(57)【要約】      （修正有）【課題】出力を増加可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】この半導体発光素子は、活性層４と、活性層を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、活性層に光学的に結合した位相変調層６とを備えた半導体発光素子において、位相変調層は、基本層６Ａと、基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域６Ｂと、を備え、複数の異屈折率領域は、位相変調層における逆格子空間上のライトラインの外側の領域において、パターンを形成するように配置されている。【選択図】図１
2019186548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層を挟む一対のクラッド層と、
前記活性層に光学的に結合した位相変調層と、を備えた半導体発光素子において、
前記位相変調層は、
基本層と、
前記基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、を備え、最も近くで隣接する前記異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域を、それぞれの単位構成領域としたとき、
複数の前記異屈折率領域は、前記位相変調層における逆格子空間上の単位構成領域の内側であって且つライトラインの外側の領域において、拡がりを持った強度が０でないパターンを形成するように配置されている、ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹ平面内において、格子定数ａの仮想的な正方格子を設定した場合、
それぞれの前記異屈折率領域は、
その重心位置が、前記仮想的な正方格子における格子点位置から距離ｒだけずれるように、配置されており、
距離ｒは、
０＜ｒ≦０．００５ａである、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
距離ｒは、
０．００２ａ≦ｒである、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記パターンは、
前記位相変調層におけるＸＹ平面に平行な光出射面上に形成される実空間上の二次元電界強度分布を、二次元フーリエ変換した遠視野像であり、
前記遠視野像を二次元逆フーリエ変換して得られ複素振幅で与えられる電磁界ｆ（ｘ，ｙ）は、虚数単位をｊ、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）、位相項をＰ（ｘ，ｙ）として、
ｆ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）×ｅｘｐ［ｊＰ（ｘ，ｙ）］、
で与えられ、
最も近くで隣接する前記異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域が、それぞれの単位構成領域であり、
それぞれの前記単位構成領域内において、前記異屈折率領域の重心位置と格子点位置とを結ぶ線分が、Ｘ軸との成す角度φは、比例定数をＣ、定数をＢとして、
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ、
で与えられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記遠視野像は、実空間上の二次元電界強度分布を二次元フーリエ変換した波数空間における座標（ｋｘ、ｋｙ）において、複数の画像領域から構成され、それぞれの画像領域における光の電磁界の複素振幅はＦＲ（ｋｘ、ｋｙ）であり、前記光の電磁界ＦＲ（ｋｘ，ｋｙ）を与える画像領域は、それぞれが正方形で、波数空間における規格化した波数ｋｘを与えるＫｘ軸方向にＭ２個（Ｍ２は、１以上の整数）、規格化した波数ｋｙを与えるＫｙ軸方向にＮ２個（Ｎ２は、１以上の整数）、配列するように、二次元配置されており、
光の電磁界ｆ（ｘ，ｙ）を与える前記二次元逆フーリエ変換は、以下の式：
【数１】
2019186548.tif 000005
で与えられることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）を示す球面座標（ｒ,θtilt,θrot）は、動径の長さｒと、Ｚ軸からの前記動径の傾き角θtilt と、前記動径が前記ＸＹ平面上に投影された線分の前記Ｘ軸からの回転角θrotとを用いて、以下の関係を満たしており、
ｘ＝ｒ・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｃｏｓθｒｏｔ、
ｙ＝ｒ・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｓｉｎθｒｏｔ、
ｚ＝ｒ・ｃｏｓθｔｉｌｔ、
前記半導体発光素子から、傾き角θtilt及び回転角θrotで出射されるビーム群が形成する輝点の集合を遠視野像とすると、
Ｋｘ−Ｋｙ平面における前記遠視野像は、Ｋｘ軸における規格化した波数ｋｘ及びＫｙ軸における規格化した波数ｋｙは、前記半導体発光素子の発振波長をλとして、以下の関係を満たしている、
ｋｘ＝（ａ／λ）・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｃｏｓθｒｏｔ、
ｋｙ＝（ａ／λ）・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｓｉｎθｒｏｔ、
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【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用いた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトニック結晶を用いた半導体発光素子が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示された半導体発光素子は、そのフォトニック結晶内における単位構成領域が、１つの第１異屈折率領域と、この周囲に設けられた１つの第２異屈折率領域とを備えている。
