WO2013084961A1 - 半導体レーザ素子及びレーザビーム偏向装置 - Google Patents

半導体レーザ素子及びレーザビーム偏向装置 Download PDF

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野田　進
黒坂　剛孝
明佳 渡邉
和義 廣瀬
貴浩 杉山
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国立大学法人京都大学
浜松ホトニクス株式会社
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    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs

Definitions

  • An aspect of the present invention relates to an edge-emitting semiconductor laser element having a photonic crystal and a laser beam deflection apparatus using the same.
  • the present inventors have proposed a semiconductor laser element using a photonic crystal (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).
  • a surface-emitting type semiconductor laser device has an epoch-making feature that laser beams can be emitted simultaneously in two directions at a time.
  • a driving current to the driving electrodes divided into a plurality, it is possible to emit a laser beam in two directions for each driving electrode. If the period of the photonic crystal located directly under each drive electrode is made different, the emission angle of the laser beam pair will be different for each drive electrode.
  • continuous beam direction control can be performed by providing subdivided drive electrodes, allowing current to flow simultaneously through a plurality of drive electrodes, and changing the current balance.
  • the semiconductor laser element that simultaneously emits laser beams in two directions.
  • the drive current supplied to each drive electrode is switched.
  • the laser beam can be scanned by changing the drive current balance.
  • the semiconductor laser element can be applied to various conventionally used laser beam deflecting devices. If the number of laser beams is increased, the laser beam deflecting device can constitute a high-definition laser beam scanning device.
  • An aspect of the present invention has been made in view of such a problem.
  • a semiconductor laser element and a laser beam deflecting device that emit a laser beam only in one direction and can change the emitting direction are provided. The purpose is to provide.
  • a semiconductor laser device is an edge-emitting semiconductor laser device, which includes a lower cladding layer formed on a substrate, an upper cladding layer, and the lower cladding layer.
  • An active layer interposed between the active layer and the upper cladding layer, a photonic crystal layer interposed between the active layer and at least one of the upper and lower cladding layers, and a first region of the active layer
  • the region corresponding to the first region of the photonic crystal layer is inclined and has first and second periodic structures having different arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings.
  • 2 or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of these laser beams toward the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. Further, at least one of the light emitting end faces is set so as to satisfy a total reflection critical angle condition with respect to the light emitting end face.
  • the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the light emitting end face is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle.
  • the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.
  • the semiconductor laser device further includes a second drive electrode for supplying a drive current to the second region of the active layer, and the longitudinal direction of the second drive electrode is the semiconductor laser device.
  • the semiconductor laser device When viewed from the thickness direction of the semiconductor laser device, the semiconductor laser device is inclined with respect to the normal line of the light emitting end face, and the region corresponding to the second region of the photonic crystal layer has a periphery and a refractive index.
  • the third and fourth periodic structures having different arrangement periods of different refractive index portions are different from each other, and the semiconductor according to a difference between the reciprocals of the arrangement periods in the third and fourth periodic structures
  • two or more laser beams forming a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode are generated inside the semiconductor laser element, and among the laser beams, Light One facing toward the end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light exit end face, and at least one other toward the light exit end face satisfies the total reflection critical angle condition with respect to the light exit end face.
  • the difference between the reciprocals of the array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocals of the array periods in the third and fourth periodic structures.
  • the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the light emitting end face is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle.
  • the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.
  • the difference in the reciprocal of the arrangement period of the different refractive index portions (exit direction determining factor) is different.
  • the difference value determines the laser beam emission direction. Therefore, since the value of the difference (exiting direction determining factor) is different in both regions, the emitting direction of the laser beam is different in the region corresponding to the first drive electrode and the region corresponding to the second drive electrode. Become. One of the pair of laser beams generated in each region is incident on the light emitting end face with a total reflection critical angle or more, and thus is not emitted to the outside. Therefore, by switching the supply of the drive current to each drive electrode, it becomes possible to output only one direction of laser beam in different directions.
  • the different refractive index portion in the photonic crystal layer is disposed at a lattice point position of the lattice structure, and the direction of the basic translation vector of the lattice structure is The direction parallel to the light emitting end face is different.
  • one laser beam can satisfy the total reflection critical angle condition.
  • the lattice structure of the photonic crystal layer when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, is a square lattice and a rectangular lattice, a rectangular lattice and a rectangular lattice, a triangular lattice and a face-centered rectangular lattice, a face center.
  • a rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice, or the like, such as a square lattice, a rectangular lattice, a triangular lattice, or a combination of face-centered rectangular lattices can be used.
  • the lattice structure of the photonic crystal layer two or more lattices including a case of overlapping selection are selected and combined from a lattice group consisting of a square lattice, a rectangular lattice, a triangular lattice, and a face-centered rectangular lattice. It is constituted by. That is, it is possible to configure a single grating as described above by combining gratings having different pitches in one direction.
  • the photonic crystal layer includes a tetragonal lattice and a tetragonal lattice crystal structure, and the period of one axial direction of the hole lattice is a1, and the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1.
  • the period in one axial direction of the rectangular lattice is a2
  • the period in the axial direction orthogonal to the one axis is b2
  • a1 b1, a1 ⁇ a2
  • b1 b2.
  • a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • the photonic crystal layer includes a crystal structure of first and second rectangular lattices, and a period in one axial direction of the first rectangular lattice is a1, which is orthogonal to the one axis.
  • a period in the axial direction is b1
  • the period in one axial direction of the second rectangular lattice is a2
  • the period in the axial direction orthogonal to the one axis is b2
  • a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • the first face-centered rectangular lattice can be a triangular lattice.
  • the triangular lattice is a special case in which the angle formed by the basic translation vectors forming the lattice of the face-centered rectangular lattice is 60 degrees.
  • a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • the semiconductor laser device includes: the different refractive index portion of the photonic crystal layer corresponding to the first region of the active layer; and the photonic crystal layer corresponding to the second region of the active layer.
  • the different refractive index portion means that the individual angles when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element are different so that the refraction angles of the laser beams output from the first and second regions are different and the intensities match.
  • the intensity is the same, application to an electronic device such as a laser printer or a radar is easy.
  • the dimension of the different refractive index portion along the direction in which the arrangement period of the different refractive index portions in the first and second periodic structures is different is at a position along the different direction.
  • the dimension of the different refractive index portion along the direction in which the arrangement periods of the different refractive index portions in the third and fourth periodic structures are different is different depending on the position along the different direction. And thereby, the oscillation threshold value can be reduced.
  • the semiconductor laser device has a diffraction grating structure that contributes to resonance by coupling the laser beam reflected by the light emitting end face to the laser beam that resonates inside the active layer by satisfying the total reflection critical angle condition. (Diffraction grating layer of FIGS. 19 and 22) is further provided. In this case, energy use efficiency can be increased.
  • a laser beam deflection apparatus including the above-described semiconductor laser element, a drive current supply circuit that selectively supplies a drive current to an electrode group including the first drive electrode and the second drive electrode, It is characterized by providing. By switching the drive current, it is possible to output only one direction of the laser beam in different directions. This means that the laser beam is deflected in a pseudo manner.
  • the number of drive electrodes is not limited to two, and if the number is three or more, a structure in which a laser beam is scanned at a narrow pitch can be used.
  • the drive current supply circuit further includes means for changing a ratio of drive current supplied to each electrode of the electrode group.
  • the beam can be continuously deflected by changing the balance of the drive current supplied to the electrode group including the first drive electrode and the second drive electrode.
  • the period along the basic translation vector in the first periodic structure changes continuously as it approaches the third periodic structure. In this case, there is an effect that reflection can be prevented from occurring at the interface between the photonic crystals having different periods.
  • B 0 is a reference period with respect to the B direction (lattice point alignment direction (alignment direction of different refractive index portions))
  • ⁇ is the inclination of the entire photonic crystal, that is, ⁇ is in the direction perpendicular to the light emitting end face.
  • ⁇ 3 is the laser beam emission angle
  • n dev is the effective refractive index of light in the semiconductor laser element.
  • a single condensing element arranged close to the light emitting end face is provided.
  • the divergence angle is suppressed and the laser beam is transmitted to a long distance, or the laser beam can be condensed close by depending on the setting of the focal position.
  • the condensing element is a cylindrical lens, and the central axis of the cylindrical lens is perpendicular to the thickness direction of the active layer and parallel to the light emitting end face.
  • the cylindrical lens is suitable for condensing the point light sources arranged in such a bar shape, and can condense under the same conditions regardless of the position.
  • the condensing element is a convex lens, and one axis passing through the center of curvature of the convex lens is perpendicular to the thickness direction of the active layer and parallel to the light emitting end face, and the radius of curvature around the axis is It is characterized in that it is smaller than the radius of curvature around the axis perpendicular to this. Even if a convex lens is used instead of the cylindrical lens, the same function can be achieved.
  • the semiconductor laser element and the laser beam deflection apparatus it is possible to emit a laser beam in only one direction and change the emission direction.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a semiconductor laser device.
  • FIG. 2 is a plan view of the semiconductor laser element.
  • FIG. 3 is a plan view of the inside of the device for explaining the progress of the laser beam inside the semiconductor laser device.
  • FIG. 4 is a plan view of a photonic crystal region having a single periodic structure.
  • FIG. 5 is a plan view of a photonic crystal region having a single periodic structure.
  • FIG. 6 is a plan view of a photonic crystal region having a plurality of periodic structures.
  • FIG. 7 is a plan view of a photonic crystal region group having a plurality of photonic crystal layer regions having a plurality of periodic structures.
  • FIG. 8 is a plan view of a photonic crystal layer having a photonic crystal region group.
  • FIG. 9 is a graph showing the incident angle and the outgoing angle of the laser beam with respect to the deflection angle ⁇ from the reference direction (depending on the difference in the reciprocal of the period in each photonic crystal region).
  • FIG. 10 is a plan view of various refractive index portions (structures) having various shapes.
  • FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the laser beam deflection apparatus.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser element.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser element.
  • FIG. 14 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device.
  • FIG. 15 is a plan view of the inside of the semiconductor laser device.
  • FIG. 16 is a graph showing a vector from the origin O to the point P ( ⁇ x, ⁇ y) in the xy coordinate system.
  • FIG. 17 is a graph showing the directions of main light waves in the xy coordinate system.
  • FIG. 18 is a plan view of the inside of the element for explaining main light waves in the active layer 3B.
  • FIG. 19 is a plan view (A) of the diffraction grating layer 4 ′ having a periodic structure, and a sectional view (B) in the XZ plane.
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the laser beam emission angle (refraction angle) ⁇ 3, the strap angle ⁇ , and the period ⁇ .
  • FIG. 21 is a chart showing data used for the graph.
  • FIG. 22 is a sectional view of a partial region of the semiconductor laser element.
  • FIG. 23 is a plan view of the photonic crystal layer.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a semiconductor laser element
  • FIG. 2 is a plan view of the semiconductor laser element.
  • the semiconductor laser device 10 includes a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3 A, an active layer 3 B, an upper light guide layer 3 C, a photonic crystal layer 4, an upper clad layer 5, and a contact layer 6 that are sequentially formed on a semiconductor substrate 1. It has. On the back side of the semiconductor substrate 1, an electrode E ⁇ b> 1 is provided on the entire surface, and on the contact layer 6, a plurality of drive electrodes E ⁇ b> 2 are provided. In the drawing, five drive electrodes E ⁇ b> 2 are simply shown, but actually more drive electrodes E ⁇ b> 2 are provided on the contact layer 6.
  • the surface on the contact layer 6 other than the formation region of the drive electrode E2 is covered with the insulating film SH.
  • the insulating film SH can be formed from, for example, SiN or SiO 2 .
  • the materials / thicknesses of these compound semiconductor layers are as follows. Note that an intrinsic semiconductor having an impurity concentration of 10 15 / cm 3 or less has no conductivity type. Note that the concentration when impurities are added is 10 17 to 10 20 / cm 3 . Further, the following is an example of the present embodiment. If the configuration includes the active layer 3B and the photonic crystal layer 4, the material system, film thickness, and layer configuration are flexible.
  • the upper light guide layer 3C is composed of two layers, an upper layer and a lower layer.
