JP6162465B2

JP6162465B2 - Semiconductor laser device

Info

Publication number: JP6162465B2
Application number: JP2013089375A
Authority: JP
Inventors: 優瀧口; 佳朗野本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: JP2014216330A

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device.

フォトニック結晶層（屈折率変調層）を備えた面発光型半導体レーザ素子が知られている。フォトニック結晶層は、２次元平面内において、屈折率が周期的に変化する周期構造を備えている。フォトニック結晶層における屈折率分布パターンは多くの文献に開示されている。 2. Description of the Related Art A surface emitting semiconductor laser element having a photonic crystal layer (refractive index modulation layer) is known. The photonic crystal layer has a periodic structure in which the refractive index changes periodically in a two-dimensional plane. A number of documents disclose the refractive index distribution pattern in the photonic crystal layer.

特許文献１は、直交する２方向に周期的に孔を設けたフォトニック結晶層を開示している。最終的なレーザビームパターンを所望の形状とするため、周期的な孔の集合領域間に、これとは異なる周期構造からなる位相シフト領域を形成することも可能である。非特許文献１に開示されるレーザ装置では、位相シフト領域を設定することにより、様々なレーザビームパターンを形成している。例えば、円環状のビームパターンは、光ピンセットなどに有効であり、特に通常の単峰ビームでは、捕捉が困難な不透明物質の捕捉に用いることが可能である（非特許文献２）。 Patent Document 1 discloses a photonic crystal layer in which holes are periodically provided in two orthogonal directions. In order to make the final laser beam pattern a desired shape, it is also possible to form a phase shift region having a periodic structure different from this between the periodic hole assembly regions. In the laser device disclosed in Non-Patent Document 1, various laser beam patterns are formed by setting a phase shift region. For example, an annular beam pattern is effective for optical tweezers and the like, and can be used for capturing an opaque substance that is difficult to capture, particularly with a normal unimodal beam (Non-patent Document 2).

特開２０００−３３２３５１号公報JP 2000-332351 A

Eiji Miyai他，“Lasers producing tailored beams”，Nature誌441巻946頁（2006）．Eiji Miyai et al., “Lasers producing tailored beams”, Nature 441, 946 (2006). Kyosuke Sakai他，“Optical trapping of metal particles in doughnut-shaped beam emittedby photonic-crystal laser”，Electronics Letters誌 43巻 107-108頁（2007）．Kyosuke Sakai et al., “Optical trapping of metal particles in doughnut-shaped beam emitted by photonic-crystal laser”, Electronics Letters 43, 107-108 (2007).

しかしながら、従来技術においては、静的なレーザビームパターンは得ることができるものの、レーザビームパターンは変化させることができなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レーザビームパターンを変化させることが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 However, in the prior art, although a static laser beam pattern can be obtained, the laser beam pattern cannot be changed. The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a semiconductor laser device capable of changing a laser beam pattern.

上述の課題を解決するため、この半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部と、隣接する前記半導体発光部間の光路長を制御する光路長制御素子と、を備え、前記光路長制御素子は、隣接する前記半導体発光部間に配置され、前記半導体発光部は、上部及び下部クラッド層間に設けられた発光層と、前記発光層に光学的に結合したフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層の厚み方向に沿ってレーザ光が出射され、隣接する前記半導体発光部間の離間距離は、これらの半導体発光部が、光学的に結合する距離に設定されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, this semiconductor laser device includes a plurality of semiconductor light emitting units arranged to be separated from each other by a distance that can output laser light and optically couple with each other, and the adjacent semiconductor light emitting units. An optical path length control element that controls the optical path length of the light emitting layer, the optical path length control element being disposed between the adjacent semiconductor light emitting parts, wherein the semiconductor light emitting part is provided between the upper and lower cladding layers And a photonic crystal layer optically coupled to the light emitting layer, laser light is emitted along the thickness direction of the photonic crystal layer, and a separation distance between adjacent semiconductor light emitting portions is The semiconductor light emitting section is set to an optically coupled distance .

光路長制御素子によって、半導体発光部間の光路長を制御すると、各半導体発光部から出射されるレーザ光の位相が変化し、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 When the optical path length between the semiconductor light emitting portions is controlled by the optical path length control element, the phase of the laser light emitted from each semiconductor light emitting portion changes, and the laser light emitted from a plurality of semiconductor light emitting portions is formed by superposition. The laser beam pattern can be changed.

また、前記光路長制御素子は、隣接する前記半導体発光部間に配置することができる。隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、光路長制御素子をこれらの間に配置することにより、光路長を容易に制御することができる。 The optical path length control element can be disposed between the adjacent semiconductor light emitting units. Since adjacent semiconductor light emitting units are optically coupled, the optical path length can be easily controlled by disposing the optical path length control element between them.

また、前記光路長制御素子は、誘電部材と、前記誘電部材を移動させる移動素子と、を備えることができる。光路長は、屈折率と実際の距離の積で与えられる。また、可視光では誘電率は屈折率の２乗であり、その他の波長の場合にも、誘電率と屈折率との間には、これに準じた関係がある。したがって、光伝播経路における誘電率を変化させれば、光路長を変化させることができる。すなわち、光路長を規定する空間内に誘電部材が配置される度合によって、光路長を変化させることができる。移動素子によって、誘電部材が完全に半導体発光部間の空間に移動した場合には、誘電部材の誘電率に依存して光路長が決定され、移動素子によって、誘電部材が半導体発光部間の空間内から除外された場合には、当該空間の誘電率（空気や希ガスなどの空間内気体の誘電率）によって、光路長が決定される。 The optical path length control element may include a dielectric member and a moving element that moves the dielectric member. The optical path length is given by the product of the refractive index and the actual distance. Further, in visible light, the dielectric constant is the square of the refractive index, and in the case of other wavelengths, there is a relation according to this between the dielectric constant and the refractive index. Therefore, the optical path length can be changed by changing the dielectric constant in the light propagation path. That is, the optical path length can be changed depending on the degree to which the dielectric member is disposed in the space that defines the optical path length. When the moving member completely moves the dielectric member to the space between the semiconductor light emitting portions, the optical path length is determined depending on the dielectric constant of the dielectric member. When it is excluded from the inside, the optical path length is determined by the dielectric constant of the space (dielectric constant of gas in space such as air or rare gas).

また、前記光路長制御素子は、一対の電極と、前記電極間に配置された液晶とを備えることができる。電極間に印加する電圧によって、液晶の結晶構造が変化し、したがって、誘電率が変化する。代表的な液晶としては、ネマチック液晶が知られている。詳説すれば、液晶を構成する分子の誘電率は、分子の縦軸方向と横軸方向で誘電率が異なるため、電圧の印加により、特定の向きに分子が配向した場合と、ランダムに分子が分散している場合とでは、光伝播方向の誘電率、すなわち、屈折率は異が異なり、電圧の大きさに依存して、光路長が変化させることができる。 The optical path length control element may include a pair of electrodes and a liquid crystal disposed between the electrodes. The voltage applied between the electrodes changes the crystal structure of the liquid crystal, and thus the dielectric constant. As a typical liquid crystal, a nematic liquid crystal is known. In detail, the dielectric constant of the molecules constituting the liquid crystal is different in the dielectric constant between the vertical and horizontal axes of the molecule. In the case of dispersion, the dielectric constant in the light propagation direction, that is, the refractive index is different, and the optical path length can be changed depending on the magnitude of the voltage.

また、前記光路長制御素子は、誘電体層の両面を金属層で挟んだ積層構造の厚み方向に複数の貫通孔を形成してなるメタマテリアルと、それぞれの前記貫通孔の両端に設けられた一対の電極と、前記電極間の前記貫通孔内に設けられた液晶とを備えることができる。貫通孔の平面形状としては、円形や楕円形、三角形、四角形などの多角形等が挙げられる。メタマテリアルは、光の波長よりも小さな構造体を有する人工材料であり、例えば、前記貫通孔を1つ以上有する。したがって、前記電極間に電圧を印加することによって、液晶分子の配列方向を変化させることにより、このメタマテリアルの屈折率(誘電率)を変化させることにより、光路長を変化させることができる。 Further, the optical path length control element is provided at both ends of each of the metamaterial formed by forming a plurality of through holes in the thickness direction of the laminated structure in which both surfaces of the dielectric layer are sandwiched between metal layers. A pair of electrodes and a liquid crystal provided in the through hole between the electrodes can be provided. Examples of the planar shape of the through hole include a circle, an ellipse, a triangle, a polygon such as a quadrangle, and the like. The metamaterial is an artificial material having a structure smaller than the wavelength of light, and has, for example, one or more through holes. Therefore, the optical path length can be changed by changing the refractive index (dielectric constant) of the metamaterial by changing the alignment direction of the liquid crystal molecules by applying a voltage between the electrodes.

