JP7308157B2 - 光源モジュール - Google Patents

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Description

本開示は、光源モジュールに関する。
特許文献１には、端面発光型の半導体レーザ素子に関する技術が開示されている。この半導体レーザ素子は、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の第１領域に駆動電流を供給するための第１駆動電極とを備える。第１駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面の法線に対して傾斜している。フォトニック結晶層の第１領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第１及び第２の周期構造を有する。第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、第１駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成される。これらのレーザビームのうち、光出射端面に向かう１つのレーザビームの光出射端面に対する屈折角は９０度未満である。光出射端面に向かう別の少なくとも１つのレーザビームは、光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たす。
非特許文献１には、コンピュータ生成ホログラム（Computer Generated Hologram：ＣＧＨ）に関する技術が開示されている。それぞれ独立した反射率を有する４つのサブピクセルを印刷により作成して一つのピクセルとし、複数のピクセルにレーザ光を照射してその反射光を合成する。この場合、各ピクセルからの発光方向を任意にシフトし得ることが述べられている。非特許文献２には、非特許文献１に記載された技術において、各ピクセルが、それぞれ独立した反射率を有する３つのサブピクセルを含んでいれば、各ピクセルからの発光方向を任意にシフトし得ることが述べられている。
特開２０１３－１２０８０１号公報
Wai Hon Lee, "Sampled Fourier Transform Hologram Generated byComputer", Applied Optics, Vol. 9, No. 3, pp.639-643, March 1970 C. B. Burckhardt, "A Simplification of Lee's Method of Generating Hologramsby Computer", Applied Optics, Vol. 9, No. 8, p.1949, August 1970
従来より、空間的な位相変調により、光の進行方向を変化させる、或いは任意の光像を生成するなどの技術が研究されている。或る技術では、半導体レーザ素子の活性層の近傍に、複数の異屈折率領域とを含む位相変調層を設ける。そして、位相変調層の厚み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、例えば、複数の異屈折率領域の重心を、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置するとともに、格子点周りの回転角度を各異屈折率領域毎に個別に設定する。このような素子によれば、フォトニック結晶レーザ素子と同様にレーザ光を積層方向に出射するとともに、レーザ光の位相分布を空間的に制御し、レーザ光を任意の光像として出射することができる。
しかしながら、この素子では、位相変調層の複数の異屈折率領域の配置が固定されているので、予め設計された一の光像のみしか出力することができない。出射光像や光の進行方向を動的に変化させるためには、出射光の位相分布を動的に制御する必要がある。そこで、本開示は、光の位相分布を動的に制御し得る光源モジュールを提供することを目的とする。
本開示の一形態に係る光源モジュールは、複数のピクセルを備える光源モジュールであって、Ｍ点発振を行うフォトニック結晶レーザ構造を有する発光部と、発光部に対し、フォトニック結晶レーザ構造の共振方向の１つである第１方向に各々接続され、第１方向と交差する第２方向に沿って並んで設けられ、フォトニック結晶レーザ構造から第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整する複数の強度調整部と、複数の強度調整部のそれぞれに接続され、各強度調整部から出力されたレーザ光を、第１方向及び第２方向の双方と交差する第３方向に出力する複数の光回折部と、を備える。各ピクセルは、第２方向に沿って配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の光回折部を含む。
本開示によれば、光の位相分布を動的に制御し得る光源モジュールを提供することが可能となる。
第１実施形態に係る光源モジュール１Ａの構成を概略的に示す平面図である。 図１に示すＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図であって、光源モジュール１ＡのＹ方向に沿った側断面を示す。 実空間（ａ），（ｂ）及び逆格子空間（ｃ），（ｄ）におけるΓ点及びＭ点を説明するための図である。 光源モジュール１ＡのＹ方向に沿った側断面の変形例を示す図である。 図１に示すＶ－Ｖ線に沿った断面図であって、複数の変調領域４２のＸ方向に沿った側断面を示す。 （ａ）部及び（ｂ）部は、回折格子層５８における回折格子の形状の例を示す平面図である。 図１に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図であって、複数の回折領域５２のＸ方向に沿った側断面を示す。 第１変形例に係る光源モジュール１Ｂを示す平面図である。 第２変形例に係る光源モジュール１Ｃを示す断面図であって、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面に対応する断面を示す。 第３変形例に係る光源モジュール１Ｄを示す平面図である。 図１０に示されるＸＩ－ＸＩ線に沿った断面図であって、本変形例の光源モジュール１ＤのＹ方向に沿った側断面を示す。 第４変形例に係る光源モジュール１Ｅを示す平面図である。 図１２に示されたＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。 第５変形例に係る光源モジュール１Ｆを示す平面図である。 非特許文献１に記載された技術を説明するための図である。 非特許文献２に記載された技術を説明するための図である。
本開示の一形態に係る光源モジュールは、複数のピクセルを備える光源モジュールであって、Ｍ点発振を行うフォトニック結晶レーザ構造を有する発光部と、発光部に対し、フォトニック結晶レーザ構造の共振方向の１つである第１方向に各々接続され、第１方向と交差する第２方向に沿って並んで設けられ、フォトニック結晶レーザ構造から第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整する複数の強度調整部と、複数の強度調整部のそれぞれに接続され、各強度調整部から出力されたレーザ光を、第１方向及び第２方向の双方と交差する第３方向に出力する複数の光回折部と、を備える。各ピクセルは、第２方向に沿って配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の光回折部を含む。
この光源モジュールでは、発光部のフォトニック結晶レーザ構造がＭ点発振を行うので、第１方向及び第２方向を含む面内においてレーザ発振が生じ、これらの方向と交差する方向にはレーザ光は回折されず、出力されない。従って、強度調整部が接続された第１方向にレーザ光を効率よく伝搬させることができる。このとき、複数の強度調整部のそれぞれに入射するレーザ光の位相は互いに揃っている。各強度調整部は、レーザ光の強度を個別に調整する。強度調整されたレーザ光は、光回折部を通じて出力される。この光源モジュールでは、複数の光回折部から出力するレーザ光の強度を、光回折部毎に独立して制御することができる。また、各ピクセルが、第２方向に沿って配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の光回折部を含む。発光部からｎ個の光回折部に提供されるレーザ光の位相はｎ個の光回折部において互いに揃っているので、各ピクセルから出力されるレーザ光の位相は、ｎ個の強度調整部により実現される当該ピクセル内の強度分布によって定まる。従って、上記の光源モジュールによれば、光の位相分布を動的に制御することができる。
