JP6747910B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置に関するものである。
特許文献１に記載の半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層とを備えている。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域とを備えている。位相変調層に正方格子を設定した場合、異屈折率領域（主孔）は、正方格子の格子点に一致するように配置されている。この異屈折率領域の周囲には、補助的な異屈折率領域（副孔）が設けられており、所定のビームパターンの光を出射することができる。
国際公開第２０１４／１３６９６２号公報
二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトル及び強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する半導体発光素子が研究されている。このような半導体発光素子の構造の１つとして、活性層と光学的に結合された位相変調層を有する構造がある。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心位置が、光像に応じて仮想的な正方格子の格子点位置からずれている。このような半導体発光素子はＳ−ｉＰＭ（Static-integrablePhase Modulating）レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向をも含む２次元的な任意形状の光像を出力する。
しかしながら、上述したような半導体発光素子からは、所望の出力光像である信号光の他に、０次光が出力される。この０次光は、半導体基板の主面に垂直な方向（すなわち発光面に垂直な方向）に出力される光であり、Ｓ−ｉＰＭレーザにおいては通常用いられない。従って、所望の出力光像を得る際に０次光はノイズ光となるので、光像から０次光を取り除くことが望まれる。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、Ｓ−ｉＰＭレーザの出力から０次光を取り除くことができる発光装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明による発光装置は、発光面に垂直な方向及び該方向に対して傾斜した方向を含む二次元的な任意形状の光像を出力する半導体発光素子と、発光面と交差し発光面に垂直な軸線に少なくとも重なるように設けられた光遮蔽部材と、を備え、半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層とを有し、位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、格子点から重心へのベクトルの向きが各異屈折率領域毎に個別に設定されており、光遮蔽部材は、上記光像のうち上記傾斜した方向に出力される所望の光像を通過させるとともに、発光面と垂直な方向に出力される０次光を遮蔽する、ことを特徴とする。
上記の半導体発光素子においては、活性層に光学的に結合した位相変調層が、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、各異屈折率領域の重心が仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、格子点から重心へのベクトルの向きが各異屈折率領域毎に個別に設定されている。このような場合、格子点から異屈折率領域の重心へのベクトルの向き、すなわち異屈折率領域の重心の格子点周りの角度位置に応じて、ビームの位相が変化する。すなわち、重心位置を変更するのみで、各異屈折率領域から出射されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビームパターンを所望の形状とすることができる。このとき、仮想的な正方格子の格子点が異屈折率領域の外部であっても良いし、仮想的な正方格子の格子点が異屈折率領域の内部に含まれていても良い。
すなわち、この半導体発光素子はＳ−ｉＰＭレーザであり、発光面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向を含む２次元的な任意形状の光像を出力することができる。さらに、この発光装置においては、光遮蔽部材が、発光面と交差し発光面に垂直な軸線に少なくとも重なるように設けられ、所望の光像を通過させるとともに０次光を遮蔽する。これにより、Ｓ−ｉＰＭレーザの出力から０次光を取り除くことができる。
また、上記の発光装置は、正方格子の格子間隔をａとしたとき、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離ｒが０＜ｒ≦０．３ａを満たすことを特徴としてもよい。
また、上記の発光装置は、当該半導体発光素子から出射されるビームパターンが、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、コンピュータグラフィクス、及び文字のうち少なくとも１つを含み、位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定したとき、ＸＹ平面内におけるビームパターンの特定の領域を２次元フーリエ変換した複素振幅Ｆ（Ｘ，Ｙ）は、ｊを虚数単位として、ＸＹ平面内の強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ）と、ＸＹ平面内の位相分布Ｐ（Ｘ，Ｙ）を用いてＦ（Ｘ，Ｙ）＝Ｉ（Ｘ，Ｙ）×ｅｘｐ｛Ｐ（Ｘ，Ｙ）ｊ｝で与えられ、位相変調層において、仮想的な正方格子のそれぞれの格子点から、対応するそれぞれの異屈折率領域の重心へ向かう方向と、Ｘ軸との成す角度をφとし、定数をＣとし、Ｘ軸方向におけるｘ番目、Ｙ軸方向におけるｙ番目の格子点の位置を（ｘ，ｙ）とし、位置（ｘ，ｙ）における角度φをφ（ｘ，ｙ）とすると、φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（Ｘ，Ｙ）を満たすことを特徴としてもよい。
また、上記の発光装置は、発光面から光遮蔽部材までの距離ｚが、ｚ≦Ｌ 2 ／λを満たし、下記の数式（１）に示されるｚshよりも長く、軸線から光遮蔽部材の端縁までの距離Ｗａが、下記の数式（２）に示されるＷzの半分よりも長いことを特徴としてもよい。


但し、Ｗzは距離ｚにおける０次光のビーム幅であり、Ｌは距離Ｗａが定義される軸線を含む断面における発光面の幅であり、θPBは該断面における所望の光像の軸線側の端縁と軸線との成す角であり、λは活性層の発光波長であり、数式（２）のＺ0は

