WO2014136955A1 - レーザ素子及びレーザ装置 - Google Patents

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WO2014136955A1
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refractive index
layer
photonic crystal
laser
crystal layer
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優 瀧口
佳朗 野本
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers

Definitions

  • the present invention relates to a laser element and a laser device.
  • the photonic crystal layer used in the laser element of Patent Document 1 is configured by periodically embedding a plurality of different refractive index regions in a base basic layer.
  • This laser element has two photonic crystal layers, and each photonic crystal layer has the same pattern arranged periodically, but the pattern differs for each photonic crystal layer. .
  • Patent Document 2 discloses an example of a technique related to the intensity of linearly polarized light of a laser beam.
  • a plurality of circular different refractive index regions have been embedded in the lattice point positions of a square lattice in the basic layer constituting the photonic crystal layer. It has been pointed out that the direction is not constant. That is, in the photonic crystal layer, an electric field vector (polarization direction) is generated so as to surround each of the different refractive index regions due to degeneration of the mode generated inside. Therefore, this document discloses that by arranging another different refractive index region at an asymmetric position off the square lattice, mode degeneration can be released and the electric field vector orientation can be made uniform as a whole. is doing.
  • the laser element according to the prior art cannot emit a laser beam only in one desired direction, and thus cannot constitute a multi-direction laser output device or the like.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a laser element and a laser apparatus capable of emitting a laser beam only in one desired direction.
  • This planar shape is a substantially triangular shape, a substantially elliptical shape with a flatness ratio not zero, or a non-rotationally symmetric shape.
  • the electric field that remains without being canceled along a specific direction in the planar shape. A vector is generated.
  • the approximate triangle or the approximate ellipse is a shape designed to be a triangle or an ellipse in a plan view, it means a shape including a shape in which some distortion occurs during manufacture.
  • the laser element according to this aspect is a laser element including a photonic crystal layer on which laser light is incident.
  • the photonic crystal layer includes a basic layer made of a first refractive index medium and the first refractive index medium. And a plurality of different refractive index regions made of a second refractive index medium having different refractive indexes and existing in the basic layer, wherein the plurality of different refractive index regions have a substantially triangular planar shape and a flatness of 0.
  • the unit configuration region is composed of one of the different refractive index regions, and the planar shape with respect to the centroid position of the different refractive index region in the unit configuration region
  • the rotation angle of one point on the contour of the image is ⁇
  • a plurality of the unit configuration areas are two-dimensionally arranged in the XY plane including the X axis and the Y axis, and the XY of each of the unit configuration areas is The coordinates
  • the rotation angle ⁇ differs depending on the coordinates, and the photonic crystal layer In this case, at least three or more different rotation angles ⁇ are included.
  • the laser element includes an active layer that generates the laser light, upper and lower cladding layers sandwiching the active layer, and the photonic crystal provided between the upper or lower cladding layer and the active layer. And a layer.
  • the laser device of the present invention is characterized by comprising the above-described laser element and a polarizing plate disposed opposite to the light emitting surface of the laser element.
  • laser beams having various patterns can be emitted.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the first laser element.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the second laser element.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the laser element body.
  • FIG. 5 is a diagram showing a longitudinal sectional configuration of the third laser element.
  • FIG. 6 is a chart showing the relationship among the material, conductivity type, and thickness (nm) of the elements constituting the laser element.
  • FIG. 7 is a view showing a longitudinal sectional configuration of the fourth laser element.
  • FIG. 8 is a plan view of the photonic crystal layer.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the positional relationship of the different refractive index regions.
  • FIG. 10 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 11 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 12 is a diagram showing the positional relationship between the different refractive index region and the electric field distribution.
  • FIG. 13 is a plan view of the photonic crystal layer.
  • FIG. 14 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 15 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 16 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 17 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 18 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 19 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 20 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 20 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 21 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 22 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 23 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 24 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 25 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 26 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • FIG. 27 is a far-field image after Fourier transform.
  • FIG. 28 is a diagram showing a longitudinal sectional configuration of the laser element.
  • FIG. 29 is an XY plan view showing the shape of each different refractive index region 6B1.
  • FIG. 30 is a diagram showing the positional relationship between the different refractive index region and the electric field distribution.
  • FIG. 29 is an XY plan view showing the shape of each different refractive index region 6B1.
  • FIG. 30 is a diagram showing the positional relationship between the different refractive index region and the electric field distribution
  • FIG. 31 is a diagram showing modes obtained in the photonic crystal layer.
  • FIG. 32 is a diagram showing a laser device including a laser element and a polarizing plate.
  • FIG. 33 is a diagram illustrating a main part of a laser device including a polarizing plate and a lens.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser device.
  • a plurality of laser elements LD are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the support substrate SB.
  • Each laser element LD is driven by a drive circuit DRV provided on the back surface or inside of the support substrate SB. That is, the drive circuit DRV supplies a drive current to each laser element LD according to an instruction from the control circuit CONT. For example, a drive current is supplied to the laser elements LD arranged two-dimensionally in the order of addresses where they are arranged.
  • a laser beam is emitted from the laser element LD in a direction perpendicular to the substrate.
  • the laser elements LD are sequentially turned on in the order of addresses, the object is scanned in a pseudo manner with a laser beam.
  • the laser beam LB reflected by the object can be detected by a photodetector PD such as a photodiode.
  • a detection signal indicating the intensity of the laser beam detected by the photodetector PD is input to the control circuit CONT.
  • the photodetector PD can measure the time from the laser beam emission timing to the detection timing, that is, the distance to the object.
  • the three-dimensional shape of the target can be measured by irradiating the target with a laser beam and measuring the distance to the laser beam irradiation position. If data of a three-dimensional shape is used, it can be used for various processing devices and medical equipment. In addition, if a laser beam is output in multiple directions from a moving body such as a vehicle, it is possible to measure the distance according to the direction to the obstacle, and safety that automatically controls or assists the brakes and steering wheel according to the distance. It is also possible to use the apparatus.
  • the laser element can emit laser beams having various intensity patterns.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the first laser element.
  • the laser element LD includes a photonic crystal layer (photonic crystal layer) 6 on which laser light is incident.
  • Laser light is incident on the photonic crystal layer 6 from the laser element body LD1 such as a semiconductor laser element via the optical fiber F or directly.
  • the optical fiber F is attached to the side surface of the photonic crystal layer 6.
  • the number of optical fibers F may be plural. In this case, laser light is incident on the photonic crystal layer 6 from the plurality of optical fibers F aligned along the side surface of the photonic crystal layer 6.
  • the laser light incident on the photonic crystal layer 6 forms a predetermined mode corresponding to the lattice of the photonic crystal in the photonic crystal layer 6, and forms a laser beam LB in the vertical direction from the surface of the photonic crystal layer 6.
  • a reflective film RF made of a metal such as aluminum is provided on the lower surface of the photonic crystal layer 6, and the laser light traveling in the lower surface direction of the photonic crystal layer 6 is reflected by the reflective film RF and travels in the upper surface direction. Head. Therefore, there is an effect that the intensity of the laser beam LB is increased by the reflective film RF.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the second laser element.
  • This laser element LD is such that the side surface of the above-mentioned photonic crystal layer 6 is directly adjacent to the end surface of the edge-emitting laser element body LD1.
  • the side surface of the photonic crystal layer 6 may be fixed to the end face of the laser element body LD1 with an adhesive or the like.
  • the laser element body LD1 can be removed from one semiconductor substrate. It is also possible to form both the photonic crystal layer 6 and the photonic crystal layer 6 continuously.
  • the laser element body LD1 is formed by stacking compound semiconductor layers, and a first electrode E1 is provided on the lower surface of the stacked body, and a second electrode E2 is provided on the upper surface.
  • the active layer 4 of the laser element body LD1 emits light, and the laser beam L enters the photonic crystal layer 6, and the incident laser beam Forms a predetermined mode in the photonic crystal layer 6 and is emitted as a laser beam LB in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • a reflective film RF is provided on the lower surface of the photonic crystal layer 6 in the same manner as described above, and the same effects as those described above are achieved.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the above-described laser element body LD1.
  • a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3, an active layer 4, an upper light guide layer 5, an upper clad layer 7, and a contact layer 8 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 1.
  • a first electrode E1 is provided, and a second electrode E2 is provided on the upper surface of the contact layer 8.
  • a driving current is supplied between the first electrode E1 and the second electrode E2
  • recombination of electrons and holes occurs in the active layer 4
  • the active layer 4 emits light.
  • the carriers contributing to the light emission and the generated light are efficiently confined between the upper and lower light guide layers 3 and 5 and the cladding layers 2 and 7.
  • the first electrode E1 is provided on the entire lower surface of the semiconductor substrate 1, but the second electrode E2 is formed on the contact layer 8 so as to extend along the resonance length direction (the emission direction of the laser light L). It is provided on a partial region of the upper surface.
  • the laser beam L emitted from the laser element body LD1 enters the photonic crystal layer 6 as described above.
  • FIG. 5 is a view showing a vertical cross-sectional configuration of the third laser element.
  • This laser element LD has a structure in which the photonic crystal layer 6 is taken into the laser element body shown in FIG. 4, and constitutes a so-called photonic crystal surface emitting laser.