  • Contact layer 6 P-type GaAs / 50 to 500 nm
  • Upper clad layer 5 P-type AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) /1.0 to 3.0 ⁇ m
  • Photonic crystal layer 4 Basic layer 4A: GaAs / 50 to 200 nm Buried layer (different refractive index portion) 4B: AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) / 50 to 200 nm
  • Upper light guide layer 3C Upper layer: GaAs / 10-200nm
  • Lower layer p-type or intrinsic AlGaAs / 10 to 100 nm
  • Active layer 3B (multiple quantum well structure): AlGaAs / InGaAs MQW / 10-100nm
  • Lower light guide layer 3A AlGaAs / 0 to 300 nm
  • Lower clad layer 2 N-type AlGaAs / 1.0 to 3.0 ⁇ m
  • Semiconductor substrate 1 N-type GaAs / 80 to 350 ⁇ m
  • AuGe / Au can be used as the material of the electrode E1
  • Cr / Au or Ti / Au can be used as the material of the electrode E2.
  • the light guide layer can be omitted.
  • the growth temperature of AlGaAs by MOCVD is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is adopted in the experiment.
  • (Trimethylgallium) and TEG (triethylgallium), AsH 3 ( arsine) as the As source, Si 2 H 6 (disilane) as the source for the N-type impurity, and DEZn (diethylzinc) as the source for the P-type impurity be able to.
  • the planar shape of the semiconductor laser element is a rectangle.
  • the thickness direction is the Z axis
  • the width direction is the X axis
  • the direction perpendicular to the light emitting end face LES is the Y axis.
  • the extending longitudinal direction of each drive electrode E2 forms an angle ⁇ with respect to a straight line parallel to the Y axis. That is, the longitudinal direction of the drive electrode E2 is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of the semiconductor laser element when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element.
  • the drive electrode E2 extends from the position of the light emitting end face LES toward the opposite end face, but is interrupted halfway without completely traversing the semiconductor laser element.
  • FIG. 3 is a plan view of the inside of the device for explaining the progress of the laser beam inside the semiconductor laser device.
  • the laser beam is generated in the active layer 3B, but the light oozed out from the active layer 3B is affected by the adjacent photonic crystal layer 4.
  • a periodic refractive index distribution structure is formed in the photonic crystal layer 4.
  • a laser beam indicated by wave number vectors k1 to k4 is generated inside the active layer 3B.
  • the wave vector is a vector whose direction is the normal direction of the wave front (that is, the wave propagation direction) and whose magnitude is the wave number.
  • the laser beams with wave number vectors k1 and k2 are directed toward the light emitting end face LES, and the laser beams with wave number vectors k4 and k3 are directed in the opposite direction.
  • the laser beams of wave number vectors k1 and k2 travel at an angle of ⁇ ⁇ , respectively, with respect to a B direction that forms an angle ⁇ with a straight line parallel to the Y axis in the XY plane.
  • the B direction is the direction in which the drive electrode E2 extends.
  • the A direction is a direction perpendicular to the B direction in the XY plane.
  • a coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system by ⁇ around the Z axis is defined as an xyz orthogonal coordinate system. In this case, the A direction coincides with the positive x-axis direction, and the B direction coincides with the negative y-axis direction.
  • the laser beams of the wave number vectors k1 and k2 enter the light emission end face LES and attempt to exit to the outside.
  • the incident angles are ⁇ 1 and ⁇ 2, respectively.
  • the refraction angle of the laser beam having the wave vector k1 is ⁇ 3.
  • ⁇ 3 is smaller than 90 degrees. That is, the incident angle ⁇ 2 of the laser beam having the wave number vector k2 is equal to or greater than the total reflection critical angle, and total reflection occurs at the light emitting end face LES and is not output to the outside.
  • the incident angle ⁇ 1 of the laser beam with the wave vector k1 is less than the total reflection critical angle, and is transmitted to the outside through the light emitting end face LES.
  • ⁇ 4 is an angle formed by the traveling direction of the laser beam totally reflected on the light emitting end face LES and the negative Y-axis direction, and is 90 degrees or more.
  • the photonic crystal layer 4 is formed by a plurality of photonic crystal regions 4R being gathered.
  • FIG. 4 is a plan view of the photonic crystal region 4R having a single periodic structure.
  • a photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically, and can strengthen or diffract light of a specific wavelength in a specific direction according to the period. By using this diffraction for light confinement and as a resonator, a laser can be realized.
  • the photonic crystal layer 4 of the present embodiment includes a basic layer 4A and a buried layer (different refractive index portion) 4B periodically embedded in the basic layer 4A.
  • a plurality of holes H are periodically formed in the basic layer 4A made of the first compound semiconductor (GaAs) having the zinc flash structure, and the second compound semiconductor (having the zinc flash structure and having the second compound semiconductor (
  • the photonic crystal layer 4 is formed by growing a buried layer 4B made of (AlGaAs).
  • the refractive index of the first compound semiconductor is different from that of the second compound semiconductor.
  • the refractive index of the second compound semiconductor is lower than that of the first compound semiconductor.
  • the refractive index of the first compound semiconductor may be lower than that of the second compound semiconductor.
  • the different refractive index portions 4B which are embedded layers, are aligned along the A direction and the B direction to form a two-dimensional periodic structure.
  • the pitch between the different refractive index portions 4B in the A direction is a1
  • the pitch between the different refractive index portions 4B in the B direction is b1.
  • a planar shape of each different refractive index portion 4B in the AB plane a rectangle is shown in the figure, but the planar shape of the different refractive index portion 4B is not limited to this.
  • FIG. 5 is a plan view of a photonic crystal region 4R having a single periodic structure different from that in FIG.
  • the different refractive index portions 4B which are embedded layers, are aligned along the A direction and the B direction to form a two-dimensional periodic structure.
  • the pitch between the different refractive index portions 4B in the A direction is a2
  • the pitch between the different refractive index portions 4B in the A direction is b2.
  • the relationship of a2> a1 is satisfied.
  • a rectangle is also shown in the figure, but the planar shape of the different refractive index portion 4B is not limited to this.
  • FIG. 6 is a plan view of the photonic crystal region 4R having a plurality of periodic structures.
  • the photonic crystal region 4R includes the periodic structure shown in FIG. 4 and the periodic structure shown in FIG. 5 in a single photonic crystal region 4R, and has a period a1 and a period a2. Yes.
  • ⁇ in FIG. 3 is determined according to the difference between the reciprocal number (1 / a1) of the period a1 and the reciprocal number (1 / a2) of a2. That is, by determining the periods a1 and a2, it is possible to determine the traveling direction of the laser beam indicated by the wave number vectors k1 and k2.
  • , and k 2 ⁇ / ⁇ .
  • ⁇ is the wavelength of the laser light in the semiconductor laser element
  • k is the wave number of the laser light in the semiconductor laser element.
  • the inequalities to be satisfied by the parameters ⁇ 1 and ⁇ 2 and the effective refractive index n dev of the light in the semiconductor laser element are as follows.
  • equations to be satisfied by the respective parameters are as follows.
  • ⁇ ⁇ sin ⁇ 1 (sin ⁇ 3 / n dev )
  • ⁇ k (2 ⁇ / ⁇ 0 ) sin ⁇ sin ⁇ 1 (sin ⁇ 3 / n dev ) ⁇
  • a1 1 / ⁇ ( ⁇ k / 2 ⁇ ) + (1 / b1) ⁇
  • a2 1 / ⁇ (1 / b2)-( ⁇ k / 2 ⁇ ) ⁇
  • B 0 is a reference period with respect to the B direction (the alignment direction of the lattice points (the arrangement direction of the different refractive index portions)), and is about 290 nm, for example.
  • ⁇ is the inclination of the arrangement direction (B direction) of the different refractive index portions with respect to the direction perpendicular to the light emission end face LES
  • ⁇ 3 is the laser beam emission angle
  • n dev is the effective refractive index of the light in the semiconductor laser element
  • FIG. 7 is a plan view of a photonic crystal region group 4G having a plurality of photonic crystal layer regions 4R having a plurality of periodic structures.
  • the photonic crystal layer regions 4R are arranged in alignment along the A direction.
  • the leftmost photonic crystal layer region 4R is the region ⁇ 1, the second photonic crystal layer region 4R is the region ⁇ 2, the second photonic crystal layer region 4R is the region ⁇ 3, and the fourth photonic crystal layer region 4R is The region ⁇ 4 and the fifth photonic crystal layer region 4R are defined as a region ⁇ 5.
  • ⁇ 1 to ⁇ 5 also indicate parameters of the reciprocal of the above period.
  • the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the period a1 and the period a2 shown in FIG. 6, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the period b2.
  • the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a3, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2.
  • the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a4, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2.
  • the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the cycle a1 and the cycle a5, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2.
  • the different refractive index portions 4B are arranged in the A direction so as to satisfy the period a1 and the period a6, and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the period b2.
  • the relationship of a1 ⁇ a2 ⁇ a3 ⁇ a4 ⁇ a5 ⁇ a6 is satisfied.
  • region (DELTA) N (N is a natural number) is arranged from left to right in order with small value of N along A direction, and within area
  • the different refractive index portions 4B are arranged so as to satisfy the cycle a (N + 1), and the different refractive index portions 4B are arranged in the B direction at the cycle b2, so that aN ⁇ a (N + 1) is satisfied.
  • the laser beam can be emitted in different directions according to the difference in the reciprocal of the cycle.
  • FIG. 8 is a plan view of a photonic crystal layer having the photonic crystal region group 4G.
  • each region ⁇ 1 to ⁇ 5 are arranged in order along the A direction.
  • the longitudinal direction of each region ⁇ 1 to ⁇ 5 coincides with the B direction (longitudinal direction of the drive electrode E2).
  • a drive current is selectively supplied to each drive electrode E2 (a drive voltage is applied between the electrode E1 and a specific electrode E2), laser beams are emitted in different directions from the light emission end face LES (FIG. 2).
  • FIG. 9 is a graph showing the incident angle and the outgoing angle of the laser beam with respect to the deflection angle ⁇ from the reference direction (direction B) (depending on the difference in the reciprocal of the period in each photonic crystal region).
  • the effective refractive index n dev of light in the semiconductor laser element was 3.3.
  • FIG. 10 is a plan view of various refractive index portions (structures) 4B having various shapes.
  • a rectangular (A) shape is shown as the shape in the AB plane (XY plane) of the different refractive index portion 4B, but this may be a square (B), an ellipse or a circle (C), It can also be an isosceles or equilateral triangle (D).
  • the base is parallel to the A direction (D)
  • the base is parallel to the B direction (E)
  • the triangle shown in (D) is rotated 180 degrees (F)
  • You can also Any figure can be rotated and the ratio of dimensions can be changed. Note that the distance between the centers of gravity of each figure can be used as the arrangement period of these figures.
  • a semiconductor laser element that can output only a beam in a single direction is configured.
  • a laser beam deflecting device can be configured.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a laser beam deflection apparatus using the semiconductor laser element.
  • the laser beam deflecting device includes the semiconductor laser element 10 described above, a first drive electrode E2 (leftmost drive electrode), a second drive electrode (second drive electrode from the left), and a third drive electrode (The drive current is selectively supplied to an electrode group including the third drive electrode from the left), the fourth drive electrode (the fourth drive electrode from the left), and the fifth drive electrode (the fifth drive electrode from the left).
  • a drive current supply circuit 11 is provided.
  • the drive current supply circuit 11 is configured to supply a drive current to each drive electrode E2 via the switches SW1, SW2, SW3, SW4, and SW5, and to turn on / off the switches SW1, SW2, SW3, SW4, and SW5.
  • a control circuit 11B for controlling OFF is provided. By switching the drive current supplied from the power supply circuit 11A by the control circuit 11B, it is possible to output only one direction of the laser beam LB in different directions, but this is a pseudo deflection of the laser beam LB. It will be. Even if the number of drive electrodes is two, the deflection operation can be performed, but if this is set to three or more, it is possible to adopt a structure in which the laser beam is scanned at a narrow pitch.
  • 12 and 13 are diagrams for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser element.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • a resist R1 is applied on the basic layer 4A (FIG. 12B), a two-dimensional fine pattern is drawn with an electron beam drawing apparatus, and developed to develop a two-dimensional fine pattern (different refractive index portion) on the resist. (Corresponding to the position of) is formed (FIG. 12C).
