JP6557753B2 - レーザ素子及びレーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ素子及びレーザ装置に関する。
特許文献１のレーザ素子に用いられるフォトニック結晶層は、ベースとなる基本層内に、複数の異屈折率領域を周期的に埋め込んで構成されている。このレーザ素子は、２層のフォトニック結晶層を有しており、それぞれのフォトニック結晶層は、周期的に配置された同一パターン有しているが、パターンは、フォトニック結晶層毎に異なる。
特許文献２は、レーザビームの直線偏光の強度に関する技術の一例を開示している。同文献によれば、従来、フォトニック結晶層を構成する基本層内に、複数の円形異屈折率領域を正方格子の格子点位置にそれぞれ埋め込んできたが、この場合には、面内における偏光方向が一定とはならないという問題点が指摘されている。すなわち、フォトニック結晶層内では、内部で発生しているモードの縮退により、個々の異屈折率領域の周囲を囲むように電界ベクトル（偏光方向）が発生する。そこで、同文献では、正方格子上から外れた非対称位置に、別の異屈折率領域を配置することにより、モードの縮退を解放し、電界ベクトルの向きを、全体として揃えることができる旨を開示している。
特開２００９−７６９００号公報 特開２００３−２３１９３号公報
近年、様々なパターンのレーザビームを出力することが可能なレーザ素子及びレーザ装置が期待されている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、様々なパターンのレーザビームを出射することが可能なレーザ素子及びレーザ装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本願発明者らが、レーザ素子構造について鋭意検討した結果、フォトニック結晶層における異屈折率領域を工夫することで、概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略正多角形の第１異屈折率領域の周囲に、これよりも微小な第２異屈折率領域を配置し、第１屈折率領域に対する第２異屈折率領域の回転位置を、座標に応じて異ならせることにより、様々なパターンのレーザビームを出射できることを見出した。
なお、概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略正多角形とは、平面視において、円形又は正方形又は９０°の回転対称性を有する正多角形に設計された形状であるが、製造時において若干の歪みが生じたものを含む形状を意味するものとする。
すなわち、本態様のレーザ素子は、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子において、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、平面形状が概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略正多角形であり、厚み方向に垂直な第１面積を有する第１異屈折率領域と、厚み方向に垂直な第２面積を有する第２異屈折率領域と、を備え、前記第１異屈折率領域の重心位置は、三角格子の格子点に位置し、前記第２面積は、前記第１面積よりも小さく、単位構成領域が、１つの前記第１異屈折率領域と、この周囲の最も近くに設けられた１つの前記第２異屈折率領域とからなることとし、これら一対の異屈折率領域のみが各単位構成領域内に存在し、最も近くで隣接する前記第１異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた領域のうち、１つの前記第１異屈折率領域の全てが含まれる最小の領域が、それぞれの前記単位構成領域であり、この単位構成領域内において、前記一対の異屈折率領域の全てが、位置しており、前記単位構成領域内における、前記第１異屈折率領域に対する前記第２異屈折率領域の回転角度をφとし、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、それぞれの前記単位構成領域のＸＹ座標をそれぞれの前記第１異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、前記単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが当該座標により異なっており、前記フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含むことを特徴とする。本発明では３つ或いは４つで一組となる強度パターンを組み合わせることにより、様々なパターンのレーザビームを得ることも可能となる。このとき、第２異屈折率領域の回転角度φを変えることにより各領域の強度が変調される原理に基づいているため、必然的に３以上の異なる回転角度が含まれることになる。
また、このレーザ素子は、前記レーザ光を発生する活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記フォトニック結晶層とを備えることを特徴とする。
また、本発明のレーザ装置は、上記レーザ素子と、前記レーザ素子の光出射面に対向配置された偏光板と、を備えることを特徴とする。
本発明のレーザ素子及びレーザ装置によれば、様々なパターンのレーザビームを出射することができる。
図１はレーザ装置の構成を示す図である。 図２は第１のレーザ素子の構成を示す図である。 図３は第２のレーザ素子の構成を示す図である。 図４はレーザ素子本体部の構成を示す図である。 図５は第３のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。 図６はレーザ素子を構成する要素の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。 図７は第４のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。 図８はフォトニック結晶層の平面図である。 図９は異屈折率領域の位置関係を説明するための図である。 図１０は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１１はフーリエ変換後の遠視野像である。 図１２は異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。 図１３はフォトニック結晶層の平面図である。 図１４は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１５はフーリエ変換後の遠視野像である。 図１６は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１７はフーリエ変換後の遠視野像である。 図１８は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１９はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２０は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２１はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２２は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２３はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２４は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２５はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２６は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２７はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２８はレーザ素子の縦断面構成を示す図である。 図２９は異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。 図３０はフォトニック結晶層の縦断面図である。 図３１は異屈折率領域の位置を示すグラフである。 図３２はフォトニック結晶層で得られるモードを示す図である。 図３３はレーザ素子と偏光板を備えたレーザ装置を示す図である。 図３４は偏光板とレンズを備えたレーザ装置の主要部を示す図である。
