of gravity G of each modified refractive index area 15 b is disposed on the straight line D. The straight line D is a straight line which passes through the corresponding grid point O of each unit constituent region R and is inclined with respect to each side of the square lattice. In other words, the straight line D is a straight line inclined with respect to both the X axis and the Y axis. The inclination angle of the straight line D with respect to one side (X axis) of the square lattice is θ. The tilt angle θ is constant in the phase modulation layer 15. The inclination angle θ satisfies 0 ° <θ <90 °, and in one example, θ = 45 °. Alternatively, the inclination angle θ satisfies 180 ° <θ <270 °, and in one example, θ = 225 °. If the inclination angle θ satisfies 0 ° <θ <90 ° or 180 ° <θ <270 °, the straight line D extends from the first quadrant to the third quadrant of the coordinate plane defined by the X and Y axes. Alternatively, the inclination angle θ satisfies 90 ° <θ <180 °, and in one example, θ = 135 °. Alternatively, the inclination angle θ satisfies 270 ° <θ <360 °, and in one example, θ = 315 °. If the inclination angle θ satisfies 90 ° <θ <180 ° or 270 ° <θ <360 °, the straight line D extends from the second quadrant to the fourth quadrant of the coordinate plane defined by the X and Y axes. Thus, the inclination angle θ is an angle excluding 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. Here, the distance between the lattice point O and the center of gravity G is r (x, y). x indicates the position of the x-th grid point on the X axis, and y indicates the position of the y-th grid point on the Y axis. When the distance r (x, y) is a positive value, the center of gravity G is located in the first quadrant (or the second quadrant). When the distance r (x, y) is a negative value, the center of gravity G is located in the third quadrant (or the fourth quadrant). When the distance r (x, y) is zero, the grid point O and the center of gravity G coincide with each other.

図4に示される、各異屈折率領域15bの重心Gと、各単位構成領域Rの対応する格子点Oとの距離r(x,y)は、所望の光像に応じて各異屈折率領域15b毎に個別に設定される。距離r(x,y)の分布は、x,yの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離r(x,y)の分布は、所望の光像をフーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。すなわち、図5に示される、或る座標(x,y)における位相P(x,y)がP0である場合には距離r(x,y)を0と設定し、位相P(x,y)がπ+P0である場合には距離r(x,y)を最大値R0に設定し、位相P(x,y)が−π+P0である場合には距離r(x,y)を最小値−R0に設定する。そして、その中間の位相P(x,y)に対しては、r(x,y)={P(x,y)−P0}×R0/πとなるように距離r(x,y)をとる。ここで、初期位相P0は任意に設定することができる。正方格子の格子間隔をaとすると、r(x,y)の最大値R0は例えば

の範囲内である。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton(GS)法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。
The distance r (x, y) between the center of gravity G of each modified refractive index area 15b and the corresponding lattice point O of each unit constituting area R shown in FIG. 4 has each modified refractive index according to the desired light image. It is set individually for each area 15b. The distribution of the distance r (x, y) has a specific value at each position determined by the values of x and y, but is not necessarily represented by a specific function. The distribution of the distance r (x, y) is determined from the complex amplitude distribution obtained by Fourier transforming a desired light image, from which the phase distribution is extracted. That is, when the phase P (x, y) at a certain coordinate (x, y) is P 0 shown in FIG. 5, the distance r (x, y) is set to 0, and the phase P (x, y) is set. When y) is π + P 0 , the distance r (x, y) is set to the maximum value R 0 , and when the phase P (x, y) is −π + P 0 , the distance r (x, y) is Set to the minimum value -R 0 . Then, for the intermediate phase P (x, y), the distance r (x, y) is set such that r (x, y) = {P (x, y) -P 0 } × R 0 / π Take). Here, the initial phase P 0 can be set arbitrarily. Assuming that the lattice spacing of a square lattice is a, the maximum value R 0 of r (x, y) is, for example,

Within the scope of In addition, when obtaining the complex amplitude distribution from the desired light image, the reproducibility of the beam pattern can be obtained by applying an iterative algorithm such as Gerchberg-Saxton (GS) method generally used when calculating the hologram generation. improves.

図6は、位相変調層の特定領域内にのみ図4の屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。図6に示す例では、正方形の内側領域RINの内部に、目的となるビームパターンを出射するための略周期構造(例:図4の構造)が形成されている。一方、内側領域RINを囲む外側領域ROUTには、正方格子の格子点位置と重心位置が一致する真円形の異屈折率領域が配置されている。内側領域RIN及び外側領域ROUTにおいて、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は互いに同一(=a)である。この構造の場合、外側領域ROUT内にも光が分布することにより、内側領域RINの周辺部において光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ(いわゆる窓関数ノイズ)の発生を抑制することができる。また、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。   FIG. 6 is a plan view showing an example in which the refractive index approximate periodic structure of FIG. 4 is applied only in a specific region of the phase modulation layer. In the example shown in FIG. 6, a substantially periodic structure (for example, the structure of FIG. 4) for emitting a target beam pattern is formed inside a square inner region RIN. On the other hand, in the outer region ROUT surrounding the inner region RIN, a circular circular different refractive index region is arranged in which the lattice point position of the square lattice matches the barycentric position. In the inner region RIN and the outer region ROUT, the lattice spacings of the virtually set square lattices are equal to each other (= a). In the case of this structure, light is also distributed in the outer region ROUT to suppress generation of high frequency noise (so-called window function noise) caused by a sudden change in light intensity in the peripheral portion of the inner region RIN. it can. In addition, light leakage in the in-plane direction can be suppressed, and reduction in threshold current can be expected.

図7は、半導体発光素子1Aの出力ビームパターンとして得られる光像と、位相変調層15における位相分布P(x,y)との関係を説明するための図である。なお、出力ビームパターンの中心Qは半導体基板10の主面10aに対して垂直な軸線上に位置しており、図7には、中心Qを原点とする4つの象限が示されている。図7では例として第1象限および第3象限に光像が得られる場合を示したが、第2象限および第4象限或いは全ての象限に像を得ることも可能である。本実施形態では、図7に示されるように、原点に関して点対称な光像が得られる。図7は、例として、第3象限に文字「A」が+1次回折光として、第1象限に文字「A」を180度回転したパターンが−1次回折光として、それぞれ得られる場合について示している。なお、中心Qを原点とする回転対称な光像(例えば、十字、丸、二重丸など)である場合には、重なって一つの光像として観察される。   FIG. 7 is a view for explaining the relationship between an optical image obtained as an output beam pattern of the semiconductor light emitting element 1A and the phase distribution P (x, y) in the phase modulation layer 15. As shown in FIG. The center Q of the output beam pattern is located on an axis perpendicular to the major surface 10 a of the semiconductor substrate 10, and FIG. 7 shows four quadrants having the center Q as an origin. Although FIG. 7 shows the case where light images are obtained in the first quadrant and the third quadrant as an example, it is also possible to obtain images in the second quadrant and the fourth quadrant or all quadrants. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a point-symmetrical light image is obtained with respect to the origin. FIG. 7 shows, as an example, a case where a character "A" is obtained as + 1st diffracted light in the third quadrant, and a pattern obtained by rotating the character "A" 180 degrees in the first quadrant is obtained as the 1st diffracted light. . In the case of a rotationally symmetric light image (for example, a cross, a circle, a double circle, etc.) with the center Q as the origin, the light image is observed as one light image overlapping.

半導体発光素子1Aの出力ビームパターンが結像して得られる光像は、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、CG(コンピュータグラフィクス)、及び文字のうち少なくとも1つを含んでいる。ここで、所望の光像を得るためには、以下の手順によって位相変調層15の異屈折率領域15bの距離r(x,y)の分布を決定する。   The light image obtained by imaging the output beam pattern of the semiconductor light emitting element 1A is at least one of a spot, a straight line, a cross, a line drawing, a lattice pattern, a photograph, a stripe pattern, CG (computer graphics), and a character It contains. Here, in order to obtain a desired light image, the distribution of the distance r (x, y) of the modified refractive index area 15 b of the phase modulation layer 15 is determined by the following procedure.

まず、第1の前提条件として、XYZ直交座標系において、XY平面上に、それぞれが正方形状を有するM1(1以上の整数)×N1(1以上の整数)個の単位構成領域Rにより構成される仮想的な正方格子が設定される。次に、第2の前提条件として、XYZ直交座標系における座標(x,y,z)は、図8に示されるように、動径の長さrと、Z軸からの傾き角θtiltと、XY平面上で特定されるX軸からの回転角θrotと、で規定される球面座標(r,θtiltrot)に対して、以下の式(10)〜式(12)で示される関係を満たしているものとする。なお、図8は、球面座標(r,θtilt,θrot)からXYZ直交座標系における座標(x,y,z)への座標変換を説明するための図であり、座標(x,y,z)により、実空間であるXYZ直交座標系において設定される所定平面上の設計上の光像が表現される。半導体発光素子から出力される光像に相当するビームパターンを角度θtiltおよびθrotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θtiltおよびθrotは、以下の式(13)で規定される規格化波数であってX軸に対応したKx軸上の座標値kと、以下の式(14)で規定される規格化波数であってY軸に対応するとともにKx軸に直交するKy軸上の座標値kに換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数を1.0として規格化された波数を意味する。このとき、Kx軸およびKy軸により規定される波数空間において、光像に相当するビームパターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のM2(1以上の整数)×N2(1以上の整数)個の画像領域FRで構成される。なお、整数M2は、整数M1と一致する必要はない。同様に、整数N2は、整数N1と一致する必要もない。また、式(13)および式(14)は、例えば、Y. Kurosaka et al.," Effectsof non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified usingomnidirectional band structure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)に開示されている。




First, as a first precondition, in the XYZ orthogonal coordinate system, each unit is constituted by M1 (integer of 1 or more) × N1 (integer of 1 or more) unit constituent regions R having a square shape on the XY plane Virtual square grid is set. Next, as a second precondition, coordinates (x, y, z) in the XYZ orthogonal coordinate system are, as shown in FIG. 8, the length r of the radius and the tilt angle θ tilt from the Z axis , With respect to the spherical coordinates (r, θ tilt , θ rot ) defined by the rotation angle θ rot from the X axis specified on the XY plane, expressed by the following equations (10) to (12) Meet the following relationship. FIG. 8 is a diagram for explaining coordinate conversion from spherical coordinates (r, θ tilt , θ rot ) to coordinates (x, y, z) in the XYZ orthogonal coordinate system, and the coordinates (x, y, z) represents a designed light image on a predetermined plane set in the XYZ rectangular coordinate system which is a real space. When a set of bright points towards a beam pattern corresponding to a light image emitted by the semiconductor light emitting device in the direction defined by the angle theta tilt and theta rot, the angle theta tilt and theta rot has the following formula (13) And the coordinate value k x on the Kx axis corresponding to the X axis, and the normalized wave number defined by the following equation (14) corresponding to the Y axis and along the Kx axis shall be converted into coordinate values k y on Ky axis orthogonal. The normalized wave number means the wave number normalized with the wave number corresponding to the lattice spacing of a virtual square lattice being 1.0. At this time, in a wave number space defined by the Kx axis and the Ky axis, a specific wave number range including a beam pattern corresponding to an optical image is square M2 (integer of 1 or more) .times.N2 (integer of 1 or more) And the image region FR. The integer M2 does not have to match the integer M1. Similarly, the integer N2 does not have to match the integer N1. Moreover, Formula (13) and Formula (14) are described, for example, in Y. Kurosaka et al., "Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure," Opt. Express 20, 2177-21783. (2012).




第3の前提条件として、波数空間において、Kx軸方向の座標成分k(1以上M2以下の整数)とKy軸方向の座標成分k(1以上N2以下の整数)とで特定される画像領域FR(kx,)それぞれを、X軸方向の座標成分x(1以上M1以下の整数)とY軸方向の座標成分y(1以上N1以下の整数)とで特定されるXY平面上の単位構成領域R(x,y)に二次元逆フーリエ変換することで得られる複素振幅F(x,y)が、jを虚数単位として、以下の式(15)で与えられる。また、この複素振幅F(x,y)は、振幅項をA(x,y)とするとともに位相項をP(x,y)とするとき、以下の式(16)により規定される。更に、第4の前提条件として、単位構成領域R(x,y)が、X軸およびY軸にそれぞれ平行であって単位構成領域R(x,y)の中心となる格子点O(x,y)において直交するs軸およびt軸で規定される。


上記第1〜第4の前提条件の下、位相変調層15は、以下の条件を満たすよう構成される。すなわち、格子点O(x,y)から対応する異屈折率領域15bの重心Gまでの距離r(x,y)が、
r(x,y)=C×(P(x,y)−P0
C:比例定数で例えばR0/π
0:任意の定数であって例えば0
なる関係を満たすように、該対応する異屈折率領域15bが単位構成領域R(x,y)内に配置される。すなわち、距離r(x,y)は、或る座標(x,y)における位相P(x,y)がP0である場合には0に設定され、位相P(x,y)がπ+P0である場合には最大値R0に設定され、位相P(x,y)が−π+P0である場合には最小値−R0に設定される。所望の光像を得たい場合、該光像を逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相P(x,y)に応じた距離r(x,y)の分布を、複数の異屈折率領域15bに与えるとよい。位相P(x,y)と距離r(x,y)とは、互いに比例してもよい。
As the third precondition, an image specified by the coordinate component k x (an integer of 1 or more and M 2 or less) in the wave number space and the coordinate component k y (an integer of 1 or more and N 2 or less) in the wave direction An XY plane specified by a coordinate component x (an integer of 1 or more and M1 or less) in the X-axis direction and a coordinate component y (an integer of 1 or more and N1 or less) in the Y-axis direction in each of the regions FR (k x, k y ) The complex amplitude F (x, y) obtained by performing two-dimensional inverse Fourier transform on the above unit constituent region R (x, y) is given by the following equation (15), where j is an imaginary unit. Further, when the amplitude term is A (x, y) and the phase term is P (x, y), this complex amplitude F (x, y) is defined by the following equation (16). Furthermore, as a fourth precondition, a lattice point O (x, x) where the unit constituent region R (x, y) is parallel to the X axis and the Y axis and is the center of the unit constituent region R (x, y) It is defined by s-axis and t-axis orthogonal in y).


Under the first to fourth conditions, the phase modulation layer 15 is configured to satisfy the following conditions. That is, the distance r (x, y) from the lattice point O (x, y) to the center of gravity G of the corresponding variable refractive index area 15 b is
r (x, y) = C × (P (x, y) -P 0)
C: proportional constant, eg R 0 / π
P 0 is an arbitrary constant, for example 0
The corresponding different refractive index regions 15 b are disposed in the unit constituent region R (x, y) so as to satisfy the following relationship. That is, the distance r (x, y) is set to 0 when the phase P (x, y) at a certain coordinate (x, y) is P 0 , and the phase P (x, y) is π + P 0 In this case, the maximum value R 0 is set, and in the case where the phase P (x, y) is −π + P 0 , the minimum value −R 0 is set. When it is desired to obtain a desired light image, the light image is subjected to inverse Fourier transform, and the distribution of the distance r (x, y) according to the phase P (x, y) of its complex amplitude is divided into a plurality of different refractive index regions Give it to 15b. The phase P (x, y) and the distance r (x, y) may be proportional to one another.

なお、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。ビーム方向を制御することもできるので、半導体発光素子1Aを1次元又は2次元にアレイ化することによって、例えば高速走査を電気的に行うレーザ加工機を実現できる。なお、ビームパターンは遠方界における角度情報で表わされるものであるので、目標とするビームパターンが2次元的な位置情報で表わされているビットマップ画像などの場合には、一旦角度情報に変換し、その後波数空間に変換した後に逆フーリエ変換を行うと良い。   The far-field pattern after Fourier transformation of the laser beam has various shapes such as single or plural spot shapes, annular shapes, linear shapes, character shapes, double annular shapes, or Laguerre-Gaussian beam shapes. It can be taken. Since the beam direction can also be controlled, it is possible to realize, for example, a laser processing machine that electrically performs high-speed scanning by arraying the semiconductor light emitting elements 1A in one or two dimensions. Since the beam pattern is represented by angle information in the far field, if the target beam pattern is a bitmap image or the like represented by two-dimensional position information, it is once converted into angle information. Then, it is preferable to perform inverse Fourier transform after converting to wave number space.

逆フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布I(x,y)については、MathWorks社の数値解析ソフトウェア「MATLAB」のabs関数を用いることにより計算することができ、位相分布P(x,y)については、MATLABのangle関数を用いることにより計算することができる。   As a method of obtaining the intensity distribution and the phase distribution from the complex amplitude distribution obtained by the inverse Fourier transform, for example, the intensity distribution I (x, y) is calculated by using the abs function of the numerical analysis software "MATLAB" of The MathWorks. The phase distribution P (x, y) can be calculated by using MATLAB's angle function.

