JP6052665B2 - 半導体レーザ素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子の駆動方法、半導体レーザモジュール及び半導体レーザモジュールの設定方法に関する。

本願発明者らは、フォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子について提案してきた（特許文献１、非特許文献１）。このような面発光型の半導体レーザ素子は、一度に２方向に向けて同時にレーザビームを出射することができるという画期的な特徴を有している。また、複数に分割された駆動電極に、駆動電流を供給することで、駆動電極毎に２方向のレーザビームを出射することができる。各駆動電極の直下に位置するフォトニック結晶の周期を異ならせておけば、駆動電極毎に、レーザビーム対の出射角が異なることになる。更に、非特許文献１によれば、細分化した駆動電極を設け、複数の駆動電極について同時に電流を流すと共に、その電流バランスを変化させることによって、連続的なビーム方向制御も可能である。

特開２００９−７６９００号公報

黒坂剛孝他、"On-Chip beam-steeringphotonic-crystal lasers", Nature Photonics, vol. 4, pp.447-450, 2010

しかしながら、２方向にレーザビームを同時に出射する半導体レーザ素子の場合、実用的な用途が限られてくる。一方、所定の１方向にレーザビームを出射する半導体レーザ素子であれば、すなわち駆動電極毎に所定の１方向のレーザビームを出射できる構造であれば、各駆動電極へ供給される駆動電流を切り替える、更に、駆動電流バランスを変化させることで、レーザビームの走査が可能となる。この場合、従来から使用されている様々なレーザビーム偏向装置等に、当該半導体レーザ素子を適用することが可能となる。レーザビーム数を多くすれば、レーザビーム偏向装置は、高精細なレーザビーム走査装置を構成することも可能である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、所定の１方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ素子の駆動方法、半導体レーザモジュール及び半導体レーザモジュールの設定方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を行った結果、基板上に形成された下部クラッド層、上部クラッド層、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくとも一方との間に介在するフォトニック結晶層、並びに活性層の複数の領域に駆動電極を供給するための複数の駆動電極、を備え、活性層の複数の領域が、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる方向に並んで位置し、複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向がそれぞれ異なる半導体レーザ素子に想到した。この半導体レーザ素子によれば、所定の１方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能となる。

一方で、半導体レーザ素子から出射されるレーザビームの出射方向は、フォトニック結晶層と駆動電極との相対的な位置関係によって定まる。このため、フォトニック結晶層と駆動電極との間に位置ずれが生じた場合には、所望の出射方向を得るための所定の駆動電極に電流を供給した場合にも、所望の出射方向のレーザビームを得ることができなくなるおそれがある。

そこで、本発明者らは、フォトニック結晶層と駆動電極との間に位置ずれが生じた場合にも、所望の出射方向のレーザビームを確実に得ることのできる構成について更に鋭意研究を行い、同時に出射されるレーザビームの方向を所定の１方向としながら、出射されるレーザビームの方向を切り替えることができ、かつフォトニック結晶層と駆動電極との間に位置ずれが生じた場合にも、所望の出射方向のレーザビームを確実に得ることのできる半導体レーザ素子の駆動方法、半導体レーザ素子の設定方法及び半導体レーザモジュールに想到するに至った。

本発明に係る半導体レーザ素子の駆動方法は、半導体レーザ素子の駆動方法であって、半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、複数の領域は、半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる方向に並んで位置し、複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向はそれぞれ異なっており、駆動方法は、レーザビームを出射させる方向に関する情報を含む信号が入力された際に、レーザビームを出射させる方向に関する情報と、該方向にレーザビームを出射させるために駆動電流を供給する駆動電極に関する情報と、を対応付けた対応情報に基づいて、複数の駆動電極から駆動電極を選択するステップと、選択された駆動電極に駆動電流を供給することにより半導体レーザ素子を駆動するステップと、を含み、駆動電極を選択するステップでは、対応情報として、駆動電極を選択する信号と、駆動電極を選択する信号により選択された駆動電極に駆動電流が供給されることにより半導体レーザ素子から出射されたレーザビームの方向と、の関係に基づいて予め決定された情報を用いることを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ素子の駆動方法では、活性層の複数の領域から出射されるレーザビームの出射方向はそれぞれ異なっている。レーザビームを出射させる方向に関する情報と、該方向にレーザビームを出射させるために駆動電流を供給する駆動電極に関する情報と、が対応情報により対応付けられている。対応情報に基づいて、複数の駆動電極から駆動電極が選択される。選択された駆動電極に駆動電流が供給される。駆動電極を選択する際には、対応情報として、駆動電極を選択する信号と、駆動電極を選択する信号により選択された駆動電極に駆動電流が供給されることにより半導体レーザ素子から出射されたレーザビームの方向と、の関係に基づいて予め決定された信号が用いられる。ここで、対応情報において、レーザビームを出射する方向と、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極との対応は、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれの大きさによって異なる。このため、対応情報には、フォトニック結晶層と駆動電極の位置ずれの影響が反映されている。したがって、本発明に係る半導体レーザ素子の駆動方法では、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれの影響が反映された対応情報に基づいて、所望のレーザビームの出射方向に対応する駆動電極が選択される。このため、フォトニック結晶層と駆動電極との間に位置ずれが生じた場合にも、所望の出射方向を得ることができる。

活性層は、複数の領域として、第１領域と第２領域とを含み、複数の駆動電極は、第１領域に駆動電流を供給するための第１駆動電極と、第２領域に駆動電流を供給するための第２駆動電極と、を含み、第１駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第１領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第１及び第２の周期構造を有しており、第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第１駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう１つが光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも１つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、第２駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第２領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第３及び第４の周期構造を有しており、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう１つが光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも１つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分は、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分とは異なっていてもよい。

この場合、駆動電極に駆動電流を供給することにより、半導体レーザ素子内部で２つ以上のレーザビームが生成される。生成されたレーザビームの中で光出射端面に向かう１つが光出射端面に対して屈折角９０度未満となり、光出射端面に向かう別の少なくとも１つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たす。このため、同時に出射されるレーザビームの方向を所定の１方向とすることができる。第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分が、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分と異なっている。このため、複数の駆動電極のうちどの電極に駆動電流を供給するかにより、レーザビームの出射方向を切り替えることができる。

また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、記憶手段と、半導体レーザ素子及び記憶手段に接続された駆動手段と、を具備し、半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、複数の領域は、半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる方向に並んで位置し、複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向はそれぞれ異なっており、記憶手段は、レーザビームを出射する方向に関する情報と、該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極に関する情報と、を対応付けた対応情報を予め記憶しており、駆動手段は、レーザビームを出射する方向に関する情報及び記憶手段に記憶された対応情報に基づいて、複数の駆動電極から駆動電極を選択する選択部と、選択部により選択された駆動電極に駆動電流を供給する駆動電流供給部と、を備え、対応情報は、駆動電極を選択する信号と、駆動電極を選択する信号により選択された駆動電極に駆動電流が供給されることにより半導体レーザ素子から出射されたレーザビームの方向と、の関係に基づいて予め決定された情報である、ことを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザモジュールによれば、レーザビームを出射する方向に関する情報と、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極に関する情報と、が対応情報により対応付けられている。ここで、対応情報において、レーザビームを出射する方向と当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極との対応は、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれによって異なる。このため、対応情報には、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれの影響が反映されている。したがって、本発明に係る半導体レーザモジュールでは、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれの影響が反映された対応情報に基づいて、所望のレーザビームの出射方向に対応する駆動電極が選択される。このため、フォトニック結晶層と駆動電極との間に位置ずれが生じた場合にも、所望の出射方向を得ることができる。