以下、実施の形態に係るレーザ素子及びレーザ装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、レーザ装置の構成を示す図である。
支持基板ＳＢ上には、複数のレーザ素子ＬＤが一次元又は二次元状に配置されている。個々のレーザ素子ＬＤは、支持基板ＳＢの裏面又は内部に設けられた駆動回路ＤＲＶによって駆動される。すなわち、制御回路ＣＯＮＴからの指示により、駆動回路ＤＲＶは、個々のレーザ素子ＬＤに駆動電流を供給する。例えば、二次元状に配置されたレーザ素子ＬＤに、これらが配置されたアドレスの順番に従って駆動電流を供給する。レーザ素子ＬＤからはレーザビームが基板に垂直な方向に出射される。レーザ素子ＬＤがアドレスの順番に順次点灯すると、疑似的にレーザビームで対象物が走査されることになる。対象物によって反射されたレーザビームＬＢは、フォトダイオードなどの光検出器ＰＤによって検出することができる。
制御回路ＣＯＮＴには、光検出器ＰＤによって検出されたレーザビーム強度を示す検出信号が入力される。レーザ素子ＬＤがパルス駆動される場合には、光検出器ＰＤは、レーザビームの出射タイミングから検出タイミングまでの時間を測定、すなわち対象物までの距離を測定することができる。
かかるレーザ装置は、例えば、以下の用途に用いることができる。例えば、対象物にレーザビームを照射し、レーザビーム照射位置までの距離を計測することにより、対象物の三次元形状を計測することができる。三次元形状のデータを用いれば、これを種々の加工装置や医療機器に利用することができる。また、車両などの移動体にレーザビームを出力すれば、障害物までの方向に応じた距離を測定することができ、距離に応じて、ブレーキやハンドルを自動制御又はアシスト制御する安全装置に利用することも可能である。
以下、上述のレーザ装置に用いられるレーザ素子の詳細構造について説明する。レーザ素子は、様々な強度パターンのレーザ光を出射することができる。
図２は、第１のレーザ素子の構成を示す図である。
このレーザ素子ＬＤは、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層６を備えている。半導体レーザ素子などのレーザ素子本体ＬＤ１から、光ファイバＦを介して、或いは、直接的に、フォトニック結晶層６内にレーザ光が入射する。光ファイバＦは、フォトニック結晶層６の側面に取り付けられている。光ファイバＦの数は複数であることとしてもよく、この場合にはフォトニック結晶層６の側面に沿って整列した複数の光ファイバＦから、フォトニック結晶層６内にレーザ光が入射する。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、フォトニック結晶層６内においてフォトニック結晶の格子に応じた所定のモードを形成し、フォトニック結晶層６の表面から垂直方向にレーザビームとして、外部に出射される。フォトニック結晶層６の下面にはアルミニウム等の金属からなる反射膜ＲＦが設けられており、フォトニック結晶層６の下面方向に進行するレーザ光は、反射膜ＲＦによって反射され、上面方向へと向かう。したがって、反射膜ＲＦにより、レーザビームＬＢの強度が高くなるという効果を奏する。
図３は、第２のレーザ素子の構成を示す図である。
このレーザ素子ＬＤは、端面発光型のレーザ素子本体ＬＤ１の端面に、上述のフォトニック結晶層６の側面を直接隣接させたものである。フォトニック結晶層６の側面は、接着剤等でレーザ素子本体ＬＤ１の端面に固定してもよいが、フォトニック結晶層６の厚みを調整することにより、１つの半導体基板から、レーザ素子本体ＬＤ１及びフォトニック結晶層６の双方を連続的に形成することも可能である。レーザ素子本体ＬＤ１は、化合物半導体層を積層してなり、当該積層体の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流を流すことにより、レーザ素子本体ＬＤ１の活性層４が発光し、レーザ光Ｌがフォトニック結晶層６内に入射し、入射したレーザ光は、フォトニック結晶層６内において所定のモードを形成して、レーザビームとして、基板表面に垂直な方向に出射される。フォトニック結晶層６の下面には、上記と同様に反射膜ＲＦが設けられており、上記と同様の作用効果を奏する。
図４は、上述のレーザ素子本体ＬＤ１の構成を示す図である。
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。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。また、第１電極Ｅ１は、半導体基板１の下面全面に設けられているが、第２電極Ｅ２は、共振長の方向（レーザ光Ｌの出射方向）に沿って延びるように、コンタクト層８の上面の一部領域上に設けられている。
レーザ素子本体ＬＤ１から出射したレーザ光Ｌは、上述のように、フォトニック結晶層６内部に入射する。
図５は、第３のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
このレーザ素子ＬＤは、フォトニック結晶層６を、図４に示したレーザ素子本体内に取り込んだ構造を有しており、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザを構成している。
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を備えており、上部クラッド層７と活性層４との間には、フォトニック結晶層６が設けられている。なお、図５に示す構造では、第２電極Ｅ２は、コンタクト層８の中央領域に設けられている。
この構造においては、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、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。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。
活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは周期構造を含んでいる。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部電極Ｅ２を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直に外部に出射される。
図６は、レーザ素子を構成する各化合物半導体層の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。
各要素の材料は、図６に示す通りであり、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、フォトニック結晶層（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からなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層がＧａＡｓからなる。
