WO2015008627A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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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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    • H01S5/3432—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 the whole junction comprising only (AI)GaAs

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device.
  • Patent Document 1 discloses a surface emitting laser element having a two-dimensional periodic structure.
  • This surface emitting laser element includes a photonic crystal layer.
  • the photonic crystal layer disclosed in this document has a structure in which holes are periodically provided in two orthogonal directions.
  • Non-Patent Document 1 discloses an example in which a phase shift region having a period different from that of the periphery is inserted between the hole forming regions. By using the phase shift region, it is possible to obtain a beam pattern different from the case where this is not used.
  • the annular beam is effective for optical tweezers and the like. Although it is difficult to capture an opaque material with a normal unimodal beam, an annular beam can also be used to capture an opaque material (Non-Patent Document 2).
  • Patent Document 2 discloses a projector using a surface emitting laser element.
  • a projector is a device that forms a desired image by selectively transmitting / blocking light for each pixel.
  • the projector does not control the phase of the wavefront for each pixel.
  • the semiconductor laser device is expected to have various applications. It is known that when a hologram is subjected to Fourier transform, a reproduced image is obtained, and such an apparatus is expected to be used for hologram design and the like.
  • the Fourier transform image is also used for image processing and pattern matching in an inspection apparatus.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a semiconductor laser device capable of forming a desired laser beam pattern that can be changed.
  • a semiconductor laser device is a semiconductor laser device including a semiconductor laser chip and a spatial light modulator optically coupled to the semiconductor laser chip, the semiconductor laser chip being An active layer, a pair of cladding layers sandwiching the active layer, and a diffraction grating layer optically coupled to the active layer, the spatial light modulator including a common electrode, a plurality of pixel electrodes, A liquid crystal layer disposed between the common electrode and the pixel electrode, and a laser beam output along a thickness direction of the diffraction grating layer is transparent between the common electrode and the pixel electrode.
  • Laser light output in the thickness direction from the diffraction grating layer reaches the liquid crystal layer via the pixel electrode or the common electrode.
  • the dielectric constant (refractive index) of the liquid crystal layer changes depending on the voltage applied to the pixel electrode. Therefore, the optical path length of the liquid crystal layer with respect to the laser light changes and the phase changes.
  • the phase of the laser beam reflected so as to reciprocate through the liquid crystal layer is modulated for each pixel electrode. Therefore, wavefront control can be performed for each minute region, and a desired laser beam pattern that can be changed can be formed by overlapping the wavefronts.
  • the semiconductor laser device further includes a selection circuit that is disposed on the semiconductor laser chip and selectively applies the driving voltage between the pixel electrode and the common electrode located at a desired address.
  • a selection circuit that is disposed on the semiconductor laser chip and selectively applies the driving voltage between the pixel electrode and the common electrode located at a desired address.
  • a storage device that stores an initial correction value of the drive voltage for each pixel electrode can be provided. In this case, it is possible for the device to output a desired pattern even when the phase of the spatial light modulator has variations in the plane during manufacture.
  • the semiconductor laser chip includes a laser beam generation region in which the active layer is formed, and a deflection region that is adjacent to the laser beam generation region and deflects the laser beam, and the diffraction grating layer includes the laser beam It extends so as to be located in both the light generation region and the deflection region, deflects laser light in the thickness direction of the diffraction grating layer, and the spatial light modulator is mounted on the deflection region. It is characterized by that. In this case, it is possible to optimize the characteristics in each region by separately providing the laser light generation region and the deflection region.
  • the semiconductor laser chip includes a laser light generation region in which the active layer is formed, and the diffraction grating layer is located in the laser light generation region, and laser is directed toward the thickness direction of the diffraction grating layer.
  • the light is emitted, and the spatial light modulator is mounted on the laser light generation region.
  • the apparatus can be reduced in size by arranging the spatial light modulator on the laser light generation region.
  • the semiconductor laser device is provided on a surface of the semiconductor laser chip opposite to the spatial light modulator, and a quarter wavelength plate disposed between the semiconductor laser chip and the spatial light modulator.
  • the polarizing plate is further provided.
  • the laser beam that has entered the spatial light modulator via the quarter-wave plate, reciprocated through the spatial light modulator, and again passed through the quarter-wave plate in the reverse direction has a polarization orientation rotated by 90 degrees. That is, when the laser light is incident on the quarter-wave plate as linearly polarized light having the first polarization direction, the laser beam is rotated 90 degrees with respect to the first polarization direction after passing through this twice. It becomes linearly polarized light having the second polarization direction.
  • the semiconductor laser chip includes a laser beam generation region in which the active layer is formed, and a deflection region that is adjacent to the laser beam generation region and deflects the laser beam, and the diffraction grating layer includes the laser beam It extends so as to be located in both the light generation region and the deflection region, and the deflection region is surrounded by the laser light generation region.
  • the spatial light modulator is mounted on the deflection region.
  • the diffraction grating layer includes a basic layer and a plurality of different refractive index regions that are periodically formed in the basic layer and have a refractive index different from that of the basic layer. And each planar shape of the different refractive index region of the diffraction grating layer in the deflection region is rotationally asymmetric.
  • a desired variable laser beam pattern can be formed.
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor laser device.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the semiconductor laser device.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of the diffraction grating layer.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view (A) of a part of a semiconductor laser device provided with a tapered waveguide, and a plan view (B) of the waveguide WG.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a modification of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a modification of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • FIG. 11 is a plan view of
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor laser device.
  • the semiconductor laser device includes a semiconductor laser chip LDC made of a compound semiconductor and a spatial light modulator SLM optically coupled to the semiconductor laser chip LDC.
  • the semiconductor laser chip LDC includes a light emitting layer LL including an active layer, a pair of cladding layers 2 and 7 sandwiching the light emitting layer LL, and a diffraction grating layer 6 optically coupled to the light emitting layer LL.
  • the light emitting layer LL includes an active layer and a light guide layer that sandwiches the active layer as necessary.
  • the semiconductor laser chip LDC includes a semiconductor substrate 1. The thickness direction of the semiconductor substrate 1 is taken as the Z axis, and the two directions perpendicular thereto are taken as the X axis and the Y axis.
  • each semiconductor layer is epitaxially grown sequentially on the surface in the ⁇ Z-axis direction of the semiconductor substrate 1.
  • the lower cladding layer 2, the light emitting layer LL, the diffraction grating layer 6, the upper cladding layer 7, and the contact layer 8 are sequentially formed on the semiconductor substrate 1.
  • An electrode E1 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 on the + Z-axis side
  • an electrode E2 is formed on the surface of the contact layer 8 on the ⁇ Z-axis side.
  • the light emitting layer LL and the electrodes E1 and E2 are formed only in the laser light generation region LD, and are not formed in the deflection region DF.
  • the light emitting layer LL emits light. That is, when a drive 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 (FIGS. 3 to 6, 9, and 10). reference).
  • the laser beam LB generated in the light emitting layer LL propagates in the diffraction grating layer 6, travels in the ⁇ X axis direction, and reaches the deflection region DF.
  • the deflection region DF the diffraction grating layer 6 deflects the laser light in a direction perpendicular to the thickness direction, that is, in the Z-axis direction.
  • the deflected laser light travels in the + Z-axis direction and enters the spatial light modulator SLM via the cladding layer 2 and the semiconductor substrate 1.
  • the spatial light modulator SLM is attached to the deflection region DF of the semiconductor laser chip LDC so that the laser light LB output along the thickness direction of the diffraction grating layer 6 is input.
  • the laser light is incident on the liquid crystal layer LC through the transparent one of the common electrode 25 and the pixel electrode 21 of the spatial light modulator SLM (see FIG. 3).
  • the spatial light modulator SLM modulates the phase of each minute region of the laser light LB with a drive voltage applied between the pixel electrode and the common electrode, reflects the phase-modulated laser light, and converts the semiconductor laser chip Output to the outside.
  • the laser light LB output from the spatial light modulator SLM is superposed with the phase of each minute region adjusted to form various laser beam patterns.
  • the far-field image of the superimposed laser beam LB shows an image forming the letter “A”.
  • the semiconductor laser device is arranged on a semiconductor laser chip LDC, and a selection circuit (row selection circuit DR1, column selection circuit DR2) that selectively applies a drive voltage between a pixel electrode located at a desired address and a common electrode. Is further provided. By providing this selection circuit on the semiconductor laser chip, the spatial light modulator can be controlled without installing a large-scale external wiring group.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the semiconductor laser device.