【０００４】
特許文献２に開示された半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層とを備えた半導体発光素子において、位相変調層は基本層と基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域とを備え、位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹ平面内において、仮想的な格子定数ａの正方格子を設定した場合、それぞれの異屈折率領域は、その重心位置が、仮想的な正方格子における格子点位置から距離ｒだけずれるように配置されており、距離ｒは０＜ｒ≦０．３ａとされている。
【０００５】
特許文献３に開示された半導体発光素子は、活性層と、活性層上において周期的に配置された異なる屈折率領域からなる回折格子を備えており、複数の回折格子が示されている。
【０００６】
特許文献４に開示された半導体発光素子は、フォトニック結晶を備え、各種のビームパターンを表示可能なものであり、各種産業やディスプレイへの適用が期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１４／１３６９６２号
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１６／１４８０７５号
【特許文献３】特許第３９８３９３３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】YoshitakaKurosaka et al.、“Phase-modulatinglasers toward on-chip integration”、Sci.Rep.6,30138(2016)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の半導体発光素子においては、その出力（光強度）を増加させることが期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、出力を増加可能な半導体発光素子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】
【００１０】
上述の課題を解決するため、第１の半導体発光素子は、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層に光学的に結合した位相変調層と、を備えた半導体発光素子において、前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、を備え、最も近くで隣接する前記異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域を、それぞれの単位構成領域としたとき、複数の前記異屈折率領域は、前記位相変調層における逆格子空間上の単位構成領域の内側であって且つライトラインの外側の領域において、拡がりを持った強度が０でないパターンを形成するように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
「ライトライン」とは、半導体発光素子内において発生した光が、空気中に出力する際、光が全反射をすることで、半導体発光素子の上又は下方向に出力されない臨界角に対応する逆格子空間上での境界線のことである。したがって、「ライトライン」の外側の領域において、パターンを形成しても、外部に光は出力されないはずであり、本願発明者らの検討によれば、当初、ライトラインの外側のパターンは、全くの「不要パターン」であると考えられた。しかしながら、本願発明者らは、このような「不要パターン」を形成することで、半導体発光素子の出力が増加することを確認した。
【００１２】
第２の半導体発光素子においては、位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹ平面内において、格子定数ａの仮想的な正方格子を設定した場合、それぞれの異屈折率領域は、その重心位置が、仮想的な正方格子における格子点位置から距離ｒだけずれるように、配置されており、距離ｒは、０＜ｒ≦０．００５ａであることを特徴とする。この場合、半導体発光素子の出力が飛躍的に増加することができる。
【００１３】
第３の半導体発光素子においては、距離ｒは、０．００２ａ≦ｒであることを特徴とする。この場合、半導体発光素子の出力が更に飛躍的に増加することができる。
【００１４】
第４の半導体発光素子においては、前記パターンは、前記位相変調層におけるＸＹ平面に平行な光出射面上に形成される実空間上の二次元電界強度分布を、二次元フーリエ変換した遠視野像であり、前記遠視野像を二次元逆フーリエ変換して得られ複素振幅で与えられる光の電磁界ｆ（ｘ，ｙ）は、虚数単位をｊ、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）、位相項をＰ（ｘ，ｙ）として、ｆ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）×ｅｘｐ［ｊＰ（ｘ，ｙ）］、で与えられ、最も近くで隣接する前記異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域が、それぞれの単位構成領域であり、それぞれの前記単位構成領域内において、前記異屈折率領域の重心位置と格子点位置とを結ぶ線分が、Ｘ軸との成す角度φは、比例定数をＣ、定数をＢとして、φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂで与えられることを特徴とする。
【００１５】