なお、各層には、図６に示すように、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３）、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１５／ｃｍ３以下である。
また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層の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）よりもＡｌ組成以上である。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。
また、各層の厚みは、図６に示す通りであり、同図内の数値範囲は好適値を示し、括弧内の数値は最適値を示している。なお、フォトニック結晶層は、単位構成領域内におけるＸＹ平面内の偏光の向きを変えるものであるが、それぞれの領域内における位相を合わせることはできる。出射されるレーザ光の位相は、フォトニック結晶層の特性にも依存するため、位相変調層としても機能している。
なお、図２８に示すように、下部クラッド層２と活性層４との間に、フォトニック結晶層６を設けることとしてもよい。この場合には、フォトニック結晶層６は、下部クラッド層２と光ガイド層３との間に挟まれる位置に配置することができる。この構造においても、上記と同様の作用を奏する。すなわち、活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、下部光ガイド層、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、上部電極Ｅ２を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直な方向に向けて出射される。なお、レーザビームは、基板表面に垂直な方向から傾けて出射させることもできる。
図７は、第４のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
このレーザ素子ＬＤの構造は、図５に示したものと、電極の形状のみが異なる。すなわち、半導体基板１の下面に設けられた第１電極Ｅ１は、中央部に開口を有する開口電極であり、第１電極Ｅ１の開口内及び周辺には、反射防止膜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（ＳｉＯ２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を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。
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。なお、コンタクト電極Ｅ２の形成領域以外の領域は、必要に応じて、絶縁膜９で被覆し、表面を保護することができる。
この構造においても、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が順次積層されている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層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。
活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは周期構造を有している。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、上部光ガイド層５、活性層４、下部光ガイド層３、下部クラッド層２、半導体基板１、反射防止膜Ｍを介して、レーザビームとして、外部に出射される。半導体基板１の下面において、第２電極Ｅ２に対向する領域には、第１電極Ｅ１が設けられておらず、レーザビームＬＢは下面から外部に出射する。なお、基本層６Ａの孔内に異屈折率領域６Ｂを埋め込んだ後、更に、その上に異屈折率領域６Ｂと同一の材料した異屈折率被覆層を堆積してもよい。
図８は、上述のフォトニック結晶層６の平面図である。
フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは、化合物半導体であるが、アルゴン、窒素又は空気等が封入された空孔であってもよい。
複数の異屈折率領域６Ｂは、平面形状が概略円形であり、厚み方向（Ｚ軸）に垂直な第１面積（ＸＹ平面内の面積Ｓ１）を有する孔内の第１異屈折率領域６Ｂ１と、厚み方向に垂直な第２面積（ＸＹ平面内の面積Ｓ２）を有する孔内の第２異屈折率領域６Ｂ２とを備えている。第２面積Ｓ２は、第１面積Ｓ１よりも小さい（Ｓ２＜Ｓ１）。
ここで、単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４を規定する。それぞれの単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４は、１つの第１異屈折率領域６Ｂ１と、この周囲に設けられた１つの第２異屈折率領域６Ｂ２とからなる。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４内における、第１異屈折率領域６Ｂ１の（重心Ｇ）に対する第２異屈折率領域６Ｂ２の（重心）の回転角度をφとする。回転角度φがＸ軸の正方向に一致している場合をφ＝０°とする。
図８に示すように、フォトニック結晶層６においては、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４が二次元的に配置されており、それぞれの単位構成領域のＸＹ座標をぞれぞれの第１異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇで与えられることとする。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４のＸＹ座標（重心Ｇの座標）を（Ｘ，Ｙ）とする。
単位構成領域Ｒ１１の座標は（Ｘ１、Ｙ１）であり、単位構成領域Ｒｍｎの座標は（Ｘｍ、Ｙｎ）である（ｍ、ｎは自然数）。同図では、Ｘ軸上の座標が大きくなるに比例して、回転角度φが等間隔で増加しているが、Ｙ軸上の座標が変化しても、回転角度φには変化はない。すなわち、回転角度φは、ｘの関数である。この関数としては、例えば、φ＝φ０＋ａＸ（但し、φ０は定数、ａは０以外の定数）で与えられる。光出射面内においては、位置に応じた偏光変調パターンが得られるが、偏光板を透過させることにより、強度変調パターンに変換することができる。強度変調パターンを、凸レンズを介して、フーリエ変換すると、所望の形状のビームスポットとなる。例えば、レーザビームの形状はスポット（円形）に変換することができる。この関数はフォトニック結晶層全体又は特定領域内に適用することもできる。
図９は、異屈折率領域の位置関係の一例を説明するための図である。なお、この図では、単位構成領域内において、前述の重心Ｇを原点とし、Ｘ軸及びＹ軸に平行なｘ軸及びｙ軸を設定した。
図９（Ａ）はφ＝０（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｂ）はφ＝０．２５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｃ）はφ＝０．５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｄ）はφ＝０．７５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｅ）はφ＝π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｆ）はφ＝１．７π（ｒａｄ）の場合を示している。