  • the spatial light modulator SLM includes a transparent common electrode 25, a plurality of transparent pixel electrodes 21, and a liquid crystal layer LC disposed between the common electrode 25 and the pixel electrode 21.
  • the liquid crystal layer LC is made of nematic liquid crystal or ferroelectric liquid crystal.
  • a drive current is supplied from the drive circuit DR to the laser light generation region LD constituting the semiconductor laser element.
  • the laser beam LB is output from the light emitting layer LL, and the laser beam LB reaches the liquid crystal layer LC via the pixel electrode 21 of the spatial light modulator and is phase-modulated by the liquid crystal layer LC, and then reflected by the reflecting mirror or the reflecting layer. The light is reflected by the film 23 and output to the outside through the common electrode 25.
  • the common electrode 25 is connected to a fixed potential (ground), and the pixel electrode 21 is connected to the row selection circuit DR1 via the switch element Q1 and the row line.
  • a column line extends from the column selection circuit DR2, and is connected to the control terminal of the switch element Q1.
  • the switch element Q1 is a field effect transistor. In this case, the control terminal is the gate of the transistor.
  • the spatial light modulator when a specific address (x, y) is designated, an ON signal is output from the column selection circuit DR2 to the column line at the coordinate x, and a desired potential is output from the row selection circuit DR1 to the row line at the coordinate y. Is given.
  • a drive voltage is applied between the pixel electrode 21 at the address (x, y) and the common electrode 25, the refractive index of the liquid crystal layer changes, the optical path length changes, and the laser light The phase is adjusted.
  • the row direction and the column direction are determined by the subjectivity, and are directions that can be replaced with each other.
  • the magnitude of the drive voltage is determined by the output potential from the row selection circuit DR1 and the output potential of the column selection circuit DR2, and can be constant. However, when more precise phase control is performed, for example, A variable resistor may be connected to each switch element Q1, and the value of the variable resistor may be controlled by a selection circuit having the same configuration.
  • phase distribution of the spatial light modulator is measured in advance so that the device outputs a desired pattern even when the phase of the spatial light modulator has variations in the plane during manufacturing.
  • a drive circuit for a spatial light modulator that generates a drive voltage applied to each pixel electrode via a selection circuit based on data stored in the storage device. That is, this semiconductor laser device measures the phase distribution of the spatial light modulator in advance, stores the initial phase correction value for correcting the in-plane variation of the phase based on the measurement value, and stores the spatial light modulator. It is possible to provide a storage device for providing different initial phases for each pixel electrode. In other words, this device includes a storage device MEM that stores an initial correction value of the drive voltage for each pixel electrode.
  • the drive voltage is applied from the control device CONT to each of the selection circuits DR1 and DR2, and the drive voltage and the initial correction value are stored in the storage device MEM.
  • the reference phase distribution and the measured phase distribution are compared, and the drive voltage value corresponding to the phase difference for each pixel can be used as the initial correction value.
  • the drive voltage of the initial correction value is applied to the pixel electrode. If given, a reference phase distribution is realized. In order to obtain a desired phase distribution, the desired drive voltage can be superimposed on the drive voltage corresponding to the initial correction value.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • the laser light output from the diffraction grating layer 6 in the thickness direction reaches the liquid crystal layer LC via the common electrode 25 (or the pixel electrode 21 when the position is replaced with the pixel electrode).
  • the dielectric constant (refractive index) of the liquid crystal layer LC changes depending on the voltage applied to the pixel electrode 21. Therefore, the optical path length of the liquid crystal layer LC with respect to the laser light changes, and the phase changes.
  • the phase of the laser beam LB that has passed through the liquid crystal layer LC and reciprocated is modulated for each pixel electrode 21. Therefore, wavefront control can be performed for each minute region, and a desired laser beam pattern that can be changed can be formed by overlapping the wavefronts.
  • a transparent insulating film 9 made of SiO 2 or SiNx is formed on the deflection region DF.
  • a common electrode 25 of the spatial light modulator SLM is disposed on the transparent insulating film 9, and a frame-like spacer 24 for holding liquid crystal is provided on the common electrode 25, and a space inside the spacer 24 is filled with a liquid crystal layer LC.
  • a reflective film 23 is formed on the spacer 24 and the liquid crystal layer LC, and a plurality of pixel electrodes 21 are disposed on the reflective film 23 with a protective film 22 interposed therebetween. The pixel electrode 21 is located between the substrate 20 and the protective film 22.
  • the pixel electrode 21 is preferably formed on the substrate 20 made of a semiconductor, and then the protective film 22 is covered with the protective film 22 so that the surface thereof is planarized.
  • a reflective film 23 is formed on the film 22, and the intermediate substrate is inverted and placed on the frame-like spacer 20.
  • Appropriate alignment films are provided on the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer LC.
  • the laser beam LB reflected by the reflective film 23 on the liquid crystal layer LC is output to the outside through the common electrode 25 and the semiconductor laser chip LDC.
  • the light emitting layer LL shown in FIG. 1 includes an active layer 4 and light guide layers 3 and 5 sandwiching the active layer 4, and these are formed only in the laser light generation region.
  • the contact layer 8 is provided as necessary.
  • the semiconductor laser chip includes a laser light generation region LD in which the active layer 4 is formed, and a deflection region DF that is adjacent to the laser light generation region LD and deflects the laser light. It extends so as to be located in both the light generation region LD and the deflection region DF.
  • the diffraction grating layer 6 deflects the laser light in the thickness direction of the diffraction grating layer 6.
  • the spatial light modulator SLM is mounted on the deflection region DF. In the case of the first embodiment, by providing the laser light generation region LD and the deflection region DF separately, it is possible to optimize the characteristics in each region.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that it further includes a quarter-wave plate ( ⁇ / 4 phase difference plate) and a polarizing plate, and the other points are the same. That is, this apparatus is provided on the surface of the semiconductor laser chip LDC opposite to the spatial light modulator SLM and the quarter wavelength plate 26 disposed between the semiconductor laser chip LDC and the spatial light modulator SLM.
  • the polarizing plate 27 is further provided.
  • the diffraction grating layer 6 has a structure in which, for example, triangular shapes are arranged in a square lattice pattern, and diffracts linearly polarized light in the vertical direction. If the polarization transmission axis of linearly polarized light output from the diffraction grating layer 6 at this time is the axis A, the polarization transmission axis of the polarizing plate 27 is set in a direction orthogonal to the axis A (referred to as axis B). Further, the fast axis of the quarter wave plate is set in a direction rotated by 45 ° from the axis A.
  • the laser beam that has entered the spatial light modulator SLM via the quarter-wave plate 26, reciprocated through the spatial light modulator SLM, and again passed through the quarter-wave plate 26 in the opposite direction has a polarization orientation of 90. Rotate degrees. That is, when the laser beam LB is incident on the quarter-wave plate 26 as linearly polarized light having the first polarization direction (axis A), after passing through the quarter wavelength plate 26, the laser light LB changes in the first polarization direction. On the other hand, it becomes linearly polarized light having the second polarization direction (axis B) rotated by 90 degrees.
  • the polarization direction in the polarizing plate 27 is matched with the second polarization direction (axis B)
  • only the laser light reciprocating through the spatial light modulator SLM is transmitted through the polarizing plate 27, and components in other polarization directions. Is blocked by the polarizing plate 27. Therefore, noise components that are not modulated by the liquid crystal layer LC are removed from the output image, and the contrast is improved.
  • the positions of the common electrode 25 and the quarter-wave plate 26 can be interchanged.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • the third embodiment is different from the first embodiment in that the position of the spatial light modulator SLM is changed and the electrode structure of the laser is changed, and other configurations are the same.
  • This semiconductor laser chip includes a laser light generation region LD in which an active layer 4 is formed, and the diffraction grating layer 6 is located in the laser light generation region LD, and laser light is directed toward the thickness direction of the diffraction grating layer 6.
  • LB is emitted.
  • the spatial light modulator SLM is mounted on the laser light generation region LD. In this case, the apparatus can be reduced in size by disposing the spatial light modulator SLM on the laser light generation region LD.
  • a transparent electrode or a semiconductor region (conductive region E3) having a high impurity concentration is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 on the + Z side, and a transparent insulating film 9 is formed thereon.
  • the electrode E1 is electrically and physically connected to the conductive region E3 and has an opening shape.
  • the spatial light modulator SLM is provided inside the opening shape of the electrode E1.
  • the electrode E2 is configured to transmit part or all of the laser light LB.
