(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、並びに前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に各々配置された活性層およびΓ点発振するフォトニック結晶層を含み、前記フォトニック結晶層の共振方向の一つである第１方向に並ぶ位相同期部と強度変調部とを有し、前記強度変調部の少なくとも前記活性層および前記フォトニック結晶層が、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルを有し、前記第２方向に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルを各ピクセルが含み、各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）の前記サブピクセルからなる領域の前記第２方向における長さが前記活性層の発光波長λよりも小さい半導体積層部と、
前記位相同期部の前記第１導電型半導体層に接続された第１電極と、
前記位相同期部の前記第２導電型半導体層に接続された第２電極と、
前記強度変調部の前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、各サブピクセルに対応して設けられた第３電極と、
前記強度変調部の前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続された第４電極と、
を備え、
前記強度変調部の各ピクセルから前記第１方向および前記第２方向の双方と交差する方向に光を出射する、光源モジュール。
【請求項２】
各ピクセルから出射される光の前記第１方向における位相を前記Ｎ1個のサブピクセル間で相互に異ならせるための位相シフト部を、各サブピクセルの前記フォトニック結晶層が含む、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項３】
第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、並びに前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に各々配置された活性層および共振モード形成層を含み、前記共振モード形成層の共振方向の一つである第１方向に並ぶ位相同期部と強度変調部とを有し、前記強度変調部の少なくとも前記活性層および前記共振モード形成層が、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルを有し、前記第２方向に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルを各ピクセルが含み、各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）の前記サブピクセルからなる領域の前記第２方向における長さが前記活性層の発光波長λよりも小さい半導体積層部と、
前記位相同期部の前記第１導電型半導体層に接続された第１電極と、
前記位相同期部の前記第２導電型半導体層に接続された第２電極と、
前記強度変調部の前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、各サブピクセルに対応して設けられた第３電極と、
前記強度変調部の前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続された第４電極と、
を備え、
前記共振モード形成層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記共振モード形成層の厚さ方向と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、前記複数の異屈折率領域の配置がＭ点発振の条件を満たし、
前記強度変調部の前記共振モード形成層は、前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が、対応する格子点から離れて配置され、前記対応する格子点と前記重心とを結ぶベクトルの角度が各異屈折率領域毎に個別に設定される第１の形態、及び、各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、各異屈折率領域の重心と、各異屈折率領域に対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定される第２の形態のうちいずれかの形態によって配置されており、
前記第１の形態における前記ベクトルの角度の分布、又は前記第２の形態における前記距離の分布は、前記強度変調部から前記第１方向および前記第２方向の双方と交差する方向に光が出射されるための条件を満たす、光源モジュール。
【請求項４】
前記位相同期部の前記共振モード形成層は、前記複数の異屈折率領域が周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有する、請求項３に記載の光源モジュール。
【請求項５】
各ピクセルから出射される光の前記第１方向における位相を前記Ｎ1個のサブピクセル間で相互に異ならせるための位相シフト部を、各サブピクセルの前記共振モード形成層が含む、請求項３または４に記載の光源モジュール。
【請求項６】
前記強度変調部から前記第１方向および前記第２方向の双方と交差する方向に光が出射されるための条件は、前記強度変調部から出射される光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルが前記共振モード形成層の逆格子空間上において形成され、少なくとも１つの前記面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さいことである、請求項３〜５のいずれか１項に記載の光源モジュール。
【請求項７】
前記第１電極は、前記第１導電型半導体層に接触し、前記位相同期部の前記第１導電型半導体層の全面を覆い、
前記第２電極は、前記第２導電型半導体層に接触し、前記位相同期部の前記第２導電型半導体層の全面を覆う、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源モジュール。
【請求項８】
前記第３電極は、前記一方の半導体層に接触し、
前記第４電極は、前記他方の半導体層に接触し、前記光を通過させるための開口を囲む枠状を呈する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光源モジュール。
【請求項９】
前記半導体積層部は、前記第２方向において前記サブピクセルと交互に並ぶ複数のスリットを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源モジュール。
【請求項１０】
個数Ｎ1及び個数Ｎ2は共に３以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光源モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、端面発光型の半導体レーザ素子に関する技術が開示されている。この半導体レーザ素子は、基板上に形成された下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の第１領域に駆動電流を供給するための第１駆動電極とを備える。第１駆動電極の長手方向は、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子の光出射端面の法線に対して傾斜している。フォトニック結晶層の第１領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第１及び第２の周期構造を有する。第１及び第２の周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、第１駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す２つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成される。これらのレーザビームのうち、光出射端面に向かう１つのレーザビームの光出射端面に対する屈折角は９０度未満である。光出射端面に向かう別の少なくとも１つのレーザビームは、光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たす。
【０００３】
非特許文献１には、コンピュータ生成ホログラム（Computer Generated Hologram：ＣＧＨ）に関する技術が開示されている。それぞれ独立した反射率を有する４つのサブピクセルを印刷により作成して一つのピクセルとし、複数のピクセルにレーザ光を照射してその反射光を合成する。この場合、各ピクセルからの発光方向を任意にシフトし得ることが述べられている。非特許文献２には、非特許文献１に記載された技術において、各ピクセルが、それぞれ独立した反射率を有する３つのサブピクセルを含んでいれば、各ピクセルからの発光方向を任意にシフトし得ることが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１２０８０１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Wai Hon Lee, “Sampled Fourier Transform Hologram Generated byComputer”, Applied Optics, Vol. 9, No. 3, pp.639-643, March 1970
【非特許文献２】C. B. Burckhardt, “A Simplification of Lee's Method of Generating Hologramsby Computer”, Applied Optics, Vol. 9, No. 8, p.1949, August 1970
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来より、空間的な位相変調により、光の進行方向を変化させる、或いは任意の光像を生成するなどの技術が研究されている。或る技術では、半導体レーザ素子の活性層の近傍に、複数の異屈折率領域とを含む位相変調層を設ける。そして、位相変調層の厚み方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、例えば、複数の異屈折率領域の重心を、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置するとともに、格子点と異屈折率領域の重心とを結ぶベクの角度を各異屈折率領域毎に個別に設定する。このような素子によれば、フォトニック結晶レーザ素子と同様にレーザ光を積層方向に出射するとともに、レーザ光の位相分布を空間的に制御し、レーザ光を任意の光像として出射することができる。
【０００７】
しかしながら、この素子では、位相変調層の複数の異屈折率領域の配置が固定されているので、予め設計された一の光像のみしか出力することができない。出射光像や光の進行方向を動的に変化させるためには、出射光の位相分布を動的に制御する必要がある。そこで、本開示は、光の位相分布を動的に制御し得る光源モジュール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】
【０００８】
本開示の一形態に係る光源モジュールは、半導体積層部と、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第４電極とを備える。半導体積層部は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、活性層およびフォトニック結晶層を含む。活性層およびフォトニック結晶層は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に配置されている。フォトニック結晶層は、Γ点で発振する。半導体積層部は、フォトニック結晶層の共振方向の一つである第１方向に並ぶ位相同期部と強度変調部とを有する。強度変調部の少なくとも活性層およびフォトニック結晶層は、第１方向と交差する第２方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルを有する。各ピクセルは、第２方向に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルを含む。各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）のサブピクセルからなる領域の第２方向における長さは、活性層の発光波長λよりも小さい。第１電極は、位相同期部の第１導電型半導体層に接続されている。第２電極は、位相同期部の第２導電型半導体層に接続されている。第３電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、各サブピクセルに対応して設けられている。第４電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続されている。この光源モジュールは、強度変調部の各ピクセルから第１方向および第２方向の双方と交差する方向に光を出射する。
【０００９】