上記の光源モジュールにおいて、第２方向における各ピクセルのサイズがレーザ光の波長λよりも小さいか、又は、ｎ個の光回折部の配列ピッチがレーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（但しｍはｎの倍数を除く自然数）であってもよい。或いは、上記の光源モジュールは、複数の光回折部と光学的に結合された縮小光学系を更に備えてもよい。そして、縮小光学系を通過した後の或る位置において、第２方向における各ピクセルからの光束の幅がレーザ光の波長λよりも小さいか、又は、縮小光学系を通過した後の或る位置において、ｎ個の光回折部から出力されたレーザビーム同士の中心間隔がレーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（但しｍはｎの倍数を除く自然数）であってもよい。例えばこのような条件を満たす場合、ｎ個の光回折部を纏めて、等価的に単一の位相を有する画素と見なしてよい。従って、ｎ個の強度調整部により実現される当該ピクセル内の強度分布を制御することによって、光の位相分布を動的に制御することができる。
上記の光源モジュールにおいて、複数の強度調整部は、光吸収層を含む半導体積層構造を有してもよい。或いは、複数の強度調整部は、Ｍ点発振を行うフォトニック結晶レーザ構造を有してもよい。これらのうち何れかの構成を複数の強度調整部が有する場合、レーザ光の強度を好適に調整することができる。
上記の光源モジュールは、主面を有する基板を備え、主面は、第１の領域、第２の領域、及び第３の領域を含み、発光部は第１の領域上に設けられ、複数の強度調整部は第２の領域上に設けられ、複数の光回折部は第３の領域上に設けられてもよい。この場合、半導体素子を用いて発光部、強度調整部及び光回折部を構成したときに、強度調整後のレーザ光を基板の主面と交差する方向に出力することができる。故に、複数のピクセルを容易に集積化することが可能であり、複数のピクセルの配列の自由度を高めることができる。
上記の光源モジュールにおいて、発光部は、第２方向に沿って各々延在するとともに第１方向に並ぶ第１及び第２の部分と、第１方向に沿って延在するとともに第１の部分と第２の部分とを相互に接続する第３の部分とを有してもよい。そして、複数の強度調整部の一部である二以上の第１の強度調整部は、第１の部分に対し第１方向に各々接続され、第２方向に沿って並んで設けられ、第１の部分のフォトニック結晶レーザ構造から第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整し、複数の強度調整部の残部である二以上の第２の強度調整部は、第２の部分に対し第１方向に各々接続され、第２方向に沿って並んで設けられ、第２の部分のフォトニック結晶レーザ構造から第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整し、複数の光回折部の一部である二以上の第１の光回折部は、二以上の第１の強度調整部のそれぞれに接続され、複数の光回折部の残部である二以上の第２の光回折部は、二以上の第２の強度調整部のそれぞれに接続され、第１の部分と第２の部分との間の領域において、第１の光回折部と第２の光回折部とが第２方向に沿って交互に並んでいてもよい。この場合、発光部の第１及び第２の部分のそれぞれから第１の部分と第２の部分との間の領域に複数の強度調整部及び複数の光回折部が延びるので、光回折部の配列ピッチを容易に小さくすることができる。
以上の構成を備える本開示の光源モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、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、本開示の一実施形態に係る光源モジュール１Ａの構成を概略的に示す平面図である。光源モジュール１Ａは、共通の基板上に形成された半導体積層構造を含んで構成され、複数のピクセル２１、フォトニック結晶レーザ（ＰＣＳＥＬ）領域３、複数の変調領域４２、及び複数の回折領域５２を備える。ＰＣＳＥＬ領域３は、本実施形態における発光部の例である。変調領域４２は、本実施形態における強度調整部の例である。回折領域５２は、本実施形態における光回折部の例である。
図において、複数のピクセル２１は太い実線により区画して示されている。複数のピクセル２１は、Ｙ方向（第１方向）を長手方向として延在し、Ｙ方向と交差（例えば直交）するＸ方向（第２方向）に並んで配置されている。各ピクセル２１からは、Ｘ方向及びＹ方向の双方と交差（例えば直交）するＺ方向（第３方向）に沿って、レーザ光が出力される。各ピクセル２１は、Ｘ方向に沿って配列されたｎ個（ｎは２以上の整数、図示例ではｎ＝３）の回折領域５２を含んで構成される。回折領域５２の配列方向（Ｘ方向）における各ピクセル２１のサイズＬは、下記のＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長よりも小さい。
ＰＣＳＥＬ領域３は、Ｘ方向及びＹ方向に延在する単一の領域により構成されている。ＰＣＳＥＬ領域３の平面形状は長方形または正方形であり、Ｘ方向に沿った平坦な側面３ａを有する。ＰＣＳＥＬ領域３は、後述するように、Ｍ点発振を行うＰＣＳＥＬ構造を有する。ＰＣＳＥＬ領域３は、電極３３を介して供給される電流により発光し、ＸＹ平面内においてレーザ発振を行う。ＰＣＳＥＬ領域３は、空間的に位相の揃ったレーザ光を側面３ａから出力する。
複数の変調領域４２は、Ｙ方向に沿ってそれぞれ延在する。各変調領域４２の平面形状は、Ｙ方向を長手方向とする長方形である。複数の変調領域４２は、Ｘ方向に沿って並んで配置され、互いに隣接している。複数の変調領域４２は、ＰＣＳＥＬ領域３に対し、ＰＣＳＥＬ構造の共振方向の１つであるＹ方向に（すなわち側面３ａに）各々接続されている。言い換えると、Ｙ方向における各変調領域４２の一端は、ＰＣＳＥＬ領域３の側面３ａと光学的に結合している。一例では、複数の変調領域４２それぞれとＰＣＳＥＬ領域３とはＹ方向において互いに隣接している。各変調領域４２は、ＰＣＳＥＬ領域３からＹ方向に出力されるレーザ光を減衰することにより、レーザ光の強度を個別に調整し、調整後のレーザ光を回折領域５２に提供する。各ピクセル２１に対応するｎ個の変調領域４２は、変調領域群４１を構成する。図において、変調領域群４１は太い実線により区画して示されている。各変調領域群４１は、各ピクセル２１と一対一で対応する。各変調領域群４１のＸ方向における幅は、上述したサイズＬと等しく、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長よりも小さい。ＰＣＳＥＬ領域３から出力されたレーザ光は、各変調領域４２に入力される。ＰＣＳＥＬ領域３から複数の変調領域４２に入力されるレーザ光の位相は、互いに揃っている。変調領域４２は、電極４３を有する。変調領域４２は、電極４３に印加される電圧に応じて、レーザ光の強度調整量を変調領域４２毎に個別に制御する。
複数の回折領域５２は、Ｙ方向に沿ってそれぞれ延在する。各回折領域５２の平面形状は、Ｙ方向を長手方向とする長方形である。複数の回折領域５２は、Ｘ方向に沿って並んで配置され、互いに隣接している。各回折領域５２は、対応する変調領域４２と一対一で対応している。各回折領域５２は、Ｙ方向において、対応する変調領域４２に接続されている。言い換えると、Ｙ方向における各回折領域５２の一端は、変調領域４２の他端と光学的に結合している。一例では、各回折領域５２と各変調領域４２とはＹ方向において互いに隣接している。各回折領域５２は、変調領域４２から受けたレーザ光を、Ｘ方向及びＹ方向の双方と交差する（例えば直交する）Ｚ方向に偏向する。各ピクセル２１に対応するｎ個の回折領域５２は、回折領域群５１を構成する。図において、回折領域群５１は太い実線（ピクセル２１を区画する実線と共通）により区画して示されている。各回折領域群５１は、各ピクセル２１と一対一で対応する。各回折領域群５１のＸ方向における幅は、上述したサイズＬと等しく、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長よりも小さい。
図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図であって、光源モジュール１ＡのＹ方向に沿った側断面を示す。図２に示すように、光源モジュール１Ａは、基板１０を備える。基板１０は、平坦且つ互いに平行な主面１０ａ及び裏面１０ｂを有する。基板１０は、半導体のエピタキシャル成長のために好適な基板であって、例えば半導体基板である。主面１０ａは、領域１０ａａ（第１の領域）、領域１０ａｂ（第２の領域）、及び領域１０ａｃ（第３の領域）を含む。領域１０ａａ及び領域１０ａｂは、Ｙ方向に並んでいる。領域１０ａｃは、領域１０ａａとの間に領域１０ａｂを挟む位置に設けられ、領域１０ａａ、領域１０ａｂ及び領域１０ａｃはＹ方向においてこの順に並んでいる。
