CN110546564B - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

本实施方式涉及能够降低半导体发光元件对从空间光调制元件输出的调制后的光产生的衰减或衍射作用的发光装置，该发光装置包括从光输出面输出光的半导体发光元件，和对该光进行调制的反射型的空间光调制元件。空间光调制元件包括面积比半导体发光元件的光输入面大的光入射出射面，对经由光输入输出面中的与半导体发光元件的光输出面相对的区域取入的光进行调制，将调制后的光从该光输入输出面中的其他的区域输出到半导体发光元件的光输入面以外的空间。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及发光装置。
背景技术
专利文献1记载了一种半导体激光装置，其包括半导体激光芯片和与该半导体激光芯片光学耦合的空间光调制器。半导体激光芯片包括活性层、将该活性层夹在中间的一对包层和与活性层光学耦合的衍射光栅层。空间光调制器包括共用电极、多个像素电极和配置在共用电极与像素电极之间的液晶层。沿衍射光栅层的厚度方向输出的激光通过共用电极和像素电极中的透明的电极输入到空间光调制器。空间光调制器利用施加在像素电极与共用电极之间的驱动电压，对激光的每个微小区域的相位、强度和偏振方向中的至少一者进行调制再输出到外部，因此反射的是经空间光调制后的激光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2015/008627号公报
非专利文献
非专利文献1：Y.Kurosaka et al.,"Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure,"Opt.Express 20,21773-21783(2012)
发明内容
发明要解决的技术问题
发明人针对上述半导体激光装置等现有的发光装置进行研究，发现了下述问题。即，在具有由半导体发光元件和空间光调制元件组合而成的结构的现有的发光装置中，从半导体发光元件输出的光被输入到空间光调制元件，在空间光调制元件中对该光赋予任意的相位分布和强度分布，将得到的光输出到外部。由此，得到所要求的光学像。
空间光调制元件存在反射型和透射型。在使用反射型的空间光调制元件的情况下，若使空间光调制元件和半导体发光元件彼此靠近配置，则用于进行空间光调制元件与半导体发光元件的光耦合的位置调整会变得容易，发光装置能够实现小型化。不过，为了将从这样的反射型的空间光调制元件输出的调制后的光输出到装置外部，由于装置的结构上的原因，该调制后的光必须要通过半导体发光元件。该情况下，会因半导体发光元件的遮光性的构成要素(例如电极等)导致发生衰减或衍射作用，光学像的质量将降低。此外，在为了避免这样的问题而使反射型的空间光调制元件与半导体发光元件配置成彼此分离的结构下，用于进行该反射型的空间光调制元件与半导体发光元件的光耦合的位置调整会变得复杂，并且装置会变得大型化。在发光装置包括多个半导体发光元件的情况下，该问题更加严重。
本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种具有这样的结构的发光装置，即，即使在反射型的空间光调制元件与半导体发光元件靠近配置的情况下，也能够降低半导体发光元件对从该空间光调制元件输出的调制后的光产生的衰减或衍射作用。
解决问题的技术方案
为解决上述问题，本实施方式的发光装置包括发射半导体发光元件和空间光调制元件。半导体发光元件具有光输出面，在相对于该光输出面的法线方向倾斜的方向上输出光。空间光调制元件是反射型的空间光调制元件，具有以至少一部分与半导体发光元件的光输出面相对的方式配置的光输入输出面。
上述反射型的空间光调制元件对经由光输入输出面输入的来自半导体发光元件的光的相位和强度中的至少一者进行调制，并从光输入输出面输出调制后的该光。另一方面，半导体发光元件至少包括半导体衬底、包含活性层和相位调制层的半导体层叠部、第一电极和第二电极。半导体衬底具有主面和与该主面相对的背面。包括活性层和相位调制层的半导体层叠部包括以隔着该活性层和相位调制层的方式配置的顶面和底面。另外，半导体层叠部以该半导体层叠部的底面与半导体衬底的主面相对的方式配置在该半导体衬底的主面上。第一电极设置在半导体层叠部的顶面上。第二电极设置在半导体衬底的背面上。
尤其是，半导体发光元件的光输出面包含在半导体层叠部的顶面或半导体衬底的背面。相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与该基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。此外，在与光输出面的法线方向垂直的相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，多个异折射率区域各自被配置成，其重心与虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从该对应的格子点去往重心的矢量在绕对应的格子点的方向上具有规定的旋转角度。或者，在与光输出面的法线方向垂直的相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，多个异折射率区域各自被配置成，其重心配置在通过虚拟的正方格子的格子点且相对于正方格子倾斜的直线上，并且从该对应的格子点去往重心的矢量具有规定的大小。在具有上述结构的发光元件中，半导体发光元件的光输出面的面积小于空间光调制元件的光输入输出面的面积。
发明效果
采用本实施方式的发光装置，即使在反射型的空间光调制元件与半导体发光元件靠近配置的结构下，也能够降低半导体发光元件对从该空间光调制元件输出的调制后的光产生的衰减或衍射作用。
附图说明
图1是表示第一实施方式的发光装置的截面结构的示意图。
图2是从光输出面一侧观察半导体发光元件的俯视图。
图3是从半导体衬底的背面一侧观察半导体发光元件的底视图。
图4是用于说明相当于第一部分的相位调制层中的异折射率区域的配置图案(旋转方式)之一例的图。
图5是作为基于旋转方式决定的配置图案之一例，用于说明异折射率区域的重心与虚拟的正方格子的格子点之间的位置关系的图。
图6是表示相位调制层的振幅分布的例子和相位调制层的相位分布的例子的图。
图7是表示由具有图6(a)的振幅分布和图6(b)的相位分布的相位调制层实现的远场像的图。
图8是用于说明半导体发光元件的输出光束图案(光学像)与旋转角度分布之间的关系的图。
图9是说明基于从光学像的离散傅立叶变换结果得到的相位角度分布来求取相位分布、决定异折射率区域的配置时的注意要点的图。
图10是第一变形例的半导体发光元件的俯视图。
图11是第二变形例的半导体发光元件的底视图。
图12是表示第三变形例的发光元件的截面结构的示意图。
图13是表示第四变形例的发光装置的外观的立体图。
图14是局部地表示图13所示的发光装置的截面结构的示意图。
图15是表示半导体发光元件的顶面(光输出面10a一侧)的结构之一例的放大图。
图16是表示半导体发光元件的顶面(光输出面10a一侧)的结构之一例的放大图。
图17是表示半导体发光元件的底面(背面9b一侧)的结构之一例的放大图。
图18是表示第五变形例的发光元件的截面结构的示意图。
图19是从光输出面一侧观察半导体发光元件的俯视图。
图20是从半导体层叠部的正面一侧观察半导体发光元件的底视图。
图21是局部地表示第六变形例的发光装置的截面结构的示意图。
图22是表示半导体发光元件的顶面(光输出面10a一侧)的结构之一例的放大图。
图23是表示半导体发光元件的底面(背面9b一侧)的结构之一例的放大图。
图24是表示第二实施方式的发光装置的截面结构的示意图。
图25是表示第七变形例的发光装置的外观的立体图。
图26是局部地表示图25所示的发光装置的截面结构的示意图。
图27是表示第七变形例的支承基板的结构的立体图，和表示金属膜和导电性粘接剂的平面形状的图。
图28是表示第八变形例的发光装置的截面结构的示意图。
图29是表示第九变形例的发光装置的截面结构的示意图。
图30是表示光输入输出面上的第一区域和第二区域的配置示例的图(其之一)。
图31是表示光输入输出面上的第一区域和第二区域的配置示例的图(其之二)。
图32是表示光输入输出面上的第一区域和第二区域的配置示例的图(其之三)。
图33是表示光输入输出面上的第一区域和第二区域的配置示例的图(其之四)。
图34是表示相位调制层的振幅分布的例子和相位调制层的相位分布的例子的图。
图35表示由具有图34(a)的振幅分布和图34(b)的相位分布的相位调制层实现的远场像。
图36是表示相位调制层的振幅分布的例子和相位调制层的相位分布的例子的图。
图37表示由具有图36(a)的振幅分布和图36(b)的相位分布的相位调制层实现的远场像。
图38是表示相位调制层的振幅分布的例子和相位调制层的相位分布的例子的图。
图39表示由具有图38(a)的振幅分布和图38(b)的相位分布的相位调制层实现的远场像。
图40是表示第十一变形例的发光装置的截面结构的示意图。
图41是表示第十一变形例的另外的发光装置的截面结构的示意图。
图42是表示第十一变形例的再另外的发光装置的截面结构的立体图。
图43是表示第十一变形例的再另外的发光装置的截面结构的立体图。
图44是表示各波长转换介质中的红色、绿色和蓝色的转换区域的配置的例子的图。
图45是表示X-Y面上的异折射率区域的平面形状中的镜像对称的形状的例子的图。
图46是表示X-Y面上的异折射率区域的平面形状中的不具有180°旋转对称性的形状的例子的图。
图47是第十三变形例的相位调制层的平面图。
图48是表示第十三变形例的相位调制层中的异折射率区域的位置关系的图。
图49是表示X-Y平面上的异折射率区域的平面形状和相对关系的例子的图。
图50是表示X-Y平面上的异折射率区域的平面形状的例子的图。
图51是用于说明相当于第一部分的相位调制层中的异折射率区域的配置图案(轴上偏移方式)之一例的图。
图52是作为基于轴上偏移方式决定的配置图案之一例，用于说明异折射率区域的重心与虚拟的正方格子的格子点之间的位置关系的图。
图53是表示异折射率区域的平面形状之一例(轴上偏移方式)的图。
图54是表示异折射率区域的平面形状的另外的例子(轴上偏移方式)的图。
图55是表示异折射率区域的平面形状的再另外的例子(轴上偏移方式)的图。
图56是表示异折射率区域的平面形状的应用示例(轴上偏移方式)的图。
图57是表示图1等所示的电极的平面形状的另外的例子的图。
图58是表示图1等所示的电极的平面形状的再另外的例子的图。
图59是表示比较例的发光装置的截面结构的示意图。
图60是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)变换到XYZ正交坐标系下的坐标(ξ，η，ζ)的坐标变换的图。
具体实施方式
[本发明的实施方式的说明]
首先，对本发明的实施方式的内容分别单独举例进行说明。
(1)本实施方式的发光装置包括半导体发光元件和空间光调制元件。半导体发光元件具有光输出面，在相对于该光输出面的法线方向倾斜的方向上输出光。空间光调制元件是反射型的空间光调制元件，具有以至少一部分与半导体发光元件的光输出面相对的方式配置的光输入输出面。
上述反射型的空间光调制元件对经由光输入输出面输入的来自半导体发光元件的光的相位和强度中的至少一者进行调制，并从光输入输出面输出调制后的该光。另一方面，半导体发光元件至少包括半导体衬底、包含活性层和相位调制层的半导体层叠部、第一电极和第二电极。半导体衬底具有主面和与该主面相对的背面。包括活性层和相位调制层的半导体层叠部包括以隔着该活性层和相位调制层的方式配置的顶面和底面。另外，半导体层叠部以该半导体层叠部的底面与半导体衬底的主面相对的方式配置在该半导体衬底的主面上。第一电极设置在半导体层叠部的顶面上。第二电极设置在半导体衬底的背面上。
尤其是，半导体发光元件的光输出面包含在半导体层叠部的顶面或半导体衬底的背面。相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与该基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域。在具有上述结构的发光元件中，半导体发光元件的光输出面的面积小于空间光调制元件的光输入输出面的面积。作为相位调制层中的各异折射率区域的配置方法，作为一例能够应用旋转方式或轴上偏移方式。例如，作为本实施方式的一个方案，在采用了基于旋转方式的配置方法的情况下，在与光输出面的法线方向垂直的相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，多个异折射率区域各自被配置成，其重心与虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从该对应的格子点去往重心的矢量在绕对应的格子点的方向上具有规定的旋转角度。另外，作为本实施方式的一个方案，在采用了基于轴上偏移方式的配置方法的情况下，在与法线方向垂直的相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，多个异折射率区域各自被配置成，其重心在以虚拟的正方格子的对应的格子点为中心的具有规定长度的直线上，按照规定的相位角度配置成直线形。
具体而言，作为实现上述半导体发光元件的光输出面的面积与空间光调制元件的光输入输出面的面积的关系的结构，在该发光装置的第一结构中，光输入输出面包括与半导体发光元件相对的第一区域和配置在与第一区域不同的位置上的第二区域。在该第一结构的发光装置中，空间光调制元件与半导体发光元件的相对位置被设定成，来自半导体发光元件的光经由第一区域输入到空间光调制元件内，并且调制后的光从第二区域输出到半导体发光元件的外部。
另外，在该发光装置的第二结构中，半导体发光元件包括第一部分和第二部分。第一部分从半导体层叠部的顶面延伸至半导体衬底的背面，并且具有光输出面。此外，在第一部分的顶面上设置有第一电极，在第一部分的背面上设置有第二电极，其中，第一部分的顶面构成半导体层叠部的顶面的一部分，第一部分的背面构成半导体衬底的背面的一部分。另一方面，第二部分从半导体层叠部的顶面延伸至半导体衬底的背面，并且沿半导体层叠部的顶面配置在与第一部分不同的位置上。理想情况下优选的是，配置在相位调制层内的多个异折射率区域被配置在包含于第一部分的相位调制层的一部分，而不被配置在包含于第二部分的相位调制层的一部分。在该第二结构的发光装置中，半导体发光元件与空间光调制元件的相对位置被设定成，从第一部分的光输出面输入到空间光调制元件的光输入输出面后并经过调制的光，从第二部分透射。