本開示の別の一形態に係る光源モジュールは、半導体積層部と、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第４電極とを備える。半導体積層部は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、活性層および共振モード形成層を含む。活性層および共振モード形成層は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に配置されている。半導体積層部は、共振モード形成層の共振方向の一つである第１方向に並ぶ位相同期部と強度変調部とを有する。強度変調部の少なくとも活性層および共振モード形成層は、第１方向と交差する第２方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルを有する。各ピクセルは、第２方向に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルを含む。各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）のサブピクセルからなる領域の第２方向における長さは、活性層の発光波長λよりも小さい。第１電極は、位相同期部の第１導電型半導体層に接続されている。第２電極は、位相同期部の第２導電型半導体層に接続されている。第３電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、各サブピクセルに対応して設けられている。第４電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続されている。共振モード形成層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり共振モード形成層の厚さ方向と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む。複数の異屈折率領域の配置はＭ点発振の条件を満たす。強度変調部の共振モード形成層では、上記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が第１の形態及び第２の形態のうちいずれかの形態によって配置されている。第１の形態では、各異屈折率領域の重心が対応する格子点から離れて配置され、対応する格子点と重心とを結ぶベクトルの角度が各異屈折率領域毎に個別に設定される。第２の形態では、各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、各異屈折率領域の重心と、各異屈折率領域に対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定される。第１の形態におけるベクトルの角度の分布、又は第２の形態における距離の分布は、強度変調部から第１方向および第２方向の双方と交差する方向に光が出射されるための条件を満たす。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、光の位相分布を動的に制御し得る光源モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の一実施形態に係る光源モジュールの平面図である。
【図２】一実施形態に係る光源モジュールの底面図である。
【図３】図１に示されたIII−III線に沿った断面を模式的に示す図である。
【図４】図１に示されたIV−IV線に沿った断面を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ実空間及び逆格子空間におけるΓ点発振を説明するための図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）部は、一実施形態に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１３】（ａ）部及び（ｂ）部は、制御回路基板上に光源モジュールをフリップチップ実装する工程を示す図である。
【図１４】第１変形例としての光源モジュールの断面を模式的に示す図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１６】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図２０】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図２１】（ａ）〜（ｄ）部は、第１変形例に係る光源モジュールを作製する工程を説明する図である。
【図２２】（ａ）部及び（ｂ）部は、制御回路基板上に光源モジュールをフリップチップ実装する工程を示す図である。
【図２３】第２変形例に係る光源モジュールを示す平面図である。
【図２４】第２変形例に係る光源モジュールを示す底面図である。
【図２５】第２変形例の一実施例として、異屈折率領域、第１電極、第３電極、及びスリットの大きさ及び位置関係を全て同一の拡大率にて表した平面図である。
【図２６】位相シフト部による効果を説明するための図である。
【図２７】第３変形例に係る光源モジュールを示す平面図である。
【図２８】第３変形例に係る光源モジュールを示す底面図である。
【図２９】図２７に示されたXXIX−XXIX線に沿った断面を模式的に示す図である。
【図３０】図２７に示されたXXX−XXX線に沿った断面を模式的に示す図である。
【図３１】（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ実空間及び逆格子空間におけるＭ点発振を説明するための図である。
【図３２】強度変調部の共振モード形成層の平面図である。
【図３３】単位構成領域を拡大して示す図である。
【図３４】球面座標（ｒ,θｒｏｔ,θｔｉｌｔ）からＸ’Ｙ’Ｚ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）への座標変換を説明するための図である。
【図３５】Ｍ点発振を行う発光デバイスの位相変調層に関する逆格子空間を示す平面図である。
【図３６】面内波数ベクトルに対して回折ベクトルを加えた状態を説明する概念図である。
【図３７】ライトラインの周辺構造を模式的に説明するための図である。
【図３８】位相分布φ２（ｘ，ｙ）の一例を概念的に示す図である。
【図３９】４方向の面内波数ベクトルから波数拡がりを除いたものに対して回折ベクトルを加えた状態を説明するための概念図である。
【図４０】強度変調部の共振モード形成層の別の形態を示す平面図である。
【図４１】共振モード形成層１４Ｂにおける異屈折率領域１４ｂの配置を示す図である。
【図４２】第４変形例に係る光源モジュールを示す平面図である。
【図４３】光源モジュールを示す底面図である。
【図４４】非特許文献１に記載された技術を説明するための図である。
【図４５】非特許文献２に記載された技術を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の一形態に係る第１の光源モジュールは、半導体積層部と、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第４電極とを備える。半導体積層部は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、活性層およびフォトニック結晶層を含む。活性層およびフォトニック結晶層は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に配置されている。フォトニック結晶層は、Γ点で発振する。半導体積層部は、フォトニック結晶層の共振方向の一つである第１方向に並ぶ位相同期部と強度変調部とを有する。強度変調部の少なくとも活性層およびフォトニック結晶層は、第１方向と交差する第２方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルを有する。各ピクセルは、第２方向に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルを含む。各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）のサブピクセルからなる領域の第２方向における長さは、活性層の発光波長λよりも小さい。第１電極は、位相同期部の第１導電型半導体層に接続されている。第２電極は、位相同期部の第２導電型半導体層に接続されている。第３電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、各サブピクセルに対応して設けられている。第４電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続されている。この第１の光源モジュールは、強度変調部の各ピクセルから第１方向および第２方向の双方と交差する方向に光を出射する。
【００１３】
この第１の光源モジュールにおいて、第１電極と第２電極との間、及び第３電極と第４電極との間に電流が供給されると、位相同期部及び強度変調部の活性層がそれぞれ発光する。活性層から出力された光はフォトニック結晶層に入り、フォトニック結晶層内において厚さ方向に垂直な、第１方向を含む２つの方向に共振する。この光は、位相同期部のフォトニック結晶層内において、位相が揃ったコヒーレントなレーザ光となる。また、強度変調部のフォトニック結晶層は、位相同期部のフォトニック結晶層に対して第１方向に並んでいるので、各サブピクセルのフォトニック結晶層内のレーザ光の位相は位相同期部のフォトニック結晶層内のレーザ光の位相と一致し、その結果、サブピクセル相互間においてフォトニック結晶層内のレーザ光の位相が揃う。フォトニック結晶層はΓ点で発振するので、強度変調部の各サブピクセルからは、位相が揃ったレーザ光が、第１方向および第２方向の双方と交差する方向（典型的には強度変調部の厚さ方向）に出射する。
【００１４】
第３電極は、各サブピクセルに対応して設けられている。したがって、強度変調部に供給する電流の大きさを、サブピクセル毎に個別に調整することができる。すなわち、強度変調部から出射されるレーザ光の光強度を、サブピクセル毎に個別に（独立して）調整することができる。また、第１の光源モジュールでは、各ピクセルにおいて連続するＮ2個のサブピクセルからなる領域の第２方向（すなわちサブピクセルの配列方向）の長さが、活性層の発光波長λすなわちレーザ光の波長よりも小さい。各ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルのうち、同時に光を出射するサブピクセルが連続するＮ2個のサブピクセルに限定される場合、各ピクセルを、等価的に単一の位相を有する画素と見なすことができる。そして、各ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルから出力されるレーザ光の位相が互いに揃っている場合、各ピクセルから出力されるレーザ光の位相は、当該ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルにより実現される強度分布によって定まる。従って、第１の光源モジュールによれば、光の位相分布を動的に制御することができる。
【００１５】
本開示の一形態に係る第２の光源モジュールは、半導体積層部と、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第４電極とを備える。半導体積層部は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、活性層および共振モード形成層を含む。活性層および共振モード形成層は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に配置されている。半導体積層部は、共振モード形成層の共振方向の一つである第１方向に並ぶ位相同期部と強度変調部とを有する。強度変調部の少なくとも活性層および共振モード形成層は、第１方向と交差する第２方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルを有する。各ピクセルは、第２方向に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルを含む。各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）のサブピクセルからなる領域の第２方向における長さは、活性層の発光波長λよりも小さい。第１電極は、位相同期部の第１導電型半導体層に接続されている。第２電極は、位相同期部の第２導電型半導体層に接続されている。第３電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、各サブピクセルに対応して設けられている。第４電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続されている。共振モード形成層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり共振モード形成層の厚さ方向と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む。複数の異屈折率領域の配置はＭ点発振の条件を満たす。強度変調部の共振モード形成層では、上記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、各異屈折率領域の重心が第１の形態及び第２の形態のうちいずれかの形態によって配置されている。第１の形態では、各異屈折率領域の重心が対応する格子点から離れて配置され、対応する格子点と重心とを結ぶベクトルの角度が各異屈折率領域毎に個別に設定される。第２の形態では、各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、各異屈折率領域の重心と、各異屈折率領域に対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定される。第１の形態におけるベクトルの角度の分布、又は第２の形態における距離の分布は、強度変調部から第１方向および第２方向の双方と交差する方向に光が出射されるための条件を満たす。
【００１６】
この第２の光源モジュールにおいて、第１電極と第２電極との間、及び第３電極と第４電極との間に電流が供給されると、位相同期部及び強度変調部の活性層がそれぞれ発光する。活性層から出力された光は共振モード形成層に入り、共振モード形成層内において厚さ方向に垂直な、第１方向を含む２つの方向に共振する。この光は、位相同期部の共振モード形成層内において、位相が揃ったコヒーレントなレーザ光となる。また、複数のサブピクセルに分割された強度変調部の各共振モード形成層は、位相同期部の共振モード形成層に対して第１方向に並んでいるので、各サブピクセルの共振モード形成層内のレーザ光の位相は位相同期部の共振モード形成層内のレーザ光の位相と一致し、その結果、サブピクセル相互間において共振モード形成層内のレーザ光の位相が揃う。
【００１７】
第２の光源モジュールの共振モード形成層はＭ点で発振するが、強度変調部の共振モード形成層においては、複数の異屈折率領域の分布形態が、強度変調部から第１方向および第２方向の双方と交差する方向に光が出射されるための条件を満たす。したがって、強度変調部の各サブピクセルからは、位相が揃ったレーザ光が、第１方向および第２方向の双方と交差する方向に出射する。
【００１８】
第３電極は、各サブピクセルに対応して設けられている。したがって、強度変調部に供給する電流の大きさを、サブピクセル毎に個別に調整することができる。すなわち、強度変調部から出射されるレーザ光の光強度を、サブピクセル毎に個別に（独立して）調整することができる。また、第２の光源モジュールにおいても、各ピクセルにおいて連続するＮ2個のサブピクセルからなる領域の第２方向（すなわちサブピクセルの配列方向）の長さが、活性層の発光波長λすなわちレーザ光の波長よりも小さい。各ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルのうち、同時に光を出射するサブピクセルが連続するＮ2個のサブピクセルに限定される場合、各ピクセルを、等価的に単一の位相を有する画素と見なすことができる。そして、各ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルから出力されるレーザ光の位相が互いに揃っている場合、各ピクセルから出力されるレーザ光の位相は、当該ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルにより実現される強度分布によって定まる。従って、第２の光源モジュールによれば、光の位相分布を動的に制御することができる。