ここで、光像の逆フーリエ変換結果から位相分布P(x,y)を求め、各異屈折率領域15bの距離r(x,y)を決める際に、一般的な離散フーリエ変換(或いは高速フーリエ変換)を用いて計算する場合の留意点を述べる。所望の光像である図9(a)の逆フーリエ変換で得られた複素振幅分布より計算される出力ビームパターンは図9(b)のようになる。図9(a)と図9(b)のようにそれぞれA1,A2,A3,及びA4といった4つの象限に分割すると、図9(b)の出力ビームパターンの第1象限には、図9(a)の第1象限を180度回転したものと図9(a)の第3象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第2象限には図9(a)の第2象限を180度回転したものと図9(a)の第4象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第3象限には図9(a)の第3象限を180度回転したものと図9(a)の第1象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第4象限には図9(a)の第4象限を180度回転したものと図9(a)の第2象限が重畳したパターンが現れる。このとき、180度回転したパターンは−1次光成分によるものである。   Here, when the phase distribution P (x, y) is obtained from the result of the inverse Fourier transform of the light image and the distance r (x, y) of each of the different refractive index areas 15 b is determined, Points to be noted in the case of calculation using Fourier transform will be described. An output beam pattern calculated from the complex amplitude distribution obtained by the inverse Fourier transform of FIG. 9A, which is a desired light image, is as shown in FIG. 9B. If the light beam is divided into four quadrants A1, A2, A3 and A4 as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), the first quadrant of the output beam pattern in FIG. 9 (b) A pattern obtained by rotating the first quadrant of a) by 180 degrees and a pattern in which the third quadrant of FIG. 9A is superimposed appear, and the second quadrant of FIG. 9A is rotated 180 degrees in the second quadrant of the beam pattern. And a pattern in which the fourth quadrant of FIG. 9 (a) is superimposed, and the third quadrant of FIG. 9 (a) is obtained by rotating the third quadrant of FIG. 9 (a) by 180 degrees. A pattern in which one quadrant is overlapped appears, and in the fourth quadrant of the beam pattern, a pattern in which the fourth quadrant in FIG. 9A is rotated 180 degrees and a pattern in which the second quadrant in FIG. At this time, the pattern rotated 180 degrees is due to the -1st order light component.

従って、フーリエ変換前の光像(元の光像)として第1象限のみに値を有するものを用いた場合には、得られるビームパターンの第3象限に元の光像の第1象限が現れ、得られるビームパターンの第1象限に元の光像の第1象限を180度回転したパターンが現れる。   Therefore, when using a light image having a value only in the first quadrant as the light image (original light image) before Fourier transform, the first quadrant of the original light image appears in the third quadrant of the obtained beam pattern. A pattern obtained by rotating the first quadrant of the original light image by 180 degrees appears in the first quadrant of the obtained beam pattern.

ここで、図10(a)は、半導体発光素子1Aから出力されるビームパターン(光像)の例を示す。同図の中心は、半導体発光素子1Aの発光面と交差し発光面に垂直な軸線に対応する。また、図10(b)は、該軸線を含む断面における光強度分布を示すグラフである。図10(b)は、FFP光学系(浜松ホトニクス製A3267−12)、カメラ(浜松ホトニクス製ORCA−05G)、ビームプロファイラ(浜松ホトニクス製Lepas−12)を用いて取得した遠視野像で、1344ドット×1024ドットの画像データの縦方向のカウントを積算し、プロットしたものである。なお、図10(a)の最大カウント数を255で規格化しており、また、±1次光の強度比を明示するために、中央の0次光B0を飽和させている。図10(b)から、1次光及び−1次光の強度差が容易に理解される。また、図11(a)は、図10(a)に示されたビームパターンに対応する位相分布を示す図である。図11(b)は、図11(a)の部分拡大図である。図11(a)及び図11(b)においては、位相変調層15内の各箇所における位相が濃淡によって示されており、暗部ほど位相角0°に、明部ほど位相角360°に近づく。ただし、位相角の中心値は任意に設定することができるので、必ずしも位相角を0°〜360°の範囲内に設定しなくてもよい。図10(a)及び図10(b)に示されるように、半導体発光素子1Aは、該軸線に対して傾斜した第1方向に出力される第1光像部分B1を含む1次光と、該軸線に関して第1方向と対称である第2方向に出力され、該軸線に関して第1光像部分B1と回転対称である第2光像部分B2を含む−1次光とを出力する。典型的には、第1光像部分B1はXY平面内の第1象限に現れ、第2光像部分B2はXY平面内の第3象限に現れる。用途によっては、1次光及び−1次光の一方のみを用い、他方を用いない場合がある。そのような場合、他方の光の光量が一方の光と比較して小さく抑えられることが望ましい。従って、本実施形態では、図10(b)に示されるように、1次光及び−1次光に強度差が与えられる。   Here, FIG. 10A shows an example of a beam pattern (optical image) output from the semiconductor light emitting element 1A. The center of the figure corresponds to an axis perpendicular to the light emitting surface and intersecting the light emitting surface of the semiconductor light emitting element 1A. FIG. 10 (b) is a graph showing the light intensity distribution in a cross section including the axis. FIG. 10 (b) is a far-field image obtained using an FFP optical system (A3267-12 manufactured by Hamamatsu Photonics), a camera (ORCA-05G manufactured by Hamamatsu Photonics), and a beam profiler (Lepas 12 manufactured by Hamamatsu Photonics). The vertical count of image data of dot × 1024 dot is integrated and plotted. The maximum count number in FIG. 10A is normalized at 255, and the central zero-order light B0 is saturated in order to clearly show the intensity ratio of ± 1st-order light. From FIG. 10 (b), the intensity difference between the primary light and the −1st order light can be easily understood. FIG. 11 (a) is a diagram showing a phase distribution corresponding to the beam pattern shown in FIG. 10 (a). FIG.11 (b) is the elements on larger scale of Fig.11 (a). In FIGS. 11A and 11B, the phase at each position in the phase modulation layer 15 is indicated by shading, and the darker part approaches the phase angle 0 °, and the bright part approaches the phase angle 360 °. However, since the center value of the phase angle can be set arbitrarily, the phase angle may not necessarily be set within the range of 0 ° to 360 °. As shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), the semiconductor light emitting device 1A includes primary light including a first light image portion B1 outputted in a first direction inclined with respect to the axis; The first light is output in a second direction that is symmetrical to the first direction with respect to the axis, and the first order light including the second light image portion B2 that is rotationally symmetrical with the first light image portion B1 with respect to the axis. Typically, the first light image portion B1 appears in the first quadrant in the XY plane, and the second light image portion B2 appears in the third quadrant in the XY plane. Depending on the application, only one of the primary light and the −1st light may be used and the other may not be used. In such a case, it is desirable that the light quantity of the other light be kept small as compared to the one light. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 10B, an intensity difference is given to the primary light and the −1st light.

図12は、位相変調層15を概念的に示す平面図である。いま、位相変調層の中心点Qを挟んで一方の格子点配列方向(X軸方向)に並ぶ第1領域T1及び第2領域T2、並びに、位相変調層の中心点Qを挟んで他方の格子点配列方向(Y軸方向)に並ぶ第3領域T3及び第4領域T4を定義する。すなわち、XY直交座標系の原点を中心点Qと一致させた場合、第1領域T1はX軸座標が正の領域であり、第2領域T2はX軸座標が負の領域であり、第3領域T3はY軸座標が正の領域であり、第4領域T4はY軸座標が負の領域である。従って、第1領域T1及び第3領域T3は、X軸座標及びY軸座標が共に正である第1象限F1において互いに重なる。また、第1領域T1及び第4領域T4は、X軸座標が正でありY軸座標が負である第2象限F2において互いに重なる。第2領域T2及び第4領域T4は、X軸座標及びY軸座標が共に負である第3象限F3において互いに重なる。第2領域T2及び第3領域T3は、X軸座標が負でありY軸座標が正である第4象限F4において互いに重なる。   FIG. 12 is a plan view conceptually showing the phase modulation layer 15. Now, the first area T1 and the second area T2 aligned in one lattice point arrangement direction (X-axis direction) sandwiching the center point Q of the phase modulation layer, and the other grating line sandwiching the center point Q of the phase modulation layer A third area T3 and a fourth area T4 aligned in the point arrangement direction (Y-axis direction) are defined. That is, when the origin of the XY orthogonal coordinate system is made to coincide with the central point Q, the first region T1 is a region where the X axis coordinate is positive, and the second region T2 is a region where the X axis coordinate is negative. The area T3 is an area where the Y-axis coordinate is positive, and the fourth area T4 is an area where the Y-axis coordinate is negative. Therefore, the first area T1 and the third area T3 overlap each other in the first quadrant F1 in which both the X-axis coordinate and the Y-axis coordinate are positive. The first area T1 and the fourth area T4 overlap each other in a second quadrant F2 in which the X-axis coordinate is positive and the Y-axis coordinate is negative. The second area T2 and the fourth area T4 overlap each other in a third quadrant F3 in which both the X-axis coordinate and the Y-axis coordinate are negative. The second area T2 and the third area T3 overlap each other in a fourth quadrant F4 in which the X-axis coordinate is negative and the Y-axis coordinate is positive.

正方格子型のS−iPMレーザの位相変調層である位相変調層15では、図12に示されるように、XY平面に沿った基本的な進行波AU,AD,AR,及びALが生じる。進行波ARは、第2領域T2から第1領域T1への向き(X軸正方向)に進む第1進行波である。進行波ALは、第1領域T1から第2領域T2への向き(X軸負方向)に進む第2進行波である。進行波AUは、第4領域T4から第3領域T3への向き(Y軸正方向)に進む第3進行波である。進行波ADは、第3領域T3から第4領域T4への向き(Y軸負方向)に進む第4進行波である。   In the phase modulation layer 15 which is a phase modulation layer of the square lattice type S-iPM laser, basic traveling waves AU, AD, AR, and AL along the XY plane are generated as shown in FIG. The traveling wave AR is a first traveling wave traveling in the direction (X-axis positive direction) from the second region T2 to the first region T1. The traveling wave AL is a second traveling wave traveling in the direction (X-axis negative direction) from the first region T1 to the second region T2. The traveling wave AU is a third traveling wave traveling in the direction (the Y-axis positive direction) from the fourth region T4 to the third region T3. The traveling wave AD is a fourth traveling wave that travels in the direction (the Y-axis negative direction) from the third region T3 to the fourth region T4.

図13に示されるように、互いに逆向きに進む進行波からは、それぞれ逆向きのビームパターンが得られる。例えば、進行波AUからは第2光像部分B2のみを含むビームパターンBUが得られ、進行波ADからは第1光像部分B1のみを含むビームパターンBDが得られる。同様に、進行波ARからは第2光像部分B2のみを含むビームパターンBRが得られ、進行波ALからは第1光像部分B1のみを含むビームパターンBLが得られる。言い換えると、互いに逆向きに進む進行波同士では、一方が1次光となり他方が−1次光となる。半導体発光素子1Aから出力されるビームパターンは、これらのビームパターンBU,BD,BR,及びBLが重なり合ったものである。   As shown in FIG. 13, from the traveling waves traveling in opposite directions, beam patterns in opposite directions are obtained. For example, a beam pattern BU including only the second light image portion B2 is obtained from the traveling wave AU, and a beam pattern BD including only the first light image portion B1 is obtained from the traveling wave AD. Similarly, a beam pattern BR including only the second light image portion B2 is obtained from the traveling wave AR, and a beam pattern BL including only the first light image portion B1 is obtained from the traveling wave AL. In other words, in the traveling waves traveling in opposite directions to each other, one is primary light and the other is negative. The beam patterns output from the semiconductor light emitting element 1A are those in which the beam patterns BU, BD, BR, and BL overlap.

ここで、図14〜図17は、位相変調層15の面内における進行波AU,AD,AR,及びALの強度分布を示すグラフである。図14は進行波AUの強度分布を示し、図15は進行波ADの強度分布を示し、図16は進行波ARの強度分布を示し、図17は進行波ALの強度分布を示す。また、図14〜図17において、(a)は進行波AU,AD,AR,及びALの強度分布を等強度線によって表現したものであり、横軸はX軸方向位置を表し、縦軸はY軸方向位置を表す。(b)は、進行波AU,AD,AR,及びALの強度分布を三次元的に表現したものであり、X軸方向位置及びY軸方向位置に加えて、進行波の強度を表す軸が示されている。これらの図に示されるように、進行波AU,AD,AR,及びALの強度は、位相変調層15の面内において偏在している。   Here, FIGS. 14 to 17 are graphs showing intensity distributions of the traveling waves AU, AD, AR, and AL in the plane of the phase modulation layer 15. 14 shows the intensity distribution of the traveling wave AU, FIG. 15 shows the intensity distribution of the traveling wave AD, FIG. 16 shows the intensity distribution of the traveling wave AR, and FIG. 17 shows the intensity distribution of the traveling wave AL. In FIGS. 14 to 17, (a) represents the intensity distribution of the traveling waves AU, AD, AR, and AL by isointensity lines, the horizontal axis represents the position in the X-axis direction, and the vertical axis represents Represents the Y-axis direction position. (B) is a three-dimensional representation of the intensity distribution of the traveling waves AU, AD, AR, and AL, and in addition to the position in the X-axis direction and the position in the Y-axis, an axis representing the intensity of the traveling wave is It is shown. As shown in these figures, the intensities of the traveling waves AU, AD, AR, and AL are unevenly distributed in the plane of the phase modulation layer 15.

具体的には、Y軸正方向に進む進行波AUの強度は、Y座標が大きくなるほど強くなり、Y座標が小さくなるほど弱くなる。また、Y軸負方向に進む進行波ADの強度は、Y座標が小さくなるほど強くなり、Y座標が大きくなるほど弱くなる。同様に、X軸正方向に進む進行波ARの強度は、X座標が大きくなるほど強くなり、X座標が小さくなるほど弱くなる。また、X軸負方向に進む進行波ALの強度は、X座標が小さくなるほど強くなり、X座標が大きくなるほど弱くなる。言い換えると、第1象限F1においては進行波AU,ARが強く、第2象限F2においては進行波AD,ARが強く、第3象限F3においては進行波AD,ALが強く、第4象限F4においては進行波AU,ALが強い。なお、直線Dの傾斜角θが45°、135°、225°、または315°である場合に、進行波AU,AD,AR,及びALの最大強度は互いに等しくなる。また、直線Dの傾斜角θが0°<θ<45°、135°<θ<225°、または315°<θ<360°である場合には、進行波AR,ALの最大強度が進行波AU,ADの最大強度よりも大きくなり、直線Dの傾斜角θが45°<θ<135°または225°<θ<315°である場合には、進行波AU,ADの最大強度が進行波AR,ALの最大強度よりも大きくなる。   Specifically, the intensity of the traveling wave AU advancing in the Y-axis positive direction becomes stronger as the Y coordinate becomes larger, and becomes weaker as the Y coordinate becomes smaller. Further, the intensity of the traveling wave AD advancing in the negative direction of the Y axis becomes stronger as the Y coordinate becomes smaller, and becomes weaker as the Y coordinate becomes larger. Similarly, the intensity of the traveling wave AR traveling in the positive direction of the X axis becomes stronger as the X coordinate becomes larger, and becomes weaker as the X coordinate becomes smaller. Further, the intensity of the traveling wave AL advancing in the negative direction of the X axis becomes stronger as the X coordinate becomes smaller, and becomes weaker as the X coordinate becomes larger. In other words, in the first quadrant F1, the traveling waves AU and AR are strong, in the second quadrant F2 the traveling waves AD and AR are strong, in the third quadrant F3 the traveling waves AD and AL are strong, and in the fourth quadrant F4 Is strong in traveling waves AU and AL. When the inclination angle θ of the straight line D is 45 °, 135 °, 225 °, or 315 °, the maximum intensities of the traveling waves AU, AD, AR, and AL become equal to one another. When the inclination angle θ of the straight line D is 0 ° <θ <45 °, 135 ° <θ <225 °, or 315 ° <θ <360 °, the maximum strengths of the traveling waves AR and AL are traveling waves. When the inclination angle θ of the straight line D is larger than the maximum intensity of AU and AD, and the inclination angle θ of the straight line D is 45 ° <θ <135 ° or 225 ° <θ <315 °, the maximum intensity of the traveling wave AU or AD is the traveling wave It becomes larger than the maximum strength of AR and AL.

本実施形態では、上述した進行波AU,AD,AR,及びALの強度分布を利用して、1次光及び−1次光の光量に差を与え、これらのうち一方を他方に対して低減する。その為に、位相変調層15における異屈折率領域15bの配置を以下の方法を用いて設計する。図18は、本実施形態による位相変調層15の設計方法を示すフローチャートである。   In this embodiment, the intensity distribution of the traveling waves AU, AD, AR, and AL described above is used to give a difference to the light amounts of the primary light and the −1st light, and one of them is reduced with respect to the other. Do. Therefore, the arrangement of the modified refractive index regions 15b in the phase modulation layer 15 is designed using the following method. FIG. 18 is a flowchart showing a method of designing the phase modulation layer 15 according to the present embodiment.

図18に示されるように、第1ステップS1では、進行波AU,AD,AR,及びALのそれぞれに関する、光像に対応する複数の複素振幅分布を用意する。まず、位相変調層15の面内における光強度の偏り度合いを予め予測して、進行波AU,AD,AR,及びALのそれぞれによって得られる光像を相互に分離する。その結果、進行波AU,AD,AR,及びALに対応する4つの光像が得られる。そして、これらの光像に基づいて、進行波AUに関する複素振幅分布EU(x,y)と、進行波ADに関する複素振幅分布ED(x,y)と、進行波ARに関する複素振幅分布ER(x,y)と、進行波ALに関する複素振幅分布EL(x,y)とをそれぞれ個別に算出する。 As shown in FIG. 18, in the first step S1, a plurality of complex amplitude distributions corresponding to light images are prepared for the traveling waves AU, AD, AR, and AL. First, the degree of deviation of the light intensity in the plane of the phase modulation layer 15 is predicted in advance, and the light images obtained by the traveling waves AU, AD, AR, and AL are mutually separated. As a result, four light images corresponding to the traveling waves AU, AD, AR, and AL are obtained. Then, based on these light images, the complex amplitude distribution E U (x, y) of the traveling wave AU, the complex amplitude distribution E D (x, y) of the traveling wave AD, and the complex amplitude distribution E of the traveling wave AR R (x, y) and the complex amplitude distribution E L (x, y) regarding the traveling wave AL are individually calculated.

