TWI798437B - 發光裝置 - Google Patents
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Abstract
本實施形態係關於一種包含於構成一維排列或二維排列之複數個像素分別調變相位之反射型超穎介面之發光裝置。該發光裝置具備面發光雷射元件、導光層、超穎介面。超穎介面具有：透光層，其包含介電層；一金屬膜，其設置於透光層之一面上；及另一金屬膜，其設置於透光層之另一面上。相當於複數個像素之複數個單位區域各者中，透光層之一部分包含未被金屬膜覆蓋而露出之部分。各單位區域之寬度及透光層之厚度小於輸入至超穎介面之雷射光之波長。超穎介面於各單位區域分別調變雷射光之相位。經調變後之雷射光自第1光輸出面輸出。
Description
本發明係關於一種發光裝置。
非專利文獻1中揭示了一種關於反射型超穎介面之技術。該超穎介面具備由金(Au)構成之鏡層、設置於該鏡層上之ITO(Indium Tin Oxides，氧化銦錫)層、設置於ITO層上之Al2O3層、及設置於Al2O3層上且由金(Au)構成之奈米天線。而且，記載了如下內容，即，藉由在鏡層與奈米天線之間預先設定偏壓，能根據該偏壓之設定圖案(光學相位：optical phase)調變輸入光之相位。
非專利文獻1：Yao-Wei Huang et al., “Gate-tunable conducting oxide metasurfaces”, Nano Letters, VoL6, pp. 5319-5325 (2016)
非專利文獻2：Y. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)
發明人等對上述先前技術進行了研究，結果發現了如下所
述之問題。即，近年來，作為能任意控制光之相位、強度或偏光之構造，超穎介面備受關注。超穎介面與先前之透鏡等光學元件不同，能藉由形成於平坦面之極薄表面構造，控制輸入光之相位等。例如，MIM(Metal-Insulator-Metal，金屬-絕緣體-金屬)型超穎介面具備作為反射膜之下部金屬膜、設置於下部金屬膜上之介電層、及設置於介電層上之上部金屬膜。上部金屬膜之寬度及介電層之厚度充分小於輸入光之波長。而且，使介電層之表面自上部金屬膜之兩側露出，使光輸入至該介電層之表面。於介電層內傳輸之光於下部金屬膜反射，並自該介電層之表面向外部輸出。此時，輸出光之相位根據上部金屬膜之寬度而變化。此種構造稱作靜態超穎介面。
另一方面，上述非專利文獻1之超穎介面具有相對於上述構造而言，上部金屬膜之寬度被設定為固定並且追加有ITO等透明導電層之構造；且於下部金屬膜與上部金屬膜之間設定有偏壓。於設定有偏壓之狀態下，由於下部金屬膜與上部金屬膜之間之電場，會發生透明導電層之部分金屬化(於介電層與透明導電層之界面附近電子密度集中變高之狀態)。此時，下部金屬膜與上部金屬膜之間之有效折射率根據經金屬化後之層之厚度(電子密度集中變高之部分之厚度)而變化。此時，所輸入之光之相位根據經金屬化後之層之厚度而變化。上述非專利文獻1之超穎介面能藉由使施加電壓任意變化，而控制光之相位。此種構造稱作動態超穎介面。
然而，於超穎介面為反射型之情形時，具備光源及超穎介面之發光裝置中，需要用以將來自光源之光輸入至超穎介面之光學系統、及用以傳導自超穎介面輸出之光之光學系統。因此，光學系統整體容易變
得複雜，從而成為妨礙發光裝置小型化之因素。
本發明係為了解決如上所述之問題而完成，其目的在於提供一種具備光源與反射型超穎介面，能將光學系統簡易化之發光裝置。
為了解決上述問題，本發明之一實施形態之發光裝置具備面發光雷射元件、導光層、反射型超穎介面。面發光雷射元件具有相互對向之第1光輸出面及第2光輸出面。導光層設置於第2光輸出面上。反射型超穎介面隔著導光層設置於第2光輸出面上。反射型超穎介面具有透光層、第1金屬膜、第2金屬膜。透光層相對於導光層設置於第2光輸出面之相反側。又，透光層包含介電層，並且具有第1面及第2面。第1面位於導光層與介電層之間。第2面相對於介電層位於第1面之相反側。第1金屬膜設置於第1面上。第2金屬膜設置於第2面上。又，第2金屬膜將自面發光雷射元件經由導光層輸入至透光層之雷射光向該導光層反射。進而，於以構成一維排列或二維排列之方式設定於透光層之第1面上之複數個單位區域各者中，透光層包含未被第1金屬膜遮住且與導光層對面之露出部分。複數個單位區域各自之寬度及透光層之厚度小於雷射光之波長。反射型超穎介面於各單位區域分別調變該雷射光之相位。如此般藉由反射型超穎介面加以調變後之雷射光於通過第2光輸出面後自第1光輸出面輸出。
根據本實施形態，可提供一種具備光源與反射型超穎介面，能將光學系統簡易化之發光裝置。
1A:發光裝置
1B:發光裝置
1C:發光裝置
1D:發光裝置
1E:發光裝置
1F:發光裝置
1G:發光裝置
1H:發光裝置
1J:發光裝置
2A~2C:面發光雷射元件
2a:第1光輸出面
2b:第2光輸出面
2c:雷射光輸出區域
3A~3E:(反射型)超穎介面
3a:主面
4:介電層
5:驅動電路
5A:驅動電路
6A~6C:金屬膜
8A~8C:金屬膜
9A:透光層
9B:透光層
9a:主面
9b:背面
9c:主面
9d:背面
9e:部分
9f:部分
9g:部分
10:半導體基板
10a:主面
10b:背面
11:包覆層(下部包覆層)
12:活性層
13:包覆層(上部包覆層)
14:接觸層
14a:表面
15A:光子晶層
15B:相位調變層
15C:相位調變層
15a:基礎層
15b:異折射率區域
16:電極
16a:開口
16b:異折射率區域
16B:電極
17:電極
17a:開口
19:抗反射膜
20:單位區域
21:單位區域
31:導光層
31a:面
31b:面
31c:凹部
32:電流狹窄層
32a:開口
33:1/4波長板
34:偏光板
41:抗蝕劑
41a:開口
51:電晶體
51a:閘極電極
51b:源極電極
51c:汲極電極
51d:配線
52:電容器
53:閘極驅動配線
54:電壓供給配線
55:半導體層
55a:半導體區域
55b:半導體區域
55c:表面
57:絕緣層
58:絕緣層
59:介電層
61:部分金屬膜
62:部分金屬膜
63:部分金屬膜
71:控制電路
72:驅動電路
73:支持基板
81:部分金屬膜
82:部分金屬膜
92:透明導電層
92a:金屬化層
93:介電層
94:空隙
95:絕緣部
B1:第1光像部分
B2:第2光像部分
B3:0次光
G:重心
L:直線
L1:雷射光
L2:雷射光
L1a:偏光方向
M:金屬材料
O:晶格點(中心)
Pa:波面
Q1:區域
Q:中心
R:單位構成區域
RIN:內側區域
ROUT:外側區域
Vd:驅動電壓
Vg:閘極電壓
圖1係表示本發明之第1實施形態之發光裝置1A之構成的立
體圖。
圖2係模式性表示發光裝置1A之剖面構造之圖。
圖3係模式性表示發光裝置1A之剖面構造之圖。
圖4係光子晶層15A之俯視圖。
圖5係表示於光子晶層之特定區域內僅配置有異折射率區域15b之例之俯視圖。
圖6(a)~圖6(g)表示X-Y面內之異折射率區域之形狀中鏡像對稱之形狀之例。
圖7(a)~圖7(k)表示X-Y面內之異折射率區域之形狀中不具有180°旋轉對稱性之形狀之例。
圖8係表示超穎介面3A之俯視圖。
圖9係沿著圖8之IX-IX線之剖視圖，表示超穎介面3A之剖面構造。
圖10(a)係表示金屬膜6A之平面形狀之圖，圖10(b)係表示金屬膜8A之平面形狀之圖。
圖11係表示光子晶層15A中形成有複數個異折射率區域15b之內側區域RIN與超穎介面3A中形成有複數個部分金屬膜61之區域Q兩者之關係之俯視圖。
圖12(a)~圖12(d)係表示超穎介面3A之製作方法之一例中之各步驟的剖視圖。
圖13(a)~圖13(c)係表示超穎介面3A之製作方法之一例中之各步驟的剖視圖。
圖14(a)係概念性地表示使輸出光之出射角可變之光束轉向，以作為超穎介面3A之應用例之圖，圖14(b)係表示具有光束轉向用構造之繞射光
學元件(DOE)100之光反射面101之形狀的剖視圖。
圖15係表示第1實施形態之一變化例之超穎介面3B之俯視圖。
圖16(a)係表示金屬膜6B之平面形狀之圖，圖16(b)係表示金屬膜8A之平面形狀之圖。
圖17係模式性表示本發明之第2實施形態之發光裝置1B之剖面構成的圖。
圖18係表示相當於圖8之IX-IX線之超穎介面3C之剖面構造的圖。
圖19(a)係表示金屬膜6C之平面形狀之圖，圖19(b)係表示金屬膜8B之平面形狀之圖。
圖20係表示各單位區域20中之電路構成之圖。
圖21(a)~圖21(d)係用以說明第m列第n行單位區域20中之驅動電路5之動作之圖。
圖22係表示各單位區域20中之驅動電路5之構造之俯視圖。
圖23係沿著圖22之XXIII-XXIII線之剖視圖，表示各單位區域20中之驅動電路5之剖面構造。
圖24(a)~圖24(e)係表示超穎介面3C之製作方法之一例中之各步驟的剖視圖。
圖25係表示藉由部分金屬膜63與金屬膜8B之間之電場於透明導電層92形成金屬化層92a之情況之圖。
圖26(a)係表示第2變化例之金屬膜6C之平面形狀之圖，圖26(b)係表示第2變化例之金屬膜8C之平面形狀之圖。
圖27係表示驅動電路5A之構成之圖。
圖28係表示第2實施形態之一變化例之超穎介面3D之剖面構造的
圖。
圖29係表示變化例之超穎介面3E之剖面構造之圖。
圖30係S-iPM(Static-integrable Phase Modulating，靜態可積調相)雷射器所具備之相位調變層15B之俯視圖。
圖31係表示相位調變層15B中之異折射率區域之位置關係之圖。
圖32係用以說明第3實施形態之面發光雷射元件之輸出光束圖案成像所得之光像與相位調變層15B中之旋轉角度分佈
(x，y)兩者之關係之圖。
圖33(a)及圖33(b)係用以說明自光像之傅立葉變換結果求出相位角分佈，從而確定異折射率區域之配置時之注意點之圖。
圖34(a)~圖34(c)表示自第3實施形態之面發光雷射元件輸出之光束圖案(光像)之例。
圖35係第3實施形態之一變化例之相位調變層15C之俯視圖。
圖36係表示相位調變層15C中之異折射率區域15b之位置關係之圖。
圖37係用以說明自球面座標向XYZ正交座標系中之座標之座標變換之圖。
圖38係模式性表示第5變化例之發光裝置1C之剖面構成之圖。
圖39係模式性表示第6變化例之發光裝置1D之剖面構成之圖。
圖40係模式性表示另一變化例之發光裝置1E之剖面構成之圖。
圖41係模式性表示第7變化例之發光裝置1F之剖面構成之圖。
圖42(a)係表示第2光輸出面2b之俯視圖，圖42(b)係表示第1光輸出面2a之俯視圖。
圖43係表示將圖41之構成應用於作為PCSEL(Photonic Cristal Surface Emitting Laser，光子晶面發光雷射器)之第1實施形態之面發光雷
射元件2A之例的圖。
圖44係表示第8變化例之發光裝置1G之構成之圖。
圖45係模式性表示第9變化例之發光裝置1H之剖面構成之圖。
圖46係模式性表示另一變化例之發光裝置1J之剖面構成之圖。
[本案發明之實施形態之說明]
首先，就本案發明之實施形態之內容，分別個別地列舉而進行說明。
(1)關於本實施形態之發光裝置，作為其一態樣，具備面發光雷射元件、導光層、反射型超穎介面。面發光雷射元件具有相互對向之第1光輸出面及第2光輸出面。導光層設置於第2光輸出面上。反射型超穎介面隔著導光層設置於第2光輸出面上。反射型超穎介面具有透光層、第1金屬膜、第2金屬膜。透光層相對於導光層設置於第2光輸出面之相反側。又，透光層包含介電層，並且具有第1面及第2面。第1面位於導光層與介電層之間。第2面相對於介電層位於第1面之相反側。第1金屬膜設置於第1面上。第2金屬膜設置於第2面上。又，第2金屬膜將自面發光雷射元件經由導光層輸入至透光層之雷射光向該導光層反射。進而，於以構成一維排列或二維排列之方式設定於透光層之第1面上之複數個單位區域各者中，透光層包含未被第1金屬膜遮住且與導光層對面之露出部分。複數個單位區域各自之寬度及透光層之厚度小於雷射光之波長。反射型超穎介面於各單位區域分別調變該雷射光之相位。如此般藉由反射型超穎介面加以調變後之雷射光於通過第2光輸出面後自第1光輸出面輸出。再者，於本說明書中，「複數個單位區域各自之寬度」可認為是規定各單位區域之形狀
之最短邊之長度。又，各層之「厚度」可認為是沿著第1光輸出面或第2光輸出面之法線方向之長度。
於具有如上所述之構造之發光裝置中，面發光雷射元件內所產生之雷射光自第1光輸出面及第2光輸出面兩者輸出，自該第2光輸出面輸出之雷射光輸入至反射型超穎介面。所輸入之雷射光自透光層之第1面於透光層內傳輸後於第2金屬膜反射。於第2金屬膜反射之雷射光再次自透光層之第1面向該透光層之外部輸出。於第1金屬膜之寬度及透光層之厚度充分小於光之波長之情形時，透光層內發生表面電漿子耦合所導致之較強之磁共振(電漿子共振)。藉由該磁共振，通過第1金屬膜與第2金屬膜之間之雷射光之相位得到調變。相位調變量取決於透光層之有效折射率及第1金屬膜之寬度。因此，藉由在各單位區域分別獨立地設定第1金屬膜及第2金屬膜中任一者，能於空間上控制雷射光之相位。相位被調變後之雷射光自第2光輸出面再次輸入至面發光雷射元件內，並自第1光輸出面輸出。根據該發光裝置，無需光源(面發光雷射元件)與反射型超穎介面之間之光學系統，故而能將光學系統簡易化。
(2)作為本實施形態之一態樣，亦可為複數個單位區域中之兩個以上單位區域中之第1金屬膜的沿著於第1面上規定之第1方向之寬度互不相同。對雷射光之相位調變量取決於第1金屬膜之寬度。該情形時，可較佳地實現於構成一維排列或二維排列之複數個單位區域各者中，具備能對雷射光調變相位之靜態超穎介面之發光裝置。