  • the laser element LD includes an active layer 4 that generates laser light, an upper clad layer 7 and a lower clad layer 2 that sandwich the active layer 4, and light guide layers 3 and 5 that are disposed between them and sandwich the active layer 4.
  • a photonic crystal layer 6 is provided between the upper cladding layer 7 and the active layer 4.
  • the second electrode E ⁇ b> 2 is provided in the central region of the contact layer 8.
  • a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3, an active layer 4, an upper light guide layer 5, a photonic crystal layer 6, an upper clad layer 7, and a contact layer 8 are sequentially stacked on a semiconductor substrate 1.
  • the first electrode E1 is provided on the lower surface of the semiconductor substrate 1
  • the second electrode E2 is provided on the upper surface of the contact layer 8.
  • the laser light emitted from the active layer 4 enters the photonic crystal layer 6 and forms a predetermined mode.
  • the photonic crystal layer 6 is composed of a basic layer 6A composed of a first refractive index medium and a second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium, and a plurality of different layers existing in the basic layer 6A. And a refractive index region 6B.
  • the plurality of different refractive index regions 6B include a periodic structure.
  • the laser beam incident on the photonic crystal layer 6 is emitted as a laser beam perpendicularly to the substrate surface via the upper cladding layer 7, the contact layer 8, and the upper electrode E2.
  • FIG. 6 is a chart showing the relationship among the material, conductivity type, and thickness (nm) of each compound semiconductor layer constituting the laser element.
  • each element is as shown in FIG. 6, the semiconductor substrate 1 is made of GaAs, the lower cladding layer 2 is made of AlGaAs, the lower light guide layer 3 is made of AlGaAs, and the active layer 4 is a multiple quantum well structure MQW.
  • the upper light guide layer 5 is made of lower layer AlGaAs / upper layer GaAs
  • the photonic crystal layer (refractive index modulation layer) 6 has the basic layer 6A as GaAs, and the basic layer 6A.
  • the different refractive index region (buried layer) 6B buried in the inside is made of AlGaAs
  • the upper cladding layer 7 is made of AlGaAs
  • the contact layer is made of GaAs.
  • the first conductivity type (N-type) impurity or the second conductivity type (P-type) impurity is added to each layer (impurity concentration is 1 ⁇ 10 17 to 1). ⁇ 10 21 / cm 3 ), and a region where no impurity is intentionally added is intrinsic (type I).
  • the I-type impurity concentration is 1 ⁇ 10 15 / cm 3 or less.
  • the energy band gap of the cladding layer is larger than the energy band gap of the light guide layer, and the energy band gap of the light guide layer is set larger than the energy band gap of the well layer of the active layer 4.
  • the energy band gap and the refractive index can be easily changed by changing the Al composition ratio.
  • Al X Ga 1-X As when the composition ratio X of Al having a relatively small atomic radius is decreased (increased), the energy band gap that is positively correlated with this decreases (increases), and GaAs has an atomic radius. When large In is mixed to make InGaAs, the energy band gap becomes small.
  • the Al composition ratio of the cladding layer is larger than the Al composition ratio of the light guide layer, and the Al composition ratio of the light guide layer is higher than the Al composition of the barrier layer (AlGaAs) of the active layer.
  • the Al composition ratio of the cladding layer is set to 0.2 to 0.4, and is 0.3 in this example.
  • the Al composition ratio of the barrier layer in the light guide layer and the active layer is set to 0.1 to 0.15, and is 0.1 in this example.
  • each layer is as shown in FIG. 6, the numerical range in the figure shows a suitable value, and the numerical value in parentheses shows the optimum value.
  • the photonic crystal layer changes the direction of polarized light in the XY plane in the unit configuration region, but the phase in each region can be matched. Since the phase of the emitted laser light depends on the characteristics of the photonic crystal layer, it also functions as a phase modulation layer.
  • a photonic crystal layer 6 may be provided between the lower cladding layer 2 and the active layer 4.
  • the photonic crystal layer 6 can be disposed at a position sandwiched between the lower cladding layer 2 and the light guide layer 3.
  • This structure also exhibits the same effect as described above. That is, the laser light emitted from the active layer 4 enters the photonic crystal layer 6 to form a predetermined mode.
  • the laser light incident on the photonic crystal layer 6 is transmitted as a laser beam through the lower light guide layer, the active layer 4, the upper light guide layer 5, the upper cladding layer 7, the contact layer 8, and the upper electrode E2 as a laser beam.
  • the light is emitted in a direction perpendicular to. Note that the laser beam can be emitted by being tilted from a direction perpendicular to the substrate surface.
  • FIG. 7 is a view showing a vertical cross-sectional configuration of the fourth laser element.
  • the structure of this laser element LD is different from that shown in FIG. 5 only in the shape of the electrodes. That is, the first electrode E1 provided on the lower surface of the semiconductor substrate 1 is an opening electrode having an opening at the center, and an antireflection film M is provided in and around the opening of the first electrode E1.
  • the antireflection film M is made of a dielectric single layer film or dielectric multilayer film such as silicon nitride (SiN) or silicon dioxide (SiO 2 ).
  • dielectric multilayer film examples include titanium oxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), silicon monoxide (SiO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), fluorine, and the like.
  • Dielectric layers such as magnesium oxide (MgF 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), and zirconium oxide (ZrO 2 )
  • a film in which two or more kinds of dielectric layers selected from the group are appropriately stacked can be used. For example, a film having a thickness of ⁇ / 4 is stacked with an optical film thickness for light having a wavelength ⁇ .
  • the reflective film and the antireflection film can be formed by a sputtering method.
  • the second electrode E2 is provided on the upper surface of the contact layer 8. Note that the region other than the region where the contact electrode E2 is formed can be covered with the insulating film 9 to protect the surface as necessary.
  • the lower clad layer 2, the lower light guide layer 3, the active layer 4, the upper light guide layer 5, the photonic crystal layer 6, the upper clad layer 7, and the contact layer 8 are sequentially stacked on the semiconductor substrate 1.
  • a driving current is supplied between the first electrode E1 and the second electrode E2
  • recombination of electrons and holes occurs in the active layer 4, and the active layer 4 emits light.
  • the carriers contributing to the light emission and the generated light are efficiently confined between the upper and lower light guide layers 3 and 5 and the cladding layers 2 and 7.
  • the laser light emitted from the active layer 4 enters the photonic crystal layer 6 and forms a predetermined mode.
  • the photonic crystal layer 6 is composed of a basic layer 6A composed of a first refractive index medium and a second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium, and a plurality of different layers existing in the basic layer 6A. And a refractive index region 6B.
  • the plurality of different refractive index regions 6B have a periodic structure.
  • the laser light incident on the photonic crystal layer 6 is converted into a laser beam LB via the upper light guide layer 5, the active layer 4, the lower light guide layer 3, the lower cladding layer 2, the semiconductor substrate 1, and the antireflection film M. , Emitted to the outside.
  • the first electrode E1 is not provided in a region facing the second electrode E2, and the laser beam LB is emitted from the lower surface to the outside.
  • a different refractive index coating layer made of the same material as that of the different refractive index region 6B may be further deposited thereon.
  • FIG. 8 is a plan view of the photonic crystal layer 6 described above.
  • the photonic crystal layer 6 includes a basic layer 6A made of a first refractive index medium and a different refractive index region 6B made of a second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium.
  • the different refractive index region 6B is a compound semiconductor, but may be a hole in which argon, nitrogen, air, or the like is enclosed.
  • the plurality of different refractive index regions 6B have a substantially triangular shape in the XY plane, and the thickness direction is the Z axis.
  • the different refractive index region 6B is a continuous figure, and one tip position is denoted as 6B2, and the main body in the hole is denoted as the different refractive index region 6B1.
  • the unit configuration regions R11 to R34 are defined.
  • Each of the unit constituting regions R11 to R34 is composed of one different refractive index region 6B1.
  • the rotation angle of one point 6B2 (indicated by a black circle on the contour) of the different refractive index region 6B1 with respect to the (center of gravity) in the unit constituent regions R11 to R34 is ⁇ .
  • one point on the contour is defined as a vertex of the triangle.
  • a plurality of unit constituent regions R11 to R34 are two-dimensionally arranged in an XY plane including the X axis and the Y axis, and each unit constituent region is XY coordinates are given by the gravity center position G of each of the different refractive index regions 6B1.
  • the XY coordinates (coordinates of the center of gravity G) of the unit configuration areas R11 to R34 are (X, Y).
  • the coordinates of the unit configuration region R11 are (X1, Y1), and the coordinates of the unit configuration region Rmn are (Xm, Yn) (m and n are natural numbers).
  • a polarization modulation pattern corresponding to the position is obtained, but can be converted into an intensity modulation pattern by transmitting through the polarizing plate.
  • the intensity modulation pattern is Fourier transformed via a convex lens, a beam spot having a desired shape is obtained.
  • the shape of the laser beam can be converted into a spot (circular shape). This function can also be applied to the entire photonic crystal layer or within a specific region.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the positional relationship of the different refractive index regions.
  • FIG. 10 is a diagram showing an intensity distribution pattern of outgoing light after passing through the polarizing plate P (FIG. 33).
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate), and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the intensity corresponds to the direction of polarization.
  • the shape of the laser beam or the far-field image after passing through the lens or hologram is, for example, as shown in FIG.