  • a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the basic layer 4A by dry etching (FIG. 12D), and the resist is removed (FIG. 12E). Thereafter, regrowth is performed using the MOCVD method, the different refractive index portion 4B is formed in the basic layer 4B, and the cladding layer 5 is formed thereon.
  • the buried layer (AlGaAs) 4B is grown in the hole H, and then the P-type cladding layer (AlGaAs) 5 and the P-type contact layer (GaAs) 6 are epitaxially grown sequentially (FIG. 12F). )).
  • a resist R2 is formed on the P-type contact 6 (FIG. 13G), a strip-shaped pattern is patterned on the resist R2 by optical exposure (FIG. 13H), and the electrode E is formed on the resist R2.
  • Vapor deposition is performed from above (FIG. 13I), and the electrode material is removed leaving only the electrode E2 by lift-off (FIG. 13J).
  • the insulating film SH is formed on the surface of the contact layer 6 except for the position where the electrode E2 is formed (FIG. 13K).
  • the back surface of the N-type semiconductor substrate 1 is polished to form the N-type
  • the electrode E1 is formed (FIG. 13L), and the semiconductor laser device is completed.
  • the manufacturing method using the electron beam exposure method has been described as the method for manufacturing the hole H.
  • other fine processing techniques such as nanoimprint, interference exposure, optical exposure such as FIB, and stepper may be used.
  • FIG. 14 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser element.
  • the second photonic crystal layer 4 ′ includes a basic layer 4 A ′ made of the same material as the first photonic crystal layer 4 and a different refractive index portion 4 B ′.
  • the photonic crystal layer 4 shown in FIG. 1 is a first photonic crystal layer
  • the photonic crystal layer 4 has a refractive index distribution structure having a single periodic structure shown in FIG.
  • the second photonic crystal layer 4 ′ has a refractive index profile in which the single periodic structure with the period a2 shown in FIG. 5 and the ones with the periods a3 to a4 in each region are arranged in the A direction. It has a structure. That is, when the overlap of the photonic crystal layers 4 and 4 ′ is seen from the thickness direction of the semiconductor laser element, the regions ⁇ 1 to ⁇ 5 are aligned along the A direction as shown in FIG. Will be. Even in the case of such a structure, the same effects as the structure shown in FIG. 1 can be obtained by setting each parameter as described above.
  • each layer after the light guide layer 3A may be manufactured in the same manner as described above.
  • the second photonic crystal layer 4 ′ having the same structure as the first photonic crystal layer 4 including two refractive index periodic structures is used in place of the first photonic crystal layer 4. However, the same effect can be obtained.
  • the semiconductor laser element described above is an edge-emitting semiconductor laser element, and includes a lower cladding layer 2, an upper cladding layer 5, a lower cladding layer 2 and an upper surface formed on a substrate 1.
  • Photonic crystal layers 4 and 4 interposed between the active layer 3B (which may include a light guide layer) interposed between the cladding layer 5 and the active layer 3B and at least one of the upper and lower cladding layers.
  • a first drive electrode E2 for supplying a drive current to the first region R of the active layer 3B (a region directly below one drive electrode E2).
  • the longitudinal direction of the first drive electrode E2 is a semiconductor When viewed from the thickness direction of the laser element, it is inclined with respect to the normal (Y axis) of the light emitting end face LES of this semiconductor laser element, and corresponds to the first region R of the photonic crystal layers 4 and 4 ′.
  • Area ⁇ 1 is the circumference and refractive index Have different first and second periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions are different from each other, and the difference between the reciprocals of the arrangement periods (a1, a2) in the first and second periodic structures.
  • two laser beams forming a predetermined angle ( ⁇ ) with respect to the longitudinal direction (B direction) of the first drive electrode E2 are generated inside the semiconductor laser element, Only one of these laser beams is set to satisfy the total reflection condition, and the other refraction angle ⁇ 3 is set to be less than 90 degrees.
  • the incident angle ⁇ of one laser beam inside the laser element to the light emitting end face is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle.
  • the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle ⁇ 3 of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.
  • the semiconductor laser device further includes a second drive electrode E2 for supplying a drive current to the second region R of the active layer 3B (a region immediately below the second drive electrode E2).
  • the longitudinal direction (B direction) of the second drive electrode E2 is inclined with respect to the normal line (Y axis) of the light emitting end face LES of the semiconductor laser element,
  • the region ⁇ 2 corresponding to the second region of the photonic crystal layer has third and fourth periodic structures in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indices from the surroundings have the third and fourth periodic structures, respectively.
  • a predetermined angle ⁇ is set with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode E2.
  • the two laser beams formed are Only one of these laser beams generated inside the element is set to be totally reflected at the light emitting end face, and the other refraction angle ⁇ 3 is set to be less than 90 degrees, and the first and second periods are set.
  • the difference of the reciprocal number of each arrangement period (a1, a2) in the structure is different from the difference of the reciprocal number of each arrangement period (a1, a3) in the third and fourth periodic structures.
  • the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the light emission end face is set to a total reflection critical angle or more.
  • the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face.
  • the difference in the reciprocal of the arrangement period of the different refractive index portions 4 ⁇ / b> B (exit direction determining factor) is different.
  • the difference value determines the laser beam emission direction. Therefore, since the value of the difference (exiting direction determining factor) is different in both regions, the emitting direction of the laser beam is the region ⁇ 1 corresponding to the first drive electrode E2 and the region ⁇ 2 corresponding to the second drive electrode E2. So it will be different.
  • One of the pair of laser beams generated in each region is incident on the light emitting end face with a total reflection critical angle or more, and thus is not emitted to the outside. Therefore, by switching the supply of the drive current to each drive electrode, it becomes possible to output only one direction of laser beam in different directions.
  • a photonic crystal having a different period is based on a square lattice having a period (b1, b1) in the A direction and the B direction, and a rectangular lattice having a period (a1, b1) as the first periodic structure.
  • a rectangular lattice with a period of (a2, b1) has been described as the second periodic structure, it is of course possible to use a structure in which the periods in the A direction are different from each other based on a triangular lattice.
  • FIG. 15 is a plan view of the inside of the element shown by inverting the top and bottom of the plan view shown in FIG. 3 and slightly changing the refraction angle ⁇ 3 of the emitted beam. The same applies to FIG.
  • the xyz orthogonal coordinate system is a coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system around the Z axis by an angle + ⁇ , and the + x direction coincides with the + A direction, and the + y direction coincides with the ⁇ B direction.
  • the arrangement of the photonic crystal hole patterns is inclined by an angle ⁇ with respect to the light emitting end face.
  • the angle formed by the reflection direction of the wave vector k2 (the laser beam traveling direction of the wave vector k2 ′) and the light emitting end face LES is ⁇ 2 ′, and the reflection direction of the laser beam of the wave vector k1 (the laser of the wave vector k1 ′).
  • the angle formed between the beam traveling direction) and the light exit end face LES is defined as ⁇ 3 ′.
  • the laser beam of the wave number vector k2 is set so as to be totally reflected at the light emitting end face LES so that the number of laser beams emitted from the element is one.
  • the laser beams (main light waves) corresponding to the wave number vectors k1, k2, k3, k4, k1 ′, and k2 ′ are Y1, Y2, Y3, Y4, Y1 ′, and Y2 ′, respectively.
  • the vector is shown.
  • an angle formed between the X axis and the main light wave Y4 is ⁇ t
  • an angle formed between the X axis and the main light wave Y3 is ⁇ r.
  • ⁇ 0 , ⁇ 1 , and ⁇ 2 mean a basic reciprocal lattice vector in the B direction, a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the first periodic structure, and a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the second periodic structure, respectively.
  • ⁇ 1 2 ⁇ / a1
  • ⁇ 2 2 ⁇ / a2
  • ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1
  • ⁇ ⁇ 0 / ⁇ .
  • FIG. 17 is a graph showing the directions of main light waves in the xy coordinate system.
  • the x axis in the xy coordinate system is rotated by an angle ⁇ with respect to the X axis.
  • the direction of the light wave Y2 ′ may be rotated by an angle 2 ⁇ .
  • the coordinates of the tip P4 of the vector indicating the main light wave Y4 in the xy coordinate system are ( ⁇ / 2, ⁇ 0 ), and the coordinates of the tip P2 ′ of the vector indicating the main light wave Y2 ′ are coordinates obtained by rotating this by ⁇ 2 ⁇ . It is.
  • the coordinates ( ⁇ / 2, ⁇ 0 ) of the vector Y4 (tip P4) in the xy coordinate system are converted into coordinates (XA, YA) rotated by + ⁇ , and the vector Y2 ′
  • the coordinates are converted into coordinates (XB, YB) obtained by rotating the coordinates of the vector Y4 in the xy coordinate system by ⁇ .
  • the main light wave Y2 ′ is coupled to the main light wave Y4. That is, the vector Y4 is obtained by adding the vector ⁇ Y to the vector Y2 ′.
  • the vector ⁇ Y is expressed as follows. If a new periodic structure having a reciprocal lattice vector equal to the vector ⁇ Y is additionally employed, the totally reflected light wave Y2 ′ can be contributed to resonance.
  • the different refractive index portions are preferably arranged in a stripe shape.
  • the stripe-shaped periodic structure has a high anisotropy of the optical coupling coefficient and can reduce the influence of the resonance state Y1 and Y2.
  • FIG. 18 is a plan view of the inside of the element for explaining main light waves in the active layer 3B.
  • the intersecting line between the XY plane and the light emitting end face LES coincides with the X axis.
  • the wave vector of the light wave Y2 'having the tip at the coordinate P2' is converted into the wave vector of the light wave Y4 having the tip at the coordinate P4.
  • Let L be a straight line perpendicular to the vector ⁇ Y.
  • the new periodic structure may be set so that the light wave travels in a direction perpendicular to the straight line L in the active layer 3B.
  • the pattern of the diffraction grating layer optically coupled thereto is controlled. In FIG.
  • upper and lower photonic crystal layers (diffraction grating layers) 4, 4 ' are provided.
  • a photonic crystal layer that achieves the above-described total reflection is produced in the upper diffraction grating layer 4, and the new periodic structure for using reflected light for resonance is formed in the diffraction grating layer 4.
  • these periodic structures may be produced by superimposing one or both layers).
  • FIG. 19A is a plan view of a diffraction grating layer 4 ′ having a periodic structure that gives the vector ⁇ Y
  • FIG. 19B is a cross-sectional view in the XZ plane.
  • the diffraction grating layer 4 ' includes a basic layer 4A' and a different refractive index portion 4B 'extending in a stripe shape along a straight line L in the XY plane, and these refractive indexes are different.
  • the different refractive index portions 4B ' are periodically embedded in the basic layer 4A'.
  • a striped periodic refractive index distribution structure is formed in the diffraction grating layer 4 ′, and functions as a diffraction grating layer in which light waves travel in the direction of ⁇ Y.
  • the intensity of diffraction by the stripe-shaped periodic refractive index distribution structure is changed. I can do it.
  • the length L2 of the reciprocal lattice vector of ⁇ Y in the reciprocal lattice space, the period ⁇ , and the angle ⁇ formed by the straight line L and the X axis are given as follows.
  • ⁇ 0 2 ⁇ / a y
  • ⁇ 1 2 ⁇ / a I
  • ⁇ 2 2 ⁇ / a II
  • a y is the period in the B direction
  • a I is the period in the A direction of the first periodic structure
  • a II shows the period in the A direction of the second periodic structure.
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the laser beam emission angle (refraction angle) ⁇ 3, the stripe angle ⁇ , and the period ⁇
  • FIG. 21 is a chart showing data used in this graph.
  • the vertical axis of the ⁇ (°) data is shown on the left side of the graph, and the vertical axis of the ⁇ (nm) data is shown on the right side of the graph.
  • a diffraction grating layer having a new periodic structure that gives the above ⁇ Y separately from these. 4 ′′ (the structure is the same as that of the diffraction grating layer 4 ′ in the case of FIG. 19) can be formed between the upper cladding layer 5 and the diffraction grating layer 4 (FIG. 22A).