  • a transparent electrode such as ITO, ZnO, graphene, or Ag nanowire, or a mesh structure having a fine opening made of metal such as Au or Ag is used.
  • the mesh structure does not necessarily have to be periodic.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser device according to the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment is different from the second embodiment in that the position of the spatial light modulator SLM is changed and the electrode structure of the laser is changed, and the other configurations are the same.
  • This semiconductor laser chip includes a laser light generation region LD in which an active layer 4 is formed, and the diffraction grating layer 6 is located in the laser light generation region LD, and laser light is directed toward the thickness direction of the diffraction grating layer 6.
  • LB is emitted.
  • the spatial light modulator SLM is mounted on the laser light generation region LD. In this case, the apparatus can be reduced in size by disposing the spatial light modulator SLM on the laser light generation region LD.
  • a transparent electrode or a semiconductor region (conductive region E3) having a high impurity concentration is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 on the + Z side, and a transparent insulating film 9 is formed thereon.
  • the electrode E1 is electrically and physically connected to the conductive region E3 and has an opening shape.
  • the spatial light modulator SLM is provided inside the opening shape of the electrode E1. In this case, since the row selection circuit DR1 and the column selection circuit DR2 are located outside the electrode E1, appropriate connection wiring is provided from these to the pixel electrode and the common electrode.
  • FIG. 7 is a plan view of the diffraction grating layer.
  • the above-described diffraction grating layer 6 includes, for example, a basic layer 6A and a different refractive index region 6B.
  • the different refractive index region 6B is embedded in the basic layer 6A at a predetermined depth, and the refractive index is different from this.
  • the planar shape of the different refractive index region 6B is circular, but other shapes such as a triangle and an ellipse may be used.
  • a shape having no rotational symmetry of 90 degrees can be used.
  • this shape can be, for example, an isosceles triangle, a right triangle, or a right isosceles triangle.
  • the different refractive index region 6B is arranged at the lattice point position of the square lattice, but it may be arranged at the lattice point position of the triangular lattice. Since the diffraction grating layer 6 has a periodic structure in which the refractive index changes two-dimensionally by embedding the different refractive index region, it functions as a diffraction grating and also as a photonic crystal layer.
  • the periodic structure in the laser light generation region LD and the periodic structure in the deflection region DF are shown to be the same, they may have different shapes.
  • a periodic structure in which perfect circular holes are arranged in a square lattice may be used in the laser light generation region LD
  • a periodic structure in which triangular holes are arranged in a square lattice may be used in the deflection region DF.
  • the semiconductor laser element described above is a surface emitting laser, and a part thereof is taken out from the lateral direction (FIGS. 3 and 4) or taken out from the thickness direction (FIGS. 5 and 6) and input to the spatial light modulator SLM. is doing.
  • this semiconductor laser element is an edge emitting laser, the following structure can be considered.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view (A) of a part of a semiconductor laser device provided with a tapered waveguide, and a plan view (B) of the waveguide WG.
  • the portions not shown are the same as those in FIG. 3 or FIG. 4, and the diffraction grating layer 6 can be omitted.
  • the laser beam LB output from the active layer 4 in the lateral direction is input to the waveguide WG adjacent thereto.
  • the waveguide WG includes a tapered waveguide WG1 and a waveguide (diffusion part) WG2 having a rectangular planar shape.
  • the width of the laser light in the Y-axis direction is widened by the tapered waveguide WG1, and a wide range of laser light is deflected in the thickness direction (Z-axis direction) of the substrate by the diffusion portion WG2.
  • the same diffraction grating as that shown in FIG. 7 is formed, and this functions as a diffraction grating layer.
  • the deflected laser light enters the spatial light modulator SLM as described above. Note that the diffusion portion WG2 of the waveguide WG is optically coupled to the active layer.
  • each semiconductor laser device is a semiconductor laser device including a semiconductor laser chip and a spatial light modulator optically coupled to the semiconductor laser chip.
  • the semiconductor laser chip includes an active layer, an active layer, and an active layer.
  • the spatial light modulator includes a common electrode, a plurality of pixel electrodes, and a common electrode and a pixel electrode, and a pair of cladding layers sandwiching the layer and a diffraction grating layer optically coupled to the active layer.
  • a semiconductor laser chip so that laser light output along the thickness direction of the diffraction grating layer is input via a transparent one of the common electrode and the pixel electrode.
  • the phase of each minute region of the laser light is modulated by a driving voltage applied between the pixel electrode and the common electrode, and the phase-modulated laser light is reflected and output to the outside.
  • 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
  • the active layer 4 is a multiquantum.
  • the well structure MQW carrier layer: AlGaAs / well layer: InGaAs
  • the upper light guide layer 5 comprises lower layer AlGaAs / upper layer GaAs
  • the upper cladding layer 7 comprises AlGaAs
  • the contact layer 8 comprises GaAs.
  • the basic layer 6A is made of GaAs, and the different refractive index region (buried layer) 6B embedded in the basic layer 6A is made of AlGaAs.
  • 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 ).
  • the semiconductor substrate 1 is N type
  • the lower cladding layer 2 is N type
  • the lower light guide layer 3 is I type
  • the active layer 4 is I type
  • the lower layer of the upper light guide layer 5 is P or I type
  • the upper layer is I type
  • the diffraction grating layer 6 can be I-type
  • the upper cladding layer 7 can be P-type
  • the contact layer 8 can be P-type.
  • a region to which no impurity is intentionally added is intrinsic (I type).
  • the I-type impurity concentration is 1 ⁇ 10 16 / cm 3 or less.
  • the thickness of the semiconductor substrate 1 is 150 ⁇ m (80 ⁇ m to 350 ⁇ m)
  • the thickness of the lower cladding layer 2 is 2 ⁇ 10 3 nm (1 ⁇ 10 3 nm to 3 ⁇ 10 3 nm)
  • the thickness of the active layer 4 is 30 nm (10 nm to 100 nm)
  • the thickness of the lower layer of the upper light guide layer 5 is 50 nm (10 nm to 100 nm)
  • the thickness of the upper layer is 50 nm (10 nm to 200 nm)
  • the thickness of the lattice layer 6 is 100 nm (50 nm to 200 nm)
  • the thickness of the upper cladding layer 7 is 2 ⁇ 10 3 nm (1 ⁇ 10 3 nm to 3 ⁇ 10 3 nm)
  • the thickness of the contact layer 8 is 200 nm (50 nm to 500 nm).
  • 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 equal to or larger than 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.
  • a layer of about 10 to 100 nm with an Al composition equivalent to that of the cladding layer is inserted between the second conductivity type (p-type) cladding layer. May be.
  • a columnar different refractive index region in the diffraction grating layer 6 may be a gap and a gas such as air, nitrogen, or argon may be enclosed.
  • a different refractive index region 6 ⁇ / b> B is disposed at a lattice point position of a square lattice or a triangular lattice in the XY plane.
  • the interval between the vertical and horizontal lattice lines in this square lattice is about the wavelength of the laser beam divided by the equivalent refractive index, and is specifically 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 common electrode and the pixel electrode described above are made of ITO or ZnO when they are transparent. Such a material is transparent to the laser beam and can transmit the laser beam.
  • the material of the high refractive index material layer (nH) is at least one material (for example, Ta 2 ) selected from an oxide group (insulator group) made of Ta 2 O 5 , TiO 2 , Nb 2 O 5, HfO 2, and the like. O 5 ).
  • the material of the low refractive index material layer (nL) includes at least one material (for example, SiO 2 ) selected from an insulator group made of SiO 2, MgF 2, and the like.
  • the optical film thicknesses of the high refractive material layer (nH) and the low refractive index material layer (nL) are set to 1 ⁇ 4 of the wavelength ⁇ of the laser light.
  • the laminated structure of these dielectric layers the following types can be considered.
  • the second structure After the above-described set (A) is repeatedly laminated m times, the low refractive index material layer (nL) is further formed on the high refractive material layer (nH) located on the outermost surface. In this case, the total number of layers is 2 ⁇ A ⁇ m + 1.
  • 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 used in the experiment, and TMA (trimethylaluminum), gallium raw material is used as the Al raw material during growth.
  • TMG trimethyl gallium
  • TEG triethyl gallium
  • As raw material AsH 3 arsine
  • N-type impurity raw material Si 2 H 6 dilane
  • P-type impurity raw material DEZn diethyl zinc Is used.