  • the center of the figure corresponds to the direction perpendicular to the plane of the device, that is, the direction perpendicular to the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam.
  • the shape of the laser beam is a spot (circular).
  • FIG. 12 is a diagram showing the positional relationship between the different refractive index region and the electric field distribution.
  • This figure shows the planar state of four unit constituent regions R11, R12, R21, and R22 adjacent to each other.
  • a mode in which an electric field is distributed inside the photonic crystal layer 6 so as to surround 6B1 by a laser beam is generated.
  • 6B1 is arranged in a square lattice shape
  • four types of modes can occur due to the symmetry under conditions where the lattice spacing and the wavelength are almost the same, but these four types have different frequencies. Therefore, by appropriately selecting the frequency of light incident on the photonic crystal layer, it is possible to generate a mode in which an electric field is distributed so as to surround 6B1 as described above.
  • the electric field vectors indicated by the arrows are positioned so as to rotate about the center of gravity G.
  • the center of gravity position G of the different refractive index region 6B1 is made to coincide with the center of gravity position of these electric field vectors, and a square is formed by line segments connecting the gravity center positions G of the four different refractive index regions 6B1. That is, the different refractive index region 6B is arranged at a lattice point position of a square lattice.
  • the plane shape of the substantially triangular different refractive index region 6B1 can take the following shape and the direction of polarization.
  • a polarization component in a direction orthogonal to the direction from the base toward the vertex remains.
  • a polarization component parallel to the hypotenuse or a perpendicular polarization component remains.
  • a polarization component parallel to the hypotenuse or a perpendicular polarization component remains. Since the polarization orientation (phase) changes according to the shape as described above, the phase of the laser beam is changed by rotating each of the different refractive index regions around the thickness direction (Z axis) of the photonic crystal layer. be able to.
  • FIG. 13 is a plan view of the photonic crystal layer.
  • ⁇ is not only a function of X but also a function of Y. That is, as X increases, ⁇ increases at equal intervals, but as Y increases, ⁇ also increases at equal intervals.
  • This function can also be applied to the entire photonic crystal layer or within a specific region.
  • FIG. 14 is a diagram showing an intensity distribution pattern of outgoing light after passing through the polarizing plate.
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate), and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far field image after passing through the lens or hologram is as shown in FIG.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam.
  • the shape of the laser beam is a spot (circular).
  • an arbitrary phase distribution can be realized by using the method of the present invention.
  • the far-field image obtained from this collection of point light sources is given by the Fourier transform of the intensity distribution of this point light source, so if an arbitrary intensity distribution can be realized, an arbitrary far-field image can be obtained.
  • a phase distribution obtained by inverse Fourier transform of a desired far-field image is arranged by the method of the present invention, an arbitrary far-field image can be obtained. Examples of several intensity distribution patterns are shown below.
  • FIG. 16 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate) and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far field image after passing through the lens or hologram is as shown in FIG. 17, for example.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam. In this case, a laser beam having a line pattern along the Y-axis direction can be obtained.
  • FIG. 18 is a diagram showing an intensity distribution pattern of outgoing light.
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate), and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far field image after passing through the lens or hologram in this case is as shown in FIG. 19, for example.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam. In this case, a laser beam having an annular pattern can be obtained.
  • FIG. 20 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate), and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far-field image after passing through the lens or hologram is, for example, as shown in FIG.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam. In this case, a three-point multi-spot laser beam can be obtained.
  • FIG. 22 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate), and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far-field image after passing through the lens or hologram is, for example, as shown in FIG.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam. In this case, a laser beam having a letter shape of “light” can be obtained.
  • FIG. 24 is a diagram showing another phase distribution pattern in the different refractive index region.
  • the color represents the intensity distribution (corresponding to ⁇ ) of the laser beam at each location (coordinate), and corresponds to the phase from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far field image after passing through the lens or hologram is as shown in FIG.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam. In this case, a double annular laser beam can be obtained.
  • FIG. 26 is a diagram showing an intensity distribution pattern of emitted light.
  • the color represents the laser light intensity distribution (corresponding to ⁇ ) at each location (coordinates), and corresponds to the intensity from 0 to the maximum value from black to white.
  • the shape of the laser beam or the far-field image after passing through the lens or hologram is, for example, as shown in FIG.
  • the center of the figure corresponds to the position extending in the vertical direction from the center of the light emitting surface of the device, that is, the position extending in the vertical direction from the center of the photonic crystal layer.
  • the white part corresponds to the shape of the laser beam.
  • a vector beam called a Laguerre Gaussian beam can be obtained.
  • the far-field image after Fourier transform of the laser beam has various types such as single or multiple spot shapes, circular shapes, linear shapes, character shapes, double annular shapes, or Laguerre Gaussian beam shapes.
  • the shape can be taken.
  • the laser light from each of the different refractive index regions 6B (6B1) is biased in the intensity of polarization, and the intensity in a specific direction is increased. That is, it has a specific polarization.
  • the rotation angle ⁇ from the center of gravity to one point on the contour of the planar shape is a function of coordinates, if the spatial coordinates are different, the polarization direction of each laser beam (after passing through the polarizing plate) Strength) will be different. Therefore, each different refractive index region can be regarded as a point light source, and each intensity can be changed for each coordinate depending on the position of the rotation angle ⁇ . If the intensity of each point light source distributed two-dimensionally can be adjusted, various laser beam patterns can be emitted.
  • a far-field image of a point light source group distributed two-dimensionally can be considered as a Fourier transform image of the point light source group.
  • the intensity of each point light source may be set by performing circular inverse Fourier transform at a specific position. That is, if the rotation angle ⁇ is set corresponding to the intensity of each point light source when circular inverse Fourier transform is performed at a specific position, a circular laser beam spot can be obtained at a specific position. In other words, a spot having a unimodal two-dimensional intensity distribution can be obtained at an oblique position.
  • the laser device described above includes different laser beam emission angles, and includes any one of the laser elements described above arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a drive circuit that drives the laser elements, Laser beams can be output in a plurality of directions.
  • This apparatus can also function as a pseudo laser beam scanning apparatus.
  • each of the different refractive index regions 6B1 has a substantially triangular shape.
  • each of the different refractive index regions 6B1 may have a substantially elliptical shape with a non-zero flatness.
  • the general triangle or the ellipse is a shape designed to be a triangle or an ellipse in a plan view, but includes a shape including a slight distortion during manufacturing.
  • FIG. 29 is an XY plan view showing the shape of each different refractive index region 6B1.
  • the shape of the different refractive index region 6B1 in the hole of the basic layer 6A may be a long, roughly isosceles triangle, and in this case, polarized light from the base toward the vertex 6B2 The electric field strength in the direction increases.
  • the shape of the different refractive index region 6B1 in the hole of the basic layer 6A may be a long, generally elliptical shape with a flatness not 0. In this case, the electric field strength in the polarization direction increases along the long axis direction.
  • the shape of the different refractive index region 6B1 in the hole of the basic layer 6A is a non-rotation symmetric shape such as a combination of a square and a triangle as shown in FIG.
  • the electric field strength in the polarization direction in a specific direction is increased.
  • the electric field strength in the longitudinal direction (X-axis direction) becomes high.
  • the electric field vector directed to one point 6B2 on the contour remains, so that the phase distribution similar to the above is obtained. And a laser beam emitted only in one oblique direction can be generated.
  • each compound semiconductor layer uses a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Although crystal growth is performed on the (001) plane of the semiconductor substrate 1, it is not limited to this.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the growth temperature of AlGaAs is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is adopted in the experiment, and TMA (trimethylaluminum) is used as the Al source during growth.
  • TMG trimethylgallium
  • TEG triethylgallium
  • AsH 3 arsine
  • Si 2 H 6 diisilane
  • DEZn raw materials for P-type impurities (Diethyl zinc)
  • TMG and arsine are used, but TMA is not used.
  • InGaAs is manufactured using TMG, TMI (trimethylindium), and arsine.
  • the insulating film may be formed by sputtering a target using the constituent material as a raw material.
  • the above-described laser element first includes an N-type cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3, a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4, on an N-type semiconductor substrate (GaAs) 1.
  • An optical guide layer (GaAs / AaGaAs) 5 and a basic layer (GaAs) 6A serving as a photonic crystal layer are sequentially epitaxially grown using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • a SiN layer is formed on the basic layer 6A by PCVD (plasma CVD), and then a resist is formed on the SiN layer. Further, the resist is exposed and developed, the SiN layer is etched using the resist as a mask, and a part of the SiN layer is left to form an alignment mark. The remaining resist is removed.
  • a two-dimensional fine pattern is formed on the resist by drawing and developing a two-dimensional fine pattern on the resist using an electron beam drawing apparatus with reference to the alignment mark.
  • a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the basic layer 6A by dry etching, and the resist that forms holes (holes) is removed.
  • the depth of the hole is 100 nm.
  • the compound semiconductor that becomes the different refractive index region 6B AlGaAs
  • an upper clad layer (AlGaAs) 7 and a contact layer (GaAs) 8 are sequentially formed by MOCVD, and appropriate electrode materials are formed on the upper and lower surfaces of the substrate by vapor deposition or sputtering to form first and second electrodes. Form. Further, if necessary, insulating films can be formed on the upper and lower surfaces of the substrate by sputtering or the like.