ＰＣＳＥＬ領域３は、領域１０ａａ上に設けられた半導体積層構造３０を有する。半導体積層構造３０は、領域１０ａａ上に設けられた下部クラッド層３４と、下部クラッド層３４上に設けられた活性層３５と、活性層３５上に設けられた上部クラッド層３６と、上部クラッド層３６上に設けられたコンタクト層３７とを含む。活性層３５の屈折率は下部クラッド層３４及び上部クラッド層３６の屈折率より大きく、活性層３５のバンドギャップは下部クラッド層３４及び上部クラッド層３６のバンドギャップより小さい。コンタクト層３７上には、電極３３が設けられている。電極３３は、コンタクト層３７とオーミック接触を成す。基板１０の裏面１０ｂ上には、裏面電極３９が設けられている。裏面電極３９は、基板１０とオーミック接触を成す。
半導体積層構造３０は、フォトニック結晶層３８を更に含む。フォトニック結晶層３８は、下部クラッド層３４と活性層３５との間、または活性層３５と上部クラッド層３６との間に設けられている。図示例では、フォトニック結晶層３８は活性層３５と上部クラッド層３６との間に設けられている。フォトニック結晶層３８は、二次元の回折格子を有する。例えば、フォトニック結晶層３８は、基本層３８ａと、基本層３８ａの内部に設けられた複数の異屈折率領域３８ｂとを有する。異屈折率領域３８ｂの屈折率は、基本層３８ａの屈折率と異なる。複数の異屈折率領域３８ｂは、基本層３８ａ内においてＸ方向及びＹ方向に一定の周期で配置されている。複数の異屈折率領域３８ｂは、空孔であってもよく、基本層３８ａと異なる屈折率を有する半導体が埋め込まれることにより構成されてもよい。
複数の異屈折率領域３８ｂは、活性層３５の発光波長に対してＭ点発振の条件を満たす配置及び間隔を有する。ここで、図３は、実空間（ａ），（ｂ）及び逆格子空間（ｃ），（ｄ）におけるΓ点及びＭ点を説明するための図である。同図中の円は、上述の異屈折率領域３８ｂを示している。
図３の（ａ）部は、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した実空間において、異屈折率領域３８ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示す。正方格子の格子間隔はａであり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣接する異屈折率領域３８ｂの重心間隔もａである。フォトニック結晶層３８におけるΓ点での発光は、発光波長をλ、出力光のフォトニック結晶層３８における実効屈折率をｎとすると、λ／ｎがａに一致した場合に生じる。このときＺ軸方向にレーザ光が出射される。図３の（ｃ）部は、図３の（ａ）部の格子の逆格子を示しており、縦方向（Γ－Ｙ）又は横方向（Γ－Ｘ）に沿って隣接する異屈折率領域３８ｂ間の間隔は２π／ａであるが、２π／ａは２ｎeπ／λに一致している（ｎeはフォトニック結晶層３８の実効屈折率）。
図３の（ｂ）部は、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した実空間において、異屈折率領域３８ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示し、正方格子の格子間隔はａ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣接する異屈折率領域３８ｂの重心間隔は√２・ａであり、発光波長λを実効屈折率ｎで割った値λ／ｎはａの√２倍（λ／ｎ＝ａ×２0.5）である。この場合、フォトニック結晶層３８においては、Ｍ点での発光が生じる。このときＸ軸方向およびＹ軸方向にレーザ光が出射され、Ｚ軸方向にレーザ光は出射されない。図３の（ｄ）部は、図３の（ｂ）部の格子の逆格子を示しており、Γ－Ｍ方向に沿って隣接する異屈折率領域３８ｂ間の間隔は（２0.5π）／ａであり、２ｎeπ／λに一致している（ｎeはフォトニック結晶層３８の実効屈折率）。なお、図３における白抜きの矢印は、光の波の進行方向を示している。
なお、上記の例では異屈折率領域３８ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示したが、異屈折率領域３８ｂは、他の格子（例えば三角格子）の格子枠の開口中心に位置してもよい。
再び図２を参照する。各変調領域４２は、領域１０ａｂ上に設けられた半導体積層構造４０を有する。半導体積層構造４０は、領域１０ａｂ上に設けられた下部クラッド層４４と、下部クラッド層４４上に設けられた光吸収層４５と、光吸収層４５上に設けられた上部クラッド層４６と、上部クラッド層４６上に設けられたコンタクト層４７とを含む。光吸収層４５は、ＰＣＳＥＬ領域３の活性層３５と同じ高さ位置に互いに隣り合って設けられ、活性層３５と光学的に結合されている。光吸収層４５の屈折率は下部クラッド層４４及び上部クラッド層４６の屈折率より大きく、光吸収層４５のバンドギャップは下部クラッド層４４及び上部クラッド層４６のバンドギャップより小さい。また、半導体積層構造４０は、半導体層４８を更に含む。半導体層４８は、下部クラッド層４４と光吸収層４５との間、または光吸収層４５と上部クラッド層４６との間に設けられている。図示例では、半導体層４８は光吸収層４５と上部クラッド層４６との間に設けられている。コンタクト層４７上には、電極４３が設けられている。電極４３は、コンタクト層４７とオーミック接触を成す。基板１０の裏面１０ｂ上には、裏面電極４９が設けられている。裏面電極４９は、基板１０とオーミック接触を成す。
半導体積層構造３０と半導体積層構造４０との間には、高抵抗領域（または絶縁領域）７１が設けられている。高抵抗領域７１は、半導体積層構造３０，４０（但し、後述する高抵抗領域７２を除く）よりも高抵抗の領域であって、Ｘ方向におけるＰＣＳＥＬ領域３の全幅にわたって延在するとともに、半導体積層構造３０，４０の表面（すなわちコンタクト層３７，４７の表面）から下部クラッド層３４，４４に達している。Ｙ方向における高抵抗領域７１の幅は、例えば１μｍ以上１００μｍ以下である。これは、活性層３５と光吸収層４５との光結合を妨げることなく、半導体積層構造３０，４０の電気的な分離を可能とする幅である。
なお、図２に示した高抵抗領域７１は、活性層３５及び光吸収層４５を貫通して下部クラッド層３４，４４に達しているが、図４に示すように、高抵抗領域７１は活性層３５及び光吸収層４５に達していなくてもよい。その場合、高抵抗領域７１の最下端は上部クラッド層３６，４６（またはフォトニック結晶層３８及び半導体層４８）内に位置し、厚み方向における上部クラッド層３６，４６の各一部並びにフォトニック結晶層３８及び半導体層４８の全部、または厚み方向におけるフォトニック結晶層３８及び半導体層４８の各一部が、互いに接してＹ方向に連続する。
図５は、図１に示すＶ－Ｖ線に沿った断面図であって、複数の変調領域４２のＸ方向に沿った側断面を示す。図５に示すように、互いに隣り合う変調領域４２間において、光吸収層４５、半導体層４８、上部クラッド層４６及びコンタクト層４７は、電気的に分離されている。具体的には、半導体積層構造４０は、複数の変調領域４２と交互に設けられた高抵抗領域７２を含む。高抵抗領域７２は、半導体積層構造４０の他の半導体層よりも高抵抗の領域であって、Ｙ方向における変調領域４２の全長にわたって延在するとともに、半導体積層構造４０の表面（すなわちコンタクト層４７の表面）から下部クラッド層４４に達している。また、隣接する変調領域４２同士において互いに干渉してスーパーモードを形成し得るように、変調領域４２同士の間隔（すなわちＸ方向における高抵抗領域７２の幅）はレーザ光の波長程度となっている。この場合、複数の変調領域４２間でレーザ光の位相が揃った状態をより高い精度で維持することができる。また、隣接する変調領域４２間で光が漏れ出しやすいように、高抵抗領域７２は各層４４～４８よりも高い屈折率を有するか、または各層４４～４８と同一の屈折率を有する。
再び図２を参照する。各回折領域５２は、半導体積層構造５０を有する。半導体積層構造５０は、領域１０ａｃ上に設けられた下部クラッド層５４と、下部クラッド層５４上に設けられた光導波層５５と、光導波層５５上に設けられた上部クラッド層５６と、上部クラッド層５６上に設けられた半導体層５７とを含む。光導波層５５は、変調領域４２の光吸収層４５と同じ高さ位置に互いに隣り合って設けられ、光吸収層４５と光学的に結合されている。光導波層５５の屈折率は下部クラッド層５４及び上部クラッド層５６の屈折率より大きく、光導波層５５のバンドギャップは下部クラッド層５４及び上部クラッド層５６のバンドギャップより小さい。また、半導体積層構造５０は、回折格子層５８を更に含む。回折格子層５８は、一次元又は二次元の回折格子を内部に有する。例えば、回折格子層５８は、基本層５８ａ及び複数の異屈折率領域５８ｂを含む。複数の異屈折率領域５８ｂは、基本層５８ａ内において一定の周期で配置され、基本層５８ａとは異なる屈折率を有する。複数の異屈折率領域５８ｂは、空孔であってもよく、基本層５８ａと異なる屈折率を有する半導体が埋め込まれることにより構成されてもよい。回折格子層５８は、下部クラッド層５４と光導波層５５との間、または光導波層５５と上部クラッド層５６との間に設けられる。図示例では、回折格子層５８は光導波層５５と上部クラッド層５６との間に設けられている。半導体層５７上には、反射防止膜５３が設けられている。基板１０の裏面１０ｂ上には、反射ミラー５９が設けられている。