在上述第一结构和第二结构的发光装置中，对于相位调制层中所含的多个异折射率区域各自的重心来说，从虚拟的正方格子的对应的格子点去往该重心的矢量在绕该对应的格子点的方向上具有设定的旋转角度。采用这样的异折射率区域的配置图案，与多个异折射率区域各自的重心位于正方格子的对应的格子点上的情况(所谓光子晶体激光器)相比，与光输出面垂直的方向上输出的0级光的光强度降低，而相对于该方向倾斜的方向上输出的高级次的光(例如1级光和1级光)的光强度增大。从而，能够适宜地实现在相对于与光输出面垂直的方向(法线方向)倾斜的方向上输出光的半导体发光元件。
此外，在第一结构的发光装置中，空间光调制元件的光输入输出面包括与半导体发光元件相对的第一区域和配置在与第一区域不同的位置上的第二区域。来自半导体发光元件的光输入到第一区域，调制后的光从第二区域输出。采用这样的第一结构，调制后的光能够避开半导体发光元件而输出到发光装置的外部，所以能够降低半导体发光元件对调制后的光产生的衰减或衍射作用。
另一方面，在第二结构的发光装置中，半导体发光元件包括第一部分和第二部分。第一电极和第二电极设置于第一部分。并且，半导体发光元件内产生的光从第一部分的光输出面输出，调制后的光以透过第二区域的方式从空间光调制元件输出。采用这样的第二结构，调制后的光能够避开第一电极和第二电极而输出到发光装置的外部，所以能够降低半导体发光元件对调制后的光产生的衰减或衍射作用。
如上所述，采用第一结构和第二结构的发光装置，即使在空间光调制元件与半导体发光元件彼此靠近配置的结构下，也能够降低半导体发光元件对调制后的光产生的衰减或衍射作用。从而，用于进行空间光调制元件与半导体发光元件的光耦合的位置调整变得容易。此外，能够实现该发光装置自身的小型化。另外，由于半导体发光元件的光输出面与空间光调制元件的光输入输出面相对，所以用于进行光耦合的位置调整变得更加容易。此外，能够容易地将半导体发光元件固定于空间光调制元件。
(2)作为本实施方式的一个方案，第二结构的发光装置还包括设置在第二部分的顶面和第二部分的背面这双方之上的防反射膜，其中，第二部分的顶面构成半导体层叠部的顶面的一部分，第二部分的背面构成半导体衬底的背的一部分。该情况下，能够降低调制后的光通过第二部分的正面(半导体层叠部的顶面的一部分)和背面(半导体衬底的背面的一部分)时的损耗，提高该第二结构的发光装置的光输出效率。
(3)作为本实施方式的一个方案，优选的是，在第二结构的发光装置中，相位调制层中的包含于第二部分的层部分仅由基层构成。即，相位调制层中所含的多个异折射率区域优选配置在包含于第一部分的相位调制层的一部分。该情况下，能够进一步降低半导体发光元件对调制后的光产生的衰减或衍射作用。
(4)作为本实施方式的一个方案，优选的是，第一结构和第二结构的发光装置还包括光透射性的支承基板，其中该支承基板设置在半导体发光元件与空间光调制元件之间，用于将半导体发光元件固定于空间光调制元件。该情况下，发光装置的机械强度得到提高，能够降低因弯曲力导致的装置的损坏。进而，半导体发光元件的光输出面与空间光调制元件的光输入输出面之间的间隔能够容易地通过支承基板的厚度进行调整。此外，作为本实施方式的一个方案，优选的是，支承基板具有用于对第一电极和第二电极之中更靠近空间光调制元件的电极供给电流的配线。该情况下，能够对被空间光调制元件覆盖的半导体发光元件的电极适宜地供给电流。
(5)作为本实施方式的一个方案，优选的是，在第一结构和第二结构的发光装置中，第一电极和第二电极之中更靠近空间光调制元件的电极的平面形状(在与光输出面的法线方向垂直的面上规定的形状)为格子状、条纹状、同心圆状、辐射状和梳齿状中的任一种。在电极具有这些平面形状中的任意的情况下，能够将电极的一部分配置在光输出面的中央部附近。该情况下能够对活性层的中央部附近充分地供给电流，能够进一步增大光输出面的面积。
(6)作为本实施方式的一个方案，优选的是，在第一结构和第二结构的发光装置，从半导体发光元件输出的光是1级光和-1级光中的至少一者。如上所述，这样的光在相对于与光输出面垂直的方向(法线方向)倾斜的方向上输出。从而，能够适宜地实现上述第一结构和第二结构的发光装置。
(7)另外，相位调制层内的多个异折射率区域的配置图案按下述方式决定。即，作为第一前提条件，在由Z轴和X-Y平面规定的XYZ正交坐标系中，在X-Y平面上设定了虚拟的正方格子，其中，Z轴与半导体衬底的主面的法线方向一致，X-Y平面与包含多个异折射率区域的相位调制层的一个面一致且具有彼此正交的X轴和Y轴，而虚拟的正方格子由各自具有正方形形状的M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成。此时，多个异折射率区域的配置图案规定如下：在由X轴方向的坐标成分x(0以上M1-1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(0以上N1-1以下的整数)确定的X-Y平面上的单位构成区域R(x，y)中，位于单位构成区域R(x，y)内的异折射率区域的重心G与单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)隔开距离r，并且从格子点O(x，y)去往重心G的矢量指向特定方向。
进而，作为第二前提条件，XYZ正交坐标系下的坐标(ξ，η，ζ)如图60所示，与球面坐标(d1，θtilt，θrot)满足下式(1)～式(3)所示的关系，其中，球面坐标是由矢径长度d1、与Z轴之间的倾角θti1t和与X-Y平面上确定的X轴之间的旋转角θrot规定的。图60是用于说明从球面坐标(d1，θtilt，θrot)变换到XYZ正交坐标系下的坐标(ξ，η，ζ)的坐标变换的图，真实空间XYZ正交坐标系下设定的规定平面(目标光束投射区域)上的设计上的光学像由坐标(ξ，η，ζ)表示。在令从半导体发光元件输出的相当于光学像的输出光束图案为去往由角度θti1t和θrot规定的方向的亮点的集合时，角度θtilt和θrot可换算成与X轴对应的Kx轴上的坐标值kx和与Y轴对应且与Kx轴正交的Ky轴上的坐标值ky，其中，坐标值kx是由下式(4)规定的归一化波数，坐标值ky是由下式(5)规定的归一化波数。归一化波数指的是将相当于虚拟的正方格子的格子间距的波数定为1.0进行归一化而得的波数。此时，在由Kx轴和Ky轴规定的波数空间中，包含相当于光学像的输出光束图案的特定的波数范围由各自为正方形形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。整数M2不一定与整数M1一致。同样地，整数N2也无需与整数N1一致。式(4)和式(5)例如已在上述非专利文献1中公开。
[式1]
ξ＝d1 sinθtiltcosθrot…(1)
[式2]
η＝d1 sinθtiltsinθrot…(2)
[式3]
ζ＝d1 cosθtilt…(3)
[式4]
[式5]
a：上述虚拟的正方格子的格子常数
λ：上述半导体发光元件的振荡波长
作为第三前提条件，将波数空间中由Kx轴方向的坐标成分kx(0以上M2-1以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(0以上N2-1以下的整数)确定的各图像区域FR(kx，ky)，经二维离散傅立叶逆变换变换到由X轴方向的坐标成分x(0以上M1-1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(0以上N1-1以下的整数)确定的X-Y平面上的单位构成区域R(x，y)，变换得到的复振幅F(x，y)由下式(6)给出，其中j是虚数单位。另外，对于该复振幅F(x，y)，在令振幅项为A(x，y)且相位项为P(x，y)时，复振幅由下式(7)规定。进而，作为第四前提条件，单位构成区域R(x，y)由与X轴和Y轴分别平行且在单位构成区域R(x，y)的中心的格子点O(x，y)处正交的s轴和t轴规定。
[式6]
[式7]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(7)
在上述第一～第四前提条件下，相位调制层的异折射率区域的配置图案基于旋转方式或轴上偏移方式决定。具体而言，在基于旋转方式决定配置图案时，在单位构成区域R(x，y)内，以连接格子点O(x，y)和对应的异折射率区域的重心G的线段与s轴所成的角度φ(x，y)满足以下关系的方式，配置该对应的异折射率区域。
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数，例如180°/π
B：任意的常数，例如0
在具有上述结构的半导体发光元件中，优选的是，在相位调制层中，构成虚拟的正方格子的各单位构成区域的中心(格子点)与对应的异折射率区域的重心G之间的距离r遍布整个相位调制层为一定值(不排除距离r局部地不同的情况)。由此，在整个相位调制层中的相位分布(分配到单位构成区域R(x，y)上的复振幅F(x，y)中的相位项P(x，y)的分布)均匀地分布于0～2π(rad)的情况下，平均来看，异折射率区域的重心将与正方格子的单位构成区域R的格子点一致。从而，上述相位调制层中的二维分布布拉格衍射效应接近于在正方格子的各格子点上配置异折射率区域的情况下的二维分布布拉格衍射效应，因此容易形成驻波，能够有望降低产生振荡所需的阈值电流。
(8)另一方面，在基于轴上偏移方式决定配置图案时，在上述第一～第四前提条件下，在单位构成区域R(x，y)中，将对应的异折射率区域的重心G配置在通过格子点O(x，y)的相对于s轴倾斜的直线上。此时，以从格子点O(x，y)到该对应的异折射率区域的重心G的线段长r(x，y)满足下述关系的方式，在单位构成区域R(x，y)内配置该对应的异折射率区域。
r(x，y)＝C×(P(x，y)-P0)
C：比例常数
P0：任意的常数，例如0
在相位调制层中的异折射率区域的配置图案基于轴上偏移方式决定的情况下，也能够实现与上述旋转方式同样的效果。
如上所述，该“本发明的实施方式的说明”部分列举的各方案能够应用于剩余的所有各方案，或这些剩余的方案的所有组合。
[本发明的实施方式的细节]
下面参照附图详细说明本实施方式的发光装置的具体结构。不过，本发明并不被这些示例限定而是由要求的范围表示，包括与要求的范围等同的含义和范围内的所有改变。另外，在附图的说明中对于相同要素标注相同标记并省略重复的说明。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式的发光装置1A的截面结构的示意图。发光装置1A包括半导体发光元件10A和空间光调制元件20。在图1中，定义以半导体发光元件10A的厚度方向为Z轴的XYZ正交坐标系。半导体发光元件10A是沿X-Y面形成驻波，并沿Z轴方向输出经相位控制的平面波的激光光源。半导体发光元件10A具有沿X-Y面的光输出面10a，在相对于与光输出面10a垂直的Z轴方向倾斜的方向上输出光L1。
半导体发光元件10A包括半导体衬底9和设置在半导体衬底9的主面9a上的半导体层叠部11。本实施方式中，光输出面10a包含在半导体层叠部11的位于与半导体衬底9相反的一侧的正面。半导体衬底9和半导体层叠部11合在一起的厚度例如为0.1mm～0.5mm，典型的是0.2mm。此外，半导体发光元件10A包括第一部分8a和相对于第一部分8a排列在沿着主面9a的方向上的第二部分8b。作为一例，在本实施方式中，第二部分8b相对于第一部分8a排列在Y轴方向上。
半导体层叠部11包括设置在半导体衬底9的主面9a上的下部包层12、设置在下部包层12上的活性层(有源层)13、设置在活性层13上的上部包层14和设置在上部包层14上的接触层15。这些半导体衬底9和各层12～15例如由GaAs系半导体、InP系半导体或氮化物系半导体等化合物半导体构成。下部包层12的能隙和上部包层14的能隙的双方比活性层13的能隙大。
半导体层叠部11还包括设置在活性层13与上部包层14之间的相位调制层16A。此外，根据需要也可以在活性层13与上部包层14之间和活性层13与下部包层12之间中的至少一者设置光导层17。例如，在活性层13与上部包层14之间设置了光导层17的结构下，相位调制层16A设置在上部包层14与光导层17之间。
相位调制层16A也可以设置在下部包层12与活性层13之间而不是上部包层14与光导层17之间。这样，在活性层13与下部包层12之间设置了光导层17的结构下，相位调制层16A可以设置在下部包层12与光导层17之间。
半导体衬底9与设置在该半导体衬底9上的各半导体层的折射率的关系如下。即，下部包层12和上部包层14各自的折射率比半导体衬底9、活性层13和接触层15各自的折射率小。并且，在本实施方式中，上部包层14的折射率与下部包层12的折射率相等或比其小。相位调制层16A的折射率可以比下部包层12(或上部包层14)的折射率大，也可以比其小。
相位调制层16A包括由第一折射率介质构成的基层16a和存在于该基层16a内的多个异折射率区域16b，各异折射率区域16b由具有与第一折射率介质的折射率不同的折射率的第二折射率介质构成。多个异折射率区域16b包含大致周期性的结构。在令相位调制层16A的有效折射率为n的情况下，相位调制层16A所选择的波长λ0(＝a×n，a是格子间距(光栅间距))包含在活性层13的发光波长范围内。相位调制层(衍射光栅层)16A能够选择活性层13的发光波长中的波长λ0，将其输出到外部。在本实施方式中，多个异折射率区域16b仅在第一部分8a的相位调制层16A中形成，而不在第二部分8b的相位调制层16A中形成。
