JPWO2014175447A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

この半導体レーザ装置は、半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備えている。半導体レーザチップＬＤＣは、活性層４と、活性層４を挟む一対のクラッド層２，７と、活性層４に光学的に結合した回折格子層６とを備えている。空間光変調器ＳＬＭは、透明な共通電極２５と、透明な複数の画素電極２１と、共通電極２５と画素電極２１との間に配置された液晶層ＬＣとを備えている。回折格子層６の厚み方向に沿って出力されたレーザ光は、空間光変調器ＳＬＭにより変調され、これを透過して外部に出力される。

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。
特許文献１は、２次元的な周期構造を備えた面発光型レーザ素子を開示している。この面発光型レーザ素子は、フォトニック結晶層を備えている。同文献に開示されたフォトニック結晶層は、直交する２方向に周期的に孔を設けた構造を有している。非特許文献１は、周囲とは周期の異なる位相シフト領域を孔形成領域間に挿入した例を開示している。位相シフト領域を用いることにより、これを用いない場合とは異なったビームパターンを得ることができる。特に、円環状ビームは、光ピンセットなどに有効である。通常の単峰ビームでは、不透明物質の捕捉は困難であるが、円環状ビームは不透明物質の捕捉にも用いることが可能である（非特許文献２）。なお、特許文献２は、面発光型レーザ素子を用いたプロジェクターを開示している。なお、一般に、プロジェクターは、画素毎に選択的に光を透過／遮断することで、所望の画像を形成する装置であるが、画素毎に波面の位相を制御するものではない。
二次元的な広がりを有するレーザ光の微小領域毎の波面の位相を制御することができれば、微小領域毎の波面の重ね合わせにより、所望の画像を得ることができる。二次元的な広がりを有するレーザ光の近視野像をフーリエ変換したものがレーザの遠視野像であることを考慮すると、このような半導体レーザ装置は、種々の応用が期待される。ホログラムにフーリエ変換を行うと、再生像が得られることが知られており、このような装置は、ホログラム設計などにも利用することが期待される。また、フーリエ変換像は、検査装置における画像処理や、パターンマッチングなどにも用いられている。
特開２０００−３３２３５１号公報 特開２０１０−２１９３０７号公報
Eiji Miyai他、"Lasers producing tailored beams"、Nature誌441巻946頁（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）．
しかしながら、従来、波面制御すなわち微小領域毎の位相制御が可能な半導体レーザ装置は知られておらず、かかる半導体レーザ装置によって、波面を自由に重ね合わせ、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することはできなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる半導体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、本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備えた半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザチップは、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回折格子層と、を備え、前記空間光変調器は、透明な共通電極と、透明な複数の画素電極と、前記共通電極と前記画素電極との間に配置された液晶層と、を備え、前記回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光が入力されるように、前記半導体レーザチップに取り付けられ、前記レーザ光の微小領域毎の位相を、前記画素電極と前記共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を透過させて外部に出力することを特徴とする。
回折格子層から厚み方向に出力されたレーザ光は、画素電極或いは共通電極を介して液晶層に至る。液晶層の誘電率（屈折率）は、画素電極への印加電圧によって変化し、したがって、レーザ光に対する液晶層の光路長が変化し、位相が変化する。液晶層を透過したレーザ光の位相は画素電極毎に変調される。したがって、微小領域毎の波面制御を行うことができ、波面の重ね合わせにより、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
また、本半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップ上に配置され、所望のアドレスに位置する前記画素電極と前記共通電極との間に、選択的に前記駆動電圧を与える選択回路を更に備えることを特徴とする。選択回路を半導体レーザチップ上に設けることにより、大規模な外部配線群を設置することなく、空間光変調器を制御することができる。
また、前記半導体レーザチップは、前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、を備え、前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を偏向し、前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられていることを特徴とする。この場合、レーザ光生成領域と偏向領域を別々に設けることにより、それぞれの領域における特性を最適化することが可能である。
