(57)【要約】  単位構成領域Ｒ１１の座標は（Ｘ１、Ｙ１）であり、単位構成領域Ｒｍｎの座標は（Ｘｍ、Ｙｎ）である（ｍ、ｎは自然数）。二等辺三角形の頂点の重心に対する回転角度φが座標により異なっており、フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含んでいる。
2014136955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子において、
前記フォトニック結晶層は、
第１屈折率媒質からなる基本層と、
前記第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、
を備え、
複数の前記異屈折率領域は、
平面形状が概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形であり、
単位構成領域が、１つの前記異屈折率領域からなることとし、
前記単位構成領域内における、前記異屈折率領域の重心位置に対する前記平面形状の輪郭上の１つの点の回転角度をφとし、
Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、
それぞれの前記単位構成領域のＸＹ座標をぞれぞれの前記異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、
前記単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが座標により異なっており、前記フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含むことを特徴とするレーザ素子。
【請求項２】
前記レーザ光を発生する活性層と、
前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、
前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記フォトニック結晶層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ素子と、
前記レーザ素子の光出射面に対向配置された偏光板と、
を備えることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ素子及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１のレーザ素子に用いられるフォトニック結晶層は、ベースとなる基本層内に、複数の異屈折率領域を周期的に埋め込んで構成されている。このレーザ素子は、２層のフォトニック結晶層を有しており、それぞれのフォトニック結晶層は、周期的に配置された同一パターン有しているが、パターンは、フォトニック結晶層毎に異なる。【０００３】
特許文献２は、レーザビームの直線偏光の強度に関する技術の一例を開示している。同文献によれば、従来、フォトニック結晶層を構成する基本層内に、複数の円形異屈折率領域を正方格子の格子点位置にそれぞれ埋め込んできたが、この場合には、面内における偏光方向が一定とはならないという問題点が指摘されている。すなわち、フォトニック結晶層内では、内部で発生しているモードの縮退により、個々の異屈折率領域の周囲を囲むように電界ベクトル（偏光方向）が発生する。そこで、同文献では、正方格子上から外れた非対称位置に、別の異屈折率領域を配置することにより、モードの縮退を解放し、電界ベクトルの向きを、全体として揃えることができる旨を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７６９００号公報
【特許文献２】特開２００３−２３１９３号公報
【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、従来技術に係るレーザ素子においては、所望の１方向のみにレーザビームを出射することができず、したがって、マルチ方向レーザ出力装置等を構成することができなかった。【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、所望の１方向のみにレーザビームを出射することが可能なレーザ素子及びレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本願発明者らが、レーザ素子構造について鋭意検討した結果、フォトニック結晶層における異屈折率領域の形状を工夫し、その平面形状の輪郭上の１点の位置の重心に対する回転角度を、座標に応じて異ならせることにより、様々なパターンのレーザビームを出射できることを見出した。この平面形状は、概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形であり、これが円形の場合と異なり、平面形状内の特定の方向に沿って、相殺されず残留する電界ベクトルが生じる。【０００８】
なお、概略三角形又は概略楕円形とは、平面視において、三角形又は楕円形に設計された形状であるが、製造時において若干の歪みが生じたものを含む形状を意味するものとする。【０００９】
すなわち、本態様のレーザ素子は、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子において、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、平面形状が概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形であり、単位構成領域が、１つの前記異屈折率領域からなることとし、前記単位構成領域内における、前記異屈折率領域の重心位置に対する前記平面形状の輪郭上の１つの点の回転角度をφとし、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の前記単位構成領域が二次元的に配置されており、それぞれの前記単位構成領域のＸＹ座標をぞれぞれの前記異屈折率領域の重心位置で与えられることとし、前記単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが当該座標により異なっており、前記フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含むことを特徴とする。本発明では３つ或いは４つで一組となる強度パターンを組み合わせることにより、様々なパターンのレーザビームを得ることも可能となる。このとき、回転角度φを変えることにより各領域の強度が変調される原理に基づいているため、必然的に３以上の異なる回転角度が含まれることになる。【００１０】