(3)作為本實施形態之一態樣，亦可為透光層進而包含設置於介電層與導光層之間、或該介電層與第2金屬膜之間之透明導電層。於該情形時，較佳為第1金屬膜及第2金屬膜中至少一者包含以相互分離之狀
態設置於複數個單位區域各者之複數個部分金屬膜。若向第1金屬膜與第2金屬膜之間施加驅動電壓，則透明導電層與介電層之界面附近之電子密度提高。其結果，透明導電層之該界面附近之部分金屬化，積層構造體之有效折射率變化。再者，於本說明書中，所謂「金屬化」，表示使電子密度比周邊區域高之狀態。如上所述，相位調變量取決於透光層之有效折射率。藉由使驅動電壓變化，能控制有效折射率，因此能控制所輸出之雷射光之相位。又，第1金屬膜及第2金屬膜中至少任一者包含以相互分離之狀態設置於複數個單位區域各者之複數個部分金屬膜。因此，藉由個別控制複數個部分金屬膜之電壓，能於各單位區域分別獨立地調變相位。因此，可較佳地實現於構成一維排列或二維排列之複數個單位區域各者中，具備能調變雷射光之相位之動態超穎介面之發光裝置。
(4)作為本實施形態之一態樣，亦可為該發光裝置進而具備控制向第1金屬膜與第2金屬膜之間施加之電壓之驅動電路。於該情形時，驅動電路個別控制第1金屬膜及第2金屬膜中至少任一者之複數個部分金屬膜之電壓。又，作為本實施形態之一態樣，驅動電路將第1金屬膜設定為基準電位，且第1金屬膜遍及複數個單位區域中之兩個以上單位區域延伸。藉由該構成，能容易地向導光層與透光層之間相隔之第1金屬膜提供基準電位。
(5)作為本實施形態之一態樣，較佳為透明導電層包含由於摻雜劑而低電阻化後之氧化銦及氧化鋅中至少一者。於該情形時，能較佳地發揮上述透明導電層之作用。
(6)作為本實施形態之一態樣，較佳為面發光雷射元件具有基板、活性層、光子晶體。基板具有主面、及與該主面對向之背面。活性
層及光子晶體設置於基板之主面上。又，光子晶層包含基礎層、及具有與該基礎層之折射率不同之折射率之複數個異折射率區域。複數個異折射率區域排列於與光子晶層之厚度方向垂直之基準面上。於此種構成中，面發光雷射元件可作為光子晶面發光雷射器(PCSEL：Photonic Cristal Surface Emitting Laser)而動作。PCSEL能藉由光子晶體控制與主面平行之方向之光模分佈。例如與作為面發光雷射元件之另一種類之垂直共振器面發光型雷射裝置(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)相比，PCSEL原理上能維持單一模式地擴大發光面積。即，原理上能使波面保持良好狀態地擴大發光面積。因此，藉由增加反射型超穎介面中之單位區域之數量，能實現更複雜之相位調變圖案。
(7)作為本實施形態之一態樣，較佳為面發光雷射元件係沿著基板之主面之法線方向、與上述法線方向交叉之傾斜方向、或上述法線方向與上述傾斜方向兩者輸出形成光像之光之元件，具有基板、活性層、相位調變層。基板具有主面、及與該主面對向之背面。活性層及相位調變層設置於主面上。相位調變層包含基礎層、及具有與該基礎層之折射率不同之折射率之複數個異折射率區域。複數個異折射率區域於與相位調變層之厚度方向垂直之基準面上構成二維排列。設定於基準面上且於與複數個異折射率區域各者對應有晶格點之假想正方晶格中，該複數個異折射率區域各自之重心配置於如下位置，即，自該假想正方晶格之對應之晶格點偏離，且以連結鄰接之晶格點間之線段為基準，形成用以於該對應之晶格點周圍形成光像之至少一部分之旋轉角。又，作為本實施形態之一態樣，亦可為如下情況，即，設定於基準面上且於與複數個異折射率區域各者對應有晶格點之假想正方晶格中，該複數個異折射率區域各自之重心配置於通
過該假想正方晶格之晶格點且相對於正方晶格傾斜之直線上。於該情形時，亦可為複數個異折射率區域各自之重心與對應之晶格點於直線上之距離被設定為形成光像之至少一部分。
(8)作為本實施形態之一態樣，複數個異折射率區域各自之於基準面上規定之平面形狀不具有180°旋轉對稱性。即，複數個異折射率區域各自之平面形狀所具有的對稱性將180°旋轉對稱性排除在外。於該情形時，自面發光雷射元件輸出之光之直線偏光性提高。作為本實施形態之一態樣，較佳為介電層包含氧化鋁、氧化矽及氟化鎂中至少任一者。於該情形時，能較佳地實現上述介電層。作為本實施形態之一態樣，較佳為介電層之一部分構成第1面。作為本實施形態之一態樣，較佳為導光層包含氧化鋁、氧化矽、氟化鎂及氟化鈣中至少任一者。於該情形時，能較佳地實現上述導光層之作用。
(9)作為本實施形態之一態樣，亦可為面發光雷射元件進而具有設置於第1光輸出面上之第1電極。於該態樣中，較佳為第1電極具有將第1光輸出面中之雷射光輸出區域包圍之形狀。作為本實施形態之一態樣，亦可為面發光雷射元件進而具有與雷射光輸出區域並排設置於第1光輸出面之第1電極。無論於哪種態樣中，均能使於反射型超穎介面被調變過相位之雷射光避開設置於第1光輸出面之第1電極而自第1光輸出面輸出。
(10)作為本實施形態之一態樣，亦可為面發光雷射元件進而具有設置於第2光輸出面上之第2電極。於該態樣中，較佳為第2電極具有將反射型超穎介面包圍之形狀。即，根據該態樣，既能將反射型超穎介面與第2電極一併設置於第2光輸出面上，又能使來自第2電極之電流充分
擴散至面發光雷射元件之活性層之中央部附近。
(11)作為本實施形態之一態樣，較佳為該發光裝置進而具備1/4波長板、偏光板。1/4波長板設置於第2光輸出面與反射型超穎介面之間。偏光板設置於第1光輸出面上。於該情形時，能遮住自面發光雷射元件向第1光輸出面直達之光，而僅取出經過第2光輸出面及反射型超穎介面到達第1光輸出面之光。
以上，該[本案發明之實施形態之說明]欄所列舉之各態樣可應用於剩餘所有態樣各者、或該等剩餘態樣之所有組合。
[本案發明之實施形態之詳細情況]
以下，參照隨附圖式詳細地對本實施形態之發光裝置之具體構造進行說明。再者，本發明並不限定於該等例示，而是由申請專利範圍表示，並意欲包含與申請專利範圍均等之含義下及範圍內之所有變更。於圖式之說明中，對於相同要素標註相同符號並省略重複之說明。又，於以下說明中，所謂平面形狀，係指自發光裝置厚度方向觀察時所見之形狀。
(第1實施形態)
圖1係表示本發明之第1實施形態之發光裝置1A之構成的立體圖。圖2係模式性表示發光裝置1A之剖面構造之圖。再者，定義以沿著發光裝置1A之厚度方向延伸之軸為Z軸之XYZ正交座標系。發光裝置1A具備面發光雷射元件2A、及與面發光雷射元件2A一體地構成之反射型超穎介面(以下，簡稱作「超穎介面」)3A。面發光雷射元件2A於X-Y面內方向形成駐波，將雷射光L1、L2輸出至與半導體基板10之主面10a垂直之方向(Z軸方向)。
如圖1及圖2所示，發光裝置1A進而具備導光層31。導光層
31位於面發光雷射元件2A與超穎介面3A之間，使面發光雷射元件2A與超穎介面3A相互接合。又，導光層31使於面發光雷射元件2A與超穎介面3A之間往返之雷射光L1透過。再者，關於導光層31，將於下文進行詳細敍述。
面發光雷射元件2A為光子晶面發光雷射器(Photonic Crystal Surface Emitting LASER：PCSEL)。面發光雷射元件2A具備：半導體基板10；作為發光部之活性層12，其設置於半導體基板10之主面10a上；一對包覆層11、13，其等隔著活性層12；接觸層14，其設置於包覆層13上；及光子晶層15A。半導體基板10之背面10b為本實施形態中之第1光輸出面2a。接觸層14之表面14a相當於該面發光雷射元件2A之第2光輸出面2b，相對於活性層12位於第1光輸出面之相反側。
半導體基板10、包覆層11及13、活性層12、接觸層14及光子晶層15A例如由GaAs系半導體、InP系半導體、氮化物系半導體等化合物半導體構成。包覆層11及包覆層13之各能隙大於活性層12之能隙。半導體基板10、包覆層11、包覆層13、活性層12、接觸層14及光子晶層15A之厚度方向與Z軸方向一致。
視需要，亦可於活性層12與包覆層(上部包覆層)13之間、及活性層12與包覆層(下部包覆層)11之間中至少一者，設置光導層。光導層設置於活性層12與上部包覆層13之間之情形時，光子晶層15A設置於上部包覆層13與光導層之間。光導層亦可包含用以將載子高效地封入活性層12中之載子障壁層。
又，於本實施形態中，光子晶層15A設置於活性層12與上部包覆層13之間，但如圖3所示，光子晶層15A亦可設置於下部包覆層11
與活性層12之間。進而，光導層設置於活性層12與下部包覆層11之間之情形時，光子晶層15A設置於下部包覆層11與光導層之間。光導層亦可包含用以將載子高效地封入活性層12中之載子障壁層。
光子晶層(繞射晶格層)15A具有：基礎層15a，其由第1折射率媒質構成；及複數個異折射率區域15b，其等由折射率與第1折射率媒質不同之第2折射率媒質構成，存在於基礎層15a內。複數個異折射率區域15b具有週期性地排列於與光子晶層15A之厚度方向垂直之面內(X-Y面內)。於將光子晶層15A之有效折射率設為n之情形時，由光子晶層15A選擇之波長λ0(=a×n，a為晶格間隔)包含於活性層12之發光波長範圍內。光子晶層15A能將活性層12之發光波長中波長λ0之光選擇性地輸出至外部。於本實施形態中，波長λ0例如處於0.4~1.6μm之範圍內，於一例中為850nm或940nm。
圖4係光子晶層15A之俯視圖。如圖4所示，於與X-Y平面一致之光子晶層15A之設計面(基準面)上設定假想正方晶格。正方晶格之一邊與X軸平行，另一邊與Y軸平行。此時，以正方晶格之晶格點O為中心之正方形形狀之單位構成區域R可遍及沿著X軸之複數行及沿著Y軸之複數列呈二維狀設定。複數個異折射率區域15b於各單位構成區域R內分別設置。異折射率區域15b之平面形狀例如為圓形形狀。於各單位構成區域R內，異折射率區域15b之重心G與各晶格點O重疊(一致)。再者，複數個異折射率區域15b之週期構造並不限於此，例如亦可設定三角晶格代替正方晶格。
具體而言，於圖4中，以x0~x3表示之虛線表示單位構成區域R中之X軸方向之中心位置，以y0~y2表示之虛線表示單位構成區域
R中之Y軸方向之中心位置。因此，虛線x0~x3與虛線y0~y2之各交點表示單位構成區域R(0，0)~R(3，2)各自之中心O(0，0)~O(3，2)，即晶格點。該假想正方晶格之晶格常數為a。再者，晶格常數a根據發光波長而調整。
圖5係表示於光子晶層之特定區域內僅配置有異折射率區域15b之例之俯視圖。圖5之例中，於正方形之內側區域RIN內，形成有異折射率區域15b之週期構造。另一方面，於將內側區域RIN包圍之外側區域ROUT，未形成異折射率區域15b。於該構造之情形時，能抑制光向面內方向之洩漏，從而可期待閾值電流之降低。
又，圖4中示出了於X-Y平面上規定之異折射率區域15b之形狀為圓形之例，但異折射率區域15b亦可具有圓形以外之形狀。例如，異折射率區域15b之形狀亦可具有鏡像對稱性(線對稱性)。此處，所謂鏡像對稱性(線對稱性)，係指隔著沿X-Y平面之某條直線，位於該直線一側之異折射率區域15b之平面形狀與位於該直線另一側之異折射率區域15b之平面形狀能相互鏡像對稱(線對稱)。作為具有鏡像對稱性(線對稱性)之平面形狀，例如可列舉圖6(a)所示之正圓、圖6(b)所示之正方形、圖6(c)所示之正六邊形、圖6(d)所示之正八邊形、圖6(e)所示之正十六邊形、圖6(f)所示之長方形、圖6(g)所示之橢圓等。
又，於X-Y平面上規定之異折射率區域15b之形狀亦可為不具有180°旋轉對稱性之形狀。作為此種形狀，例如可列舉圖7(a)所示之正三角形、圖7(b)所示之直角等腰三角形、圖7(c)所示之2個圓或橢圓之一部分重疊之形狀、圖7(d)所示之卵形形狀、圖7(e)所示之淚形形狀、圖7(f)所示之等腰三角形、圖7(g)所示之箭頭形形狀、圖7(h)所示之梯形、
圖7(i)所示之五邊形、圖7(j)所示之2個矩形之一部分彼此重疊之形狀、圖7(k)所示之2個矩形之一部分彼此重疊且不具有鏡像對稱性之形狀等。再者，卵形形狀係以橢圓之沿著長軸之一端部附近之短軸方向之尺寸小於另一端部附近之短軸方向之尺寸之方式變形而成之形狀。淚形形狀係使橢圓之沿著長軸之一端部變形成沿著長軸方向突出之尖突端部而成之形狀。箭頭形形狀係矩形之一邊呈三角形狀凹陷且其對向之一邊呈三角形狀尖突而成之形狀。
光子晶體雷射器之情形時，於面內方向(沿著X-Y平面之方向)形成駐波狀態，一部分光向面垂直方向(與X-Y平面垂直之方向)繞射。該光向面垂直方向繞射時，會產生反映出面內方向上之電磁場分佈之對稱性之干涉。例如，於異折射率區域15b之平面形狀為正圓之情形時，面內方向上之電磁場分佈與異折射率區域15b之平面形狀相關，為反對稱(大小相等但方向相反)，因此於面垂直方向會產生消失性干涉。另一方面，於如圖7(a)~圖7(k)所示異折射率區域15b之平面形狀不具有180°旋轉對稱性之情形時，面內電場分佈非對稱化。因此，藉由使異折射率區域15b之平面形狀不具有180°旋轉對稱性，能選擇性地加強某一方向之偏光。即，自面發光雷射元件2A輸出之光之直線偏光性提高。
再者，異折射率區域15b亦可於各單位構成區域R分別設置有複數個。於該情形時，亦可一個單位構成區域R中包含之複數個異折射率區域15b具有彼此相同之形狀之圖形，但彼此之重心分隔。又，亦可異折射率區域15b之於X-Y平面上規定之形狀於單位構成區域R間相同，藉由並行操作或並行操作及旋轉操作，能於單位構成區域R間相互重疊。於該情形時，光子帶構造之晃動減少，能獲得線寬較窄之光譜。或者，亦可
異折射率區域之X-Y平面內之形狀於單位構成區域R間未必相同(亦可於鄰接之單位構成區域R間形狀互不相同)。
