DE112020006372T5

DE112020006372T5 - Räumlicher Lichtmodulator und lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE112020006372T5
Application number: DE112020006372.0T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Hirose; Yoshitaka Kurosaka; Soh UENOYAMA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-10-06
Also published as: WO2021132374A1; CN114868074A; JPWO2021132374A1; JP7488836B2; US20230035423A1

Abstract

Diese Offenbarung bezieht sich auf einen räumlichen Lichtmodulator, etc. wobei der räumliche Lichtmodulator in der Lage ist, die Phasenverteilung des Lichts dynamisch zu steuern, und mit einer Struktur versehen ist, die eine kleinere Pixelanordnungsperiode aufweist und für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist. Der räumliche Lichtmodulator umfasst ein Substrat. Das Substrat hat eine Vorderfläche, eine Rückfläche und Durchgangslöcher, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind und sich zwischen der Vorderfläche und der Rückfläche erstrecken. Der räumliche Lichtmodulator enthält außerdem Schichtstrukturen, die jeweils die Innenwände der Durchgangslöcher bedecken. Jede Schichtstruktur umfasst eine erste elektrisch leitende Schicht an der Innenwand, eine dielektrische Schicht auf der ersten elektrisch leitenden Schicht mit optischer Transparenz, und eine zweite elektrisch leitende Schicht auf der dielektrischen Schicht mit optischer Transparenz. Mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten ist für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern elektrisch isoliert.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen räumlichen Lichtmodulator und eine lichtemittierende Vorrichtung.
Stand der Technik
Patentdokument 1 offenbart eine Technik, die ein halbleiterbasiertes lichtemittierendes Element und ein Verfahren zu dessen Herstellung betrifft. Dieses halbleiterbasierte lichtemittierende Element umfasst: ein Halbleitersubstrat; und eine erste Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht, und eine Kontaktierungsschicht, die jeweils sequentiell auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt sind. Außerdem umfasst dieses halbleiterbasierte lichtemittierende Element eine Phasenmodulationsschicht, die zwischen der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht oder zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet ist. Die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und eine Vielzahl von Bereichen mit geändertem Brechungsindex, wobei jeder einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet. Ein virtuelles rechteckiges Gitter, welches in einer Ebene senkrecht zu der Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht angeordnet ist, umfasst eine Vielzahl von eine Einheit bildenden Bereichen. In jedem eine Einheit bildendem Bereich ist ein Bereich mit geändertem Brechungsindex bereitgestellt, und die Phasenmodulationsschicht ist so ausgestaltet, dass die Position des Schwerpunkts des Bereichs mit geändertem Brechungsindex entfernt vom Gitterpunkt des entsprechenden eine Einheit bildenden Bereichs angeordnet ist und weist einen Drehwinkel um den Gitterpunkt entsprechend einem gewünschten optischen Bild auf.
Nichtpatentdokument 1 beschreibt, dass eine Vielzahl von periodischen Vertiefungen auf einer Substratoberfläche durch metallunterstütztes chemisches Ätzen gebildet werden (MACE), und eine Metallschicht, eine dielektrische Schicht, und eine transparente elektrisch leitende Schicht auf den Seitenwänden der Vertiefungen geschichtet sind, wodurch die Phase des einfallenden Lichts moduliert wird.
Referenzliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2018-198302
Nichtpatentliteratur

Nichtpatentdokument 1: Junghyun Park und Soo Jin Kim, „Subwavelength-spaced transmissive metallic slits for 360-degree phase control by using transparent conducting oxides“ (Subwellenlängen-beabstandete transmittive metallische Spalte für 360-Grad Phasenkontrolle unter Verwendung von transparenten leitfähigen Oxiden), Applied Optics, Vol. 57, No. 21, 6027-6031, 20 July 2018
Nichtpatentdokument 2: Appl. Opt. No. 5, p. 967-969 (1966)
Nichtpatentdokument 3: Appl. Opt. No. 9, p. 1949 (1970)
Nichtpatentdokument 4: Y. Kurosaka et al., „Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure“ (Klärung von Effekten eines nichtlasernden Bandes in zweidimensionalen auf photonischen Kristallen basierten Lasern unter Nutzung omnidirektionaler Bandstruktur), Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Als Ergebnis von Studien über die oben beschriebene konventionelle Technik, haben die Erfinder die folgenden Probleme gefunden. Das heißt, es wurde in der Vergangenheit eine Technik zur Erzeugung eines frei gewählten optischen Bildes durch räumliche Phasenmodulation untersucht. In einer bestimmten Technik wird eine Phasenmodulationsschicht, die eine Vielzahl von Bereichen mit geändertem Brechungsindex umfasst, in der Nähe der aktiven Schicht eines Halbleiterlaserelements bereitgestellt. In einem virtuellen quadratischen Gitter, das in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht angeordnet ist, sind dann beispielsweise die Schwerpunkte der Vielzahl von Bereichen mit geändertem Brechungsindex von den Gitterpunkten des virtuellen quadratischen Gitters entfernt angeordnet, und der Drehwinkel um den Gitterpunkt ist für jeden Bereich individuell festgelegt. Ein solches Element ist in der Lage, ähnlich wie auf photonischen Kristallen basierende Laserelemente, Laserlicht in einer Stapelrichtung zu emittieren und die Phasenverteilung des Laserlichts räumlich zu steuern, wodurch das Laserlicht als ein optisches Bild mit einer frei gewählten Form emittiert wird.
Allerdings kann das oben beschriebene Element nur ein vorgefertigtes optisches Bild ausgeben, da die Anordnung der Vielzahl von Bereichen mit geändertem Brechungsindex in der Phasenmodulationsschicht fixiert ist. Eine dynamische Steuerung der Phasenverteilung des emittierten Lichts ist notwendig, um das emittierte Lichtbild dynamisch zu verändern.
Eine der Vorrichtungen, die in der Lage sind, die Phasenverteilung des Lichts dynamisch zu steuern, ist ein auf Phasenmodulation basierender räumlicher Lichtmodulator. Ein auf Flüssigkristallen basierter räumlicher Lichtmodulator hat beispielsweise einen Aufbau, bei dem eine Vielzahl von Pixelelektroden eindimensional oder zweidimensional entlang einer Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Der Betrag der Phasenmodulation des auf die Flüssigkristallschicht auftreffenden Lichts kann für jedes Pixel individuell gesteuert werden, indem die Spannung für jede Pixelelektrode individuell gewählt wird. Durch die Kombination eines solchen räumlichen Lichtmodulators mit einer Flächenlichtquelle (z.B. einem auf photonischen Kristallen basierendem Laserelement) kann die Phasenverteilung des emittierten Lichts dynamisch gesteuert werden
Während jedoch die Anordnungsperiode der Pixel im auf Flüssigkristallen basierenden räumlichen Lichtmodulator etwa 10 µm beträgt, beträgt die Gesamtabmessung der lichtemittierenden Oberfläche des auf photonischen Kristallen basierenden Laserelements 200 µm bis 500 µm auf jeder Seite. Daher ist die Anzahl der effektiven Pixel extrem gering, selbst wenn ein auf Flüssigkristallen basierender räumlicher Lichtmodulator und ein auf photonischen Kristallen basierendes Laserelement kombiniert werden, so dass ein hochwertiges optisches Bild nur schwer zu erzielen ist. Außerdem ist es schwierig, die Geschwindigkeit zu erhöhen, da die Betriebsgeschwindigkeit durch die Reaktionsgeschwindigkeit des Flüssigkristalls begrenzt ist.
Die vorliegende Offenbarung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, einen räumlichen Lichtmodulator, mit dem eine Phasenverteilung von Licht dynamisch gesteuert werden kann, und der eine kleinere Anordnungsperiode der Pixel hat und für die Geschwindigkeitssteigerung geeignet ist; und eine lichtemittierende Vorrichtung, die den räumlichen Lichtmodulator enthält bereitzustellen.
Lösung des Problems
Ein räumlicher Lichtmodulator gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung umfasst einen räumlichen Lichtmodulator von der Oberflächenwellenleiter-Bauart. Der räumliche Lichtmodulator umfasst ein Substrat und eine Vielzahl von Schichtstrukturen. Das Substrat hat eine Vorderfläche, eine Rückfläche, die der Vorderfläche gegenüberliegt, und eine Vielzahl von Durchgangslöchern, wobei jedes von diesen die Vorderfläche und die Rückfläche verbindet. Jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern hat eine zumindest auf der Vorderfläche zu definierende Aussparung, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet ist. Insbesondere umfasst jede der Vielzahl von Schichtstrukturen eine erste elektrisch leitende Schicht, eine dielektrische Schicht, und eine zweite elektrisch leitende Schicht. Die erste elektrisch leitende Schicht ist an der Innenwand eines korrespondierenden Durchgangsloches der Vielzahl von Durchgangslöchern bereitgestellt. Die dielektrische Schicht ist auf der ersten elektrisch leitenden Schicht bereitgestellt und weist optische Transparenz auf. Die zweite elektrisch leitende Schicht ist auf der dielektrischen Schicht bereitgestellt und weist optische Transparenz auf. Darüber hinaus ist wenigstens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern aus der Vielzahl von Durchgangslöchern elektrisch isoliert.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht die Bereitstellung eines räumlichen Lichtmodulators, der in der Lage ist, die Phasenverteilung des Lichts dynamisch zu steuern, eine kleinere Periode der Pixelanordnung aufweist und zur Geschwindigkeitssteigerung geeignet ist, und einer lichtemittierenden Vorrichtung, die den räumlichen Lichtmodulator enthält.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Schnittansicht, die das Aussehen eines räumlichen Lichtmodulators 1A gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt, und ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil des räumlichen Lichtmodulators 1A zeigt.
2A bis 2I sind Diagramme zur Veranschaulichung von Beispielen für Formen von Durchgangslöchern 13 in Dickenrichtung eines Substrats 10 gesehen.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 1 dargestellten Linie III-III und ist ein Diagramm, das einen Seitenquerschnitt des räumlichen Lichtmodulators 1A zeigt.
4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 3.
5 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Funktionsweise des räumlichen Lichtmodulators 1A.
6 ist ein Diagramm, das konzeptionell einen Zustand des Lichts L in einem Fall veranschaulicht, in dem es eine Neigung in der Größe der Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 unter der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 gibt, die in einer bestimmten Richtung angeordnet sind.
7A bis 7D sind Diagramme, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1A zeigen.
8A bis 8D sind Diagramme, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1A illustrieren.
9A bis 9C sind Diagramme, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1A zeigen.
10A bis 10C sind Diagramme, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1A zeigen.
11A bis 11C sind Diagramme, die ein anderes Verfahren (MACE) zur Bildung der Vielzal von Durchgangslöchern 13 im Substrat 10 veranschaulichen.
12 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1B in einer ersten Ausführungsform darstellt.
13 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1C in einer zweiten Ausführungsform darstellt.
14 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1D in einer zweiten Ausführungsform darstellt.
15 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1E in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
16 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1F in einer dritten Ausführungsform zeigt.
17 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines räumlichen Lichtmodulators 1G in einer vierten Ausführungsform darstellt.
18A und 18B sind Diagramme, die einen Schritt zur Bildung eines dielektrischen Bereichs 28 der Schritte zur Herstellung eines räumlichen Lichtmodulators 1G zeigen.
19 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines räumlichen Lichtmodulators 1H in einer fünften Ausführungsform zeigt.
20A bis 20C sind Diagramme zur Erläuterung von Konfigurationen eines Basiselements und einer Basiseinheit zur Implementierung einer dynamischen Phasenmodulation in räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H.
21A ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, und
21B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine photonische Kristallschicht 65A zeigt.
22 ist eine Draufsicht auf eine photonische Kristallschicht 65A.
23 ist eine Querschnittsansicht, die eine Abänderung der lichtemittierenden Vorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
24 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine ebene Form einer Metallelektrodenschicht 66 und einer Verbindung 51 zeigt.
25 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration in einem Fall zeigt, in dem ein Halbleitersubstrat 53 aus der in 23 dargestellten Konfiguration entfernt wird.
26 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 65B, die in einem S-iPM-Laser enthalten ist.
27 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel für die Form des Bereichs mit geändertem Brechungsindex in einer X-Y-Ebene zeigt.
28 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Abbildung eines Ausgangsstrahlmusters eines oberflächenemittierenden Laserelements 50 erhalten wird, und der Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) in einer Phasenmodulationsschicht 65B.
29 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Koordinatentransformation von Kugelkoordinaten (r, θrot, θtilt) zu den Koordinaten (ξ, η, ζ) in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem.
30A und 30B sind Diagramme zur Erläuterung von Vorsichtsmaßnahmen bei der Berechnung unter Verwendung der allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation) bei der Bestimmung der Position jedes der Bereiche mit geändertem Brechungsindex 65b.
31 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Verteilung des Drehwinkels φ1 (x, y) konzeptionell darstellt.
32 ist eine Draufsicht auf eine im S-iPM-Laser enthaltene Phasenmodulationsschicht 65C.
33 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Lagebeziehung des Bereichs mit geändertem Brechungsindex 65b in der Phasenmodulationsschicht 65C.

Beschreibung der Ausführungsformen
Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung
Zunächst werden die Einzelheiten der einzelnen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einzeln aufgeführt und beschrieben.
(1) Der räumliche Lichtmodulator der vorliegenden Offenbarung umfasst einen räumlichen Lichtmodulator von der Oberflächenwellenleiter-Bauart. Gemäß einem Aspekt umfasst der räumliche Lichtmodulator ein Substrat und eine Vielzahl von Schichtstrukturen. Das Substrat hat eine Vorderfläche, eine Rückfläche, die der Vorderfläche gegenüberliegt, und eine Vielzahl von Durchgangslöchern, wobei jedes von diesen die Vorderfläche und die Rückfläche verbindet. Jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern hat eine zumindest auf der Vorderfläche zu definierende Aussparung, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet ist. Insbesondere umfasst jede der Vielzahl von Schichtstrukturen eine erste elektrisch leitende Schicht, eine dielektrische Schicht, und eine zweite elektrisch leitende Schicht. Die erste elektrisch leitende Schicht ist an der Innenwand eines korrespondierenden Durchgangsloches der Vielzahl von Durchgangslöchern bereitgestellt. Die dielektrische Schicht ist auf der ersten elektrisch leitenden Schicht bereitgestellt und weist optische Transparenz auf. Die zweite elektrisch leitende Schicht ist auf der dielektrischen Schicht bereitgestellt und weist optische Transparenz auf. Darüber hinaus ist wenigstens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern aus der Vielzahl von Durchgangslöchern elektrisch isoliert.
Das Licht tritt von der Vorder- oder Rückflächenseite des räumlichen Lichtmodulators ein und durchläuft dann eine Vielzahl von Durchgangslöchern. Dabei bewegt sich das Licht in jedem Durchgangsloch, während es an der Grenzfläche zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der dielektrischen Schicht in jeder Schichtstruktur reflektiert wird, und durchläuft jedes Durchgangsloch. Wenn eine Spannung zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht angelegt wird, ändert sich der Brechungsindex der zweiten elektrisch leitenden Schicht in Abhängigkeit von der Dichte der in der zweiten elektrisch leitenden Schicht angesammelten Ladungsträger, der Brechungsindex der dielektrischen Schicht ändert sich in Abhängigkeit vom elektrischen Feld zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht, und der Betrag der Phasenverschiebung vor und nach der Reflexion an der Grenzfläche zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der dielektrischen Schicht ändert sich. Daher ändert sich die Phase des von jedem Durchgangsloch emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht. Darüber hinaus ist mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern elektrisch isoliert. Daher kann die Spannung für ein oder mehrere Durchgangslöcher individuell eingestellt werden. Durch die obige Arbeitsweise ermöglicht dieser räumliche Lichtmodulator die dynamische Steuerung der Phasenverteilung des Lichts.
Da das Durchgangsloch beispielsweise durch einen Ätzprozess für Halbleiter, metallunterstütztes chemisches Ätzen (MACE) oder ähnliche Verfahren gebildet werden kann, kann die Anordnungsperiode der Durchgangslöcher leicht kleiner gemacht werden als die Anordnungsperiode der Pixel des auf Flüssigkristallen basierenden räumlichen Lichtmodulators. Daher ermöglicht es dieser räumliche Lichtmodulator, die Anordnungsperiode der Pixel kleiner als zuvor zu machen. Folglich kann durch die Kombination dieses räumlichen Lichtmodulators mit einer Oberflächenlichtquelle wie einem auf photonischen Kristallen basierendem Laserelement die Anzahl der effektiven Pixel erhöht werden, um ein hochwertiges optisches Bild zu erhalten. Darüber hinaus verwendet dieser räumliche Lichtmodulator keine Flüssigkristalle, so dass seine Geschwindigkeit nicht durch die Reaktionsgeschwindigkeit des Flüssigkristalls begrenzt ist und er sich für eine Geschwindigkeitssteigerung eignet.
