(57)【要約】【課題】所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ装置を提供すること。【解決手段】半導体レーザ装置ＬＤ１は、端面発光型の半導体レーザ素子１０Ａと、コリメートレンズ２０と、を備える。半導体レーザ素子１０Ａは、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層と、フォトニック結晶層と、活性層における複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、光出射端面ＬＥＳにおける複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームＬＢを出射する。コリメートレンズ２０は、半導体レーザ素子１０Ａから出射された複数のレーザビームＬＢを半導体レーザ素子１０Ａの厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて、半導体レーザ素子１０Ａの厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射する。【選択図】図１５
2014082260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面発光型の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、を備える半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、
前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、
前記活性層における、光出射端面に平行で且つ前記活性層が延びる第一方向に並んで位置する複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、
前記光出射端面における前記複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームを出射し、
前記コリメートレンズは、前記半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームを前記半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて、前記半導体レーザ素子の厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射する、
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記コリメートレンズは、屈折率をｎＬとし、前側曲率半径をＲ１とし、後側曲率半径をＲ２とし、厚みをＳＬとし、前面でのレーザビームの入射高さをｘ１とし、光軸に垂直な直線と前記コリメートレンズに入射するレーザビームとのなす角をξ１としたときに、前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置を
【数１】
2014082260.tif 000017
なる式で表される前側焦点位置ｆ１とするように配置され、且つ、
【数２】
2014082260.tif 000018
なる式で表される後面出射位置ｘ２が、前記半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームにおいて一定である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記コリメートレンズは、前面が平面であり、前記光出射端面における前記複数の領域に対応する前記各位置を
【数３】
2014082260.tif 000019
なる式で表される前側焦点位置ｆ１とするように配置され、且つ、
【数４】
2014082260.tif 000020
なる式で表される後面出射位置ｘ２が、前記半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームにおいて一定である、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記活性層は、前記複数の領域として、第一領域と第二領域とを含み、
前記複数の駆動電極は、前記第一領域に駆動電流を供給するための第一駆動電極と、前記第二領域に駆動電流を供給するための第二駆動電極と、を含み、
前記第一駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第一領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第一及び第二の周期構造を有しており、
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第一駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、
前記第二駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、
前記フォトニック結晶層の前記第二領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第三及び第四の周期構造を有しており、
前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第二駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう１つが前記光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも１つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する発振部と、前記発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部と、を有して構成され、
前記発振部は、前記下部クラッド層と、前記上部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層としての第一フォトニック結晶層と、前記複数の駆動電極と、を含み、
前記偏向部は、第二フォトニック結晶層を含み、
前記第一フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する領域にわたり、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有し、
前記第二フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する領域毎に、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有している、
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。
【請求項６】
前記第二フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する前記領域毎で、前記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、前記光出射端面からのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせる、
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を有する端面発光型の半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者らは、フォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子について提案してきた（特許文献１及び非特許文献１など）。このような面発光型の半導体レーザ素子は、一度に２方向に向けて同時にレーザビームを出射することができるという画期的な特徴を有している。また、複数に分割された駆動電極に、駆動電流を供給することで、駆動電極毎に２方向のレーザビームを出射することができる。各駆動電極の直下に位置するフォトニック結晶の周期を異ならせておけば、駆動電極毎に、レーザビーム対の出射角が異なることになる。更に、非特許文献１によれば、細分化した駆動電極を設け、複数の駆動電極について同時に電流を流すと共に、その電流バランスを変化させることによって、連続的なビーム方向制御も可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７６９００号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】黒坂剛孝他、"On-Chipbeam-steeringphotonic-crystal lasers", Nature Photonics, vol. 4,pp.447-450, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、２方向にレーザビームを同時に出射する半導体レーザ素子の場合、実用的な用途が限られる。一方、所定の一方向にレーザビームを出射する半導体レーザ素子であれば、すなわち駆動電極毎に所定の一方向のレーザビームを出射できる構造であれば、各駆動電極へ供給される駆動電流を切り替える、更に、駆動電流バランスを変化させることで、レーザビームの走査が可能となる。この場合、従来から使用されている様々なレーザビーム偏向装置等に、当該半導体レーザ素子を適用することが可能となる。レーザビーム数を多くすれば、レーザビーム偏向装置は、高精細なレーザビーム走査装置を構成することも可能である。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究を行った結果、基板上に形成された下部クラッド層、上部クラッド層、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくとも一方との間に介在するフォトニック結晶層、並びに活性層の複数の領域に駆動電極を供給するための複数の駆動電極、を備え、活性層の複数の領域が、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、光出射端面から出射されるレーザビームの光出射端面に対する出射方向がそれぞれ異なる半導体レーザ素子に想到した。この半導体レーザ素子によれば、所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能となる。
【０００８】
上記半導体レーザ素子では、光出射端面におけるレーザビームの出射位置ごとに、レーザビームの光出射端面に対する出射方向が異なる。このため、出射されたレーザビームをコリメートするためコリメートレンズとして、従来のシリンドリカルレンズ又はトロイダルレンズなどを用いた場合、以下のような新たな課題が存在することが判明した。すなわち、光出射端面に対する出射方向により焦点距離に変化が生じてしまい、出射される全てのレーザビームに対して、同等のコリメート特性を確保することが困難となる。光出射端面に対する出射方向が大きくなるに従い、光出射端面におけるレーザビームの出射位置とレンズ間との距離が拡大する。このため、特定の出射位置から出射された、特定の出射角度のレーザビームでしか、コリメート光を得ることができない。また、コリメートレンズから出たコリメート光の垂直方向での高さも、光出射端面に対する出射方向により差が生じてしまう。
【０００９】
そこで、本発明者らはレーザビームの出射方向によらず、同等のコリメート特性を確保するための構成について更に鋭意研究を行い、出射されるレーザビームの方向を所定の方向としながら出射されるレーザビームの方向を切り替えることができ、かつ同等のコリメート特性を確保することのできる半導体レーザ装置に想到するに至った。
【００１０】