また、前記半導体レーザチップは、前記活性層の形成されたレーザ光生成領域を備え、前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域に位置しており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を出射し、前記空間光変調器は、前記レーザ光生成領域上に取り付けられている、ことを特徴とする。この場合、レーザ光生成領域上に空間光変調器を配置することで、装置を小型化することができる。
また、前記空間光変調器から遠い方に位置する一方のクラッド層と、前記回折格子層との間に位置する分布ブラッグ反射器を更に備え、前記回折格子層と前記分布ブラッグ反射器との間の光学的距離ｔ２は、２×ｔ２＝λ×Ｎ、または、λ×（Ｎ＋１／２）但し、λはレーザ光の波長、Ｎは整数、を満たすように設定されていることを特徴とする。この場合、回折格子層から直接、空間光変調器に向かうレーザ光と、分布ブラッグ反射器によって反射されたレーザ光の位相が一致するので、これらのレーザ光が強め合い、空間光変調器へ入力されるレーザ光の強度が高くなる。なお、一般に、光路差が半波長の偶数倍では光が強め合い、奇数倍では弱め合うが、高い屈折率の層に光が入射して反射すると位相が逆転する。活性層から見て分布ブラッグ反射器の最初の層の屈折率が高い場合、位相の逆転が生じて、後者の場合でもレーザ光が強め合うことが可能である。
また、前記半導体レーザチップは、前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、を備え、前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、前記偏向領域は、前記レーザ光生成領域によって囲まれていることを特徴とする。また、この場合において、前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられていることを特徴とする。
また、上述のいずれの構造においても、前記回折格子層は、基本層と、前記基本層内において周期的に形成され、前記基本層とは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域と、を備え、前記偏向領域における前記回折格子層の前記異屈折率領域の個々の平面形状は、回転非対称であることを特徴とする。
本発明の半導体レーザ装置によれば、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
図１は、半導体レーザ装置の斜視図である。 図２は、半導体レーザ装置の回路図である。 図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図４は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図５は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図６は、第４実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図７は、回折格子層の平面図である。 図８は、テーパー導波路を備えた半導体レーザ装置の一部の縦断面図（Ａ）、導波路ＷＧの平面図（Ｂ）である。 図９は、図３に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。 図１０は、図４に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。 図１１は、回折格子層６の平面図である。
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。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、半導体レーザ装置の斜視図である。
この半導体レーザ装置は、化合物半導体からなる半導体レーザチップＬＤＣ及びこの半導体レーザチップＬＤＣに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備えている。
半導体レーザチップＬＤＣは、活性層を含む発光層ＬＬと、発光層ＬＬを挟む一対のクラッド層２，７と、発光層ＬＬに光学的に結合した回折格子層６とを備えている。なお、発光層ＬＬは、活性層と必要に応じて活性層を挟む光ガイド層とからなる。半導体レーザチップＬＤＣは、半導体基板１を備えている。半導体基板１の厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２方向をＸ軸及びＹ軸とする。
製造時においては、半導体基板１の−Ｚ軸方向の表面上に、順次、各半導体層がエピタキシャル成長されるものとする。この場合、−Ｚ軸方向を上向きとした場合、半導体基板１上には、下部クラッド層２、発光層ＬＬ、回折格子層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８が順次形成される。半導体基板１の＋Ｚ軸側の表面上には電極Ｅ１が形成されており、コンタクト層８の−Ｚ軸側の表面上には、電極Ｅ２が形成されている。
ここで、発光層ＬＬ及び電極Ｅ１，Ｅ２は、レーザ光生成領域ＬＤ内にのみ形成されており、偏向領域ＤＦには形成されていない。電極Ｅ１，Ｅ２に駆動回路から電流を供給すると、発光層ＬＬが発光する。すなわち、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。
