(57)【要約】【課題】一次元状若しくは二次元状に配列された複数の画素毎に位相を変調することができる反射型の動的メタサーフェスを提供する。【解決手段】発光デバイス１Ａは、面発光レーザ素子２Ａと、導光層３１と、メタサーフェス３Ａとを備える。メタサーフェス３Ａは、誘電体層を含む透光層９Ａと、金属膜６Ａと、金属膜８Ａとを有する。一次元状又は二次元状に配列された複数の単位領域それぞれにおいて、透光層９Ａは金属膜６Ａから露出する部分を含む。各単位領域の幅及び透光層９Ａの厚さはレーザ光Ｌ１の波長よりも小さい。メタサーフェス３Ａは、レーザ光Ｌ１の位相を単位領域毎に変調する。変調されたレーザ光Ｌ１は第１光出力面２ａから出力される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光出力面と、前記第１光出力面とは反対側に位置する第２光出力面とを有する面発光レーザ素子と、
前記第２光出力面に設けられた導光層と、
前記導光層を挟んで前記第２光出力面上に設けられた反射型メタサーフェスと、
を備え、
前記反射型メタサーフェスは、
前記導光層を介して前記第２光出力面と対向する第１面、及び前記第１面とは反対側に位置する第２面を有し、誘電体層を含む透光層と、
前記第１面に設けられた第１金属膜と、
前記第２面に設けられ、前記面発光レーザ素子から前記導光層を介して前記透光層に入力されたレーザ光を前記導光層に向けて反射する第２金属膜と、
を有し、
一次元状又は二次元状に配列された複数の単位領域それぞれにおいて、前記透光層は前記第１金属膜から露出する部分を含み、各単位領域の幅及び前記透光層の厚さは前記レーザ光の波長よりも小さく、
前記反射型メタサーフェスは、前記レーザ光の位相を前記単位領域毎に変調し、
前記反射型メタサーフェスにより変調された前記レーザ光は前記第１光出力面から出力される、発光デバイス。
【請求項２】
前記複数の単位領域のうち二以上の前記単位領域における前記第１金属膜の第１方向における幅が互いに異なる、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記透光層は、前記誘電体層と前記導光層との間、若しくは前記誘電体層と前記第２金属膜との間に設けられた透明導電層を更に含み、
前記第１金属膜及び前記第２金属膜のうち少なくとも一方は、前記単位領域毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含む、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記第１金属膜と前記第２金属膜との間に印加される電圧を制御する駆動回路を更に備え、
前記駆動回路が、前記第１金属膜及び前記第２金属膜のうち少なくともいずれかの前記複数の部分金属膜の電圧を個別に制御する、請求項３に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記駆動回路は前記第１金属膜を基準電位とし、
前記第１金属膜は、二以上の前記単位領域にわたって延在している、請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記透明導電層は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記面発光レーザ素子は、
主面及び前記主面とは反対側の裏面を有する基板と、
前記主面上に設けられた活性層及びフォトニック結晶層と、
を有し、
前記フォトニック結晶層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記フォトニック結晶層の厚さ方向に垂直な面内において周期的に配列された複数の異屈折率領域とを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記面発光レーザ素子は、基板の主面に垂直な方向または該方向に対して傾斜した方向、或いはその両方に光像を出力する素子であって、
前記主面及び前記主面とは反対側の裏面を有する前記基板と、
前記主面上に設けられた活性層及び位相変調層と、
を有し、
前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、
前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに前記光像に応じた回転角度を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記面発光レーザ素子は、基板の主面に垂直な方向または該方向に対して傾斜した方向、或いはその両方に光像を出力する素子であって、
前記主面及び前記主面とは反対側の裏面を有する前記基板と、
前記主面上に設けられた活性層及び位相変調層と、
を有し、
前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、
前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置されており、
各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が前記光像に応じて個別に設定されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記複数の異屈折率領域の平面形状が１８０°の回転対称性を有さない、請求項７〜９のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及びフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記誘電体層が前記第１面を構成する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１３】
前記導光層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、及びフッ化カルシウムのうち少なくとも一つを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
前記面発光レーザ素子は、前記第１光出力面上に設けられた第１電極を更に有しており、
前記第１電極は、前記第１光出力面におけるレーザ光出力領域を囲む形状を有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１５】
前記面発光レーザ素子は、前記第１光出力面においてレーザ光出力領域と並んで設けられた第１電極を更に有する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１６】
前記面発光レーザ素子は、前記第２光出力面上に設けられた第２電極を更に有しており、
前記第２電極は前記反射型メタサーフェスを囲む形状を有する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１７】
前記第２光出力面と前記反射型メタサーフェスとの間に設けられた１／４波長板と、
前記第１光出力面上に設けられた偏光板と、
を更に備える、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、反射型のメタサーフェスに関する技術が開示されている。このメタサーフェスは、金（Ａｕ）からなるミラー層と、該ミラー層上に設けられたＩＴＯ層と、ＩＴＯ層上に設けられたＡｌ２Ｏ３層と、Ａｌ２Ｏ３層上に設けられた金（Ａｕ）からなるナノアンテナとを備える。そして、ミラー層とナノアンテナとの間にバイアスを印加することにより、入力光の位相をバイアスに応じて変調し得ることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Yao-Wei Huang et al., “Gate-tunable conducting oxide metasurfaces”, NanoLetters, VoＬ6, pp. 5319-5325 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、光の位相、強度、若しくは偏光を任意に制御し得る構造として、メタサーフェスが注目されている。メタサーフェスは、従来のレンズ等の光学素子と異なり、平坦面に形成された極めて薄い表面構造によって、入力光の位相等を制御することができる。例えば、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）型のメタサーフェスは、反射膜としての下部金属膜と、下部金属膜上に設けられた誘電体層と、誘電体層上に設けられた上部金属膜とを備える。上部金属膜の幅及び誘電体層の厚さは、入力光の波長よりも十分に小さい。そして、上部金属膜の両側から誘電体層の表面を露出させ、該誘電体層の表面に光を入力させる。誘電体層に入力した光は、下部金属膜において反射し、誘電体層の表面から外部へ出射する。このような構造においては、上部金属膜の幅に応じて出力光の位相が変化する。このような構造は、静的メタサーフェスと呼ばれる。
【０００５】
或いは、上部金属膜の幅を一定とするとともにＩＴＯなどの透明導電層を追加し、下部金属膜と上部金属膜との間に電圧を印加してもよい。この場合、下部金属膜と上部金属膜との間の電界によって透明導電層の一部が金属化し、下部金属膜と上部金属膜との間の実効屈折率が、金属化した層の厚さに応じて変化する。このような構造においては、金属化した層の厚さに応じて出力光の位相が変化する。従って、印加電圧を任意に変化させることにより、出力光の位相を制御することができる（非特許文献１を参照）。このような構造は、動的メタサーフェスと呼ばれる。
【０００６】
しかしながら、メタサーフェスが反射型である場合、光源及びメタサーフェスを備える発光デバイスにおいては、光源からの光をメタサーフェスに入力するための光学系、およびメタサーフェスから出力された光を導くための光学系が必要となる。従って、全体の光学系が複雑になり易く、発光デバイスの小型化を妨げる要因となる。本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光源と反射型メタサーフェスとを備え、光学系を簡易化できる発光デバイス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】
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態による発光デバイスは、第１光出力面と、第１光出力面とは反対側に位置する第２光出力面とを有する面発光レーザ素子と、第２光出力面に設けられた導光層と、導光層を挟んで第２光出力面上に設けられた反射型メタサーフェスと、を備える。反射型メタサーフェスは、導光層を介して第２光出力面と対向する第１面、及び第１面とは反対側に位置する第２面を有し、誘電体層を含む透光層と、第１面に設けられた第１金属膜と、第２面に設けられ、面発光レーザ素子から導光層を介して透光層に入力されたレーザ光を導光層に向けて反射する第２金属膜と、を有する。一次元状又は二次元状に配列された複数の単位領域それぞれにおいて、透光層は第１金属膜から露出する部分を含み、各単位領域の幅及び透光層の厚さはレーザ光の波長よりも小さい。反射型メタサーフェスは、レーザ光の位相を単位領域毎に変調し、反射型メタサーフェスにより変調されたレーザ光は第１光出力面から出力される。
【０００８】
この発光デバイスにおいては、面発光レーザ素子において生じたレーザ光が第１光出力面及び第２光出力面から出力される。このうち、第２光出力面から出力されたレーザ光は、反射型メタサーフェスに入力される。このレーザ光は、透光層の第１面から透光層内に入力されたのち、第２金属膜において反射し、再び透光層の第１面から透光層の外部へ出力される。第１金属膜の幅および透光層の厚さが光の波長よりも十分に小さい場合、表面プラズモン結合による強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が透光層内に生じる。この磁気共鳴によって、第１金属膜と第２金属膜との間を通過するレーザ光の位相が変調される。その際の位相変調量は、透光層の実効屈折率、及び第１金属膜の幅に依存する。従って、これらのうち何れか一方を単位領域毎に独立して設定することにより、レーザ光の位相を空間的に制御することができる。こうして位相が変調されたレーザ光は、第２光出力面から面発光レーザ素子内に再び入力され、第１光出力面から出力される。この発光デバイスによれば、光源（面発光レーザ素子）と反射型メタサーフェスとの間の光学系が不要になるので、光学系を簡易化することができる。
【０００９】
上述した発光デバイスにおいて、複数の単位領域のうち二以上の単位領域における第１金属膜の第１方向における幅が互いに異なってもよい。上述したように、位相変調量は第１金属膜の幅に依存する。従って、例えばこのような構成によって、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の単位領域毎に位相を変調することが可能な静的メタサーフェスを備える発光デバイスを好適に実現することができる。
【００１０】
上述した発光デバイスにおいて、透光層は、誘電体層と導光層との間、若しくは誘電体層と第２金属膜との間に設けられた透明導電層を更に含み、第１金属膜及び第２金属膜のうち少なくとも一方は、単位領域毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含んでもよい。この発光デバイスにおいて、第１金属膜と第２金属膜との間に駆動電圧が印加されると、透明導電層の誘電体層との界面付近の電子密度が高まる。その結果、透明導電層の該界面付近の部分が金属化して、積層構造体の実効屈折率が変化する。上述したように、位相変調量は透光層の実効屈折率に依存するので、駆動電圧を変化させることにより、実効屈折率を制御し、ひいては出力光の位相を制御することができる。また、この発光デバイスでは、第１金属膜及び第２金属膜の少なくとも一方が、単位領域毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含む。従って、複数の部分金属膜の電圧を個別に制御することにより、単位領域毎に独立した位相変調が可能になる。従って、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の単位領域毎に位相を変調することが可能な動的メタサーフェスを備える発光デバイスを好適に実現することができる。この場合、発光デバイスは、第１金属膜と第２金属膜との間に印加される電圧を制御する駆動回路を更に備え、駆動回路が、第１金属膜及び第２金属膜のうち少なくともいずれかの複数の部分金属膜の電圧を個別に制御してもよい。また、駆動回路は第１金属膜を基準電位とし、第１金属膜は、二以上の単位領域にわたって延在してもよい。これにより、導光層と透光層とに挟まれた第１金属膜に基準電位を容易に提供することができる。
【００１１】
上述した発光デバイスにおいて、透明導電層は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含んでもよい。例えばこのような構成によって、上述した透明導電層の作用を好適に奏することができる。
【００１２】
上述した発光デバイスにおいて、面発光レーザ素子は、主面及び主面とは反対側の裏面を有する基板と、主面上に設けられた活性層及びフォトニック結晶層と、を有し、フォトニック結晶層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なりフォトニック結晶層の厚さ方向に垂直な面内において周期的に配列された複数の異屈折率領域とを含んでもよい。例えばこのような構成によって、面発光レーザ素子をフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic Cristal SurfaceEmitting Laser）とすることができる。ＰＣＳＥＬは、主面と平行な方向の光モード分布をフォトニック結晶によって制御することが可能であるため、例えば同じ面発光レーザ素子である垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と比較して、単一モードを維持したまま発光面積を大きくすることが原理的に可能である。つまり、波面が良好な状態を保ったまま発光面積を大きくすることが原理的に可能である。従って、反射型メタサーフェスの単位領域の数を多くして、より複雑な位相変調パターンを実現することができる。
