JP2021114485A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor laser element capable of reducing 0th-order light.SOLUTION: In individual unit constitution regions sectioned in a second virtual square lattice, lattice points of a first virtual square lattice are aligned with gravity center positions of the unit constitution regions, and gravity center positions of main different-refractive-index regions 6BM are arranged at the gravity center positions of the unit constitution regions, wherein each unit constitution region includes one main different-refractive-index region 6BM, and each unit constitution region include one gravity center of a sub different-refractive-index region 6BS. The gravity center position of the sub different-refractive-index region 6BS is a distance r apart from the gravity center position of the main different-refractive-index region 6BM, and 0.38≤(r/a)≤0.5 holds for a lattice constant a of the first virtual square lattice. The main different-refractive-index region 6BM has a periodic structure in an XY plane, and the sub different-refractive-index region 6BS has an aperiodic structure having no uniaxial array in the XY plane.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device.

本願発明者らは、下記特許文献1に記載の半導体発光素子を開発してきた(特許文献1参照)。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、活性層に光学的に結合した位相変調層とを備えた半導体発光素子において、位相変調層は、基本層と、複数の異屈折率領域とを備え、仮想的な正方格子のそれぞれの格子点の近傍において、それぞれ異屈折率領域が位置している。その他の関連技術は、特許文献2から特許文献9に記載されている。 The inventors of the present application have developed the semiconductor light emitting device described in Patent Document 1 below (see Patent Document 1). This semiconductor light emitting element is a semiconductor light emitting element including an active layer, a pair of clad layers sandwiching the active layer, and a phase modulation layer optically coupled to the active layer. The different refractive index regions are located in the vicinity of the respective lattice points of the virtual square lattice. Other related techniques are described in Patent Documents 2 to 9.

米国特許974873号明細書U.S. Pat. No. 9,74873 特開2007−208127号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-208127 特開2012−119635号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-119635 特開2010−056446号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-056446 特開2007−180120号公報JP-A-2007-180120 特開2004−296538号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-296538 特開2003−298183号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-298183 特開2009−076900号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-076900 特開2003−023193号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-0231993

位相変調層を有する半導体発光素子においては、光出射面の垂直方向延長線上に0次光が観察される。本願発明者らは、この0次光を低減する方法について、鋭意検討を行った。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、0次光を低減可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 In a semiconductor light emitting device having a phase modulation layer, 0th-order light is observed on a vertical extension line of the light emitting surface. The inventors of the present application have diligently studied a method for reducing this 0th-order light. The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of reducing 0th-order light.

上述の課題を解決するため、第1の半導体発光素子は、レーザ光の入射される位相変調層を備えたレーザ素子において、前記位相変調層は、第1屈折率媒質からなる基本層と、前記第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前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、平面形状が概略円形又は概略正方形又は90°の回転対称性を有する概略多角形であり、厚み方向に垂直な第1面積を有する主異屈折率領域と、厚み方向に垂直な第2面積を有する副異屈折率領域と、を備え、前記主異屈折率領域の重心位置は、正方格子の格子点に位置し、前記第2面積は、前記第1面積よりも大きく、単位構成領域が、1つの前記主異屈折率領域と、この周囲の最も近くに設けられた1つの前記副異屈折率領域とからなることとし、これら一対の異屈折率領域のみが各単位構成領域内に存在し、最も近くで隣接する前記主異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域が、それぞれの前記単位構成領域であり、この単位構成領域内において、前記一対の異屈折率領域の全てが、位置しており、前記単位構成領域内における、前記主異屈折率領域に対する前記副異屈折率領域の回転角度をφとし、X軸及びY軸を含むXY平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、それぞれの前記単位構成領域のXY座標をそれぞれの前記主異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、前記副異屈折率領域の重心位置は、前記主異屈折率領域の重心位置から距離rだけ離間しており、前記正方格子の格子定数をaとすると、0.38≦(r/a)≦0.5、を満たし、前記主異屈折率領域は、XY平面内において周期構造を有しており、前記副異屈折率領域は、XY平面内において、一軸方向に沿って整列しない非周期構造を有しており、光出射面に垂直でない方向に0次光以外のビームパターンを出射することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the first semiconductor light emitting element is a laser element including a phase modulation layer on which laser light is incident, and the phase modulation layer is a basic layer made of a first refractive index medium and the above. The first refractive index medium is composed of a second refractive index medium having a different refractive index, and includes a plurality of different refractive index regions existing in the basic layer, and the plurality of different refractive index regions have a substantially circular planar shape. Alternatively, it is a substantially square or a roughly polygonal shape having a rotational symmetry of 90 °, and has a main different refractive index region having a first area perpendicular to the thickness direction and a secondary different refractive index region having a second area perpendicular to the thickness direction. The position of the center of gravity of the main different refractive index region is located at the grid point of the square lattice, the second area is larger than the first area, and the unit constituent region is one of the main different refractive indexes. It is composed of a rate region and one of the sub-refractive index regions provided closest to the ratio region, and only these pair of different refractive index regions exist in each unit constituent region and are adjacent to each other closest to each other. A line segment connecting the positions of the center of gravity of the main different refractive index region is defined, and the smallest region surrounded by the perpendicular bisectors of this line segment is each of the unit constituent regions, and this unit constituent region Within, all of the pair of different refractive index regions are located, and the rotation angle of the sub-differential refractive index region with respect to the main different refractive index region in the unit constituent region is φ, and the X-axis and Y A plurality of the unit constituent regions are arranged two-dimensionally in the XY plane including the axis, and the XY coordinates of each of the unit constituent regions are given at the position of the center of gravity of each of the principal different refractive index regions. The position of the center of gravity of the sub-refractive index region is separated from the position of the center of gravity of the main refractive index region by a distance r, and assuming that the lattice constant of the square lattice is a, 0.38 ≦ (r / a). ≤0.5, the principal index of refractive index region has a periodic structure in the XY plane, and the sub-refractive index region is aperiodic in the XY plane, which is not aligned along the uniaxial direction. It has a structure and is characterized by emitting a beam pattern other than the 0th-order light in a direction not perpendicular to the light emitting surface.

すなわち、上述の格子条件を満たしつつ、格子定数aに換算した離間距離(r/a)が、0.38以上となる場合、光出射面に垂直でない方向に0次光以外のビームパターンを出射しつつも、出射光に含まれる0次光の強度が0以下になる現象が観察され、0.5以下まで、0次光の低い強度が観測された。 That is, when the separation distance (r / a) converted into the lattice constant a is 0.38 or more while satisfying the above-mentioned lattice conditions, a beam pattern other than the 0th-order light is emitted in a direction not perpendicular to the light emitting surface. However, a phenomenon was observed in which the intensity of the 0th-order light contained in the emitted light became 0 or less, and a low intensity of the 0th-order light was observed up to 0.5 or less.

それぞれの副異屈折率領域の第2面積(副面積S)が大きいほど回折強度は大きくなる。また、面積が同一であれば、副異屈折率領域による0次光強度は、主異屈折率領域による0次光強度を超えることはないため、副面積S(第2面積)>主面積S(第1面積)の場合に効果的に0次光を抑制することができる。 The larger the second area (sub-area SS ) of each sub-differential refractive index region, the larger the diffraction intensity. Further, if the areas are the same, the 0th-order light intensity in the sub-differential refractive index region does not exceed the 0th-order light intensity in the main different refractive index region, so that the sub-area SS (second area)> main area. In the case of SM (first area), the 0th-order light can be effectively suppressed.

第2の半導体発光素子においては、前記ビームパターンは、前記位相変調層におけるXY平面に平行な光出射面上に形成される実空間上の二次元電界強度分布を、二次元フーリエ変換した遠視野像であり、前記遠視野像を二次元逆フーリエ変換して得られる複素振幅f(x,y)は、虚数単位をj、振幅項をA(x,y)、位相項をP(x,y)として、f(x,y)=A(x,y)×exp[jP(x,y)]、で与えられ、前記単位構成領域内において前記副異屈折率領域の重心と、この副異屈折率領域が含まれる単位構成領域の格子点(重心)とを結ぶ線分が、X軸との成す角度φは、比例定数をC、定数をBとして、φ(x,y)=C×P(x,y)+Bで与えられることを特徴とする。 In the second semiconductor light emitting element, the beam pattern is a far-field field obtained by two-dimensional Fourier transforming a two-dimensional field strength distribution in real space formed on a light emitting surface parallel to the XY plane in the phase modulation layer. The complex amplitude f (x, y) obtained by two-dimensional inverse Fourier transformation of the far-field image is an image, the imaginary unit is j, the amplitude term is A (x, y), and the phase term is P (x, y). As y), it is given by f (x, y) = A (x, y) × exp [jP (x, y)], and the center of gravity of the sub-Cartesian index region and its sub The angle φ formed by the line segment connecting the grid points (center of gravity) of the unit constituent region including the different refractive index region with the X axis is φ (x, y) = C, where C is the proportional constant and B is the constant. It is characterized in that it is given by × P (x, y) + B.

第3の半導体発光素子においては、前記遠視野像は、実空間上の二次元電界強度分布を二次元フーリエ変換した波数空間における座標(k、k)において、複数の画像領域FR(k、k)から構成され、前記画像領域FR(k,k)は、それぞれが正方形で、波数空間における規格化した波数kを与えるKx軸方向にM2個(M2は、1以上の整数)、規格化した波数kを与えるKy軸方向にN2個(N2は、1以上の整数)、配列するように、二次元配置されており、複素振幅f(x,y)を与える前記二次元逆フーリエ変換は、以下の式で与えられる。 In the third semiconductor light emitting device, the far field pattern, two-dimensional electric field distribution coordinates in Fourier space that is two-dimensional Fourier transform of the real space (k x, k y) in a plurality of image regions FR (k x, consists k y), the image area FR (k x, k y) are each square, M2 or in the Kx-axis direction to provide a wave number k x normalized in wavenumber space (M2 is one or more integer), N2 or the Ky-axis direction to provide a wave number k y normalized (N2 is an integer of 1 or more), so as to be arranged, are arranged two-dimensionally, gives the complex amplitude f (x, y) and The two-dimensional reciprocal Fourier transform is given by the following equation.

Figure 2021114485
Figure 2021114485

第4の半導体発光素子は、前記XYZ直交座標系における座標(x,y,z)を示す球面座標(r,θtilt,θrot)は、動径の長さrと、前記Z軸からの前記動径の傾き角θtilt と、前記動径が前記XY平面上に投影された線分の前記X軸からの回転角θrotとを用いて、以下の関係を満たしている。 In the fourth semiconductor light emitting element, the spherical coordinates (r, θtilt, θrot) indicating the coordinates (x, y, z) in the XYZ Cartesian coordinate system are the length r of the radius and the motion from the Z axis. The following relationship is satisfied by using the inclination angle θtilt of the diameter and the rotation angle θrot of the line segment whose radius is projected on the XY plane from the X axis.

x=r・sinθtilt・cosθrot
y=r・sinθtilt・sinθrot
z=r・cosθtilt
x = r · sinθ tilt · cosθ rot ,
y = r · sinθ tilt · sinθ rot ,
z = r · cosθ tilt .