本発明に係る半導体レーザ装置は、端面発光型の半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、を備える半導体レーザ装置であって、半導体レーザ素子は、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層における、光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置する複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を有し、光出射端面における複数の領域に対応する各位置からそれぞれ異なる方向に複数のレーザビームを出射し、コリメートレンズは、半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームを半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折させて、半導体レーザ素子の厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射する、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る半導体レーザ装置では、光出射端面におけるレーザビームの出射位置（光出射端面における複数の領域に対応する位置）ごとに、レーザビームの光出射端面に対する出射方向が異なる。半導体レーザ素子から出射された各レーザビームは、上記コリメートレンズに入射すると、半導体レーザ素子の厚み方向に平行な面内でそれぞれ屈折され、半導体レーザ素子の厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射される。したがって、本発明では、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確保することができる。
【００１２】
上記コリメートレンズは、屈折率をｎＬとし、前側曲率半径をＲ１とし、後側曲率半径をＲ２とし、厚みをＳＬとし、前面でのレーザビームの入射高さをｘ１とし、光軸に垂直な直線とコリメートレンズに入射するレーザビームとのなす角をξ１としたときに、光出射端面における複数の領域に対応する各位置を
【数１】
2014082260.tif 000003
なる式で表される前側焦点位置ｆ１とするように配置され、且つ、
【数２】
2014082260.tif 000004
なる式で表される後面出射位置ｘ２が、半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームにおいて一定であってもよい。この場合、コリメートレンズとして、肉厚の単レンズが用いられていても、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確保することができる。
【００１３】
上記コリメートレンズは、前面が平面であり、光出射端面における複数の領域に対応する各位置を
【数３】
2014082260.tif 000005
なる式で表される前側焦点位置ｆ１とするように配置され、且つ、
【数４】
2014082260.tif 000006
なる式で表される後面出射位置ｘ２が、半導体レーザ素子から出射された複数のレーザビームにおいて一定であってもよい。この場合、コリメートレンズとして、前面が平面である肉厚単レンズが用いられていても、レーザビームの出射方向によらず、各レーザビームで同等のコリメート特性を確保することができる。
【００１４】
上記コリメートレンズは、前側主点ＳＨ１が、「−（ＳＬ／ｎＬ）」で表されていてもよい。
【００１５】
活性層は、複数の領域として、第一領域と第二領域とを含み、複数の駆動電極は、第一領域に駆動電流を供給するための第一駆動電極と、第二領域に駆動電流を供給するための第二駆動電極と、を含み、第一駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第一領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第一及び第二の周期構造を有しており、第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第一駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう１つが光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも１つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、第二駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、光出射端面の法線に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の第二領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第三及び第四の周期構造を有しており、第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第二駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に向かう１つが光出射端面に対して屈折角９０度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも１つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分は、第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分とは異なっていてもよい。
【００１６】
この場合、駆動電極に駆動電流を供給することにより、半導体レーザ素子内部で２つ以上のレーザビームが生成される。生成されたレーザビームの中で光出射端面に向かう１つが光出射端面に対して屈折角９０度未満となり、光出射端面に向かう別の少なくとも１つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たす。このため、同時に出射されるレーザビームの方向を所定の方向とすることができる。第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分が、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分と異なっている。このため、複数の駆動電極のうちどの電極に駆動電流を供給するかにより、レーザビームの出射方向を切り替えることができる。
【００１７】
上記半導体レーザ素子は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する発振部と、発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部と、を有して構成され、発振部は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層と、フォトニック結晶層としての第一フォトニック結晶層と、複数の駆動電極と、を含み、発振部は、第二フォトニック結晶層を含み、第一フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域にわたり、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有し、第二フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域毎に、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有していてもよい。
【００１８】
この場合、第一フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域にわたり、上記異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極毎に同一の方向にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域毎に、上記異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面から出射される。半導体レーザ素子において、発振部と偏向部とが分かれていると共に、第一フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域にわたり、上記異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有している。このため、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。
【００１９】
第二フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域毎で、発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面からのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせてもよい。この場合、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、所定の方向にレーザビームを出射し、また、その出射方向を変更することが可能な半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体レーザ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２】半導体レーザ素子の縦断面図である。
【図３】半導体レーザ素子の平面図である。
【図４】半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。
【図５】単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。
【図６】単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。
【図７】複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域の平面図である。
【図８】複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域を、複数有するフォトニック結晶領域群の平面図である。
【図９】フォトニック結晶領域群を有するフォトニック結晶層の平面図である。
【図１０】基準方向からの偏向角δθ（各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存）に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。
【図１１】様々な形状の異屈折率部（構造体）の平面図である。
【図１２】レーザビーム偏向装置の構成を示す図である。
【図１３】コリメートレンズの構成を説明するための図である。
【図１４】半導体レーザ装置の構成を説明するための図である。
【図１５】コリメートレンズの構成を説明するための図である。
【図１６】コリメートレンズの設計例を説明するための図表である。
【図１７】半導体レーザ素子の縦断面図である。
【図１８】半導体レーザ素子内部の平面図である。
【図１９】ｘｙ座標系において、原点ＯからＰ点（βｘ，βｙ）に向かうベクトル。
【図２０】ｘｙ座標系における主要光波の向きを示すグラフである。
【図２１】活性層３Ｂ内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。
【図２２】周期構造を有する回折格子層４’の平面図（Ａ）、ＸＺ平面内の断面図（Ｂ）である。
【図２３】レーザビーム出射角（屈折角）θ３と、ストライプの角度θ及び周期Λとの関係を示すグラフである。
【図２４】グラフに用いられるデータを示す図表である。
【図２５】半導体レーザ素子の部分的な領域の断面図である。
【図２６】フォトニック結晶層の平面図である。
【図２７】本実施形態に係る半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【図２８】図２７に示された半導体レーザ素子のXXVIII−XXVIII線に沿った断面構成を示す図である。