(2) Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass die Mündungskontur jeder der mehreren auf der Vorderfläche zu definierenden Durchgangslöcher vorzugsweise rotationssymmetrisch oder spiegelsymmetrisch ist. Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist, dass die Mündungskontur der Vielzahl von Durchgangslöchern, die auf der Vorderfläche zu definieren sind, miteinander übereinstimmen können.
(3) Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass der Schwerpunkt der Öffnung jedes der mehreren Durchgangslöcher auf wenigstens einer von Vorderfläche und Rückfläche vorzugsweise auf dem Gitterpunkt eines quadratischen Gitters oder eines dreieckigen Gitters angeordnet ist. In diesem Fall ist die Vielzahl von Durchgangslöchern regelmäßig auf einer Oberfläche angeordnet, die senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats liegt, und daher kann die Gestaltung eines optischen Bildes erleichtert werden.
(4) Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass die Mündungskontur jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern, die auf der Vorderfläche zu definieren sind, eine sich linear erstreckende Form sein kann. Als solche kann die Vielzahl von Durchgangslöchern in einer Richtung angeordnet sein, die eine Richtung schneidet, in der sich jedes Durchgangsloch erstreckt.
(5) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Mündungskontur jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern eine lineare Form oder eine Bogenform umfassen.
(6) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist in einem Fall, in dem die Mündungskontur jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern eine Bogenform umfasst, die sich über einen Winkelbereich von weniger als 360° in Polarkoordinaten erstreckt, die im Ursprung zentriert sind, die Vielzahl von Durchgangslöchern vorzugsweise in gleichen Abständen entlang der radialen Richtung auf der Vorderfläche angeordnet.
(7) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der räumliche Lichtmodulator ferner einen dielektrischen Bereich enthalten, der optische Transparenz aufweist und der auf einer entsprechenden Schichtstruktur unter der Vielzahl von Schichtstrukturen in jedem der Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen ist. In diesem Fall wird die optische Weglänge des Lichts, das das Durchgangsloch passiert, größer, und die Anzahl der Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der dielektrischen Schicht nimmt zu. Folglich kann der Anteil der Phasenmodulation in jedem Durchgangsloch erhöht werden. Alternativ kann die Substratdicke, die für die Realisierung des vorbestimmten Betrags der Phasenmodulation erforderlich ist, reduziert werden.
(8) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der dielektrische Bereich vorzugsweise in mindestens einem vorbestimmten Abschnitt gefüllt, der entlang der Dickenrichtung von der Vorderfläche zur Rückfläche zu definieren ist, unter dem von der entsprechenden Schichtstruktur umgebenen Raum. In diesem Fall wird die optische Weglänge des Lichts, das das Durchgangsloch durchläuft, weiter erhöht, und die Anzahl der Reflexionen des Lichts an der Grenzfläche zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der dielektrischen Schicht wird weiter erhöht.
(9) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der räumliche Lichtmodulator ferner eine glatte Schicht umfassen, die eine glatte Oberfläche aufweist und die auf der Innenwand in jedem der Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen ist, und auf der Oberfläche der glatten Schicht kann eine entsprechende Schichtstruktur unter der Vielzahl von Schichtstrukturen vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Oberfläche der ersten elektrisch leitenden Schicht auch dann glatt, wenn das Durchgangsloch eine Unebenheit auf ihrer Innenwand aufweist, so dass die diffuse Lichtreflexion unterdrückt werden kann. In einem Fall, in dem die glatte Schicht aus einem isolierenden dielektrischen Material besteht, können die erste elektrisch leitende Schicht und das Substrat elektrisch voneinander isoliert werden, so dass ein unerwünschter Kriechstrom zum Substrat unterdrückt werden kann.
(10) In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die glatte Schicht mindestens eines von einem Metall und einem dielektrischen Material umfassen. In diesem Fall kann eine glatte Schicht in geeigneter Weise realisiert werden.
(11) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten elektrisch mit einer oder mehreren ersten Elektroden verbunden sein, die auf der Vorderfläche des Substrats vorgesehen sind, entsprechend jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern. Eine solche Konfiguration ermöglicht es beispielsweise, eine Spannung an die ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten individuell für jedes Durchgangsloch anzulegen. Darüber hinaus ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung die andere der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten vorzugsweise elektrisch mit einer zweiten Elektrode verbunden, die auf der Rückfläche des Substrats vorgesehen ist und der Vielzahl von Durchgangslöchern gemeinsam ist. Eine solche Konfiguration erleichtert beispielsweise die Einstellung eines elektrischen Referenzpotentials für die erste oder zweite elektrisch leitende Schicht.
(12) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung deckt die zweite Elektrode vorzugsweise einen Bereich zwischen jedem der Vielzahl von Durchgangslöchern auf der Vorderfläche oder der Rückfläche des Substrats ab. In diesem Fall kann das Licht daran gehindert werden, einen anderen Teil des Substrats als das Durchgangsloch zu passieren, und daher kann das emittierte Licht nur das Licht enthalten, das nach dem Durchgang durch das Durchgangsloch moduliert wurde. Darüber hinaus ist eine solche zweite Elektrode auf der Lichteinfallsfläche außerhalb der Vorderfläche und der Rückfläche des Substrats vorgesehen, wodurch die Unterdrückung der Lichtabsorption in dem vom Durchgangsloch abweichenden Substratabschnitt und die Unterdrückung eines Anstiegs der Substrattemperatur erreicht werden kann.
(13) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der räumliche Lichtmodulator mit der oben beschriebenen Struktur eine Konfiguration aufweisen, in der die Intensitätsmodulation einer angelegten Spannung (Spannung, die zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht angelegt wird) verwendet wird, um die dynamische Modulation einer einfallenden Lichtphase zu erreichen. Insbesondere umfasst das Substrat eine Vielzahl von Basiselementen, wobei jedem Basiselement ein Durchgangsloch aus der Vielzahl der Durchgangslöcher zugeordnet ist und die maximale Breite jedes Basiselements, die entlang einer ersten und einer zweiten Richtung, die sich auf der Vorderfläche schneiden, zu definieren ist, so konfiguriert ist, dass sie kürzer ist als die Wellenlänge eines einfallenden Lichts. In diesem Fall sind drei oder mehr aufeinanderfolgende Basiselemente entlang mindestens einer der ersten Richtung und der zweiten Richtung aus der Vielzahl der Basiselemente in einer Basiseinheit als Modulationssteuereinheit enthalten. In drei oder mehr Basiselementen, die in dieser Basiseinheit enthalten sind, ist eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten mit einer gemeinsamen Elektrode verbunden. Zu beachten ist, dass diese gemeinsame Elektrode eine zweite Elektrode umfasst, die auf der Rückfläche des Substrats vorgesehen ist.
(14) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es bevorzugt, dass das Substrat hauptsächlich ein Halbleitermaterial enthält. In diesem Fall kann ein Halbleiter-Ätzverfahren oder MACE-Ätzverfahren leicht verwendet werden, um das Durchgangsloch zu bilden. Daher kann die Anordnungsperiode der Durchgangslöcher leicht kleiner gemacht werden.
(15) In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Halbleitermaterial mindestens eines der Materialien Si, Ge, GaAs, InP und GaN umfassen. In diesem Fall kann ein bekanntes Ätzverfahren bei der Bildung des Durchgangsloches verwendet werden, und die Bildung des Durchgangsloches wird erleichtert.
(16) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die erste elektrisch leitende Schicht eine Metallschicht sein. In diesem Fall kann das Licht an der Grenzfläche zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der dielektrischen Schicht ausreichend reflektiert werden.
(17) In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die erste elektrisch leitende Schicht Pt enthalten. In diesem Fall kann die erste elektrisch leitende Schicht z.B. durch Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition - ALD) leicht in einem Durchgangsloch mit kleinem Innendurchmesser und großer Länge in Durchdringungsrichtung (d.h. mit großem Aspektverhältnis) gebildet werden.
(18) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die dielektrische Schicht mindestens eines von Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Siliziumoxid und Siliziumnitrid enthalten. In diesem Fall kann in geeigneter Weise eine dielektrische Schicht mit optischer Transparenz realisiert werden.
(19) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die zweite elektrisch leitende Schicht mindestens eines von: ITO, einen elektrischen Leiter auf Zinkoxidbasis, Titannitrid und Cadmiumoxid enthalten. In diesem Fall kann die zweite elektrisch leitende Schicht mit optischer Transparenz in geeigneter Weise realisiert werden.
(20) Als ein Aspekt kann die lichtemittierende Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung umfassen: einen räumlichen Lichtmodulator mit der oben beschriebenen Struktur; und eine Oberflächenlichtquelle, die optisch mit der Vorderfläche oder der Rückfläche des räumlichen Lichtmodulators gekoppelt ist. Gemäß der genannten lichtemittierenden Vorrichtung kann die Anzahl der effektiven Pixel durch die Einbeziehung eines der oben beschriebenen räumlichen Lichtmodulatoren erhöht werden, und somit kann ein dynamisches optisches Bild mit hoher Bildqualität erhalten werden.
(21) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Flächenlichtquelle vorzugsweise ein auf photonischen Kristallen basierendes oberflächenemittierendes Laserelement. Durch eine solche Ausgestaltung kann die Flächenlichtquelle beispielsweise einfach realisiert werden.
(22) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es bevorzugt, dass die Oberflächenlichtquelle ein oberflächenemittierendes Laserelement umfasst, in dem eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht enthalten sind, und die Phasenmodulationsschicht umfasst: eine Basisschicht; und eine Vielzahl von Bereichen mit geändertem Brechungsindex, die einen Brechungsindex haben, der sich von dem der Basisschicht unterscheidet und die zweidimensional in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht verteilt sind. In einer solchen Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Schwerpunktposition jedes der mehreren Bereiche mit geändertem Brechungsindex so konfiguriert ist, dass (1) der Schwerpunkt in einem Zustand platziert ist, in dem er von dem entsprechenden Gitterpunkt des auf der Oberfläche der Phasenmodulationsschicht festgelegten virtuellen rechteckigen Gitters entfernt ist, und der Drehwinkel um den entsprechenden Gitterpunkt der durch den Winkel zwischen dem quadratischen Gitter und dem Liniensegment, das den Schwerpunkt mit dem entsprechenden Gitterpunkt verbindet, definiert ist, individuell eingestellt wird, oder (2) der Schwerpunkt auf eine Gerade gesetzt wird, die durch den entsprechenden Gitterpunkt geht und die gegenüber dem quadratischen Gitter geneigt ist, und der Abstand zum entsprechenden Gitterpunkt individuell eingestellt wird. Auch mit einer solchen Konfiguration kann beispielsweise die Oberflächen-Lichtquelle realisiert werden.
Wie oben beschrieben, ist jeder im Abschnitt „Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung“ aufgeführte Aspekt auf jeden der übrigen Aspekte oder auf alle Kombinationen dieser übrigen Aspekte anwendbar.
Details der Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung
Nachfolgend werden spezifische Strukturen des räumlichen Lichtmodulators und der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch die Ansprüche angegeben ist, und es ist beabsichtigt, die den Ansprüchen entsprechenden Bedeutungen und alle Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs zu umfassen. In der Beschreibung der Zeichnungen sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und redundante Beschreibungen werden weggelassen.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine perspektivische Schnittansicht, die das Aussehen eines räumlichen Lichtmodulators 1A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, und ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des räumlichen Lichtmodulators 1A. Dieser räumlicher Lichtmodulator 1A ist ein räumlicher Lichtmodulator von der Oberflächenwellenleiter-Bauart, und umfasst ein Substrat 10.
Das Substrat 10 hat eine flache Plattenform mit einer Vorderfläche 11 und einer Rückfläche 12. Die Vorderfläche 11 und die Rückfläche 12 sind jeweils flach und stehen parallel zueinander. Die Dicke des Substrats 10 (der Abstand zwischen der Vorderfläche 11 und der Rückfläche 12) beträgt z.B. 0,05 mm oder mehr und 1,0 mm oder weniger. Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in dem die Dicke des Substrats 10 z. B. 0,1 mm oder weniger beträgt, der räumliche Lichtmodulator 1A eine geringere Festigkeit aufweist (stoßempfindlich wird). Aus diesem Grund wird zum Beispiel ein weiteres Trägersubstrat mit optischer Transparenz auf der Vorderfläche und/oder der Rückfläche des räumlichen Lichtmodulators 1A befestigt, wodurch die Festigkeit des räumlichen Lichtmodulators 1A erhöht wird. Mit anderen Worten, ein weiteres Trägersubstrat mit optischer Transparenz wird an der Vorderfläche und/oder der Rückfläche des räumlichen Lichtmodulators 1A befestigt, wodurch die Dicke des Substrats 10 verringert wird. Das Substrat 10 enthält hauptsächlich einen Halbleiter, und in einer Ausgestaltung besteht es nur aus einem Halbleiter. Der im Substrat 10 enthaltene Halbleiter umfasst z.B. mindestens einen der Halbleiter Si, Ge, GaAs, InP, und GaN. In einem Beispiel ist das Substrat 10 ein Si Substrat, ein Ge Substrat, ein GaAs Substrat, ein InP Substrat oder ein GaN Substrat. Das Substrat 10 kann ein einkristallines Substrat oder ein polykristallines Substrat sein. Als ebene Form des Substrats 10 können verschiedene Formen wie z. B. eine kreisförmige, eine quadratische und eine rechteckige Form gewählt werden. Der Durchmesser (bzw. die Länge der langen Seite) des Substrats 10 beträgt z.B. 5 mm oder mehr und 450 mm oder weniger.
Das Substrat 10 hat eine Vielzahl von Durchgangslöchern 13. Die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 erstreckt sich zwischen der Vorderfläche 11 und der Rückfläche 12 hindurch. Die Vielzahl der Durchgangslöcher 13 ist eindimensional oder zweidimensional in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats 10 angeordnet (d.h. in einer Ebene parallel zur Vorderfläche 11 und zur Rückfläche 12). Der Begriff „eindimensional“ bezeichnet eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Objekten entlang einer bestimmten Richtung angeordnet ist. Der Begriff „zweidimensional“ bezeichnet eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Objekten mit einer gewissen Regelmäßigkeit planar angeordnet ist (z. B. eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Objekten entlang jeder von zwei orthogonalen Richtungen angeordnet ist). In der vorliegenden Ausführungsform befinden sich die Schwerpunkte der ebenen Formen (wenn die ebene Form ein Kreis ist, die Mittelpunkte der Kreise) der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 an Gitterpunkten der quadratischen Gitter auf mindestens einer der Vorderflächen 11 und der Rückfläche 12.
Ferner ist auf der Vorderfläche 11 des Substrats 10 eine Verbindungselektrode 32 vorgesehen, die jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 zugeordnet ist. Es ist zu beachten, dass die Verbindungselektrode 32 (eine erste Elektrode) eine Vielzahl von Elektroden umfassen kann. Auf der Rückfläche 12 des Substrats 10 ist eine Verbindungselektrode 31 (eine zweite Elektrode), die einen Bereich zwischen jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 abdeckt, als eine gemeinsame Elektrode vorgesehen.
2A bis 2I sind Diagramme, die Beispiele für die Form jedes Durchgangsloches 13 in Richtung der Dicke des Substrats 10 zeigen. Als Form des Durchgangsloches 13 zeigt 2A eine Kreisform, 2B eine Quadratform, 2C ein gleichseitiges Dreieck, 2D ein regelmäßiges Fünfeck und 2E ein regelmäßiges Sechseck. Diese Kreise oder regelmäßigen Polygone sind Beispiele für Formen mit Rotationssymmetrie. 2F zeigt eine elliptische Form, 2G zeigt eine rechteckige Form, 2H zeigt ein gleichschenkliges Dreieck und 2I zeigt ein Trapez. Dies sind Beispiele für Formen mit Spiegelsymmetrie (Axialsymmetrie).