発光層ＬＬにおいて発生したレーザ光ＬＢは、回折格子層６内を伝播して、−Ｘ軸方向に進行し、偏向領域ＤＦに至る。偏向領域ＤＦにおいては、回折格子層６は、レーザ光を厚み方向に垂直な方向、すなわちＺ軸方向に回折して進行する。回折されたレーザ光は、＋Ｚ軸方向に進行し、クラッド層２、半導体基板１を介して、空間光変調器ＳＬＭに入射する。
空間光変調器ＳＬＭは、回折格子層６の厚み方向に沿って出力されたレーザ光ＬＢが入力されるように、半導体レーザチップＬＤＣの偏向領域ＤＦに取り付けられている。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光ＬＢの微小領域毎の位相を、その画素電極と共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を透過させて外部に出力する。
空間光変調器ＳＬＭから出力されたレーザ光ＬＢは、微小領域毎の位相が調整された状態で重ね合わせられ、様々なレーザビームパターンを形成する。同図では、重ね合されたレーザビームＬＢの遠視野像が、文字「Ａ」を形成しているイメージを示している。
半導体レーザ装置は、半導体レーザチップＬＤＣ上に配置され、所望のアドレスに位置する画素電極と共通電極との間に、選択的に駆動電圧を与える選択回路（行選択回路ＤＲ１，列選択回路ＤＲ２）を更に備えている。この選択回路を半導体レーザチップ上に設けることにより、大規模な外部配線群を設置することなく、空間光変調器を制御することができる。
図２は、半導体レーザ装置の回路図である。
空間光変調器ＳＬＭは、透明な共通電極２５と、透明な複数の画素電極２１と、共通電極２５と画素電極２１との間に配置された液晶層ＬＣとを備えている。液晶層ＬＣは、ネマチック液晶、又は、強誘電性液晶などからなる。駆動回路ＤＲからは、半導体レーザ素子を構成するレーザ光生成領域ＬＤに、駆動電流が供給される。これにより、発光層ＬＬからレーザ光ＬＢが出力され、レーザ光ＬＢは、空間光変調器の画素電極２１を介して液晶層ＬＣに至り、液晶層ＬＣで位相変調された後、共通電極２５を介して、外部に出力される。共通電極２５は、固定電位（グランド）に接続されており、画素電極２１はスイッチ素子Ｑ１及び行ラインを介して行選択回路ＤＲ１に接続されている。列選択回路ＤＲ２からは列ラインが延びており、スイッチ素子Ｑ１の制御端子に接続されている。このスイッチ素子Ｑ１は、電界効果トランジスタである。この場合、制御端子はトランジスタのゲートとなる。
空間光変調器において、特定のアドレス（ｘ，ｙ）を指定した場合、列選択回路ＤＲ２から座標ｘの列ラインにＯＮ信号が出力され、行選択回路ＤＲ１から座標ｙの行ラインに所望の電位が与えられる。この場合、アドレス（ｘ，ｙ）の画素電極２１と共通電極２５との間には、駆動電圧が印加され、液晶層の屈折率が変化することとなり、光路長が変化して、レーザ光の位相が調整される。なお、空間光変調器において、行方向と列方向は主観によって決まるものであり、相互に置換可能な方向である。駆動電圧の大きさは行選択回路ＤＲ１からの出力電位と列選択回路ＤＲ２の出力電位によって決定されるものであり、一定することができるが、更に精密な位相制御を行う場合には、例えば、各スイッチ素子Ｑ１毎に可変抵抗を接続し、当該可変抵抗の値を同様の構成からなる選択回路によって制御すればよい。
なお、製造時に空間光変調器の位相が面内でばらつきを有した際でもデバイスが所望のパターンを出力するように、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、これを補正するための記憶装置と、記憶装置の記憶データに基づいて、各画素電極に選択回路を介して与えられる駆動電圧を生成する空間光変調器用の駆動回路とを設けても良い。すなわち、この半導体レーザ装置は、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、測定値に基づいて位相の面内ばらつきを補正するための初期位相の補正値を記憶し、空間光変調器の画素電極毎に異なる初期位相を与えるための記憶装置を備えることができる。換言すれば、この装置は、駆動電圧の初期補正値を画素電極毎に記憶する記憶装置ＭＥＭを備えている。駆動電圧は、制御装置ＣＯＮＴから各選択回路ＤＲ１，ＤＲ２に印加されるが、この駆動電圧及び初期補正値は、記憶装置ＭＥＭに記憶される。基準の位相分布と、測定された位相分布とを比較し、各画素毎の位相の差分に対応する駆動電圧の値を初期補正値とすることができ、初期補正値の駆動電圧を画素電極に与えた場合には、基準の位相分布が実現される。所望の位相分布を得るため、初期補正値に対応する駆動電圧に、所望の駆動電圧を重畳することができる。
図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
回折格子層６から厚み方向に出力されたレーザ光は、画素電極２１（或いは空間光変調器を反転させた場合には共通電極２５）を介して液晶層ＬＣに至る。液晶層ＬＣの誘電率（屈折率）は、画素電極２１への印加電圧によって変化し、したがって、レーザ光に対する液晶層ＬＣの光路長が変化し、位相が変化する。液晶層ＬＣを透過したレーザ光ＬＢの位相は画素電極２１毎に変調される。したがって、微小領域毎の波面制御を行うことができ、波面の重ね合わせにより、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
なお、偏向領域ＤＦ上には、ＳｉＯ２又はＳｉＮｘからなる絶縁層９が形成されている。絶縁層９上には、空間光変調器ＳＬＭの画素電極２１が行列状に配置されている。画素電極２１上には、表面を平坦化するための保護膜２２が形成され、保護膜２２上には反射防止膜２３が形成され、反射防止膜上には液晶を保持するための枠状のスペーサ２４が設けられ、スペーサ２４内部の空間に液晶層ＬＣが充填されている。スペーサ２４及び液晶層ＬＣ上には、透明電極２５が形成され、透明電極２５上には透明基板２６、反射防止膜２７が順次形成されている。液晶層ＬＣの上下面には適当な配向膜が設けられる。