又，於上述構造中，異折射率區域15b為空孔，但異折射率區域15b藉由將具有與基礎層15a之折射率不同之折射率之半導體埋入空孔內亦可獲得。於該情形時，例如亦可使用有機金屬氣相成長法、濺鍍法或磊晶法，於藉由對基礎層15a進行蝕刻而形成之空孔內埋入半導體。又，亦可於藉由在基礎層15a之空孔內埋入半導體而形成異折射率區域15b後，進而於其上沈積與異折射率區域15b相同之半導體。再者，於異折射率區域15b為空孔之情形時，亦可於該空孔中封入氬氣、氮氣等惰性氣體；氫氣或空氣。
再次參照圖1及圖2。面發光雷射元件2A進而具備設置於接觸層14之表面14a上之電極16、及設置於半導體基板10之背面10b上之電極17。電極16為本實施形態中之第2電極之例，電極17為本實施形態中之第1電極之例。電極16與接觸層14歐姆接觸，電極17與半導體基板10歐姆接觸。電極16具有將超穎介面3A包圍之框狀(環狀)之平面形狀，並且具有開口16a。又，電極17具有將第1光輸出面2a中之雷射光L1、L2之輸出區域包圍之框狀(環狀)之平面形狀，並且具有開口17a。再者，對於電極16、17之平面形狀，可應用矩形框狀、圓環狀等各種形狀。接觸層14之表面14a自開口16a露出，半導體基板10之背面10b自開口17a露出。再者，不與電極16接觸之接觸層14亦可去掉。於該情形時，上部包覆層13自開口16a露出。
自電極17之開口17a露出之半導體基板10之背面10b由抗反射膜19覆蓋。抗反射膜19例如由矽氮化物(例如SiN)、矽氧化物(例如
SiO2)等介電單層膜；或介電多層膜構成。作為介電多層膜，例如可應用積層有選自氧化鈦(TiO2)、二氧化矽(SiO2)、一氧化矽(SiO)、氧化鈮(Nb2O5)、五氧化鉭(Ta2O5)、氟化鎂(MgF2)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈰(CeO2)、氧化銦(In2O3)、氧化鋯(ZrO2)等介電層群之2種以上介電層之膜。
於某例中，半導體基板10為GaAs基板。又，包覆層11、活性層12、包覆層13、接觸層14及光子晶層15A分別為由III族元素及V族元素構成之化合物半導體層。於一例中，包覆層11為AlGaAs層。活性層12具有多重量子井構造(障壁層：AlGaAs/井戸層：InGaAs)。光子晶層15A之基礎層15a為GaAs。異折射率區域15b為空孔。包覆層13為AlGaAs層。接觸層14為GaAs層。
於另一例中，下部包覆層11為AlGaInP層。活性層12具有多重量子井構造(障壁層：AlGaInP或GaInP/井戸層：GaInP)。光子晶層15A之基礎層15a為AlGaInP或GaInP。異折射率區域15b為空孔。上部包覆層13為AlGaInP層。接觸層14為GaAs層。
於進而另一例中，半導體基板10為InP基板。下部包覆層11、活性層12、光子晶層15A、上部包覆層13及接觸層14亦可為由InP系化合物半導體構成之層。於一例中，下部包覆層11為InP層。活性層12具有多重量子井構造(障壁層：GaInAsP/井戸層：GaInAsP)。光子晶層15A之基礎層15a為GaInAsP。異折射率區域15b為空孔。上部包覆層13為InP層。接觸層14為GaInAsP層。
又，於進而另一例中，半導體基板10為GaN基板。下部包覆層11、活性層12、光子晶層15A、上部包覆層13及接觸層14亦可為由氮
化物系化合物半導體構成之層。於一例中，下部包覆層11為AlGaN層。活性層12具有多重量子井構造(障壁層：InGaN/井戸層：InGaN)。光子晶層15A之基礎層15a為GaN。異折射率區域15b為空孔。上部包覆層13為AlGaN層。接觸層14為GaN層。
下部包覆層11具有與半導體基板10相同之導電型。上部包覆層13及接觸層14具有與半導體基板10相反之導電型。於一例中，半導體基板10及下部包覆層11為n型。上部包覆層13及接觸層14為p型。於活性層12與下部包覆層11之間設置有光子晶層15A之情形時，該光子晶層15A具有與半導體基板10相同之導電型。另一方面，於活性層12與上部包覆層13之間設置有光子晶層15A之情形時，該光子晶層15A具有與半導體基板10相反之導電型。再者，雜質濃度例如為1×1017~1×1021/cm3。活性層12為未有意添加任何雜質之本徵(i型)，其雜質濃度為1×1015/cm3以下。再者，於有必要抑制經由雜質能階進行之光吸收所導致之損耗之影響的情形時等，光子晶層15A亦可為本徵(i型)。
對本實施形態之面發光雷射元件2A之尺寸例進行說明。電極16之開口16a之內徑(於開口16a之形狀為正方形之情形時，為一邊之長度)被控制於50μm~800μm之範圍內，例如為400μm。電極17之開口17a之內徑(於開口17a之形狀為正方形之情形時，為一邊之長度)被控制於50μm~800μm之範圍內，例如為400μm。光子晶層15A之厚度例如被控制於100nm~400nm之範圍內，例如為200nm。上部包覆層13之厚度例如被控制於2μm~50μm之範圍內。下部包覆層11之厚度例如被控制於1μm~3μm之範圍內。
若向電極16與電極17之間供給驅動電流，則驅動電流到達
活性層12。此時，電極16與活性層12之間流通之電流於上部包覆層13中擴散，電極17與活性層12之間流通之電流於下部包覆層11中擴散。因此，驅動電流分散而到達活性層12之中央部附近。而且，於活性層12內發生電子與電洞之再耦合，於該活性層12內產生光。該有助於發光之電子及電洞、以及所產生之光被高效地封入下部包覆層11與上部包覆層13之間。自活性層12釋放出之光進入光子晶層15A，形成與光子晶層15A之晶格構造相應之特定模式。
自光子晶層15A輸出之一部分雷射光L1自接觸層14之表面14a向面發光雷射元件2A之外部輸出。其後，所輸出之雷射光L1於導光層31內傳輸並到達反射型超穎介面3A。然後，雷射光L1於超穎介面3A反射，於導光層31內傳輸並再次輸入至接觸層14之表面14a。然後，雷射光L1自半導體基板10之背面10b向面發光雷射元件2A之外部輸出。又，自光子晶層15A輸出之剩餘雷射光L2直接到達半導體基板10之背面10b，自半導體基板10之背面10b與雷射光L1一併向面發光雷射元件2A之外部輸出。再者，雷射光L1、L2向與主面10a垂直之方向(法線方向)輸出。
繼而，詳細地對超穎介面3A之構成進行說明。圖8係表示超穎介面3A之俯視圖。本實施形態之超穎介面3A為反射型靜態超穎介面。所謂「超穎介面」，係指藉由將複數個各自充分小於光之波長之單位構造以構成一維排列或二維排列之方式形成於平坦之表面上而獲得的光學元件，該超穎介面於各單位構造分別使輸入光之相位、強度或偏光變化。超穎介面存在各種構造，本實施形態之超穎介面具有其中被稱作間隙電漿子型之構造。超穎介面3A係沿著相互交叉(例如正交)之2個方向例如X軸方向及Y軸方向延伸之平板狀之裝置，將與該2個方向兩者交叉(例如正交)
之方向例如Z軸方向設為厚度方向。於超穎介面3A之主面3a，設置有複數個單位區域20。複數個單位區域20呈以X軸方向為列方向，以Y軸方向為行方向之M列N行(M、N為2以上之整數)之二維狀排列。各單位區域20之平面形狀為矩形形狀(例如正方形形狀)。各單位區域20之一邊之長度W1例如處於200~400nm之範圍內。超穎介面3A藉由在各單位區域20中個別調變向主面3a輸入之雷射光L1之相位，而用於透鏡用途或全像形成等各種目的。
圖9係沿著圖8之IX-IX線之剖視圖，表示超穎介面3A之剖面構造。如圖9所示，超穎介面3A具備透光層9A。透光層9A具有主面9a(第1面)、及位於與主面9a為相反側之背面9b(第2面)。進而，超穎介面3A具備設置於透光層9A之主面9a上之金屬膜6A、及設置於透光層9A之背面9b上之金屬膜8A。即，透光層9A設置於金屬膜6A與金屬膜8A之間。再者，於圖9中，同時示出了設置於透光層9A之主面9a上之導光層31。導光層31與透光層9A接觸。
透光層9A為平坦之膜，遍及複數個單位區域20沿著X軸方向及Y軸方向兩者延伸。透光層9A之主面9a隔著導光層31，與半導體基板10之背面10b(即第2光輸出面2b)對向。因此，雷射光L1經由導光層31向主面9a輸入。主面9a與背面9b之間隔(即透光層9A之沿著Z軸方向之厚度)設定為充分小於雷射光L1之波長λ0。透光層9A之厚度例如被控制於10~100nm之範圍內。
透光層9A包含介電層。作為一例，本實施形態之透光層9A由單一介電層構成。再者，透光層9A亦可除了介電層以外，進而包含與介電層不同之其他層(例如，與下述第2實施形態相同之透明導電層)。
作為介電層之透光層9A係具有透光性及絕緣性之無機膜。所謂透光性，係指對輸入至超穎介面3A之波長之吸收極低(例如光吸收率為20%以下)之性質。所謂絕緣性，係指電阻率極高(例如電阻率為106Ω‧m以上)之性質。介電層4例如包含氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)及氟化鎂(MgF2)中至少任一者。介電層4之厚度例如被控制於1~20nm之範圍內，於一例中為5nm。
金屬膜6A係本實施形態中之第1金屬膜，作為超穎介面構造中之奈米天線而發揮功能。金屬膜6A例如為由金(Au)等金屬構成之膜。金屬膜6A之膜厚例如被控制於30~100nm之範圍內，於一例中為30nm。金屬膜6A包含複數個部分金屬膜61。圖10(a)係表示金屬膜6A之平面形狀之圖。金屬膜6A之存在範圍由影線示出。如圖10(a)所示，複數個部分金屬膜61構成沿著X軸方向及Y軸方向兩者之二維排列，且相互分隔。各部分金屬膜61於各單位區域20中分別設置(各自包含於對應之單位區域20)。部分金屬膜61之沿著X軸方向之寬度W2及部分金屬膜61之沿著Y軸方向(第1方向)之寬度W3設定為小於單位區域20之一邊之長度W1，且設定為充分小於雷射光L1之波長λ0。具體而言，部分金屬膜61之寬度W2被控制於40~360nm之範圍內，於一例中為90nm。又，部分金屬膜61之寬度W3被控制於40~360nm之範圍內，較佳為40~180nm之範圍內，於各單位區域20中分別獨立地設定。因此，本實施形態中，於兩個以上單位區域20間，部分金屬膜61之寬度W3互不相同。
再者，作為一例，部分金屬膜61之寬度W2相對於雷射光L1之波長λ0之比(W2/λ0)被控制於0.02~0.9之範圍內，部分金屬膜61之寬度W3相對於雷射光L1之波長λ0之比(W3/λ0)被控制於0.02~0.9之範圍
內。進而，部分金屬膜61之寬度W2相對於單位區域20之一邊之長度W1之比(W2/W1)被控制於0.1~1之範圍內，部分金屬膜61之寬度W3相對於單位區域20之一邊之長度W1之比(W3/W1)被控制於0.1~0.9之範圍內。
如上所述，部分金屬膜61之寬度W2、W3小於單位區域20之一邊之長度W1。而且，部分金屬膜61分別於X軸方向及Y軸方向上，配置於單位區域20之大致中央部分。因此，如圖9及圖10(a)所示，透光層9A於各單位區域20中，包含自Z軸方向觀察時未被金屬膜6A遮住而露出之部分9e。部分9e具有沿著Z軸方向觀察單位區域20時將部分金屬膜61包圍之形狀，或包含隔著部分金屬膜61之一對部分。再者，X軸方向或Y軸方向與雷射光L1之偏光方向一致。
金屬膜8A係本實施形態中之第2金屬膜。金屬膜8A將輸入至透光層9A之雷射光L1向主面9a反射。金屬膜8A例如由金(Au)等金屬構成。金屬膜8A之膜厚例如被控制於100~200nm之範圍內，於一例中為130nm。圖10(b)係表示金屬膜8A之平面形狀之圖。金屬膜8A之存在範圍由影線示出。本實施形態之金屬膜8A遍及透光層9A之背面9b之整面毫無間隙地設置。
圖11係表示光子晶層15A中形成有複數個異折射率區域15b之內側區域RIN(參照圖5)與超穎介面3A中形成有複數個部分金屬膜61之區域Q1兩者之關係之俯視圖。如圖11所示，區域Q1之面積小於內側區域RIN之面積，沿著Z軸方向觀察面發光雷射元件2A時區域Q1亦可包含於內側區域RIN。
再次參照圖9。導光層31為了降低超穎介面3A與面發光雷射元件2A之間之光損耗，而設置於面發光雷射元件2A之第2光輸出面2b
與超穎介面3A之透光層9A之間。導光層31係具有透光性及絕緣性之無機膜，兼作針對第2光輸出面2b之抗反射膜。導光層31可由單一層構成，又亦可具有由複數層積層而成之積層構造。導光層31具有位於面發光雷射元件2A側之面31a、及位於超穎介面3A側之面31b(參照圖2及圖3)。面31a、31b係平坦且相互平行之面，沿著Z軸方向相互對向。導光層31之面31a與第2光輸出面2b接觸，面31b與透光層9A之主面9a接觸。面31a、31b之沿著Z軸方向之間隔(即導光層31之厚度)例如被控制於50~300nm之範圍內，於一例中為117nm。
導光層31例如亦可包含Al2O3、SiO2、MgF2及氟化鈣(CaF2)中至少任一者。又，為了降低導光層31與透光層9A之界面上之反射，構成透光層9A之主面9a之層亦可於雷射光L1之波長下具有導光層31之折射率以上之折射率。換言之，導光層31之折射率亦可等於或小於構成透光層9A之主面9a之層之折射率。因此，於透光層9A由Al2O3構成之情形時，導光層31亦可包含Al2O3、SiO2、MgF2及CaF2中至少任一者。又，於透光層9A由SiO2構成之情形時，導光層31亦可包含SiO2、MgF2及CaF2中至少任一者。又，於透光層9A由MgF2構成之情形時，導光層31亦可包含MgF2及CaF2中至少任一者。藉此，自第2光輸出面2b輸出之雷射光L1以損耗被抑制得較小之狀態自導光層31向透光層9A輸入。