前記半導体発光素子から、傾き角θtilt及び回転角θrotで出射されるビーム群が形成する輝点の集合を遠視野像とすると、Kx−Ky平面における前記遠視野像は、Kx軸における規格化した波数k及びKy軸における規格化した波数kは、前記半導体発光素子の発振波長をλとして、以下の関係を満たしている。 Assuming that a set of bright spots formed by a group of beams emitted from the semiconductor light emitting element at an inclination angle θtilt and a rotation angle θrot is a far-field image, the far-field image on the Kx−Ky plane is normalized on the Kx axis. wave number k y normalized at wave numbers k x and Ky axis is the oscillation wavelength of the semiconductor light emitting device as lambda, satisfy the following relationship.

=(a/λ)・sinθtilt・cosθrot
=(a/λ)・sinθtilt・sinθrot
k x = (a / λ) ・ sinθ tilt・ cosθ rot ,
k y = (a / λ) · sinθ tilt · sinθ rot.

第5の半導体発光素子は、前記位相変調層に光学的に結合した活性層を挟む第1クラッド層及び第2クラッド層を有することを特徴とする。クラッド層があるため、率的に活性層内に光を集めることができ、レーザ光強度を向上させることができる。 The fifth semiconductor light emitting device is characterized by having a first clad layer and a second clad layer sandwiching an active layer optically bonded to the phase modulation layer. Since there is a clad layer, light can be efficiently collected in the active layer, and the laser light intensity can be improved.

本発明の半導体発光素子によれば、0次光を低減することができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the 0th order light can be reduced.

図1は、半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of a semiconductor laser device. 図2は、実施形態に係る位相変調層の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the phase modulation layer according to the embodiment. 図3は、実施形態に係る位相変調層の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the phase modulation layer according to the embodiment. 図4は、実施形態に係る位相変調層の平面図である。FIG. 4 is a plan view of the phase modulation layer according to the embodiment. 図5は、(A)実施形態における異屈折率領域の位置と、(B)比較例Aにおける異屈折率領域の位置を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the position of the different refractive index region in (A) embodiment and the position of the different refractive index region in (B) Comparative Example A. 図6は、副異屈折率領域の格子点位置からのシフト量(r/a)と、出力ビーム強度(任意単位)との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the shift amount (r / a) from the lattice point position in the sub-differential refractive index region and the output beam intensity (arbitrary unit). 図7は、第1比較例に係る位相変調層の平面図である。FIG. 7 is a plan view of the phase modulation layer according to the first comparative example. 図8は、第2比較例に係る位相変調層の平面図である。FIG. 8 is a plan view of the phase modulation layer according to the second comparative example. 図9は、第3比較例に係る位相変調層の平面図である。FIG. 9 is a plan view of the phase modulation layer according to the third comparative example. 図10は、第4比較例に係る位相変調層の平面図である。FIG. 10 is a plan view of the phase modulation layer according to the fourth comparative example. 図11は、半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device. 図12は球面座標(r,θtilt,θrot)からXYZ直交座標(x,y,z)への座標変換を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining coordinate conversion from spherical coordinates (r, θ tilt , θ rot ) to XYZ Cartesian coordinates (x, y, z).

以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子(半導体発光素子)及びレーザ装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the semiconductor laser device (semiconductor light emitting device) and the laser device according to the embodiment will be described. The same reference numerals will be used for the same elements, and duplicate description will be omitted.

図1は、半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of a semiconductor laser device.

半導体レーザ素子LDは、活性層4からのレーザ光を選択して外部に出力している。なお、半導体レーザ素子LDの構造として、活性層を有する他の半導体レーザ素子から、光ファイバを介して、或いは、直接的に、位相変調層6内にレーザ光が入射して結合する構成としてもよい。位相変調層6内に入射したレーザ光は、位相変調層6内において位相変調層の格子に応じた所定のモードを形成し、位相変調層6の表面から垂直方向に所望のパターンを有するレーザビームとして、外部に出射される。 The semiconductor laser element LD selects the laser beam from the active layer 4 and outputs it to the outside. The structure of the semiconductor laser element LD may be such that laser light is incident and coupled into the phase modulation layer 6 from another semiconductor laser element having an active layer via an optical fiber or directly. good. The laser beam incident on the phase modulation layer 6 forms a predetermined mode in the phase modulation layer 6 according to the lattice of the phase modulation layer, and has a desired pattern in the direction perpendicular to the surface of the phase modulation layer 6. Is emitted to the outside.

位相変調層6は、活性層4に光学的に結合している。ここで、位相変調層6の厚み方向をZ軸方向とし、Z軸に垂直な軸をX軸、これらの二軸の双方に垂直な軸をY軸とするXYZ三次元直交座標系を設定する。位相変調層6は、第1屈折率媒質からなる基本層6A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6A内に存在する複数の異屈折率領域6Bとを備えている。 The phase modulation layer 6 is optically coupled to the active layer 4. Here, an XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system is set in which the thickness direction of the phase modulation layer 6 is the Z-axis direction, the axis perpendicular to the Z-axis is the X-axis, and the axis perpendicular to both of these two axes is the Y-axis. .. The phase modulation layer 6 is composed of a basic layer 6A 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 regions 6B existing in the basic layer 6A. And have.

半導体レーザ素子LDは、XY面内方向において定在波を形成し、Z軸方向に位相制御された平面波を出力するレーザ光源であり、レーザ光を発生する活性層4と、活性層4を挟む上部クラッド層7及び下部クラッド層2と、これらの間に設けられ、活性層4を挟む上部光ガイド層5及び下部光ガイド層3を備えており、上部クラッド層7と活性層4との間には、位相変調層6が設けられている。なお、図1に示す構造では、第2電極E2は、コンタクト層8の中央領域に設けられている。 The semiconductor laser element LD is a laser light source that forms a standing wave in the XY in-plane direction and outputs a plane wave whose phase is controlled in the Z-axis direction, and sandwiches the active layer 4 that generates the laser light and the active layer 4. The upper clad layer 7 and the lower clad layer 2 are provided between them, and the upper optical guide layer 5 and the lower optical guide layer 3 that sandwich the active layer 4 are provided between the upper clad layer 7 and the active layer 4. Is provided with a phase modulation layer 6. In the structure shown in FIG. 1, the second electrode E2 is provided in the central region of the contact layer 8.

この構造においては、半導体基板1上には、下部クラッド層2、下部光ガイド層3、活性層4、上部光ガイド層5、位相変調層6、上部クラッド層7、コンタクト層8が順次積層されており、半導体基板1の下面には第1電極E1が設けられ、コンタクト層8の上面には第2電極E2が設けられている。第1電極E1と第2電極E2との間に駆動電流が供給された場合、活性層4内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層4が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上部光ガイド層5及び下部光ガイド層3と、上部クラッド層7及び下部クラッド層2とによって、これらの間に効率的に閉じ込められる。上部クラッド層7(第2クラッド層)及び下部クラッド層2(第1クラッド層)の屈折率は、いずれも活性層4の屈折率よりも低く、これらの層は活性層4を挟んでいる。 In this structure, the lower clad layer 2, the lower optical guide layer 3, the active layer 4, the upper optical guide layer 5, the phase modulation layer 6, the upper clad layer 7, and the contact layer 8 are sequentially laminated on the semiconductor substrate 1. The first electrode E1 is provided on the lower surface of the semiconductor substrate 1, and the second electrode E2 is provided on the upper surface of the contact layer 8. When a driving current is supplied between the first electrode E1 and the second electrode E2, recombination of electrons and holes occurs in the active layer 4, and the active layer 4 emits light. The carriers contributing to these light emission and the generated light are efficiently trapped between the upper light guide layer 5 and the lower light guide layer 3 and the upper clad layer 7 and the lower clad layer 2. The refractive indexes of the upper clad layer 7 (second clad layer) and the lower clad layer 2 (first clad layer) are both lower than the refractive index of the active layer 4, and these layers sandwich the active layer 4.

活性層4から出射されたレーザ光は、位相変調層6の内部に入射し、所定のモードを形成する。位相変調層6内に入射したレーザ光は、上部クラッド層7、コンタクト層8、第2電極E2を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直に外部に出射される。位相変調層6の実効屈折率をnとした場合、位相変調層6が選択する波長λ(=a×n)は、活性層4の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層(回折格子層)は、活性層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。 The laser beam emitted from the active layer 4 enters the inside of the phase modulation layer 6 to form a predetermined mode. The laser beam incident on the phase modulation layer 6 is emitted to the outside as a laser beam perpendicular to the substrate surface via the upper clad layer 7, the contact layer 8, and the second electrode E2. When the effective refractive index of the phase modulation layer 6 is n, the wavelength λ 0 (= a × n) selected by the phase modulation layer 6 is included in the emission wavelength range of the active layer 4. The phase modulation layer (diffraction grating layer) can select the wavelength λ 0 of the emission wavelengths of the active layer and output it to the outside.

このときの発振状態は、全ての異屈折率領域6Bが揺らぎなく周期構造を維持して配置されている場合、すなわち、第1比較例(図7)のように、異屈折率領域6Bが、正方格子の格子点位置に配置された主異屈折率領域6BMのみからなる場合、正方格子のΓ点発振に対応したものとなり、基本波の波数ベクトルが、位相変調層6の面内において、横方向(Γ−X方向)と縦方向(Γ―Y方向)を向き、正方格子の格子線に沿った4方向に主要光波が進む定在波が形成される(Γ点発振)。第1比較例(図7)のような周期構造を有する位相変調層6を用いた場合、出力されるレーザ光の遠視野像は、光束の中心位置において、0次光が観察される。一方、実施形態に係る位相変調層においては、0次光の強度が抑制される。 In the oscillation state at this time, when all the different refractive index regions 6B are arranged while maintaining the periodic structure without fluctuation, that is, as in the first comparative example (FIG. 7), the different refractive index regions 6B are arranged. When it consists only of the main refractive index region 6BM arranged at the grid point position of the square grid, it corresponds to the Γ point oscillation of the square grid, and the wave vector of the fundamental wave is lateral in the plane of the phase modulation layer 6. A standing wave is formed in which the main light wave travels in four directions along the grid lines of the square lattice, facing the direction (Γ-X direction) and the vertical direction (Γ-Y direction) (Γ-point oscillation). When the phase modulation layer 6 having a periodic structure as shown in the first comparative example (FIG. 7) is used, in the far-field image of the output laser light, the 0th-order light is observed at the center position of the luminous flux. On the other hand, in the phase modulation layer according to the embodiment, the intensity of the 0th order light is suppressed.

図2は、実施形態に係る位相変調層の斜視図であり、図3は、実施形態に係る位相変調層6の平面図である。 FIG. 2 is a perspective view of the phase modulation layer according to the embodiment, and FIG. 3 is a plan view of the phase modulation layer 6 according to the embodiment.