【００１３】
上述した発光デバイスにおいて、面発光レーザ素子は、基板の主面に垂直な方向または該方向に対して傾斜した方向、或いはその両方に光像を出力する素子であって、主面及び主面とは反対側の裏面を有する基板と、主面上に設けられた活性層及び位相変調層と、を有してもよい。そして、位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、複数の異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに光像に応じた回転角度を有してもよい。或いは、上記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、複数の異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点を通り正方格子に対して傾斜する直線上に配置されており、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が光像に応じて個別に設定されてもよい。
【００１４】
上述した発光デバイスにおいて、複数の異屈折率領域の平面形状は１８０°の回転対称性を有さなくてもよい。これにより、面発光レーザ素子から出力される光の直線偏光性を高めることができる。
【００１５】
上述した発光デバイスにおいて、誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及びフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。例えばこのような構成によって、上述した誘電体層を好適に実現することができる。
【００１６】
上述した発光デバイスにおいては、誘電体層が第１面を構成してもよい。
【００１７】
上述した発光デバイスにおいて、導光層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、及びフッ化カルシウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。例えばこのような構成によって、上述した導光層の作用を好適に奏することができる。
【００１８】
上述した発光デバイスにおいて、面発光レーザ素子は、第１光出力面上に設けられた第１電極を更に有しており、第１電極は、第１光出力面におけるレーザ光出力領域を囲む形状を有してもよい。或いは、面発光レーザ素子は、第１光出力面においてレーザ光出力領域と並んで設けられた第１電極を更に有してもよい。例えばこれらのうちいずれかの構成によって、反射型メタサーフェスにおいて位相変調されたレーザ光を、第１光出力面に設けられた第１電極を回避しつつ第１光出力面から出力させることができる。
【００１９】
上述した発光デバイスにおいて、面発光レーザ素子は、第２光出力面上に設けられた第２電極を更に有しており、第２電極は反射型メタサーフェスを囲む形状を有してもよい。例えばこのような構成によって、反射型メタサーフェスを第２電極とともに第２光出力面上に設けつつ、第２電極からの電流を面発光レーザ素子の活性層の中央部付近に十分に拡散させることができる。
【００２０】
上述した発光デバイスは、第２光出力面と反射型メタサーフェスとの間に設けられた１／４波長板と、第１光出力面上に設けられた偏光板と、を更に備えてもよい。これにより、面発光レーザ素子から第１光出力面へ直接達する光を遮り、第２光出力面及び反射型メタサーフェスを経て第１光出力面に達する光のみを取り出すことが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光源と反射型メタサーフェスとを備え、光学系を簡易化できる発光デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光デバイス１Ａの構成を示す斜視図である。
【図２】発光デバイス１Ａの断面構造を模式的に示す図である。
【図３】発光デバイス１Ａの断面構造を模式的に示す図である。
【図４】フォトニック結晶層１５Ａの平面図である。
【図５】フォトニック結晶層の特定領域内にのみ異屈折率領域１５ｂを配置した例を示す平面図である。
【図６】ＸＹ面内における異屈折率領域の形状のうち、鏡像対称な形状の例を示す。
【図７】ＸＹ面内における異屈折率領域の形状のうち、１８０°の回転対称性を有さない形状の例を示す。
【図８】メタサーフェス３Ａを示す平面図である。
【図９】図８のIX−IX線に沿った断面図であって、メタサーフェス３Ａの断面構造を示している。
【図１０】（ａ）金属膜６Ａの平面形状を示す図である。（ｂ）金属膜８Ａの平面形状を示す図である。
【図１１】フォトニック結晶層１５Ａにおいて複数の異屈折率領域１５ｂが形成された内側領域ＲＩＮと、メタサーフェス３Ａにおいて複数の部分金属膜６１が形成された領域Ｑとの関係を示す平面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）メタサーフェス３Ａの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）メタサーフェス３Ａの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）メタサーフェス３Ａの応用例として、出力光の出射角を可変にするビームステアリングを概念的に示す図である。（ｂ）ビームステアリングのための構造を有する回折光学素子（ＤＯＥ）１００の光反射面１０１の形状を示す断面図である。
【図１５】第１実施形態の一変形例に係るメタサーフェス３Ｂを示す平面図である。
【図１６】（ａ）金属膜６Ｂの平面形状を示す図である。（ｂ）金属膜８Ａの平面形状を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係る発光デバイス１Ｂの断面構成を模式的に示す図である。
【図１８】図８のIX−IX線に相当するメタサーフェス３Ｃの断面構造を示す図である。
【図１９】（ａ）金属膜６Ｃの平面形状を示す図である。（ｂ）金属膜８Ｂの平面形状を示す図である。
【図２０】各単位領域２０における回路構成を示す図である。
【図２１】（ａ）〜（ｄ）第ｍ行第ｎ列の単位領域２０における駆動回路５の動作を説明するための図である。
【図２２】各単位領域２０における駆動回路５の構造を示す平面図である。
【図２３】図２２のXXIII−XXIII線に沿った断面図であって、各単位領域２０における駆動回路５の断面構造を示す。
【図２４】（ａ）〜（ｄ）メタサーフェス３Ｃの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。
【図２５】部分金属膜６３と金属膜８Ｂとの間の電界によって透明導電層９２に金属化層９２ａが形成された様子を示す図である。
【図２６】（ａ）第２変形例の金属膜６Ｃの平面形状を示す図である。（ｂ）第２変形例の金属膜８Ｃの平面形状を示す図である。
【図２７】駆動回路５Ａの構成を示す図である。
【図２８】第２実施形態の一変形例に係るメタサーフェス３Ｄの断面構造を示す図である。
【図２９】変形例に係るメタサーフェス３Ｅの断面構造を示す図である。
【図３０】Ｓ−ｉＰＭレーザが備える位相変調層１５Ｂの平面図である。
【図３１】位相変調層１５Ｂにおける異屈折率領域の位置関係を示す図である。
【図３２】第３実施形態に係る面発光レーザ素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層１５Ｂにおける回転角度分布φ（ｘ，ｙ）との関係を説明するための図である。
【図３３】（ａ）（ｂ）光像のフーリエ変換結果から位相角分布を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明するための図である。
【図３４】（ａ）〜（ｃ）第３実施形態に係る面発光レーザ素子から出力されるビームパターン（光像）の例を示す。
【図３５】第３実施形態の一変形例に係る位相変調層１５Ｃの平面図である。
【図３６】位相変調層１５Ｃにおける異屈折率領域１５ｂの位置関係を示す図である。
【図３７】球面座標からＸＹＺ直交座標系における座標への座標変換を説明するための図である。
【図３８】第５変形例に係る発光デバイス１Ｃの断面構成を模式的に示す図である。
【図３９】第６変形例に係る発光デバイス１Ｄの断面構成を模式的に示す図である。
【図４０】別の変形例に係る発光デバイス１Ｅの断面構成を模式的に示す図である。
【図４１】第７変形例に係る発光デバイス１Ｆの断面構成を模式的に示す図である。
【図４２】（ａ）第２光出力面２ｂを示す平面図である。（ｂ）第１光出力面２ａを示す平面図である。
【図４３】図４１の構成を、ＰＣＳＥＬである第１実施形態の面発光レーザ素子２Ａに適用した例を示す図である。
【図４４】第８変形例による発光装置１Ｇの構成を示す図である。
【図４５】第９変形例に係る発光デバイス１Ｈの断面構成を模式的に示す図である。
【図４６】別の変形例に係る発光デバイス１Ｊの断面構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら本発明による発光デバイスの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、平面形状とは、発光デバイス厚さ方向から見た形状をいう。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光デバイス１Ａの構成を示す斜視図である。図２は、発光デバイス１Ａの断面構造を模式的に示す図である。なお、発光デバイス１Ａの中心を通り発光デバイス１Ａの厚さ方向に延びる軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義する。発光デバイス１Ａは、面発光レーザ素子２Ａと、面発光レーザ素子２Ａと一体的に構成された反射型メタサーフェス（以下、単にメタサーフェスという）３Ａとを備える。面発光レーザ素子２Ａは、ＸＹ面内方向において定在波を形成し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２を半導体基板１０の主面１０ａに垂直な方向（Ｚ方向）に出力する。
【００２５】
図１及び図２に示されるように、発光デバイス１Ａは、導光層３１を更に備える。導光層３１は、面発光レーザ素子２Ａとメタサーフェス３Ａとの間に位置し、面発光レーザ素子２Ａとメタサーフェス３Ａとを相互に接合するとともに、面発光レーザ素子２Ａとメタサーフェス３Ａとの間を往復するレーザ光Ｌ１を透過する。なお、導光層３１については後に詳述する。
【００２６】
面発光レーザ素子２Ａは、フォトニック結晶面発光レーザ（PhotonicCrystal Surface Emitting LASER：ＰＣＳＥＬ）である。面発光レーザ素子２Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０の主面１０ａ上に設けられた発光部としての活性層１２と、活性層１２を挟む一対のクラッド層１１及び１３と、クラッド層１３上に設けられたコンタクト層１４と、フォトニック結晶層１５Ａと、を備える。半導体基板１０の裏面１０ｂは、本実施形態における第１光出力面２ａである。コンタクト層１４の表面１４ａは、第１光出力面とは反対側に位置する第２光出力面２ｂである。第２光出力面２ｂは、Ｚ方向において第１光出力面２ａとは反対側に位置する。
【００２７】
半導体基板１０、クラッド層１１及び１３、活性層１２、コンタクト層１４、並びにフォトニック結晶層１５Ａは、例えばＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、もしくは窒化物系半導体といった化合物半導体によって構成される。クラッド層１１のエネルギーバンドギャップ、及びクラッド層１３のエネルギーバンドギャップは、活性層１２のエネルギーバンドギャップよりも大きい。半導体基板１０、クラッド層１１及び１３、活性層１２、コンタクト層１４、並びにフォトニック結晶層１５Ａの厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致する。
【００２８】
必要に応じて、活性層１２と上部クラッド層１３との間、及び活性層１２と下部クラッド層１１との間のうち少なくとも一方に、光ガイド層が設けられてもよい。光ガイド層が活性層１２と上部クラッド層１３との間に設けられる場合、フォトニック結晶層１５Ａは、上部クラッド層１３と光ガイド層との間に設けられる。光ガイド層は、キャリアを活性層１２に効率的に閉じ込めるためのキャリア障壁層を含んでも良い。
【００２９】
また、本実施形態において、フォトニック結晶層１５Ａは活性層１２と上部クラッド層１３との間に設けられているが、図３に示されるように、フォトニック結晶層１５Ａは、下部クラッド層１１と活性層１２との間に設けられてもよい。さらに、光ガイド層が活性層１２と下部クラッド層１１との間に設けられる場合、フォトニック結晶層１５Ａは、下部クラッド層１１と光ガイド層との間に設けられる。光ガイド層は、キャリアを活性層１２に効率的に閉じ込めるためのキャリア障壁層を含んでも良い。
【００３０】
フォトニック結晶層（回折格子層）１５Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層１５ａ内に存在する複数の異屈折率領域１５ｂとを含んで構成されている。複数の異屈折率領域１５ｂは、フォトニック結晶層１５Ａの厚さ方向に垂直な面内（ＸＹ面内）において周期的に配列されている。フォトニック結晶層１５Ａの実効屈折率をｎとした場合、フォトニック結晶層１５Ａが選択する波長λ０（＝ａ×ｎ、ａは格子間隔）は、活性層１２の発光波長範囲内に含まれている。フォトニック結晶層１５Ａは、活性層１２の発光波長のうちの波長λ０を選択して、外部に出力することができる。本実施形態において、波長λ０は例えば０．４〜１．６μｍの範囲内であり、一例では８５０ｎｍ若しくは９４０ｎｍである。
【００３１】
図４は、フォトニック結晶層１５Ａの平面図である。ここで、フォトニック結晶層１５Ａに、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つまたは２つ以上の決まった数ずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、各格子点Ｏと重なって（一致して）いる。なお、複数の異屈折率領域１５ｂの周期構造はこれに限られず、例えば正方格子に代えて三角格子を設定してもよい。
【００３２】
図５は、フォトニック結晶層の特定領域内にのみ異屈折率領域１５ｂを配置した例を示す平面図である。図５に示す例では、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、異屈折率領域１５ｂの周期構造が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、異屈折率領域１５ｂは形成されていない。この構造の場合、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。
【００３３】
また、図４にはＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状が円形である例が示されているが、異屈折率領域１５ｂは円形以外の形状を有してもよい。例えば、ＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状は、鏡像対称性（線対称性）を有してもよい。ここで、鏡像対称性（線対称性）とは、ＸＹ平面に沿った或る直線を挟んで、該直線の一方側に位置する異屈折率領域１５ｂの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域１５ｂの平面形状とが、互いに鏡像対称（線対称）となり得ることをいう。鏡像対称性（線対称性）を有する形状としては、例えば図６に示すように、（ａ）真円、（ｂ）正方形、（ｃ）正六角形、（ｄ）正八角形、（ｅ）正１６角形、（ｆ）長方形、（ｇ）楕円、などが挙げられる。
【００３４】