図１０は、偏光板Ｐ（図３３）を通過した後の出射光の強度分布パターンを示す図である。
図１０において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。なお、強度は偏光の向きに対応する。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１１のようになる。図の中心がデバイスの面垂直方向すなわちフォトニック結晶層に対して垂直な方向に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、レーザビームの形状はスポット（円形）となる。
図１２は、異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。
同図は、互いに隣接する４つの単位構成領域Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の平面状態を示している。フォトニック結晶層６の内部には、レーザ光によって６Ｂ１を取り巻くように電界が分布するモードが生じている。正方格子状に６Ｂ１が配列した構造において格子間隔と波長がほぼ一致する条件下ではその対称性から４種類のモードが生じうることが知られているが、これら４種類のモードは周波数が異なっているので、フォトニック結晶層に入射する光の周波数を適切に選択することによって、前述したように６Ｂ１を取り巻くように電界が分布するモードを生じさせることが出来る。このモードでは、矢印で示す電界ベクトルが、それぞれ重心Ｇを中心に回転するように位置している。これらの電界ベクトルの重心位置に、第１異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇを一致させ、４つの第１異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇを結ぶ線分によって正方形を構成する。すなわち、第１異屈折率領域６Ｂ１は、正方格子の格子点位置に配置されている。構成された正方形の対角線の交点を中心として周囲を回転する電界ベクトルも存在する。
ここで、各単位構成領域内において、微小な第２異屈折率領域６Ｂ２が存在する場合、かかる位置における電界ベクトルのみが有効に残留して機能し、残りの電界ベクトルは相殺される傾向にある。マクスウェル方程式の境界条件に従って、ＸＹ平面内の電界成分は屈折率境界の内外領域間の誘電率差に応じて変化する。この結果、回転角度φの位置の電界ベクトル（偏光の向き）のみが、直線偏光の点光源として残る。換言すれば、フォトニック結晶層６内には、二次元平面上の偏光の向きが異なる複数の点光源が分布しているものと考えることができる。なお、この点光源の分布の遠視野像は、これらの点光源をフーリエ変換したもの考えることができる。
図１３は、フォトニック結晶層の平面図である。
図８に示したものとの相違点は、φがＸのみならず、Ｙの関数でもある点である。すなわち、Ｘが増加するに比例して、φも等間隔で増加するが、Ｙが増加するに比例してφも等間隔で増加する構成となっている。この関数は、φ＝φ０＋ａＸ＋ｂＹ（但し、φ０は定数、ａは０以外の定数、ｂは０以外の定数）で与えられる。この場合、上記とは別のレーザビームパターンが得られる。この関数はフォトニック結晶層全体又は特定領域内に適用することもできる。
図１４は、偏光板通過後の出射光の強度分布パターンを示す図である。
図１４において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１５のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、レーザビームの形状はスポット（円形）となる。
なお、本発明の手法を用いることにより、任意の強度分布を実現することが可能となる。換言すれば、任意の強度分布をもった点光源の集合体を実現することが可能である。この点光源の集合体から得られる遠視野像は、この点光源の強度分布をフーリエ変換したもので与えられるので、任意の強度分布を実現することが出来れば、任意の遠視野像を得ることが可能となる。具体的には、所望の遠視野像を逆フーリエ変換して得られた強度分布を本発明の手法により配置すれば、任意の遠視野像が得られる。幾つかの強度分布のパターンの例を以下に示す。
図１６は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
図１６において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１７のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、Ｙ軸方向に沿ったラインパターンのレーザビームを得ることができる。
図１８は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
図１８において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１９のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、円環状のパターンのレーザビームを得ることができる。
図２０は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
図２０において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２１のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、３点マルチスポットのレーザビームを得ることができる。
図２２は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
図２２において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２３のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、「光」という文字形状のレーザビームを得ることができる。
図２４は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
図２４において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２５のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、二重円環状のレーザビームを得ることができる。
図２６は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
図２６において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２７のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、ラゲールガウスビームと呼ばれるベクトルビームを得ることができる。
以上のように、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。
以上、説明したように、上述の構造の場合、個々の第２異屈折率領域６Ｂ２からのレーザ光は、回転角度φが座標の関数であるため、空間的な座標が異なると、個々のレーザ光の偏光の向き（偏光板通過後の強度）が異なることとなる。したがって、個々の第２異屈折率領域６Ｂ２を点光源と見做すことができ、回転角度φの位置によって、個々の強度を座標毎に変化させることができる。二次元的に分布する個々の点光源の強度が調整できれば、様々なレーザビームパターンを出射することが可能となる。