再者，於本實施形態中，具有導光層31中埋入有金屬膜6A之複數個部分金屬膜61之構成，但亦可具有透光層9A中埋入有複數個部分金屬膜61之構成。於導光層31中埋入有金屬膜6A之複數個部分金屬膜61之構成中，導光層31之最小厚度大於金屬膜6A之膜厚。
圖12(a)~圖12(d)及圖13(a)~圖13(c)係表示超穎介面3A
之製作方法之一例中之各步驟的剖視圖。首先，如圖12(a)所示，作為第1步驟，準備面發光雷射元件2A。然後，於面發光雷射元件2A之第2光輸出面2b(於本實施形態中，為接觸層14之表面14a)上，成膜導光層31。導光層31之成膜例如使用電子束蒸鍍法或濺鍍法而進行。
其次，如圖12(b)所示，於導光層31上塗佈抗蝕劑41。抗蝕劑41例如為電子束曝光抗蝕劑。繼而，如圖12(c)所示，將抗蝕劑41曝光、顯影，藉此於抗蝕劑41形成開口41a。開口41a與複數個部分金屬膜61對應。繼而，如圖12(d)所示，經由抗蝕劑41之開口41a對導光層31進行蝕刻。藉此，於導光層31形成複數個凹部31c。凹部31c之深度與複數個部分金屬膜61之厚度相等。作為此時之蝕刻方法，例如可列舉反應性離子蝕刻(RIE：Reactive Ion Eching)等乾式蝕刻。凹部31c之深度可由蝕刻時間控制。
繼而，如圖13(a)所示，於導光層31上之整面蒸鍍用於金屬膜6A之金屬材料(例如Au)。此時，金屬材料經由抗蝕劑41之開口41a到達導光層31之凹部31c，將凹部31c掩埋。藉此，形成金屬膜6A之複數個部分金屬膜61。部分金屬膜61之厚度可由蒸鍍時間控制。較佳為以部分金屬膜61之厚度與凹部31c之深度彼此相等之方式控制蒸鍍時間。又，該步驟中，剩餘之金屬材料M沈積於抗蝕劑41上。
繼而，如圖13(b)所示，將抗蝕劑41自導光層31上去除。此時，剩餘之金屬材料M被與抗蝕劑41一併除去。藉此，導光層31之面31b出現。藉由恰當地控制部分金屬膜61之厚度與凹部31c之深度，面31b與複數個部分金屬膜61之露出面相互成為同一平面(整體上變得平坦)。其後，如圖13(c)所示，於導光層31之面31b上及複數個部分金屬膜61上之整
面，成膜透光層9A，進而成膜金屬膜8A。透光層9A之成膜方法及材料與導光層31之成膜方法及材料相同。由於導光層31之面31b與複數個部分金屬膜61之露出面整體上變得平坦，故而透光層9A之主面9a及背面9b亦變得平坦。又，金屬膜8A之成膜方法及材料與金屬膜6A之成膜方法及材料相同。經過以上構成，製作出本實施形態之超穎介面3A。
對藉由以上所說明之本實施形態之發光裝置1A而獲得之作用效果進行說明。於該發光裝置1A中，面發光雷射元件2A內所產生之雷射光L1、L2自第1光輸出面2a及第2光輸出面2b分別輸出。其中，自第2光輸出面2b輸出之雷射光L1於導光層31中傳輸並輸入至透光層9A之主面9a。
本實施形態之超穎介面3A具備MIM構造，該MIM構造依序積層有作為光反射膜之金屬膜8A、包含介電層之透光層9A、及包含具有有限寬度W3之複數個部分金屬膜61之金屬膜6A。於該情形時，如圖2及圖3所示，透光層9A包含自金屬膜6A露出之部分9e。自面發光雷射元件2A輸入至透光層9A之部分9e之雷射光L1於金屬膜8A反射後，再次向超穎介面3A之外部輸出。於複數個部分金屬膜61之寬度W3及透光層9A之厚度充分小於雷射光L1之波長λ0之情形時，透光層9A內發生表面電漿子耦合所導致之較強之磁共振(電漿子共振)。藉由該磁共振，通過部分金屬膜61與金屬膜8A之間之雷射光L1之相位得到調變。
此處，以下數式(1)表示磁共振所導致之雷射光L1之相位調變量
、部分金屬膜61之寬度w(=W3)、雷射光L1之波長λ0、及透光層9A之有效折射率Ngsp幾者之關係。再者，m為整數。
[數1]
自數式(1)可知，相位調變量
取決於部分金屬膜61之寬度w。因此，藉由在各單位區域20中分別獨立地設定寬度w，能於空間上控制雷射光L1之相位。相位被如此調變後之雷射光L1自第2光輸出面2b再次輸入至面發光雷射元件2A內，並自第1光輸出面2a輸出。
如上所述，於超穎介面為反射型之情形時，包含光源及超穎介面之發光裝置中，需要用以將來自光源之光輸入至超穎介面之光學系統、及用以傳導自超穎介面輸出之光之光學系統。因此，光學系統整體容易變得複雜，從而成為妨礙發光裝置小型化之因素。與此相對地，於本實施形態之發光裝置1A中，光源(面發光雷射元件2A)與超穎介面3A經由導光層31一體化。因此，無需反射型之超穎介面3A與光源(面發光雷射元件2A)之間之光學系統。故而，得以實現光學系統之簡易化。
此外，於該發光裝置1A中，透光層9A中構成主面9a之層於雷射光L1之波長下具有導光層31之折射率以上之折射率。此種構成會降低於導光層31與透光層9A之界面之反射，因此能效率良好地自導光層31向透光層9A輸入雷射光L1。從而，超穎介面3A可有效地發揮功能。
又，如本實施形態般，兩個以上單位區域20中之金屬膜6A之沿著Y軸方向之寬度W3亦可互不相同。如上所述，相位調變量取決於金屬膜6A之寬度W3。因此，此種構成能實現構成一維排列或二維排列之複數個單位區域20各者中之相位調變，從而能較佳地實現包含具有此種構成之靜態超穎介面之發光裝置1A。
圖14(a)及圖14(b)係概念性地表示使輸出光之出射角可變之光束轉向，以作為超穎介面3A之應用例之圖。於圖14(b)之例中，藉由
在各單位區域20中分別沿著X軸方向(或Y軸方向)使相位調變量
每次變化固定量，而使輸出光之波面Pa相對於超穎介面3A之表面傾斜。此時，波面Pa之法線與超穎介面3A之表面之法線所成之角θ(即輸出光之出射角)根據各單位區域20之相位調變量
之變化量而定。該變化量越大則輸出光之出射角θ越大，該變化量越小則輸出光之出射角θ越小。因此，藉由控制各單位區域20之相位調變量
之變化量，能將輸出光之出射角θ設定為任意角度。
圖14(a)係表示具有光束轉向用構造之繞射光學元件(DOE)100之光反射面101之形狀的剖視圖。繞射光學元件100中，於光反射面101設置有週期性凹凸，藉由在凸部形成斜面102能控制輸出光(反射光)之出射角。然而，於此種構成中，光反射面101之凹凸構造例如具有達200μm之厚度t2。與此相對地，本實施形態之超穎介面3A例如具有達210nm之厚度t1，與繞射光學元件100相比能極薄地構成(參照圖14(b))。因此，有助於發光裝置1A之小型化。
如本實施形態般，面發光雷射元件2A包含具有主面10a及與該主面10a對向之背面10b之基板、以及設置於主面10a上之活性層12及光子晶層15A。光子晶層15A亦可包含基礎層15a及複數個異折射率區域15b，該等複數個異折射率區域15b具有與基礎層15a之折射率不同之折射率，週期性地排列於與光子晶層15A之厚度方向垂直之設計面(基準面)上。藉由此種構成，面發光雷射元件2A可作為光子晶面發光雷射器(PCSEL)而發揮功能。PCSEL能藉由光子晶體控制與主面平行之方向之光模分佈。因此，PCSEL例如與同為面發光雷射元件之垂直共振器面發光型雷射裝置(VCSEL)相比，原理上能維持單一模式地擴大發光面積。即，
PCSEL原理上能使波面保持良好狀態地擴大發光面積。因此，藉由增加超穎介面3A之單位區域20之數量，能實現更複雜之相位調變圖案。
如本實施形態般，透光層9A亦可包含Al2O3、SiO2及MgF2中至少任一者。藉由此種構成，能較佳地實現包含介電層之透光層9A。
如本實施形態般，導光層31亦可包含Al2O3、SiO2、MgF2及CaF2中至少任一者。藉由此種構成，能較佳地發揮上述導光層31之作用。
如本實施形態般，設置於第1光輸出面2a上之電極17亦可具有將第1光輸出面2a中之雷射光輸出區域包圍之形狀。藉由此種構成，於超穎介面3A中被調變過相位之雷射光L1可避開電極17而自第1光輸出面2a輸出。
又，如本實施形態般，設置於第2光輸出面2b上之電極16亦可具有將超穎介面3A包圍之形狀。藉由此種構成，既能將超穎介面3A與電極16一併設置於第2光輸出面2b上，又能使來自電極16之電流充分擴散至活性層12之中央部附近。
(第1變化例)
圖15係表示第1實施形態之一變化例之超穎介面3B之俯視圖。於超穎介面3B之主面3a，形成有複數個(N個)單位區域21，以此代替第1實施形態之複數個單位區域20。複數個單位區域21構成沿著X軸方向之一維排列。各單位區域21之平面形狀為矩形形狀(例如以與排列方向交叉之Y軸方向為長邊方向之長方形形狀)。各單位區域21之沿著X軸方向之寬度W4與第1實施形態之單位區域20之一邊之長度W1相同。再者，超穎介面3B之IX-IX剖面之構造與第1實施形態相同(參照圖9)。
圖16(a)係表示金屬膜6B之平面形狀之圖。金屬膜6B設置於透光層9A之主面9a上，且與第1實施形態同樣地包含複數個部分金屬膜62。複數個部分金屬膜62沿著X軸方向以相互分隔之狀態排列。複數個部分金屬膜62沿著X軸方向之配置週期(排列間距)固定。各部分金屬膜62之平面形狀為矩形形狀(例如長方形形狀)。各部分金屬膜62於各單位區域21中分別設置，位於各單位區域21內。部分金屬膜62之沿著X軸方向之寬度W2及部分金屬膜62之沿著Y軸方向之寬度W3與第1實施形態相同。於本變化例中，亦為部分金屬膜62之寬度W2小於單位區域21之寬度W4。又，部分金屬膜62之寬度W3充分小於雷射光L1之波長λ0，且於各單位區域21中分別獨立地設定。因此，本實施形態中，亦為於兩個以上單位區域21間，部分金屬膜62之寬度W3互不相同。而且，部分金屬膜62分別於X軸方向及Y軸方向上配置在單位區域21之大致中央部分。因此，透光層9A於各單位區域21中包含自部分金屬膜62露出之部分9e。
圖16(b)係表示金屬膜8A之平面形狀之圖。超穎介面3B所具備之金屬膜8A之態樣與第1實施形態相同。
如本變化例般，複數個單位區域亦可構成一維排列。於此種情形時，亦能發揮與第1實施形態相同之效果。
(第2實施形態)
圖17係模式性表示本發明之第2實施形態之發光裝置1B之剖面構成的圖。如圖17所示，本實施形態之發光裝置1B具備面發光雷射元件2A、超穎介面3C及導光層31。其等之中，面發光雷射元件2A及導光層31之構成與上述第1實施形態相同，因此於本實施形態中省略說明。
本實施形態之超穎介面3C代替第1實施形態之超穎介面
3A，隔著導光層31設置於面發光雷射元件2A之第2光輸出面2b上。超穎介面3C係與面發光雷射元件2A一體地構成之反射型動態超穎介面，與第1實施形態之超穎介面3A同樣地，具有間隙電漿子型之構造。又，超穎介面3C與第1實施形態之超穎介面3A同樣地，具有圖8所示之複數個單位區域(像素)20。複數個單位區域20構成以X軸方向為列方向，以Y軸方向為行方向之M列N行(M、N為2以上之整數)之二維排列。各單位區域20之平面形狀為矩形形狀(例如正方形形狀)。各單位區域20之一邊之長度W1例如被控制於200~400nm之範圍內。超穎介面3C藉由在各單位區域20中個別調變向主面3a輸入之雷射光L1之相位，而用於透鏡用途或全像形成等各種目的。
圖18係表示相當於圖8之IX-IX線之超穎介面3C之剖面構造的圖。如圖18所示，超穎介面3C具備驅動電路5、設置於驅動電路5之表面之金屬膜8B、積層於金屬膜8B上之透光層9B、及設置於透光層9B上之金屬膜6C。即，透光層9B設置於金屬膜8B與金屬膜6C之間。
透光層9B為平坦之膜，遍及複數個單位區域20沿著X軸方向及Y軸方向兩者延伸。透光層9B具有主面9c(第1面)及背面9d(第2面)。主面9c與背面9d沿著Z軸方向相互對向。自面發光雷射元件2A之第2光輸出面2b經由導光層31向主面9c輸入雷射光L1。主面9c與背面9d之間隔(即透光層9B之沿著Z軸方向之厚度)設定為充分小於雷射光L1之波長λ0。透光層9B之厚度例如被控制於10~100nm之範圍內。透光層9B具有以Z軸方向為積層方向而積層之透明導電層92及介電層93。
透明導電層92為具有透光性及導電性之無機膜。本實施形態之透明導電層92包含由於摻雜劑而低電阻化後之氧化銦(In2O3)及氧化
鋅(Zn2O3)中至少任一者。相對於氧化銦之摻雜劑例如為Sn。摻雜有Sn之氧化銦稱作ITO。又，相對於氧化鋅之摻雜劑例如為Al或Ga。摻雜有Al之氧化鋅稱作AZO。摻雜有Ga之氧化鋅稱作GZO。透明導電層92之厚度例如被控制於3~50nm之範圍內，於一例中為20nm。
介電層93為具有透光性及絕緣性之無機膜。所謂絕緣性，係指電阻率極高(例如電阻率為106Ω‧m以上)之性質。介電層93例如包含氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)及氟化鎂(MgF2)中至少任一者。介電層93之厚度例如被控制於3~20nm之範圍內，於一例中為5nm。於本實施形態中，介電層93相對於透明導電層92位於主面9c側。
再者，本實施形態中，於背面9d側設置有透明導電層92，於主面9c側設置有介電層93，但亦可於主面9c側設置有透明導電層92，於背面9d側設置有介電層93。又，本實施形態中，透明導電層92之一部分構成背面9d，介電層93之一部分構成主面9c。但亦可於包含透明導電層92及介電層93之構造體與主面9c及/或背面9d之間進而設置其他層。又，亦可於透明導電層92與介電層93之間進而設置其他層。
金屬膜6C為本實施形態中之第1金屬膜，可作為超穎介面構造中之奈米天線而發揮功能。金屬膜6C設置於透光層9B之主面9c上。金屬膜6C例如為由金(Au)等金屬構成之膜。金屬膜6C之膜厚例如被控制於30~100nm之範圍內，於一例中為50nm。金屬膜6C包含複數個部分金屬膜63。圖19(a)係表示金屬膜6C之平面形狀之圖。如圖19(a)所示，複數個部分金屬膜63沿著X軸方向以相互分隔之狀態排列。各部分金屬膜63於各單位區域20之行分別設置，遍及沿著Y軸方向排列之兩個以上單位區域20(於本實施形態中，為M個單位區域20)延伸。部分金屬膜63之沿著X