液晶層ＬＣから出力されたレーザ光は、共通電極２５、透明基板２６及び反射防止膜２７を介して、外部に出力される。また、回折格子層６（の厚み方向中央位置）と、コンタクト層８との間の距離ｔ１は、半導体レーザチップにおけるコンタクト層８の露出表面で反射されたレーザ光ＬＢと、回折格子層６から直接、空間光変調器ＳＬＭへと向かう光が強めあうように設定される。すなわち、光学的距離ｔ１は、２×ｔ１＝λ×（Ｎ＋１／２）、但し、λはレーザ光の波長、Ｎは整数、を満たすように設定されている。なお、金属に光が入射して反射すると位相が逆転するので、光が強め合うｔ１の条件は上記のようになる。
図１に示した発光層ＬＬは、活性層４及びこれを挟む光ガイド層３，５からなり、これらはレーザ光生成領域のみに形成されている。また、コンタクト層８は、必要に応じて設けられる。
半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤと、レーザ光生成領域ＬＤに隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域ＤＦと、を備えており、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤ及び偏向領域ＤＦの双方に位置するように延びている。回折格子層６は、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光を偏向している。空間光変調器ＳＬＭは、偏向領域ＤＦ上に取り付けられている。第１実施形態の場合、レーザ光生成領域ＬＤと偏向領域ＤＦを別々に設けることにより、それぞれの領域における特性を最適化することが可能である。
図４は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
第２実施形態は、第１実施形態と比較して、クラッド層７と回折格子層６との間に、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）７２とスペーサ層７１を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。ＤＢＲ７２は、空間光変調器ＳＬＭから遠い方に位置する一方のクラッド層７と、回折格子層６との間に位置している。ここで、回折格子層６とＤＢＲ７２との間の光学的距離ｔ２は、２×ｔ２＝λ×Ｎ、または、λ×（Ｎ＋１／２）、但し、λはレーザ光の波長、Ｎは整数、を満たすように設定されている。なお、一般に、光路差が半波長の偶数倍では光が強め合い、奇数倍では弱め合うが、高い屈折率の層に光が入射して反射すると位相が逆転する。活性層から見て分布ブラッグ反射器の最初の層の屈折率が高い場合、位相の逆転が生じて、後者の場合でもレーザ光が強め合うことが可能である。
この場合、回折格子層６から直接、空間光変調器ＳＬＭに向かうレーザ光と、ＤＢＲ７２によって反射されたレーザ光の位相が一致するので、これらのレーザ光が強め合い、空間光変調器ＳＬＭへ入力されるレーザ光の強度が高くなる。
回折格子層６の厚み方向中央位置と、ＤＢＲ７２の厚み方向中央位置との間の距離をｔ２とする。分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、屈折率の異なる層を４分の１波長の長さで交互に積層した反射ミラーのことである。なお、半導体のＤＢＲ材としてAlGaAsがVCSELなどに用いられており、このような材料ではキャリアは流れることができる。
図５は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
第３実施形態は、第１実施形態と比較して、空間光変調器ＳＬＭの位置を変更し、レーザの電極構造を変更したものであり、その他の構成は同一である。
この半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤを備え、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤに位置しており、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光ＬＢを出射する。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光生成領域ＬＤ上に取り付けられている。この場合、レーザ光生成領域ＬＤ上に空間光変調器ＳＬＭを配置することで、装置を小型化することができる。
なお、半導体基板１の＋Ｚ側の面には、透明電極又は不純物濃度の高い半導体領域（導電領域Ｅ３）が形成されており、この上に絶縁膜９が形成されている。電極Ｅ１は、導電領域Ｅ３に電気的及び物理的に接続されており、開口形状を有している。空間光変調器は、電極Ｅ１の開口形状の内部に設けられる。この場合、行選択回路ＤＲ１及び列選択回路ＤＲ２は、電極Ｅ１の外部に位置することになるため、これらから画素電極及び共通電極までは、適当な接続配線を施す。
図６は、第４実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
第４実施形態は、第２実施形態と比較して、空間光変調器ＳＬＭの位置を変更し、レーザの電極構造を変更したものであり、その他の構成は同一である。