U(x,y)=AU(x,y)exp{iPU(x,y)}
D(x,y)=AD(x,y)exp{iPD(x,y)}
R(x,y)=AR(x,y)exp{iPR(x,y)}
L(x,y)=AL(x,y)exp{iPL(x,y)}
なお、AU(x,y),AD(x,y),AR(x,y),及びAL(x,y)は、それぞれ進行波AU,AD,AR,及びALの強度分布であり、PU(x,y),PD(x,y),PR(x,y),及びPL(x,y)は、それぞれ進行波AU,AD,AR,及びALの位相分布である。これらの複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)は、前述したように、各光像を逆フーリエ変換することにより得られる。複素振幅分布の算出方法は、例えばW. H. Lee, "Sampled fourier transform hologram generated bycomputer", Appl, Opt, 9, 639-643 (1970)に記載されている。
E U (x, y) = A U (x, y) exp {iP U (x, y)}
E D (x, y) = A D (x, y) exp {i P D (x, y)}
E R (x, y) = A R (x, y) exp {i P R (x, y)}
E L (x, y) = A L (x, y) exp {iP L (x, y)}
Note that A U (x, y), A D (x, y), A R (x, y), and A L (x, y) are the intensity distributions of the traveling waves AU, AD, AR, and AL, respectively. P U (x, y), P D (x, y), P R (x, y), and P L (x, y) are the phases of the traveling waves AU, AD, AR, and AL, respectively. It is a distribution. As described above, these complex amplitude distributions E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y), and E L (x, y) are inverse Fourier images of the respective light images. It is obtained by converting. The method of calculating the complex amplitude distribution is described, for example, in WH Lee, "Sampled fourier transform hologram generated by computer", Appl, Opt, 9, 639-643 (1970).

次に、第2ステップS2において、各進行波AU,AD,AR,及びALに関する複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)を修正する。この第2ステップS2では、進行波AR及びALの一方に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させるとともに、進行波AU及びADの一方に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させる。例えば、修正後の複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)はそれぞれ次のようになる。 Next, in a second step S2, complex amplitude distributions E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y), and E E for each traveling wave AU, AD, AR, and AL. Modify L (x, y). In the second step S2, the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution regarding one of the traveling waves AR and AL are reversed, and the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution regarding one of the traveling waves AU and AD are reversed. For example, the complex amplitude distributions E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y), and E L (x, y) after correction are respectively as follows.

U(x,y)=AU(x,y)exp{−iPU(x,y)}
D(x,y)=AD(x,y)exp{iPD(x,y)}
R(x,y)=AR(x,y)exp{−iPR(x,y)}
L(x,y)=AL(x,y)exp{iPL(x,y)}
この例では進行波AU,ARに関する複素振幅分布EU(x,y),ER(x,y)の位相項の正負を反転させているが、進行波AD,ALに関する複素振幅分布ED(x,y),EL(x,y)の位相項の正負を反転させてもよい。また、この例は、直線Dの傾斜角θが0°<θ<90°若しくは180°<θ<270°である場合のものであり、直線Dの傾斜角θが90°<θ<180°若しくは270°<θ<360°である場合には、進行波AU,AL(もしくは進行波AD,AR)に関する複素振幅分布の位相項の正負を反転させるとよい。
E U (x, y) = A U (x, y) exp {-iP U (x, y)}
E D (x, y) = A D (x, y) exp {i P D (x, y)}
E R (x, y) = A R (x, y) exp {−iP R (x, y)}
E L (x, y) = A L (x, y) exp {iP L (x, y)}
In this example, although the positive and negative of the phase terms of the complex amplitude distributions E U (x, y) and E R (x, y) related to the traveling waves AU and AR are inverted, the complex amplitude distribution E D related to the traveling waves AD and AL The phase terms of (x, y) and E L (x, y) may be inverted. In this example, the inclination angle θ of the straight line D is 0 ° <θ <90 ° or 180 ° <θ <270 °, and the inclination angle θ of the straight line D is 90 ° <θ <180 °. Alternatively, if 270 ° <θ <360 °, it is preferable to invert the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution regarding the traveling wave AU, AL (or the traveling wave AD, AR).

更に、第2ステップS2においては、以下の数式に示されるように、複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)に、任意の重み付けを行ってもよい。例えば、複素振幅分布EU(x,y)及びED(x,y)に同じ重みnを乗じ、複素振幅分布ER(x,y)及びEL(x,y)に同じ重みmを乗じる。そして、重みnと重みmとを互いに異ならせる。 Furthermore, in the second step S2, as shown in the following equation, the complex amplitude distribution E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y), and E L (x , Y) may be weighted arbitrarily. For example, complex amplitude distributions E U (x, y) and E D (x, y) are multiplied by the same weight n, and complex amplitude distributions E R (x, y) and E L (x, y) are given the same weight m. Multiply. Then, the weight n and the weight m are made different from each other.

U(x,y)=nAU(x,y)exp{−iPU(x,y)}
D(x,y)=nAD(x,y)exp{iPD(x,y)}
R(x,y)=mAR(x,y)exp{−iPR(x,y)}
L(x,y)=mAL(x,y)exp{iPL(x,y)}
例えば、重みnと重みmとの比(m/n)を、正方格子に対する直線Dの傾斜角θに基づいて定めるとよい。すなわち、直線Dの傾斜角θが0°<θ<45°、135°<θ<225°、または315°<θ<360°である場合には、上述したように進行波AR,ALの最大強度が進行波AU,ADの最大強度よりも大きくなるので、比(m/n)を大きくしてER(x,y),EL(x,y)の寄与度を高める。また、直線Dの傾斜角θが45°<θ<135°または225°<θ<315°である場合には、上述したように進行波AU,ADの最大強度が進行波AR,ALの最大強度よりも大きくなるので、比(m/n)を小さくしてEU(x,y),ED(x,y)の寄与度を高める。一実施例では、m=cosθ、n=sinθとするとよい。
E U (x, y) = nA U (x, y) exp {-iP U (x, y)}
E D (x, y) = n A D (x, y) exp {i P D (x, y)}
E R (x, y) = mA R (x, y) exp {-iP R (x, y)}
E L (x, y) = mA L (x, y) exp {iP L (x, y)}
For example, the ratio (m / n) of the weight n to the weight m may be determined based on the inclination angle θ of the straight line D with respect to the square lattice. That is, when the inclination angle θ of the straight line D is 0 ° <θ <45 °, 135 ° <θ <225 °, or 315 ° <θ <360 °, the maximum of the traveling waves AR and AL as described above Since the intensity is larger than the maximum intensity of the traveling waves AU and AD, the ratio (m / n) is increased to increase the contribution of E R (x, y) and E L (x, y). When the inclination angle θ of the straight line D is 45 ° <θ <135 ° or 225 ° <θ <315 °, the maximum intensity of the traveling waves AU, AD is the maximum of the traveling waves AR, AL as described above. As it becomes larger than the strength, the ratio (m / n) is reduced to increase the contribution of E U (x, y) and E D (x, y). In one embodiment, m = cos θ and n = sin θ.

続いて、第3ステップS3において、下記の数式(17)に示されるように、複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)を互いに重ね合わせる(足し合わせる)ことにより、総合的(最終的)な複素振幅分布Etotal(x,y)を求める。
Subsequently, in the third step S3, as shown in the following equation (17), the complex amplitude distribution E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y), and E An overall (final) complex amplitude distribution E total (x, y) is obtained by superposing (adding) L (x, y) on each other.

最後に、第4ステップS4において、下記の数式(18)に示されるように、総合的な複素振幅分布Etotal(x,y)から総合的な位相分布Ptotal(x,y)を抽出し、総合的な位相分布Ptotal(x,y)に基づいて各異屈折率領域15bの重心Gの位置を決定する。

この第4ステップS4では、各異屈折率領域15bの重心Gを直線D上に配置するとともに、各異屈折率領域15bの重心Gと、対応する格子点Oとの距離r(x,y)を、総合的な位相分布Ptotal(x,y)に基づいて決定する。
Finally, in the fourth step S4, comprehensive phase distribution P total (x, y) is extracted from comprehensive complex amplitude distribution E total (x, y) as shown in the following equation (18) The position of the center of gravity G of each modified refractive index area 15b is determined based on the overall phase distribution Ptotal (x, y).

In the fourth step S4, the center of gravity G of each modified refractive index area 15b is disposed on the straight line D, and the distance r (x, y) between the center of gravity G of each modified refractive index area 15b and the corresponding lattice point O Is determined based on the overall phase distribution P total (x, y).

なお、格子間隔aの正方格子において、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=ax、a=ayであり、並進ベクトルa、aに対する基本逆格子ベクトルb=(2π/a)x、b=(2π/a)yである。格子の中に存在する波の波数ベクトルがk=nb+mb(n、mは任意の整数)の場合に、波数kはΓ点に存在するが、なかでも波数ベクトルの大きさが基本逆格子ベクトルの大きさに等しい場合には、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。本実施形態では、このような共振モード(定在波状態)における発振が得られる。このとき、正方格子と平行な面内に電界が存在するようなTEモードを考えると、このように格子間隔と波長が等しい定在波状態は正方格子の対称性から4つのモードが存在する。本実施形態では、この4つの定在波状態のいずれのモードで発振した場合においても同様に所望のビームパターンが得られる。 In a square lattice of lattice spacing a, assuming that unit vectors of orthogonal coordinates are x and y, basic translation vectors a 1 = ax and a 2 = ay, and basic reciprocal lattice vectors b for translation vectors a 1 and a 2 1 = (2π / a) x, b 2 = (2π / a) y. When the wave number vector of the waves present in the lattice is k = nb 1 + mb 2 (n, m is an arbitrary integer), the wave number k exists at the saddle point, but the size of the wave number vector is basically inverse If it is equal to the magnitude of the grating vector, a resonant mode (a standing wave in the XY plane) with a grating spacing a equal to the wavelength λ is obtained. In the present embodiment, oscillation in such a resonance mode (standing wave state) is obtained. At this time, in consideration of a TE mode in which an electric field is present in a plane parallel to the square lattice, there are four modes of the standing wave state having the same wavelength and the lattice spacing in this way due to the symmetry of the square lattice. In the present embodiment, a desired beam pattern can be obtained similarly in the case of oscillation in any of these four standing wave states.

半導体発光素子1Aでは、上述の位相変調層15内の定在波が異屈折率領域15bによって散乱され、面垂直方向に得られる波面が位相変調されていることによって所望のビームパターンが得られる。このため偏光板がなくとも所望のビームパターンが得られる。このビームパターンは、一対の単峰ビーム(スポット)であるばかりでなく、前述したように、文字形状、2以上の同一形状スポット群、或いは、位相、強度分布が空間的に不均一であるベクトルビームなどとすることも可能である。   In the semiconductor light emitting element 1A, the standing wave in the phase modulation layer 15 is scattered by the different refractive index area 15b, and the wavefront obtained in the direction perpendicular to the plane is phase-modulated to obtain a desired beam pattern. For this reason, a desired beam pattern can be obtained without the polarizing plate. This beam pattern is not only a pair of single-peak beams (spots), but also, as described above, a character shape, two or more identically shaped spot groups, or a vector whose phase and intensity distribution are spatially nonuniform. It is also possible to use a beam or the like.

基本層15aの屈折率は3.0〜3.5、異屈折率領域15bの屈折率は1.0〜3.4であることが好ましい。また、各異屈折率領域15bの平均半径は、940nm帯の場合、例えば20nm〜120nmである。各異屈折率領域15bの大きさが変化することによってZ軸方向への回折強度が変化する。この回折効率は、異屈折率領域15bの形状をフーリエ変換した際の一次の係数で表される光結合係数κ1に比例する。光結合係数については、例えばK. Sakai et al., “Coupled-WaveTheory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEEJ.Q. E. 46, 788-795 (2010)”に記載されている。   The refractive index of the basic layer 15a is preferably 3.0 to 3.5, and the refractive index of the modified refractive index region 15b is preferably 1.0 to 3.4. Moreover, the average radius of each modified refractive index area | region 15b is 20 nm-120 nm, for example in the case of a 940 nm band. As the size of each modified refractive index area 15 b changes, the diffraction intensity in the Z-axis direction changes. The diffraction efficiency is proportional to the light coupling coefficient κ1 represented by a first-order coefficient when Fourier transforming the shape of the modified refractive index area 15b. The light coupling coefficient is described, for example, in K. Sakai et al., “Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers with TE Polarization, IEEE J. Q. E. 46, 788-795 (2010)”.

以上に説明した、本実施形態による位相変調層15の設計方法によって得られる効果について説明する。本実施形態では、活性層12に光学的に結合した位相変調層15が、基本層15aと、基本層15aとは屈折率が異なる複数の異屈折率領域15bとを有し、仮想的な正方格子の格子点Oを通り該正方格子のX軸及びY軸に対して傾斜する直線D上に、各異屈折率領域15bの重心Gが配置されている。そして、各異屈折率領域15bの重心Gと、対応する格子点Oとの距離r(x,y)は、光像に応じて個別に設定されている。このような場合、格子点Oと重心Gとの距離に応じて、ビームの位相が変化する。故に、重心Gの位置を変更するのみで、各異屈折率領域15bから出射されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビームパターンを所望の形状とすることができる。すなわち、この半導体発光素子1AはS−iPMレーザであり、このような構造によれば、各異屈折率領域15bの重心Gが各格子点O周りに光像に応じた回転角度を有する従来の構造と同様に、半導体基板10の主面10aに垂直な方向に対して傾斜した方向に任意形状の光像を出力することができる。   The effects obtained by the design method of the phase modulation layer 15 according to the present embodiment described above will be described. In the present embodiment, the phase modulation layer 15 optically coupled to the active layer 12 includes the base layer 15a and a plurality of different refractive index areas 15b different in refractive index from the base layer 15a, and is virtually square. The center of gravity G of each of the modified refractive index areas 15b is disposed on a straight line D which passes through the grid point O of the grid and is inclined with respect to the X axis and the Y axis of the square grid. The distance r (x, y) between the center of gravity G of each modified refractive index area 15 b and the corresponding lattice point O is individually set according to the light image. In such a case, the phase of the beam changes according to the distance between the lattice point O and the center of gravity G. Therefore, only by changing the position of the center of gravity G, the phases of the beams emitted from the different refractive index areas 15b can be controlled, and the beam pattern formed as a whole can be made into a desired shape. That is, this semiconductor light emitting element 1A is an S-iPM laser, and according to such a structure, the conventional art in which the center of gravity G of each modified refractive index region 15b has a rotation angle around each lattice point O according to the light image. Similar to the structure, an optical image of an arbitrary shape can be output in a direction inclined with respect to the direction perpendicular to the major surface 10 a of the semiconductor substrate 10.

また、本発明者の検討によれば、異屈折率領域を格子点の周りで回転させる従来の半導体発光素子においては、異屈折率領域の配置の性質上、互いに逆向きに進む進行波の双方が必ず含まれる。すなわち、従来の方式では、定在波を形成する4つの進行波AU,AD,AR,及びALのいずれにおいても、1次光と−1次光とが同量現れ、更に回転円の半径(異屈折率領域の重心と格子点との距離)によっては0次光が生じてしまう。そのため、1次光及び−1次光の各光量に差を与えることは原理的に困難で、これらのうち一方を選択的に低減することは難しい。従って、1次光の光量に対して−1次光の光量を相対的に低下させることは困難である。   Further, according to the study of the present inventor, in the conventional semiconductor light emitting device in which the modified refractive index region is rotated around the lattice point, both traveling waves traveling in opposite directions from each other due to the nature of the arrangement of the modified refractive index region. Is always included. That is, in the conventional method, in any of the four traveling waves AU, AD, AR, and AL that form the standing wave, the primary light and the −1st light appear in the same amount, and further the radius of the rotating circle ( Depending on the distance between the center of gravity of the modified refractive index region and the lattice point), zero-order light is generated. Therefore, it is difficult in principle to give a difference to each light quantity of the primary light and the -1 order light, and it is difficult to selectively reduce one of them. Therefore, it is difficult to reduce the light amount of the −1st order light relative to the light amount of the 1st order light.