位相変調層6は、第1屈折率媒質からなる基本層6A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6A内に存在する複数の異屈折率領域6Bとを備えている。複数の異屈折率領域6Bは、複数の主異屈折率領域6BMと、複数の副異屈折率領域6BSとからなる。複数の主異屈折率領域6BMは、正方格子の格子点位置に配置され、周期構造を構成している。一方、副異屈折率領域6BSに関しては、それぞれの主異屈折率領域6BMを中心として、その周囲の円軌道上に配置されている。1つの主異屈折率領域6BMに着目すると、1つの副異屈折率領域6BSが、その惑星のように位置しており、XY平面内において、主異屈折率領域6BMは周期構造を有している一方で、副異屈折率領域6BSは非周期構造を有しており、一軸上には整列して配置されていない。 The phase modulation layer 6 is composed of a basic layer 6A 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 regions existing in the basic layer 6A. It is equipped with 6B. The plurality of different refractive index regions 6B are composed of a plurality of main different refractive index regions 6BM and a plurality of sub-differential refractive index regions 6BS. The plurality of main different refractive index regions 6BM are arranged at the lattice point positions of the square lattice to form a periodic structure. On the other hand, the sub-refractive index region 6BS is arranged on a circular orbit around each main refractive index region 6BM. Focusing on one major refractive index region 6BM, one sub-refractive index region 6BS is located like the planet, and the main refractive index region 6BM has a periodic structure in the XY plane. On the other hand, the sub-refractive index region 6BS has an aperiodic structure and is not aligned and arranged on one axis.

なお、図3のXY平面内において、それぞれの主異屈折率領域6BMの面積を主面積Sとし、それぞれの副異屈折率領域6BSの面積を副面積Sとする。 Incidentally, in the XY plane in FIG. 3, the area of each of the main modified refractive index region 6BM mainly area S M, the area of the respective sub-modified refractive index areas 6BS and by-area S S.

なお、副面積Sは、主面積Sよりも大きい。 Incidentally, the sub-area S S is greater than the main area S M.

位相変調層6は、異屈折率領域の配置位置を決定するための正方格子を有している。この正方格子の格子点位置に、主異屈折率領域6BMが配置される。さらに詳細には、正方格子の格子点位置に、主異屈折率領域6BMの重心位置が配置される。 The phase modulation layer 6 has a square lattice for determining the arrangement position of the different refractive index region. The main different refractive index region 6BM is arranged at the lattice point position of this square lattice. More specifically, the position of the center of gravity of the main different refractive index region 6BM is arranged at the lattice point position of the square lattice.

それぞれの主異屈折率領域6BMは、自身が属する単位構成領域内に位置している。1つの単位構成領域内には、1つの主異屈折率領域6BMが位置しており、単位構成領域の形状は正方形である。 Each main refractive index region 6BM is located in the unit constituent region to which it belongs. One main different refractive index region 6BM is located in one unit constituent region, and the shape of the unit constituent region is square.

これらの単位構成領域は、最も近くで隣接する前記主異屈折率領域6BMの重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で定義される単位構成領域境界によって区画されている。 These unit constituent regions define a line segment connecting the positions of the centers of gravity of the main different refractive index regions 6BM that are adjacent to each other closest to each other, and are defined by the unit constituent region boundaries defined by the perpendicular bisectors of this line segment. It is partitioned.

単位構成領域境界(一点鎖線)において区画された個々の単位構成領域内においては、以下のような条件が全て満たされている。 Within each unit constituent area partitioned by the unit constituent region boundary (dashed line), all of the following conditions are satisfied.

・単位構成領域(一点鎖線)の重心位置に正方格子(点線)の格子点が一致する。
・単位構成領域(一点鎖線)の重心位置に主異屈折率領域6BMの重心位置が配置されている。
・1つの単位構成領域(一点鎖線)内に含まれる主異屈折率領域6BMの数は1つである。
・1つの単位構成領域内に含まれる副異屈折率領域6BSの重心の数は1つである。
・副異屈折率領域6BSの重心位置は、主異屈折率領域6BMの重心位置から距離rだけ離間している。
・第1仮想的正方格子(点線)の格子定数をaとすると、0.38≦(r/a)≦0.5を満たす
・副異屈折率領域6BSは、一軸方向に沿って整列しない非周期構造を有している。
-The grid points of the square grid (dotted line) coincide with the position of the center of gravity of the unit constituent area (dashed line).
-The center of gravity position of the main different refractive index region 6BM is arranged at the center of gravity position of the unit constituent region (dashed line).
-The number of main different refractive index regions 6BM included in one unit constituent region (dashed line) is one.
The number of centers of gravity of the sub-differential refractive index region 6BS included in one unit constituent region is one.
The position of the center of gravity of the sub-differential refractive index region 6BS is separated from the position of the center of gravity of the main different refractive index region 6BM by a distance r.
-If the lattice constant of the first virtual square lattice (dotted line) is a, 0.38 ≤ (r / a) ≤ 0.5 is satisfied.-The sub-differential refractive index region 6BS is not aligned along the uniaxial direction. It has a periodic structure.

この半導体レーザ素子は、光出射面に垂直でない方向に0次光以外のビームパターンを出射する。なお、副異屈折率領域6BSの重心位置は、単位構成領域の外には位置しておらず、隣接する副異屈折率領域6BSが合体しないように構成されている。 This semiconductor laser device emits a beam pattern other than the 0th-order light in a direction not perpendicular to the light emitting surface. The position of the center of gravity of the sub-differential refractive index region 6BS is not located outside the unit constituent region, and is configured so that the adjacent sub-differential refractive index regions 6BS do not merge.

副異屈折率領域6BSの配置は、以下のように設定する。 The arrangement of the sub-refractive index region 6BS is set as follows.

まず、フーリエ変換をFで示し、逆フーリエ変換をF−1で示すとすると、目的となるレーザ光の遠視野像の二次元電界強度FR(x,y)を二次元逆フーリエ変換し(=F−1{FR(x,y)})、近視野像を求める。この近視野像を、位相変調層6から出力するには、XY平面内の各単位構成領域内において、主異屈折率領域6BMの重心位置から、副異屈折率領域6BSの重心位置までの距離rと、これらの重心位置を結ぶ線分とX軸のなす角度φとが、以下の条件を満たせばよい。但し、Imagは複素数のうち虚部のみを取り出す関数を意味している。また、logは自然対数を底とする対数関数を意味している。なお、P(x,y)は、後述の位相項である。 First, assuming that the Fourier transform is indicated by F and the inverse Fourier transform is indicated by F-1 , the two-dimensional electric field strength FR (x, y) of the far-field image of the target laser beam is subjected to the two-dimensional inverse Fourier transform (=). F -1 {FR (x, y)}), obtain a near-field image. In order to output this near-field image from the phase modulation layer 6, the distance from the center of gravity position of the main different refractive index region 6BM to the center of gravity position of the sub-differential refractive index region 6BS in each unit constituent region in the XY plane. The r, the line segment connecting the positions of the center of gravity, and the angle φ formed by the X-axis may satisfy the following conditions. However, Imag means a function that extracts only the imaginary part of the complex number. In addition, log means a logarithmic function whose base is the natural logarithm. Note that P (x, y) is a phase term described later.

P(x,y)=Imag[log(F-1{FR(x,y)})],
(r/a)≦0.5
但し、P(x、y)はradian表記とする。
P (x, y) = Imag [log (F -1 {FR (x, y)})],
(R / a) ≤0.5
However, P (x, y) is expressed in radian.

これらの格子条件を満たしつつ、格子定数aに換算した離間距離(r/a)が、0.38以上となる場合、レーザ光の出射光に含まれる0次光の強度が0以下になる現象が観察され、0.5以下まで、0次光の低い強度が観測される。 A phenomenon in which the intensity of the 0th-order light contained in the emitted light of the laser light becomes 0 or less when the separation distance (r / a) converted into the lattice constant a is 0.38 or more while satisfying these lattice conditions. Is observed, and low intensity of 0th order light is observed up to 0.5 or less.

図4は、図3に示した位相変調層に円形の補助線を追加した平面図である。 FIG. 4 is a plan view in which a circular auxiliary line is added to the phase modulation layer shown in FIG.

主異屈折率領域6BMの周囲を囲む円形の補助線上に、副異屈折率領域6BSが、配置されている。副異屈折率領域6BSは、一軸上に整列したり、周期性を有して配置されているわけではないが、全ての副異屈折率領域6BSの主異屈折率領域6BMからの距離r(重心間距離)は同一である。 The sub-refractive index region 6BS is arranged on a circular auxiliary line surrounding the main refractive index region 6BM. The sub-refractive index region 6BS is not aligned on one axis or arranged with periodicity, but the distance r (from the main refractive index region 6BM) of all the sub-refractive index regions 6BS The distance between the centers of gravity) is the same.

半導体発光素子から出射されるレーザ光のビームパターン(遠視野像)は、少なくとも1つのスポット、直線、十字架、図形、写真、CG(コンピュータグラフィックス)、又は、文字を含むことができる。例えば、文字「A」を表示しようとする場合、ビームパターン(遠視野像)を二次元逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相に応じた角度φの方向に、異屈折率領域の重心位置Gを、仮想的な正方格子の格子点位置Oからずらせばよい。角度φを調整することにより、任意のビームパターンや一対の斜め方向単峰ビームを得ることもできる。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。 The beam pattern (far-field image) of the laser beam emitted from the semiconductor light emitting device can include at least one spot, a straight line, a cross, a figure, a photograph, a CG (computer graphics), or a character. For example, when the letter "A" is to be displayed, the beam pattern (far-field image) is subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform, and the position of the center of gravity of the different refractive index region is performed in the direction of the angle φ corresponding to the phase of the complex amplitude. G may be shifted from the grid point position O of the virtual square grid. By adjusting the angle φ, it is possible to obtain an arbitrary beam pattern or a pair of diagonal single peak beams. The far-field image after Fourier transform of the laser beam shall take various shapes such as a single or multiple spot shape, an annulus shape, a linear shape, a character shape, a double annulus shape, or a Laguerre Gaussian beam shape. Can be done.

また、ビーム方向についても、制御することができるため、レーザ素子を1次元又は2次元にアレイ化することにより、高速走査を電気的に行うレーザ加工機などにも利用することができる。 Further, since the beam direction can also be controlled, it can be used for a laser processing machine or the like that electrically performs high-speed scanning by arranging the laser elements in one dimension or two dimensions.

また、フーリエ変換又は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。 Further, as a method of obtaining the intensity distribution and the phase distribution from the complex amplitude distribution obtained by the Fourier transform or the inverse Fourier transform, for example, for the intensity distribution I (x, y), the abs of the numerical analysis software "MATLAB" of MathWorks Co., Ltd. It can be calculated by using a function, and the phase distribution P (x, y) can be calculated by using the angular function of MATLAB.

XY平面内におけるビームパターン(遠視野像)の特定の領域を二次元逆フーリエ変換した複素振幅F(X,Y)は、jを虚数単位として、XY平面内の強度分布I(X,Y)と、XY平面内の位相分布P(X,Y)を用いて、F(X,Y)=I(X,Y)×exp{P(X,Y)j}で与えられ、位相変調層6において、第1仮想的正方格子のそれぞれの格子点から、対応するそれぞれの副異屈折率領域6BSの重心へ向かう方向と、X軸との成す角度をφとし、定数をCとし、X軸方向におけるx番目、Y軸方向におけるy番目の仮想的な正方格子点の位置を(x、y)とし、位置(x,y)における角度をφ(x,y)とすると、φ(x、y)=C×P(X,Y)を満たしている。 The complex amplitude F (X, Y) obtained by two-dimensional inverse Fourier transformation of a specific region of the beam pattern (far-view image) in the XY plane is the intensity distribution I (X, Y) in the XY plane with j as an imaginary unit. And, using the phase distribution P (X, Y) in the XY plane, it is given by F (X, Y) = I (X, Y) × exp {P (X, Y) j}, and the phase modulation layer 6 In, the angle formed by the X-axis and the direction from each lattice point of the first virtual square lattice toward the center of gravity of each corresponding sub-Cartesian refractive index region 6BS is φ, the constant is C, and the X-axis direction. If the position of the x-th and y-th virtual square grid points in the Y-axis direction is (x, y) and the angle at the position (x, y) is φ (x, y), then φ (x, y) ) = C × P (X, Y) is satisfied.