第５の半導体発光素子においては、前記遠視野像は、実空間上の二次元電界強度分布を二次元フーリエ変換した波数空間における座標（ｋｘ、ｋｙ）において、複数の画像領域から構成され、それぞれの画像領域における光の電磁界の複素振幅はＦＲ（ｋｘ、ｋｙ）であり、前記光の電磁界ＦＲ（ｋｘ，ｋｙ）を与える画像領域は、それぞれが正方形で、波数空間における規格化した波数ｋｘを与えるＫｘ軸方向にＭ２個（Ｍ２は、１以上の整数）、規格化した波数ｋｙを与えるＫｙ軸方向にＮ２個（Ｎ２は、１以上の整数）、配列するように、二次元配置されており、光の電磁界ｆ（ｘ，ｙ）を与える前記二次元逆フーリエ変換は、以下の式で与えられることを特徴とする。
【００１６】
【数１】
2019186548.tif 000003
第６の半導体発光素子においては、ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）を示す球面座標（ｒ,θtilt,θrot）は、動径の長さｒと、Ｚ軸からの前記動径の傾き角θtilt と、前記動径が前記ＸＹ平面上に投影された線分の前記Ｘ軸からの回転角θrotとを用いて、以下の関係を満たしており、
ｘ＝ｒ・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｃｏｓθｒｏｔ、
ｙ＝ｒ・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｓｉｎθｒｏｔ、
ｚ＝ｒ・ｃｏｓθｔｉｌｔ、
前記半導体発光素子から、傾き角θtilt及び回転角θrotで出射されるビーム群が形成する輝点の集合を遠視野像とすると、Ｋｘ−Ｋｙ平面における前記遠視野像は、Ｋｘ軸における規格化した波数ｋｘ及びＫｙ軸における規格化した波数ｋｙは、前記半導体発光素子の発振波長をλとして、以下の関係を満たしていることを特徴とする。
【００１７】
ｋｘ＝（ａ／λ）・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｃｏｓθｒｏｔ、
ｋｙ＝（ａ／λ）・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｓｉｎθｒｏｔ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の半導体発光素子によれば、出力を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は半導体発光素子の縦断面構成を示す図である。
【図２】図２は半導体発光素子の別の縦断面構成を示す図である。
【図３】図３は半導体発光素子の別の縦断面構成を示す図である。
【図４】図４は半導体発光素子の別の縦断面構成を示す図である。
【図５】図５は半導体発光素子の構成要素の材料、導電型及び厚みを示す図表である。
【図６】図６は位相変調層の平面構成の一例を示す図である。
【図７】図７は異屈折率領域の格子点位置からのシフト量を説明するための図である。
【図８】図８は位相変調層の平面図である。
【図９】図９は遠視野像について説明するための図である。
【図１０】図１０は逆格子空間におけるパターン（実施例）を説明する図である。
【図１１】図１１は図１０のパターンを逆フーリエ変換して得られる光像の位相分布の図である。
【図１２】図１２は図１１のパターンを使用して実際に得られる遠視野像を示す図である。
【図１３】図１３はピーク出力データ（直角二等辺三角形の場合）を示す図表である。
【図１４】図１４はピーク出力データ（真円の場合）を示す図表である。
【図１５】図１５は異屈折率領域の格子点位置からのシフト量と規格化ピーク出力の関係を示すグラフである。
【図１６】図１６は異屈折率領域の格子点位置からのシフト量と規格化ピーク出力の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、実施の形態に係るレーザ素子（半導体発光素子）について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２１】
図１は半導体発光素子の縦断面構成を示す図である。
【００２２】
この半導体発光素子は、高い光強度のスポット光を利用する素子であり、レーザ光を利用した加工機、計測機器、医療機器、核融合装置などに適用することができる。半導体発光素子は、単独で用いることもできるが、複数の半導体発光素子をアレイ状に配置して用いることも可能である。
【００２３】
このレーザ素子ＬＤは、活性層４からのレーザ光を選択して外部に出力している。位相変調層６内に入射したレーザ光は、位相変調層６内において位相変調層の格子に応じた所定のモードを形成し、位相変調層６の表面から垂直方向に所望のパターンを有するレーザビームとして、外部に出射される。
【００２４】
位相変調層６へレーザ光を入射させる構造としては、同図に示す構造の他、他のレーザ素子からのレーザ光を、光ファイバを介して、或いは、直接的に、位相変調層６内に入射させる構造を採用することも可能である。
【００２５】
レーザ素子ＬＤは、ＸＹ面内方向に定在波を形成し、Ｚ方向に位相制御された平面波を出力するレーザ光源であり、レーザ光を発生する活性層４と、活性層４を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、これらの間に設けられ活性層４を挟む上部光ガイド層５及び下部光ガイド層３を備えており、上部クラッド層７と活性層４との間には、位相変調層６が設けられている。なお、図１に示す構造では、第２電極Ｅ２は、コンタクト層８の中央領域に設けられている。
【００２６】
この構造においては、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、位相変調層６、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。なお、コンタクト層８の表面における電極形成領域以外の表面は、ＳｉＯ２や窒化シリコンなどの材料からなる保護膜ＰＦで覆われている。
【００２７】