軸方向之寬度W5設定為小於單位區域20之沿著該X軸方向之長度W1，且設定為充分小於雷射光L1之波長λ0。於一例中，部分金屬膜63之寬度W5被控制於40~360nm之範圍內，於一例中為250nm。又，相鄰之部分金屬膜63彼此之間隔被控制於40~360nm之範圍內，於一例中為150nm。又，部分金屬膜63之寬度W5相對於雷射光L1之波長λ0之比(W5/λ0)被控制於0.02~0.9之範圍內。進而，部分金屬膜63之寬度W5相對於單位區域20之一邊之長度W1之比(W5/W1)被控制於0.1~0.9之範圍內。
如上所述，部分金屬膜63之寬度W5小於單位區域20之長度W1。而且，部分金屬膜63於X軸方向上配置於單位區域20之大致中央部分。因此，如圖18及圖19(a)所示，透光層9B於各單位區域20中包含一對部分9f、9g。一對部分9f、9g分別設置於沿著Z軸方向觀察單位區域20時隔著部分金屬膜63之位置，且自金屬膜6C露出。如圖18所示，一對部分9f、9g之排列方向(即X軸方向)與雷射光L1之偏光方向L1a一致。
金屬膜8B為本實施形態中之第2金屬膜。金屬膜8B設置於透光層9B之背面9d上。於一例中，金屬膜8B與背面9d接觸。金屬膜8B將輸入至透光層9B之雷射光L1向主面9c反射。金屬膜8B例如由金(Au)等金屬構成。金屬膜8B之膜厚例如被控制於100~200nm之範圍內，於一例中為150nm。金屬膜8B包含複數個部分金屬膜81。圖19(b)係表示金屬膜8B之平面形狀之圖。複數個部分金屬膜81構成以X軸方向為列方向，以Y軸方向為行方向之M列N行二維排列，並且相互分隔。各部分金屬膜81於各單位區域20中分別設置，位於各單位區域20內。於一例中，各部分金屬膜81之平面形狀為矩形形狀(例如正方形形狀)。於一例中，部分金屬膜81之一邊之長度W6處於40~360nm之範圍內。進而，部分金屬膜81之一邊
之長度W6相對於單位區域20之一邊之長度W1之比(W6/W1)處於0.1~0.9之範圍內。
驅動電路5為具有複數個電晶體51之板狀構件。驅動電路5控制自超穎介面3C之外部向金屬膜8B與金屬膜6C之間施加之電壓。更詳細而言，驅動電路5將複數個部分金屬膜63之電位設定為共通之基準電位(GND電位)，並且利用電晶體51個別控制複數個部分金屬膜81之電位。驅動電路5相對於透光層9B位於背面9d側。各電晶體51係與各單位區域20對應設置，且沿著Z軸方向觀察單位區域20時位於各單位區域20內。電晶體51例如為設置於包含介電體之基板上之薄膜電晶體。於各電晶體51上，隔著絕緣膜設置有部分金屬膜81。
圖20係表示各單位區域20中之電路構成之圖。如圖20所示，驅動電路5進而具有M條閘極驅動配線53、及N條電壓供給配線54。M條閘極驅動配線53分別沿著列方向(即X軸方向)延伸，並且分別沿著行方向(即Y軸方向)配置。N條電壓供給配線54分別沿著行方向(即Y軸方向)延伸，並且分別沿著列方向(即X軸方向)配置。第m列(m=1、2、…、M)閘極驅動配線53與在各位於第m列之單位區域20中分別設置之電晶體51之控制端子(閘極)電性連接。第n行(n=1、2、…、N)電壓供給配線54與在各位於第n行之單位區域20中分別設置之電晶體51之一電流端子(例如源極)電性連接。電晶體51之另一電流端子(例如汲極)經由單位區域20內之配線與該單位區域20之部分金屬膜81電性連接。
又，本實施形態之驅動電路5進而具有於各單位區域20中分別設置之複數個電容器52。電容器52為本實施形態中之電壓保持部之例，於各單位區域20中分別保持對單位區域20之部分金屬膜81施加之電
壓。再者，作為電壓保持部，除了電容器以外亦可應用能保持電壓之各種構成。電容器52例如為形成於驅動電路5內部之平行平板電容器。電容器52之一電極連接於部分金屬膜81，另一電極連接於定電位區域(例如基準電位區域)。再者，如下所述，部分金屬膜81亦可兼作電容器52之一電極。
圖21(a)~圖21(d)係用以說明第m列第n行單位區域20中之驅動電路5之動作之圖。於圖21(a)~圖21(d)中，以虛線標示出具有有效電壓值之部分。首先，於圖21(a)所示之狀態下，對第m列閘極驅動配線53及第n行電壓供給配線54均未施加電壓，電晶體51為非導通狀態。其次，如圖21(b)所示，若對第m列閘極驅動配線53施加特定閘極電壓Vg，則電晶體51成為導通狀態。此時，第n行電壓供給配線54與部分金屬膜81經由電晶體51相互連接。繼而，如圖21(c)所示，對第n行電壓供給配線54施加驅動電壓Vd。驅動電壓Vd之電壓值係基於應對超穎介面3C設定之所希望之相位調變圖案，於各單位區域20中分別獨立地設定。藉此，於經由電晶體51對部分金屬膜81施加驅動電壓Vd之同時，藉由電容器52保持該驅動電壓Vd。其後，如圖21(d)所示，不再自第m列閘極驅動配線53施加閘極電壓Vg，且停止自第n行電壓供給配線54供給驅動電壓Vd。此時，電晶體51再次成為非導通狀態，但藉由電容器52，部分金屬膜81之電壓被保持為驅動電壓Vd。對所有單位區域20逐次進行此種動作，使驅動電路5被個別控制複數個部分金屬膜81之驅動電壓Vd。藉此，對超穎介面3C設定所希望之相位調變圖案，於各單位區域20中分別調變雷射光L1之相位。
圖22係表示各單位區域20中之驅動電路5之構造之俯視
圖。又，圖23係沿著圖22之XXIII-XXIII線之剖視圖，表示各單位區域20中之驅動電路5之剖面構造。如圖22及圖23所示，驅動電路5具有第1導電型(例如p型)半導體層55、及設置於半導體層55上之絕緣層57、58。半導體層55可為半導體基板本身，亦可為形成於異種基板上之半導體膜(單晶膜、多晶膜或非晶膜)。於半導體層55之表面55c(即半導體基板之主面、或包含異種基板及半導體膜之基板狀構件之主面)，設置有電晶體51。於半導體層55為形成於異種基板上之半導體膜之情形時，電晶體51稱作薄膜電晶體。構成半導體層55之半導體基板、或構成異種基板及半導體層55之半導體膜使表面55c與透光層9B之背面9d(參照圖2)相互對向，並且與透光層9B一體化。
作為一例，半導體層55主要由添加有第1導電型(例如p型)雜質之Si構成。於半導體層55內，形成有第2導電型(例如n型)半導體區域55a、55b。半導體區域55a、55b主要由添加有第2導電型雜質之Si構成。半導體區域55a、55b相互隔開間隔而配置，且於半導體層55之表面55c露出。半導體區域55a與設置於表面55c上之電晶體51之源極電極51b形成歐姆接觸。半導體區域55b與設置於表面55c上之電晶體51之汲極電極51c形成歐姆接觸。源極電極51b及汲極電極51c係於表面55c上隔開間隔排列而配置。
除了源極電極51b、汲極電極51c以外之表面55c上之區域由絕緣層57覆蓋。再者，於圖22中，為了容易理解，僅示出了絕緣層57之必要部分。絕緣層57例如主要包含SiO2等絕緣性矽化合物。於絕緣層57上，設置有電晶體51之閘極電極51a。閘極電極51a與半導體層55中之位於半導體區域55a與半導體區域55b之間之區域隔著絕緣層57對向。閘
極電極51a由設置於絕緣層57上之絕緣層58覆蓋。如圖23所示，絕緣層58為保護驅動電路5整體之保護膜。絕緣層58例如主要包含SiO2。於絕緣層58上，設置有該單位區域20之部分金屬膜81。
如圖22所示，源極電極51b與設置於表面55c上之電壓供給配線54連接。閘極電極51a經由設置於絕緣層57上之配線連接於閘極驅動配線53。又，如圖23所示，汲極電極51c經由貫通絕緣層57、58之配線51d連接於部分金屬膜81。
電容器52包含部分金屬膜81之一部分、其正下方之半導體層55、及介置於其等之間之介電層59。再者，半導體層55被設定為定電位(例如基準電位)。於該情形時，部分金屬膜81兼作電容器52之一電極，半導體層55兼作電容器52之另一電極。介電層59係以將形成於絕緣層57、58之開口掩埋之方式設置。介電層59之下表面與半導體層55接觸，介電層59之上表面與部分金屬膜81接觸。介電層59例如主要包含SiO2。
圖24(a)~圖24(e)係表示超穎介面3C之製作方法之一例中之各步驟的剖視圖。再者，於圖24(a)~圖24(e)中，僅具有代表性地示出了一個單位區域20，但其他單位區域20亦與該單位區域20並行地，藉由相同方法製作而成。首先，如圖24(a)所示，作為第1步驟，準備驅動電路5。驅動電路5係藉由在具有電晶體之基板上形成配線層之周知方法製作而成。此時，於驅動電路5上之配線層，已形成有包含複數個部分金屬膜81之金屬膜8B。其次，如圖24(b)所示，例如利用濺鍍法等物理蒸鍍法於金屬膜8B上形成透明導電層92。具體而言，於將由透明導電層92之材料構成之靶設置於真空腔室內之狀態下，使利用高電壓加以離子化後之惰性氣體衝撞靶。藉此，使透明導電層92之材料飛散，由此成膜該透明導電層
92。於透明導電層92由ITO構成之情形時，介電層93之材料例如為SiO2、Al2O3及HfO2中至少任一者。繼而，如圖24(c)所示，例如利用原子層沈積(Atomic Layer Deposition：ALD)法於透明導電層92上形成介電層93。具體而言，針對各構成介電層93之元素，分別進行向成膜裝置內投入及吹拂原料氣體之操作(即，反覆實施例如數埃厚度之成膜)。於介電層93由SiO2構成之情形時，ALD之原料例如為TDMAS及氧電漿。繼而，如圖24(d)所示，例如利用舉離法於介電層93上形成包含複數個部分金屬膜63之金屬膜6C。具體而言，首先，於介電層93之上塗佈抗蝕劑，並形成與複數個部分金屬膜63對應之複數個開口。其次，於包含抗蝕劑之複數個開口之介電層93之整面蒸鍍金屬膜(例如Au膜)。然後，藉由將抗蝕劑去除，而將沈積於抗蝕劑上之金屬膜去除。經過以上步驟，製作出本實施形態之超穎介面3C。
繼而，如圖24(e)所示，例如利用CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法，於介電層93整面上，形成介電層93、及覆蓋金屬膜6C之導光層31。具體而言，於調整成膜裝置內之溫度及壓力後，針對各構成導光層31之元素，分別向成膜裝置內送入原料氣體。於導光層31由SiO2構成之情形時，CVD之原料例如為SiH4。
最後，藉由化學機械研磨(CMP：Chemical Mechanical Polishing)使導光層31之表面(面31a)平坦化。其後，將導光層31之面31a接合於另外準備之面發光雷射元件2A之第2光輸出面2b，至此發光裝置1B完成。作為此時之接合方法，例如可列舉擴散接合或常溫接合。
對藉由以上所說明之本實施形態之發光裝置1B所得之效果進行說明。於本實施形態之發光裝置1B中，與第1實施形態同樣地，光源
(面發光雷射元件2A)與超穎介面3C經由導光層31一體化。因此，無需反射型之超穎介面3C與光源(面發光雷射元件2A)之間之光學系統。故而，根據本實施形態，能將光學系統簡易化。
超穎介面3C具備MIM構造，該MIM構造依序積層有作為光反射膜之金屬膜8B、包含透明導電層92及介電層93之透光層9B、及包含具有有限寬度W5之複數個部分金屬膜63之金屬膜6C。於該情形時，如圖18及圖19(a)~圖19(b)所示，透光層9B包含一對部分9f、9g。一對部分9f、9g分別設置於沿著積層方向(Z軸方向)觀察單位區域20時隔著部分金屬膜63之位置，且自金屬膜6C露出。自超穎介面3C之外部輸入至透光層9B之一部分9f(或9g)之雷射光L1於金屬膜8B反射，並自透光層9B之另一部分9g(或9f)向超穎介面3C之外部輸出。此時，若向部分金屬膜63與金屬膜8B之間施加驅動電壓Vd，則於部分金屬膜63及金屬膜8B兩者產生被稱作間隙介面電漿子模式之相互反向之感應電流(於透光層9B內發生較強之磁共振(電漿子共振))。藉由該磁共振，通過部分金屬膜63與金屬膜8B之間之雷射光L1之相位得到調變。再者，磁共振所導致之雷射光L1之相位調變量
、部分金屬膜63之寬度w(=W5)、雷射光L1之波長λ0、及透光層9B之有效折射率Ngsp幾者之關係如上述式(1)所示。
自上述式(1)可知，相位調變量
取決於透光層9B之有效折射率Ngsp。而且，藉由使向部分金屬膜63與金屬膜8B之間施加之驅動電壓Vd變化，能控制有效折射率Ngsp。其理由如下所述。若向部分金屬膜63與金屬膜8B之間施加驅動電壓Vd，則如圖25所示，藉由部分金屬膜63與金屬膜8B之間之電場，透明導電層92之介電層93之界面附近之電子密度提高。其結果，透明導電層92之該界面附近之部分變成經金屬化後之層
(金屬化層92a)。該金屬化層92a與雷射光L1反應，故而透光層9B之有效折射率Ngsp變化。
進而，於本實施形態之超穎介面3C中，金屬膜8B包含以相互分離之狀態於各單位區域20中分別設置之複數個部分金屬膜81，驅動電路5個別控制複數個部分金屬膜81之驅動電壓Vd。藉此，如圖25所示，能於各單位區域20中分別獨立地控制透明導電層92中之金屬化層92a之厚度(能於各單位區域20中分別獨立地調變相位)。即，根據本實施形態之超穎介面3C，能進行各構成二維排列之單位區域20之動態相位調變。
又，於本實施形態中，亦為本實施形態之超穎介面3C與繞射光學元件(參照圖14(a)及圖14(b))相比能極薄地構成。因此，本實施形態有助於具備超穎介面3C之發光裝置1B之小型化。
如本實施形態般，驅動電路5亦可具有對各部分金屬膜81分別保持電壓之複數個電壓保持部(電容器52)。藉此，能對各部分金屬膜81逐次設定電位，因此能將驅動電路5之構成簡略化。於該情形時，複數個電壓保持部亦可為以金屬膜8B為一電極之電容器52。藉此，能藉由簡易之構成實現電壓保持部。