また、前記光路長制御素子は、隣接する前記半導体発光部を光学的に結合させる電気光学結晶と、前記電気光学結晶に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることができる。電圧印加手段により、電気光学結晶に電圧が印加されると、結晶内部に電界が発生する。電気光学結晶の屈折率は電界に比例して変化する（一次電気光学効果）ため、電気光学結晶内を伝播する光の光路長を変化させることができる。 In addition, the optical path length control element can include an electro-optic crystal that optically couples the adjacent semiconductor light emitting units, and a voltage applying unit that applies a voltage to the electro-optic crystal. When a voltage is applied to the electro-optic crystal by the voltage applying means, an electric field is generated inside the crystal. Since the refractive index of the electro-optic crystal changes in proportion to the electric field (primary electro-optic effect), the optical path length of the light propagating in the electro-optic crystal can be changed.

また、前記光路長制御素子は、それぞれの前記半導体発光部を移動させ、前記半導体発光部間の相対位置を変化させる圧電素子とすることができる。個々の半導体発光部自身を移動させた場合、２つの効果が生じる。１つの効果は、半導体発光部の物理的な位置が移動することにより、所望のレーザビームパターンの形成位置までのレーザ光の光路長、すなわち、この形成位置におけるレーザ光の位相が変化する。もう１つの効果は、隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、半導体発光部の移動により、これらの間の光路長が変化する。これら２つの効果は同時に生じるが、いずれの効果も、レーザビームパターン形成位置でのレーザ光の位相を変化させており、光路長制御素子を制御することにより、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 The optical path length control element may be a piezoelectric element that moves each of the semiconductor light emitting units and changes a relative position between the semiconductor light emitting units. When the individual semiconductor light emitting units themselves are moved, two effects are produced. One effect is that the optical path length of the laser beam to the formation position of the desired laser beam pattern, that is, the phase of the laser beam at this formation position is changed by moving the physical position of the semiconductor light emitting unit. Another effect is that the adjacent semiconductor light emitting units are optically coupled, so that the optical path length between them changes due to the movement of the semiconductor light emitting unit. Although these two effects occur simultaneously, both effects change the phase of the laser beam at the position where the laser beam pattern is formed, and are emitted from a plurality of semiconductor light emitting units by controlling the optical path length control element. The laser beam pattern formed by the superposition of the laser beams can be changed.

また、前記半導体発光部は、発光層と、前記発光層に光学的に結合した回折格子と、を備え、前記発光層の厚み方向に垂直な方向に沿って共振が生じ、前記発光層の端面からレーザ光を出射することができる。発光層に光学的に回折格子を結合させると、半導体レーザ素子の共振器内部に回折格子を形成することになり、この回折格子により特定波長のみを選択的に強め合う分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを構成することができる。ＤＦＢレーザでは、単一波長のレーザ光を出射することができる。なお、回折格子を、活性層内部に形成することもできる。 The semiconductor light emitting unit includes a light emitting layer and a diffraction grating optically coupled to the light emitting layer, wherein resonance occurs along a direction perpendicular to the thickness direction of the light emitting layer, and an end face of the light emitting layer. Can emit laser light. When a diffraction grating is optically coupled to the light emitting layer, a diffraction grating is formed inside the resonator of the semiconductor laser element, and a distributed feedback (DFB) laser that selectively intensifies only a specific wavelength by this diffraction grating. Can be configured. A DFB laser can emit laser light having a single wavelength. The diffraction grating can also be formed inside the active layer.

この構造によれば、上述のように、半導体発光部の端面から出射させるレーザ光の位相は、光路長制御素子によって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 According to this structure, as described above, since the phase of the laser light emitted from the end face of the semiconductor light emitting unit can be controlled by the optical path length control element, the laser formed by superimposing a plurality of laser lights The beam pattern can be changed.

また、前記半導体発光部は、発光層と、前記発光層に光学的に結合したフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層の厚み方向に沿ってレーザ光を出射することができる。フォトニック結晶層は、一般には、その厚み方向に沿った埋込領域を、元の半導体層内に周期的に分散させており、埋込領域の屈折率が周囲の半導体層の屈折率とは異なるものである。この構造の場合、発光層に光学的にフォトニック結晶層を結合させると、埋込領域の存在により、レーザ光が厚み方向およびフォトニック結晶層に沿った方向に発振して、フォトニック結晶層の厚み方向に沿った出射光を利用することができる。 The semiconductor light emitting unit includes a light emitting layer and a photonic crystal layer optically coupled to the light emitting layer, and can emit laser light along the thickness direction of the photonic crystal layer. In general, a photonic crystal layer has a buried region along its thickness direction periodically dispersed in the original semiconductor layer, and the refractive index of the buried region is the refractive index of the surrounding semiconductor layer. Is different. In the case of this structure, when the photonic crystal layer is optically coupled to the light emitting layer, the laser beam oscillates in the thickness direction and the direction along the photonic crystal layer due to the presence of the buried region. The outgoing light along the thickness direction can be used.

この構造によれば、上述のように、フォトニック結晶層の厚み方向に出射するレーザ光の位相は、光路長制御素子によって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 According to this structure, as described above, since the phase of the laser light emitted in the thickness direction of the photonic crystal layer can be controlled by the optical path length control element, it is formed by superimposing a plurality of laser lights. The laser beam pattern can be changed.

本発明の半導体レーザ装置によれば、レーザビームパターンを変化させることができる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, the laser beam pattern can be changed.

第１実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図（図１（Ａ））、正面図（図１（Ｂ））である。FIG. 2 is a plan view (FIG. 1A) and a front view (FIG. 1B) of the semiconductor laser device according to the first embodiment (edge emitting type). 隣接する半導体レーザ素子群（発光部群）を示す図である。It is a figure which shows the adjacent semiconductor laser element group (light emission part group). 単一の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section structure of a single semiconductor laser element. 第２実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor laser apparatus which concerns on 2nd Embodiment (end surface emission type). 第３実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor laser apparatus which concerns on 3rd Embodiment (end surface light emission type). 第４実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor laser apparatus which concerns on 4th Embodiment (end surface emission type). 第５実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor laser apparatus which concerns on 5th Embodiment (end surface emission type). 第６実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor laser apparatus concerning 6th Embodiment (end surface light emission type). 第７実施形態（面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図（図９（Ａ））、光路長制御素子を用いない場合の装置の正面図（図９（Ｂ））、光路長制御素子Ｃを用いた場合の正面図（図９（Ｃ））である。FIG. 9A is a plan view of a semiconductor laser device according to a seventh embodiment (surface emitting type), FIG. 9B is a front view of the device without using an optical path length control element, and an optical path length control element. It is a front view at the time of using C (FIG.9 (C)). 隣接する半導体レーザ素子群（発光部群）を示す図である。It is a figure which shows the adjacent semiconductor laser element group (light emission part group). 単一の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section structure of a single semiconductor laser element. 半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of a semiconductor laser apparatus. 半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of a semiconductor laser apparatus. 半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of a semiconductor laser apparatus. 半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of a semiconductor laser apparatus.

以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the semiconductor laser device according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図１は、第１実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図（図１（Ａ））、正面図（図１（Ｂ））である。 FIG. 1 is a plan view (FIG. 1A) and a front view (FIG. 1B) of a semiconductor laser device according to the first embodiment (edge-emitting type).

設置台１０上に、複数の半導体レーザ素子ＬＤが配置されている。半導体レーザ素子ＬＤの厚み方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向とする。複数の半導体レーザ素子ＬＤは、Ｘ軸に沿って配置されている。半導体レーザ素子ＬＤが、端面発光型である場合には、その共振長はＹ軸方向であり、レーザ光はＹ軸の正方向に沿って出射される。半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光は、末広がりのテーパー導波路ＴＰに入力される。テーパー導波路ＴＰ内には、二次元回折格子が形成されており、入射したレーザ光をＺ軸方向に曲げて出射する機能を有する。このような回折格子としては、種々の形状が知られている。例えば、波長程度の周期でストライプ或いは扇型に周期構造を設けることで、これらは２次の回折格子として動作し、入射したレーザ光がＺ方向に曲げられる。また、波長程度の周期で２次元的に例えば正方格子状に真円などの孔形状を配列することによっても、入射したレーザ光はＺ方向に曲げられる。複数のテーパー導波路ＴＰの長手方向（Ｙ軸）は、同一の向きである。 A plurality of semiconductor laser elements LD are arranged on the installation table 10. A thickness direction of the semiconductor laser element LD is defined as a Z-axis direction, and two directions perpendicular to the thickness direction are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction, respectively. The plurality of semiconductor laser elements LD are arranged along the X axis. When the semiconductor laser element LD is an edge emitting type, the resonance length is in the Y-axis direction, and the laser light is emitted along the positive direction of the Y-axis. Laser light emitted from the semiconductor laser element LD is input to a tapered waveguide TP that widens toward the end. A two-dimensional diffraction grating is formed in the tapered waveguide TP, and has a function of emitting incident laser light by bending it in the Z-axis direction. Various shapes are known as such diffraction gratings. For example, by providing a periodic structure in a stripe or fan shape with a period of about the wavelength, these operate as a secondary diffraction grating, and the incident laser light is bent in the Z direction. The incident laser beam is also bent in the Z direction by two-dimensionally arranging hole shapes such as a perfect circle in a square lattice pattern with a period of about the wavelength. The longitudinal directions (Y-axis) of the plurality of tapered waveguides TP are the same direction.