  • a new diffraction grating layer 4 ′′ having the same structure as that of the diffraction grating layer 4 ′ in FIG. 19 may be formed between the lower cladding layer 2 and the diffraction grating layer 4 ′ (FIG. 22). (B)).
  • the diffraction grating structure that contributes to resonance by coupling the laser beam reflected by the light emitting end face with the laser beam that resonates inside the active layer by satisfying the total reflection critical angle condition (see FIG. 19 and the diffraction grating layer of FIG. 22). In this case, energy use efficiency is increased.
  • FIG. 23 is a plan view of the photonic crystal layer 4 having various periodic structures.
  • the different refractive index portions 4B are periodically embedded in the basic layer 4A.
  • 23A shows a square lattice
  • FIG. 23B shows a rectangular lattice
  • FIG. 23C shows a triangular lattice
  • FIG. 24D shows a face-centered rectangular lattice.
  • two periodic structures having different periods are overlapped in one photonic crystal layer 4, or in the two photonic crystal layers 4, 4 ′.
  • a configuration in which each is included and overlapped in plan view is employed.
  • examples of each periodic structure before superposition are shown, and two types of periodic structures are arranged so as to overlap each other so that the directions of the respective basic translation vectors (indicated by arrows) coincide.
  • the different refractive index portions 4B are arranged at the lattice point positions of the square lattice.
  • a square lattice has a shape in which squares are arranged without gaps, and the length a of one side of a square constituting one lattice is equal to the length b of the other side.
  • the horizontal arrangement period a of the different refractive index portions 4B is equal to the vertical arrangement period b.
  • the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.
  • the different refractive index portion 4B is arranged at the lattice point position of the rectangular lattice.
  • the rectangular lattices having different vertical and horizontal lengths are shapes in which rectangles are arranged without gaps, and the length a of one side of a rectangle constituting one lattice is different from the length b of the other side.
  • the horizontal arrangement period a of the different refractive index portions 4B is different from the vertical arrangement period b.
  • the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.
  • the different refractive index portions 4B are arranged at the positions of the lattice points of the triangular lattice.
  • the triangular lattice is a shape in which triangles are arranged without gaps, and the length of the bases of the triangles constituting one lattice is a, and the height is b.
  • the triangle is an equilateral triangle, in other words, the length a of the base is the horizontal arrangement period a of the different refractive index portions 4B, and the vertical arrangement period b is ⁇ 2 times a.
  • the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.
  • the different refractive index portions 4B are arranged at the lattice point positions of the face-centered rectangular lattice.
  • the face-centered rectangular lattice is a lattice additionally provided with a lattice point at the center position in each lattice of the rectangular lattice, and the rectangular lattice itself is formed by arranging rectangles without gaps.
  • the arrow in the figure represents the basic translation vector of the lattice. Even if the pattern is translated by a linear sum of integral multiples of these basic translation vectors, it overlaps the original pattern. That is, this lattice system has a translational symmetry defined by this basic translation vector.
  • the A axis is inclined with respect to the X axis, and these are not parallel.
  • the different refractive index portion 4B in the photonic crystal layer 4 when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element, has its lattice structure.
  • the direction of the basic translation vector (A axis, B axis) of the lattice structure is different from the direction (X axis) parallel to the light emitting end face LES (see FIG. 3).
  • one laser beam can satisfy the total reflection critical angle condition by setting the inclination to a certain value or more.
  • the lattice structure of the photonic crystal layer when viewed from the thickness direction, is a square lattice and a rectangular lattice, a rectangular lattice and a rectangular lattice, a triangular lattice and a face-centered rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice and a surface. It can be constituted by a combination of a square lattice, a rectangular lattice, a triangular lattice, or a face-centered rectangular lattice, such as a centered rectangular lattice. That is, it is possible to configure a single grating as described above by combining gratings having different pitches in one direction.
  • the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a tetragonal lattice and a rectangular lattice of crystals.
  • a period of one axial direction of the hole lattice is a1, a period of the axial direction perpendicular to the one axis is b1, a period of one axial direction of the rectangular lattice is a2,
  • a standing wave state is formed by oblique light waves that are not orthogonal to each other in the photonic crystal layer surface, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) includes the crystal structures of the first and second rectangular lattices.
  • the period of one axial direction of the first rectangular lattice is a1
  • the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1
  • the period of one axial direction of the second rectangular lattice is a2
  • a standing wave state is formed by oblique light waves that are not orthogonal to each other in the photonic crystal layer surface, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a crystal structure of the first and second face-centered rectangular lattices.
  • the period of one axial direction of the first face-centered rectangular lattice is a1
  • the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1
  • a standing wave state is formed by oblique light waves that are not orthogonal to each other in the photonic crystal layer surface, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
  • One face-centered rectangular lattice can be a triangular lattice.
  • the triangular lattice is a special case in which the angle formed by the basic translation vectors forming the lattice of the face-centered rectangular lattice is 60 degrees.
  • the semiconductor laser element 10 includes a region (first region, second region%) R immediately below the drive electrode of the active layer 3B.
  • the different refractive index portion 4B of the photonic crystal layer corresponding to the first region R of the active layer 3B and the different refractive index portion 4B of the photonic crystal layer corresponding to the second region R of the active layer 3B are the first region.
  • the laser beams output from R and the second region R can be set to have different shapes when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element so that the refraction angles of the laser beams are different and the intensities are matched.
  • the size of the hole (different refractive index portion) is changed so that the diffraction intensities of a plurality of photonic crystals are the same. Since the intensity is the same, it can be easily applied to electronic devices such as laser printers and radars.
  • the hole changes the length along the direction along the basic translation vector having a different period.
  • the dimension of the different refractive index portion 4B along the direction in which the arrangement periods of the different refractive index portions 4B in the first periodic structure and the second periodic structure are different is
  • the different refractive index portions along the direction in which the arrangement periods of the different refractive index portions 4B in the third and fourth periodic structures are different are different depending on the positions along the different directions.
  • the dimension of 4B changes according to the position along the said different direction.
  • the laser beam deflection apparatus shown in FIG. 11 includes a semiconductor laser element 10 and a drive current supply circuit 11 that selectively supplies a drive current to the electrode group E2 including the first drive electrode and the second drive electrode. ing. By controlling the supply of the drive current, the emission of the laser beam LB can be controlled.
  • the drive current supply circuit 11 can further include means for changing the ratio of the drive current supplied to each electrode E2 of the electrode group. That is, in FIG. 11, reference numerals SW1 to SW5 indicate amplifiers with switches, and the amplifiers can control the magnitude of the drive current supplied from the power supply circuit 11A. In this case, the control circuit 11B can control the ratio of the drive current supplied to each electrode E2 by controlling the gain of each amplifier.
  • the period along the basic translation vector in the first periodic structure in the first region R can be continuously changed as it approaches the third periodic structure in the second region R. In this case, there is an effect that reflection can be prevented from occurring at the interface between the photonic crystals having different periods.
  • the wavelengths of the laser beams output from the active layer immediately below each electrode E2 are preferably the same. This is because when the laser beam is scanned by a mirror or the like, the wavelengths of the laser beams before and after the deflection are the same. Therefore, when a drive current is supplied to the first and second drive electrodes E2, the resonances of the laser beams generated in the first region R and the second region R of the active layer immediately below the first and second drive electrodes E2, respectively. It is preferable to set so that the wavelengths are the same.
  • the period in the B-axis direction of the first rectangular lattice superimposed in the first region R is b11
  • the period in the B-axis direction of the second rectangular lattice is b21
  • the beam emission angle of the first region R is ⁇ 31.
  • the period of the first rectangular lattice superimposed in the second region R in the B-axis direction is b12
  • the period of the second rectangular lattice in the B-axis direction is b22
  • the beam emission angle of the second region R is ⁇ 32 It was.
  • the laser beam deflecting device preferably includes a single condensing element (lens) LS disposed close to the light emitting end face LES.
  • the converging element can suppress the spread angle of the emitted light and transmit the laser beam to a long distance, and the laser beam can be collected at a position away from the element by an appropriate distance by adjusting the focal position.
  • the condensing element LS here is a cylindrical lens, and the central axis X of the cylindrical lens is perpendicular to the thickness direction (Z axis) of the active layer and parallel to the light emitting end face (XZ plane). The radius of curvature of the cylindrical lens is defined only in the YZ plane.
  • a convex lens can be adopted as the condensing element LS.
  • One axis (X axis) passing through the center of curvature of the convex lens is perpendicular to the thickness direction (Z axis) of the active layer and parallel to the light emitting end face (XZ plane), and the curvature around this axis (X axis).
  • the radius is smaller than a radius of curvature (can be approximated to infinity) around an axis (Y axis, Z axis) perpendicular thereto.
  • the above-described laser beam deflection apparatus can be miniaturized because the element itself has a deflection function, and high reliability and high speed can be expected. Because of its small size, it is also expected to be used as a laser scalpel or a photodynamic therapy (PDT) light source incorporated in a portable device or in a medical capsule endoscope. Of course, the application to the display by a large-sized laser scanning is also considered. Since the stray light of the laser beam is not output to the outside, an improvement in reliability is expected.
  • PDT photodynamic therapy
  • SYMBOLS 10 Semiconductor laser element, 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Lower clad layer, 3A ... Lower light guide layer, 3B ... Active layer, 3C ... Upper light guide layer, 4 ... Photonic crystal layer, 5 ... Upper clad layer, 6 ... contact layer, E2 ... drive electrode.