図5は、(A)実施形態における異屈折率領域の位置と、(B)比較例Aにおける異屈折率領域の位置を示す概略図である。 FIG. 5 is a schematic view showing the position of the different refractive index region in (A) embodiment and the position of the different refractive index region in (B) Comparative Example A.

実施形態においては、任意の主異屈折率領域6BMの重心位置がXY平面上で原点Oの位置に存在すると仮定し、この仮の原点OからのX軸方向の距離をx、Y軸方向の距離をyとすると、副異屈折率領域6BSの重心位置Gは、主異屈折率領域6BMの重心位置から、距離r(x,y)の位置にある(r=(x+y1/2)。原点Oと重心位置Gとを結ぶ線分がX軸となす角度をφ(x,y)とする。なお、副異屈折率領域6BSの直径はDとする。 In the embodiment, it is assumed that the position of the center of gravity of an arbitrary main Cartesian refractive index region 6BM exists at the position of the origin O on the XY plane, and the distance in the X-axis direction from this temporary origin O is set in the x and Y-axis directions. Assuming that the distance is y, the center of gravity position G of the sub-differential refractive index region 6BS is located at a distance r (x, y) from the position of the center of gravity of the main different refractive index region 6BM (r = (x 2 + y 2 ) 1 ). / 2 ). Let φ (x, y) be the angle formed by the line segment connecting the origin O and the position G of the center of gravity with the X axis. The diameter of the sub-refractive index region 6BS is D.

比較例Aにおいては、実施形態において、原点Oの位置に存在する主異屈折率領域6BMを取り除いた構造とする。実施形態においては、0次光の強度は低くなるが、比較例Aの場合のパターンを有する場合、0次光を相殺させることが出来ず、原理的に0次光を抑制することが出来ない。言い換えると、比較例Aの配置では本発明の効果を奏さない。 In Comparative Example A, in the embodiment, the structure is such that the main different refractive index region 6BM existing at the position of the origin O is removed. In the embodiment, the intensity of the 0th-order light is low, but when the pattern in the case of Comparative Example A is obtained, the 0th-order light cannot be canceled and the 0th-order light cannot be suppressed in principle. .. In other words, the arrangement of Comparative Example A does not produce the effect of the present invention.

図6は、実施形態に係る上記の半導体レーザにおいて、副異屈折率領域が第1仮想的正方格子の格子点位置(上記原点O)からのシフトした場合のシフト量(r/a)と、出力光の強度I(任意単位)との関係を示すグラフである。 FIG. 6 shows the shift amount (r / a) when the sub-differential refractive index region is shifted from the lattice point position (origin O) of the first virtual square lattice in the above-mentioned semiconductor laser according to the embodiment. It is a graph which shows the relationship with the intensity I (arbitrary unit) of an output light.

同図に示すように、出力光の強度Iは、シフト量(r/a)の増加に伴って変化する。すなわち、0次光は、シフト量(r/a)が0の場合には最大値1.0であり、シフト量(r/a)が増加するに伴って減少し、0.38において0となる。これは主副の関係にある異屈折率領域に起因した平面波が、消失性干渉を生じているためであり、0次光強度が低減している。したがって、0次光の強度を小さくするには、上述の範囲が好ましい。なお、シフト量(r/a)の増加に伴って、1次光の強度は増加し、−1次光の強度も増加し、それぞれ、シフト量(r/a)が0.3において極大値と極小値をとり、これ以上のシフト量(r/a)では、強度は減少する。 As shown in the figure, the intensity I of the output light changes as the shift amount (r / a) increases. That is, the 0th-order light has a maximum value of 1.0 when the shift amount (r / a) is 0, decreases as the shift amount (r / a) increases, and becomes 0 at 0.38. Become. This is because the plane wave caused by the different refractive index region, which has a main-sub relationship, causes vanishing interference, and the 0th-order light intensity is reduced. Therefore, in order to reduce the intensity of the 0th order light, the above range is preferable. As the shift amount (r / a) increases, the intensity of the primary light increases and the intensity of the -1st order light also increases, and the maximum value when the shift amount (r / a) is 0.3, respectively. And a minimum value, and if the shift amount (r / a) is more than this, the intensity decreases.

なお、副異屈折率領域6BSの直径はDであるので、副面積Sはπ(D/2)となる。なお、主異屈折率領域6BMの直径をMとすれば、主面積Sはπ(M/2)となる。ここで、1.0≦副面積S/主面積Sを満たすことが更に好ましい。副面積Sの方が主面積Sよりも大きい場合に、0次光抑制の効果が十分期待できるが、特に、下限よりも小さいと副異屈折率領域によって生じる逆位相0次光の強度が主異屈折率領域によって生じる0次光の強度よりも小さくなり、十分な0次光抑制効果が期待出来ないからである。 Since the diameter of the sub-modified refractive index areas 6BS is a D, the sub-area S S becomes π (D / 2) 2. Incidentally, if the diameter of the main modified refractive index region 6BM and M, the main area S M becomes π (M / 2) 2. Here, further preferably satisfies 1.0 ≦ sub area S S / main area S M. If towards the sub-area S S is larger than the main area S M, 0 the effect of the primary light suppression can be sufficiently expected, in particular, the strength of the opposite phase 0-order light caused to be smaller than the lower limit by the secondary modified refractive index area Is smaller than the intensity of the 0th-order light generated by the main different refractive index region, and a sufficient 0th-order light suppression effect cannot be expected.

次に、図1に示した各層の材料について、説明する。 Next, the material of each layer shown in FIG. 1 will be described.

上部に位置するコンタクト層8は、GaAsからなり、導電型はP型であり、厚みは50nm〜500nm(好ましくは200nm)である。上部クラッド層7は、AlGaAsからなり、導電型はP型、厚みは1×10nm〜3×10nm(好ましくは2×10nm)である。位相変調層6(回折格子層)は、基本層6Aと異屈折率領域6Bとからなる。基本層6AはGaAsからなり、導電型はI型であり、厚みは50nm〜20nm(好ましくは100nm)であり、異屈折率領域6BはAlGaAsからなり、導電型はI型であり、厚みは50nm〜20nm(好ましくは100nm)である。上部光ガイド層5は、2層構造を有しており、上層はGaAsからなり、導電型はI型であり、厚みは10nm〜200nm(好ましくは50nm)であり、下層はAlGaAsからなり、導電型はP型又はI型であり、厚みは10nm〜100nm(好ましくは50nm)である。 The contact layer 8 located at the upper part is made of GaAs, the conductive type is P type, and the thickness is 50 nm to 500 nm (preferably 200 nm). The upper clad layer 7 is made of AlGaAs, the conductive type is P type, and the thickness is 1 × 10 3 nm to 3 × 10 3 nm (preferably 2 × 10 3 nm). The phase modulation layer 6 (diffraction grating layer) includes a basic layer 6A and a different refractive index region 6B. The basic layer 6A is made of GaAs, the conductive type is I type, and the thickness is 50 nm to 20 nm (preferably 100 nm), the different refractive index region 6B is made of AlGaAs, the conductive type is I type, and the thickness is 50 nm. It is ~ 20 nm (preferably 100 nm). The upper optical guide layer 5 has a two-layer structure, the upper layer is made of GaAs, the conductive type is type I, the thickness is 10 nm to 200 nm (preferably 50 nm), and the lower layer is made of AlGaAs and is conductive. The type is P type or I type, and the thickness is 10 nm to 100 nm (preferably 50 nm).

活性層4は、一層当たりの厚みが5nm〜20nm程度の障壁層と井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造MQW(障壁層:I型のAlGaAs/井戸層:I型のInGaAs)を有しており、厚みは10nm〜100nm(好ましくは30nm)である。下部光ガイド層3は、AlGaAsからなり、導電型はI型、厚みは0〜300nm(好ましくは150nm)である。下部クラッド層2は、AlGaAsからなり、導電型はN型、厚みは1×10nm〜3×10nm(好ましくは2×10nm)である。半導体基板1は、GaAsからなり、導電型はN型、厚みは80μm〜350μm(好ましくは150μm)である。このように、各層には、第1導電型(N型)の不純物又は、第2導電型(P型)の不純物が添加されており(不純物濃度は1×1017〜1×1021/cm)、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性(I型)となっている。I型の不純物濃度は1×1015/cm以下である。 The active layer 4 has a multiple quantum well structure MQW (barrier layer: I-type AlGaAs / well layer: I-type InGaAs) in which barrier layers and well layers having a thickness of about 5 nm to 20 nm are alternately laminated. The thickness is 10 nm to 100 nm (preferably 30 nm). The lower optical guide layer 3 is made of AlGaAs, the conductive type is type I, and the thickness is 0 to 300 nm (preferably 150 nm). The lower clad layer 2 is made of AlGaAs, the conductive type is N type, and the thickness is 1 × 10 3 nm to 3 × 10 3 nm (preferably 2 × 10 3 nm). The semiconductor substrate 1 is made of GaAs, the conductive type is N type, and the thickness is 80 μm to 350 μm (preferably 150 μm). In this way, impurities of the first conductive type (N type) or impurities of the second conductive type (P type) are added to each layer (impurity concentration is 1 × 10 17 to 1 × 10 21 / cm. 3 ) The region where no impurities are intentionally added is true (type I). The concentration of type I impurities is 1 × 10 15 / cm 3 or less.

以下、各種比較例に対する実施形態の構造の優位性について説明する。 Hereinafter, the superiority of the structure of the embodiment over various comparative examples will be described.

図7は、第1比較例に係る位相変調層の平面図である。 FIG. 7 is a plan view of the phase modulation layer according to the first comparative example.

この構造は、図3に示した構造から、副異屈折率領域6BSを除いた構造である。この構造を有する位相変調層を図1の半導体レーザ素子に採用した場合、高強度の0次光が観察される。 This structure is a structure in which the sub-differential refractive index region 6BS is excluded from the structure shown in FIG. When the phase modulation layer having this structure is adopted for the semiconductor laser device of FIG. 1, high-intensity 0th-order light is observed.

図8は、第2比較例に係る位相変調層の平面図である。 FIG. 8 is a plan view of the phase modulation layer according to the second comparative example.