【図２９】図２７に示された半導体レーザ素子のXXIX−XXIX線に沿った断面構成を示す図である。
【図３０】図２７に示された半導体レーザ素子の平面図である。
【図３１】第一フォトニック結晶層の平面図である。
【図３２】第一フォトニック結晶層の変形例を示す平面図である。
【図３３】第二フォトニック結晶層の平面図である。
【図３４】本実施形態の変形例に係る半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【図３５】図３４に示された半導体レーザ素子の断面構成を示す図である。
【図３６】図３４に示された半導体レーザ素子の平面図である。
【図３７】第一フォトニック結晶層の平面図である。
【図３８】第二フォトニック結晶層の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２３】
図１は、半導体レーザ装置の構成を示す概略斜視図である。
【００２４】
半導体レーザ装置ＬＤ１は、半導体レーザ素子１０Ａと、コリメートレンズ２０と、を備えている。半導体レーザ素子１０Ａは、端面発光型の半導体レーザである。半導体レーザ素子１０Ａは、後で詳細に説明する構成により、光出射端面ＬＥＳから所定の方向にレーザビームを出射する。コリメートレンズ２０は、半導体レーザ素子１０Ａから出射されたレーザビームをコリメートする。
【００２５】
以下の説明では、光出射端面ＬＥＳに平行で且つ半導体レーザ素子１０Ａの活性層が延びる方向を第一方向と称する。第一方向に平行な座標軸をＸ軸とし、光出射端面ＬＥＳに垂直な方向をＹ軸とし、活性層が延びる方向に垂直な方向をＺ軸とする。レーザビームＬＢの出射方向を表すために、レーザビームＬＢが光出射端面ＬＥＳの法線Ｎに対してなす角度θを用いる。
【００２６】
次に、半導体レーザ素子１０Ａについて詳細に説明する。
【００２７】
図２は、半導体レーザ素子の縦断面図であり、図３は、半導体レーザ素子の平面図である。
【００２８】
半導体レーザ素子１０Ａは、半導体基板１上に順次形成された下部クラッド層２、下部光ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、上部光ガイド層３Ｃ、フォトニック結晶層４、上部クラッド層５、コンタクト層６を備えている。半導体基板１の裏面側には、電極Ｅ１が全面に設けられており、コンタクト層６上には、複数の駆動電極Ｅ２が設けられている。同図では、簡略的に５本の駆動電極Ｅ２が示されているが、実際には更に多くの駆動電極Ｅ２がコンタクト層６上に設けられる。
【００２９】
なお、駆動電極Ｅ２の形成領域以外のコンタクト層６上の表面は、絶縁膜ＳＨによって覆われている。絶縁膜ＳＨは、例えば、ＳｉＮやＳｉＯ２から形成することができる。
【００３０】
これらの化合物半導体層の材料／厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が１０１５／ｃｍ３以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、１０１７〜１０２０／ｃｍ３である。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層３Ｂおよびフォトニック結晶層４を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。上部光ガイド層３Ｃは、上層及び下層の２つの層からなる。
・コンタクト層６：Ｐ型のＧａＡｓ／５０〜５００ｎｍ
・上部クラッド層５：Ｐ型のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ）／１．０〜３．０μｍ
・フォトニック結晶層４：
基本層４Ａ：ＧａＡｓ／５０〜４００ｎｍ
埋め込み層（異屈折率部）４Ｂ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ）／５０〜４００ｎｍ
・上部光ガイド層３Ｃ：
上層：ＧａＡｓ／１０〜２００ｎｍ
下層：ｐ型または真性のＡｌＧａＡｓ／１０〜１００ｎｍ
・活性層３Ｂ（多重量子井戸構造）：
ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ＭＱＷ／１０〜１００ｎｍ
・下部光ガイド層３Ａ：ＡｌＧａＡｓ／０〜３００ｎｍ
・下部クラッド層２：Ｎ型のＡｌＧａＡｓ／１．０〜３．０μｍ
・半導体基板１：Ｎ型のＧａＡｓ／８０〜３５０μｍ
【００３１】
電極Ｅ１の材料としては例えばＡｕＧｅ／Ａｕ、電極Ｅ２の材料としては例えばＣｒ／ＡｕやＴｉ／Ａｕを用いることができる。
【００３２】
なお、光ガイド層は省略することも可能である。
【００３３】
この場合の製法において、ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いることができる。
【００３４】
上下の電極Ｅ１，Ｅ２間に電流を流すと、いずれかの電極Ｅ２の直下の領域Ｒを電流が流れ、この領域が発光して、レーザビームＬＢが基板の側方端面から所定の角度で出力される（図３参照）。駆動電極Ｅ２のいずれに駆動電流を供給するかにより、いずれのレーザビームＬＢが出射されるかが決定される。
【００３５】
半導体レーザ素子の平面形状は長方形であり、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をＺ軸、幅方向をＸ軸とし、光出射端面ＬＥＳに垂直な方向をＹ軸とする。ＸＹ平面内において、各駆動電極Ｅ２の延びている長手方向は、Ｙ軸に平行な直線に対して角度φを成している。すなわち、駆動電極Ｅ２の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜している。駆動電極Ｅ２は、光出射端面ＬＥＳの位置から逆側の端面に向けて延びているが、半導体レーザ素子を完全に横断することなく、途中で途切れている。
【００３６】
図４は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。
【００３７】
レーザビームは、活性層３Ｂ内において発生するが、活性層３Ｂから染み出した光は、隣接するフォトニック結晶層４の影響を受ける。フォトニック結晶層４内には、周期的屈折率分布構造が形成されている。このフォトニック結晶層により回折を受けた結果、活性層３Ｂの内部では、波数ベクトルｋ１〜ｋ４で示されるレーザビームが発生している。波数ベクトルは、向きが波面の法線方向（つまり波の伝播方向）で、大きさが波数となるベクトルのことである。波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、光出射端面ＬＥＳに向かっており、波数ベクトルｋ４、ｋ３のレーザビームは、これらとは逆の方向に向かっている。
【００３８】
波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、ＸＹ平面内において、Ｙ軸に平行な直線と角度φを成すＢ方向に対して、それぞれ±δθの角度を成して進行する。なお、Ｂ方向は、駆動電極Ｅ２の延びている方向である。Ａ方向は、ＸＹ平面内において、Ｂ方向に垂直な方向である。なお、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸回りにφだけ回転させた座標系をｘｙｚ直交座標系とする。この場合、Ａ方向はｘ軸正方向に一致し、Ｂ方向はｙ軸負方向に一致する。波数ベクトルｋ１、ｋ２のレーザビームは、光出射端面ＬＥＳに対して入射して外部に出射しようとするが、それぞれの入射角をθ１、θ２とする。波数ベクトルｋ１のレーザビームの屈折角はθ３とする。θ３は、９０度よりも小さい。すなわち、波数ベクトルｋ２のレーザビームの入射角θ２は、全反射臨界角以上であり、光出射端面ＬＥＳにおいて、全反射が生じ、外部には出力されない。一方、波数ベクトルｋ１のレーザビームの入射角θ１は、全反射臨界角未満であり、光出射端面ＬＥＳを透過して、外部に出力される。なお、θ４は、光出射端面ＬＥＳにおいて全反射したレーザビームの進行方向と、Ｙ軸負方向の成す角度であり、９０度以上である。
【００３９】
なお、フォトニック結晶層４は、複数のフォトニック結晶領域４Ｒが集合して形成されている。
【００４０】
図５は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。
【００４１】
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることが出来る。この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することで、レーザを実現することが出来る。本実施形態のフォトニック結晶層４は、基本層４Ａと、基本層４Ａ内に周期的に埋め込まれた埋め込み層（異屈折率部）４Ｂからなる。
【００４２】
本実施形態では、閃亜鉛構造の第１化合物半導体（ＧａＡｓ）からなる基本層４Ａ内に複数の穴Ｈを周期的に形成し、穴Ｈ内に、閃亜鉛構造であって第２化合物半導体（ＡｌＧａＡｓ）からなる埋め込み層４Ｂを成長させてなるフォトニック結晶層４を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第１化合物半導体と、第２化合物半導体の屈折率は異なる。なお、本実施形態では、第２化合物半導体の方が、第１化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第１化合物半導体の方が、第２化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。
【００４３】
埋め込み層である異屈折率部４Ｂは、Ａ方向及びＢ方向に沿って整列し、２次元周期構造を構成している。ここでは、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをａ１、Ｂ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをｂ１とする。なお、ａ１＝ｂ１であってもよい。ＡＢ平面内における各異屈折率部４Ｂの平面形状として、同図には長方形が示されているが、異屈折率部４Ｂの平面形状はこれに限定されるものではない。
【００４４】
図６は、図５とは異なる単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。
【００４５】
埋め込み層である異屈折率部４Ｂは、Ａ方向及びＢ方向に沿って整列し、２次元周期構造を構成している。ここでは、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをａ２、Ａ方向の異屈折率部４Ｂ間のピッチをｂ２とする。なお、ａ２＞ａ１の関係を満たしている。ＡＢ平面内における各異屈折率部４Ｂの平面形状として、同図にも長方形が示されているが、異屈折率部４Ｂの平面形状はこれに限定されるものではない。
【００４６】
図７は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域４Ｒの平面図である。
【００４７】
すなわち、このフォトニック結晶領域４Ｒは、図５に示した周期構造と、図６に示した周期構造とを単一のフォトニック結晶領域４Ｒが含んでおり、周期ａ１と周期ａ２を有している。また、同図には、Ｂ方向の周期は共にｂ２（＝ｂ１）とすることとしたものが示されている。
【００４８】
かかる構造の場合、周期ａ１の逆数（１／ａ１）と、ａ２の逆数（１／ａ２）との差分に応じて、図４におけるδθが決定される。すなわち、周期ａ１とａ２を決定することで、波数ベクトルｋ１，ｋ２で示されるレーザビームの進行方向を決定することができる。なお、δθ＝ｓｉｎ−１（δｋ／ｋ）、δｋ＝｜π｛（１／ａ１）−（１／ａ２）｝｜、ｋ＝２π／λである。λは半導体レーザ素子中のレーザ光の波長、ｋは半導体レーザ素子中のレーザ光の波数である。
【００４９】
本実施形態の場合、上記パラメータθ１、θ２、半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ｎｄｅｖの満たすべき不等式は、次の通りである。
【００５０】
０≦θ１＜ｓｉｎ−１（１／ｎｄｅｖ）
【００５１】
θ２≧ｓｉｎ−１（１／ｎｄｅｖ）