半导体发光元件10A还包括设置在半导体层叠部11的正面上(本实施方式中为接触层15上)的电极18(第一电极)和设置在半导体衬底9的背面9b上的电极19(第二电极)。电极18与接触层15构成欧姆接触，电极19与半导体衬底9构成欧姆接触。图2是从光输出面10a一侧观察半导体发光元件10A的俯视图。图3是从背面9b一侧观察半导体发光元件10A的底视图。如图1～图3所示，电极18和19仅设置在半导体发光元件10A的第一部分8a而没有设置在第二部分8b。而且，如图2所示，电极18具有格子状(例如正方格子状)的平面形状，具有与X-Y平面平行地二维状排列的多个开口18a。其中，图2例示了排列成5行5列的共计25个开口18a，但开口18a的个数和排列是任意的。各开口18a的平面形状例如为正方形等四边形。电极18的一部分设置在从Z轴方向看到的第一部分8a的中央部附近。此外，如图3所示，电极19具有例如四边形形状的平面形状，覆盖包括从Z轴方向看到的第一部分8a的中央部附近的部分。
从半导体发光元件10A输出的光通过电极18的开口18a。由于光通过电极18的开口18a，所以光L1能够不被电极18遮挡地从半导体层叠部11的正面一侧适当地输出。此外，接触层15可以蚀刻成具有与电极18相同的平面形状。即，从光输出方向(Z轴方向)看到的接触层15的平面形状可以是与电极18相同的格子状。由于光通过接触层15的开口，所以避免了接触层15中的光吸收，能够提高该半导体发光元件10A的光输出效率。
如图1和图2所示，从电极18的开口18a露出的半导体层叠部11的正面由防反射膜31覆盖。并且，防反射膜31设置成从电极18的外侧遍布于第二部分8b的半导体层叠部11的正面上。换言之，防反射膜31设置在光输出面10a上的除了电极18外的整个区域。另外，如图1和图3所示，在第二部分8b的半导体衬底9的背面9b上也设置有防反射膜32。在该例子中，从电极18的开口18a露出的半导体层叠部11的正面由防反射膜31覆盖，但只要覆盖在光L1的光路上即可，没有必要一定覆盖整个面。
当向电极18与电极19之间供给驱动电流时，在活性层13内发生电子与空穴的复合(发光)。对这样的活性层13内的发光作出贡献的电子和空穴以及所产生的光，被有效地束缚在下部包层12与上部包层14之间。从活性层13输出的光被输入到相位调制层16A的内部，形成与相位调制层16A内部的格子结构对应的规定模式。从相位调制层16A内输出的光L1通过电极18的开口18a，输出到该半导体发光元件10A的外部。此时，0级光沿与光输出面10a垂直的方向(光输出面10a的法线方向)输出。而作为高级次的光(例如1级光或-1级光)的光L1则在相对于光输出面10a的法线方向倾斜的任意的方向上输出。
在一个例子中，半导体衬底9为GaAs基板，下部包层12为AlGaAs层。活性层13具有多重量子阱结构(势垒层：AlGaAs/势阱层：InGaAs)。在相位调制层16A中，基层16a是由GaAs构成的层，各异折射率区域16b为空孔。上部包层14为AlGaAs层。接触层15为GaAs层。在另一个例子中，半导体衬底9为InP基板。下部包层12为InP层。活性层13具有多重量子阱结构(势垒层：GaInAsP/势阱层：GaInAsP)。在相位调制层16A中，基层16a是由GaInAsP构成的层，各异折射率区域16b为空孔。上部包层14为InP层。接触层15为GaInAsP层。在再另一个例子中，半导体衬底9为GaN基板。下部包层12为AlGaN层。活性层13具有多重量子阱结构(势垒层：InGaN/势阱层：InGaN)。在相位调制层16A中，基层16a是由GaN构成的层，各异折射率区域16b为空孔。上部包层14为AlGaN层。接触层15为GaN层。
此外，下部包层12被赋予与半导体衬底9相同的导电类型。上部包层14和接触层15被赋予与半导体衬底9相反的导电类型。在一例中，半导体衬底9和下部包层12为n型，上部包层14和接触层15为p型。在相位调制层16A设置在活性层13与下部包层12之间的情况下，该相位调制层16A具有与半导体衬底9相同的导电类型。而在相位调制层16A设置在活性层13与上部包层14之间的情况下，该相位调制层16A具有与半导体衬底9相反的导电类型。杂质浓度为例如1×1017～1×1021/cm3。
另外，在上述结构中，异折射率区域16b为空孔，但异折射率区域16b也可以是在空孔内嵌入了折射率与基层16a不同的半导体的区域。该情况下，例如可以通过蚀刻形成基层16a的空孔，并使用有机金属气相生长法、溅射法或外延生长法将半导体嵌入空孔内。也可以在基层16a的空孔内嵌入半导体而形成了异折射率区域16b之后，进一步在其上沉积与异折射率区域16b相同的半导体。在各异折射率区域16b为空孔的情况下，可以在该空孔中封入氩、氮、氢等非活性气体或空气。
防反射膜31、32例如由硅氮化物(例如SiN)、硅氧化物(例如SiO2)等的电介质单层膜或者电介质多层膜构成。作为电介质多层膜，能够使用由选自例如氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、一氧化硅(SiO)、氧化铌(Nb2O5)、五氧化钽(Ta2O5)、氟化镁(MgF2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化铟(In2O3)、氧化锆(ZrO2)等电介质层组中的2种以上的电介质层层叠而得到的膜。例如，以波长λ的光的光学膜厚来计，能够层叠厚度为λ/4的膜。
图4是表示相位调制层16A的第一部分8a的结构的平面图，是用于说明异折射率区域的配置图案(旋转方式)之一例的图。相当于第一部分8a的相位调制层16A包括由第一折射率介质构成的基层16a，和由具有与第一折射率介质的折射率不同的折射率的第二折射率介质构成的异折射率区域16b。此处，在与X-Y平面一致的相位调制层16A的设计面上设定了虚拟的正方格子。正方格子的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方格子的格子点O为中心的正方形形状的单位构成区域R能够遍布沿X轴的多个列和沿Y轴的多个行设定成二维状。多个异折射率区域16b一一设置在各单位构成区域R内。异折射率区域16b的平面形状例如为圆形形状。在各单位构成区域R内，异折射率区域16b的重心G被配置成与最靠近它的格子点(单位构成区域R的中心)O隔开间隔。
具体而言，在图4中，x1～x4所示的虚线表示单位构成区域R的X轴方向的中心位置，y1～y3所示的虚线表示单位构成区域R的Y轴方向的中心位置。从而，虚线x1～x4与虚线y1～y3的各交点表示单位构成区域R(0，0)～R(3，2)各自的中心O(0，0)～O(3，2)，即格子点。该虚拟的正方格子的格子常数为a。格子常数a根据发光波长相应调整。
上述异折射率区域16b的配置图案是根据目标光束投射区域和作为目标的输出光束图案，通过专利文献1中说明的方法决定的。即，在规定于X-Y平面上的相位调制层16A的设计面上，决定使各异折射率区域16b的重心G从基层16a中的虚拟的正方格子的各格子点(虚线x1～x4与虚线y1～y3的交点)偏离的方向，由此决定上述配置图案，其中，对与目标光束投射区域和作为目标的输出光束图案对应的原图案进行傅立叶逆变换，根据逆变换得到的相位决定上述偏离的方向。从各格子点偏离的距离r(参照图5)如专利文献1所述，优选在令正方格子的格子常数为a时处于0＜r≤0.3a的范围。关于从各格子点偏离的距离r，通常在全部相位调制区域、全部异折射率区域为相同的距离，但也可以使一部分相位调制区域中的距离r为与其他相位调制区域中的距离r不同的值，也可以使一部分异折射率区域的距离r为与其他异折射率区域的距离r不同的值。图5是用于说明基于旋转方式决定的配置图案(旋转方式)之一例的图，图5中表示了单位构成区域R(x，y)的结构，从格子点到异折射率区域16b的距离r由r(x，y)表示。
如图5所示，构成正方格子的单位构成区域R(x，y)由在格子点O(x，y)处彼此正交的s轴和t轴规定。s轴是与X轴平行的轴，对应于图4中所示的虚线x1～x4。t轴是与Y轴平行的轴，对应于图4中所示的虚线y1～y3。这样，在规定单位构成区域R(x，y)的s-t平面中，从格子点O(x，y)去往重心G的方向与s轴所成的角度由φ(x，y)给出。在旋转角度φ(x，y)为0°的情况下，从格子点O(x，y)去往重心G的矢量的方向与s轴的正向一致。另外，从格子点O(x，y)去往重心G的矢量的长度(相当于距离r)由r(x，y)给出。
如图4所示，在相位调制层16A中，根据作为目标的输出光束图案(光学像)，对每个单位构成区域R独立地设定异折射率区域16b的重心G在绕格子点O(x，y)的方向上的旋转角度φ(x，y)。旋转角度φ(x，y)在单位构成区域R(x，y)中具有特定的值，但不限于一定能够以特定的函数表示。即，旋转角度φ(x，y)是这样决定的，将输出光束图案变换到波数空间上，对该波数空间的一定的波数范围进行二维离散傅立叶逆变换，根据逆变换得到的复振幅的相位项决定旋转角度。此外，在根据作为目标的输出光束图案求取复振幅分布(各单位构成区域R的复振幅)时，通过应用在生成全息图的计算时通常使用的Gerchberg-Saxton(GS)法那样的迭代算法，作为目标的输出光束图案的重现性得到提高。
图6(a)是表示相位调制层16A的振幅分布的例子的图。在图6(a)中，振幅通过明暗来表示，值越大则越明亮。图6(b)是表示相位调制层16A的相位分布即旋转角度φ(x，y)的分布的例子的图。在图6(b)中，角度φ(x，y)通过明暗来表示，值越大则越明亮。
图7是表示由具有图6(a)的振幅分布和图6(b)的相位分布的相位调制层16A实现的远场像的图。在图7中，图像中心表示与光输出面10a垂直的方向(光输出面10a的法线方向)。如图7所示，在该例子中，对图6(a)和图6(b)所示的复振幅进行衍射计算，能够得到与包含1个光斑的光L1对应的远场像。不过，如后文所述(图8)，与该光斑同时地，从半导体发光元件10A会输出在中心Q和例如若该光斑在第一象限则在第三象限也包含光斑的1级光和-1级光。
另外，在整个相位调制层16A中，旋转角度分布φ(x，y)被设计成以相同的程度包含0～2π(rad)的所有相位。换言之，对各异折射率区域16b取从正方格子的格子点O去往异折射率区域16b的重心G的矢量OG，在整个相位调制层16A内将矢量OG相加，结果接近于零。即，平均地说，能够认为异折射率区域16b位于正方格子的格子点O上，作为整体来看，能够得到与异折射率区域16b配置在格子点O上时同样的二维分布布拉格衍射效应。因此，X-Y平面上的驻波的形成较为容易，能够有望降低产生振荡所需的阈值电流。
图8是用于说明从发光装置1A输出的作为目标的输出光束图案(光学像)与相位调制层16A中的旋转角度φ(x，y)的分布之间的关系的图。具体而言，将作为目标的输出光束图案的投射范围即光束投射区域(由XYZ正交坐标系下的坐标(x，y，z)表示的设计上的光学像的设置面)变换到波数空间上，考虑变换得到的Kx-Ky平面。规定该Kx-Ky平面的Kx轴和Ky轴彼此正交，且各自按照上述式(1)～式(5)与下述角度相关联，其中该角度是，使作为目标的输出光束图案的输出方向从光输出面的法线方向(Z轴方向)摆动到该光输出面时的相对于该法线方向的角度。在该Kx-Ky平面上，包含作为目标的输出光束图案的特定区域由分别为正方形形状的M2(1以上的整数)×N2(1以上的整数)个图像区域FR构成。另外，设定在与相位调制层16A的设计面一致的X-Y平面上的虚拟的正方格子由M1(1以上的整数)×N1(1以上的整数)个单位构成区域R构成。整数M2不一定与整数M1一致。同样地，整数N2也无需与整数N1一致。此时，将由Kx轴方向的坐标成分kx(0以上M2-1以下的整数)和Ky轴方向的坐标成分ky(0以上N2-1以下的整数)确定的Kx-Ky平面上的各图像区域FR(kx，ky)，经二维离散傅立叶逆变换变换到由X轴方向的坐标成分x(0以上M1-1以下的整数)和Y轴方向的坐标成分y(0以上N1-1以下的整数)确定的单位构成区域R(x，y)，变换得到的单位构成区域R(x，y)中的复振幅F(x，y)由下式(8)给出，其中j是虚数单位。
[式8]
在单位构成区域R(x，y)中，当令振幅项为A(x，y)、相位项为P(x，y)时，该复振幅F(x，y)由下式(9)规定。
[式9]
F(x，y)＝A(x，y)×exp[jP(x，y)]…(9)
如图8所示，在坐标成分x＝0～M1-1和y＝0～N1-1的范围内，单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的振幅项A(x，y)的分布相当于X-Y平面上的强度分布。在x＝0～M1-1、y＝0～N1-1的范围内，单位构成区域R(x，y)的复振幅F(x，y)中的相位项P(x，y)的分布相当于X-Y平面上的相位分布。单位构成区域R(x，y)中的旋转角度φ(x，y)如后文所述能够根据P(x，y)得到，在坐标成分x＝0～M1-1和y＝0～N1-1的范围内，单位构成区域R(x，y)的旋转角度φ(x，y)的分布相当于X-Y平面上的旋转角度分布。
此外，Kx-Ky平面上的输出光束图案的中心Q位于与第一面100a垂直的轴线上，图8表示了以中心Q为原点的四个象限。图8中作为一例表示了在第一象限和第三象限得到光学像的情况，但也能够在第二象限和第四象限或者所有象限得到光学像。如图8所示，本实施方式能够得到关于原点点对称的图案。图8中作为一例表示了在第三象限得到文字“A”、在第一象限得到文字“A”的旋转了180°的图案的情况。此外，在光学像旋转对称(例如十字、圆圈、双圆圈等)的情况下，它们会重叠而被观察为一个光学像。
来自发光装置1A的输出光束图案(光学像)是与设计上的光学像(原图像)对应的光学像，其中该设计上的光学像是由光斑、3个以上光斑构成的光斑群、直线、十字架、线条画、格子图案、照片、条纹图案、CG(计算机图形)和文字中的至少一种表现的。此处，为了得到作为目标的输出光束图案，按照以下步骤来决定单位构成区域R(x，y)中的异折射率区域16b的旋转角度φ(x，y)。
在单位构成区域R(x，y)内，如上所述，异折射率区域16b的重心G以与格子点O(x，y)隔开距离r(r(x，y)的值)的状态配置。此时，在单位构成区域R(x，y)内，异折射率区域16b配置成使得旋转角度φ(x，y)满足以下关系。
φ(x，y)＝C×P(x，y)+B
C：比例常数，例如180°/π
B：任意的常数，例如0
其中，比例常数C和任意的常数B对于所有单位构成区域R为相同的值。
即，在要得到所要求的光学像的情况下，可以对该光学像进行傅立叶逆变换，将与其复振幅的相位对应的旋转角度分布φ(x，y)赋予多个异折射率区域16b。其中，激光光束的傅立叶变换后的远场像能够为单个或多个圆形、矩形、多边形等光斑形状，光斑的X-Y平面上的截面形状可以具有高斯函数形状或礼帽形状等。此外，可以具有1级光与-1级光双方不重叠的形状，其中1级光相对于与光输出面10a垂直的方向存在倾斜，-1级光在1级光于X-Y平面上旋转180°后的方向上输出。