  • the photonic crystal layer When the photonic crystal layer is provided below the active layer, the photonic crystal layer may be formed on the lower cladding layer before forming the active layer and the lower light guide layer.
  • a columnar different refractive index region may be a gap, and a gas such as air, nitrogen, or argon may be enclosed.
  • the interval between the vertical and horizontal lattice lines in the above-mentioned square lattice is about the wavelength divided by the equivalent refractive index, and is preferably set to about 300 nm.
  • the different refractive index regions can be arranged not at the lattice point positions of the square lattice but at the lattice point positions of the triangular lattice.
  • the interval between the horizontal and oblique lattice lines is a value obtained by dividing the wavelength by the equivalent refractive index and further dividing by Sin 60 °, and is preferably set to about 350 nm.
  • the wave number vector k nb 1 + mb 2 (n and m are arbitrary integers) in the energy band gap of the photonic crystal
  • the wave number k is a ⁇ point
  • the resonance mode (within the XY plane) where the lattice spacing a is equal to the wavelength ⁇ Standing wave).
  • Mode A has the lowest frequency among resonance modes
  • mode B has the next lowest frequency.
  • the shape obtained by intensity-modulating the in-plane electromagnetic field distribution of the standing wave in the above-described photonic crystal layer (in-plane polarization distribution of the point light source) through the polarizing plate and then Fourier transforming is as follows: Not only a single peak beam (spot) but also a character shape, two or more identically shaped spot groups, a vector beam, etc. can be used as described above.
  • the refractive index of the basic layer 6A is preferably 3.0 to 3.5, and the refractive index of the different refractive index region 6B is preferably 1.0 to 3.4.
  • the average maximum diameter of the different refractive index regions 6B1 in the holes of the basic layer 6A is preferably 38 nm to 76 nm.
  • ⁇ is in the range of 0 to less than 2 ⁇ (rad).
  • any of the above-described laser elements is a laser element including a photonic crystal layer on which laser light is incident, and a plurality of different refractive index regions in the photonic crystal layer are roughly planar. It is a triangle, a substantially elliptical shape with a flatness not 0, or a non-rotationally symmetric shape.
  • the rotation angle ⁇ varies depending on the location (coordinates), and at least three or more different rotation angles in the entire photonic crystal layer. Includes ⁇ . Since a phase difference corresponding to the rotation angle ⁇ is generated, a laser beam in a desired direction can be obtained.
  • the rotation angle ⁇ is a function of X or a function of X and Y in the entire photonic crystal layer or in a specific region, and a spot can be formed.
  • the far-field image of the laser beam emitted with an inclination from the direction perpendicular to the light emitting surface of the laser element has a single or multiple spot shape, ring shape, linear shape, character shape,
  • the two-dimensional phase distribution of the image obtained by inverse Fourier transform of this far-field image is formed on the contour of the different refractive index region at the position of each unit constituent region. This corresponds to the distribution of the rotation angle ⁇ of the one point 6B2.
  • the depth (thickness) of the different refractive index region 6B constituting the photonic crystal layer may be different from the uniform one in the XY plane.
  • the refractive index changes. Therefore, the phase of the emitted light can be changed by adjusting the depth of the different refractive index region 6B.
  • FIG. 30 is a graph showing the positions of the different refractive index regions.
  • one point (vertex) 6B2 on the contour exists at the position (x, y).
  • the angle formed between the vertex 6B2 and the x axis is ⁇ (x, y).
  • the intensity I of the laser light after passing through the polarizing plate is as follows.
  • I (x, y) ⁇ f (x, y) ⁇ g ( ⁇ , ⁇ ) ⁇ h (FF) ⁇ p (X, Y) f (x, y) ⁇ g ⁇ ( ⁇ (x, y), ⁇ ) ⁇ h (FF) ⁇ p (X, Y)
  • F (x, y) is a function indicating the intensity change due to the arrangement position (x, y) in the unit grid of the point 6B2 on the outline.
  • FIG. 31 is a diagram showing modes obtained in the photonic crystal layer.
  • electric field distributions that may exist in the square lattice structure theory are modes 1 to 4.
  • modes 1 to 4 In the configuration in which light is introduced from the outside into the photonic crystal layer, modes 1 to 4 have different resonance frequencies, so that the mode can be selected according to the wavelength of the light to be introduced. At this time, mode1 or mode2 is easy to handle.
  • mode3 and 3mode4 have large light leakage from the resonator, and the possibility of oscillation is very low, and there is a possibility of oscillation.
  • mode1 or mode2 Based on the above, it is preferable to adopt mode 1 or mode 2 first.
  • the electromagnetic field distribution in the case of mode 2 (FIG. 31B) is such that the electromagnetic field distribution in mode 1 is shifted by half the lattice spacing in the x or y direction.
  • the electromagnetic field distribution in mode 1 and 2 has the above characteristics.
  • F (x, y) changes according to the electric field strength of the portion where the region near the center of gravity of the different refractive index region 6B1 is arranged.
  • g ( ⁇ , ⁇ ) is a function indicating the intensity change depending on the polarization direction ⁇ from the center of gravity G to the position of one point 6B2 on the contour and the transmission axis direction ⁇ of the polarizing plate (where f changes depending on the position (x, y)). ). If the transmission axis direction ⁇ of the polarizing plate coincides with the polarization direction in ⁇ (x, y), the transmittance increases and the intensity increases.
  • ⁇ is the polarization direction of the output light at one point 6B2 on the contour, and ⁇ is the polarizing plate transmission axis direction.
  • H (FF) is a function indicating the intensity change caused by the position of one point 6B2 on the contour.
  • the electric field distribution of mode 1 or mode 2 may be used.
  • the triangle is an asymmetrical figure, no vanishing interference occurs, and the electric field in the xy plane changes according to the dielectric constant difference inside and outside the hole. That is, the electric field component due to asymmetry is diffracted in the Z direction.
  • the change due to the electric field asymmetry in the xy plane depending on the aperture change is assumed to be ha (FF). Note that FF is a filling factor, which is the ratio of the area occupied by the different refractive index region 6B in the unit lattice.
  • P (X, Y) represents the intensity distribution function at the position (X, Y) in the photonic crystal layer.
  • the envelope intensity distribution for the entire device is Y. Liang et al., “Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverse-electric polarization: finite-size effects,” Opt. Express 20, It is also possible to calculate using the optically coupled wave theory described in 15945-15961 (2012).
  • FIG. 32 is a diagram showing a laser device including a laser element and a polarizing plate.
  • Laser light having a plurality of polarization directions Dp is output from the light emitting surface of the laser element LD (FIG. 32A).
  • the intensity of this laser beam is modulated by passing through the polarizing plate P.
  • FIG. 32 (B) That is, the laser device includes the above-described laser element LD and a polarizing plate P disposed to face the light emitting surface of the laser element LD.
  • the arrangement of the point 6B2 on the contour is different for each unit lattice, and thus light having different polarization is obtained for each unit lattice. Therefore, by combining a polarizing plate on the exit side, a plane wave having different intensities for each unit cell but having a uniform phase can be obtained.
  • plane waves having different intensities for each unit lattice are obtained as the emitted light.
  • plane waves having different intensities for each place are obtained as outgoing light.
  • a hologram is obtained using the method described in W. H. Lee, “Sampled fourier transform hologram generated by computer,” Appl. Opt. 9, 639-643 (1970) It becomes possible. Therefore, an arbitrary beam pattern can be obtained.
  • a desired beam pattern that is, two-dimensional angle-intensity information is prepared as a two-dimensional array, and this is converted into a two-dimensional discrete Fourier transform or two-dimensional fast Fourier transform.
  • a two-dimensional array of complex amplitudes is obtained.
  • the number of elements of the two-dimensional array of angle-intensity information of the beam pattern originally prepared matches the number of elements of the two-dimensional array of complex amplitude after conversion.
  • the complex amplitude of each element is composed of a real part and an imaginary part, and the real part and the imaginary part take positive or negative values, respectively.
  • each of the above-mentioned complex amplitudes is made to correspond to four equal-width strip-shaped regions, and the strength of each of the divided regions is determined according to the following procedure. assign.
  • this strip-shaped area is defined as a first area, a second area, a third area, and a fourth area in order from the left.
  • the real part of the complex amplitude takes a positive value
  • the real part value of the complex amplitude is assigned to the first area
  • zero is assigned to the third area.
  • the real part of the complex amplitude takes a negative value
  • zero is assigned to the first area
  • the absolute value of the real part of the complex amplitude is assigned to the third area.
  • the position of one point 6B2 on the contour is assigned so that the desired intensity distribution can be obtained. That is, according to the function g ( ⁇ , ⁇ ) indicating the intensity change due to the polarization direction ⁇ at the position of the point 6B2 on the contour and the transmission axis direction ⁇ of the polarizing plate as described above, the intensity distribution for each location is represented by one point on the contour. Convert to 6B2 layout. By the above-described procedure, it is possible to obtain the arrangement of one point 6B2 on the contour for obtaining a desired beam pattern.
  • the Lee method is shown as an example of a method for determining the arrangement of the point 6B2 on the contour from the desired beam pattern.
  • the present invention has an arbitrary intensity distribution in which the phases are aligned by the arrangement of the point 6B2 on the contour. It is a feature that it can be obtained, and the method of determining the arrangement of the point 6B2 on the contour can be considered other than the Lee method.