として表される。これにより、光遮蔽部材が０次光を効果的に遮蔽することができる。
また、上記の発光装置は、光像が、軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分と、軸線に関して第１方向と対称である第２方向に出力され、軸線に関して第１光像部分と回転対称である第２光像部分とを含み、光遮蔽部材が第２光像部分を更に遮蔽することを特徴としてもよい。これにより、第１光像部分が所望の光像である場合に、不要な第２光像部分をも効果的に取り除くことができる。
また、上記の発光装置は、光遮蔽部材が光吸収材を含むことを特徴としてもよい。光遮蔽部材が０次光を反射すると、その反射光が半導体発光素子に再び入射し、半導体発光素子の内部の動作に影響を及ぼすおそれがある。光遮蔽部材が光吸収材を含むことにより、０次光を吸収することができ、０次光が半導体発光素子に再び入射することを抑制できる。
また、上記の発光装置は、発光面に垂直な方向及び該方向に対して傾斜した方向を含む二次元的な任意形状の光像を出力する複数の半導体発光素子と、複数の半導体発光素子の発光面と交差し発光面に垂直な複数の軸線に少なくとも重なるように設けられた光遮蔽部材と、複数の半導体発光素子を個別に駆動する駆動回路と、を備え、半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層とを有し、位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、格子点から重心へのベクトルの向きが各異屈折率領域毎に個別に設定されている。光遮蔽部材は、上記光像のうち上記傾斜した方向に出力される所望の光像を通過させるとともに、発光面と垂直な方向に出力される０次光を遮蔽する、ことを特徴とする。このように、個別に駆動される複数の半導体発光素子を発光装置が備え、各半導体発光素子から所望の光像のみを取り出すことによって、予め複数のパターンに対応した半導体発光素子を並べたモジュールについて、適宜必要な素子を駆動することによってヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。
また、上記の発光装置は、複数の半導体発光素子に、赤色波長域の光像を出力する半導体発光素子と、青色波長域の光像を出力する半導体発光素子と、緑色波長域の光像を出力する半導体発光素子とが含まれる、ことを特徴としてもよい。これにより、カラーヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。
本発明による半導体発光素子によれば、Ｓ−ｉＰＭレーザの出力から０次光を取り除くことができる。
本発明の一実施形態に係る発光装置の構成を示す斜視図である。 レーザ素子の構成を示す断面図である。 位相変調層の配置に関する変形例を示す図である。 位相変調層の平面図である。 位相変調層における異屈折率領域の位置関係を示す図である。 位相変調層の特定領域内にのみ図４の屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。 レーザ素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層における回転角度分布との関係を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）光像のフーリエ変換結果から回転角度分布を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明する図である。 （ａ）位相変調層の具体的な３つの形態に共通の元パターンの画像である。（ｂ）（ａ）を２次元フーリエ変換して強度分布を抽出したものである。（ｃ）（ａ）を２次元フーリエ変換して位相分布を抽出したものである。 （ａ）図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層の第１形態を示す画像である。（ｂ）異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。 第１形態におけるフィリングファクターと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比を示すグラフである。 第１形態における距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。 （ａ）図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層の第２形態を示す画像である。（ｂ）異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。 第２形態におけるフィリングファクターと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比を示すグラフである。 第２形態における距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。 （ａ）図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層の第３形態を示す画像である。（ｂ）異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。 第３形態におけるフィリングファクターと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比を示すグラフである。 第３形態における距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）レーザ素子から出力されるビームパターン（光像）の例を示す。 回折計算に用いる条件を示す図である。 （ａ）回折計算に用いたターゲット画像を示す図である。（ｂ）（ｃ）それぞれ格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、１４１ｎｍの場合の位相変調層における位相分布を色の濃淡で示す図である。 計算結果を示すグラフであって、或る回折像面における回折像のＺ軸側の一端とＺ軸との距離をｄ（μｍ）とし、該回折像面と発光面２ｂとの距離をｚ（μｍ）としたときの距離ｄと距離ｚとの相関を示す。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 距離ｄと電極サイズＬとの積（ｄ×Ｌ）と、距離ｚとの相関を示すグラフである。 発光面と光遮蔽部材との位置関係の模式図である。 第１光像部分Ｂ２のＺ軸側の端縁と、０次光Ｂ１の第１光像部分Ｂ２側の端縁との交点付近を拡大して示す図である。 ガウスビームのビームウェストにおけるビーム半径の変化を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）光遮蔽部材の配置の具体例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）光遮蔽部材の配置の具体例を示す平面図である。 一変形例に係る位相変調層の平面図である。 （ａ）〜（ｃ）異屈折率領域のＸＹ平面内の形状の例を示す平面図である。 異屈折率領域のＸＹ平面内の形状の例を示す平面図である。 第３変形例による発光装置の構成を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による発光装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発光装置１Ａの構成を示す斜視図である。発光装置１Ａは、半導体発光素子としてのレーザ素子２Ａと、レーザ素子２Ａの発光面２ｂと光学的に結合された光遮蔽部材３とを備える。なお、レーザ素子２Ａの中心を通りレーザ素子２Ａの厚さ方向に延びる軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義する。レーザ素子２Ａは、ＸＹ面内方向において定在波を形成し、位相制御された平面波をＺ軸方向に出力するＳ−ｉＰＭレーザであって、後述するように、発光面２ｂに垂直な方向（すなわちＺ軸方向）及びこれに対して傾斜した方向をも含む２次元的な任意形状の光像を出力する。光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａの発光面２ｂと対向して配置され、レーザ素子２Ａから出力されるビームパターンに含まれる０次光を遮蔽する。以下、レーザ素子２Ａ及び光遮蔽部材３の構成について詳細に説明する。
図２は、レーザ素子２Ａの積層構成を示す断面図である。図１及び図２に示されるように、レーザ素子２Ａは、半導体基板１０上に設けられた活性層１２と、活性層１２を挟む一対のクラッド層１１及び１３と、クラッド層１３上に設けられたコンタクト層１４と、を備える。これらの半導体基板１０及び各層１１〜１４は、例えばＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、もしくは窒化物系半導体といった化合物半導体によって構成される。クラッド層１１のエネルギーバンドギャップ、及びクラッド層１３のエネルギーバンドギャップは、活性層１２のエネルギーバンドギャップよりも大きい。半導体基板１０及び各層１１〜１４の厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致する。
レーザ素子２Ａは、活性層１２と光学的に結合された位相変調層１５Ａを更に備える。本実施形態では、位相変調層１５Ａは活性層１２とクラッド層１３との間に設けられている。なお、必要に応じて、活性層１２とクラッド層１３との間、及び活性層１２とクラッド層１１との間のうち少なくとも一方に、光ガイド層が設けられてもよい。光ガイド層が活性層１２とクラッド層１３との間に設けられる場合、位相変調層１５Ａは、クラッド層１３と光ガイド層との間に設けられる。位相変調層１５Ａの厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致する。
図３に示されるように、位相変調層１５Ａは、クラッド層１１と活性層１２との間に設けられてもよい。さらに、光ガイド層が活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合、位相変調層１５Ａは、クラッド層１１と光ガイド層との間に設けられる。
位相変調層１５Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層１５ａ内に存在する複数の異屈折率領域１５ｂとを含んで構成されている。複数の異屈折率領域１５ｂは、略周期構造を含んでいる。位相変調層１５Ａの実効屈折率をｎとした場合、位相変調層１５Ａが選択する波長λ０（＝ａ×ｎ、ａは格子間隔）は、活性層１２の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層１５Ａは、活性層１２の発光波長のうちの波長λ０を選択して、外部に出力することができる。位相変調層１５Ａ内に入射したレーザ光は、位相変調層１５Ａ内において異屈折率領域１５ｂの配置に応じた所定のモードを形成し、所望のパターンを有するレーザビームとして、レーザ素子２Ａの表面（発光面２ｂ）から外部に出射される。
レーザ素子２Ａは、コンタクト層１４上に設けられた電極１６と、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に設けられた電極１７とを更に備える。電極１６はコンタクト層１４とオーミック接触を成しており、電極１７は半導体基板１０とオーミック接触を成している。更に、電極１７は開口１７ａを有する。電極１６は、コンタクト層１４の中央領域に設けられている。コンタクト層１４上における電極１６以外の部分は、保護膜１８（図２を参照）によって覆われている。なお、電極１６と接触していないコンタクト層１４は、取り除かれても良い。半導体基板１０の裏面１０ｂのうち電極１７以外の部分（開口１７ａ内を含む）は、反射防止膜１９によって覆われている。開口１７ａ以外の領域にある反射防止膜１９は取り除かれてもよい。
電極１６と電極１７との間に駆動電流が供給されると、活性層１２内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層１２が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、クラッド層１１及びクラッド層１３の間に効率的に閉じ込められる。
活性層１２から出射されたレーザ光は、位相変調層１５Ａの内部に入射し、位相変調層１５Ａの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１５Ａ内に入射したレーザ光は、電極１６において反射し、裏面１０ｂから開口１７ａを通って外部へ出射される。このとき、レーザ光に含まれる０次光は、主面１０ａに垂直な方向へ出射する。これに対し、レーザ光に含まれる信号光は、主面１０ａに垂直な方向及びこれに対して傾斜した方向を含む２次元的な任意方向へ出射する。所望の光像を形成するのは信号光である。
或る例では、半導体基板１０はＧａＡｓ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、位相変調層１５Ａ、クラッド層１３、及びコンタクト層１４は、それぞれIII族元素のＧａ，Ａｌ，ＩｎおよびＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素により構成される化合物半導体層である。一実施例では、クラッド層１１はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有し、位相変調層１５Ａの基本層１５ａはＧａＡｓであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層１４はＧａＡｓ層である。
ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層１１，１３のＡｌ組成比は、活性層１２の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）のＡｌ組成比よりも大きい。クラッド層１１，１３のＡｌ組成比は例えば０．２〜０．４に設定され、一実施例では０．３である。活性層１２の障壁層のＡｌ組成比は例えば０．１〜０．１５に設定され、一実施例では０．１である。
また、別の例では、半導体基板１０はＩｎＰ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、位相変調層１５Ａ、クラッド層１３、及びコンタクト層１４は、III族元素のＧａ，Ａｌ，ＩｎおよびＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素のみでは構成されない化合物半導体、例えばＩｎＰ系化合物半導体からなる。一実施例では、クラッド層１１はＩｎＰ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＧａＩｎＡｓＰ／井戸層：ＧａＩｎＡｓＰ）を有し、位相変調層１５Ａの基本層１５ａはＧａＩｎＡｓＰであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＩｎＰ層であり、コンタクト層１４はＧａＩｎＡｓＰ層である。
また、更に別の例では、半導体基板１０はＧａＮ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、位相変調層１５Ａ、クラッド層１３、及びコンタクト層１４は、III族元素のＧａ，Ａｌ，ＩｎおよびＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素のみでは構成されない化合物半導体層であり、例えば窒化物系化合物半導体からなる。一実施例では、クラッド層１１はＡｌＧａＮ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＩｎＧａＮ／井戸層：ＩｎＧａＮ）を有し、位相変調層１５Ａの基本層１５ａはＧａＮであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＡｌＧａＮ層であり、コンタクト層１４はＧａＮ層である。