また、本発明に係る半導体レーザモジュールの設定方法は、半導体レーザモジュールのレーザビームを出射する方向に関する情報を設定するための設定方法であって、半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子に接続される記憶手段と、を具備し、半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、複数の領域は、半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる方向に並んで位置し、複数の領域から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向はそれぞれ異なっており、設定方法は、半導体レーザ素子の複数の駆動電極のうち少なくとも一つに駆動電流を供給することによって半導体レーザ素子からレーザビームを出射させ、出射されたレーザビームの方向を測定するステップと、測定されたレーザビームを出射する方向に関する信号と、測定するステップにおいて駆動電流が供給された駆動電極に関する情報と、を対応付けた対応情報を作成するステップと、対応情報を記憶手段に記憶させるステップと、を含む、ことを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザモジュールの設定方法では、複数の駆動電極のうち少なくとも一つに駆動電流を供給することによって半導体レーザ素子からレーザビームを出射させる。出射されたレーザビームの方向が測定される。測定されたレーザビームの出射方向に関する情報と、駆動電流が供給された駆動電極に関する情報と、が対応付けられた対応情報が作成される。作成された対応情報が記憶手段に記憶される。ここで、対応情報において、レーザビームを出射する方向と、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極との対応は、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれによって異なる。このため、信号と駆動電極との対応付けを行う情報には、フォトニック結晶層と駆動電極との位置ずれの影響が反映されている。このため、半導体レーザモジュールでは、記憶手段に記憶された情報に基づいて、所望のレーザビームの出射方向に対応する駆動電極が選択されるため、所望の出射方向のレーザビームを確実に得ることができる。

本発明によれば、所定の１方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することができる。

半導体レーザモジュールの機能構成を示す図である。 半導体レーザ素子の縦断面図である。 半導体レーザ素子の平面図である。 半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。 単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。 単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。 複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。 複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域を、複数有するフォトニック結晶領域群の平面図である。 フォトニック結晶領域群を有するフォトニック結晶層の平面図である。 基準方向からの偏向角δθ（各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存）に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。 様々な形状の異屈折率部（構造体）の平面図である。 レーザビーム偏向装置の構成を示す図である。 半導体レーザモジュールの対応情報の設定処理を示すフローチャートである。 半導体レーザモジュールの対応情報の設定処理時における信号の流れを示す図である。 半導体レーザモジュールの通常動作時の処理を示すフローチャートである。 半導体レーザモジュールの通常動作時における信号の流れを示す図である。 半導体レーザ素子の縦断面図である。 半導体レーザ素子内部の平面図である。 ｘｙ座標系において、原点ＯからＰ点（βｘ，βｙ）に向かうベクトル。 ｘｙ座標系における主要光波の向きを示すグラフである。 活性層３Ｂ内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。 周期構造を有する回折格子層４’の平面図（Ａ）、ＸＺ平面内の断面図（Ｂ）である。 レーザビーム出射角（屈折角）θ３と、ストライプの角度θ及び周期Λとの関係を示すグラフである。 グラフに用いられるデータを示す図表である。 半導体レーザ素子の部分的な領域の断面図である。 フォトニック結晶層の平面図である。

以下、実施の形態に係る半導体レーザモジュール及び半導体レーザモジュールのレーザビームを出射する方向に関する情報を設定するための設定方法について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、半導体レーザモジュールの機能構成を示す図である。

半導体レーザモジュールＬＭは、半導体レーザ素子１０と、記憶装置２０（記憶手段）と、駆動回路３０（駆動手段）とを具備している。半導体レーザ素子１０は、機能的には、複数の仮想的なレーザダイオード１０Ａを備えている。複数のレーザダイオード１０Ａは、それぞれ互いに異なる方向にレーザビームを出射する。レーザダイオード１０Ａのアノードは、それぞれ独立した駆動電極Ｅ２である。レーザダイオード１０Ａのカソードは、電極Ｅ１である。全てのレーザダイオード１０Ａの電極Ｅ１は、一つの電極として統合されている。半導体レーザ素子１０は、駆動電極Ｅ２を選択して、選択された駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給することにより、選択された駆動電極Ｅ２ごとに異なる方向にレーザビームを出射する。駆動電極Ｅ２及びレーザダイオード１０Ａの数は、半導体レーザ素子１０が出射するレーザビームの方向の所望の範囲を網羅するための必要最低限の数よりも多くされている。半導体レーザ素子１０の詳細な構成については後述する。

記憶装置２０は、半導体レーザ素子１０がレーザビームを出射する方向に関する情報と、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流が供給される駆動電極Ｅ２に関する情報と、を対応付けた対応情報を記憶している。より具体的には、半導体レーザ素子１０がレーザビームを出射する方向に関する情報とは、標準的な半導体レーザ素子１０において、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報である。記憶装置２０に記憶される対応情報は、後述する設定方法により、予め、例えば半導体レーザモジュールＬＭの出荷検査時に記憶されている。

駆動回路３０は、駆動電流供給回路１１（駆動電流供給部）、信号処理回路３１及び電極選択駆動回路３２（選択部）を備えている。駆動回路３０は、半導体レーザ素子１０及び記憶装置２０に接続されている。

駆動電流供給回路１１は、駆動電極Ｅ２を選択する情報に基づいて、選択された駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給する。上記の駆動電極Ｅ２を選択する信号は、半導体レーザモジュールＬＭの外部から信号処理回路３１を経由して外部信号として入力される信号、又は、電極選択駆動回路３２により出力される信号である。ここで、外部信号とは、標準的な半導体レーザ素子１０において、所定の角度にレーザビームを出射させるために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報を含む信号である。

信号処理回路３１は、半導体レーザモジュールＬＭの外部から入力された信号である外部信号を、駆動電流供給回路１１及び電極選択駆動回路３２のいずれかに振り分ける。信号処理回路３１は、所定の契機で出荷検査モードと通常モードの２種類の動作のモードを切り替える。出荷検査モードは、半導体レーザモジュールＬＭの出荷検査時に使用されるモードである。通常モードは、半導体レーザモジュールＬＭが通常使用される時に使用されるモードである。出荷検査モードでは、信号処理回路３１は、信号処理回路３１に入力された外部信号を駆動電流供給回路１１へ出力する。通常モードでは、信号処理回路３１は、信号処理回路３１に入力された外部信号を電極選択駆動回路３２へ出力する。信号処理回路３１が動作のモードをどのように切り替えるかについては、適宜定めることができる。例えば、半導体レーザモジュールＬＭにハードウェア的なスイッチを設け、このスイッチを操作することにより信号処理回路３１が動作のモードを出荷検査モードに切り替えるようにしてもよい。半導体レーザ素子１０に対して所定の操作を行うことにより、信号処理回路３１が動作のモードを出荷検査モードに切り替えるようにしてもよい。半導体レーザ素子１０に、出荷検査モードに切り替えることを指示する信号を入力することにより、信号処理回路３１が動作のモードを出荷検査モードに切り替えるようにしてもよい。

電極選択駆動回路３２は、記憶装置２０に記憶された対応情報に基づいて、複数の駆動電極Ｅ２から、レーザビームの出射角度が所望の角度となる駆動電極Ｅ２を選択する。電極選択駆動回路３２は、どの駆動電極Ｅ２を選択するかを示す信号を駆動電流供給回路１１に出力する。

次に、端面発光型の半導体レーザ素子１０及び半導体レーザ素子１０を用いたレーザビーム偏向装置について詳細に説明する。

図２は、半導体レーザ素子の縦断面図であり、図３は、半導体レーザ素子の平面図である。

半導体レーザ素子１０は、半導体基板１上に順次形成された下部クラッド層２、下部光ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、上部光ガイド層３Ｃ、フォトニック結晶層４、上部クラッド層５、コンタクト層６を備えている。半導体基板１の裏面側には、電極Ｅ１が全面に設けられており、コンタクト層６上には、複数の駆動電極Ｅ２が設けられている。同図では、簡略的に５本の駆動電極Ｅ２が示されているが、実際には更に多くの駆動電極Ｅ２がコンタクト層６上に設けられる。