【００１９】
上記第２の光源モジュールにおいて、位相同期部の共振モード形成層は、複数の異屈折率領域が周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有してもよい。この場合、位相が揃ったレーザ光を位相同期部から各サブピクセルに供給することができる。
【００２０】
上記第２の光源モジュールにおいて、強度変調部から第１方向および第２方向の双方と交差する方向に光が出射されるための条件は、強度変調部から出射される光の角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルが共振モード形成層の逆格子空間上において形成され、少なくとも１つの面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さいことであってもよい。
【００２１】
上記第１の光源モジュールにおいて、各ピクセルから出射される光の第１方向における位相をＮ1個のサブピクセル間で相互に異ならせるための位相シフト部を、各サブピクセルのフォトニック結晶層が含んでもよい。同様に、上記第２の光源モジュールにおいて、各ピクセルから出射される光の第１方向における位相をＮ1個のサブピクセル間で相互に異ならせるための位相シフト部を、各サブピクセルの共振モード形成層が含んでもよい。この場合、各ピクセルから第１方向に出射されるレーザ光の位相はサブピクセル毎に異なる。従って、各ピクセルから第１方向および第２方向の双方と交差する方向に出射されるレーザ光の位相もサブピクセル毎に異なる。そして、各ピクセルから出力されるレーザ光の位相は、当該ピクセルを構成するＮ1個のサブピクセルの強度分布及び位相分布によって定まる。この場合、第１方向および第２方向の双方と交差する出射方向に沿っての光の位相の分布を動的に変調することが可能となり、光の位相分布を制御する自由度をより高めることができる。
【００２２】
上記第１及び第２の光源モジュールにおいて、第１電極は、第１導電型半導体層に接触し、位相同期部の第１導電型半導体層の全面を覆い、第２電極は、第２導電型半導体層に接触し、位相同期部の第２導電型半導体層の全面を覆ってもよい。この場合、位相同期部からその積層方向に出射しようとするレーザ光を、第１電極及び第２電極によって遮蔽することができる。特に、第１の光源モジュールでは位相同期部のフォトニック結晶層がΓ点で発振するので、このような第１電極及び第２電極による遮蔽が有効である。
【００２３】
上記第１及び第２の光源モジュールにおいて、第３電極は一方の半導体層に接触し、第４電極は、他方の半導体層に接触し、光を通過させるための開口を囲む枠状を呈してもよい。この場合、強度変調部の活性層に十分な電流を供給しつつ、強度変調部から第１方向及び第２方向の双方と交差する方向にレーザ光を出射することができる。
【００２４】
上記第１及び第２の光源モジュールにおいて、半導体積層部は、第２方向においてサブピクセルと交互に並ぶ複数のスリットを有してもよい。この場合、簡易な構成によって強度変調部を複数のサブピクセルに分割することができる。
【００２５】
上記第１及び第２の光源モジュールにおいて、個数Ｎ1及び個数Ｎ2は共に３以上であってもよい。この場合、各ピクセルから出射されるレーザ光の位相を０°〜３６０°の範囲で制御することができる。
【００２６】
以上の構成を備える本開示の光源モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、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。
【００２７】
図１は、本開示の一実施形態に係る光源モジュール１Ａの平面図である。図２は、光源モジュール１Ａの底面図である。図３は、図１に示されたIII−III線に沿った断面を模式的に示す図である。図４は、図１に示されたIV−IV線に沿った断面を模式的に示す図である。これらの図には、共通のＸＹＺ直交座標系が示されている。光源モジュール１Ａは、半導体積層部１０と、第１電極２１と、第２電極２２と、複数の第３電極２３と、第４電極２４と、反射防止膜２５とを備える。半導体積層部１０は、主面１１ａ及び主面１１ａと対向する裏面１１ｂを有する半導体基板１１と、主面１１ａ上に積層された複数の半導体層とを含む。半導体基板１１の厚さ方向（すなわち主面１１ａの法線方向）及び複数の半導体層の積層方向は、Ｚ方向と一致する。半導体積層部１０の複数の半導体層は、第１クラッド層１２と、活性層１３と、フォトニック結晶層１４と、第２クラッド層１５と、コンタクト層１６と、を含む。
【００２８】
半導体基板１１の主面１１ａ及び裏面１１ｂは、平坦且つ互いに平行である。半導体基板１１は、半導体積層部１０の複数の半導体層をエピタキシャル成長するために用いられる。半導体積層部１０の複数の半導体層がＧａＡｓ系半導体層である場合、半導体基板１１は例えばＧａＡｓ基板である。半導体積層部１０の複数の半導体層がＩｎＰ系半導体層である場合、半導体基板１１は例えばＩｎＰ基板である。半導体積層部１０の複数の半導体層がＧａＮ系半導体層である場合、半導体基板１１は例えばＧａＮ基板である。半導体基板１１の厚さは、例えば５０μｍ〜１０００μｍの範囲内である。半導体基板１１は、ｐ型またはｎ型の導電型を有する。主面１１ａの平面形状は例えば長方形または正方形である。
【００２９】
第１クラッド層１２は、半導体基板１１の主面１１ａ上にエピタキシャル成長した半導体層である。第１クラッド層１２は、半導体基板１１と同じ導電型を有する。半導体基板１１及び第１クラッド層１２は、本開示における第１導電型半導体層を構成する。第１クラッド層１２は、主面１１ａ上に直接成長してもよく、主面１１ａと第１クラッド層１２との間に設けられたバッファ層を介して主面１１ａ上に成長してもよい。活性層１３は、第１クラッド層１２上にエピタキシャル成長した半導体層である。活性層１３は、電流の供給を受けて光を発生する。フォトニック結晶層１４は、活性層１３上にエピタキシャル成長した半導体層である。第２クラッド層１５は、フォトニック結晶層１４上にエピタキシャル成長した半導体層である。コンタクト層１６は、第２クラッド層１５上にエピタキシャル成長した半導体層である。第２クラッド層１５及びコンタクト層１６は、第１クラッド層１２と反対の導電型を有する。第２クラッド層１５及びコンタクト層１６は、本開示における第２導電型半導体層を構成する。
【００３０】
活性層１３の屈折率は第１クラッド層１２及び第２クラッド層１５の屈折率より大きく、活性層１３のバンドギャップは第１クラッド層１２及び第２クラッド層１５のバンドギャップより小さい。フォトニック結晶層１４は、第１クラッド層１２と活性層１３との間、および活性層１３と第２クラッド層１５との間のいずれに設けられてもよい。活性層１３及びフォトニック結晶層１４と第１クラッド層１２との間、活性層１３及びフォトニック結晶層１４と第２クラッド層１５との間、またはその双方に、別の半導体層（例えば光閉じ込め層）が更に設けられてもよい。
【００３１】
フォトニック結晶層１４は、二次元の回折格子を有する。フォトニック結晶層１４は、基本層１４ａと、基本層１４ａの内部に設けられた複数の異屈折率領域１４ｂとを有する。異屈折率領域１４ｂの屈折率は、基本層１４ａの屈折率と異なる。異屈折率領域１４ｂは、基本層１４ａ内においてＸ方向及びＹ方向に一定の周期で配置されている。各異屈折率領域１４ｂは、空孔であってもよく、基本層１４ａと異なる屈折率を有する半導体が埋め込まれることにより構成されてもよい。各異屈折率領域１４ｂの平面形状は、例えば円形、多角形（三角形、四角形など）、楕円形など様々な形状であり得る。
【００３２】
異屈折率領域１４ｂは、活性層１３の発光波長に対してΓ点発振の条件を満たす配置及び間隔を有する。図５の（ａ）部は、実空間におけるΓ点発振を説明するための図である。図５の（ｂ）部は、逆格子空間におけるΓ点発振を説明するための図である。これらの図内の円は、異屈折率領域１４ｂを表している。
【００３３】
図５の（ａ）部は、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した実空間において、異屈折率領域１４ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示す。正方格子の格子間隔はａであり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣接する異屈折率領域１４ｂの重心間隔もａである。フォトニック結晶層１４におけるΓ点での発振は、活性層１３の発光波長をλ、当該波長λにおけるフォトニック結晶層１４の実効屈折率をｎとすると、λ／ｎがａと一致した場合に生じる。図５の（ｂ）部は、図５の（ａ）部の格子の逆格子を示しており、縦方向（Γ−Ｙ）又は横方向（Γ−Ｘ）に沿って隣接する異屈折率領域１４ｂ間の間隔は２π／ａである。この２π／ａは２ｎeπ／λに一致している（ｎeはフォトニック結晶層１４の実効屈折率）。なお、この例では異屈折率領域１４ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示したが、異屈折率領域１４ｂは、他の格子（例えば三角格子）の格子枠の開口中心に位置してもよい。
【００３４】
再び図１〜図４を参照する。図１に示すように、フォトニック結晶層１４と第２クラッド層１５との界面には、光源モジュール１Ａの作製時に用いられる、位置決め用の十字形のマーク１９が形成されている。一例では、マーク１９は、平面視において、後述する位相同期部１７及び強度変調部１８の形成領域を除く光源モジュール１Ａの四隅付近に形成されている。
【００３５】
半導体積層部１０は、位相同期部１７と強度変調部１８とを有する。位相同期部１７及び強度変調部１８は、フォトニック結晶層１４の共振方向の一つであるＹ方向（第１方向）に並んでいる。一例では、位相同期部１７及び強度変調部１８はＹ方向において互いに隣接する。位相同期部１７と強度変調部１８との間に他の部分が介在してもよい。位相同期部１７及び強度変調部１８の平面形状は、例えば長方形または正方形である。一例では、位相同期部１７及び強度変調部１８は、Ｘ方向に沿っておりＹ方向において互いに対向する一対の辺と、Ｙ方向に沿っておりＸ方向において互いに対向する一対の辺とを有する。位相同期部１７のＸ方向に沿う強度変調部１８側の一辺と、強度変調部１８のＸ方向に沿う位相同期部１７側の一辺とは、互いに離れて対向するか、または一致している。図示例では、位相同期部１７及び強度変調部１８は、Ｘ方向を長手方向とし、Ｙ方向を短手方向とする長方形である。位相同期部１７の平面形状の面積は、強度変調部１８の平面形状の面積より大きくてもよく、強度変調部１８の平面形状の面積と同じであってもよく、強度変調部１８の平面形状の面積より小さくてもよい。
【００３６】
図１及び図４に示すように、強度変調部１８の活性層１３およびフォトニック結晶層１４は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルＰａを有する。図１には２つのピクセルＰａが例示的に示されており、図４には４つのピクセルＰａが例示的に示されているが、ピクセルＰａの個数Ｍは２以上の任意の数である。ピクセルＰａは、Ｙ方向と交差する方向（第２方向、例えばＸ方向）に並んで配置されている。各ピクセルＰａの平面形状は、長方形または正方形である。すなわち、各ピクセルＰａは、Ｘ方向に沿っておりＹ方向において互いに対向する一対の辺と、Ｙ方向に沿っておりＸ方向において互いに対向する一対の辺とを有する。
【００３７】
各ピクセルＰａは、ピクセルＰａの配列方向（例えばＸ方向）に並ぶＮ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルＰｂを含む。図１及び図４にはピクセルＰａの個数Ｎ1が３である場合が例示的に示されているが、個数Ｎ1は２であってもよく、４以上の任意の数であってもよい。各サブピクセルＰｂの平面形状は、Ｙ方向を長手方向とし、サブピクセルＰｂの配列方向（例えばＸ方向）を短手方向とする長方形である。位相同期部１７の該配列方向に沿う一辺と、各サブピクセルＰｂの該配列方向に沿う一辺とは、互いに離れて対向するか、または一致している。各サブピクセルＰｂは、他のサブピクセルＰｂを介することなく、直接に位相同期部１７と光結合している。各ピクセルＰａにおいて、連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）のサブピクセルＰｂからなる領域の上記配列方向における長さＤａ（具体的には、該領域を挟む２つのスリットＳ間の距離）は、活性層１３の発光波長λ（すなわち、各ピクセルＰａから出力されるレーザ光Ｌの波長）よりも小さい。ここで、波長λは大気中の波長を意味する。一例として、Ｎ1＝３、Ｎ2＝２である場合、各ピクセルＰａの配列方向の長さは上記長さＤａの１．５倍である。各ピクセルＰａ内において互いに隣接しない（他のサブピクセルＰｂを挟んで互いに離れている）少なくとも２つのサブピクセルＰｂが同時にレーザ光Ｌを出射する場合には、ピクセルＰａの上記配列方向における長さは発光波長λより小さくてもよい。
【００３８】
半導体積層部１０は、複数のスリットＳを更に有する。スリットＳは、半導体積層部１０に形成された溝であり、空隙である。スリットＳは、Ｚ方向を深さ方向としてＹ方向に延在しており、サブピクセルＰｂの配列方向（例えばＸ方向）においてサブピクセルＰｂと交互に並んで形成されている。したがって、互いに隣り合うサブピクセルＰｂは、スリットＳを挟んで互いに対向している。なお、スリットＳは空隙でなくてもよく、例えば活性層１３およびフォトニック結晶層１４よりも高抵抗であり且つ高屈折率の材料によって埋め込まれてもよい。スリットＳによって、強度変調部１８は、複数のサブピクセルＰｂに光学的及び電気的に分割される。サブピクセルＰｂの配列方向における各スリットＳの幅はλ／Ｎ１未満であり、隣り合うスリットＳ同士の間隔（すなわち各サブピクセルＰｂの配列方向の幅）はλ／Ｎ１未満である。
【００３９】