テーパー導波路ＴＰから出射されたレーザ光ＬＢは、Ｚ軸方向に進行する。レーザ光ＬＢの波面ＷＶ２１，ＷＶ２２の位相は、テーパー導波路ＴＰ内の波面ＷＶの位相に依存する。テーパー導波路ＴＰ内の波面ＷＶの位相を調整するには、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を調整すればよい。この位相を調整することにより、複数のテーパー導波路ＴＰから出射されたレーザ光から構成される波面ＷＶ２１を、Ｘ軸に平行にしたり、波面ＷＶ２２で示されるように、Ｘ軸から傾斜させることが可能である。 The laser beam LB emitted from the tapered waveguide TP travels in the Z-axis direction. The phases of the wavefronts WV21 and WV22 of the laser beam LB depend on the phase of the wavefront WV in the tapered waveguide TP. In order to adjust the phase of the wavefront WV in the tapered waveguide TP, the phase of the laser light emitted from the semiconductor laser element LD may be adjusted. By adjusting this phase, the wavefront WV21 composed of the laser beams emitted from the plurality of tapered waveguides TP can be made parallel to the X axis or inclined from the X axis as indicated by the wavefront WV22. Is possible.

半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を制御するため、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの間には、光路長制御素子Ｃが配置されている。詳細には、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間に、光路長制御素子Ｃが配置されている。隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間の離間距離は、レーザ光の数波長以内の距離であり、半導体発光部は、図１（Ｂ）の矢印Ｐで示されるように、光学的に結合している。この離間距離は、エバネッセント場が形成される距離に設定することもできる。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する素子である。 In order to control the phase of the laser light emitted from the semiconductor laser element LD, an optical path length control element C is disposed between adjacent semiconductor laser elements LD. Specifically, the optical path length control element C is arranged between the semiconductor light emitting portions of adjacent semiconductor laser elements LD. The separation distance between the semiconductor light emitting portions of adjacent semiconductor laser elements LD is a distance within a few wavelengths of the laser light, and the semiconductor light emitting portion is optically coupled as indicated by an arrow P in FIG. doing. This separation distance can also be set to a distance at which an evanescent field is formed. The optical path length control element C is an element that controls the optical path length between adjacent semiconductor light emitting units.

図２は、隣接する半導体レーザ素子群（発光部群）を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing adjacent semiconductor laser element groups (light emitting section groups).

レーザ素子ＬＤは、活性層４を含んでおり、活性層４を含む半導体発光部から、Ｙ軸の正方向に向けてレーザ光が出射される。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間に配置されている。隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、光路長制御素子Ｃをこれらの間に配置することにより、半導体発光部間の光路長を容易に制御することができる。半導体発光部間の誘電率や物理的な距離を変化させれば光路長は変化するため、光路長制御素子Ｃの構造としては、種々のものが考えられる。誘電部材を移動させる構造、液晶の誘電率を制御する構造、メタマテリアルを用いた構造、圧電素子を用いた構造、電気光学結晶を用いた構造などが考えられる。 The laser element LD includes an active layer 4, and laser light is emitted from the semiconductor light emitting unit including the active layer 4 in the positive direction of the Y axis. The optical path length control element C is disposed between adjacent semiconductor light emitting units. Since the adjacent semiconductor light emitting portions are optically coupled, the optical path length between the semiconductor light emitting portions can be easily controlled by disposing the optical path length control element C therebetween. Since the optical path length changes if the dielectric constant or physical distance between the semiconductor light emitting portions is changed, various structures of the optical path length control element C can be considered. A structure that moves a dielectric member, a structure that controls the dielectric constant of liquid crystal, a structure that uses a metamaterial, a structure that uses a piezoelectric element, a structure that uses an electro-optic crystal, and the like are conceivable.

以上のように、上述の半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部（半導体レーザ素子ＬＤ）と、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃによって、半導体発光部間の光路長を制御すると、各半導体発光部から出射されるレーザ光の位相が変化し、複数の半導体発光部から出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 As described above, the semiconductor laser device described above includes a plurality of semiconductor light emitting units (semiconductor laser elements LD) that are arranged at a distance capable of optically coupling to each other, each outputting laser light, and adjacent semiconductors. And an optical path length control element C for controlling the optical path length between the light emitting units. When the optical path length between the semiconductor light emitting parts is controlled by the optical path length control element C, the phase of the laser light emitted from each semiconductor light emitting part is changed and formed by superimposing the laser light emitted from the plurality of semiconductor light emitting parts. The laser beam pattern to be changed can be changed.

図３は、単一の半導体レーザ素子の縦断面構成を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a longitudinal sectional configuration of a single semiconductor laser element.

このレーザ素子ＬＤは、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を挟む光ガイド層３，５を備えている。詳説すれば、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、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。コンタクト層８の表面には、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ_２などの絶縁膜９が形成されている。 The laser element LD includes an active layer 4 that generates laser light, an upper clad layer 7 and a lower clad layer 2 that sandwich the active layer 4, and light guide layers 3 and 5 that are disposed between them and sandwich the active layer 4. I have. More specifically, a lower cladding layer 2, a lower light guide layer 3, an active layer 4, an upper light guide layer 5, an upper cladding layer 7, and a contact layer 8 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 1. A first electrode E <b> 1 is provided on the lower surface of the contact layer 8, and a second electrode E <b> 2 is provided on the upper surface of the contact layer 8. An insulating film 9 such as SiNx or SiO ₂ is formed on the surface of the contact layer 8.

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、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。 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 the light emission and the generated light are efficiently confined between the upper and lower light guide layers 3 and 5 and the cladding layers 2 and 7.

活性層４の近傍には、これに光学的に結合する回折格子２ａが設けられることとしてもよい。回折格子２ａが形成された場合には、半導体レーザ素子は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザとして機能し、形成されない場合にはファブリペロー型（ＦＰ）レーザとして機能する。なお、この半導体レーザ素子は、結合型単一モードリッジ型レーザとすることができる。Ｙ軸方向がレーザ光の共振長方向であるため、下部電極Ｅ１は、半導体基板１の全面に設けることとし、上部電極Ｅ２はＹ軸に沿って設けることとした。上部電極Ｅ２の直下の活性層４の周囲が発光する。半導体発光部は、活性層４と回折格子２ａを含むものとする。回折格子２ａは、本例では、下部クラッド層２の上面に、これと同一の材料で形成することとするが、回折格子は、上部クラッド層７の下面や活性層４の内部に形成することも可能である。 A diffraction grating 2 a that is optically coupled to the active layer 4 may be provided in the vicinity of the active layer 4. When the diffraction grating 2a is formed, the semiconductor laser element functions as a distributed feedback (DFB) laser, and when it is not formed, it functions as a Fabry-Perot (FP) laser. The semiconductor laser element can be a coupled single mode ridge laser. Since the Y-axis direction is the resonance length direction of the laser beam, the lower electrode E1 is provided on the entire surface of the semiconductor substrate 1, and the upper electrode E2 is provided along the Y-axis. The periphery of the active layer 4 immediately below the upper electrode E2 emits light. The semiconductor light emitting unit includes the active layer 4 and the diffraction grating 2a. In this example, the diffraction grating 2 a is formed on the upper surface of the lower cladding layer 2 with the same material as that, but the diffraction grating is formed on the lower surface of the upper cladding layer 7 and inside the active layer 4. Is also possible.

半導体レーザ素子ＬＤの材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。 As an example of the material of the semiconductor laser element LD, the semiconductor substrate 1 is made of GaAs, the lower cladding layer 2 is made of AlGaAs, the lower light guide layer 3 is made of AlGaAs, and the active layer 4 is a multiple quantum well structure MQW (barrier layer: The upper light guide layer 5 is made of lower layer AlGaAs / upper layer GaAs, the upper cladding layer 7 is made of AlGaAs, and the contact layer 8 is made of GaAs.

なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃｍ^３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。 Note that the first conductivity type (N-type) impurity or the second conductivity type (P-type) impurity is added to each layer (impurity concentration is 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ ). The semiconductor substrate 1 is N type, the lower cladding layer 2 is N type, the lower light guide layer 3 is I type, the active layer 4 is I type, the lower layer of the upper light guide layer 5 is P or I type, the upper layer is I type, The upper cladding layer 7 can be P-type and the contact layer 8 can be P-type. Note that a region to which no impurity is intentionally added is intrinsic (I type). The I-type impurity concentration is 1 × 10 ¹⁶ / cm ³ or less.

また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ〜３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０〜３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜３００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ〜５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。 Further, for example, the thickness of the semiconductor substrate 1 is 150 μm (80 μm to 350 μm), the thickness of the lower cladding layer 2 is 2 × 10 ³ nm (1 × 10 ³ nm to ³ × 10 ³ nm), and the thickness of the lower light guide layer 3 150 nm (0 to 300 nm), the thickness of the active layer 4 is 30 nm (10 nm to 100 nm), the thickness of the lower layer of the upper light guide layer 5 is 50 nm (10 nm to 100 nm), the thickness of the upper layer is 50 nm (10 nm to 300 nm), The thickness of the cladding layer 7 can be 2 × 10 ³ nm (1 × 10 ³ nm to ³ × 10 ³ nm), and the thickness of the contact layer 8 can be 200 nm (50 nm to 500 nm). The values in parentheses are suitable values.

また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０〜１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。 The energy band gap of the cladding layer is larger than the energy band gap of the light guide layer, and the energy band gap of the light guide layer is set larger than the energy band gap of the well layer of the active layer 4. In AlGaAs, the energy band gap and the refractive index can be easily changed by changing the Al composition ratio. In Al _X Ga _1-X As, when the composition ratio X of Al having a relatively small atomic radius is decreased (increased), the energy band gap having a positive correlation with this decreases (increases), and GaAs has an atomic radius When large In is mixed to make InGaAs, the energy band gap becomes small. That is, the Al composition ratio of the cladding layer is larger than the Al composition ratio of the light guide layer, and the Al composition ratio of the light guide layer is equal to or larger than the barrier layer (AlGaAs) of the active layer. The Al composition ratio of the cladding layer is set to 0.2 to 0.4, and is 0.3 in this example. The Al composition ratio of the barrier layer in the light guide layer and the active layer is set to 0.1 to 0.15, and is 0.1 in this example. In order to suppress leakage of electrons from the active layer in the guide layer, a layer of about 10 to 100 nm with an Al composition equivalent to that of the cladding layer is inserted between the second conductivity type (p-type) cladding layer. May be.

上述のテーパー導波路の配置や形状は、様々な変形をすることができる。以下、テーパー導波路を変形した実施形態について説明する。 The arrangement and shape of the above-described tapered waveguide can be variously modified. Hereinafter, an embodiment in which the tapered waveguide is modified will be described.

図４は、第２実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。 FIG. 4 is a plan view of a semiconductor laser device according to the second embodiment (edge emitting type).

第１実施形態では、テーパー導波路ＴＰのＸＹ平面内における重心位置をＸ軸上に整列させた例について説明したが、本形態では、テーパー導波路ＴＰのＸＹ平面内における重心位置をＸ軸に沿って千鳥状に配置したものである。テーパー導波路ＴＰの形状は台形であるが、扇型であってもよい。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、テーパー導波路ＴＰからＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。 In the first embodiment, the example where the position of the center of gravity of the tapered waveguide TP in the XY plane is aligned on the X axis has been described, but in this embodiment, the position of the center of gravity of the tapered waveguide TP in the XY plane is taken as the X axis. It is arranged in a staggered pattern along. The shape of the tapered waveguide TP is trapezoidal, but may be a fan shape. Other structures and operations are the same as those in the first embodiment, and also in this structure, the phase of the laser beam LB emitted in the Z-axis direction from the tapered waveguide TP can be controlled by the optical path length control element C. And a desired laser beam pattern can be obtained.

図５は、第３実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。 FIG. 5 is a plan view of a semiconductor laser device according to the third embodiment (edge emitting type).

本例では、第１実施形態と比較して、複数のテーパー導波路ＴＰの長手方向の向きが異なることとしたものである。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、テーパー導波路ＴＰからＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。 In this example, the longitudinal directions of the plurality of tapered waveguides TP are different from those of the first embodiment. Other structures and operations are the same as those in the first embodiment, and also in this structure, the phase of the laser beam LB emitted in the Z-axis direction from the tapered waveguide TP can be controlled by the optical path length control element C. And a desired laser beam pattern can be obtained.

図６は、第４実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。 FIG. 6 is a plan view of a semiconductor laser device according to the fourth embodiment (edge emitting type).

この例は、複数の半導体レーザ素子のそれぞれに結合する複数のテーパー導波路ＴＰが、重畳した形状を有している。重なり合うテーパー導波路ＴＰの境界線はない。図の如く各テーパー導波路ＴＰの形状を台形と仮定した場合に、全てテーパー導波路ＴＰが重複する領域Ｒには、二次元回折格子が形成されており、この領域において、レーザ光がＺ軸方向に曲げられる。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、テーパー導波路ＴＰからＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。 In this example, a plurality of tapered waveguides TP coupled to each of a plurality of semiconductor laser elements have a superimposed shape. There is no boundary between the overlapping tapered waveguides TP. Assuming that the shape of each tapered waveguide TP is a trapezoid as shown in the figure, a two-dimensional diffraction grating is formed in a region R where the tapered waveguides TP all overlap. In this region, the laser light is Z-axis. Bent in the direction. Other structures and operations are the same as those in the first embodiment, and also in this structure, the phase of the laser beam LB emitted in the Z-axis direction from the tapered waveguide TP can be controlled by the optical path length control element C. And a desired laser beam pattern can be obtained.

図７は、第５実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。 FIG. 7 is a plan view of a semiconductor laser device according to the fifth embodiment (edge-emitting type).

この実施形態では、第１実施形態と比較して、テーパー導波路を取り除き、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の経路上に、二次元の回折格子Ｒ２を配置したものである。回折格子Ｒ２では、Ｘ軸に平行な第１屈折率の領域と、第２屈折率領域が、Ｙ軸に沿って交互に並んでいる。この回折格子Ｒ２の領域において、レーザ光がＺ軸方向に曲げられる。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、回折格子Ｒ２からＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。 In this embodiment, compared to the first embodiment, the tapered waveguide is removed, and a two-dimensional diffraction grating R2 is disposed on the path of the laser light emitted from the semiconductor laser element LD. In the diffraction grating R2, the first refractive index regions and the second refractive index regions parallel to the X axis are alternately arranged along the Y axis. In the region of the diffraction grating R2, the laser beam is bent in the Z-axis direction. Other structures and operations are the same as those in the first embodiment, and also in this structure, the phase of the laser beam LB emitted from the diffraction grating R2 in the Z-axis direction can be controlled by the optical path length control element C. A desired laser beam pattern can be obtained.

図８は、第６実施形態（端面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図である。 FIG. 8 is a plan view of a semiconductor laser device according to the sixth embodiment (edge emitting type).

この実施形態では、第５実施形態と比較して、二次元の回折格子Ｒ２の向きが異なるものである。回折格子Ｒ２では、Ｘ軸に対して傾斜した第１屈折率の領域と、第２屈折率領域が、これらの長手方向に垂直な方向に沿って交互に並んでいる。この回折格子Ｒ２の領域において、レーザ光がＺ軸方向に曲げられる。その他の構造及び作用は第１実施形態と同様であり、この構造の場合も、回折格子Ｒ２からＺ軸方向に出射されるレーザ光ＬＢの位相は、光路長制御素子Ｃによって制御することができ、所望のレーザビームパターンを得ることができる。 In this embodiment, the orientation of the two-dimensional diffraction grating R2 is different from that of the fifth embodiment. In the diffraction grating R2, the first refractive index regions and the second refractive index regions inclined with respect to the X axis are alternately arranged along the direction perpendicular to the longitudinal direction. In the region of the diffraction grating R2, the laser beam is bent in the Z-axis direction. Other structures and operations are the same as those in the first embodiment, and also in this structure, the phase of the laser beam LB emitted from the diffraction grating R2 in the Z-axis direction can be controlled by the optical path length control element C. A desired laser beam pattern can be obtained.