なお、駆動電極Ｅ２の形成領域以外のコンタクト層６上の表面は、絶縁膜ＳＨによって覆われている。絶縁膜ＳＨは、例えば、ＳｉＮやＳｉＯ_２から形成することができる。

これらの化合物半導体層の材料／厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が１０^１５／ｃｍ^３以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、１０^１７〜１０^２０／ｃｍ^３である。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層３Ｂおよびフォトニック結晶層４を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。上部光ガイド層３Ｃは、上層及び下層の２つの層からなる。
・コンタクト層６：Ｐ型のＧａＡｓ／５０〜５００ｎｍ
・上部クラッド層５：Ｐ型のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ）／１．０〜３．０μｍ
・フォトニック結晶層４：
基本層４Ａ：ＧａＡｓ／５０〜４００ｎｍ
埋め込み層（異屈折率部）４Ｂ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ）／５０〜４００ｎｍ
・上部光ガイド層３Ｃ：
上層：ＧａＡｓ／１０〜２００ｎｍ
下層：ｐ型または真性のＡｌＧａＡｓ／１０〜１００ｎｍ
・活性層３Ｂ（多重量子井戸構造）：
ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ＭＱＷ／１０〜１００ｎｍ
・下部光ガイド層３Ａ：ＡｌＧａＡｓ／０〜３００ｎｍ
・下部クラッド層２：Ｎ型のＡｌＧａＡｓ／１．０〜３．０μｍ
・半導体基板１：Ｎ型のＧａＡｓ／８０〜３５０μｍ

電極Ｅ１の材料としては例えばＡｕＧｅ／Ａｕ、電極Ｅ２の材料としては例えばＣｒ／ＡｕやＴｉ／Ａｕを用いることができる。

なお、光ガイド層は省略することも可能である。

この場合の製法において、ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ_3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いることができる。

上下の電極Ｅ１，Ｅ２間に電流を流すと、いずれかの電極Ｅ２の直下の領域Ｒを電流が流れ、この領域が発光して、レーザビームＬＢが基板の側方端面から所定の角度で出力される（図３参照）。駆動電極Ｅ２のいずれに駆動電流を供給するかにより、いずれのレーザビームＬＢが出射されるかが決定される。

半導体レーザ素子の平面形状は長方形であり、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をＺ軸、幅方向をＸ軸とし、光出射端面ＬＥＳに垂直な方向をＹ軸とする。ＸＹ平面内において、各駆動電極Ｅ２の延びている長手方向は、Ｙ軸に平行な直線に対して角度φを成している。すなわち、駆動電極Ｅ２の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜している。駆動電極Ｅ２は、光出射端面ＬＥＳの位置から逆側の端面に向けて延びているが、半導体レーザ素子を完全に横断することなく、途中で途切れている。

図４は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。

レーザビームは、活性層３Ｂ内において発生するが、活性層３Ｂから染み出した光は、隣接するフォトニック結晶層４の影響を受ける。フォトニック結晶層４内には、周期的屈折率分布構造が形成されている。このフォトニック結晶層により回折を受けた結果、活性層３Ｂの内部では、波数ベクトルｋ１〜ｋ４で示されるレーザビームが発生している。波数ベクトルは、向きが波面の法線方向（つまり波の伝播方向）で、大きさが波数となるベクトルのことである。波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、光出射端面ＬＥＳに向かっており、波数ベクトルｋ４、ｋ３のレーザビームは、これらとは逆の方向に向かっている。

波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、ＸＹ平面内において、Ｙ軸に平行な直線と角度φを成すＢ方向に対して、それぞれ±δθの角度を成して進行する。なお、Ｂ方向は、駆動電極Ｅ２の延びている方向である。Ａ方向は、ＸＹ平面内において、Ｂ方向に垂直な方向である。なお、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸回りにφだけ回転させた座標系をｘｙｚ直交座標系とする。この場合、Ａ方向はｘ軸正方向に一致し、Ｂ方向はｙ軸負方向に一致する。波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、光出射端面ＬＥＳに対して入射して外部に出射しようとするが、それぞれの入射角をθ１、θ２とする。波数ベクトルｋ１のレーザビームの屈折角はθ３とする。θ３は、９０度よりも小さい。すなわち、波数ベクトルｋ２のレーザビームの入射角θ２は、全反射臨界角以上であり、光出射端面ＬＥＳにおいて、全反射が生じ、外部には出力されない。一方、波数ベクトルｋ１のレーザビームの入射角θ１は、全反射臨界角未満であり、光出射端面ＬＥＳを透過して、外部に出力される。なお、θ４は、光出射端面ＬＥＳにおいて全反射したレーザビームの進行方向と、Ｙ軸負方向の成す角度であり、９０度以上である。

なお、フォトニック結晶層４は、複数のフォトニック結晶領域４Ｒが集合して形成されている。

図５は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。

フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることが出来る。この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することで、レーザを実現することが出来る。本実施形態のフォトニック結晶層４は、基本層４Ａと、基本層４Ａ内に周期的に埋め込まれた埋め込み層（異屈折率部）４Ｂからなる。

本実施形態では、閃亜鉛構造の第１化合物半導体（ＧａＡｓ）からなる基本層４Ａ内に複数の穴Ｈを周期的に形成し、穴Ｈ内に、閃亜鉛構造であって第２化合物半導体（ＡｌＧａＡｓ）からなる埋め込み層４Ｂを成長させてなるフォトニック結晶層４を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第１化合物半導体と、第２化合物半導体の屈折率は異なる。なお、本実施形態では、第２化合物半導体の方が、第１化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第１化合物半導体の方が、第２化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。

埋め込み層である異屈折率部４Ｂは、Ａ方向及びＢ方向に沿って整列し、２次元周期構造を構成している。ここでは、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをａ１、Ｂ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをｂ１とする。なお、ａ１＝ｂ１であってもよい。ＡＢ平面内における各異屈折率部４Ｂの平面形状として、同図には長方形が示されているが、異屈折率部４Ｂの平面形状はこれに限定されるものではない。

図６は、図５とは異なる単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。

埋め込み層である異屈折率部４Ｂは、Ａ方向及びＢ方向に沿って整列し、２次元周期構造を構成している。ここでは、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをａ２、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをｂ２とする。なお、ａ２＞ａ１の関係を満たしている。ＡＢ平面内における各異屈折率部４Ｂの平面形状として、同図にも長方形が示されているが、異屈折率部４Ｂの平面形状はこれに限定されるものではない。

図７は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。

すなわち、このフォトニック結晶領域４Ｒは、図５に示した周期構造と、図６に示した周期構造とを単一のフォトニック結晶領域４Ｒが含んでおり、周期ａ１と周期ａ２を有している。また、同図には、Ｂ方向の周期は共にｂ２（＝ｂ１）とすることとしたものが示されている。

かかる構造の場合、周期ａ１の逆数（１／ａ１）と、ａ２の逆数（１／ａ２）との差分に応じて、図４におけるδθが決定される。すなわち、周期ａ１とａ２を決定することで、波数ベクトルｋ１，ｋ２で示されるレーザビームの進行方向を決定することができる。なお、δθ＝ｓｉｎ^−１（δｋ／ｋ）、δｋ＝｜π｛（１／ａ１）−（１／ａ２）｝｜、ｋ＝２π／λである。λは半導体レーザ素子中のレーザ光の波長、ｋは半導体レーザ素子中のレーザ光の波数である。

本実施形態の場合、上記パラメータθ１、θ２、半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ｎ_ｄｅｖの満たすべき不等式は、次の通りである。