また、このレーザ素子は、前記レーザ光を発生する活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記フォトニック結晶層とを備えることを特徴とする。【００１１】
また、本発明のレーザ装置は、上記レーザ素子と、前記レーザ素子の光出射面に対向配置された偏光板と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ素子及びレーザ装置によれば、様々なパターンのレーザビームを出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は第１のレーザ素子の構成を示す図である。
【図３】図３は第２のレーザ素子の構成を示す図である。
【図４】図４はレーザ素子本体部の構成を示す図である。
【図５】図５は第３のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図６】図６はレーザ素子を構成する要素の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【図７】図７は第４のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図８】図８はフォトニック結晶層の平面図である。
【図９】図９は異屈折率領域の位置関係を説明するための図である。
【図１０】図１０は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図１１】図１１はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図１２】図１２は異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。
【図１３】図１３はフォトニック結晶層の平面図である。
【図１４】図１４は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図１５】図１５はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図１６】図１６は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図１７】図１７はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図１８】図１８は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図１９】図１９はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図２０】図２０は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図２１】図２１はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図２２】図２２は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図２３】図２３はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図２４】図２４は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図２５】図２５はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図２６】図２６は出射光の強度分布パターンを示す図である。
【図２７】図２７はフーリエ変換後の遠視野像である。
【図２８】図２８はレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【図２９】図２９は、個々の異屈折率領域６Ｂ１の形状を示すＸＹ平面図である。
【図３０】図３０は、異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。
【図３１】図３１は、フォトニック結晶層で得られるモードを示す図である。
【図３２】図３２は、レーザ素子と偏光板を備えたレーザ装置を示す図である。
【図３３】図３３は、偏光板とレンズを備えたレーザ装置の主要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施の形態に係るレーザ素子及びレーザ装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、レーザ装置の構成を示す図である。
【００１６】
支持基板ＳＢ上には、複数のレーザ素子ＬＤが一次元又は二次元状に配置されている。個々のレーザ素子ＬＤは、支持基板ＳＢの裏面又は内部に設けられた駆動回路ＤＲＶによって駆動される。すなわち、制御回路ＣＯＮＴからの指示により、駆動回路ＤＲＶは、個々のレーザ素子ＬＤに駆動電流を供給する。例えば、二次元状に配置されたレーザ素子ＬＤに、これらが配置されたアドレスの順番に従って駆動電流を供給する。レーザ素子ＬＤからはレーザビームが基板に垂直な方向に出射される。レーザ素子ＬＤがアドレスの順番に順次点灯すると、疑似的にレーザビームで対象物が走査されることになる。対象物によって反射されたレーザビームＬＢは、フォトダイオードなどの光検出器ＰＤによって検出することができる。
【００１７】
制御回路ＣＯＮＴには、光検出器ＰＤによって検出されたレーザビーム強度を示す検出信号が入力される。レーザ素子ＬＤがパルス駆動される場合には、光検出器ＰＤは、レーザビームの出射タイミングから検出タイミングまでの時間を測定、すなわち対象物までの距離を測定することができる。
【００１８】
かかるレーザ装置は、以下の用途に用いることができる。例えば、対象物にレーザビームを照射し、レーザビーム照射位置までの距離を計測することにより、対象物の三次元形状を計測することができる。三次元形状のデータを用いれば、これを種々の加工装置や医療機器に利用することができる。また、車両などの移動体からマルチ方向にレーザビームを出力すれば、障害物までの方向に応じた距離を測定することができ、距離に応じて、ブレーキやハンドルを自動制御又はアシスト制御する安全装置に利用することも可能である。
【００１９】
以下、上述のレーザ装置に用いられるレーザ素子の詳細構造について説明する。レーザ素子は、様々な強度パターンのレーザ光を出射することができる。