  • C. B. Burckhardt “A simplification of Lee's method of generating holograms by computer,” Appl. Opt. 9, 1949 (1970) assigns intensity distributions to three strip-shaped areas and Although it is described that a similar result can be obtained, this method may be followed, or another method that obtains an equivalent result may be used.
  • FIG. 33 is a diagram showing a main part of a laser apparatus provided with a polarizing plate P and an optical element LS. That is, an optical element LS such as a lens or a hologram can be disposed after the polarizing plate P. The optical element LS can output the incident laser beam by performing Fourier transform.
  • an optical element LS such as a lens or a hologram can be disposed after the polarizing plate P.
  • the optical element LS can output the incident laser beam by performing Fourier transform.
  • 6 Photonic crystal layer, 6A ... Basic layer, 6B, 6B1 ... Different refractive index region, 6B2 ... One point on the contour.

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Abstract

　単位構成領域Ｒ１１の座標は（Ｘ１、Ｙ１）であり、単位構成領域Ｒｍｎの座標は（Ｘｍ、Ｙｎ）である（ｍ、ｎは自然数）。二等辺三角形の頂点の重心に対する回転角度φが座標により異なっており、フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含んでいる。

Description

レーザ素子及びレーザ装置
　本発明は、レーザ素子及びレーザ装置に関する。
　特許文献１のレーザ素子に用いられるフォトニック結晶層は、ベースとなる基本層内に、複数の異屈折率領域を周期的に埋め込んで構成されている。このレーザ素子は、２層のフォトニック結晶層を有しており、それぞれのフォトニック結晶層は、周期的に配置された同一パターン有しているが、パターンは、フォトニック結晶層毎に異なる。
　特許文献２は、レーザビームの直線偏光の強度に関する技術の一例を開示している。同文献によれば、従来、フォトニック結晶層を構成する基本層内に、複数の円形異屈折率領域を正方格子の格子点位置にそれぞれ埋め込んできたが、この場合には、面内における偏光方向が一定とはならないという問題点が指摘されている。すなわち、フォトニック結晶層内では、内部で発生しているモードの縮退により、個々の異屈折率領域の周囲を囲むように電界ベクトル（偏光方向）が発生する。そこで、同文献では、正方格子上から外れた非対称位置に、別の異屈折率領域を配置することにより、モードの縮退を解放し、電界ベクトルの向きを、全体として揃えることができる旨を開示している。
特開２００９－７６９００号公報 特開２００３－２３１９３号公報
　しかしながら、従来技術に係るレーザ素子においては、所望の１方向のみにレーザビームを出射することができず、したがって、マルチ方向レーザ出力装置等を構成することができなかった。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、所望の１方向のみにレーザビームを出射することが可能なレーザ素子及びレーザ装置を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、本願発明者らが、レーザ素子構造について鋭意検討した結果、フォトニック結晶層における異屈折率領域の形状を工夫し、その平面形状の輪郭上の１点の位置の重心に対する回転角度を、座標に応じて異ならせることにより、様々なパターンのレーザビームを出射できることを見出した。この平面形状は、概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形であり、これが円形の場合と異なり、平面形状内の特定の方向に沿って、相殺されず残留する電界ベクトルが生じる。
　なお、概略三角形又は概略楕円形とは、平面視において、三角形又は楕円形に設計された形状であるが、製造時において若干の歪みが生じたものを含む形状を意味するものとする。
　すなわち、本態様のレーザ素子は、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子において、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、平面形状が概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形であり、単位構成領域が、１つの前記異屈折率領域からなることとし、前記単位構成領域内における、前記異屈折率領域の重心位置に対する前記平面形状の輪郭上の１つの点の回転角度をφとし、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、それぞれの前記単位構成領域のＸＹ座標をぞれぞれの前記異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、前記単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが当該座標により異なっており、前記フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含むことを特徴とする。本発明では３つ或いは４つで一組となる強度パターンを組み合わせることにより、様々なパターンのレーザビームを得ることも可能となる。このとき、回転角度φを変えることにより各領域の強度が変調される原理に基づいているため、必然的に３以上の異なる回転角度が含まれることになる。
　また、このレーザ素子は、前記レーザ光を発生する活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記フォトニック結晶層とを備えることを特徴とする。
　また、本発明のレーザ装置は、上記レーザ素子と、前記レーザ素子の光出射面に対向配置された偏光板と、を備えることを特徴とする。
　本発明のレーザ素子及びレーザ装置によれば、様々なパターンのレーザビームを出射することができる。
図１はレーザ装置の構成を示す図である。 図２は第１のレーザ素子の構成を示す図である。 図３は第２のレーザ素子の構成を示す図である。 図４はレーザ素子本体部の構成を示す図である。 図５は第３のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。 図６はレーザ素子を構成する要素の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。 図７は第４のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。 図８はフォトニック結晶層の平面図である。 図９は異屈折率領域の位置関係を説明するための図である。 図１０は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１１はフーリエ変換後の遠視野像である。 図１２は異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。 図１３はフォトニック結晶層の平面図である。 図１４は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１５はフーリエ変換後の遠視野像である。 図１６は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１７はフーリエ変換後の遠視野像である。 図１８は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図１９はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２０は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２１はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２２は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２３はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２４は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２５はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２６は出射光の強度分布パターンを示す図である。 図２７はフーリエ変換後の遠視野像である。 図２８はレーザ素子の縦断面構成を示す図である。 図２９は、個々の異屈折率領域６Ｂ１の形状を示すＸＹ平面図である。 図３０は、異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。 図３１は、フォトニック結晶層で得られるモードを示す図である。 図３２は、レーザ素子と偏光板を備えたレーザ装置を示す図である。 図３３は、偏光板とレンズを備えたレーザ装置の主要部を示す図である。
　以下、実施の形態に係るレーザ素子及びレーザ装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、レーザ装置の構成を示す図である。
　支持基板ＳＢ上には、複数のレーザ素子ＬＤが一次元又は二次元状に配置されている。個々のレーザ素子ＬＤは、支持基板ＳＢの裏面又は内部に設けられた駆動回路ＤＲＶによって駆動される。すなわち、制御回路ＣＯＮＴからの指示により、駆動回路ＤＲＶは、個々のレーザ素子ＬＤに駆動電流を供給する。例えば、二次元状に配置されたレーザ素子ＬＤに、これらが配置されたアドレスの順番に従って駆動電流を供給する。レーザ素子ＬＤからはレーザビームが基板に垂直な方向に出射される。レーザ素子ＬＤがアドレスの順番に順次点灯すると、疑似的にレーザビームで対象物が走査されることになる。対象物によって反射されたレーザビームＬＢは、フォトダイオードなどの光検出器ＰＤによって検出することができる。
　制御回路ＣＯＮＴには、光検出器ＰＤによって検出されたレーザビーム強度を示す検出信号が入力される。レーザ素子ＬＤがパルス駆動される場合には、光検出器ＰＤは、レーザビームの出射タイミングから検出タイミングまでの時間を測定、すなわち対象物までの距離を測定することができる。
　かかるレーザ装置は、以下の用途に用いることができる。例えば、対象物にレーザビームを照射し、レーザビーム照射位置までの距離を計測することにより、対象物の三次元形状を計測することができる。三次元形状のデータを用いれば、これを種々の加工装置や医療機器に利用することができる。また、車両などの移動体からマルチ方向にレーザビームを出力すれば、障害物までの方向に応じた距離を測定することができ、距離に応じて、ブレーキやハンドルを自動制御又はアシスト制御する安全装置に利用することも可能である。
　以下、上述のレーザ装置に用いられるレーザ素子の詳細構造について説明する。レーザ素子は、様々な強度パターンのレーザ光を出射することができる。
　図２は、第１のレーザ素子の構成を示す図である。