ここで、図19(a)に示される、異屈折率領域15bを格子点Oの周りで回転させる従来の方式において、1次光及び−1次光のいずれかを選択的に低減することが難しい理由を説明する。或る位置における設計位相φ(x,y)に対して、4つの進行波の1例として図19(b)に示されるY軸の正の向きの進行波AUを考える。このとき、幾何学的な関係から、進行波AUに対しては、格子点Oからのずれがr・sinφ(x,y)となるので、位相差は(2π/a)r・sinφ(x,y)なる関係となる。この結果、進行波AUに関する位相分布Φ(x,y)は、異屈折率領域15bの大きさの影響が小さいためその影響を無視できる場合には、Φ(x,y)=exp{j(2π/a)r・sinφ(x,y)}で与えられる。この位相分布Φ(x,y)の0次光および±1次光への寄与は、exp{jnΦ(x,y)}(n:整数)で展開した場合の、n=0およびn=±1の成分で与えられる。ところで、次数nの第1種ベッセル関数Jn(z)に関する数学公式

を用いると、位相分布Φ(x,y)を級数展開することができ、0次光及び±1次光の各光量を説明することができる。このとき、位相分布Φ(x,y)の0次光成分はJ0(2πr/a)、1次光成分はJ1(2πr/a)、−1次光成分はJ-1(2πr/a)と表される。ところで、±1次のベッセル関数に関しては、J1(x)=−J-1(x)の関係があるため、±1次光成分の大きさは等しくなる。ここでは、4つの進行波の1例としてY軸正方向の進行波AUについて考えたが、他の3波(進行波AD,AR,AL)についても同様の関係が成立し、±1次光成分の大きさが等しくなる。以上の議論から、異屈折率領域15bを格子点Oの周りで回転させる従来の方式では、±1次光成分の光量に差を与えることが原理的に困難となる。
Here, in the conventional method shown in FIG. 19 (a) in which the modified refractive index area 15b is rotated around the lattice point O, either the primary light or the −1st light can be selectively reduced. Explain the difficult reason. For a design phase φ (x, y) at a certain position, consider a traveling wave AU in the positive direction of the Y axis shown in FIG. 19B as an example of four traveling waves. At this time, from the geometrical relationship, for the traveling wave AU, the shift from the lattice point O is r · sinφ (x, y), so the phase difference is (2π / a) r · sinφ (x , Y). As a result, if the influence of the phase distribution Φ (x, y) on the traveling wave AU can be ignored because the influence of the size of the modified refractive index area 15 b is small, then Φ (x, y) = exp {j ( 2π / a) r · sin φ (x, y)} The contribution of the phase distribution Φ (x, y) to the 0th-order light and the ± 1st-order light is n = 0 and n = ± when expanded by exp {jnΦ (x, y)} (n: integer) It is given by 1 ingredient. By the way, the mathematical formula concerning the first kind Bessel function Jn (z) of order n

Can be used for series expansion of the phase distribution ((x, y), and each light quantity of zero-order light and ± first-order light can be described. At this time, the zero-order light component of the phase distribution ((x, y) is J 0 (2πr / a), the first-order light component is J 1 (2πr / a), and the −1st- order light component is J −1 (2πr / It is expressed as a). By the way, regarding the ± 1st-order Bessel function, since there is a relationship of J 1 (x) = − J −1 (x), the sizes of ± 1st-order light components become equal. Here, the traveling wave AU in the positive Y-axis direction is considered as an example of the four traveling waves, but the same relationship holds true for the other three waves (traveling waves AD, AR, AL), and ± 1st-order light The component sizes are equal. From the above discussion, in the conventional method in which the modified refractive index area 15b is rotated around the lattice point O, it is basically difficult to give a difference to the light quantity of ± 1st-order light components.

これに対し、本実施形態の位相変調層15によれば、単一の進行波に対しては、1次光及び−1次光の各光量に差が生じ、例えば傾斜角θが45°、135°、225°または315°である場合には、シフト量R0が上述した数式(9)の上限値に近づくほど、理想的な位相分布が得られる。この結果、0次光が低減され、進行波AU,AD,AR,及びALのそれぞれにおいては、1次光及び−1次光の一方が選択的に低減される。そのため、互いに逆向きに進む進行波のいずれか一方を選択的に低減することで、1次光及び−1次光の光量に差を与えることが原理的に可能である。 On the other hand, according to the phase modulation layer 15 of the present embodiment, for a single traveling wave, a difference occurs in the light amount of each of the first-order light and the -1st-order light. In the case of 135 °, 225 °, or 315 °, the ideal phase distribution is obtained as the shift amount R0 approaches the upper limit value of the above-described equation (9). As a result, 0th-order light is reduced, and in each of the traveling waves AU, AD, AR, and AL, one of the 1st-order light and the -1st-order light is selectively reduced. Therefore, it is possible in principle to give a difference to the light quantity of the primary light and the -1 order light by selectively reducing any one of the traveling waves traveling in opposite directions to each other.

ここで、図20(a)に示される、格子点Oを通り正方格子に対して傾斜した直線D上を異屈折率領域15bが移動する本実施形態の方式において、1次光及び−1次光のいずれかを選択的に低減することが可能である理由を説明する。或る位置における設計位相φ(x,y)に対して、4つの進行波の一例として図20(b)に示されるY軸の正の向きの進行波AUを考える。このとき、幾何学的な関係から、進行波AUに対しては、格子点Oからのずれがr・sinθ・{φ(x,y)−φ0}/πとなるため、位相差は(2π/a)r・sinθ・{φ(x,y)−φ0}/πなる関係となる。ここでは簡単のため傾斜角θ=45°、位相角φ0=0°とする。このとき、進行波AUに関する位相分布Φ(x,y)は、異屈折率領域15bの大きさの影響が小さいためその影響を無視できる場合には、

で与えられる。この位相分布Φ(x,y)の0次光および±1次光への寄与は、exp{nΦ(x,y)}(n:整数)で展開した場合の、n=0およびn=±1の成分で与えられる。ところで、下記の数式(21)によって表される関数f(z)

但し、

をLaurent級数展開すると、

なる数学公式が成り立つ。ここで、sinc(x)=x/sin(x)である。この数学公式を用いると、位相分布Φ(x,y)を級数展開することができ、0次光及び±1次光の各光量を説明することができる。このとき、数学公式(21)の指数項exp{jπ(c−n)}の絶対値が1である点に注意すると、位相分布Φ(x,y)の0次光成分の大きさは

と表され、1次光成分の大きさは

と表され、−1次光成分の大きさは

と表される。そして、数式(24)〜(26)においては、

の場合を除いて、1次光成分以外に0次光および−1次光成分が現れる。しかしながら、±1次光成分の大きさは互いに等しくならない。
Here, in the method of the present embodiment shown in FIG. 20A in which the differential refractive index area 15b moves on the straight line D inclined with respect to the square lattice through the lattice point O, the first order light and the −1 order The reason why it is possible to selectively reduce any of the light will be explained. For a design phase φ (x, y) at a certain position, consider a Y-axis positive-going traveling wave AU shown in FIG. 20B as an example of four traveling waves. At this time, from the geometrical relationship, for the traveling wave AU, the shift from the lattice point O is r · sin θ · {φ (x, y) −φ 0 } / π, so the phase difference is The relationship is 2π / a) r · sin θ · {φ (x, y) −φ 0 } / π. Here, for the sake of simplicity, the inclination angle θ = 45 ° and the phase angle φ 0 = 0 °. At this time, in the case where the phase distribution 異 (x, y) of the traveling wave AU can be ignored because the influence of the size of the modified refractive index region 15 b is small,

Given by The contribution of the phase distribution ((x, y) to the 0th-order light and the ± 1st-order light is n = 0 and n = ± when expanded by exp {n ((x, y)} (n: integer) It is given by 1 ingredient. By the way, a function f (z) represented by the following equation (21)

However,

Expand the Laurent series,

The following mathematical formula holds. Here, sinc (x) = x / sin (x). Using this mathematical formula, the phase distribution ((x, y) can be subjected to series expansion, and the respective light quantities of the zeroth order light and the ± first order lights can be described. At this time, it is noted that the magnitude of the zero-order light component of the phase distribution ((x, y) is noted that the absolute value of the exponent term exp {jπ (c−n)} of the mathematical formula (21) is 1.

The magnitude of the primary light component is

The magnitude of the -1st order light component is

It is expressed as And, in the equations (24) to (26),

In addition to the first-order light component, the zero-order light component and the -1st-order light component appear except in the case of However, the magnitudes of the ± 1st-order light components are not equal to one another.

以上の説明では、4つの進行波の一例としてY軸正方向の進行波AUについて考えたが、他の3波(進行波AD,AR,AL)についても同様の関係が成立し、±1次光成分の大きさに差が生じる。以上の議論から、格子点Oを通り正方格子から傾斜した直線D上を異屈折率領域15bが移動する本実施形態の方式によれば、±1次光成分の光量に差を与えることが原理的に可能となる。従って、−1次光または1次光を低減して所望の光像(第1光像部分B1または第2光像部分B2)のみを選択的に取り出すことが原理的に可能になる。   In the above description, the traveling wave AU in the Y-axis positive direction is considered as an example of the four traveling waves, but the same relationship holds true for the other three waves (traveling waves AD, AR, AL), A difference occurs in the size of the light component. From the above discussion, according to the method of the present embodiment in which the modified refractive index area 15b moves on the straight line D inclined from the square lattice through the lattice point O, the principle of giving a difference to the light quantity of ± 1st order light component It becomes possible. Therefore, it becomes possible in principle to reduce −1st-order light or 1st-order light and selectively extract only a desired light image (the first light image portion B1 or the second light image portion B2).

そこで、本実施形態の設計方法では、図18に示された第2ステップS2において、進行波AR,ALの一方に関する複素振幅分布ER(x,y)またはEL(x,y)の位相項の正負を反転させるとともに、進行波AU,ADの一方に関する複素振幅分布EU(x,y)またはED(x,y)の位相項の正負を反転させる。位相項の符号を反転させる前に−1次光のビームパターンが主に得られていた場合、位相項の符号を反転させた後には1次光のビームパターンが主に得られる。逆に、位相項の符号を反転させる前に1次光のビームパターンが主に得られていた場合、位相項の符号を反転させた後には−1次光のビームパターンが主に得られる。従って、本実施形態の設計方法によれば、全ての進行波AU,AD,AR,及びALから1次光(或いは−1次光)のビームパターンを主に得ることができ、1次光及び−1次光のうち一方の光を、他方の光に対して減光することができる。 Therefore, in the design method of the present embodiment, the phase of the complex amplitude distribution E R (x, y) or E L (x, y) related to one of the traveling waves AR and AL in the second step S2 shown in FIG. As well as inverting the positive and negative of the term, it also inverts the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution E U (x, y) or E D (x, y) related to one of the traveling waves AU, AD. If the beam pattern of -1st order light is mainly obtained before inverting the sign of the phase term, the beam pattern of 1st order light is mainly obtained after inverting the sign of the phase term. Conversely, when the beam pattern of primary light is mainly obtained before inverting the sign of the phase term, the beam pattern of −1st order light is mainly obtained after inverting the sign of the phase term. Therefore, according to the design method of the present embodiment, it is possible to mainly obtain beam patterns of primary light (or −1st order light) from all traveling waves AU, AD, AR, and AL. One of the -1st order light can be dimmed with respect to the other light.

また、前述したように、第2ステップS2において、各進行波AU,AD,AR,及びALに関する複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)に重み付けを行ってもよい。これにより、複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)を重ね合わせて総合的な複素振幅分布Etotal(x,y)を求める際に、総合的な複素振幅分布Etotal(x,y)に対する複素振幅分布EU(x,y),ED(x,y),ER(x,y),及びEL(x,y)の寄与度を各進行波AU,AD,AR,及びALの強度比に応じて任意に調整し、所望の光像をより正確に表現することができる。また、進行波AR,ALの強度と進行波AU,ADの強度とが互いに異なる場合には、前述したように、進行波AR,ALに関する複素振幅分布ER(x,y)及びEL(x,y)に付加する重みmと、進行波AU,ADに関する複素振幅分布EU(x,y)及びED(x,y)に付加する重みnとを互いに異ならせてもよい。進行波AR,ALの強度と進行波AU,ADの強度との比は、正方格子に対する直線Dの傾斜角θによって変化するので、前述したように、重みmと重みnとの比を傾斜角θに基づいて定めてもよい。 In addition, as described above, in the second step S2, the complex amplitude distribution E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y) related to each traveling wave AU, AD, AR, and AL. And E L (x, y) may be weighted. Thus, the complex amplitude distribution E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y), and E L (x, y) overall complex amplitude by superimposing a distribution E total When obtaining (x, y), the complex amplitude distribution E U (x, y), E D (x, y), E R (x, y) with respect to the comprehensive complex amplitude distribution E total (x, y) And E L (x, y) can be arbitrarily adjusted according to the intensity ratio of each traveling wave AU, AD, AR, and AL, and a desired light image can be expressed more accurately. Also, when the intensity of the traveling waves AR, AL and the intensity of the traveling waves AU, AD are different from each other, as described above, the complex amplitude distributions E R (x, y) and E L (related to the traveling waves AR, AL) The weight m to be added to x, y) and the weight n to be added to complex amplitude distributions E U (x, y) and E D (x, y) related to the traveling waves AU and AD may be different from each other. Since the ratio of the intensity of the traveling waves AR and AL to the intensity of the traveling waves AU and AD changes according to the inclination angle θ of the straight line D with respect to the square lattice, as described above, the ratio of the weight m to the weight n is an inclination angle It may be determined based on θ.

また、本実施形態のように、正方格子に対する直線Dの傾斜角θは位相変調層15内において一定であってもよい。これにより、異屈折率領域15bの重心Gの配置の設計を容易に行うことができる。また、この場合、傾斜角は45°、135°、225°または315°であってもよい。これにより、正方格子に沿って進む4つの基本波(進行波AD,AR,AL)が、光像に均等に寄与することができる。さらに、傾斜角θが45°、135°、225°または315°である場合、適切なバンド端モードを選択することによって、直線D上における電磁界の方向が一方向に揃うため、直線偏光を得ることができる。このようなモードの一例として非特許文献C. Peng, et al.,“Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting laserson air holes with arbitrary sidewalls,” Optics Express Vol. 19, No. 24, pp. 24672-24686 (2011).のFig. 3に示されているモードA、Bがある。なお、傾斜角θが0°、90°、180°または270°である場合には、4つの進行波AU,AD,AR,及びALのうち、Y軸方向またはX軸方向に進む一対の進行波が1次光(信号光)に寄与しなくなるので、信号光を高効率化することは難しい。   Further, as in the present embodiment, the inclination angle θ of the straight line D with respect to the square lattice may be constant in the phase modulation layer 15. This makes it possible to easily design the arrangement of the center of gravity G of the modified refractive index area 15b. Also, in this case, the inclination angle may be 45 °, 135 °, 225 ° or 315 °. Thereby, four fundamental waves (traveling waves AD, AR, AL) traveling along the square lattice can equally contribute to the light image. Further, when the inclination angle θ is 45 °, 135 °, 225 ° or 315 °, the direction of the electromagnetic field on the straight line D is aligned in one direction by selecting an appropriate band edge mode, You can get it. As an example of such a mode, C. Peng, et al., “Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting laserson air holes with arbitrary sidewalls,” Optics Express Vol. 19, No. 24, pp. 24672-24686 (2011). There are modes A and B shown in FIG. In the case where the inclination angle θ is 0 °, 90 °, 180 ° or 270 °, a pair of the progressions in the Y-axis direction or the X-axis direction out of the four traveling waves AU, AD, AR, and AL. Since the wave does not contribute to the primary light (signal light), it is difficult to improve the efficiency of the signal light.

また、本実施形態のように、発光部は、半導体基板10上に設けられた活性層12であってもよい。これにより、発光部と位相変調層15とを容易に光結合させることができる。   Also, as in the present embodiment, the light emitting unit may be the active layer 12 provided on the semiconductor substrate 10. Thereby, the light emitting portion and the phase modulation layer 15 can be easily optically coupled.

(第1変形例)
図21及び図22は、異屈折率領域15bのXY平面内の形状の例を示す平面図である。上記実施形態ではXY平面内における異屈折率領域15bの形状が円形である例が示されている。しかしながら、異屈折率領域15bは円形以外の形状を有してもよい。例えば、XY平面内における異屈折率領域15bの形状は、鏡像対称性(線対称性)を有してもよい。ここで、鏡像対称性(線対称性)とは、XY平面に沿った或る直線を挟んで、該直線の一方側に位置する異屈折率領域15bの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域15bの平面形状とが、互いに鏡像対称(線対称)となり得ることをいう。鏡像対称性(線対称性)を有する形状としては、例えば図21(a)に示された真円、図21(b)に示された正方形、図21(c)に示された正六角形、図21(d)に示された正八角形、図21(e)に示された正16角形、図21(f)に示された長方形、および図21(g)に示された楕円、などが挙げられる。このように、XY平面内における異屈折率領域15bの形状が鏡像対称性(線対称性)を有する。この場合、位相変調層15の仮想的な正方格子の単位構成領域Rそれぞれにおいて、シンプルな形状であるため、格子点Oから対応する異屈折率領域15bの重心Gの方向と位置を高精度に定めることができるので、高い精度でのパターニングが可能となる。
(First modification)
21 and 22 are plan views showing examples of the shape of the modified refractive index area 15b in the XY plane. In the above embodiment, an example in which the shape of the modified refractive index area 15 b in the XY plane is circular is shown. However, the modified refractive index area 15b may have a shape other than a circular shape. For example, the shape of the modified refractive index area 15b in the XY plane may have mirror symmetry (linear symmetry). Here, mirror symmetry (linear symmetry) refers to the plane shape of the modified refractive index region 15b located on one side of a straight line along the XY plane and the other side of the straight line. It means that the plane shapes of the different refractive index regions 15b located can be mirror-symmetrical (axisymmetric) with each other. As a shape having mirror symmetry (line symmetry), for example, a perfect circle shown in FIG. 21 (a), a square shown in FIG. 21 (b), a regular hexagon shown in FIG. 21 (c), The regular octagon shown in FIG. 21 (d), the regular hexagon shown in FIG. 21 (e), the rectangle shown in FIG. 21 (f), and the ellipse shown in FIG. 21 (g), etc. It can be mentioned. Thus, the shape of the modified refractive index area 15b in the XY plane has mirror symmetry (linear symmetry). In this case, since each unit formation region R of the virtual square lattice of the phase modulation layer 15 has a simple shape, the direction and position of the gravity center G of the corresponding different refractive index region 15b from the lattice point O are made highly accurate. Because it can be determined, patterning with high accuracy is possible.