【００２０】
図２は、第１のレーザ素子の構成を示す図である。
【００２１】
このレーザ素子ＬＤは、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層（フォトニック結晶層）６を備えている。半導体レーザ素子などのレーザ素子本体ＬＤ１から、光ファイバＦを介して、或いは、直接的に、フォトニック結晶層６内にレーザ光が入射する。光ファイバＦは、フォトニック結晶層６の側面に取り付けられている。光ファイバＦの数は複数であることとしてもよく、この場合にはフォトニック結晶層６の側面に沿って整列した複数の光ファイバＦから、フォトニック結晶層６内にレーザ光が入射する。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、フォトニック結晶層６内においてフォトニック結晶の格子に応じた所定のモードを形成し、フォトニック結晶層６の表面から垂直方向にレーザビームＬＢとして、外部に出射される。フォトニック結晶層６の下面にはアルミニウム等の金属からなる反射膜ＲＦが設けられており、フォトニック結晶層６の下面方向に進行するレーザ光は、反射膜ＲＦによって反射され、上面方向へと向かう。したがって、反射膜ＲＦにより、レーザビームＬＢの強度が高くなるという効果を奏する。
【００２２】
図３は、第２のレーザ素子の構成を示す図である。
【００２３】
このレーザ素子ＬＤは、端面発光型のレーザ素子本体ＬＤ１の端面に、上述のフォトニック結晶層６の側面を直接隣接させたものである。フォトニック結晶層６の側面は、接着剤等でレーザ素子本体ＬＤ１の端面に固定してもよいが、フォトニック結晶層６の厚みを調整することにより、１つの半導体基板から、レーザ素子本体ＬＤ１及びフォトニック結晶層６の双方を連続的に形成することも可能である。レーザ素子本体ＬＤ１は、化合物半導体層を積層してなり、当該積層体の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流を流すことにより、レーザ素子本体ＬＤ１の活性層４が発光し、レーザ光Ｌがフォトニック結晶層６内に入射し、入射したレーザ光は、フォトニック結晶層６内において所定のモードを形成して、レーザビームＬＢとして、基板表面に垂直な方向に出射される。フォトニック結晶層６の下面には、上記と同様に反射膜ＲＦが設けられており、上記と同様の作用効果を奏する。
【００２４】
図４は、上述のレーザ素子本体ＬＤ１の構成を示す図である。
【００２５】
半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。また、第１電極Ｅ１は、半導体基板１の下面全面に設けられているが、第２電極Ｅ２は、共振長の方向（レーザ光Ｌの出射方向）に沿って延びるように、コンタクト層８の上面の一部領域上に設けられている。
【００２６】
レーザ素子本体ＬＤ１から出射したレーザ光Ｌは、上述のように、フォトニック結晶層６内部に入射する。
【００２７】
図５は、第３のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【００２８】
このレーザ素子ＬＤは、フォトニック結晶層６を、図４に示したレーザ素子本体内に取り込んだ構造を有しており、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザを構成している。
【００２９】
このレーザ素子ＬＤは、レーザ光を発生する活性層４と、活性層４を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、これらの間に設けられ活性層４を挟む光ガイド層３，５を備えており、上部クラッド層７と活性層４との間には、フォトニック結晶層６が設けられている。なお、図５に示す構造では、第２電極Ｅ２は、コンタクト層８の中央領域に設けられている。
【００３０】
この構造においては、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、フォトニック結晶層６、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されており、半導体基板１の下面には第１電極Ｅ１が設けられ、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
【００３１】
活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは周期構造を含んでいる。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部電極Ｅ２を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直に出射される。
【００３２】
図６は、レーザ素子を構成する各化合物半導体層の材料、導電型、厚み（ｎｍ）の関係を示す図表である。
【００３３】
各要素の材料は、図６に示す通りであり、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、フォトニック結晶層（屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層がＧａＡｓからなる。
【００３４】
なお、各層には、図６に示すように、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７〜１×１０２１／ｃｍ３）、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１５／ｃｍ３以下である。
【００３５】
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。
【００３６】
また、各層の厚みは、図６に示す通りであり、同図内の数値範囲は好適値を示し、括弧内の数値は最適値を示している。なお、フォトニック結晶層は、単位構成領域内におけるＸＹ平面内の偏光の向きを変えるものであるが、それぞれの領域内における位相を合わせることはできる。出射されるレーザ光の位相は、フォトニック結晶層の特性にも依存するため、位相変調層としても機能している。
【００３７】