なお、クラッド層１１には半導体基板１０と同じ導電型が付与され、クラッド層１３及びコンタクト層１４には半導体基板１０とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板１０及びクラッド層１１はｎ型であり、クラッド層１３及びコンタクト層１４はｐ型である。位相変調層１５Ａは、活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合には半導体基板１０と同じ導電型を有し、活性層１２とクラッド層１３との間に設けられる場合には半導体基板１０とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３である。位相変調層１５Ａ及び活性層１２は、いずれの不純物も意図的に添加されていない真性（ｉ型）であり、その不純物濃度は１×１０１５／ｃｍ３以下である。
クラッド層１１の厚さは１×１０3〜３×１０3（ｎｍ）であり、一実施例では２×１０3（ｎｍ）である。活性層１２の厚さは１０〜１００（ｎｍ）であり、一実施例では３０（ｎｍ）である。位相変調層１５Ａの厚さは５０〜２００（ｎｍ）であり、一実施例では１００（ｎｍ）である。クラッド層１３の厚さは１×１０3〜３×１０3（ｎｍ）であり、一実施例では２×１０3（ｎｍ）である。コンタクト層１４の厚さは５０〜５００（ｎｍ）であり、一実施例では２００（ｎｍ）である。
上述の構造では、異屈折率領域１５ｂが空孔となっているが、異屈折率領域１５ｂは、基本層１５ａとは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれて形成されてもよい。その場合、例えば基本層１５ａの空孔をエッチングにより形成し、有機金属気相成長法、スパッタ法又はエピタキシャル法を用いて半導体を空孔内に埋め込んでもよい。例えば、基本層１５ａがＧａＡｓからなる場合、異屈折率領域１５ｂはＡｌＧａＡｓからなってもよい。また、基本層１５ａの空孔内に半導体を埋め込んで異屈折率領域１５ｂを形成した後、更に、その上に異屈折率領域１５ｂと同一の半導体を堆積してもよい。なお、異屈折率領域１５ｂが空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素、水素といった不活性ガス又は空気が封入されてもよい。
反射防止膜１９は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）などの誘電体単層膜、或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（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積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ／４の厚さの膜を積層する。また、保護膜１８は、例えばシリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）などの絶縁膜である。
なお、電極形状を変形し、コンタクト層１４の表面からレーザ光を出射することもできる。すなわち、電極１７の開口１７ａが設けられず、コンタクト層１４の表面において電極１６が開口している場合、レーザビームはコンタクト層１４の表面から外部に出射する。この場合、反射防止膜は、電極１６の開口内及び周辺に設けられる。
図４は、位相変調層１５Ａの平面図である。位相変調層１５Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域１５ｂとを含む。ここで、位相変調層１５Ａに、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。それぞれの単位構成領域ＲのＸＹ座標をぞれぞれの単位構成領域Ｒの重心位置で与えられることとすると、この重心位置は仮想的な正方格子の格子点Ｏに一致する。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、これに最も近い格子点Ｏから離れて配置される。なお、格子点Ｏは、異屈折率領域１５ｂの外部に位置しても良いし、異屈折率領域１５ｂの内部に含まれていても良い。
異屈折率領域１５ｂが円形である場合は、その直径をＤとすれば、面積Ｓ＝π（Ｄ／２）２である。１つの単位構成領域Ｒ内に占める異屈折率領域１５ｂの面積Ｓの比率をフィリングファクタ（ＦＦ）とする。１つの単位構成領域Ｒの面積は、仮想的な正方格子の１つの単位格子内の面積に等しい。
図５に示されるように、格子点Ｏから重心Ｇに向かうベクトルとＸ軸との成す角度をφ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。回転角度φが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの向きはＸ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さをｒ（ｘ，ｙ）とする。一例では、ｒ（ｘ，ｙ）はｘ、ｙによらず（位相変調層１５Ａ全体にわたって）一定である。
図４に示されるように、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの向き、すなわち異屈折率領域１５ｂの重心Ｇの格子点Ｏ周りの回転角度φは、所望の光像に応じて各異屈折率領域１５ｂ毎に個別に設定される。回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。すなわち、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、所望の光像をフーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。
図６は、位相変調層の特定領域内にのみ図４の屈折率略周期構造を適用した例を示す平面図である。図６に示す例では、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、目的となるビームパターンを出射するための略周期構造（例：図４の構造）が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、正方格子の格子点位置に、重心位置が一致する真円形の異屈折率領域が配置されている。例えば、外側領域ＲＯＵＴにおけるフィリングファクターＦＦは、１２％に設定される。また、内側領域ＲＩＮの内部も、外側領域ＲＯＵＴ内においても、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は同一（＝ａ）である。この構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布することにより、内側領域ＲＩＮの周辺部において光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制することが出来るという利点がある。また、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。
図７は、レーザ素子２Ａの出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層１５Ａにおける回転角度分布φ（ｘ，ｙ）との関係を説明するための図である。なお、出力ビームパターンの中心Ｑは半導体基板１０の主面１０ａに対して垂直な軸線上に位置しており、図７には、中心Ｑを原点とする４つの象限が示されている。図７では例として第１象限および第３象限に光像が得られる場合を示したが、第２象限および第４象限或いは全ての象限に像を得ることも可能である。本実施形態では、図７に示されるように、原点に関して点対称な光像が得られる。図７は、例として、第３象限に文字「Ａ」が、第１象限に文字「Ａ」を１８０度回転したパターンが、それぞれ得られる場合について示している。なお、回転対称な光像（例えば、十字、丸、二重丸など）である場合には、重なって一つの光像として観察される。
レーザ素子２Ａの出力ビームパターンが結像して得られる光像は、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、ＣＧ（コンピュータグラフィクス）、及び文字のうち少なくとも１つを含んでいる。ここで、所望の光像を得るためには、以下の手順によって位相変調層１５Ａの異屈折率領域１５ｂの回転角度分布φ（ｘ、ｙ）を決定する。
ＸＹ平面内におけるビームパターンの特定の領域（例えば第３象限のうちビームパターン近傍の一部）を２次元フーリエ変換して得られる複素振幅分布Ｆ（Ｘ，Ｙ）は、ｊを虚数単位として、ＸＹ平面内の強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ）と、ＸＹ平面内の位相分布Ｐ（Ｘ，Ｙ）を用いて表される。すなわち、Ｆ（Ｘ，Ｙ）＝Ｉ（Ｘ，Ｙ）×ｅｘｐ｛Ｐ（Ｘ，Ｙ）ｊ｝で与えられる。そして、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、次の数式
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（Ｘ，Ｙ）
により得ることができる。ここで、Ｃは定数であり、全ての位置（ｘ，ｙ）に対して同一の値を持つ。
すなわち、所望の光像を得たい場合、該光像をフーリエ変換して、その複素振幅の位相に応じた回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を、複数の異屈折率領域１５ｂに与えるとよい。なお、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。ビーム方向を制御することもできるので、レーザ素子２Ａを１次元又は２次元にアレイ化することによって、例えば高速走査を電気的に行うレーザ加工機を実現できる。なお、ビームパターンは遠方界における角度情報で表わされるものであるので、目標とするビームパターンが２次元的な位置情報で表わされているビットマップ画像などの場合には、一旦角度情報に変換した後にフーリエ変換を行うと良い。
フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。
ここで、光像のフーリエ変換結果から回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を求め、各異屈折率領域１５ｂの配置を決める際に、一般的な離散フーリエ変換（或いは高速フーリエ変換）を用いて計算する場合の留意点を述べる。フーリエ変換前の光像を図８（ａ）のようにＡ１，Ａ２，Ａ３，及びＡ４といった４つの象限に分割すると、得られるビームパターンは図８（ｂ）のようになる。つまり、ビームパターンの第１象限には、図８（ａ）の第１象限を１８０度回転したものと図８（ａ）の第３象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第２象限には図８（ａ）の第２象限を１８０度回転したものと図８（ａ）の第４象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第３象限には図８（ａ）の第３象限を１８０度回転したものと図８（ａ）の第１象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第４象限には図８（ａ）の第４象限を１８０度回転したものと図８（ａ）の第２象限が重畳したパターンが現れる。
従って、フーリエ変換前の光像（元の光像）として第１象限のみに値を有するものを用いた場合には、得られるビームパターンの第３象限に元の光像の第１象限が現れ、得られるビームパターンの第１象限に元の光像の第１象限を１８０度回転したパターンが現れる。
次に、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇと、仮想的な正方格子の格子点Ｏとの好適な距離について説明する。正方格子の格子間隔をａとすると、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦはＳ／ａ２として与えられる。但し、ＳはＸＹ平面における異屈折率領域１５ｂの面積であり、例えば真円形状の場合には、真円の直径Ｄを用いてＳ＝π×（Ｄ／２）２として与えられる。また、正方形形状の場合には、正方形の一辺の長さＬＡを用いてＳ＝ＬＡ２として与えられる。
以下、位相変調層１５Ａの具体的な３つの形態について説明する。図９（ａ）は、各形態に共通の元パターンの画像であって、７０４×７０４の画素で構成される「光」の文字である。このとき、「光」の文字は第１象限に存在しており、第２象限〜第４象限にはパターンが存在しない。図９（ｂ）は図９（ａ）を２次元フーリエ変換して強度分布を抽出したものであり、７０４×７０４の要素で構成される。図９（ｃ）は図９（ａ）を２次元フーリエ変換して位相分布を抽出したものであり、７０４×７０４の要素で構成される。これは同時に角度分布にも対応しており、図９（ｃ）は色の濃淡によって０〜２π（ｒａｄ）の位相の分布を表わしている。色が黒い部分が位相０（ｒａｄ）を表わしている。
図１０（ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層１５Ａの第１形態を示す画像であり、基本層１５ａは黒く示され、異屈折率領域１５ｂは白く示される。なお、この第１形態では、異屈折率領域１５ｂは７０４個×７０４個存在し、異屈折率領域１５ｂの平面形状は真円であり、正方格子の格子間隔ａを２８４ｎｍとした。図１０（ａ）は、異屈折率領域１５ｂの直径Ｄを１１１ｎｍ、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域１５ｂの重心Ｇとの距離ｒを８．５２ｎｍとした場合を示す。このとき、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦは１２％であり、距離ｒは０．０３ａとなる。図１０（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。
図１１は、第１形態におけるフィリングファクターＦＦと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比、すなわち所望のビームパターンとノイズの強度比を示すグラフである。また、図１２は、距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。この構造の場合、少なくとも距離ｒが０．３ａ以下の場合には、Ｓ／Ｎは０．３ａを超えた場合よりも高くなり、距離ｒが０．０１ａ以上の場合には、０の場合よりもＳ／Ｎが高くなることが分かる。特に、図１２を参照すると、これらの数値範囲内にＳ／Ｎ比のピークが存在する。すなわち、Ｓ／Ｎ比の向上の観点から、距離ｒは、０＜ｒ≦０．３ａが好ましく、０．０１ａ≦ｒ≦０．３ａが更に好ましく、０．０３ａ≦ｒ≦０．２５が更に好ましい。但し、ｒが０．０１ａより小さい場合でもＳ／Ｎ比は小さいもののビームパターンは得られる。