Die Formen der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 entlang der Dickenrichtung des Substrats 10 gesehen (z. B. die auf der Vorderfläche 11 des Substrats 10 definierte Form) können alle gleich sein oder voneinander verschiedene Formen umfassen. Die Formulierung „die Formen sind gleich“ bedeutet jedoch nicht, dass sie im strengen Sinne gleich sind, und Herstellungsfehler sind zulässig. Der Innendurchmesser jedes Durchgangsloches 13 beträgt z. B. 0,1 µm oder mehr und 10 µm oder weniger. Zu beachten ist, dass in der folgenden Beschreibung das Aspektverhältnis des Durchgangsloches 13 sich auf das Verhältnis (Z2/Z1) der Länge Z2 des Durchgangsloches 13 in Durchdringungsrichtung zum Innendurchmesser Z1 des Durchgangsloches 13 bezieht.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 1 dargestellten Linie III-III und zeigt einen Seitenquerschnitt des räumlichen Lichtmodulators 1A. Wie in 3 dargestellt, erstreckt sich jedes Durchgangsloch 13 gerade in der Dickenrichtung (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Vorderfläche 11 und zur Rückfläche 12) des Substrats 10. Darüber hinaus umfasst der räumliche Lichtmodulator 1A, wie in 3 dargestellt, ferner eine Vielzahl von Schichtstrukturen 20. Jede der Vielzahl von Schichtstrukturen 20 bedeckt die Innenwand 13a jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern 13.
4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 3. Die Schichtstruktur 20 umfasst eine elektrisch leitende Schicht 21 (eine erste elektrisch leitende Schicht), eine dielektrische Schicht 22, und eine elektrisch leitende Schicht 23 (eine zweite elektrisch leitende Schicht). Die elektrisch leitende Schicht 21 ist an der Innenwand 13a des Durchgangsloches 13 vorgesehen. Die in den 3 und 4 dargestellte elektrisch leitende Schicht 21 ist an der Innenwand 13a des Durchgangsloches 13 so bereitgestellt, dass sie sich von der Vorderfläche 11 bis zur Rückfläche 12 erstreckt, ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt und kann z. B. von der Rückfläche 12 bis zur Hälfte des Durchgangsloches 13 bereitgestellt werden (d. h. so, dass sie sich nicht bis zur Vorderfläche 11 erstreckt). Die elektrisch leitende Schicht 21 ist z. B. eine Metallschicht. In diesem Fall enthält die elektrisch leitende Schicht 21 z. B. Pt. In einem Beispiel ist die elektrisch leitende Schicht 21 eine Pt-Schicht. Es ist zu beachten, dass die elektrisch leitende Schicht 21 ein anderes Metall als Pt enthalten oder aus einem anderen Metall als Pt bestehen kann. Die Dicke t₁ der elektrisch leitenden Schicht 21 beträgt beispielsweise 10 nm oder mehr und 1000 nm oder weniger. Die Oberfläche 21a der elektrisch leitenden Schicht 21 ist eine glatte Oberfläche mit geringen Unebenheiten.
Die dielektrische Schicht 22 ist auf der elektrisch leitenden Schicht 21 bereitgestellt und isoliert die elektrisch leitende Schicht 21 und die elektrisch leitende Schicht 23 gegeneinander. Die dielektrische Schicht 22 der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine erste Schicht 221, die auf der elektrisch leitenden Schicht 21 bereitgestellt wird, und eine zweite Schicht 222, die auf der ersten Schicht 221 bereitgestellt wird. Die in den 3 und 4 gezeigte dielektrische Schicht 22 ist auf der Innenwand 13a des Durchgangsloches 13 von der Vorderfläche 11 bis zur Rückfläche 12 bereitgestellt, ist aber nicht auf diese Form beschränkt und kann auch nur auf einem Teil der Innenwand 13a (z.B. von einer der Vorderflächen 11 und der Rückfläche 12 bis zum Teil des Durchgangsloches 13) bereitgestellt werden, solange die elektrisch leitende Schicht 21 und die elektrisch leitende Schicht 23 gegeneinander isoliert sind. Die erste Schicht 221 und die zweite Schicht 222 der dielektrischen Schicht 22 enthalten hauptsächlich ein anorganisches dielektrisches Material mit optischer Transparenz und bestehen in einem Beispiel nur aus einem anorganischen dielektrischen Material. Beispielsweise können die erste Schicht 221 und die zweite Schicht 222 der dielektrischen Schicht 22 mindestens eines von Aluminiumoxid (Al₂O₃), Hafniumoxid (HfO₂), Siliziumoxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (SiN) enthalten und können eine Schicht sein, die aus einer Mischung von mindestens zwei dieser Materialien besteht. In einem Beispiel sind die erste Schicht 221 und die zweite Schicht 222 jeweils eine Al₂O₃-Schicht, eine HfO₂-Schicht, eine SiO₂-Schicht oder eine SiN-Schicht. Es ist zu beachten, dass die Bestandteile der ersten Schicht 221 und der zweiten Schicht 222 gleich oder unterschiedlich sein können. In der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich die Formulierung „mit optischer Transparenz“ auf eine Eigenschaft, bei der ein Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge (z. B. im sichtbaren Bereich oder im nahen Infrarotbereich) des auf den räumlichen Lichtmodulator 1A einfallenden Lichts 0,1 cm-1 oder weniger beträgt. Somit beträgt die Abnahme der Lichtintensität 10 % oder weniger, selbst wenn das Licht durch eine Schicht mit einer Dicke von 1 mm durchgelassen wird. Es ist zu beachten, dass mindestens eine der ersten Schicht 221 und der zweiten Schicht 222 ein anderes dielektrisches Material als Al₂O₃, HfO₂, SiO₂ und SiN enthalten oder aus einem anderen dielektrischen Material als Al₂O₃, HfO₂, SiO₂ und SiN bestehen kann, solange sie optisch transparent ist. Die Dicke t₂ der dielektrischen Schicht 22 beträgt z.B. 1 nm oder mehr und 20 nm oder weniger. Die Oberfläche der dielektrischen Schicht 22, die mit der elektrisch leitenden Schicht 21 in Kontakt ist, ist eine glatte Oberfläche mit geringen Unebenheiten. Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in dem nur eine der ersten Schicht 221 und der zweiten Schicht 222 die elektrisch leitende Schicht 21 und die elektrisch leitende Schicht 23 ausreichend isolieren kann, die andere der ersten Schicht 221 und der zweiten Schicht 222 weggelassen werden kann.
Die elektrisch leitende Schicht 23 ist auf der dielektrischen Schicht 22 bereitgestellt. Mit anderen Worten, die elektrisch leitende Schicht 23 ist auf der elektrisch leitenden Schicht 21 bereitgestellt, wobei die dielektrische Schicht 22 dazwischen angeordnet ist. Die in den 3 und 4 dargestellte elektrisch leitende Schicht 23 ist an der Innenwand 13a des Durchgangsloches 13 von der Vorderfläche 11 bis zur Rückfläche 12 vorgesehen, ist aber nicht auf diese Form beschränkt und kann beispielsweise von der Vorderfläche 11 bis zur Hälfte des Durchgangsloches 13 (d. h. nicht bis zur Rückfläche 12) bereitgestellt werden. Die elektrisch leitende Schicht 23 enthält hauptsächlich einen elektrischen Leiter mit optischer Transparenz und besteht beispielsweise nur aus einem elektrischen Leiter mit optischer Transparenz. In einem Beispiel umfasst die elektrisch leitende Schicht 23 mindestens eines von Indiumzinnoxid (ITO) und einem elektrischen Leiter auf Zinkoxidbasis (z.B. Gallium-dotiertes Zinkoxid (GZO), Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO), etc.), und in einem Beispiel ist die elektrisch leitende Schicht 23 eine ITO-Schicht oder eine AZO-Schicht. Es ist zu beachten, dass die elektrisch leitende Schicht 23 einen anderen optisch transparenten elektrischen Leiter als ITO und AZO enthalten kann oder aus einem anderen optisch transparenten elektrischen Leiter als ITO und AZO bestehen kann. Die Dicke t3 der elektrisch leitenden Schicht 23 beträgt z. B. 1 nm oder mehr und 20 nm oder weniger.
Die elektrisch leitende Schicht 24 ist auf der gesamten Oberfläche der Rückfläche 12 vorgesehen. Bei der elektrisch leitenden Schicht 24 handelt es sich um eine Schicht, die gleichzeitig mit der elektrisch leitenden Schicht 21 gebildet wird und aus dem gleichen Material besteht wie die elektrisch leitende Schicht 21. In einem Beispiel ist die elektrisch leitende Schicht 24 in Kontakt mit der Rückfläche 12. Die elektrisch leitende Schicht 21 in jedem Durchgangsloch 13 ist mit der elektrisch leitenden Schicht 24 verbunden. An der elektrisch leitenden Schicht 24 ist eine Verbindungselektrode 31 (eine zweite Elektrode) bereitgestellt. Die Verbindungselektrode 31 steht in Kontakt mit der elektrisch leitenden Schicht 24 und ist über die elektrisch leitende Schicht 24 mit der elektrisch leitenden Schicht 21 in jedem Durchgangsloch 13 elektrisch verbunden. Das heißt, die Verbindungselektrode 31 ist für die mehreren Durchgangslöcher 13 gemeinsam bereitgestellt. Bei der Verbindungselektrode 31 handelt es sich um eine Metallschicht, wie zum Beispiel eine Au-Schicht. Das Material dieses Metallfilms ist nicht auf Au beschränkt und kann auch ein Material wie Cr/Au, Ti/Au oder Ti/Pt/Au sein, um die Haftung zu erhöhen. Die in den 3 und 4 dargestellte Verbindungselektrode 31 ist auf der gesamten Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht 24 vorgesehen und deckt den gesamten Bereich zwischen jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 auf der Rückfläche 12 ab. Es ist zu beachten, dass die elektrisch leitende Schicht 24 und die Verbindungselektrode 31 in dem Bereich, in dem kein Durchgangsloch 13 ausgebildet ist, von der Rückfläche 12 entfernt werden können. Dadurch kann das Metallpeeling beim Ausschneiden der Vorrichtung aus dem Wafer eliminiert und das Anhaften eines schwer zu entfernenden Metallstaubs unterdrückt werden.
Auf der gesamten Oberfläche der Vorderfläche 11 ist eine dielektrische Schicht 25 vorgesehen. Die dielektrische Schicht 25 ist eine Schicht, die gleichzeitig mit der ersten Schicht 221 oder der zweiten Schicht 222 (die zweite Schicht 222 im Beispiel der 3 und 4) der dielektrischen Schicht 22 ausgebildet ist, und ihr Material ist das gleiche wie das der gleichzeitig ausgebildeten ersten Schicht 221 oder zweiten Schicht 222. In einem Beispiel ist die dielektrische Schicht 25 in Kontakt mit der Vorderfläche 11. Die erste Schicht 221 oder die zweite Schicht 222 in jedem Durchgangsloch 13 ist mit der dielektrischen Schicht 25 verbunden.
Auf der dielektrischen Schicht 25 ist eine elektrisch leitende Schicht 26 vorgesehen. Die elektrisch leitende Schicht 26 ist eine Schicht, die gleichzeitig mit der elektrisch leitenden Schicht 23 gebildet wird, und ihr Material ist das gleiche wie das der elektrisch leitenden Schicht 23. In einem Beispiel ist die elektrisch leitende Schicht 26 in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 25. Auf der elektrisch leitenden Schicht 26 ist eine Verbindungselektrode 32 (eine erste Elektrode) vorgesehen. Die Verbindungselektrode 32 steht in Kontakt mit der elektrisch leitenden Schicht 26 und ist über die elektrisch leitende Schicht 26 mit der elektrisch leitenden Schicht 23 in jedem Durchgangsloch 13 elektrisch verbunden. Die elektrisch leitende Schicht 26 und die Verbindungselektrode 32 sind in einem unabhängigen Bereich für ein oder mehrere Durchgangslöcher 13 vorgesehen (für ein Durchgangsloch 13 im Beispiel der 3 und 4), und sind für jeden Bereich (d.h. für ein oder mehrere Durchgangslöcher 13) elektrisch isoliert. 1 zeigt einen Fall, in dem die ebene Form der elektrisch leitenden Schicht 26 und der Verbindungselektrode 32 quadratisch ist, aber die ebene Form der elektrisch leitenden Schicht 26 und der Verbindungselektrode 32 ist nicht darauf beschränkt und kann auch eine andere Form haben, wie z.B. eine kreisförmige Form. Die Verbindungselektrode 32 kann eine Schichtstruktur aufweisen, die Folgendes umfasst: eine erste Schicht (z. B. eine Cr-Schicht oder eine Ti-Schicht), die mit der elektrisch leitenden Schicht 26 in Kontakt steht; und eine zweite Schicht (z. B. eine Au-Schicht), die auf der ersten Schicht vorgesehen ist. Die Verbindungselektrode 32 kann eine Schichtstruktur aus drei oder mehr Schichten haben, wie z. B. Ti/Pt/Au.
Die Funktionsweise des oben beschriebenen räumlichen Lichtmodulators 1A wird nun beschrieben. Wie in 5 dargestellt, tritt Licht L von der Rückfläche 12 des Substrats 10 ein, und dann tritt das Licht L durch die Vielzahl von Durchgangslöchern 13. Das zu diesem Zeitpunkt einfallende Licht L ist bevorzugt räumlich kohärentes Licht mit einer räumlich ausgerichteten Phase. Das in jedes Durchgangsloch 13 einfallende Licht L propagiert, während es an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22 jeder Schichtstruktur 20 reflektiert wird, durch jedes Durchgangsloch 13. Wenn in diesem Fall eine Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 in einem bestimmten Durchgangsloch 13 angelegt wird, treten die folgenden drei Phänomene in der genannten Schichtstruktur 20 auf.
(1) Änderung des Brechungsindexes der elektrisch leitenden Schicht 23 in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte der in der elektrisch leitenden Schicht 23 angesammelten Ladungsträger.
Da die elektrisch leitende Schicht 21 und die elektrisch leitende Schicht 23 mit der dazwischen liegenden dielektrischen Schicht 22 versehen sind, bilden sie einen Kondensator. Wenn eine Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 angelegt wird, sammeln sich daher Ladungsträger vom Typ Elektronen oder Löcher in der Nähe der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22 an, und Ladungsträger vom anderen Typ, Löcher oder Elektronen sammeln sich in der Nähe der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 23 und der dielektrischen Schicht 22 an. Wenn die elektrisch leitende Schicht 23 hauptsächlich einen anorganischen elektrischen Leiter wie ITO oder AZO enthält, wird ein Bereich in der Nähe der besagten Grenzfläche der elektrisch leitenden Schicht 23 durch die Ansammlung der Ladungsträger metallisiert, und der Brechungsindex des Bereichs ändert sich. Je mehr Ladungsträger akkumuliert werden (d. h. je höher die angelegte Spannung ist), desto größer ist die Änderung des Brechungsindexes. Infolgedessen ändert sich die optische Weglänge des durch den Bereich transmittierten Lichts. Die mit der Ladungsträgerakkumulation verbundene Änderung des Brechungsindexes kann z. B. mit Hilfe des Drude-Modells oder einer ähnlichen Methode abgeschätzt werden. Im Drude-Modell wird die Umgebung der Resonanzwellenlänge, in der der Realteil der Dielektrizitätskonstante nahe bei 0 liegt, als Epsilon-Nahe-Null-Bereich (ENZ) bezeichnet und ist ein Bereich, in dem die Änderung des Brechungsindexes groß ist. Aus diesem Grund kann durch die Wahl der Wellenlänge des Lichts innerhalb des ENZ-Bereichs eine starke Phasenmodulation erreicht werden.
(2) Änderung des Brechungsindexes der dielektrischen Schicht 22, verursacht durch ein elektrisches Feld zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23.
Da die dielektrische Schicht 22 zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 angeordnet ist, wird ein durch die dielektrische Schicht 22 hindurchtretendes elektrisches Feld erzeugt, wenn eine Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 angelegt wird. Ein elektrooptischer Effekt, der durch dieses elektrische Feld verursacht wird, führt zu einer Änderung des Brechungsindex der dielektrischen Schicht 22. Je stärker das elektrische Feld ist (d. h. je höher die angelegte Spannung), desto größer ist die Änderung des Brechungsindexes. Dadurch ändert sich die optische Weglänge des durch die dielektrische Schicht 22 transmittierten Lichts.
(3) Änderung des Betrags der Phasenverschiebung vor und nach der Reflexion an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22.