  • TMA trimethyl gallium
  • TMG triethyl gallium
  • AsH 3 arsine
  • Si 2 H 6 dilane
  • P-type impurity raw material DEZn diethyl zinc
  • 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.
  • AlGaAs N-type cladding layer
  • GaAs N-type semiconductor substrate
  • An optical guide layer (AlGaAs) 3 a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4, and an optical guide layer (GaAs / AaGaAs) 5 are formed on the region, and then a basic layer (GaAs) serving as a photonic crystal layer 6A is epitaxially grown sequentially 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.
  • PCVD plasma CVD
  • 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 to form a hole (hole), and the resist is removed.
  • the depth of the hole is 100 nm.
  • the compound semiconductor that becomes the different refractive index region 6B AlGaAs
  • an upper cladding layer (AlGaAs) 7 and a contact layer (GaAs) 8 are sequentially formed by MOCVD, and an appropriate electrode material is 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 diffraction grating layer 6 When the diffraction grating layer 6 is provided below the active layer, the diffraction grating layer may be formed on the lower cladding layer before the formation of the active layer and the lower light guide layer.
  • a quarter-wave plate 26 may be disposed on the semiconductor substrate 1 with the insulating film 9 interposed therebetween, and a polarizing plate 27 may be disposed on the surface of the contact layer 8.
  • the cladding layer 2 does not need to be etched, and the conductive region E3 is formed in the semiconductor substrate 1 as necessary.
  • the rest is formed by the same manufacturing method. be able to.
  • the light generated in the active layer is modulated by the diffraction grating layer and oscillated in a two-dimensional single mode, and a part of the oscillated light is generated by the diffraction grating layer. It receives second-order diffraction and is incident on the liquid crystal layer as a plane wave. Since the liquid crystal has refractive index anisotropy, the equivalent refractive index in the direction parallel to the light output changes according to the rotation angle. At this time, since the physical length of the liquid crystal layer is constant, the optical path length changes as the refractive index changes. Accordingly, when a plane wave is incident on the liquid crystal layer from below, the optical path length can be changed for each pixel.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a modification of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • the deflection region DF is surrounded by the laser light generation region LD in a plan view viewed from the Z-axis direction.
  • Other configurations are the same.
  • the laser light generated by the laser light generation region LD propagates in the lateral direction (X-axis direction), reaches the deflection region DF, and is deflected upward (Z-axis direction) in the deflection region DF.
  • the row selection circuit and the column selection circuit are arranged at appropriate positions.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a modification of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • the deflection region DF is surrounded by the laser light generation region LD in a plan view viewed from the Z-axis direction.
  • Other configurations are the same.
  • the laser light generated by the laser light generation region LD propagates in the lateral direction (X-axis direction), reaches the deflection region DF, and is deflected upward (Z-axis direction) in the deflection region DF.
  • the row selection circuit and the column selection circuit are arranged at appropriate positions.
  • FIG. 11 is a plan view of the diffraction grating layer 6 applied to the structure of FIGS. 9 and 10 described above.
  • the deflection region DF is surrounded by the laser light generation region LD.
  • the different refractive index region 6B (IN) existing in the deflection region DF and the different refractive index region 6B (OUT) existing in the laser light generation region LD have different planar shapes.
  • the diffraction grating layer 6 includes a basic layer 6A and a different refractive index region 6B.
  • the different refractive index region 6B is embedded in the basic layer 6A at a predetermined depth and has a refractive index different from that of the basic layer 6A.
  • the planar shape of the inner different refractive index region 6B (IN) is triangular (right triangle), and the outer different refractive index region 6B (OUT) is circular.
  • planar shape of the inner different refractive index region 6B (IN) is a rotationally asymmetric shape around the Z axis
  • planar shape of the outer different refractive index region 6B (OUT) rotates around the Z axis. It is a symmetrical figure or a figure of arbitrary shape.
  • the above-described different refractive index region 6B is arranged at a lattice point of the lattice in the XY plane.
  • FIG. 11 shows the case where the lattice is a square lattice.
  • the value obtained by dividing the hole interval by the equivalent refractive index is about the wavelength, and oscillation at the ⁇ point in the reciprocal lattice space is obtained.
  • oscillation at the ⁇ point light is diffracted in the Z direction in addition to the XY in-plane direction, so that light does not propagate in the Z direction in the light source unit (laser light generation region LD) in order to keep the light use efficiency high.
  • a rotationally symmetric shape is preferable as the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit. That is, the ⁇ point of a square lattice can be used as the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit.
  • the hole shape is preferably a rotationally symmetric shape.
  • oscillation at the M point in the reciprocal lattice space can be obtained by setting the value obtained by multiplying the space between the holes of the square lattice structure by the equivalent refractive index to about 2 -1/2 times the wavelength.
  • the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit is arbitrary. May be used. That is, for the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit, the M point of the square lattice can be used.
  • the hole shape may be an arbitrary shape.
  • the oscillation at the ⁇ point in the reciprocal lattice space can be obtained by setting the value obtained by multiplying the interval between the holes of the triangular lattice structure by the equivalent refractive index to about the wavelength.
  • the light source unit does not propagate light in the Z direction in order to keep the light use efficiency high.
  • a rotationally symmetric shape is preferable as the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit. That is, the ⁇ point of the triangular lattice can be used as the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit.
  • the hole shape is preferably a rotationally symmetric shape.
  • the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit is arbitrary. May be used. That is, as the planar shape of the different refractive index region 6B (OUT) functioning as the light source unit, the point J of the triangular lattice can be used. In this case, the hole shape may be an arbitrary shape.
  • the planar shape of the outer different refractive index region 6B (OUT) is any shape
  • the planar shape of the different refractive index region 6B (IN) that performs light extraction and modulation on the inner side is a rotationally asymmetric shape.
  • the inner different refractive index region 6B (IN) can be arranged so that a value obtained by multiplying the hole interval by the equivalent refractive index in a square lattice or a triangular lattice is about the wavelength.
  • oscillation at the ⁇ point in the photonic band of the photonic crystal is obtained.
  • light is also diffracted in the Z direction in addition to the XY in-plane direction.
  • by making the hole shape a rotationally asymmetric shape, light can be extracted efficiently.
  • the semiconductor laser chip described above includes a laser light generation region LD in which an active layer is formed, and a deflection region DF that is adjacent to the laser light generation region LD and deflects the laser light.
  • the layer 6 extends so as to be located in both the laser light generation region LD and the deflection region DF, and the deflection region DF is surrounded by the laser light generation region LD, so that the laser light generated in the periphery can be efficiently Can be deflected.
  • the diffraction grating layer 6 includes a basic layer 6A and a plurality of different refractive index regions 6B that are periodically formed in the basic layer 6A and have a refractive index different from that of the basic layer 6A. As shown in FIG. 11, each planar shape of the different refractive index region 6B of the grating layer 6 is rotationally asymmetric such as a triangle as viewed from the Z-axis direction, and has the above-described effects.
  • SLM spatial light modulator
  • LDC semiconductor laser chip
  • 4 active layer
  • 6 diffraction grating layer.