また、ＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状は、１８０°の回転対称性を有さない形状であってもよい。このような形状としては、例えば図７に示すように、（ａ）正三角形、（ｂ）直角二等辺三角形、（ｃ）２つの円又は楕円の一部分が重なる形状、（ｄ）楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵形）、（ｅ）楕円の長軸に沿った一方の端部を長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙形）、（ｆ）二等辺三角形、（ｇ）矩形の一辺が三角形状に凹みその対向する一辺が三角形状に尖った形状（矢印形）、（ｈ）台形、（ｉ）五角形、（ｊ）２つの矩形の一部分同士が重なる形状、（ｋ）２つの矩形の一部分同士が重なり且つ鏡像対称性を有さない形状、等が挙げられる。
【００３５】
フォトニック結晶レーザの場合、面内方向で定在波状態を形成し、一部の光が面垂直方向へ回折される。この面垂直方向への回折の際、面内方向での電磁界分布の対称性を反映した干渉を生じる。例えば、異屈折率領域１５ｂの平面形状が真円である場合には、面内方向での電磁界分布が異屈折率領域１５ｂの平面形状に関して反対称（大きさが等しく逆向き）であることから、面垂直方向へは消失性干渉を生じる。一方、図７に示されるように異屈折率領域１５ｂの平面形状が１８０°の回転対称性を有さない場合、面内電界分布が非対称化される。従って、異屈折率領域１５ｂの平面形状が１８０°の回転対称性を有さないことにより、或る一方向の偏光を選択的に強くすることが可能となり、面発光レーザ素子２Ａから出力される光の直線偏光性を高めることができる。
【００３６】
なお、異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ毎に複数個ずつ設けられてもよい。その場合、一つの単位構成領域Ｒに含まれる複数個の異屈折率領域１５ｂが互いに同じ形状の図形を有し、互いの重心が離間してもよい。また、異屈折率領域１５ｂのＸＹ平面内の形状は、各単位構成領域Ｒ間で同一であり、並進操作、又は並進操作及び回転操作により、各単位構成領域Ｒ間で互いに重ね合わせることが可能であってもよい。その場合、フォトニックバンド構造の揺らぎが少なくなり、線幅の狭いスペクトルを得ることができる。或いは、異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は各単位構成領域Ｒ間で必ずしも同一でなくともよく、隣り合う単位構成領域Ｒ間で形状が互いに異なっていてもよい。
【００３７】
また、上述の構造では、異屈折率領域１５ｂが空孔となっているが、異屈折率領域１５ｂは、基本層１５ａとは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれて形成されてもよい。その場合、例えば基本層１５ａの空孔をエッチングにより形成し、有機金属気相成長法、スパッタ法又はエピタキシャル法を用いて半導体を空孔内に埋め込んでもよい。また、基本層１５ａの空孔内に半導体を埋め込んで異屈折率領域１５ｂを形成した後、更に、その上に異屈折率領域１５ｂと同一の半導体を堆積してもよい。なお、異屈折率領域１５ｂが空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素、水素といった不活性ガス又は空気が封入されてもよい。
【００３８】
再び図１及び図２を参照する。面発光レーザ素子２Ａは、コンタクト層１４の表面１４ａ上に設けられた電極１６と、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に設けられた電極１７とを更に備える。電極１６は本実施形態における第２電極の例であり、電極１７は本実施形態における第１電極の例である。電極１６はコンタクト層１４とオーミック接触を成しており、電極１７は半導体基板１０とオーミック接触を成している。電極１６は、メタサーフェス３Ａを囲む枠状（環状）といった平面形状を呈しており、開口１６ａを有する。また、電極１７は、第１光出力面２ａにおけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の出力領域を囲む枠状（環状）といった平面形状を呈しており、開口１７ａを有する。なお、電極１６，１７の平面形状は、矩形枠状、円環状といった様々な形状であることができる。開口１６ａからはコンタクト層１４の表面１４ａが露出し、開口１７ａからは半導体基板１０の裏面１０ｂが露出する。なお、電極１６と接触していないコンタクト層１４は、取り除かれても良い。その場合、開口１６ａからは上部クラッド層１３が露出する。
【００３９】
電極１７の開口１７ａから露出した半導体基板１０の裏面１０ｂは、反射防止膜１９によって覆われている。反射防止膜１９は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）などの誘電体単層膜、或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を積層した膜を用いることができる。
【００４０】
或る例では、半導体基板１０はＧａＡｓ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、クラッド層１３、コンタクト層１４、及びフォトニック結晶層１５Ａは、それぞれIII族元素およびＶ族元素により構成される化合物半導体層である。一実施例では、クラッド層１１はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有し、フォトニック結晶層１５Ａの基本層１５ａはＧａＡｓであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層１４はＧａＡｓ層である。
【００４１】
また、別の例では、下部クラッド層１１はＡｌＧａＩｎＰ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰ／井戸層：ＧａＩｎＰ）を有し、フォトニック結晶層１５Ａの基本層１５ａはＡｌＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、上部クラッド層１３はＡｌＧａＩｎＰ層であり、コンタクト層１４はＧａＡｓ層である。
【００４２】
また、更に別の例では、半導体基板１０はＩｎＰ基板であり、下部クラッド層１１、活性層１２、フォトニック結晶層１５Ａ、上部クラッド層１３、及びコンタクト層１４は、ＩｎＰ系化合物半導体からなってもよい。一実施例では、下部クラッド層１１はＩｎＰ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＧａＩｎＡｓＰ／井戸層：ＧａＩｎＡｓＰ）を有し、フォトニック結晶層１５Ａの基本層１５ａはＧａＩｎＡｓＰであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、上部クラッド層１３はＩｎＰ層であり、コンタクト層１４はＧａＩｎＡｓＰ層である。
【００４３】
また、更に別の例では、半導体基板１０はＧａＮ基板であり、下部クラッド層１１、活性層１２、フォトニック結晶層１５Ａ、上部クラッド層１３、及びコンタクト層１４は、窒化物系化合物半導体からなってもよい。一実施例では、下部クラッド層１１はＡｌＧａＮ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＩｎＧａＮ／井戸層：ＩｎＧａＮ）を有し、フォトニック結晶層１５Ａの基本層１５ａはＧａＮであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、上部クラッド層１３はＡｌＧａＮ層であり、コンタクト層１４はＧａＮ層である。
【００４４】
下部クラッド層１１には半導体基板１０と同じ導電型が付与され、上部クラッド層１３及びコンタクト層１４には半導体基板１０とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板１０、及び下部クラッド層１１はｎ型であり、上部クラッド層１３及びコンタクト層１４はｐ型である。フォトニック結晶層１５Ａは、活性層１２と下部クラッド層１１との間に設けられる場合には半導体基板１０と同じ導電型を有し、活性層１２と上部クラッド層１３との間に設けられる場合には半導体基板１０とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３である。活性層１２は、いずれの不純物も意図的に添加されていない真性（ｉ型）であり、その不純物濃度は１×１０15／ｃｍ3以下である。なお、フォトニック結晶層１５Ａの不純物濃度については、不純物準位を介した光吸収による損失の影響を抑制する必要がある場合等には、真性（ｉ型）としてもよい。
【００４５】
本実施形態の面発光レーザ素子２Ａの寸法例を説明する。電極１６の開口１６ａの内径（開口１６ａの形状が正方形である場合は１辺の長さ）は、５０μｍ〜８００μｍの範囲内であり、例えば４００μｍである。電極１７の開口１７ａの内径（開口１７ａの形状が正方形である場合は１辺の長さ）は、５０μｍ〜８００μｍの範囲内であり、例えば４００μｍである。フォトニック結晶層１５Ａの厚さは例えば１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であり、例えば２００ｎｍである。上部クラッド層１３の厚さは、例えば２μｍ〜５０μｍの範囲内である。下部クラッド層１１の厚さは、例えば１μｍ〜３μｍの範囲内である。
【００４６】
電極１６と電極１７との間に駆動電流が供給されると、駆動電流は活性層１２に達する。このとき、電極１６と活性層１２との間を流れる電流は、上部クラッド層１３において拡散し、電極１７と活性層１２との間を流れる電流は、下部クラッド層１１において拡散する。従って、駆動電流は活性層１２の中央部付近に分散して到達する。そして、活性層１２内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層１２が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３との間に効率的に閉じ込められる。活性層１２から出射された光は、フォトニック結晶層１５Ａの内部に入り、フォトニック結晶層１５Ａの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。
【００４７】
フォトニック結晶層１５Ａから出力された一部のレーザ光Ｌ１は、コンタクト層１４の表面１４ａから面発光レーザ素子２Ａの外部へ出力されたのち、導光層３１を透過して反射型のメタサーフェス３Ａに達する。そして、レーザ光Ｌ１は、メタサーフェス３Ａにおいて反射し、導光層３１を透過して再びコンタクト層１４の表面１４ａに入力される。そして、レーザ光Ｌ１は、半導体基板１０の裏面１０ｂから面発光レーザ素子２Ａの外部へ出力される。また、フォトニック結晶層１５Ａから出力された残部のレーザ光Ｌ２は、半導体基板１０の裏面１０ｂに直接到達し、半導体基板１０の裏面１０ｂからレーザ光Ｌ１とともに面発光レーザ素子２Ａの外部へ出力される。なお、レーザ光Ｌ１，Ｌ２は、主面１０ａに垂直な方向へ出射される。
【００４８】
続いて、メタサーフェス３Ａの構成について詳細に説明する。図８は、メタサーフェス３Ａを示す平面図である。本実施形態のメタサーフェス３Ａは、反射型の静的メタサーフェスである。「メタサーフェス」とは、光の波長よりも十分に小さい単位構造を、平坦な表面上に一次元状もしくは二次元状に複数並べて形成することにより、単位構造毎に入射光の位相、強度、もしくは偏光を変化させるものである。メタサーフェスには種々の構造が存在するが、本実施形態のメタサーフェスは、その中でもギャップ・プラズモン型と呼ばれる構造を有する。メタサーフェス３Ａは、互いに交差（例えば直交）する２方向、例えばＸ方向及びＹ方向に沿って延びる平板状の装置であって、該２方向の双方と交差（例えば直交）する方向、例えばＺ方向を厚さ方向とする。メタサーフェス３Ａの主面３ａには、複数の単位領域２０が設けられている。複数の単位領域２０は、Ｘ方向を行方向とし、Ｙ方向を列方向とするＭ行Ｎ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）の二次元状に配列されている。各単位領域２０の平面形状は矩形状（例えば正方形状）である。各単位領域２０の一辺の長さＷ１は、例えば２００〜４００ｎｍの範囲内である。メタサーフェス３Ａは、主面３ａに入力されるレーザ光Ｌ１の位相を単位領域２０毎に個別に変調することにより、レンズ用途やホログラム形成といった種々の目的に使用される。
【００４９】
図９は、図８のIX−IX線に沿った断面図であって、メタサーフェス３Ａの断面構造を示している。図９に示されるように、メタサーフェス３Ａは、透光層９Ａを備える。透光層９Ａは、主面９ａ（第１面）と、主面９ａとは反対側に位置する裏面９ｂ（第２面）とを有する。更に、メタサーフェス３Ａは、透光層９Ａの主面９ａ上に設けられた金属膜６Ａと、透光層９Ａの裏面９ｂ上に設けられた金属膜８Ａとを備える。すなわち、透光層９Ａは金属膜６Ａと金属膜８Ａとの間に設けられている。なお、図９には、透光層９Ａの主面９ａ上に設けられた導光層３１が併せて示されている。導光層３１は、透光層９Ａに接する。
【００５０】
透光層９Ａは、平坦な膜であって、複数の単位領域２０にわたってＸ方向及びＹに沿って延在している。透光層９Ａの主面９ａは、導光層３１を介して、半導体基板１０の裏面１０ｂ（すなわち第２光出力面２ｂ）と対向する。従って、主面９ａには、導光層３１を介してレーザ光Ｌ１が入力される。主面９ａと裏面９ｂとの間隔（すなわちＺ方向における透光層９Ａの厚さ）は、レーザ光Ｌ１の波長λ0よりも十分に小さく設定される。透光層９Ａの厚さは、例えば１０〜１００ｎｍの範囲内である。
【００５１】
透光層９Ａは、誘電体層を含む。一例として、本実施形態の透光層９Ａは単一の誘電体層からなる。なお、透光層９Ａは、誘電体層に加えて、誘電体層ではない別の層（例えば、後述する第２実施形態と同様の透明導電層）を更に含んでもよい。誘電体層である透光層９Ａは、光透過性且つ絶縁性を有する無機膜である。光透過性とは、メタサーフェス３Ａに入力される波長に対する吸収が極めて低い（例えば光吸収率が２０％以下の）性質をいう。絶縁性とは、電気抵抗率が極めて高い（例えば抵抗率が１０６Ω・ｍ以上の）性質をいう。誘電体層４は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、及びフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）のうち少なくとも一つを含む。誘電体層４の厚さは、例えば１〜２０ｎｍの範囲内であり、一例では５ｎｍである。
【００５２】
金属膜６Ａは、本実施形態における第１金属膜であって、メタサーフェス構造におけるナノアンテナとしての機能を有する。金属膜６Ａは、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる膜である。金属膜６Ａの膜厚は、例えば３０〜１００ｎｍの範囲内であり、一例では３０ｎｍである。金属膜６Ａは、複数の部分金属膜６１を含む。図１０の（ａ）は、金属膜６Ａの平面形状を示す図である。金属膜６Ａの範囲は、ハッチングにより示される。同図に示されるように、複数の部分金属膜６１は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って二次元状に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜６１は、単位領域２０毎に設けられており、各単位領域２０に含まれている。Ｘ方向における部分金属膜６１の幅Ｗ２、及びＹ方向（第１方向）における部分金属膜６１の幅Ｗ３は、単位領域２０の一辺の長さＷ１よりも小さく設定され、且つ、レーザ光Ｌ１の波長λ0よりも十分に小さく設定される。一例では、部分金属膜６１の幅Ｗ２は４０〜３６０ｎｍの範囲内であり、一例では９０ｎｍである。また、部分金属膜６１の幅Ｗ３は４０〜３６０ｎｍの範囲内であり、一例では４０ｎｍ〜１８０ｎｍの範囲内で単位領域２０毎に独立して設定される。従って、本実施形態においては、二以上の単位領域２０間において、部分金属膜６１の幅Ｗ３は互いに異なっている。
【００５３】
なお、一例として、部分金属膜６１の幅Ｗ２とレーザ光Ｌ１の波長λ0との比（Ｗ２／λ0）は０．０２〜０．９の範囲内であり、部分金属膜６１の幅Ｗ３とレーザ光Ｌ１の波長λ0との比（Ｗ３／λ0）は０．０２〜０．９の範囲内である。さらに、部分金属膜６１の幅Ｗ２と単位領域２０の一辺の長さＷ１との比（Ｗ２／Ｗ１）は０．１〜１の範囲内であり、部分金属膜６１の幅Ｗ３と単位領域２０の一辺の長さＷ１との比（Ｗ３／Ｗ１）は０．１〜０．９の範囲内である。