第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。この発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上部光ガイド層５及び下部光ガイド層３と、上部クラッド層７及び下部クラッド層２によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
【００２８】
活性層４から出射されたレーザ光は、位相変調層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、位相変調層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは略周期構造を含んでいる。位相変調層６内に入射したレーザ光は、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部の第２電極Ｅ２を介して、レーザ光（矢印で示す）として、基板表面に垂直に外部に出射される。
【００２９】
位相変調層６の実効屈折率をｎとした場合、位相変調層６が選択する波長λ０（＝ａ×ｎ）は、活性層４の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層（回折格子層）は、活性層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。
【００３０】
図２は半導体発光素子の別の縦断面構成を示す図である。
【００３１】
同図に示すように、レーザ素子ＬＤの基板側の表面の電極に開口を設けると、レーザ光（矢印で示す）は、基板側から出射することができる。半導体基板１の下面に設けられた第１電極Ｅ１は、リング状であって開口を有しており、レーザ素子内部で発生したレーザ光は、この開口を介して容易に外部へ出射することができる。レーザ素子の上部方向へ進行したレーザ光は、第２電極Ｅ２で反射され、下部の第１電極Ｅ１の開口を介して、外部に出力される。なお、半導体基板１の下面における電極形成領域以外の表面は、ＳｉＯ２や窒化シリコンなどの材料からなる保護膜ＰＦ２で覆われているが、保護膜ＰＦ２は、反射防止膜であってもよい。
【００３２】
反射防止膜は、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を適当に積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ／４の厚さの膜を積層する。なお、反射膜や反射防止膜は、スパッタ法を用いて形成することができる。
【００３３】
図３は半導体発光素子の更に別の縦断面構成を示す図である。
【００３４】
本例の半導体発光素子は、図１の半導体発光素子を変形した構造であり、下部クラッド層２と活性層４との間に、位相変調層６が設けられており、その他の構造は、図１に示したものと同一である。この場合、位相変調層６は、下部クラッド層２と下部光ガイド層３との間に挟まれる位置に配置することができる。この構造においても、上記と同様の作用を奏する。すなわち、活性層４から出射されたレーザ光は、位相変調層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。位相変調層６内に入射したレーザ光は、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部の第２電極Ｅ２を介して、レーザ光（矢印で示す）として、基板表面に垂直な方向に向けて出射される。なお、レーザ光は、基板表面に垂直な方向から傾けて出射させることもできる。
【００３５】
なお、上部クラッド層７と下部クラッド層２の間に位相変調層６と活性層４を含む構造であれば、基本的には、他の層構造を有する場合でも、同様の効果が得られる。
【００３６】
図４は半導体発光素子の更に別の縦断面構成を示す図である。
【００３７】
本例の半導体発光素子は、図３の半導体発光素子を変形した構造であり、図２の如く、電極形状を変形し、基板の下面からレーザ光を出射させたものである。すなわち、半導体基板１の下面において、第２電極Ｅ２に対向する領域において、第１電極Ｅ１が開口しているので、レーザ光は下面から外部に出射する。半導体基板１の下面に設けられた第１電極Ｅ１は、中央部に開口を有する開口電極であり、第１電極Ｅ１の開口内及び周辺には、図２の場合と同様に保護膜ＰＦ２が設けられており、保護膜ＰＦ２は反射防止膜とすることが可能である。
【００３８】
なお、上述の構造では、基本層６Ａの複数箇所において、エッチングにより、周期的に空孔を形成し、形成した空孔内に異屈折率領域６Ｂを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、埋め込んでいるが、基本層６Ａの孔内に異屈折率領域６Ｂを埋め込んだ後、更に、その上に異屈折率領域６Ｂと同一の材料した異屈折率被覆層を堆積してもよい。
【００３９】
なお、上述の素子において、光ガイド層などは、本質的な動作を補助するものであるため、省略することが可能である。
【００４０】
図５は、レーザ素子を構成する各化合物半導体層の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【００４１】
上述の各レーザ素子における各要素の材料は、図５に示す通りであり、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、位相変調層（屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。
【００４２】
なお、各層には、図５に示すように、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３）、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１５／ｃｍ３以下である。
【００４３】