この構造は、第1比較例に示した構造において、シフト量(r/a)=0.5の位置に、周期的であって規則的に副異屈折率領域6BSを配置した構造である。小さな方の副異屈折率領域6BSは、Y=X+b+Nb(bは定数、bは変数、Nは整数)の直線上において、各直線に沿って、等間隔に配置されている。この構造を有する位相変調層を図1の半導体レーザ素子に採用した場合、見た目の出力は第1比較例と同一である。すなわち光出射面に垂直な方向への点状ビームのみが得られ、任意形状の2次元ビームパターンを出力するという本発明の効果を得ることが出来ない。 This structure is a structure in which the sub-differential refractive index region 6BS is periodically and regularly arranged at a position where the shift amount (r / a) = 0.5 in the structure shown in the first comparative example. The smaller sub-refractive index regions 6BS are arranged at equal intervals along each straight line on a straight line of Y = X + b 0 + Nb (b 0 is a constant, b is a variable, and N is an integer). When the phase modulation layer having this structure is adopted for the semiconductor laser device of FIG. 1, the apparent output is the same as that of the first comparative example. That is, only a point beam in a direction perpendicular to the light emitting surface can be obtained, and the effect of the present invention of outputting a two-dimensional beam pattern having an arbitrary shape cannot be obtained.

図9は、第3比較例に係る位相変調層の平面図である。 FIG. 9 is a plan view of the phase modulation layer according to the third comparative example.

この構造は、第1比較例に示した構造において、各主異屈折率領域の隣に、周期的であって規則的に副異屈折率領域6BSを配置した構造である。この構造を有する位相変調層を図1の半導体レーザ素子に採用した場合、見た目の出力は第1比較例と同一である。すなわち光出射面に垂直な方向への点状ビームのみが得られ、任意形状の2次元ビームパターンを出力するという本発明の効果を得ることが出来ない。 This structure is a structure in which the sub-differential refractive index region 6BS is periodically and regularly arranged next to each main different refractive index region in the structure shown in the first comparative example. When the phase modulation layer having this structure is adopted for the semiconductor laser device of FIG. 1, the apparent output is the same as that of the first comparative example. That is, only a point beam in a direction perpendicular to the light emitting surface can be obtained, and the effect of the present invention of outputting a two-dimensional beam pattern having an arbitrary shape cannot be obtained.

図10は、第4比較例に係る位相変調層の平面図である。 FIG. 10 is a plan view of the phase modulation layer according to the fourth comparative example.

この構造は、第1比較例に示した構造において、X方向およびY方向のシフト量がそれぞれ(r/a)=0.5の位置に、周期的であって規則的に副異屈折率領域6BSを配置した構造である。小さな方の副異屈折率領域6BSは、Y=X+b+Nb(bは定数、bは変数、Nは整数)の直線上において、各直線に沿って、等間隔に配置され、主異屈折率領域6BMの位置と副異屈折率領域6BSの位置は、相互に置換しても同一の構造となる関係を有している。この構造を有する位相変調層を図1の半導体レーザ素子に採用した場合、光出射面に垂直な方向への点状ビームだけが得られるが、その出力が第1比較例と比べて弱いという現象が観察される。 In the structure shown in the first comparative example, this structure has a periodic and regular sub-refractive index region at positions where the shift amounts in the X and Y directions are (r / a) = 0.5, respectively. It is a structure in which 6BS is arranged. The smaller sub-refractive index region 6BS is arranged at equal intervals along each straight line on a straight line of Y = X + b 0 + Nb (b 0 is a constant, b is a variable, N is an integer), and the main refraction The position of the rate region 6BM and the position of the sub-refractive index region 6BS have a relationship of having the same structure even if they are replaced with each other. When a phase modulation layer having this structure is adopted for the semiconductor laser device of FIG. 1, only a point beam in a direction perpendicular to the light emitting surface can be obtained, but the output is weaker than that of the first comparative example. Is observed.

なお、半導体レーザ素子は、従来から知られる複数の構造をとることができる。例えば、図11は、半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図であり、図1に示したものとの相違点は、レーザ光を半導体基板1の裏面から出射する点である。 The semiconductor laser device can have a plurality of conventionally known structures. For example, FIG. 11 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser element, and the difference from that shown in FIG. 1 is that the laser beam is emitted from the back surface of the semiconductor substrate 1.

半導体基板1の下面において、第2電極E2に対向する領域において、第1電極E1が開口している場合、レーザビームは下面から外部に出射する。この場合、半導体基板1の下面に設けられた第1電極E1は、中央部に開口を有する開口電極であり、第1電極E1の開口内及び周辺には、反射防止膜(第1絶縁膜IN1)を設けることとしてもよい。この場合、反射防止膜は、窒化シリコン(SiN)、二酸化シリコン(SiO)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(TiO)、二酸化シリコン(SiO)、一酸化シリコン(SiO)、酸化ニオブ(Nb)、五酸化タンタル(Ta)、フッ化マグネシウム(MgF)、酸化チタン(TiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化セリウム(CeO)、酸化インジウム(In)、酸化ジルコニウム(ZrO)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適当に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。なお、反射膜や反射防止膜は、スパッタ法を用いて形成することができる。 When the first electrode E1 is open in the region of the lower surface of the semiconductor substrate 1 facing the second electrode E2, the laser beam is emitted from the lower surface to the outside. In this case, the first electrode E1 provided on the lower surface of the semiconductor substrate 1 is an opening electrode having an opening in the center, and an antireflection film (first insulating film IN1) is formed in and around the opening of the first electrode E1. ) May be provided. In this case, the antireflection film is composed of a dielectric single layer film such as silicon nitride (SiN) or silicon dioxide (SiO 2) or a dielectric multilayer film. Examples of the dielectric multilayer film 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 foot. Dielectric layers such as magnesium oxide (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 kinds of dielectric layers selected from the group are appropriately laminated can be used. For example, a film having a thickness of λ / 4 is laminated with an optical film thickness for light having a wavelength of λ. The reflective film and the antireflection film can be formed by using a sputtering method.

また、コンタクト層8の上面には、第2電極E2が設けられているが、第2電極E2の形成領域以外の領域は、必要に応じて、SiO又はシリコン窒化物などの絶縁膜(第1絶縁膜IN2)で被覆し、表面を保護することができる。 A second electrode E2 is provided on the upper surface of the contact layer 8, but a region other than the region where the second electrode E2 is formed is an insulating film (third) such as SiO 2 or silicon nitride, if necessary. 1 The surface can be protected by covering with an insulating film IN2).

次に、上述の半導体レーザ素子の製造方法について、若干の説明をしておく。 Next, a little description will be given about the method for manufacturing the above-mentioned semiconductor laser device.

上述のレーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いる。半導体基板1の(001)面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、上述のAlGaNを用いたレーザ素子の製造においては、AlGaAsの成長温度は500℃〜850℃であって、実験では550〜700℃を採用し、成長時におけるAl原料としてTMA(トリメチルアルミニム)、ガリウム原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびTEG(トリエチルガリウム)、As原料としてはAsH3(アルシン)、N型不純物用の原料として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して形成すればよい。 In the production of the above-mentioned laser device, each compound semiconductor layer uses a metalorganic vapor phase growth (MOCVD) method. Crystal growth is carried out on the (001) plane of the semiconductor substrate 1, but the present invention is not limited to this. Further, in the manufacture of the laser element using AlGaN described above, the growth temperature of AlGaAs is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is adopted in the experiment, and TMA (trimethylaluminum) is used as the Al raw material during growth. ), TMG (trimethyl gallium) and TEG (triethyl gallium as a gallium raw material), AsH 3 as the as raw material (arsine), Si 2 H 6 as a raw material for N-type impurity (disilane), DEZn as a raw material for P-type impurity (Diethylzinc) is used. 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 substance as a raw material.

すなわち、上述のレーザ素子は、まず、N型の半導体基板(GaAs)1上に、N型のクラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3、多重量子井戸構造(InGaAs/AlGaAs)の活性層4、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)5、位相変調層となる基本層(GaAs)6Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、PCVD(プラズマCVD)法により、SiN層を基本層6A上に形成し、次に、レジストを、SiN層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてSiN層をエッチングし、SiN層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。 That is, in the above-mentioned laser element, first, the activity of the N-type clad layer (AlGaAs) 2, the guide layer (AlGaAs) 3, and the multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) on the N-type semiconductor substrate (GaAs) 1 is performed. The layer 4, the optical guide layer (GaAs / AaGaAs) 5, and the basic layer (GaAs) 6A to be the phase modulation layer are sequentially epitaxially grown by using the MOCVD (metalorganic vapor phase growth) method. Next, in order to perform alignment after epitaxial growth, a SiN layer is formed on the basic layer 6A by a PCVD (plasma CVD) method, and then a resist is formed on the SiN layer. Further, the resist is exposed and developed, the SiN layer is etched using the resist as a mask, and a part of the SiN layer remains to form an alignment mark. Remove the remaining resist.

次に、基本層6Aに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に2次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより100nm程度の深さを持つ2次元微細パターンを基本層6A上に転写し、孔(穴)を形成する、レジストを除去する。孔の深さは、100nmである。この孔の中に、異屈折率領域6B(AlGaAs)となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層(AlGaAs)7、コンタクト層(GaAs)8を順次MOCVDで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第1及び第2電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。 Next, another resist is applied to the basic layer 6A, a two-dimensional fine pattern is drawn on the resist with an electron beam drawing device based on the alignment mark, and the two-dimensional fine pattern is formed on the resist by developing the resist. .. Then, using the resist as a mask, a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the basic layer 6A by dry etching to remove the resist that forms holes. The depth of the holes is 100 nm. In the pores, a compound semiconductor having a different refractive index region 6B (AlGaAs) is re-grown to a depth equal to or greater than the depth of the pores. Next, the upper clad layer (AlGaAs) 7 and the contact layer (GaAs) 8 are sequentially formed by MOCVD, and an appropriate electrode material is formed on the upper and lower surfaces of the substrate by a vapor deposition method or a sputtering method to form the first and second electrodes. Form. Further, if necessary, an insulating film can be formed on the upper and lower surfaces of the substrate by a sputtering method or the like.

位相変調層を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上に位相変調層を形成すればよい。 When the phase modulation layer is provided below the active layer, the phase modulation layer may be formed on the lower clad layer before the active layer and the lower optical guide layer are formed.

また、柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、上述の仮想的な正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算した程度或いは波長を等価屈折率および√2で除算した程度であり、具体的には300nm程度或いは210nm程度に設定されることが好ましい。なお、格子間隔aの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをx、yとすると、基本並進ベクトルa=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)y、b=(2π/a)x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。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が、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。 Further, a columnar different refractive index region may be used as a void, and a gas such as air, nitrogen or argon may be enclosed. The spacing between the vertical and horizontal grid lines in the above-mentioned virtual square grid is about the wavelength divided by the equivalent refractive index or the wavelength divided by the equivalent refractive index and √2, specifically 300 nm. It is preferably set to about 210 nm. In the case of a square lattice with a lattice spacing a, if the unit vectors of Cartesian coordinates are x and y, the basic translation vectors a 1 = ax and a 2 = ay, and the basic reciprocal lattice vectors with respect to the translation vectors a 1 and a 2. b 1 = (2π / a) y, b 2 = (2π / a) x. When the wave vector of the wave existing in the lattice is k = Nb 1 + Mb 2 (N and M are arbitrary integers), the wave number k exists at the Γ point, but the magnitude of the wave vector is basically the reverse. When it is equal to the magnitude of the lattice vector, a resonance mode (standing wave in the XY plane) in which the lattice spacing a is equal to the wavelength λ is obtained. Considering the TE mode in which an electric field exists in a plane parallel to the square lattice, there are four modes in the standing wave state where the lattice spacing and wavelength are equal, due to the symmetry of the square lattice. Similarly, a desired beam pattern can be obtained when oscillating in any mode of the standing wave state.