In der Schichtstruktur 20 wird das durch die elektrisch leitende Schicht 23 und die dielektrische Schicht 22 transmittierte Licht L an der elektrisch leitenden Schicht 21 reflektiert, dann durch die dielektrische Schicht 22 und die elektrisch leitende Schicht 23 erneut transmittiert und schließlich ausgegeben. In einem Fall, in dem die Dicke der dielektrischen Schicht 22 ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts, wird beim Anlegen einer Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 in jeder der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 jeweils ein induziertes elektromagnetisches Feld in gegenseitig entgegengesetzten Richtungen erzeugt, welches als Lücken-Oberflächen-Plasmon-Mode (gap surface plasmon mode) bezeichnet wird. Infolgedessen tritt in der dielektrischen Schicht 22 eine starke magnetische Resonanz (Plasmonenresonanz) auf. Diese magnetische Resonanz verändert den Betrag der Phasenverschiebung vor und nach der Reflexion an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22. Der Betrag der Phasenverschiebung zu diesem Zeitpunkt hängt von der Höhe der zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 angelegten Spannung ab. Darüber hinaus tritt bei Totalreflexion in der Schichtstruktur 20 eine als Goos-Hänchen-Verschiebung bezeichnete Phasenverschiebung auf. Aus diesem Grund kann der Betrag dieser Phasenverschiebung auch durch Änderung des Brechungsindexes bei variierter angelegter Spannung gesteuert werden.
Aufgrund der oben beschriebenen Phänomene (1) bis (3) variiert die Phase des von jedem Durchgangsloch 13 emittierten Lichts L in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23. Dann ist die elektrisch leitende Schicht 23 der vorliegenden Ausführungsform für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern 13 elektrisch isoliert. Folglich kann die Größe der Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 für jedes des einen oder mehreren Durchgangslöchern 13 individuell gewählt werden. Zu beachten ist, dass die Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 von außerhalb des räumlichen Lichtmodulators 1A über die Verbindungselektrode 31 auf der Rückfläche 12 und über die Verbindungselektrode 32 auf der Vorderfläche 11 angelegt wird. Der oben beschriebene Vorgang ermöglicht es dem räumlichen Lichtmodulator 1A, die Phasenverteilung des Lichts L räumlich und dynamisch zu steuern.
6 ist ein Diagramm, das konzeptionell einen Zustand des Lichts L in einem Fall illustriert, in dem es eine Neigung im Betrag der Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 unter der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 gibt, die in einer bestimmten Richtung angeordnet sind. Die Länge des in 6 dargestellten Pfeils des Lichts L gibt den Betrag der Phasenverschiebung an. In einem Fall, in dem es eine Neigung im Betrag der Spannung gibt, wie in 6 dargestellt, ist die Phase des Lichts L, das von jedem Durchgangsloch 13 emittiert wird, auch mit einer bestimmten Neigung verteilt. Dann wird emittiertes Licht L_out aus dem räumlichen Lichtmodulator 1A als Ergebnis dieses Lichts L entlang der Normalenrichtung der Neigung emittiert. Zu beachten ist, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Betrag der Spannung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der elektrisch leitenden Schicht 23 entsprechend einem gewünschten optischen Bild berechnet wird und für jedes Durchgangsloch 13 frei bestimmt wird.
Hier wird ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1A der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 7A bis 10C sind Diagramme, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1A zeigen. Als erstes wird, wie in 7A dargestellt, ein Substrat 10 mit einer Vorderfläche 11 und einer Rückfläche 12 bereitgestellt, die eben und parallel zueinander sind. Als nächstes wird, wie in 7B dargestellt, ein Resist auf die Rückfläche 12 (oder auch auf die Vorderfläche 11) aufgebracht, und das Resist wird belichtet (oder mit einem Elektronenstrahl bestrahlt) und entwickelt, um eine Resistmaske M₁ auszubilden. Die Resistmaske M₁ hat eine Vielzahl von Aussparungen MA, die der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 entsprechen (siehe 1).
Anschließend wird, wie in 7C dargestellt, das Substrat 10 durch die Aussparung der Resistmaske M₁ geätzt. Dieses Ätzen ist beispielsweise ein Trockenätzen und in einem Beispiel ein Ätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) durch das Bosch-Verfahren. Danach wird, wie in gezeigt, die Resistmaske M₁ durch organische Reinigung entfernt. Wenn in einigen Fällen die Ätzselektivität zwischen der Resistmaske M₁ und dem Substrat 10 nicht ausreicht, wird während des Ätzens des Substrats 10 vor dem Aufbringen des Resists eine Schicht aus einer Siliziumverbindung wie SiN oder SiO₂ auf der Rückfläche 12 (oder auf der Vorderfläche 11) abgeschieden. Nachdem die Resistmaske M₁ auf der Siliziumverbindung ausgebildet wurde, kann die Aussparung MA auf die Siliziumverbindungsschicht übertragen werden. Das Substrat 10 kann dann unter Verwendung dieser Siliziumverbindungsschicht als Ätzmaske geätzt werden. Es ist zu beachten, dass die Ätzmaske nicht auf die Siliziumschicht beschränkt ist und dass auch andere anorganische dielektrische Materialien wie Al₂O₃ oder HfO₂ verwendet werden können.
Anschließend werden, wie in 8A dargestellt, die elektrisch leitenden Schichten 21 und 24 gebildet. In diesem Schritt wird die Atomlagenabscheidung (ALD) eingesetzt. Durch die ALD kann das Material der elektrisch leitenden Schichten 21, 24 isotrop dünn und gleichmäßig auf die Innenwand 13a jedes Durchgangsloches 13 und die Rückfläche 12 des Substrats 10 aufgebracht werden. Es ist zu beachten, dass die ALD typischerweise für die Abscheidung eines Films innerhalb eines Lochs mit einem hohen Aspektverhältnis geeignet ist, aber nicht auf die ALD beschränkt ist, es können andere Verfahren wie Galvanik, Gasphasenabscheidung oder Sputterabscheidung verwendet werden, um die elektrisch leitenden Schichten 21 und 24 auszubilden. Anschließend wird, wie in 8B dargestellt, die erste Schicht 221 der dielektrischen Schicht 22 gebildet. In diesem Schritt wird das Material der ersten Schicht 221 durch ALD, wie bei den elektrisch leitenden Schichten 21 und 24, dünn und gleichmäßig auf die Innenwand 13a jedes Durchgangsloches 13 aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt wird eine dielektrische Schicht 27, die aus demselben Material wie die erste Schicht 221 besteht, auf der Rückfläche 12 des Substrats 10 gebildet. Auch in diesem Schritt, der nicht auf ALD beschränkt ist, kann ein anderes Verfahren, wie z. B. Sputterabscheidung, zur Bildung der ersten Schicht 221 verwendet werden.
Anschließend wird, wie in 8C dargestellt, durch Entfernen der dielektrischen Schicht 27 die elektrisch leitende Schicht 24 unterhalb der dielektrischen Schicht 27 freigelegt. In diesem Schritt kann die dielektrische Schicht 27 z. B. durch Nassätzen mit einem Lösungsmittel auf Flusssäurebasis oder durch Trockenätzen mit einem Gas auf Flusssäurebasis entfernt werden. Anschließend wird, wie in 8D dargestellt, eine Verbindungselektrode 31 auf der freiliegenden elektrisch leitenden Schicht 24 gebildet. In diesem Schritt wird die Verbindungselektrode 31 z.B. mit Hilfe eines Galvanikverfahrens oder durch Gasphasenabscheidung gebildet.
Anschließend wird, wie in 9A dargestellt, die Vorderfläche 11 durch Umdrehen des Substrats 10 nach oben gerichtet. Dann werden die zweite Schicht 222 der dielektrischen Schicht 22 und die dielektrische Schicht 25 gebildet. In diesem Schritt wird das Material für die zweite Schicht 222 und die dielektrische Schicht 25 unter Verwendung des ALD-Verfahrens wie bei der ersten Schicht 221 dünn und gleichmäßig auf die Innenwand 13a jedes Durchgangsloches 13 und die Vorderfläche 11 des Substrats 10 aufgebracht. Auch in diesem Schritt können die zweite Schicht 222 und die dielektrische Schicht 25 nicht nur durch ALD, sondern auch durch ein anderes Verfahren wie Sputterabscheidung gebildet werden.
Anschließend werden, wie in 9B dargestellt, die elektrisch leitende Schicht 23 und die elektrisch leitende Schicht 26 gebildet. In diesem Schritt wird das Material für die elektrisch leitenden Schichten 23 und 26 unter Verwendung von ALD wie im Fall der elektrisch leitenden Schichten 21 und 24 dünn und gleichmäßig auf der Innenwand 13a jedes Durchgangsloches 13 und der Vorderfläche 11 des Substrats 10 abgeschieden. Auch in diesem Schritt können die elektrisch leitenden Schichten 23 und 26 nicht nur durch ALD, sondern auch durch andere Verfahren wie Sputterabscheidung gebildet werden.
Anschließend wird, wie in 9C dargestellt, nach dem Aufbringen eines Resists auf die elektrisch leitende Schicht 26 das Resist belichtet (oder mit einem Elektronenstrahl bestrahlt) und entwickelt, um eine Resistmaske M₂ zu bilden. Die Resistmaske M₂ hat eine gitterförmige Aussparung MB, die jede Gruppe von einem oder mehreren Durchgangslöchern 13 der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 umgibt. Dann wird, wie in 10A dargestellt, die elektrisch leitende Schicht 26 durch die Aussparung MB der Resistmaske M₂ geätzt. In diesem Schritt wird die elektrisch leitende Schicht 26 beispielsweise durch Nassätzen mit einem Lösungsmittel auf Flusssäurebasis oder durch Trockenätzen mit einem Gas auf Flusssäurebasis geätzt. Durch diesen Schritt werden die elektrisch leitenden Schichten 23 und 26 für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern 13 elektrisch isoliert. Danach wird, wie in 10B gezeigt, die Resistmaske M₂ durch organische Reinigung entfernt. Anschließend wird, wie in 10C dargestellt, die Verbindungselektrode 32 auf der elektrisch leitenden Schicht 26 ausgebildet. In diesem Schritt wird die Verbindungselektrode 32 z. B. durch Galvanik hergestellt. Durch die oben genannten Schritte wird der räumliche Lichtmodulator 1A der vorliegenden Ausführungsform hergestellt.
11 bis 11C sind Diagramme, die ein anderes Verfahren (MACE) zur Bildung der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 im Substrat 10 veranschaulichen. Zunächst wird, wie in 11A gezeigt, eine Vielzahl von katalytischen Metallfilmen 41, die jeweils einer Vielzahl von Durchgangslöchern 13 entsprechen, auf der Vorderfläche 11 (oder der Rückfläche 12) gebildet. Die katalytische Metallschicht 41 umfasst beispielsweise eine Ti-Schicht, die mit dem Substrat 10 in Kontakt steht, und eine auf der Ti-Schicht gebildete Au-Schicht. Es ist zu beachten, dass als katalytische Metallschicht 41 auch eine andere Metallschicht (z. B. eine Edelmetallschicht aus Ag, Pt, Pd, Cu o. ä.) verwendet werden kann. Dann wird das Substrat 10 in eine Ätzlösung getaucht. Als Ätzlösung kann zum Beispiel eine gemischte Lösung aus Flusssäure und Wasserstoffperoxidwasser verwendet werden. Infolgedessen wird, wie in 11B gezeigt, die Reaktion an dem Kontaktabschnitt zwischen der katalytischen Metallschicht 41 und dem Substrat 10 lokal gefördert, und das Substrat 10 unterhalb der katalytischen Metallschicht 41 wird selektiv geätzt. Dieses Ätzen findet statt, während die katalytische Metallschicht 41 herabfällt. Als Ergebnis wird eine Vielzahl von Vertiefungen 42 mit einem hohen Aspektverhältnis im Substrat 10 gebildet. Indem man dieses Ätzen fortschreiten lässt (durch das Eindringen der Vielzahl von Vertiefungen 42 durch das Substrat 10), kann die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 mit einem hohen Aspektverhältnis gebildet werden. Alternativ kann danach, wie in 11C gezeigt, ein Ätzen oder ein Polieren (oder beides) auf der Oberfläche durchgeführt werden, die der Oberfläche mit dem gebildeten katalytischen Metallfilm 41 gegenüberliegt, wodurch die Vertiefung 42 veranlasst wird, durch das Substrat 10 hindurch zu dringen und den katalytischen Metallfilm 41 zu entfernen. Auch in diesem Fall kann die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 mit einem hohen Aspektverhältnis im Substrat 10 gebildet werden. Zu beachten ist, dass beim Ätzen oder Polieren eine Erhöhung der Parallelität zwischen der Vorderfläche 11 und der Rückfläche 12 es der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 ermöglicht, eine einheitliche Länge in der Durchdringungsrichtung zu haben und die Variation im Betrag der Phasenverschiebung zu unterdrücken. Die nachfolgenden Schritte sind ähnlich wie die in den 8A bis 10C dargestellten Schritte.
Nachfolgend wird ein durch den räumlichen Lichtmodulator 1A der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform erzielter Effekt beschrieben. Wie oben beschrieben, kann der räumliche Lichtmodulator 1A der vorliegenden Ausführungsform die Phasenverteilung von Licht räumlich und dynamisch steuern. Da das Durchgangsloch 13 beispielsweise durch einen Ätzprozess für Halbleiter oder ein Verfahren wie MACE gebildet werden kann, kann die Anordnungsperiode des Durchgangsloches 13 außerdem auf einfache Weise kleiner gemacht werden als die Anordnungsperiode der Pixel von auf Flüssigkristallen basierten räumlichen Lichtmodulatoren. Daher kann im räumlichen Lichtmodulator 1A die Anordnungsperiode der Durchgangslöcher 13, d.h. die Anordnungsperiode der Pixel, kleiner als in der herkömmlichen Technik gemacht werden. Infolgedessen erhöht die Kombination aus dem räumlichen Lichtmodulator 1A und einer Oberflächenlichtquelle wie einem auf photonischen Kristallen basierendem Laserelement die Anzahl der effektiven Pixel, um ein qualitativ hochwertiges optisches Bild zu liefern.
Darüber hinaus hat der räumliche Lichtmodulator 1A der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu der im Nicht-Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration die folgenden Vorteile. Das heißt, in der im Nicht-Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration muss das Licht durch den unter der Bodenfläche der Aussparung angeordneten Substratabschnitt hindurchtreten, damit das Licht durch die auf der Vorderfläche des Substrats ausgebildete Aussparung hindurchtreten kann. Daher ist das Licht auf einen Wellenlängenbereich beschränkt, der mit geringerer Wahrscheinlichkeit vom Substrat absorbiert wird. Darüber hinaus verwendet das Nicht-Patentdokument 1 MACE als Methode zur Bildung einer Vertiefung. Wenn MACE jedoch zur Bildung einer Vertiefung mit Boden verwendet wird, verbleibt eine katalytische Metallschicht am Boden der Vertiefung, und die verbleibende katalytische Metallschicht streut das Licht. Im Hinblick auf diese Probleme tritt das Licht L im räumlichen Lichtmodulator 1A der vorliegenden Ausführungsform durch das Durchgangsloch 13 hindurch, die zwischen der Vorderfläche 11 und der Rückfläche 12 des Substrats 10 hindurchgeht, und daher muss das Licht L nicht durch das Substrat 10 hindurchgehen. Daher ermöglicht die vorliegende Ausführungsform im Vergleich zu der im Nicht-Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration eine Erweiterung des verfügbaren Wellenlängenbereichs. Darüber hinaus kann selbst in einem Fall, in dem MACE verwendet wird, um das Durchgangsloch 13 zu bilden, die katalytische Metallschicht 41 leicht entfernt werden, und daher wird das Licht nicht durch die katalytische Metallschicht 41 gestreut. Daher kann mit dem räumlichen Lichtmodulator 1A der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu der im Nicht-Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration ein qualitativ hochwertiges optisches Bild erzielt werden.