第１電極２１及び第２電極２２は、位相同期部１７に設けられた金属製の電極である。第１電極２１は、位相同期部１７のコンタクト層１６に接続されている。本実施形態では、第１電極２１は、位相同期部１７のコンタクト層１６の表面に接触するオーミック電極であり、位相同期部１７のコンタクト層１６の表面の全面を覆っている。第２電極２２は、位相同期部１７の半導体基板１１に接続されている。本実施形態では、第２電極２２は、位相同期部１７の半導体基板１１の裏面１１ｂに接触するオーミック電極であり、位相同期部１７の半導体基板１１の裏面１１ｂの全面を覆っている。なお、この例に限られず、第１電極２１は位相同期部１７のコンタクト層１６の表面の一部のみを覆ってもよく、第２電極２２は位相同期部１７の半導体基板１１の裏面１１ｂの一部のみを覆ってもよい。第２電極２２は、半導体基板１１に代えて第１クラッド層１２とオーミック接触してもよい。
【００４０】
第３電極２３及び第４電極２４は、強度変調部１８に設けられた金属製の電極である。第３電極２３は、強度変調部１８のコンタクト層１６に接続されている。一例では、第３電極２３は強度変調部１８のコンタクト層１６の表面に接触するオーミック電極である。第３電極２３は、各サブピクセルＰｂと一対一にて対応して設けられている。すなわち、Ｍ×Ｎ１個の第３電極２３が、サブピクセルＰｂにそれぞれ対応してコンタクト層１６上に設けられている。各第３電極２３の平面形状は、各サブピクセルＰｂの平面形状と相似し、例えばＹ方向を長手方向とする長方形である。
【００４１】
第４電極２４は、強度変調部１８の半導体基板１１に接続されている。一例では、第４電極２４は強度変調部１８の半導体基板１１の裏面１１ｂに接触するオーミック電極である。第４電極２４は、強度変調部１８から出射されるレーザ光Ｌを通過させるための開口２４ａを有する。第４電極２４は、開口２４ａを囲む長方形または正方形の枠状を呈する。各ピクセルＰａからは、Ｘ方向及びＹ方向の双方と交差する方向（例えばＺ方向）に、レーザ光Ｌが出力される。
【００４２】
反射防止膜２５は、裏面１１ｂ上における第４電極２４の開口２４ａの内側に設けられ、半導体基板１１から出射しようとするレーザ光Ｌが裏面１１ｂにおいて反射することを防ぐ。反射防止膜２５は、例えばシリコン化合物といった無機材料からなる。
【００４３】
半導体基板１１及び第１クラッド層１２が有する導電型は、例えばｎ型である。第２クラッド層１５及びコンタクト層１６が有する導電型は、例えばｐ型である。光源モジュール１Ａの具体的な実施例を以下に示す。
半導体基板１１：ｎ型ＧａＡｓ基板（厚さ１５０μｍ程度）
第１クラッド層１２：ｎ型ＡｌＧａＡｓ（屈折率３．３９、厚さ０．５μｍ以上５μｍ以下）
活性層１３：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ層厚さ１０ｎｍ、ＡｌＧａＡｓ層厚さ１０ｎｍ、３周期）
第２クラッド層１５：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（屈折率３．３９、厚さ０．５μｍ以上５μｍ以下）
コンタクト層１６：ｐ型ＧａＡｓ（厚さ０．０５μｍ以上１μｍ以下）
基本層１４ａ：ｉ型ＧａＡｓ（厚さ０．１μｍ以上２μｍ以下）
異屈折率領域１４ｂ：空孔、配列周期２８２ｎｍ
第１電極２１及び第３電極２３：Ｃｒ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｕ
第３電極２３の配列ピッチ（すなわちサブピクセルＰｂの配列ピッチ）：５６４ｎｍ
第３電極２３の総数（すなわちサブピクセルＰｂの総数Ｍ×Ｎ１）：３５１個
ピクセルＰａの総数Ｍ：１１７個
第２電極２２及び第４電極２４：ＧｅＡｕ／Ａｕ
反射防止膜２５：例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２などのシリコン化合物膜（厚さ０．１μｍ以上０．５μｍ以下）
位相同期部１７及び強度変調部１８のＸ方向の幅：２００μｍ
位相同期部１７のＹ方向の幅：１５０μｍ
強度変調部１８のＹ方向の幅：５０μｍ
チップサイズ：一辺７００μｍ
【００４４】
ここで、図６〜図１２を参照して、光源モジュール１Ａを作製する方法の例について説明する。なお、図６〜図１２において、（ａ）部は平面図を示し、（ｂ）部は底面図を示し、（ｃ）部は（ａ）部のＩ−Ｉ線に沿った断面の模式図を示し、（ｄ）部は（ａ）部のII−II線に沿った断面の模式図を示す。まず、図６に示すように、半導体基板１１の主面１１ａ上に、有機金属気相成長（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法を用いて、第１クラッド層１２、活性層１３、及びフォトニック結晶層１４の基本層１４ａをこの順でエピタキシャル成長させる。そして、位置決め用のマーク１９を基本層１４ａの表面に形成する。マーク１９は、例えば電子線リソグラフィ及びドライエッチングにより形成される。
【００４５】
次に、図７に示すように、複数の異屈折率領域１４ｂ及び複数のスリットＳを同時に形成する。具体的には、まず基本層１４ａ上にＳｉＮ膜を形成し、マーク１９を基準とする電子線リソグラフィ技術を用いてＳｉＮ膜上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクは、Γ点発振の条件を満たす異屈折率領域１４ｂの位置及び形状に対応する開口を、基本層１４ａにおいて位相同期部１７となる領域上および強度変調部１８となる領域上に有する。また、このレジストマスクは、スリットＳの位置及び形状に対応する開口を、基本層１４ａにおいて強度変調部１８となる領域上に有する。そして、このレジストマスクを介してドライエッチング（例えば反応性イオンエッチング）をＳｉＮ膜に施すことにより、ＳｉＮからなるエッチングマスクを形成する。そして、このエッチングマスクを介してドライエッチング（例えば誘導結合プラズマエッチング）を基本層１４ａ及び活性層１３に施す。これにより、Γ点発振の条件を満たす複数の異屈折率領域１４ｂとしての凹部が、基本層１４ａを貫通しない深さにて形成される。同時に、複数のスリットＳとしての凹部が、フォトニック結晶層１４及び活性層１３を貫通して第１クラッド層１２に達する深さにて形成される。なお、スリットＳの横幅と異屈折率領域１４ｂの直径との比を適切に設定しておくことにより、スリットＳのエッチングレートを異屈折率領域１４ｂのエッチングレートより大きくして、同じエッチング時間でスリットＳを異屈折率領域１４ｂよりも深く形成することができる。その後、レジストマスク及びエッチングマスクを除去する。このようにして、基本層１４ａ及び複数の異屈折率領域１４ｂを有するフォトニック結晶層１４、及び複数のスリットＳが形成される。なお、基本層１４ａの凹部を、基本層１４ａと屈折率が異なる半導体により埋め込んで異屈折率領域１４ｂとしてもよい。また、スリットＳを、基本層１４ａよりも屈折率が大きい高抵抗体により埋め込んでもよい。或いは、スリットＳの形成に代えて、エッチングマスクを介してイオン注入（例えば酸化イオン注入）を行うことにより、高屈折率且つ高抵抗の領域を形成してもよい。
【００４６】
続いて、図８に示すように、フォトニック結晶層１４上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて第２クラッド層１５及びコンタクト層１６をこの順でエピタキシャル成長させる。以上の工程を経て、位相同期部１７および強度変調部１８を含む半導体積層部１０が形成される。
【００４７】
続いて、図９に示すように、位相同期部１７のコンタクト層１６上に第１電極２１を形成すると共に、強度変調部１８のコンタクト層１６上に複数の第３電極２３を形成する。具体的には、まずマーク１９を基準とする電子線リソグラフィ技術を用いて、第１電極２１及び第３電極２３に対応する開口を有するレジストマスクをコンタクト層１６上に形成する。そして、真空蒸着法により第１電極２１及び第３電極２３の材料を堆積したのち、リフトオフ法により第１電極２１及び第３電極２３以外の堆積部分をレジストマスクとともに除去する。
【００４８】
続いて、図１０に示すように、半導体基板１１の裏面１１ｂを研磨することにより、半導体基板１１を薄化する。更に、裏面１１ｂを鏡面研磨する。この研磨及び鏡面研磨により、半導体基板１１におけるレーザ光Ｌの吸収量を低減し、更に、レーザ光Ｌが出射する裏面１１ｂを平滑面として、レーザ光Ｌの取り出し効率を高めることができる。
【００４９】
続いて、図１１に示すように、半導体基板１１の裏面１１ｂ上の全面に、プラズマＣＶＤ法を用いて反射防止膜２５を形成する。そして、マーク１９を基準とするフォトリソグラフィ技術を用いて、第２電極２２及び第４電極２４に対応する開口を有するレジストマスクを反射防止膜２５上に形成する。このレジストマスクを介してウェットエッチングまたはドライエッチングを施すことにより、第２電極２２及び第４電極２４に対応する開口を反射防止膜２５に形成する。反射防止膜２５がシリコン化合物膜である場合、ウェットエッチングのエッチャントとしては例えばバッファードフッ酸が用いられ得る。また、ドライエッチングのエッチングガスとしては例えばＣＦ4ガスが用いられ得る。
【００５０】
続いて、図１２に示すように、位相同期部１７の半導体基板１１の裏面１１ｂ上に第２電極２２を形成すると共に、強度変調部１８の半導体基板１１の裏面１１ｂ上に第４電極２４を形成する。具体的には、まずマーク１９を基準とするフォトリソグラフィ技術を用いて、第２電極２２及び第４電極２４に対応する開口を有するレジストマスクを反射防止膜２５上に形成する。そして、真空蒸着法により第２電極２２及び第４電極２４の材料を堆積したのち、リフトオフ法により第２電極２２及び第４電極２４以外の堆積部分をレジストマスクとともに除去する。最後に、アニールを行い、第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３、及び第４電極２４を合金化する。以上の工程を経て、本実施形態の光源モジュール１Ａが作製される。
【００５１】
その後、必要に応じて、図１３の（ａ）部及び（ｂ）部に示すように、制御回路基板３０上に光源モジュール１Ａをフリップチップ実装する。すなわち、光源モジュール１Ａの第１電極２１及び第３電極２３と、第１電極２１及び第３電極２３に対応して制御回路基板３０に設けられた配線パターンとを、はんだ等の導電性接合材３１によって相互に接合する。なお、図１３の（ａ）部は図６〜図１２に示されたＩ−Ｉ断面に対応する模式図であり、図１３の（ｂ）部は図６〜図１２に示されたII−II断面に対応する模式図である。そして、第２電極２２及び第４電極２４をワイヤボンディングによって制御回路基板３０に接続する。
【００５２】
以上に説明した、本実施形態による光源モジュール１Ａによって得られる作用効果について説明する。第１電極２１と第２電極２２との間、及び第３電極２３と第４電極２４との間にバイアス電流が供給されると、位相同期部１７及び強度変調部１８のそれぞれにおいて、第１クラッド層１２と第２クラッド層１５との間にキャリアが集まり、活性層１３において光が効率的に発生する。活性層１３から出力された光は、フォトニック結晶層１４に入り、フォトニック結晶層１４内において厚さ方向に垂直な、Ｘ方向及びＹ方向に共振する。この光は、位相同期部１７のフォトニック結晶層１４内において、位相が揃ったコヒーレントなレーザ光となる。
【００５３】
強度変調部１８のフォトニック結晶層１４は、位相同期部１７のフォトニック結晶層１４に対してＹ方向に並んでいるので、各サブピクセルＰｂのフォトニック結晶層１４内のレーザ光の位相は、位相同期部１７のフォトニック結晶層１４内のレーザ光の位相と一致する。その結果、サブピクセルＰｂ相互間においてフォトニック結晶層１４内のレーザ光の位相が揃う。本実施形態のフォトニック結晶層１４はΓ点で発振するので、強度変調部１８の各サブピクセルＰｂからは、位相が揃ったレーザ光Ｌが、Ｘ方向およびＹ方向の双方と交差する方向（典型的にはＺ方向）に出力される。このレーザ光Ｌの一部は、フォトニック結晶層１４から直接半導体基板１１に達する。また、このレーザ光Ｌの残部は、フォトニック結晶層１４から第３電極２３に達し、第３電極２３において反射した後、半導体基板１１に達する。レーザ光Ｌは、半導体基板１１を透過し、半導体基板１１の裏面１１ｂから第４電極２４の開口２４ａを通って光源モジュール１Ａの外部へ出射する。
【００５４】
第３電極２３は、各サブピクセルＰｂに対応して設けられている。したがって、強度変調部１８に供給するバイアス電流の大きさを、サブピクセルＰｂ毎に個別に調整することができる。すなわち、強度変調部１８から出射されるレーザ光Ｌの光強度を、サブピクセルＰｂ毎に個別に（独立して）調整することができる。また、各ピクセルＰａにおいて、連続するＮ2個のサブピクセルＰｂからなる領域の配列方向（Ｘ方向）の長さＤａは、活性層１３の発光波長λすなわちレーザ光Ｌの波長よりも小さい。
【００５５】
ここで、図４４は、非特許文献１に記載された技術を説明するための図である。図４４の（ａ）部〜（ｄ）部には、一方向に並ぶ４つのサブピクセル１０２からなるピクセル１０１が示されており、各サブピクセル１０２の反射率がハッチングの粗密により表現されている。ここでは、ハッチングが粗いほど反射率が大きい（すなわち反射光の光強度が大きい）ものとする。この場合、４つのサブピクセル１０２を纏めて、等価的に単一の位相を有する一つの画素と見なすことができる。そして、４つのサブピクセル１０２からの反射光の位相が互いに揃っている場合、ピクセル１０１から出力される光の位相は、４つのサブピクセル１０２の強度分布によって定まる。例えば、４つのサブピクセル１０２が左から０°、９０°、１８０°、及び２７０°の各位相に対応しているとする。この場合、図４４の（ａ）部に示すように、１８０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、０°及び９０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図４４の（ｅ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを０°と９０°との間の任意の値に制御することができる。また、図４４の（ｂ）部に示すように、９０°及び１８０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図４４の（ｆ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを２７０°と０°（３６０°）との間の任意の値に制御することができる。また、図４４の（ｃ）部に示すように、０°及び９０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、１８０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図４４の（ｇ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを１８０°と２７０°との間の任意の値に制御することができる。また、図４４の（ｄ）部に示すように、０°及び２７０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２から反射光を出力せず、９０°及び１８０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル１０２の反射光の強度比を制御することにより、図４４の（ｈ）部に示すように、ピクセル１０１から出力される光の位相θを９０°と１８０°との間の任意の値に制御することができる。