如本實施形態般，介電層93亦可相對於透明導電層92位於主面9c側。藉此，形成反映出設置於上側之金屬構造之形狀之累積層，故而有望使電子濃度變高。
如本實施形態般，亦可驅動電路5包含在各單位區域20中分別設置之複數個電晶體51。又，超穎介面3C具備於主面具有複數個電晶體51之基板，且該基板使其主面與背面9d相互對向並與透光層9B一體化。藉此，可提供一種組裝有驅動電路之小型反射型動態超穎介面。
如本實施形態般，亦可驅動電路5將金屬膜6C設定為基準
電位，金屬膜6C遍及於與一對部分9f、9g之排列方向交叉之方向上排列之兩個以上單位區域20延伸。藉此，既能抑制用以向金屬膜6C提供基準電位之配線妨礙雷射光L1及輸出光之進程，又能容易地對金屬膜6C設定基準電位。因此，能藉由簡易之構造抑制超穎介面3C之輸出效率之下降。
如本實施形態般，介電層93亦可包含Al2O3、SiO2及MgF2中至少任一者。藉此，能較佳地實現上述介電層93。
如本實施形態般，透明導電層92亦可包含由於摻雜劑而低電阻化後之In2O3及Zn2O3中至少一者。藉此，能較佳地發揮上述透明導電層92之作用。
(第2變化例)
於第2實施形態之超穎介面3C之主面3a，亦可形成有圖15所示之複數個(N個)單位區域(像素)21，以此代替圖8所示之複數個單位區域20。複數個單位區域21構成沿著X軸方向之一維排列。各單位區域21之平面形狀為矩形形狀(例如以與排列方向交叉之Y軸方向為長邊方向之長方形形狀)。各單位區域21之沿著X軸方向之寬度W4與第2實施形態之單位區域20之一邊之長度W1相同。再者，本變化例之超穎介面之剖面構造與第2實施形態相同(參照圖18)。
圖26(a)係表示本變化例之金屬膜6C之平面形狀之圖。金屬膜6C設置於透光層9B之主面9c上，且與第2實施形態同樣地包含複數個部分金屬膜63。複數個部分金屬膜63沿著X軸方向以相互分隔之狀態排列。各部分金屬膜63之平面形狀為矩形形狀(例如以Y軸方向為長邊方向之長方形形狀)。但於本實施形態中，單位區域21亦為以Y軸方向為長邊
方向之長方形形狀，因此各部分金屬膜63於各單位區域21中分別設置，位於各單位區域21內。部分金屬膜63之沿著X軸方向之寬度W5與第2實施形態相同。於本變化例中，亦為部分金屬膜63之寬度W5小於單位區域21之寬度W4。而且，部分金屬膜63於X軸方向上配置在單位區域21之大致中央部分。因此，透光層9B於各單位區域21中包含一對部分9f、9g。
圖26(b)係表示金屬膜8C之平面形狀之圖。本變化例之超穎介面具備金屬膜8C，以此代替第2實施形態之金屬膜8B。金屬膜8C為本變化例中之第2金屬膜。金屬膜8C之構成除了如下點以外，其他與第2實施形態之金屬膜8B相同。即，本變化例之金屬膜8C包含複數個部分金屬膜82。複數個部分金屬膜82沿著X軸方向以相互分隔之狀態排列。各部分金屬膜82之平面形狀為矩形形狀(例如以Y軸方向為長邊方向之長方形形狀)。各部分金屬膜82於各單位區域21中分別設置，位於各單位區域21內。再者，各部分金屬膜82之沿著X軸方向(短邊方向)之寬度W7與第2實施形態之部分金屬膜81之一邊之長度W6相同。
圖27係表示驅動電路5A之構成之圖。本變化例之超穎介面具備驅動電路5A，以此代替第2實施形態之驅動電路5。本變化例之驅動電路5A具有1條閘極驅動配線53、及N條電壓供給配線54。閘極驅動配線53沿著單位區域21之排列方向(X軸方向)延伸。N條電壓供給配線54分別沿著與單位區域21之排列方向交叉之方向(Y軸方向)延伸，且分別沿著X軸方向排列。閘極驅動配線53與於各單位區域21中分別設置之電晶體51之控制端子(閘極)電性連接。第n行(n=1、2、…、N)電壓供給配線54與在位於第n行之單位區域21設置之電晶體51之一電流端子(例如源極)電性連接。電晶體51之另一電流端子(例如汲極)經由單位區域21內之配線與該
單位區域21之部分金屬膜82電性連接。
又，驅動電路5A進而具有於各單位區域21中分別設置之複數個電容器52。電容器52為本變化例中之電壓保持部之例，於各單位區域21中分別保持對單位區域21之部分金屬膜82施加之電壓。再者，電容器52之具體構成與上述實施形態相同。
如本變化例般，複數個單位區域亦可構成一維排列。於此種情形時，亦能發揮與第2實施形態相同之效果。
(第3變化例)
圖28係表示第2實施形態之一變化例之超穎介面3D之剖面構造的圖。本變化例中，於相互鄰接之單位區域20(或21)之透光層9B之間設置有空隙94，單位區域20(或21)各自之透光層9B於空間上相互分離。該空隙94係為了將相互鄰接之單位區域20(或21)之透明導電層92彼此電性分離而設置。藉此，對某單位區域20(或21)之部分金屬膜81(82)與金屬膜6C之間施加了驅動電壓Vd時，能防止電子向鄰接之單位區域20(或21)之透明導電層92洩漏。因此，能降低相互鄰接之單位區域20(或21)間之串擾。再者，形成空隙94時，只要將具有與空隙94對應之開口之遮罩形成於透光層9B上，並隔著該遮罩蝕刻透光層9B即可。
圖29係表示進而另一變化例之超穎介面3E之剖面構造之圖。該例中，於相互鄰接之單位區域20(或21)之透光層9B之間設置有絕緣部95，以此代替上述空隙94。絕緣部95例如主要包含SiO2等絕緣性材料。於此種構成中，亦能有效地降低相互鄰接之單位區域20(或21)間之串擾。再者，絕緣部95係藉由將上述空隙94形成於透光層9B後，向該空隙94中埋入絕緣性材料而較佳地形成。
(第3實施形態)
上述第1實施形態及第2實施形態對發光裝置1A具備作為PCSEL之面發光雷射元件2A之情形進行了說明，但發光裝置並不限於PCSEL，而可具備各種面發光雷射元件。例如，對藉由控制自構成二維排列之複數個發光點輸出之光之相位光譜及強度光譜而輸出任意光像的面發光雷射元件進行了研究。此種面發光雷射元件稱作S-iPM(Static-integrable Phase Modulating，靜態可積調相)雷射器，輸出包含半導體基板之主面之法線方向、及與該法線方向交叉之傾斜方向之二維任意形狀之光像。
圖30係S-iPM雷射器所具備之相位調變層15B之俯視圖。上述各實施形態之面發光雷射元件2A亦可具有圖30所示之相位調變層15B，以此代替光子晶層15A(參照圖4)。藉此，能使面發光雷射元件2A為S-iPM雷射器。再者，於面發光雷射元件2A中，除了相位調變層15B以外之其他構成與第1實施形態相同，因此省略詳細之說明。
圖30係相位調變層15B之俯視圖，且係用以說明異折射率區域之配置圖案(旋轉方式)之一例之圖。相位調變層15B包含由第1折射率媒質構成之基礎層15a、及由具有與第1折射率媒質之折射率不同之折射率之第2折射率媒質構成的異折射率區域15b。此處，於與X-Y平面一致之相位調變層15B之設計面(基準面)上設定假想正方晶格。正方晶格之一邊與X軸平行，另一邊與Y軸平行。此時，以正方晶格之晶格點O為中心之正方形形狀之單位構成區域R可遍及沿著X軸之複數行及沿著Y軸之複數列呈二維狀設定。複數個異折射率區域15b於各單位構成區域R內各設置有1個。異折射率區域15b之平面形狀例如為圓形形狀。於各單位構成區域R內，異折射率區域15b之重心G係自距其最近之晶格點(單位構成區域R之
中心)O偏離而配置。
具體而言，於圖30中，x0~x3所示之虛線表示單位構成區域R中之X軸方向之中心位置，y0~y2所示之虛線表示單位構成區域R中之Y軸方向之中心位置。因此，虛線x0~x3與虛線y0~y2之各交點表示單位構成區域R(0，0)~R(3，2)各自之中心O(0，0)~O(3，2)，即晶格點。該假想正方晶格之晶格常數為a。再者，晶格常數a根據發光波長而調整。
上述異折射率區域15b之配置圖案根據目標光束投射區域與目標輸出光束圖案而定。即，根據對與目標光束投射區域及目標輸出光束圖案對應之原始圖案加以逆傅立葉變換所得之相位，決定於在X-Y平面上規定之相位調變層15B之設計面，使各異折射率區域15b之重心G自基礎層15a中之假想正方晶格之各晶格點(虛線x0~x3與虛線y0~y2之交點)偏離之方向，藉此決定上述配置圖案。自各晶格點偏離之距離r(參照圖31)通常遍及所有相位調變區域、所有異折射率區域相同，但亦可使一部分相位調變區域中之距離r為與其他相位調變區域中之距離r不同之值，或使一部分異折射率區域中之距離r為與其他異折射率區域中之距離r不同之值。再者，圖31係用以說明由旋轉方式決定之配置圖案(旋轉方式)之一例之圖，於圖31中，示出了單位構成區域R(x，y)之構成，晶格點至異折射率區域15b之距離r由r(x，y)表示。
如圖31所示，構成正方晶格之單位構成區域R(x，y)由在晶格點O(x，y)相互正交之s軸及t軸規定。再者，s軸為與X軸平行之軸，對應於圖30中所示之虛線x0~x3。t軸為與Y軸平行之軸，對應於圖30中所示之虛線y0~y2。於如此規定單位構成區域R(x，y)之s-t平面，自晶格
點O(x，y)朝重心G之方向與s軸所成之角度被賦值為
(x，y)。於旋轉角度
(x，y)為0°之情形時，自晶格點O(x，y)朝重心G之向量之方向與s軸之正方向一致。又，自晶格點O(x，y)朝重心G之向量之長度(相當於距離r)被賦值為r(x，y)。
如圖30所示，於相位調變層15B中，異折射率區域15b之重心G繞晶格點O(x，y)之旋轉角度
(x，y)係根據目標輸出光束圖案(光像)於各單位構成區域R中分別獨立地設定。旋轉角度
(x，y)於單位構成區域R(x，y)中具有特定值，但未必由特定函數表達。即，旋轉角度
(x，y)由在波數空間上變換輸出光束圖案，並對該波數空間之一定波數範圍加以二維逆離散傅立葉變換所得之複振幅之相位項決定。再者，自目標輸出光束圖案求解複振幅分佈(單位構成區域R各自之複振幅)時，應用全像生成計算時常用之GS(Gerchberg-Saxton)法等反覆演算法，藉此目標輸出光束圖案之再現性提高。
於本實施形態中，自活性層12輸出之雷射光輸入至相位調變層15B之內部，形成與相位調變層15B內之晶格構造相應之特定模式。於相位調變層15B內散射並輸出之雷射光L1於超穎介面3A~3E中任一者反射，並自第1光輸出面2a向外部輸出。此時，0次光朝主面10a之法線方向輸出。與此相對地，+1次光及-1次光朝包含主面10a之法線方向、及與該法線方向交叉之傾斜方向之二維任意方向輸出。
圖32係用以說明本實施形態中之面發光雷射元件之輸出光束圖案(光像)與相位調變層15B中之旋轉角度
(x，y)之分佈兩者之關係之圖。具體而言，對在波數空間上變換輸出光束圖案之投射範圍即光束投射區域(以XYZ正交座標系中之座標(x，y，z)表達之設計上之光像之設置
面)所得之Kx-Ky平面進行探討。規定該Kx-Ky平面之Kx軸及Ky軸相互正交，並且各自藉由以下所詳述之式(2)~式(6)，與將目標輸出光束圖案之輸出方向自光輸出面之法線方向(Z軸方向)轉向至該光輸出面時相對於該法線方向之角度建立對應。
首先，於由與半導體基板之主面之法線方向一致之Z軸、及與包含複數個異折射率區域之相位調變層之一面一致且包含相互正交之X軸及Y軸的X-Y平面規定之XYZ正交座標系中，在X-Y平面上，設定由各自具有正方形形狀之M1(1以上之整數)×N1(1以上之整數)個單位構成區域R構成的假想正方晶格。此時，複數個異折射率區域之配置圖案被以如下方式規定，即，於由X軸方向之座標成分x(0以上且M1-1以下之整數)、及Y軸方向之座標成分y(0以上且N1-1以下之整數)特定之X-Y平面上的單位構成區域R(x，y)中，位於單位構成區域R(x，y)內之異折射率區域之重心G自成為單位構成區域R(x，y)之中心之晶格點O(x，y)偏離距離r，且自晶格點O(x，y)朝重心G之向量朝向特定方向。
進而，XYZ正交座標系中之座標(ξ，η，ζ)如圖37所示，相對於由動徑之長度d1、自Z軸傾斜之傾斜角θtilt、及於X-Y平面上特定之自X軸旋轉之旋轉角θrot規定的球面座標(d1，θtilt，θrot)，滿足下式(2)~式(4)所示之關係。再者，圖37係用以說明自球面座標(d1，θtilt，θrot)向XYZ正交座標系中之座標(ξ，η，ζ)進行之座標變換之圖，藉由座標(ξ，η，ζ)，表達於作為實空間之XYZ正交座標系中設定的特定平面(目標光束投射區域)上之設計上之光像。將相當於光像之輸出光束圖案設為朝向由角度θtilt及θrot規定之方向之輝點的集合時，角度θtilt及θrot換算成為由下式(5)規定之規格化波數且與X軸對應之Kx軸上之座標值kx、及為由下式(6)規
定之規格化波數且與Y軸對應並與Kx軸正交之Ky軸上之座標值ky。規格化波數表示將相當於假想正方晶格之晶格間隔的波數規格化為1.0之波數。此時，於由Kx軸及Ky軸規定之波數空間，包含相當於光像之輸出光束圖案之特定波數範圍由各自為正方形形狀之M2(1以上之整數)×N2(1以上之整數)個圖像區域FR構成。再者，整數M2無需與整數M1一致。同樣地，整數N2亦無需與整數N1一致。又，式(5)及式(6)例如於上述非專利文獻2中已揭示。
[數2]ξ=d1 sin θ tilt cos θ rot …(2)
[數3]η=d1 sin θ tilt sin θ rot …(3)
[數4]ζ=d1 cos θ tilt …(4)
a：假想正方晶格之晶格常數
λ：振盪波長
於該Kx-Ky平面上，包含目標輸出光束圖案之特定區域由各自為正方形形狀之M2(1以上之整數)×N2(1以上之整數)個圖像區域FR構成。又，於與相位調變層之設計面(基準面)一致之X-Y平面上設定之假想正方晶格由M1(1以上之整數)×N1(1以上之整數)個單位構成區域R構