０≦θ１＜ｓｉｎ^−１（１／ｎ_ｄｅｖ）

θ２≧ｓｉｎ^−１（１／ｎ_ｄｅｖ）

また、本発明の通りフォトニック結晶全体がφ傾いていることを考慮すると、各パラメータの満たすべき方程式は次の通りとなる。
δθ＝φ−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ３／ｎ_ｄｅｖ）
δｋ＝（２π／λ_０）ｓｉｎ｛φ−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ３／ｎ_ｄｅｖ）｝
ｂ１＝ｂ２＝ｂ_０／√（１−ｓｉｎ^２δθ）
ａ１＝１／｛（δｋ／２π）＋（１／ｂ１）｝
ａ２＝１／｛（１／ｂ２）−（δｋ／２π）｝

なお、ｂ_０はＢ方向（格子点の整列方向（異屈折率部の配列方向））に対する基準周期であり、例えば２９０ｎｍ程度である。

すなわち、φは光出射端面ＬＥＳに垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向（Ｂ方向）の傾き、θ３はレーザビームの出射角、ｎ_ｄｅｖは半導体レーザ素子中の光の等価屈折率とし、第１及び第２駆動電極に駆動電流を供給した場合において、第１及び第２駆動電極直下の活性層の第１及び第２領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、第１、第２、第３及び第４周期構造（後述）において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期ｂ１、ｂ２が、√｛１−ｓｉｎ^２（φ−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ３／ｎ_ｄｅｖ））｝に反比例する。周期の設定を変えることで、出射角θ３を変化させることができる。

波数ベクトルｋ２のレーザビームの全反射条件を満たす場合の全反射臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ_ｄｅｖ）で与えられ、本例の場合は、φ＝１８．５°、θ２＞θｃ＝１７．６°である。

図８は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域４Ｒを、複数有するフォトニック結晶領域群４Ｇの平面図である。フォトニック結晶層領域４Ｒは、Ａ方向に沿って整列して配置されている。

一番左のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ１、２番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ２、２番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ３、４番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ４、５番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ５とする。便宜上、Δ１〜Δ５は、上記周期の逆数のパラメータも示すこととする。

領域Δ１内では、Ａ方向に図７に示した周期ａ１と周期ａ２を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。

同様に、領域Δ２内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ３を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。

領域Δ３内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ４を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。

領域Δ４内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ５を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。

領域Δ５内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ６を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。但し、ａ１＜ａ２＜ａ３＜ａ４＜ａ５＜ａ６の関係を満たしている。

一般式を用いて説明すると、領域ΔＮ（Ｎは自然数）が、Ａ方向にそってＮの値が小さい順番に左から右に配列されており、領域ΔＮ内では、Ａ方向に周期ａ１と、周期ａ（Ｎ＋１）を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列され、ａＮ＜ａ（Ｎ＋１）を満たしている。

これにより、周期の逆数の差に応じて、異なる方向にレーザビームを出射することができる。

図９は、フォトニック結晶領域群４Ｇを有するフォトニック結晶層の平面図である。

フォトニック結晶層４内において、各領域Δ１〜Δ５は、順番にＡ方向に沿って配置されている。各領域Δ１〜Δ５の長手方向はＢ方向（駆動電極Ｅ２の長手方向）に一致している。各駆動電極Ｅ２に、選択的に駆動電流を供給する（電極Ｅ１と特定の電極Ｅ２の間に駆動電圧を印加する）と、光出射端面ＬＥＳから、それぞれ異なる方向にレーザビームが出射する（図３参照）。

図１０は、基準方向（Ｂ方向）からの偏向角δθ（各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存）に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。

周期の逆数の差が大きくなり、角度δθが大きくなると、入射角θ１及びθ２が大きくなり、ｋ１ベクトルで示されるレーザビームの屈折角（出射角）が９０°から０°まで減少する。φ＝１８．５°であり、δθは、０°から１８．５°まで変化させた。半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ｎ_ｄｅｖは３．３とした。角度δθを調整することで、目的とするレーザビームの出射角は広い範囲で調整することができる。一方、ｋ２ベクトルで示されるレーザビームではδθの値に拘らず、θ２は常に全反射臨界角を超えているため、常に全反射を生じ、外部には出力されない。

図１１は、様々な形状の異屈折率部（構造体）４Ｂの平面図である。

上記では、異屈折率部４ＢのＡＢ平面（ＸＹ平面）内における形状として長方形（Ａ）のものを示したが、これは正方形（Ｂ）、楕円形又は円形（Ｃ）とすることもでき、二等辺や正三角形（Ｄ）とすることもできる。また、三角形の向きとして、底辺がＡ方向に平行なもの（Ｄ）の他、底辺がＢ方向に平行なもの（Ｅ）、（Ｄ）に示す三角形を１８０度回転させたもの（Ｆ）とすることもできる。なお、いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。なお、これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。

なお、２つの周期構造を重畳させるにあたり、周期が異なることにより孔の個数に差異が生じるため、２つの周期構造による回折強度に差が生じる。これを低減するため、周期ａ１の構造に対してはＡ方向の形状長さをａ１／ｂ１倍し、周期ａ２の構造に対してはＡ方向の形状長さをａ２／ｂ２（＝ｂ１）倍することが効果的である。

なお、上述の実施形態では、駆動電極Ｅ２の数が１つの場合には、単一方向のビームのみを出力可能な半導体レーザ素子を構成する。駆動電極Ｅ２の数は、複数であれば、レーザビーム偏向装置を構成することができる。

図１２は、上記半導体レーザ素子を用いたレーザビーム偏向装置の構成を示す図である。

また、このレーザビーム偏向装置は、上述の半導体レーザ素子１０と、第１駆動電極Ｅ２（一番左の駆動電極）、第２駆動電極（左から２番目の駆動電極）、第３駆動電極（左から３番目の駆動電極）、第４駆動電極（左から４番目の駆動電極）、第５駆動電極（左から５番目の駆動電極）を含む電極群に、選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路１１を備えている。

駆動電流供給回路１１は、各駆動電極Ｅ２に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５を介して、駆動電流を供給する電源回路１１Ａと、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１１Ｂを備えている。制御回路１１Ｂにより、電源回路１１Ａから供給される駆動電流を切り替えることで、異なる方向に１方向のレーザビームＬＢのみを出力することができるが、これはレーザビームＬＢを擬似的に偏向していることになる。駆動電極の数は、２つでも偏向動作はできるが、これを３以上とすれば、狭いピッチでレーザビームを走査する構造とすることも可能である。

次に、半導体レーザモジュールＬＭのレーザビームを出射する方向に関する情報を設定するための設定方法について説明する。図１３は、半導体レーザモジュールＬＭの対応情報の設定処理を示すフローチャートである。図１４は、半導体レーザモジュールＬＭの対応情報の設定処理時における信号の流れを示す図である。

半導体レーザモジュールＬＭの対応情報の設定処理は、例えば、半導体レーザモジュールＬＭの出荷検査時に行われる。まず、半導体レーザモジュールＬＭの信号経路を、出荷検査時の信号経路に切り替える（ステップＳ１０１）。図１４に示されるように、出荷検査時の信号経路においては、外部信号は、信号処理回路３１に入力された後、そのまま駆動電流供給回路１１に出力され、電極選択駆動回路３２には出力されない。外部信号は、半導体レーザ素子１０がレーザビームを出射する方向に関する情報を含み、具体的には、半導体レーザ素子１０の複数の駆動電極Ｅ２のうち、どの駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給するかを指定する情報を含んでいる。

次に、半導体レーザ素子１０の駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給し、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザビームの方向を測定する（ステップＳ１０３）。ここで、駆動電流を供給する対象となる駆動電極Ｅ２の選択は、駆動電極Ｅ２を選択する信号を信号処理回路３１に入力することによって行われる。駆動電極Ｅ２の選択の仕方は、適宜定めることができる。例えば、全ての駆動電極Ｅ２を順に１つずつ選択して駆動電流を供給して、それぞれの駆動電極Ｅ２に対応するレーザビームの出射方向を順に測定するようにしてもよい。両端の駆動電極Ｅ２のみを順に１つずつ選択して駆動電流を供給し、レーザビームの出射方向の両端値を調べるようにしてもよい。