　このレーザ素子ＬＤは、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層（フォトニック結晶層）６を備えている。半導体レーザ素子などのレーザ素子本体ＬＤ１から、光ファイバＦを介して、或いは、直接的に、フォトニック結晶層６内にレーザ光が入射する。光ファイバＦは、フォトニック結晶層６の側面に取り付けられている。光ファイバＦの数は複数であることとしてもよく、この場合にはフォトニック結晶層６の側面に沿って整列した複数の光ファイバＦから、フォトニック結晶層６内にレーザ光が入射する。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、フォトニック結晶層６内においてフォトニック結晶の格子に応じた所定のモードを形成し、フォトニック結晶層６の表面から垂直方向にレーザビームＬＢとして、外部に出射される。フォトニック結晶層６の下面にはアルミニウム等の金属からなる反射膜ＲＦが設けられており、フォトニック結晶層６の下面方向に進行するレーザ光は、反射膜ＲＦによって反射され、上面方向へと向かう。したがって、反射膜ＲＦにより、レーザビームＬＢの強度が高くなるという効果を奏する。
　図３は、第２のレーザ素子の構成を示す図である。
　このレーザ素子ＬＤは、端面発光型のレーザ素子本体ＬＤ１の端面に、上述のフォトニック結晶層６の側面を直接隣接させたものである。フォトニック結晶層６の側面は、接着剤等でレーザ素子本体ＬＤ１の端面に固定してもよいが、フォトニック結晶層６の厚みを調整することにより、１つの半導体基板から、レーザ素子本体ＬＤ１及びフォトニック結晶層６の双方を連続的に形成することも可能である。レーザ素子本体ＬＤ１は、化合物半導体層を積層してなり、当該積層体の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流を流すことにより、レーザ素子本体ＬＤ１の活性層４が発光し、レーザ光Ｌがフォトニック結晶層６内に入射し、入射したレーザ光は、フォトニック結晶層６内において所定のモードを形成して、レーザビームＬＢとして、基板表面に垂直な方向に出射される。フォトニック結晶層６の下面には、上記と同様に反射膜ＲＦが設けられており、上記と同様の作用効果を奏する。
　図４は、上述のレーザ素子本体ＬＤ１の構成を示す図である。
　半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。また、第１電極Ｅ１は、半導体基板１の下面全面に設けられているが、第２電極Ｅ２は、共振長の方向（レーザ光Ｌの出射方向）に沿って延びるように、コンタクト層８の上面の一部領域上に設けられている。
　レーザ素子本体ＬＤ１から出射したレーザ光Ｌは、上述のように、フォトニック結晶層６内部に入射する。
　図５は、第３のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
　このレーザ素子ＬＤは、フォトニック結晶層６を、図４に示したレーザ素子本体内に取り込んだ構造を有しており、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザを構成している。
　このレーザ素子ＬＤは、レーザ光を発生する活性層４と、活性層４を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、これらの間に設けられ活性層４を挟む光ガイド層３，５を備えており、上部クラッド層７と活性層４との間には、フォトニック結晶層６が設けられている。なお、図５に示す構造では、第２電極Ｅ２は、コンタクト層８の中央領域に設けられている。
　この構造においては、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、フォトニック結晶層６、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
　活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは周期構造を含んでいる。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部電極Ｅ２を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直に出射される。
　図６は、レーザ素子を構成する各化合物半導体層の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。
　各要素の材料は、図６に示す通りであり、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、フォトニック結晶層（屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層がＧａＡｓからなる。
　なお、各層には、図６に示すように、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７～１×１０２１／ｃｍ３）、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１５／ｃｍ３以下である。
　また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１－ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）よりもＡｌ組成以上である。クラッド層のＡｌ組成比は０．２～０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１～０．１５に設定され、本例では０．１とする。
　また、各層の厚みは、図６に示す通りであり、同図内の数値範囲は好適値を示し、括弧内の数値は最適値を示している。なお、フォトニック結晶層は、単位構成領域内におけるＸＹ平面内の偏光の向きを変えるものであるが、それぞれの領域内における位相を合わせることはできる。出射されるレーザ光の位相は、フォトニック結晶層の特性にも依存するため、位相変調層としても機能している。
　なお、図２８に示すように、下部クラッド層２と活性層４との間に、フォトニック結晶層６を設けることとしてもよい。この場合には、フォトニック結晶層６は、下部クラッド層２と光ガイド層３との間に挟まれる位置に配置することができる。この構造においても、上記と同様の作用を奏する。すなわち、活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、下部光ガイド層、活性層４、上部光ガイド層５、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部電極Ｅ２を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直な方向に向けて出射される。なお、レーザビームは、基板表面に垂直な方向から傾けて出射させることもできる。
　図７は、第４のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
　このレーザ素子ＬＤの構造は、図５に示したものと、電極の形状のみが異なる。すなわち、半導体基板１の下面に設けられた第１電極Ｅ１は、中央部に開口を有する開口電極であり、第１電極Ｅ１の開口内及び周辺には、反射防止膜Ｍが設けられている。反射防止膜Ｍは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を適当に積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ/4の厚さの膜を積層する。なお、反射膜や反射防止膜は、スパッタ法を用いて形成することができる。
　コンタクト層８の上面には、第２電極Ｅ２が設けられている。なお、コンタクト電極Ｅ２の形成領域以外の領域は、必要に応じて、絶縁膜９で被覆し、表面を保護することができる。
　この構造においても、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、フォトニック結晶層６、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
　活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは周期構造を有している。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、上部光ガイド層５、活性層４、下部光ガイド層３、下部クラッド層２、半導体基板１、反射防止膜Ｍを介して、レーザビームＬＢとして、外部に出射される。半導体基板１の下面において、第２電極Ｅ２に対向する領域には、第１電極Ｅ１が設けられておらず、レーザビームＬＢは下面から外部に出射する。なお、基本層６Ａの孔内に異屈折率領域６Ｂを埋め込んだ後、更に、その上に異屈折率領域６Ｂと同一の材料した異屈折率被覆層を堆積してもよい。
　図８は、上述のフォトニック結晶層６の平面図である。
　フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは、化合物半導体であるが、アルゴン、窒素又は空気等が封入された空孔であってもよい。
　複数の異屈折率領域６Ｂは、ＸＹ平面内の形状が概略三角形であり、厚み方向をＺ軸とする。
　異屈折率領域６Ｂは、連続した図形であり、１つの先端位置を６Ｂ２とし、孔内の本体部は異屈折率領域６Ｂ１として表記する。ここで、単位構成領域Ｒ１１～Ｒ３４を規定する。それぞれの単位構成領域Ｒ１１～Ｒ３４は、１つの異屈折率領域６Ｂ１からなる。単位構成領域Ｒ１１～Ｒ３４内における、異屈折率領域６Ｂ１の（重心）に対するその輪郭上の１点６Ｂ２（輪郭上の黒丸で示す）の回転角度をφとする。回転角度φがＸ軸の正方向に一致している場合をφ＝０°とする。ここでは、輪郭上の１点を、三角形の頂点とする。
　図８に示すように、フォトニック結晶層６においては、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の単位構成領域Ｒ１１～Ｒ３４が二次元的に配置されており、それぞれの単位構成領域のＸＹ座標は、ぞれぞれの異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇで与えられることとする。単位構成領域Ｒ１１～Ｒ３４のＸＹ座標（重心Ｇの座標）を（Ｘ，Ｙ）とする。
　単位構成領域Ｒ１１の座標は（Ｘ１、Ｙ１）であり、単位構成領域Ｒｍｎの座標は（Ｘｍ、Ｙｎ）である（ｍ、ｎは自然数）。同図では、Ｘ軸上の座標が大きくなるに比例して、回転角度φが等間隔で増加しているが、Ｙ軸上の座標が変化しても、回転角度φには変化はない。すなわち、回転角度φは、Ｘの関数である。この関数は、例えば、φ＝φ０＋ａＸ（但し、φ０は定数、ａは０以外の定数）で与えられる。光出射面内においては、位置に応じた偏光変調パターンが得られるが、偏光板を透過させることにより、強度変調パターンに変換することができる。強度変調パターンを、凸レンズを介して、フーリエ変換すると、所望の形状のビームスポットとなる。例えば、レーザビームの形状はスポット（円形）に変換することができる。この関数はフォトニック結晶層全体又は特定領域内に適用することもできる。
　図９は、異屈折率領域の位置関係の一例を説明するための図である。
　図９（Ａ）はφ＝０（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｂ）はφ＝０．２５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｃ）はφ＝０．５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｄ）はφ＝０．７５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｅ）はφ＝π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｆ）はφ＝１．７π（ｒａｄ）の場合を示している。
　図１０は、偏光板Ｐ（図３３）を通過した後の出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図１０において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。なお、強度は偏光の向きに対応する。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１１のようになる。図の中心がデバイスの面垂直方向すなわちフォトニック結晶層に対して垂直な方向に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、レーザビームの形状はスポット（円形）となる。
　図１２は、異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。