なお、上述の位相変調層内の定在波が孔形状によって散乱され、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。 The standing wave in the phase modulation layer described above is scattered by the hole shape, and the wavefront obtained in the direction perpendicular to the plane is phase-modulated to obtain a desired beam pattern. Therefore, a desired beam pattern can be obtained without a polarizing plate. This beam pattern is not only a pair of single peak beams (spots), but as described above, a character shape, two or more spots having the same shape, or a vector in which the phase and intensity distribution are spatially non-uniform. It can also be a beam or the like.

なお、基本層6Aの屈折率は3.0〜3.5、異屈折率領域6Bの屈折率は1.0〜3.4であることが好ましい。また、上述のように、主異屈折率領域6BMに起因するレーザ光の位相と、副異屈折率領域6BSのレーザ光の位相は、0次光位置において、反転して相殺する傾向がある。 The refractive index of the basic layer 6A is preferably 3.0 to 3.5, and the refractive index of the different refractive index region 6B is preferably 1.0 to 3.4. Further, as described above, the phase of the laser light caused by the main different refractive index region 6BM and the phase of the laser light of the sub-differential refractive index region 6BS tend to be inverted and canceled at the 0th order light position.

なお、上述の構造では、基本層6Aの複数箇所において、エッチングにより、周期的に空孔を形成し、形成した空孔内に異屈折率領域6Bを、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、埋め込んでいるが、基本層6Aの孔内に異屈折率領域6Bを埋め込んだ後、更に、その上に異屈折率領域6Bと同一の材料した異屈折率被覆層を堆積してもよい。 In the above-mentioned structure, pores are periodically formed by etching at a plurality of locations of the basic layer 6A, and the different refractive index region 6B is formed in the formed pores by an organic metal vapor phase growth method, a sputtering method, or a sputtering method. Although it is embedded by using an epitaxial method, after embedding the different refractive index region 6B in the pores of the basic layer 6A, a different refractive index coating layer made of the same material as the different refractive index region 6B is further deposited on it. You may.

なお、上述の構造において、活性層4および位相変調層6を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。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、本発明においても、実施形態で開示した以外の波長においてもスケーリング則によって位相変調層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を実現することも可能である。 In the above-mentioned structure, if the structure includes the active layer 4 and the phase modulation layer 6, the material system, the film thickness, and the layer structure have a degree of freedom. Here, the scaling law holds for the so-called square lattice photonic crystal laser when the perturbation from the virtual square lattice is 0. That is, when the wavelength becomes a constant α times, the same standing wave state can be obtained by multiplying the entire cubic lattice structure by α. Similarly, in the present invention, the structure of the phase modulation layer can be determined by the scaling law even at wavelengths other than those disclosed in the embodiment. Therefore, it is also possible to realize a semiconductor light emitting device that outputs visible light by using an active layer that emits light such as blue, green, or red and applying a scaling law according to a wavelength.

また、上記の半導体レーザ素子の発振は、Γ点発振であり、位相変調層6の実効屈折率をnとした場合、位相変調層6が選択する波長λ(=格子定数a×実効屈折率n)は、活性層4の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層6は、活性層4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。 Further, the oscillation of the above-mentioned semiconductor laser element is Γ point oscillation, and when the effective refractive index of the phase modulation layer 6 is n, the wavelength λ 0 (= lattice constant a × effective refractive index) selected by the phase modulation layer 6 is selected. n) is included in the emission wavelength range of the active layer 4. The phase modulation layer 6 can select the wavelength λ 0 of the emission wavelengths of the active layer 4 and output it to the outside.

以上、説明したように、上述の実施形態に係る半導体発光素子は、活性層4に光学的に結合した位相変調層6を備えた半導体発光素子において、位相変調層6の厚み方向をZ軸方向とするXYZ三次元直交座標系を設定し、位相変調層6は、第1屈折率媒質からなる基本層6A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内に存在する複数の異屈折率領域6Bとを備え、複数の異屈折率領域6Bは、副面積Sは、主面積Sよりも大きいこととして、XY平面内において、それぞれが主面積Sを有する主異屈折率領域6BMからなる第1グループと、XY平面内において、それぞれが副面積Sを有する副異屈折率領域6BSからなる第2グループとを含み、基本層6Aを含むXY平面内において、X軸方向及びY軸方向に延びた格子線群からなる第1仮想的正方格子を設定し、基本層6Aを含むXY平面内において、第1仮想的正方格子においてX軸方向に沿って隣接する格子点間を結ぶ線分の中点を通り当該線分に垂直な垂直二等分線群と、Y軸方向に沿って隣接する格子点間を結ぶ線分の中点を通り当該線分に垂直な垂直二等分線群からなる格子線群(図3のVL2)からなる第2仮想的正方格子を設定し、第2仮想的正方格子において区画された個々の単位構成領域内においては、単位構成領域の重心位置に第1仮想的正方格子の格子点が一致し、且つ、単位構成領域の重心位置に主異屈折率領域6BMの重心位置が配置され、且つ、1つの単位構成領域内に含まれる主異屈折率領域の数は1つであり、且つ、1つの単位構成領域内に含まれる副異屈折率領域6BSの重心の数は1つであり、且つ、副異屈折率領域6BSの重心位置は、主異屈折率領域6BMの重心位置から距離rだけ離間しており、第1仮想的正方格子の格子定数をaとすると、0.38≦(r/a)≦0.5を満たし、副異屈折率領域6BSは、一軸方向に沿って整列しない非周期構造を有しており、光出射面に垂直でない方向に0次光以外のビームパターンを出射する。このとき、任意形状の2次元ビームパターンを出力しても良い。 As described above, the semiconductor light emitting element according to the above-described embodiment is a semiconductor light emitting element provided with a phase modulation layer 6 optically coupled to the active layer 4, and the thickness direction of the phase modulation layer 6 is in the Z-axis direction. The XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system is set, and the phase modulation layer 6 is composed of a basic layer 6A composed 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 modified refractive index area 6B that exists among a plurality of modified refractive index areas. 6B, sub area S S as larger than that of the main area S M, in the XY plane, each main area S XY comprising a first group of main modified refractive index region 6BM with M, in the XY plane, and a second group, each composed of a sub-modified refractive index areas 6BS having sub area S S, a base layer 6A In the plane, a first virtual square grid consisting of grid lines extending in the X-axis direction and the Y-axis direction is set, and in the XY plane including the basic layer 6A, in the X-axis direction in the first virtual square grid. Passing through the midpoint of the line segment connecting adjacent grid points along the line segment and passing through the midpoint of the vertical bisector line group perpendicular to the line segment and the line segment connecting adjacent grid points along the Y-axis direction A second virtual square grid consisting of a grid line group (VL2 in FIG. 3) consisting of a group of vertically bisected lines perpendicular to the line segment is set, and individual unit constituent areas partitioned by the second virtual square grid are set. Within, the grid points of the first virtual square lattice coincide with the position of the center of gravity of the unit constituent area, and the position of the center of gravity of the main Cartesian coordinate region 6BM is arranged at the position of the center of gravity of the unit constituent region, and one. The number of main Cartesian refractive index regions included in the unit constituent region is one, and the number of center of gravity of the sub Cartesian refractive index region 6BS included in one unit constituent region is one, and the sub The position of the center of gravity of the Cartesian coordinate region 6BS is separated from the position of the center of gravity of the main Cartesian coordinate region 6BM by a distance r, and assuming that the lattice constant of the first virtual square lattice is a, 0.38 ≦ (r / a). ) ≤ 0.5, the sub-Cartesian refraction region 6BS has an aperiodic structure that is not aligned along the uniaxial direction, and emits a beam pattern other than the 0th order light in a direction not perpendicular to the light emitting surface. .. At this time, a two-dimensional beam pattern having an arbitrary shape may be output.

任意のビームパターンを生じさせようとした場合、副異屈折率領域は、一軸方向に沿って整列しない非周期構造を有する。図8の場合には副異屈折率領域が空間周期2aで配列しており、逆格子空間上ではブリルアン境界上に副異屈折率領域に由来する点状の回折が存在することになる。ブリルアン境界上は常にライトラインの外、すなわち全反射してデバイス上面には光が出てこない部分に対応しているので、図8の場合には主異屈折率領域に由来する0次光のみが出力され、0次光以外のビームパターンは出力されることがなく、任意のビームパターンを出力可能な半導体発光素子には成り得ない。また、図9の場合には全ての単位格子が同一形状をしており、位相分布が一定の場合に対応する。この場合も、0次光のみが出力され、0次光以外のビームパターンは出力されず、任意のビームパターンを出力可能な半導体発光素子にはならない。さらに補足すると、空間的な位相分布が一様である場合にはその逆フーリエ変換は点に対応することとなり、二次元的な任意のビームパターンを得ることは出来ない。 When attempting to generate an arbitrary beam pattern, the sub-refractive index region has an aperiodic structure that is not aligned along the uniaxial direction. In the case of FIG. 8, the sub-refractive index regions are arranged in the space period 2a, and on the reciprocal lattice space, point-like diffraction derived from the sub-refractive index region exists on the Brillouin boundary. Since the Brillouin boundary always corresponds to the part outside the light line, that is, the part that is totally reflected and the light does not come out to the upper surface of the device, in the case of FIG. 8, only the 0th-order light derived from the main different refractive index region is used. Is output, no beam pattern other than the 0th-order light is output, and it cannot be a semiconductor light emitting device capable of outputting an arbitrary beam pattern. Further, in the case of FIG. 9, all the unit lattices have the same shape, which corresponds to the case where the phase distribution is constant. Also in this case, only the 0th-order light is output, no beam pattern other than the 0th-order light is output, and the semiconductor light emitting device cannot output an arbitrary beam pattern. Further supplementing, when the spatial phase distribution is uniform, the inverse Fourier transform corresponds to a point, and it is not possible to obtain an arbitrary two-dimensional beam pattern.

上述の格子条件を満たしつつ、格子定数aに換算した離間距離であるシフト量(r/a)が、0.38以上となる場合、出射光に含まれる0次光の強度が0以下になる現象が観察され、0.5以下まで、0次光の低い強度が観測された。 When the shift amount (r / a), which is the separation distance converted to the lattice constant a, is 0.38 or more while satisfying the above-mentioned lattice conditions, the intensity of the 0th-order light contained in the emitted light becomes 0 or less. The phenomenon was observed, and low intensity of 0th order light was observed up to 0.5 or less.

図12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る。なお、ここでのrは、座標変換を説明するために用いる適当な長さのパラメータである。 FIG. 12 is a diagram for explaining coordinate conversion from spherical coordinates (r, θ tilt , θ rot ) to coordinates (x, y, z) in the XYZ Cartesian coordinate system. Note that r here is a parameter of an appropriate length used to explain the coordinate transformation.