【００５２】
また、本発明の通りフォトニック結晶全体がφ傾いていることを考慮すると、各パラメータの満たすべき方程式は次の通りとなる。
δθ＝φ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ）
δｋ＝（２π／λ０）ｓｉｎ｛φ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ）｝
ｂ１＝ｂ２＝ｂ０／√（１−ｓｉｎ２δθ）
ａ１＝１／｛（δｋ／２π）＋（１／ｂ１）｝
ａ２＝１／｛（１／ｂ２）−（δｋ／２π）｝
【００５３】
なお、ｂ０はＢ方向（格子点の整列方向（異屈折率部の配列方向））に対する基準周期であり、例えば２９０ｎｍ程度である。
【００５４】
すなわち、φは光出射端面ＬＥＳに垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向（Ｂ方向）の傾き、θ３はレーザビームの出射角、ｎｄｅｖは半導体レーザ素子中の光の等価屈折率とし、第１及び第２駆動電極に駆動電流を供給した場合において、第１及び第２駆動電極直下の活性層の第１及び第２領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、第１、第２、第３及び第４周期構造（後述）において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期ｂ１、ｂ２が、√｛１−ｓｉｎ２（φ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３／ｎｄｅｖ））｝に反比例する。周期の設定を変えることで、出射角θ３を変化させることができる。
【００５５】
波数ベクトルｋ２のレーザビームの全反射条件を満たす場合の全反射臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ−１（１／ｎｄｅｖ）で与えられ、本例の場合は、φ＝１８．５°、θ２＞θｃ＝１７．６°である。
【００５６】
図８は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域４Ｒを、複数有するフォトニック結晶領域群４Ｇの平面図である。フォトニック結晶層領域４Ｒは、Ａ方向に沿って整列して配置されている。
【００５７】
一番左のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ１、２番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ２、２番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ３、４番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ４、５番目のフォトニック結晶層領域４Ｒを領域Δ５とする。便宜上、Δ１〜Δ５は、上記周期の逆数のパラメータも示すこととする。
【００５８】
領域Δ１内では、Ａ方向に図７に示した周期ａ１と周期ａ２を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
【００５９】
同様に、領域Δ２内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ３を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
【００６０】
領域Δ３内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ４を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
【００６１】
領域Δ４内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ５を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。
【００６２】
領域Δ５内では、Ａ方向に周期ａ１と周期ａ６を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列されている。但し、ａ１＜ａ２＜ａ３＜ａ４＜ａ５＜ａ６の関係を満たしている。
【００６３】
一般式を用いて説明すると、領域ΔＮ（Ｎは自然数）が、Ａ方向にそってＮの値が小さい順番に左から右に配列されており、領域ΔＮ内では、Ａ方向に周期ａ１と、周期ａ（Ｎ＋１）を満たして異屈折率部４Ｂが配列され、Ｂ方向に周期ｂ２で異屈折率部４Ｂが配列され、ａＮ＜ａ（Ｎ＋１）を満たしている。
【００６４】
これにより、周期の逆数の差に応じて、異なる方向にレーザビームを出射することができる。
【００６５】
図９は、フォトニック結晶領域群４Ｇを有するフォトニック結晶層の平面図である。
【００６６】
フォトニック結晶層４内において、各領域Δ１〜Δ５は、順番にＡ方向に沿って配置されている。各領域Δ１〜Δ５の長手方向はＢ方向（駆動電極Ｅ２の長手方向）に一致している。各駆動電極Ｅ２に、選択的に駆動電流を供給する（電極Ｅ１と特定の電極Ｅ２の間に駆動電圧を印加する）と、光出射端面ＬＥＳから、それぞれ異なる方向にレーザビームが出射する（図３参照）。
【００６７】
図１０は、基準方向（Ｂ方向）からの偏向角δθ（各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存）に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。
【００６８】
周期の逆数の差が大きくなり、角度δθが大きくなると、入射角θ１及びθ２の差が大きくなり、ｋ１ベクトルで示されるレーザビームの屈折角（出射角）が９０°から０°まで減少する。φ＝１８．５°であり、δθは、０°から１８．５°まで変化させた。半導体レーザ素子中の光の等価屈折率ｎｄｅｖは３．３とした。角度δθを調整することで、目的とするレーザビームの出射角は広い範囲で調整することができる。一方、ｋ２ベクトルで示されるレーザビームではδθの値に拘らず、θ２は常に全反射臨界角を超えているため、常に全反射を生じ、外部には出力されない。
【００６９】
図１１は、様々な形状の異屈折率部（構造体）４Ｂの平面図である。
【００７０】
上記では、異屈折率部４ＢのＡＢ平面（ＸＹ平面）内における形状として長方形（Ａ）のものを示したが、これは正方形（Ｂ）、楕円形又は円形（Ｃ）とすることもでき、二等辺や正三角形（Ｄ）とすることもできる。また、三角形の向きとして、底辺がＡ方向に平行なもの（Ｄ）の他、底辺がＢ方向に平行なもの（Ｅ）、（Ｄ）に示す三角形を１８０度回転させたもの（Ｆ）とすることもできる。なお、いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。なお、これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。
【００７１】
なお、２つの周期構造を重畳させるにあたり、周期が異なることにより孔の個数に差異が生じるため、２つの周期構造による回折強度に差が生じる。これを低減するため、周期ａ１の構造に対してはＡ方向の形状長さをａ１／ｂ１倍し、周期ａ２の構造に対してはＡ方向の形状長さをａ２／ｂ２（＝ｂ１）倍することが効果的である。
【００７２】
なお、上述の実施形態では、駆動電極Ｅ２の数が１つの場合には、単一方向のビームのみを出力可能な半導体レーザ素子を構成する。駆動電極Ｅ２の数は、複数であれば、レーザビーム偏向装置を構成することができる。
【００７３】
次に、コリメートレンズ２０の一例について、図１３を参照して詳細に説明する。図１３は、コリメートレンズの構成を説明するための図である。図１３に示されるように、コリメートレンズ２０として、肉厚の単レンズが用いられている。
【００７４】
コリメートレンズ２０は、半導体レーザ素子１０Ａに対向する前面２０ａと、コリメートされたレーザビームＬＢが出射される後面２０ｂと、を有している。コリメートレンズ２０が空気中に配置されている場合、コリメートレンズ２０のシステム行列は、下記（１）式
【数５】
2014082260.tif 000007
で表される。
【００７５】
（１）式では、コリメートレンズ２０の屈折率がｎＬとされ、前側曲率半径がＲ１とされ、後側曲率半径がＲ２とされ、コリメートレンズ２０の厚みがＳＬとされ、前面２０ａでのレーザビームＬＢの入射高さ（光軸ＯＡから前面入射位置までの距離）がｘ１とされ、後面２０ｂでのレーザビームＬＢの出射高さ（光軸ＯＡから後面出射位置までの距離）がｘ２とされ、光軸ＯＡに垂直な直線とコリメートレンズ２０に入射するレーザビームＬＢとのなす角がξ１とされている。図１３に示されるように、コリメートレンズ２０より前側の屈折率ｎ１は、１であり、コリメートレンズ２０より後側の屈折率ｎ２は、１であり、光軸ＯＡに垂直な直線とコリメートレンズ２０から出射するレーザビームＬＢとのなす角がξ２は、９０°である。
【００７６】
ここで、図１４を参照して、レーザビームＬＢの出射角（偏向角）θｏｕｔ及び広がり角αと、レーザビームＬＢの入射位置ｘ１及び角ξ１と、の関係を説明する。図１４において、（Ａ）は、半導体レーザ装置ＬＤ１をＺ軸方向から見たときの図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、半導体レーザ装置ＬＤ１をＸ軸方向から見たときの図である。（Ｂ）では、レーザビームＬＢの出射角が０°である、すなわち、レーザビームＬＢの出射方向が光出射端面ＬＥＳに垂直な方向である。（Ｃ）では、レーザビームＬＢの出射角がθｏｕｔである。発光点ＬＰが、光出射端面ＬＥＳ上に位置しているとする。光出射端面ＬＥＳ（発光点ＬＰ）とコリメートレンズ２０（前面２０ａ）との光軸ＯＡ上での距離をｄとする。
【００７７】
レーザビームＬＢの出射角が０°であるときの、レーザビームＬＢの広がり角α０とし、光軸ＯＡに垂直な直線とコリメートレンズ２０に入射するレーザビームＬＢとのなす角がξ０とすると、出射角がθｏｕｔであるレーザビームＬＢの入射高さｘ１は、下記（２）式
【数６】
2014082260.tif 000008
で表される。出射角がθｏｕｔであるレーザビームＬＢの角ξ１は、下記（３）式
【数７】
2014082260.tif 000009
で表される。
【００７８】
半導体レーザ装置ＬＤ１では、コリメートレンズ２０は、光出射端面ＬＥＳにおける複数の領域Ｒに対応する各位置、すなわち各発光点ＬＰを
【数８】
2014082260.tif 000010
なる式で表される前側焦点位置ｆ１とするように配置され、且つ、
【数９】
2014082260.tif 000011
なる式で表される後面出射位置ｘ２が、半導体レーザ素子１０Ａから出射された複数のレーザビームＬＢにおいて一定である。これにより、コリメートレンズ２０は、図１５に示されるように、半導体レーザ素子１０Ａから出射された複数のレーザビームＬＢを半導体レーザ素子１０Ａの厚み方向（Ｚ軸方向）に平行な面内でそれぞれ屈折させて、半導体レーザ素子１０Ａの厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射する。
【００７９】
コリメートレンズ２０は、図１５の（Ａ）及び（Ｂ）から分かるように、レンズの厚みＳＬ及び曲率半径（たとえば、後側曲率半径Ｒ２）が、レーザビームＬＢの出射角θｏｕｔに応じて変化している。図１５の（Ｂ）は、（Ａ）に図示されたレーザビームＬＢの各入射位置での断面構成の変化を示す図である。
【００８０】
コリメートレンズ２０は、出射角θｏｕｔが大きくなるにしたがって、厚みＳＬが薄く、後側曲率半径Ｒ２が大きく設定されている。出射角θｏｕｔが大きくなるにしたがって、厚みＳＬが薄く設定されることにより、コリメートレンズ２０の出射位置までの光路距離が短くなり、レーザビームＬＢの広がりを抑制することができる。出射角θｏｕｔが大きくなるにしたがって、後側曲率半径Ｒ２が大きく設定されることにより、前側焦点位置ｆ１が長くなり、出射角θによらず、均一なコリメート光を得ることができる。
【００８１】