次に、ステップＳ１０３で測定されたレーザビームの方向に基づいて、対応情報を作成する（ステップＳ１０５）。ここで、対応情報とは、次の２つの情報を対応付ける情報である。第１の情報は、標準的な半導体レーザ素子１０において、ある方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報である。第２の情報は、設定処理の対象となっている半導体レーザモジュールＬＭに設けられた半導体レーザ素子１０において、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報と、を対応付ける情報である。

次に、作成した対応情報を、記憶装置２０に記憶させる（ステップＳ１０７）。

次に、半導体レーザモジュールＬＭの信号経路を、通常使用時の信号経路に切り替える（ステップＳ１０９）。図１６に示されるように、通常使用時の信号経路においては、外部信号は、信号処理回路３１に入力された後、電極選択駆動回路３２に出力され、駆動電流供給回路１１には出力されない。

次に、半導体レーザモジュールＬＭの通常動作時における駆動方法について説明する。図１５は、半導体レーザモジュールＬＭの通常動作時の処理を示すフローチャートである。図１６は、半導体レーザモジュールＬＭの通常動作時における信号の流れを示す図である。

まず、電極選択駆動回路３２が、信号処理回路３１を介して、入力された外部信号を読み込む（ステップＳ２０１）。外部信号とは、半導体レーザモジュールＬＭにレーザビームを出射させる方向に関する情報を含む信号である。より具体的には、外部信号とは、標準的な半導体レーザ素子１０において、ある方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報を含む信号である。

次に、記憶装置２０に記憶された外部信号と駆動電極Ｅ２との対応情報に基づき、電極選択駆動回路３２が、入力された外部信号に対応する駆動電極Ｅ２を選択する（ステップＳ２０３）。このステップＳ２０３では、電極選択駆動回路３２が、標準的な半導体レーザ素子１０において、ある方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報を、実際に駆動される半導体レーザモジュールＬＭに設けられた半導体レーザ素子１０において、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報に変換する。

次に、電極選択駆動回路３２が、選択した駆動電極Ｅ２に電流を供給するように、駆動電流供給回路１１を制御する（ステップＳ２０５）。これにより、駆動電流供給回路１１が半導体レーザ素子１０に駆動電流を供給し、所望の出射角度のレーザビームが半導体レーザ素子１０から出射される。

本実施形態に係る半導体レーザ素子１０の駆動方法では、活性層の複数の領域から出射されるレーザビームの出射方向はそれぞれ異なっている。レーザビームを出射させる方向に関する情報と、該方向にレーザビームを出射させるために駆動電流を供給する駆動電極Ｅ２に関する情報と、が対応情報により対応付けられている。対応情報に基づいて、複数の駆動電極Ｅ２から駆動電極Ｅ２が選択される。選択された駆動電極Ｅ２に駆動電流が供給される。駆動電極Ｅ２を選択する際には、対応情報として、駆動電極Ｅ２を選択する信号と、駆動電極Ｅ２を選択する信号により選択された駆動電極Ｅ２に駆動電流が供給されることにより半導体レーザ素子１０から出射されたレーザビームの方向と、の関係に基づいて予め決定された信号が用いられる。ここで、対応情報において、レーザビームを出射する方向と、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極Ｅ２との対応は、フォトニック結晶層４と駆動電極Ｅ２との位置ずれの大きさによって異なる。このため、対応情報には、フォトニック結晶層４と駆動電極Ｅ２の位置ずれの影響が反映されている。したがって、本実施形態に係る半導体レーザ素子１０の駆動方法では、フォトニック結晶層４と駆動電極Ｅ２との位置ずれの影響が反映された対応情報に基づいて、所望のレーザビームの出射方向に対応する駆動電極Ｅ２が選択される。このため、フォトニック結晶層４と駆動電極Ｅ２との間に位置ずれが生じた場合にも、所望の出射方向を得ることができる。

駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給することにより、半導体レーザ素子１０内部で２つ以上のレーザビームが生成される。生成されたレーザビームの中で光出射端面ＬＥＳに向かう１つが光出射端面ＬＥＳに対して屈折角９０度未満となり、光出射端面ＬＥＳに向かう別の少なくとも１つが光出射端面ＬＥＳに対して全反射臨界角条件を満たす。このため、同時に出射されるレーザビームの方向を所定の１方向とすることができる。第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分が、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分と異なっている。このため、複数の駆動電極Ｅ２のうちどの駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給するかにより、レーザビームの出射方向を切り替えることができる。

また、本実施形態に係る半導体レーザモジュールＬＭの設定方法では、複数の駆動電極Ｅ２のうち少なくとも一つに駆動電流を供給することによって半導体レーザ素子１０からレーザビームを出射させる。出射されたレーザビームの方向が測定される。測定されたレーザビームの出射方向に関する情報と、駆動電流が供給された駆動電極Ｅ２に関する情報と、が対応付けられた対応情報が作成される。作成された対応情報が記憶装置２０に記憶される。ここで、対応情報において、レーザビームを出射する方向と、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給する駆動電極Ｅ２との対応は、フォトニック結晶層４と駆動電極Ｅ２との位置ずれによって異なる。このため、信号と駆動電極Ｅ２との対応付けを行う情報には、フォトニック結晶層４と駆動電極Ｅ２との位置ずれの影響が反映されている。このため、半導体レーザモジュールでは、記憶装置２０に記憶された情報に基づいて、所望のレーザビームの出射方向に対応する駆動電極Ｅ２が選択されるため、所望の出射方向のレーザビームを確実に得ることができる。

以上の説明では、対応情報において、半導体レーザ素子１０がレーザビームを出射する方向に関する情報とは、標準的な半導体レーザ素子１０において、当該方向にレーザビームを出射するために駆動電流を供給すべき駆動電極Ｅ２を示す情報であるものとした。これに代えて、半導体レーザ素子１０がレーザビームを出射する方向に関する情報を、レーザビームを出射する方向そのもの、例えばレーザビームと光出射端面ＬＥＳとの間の角度としてもよい。

なお、上記では、１つのフォトニック結晶層４を用いた例について説明したが、これは２つのフォトニック結晶層４を用いて構成してもよい。

図１７は、半導体レーザ素子の縦断面図である。

図２に示したものとの相違点は、クラッド層２と光ガイド層３Ａ（活性層３Ｂ）との間に、第２のフォトニック結晶層４’を備えている点のみである。なお、第２のフォトニック結晶層４’は、第１のフォトニック結晶層４と同じ材料からなる基本層４Ａ’と異屈折率部４Ｂ’とを備えている。

図２に示したフォトニック結晶層４を第１のフォトニック結晶層とすると、このフォトニック結晶層４は、図５に示した単一の周期構造を有する屈折率分布構造を有しており、第２のフォトニック結晶層４’は、図６に示した周期ａ２の単一の周期構造のほか、各領域内の周期がａ３〜ａ４となるものを、Ａ方向に並べた屈折率分布構造を有している。すなわち、半導体レーザ素子の厚み方向から、これらのフォトニック結晶層４，４’の重なりを見ると、図８に示したものと同様に、領域Δ１〜領域Δ５が、Ａ方向に沿って整列していることになる。かかる構造の場合においても、各パラメータを上記のように設定することにより、図２に示した構造と同様の作用効果を得ることができる。

なお、かかる構造を製造する場合、クラッド層２の形成後に、第１のフォトニック結晶層４と同様の製造方法を行い（但し、異屈折率部４Ｂが形成された時点で成長を停止する）、しかる後、この上に、光ガイド層３Ａ以降の各層を、上述の製造方法と同様に製造すればよい。