作为根据经傅立叶变换得到的复振幅分布来求得强度分布和相位分布的方法，例如针对强度分布I(x，y)，能够通过使用MathWorks公司的数值分析软件“MATLAB”的abs函数来计算，而针对相位分布P(x，y)，能够通过使用MATLAB的angle函数来计算。
此处，说明在根据光学像的傅立叶变换结果求取旋转角度分布φ(x，y)，决定各异折射率区域16b的配置时，使用通常的离散傅立叶变换(或高速傅立叶变换)进行计算的情况下的注意要点。如图9(a)所示将傅立叶变换前的光学像分割成A1、A2、A3和A4这四个象限，则得到的光束图案如图9(b)所示。即，在图9(b)中，在光束图案的第一象限，会出现由图9(a)的第一象限的图案经180度旋转得到的图案与图9(a)的第三象限的图案的重叠图案。在光束图案的第二象限，会出现由图9(a)的第二象限的图案经180度旋转得到的图案与图9(a)的第四象限的图案的重叠图案。在光束图案的第三象限，会出现由图9(a)的第三象限的图案经180度旋转得到的图案与图9(a)的第一象限的图案的重叠图案。在光束图案的第四象限，会出现由图9(a)的第四象限的图案经180度旋转得到的图案与图9(a)的第二象限的图案的重叠图案。
从而，在作为傅立叶逆变换前的光学像(原光学像)使用了仅在第一象限具有值的图案的情况下，在得到的光束图案的第三象限会出现原光学像的第一象限的图案，在得到的光束图案的第一象限会出现由原光学像的第一象限经180度旋转得到的图案。
再次参照图1。空间光调制元件20对从半导体发光元件10A输出的光L1进行空间调制，将该调制后的光输出到发光装置1A的外部。由此，在发光装置1A的外部形成所要求的光学像。空间光调制元件20具有与光输出面10a相对(面对面)的光输入输出面20a。空间光调制元件20按每多个像素对经由光输入输出面20a输入的光L1的相位和强度中的至少一者进行调制，并从光输入输出面20a输出该调制后的光(反射光)。
空间光调制元件20的具体结构如下。空间光调制元件20是反射型的空间光调制元件，包括共用电极21、液晶层22、反射膜23、保护膜24、多个像素电极25和电路基板26。共用电极21是能够使光L1透射的透明电极，对多个像素以共用的方式设置。共用电极21的与液晶层22相反的一侧的表面构成光输入输出面20a。液晶层22配置在共用电极21与反射膜23之间。液晶层22例如由向列型液晶或强介电性液晶构成。在液晶层22的顶面和底面设置有未图示的取向膜。反射膜23是电介质多层膜或铝等的金属膜，能够反射包含光L1的波长在内的波段的光。半导体发光元件10A的光输出面10a与反射膜23的距离例如为3.0mm～3.5mm，典型的是3.1mm。多个像素电极25用于规定多个像素。多个像素电极25隔着反射膜23设置在与液晶层22相反的一侧，对配置在反射膜23与共用电极21之间的液晶层22按每个像素施加电场。对于1个第一部分8a，例如设置有数百个像素电极25。1个像素电极25的外形尺寸例如为5μm～40μm，典型的是20μm。
经由光输入输出面20a输入的光L1在透过共用电极21后到达液晶层22，并在反射膜23上发生反射。于是，反射后的光L1再次到达共用电极21。此时，在液晶层22的内部中，光L1被赋予了与利用像素电极25和共用电极21施加的电场的强度对应的相位变化。各像素电极25的施加电压能够基于所要求的光学像预先计算。
针对利用具有上述结构的本实施方式的发光装置1A得到的效果，与现有的发光装置的问题一起进行说明。图59是表示比较例的发光装置100的截面结构的示意图。该比较例的发光装置100包括半导体发光元件110和空间光调制元件20。半导体发光元件110是所有的光子晶体激光器，除了下述方面外，具有与本实施方式的半导体发光元件10A相同的结构。即，代替半导体发光元件10A的相位调制层16A，半导体发光元件110具有光子晶体层101。在光子晶体层101中，各异折射率区域的重心与虚拟的正方格子的格子点一致。并且，代替半导体发光元件10A的电极19，半导体发光元件110具有电极102。电极102具有开口102a，在该开口102a内设置有防反射膜103。
在比较例的发光装置100中，当向电极18与电极102之间供给驱动电流时，在活性层13内能够获得发光。从活性层13输出的光L2被输入到光子晶体层101的内部，在光子晶体层101内部的二维分布布拉格衍射效应的作用下以规定模式发生振荡。从光子晶体层101内输出的光L2通过电极18的开口，输出到半导体发光元件110的外部。光L2沿与半导体发光元件110的光输出面垂直的方向(光输出面的法线方向)输出。然后，在与半导体发光元件110相对设置的空间光调制元件20内对光L2进行调制。从空间光调制元件20输出的调制后的光(反射光)L2在通过半导体发光元件110后，输出到该发光装置100的外部。
不过，在这样的发光装置100中，调制后的光L2在通过半导体发光元件110时，会因半导体发光元件110的遮光性的构成要素(例如电极18等)导致产生衰减或衍射作用。即，光学像的质量将降低。此外，若为了避免这样的问题而使空间光调制元件20与半导体发光元件110配置成彼此分离，则用于进行空间光调制元件20与半导体发光元件110的光耦合的位置调整会变得复杂，并且发光装置100会变得大型化。在发光装置100包括多个半导体发光元件110的情况下，该问题更加严重。
针对上述问题，在本实施方式的发光装置1A中，将相位调制层16A中所含的多个异折射率区域16b的重心G分别配置成，从设定在X-Y平面(设计面)上的虚拟的正方格子的对应的格子点O去往重心G的矢量在绕该对应的格子点O的方向上具有规定的旋转角度。该情况下，与多个异折射率区域16b的重心G位于正方格子的格子点O上的半导体发光元件110相比，与光输出面10a垂直的方向(光输出面10a的法线方向)上输出的0级光的光强度降低，而相对于该法线方向倾斜的方向上输出的高级次的光(例如1级光和1级光)的光强度增大。从而，能够适宜地实现在相对于光输出面10a的法线方向倾斜的方向上输出光L1的半导体发光元件10A。
进而，在发光装置1A中，半导体发光元件10A包括第一部分8a和第二部分8b。电极18和电极19设置于第一部分8a，光L1从第一部分8a的光输出面10a输出。另一方面，从空间光调制元件20输出的调制后的光L1从第二部分8b透射。即使半导体发光元件10A的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a相对，由于半导体发光元件10A在相对于光输出面10a的法线方向倾斜的方向上输出光L1，所以能够形成这样的结构。于是，利用该结构，调制后的光L1能够避开电极18和电极19而输出到发光装置1A的外部。即，采用本实施方式，能够有效地降低半导体发光元件10A对调制后的光L1产生的衰减或衍射作用。
如上所述，采用本实施方式的发光装置1A，即使在空间光调制元件20与半导体发光元件10A靠近配置的结构下，也能够降低半导体发光元件10A对调制后的光L1产生的衰减或衍射作用。从而，用于进行空间光调制元件20与半导体发光元件10A的光耦合的位置调整变得容易，并且发光装置1A能够实现小型化。此外，由于半导体发光元件10A(第一部分8a)的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a相对，所以用于进行光耦合的位置调整变得更加容易，并且能够容易地将半导体发光元件10A固定于空间光调制元件20。
如本实施方式那样，发光装置1A可以包括设置在第二部分8b的半导体层叠部11的正面的防反射膜31，和设置在半导体衬底9的背面9b的防反射膜32。由此，能够降低调制后的光L1通过第二部分8b的半导体层叠部11的正面和半导体衬底9的背面9b时的损耗(提高发光装置1A的光输出效率)。
此外，如本实施方式那样，在第二部分8b的相位调制层16A可以不形成异折射率区域16b。由此，能够进一步降低半导体发光元件10A对调制后的光L1产生的衰减或衍射作用。
如本实施方式那样，电极18的平面形状可以为格子状。该情况下，电极18的一部分能够配置在第一部分8a的光输出面10a的中央部附近。由此，对第一部分8a的活性层13的中央部附近也能够充分地供给电流，能够进一步增大第一部分8a的光输出面10a的面积。
如本实施方式那样，从半导体发光元件10A输出的光L1可以是1级光和1级光中的至少一者。这样的光成分在相对于光输出面10a的法线方向倾斜的方向上输出。从而，能够适宜地实现具有上述效果的发光装置1A。
(第一变形例)
图10是上述第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件的俯视图。第一变形例的半导体发光元件除以下方面外具有与上述第一实施方式相同的结构。即，如图10所示，在本变形例的半导体发光元件中，电极18的平面形状不是格子状而是条纹状。具体而言，沿X轴方向(或Y轴方向)延伸的多个线状的电极部分在Y轴方向(或X轴方向)上排列，这些电极部分在两端经由沿Y轴方向(或X轴方向)延伸的另外的一对电极部分而彼此连结。多个线状的电极部分之间形成有防反射膜31。即使在该半导体发光元件具有这种形状的电极18的情况下，也能够适宜地实现与上述第一实施方式相同的效果。此外，电极18的形状不限于上述第一实施方式和本变形例，能够应用光L1可通过的各种形状。
(第二变形例)
图11是上述第一实施方式的第二变形例的半导体发光元件的底视图。第二变形例的半导体发光元件也是，除以下方面外具有与上述第一实施方式相同的结构。如图11所示，在本变形例的半导体发光元件中，电极19的平面形状构成为四边形的框状，电极19上设置有包含第一部分8a的中心部分的开口19a。电极19可以具有例如像这样包含开口的形状。即使采用这样的结构，也能够适宜地对活性层13供给电流。通过开口19a能够监视元件内部的发光状态。并且，能够抑制与图8所示的输出光束图案的中心Q对应的垂直方向的0级光在半导体衬底9中的吸收。当然也可以不存在开口19a。
(第三变形例)
图12是表示上述第一实施方式的第三变形例的发光装置1B的截面结构的示意图。本变形例的发光装置1B除了上述第一实施方式的发光装置1A的结构之外还包括支承基板(支承基片)40。其他结构与第一实施方式相同。支承基板40是板状的部件，由光L1能够透射的光透射性的材料(例如石英、蓝宝石、金刚石或包含它们中的至少二者的复合材料)构成。半导体发光元件10A经由支承基板40固定于空间光调制元件20。具体而言，支承基板40的一个板面经由防反射膜31与半导体发光元件10A的光输出面10a接合。支承基板40的另一个板面与空间光调制元件20的光输入输出面20a接合。支承基板40的一个板面与另一个板面彼此平行。
如本变形例的发光装置1B那样，半导体发光元件10A和空间光调制元件20可以经由支承基板40彼此接合。由此，能够提高发光装置1B的机械强度，降低因弯曲力导致发光装置1B损坏的概率。进而，半导体发光元件10A的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a之间的间隔能够容易地通过支承基板40的厚度进行调整。
(第四变形例)
图13是表示上述第一实施方式的第四变形例的发光装置1C的外观的立体图。图14是局部地表示图13所示的发光装置1C的截面结构的示意图。如图13和图14所示，代替上述第一实施方式的半导体发光元件10A，本变形例的发光装置1C包括半导体发光元件10B。半导体发光元件10B是由多个单位区域D1沿X轴方向和Y轴方向二维状排列而得到的半导体发光元件阵列，其中单位区域D1具有与第一实施方式的半导体发光元件10A相同的结构。图13中有代表性地表示了4个单位区域D1。单位区域D1的边长例如为0.01mm～25mm，典型的是1mm。
图15是半导体发光元件10B的放大俯视图。如图15所示，半导体发光元件10B的光输出面10a被分割为多个单位区域D1，各单位区域D1设置有电极18和防反射膜31。电极18与第一实施方式同样具有格子状的平面形状。或者也可以如图16所示，电极18与第一变形例同样具有条纹状的平面形状。此外，本变形例中，在各单位区域D1，第一部分8a和第二部分8b在Y轴方向上排列。并且，相邻的单位区域D1的第一部分8a彼此在X轴方向上排列，相邻的单位区域D1的第二部分8b彼此在X轴方向上排列。
图17是半导体发光元件10B的放大底视图。如图17所示，半导体衬底9的背面9b也被分割为多个单位区域D1。各单位区域D1设置有电极19和防反射膜32。电极19与第一实施方式同样具有四边形的平面形状。或者，电极19也可以与第二变形例(参照图11)同样呈具有开口的框状的平面形状。
在本变形例中，从各单位区域D1的第一部分8a输出的光L1被输入到与各单位区域D1对应的空间光调制元件20的区域。然后，光L1的相位在该区域受到调制，调制后的光L1在从该单位区域D1的第二部分8b透射后，输出到发光装置1C的外部。采用本变形例这样的结构也能够得到与第一实施方式相同的效果。通过像本变形例这样使用半导体发光元件阵列来生成多个光L1，能够得到与第一实施方式相比更大面积的光学像。另外，与后述的第七变形例相比，发光装置的制作较为容易，能够高精度地配置发光区域(第一部分8a)。
另外，本变形例中也是，可以在半导体发光元件10B与空间光调制元件20之间设置支承基板40。由此，能够提高发光装置1C的机械强度(降低因弯曲力导致发光装置1C损坏的概率)。进而，半导体发光元件10B的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a之间的间隔能够容易地通过支承基板40的厚度进行调整。
(第五变形例)
图18是表示上述第一实施方式的第五变形例的发光装置1D的截面结构的示意图。代替上述第一实施方式的半导体发光元件10A，本变形例的发光装置1D包括半导体发光元件10C。不同于第一实施方式的半导体发光元件10A，半导体发光元件10C从半导体衬底9的背面9b输出光L1。即，在本变形例中，半导体发光元件10C的光输出面10a包含在半导体衬底9的背面9b。因而，空间光调制元件20的光输入输出面20a与半导体衬底9的背面9b相对。半导体层叠部11相对于半导体衬底9设置在与空间光调制元件20相反的一侧。