前述の通り、二次元的に分布する点光源群の遠視野像は、点光源群のフーリエ変換像と考えることができる。フーリエ変換によって円形のレーザビームスポットを構成する場合には、特定の位置の円形の逆フーリエ変換を行って、各点光源の強度を設定すればよい。すなわち、特定位置の円形の逆フーリエ変換を行った場合の各点光源の強度に、各回転角度φを対応させて設定すれば、特定の位置に円形のレーザビームスポットを得ることができる。換言すれば、二次元強度分布が単峰性のスポットを斜め方向の位置に得ることもできる。
また、上述のレーザ装置は、それぞれのレーザビーム出射角度が異なり、一次元又は二次元状に複数配置された上述のいずれかのレーザ素子と、レーザ素子を駆動する駆動回路とを備えており、複数の方向にレーザビームを出力させることができる。この装置は、疑似的なレーザビーム走査装置として機能させることも可能である。
なお、上記では、各異屈折率領域６Ｂ１，６Ｂ２の形状は概略円形としたが、それぞれは概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略多角形であってもよい。異屈折率領域６Ｂ２は、点対称形状の度合いが少なくても機能を奏するため、概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略多角形でなくてもよい。なお、概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略多角形とは、平面視において、円形又は正方形又は９０°の回転対称性を有する多角形に設計された形状であるが、製造時において若干の歪みが生じたものを含む形状を意味するものとする。
なお、上述の構造において、活性層４およびフォトニック結晶層６を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、上述のＡｌＧａＮを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料として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。ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡを用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。
すなわち、上述のレーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）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。
次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成する、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。
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い。
フォトニック結晶層を備えないレーザ素子本体を製造する場合は、この製造工程を省略すればよい。また、柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、上述の正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算した程度であり、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第１異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。
なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、並進ベクトルａ１、ａ２に対する逆格子基本ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘ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＝ｎｂ１＋ｍｂ２（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。なお、モードＡは、共振モードの中で最も周波数が低いものであり、モードＢは、その次に周波数の低いものである。
なお、上述のフォトニック結晶層内の定在波の面内電磁界分布（点光源の面内偏光分布）を偏光板を介して強度変調し、しかる後、フーリエ変換して得られる形状は、単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、前述したように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、ベクトルビームなどとすることも可能である。
なお、基本層６Ａの屈折率は３．０〜３．５、異屈折率領域６Ｂの屈折率は１．０〜３．４であることが好ましい。また、基本層６Ａの孔内の各異屈折率領域６Ｂ１の平均径は３８ｎｍ〜７６ｎｍ、孔内の各異屈折率領域６Ｂ２の平均径は２４ｎｍ〜５４ｎｍであることが好ましい。
以上、説明したように、上述のいずれのレーザ素子も、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子であり、フォトニック結晶層における複数の異屈折率領域は、平面形状が概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略多角形である。また、単位構成領域のＸＹ座標が（ｘ，ｙ）の場合には、回転角度φが、場所（座標）により異なっており、フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含んでいる。回転角度φに応じた位相差が生じることで、所望の方向のレーザビームを得ることも可能となる。そして、回転角度φが、フォトニック結晶層の全体の中で、或いは特定領域内において、ｘの関数又は、ｘ及びｙの関数であり、スポットを形成することができる。
スポットの集合体は、これよりも複雑な形状を構成することができる。上述のレーザ素子では、偏光板を透過したレーザビームの遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状からなると共に、この遠視野像を逆フーリエ変換して得られる像の二次元強度分布は、それぞれの単位構成領域の位置における第２異屈折率領域の回転角度φの分布に対応している。
図２９は、異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。
第２異屈折率領域６Ｂ２のＸＹ平面内の面積は、位置に応じて異ならせることとしてもよい。すなわち、右上の第２異屈折率領域６Ｂ２と左下の第２異屈折率領域６Ｂ２の直径は異なり、面積が異なる。格子点となる重心Ｇの周囲に、直径の小さな第２異屈折率領域６Ｂ２を配置することにより、この場所における電束密度を変化させることができる。同図では、２種類の大きさの第２異屈折率領域６Ｂ２を用いており、これらは、斜め方向に隣接する格子点を結んだ線（重心Ｇを含む四角形の対角線）上に位置している。この場合、各第２異屈折率領域６Ｂ２における電束密度のベクトル和により、電束密度が与えられる。各第２異屈折率領域６Ｂ２の大きさは異なるため、全体としては、図示の四角形の内部における電束密度に偏りが生じ、一定の向きの偏光成分を有することになる。右上の第２異屈折率領域６Ｂ２は右下に向けた偏光成分を有しており、左下の第２異屈折率領域６Ｂ２左上に向けた偏光成分を有しているため、これらの成分の一部が相殺するが、残留する成分が、この単位領域内における全体の偏光成分となる。