次に、面発光型の半導体レーザ素子を用いた例について説明する。 Next, an example using a surface emitting semiconductor laser element will be described.

図９は、第７実施形態（面発光型）に係る半導体レーザ装置の平面図（図９（Ａ））、光路長制御素子を用いない場合の装置の正面図（図９（Ｂ））、光路長制御素子Ｃを用いた場合の正面図（図９（Ｃ））である。 FIG. 9 is a plan view (FIG. 9A) of a semiconductor laser device according to a seventh embodiment (surface emitting type), a front view of the device without using an optical path length control element (FIG. 9B), It is a front view at the time of using the optical path length control element C (FIG. 9C).

設置台１０上に、複数の半導体レーザ素子ＬＤが配置されている。半導体レーザ素子ＬＤの厚み方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向とする。複数の半導体レーザ素子ＬＤは、Ｘ軸に沿って配置されている。半導体レーザ素子ＬＤは、面発光型であり、レーザ光の出射方向はＺ軸の正方向である。半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光は、Ｚ軸方向に進行するが、上述の光路長制御素子Ｃが存在しない場合、レーザ光ＬＢの波面ＷＶの位相は一致していない（図９（Ｂ）参照）。 A plurality of semiconductor laser elements LD are arranged on the installation table 10. A thickness direction of the semiconductor laser element LD is defined as a Z-axis direction, and two directions perpendicular to the thickness direction are defined as an X-axis direction and a Y-axis direction, respectively. The plurality of semiconductor laser elements LD are arranged along the X axis. The semiconductor laser element LD is a surface emitting type, and the emission direction of the laser beam is the positive direction of the Z axis. The laser light emitted from the semiconductor laser element LD travels in the Z-axis direction, but when the above-described optical path length control element C is not present, the phase of the wavefront WV of the laser light LB does not match (FIG. 9B )reference).

一方、半導体レーザ素子ＬＤ間に、光路長制御素子Ｃが存在する場合、レーザ光ＬＢの波面の位相を制御することができる。波面ＷＶの位相を調整するには、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を調整すればよい。この位相を調整することにより、レーザ光全体の波面ＷＶ２１をＸ軸に平行にしたり、波面ＷＶ２２で示されるように、Ｘ軸から傾斜させることが可能である。 On the other hand, when the optical path length control element C exists between the semiconductor laser elements LD, the phase of the wavefront of the laser light LB can be controlled. In order to adjust the phase of the wavefront WV, the phase of the laser light emitted from the semiconductor laser element LD may be adjusted. By adjusting this phase, it is possible to make the wavefront WV21 of the entire laser beam parallel to the X axis or to incline from the X axis as indicated by the wavefront WV22.

半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザ光の位相を制御するため、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの間には、光路長制御素子Ｃが配置されている。詳細には、隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間に、光路長制御素子Ｃが配置されている。隣接する半導体レーザ素子ＬＤの半導体発光部間の離間距離は、レーザ光の数波長以内の距離であり、半導体発光部は、図９（Ｃ）の矢印Ｐで示されるように、光学的に結合している。この離間距離は、エバネッセント場が形成される距離に設定することもできる。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間の光路長を制御する素子である。 In order to control the phase of the laser light emitted from the semiconductor laser element LD, an optical path length control element C is disposed between adjacent semiconductor laser elements LD. Specifically, the optical path length control element C is arranged between the semiconductor light emitting portions of adjacent semiconductor laser elements LD. The separation distance between the semiconductor light emitting portions of adjacent semiconductor laser elements LD is a distance within a few wavelengths of the laser light, and the semiconductor light emitting portion is optically coupled as indicated by an arrow P in FIG. 9C. doing. This separation distance can also be set to a distance at which an evanescent field is formed. The optical path length control element C is an element that controls the optical path length between adjacent semiconductor light emitting units.

図１０は、隣接する半導体レーザ素子群（発光部群）を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing adjacent semiconductor laser element groups (light emitting section groups).

レーザ素子ＬＤは、活性層４及びフォトニック結晶層６を含んでおり、活性層４及びフォトニック結晶層６を含む半導体発光部から、Ｚ軸の正方向に向けてレーザ光が出射される。光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部間に配置されている。隣接する半導体発光部は、光学的に結合しているので、光路長制御素子Ｃをこれらの間に配置することにより、半導体発光部間の光路長を容易に制御することができる。半導体発光部間の誘電率や物理的な距離を変化させれば光路長は変化するため、光路長制御素子Ｃの構造としては、種々のものが考えられる。誘電部材を移動させる構造、液晶の誘電率を制御する構造、メタマテリアルを用いた構造、圧電素子を用いた構造、電気光学結晶を用いた構造などが考えられる。 The laser element LD includes an active layer 4 and a photonic crystal layer 6, and laser light is emitted in the positive direction of the Z axis from a semiconductor light emitting unit including the active layer 4 and the photonic crystal layer 6. The optical path length control element C is disposed between adjacent semiconductor light emitting units. Since the adjacent semiconductor light emitting portions are optically coupled, the optical path length between the semiconductor light emitting portions can be easily controlled by disposing the optical path length control element C therebetween. Since the optical path length changes if the dielectric constant or physical distance between the semiconductor light emitting portions is changed, various structures of the optical path length control element C can be considered. A structure that moves a dielectric member, a structure that controls the dielectric constant of liquid crystal, a structure that uses a metamaterial, a structure that uses a piezoelectric element, a structure that uses an electro-optic crystal, and the like are conceivable.

図１１は、単一の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 a single semiconductor laser element.

説明の都合上、半導体レーザ素子ＬＤの向きは反転して示してある。このレーザ素子ＬＤは、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を挟む光ガイド層３，５を備えている。詳説すれば、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、フォトニック結晶層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。コンタクト層８の表面には、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ_２などの絶縁膜９が形成され、半導体基板１の下面には、反射防止膜Ｍが形成されている。 For convenience of explanation, the direction of the semiconductor laser element LD is shown reversed. The laser element LD includes an active layer 4 that generates laser light, an upper clad layer 7 and a lower clad layer 2 that sandwich the active layer 4, and light guide layers 3 and 5 that are disposed between them and sandwich the active layer 4. I have. More specifically, a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3, an active layer 4, an upper light guide layer 5, a photonic crystal layer 6, an upper clad layer 7, and a contact layer 8 are sequentially stacked 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. An insulating film 9 such as SiNx or SiO ₂ is formed on the surface of the contact layer 8, and an antireflection film M is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 1.

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Ｍが設けられている。反射防止膜Ｍは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）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_２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）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。 The first electrode E1 is an opening electrode having an opening at the center, and an antireflection film M is provided in and around the opening of the first electrode E1. The antireflection film M is made of a dielectric single layer film or dielectric multilayer film such as silicon nitride (SiN) or silicon dioxide (SiO ₂ ). 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 ), fluorine, and the like. 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 ), and zirconium oxide (ZrO ₂ ) A film in which two or more kinds of dielectric layers selected from the group are appropriately stacked can be used. For example, a film having a thickness of λ / 4 is stacked with an optical film thickness for light having a wavelength λ. Note that the reflective film and the antireflection film can be formed by a sputtering method.

フォトニック結晶層６は、基本層６Ａと、基本層６Ａ内に周期的に埋め込まれ、これと異なる屈折率を有する異屈折率領域６Ｂとからなる。 The photonic crystal layer 6 includes a basic layer 6A and a different refractive index region 6B that is periodically embedded in the basic layer 6A and has a different refractive index.

活性層４の近傍には、これに光学的に結合するフォトニック結晶層６が設けられている。本例では、上部クラッド層７と上部光ガイド層５との間に、フォトニック結晶層６が設けられているが、これは下部クラッド層２と下部光ガイド層３との間に設けることとしてもよい。また、本例では、下面の電極Ｅ１が開口を有することとしているが、これは全面電極として、上部電極Ｅ２を透明電極や小さな電極或いは開口電極とし、上部からレーザ光を出射する構造としてもよい。 A photonic crystal layer 6 optically coupled to the active layer 4 is provided in the vicinity of the active layer 4. In this example, the photonic crystal layer 6 is provided between the upper clad layer 7 and the upper light guide layer 5. However, this is provided between the lower clad layer 2 and the lower light guide layer 3. Also good. In this example, the lower surface electrode E1 has an opening. However, this may be a full-surface electrode, and the upper electrode E2 may be a transparent electrode, a small electrode, or an opening electrode, and laser light may be emitted from above. .