また、２つの屈折率周期構造を含む第１のフォトニック結晶層４と同一の構造の第２のフォトニック結晶層４’を、第１のフォトニック結晶層４に代えて用いた構造であっても、同様の効果を奏する。

以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板１上に形成された下部クラッド層２と、上部クラッド層５と、下部クラッド層２と上部クラッド層５との間に介在する活性層３Ｂ（光ガイド層を含んでもよい）と、活性層３Ｂと上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層４，４’と、活性層３Ｂの第１領域Ｒ（１つの駆動電極Ｅ２の直下領域）に駆動電流を供給するための第１駆動電極Ｅ２と、を備え、第１駆動電極Ｅ２の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層４，４’の第１領域Ｒに対応する領域Δ１は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第１及び第２の周期構造を有しており、第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期（ａ１、ａ２）の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第１駆動電極Ｅ２の長手方向（Ｂ方向）に対して所定の角度（δθ）を成す２つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、全反射条件を満たすように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定されることを特徴とする。

すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第１駆動電極Ｅ２への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角θを全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角θ３は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。

また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、活性層３Ｂの第２領域Ｒ（２番目の駆動電極Ｅ２の直下の領域）に駆動電流を供給するための第２駆動電極Ｅ２を更に備え、第２駆動電極Ｅ２の長手方向（Ｂ方向）は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の前記第２領域に対応する領域Δ２は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに第３及び第４の周期構造を有しており、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期（ａ１，ａ３）の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極Ｅ２の長手方向に対して所定の角度δθを成す２つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、光出射端面において全反射するように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定され、第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期（ａ１，ａ２）の逆数の差分は、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期（ａ１，ａ３）の逆数の差分とは異なる。

端面発光型のレーザ素子において、第２駆動電極Ｅ２への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。

なお、左から３番目以降の駆動電極Ｅ２に関しても同様の作用効果がある。

ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層４，４’内の領域では、異屈折率部４Ｂの配列周期の逆数の差（出射方向決定因子）が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差（出射方向決定因子）の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第１駆動電極Ｅ２に対応する領域Δ１と、第２駆動電極Ｅ２に対応する領域Δ２では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面に入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に１方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。

なお、本実施例では周期の異なるフォトニック結晶としてＡ方向とＢ方向の周期が（ｂ１，ｂ１）の正方格子をベースとし、第１周期構造として周期が（ａ１，ｂ１）の長方格子、第２周期構造として周期が（ａ２，ｂ１）の長方格子の場合について説明したが、もちろん三角格子をベースとしてＡ方向の周期を互いに異ならせた構造を用いても良い。

図１８は、図４に示した平面図の天地を反転させ、出射されるビームの屈折角θ３を若干変更して示した素子内部の平面図である。図４においても同様である。

ｘｙｚ直交座標系は、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸の周りに角度＋φだけ回転させた座標系であり、＋ｘ方向は＋Ａ方向に一致し、＋ｙ方向は−Ｂ方向に一致する。フォトニック結晶の孔のパターンの配列は、光出射端面に対して角度φだけ傾斜している。図示のように、波数ベクトルｋ２の反射方向（波数ベクトルｋ２’のレーザビーム進行方向）と光出射端面ＬＥＳの成す角度をθ２’、波数ベクトルｋ１のレーザビームの反射方向（波数ベクトルｋ１’のレーザビーム進行方向）と光出射端面ＬＥＳとの成す角度をθ３’とする。

上述の実施形態では、素子から出射されるレーザビーム数が１本となるように、波数ベクトルｋ２のレーザビームに関しては、光出射端面ＬＥＳにおいて全反射されるように、設定した。しかしながら、このレーザビームのパワーを、素子内部において再利用することができれば、電気エネルギーからレーザビームへのエネルギー変換効率が高くなるものと考えられる。そこで、反射したレーザビームＹ２’を内部で再利用できる条件について、検討する。なお、波数ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ１’、ｋ２’に対応するレーザビーム（主要光波とする）を、それぞれＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４、Ｙ１’、Ｙ２’とし、これらは光波のベクトルも示しているものとする。また、Ｘ軸と主要光波Ｙ４との成す角度をθｔ、Ｘ軸と主要光波Ｙ３との成す角度をθｒとする。

各パラメータθｔ、θｒ、θ２’、θ３’は、以下の関係式を満たしている。なお、β_０、β_１、β_２はそれぞれ、Ｂ方向における基本逆格子ベクトル、第１周期構造のＡ方向における基本逆格子ベクトル、第２周期構造のＡ方向における基本逆格子ベクトルを意味するものとし、β_０＝２π／ｂ１（＝ｂ２）、β_１＝２π／ａ１、β_２＝２π／ａ２、Δβ＝β_２−β_１、α＝β_０／Δβとする。

角度θｒについて説明すると、図１９に示すように、ｘｙ座標系において、原点ＯからＰ点（βｘ，βｙ）に向かうベクトルが、ｘ軸と成す角度θβ＝ｔａｎ^−１(βｙ／βｘ)で与えられる。ここで、θｔはθβにおいて、βｘ＝（１／２）×Δβ、βｙ＝β_０として、角度φを加えた場合であるから、（式１）で与えられる。残りのパラメータも同様に計算され、（式２）〜（式４）で与えられる。
θｔ＝ｔａｎ^−１(２α)＋φ …（式１）
θｒ＝１８０°−ｔａｎ^−１(２α)＋φ …（式２）
θ２’＝ｔａｎ^−１(２α)−φ …（式３）
θ３’＝１８０°−ｔａｎ^−１(２α)−φ …（式４）

何らの付加的な構造が存在しない場合、全反射した主要光波Ｙ２’が、レーザ光共振に寄与するためには、主要光波Ｙ２’の角度θ２’と角度θｔが一致する必要がある（θ２’＝θｔ）。この場合、φ＝０となる。また、反射した主要光波Ｙ１’の角度θ３’と角度θｒが一致する必要がある（θ３’＝θｒ）。この場合、φ＝０となる。一方、２つの主要光波Ｙ１，Ｙ２のうち、一方を全反射させるためには、φ≠０である必要がある。したがって、出力されるビーム数を１本となるように全反射を行った場合には、光出射端面にて反射した主要光波をレーザ光共振に有効に寄与させることはできない。

したがって、反射光を利用可能な付加的な構造について検討する。

図２０は、ｘｙ座標系における主要光波の向きを示すグラフである。ｘｙ座標系におけるｘ軸は、Ｘ軸に対して角度φだけ回転している。

反射光としての主要光波Ｙ２’を、共振に供する主要光波Ｙ４に一致させるためには、光波Ｙ２’の向きを角度２φだけ回転させればよい。ｘｙ座標系における主要光波Ｙ４を示すベクトルの先端Ｐ４の座標は（Δβ／２，β_０）であり、主要光波Ｙ２’を示すベクトルの先端Ｐ２’の座標は、これを−２φだけ回転した座標である。

一方、ＸＹ座標系においては、ｘｙ座標系のベクトルＹ４（先端Ｐ４）の座標（Δβ／２，β_０）は、これを＋φだけ回転した座標（ＸＡ，ＹＡ）に変換され、ベクトルＹ２’の座標は、ｘｙ座標系のベクトルＹ４の座標を−φだけ回転した座標（ＸＢ，ＹＢ）に変換される。
（ＸＡ，ＹＡ）＝（Δβｃｏｓφ／２−β_０ｓｉｎφ，Δβｓｉｎφ／２＋β_０ｃｏｓφ） …（式５）
（ＸＢ，ＹＢ）＝（Δβｃｏｓφ／２＋β_０ｓｉｎφ，−Δβｓｉｎφ／２＋β_０ｃｏｓφ） …（式６）