なお、図２８に示すように、下部クラッド層２と活性層４との間に、フォトニック結晶層６を設けることとしてもよい。この場合には、フォトニック結晶層６は、下部クラッド層２と光ガイド層３との間に挟まれる位置に配置することができる。この構造においても、上記と同様の作用を奏する。すなわち、活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、下部光ガイド層、活性層４、上部光ガイド層５、上部クラッド層７、コンタクト層８、上部電極Ｅ２を介して、レーザビームとして、基板表面に垂直な方向に向けて出射される。なお、レーザビームは、基板表面に垂直な方向から傾けて出射させることもできる。
【００３８】
図７は、第４のレーザ素子の縦断面構成を示す図である。
【００３９】
このレーザ素子ＬＤの構造は、図５に示したものと、電極の形状のみが異なる。すなわち、半導体基板１の下面に設けられた第１電極Ｅ１は、中央部に開口を有する開口電極であり、第１電極Ｅ１の開口内及び周辺には、反射防止膜Ｍが設けられている。反射防止膜Ｍは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を適当に積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ/4の厚さの膜を積層する。なお、反射膜や反射防止膜は、スパッタ法を用いて形成することができる。
【００４０】
コンタクト層８の上面には、第２電極Ｅ２が設けられている。なお、コンタクト電極Ｅ２の形成領域以外の領域は、必要に応じて、絶縁膜９で被覆し、表面を保護することができる。
【００４１】
この構造においても、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、活性層４、上部光ガイド層５、フォトニック結晶層６、上部クラッド層７、コンタクト層８が順次積層されている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
【００４２】
活性層４から出射されたレーザ光は、フォトニック結晶層６の内部に入射し、所定のモードを形成する。なお、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。複数の異屈折率領域６Ｂは周期構造を有している。フォトニック結晶層６内に入射したレーザ光は、上部光ガイド層５、活性層４、下部光ガイド層３、下部クラッド層２、半導体基板１、反射防止膜Ｍを介して、レーザビームＬＢとして、外部に出射される。半導体基板１の下面において、第２電極Ｅ２に対向する領域には、第１電極Ｅ１が設けられておらず、レーザビームＬＢは下面から外部に出射する。なお、基本層６Ａの孔内に異屈折率領域６Ｂを埋め込んだ後、更に、その上に異屈折率領域６Ｂと同一の材料した異屈折率被覆層を堆積してもよい。
【００４３】
図８は、上述のフォトニック結晶層６の平面図である。
【００４４】
フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは、化合物半導体であるが、アルゴン、窒素又は空気等が封入された空孔であってもよい。
【００４５】
複数の異屈折率領域６Ｂは、ＸＹ平面内の形状が概略三角形であり、厚み方向をＺ軸とする。
【００４６】
異屈折率領域６Ｂは、連続した図形であり、１つの先端位置を６Ｂ２とし、孔内の本体部は異屈折率領域６Ｂ１として表記する。ここで、単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４を規定する。それぞれの単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４は、１つの異屈折率領域６Ｂ１からなる。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４内における、異屈折率領域６Ｂ１の（重心）に対するその輪郭上の１点６Ｂ２（輪郭上の黒丸で示す）の回転角度をφとする。回転角度φがＸ軸の正方向に一致している場合をφ＝０°とする。ここでは、輪郭上の１点を、三角形の頂点とする。
【００４７】
図８に示すように、フォトニック結晶層６においては、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内において、複数の単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４が二次元的に配置されており、それぞれの単位構成領域のＸＹ座標は、ぞれぞれの異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇで与えられることとする。単位構成領域Ｒ１１〜Ｒ３４のＸＹ座標（重心Ｇの座標）を（Ｘ，Ｙ）とする。
【００４８】
単位構成領域Ｒ１１の座標は（Ｘ１、Ｙ１）であり、単位構成領域Ｒｍｎの座標は（Ｘｍ、Ｙｎ）である（ｍ、ｎは自然数）。同図では、Ｘ軸上の座標が大きくなるに比例して、回転角度φが等間隔で増加しているが、Ｙ軸上の座標が変化しても、回転角度φには変化はない。すなわち、回転角度φは、Ｘの関数である。この関数は、例えば、φ＝φ０＋ａＸ（但し、φ０は定数、ａは０以外の定数）で与えられる。光出射面内においては、位置に応じた偏光変調パターンが得られるが、偏光板を透過させることにより、強度変調パターンに変換することができる。強度変調パターンを、凸レンズを介して、フーリエ変換すると、所望の形状のビームスポットとなる。例えば、レーザビームの形状はスポット（円形）に変換することができる。この関数はフォトニック結晶層全体又は特定領域内に適用することもできる。
【００４９】
図９は、異屈折率領域の位置関係の一例を説明するための図である。
【００５０】
図９（Ａ）はφ＝０（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｂ）はφ＝０．２５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｃ）はφ＝０．５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｄ）はφ＝０．７５π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｅ）はφ＝π（ｒａｄ）の場合を示し、図９（Ｆ）はφ＝１．７π（ｒａｄ）の場合を示している。
【００５１】
図１０は、偏光板Ｐ（図３３）を通過した後の出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００５２】