図１３（ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための異屈折率領域１５ｂの配置の第２形態を示す画像であり、基本層１５ａは黒く示され、異屈折率領域１５ｂは白く示される。この第２形態では、異屈折率領域１５ｂの平面形状は正方形であり、異屈折率領域１５ｂの個数、及び正方格子の格子間隔ａを第１形態と同じとした。図１３（ａ）は、異屈折率領域１５ｂの一辺の長さＬを９８．４ｎｍとし、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域１５ｂの重心Ｇとの距離ｒを８．５２ｎｍとした場合を示す。このとき、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦは１２％であり、距離ｒは０．０３ａとなる。図１３（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。
図１４は、第２形態におけるフィリングファクターＦＦと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比、すなわち所望のビームパターンとノイズの強度比を示すグラフである。また、図１５は、図１４の場合の距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。この構造の場合においても、少なくとも距離ｒが０．３ａ以下の場合には、Ｓ／Ｎは０．３ａを超えた場合よりも高くなり、距離ｒが０．０１ａ以上の場合には、０の場合よりもＳ／Ｎが高くなることが分かる。特に、図１５を参照すると、これらの数値範囲内にＳ／Ｎ比のピークが存在する。すなわち、Ｓ／Ｎ比の向上の観点から、距離ｒは、０＜ｒ≦０．３ａが好ましく、０．０１ａ≦ｒ≦０．３ａが更に好ましく、０．０３ａ≦ｒ≦０．２５が更に好ましい。但し、ｒが０．０１ａより小さい場合でもＳ／Ｎ比は小さいもののビームパターンは得られる。
図１６（ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための異屈折率領域１５ｂの配置の第３形態を示す画像であり、基本層１５ａは黒く示され、異屈折率領域１５ｂは白く示される。この第３形態では、異屈折率領域１５ｂの平面形状は２つの真円を相互にずらして重ねた形状であり、一方の真円の重心を格子点Ｏと一致させた。異屈折率領域１５ｂの個数、及び正方格子の格子間隔ａは第１形態と同じとした。図１０（ａ）は、２つの真円の直径を共に１１１ｎｍとし、他方の真円の重心と格子点Ｏとの距離ｒを１４．２０ｎｍとした場合を示す。このとき、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦは１２％であり、距離ｒは０．０５ａとなる。図１６（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。
図１７は、第３形態におけるフィリングファクターＦＦと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比、すなわち所望のビームパターンとノイズの強度比を示すグラフである。また、図１８は、図１７の場合の距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。この構造の場合においても、少なくとも距離ｒが０．３ａ以下の場合には、Ｓ／Ｎは０．３ａを超えた場合よりも高くなり、距離ｒが０．０１ａ以上の場合には、０の場合よりもＳ／Ｎが高くなることが分かる。特に、図１８を参照すると、これらの数値範囲内にＳ／Ｎ比のピークが存在する。すなわち、Ｓ／Ｎ比の向上の観点から、距離ｒは、０＜ｒ≦０．３ａが好ましく、０．０１ａ≦ｒ≦０．３ａが更に好ましく、０．０３ａ≦ｒ≦０．２５が更に好ましい。但し、ｒが０．０１ａより小さい場合でもＳ／Ｎ比は小さいもののビームパターンは得られる。
なお、図１１、図１４、及び図１７において、Ｓ／Ｎ比が０．９、０．６、０．３を超える領域は、以下の関数で与えられる。なお、図１２、図１５、及び図１８において、ＦＦ３、ＦＦ６、ＦＦ９、ＦＦ１２、ＦＦ１５、ＦＦ１８、ＦＦ２１、ＦＦ２４、ＦＦ２７，ＦＦ３０は、それぞれ、ＦＦ＝３％、ＦＦ＝６％、ＦＦ＝９％、ＦＦ＝１２％、ＦＦ＝１５％、ＦＦ＝１８％、ＦＦ＝２１％、ＦＦ＝２４％、ＦＦ＝２７％，ＦＦ＝３０％を示す。
（図１１においてＳ／Ｎが０．９以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０６、且つ、
ｒ＜−ＦＦ＋０．２３、且つ
ｒ＞−ＦＦ＋０．１３
（図１１においてＳ／Ｎが０．６以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０３、且つ、
ｒ＜−ＦＦ＋０．２５、且つ、
ｒ＞−ＦＦ＋０．１２
（図１１においてＳ／Ｎが０．３以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０２、且つ、
ｒ＜−（２／３）ＦＦ＋０．３０、且つ
ｒ＞−（２／３）ＦＦ＋０．０８３
（図１４においてＳ／Ｎが０．９以上）
ｒ＞−２ＦＦ＋０．２５、且つ、
ｒ＜−ＦＦ＋０．２５、且つ、
ｒ＞ＦＦ−０．０５
（図１４においてＳ／Ｎが０．６以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０４、且つ、
ｒ＜−（３／４）ＦＦ＋０．２３７５、且つ、
ｒ＞−ＦＦ＋０．１５
（図１４においてＳ／Ｎが０．３以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０１、且つ、
ｒ＜−（２／３）ＦＦ＋１／３、且つ
ｒ＞−（２／３）ＦＦ＋０．１０
（図１７においてＳ／Ｎが０．９以上）
ｒ＞０．０２５、且つ、
ｒ＞−（４／３）ＦＦ＋０．２０、且つ
ｒ＜−（２０／２７）ＦＦ＋０．２０
（図１７においてＳ／Ｎが０．６以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０２、且つ、
ｒ＞−（５／４）ＦＦ＋０．１６２５、且つ、
ｒ＜−（１３／１８）ＦＦ＋０．２２２
（図１７においてＳ／Ｎが０．３以上）
ＦＦ＞０．０３、且つ、
ｒ＞０．０１、且つ、
ｒ＜−（２／３）ＦＦ＋０．３０、且つ、
ｒ＞−（１０／７）ＦＦ＋１／７
なお、上述の構造において、活性層１２および位相変調層１５Ａを含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成は様々に変更され得る。ここで、仮想的な正方格子からの摂動が０の場合のいわゆる正方格子フォトニック結晶レーザに関してはスケーリング則が成り立つ。すなわち、波長が定数α倍となった場合には、正方格子構造全体をα倍することによって同様の定在波状態を得ることが出来る。同様に、本実施形態においても、波長に応じたスケーリング則によって位相変調層１５Ａの構造を決定することが可能である。従って、青色、緑色、赤色などの光を発光する活性層１２を用い、波長に応じたスケーリング則を適用することで、可視光を出力するレーザ素子２Ａを実現することも可能である。
レーザ素子２Ａを製造する際、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１０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、ＡｌＧａＮを用いたレーザ素子２Ａ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２Ａは、まず、Ｎ型の半導体基板１０としてのＧａＡｓ基板上に、ｎ型のクラッド層１１としてのＡｌＧａＡｓ層、活性層１２としてのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造、位相変調層１５Ａの基本層１５ａとしてのＧａＡｓ層を、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１５ａ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１５ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより２次元微細パターンを基本層１５ａ上に転写し、孔（穴）を形成したのち、レジストを除去する。孔の深さは、例えば１００ｎｍである。これらの孔を異屈折率領域１５ｂとするか、或いは、これらの孔の中に、異屈折率領域１５ｂとなる化合物半導体（ＡｌＧａＡｓ）を孔の深さ以上に再成長させる。孔を異屈折率領域１５ｂとする場合、孔内に空気、窒素又はアルゴン等の気体を封入してもよい。次に、クラッド層１３としてのＡｌＧａＡｓ層、コンタクト層１４としてのＧａＡｓ層を順次ＭＯＣＶＤで形成し、電極１６，１７を蒸着法又はスパッタ法により形成する。また、必要に応じて、保護膜１８及び反射防止膜１９をスパッタ等により形成する。
なお、位相変調層１５Ａを活性層１２とクラッド層１１との間に設ける場合には、活性層１２の形成前に、クラッド層１１上に位相変調層１５Ａを形成すればよい。また、仮想的な正方格子の格子間隔ａは、波長を等価屈折率で除算した程度であり、例えば３００ｎｍ程度に設定される。
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に対する基本逆格子ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘである。格子の中に存在する波の波数ベクトルがｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋはΓ点に存在するが、なかでも波数ベクトルの大きさが基本逆格子ベクトルの大きさに等しい場合には、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。本実施形態では、このような共振モード（定在波状態）における発振が得られる。このとき、正方格子と平行な面内に電界が存在するようなＴＥモードを考えると、このように格子間隔と波長が等しい定在波状態は正方格子の対称性から４つのモードが存在する。本実施形態では、この４つの定在波状態のいずれのモードで発振した場合においても同様に所望のビームパターンが得られる。
なお、上述の位相変調層１５Ａ内の定在波が孔形状によって散乱され、面垂直方向に得られる波面が位相変調されていることによって所望のビームパターンが得られる。このため偏光板がなくとも所望のビームパターンが得られる。このビームパターンは、一対の単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、前述したように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、或いは、位相、強度分布が空間的に不均一であるベクトルビームなどとすることも可能である。
なお、基本層１５ａの屈折率は３．０〜３．５、異屈折率領域１５ｂの屈折率は１．０〜３．４であることが好ましい。また、基本層１５ａの孔内の各異屈折率領域１５ｂの平均径は例えば、３８ｎｍ〜７６ｎｍである。この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、異屈折率領域１５ｂの形状をフーリエ変換した際の一次の係数で表される光結合係数κ1に比例する。光結合係数については、例えばK. Sakai et al., “Coupled-WaveTheory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEEJ.Q. E. 46, 788-795 (2010)”に記載されている。
続いて、図１に示された光遮蔽部材３について詳細に説明する。光遮蔽部材３は、例えばレーザ素子２Ａを収容する筐体に支持されているか、或いは筐体の一部を構成する板状の部材である。或いは、光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａ上に直接形成されていても良い。光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａの発光面２ｂと交差し発光面２ｂに垂直な軸線、すなわち図１に示されたＺ軸に少なくとも重なるように設けられ、光遮蔽部材３の一方の板面はレーザ素子２Ａの発光面２ｂと対向している。より詳細には、この軸線は、発光面２ｂの中心すなわち開口１７ａの中心を通る。レーザ素子２Ａからは、この軸線に沿って、発光面２ｂと垂直な方向に０次光が出力される。
図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、レーザ素子２Ａから出力されるビームパターン（光像）の例を示す。各図の中心が、レーザ素子２Ａの発光面２ｂと交差し発光面２ｂに垂直な軸線に対応する。これらの図に示されるように、発光面２ｂから出力される光像は、該軸線上に輝点として現れる０次光Ｂ１と、該軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分Ｂ２と、該軸線に関して対称である第２方向に出力され、該軸線に関して第１光像部分Ｂ２と回転対称である第２光像部分Ｂ３とを含む。典型的には、第１光像部分Ｂ２はＸＹ平面内の第１象限に出力され、第２光像部分Ｂ３はＸＹ平面内の第３象限に出力される。
本実施形態の光遮蔽部材３は、このような光像のうち所望の光像（例えば第１光像部分Ｂ２）を通過させるとともに、輝点として現れる０次光Ｂ１を少なくとも遮蔽するように設けられる。より好適には、光遮蔽部材３は、所望の光像でない第２光像部分Ｂ３を更に遮蔽する。光遮蔽部材３は、少なくともレーザ素子２Ａ側の面に光吸収材を含むことにより、０次光及び第２光像部分Ｂ３を吸収してもよい。また、光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａの発光波長の光さえ遮蔽すれば、他の波長の光を透過してもよい。光遮蔽部材３の構成材料としては、例えばＡｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどの金属薄膜が挙げられる。また、光吸収材としては、例えばシアニン色素、フタロシアニン化合物、ナフタロシアニン化合物、ニッケルジチオレン錯体、スクアリウム色素、キノン系化合物、ジインモニウム化合物、アゾ化合物、六ホウ化ランタン、セシウム酸化タングステン、ＩＴＯ、アンチモン酸化スズが挙げられる。
ここで、Ｚ軸方向における光遮蔽部材３と発光面２ｂとの好適な距離、およびＸＹ平面内における光遮蔽部材３の好適な位置について詳細に検討する。光遮蔽部材３の好適な範囲としては、いわゆる遠視野像の範囲（フラウンホーファー回折領域）が考えられる。しかしながら、フラウンホーファー回折領域のＺ軸方向の範囲は、Ｌを開口１７ａの最大幅、λを波長とすると、ｚ＞Ｌ2／λとして与えられる（ユージンヘクト著「ヘクト光学II」２４４頁）。開口１７ａの幅Ｌを例えば４００μｍとし、波長λを９４０ｎｍとすると、ｚ＞１７０ｍｍとなる。また、幅Ｌを２００μｍとし、λを９４０ｎｍとすると、ｚ＞４２ｍｍとなる。いずれの場合も遠視野像となるのは発光面２ｂから数ｃｍ以上離れた位置であり、一辺の長さが１ｍｍ未満のレーザ素子２Ａ上のそのような離れた位置に光遮蔽部材３を配置することには困難を伴う場合がある。そこで、本発明者は、より発光面２ｂに近い位置に光遮蔽部材３を設けることを検討した。
いわゆるフレネル回折像、フラウンホーファー回折像の計算式では近似が用いられており、それぞれ適用可能な距離の範囲が限られている。そこで、本発明者は、下記に示すように、近似を用いずに発光面２ｂからの距離ｚにおける回折像の計算を行った（数式（４））。なお、回折計算に用いる条件を図２０のように設定した。すなわち、位相変調層１５Ａのうち発光が得られる部分、すなわち位相変調層１５Ａのなかで電極１６に対応する部分から発生する光がどのように回折するかについて計算した。この際、図２０の開口部Ｈが位相変調層１５Ａのなかで電極１６に対応する部分に対応している。以降、開口部Ｈの幅を開口サイズ（電極サイズ）と呼称する。また、回折像の計算に当たり、ホイヘンス−フレネル原理の第一レーリー・ゾンマーフェルト解（Joseph W. Goodman著「フーリエ光学」３．５節）を用いた。また、０次光を再現するため、発光面２ｂ上での複素振幅分布全体に一定値を重畳した。