この半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤを備え、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤに位置しており、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光ＬＢを出射する。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光生成領域ＬＤ上に取り付けられている。この場合、レーザ光生成領域ＬＤ上に空間光変調器ＳＬＭを配置することで、装置を小型化することができる。
なお、半導体基板１の＋Ｚ側の面には、透明電極又は不純物濃度の高い半導体領域（導電領域Ｅ３）が形成されており、この上に絶縁膜９が形成されている。電極Ｅ１は、導電領域Ｅ３に電気的及び物理的に接続されており、開口形状を有している。空間光変調器は、電極Ｅ１の開口形状の内部に設けられる。この場合、行選択回路ＤＲ１及び列選択回路ＤＲ２は、電極Ｅ１の外部に位置することになるため、これらから画素電極及び共通電極までは、適当な接続配線を施す。
図７は、回折格子層の平面図である。
上述の回折格子層６は、例えば、基本層６Ａと異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは所定の深さで基本層６Ａ内に埋め込まれており、これと屈折率が異なる。異屈折率領域６Ｂの平面形状は円形のものが示されているが、三角形や楕円形など他の形状とすることも可能である。例えば、特定の偏光方向の強度を上げるためには、90度の回転対称性をもたない形状とすることができる。直線偏光を得るためには、この形状は、例えば、二等辺三角形、直角三角形、直角二等辺三角形とすることができる。異屈折率領域６Ｂは、正方格子の格子点位置に配置されているが、これは三角格子の格子点位置に配置されていてもよい。回折格子層６は、異屈折率領域の埋め込みにより、二次元的に屈折率変化する周期構造を有しているため、回折格子として機能すると共に、フォトニック結晶層として機能する。
レーザ光生成領域ＬＤにおける周期構造と、偏向領域ＤＦにおける周期構造とは同一のものが示されているが、これは別の形状としてもよい。例えば、レーザ光生成領域ＬＤでは真円形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用い、偏向領域ＤＦでは三角形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用いても良い。このとき、レーザ光生成領域ＬＤでは上下方向に回折された光は対称性のため打ち消しあうのに対し、偏向領域ＤＦでは上下方向に回折された光は打ち消しあいが不完全となり出力される。従って、レーザ光生成領域からの不要出力をなくすことが出来るため、効率の改善が期待される。
上述の半導体レーザ素子は、面発光レーザであり、その一部を横方向から取り出し（図３、図４）、又は、厚み方向から取り出し（図５，図６）、空間光変調器ＳＬＭに入力している。この半導体レーザ素子を、端面発光レーザとした場合、以下の構造が考えられる。
図８は、テーパー導波路を備えた半導体レーザ装置の一部の縦断面図（Ａ）、導波路ＷＧの平面図（Ｂ）である。図示されない部分は、図３又は図４の構造と同一であり、回折格子層６は省略することができる。活性層４から横方向に出力されたレーザ光ＬＢは、これに隣接する導波路ＷＢに入力される。導波路ＷＧは、テーパー導波路ＷＧ１と平面形状が矩形の導波路（拡散部）ＷＧ２からなる。テーパー導波路ＷＧ１によって、レーザ光はＹ軸方向の幅が広げられ、拡散部ＷＧ２によって、広範囲のレーザ光が、基板の厚み方向（Ｚ軸方向）に偏向される。拡散部には、図７に示したものと同一の回折格子が形成されており、これは回折格子層として機能する。偏向されたレーザ光は、上記と同様に空間光変調器ＳＬＭに入射する。なお、拡散部ＷＧは、活性層に光学的に結合している。
以上のように、いずれの半導体レーザ装置も、半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備えた半導体レーザ装置であって、半導体レーザチップは、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回折格子層と、を備え、空間光変調器は、透明な共通電極と、透明な複数の画素電極と、共通電極と前記画素電極との間に配置された液晶層と、を備え、回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光が入力されるように、半導体レーザチップに取り付けられ、レーザ光の微小領域毎の位相を、画素電極と共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を透過させて外部に出力している。
なお、上述のレーザ素子の材料について説明する。
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。回折格子層（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。
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１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３）、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、回折格子層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１×１０１５／ｃｍ３以下である。