以上のことから、本実施形態においては、半導体レーザ素子１０Ａにおいて、光出射端面ＬＥＳにおけるレーザビームＬＢの出射位置（光出射端面における複数の領域Ｒに対応する位置）ごとに、レーザビームＬＢの光出射端面に対する出射方向（出射角θｏｕｔ）が異なる場合でも、レーザビームＬＢの出射角θｏｕｔによらず、各レーザビームＬＢで同等のコリメート特性を確保することができる。
【００８２】
続いて、コリメートレンズ２０の別の一例として、前面２０ａが平面である肉厚単レンズである場合の例を説明する。前面２０ａが平面である場合、前側曲率半径Ｒ１が無限大とされる。したがって、コリメートレンズ２０のシステム行列は、下記（４）式
【数１０】
2014082260.tif 000012
で表される。
【００８３】
この場合、半導体レーザ装置ＬＤ１では、コリメートレンズ２０は、光出射端面ＬＥＳにおける複数の領域Ｒに対応する各位置、すなわち各発光点ＬＰを
【数１１】
2014082260.tif 000013
なる式で表される前側焦点位置ｆ１とするように配置され、且つ、
【数１２】
2014082260.tif 000014
なる式で表される後面出射位置ｘ２が、半導体レーザ素子１０Ａから出射された複数のレーザビームＬＢにおいて一定である。コリメートレンズ２０は、前側主点ＳＨ１が、「−（ＳＬ／ｎＬ）」で表される。これにより、コリメートレンズ２０は、半導体レーザ素子１０Ａから出射された複数のレーザビームＬＢを半導体レーザ素子１０Ａの厚み方向（Ｚ軸方向）に平行な面内でそれぞれ屈折させて、半導体レーザ素子１０Ａの厚み方向での幅が揃っている複数の平行光として出射する。
【００８４】
以上のことから、コリメートレンズ２０として、前面２０ａが平面である肉厚単レンズであっても、レーザビームＬＢの出射角θｏｕｔによらず、各レーザビームＬＢで同等のコリメート特性を確保することができる。
【００８５】
続いて、コリメートレンズ２０の具体的な設計例を、図１６を参照して説明する。ここでは、前面２０ａが平面である肉厚単レンズが用いられた例を説明する。
【００８６】
まず、光出射端面ＬＥＳ（発光点ＬＰ）とコリメートレンズ２０（前面２０ａ）との光軸ＯＡ上での距離ｄを１ｍｍとする。これにより、（２）式及び（３）式から、レーザビームＬＢの入射高さｘ１（ｍｍ）とｃｏｓξ１とが求められる。本設計例では、出射角θｏｕｔば、０°、１０°、２０°、３０°、４０°、及び５０°に設定される。
【００８７】
次に、コリメートレンズ２０の屈折率ｎＬを１．５と規定し、後面出射位置ｘ２を２ｍｍと規定し、
【数１３】
2014082260.tif 000015
に基づいて、厚みＳＬ（ｍｍ）を求める。そして、「−（ＳＬ／ｎＬ）」で表される前側主点ＳＨ１（ｍｍ）を求める。前側焦点位置ｆ１は、距離ｄと前側主点ＳＨ１の和であることから、これを満たす後側曲率半径Ｒ２を
【数１４】
2014082260.tif 000016
から求める。結果を図１６に示す。
【００８８】
上記設計例では、距離ｄ、前側曲率半径Ｒ１、及び屈折率ｎＬが一定であるとの条件の下で、厚みＳＬと後側曲率半径Ｒ２とを求めたが、これに限られない。距離ｄ、前側曲率半径Ｒ１、及び屈折率ｎＬが変化していてもよい。たとえば、屈折率ｎＬを変化させることにより、レーザビームＬＢの出射角θｏｕｔによらず、各レーザビームＬＢで同等のコリメート特性を確保してもよい。
【００８９】
光出射端面ＬＥＳに厚みが均一なコーディング膜が形成される場合、出射角θｏｕｔにより透過率（反射率）が変化する。したがって、光出射端面ＬＥＳにコーディング膜が形成される場合、当該コーディング膜は、出射角θによらず、同等の透過率（反射率）を有するコーディング膜であることが好ましい。
【００９０】
なお、上記では、１つのフォトニック結晶層４を用いた例について説明したが、これは２つのフォトニック結晶層４を用いて構成してもよい。
【００９１】
図１７は、半導体レーザ素子の縦断面図である。
【００９２】
図２に示したものとの相違点は、クラッド層２と光ガイド層３Ａ（活性層３Ｂ）との間に、第２のフォトニック結晶層４’を備えている点のみである。なお、第２のフォトニック結晶層４’は、第１のフォトニック結晶層４と同じ材料からなる基本層４Ａ’と異屈折率部４Ｂ’とを備えている。
【００９３】
図２に示したフォトニック結晶層４を第１のフォトニック結晶層とすると、このフォトニック結晶層４は、図５に示した単一の周期構造を有する屈折率分布構造を有しており、第２のフォトニック結晶層４’は、図６に示した周期ａ２の単一の周期構造のほか、各領域内の周期がａ３〜ａ４となるものを、Ａ方向に並べた屈折率分布構造を有している。すなわち、半導体レーザ素子の厚み方向から、これらのフォトニック結晶層４，４’の重なりを見ると、図８に示したものと同様に、領域Δ１〜領域Δ５が、Ａ方向に沿って整列していることになる。かかる構造の場合においても、各パラメータを上記のように設定することにより、図２に示した構造と同様の作用効果を得ることができる。
【００９４】
なお、かかる構造を製造する場合、クラッド層２の形成後に、第１のフォトニック結晶層４と同様の製造方法を行い（但し、異屈折率部４Ｂが形成された時点で成長を停止する）、しかる後、この上に、光ガイド層３Ａ以降の各層を、上述の製造方法と同様に製造すればよい。
【００９５】
また、２つの屈折率周期構造を含む第１のフォトニック結晶層４と同一の構造の第２のフォトニック結晶層４’を、第１のフォトニック結晶層４に代えて用いた構造であっても、同様の効果を奏する。
【００９６】
以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、基板１上に形成された下部クラッド層２と、上部クラッド層５と、下部クラッド層２と上部クラッド層５との間に介在する活性層３Ｂ（光ガイド層を含んでもよい）と、活性層３Ｂと上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層４，４’と、活性層３Ｂの第１領域Ｒ（１つの駆動電極Ｅ２の直下領域）に駆動電流を供給するための第１駆動電極Ｅ２と、を備え、第１駆動電極Ｅ２の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層４，４’の第１領域Ｒに対応する領域Δ１は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第１及び第２の周期構造を有しており、第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期（ａ１、ａ２）の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第１駆動電極Ｅ２の長手方向（Ｂ方向）に対して所定の角度（δθ）を成す２つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、全反射条件を満たすように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定されることを特徴とする。
【００９７】
すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第１駆動電極Ｅ２への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角θを全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角θ３は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。
【００９８】
また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子は、活性層３Ｂの第２領域Ｒ（２番目の駆動電極Ｅ２の直下の領域）に駆動電流を供給するための第２駆動電極Ｅ２を更に備え、第２駆動電極Ｅ２の長手方向（Ｂ方向）は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の前記第２領域に対応する領域Δ２は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに第３及び第４の周期構造を有しており、前記第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期（ａ１，ａ３）の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、第２駆動電極Ｅ２の長手方向に対して所定の角度δθを成す２つのレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、光出射端面において全反射するように設定され、他方の屈折角θ３は９０度未満となるように設定され、第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期（ａ１，ａ２）の逆数の差分は、第３及び第４の周期構造におけるそれぞれの配列周期（ａ１，ａ３）の逆数の差分とは異なる。
【００９９】
端面発光型のレーザ素子において、第２駆動電極Ｅ２への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、９０度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。
【０１００】
なお、左から３番目以降の駆動電極Ｅ２に関しても同様の作用効果がある。
【０１０１】
ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層４，４’内の領域では、異屈折率部４Ｂの配列周期の逆数の差（出射方向決定因子）が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差（出射方向決定因子）の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第１駆動電極Ｅ２に対応する領域Δ１と、第２駆動電極Ｅ２に対応する領域Δ２では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面に入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に１方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。
【０１０２】
なお、本実施例では周期の異なるフォトニック結晶としてＡ方向とＢ方向の周期が（ｂ１，ｂ１）の正方格子をベースとし、第１周期構造として周期が（ａ１，ｂ１）の長方格子、第２周期構造として周期が（ａ２，ｂ１）の長方格子の場合について説明したが、もちろん三角格子をベースとしてＡ方向の周期を互いに異ならせた構造を用いても良い。
【０１０３】
図１８は、図４に示した平面図の天地を反転させ、出射されるビームの屈折角θ３を若干変更して示した素子内部の平面図である。図４においても同様である。
【０１０４】
ｘｙｚ直交座標系は、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸の周りに角度＋φだけ回転させた座標系であり、＋ｘ方向は＋Ａ方向に一致し、＋ｙ方向は−Ｂ方向に一致する。フォトニック結晶の孔のパターンの配列は、光出射端面に対して角度φだけ傾斜している。図示のように、波数ベクトルｋ２の反射方向（波数ベクトルｋ２’のレーザビーム進行方向）と光出射端面ＬＥＳの成す角度をθ２’、波数ベクトルｋ１のレーザビームの反射方向（波数ベクトルｋ１’のレーザビーム進行方向）と光出射端面ＬＥＳとの成す角度をθ３’とする。
【０１０５】
上述の実施形態では、素子から出射されるレーザビーム数が１本となるように、波数ベクトルｋ２のレーザビームに関しては、光出射端面ＬＥＳにおいて全反射されるように、設定した。しかしながら、このレーザビームのパワーを、素子内部において再利用することができれば、電気エネルギーからレーザビームへのエネルギー変換効率が高くなるものと考えられる。そこで、反射したレーザビームＹ２’を内部で再利用できる条件について、検討する。なお、波数ベクトルｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ１’、ｋ２’に対応するレーザビーム（主要光波とする）を、それぞれＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４、Ｙ１’、Ｙ２’とし、これらは光波のベクトルも示しているものとする。また、Ｘ軸と主要光波Ｙ４との成す角度をθｔ、Ｘ軸と主要光波Ｙ３との成す角度をθｒとする。