ベクトルΔＹに等しい逆格子ベクトルが存在すれば、主要光波Ｙ２’が主要光波Ｙ４に結合する。すなわち、ベクトルＹ２’に、ベクトルΔＹを加えれば、ベクトルＹ４となる。ベクトルΔＹは以下のように表され、このベクトルΔＹに等しい逆格子ベクトルを有する新たな周期構造を付加的に採用すれば、全反射した光波Ｙ２’を共振に寄与させることができる。
ΔＹ＝（ＸＡ−ＸＢ，ＹＡ−ＹＢ）＝（−２β_０ｓｉｎφ，Δβｓｉｎφ）

なお、この新たな周期構造は、異屈折率部がストライプ状に配置されていることが好ましい。ストライプ状の周期構造は、光結合係数の異方性が高く、共振状態のＹ１，Ｙ２が受ける影響を小さくすることができる。

図２１は、活性層３Ｂ内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。

ＸＹ平面と光出射端面ＬＥＳとの交線はＸ軸に一致している。上述のベクトルΔＹが存在する場合には、座標Ｐ２’に先端がある光波Ｙ２’の波数ベクトルは座標Ｐ４に先端がある光波Ｙ４の波数ベクトルに変換される。ベクトルΔＹに垂直な直線をＬとする。新たな周期構造は、活性層３Ｂ内において、光波が直線Ｌに垂直な方向に進行するように設定すればよい。活性層３Ｂ内の光波の進行方向を制御するため、これに光学的に結合している回折格子層のパターンを制御する。上述の図１７においては、上下のフォトニック結晶層（回折格子層）４，４’を備えることとした。このような構造の場合において、上述の全反射を達成するフォトニック結晶層を上部の回折格子層４内に作製し、反射光を共振に利用するための上記新たな周期構造を回折格子層４’内に作製することができる（もちろん、これらの周期構造はどちらか一方、或いは両方の層に重畳して作製してもよい）。

図２２（Ａ）は、上記ベクトルΔＹを与える周期構造を有する回折格子層４’の平面図であり、図２２（Ｂ）は、そのＸＺ平面内の断面図である。

回折格子層４’は、ＸＹ平面内において、直線Ｌに沿ってストライプ状に延びた基本層４Ａ’と異屈折率部４Ｂ’とを備えており、これらの屈折率は異なっている。異屈折率部４Ｂ’は、周期的に基本層４Ａ’内に埋め込まれている。これにより、回折格子層４’内に、ストライプ状の周期的屈折率分布構造が形成され、ΔＹの方向に光波は進行させる回折格子層として機能する。直線Ｌに垂直な方向に沿った基本層４Ａ’の幅がこの周期構造の周期Λに対して占める割合を変化させることにより、本ストライプ状周期的屈折率分布構造による回折の強度を変化させることが出来る。逆格子空間におけるΔＹの逆格子ベクトルの長さＬ２、周期Λ、直線ＬとＸ軸との成す角度θは、以下のように与えられる。

Ｌ２＝｛（２β_０ｓｉｎφ）^２＋（Δβｓｉｎφ）^２｝^１／２ …（式７）
Λ＝２π／Ｌ２
＝１／｛（２ｓｉｎφ／ａ_ｙ）^２＋（（１／ａ_ＩＩ−１／ａ_Ｉ）ｓｉｎφ）^２｝^１／２ …（式８）
θ＝θｔ−φ
＝ｔａｎ^−１(２α)
＝ｔａｎ^−１｛（２／ａ_ｙ）／（１／ａ_ＩＩ−１／ａ_Ｉ）｝ …（式９）

なお、β_０＝２π／ａ_ｙ、β_１＝２π／ａ_Ｉ、β_２＝２π／ａ_ＩＩであり、ａ_ｙはＢ方向の周期、ａ_Ｉは第１周期構造のＡ方向の周期、ａ_ＩＩは第２周期構造のＡ方向の周期を示している。

図２３は、レーザビーム出射角（屈折角）θ３と、ストライプの角度θ、周期Λの関係を示すグラフであり、図２４は、このグラフに用いられるデータを示す図表である。θ（°）のデータの縦軸はグラフの左側に示し、Λ（ｎｍ）のデータの縦軸はグラフの右側に示す。

レーザビームの出射角θ３が大きくなるにつれて、ストライプの角度θは増加し、周期Λは小さくなることが分かる。同グラフでは、角度θ３を０°から７０°まで増加させた場合に、角度θは８４．２７°から８９．５４°まで増加し、周期Λは４８６．０８ｎｍから４６３．４３ｎｍまで減少しているが、現実的に実施可能な数値範囲内に収まっている。

なお、図１７において、全反射用の周期パターンを双方のフォトニック結晶層４，４’内に作製している場合には、これらとは別に、上記ΔＹを与える新たな周期構造の回折格子層４”（構造は図２２の場合の回折格子層４’と同一）を、上部クラッド層５と回折格子層４との間に作製することができる（図２５（Ａ））。或いは、上記ΔＹを与える新たな周期構造の回折格子層４”（構造は図２２の場合の回折格子層４’と同一）を下部クラッド層２と回折格子層４’との間に形成すればよい（図２５（Ｂ））。このように、上記例では、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面によって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造（図２２、図２５の回折格子層）を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率が高くなる。

図２６は、様々な周期構造を有するフォトニック結晶層４の平面図である。いずれのフォトニック結晶層４においても、基本層４Ａ内に周期的に異屈折率部４Ｂが埋め込まれている。図２６（Ａ）には正方格子、図２６（Ｂ）には長方格子、図２６（Ｃ）には三角格子、図２６（Ｄ）には面心長方格子が示されている。上述のように、フォトニック結晶層４においては、周期の異なる２つの周期構造を１つのフォトニック結晶層４内に重畳して含むか、或いは、２つのフォトニック結晶層４，４’内にそれぞれ含ませて平面視において重畳させる構成を採用する。これらの図では、重畳前の各周期構造の例を示しており、２種類の周期構造を、それぞれの基本並進ベクトル（矢印で示す）の向きが一致するように重ねて配置する。

詳細には、図２６（Ａ）のフォトニック結晶層４では、正方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。正方格子は、正方形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する正方形の一方の辺の長さａは、他方の辺の長さｂに等しい。換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂに等しい。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。

図２６（Ｂ）のフォトニック結晶層４では、長方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。縦横の長さの異なる長方格子は、長方形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する長方形の一方の辺の長さａは、他方の辺の長さｂとは異なる。換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂとは異なる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。

図２６（Ｃ）のフォトニック結晶層４では、三角格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。三角格子は、三角形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する三角形の底辺の長さをａ、高さをｂとする。三角形が正三角形である場合には、底辺の長さａは換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂはａの√２倍となる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。

図２６（Ｄ）のフォトニック結晶層４では、面心長方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。面心長方格子は、長方格子の各格子内の中央位置に付加的に格子点を備える格子であり、長方格子自体は長方形を隙間無く並べてできている。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。

なお、上述のように、Ａ軸はＸ軸に対して傾斜しており、これらは平行ではない。換言すれば、図２〜図１２及び図１７〜図２６において説明したフォトニック結晶層４は、いずれにおいても、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、フォトニック結晶層４における異屈折率部４Ｂは、その格子構造の格子点位置に配置されており、格子構造の基本並進ベクトル（Ａ軸、Ｂ軸）の方向は、光出射端面ＬＥＳ（図４参照）に平行な方向（Ｘ軸）とは異なっている。この場合、傾きを一定以上にすることで一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。

また、フォトニック結晶層の格子構造は、その厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。つまり、上記に示した１つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。

上述の正方格子（図２６（Ａ））と、長方格子（図２６（Ｂ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれていることとなり、正孔格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１＝ｂ１、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。