前記XYZ直交座標系における座標(x,y,z)を示す球面座標(r,θtilt,θrot)は、動径の長さrと、前記Z軸からの前記動径の傾き角θtilt と、前記動径が前記XY平面上に投影された線分の前記X軸からの回転角θrotとを用いて、以下の関係を満たしている。 The spherical coordinates (r, θtilt, θrot) indicating the coordinates (x, y, z) in the XYZ Cartesian coordinate system are the length r of the radius, the inclination angle θtilt of the radius from the Z axis, and the said. The following relationship is satisfied by using the rotation angle θrot of the line segment whose radius is projected on the XY plane from the X axis.

x=r・sinθtilt・cosθrot
y=r・sinθtilt・sinθrot
z=r・cosθtilt。
x = r · sinθ tilt · cosθ rot ,
y = r · sinθ tilt · sinθ rot ,
z = r · cosθ tilt.

半導体発光素子から、傾き角θtilt及び回転角θrotで出射されるビーム群が形成する輝点の集合を遠視野像とすると、Kx−Ky平面における前記遠視野像は、Kx軸における規格化した波数k及びKy軸における規格化した波数kは、前記半導体発光素子の発振波長をλとして、以下の関係を満たしている。なお、aは第1仮想的正方格子の格子定数である。 Assuming that a set of bright spots formed by a group of beams emitted from a semiconductor light emitting element at an inclination angle θtilt and a rotation angle θrot is a far-field image, the far-field image on the Kx-Ky plane has a normalized wave number on the Kx axis. wave number k y normalized in k x and Ky axis is the oscillation wavelength of the semiconductor light emitting device as lambda, satisfy the following relationship. Note that a is a lattice constant of the first virtual square lattice.

=(a/λ)・sinθtilt・cosθrot
=(a/λ)・sinθtilt・sinθrot。
k x = (a / λ) ・ sinθ tilt・ cosθ rot ,
k y = (a / λ) · sinθ tilt · sinθ rot.

なお、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。なお、kは、規格化波数であってX軸に対応したKx軸上の座標であり、kは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軸上の座標である。 The coordinates (x, y, z) represent a design optical image on a predetermined plane set in the XYZ Cartesian coordinate system in real space. Incidentally, k x is the coordinate on the Kx-axis corresponding to the X axis a normalized wave number, k y together with corresponding to the Y-axis a normalized wavenumber, on Ky axis orthogonal to Kx axis Coordinates.

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(4)および式(5)は、例えば、「Y. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)」に開示されている。 The standardized wavenumber means the wavenumber standardized with the wavenumber corresponding to the grid spacing of the virtual square lattice as 1.0. At this time, in the wavenumber space defined by the Kx axis and the Ky axis, the specific wavenumber range including the beam pattern corresponding to the light image is square M2 (integer of 1 or more) × N2 (integer of 1 or more), respectively. ) Consists of image area FR. The integer M2 does not have to match the integer M1. Similarly, the integer N2 does not have to match the integer N1. Equations (4) and (5) also include, for example, "Y. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure, "Opt. Express 20, 21773-. 21783 (2012) ”.

実空間のパターンをフーリエ変換すると、その波数(又は周波数)の成分が得られ、得られた波数空間(k空間)は、実空間のパターンが、どのような周波数成分で形成されているかが示される。実空間における物理的なパターン、及び、電磁界分布パターンは、いずれもフーリエ変換することができるが、半導体レーザでは、遠視野像のビームパターンは、光出射面(XY平面)における電磁界分布(近視野像)の二次元フーリエ変換となる。 When the pattern in the real space is Fourier transformed, the component of the wave number (or frequency) is obtained, and the obtained wave number space (k space) shows what kind of frequency component the pattern in the real space is formed of. Is done. Both the physical pattern and the electromagnetic field distribution pattern in the real space can be Fourier transformed, but in the semiconductor laser, the beam pattern of the far-field image is the electromagnetic field distribution on the light emitting surface (XY plane). It is a two-dimensional Fourier transform of the near-field image).

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X−Y平面上の単位構成領域R(x,y)に、二次元逆フーリエ変換(F−1)を行うと、実空間での複素振幅f(x,y)が得られる。すなわち、遠視野像は、実空間上の二次元電界強度分布を二次元フーリエ変換した波数空間における座標(k、k)において、複数の画像領域FR(k、k)から構成され、画像領域FR(k,k)は、それぞれが正方形で、波数空間における規格化した波数kを与えるKx軸方向にM2個(M2は、1以上の整数)、規格化した波数kを与えるKy軸方向にN2個(N2は、1以上の整数)、配列するように、二次元配置されており、複素振幅f(x,y)を与える二次元逆フーリエ変換は、jを虚数単位として、以下の式で与えられる。 In Fourier space, Kx axis direction of the coordinate component k x (1 or M2 below integer) coordinate components of Ky axis k y (1 or N2 an integer) the de image area FR are identified (k x, k y ) Each unit configuration on the XY plane specified by the coordinate component x in the X-axis direction (an integer of 1 or more and M1 or less) and the coordinate component y in the Y-axis direction (an integer of 1 or more and N1 or less). When the two-dimensional inverse Fourier transformation (F -1 ) is performed on the region R (x, y), the complex amplitude f (x, y) in the real space is obtained. That is, the far-field pattern, the coordinates in the two-dimensional electric field distribution of the two-dimensional Fourier transformed Fourier space in the real space (k x, k y) in, is composed of a plurality of image regions FR (k x, k y) image area FR (k x, k y) are each square, M2 or in the Kx-axis direction to provide a wave number k x normalized in wavenumber space (M2 is an integer of 1 or more), the wave number k obtained by normalizing Two N2s (N2 is an integer of 1 or more) are arranged two-dimensionally in the Ky-axis direction that gives y, and the two-dimensional reciprocal Fourier transform that gives the complex amplitude f (x, y) sets j. It is given by the following formula as an imaginary unit.

Figure 2021114485
Figure 2021114485

また、遠視野像のビームパターンは、位相変調層におけるXY平面に平行な光出射面上に形成される実空間上の二次元電界強度分布を、二次元フーリエ変換したものであり、遠視野像を二次元逆フーリエ変換して得られる複素振幅f(x,y)は、虚数単位をj、振幅項をA(x,y)、位相項をP(x,y)として、以下の式で与えられる。 The beam pattern of the far-field image is a two-dimensional Fourier transform of the two-dimensional electric field strength distribution in the real space formed on the light emitting surface parallel to the XY plane in the phase modulation layer, and is a far-field image. The complex amplitude f (x, y) obtained by two-dimensional inverse Fourier transform is given by the following equation, where the imaginary unit is j, the amplitude term is A (x, y), and the phase term is P (x, y). Given.

f(x,y)=A(x,y)×exp[jP(x,y)]。 f (x, y) = A (x, y) x exp [jP (x, y)].

また、単位構成領域内において副異屈折率領域の重心と、この副異屈折率領域が含まれる単位構成領域の格子点(重心)とを結ぶ線分(図5のr)が、X軸との成す角度φは、比例定数をC、定数をBとして、以下の式で与えられる。 Further, a line segment (r in FIG. 5) connecting the center of gravity of the sub-differential refractive index region in the unit constituent region and the lattice point (center of gravity) of the unit constituent region including this sub-differential refractive index region is the X-axis. The angle φ formed by is given by the following equation, where C is the proportionality constant and B is the constant.

φ(x,y)=C×P(x,y)+B。
但し、φ(x、y)はdegree表記とする。
φ (x, y) = C × P (x, y) + B.
However, φ (x, y) is expressed as degree.

なお、位相変調層は、以下の第1条件および第2条件を満たすように構成される。すなわち、第1条件は、単位構成領域R(x,y)内において、副異屈折率領域6BSの重心Gが、主異屈折率領域6BMの重心である格子点O(x,y)から離れた状態で配置されていることである。また、第2条件は、主異屈折率領域6BMの重心である格子点O(x,y)から、この格子点Oが所属する単位構成領域内における副異屈折率領域6BSの重心Gまでの線分長r(x,y)(図5のr)が、M1個×N1個の単位構成領域Rそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、上記線分長r(x,y)を与える線分とX軸との成す角度φ(x,y)が、上記φ(x,y)の式の関係を満たすように、対応する副異屈折率領域6BSが単位構成領域R(x,y)内に配置される。 The phase modulation layer is configured to satisfy the following first and second conditions. That is, the first condition is that the center of gravity G of the sub-refractive index region 6BS is separated from the lattice point O (x, y) which is the center of gravity of the main refractive index region 6BM in the unit constituent region R (x, y). It is arranged in a state of refraction. The second condition is from the grid point O (x, y), which is the center of gravity of the main different refractive index region 6BM, to the center of gravity G of the sub-differential refractive index region 6BS in the unit constituent region to which the grid point O belongs. In a state where the line segment length r (x, y) (r in FIG. 5) is set to a common value in each of the unit constituent regions R of M1 × N1, the line segment length r (x, y) is set. The corresponding sub-refractive index region 6BS is the unit constituent region R (x, y) so that the angle φ (x, y) formed by the given line segment and the X-axis satisfies the relationship of the above equation of φ (x, y). It is arranged in y).

なお、Cは比例定数であって例えば180°/πであり、Bは任意の定数であって例えば0である。なお、P(x,y)は、複素振幅f(x,y)の位相項である。 Note that C is a proportional constant and is, for example, 180 ° / π, and B is an arbitrary constant and is, for example, 0. Note that P (x, y) is a phase term of the complex amplitude f (x, y).

すなわち、所望の光像を得たい場合、波数空間上に射影されたKx−Ky平面上に形成される光像を位相変調層上のX−Y平面上の単位構成領域R(x,y)に二次元逆フーリエ変換し、その複素振幅f(x,y)の位相項P(x,y)に対応した回転角度φ(x,y)を、該単位構成領域R(x,y)内に配置される副異屈折率領域6BSに与えればよい。なお、レーザビームの二次元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、または、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。なお、ビームパターンは波数空間上における波数情報で表わされるものであるので(Kx−Ky平面上)、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、一旦波数情報に変換した後に二次元逆フーリエ変換を行うとよい。 That is, when a desired optical image is to be obtained, the optical image formed on the Kx−Ky plane projected on the wave number space is formed on the unit constituent region R (x, y) on the XY plane on the phase modulation layer. Two-dimensional reciprocal Fourier transform is performed, and the rotation angle φ (x, y) corresponding to the phase term P (x, y) of the complex amplitude f (x, y) is set in the unit constituent region R (x, y). It may be given to the sub-reciprocal refractive index region 6BS arranged in. The far-field image of the laser beam after the two-dimensional Fourier transform has various spot shapes, a ring shape, a linear shape, a character shape, a double ring shape, a Laguerre Gaussian beam shape, and the like. Can take shape. Since the beam pattern is represented by wave number information in the wave number space (on the Kx-Ky plane), in the case of a bitmap image or the like in which the target beam pattern is represented by two-dimensional position information. In order to do so, it is advisable to perform a two-dimensional reciprocal Fourier transform after converting the wave number information once.