【０１０６】
各パラメータθｔ、θｒ、θ２’、θ３’は、以下の関係式を満たしている。なお、β０、β１、β２はそれぞれ、Ｂ方向における基本逆格子ベクトル、第１周期構造のＡ方向における基本逆格子ベクトル、第２周期構造のＡ方向における基本逆格子ベクトルを意味するものとし、β０＝２π／ｂ１（＝ｂ２）、β１＝２π／ａ１、β２＝２π／ａ２、Δβ＝β２−β１、α＝β０／Δβとする。
【０１０７】
角度θｒについて説明すると、図１９に示すように、ｘｙ座標系において、原点ＯからＰ点（βｘ，βｙ）に向かうベクトルが、ｘ軸と成す角度θβ＝ｔａｎ−１(βｙ／βｘ)で与えられる。ここで、θｔはθβにおいて、βｘ＝（１／２）×Δβ、βｙ＝β０として、角度φを加えた場合であるから、（５）式で与えられる。残りのパラメータも同様に計算され、（６）式〜（８）式で与えられる。
θｔ＝ｔａｎ−１(２α)＋φ              …（５）
θｒ＝１８０°−ｔａｎ−１(２α)＋φ    …（６）
θ２’＝ｔａｎ−１(２α)−φ            …（７）
θ３’＝１８０°−ｔａｎ−１(２α)−φ  …（８）
【０１０８】
何らの付加的な構造が存在しない場合、全反射した主要光波Ｙ２’が、レーザ光共振に寄与するためには、主要光波Ｙ２’の角度θ２’と角度θｔが一致する必要がある（θ２’＝θｔ）。この場合、φ＝０となる。また、反射した主要光波Ｙ１’の角度θ３’と角度θｒが一致する必要がある（θ３’＝θｒ）。この場合、φ＝０となる。一方、２つの主要光波Ｙ１，Ｙ２のうち、一方を全反射させるためには、φ≠０である必要がある。したがって、出力されるビーム数を１本となるように全反射を行った場合には、光出射端面にて反射した主要光波をレーザ光共振に有効に寄与させることはできない。
【０１０９】
したがって、反射光を利用可能な付加的な構造について検討する。
【０１１０】
図２０は、ｘｙ座標系における主要光波の向きを示すグラフである。ｘｙ座標系におけるｘ軸は、Ｘ軸に対して角度φだけ回転している。
【０１１１】
反射光としての主要光波Ｙ２’を、共振に供する主要光波Ｙ４に一致させるためには、光波Ｙ２’の向きを角度２φだけ回転させればよい。ｘｙ座標系における主要光波Ｙ４を示すベクトルの先端Ｐ４の座標は（Δβ／２，β０）であり、主要光波Ｙ２’を示すベクトルの先端Ｐ２’の座標は、これを−２φだけ回転した座標である。
【０１１２】
一方、ＸＹ座標系においては、ｘｙ座標系のベクトルＹ４（先端Ｐ４）の座標（Δβ／２，β０）は、これを＋φだけ回転した座標（ＸＡ，ＹＡ）に変換され、ベクトルＹ２’の座標は、ｘｙ座標系のベクトルＹ４の座標を−φだけ回転した座標（ＸＢ，ＹＢ）に変換される。
（ＸＡ，ＹＡ）＝（Δβｃｏｓφ／２−β０ｓｉｎφ，Δβｓｉｎφ／２＋β０ｃｏｓφ）      …（９）
（ＸＢ，ＹＢ）＝（Δβｃｏｓφ／２＋β０ｓｉｎφ，−Δβｓｉｎφ／２＋β０ｃｏｓφ）      …（１０）
【０１１３】
ベクトルΔＹに等しい逆格子ベクトルが存在すれば、主要光波Ｙ２’が主要光波Ｙ４に結合する。すなわち、ベクトルＹ２’に、ベクトルΔＹを加えれば、ベクトルＹ４となる。ベクトルΔＹは以下のように表され、このベクトルΔＹに等しい逆格子ベクトルを有する新たな周期構造を付加的に採用すれば、全反射した光波Ｙ２’を共振に寄与させることができる。
ΔＹ＝（ＸＡ−ＸＢ，ＹＡ−ＹＢ）＝（−２β０ｓｉｎφ，Δβｓｉｎφ）
【０１１４】
なお、この新たな周期構造は、異屈折率部がストライプ状に配置されていることが好ましい。ストライプ状の周期構造は、光結合係数の異方性が高く、共振状態のＹ１，Ｙ２が受ける影響を小さくすることができる。
【０１１５】
図２１は、活性層３Ｂ内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。
【０１１６】
ＸＹ平面と光出射端面ＬＥＳとの交線はＸ軸に一致している。上述のベクトルΔＹが存在する場合には、座標Ｐ２’に先端がある光波Ｙ２’の波数ベクトルは座標Ｐ４に先端がある光波Ｙ４の波数ベクトルに変換される。ベクトルΔＹに垂直な直線をＬとする。新たな周期構造は、活性層３Ｂ内において、光波が直線Ｌに垂直な方向に進行するように設定すればよい。活性層３Ｂ内の光波の進行方向を制御するため、これに光学的に結合している回折格子層のパターンを制御する。上述の図１４においては、上下のフォトニック結晶層（回折格子層）４，４’を備えることとした。このような構造の場合において、上述の全反射を達成するフォトニック結晶層を上部の回折格子層４内に作製し、反射光を共振に利用するための上記新たな周期構造を回折格子層４’内に作製することができる（もちろん、これらの周期構造はどちらか一方、或いは両方の層に重畳して作製してもよい）。
【０１１７】
図２２（Ａ）は、上記ベクトルΔＹを与える周期構造を有する回折格子層４’の平面図であり、図２２（Ｂ）は、そのＸＺ平面内の断面図である。
【０１１８】
回折格子層４’は、ＸＹ平面内において、直線Ｌに沿ってストライプ状に延びた基本層４Ａ’と異屈折率部４Ｂ’とを備えており、これらの屈折率は異なっている。異屈折率部４Ｂ’は、周期的に基本層４Ａ’内に埋め込まれている。これにより、回折格子層４’内に、ストライプ状の周期的屈折率分布構造が形成され、ΔＹの方向に光波は進行させる回折格子層として機能する。直線Ｌに垂直な方向に沿った基本層４Ａ’の幅がこの周期構造の周期Λに対して占める割合を変化させることにより、本ストライプ状周期的屈折率分布構造による回折の強度を変化させることが出来る。逆格子空間におけるΔＹの逆格子ベクトルの長さＬ２、周期Λ、直線ＬとＸ軸との成す角度θは、以下のように与えられる。
【０１１９】
Ｌ２＝｛（２β０ｓｉｎφ）２＋（Δβｓｉｎφ）２｝１／２      …（１１）
Λ＝２π／Ｌ２
＝１／｛（２ｓｉｎφ／ａｙ）２＋（（１／ａＩＩ−１／ａＩ）ｓｉｎφ）２｝１／２  …（１２）
θ＝θｔ−φ
＝ｔａｎ−１(２α)
＝ｔａｎ−１｛（２／ａｙ）／（１／ａＩＩ−１／ａＩ）｝  …（１３）
【０１２０】
なお、β０＝２π／ａｙ、β１＝２π／ａＩ、β２＝２π／ａＩＩであり、ａｙはＢ方向の周期、ａＩは第１周期構造のＡ方向の周期、ａＩＩは第２周期構造のＡ方向の周期を示している。
【０１２１】
図２３は、レーザビーム出射角（屈折角）θ３と、ストライプの角度θ、周期Λの関係を示すグラフであり、図２４は、このグラフに用いられるデータを示す図表である。θ（°）のデータの縦軸はグラフの左側に示し、Λ（ｎｍ）のデータの縦軸はグラフの右側に示す。
【０１２２】
レーザビームの出射角θ３が大きくなるにつれて、ストライプの角度θは増加し、周期Λは小さくなることが分かる。同グラフでは、角度θ３を０°から７０°まで増加させた場合に、角度θは８４．２７°から８９．５４°まで増加し、周期Λは４８６．０８ｎｍから４６３．４３ｎｍまで減少しているが、現実的に実施可能な数値範囲内に収まっている。
【０１２３】
なお、図１７において、全反射用の周期パターンを双方のフォトニック結晶層４，４’内に作製している場合には、これらとは別に、上記ΔＹを与える新たな周期構造の回折格子層４”（構造は図２２の場合の回折格子層４’と同一）を、上部クラッド層５と回折格子層４との間に作製することができる（図２５（Ａ））。或いは、上記ΔＹを与える新たな周期構造の回折格子層４”（構造は図２２の場合の回折格子層４’と同一）を下部クラッド層２と回折格子層４’との間に形成すればよい（図２５（Ｂ））。このように、上記例では、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面によって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造（図２２、図２５の回折格子層）を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率が高くなる。
【０１２４】
図２６は、様々な周期構造を有するフォトニック結晶層４の平面図である。いずれのフォトニック結晶層４においても、基本層４Ａ内に周期的に異屈折率部４Ｂが埋め込まれている。図２６（Ａ）には正方格子、図２６（Ｂ）には長方格子、図２６（Ｃ）には三角格子、図２６（Ｄ）には面心長方格子が示されている。上述のように、フォトニック結晶層４においては、周期の異なる２つの周期構造を１つのフォトニック結晶層４内に重畳して含むか、或いは、２つのフォトニック結晶層４，４’内にそれぞれ含ませて平面視において重畳させる構成を採用する。これらの図では、重畳前の各周期構造の例を示しており、２種類の周期構造を、それぞれの基本並進ベクトル（矢印で示す）の向きが一致するように重ねて配置する。
【０１２５】
詳細には、図２６（Ａ）のフォトニック結晶層４では、正方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。正方格子は、正方形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する正方形の一方の辺の長さａは、他方の辺の長さｂに等しい。換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂに等しい。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
【０１２６】
図２６（Ｂ）のフォトニック結晶層４では、長方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。縦横の長さの異なる長方格子は、長方形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する長方形の一方の辺の長さａは、他方の辺の長さｂとは異なる。換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂとは異なる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
【０１２７】
図２６（Ｃ）のフォトニック結晶層４では、三角格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。三角格子は、三角形を隙間無く並べてできる形状であり、１つの格子を構成する三角形の底辺の長さをａ、高さをｂとする。三角形が正三角形である場合には、底辺の長さａは換言すれば、異屈折率部４Ｂの横方向の配列周期ａは、縦方向の配列周期ｂはａの√２倍となる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
【０１２８】
図２６（Ｄ）のフォトニック結晶層４では、面心長方格子の格子点位置に、異屈折率部４Ｂが配置されている。面心長方格子は、長方格子の各格子内の中央位置に付加的に格子点を備える格子であり、長方格子自体は長方形を隙間無く並べてできている。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
【０１２９】
なお、上述のように、Ａ軸はＸ軸に対して傾斜しており、これらは平行ではない。換言すれば、図２〜図１２及び図１７〜図２６において説明したフォトニック結晶層４は、いずれにおいても、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、フォトニック結晶層４における異屈折率部４Ｂは、その格子構造の格子点位置に配置されており、格子構造の基本並進ベクトル（Ａ軸、Ｂ軸）の方向は、光出射端面ＬＥＳ（図４参照）に平行な方向（Ｘ軸）とは異なっている。この場合、傾きを一定以上にすることで一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。
【０１３０】
また、フォトニック結晶層の格子構造は、その厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。つまり、上記に示した１つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。