Wie bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Form jedes Durchgangsloches 13, von der Dickenrichtung des Substrats 10 aus gesehen, Rotationssymmetrie oder Spiegelsymmetrie aufweisen. In diesem Fall kann die Verzerrung in der Lichtemissionsrichtung von jedem Durchgangsloch 13 unterdrückt werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform können die Formen der Vielzahl von Durchgangslöchern 13, von der Dickenrichtung des Substrats 10 aus gesehen, einander gleichen. In diesem Fall können die Bedingungen für das emittierte Licht (die Lichtintensität usw.) für jedes Durchgangsloch 13 angeglichen werden, und ein hochwertiges optisches Bild kann leicht gebildet werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform können die Schwerpunkte der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 auf wenigstens einer der Vorderfläche 11 und/oder der Rückfläche 12 des Substrats 10 an Gitterpunkten von quadratischen Gittern oder Dreiecksgittern angeordnet sein. In diesem Fall ist die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 regelmäßig in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats 10 ausgerichtet (ein optisches Bild kann leicht ausgebildet werden).
Wie bei der vorliegenden Ausführungsform kann die elektrisch leitende Schicht 23 mit der für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehenen Verbindungselektrode 32 auf dem Substrat 10 elektrisch verbunden sein. Eine solche Konfiguration ermöglicht beispielsweise das Anlegen einer individuellen Spannung an die elektrisch leitende Schicht 23 für jedes Durchgangsloch 13. Darüber hinaus kann die elektrisch leitende Schicht 21 elektrisch mit der Verbindungselektrode 31 verbunden sein, die für die Vielzahl der Durchgangslöcher 13 auf dem Substrat 10 gemeinsam vorgesehen ist. Eine solche Konfiguration erleichtert beispielsweise die Einstellung eines elektrischen Referenzpotentials in Bezug auf die elektrisch leitende Schicht 21.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Verbindungselektrode 31 einen Bereich zwischen jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 auf der Rückfläche 12 des Substrats 10 abdecken. In diesem Fall kann das Licht L daran gehindert werden, durch einen anderen Substratabschnitt als das Durchgangsloch 13 zu gelangen, und daher kann emittiertes Licht L_out nur aus Licht L bestehen, das nach dem Durchgang durch das Durchgangsloch 13 moduliert wurde. Darüber hinaus unterdrückt das Vorhandensein einer solchen Verbindungselektrode 31 auf der Rückfläche 12 als Lichteinfallsfläche die Absorption des Lichts L in einem anderen Substratabschnitt als dem Durchgangsloch 13 und einen Temperaturanstieg im Substrat 10.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann das Substrat 10 hauptsächlich einen Halbleiter enthalten. In diesem Fall wird auf einfach Weise ein Ätzverfahren für Halbleiter oder MACE verwendet, um das Durchgangsloch 13 zu bilden. Daher können feine Durchgangslöcher 13 mit einem hohen Aspektverhältnis auf einfache Weise gebildet werden, und die Anordnungsperiode der Durchgangslöcher 13 kann auf einfach Weise verkürzt werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann der Halbleiter des Substrats 10 mindestens eines der Materialien Si, Ge, GaAs, InP und GaN enthalten. In diesem Fall kann ein bekanntes Ätzverfahren für die Bildung des Durchgangsloches 13 verwendet werden, und die Bildung von Durchgangslöchern 13 wird erleichtert.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die elektrisch leitende Schicht 21 eine Metallschicht sein. In diesem Fall kann das Licht L an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22 ausreichend reflektiert werden.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die elektrisch leitende Schicht 21 Pt enthalten. In diesem Fall kann die elektrisch leitende Schicht 21 beispielsweise durch ALD leicht in einem Durchgangsloch 13 gebildet werden, die einen kleinen Innendurchmesser hat und in der Durchdringungsrichtung lang ist (d.h. ein großes Aspektverhältnis aufweist).
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 22 mindestens eines der folgenden Materialien enthalten: Al₂ O₃ , HfO₂ , SiO₂ , und SiN. In diesem Fall wird die Bildung der dielektrischen Schicht 22 mit optischer Transparenz in geeigneter Weise möglich.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die elektrisch leitende Schicht 23 mindestens eines der folgenden Materialien enthalten: ITO, einen elektrischen Leiter auf Zinkoxidbasis (GZO, AZO usw.), Titannitrid und Cadmiumoxid. In diesem Fall wird die Bildung der elektrisch leitenden Schicht 23 mit optischer Transparenz in geeigneter Weise möglich.
(Erste Modifikation)
12 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1B in einer ersten Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. Im räumlichen Lichtmodulator 1B sind die Schwerpunkte der ebenen Formen (Formen, die auf der Vorderfläche 11 zu definieren sind) der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 an den Gitterpunkten von Dreiecksgittern, anstatt an den Gitterpunkten der quadratischen Gitter wie in der oben beschriebenen Ausführungsform angeordnet. Auch in diesem Fall ist die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 regelmäßig auf der Oberfläche senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats 10 ausgerichtet, so dass ein optisches Bild leicht generiert werden kann. Zu beachten ist, dass die Anordnung der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform und die vorliegende Abwandlung beschränkt ist, und verschiedene andere Anordnungen anwendbar sind.
(Zweite Modifikation)
13 bis 15 sind Draufsichten, die jeweilige räumliche Lichtmodulatoren 1C bis 1E in einer zweiten Modifikation der obigen Ausführungsform zeigen. In dem in 13 dargestellten räumlichen Lichtmodulator 1C weist das Substrat 10 eine Vielzahl von Durchgangslöchern 13 auf, die sich linear entlang einer bestimmten Richtung A₁ erstrecken. Diese Durchgangslöcher 13 sind in regelmäßigen Abständen entlang einer Richtung A₂ angeordnet, die die Richtung A₁ schneidet (z. B. orthogonal dazu). Die Verbindungselektrode 32 erstreckt sich in einer rechteckigen Rahmenform, so dass sie den Umfang jedes Durchgangsloches 13 umgibt. In dem in 14 dargestellten räumlichen Lichtmodulator 1D enthält das Substrat 10 eine Vielzahl (in der Zeichnung drei) von Durchgangslöchern 13, die sich bogenförmig um einen bestimmten Mittelpunkt C erstrecken. Diese Durchgangslöcher 13 erstrecken sich über einen Winkelbereich von weniger als 360° in Polarkoordinaten, zentriert auf den Mittelpunkt C (Ursprung), und sind in gleichen Abständen in radialer Richtung angeordnet. Die Verbindungselektrode 32 erstreckt sich entlang der Kanten auf beiden Seiten jedes Durchgangsloches 13. Auch bei dem in 15 dargestellten räumlichen Lichtmodulator 1E enthält das Substrat 10 eine Vielzahl von Durchgangslöchern 13, die sich bogenförmig um einen bestimmten Mittelpunkt C erstrecken. In diesem Beispiel sind jedoch zwei oder mehr Durchgangslöcher 13 in bestimmten Abständen in Umfangsrichtung auf einem Kreis um den Mittelpunkt C angeordnet, und eine Vielzahl solcher Kreise ist konzentrisch in gleichen Abständen angeordnet.
In diesen räumlichen Lichtmodulatoren 1C bis 1E erstreckt sich die Form jedes Durchgangsloches 13, von der Dickenrichtung des Substrats 10 aus gesehen, geradlinig, und die Vielzahl der Durchgangslöcher 13 ist in einer Richtung angeordnet, die die Erstreckungsrichtung jedes Durchgangsloches 13 schneidet. Selbst in einem Fall, in dem das Durchgangslochen 13 eine solche Form haben, können die gleichen Effekte im Betrieb wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform erzielt werden. Darüber hinaus wird in einem Fall, in dem sich das Durchgangsloch 13 auf diese Weise erstreckt, das Ätzen erleichtert, und gleichzeitig wird das Öffnungsverhältnis eines Phasenmodulationsabschnitts erhöht, wodurch eine Phasensteuerung mit höherer Effizienz und höherer Definition erreicht werden kann. Darüber hinaus wird eine optische Beschränkung in der Ausdehnungsrichtung des Lichts innerhalb einer Pore abgeschwächt, und dessen Transmissionsverluste können unterdrückt werden.
(Dritte Modifikation)
16 ist eine Draufsicht, die einen räumlichen Lichtmodulator 1F in einer dritten Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. Im räumlichen Lichtmodulator 1F hat das Substrat 10 eine Vielzahl von Durchgangslöchern 13 mit der in 13 dargestellten Form. Darüber hinaus ist für jedes Durchgangsloch 13 eine Vielzahl (im dargestellten Beispiel drei) von Verbindungselektroden 32 vorgesehen. In den in den 1, 12 und 13 dargestellten Beispielen ist für jedes Durchgangsloch 13 eine Verbindungselektrode 32 vorgesehen, es können aber auch mehrere Verbindungselektroden 32 für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehen sein, wie in der vorliegenden Modifikation. Auch in diesem Fall kann für jedes Durchgangsloch 13 individuell eine Spannung an die elektrisch leitende Schicht 23 angelegt werden. Darüber hinaus reicht es aus, dass eine der Vielzahl von Verbindungselektroden 32 mit einer Verdrahtung verbunden ist, wodurch der Freiheitsgrad der Verdrahtung erhöht wird.
(Vierte Modifikation)
17 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines räumlichen Lichtmodulators 1G in einer vierten Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. Der räumliche Lichtmodulator 1G enthält zusätzlich zu der Konfiguration des räumlichen Lichtmodulators 1A der obigen Ausführungsformen einen dielektrischen Bereich 28. Der dielektrische Bereich 28 ist auf jeder Schichtstruktur 20 in jedem Durchgangsloch 13 vorgesehen und besteht aus einem dielektrischen Material mit optischer Transparenz. Das Material, aus dem der dielektrische Bereich 28 besteht, umfasst beispielsweise mindestens eines der Materialien Al₂ O₃, HfO₂ , SiO₂ und SiN, und der Bereich kann aus einer Mischung von mindestens zwei dieser Materialien bestehen. In einem Beispiel besteht der dielektrische Bereich 28 nur aus Al₂ O₃ , HfO₂ , SiO₂ und SiN. Es ist zu beachten, dass die Materialien, aus denen der dielektrische Bereich 28 und die dielektrische Schicht 22 bestehen, gleich oder verschieden voneinander sein können. Im Beispiel von 17 füllt der dielektrische Bereich 28 den gesamten Raum in der Durchdringungsrichtung jedes Durchgangslochs 13 und aus dem Raum der von der Schichtstruktur 20 umgebenen Durchgangslöchern 13 heraus aus. Ohne auf dieses Beispiel beschränkt zu sein, kann der dielektrische Bereich 28 auch einen Teil des Raums in der Durchdringungsrichtung jedes Durchgangslochs 13 ausfüllen. Wie in 17 gezeigt, kann sich die der Vorderfläche 11 zugewandte Endfläche des dielektrischen Bereichs 28 bis zur Verbindungselektrode 32 erstrecken, und ferner kann der dielektrische Bereich 28 den Spalt zwischen den aneinander angrenzenden Verbindungselektroden 32 ausfüllen.
18A und 18B sind Diagramme, die einen Schritt zur Bildung des dielektrischen Bereichs 28 der Schritte zur Herstellung des räumlichen Lichtmodulators 1G zeigen. Zunächst wird der in 1 dargestellte räumliche Lichtmodulator 1A durch die in 7A bis 10C der obigen Ausführungsform dargestellten Schritte hergestellt. Dann wird, wie in 18A dargestellt, das Material des dielektrischen Bereichs 28 von der Seite der Vorderfläche 11 aus abgeschieden, z. B. durch ALD. Zu diesem Zeitpunkt wird der dielektrische Bereich 28 in einen Teil in der Durchdringungsrichtung des Durchgangsloches 13 oder in das gesamte Loch eingebettet. Danach wird, wie in 18B dargestellt, der dielektrische Bereich 28 von der Seite der Vorderfläche 11 aus geätzt, um die Dicke des dielektrischen Bereichs 28 zu verringern, wodurch die Verbindungselektrode 32 von dem dielektrischen Bereich 28 aus freigelegt wird. Auf diese Weise wird der räumliche Lichtmodulator 1G der vorliegenden Modifikation hergestellt. Es ist zu beachten, dass im Falle einer teilweisen Ausdünnung des dielektrischen Bereichs 28 zur Freilegung der Verbindungselektrode 32 zuerst auf dem dielektrischen Bereich 28 eine Resistmaske mit einer Aussparung über der Verbindungselektrode 32 gebildet wird, durch die Resistmaske der dielektrische Bereich 28 geätzt wird (um die Verbindungselektrode 32 freizulegen) und dann die Resistmaske durch organische Reinigung entfernt werden muss.
Wie in der vorliegenden Modifikation kann der räumliche Lichtmodulator 1G einen optisch transparenten dielektrischen Bereich 28 enthalten, der auf jeder Schichtstruktur 20 vorgesehen ist. In diesem Fall wird der Brechungsindex des Durchgangsloches 13 größer als 1 und die optische Weglänge des hindurchtretenden Lichts L wird vergrößert, und somit erhöht sich die Anzahl der Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22. Daher kann der Betrag der Phasenmodulation in jedem Durchgangsloch 13 erhöht werden. Alternativ kann die erforderliche Dicke des Substrats 10 verringert werden, um einen vorgegebenen Betrag der Phasenmodulation zu erreichen. In diesem Fall füllt der dielektrische Bereich 28 zumindest einen Teil in der Durchdringungsrichtung (einem Teilabschnitt entlang der Durchdringungsrichtung) jedes Durchgangsloches 13 des von der Schichtstruktur 20 umgebenen Raums aus. Dadurch wird die optische Weglänge des Lichts L, das durch das Durchgangsloch 13 hindurchgeht, weiter erhöht, und die Anzahl der Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22 kann weiter erhöht werden.
(Fünfte Modifikation)
19 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines räumlichen Lichtmodulators 1H in der fünften Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. Der räumliche Lichtmodulator 1H enthält zusätzlich zu der Konfiguration des räumlichen Lichtmodulators 1A der obigen Ausführungsformen eine glatte Schicht 29. Die glatte Schicht 29 ist an der Innenwand 13a jedes Durchgangsloches 13 vorgesehen und hat eine glatte Oberfläche 29a. Die Schichtstruktur 20 ist auf der Oberfläche 29a der glatten Schicht 29 vorgesehen. In einem Beispiel befindet sich die elektrisch leitende Schicht 21 der Schichtstruktur 20 in engem Kontakt mit der Oberfläche 29a der glatten Schicht 29. Die glatte Schicht 29 enthält mindestens ein Metall oder ein dielektrisches Material. In einem Beispiel ist die glatte Schicht 29 eine Metallschicht oder eine dielektrische Schicht. Als Beispiel kann eine dielektrische Schicht, bestehend aus Al₂O₃ , HfO₂ , SiO₂ , SiN oder ähnlichem, oder eine Metallschicht, bestehend aus Pt oder ähnlichem, als glatte Schicht 29 verwendet werden, und diese Schichten können zum Beispiel durch ALD abgeschieden werden, um einen glatten Film zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Modifikation wird die Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht 21 glatt, selbst wenn die Innenwand 13a des Durchgangsloches 13 während der Bearbeitung Unebenheiten aufweist. Aus diesem Grund kann das Licht L daran gehindert werden, an der Grenzfläche zwischen der elektrisch leitenden Schicht 21 und der dielektrischen Schicht 22 diffus zu reflektieren. Darüber hinaus enthält die glatte Schicht 29 mindestens eines von beispielsweise einem Metall und einem dielektrischen Material, wodurch eine glatte Oberfläche 29a unabhängig vom Vorhandensein oder Fehlen der Unebenheiten der Innenwand 13a realisiert werden kann. Darüber hinaus können in einem Fall, in dem die glatte Schicht 29 aus einem isolierenden dielektrischen Material besteht, die elektrisch leitende Schicht 21 und das Substrat 10 voneinander elektrisch isoliert werden, und daher kann ein Leckstrom von der elektrisch leitenden Schicht 21 zum Substrat 10 wirksam unterdrückt werden. Dadurch kann die an die elektrisch leitende Schicht 21 angelegte Spannung genau gesteuert werden.
(Dynamische Modulation der Phase)
20A bis 20C sind Diagramme zur Beschreibung von Konfigurationen eines Basiselements und einer Basiseinheit, um die dynamische Modulation der Phase unter Verwendung der Intensitätsmodulation der angelegten Spannung in den räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H zu erreichen.
In jedem der oben beschriebenen räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H kann das Substrat 10 als eine Anordnung aus einer Vielzahl von Basiselementen 100 betrachtet werden, denen jeweils ein Durchgangsloch 13 zugeordnet ist. 20A zeigt ein Beispiel für ein Basiselement 100. Jedes Basiselement 100 umfasst: einen Teil eines Substrats 10 mit einem entsprechenden Durchgangsloch 13; eine Verdrahtungselektrode 32, die auf der Vorderfläche 11 vorgesehen ist; und eine Verbindungselektrode 31, die auf der Rückfläche 12 vorgesehen ist. In dem in 20A dargestellten Beispiel ist jede der maximalen Breiten W des Basiselements 100, die entlang zweier Richtungen (z. B. zweier orthogonaler Richtungen) zu definieren sind, die sich auf der Vorderfläche 11 schneiden, so konfiguriert, dass sie kleiner als die Wellenlänge eines einfallenden Lichts ist.