また、XY平面内における異屈折率領域15bの形状は、180°の回転対称性を有さない形状であってもよい。このような形状としては、例えば図22(a)に示された正三角形、図22(b)に示された直角二等辺三角形、図22(c)に示された2つの円または楕円の一部分が重なる形状、図22(d)に示された楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状(卵形)、図22(e)に示された楕円の長軸に沿った一方の端部を長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状(涙形)、図22(f)に示された二等辺三角形、図22(g)に示された矩形の一辺が三角形状に凹みその対向する一辺が三角形状に尖った形状(矢印形)、図22(h)に示された台形、図22(i)に示された5角形、図22(j)に示された2つの矩形の一部分同士が重なる形状、および図22(k)に示された2つの矩形の一部分同士が重なり且つ鏡像対称性を有さない形状、等が挙げられる。このように、XY平面内における異屈折率領域15bの形状が180°の回転対称性を有さないことにより、より高い光出力を得ることができる。   Further, the shape of the modified refractive index area 15 b in the XY plane may be a shape that does not have rotational symmetry of 180 °. As such a shape, for example, an equilateral triangle shown in FIG. 22 (a), a right isosceles triangle shown in FIG. 22 (b), a part of two circles or an ellipse shown in FIG. 22 (c) Shape in which the dimension in the short axis direction near one end along the major axis of the ellipse shown in FIG. 22 (d) is smaller than the dimension in the short axis direction near the other end 22 (e), the one end along the long axis of the ellipse shown in FIG. 22 (e) is deformed to a pointed end projecting along the long axis (tears), 22 (h), the one side of the rectangle shown in FIG. 22 (g) is indented in the form of a triangle, and the opposite side is pointed in the form of a triangle (arrow shape) in FIG. 22 (h). The trapezoidal shape shown, the pentagonal shape shown in FIG. 22 (i), and the form in which portions of two rectangles shown in FIG. 22 (j) overlap with each other And Figure 22 (k) at the indicated two shapes with no rectangular portion to each other overlap and mirror symmetry was, and the like. Thus, higher light output can be obtained because the shape of the modified refractive index area 15 b in the XY plane does not have the rotational symmetry of 180 °.

(第2変形例)
図23は、上記実施形態の第2変形例に係る位相変調層15Aの平面図である。本変形例の位相変調層15Aは、上記実施形態の位相変調層15の構成(図4)に加えて、複数の異屈折率領域15bとは別の複数の異屈折率領域15cを更に有する。各異屈折率領域15cは、基本層15aの第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第2屈折率媒質からなる。異屈折率領域15cは、異屈折率領域15bと同様に、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。ここで、図24に示されるように、本変形例においては、各異屈折率領域15bの重心と各異屈折率領域15cの重心とを合成した重心Gが、直線D上に配置されている。なお、いずれの異屈折率領域15b、15cも仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Rの範囲内に含まれる。単位構成領域Rは、仮想的な正方格子の格子点間を2等分する直線で囲まれる領域となる。この重心Gと、各単位構成領域Rの対応する格子点Oとの距離r(x,y)は、所望の光像に応じて各異屈折率領域15b毎に個別に設定される。距離r(x,y)の分布は、所望の光像をフーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。すなわち、或る座標(x,y)における位相P(x,y)がP0である場合には距離r(x,y)を0と設定し、位相P(x,y)がπ+P0である場合には距離r(x,y)を最大値R0に設定し、位相P(x,y)が−π+P0である場合には距離r(x,y)を最小値−R0に設定する。そして、その中間の位相P(x,y)に対しては、r(x,y)={P(x,y)−P0}×R0/πとなるように距離r(x,y)をとる。初期位相P0は任意に設定することができる。
(2nd modification)
FIG. 23 is a plan view of a phase modulation layer 15A according to a second modification of the embodiment. In addition to the configuration (FIG. 4) of the phase modulation layer 15 of the above-described embodiment, the phase modulation layer 15A of this modification further includes a plurality of different refractive index areas 15c different from the plurality of different refractive index areas 15b. Each modified refractive index region 15c is formed of a second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium of the base layer 15a. The modified refractive index region 15c may be a hole as in the modified refractive index region 15b, and the compound semiconductor may be embedded in the hole. Here, as shown in FIG. 24, in the present modification, a center of gravity G obtained by combining the center of gravity of each modified refractive index area 15 b and the center of gravity of each modified refractive index area 15 c is disposed on a straight line D. . Note that any of the different refractive index regions 15b and 15c is included in the range of the unit configuration region R that constitutes a virtual square lattice. The unit configuration region R is a region surrounded by straight lines bisecting between lattice points of a virtual square lattice. The distance r (x, y) between the center of gravity G and the corresponding lattice point O of each unit constituent region R is individually set for each of the different refractive index regions 15b according to the desired light image. The distribution of the distance r (x, y) is determined from the complex amplitude distribution obtained by Fourier transforming a desired light image, from which the phase distribution is extracted. That is, when the phase P (x, y) at a certain coordinate (x, y) is P 0 , the distance r (x, y) is set to 0, and the phase P (x, y) is π + P 0 In some cases, the distance r (x, y) is set to the maximum value R 0 , and when the phase P (x, y) is −π + P 0 , the distance r (x, y) is made the minimum value −R 0 Set Then, for the intermediate phase P (x, y), the distance r (x, y) is set such that r (x, y) = {P (x, y) -P 0 } × R 0 / π Take). The initial phase P 0 can be set arbitrarily.

異屈折率領域15cは、異屈折率領域15bにそれぞれ一対一で対応して設けられている。異屈折率領域15cの平面形状は例えば円形であるが、異屈折率領域15bと同様に、様々な形状を有し得る。図25(a)〜図25(k)には、異屈折率領域15b,15cのXY平面内における形状および相対関係の例が示されている。図25(a)および図25(b)は、異屈折率領域15b,15cが同じ形状の図形を有する形態を示す。図25(c)および図25(d)は、異屈折率領域15b,15cが同じ形状の図形を有し、互いの一部分同士が重なる形態を示す。図25(e)は、異屈折率領域15b,15cが同じ形状の図形を有し、格子点毎に異屈折率領域15b,15cの重心間の距離が任意に設定された形態を示す。図25(f)は、異屈折率領域15b,15cが互いに異なる形状の図形を有する形態を示す。図25(g)は、異屈折率領域15b,15cが互いに異なる形状の図形を有し、格子点毎に異屈折率領域15b,15cの重心間の距離が任意に設定された形態を示す。   The modified refractive index regions 15 c are provided in one-to-one correspondence with the modified refractive index regions 15 b respectively. The planar shape of the modified refractive index area 15c is, for example, circular, but may have various shapes as in the modified refractive index area 15b. FIGS. 25 (a) to 25 (k) show examples of the shapes and relative relationships in the XY plane of the modified refractive index regions 15b and 15c. 25 (a) and 25 (b) show an embodiment in which the modified refractive index regions 15b and 15c have figures of the same shape. FIGS. 25 (c) and 25 (d) show a form in which the modified refractive index regions 15b and 15c have figures of the same shape, and parts of each other overlap. FIG. 25E shows a form in which the modified refractive index regions 15b and 15c have the same shape and the distance between the centers of gravity of the modified refractive index regions 15b and 15c is arbitrarily set for each lattice point. FIG. 25F shows a form in which the modified refractive index regions 15b and 15c have figures of different shapes. FIG. 25 (g) shows a form in which the modified refractive index areas 15b and 15c have figures of different shapes, and the distance between the centers of gravity of the modified refractive index areas 15b and 15c is arbitrarily set for each lattice point.

また、図25(h)〜図25(k)に示されるように、異屈折率領域15bは、互いに離間した2つの領域15b1,15b2を含んで構成されてもよい。そして、領域15b1,15b2を合わせた重心(単一の異屈折率領域15bの重心に相当)と、異屈折率領域15cの重心との距離が格子点毎に任意に設定されてもよい。また、この場合、図25(h)に示されるように、領域15b1,15b2および異屈折率領域15cは、互いに同じ形状の図形を有してもよい。または、図25(i)に示されたように、領域15b1,15b2および異屈折率領域15cのうち2つの図形が他と異なっていてもよい。また、図25(j)に示されるように、領域15b1,15b2を結ぶ直線のX軸に対する角度に加えて、異屈折率領域15cのX軸に対する角度が各格子点毎に任意に設定されてもよい。また、図25(k)に示されるように、領域15b1,15b2および異屈折率領域15cが互いに同じ相対角度を維持したまま、領域15b1,15b2を結ぶ直線のX軸に対する角度が格子点毎に任意に設定されてもよい。   Further, as shown in FIG. 25H to FIG. 25K, the modified refractive index region 15b may be configured to include two regions 15b1 and 15b2 which are separated from each other. The distance between the center of gravity of the regions 15b1 and 15b2 (corresponding to the center of gravity of the single modified refractive index region 15b) and the center of gravity of the modified refractive index region 15c may be set arbitrarily for each lattice point. Further, in this case, as shown in FIG. 25H, the regions 15b1 and 15b2 and the modified refractive index region 15c may have figures of the same shape. Alternatively, as shown in FIG. 25 (i), two figures of the regions 15b1 and 15b2 and the modified refractive index region 15c may be different from each other. Further, as shown in FIG. 25 (j), in addition to the angle of the straight line connecting the regions 15b1 and 15b2 to the X axis, the angle of the modified refractive index region 15c to the X axis is arbitrarily set for each grid point It is also good. Further, as shown in FIG. 25 (k), while the regions 15b1 and 15b2 and the modified refractive index region 15c maintain the same relative angle, the angle between the X axis of the straight line connecting the regions 15b1 and 15b2 is every grid point It may be set arbitrarily.

異屈折率領域のXY平面内の形状は、各格子点間で互いに同一であってもよい。すなわち、異屈折率領域が全ての格子点において同一図形を有しており、並進操作、または並進操作および回転操作により、格子点間で互いに重ね合わせることが可能であってもよい。その場合、ビームパターン内におけるノイズ光およびノイズとなる0次光の発生を抑制できる。または、異屈折率領域のXY平面内の形状は格子点間で必ずしも同一でなくともよく、例えば図26に示されたように、隣り合う格子点間で形状が互いに異なっていてもよい。なお、図21〜図26のいずれの場合も、各格子点を通る直線Dの中心は格子点Oに一致するように設定されるとよい。   The shapes of the modified refractive index regions in the XY plane may be identical to each other between the lattice points. That is, the different refractive index regions may have the same figure at all grid points, and may be able to overlap each other between the grid points by translational operation, or translational operation and rotational operation. In that case, it is possible to suppress the generation of noise light and zero-order light that becomes noise in the beam pattern. Alternatively, the shapes of the modified refractive index regions in the XY plane may not necessarily be the same between the lattice points, and for example, as shown in FIG. 26, the shapes may be different between adjacent lattice points. In any of FIGS. 21 to 26, the center of the straight line D passing through each lattice point may be set to coincide with the lattice point O.

例えば本変形例のような位相変調層の構成であっても、上記実施形態の効果を好適に奏することができる。   For example, even with the configuration of the phase modulation layer as in this modification, the effects of the above embodiment can be suitably achieved.

(第3変形例)
図27は、第3変形例による発光装置1Bの構成を示す図である。この発光装置1Bは、支持基板6と、支持基板6上に一次元又は二次元状に配列された複数の半導体発光素子1Aと、複数の半導体発光素子1Aを個別に駆動する駆動回路4とを備えている。各半導体発光素子1Aの構成は、上記実施形態と同様である。但し、複数の半導体発光素子1Aには、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれても良い。赤色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えばGaAs系半導体によって構成される。青色波長域の光像を出力するレーザ素子、及び緑色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えば窒化物系半導体によって構成される。駆動回路4は、支持基板6の裏面又は内部に設けられ、各半導体発光素子1Aを個別に駆動する。駆動回路4は、制御回路7からの指示により、個々の半導体発光素子1Aに駆動電流を供給する。
(Third modification)
FIG. 27 is a diagram showing a configuration of a light emitting device 1B according to a third modification. The light emitting device 1B includes a support substrate 6, a plurality of semiconductor light emitting devices 1A arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner on the support substrate 6, and a drive circuit 4 for individually driving the plurality of semiconductor light emitting devices 1A. Have. The configuration of each semiconductor light emitting element 1A is the same as that of the above embodiment. However, the plurality of semiconductor light emitting elements 1A include a laser element that outputs an optical image in the red wavelength range, a laser element that outputs an optical image in the blue wavelength range, and a laser element that outputs an optical image in the green wavelength range. It may be included. The laser element that outputs an optical image in the red wavelength range is made of, for example, a GaAs-based semiconductor. The laser element that outputs an optical image in the blue wavelength range and the laser element that outputs an optical image in the green wavelength range are made of, for example, a nitride semiconductor. The drive circuit 4 is provided on the back surface or in the inside of the support substrate 6 and drives each of the semiconductor light emitting elements 1A individually. The drive circuit 4 supplies drive current to each of the semiconductor light emitting elements 1A according to an instruction from the control circuit 7.

本変形例のように、個別に駆動される複数の半導体発光素子1Aを設け、各半導体発光素子1Aから所望の光像を取り出すことによって、予め複数のパターンに対応した半導体発光素子を並べたモジュールについて、適宜必要な素子を駆動することによってヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。また、複数の半導体発光素子1Aに、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれることにより、カラーヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。   A module in which semiconductor light emitting elements corresponding to a plurality of patterns are arranged in advance by providing a plurality of individually driven semiconductor light emitting elements 1A as in this modification and extracting a desired light image from each semiconductor light emitting element 1A. By suitably driving necessary elements, a head-up display can be suitably realized. In addition, the plurality of semiconductor light emitting elements 1A include a laser element that outputs an optical image in the red wavelength range, a laser element that outputs an optical image in the blue wavelength range, and a laser element that outputs an optical image in the green wavelength range. Thus, a color head-up display or the like can be suitably realized.

(第2実施形態)
図28は、第2実施形態に係る半導体発光素子1Cの断面構造を示す図である。この半導体発光素子1Cは、XY面内方向において定在波を形成し、位相制御された平面波をZ方向に出力するレーザ光源であって、第1実施形態と同様に、半導体基板10の主面10aに垂直な方向及びこれに対して傾斜した方向をも含む2次元的な任意形状の光像を出力する。ただし、第1実施形態の半導体発光素子1Aは半導体基板10を透過した光像を裏面から出力するが、本実施形態の半導体発光素子1Cは、活性層12に対してクラッド層13側の表面から光像を出力する。
Second Embodiment
FIG. 28 is a view showing a cross-sectional structure of a semiconductor light emitting device 1C according to the second embodiment. The semiconductor light emitting element 1C is a laser light source that forms a standing wave in the XY in-plane direction and outputs a phase-controlled plane wave in the Z direction, and is the main surface of the semiconductor substrate 10 as in the first embodiment. A two-dimensional light image of an arbitrary shape including a direction perpendicular to 10 a and a direction inclined with respect to this is output. However, although the semiconductor light emitting element 1A of the first embodiment outputs the light image transmitted through the semiconductor substrate 10 from the back surface, the semiconductor light emitting element 1C of this embodiment is from the surface on the cladding layer 13 side with respect to the active layer 12. Output a light image.

半導体発光素子1Cは、クラッド層11、活性層12、クラッド層13、コンタクト層14、位相変調層15、光反射層20、及び電流狭窄層21を備える。クラッド層11は、半導体基板10上に設けられている。活性層12は、クラッド層11上に設けられている。クラッド層13は、活性層12上に設けられている。コンタクト層14は、クラッド層13上に設けられている。位相変調層15は、活性層12とクラッド層13との間に設けられている。光反射層20は、活性層12とクラッド層11との間に設けられている。電流狭窄層21は、クラッド層13内に設けられている。各層11〜15の構成(好適な材料、バンドギャップ、屈折率等)は、第1実施形態と同様である。なお、光反射層20は、半導体基板10での光吸収が問題にならない場合には省いても良い。   The semiconductor light emitting element 1 </ b> C includes a cladding layer 11, an active layer 12, a cladding layer 13, a contact layer 14, a phase modulation layer 15, a light reflection layer 20, and a current confinement layer 21. The cladding layer 11 is provided on the semiconductor substrate 10. The active layer 12 is provided on the cladding layer 11. The cladding layer 13 is provided on the active layer 12. The contact layer 14 is provided on the cladding layer 13. The phase modulation layer 15 is provided between the active layer 12 and the cladding layer 13. The light reflecting layer 20 is provided between the active layer 12 and the cladding layer 11. The current confinement layer 21 is provided in the cladding layer 13. The configuration (preferred material, band gap, refractive index, etc.) of each layer 11 to 15 is the same as that of the first embodiment. The light reflection layer 20 may be omitted if light absorption by the semiconductor substrate 10 is not a problem.