【００５６】
図４５は、非特許文献２に記載された技術を説明するための図である。図４５の（ａ）部には、一方向に並ぶ３つのサブピクセル２０２からなるピクセル２０１が示されており、各サブピクセル２０２の反射率がハッチングの粗密により表現されている。この場合、３つのサブピクセル２０２を纏めて、等価的に単一の位相を有する一つの画素と見なすことができる。非特許文献２には、３つのサブピクセル２０２からの反射光の位相が互いに揃っている場合、ピクセル２０１から出力される光の位相は、３つのサブピクセル２０２の強度分布によって定まることが述べられている。例えば、３つのサブピクセル２０２が左から０°、１２０°、及び２４０°の各位相に対応しているとする。この場合、例えば、図４５の（ｂ）部に示すように、１２０°に対応するサブピクセル２０２から反射光を出力せず、０°及び２４０°にそれぞれ対応する２つのサブピクセル２０２の反射光の強度比を制御することにより、ピクセル２０１から出力される光の位相θを２４０°と０°（３６０°）の間の任意の値に制御することができる。なお、３つのサブピクセル２０２のうち１つの強度は、必ず０となる。
【００５７】
但し、図４４及び図４５に示された方式では、サブピクセル１０２，２０２の光反射率は制御不能な固定値であるため、ピクセル１０１，２０１の出力位相を動的に制御することができない。これに対し、本実施形態の光源モジュール１Ａでは、各ピクセルＰａに含まれるＭ×Ｎ１個のサブピクセルＰｂから出射するレーザ光Ｌの強度を、サブピクセルＰｂ毎に独立して制御することができる。レーザ光Ｌの位相はＮ１個のサブピクセルＰｂ間において互いに揃っているので、各ピクセルＰａから出射するレーザ光Ｌの位相は、Ｎ１個のサブピクセルＰｂにより実現される当該ピクセルＰａ内の強度分布によって定まる。従って、本実施形態の光源モジュール１Ａによれば、レーザ光Ｌの位相分布を動的に制御することができる。例えば、Ｎ１が３以上である場合、光の位相分布を０°〜３６０°の範囲で動的に制御することができる。
【００５８】
なお、上述したように、３個以上のサブピクセルＰｂを各ピクセルＰａが含む場合であっても、同時に光を出射するサブピクセルＰｂは２個に限られる。その２個のサブピクセルＰｂからなる領域の配列方向の長さが活性層１３の発光波長λより小さければ、その２個のサブピクセルＰｂを、等価的に単一の発光点からなる画素と見なすことができる。したがって、動的に制御し得る位相分布の範囲が３６０°未満で足りるのであれば、同時に光を出射するサブピクセルＰｂを連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）に限定するとともに、連続するＮ2個のサブピクセルＰｂからなる領域の配列方向の長さＤａを、活性層１３の発光波長λ未満としてもよい。なお、上述したように、個数Ｎ1及び個数Ｎ2が共に３以上である場合、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光ＬのＸ方向の空間位相を０°〜３６０°の範囲で動的に制御することができる。
【００５９】
以上に説明したように、本実施形態の光源モジュール１Ａによれば、レーザ光Ｌの位相分布を動的に制御することができる。
【００６０】
本実施形態のように、第１電極２１は、コンタクト層１６に接触し、位相同期部１７のコンタクト層１６の全面を覆い、第２電極２２は、半導体基板１１に接触し、位相同期部１７の半導体基板１１の全面を覆ってもよい。この場合、位相同期部１７からその積層方向（Ｚ方向）に出射しようとするレーザ光を、第１電極２１及び第２電極２２によって遮蔽することができる。位相同期部１７のフォトニック結晶層１４はΓ点で発振するので、このような第１電極２１及び第２電極２２による遮蔽が有効である。
【００６１】
本実施形態のように、第４電極２４は、半導体基板１１に接触し、レーザ光Ｌを通過させるための開口２４ａを囲む枠状を呈してもよい。この場合、強度変調部１８の活性層１３に十分なバイアス電流を供給しつつ、強度変調部１８からＸ方向及びＹ方向の双方と交差する方向に、レーザ光Ｌを開口２４ａを通じて出射することができる。
【００６２】
本実施形態のように、半導体積層部１０は、サブピクセルＰｂの配列方向において複数のサブピクセルＰｂと交互に並ぶ複数のスリットＳを有してもよい。この場合、簡易な構成によって強度変調部１８を複数のサブピクセルＰｂに分割することができる。
【００６３】
上述したように、本実施形態では、各サブピクセルＰｂに対応する第３電極２３がコンタクト層１６に接触し、開口２４ａを有する枠状の第４電極２４が半導体基板１１の裏面１１ｂに接触している。本実施形態または後述する各変形例において、各サブピクセルＰｂに対応する第３電極は半導体基板１１の裏面１１ｂ（または第１クラッド層１２）に設けられてもよく、開口を有する枠状の第４電極はコンタクト層１６上に設けられてもよい。すなわち、各サブピクセルＰｂに対応して設けられる第３電極は、強度変調部１８の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち一方の半導体層に接続され、第４電極は、強度変調部の第１導電型半導体層および第２導電型半導体層のうち他方の半導体層に接続される。これにより、本実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００６４】
また、サブピクセルＰｂの配列方向における第３電極２３の配列ピッチ（中心間隔）は、格子間隔ａの整数倍であってもよい。この場合、各サブピクセルＰｂから出射されるレーザ光Ｌの光強度を均一に近づけることができる。
（第１変形例）
【００６５】
図１４は、上記実施形態の第１変形例としての光源モジュールの断面を模式的に示す図であって、図１に示されたIV−IV断面に対応する断面を示している。この光源モジュールにおいて上記実施形態と異なる点は、スリットの形状である。上記実施形態のスリットＳは、半導体積層部１０の内部に形成されて活性層１３及びフォトニック結晶層１４を分割しているが（図４を参照）、本変形例のスリットＳＡは、半導体積層部１０の表面から内部にわたって形成され、活性層１３及びフォトニック結晶層１４に加えて第２クラッド層１５及びコンタクト層１６を分割している。すなわち、本変形例の各サブピクセルＰｂは、活性層１３、フォトニック結晶層１４、第２クラッド層１５及びコンタクト層１６によって構成されている。なお、他のスリットＳＡの態様は、上記実施形態のスリットＳと同様である。
【００６６】
図１５〜図２１を参照して、本変形例に係る光源モジュールの作製方法の例について説明する。なお、図１５〜図２１において、（ａ）部は平面図を示し、（ｂ）部は底面図を示し、（ｃ）部は（ａ）部のＩ−Ｉ線に沿った断面の模式図を示し、（ｄ）部は（ａ）部のII−II線に沿った断面の模式図を示す。まず、図１５に示すように、半導体基板１１の主面１１ａ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、第１クラッド層１２、活性層１３、及び基本層１４ａをエピタキシャル成長する。そして、位置決め用のマーク１９を基本層１４ａの表面に形成する。次に、基本層１４ａにおいて位相同期部１７となる領域および強度変調部１８となる領域に、複数の異屈折率領域１４ｂを形成する。異屈折率領域１４ｂの形成方法は、上記実施形態と同様である。このようにして、基本層１４ａ及び複数の異屈折率領域１４ｂを有するフォトニック結晶層１４が形成される。
【００６７】
続いて、図１６に示すように、フォトニック結晶層１４上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて第２クラッド層１５及びコンタクト層１６をこの順でエピタキシャル成長させる。そして、図１７に示すように、活性層１３、フォトニック結晶層１４、第２クラッド層１５及びコンタクト層１６において強度変調部１８となる領域に、複数のスリットＳＡを形成する。具体的には、まずコンタクト層１６上にＳｉＮ膜を形成し、マーク１９を基準とする電子線リソグラフィ技術を用いてＳｉＮ膜上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクは、スリットＳの位置及び形状に対応する開口を、コンタクト層１６において強度変調部１８となる領域上に有する。そして、このレジストマスクを介してドライエッチング（例えば反応性イオンエッチング）をＳｉＮ膜に施すことにより、ＳｉＮからなるエッチングマスクを形成する。そして、このレジストマスクを介してドライエッチング（例えば誘導結合プラズマエッチング）をコンタクト層１６、第２クラッド層１５、フォトニック結晶層１４及び活性層１３に施すことにより、複数のスリットＳＡとしての凹部を、コンタクト層１６、第２クラッド層１５、フォトニック結晶層１４及び活性層１３を貫通して第１クラッド層１２に達する深さにて形成する。なお、スリットＳＡを、基本層１４ａよりも屈折率が大きい高抵抗体により埋め込んでもよい。或いは、スリットＳＡの形成に代えて、エッチングマスクを介してイオン注入（例えば酸化イオン注入）を行うことにより、高屈折率且つ高抵抗の領域を形成してもよい。以上の工程を経て、位相同期部１７および強度変調部１８を含む半導体積層部１０が形成される。
【００６８】
続いて、図１８に示すように、位相同期部１７のコンタクト層１６上に第１電極２１を形成すると共に、強度変調部１８のコンタクト層１６上に複数の第３電極２３を形成する。図１９に示すように、半導体基板１１の裏面１１ｂを研磨することにより、半導体基板１１を薄化する。図２０に示すように、半導体基板１１の裏面１１ｂ上の全面に、プラズマＣＶＤ法を用いて反射防止膜２５を形成する。マーク１９を基準とするフォトリソグラフィ技術を用いて、第２電極２２及び第４電極２４に対応する開口を反射防止膜２５に形成する。図２１に示すように、位相同期部１７の半導体基板１１の裏面１１ｂ上に第２電極２２を形成すると共に、強度変調部１８の半導体基板１１の裏面１１ｂ上に第４電極２４を形成する。以上の工程を経て、本変形例の光源モジュールが作製される。その後、必要に応じて、図２２の（ａ）部及び（ｂ）部に示すように、制御回路基板３０上に光源モジュールをフリップチップ実装する。なお、図２２の（ａ）部は図１５〜図２１に示されたＩ−Ｉ断面に対応する模式図であり、図２２の（ｂ）部は図１５〜図２１に示されたII−II断面に対応する模式図である。そして、第２電極２２及び第４電極２４をワイヤボンディングによって制御回路基板３０に接続する。
【００６９】
本変形例のように、スリットＳＡは半導体積層部１０の表面からフォトニック結晶層１４及び活性層１３を分割するように形成されてもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、スリットＳＡが第２クラッド層１５及びコンタクト層１６をも電気的及び光学的に分割するので、互いに隣接するサブピクセルＰｂ間の電気的及び光学的なクロストークをより一層低減することができる。
（第２変形例）
【００７０】
図２３は、上記実施形態の第２変形例に係る光源モジュール１Ｂを示す平面図である。図２４は、光源モジュール１Ｂを示す底面図である。なお、光源モジュール１Ｂの断面構成は上記実施形態と同様なので図示を省略する。
【００７１】
本変形例と上記実施形態との相違は、強度変調部１８におけるフォトニック結晶層１４の構造である。すなわち、本変形例では、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光ＬのＹ方向における位相をＮ1個のサブピクセルＰｂ間で相互に異ならせるための位相シフト部１４ｃを、各サブピクセルＰｂのフォトニック結晶層１４が含む。
【００７２】
図２３を参照して具体的に説明する。各ピクセルＰａに含まれる３個のサブピクセルＰｂは、複数の異屈折率領域１４ｂを含むフォトニック結晶層１４を有する。各サブピクセルＰｂのフォトニック結晶層１４に含まれる複数の異屈折率領域１４ｂは、Ｙ方向に並んでいる。一つのサブピクセルＰｂのフォトニック結晶層１４に含まれる或る一つの異屈折率領域１４ｂと、該異屈折率領域１４ｂに対して位相同期部１７側（或いは位相同期部１７内）に位置する別の異屈折率領域１４ｂとのＹ方向における中心間隔（格子点間隔）をＷ１とする。他の２つのサブピクセルＰｂについても、同様にして中心間隔Ｗ２，Ｗ３を規定する。この場合、上記の位相シフト部１４ｃは、中心間隔Ｗ１〜Ｗ３を互いに異ならせることによって実現される。
【００７３】
これらの中心間隔は、各サブピクセルＰｂから出射されるレーザ光Ｌ同士の位相差が２π／Ｎ１の整数倍となるように設定される。Ｎ１＝３の場合、中心間隔Ｗ１〜Ｗ３は、各サブピクセルＰｂから出射されるレーザ光Ｌ同士の位相差が２π／３の整数倍となるように設定される。一例では、中心間隔Ｗ１〜Ｗ３のうち一つを格子間隔ａの２／３倍（または５／３倍）とし、別の一つを格子間隔ａの４／３倍とし、残りの一つを格子間隔ａと等しくする。言い換えると、中心間隔Ｗ１と中心間隔Ｗ２との差、及び中心間隔Ｗ２と中心間隔Ｗ３との差を、格子間隔ａの１／３倍とする。なお、上述したように、フォトニック結晶層１４がΓ点で発振する場合、格子間隔ａはλ／ｎ（λ：発光波長、ｎ：フォトニック結晶層１４の実効屈折率）と等しい。３つのサブピクセルＰｂの配列順序は、上記中心間隔とは無関係に決定される。
【００７４】
図２５は、本変形例の一実施例として、異屈折率領域１４ｂ、第１電極２１、第３電極２３、及びスリットＳの大きさ及び位置関係を全て同一の拡大率にて表した平面図である。同図に示される例では、１３行６列（計７８個）の異屈折率領域１４ｂが、第１電極２１と重なり、位相同期部１７のフォトニック結晶層１４を構成する。また、２行１１例（計２２個）の異屈折率領域１４ｂが、第３電極２３と重なり、サブピクセルＰｂのフォトニック結晶層１４を構成する。そして、Ｙ方向において互いに隣り合う異屈折率領域１４ｂ同士の間隔がサブピクセルＰｂ毎に異なる部分（位相シフト部１４ｃ）が、各サブピクセルＰｂ毎に設けられている。この例では、中心間隔Ｗ１が格子間隔ａの２／３倍に設定され、中心間隔Ｗ２が格子間隔ａの４／３倍に設定され、中心間隔Ｗ３が格子間隔ａと等しく設定されている。
【００７５】
なお、図２５に示す実施例において、異屈折率領域１４ｂの平面形状は円形であり、その直径は例えば７１．９ｎｍ、中心間隔（すなわち格子間隔ａ）は例えば２８５ｎｍである。単位構成領域Ｒの面積のうち異屈折率領域１４ｂが占める割合（フィリングファクタ）は例えば２０％である。スリットＳのＸ方向における幅は例えば６５ｎｍ（０．２２８ａ）である。なお、スリットＳの幅と異屈折率領域１４ｂの直径とは、エッチングによりこれらを同時に形成する際に、異屈折率領域１４ｂの凹部が基本層１４ａ内に止まり、スリットＳの凹部が第１クラッド層１２に達するように決定される。Ｘ方向における第３電極２３の幅は例えば３００ｎｍである。