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２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ〜３×１０３ｎｍ）、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〜２００ｎｍ）、回折格子層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ〜３００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ〜３×１０３ｎｍ）、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。
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）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。
なお、回折格子層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、回折格子層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。
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、基本並進ベクトル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。フォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点、すなわち、波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、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。
また、上述の透明な共通電極及び画素電極は、ＩＴＯ、又は、ＺｎＯからなる。このような材料は、レーザ光に対して透明であり、レーザ光が透過できる。
上述のＤＢＲ７２は、スペーサ層７１は、以下の材料と厚みからなる。すなわち、ＤＢＲ７２は、Ａｌ組成比０．３のＡｌＧａＡｓ(８０ｎｍ)、Ａｌ組成比０．９のＡｌＧａＡｓ（７０ｎｍ）からなり、スペーサ層７１は、上述の距離ｔ２の式を満たす厚みのＡｌＧａＡｓからなる。また、上述の反射防止膜２７、２３はＳｉＯ２やＴａ２Ｏ５などの誘電体から構成された誘電体多層膜からなる。
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。
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。
すなわち、図３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を形成した後、クラッド層２の一部をエッチングし、エッチングした領域上に、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を形成し、続いて、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。
回折格子層６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回折格子層を形成すればよい。
図４の構造の場合には、回折格子層６に続いて、スペーサ層７１及びＤＢＲ７２を順次ＭＯＣＶＤ法等で形成すればよい。
図５及び図６の構造の場合には、クラッド層２をエッチングする必要がなく、必要に応じて半導体基板１に導電領域Ｅ３を形成する点が異なり、その他は、同様の製造方法で形成することができる。
以上、説明したように、上述の装置によれば、活性層で生じた光は回折格子層による変調を受け、２次元単一モード発振し、発振した光のうち一部は、回折格子層による2次の回折を受け、液晶層に平面波として入射している。液晶は屈折率異方性を有するため、その回転角に応じて光出力と平行な方向の等価的な屈折率が変化する。このとき、液晶層の物理的な長さは一定であるため、屈折率が変化することにより、光路長が変化する。従って、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその光路長を変化させることが出来る。言い換えると、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその位相を変化させることが出来るので、出射波面の形状を制御することが可能となる。このように、２次元単一モード発振するレーザ光は、平面波として液晶層に入射し、画素毎に位相変調された波面が上部から光出力として得られる。
図９は、図３に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。
この半導体レーザ装置と、図３に示した半導体レーザ装置との相違点は、偏向領域ＤＦが、Ｚ軸方向から見た平面視において、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれている点のみであり、その他の構成は同一である。この構造の場合、レーザ光生成領域ＬＤによって発生したレーザ光は、横方向（Ｘ軸方向）に伝播して、偏向領域ＤＦに至り、偏向領域ＤＦにおいて上方向（Ｚ軸方向）偏向される。
同様に、図１０は、図４に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。
この半導体レーザ装置と、図４に示した半導体レーザ装置との相違点は、偏向領域ＤＦが、Ｚ軸方向から見た平面視において、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれている点のみであり、その他の構成は同一である。この構造の場合においても、レーザ光生成領域ＬＤによって発生したレーザ光は、横方向（Ｘ軸方向）に伝播して、偏向領域ＤＦに至り、偏向領域ＤＦにおいて上方向（Ｚ軸方向）偏向される。