位相変調層15の構造は、第1実施形態において説明された位相変調層15の構造(図4、図5を参照)と同様である。必要に応じて、活性層12とクラッド層13との間、及び活性層12とクラッド層11との間のうち少なくとも一方に、光ガイド層が設けられてもよい。図29に示されるように、位相変調層15が、クラッド層11と活性層12との間に設けられてもよい。なお、光ガイド層は、キャリアを活性層12に効率的に閉じ込めるためのキャリア障壁層を含んでも良い。   The structure of the phase modulation layer 15 is similar to the structure (see FIGS. 4 and 5) of the phase modulation layer 15 described in the first embodiment. If necessary, a light guide layer may be provided between at least one of the active layer 12 and the cladding layer 13 and between the active layer 12 and the cladding layer 11. As shown in FIG. 29, a phase modulation layer 15 may be provided between the cladding layer 11 and the active layer 12. The light guide layer may include a carrier barrier layer for efficiently confining carriers in the active layer 12.

半導体発光素子1Cは、コンタクト層14上に設けられた電極23と、半導体基板10の裏面10b上に設けられた電極22とを更に備える。電極23はコンタクト層14とオーミック接触を成しており、電極22は半導体基板10とオーミック接触を成している。図30は、半導体発光素子1Cを電極23側(表面側)から見た平面図である。図30に示されるように、電極23は枠状(環状)といった平面形状を呈しており、開口23aを有する。なお、図30には正方形の枠状の電極23が例示されているが、電極23の平面形状は例えば円環状など様々な形状であることができる。また、図30に隠れ線によって示される電極22の形状は、電極23の開口23aの形状と相似しており、例えば正方形もしくは円形である。電極23の開口23aの内径(開口23aの形状が正方形である場合は1辺の長さ)は、例えば20μm〜50μmである。   The semiconductor light emitting element 1 </ b> C further includes an electrode 23 provided on the contact layer 14 and an electrode 22 provided on the back surface 10 b of the semiconductor substrate 10. The electrode 23 is in ohmic contact with the contact layer 14, and the electrode 22 is in ohmic contact with the semiconductor substrate 10. FIG. 30 is a plan view of the semiconductor light emitting element 1C as viewed from the electrode 23 side (surface side). As shown in FIG. 30, the electrode 23 has a planar shape such as a frame shape (annular shape), and has an opening 23a. In addition, although the square frame-shaped electrode 23 is illustrated by FIG. 30, the planar shape of the electrode 23 can be various shapes, such as annular | circular shape, for example. The shape of the electrode 22 indicated by a hidden line in FIG. 30 is similar to the shape of the opening 23a of the electrode 23, and is, for example, square or circular. The inner diameter of the opening 23a of the electrode 23 (length of one side when the shape of the opening 23a is a square) is, for example, 20 μm to 50 μm.

再び図28を参照する。本実施形態のコンタクト層14は、電極23と同様の平面形状を有する。すなわち、コンタクト層14の中央部は、エッチングにより除去されて開口14aとなっており、コンタクト層14は枠状(環状)といった平面形状を呈している。半導体発光素子1Cから出射される光は、コンタクト層14の開口14a、及び電極23の開口23aを通過する。コンタクト層14の開口14aを光が通過することにより、コンタクト層14における光吸収を回避し、光出射効率を高めることができる。但し、コンタクト層14における光吸収を許容できる場合には、コンタクト層14は開口14aを有さずにクラッド層13上の全面を覆っていてもよい。電極23の開口23aを光が通過することにより、電極23に遮られることなく光を半導体発光素子1Cの表面側から好適に出射することができる。   Refer to FIG. 28 again. The contact layer 14 of the present embodiment has a planar shape similar to that of the electrode 23. That is, the central portion of the contact layer 14 is removed by etching to form an opening 14a, and the contact layer 14 has a planar shape such as a frame shape (annular shape). The light emitted from the semiconductor light emitting element 1 </ b> C passes through the opening 14 a of the contact layer 14 and the opening 23 a of the electrode 23. When light passes through the opening 14 a of the contact layer 14, light absorption in the contact layer 14 can be avoided and light emission efficiency can be enhanced. However, when light absorption in the contact layer 14 is acceptable, the contact layer 14 may cover the entire surface of the cladding layer 13 without the opening 14 a. When light passes through the opening 23 a of the electrode 23, light can be suitably emitted from the surface side of the semiconductor light emitting element 1 C without being blocked by the electrode 23.

コンタクト層14の開口14aから露出したクラッド層13の表面(若しくは、開口14aが設けられない場合にはコンタクト層14の表面)は、反射防止膜25によって覆われている。なお、コンタクト層14の外側にも反射防止膜25が設けられてもよい。また、半導体基板10の裏面10b上における電極22以外の部分は、保護膜24によって覆われている。保護膜24の材料は、第1実施形態の保護膜18と同様である。反射防止膜25の材料は、第1実施形態の反射防止膜19と同様である。   The surface of the cladding layer 13 exposed from the opening 14 a of the contact layer 14 (or the surface of the contact layer 14 when the opening 14 a is not provided) is covered with the anti-reflection film 25. An antireflective film 25 may be provided on the outside of the contact layer 14. Further, a portion other than the electrode 22 on the back surface 10 b of the semiconductor substrate 10 is covered with a protective film 24. The material of the protective film 24 is the same as that of the protective film 18 of the first embodiment. The material of the antireflective film 25 is the same as that of the antireflective film 19 of the first embodiment.

光反射層20は、活性層12において発生した光を、半導体発光素子1Cの表面側に向けて反射する。光反射層20は、例えば、互いに屈折率が異なる複数の層が交互に積層されたDBR(Disrtibuted Bragg Reflector)層によって構成される。なお、本実施形態の光反射層20は活性層12とクラッド層11との間に設けられているが、光反射層20はクラッド層11と半導体基板10との間に設けられてもよい。或いは、光反射層20はクラッド層11の内部に設けられてもよい。   The light reflection layer 20 reflects the light generated in the active layer 12 toward the surface side of the semiconductor light emitting element 1C. The light reflection layer 20 is formed of, for example, a DBR (Disrtibuted Bragg Reflector) layer in which a plurality of layers having different refractive indexes are alternately stacked. Although the light reflection layer 20 of the present embodiment is provided between the active layer 12 and the cladding layer 11, the light reflection layer 20 may be provided between the cladding layer 11 and the semiconductor substrate 10. Alternatively, the light reflecting layer 20 may be provided inside the cladding layer 11.

クラッド層11及び光反射層20には半導体基板10と同じ導電型が付与され、クラッド層13及びコンタクト層14には半導体基板10とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板10、クラッド層11及び光反射層20はn型であり、クラッド層13及びコンタクト層14はp型である。位相変調層15は、活性層12とクラッド層11との間に設けられる場合には半導体基板10と同じ導電型を有し、活性層12とクラッド層13との間に設けられる場合には半導体基板10とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば1×1017〜1×1021/cm3である。活性層12は、いずれの不純物も意図的に添加されていない真性(i型)であり、その不純物濃度は1×1015/cm3以下である。なお、位相変調層15の不純物濃度については、不純物準位を介した光吸収による損失の影響を抑制する必要がある場合等には、真性(i型)としてもよい。 The same conductivity type as the semiconductor substrate 10 is given to the cladding layer 11 and the light reflecting layer 20, and the opposite conductivity type to the semiconductor substrate 10 is given to the cladding layer 13 and the contact layer 14. In one example, the semiconductor substrate 10, the cladding layer 11, and the light reflecting layer 20 are n-type, and the cladding layer 13 and the contact layer 14 are p-type. The phase modulation layer 15 has the same conductivity type as the semiconductor substrate 10 when provided between the active layer 12 and the cladding layer 11, and is semiconductor when being provided between the active layer 12 and the cladding layer 13. It has a conductivity type opposite to that of the substrate 10. The impurity concentration is, for example, 1 × 10 17 to 1 × 10 21 / cm 3 . The active layer 12 is intrinsic (i-type) to which no impurity is intentionally added, and the impurity concentration is 1 × 10 15 / cm 3 or less. The impurity concentration of the phase modulation layer 15 may be intrinsic (i-type) when it is necessary to suppress the influence of loss due to light absorption through the impurity level.

電流狭窄層21は、電流を通過させにくい(あるいは通過させない)構造を有し、中央部に開口21aを有する。図30に示されるように、開口21aの平面形状は、電極23の開口23aの形状と相似しており、例えば正方形もしくは円形である。電流狭窄層21は、例えばAlを高い濃度で含む層が酸化されてなるAl酸化層である。或いは、電流狭窄層21は、クラッド層13内にプロトン(H)が注入されることにより形成された層であってもよい。或いは、電流狭窄層21は、半導体基板10とは逆の導電型の半導体層と半導体基板10と同じ導電型の半導体層とが順に積層されてなる逆pn接合構造を有してもよい。 The current confinement layer 21 has a structure in which current does not easily pass (or does not pass), and has an opening 21 a in the center. As shown in FIG. 30, the planar shape of the opening 21a is similar to the shape of the opening 23a of the electrode 23, and is, for example, square or circular. The current confinement layer 21 is, for example, an Al oxide layer formed by oxidizing a layer containing Al at a high concentration. Alternatively, the current confinement layer 21 may be a layer formed by injecting protons (H + ) into the cladding layer 13. Alternatively, the current confinement layer 21 may have a reverse pn junction structure in which a semiconductor layer of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate 10 and a semiconductor layer of the same conductivity type as the semiconductor substrate 10 are sequentially stacked.

本実施形態の半導体発光素子1Cの寸法例を説明する。電極23の開口23aの内径(開口23aの形状が正方形である場合は1辺の長さ)Laは、5μm〜100μmの範囲内であり、例えば50μmである。また、位相変調層15の厚さtaは例えば100nm〜400nmの範囲内であり、例えば200nmである。電流狭窄層21とコンタクト層14との間隔tbは、2μm〜50μmの範囲内である。言い換えると、間隔tbは、0.02La〜10Laの範囲内(例えば0.1La)であり、5.0ta〜500taの範囲内(例えば25ta)である。また、クラッド層13の厚さtcは、間隔tbよりも大きく、2μm〜50μmの範囲内である。言い換えると、厚さtcは、0.02La〜10Laの範囲内(例えば0.1La)であり、5.0ta〜500taの範囲内(例えば25ta)である。クラッド層11の厚さtdは、1.0μm〜3.0μmの範囲内(例えば2.0μm)である。   An example of dimensions of the semiconductor light emitting device 1C of the present embodiment will be described. The inner diameter (length of one side when the shape of the opening 23a is square) La of the opening 23a of the electrode 23 is in the range of 5 μm to 100 μm, and is, for example, 50 μm. The thickness ta of the phase modulation layer 15 is, for example, in the range of 100 nm to 400 nm, and is, for example, 200 nm. The distance tb between the current confinement layer 21 and the contact layer 14 is in the range of 2 μm to 50 μm. In other words, the interval tb is in the range of 0.02 La to 10 La (e.g., 0.1 La) and in the range of 5.0 ta to 500 ta (e.g., 25 ta). Further, the thickness tc of the cladding layer 13 is larger than the interval tb and is in the range of 2 μm to 50 μm. In other words, the thickness tc is in the range of 0.02 La to 10 La (e.g., 0.1 La) and in the range of 5.0 ta to 500 ta (e.g., 25 ta). The thickness td of the cladding layer 11 is in the range of 1.0 μm to 3.0 μm (for example, 2.0 μm).

電極22と電極23との間に駆動電流が供給されると、駆動電流は活性層12に達する。このとき、電極23と活性層12との間を流れる電流は、厚いクラッド層13において十分に拡散するとともに、電流狭窄層21の開口21aを通過することにより、活性層12における中央部付近に均一に拡散することができる。そして、活性層12内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層12が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、クラッド層11及びクラッド層13の間に効率的に閉じ込められる。活性層12から出射されたレーザ光は、位相変調層15の内部に入射し、位相変調層15の内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層15内から出射したレーザ光は、光反射層20において反射し、クラッド層13から開口14a及び開口23aを通って外部へ出射される。   When a drive current is supplied between the electrodes 22 and 23, the drive current reaches the active layer 12. At this time, the current flowing between the electrode 23 and the active layer 12 is sufficiently diffused in the thick cladding layer 13 and passes through the opening 21 a of the current confinement layer 21 so that the central portion of the active layer 12 is uniform. Can spread. Then, recombination of electrons and holes occurs in the active layer 12, and the active layer 12 emits light. The electrons and holes that contribute to the light emission, and the generated light are efficiently confined between the cladding layer 11 and the cladding layer 13. The laser light emitted from the active layer 12 enters the inside of the phase modulation layer 15 to form a predetermined mode according to the lattice structure inside the phase modulation layer 15. The laser light emitted from the inside of the phase modulation layer 15 is reflected by the light reflection layer 20, and emitted from the cladding layer 13 to the outside through the opening 14a and the opening 23a.

(第1実施形態の具体例)
発明者らは、活性層を含む光導波路層の厚さと屈折率、コンタクト層の厚さと屈折率について、高次モードを生じない条件を検討した。その検討過程および結果を以下に説明する。
(Specific example of the first embodiment)
The inventors examined the conditions that do not generate high-order modes with respect to the thickness and refractive index of the optical waveguide layer including the active layer, and the thickness and refractive index of the contact layer. The examination process and the result are explained below.

まず、本具体例において検討対象とした半導体発光素子1Aの具体的構造について説明する。図31は、半導体発光素子1AがGaAs系化合物半導体からなる場合(発光波長940nm帯)の層構造を示す表である。図31の表には、各層の導電型、組成、層厚さ、および屈折率が示されている。なお、層番号1はコンタクト層14、層番号2は上部クラッド層13、層番号3は位相変調層15、層番号4は光ガイド層および活性層12、層番号5は下部クラッド層11を示す。図32は、図31に示された層構造を備える半導体発光素子1Aの屈折率分布G21aおよびモード分布G21bを示す。なお横軸は積層方向位置(範囲は2.5μm)を表す。このとき、基本モードのみが生じており、高次モードが抑制されていることが分かる。   First, the specific structure of the semiconductor light emitting device 1A to be studied in this specific example will be described. FIG. 31 is a table showing a layer structure when the semiconductor light emitting element 1A is made of a GaAs based compound semiconductor (emission wavelength 940 nm band). The table of FIG. 31 shows the conductivity type, composition, layer thickness, and refractive index of each layer. The layer number 1 indicates the contact layer 14, the layer number 2 indicates the upper cladding layer 13, the layer number 3 indicates the phase modulation layer 15, the layer number 4 indicates the light guide layer and the active layer 12, and the layer number 5 indicates the lower cladding layer 11. . FIG. 32 shows the refractive index distribution G21a and the mode distribution G21b of the semiconductor light emitting device 1A having the layer structure shown in FIG. The horizontal axis represents the position in the stacking direction (range: 2.5 μm). At this time, it can be seen that only the fundamental mode is generated, and the higher order mode is suppressed.

図33は、半導体発光素子1AがInP系化合物半導体からなる場合(発光波長1300nm帯)の層構造を示す表である。層番号1はコンタクト層14、層番号2は上部クラッド層13、層番号3は位相変調層15、層番号4は光ガイド層および活性層12、層番号5は下部クラッド層11を示す。図34は、図33に示された層構造を備える半導体発光素子1Aの屈折率分布G22aおよびモード分布G22bを示す。なお横軸は積層方向位置(範囲は2.5μm)を表す。このとき、基本モードのみが生じており、高次モードが抑制されていることが分かる。   FIG. 33 is a table showing a layer structure when the semiconductor light emitting element 1A is made of an InP-based compound semiconductor (emission wavelength 1300 nm band). The layer number 1 indicates the contact layer 14, the layer number 2 indicates the upper cladding layer 13, the layer number 3 indicates the phase modulation layer 15, the layer number 4 indicates the light guide layer and the active layer 12, and the layer number 5 indicates the lower cladding layer 11. FIG. 34 shows the refractive index distribution G22a and the mode distribution G22b of the semiconductor light emitting device 1A provided with the layer structure shown in FIG. The horizontal axis represents the position in the stacking direction (range: 2.5 μm). At this time, it can be seen that only the fundamental mode is generated, and the higher order mode is suppressed.

図35は、半導体発光素子1Aが窒化物系化合物半導体からなる場合(発光波長405nm帯)の層構造を示す表である。層番号1はコンタクト層14、層番号2は上部クラッド層13、層番号3はキャリア障壁層、層番号4は活性層12、層番号5は光ガイド層、層番号6は位相変調層15、層番号7は下部クラッド層11を示す。図36は、図35に示された層構造を備える半導体発光素子1Aの屈折率分布G23aおよびモード分布G23bを示す。なお横軸は積層方向位置(範囲は2.5μm)を表す。このとき、基本モードのみが生じており、高次モードが抑制されていることが分かる。   FIG. 35 is a table showing a layer structure when the semiconductor light emitting element 1A is made of a nitride compound semiconductor (emission wavelength 405 nm band). Layer No. 1 is contact layer 14, layer No. 2 is upper clad layer 13, layer No. 3 is carrier barrier layer, layer No. 4 is active layer 12, layer No. 5 is optical guide layer, layer No. 6 is phase modulation layer 15, Layer number 7 indicates the lower cladding layer 11. FIG. 36 shows the refractive index distribution G23a and the mode distribution G23b of the semiconductor light emitting device 1A having the layer structure shown in FIG. The horizontal axis represents the position in the stacking direction (range: 2.5 μm). At this time, it can be seen that only the fundamental mode is generated, and the higher order mode is suppressed.