なお、数式（４）において、Ｕ（Ｐ）は或る位置Ｐにおける複素振幅を表し、Ｐ0は回折像が得られる観測点の位置を表し、Ｐ1は開口部Ｈ（すなわち位相変調層１５Ａのなかで電極１６に対応する部分）の位置を表し、λは平面波の波長を表し、Σは開口部の面積を表し、ｋは波数を表し、ｒ01は開口部の面上の点と回折像面上の点との距離（すなわちベクトルｒ01の長さ）を表す。ここで、ベクトルｎは開口部に垂直な単位ベクトルを表す。なお、図中のチルダ付きのＰ0は、計算の便宜上設定された点であり、Ｐ0とＰ1に関して反対側の対称な位置にあり、Ｐ0と位相が１８０°異なっている点である。
図２１（ａ）は、上記の回折計算に用いたターゲット画像を示す図である。また、図２１（ｂ）及び図２１（ｃ）は、それぞれ格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、１４１ｎｍの場合の位相変調層１５Ａにおける位相分布を色の濃淡で示す図である。なお、ターゲット画像の要素数を２５６×２５６としたので、位相変調層１５Ａにおける位相分布の要素数も、図２１（ｂ）及び図２１（ｃ）共に２５６×２５６となる。但し、格子間隔の違いを反映して、格子間隔ａが２８２ｎｍである場合には開口サイズ（電極サイズ）が一辺７２．２μｍ、格子間隔ａが１４１ｎｍである場合には開口サイズ（電極サイズ）が一辺３６．１μｍとなる。
図２２は、上記の計算結果を示すグラフであって、或る回折像面における回折像のＺ軸側の一端とＺ軸との距離をｄ（μｍ）とし、該回折像面と発光面２ｂとの距離をｚ（μｍ）としたときの距離ｄと距離ｚとの相関を示す。また、図２３〜図２７は、このグラフの元となった回折像の一部を示す。図２３は、位相分布の要素数１２８×１２８、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺３６．１μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２４は、位相分布の要素数２５６×２５６、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺７２．２μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２５は、位相分布の要素数５１２×５１２、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺１４４．４μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２６は、位相分布の要素数３８４×３８４、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺１０８．３μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２７は、位相分布の要素数１０２４×１０２４、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺２８８．８μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。
図２２を参照すると、開口サイズ（電極サイズ）Ｌにかかわらず、距離ｄと距離ｚとはおおよそ比例関係にあることがわかる。また、図２８は、距離ｄと開口サイズ（電極サイズ）Ｌとの積（ｄ×Ｌ）と、距離ｚとの相関を示すグラフである。図２８を参照すると、積（ｄ×Ｌ）と距離ｚとはおおよそ比例関係にあることがわかる。以上のことから、次式（５）が成り立つ。