図１１は、上記図９及び図１０の構造に適用される回折格子層６の平面図である。
上述のように、偏向領域ＤＦは、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれている。ここで、偏向領域ＤＦ内に存在する異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）と、レーザ光生成領域ＬＤ内に存在する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）とは、平面形状が異なっている。回折格子層６は、基本層６Ａと異屈折率領域６Ｂとからなるが、異屈折率領域６Ｂは所定の深さで基本層６Ａ内に埋め込まれており、基本層６Ａとは屈折率が異なる。同図では、内側の異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）の平面形状は三角形（直角三角形）ものが示されており、外側の異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）は円形のものが示されている。換言すれば、内側の異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）の平面形状はＺ軸の回りに回転非対称な図形であり、外側の異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状はＺ軸の回りに回転対称な図形又は任意形状の図形である。
また、上述の異屈折率領域６Ｂは、ＸＹ平面内における格子の格子点に配置される。
図１１には上記格子が正方格子の場合について示した。このとき、孔の間隔を等価屈折率で除算した値は波長程度であり、逆格子空間におけるΓ点での発振が得られる。Γ点における発振においてはＸＹ面内方向に加えてＺ方向にも光が回折されるため、光の利用効率を高く保つため光源部（レーザ光生成領域ＬＤ）ではＺ方向に光が伝搬しないことが望ましい。これを実現するために、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、回転対称形状が好適である。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状として、正方格子のΓ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は回転対称形状が好適である。
一方、正方格子構造の孔の間隔を等価屈折率で除算した値を波長の２−１／２倍程度に設定することで、逆格子空間におけるＭ点での発振が得られる。Ｍ点における発振においてはＸＹ面内方向には光が回折するが、Ｚ方向には光が回折しないため、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、任意の形状を用いても良い。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状について、正方格子のＭ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は任意形状を用いて良い。
一方、三角格子構造の孔の間隔を等価屈折率で除算した値を波長程度に設定することで、逆格子空間におけるΓ点での発振が得られる。Γ点における発振においてはＸＹ面内方向に加えてＺ方向にも光が回折されるため、光の利用効率を高く保つため光源部ではＺ方向に光が伝搬しないことが望ましい。これを実現するために、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、回転対称形状が好適である。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状として、三角格子のΓ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は回転対称形状が好適である。
また、三角格子構造の孔の間隔を等価屈折率で除算した値を波長の２×２−１／２倍程度に設定することで、逆格子空間におけるＪ点での発振が得られる。Ｊ点における発振においてはＸＹ面内方向には光が回折するが、Ｚ方向には光が回折しないため、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、任意の形状を用いても良い。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状つぃて、三角格子のＪ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は任意形状を用いて良い。
外側の異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状がいずれの形状の場合においても、内側において、光取出と変調を行う異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）の平面形状は回転非対称形状である。内側の異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）は、正方格子又は三角格子において孔間隔を等価屈折率で除算した値が波長程度になるよう配置することができる。このとき、フォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点における発振が得られる。Γ点における発振ではＸＹ面内方向に加えてＺ方向にも光が回折される。このとき、孔形状を回転非対称形状とすることにより、効率的に光を取り出すことが可能となる。