図１０において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。なお、強度は偏光の向きに対応する。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１１のようになる。図の中心がデバイスの面垂直方向すなわちフォトニック結晶層に対して垂直な方向に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、レーザビームの形状はスポット（円形）となる。
【００５３】
図１２は、異屈折率領域と電界分布の位置関係を示す図である。
【００５４】
同図は、互いに隣接する４つの単位構成領域Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の平面状態を示している。フォトニック結晶層６の内部には、レーザ光によって６Ｂ１を取り巻くように電界が分布するモードが生じている。正方格子状に６Ｂ１が配列した構造において格子間隔と波長がほぼ一致する条件下ではその対称性から４種類のモードが生じうることが知られているが、これら４種類のモードは周波数が異なっているので、フォトニック結晶層に入射する光の周波数を適切に選択することによって、前述したように６Ｂ１を取り巻くように電界が分布するモードを生じさせることが出来る。このモードでは、矢印で示す電界ベクトルが、それぞれ重心Ｇを中心に回転するように位置している。これらの電界ベクトルの重心位置に、異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇを一致させ、４つの異屈折率領域６Ｂ１の重心位置Ｇを結ぶ線分によって正方形を構成する。すなわち、異屈折率領域６Ｂは、正方格子の格子点位置に配置されている。構成された正方形の対角線の交点を中心として周囲を回転する電界ベクトルも存在する。
【００５５】
ここで、各単位構成領域内において、先端の１点６Ｂ２が存在する場合、この１点に対して、特定の向きの電界ベクトルのみが有効に残留して機能し、残りの電界ベクトルは相殺される傾向にある。マクスウェル方程式の境界条件に従って、ＸＹ平面内の電界成分は屈折率境界の内外領域間の誘電率差に応じて変化する。この結果、空間的な位相に変調が生じる。すなわち、先端の１点６Ｂ２を通過する電界ベクトル（偏光の向き）のみが、直線偏光の点光源として残る。換言すれば、フォトニック結晶層６内には、二次元平面上の偏光の向きが異なる複数の点光源が分布しているものと考えることができる。なお、この点光源の分布の遠視野像は、これらの点光源をフーリエ変換したもの考えることができる。
【００５６】
ここで、概略三角形の異屈折率領域６Ｂ１の平面形状は、以下の形状と、偏光の向きを取ることができる。
【００５７】
正三角形、又は、底辺が他の２辺よりも短い二等辺三角形の場合、底辺から頂点に向かう方向に直交した方向の偏光成分（電界ベクトル）が残る。直角二等辺三角形の場合、斜辺に平行な偏光成分又は垂直な偏光成分が残る。直角三角形の場合、斜辺に平行な偏光成分又は垂直な偏光成分が残る。このように形状に応じて偏光方位（位相）が変化するので、それぞれの異屈折率領域を、フォトニック結晶層の厚み方向（Ｚ軸）周りに回転させれば、レーザ光の位相を変化させることができる。
【００５８】
図１３は、フォトニック結晶層の平面図である。
【００５９】
図８に示したものとの相違点は、φがＸのみならず、Ｙの関数でもある点である。すなわち、Ｘが増加するに比例して、φも等間隔で増加するが、Ｙが増加するに比例してφも等間隔で増加する構成となっている。この関数は、φ＝φ０＋ａＸ＋ｂＹ（但し、φ０は定数、ａは０以外の定数、ｂは０以外の定数）で与えられる。この関数はフォトニック結晶層全体又は特定領域内に適用することもできる。
【００６０】
図１４は、偏光板通過後の出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００６１】
図１４において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１５のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、レーザビームの形状はスポット（円形）となる。
【００６２】
なお、本発明の手法を用いることにより、任意の位相分布を実現することが可能となる。換言すれば、任意の強度分布をもった点光源の集合体を実現することが可能である。この点光源の集合体から得られる遠視野像は、この点光源の強度分布をフーリエ変換したもので与えられるので、任意の強度分布を実現することが出来れば、任意の遠視野像を得ることが可能となる。具体的には、所望の遠視野像を逆フーリエ変換して得られた位相分布を本発明の手法により配置すれば、任意の遠視野像が得られる。幾つかの強度分布のパターンの例を以下に示す。
【００６３】
図１６は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００６４】
図１６において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１７のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、Ｙ軸方向に沿ったラインパターンのレーザビームを得ることができる。
【００６５】
図１８は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００６６】
図１８において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図１９のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、円環状のパターンのレーザビームを得ることができる。
【００６７】
図２０は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００６８】
図２０において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２１のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、３点マルチスポットのレーザビームを得ることができる。
【００６９】
図２２は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００７０】
図２２において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２３のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、「光」という文字形状のレーザビームを得ることができる。