二次元逆フーリエ変換で得られた、X−Y平面上における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は、例えば強度分布(X−Y平面上における振幅項A(x,y)の分布)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(X−Y平面上における位相項P(x,y)の分布)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 on the XY plane obtained by the two-dimensional inverse Fourier transform, for example, the intensity distribution (amplitude term A (x, y) on the XY plane) The distribution) can be calculated by using the abs function of the numerical analysis software "MATLAB" of MATLABs, and the phase distribution (distribution of the phase term P (x, y) on the XY plane) can be calculated. It can be calculated by using the MATLAB angle function.

1…半導体基板、2…下部クラッド層、3…下部光ガイド層、4…活性層、5…上部光ガイド層、6…位相変調層、6A…基本層、6B…異屈折率領域、6BM…主異屈折率領域、6BS…副異屈折率領域、7…上部クラッド層、8…コンタクト層、E1…第1電極、E2…第2電極、LD…半導体レーザ素子。

1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Lower clad layer, 3 ... Lower optical guide layer, 4 ... Active layer, 5 ... Upper optical guide layer, 6 ... Phase modulation layer, 6A ... Basic layer, 6B ... Different refractive index region, 6BM ... Main different refractive index region, 6BS ... minor different refractive index region, 7 ... upper clad layer, 8 ... contact layer, E1 ... first electrode, E2 ... second electrode, LD ... semiconductor laser element.

Claims (5)

レーザ光の入射される位相変調層を備えたレーザ素子において、
前記位相変調層は、
第1屈折率媒質からなる基本層と、
前記第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前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、
を備え、
複数の前記異屈折率領域は、
平面形状が概略円形又は概略正方形又は90°の回転対称性を有する概略多角形であり、厚み方向に垂直な第1面積を有する主異屈折率領域と、厚み方向に垂直な第2面積を有する副異屈折率領域と、
を備え、
前記主異屈折率領域の重心位置は、正方格子の格子点に位置し、
前記第2面積は、前記第1面積よりも大きく、
単位構成領域が、1つの前記主異屈折率領域と、この周囲の最も近くに設けられた1つの前記副異屈折率領域とからなることとし、これら一対の異屈折率領域のみが各単位構成領域内に存在し、
最も近くで隣接する前記主異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域が、それぞれの前記単位構成領域であり、この単位構成領域内において、前記一対の異屈折率領域の全てが、位置しており、
前記単位構成領域内における、前記主異屈折率領域に対する前記副異屈折率領域の回転角度をφとし、
X軸及びY軸を含むXY平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、
それぞれの前記単位構成領域のXY座標をそれぞれの前記主異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、
前記副異屈折率領域の重心位置は、前記主異屈折率領域の重心位置から距離rだけ離間しており、前記正方格子の格子定数をaとすると、
0.38≦(r/a)≦0.5、
を満たし、
前記主異屈折率領域は、XY平面内において周期構造を有しており、
前記副異屈折率領域は、XY平面内において、一軸方向に沿って整列しない非周期構造を有しており、光出射面に垂直でない方向に0次光以外のビームパターンを出射する、
ことを特徴とする半導体発光素子。
In a laser device provided with a phase modulation layer on which laser light is incident,
The phase modulation layer is
The basic layer consisting of the first refractive index medium and
A plurality of different refractive index regions existing in the basic layer, which are composed of a second refractive index medium having a different refractive index from the first refractive index medium,
With
The plurality of different refractive index regions
The planar shape is approximately circular or approximately square or approximately polygonal with rotational symmetry of 90 °, and has a main different refractive index region having a first area perpendicular to the thickness direction and a second area perpendicular to the thickness direction. Sub-differential index region and
With
The position of the center of gravity of the main different refractive index region is located at the lattice point of the square lattice.
The second area is larger than the first area,
The unit constituent region is composed of one main different refractive index region and one sub-differentred refractive index region provided closest to the main different refractive index region, and only these pair of different refractive index regions are configured for each unit. Exists in the area and
A line segment connecting the positions of the centers of gravity of the main different refractive index regions adjacent to each other is defined, and the smallest region surrounded by the perpendicular bisectors of this line segment is each of the unit constituent regions. In this unit constituent region, all of the pair of different refractive index regions are located.
Let φ be the rotation angle of the sub-differential refractive index region with respect to the main different refractive index region in the unit constituent region.
A plurality of the unit constituent regions are two-dimensionally arranged in the XY plane including the X-axis and the Y-axis.
The XY coordinates of each of the unit constituent regions are given at the position of the center of gravity of each of the principal different refractive index regions.
Assuming that the position of the center of gravity of the sub-differential refractive index region is separated from the position of the center of gravity of the main different refractive index region by a distance r, and the lattice constant of the square lattice is a.
0.38 ≤ (r / a) ≤ 0.5,
The filling,
The main different refractive index region has a periodic structure in the XY plane.
The sub-refractive index region has an aperiodic structure that is not aligned along the uniaxial direction in the XY plane, and emits a beam pattern other than the 0th-order light in a direction that is not perpendicular to the light emitting surface.
A semiconductor light emitting device characterized by this.
前記ビームパターンは、
前記位相変調層におけるXY平面に平行な光出射面上に形成される実空間上の二次元電界強度分布を、二次元フーリエ変換した遠視野像であり、
前記遠視野像を二次元逆フーリエ変換して得られる複素振幅f(x,y)は、虚数単位をj、振幅項をA(x,y)、位相項をP(x,y)として、
f(x,y)=A(x,y)×exp[jP(x,y)]、
で与えられ、
前記単位構成領域内において前記副異屈折率領域の重心と、この副異屈折率領域が含まれる単位構成領域の格子点(重心)とを結ぶ線分が、X軸との成す角度φは、比例定数をC、定数をBとして、
φ(x,y)=C×P(x,y)+B、
で与えられることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
The beam pattern is
This is a far-field image obtained by two-dimensional Fourier transforming a two-dimensional electric field strength distribution in real space formed on a light emitting surface parallel to the XY plane in the phase modulation layer.
The complex amplitude f (x, y) obtained by two-dimensional inverse Fourier transform of the far-field image has an imaginary unit of j, an amplitude term of A (x, y), and a phase term of P (x, y).
f (x, y) = A (x, y) x exp [jP (x, y)],
Given in
The angle φ formed by the line segment connecting the center of gravity of the sub-Cartesian index region and the lattice point (center of gravity) of the unit constitutive region including the sub-Cartesian index region in the unit constituent region with respect to the X axis is Let C be the constant of proportionality and B be the constant.
φ (x, y) = C × P (x, y) + B,
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is given by.
前記遠視野像は、実空間上の二次元電界強度分布を二次元フーリエ変換した波数空間における座標(k、k)において、複数の画像領域FR(k、k)から構成され、前記画像領域FR(k,k)は、それぞれが正方形で、波数空間における規格化した波数kを与えるKx軸方向にM2個(M2は、1以上の整数)、規格化した波数kを与えるKy軸方向にN2個(N2は、1以上の整数)、配列するように、二次元配置されており、
複素振幅f(x,y)を与える前記二次元逆フーリエ変換は、以下の式:
Figure 2021114485

で与えられることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
The far field pattern, in a two-dimensional electric field distribution coordinates in Fourier space that is two-dimensional Fourier transform of the real space (k x, k y), a plurality of image regions FR (k x, k y) is composed of, the image area FR (k x, k y) are each square, M2 or in the Kx-axis direction to provide a wave number k x normalized in wavenumber space (M2 is an integer of 1 or more), the wave number k obtained by normalizing N2 pieces (N2 is an integer of 1 or more) are arranged two-dimensionally in the direction of the Ky axis that gives y.
The two-dimensional inverse Fourier transform that gives the complex amplitude f (x, y) is based on the following equation:
Figure 2021114485

The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the semiconductor light emitting device is given by.
XYZ直交座標系における座標(x,y,z)を示す球面座標(r,θtilt,θrot)は、動径の長さrと、Z軸からの前記動径の傾き角θtilt と、前記動径が前記XY平面上に投影された線分の前記X軸からの回転角θrotとを用いて、以下の関係を満たしており、
x=r・sinθtilt・cosθrot
y=r・sinθtilt・sinθrot
z=r・cosθtilt
前記半導体発光素子から、傾き角θtilt及び回転角θrotで出射されるビーム群が形成する輝点の集合を遠視野像とすると、
Kx−Ky平面における前記遠視野像は、Kx軸における規格化した波数k及びKy軸における規格化した波数kは、前記半導体発光素子の発振波長をλとして、以下の関係を満たしている、
=(a/λ)・sinθtilt・cosθrot
=(a/λ)・sinθtilt・sinθrot
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。
The spherical coordinates (r, θtilt, θrot) indicating the coordinates (x, y, z) in the XYZ Cartesian coordinate system are the length r of the radius, the inclination angle θtilt of the radius from the Z axis, and the radius. Satisfies the following relationship using the rotation angle θrot of the line segment projected on the XY plane from the X axis.
x = r · sinθ tilt · cosθ rot ,
y = r · sinθ tilt · sinθ rot ,
z = r · cosθ tilt ,
Assuming that a set of bright spots formed by a group of beams emitted from the semiconductor light emitting device at an inclination angle θtilt and an angle of rotation θrot is a far-field image.
The far field pattern in the Kx-Ky plane, wave number k y normalized at wave numbers k x and Ky-axis normalized at the Kx-axis is the oscillation wavelength of the semiconductor light emitting device as lambda, satisfy the following relationship ,
k x = (a / λ) ・ sinθ tilt・ cosθ rot ,
k y = (a / λ) · sinθ tilt · sinθ rot,
The semiconductor light emitting device according to claim 3.
前記位相変調層に光学的に結合した活性層を挟む第1クラッド層及び第2クラッド層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a first clad layer and a second clad layer that sandwich an active layer optically coupled to the phase modulation layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN116070465B (en) * 2023-03-07 2023-06-02 天地信息网络研究院(安徽)有限公司 Space wave position design method based on overlap ratio optimization

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080043795A1 (en) * 2006-08-21 2008-02-21 Industrial Technology Research Institute Light-Emitting Device
WO2014136962A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-12 浜松ホトニクス株式会社 Laser element and laser device
WO2017150387A1 (en) * 2016-02-29 2017-09-08 国立大学法人京都大学 2d photonic crystal surface emission laser and method for producing same
US20180026419A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-25 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light-emitting device and manufacturing method for the same
JP2018026463A (en) * 2016-08-10 2018-02-15 浜松ホトニクス株式会社 Light-emitting device
JP2018041832A (en) * 2016-09-07 2018-03-15 浜松ホトニクス株式会社 Semiconductor light-emitting element and light-emitting device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080043795A1 (en) * 2006-08-21 2008-02-21 Industrial Technology Research Institute Light-Emitting Device
WO2014136962A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-12 浜松ホトニクス株式会社 Laser element and laser device
WO2017150387A1 (en) * 2016-02-29 2017-09-08 国立大学法人京都大学 2d photonic crystal surface emission laser and method for producing same
US20180026419A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-25 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light-emitting device and manufacturing method for the same
JP2018026463A (en) * 2016-08-10 2018-02-15 浜松ホトニクス株式会社 Light-emitting device
JP2018041832A (en) * 2016-09-07 2018-03-15 浜松ホトニクス株式会社 Semiconductor light-emitting element and light-emitting device

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