成。再者，整數M2無需與整數M1一致。同樣地，整數N2亦無需與整數N1一致。此時，關於將由Kx軸方向之座標成分kx(0以上且M2-1以下之整數)、及Ky軸方向之座標成分ky(0以上且N2-1以下之整數)特定之Kx-Ky平面上之圖像區域FR(kx，ky)分別二維逆離散傅立葉變換成由X軸方向之座標成分x(0以上且M1-1以下之整數)、及Y軸方向之座標成分y(0以上且N1-1以下之整數)特定之單位構成區域R(x，y)所得的單位構成區域R(x，y)中之複振幅F(x，y)，將j設為虛數單位而以下式(7)賦值。
又，於單位構成區域R(x，y)中，將振幅項設為A(x，y)且將相位項設為P(x，y)時，該複振幅F(x，y)由下式(8)規定。
[數8] F(x,y)=A(x,y)×exp[jP(x,y)]…(8)
如圖32所示，於座標成分x=0~M1-1及y=0~N1-1之範圍內，單位構成區域R(x，y)之複振幅F(x，y)中之振幅項A(x，y)之分佈相當於X-Y平面上之強度分佈。又，於x=0~M1-1且y=0~N1-1之範圍內，單位構成區域R(x，y)之複振幅F(x，y)中之相位項P(x，y)之分佈相當於X-Y平面上之相位分佈。單位構成區域R(x，y)中之旋轉角度
(x，y)如下所述，可自P(x，y)獲得，於座標成分x=0~M1-1及y=0~N1-1之範圍內，單位構成區域R(x，y)之旋轉角度
(x，y)之分佈相當於X-Y平面上之旋轉角度分佈。
再者，Kx-Ky平面上之輸出光束圖案之中心Q位於與第1面100a垂直之軸線上，於圖32中，示出了以中心Q為原點之4個象限。於圖
32中，作為一例，示出了於第1象限及第3象限獲得光像之情形，但亦可於第2象限及第4象限、或所有象限獲得像。於本實施形態中，如圖32所示，可獲得相對於原點而點對稱之圖案。圖32示出了於第3象限獲得文字「A」，於第1象限獲得將文字「A」旋轉180°而成之圖案之情形，以作為一例。再者，於為旋轉對稱之光像(例如，十字、圓圈、雙重圓圈等)之情形時，其等重疊而被作為一個光像觀察。
來自本實施形態中之面發光雷射元件之輸出光束圖案(光像)成為與由點、包含3個點以上之點群、直線、十字架、線圖、晶格圖案、照片、紋狀圖案，CG(電腦圖形)及文字中至少一者表達之設計上之光像(原圖像)對應的光像。此處，為了獲得目標輸出光束圖案，藉由以下順序決定單位構成區域R(x，y)中之異折射率區域15b之旋轉角度
(x，y)。
於單位構成區域R(x，y)內，如上所述，異折射率區域15b之重心G係以自晶格點O(x，y)偏離距離r(r(x，y)之值)之狀態配置。此時，於單位構成區域R(x，y)內，以旋轉角度
(x，y)滿足以下關係之方式，配置異折射率區域15b。
C：為比例常數，例如為180°/π
B：為任意常數，例如為0
再者，比例常數C及任意常數B相對於所有單位構成區域R為相同值。
即，於想要獲得所希望之光像之情形時，只要對該光像加以逆傅立葉變換，將與該複振幅之相位相應之旋轉角度分佈
(x，y)賦值
給複數個異折射率區域15b即可。再者，雷射光束之傅立葉變換後之遠視像可取單個或複數個點形狀、圓環形狀、直線形狀、文字形狀、雙重圓環形狀、或拉格雷高斯光束形狀等各種形狀。再者，光束圖案由遠方界內之角度資訊表示，故而於目標光束圖案為由二維位置資訊表示之點陣圖圖像等之情形時，只要暫且變換成角度資訊後進行傅立葉變換即可。
作為自經傅立葉變換所得之複振幅分佈獲得強度(振幅)分佈與相位分佈之方法，例如關於強度分佈I(x，y)，可藉由使用Math Works公司之數值解析軟體「MATLAB」之abs函數而進行計算，關於相位分佈P(x，y)，可藉由使用MATLAB之angle函數而進行計算。
此處，對自光像之傅立葉變換結果求解旋轉角度分佈
(x，y)，而決定各異折射率區域16b之配置時，使用普通離散傅立葉變換(或高速傅立葉變換)進行計算之情形時的注意點加以敍述。若將傅立葉變換前之光像如圖33(a)所示分割成A1、A2、A3及A4四個象限，則所得之光束圖案變成如圖33(b)所示。即，圖33(b)中，於光束圖案之第一象限，出現圖33(a)之第三象限之圖案與將圖33(a)之第一象限之圖案旋轉180度而成之圖案重疊所得的圖案。於光束圖案之第二象限，出現圖33(a)之第四象限之圖案與將圖33(a)之第二象限之圖案旋轉180度而成之圖案重疊所得的圖案。於光束圖案之第三象限，出現圖33(a)之第一象限之圖案與將圖33(a)之第三象限之圖案旋轉180度而成之圖案重疊所得的圖案。於光束圖案之第四象限，出現圖33(a)之第二象限之圖案與將圖33(a)之第四象限之圖案旋轉180度而成之圖案重疊所得的圖案。
因此，使用僅於第一象限具有值之光像作為逆傅立葉變換前之光像(原始光像)之情形時，於所得之光束圖案之第三象限出現原始光
像之第一象限，於所得之光束圖案之第一象限出現將原始光像之第一象限旋轉180度而成之圖案。
圖34(a)~圖34(c)示出了自本實施形態之面發光雷射元件輸出之光束圖案(光像)之例。圖34(a)~圖34(c)各自之中心對應於與面發光雷射元件之第1光輸出面2a交叉且與該第1光輸出面2a垂直之軸線(Z軸)。如該等圖34(a)~圖34(c)所示，面發光雷射元件輸出如下光，即，1次光，其沿著相對於該軸線傾斜之第1方向輸出，且包含第1光像部分B1；-1次光，其沿著相對於該軸線與第1方向對稱之第2個方向輸出，且包含相對於該軸線與第1光像部分B1旋轉對稱之第2光像部分B2；及0次光B3，其於該軸線上行進。
根據本實施形態，作為圖2、圖3及圖17所示之面發光雷射元件2A，可應用輸出二維任意形狀之光像之S-iPM雷射器。此處，光相對於超穎介面之面垂直地輸入之情形時，若超穎介面之週期較大，則繞射角度變小。因此，會產生自輸出窗難以取出光之問題。與此相對地，於面發光雷射元件2A為S-iPM雷射器之情形時，能使光相對於超穎介面之面自傾斜方向輸入。結果，使自超穎介面之繞射角度增大，從而自輸出窗取出光變得容易。又，光相對於超穎介面之面垂直地輸入之情形時，於超穎介面反射之雷射光L1與不經超穎介面直接朝向第1光輸出面2a之雷射光L2重疊。此種狀況下，於面發光雷射元件2A為S-iPM雷射器之情形時，能使光相對於超穎介面之面自傾斜方向輸入，故而僅選擇性地取出於超穎介面反射之雷射光L1變得容易。
(第4變化例)
其次，對藉由軸上位移方式決定第3實施形態之一變化例之相位調變
層15C中的異折射率區域15b之配置圖案之情形進行說明。再者，作為相位調變層15C中之異折射率區域15b之配置圖案決定方法，應用軸上位移方式代替上述旋轉方式之情形時，所得之相位調變層亦可應用於上述各種實施形態中之面發光雷射元件。於採用軸上位移方式之情形時，能使來自光源之輸入光之偏光方向一致，因此能使輸入至反射型超穎介面之光之偏光方向一致，從而具有能改善光利用效率，且能抑制無效光之效果。
圖35係第3實施形態之一變化例之相位調變層15C之俯視圖，且係用以說明相位調變層15C中之異折射率區域15b之配置圖案(軸上位移方式)之模式圖。相位調變層15C包含基礎層15a、及具有與基礎層15a之折射率不同之折射率之異折射率區域15b。此處，於相位調變層15C，與圖30之例同樣地，設定在X-Y平面上規定之假想正方晶格。正方晶格之一邊與X軸平行，另一邊與Y軸平行。此時，以正方晶格之晶格點O為中心之正方形形狀之單位構成區域R遍及沿著X軸之複數行(x0~x3)及沿著Y軸之複數列(y0~y2)呈二維狀設定。若於各個單位構成區域R之重心位置賦值各個單位構成區域R之座標，則該重心位置與假想正方晶格之晶格點O一致。複數個異折射率區域15b於各單位構成區域R內各設置有1個。異折射率區域15b之平面形狀例如為圓形形狀。晶格點O可位於異折射率區域15b之外部，亦可包含於異折射率區域15b之內部。
圖36係用以說明異折射率區域15b之重心G與假想正方晶格中之晶格點O(x，y)之位置關係，以作為藉由軸位移方式決定之配置圖案之一例的圖。如圖36所示，各異折射率區域15b之重心G配置於直線L上。直線L係通過單位構成區域R(x，y)之對應之晶格點O(x，y)，且相對於正方晶格之各邊傾斜之直線。換言之，直線L係相對於規定單位構成區域
R(x，y)之s軸及t軸兩者傾斜之直線。直線L相對於s軸之傾斜角為θ。傾斜角θ於相位調變層15C內固定。傾斜角θ滿足0°<θ<90°，於一例中θ=45°。或者，傾斜角θ滿足180°<θ<270°，於一例中θ=225°。於傾斜角θ滿足0°<θ<90°或180°<θ<270°之情形時，直線L自藉由s軸及t軸規定之座標平面之第1象限延伸至第3象限。或者，傾斜角θ滿足90°<θ<180°，於一例中θ=135°。或者，傾斜角θ滿足270°<θ<360°，於一例中θ=315°。於傾斜角θ滿足90°<θ<180°或270°<θ<360°之情形時，直線L自藉由s軸及t軸規定之座標平面之第2象限延伸至第4象限。如此，傾斜角θ為除了0°、90°、180°及270°以外之角度。此處，將晶格點O(x，y)與重心G之距離設為r(x，y)。x表示X軸中之第x個晶格點之位置，y表示Y軸中之第y個晶格點之位置。於距離r(x，y)為正值之情形時，重心G位於第1象限(或第2象限)。於距離r(x，y)為負值之情形時，重心G位於第3象限(或第4象限)。於距離r(x，y)為0之情形時，晶格點O與重心G彼此一致。
圖35所示之各異折射率區域15b之重心G與單位構成區域R(x，y)之對應之晶格點O(x，y)兩者之距離r(x，y)係根據目標輸出光束圖案(光像)於各異折射率區域15b個別設定。距離r(x，y)之分佈於各由x(於圖35之例中，為x0~x3)與y(於圖35之例中，為y0~y2)之值決定之位置分別具有特定值，但未必由特定函數表達。距離r(x，y)之分佈由對目標輸出光束圖案加以逆傅立葉變換所得之複振幅分佈中之相位分佈被抽出後所得者決定。即，於圖36所示之單位構成區域R(x，y)中之相位P(x，y)為P0之情形時，距離r(x，y)設定為0，於相位P(x，y)為π+P0之情形時，距離r(x，y)設定為最大值R0，於相位P(x，y)為-π+P0之情形時，距離r(x，y)設定為最小值-R0。而且，以相對於其中間之相位P(x，y)，r(x，
y)={P(x，y)-P0}×R0/π之方式，設定距離r(x，y)。此處，初期相位P0可任意設定。若將正方晶格之晶格間隔設為a，則r(x，y)之最大值R0例如處於下式(9)之範圍。
再者，自目標輸出光束圖案求解複振幅分佈時，應用全像生成計算時常用之GS(Gerchberg-Saxton)法等反覆演算法，藉此光束圖案之再現性提高。
被作為輸出光束圖案而獲得之光像與相位調變層15C中之相位分佈P(x，y)兩者之關係與上述旋轉方式之情形時(圖31)相同。因此，除了規定正方晶格之前提條件以外，亦於由上述式(2)~式(8)規定之前提條件之下，按滿足以下條件之方式構成相位調變層15C。即，以晶格點O(x，y)至對應之異折射率區域15b之重心G之距離r(x，y)滿足如下關係之方式：r(x，y)=C×(P(x，y)-P0)
C：為比例常數，例如為R0/π
P0：為任意常數，例如為0
將該對應之異折射率區域15b配置於單位構成區域R(x，y)內。即，於單位構成區域R(x，y)中之相位P(x，y)為P0之情形時，距離r(x，y)設定為0，於相位P(x，y)為π+P0之情形時，距離r(x，y)設定為最大值R0，於相位P(x，y)為-π+P0之情形時，距離r(x，y)設定為最小值-R0。於想要獲得目標輸出光束圖案之情形時，只要對該輸出光束圖案加以逆傅立葉變換，將與該複振幅之相位P(x，y)相應之距離r(x，y)之分佈賦值給複數個
異折射率區域15b即可。相位P(x，y)與距離r(x，y)亦可互成比例。
再者，雷射光束之傅立葉變換後之遠視像可取單個或複數個點形狀、圓環形狀、直線形狀、文字形狀、雙重圓環形狀、或拉格雷高斯光束形狀等各種形狀。又，輸出光束圖案由遠方界內之角度資訊表示，故而於目標輸出光束圖案為由二維位置資訊表示之點陣像等之情形時，只要姑且變換成角度資訊，其後再變換成波數空間後，進行逆傅立葉變換即可。
作為自經逆傅立葉變換所得之複振幅分佈獲得強度分佈與相位分佈之方法，例如關於強度分佈(A(x，y))，可藉由使用Math Works公司之數值解析軟體「MATLAB」之abs函數而進行計算，關於相位分佈P(x，y)，可藉由使用MATLAB之angle函數而進行計算。再者，自光像之逆傅立葉變換結果求解相位分佈P(x，y)，而決定各異折射率區域15b之距離r(x，y)時，使用普通離散傅立葉變換(或高速傅立葉變換)進行計算之情形時的注意點與上述第3實施形態相同。
於本變化例中，作為圖2、圖3及圖17所示之面發光雷射元件2A，同樣可應用輸出二維任意形狀之光像之S-iPM雷射器。因此，能使光相對於超穎介面之面自傾斜方向輸入，故而使自超穎介面之繞射角度增大，從而自輸出窗取出光變得容易。又，由於能使光相對於超穎介面之面自傾斜方向輸入，故而僅選擇性地取出於超穎介面反射之雷射光L1變得容易。
(第5變化例)
圖38係模式性表示第5變化例之發光裝置1C之剖面構成之圖。如圖38所示，發光裝置1C具備面發光雷射元件2B、超穎介面3A、導光層31。
其中，超穎介面3A及導光層31之構成與第1實施形態相同。面發光雷射元件2B除了第1實施形態之面發光雷射元件2A之構成以外，進而具有電流狹窄層32。
電流狹窄層32具有使電流難以通過(或不讓其通過)之構造，且於中央部具有開口32a。開口32a之平面形狀與電極16之開口16a之形狀相似，例如為正方形或圓形。電流狹窄層32例如為由包含高濃度Al之層氧化而成之氧化Al層。或者，電流狹窄層32亦可為藉由向包覆層13內注入質子(H+)而形成之層。或者，電流狹窄層32亦可具有由與半導體基板10相反之導電型之半導體層、及與半導體基板10相同之導電型之半導體層依序積層而成之逆pn接合構造。