【００７１】
図２４は、異屈折率領域の別の位相分布パターンを示す図である。
【００７２】
図２４において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの位相に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２５のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、二重円環状のレーザビームを得ることができる。
【００７３】
図２６は、出射光の強度分布パターンを示す図である。
【００７４】
図２６において、色は各場所（座標）におけるレーザ光の強度分布（φに対応）を表しており、黒色から白色に向かって０から最大値までの強度に対応している。この場合の、レンズ又はホログラム通過後のレーザビームの形状或いは遠視野像は、例えば図２７のようになる。図の中心が、デバイスの光出射面の中心から垂直方向に延びた位置、すなわち、フォトニック結晶層の中心から垂直方向に延びた位置に対応している。白い部分がレーザビームの形状に対応する。この場合、ラゲールガウスビームと呼ばれるベクトルビームを得ることができる。
【００７５】
以上のように、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。
【００７６】
以上、説明したように、上述の構造の場合、個々の異屈折率領域６Ｂ（６Ｂ１）からのレーザ光は、偏光の強度に偏りが生じ、特定の向きの強度が高くなる。すなわち、特定の偏光を有することになる。ここで、平面形状の輪郭上の１点への重心からの回転角度φは、座標の関数であるため、空間的な座標が異なると、個々のレーザ光の偏光の向き（偏光板透過後の強度）が異なることとなる。したがって、個々の異屈折率領域を点光源と見做すことができ、回転角度φの位置によって、個々の強度を座標毎に変化させることができる。二次元的に分布する個々の点光源の強度が調整できれば、様々なレーザビームパターンを出射することが可能となる。
【００７７】
前述の通り、二次元的に分布する点光源群の遠視野像は、点光源群のフーリエ変換像と考えることができる。フーリエ変換によって円形のレーザビームスポットを構成する場合には、特定の位置の円形の逆フーリエ変換を行って、各点光源の強度を設定すればよい。すなわち、特定位置の円形の逆フーリエ変換を行った場合の各点光源の強度に、各回転角度φを対応させて設定すれば、特定の位置に円形のレーザビームスポットを得ることができる。換言すれば、二次元強度分布が単峰性のスポットを斜め方向の位置に得ることもできる。
【００７８】
また、上述のレーザ装置は、それぞれのレーザビーム出射角度が異なり、一次元又は二次元状に複数配置された上述のいずれかのレーザ素子と、レーザ素子を駆動する駆動回路とを備えており、複数の方向にレーザビームを出力させることができる。この装置は、疑似的なレーザビーム走査装置として機能させることも可能である。
【００７９】
なお、上記では、各異屈折率領域６Ｂ１の形状は概略三角形としたが、それぞれは扁平率がゼロでない概略楕円形であってもよい。概略三角形又は概略楕円形とは、平面視において、三角形又は楕円形に設計された形状であるが、製造時において若干の歪みが生じたものを含む形状を意味するものとする。
【００８０】
図２９は、個々の異屈折率領域６Ｂ１の形状を示すＸＹ平面図である。図２９（Ａ）に示すように、基本層６Ａの孔内の異屈折率領域６Ｂ１の形状は長尺の概略二等辺三角形であってもよく、この場合には、底辺から頂点６Ｂ２に向かう偏光方向の電界強度が高くなる。図２９（Ｂ）に示すように、基本層６Ａの孔内の異屈折率領域６Ｂ１の形状は、扁平率が０ではない長尺の概略楕円形状であってもよい。この場合は、長軸の方向に沿って、偏光方向の電界強度が高くなる。また、基本層６Ａの孔内の異屈折率領域６Ｂ１の形状が、図２９（Ｃ）のような、四角形と三角形とを組み合わせたような非回転対称形であれば、非回転対称性に起因して、特定の方向の偏光方向の電界強度が高くなる。同図の場合には長手方向（Ｘ軸方向）の電界強度が高くなる。
【００８１】
これらの平面形状を有する異屈折率領域を上述の図８又は図１３のように二次元的に配置すれば、輪郭上の１点６Ｂ２に向かう電界ベクトルが残留するので、上記と同様の位相分布を作り出し、１つの斜め方向のみに出射するレーザビームを生成することができる。
【００８２】
なお、上述の構造において、活性層４およびフォトニック結晶層６を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、上述のＡｌＧａＮを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡを用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。
【００８３】
すなわち、上述のレーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。
【００８４】
次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成する、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。
【００８５】
フォトニック結晶層を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上にフォトニック結晶層を形成すればよい。
【００８６】
フォトニック結晶層を備えないレーザ素子本体を製造する場合は、この製造工程を省略すればよい。また、柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、上述の正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。
【００８７】
なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、並進ベクトルａ１、ａ２に対する逆格子基本ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘである。フォトニック結晶のエネルギーバンドギャップにおける波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋがΓ点となり、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。なお、モードＡは、共振モードの中で最も周波数が低いものであり、モードＢは、その次に周波数の低いものである。