Landscapes

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Abstract

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

Description

半導体レーザ装置
　本発明は、半導体レーザ装置に関する。
　特許文献１は、２次元的な周期構造を備えた面発光型レーザ素子を開示している。この面発光型レーザ素子は、フォトニック結晶層を備えている。同文献に開示されたフォトニック結晶層は、直交する２方向に周期的に孔を設けた構造を有している。非特許文献１は、周囲とは周期の異なる位相シフト領域を孔形成領域間に挿入した例を開示している。位相シフト領域を用いることにより、これを用いない場合とは異なったビームパターンを得ることができる。特に、円環状ビームは、光ピンセットなどに有効である。通常の単峰ビームでは、不透明物質の捕捉は困難であるが、円環状ビームは不透明物質の捕捉にも用いることが可能である（非特許文献２）。なお、特許文献２は、面発光型レーザ素子を用いたプロジェクターを開示している。なお、一般に、プロジェクターは、画素毎に選択的に光を透過／遮断することで、所望の画像を形成する装置であるが、画素毎に波面の位相を制御するものではない。
　二次元的な広がりを有するレーザ光の微小領域毎の波面の位相を制御することができれば、微小領域毎の波面の重ね合わせにより、所望の画像を得ることができる。二次元的な広がりを有するレーザ光の近視野像をフーリエ変換したものがレーザの遠視野像であることを考慮すると、このような半導体レーザ装置は、種々の応用が期待される。ホログラムにフーリエ変換を行うと、再生像が得られることが知られており、このような装置は、ホログラム設計などにも利用することが期待される。また、フーリエ変換像は、検査装置における画像処理や、パターンマッチングなどにも用いられている。
特開２０００－３３２３５１号公報 特開２０１０－２１９３０７号公報
Eiji Miyai他、"Lasers producing tailored beams"、Nature誌441巻946頁（2006）． Kyosuke Sakai他、"Optical trapping of metal particles in doughnut-shaped beam emitted by photonic-crystal laser"、Electronics Letters誌 43巻 107-108頁（2007）
　しかしながら、従来、波面制御すなわち微小領域毎の位相制御が可能な半導体レーザ装置は知られておらず、かかる半導体レーザ装置によって、波面を自由に重ね合わせ、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することはできなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備えた半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザチップは、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層に光学的に結合した回折格子層と、を備え、前記空間光変調器は、共通電極と、複数の画素電極と、前記共通電極と前記画素電極との間に配置された液晶層と、を備え、前記回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光が、前記共通電極及び前記画素電極のうちの透明な方を介して、入力されるように、前記半導体レーザチップに取り付けられ、前記レーザ光の微小領域毎の位相を、前記画素電極と前記共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を反射させて外部に出力することを特徴とする。
　回折格子層から厚み方向に出力されたレーザ光は、画素電極或いは共通電極を介して液晶層に至る。液晶層の誘電率（屈折率）は、画素電極への印加電圧によって変化し、したがって、レーザ光に対する液晶層の光路長が変化し、位相が変化する。液晶層を往復するように反射されたレーザ光の位相は画素電極毎に変調される。したがって、微小領域毎の波面制御を行うことができ、波面の重ね合わせにより、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
　また、本半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップ上に配置され、所望のアドレスに位置する前記画素電極と前記共通電極との間に、選択的に前記駆動電圧を与える選択回路を更に備えることを特徴とする。選択回路を半導体レーザチップ上に設けることにより、大規模な外部配線群を設置することなく、空間光変調器を制御することができる。
　また、前記駆動電圧の初期補正値を前記画素電極毎に記憶する記憶装置を備えることができる。この場合、製造時に空間光変調器の位相が面内でばらつきを有した際でもデバイスが所望のパターンを出力することが可能である。
　また、前記半導体レーザチップは、前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、を備え、前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を偏向し、前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられていることを特徴とする。この場合、レーザ光生成領域と偏向領域を別々に設けることにより、それぞれの領域における特性を最適化することが可能である。
　また、前記半導体レーザチップは、前記活性層の形成されたレーザ光生成領域を備え、前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域に位置しており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を出射し、前記空間光変調器は、前記レーザ光生成領域上に取り付けられている、ことを特徴とする。この場合、レーザ光生成領域上に空間光変調器を配置することで、装置を小型化することができる。
　また、本半導体レーザ装置は、前記半導体レーザチップと前記空間光変調器との間に配置された１／４波長板と、前記半導体レーザチップの前記空間光変調器とは反対側の面に設けられた偏光板とを更に備えることを特徴とする。１／４波長板を介して空間光変調器に入射し、空間光変調器を往復して、再度、１／４波長板を逆方向へ通過したレーザ光は、偏光方位が９０度回転する。すなわち、レーザ光が、第１の偏光方向を有する直線偏光として、１／４波長板に入射した場合には、これを２度通過した後には、第１の偏光方向に対して９０度回転した第２の偏光方向を有する直線偏光となる。したがって、偏光板における偏光方向を、第２の偏光方向に一致させれば、空間光変調器を往復したレーザ光のみが偏光板を透過し、他の偏光方向の成分は偏光板によって遮断される。したがって、液晶層による変調を受けていないノイズ成分が、出力画像から除去される。
　また、前記半導体レーザチップは、前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、を備え、前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、前記偏向領域は、前記レーザ光生成領域によって囲まれていることを特徴とする。
　また、この場合において、前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられていることを特徴とする。
　また、上述のいずれの構造においても、前記回折格子層は、基本層と、前記基本層内において周期的に形成され、前記基本層とは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域と、を備え、前記偏向領域における前記回折格子層の前記異屈折率領域の個々の平面形状は、回転非対称であることを特徴とする。
　本発明の半導体レーザ装置によれば、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
図１は、半導体レーザ装置の斜視図である。 図２は、半導体レーザ装置の回路図である。 図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図４は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図５は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図６は、第４実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。 図７は、回折格子層の平面図である。 図８は、テーパー導波路を備えた半導体レーザ装置の一部の縦断面図（Ａ）、導波路ＷＧの平面図（Ｂ）である。 図９は、図３に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。 図１０は、図４に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。 図１１は、回折格子層６の平面図である。
　以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、半導体レーザ装置の斜視図である。
　この半導体レーザ装置は、化合物半導体からなる半導体レーザチップＬＤＣ及びこの半導体レーザチップＬＤＣに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備えている。
　半導体レーザチップＬＤＣは、活性層を含む発光層ＬＬと、発光層ＬＬを挟む一対のクラッド層２，７と、発光層ＬＬに光学的に結合した回折格子層６とを備えている。なお、発光層ＬＬは、活性層と必要に応じて活性層を挟む光ガイド層とからなる。半導体レーザチップＬＤＣは、半導体基板１を備えている。半導体基板１の厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２方向をＸ軸及びＹ軸とする。
　製造時においては、半導体基板１の－Ｚ軸方向の表面上に、順次、各半導体層がエピタキシャル成長されるものとする。この場合、－Ｚ軸方向を上向きとした場合、半導体基板１上には、下部クラッド層２、発光層ＬＬ、回折格子層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８が順次形成される。半導体基板１の＋Ｚ軸側の表面上には電極Ｅ１が形成されており、コンタクト層８の－Ｚ軸側の表面上には、電極Ｅ２が形成されている。
　ここで、発光層ＬＬ及び電極Ｅ１，Ｅ２は、レーザ光生成領域ＬＤ内にのみ形成されており、偏向領域ＤＦには形成されていない。電極Ｅ１，Ｅ２に駆動回路から電流を供給すると、発光層ＬＬが発光する。すなわち、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる（図３～図６、図９、図１０参照）。
　発光層ＬＬにおいて発生したレーザ光ＬＢは、回折格子層６内を伝播して、－Ｘ軸方向に進行し、偏向領域ＤＦに至る。偏向領域ＤＦにおいては、回折格子層６は、レーザ光を厚み方向に垂直な方向、すなわちＺ軸方向に偏向する。偏向されたレーザ光は、＋Ｚ軸方向に進行し、クラッド層２、半導体基板１を介して、空間光変調器ＳＬＭに入射する。
　空間光変調器ＳＬＭは、回折格子層６の厚み方向に沿って出力されたレーザ光ＬＢが入力されるように、半導体レーザチップＬＤＣの偏向領域ＤＦに取り付けられている。レーザ光は、空間光変調器ＳＬＭの共通電極２５及び画素電極２１のうちの透明な方を介して、液晶層ＬＣに入射する（図３参照）。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光ＬＢの微小領域毎の位相を、その画素電極と共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を反射させ、半導体レーザチップを介して、外部に出力する。
　空間光変調器ＳＬＭから出力されたレーザ光ＬＢは、微小領域毎の位相が調整された状態で重ね合わせられ、様々なレーザビームパターンを形成する。同図では、重ね合されたレーザビームＬＢの遠視野像が、文字「Ａ」を形成しているイメージを示している。