本变形例中也是，半导体发光元件10C包括第一部分8a和相对于第一部分8a排列在沿着主面9a的方向上的第二部分8b。第一部分8a的接触层15上设置有电极33(第一电极)，第一部分8a的半导体衬底9的背面9b上设置有电极34(第二电极)。电极33与接触层15构成欧姆接触，电极34与半导体衬底9构成欧姆接触。图19是从光输出面10a一侧(即背面9b一侧)观察半导体发光元件10C的俯视图。图20是从半导体层叠部11的正面一侧观察半导体发光元件10C的底视图。如图18～图20所示，电极33和34仅设置在半导体发光元件10C的第一部分8a而没有设置在第二部分8b。而且，如图19所示，电极34具有四方框状的平面形状，具有包含第一部分8a的中心部分的开口34a。位于开口34a的内侧的背面9b由防反射膜31覆盖。第二部分8b的背面9b的整个面由防反射膜31覆盖。换言之，防反射膜31设置在背面9b(光输出面10a)上的除了电极34外的整个区域。从半导体发光元件10C输出的光L1通过电极34的开口34a。由于光L1通过电极34的开口34a，所以光L1能够不被电极34遮挡地从背面9b一侧适当地输出。另外，电极34的平面形状可以是图2所示的电极18那样的格子状，或图10所示的电极18那样的条纹状。
此外，如图20所示，在半导体层叠部11的正面，电极33具有例如四边形的平面形状，覆盖包含第一部分8a的中央部附近的部分。在第二部分8b的半导体层叠部11的正面上设置有防反射膜32。
在本变形例中也是，多个异折射率区域16b仅在第一部分8a的相位调制层16A中形成，而不在第二部分8b的相位调制层16A中形成。
当向电极33与电极34之间供给驱动电流时，在活性层13内发生电子与空穴的复合(发光)。对活性层13内的发光作出贡献的电子和空穴以及所产生的光，被有效地束缚在下部包层12与上部包层14之间。从活性层13输出的光被输入到相位调制层16A的内部，形成与相位调制层16A内部的格子结构对应的规定模式。从相位调制层16A内输出的光L1通过电极34的开口34a，输出到半导体发光元件10C的外部。此时，0级光沿与光输出面10a垂直的方向输出。而作为高级次的光(例如1级光或-1级光)的光L1则在相对于光输出面10a的法线方向倾斜的任意的方向上输出。
如本变形例那样，半导体发光元件可以是背面输出型的。即使采用这样的结构，也能够适宜地得到与上述第一实施方式相同的效果。不过，取决于光L1的波长与半导体衬底9的构成材料的组合，有时会因半导体衬底9中的光吸收导致光L1的损耗增大。该情况下，如第一实施方式那样使用正面输出型的半导体发光元件即可。
(第六变形例)
图21是局部地表示上述第一实施方式的第六变形例的发光装置1E的截面结构的示意图。如图21所示，代替上述第一实施方式的半导体发光元件10A，本变形例的发光装置1E包括半导体发光元件10D。半导体发光元件10D是由多个单位区域D2沿X轴方向和Y轴方向二维状排列而得到的半导体发光元件阵列，其中单位区域D2具有与第四变形例的半导体发光元件10C相同的结构。单位区域D2的边长例如为0.01mm～25mm，典型的是1mm。
图22是半导体发光元件10D的放大俯视图。如图22所示，半导体发光元件10D的光输出面10a被分割为多个单位区域D2，各单位区域D2设置有电极34和防反射膜31。电极34与第四变形例同样呈具有开口34a的框状的平面形状。此外，本变形例中，在各单位区域D2，第一部分8a和第二部分8b在Y轴方向上排列。并且，相邻的单位区域D2的第一部分8a彼此在X轴方向上排列，相邻的单位区域D2的第二部分8b彼此在X轴方向上排列。
图23是半导体发光元件10D的放大底视图。如图23所示，半导体衬底9的背面9b也被分割为多个单位区域D2。各单位区域D2设置有电极33和防反射膜32。电极33与第五变形例同样具有四边形的平面形状。或者，电极33也可以与第二变形例(参照图11)同样呈具有开口的框状的平面形状。
在本变形例中，从各单位区域D2的第一部分8a输出的光L1被输入到与各单位区域D2对应的空间光调制元件20的区域。然后，光L1的相位在该区域受到调制，调制后的光L1在从该单位区域D2的第二部分8b透射后，输出到发光装置1E的外部。采用本变形例这样的结构也能够得到与第一实施方式相同的效果。并且，通过像本变形例这样使用半导体发光元件阵列来生成多个光L1，能够得到与第一实施方式相比更大面积的光学像。
另外，本变形例中也是，可以在半导体发光元件10D与空间光调制元件20之间设置支承基板40。由此，能够提高发光装置1E的机械强度(降低因弯曲力导致发光装置1E损坏的概率)。进而，半导体发光元件10D的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a之间的间隔能够容易地通过支承基板40的厚度进行调整。
(第二实施方式)
图24是表示第二实施方式的发光装置1F的截面结构的示意图。代替第一实施方式的半导体发光元件10A，本实施方式的发光装置1F包括半导体发光元件10E。半导体发光元件10E不同于第一实施方式，不具有第二部分8b而仅具有相当于第一部分8a的部分。换言之，半导体发光元件10E具有与第一实施方式的半导体发光元件10A的第一部分8a相同的结构，但不具有用于使从空间光调制元件20输出的调制后的光L1透射的部分(相当于第一实施方式的半导体发光元件10A的第二部分8b的部分)。
空间光调制元件20的光输入输出面20a包括第一区域27和第二区域28。第一区域27和第二区域28例如沿Y轴方向排列。在第一区域27上经由支承基板40配置有半导体发光元件10E，第一区域27与光输出面10a相对。第二区域28上是什么都没有设置的空间。第一区域27和第二区域28的边长例如为100μm～1000μm，在一个例子中是400μm。第一区域27和第二区域28的边长可以相等也可以不同。
从半导体发光元件10E输出的光L1经由第一区域27输入到空间光调制元件20。然后，光L1的相位在空间光调制元件20中受到调制，调制后的光L1从第二区域28输出到发光装置1F的外部。
采用本实施方式这样的结构也能够得到与第一实施方式相同的效果。即，调制后的光L1能够避开半导体发光元件10E而输出到发光装置1F的外部，所以能够有效地降低半导体发光元件10E(尤其是电极18、19)对调制后的光L1产生的衰减或衍射作用。像这样，采用发光装置1F，即使在空间光调制元件20与半导体发光元件10E靠近配置的情况下，也能够降低半导体发光元件10E对调制后的光L1产生的衰减或衍射作用。从而，用于进行空间光调制元件20与半导体发光元件10E的光耦合的位置调整变得容易，并且发光装置1F能够实现小型化。此外，由于半导体发光元件10E的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a相对，所以用于进行光耦合的位置调整变得更加容易(能够容易地将半导体发光元件10E固定于空间光调制元件20)。
(第七变形例)
图25是表示上述第二实施方式的第七变形例的发光装置1G的外观的立体图。图26是局部地表示图25所示的发光装置1G的截面结构的示意图。如图25和图26所示，代替上述第一实施方式的半导体发光元件10A，本变形例的发光装置1G包括多个半导体发光元件10E。此外，空间光调制元件20的光输入输出面20a包括多个单位区域D3。多个单位区域D3沿X轴方向和Y轴方向二维状排列。各单位区域D3包括第一区域27和第二区域28。本变形例中，在各单位区域D3，第一区域27和第二区域28在Y轴方向上排列。多个半导体发光元件10E分别配置在多个单位区域D3各自的第一区域27上。单位区域D3的边长例如为0.01mm～25mm，典型的是1mm。
此外，本变形例的发光装置1G还包括1片支承基板41。支承基板41是板状的部件，由与第三变形例的支承基板40同样的材料构成。支承基板41将空间光调制元件20的多个单位区域D3一并覆盖。多个半导体发光元件10E经由共用的支承基板41固定于空间光调制元件20。具体而言，支承基板41的一个板面经由电极18和防反射膜31与多个半导体发光元件10E的光输出面10a接合。另一方面，支承基板41的另一个板面与空间光调制元件20的光输入输出面20a接合。多个半导体发光元件10E经由共用的支承基板41彼此固定。支承基板41的一个板面与另一个板面彼此平行。
图27(a)是表示本变形例的支承基板41的结构的立体图。如图27(a)所示，在支承基板41的一个板面上设置有焊盘电极43和多个元件电极42。多个元件电极42各自与多个半导体发光元件10E分别对应地设置在第一区域27上。各半导体发光元件10E的电极18与对应的元件电极42接合。各元件电极42包括设置在支承基板41的一个板面上的金属膜42a和设置在金属膜42a上的导电性粘接剂(例如焊锡)42b。如图27(b)所示，为了使光L1通过，金属膜42a和导电性粘接剂42b的平面形状与电极18的平面形状(例如格子状、条纹状、框状等)大致相同。多个元件电极42的金属膜42a由设置在支承基板41的一个板面上的配线44彼此电连接。焊盘电极43靠支承基板41的端部设置，与配线44的一端连接。对各元件电极42经由焊盘电极43供给电流。另外，图27(a)和图27(b)所示的支承基板41上的配线用电极不限于应用于半导体发光元件10E，也能够应用于半导体发光元件10F。该情况下，元件电极42的平面形状不是条纹状而是构成为框状。此外，即使是半导体发光元件10B、10D，也能够通过在支承基板40上形成同样的配线电极，来适宜地供给电流。金属膜42a和导电性粘接剂42b的材料可根据支承基板41的材质相应地选择。作为一例，在支承基板41为石英基板的情况下，金属膜42a可利用Ti/Au(Ti厚10nm/Au厚200nm)，导电性粘接剂42b可利用AuSn焊锡(厚3μm)等。此外，作为支承基板41，可以为了散热而在正面一侧组合金刚石板，也可以通过CVD在正面上形成金刚石膜。
在本变形例中，从各半导体发光元件10E输出的光L1在透过支承基板41后，从对应的单位区域D3的第一区域27输入到空间光调制元件20。然后，光L1的相位在空间光调制元件20中受到调制，调制后的光L1从第二区域28透过支承基板41，之后输出到发光装置1G的外部。采用本变形例这样的结构也能够得到与第二实施方式相同的效果。并且，通过像本变形例这样使多个半导体发光元件10E二维状排列，能够得到与第二实施方式相比更大面积的光学像。而且，与上述第四变形例相比，本变形例也能够应用于会被半导体衬底9吸收的波长的光L1。
在本变形例中，支承基板41设置在多个半导体发光元件10E与空间光调制元件20之间。由此，半导体发光元件10E的光输出面10a与空间光调制元件20的光输入输出面20a之间的间隔能够容易地通过支承基板41的厚度进行调整。进而，支承基板41具有用于对电极18供给电流的配线44，因此能够对被空间光调制元件20覆盖的多个半导体发光元件10E的电极18适宜地供给电流。
(第八变形例)
图28是表示第二实施方式的第八变形例的发光装置1H的截面结构的示意图。代替上述第二实施方式的半导体发光元件10E，本变形例的发光装置1H包括半导体发光元件10F。不同于第二实施方式的半导体发光元件10E，半导体发光元件10F从半导体衬底9的背面9b输出光L1。即，在本变形例中，半导体发光元件10F的光输出面10a包含在半导体衬底9的背面9b。因而，空间光调制元件20的光输入输出面20a与半导体衬底9的背面9b相对。半导体层叠部11相对于半导体衬底9设置在与空间光调制元件20相反的一侧。接触层15上设置有电极33(第一电极)，半导体衬底9的背面9b上设置有电极34(第二电极)。电极33、34的形状等半导体发光元件10F的详细的结构和动作与上述第五变形例的半导体发光元件10C相同。
本变形例中也是，空间光调制元件20的光输入输出面20a包括第一区域27和第二区域28。第一区域27和第二区域28例如沿Y轴方向排列。半导体发光元件10F经由支承基板40配置在第一区域27上，第一区域27与光输出面10a相对。第二区域28上是什么都没有设置的空间。从半导体发光元件10F输出的光L1在透过支承基板40后，经由第一区域27输入到空间光调制元件20。然后，光L1的相位在空间光调制元件20中受到调制，之后，调制后的光L1从第二区域28经由支承基板40输出到发光装置1H的外部。
如本变形例那样，半导体发光元件可以是背面输出型的。即使采用这样的结构，也能够适宜地得到与上述第二实施方式相同的效果。不过，取决于光L1的波长与半导体衬底9的构成材料的组合，有时会因半导体衬底9中的光吸收导致光L1的损耗增大。该情况下，如第二实施方式那样可以应用正面输出型的半导体发光元件。
(第九变形例)
图29是表示第二实施方式的第九变形例的发光装置1J的截面结构的示意图。在本变形例的发光装置1H中，空间光调制元件20的光输入输出面20a包括与1个第一区域27对应的多个第二区域28。多个第二区域28设置在与第一区域27的周围相邻的任意位置上。在一个例子中，如图29所示，一对第二区域28夹着第一区域27设置于两侧。或者，多个第二区域28可以设置成与第一区域27的多个边分别相邻，进而也可以将另外的一个或多个第二区域28设置成在对角方向上与第一区域27相邻。在第一区域27上经由支承基板40配置有半导体发光元件10E，第一区域27与光输出面10a相对。而多个第二区域28上是什么都没有设置的空间。
如本变形例那样，空间光调制元件20的光输入输出面20a可以包括设置在第一区域27的周围的多个第二区域28。由此，从半导体发光元件10E向多个方向输出光L1，能够形成更加多种多样的光学像。此时，如图8和图29所示，例如对于去往第一象限的输出光束，在相对的第三象限也会输出光束，而通过使第二区域28关于第一区域27相对地配置，能够有效利用输出到上述相对的象限的光束(能够抑制输出光束的损耗)。另外，本变形例可以如第七变形例那样设置多个半导体发光元件10E。并且也可以如第八变形例那样，代替正面输出型的半导体发光元件10E而设置背面输出型的半导体发光元件10F。
(第十变形例)