図６の（ａ）部及び（ｂ）部は、回折格子層５８における回折格子の形状の例を示す平面図である。図６の（ａ）部は、異屈折率領域５８ｂがＹ方向に一定の周期Ｔで配列された一次元的な回折格子を示す。また、図６の（ｂ）部は、異屈折率領域５８ｂがＸ方向及びＹ方向に一定の周期Ｔで配列された二次元的な回折格子（Γ点発振型のフォトニック結晶）を示す。これらの例において、回折格子の周期Ｔは、例えば、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長と等しい。なお、図６の（ｂ）部には、異屈折率領域５８ｂの平面形状を正三角形とする場合を例示しているが、異屈折率領域５８ｂの平面形状はこれに限られず、例えば円形、正方形、長方形等であってもよい。また、異屈折率領域５８ｂの平面形状は、例えば図６の（ｂ）部に示すように、Ｙ方向に折り返し非対称な形状であってもよい。この場合、垂直方向への消失性干渉が生じにくいので、垂直方向への結合を強くすることが容易になる。
図７は、図１に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図であって、複数の回折領域５２のＸ方向に沿った側断面を示す。図７に示すように、互いに隣り合う回折領域５２間において、回折格子層５８、上部クラッド層５６及び半導体層５７はスリット５０ａにより分割されている。すなわち、半導体積層構造５０は、Ｘ方向において複数の回折領域５２と交互に設けられたスリット５０ａを含む。スリット５０ａは、半導体積層構造５０に形成された溝であって、Ｙ方向における回折領域５２の全長にわたって延在するとともに、半導体積層構造５０の表面（すなわち半導体層５７の表面）から回折格子層５８に達している。Ｘ方向におけるスリット５０ａの幅は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。これは、複数の回折領域５２同士の光学的な分離を可能とする幅である。
下部クラッド層３４、４４、及び５４は、共通の半導体層により構成されてもよい。換言すると、下部クラッド層３４、４４、及び５４は、それぞれ同じ厚さ及び組成を有してもよい。活性層３５、光吸収層４５、及び光導波層５５は、共通の半導体層により構成されてもよい。換言すると、活性層３５、光吸収層４５、及び光導波層５５は、それぞれ同じ厚さ、層構造及び組成を有してもよい。上部クラッド層３６、４６、及び５６は、共通の半導体層により構成されてもよい。換言すると、上部クラッド層３６、４６、及び５６は、それぞれ同じ厚さ及び組成を有してもよい。コンタクト層３７、４７、及び半導体層５７は、共通の半導体層により構成されてもよい。換言すると、コンタクト層３７、４７、及び半導体層５７は、それぞれ同じ厚さ及び組成を有してもよい。フォトニック結晶層３８の基本層３８ａ、半導体層４８、及び回折格子層５８の基本層５８ａは、共通の半導体層により構成されてもよい。換言すると、基本層３８ａ、半導体層４８、及び基本層５８ａは、それぞれ同じ厚さ及び組成を有してもよい。裏面電極３９、４９、及び反射ミラー５９は、共通の金属膜により構成されてもよい。換言すると、裏面電極３９、４９、及び反射ミラー５９は、それぞれ同じ厚さ、層構造及び構成材料を有してもよい。なお、必要に応じて、反射ミラー５９は省かれてもよい。電極３３及び４３は、それぞれ同じ厚さ、層構造及び構成材料を有してもよい。
基板１０、並びに下部クラッド層３４、４４、及び５４は、第１導電型（例えばｎ型）を有する。上部クラッド層３６、４６、及び５６、並びにコンタクト層３７、４７、及び半導体層５７は、第２導電型（例えばｐ型）を有する。光源モジュール１Ａの具体的な実施例を以下に示す。
基板１０：ｎ型ＧａＡｓ基板
下部クラッド層３４、４４、及び５４：ｎ型ＡｌＧａＡｓ（屈折率３．３９、厚さ０．５μｍ以上５μｍ以下）
活性層３５、光吸収層４５、及び光導波層５５：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ層厚さ１０ｎｍ、ＡｌＧａＡｓ層厚さ１０ｎｍ、３周期）
上部クラッド層３６、４６、及び５６：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（屈折率３．３９、厚さ０．５μｍ以上５μｍ以下）
コンタクト層３７、４７、及び半導体層５７：ｐ型ＧａＡｓ（厚さ０．０５μｍ以上１μｍ以下）
基本層３８ａ、半導体層４８、及び基本層５８ａ：ｉ型ＧａＡｓ（厚さ０．１μｍ以上２μｍ以下）
裏面電極３９、４９、及び反射ミラー５９：ＧｅＡｕ／Ａｕ
電極３３及び４３：Ｃｒ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｕ
反射防止膜５３：例えばＳｉＮなどのシリコン化合物膜（厚さ０．１μｍ以上０．５μｍ以下）
ここで、光源モジュール１Ａを作製する方法の例について説明する。まず、基板１０の主面１０ａ上に、半導体積層構造３０、４０、及び５０を形成する。具体的には、有機金属気相成長法（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）を用いて、まず下部クラッド層３４、４４、及び５４をエピタキシャル成長させる。次に、ＭＯＣＶＤを用いて、活性層３５、光吸収層４５、及び光導波層５５をエピタキシャル成長させる。続いて、ＭＯＣＶＤを用いて、フォトニック結晶層３８の基本層３８ａ、半導体層４８、及び回折格子層５８の基本層５８ａをエピタキシャル成長させる。
続いて、電子線リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成する。このレジストマスクは、Ｍ点発振の条件を満たす異屈折率領域３８ｂの位置に対応する開口をフォトニック結晶層３８の基本層３８ａ上に有し、一次元回折格子或いは二次元回折格子に対応する開口を回折格子層５８の基本層５８ａ上に有する。そして、このレジストマスクを介してドライエッチング（例えば誘導結合プラズマエッチング）を基本層３８ａ及び５８ａに施すことにより、Ｍ点発振の条件を満たす複数の異屈折率領域３８ｂとしての凹部を基本層３８ａに形成するとともに、一次元回折格子または二次元回折格子のパターンを有する異屈折率領域５８ｂとしての凹部を基本層５８ａに形成する。その後、ＭＯＣＶＤを用いて、上部クラッド層３６、４６、及び５６を成長させる。次いで、ＭＯＣＶＤを用いて、コンタクト層３７、４７、及び半導体層５７を成長させる。なお、上部クラッド層３６、４６、及び５６を形成する前に、基本層３８ａ，５８ａの凹部を、基本層３８ａ，５８ａと屈折率が異なる半導体により埋め込んで異屈折率領域３８ｂ，５８ｂとしてもよい。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、高抵抗領域７１，７２に対応する開口を有するレジストマスクを形成する。そして、このレジストマスクを介してイオン注入（例えば酸化イオン注入）を行うことにより、高抵抗領域７１，７２を形成する。なお、高抵抗領域７１，７２の形成に際しては、上記の方法に代えて、レジストマスクを介してドライエッチングを行うことによりスリット（溝）を形成し、該スリットを高抵抗の半導体再成長により埋め込んでもよい。
続いて、プラズマＣＶＤ法を用いて反射防止膜５３の材料からなる表面保護膜を半導体積層構造３０、４０、及び５０の全面に成膜する。その上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、スリット５０ａに対応する開口を有するレジストマスクを形成する。そして、このレジストマスクを介してドライエッチングを表面保護膜及び半導体積層構造５０に施すことにより、スリット５０ａを形成する。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、電極３３及び４３に対応する開口を有するレジストマスクを形成する。そして、このレジストマスクを介してウェットエッチングまたはドライエッチングを施すことにより、電極３３及び４３に対応する開口を表面保護膜に形成する。表面保護膜がシリコン化合物膜である場合、ウェットエッチングのエッチャントとしては例えばバッファードフッ酸が用いられ得る。また、ドライエッチングのエッチングガスとしては例えばＣＦ4ガスが用いられ得る。