以上、説明したように、上述の半導体レーザチップは、活性層の形成されたレーザ光生成領域ＬＤと、レーザ光生成領域ＬＤに隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域ＤＦとを備え、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤ及び偏向領域ＤＦの双方に位置するように延びており、偏向領域ＤＦは、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれており、周囲で発生したレーザ光を効率的に偏向することができる。
また、回折格子層６は、基本層６Ａと、基本層６Ａ内において周期的に形成され、基本層６Ａとは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域６Ｂとを備え、偏向領域ＤＦにおける回折格子層６の異屈折率領域６Ｂの個々の平面形状は、図１１に示したように、Ｚ軸方向からみて、三角形等の回転非対称であり、上述の効果を有する。
ＳＬＭ…空間光変調器、ＬＤＣ…半導体レーザチップ、４…活性層、２，７…クラッド層、６…回折格子層。

Claims (9)

  1. 半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備えた半導体レーザ装置であって、
    前記半導体レーザチップは、
    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回折格子層と、
    を備え、
    前記空間光変調器は、
    透明な共通電極と、
    透明な複数の画素電極と、
    前記共通電極と前記画素電極との間に配置された液晶層と、
    を備え、
    前記回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光が入力されるように、前記半導体レーザチップに取り付けられ、前記レーザ光の微小領域毎の位相を、前記画素電極と前記共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を透過させて外部に出力する、
    ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記半導体レーザチップ上に配置され、所望のアドレスに位置する前記画素電極と前記共通電極との間に、選択的に前記駆動電圧を与える選択回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記駆動電圧の初期補正値を前記画素電極毎に記憶する記憶装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記半導体レーザチップは、
    前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、
    前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、
    を備え、
    前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を回折し、
    前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられている、
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記半導体レーザチップは、
    前記活性層の形成されたレーザ光生成領域を備え、
    前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域に位置しており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を出射し、
    前記空間光変調器は、前記レーザ光生成領域上に取り付けられている、
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記空間光変調器から遠い方に位置する一方のクラッド層と、前記回折格子層との間に位置する分布ブラッグ反射器を更に備え、
    前記回折格子層と前記分布ブラッグ反射器との間の光学的距離ｔ２は、
    ２×ｔ２＝λ×Ｎ、または、λ×（Ｎ＋１／２）
    但し、λはレーザ光の波長、
    Ｎは整数、を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記半導体レーザチップは、
    前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、
    前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、
    を備え、
    前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、
    前記偏向領域は、前記レーザ光生成領域によって囲まれている、
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記回折格子層は、
    基本層と、
    前記基本層内において周期的に形成され、前記基本層とは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域と、
    を備え、
    前記偏向領域における前記回折格子層の前記異屈折率領域の個々の平面形状は、回転非対称である、
    ことを特徴とする請求項４、７又は８に記載の半導体レーザ装置。

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