若向電極16與電極17之間供給驅動電流，則驅動電流到達活性層12。此時，於電極16與活性層12之間流通之電流於包覆層13中充分擴散，並且通過電流狹窄層32之開口32a。藉此，電流能均勻地擴散至活性層12之中央部附近。因此，於第2光輸出面2b之中央部設置有超穎介面3A之情形時，活性層12中之發光區域之偏移亦能得到抑制。再者，本變化例係將電流狹窄層32追加至第1實施形態之面發光雷射元件2A而成之例，但亦可對其他實施形態或變化例之面發光雷射元件追加電流狹窄層32。於該情形時亦能獲得相同之效果。
(第6變化例)
圖39係模式性表示第6變化例之發光裝置1D之剖面構成之圖。如圖39所示，發光裝置1D具備面發光雷射元件2A、超穎介面3A、導光層31。該等構成除了如下點以外，其他與第1實施形態相同。即，本變化例之面發光雷射元件2A中，於半導體基板10之主面10a側設置有第1光輸出面
2a，於背面10b側設置有第2光輸出面2b。具體而言，接觸層14之表面(或者，於接觸層14形成有開口之情形時，為上部包覆層13之表面)成為第1光輸出面2a，半導體基板10之背面10b成為第2光輸出面2b。而且，超穎介面3A隔著導光層31設置於半導體基板10之背面10b上。
圖40係模式性表示另一變化例之發光裝置1E之剖面構成之圖。如圖40所示，發光裝置1E具備面發光雷射元件2A、第2實施形態之超穎介面3C(參照圖17及圖18)、導光層31。而且，接觸層14之表面(或者，於接觸層14形成有開口之情形時，為上部包覆層13之表面)成為第1光輸出面2a，半導體基板10之背面10b成為第2光輸出面2b。超穎介面3C隔著導光層31設置於半導體基板10之背面10b上。
亦可如本變化例般，於半導體基板10之主面10a側設置有第1光輸出面2a，於背面10b上設置有超穎介面3A(3C)。即便為此種形態，亦能發揮與上述各實施形態相同之效果。又，根據本變化例，電流能於半導體基板10中充分擴散，故而與電極16之開口16a相比，能確保電極17之開口17a較大。因此，能擴大超穎介面3A(3C)之面積。此外，藉由自光子晶層15A繞射之光通過基板10到達超穎介面3A(3C)，能使向超穎介面3A(3C)輸入之輸入光接近於良好之平面波。再者，於本變化例中，亦可應用其他實施形態或變化例之面發光雷射元件，以此代替面發光雷射元件2A。於該情形時亦能獲得相同之效果。
(第7變化例)
圖41係模式性表示第7變化例之發光裝置1F之剖面構成之圖。如圖41所示，發光裝置1F具備面發光雷射元件2C、超穎介面3A、導光層31。其中，超穎介面3A及導光層31之構成與第6變化例相同。面發光雷射元件2C
與第1實施形態之面發光雷射元件2A同樣地，具有第1光輸出面2a及第2光輸出面2b。但於第1光輸出面2a中，雷射光輸出區域係與電極16B並排而設置。又，面發光雷射元件2C為具有圖30所示之相位調變層15B、或圖35所示之相位調變層15C之S-iPM雷射器。
圖42(a)係表示第2光輸出面2b之俯視圖。圖42(b)係表示第1光輸出面2a之俯視圖。如圖42(b)所示，於第1光輸出面2a中，雷射光輸出區域2c與電極16B(第1電極)並排而配置。於雷射光輸出區域2c上，設置有抗反射膜19。電極16B與其他實施形態不同，具有非框狀而是裏面被填滿(中實)之圖案。再者，如圖42(a)所示，第2光輸出面2b中之電極17及超穎介面3A兩者之平面形狀、配置等與第1實施形態相同。
自作為S-iPM雷射器之面發光雷射元件2C，沿著相對於與第2光輸出面2b垂直之方向傾斜之方向輸出雷射光L1。雷射光L1一面於超穎介面3A中被調變相位，一面反射，而自雷射光輸出區域2c向發光裝置1F之外部輸出。根據此種構成，無需於第1光輸出面2a上之電極設置開口，故而能使電流更有效地向活性層12之中央部附近擴散。
再者，如圖43所示，圖41之構成亦可應用於作為PCSEL之面發光雷射元件2A。於該情形時，藉由自與電極16B並排之雷射光輸出區域2c取出雷射光L1，亦能發揮與上述相同之效果。
(第8變化例)
圖44係表示第8變化例之發光裝置1G之構成之圖。該發光裝置1G具備支持基板73、於支持基板73上構成一維排列或二維排列之複數個發光裝置1A、及個別驅動複數個發光裝置1A之驅動電路72。各發光裝置1A之構成與第1實施形態相同。但於複數個發光裝置1A中，亦可包含輸出紅色
波長域之光像之雷射元件、輸出藍色波長域之光像之雷射元件、及輸出綠色波長域之光像之雷射元件。輸出紅色波長域之光像之雷射元件例如包含GaAs系半導體。輸出藍色波長域之光像之雷射元件及輸出綠色波長域之光像之雷射元件例如包含氮化物系半導體。驅動電路72設置於支持基板73之背面或內部，個別驅動各發光裝置1A。驅動電路72藉由來自控制電路71之指示，向各個發光裝置1A供給驅動電流。
藉由如本變化例般，設置個別驅動之複數個發光裝置1A，能較佳地實現抬頭顯示器等。又，於複數個發光裝置1A中，包含輸出紅色波長域之光像之雷射元件、輸出藍色波長域之光像之雷射元件、及輸出綠色波長域之光像之雷射元件。藉此，可較佳地實現彩色抬頭顯示器等。再者，於本變化例中，亦可應用其他實施形態或變化例之發光裝置，以此代替發光裝置1A。於該情形時亦能獲得相同之效果。
(第9變化例)
圖45係模式性表示第9變化例之發光裝置1H之剖面構成之圖。如圖45所示，發光裝置1H除了面發光雷射元件2A、超穎介面3A及導光層31以外，進而具備設置於第2光輸出面2b與超穎介面3A之間之1/4波長板33、及設置於第1光輸出面2a上之偏光板34。圖46係模式性表示另一變化例之發光裝置1J之剖面構成之圖。如圖46所示，發光裝置1J除了面發光雷射元件2A、超穎介面3C(參照圖17及圖18)及導光層31以外，進而具備設置於第2光輸出面2b與超穎介面3C之間之1/4波長板33、及設置於第1光輸出面2a上之偏光板34。於該等情形時，自光子晶層15A輸出之一雷射光L1於1/4波長板33中使偏光面旋轉45°後輸入至超穎介面3A(或3C)。而且，在超穎介面3A(或3C)反射之雷射光L1於1/4波長板33中使偏光面再次旋轉
45°後到達第1光輸出面2a。因此，於雷射光L1、及自光子晶層15A直達第1光輸出面2a之雷射光L2中，偏光面相互正交。因此，例如藉由偏光板34通過雷射光L1且遮蔽雷射光L2，能使經過超穎介面3A(或3C)之雷射光L1選擇性地向外部輸出。即，能遮住自面發光雷射元件2A向第1光輸出面2a直達之雷射光L2，而僅取出經過第2光輸出面2b及超穎介面3A(或3C)到達第1光輸出面2a之光。再者，於本變化例中，亦可使用其他實施形態或變化例之面發光雷射元件，以此代替面發光雷射元件2A。於該情形時亦能獲得相同之效果。
本發明之發光裝置並不限於上述實施形態及變化例，亦可進行其他各種變化。例如，於上述實施形態及各變化例中，對將本發明應用於PCSEL及S-iPM雷射器之例進行了說明，但本發明可應用其他各種面發光雷射元件。
1A‧‧‧發光裝置
2A‧‧‧面發光雷射元件
2a‧‧‧第1光輸出面
2b‧‧‧第2光輸出面
3A‧‧‧(反射型)超穎介面
6A‧‧‧金屬膜
8A‧‧‧金屬膜
9A‧‧‧透光層
10‧‧‧半導體基板
10a‧‧‧主面
10b‧‧‧背面
11‧‧‧下部包覆層
12‧‧‧活性層
13‧‧‧上部包覆層
14‧‧‧接觸層
14a‧‧‧表面
15A‧‧‧光子晶層
15a‧‧‧基礎層
15b‧‧‧異折射率區域
16‧‧‧電極
16a‧‧‧開口
17‧‧‧電極
17a‧‧‧開口
19‧‧‧抗反射膜
31‧‧‧導光層
31a‧‧‧面
31b‧‧‧面
61‧‧‧部分金屬膜
L‧‧‧直線
L1‧‧‧雷射光
L2‧‧‧雷射光
Claims (17)
- 一種發光裝置，其具備：面發光雷射元件，其具有相互對向之第1光輸出面及第2光輸出面；導光層，其設置於上述第2光輸出面上；及反射型超穎介面，其隔著上述導光層設置於上述第2光輸出面上；且上述反射型超穎介面具有：透光層，其相對於上述導光層設置於上述第2光輸出面之相反側，包含介電層，並且具有位於上述導光層與上述介電層之間之第1面、及相對於上述介電層位於上述第1面之相反側之第2面；第1金屬膜，其設置於上述第1面上；及第2金屬膜，其設置於上述第2面上，將自上述面發光雷射元件經由上述導光層輸入至上述透光層之雷射光向上述導光層反射；於以構成一維排列或二維排列之方式設定於上述透光層之上述第1面上之複數個單位區域各者中，上述透光層包含未被上述第1金屬膜遮住且與上述導光層對面之露出部分，複數個上述單位區域各自之寬度及上述透光層之厚度小於上述雷射光之波長，上述反射型超穎介面於各上述單位區域分別調變上述雷射光之相位，藉由上述反射型超穎介面加以調變後之上述雷射光於通過上述第2光輸出面後自上述第1光輸出面輸出。
- 如請求項1之發光裝置，其中複數個上述單位區域中之兩個以上單位 區域中之上述第1金屬膜的沿著於上述第1面上規定之第1方向之寬度互不相同。
- 如請求項1之發光裝置，其中上述透光層進而包含設置於上述介電層與上述導光層之間、或上述介電層與上述第2金屬膜之間之透明導電層，且上述第1金屬膜及上述第2金屬膜中至少一者包含以相互分離之狀態設置於複數個上述單位區域各者之複數個部分金屬膜。
- 如請求項3之發光裝置，其進而具備控制向上述第1金屬膜與上述第2金屬膜之間施加之電壓之驅動電路，且上述驅動電路個別控制上述第1金屬膜及上述第2金屬膜中至少任一者之上述複數個部分金屬膜之電壓。
- 如請求項4之發光裝置，其中上述驅動電路將上述第1金屬膜設定為基準電位，且上述第1金屬膜遍及複數個上述單位區域中之兩個以上單位區域延伸。
- 如請求項3至5中任一項之發光裝置，其中上述透明導電層包含由於摻雜劑而低電阻化後之氧化銦及氧化鋅中至少一者。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述面發光雷射元件具有： 基板，其具有主面、及與上述主面對向之背面；及活性層及光子晶層，其等設置於上述主面上；且上述光子晶層包含：基礎層；及複數個異折射率區域，其等具有與上述基礎層之折射率不同之折射率，排列於與上述光子晶層之厚度方向垂直之基準面上。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述面發光雷射元件係沿著基板之主面之法線方向、與上述法線方向交叉之傾斜方向、或上述法線方向與上述傾斜方向兩者輸出形成光像之光之元件，具有：上述基板，其具有上述主面、及與上述主面對向之背面；及活性層及相位調變層，其等設置於上述主面上；且上述相位調變層包含：基礎層；及複數個異折射率區域，其等具有與上述基礎層之折射率不同之折射率，於與上述相位調變層之厚度方向垂直之基準面上構成二維排列；設定於上述基準面上且於與上述複數個異折射率區域各者對應有晶格點之假想正方晶格中，上述複數個異折射率區域各自之重心配置於如下所述位置，即，自上述假想正方晶格之對應之晶格點偏離，且以連結鄰接之晶格點間之線段為基準，形成用以於上述對應之晶格點周圍形成上述光像之至少一部分之旋轉角。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述面發光雷射元件係沿著基板之主面之法線方向、與上述法線方向交叉之傾斜方向、或上述法線方向與上述傾斜方向兩者輸出形成光像之光之元件，具有： 上述基板，其具有上述主面、及與上述主面對向之背面；及活性層及相位調變層，其等設置於上述主面上；且上述相位調變層包含：基礎層；及複數個異折射率區域，其等具有與上述基礎層之折射率不同之折射率，於與上述相位調變層之厚度方向垂直之基準面上構成二維排列；設定為如下構成，即，設定於上述基準面上且於與上述複數個異折射率區域各者對應有晶格點之假想正方晶格中，上述複數個異折射率區域各自之重心配置於通過上述假想正方晶格之晶格點且相對於上述正方晶格傾斜之直線上；並且上述複數個異折射率區域各自之重心與對應之晶格點於上述直線上之距離形成上述光像之至少一部分。
- 如請求項7之發光裝置，其中上述複數個異折射率區域各自之於上述基準面上規定之平面形狀所具有的對稱性將180°旋轉對稱性排除在外。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述介電層包含氧化鋁、氧化矽及氟化鎂中至少任一者。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述介電層之一部分構成上述第1面。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述導光層包含氧化鋁、氧化矽、氟化鎂及氟化鈣中至少任一者。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述面發光雷射元件進而具有設置於上述第1光輸出面上之第1電極，且上述第1電極具有將上述第1光輸出面中之雷射光輸出區域包圍之形狀。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述面發光雷射元件進而具有與雷射光輸出區域並排設置於上述第1光輸出面之第1電極。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其中上述面發光雷射元件進而具有設置於上述第2光輸出面上之第2電極，且上述第2電極具有將上述反射型超穎介面包圍之形狀。
- 如請求項1至5中任一項之發光裝置，其進而具備：1/4波長板，其設置於上述第2光輸出面與上述反射型超穎介面之間；及偏光板，其設置於上述第1光輸出面上。
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