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、電極３３及び４３に対応する開口を有するレジストマスクを再び形成する。そして、真空蒸着法により電極３３及び４３の材料を堆積したのち、リフトオフ法により電極３３及び４３以外の堆積部分を除去する。続いて、真空蒸着法により基板１０の裏面１０ｂ上に裏面電極３９、４９、及び反射ミラー５９の材料を堆積する。最後に、アニールを行い、電極３３及び４３並びに裏面電極３９及び４９を合金化する。以上の工程を経て、本実施形態の光源モジュール１Ａが作製される。
以上に説明した、本実施形態による光源モジュール１Ａによって得られる作用効果について説明する。ＰＣＳＥＬ領域３の電極３３と裏面電極３９との間に順バイアス電流が供給されると、下部クラッド層３４と上部クラッド層３６との間にキャリアが集まり、活性層３５において光が効率的に発生する。この光は、フォトニック結晶層３８に入力され、フォトニック結晶層３８においてＭ点発振を行う。すなわち、ＸＹ面内においてレーザ発振が生じ、Ｚ方向にはレーザ光は回折されず、出力されない。従って、変調領域４２が接続されたＹ方向にレーザ光を効率よく伝搬させることができる。このとき、複数の変調領域４２のそれぞれに入射するレーザ光の位相は互いに揃っている。
変調領域４２の電極４３と裏面電極４９との間には逆バイアス電圧が印加され、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect：ＱＣＳＥ）により、光吸収層４５においてレーザ光が吸収される。変調領域４２においては、逆バイアス電圧の大きさを制御して、レーザ光の吸収量（減衰率）を調整することにより、レーザ光の強度を所望の大きさに調整する。電極４３が各変調領域４２毎に独立して設けられているので、このような強度調整を、各変調領域４２において個別に行うことができる。
強度調整されたレーザ光は、複数の変調領域４２それぞれから、複数の回折領域５２それぞれに入力される。レーザ光は、下部クラッド層５４と上部クラッド層５６との間に閉じ込められつつ回折格子層５８に達する。回折格子層５８では、基板１０の主面１０ａに沿った方向において複数の異屈折率領域５８ｂの配置に応じた共振モードが形成される。複数の回折領域５２それぞれにおいて、レーザ光は、波数（位相）が揃った状態で、基板１０の主面１０ａと交差する方向（Ｚ方向）に進む。このレーザ光は、そのまま回折領域５２の上面から光源モジュール１Ａの外部へ出力されるか、または、反射ミラー５９において反射したのち回折領域５２の上面から光源モジュール１Ａの外部へ出力される。
ここで、図１５は、非特許文献１に記載された技術を説明するための図である。図１５の（ａ）部～（ｄ）部には、一方向に並ぶ４つのサブピクセル１０２からなるピクセル１０１が示されており、各サブピクセル１０２の反射率がハッチングの粗密により表現されている。ここでは、ハッチングが粗いほど反射率が大きい（すなわち反射光の光強度が大きい）ものとする。この場合、４つのサブピクセル１０２を纏めて、等価的に単一の位相を有する一つの画素と見なすことができる。そして、４つのサブピクセル１０２からの反射光の位相が互いに揃っている場合、ピクセル１０１から出力される光の位相は、４つのサブピクセル１０２の強度分布によって定まる。例えば、４つのサブピクセル１０２が左から０°、９０°、１８０°、及び２７０°の各位相に対応しているとする。この場合、図１５の（ａ）部に示すように、１８０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、０°及び９０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図１５の（ｅ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを０°と９０°との間の任意の値に制御することができる。また、図１５の（ｂ）部に示すように、９０°及び１８０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図１５の（ｆ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを２７０°と０°（３６０°）との間の任意の値に制御することができる。また、図１５の（ｃ）部に示すように、０°及び９０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、１８０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図１５の（ｇ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを１８０°と２７０°との間の任意の値に制御することができる。また、図１５の（ｄ）部に示すように、０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、９０°及び１８０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図１５の（ｈ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを９０°と１８０°との間の任意の値に制御することができる。
図１６は、非特許文献２に記載された技術を説明するための図である。図１６の（ａ）部には、一方向に並ぶ３つのサブピクセル２０２からなるピクセル２０１が示されており、各サブピクセル２０２の反射率がハッチングの粗密により表現されている。非特許文献２には、３つのサブピクセル２０２からの反射光の位相が互いに揃っている場合、ピクセル２０１から出力される光の位相は、３つのサブピクセル２０２の強度分布によって定まることが述べられている。例えば、３つのサブピクセル２０２が左から０°、１２０°、及び２４０°の各位相に対応しているとする。この場合、例えば、図１６の（ｂ）部に示すように、１２０°に対応するサブピクセル２０２から反射光を出力せず、０°及び２４０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル２０２の反射光の強度比を制御することにより、ピクセル２０１から出力される光の位相θを２４０°と０°（３６０°）の間の任意の値に制御することができる。なお、３つのサブピクセル２０２のうち１つの強度は、必ず０となる。
但し、図１５及び図１６に示された方式では、サブピクセル１０２，２０２の光反射率は制御不能な固定値であるため、ピクセル１０１，２０１の出力位相を動的に制御することができない。これに対し、本実施形態の光源モジュール１Ａでは、各ピクセル２１に含まれるｎ個の回折領域５２から出力するレーザ光の強度を、回折領域５２毎に独立して制御することができる。また、各ピクセル２１が、Ｘ方向に沿って配列されたｎ個の回折領域５２を含む。ＰＣＳＥＬ領域３からｎ個の回折領域５２に提供されるレーザ光の位相はｎ個の回折領域５２間において互いに揃っているので、各ピクセル２１から出力されるレーザ光の位相は、ｎ個の変調領域４２により実現される当該ピクセル２１内の強度分布によって定まる。従って、本実施形態の光源モジュール１Ａによれば、光の位相分布を動的に制御することができる。例えば、ｎが３以上である場合、光の位相分布を０°～３６０°の範囲で動的に制御することができる。
本実施形態のように、Ｘ方向における各ピクセル２１のサイズは、レーザ光の波長λよりも小さくてもよい。例えばこのような条件を満たす場合、ｎ個の回折領域５２を纏めて等価的に単一の位相を有する画素と見なしてよい。従って、ｎ個の変調領域４２により実現される当該ピクセル２１内の強度分布を制御することによって、光の位相分布を動的に制御することができる。
本実施形態のように、複数の変調領域４２は、光吸収層４５を含む半導体積層構造４０を有してもよい。この場合、レーザ光の強度を好適に調整することができる。
本実施形態のように、光源モジュール１Ａは、主面１０ａを有する基板１０を備え、主面１０ａは、第１の領域１０ａａ、第２の領域１０ａｂ、及び第３の領域１０ａｃを含み、ＰＣＳＥＬ領域３は第１の領域１０ａａ上に設けられ、複数の変調領域４２は第２の領域１０ａｂ上に設けられ、複数の回折領域５２は第３の領域１０ａｃ上に設けられてもよい。この場合、半導体素子を用いて発光部、強度調整部及び光回折部を構成したときに、強度調整後のレーザ光を基板１０の主面１０ａと交差する方向に出力することができる。故に、複数のピクセル２１を容易に集積化することが可能であり、複数のピクセル２１の配列の自由度を高めることができる。
本実施形態のように、半導体積層構造５０は、複数の回折領域５２と交互に形成されたスリット５０ａを有してもよい。例えばこのような構成により、光導波層５５及び上部クラッド層５６を、複数の回折領域５２に容易に分割することができる。