また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）よりもＡｌ組成以上である。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。
【００４４】
また、各層の厚みは、図５に示す通りであり、同図内の数値範囲は好適値を示し、括弧内の数値は最適値を示している。位相変調層からＺ方向に平面波として出射されるレーザ光の位相は、位相変調層の特性にも依存するため、位相変調層として機能している。
【００４５】
図６は位相変調層の平面構成の一例を示す図である。
【００４６】
位相変調層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは、化合物半導体であるが、アルゴン、窒素又は空気等が封入された空孔であってもよい。
【００４７】
位相変調層６においては、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４が二次元的に配置されており、それぞれの単位構成領域のＸＹ座標をそれぞれの単位構成領域の重心位置で与えられることとすると、この重心位置は仮想的な正方格子の格子点に一致する。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４のＸＹ座標を（Ｘ，Ｙ）とする。
【００４８】
孔内に設けられた複数の異屈折率領域６Ｂは、それぞれ厚み方向（Ｚ軸）に垂直な第１面積（ＸＹ平面内の面積Ｓ１）を有する。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４は、それぞれ、１つの異屈折率領域６Ｂのみを有している。異屈折率領域６Ｂが直角二等辺三角形である場合は、その斜辺以外の一辺の長さをＬとすれば、Ｓ１＝Ｌ２／２である。１つの単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４内に占める異屈折率領域６Ｂの面積Ｓ１の比率をフィリングファクタ（ＦＦ）とする。１つの単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４の面積は、仮想的な正方格子の１つの単位格子内の面積である。
【００４９】
ここで、単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４を規定する。それぞれの単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４は、１つの異屈折率領域６Ｂのみからなるとする。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４内における、異屈折率領域６Ｂの（重心Ｇ）は、これに最も近い仮想的な正方格子の格子点（＝Ｏとする）から、シフトした位置にある。
【００５０】
仮想的な正方格子の格子点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）とし、回転角度φがＸ軸の正方向に一致している場合をφ＝０°とする。単位構成領域Ｒ１１の重心の座標は（ｘ１、ｙ１）であり、単位構成領域Ｒｍｎの重心の座標は（ｘｍ、ｙｎ）である（ｍ、ｎは自然数）。このとき、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、ｘ（＝ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４・・・）およびｙ（＝ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４・・・）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。回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、レーザ光の近視野像の強度の複素振幅分布のうちの位相成分に対応させることができる。近視野像をフーリエ変換したものは、所望の遠視野像となる。
【００５１】
図６は位相変調層の平面構成の一例を示す図である。
【００５２】
上述の正方格子の格子間隔をａとすると、この格子構造の逆格子ベクトルは、基本並進ベクトルの２π／ａ倍となる。位相変調層６の実効屈折率をｎとした場合、位相変調層６が選択する波長λ０（＝ａ×ｎ）は、活性層４の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層（回折格子層）は、活性層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。
【００５３】
図７は異屈折率領域の格子点位置からのシフト量を説明するための図である。
【００５４】
同図では、異屈折率領域６Ｂの平面形状が直角三角形（実線）の場合と、円形（点線）の場合が示してある。ＸＹ平面内における１つの格子点の座標をＯとし、Ｘ軸方向の格子間隔をａ、Ｙ軸方向の格子間隔もａとする。この場合、異屈折率領域６Ｂの重心位置Ｇは、最も近い格子点の座標Ｏから角度φの方向へ、距離ｒだけシフトしている。換言すれば、重心Ｇは、正方格子の格子点を中心とする半径ｒの円周上にあり、角度φだけ回転した位置にある。
【００５５】
図８は位相変調層の平面図である。
【００５６】
同平面図に示すように、正方形の内側領域ＲＩＮの内部においては、目的となるビームパターンを出射するための略周期構造（例：図６の構造）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、正方格子の格子点位置に、重心位置が一致する異屈折率領域が配置されている。外側領域ＲＯＵＴ内の異屈折率領域の形状は、内側領域ＲＩＮ内の異屈折率領域の形状と同一とすることができる。また、例えば、外側領域ＲＯＵＴにおけるフィリング・ファクターＦＦは、２０％に設定される。また、内側領域ＲＩＮの内部も、外側領域ＲＯＵＴ内においても、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は同一（＝ａ）である。
【００５７】