【００５４】
上記のように、部分金属膜６１の幅Ｗ２，Ｗ３は、単位領域２０の長さＷ１よりも小さい。そして、部分金属膜６１は、Ｘ方向及びＹ方向における単位領域２０の略中央部分に配置される。従って、図９及び図１０の（ａ）に示されるように、透光層９Ａは、各単位領域２０において、Ｚ方向から見て金属膜６Ａから露出する部分９ｅを含む。部分９ｅは、Ｚ方向から見て部分金属膜６１を囲む位置に設けられるか、若しくは部分金属膜６１を挟む一対の位置に設けられる。なお、Ｘ方向若しくはＹ方向は、レーザ光Ｌ１の偏光方向と一致する。
【００５５】
金属膜８Ａは、本実施形態における第２金属膜である。金属膜８Ａは、透光層９Ａに入力されたレーザ光Ｌ１を、主面９ａに向けて反射する。金属膜８Ａは、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる。金属膜８Ａの膜厚は、例えば１００〜２００ｎｍの範囲内であり、一例では１３０ｎｍである。図１０の（ｂ）は、金属膜８Ａの平面形状を示す図である。金属膜８Ａの範囲は、ハッチングにより示される。本実施形態の金属膜８Ａは、透光層９Ａの裏面９ｂの全面にわたって隙間無く設けられている。
【００５６】
図１１は、フォトニック結晶層１５Ａにおいて複数の異屈折率領域１５ｂが形成された内側領域ＲＩＮ（図５を参照）と、メタサーフェス３Ａにおいて複数の部分金属膜６１が形成された領域Ｑとの関係を示す平面図である。図１１に示されるように、領域Ｑの面積は内側領域ＲＩＮの面積よりも小さく、Ｚ方向から見て領域Ｑは内側領域ＲＩＮに含まれてもよい。
【００５７】
再び図９を参照する。導光層３１は、メタサーフェス３Ａと面発光レーザ素子２Ａとの間の光損失を低減するために、面発光レーザ素子２Ａの第２光出力面２ｂと、メタサーフェス３Ａの透光層９Ａとの間に設けられている。導光層３１は、光透過性且つ絶縁性を有する無機膜であって、第２光出力面２ｂに対する反射防止膜を兼ねる。導光層３１は、単一の層からなってもよく、複数の層が積層されて構成されてもよい。導光層３１は、面発光レーザ素子２Ａ側の面３１ａと、メタサーフェス３Ａ側の面３１ｂとを有する。面３１ａ，３１ｂは、平坦且つ互いに平行であり、Ｚ方向において互いに対向している。導光層３１は、面３１ａにおいて第２光出力面２ｂに接しており、面３１ｂにおいて透光層９Ａの主面９ａに接している。Ｚ方向における面３１ａ，３１ｂの間隔（すなわち導光層３１の厚さ）は例えば５０〜３００ｎｍの範囲内であり、一例では１１７ｎｍである。
【００５８】
導光層３１は、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びフッ化カルシウム（ＣａＦ２）のうち少なくとも一つを含んで構成されてもよい。また、導光層３１と透光層９Ａとの界面における反射を低減するため、透光層９Ａの主面９ａを構成する層は、レーザ光Ｌ１の波長において導光層３１の屈折率以上の屈折率を有してもよい。言い換えると、導光層３１の屈折率は、透光層９Ａの主面９ａを構成する層の屈折率と同じか、それよりも小さくてもよい。従って、透光層９ＡがＡｌ２Ｏ３から成る場合、導光層３１はＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを含んで構成されてもよい。また、透光層９ＡがＳｉＯ２から成る場合、導光層３１はＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを含んで構成されてもよい。また、透光層９ＡがＭｇＦ２から成る場合、導光層３１はＭｇＦ２及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを含んで構成されてもよい。これにより、第２光出力面２ｂから出力された光Ｌ１は、導光層３１から透光層９Ａへ低い損失にて入力される。
【００５９】
なお、本実施形態では、導光層３１が金属膜６Ａの複数の部分金属膜６１を埋め込んでいるが、透光層９Ａが複数の部分金属膜６１を埋め込んでいてもよい。導光層３１が金属膜６Ａの複数の部分金属膜６１を埋め込む場合、導光層３１の厚さは金属膜６Ａの膜厚よりも大きい。
【００６０】
図１２の（ａ）〜（ｄ）及び図１３の（ａ）〜（ｃ）は、メタサーフェス３Ａの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。まず、図１２の（ａ）に示されるように、第１工程として面発光レーザ素子２Ａを準備する。そして、面発光レーザ素子２Ａの第２光出力面２ｂ（本実施形態ではコンタクト層１４の表面１４ａ）上に、導光層３１を成膜する。導光層３１の成膜は、例えば電子線蒸着法やスパッタ法を用いて行われる。
【００６１】
次に、図１２の（ｂ）に示されるように、レジスト４１を導光層３１上に塗布する。レジスト４１は例えば電子線露光レジストである。続いて、図１２の（ｃ）に示されるように、レジスト４１を露光・現像することにより、レジスト４１に開口４１ａを形成する。開口４１ａは、複数の部分金属膜６１に対応する。続いて、図１２の（ｄ）に示されるように、レジスト４１の開口４１ａを介して導光層３１をエッチングすることにより、導光層３１に複数の凹部３１ｃを形成する。凹部３１ｃの深さは、複数の部分金属膜６１の厚さと等しい。このときのエッチング方法としては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Eching）といったドライエッチングが挙げられる。凹部３１ｃの深さは、エッチング時間によって制御することができる。
【００６２】
続いて、図１３の（ａ）に示されるように、金属膜６Ａのための金属材料（例えばＡｕ）を、導光層３１上の全面に蒸着する。このとき、金属材料はレジスト４１の開口４１ａを介して導光層３１の凹部３１ｃに達し、凹部３１ｃを埋め込む。これにより、金属膜６Ａの複数の部分金属膜６１が形成される。部分金属膜６１の厚さは、蒸着時間によって制御することができる。好ましくは、部分金属膜６１の厚さと凹部３１ｃの深さとが互いに等しくなるように蒸着時間を制御する。また、この工程では、レジスト４１上に余剰の金属材料Ｍが堆積する。
【００６３】
続いて、図１３の（ｂ）に示されるように、導光層３１上からレジスト４１を除去する。この際、余剰の金属材料Ｍはレジスト４１とともに取り除かれる。これにより、導光層３１の面３１ｂが現れる。部分金属膜６１の厚さと凹部３１ｃの深さとを適切に制御することにより、面３１ｂと複数の部分金属膜６１の露出面とは互いに面一となり、全体的に平坦となる。その後、図１３の（ｃ）に示されるように、導光層３１の面３１ｂ上及び複数の部分金属膜６１上の全面に、透光層９Ａ、金属膜８Ａをこの順で成膜する。透光層９Ａの成膜方法及び材料は、導光層３１の成膜方法及び材料と同様である。導光層３１の面３１ｂと複数の部分金属膜６１の露出面とが全体的に平坦であるため、透光層９Ａの主面９ａ及び裏面９ｂも平坦となる。また、金属膜８Ａの成膜方法及び材料は、金属膜６Ａの成膜方法及び材料と同様である。以上の構成を経て、本実施形態のメタサーフェス３Ａが作製される。
【００６４】
以上に説明した本実施形態の発光デバイス１Ａによって得られる作用効果について説明する。この発光デバイス１Ａにおいては、面発光レーザ素子２Ａにおいて生じたレーザ光Ｌ１，Ｌ２が、第１光出力面２ａ及び第２光出力面２ｂからそれぞれ出力される。このうち、第２光出力面２ｂから出力されたレーザ光Ｌ１は、導光層３１を通って透光層９Ａの主面９ａに入力される。
【００６５】
本実施形態のメタサーフェス３Ａは、光反射膜としての金属膜８Ａと、誘電体層を含む透光層９Ａと、有限の幅Ｗ３を有する複数の部分金属膜６１からなる金属膜６Ａとがこの順に積層されたＭＩＭ構造を備える。この場合、図２及び図３（ａ）に示されたように、透光層９Ａは金属膜６Ａから露出する部分９ｅを含む。面発光レーザ素子２Ａから透光層９Ａの部分９ｅに入力されたレーザ光Ｌ１は、金属膜８Ａにおいて反射し、再びメタサーフェス３Ａの外部へ出力される。複数の部分金属膜６１の幅Ｗ３および透光層９Ａの厚さがレーザ光Ｌ１の波長λ０よりも十分に小さい場合、表面プラズモン結合による強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が透光層９Ａ内に生じる。この磁気共鳴によって、部分金属膜６１と金属膜８Ａとの間を通過するレーザ光Ｌ１の位相が変調される。
【００６６】
ここで、以下の数式（１）は、磁気共鳴によるレーザ光Ｌ１の位相変調量φ、部分金属膜６１の幅ｗ（＝Ｗ３）、レーザ光Ｌ１の波長λ０、および透光層９Ａの実効屈折率Ｎｇｓｐの関係を表す。なお、ｍは整数である。
【００６７】
【数１】
2019201065.tif 000003
数式（１）から明らかなように、位相変調量φは、部分金属膜６１の幅ｗに依存する。従って、幅ｗを単位領域２０毎に独立して設定することにより、レーザ光Ｌ１の位相を空間的に制御することができる。こうして位相が変調されたレーザ光Ｌ１は、第２光出力面２ｂから面発光レーザ素子２Ａ内に再び入力され、第１光出力面２ａから出力される。
【００６８】
前述したように、メタサーフェスが反射型である場合、光源及びメタサーフェスを備える発光デバイスにおいては、光源からの光をメタサーフェスに入力するための光学系、およびメタサーフェスから出力された光を導くための光学系が必要となる。従って、全体の光学系が複雑になり易く、発光デバイスの小型化を妨げる要因となる。これに対し、本実施形態の発光デバイス１Ａにおいては、導光層３１を介して光源（面発光レーザ素子２Ａ）とメタサーフェス３Ａとが一体化されている。従って、反射型であるメタサーフェス３Ａと光源（面発光レーザ素子２Ａ）との間の光学系を不要とすることができる。故に、光学系を簡易化することができる。
【００６９】
加えて、この発光デバイス１Ａにおいては、透光層９Ａにおいて主面９ａを構成する層が、レーザ光Ｌ１の波長において導光層３１の屈折率以上の屈折率を有する。例えばこのような構成によって、導光層３１と透光層９Ａとの界面における反射を低減し、導光層３１から透光層９Ａへレーザ光Ｌ１を効率よく入力することができる。従って、メタサーフェス３Ａを有効に機能させることができる。
【００７０】
また、本実施形態のように、二以上の単位領域２０における金属膜６ＡのＹ方向における幅Ｗ３が互いに異なってもよい。上述したように、位相変調量は金属膜６Ａの幅Ｗ３に依存する。従って、例えばこのような構成によって、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の単位領域２０毎に位相を変調することが可能な静的メタサーフェスを備える発光デバイス１Ａを好適に実現することができる。
【００７１】
図１４の（ａ）は、メタサーフェス３Ａの応用例として、出力光の出射角を可変にするビームステアリングを概念的に示す図である。この例では、Ｘ方向（またはＹ方向）に沿って位相変調量φを単位領域２０毎に一定量ずつ変化させることにより、出力光の波面Ｐａをメタサーフェス３Ａの表面に対して傾斜させる。このとき、波面Ｐａの法線と、メタサーフェス３Ａの表面の法線との成す角θ（すなわち出力光の出射角）は、単位領域２０毎の位相変調量φの変化量に応じて定まる。該変化量が大きいほど出力光の出射角θは大きくなり、該変化量が小さいほど出力光の出射角θは小さくなる。従って、単位領域２０毎の位相変調量φの変化量を制御することによって、出力光の出射角θを任意の角度に設定することができる。
【００７２】
図１４の（ｂ）は、ビームステアリングのための構造を有する回折光学素子（ＤＯＥ）１００の光反射面１０１の形状を示す断面図である。回折光学素子１００では、光反射面１０１に周期的な凹凸を設け、凸部に斜面１０２を形成することによって出力光（反射光）の出射角を制御する。しかしながらこのような構成では、光反射面１０１の凹凸構造が、例えば２００μｍといった厚さｔ２を有することとなる。これに対し、本実施形態のメタサーフェス３Ａは例えば２１０ｎｍといった厚さｔ１を有し、回折光学素子１００と比較して極めて薄く構成することができる。従って、発光デバイス１Ａの小型化に寄与できる。
【００７３】
また、本実施形態のように、面発光レーザ素子２Ａは、主面１０ａ及び主面１０ａとは反対側の裏面１０ｂを有する基板と、主面１０ａ上に設けられた活性層１２及びフォトニック結晶層１５Ａと、を有し、フォトニック結晶層１５Ａは、基本層１５ａと、基本層１５ａとは屈折率が異なりフォトニック結晶層１５Ａの厚さ方向に垂直な面内において周期的に配列された複数の異屈折率領域１５ｂとを含んでもよい。例えばこのような構成によって、面発光レーザ素子２Ａをフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）とすることができる。ＰＣＳＥＬは、主面と平行な方向の光モード分布をフォトニック結晶によって制御することが可能であるため、例えば同じ面発光レーザ素子である垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）と比較して、単一モードを維持したまま発光面積を大きくすることが原理的に可能である。つまり、波面が良好な状態を保ったまま発光面積を大きくすることが原理的に可能である。従って、メタサーフェス３Ａの単位領域２０の数を多くして、より複雑な位相変調パターンを実現することができる。
【００７４】
また、本実施形態のように、透光層９Ａは、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、及びＭｇＦ２のうち少なくとも一つを含んでもよい。例えばこのような構成によって、誘電体層を含む透光層９Ａを好適に実現することができる。
【００７５】
また、本実施形態のように、導光層３１は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを含んでもよい。例えばこのような構成によって、上述した導光層３１の作用を好適に奏することができる。
【００７６】
また、本実施形態のように、第１光出力面２ａ上に設けられた電極１７は、第１光出力面２ａにおけるレーザ光出力領域を囲む形状を有してもよい。例えばこのような構成によって、メタサーフェス３Ａにおいて位相変調されたレーザ光Ｌ１を、電極１７を回避しつつ第１光出力面２ａから出力させることができる。
【００７７】
また、本実施形態のように、第２光出力面２ｂ上に設けられた電極１６は、メタサーフェス３Ａを囲む形状を有してもよい。例えばこのような構成によって、メタサーフェス３Ａを電極１６とともに第２光出力面２ｂ上に設けつつ、電極１６からの電流を活性層１２の中央部付近に十分に拡散させることができる。
【００７８】
（第１変形例）
図１５は、第１実施形態の一変形例に係るメタサーフェス３Ｂを示す平面図である。メタサーフェス３Ｂの主面３ａには、第１実施形態の複数の単位領域２０に代えて、複数（Ｎ個）の単位領域２１が形成されている。複数の単位領域２１は、Ｘ方向に沿って一次元状に並んで配列されている。各単位領域２１の平面形状は矩形状（例えば並び方向と交差するＹ方向を長手方向とする長方形状）である。Ｘ方向における各単位領域２１の幅Ｗ４は、第１実施形態の単位領域２０の一辺の長さＷ１と同様である。なお、メタサーフェス３ＢのIX−IX断面の構造は、第１実施形態と同様（図９を参照）である。
【００７９】
図１６の（ａ）は、金属膜６Ｂの平面形状を示す図である。金属膜６Ｂは、透光層９Ａの主面９ａ上に設けられており、第１実施形態と同様に複数の部分金属膜６２を含む。複数の部分金属膜６２は、Ｘ方向に並んでおり、互いに離間している。Ｘ方向における複数の部分金属膜６２の配置の周期は一定である。各部分金属膜６２の平面形状は矩形状（例えば長方形状）である。各部分金属膜６２は、各単位領域２１毎に設けられ、各単位領域２１内に位置する。Ｘ方向における部分金属膜６２の幅Ｗ２、及びＹ方向における部分金属膜６２の幅Ｗ３は第１実施形態と同様である。本変形例においても、部分金属膜６２の幅Ｗ２は、単位領域２１の幅Ｗ４よりも小さい。また、部分金属膜６２の幅Ｗ３は、レーザ光Ｌ１の波長λ0よりも十分に小さく、且つ単位領域２１毎に独立して設定される。従って、本実施形態においても、二以上の単位領域２１間において、部分金属膜６２の幅Ｗ３は互いに異なっている。そして、部分金属膜６２は、Ｘ方向及びＹ方向における単位領域２１の略中央部分に配置される。従って、透光層９Ａは、各単位領域２１において部分金属膜６２から露出した部分９ｅを含む。