Jeder der oben beschriebenen räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H umfasst eine Basiseinheit als Modulationssteuereinheit. 20B zeigt beispielsweise ein Beispiel für eine Basiseinheit 200A mit drei aufeinanderfolgenden Basiselementen 100 entlang einer Richtung. 20C zeigt ein Beispiel für eine Basiseinheit 200B, die neun (3 × 3) aufeinanderfolgenden Basiselementen 100 in zwei zueinander orthogonalen Richtungen aufweist.
In der in 20B dargestellten Basiseinheit 200A ist auf der Vorderfläche 11 für jedes den drei Basiselementen 100 zugeordnetes Durchgangsloch 13 eine Verbindungselektrode 32 vorgesehen, während auf der Rückfläche 12 eine Verbindungselektrode 31 als eine gemeinsame Elektrode der drei Basiselemente 100 vorgesehen ist. Es ist bekannt, dass in der Basiseinheit 200A, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, wenn die Transmissionsintensität (oder die Reflexionsintensität) jedes Basiselements 100 dynamisch moduliert wird, ein Effekt der äquivalenten Verschiebung der Position eines Emissionsbereichs 300 (schraffierter Bereich in 20B) der Basiseinheit 200A vorgesehen ist (dynamische Phasenmodulation). Zu beachten ist, dass eine solche Phasenmodulation das Prinzip des „detour-phase“-Hologramms nutzt, das im Nicht-Patentdokument 2 oben offenbart wurde, und die Tatsache, dass eine Vielzahl von Basiseinheiten in einem räumlichen Lichtmodulator enthalten ist, wird beispielsweise im Nicht-Patentdokument 3 offenbart.
Darüber hinaus ist in der in 20C dargestellten Basiseinheit 200B eine Verbindungselektrode 32 auf der Vorderfläche 11 für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehen, das neun Basiselementen 100 zugeordnet ist, während auf der Rückfläche 12 eine Verbindungselektrode 31 als gemeinsame Elektrode der neun Basiselemente 100 vorgesehen ist. Auch durch diese Basiseinheit 200B kann, wenn die Transmissionsintensität (oder die Reflexionsintensität) jedes Basiselements 100 dynamisch moduliert wird, ein Effekt der äquivalenten Verschiebung der Position eines Emissionsbereichs 300 (schraffierter Bereich in 20C) der Basiseinheit 200A erzielt werden.
Wie oben beschrieben, ist in einem Fall, in dem die räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H jeweils die Mehrzahl von Basiseinheiten 200A enthalten, eine eindimensionale Phasenmodulation möglich, und in einem Fall, in dem die räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H jeweils die Mehrzahl von Basiseinheiten 200B enthalten, ist eine zweidimensionale Phasenmodulation möglich. Es ist zu beachten, dass die räumlichen Lichtmodulatoren 1A bis 1H eine Vielzahl von Typen von Basiseinheiten mit unterschiedlichen Strukturen enthalten können, wie z. B. eine Kombination der Basiseinheiten 200A und 200B.
(Zweite Ausführungsform)
21A ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration einer lichtemittierenden Vorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Diese lichtemittierende Vorrichtung 2 umfasst den räumlichen Lichtmodulator 1A der obigen Ausführungsform und ein oberflächenemittierendes Laserelement 50. Das oberflächenemittierende Laserelement 50 ist in der vorliegenden Ausführungsform eine Oberflächenlichtquelle, und zwar ein so genanntes auf photonischen Kristallen basierendes oberflächenemittierendes Laserelement (PCSEL). Das oberflächenemittierende Laserelement 50 ist optisch mit der Vorderfläche 11 oder der Rückfläche 12 (im dargestellten Beispiel die Rückfläche 12) des räumlichen Lichtmodulators 1A gekoppelt. In einem Beispiel ist das oberflächenemittierende Laserelement 50 mit der Rückfläche 12 des räumlichen Lichtmodulators 1A über eine Verbindungsstelle 51 verbunden. Bei der Verbindungsstelle 51 handelt es sich beispielsweise um ein elektrisch leitendes Verbindungsmaterial wie Lot.
Es ist zu beachten, dass das Material der Verbindungsstelle 51 nicht unbedingt elektrisch leitend ist.
Hier ist ein orthogonales XYZ-Koordinatensystem definiert, in dem eine Achse, die durch den Mittelpunkt des oberflächenemittierenden Laserelements 50 verläuft und sich in Richtung der Dicke des oberflächenemittierenden Laserelements 50 erstreckt, als Z-Achse bezeichnet wird. Das oberflächenemittierende Laserelement 50 erzeugt eine stehende Welle in einer Richtung, die in der X-Y-Ebene definiert ist, und gibt Laserlicht L in einer Richtung (Z-Achsenrichtung) senkrecht zur Hauptoberfläche 53a eines Halbleitersubstrats 53 ab. Zu beachten ist, dass die Richtung der Z-Achse mit der Dickenrichtung (d. h. der Durchdringungsrichtung des Durchgangslochs 13) des Substrats 10 des räumlichen Lichtmodulators 1A zusammenfällt.
Das oberflächenemittierende Laserelement 50 umfasst ein Halbleitersubstrat 53 und einen Halbleiterstapel 60, der auf der Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 bereitgestellt ist. Der Halbleiterstapel 60 umfasst eine Mantelschicht 61, die auf der Hauptoberfläche 53a bereitgestellt ist, eine aktive Schicht 62, die auf der Mantelschicht 61 bereitgestellt ist, eine Mantelschicht 63, die auf der aktiven Schicht 62 bereitgestellt ist, und eine Kontaktschicht 64, die auf der Mantelschicht 63 bereitgestellt ist. Außerdem enthält der Halbleiterstapel 60 eine photonische Kristallschicht 65A. Im Beispiel von 21A ist die photonische Kristallschicht 65A zwischen der aktiven Schicht 62 und der Mantelschicht 63 angeordnet, aber die photonische Kristallschicht 65A kann auch zwischen der Mantelschicht 61 und der aktiven Schicht 62 angeordnet sein. Das Laserlicht wird von der Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 ausgegeben und dem räumlichen Lichtmodulator 1A als in 5 dargestelltes Licht L zugeführt.
Die Energiebandlücken in der Mantelschicht 61 und der Mantelschicht 63 sind größer als die Energiebandlücke in der aktiven Schicht 62. Die Dickenrichtungen des Halbleitersubstrats 53, der Mantelschichten 61 und 63, der aktiven Schicht 62, der Kontaktschicht 64 und der photonischen Kristallschicht 65A fallen jeweils mit der Z-Achsenrichtung zusammen.
Die photonische Kristallschicht (Beugungsgitterschicht) 65A ist eine Schicht, die eine Resonanzmode erzeugt. 21B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die photonische Kristallschicht 65A zeigt. Die photonische Kristallschicht 65A umfasst eine Basisschicht 65a und eine Vielzahl von Bereichen mit modifiziertem Brechungsindex 65b. Die Basisschicht 65a ist eine Halbleiterschicht, die aus einem Medium mit einem ersten Brechungsindex besteht. Die Mehrzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b besteht aus einem zweiten Brechungsindexmedium mit einem Brechungsindex, der sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet, und befindet sich in der Basisschicht 65a. Der modifizierte Brechungsindexbereich 65b kann eine Leerstelle sein oder einen in die Leerstelle eingebetteten Verbindungshalbleiter enthalten. Die Mehrzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b ist zweidimensional und periodisch in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der photonischen Kristallschicht 65A (einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene) angeordnet. Wenn ein äquivalenter Brechungsindex mit n bezeichnet wird, ist die von der photonischen Kristallschicht 65A selektierte Wellenlänge λ₀ (= a × n, a ist ein Gitterabstand) im Bereich der Emissionswellenlänge der aktiven Schicht 62 enthalten. Die photonische Kristallschicht 65A ist in der Lage, die Wellenlänge λ₀ unter den Emissionswellenlängen der aktiven Schicht 62 zu selektieren und nach außen abzugeben.
22 ist eine Draufsicht auf die photonische Kristallschicht 65A. Auf der photonischen Kristallschicht 65A ist ein virtuelles quadratisches Gitter in der X-Y-Ebene angeordnet. Wie in 22 dargestellt, sind die Schnittpunkte zwischen den Linien x0 bis x3, die parallel zur Y-Achse verlaufen, und den Linien y0 bis y2, die parallel zur X-Achse verlaufen, die Gitterpunkte O, und die quadratischen Bereiche, die jeweils in jedem der Gitterpunkte O zentriert sind, sind als eine Einheit bildende Bereiche R(0, 0) bis R(3, 2) definiert. Daher ist eine Seite jedes eine Einheit bildenden Bereiches R(x, y) als quadratisches Gitter parallel zur X-Achse, und die andere Seite ist parallel zur Y-Achse. Folglich fällt der Schwerpunkt G jedes modifizierten Brechungsindexbereichs 65b mit jedem der Gitterpunkte O des quadratischen Gitters zusammen (d. h. mit dem Mittelpunkt des eine Einheit bildenden Bereichs R(x, y)). Die ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 65b ist z. B. kreisförmig und befindet sich in einem eine Einheit bildenden Bereich (erste Brillouin-Zone), der von Liniensegmenten umgeben ist, die durch den Mittelpunkt eines Liniensegments gehen, das benachbarte Gitterpunkte verbindet, und die orthogonal zu dem Liniensegment sind, das benachbarte Gitterpunkte verbindet. Es ist zu beachten, dass die planaren Formen der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 65b nicht auf einen Kreis beschränkt sind, sondern verschiedene Formen haben können, wie z. B. ein Polygon, eine geschlossene Kurve oder eine Form, die aus zwei oder mehr geschlossenen Kurven besteht. Darüber hinaus ist die periodische Struktur der Mehrzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b nicht darauf beschränkt, und es kann beispielsweise ein dreieckiges Gitter anstelle des quadratischen Gitters gewählt werden.
Es wird erneut Bezug auf 21A und 21B genommen. Das oberflächenemittierende Laserelement 50 umfasst ferner: eine Metallelektrodenschicht 66, die auf der Kontaktschicht 64 vorgesehen ist; und eine Metallelektrodenschicht 67, die auf der Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 vorgesehen ist. Die Metallelektrodenschicht 66 steht in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 64, und die Metallelektrodenschicht 67 steht in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 53. Die Metallelektrodenschicht 67 hat eine rahmenartige (ringförmige) ebene Form, die den Ausgangsbereich des Laserlichts umgibt, und weist eine Aussparung 67a auf. Es ist zu beachten, dass die ebene Form der Metallelektrodenschicht 67 verschiedene Formen haben kann, wie z. B. eine rechteckige Rahmenform oder eine ringförmige Form. Die Metallelektrodenschicht 67 ist mit der Verbindungselektrode 31 des räumlichen Lichtmodulators 1A über die elektrisch leitende Verbindung 51 verbunden und kann das gleiche elektrische Potential wie die Verbindungselektrode 31 haben. Insbesondere in einem Fall, in dem der Übergang 51 aus einem Metall besteht, kann die in dem oberflächenemittierenden Laserelement 50 erzeugte Wärme durch das Substrat 10 abgeleitet werden. Ein Teil der Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 in der Aussparung 67a ist mit einer Antireflexionsschicht 68 bedeckt. Als Material für diese Antireflexionsschicht 68 eignet sich SiN oder SiO₂ , das ein optisch transparentes dielektrisches Material ist. Alternativ kann als Material für die Antireflexionsschicht 68 auch eine transparente elektrisch leitende Schicht wie ITO, AZO, TiN oder CdO verwendet werden. In diesem Fall wird der von der Metallelektrodenschicht 67 injizierte Strom in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung weit gestreut. Daher kann ein Halbleitersubstrat 53 mit einer geringeren Dicke verwendet werden. Alternativ kann anstelle des Halbleitersubstrats 53 auch ein optisch transparentes Trägersubstrat auf den Halbleiterstapel 60 laminiert werden. Durch Verringerung der Dicke des Halbleitersubstrats 53 oder durch Entfernen des Halbleitersubstrats 53 kann Licht in einem Wellenlängenbereich verwendet werden, der kürzer ist als die Wellenlänge der Bandkante des Halbleitersubstrats 53. Die Metallelektrodenschicht 66 befindet sich im zentralen Bereich des Halbleiterstapels 60, d. h. in einem Bereich, der die Aussparung 67a in Richtung der Z-Achse gesehen überlappt.
Wenn zwischen der Metallelektrodenschicht 66 und der Metallelektrodenschicht 67 ein Treiberstrom fließt, findet in der aktiven Schicht 62 eine Rekombination von Elektronen und Löchern statt (Lichtemission in der aktiven Schicht 62). Die Elektronen und Löcher, die zu dieser Lichtemission beitragen, und das erzeugte Licht werden effizient zwischen der Mantelschicht 61 und der Mantelschicht 63 verteilt. Da das von der aktiven Schicht 62 abgegebene Licht zwischen der Mantelschicht 61 und der Mantelschicht 63 verteilt wird, tritt das Licht in die photonische Kristallschicht 65A ein und erzeugt dann eine Resonanzmode in einer Richtung entlang der Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 entsprechend der Gitterstruktur innerhalb der photonischen Kristallschicht 65A. Dann wird das Licht mit einer Wellenlänge oszilliert, die der Anordnungsperiode der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 65b entspricht, und es wird Laserlicht erzeugt. Ein Teil des von der photonischen Kristallschicht 65A emittierten Laserlichts bewegt sich in einer Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 und wird direkt von der Rückfläche 53b durch die Aussparung 67a in Richtung des räumlichen Lichtmodulators 1A ausgegeben. Der Rest des von der photonischen Kristallschicht 65A emittierten Laserlichts wird von einer Metallelektrodenschicht 66 reflektiert und dann von der Rückfläche 53b durch die Aussparung 67a in Richtung des räumlichen Lichtmodulators 1A ausgegeben.
In einem Beispiel ist das Halbleitersubstrat 53 ein GaAs-Substrat, und die Mantelschicht 61, die aktive Schicht 62, die photonische Kristallschicht 65A, die Mantelschicht 63 und die Kontaktschicht 64 bestehen jeweils aus einem GaAs-basierten Halbleiter. In einem anderen Beispiel ist die Mantelschicht 61 eine AlGaAs-Schicht, die aktive Schicht 62 hat eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (AIGaAs-Sperrschicht/InGaAs-Quantentopf-Schicht, die Anzahl der Topfschichten ist z.B. 3), die Basisschicht 65a der photonischen Kristallschicht 65A ist eine AlGaAs-Schicht oder eine GaAs-Schicht, der Bereich mit modifiziertem Brechungsindex 65b ist eine Leerstelle, die Mantelschicht 63 ist eine AlGaAs-Schicht und die Kontaktschicht 64 ist eine GaAs-Schicht.
Ein elektrischer Leitfähigkeitstyp, der dem des Halbleitersubstrats 53 entspricht, ist in der Mantelschicht 61 vorhanden, und ein elektrischer Leitfähigkeitstyp, der dem des Halbleitersubstrats 53 entgegengesetzt ist, ist in der Mantelschicht 63 und der Kontaktschicht 64 vorhanden. In einem Beispiel haben das Halbleitersubstrat 53 und die Mantelschicht 61 eine elektrische Leitfähigkeit vom n-Typ, und die Mantelschicht 63 und die Kontaktschicht 64 haben eine elektrische Leitfähigkeit vom p-Typ. Wenn sie zwischen der aktiven Schicht 62 und der Mantelschicht 61 vorgesehen ist, hat die photonische Kristallschicht 65A den gleichen elektrischen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 53, und wenn sie zwischen der aktiven Schicht 62 und der Mantelschicht 63 vorgesehen ist, hat die photonische Kristallschicht 65A einen dem Halbleitersubstrat 53 entgegengesetzten elektrischen Leitfähigkeitstyp. Zu beachten ist, dass die Verunreinigungskonzentration beispielsweise 1 × 10¹⁶ bis 1 × 10²¹ /cm³ beträgt. Im Falle eines intrinsischen (i-Typ) Halbleiters ohne absichtlich dotierte Verunreinigungen beträgt die Verunreinigungskonzentration 1 × 10¹⁶ /cm³ oder weniger. Die aktive Schicht 62 ist nicht auf intrinsische (i-Typ) Halbleiter beschränkt und kann auch mit Verunreinigungen dotiert sein. Bezüglich der Verunreinigungskonzentration der photonischen Kristallschicht 65A ist zu beachten, dass ein intrinsischer (i-Typ) Halbleiter in einem Fall verwendet werden kann, in dem es notwendig ist, die Auswirkungen von Verlusten aufgrund einer Absorption von Licht durch ein Verunreinigungslevel oder Ähnliches zu unterdrücken.