この構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布することにより、内側領域ＲＩＮの周辺部において、光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制することが出来るという利点がある。
【００５８】
図９は遠視野像について説明するための図である。
【００５９】
レーザ素子ＬＤから出力されたレーザ光は、近視野像をフーリエ変換したパターン、遠視野像を形成する。レーザ素子ＬＤのＸＹ平面（光出射面）からＺ軸方向に出力されたレーザ光は、図９（ａ）における遠視野像の位置において、同図（ｄ）のスポットパターンを有する。このスポットパターンを有するには、同図（ｃ）のイメージ図に示すように、この像の複素振幅分布を逆フーリエ変換した場合に得られる位相分布を、レーザ素子ＬＤの光出射面において有すればよい。この位相分布が得られるためには、同図（ｂ）に示すように、位相変調層６における異屈折率領域６Ｂの回転角度φ（図７参照）を、座標に応じて設定すればよい。
【００６０】
次に、位相変調層の逆格子空間における強度パターンについて説明する。以下では、逆格子空間においてＸ軸及びＹ軸を設定するが、これらの軸の単位は共に波数（２π／ａ）であり、結晶工学上のブリルアンゾーンにおけるΓ−Ｘ方向及びΓ―Ｙ方向とすることができる。
【００６１】
図１０は逆格子空間におけるパターン（実施例）を説明する図である。
【００６２】
ライトラインＬＬよりも内側の一点鎖線はレーザ光の出射角が４５°の場合の波数を示し、点線はレーザ光の出射角が２０°の場合の波数を示している。ライトラインＬＬの外側に、「＠ＨＰＫ」という文字列（パターン）を設定する。逆格子空間における図形（本例では文字列）は、遠視野像において表示される図形に対応する。この図形（文字列）は、ライトラインＬＬの外側に存在するので、レーザ光の出射角が全反射臨界角を超え、実際の遠視野像では、何も表示されない。
【００６３】
なお、逆格子空間は、波数空間とも呼ばれる。この逆格子空間内におけるＸ軸とＹ軸の交点（中心位置）では波数０であり、レーザ素子の光出射面に垂直な方向に対応する。円形のライトラインＬＬの位置は、ａ／λに対応する。ａは格子間隔（格子定数）、λはレーザ光の空気中での波長である。設計上の不要パターンは、全てライトラインＬＬよりも外側に存在している。
【００６４】
図１１は図１０のパターンを逆フーリエ変換して得られる光像の位相分布の図である。
【００６５】
位相が０°の場合を黒色とし、位相が２πの場合を白色で示している。このような位相分布を用い、振幅分布（例えば、全体に渡って一様であるとする）を与えて求めた複素振幅分布をフーリエ変換すると、遠視野像における複素振幅分布が得られ、この複素振幅分布の２乗が光の強度分布となる。
【００６６】
図１２は図１１のパターンを使用して実際に得られる光出力の方向依存性をデバイスの上半球に渡って測定し、波数空間上にプロットした図である。プロットの手順は下記文献に記載しているものと同一とした。
【００６７】
（文献）黒坂他、“Effectsof non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified usingomnidirectional bandstructure”、Optics Express誌、２０巻、２１７７３頁〜２１７８３頁、２０１２年。
【００６８】
これは、ａ＝２８４ｎｍ、λ＝９４０ｎｍ、ｒ＝０．００５ａ（すなわち、１．４１ｎｍ）とした場合のデバイスより上半球全体に渡って光出力の角度依存性を測定し、これを波数空間上へプロットしたパターンであり、中央に０次光のスポットが観察されるが、その他には、何も観察されない。駆動電流は１ｋＨｚ５０μｓ１Ａである。
【００６９】
図１３はピーク出力データ（異屈折率領域の形状が直角二等辺三角形の場合）を示す図表である。また、図１５は、図１３に記載したデータの纏めであり、異屈折率領域の格子点位置からのシフト量と規格化ピーク出力の関係を示すグラフである。
【００７０】
なお、レーザ素子の構造は、図２に示すものであり、位相変調層における正方格子の格子間隔ａ＝２８４ｎｍであり、上部の電極サイズは４００μｍ×４００μｍ、駆動電流は繰り返し周波数＝１ｋＨｚ、パルス幅＝５０ｎｓ、電流値（最大値）＝１０Ａ、直角二等辺三角形の一辺の長さＬ＝１８０ｎｍ、１つの直角二等辺三角形の面積Ｓ＝Ｌ２／２＝１６２００ｎｍ２である。
【００７１】
比較例は、直角二等辺三角形の異屈折率領域を、正方格子の格子点に一致させて配置した場合（シフト量ｒ＝０）である。これは通常のフォトニック結晶レーザであり、デバイス面垂直方向（逆格子空間において波数（０，０））のスポットのみが出力され、文字列等の図形（パターン）は出力されない。この場合の遠視野像では、０次光のスポットのみが観察され、レーザ光のピーク出力は、３．３Ｗであった。この場合の出力を１として規格化する。
【００７２】
実施例１は、直角二等辺三角形の異屈折率領域を、正方格子の格子点からシフトさせて配置した場合（シフト量ｒ＝０．００２ａ）であり、逆格子空間において０次光のスポットに加え、ライトラインの外側に上記文字列（＠ＨＰＫ）を含んでいる。この場合の遠視野像では、０次光のスポットのみが観察され、レーザ光のピーク出力は、６．７Ｗ、規格化ピーク出力は２．０３であった。
【００７３】
実施例２は、直角二等辺三角形の異屈折率領域を、正方格子の格子点からシフトさせて配置した場合（シフト量ｒ＝０．００５ａ）であり、逆格子空間において０次光のスポットに加え、ライトラインの外側に上記文字列（＠ＨＰＫ）を含んでいる。この場合の遠視野像では、０次光のスポットのみが観察され、レーザ光のピーク出力は、６．５Ｗ、規格化ピーク出力は１．９７であった。
【００７４】