本実施形態のように、半導体積層構造４０は、複数の変調領域４２と交互に設けられた高抵抗領域７２を含んでもよい。例えばこのような構成により、複数の変調領域４２を相互に電気的に分離し、複数の変調領域４２それぞれにおいてレーザ光の強度調整量を個別に制御することができる。
（第１変形例）
図８は、上記実施形態の第１変形例に係る光源モジュール１Ｂを示す平面図である。光源モジュール１Ｂは、変調領域４２の配列方向（Ｘ方向）における変調領域群４１の幅がサイズＬより大きく、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長λよりも大きい点、及び縮小光学系８を備える点で上記実施形態と相違し、他の点において上記実施形態と一致する。縮小光学系８はＹ方向において複数の変調領域４２と複数の回折領域５２との間に設けられ、Ｙ方向における縮小光学系８の一端は複数の変調領域４２と光学的に結合され、他端は複数の回折領域５２と光学的に結合されている。縮小光学系８は、複数の変調領域４２それぞれから出力されたレーザ光を複数の回折領域５２それぞれへ導波する。
より詳細には、縮小光学系８は、複数のピクセル２１にそれぞれ対応する複数の部分８３を含む。図において、複数の部分８３は太い実線により区画して示されている。各部分８３の平面形状は、Ｙ方向を高さ方向とする台形である。複数の部分８３は、Ｘ方向に並んで配置され、互いに隣接している。各部分８３の一端は、各変調領域群４１と一対一で対応しており、各変調領域群４１と光学的に結合されている。一例では、縮小光学系８の各部分８３と各変調領域群４１とはＹ方向において互いに隣接している。また、各部分８３の他端は、各回折領域群５１（各ピクセル２１）と一対一で対応しており、各回折領域群５１（各ピクセル２１）と光学的に結合されている。一例では、縮小光学系８の各部分８３と各回折領域群５１とはＹ方向において互いに隣接している。更に、各部分８３は、Ｘ方向において、ｎ個の単位部分８４に分割されている。各単位部分８４は、各回折領域５２と一対一で対応している。ｎ個の単位部分８４は、Ｘ方向に並んで配置され、互いに隣接している。各部分８３の一端において、単位部分８４の配列方向（Ｘ方向）における各部分８３の幅は、変調領域群４１の幅と等しい。また、各部分８３の他端において、単位部分８４の配列方向（Ｘ方向）における各部分８３の幅は、回折領域群５１の幅（すなわちサイズＬ）と等しい。すなわち、各単位部分８４の幅は、一端側から他端側に向けて次第に縮小している。
本変形例においても、回折領域５２の配列方向（Ｘ方向）における各ピクセル２１のサイズＬがレーザ光の波長よりも小さく、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。更に、縮小光学系８が設けられることによって、変調領域４２の配列方向（Ｘ方向）における変調領域群４１の幅を、レーザ光の波長λよりも大きくすることができる。故に、複数の変調領域４２の作製を容易にできる。また、回折領域５２の配列方向（Ｘ方向）における回折領域群５１の幅を、レーザ光の波長λよりも小さくすることが容易にできる。この場合、後述する縮小光学系８０（図９参照）を設ける必要がなく、光源モジュールの簡略化及び小型化が可能となる。
（第２変形例）
図９は、上記実施形態の第２変形例に係る光源モジュール１Ｃを示す断面図であって、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面に対応する断面を示す。本変形例では、上記実施形態と異なり、各ピクセル２１のサイズＬが、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長λより大きい。そして、Ｘ方向における変調領域群４１及び回折領域群５１（図１を参照）の幅が、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長λよりも大きい。また、本変形例の光源モジュール１Ｂは、上記実施形態の構成に加えて、複数の回折領域５２と光学的に結合された縮小光学系８０を更に備える。縮小光学系８０は、入射側の像を出射側に結像させ、且つ出射側での像のサイズが入射側よりも小さくなるような光学系であって、例えば一対のレンズ８１，８２を含む。一対のレンズ８１，８２は、回折領域５２から出力されるレーザ光の光軸に沿った方向に並んで配置されており、レンズ８１，８２間の距離は、レンズ８１，８２の焦点距離の和に等しい。従って、レンズ８１，８２の間においてレーザ光は一旦収束したのち発散し、縮小された状態でレンズ８２から出力される。
本変形例では、縮小光学系８０を通過した後の或る位置（例えば縮小光学系８０を通過した直後）において、回折領域５２の配列方向における各ピクセル２１からの光束の幅が、ＰＣＳＥＬ領域３から出力されるレーザ光の波長λよりも小さくなるように、縮小光学系８０の縮小率が設定されている。例えば本変形例のような構成であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、この場合、各ピクセル２１のサイズＬをレーザ光の波長λより大きくすることが可能となる。従って、Ｘ方向における変調領域群４１及び回折領域群５１の幅を、導波モードが十分に形成される程度に大きくすることが可能となり、具体的な構造の選択肢が広がるという利点がある。
（第３変形例）
図１０は、上記実施形態の第３変形例に係る光源モジュール１Ｄを示す平面図である。光源モジュール１Ｄでは、変調領域及び回折領域の構成が上記実施形態と相違する。それ以外の構成に関しては、上記実施形態と同様である。具体的には、各ピクセル２１において、ｎ個の回折領域５２が互いに空間をあけて分離されており、ｎ個の回折領域５２の配列方向（Ｘ方向）における配列ピッチ（中心間隔）Ｌａが、レーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（但しｍはｎの倍数を除く自然数）となっている。ｎ個の回折領域５２に対応するｎ個の変調領域４２Ａもまた、互いに空間をあけて分離されており、ｎ個の変調領域４２ＡのＸ方向における配列ピッチが、レーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍となっている。この場合、ｎは３以上であってもよく、一例ではｎ＝３、ｍ＝４である。
また、本変形例では、変調領域４２ＡがＰＣＳＥＬ構造を有する点で上記実施形態と相違する。図１１は、図１０に示されるＸＩ－ＸＩ線に沿った断面図であって、本変形例の光源モジュール１ＤのＹ方向に沿った側断面を示す。図１１に示すように、変調領域４２Ａは、半導体積層構造４０Ａを有する。半導体積層構造４０Ａは、領域１０ａｂ上に設けられた下部クラッド層４４と、下部クラッド層４４上に設けられた活性層４５Ａと、活性層４５Ａ上に設けられた上部クラッド層４６と、上部クラッド層４６上に設けられたコンタクト層４７とを含む。活性層４５Ａは、ＰＣＳＥＬ領域３の活性層３５と同じ高さ位置に互いに隣り合って設けられ、活性層３５と光学的に結合されている。活性層４５Ａの発光波長は活性層３５の発光波長と等しい。すなわち、活性層４５Ａのバンドギャップは、活性層３５のバンドギャップと等しい。活性層４５Ａの屈折率は下部クラッド層４４及び上部クラッド層４６の屈折率より大きく、光吸収層４５のバンドギャップは下部クラッド層４４及び上部クラッド層４６のバンドギャップより小さい。コンタクト層４７上には、電極４３が設けられている。電極４３は、コンタクト層４７とオーミック接触を成す。基板１０の裏面１０ｂ上には、裏面電極４９が設けられている。裏面電極４９は、基板１０とオーミック接触を成す。なお、図２に示された高抵抗領域７１は、本変形例では設けられない。
半導体積層構造４０Ａは、フォトニック結晶層４８Ａを更に含む。フォトニック結晶層４８Ａは、下部クラッド層４４と活性層４５Ａとの間、または活性層４５Ａと上部クラッド層４６との間に設けられている。図示例では、フォトニック結晶層４８Ａは活性層４５Ａと上部クラッド層４６との間に設けられている。フォトニック結晶層４８Ａは、二次元の回折格子を有する。例えば、フォトニック結晶層４８Ａは、基本層４８ａと、基本層４８ａの内部に設けられた複数の異屈折率領域４８ｂとを有する。異屈折率領域４８ｂの屈折率は、基本層４８ａの屈折率と異なる。複数の異屈折率領域４８ｂは、基本層４８ａ内においてＸ方向及びＹ方向に一定の周期で配置されている。複数の異屈折率領域４８ｂは、空孔であってもよく、基本層４８ａと異なる屈折率を有する半導体が埋め込まれることにより構成されてもよい。複数の異屈折率領域４８ｂは、活性層４５Ａの発光波長に対してＭ点発振の条件を満たす配置及び間隔を有する。本実施形態では活性層４５Ａの発光波長は活性層３５の発光波長と等しいので、複数の異屈折率領域４８ｂは、フォトニック結晶層３８の複数の異屈折率領域３８ｂと同様の配置及び間隔を有する（図３を参照）。