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Abstract

　第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期ａ１、ａ２の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第1駆動電極Ｅ２の長手方向に対して所定の角度δθ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、これらのレーザビームの一方は光出射端面において全反射するように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定される。

Description

半導体レーザ素子及びレーザビーム偏向装置
　本発明の態様は、フォトニック結晶を有する端面発光型の半導体レーザ素子、及びこれを用いたレーザビーム偏向装置に関する。
　本願発明者らは、フォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子について提案してきた（特許文献１、非特許文献１）。このような面発光型の半導体レーザ素子は、一度に２方向に向けて同時にレーザビームを出射することができるという画期的な特徴を有している。また、複数に分割された駆動電極に、駆動電流を供給することで、駆動電極毎に２方向のレーザビームを出射することができる。各駆動電極の直下に位置するフォトニック結晶の周期を異ならせておけば、駆動電極毎に、レーザビーム対の出射角が異なることになる。更に、非特許文献１によれば、細分化した駆動電極を設け、複数の駆動電極について同時に電流を流すと共に、その電流バランスを変化させることによって、連続的なビーム方向制御も可能である。
特開２００９－７６９００号公報
黒坂剛孝他、"On-Chip beam-steeringphotonic-crystal lasers", NaturePhotonics, vol. 4, pp.447-450, 2010
　しかしながら、２方向にレーザビームを同時に出射する半導体レーザ素子の場合、実用的な用途が限られてくる。一方、１方向のみにレーザビームを出射する半導体レーザ素子であれば、すなわち駆動電極毎に１方向のレーザビームを出射できる構造であれば、各駆動電極へ供給される駆動電流を切り替える、更に、駆動電流バランスを変化させることで、レーザビームの走査が可能となる。この場合、従来から使用されている様々なレーザビーム偏向装置等に、当該半導体レーザ素子を適用することが可能となる。レーザビーム数を多くすれば、レーザビーム偏向装置は、高精細なレーザビーム走査装置を構成することも可能である。
　本発明の態様は、このような課題に鑑みてなされたものであり、１方向のみにレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ素子及びレーザビーム偏向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、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、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、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、前記活性層と前記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、前記活性層の第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、前記第１駆動電極の長手方向は、前記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、傾斜しており、前記フォトニック結晶層の前記第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の周期構造を有しており、前記第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第１駆動電極の前記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前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されていることを特徴とする。
　すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第１駆動電極への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。
　また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、前記活性層の第２領域に駆動電流を供給するための第２駆動電極を更に備え、前記第２駆動電極の長手方向は、前記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前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、前記フォトニック結晶層の前記第２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３及び第４の周期構造を有しており、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極の前記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前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、前記第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なることを特徴とする。
　すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第２駆動電極への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。
　ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層内の領域では、異屈折率部の配列周期の逆数の差（出射方向決定因子）が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差（出射方向決定因子）の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第1駆動電極に対応する領域と、第２駆動電極に対応する領域では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面に入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に１方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。
　また、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記フォトニック結晶層における前記異屈折率部は、その格子構造の格子点位置に配置されており、前記格子構造の基本並進ベクトルの方向は、前記光出射端面に平行な方向とは異なることを特徴とする。この場合、一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。
　また、前記フォトニック結晶層の格子構造は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。前記フォトニック結晶層の格子構造は、正方格子、長方格子、三角格子、及び面心長方格子からなる格子群から、重複選択の場合を含めた、２以上の格子が選択されて組み合わせられることにより構成されている。つまり、上記に示した１つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。
　また、前記フォトニック結晶層には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれており、正孔格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２、とした場合、ａ１＝ｂ１、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。
　この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　また、前記フォトニック結晶層には第１及び第２の長方格子の結晶構造が含まれており、第１の長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２、とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。
　この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　また、前記フォトニック結晶層には第１及び第２の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第１の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２、とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。
　この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　なお、前記第１の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が６０度となる特別な場合である。
　この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　また、この態様の半導体レーザ素子は、前記活性層の前記第１領域に対応するフォトニック結晶層の前記異屈折率部と、前記活性層の前記第２領域に対応するフォトニック結晶層の前記異屈折率部とは、第１及び第２領域それぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なることを特徴とする。この場合、強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。
　また、この態様の半導体レーザ素子は、前記第１及び第２周期構造における前記異屈折率部の配列周期が異なる方向に沿った前記異屈折率部の寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、前記第３及び第４周期構造における前記異屈折率部の配列周期が異なる方向に沿った前記異屈折率部の寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なることを特徴とする。これにより、発振閾値を低減することが可能となる。
　また、この態様の半導体レーザ素子は、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面によって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造（図１９、図２２の回折格子層）を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率を高くすることができる。
　また、本発明の態様に係るレーザビーム偏向装置は、上述の半導体レーザ素子と、前記第1駆動電極及び第２駆動電極を含む電極群に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、を備えることを特徴とする。駆動電流を切り替えることで、異なる方向に１方向のレーザビームのみを出力することができるが、これはレーザビームを擬似的に偏向していることになる。駆動電極の数は、２つに限定されず、これを３以上とすれば、狭いピッチでレーザビームを走査する構造とすることも可能である。
　また、前記駆動電流供給回路は、前記電極群の各電極に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することを特徴とする。すなわち、第１駆動電極及び第２駆動電極を含む電極群に供給する駆動電流のバランスを変化させることにより、連続的にビームを偏向させることも可能となる。
　前記第１周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、前記第３周期構造に近づくにしたがって連続的に変化していることを特徴とする。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。
　また、前記第１及び第２駆動電極に駆動電流を供給した場合において、前記第１及び第２駆動電極直下の前記活性層の前記第１及び第２領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、前記第１、第２、第３及び第４周期構造において、以下の関係を満たすように設定されることを特徴とする。
ｂ１＝ｂ２＝ｂ０／√（１－ｓｉｎ２δθ）
δθ＝φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ）
　なお、ｂ０はＢ方向（格子点の整列方向（異屈折率部の配列方向））に対する基準周期であり、φはフォトニック結晶全体の傾き、すなわち、φは光出射端面に垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向（Ｂ方向）の傾きであり、θ３はレーザビームの出射角、ｎｄｅｖは半導体レーザ素子中の光の実効屈折率である。レーザプリンタ等に内蔵されたミラー等でレーザビーム走査が行われた場合は、偏向前後のレーザビームの波長は同一であるため、波長が一定であれば、かかる電子機器への適用が容易である。
　前記光出射端面に近接して配置された単一の集光要素を備えることを特徴とする。この場合、レーザビームが集光要素を透過する際に、広がり角を抑制され、遠くまで伝達されるか、或いは、焦点位置の設定によっては、近くで集光することができる。
　また、前記集光要素は円筒レンズであり、前記円筒レンズの中心軸は前記活性層の厚み方向に垂直であって且つ前記光出射端面に平行であることを特徴とする。円筒レンズは、このようなバー状に並んだ点光源の集光に適しており、位置に因らず同一の条件で集光を行うことができる。
　また、前記集光要素は凸レンズであり、前記凸レンズの曲率中心を通る１つの軸は前記活性層の厚み方向に垂直であって且つ前記光出射端面に平行であり、この軸周りの曲率半径は、これに垂直な軸周りの曲率半径よりも小さいことを特徴とする。円筒レンズに代えて、凸レンズを用いても、これと同様の機能を奏することができる。
　本発明の態様に係る半導体レーザ素子及びレーザビーム偏向装置によれば、１方向のみにレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能である。
図１は、半導体レーザ素子の縦断面図である。 図２は、半導体レーザ素子の平面図である。 図３は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。 図４は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。 図５は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。 図６は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。 図７は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域を、複数有するフォトニック結晶領域群の平面図である。 図８は、フォトニック結晶領域群を有するフォトニック結晶層の平面図である。 図９は、基準方向からの偏向角δθ（各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存）に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。 図１０は、様々な形状の異屈折率部（構造体）の平面図である。 図１１は、レーザビーム偏向装置の構成を示す図である。 図１２は、半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。 図１３は、半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。 図１４は、半導体レーザ素子の縦断面図である。 図１５は、半導体レーザ素子内部の平面図である。 図１６は、ｘｙ座標系において、原点ＯからＰ点（βｘ，βｙ）に向かうベクトルを示すグラフである。 図１７は、ｘｙ座標系における主要光波の向きを示すグラフである。 図１８は、活性層３Ｂ内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。 図１９は、周期構造を有する回折格子層４’の平面図（Ａ）、ＸＺ平面内の断面図（Ｂ）である。 図２０は、レーザビーム出射角（屈折角）θ３と、ストラプの角度θ及び周期Λとの関係を示すグラフである。 図２１は、グラフに用いられるデータを示す図表である。 図２２は、半導体レーザ素子の部分的な領域の断面図である。 図２３は、フォトニック結晶層の平面図である。
　以下、実施の形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子及びこれを用いたレーザビーム偏向装置について説明する。なお、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、半導体レーザ素子の縦断面図であり、図２は、半導体レーザ素子の平面図である。
　半導体レーザ素子１０は、半導体基板１上に順次形成された下部クラッド層２、下部光ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、上部光ガイド層３Ｃ、フォトニック結晶層４、上部クラッド層５、コンタクト層６を備えている。半導体基板１の裏面側には、電極Ｅ１が全面に設けられており、コンタクト層６上には、複数の駆動電極Ｅ２が設けられている。同図では、簡略的に５本の駆動電極Ｅ２が示されているが、実際には更に多くの駆動電極Ｅ２がコンタクト層６上に設けられる。
　なお、駆動電極Ｅ２の形成領域以外のコンタクト層６上の表面は、絶縁膜ＳＨによって覆われている。絶縁膜ＳＨは、例えば、ＳｉＮやＳｉＯ２から形成することができる。
　これらの化合物半導体層の材料／厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が１０１５／ｃｍ３以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、１０１７～１０２０／ｃｍ３である。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層３Ｂおよびフォトニック結晶層４を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。
　上部光ガイド層３Ｃは、上層及び下層の２つの層からなる。