このことを踏まえ、発光面２ｂと光遮蔽部材３との位置関係の模式図を図２９に示す。同図において、レーザ素子２Ａの発光面２ｂから、発光面２ｂに垂直なＺ軸方向に沿って０次光Ｂ１が出射されており、また、発光面２ｂから、Ｚ軸方向に対して傾斜した方向に所望の第１光像部分Ｂ２が出射されている。そして、光遮蔽部材３を、０次光Ｂ１の全部を遮蔽し、第１光像部分Ｂ２の全部を通過するように配置する。
図３０は、第１光像部分Ｂ２のＺ軸側の端縁と、０次光Ｂ１の第１光像部分Ｂ２側の端縁との交点Ｖ付近を拡大して示す図である。ここで、図３０に示される三角形ＤＬに着目する。三角形ＤＬは直角三角形であり、辺ＤＬ１は発光面２ｂの一端２ｃからＺ軸と平行に延びる線分であり、辺ＤＬ２はＺ軸に対して垂直に交点Ｖから辺ＤＬ１まで延びる線分であり、斜辺ＤＬ３は発光面２ｂの一端２ｃと交点Ｖとを結ぶ線分である。この三角形ＤＬに着目すると、次式（６）が成り立つ。

この数式（６）を変形すると、

となる。但し、

である。Ｗzは距離ｚにおける０次光Ｂ１のビーム幅であり、Ｌはビーム幅Ｗzが定義されるＺ軸を含む断面における発光面２ｂの幅（図２９参照）であり、θPBは該断面における第１光像部分Ｂ２のＺ軸側の端縁とＺ軸との成す角（図３０参照）であり、λは活性層１２の発光波長である。また、数式（８）におけるｚ0はレーリー領域を表し、次の数式（９）により導かれる。

従って、発光面２ｂから光遮蔽部材３までの距離ｚは、上記数式（７）に示されるｚshよりも長いことが好ましい。これにより、０次光Ｂ１と第１光像部分Ｂ２とが分離した箇所（すなわち交点Ｖよりも遠方）において光遮蔽部材３を配置することができる。また、Ｚ軸から光遮蔽部材３の端縁３ｃまでの距離Ｗａ（図２９参照）が、上記の数式（８）に示されるビーム幅Ｗzの半分よりも長いことが好ましい。これにより、光遮蔽部材３の端縁３ｃを、０次光Ｂ１と第１光像部分Ｂ２との間に配置することができる。
ここで、上述した数式（８）について補足する。図３１は、ガウスビームのビームウェストにおけるビーム半径の変化を示すグラフである。本検討では、０次光Ｂ１に関してはガウスビームとみなす。ガウスビームのビーム半径Ｗ（ｚ）は下記の数式（１０）によって与えられる。