変調領域４２Ａの電極４３と裏面電極４９との間には順バイアス電圧が印加される。このとき、下部クラッド層４４と上部クラッド層４６との間にキャリアが集まり、活性層４５Ａにおいて光が効率的に発生する。そして、活性層４５Ａからの光は、ＰＣＳＥＬ領域３からのレーザ光とともに、フォトニック結晶層４８Ａに入力され、フォトニック結晶層４８ＡにおいてＭ点発振が生じる。Ｍ点発振により生成されるレーザ光の光強度（すなわち変調領域４２Ａのゲイン）は、順バイアス電圧の大きさを制御することにより調整される。電極４３が各変調領域４２Ａ毎に独立して設けられているので、このような強度調整を、各変調領域４２Ａにおいて個別に行うことができる。
本変形例のように、ｎ個の回折領域５２の配列ピッチＬａがレーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍であってもよい。この場合においても、ｎ個の回折領域５２を纏めて、等価的に単一の位相を有する一つの画素と見なすことができる。従って、ｎ個の変調領域４２Ａにより実現される各ピクセル２１内の強度分布を制御することによって、光の位相分布を動的に制御することができる。また、ｎ個の回折領域５２の配列ピッチＬａを上記実施形態と比較してより大きくすることが可能になり、互いに隣り合う変調領域４２Ａ同士、及び互いに隣り合う回折領域５２同士のクロストークを低減できる。
なお、本変形例において、図９に示された縮小光学系８０を更に設けてもよい。その場合、縮小光学系８０を通過した後の或る位置（例えば縮小光学系８０を通過した直後）において、ｎ個の回折領域５２から出力されたレーザビーム同士の中心間隔がレーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍であればよい。これにより、上記と同様の作用効果を奏することができる。また、この場合、ｎ個の回折領域５２の配列ピッチＬａをより大きくすることが可能となる。
また、本変形例のように、複数の変調領域４２Ａ（強度調整部）は、ＰＣＳＥＬ領域３と同様に、Ｍ点発振を行うＰＣＳＥＬ構造を有してもよい。この場合であっても、上述した作用により、レーザ光の強度を好適に調整することができる。
（第４変形例）
図１２は、上記実施形態の第４変形例に係る光源モジュール１Ｅを示す平面図である。図１３は、図１２に示されたＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。本変形例の光源モジュール１Ｅは、上記実施形態のＰＣＳＥＬ領域３に代えて、ＰＣＳＥＬ領域３Ａを備える。ＰＣＳＥＬ領域３Ａは、本変形例における発光部の例である。ＰＣＳＥＬ領域３Ａは、ＰＣＳＥＬ領域３と同様のＰＣＳＥＬ構造を有し、同様の半導体積層構造３０を有する。ＰＣＳＥＬ領域３Ａは、第１の部分３０１と、第２の部分３０２と、第３の部分３０３とを有する。第１の部分３０１及び第２の部分３０２の平面形状は、Ｘ方向に沿って延在する形状であり、一例ではＸ方向を長手方向とする長方形状である。第１の部分３０１及び第２の部分３０２は、Ｙ方向に並んで配置されている。第１の部分３０１は、Ｘ方向に沿って延在する側面３０１ａを有する。第２の部分３０２は、Ｘ方向に沿って延在する側面３０２ａを有する。側面３０１ａ及び３０２ａの平面形状は、Ｘ方向に沿う直線状である。側面３０１ａと側面３０２ａとは、Ｙ方向において互いに対向する。一例では、側面３０１ａと側面３０２ａとは互いに平行である。
第３の部分３０３は、Ｙ方向に沿って延在するとともに、第１の部分３０１と第２の部分３０２とを相互に接続する。具体的には、Ｙ方向における第３の部分３０３の一端部は、Ｘ方向における第１の部分３０１の一端部と連結して一体とされ、Ｙ方向における第３の部分３０３の他端部は、Ｘ方向における第２の部分３０２の一端部と連結して一体とされている。結果的に、ＰＣＳＥＬ領域３Ａの平面形状はＵ字状となっている。ＰＣＳＥＬ領域３Ａの半導体積層構造３０は、基板１０の主面１０ａに含まれるＵ字状の領域１０ａａ上に設けられている。すなわち、本変形例の領域１０ａａは、第１の部分３０１が設けられる部分と、第２の部分３０２が設けられる部分と、第３の部分３０３が設けられる部分とを含む。
光源モジュール１Ｅは、複数の変調領域４２Ａを更に備える。変調領域４２Ａは、本変形例における強度調整部の例である。変調領域４２Ａは、第３変形例と同様の半導体積層構造４０Ａを有する。但し、本変形例では、複数の変調領域４２Ａのうちの一部である二以上の第１の変調領域４２Ａａが、ＰＣＳＥＬ領域３Ａの第１の部分３０１に対しＹ方向に各々接続され、側面３０１ａから第２の部分３０２に向けて延びている。二以上の第１の変調領域４２Ａａは、Ｘ方向に沿って並んで設けられ、且つ互いに離間している。第１の変調領域４２Ａａは、第１の部分３０１の側面３０１ａからＹ方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整する。
複数の変調領域４２Ａのうちの残部である二以上の第２の変調領域４２Ａｂは、ＰＣＳＥＬ領域３Ａの第２の部分３０２に対しＹ方向に各々接続され、側面３０２ａから第１の部分３０１に向けて延びている。二以上の第２の変調領域４２Ａｂは、Ｘ方向に沿って並んで設けられ、且つ互いに離間している。第２の変調領域４２Ａｂは、第２の部分３０２の側面３０２ａからＹ方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整する。本変形例においても、第１の変調領域４２ＡａのＸ方向における配列ピッチ、及び、第２の変調領域４２ＡｂのＸ方向における配列ピッチは、レーザ光の波長λの例えば４／３倍か、又は４／３倍より大きい。
複数の変調領域４２Ａの半導体積層構造４０Ａは、基板１０の主面１０ａに含まれる領域１０ａｂ上に設けられている。すなわち、本変形例の領域１０ａｂは、二以上の第１の変調領域４２Ａａがそれぞれ設けられる二以上の部分と、二以上の第２の変調領域４２Ａｂがそれぞれ設けられる二以上の部分とを含む。
光源モジュール１Ｅは、複数の回折領域５２を更に備える。回折領域５２は、本変形例における光回折部の例である。回折領域５２は、上記実施形態と同様の半導体積層構造５０を有する。但し、本変形例では、複数の回折領域５２のうちの一部である二以上の第１の回折領域５２ａが、二以上の第１の変調領域４２Ａａのそれぞれに対しＹ方向に各々接続され、各第１の変調領域４２Ａａの側面３０１ａとは反対側の一端から第２の部分３０２に向けて延びている。第１の回折領域５２ａは、対応する第１の変調領域４２Ａａから出力された強度調整後のレーザ光をＺ方向に偏向して出力する。複数の回折領域５２のうちの残部である二以上の第２の回折領域５２ｂは、二以上の第２の変調領域４２Ａｂのそれぞれに対しＹ方向に各々接続され、各第２の変調領域４２Ａｂの側面３０２ａとは反対側の一端から第１の部分３０１に向けて延びている。第２の回折領域５２ｂは、対応する第２の変調領域４２Ａｂから出力された強度調整後のレーザ光をＺ方向に偏向して出力する。第１の回折領域５２ａのＸ方向における配列ピッチ、及び、第２の回折領域５２ｂのＸ方向における配列ピッチは、レーザ光の波長λの例えば４／３倍か、又は４／３倍より大きい。
第１の部分３０１と第２の部分３０２との間の領域において、第１の回折領域５２ａと第２の回折領域５２ｂとは、Ｘ方向に沿って交互に並んで配置されている。そして、第１の回折領域５２ａ及び第２の回折領域５２ｂがそれぞれ１つづつ互いに隣接してペアを構成しており、該ペアは、本変形例のピクセル２１を構成する。すなわち、本変形例では、各ピクセル２１が、２個の回折領域５２を含んで構成されている（すなわちｎ＝２）。ピクセル２１はＸ方向に沿って配列され、その配列ピッチはレーザ光の波長λの例えば４／３倍か、又は４／３倍より大きい。また、Ｘ方向における各ピクセル２１のサイズは、レーザ光の波長λよりも小さい。或いは、各ピクセル２１における回折領域５２のピッチは、レーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（ｎは各ピクセル２１の光回折部の個数、ｍはｎの倍数を除く自然数）である。
複数の回折領域５２の半導体積層構造５０は、基板１０の主面１０ａに含まれる領域１０ａｃ上に設けられている。すなわち、本変形例の領域１０ａｃは、二以上の第１の回折領域５２ａがそれぞれ設けられる二以上の部分と、二以上の第２の回折領域５２ｂがそれぞれ設けられる二以上の部分とを含む。
本変形例によれば、変調領域４２Ａにより実現される各ピクセル２１内の強度分布を制御することによって、光の位相分布を０°～２４０°の範囲内で動的に制御することができる。また、本変形例では、ＰＣＳＥＬ領域３Ａの第１の部分３０１及び第２の部分３０２のそれぞれから、第１の部分３０１と第２の部分３０２との間の領域に、複数の変調領域４２Ａ及び複数の回折領域５２が交互に延びるので、回折領域５２の配列ピッチを小さくし、各ピクセル２１のサイズを小さくすることが容易にできる。
（第５変形例）