针对光输入输出面20a上设置有多个半导体发光元件10E(或10F)的情况下的第一区域27和第二区域28的配置示例详细进行说明。图30(a)～图33(c)是表示光输入输出面20a上的第一区域27和第二区域28的配置示例的图。图30(a)是表示第一区域27和第二区域28一一对应的情况下(参照第二实施方式)的基本配置的图。该情况下，光输入输出面20a的开口率为50％。从第二区域28输出1级光和1级光中的任一者。图30(b)和图30(c)表示使沿某方向分别排列的第一区域27的列和第二区域28的列在与该方向正交的方向上交替配置的例子。图30(d)表示将第一区域27和第二区域28如棋盘格图案那样排列在对角方向上的例子。
另外，图31(a)～图31(d)是表示1个第一区域27与多个第二区域28对应的情况下的基本配置的图。图31(a)中，2个第二区域28以夹着1个第一区域27的方式配置(参照图29)。该情况下，光输入输出面20a的开口率为66％。图31(b)中，4个第二区域28配置成与1个第一区域27的4边分别相邻。该情况下，光输入输出面20a的开口率为75％。图31(c)中，除了图31(a)的配置之外，进一步在第一区域27的对角方向上配置了4个第二区域28。该情况下，1个第一区域27与6个第二区域28对应，故光输入输出面20a的开口率为86％。图31(d)中，除了图31(b)的配置之外，进一步在第一区域27的对角方向上配置了4个第二区域28。该情况下，1个第一区域27与8个第二区域28对应，故光输入输出面20a的开口率为89％。
在上述配置下，从一部分第二区域28输出1级光，从剩余部分的第二区域28输出-1级光。具体而言，在图31(a)的配置下，例如从第一区域27左侧的第二区域28输出-1级光，从第一区域27右侧的第二区域28输出1级光。在图31(b)配置下，例如从第一区域27左侧和下侧的第二区域28输出-1级光，从第一区域27右侧和上侧的第二区域28输出1级光。在图31(c)配置下，例如从第一区域27左侧、左上和左下的3个第二区域28输出-1级光，从第一区域27右侧、右上和右下的3个第二区域28输出1级光。在图31(d)配置下，例如从第一区域27左侧、左上、左下和下侧的4个第二区域28输出-1级光，从第一区域27右侧、右上、右下和上侧的4个第二区域28输出1级光。像这样，可以将输出-1级光的第二区域28和输出1级光的第二区域28配置成关于第一区域27对称。
图32(a)和图32(b)是表示将图31(a)的基本配置以统一的方向排列多个的状态。在图32(a)中，第一区域27的位置在相邻的基本配置之间对齐。在图32(b)中，第一区域27的位置在相邻的基本配置之间交替错开。图32(c)是表示将图31(b)的基本配置以不产生间隙的方式排列多个的状态。图33(a)是表示将图31(b)和图31(c)的基本配置交替地以不产生间隙的方式排列的状态。图33(b)和图33(c)是表示将图31(d)的基本配置以不产生间隙的方式排列多个的状态。在图33(b)中，第一区域27的位置在相邻的基本配置之间对齐。在图33(c)中，第一区域27的位置在相邻的基本配置之间交替错开。空间光调制元件20的光输入输出面20a可以包含例如上述图30(b)～30(d)、图32或图33所示的配置。
在此，对1个第一区域27与多个第二区域28对应的情况下的相位调制层16A的振幅分布和相位分布进行说明。图34(a)、图36(a)和图38(a)是表示相位调制层16A的振幅分布即线段长r(x，y)的分布的例子的图。在这些图中，线段长r(x，y)通过明暗来表示，值越大则越明亮。另外，图34(b)、图36(b)和图38(b)是表示相位调制层16A的相位分布即旋转角度φ(x，y)的分布的例子的图。在这些图中，角度φ(x，y)通过明暗来表示，值越大则越明亮。图35表示由具有图34(a)的振幅分布和图34(b)的相位分布的相位调制层16A实现的远场像。如图35所示，在该例子中，从半导体发光元件10E(或10F)输出包含2个光斑的光L1。图37表示由具有图36(a)的振幅分布和图36(b)的相位分布的相位调制层16A实现的远场像。如图37所示，在该例子中，从半导体发光元件10E(或10F)输出包含3个光斑的光L1。图39表示由具有图38(a)的振幅分布和图38(b)的相位分布的相位调制层16A实现的远场像。如图39所示，在该例子中，从半导体发光元件10E(或10F)输出包含4个光斑的光L1。
另外，本变形例中说明了多个半导体发光元件10E(或10F)设置在光输入输出面20a上的情况下的第一区域27和第二区域28的配置。不过，该配置也能够应用于如第四变形例(参照图13～图17)那样，半导体发光元件10B为包括多个单位区域D1的半导体发光元件阵列的情况下的第一部分8a和第二部分8b的配置。该情况下，可以在上述配置中将第一区域27置换为第一部分8a并将第二区域28置换为第二部分8b进行考虑。
(第十一变形例)
在上述第四变形例(参照图13～图17)中，作为半导体发光元件10B应用了具有分别输出光L1的多个单位区域D1的半导体发光元件阵列。并且，在第六变形例(参照图21～图23)中，作为半导体发光元件10D应用了具有分别输出光L1的多个单位区域D2的半导体发光元件阵列。此外，在第七变形例(参照图25～图26和图27(a)～图27(b))中，多个半导体发光元件10E排列在光输入输出面20a的多个单位区域D3上。在如这些变形例那样存在多个输出光L1的发光区域的情况下，通过在各发光区域的光路上配置例如荧光体这样的波长转换介质，能够任意地改变从发光装置输出的光L1的波长。尤其是，通过配置将光L1的波长分别转换到红色波段、绿色波段和蓝色波段的3种波长转换介质，能够实现发光装置的多彩化。在光L1的波长包含于红色波段、绿色波段和蓝色波段中的任一者的情况下，针对该波段能够省去波长转换介质。另外，波长转换介质可以是转换成比光L1的波长长的波长的下转换介质，也可以是转换成比光L1的波长短的波长的上转换介质。
图40是表示本变形例的发光装置1K的截面结构的示意图。该发光装置1K除了图14所示的发光装置1C的结构之外，还包括多个波长转换介质51。各波长转换介质51在各单位区域D1设置在第二部分8b的防反射膜32上。从各单位区域D1的第一部分8a输出的光L1在空间光调制元件20中受到调制。之后，调制后的光L1在依次通过各单位区域D1的第二部分8b、波长转换介质51后，输出到发光装置1K的外部。
图41是表示本变形例的另外的发光装置1L的截面结构的示意图。该发光装置1L具有这样的结构，即，从图14所示的发光装置1C的结构中除去了支承基板40，并在各单位区域D1的第一部分8a与空间光调制元件20之间设置了波长转换介质51。例如，波长转换介质51以覆盖电极18的开口18a的方式设置在光输出面10a上。从各单位区域D1的第一部分8a输出的光L1经由波长转换介质51输入到空间光调制元件20，在该空间光调制元件20中受到调制。然后，调制后的光L1透过各单位区域D1的第二部分8b，输出到该发光装置1L的外部。
在上述发光装置1K和1L中，半导体发光元件10B可以置换成第六变形例的半导体发光元件10D。该情况下，在发光装置1K中，波长转换介质51设置在各单位区域D2的第二部分8b的防反射膜32上。而在发光装置1L中，波长转换介质51设置在各单位区域D2的第一部分8a与空间光调制元件20之间。例如，波长转换介质51以覆盖电极34的开口34a的方式设置在背面9b上。
图42是表示本变形例的再另外的发光装置1M的截面结构的立体图。该发光装置1M除了第七变形例的发光装置1G的结构之外，还包括多个波长转换介质51。各波长转换介质51在各单位区域D3设置在光输入输出面20a的第二区域28上。例如，各波长转换介质51设置在支承基板41的与空间光调制元件20相反的一侧的面上。从各半导体发光元件10E输出的光L1被输入到空间光调制元件20。之后，调制后的光L1在通过支承基板41和波长转换介质51后输出到发光装置1M的外部。
图43是表示本变形例的再另外的发光装置1N的截面结构的立体图。该发光装置1N除了第七变形例的发光装置1G的结构之外，还包括多个波长转换介质51。各波长转换介质51设置在各半导体发光元件10E与空间光调制元件20之间。例如，各波长转换介质51被夹在各半导体发光元件10E与支承基板41之间。从各半导体发光元件10E输出的光L1在通过波长转换介质51和支承基板41之后，输入到空间光调制元件20的第一区域27。然后，在空间光调制元件20中经过调制的光L1从第二区域28透过支承基板41，之后输出到发光装置1N的外部。
在上述发光装置1M和1N中，半导体发光元件10E可以置换成第八变形例的半导体发光元件10F。该情况下，在发光装置1N中，波长转换介质51设置在各半导体发光元件10F与空间光调制元件20之间。例如，波长转换介质51以覆盖电极34的开口34a的方式设置在背面9b上。
图44(a)～图44(c)是表示各波长转换介质51中的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的转换区域的配置的例子的图。在这些例子中，包含红色、绿色和蓝色的转换区域的单位区域在某个方向上排列，而在各单位区域中，红色、绿色和蓝色的转换区域在与该方向交叉的方向上排列。在图44(a)和图44(b)所示的例子中，在各单位区域，红色、绿色和蓝色的转换区域在相同方向上排列。而在图44(c)所示的例子中，在相邻的单位区域之间，转换区域的排列顺序彼此不同。例如，通过像这些例子那样使红色、绿色和蓝色的转换区域彼此相邻配置，能够得到精细的、多彩的光学像。这些转换区域例如可以设置成与空间光调制元件20的多个像素电极25分别对应(一一对应)。
(第十二变形例)
上述实施方式的图4表示了X-Y平面(相位调制层16A的设计面)上的异折射率区域16b的形状为圆形的例子，但异折射率区域16b也可以具有圆形以外的形状。例如，X-Y平面上的异折射率区域16b的形状也可以具有镜像对称性(线对称性)。在此，镜像对称性(线对称性)指的是，隔着沿X-Y平面的任意直线，位于该直线的一侧的异折射率区域16b的平面形状与位于该直线的另一侧的异折射率区域16b的平面形状彼此能够形成镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的平面形状，能够列举例如图45(a)所示的正圆、图45(b)所示的正方形、图45(c)所示的正六边形、图45(d)所示的正八边形、图45(e)所示的正16边形、图45(f)所示的长方形和图45(g)所示的椭圆等。像这样，通过使X-Y平面上的异折射率区域16b的平面形状具有镜像对称性(线对称性)，在相位调制层16A中，能够高精度地确定从虚拟的正方格子的各格子点去往对应的各异折射率区域16b的重心的矢量与X轴所成的角度φ(以高精度形成图案)。
此外，X-Y平面上的异折射率区域16b的平面形状也可以是不具有180°旋转对称性的形状。作为这样的形状，能够列举例如图46(a)所示的正三角形、图46(b)所示的直角等腰三角形、图46(c)所示的2个圆或椭圆部分重叠的形状、图46(d)所示的蛋形形状、图46(e)所示的泪滴形状、图46(f)所示的等腰三角形、图46(g)所示的箭头形状、图46(h)所示的梯形、图46(i)所示的五边形、图46(j)所示的2个矩形彼此部分重叠的形状和图46(k)所示的2个矩形彼此部分重叠且不具有镜像对称性的形状等。其中，蛋形形状是以椭圆的长轴上的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的短轴方向的尺寸的方式进行变形而得到的形状。泪滴形状是使椭圆的长轴上的一个端部变形成沿长轴方向突出成尖锐端部而得到的形状。箭头形状是使矩形的一边呈三角形凹陷，而相对的边呈三角形突出的形状。像这样，通过使X-Y平面上的异折射率区域16b的平面形状不具有180°旋转对称性，能够得到更强的光输出。
(第十三变形例)
图47是上述各实施方式的第十三变形例的相位调制层16B的平面图。上述实施方式的相位调制层16A可以置换为本变形例的相位调制层16B。本变形例的相位调制层16B除了上述各实施方式的相位调制层16A的结构外，还具有与多个异折射率区域16b不同的多个异折射率区域16c。各异折射率区域16c包含周期性结构，由折射率与基层16a的第一折射率介质不同的第二折射率介质构成。与异折射率区域16b同样地，异折射率区域16c可以是空孔，也可以具有在空孔中嵌入了化合物半导体的结构。在此，如图48所示，本变形例也令从格子点O去往重心G的矢量与s轴所成的角度为φ(x，y)。坐标成分x表示X轴上的第x个格子点的位置，坐标成分y表示Y轴上的第y个格子点的位置。在旋转角度φ为0°的情况下，从格子点O去往重心G的矢量的方向与X轴的正向一致。另外，令从格子点O去往重心G的矢量的长度为r(x，y)。在一个例子中，r(x，y)不依赖于坐标成分x、y(遍布整个相位调制层16B)为一定值。
各异折射率区域16c分别与各异折射率区域16b一对一地对应设置。并且，各异折射率区域16c位于虚拟的正方格子的格子点O上，在一个例子中，各异折射率区域16c的重心与虚拟的正方格子的格子点O一致。异折射率区域16c的平面形状例如为圆形，但与异折射率区域16b同样地，可以具有各种平面形状。图49(a)～图49(k)表示异折射率区域16b、16c在X-Y平面上的平面形状和相对关系的例子。图49(a)和图49(b)表示异折射率区域16b、16c具有相同形状的图形且彼此的重心隔开间隔的形态。图49(c)和图49(d)表示异折射率区域16b、16c具有相同形状的图形，彼此的重心隔开间隔且彼此部分重叠的形态。图49(e)表示异折射率区域16b、16c具有相同形状的图形，彼此的重心隔开间隔且在各格子点处任意地设定了异折射率区域16b、16c的相对角度(旋转了任意的角度)的形态。图49(f)表示异折射率区域16b、16c具有彼此不同形状的图形且彼此的重心隔开间隔的形态。图49(g)表示异折射率区域16b、16c具有彼此不同形状的图形，彼此的重心隔开间隔且按各格子点任意地设定了异折射率区域16b、16c的相对角度(旋转了任意的角度)的形态。这之中，图49(e)和图49(g)的2个异折射率区域16b、16c以彼此不重叠的方式旋转。