但し、Ｗ0はビームウェスト半径である。また、ｚ0はレーリー領域であり、次式（１１）によって与えられる。

ビーム半径Ｗ（ｚ）は、ｚの増加とともに徐々に大きくなり、ｚ＝ｚ0のときに√２Ｗ0に達し、ｚに対して単調に増加し続ける。ｚがｚ0よりも十分に大きい場合には、数式（１０）の第１項は無視されて、次の数式（１２）に示される線形な関係が得られる。なお、θ0は遠方でのビーム角度である（図３１を参照）。

ここで、数式（１１）より

であるので、

となる。つまり、遠方でのビーム角度θ0は波長λに比例し、ビームウェスト径Ｗ0に反比例する。
以上を踏まえ、０次光Ｂ１のビーム径について考える。電極１７の一辺の長さをＬとし、波長をλとすると、

の場合には、ビーム半径Ｒは次の数式（１６）を満たす。

また、ｚが数式（１５）の右辺よりも大きくなると、ビーム半径Ｒは次の数式（１７）を満たす。
図３２（ａ）〜図３２（ｄ）及び図３３（ａ）〜図３３（ｄ）は、光遮蔽部材３の配置の具体例を示す平面図である。なお、これらの図において、破線で示される範囲Ｅは、０次光Ｂ１の照射範囲を表す。照射範囲Ｅの平面形状は正方形であり、その一辺の長さはＷzであり、その中心はＺ軸上（ＸＹ平面の原点）に位置する。いずれの形態においても、光遮蔽部材３がＺ軸を重なるとともに、光遮蔽部材３の端縁３ｃがＺ軸から距離Ｗz／２だけ離れており、光遮蔽部材３は０次光Ｂ１の照射範囲Ｅを完全に含むように配置されている。
図３２（ａ）では、光遮蔽部材３が、第３象限及び第４象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３（図１９（ａ）〜図１９（ｃ）を参照）が第３象限若しくは第４象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。また、図３２（ｂ）では、光遮蔽部材３が、第１象限及び第２象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第１象限若しくは第２象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。また、図３２（ｃ）では、光遮蔽部材３が、第２象限及び第３象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第２象限若しくは第３象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。また、図３２（ｄ）では、光遮蔽部材３が、第１象限及び第４象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第１象限若しくは第４象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。
また、図３３（ａ）では、光遮蔽部材３が、第１象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第１象限に存在する場合に有効である。また、図３３（ｂ）では、光遮蔽部材３が、第２象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第２象限に存在する場合に有効である。また、図３３（ｃ）では、光遮蔽部材３が、第３象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第３象限に存在する場合に有効である。また、図３３（ｄ）では、光遮蔽部材３が、第４象限を全て覆うように配置されている。このような形態は、不要な第２光像部分Ｂ３が第４象限に存在する場合に有効である。
以上の構成を備える、本実施形態の発光装置１Ａによって得られる効果について説明する。レーザ素子２Ａにおいては、活性層１２に光学的に結合した位相変調層１５Ａが、基本層１５ａと、基本層１５ａとは屈折率が異なる複数の異屈折率領域１５ｂとを有し、各異屈折率領域１５ｂの重心Ｇが仮想的な正方格子の格子点Ｏから離れて配置されるとともに、格子点Ｏから重心Ｇへのベクトルの向きが各異屈折率領域１５ｂ毎に個別に設定されている。このような場合、格子点Ｏから重心Ｇへのベクトルの向き、すなわち重心Ｇの格子点Ｏ周りの角度位置に応じて、ビームの位相が変化する。すなわち、重心Ｇの位置を変更するのみで、各異屈折率領域１５ｂから出射されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビームパターンを所望の形状とすることができる。
すなわち、このレーザ素子２ＡはＳ−ｉＰＭレーザであり、発光面２ｂに垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向を含む２次元的な任意形状の光像を出力することができる。さらに、この発光装置１Ａにおいては、光遮蔽部材３が、発光面２ｂと交差し発光面２ｂに垂直な軸線（すなわちＺ軸）に少なくとも重なるように設けられ、所望の光像を通過させるとともに０次光Ｂ１を遮蔽する。これにより、Ｓ−ｉＰＭレーザの出力から０次光Ｂ１を取り除くことができる。
また、本実施形態のように、光像が第１光像部分Ｂ２と第２光像部分Ｂ３とを含む場合、光遮蔽部材３は第２光像部分Ｂ３を更に遮蔽してもよい。これにより、第１光像部分Ｂ２が所望の光像である場合に、不要な第２光像部分Ｂ３をも効果的に取り除くことができる。
また、本実施形態のように、光遮蔽部材３は光吸収材を含んでもよい。光遮蔽部材３が０次光Ｂ１を反射すると、その反射光がレーザ素子２Ａに再び入射し、レーザ素子２Ａの内部の動作に影響を及ぼすおそれがある。光遮蔽部材３が光吸収材を含むことにより、０次光Ｂ１を吸収することができ、０次光Ｂ１がレーザ素子２Ａに再び入射することを抑制できる。
（第１変形例）
図３４は、上記実施形態の一変形例に係る位相変調層１５Ｂの平面図である。本変形例の位相変調層１５Ｂは、上記実施形態の位相変調層１５Ａの構成に加えて、複数の異屈折率領域１５ｃを更に有する。各異屈折率領域１５ｃは、周期構造を含んでおり、基本層１５ａの第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる。各異屈折率領域１５ｃは、各異屈折率領域１５ｂにそれぞれ一対一で対応して設けられている。そして、各異屈折率領域１５ｃの重心は、仮想的な正方格子の格子点Ｏと一致する。異屈折率領域１５ｃの平面形状は例えば円形である。異屈折率領域１５ｃは、異屈折率領域１５ｂと同様に、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。例えば本変形例のような位相変調層の構成であっても、上記実施形態の効果を好適に奏することができる。
（第２変形例）
図３５及び図３６は、異屈折率領域１５ｂのＸＹ平面内の形状の例を示す平面図である。図３５（ａ）に示す例では、異屈折率領域１５ｂのＸＹ平面内の形状は、回転対称性を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、真円、正方形、正六角形、正八角形又は正１６角形である。これらの図形は、回転非対称図形と比較して、パターンが回転方向にずれても、影響が少ないため、高い精度でパターニングすることが可能である。
図３５（ｂ）に示す例では、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、鏡像対称性（線対称）を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、長方形、楕円、２つの円又は楕円の一部分が重なる形状である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の外部に存在している。
これらの図形は、回転非対称図形と比較して、線対称の基準となる線分位置が明確に分かるため、高い精度でパターニングすることが可能である。
図３５（ｃ）に示す例では、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、台形、楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵型）、又は、楕円の長軸に沿った一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙型）である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の外部に存在している。このような図形であっても、異屈折率領域の重心位置が、仮想的な正方格子の格子点Ｏから距離ｒだけずれることによって、ビームの位相を変えることができる。
図３６（ａ）に示す例では、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、鏡像対称性（線対称）を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、長方形、楕円、２つの円又は楕円の一部分が重なる形状である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の内部に存在している。
これらの図形は、回転非対称図形と比較して、線対称の基準となる線分位置が明確に分かるため、高い精度でパターニングすることが可能である。また、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域の重心位置との距離ｒが小さいためビームパターンのノイズの発生を小さくすることが出来る。
図３６（ｂ）に示す例では、それぞれの異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、直角二等辺三角形、台形、楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵型）、又は、楕円の長軸に沿った一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙型）である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の内部に存在している。このような図形であっても、異屈折率領域の重心位置が、仮想的な正方格子の格子点Ｏから距離ｒだけずれることによって、ビームの位相を変えることができる。また、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域の重心位置との距離ｒが小さいためビームパターンのノイズの発生を小さくすることが出来る。
（第３変形例）
図３７は、第３変形例による発光装置１Ｂの構成を示す図である。この発光装置１Ｂは、支持基板６と、支持基板６上に一次元又は二次元状に配列された複数のレーザ素子２Ａと、複数のレーザ素子２Ａと対向して配置された光遮蔽部材３Ｂと、複数のレーザ素子２Ａを個別に駆動する駆動回路４とを備えている。各レーザ素子２Ａの構成は、上記実施形態と同様である。但し、複数のレーザ素子２Ａには、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれる。赤色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えばＧａＡｓ系半導体によって構成される。青色波長域の光像を出力するレーザ素子、及び緑色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えば窒化物系半導体によって構成される。駆動回路４は、支持基板６の裏面又は内部に設けられ、各レーザ素子２Ａを個別に駆動する。駆動回路４は、制御回路７からの指示により、個々のレーザ素子２Ａに駆動電流を供給する。
光遮蔽部材３Ｂは、複数のレーザ素子２Ａの発光面２ｂと交差し発光面２ｂに垂直な複数の軸線（Ｚ軸）に少なくとも重なるように設けられた板状の部材である。すなわち、本変形例では、図１に示された光遮蔽部材３が、複数のレーザ素子２Ａと同数配置され、これらの光遮蔽部材３が一体化して光遮蔽部材３Ｂを構成している。この光遮蔽部材３Ｂは、支持基板６を収容する筐体と一体化されてもよい。光遮蔽部材３Ｂは、上記実施形態の光遮蔽部材３と同様に、各レーザ素子２Ａから出射される光像のうち、第１光像部分Ｂ２を通過させるとともに、０次光Ｂ１を遮蔽する。また、光遮蔽部材３Ｂは、不要な第２光像部分Ｂ３を更に遮蔽してもよい。
本変形例のように、個別に駆動される複数のレーザ素子２Ａ上に光遮蔽部材３Ｂを設け、各レーザ素子２Ａから所望の光像のみを取り出すことによって、予め複数のパターンに対応した半導体発光素子を並べたモジュールについて、適宜必要な素子を駆動することによってヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。また、本変形例のように、複数のレーザ素子２Ａに、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれることにより、カラーヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。
本発明による半導体発光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び実施例ではＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、及び窒化物系（特にＧａＮ系）の化合物半導体からなるレーザ素子を例示したが、本発明は、これら以外の様々な半導体材料からなるレーザ素子に適用できる。
１Ａ，１Ｂ…発光装置、２Ａ…レーザ素子、２ｂ…発光面、３…光遮蔽部材、３Ｂ…光遮蔽部材、３ｃ…端縁、４…駆動回路、６…支持基板、７…制御回路、１０…半導体基板、１１，１３…クラッド層、１２…活性層、１４…コンタクト層、１５Ａ，１５Ｂ…位相変調層、１５ａ…基本層、１５ｂ，１５ｃ…異屈折率領域、１６，１７…電極、１７ａ…開口、１８…保護膜、１９…反射防止膜、Ｂ１…０次光、Ｂ２…第１光像部分、Ｂ３…第２光像部分、Ｇ…重心、Ｏ…格子点、Ｒ…単位構成領域。