なお、上記の各構造において、位相変調層15のフィリングファクタ(Filling Factor:FF)は15%である。フィリングファクタとは、1つの単位構成領域R内に占める異屈折率領域15bの面積の比率である。   In each of the above structures, the filling factor (FF) of the phase modulation layer 15 is 15%. The filling factor is the ratio of the area of the modified refractive index area 15 b occupied in one unit constituent area R.

次に、検討の前提条件について説明する。以下の検討では、TEモードを前提とした。すなわち、漏れモードおよびTMモードは考慮されていない。また、下部クラッド層11が十分に厚く、半導体基板10の影響は無視できるものである。また、上部クラッド層13の屈折率が、下部クラッド層11の屈折率以下である。そして、活性層12(MQW層)および光ガイド層は、特に分けて記載しない限り、平均誘電率と合計膜厚とを有する1つの光導波路層(コア層)と見なされる。更に、位相変調層15の誘電率は、フィリングファクタに基づく平均誘電率である。   Next, the preconditions for the study will be described. In the following examination, TE mode was assumed. That is, leak mode and TM mode are not considered. In addition, the lower cladding layer 11 is sufficiently thick, and the influence of the semiconductor substrate 10 can be ignored. Further, the refractive index of the upper cladding layer 13 is equal to or less than the refractive index of the lower cladding layer 11. And, the active layer 12 (MQW layer) and the light guide layer are regarded as one optical waveguide layer (core layer) having an average dielectric constant and a total film thickness unless otherwise described. Furthermore, the dielectric constant of the phase modulation layer 15 is an average dielectric constant based on the filling factor.

活性層12および光ガイド層からなる光導波路層の平均屈折率および膜厚の計算式は以下の通りである。すなわち、εcoreは光導波路層の平均誘電率であり、以下の式(28)で規定される。εiは各層の誘電率であり、diは各層の厚さであり、niは各層の屈折率である。ncoreは光導波路層の平均屈折率であり、以下の式(29)で規定される。dcoreは光導波路層の膜厚であり、以下の式(30)で規定される。


Formulas for calculating the average refractive index and the film thickness of the optical waveguide layer including the active layer 12 and the light guide layer are as follows. That is, ε core is the average dielectric constant of the optical waveguide layer, which is defined by the following equation (28). ε i is the dielectric constant of each layer, d i is the thickness of each layer, and n i is the refractive index of each layer. n core is an average refractive index of the optical waveguide layer, which is defined by the following equation (29). d core is a film thickness of the optical waveguide layer, which is defined by the following equation (30).


また、位相変調層15の平均屈折率の計算式は以下の通りである。すなわち、nPMは位相変調層15の平均屈折率であり、以下の式(31)で規定される。εPMは位相変調層15の誘電率であり、n1は第1屈折率媒質の屈折率であり、n2は第2屈折率媒質の屈折率であり、FFはフィリングファクタである。
Further, the formula for calculating the average refractive index of the phase modulation layer 15 is as follows. That is, n PM is an average refractive index of the phase modulation layer 15, and is defined by the following equation (31). ε PM is the dielectric constant of the phase modulation layer 15, n 1 is the refractive index of the first refractive index medium, n 2 is the refractive index of the second refractive index medium, and FF is the filling factor.

以下の検討では、5層もしくは6層のスラブ型導波路によって導波路構造の近似が行われた。図37(a)および図37(b)は、6層のスラブ型導波路によって導波路構造を近似する場合を説明するための断面図および屈折率分布である。図38(a)および図38(b)は、5層のスラブ型導波路によって導波路構造を近似する場合を説明するための断面図および屈折率分布である。図37(a)および図37(b)に示されたように、位相変調層15の屈折率が下部クラッド層11の屈折率より小さい場合には位相変調層15に導波機能がないので、6層のスラブ型導波路について近似が行われた。すなわち、光導波路層は、活性層12および光ガイド層を含む一方、下部クラッド層11、上部クラッド層13、および位相変調層15を含まない構造を有する。このような近似は、例えば図33および図35に示された構造(本具体例ではInP系化合物半導体、もしくは窒化物系化合物半導体)に適用されることができる。   In the following discussion, an approximation of the waveguide structure was made with a five or six layer slab waveguide. FIGS. 37 (a) and 37 (b) are a cross-sectional view and a refractive index profile for describing the case where the waveguide structure is approximated by six slab waveguides. FIG. 38A and FIG. 38B are a cross-sectional view and a refractive index distribution for describing the case where the waveguide structure is approximated by a five-layer slab waveguide. As shown in FIGS. 37 (a) and 37 (b), when the refractive index of the phase modulation layer 15 is smaller than the refractive index of the lower cladding layer 11, the phase modulation layer 15 has no waveguiding function, An approximation was made for a six-layer slab waveguide. That is, the optical waveguide layer has a structure that includes the active layer 12 and the light guide layer, but does not include the lower cladding layer 11, the upper cladding layer 13, and the phase modulation layer 15. Such approximation can be applied to, for example, the structures shown in FIGS. 33 and 35 (in this example, InP-based compound semiconductors or nitride-based compound semiconductors).

また、図38(a)および図38(b)に示されたように、位相変調層15の屈折率が下部クラッド層11の屈折率以上の場合には位相変調層15に導波機能があるので、5層のスラブ型導波路について近似が行われた。すなわち、光導波路層は、位相変調層15および活性層12を含む一方、下部クラッド層11および上部クラッド層13を含まない構造を有する。このような近似は、例えば図19に示された構造(本実施例ではGaAs系化合物半導体)に適用されることができる。   Also, as shown in FIGS. 38A and 38B, when the refractive index of the phase modulation layer 15 is equal to or higher than the refractive index of the lower cladding layer 11, the phase modulation layer 15 has a waveguiding function. So an approximation was made for a five-layer slab waveguide. That is, the optical waveguide layer has a structure that includes the phase modulation layer 15 and the active layer 12 but does not include the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13. Such an approximation can be applied to, for example, the structure shown in FIG. 19 (in this embodiment, a GaAs based compound semiconductor).

更に、計算をより簡略化するために、半導体発光素子1Aの等価屈折率よりも屈折率が高い光導波路層およびコンタクト層それぞれの周辺部分に計算範囲が限定されている。すなわち、光導波路層および該光導波路層に隣接する上下の層によって、光導波路層に関する3層スラブ構造が規定され、コンタクト層14および隣接する上下の層によって、コンタクト層14に関する3層スラブ構造が規定される。   Furthermore, in order to further simplify the calculation, the calculation range is limited to the peripheral portion of each of the optical waveguide layer and the contact layer whose refractive index is higher than the equivalent refractive index of the semiconductor light emitting element 1A. That is, the optical waveguide layer and upper and lower layers adjacent to the optical waveguide layer define a three-layer slab structure of the optical waveguide layer, and the contact layer 14 and the adjacent upper and lower layers form a three-layer slab structure of the contact layer 14 It is prescribed.

図39(a)および図39(b)は、6層のスラブ型導波路(図37(a)および図37(b)参照)における、光導波路層に関する3層スラブ構造を説明するための断面図および屈折率分布である。この場合、図39(b)の屈折率分布において実線で示された屈折率分布に基づいて、光導波路層の導波モードが計算される。また、図40(a)および図40(b)は、6層のスラブ型導波路(図37(a)および図37(b)参照)における、コンタクト層14に関する3層スラブ構造を説明するための断面図および屈折率分布である。この場合、図40(b)において実線で示された屈折率分布に基づいて、コンタクト層14の導波モードが計算される。   39 (a) and 39 (b) are cross-sectional views for explaining a three-layer slab structure related to the optical waveguide layer in six slab type waveguides (see FIGS. 37 (a) and 37 (b)) Figure and refractive index distribution. In this case, the waveguide mode of the optical waveguide layer is calculated based on the refractive index distribution indicated by the solid line in the refractive index distribution of FIG. 39 (b). FIGS. 40 (a) and 40 (b) illustrate the three-layer slab structure of the contact layer 14 in a six-layer slab waveguide (see FIGS. 37 (a) and 37 (b)). And a refractive index distribution. In this case, the waveguide mode of the contact layer 14 is calculated based on the refractive index distribution shown by the solid line in FIG. 40 (b).

図41(a)および図41(b)は、5層のスラブ型導波路(図38参照)における、光導波路層に関する3層スラブ構造を説明するための断面図および屈折率分布である。この場合、図41(b)において実線で示された屈折率分布に基づいて、光導波路層の導波モードが計算される。また、図42(a)および図42(b)は、5層のスラブ型導波路(図38参照)における、コンタクト層14に関する3層スラブ構造を説明するための断面図および屈折率分布である。この場合、図42(b)において実線で示された屈折率分布に基づいて、コンタクト層14の導波モードが計算される。   41 (a) and 41 (b) are a cross-sectional view and a refractive index distribution for describing a three-layer slab structure related to an optical waveguide layer in a five-layer slab waveguide (see FIG. 38). In this case, the waveguide mode of the optical waveguide layer is calculated based on the refractive index distribution indicated by the solid line in FIG. 41 (b). FIGS. 42A and 42B are a cross-sectional view and a refractive index distribution for describing a three-layer slab structure related to the contact layer 14 in a five-layer slab waveguide (see FIG. 38). . In this case, the waveguide mode of the contact layer 14 is calculated based on the refractive index distribution shown by the solid line in FIG. 42 (b).

なお、上述の3層スラブ構造による近似の際、下部クラッド層11を経て半導体基板10に導波モードが漏れないようにするために、下部クラッド層11の屈折率が半導体発光素子1Aの等価屈折率以下であることを要する。   The refractive index of the lower cladding layer 11 is equivalent to the equivalent refraction of the semiconductor light emitting element 1A so that the waveguide mode does not leak to the semiconductor substrate 10 through the lower cladding layer 11 in the approximation by the above-described three-layer slab structure. It needs to be below the rate.

ここで、3層スラブ構造の解析式について説明する。図43(a)および図43(b)は、下部クラッド層11、光導波路層31、および上部クラッド層13からなる3層スラブ構造30と、その屈折率分布とを示す。ここでは、下部クラッド層11の屈折率をn2とし、光導波路層31の屈折率をn1とし、上部クラッド層13の屈折率をn3とする。そして、光導波路層31の規格化導波路幅V1が上記式(1)によって規定されたとき、規格化導波路幅V1の解が1つのみとなる範囲内であれば、導波モードは基本モードのみとなる。ただし、3層スラブ構造の解析式で、上記の5層スラブ構造および6層スラブ構造の導波モードを調べるときには、下部クラッド層11に導波モードが漏れない必要があるので、上記式(2)に示す条件も同時に満たしている必要がある。 Here, an analysis formula of the three-layer slab structure will be described. 43 (a) and 43 (b) show a three-layer slab structure 30 composed of the lower cladding layer 11, the optical waveguide layer 31, and the upper cladding layer 13 and the refractive index distribution thereof. Here, the refractive index of the lower clad layer 11 and n 2, the refractive index of the optical waveguide layer 31 is n 1, the refractive index of the upper cladding layer 13 and n 3. When the standard influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer 31 is defined by the above formula (1), as long as it is within the range of solutions of standard influencing for good waveguide width V 1 is the only one guided mode Is the basic mode only. However, when the waveguide modes of the above-mentioned five-layer slab structure and six-layer slab structure are examined by the analysis formula of the three-layer slab structure, the waveguide mode does not have to leak to the lower cladding layer 11. The conditions shown in) also need to be satisfied at the same time.

コンタクト層14に関しては、図43(a)および図43(b)において下部クラッド層11を上部クラッド層13に、光導波路層31をコンタクト層14に、上部クラッド層13を空気層に、それぞれ置き換えるとよい。そして、コンタクト層14の屈折率をn4とし、空気層の屈折率をn5とすると、コンタクト層14の規格化導波路幅V2に関する上記式(5)が得られる。そして、規格化導波路幅V2の解がない範囲内であれば、コンタクト層14に導波モードは存在しない。ただし、3層スラブ構造の解析式で、上記の5層スラブ構造および6層スラブ構造の導波モードを調べるときには、下部クラッド層11に導波モードが漏れない必要があるので、上記式(6)に示す条件も同時に満たしている必要がある。 As for the contact layer 14, in FIG. 43 (a) and FIG. 43 (b), the lower cladding layer 11 is replaced with the upper cladding layer 13, the optical waveguide layer 31 is replaced with the contact layer 14, and the upper cladding layer 13 is replaced with the air layer. It is good. Then, assuming that the refractive index of the contact layer 14 is n 4 and the refractive index of the air layer is n 5 , the above equation (5) regarding the normalized waveguide width V 2 of the contact layer 14 is obtained. Then, within the range in which there is no solution of the normalized waveguide width V 2 , no waveguide mode exists in the contact layer 14. However, when the waveguide modes of the above-mentioned five-layer slab structure and six-layer slab structure are examined by the analysis formula of the three-layer slab structure, the waveguide mode does not have to leak to the lower cladding layer 11. The conditions shown in) also need to be satisfied at the same time.

なお、上部クラッド層13の膜厚を変化させて発生する導波モードを解析することで、上部クラッド層13の膜厚が導波モードに影響を与えないことが確認できた。   By analyzing the waveguide mode generated by changing the film thickness of the upper cladding layer 13, it was confirmed that the film thickness of the upper cladding layer 13 does not affect the waveguide mode.

(半導体発光素子1AがGaAs系化合物半導体からなる場合)
図44は、半導体発光素子1AがGaAs系化合物半導体からなる場合の5層スラブ構造の例を示す表である。この5層スラブ構造における光導波路層(層番号4)およびコンタクト層(層番号2)の膜厚の範囲は、以下の計算によって求められる。
(When the semiconductor light emitting element 1A is made of a GaAs compound semiconductor)
FIG. 44 is a table showing an example of a five-layer slab structure in the case where the semiconductor light emitting element 1A is made of a GaAs based compound semiconductor. The range of the film thickness of the optical waveguide layer (layer No. 4) and the contact layer (layer No. 2) in this five-layer slab structure can be obtained by the following calculation.

図45(a)は、計算に用いられた屈折率n1、n2、およびn3、非対称パラメータa’および下部クラッド層11の屈折率ncladを示す表である。この場合、上記式(1)および式(2)によって示される光導波路層の規格化導波路幅Vと、規格化伝搬係数bとの関係が、図46に示されている。図46中、グラフG31a〜G31fは、それぞれ、モード次数N=0〜5の場合を示す。このグラフにおいて、導波モードが基本モード(すなわちN=0)のみとなるのは、規格化導波路幅V1の解が1つとなる範囲であって、範囲H1の内側である。範囲Hは、規格化伝搬係数bが0であるときのN=0に対応する規格化導波路幅V1の値を下限値とし、規格化伝搬係数bが0であるときのN=1に対応する規格化導波路幅V1の値を上限値とする範囲である。図45(b)は、そのような下限値および上限値の計算結果を示す表である。 FIG. 45 (a) is a table showing the refractive indices n 1 , n 2 and n 3 , the asymmetry parameter a ′, and the refractive index n clad of the lower cladding layer 11 used in the calculation. In this case, the equation standards influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer, indicated by (1) and (2), the relationship between the normalized propagation coefficients b, is shown in Figure 46. In FIG. 46, graphs G31a to G31f indicate the cases of mode orders N = 0 to 5, respectively. In this graph, the waveguide mode is only the fundamental mode (i.e. N = 0), the solution of standard influencing for good waveguide width V 1 is a one becomes a range, which is inside the range H 1. The range H 1 has a lower limit value of the normalized waveguide width V 1 corresponding to N = 0 when the normalized propagation coefficient b is 0, and N = 1 when the normalized propagation coefficient b is 0. The upper limit value is a value corresponding to the normalized waveguide width V 1 corresponding to FIG. 45 (b) is a table showing calculation results of such lower limit value and upper limit value.

また、図47(a)は、計算に用いられた屈折率n4、n5、およびn6、非対称パラメータa’および下部クラッド層11の屈折率ncladを示す表である。この場合、上記式(5)および式(6)によって示されるコンタクト層14の規格化導波路幅Vと、規格化伝搬係数bとの関係が、図48に示されている。図48中、グラフG32a〜G32fは、それぞれモード次数N=0〜5の場合を示す。このグラフにおいて、コンタクト層14に起因する導波モードが生じず、半導体発光素子1Aの導波モードが光導波路層の基本モードのみとなるのは、規格化導波路幅Vの解が無い範囲であって、範囲Hの内側である。範囲Hは、0を下限値とし、規格化伝搬係数bが下部クラッド層11の屈折率に対応する値bであるときのN=0に対応する規格化導波路幅Vの値を上限値とする範囲である。図47(b)は、そのような上限値の計算結果を示す表である。 FIG. 47 (a) is a table showing the refractive indices n 4 , n 5 , and n 6 , the asymmetry parameter a ′, and the refractive index n clad of the lower cladding layer 11 used in the calculation. In this case, the above equation (5) and standards influencing for good waveguide width V 2 of the contact layer 14 as indicated by the equation (6), the relationship between the normalized propagation coefficients b, is shown in Figure 48. In FIG. 48, graphs G32a to G32f indicate the cases of mode orders N = 0 to 5, respectively. In this graph, the guided mode due to the contact layer 14 does not occur, the waveguide mode of the semiconductor light emitting device 1A is only the fundamental mode of the optical waveguide layer is no solution standards influencing for good waveguide width V 2 range a is a inner range H 2. The range H 2 has a lower limit value of 0, and a normalized waveguide width V 2 corresponding to N = 0 when the normalized propagation coefficient b is a value b 1 corresponding to the refractive index of the lower cladding layer 11 It is a range to be an upper limit value. FIG. 47 (b) is a table showing the calculation results of such upper limit value.