【００８８】
なお、上述のフォトニック結晶層内の定在波の面内電磁界分布（点光源の面内偏光分布）を偏光板を介して強度変調し、しかる後、フーリエ変換して得られる形状は、単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、前述したように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、ベクトルビームなどとすることも可能である。
【００８９】
なお、基本層６Ａの屈折率は３．０〜３．５、異屈折率領域６Ｂの屈折率は１．０〜３．４であることが好ましい。また、基本層６Ａの孔内の各異屈折率領域６Ｂ１の平均最大径は３８ｎｍ〜７６ｎｍであることが好ましい。
【００９０】
なお、非回転対称形の場合、Ｘ軸方向に沿って、φが０以上２π（ｒａｄ）未満の範囲において、３つ以上の値をとることが好ましい。
【００９１】
以上、説明したように、上述のいずれのレーザ素子も、レーザ光の入射されるフォトニック結晶層を備えたレーザ素子であり、フォトニック結晶層における複数の異屈折率領域は、平面形状が概略三角形、扁平率が０でない概略楕円形、又は、非回転対称形である。また、単位構成領域のＸＹ座標が（Ｘ，Ｙ）の場合には、回転角度φが、場所（座標）により異なっており、フォトニック結晶層の全体の中で、少なくとも３以上の異なる回転角度φを含んでいる。回転角度φに応じた位相差が生じることで、所望の方向のレーザビームを得ることも可能となる。そして、回転角度φが、フォトニック結晶層の全体の中で、或いは特定領域内において、Ｘの関数又は、Ｘ及びＹの関数であり、スポットを形成することができる。
【００９２】
スポットの集合体は、これよりも複雑な形状を構成することができる。上述のレーザ素子では、レーザ素子の光出射面に垂直な方向から傾斜して出射されるレーザビームの遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、又は、ラゲールガウスビーム形状からなると共に、この遠視野像を逆フーリエ変換して得られる像の二次元位相分布は、それぞれの単位構成領域の位置における異屈折率領域輪郭上の上記１つの点６Ｂ２の回転角度φの分布に対応している。
【００９３】
なお、フォトニック結晶層を構成する異屈折率領域６Ｂの深さ（厚み）は、ＸＹ平面内において均一であってもよりが、異ならせることもできる。深さが異なると、屈折率が変化する。したがって、異屈折率領域６Ｂの深さを調整することにより、出射光の位相を変更することもできる。
【００９４】
図３０は、異屈折率領域の位置を示すグラフである。
【００９５】
異屈折率領域６Ｂ１の重心Ｇに対して、輪郭上の１点（頂点）６Ｂ２が、（ｘ，ｙ）の位置に存在している。頂点６Ｂ２とｘ軸との成す角度はφ（ｘ，ｙ）である。
この場合、偏光板を通過した後のレーザ光の強度Ｉは、以下の通りとなる。
【００９６】
Ｉ（ｘ、ｙ）∝ｆ（ｘ，ｙ）×ｇ（φ，θ）×ｈ（ＦＦ）×ｐ（Ｘ，Ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）×ｇ｛（φ（ｘ，ｙ），θ）×ｈ（ＦＦ）×ｐ（Ｘ，Ｙ）
【００９７】
以下、詳説する。
【００９８】
ｆ（ｘ，ｙ）は、輪郭上の１点６Ｂ２の単位格子内配置位置(ｘ,ｙ) による強度変化を示す関数である。
【００９９】
図３１は、フォトニック結晶層で得られるモードを示す図であり、図３１を参照すると、正方格子構造理論上存在しうる電界分布は、mode１〜４である。フォトニック結晶層に外部から光を導入する構成の場合、mode1〜4は共振周波数が異なるため、導入する光の波長により、モードを選択できる。このとき扱いやすいのはmode1又はmode2である。
【０１００】
また、異屈折率領域６Ｂ１の重心近傍領域が発振のための共振器となる構成の場合、mode3, mode4は共振器からの光漏れが大きく、発振する可能性は極めて低く、発振する可能性があるのはmode1又はmode2のどちらかである。上記を踏まえ、まずmode1或いはmode2を採用することが好ましい。
【０１０１】
mode1（図３１（Ａ））の場合、異屈折率領域６Ｂ１の重心近傍領域の位置において磁界振幅が最大となる（図中のＡの位置）。また、これとx方向およびy方向に格子間隔の半分ずつ離れた箇所でも磁界振幅が最大となる（図中のＢの位置）。ＡとＢの磁界は、位相が互いにπ異なる。これらＡとＢを磁界の腹と呼ぶこととすると、電界はこれら磁界の腹を取り巻くように存在し、Ａを取り巻く電界と、Ｂを取り巻く電界は互いにある瞬間での向きが互いに逆となる。また、隣接するＡとＢを結ぶ線分の中点部分では、電界振幅は最大値を取る。また、隣接するＡとＡを結ぶ線分の中点部分および隣接するＢとＢを結ぶ線分の中点部分では、電界振幅はゼロとなる。
【０１０２】
mode2（図３１（Ｂ））の場合の電磁界分布は、mode1の電磁界分布がｘ方向またはｙ方向に格子間隔の半分だけシフトしたような分布となっている。mode1, 2の電磁界分布は、以上のような特徴を有している。異屈折率領域６Ｂ１の重心近傍領域を配置する部分の電界の強度に応じてｆ（ｘ、ｙ）は変化する。
【０１０３】
ｇ（φ，θ）は、重心Ｇから輪郭上の一点６Ｂ２の位置に向かう偏光方向φと偏光板の透過軸方向θによる強度変化を示す関数（但し、ｆは位置(ｘ、ｙ)により変化する）である。偏光板の透過軸方向θと、φ（ｘ，ｙ）における偏光の向きが一致すれば、透過率は高くなり、強度は増加する。
【０１０４】
詳説すれば、ｇ（φ，θ）＝Ｉ０ｃｏｓ２（θ―φ）で与えられる。但し、Ｉ０は偏光板による光損失によって決まる値で、θ＝φ の場合の偏光板の透過率に対応する。φは輪郭上の一点６Ｂ２での出力光の偏光方向、θは偏光板透過軸方向である。
【０１０５】
ｈ（ＦＦ）は輪郭上の一点６Ｂ２の位置に起因した強度変化を示す関数である。
【０１０６】
前述したとおり、用いる可能性があるのはmode1或いはmode2の電界分布となる。三角形は非対称図形であり、消失性干渉が生じず、ｘｙ面内の電界は孔の内外の誘電率差に応じて変化する。すなわち、非対称性に起因した電界成分がＺ方向に回折される。このような開口変化に依存したｘｙ面内での電界非対称による変化をｈａ（ＦＦ）とおくこととする。なお、ＦＦはフィリングファクターであり、単位格子内で異屈折率領域６Ｂが占める面積の割合である。
【０１０７】