此外，如图49(h)～图49(k)所示，异折射率区域16b也可以为包括彼此隔开间隔的2个区域16b1、16b2的结构。而且，可以使区域16b1、16b2合在一起的重心与异折射率区域16c的重心隔开间隔，并按每个格子点任意地设定连接区域16b1、16b2的直线相对于X轴所成的角度。另外，在该情况下，如图49(h)所示，区域16b1、16b2和异折射率区域16c可以彼此具有相同形状的图形。或者如图49(i)所示，可以在区域16b1、16b2和异折射率区域16c之中使2个图形与其他的图形不同。另外，如图49(j)所示，除了连接区域16b1、16b2的直线相对于X轴的角度之外，也可以按每个格子点任意地设定异折射率区域16c相对于X轴的角度。另外，如图49(k)所示，也可以使区域16b1、16b2和异折射率区域16c彼此维持相同的相对角度，同时按每个格子点任意地设定连接区域16b1、16b2的直线相对于X轴的角度。在这之中的图49(j)和图49(k)中，区域16b1、16b2可以以不与异折射率区域16c重叠的方式旋转。
X-Y平面上的异折射率区域的平面形状在格子点之间可以彼此相同。即，异折射率区域可以在所有的格子点具有相同图形，在格子点之间能够通过进行平移操作或进行平移操作和旋转操作来使图形彼此重合。该情况下，能够抑制输出光束图案内的噪声光和作为噪声的0级光的产生。或者，X-Y平面上的异折射率区域的平面形状在格子点之间也可以不必相同，例如可以如图50所示，使形状在相邻的格子点之间彼此不同。
即使采用例如本变形例这样的相位调制层的结构，也能够适宜地实现上述实施方式的效果。
(第十四变形例)
接着对基于轴上偏移方式决定相位调制层16A中的异折射率区域16b的配置图案的情况进行说明。不过，即使在作为相位调制层16A中的异折射率区域16b的配置图案决定方法，代替上述旋转方式应用了轴上偏移方式的情况下，得到的相位调制层也能够应用于上述各种实施方式的该半导体发光模块。在采用轴上偏移方式的情况下，能够统一从光源入射的偏振方向，因此入射到空间光调制元件的光的偏振方向能够统一，具有能够改善光利用效率并抑制不需要的光的效果。
图51是用于说明相位调制层16A中的异折射率区域16b的配置图案(轴上偏移方式)的示意图。相位调制层16A包括基层16a和具有与基层16a的折射率不同的折射率的异折射率区域16b。此处，与图4的例子同样地，在相位调制层16A设定了规定于X-Y平面上的虚拟的正方格子。正方格子的一边与X轴平行，另一边与Y轴平行。此时，以正方格子的格子点O为中心的正方形形状的单位构成区域R能够遍布沿X轴的多个列(x1～x4)和沿Y轴的多个行(y1～y3)设定成二维状。若各单位构成区域R的坐标由各单位构成区域R的重心位置给出，则该重心位置与虚拟的正方格子的格子点O一致。多个异折射率区域16b一一设置在各单位构成区域R内。异折射率区域16b的平面形状例如为圆形形状。格子点O可以位于异折射率区域16b的外部，也可以包含在异折射率区域16b的内部。
将异折射率区域16b的面积S在一个单位构成区域R内所占的比例称作填充因子(FF)。令正方格子的格子间距为a，则异折射率区域16b的填充因子FF由S/a2给出。S是X-Y平面上的异折射率区域16b的面积，在异折射率区域16b的形状为例如正圆的情况下，能够使用正圆的直径D给出S＝π(D/2)2。而在异折射率区域16b的形状为正方形的情况下，能够使用正方形的边长LA给出S＝LA2。
图52是作为基于轴上偏移方式决定的配置图案之一例，用于说明异折射率区域16b的重心G与虚拟的正方格子的格子点O(x，y)之间的位置关系的图。如图52所示，各异折射率区域16b的重心G被配置在直线L上。直线L是通过单位构成区域R(x，y)的对应的格子点O(x，y)且相对于正方格子的各边倾斜的直线。换言之，直线L是相对于规定单位构成区域R(x，y)的s轴和t轴双方均倾斜的直线。直线L相对于s轴的倾斜角为θ。倾斜角θ在相位调制层16A内是一定的。倾斜角θ满足0°＜θ＜90°，在一个例子中θ＝45°。或者，倾斜角θ满足180°＜θ＜270°，在一个例子中θ＝225°。在倾斜角θ满足0°＜θ＜90°或180°＜θ＜270°的情况下，直线L从由s轴和t轴规定的坐标平面的第一象限延伸至第三象限。或者，倾斜角θ满足90°＜θ＜180°，在一个例子中θ＝135°。或者，倾斜角θ满足270°＜θ＜360°，在一个例子中θ＝315°。在倾斜角θ满足90°＜θ＜180°或270°＜θ＜360°的情况下，直线L从由s轴和t轴规定的坐标平面的第二象限延伸至第四象限。像这样，倾斜角θ是除0°、90°、180°和270°之外的角度。在此，令格子点O(x，y)与重心G的距离为r(x，y)。x表示X轴上的第x个格子点的位置，y表示Y轴上的第y个格子点的位置。在距离r(x，y)为正值的情况下，重心G位于第一象限(或第二象限)。在距离r(x，y)为负值的情况下，重心G位于第三象限(或第四象限)。在距离r(x，y)为0的情况下，格子点O与重心G彼此一致。
图51所示的各异折射率区域16b的重心G与单位构成区域R(x，y)的对应的格子点O(x，y)之间的距离r(x，y)，是根据作为目标的输出光束图案(光学像)对每个异折射率区域16b单独设定的。距离r(x，y)的分布在每个由x(图51的例子中为x1～x4)和y(图51的例子中为y1～y3)的值决定的位置具有特定的值，但不限于一定能够以特定的函数表示。距离r(x，y)的分布是这样决定的：对作为目标的输出光束图案进行傅立叶逆变换，从得到的复振幅分布中提取相位分布，根据提取的结果决定距离r(x，y)的分布。即，在图52所示的单位构成区域R(x，y)中的相位P(x，y)为P0的情况下，距离r(x，y)设定为0，在相位P(x，y)为π+P0的情况下，距离r(x，y)设定为最大值R0，在相位P(x，y)为-π+P0的情况下，距离r(x，y)设定为最小值-R0。而对于其中间的相位P(x，y)，距离r(x，y)设定为r(x，y)＝[P(x，y)-P0]×R0/π。在此，初始相位P0能够任意设定。令正方格子的格子间距为a，r(x，y)的最大值R0例如为下式(10)的范围。
[式10]
此外，在根据作为目标的输出光束图案求取复振幅分布时，通过应用在生成全息图的计算时通常使用的Gerchberg-Saxton(GS)法那样的迭代算法，光束图案的重现性得到提高。
作为输出光束图案得到的光学像与相位调制层16A中的相位分布P(x，y)之间的关系与上述旋转方式的情况(图5)相同。因而，在规定正方格子的上述第一前提条件、由上述式(1)～式(3)规定的上述第二前提条件、由上述式(4)和式(5)规定的上述第三前提条件以及由上述式(6)和式(7)规定的上述第四前提条件下，相位调制层16A构成为满足以下条件。即，以从格子点O(x，y)到对应的异折射率区域16b的重心G的距离r(x，y)满足下述关系的方式，在单位构成区域R(x，y)内配置该对应的异折射率区域16b。
r(x，y)＝C×(P(x，y)-P0)
C：比例常数，例如R0/π
P0：任意的常数，例如0
即，距离r(x，y)在单位构成区域R(x，y)中的相位P(x，y)为P0的情况下设定为0，在相位P(x，y)为π+P0的情况下设定为最大值R0，在相位P(x，y)为-π+P0的情况下设定为最小值-R0。在要得到作为目标的输出光束图案的情况下，可以对该输出光束图案进行傅立叶逆变换，将与其复振幅的相位P(x，y)对应的距离r(x，y)的分布赋予多个异折射率区域16b。相位P(x，y)和距离r(x，y)可以彼此成比例。
其中，激光光束的傅立叶变换后的远场像能够为一个或者多个光斑形状、圆环形状、直线形状、文字形状、双圆环形状或者拉盖尔高斯光束形状等各种的形状。此外，由于输出光束图案是由远场的角度信息表示的，因此在作为目标的输出光束图案是由二维的位置信息表示的位图图像等的情况下，也可以先将其变换为角度信息，之后变换到波数空间，然后再进行傅立叶逆变换。
作为根据经傅立叶逆变换得到的复振幅分布来求得强度分布和相位分布的方法，例如针对强度分布(A(x，y))，能够通过使用MathWorks公司的数值分析软件“MATLAB”的abs函数来计算，而针对相位分布P(x，y)，能够通过使用MATLAB的angle函数来计算。
图53(a)～图53(g)和图54(a)～图54(k)是表示异折射率区域的平面形状的各种例子(轴上偏移方式)的图。在上述例子中，X-Y平面上的异折射率区域16b的形状为圆形。不过，异折射率区域16b也可以具有圆形以外的形状。例如，异折射率区域16b的形状也可以具有镜像对称性(线对称性)。在此，镜像对称性(线对称性)指的是，隔着沿X-Y平面的一条直线，位于该直线的一侧的异折射率区域16b的平面形状与位于该直线的另一侧的异折射率区域16b的平面形状彼此能够形成镜像对称(线对称)。作为具有镜像对称性(线对称性)的形状，能够列举例如图53(a)所示的正圆、图53(b)所示的正方形、图53(c)所示的正六边形、图53(d)所示的正八边形、图53(e)所示的正16边形、图53(f)所示的长方形和图53(g)所示的椭圆等。像这样，在X-Y平面上的异折射率区域16b的形状具有镜像对称性(线对称性)的情况下，在相位调制层16A的虚拟的正方格子的各单位构成区域R，由于构成为简单的形状，所以能够从格子点O高精度地确定异折射率区域16b的重心G的方向和位置。即，能够以高精度形成图案。
此外，X-Y平面上的异折射率区域16b的形状也可以是不具有180°旋转对称性的形状。作为这样的形状，能够列举例如图54(a)所示的正三角形、图28(b)所示的直角等腰三角形、图54(c)所示的2个圆或椭圆部分重叠的形状、图54(d)所示的蛋形形状、图54(e)所示的泪滴形状、图54(f)所示的等腰三角形、图54(g)所示的箭头形状、图54(h)所示的梯形、图54(i)所示的五边形、图54(j)所示的2个矩形彼此部分重叠的形状和图54(k)所示的2个矩形彼此部分重叠且不具有镜像对称性的形状等。其中，蛋形形状是以椭圆的长轴上的一个端部附近的短轴方向的尺寸小于另一个端部附近的短轴方向的尺寸的方式进行变形而得到的形状。泪滴形状是使椭圆的长轴上的一个端部变形成沿长轴方向突出成尖锐端部而得到的形状。箭头形状是使矩形的一边呈三角形凹陷，而相对的边呈三角形突出的形状。像这样，通过使X-Y平面上的异折射率区域16b的形状不具有180°旋转对称性，能够得到更强的光输出。另外，异折射率区域16b可以如图54(j)和图54(k)所示由多个要素构成，该情况下，异折射率区域16b的重心G为多个构成要素的合成重心。
图55(a)～图55(k)是表示异折射率区域的平面形状的再另外的例子(轴上偏移方式)的图。图56是表示图51的相位调制层的第二变形例的图。
在该图55(a)～图55(k)和图56所示的例子中，各异折射率区域16b由多个构成要素16c、16d(各自为异折射率区域)构成。重心G是所有构成要素的合成重心，位于直线L上。构成要素16c、16d双方具有与基层16a的折射率不同的折射率。构成要素16c、16d双方可以是空孔，也可以在空孔中嵌入化合物半导体而构成。在各单位构成区域R，构成要素16c与构成要素16d分别一对一地对应设置。并且，构成要素16c、16d合在一起的重心G位于直线L上，其中，直线L横穿构成虚拟的正方格子的单位构成区域R的格子点O。并且，任一构成要素16c、16d均位于构成虚拟的正方格子的单位构成区域R的范围内。单位构成区域R是由将虚拟的正方格子的格子点之间2等分的直线围成的区域。
构成要素16c的平面形状例如为圆形，但如图53(a)～图53(g)和图54(a)～图54(k)所示的各种例子那样，能够具有各种形状。图55(a)～图55(k)表示了X-Y平面上的构成要素16c、16d的形状和相对关系的例子。图55(a)和图55(b)表示构成要素16c、16d双方具有相同形状的图形的形态。图55(c)和图55(d)表示构成要素16c、16d双方具有相同形状的图形且彼此部分重叠的形态。图55(e)表示构成要素16c、16d双方具有相同形状的图形，且按每个格子点任意设定构成要素16c、16d的重心间的距离的形态。图55(f)表示构成要素16c、16d具有彼此不同形状的图形的形态。图55(g)表示构成要素16c、16d具有彼此不同形状的图形，且按每个格子点任意设定构成要素16c、16d的重心间的距离的形态。
此外，如图55(h)～图55(k)所示，构成异折射率区域16b的一部分的构成要素16d可以由彼此隔开间隔的2个区域16d1、16d2构成。并且，区域16d1、16d2合在一起的重心(相当于单个构成要素16d的重心)与构成要素16c的重心之间的距离可以按每个格子点任意设定。另外，在该情况下，如图55(h)所示，区域16d1、16d2和构成要素16c可以彼此具有相同形状的图形。或者如图55(i)所示，区域16d1、16d2和构成要素16c之中的2个图形可以与其他的图形不同。另外，如图55(j)所示，除了连接区域16d1、16d2的直线相对于s轴的角度之外，也可以按每个单位构成区域R任意地设定构成要素16c相对于s轴的角度。另外，如图55(k)所示，也可以使区域16d1、16d2和构成要素16c彼此维持相同的相对角度，同时按每个单位构成区域R任意设定连接区域16d1、16d2的直线相对于s轴的角度。
另外，异折射率区域16b的平面形状在单位构成区域R之间可以彼此相同。即，异折射率区域16b可以在所有的单位构成区域R具有相同图形，在格子点之间能够通过进行平移操作或进行平移操作和旋转操作来使图形彼此重合。该情况下，能够抑制输出光束图案内的噪声光和作为噪声的0级光的产生。或者，异折射率区域16b的平面形状在单位构成区域R之间也可以不必相同，例如可以如图56所示，使形状在相邻的单位构成区域R之间彼此不同。此外，在图53(a)～图53(g)、图54(a)～图54(k)、图55(a)～图55(k)和图56中的任一情况下，均优选将通过各格子点O的直线L的中心设定成与格子点O一致。
如上所述，即使采用异折射率区域的配置图案基于轴上偏移方式决定的相位调制层的结构，也能够适宜地实现与应用了异折射率区域的配置图案基于旋转方式决定的相位调制层的实施方式同样的效果。
(第十五变形例)
图57(a)～图57(e)和图58(a)～图58(g)是表示图1等所示的电极18或图18等所述的电极34的平面形状的另外的例子的图。图57(a)和图57(b)表示将直径彼此不同的多个圆环状的电极部分配置成同心圆(具有共同的中心)得到的平面形状。多个电极部分由沿径向延伸的直线状的电极部分彼此连结。直线状的电极部分可以如图57(a)所示设置多根，也可以如图57(b)所示仅设置1根。