図１４は、第５変形例に係る光源モジュール１Ｆを示す平面図である。光源モジュール１Ｆは、第４変形例の光源モジュール１Ｅと同様に、Ｕ字型のＰＣＳＥＬ領域３Ａと、複数の変調領域４２Ａと、複数の回折領域５２とを備える。複数の変調領域４２Ａには、ＰＣＳＥＬ領域３Ａの第１の部分３０１から第２の部分３０２に向けて延びる二以上の第１の変調領域４２Ａａと、第２の部分３０２から第１の部分３０１に向けて延びる二以上の第２の変調領域４２Ａｂとが含まれる。複数の回折領域５２には、第１の変調領域４２Ａａにそれぞれ接続された二以上の第１の回折領域５２ａと、第２の変調領域４２Ａｂにそれぞれ接続された二以上の第２の回折領域５２ｂとが含まれる。第１の回折領域５２ａと第２の回折領域５２ｂとは、第１の部分３０１と第２の部分３０２との間の領域において、Ｘ方向に沿って交互に配列されている。
但し、本変形例では、第１の変調領域４２ＡａのＸ方向における配列ピッチ、及び、第２の変調領域４２ＡｂのＸ方向における配列ピッチが、レーザ光の波長λの２／３倍か、又は２／３倍より大きい。同様に、第１の回折領域５２ａのＸ方向における配列ピッチ、及び、第２の回折領域５２ｂのＸ方向における配列ピッチもまた、レーザ光の波長λの２／３倍か、又は２／３倍より大きい。また、変調領域４２Ａ及び回折領域５２の各配列ピッチは、第４変形例よりも小さい。故に、回折領域５２は密に配列され、３つの回折領域５２毎にピクセル２１を構成することができる（すなわちｎ＝３）。そして、Ｘ方向における各ピクセル２１のサイズは、レーザ光の波長λよりも小さい。或いは、各ピクセル２１における回折領域５２のピッチは、レーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（ｎは各ピクセル２１の光回折部の個数、ｍはｎの倍数を除く自然数）である。
本変形例によれば、変調領域４２Ａにより実現される各ピクセル２１内の強度分布を制御することによって、光の位相分布を０°～３６０°の範囲内で動的に制御することができる。また、第４変形例と同様に、ＰＣＳＥＬ領域３Ａの第１の部分３０１及び第２の部分３０２のそれぞれから、第１の部分３０１と第２の部分３０２との間の領域に、複数の変調領域４２Ａ及び複数の回折領域５２が交互に延びるので、回折領域５２の配列ピッチを小さくし、各ピクセル２１のサイズを小さくすることが容易にできる。
本開示による光源モジュールは、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、上記実施形態及び各変形例では、複数のピクセル２１が一次元状に配列された例を示したが、複数のピクセル２１は二次元状に配列されてもよい。その場合、例えば上記実施形態または各変形例に開示された光源モジュールを複数組み合わせてもよい。また、上記実施形態及び各変形例に関して、変調領域（強度調整部）は、逆バイアスの印加によって、ＰＣＳＥＬ領域（発光部）から伝搬した光の強度を吸収により変調してもよいし、順バイアスの印加によって、ＰＣＳＥＬ領域（発光部）から伝搬してきた光の強度をさらに増加させるように変調してもよい。前者の場合、ＰＣＳＥＬ領域（発光部）は光源として機能し、後者の場合、ＰＣＳＥＬ領域（発光部）は全体の位相同期部として機能する。特に、後者の場合には、変調領域（強度調整部）がＰＣＳＥＬ領域（発光部）を兼ねる構成も可能である。
１Ａ～１Ｆ…光源モジュール、３，３Ａ…ＰＣＳＥＬ領域（発光部）、３ａ…側面、８…縮小光学系、１０…基板、１０ａ…主面、１０ａａ…第１の領域、１０ａｂ…第２の領域、１０ａｃ…第３の領域、１０ｂ…裏面、２１…ピクセル、３０…半導体積層構造、３３…電極、３４…下部クラッド層、３５…活性層、３６…上部クラッド層、３７…コンタクト層、３８…フォトニック結晶層、３８ａ…基本層、３８ｂ…異屈折率領域、３９…裏面電極、４０，４０Ａ…半導体積層構造、４１…変調領域群、４２，４２Ａ…変調領域（強度調整部）、４２Ａａ…第１の変調領域、４２Ａｂ…第２の変調領域、４３…電極、４４…下部クラッド層、４５…光吸収層、４５Ａ…活性層、４６…上部クラッド層、４７…コンタクト層、４８…半導体層、４８Ａ…フォトニック結晶層、４８ａ…基本層、４８ｂ…異屈折率領域、４９…裏面電極、５０…半導体積層構造、５０ａ…スリット、５１…回折領域群、５２，５２ａ，５２ｂ…回折領域、５３…反射防止膜、５４…下部クラッド層、５５…光導波層、５６…上部クラッド層、５７…半導体層、５８…回折格子層、５８ａ…基本層、５８ｂ…異屈折率領域、５９…反射ミラー、７１，７２…高抵抗領域、８０…縮小光学系、８１，８２…レンズ、８３…部分、８４…単位部分、１０１，２０１…ピクセル、１０２，２０２…サブピクセル、３０１…第１の部分、３０１ａ…側面、３０２…第２の部分、３０２ａ…側面、３０３…第３の部分、Ｌａ…配列ピッチ。

Claims (7)

  1. 複数のピクセルを備える光源モジュールであって、
    Ｍ点発振を行うフォトニック結晶レーザ構造を有する発光部と、
    前記発光部に対し、前記フォトニック結晶レーザ構造の共振方向の１つである第１方向に各々接続され、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並んで設けられ、前記フォトニック結晶レーザ構造から前記第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整する複数の強度調整部と、
    前記複数の強度調整部のそれぞれに接続され、各強度調整部から出力された前記レーザ光を、前記第１方向及び前記第２方向の双方と交差する第３方向に出力する複数の光回折部と、
    を備え、
    各ピクセルは、前記第２方向に沿って配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の光回折部を含む、光源モジュール。
  2. 前記第２方向における各ピクセルのサイズが前記レーザ光の波長λよりも小さいか、又は、前記ｎ個の光回折部の配列ピッチが前記レーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（但しｍはｎの倍数を除く自然数）である、請求項１に記載の光源モジュール。
  3. 前記複数の光回折部と光学的に結合された縮小光学系を更に備え、
    前記縮小光学系を通過した後の或る位置において、前記第２方向における各ピクセルからの光束の幅が前記レーザ光の波長λよりも小さいか、又は、前記縮小光学系を通過した後の或る位置において、前記ｎ個の光回折部から出力されたレーザビーム同士の中心間隔が前記レーザ光の波長λの（ｍ／ｎ）倍（但しｍはｎの倍数を除く自然数）である、請求項１に記載の光源モジュール。
  4. 前記複数の強度調整部は、光吸収層を含む半導体積層構造を有する、請求項１又は２に記載の光源モジュール。
  5. 前記複数の強度調整部は、Ｍ点発振を行うフォトニック結晶レーザ構造を有する、請求項１又は２に記載の光源モジュール。
  6. 主面を有する基板を備え、
    前記主面は、第１の領域、第２の領域、及び第３の領域を含み、
    前記発光部は前記第１の領域上に設けられ、
    前記複数の強度調整部は前記第２の領域上に設けられ、
    前記複数の光回折部は前記第３の領域上に設けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載の光源モジュール。
  7. 前記発光部は、前記第２方向に沿って各々延在するとともに前記第１方向に並ぶ第１及び第２の部分と、前記第１方向に沿って延在するとともに前記第１の部分と前記第２の部分とを相互に接続する第３の部分とを有し、
    前記複数の強度調整部の一部である二以上の第１の前記強度調整部は、前記第１の部分に対し前記第１方向に各々接続され、前記第２方向に沿って並んで設けられ、前記第１の部分の前記フォトニック結晶レーザ構造から前記第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整し、
    前記複数の強度調整部の残部である二以上の第２の前記強度調整部は、前記第２の部分に対し前記第１方向に各々接続され、前記第２方向に沿って並んで設けられ、前記第２の部分の前記フォトニック結晶レーザ構造から前記第１方向に出力されるレーザ光の強度を個別に調整し、
    前記複数の光回折部の一部である二以上の第１の前記光回折部は、前記二以上の第１の強度調整部のそれぞれに接続され、
    前記複数の光回折部の残部である二以上の第２の前記光回折部は、前記二以上の第２の強度調整部のそれぞれに接続され、
    前記第１の部分と前記第２の部分との間の領域において、前記第１の光回折部と前記第２の光回折部とが前記第２方向に沿って交互に並んでいる、請求項１～６のいずれか１項に記載の光源モジュール。
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