【０１３１】
上述の正方格子（図２６（Ａ））と、長方格子（図２６（Ｂ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれていることとなり、正孔格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１＝ｂ１、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
【０１３２】
また、２つの長方格子（図２６（Ｂ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には第１及び第２の長方格子の結晶構造が含まれており、第１の長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
【０１３３】
また、２つの面心長方格子（図２６（Ｄ））を重畳させる場合、フォトニック結晶層４（或いは４，４’）には、第１及び第２の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第１の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ１、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ１、第２の面心長方格子の一方の軸方向の周期をａ２、この一方の軸に直交する軸方向の周期をｂ２とした場合、ａ１≠ａ２、ｂ１＝ｂ２を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がａ１とａ２の差分に応じて変化するという効果がある。
【０１３４】
一方の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が６０度となる特別な場合である。
【０１３５】
また、図２に示したように、半導体レーザ素子１０Ａは、活性層３Ｂの駆動電極直下の領域（第１領域、第２領域・・・）Ｒを備えている。活性層３Ｂの第１領域Ｒに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部４Ｂと、活性層３Ｂの第２領域Ｒに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部４Ｂとは、第１領域Ｒ及び第２領域Ｒそれぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なるように設定することができる。換言すれば、複数あるフォトニック結晶の回折強度を同一とするよう、孔（異屈折率部）の大きさを変化させる。強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。
【０１３６】
例えば、孔（異屈折率部）は、周期が異なる方の基本並進ベクトルに沿った方向にそった長さを変化させる。具体的には、第１領域Ｒ内では、第１周期構造及び第２周期構造における異屈折率部４Ｂの配列周期が異なる方向（例えばＢ軸）に沿った異屈折率部４Ｂの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、第２領域Ｒ内では、第３及び第４周期構造における異屈折率部４Ｂの配列周期が異なる方向（例えばＢ軸）に沿った異屈折率部４Ｂの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる。これにより、第１周期構造及び第２周期構造における回折強度、或いは第３周期構造及び第４周期構造における回折強度をそれぞれ揃えることが可能となり、発振を安定化させることができる。
【０１３７】
図１２に示したレーザビーム偏向装置は、半導体レーザ素子１０Ａと、第１駆動電極及び第２駆動電極を含む電極群Ｅ２に選択的に駆動電流を供給する駆動電流供給回路１１とを備えている。駆動電流の供給を制御することで、レーザビームＬＢの出射を制御することができる。ここで、駆動電流供給回路１１は、電極群の各電極Ｅ２に供給する駆動電流の比率を変化させる手段を更に有することができる。すなわち、図１２において、符号ＳＷ１〜ＳＷ５が、スイッチ付きのアンプを示すものとし、電源回路１１Ａから供給される駆動電流の大きさを当該アンプが制御する構成とすることができる。この場合、制御回路１１Ｂは、各アンプの利得を制御することで、各電極Ｅ２に供給される駆動電流の比率を制御することができる。
【０１３８】
また、第１領域Ｒにおける第１周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、第２領域Ｒにおける第３周期構造に近づくにしたがって連続的に変化させることもできる。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。
【０１３９】
図１２に示したレーザビーム偏向装置において、各電極Ｅ２の直下の活性層から出力されるレーザビームの波長は、同一であることが好ましい。ミラー等でレーザビーム走査が行われた場合は、偏向前後のレーザビームの波長は同一であるからである。そこで、第１及び第２駆動電極Ｅ２に駆動電流を供給した場合において、第１及び第２駆動電極Ｅ２の直下の活性層の第１領域Ｒ及び第２領域Ｒでそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、設定することが好ましい。
【０１４０】
すなわち、第１領域Ｒにおいて重畳された周期構造（第１周期構造、第２周期構造）と、第２領域Ｒにおいて重畳された周期構造（第３周期構造、第４周期構造）とは、以下の関係を満たしている。
例えば、長方格子と長方格子の組み合わせからなる構造を考えると、以下の関係式となる。
ｂ１１＝ｂ２１＝ｂ０／√（１−ｓｉｎ２δθ１）
δθ１＝φ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３１／ｎｄｅｖ）
ｂ１２＝ｂ２２＝ｂ０／√（１−ｓｉｎ２δθ２）
δθ２＝φ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ３２／ｎｄｅｖ）
【０１４１】
但し、第１領域Ｒにおいて重畳された第１の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ１１、第２の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ２１、第１領域Ｒのビーム出射角をθ３１とし、第２領域Ｒにおいて重畳された第１の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ１２、第２の長方格子のＢ軸方向の周期をｂ２２、第２領域Ｒのビーム出射角をθ３２とした。
【０１４２】
なお、上記は、長方格子と長方格子の組み合わせについて示したが、他の格子系においても同様である。
【０１４３】
なお、上述のレーザビーム偏向装置は、素子自体が偏向機能を有するため、小型化が可能であり、高信頼性、高速化も期待することができる。小型であるため、携帯機器に組み込み、また、医療用カプセル内視鏡に組み込んだレーザメスや光線力学的治療（ＰＤＴ：Photo  Dynamic  Therapy）用光源とすることも期待される。もちろん、大型のレーザ走査によるディスプレイへの応用も考えられる。レーザビームの迷光は外部に出力されないので、信頼性の向上も期待される。
【０１４４】
次に、図２７〜図３３を参照して、半導体レーザ装置ＬＤ１が備える半導体レーザ素子の変形例を説明する。
【０１４５】
半導体レーザ素子１０Ｂは、半導体レーザ素子１０Ａと同様に、端面発光型の半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１０Ｂは、図２７〜図３０に示されるように、半導体基板１、下部クラッド層２、下部光ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、上部光ガイド層３Ｃ、フォトニック結晶層４、上部クラッド層５、コンタクト層６、電極Ｅ１、及び複数の駆動電極Ｅ２を備えている。図２７は、半導体レーザ素子の概略斜視図である。図２８は、半導体レーザ素子のXXVIII−XXVIII線に沿った断面構成を示す図である。図２９は、半導体レーザ素子のXXIX−XXIX線に沿った断面構成を示す図である。図３０は、半導体レーザ素子の平面図である。
【０１４６】
コンタクト層６上の表面は、その一部が絶縁膜ＳＨによって覆われている。絶縁膜ＳＨ上には、複数の電極パッドＥＰが配置されている。
【０１４７】
半導体レーザ素子１０Ｂの平面形状は長方形であり、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をＺ軸、幅方向をＸ軸とし、光出射端面ＬＥＳに垂直な方向をＹ軸とする。ＸＹ平面内において、各駆動電極Ｅ２の延びている長手方向は、Ｙ軸に平行な直線に平行である。
【０１４８】
コンタクト層６の上面（絶縁膜ＳＨが形成される面）は、半導体レーザ素子１０Ｂの厚み方向から見て、Ｙ軸方向において、光出射端面ＬＥＳ側から、第一領域６ａ、第二領域６ｂ、及び第三領域６ｃに分けられる。第二領域６ｂは、Ｙ軸方向において、第一領域６ａと第三領域６ｃとの間に位置している。各領域６ａ６ｂ，６ｃは、Ｘ軸方向に、それぞれ伸びている。絶縁膜ＳＨは、コンタクト層６の第三領域６ｃ上に配置されている。
【０１４９】
複数の駆動電極Ｅ２は、半導体レーザ素子１０Ｂの厚み方向から見た場合、第二領域６ｂにおいて、Ｘ軸方向に併置されている。各駆動電極Ｅ２は、矩形状を呈し、詳細には、各駆動電極Ｅ２は、Ｙ軸方向を長辺とする長方形状を呈している。すなわち、複数の駆動電極Ｅ２は、駆動電極Ｅ２の短辺方向に併置されている。駆動電極Ｅ２の長手方向は、半導体レーザ素子１０Ｂの厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子１０Ｂの光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して平行である。
【０１５０】
上下の電極Ｅ１，Ｅ２間に電流を流すと、いずれかの電極Ｅ２の直下の領域Ｒを電流が流れ、この領域Ｒが発光する。複数の駆動電極Ｅ２は、活性層３Ｂにおける、光出射端面ＬＥＳに平行で且つ活性層３Ｂが延びる方向、すなわちＸ軸方向に並んで位置する複数の領域Ｒに駆動電流を供給する。
【０１５１】
各電極パッドＥＰは、図２９及び図３０に示されているように、対応する駆動電極Ｅ２に、絶縁膜ＳＨ上に配置された配線Ｗ１を通して電気的に接続されている。駆動電極Ｅ２の数と電極パッドＥＰの数とは同じである。本実施形態では、複数の電極パッドＥＰは、複数列でＸ軸方向に沿って配置されている。複数の電極パッドＥＰは、第三領域６ｃの上方に位置している。本実施形態では、各電極パッドＥＰは、正方形状を呈している。図２７及び図２８では、配線Ｗ１の図示を省略している。
【０１５２】
本変形例では、フォトニック結晶層４は、第一フォトニック結晶層４１と、第二フォトニック結晶層４３と、を含んでいる。すなわち、第一フォトニック結晶層４１と第二フォトニック結晶層４３とは、基本層４Ａと、基本層４Ａ内に周期的に埋め込まれた複数の埋め込み層（異屈折率部）４Ｂと、をそれぞれ有している。第一フォトニック結晶層４１と第二フォトニック結晶層４３とは、同一層に位置しており、第二フォトニック結晶層４３は、第一フォトニック結晶層４１よりも光出射端面ＬＥＳ側に位置している。埋め込み層４ＢのＸＹ平面内における形状は、図１１の（Ａ）〜（Ｆ）に示されるように、長方形、正方形、楕円形又は円形、若しくは、二等辺三角形又は正三角形であってもよい。
【０１５３】
図３１は、第一フォトニック結晶層の平面図である。
【０１５４】
第一フォトニック結晶層４１は、複数の駆動電極Ｅ２の下方に位置する。第一フォトニック結晶層４１では、その厚み方向から見たときに、埋め込み層４Ｂが、正方格子を構成する格子点（Γ点）にそれぞれ配置されている。すなわち、埋め込み層４Ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に整列し、２次元周期構造を構成している。これにより、第一フォトニック結晶層４１は、複数の領域Ｒに対応する領域にわたって、埋め込み層４Ｂの配列周期が同じとされた周期構造を有することとなる。埋め込み層４Ｂの整列方向での周期Ｃ１は、