Die lichtemittierende Vorrichtung 2 der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform umfasst: den räumlichen Lichtmodulator 1A; und eine Oberflächenlichtquelle (oberflächenemittierendes Laserelement 50), die optisch mit der Vorderfläche 11 oder der Rückfläche 12 des räumlichen Lichtmodulators 1A verbunden ist. Diese lichtemittierende Vorrichtung 2 enthält den räumlichen Lichtmodulator 1A der ersten Ausführungsform, wodurch die Anzahl der effektiven Pixel erhöht und ein dynamisches optisches Bild mit hoher Bildqualität erzeugt werden kann. Darüber hinaus erleichtert das oberflächenemittierende Laserelement 50 die Realisierung einer Oberflächenlichtquelle, die kohärentes Licht an den räumlichen Lichtmodulator 1A liefert. Es ist zu beachten, dass die lichtemittierende Vorrichtung 2 anstelle des räumlichen Lichtmodulators 1A jeden der räumlichen Lichtmodulatoren 1B bis 1H der oben beschriebenen Modifikationen enthalten kann. Auch in diesem Fall kann ein ähnlicher Betrieb und Effekt erzielt werden.
In den 21A und 21B ist der Fall dargestellt, dass das oberflächenemittierende Laserelement 50 Licht von der Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 emittiert, aber wie in 23 dargestellt, kann das oberflächenemittierende Laserelement 50 Licht von der Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 (d.h. von der vom Halbleitersubstrat 53 abgewandten Oberfläche des Halbleiterstapels 60) emittieren. In diesem Fall weist die Metallelektrodenschicht 66 eine Vielzahl von Aussparungen 66a auf, die jeweils jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern 13 gegenüberliegen. Ein ganzer Bereich außer der Aussparung 66a der Metallelektrodenschicht 66 ist über den elektrisch leitenden Übergang 51 mit der Verbindungselektrode 31 des räumlichen Lichtmodulators 1A verbunden. Die Metallelektrodenschicht 67 ist auf der gesamten Rückfläche 53b angebracht. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Injektion von elektrischem Strom in einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung des Halbleiterstapels 60. Insbesondere in einem Fall, in dem der Übergang 51 aus einem Metall wie z. B. Lot besteht, kann die im Halbleiterstapel 60 erzeugte Wärme im räumlichen Lichtmodulator 1A effizient abgeleitet werden. Es ist zu beachten, dass in diesem Fall die Metallelektrodenschicht 66 das gleiche elektrische Potential wie die Verbindungselektrode 31 hat. Ein Teil der Oberfläche des Halbleiterstapels 60 in der Aussparung 66a der Metallelektrodenschicht 66 ist mit einer Antireflexionsschicht 68 bedeckt. Gemäß der in 23 dargestellten Konfiguration kann dem räumlichen Lichtmodulator 1A Licht in einem Wellenlängenbereich, der kürzer als die Wellenlänge der Bandkante des Halbleitersubstrats 53 ist, zugeführt werden, ohne dass eine transparente elektrisch leitende Schicht mit nicht sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet wird. Daher kann in einem Fall, in dem die lichtemittierende Vorrichtung 2 Licht in einem Wellenlängenbereich ausgibt, der kürzer ist als die Wellenlänge der Bandkante des Halbleitersubstrats 53, die lichtemittierende Vorrichtung 2 sehr effizient sein.
24 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die planaren Formen der Metallelektrodenschicht 66 und der Verbindungsstelle 51 zeigt. Um das Verständnis zu erleichtern, ist ein Bereich, in dem der Übergang 51 vorhanden ist, durch eine Schraffur gekennzeichnet. Die ebene Form jeder Aussparung des Metallelektrodenfilms 66 kann mit der ebenen Form des Durchgangslochs 13 identisch sein oder sich von ihr unterscheiden. Als Beispiel zeigt 24 eine Metallelektrodenfolie 66 mit einer Vielzahl von Aussparungen 66a, deren planare Form ein Quadrat ist. Wie in 24 dargestellt, kann die Verbindungsstelle 51 in dem gesamten Bereich zwischen jeder der mehreren Aussparungen 66a vorgesehen sein. Die Verbindungsstelle 51 muss nicht unbedingt an der Begrenzungsfläche der Metallelektrodenschicht 66 vorgesehen sein.
25 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Falles zeigt, in dem das Halbleitersubstrat 53 aus der in 23 dargestellten Konfiguration entfernt wird. Wie in 25 dargestellt, wird durch Entfernen des Halbleitersubstrats 53 vom oberflächenemittierenden Laserelement 50 in 23 unter Beibehaltung des Halbleiterstapels 60 ein oberflächenemittierendes Laserelement 50A mit einer reduzierten Dicke erhalten. In diesem Fall kann das Halbleitersubstrat 53 daran gehindert werden, Licht in einem Wellenlängenbereich zu absorbieren, der kürzer ist als die Bandkantenwellenlänge des Halbleitersubstrats 53, und es kann ein weiter erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden. Es ist zu beachten, dass im oberflächenemittierenden Laserelement 50A die Metallelektrodenschicht 67 auf der Rückseite des Halbleiterstapels 60 vorgesehen ist.
(Sechste Modifikation)
In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform wurde der Fall beschrieben, dass die lichtemittierende Vorrichtung 2 das oberflächenemittierende Laserelement 50, das ein PCSEL ist, als Oberflächenlichtquelle enthält. Die Oberflächenlichtquelle ist jedoch nicht auf ein PCSEL beschränkt, und es können verschiedene oberflächenemittierende Laserelemente verwendet werden. So wurde beispielsweise ein oberflächenemittierendes Laserelement untersucht, das ein frei wählbares optisches Bild durch Steuerung des Phasenspektrums und des Intensitätsspektrums des von einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten lichtemittierenden Punkten emittierten Lichts erzeugt. Ein solches oberflächenemittierendes Laserelement wird als statisch-integrierbarer Phasenmodulationslaser (S-iPM) bezeichnet und gibt ein optisches Bild mit einer frei wählbaren zweidimensionalen Form aus, die eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und eine dazu geneigte Richtung umfasst.
26 ist eine Draufsicht auf eine Phasenmodulationsschicht 65B, die im S-iPM-Laser enthalten ist. Das oberflächenemittierende Laserelement 50 der zweiten Ausführungsform kann anstelle der photonischen Kristallschicht 65A (siehe 22) eine in 26 dargestellte Phasenmodulationsschicht 65B enthalten. Auch im Beispiel von 26 sind die Schnittpunkte zwischen den zur Y-Achse parallelen Linien x0 bis x3 und den zur X-Achse parallelen Linien y0 bis y2 die Gitterpunkte O, und die eine Einheit bildende Bereiche R(0, 0) bis R(3, 2), aus denen sich die Einheiten zusammensetzen, sind als quadratische Regionen (quadratische Gitter) ausgestaltet, die jeweils in jedem der Gitterpunkte O zentriert sind. Als Folge dessen wird das oberflächenemittierende Laserelement 50 als S-iPM-Laser betrieben. Die Phasenmodulationsschicht 65B ist in der vorliegenden Modifikation eine Resonanzmoden erzeugende Schicht. Es ist zu beachten, dass in dem oberflächenemittierenden Laserelement 50 der vorliegenden Modifikation die restliche Konfiguration mit Ausnahme der Phasenmodulationsschicht 65B jener der zweiten Ausführungsform ähnlich ist, so dass eine detaillierte Beschreibung weggelassen wird.
Die Phasenmodulationsschicht 65B umfasst: eine Basisschicht 65a, die aus einem ersten Brechungsindexmedium besteht; und einen modifizierten Brechungsindexbereich 65b, der aus einem zweiten Brechungsindexmedium besteht, dessen Brechungsindex sich von dem des ersten Brechungsindexmediums unterscheidet. Hier wird ein virtuelles quadratisches Gitter in der X-Y-Ebene auf die Phasenmodulationsschicht 65B gelegt. Eine Seite jedes, eine Einheit bildenden Bereichs R(x, y) als quadratisches Gitter wird so gewählt, dass sie parallel zur X-Achse liegt, und die andere Seite wird so gewählt, dass sie parallel zur Y-Achse liegt. Folglich kann der quadratische eine Einheit bildende Bereich R, der im Gitterpunkt O zentriert ist, zweidimensional über eine Vielzahl von Spalten entlang der X-Achse und eine Vielzahl von Zeilen entlang der Y-Achse festgelegt werden. Die Vielzahl der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b wird einzeln in jedem eine Einheit bildenden Bereich R bereitgestellt. Die ebene Form des modifizierten Brechungsindexbereichs 65b ist beispielsweise eine Kreisform, ist aber nicht darauf beschränkt und kann verschiedene Formen haben, wie eine polygonale Form, eine geschlossene Kurve oder eine Form, die aus zwei oder mehr geschlossenen Kurven besteht. In jedem eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) ist der Schwerpunkt G des modifizierten Brechungsindexbereichs 65b von dem ihm am nächsten gelegenen Gitterpunkt O entfernt angeordnet.
Wie in 27 dargestellt, ist die Position im eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) durch eine s-Achse (parallel zur X-Achse) und eine t-Achse (parallel zur Y-Achse) gegeben, die im entsprechenden Gitterpunkt O orthogonal zueinander stehen. Im eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) wird ein Winkel zwischen der s-Achse und einer Richtung vom Gitterpunkt O zum Schwerpunkt G mit φ(x, y) bezeichnet. Die Komponente x gibt die Position des x-ten Gitterpunktes O auf der X-Achse an, und die Komponente y gibt die Position des y-ten Gitterpunktes O auf der Y-Achse an. Wenn der Drehwinkel φ 0° beträgt, fällt die Richtung eines Vektors, der den Gitterpunkt O und den Schwerpunkt G verbindet, mit der positiven Richtung der X-Achse zusammen. Darüber hinaus wird die Länge eines Vektors, der den Gitterpunkt O und den Schwerpunkt G verbindet, mit r(x, y) bezeichnet. In einem Beispiel ist r(x, y) konstant mit x und y (in der Gesamtheit der Phasenmodulationsschicht 65B).
Wie in 26 dargestellt, wird in der Phasenmodulationsschicht 65B der Drehwinkel φ des Schwerpunkts G des modifizierten Brechungsindexbereichs 65b um den Gitterpunkt O unabhängig und individuell für jeden eine Einheit bildender Bereich R in Abhängigkeit von einem gewünschten optischen Bild gewählt. Die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) hat für jede Position einen bestimmten Wert, der durch die Werte der Komponente x und der Komponente y bestimmt wird, wird aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion dargestellt. Das heißt, die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) wird aus einer Extraktion einer Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung bestimmt, die durch Anwendung der inversen Fourier-Transformation auf das gewünschte optische Bild erhalten wird. Zu beachten ist, dass bei der Bestimmung der komplexen Amplitudenverteilung aus dem gewünschten optischen Bild die Reproduzierbarkeit eines Strahlenmusters durch Anwendung eines iterativen Algorithmus wie der Gerchberg-Saxton (GS)-Methode verbessert wird, die üblicherweise bei der Berechnung der Hologrammerzeugung verwendet wird.
28 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem optischen Bild, das durch Abbildung des Ausgangsstrahlmusters des oberflächenemittierenden Laserelements 50 erhalten wird, und der Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) in der Phasenmodulationsschicht 65B. Zu beachten ist, dass der Mittelpunkt Q des Ausgangsstrahlmusters (im Wellenzahlraum) nicht unbedingt auf einer Achsenlinie senkrecht zur Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 liegt, sondern auch auf der senkrechten Achsenlinie liegen kann. Zur Erläuterung wird hier angenommen, dass das Zentrum Q auf der Achsenlinie senkrecht zur Hauptoberfläche 53a liegt. 28 zeigt vier Quadranten, deren Ursprung im Zentrum Q liegt. 28 zeigt als Beispiel einen Fall, in dem die optischen Bilder im ersten Quadranten und im dritten Quadranten erhalten werden, aber es ist auch möglich, das Bild im zweiten Quadranten und im vierten Quadranten oder in allen Quadranten zu erhalten. In der vorliegenden Modifikation wird, wie in 28 dargestellt, ein optisches Bild mit Punktsymmetrie in Bezug auf den Ursprung erhalten. 28 zeigt als Beispiel einen Fall, in dem ein Zeichen „A“ und ein Muster des Zeichens „A“, das um 180 Grad gedreht ist, im dritten bzw. ersten Quadranten erhalten werden. Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in dem ein optisches Bild rotationssymmetrisch ist (z. B. ein Kreuz, ein Kreis, ein Doppelkreis usw.), die Bilder überlagert und als ein optisches Bild betrachtet werden.
Das optische Bild des Ausgangsstrahlmusters des oberflächenemittierenden Laserelements 50 umfasst mindestens einen Punkt, eine gerade Linie, ein Kreuz, eine Linienzeichnung, ein Gittermuster, eine Fotografie, ein Streifenmuster, eine Computergrafik (CG) und ein Zeichen. Um ein gewünschtes optisches Bild zu erhalten, wird hier die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) des modifizierten Brechungsindexbereichs 65b in der Phasenmodulationsschicht 65B durch das folgende Verfahren bestimmt.
In der vorliegenden Modifikation kann ein gewünschtes optisches Bild durch die Bestimmung der Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) gemäß dem folgenden Verfahren erhalten werden. Zunächst wird als erste Voraussetzung in einem orthogonalen XYZ-Koordinatensystem, das durch eine mit einer Normalenrichtung zusammenfallende Z-Achse und eine X-Y-Ebene definiert ist, die zueinander orthogonale X- und Y-Achsen enthält und mit einer Oberfläche der Phasenmodulationsschicht 65B, die die mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche 65b enthält, zusammenfällt, auf der X-Y-Ebene ein virtuelles quadratisches Gitter mit M1 (eine ganze Zahl nicht kleiner als 1) × N1 (eine ganze Zahl nicht kleiner als 1) Stücken von eine Einheit bildenden Bereichen R bestimmt, von denen jeder eine quadratische Form aufweist.