　半導体レーザ装置は、半導体レーザチップＬＤＣ上に配置され、所望のアドレスに位置する画素電極と共通電極との間に、選択的に駆動電圧を与える選択回路（行選択回路ＤＲ１，列選択回路ＤＲ２）を更に備えている。この選択回路を半導体レーザチップ上に設けることにより、大規模な外部配線群を設置することなく、空間光変調器を制御することができる。
　図２は、半導体レーザ装置の回路図である。
　空間光変調器ＳＬＭは、透明な共通電極２５と、透明な複数の画素電極２１と、共通電極２５と画素電極２１との間に配置された液晶層ＬＣとを備えている。液晶層ＬＣは、ネマチック液晶、又は、強誘電性液晶などからなる。駆動回路ＤＲからは、半導体レーザ素子を構成するレーザ光生成領域ＬＤに、駆動電流が供給される。これにより、発光層ＬＬからレーザ光ＬＢが出力され、レーザ光ＬＢは、空間光変調器の画素電極２１を介して液晶層ＬＣに至り、液晶層ＬＣで位相変調された後、反射鏡或いは反射膜２３によって反射され、共通電極２５を介して、外部に出力される。共通電極２５は、固定電位（グランド）に接続されており、画素電極２１はスイッチ素子Ｑ１及び行ラインを介して行選択回路ＤＲ１に接続されている。列選択回路ＤＲ２からは列ラインが延びており、スイッチ素子Ｑ１の制御端子に接続されている。このスイッチ素子Ｑ１は、電界効果トランジスタである。この場合、制御端子はトランジスタのゲートとなる。
　空間光変調器において、特定のアドレス（ｘ，ｙ）を指定した場合、列選択回路ＤＲ２から座標ｘの列ラインにＯＮ信号が出力され、行選択回路ＤＲ１から座標ｙの行ラインに所望の電位が与えられる。この場合、アドレス（ｘ，ｙ）の画素電極２１と共通電極２５との間には、駆動電圧が印加され、液晶層の屈折率が変化することとなり、光路長が変化して、レーザ光の位相が調整される。なお、空間光変調器において、行方向と列方向は主観によって決まるものであり、相互に置換可能な方向である。駆動電圧の大きさは行選択回路ＤＲ１からの出力電位と列選択回路ＤＲ２の出力電位によって決定されるものであり、一定とすることができるが、更に精密な位相制御を行う場合には、例えば、各スイッチ素子Ｑ１毎に可変抵抗を接続し、当該可変抵抗の値を同様の構成からなる選択回路によって制御すればよい。
　なお、製造時に空間光変調器の位相が面内でばらつきを有した際でもデバイスが所望のパターンを出力するように、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、これを補正するための記憶装置と、記憶装置の記憶データに基づいて、各画素電極に選択回路を介して与えられる駆動電圧を生成する空間光変調器用の駆動回路とを設けても良い。すなわち、この半導体レーザ装置は、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、測定値に基づいて位相の面内ばらつきを補正するための初期位相の補正値を記憶し、空間光変調器の画素電極毎に異なる初期位相を与えるための記憶装置を備えることができる。換言すれば、この装置は、駆動電圧の初期補正値を画素電極毎に記憶する記憶装置ＭＥＭを備えている。駆動電圧は、制御装置ＣＯＮＴから各選択回路ＤＲ１，ＤＲ２に印加されるが、この駆動電圧及び初期補正値は、記憶装置ＭＥＭに記憶される。基準の位相分布と、測定された位相分布とを比較し、各画素毎の位相の差分に対応する駆動電圧の値を初期補正値とすることができ、初期補正値の駆動電圧を画素電極に与えた場合には、基準の位相分布が実現される。所望の位相分布を得るため、初期補正値に対応する駆動電圧に、所望の駆動電圧を重畳することができる。
　図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
　回折格子層６から厚み方向に出力されたレーザ光は、共通電極２５（或いは画素電極と位置を入れ替えた場合には画素電極２１）を介して液晶層ＬＣに至る。液晶層ＬＣの誘電率（屈折率）は、画素電極２１への印加電圧によって変化し、したがって、レーザ光に対する液晶層ＬＣの光路長が変化し、位相が変化する。液晶層ＬＣを透過し往復したレーザ光ＬＢの位相は画素電極２１毎に変調される。したがって、微小領域毎の波面制御を行うことができ、波面の重ね合わせにより、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
　なお、偏向領域ＤＦ上には、ＳｉＯ２又はＳｉＮｘからなる透明絶縁膜９が形成されている。透明絶縁膜９上には、空間光変調器ＳＬＭの共通電極２５が配置されている。共通電極２５上には、液晶を保持するための枠状のスペーサ２４が設けられ、スペーサ２４内部の空間に液晶層ＬＣが充填されている。スペーサ２４及び液晶層ＬＣ上には、反射膜２３が形成され、反射膜２３上には、保護膜２２を介して、複数の画素電極２１が配置されている。画素電極２１は、基板２０と保護膜２２との間に位置している。画素電極２１等の形成時においては、好ましくは半導体からなる基板２０上に、画素電極２１を形成した後、その表面が平坦化するように保護膜２２に画素電極２１を被覆し、更に、保護膜２２上に反射膜２３を形成し、この中間体の基板を反転させて、枠状のスペーサ２０上に配置する。なお、液晶層ＬＣの上下面には適当な配向膜が設けられる。
　液晶層ＬＣ上の反射膜２３で反射されたレーザ光ＬＢは、共通電極２５及び半導体レーザチップＬＤＣを介して、外部に出力される。また、回折格子層６（の厚み方向中央位置）と、コンタクト層８との間の距離ｔ１は、半導体レーザチップにおけるコンタクト層８の露出表面で反射されたレーザ光ＬＢと、回折格子層６から直接、空間光変調器ＳＬＭへと向かう光が強めあうように設定される。すなわち、距離ｔ１は、以下の関係を満たすことができる。２×ｔ１＝λ×Ｎ、または、２×ｔ１＝λ×（Ｎ＋１／２）。但し、λはレーザ光の波長、Ｎは整数を満たすように設定されている。
　図１に示した発光層ＬＬは、活性層４及びこれを挟む光ガイド層３，５からなり、これらはレーザ光生成領域のみに形成されている。また、コンタクト層８は、必要に応じて設けられる。
　半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤと、レーザ光生成領域ＬＤに隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域ＤＦと、を備えており、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤ及び偏向領域ＤＦの双方に位置するように延びている。回折格子層６は、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光を偏向している。空間光変調器ＳＬＭは、偏向領域ＤＦ上に取り付けられている。第１実施形態の場合、レーザ光生成領域ＬＤと偏向領域ＤＦを別々に設けることにより、それぞれの領域における特性を最適化することが可能である。
　図４は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
　第２実施形態は、第１実施形態と比較して、１／４波長板（λ/4位相差板）と偏光板を更に備えた点が異なり、その他の点は、同一である。すなわち、この装置は、半導体レーザチップＬＤＣと空間光変調器ＳＬＭとの間に配置された１／４波長板２６と、半導体レーザチップＬＤＣの空間光変調器ＳＬＭとは反対側の面に設けられた偏光板２７とを更に備えている。
　回折格子層６は、例えば三角形形状が正方格子状に並べられたような構造から構成されており、上下方向に直線偏光の光を回折する。このときの回折格子層６から出力される直線偏光の偏光透過軸を軸Ａとすると、偏光板２７の偏光透過軸は軸Ａと直交する方向（軸Ｂとする）に設定されている。また、１／４波長板の速軸は、軸Ａから４５°回転した方向に設定されている。１／４波長板２６を介して空間光変調器ＳＬＭに入射し、空間光変調器ＳＬＭを往復して、再度、１／４波長板２６を逆方向へ通過したレーザ光は、偏光方位が９０度回転する。すなわち、レーザ光ＬＢが、第１の偏光方向（軸Ａ）を有する直線偏光として、１／４波長板２６に入射した場合には、これを２度通過した後には、第１の偏光方向に対して９０度回転した第２の偏光方向（軸Ｂ）を有する直線偏光となる。
　したがって、偏光板２７における偏光方向を、第２の偏光方向（軸Ｂ）に一致させれば、空間光変調器ＳＬＭを往復したレーザ光のみが偏光板２７を透過し、他の偏光方向の成分は偏光板２７によって遮断される。したがって、液晶層ＬＣによる変調を受けていないノイズ成分が、出力画像から除去され、コントラストが改善する。なお、共通電極２５と１／４波長板２６の位置は入れ替えることができる。
　図５は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
　第３実施形態は、第１実施形態と比較して、空間光変調器ＳＬＭの位置を変更し、レーザの電極構造を変更したものであり、その他の構成は同一である。
　この半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤを備え、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤに位置しており、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光ＬＢを出射する。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光生成領域ＬＤ上に取り付けられている。この場合、レーザ光生成領域ＬＤ上に空間光変調器ＳＬＭを配置することで、装置を小型化することができる。
　なお、半導体基板１の＋Ｚ側の面には、透明電極又は不純物濃度の高い半導体領域（導電領域Ｅ３）が形成されており、この上に透明絶縁膜９が形成されている。電極Ｅ１は、導電領域Ｅ３に電気的及び物理的に接続されており、開口形状を有している。空間光変調器ＳＬＭは、電極Ｅ１の開口形状の内部に設けられる。この場合、行選択回路ＤＲ１及び列選択回路ＤＲ２は、電極Ｅ１の外部に位置することになるため、これらから画素電極及び共通電極までは、適当な接続配線を施す。また、第三の実施形態において、電極Ｅ２はレーザ光ＬＢについて、一部または全部を透過するよう構成されている。具体的な構成例としてはＩＴＯ、又は、ＺｎＯ、又は、グラフェン、又はＡｇナノワイヤなどの透明電極、或いはＡｕやＡｇなどの金属で微細な開口を有するメッシュ構造から構成されている。このとき、メッシュ構造は必ずしも周期的である必要はない。
　図６は、第４実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。
　第４実施形態は、第２実施形態と比較して、空間光変調器ＳＬＭの位置を変更し、レーザの電極構造を変更したものであり、その他の構成は同一である。
　この半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤを備え、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤに位置しており、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光ＬＢを出射する。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光生成領域ＬＤ上に取り付けられている。この場合、レーザ光生成領域ＬＤ上に空間光変調器ＳＬＭを配置することで、装置を小型化することができる。
　なお、半導体基板１の＋Ｚ側の面には、透明電極又は不純物濃度の高い半導体領域（導電領域Ｅ３）が形成されており、この上に透明絶縁膜９が形成されている。電極Ｅ１は、導電領域Ｅ３に電気的及び物理的に接続されており、開口形状を有している。空間光変調器ＳＬＭは、電極Ｅ１の開口形状の内部に設けられる。この場合、行選択回路ＤＲ１及び列選択回路ＤＲ２は、電極Ｅ１の外部に位置することになるため、これらから画素電極及び共通電極までは、適当な接続配線を施す。
　図７は、回折格子層の平面図である。