また、２つの長方格子（図２６（Ｂ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には第１及び第２の長方格子の結晶構造が含まれており、第１の長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。

また、２つの面心長方格子（図２６（Ｄ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には、第１及び第２の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第１の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。

一方の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が６０度となる特別な場合である。

また、図２に示したように、半導体レーザ素子１０は、活性層３Ｂの駆動電極直下の領域（第１領域、第２領域・・・）Ｒを備えている。活性層３Ｂの第１領域Ｒに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部４Ｂと、活性層３Ｂの第２領域Ｒに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部４Ｂとは、第１領域Ｒ及び第２領域Ｒそれぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なるように設定することができる。換言すれば、複数あるフォトニック結晶の回折強度を同一とするよう、孔（異屈折率部）の大きさを変化させる。強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。

例えば、孔（異屈折率部）は、周期が異なる方の基本並進ベクトルに沿った方向にそった長さを変化させる。具体的には、第１領域Ｒ内では、第１周期構造及び第２周期構造における異屈折率部４Ｂの配列周期が異なる方向（例えばＢ軸）に沿った異屈折率部４Ｂの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、第２領域Ｒ内では、第３及び第４周期構造における異屈折率部４Ｂの配列周期が異なる方向（例えばＢ軸）に沿った異屈折率部４Ｂの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる。これにより、第１周期構造及び第２周期構造における回折強度、或いは第３周期構造及び第４周期構造における回折強度をそれぞれ揃えることが可能となり、発振を安定化させることができる。

また、図１２に示したレーザビーム偏向装置は、半導体レーザ素子１０と、第１駆動電極及び第２駆動電極を含む電極群Ｅ２に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路１１とを備えている。駆動電流の供給を制御することで、レーザビームＬＢの出射を制御することができる。ここで、駆動電流供給回路１１は、電極群の各電極Ｅ２に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することができる。すなわち、図１２において、符号ＳＷ１〜ＳＷ５が、スイッチ付きのアンプを示すものとし、電源回路１１Ａから供給される駆動電流の大きさを当該アンプが制御する構成とすることができる。この場合、制御回路１１Ｂは、各アンプの利得を制御することで、各電極Ｅ２に供給される駆動電流の比率を制御することができる。

また、第１領域Ｒにおける第１周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、第２領域Ｒにおける第３周期構造に近づくにしたがって連続的に変化させることもできる。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。

また、図１２に示したレーザビーム偏向装置において、各電極Ｅ２の直下の活性層から出力されるレーザビームの波長は、同一であることが好ましい。ミラー等でレーザビーム走査が行われた場合は、偏向前後のレーザビームの波長は同一であるからである。そこで、第１及び第２駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給した場合において、第１及び第２駆動電極Ｅ２の直下の活性層の第１領域Ｒ及び第２領域Ｒでそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、設定することが好ましい。

すなわち、第１領域Ｒにおいて重畳された周期構造（第１周期構造、第２周期構造）と、第２領域Ｒにおいて重畳された周期構造（第３周期構造、第４周期構造）とは、以下の関係を満たしている。
例えば、長方格子と長方格子の組み合わせからなる構造を考えると、以下の関係式となる。
ｂ１１＝ｂ２１＝ｂ_０／√（１−ｓｉｎ^２δθ１）
δθ１＝φ−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ３１／ｎ_ｄｅｖ）
ｂ１２＝ｂ２２＝ｂ_０／√（１−ｓｉｎ^２δθ２）
δθ２＝φ−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ３２／ｎ_ｄｅｖ）

但し、第１領域Ｒにおいて重畳された第１の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ１１、第２の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ２１、第１領域Ｒのビーム出射角をθ３１とし、第２領域Ｒにおいて重畳された第１の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ１２、第２の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ２２、第２領域Ｒのビーム出射角をθ３２とした。

なお、上記は、長方格子と長方格子の組み合わせについて示したが、他の格子系においても同様である。

また、図１２に示すように、レーザビーム偏向装置は、光出射端面ＬＥＳに近接して配置された単一の集光要素（レンズ）ＬＳを備えることが好ましい。集光要素により、出射光の広がり角を抑制して、遠くまでレーザビームを伝達することができるし、また、焦点位置の調整によって、素子から適当な距離だけ離れた位置に、レーザビームを集光することができる。ここでの集光要素ＬＳは円筒レンズであり、円筒レンズの中心軸Ｘは活性層の厚み方向（Ｚ軸）に垂直であって且つ光出射端面（ＸＺ面）に平行である。円筒レンズの曲率半径は、ＹＺ平面内のみで規定される。

なお、集光要素ＬＳとして、凸レンズを採用することもできる。凸レンズの曲率中心を通る１つの軸（Ｘ軸）は活性層の厚み方向（Ｚ軸）に垂直であって且つ光出射端面（ＸＺ面）に平行であり、この軸（Ｘ軸）周りの曲率半径は、これに垂直な軸（Ｙ軸、Ｚ軸）周りの曲率半径（無限大に近似できる）よりも小さい。言うなれば、円筒レンズの直線的な部分が多少膨らんだ凸レンズを採用することが可能である。

なお、上述のレーザビーム偏向装置は、素子自体が偏向機能を有するため、小型化が可能であり、高信頼性、高速化も期待することができる。小型であるため、携帯機器に組み込み、また、医療用カプセル内視鏡に組み込んだレーザメスや光線力学的治療（ＰＤＴ：Photo Dynamic Therapy）用光源とすることも期待される。もちろん、大型のレーザ走査によるディスプレイへの応用も考えられる。レーザビームの迷光は外部に出力されないので、信頼性の向上も期待される。

１０…半導体レーザ素子、１…半導体基板、２…下部クラッド層、３Ａ…下部光ガイド層、３Ｂ…活性層、３Ｃ…上部光ガイド層、４…フォトニック結晶層、５…上部クラッド層、６…コンタクト層、１１…駆動電流供給部（駆動電流供給回路）、２０…記憶装置（記憶手段）、３０…駆動回路（駆動手段）、３２…電極選択駆動回路（選択部）、Ｅ２…駆動電極、ＬＭ…半導体レーザモジュール。

Claims (1)

1. 半導体レーザ素子の駆動方法であって、
   前記半導体レーザ素子は、
   端面発光型の半導体レーザ素子であって、
   基板上に形成された下部クラッド層と、
   上部クラッド層と、
   前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
   前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
   前記活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、
   前記複数の領域は、前記半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる方向に並んで位置し、前記複数の領域から出射されるレーザビームの前記光出射端面に対する出射方向はそれぞれ異なっており、
   前記活性層は、前記複数の領域として、第１領域と第２領域とを含み、
   前記複数の駆動電極は、前記第１領域に駆動電流を供給するための第１駆動電極と、前記第２領域に駆動電流を供給するための第２駆動電極と、を含み、
   前記第１駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
   前記フォトニック結晶層の前記第１領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第１及び第２の周期構造を有しており、
   前記第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第１駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、
   前記第２駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
   前記フォトニック結晶層の前記第２領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第３及び第４の周期構造を有しており、
   前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
   前記第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なり、
   前記駆動方法は、
   レーザビームを出射させる方向に関する情報を含む信号が入力された際に、レーザビームを出射させる方向に関する前記情報と、該方向にレーザビームを出射させるために駆動電流を供給する駆動電極に関する情報と、を対応付けた対応情報に基づいて、前記複数の駆動電極から駆動電極を選択するステップと、
   前記選択された駆動電極に駆動電流を供給するステップと、を含み、
   前記駆動電極を選択するステップでは、前記対応情報として、前記駆動電極を選択する信号と、前記駆動電極を選択する信号により選択された前記駆動電極に駆動電流が供給されることにより前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームの方向と、の関係に基づいて予め決定された情報を用いる、
   ことを特徴とする半導体レーザ素子の駆動方法。

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