図49は、図44に示された層構造を備える半導体発光素子1Aの屈折率分布G24aおよびモード分布G24bを示す。基本モードのみが顕著に生じており、高次モードが抑制されていることがわかる。   FIG. 49 shows the refractive index distribution G24a and the mode distribution G24b of the semiconductor light emitting device 1A having the layer structure shown in FIG. It can be seen that only the fundamental mode is prominent and the higher order modes are suppressed.

(半導体発光素子1AがInP系化合物半導体からなる場合)
図50は、半導体発光素子1AがInP系化合物半導体からなる場合の6層スラブ構造の例を示す表である。この6層スラブ構造における光導波路層(層番号5)およびコンタクト層(層番号2)の膜厚の範囲は、以下の計算によって求められる。
(When the semiconductor light emitting element 1A is made of an InP-based compound semiconductor)
FIG. 50 is a table showing an example of a six-layer slab structure when the semiconductor light emitting element 1A is made of an InP-based compound semiconductor. The range of the film thickness of the optical waveguide layer (layer No. 5) and the contact layer (layer No. 2) in this six-layer slab structure can be obtained by the following calculation.

図51(a)は、計算に用いられた屈折率n1、n2、およびn3、非対称パラメータa’および下部クラッド層11の屈折率ncladを示す表である。この場合、上記式(1)および式(2)によって示される光導波路層の規格化導波路幅Vと、規格化伝搬係数bとの関係が、図52に示されている。図52中、グラフG33a〜G33fは、それぞれモード次数N=0〜5の場合を示す。このグラフにおいて、導波モードが基本モード(すなわちN=0)のみとなるのは、規格化導波路幅V1の解が1つとなる範囲であって、範囲H1の内側である。なお、範囲H1の定義は前述したGaAs系化合物半導体の場合と同様である。図51(b)は、下限値および上限値の計算結果を示す表である。 FIG. 51 (a) is a table showing the refractive indices n 1 , n 2 and n 3 , the asymmetry parameter a ′, and the refractive index n clad of the lower cladding layer 11 used in the calculation. In this case, the equation standards influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer, indicated by (1) and (2), the relationship between the normalized propagation coefficients b, is shown in Figure 52. In FIG. 52, graphs G33a to G33f indicate the cases of mode orders N = 0 to 5, respectively. In this graph, the waveguide mode is only the fundamental mode (i.e. N = 0), the solution of standard influencing for good waveguide width V 1 is a one becomes a range, which is inside the range H 1. The definition of the range H 1 is the same as in the case of GaAs-based compound semiconductor described above. FIG. 51 (b) is a table showing calculation results of the lower limit value and the upper limit value.

また、図53(a)は、計算に用いられた屈折率n4、n5、およびn6、非対称パラメータa’および下部クラッド層11の屈折率ncladを示す表である。この場合、上記式(5)および式(6)によって示されるコンタクト層14の規格化導波路幅V2と、規格化伝搬係数bとの関係は、図54に示すグラフのようになる。図54中、グラフG34a〜G34fは、それぞれモード次数N=0〜5の場合を示す。このグラフにおいて、コンタクト層14に起因する導波モードが生じず、半導体発光素子1Aの導波モードが光導波路層の基本モードのみとなるのは、規格化導波路幅V2の解が無い範囲であって、範囲H2の内側である。範囲H2の定義は前述したGaAs系化合物半導体の場合と同様である。図53(b)は、そのような上限値の計算結果を示す表である。 FIG. 53 (a) is a table showing the refractive indices n 4 , n 5 and n 6 , the asymmetry parameter a ′, and the refractive index n clad of the lower cladding layer 11 used in the calculation. In this case, the above equation (5) and standards influencing for good waveguide width V 2 of the contact layer 14 as indicated by the equation (6), the relationship between the normalized propagation factor b, so that the graph shown in FIG. 54. In FIG. 54, graphs G34a to G34f indicate the cases of mode orders N = 0 to 5, respectively. In this graph, the guided mode due to the contact layer 14 does not occur, the waveguide mode of the semiconductor light emitting device 1A is only the fundamental mode of the optical waveguide layer is no solution standards influencing for good waveguide width V 2 range a is a inner range H 2. Defining the range H 2 is the same as in the case of GaAs-based compound semiconductor described above. FIG. 53 (b) is a table showing the calculation results of such upper limit value.

図55は、図50に示された層構造を備える半導体発光素子1Aの屈折率分布G25aおよびモード分布G25bを示す。基本モードのみが顕著に生じており、高次モードが抑制されていることが分かる。   FIG. 55 shows the refractive index distribution G25a and the mode distribution G25b of the semiconductor light emitting device 1A provided with the layer structure shown in FIG. It can be seen that only the fundamental mode is prominent, and higher order modes are suppressed.

(半導体発光素子1Aが窒化物系化合物半導体からなる場合)
図56は、半導体発光素子1Aが窒化物系化合物半導体からなる場合の6層スラブ構造の例を示す表である。この6層スラブ構造における光導波路層(層番号4)およびコンタクト層(層番号2)の膜厚の範囲は、以下の計算によって求められる。
(When the semiconductor light emitting element 1A is made of a nitride compound semiconductor)
FIG. 56 is a table showing an example of a six-layer slab structure when the semiconductor light emitting element 1A is made of a nitride compound semiconductor. The range of the film thickness of the optical waveguide layer (layer No. 4) and the contact layer (layer No. 2) in this six-layer slab structure can be obtained by the following calculation.

図57(a)は、計算に用いられた屈折率n1、n2、およびn3、非対称パラメータa’および下部クラッド層11の屈折率ncladを示す表である。この場合、上記式(1)および式(2)によって示される光導波路層の規格化導波路幅V1と、規格化伝搬係数bとの関係が、図58に示されている。図58中、グラフG35a〜G35fは、それぞれモード次数N=0〜5の場合を示す。このグラフにおいて、導波モードが基本モード(すなわちN=0)のみとなるのは、規格化導波路幅Vの解が1つとなる範囲であって、範囲Hの内側である。範囲Hは、規格化伝搬係数bが値b1であるときのN=0に対応する規格化導波路幅V1の値を下限値とし、規格化伝搬係数bが値b1であるときのN=1に対応する規格化導波路幅V1の値を上限値とする範囲である。図57(b)は、下限値および上限値の計算結果を示す表である。 FIG. 57 (a) is a table showing the refractive indexes n 1 , n 2 and n 3 , the asymmetry parameter a ′, and the refractive index n clad of the lower cladding layer 11 used in the calculation. In this case, the equation standards influencing for good waveguide width V 1 of the optical waveguide layer, indicated by (1) and (2), the relationship between the normalized propagation coefficients b, is shown in Figure 58. In FIG. 58, graphs G35a to G35f indicate the cases of mode orders N = 0 to 5, respectively. In this graph, the waveguide mode is only the fundamental mode (i.e. N = 0), the solution of standard influencing for good waveguide width V 1 is a one becomes a range, which is inside the range H 1. When the normalized propagation coefficient b is the value b 1 , the range H 1 has the lower limit value of the normalized waveguide width V 1 corresponding to N = 0 when the normalized propagation coefficient b is the value b 1. The upper limit value is a value of the normalized waveguide width V 1 corresponding to N = 1 of FIG. 57 (b) is a table showing calculation results of the lower limit value and the upper limit value.

また、図59(a)は、計算に用いられた屈折率n4、n5、およびn6、非対称パラメータa’および下部クラッド層11の屈折率ncladを示す表である。この場合、上記式(5)および式(6)によって示されるコンタクト層14の規格化導波路幅V2と、規格化伝搬係数bとの関係が、図60に示されている。図60中、グラフG36a〜G36fは、それぞれモード次数N=0〜5の場合を示す。このグラフにおいて、コンタクト層14に起因する導波モードが生じず、半導体発光素子1Aの導波モードが光導波路層の基本モードのみとなるのは、規格化導波路幅V2の解が無い範囲であって、範囲H2の内側である。範囲H2の定義は前述したGaAs系化合物半導体の場合と同様である。図59(b)は、そのような上限値の計算結果を示す表である。 FIG. 59 (a) is a table showing the refractive indices n 4 , n 5 and n 6 , the asymmetry parameter a ′, and the refractive index n clad of the lower cladding layer 11 used in the calculation. In this case, the above equation (5) and standards influencing for good waveguide width V 2 of the contact layer 14 as indicated by the equation (6), the relationship between the normalized propagation coefficients b, is shown in Figure 60. In FIG. 60, graphs G36a to G36f indicate the cases of mode orders N = 0 to 5, respectively. In this graph, the guided mode due to the contact layer 14 does not occur, the waveguide mode of the semiconductor light emitting device 1A is only the fundamental mode of the optical waveguide layer is no solution standards influencing for good waveguide width V 2 range a is a inner range H 2. Defining the range H 2 is the same as in the case of GaAs-based compound semiconductor described above. FIG. 59 (b) is a table showing the calculation results of such upper limit value.

図61は、図56に示された層構造を備える半導体発光素子1Aの屈折率分布G26aおよびモード分布G26bを示す。基本モードのみが顕著に生じており、高次モードが抑制されていることが分かる。   FIG. 61 shows the refractive index distribution G26a and the mode distribution G26b of the semiconductor light emitting device 1A provided with the layer structure shown in FIG. It can be seen that only the fundamental mode is prominent, and higher order modes are suppressed.

本発明による発光装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではGaAs系、InP系、及び窒化物系(特にGaN系)の化合物半導体からなるレーザ素子を例示したが、本発明は、これら以外の様々な半導体材料からなるレーザ素子に適用できる。   The light emitting device according to the present invention is not limited to the embodiment described above, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, the laser devices made of GaAs, InP, and nitride (especially GaN) compound semiconductors are exemplified, but the present invention is applied to laser devices made of various other semiconductor materials. it can.

また、上記実施形態では位相変調層15と共通の半導体基板10上に設けられた活性層12を発光部とする例を説明したが、本発明においては、発光部は半導体基板10から分離して設けられてもよい。発光部が位相変調層と光学的に結合され、位相変調層に光を供給するものであれば、そのような構成であっても上記実施形態と同様の効果を好適に奏することができる。   In the above embodiment, an example in which the active layer 12 provided on the semiconductor substrate 10 common to the phase modulation layer 15 is used as the light emitting portion has been described, but in the present invention, the light emitting portion is separated from the semiconductor substrate 10 It may be provided. As long as the light emitting unit is optically coupled to the phase modulation layer and supplies light to the phase modulation layer, the same effect as that of the above embodiment can be suitably achieved even with such a configuration.

1A…半導体発光素子、1B…発光装置、1C…半導体発光素子、4…駆動回路、6…支持基板、7…制御回路、10…半導体基板、10a…主面、10b…裏面、11,13…クラッド層、12…活性層、14…コンタクト層、14a…開口、15…位相変調層、15a…基本層、15b,15c…異屈折率領域、16,17,22,23…電極、17a,23a…開口、18…保護膜、19…反射防止膜、20…光反射層、21…電流狭窄層、21a…開口、24…保護膜、25…反射防止膜、a…格子間隔、AD,AL,AR,AU…進行波、B1…第1光像部分、B2…第2光像部分、BD,BL,BR,BU…ビームパターン、D…直線、G…重心、O…格子点、R…単位構成領域、RIN…内側領域、ROUT…外側領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A ... Semiconductor light emitting element, 1B ... Light emitting device, 1C ... Semiconductor light emitting element, 4 ... Drive circuit, 6 ... Support substrate, 7 ... Control circuit, 10 ... Semiconductor substrate, 10a ... Principal surface, 10b ... Back surface, 11, 13 ... Cladding layer 12 Active layer 14 Contact layer 14a Opening 14 Phase modulation layer 15a Basic layer 15b, 15c Differential refractive index region 16, 17, 22, 23 Electrode 17a, 23a ... opening 18 protective film 19 antireflective film 20 light reflection layer 21 current constricting layer 21a opening 24 protective film 25 antireflective film a: lattice spacing AD, AL, AR, AU: traveling wave, B1: first light image portion, B2: second light image portion, BD, BL, BR, BU: beam pattern, D: straight line, G: center of gravity, O: lattice point, R: unit Composition area, RIN ... inner area, ROUT ... outer area.

Claims (5)

基本層、及び前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域を有し、基板上に設けられて発光部と光学的に結合された位相変調層を備え、前記基板の主面に垂直な方向または該方向に対して傾斜した方向、或いはその両方に光像を出力する発光装置の前記位相変調層を設計する方法であって、
前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記位相変調層の中心点を挟んで一方の格子点配列方向に並ぶ第1領域及び第2領域、並びに、前記位相変調層の中心点を挟んで他方の格子点配列方向に並ぶ第3領域及び第4領域を定義するとき、前記第2領域から前記第1領域への向きに進む第1進行波、前記第1領域から前記第2領域への向きに進む第2進行波、前記第4領域から前記第3領域への向きに進む第3進行波、及び、前記第3領域から前記第4領域への向きに進む第4進行波のそれぞれに関する、前記光像に対応する複数の複素振幅分布を用意する第1ステップと、
各進行波に関する複素振幅分布を修正する第2ステップと、
各進行波に関する修正後の前記複素振幅分布を重ね合わせて総合的な複素振幅分布を求める第3ステップと、
前記総合的な複素振幅分布から位相分布を抽出し、前記位相分布に基づいて各異屈折率領域の重心位置を決定する第4ステップと、を含み、
前記第2ステップでは、前記第1進行波及び前記第2進行波の一方に関する前記複素振幅分布の位相項の正負を反転させるとともに、前記第3進行波及び前記第4進行波の一方に関する前記複素振幅分布の位相項の正負を反転させ、
前記第4ステップでは、各異屈折率領域の重心を、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置するとともに、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離を、前記位相分布に基づいて決定する、位相変調層設計方法。
A base layer and a plurality of different refractive index regions different in refractive index from the base layer, and provided with a phase modulation layer provided on a substrate and optically coupled to a light emitting portion, the main surface of the substrate A method of designing the phase modulation layer of a light emitting device which outputs an optical image in a perpendicular direction or a direction inclined with respect to the direction, or both.
When a virtual tetragonal lattice is set in a plane perpendicular to the thickness direction of the phase modulation layer, the first region and the second region arranged in one lattice point arranging direction across the center point of the phase modulation layer And, when defining a third region and a fourth region arranged in the other lattice point arranging direction across the center point of the phase modulation layer, a first progression from the second region to the first region Wave, a second traveling wave traveling in the direction from the first area to the second area, a third traveling wave traveling in the direction from the fourth area to the third area, and the third area to the fourth area Providing a plurality of complex amplitude distributions corresponding to the light image for each of the fourth traveling wave traveling in the direction to the region;
A second step of correcting the complex amplitude distribution for each traveling wave;
A third step of superposing the corrected complex amplitude distribution on each traveling wave to obtain an overall complex amplitude distribution;
And fourth step of extracting a phase distribution from the comprehensive complex amplitude distribution and determining a barycentric position of each modified refractive index area based on the phase distribution,
In the second step, the positive and negative of the phase term of the complex amplitude distribution relating to one of the first traveling wave and the second traveling wave are reversed, and the complex relating to one of the third traveling wave and the fourth traveling wave Invert the positive and negative of the phase term of the amplitude distribution,
In the fourth step, the centers of gravity of the different refractive index areas are disposed on a straight line which is inclined with respect to the square lattice through the lattice points of the virtual square lattice, and the centers of gravity of the respective different refractive index areas; A phase modulation layer design method, wherein a distance to a corresponding grid point is determined based on the phase distribution.
前記第2ステップにおいて、各進行波に関する前記複素振幅分布に重み付けを行う、請求項1に記載の位相変調層設計方法。   The phase modulation layer designing method according to claim 1, wherein the complex amplitude distribution related to each traveling wave is weighted in the second step. 前記第1進行波及び前記第2進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みと、前記第3進行波及び前記第4進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みとを互いに異ならせる、請求項2に記載の位相変調層設計方法。   The weight added to each complex amplitude distribution related to the first traveling wave and the second traveling wave and the weight added to each complex amplitude distribution related to the third traveling wave and the fourth traveling wave are different from each other. 2. The phase modulation layer design method according to 2. 前記第1進行波及び前記第2進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みと、前記第3進行波及び前記第4進行波に関する各複素振幅分布に付加する重みとの比を、前記直線と前記正方格子との成す角に基づいて定める、請求項3に記載の位相変調層設計方法。   A ratio of a weight added to each complex amplitude distribution related to the first traveling wave and the second traveling wave, and a weight added to each complex amplitude distribution related to the third traveling wave and the fourth traveling wave is the straight line The phase modulation layer design method according to claim 3, wherein the phase modulation layer is determined based on an angle formed by the square lattice. 発光部は前記基板上に設けられた活性層である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の位相変調層設計方法。   The phase modulation layer design method according to any one of claims 1 to 4, wherein the light emitting unit is an active layer provided on the substrate.
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