・コンタクト層６：Ｐ型のＧａＡｓ／５０～５００ｎｍ
・上部クラッド層５：Ｐ型のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ）／１．０～３．０μｍ
・フォトニック結晶層４：
　基本層４Ａ：ＧａＡｓ／５０～２００ｎｍ
　埋め込み層（異屈折率部）４Ｂ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ）／５０～２００ｎｍ
・上部光ガイド層３Ｃ：
　上層：ＧａＡｓ／１０～２００ｎｍ
　下層：ｐ型または真性のＡｌＧａＡｓ／１０～１００ｎｍ
・活性層３Ｂ（多重量子井戸構造）：
　ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ＭＱＷ／１０～１００ｎｍ
・下部光ガイド層３Ａ：ＡｌＧａＡｓ／０～３００ｎｍ
・下部クラッド層２：Ｎ型のＡｌＧａＡｓ／１．０～３．０μｍ
・半導体基板１：Ｎ型のＧａＡｓ／８０～３５０μｍ
　電極Ｅ１の材料としては例えばＡｕＧｅ／Ａｕ、電極Ｅ２の材料としては例えばＣｒ／ＡｕやＴｉ／Ａｕを用いることができる。
　なお、光ガイド層は省略することも可能である。
　この場合の製法において、ＭＯＣＶＤ法による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）を用いることができる。
　上下の電極Ｅ１，Ｅ２間に電流を流すと、いずれかの電極Ｅ２の直下の領域Ｒを電流が流れ、この領域が発光して、レーザビームＬＢが基板の側方端面から所定の角度で出力される（図２参照）。駆動電極Ｅ２のいずれに駆動電流を供給するかにより、いずれのレーザビームＬＢが出射されるかが決定される。
　半導体レーザ素子の平面形状は長方形であり、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をＺ軸、幅方向をＸ軸とし、光出射端面ＬＥＳに垂直な方向をＹ軸とする。ＸＹ平面内において、各駆動電極Ｅ２の延びている長手方向は、Ｙ軸に平行な直線に対して角度φを成している。すなわち、駆動電極Ｅ２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ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜している。駆動電極Ｅ２は、光出射端面ＬＥＳの位置から逆側の端面に向けて延びているが、半導体レーザ素子を完全に横断することなく、途中で途切れている。
　図３は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。
　レーザビームは、活性層３Ｂ内において発生するが、活性層３Ｂから染み出した光は、隣接するフォトニック結晶層４の影響を受ける。フォトニック結晶層４内には、周期的屈折率分布構造が形成されている。このフォトニック結晶層により回折を受けた結果、活性層３Ｂの内部では、波数ベクトルｋ１～ｋ４で示されるレーザビームが発生している。波数ベクトルは、向きが波面の法線方向（つまり波の伝播方向）で、大きさが波数となるベクトルのことである。波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、光出射端面ＬＥＳに向かっており、波数ベクトルｋ４、ｋ３のレーザビームは、これらとは逆の方向に向かっている。
　波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、ＸＹ平面内において、Ｙ軸に平行な直線と角度φを成すＢ方向に対して、それぞれ±δθの角度を成して進行する。なお、Ｂ方向は、駆動電極Ｅ２の延びている方向である。Ａ方向は、ＸＹ平面内において、Ｂ方向に垂直な方向である。なお、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸回りにφだけ回転させた座標系をｘｙｚ直交座標系とする。この場合、Ａ方向はｘ軸正方向に一致し、Ｂ方向はｙ軸負方向に一致する。波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、光出射端面ＬＥＳに対して入射して外部に出射しようとするが、それぞれの入射角をθ１、θ２とする。波数ベクトルｋ１のレーザビームの屈折角はθ３とする。θ３は、９０度よりも小さい。すなわち、波数ベクトルｋ２のレーザビームの入射角θ２は、全反射臨界角以上であり、光出射端面ＬＥＳにおいて、全反射が生じ、外部には出力されない。一方、波数ベクトルｋ１のレーザビームの入射角θ１は、全反射臨界角未満であり、光出射端面ＬＥＳを透過して、外部に出力される。なお、θ４は、光出射端面ＬＥＳにおいて全反射したレーザビームの進行方向と、Ｙ軸負方向の成す角度であり、９０度以上である。
　なお、フォトニック結晶層４は、複数のフォトニック結晶領域４Ｒが集合して形成されている。
　図４は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。
　フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることが出来る。この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することで、レーザを実現することが出来る。本実施形態のフォトニック結晶層４は、基本層４Ａと、基本層４Ａ内に周期的に埋め込まれた埋め込み層（異屈折率部）４Ｂからなる。
　本実施形態では、閃亜鉛構造の第１化合物半導体（ＧａＡｓ）からなる基本層４Ａ内に複数の穴Ｈを周期的に形成し、穴Ｈ内に、閃亜鉛構造であって第２化合物半導体（ＡｌＧａＡｓ）からなる埋め込み層４Ｂを成長させてなるフォトニック結晶層４を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第１化合物半導体と、第２化合物半導体の屈折率は異なる。なお、本実施形態では、第２化合物半導体の方が、第１化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第１化合物半導体の方が、第２化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。
　埋め込み層である異屈折率部４Ｂは、Ａ方向及びＢ方向に沿って整列し、２次元周期構造を構成している。ここでは、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをａ１、Ｂ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをｂ１とする。なお、ａ１＝ｂ１であってもよい。ＡＢ平面内における各異屈折率部４Ｂの平面形状として、同図には長方形が示されているが、異屈折率部４Ｂの平面形状はこれに限定されるものではない。
　図５は、図４とは異なる単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。
　埋め込み層である異屈折率部４Ｂは、Ａ方向及びＢ方向に沿って整列し、２次元周期構造を構成している。ここでは、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをａ２、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをｂ２とする。なお、ａ２＞ａ１の関係を満たしている。ＡＢ平面内における各異屈折率部４Ｂの平面形状として、同図にも長方形が示されているが、異屈折率部４Ｂの平面形状はこれに限定されるものではない。
　図６は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。
　すなわち、このフォトニック結晶領域４Ｒは、図４に示した周期構造と、図５に示した周期構造とを単一のフォトニック結晶領域４Ｒが含んでおり、周期ａ１と周期ａ２を有している。また、同図には、Ｂ方向の周期は共にｂ２（＝ｂ１）とすることとしたものが示されている。
　かかる構造の場合、周期ａ１の逆数（１／ａ１）と、ａ２の逆数（１／ａ２）との差分に応じて、図３におけるδθが決定される。すなわち、周期ａ１とａ２を決定することで、波数ベクトルｋ１，ｋ２で示されるレーザビームの進行方向を決定することができる。なお、δθ＝ｓｉｎ－１（δｋ／ｋ）、δｋ＝｜π｛（１／ａ１）－（１／ａ２）｝｜、ｋ＝２π／λである。λは半導体レーザ素子中のレーザ光の波長、ｋは半導体レーザ素子中のレーザ光の波数である。
　本実施形態の場合、上記パラメータθ１、θ２、半導体レーザ素子中の光の実効屈折率ｎｄｅｖの満たすべき不等式は、次の通りである。
　０≦θ１＜ｓｉｎ－１（１／ｎｄｅｖ）
　θ２≧ｓｉｎ－１（１／ｎｄｅｖ）
　また、本発明の通りフォトニック結晶全体がφ傾いていることを考慮すると、各パラメータの満たすべき方程式は次の通りとなる。
δθ＝φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ）
δｋ＝（２π／λ０）ｓｉｎ｛φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ）｝
ｂ１＝ｂ２＝ｂ０／√（１－ｓｉｎ２δθ）
ａ１＝１／｛（δｋ／２π）＋（１／ｂ１）｝
ａ２＝１／｛（１／ｂ２）－（δｋ／２π）｝
　なお、ｂ０はＢ方向（格子点の整列方向（異屈折率部の配列方向））に対する基準周期であり、例えば２９０ｎｍ程度である。
　すなわち、φは光出射端面ＬＥＳに垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向（Ｂ方向）の傾き、θ３はレーザビームの出射角、ｎｄｅｖは半導体レーザ素子中の光の実効屈折率とし、第１及び第２駆動電極に駆動電流を供給した場合において、第１及び第２駆動電極直下の活性層の第１及び第２領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、第１、第２、第３及び第４周期構造（後述）において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期ｂ１、ｂ２が、√｛１－ｓｉｎ２（φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ））｝に反比例する。周期の設定を変えることで、出射角θ３を変化させることができる。
　波数ベクトルｋ２のレーザビームの全反射条件を満たす場合の全反射臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ－１（１／ｎｄｅｖ）で与えられ、本例の場合は、φ＝１８．５°、θ２＞θｃ＝１７．６°である。
　図７は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域４Ｒを、複数有するフォトニック結晶領域群４Ｇの平面図である。フォトニック結晶層領域４Ｒは、Ａ方向に沿って整列して配置されている。
　一番左のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ１、２番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ２、２番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ３、４番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ４、５番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ５とする。便宜上、Δ１～Δ５は、上記周期の逆数のパラメータも示すこととする。
　領域Δ１内では、Ａ方向に図６に示した周期ａ１と周期ａ２を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
　同様に、領域Δ２内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ３を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
　領域Δ３内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ４を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
　領域Δ４内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ５を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
　領域Δ５内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ６を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。但し、ａ１＜ａ２＜ａ３＜ａ４＜ａ５＜ａ６の関係を満たしている。
　一般式を用いて説明すると、領域ΔＮ（Ｎは自然数）が、Ａ方向にそってＮの値が小さい順番に左から右に配列されており、領域ΔＮ内では、Ａ方向に周期ａ１と、周期ａ（Ｎ＋１）を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列され、ａＮ＜ａ（Ｎ＋１）を満たしている。
　これにより、周期の逆数の差に応じて、異なる方向にレーザビームを出射することができる。
　図８は、フォトニック結晶領域群４Ｇを有するフォトニック結晶層の平面図である。
　フォトニック結晶層４内において、各領域Δ１～Δ５は、順番にＡ方向に沿って配置されている。各領域Δ１～Δ５の長手方向はＢ方向（駆動電極Ｅ２の長手方向）に一致している。各駆動電極Ｅ２に、選択的に駆動電流を供給する（電極Ｅ１と特定の電極Ｅ２の間に駆動電圧を印加する）と、光出射端面ＬＥＳから、それぞれ異なる方向にレーザビームが出射する（図２参照）。
　図９は、基準方向（Ｂ方向）からの偏向角δθ（各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存）に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。
　周期の逆数の差が大きくなり、角度δθが大きくなると、入射角θ１及びθ２が大きくなり、ｋ１ベクトルで示されるレーザビームの屈折角（出射角）が９０°から０°まで減少する。φ＝１８．５°であり、δθは、０°から１８．５°まで変化させた。半導体レーザ素子中の光の実効屈折率ｎｄｅｖは３．３とした。角度δθを調整することで、目的とするレーザビームの出射角は広い範囲で調整することができる。一方、ｋ２ベクトルで示されるレーザビームではδθの値に拘らず、θ２は常に全反射臨界角を超えているため、常に全反射を生じ、外部には出力されない。
　図１０は、様々な形状の異屈折率部（構造体）４Ｂの平面図である。
　上記では、異屈折率部４ＢのＡＢ平面（ＸＹ平面）内における形状として長方形（Ａ）のものを示したが、これは正方形（Ｂ）、楕円形又は円形（Ｃ）とすることもでき、二等辺や正三角形（Ｄ）とすることもできる。また、三角形の向きとして、底辺がＡ方向に平行なもの（Ｄ）の他、底辺がＢ方向に平行なもの（Ｅ）、（Ｄ）に示す三角形を１８０度回転させたもの（Ｆ）とすることもできる。なお、いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。なお、これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。
　なお、２つの周期構造を重畳させるにあたり、周期が異なることにより孔の個数に差異が生じるため、２つの周期構造による回折強度に差が生じる。これを低減するため、周期ａ１の構造に対してはＡ方向の形状長さをａ１／ｂ１倍し、周期ａ２の構造に対してはＡ方向の形状長さをａ２／ｂ２（＝ｂ１）倍することが効果的である。
　なお、上述の実施形態では、駆動電極Ｅ２の数が１つの場合には、単一方向のビームのみを出力可能な半導体レーザ素子を構成する。駆動電極Ｅ２の数は、複数であれば、レーザビーム偏向装置を構成することができる。
　図１１は、上記半導体レーザ素子を用いたレーザビーム偏向装置の構成を示す図である。
　また、このレーザビーム偏向装置は、上述の半導体レーザ素子１０と、第1駆動電極Ｅ２（一番左の駆動電極）、第２駆動電極（左から２番目の駆動電極）、第３駆動電極（左から３番目の駆動電極）、第４駆動電極（左から４番目の駆動電極）、第５駆動電極（左から５番目の駆動電極）を含む電極群に、選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路１１を備えている。
　駆動電流供給回路１１は、各駆動電極Ｅ２に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５を介して、駆動電流を供給する電源回路１１Ａと、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１１Ｂを備えている。制御回路１１Ｂにより、電源回路１１Ａから供給される駆動電流を切り替えることで、異なる方向に１方向のレーザビームＬＢのみを出力することができるが、これはレーザビームＬＢを擬似的に偏向していることになる。駆動電極の数は、２つでも偏向動作はできるが、これを３以上とすれば、狭いピッチでレーザビームを走査する構造とすることも可能である。
　図１２及び図１３は、半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
　Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３Ａ、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）３Ｂ、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）又はスペーサ層（ＡｌＧａＡｓ）３Ｃ、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）４Ａ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（図１２（Ａ））。
　次に、基本層４Ａ上にレジストＲ１を塗布し（図１２（Ｂ））、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（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図１２（Ｃ））。
　その後、ドライエッチングにより１００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層４Ａ上に転写し（図１２（Ｄ））、レジストを除去する（図１２（Ｅ））。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて再成長を行い、異屈折率部４Ｂを基本層４Ｂ内に形成し、この上にクラッド層５を形成する。
　再成長工程では、埋め込み層（ＡｌＧａＡｓ）４Ｂが穴Ｈ内に成長し、続いて、Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６が順次エピタキシャル成長する（図１２（Ｆ））。
　次に、Ｐ型コンタクト６上にレジストＲ２を形成し（図１３（Ｇ））、レジストＲ２を光学露光により短冊状のパターンをパターニングして（図１３（Ｈ））、電極ＥをレジストＲ２の上から蒸着し（図１３（Ｉ））、リフトオフにより電極Ｅ２のみを残して、電極材を除去する（図１３（Ｊ））。そして、コンタクト層６の表面上に、電極Ｅ２の形成位置を除いて、絶縁膜ＳＨを形成し（図１３（Ｋ））、最後に、Ｎ型の半導体基板１の裏面を研磨し、Ｎ型の電極Ｅ１を形成し（図１３（Ｌ））、半導体レーザ素子が完成する。