図３０は、図２９に示したフォトニック結晶層のＡ−Ａ矢印線縦断面図である。
フォトニック結晶層を構成する第２異屈折率領域６Ｂ２の深さ（厚み）は、同図（Ａ）に示すように同一であってもよりが、同図（Ｂ）に示すように異ならせることもできる。深さが異なると、屈折率が変化する。したがって、第２異屈折率領域６Ｂ２の深さを調整することにより、出射光の位相を変更することもできる。同図（Ｂ）では、大きな径の第２異屈折率領域６Ｂ２の方が、小さな径の第２異屈折率領域６Ｂ２よりも深い状態が示されている。
図３１は、異屈折率領域の位置を示すグラフである。
第1異屈折率領域６Ｂ１の重心Ｇに対して、第２異屈折率領域６Ｂ２が、（ｘ，ｙ）の位置に存在している。第２異屈折率領域６Ｂ２とｘ軸との成す角度はφ（ｘ，ｙ）である。
この場合、偏光板を通過した後のレーザ光の強度Ｉは、以下の通りとなる。
Ｉ（ｘ、ｙ）∝ｆ（ｘ，ｙ）×ｇ（φ，θ）×ｈ（Ｄ）×ｐ（Ｘ，Ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）×ｇ｛（φ（ｘ，ｙ），θ）×ｈ（Ｄ）×ｐ（Ｘ，Ｙ）
以下、詳説する。
ｆ（ｘ，ｙ）は、副孔（第２異屈折率領域６Ｂ２）の単位格子内配置位置(x, y) による強度変化を示す関数である。
図３２は、フォトニック結晶層で得られるモードを示す図であり、図３２を参照すると、正方格子構造で理論上存在しうる電界分布は、mode１〜４である。フォトニック結晶層に外部から光を導入する構成の場合、mode1〜4は共振周波数が異なるため、導入する光の波長により、モードを選択できる。このとき扱いやすいのはmode1又はmode2である。
また、主孔（第1異屈折率領域）が発振のための共振器となる構成の場合、mode3, mode4は共振器からの光漏れが大きく、発振する可能性は極めて低く、発振する可能性があるのはmode1又はmode2のどちらかである。上記を踏まえ、まずmode1或いはmode2を採用することが好ましい。
mode1（図３２（Ａ））の場合、主孔の位置において磁界振幅が最大となる（図中のＡの位置）。また、これとx方向およびy方向に格子間隔の半分ずつ離れた箇所でも磁界振幅が最大となる（図中のＢの位置）。ＡとＢの磁界は、位相が互いにπ異なる。これらＡとＢを磁界の腹と呼ぶこととすると、電界はこれら磁界の腹を取り巻くように存在し、Ａを取り巻く電界と、Ｂを取り巻く電界は互いにある瞬間での向きが互いに逆となる。また、隣接するＡとＢを結ぶ線分の中点部分では、電界振幅は最大値を取る。また、隣接するＡとＡを結ぶ線分の中点部分および隣接するＢとＢを結ぶ線分の中点部分では、電界振幅はゼロとなる。なお、Ａ１、Ａ２は電界（偏光）の向きを示す。
mode2（図３２（Ｂ））の場合の電磁界分布は、mode1の電磁界分布がｘ方向またはｙ方向に格子間隔の半分だけシフトしたような分布となっている。mode1, 2の電磁界分布は、以上のような特徴を有している。副孔を配置する部分の電界の強度に応じてｆ（ｘ、ｙ）は変化する。
ｇ（φ，θ）は、副孔位置での偏光方向φと偏光板の透過軸方向θによる強度変化を示す関数（但し、ｆは位置(ｘ、ｙ)により変化する）である。偏光板の透過軸方向θと、φ（ｘ，ｙ）における偏光の向きが一致すれば、透過率は高くなり、強度は増加する。
詳説すれば、ｇ（φ，θ）＝Ｉ０ｃｏｓ２（θ―φ）で与えられる。但し、Ｉ０は偏光板による光損失によって決まる値で、θ＝φ の場合の偏光板の透過率に対応する。φは副孔での出力光の偏光方向、θは偏光板透過軸方向である。
ｈ（Ｄ）は副孔の直径による強度変化を示す関数である。
前述したとおり、用いる可能性があるのはmode1或いはmode2の電界分布となる。mode1, 2どちらにおいても、その電界分布は副孔が無い場合には主孔の中心に関して必ず反対称となる。言い替えると、主孔の中心に関して対称な位置にある電界同士は向きが反対で大きさが同一である。このため、副孔が無い場合にはz方向に回折した光は、逆向きの電界同士が互いに打ち消しあって（消失性干渉）、正味のエネルギー伝搬量が（無限周期構造の場合には）ゼロとなる。ここに、副孔を設けると、副孔の側壁を垂直に横切るｘｙ面内の電界は孔の内外の誘電率差に応じて変化する。すなわち、副孔の内部の電界は、主孔の中心に関して副孔と対称な位置にある電界と向きが反対で大きさが異なることになる。両者の差分が、Ｚ方向に回折される。このような開口変化に依存したｘｙ面内での電界非対称による変化をｈａ（Ｄ）とおくこととする。
これに加え、孔の大きさが変化することによってｚ軸方向への回折強度が変化する。この回折効率は、孔形状をフーリエ変換した際の一次の係数で表される光結合係数κ1に比例する。光結合係数については、例えばK. Sakai et al.,“Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TEPolarization,IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010)”に記載されている。この場合、ｈ（Ｄ）∝ｈａ（Ｄ）×κ１（Ｄ）で与えられる。但し、ｈａ（Ｄ）は開口変化に依存したｘｙ平面内での電界非対称による変化、κ1（Ｄ）は開口変化に依存した一次の光結合係数である。重心Ｇの間隔を規定する格子定数をａとすると、異屈折率領域のフィリングファクターＦ＝π×（Ｄ／２）２／ａ２で与えられる。
ｐ（Ｘ，Ｙ）は、フォトニック結晶層内の位置（Ｘ，Ｙ）における強度分布関数を示している。素子全体に係る包絡強度分布として、Y. Liang et al., “Three-dimensional coupled-wave analysis forsquare-lattice photonic crystal surface emitting lasers withtransverse-electric polarization: finite-size effects,” Opt. Express 20,15945-15961 (2012)に記載の光結合波理論を用いて計算することも可能である。
図３３は、レーザ素子と偏光板を備えたレーザ装置を示す図である。
レーザ素子ＬＤの光出射面からは、複数の偏光の向きＤｐを有するレーザ光が出力される（図３３（Ａ））。このレーザ光は、偏光板Ｐを通過することで、強度変調される。図３３（Ｂ）。すなわち、レーザ装置は、上述のレーザ素子ＬＤと、レーザ素子ＬＤの光出射面に対向配置された偏光板Ｐとを備えている。
上述のレーザ素子では、単位格子毎に副孔配置が異なっており，これにより単位格子毎に偏光の異なる光が得られる。従って出射側に偏光板を組み合わせることで、単位格子毎に強度が異なるが位相の揃っている平面波が得られる。
このように上述のレーザ素子では、単位格子毎に強度の異なる平面波が出射光として得られる。言い換えれば、場所毎に強度の異なる平面波が出射光として得られる。場所毎に強度の異なる平面波が得られれば、W. H. Lee, “Sampled fourier transform hologram generated bycomputer,”Appl. Opt. 9, 639-643 (1970)に記載の手法を用いてホログラムを得ることが可能となる。従って、任意のビームパターンを得ることが可能となる。
具体的な手順について一例を示すと、例えば、所望のビームパターン、すなわち２次元の角度−強度情報を２次元配列として用意し、これを２次元離散フーリエ変換、或いは２次元高速フーリエ変換することにより、複素振幅の２次元配列が得られる。このとき、元々用意したビームパターンの角度−強度情報の２次元配列の要素数と変換後の複素振幅の２次元配列の要素数は一致する。各要素の複素振幅は実部と虚部から構成され、実部と虚部はそれぞれ正または負の値をとる。