半導体レーザ素子ＬＤの材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。フォトニック結晶層（位相変調層、屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなる。 As an example of the material of the semiconductor laser element LD, the semiconductor substrate 1 is made of GaAs, the lower cladding layer 2 is made of AlGaAs, the lower light guide layer 3 is made of AlGaAs, and the active layer 4 is a multiple quantum well structure MQW (barrier layer: The upper light guide layer 5 is made of lower layer AlGaAs / upper layer GaAs, the upper cladding layer 7 is made of AlGaAs, and the contact layer 8 is made of GaAs. In the photonic crystal layer (phase modulation layer, refractive index modulation layer) 6, the basic layer 6A is made of GaAs, and the different refractive index region (buried layer) 6B embedded in the basic layer 6A is made of AlGaAs.

なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃｍ^３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、フォトニック結晶層６をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。 Note that the first conductivity type (N-type) impurity or the second conductivity type (P-type) impurity is added to each layer (impurity concentration is 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ ). The semiconductor substrate 1 is N type, the lower cladding layer 2 is N type, the lower light guide layer 3 is I type, the active layer 4 is I type, the lower layer of the upper light guide layer 5 is P or I type, the upper layer is I type, The photonic crystal layer 6 can be I-type, the upper cladding layer 7 can be P-type, and the contact layer 8 can be P-type. Note that a region to which no impurity is intentionally added is intrinsic (I type). The I-type impurity concentration is 1 × 10 ¹⁶ / cm ³ or less.

また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ〜３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０〜３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜３００ｎｍ）、フォトニック結晶層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ〜３００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ〜５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。 Further, for example, the thickness of the semiconductor substrate 1 is 150 μm (80 μm to 350 μm), the thickness of the lower cladding layer 2 is 2 × 10 ³ nm (1 × 10 ³ nm to ³ × 10 ³ nm), and the thickness of the lower light guide layer 3 150 nm (0 to 300 nm), the thickness of the active layer 4 is 30 nm (10 nm to 100 nm), the thickness of the lower layer of the upper light guide layer 5 is 50 nm (10 nm to 100 nm), the thickness of the upper layer is 50 nm (10 nm to 300 nm), The thickness of the nick crystal layer 6 is 100 nm (50 nm to 300 nm), the thickness of the upper cladding layer 7 is 2 × 10 ³ nm (1 × 10 ³ nm to ³ × 10 ³ nm), and the thickness of the contact layer 8 is 200 nm (50 nm to 50 nm). 500 nm). The values in parentheses are suitable values.

なお、フォトニック結晶層６における柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、フォトニック結晶層６においては、ＸＹ平面内における正方格子又は三角格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂが配置されている。この正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、レーザ光の波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。 It should be noted that a columnar different refractive index region in the photonic crystal layer 6 may be a gap, and a gas such as air, nitrogen, or argon may be enclosed. In the photonic crystal layer 6, the different refractive index region 6 </ b> B is arranged at the lattice point position of a square lattice or a triangular lattice in the XY plane. The interval between the vertical and horizontal lattice lines in this square lattice is about the wavelength of the laser beam divided by the equivalent refractive index, and is specifically set to about 300 nm. The different refractive index regions can be arranged not at the lattice point positions of the square lattice but at the lattice point positions of the triangular lattice. In the case of a triangular lattice, the interval between the horizontal and oblique lattice lines is a value obtained by dividing the wavelength by the equivalent refractive index and further dividing by Sin 60 °, and is preferably set to about 350 nm.

なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ_１＝ａｘ、ａ_２＝ａｙであり、並進ベクトルａ_１、ａ_２に対する逆格子基本ベクトルｂ_１＝（２π／ａｘ）、ｂ_２＝（２π／ａｙ）である。フォトニック結晶のエネルギーバンドギャップにおける波数ベクトルｋ＝ｎｂ_１＋ｍｂ_２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋがΓ点となり、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。 In the case of a square lattice having a lattice interval a, if the unit vectors of orthogonal coordinates are x and y, the basic translation vectors a ₁ = ax, a ₂ = ay, and the reciprocal lattice basic vectors for the translation vectors a ₁ and a ₂ b ₁ = (2π / ax), b ₂ = (2π / ay). When the wave number vector k = nb ₁ + mb ₂ (n and m are arbitrary integers) in the energy band gap of the photonic crystal, the wave number k is a Γ point, and the resonance mode (within the XY plane) where the lattice spacing a is equal to the wavelength λ Standing wave).

次に、上述の光路長制御素子Ｃについて説明する。なお、上述の半導体発光部は、符号ＬＧで示すものとする。 Next, the above-described optical path length control element C will be described. Note that the semiconductor light emitting unit described above is indicated by the symbol LG.

以上のように、上述の面発光型の半導体レーザ素子においては、半導体発光部は、発光層４と、発光層４に光学的に結合したフォトニック結晶層６とを備えており、フォトニック結晶層６の厚み方向に沿ってレーザ光を出射することができる。フォトニック結晶層６は、その厚み方向に沿った埋込領域（異屈折率領域）を、元の半導体層（基本層）内に周期的に分散させており、埋込領域の屈折率が周囲の半導体層の屈折率とは異なる。この構造の場合、発光層４に光学的にフォトニック結晶層６を結合させると、埋込領域の存在により、レーザ光が厚み方向に発振して、フォトニック結晶層６の厚み方向に沿って出射することができる。 As described above, in the above-described surface-emitting type semiconductor laser device, the semiconductor light emitting unit includes the light emitting layer 4 and the photonic crystal layer 6 optically coupled to the light emitting layer 4. Laser light can be emitted along the thickness direction of the layer 6. In the photonic crystal layer 6, the buried region (different refractive index region) along the thickness direction is periodically dispersed in the original semiconductor layer (basic layer), and the refractive index of the buried region is around This is different from the refractive index of the semiconductor layer. In the case of this structure, when the photonic crystal layer 6 is optically coupled to the light emitting layer 4, the laser light oscillates in the thickness direction due to the presence of the buried region, and along the thickness direction of the photonic crystal layer 6. Can be emitted.

この構造によれば、上述のように、フォトニック結晶層６の厚み方向に出射するレーザ光の位相は、光路長制御素子Ｃによって、制御することができるため、複数のレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 According to this structure, as described above, the phase of the laser light emitted in the thickness direction of the photonic crystal layer 6 can be controlled by the optical path length control element C. The formed laser beam pattern can be changed.

図１２は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device.

当該縦断面構成は、上述のいずれの実施形態の半導体レーザ装置にも適用することができる。この半導体レーザ装置は、それぞれがレーザ光を出力し、互いに光学的に結合可能な距離で離間して配列した複数の半導体発光部ＬＧと、隣接する半導体発光部ＬＧ間の光路長を制御する光路長制御素子Ｃとを備えている。光路長制御素子Ｃは、誘電部材Ｃ１と、誘電部材Ｃ１を移動させる移動素子Ｃ２とを備えている。 The vertical cross-sectional configuration can be applied to the semiconductor laser device of any of the above-described embodiments. This semiconductor laser device outputs a laser beam and controls a light path length between a plurality of semiconductor light emitting portions LG arranged at a distance that can be optically coupled to each other and adjacent semiconductor light emitting portions LG. And a long control element C. The optical path length control element C includes a dielectric member C1 and a moving element C2 that moves the dielectric member C1.

誘電部材Ｃ１はガラスや樹脂などの誘電体材料、または、後述するメタマテリアルからなり、移動素子Ｃ２は微小なアクチュエータからなる。このようなアクチュエータとしては、圧電素子からなるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）や、電磁石によって引き合う力が弾性力に抗するように弾性体の両端に電磁石を設けたＭＥＭＳなどが挙げられる。圧電素子に電圧を印加すると、電圧に応じて伸縮をするため移動素子として機能し、電磁石に電流を与えた場合には弾性体が縮小するため移動素子として機能する。 The dielectric member C1 is made of a dielectric material such as glass or resin, or a metamaterial described later, and the moving element C2 is made of a minute actuator. Examples of such an actuator include MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) composed of piezoelectric elements, and MEMS in which electromagnets are provided at both ends of an elastic body so that the force attracted by the electromagnet resists the elastic force. When a voltage is applied to the piezoelectric element, it functions as a moving element because it expands and contracts in accordance with the voltage, and when an electric current is applied to the electromagnet, it functions as a moving element because the elastic body contracts.

移動素子Ｃ２は、設置台１０に設けられ、Ｚ軸方向に延びた孔内に配置され、移動素子Ｃ２の一端を孔の底面に固定し、他方端を誘電部材Ｃ１に固定しておく。これにより、移動素子Ｃ２がＺ軸方向に移動した場合に、誘電部材Ｃ１をＺ軸方向に移動させることができる。 The moving element C2 is provided on the installation base 10, and is disposed in a hole extending in the Z-axis direction. One end of the moving element C2 is fixed to the bottom surface of the hole, and the other end is fixed to the dielectric member C1. Thereby, when the moving element C2 moves in the Z-axis direction, the dielectric member C1 can be moved in the Z-axis direction.