【００７６】
本変形例のように、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光Ｌの位相をＮ1個のサブピクセルＰｂ間で相互に異ならせるための位相シフト部１４ｃを、各サブピクセルＰｂのフォトニック結晶層１４が含んでもよい。この場合、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光ＬのＹ方向の位相はサブピクセルＰｂ毎に異なる。そして、各ピクセルＰａから出力されるレーザ光ＬのＹ方向の位相は、当該ピクセルＰａを構成するＮ1個のサブピクセルＰｂの強度分布及び位相分布によって定まる。この場合、Ｙ方向のレーザ光Ｌの位相を動的に変調することが可能となるが、強度変調部１８において異屈折率領域１４ｂの回折効果によりＹ方向に進む光波はＺ方向に回折するので、結果としてＺ方向の位相を動的に変調することが可能となる。つまり、出射方向に沿っての光の位相の分布を動的に変調することが可能となり、レーザ光Ｌの位相分布を制御する自由度をより高めることができる。すなわち、図２６の（ａ）部に示すように、上記実施形態では面内１次方向（Ｘ方向）における発光点Ｌａの空間位相を制御しているが、本変形例によれば、図２６の（ｂ）部に示すように、各サブピクセルＰｂから面垂直方向（Ｚ方向）に進む波面ＷＦ１〜ＷＦ３の合成波面ＳＷの位相を制御することが可能となる。
（第３変形例）
【００７７】
図２７は、上記実施形態の第３変形例に係る光源モジュール１Ｃを示す平面図である。図２８は、光源モジュール１Ｃを示す底面図である。図２９は、図２７に示されたXXIX−XXIX線に沿った断面を模式的に示す図である。図３０は、図２７に示されたXXX−XXX線に沿った断面を模式的に示す図である。本変形例の光源モジュール１Ｃは、上記実施形態のフォトニック結晶層１４に代えて、共振モード形成層１４Ａを備える。共振モード形成層１４Ａの配置は、上記実施形態のフォトニック結晶層１４と同様である。共振モード形成層１４Ａを除く光源モジュール１Ｃの他の構成は、上記実施形態の光源モジュール１Ａと同様である。また、異屈折率領域１４ｂの形態及び形成方法は上記実施形態と同様である。
【００７８】
共振モード形成層１４Ａは、二次元の回折格子を有する。共振モード形成層１４Ａは、基本層１４ａと、基本層１４ａの内部に設けられた複数の異屈折率領域１４ｂとを有する。異屈折率領域１４ｂの屈折率は、基本層１４ａの屈折率と異なる。異屈折率領域１４ｂは、基本層１４ａ内においてＸ方向から４５°傾斜した方向及びＹ方向から４５°傾斜した方向に一定の周期で配置されている。各異屈折率領域１４ｂの構成は、上記実施形態と同様である。
【００７９】
位相同期部１７の共振モード形成層１４Ａは、複数の異屈折率領域１４ｂが周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有する。そして、異屈折率領域１４ｂは、活性層１３の発光波長に対してＭ点発振の条件を満たす配置及び間隔を有する。図３１の（ａ）部は、実空間におけるＭ点発振を説明するための図である。図３１の（ｂ）部は、逆格子空間におけるＭ点発振を説明するための図である。これらの図内の円は、異屈折率領域１４ｂを表している。
【００８０】
図３１の（ａ）部は、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定した実空間において、異屈折率領域１４ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示す。正方格子の格子間隔はａ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣接する異屈折率領域１４ｂの重心間隔は√２・ａであり、発光波長λを実効屈折率ｎで割った値λ／ｎはａの√２倍（λ／ｎ＝ａ×２0.5）である。この場合、共振モード形成層１４Ａのフォトニック結晶構造においては、Ｍ点での発振が生じる。このときＸ軸方向およびＹ軸方向にレーザ光が出射され、Ｚ軸方向にレーザ光は出射されない。図３１の（ｂ）部は、図３１の（ａ）部の格子の逆格子を示しており、Γ−Ｍ方向に沿って隣接する異屈折率領域１４ｂ間の間隔は（２0.5π）／ａであり、２ｎeπ／λに一致している（ｎeはフォトニック結晶層１４の実効屈折率）。なお、図３１における白抜きの矢印は、光の波の進行方向を示している。
【００８１】
上記の例では異屈折率領域１４ｂが正方格子の格子枠の開口中心に位置している場合を示したが、異屈折率領域１４ｂは、他の格子（例えば三角格子）の格子枠の開口中心に位置してもよい。
【００８２】
本実施形態の強度変調部１８は、いわゆるＳ−ｉＰＭ（Static-integrable Phase Modulating）レーザとしての構成を有する。各ピクセルＰａは、半導体基板１１の主面１１ａに垂直な方向（すなわちＺ方向）又はこれに対して傾斜した方向、或いはその両方を含む方向に向けて、レーザ光Ｌを出力する。以下、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａの構成について詳細に説明する。
【００８３】
図３２は、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａの平面図である。同図に示すように、共振モード形成層１４Ａは、基本層１４ａと、基本層１４ａとは屈折率の異なる複数の異屈折率領域１４ｂとを含んでいる。図３２では、共振モード形成層１４Ａに対し、Ｘ’Ｙ’面内における仮想的な正方格子を設定している。Ｘ’軸はＸ’軸に対してＺ軸回りに４５°回転しており、Ｙ’軸はＹ’軸に対してＺ軸回りに４５°回転している。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。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は、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配列されている。各単位構成領域ＲのＸ’Ｙ’座標を、それぞれの単位構成領域Ｒの重心位置により規定する。これらの重心位置は、仮想的な正方格子の格子点Ｏと一致する。異屈折率領域１４ｂは、各単位構成領域Ｒ内に例えば１つずつ設けられる。格子点Ｏは、異屈折率領域１４ｂの外部に位置してもよく、異屈折率領域１４ｂの内部に含まれていてもよい。
【００８４】
図３３は、単位構成領域Ｒを拡大して示す図である。同図に示すように、異屈折率領域１４ｂのそれぞれは、重心Ｇを有する。ここでは、格子点Ｏから重心Ｇに向かうベクトルとＸ’軸とのなす角度をα（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。角度αが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの向きは、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、共振モード形成層１４Ａの全体にわたって一定である。
【００８５】
図３２に示すように、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの向き、すなわち、異屈折率領域１４ｂの重心Ｇの格子点Ｏ周りの角度αは、出射光の所望の形状に応じた位相分布φ（ｘ，ｙ）に従って、各格子点Ｏ毎に個別に設定される。本開示では、このような重心Ｇの配置形態を第１の形態と称する。位相分布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。角度分布α（ｘ，ｙ）は、出射光の所望の形状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φ（ｘ，ｙ）を抽出したものから決定される。出射光の所望の形状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とよい。この場合、ビームパターンの再現性を向上させることが可能である。
【００８６】
共振モード形成層１４Ａにおける異屈折率領域１４ｂの角度分布α（ｘ、ｙ）は、例えば以下の手順によって決定される。
【００８７】
第１の前提条件として、主面１１ａの法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域１４ｂを含む共振モード形成層１４Ａの一方の面に一致したＸ’−Ｙ’平面と、によって規定されるＸ’Ｙ’Ｚ直交座標系において、正方形状を有するＭ１×Ｎ１個（Ｍ１，Ｎ１は１以上の整数）の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子をＸ’−Ｙ’平面上に設定する。
【００８８】
第２の前提条件として、Ｘ’Ｙ’Ｚ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）は、図３４に示すように、動径の長さｒと、Ｚ軸からの傾き角θｔｉｌｔと、Ｘ’−Ｙ’平面上で特定されるＸ’軸からの回転角θｒｏｔと、により規定される球面座標（ｒ,θｒｏｔ,θｔｉｌｔ）に対して、以下の式（１）〜式（３）で示された関係を満たしているものとする。図３４は、球面座標（ｒ,θｒｏｔ,θｔｉｌｔ）からＸ’Ｙ’Ｚ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）への座標変換を説明するための図であり、座標（ξ，η，ζ）により、実空間であるＸ’Ｙ’Ｚ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。
【数１】
0006891327.tif 000002
【数２】
0006891327.tif 000003
【数３】
0006891327.tif 000004
【００８９】
光源モジュール１Ｃから出射されるレーザ光Ｌを、角度θｔｉｌｔ及び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（４）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（５）で規定される規格化波数であってＹ’軸に対応すると共に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２π／ａ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、レーザ光Ｌに相当するビームパターンを含む特定の波数範囲は、それぞれが正方形状のＭ２×Ｎ２個（Ｍ２，Ｎ２は１以上の整数）の画像領域で構成される。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。式（４）および式（５）は、例えばY. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)に開示されている。
【数４】
0006891327.tif 000005
【数５】
0006891327.tif 000006
ａ：仮想的な正方格子の格子定数
λ：光源モジュール１Ｃの発振波長
【００９０】
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（０以上Ｍ２−１以下の整数）とＫＹ軸方向の座標成分ｋｙ（０以上Ｎ２−１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（０以上Ｍ１−１以下の整数）とＹ’軸方向の座標成分ｙ（０以上Ｎ１−１以下の整数）とで特定されるＸ’−Ｙ’平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆離散フーリエ変換することで得られる複素振幅分布Ｆ（ｘ，ｙ）は、ｊを虚数単位として、以下の式（６）で与えられる。複素振幅分布Ｆ（ｘ，ｙ）は、振幅分布をＡ（ｘ，ｙ）とすると共に位相分布をφ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式（７）により規定される。第４の前提条件として、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）は、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６】
0006891327.tif 000007
【数７】
0006891327.tif 000008
【００９１】
上記第１〜第４の前提条件の下、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａは、以下の第５条件又は第６条件を満たすように構成される。すなわち、第５条件は、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内において、重心Ｇが格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れた状態で配置されていることで満たされる。第６条件は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する重心Ｇまでの線分長ｒ２（ｘ，ｙ）がＭ１個×Ｎ１個の単位構成領域Ｒそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と対応する重心Ｇとを結ぶ線分と、ｓ軸と、の成す角度α（ｘ，ｙ）が、
α（ｘ，ｙ）＝Ｃ×φ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
Ｂ：任意の定数であって例えば０
となる関係を満たすように、対応する異屈折率領域１４ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されることで満たされる。
【００９２】
次に、強度変調部１８の共振モード形成層１４ＡのＭ点発振について説明する。前述したように、Ｍ点発振のためには、仮想的な正方格子の格子間隔ａ、活性層１３の発光波長λ、及びモードの等価屈折率ｎが、λ＝（√２）ｎ×ａといった条件を満たすとよい。図３５は、Ｍ点発振を行う発光デバイスの位相変調層に関する逆格子空間を示す平面図である。図中の点Ｐは、逆格子点を表している。図中の矢印Ｂ１は、基本逆格子ベクトルを表しており、矢印Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，及びＫ４は、４つの面内波数ベクトルを表している。面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は、角度分布α（ｘ，ｙ）による波数拡がりＳＰをそれぞれ有している。