　同図は、互いに隣接する４つの単位構成領域Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の平面状態を示している。フォトニック結晶層６の内部には、レーザ光によって６Ｂ１を取り巻くように電界が分布するモードが生じている。正方格子状に６Ｂ１が配列した構造において格子間隔と波長がほぼ一致する条件下ではその対称性から４種類のモードが生じうることが知られているが、これら４種類のモードは周波数が異なっているので、フォトニック結晶層に入射する光の周波数を適切に選択することによって、前述したように６Ｂ１を取り巻くように電界が分布するモードを生じさせることが出来る。このモードでは、矢印で示す電界ベクトルが、それぞれ重心Ｇを中心に回転するように位置している。これらの電界ベクトルの重心位置に、異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇを一致させ、４つの異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇを結ぶ線分によって正方形を構成する。すなわち、異屈折率領域６Ｂは、正方格子の格子点位置に配置されている。構成された正方形の対角線の交点を中心として周囲を回転する電界ベクトルも存在する。
　ここで、各単位構成領域内において、先端の１点６Ｂ２が存在する場合、この１点に対して、特定の向きの電界ベクトルのみが有効に残留して機能し、残りの電界ベクトルは相殺される傾向にある。マクスウェル方程式の境界条件に従って、ＸＹ平面内の電界成分は屈折率境界の内外領域間の誘電率差に応じて変化する。この結果、空間的な位相に変調が生じる。すなわち、先端の１点６Ｂ２を通過する電界ベクトル（偏光の向き）のみが、直線偏光の点光源として残る。換言すれば、フォトニック結晶層６内には、二次元平面上の偏光の向きが異なる複数の点光源が分布しているものと考えることができる。なお、この点光源の分布の遠視野像は、これらの点光源をフーリエ変換したもの考えることができる。
　ここで、概略三角形の異屈折率領域６Ｂ１の平面形状は、以下の形状と、偏光の向きを取ることができる。
　正三角形、又は、底辺が他の２辺よりも短い二等辺三角形の場合、底辺から頂点に向かう方向に直交した方向の偏光成分（電界ベクトル）が残る。直角二等辺三角形の場合、斜辺に平行な偏光成分又は垂直な偏光成分が残る。直角三角形の場合、斜辺に平行な偏光成分又は垂直な偏光成分が残る。このように形状に応じて偏光方位（位相）が変化するので、それぞれの異屈折率領域を、フォトニック結晶層の厚み方向（Ｚ軸）周りに回転させれば、レーザ光の位相を変化させることができる。
　図１３は、フォトニック結晶層の平面図である。
　図８に示したものとの相違点は、φがＸのみならず、Ｙの関数でもある点である。すなわち、Ｘが増加するに比例して、φも等間隔で増加するが、Ｙが増加するに比例してφも等間隔で増加する構成となっている。この関数は、φ＝φ０＋ａＸ＋ｂＹ（但し、φ０は定数、ａは０以外の定数、ｂは０以外の定数）で与えられる。この関数はフォトニック結晶層全体又は特定領域内に適用することもできる。
　図１４は、偏光板通過後の出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図１４において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１５のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、レーザビームの形状はスポット（円形）となる。
　なお、本発明の手法を用いることにより、任意の位相分布を実現することが可能となる。換言すれば、任意の強度分布をもった点光源の集合体を実現することが可能である。この点光源の集合体から得られる遠視野像は、この点光源の強度分布をフーリエ変換したもので与えられるので、任意の強度分布を実現することが出来れば、任意の遠視野像を得ることが可能となる。具体的には、所望の遠視野像を逆フーリエ変換して得られた位相分布を本発明の手法により配置すれば、任意の遠視野像が得られる。幾つかの強度分布のパターンの例を以下に示す。
　図１６は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図１６において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１７のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、Ｙ軸方向に沿ったラインパターンのレーザビームを得ることができる。
　図１８は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図１８において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１９のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、円環状のパターンのレーザビームを得ることができる。
　図２０は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図２０において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２１のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、３点マルチスポットのレーザビームを得ることができる。
　図２２は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図２２において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２３のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、「光」という文字形状のレーザビームを得ることができる。
　図２４は、異屈折率領域の別の位相分布パターンを示す図である。
　図２４において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの位相に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２５のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、二重円環状のレーザビームを得ることができる。
　図２６は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
　図２６において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２７のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、ラゲールガウスビームと呼ばれるベクトルビームを得ることができる。
　以上のように、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。
　以上、説明したように、上述の構造の場合、個々の異屈折率領域６Ｂ（６Ｂ１）からのレーザ光は、偏光の強度に偏りが生じ、特定の向きの強度が高くなる。すなわち、特定の偏光を有することになる。ここで、平面形状の輪郭上の１点への重心からの回転角度φは、座標の関数であるため、空間的な座標が異なると、個々のレーザ光の偏光の向き（偏光板透過後の強度）が異なることとなる。したがって、個々の異屈折率領域を点光源と見做すことができ、回転角度φの位置によって、個々の強度を座標毎に変化させることができる。二次元的に分布する個々の点光源の強度が調整できれば、様々なレーザビームパターンを出射することが可能となる。
　前述の通り、二次元的に分布する点光源群の遠視野像は、点光源群のフーリエ変換像と考えることができる。フーリエ変換によって円形のレーザビームスポットを構成する場合には、特定の位置の円形の逆フーリエ変換を行って、各点光源の強度を設定すればよい。すなわち、特定位置の円形の逆フーリエ変換を行った場合の各点光源の強度に、各回転角度φを対応させて設定すれば、特定の位置に円形のレーザビームスポットを得ることができる。換言すれば、二次元強度分布が単峰性のスポットを斜め方向の位置に得ることもできる。
　また、上述のレーザ装置は、それぞれのレーザビーム出射角度が異なり、一次元又は二次元状に複数配置された上述のいずれかのレーザ素子と、レーザ素子を駆動する駆動回路とを備えており、複数の方向にレーザビームを出力させることができる。この装置は、疑似的なレーザビーム走査装置として機能させることも可能である。
　なお、上記では、各異屈折率領域６Ｂ１の形状は概略三角形としたが、それぞれは扁平率がゼロでない概略楕円形であってもよい。概略三角形又は概略楕円形とは、平面視において、三角形又は楕円形に設計された形状であるが、製造時において若干の歪みが生じたものを含む形状を意味するものとする。
　図２９は、個々の異屈折率領域６Ｂ１の形状を示すＸＹ平面図である。図２９（Ａ）に示すように、基本層６Ａの孔内の異屈折率領域６Ｂ１の形状は長尺の概略二等辺三角形であってもよく、この場合には、底辺から頂点６Ｂ２に向かう偏光方向の電界強度が高くなる。図２９（Ｂ）に示すように、基本層６Ａの孔内の異屈折率領域６Ｂ１の形状は、扁平率が０ではない長尺の概略楕円形状であってもよい。この場合は、長軸の方向に沿って、偏光方向の電界強度が高くなる。また、基本層６Ａの孔内の異屈折率領域６Ｂ１の形状が、図２９（Ｃ）のような、四角形と三角形とを組み合わせたような非回転対称形であれば、非回転対称性に起因して、特定の方向の偏光方向の電界強度が高くなる。同図の場合には長手方向（Ｘ軸方向）の電界強度が高くなる。
　これらの平面形状を有する異屈折率領域を上述の図８又は図１３のように二次元的に配置すれば、輪郭上の１点６Ｂ２に向かう電界ベクトルが残留するので、上記と同様の位相分布を作り出し、１つの斜め方向のみに出射するレーザビームを生成することができる。
　なお、上述の構造において、活性層４およびフォトニック結晶層６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。レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、上述のＡｌＧａＮを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃～８５０℃であって、実験では５５０～７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡを用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。
　すなわち、上述のレーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。
　次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成する、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。
　フォトニック結晶層を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上にフォトニック結晶層を形成すればよい。
　フォトニック結晶層を備えないレーザ素子本体を製造する場合は、この製造工程を省略すればよい。また、柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、上述の正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。
　なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、並進ベクトルａ１、ａ２に対する逆格子基本ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘである。フォトニック結晶のエネルギーバンドギャップにおける波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋがΓ点となり、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。なお、モードＡは、共振モードの中で最も周波数が低いものであり、モードＢは、その次に周波数の低いものである。
　なお、上述のフォトニック結晶層内の定在波の面内電磁界分布（点光源の面内偏光分布）を偏光板を介して強度変調し、しかる後、フーリエ変換して得られる形状は、単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、前述したように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、ベクトルビームなどとすることも可能である。
　なお、基本層６Ａの屈折率は３．０～３．５、異屈折率領域６Ｂの屈折率は１．０～３．４であることが好ましい。また、基本層６Ａの孔内の各異屈折率領域６Ｂ１の平均最大径は３８ｎｍ～７６ｎｍであることが好ましい。