光路長は、屈折率と実際の距離の積で与えられる。透磁率が１である通常の媒質に対しては、可視光では誘電率は屈折率の２乗で与えられ、その他の波長の場合にも、誘電率と屈折率との間には、これに準じた関係がある。したがって、半導体発光部ＬＧ間の光伝播経路Ｐにおける誘電率を変化させれば、光路長を変化させることができる。すなわち、光路長を規定する空間内に誘電部材Ｃ１が配置される度合によって、光路長を変化させることができる。移動素子Ｃ２によって、誘電部材Ｃ１が完全に半導体発光部ＬＧ間の空間に移動した場合には、誘電部材Ｃ１の誘電率に依存して光路長が決定され、移動素子Ｃ２によって、誘電部材Ｃ１が半導体発光部ＬＧ間の空間内から除外された場合には、当該空間の誘電率（空気や希ガスなどの空間内気体の誘電率）によって、光路長が決定される。 The optical path length is given by the product of the refractive index and the actual distance. For a normal medium with a permeability of 1, the permittivity is given by the square of the refractive index in visible light, and for other wavelengths, there is a difference between the permittivity and the refractive index. There is a similar relationship. Therefore, the optical path length can be changed by changing the dielectric constant in the light propagation path P between the semiconductor light emitting portions LG. That is, the optical path length can be changed depending on the degree to which the dielectric member C1 is disposed in the space that defines the optical path length. When the dielectric member C1 is completely moved to the space between the semiconductor light emitting portions LG by the moving element C2, the optical path length is determined depending on the dielectric constant of the dielectric member C1, and the dielectric element C1 is moved by the moving element C2. When excluded from the space between the semiconductor light emitting portions LG, the optical path length is determined by the dielectric constant of the space (dielectric constant of gas in space such as air or rare gas).

図１３は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device.

この光路長制御素子Ｃは、一対の電極ＥＡ，ＥＢと、電極ＥＡ，ＥＢ間に配置された液晶ＬＣとを備えている。液晶ＬＣは適当な絶縁性の容器内に保持されている。ＸＺ平面内においては、当該容器の上部は絶縁層ＤＡを構成し、下部は絶縁層ＤＢを構成している。一対の電極間ＥＡ，ＥＢに印加する電圧によって、液晶ＬＣの結晶構造が変化し、したがって、その誘電率が変化する。代表的な液晶としては、ネマチック液晶が知られている。詳説すれば、液晶ＬＣを構成する分子の誘電率は、分子の縦軸方向と横軸方向で誘電率が異なるため、電圧の印加により、特定の向きに分子が配向した場合と、ランダムに分子が分散している場合とでは、光伝播方向の誘電率、すなわち、屈折率は異が異なり、電圧の大きさに依存して、光路長が変化させることができる。 The optical path length control element C includes a pair of electrodes EA, EB and a liquid crystal LC disposed between the electrodes EA, EB. The liquid crystal LC is held in a suitable insulating container. In the XZ plane, the upper part of the container constitutes the insulating layer DA and the lower part constitutes the insulating layer DB. The voltage applied to the pair of electrodes EA and EB changes the crystal structure of the liquid crystal LC, and therefore the dielectric constant thereof. As a typical liquid crystal, a nematic liquid crystal is known. More specifically, since the dielectric constant of the molecules constituting the liquid crystal LC is different in the vertical and horizontal axis directions of the molecules, the molecules are randomly oriented when a voltage is applied to the molecules. In the case where is distributed, the dielectric constant in the light propagation direction, that is, the refractive index is different, and the optical path length can be changed depending on the magnitude of the voltage.

また、光路長制御素子Ｃ或いは上記誘電部材Ｃ１は、メタマテリアルを備えることができる。人工構造体であるメタマテリアルは、誘電体層の両面を金属層で挟んだ積層構造の厚み方向（Ｚ軸方向）に複数の貫通孔を形成してなる。光路長制御素子Ｃは、このメタマテリアルと、それぞれの貫通孔の両端に設けられた一対の電極と、これらの電極間の貫通孔内に設けられた液晶とを備えることができる。貫通孔の平面形状としては、円形や楕円形の他、三角形、菱型、或いは平行四辺形などの四角形、又は、五角形などの多角形等が挙げられる。メタマテリアルは複数の開口を備えているため、多くのメタマテリアルは、フィッシュネット型の構造ともよばれる。貫通孔の両端は、ガラス等の一対の窓材で封止された後、窓材の外側に前述の一対の電極を配置する。電極の配置位置は、図１３の電極ＥＡ，ＥＢの位置である。メタマテリアルは、光の波長よりも小さな構造体を有する人工材料で、例えば、前記貫通孔を１つ以上、有する。したがって、前記電極ＥＡとＥＢに印加する電圧によって、液晶ＬＣの結晶構造を変化させ、メタマテリアルの屈折率（誘電率）を変化させる事により、この誘電率を制御し、光路長を変化させることができる。 Further, the optical path length control element C or the dielectric member C1 can include a metamaterial. A metamaterial that is an artificial structure is formed by forming a plurality of through holes in the thickness direction (Z-axis direction) of a laminated structure in which both surfaces of a dielectric layer are sandwiched between metal layers. The optical path length control element C can include this metamaterial, a pair of electrodes provided at both ends of each through hole, and a liquid crystal provided in a through hole between these electrodes. Examples of the planar shape of the through hole include a circle, an ellipse, a quadrangle such as a triangle, a rhombus, or a parallelogram, or a polygon such as a pentagon. Since metamaterials have multiple openings, many metamaterials are also called fishnet-type structures. Both ends of the through hole are sealed with a pair of window materials such as glass, and then the above-described pair of electrodes are disposed outside the window material. The arrangement positions of the electrodes are the positions of the electrodes EA and EB in FIG. The metamaterial is an artificial material having a structure smaller than the wavelength of light, and has, for example, one or more through holes. Therefore, by changing the crystal structure of the liquid crystal LC and changing the refractive index (dielectric constant) of the metamaterial by the voltage applied to the electrodes EA and EB, the dielectric constant is controlled and the optical path length is changed. Can do.

図１４は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device.

この光路長制御素子Ｃは、隣接する半導体発光部ＬＧを光学的に結合させる電気光学結晶ＥＯと、電気光学結晶ＥＯに電圧を印加する一対の電極ＥＡ，ＥＢ（電圧印加手段）と、を備えている。電極ＥＡ，ＥＢに電圧を与えることにより、電気光学結晶に電圧が印加されると、結晶内部に電界が発生する。電気光学結晶の屈折率は、電界に比例して変化する（一次電気光学効果）ため、半導体発光部間の電気光学結晶内を伝播する光の光路長を変化させることができる。 The optical path length control element C includes an electro-optic crystal EO that optically couples adjacent semiconductor light emitting portions LG, and a pair of electrodes EA and EB (voltage application means) that apply a voltage to the electro-optic crystal EO. ing. When a voltage is applied to the electro-optic crystal by applying a voltage to the electrodes EA and EB, an electric field is generated inside the crystal. Since the refractive index of the electro-optic crystal changes in proportion to the electric field (primary electro-optic effect), the optical path length of light propagating in the electro-optic crystal between the semiconductor light emitting portions can be changed.

電気光学結晶ＥＯとしては、ＢＢＯ（βＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＬｉＮｂＯ_３、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ_３、Ｆｅ添加ＬｉＮｂＯ_３、又はＺｎＯ添加ＬｉＮｂＯ_３などの結晶が知られている。 As the electro-optic crystal EO, crystals such as BBO (βBaB ₂ O ₄ ), LiTaO ₃ , KTP (KTiOPO ₄ ), LiNbO ₃ , MgO-added LiNbO ₃ , Fe-added LiNbO ₃ , or ZnO-added LiNbO ₃ are known. .

電気光学結晶の形状及び寸法は、結合導波路（ＭＭＩ：多モード干渉導波路）の形状及び寸法に設定することができる。 The shape and size of the electro-optic crystal can be set to the shape and size of a coupling waveguide (MMI: multimode interference waveguide).

図１５は、半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 FIG. 15 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device.