Claims (7)

  1. 発光面から二次元的な任意形状の光像を出力する半導体発光素子と、
    前記発光面と交差し前記発光面に垂直な軸線に少なくとも重なるように設けられた光遮蔽部材と、
    を備え、
    前記半導体発光素子は、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層に光学的に結合した位相変調層とを有し、
    前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、
    前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点から前記重心へのベクトルの向きが前記光像に応じて各異屈折率領域毎に個別に設定されており、
    前記光遮蔽部材は、前記発光面と垂直な方向に対して傾斜した方向に出力される前記光像の少なくとも一部を通過させるとともに、前記発光面と垂直な方向に出力される０次光を遮蔽し、
    前記発光面から前記光遮蔽部材までの距離ｚが、ｚ≦Ｌ 2 ／λを満たし、下記の数式（１）に示されるｚ sh よりも長く、前記軸線から前記光遮蔽部材の端縁までの距離Ｗａが、下記の数式（２）に示されるＷ z の半分よりも長い、ことを特徴とする発光装置。


    但し、Ｗ z は距離ｚにおける０次光のビーム幅であり、Ｌは前記距離Ｗａが定義される前記軸線を含む断面における前記発光面の幅であり、θ PB は前記断面における前記少なくとも一部の前記軸線側の端縁と前記軸線との成す角であり、λは前記活性層の発光波長であり、数式（２）のＺ 0 は

    として表される数値である。
  2. 前記正方格子の格子間隔をａとしたとき、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離ｒが０＜ｒ≦０．３ａを満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 当該半導体発光素子から出射される前記光像は、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、コンピュータグラフィクス、及び文字のうち少なくとも１つを含み、
    前記位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定したとき、ＸＹ平面内における前記光像の特定の領域を２次元フーリエ変換した複素振幅Ｆ（Ｘ，Ｙ）は、ｊを虚数単位として、ＸＹ平面内の強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ）と、ＸＹ平面内の位相分布Ｐ（Ｘ，Ｙ）を用いてＦ（Ｘ，Ｙ）＝Ｉ（Ｘ，Ｙ）×ｅｘｐ｛Ｐ（Ｘ，Ｙ）ｊ｝で与えられ、
    前記位相変調層において、
    前記仮想的な正方格子のそれぞれの格子点から、対応するそれぞれの前記異屈折率領域の重心へ向かう方向と、Ｘ軸との成す角度をφとし、定数をＣとし、Ｘ軸方向におけるｘ番目、Ｙ軸方向におけるｙ番目の前記格子点の位置を（ｘ，ｙ）とし、位置（ｘ，ｙ）における角度φをφ（ｘ，ｙ）とすると、φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（Ｘ，Ｙ）を満たす、ことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記光像が、前記軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分と、前記軸線に関して前記第１方向と対称である第２方向に出力され、前記軸線に関して前記第１光像部分と回転対称である第２光像部分とを含み、
    前記光遮蔽部材が前記第２光像部分を更に遮蔽する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
  5. 前記光遮蔽部材が光吸収材を含む、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
  6. 発光面から二次元的な任意形状の光像を出力する複数の半導体発光素子と、
    前記複数の半導体発光素子の前記発光面と交差し前記発光面に垂直な複数の軸線に少なくとも重なるように設けられた光遮蔽部材と、
    前記複数の半導体発光素子を個別に駆動する駆動回路と、
    を備え、
    前記半導体発光素子は、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層に光学的に結合した位相変調層とを有し、
    前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、
    前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点から前記重心へのベクトルの向きが前記光像に応じて各異屈折率領域毎に個別に設定されており、
    前記光遮蔽部材は、前記発光面と垂直な方向に対して傾斜した方向に出力される前記光像の少なくとも一部を通過させるとともに、前記発光面と垂直な方向に出力される０次光を遮蔽し、
    各半導体発光素子の前記発光面から前記光遮蔽部材までの距離ｚが、ｚ≦Ｌ 2 ／λを満たし、下記の数式（４）に示されるｚ sh よりも長く、各軸線から前記光遮蔽部材の各半導体発光素子に対応する部分の端縁までの距離Ｗａが、下記の数式（５）に示されるＷ z の半分よりも長い、ことを特徴とする発光装置。


    但し、Ｗ z は距離ｚにおける０次光のビーム幅であり、Ｌは前記距離Ｗａが定義される各軸線を含む断面における各半導体発光素子の前記発光面の幅であり、θ PB は前記断面における前記少なくとも一部の前記軸線側の端縁と前記軸線との成す角であり、λは前記活性層の発光波長であり、数式（５）のＺ 0 は

    として表される数値である。
  7. 前記複数の半導体発光素子には、赤色波長域の前記光像を出力する前記半導体発光素子と、青色波長域の前記光像を出力する前記半導体発光素子と、緑色波長域の前記光像を出力する前記半導体発光素子とが含まれる、ことを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
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