【００８０】
図１６の（ｂ）は、金属膜８Ａの平面形状を示す図である。メタサーフェス３Ｂが備える金属膜８Ａの態様は、第１実施形態と同様である。
【００８１】
本変形例のように、複数の単位領域は一次元状に配列されてもよい。このような場合であっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００８２】
（第２実施形態）
図１７は、本発明の第２実施形態に係る発光デバイス１Ｂの断面構成を模式的に示す図である。図１７に示されるように、本実施形態の発光デバイス１Ｂは、面発光レーザ素子２Ａ、メタサーフェス３Ｃ、及び導光層３１を備える。これらのうち、面発光レーザ素子２Ａ及び導光層３１の構成は上記第１実施形態と同様なので、本実施形態では説明を省略する。
【００８３】
本実施形態のメタサーフェス３Ｃは、第１実施形態のメタサーフェス３Ａに代えて、面発光レーザ素子２Ａの第２光出力面２ｂ上に導光層３１を介して設けられている。メタサーフェス３Ｃは、面発光レーザ素子２Ａと一体的に構成された反射型の動的メタサーフェスであって、第１実施形態のメタサーフェス３Ａと同様に、ギャップ・プラズモン型の構造を有する。また、メタサーフェス３Ｃは、第１実施形態のメタサーフェス３Ａと同様に、図８に示された複数の単位領域（画素）２０を有する。複数の単位領域２０は、Ｘ方向を行方向とし、Ｙ方向を列方向とするＭ行Ｎ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）の二次元状に配列されている。各単位領域２０の平面形状は矩形状（例えば正方形状）である。各単位領域２０の一辺の長さＷ１は、例えば２００〜４００ｎｍの範囲内である。メタサーフェス３Ｃは、主面３ａに入力されるレーザ光Ｌ１の位相を単位領域２０毎に個別に変調することにより、レンズ用途やホログラム形成といった種々の目的に使用される。
【００８４】
図１８は、図８のIX−IX線に相当するメタサーフェス３Ｃの断面構造を示す図である。図１８に示されるように、メタサーフェス３Ｃは、駆動回路５と、駆動回路５の表面に設けられた金属膜８Ｂと、金属膜８Ｂ上に積層された透光層９Ｂと、透光層９Ｂ上に設けられた金属膜６Ｃとを備える。すなわち、透光層９Ｂは金属膜８Ｂと金属膜６Ｃとの間に設けられている。
【００８５】
透光層９Ｂは、平坦な膜であって、複数の単位領域２０にわたってＸ方向及びＹ方向に沿って延在している。透光層９Ｂは、主面９ｃ（第１面）および裏面９ｄ（第２面）を有する。主面９ｃと裏面９ｄとは、Ｚ方向において互いに対向する。主面９ｃには、面発光レーザ素子２Ａの第２光出力面２ｂから導光層３１を介してレーザ光Ｌ１が入力される。主面９ｃと裏面９ｄとの間隔（すなわちＺ方向における透光層９Ｂの厚さ）は、レーザ光Ｌ１の波長λ０よりも十分に小さく設定される。透光層９Ｂの厚さは、例えば１０〜１００ｎｍの範囲内である。透光層９Ｂは、Ｚ方向を積層方向として積層された透明導電層９２及び誘電体層９３を有する。
【００８６】
透明導電層９２は、光透過性且つ導電性を有する無機膜である。本実施形態の透明導電層９２は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）及び酸化亜鉛（Ｚｎ２Ｏ３）のうち少なくとも一方を含む。酸化インジウムに対するドーパントは、例えばＳｎである。Ｓｎがドープされた酸化インジウムは、ＩＴＯと呼ばれる。また、酸化亜鉛に対するドーパントは、例えばＡｌ若しくはＧａである。Ａｌがドープされた酸化亜鉛は、ＡＺＯと呼ばれる。Ｇａがドープされた酸化亜鉛は、ＧＺＯと呼ばれる。透明導電層９２の厚さは、例えば３〜５０ｎｍの範囲内であり、一例では２０ｎｍである。
【００８７】
誘電体層９３は、光透過性且つ絶縁性を有する無機膜である。絶縁性とは、電気抵抗率が極めて高い（例えば抵抗率が１０６Ω・ｍ以上の）性質をいう。誘電体層９３は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、及びフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）のうち少なくとも一つを含む。誘電体層９３の厚さは、例えば３〜２０ｎｍの範囲内であり、一例では５ｎｍである。本実施形態では、誘電体層９３は透明導電層９２に対して主面９ｃ側に位置する。
【００８８】
なお、本実施形態では裏面９ｄ側に透明導電層９２が設けられ、主面９ｃ側に誘電体層９３が設けられているが、主面９ｃ側に透明導電層９２が設けられ、裏面９ｄ側に誘電体層９３が設けられてもよい。また、本実施形態では透明導電層９２が裏面９ｄを構成し、誘電体層９３が主面９ｃを構成しているが、透明導電層９２及び誘電体層９３と主面９ｃ及び／または裏面９ｄとの間に別の層が更に設けられてもよい。また、透明導電層９２と誘電体層９３との間に別の層が更に設けられてもよい。
【００８９】
金属膜６Ｃは、本実施形態における第１金属膜であって、メタサーフェス構造におけるナノアンテナとしての機能を有する。金属膜６Ｃは、透光層９Ｂの主面９ｃ上に設けられている。金属膜６Ｃは、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる膜である。金属膜６Ｃの膜厚は、例えば３０〜１００ｎｍの範囲内であり、一例では５０ｎｍである。金属膜６Ｃは、複数の部分金属膜６３を含む。図１９の（ａ）は、金属膜６Ｃの平面形状を示す図である。同図に示されるように、複数の部分金属膜６３は、Ｘ方向に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜６３は、単位領域２０の列毎に設けられており、Ｙ方向に沿って並ぶ二以上の単位領域２０（本実施形態ではＭ個の単位領域２０）にわたって延在している。Ｘ方向における部分金属膜６３の幅Ｗ５は、同方向における単位領域２０の長さＷ１よりも小さく設定され、且つ、レーザ光Ｌ１の波長λ０よりも十分に小さく設定される。一例では、部分金属膜６３の幅Ｗ５は４０〜３６０ｎｍの範囲内であり、一例では２５０ｎｍである。また、隣り合う部分金属膜６３同士の間隔は４０〜３６０ｎｍの範囲内であり、一例では１５０ｎｍである。また、部分金属膜６３の幅Ｗ５とレーザ光Ｌ１の波長λ０との比（Ｗ５／λ０）は０．０２〜０．９の範囲内である。さらに、部分金属膜６３の幅Ｗ５と単位領域２０の一辺の長さＷ１との比（Ｗ５／Ｗ１）は０．１〜０．９の範囲内である。
【００９０】
上記のように、部分金属膜６３の幅Ｗ５は、単位領域２０の長さＷ１よりも小さい。そして、部分金属膜６３は、Ｘ方向における単位領域２０の略中央部分に配置される。従って、図１８及び図１９の（ａ）に示されるように、透光層９Ｂは、各単位領域２０において一対の部分９ｆ，９ｇを含む。一対の部分９ｆ，９ｇは、Ｚ方向から見て部分金属膜６３を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ、金属膜６Ｃから露出する。図１８に示されるように、一対の部分９ｆ，９ｇの並び方向（すなわちＸ方向）は、レーザ光Ｌ１の偏光方向Ｌ１ａと一致する。
【００９１】
金属膜８Ｂは、本実施形態における第２金属膜である。金属膜８Ｂは、透光層９Ｂの裏面９ｄ上に設けられている。一例では、金属膜８Ｂは裏面９ｄと接している。金属膜８Ｂは、透光層９Ｂに入力されたレーザ光Ｌ１を、主面９ｃに向けて反射する。金属膜８Ｂは、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる。金属膜８Ｂの膜厚は、例えば１００〜２００ｎｍの範囲内であり、一例では１５０ｎｍである。金属膜８Ｂは、複数の部分金属膜８１を含む。図１９の（ｂ）は、金属膜８Ｂの平面形状を示す図である。複数の部分金属膜８１は、Ｘ方向を行方向とし、Ｙ方向を列方向とするＭ行Ｎ列の二次元状に配列されており、互いに離間している。各部分金属膜８１は、単位領域２０毎に設けられており、各単位領域２０内に位置する。一例では、各部分金属膜８１の平面形状は矩形状（例えば正方形状）である。一例では、部分金属膜８１の一辺の長さＷ６は４０〜３６０ｎｍの範囲内である。さらに、部分金属膜８１の一辺の長さＷ６と単位領域２０の一辺の長さＷ１との比（Ｗ６／Ｗ１）は０．１〜０．９の範囲内である。
【００９２】
駆動回路５は、複数のトランジスタ５１を有する基板状の部材である。駆動回路５は、メタサーフェス３Ｃの外部から金属膜８Ｂと金属膜６Ｃとの間に印加される電圧を制御する。より詳細には、駆動回路５は、複数の部分金属膜６３の電位を共通の基準電位（ＧＮＤ電位）とするとともに、複数の部分金属膜８１の電圧を、トランジスタ５１を用いて個別に制御する。駆動回路５は、透光層９Ｂに対して裏面９ｄ側に位置する。各トランジスタ５１は、各単位領域２０に対応して設けられており、Ｚ方向から見て各単位領域２０内に位置する。トランジスタ５１は、例えば誘電体からなる基板上に設けられた薄膜トランジスタである。各トランジスタ５１上には、絶縁膜を介して部分金属膜８１が設けられている。
【００９３】
図２０は、各単位領域２０における回路構成を示す図である。図２０に示されるように、駆動回路５は、Ｍ本のゲート駆動配線５３と、Ｎ本の電圧供給配線５４とを更に有する。Ｍ本のゲート駆動配線５３は、行方向（すなわちＸ方向）に沿ってそれぞれ延在しており、互いに列方向（すなわちＹ方向）に並んでいる。Ｎ本の電圧供給配線５４は、列方向（すなわちＹ方向）に沿ってそれぞれ延在しており、互いに行方向（すなわちＸ方向）に並んでいる。第ｍ行（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）のゲート駆動配線５３は、第ｍ行に位置する単位領域２０毎に設けられたトランジスタ５１の制御端子（ゲート）と電気的に接続されている。第ｎ列（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の電圧供給配線５４は、第ｎ列に位置する単位領域２０毎に設けられたトランジスタ５１の一方の電流端子（例えばソース）と電気的に接続されている。トランジスタ５１の他方の電流端子（例えばドレイン）は、単位領域２０内の配線を介して当該単位領域２０の部分金属膜８１と電気的に接続されている。
【００９４】
また、本実施形態の駆動回路５は、単位領域２０毎に設けられた複数のキャパシタ５２を更に有する。キャパシタ５２は、本実施形態における電圧保持部の例であって、単位領域２０の部分金属膜８１に印加される電圧を単位領域２０毎に保持する。なお、電圧保持部としては、キャパシタ以外にも電圧を保持可能な種々の構成を適用できる。キャパシタ５２は、例えば駆動回路５の内部に形成された平行平板キャパシタである。キャパシタ５２の一方の電極は部分金属膜８１に接続され、他方の電極は定電位領域（例えば基準電位領域）に接続されている。なお、後述するように、部分金属膜８１がキャパシタ５２の一方の電極を兼ねてもよい。
【００９５】
図２１の（ａ）〜（ｄ）は、第ｍ行第ｎ列の単位領域２０における駆動回路５の動作を説明するための図である。図２１の（ａ）〜（ｄ）において、有意の電圧値を有する部分を破線で示している。まず、図２１の（ａ）に示される状態では、第ｍ行のゲート駆動配線５３、及び第ｎ列の電圧供給配線５４のいずれにも電圧は印加されておらず、トランジスタ５１は非導通状態となっている。次に、図５の（ｂ）に示されるように、第ｍ行のゲート駆動配線５３に所定のゲート電圧Ｖｇが印加されると、トランジスタ５１は導通状態となり、トランジスタ５１を介して第ｎ列の電圧供給配線５４と部分金属膜８１とが相互に接続される。続いて、図２１の（ｃ）に示されるように、第ｎ列の電圧供給配線５４に駆動電圧Ｖｄが印加される。駆動電圧Ｖｄの電圧値は、メタサーフェス３Ｃに呈示される所望の位相変調パターンに基づいて、各単位領域２０毎に独立して設定される。これにより、駆動電圧Ｖｄがトランジスタ５１を介して部分金属膜８１に印加されると同時に、該駆動電圧Ｖｄがキャパシタ５２によって保持される。その後、図２１の（ｄ）に示されるように、第ｍ行のゲート駆動配線５３からゲート電圧Ｖｇが印加されなくなり、また、第ｎ列の電圧供給配線５４からの駆動電圧Ｖｄの供給が停止する。このとき、トランジスタ５１は再び非導通状態となるが、キャパシタ５２によって、部分金属膜８１の電圧が駆動電圧Ｖｄに保持される。このような動作を全ての単位領域２０に対して逐次行い、駆動回路５が複数の部分金属膜８１の駆動電圧Ｖｄを個別に制御することにより、所望の位相変調パターンがメタサーフェス３Ｃに呈示され、レーザ光Ｌ１の位相が単位領域２０毎に変調される。
【００９６】
図２２は、各単位領域２０における駆動回路５の構造を示す平面図である。また、図２３は、図２２のXXIII−XXIII線に沿った断面図であって、各単位領域２０における駆動回路５の断面構造を示す。図２２及び図２３に示されるように、駆動回路５は、第１導電型（例えばｐ型）の半導体層５５と、半導体層５５上に設けられた絶縁層５７，５８とを有する。半導体層５５は、半導体基板そのものであってもよいし、異種基板上に形成された半導体膜（単結晶膜、多結晶膜、或いはアモルファス膜）であってもよい。半導体層５５の表面５５ｃ（すなわち半導体基板の主面、若しくは異種基板及び半導体膜からなる基板状部材の主面）には、トランジスタ５１が設けられている。半導体層５５が異種基板上に形成された半導体膜である場合、トランジスタ５１は薄膜トランジスタと呼ばれる。半導体層５５を構成する半導体基板、若しくは異種基板及び半導体層５５を構成する半導体膜は、表面５５ｃと透光層９Ｂの裏面９ｄ（図２を参照）とを互いに対向させつつ、透光層９Ｂと一体化している。
【００９７】
一例として、半導体層５５は、第１導電型（例えばｐ型）の不純物が添加されたＳｉによって主に構成される。半導体層５５内には、第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域５５ａ，５５ｂが形成されている。半導体領域５５ａ，５５ｂは、第２導電型の不純物が添加されたＳｉによって主に構成される。半導体領域５５ａ，５５ｂは、互いに間隔をあけて配置され、半導体層５５の表面５５ｃにおいて露出している。半導体領域５５ａは、表面５５ｃ上に設けられたトランジスタ５１のソース電極５１ｂとオーミック接触を成す。半導体領域５５ｂは、表面５５ｃ上に設けられたトランジスタ５１のドレイン電極５１ｃとオーミック接触を成す。ソース電極５１ｂ及びドレイン電極５１ｃは、表面５５ｃ上において間隔をあけて並んで配置されている。
【００９８】
ソース電極５１ｂ，ドレイン電極５１ｃを除く表面５５ｃ上の領域は、絶縁層５７によって覆われている。なお、図２２では、理解を容易にする為、絶縁層５７の必要な部分のみ図示している。絶縁層５７は、例えばＳｉＯ２といった絶縁性のシリコン化合物を主に含む。絶縁層５７上には、トランジスタ５１のゲート電極５１ａが設けられている。ゲート電極５１ａは、半導体層５５における半導体領域５５ａと半導体領域５５ｂとの間に位置する領域と、絶縁層５７を挟んで対向している。ゲート電極５１ａは、絶縁層５７上に設けられた絶縁層５８によって覆われている。図２３に示されるように、絶縁層５８は、駆動回路５の全体を保護する保護膜である。絶縁層５８は、例えばＳｉＯ２を主に含む。絶縁層５８上には、当該単位領域２０の部分金属膜８１が設けられている。
【００９９】
図２２に示されるように、ソース電極５１ｂは、表面５５ｃ上に設けられた電圧供給配線５４に接続されている。ゲート電極５１ａは、絶縁層５７上に設けられた配線を介してゲート駆動配線５３に接続されている。また、図２３に示されるように、ドレイン電極５１ｃは、絶縁層５７，５８を貫通する配線５１ｄを介して部分金属膜８１に接続されている。
【０１００】
キャパシタ５２は、部分金属膜８１の一部と、その直下の半導体層５５と、それらの間に介在する誘電体層５９とによって構成されている。なお、半導体層５５は定電位（例えば基準電位）に規定されている。この場合、部分金属膜８１はキャパシタ５２の一方の電極を兼ね、半導体層５５はキャパシタ５２の他方の電極を兼ねる。誘電体層５９は、絶縁層５７，５８に形成された開口を埋め込むように設けられている。誘電体層５９の下面は半導体層５５に接しており、誘電体層５９の上面は部分金属膜８１に接している。誘電体層５９は、例えばＳｉＯ２を主に含む。
【０１０１】