ｐ（Ｘ，Ｙ）は、フォトニック結晶層内の位置（Ｘ，Ｙ）における強度分布関数を示している。素子全体に係る包絡強度分布として、Y. Liang et al., “Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic crystal surface emitting lasers with transverse-electric polarization: finite-size effects,” Opt. Express 20, 15945-15961 (2012)に記載の光結合波理論を用いて計算することも可能である。
【０１０８】
図３２は、レーザ素子と偏光板を備えたレーザ装置を示す図である。
【０１０９】
レーザ素子ＬＤの光出射面からは、複数の偏光の向きＤｐを有するレーザ光が出力される（図３２（Ａ））。このレーザ光は、偏光板Ｐを通過することで、強度変調される。図３２（Ｂ）。すなわち、レーザ装置は、上述のレーザ素子ＬＤと、レーザ素子ＬＤの光出射面に対向配置された偏光板Ｐとを備えている。
【０１１０】
上述のレーザ素子では、単位格子毎に輪郭上の一点６Ｂ２の配置が異なっており，これにより単位格子毎に偏光の異なる光が得られる。従って出射側に偏光板を組み合わせることで、単位格子毎に強度が異なるが位相の揃っている平面波が得られる。
【０１１１】
このように上述のレーザ素子では、単位格子毎に強度の異なる平面波が出射光として得られる。言い換えれば、場所毎に強度の異なる平面波が出射光として得られる。場所毎に強度の異なる平面波が得られれば、W. H. Lee, “Sampled fourier transform hologram generated by computer,”Appl. Opt. 9, 639-643 (1970)に記載の手法を用いてホログラムを得ることが可能となる。従って、任意のビームパターンを得ることが可能となる。
【０１１２】
具体的な手順について一例を示すと、例えば、所望のビームパターン、すなわち２次元の角度−強度情報を２次元配列として用意し、これを２次元離散フーリエ変換、或いは２次元高速フーリエ変換することにより、複素振幅の２次元配列が得られる。このとき、元々用意したビームパターンの角度−強度情報の２次元配列の要素数と変換後の複素振幅の２次元配列の要素数は一致する。各要素の複素振幅は実部と虚部から構成され、実部と虚部はそれぞれ正または負の値をとる。
【０１１３】
上述のLeeの文献の手法によれば、上述の各複素振幅１つに対して４つに分割された等幅の短冊状の領域を対応させ、分割された領域それぞれの強度を以下の手順に従って割り当てる。このとき、この短冊状の領域を左から順に第一の領域、第二の領域、第三の領域、第四の領域とする。前述の複素振幅の実部が正の値をとる場合、第一の領域に前述の複素振幅の実部の値を割り当て、第三の領域に零を割り当てる。前述の複素振幅の実部が負の値をとる場合、第一の領域に零を割り当て、第三の領域に前述の複素振幅の実部の値の絶対値を割り当てる。前述の複素振幅の実部が零をとる場合、第一の領域および第三の領域に零を割り当てる。また、前述の複素振幅の虚部が正の値をとる場合、第二の領域に前述の複素振幅の虚部の値を割り当て、第四の領域に零を割り当てる。前述の複素振幅の虚部が負の値をとる場合、第二の領域に零を割り当て、第四の領域に前述の複素振幅の虚部の値の絶対値を割り当てる。前述の複素振幅の虚部が零をとる場合、第二の領域および第四の領域に零を割り当てる。このようにして割り当てた値は、全て非負の値であり、強度分布を対応させることが出来る。
【０１１４】
上述の手順にて短冊状の各領域に強度分布を割り当てた後、所望の強度分布が得られるよう輪郭上の一点６Ｂ２の位置を割り当てる。すなわち、上述のように輪郭上の一点６Ｂ２の位置での偏光方向φと偏光板の透過軸方向θによる強度変化を示す関数ｇ（φ，θ）に従って、場所毎の強度分布を輪郭上の一点６Ｂ２の配置に変換する。上述の手順により、所望のビームパターンを得るための輪郭上の一点６Ｂ２の配置を得ることが出来る。
【０１１５】
なお、ここでは所望のビームパターンから輪郭上の一点６Ｂ２の配置を決める方法として一例としてLeeの方法を示したが、本発明は輪郭上の一点６Ｂ２の配置により位相の揃った任意の強度分布が得られることが特長であり、輪郭上の一点６Ｂ２の配置を決める方法はLeeの方法以外にも考えられる。例えば、C. B. Burckhardt, “A simplification of Lee’s method of generating holograms by computer,” Appl. Opt. 9, 1949 (1970)には３つの短冊状の領域に強度分布を割り当てることでLeeの方法と同様の結果が得られることが記載されているが、この方法に従っても良いし、等価な結果が得られる他の方法に従っても良い。
【０１１６】
図３３は、偏光板Ｐと光学素子ＬＳを備えたレーザ装置の主要部を示す図である。すなわち、偏光板Ｐの後段にレンズ又はホログラムなどの光学素子ＬＳを配置することができる。光学素子ＬＳは、入射したレーザ光をフーリエ変換して出力することができる。
【符号の説明】
【０１１７】
６…フォトニック結晶層、６Ａ…基本層、６Ｂ、６Ｂ１…異屈折率領域、６Ｂ２…輪郭上の１点。
【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１２】
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【図１３】
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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３３】
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【図１０】
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【図１１】
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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３２】
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【国際調査報告】
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