上述のLeeの文献の手法によれば、上述の各複素振幅１つに対して４つに分割された等幅の短冊状の領域を対応させ、分割された領域それぞれの強度を以下の手順に従って割り当てる。このとき、この短冊状の領域を左から順に第一の領域、第二の領域、第三の領域、第四の領域とする。前述の複素振幅の実部が正の値をとる場合、第一の領域に前述の複素振幅の実部の値を割り当て、第三の領域に零を割り当てる。前述の複素振幅の実部が負の値をとる場合、第一の領域に零を割り当て、第三の領域に前述の複素振幅の実部の値の絶対値を割り当てる。前述の複素振幅の実部が零をとる場合、第一の領域および第三の領域に零を割り当てる。また、前述の複素振幅の虚部が正の値をとる場合、第二の領域に前述の複素振幅の虚部の値を割り当て、第四の領域に零を割り当てる。前述の複素振幅の虚部が負の値をとる場合、第二の領域に零を割り当て、第四の領域に前述の複素振幅の虚部の値の絶対値を割り当てる。前述の複素振幅の虚部が零をとる場合、第二の領域および第四の領域に零を割り当てる。このようにして割り当てた値は、全て非負の値であり、強度分布を対応させることが出来る。
上述の手順にて短冊状の各領域に強度分布を割り当てた後、所望の強度分布が得られるよう副孔の位置を割り当てる。すなわち、上述のように副孔位置での偏光方向φと偏光板の透過軸方向θによる強度変化を示す関数ｇ（φ，θ）に従って、場所毎の強度分布を副孔の配置に変換する。上述の手順により、所望のビームパターンを得るための副孔の配置を得ることが出来る。
なお、ここでは所望のビームパターンから副孔の配置を決める方法として一例としてLeeの方法を示したが、本発明は副孔の配置により位相の揃った任意の強度分布が得られることが特長であり、副孔の配置を決める方法はLeeの方法以外にも考えられる。例えば、C. B. Burckhardt, “A simplificationof Lee’s method of generating holograms by computer,” Appl. Opt. 9, 1949 (1970)には３つの短冊状の領域に強度分布を割り当てることでLeeの方法と同様の結果が得られることが記載されているが、この方法に従っても良いし、等価な結果が得られる他の方法に従っても良い。
図３４は、偏光板Ｐと光学素子ＬＳを備えたレーザ装置の主要部を示す図である。すなわち、偏光板Ｐの後段にレンズ又はホログラムなどの光学素子ＬＳを配置することができる。光学素子ＬＳは、入射したレーザ光をフーリエ変換して出力することができる。
６…フォトニック結晶層、６Ａ…基本層、６Ｂ１…第１異屈折率領域、６Ｂ２…第２異屈折率領域。

Claims (3)

  1. レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子において、
    前記フォトニック結晶層は、
    第１屈折率媒質からなる基本層と、
    前記第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、
    を備え、
    複数の前記異屈折率領域は、
    平面形状が概略円形又は概略正方形又は９０°の回転対称性を有する概略多角形であり、厚み方向に垂直な第１面積を有する第１異屈折率領域と、
    厚み方向に垂直な第２面積を有する第２異屈折率領域と、
    を備え、
    前記第１異屈折率領域の重心位置は、三角格子の格子点に位置し、
    前記第２面積は、前記第１面積よりも小さく、
    単位構成領域が、１つの前記第１異屈折率領域と、この周囲の最も近くに設けられた１つの前記第２異屈折率領域とからなることとし、これら一対の異屈折率領域のみが各単位構成領域内に存在し、
    最も近くで隣接する前記第１異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた領域のうち、１つの前記第１異屈折率領域の全て含まれる最小の領域が、それぞれの前記単位構成領域であり、この単位構成領域内において、前記一対の異屈折率領域の全てが、位置しており、
    前記単位構成領域内における、前記第１異屈折率領域に対する前記第２異屈折率領域の回転角度をφとし、
    Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、
    それぞれの前記単位構成領域のＸＹ座標をそれぞれの前記第１異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、
    前記単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが座標により異なっており、前記フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含むことを特徴とするレーザ素子。
  2. 前記レーザ光を発生する活性層と、
    前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、
    前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記フォトニック結晶層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
  3. 請求項１又は２に記載のレーザ素子と、
    前記レーザ素子の光出射面に対向配置された偏光板と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10389088B2 (en) * 2015-03-13 2019-08-20 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting element
US10461502B2 (en) * 2016-02-29 2019-10-29 Kyoto University Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser and method of manufacturing the same
US9991669B2 (en) 2016-07-25 2018-06-05 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light-emitting device and manufacturing method for the same
JP6747910B2 (ja) * 2016-08-10 2020-08-26 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
US11031751B2 (en) 2016-08-10 2021-06-08 Hamamatsu Photonics K.K. Light-emitting device
US10734786B2 (en) * 2016-09-07 2020-08-04 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting element and light emitting device including same
JP6747922B2 (ja) * 2016-09-07 2020-08-26 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子及び発光装置
WO2018159606A1 (ja) * 2017-02-28 2018-09-07 国立大学法人京都大学 フォトニック結晶レーザ
JP2018164049A (ja) * 2017-03-27 2018-10-18 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光装置