図２４の（ａ）〜（ｄ）は、メタサーフェス３Ｃの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。なお、同図においては、一つの単位領域２０を代表して示しているが、他の単位領域２０も当該単位領域２０と並行して、同様の方法により作製される。まず、図２４の（ａ）に示されるように、第１工程として駆動回路５を準備する。駆動回路５は、トランジスタを有する基板上に配線層を形成する周知の方法によって作製される。このとき、駆動回路５上の配線層に、複数の部分金属膜８１を含む金属膜８Ｂを形成しておく。次に、図２４の（ｂ）に示されるように、金属膜８Ｂ上に透明導電層９２を例えばスパッタ法といった物理蒸着法を用いて形成する。具体的には、透明導電層９２の材料からなるターゲットを真空チャンバ内に設置し、高電圧によりイオン化された不活性ガスをターゲットに衝突させ、透明導電層９２の材料を飛散させて成膜する。透明導電層９２がＩＴＯからなる場合、誘電体層９３の材料は例えばＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，及びＨｆＯ２のうち少なくとも一つである。続いて、図２４の（ｃ）に示されるように、透明導電層９２上に誘電体層９３を例えば原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法を用いて形成する。具体的には、誘電体層９３を構成する元素毎に、成膜装置内への原料ガスの投入及びパージを行い、例えば数オングストロームの厚さの成膜を繰り返し行う。誘電体層９３がＳｉＯ2からなる場合、ＡＬＤの原料は例えばＴＤＭＡＳ及び酸素プラズマである。続いて、図２４の（ｄ）に示されるように、複数の部分金属膜６３を含む金属膜６Ｃを、例えばリフトオフ法を用いて誘電体層９３上に形成する。具体的には、まず、誘電体層９３の上にレジストを塗布し、複数の部分金属膜６３に対応する複数の開口を形成する。次に、レジストの複数の開口を含む誘電体層９３の全面に金属膜（例えばＡｕ膜）を蒸着する。そして、レジストを除去することにより、レジスト上に堆積した金属膜を除去する。以上の工程を経て、本実施形態のメタサーフェス３Ｃが作製される。
【０１０２】
続いて、図２４の（ｅ）に示されるように、誘電体層９３上の全面に、誘電体層９３及び金属膜６Ｃを覆う導光層３１を例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成する。具体的には、成膜装置内の温度及び圧力を調整した後、導光層３１を構成する元素毎に原料ガスを成膜装置内に流す。導光層３１がＳｉＯ2からなる場合、ＣＶＤの原料は例えばＳｉＨ４である。
【０１０３】
最後に、導光層３１の表面（面３１ａ）を化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により平坦化した後、別に用意した面発光レーザ素子２Ａの第２光出力面２ｂに導光層３１の面３１ａを接合することにより、発光デバイス１Ｂが完成する。このときの接合方法としては、例えば拡散接合または常温接合が挙げられる。
【０１０４】
以上に説明した本実施形態の発光デバイス１Ｂによって得られる効果について説明する。本実施形態の発光デバイス１Ｂにおいては、第１実施形態と同様に、導光層３１を介して光源（面発光レーザ素子２Ａ）とメタサーフェス３Ｃとが一体化されている。従って、反射型であるメタサーフェス３Ｃと光源（面発光レーザ素子２Ａ）との間の光学系を不要とすることができる。故に、光学系を簡易化することができる。
【０１０５】
また、メタサーフェス３Ｃは、光反射膜としての金属膜８Ｂと、透明導電層９２及び誘電体層９３を含む透光層９Ｂと、有限の幅Ｗ５を有する複数の部分金属膜６３からなる金属膜６Ｃとがこの順に積層されたＭＩＭ構造を備える。この場合、図１８及び図１９に示されたように、透光層９Ｂは一対の部分９ｆ，９ｇを含む。一対の部分９ｆ，９ｇは、積層方向（Ｚ方向）から見て部分金属膜６３を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ、金属膜６Ｃから露出する。メタサーフェス３Ｃの外部から透光層９Ｂの一方の部分９ｆ（または９ｇ）に入力されたレーザ光Ｌ１は、金属膜８Ｂにおいて反射し、透光層９Ｂの他方の部分９ｇ（または９ｆ）からメタサーフェス３Ｃの外部へ出力される。このとき、部分金属膜６３と金属膜８Ｂとの間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流が部分金属膜６３及び金属膜８Ｂの双方に生じ、透光層９Ｂ内に強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が生じる。この磁気共鳴によって、部分金属膜６３と金属膜８Ｂとの間を通過するレーザ光Ｌ１の位相が変調される。なお、磁気共鳴によるレーザ光Ｌ１の位相変調量φ、部分金属膜６３の幅ｗ（＝Ｗ５）、レーザ光Ｌ１の波長λ０、および透光層９Ｂの実効屈折率Ｎｇｓｐの関係は、前述した数式（１）のとおりである。
【０１０６】
数式（１）から明らかなように、位相変調量φは、透光層９Ｂの実効屈折率Ｎｇｓｐに依存する。そして、部分金属膜６３と金属膜８Ｂとの間に印加される駆動電圧Ｖｄを変化させることによって、実効屈折率Ｎｇｓｐを制御することができる。その理由は次の通りである。部分金属膜６３と金属膜８Ｂとの間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、図２５に示されるように、部分金属膜６３と金属膜８Ｂとの間の電界によって透明導電層９２の誘電体層９３との界面付近の電子密度が高まる。その結果、透明導電層９２の該界面付近の部分が、金属化した層９２ａに変化する。この層９２ａはレーザ光Ｌ１と反応するので、透光層９Ｂの実効屈折率Ｎｇｓｐが変化する。
【０１０７】
更に、本実施形態のメタサーフェス３Ｃでは、単位領域２０毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜８１を金属膜８Ｂが含んでおり、駆動回路５は、複数の部分金属膜８１の駆動電圧Ｖｄを個別に制御する。これにより、図２５に示されるように、透明導電層９２における金属化層９２ａの厚さを各単位領域２０毎に独立して制御できるので、単位領域２０毎に独立した位相変調が可能になる。すなわち、本実施形態のメタサーフェス３Ｃによれば、二次元状に配列された複数の単位領域２０毎に位相を動的に変調することができる。
【０１０８】
また、本実施形態においても、本実施形態のメタサーフェス３Ｃは、回折光学素子（図１４の（ｂ）を参照）と比較して極めて薄く構成することができる。従って、メタサーフェス３Ｃを備える発光デバイス１Ｂの小型化に寄与できる。
【０１０９】
本実施形態のように、駆動回路５は、部分金属膜８１毎に電圧を保持する複数の電圧保持部（キャパシタ５２）を有してもよい。これにより、各部分金属膜８１に対して逐次的に電圧を設定できるので、駆動回路５の構成を簡略化することができる。この場合、複数の電圧保持部は、金属膜８Ｂを一方の電極とするキャパシタ５２であってもよい。これにより、電圧保持部を簡易な構成により実現することができる。
【０１１０】
本実施形態のように、誘電体層９３は透明導電層９２に対して主面９ｃ側に位置してもよい。これにより、上側に設けられている金属構造の形状を反映した蓄積層が形成されるため、電子濃度が高くなることが期待できる。
【０１１１】
本実施形態のように、駆動回路５は、単位領域２０毎に設けられた複数のトランジスタ５１を含み、メタサーフェス３Ｃは、複数のトランジスタ５１を主面に有する基板を備えており、該基板は、その主面と裏面９ｄとを互いに対向させつつ透光層９Ｂと一体化してもよい。これにより、駆動回路が組み込まれた小型の反射型動的メタサーフェスを提供できる。
【０１１２】
本実施形態のように、駆動回路５は金属膜６Ｃを基準電位とし、金属膜６Ｃは、一対の部分９ｆ，９ｇの並び方向と交差する方向に並ぶ二以上の単位領域２０にわたって延在してもよい。これにより、金属膜６Ｃに基準電位を提供するための配線がレーザ光Ｌ１及び出力光の進路を妨げることを抑制しつつ、金属膜６Ｃに基準電位を容易に提供することができる。従って、簡易な構造によってメタサーフェス３Ｃの出力効率の低下を抑制できる。
【０１１３】
本実施形態のように、誘電体層９３は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、及びＭｇＦ２のうち少なくとも一つを含んでもよい。これにより、上述した誘電体層９３を好適に実現することができる。
【０１１４】
本実施形態のように、透明導電層９２は、ドーパントにより低抵抗化された、Ｉｎ２Ｏ３及びＺｎ２Ｏ３のうち少なくとも一方を含んでもよい。これにより、上述した透明導電層９２の作用を好適に奏することができる。
【０１１５】
（第２変形例）
第２実施形態のメタサーフェス３Ｃの主面３ａには、図８に示された複数の単位領域２０に代えて、図１５に示された複数（Ｎ個）の単位領域（画素）２１が形成されてもよい。複数の単位領域２１は、Ｘ方向に沿って一次元状に並んで配列されている。各単位領域２１の平面形状は矩形状（例えば並び方向と交差するＹ方向を長手方向とする長方形状）である。Ｘ方向における各単位領域２１の幅Ｗ４は、第２実施形態の単位領域２０の一辺の長さＷ１と同様である。なお、本変形例のメタサーフェスの断面構造は、第２実施形態と同様（図１８を参照）である。
【０１１６】
図２６の（ａ）は、本変形例の金属膜６Ｃの平面形状を示す図である。金属膜６Ｃは、透光層９Ｂの主面９ｃ上に設けられており、第２実施形態と同様に複数の部分金属膜６３を含む。複数の部分金属膜６３は、Ｘ方向に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜６３の平面形状は矩形状（例えばＹ方向を長手方向とする長方形状）である。但し、本実施形態では単位領域２１もまたＹ方向を長手方向とする長方形状であるため、各部分金属膜６３は各単位領域２１毎に設けられ、各単位領域２１内に位置する。Ｘ方向における部分金属膜６３の幅Ｗ５は第２実施形態と同様である。本変形例においても、部分金属膜６３の幅Ｗ５は、単位領域２１の幅Ｗ４よりも小さい。そして、部分金属膜６３は、Ｘ方向における単位領域２１の略中央部分に配置される。従って、透光層９Ｂは、各単位領域２１において一対の部分９ｆ，９ｇを含む。
【０１１７】
図２６の（ｂ）は、金属膜８Ｃの平面形状を示す図である。本変形例のメタサーフェスは、第２実施形態の金属膜８Ｂに代えて、金属膜８Ｃを備える。金属膜８Ｃは、本変形例における第２金属膜である。金属膜８Ｃの構成は、次の点を除いて、第２実施形態の金属膜８Ｂと同様である。すなわち、本変形例の金属膜８Ｃは、複数の部分金属膜８２を含む。複数の部分金属膜８２は、Ｘ方向に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜８２の平面形状は矩形状（例えばＹ方向を長手方向とする長方形状）である。各部分金属膜８２は、単位領域２１毎に設けられており、各単位領域２１内に位置する。なお、Ｘ方向（短手方向）における各部分金属膜８２の幅Ｗ７は、第２実施形態の部分金属膜８１の一辺の長さＷ６と同様である。
【０１１８】
図２７は、駆動回路５Ａの構成を示す図である。本変形例のメタサーフェスは、第２実施形態の駆動回路５に代えて、駆動回路５Ａを備える。本変形例の駆動回路５Ａは、１本のゲート駆動配線５３と、Ｎ本の電圧供給配線５４とを有する。ゲート駆動配線５３は、単位領域２１の並び方向（Ｘ方向）に沿って延在している。Ｎ本の電圧供給配線５４は、単位領域２１の並び方向と交差する方向（Ｙ方向）に沿ってそれぞれ延在しており、Ｘ方向に並んでいる。ゲート駆動配線５３は、単位領域２１毎に設けられたトランジスタ５１の制御端子（ゲート）と電気的に接続されている。第ｎ列（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の電圧供給配線５４は、第ｎ列に位置する単位領域２１に設けられたトランジスタ５１の一方の電流端子（例えばソース）と電気的に接続されている。トランジスタ５１の他方の電流端子（例えばドレイン）は、単位領域２１内の配線を介して当該単位領域２１の部分金属膜８２と電気的に接続されている。
【０１１９】
また、駆動回路５Ａは、単位領域２１毎に設けられた複数のキャパシタ５２を更に有する。キャパシタ５２は、本変形例における電圧保持部の例であって、単位領域２１の部分金属膜８２に印加される電圧を単位領域２１毎に保持する。なお、キャパシタ５２の具体的な構成は、上記形態と同様である。
【０１２０】
本変形例のように、複数の単位領域は一次元状に配列されてもよい。このような場合であっても、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１２１】
（第３変形例）
図２８は、第２実施形態の一変形例に係るメタサーフェス３Ｄの断面構造を示す図である。本変形例では、互いに隣接する単位領域２０（若しくは２１）の透光層９Ｂの間に空隙９４が設けられており、各単位領域２０（若しくは２１）の透光層９Ｂが空間的に互いに分離されている。この空隙９４は、互いに隣接する単位領域２０（若しくは２１）の透明導電層９２同士を電気的に分離するために設けられる。これにより、或る単位領域２０（若しくは２１）の部分金属膜８１（８２）と金属膜６Ｃとの間に駆動電圧Ｖｄが印加された際に、隣接する単位領域２０（若しくは２１）の透明導電層９２に電子が漏れることを防ぐことができる。従って、互いに隣接する単位領域２０（若しくは２１）間のクロストークを低減することができる。なお、空隙９４を形成する際には、空隙９４に対応する開口を有するマスクを透光層９Ｂ上に形成し、該マスクを介して透光層９Ｂをエッチングするとよい。
【０１２２】
図２９は、更に別の変形例に係るメタサーフェス３Ｅの断面構造を示す図である。この例においては、上述した空隙９４に代えて、互いに隣接する単位領域２０（若しくは２１）の透光層９Ｂの間に絶縁部９５が設けられている。絶縁部９５は、例えばＳｉＯ２といった絶縁性材料を主に含む。このような構成であっても、互いに隣接する単位領域２０（若しくは２１）間のクロストークを効果的に低減することができる。なお、絶縁部９５は、上述した空隙９４を透光層９Ｂに形成した後、該空隙９４を絶縁性材料によって埋め込むことにより好適に形成される。
【０１２３】
（第３実施形態）
前述した第１実施形態及び第２実施形態においては、ＰＣＳＥＬである面発光レーザ素子２Ａを発光デバイス１Ａが備える場合について説明したが、発光デバイスは、ＰＣＳＥＬに限らず様々な面発光レーザ素子を備えることができる。例えば、二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトル及び強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する面発光レーザ素子が研究されている。このような面発光レーザ素子はＳ−ｉＰＭ（Static-integrablePhase Modulating）レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向をも含む２次元的な任意形状の光像を出力する。
【０１２４】
図３０は、Ｓ−ｉＰＭレーザが備える位相変調層１５Ｂの平面図である。上記各実施形態の面発光レーザ素子２Ａは、フォトニック結晶層１５Ａ（図４を参照）に代えて、図３０に示される位相変調層１５Ｂを有してもよい。これにより、面発光レーザ素子２ＡをＳ−ｉＰＭレーザとすることができる。なお、面発光レーザ素子２Ａにおいて、位相変調層１５Ｂを除く他の構成は第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０１２５】
位相変調層１５Ｂは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域１５ｂとを含む。ここで、位相変調層１５Ｂに、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、これに最も近い格子点Ｏから離れて配置される。
【０１２６】
図３１に示されるように、格子点Ｏから重心Ｇに向かう方向とＸ軸との成す角度をφ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。回転角度φが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの方向はＸ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さをｒ（ｘ，ｙ）とする。一例では、ｒ（ｘ，ｙ）はｘ、ｙによらず（位相変調層１５Ｂ全体にわたって）一定である。