　上述の回折格子層６は、例えば、基本層６Ａと異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは所定の深さで基本層６Ａ内に埋め込まれており、これと屈折率が異なる。異屈折率領域６Ｂの平面形状は円形のものが示されているが、三角形や楕円形など他の形状とすることも可能である。例えば、特定の偏光方向の強度を上げるためには、90度の回転対称性をもたない形状とすることができる。直線偏光を得るためには、この形状は、例えば、二等辺三角形、直角三角形、直角二等辺三角形とすることができる。異屈折率領域６Ｂは、正方格子の格子点位置に配置されているが、これは三角格子の格子点位置に配置されていてもよい。回折格子層６は、異屈折率領域の埋め込みにより、二次元的に屈折率変化する周期構造を有しているため、回折格子として機能すると共に、フォトニック結晶層として機能する。
　レーザ光生成領域ＬＤにおける周期構造と、偏向領域ＤＦにおける周期構造とは同一のものが示されているが、これは別の形状としてもよい。例えば、例えば、レーザ光生成領域ＬＤでは真円形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用い、偏向領域ＤＦでは三角形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用いても良い。このとき、レーザ光生成領域ＬＤでは上下方向に回折された光は対称性のため打ち消しあうのに対し、偏向領域ＤＦでは上下方向に回折された光は打ち消しあいが不完全となり出力される。従って、レーザ光生成領域からの不要出力をなくすことが出来るため、効率の改善が期待される。
　上述の半導体レーザ素子は、面発光レーザであり、その一部を横方向から取り出し（図３、図４）、又は、厚み方向から取り出し（図５，図６）、空間光変調器ＳＬＭに入力している。この半導体レーザ素子を、端面発光レーザとした場合、以下の構造が考えられる。
　図８は、テーパー導波路を備えた半導体レーザ装置の一部の縦断面図（Ａ）、導波路ＷＧの平面図（Ｂ）である。図示されない部分は、図３又は図４の構造と同一であり、回折格子層６は省略することができる。活性層４から横方向に出力されたレーザ光ＬＢは、これに隣接する導波路ＷＧに入力される。導波路ＷＧは、テーパー導波路ＷＧ１と平面形状が矩形の導波路（拡散部）ＷＧ２からなる。テーパー導波路ＷＧ１によって、レーザ光はＹ軸方向の幅が広げられ、拡散部ＷＧ２によって、広範囲のレーザ光が、基板の厚み方向（Ｚ軸方向）に偏向される。拡散部ＷＧ２には、図７に示したものと同一の回折格子が形成されており、これは回折格子層として機能する。偏向されたレーザ光は、上記と同様に空間光変調器ＳＬＭに入射する。なお、導波路ＷＧの拡散部ＷＧ２は、活性層に光学的に結合している。
　以上のように、いずれの半導体レーザ装置も、半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備えた半導体レーザ装置であって、半導体レーザチップは、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した回折格子層と、を備え、空間光変調器は、共通電極と、複数の画素電極と、共通電極と画素電極との間に配置された液晶層と、を備え、回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光が、共通電極及び画素電極のうちの透明な方を介して、入力されるように、半導体レーザチップに取り付けられ、レーザ光の微小領域毎の位相を、画素電極と共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を反射させて外部に出力している。
　なお、上述のレーザ素子の材料について説明する。
　レーザ光生成領域ＬＤを構成する半導体レーザ素子の材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。回折格子層（位相変調層、屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなる。
　なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７～１×１０２１／ｃｍ３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、回折格子層６をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１６／ｃｍ３以下である。
　また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ～３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ～３×１０３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０～３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ～１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ～１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ～２００ｎｍ）、回折格子層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ～２００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ～３×１０３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ～５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。
　また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１－ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２～０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１～０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０～１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。
　なお、回折格子層６における柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、回折格子層６においては、ＸＹ平面内における正方格子又は三角格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂが配置されている。この正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、レーザ光の波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。
　なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、基本並進ベクトルａ１、ａ２に対する基本逆格子ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘである。フォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点、すなわち、波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。
　また、上述の共通電極及び画素電極は、これらが透明である場合には、ＩＴＯ、又は、ＺｎＯからなる。このような材料は、レーザ光に対して透明であり、レーザ光が透過できる。
　また、上述の反射膜２３は、アルミニウムなど金属の単層膜或いは多層膜ミラーからなり、多層膜ミラーは、高屈折率材料層（＝ｎＨとする）と、これに対して相対的に低い屈折率を有する低屈折率材料層（＝ｎＬとする）とを交互に積層してなる。高屈折率材料層（ｎＨ）の材料は、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５及びＨｆＯ２等からなる酸化物群（絶縁体群）から選択される少なくとも１つの材料（例えばＴａ２Ｏ５）を含む。低屈折率材料層（ｎＬ）の材料は、ＳｉＯ２及びＭｇＦ２等からなる絶縁体群から選択される少なくとも１つの材料（例えばＳｉＯ２）を含む。高屈折材料層（ｎＨ）及び低屈折率材料層（ｎＬ）のそれぞれの光学膜厚を、レーザ光の波長λの１／４に設定する。これらの誘電体層の積層構造としては、以下の種類が考えられる。
　（１）：第１の構造は、低屈折率材料層（ｎＬ）と高屈折材料層（ｎＨ）とからなる組（＝Ａ）を、ｍ回、繰り返して積層した構造であり、この場合、全体の層数は２×Ａ×ｍとなる。ｍは自然数である。なお、最も下側の層を低屈折率材料層（ｎＬ）とする。（２）：第２の構造は、前述の組（Ａ）を、ｍ回、繰り返して積層した後に、最表面に位置する高屈折材料層（ｎＨ）上に更に低屈折率材料層（ｎＬ）を積層した構造であり、この場合、全体の層数は２×Ａ×ｍ＋１となる。また、（３）：上述の（１）又は（２）の構造において、高屈折率材料層（ｎＨ）と低屈折材料層（ｎＬ）の位置を入れ替えた構造も採用することができる。（３）の構造の場合、最も下側の層は高屈折率材料層（ｎＨ）となる。
　最後に、上述の半導体レーザ素子について簡単に説明する。
　半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。ＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃～８５０℃であって、実験では５５０～７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＡｌＧａＡｓの成長においては、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシンを用い、ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡは用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。
　すなわち、図３の半導体レーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２を形成した後、クラッド層２の一部をエッチングし、エッチングした領域上に、光ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５を形成し、続いて、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。
　次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。
　次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより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）を形成し、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。
　回折格子層６を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上に回折格子層を形成すればよい。
　図４の構造の場合には、半導体基板１上に絶縁膜９を介して１／４波長板２６を配置し、コンタクト層８の表面に偏光板２７を配置すればよい。
　図５及び図６の構造の場合には、クラッド層２をエッチングする必要がなく、必要に応じて半導体基板１に導電領域Ｅ３を形成する点が異なり、その他は、同様の製造方法で形成することができる。
　以上、説明したように、上述の装置によれば、活性層で生じた光は回折格子層による変調を受け、２次元単一モード発振し、発振した光のうち一部は、回折格子層による2次の回折を受け、液晶層に平面波として入射している。液晶は屈折率異方性を有するため、その回転角に応じて光出力と平行な方向の等価的な屈折率が変化する。このとき、液晶層の物理的な長さは一定であるため、屈折率が変化することにより、光路長が変化する。従って、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその光路長を変化させることが出来る。言い換えると、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその位相を変化させることが出来るので、出射波面の形状を制御することが可能となる。このように、２次元単一モード発振するレーザ光は、平面波として液晶層に入射し、画素毎に位相変調された波面が下部から光出力として得られる。