光路長制御素子Ｃは、それぞれの半導体発光部ＬＧを移動させ、前記半導体発光部間の相対位置を変化させる圧電素子とすることができる。本例ではＺ軸方向に移動させる例が示されるが、Ｙ軸方向に移動させる構造とすることも可能である。個々の半導体発光部ＬＧ自身を移動させた場合、２つの効果が生じる。１つの効果は、半導体発光部ＬＧの物理的な位置が移動することにより、所望のレーザビームパターンの形成位置までのレーザ光の光路長、すなわち、この形成位置におけるレーザ光の位相が変化する。もう１つの効果は、隣接する半導体発光部ＬＧは、光学的に結合しているので、半導体発光部ＬＧの移動により、光伝播経路Ｐで示される半導体発光部ＬＧ間の光路長が変化する。これら２つの効果は同時に生じるが、いずれの効果も、レーザビームパターン形成位置でのレーザ光の位相を変化させており、光路長制御素子Ｃを制御することにより、複数の半導体発光部ＬＧから出射されるレーザ光の重ね合わせにより形成されるレーザビームパターンを変化させることができる。 The optical path length control element C can be a piezoelectric element that moves each semiconductor light emitting part LG and changes the relative position between the semiconductor light emitting parts. In this example, an example of moving in the Z-axis direction is shown, but a structure for moving in the Y-axis direction is also possible. When the individual semiconductor light emitting portions LG themselves are moved, two effects are produced. One effect is that when the physical position of the semiconductor light emitting unit LG moves, the optical path length of the laser beam to the formation position of the desired laser beam pattern, that is, the phase of the laser beam at this formation position changes. Another advantage is that since the adjacent semiconductor light emitting portions LG are optically coupled, the optical path length between the semiconductor light emitting portions LG indicated by the light propagation path P is changed by the movement of the semiconductor light emitting portion LG. These two effects occur simultaneously, but both effects change the phase of the laser beam at the position where the laser beam pattern is formed, and are emitted from a plurality of semiconductor light emitting portions LG by controlling the optical path length control element C. It is possible to change the laser beam pattern formed by superimposing the laser beams.

また、半導体発光部ＬＧは、発光層と、前記発光層に光学的に結合した回折格子と、を備え、前記発光層の厚み方向に垂直な方向に沿って共振が生じ、前記発光層の端面からレーザ光を出射することができる。発光層に光学的に回折格子を結合させると、半導体レーザ素子の共振器内部に回折格子を形成することになり、この回折格子により特定波長のみを選択的に強め合う分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを構成することができる。ＤＦＢレーザでは、単一波長のレーザ光を出射することができる。なお、回折格子を、活性層内部に形成することもできる。 Further, the semiconductor light emitting unit LG includes a light emitting layer and a diffraction grating optically coupled to the light emitting layer, and resonance occurs along a direction perpendicular to the thickness direction of the light emitting layer. Can emit laser light. When a diffraction grating is optically coupled to the light emitting layer, a diffraction grating is formed inside the resonator of the semiconductor laser element, and a distributed feedback (DFB) laser that selectively intensifies only a specific wavelength by this diffraction grating. Can be configured. A DFB laser can emit laser light having a single wavelength. The diffraction grating can also be formed inside the active layer.

なお、上述の例では、３又は４つの半導体レーザ素子が配列した例を示したが、これは５以上の半導体レーザ素子が配列していてもよい。 In the above-described example, an example in which three or four semiconductor laser elements are arranged has been described. However, five or more semiconductor laser elements may be arranged.

最後に、上述の半導体レーザ素子について簡単に説明する。 Finally, the above semiconductor laser element will be briefly described.

半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。ＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ₃（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＡｌＧａＡｓの成長においては、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシンを用い、ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡは用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。 In manufacturing a semiconductor laser device, each compound semiconductor layer uses a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Although crystal growth is performed on the (001) plane of the semiconductor substrate 1, it is not limited to this. In the production of a laser device using AlGaAs, the growth temperature of AlGaAs is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is adopted in the experiment. TMA (trimethylaluminum), gallium raw material is used as the Al raw material during growth. TMG (trimethyl gallium) and TEG (triethyl gallium), As raw material AsH ₃ (arsine), N-type impurity raw material Si ₂ H ₆ (disilane), P-type impurity raw material DEZn (diethyl zinc) Is used. In the growth of AlGaAs, TMA, TMG, and arsine are used, and in the growth of GaAs, TMG and arsine are used, but TMA is not used. InGaAs is manufactured using TMG, TMI (trimethylindium), and arsine. The insulating film may be formed by sputtering a target using the constituent material as a raw material.

すなわち、図１１の半導体レーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。 That is, the semiconductor laser device of FIG. 11 first has an N-type cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3, and a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) on an N-type semiconductor substrate (GaAs) 1. 4. A light guide layer (GaAs / AaGaAs) 5 and a basic layer (GaAs) 6A to be a photonic crystal layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Next, in order to obtain alignment after epitaxial growth, a SiN layer is formed on the basic layer 6A by PCVD (plasma CVD), 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 is left to form an alignment mark. The remaining resist is removed.

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１００〜３００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成し、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。 Next, another resist is applied to the basic layer 6A, and a two-dimensional fine pattern is formed on the resist by drawing and developing a two-dimensional fine pattern on the resist using an electron beam drawing apparatus with reference to the alignment mark. . Thereafter, using the resist as a mask, a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 to 300 nm is transferred onto the basic layer 6A by dry etching to form a hole (hole), and the resist is removed. The depth of the hole is 100 nm. In this hole, the compound semiconductor that becomes the different refractive index region 6B (AlGaAs) is regrown to the depth of the hole or more. Next, an upper cladding layer (AlGaAs) 7 and a 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 vapor deposition or sputtering to form first and second electrodes. Form. Further, if necessary, insulating films can be formed on the upper and lower surfaces of the substrate by sputtering or the like.

フォトニック結晶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フォトニック結晶層を形成すればよく、フォトニック結晶層を備えない図３の半導体レーザ素子を製造する場合は、この製造工程を省略すればよい。なお、図３の半導体レーザでは、下部クラッド層上にＤＦＢ用の回折格子２ａを有しており、これは下部クラッド層の形成後にフォトリソグラフィ―技術によって所望パターンのマスクを形成し、当該マスク上に回折格子２ａを成長させ、しかる後、光ガイド層３を形成すればよい。 In the case where the photonic crystal layer is provided below the active layer, the photonic crystal layer may be formed on the lower cladding layer before the formation of the active layer and the lower light guide layer, and the photonic crystal layer is not provided. When manufacturing the semiconductor laser device 3, this manufacturing process may be omitted. The semiconductor laser shown in FIG. 3 has a DFB diffraction grating 2a on a lower clad layer, which is formed by forming a mask having a desired pattern by photolithography after the lower clad layer is formed. Then, the diffraction grating 2a is grown, and then the light guide layer 3 is formed.

以上、説明したように、動的に位相が変化する光路長制御素子（位相シフト部）を介して、多数の半導体レーザ素子をコヒーレントに結合させることで、より多彩なビームパターンを動的に変化させることが可能となる。 As described above, a variety of beam patterns can be dynamically changed by coherently coupling a number of semiconductor laser elements via an optical path length control element (phase shift unit) whose phase changes dynamically. It becomes possible to make it.

ＬＧ…半導体発光部、Ｃ…光路長制御素子。
LG: Semiconductor light emitting part, C: Optical path length control element.

Claims

A plurality of semiconductor light emitting units, each of which emits laser light and is arranged at a distance that can be optically coupled to each other;
An optical path length control element for controlling an optical path length between adjacent semiconductor light emitting units;
With
The optical path length control element is disposed between the adjacent semiconductor light emitting units,
The semiconductor light emitting unit is
A light emitting layer provided between the upper and lower cladding layers;
A photonic crystal layer optically coupled to the light emitting layer;
With
Laser light is emitted along the thickness direction of the photonic crystal layer,
The separation distance between the adjacent semiconductor light emitting units is set to a distance at which these semiconductor light emitting units are optically coupled.
A semiconductor laser device.

The optical path length control element is:
A pair of electrodes;
A liquid crystal disposed between the electrodes;
The semiconductor laser device according to claim 1, comprising:

The optical path length control element is:
A metamaterial formed by forming a plurality of through holes in the thickness direction of a laminated structure in which both surfaces of a dielectric layer are sandwiched between metal layers;
A pair of electrodes provided at both ends of each through hole;
A liquid crystal provided in the through hole between the electrodes;
The semiconductor laser device according to claim 1, comprising:

The optical path length control element is:
An electro-optic crystal that optically couples the adjacent semiconductor light emitting parts;
Voltage applying means for applying a voltage to the electro-optic crystal;
The semiconductor laser device according to claim 1, comprising:

The optical path length control element is a piezoelectric element that moves each of the semiconductor light emitting units and changes a relative position between the semiconductor light emitting units.
The semiconductor laser device according to claim 1.