　なお、非回転対称形の場合、Ｘ軸方向に沿って、φが０以上２π（ｒａｄ）未満の範囲において、３つ以上の値をとることが好ましい。
　以上、説明したように、上述のいずれのレーザ素子も、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子であり、フォトニック結晶層における複数の異屈折率領域は、平面形状が概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形である。また、単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが、場所（座標）により異なっており、フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含んでいる。回転角度φに応じた位相差が生じることで、所望の方向のレーザビームを得ることも可能となる。そして、回転角度φが、フォトニック結晶層の全体の中で、或いは特定領域内において、Ｘの関数又は、Ｘ及びＹの関数であり、スポットを形成することができる。
　スポットの集合体は、これよりも複雑な形状を構成することができる。上述のレーザ素子では、レーザ素子の光出射面に垂直な方向から傾斜して出射されるレーザビームの遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状からなると共に、この遠視野像を逆フーリエ変換して得られる像の二次元位相分布は、それぞれの単位構成領域の位置における異屈折率領域輪郭上の上記１つの点６Ｂ２の回転角度φの分布に対応している。
　なお、フォトニック結晶層を構成する異屈折率領域６Ｂの深さ（厚み）は、ＸＹ平面内において均一であってもよりが、異ならせることもできる。深さが異なると、屈折率が変化する。したがって、異屈折率領域６Ｂの深さを調整することにより、出射光の位相を変更することもできる。
　図３０は、異屈折率領域の位置を示すグラフである。
　異屈折率領域６Ｂ１の重心Ｇに対して、輪郭上の１点（頂点）６Ｂ２が、（ｘ，ｙ）の位置に存在している。頂点６Ｂ２とｘ軸との成す角度はφ（ｘ，ｙ）である。
この場合、偏光板を通過した後のレーザ光の強度Ｉは、以下の通りとなる。
　Ｉ（ｘ、ｙ）∝ｆ（ｘ，ｙ）×ｇ（φ，θ）×ｈ（ＦＦ）×ｐ（Ｘ，Ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）×ｇ｛（φ（ｘ，ｙ），θ）×ｈ（ＦＦ）×ｐ（Ｘ，Ｙ）
　以下、詳説する。
　ｆ（ｘ，ｙ）は、輪郭上の１点６Ｂ２の単位格子内配置位置(ｘ,ｙ) による強度変化を示す関数である。
　図３１は、フォトニック結晶層で得られるモードを示す図であり、図３１を参照すると、正方格子構造理論上存在しうる電界分布は、mode１～４である。フォトニック結晶層に外部から光を導入する構成の場合、mode1～4は共振周波数が異なるため、導入する光の波長により、モードを選択できる。このとき扱いやすいのはmode1又はmode2である。
　また、異屈折率領域６Ｂ１の重心近傍領域が発振のための共振器となる構成の場合、mode3, mode4は共振器からの光漏れが大きく、発振する可能性は極めて低く、発振する可能性があるのはmode1又はmode2のどちらかである。上記を踏まえ、まずmode1或いはmode2を採用することが好ましい。
　mode1（図３１（Ａ））の場合、異屈折率領域６Ｂ１の重心近傍領域の位置において磁界振幅が最大となる（図中のＡの位置）。また、これとx方向およびy方向に格子間隔の半分ずつ離れた箇所でも磁界振幅が最大となる（図中のＢの位置）。ＡとＢの磁界は、位相が互いにπ異なる。これらＡとＢを磁界の腹と呼ぶこととすると、電界はこれら磁界の腹を取り巻くように存在し、Ａを取り巻く電界と、Ｂを取り巻く電界は互いにある瞬間での向きが互いに逆となる。また、隣接するＡとＢを結ぶ線分の中点部分では、電界振幅は最大値を取る。また、隣接するＡとＡを結ぶ線分の中点部分および隣接するＢとＢを結ぶ線分の中点部分では、電界振幅はゼロとなる。
　mode2（図３１（Ｂ））の場合の電磁界分布は、mode1の電磁界分布がｘ方向またはｙ方向に格子間隔の半分だけシフトしたような分布となっている。mode1, 2の電磁界分布は、以上のような特徴を有している。異屈折率領域６Ｂ１の重心近傍領域を配置する部分の電界の強度に応じてｆ（ｘ、ｙ）は変化する。
　ｇ（φ，θ）は、重心Ｇから輪郭上の一点６Ｂ２の位置に向かう偏光方向φと偏光板の透過軸方向θによる強度変化を示す関数（但し、ｆは位置(ｘ、ｙ)により変化する）である。偏光板の透過軸方向θと、φ（ｘ，ｙ）における偏光の向きが一致すれば、透過率は高くなり、強度は増加する。
　詳説すれば、ｇ（φ，θ）＝Ｉ０ｃｏｓ２（θ―φ）で与えられる。但し、Ｉ０は偏光板による光損失によって決まる値で、θ＝φ の場合の偏光板の透過率に対応する。φは輪郭上の一点６Ｂ２での出力光の偏光方向、θは偏光板透過軸方向である。
　ｈ（ＦＦ）は輪郭上の一点６Ｂ２の位置に起因した強度変化を示す関数である。
　前述したとおり、用いる可能性があるのはmode1或いはmode2の電界分布となる。三角形は非対称図形であり、消失性干渉が生じず、ｘｙ面内の電界は孔の内外の誘電率差に応じて変化する。すなわち、非対称性に起因した電界成分がＺ方向に回折される。このような開口変化に依存したｘｙ面内での電界非対称による変化をｈａ（ＦＦ）とおくこととする。なお、ＦＦはフィリングファクターであり、単位格子内で異屈折率領域６Ｂが占める面積の割合である。
　ｐ（Ｘ，Ｙ）は、フォトニック結晶層内の位置（Ｘ，Ｙ）における強度分布関数を示している。素子全体に係る包絡強度分布として、Y. Liang et al., “Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverse-electric polarization: finite-size effects,” Opt. Express 20, 15945-15961 (2012)に記載の光結合波理論を用いて計算することも可能である。
　図３２は、レーザ素子と偏光板を備えたレーザ装置を示す図である。
　レーザ素子ＬＤの光出射面からは、複数の偏光の向きＤｐを有するレーザ光が出力される（図３２（Ａ））。このレーザ光は、偏光板Ｐを通過することで、強度変調される。図３２（Ｂ）。すなわち、レーザ装置は、上述のレーザ素子ＬＤと、レーザ素子ＬＤの光出射面に対向配置された偏光板Ｐとを備えている。
　上述のレーザ素子では、単位格子毎に輪郭上の一点６Ｂ２の配置が異なっており，これにより単位格子毎に偏光の異なる光が得られる。従って出射側に偏光板を組み合わせることで、単位格子毎に強度が異なるが位相の揃っている平面波が得られる。
　このように上述のレーザ素子では、単位格子毎に強度の異なる平面波が出射光として得られる。言い換えれば、場所毎に強度の異なる平面波が出射光として得られる。場所毎に強度の異なる平面波が得られれば、W. H. Lee, “Sampled fourier transform hologram generated by computer,”Appl. Opt. 9, 639-643 (1970)に記載の手法を用いてホログラムを得ることが可能となる。従って、任意のビームパターンを得ることが可能となる。
　具体的な手順について一例を示すと、例えば、所望のビームパターン、すなわち２次元の角度－強度情報を２次元配列として用意し、これを２次元離散フーリエ変換、或いは２次元高速フーリエ変換することにより、複素振幅の２次元配列が得られる。このとき、元々用意したビームパターンの角度－強度情報の２次元配列の要素数と変換後の複素振幅の２次元配列の要素数は一致する。各要素の複素振幅は実部と虚部から構成され、実部と虚部はそれぞれ正または負の値をとる。
　上述のLeeの文献の手法によれば、上述の各複素振幅１つに対して４つに分割された等幅の短冊状の領域を対応させ、分割された領域それぞれの強度を以下の手順に従って割り当てる。このとき、この短冊状の領域を左から順に第一の領域、第二の領域、第三の領域、第四の領域とする。前述の複素振幅の実部が正の値をとる場合、第一の領域に前述の複素振幅の実部の値を割り当て、第三の領域に零を割り当てる。前述の複素振幅の実部が負の値をとる場合、第一の領域に零を割り当て、第三の領域に前述の複素振幅の実部の値の絶対値を割り当てる。前述の複素振幅の実部が零をとる場合、第一の領域および第三の領域に零を割り当てる。また、前述の複素振幅の虚部が正の値をとる場合、第二の領域に前述の複素振幅の虚部の値を割り当て、第四の領域に零を割り当てる。前述の複素振幅の虚部が負の値をとる場合、第二の領域に零を割り当て、第四の領域に前述の複素振幅の虚部の値の絶対値を割り当てる。前述の複素振幅の虚部が零をとる場合、第二の領域および第四の領域に零を割り当てる。このようにして割り当てた値は、全て非負の値であり、強度分布を対応させることが出来る。
　上述の手順にて短冊状の各領域に強度分布を割り当てた後、所望の強度分布が得られるよう輪郭上の一点６Ｂ２の位置を割り当てる。すなわち、上述のように輪郭上の一点６Ｂ２の位置での偏光方向φと偏光板の透過軸方向θによる強度変化を示す関数ｇ（φ，θ）に従って、場所毎の強度分布を輪郭上の一点６Ｂ２の配置に変換する。上述の手順により、所望のビームパターンを得るための輪郭上の一点６Ｂ２の配置を得ることが出来る。
　なお、ここでは所望のビームパターンから輪郭上の一点６Ｂ２の配置を決める方法として一例としてLeeの方法を示したが、本発明は輪郭上の一点６Ｂ２の配置により位相の揃った任意の強度分布が得られることが特長であり、輪郭上の一点６Ｂ２の配置を決める方法はLeeの方法以外にも考えられる。例えば、C. B. Burckhardt, “A simplification of Lee’s method of generating holograms by computer,” Appl. Opt. 9, 1949 (1970)には３つの短冊状の領域に強度分布を割り当てることでLeeの方法と同様の結果が得られることが記載されているが、この方法に従っても良いし、等価な結果が得られる他の方法に従っても良い。
　図３３は、偏光板Ｐと光学素子ＬＳを備えたレーザ装置の主要部を示す図である。すなわち、偏光板Ｐの後段にレンズ又はホログラムなどの光学素子ＬＳを配置することができる。光学素子ＬＳは、入射したレーザ光をフーリエ変換して出力することができる。
　６…フォトニック結晶層、６Ａ…基本層、６Ｂ、６Ｂ１…異屈折率領域、６Ｂ２…輪郭上の１点。

 

Claims (3)

  1. 　レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子において、
    　前記フォトニック結晶層は、
    　第１屈折率媒質からなる基本層と、
    　前記第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、
    を備え、
    　複数の前記異屈折率領域は、
    　平面形状が概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形であり、
    　単位構成領域が、１つの前記異屈折率領域からなることとし、
    　前記単位構成領域内における、前記異屈折率領域の重心位置に対する前記平面形状の輪郭上の１つの点の回転角度をφとし、
    　Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、
    　それぞれの前記単位構成領域のＸＹ座標をぞれぞれの前記異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、
    　前記単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが座標により異なっており、前記フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含むことを特徴とするレーザ素子。
  2. 　前記レーザ光を発生する活性層と、
    　前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、
    　前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記フォトニック結晶層と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザ素子と、
    　前記レーザ素子の光出射面に対向配置された偏光板と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
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