　図９は、図３に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。
　この半導体レーザ装置と、図３に示した半導体レーザ装置との相違点は、偏向領域ＤＦが、Ｚ軸方向から見た平面視において、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれている点のみであり、その他の構成は同一である。この構造の場合、レーザ光生成領域ＬＤによって発生したレーザ光は、横方向（Ｘ軸方向）に伝播して、偏向領域ＤＦに至り、偏向領域ＤＦにおいて上方向（Ｚ軸方向）偏向される。なお、行選択回路及び列選択回路は適当な位置に配置される。
　同様に、図１０は、図４に示した半導体レーザ装置の変形例の縦断面図である。
　この半導体レーザ装置と、図４に示した半導体レーザ装置との相違点は、偏向領域ＤＦが、Ｚ軸方向から見た平面視において、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれている点のみであり、その他の構成は同一である。この構造の場合においても、レーザ光生成領域ＬＤによって発生したレーザ光は、横方向（Ｘ軸方向）に伝播して、偏向領域ＤＦに至り、偏向領域ＤＦにおいて上方向（Ｚ軸方向）偏向される。なお、行選択回路及び列選択回路は適当な位置に配置される。
　図１１は、上記図９及び図１０の構造に適用される回折格子層６の平面図である。
　上述のように、偏向領域ＤＦは、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれている。ここで、偏向領域ＤＦ内に存在する異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）と、レーザ光生成領域ＬＤ内に存在する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）とは、平面形状が異なっている。
　回折格子層６は、基本層６Ａと異屈折率領域６Ｂとからなるが、異屈折率領域６Ｂは所定の深さで基本層６Ａ内に埋め込まれており、基本層６Ａとは屈折率が異なる。同図では、内側の異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）の平面形状は三角形（直角三角形）ものが示されており、外側の異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）は円形のものが示されている。
　換言すれば、内側の異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）の平面形状はＺ軸の回りに回転非対称な図形であり、外側の異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状はＺ軸の回りに回転対称な図形又は任意形状の図形である。
　また、上述の異屈折率領域６Ｂは、ＸＹ平面内における格子の格子点に配置される。
　図１１には上記格子が正方格子の場合について示した。このとき、孔の間隔を等価屈折率で除算した値は波長程度であり、逆格子空間におけるΓ点での発振が得られる。Γ点における発振においてはＸＹ面内方向に加えてＺ方向にも光が回折されるため、光の利用効率を高く保つため光源部（レーザ光生成領域ＬＤ）ではＺ方向に光が伝搬しないことが望ましい。これを実現するために、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、回転対称形状が好適である。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状として、正方格子のΓ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は回転対称形状が好適である。
　一方、正方格子構造の孔の間隔を等価屈折率で乗算した値を波長の２－１／２倍程度に設定することで、逆格子空間におけるＭ点での発振が得られる。Ｍ点における発振においてはＸＹ面内方向には光が回折するが、Ｚ方向には光が回折しないため、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、任意の形状を用いても良い。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状について、正方格子のＭ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は任意形状を用いて良い。
　一方、三角格子構造の孔の間隔を等価屈折率で乗算した値を波長程度に設定することで、逆格子空間におけるΓ点での発振が得られる。Γ点における発振においてはＸＹ面内方向に加えてＺ方向にも光が回折されるため、光の利用効率を高く保つため光源部ではＺ方向に光が伝搬しないことが望ましい。これを実現するために、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、回転対称形状が好適である。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状として、三角格子のΓ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は回転対称形状が好適である。
　また、三角格子構造の孔の間隔を等価屈折率で乗算した値を波長の２×３－１／２倍程度に設定することで、逆格子空間におけるＪ点での発振が得られる。Ｊ点における発振においてはＸＹ面内方向には光が回折するが、Ｚ方向には光が回折しないため、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状としては、任意の形状を用いても良い。つまり、光源部として機能する異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状つぃて、三角格子のＪ点を用いることが出来るが、その場合には孔形状は任意形状を用いて良い。
　外側の異屈折率領域６Ｂ（ＯＵＴ）の平面形状がいずれの形状の場合においても、内側において、光取出と変調を行う異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）の平面形状は回転非対称形状である。内側の異屈折率領域６Ｂ（ＩＮ）は、正方格子又は三角格子において孔間隔を等価屈折率で乗算した値が波長程度になるよう配置することができる。このとき、フォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点における発振が得られる。Γ点における発振ではＸＹ面内方向に加えてＺ方向にも光が回折される。このとき、孔形状を回転非対称形状とすることにより、効率的に光を取り出すことが可能となる。
　以上、説明したように、上述の半導体レーザチップは、活性層の形成されたレーザ光生成領域ＬＤと、レーザ光生成領域ＬＤに隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域ＤＦとを備え、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤ及び偏向領域ＤＦの双方に位置するように延びており、偏向領域ＤＦは、レーザ光生成領域ＬＤによって囲まれており、周囲で発生したレーザ光を効率的に偏向することができる。
　また、回折格子層６は、基本層６Ａと、基本層６Ａ内において周期的に形成され、基本層６Ａとは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域６Ｂとを備え、偏向領域ＤＦにおける回折格子層６の異屈折率領域６Ｂの個々の平面形状は、図１１に示したように、Ｚ軸方向からみて、三角形等の回転非対称であり、上述の効果を有する。
　ＳＬＭ…空間光変調器、ＬＤＣ…半導体レーザチップ、４…活性層、２，７…クラッド層、６…回折格子層。

Claims (9)

  1. 　半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備えた半導体レーザ装置であって、
    　前記半導体レーザチップは、
    　活性層と、
    　前記活性層を挟む一対のクラッド層と、
    　前記活性層に光学的に結合した回折格子層と、を備え、
    　前記空間光変調器は、
    　共通電極と、
    　複数の画素電極と、
    　前記共通電極と前記画素電極との間に配置された液晶層と、を備え、
    　前記回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光が、前記共通電極及び前記画素電極のうちの透明な方を介して、入力されるように、前記半導体レーザチップに取り付けられ、前記レーザ光の微小領域毎の位相を、前記画素電極と前記共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、位相変調したレーザ光を反射させて外部に出力する、
    ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 　前記半導体レーザチップ上に配置され、所望のアドレスに位置する前記画素電極と前記共通電極との間に、選択的に前記駆動電圧を与える選択回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 　前記駆動電圧の初期補正値を前記画素電極毎に記憶する記憶装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 　前記半導体レーザチップは、
    　前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、
    　前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、
    を備え、
    　前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を偏向し、
    　前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 　前記半導体レーザチップは、
    　前記活性層の形成されたレーザ光生成領域を備え、
    　前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域に位置しており、前記回折格子層の厚み方向に向けてレーザ光を出射し、
    　前記空間光変調器は、前記レーザ光生成領域上に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 　前記半導体レーザチップと前記空間光変調器との間に配置された１／４波長板と、
    　前記半導体レーザチップの前記空間光変調器とは反対側の面に設けられた偏光板と、を更に備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  7. 　前記半導体レーザチップは、
    　前記活性層の形成されたレーザ光生成領域と、
    　前記レーザ光生成領域に隣接し、レーザ光を偏向する偏向領域と、
    を備え、
    　前記回折格子層は、前記レーザ光生成領域及び前記偏向領域の双方に位置するように延びており、
    　前記偏向領域は、前記レーザ光生成領域によって囲まれている、
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 　前記空間光変調器は、前記偏向領域上に取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置。
  9. 　前記回折格子層は、
    　基本層と、
    　前記基本層内において周期的に形成され、前記基本層とは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域と、
    を備え、
    　前記偏向領域における前記回折格子層の前記異屈折率領域の個々の平面形状は、回転非対称である、
    ことを特徴とする請求項４、７又は８に記載の半導体レーザ装置。
     
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