λ０／ｎ１
に設定されている。λ０は、レーザ光の、真空中での波長である。ｎ１は、第一フォトニック結晶層４１における光の等価屈折率である。
【０１５５】
レーザビームは、活性層３Ｂ内において発生するが、活性層３Ｂから染み出した光は、隣接する第一フォトニック結晶層４１の影響を受ける。第一フォトニック結晶層４１内には、図３１に示されるような周期的屈折率分布構造が形成されている。第一フォトニック結晶層４１により回折を受けた結果、図３１内に矢印で示す方向にレーザビームが発生する。第一フォトニック結晶層４１が、複数の領域Ｒに対応する領域にわたって、埋め込み層４Ｂの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、各領域Ｒからは、同一の方向にレーザビームが出力される。本実施形態では、Ｙ軸方向、すなわち光出射端面ＬＥＳに向かうレーザビームが利用される。
【０１５６】
第一フォトニック結晶層４１における、埋め込み層４Ｂの配置は、図３１に示された配置に限られることなく、図３２の（Ａ）〜（Ｃ）に示された配置であってもよい。
【０１５７】
図３２の（Ａ）では、埋め込み層４Ｂは、正方格子のＭ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層４Ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に４５度傾き且つ互いに直交する２方向において整列している。埋め込み層４Ｂの整列方向での周期Ｃ２は、
２−１／２×λ０／ｎ１
に設定されている。この場合も、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示されるように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿う方向となる。
【０１５８】
図３２の（Ｂ）では、埋め込み層４Ｂは、三角格子のΓ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層４Ｂの周期Ｃ３は、
λ０／ｎ１
に設定されている。この場合、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示される６０°間隔の方向となる。図３２の（Ｃ）では、埋め込み層４Ｂは、三角格子のＪ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層４Ｂの周期Ｃ４は、
２×３−１／２×λ０／ｎ１
に設定されている。この場合、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示される６０°間隔の方向となる。
【０１５９】
本変形例では、下部クラッド層２、下部光ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、上部光ガイド層３Ｃ、第一フォトニック結晶層４１、上部クラッド層５、及び複数の駆動電極Ｅ２が、発振部を構成する。発振部は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する。
【０１６０】
図３３は、第二フォトニック結晶層の平面図である。
【０１６１】
第二フォトニック結晶層４３においても、埋め込み層４Ｂは、２次元周期構造を構成している。第二フォトニック結晶層４３における複数の埋め込み層４Ｂは、所定の格子構造の格子点位置に配置されている。この所定の格子構造では、二つの基本並進ベクトルがなす角φは、当該所定の格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向とレーザビームの出射方向とがなす角（出射角）をθｏｕｔ１として、
φ＝ｔａｎ−１｛ｓｉｎθ／（２ｃｏｓ２（θｏｕｔ１／２））｝
を満たしている。
【０１６２】
第二フォトニック結晶層４３における埋め込み層４Ｂの格子構造の一方の基本並進ベクトルに沿う方向での格子点の周期Ｃ５は、
λ０／（ｎ２×ｓｉｎθｏｕｔ１）
を満たしている。第二フォトニック結晶層４３における埋め込み層４Ｂの格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向での格子点の周期Ｃ６は、ｍを任意の自然数としたときに、
（２ｍ−１）×λ０／（２ｎ２）
を満たしている。ｎ２は、第二フォトニック結晶層４３における光の等価屈折率である。
【０１６３】
二つの基本並進ベクトルがなす角φ（又は、Ｘ軸方向での埋め込み層４Ｂの間隔）は、Ｘ軸方向での位置に応じ、図３３に示されるように、連続的に変化している。すなわち、第二フォトニック結晶層４３は、複数の領域Ｒに対応する領域毎に、埋め込み層４Ｂの配列周期が異なる上述した周期構造を有している。第二フォトニック結晶層４３は、上記周期構造により、上記発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部を構成する。
【０１６４】
第二フォトニック結晶層４３は、複数の領域Ｒに対応する領域毎で、上記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面ＬＥＳからのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせる。第二フォトニック結晶層４３では、その厚み方向から見たときに、埋め込み層４Ｂは、Ｙ軸方向、すなわち上記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に対しては、等間隔（同じ配列周期）で並んでいる。Ｙ軸方向での埋め込み層４Ｂの周期は、ｍを任意の自然数としたときに、
（２ｍ−１）×λ０／（２ｎ２）
に設定されている。光出射端面ＬＥＳに平行なＸ軸方向での埋め込み層４Ｂの周期は、
λ０／（ｎ２×ｓｉｎθ）
に設定されている。
【０１６５】
以上のように、本変形例では、第一フォトニック結晶層４１が、複数の領域Ｒに対応する領域にわたり、埋め込み層４Ｂの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極Ｅ２毎に同一の方向にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層４３が、複数の領域Ｒに対応する領域毎に、埋め込み層４Ｂの配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面ＬＥＳから出射される。
【０１６６】
本変形例では、半導体レーザ素子１０Ａにおいて、発振部と偏向部とが分かれていると共に、第一フォトニック結晶層４１が、複数の領域Ｒに対応する領域にわたり、埋め込み層４Ｂの配列周期が同じとされた周期構造を有している。このため、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。
【０１６７】
第二フォトニック結晶層４３は、複数の領域Ｒに対応する領域毎で、発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面ＬＥＳからのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせている。これにより、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。
【０１６８】
次に、新たな変形例に係る半導体レーザ素子１０Ｃの構成について説明する。図３４は、半導体レーザ素子の概略斜視図である。図３５は、半導体レーザ素子の断面構成を示す図である。図３６は、半導体レーザ素子の平面図である。
【０１６９】
本変形例に係る半導体レーザ素子１０Ｂも、図３４〜図３６に示されるように、半導体基板１、下部クラッド層２、下部光ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、上部光ガイド層３Ｃ、フォトニック結晶層４（第一及び第二フォトニック結晶層４１，４３）、上部クラッド層５、コンタクト層６、電極Ｅ１、複数の駆動電極Ｅ２、及び、複数の電極パッドＥＰを備えている。
【０１７０】
図３４及び図３６に示されるように、ＸＹ平面内において、各駆動電極Ｅ２の延びている長手方向は、Ｙ軸に平行な直線に対して角度γを成している。すなわち、駆動電極Ｅ２の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面ＬＥＳの法線（Ｙ軸）に対して、傾斜している。
【０１７１】
図３７は、第一フォトニック結晶層の平面図である。
【０１７２】
第一フォトニック結晶層４１において、埋め込み層４Ｂは、ｘ軸方向及びｙ軸方向に整列し、２次元周期構造を構成している。ｘｙｚ直交座標系は、ＸＹＺ直交座標系をＺ軸回りに角度γだけ回転させた座標系である。すなわち、埋め込み層４Ｂは、ｘｙｚ直交座標系において、正方格子を構成する格子点（Γ点）にそれぞれ配置されている。活性層３Ｂ内において発生した光は、第一フォトニック結晶層４１により回折を受けた結果、図３７内に矢印で示す方向に向かうレーザビームとして出力される。光出射端面ＬＥＳに向かうレーザビームは、ｙ軸方向、すなわちＹ軸方向から角度γだけ傾いた方向に出力される。
【０１７３】
図３８は、第二フォトニック結晶層の平面図である。
【０１７４】
第二フォトニック結晶層４３においては、ｘｙｚ直交座標系において、二つの基本並進ベクトルがなす角φが、
φ＝ｔａｎ−１｛ｓｉｎθ／（２ｃｏｓ２（θｏｕｔ１／２））｝
を満たし、第二フォトニック結晶層４３における埋め込み層４Ｂの格子構造の一方の基本並進ベクトルに沿う方向での格子点の周期が、
λ０／（ｎ２×ｓｉｎθｏｕｔ１）
を満たし、第二フォトニック結晶層４３における埋め込み層４Ｂの格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向での格子点の周期が、ｍを任意の自然数としたときに、
（２ｍ−１）×λ０／（２ｎ２）
を満たしている。
【０１７５】
したがって、本変形例においても、第一フォトニック結晶層４１が、複数の領域Ｒに対応する領域にわたり、埋め込み層４Ｂの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極Ｅ２毎に同一の方向（上述した実施形態におけるレーザビームの出力方向からＺ軸回りに角度γだけ回転した方向）にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層４３が、複数の領域Ｒに対応する領域毎に、埋め込み層４Ｂの配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面ＬＥＳから出射される。本変形例では、光出射端面ＬＥＳに直交する方向にも、レーザビームが出射される。
【０１７６】
本変形例でも、半導体レーザ素子１０Ｂにおいて、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。また、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。
【０１７７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１７８】
半導体レーザ素子１０Ａ〜１０Ｃでは、複数の駆動電極Ｅ２が並ぶ方向で隣り合う二つの駆動電極Ｅ２に駆動電極を供給し、半導体レーザ素子１０Ａ〜１０Ｃの厚み方向から見て、活性層３Ｂにおける、二つの駆動電極Ｅ２の間に位置する領域にてレーザビームを生じさせてもよい。
【符号の説明】
【０１７９】
１…半導体基板、２…下部クラッド層、３Ｂ…活性層、４…フォトニック結晶層、４Ｂ…異屈折率部（埋め込み層）、５…上部クラッド層、１０Ａ〜１０Ｃ…半導体レーザ素子、２０…コリメートレンズ、４１…第一フォトニック結晶層、４３…第二フォトニック結晶層、Ｅ２…駆動電極、ＬＢ…レーザビーム、ＬＤ１…半導体レーザ装置、ＬＥＳ…光出射端面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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