【００９３】
面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４の大きさ（すなわち面内方向の定在波の大きさ）は、基本逆格子ベクトルＢ１の大きさよりも小さい。したがって、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４と基本逆格子ベクトルＢ１とのベクトル和が０にはならず、回折によって面内方向の波数が０となり得ないので、面垂直方向（Ｚ軸方向）への回折は生じない。このままでは、Ｍ点発振の各ピクセルＰａにおいて、面垂直方向（Ｚ軸方向）への０次光だけでなく、Ｚ軸方向に対して傾斜した方向への＋１次光及び−１次光も出力されない。
【００９４】
本実施形態では、次のような工夫を強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａに施すことにより、各ピクセルＰａから＋１次光及び−１次光の一部を出力させる。すなわち、図３６に示すように、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４に対し、ある一定の大きさ及び向きを有する回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つ（図では面内波数ベクトルＫ３）の大きさを２π／λ（λ：活性層１３から出力される光の波長）よりも小さくする。言い換えると、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つを、半径２π／λの円状領域であるライトラインＬＬ内に収める。
【００９５】
図３６において破線で示される面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算前を表しており、実線で示される面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算後を表している。ライトラインＬＬは、全反射条件に対応しており、ライトラインＬＬ内に収まる大きさの波数ベクトルは、面垂直方向（Ｚ軸方向）の成分を有することとなる。一例では、回折ベクトルＶ１の方向は、Γ−Ｍ１軸又はΓ−Ｍ２軸に沿っている。回折ベクトルＶ１の大きさは、２π／（√２）ａ−２π／λから２π／（√２）ａ＋２π／λの範囲内であり、一例では２π／（√２）ａである。
【００９６】
続いて、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち、少なくとも１つをライトラインＬＬ内に収めるための回折ベクトルＶ１の大きさ及び向きについて検討する。下記の数式（８）〜（１１）は、回折ベクトルＶ１が加えられる前の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４を示す。
【数８】
0006891327.tif 000009
【数９】
0006891327.tif 000010
【数１０】
0006891327.tif 000011
【数１１】
0006891327.tif 000012
波数ベクトルの広がりΔｋｘ及びΔｋｙは、下記の数式（１２）及び（１３）をそれぞれ満たす。面内波数ベクトルのＸ’軸方向の広がりの最大値Δｋｘｍａｘ及びＹ’軸方向の広がりの最大値Δｋｙｍａｘは、設計の光像の角度広がりにより規定される。
【数１２】
0006891327.tif 000013
【数１３】
0006891327.tif 000014
【００９７】
回折ベクトルＶ１を下記の数式（１４）のように表したとき、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は下記の数式（１５）〜（１８）となる。
【数１４】
0006891327.tif 000015
【数１５】
0006891327.tif 000016
【数１６】
0006891327.tif 000017
【数１７】
0006891327.tif 000018
【数１８】
0006891327.tif 000019
【００９８】
数式（１５）〜（１８）において面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まることを考慮すると、下記の数式（１９）の関係が成り立つ。
【数１９】
0006891327.tif 000020
すなわち、数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まり、＋１次光及び−１次光の一部が出力される。
【００９９】
ライトラインＬＬの大きさ（半径）を２π／λとしたのは、以下の理由による。図３７は、ライトラインＬＬの周辺構造を模式的に説明するための図である。同図では、Ｚ方向におけるデバイスと空気との境界を示している。真空中の光の波数ベクトルの大きさは２π／λとなるが、図３７のようにデバイス媒質中を光が伝搬するときには、屈折率ｎの媒質内の波数ベクトルＫａの大きさは２πｎ／λとなる。このとき、デバイスと空気の境界を光が伝搬するためには、境界に平行な波数成分が連続している必要がある（波数保存則）。
【０１００】
図３７において、波数ベクトルＫａとＺ軸とが角度θをなす場合、面内に投影した波数ベクトル（すなわち面内波数ベクトル）Ｋｂの長さは、（２πｎ／λ）ｓｉｎθとなる。一方で、一般には媒質の屈折率ｎは１より大きいので、媒質内の面内波数ベクトルＫｂが２π／λより大きくなる角度では、波数保存則が成立しなくなる。このとき、光は全反射し、空気側に取り出すことができなくなる。この全反射条件に対応する波数ベクトルの大きさがライトラインＬＬの大きさ、すなわち、２π／λとなる。
【０１０１】
面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４に回折ベクトルＶ１を加える具体的な方式の一例として、所望の出射光形状に応じた位相分布φ１（ｘ，ｙ）に対し、所望の出射光形状とは無関係の位相分布φ２（ｘ，ｙ）を重畳する方式が考えられる。この場合、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａの位相分布φ（ｘ，ｙ）は、φ（ｘ，ｙ）＝φ１（ｘ，ｙ）＋φ２（ｘ，ｙ）として表される。φ１（ｘ，ｙ）は、前に述べたように出射光の所望の形状をフーリエ変換したときの複素振幅の位相に相当する。また、φ２（ｘ，ｙ）は、上記の数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えるための位相分布である。なお、回折ベクトルＶ１の位相分布φ２（ｘ，ｙ）は、回折ベクトルＶ１（Ｖｘ，Ｖｙ）と位置ベクトルｒ（ｘ、ｙ）との内積で表され、次式で与えられる。
φ２（ｘ，ｙ）＝Ｖ１・ｒ＝Ｖｘｘ＋Ｖｙｙ
【０１０２】
図３８は、位相分布φ２（ｘ，ｙ）の一例を概念的に示す図である。同図の例では、第１の位相値φＡと、第１の位相値φＡとは異なる値の第２の位相値φＢとが市松模様に配列されている。一例では、位相値φＡは、０（ｒａｄ）であり、位相値φＢは、π（ｒａｄ）である。この場合、第１の位相値φＡと、第２の位相値φＢとがπずつ変化する。このような位相値の配列によって、Γ−Ｍ１軸又はΓ−Ｍ２軸に沿う回折ベクトルＶ１を好適に実現することができる。市松模様の配列の場合、Ｖ１＝（±π／ａ，±π／ａ）となり、回折ベクトルＶ１と図３６の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれか一つとが、丁度相殺される。したがって、＋１次光と−１次光との対称軸が、Ｚ方向、すなわち共振モード形成層１４Ａの面内方向に対して垂直な方向に一致する。また、位相値φＡ，φＢの配列方向を４５°から変化させることにより、回折ベクトルＶ１の向きを任意の向きに調整することもできる。なお、前述のように、回折ベクトルＶ１は、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つがライトラインＬＬに入る範囲内であれば、（±π／ａ、±π／ａ）からシフトしていてもよい。
【０１０３】
本変形例において、出射光の角度広がりに基づく波数広がりが、波数空間上の或る点を中心とする半径Δｋの円に含まれる場合、次のように簡略に考えることもできる。４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４に回折ベクトルＶ１を加えることにより、４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを２π／λ（ライトラインＬＬ）よりも小さくする。このことは、４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４から波数拡がりΔｋを除いたものに対して回折ベクトルＶ１を加えることにより、４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを、２π／λから波数拡がりΔｋを差し引いた値｛（２π／λ）−Δｋ｝より小さくする、と考えてよい。
【０１０４】
図３９は、上記の考え方を概念的に示す図である。同図に示すように、波数拡がりΔｋを除いた面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４に対して回折ベクトルＶ１を加えると、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさが｛（２π／λ）−Δｋ｝よりも小さくなる。図３９において、領域ＬＬ２は、半径が｛（２π／λ）−Δｋ｝の円状の領域である。図３９において、破線で示される面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算前を表しており、実線で示される面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は、回折ベクトルＶ１の加算後を表している。領域ＬＬ２は、波数拡がりΔｋを考慮した全反射条件に対応しており、領域ＬＬ２内に収まる大きさの波数ベクトルは、面垂直方向（Ｚ軸方向）にも伝搬することとなる。
【０１０５】
この形態において、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つを領域ＬＬ２内に収めるための回折ベクトルＶ１の大きさ及び向きを説明する。下記の数式（２０）〜（２３）は、回折ベクトルＶ１が加えられる前の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４を示す。
【数２０】
0006891327.tif 000021
【数２１】
0006891327.tif 000022
【数２２】
0006891327.tif 000023
【数２３】
0006891327.tif 000024
【０１０６】
ここで、回折ベクトルＶ１を前述した数式（１４）のように表したとき、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４は、下記の数式（２４）〜（２７）となる。
【数２４】
0006891327.tif 000025
【数２５】
0006891327.tif 000026
【数２６】
0006891327.tif 000027
【数２７】
0006891327.tif 000028
【０１０７】
数式（２４）〜（２７）において、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれかが領域ＬＬ２内に収まることを考慮すると、下記の数式（２８）の関係が成り立つ。すなわち、数式（２８）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、波数拡がりΔｋを除いた面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれかが領域ＬＬ２内に収まる。このような場合であっても、＋１次光及び−１次光の一部を出力させることができる。
【数２８】
0006891327.tif 000029
【０１０８】
図４０は、強度変調部１８の共振モード形成層の別の形態として、共振モード形成層１４Ｂを示す平面図である。図４１は、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ｂにおける異屈折率領域１４ｂの配置を示す図である。図４０及び図４１に示すように、共振モード形成層１４Ｂの各異屈折率領域１４ｂの重心Ｇは、直線Ｄ上に配置されてもよい。直線Ｄは、各単位構成領域Ｒに対応する格子点Ｏを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。つまり、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、βである。
【０１０９】
この場合、傾斜角βは、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ｂ内において一定である。傾斜角βは、０°＜β＜９０°を満たし、一例ではβ＝４５°である。或いは、傾斜角βは、１８０°＜β＜２７０°を満たし、一例ではβ＝２２５°である。傾斜角βが０°＜β＜９０°または１８０°＜β＜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。傾斜角βは、９０°＜β＜１８０°を満たし、一例ではβ＝１３５°である。或いは、傾斜角βは、２７０°＜β＜３６０°を満たし、一例ではβ＝３１５°である。傾斜角βが９０°＜β＜１８０°または２７０°＜β＜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βは、０°、９０°、１８０°及び２７０°を除く角度となっている。
【０１１０】
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であり、ｙは、Ｙ’軸におけるｙ番目の格子点の位置である。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とが互いに一致する。傾斜角度は、４５°、１３５°、２２５°、２７５°が好適である。これらの傾斜角度では、Ｍ点の定在波を形成する４つの波数ベクトル（例えば、面内波数ベクトル（±π／ａ、±π／ａ））の中の２つのみが位相変調され、その他の２つが位相変調されないため、安定した定在波を形成することができる。
【０１１１】
各異屈折率領域の重心Ｇと各単位構成領域Ｒに対応する格子点Ｏとの距離ｒ（ｘ，ｙ）は、所望の出射光形状に応じた位相分布φ（ｘ，ｙ）に従って各異屈折率領域１４ｂ毎に個別に設定される。本開示では、このような重心Ｇの配置形態を第２の形態と称する。位相分布φ（ｘ，ｙ）及び距離分布ｒ（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。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、所望の出射光形状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φ（ｘ，ｙ）を抽出したものから決定される。