【０１２７】
図３０に示されるように、位相変調層１５Ｂにおいては、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇの格子点Ｏ周りの回転角度φが、所望の光像に応じて各単位構成領域Ｒ毎に独立して設定される。回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。すなわち、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、所望の光像をフーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。
【０１２８】
本実施形態において、活性層１２から出射されたレーザ光は、位相変調層１５Ｂの内部に入射し、位相変調層１５Ｂの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１５Ｂ内で散乱されて出射されるレーザ光Ｌ１は、メタサーフェス３Ａ〜３Ｅのいずれかにおいて反射し、第１光出力面２ａから外部へ出力される。このとき、０次光は、主面１０ａに垂直な方向へ出射する。これに対し、＋１次光および−１次光は、主面１０ａに垂直な方向及びこれに対して傾斜した方向を含む２次元的な任意方向へ出射する。
【０１２９】
図３２は、本実施形態に係る面発光レーザ素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層１５Ｂにおける回転角度分布φ（ｘ，ｙ）との関係を説明するための図である。なお、出力ビームパターンの中心Ｅは半導体基板１０の主面１０ａに対して垂直な軸線上に位置しており、図３２には、中心Ｅを原点とする４つの象限が示されている。図３２では例として第１象限および第３象限に光像が得られる場合を示したが、第２象限および第４象限或いは全ての象限に像を得ることも可能である。本実施形態では、図３２に示されるように、原点に関して点対称な光像が得られる。図３２は、例として、第３象限に文字「Ａ」が＋１次回折光として、第１象限に文字「Ａ」を１８０度回転したパターンが−１次回折光として、それぞれ得られる場合について示している。なお、回転対称な光像（例えば、十字、丸、二重丸など）である場合には、重なって一つの光像として観察される。
【０１３０】
本実施形態に係る面発光レーザ素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像は、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、ＣＧ（コンピュータグラフィクス）、及び文字のうち少なくとも１つを含んでいる。ここで、所望の光像を得るためには、以下の手順によって位相変調層１５Ｂの異屈折率領域１５ｂの回転角度分布φ（ｘ、ｙ）を決定する。
【０１３１】
ＸＹ平面内におけるビームパターンの特定の領域（例えば第３象限のうちビームパターン近傍の一部）を２次元フーリエ変換（より厳密には２次元逆フーリエ変換であるが、本実施形態では単に２次元フーリエ変換と記す）して得られる複素振幅分布Ｆ（Ｘ，Ｙ）は、ｊを虚数単位として、ＸＹ平面内の強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ）と、ＸＹ平面内の位相分布Ｐ（Ｘ，Ｙ）を用いて表される。すなわち、Ｆ（Ｘ，Ｙ）＝Ｉ（Ｘ，Ｙ）×ｅｘｐ｛Ｐ（Ｘ，Ｙ）ｊ｝で与えられる。そして、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、次の数式
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（Ｘ，Ｙ）
により得ることができる。ここで、Ｃは定数であり、全ての位置（ｘ，ｙ）に対して同一の値を持つ。
【０１３２】
すなわち、所望の光像を得たい場合、該光像をフーリエ変換して、その複素振幅の位相に応じた回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を、複数の異屈折率領域１５ｂに与えるとよい。なお、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。なお、ビームパターンは遠方界における角度情報で表わされるものであるので、目標とするビームパターンが２次元的な位置情報で表わされているビットマップ画像などの場合には、一旦角度情報に変換した後にフーリエ変換を行うと良い。
【０１３３】
フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。
【０１３４】
ここで、光像のフーリエ変換結果から回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を求め、各異屈折率領域１５ｂの配置を決める際に、一般的な離散フーリエ変換（或いは高速フーリエ変換）を用いて計算する場合の留意点を述べる。所望の光像である図３３（ａ）の逆フーリエ変換で得られた複素振幅分布より計算される出力ビームパターンは図３３（ｂ）のようになる。図３３（ａ）と図３３（ｂ）のようにそれぞれＡ１，Ａ２，Ａ３，及びＡ４といった４つの象限に分割すると、図３３（ｂ）の出力ビームパターンの第１象限には、図３３（ａ）の第１象限を１８０度回転したものと図３３（ａ）の第３象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第２象限には図３３（ａ）の第２象限を１８０度回転したものと図３３（ａ）の第４象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第３象限には図３３（ａ）の第３象限を１８０度回転したものと図３３（ａ）の第１象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第４象限には図３３（ａ）の第４象限を１８０度回転したものと図３３（ａ）の第２象限が重畳したパターンが現れる。このとき、１８０度回転したパターンは−１次光成分によるものである。
【０１３５】
従って、フーリエ変換前の光像（元の光像）として第一象限のみに値を有するものを用いた場合には、得られるビームパターンの第三象限に元の光像の第一象限が現れ、得られるビームパターンの第一象限に元の光像の第一象限を１８０度回転したパターンが現れる。
【０１３６】
図３４（ａ）〜図３４（ｃ）は、本実施形態に係る面発光レーザ素子から出力されるビームパターン（光像）の例を示す。各図の中心は、面発光レーザ素子の第１光出力面２ａと交差し第１光出力面２ａに垂直な軸線（Ｚ軸）に対応する。これらの図に示されるように、面発光レーザ素子は、該軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分Ｂ１を含む１次光と、該軸線に関して第１方向と対称である第２方向に出力され、該軸線に関して第１光像部分Ｂ１と回転対称である第２光像部分Ｂ２を含む−１次光と、該軸線上を進む０次光Ｂ３とを出力する。
【０１３７】
本実施形態によれば、図２，図３，及び図１７に示された面発光レーザ素子２Ａを、二次元的な任意形状の光像を出力するＳ−ｉＰＭレーザとすることができる。ここで、メタサーフェスの面に対して光が垂直に入射する場合、メタサーフェスの周期が大きいと、回折角度が小さくなる。従って、出射窓から光を取り出しにくくなるという問題が生じる。これに対し、面発光レーザ素子２ＡがＳ−ｉＰＭレーザである場合には、メタサーフェスの面に対して光を斜め方向から入射させることができるので、メタサーフェスからの回折角度を大きくし、出射窓から光を取り出すことが容易となる。また、メタサーフェスの面に対して光が垂直に入射する場合、メタサーフェスにおいて反射した光Ｌ１とメタサーフェスを経ずに直接第１光出力面２ａに向かう光Ｌ２とが重なるが、面発光レーザ素子２ＡがＳ−ｉＰＭレーザである場合には、メタサーフェスの面に対して光を斜め方向から入射させることができるので、メタサーフェスにおいて反射した光Ｌ１のみを選択的に取り出すことが容易となる。
【０１３８】
（第４変形例）
図３５は、第３実施形態の一変形例に係る位相変調層１５Ｃの平面図である。また、図３６は、位相変調層１５Ｃにおける異屈折率領域１５ｂの位置関係を示す図である。図３５及び図３６に示されるように、本変形例の各異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、直線Ｄ上に配置されている。直線Ｄは、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸の双方に対して傾斜する直線である。正方格子の一辺（Ｘ軸）に対する直線Ｄの傾斜角はθである。傾斜角θは、位相変調層１５Ｃ内において一定である。傾斜角θは、０°＜θ＜９０°を満たし、一例ではθ＝４５°である。または、傾斜角θは、１８０°＜θ＜２７０°を満たし、一例ではθ＝２２５°である。傾斜角θが０°＜θ＜９０°または１８０°＜θ＜２７０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される座標平面の第１象限から第３象限にわたって延びる。或いは、傾斜角θは、９０°＜θ＜１８０°を満たし、一例ではθ＝１３５°である。或いは、傾斜角θは、２７０°＜θ＜３６０°を満たし、一例ではθ＝３１５°である。傾斜角θが９０°＜θ＜１８０°または２７０°＜θ＜３６０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される座標平面の第２象限から第４象限にわたって延びる。このように、傾斜角θは、０°、９０°、１８０°及び２７０°を除く角度である。ここで、格子点Ｏと重心Ｇとの距離をｒ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。距離ｒ（ｘ，ｙ）が正の値である場合、重心Ｇは第１象限（または第２象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が負の値である場合、重心Ｇは第３象限（または第４象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が０である場合、格子点Ｏと重心Ｇとは互いに一致する。
【０１３９】
図３５に示される、各異屈折率領域の重心Ｇと、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏとの距離ｒ（ｘ，ｙ）は、所望の光像に応じて各異屈折率領域１５ｂ毎に個別に設定される。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。すなわち、図３６に示される、或る座標（ｘ，ｙ）における位相Ｐ（ｘ，ｙ）がＰ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）を０と設定し、位相Ｐ（ｘ，ｙ）がπ＋Ｐ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）を最大値Ｒ0に設定し、位相Ｐ（ｘ，ｙ）が−π＋Ｐ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）を最小値−Ｒ0に設定する。そして、その中間の位相Ｐ（ｘ，ｙ）に対しては、ｒ（ｘ，ｙ）＝｛Ｐ（ｘ，ｙ）−Ｐ0｝×Ｒ0／πとなるように距離ｒ（ｘ，ｙ）をとる。ここで、初期位相Ｐ0は任意に設定することができる。正方格子の格子間隔をａとすると、ｒ（ｘ，ｙ）の最大値Ｒ0は例えば
【数２】
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の範囲内である。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。
【０１４０】
本変形例においては、以下の手順によって位相変調層１５Ｃの異屈折率領域１５ｂの距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を決定することにより、所望の光像を得ることができる。まず、第１の前提条件として、ＸＹＺ直交座標系において、ＸＹ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定される。次に、第２の前提条件として、ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、図３７に示されるように、動径の長さｒと、Ｚ軸からの傾き角θtiltと、ＸＹ平面上で特定されるＸ軸からの回転角θrotと、で規定される球面座標（ｒ，θtilt，θrot）に対して、以下の式（３）〜式（５）で示される関係を満たしているものとする。なお、図３７は、球面座標（ｒ，θtilt，θrot）からＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）への座標変換を説明するための図であり、座標（ｘ，ｙ，ｚ）により、実空間であるＸＹＺ直交座標系において設定される所定平面上の設計上の光像が表現される。半導体発光素子から出力される光像に相当するビームパターンを角度θtiltおよびθrotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θtiltおよびθrotは、以下の式（６）で規定される規格化波数であってＸ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋｘと、以下の式（７）で規定される規格化波数であってＹ軸に対応するとともにＫｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋｙに換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数を１．０として規格化された波数を意味する。このとき、Ｋｘ軸およびＫｙ軸により規定される波数空間において、光像に相当するビームパターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成される。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。また、式（６）および式（７）は、例えば、Y. Kurosaka et al.," Effectsof non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified usingomnidirectional band structure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)に開示されている。
【数３】
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【数４】
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【数５】
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【数６】
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【数７】
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【０１４１】
第３の前提条件として、波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋｘ，ｋｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定されるＸＹ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆フーリエ変換することで得られる複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、ｊを虚数単位として、以下の式（８）で与えられる。また、この複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）は、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）とするとともに位相項をＰ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式（９）により規定される。更に、第４の前提条件として、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）が、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ平行であって単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交するｓ軸およびｔ軸で規定される。