US11646546B2 (en) 2017-03-27 2023-05-09 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting array with phase modulation regions for generating beam projection patterns
WO2018181202A1 (ja) * 2017-03-27 2018-10-04 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子およびその製造方法
US11637409B2 (en) * 2017-03-27 2023-04-25 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light-emitting module and control method therefor
JP7081906B2 (ja) * 2017-06-02 2022-06-07 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子及び半導体発光素子の位相変調層設計方法
JP6959042B2 (ja) 2017-06-15 2021-11-02 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
JP7036567B2 (ja) * 2017-10-20 2022-03-15 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子
US11894658B2 (en) 2017-11-29 2024-02-06 Vixar, Inc. Power monitoring approach for VCSELS and VCSEL arrays
JP7015684B2 (ja) * 2017-12-08 2022-02-03 浜松ホトニクス株式会社 位相変調層設計方法
WO2019111786A1 (ja) * 2017-12-08 2019-06-13 浜松ホトニクス株式会社 発光装置およびその製造方法
JP7109179B2 (ja) * 2017-12-08 2022-07-29 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
US11626709B2 (en) 2017-12-08 2023-04-11 Hamamatsu Photonics K.K. Light-emitting device and production method for same
CN111868487B (zh) 2018-03-20 2024-08-30 维克萨股份有限公司 对眼睛安全的光学模块
JP7103817B2 (ja) * 2018-03-29 2022-07-20 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子
JP7227060B2 (ja) 2018-04-13 2023-02-21 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子
JP7485284B2 (ja) * 2020-07-14 2024-05-16 国立大学法人京都大学 フォトニック結晶面発光レーザ素子

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4474625B2 (ja) * 1999-12-14 2010-06-09 独立行政法人科学技術振興機構 超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置
JP2003014992A (ja) * 2001-07-02 2003-01-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザモジュールおよび光伝送システム
JP3561244B2 (ja) * 2001-07-05 2004-09-02 独立行政法人 科学技術振興機構 二次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP4445292B2 (ja) 2002-02-08 2010-04-07 パナソニック株式会社 半導体発光素子
JP2003298183A (ja) * 2002-04-05 2003-10-17 Hitachi Cable Ltd 化合物半導体レーザ及び化合物半導体レーザ素子
JP4484134B2 (ja) * 2003-03-25 2010-06-16 独立行政法人科学技術振興機構 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
WO2007029661A1 (ja) 2005-09-05 2007-03-15 Kyoto University ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP4294023B2 (ja) 2005-12-27 2009-07-08 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
TWI279595B (en) * 2005-11-14 2007-04-21 Ind Tech Res Inst Electromagnetic polarizing structure and polarized electromagnetic device
JP4927411B2 (ja) * 2006-02-03 2012-05-09 古河電気工業株式会社 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP2007258260A (ja) 2006-03-20 2007-10-04 Kyoto Univ ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP5072402B2 (ja) * 2007-03-26 2012-11-14 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP5104070B2 (ja) 2007-06-29 2012-12-19 コニカミノルタホールディングス株式会社 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
US8284814B2 (en) 2007-08-31 2012-10-09 Japan Science And Technology Agency Photonic crystal laser
JP5303221B2 (ja) * 2008-08-29 2013-10-02 独立行政法人科学技術振興機構 ２次元フォトニック結晶レーザ
KR101771273B1 (ko) 2010-03-01 2017-08-24 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 포토닉결정 레이저
US8576890B2 (en) 2010-04-26 2013-11-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Vertical-cavity surface-emitting laser
JP5523291B2 (ja) * 2010-12-03 2014-06-18 キヤノン株式会社 レーザアレイ及び露光用光源
JP5794687B2 (ja) 2011-08-12 2015-10-14 国立大学法人京都大学 フォトニック結晶面発光レーザ

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