图57(c)表示多个线状的电极部分从某个中心点呈辐射状扩展的平面形状。这些电极部分在两端经由以上述中心点为中心的一对圆环状的电极部分彼此连结。图57(d)表示使图10的多个线状的电极部分相对于X轴方向(或Y轴方向)倾斜的情况。图57(e)表示使图10的多个线状的电极部分彼此的间隔不一定(使之非周期性)的情况。
图58(a)表示2个梳齿状的电极相对而构成的平面形状，其中在各梳齿状的电极中，沿X轴方向(或Y轴方向)延伸的多个线状的电极部分在Y轴方向(或X轴方向)上排列，它们的一端经由沿Y轴方向(或X轴方向)延伸的另外的电极部分彼此连结。一个梳齿状电极的多个线状的电极部分和另一个梳齿状电极的多个线状的电极部分沿Y轴方向(或X轴方向)交替配置。图58(b)表示仅由图58(a)所示的一个梳齿状电极构成的形状。
图58(c)表示鱼骨形状，其中，沿X轴方向(或Y轴方向)延伸的多个线状的电极部分在Y轴方向(或X轴方向)上排列，它们的中央部经由沿Y轴方向(或X轴方向)延伸的另外的电极部分彼此连结。图58(d)表示沿X轴方向(或Y轴方向)延伸的多个线状的电极部分交替地在一端和另一端彼此连结得到的方波形状。图58(e)表示由六边形形状的单位结构二维排列多个而得到的蜂巢形状。图58(f)表示螺旋形状。图58(g)表示使正方格子的框线相对于X轴方向和Y轴方向倾斜得到的斜网格形状。
电极18、34的平面形状不限于上述第一实施方式那样的正方格子状(参照图2)、第一变形例那样的条纹形状(参照图10)、第五变形例那样的框状(参照图19)，能够应用例如本变形例所示的各种平面形状。本变形例所示的平面形状均是包括位于活性层13的中央部附近之上的部分，能够使电流有效地分散到活性层13的中央部的形状。此外，在图10、图57(d)或图57(e)所示的条纹形状的情况下，就对活性层13的中央部供给电流而言，能够以比格子状低的覆盖率(换言之，开口率比格子状大)来实现与格子状同样的效果(能够增大光取出效率)。这对于图58(a)或图58(b)所示的梳齿状的电极或者图58(c)所示的鱼骨形状也是同样的。此外，在图57(a)和图57(b)所示的同心圆形状的情况下，能够减小窗函数噪声。此处，窗函数噪声是因周期性配置开口部而产生的衍射图样。该衍射图样在一维或二维地排列有周期性结构的情况下沿该周期性结构产生。对此，在周期性结构以同心圆状排列的情况下，衍射图样在分散到与圆周垂直的所有方向上，所以能够降低窗函数噪声的峰值。
本发明的发光装置不限于上述的实施方式，能够有其他各种变形。例如，上述实施方式中例示了由GaAs系、InP系和氮化物系(尤其是GaN系)化合物半导体构成的半导体发光元件，但本发明的发光装置也能够包括这些以外的由各种半导体材料构成的半导体发光元件。
此外，本发明的发光装置中可应用的半导体发光元件在材料、膜厚和层结构上具有自由度。在此，对于异折射率区域与虚拟的正方格子之间的偏离为0的所谓正方格子光子晶体激光器，标度律是成立的。即，在波长成为了常数α倍的情况下，通过使整个正方格子结构变成α倍，能够得到同样的驻波状态。同样地，在本发明中，对于上述波长以外的波长，能够基于标度律决定相位调制层的结构。从而，通过使用发射蓝色、绿色、红色等光的活性层，并应用与波长对应的标度律，还能够实现输出可见光的半导体发光元件。
附图标记说明
1A～1N…发光装置，8a…第一部分，8b…第二部分，9…半导体衬底，9a…主面，9b…背面，10A～10F…半导体发光元件，10a…光输出面，11…半导体层叠部，12…下部包层，13…活性层，14…上部包层，15…接触层，16A、16B…相位调制层，16a…基层，16b、16c、16d…异折射率区域，17…光导层，18、19、33、34…电极，18a、19a、34a…开口，20…空间光调制元件，20a…光输入输出面，21…共用电极，22…液晶层，23…反射膜，24…保护膜，25…像素电极，26…电路基板，27…第一区域，28…第二区域，31、32…防反射膜，40、41…支承基板，42…元件电极，42a…金属膜，42b…导电性粘接剂，43…焊盘电极，44…配线，51…波长转换介质，100…发光装置，101…光子晶体层，102…电极，102a…开口，103…防反射膜，110…半导体发光元件，D1～D3…单位区域，G…重心，L…光，O…格子点，R…单位构成区域。

Claims (11)

1.一种发光装置，其特征在于：
包括半导体发光元件和反射型的空间光调制元件，
所述半导体发光元件具有光输出面，在相对于所述光输出面的法线方向倾斜的方向上输出光，
所述反射型的空间光调制元件具有以至少一部分与所述光输出面相对的方式配置的光输入输出面，对经由所述光输入输出面输入的来自所述半导体发光元件的所述光的相位和强度中的至少一者进行调制，并从所述光输入输出面输出调制后的所述光，
所述半导体发光元件包括：
具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底；
半导体层叠部，其包括活性层和相位调制层，并且包括以隔着所述活性层和所述相位调制层的方式配置的顶面和底面，所述半导体层叠部以所述底面与所述主面相对的方式配置在所述半导体衬底的所述主面上；
设置在所述半导体层叠部的所述顶面上的第一电极；和
设置在所述半导体衬底的所述背面上的第二电极，
所述光输出面包含在所述半导体层叠部的所述顶面或所述半导体衬底的所述背面中，
所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
所述半导体发光元件的所述光输出面的面积小于所述空间光调制元件的所述光输入输出面的面积，
在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域各自被配置成，其重心与所述虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从所述对应的格子点去往所述重心的矢量在绕所述对应的格子点的方向上具有规定的旋转角度，
所述光输入输出面包括与所述半导体发光元件相对的第一区域和配置在与所述第一区域不同的位置上的第二区域，
所述空间光调制元件与所述半导体发光元件的相对位置被设定成，来自所述半导体发光元件的所述光经由所述第一区域输入至所述空间光调制元件内，并且调制后的所述光从所述第二区域输出至所述半导体发光元件的外部。
2.一种发光装置，其特征在于：
包括半导体发光元件和反射型的空间光调制元件，
所述半导体发光元件具有光输出面，在相对于所述光输出面的法线方向倾斜的方向上输出光，
所述反射型的空间光调制元件具有以至少一部分与所述光输出面相对的方式配置的光输入输出面，对经由所述光输入输出面输入的来自所述半导体发光元件的所述光的相位和强度中的至少一者进行调制，并从所述光输入输出面输出调制后的所述光，
所述半导体发光元件包括：
具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底；
半导体层叠部，其包括活性层和相位调制层，并且包括以隔着所述活性层和所述相位调制层的方式配置的顶面和底面，所述半导体层叠部以所述底面与所述主面相对的方式配置在所述半导体衬底的所述主面上；
设置在所述半导体层叠部的所述顶面上的第一电极；和
设置在所述半导体衬底的所述背面上的第二电极，
所述光输出面包含在所述半导体层叠部的所述顶面或所述半导体衬底的所述背面中，
所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
所述半导体发光元件的所述光输出面的面积小于所述空间光调制元件的所述光输入输出面的面积，
在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域各自被配置成，其重心与所述虚拟的正方格子的对应的格子点隔开规定距离，并且从所述对应的格子点去往所述重心的矢量在绕所述对应的格子点的方向上具有规定的旋转角度，
所述半导体发光元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分从所述半导体层叠部的所述顶面延伸至所述半导体衬底的所述背面，并且具有所述光输出面，所述第二部分从所述半导体层叠部的所述顶面延伸至所述半导体衬底的所述背面，并且沿所述半导体层叠部的所述顶面配置在与所述第一部分不同的位置上，
所述第一电极设置在构成所述半导体层叠部的所述顶面的一部分的、所述第一部分的顶面上，所述第二电极设置在构成所述半导体衬底的所述背面的一部分的、所述第一部分的背面上，
所述半导体发光元件与所述空间光调制元件的相对位置被设定成，从所述第一部分的所述光输出面输入到所述空间光调制元件的所述光输入输出面后并经过调制的所述光，从所述第二部分透射。
3.一种发光装置，其特征在于：
包括半导体发光元件和反射型的空间光调制元件，
所述半导体发光元件具有光输出面，在相对于所述光输出面的法线方向倾斜的方向上输出光，
所述反射型的空间光调制元件具有以至少一部分与所述光输出面相对的方式配置的光输入输出面，对经由所述光输入输出面输入的来自所述半导体发光元件的所述光的相位和强度中的至少一者进行调制，并从所述光输入输出面输出调制后的所述光，
所述半导体发光元件包括：
具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底；
半导体层叠部，其包括活性层和相位调制层，并且包括以隔着所述活性层和所述相位调制层的方式配置的顶面和底面，所述半导体层叠部以所述底面与所述主面相对的方式配置在所述半导体衬底的所述主面上；
设置在所述半导体层叠部的所述顶面上的第一电极；和
设置在所述半导体衬底的所述背面上的第二电极，
所述光输出面包含在所述半导体层叠部的所述顶面或所述半导体衬底的所述背面中，
所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
所述半导体发光元件的所述光输出面的面积小于所述空间光调制元件的所述光输入输出面的面积，
在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域各自被配置成，其重心在以所述虚拟的正方格子的对应的格子点为中心的具有规定长度的直线上，按照规定的相位角度配置成直线形，
所述光输入输出面包括与所述半导体发光元件相对的第一区域和配置在与所述第一区域不同的位置上的第二区域，
所述空间光调制元件与所述半导体发光元件的相对位置被设定成，来自所述半导体发光元件的所述光经由所述第一区域输入至所述空间光调制元件内，并且调制后的所述光从所述第二区域输出至所述半导体发光元件的外部。
4.一种发光装置，其特征在于：
包括半导体发光元件和反射型的空间光调制元件，
所述半导体发光元件具有光输出面，在相对于所述光输出面的法线方向倾斜的方向上输出光，
所述反射型的空间光调制元件具有以至少一部分与所述光输出面相对的方式配置的光输入输出面，对经由所述光输入输出面输入的来自所述半导体发光元件的所述光的相位和强度中的至少一者进行调制，并从所述光输入输出面输出调制后的所述光，
所述半导体发光元件包括：
具有主面和与所述主面相对的背面的半导体衬底；
半导体层叠部，其包括活性层和相位调制层，并且包括以隔着所述活性层和所述相位调制层的方式配置的顶面和底面，所述半导体层叠部以所述底面与所述主面相对的方式配置在所述半导体衬底的所述主面上；
设置在所述半导体层叠部的所述顶面上的第一电极；和
设置在所述半导体衬底的所述背面上的第二电极，
所述光输出面包含在所述半导体层叠部的所述顶面或所述半导体衬底的所述背面中，
所述相位调制层包括具有规定折射率的基层，和具有与所述基层的折射率不同的折射率的多个异折射率区域，
所述半导体发光元件的所述光输出面的面积小于所述空间光调制元件的所述光输入输出面的面积，
在与所述法线方向垂直的所述相位调制层的设计面上设定了虚拟的正方格子的状态下，所述多个异折射率区域各自被配置成，其重心在以所述虚拟的正方格子的对应的格子点为中心的具有规定长度的直线上，按照规定的相位角度配置成直线形，
所述半导体发光元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分从所述半导体层叠部的所述顶面延伸至所述半导体衬底的所述背面，并且具有所述光输出面，所述第二部分从所述半导体层叠部的所述顶面延伸至所述半导体衬底的所述背面，并且沿所述半导体层叠部的所述顶面配置在与所述第一部分不同的位置上，
所述第一电极设置在构成所述半导体层叠部的所述顶面的一部分的、所述第一部分的顶面上，所述第二电极设置在构成所述半导体衬底的所述背面的一部分的、所述第一部分的背面上，
所述半导体发光元件与所述空间光调制元件的相对位置被设定成，从所述第一部分的所述光输出面输入到所述空间光调制元件的所述光输入输出面后并经过调制的所述光，从所述第二部分透射。
5.如权利要求2或4所述的发光装置，其特征在于：
还包括防反射膜，其设置在构成所述半导体层叠部的所述顶面的一部分的、所述第二部分的顶面，和构成所述半导体衬底的所述背面的一部分的、所述第二部分的背面的两者之上。
6.如权利要求2或4所述的发光装置，其特征在于：
包含于所述第二部分的所述相位调制层的一部分仅由所述基层构成。
7.如权利要求1～4中任一项所述的发光装置，其特征在于：
还包括透射性的支承基板，其设置在所述半导体发光元件与所述空间光调制元件之间，用于将所述半导体发光元件固定于所述空间光调制元件。
8.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于：
所述支承基板具有用于对所述第一电极和所述第二电极中的更靠近所述空间光调制元件的电极供给电流的配线。
9.如权利要求1～4中任一项所述的发光装置，其特征在于：
所述第一电极和所述第二电极中的更靠近所述空间光调制元件的所述电极的在与所述法线方向垂直的面上规定的平面形状为格子状、条纹状、同心圆状、辐射状和梳齿状中的任一种。
10.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于：
更靠近所述空间光调制元件的所述电极的在与所述法线方向垂直的面上规定的平面形状为格子状、条纹状、同心圆状、辐射状和梳齿状中的任一种。
11.如权利要求1～4中任一项所述的发光装置，其特征在于：
从所述半导体发光元件输出的所述光是1级光和-1级光中的至少一者。
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