【数８】
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【数９】
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【０１４２】
上記第１〜第４の前提条件の下、位相変調層１５Ｃは、以下の条件を満たすよう構成される。すなわち、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する異屈折率領域１５ｂの重心Ｇまでの距離ｒ（ｘ，ｙ）が、
ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×（Ｐ（ｘ，ｙ）−Ｐ0）
Ｃ：比例定数で例えばＲ0／π
Ｐ0：任意の定数であって例えば０
なる関係を満たすように、該対応する異屈折率領域１５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される。すなわち、距離ｒ（ｘ，ｙ）は、或る座標（ｘ，ｙ）における位相Ｐ（ｘ，ｙ）がＰ0である場合には０に設定され、位相Ｐ（ｘ，ｙ）がπ＋Ｐ0である場合には最大値Ｒ0に設定され、位相Ｐ（ｘ，ｙ）が−π＋Ｐ0である場合には最小値−Ｒ0に設定される。所望の光像を得たい場合、該光像を逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相Ｐ（ｘ，ｙ）に応じた距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を、複数の異屈折率領域１５ｂに与えるとよい。位相Ｐ（ｘ，ｙ）と距離ｒ（ｘ，ｙ）とは、互いに比例してもよい。
【０１４３】
逆フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。なお、光像の逆フーリエ変換結果から位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）を求め、各異屈折率領域１５ｂの距離ｒ（ｘ，ｙ）を決める際に、一般的な離散フーリエ変換（或いは高速フーリエ変換）を用いて計算する場合の留意点は、前述した第３実施形態と同様である。
【０１４４】
本変形例においても、図２，図３，及び図１７に示された面発光レーザ素子２Ａを、二次元的な任意形状の光像を出力するＳ−ｉＰＭレーザとすることができる。従って、メタサーフェスの面に対して光を斜め方向から入射させることができるので、メタサーフェスからの回折角度を大きくし、出射窓から光を取り出すことが容易となる。また、メタサーフェスの面に対して光を斜め方向から入射させることができるので、メタサーフェスにおいて反射した光Ｌ１のみを選択的に取り出すことが容易となる。
【０１４５】
（第５変形例）
図３８は、第５変形例に係る発光デバイス１Ｃの断面構成を模式的に示す図である。図３８に示されるように、発光デバイス１Ｃは、面発光レーザ素子２Ｂと、メタサーフェス３Ａと、導光層３１とを備える。このうち、メタサーフェス３Ａ及び導光層３１の構成は、第１実施形態と同様である。面発光レーザ素子２Ｂは、第１実施形態の面発光レーザ素子２Ａの構成に加えて、電流狭窄層３２を更に有する。
【０１４６】
電流狭窄層３２は、電流を通過させにくい（あるいは通過させない）構造を有し、中央部に開口３２ａを有する。開口３２ａの平面形状は、電極１６の開口１６ａの形状と相似しており、例えば正方形もしくは円形である。電流狭窄層３２は、例えばＡｌを高い濃度で含む層が酸化されてなるＡｌ酸化層である。或いは、電流狭窄層３２は、クラッド層１３内にプロトン（Ｈ＋）が注入されることにより形成された層であってもよい。或いは、電流狭窄層３２は、半導体基板１０とは逆の導電型の半導体層と半導体基板１０と同じ導電型の半導体層とが順に積層されてなる逆ｐｎ接合構造を有してもよい。
【０１４７】
電極１６と電極１７との間に駆動電流が供給されると、駆動電流は活性層１２に達する。このとき、電極１６と活性層１２との間を流れる電流は、クラッド層１３において十分に拡散するとともに、電流狭窄層３２の開口３２ａを通過することにより、活性層１２における中央部付近に均一に拡散することができる。従って、第２光出力面２ｂの中央部にメタサーフェス３Ａが設けられた場合であっても、活性層１２のにおける発光領域の偏りを抑制することができる。なお、本変形例では電流狭窄層３２を第１実施形態の面発光レーザ素子２Ａに追加した例を説明したが、他の実施形態若しくは変形例の面発光レーザ素子に電流狭窄層３２を追加してもよい。その場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
（第６変形例）
図３９は、第６変形例に係る発光デバイス１Ｄの断面構成を模式的に示す図である。図３９に示されるように、発光デバイス１Ｄは、面発光レーザ素子２Ａと、メタサーフェス３Ａと、導光層３１とを備える。これらの構成は、次の点を除いて、第１実施形態と同様である。すなわち、本変形例の面発光レーザ素子２Ａにおいては、半導体基板１０の主面１０ａ側に第１光出力面２ａが設けられており、裏面１０ｂ側に第２光出力面２ｂが設けられている。具体的には、コンタクト層１４の表面（若しくは、コンタクト層１４に開口が形成された場合には上部クラッド層１３の表面）が第１光出力面２ａとなっており、半導体基板１０の裏面１０ｂが第２光出力面２ｂとなっている。そして、メタサーフェス３Ａは、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に、導光層３１を介して設けられている。
【０１４９】
図４０は、別の変形例に係る発光デバイス１Ｅの断面構成を模式的に示す図である。図４０に示されるように、発光デバイス１Ｅは、面発光レーザ素子２Ａと、第２実施形態のメタサーフェス３Ｃ（図１７，図１８を参照）と、導光層３１とを備える。そして、コンタクト層１４の表面（若しくは、コンタクト層１４に開口が形成された場合には上部クラッド層１３の表面）が第１光出力面２ａとなっており、半導体基板１０の裏面１０ｂが第２光出力面２ｂとなっている。メタサーフェス３Ｃは、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に、導光層３１を介して設けられている。
【０１５０】
本変形例のように、半導体基板１０の主面１０ａ側に第１光出力面２ａが設けられ、裏面１０ｂ上にメタサーフェス３Ａ（３Ｃ）が設けられてもよい。このような形態であっても、上記各実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例によれば、キャリアが半導体基板１０において十分に拡散できるので、電極１６の開口１６ａと比較して、電極１７の開口１７ａを大きく確保することができる。従って、メタサーフェス３Ａ（３Ｃ）の面積を大きくすることができる。加えて、フォトニック結晶層１５Ａから回折された光が基板１０を通過してメタサーフェス３Ａ（３Ｃ）に到達することにより、メタサーフェス３Ａ（３Ｃ）への入射光を良好な平面波に近づけることができる。なお、本変形例において、面発光レーザ素子２Ａに代えて他の実施形態若しくは変形例の面発光レーザ素子を用いてもよい。その場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１５１】
（第７変形例）
図４１は、第７変形例に係る発光デバイス１Ｆの断面構成を模式的に示す図である。図４１に示されるように、発光デバイス１Ｆは、面発光レーザ素子２Ｃと、メタサーフェス３Ａと、導光層３１とを備える。このうち、メタサーフェス３Ａ及び導光層３１の構成は、第６変形例と同様である。面発光レーザ素子２Ｃは、第１実施形態の面発光レーザ素子２Ａと同様に、第１光出力面２ａ及び第２光出力面２ｂを有する。但し、第１光出力面２ａにおいて、レーザ光出力領域が、電極１６Ｂと並んで設けられている。また、面発光レーザ素子２Ｃは、図３０に示された位相変調層１５Ｂ、若しくは図３５に示された位相変調層１５Ｃを有する、Ｓ−ｉＰＭレーザである。
【０１５２】
図４２の（ａ）は、第２光出力面２ｂを示す平面図である。図４２の（ｂ）は、第１光出力面２ａを示す平面図である。図４２の（ｂ）に示されるように、第１光出力面２ａにおいては、レーザ光出力領域２ｃと、電極１６Ｂ（第１電極）とが並んで配置されている。レーザ光出力領域２ｃ上には、反射防止膜１９が設けられている。電極１６Ｂは、他の実施形態と異なり、枠状ではなく中身の詰まった（中実の）パターンを有する。なお、図４２の（ａ）に示されるように、第２光出力面２ｂにおける電極１７及びメタサーフェス３Ａの平面形状および配置は第１実施形態と同様である。
【０１５３】
Ｓ−ｉＰＭレーザである面発光レーザ素子２Ｃからは、第２光出力面２ｂに垂直な方向に対して傾斜する方向にレーザ光Ｌ１が出力される。レーザ光Ｌ１は、メタサーフェス３Ａにおいて位相変調されながら反射し、レーザ光出力領域２ｃから発光デバイス１Ｆの外部へ出力される。このような構成によれば、第１光出力面２ａ上の電極に開口を設ける必要がないので、活性層１２の中央部付近へ電流をより効果的に拡散させることができる。
【０１５４】
なお、図４３に示されるように、図４１の構成を、ＰＣＳＥＬである面発光レーザ素子２Ａに適用してもよい。この場合であっても、電極１６Ｂと並ぶレーザ光出力領域２ｃからレーザ光Ｌ１を取り出すことにより、上記と同様の効果を奏することができる。
【０１５５】
（第８変形例）
図４４は、第８変形例による発光装置１Ｇの構成を示す図である。この発光装置１Ｇは、支持基板７３と、支持基板７３上に一次元又は二次元状に配列された複数の発光デバイス１Ａと、複数の発光デバイス１Ａを個別に駆動する駆動回路７２とを備えている。各発光デバイス１Ａの構成は、第１実施形態と同様である。但し、複数の発光デバイス１Ａには、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれても良い。赤色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えばＧａＡｓ系半導体によって構成される。青色波長域の光像を出力するレーザ素子、及び緑色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えば窒化物系半導体によって構成される。駆動回路７２は、支持基板７３の裏面又は内部に設けられ、各発光デバイス１Ａを個別に駆動する。駆動回路７２は、制御回路７１からの指示により、個々の発光デバイス１Ａに駆動電流を供給する。
【０１５６】
本変形例のように、個別に駆動される複数の発光デバイス１Ａを設けることによって、ヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。また、複数の発光デバイス１Ａに、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子と、青色波長域の光像を出力するレーザ素子と、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子とが含まれることにより、カラーヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。なお、本変形例において、発光デバイス１Ａに代えて他の実施形態若しくは変形例の発光デバイスを用いてもよい。その場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１５７】
（第９変形例）
図４５は、第９変形例に係る発光デバイス１Ｈの断面構成を模式的に示す図である。図４５に示されるように、発光デバイス１Ｈは、面発光レーザ素子２Ａ、メタサーフェス３Ａ、及び導光層３１に加えて、第２光出力面２ｂとメタサーフェス３Ａとの間に設けられた１／４波長板３３と、第１光出力面２ａ上に設けられた偏光板３４とを更に備える。図４６は、別の変形例に係る発光デバイス１Ｊの断面構成を模式的に示す図である。図４６に示されるように、発光デバイス１Ｊは、面発光レーザ素子２Ａ、メタサーフェス３Ｃ（図１７，図１８を参照）、及び導光層３１に加えて、第２光出力面２ｂとメタサーフェス３Ｃとの間に設けられた１／４波長板３３と、第１光出力面２ａ上に設けられた偏光板３４とを更に備える。これらの場合、フォトニック結晶層１５Ａから出力された一方の光Ｌ１は、１／４波長板３３において偏光面が４５°回転したのちメタサーフェス３Ａ（または３Ｃ）に入射する。そして、メタサーフェス３Ａ（または３Ｃ）において反射した光Ｌ１は、１／４波長板３３において偏光面が再び４５°回転したのち第１光出力面２ａに達する。従って、光Ｌ１と、フォトニック結晶層１５Ａから第１光出力面２ａに直接達する光Ｌ２とでは、偏光面が互いに直交することとなる。従って、例えば偏光板３４が光Ｌ１を通過し且つ光Ｌ２を遮蔽することにより、メタサーフェス３Ａ（または３Ｃ）を経た光Ｌ１を選択的に外部へ出力することができる。すなわち、面発光レーザ素子２Ａから第１光出力面２ａへ直接達する光Ｌ２を遮り、第２光出力面２ｂ及びメタサーフェス３Ａ（または３Ｃ）を経て第１光出力面２ａに達する光のみを取り出すことが可能となる。なお、本変形例において、面発光レーザ素子２Ａに代えて他の実施形態若しくは変形例の面発光レーザ素子を用いてもよい。その場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１５８】
本発明による発光デバイスは、上述した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び各変形例では、ＰＣＳＥＬ及びＳ−ｉＰＭレーザに本発明を適用した例を説明したが、本発明は、他の様々な面発光レーザ素子に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５９】
１Ａ〜１Ｆ…発光デバイス、１Ｇ…発光装置、２Ａ〜２Ｃ…面発光レーザ素子、２ａ…第１光出力面、２ｂ…第２光出力面、２ｃ…レーザ光出力領域、３Ａ〜３Ｅ…（反射型）メタサーフェス、３ａ…主面、４…誘電体層、５，５Ａ…駆動回路、６Ａ〜６Ｃ…金属膜、８Ａ〜８Ｃ…金属膜、９Ａ，９Ｂ…透光層、９ａ，９ｃ…主面、９ｂ，９ｄ…裏面、９ｆ，９ｇ…部分、１０…半導体基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１１…下部クラッド層、１２…活性層、１３…上部クラッド層、１４…コンタクト層、１４ａ…表面、１５…位相変調層、１５Ａ…フォトニック結晶層、１５Ｂ，１５Ｃ…位相変調層、１５ａ…基本層、１５ｂ…異屈折率領域、１６，１６Ｂ，１７…電極、１６ａ，１７ａ…開口、１９…反射防止膜、２０，２１…単位領域、３１…導光層、３１ｃ…凹部、３２…電流狭窄層、３２ａ…開口、３３…１／４波長板、３４…偏光板、４１…レジスト、４１ａ…開口、５１…トランジスタ、５１ａ…ゲート電極、５１ｂ…ソース電極、５１ｃ…ドレイン電極、５１ｄ…配線、５２…キャパシタ、５３…ゲート駆動配線、５４…電圧供給配線、５５…半導体層、５５ａ，５５ｂ…半導体領域、５５ｃ…表面、５７，５８…絶縁層、５９…誘電体層、６１，６２，６３…部分金属膜、７１…制御回路、７２…駆動回路、７３…支持基板、８１，８２…部分金属膜、９２…透明導電層、９２ａ…金属化層、９３…誘電体層、９４…空隙、９５…絶縁部、Ｂ１，Ｂ２…光像部分、Ｂ３…０次光、Ｄ…直線、Ｇ…重心、Ｌ１，Ｌ２…レーザ光、Ｌ１ａ…偏光方向、Ｍ…金属材料、Ｏ…格子点、Ｐａ…波面、Ｑ…領域、Ｅ…中心、Ｒ…単位構成領域、ＲＩＮ…内側領域、ＲＯＵＴ…外側領域、Ｖｄ…駆動電圧、Ｖｇ…ゲート電圧。
【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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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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