【０１１２】
すなわち、或る座標（ｘ，ｙ）における位相φ（ｘ，ｙ）がＰ0である場合には、距離ｒ（ｘ，ｙ）を０と設定し、位相φ（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φ（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φ（ｘ，ｙ）に対しては、ｒ（ｘ，ｙ）＝｛φ（ｘ，ｙ）−Ｐ0｝×Ｒ0／πとなるように距離ｒ（ｘ，ｙ）をとる。初期位相Ｐ0は、任意に設定することができる。
【０１１３】
仮想的な正方格子の格子間隔をａとすると、ｒ（ｘ，ｙ）の最大値Ｒ0は、例えば下記式（２９）の範囲内となる。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を向上させることが可能である。
【数２９】
0006891327.tif 000030
【０１１４】
この第２の形態においては、共振モード形成層１４Ｂの異屈折率領域１４ｂの距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を決定することにより、所望の光出射形状を得ることができる。前述の第１の形態と同様の第１〜第４の前提条件の下、共振モード形成層１４Ｂ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１４ｂの重心Ｇまでの距離ｒ（ｘ，ｙ）が、
ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×（φ（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
となる関係を満たすように、対応する異屈折率領域１４ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される。所望の光出射形状を得たい場合、当該光出射形状を逆フーリエ変換して、その複素振幅の位相φ（ｘ，ｙ）に応じた距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布を複数の異屈折率領域１４ｂに与えるとよい。位相φ（ｘ，ｙ）と距離ｒ（ｘ，ｙ）とは、互いに比例してもよい。
【０１１５】
この第２の形態においても、前述した第１の形態と同様に、仮想的な正方格子の格子間隔ａと活性層１３の発光波長λとがＭ点発振の条件を満たす。さらに、共振モード形成層１４Ｂにおいて逆格子空間を考えるとき、距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布による波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさは、２π／λすなわちライトラインＬＬよりも小さい。
【０１１６】
この第２の形態においても、Ｍ点で発振する発光デバイスにおいて次のような工夫を共振モード形成層１４Ｂに施すことにより、＋１次光及び−１次光の一部を出力する。具体的には、図３６に示したように、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４に対してある一定の大きさ及び向きを有する回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つの大きさを、２π／λよりも小さくする。すなわち、回折ベクトルＶ１が加えられた後の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち少なくとも１つを半径２π／λの円状領域であるライトラインＬＬ内に収める。前述した数式（１９）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれかがライトラインＬＬ内に収まり、＋１次光及び−１次光の一部が出力される。
【０１１７】
或いは、図３９に示したように、４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４から波数拡がりΔｋを除いたもの（すなわちＭ点発振の正方格子ＰＣＳＥＬにおける４方向の面内波数ベクトル）に対して回折ベクトルＶ１を加えることにより、４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のうち、少なくとも１つの大きさを２π／λから波数拡がりΔｋを差し引いた値｛（２π／λ）−Δｋ｝より小さくしてもよい。すなわち、前述した数式（２８）を満たす回折ベクトルＶ１を加えることにより、面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４のいずれかが領域ＬＬ２内に収まり、＋１次光及び−１次光の一部が出力される。
【０１１８】
以上に説明した、本変形例による光源モジュール１Ｃによって得られる作用効果について説明する。第１電極２１と第２電極２２との間、及び第３電極２３と第４電極２４との間にバイアス電流が供給されると、位相同期部１７及び強度変調部１８のそれぞれにおいて、第１クラッド層１２と第２クラッド層１５との間にキャリアが集まり、活性層１３において光が効率的に発生する。活性層１３から出力された光は、共振モード形成層１４Ａに入り、共振モード形成層１４Ａ内において厚さ方向に垂直な、Ｘ方向及びＹ方向に共振する。この光は、位相同期部１７の共振モード形成層１４Ａ内において、位相が揃ったコヒーレントなレーザ光となる。
【０１１９】
強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａは、位相同期部１７の共振モード形成層１４Ａに対してＹ方向に並んでいるので、各サブピクセルＰｂの共振モード形成層１４Ａ内のレーザ光の位相は位相同期部１７の共振モード形成層１４Ａ内のレーザ光の位相と一致する。その結果、サブピクセルＰｂ相互間において共振モード形成層１４Ａ内のレーザ光の位相が揃う。
【０１２０】
本変形例の共振モード形成層１４ＡはＭ点で発振するが、強度変調部１８の共振モード形成層１４Ａにおいては、複数の異屈折率領域１４ｂの分布形態が、強度変調部１８からＸ方向およびＹ方向の双方と交差する方向にレーザ光Ｌが出射されるための条件を満たす。したがって、強度変調部１８の各サブピクセルＰｂからは、位相が揃ったレーザ光Ｌが、Ｘ方向およびＹ方向の双方と交差する方向（例えば、Ｚ方向に対して傾斜する方向）に出射する。このレーザ光Ｌの一部は、共振モード形成層１４Ａから直接半導体基板１１に達する。また、このレーザ光Ｌの残部は、共振モード形成層１４Ａから第３電極２３に達し、第３電極２３において反射した後、半導体基板１１に達する。レーザ光Ｌは、半導体基板１１を透過し、半導体基板１１の裏面１１ｂから第４電極２４の開口２４ａを通って光源モジュール１Ｃの外部へ出射する。
【０１２１】
本変形例においても、第３電極２３は、各サブピクセルＰｂに対応して設けられている。したがって、強度変調部１８に供給するバイアス電流の大きさを、サブピクセルＰｂ毎に個別に調整することができる。すなわち、強度変調部１８から出射されるレーザ光Ｌの光強度を、サブピクセルＰｂ毎に個別に（独立して）調整することができる。また、各ピクセルＰａにおいて連続するＮ2個のサブピクセルＰｂからなる領域の配列方向（Ｘ方向）の長さＤａ（図２７及び図３０を参照）は、活性層１３の発光波長λすなわちレーザ光Ｌの波長よりも小さい。上記実施形態において説明したように、各ピクセルＰａを構成するＮ1個のサブピクセルＰｂのうち、同時に光を出射するサブピクセルＰｂが連続するＮ2個のサブピクセルＰｂに限定される場合、各ピクセルＰａを、等価的に単一の位相を有する画素と見なすことができる。そして、各ピクセルＰａを構成するＮ1個のサブピクセルＰｂから出力されるレーザ光Ｌの位相が互いに揃っている場合、各ピクセルＰａから出力されるレーザ光Ｌの位相は、当該ピクセルＰａを構成するＮ1個のサブピクセルＰｂにより実現される強度分布によって定まる。従って、本変形例の光源モジュール１Ｃにおいても、レーザ光Ｌの位相分布を動的に制御することができる。なお、上記の効果は、共振モード形成層１４Ａに代えて共振モード形成層１４Ｂを設けた場合においても同様に得られる。
【０１２２】
本変形例のように、位相同期部１７の共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）は、複数の異屈折率領域１４ｂが周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有してもよい。この場合、位相が揃ったレーザ光を位相同期部１７から各サブピクセルＰｂに供給することができる。
【０１２３】
本変形例のように、強度変調部１８からＸ方向およびＹ方向の双方と交差する方向にレーザ光Ｌが出射されるための条件は、強度変調部１８から出射されるレーザ光Ｌの角度広がりに対応した波数拡がりをそれぞれ含む４方向の面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４が共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）の逆格子空間上において形成され、少なくとも１つの面内波数ベクトルの大きさが２π／λ、すなわちライトラインＬＬよりも小さいことであってもよい。前述したように、通常、Ｍ点発振の定在波状態においては共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）内を伝搬する光が全反射してしまい、信号光（例えば＋１次光及び−１次光のうち少なくとも一方）及び０次光の双方の出力が抑制される。これに対し、Ｓ−ｉＰＭレーザでは、各異屈折率領域１４ｂの配置を工夫することにより、上記のような面内波数ベクトルＫ１〜Ｋ４の調整が可能である。そして、少なくとも１つの面内波数ベクトルの大きさが２π／λよりも小さい場合、その面内波数ベクトルは、共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）の厚さ方向（Ｚ方向）の成分を有するとともに、空気との界面において全反射を生じない。結果的に、信号光の一部がレーザ光Ｌとして各ピクセルＰａから出力され得る。
（第４変形例）
【０１２４】
図４２は、上記実施形態の第４変形例に係る光源モジュール１Ｄを示す平面図である。図４３は、光源モジュール１Ｄを示す底面図である。なお、光源モジュール１Ｄの断面構成は前述した第３変形例と同様なので図示を省略する。
【０１２５】
本変形例と上記第３変形例との相違は、強度変調部１８における共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）の構造である。すなわち、本変形例では、前述した第２変形例と同様、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光ＬのＹ方向における位相をＮ1個のサブピクセルＰｂ間で相互に異ならせるための位相シフト部１４ｃを、各サブピクセルＰｂの共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）が含む。位相シフト部１４ｃの詳細は第２変形例と同様である。
【０１２６】
本変形例のように、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光ＬのＹ方向における位相をＮ1個のサブピクセルＰｂ間で相互に異ならせるための位相シフト部１４ｃを、各サブピクセルＰｂの共振モード形成層１４Ａ（または１４Ｂ）が含んでもよい。この場合、各ピクセルＰａから出射されるレーザ光Ｌの位相はサブピクセルＰｂ毎に異なる。そして、各ピクセルＰａから出力されるレーザ光Ｌの位相は、当該ピクセルＰａを構成するＮ1個のサブピクセルＰｂの強度分布及び位相分布によって定まる。故に、レーザ光Ｌの位相分布を制御する自由度をより高めることができる。
【０１２７】
本開示による光源モジュールは、上述した実施形態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、複数のピクセルＰａが一次元状に配列された例を示したが、複数のピクセルＰａは二次元状に配列されてもよい。その場合、例えば上記実施形態または各変形例に開示された光源モジュールを複数組み合わせてもよい。また、上記実施形態では半導体積層部１０がＧａＡｓ系半導体を主に含む例を示したが、半導体積層部１０はＩｎＰ系半導体を主に含んでもよく、ＧａＮ系半導体を主に含んでもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１Ａ〜１Ｄ…光源モジュール、１０…半導体積層部、１１…半導体基板、１１ａ…主面、１１ｂ…裏面、１２…第１クラッド層、１３…活性層、１４…フォトニック結晶層、１４Ａ，１４Ｂ…共振モード形成層、１４ａ…基本層、１４ｂ…異屈折率領域、１４ｃ…位相シフト部、１５…第２クラッド層、１６…コンタクト層、１７…位相同期部、１８…強度変調部、１９…マーク、２１…第１電極、２２…第２電極、２３…第３電極、２４…第４電極、２４ａ…開口、２５…反射防止膜、３０…制御回路基板、３１…導電性接合材、Ｂ１…基本逆格子ベクトル、Ｄ…直線、Ｇ…重心、Ｋ１〜Ｋ４，Ｋａ，Ｋｂ…面内波数ベクトル、Ｌ…レーザ光、Ｌａ…発光点、ＬＬ…ライトライン、ＬＬ２…領域、Ｏ…格子点、Ｐａ…ピクセル、Ｐｂ…サブピクセル、Ｒ…単位構成領域、Ｓ，ＳＡ…スリット、ＳＰ…波数拡がり、ＳＷ…合成波面、Ｖ１…回折ベクトル、ＷＦ１〜ＷＦ３…波面。
【要約】      （修正有）【課題】光の位相分布を動的に制御し得る光源モジュールを提供する。【解決手段】光源モジュール１Ａは、半導体積層部１０を備える。半導体積層部は、Γ点発振するフォトニック結晶層を含み、フォトニック結晶層の共振方向の一つであるＹ方向に並ぶ位相同期部１７と強度変調部１８とを有する。強度変調部１８の少なくとも活性層およびフォトニック結晶層が、Ｘ方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）のピクセルＰａを有する。各ピクセルは、Ｎ1個（Ｎ1は２以上の整数）のサブピクセルＰｂを含む。各ピクセルにおいて連続するＮ2個（Ｎ2は２以上Ｎ1以下の整数）のサブピクセルからなる領域のＸ方向における長さは、活性層の発光波長よりも小さい。光源モジュールは、強度変調部の各ピクセルからＸ方向およびＹ方向の双方と交差する方向にレーザ光を出射する。【選択図】図１【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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