　なお、穴Ｈの作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、ＦＩＢ、ステッパなどの光学露光といった、その他の微細加工技術を用いてもよい。
　なお、上記では、１つのフォトニック結晶層４を用いた例について説明したが、これは２つのフォトニック結晶４層を用いて構成してもよい。
　図１４は、半導体レーザ素子の縦断面図である。
　図１に示したものとの相違点は、クラッド層２と光ガイド層３Ａ（活性層３Ｂ）との間に、第２のフォトニック結晶層４’を備えている点のみである。なお、第２のフォトニック結晶層４’は、第１のフォトニック結晶層４と同じ材料からなる基本層４Ａ’と異屈折率部４Ｂ’とを備えている。
　図１に示したフォトニック結晶層４を第１のフォトニック結晶層とすると、このフォトニック結晶層４は、図４に示した単一の周期構造を有する屈折率分布構造を有しており、第２のフォトニック結晶層４’は、図５に示した周期ａ２の単一の周期構造のほか、各領域内の周期がａ３～ａ４となるものを、Ａ方向に並べた屈折率分布構造を有している。すなわち、半導体レーザ素子の厚み方向から、これらのフォトニック結晶層４，４’の重なりを見ると、図７に示したものと同様に、領域Δ１～領域Δ５が、Ａ方向に沿って整列していることになる。かかる構造の場合においても、各パラメータを上記のように設定することにより、図１に示した構造と同様の作用効果を得ることができる。
　なお、かかる構造を製造する場合、クラッド層２の形成後に、第１のフォトニック結晶層４と同様の製造方法を行い（但し、異屈折率部４Ｂが形成された時点で成長を停止する）、しかる後、この上に、光ガイド層３Ａ以降の各層を、上述の製造方法と同様に製造すればよい。
　また、２つの屈折率周期構造を含む第１のフォトニック結晶層４と同一の構造の第２のフォトニック結晶層４’を、第１のフォトニック結晶層４に代えて用いた構造であっても、同様の効果を奏する。
　以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板１上に形成された下部クラッド層２と、上部クラッド層５と、下部クラッド層２と上部クラッド層５との間に介在する活性層３Ｂ（光ガイド層を含んでもよい）と、活性層３Ｂ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４，４’と、活性層３Ｂの第１領域Ｒ（１つの駆動電極Ｅ２の直下領域）に駆動電流を供給するための第1駆動電極Ｅ２と、を備え、第１駆動電極Ｅ２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ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層４，４’の第1領域Ｒに対応する領域Δ１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の周期構造を有しており、第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期（ａ１、ａ２）の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第1駆動電極Ｅ２の長手方向（Ｂ方向）に対して所定の角度（δθ）を成す２つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、全反射条件を満たすように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定されることを特徴とする。
　すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第１駆動電極Ｅ２への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角θを全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角θ３は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。
　また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、活性層３Ｂの第２領域Ｒ（２番目の駆動電極Ｅ２の直下の領域）に駆動電流を供給するための第２駆動電極Ｅ２を更に備え、第２駆動電極Ｅ２の長手方向（Ｂ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ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の前記第２領域に対応する領域Δ２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第３及び第４の周期構造を有しており、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期（ａ１，ａ３）の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極Ｅ２の長手方向に対して所定の角度δθを成す２つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、光出射端面において全反射するように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定され、第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期（ａ１，ａ２）の逆数の差分は、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期（ａ１，ａ３）の逆数の差分とは異なる。
　端面発光型のレーザ素子において、第２駆動電極Ｅ２への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。
　なお、左から３番目以降の駆動電極Ｅ２に関しても同様の作用効果がある。
　ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層４，４’内の領域では、異屈折率部４Ｂの配列周期の逆数の差（出射方向決定因子）が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差（出射方向決定因子）の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第1駆動電極Ｅ２に対応する領域Δ１と、第２駆動電極Ｅ２に対応する領域Δ２では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面に入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に１方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。
　なお、本実施例では周期の異なるフォトニック結晶としてＡ方向とＢ方向の周期が（ｂ１，ｂ１）の正方格子をベースとし、第１周期構造として周期が（ａ１，ｂ１）の長方格子、第２周期構造として周期が（ａ２，ｂ１）の長方格子の場合について説明したが、もちろん三角格子をベースとしてＡ方向の周期を互いに異ならせた構造を用いても良い。
　図１５は、図３に示した平面図の天地を反転させ、出射されるビームの屈折角θ３を若干変更して示した素子内部の平面図である。図３においても同様である。
　ｘｙｚ直交座標系は、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸の周りに角度＋φだけ回転させた座標系であり、＋ｘ方向は＋Ａ方向に一致し、＋ｙ方向は－Ｂ方向に一致する。フォトニック結晶の孔のパターンの配列は、光出射端面に対して角度φだけ傾斜している。図示のように、波数ベクトルｋ２の反射方向（波数ベクトルｋ２’のレーザビーム進行方向）と光出射端面ＬＥＳの成す角度をθ２’、波数ベクトルｋ１のレーザビームの反射方向（波数ベクトルｋ１’のレーザビーム進行方向）と光出射端面ＬＥＳとの成す角度をθ３’とする。
　上述の実施形態では、素子から出射されるレーザビーム数が１本となるように、波数ベクトルｋ２のレーザビームに関しては、光出射端面ＬＥＳにおいて全反射されるように、設定した。しかしながら、このレーザビームのパワーを、素子内部において再利用することができれば、電気エネルギーからレーザビームへのエネルギー変換効率が高くなるものと考えられる。そこで、反射したレーザビームＹ２’を内部で再利用できる条件について、検討する。なお、波数ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ１’、ｋ２’に対応するレーザビーム（主要光波とする）を、それぞれＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４、Ｙ１’、Ｙ２’とし、これらは光波のベクトルも示しているものとする。また、Ｘ軸と主要光波Ｙ４との成す角度をθｔ、Ｘ軸と主要光波Ｙ３との成す角度をθｒとする。
　各パラメータθｔ、θｒ、θ２’、θ３’は、以下の関係式を満たしている。なお、β０、β１、β２はそれぞれ、Ｂ方向における基本逆格子ベクトル、第１周期構造のＡ方向における基本逆格子ベクトル、第２周期構造のＡ方向における基本逆格子ベクトルを意味するものとし、β０＝２π／ｂ１（＝ｂ２）、β１＝２π／ａ１、β２＝２π／ａ２、Δβ＝β２－β１、α＝β０／Δβとする。
　角度θｒについて説明すると、図１６に示すように、ｘｙ座標系において、原点ＯからＰ点（βｘ，βｙ）に向かうベクトルが、ｘ軸と成す角度θβ＝ｔａｎ－１(βｙ／βｘ)で与えられる。ここで、θｔはθβにおいて、βｘ＝（１／２）×Δβ、βｙ＝β０として、角度φを加えた場合であるから、（式１）で与えられる。残りのパラメータも同様に計算され、（式２）～（式４）で与えられる。
θｔ＝ｔａｎ－１(２α)＋φ　　　　　　　…（式１）
θｒ＝１８０°－ｔａｎ－１(２α)＋φ　　…（式２）
θ２’＝ｔａｎ－１(２α)－φ　　　　　　…（式３）
θ３’＝１８０°－ｔａｎ－１(２α)－φ　…（式４）
　何らの付加的な構造が存在しない場合、全反射した主要光波Ｙ２’が、レーザ光共振に寄与するためには、主要光波Ｙ２’の角度θ２’と角度θｔが一致する必要がある（θ２’＝θｔ）。この場合、φ＝０となる。また、反射した主要光波Ｙ１’の角度θ３’と角度θｒが一致する必要がある（θ３’＝θｒ）。この場合、φ＝０となる。一方、２つの主要光波Ｙ１，Ｙ２のうち、一方を全反射させるためには、φ≠０である必要がある。したがって、出力されるビーム数を１本となるように全反射を行った場合には、光出射端面にて反射した主要光波をレーザ光共振に有効に寄与させることはできない。
　したがって、反射光を利用可能な付加的な構造について検討する。
　図１７は、ｘｙ座標系における主要光波の向きを示すグラフである。ｘｙ座標系におけるｘ軸は、Ｘ軸に対して角度φだけ回転している。
　反射光としての主要光波Ｙ２’を、共振に供する主要光波Ｙ４に一致させるためには、光波Ｙ２’の向きを角度２φだけ回転させればよい。ｘｙ座標系における主要光波Ｙ４を示すベクトルの先端Ｐ４の座標は（Δβ／２，β０）であり、主要光波Ｙ２’を示すベクトルの先端Ｐ２’の座標は、これを－２φだけ回転した座標である。
　一方、ＸＹ座標系においては、ｘｙ座標系のベクトルＹ４（先端Ｐ４）の座標（Δβ／２，β０）は、これを＋φだけ回転した座標（ＸＡ，ＹＡ）に変換され、ベクトルＹ２’の座標は、ｘｙ座標系のベクトルＹ４の座標を－φだけ回転した座標（ＸＢ，ＹＢ）に変換される。
（ＸＡ，ＹＡ）＝（Δβｃｏｓφ／２－β０ｓｉｎφ，Δβｓｉｎφ／２＋β０ｃｏｓφ）　　　…（式５）
（ＸＢ，ＹＢ）＝（Δβｃｏｓφ／２＋β０ｓｉｎφ，－Δβｓｉｎφ／２＋β０ｃｏｓφ）　　　…（式６）
　ベクトルΔＹに等しい逆格子ベクトルが存在すれば、主要光波Ｙ２’が主要光波Ｙ４に結合する。すなわち、ベクトルＹ２’に、ベクトルΔＹを加えれば、ベクトルＹ４となる。ベクトルΔＹは以下のように表され、このベクトルΔＹに等しい逆格子ベクトルを有する新たな周期構造を付加的に採用すれば、全反射した光波Ｙ２’を共振に寄与させることができる。
ΔＹ＝（ＸＡ－ＸＢ，ＹＡ－ＹＢ）＝（－２β０ｓｉｎφ，Δβｓｉｎφ）
　なお、この新たな周期構造は、異屈折率部がストライプ状に配置されていることが好ましい。ストライプ状の周期構造は、光結合係数の異方性が高く、共振状態のＹ１，Ｙ２が受ける影響を小さくすることができる。
　図１８は、活性層３Ｂ内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。
　ＸＹ平面と光出射端面ＬＥＳとの交線はＸ軸に一致している。上述のベクトルΔＹが存在する場合には、座標Ｐ２’に先端がある光波Ｙ２’の波数ベクトルは座標Ｐ４に先端がある光波Ｙ４の波数ベクトルに変換される。ベクトルΔＹに垂直な直線をＬとする。新たな周期構造は、活性層３Ｂ内において、光波が直線Ｌに垂直な方向に進行するように設定すればよい。活性層３Ｂ内の光波の進行方向を制御するため、これに光学的に結合している回折格子層のパターンを制御する。上述の図１４においては、上下のフォトニック結晶層（回折格子層）４，４’を備えることとした。このような構造の場合において、上述の全反射を達成するフォトニック結晶層を上部の回折格子層４内に作製し、反射光を共振に利用するための上記新たな周期構造を回折格子層４’内に作製することができる（もちろん、これらの周期構造はどちらか一方、或いは両方の層に重畳して作製してもよい）。
　図１９（Ａ）は、上記ベクトルΔＹを与える周期構造を有する回折格子層４’の平面図であり、図１９（Ｂ）は、そのＸＺ平面内の断面図である。
　回折格子層４’は、ＸＹ平面内において、直線Ｌに沿ってストライプ状に延びた基本層４Ａ’と異屈折率部４Ｂ’とを備えており、これらの屈折率は異なっている。異屈折率部４Ｂ’は、周期的に基本層４Ａ’内に埋め込まれている。これにより、回折格子層４’内に、ストライプ状の周期的屈折率分布構造が形成され、ΔＹの方向に光波は進行させる回折格子層として機能する。直線Ｌに垂直な方向に沿った基本層４Ａ’の幅がこの周期構造の周期Λに対して占める割合を変化させることにより、本ストライプ状周期的屈折率分布構造による回折の強度を変化させることが出来る。逆格子空間におけるΔＹの逆格子ベクトルの長さＬ２、周期Λ、直線ＬとＸ軸との成す角度θは、以下のように与えられる。
　Ｌ２＝｛（２β０ｓｉｎφ）２＋（Δβｓｉｎφ）２｝１／２　　　…（式７）
Λ＝２π／Ｌ２＝１／｛（２ｓｉｎφ／ａｙ）２＋（（１／ａＩＩ－１／ａＩ）ｓｉｎφ）２｝１／２　…（式８）
θ＝θｔ－φ＝ｔａｎ－１(２α)＝ｔａｎ－１｛（２／ａｙ）／（１／ａＩＩ－１／ａＩ）｝　…（式９）
　なお、β０＝２π／ａｙ、β１＝２π／ａＩ、β２＝２π／ａＩＩであり、ａｙはＢ方向の周期、ａＩは第１周期構造のＡ方向の周期、ａＩＩは第２周期構造のＡ方向の周期を示している。
　図２０は、レーザビーム出射角（屈折角）θ３と、ストライプの角度θ、周期Λの関係を示すグラフであり、図２１は、このグラフに用いられるデータを示す図表である。θ（°）のデータの縦軸はグラフの左側に示し、Λ（ｎｍ）のデータの縦軸はグラフの右側に示す。
　レーザビームの出射角θ３が大きくなるにつれて、ストライプの角度θは増加し、周期Λは小さくなることが分かる。同グラフでは、角度θ３を０°から７０°まで増加させた場合に、角度θは８４．２７°から８９．５４°まで増加し、周期Λは４８６．０８ｎｍから４６３．４３ｎｍまで減少しているが、現実的に実施可能な数値範囲内に収まっている。
　なお、図１４において、全反射用の周期パターンを双方のフォトニック結晶層４，４’内に作製している場合には、これらとは別に、上記ΔＹを与える新たな周期構造の回折格子層４”（構造は図１９の場合の回折格子層４’と同一）を、上部クラッド層５と回折格子層４との間に作製することができる（図２２（Ａ））。或いは、上記ΔＹを与える新たな周期構造の回折格子層４”（構造は図１９の場合の回折格子層４’と同一）を下部クラッド層２と回折格子層４’との間に形成すればよい（図２２（Ｂ））。このように、上記例では、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面によって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造（図１９、図２２の回折格子層）を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率が高くなる。
　図２３は、様々な周期構造を有するフォトニック結晶層４の平面図である。いずれのフォトニック結晶層４においても、基本層４Ａ内に周期的に異屈折率部４Ｂが埋め込まれている。図２３（Ａ）には正方格子、図２３（Ｂ）には長方格子、図２３（Ｃ）には三角格子、図２４（Ｄ）には面心長方格子が示されている。上述のように、フォトニック結晶層４においては、周期の異なる２つの周期構造を１つのフォトニック結晶層４内に重畳して含むか、或いは、２つのフォトニック結晶層４，４’内にそれぞれ含ませて平面視において重畳させる構成を採用する。これらの図では、重畳前の各周期構造の例を示しており、２種類の周期構造を、それぞれの基本並進ベクトル（矢印で示す）の向きが一致するように重ねて配置する。
　詳細には、図２３（Ａ）のフォトニック結晶層４では、正方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。正方格子は、正方形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する正方形の一方の辺の長さａは、他方の辺の長さｂに等しい。換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂに等しい。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
　図２３（Ｂ）のフォトニック結晶層４では、長方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。縦横の長さの異なる長方格子は、長方形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する長方形の一方の辺の長さａは、他方の辺の長さｂとは異なる。換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂとは異なる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
　図２３（Ｃ）のフォトニック結晶層４では、三角格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。三角格子は、三角形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する三角形の底辺の長さをａ、高さをｂとする。三角形が正三角形である場合には、底辺の長さａは換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂはａの√２倍となる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