なお、上記では、異屈折率領域の形状が直角二等辺三角形の場合を示したが、これは他の形状であってもよい。すなわち、直角を有さない二等辺三角形の他、大きな円形の近傍に、適当な小さな円を配置して、疑似的に二等辺三角形のような形状としたもの、楕円形や、真円であっても、ライトラインの外側に適当な図形を配置すれば、スポット光の強度は増加すると考えられる。一例として、異屈折率領域の形状が真円の場合について説明する。
【００７５】
図１４はピーク出力データ（異屈折率領域の形状が真円の場合）を示す図表である。また、図１６は、図１４に記載したデータの纏めであり、異屈折率領域の格子点位置からのシフト量と規格化ピーク出力の関係を示すグラフである。
【００７６】
なお、レーザ素子の構造は、図２に示すものであり、位相変調層における正方格子の格子間隔ａ＝２８４ｎｍであり、上部の電極サイズは４００μｍ×４００μｍ、駆動電流は、繰り返し周波数＝１ｋＨｚ、パルス幅＝５０ｎｓ、電流値（最大値）＝１０Ａであり、真円の半径ｄ＝７２ｎｍ、１つの真円の面積Ｓ＝πｄ２＝１６２８６ｎｍ２である。
【００７７】
比較例は、円形の異屈折率領域を、正方格子の格子点に一致させて配置した場合（シフト量ｒ＝０）であり、逆格子空間において０次光のスポットのみが設定され、文字列等の図形（パターン）を含んでいない。この場合の遠視野像では、０次光のスポットのみが観察され、レーザ光のピーク出力は、１．８Ｗであった。この場合の出力を１として規格化する。
【００７８】
実施例１は、円形の異屈折率領域を、正方格子の格子点からシフトさせて配置した場合（シフト量ｒ＝０．００２ａ）であり、逆格子空間において０次光のスポットに加え、ライトラインの外側に上記文字列（＠ＨＰＫ）を含んでいる。この場合の遠視野像では、０次光のスポットのみが観察され、レーザ光のピーク出力は、４．７Ｗ、規格化ピーク出力は２．６１であった。
【００７９】
実施例２は、円形の異屈折率領域を、正方格子の格子点からシフトさせて配置した場合（シフト量ｒ＝０．００５ａ）であり、逆格子空間において０次光のスポットに加え、ライトラインの外側に上記文字列（＠ＨＰＫ）を含んでいる。この場合の遠視野像では、０次光のスポットのみが観察され、レーザ光のピーク出力は、３．６Ｗ、規格化ピーク出力は２．００であった。
【００８０】
以上説明したように、上述の半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層とを備えた半導体発光素子において、位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、を備え、最も近くで隣接する前記異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域を、それぞれの単位構成領域としたとき、複数の異屈折率領域は、位相変調層における逆格子空間上の単位構成領域の内側であって且つライトラインの外側の領域において、拡がりを持った強度が０でないパターンを形成するように配置されており、ノイズとなる光を出射することなく、スポット光の強度を高めることができる。
【００８１】
また、上述の半導体発光素子においては、位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹ平面内において、格子定数ａの仮想的な正方格子を設定した場合、それぞれの異屈折率領域は、その重心位置が、仮想的な正方格子における格子点位置から距離ｒだけずれるように、配置されており、距離ｒは、０＜ｒ≦０．０１ａである（実施例１〜実施例３）。この場合、半導体発光素子の出力が飛躍的に増加した。
【００８２】
また、距離ｒが０＜ｒ≦０．００５ａである場合（実施例１，２）、半導体発光素子の出力が更に飛躍的に増加した。
【００８３】
また、距離ｒが、０．００２ａ≦ｒである場合（実施例１）、ｒ＝０の場合と比較して、半導体発光素子の出力が更に飛躍的に増加した。
【００８４】
以上、説明したように、あるビームパターンを得るため、このビームパターンを逆フーリエ変換して得られた複素振幅のうち位相を抽出し、この位相に応じて各孔を角度φの方向に配置している。中心の点状パターンは、変調されなかった残りの光「０次光」である。なお、上述のビームパターン（＠ＨＰＫの文字）などは、実際のレーザ装置においては使用しないパターンなので、「不要パターン」と呼ぶこととする。
【００８５】
位相変調層における異屈折率領域のシフト量ｒに応じて、０次光と不要パターンの光の強度の比率は変化する。シフト量ｒが大きい場合には、不要パターンの光の出力が増大し、シフト量ｒが小さい場合には０次光の強度の比率が増大する。
【００８６】
以上、説明したように、上述の半導体発光素子（半導体レーザ素子）は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層と、を備えた半導体レーザ素子において、位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、を備え、位相変調層の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹ平面内において、格子定数ａの仮想的な正方格子を設定した場合、それぞれの異屈折率領域６Ｂは、その重心位置Ｇが、仮想的な正方格子における格子点位置を中心とする半径ｒの円周上に配置されており、ｒは、好ましくは、０＜ｒ≦０．００５ａであり、仮想的な正方格子における（Ｘ，Ｙ）番目の格子点において、正方格子の格子点位置と異屈折率領域の重心位置を結ぶ線分とＸ軸方向との成す角がφ（Ｘ，Ｙ）である場合に、異屈折率領域全体に渡る分布関数をＡ（Ｘ，Ｙ）と設定し、ｊを虚数単位とし、Ｉ（Ｘ，Ｙ）＝Ａ（Ｘ，Ｙ）×ｅｘｐ（ｊ×φ（Ｘ，Ｙ））としたとき、Ｉ（Ｘ，Ｙ）を２次元フーリエ変換して得られる複素振幅分布の強度分布が、発振波長をλとしたとき、この複素振幅分布においてＺ軸が中央となるよう複素振幅分布を配置した場合に、複素振幅分布のうち強度が０でない領域（上記「不要パターン））が、半径ａ／λの円（ライトライン）よりも外側に存在している。
【００８７】
ＸＹ平面内における座標を（ｘ，ｙ）とし、ｉ（ｘ，ｙ）は遠視野像の像面において観察される光の強度分布を示すとすると、光の複素振幅分布Ｆ（ｘ，ｙ）は：