　図２３（Ｄ）のフォトニック結晶層４では、面心長方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。面心長方格子は、長方格子の各格子内の中央位置に付加的に格子点を備える格子であり、長方格子自体は長方形を隙間無く並べてできている。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
　なお、上述のように、Ａ軸はＸ軸に対して傾斜しており、これらは平行ではない。換言すれば、図１～図２３において説明したフォトニック結晶層４は、いずれにおいても、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、フォトニック結晶層４における異屈折率部４Ｂは、その格子構造の格子点位置に配置されており、格子構造の基本並進ベクトル（Ａ軸、Ｂ軸）の方向は、光出射端面ＬＥＳ（図３参照）に平行な方向（Ｘ軸）とは異なっている。この場合、傾きを一定以上にすることで一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。
　また、フォトニック結晶層の格子構造は、その厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。つまり、上記に示した１つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。
　上述の正方格子（図２３（Ａ））と、長方格子（図２３（Ｂ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれていることとなり、正孔格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１＝ｂ１、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　また、２つの長方格子（図２３（Ｂ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には第１及び第２の長方格子の結晶構造が含まれており、第１の長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　また、２つの面心長方格子（図２３（Ｄ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には、第１及び第２の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第１の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
　一方の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が６０度となる特別な場合である。
　また、図１に示したように、半導体レーザ素子１０は、活性層３Ｂの駆動電極直下の領域（第１領域、第２領域・・・）Ｒを備えている。活性層３Ｂの第１領域Ｒに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部４Ｂと、活性層３Ｂの第２領域Ｒに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部４Ｂとは、第１領域Ｒ及び第２領域Ｒそれぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なるように設定することができる。換言すれば、複数あるフォトニック結晶の回折強度を同一とするよう、孔（異屈折率部）の大きさを変化させる。強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。
　例えば、孔（異屈折率部）は、周期が異なる方の基本並進ベクトルに沿った方向にそった長さを変化させる。具体的には、第１領域Ｒ内では、第１周期構造及び第２周期構造における異屈折率部４Ｂの配列周期が異なる方向（例えばＢ軸）に沿った異屈折率部４Ｂの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、第２領域Ｒ内では、第３及び第４周期構造における異屈折率部４Ｂの配列周期が異なる方向（例えばＢ軸）に沿った異屈折率部４Ｂの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる。これにより、第１周期構造及び第２周期構造における回折強度、或いは第３周期構造及び第４周期構造における回折強度をそれぞれ揃えることが可能となり、発振を安定化させることができる。
　また、図１１に示したレーザビーム偏向装置は、半導体レーザ素子１０と、第1駆動電極及び第２駆動電極を含む電極群Ｅ２に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路１１とを備えている。駆動電流の供給を制御することで、レーザビームＬＢの出射を制御することができる。ここで、駆動電流供給回路１１は、電極群の各電極Ｅ２に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することができる。すなわち、図１１において、符号ＳＷ１～ＳＷ５が、スイッチ付きのアンプを示すものとし、電源回路１１Ａから供給される駆動電流の大きさを当該アンプが制御する構成とすることができる。この場合、制御回路１１Ｂは、各アンプの利得を制御することで、各電極Ｅ２に供給される駆動電流の比率を制御することができる。
　また、第１領域Ｒにおける第１周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、第２領域Ｒにおける第３周期構造に近づくにしたがって連続的に変化させることもできる。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。
　また、図１１に示したレーザビーム偏向装置において、各電極Ｅ２の直下の活性層から出力されるレーザビームの波長は、同一であることが好ましい。ミラー等でレーザビーム走査が行われた場合は、偏向前後のレーザビームの波長は同一であるからである。そこで、第１及び第２駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給した場合において、第１及び第２駆動電極Ｅ２の直下の活性層の第１領域Ｒ及び第２領域Ｒでそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、設定することが好ましい。
　すなわち、第１領域Ｒにおいて重畳された周期構造（第１周期構造、第２周期構造）と、第２領域Ｒにおいて重畳された周期構造（第３周期構造、第４周期構造）とは、以下の関係を満たしている。例えば、長方格子と長方格子の組み合わせからなる構造を考えると、以下の関係式となる。
ｂ１１＝ｂ２１＝ｂ０／√（１－ｓｉｎ２δθ１）
δθ１＝φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３１／ｎｄｅｖ）
ｂ１２＝ｂ２２＝ｂ０／√（１－ｓｉｎ２δθ２）
δθ２＝φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３２／ｎｄｅｖ）
　但し、第１領域Ｒにおいて重畳された第１の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ１１、第２の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ２１、第１領域Ｒのビーム出射角をθ３１とし、第２領域Ｒにおいて重畳された第１の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ１２、第２の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ２２、第２領域Ｒのビーム出射角をθ３２とした。
　なお、上記は、長方格子と長方格子の組み合わせについて示したが、他の格子系においても同様である。
　また、図１１に示すように、レーザビーム偏向装置は、光出射端面ＬＥＳに近接して配置された単一の集光要素（レンズ）ＬＳを備えることが好ましい。集光要素により、出射光の広がり角を抑制して、遠くまでレーザビームを伝達することができるし、また、焦点位置の調整によって、素子から適当な距離だけ離れた位置に、レーザビームを集光することができる。ここでの集光要素ＬＳは円筒レンズであり、円筒レンズの中心軸Ｘは活性層の厚み方向（Ｚ軸）に垂直であって且つ光出射端面（ＸＺ面）に平行である。円筒レンズの曲率半径は、ＹＺ平面内のみで規定される。
　なお、集光要素ＬＳとして、凸レンズを採用することもできる。凸レンズの曲率中心を通る１つの軸（Ｘ軸）は活性層の厚み方向（Ｚ軸）に垂直であって且つ光出射端面（ＸＺ面）に平行であり、この軸（Ｘ軸）周りの曲率半径は、これに垂直な軸（Ｙ軸、Ｚ軸）周りの曲率半径（無限大に近似できる）よりも小さい。言うなれば、円筒レンズの直線的な部分が多少膨らんだ凸レンズを採用することが可能である。
　なお、上述のレーザビーム偏向装置は、素子自体が偏向機能を有するため、小型化が可能であり、高信頼性、高速化も期待することができる。小型であるため、携帯機器に組み込み、また、医療用カプセル内視鏡に組み込んだレーザメスや光線力学的治療（ＰＤＴ：Photo　Dynamic　Therapy）用光源とすることも期待される。もちろん、大型のレーザ走査によるディスプレイへの応用も考えられる。レーザビームの迷光は外部に出力されないので、信頼性の向上も期待される。
　１０…半導体レーザ素子、１…半導体基板、２…下部クラッド層、３Ａ…下部光ガイド層、３Ｂ…活性層、３Ｃ…上部光ガイド層、４…フォトニック結晶層、５…上部クラッド層、６…コンタクト層、Ｅ２…駆動電極。
 

 

Claims (18)

  1. 　端面発光型の半導体レーザ素子であって、
    　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、
    　前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
    　前記活性層と前記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、
    　前記活性層の第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、
    　前記第１駆動電極の長手方向は、前記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、傾斜しており、
    　前記フォトニック結晶層の前記第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の周期構造を有しており、
    　前記第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第１駆動電極の前記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前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されている、
    ことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 　前記活性層の第２領域に駆動電流を供給するための第２駆動電極を更に備え、
    　前記第２駆動電極の長手方向は、前記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前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
    　前記フォトニック結晶層の前記第２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３及び第４の周期構造を有しており、
    　前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極の前記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前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
    　前記第1及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 　前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、
    　前記フォトニック結晶層における前記異屈折率部は、その格子構造の格子点位置に配置されており、前記格子構造の基本並進ベクトルの方向は、前記光出射端面に平行な方向とは異なる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  4. 　前記フォトニック結晶層の格子構造は、正方格子、長方格子、三角格子、及び面心長方格子からなる格子群から、重複選択の場合を含めた、２以上の格子が選択されて組み合わせられることにより構成されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  5. 　前記フォトニック結晶層には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれており、
    　正孔格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、
    　長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２、
    とした場合、
    ａ１＝ｂ１、
    ａ１≠ａ２、
    ｂ１＝ｂ２
    を満たす、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記フォトニック結晶層には第１及び第２の長方格子の結晶構造が含まれており、
    　第１の長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、
    　第２の長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２、
    とした場合、
    ａ１≠ａ２、
    ｂ１＝ｂ２
    を満たす、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  7. 　前記フォトニック結晶層には第１及び第２の面心長方格子の結晶構造が含まれており、
    　第１の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、
    　第２の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２、
    とした場合、
    ａ１≠ａ２、
    ｂ１＝ｂ２
    を満たす、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  8. 　前記第１の面心長方格子は、三角格子である、
    ことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 　前記活性層の前記第１領域に対応するフォトニック結晶層の前記異屈折率部と、前記活性層の前記第２領域に対応するフォトニック結晶層の前記異屈折率部とは、第１及び第２領域それぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なる、
    ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  10. 　前記第１及び第２の周期構造における前記異屈折率部の配列周期が異なる方向に沿った前記異屈折率部の寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、
    　前記第３及び第４の周期構造における前記異屈折率部の配列周期が異なる方向に沿った前記異屈折率部の寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる、ことを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子。
  11. 　全反射臨界角条件を満たすことで、前記光出射端面によって反射されたレーザビームを、前記活性層内部で共振するレーザビームに結合させる回折格子構造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素子。
  12. 　請求項２に記載の半導体レーザ素子と、
    　前記第1駆動電極及び前記第２駆動電極を含む電極群に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、
    を備えることを特徴とするレーザビーム偏向装置。
  13. 　前記駆動電流供給回路は、前記電極群の各電極に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することを特徴とする請求項１２に記載のレーザビーム偏向装置。
  14. 　前記第１の周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、前記第３の周期構造に近づくにしたがって連続的に変化していることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のレーザビーム偏向装置。
  15. 　φは前記光出射端面に垂直な方向に対する前記異屈折率部の配列方向の傾き、θ３はレーザビームの出射角、ｎｄｅｖは半導体レーザ素子中の光の実効屈折率とし、
    　前記第１及び第２駆動電極に駆動電流を供給した場合において、前記第１及び第２駆動電極直下の前記活性層の前記第１及び第２領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、前記第１、第２、第３及び第４の周期構造において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期が√｛１－ｓｉｎ２（φ－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ））｝に反比例することを特徴とする請求項１２に記載のレーザビーム偏向装置。
  16. 　前記光出射端面に近接して配置された単一の集光要素を備えることを特徴とする請求項１２に記載のレーザビーム偏向装置。
  17. 　前記集光要素は円筒レンズであり、前記円筒レンズの中心軸は前記活性層の厚み方向に垂直であって且つ前記光出射端面に平行であることを特徴とする請求項１６に記載のレーザビーム偏向装置。
  18. 　前記集光要素は凸レンズであり、前記凸レンズの曲率中心を通る１つの軸は前記活性層の厚み方向に垂直であって且つ前記光出射端面に平行であり、この軸周りの曲率半径は、これに垂直な軸周りの曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載のレーザビーム偏向装置。
     
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