ｉ（ｘ，ｙ）＝｜Ｆ（ｘ，ｙ）｜２
で与えられる。遠視野における光の複素振幅分布Ｆ（ｘ、ｙ）を逆フーリエ変換すると、光出射面（射出瞳面）における複素振幅分布（位相分布）Ｉ（ｘ，ｙ）を求めることができる。なお、所望の光像から複素振幅分布（単位構成領域それぞれの複素振幅）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。
【００８８】
上述の方法では、設計上の遠視野像がある場合に、遠視野像を逆フーリエ変換（二次元逆フーリエ変換）した場合の複素振幅分布（位相分布）に、異屈折率領域６Ｂの回転位置である位相φを一致させる。異屈折率領域６Ｂの形状が直角二等辺三角形である場合、斜辺に沿った電界が強くなり、また、レーザ光のモードが安定するが、光出力を増加させることができ、同様に、異屈折率領域６Ｂの形状が円形である場合も、光出力を増加させることができる。
【００８９】
なお、上述のパターンは、位相変調層におけるＸＹ平面に平行な光出射面上に形成される実空間上の二次元電界強度分布を、二次元フーリエ変換した遠視野像であり、前記遠視野像を二次元逆フーリエ変換して得られ複素振幅で与えられる光の電磁界ｆ（ｘ，ｙ）は、虚数単位をｊ、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）、位相項をＰ（ｘ，ｙ）として：
ｆ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）×ｅｘｐ［ｊＰ（ｘ，ｙ）］、
で与えられ、最も近くで隣接する前記異屈折率領域の重心位置間を接続した線分を規定し、この線分の垂直二等分線で囲まれた最小の領域が、それぞれの単位構成領域であり、それぞれの前記単位構成領域内において、前記異屈折率領域の重心位置と格子点位置とを結ぶ線分が、Ｘ軸との成す角度φは、比例定数をＣ、定数をＢとして：
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
で与えられる。
【００９０】
また、この遠視野像は、実空間上の二次元電界強度分布を二次元フーリエ変換した波数空間における座標（ｋｘ、ｋｙ）において、複数の画像領域（便宜上、光の電磁界ＦＲ（ｋｘ、ｋｙ）と同じ標記で示すことがある）から構成され、光の電磁界ＦＲ（ｋｘ，ｋｙ）を与える画像領域は、それぞれが正方形で、波数空間における規格化した波数ｋｘを与えるＫｘ軸方向にＭ２個（Ｍ２は、１以上の整数）、規格化した波数ｋｙを与えるＫｙ軸方向にＮ２個（Ｎ２は、１以上の整数）、配列するように、二次元配置されており、光の電磁界ｆ（ｘ，ｙ）を与える前記二次元逆フーリエ変換は、以下の式で与えられる。
【００９１】
【数２】
2019186548.tif 000004
また、上記の直交座標系は、球面座標系に変換することができる。すなわち、ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）を示す球面座標（ｒ,θtilt,θrot）は、動径の長さｒと、Ｚ軸からの動径の傾き角θtilt と、この動径がＸＹ平面上に投影された線分のＸ軸からの回転角θrotとを用いて、以下の関係を満たしている。
【００９２】
ｘ＝ｒ・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｃｏｓθｒｏｔ、
ｙ＝ｒ・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｓｉｎθｒｏｔ、
ｚ＝ｒ・ｃｏｓθｔｉｌｔ。
【００９３】
また、半導体発光素子から、傾き角θtilt及び回転角θrotで出射されるビーム群が形成する輝点の集合を遠視野像とすると、Ｋｘ−Ｋｙ平面における遠視野像は、Ｋｘ軸における規格化した波数ｋｘ及びＫｙ軸における規格化した波数ｋｙは、前記半導体発光素子の発振波長をλとして、以下の関係を満たしている。
【００９４】
ｋｘ＝（ａ／λ）・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｃｏｓθｒｏｔ、
ｋｙ＝（ａ／λ）・ｓｉｎθｔｉｌｔ・ｓｉｎθｒｏｔ。
【００９５】
半導体レーザ素子から投影される遠視野像は、上述のように、近視野像を二次元フーリエ変換したものとなり、遠視野像において、ライトラインの外側にもパターンを形成したものを、二次元逆フーリエ変換すれば、近視野像が得られ、目的の近視野像を得るためには、それぞれの単位構成領域内において、異屈折率領域の重心位置と格子点位置とを結ぶ線分が、Ｘ軸との成す角度φが上述の範囲を満たせばよいことになる。
【００９６】
以上のように、上述の実施形態に係る半導体発光素子では、ノイズとなる光を出射することなく、スポット光の強度を高めることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１…半導体基板、２…下部クラッド層、３…下部光ガイド層、４…活性層、５…上部光ガイド層、６…位相変調層、７…上部クラッド層、８…コンタクト層。
【図１】
2019186548.tif 000006
【図２】
2019186548.tif 000007
【図３】
2019186548.tif 000008
【図４】
2019186548.tif 000009
【図５】
2019186548.tif 000010
【図６】
2019186548.tif 000011
【図７】
2019186548.tif 000012
【図８】
2019186548.tif 000013
【図９】
2019186548.tif 000014
【図１０】
2019186548.tif 000015
【図１１】
2019186548.tif 000016
【図１２】
2019186548.tif 000017
【図１３】
2019186548.tif 000018
【図１４】
2019186548.tif 000019
【図１５】
2019186548.tif 000020
【図１６】
2019186548.tif 000021