Als zweite Voraussetzung müssen die Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) ausgedrückten Beziehungen in Bezug auf sphärische Koordinaten (r, θ_rot, θ_tilt) erfüllen, die durch eine Radiuslänge r, einen Neigungswinkel θ_tilt gegenüber der Z-Achse und einen Drehwinkel θ_rot gegenüber der X-Achse in der X-Y-Ebene definiert sind, wie in 29 dargestellt. Zu beachten ist, dass 29 ein Diagramm zur Erläuterung einer Koordinatentransformation von sphärischen Koordinaten (r, θ_rot , θ_tilt ) zu Koordinaten (ξ, η, ζ) im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem ist, und ein entworfenes optisches Bild auf einer vorbestimmten Ebene, die im orthogonalen XYZ-Koordinatensystem als realer Raum festgelegt ist, durch die Koordinaten (ξ, η, ζ) dargestellt wird. Betrachtet man ein Strahlenmuster, das einem vom oberflächenemittierenden Laserelement ausgegebenen optischen Bild entspricht, als eine Reihe von hellen Flecken, die in eine Richtung gerichtet sind, die durch die Winkel θ_tilt und θ_rot definiert ist, werden die Winkel θ_tilt und θ_rot in einen Koordinatenwert k_x auf der Kx-Achse, der der X-Achse entspricht, und einen Koordinatenwert k_y auf der Ky-Achse, der der Y-Achse entspricht und orthogonal zur Kx-Achse ist, umgewandelt, der Koordinatenwert k_x ist eine normalisierte Wellenzahl, die durch die folgende Formel (4) definiert ist, und der Koordinatenwert k_y ist eine normalisierte Wellenzahl, die durch die folgende Formel (5) definiert ist. Die normierte Wellenzahl ist eine Wellenzahl, die so normiert ist, dass die Wellenzahl 2π/a, die dem Gitterabstand des virtuellen quadratischen Gitters entspricht, 1,0 ist. In dem durch die Kx-Achse und die Ky-Achse definierten Wellenzahlraum besteht ein bestimmter Wellenzahlbereich, der das dem optischen Bild entsprechende Strahlenmuster enthält, aus M2 (eine ganze Zahl nicht kleiner als 1) × N2 (eine ganze Zahl nicht kleiner als 1) Teilen von Bildbereichen FR, von denen jeder eine quadratische Form hat. Man beachte, dass die ganze Zahl M2 nicht mit der ganzen Zahl M1 übereinstimmen muss. Ebenso muss die ganze Zahl N2 nicht mit der ganzen Zahl N1 übereinstimmen. Die Formeln (4) und (5) sind zum Beispiel in dem oben beschriebenen Nicht-Patent-Dokument 4 offenbart. $ξ = r sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$η = r sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$ζ = r cos θ_{t i l t}$
$k_{x} = \frac{α}{λ} sin θ_{t i l t} cos θ_{r o t}$
$k_{y} = \frac{α}{λ} sin θ_{t i l t} sin θ_{r o t}$

a: die Gitterkonstante des virtuellen quadratischen Gitters
λ: die Schwingungswellenlänge des oberflächenemittierenden Laserelements 50
Als dritte Voraussetzung wird jeder Bildbereich FR(k_x, k_y), der durch die Koordinatenkomponente k_x (eine ganze Zahl von 0 bis M2-1) in Richtung der Kx-Achse und die Koordinatenkomponente k_y (eine ganze Zahl von 0 bis N2-1) in Richtung der Ky-Achse im Wellenzahlenraum spezifiziert ist, zweidimensional invers diskret Fourier-transformiert in einen eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) in der X-Y-Ebene, die durch die Koordinatenkomponente x (eine ganze Zahl von 0 bis M1-1) in Richtung der X-Achse und die Koordinatenkomponente y (eine ganze Zahl von 0 bis N1-1) in Richtung der Y-Achse spezifiziert ist, um so eine komplexe Amplitude F(x, y) zu erhalten, und diese komplexe Amplitude F(x, y) ist durch die folgende Formel (6) mit j als imaginärer Einheit gegeben. Wenn der Amplitudenterm ferner mit A(x, y) und der Phasenterm mit P(x, y) bezeichnet wird, wird diese komplexe Amplitude F(x, y) durch die folgende Formel (7) definiert. Darüber hinaus wird als vierte Voraussetzung der eine Einheit bildende Bereich R(x, y) durch eine s-Achse und eine t-Achse definiert, die parallel zur X-Achse bzw. zur Y-Achse verlaufen und in einem Gitterpunkt O(x, y), der den Mittelpunkt des eine Einheit bildenden Bereiches R(x, y) bildet, orthogonal zueinander sind. $F (x, y) = \sum_{k_{x} = 0}^{M 2 - 1} \sum_{k_{y} = 0}^{N 2 - 1} F R (k_{x}, k_{y}) exp [j 2 π (\frac{k_{x}}{M 2} + \frac{k_{y}}{N 2} y)]$
$F (x, y) = A (x, y) \times exp [j P (x, y)]$
Gemäß den ersten bis vierten Vorbedingungen ist die Phasenmodulationsschicht 65B so konfiguriert, dass sie die folgende erste und zweite Bedingung erfüllt. Das heißt, die erste Bedingung ist, dass der Schwerpunkt G von dem Gitterpunkt O(x, y) in dem eine Einheit bildenden Bereiche R(x, y) entfernt angeordnet ist. Die zweite Bedingung ist, dass der entsprechende modifizierte Brechungsindexbereich 65b im eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) so positioniert ist, dass ein Winkel φ(x, y) zwischen der s-Achse und einem Liniensegment, das den Gitterpunkt O(x, y) und den entsprechenden Schwerpunkt G verbindet, die folgende Beziehung erfüllt: $φ (x,y) = C \times P (x,y) + B$

C: eine proportionale Konstante wie 180°/π
B: eine beliebige Konstante wie z. B. 0
unter der Bedingung, dass die Länge des Liniensegments r₂ (x, y) vom Gitterpunkt O(x, y) zum entsprechenden Schwerpunkt G in jedem der M1 × N1 Teile der eine Einheit bildenden Bereiche R auf einen gemeinsamen Wert gesetzt wird.
Um die Intensitätsverteilung und die Phasenverteilung aus der durch die inverse Fourier-Transformation erhaltenen komplexen Amplitudenverteilung zu erhalten, kann beispielsweise die Intensitätsverteilung I(x, y) mit Hilfe der abs-Funktion der numerischen Analysesoftware „MATLAB“ von MathWorks, Inc. und die Phasenverteilung P(x, y) mit Hilfe der Winkelfunktion von MATLAB berechnet werden.
Hier sind einige Vorsichtsmaßnahmen bei der Berechnung unter Verwendung der allgemeinen diskreten Fourier-Transformation (oder schnellen Fourier-Transformation), wenn die Verteilung des Drehwinkels φ(x, y) aus den Ergebnissen der inversen Fourier-Transformation des optischen Bildes gefunden wird und die Position jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b bestimmt wird. Wenn ein optisches Bild vor der Anwendung der Fourier-Transformation in vier Quadranten A1, A2, A3 und A4 unterteilt wird, wie in 30A dargestellt, ergibt sich das in 30B dargestellte Strahlenmuster. Das heißt, im ersten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster der Überlagerung eines Musters des ersten Quadranten von 30A, das um 180 Grad gedreht ist, und eines Musters des dritten Quadranten von 30A. Im zweiten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster der Überlagerung eines Musters des zweiten Quadranten von 30A, das um 180 Grad gedreht ist, und eines Musters des vierten Quadranten von 30A. Im dritten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster der Überlagerung eines Musters des dritten Quadranten von 30A, das um 180 Grad gedreht ist, und eines Musters des ersten Quadranten von 30A. Im vierten Quadranten des Strahlenmusters erscheint ein Muster der Überlagerung eines Musters des vierten Quadranten von 30A, das um 180 Grad gedreht ist, und eines Musters des zweiten Quadranten von 30A.
Daher erscheint im Falle der Verwendung eines Musters, als optisches Bild (optisches Originalbild) vor der Anwendung der inversen Fourier-Transformation, das einen Wert nur im ersten Quadranten hat, im dritten Quadranten des erhaltenen Strahlenmusters der erste Quadrant des optischen Originalbildes, und im ersten Quadranten des erhaltenen Strahlenmusters erscheint ein Muster des ersten Quadranten des optischen Originalbildes, das um 180 Grad gedreht ist.
Wie oben beschrieben, ermöglicht das oberflächenemittierende Laserelement 50 die Erzeugung eines gewünschten Strahlmusters, wenn eine Wellenfront phasenmoduliert wird. Dieses Strahlmuster kann so konfiguriert werden, dass es nicht nur aus einem Paar unimodaler Strahlen (Spots) besteht, sondern auch, wie oben beschrieben, aus einer Zeichenform, zwei oder mehr Spotgruppen mit derselben Form, einem Vektorstrahl, dessen Phasen- oder Intensitätsverteilung räumlich ungleichmäßig ist, oder ähnlichem.
In der vorliegenden Modifikation tritt das von der aktiven Schicht 62 ausgegebene Laserlicht in das Innere der Phasenmodulationsschicht 65B ein, während es zwischen der Mantelschicht 61 und der Mantelschicht 63 beschränkt ist, und erzeugt eine vorbestimmte Mode entsprechend der Gitterstruktur innerhalb der Phasenmodulationsschicht 65B. Das Laserlicht, das in der Phasenmodulationsschicht 65B gestreut und emittiert wird, wird von der Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 nach außen abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird Licht nullter Ordnung in eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche 53a abgestrahlt. Im Gegensatz dazu wird Licht der +1sten Ordnung und der -1sten Ordnung in eine beliebige zweidimensionale Richtung abgestrahlt, einschließlich einer Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche 53a und einer Richtung, die in Bezug auf diese geneigt ist.
Zu beachten ist, dass in der obigen Beschreibung der vorliegenden Modifikation die Wellenlänge λ₀ so angenommen wird, dass λ₀ = a × n (a ist ein Gitterabstand), und ein Bandende, welches ┌₂-Punkt genannt wird, im Quadratgitter verwendet wird. Andererseits kann der Gitterabstand a so gewählt werden, dass λ₀ = (2^1/2 ) a × n. Dies entspricht einem Bandende, das im quadratischen Gitter M-Punkt genannt wird. In diesem Fall wird die Phase einer zusätzlichen Phasenwinkelverteilung φ₁ (x, y) = (± πx/a, ± πy/a) der Phasenwinkelverteilung φ₀ (x, y), die dem Musterstrahlbild entspricht, überlagert, so dass die Phasenwinkelverteilung φ(x,y) = φ₀ (x,y) + φ₁ (x,y) verwendet wird. ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Verteilung des Drehwinkels φ₁ (x,y) konzeptionell darstellt. Wie in 31 dargestellt, sind in diesem Beispiel der erste Phasenwert φ_A und der zweite Phasenwert φ_B, der einen anderen Wert als der erste Phasenwert φ_A hat, in einem Karomuster angeordnet. In einem Beispiel ist der Phasenwert φ_A gleich 0 (rad), und der Phasenwert φ_B ist π (rad). Das heißt, der erste Phasenwert φ_A und der zweite Phasenwert φ_B unterscheiden sich voneinander um π. In diesem Fall kann das entworfene Strahlenmuster in einer Richtung senkrecht zur Ebene entnommen werden, das Licht nullter Ordnung erscheint nicht in der Richtung senkrecht zur Ebene, und es kann nur das entworfene Strahlenmuster einschließlich des Lichts ±1ter Ordnung emittiert werden. Licht nullter Ordnung ist eine Wellenfront ohne Phasenmodulation, während Licht ±1 eine phasenmodulierte Wellenfront aufweist. Daher kann die räumliche Phasenverteilung des auf den räumlichen Lichtmodulator 1A einfallenden Lichts effizient gesteuert werden, und eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads kann beispielsweise durch Bündelung des Lichts im Durchgangsloch 13 erreicht werden.
Wie in der vorliegenden Modifikation kann das oberflächenemittierende Laserelement 50 eine Phasenmodulationsschicht 65B als eine Resonanzmode erzeugende Schicht enthalten. In diesem Fall wird ein Teil des in der Phasenmodulationsschicht 65B erzeugten Laserlichts (ein Teil des Lichts +1. Ordnung und des Lichts -1. Ordnung und des Lichts nullter Ordnung) in eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 gebeugt, erreicht dann, nachdem es an der Metallelektrodenschicht 66 (oder direkt) reflektiert wurde, die Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 und wird von der Rückfläche 53b in Richtung des räumlichen Lichtmodulators 1A emittiert. Daher kann der gleiche Effekt wie bei der zweiten Ausführungsform erzeugt werden. Darüber hinaus kann, wie oben beschrieben, durch die Steuerung der räumlichen Phase des Lichts ±1ter Ordnung des Emissionsstrahls des S-iPM-Lasers (z. B. durch Bündelung des Lichts in das Durchgangsloch 13 usw.) ein weiter verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden.
Siebte Modifikation)
Der S-iPM-Laser ist nicht auf die oben beschriebene Konfiguration der sechsten Modifikation beschränkt. Beispielsweise kann der S-iPM-Laser auch in der Konfiguration der Phasenmodulationsschicht der vorliegenden Modifikation in geeigneter Weise realisiert werden. 32 ist eine Draufsicht auf eine im S-iPM-Laser enthaltene Phasenmodulationsschicht 65C. 33 ist ein Diagramm, das die Lagebeziehung des modifizierten Brechungsindexbereichs 65b in der Phasenmodulationsschicht 65C zeigt. Die Phasenmodulationsschicht 65C ist bei der vorliegenden Modifikation eine resonanzmodenerzeugende Schicht. Zu beachten ist, dass, wie in 32 dargestellt, die Schnittpunkte zwischen den Linien x0 bis x3 parallel zur Y-Achse und den Linien y0 bis y2 parallel zur X-Achse Gitterpunkte O sind, und dass quadratische Bereiche, die in den Gitterpunkten O zentriert sind, als eine Einheit bildende Bereiche R(0, 0) bis R(3, 2) festgelegt sind. Die Position in jedem eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) ist durch eine s-Achse (parallel zur X-Achse) und eine t-Achse (parallel zur Y-Achse) gegeben, die im entsprechenden Gitterpunkt O orthogonal zueinander stehen. Wie in den 32 und 33 dargestellt ist, liegt in der Phasenmodulationsschicht 65C der Schwerpunkt G jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b auf einer geraden Linie D. Die gerade Linie D ist eine gerade Linie, die durch den entsprechenden Gitterpunkt O jedes eine Einheit bildenden Bereiches R verläuft und in Bezug auf jede Seite des quadratischen Gitters geneigt ist. Mit anderen Worten, die Gerade D ist eine Gerade, die sowohl gegenüber der X-Achse (s-Achse) als auch gegenüber der Y-Achse (t-Achse) geneigt ist. Ein Neigungswinkel der Geraden D in Bezug auf die zur X-Achse parallele s-Achse ist θ. Der Neigungswinkel θ ist in der Phasenmodulationsschicht 65C konstant. Der Neigungswinkel θ erfüllt 0° < θ < 90°, und in einem Beispiel ist θ = 45° erfüllt. Alternativ dazu erfüllt der Neigungswinkel θ die Bedingungen 180° < θ < 270°, und in einem Beispiel ist θ = 225° erfüllt. Wenn der Neigungswinkel θ 0° < θ < 90° oder 180° < θ < 270° beträgt, erstreckt sich die gerade Linie D vom ersten Quadranten zum dritten Quadranten einer durch die X-Achse und die Y-Achse definierten Koordinatenebene. Alternativ dazu erfüllt der Neigungswinkel θ die Bedingung 90° < θ < 180°, und in einem Beispiel ist θ = 135° erfüllt. Alternativ dazu erfüllt der Neigungswinkel θ die Bedingungen 270° < θ < 360°, und in einem Beispiel ist θ = 315° erfüllt. In einem Fall, in dem der Neigungswinkel θ 90° < θ < 180° oder 270° < θ < 360° beträgt, erstreckt sich die Gerade D vom zweiten Quadranten zum vierten Quadranten einer durch die X-Achse und die Y-Achse definierten Koordinatenebene. Wie oben beschrieben, ist der Neigungswinkel θ ein Winkel, der nicht 0°, 90°, 180° und 270° umfasst. Durch die Wahl eines solchen Neigungswinkels θ können sowohl eine optische Welle, die sich in Richtung der X-Achse bewegt, als auch eine optische Welle, die sich in Richtung der Y-Achse bewegt, zu dem optischen Ausgangsstrahl beitragen. Hier wird der Abstand zwischen dem Gitterpunkt O und dem Schwerpunkt G mit r(x, y) bezeichnet. Die Position eines x-ten Gitterpunktes auf der X-Achse wird mit x bezeichnet, und die Position eines y-ten Gitterpunktes auf der Y-Achse wird mit y bezeichnet. Ist der Abstand r(x, y) ein positiver Wert, so liegt der Schwerpunkt G im ersten Quadranten (oder im zweiten Quadranten). Ist der Abstand r(x, y) ein negativer Wert, so liegt der Schwerpunkt G im dritten Quadranten (oder im vierten Quadranten). Wenn der Abstand r(x, y) 0 ist, fallen der Gitterpunkt O und der Schwerpunkt G zusammen.
Der Abstand r(x, y) zwischen dem Schwerpunkt G jedes der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b und dem entsprechenden Gitterpunkt O jedes der in 32 gezeigten eine Einheit bildenden Bereiche R wird individuell für jeden der modifizierten Brechungsindexbereiche 65b entsprechend einem gewünschten optischen Bild gewählt. Die Verteilung des Abstands r(x, y) hat für jede Position, die durch die Werte von x und y bestimmt wird, einen bestimmten Wert, wird aber nicht unbedingt durch eine bestimmte Funktion dargestellt. Die Verteilung des Abstands r(x, y) wird aus einer Extraktion der Phasenverteilung aus der komplexen Amplitudenverteilung bestimmt, die durch Anwendung der inversen Fourier-Transformation auf ein gewünschtes optisches Bild erhalten wird. Das heißt, der Abstand r(x, y) wird auf 0 gesetzt, wenn die Phase P(x, y) in dem in dargestellten eine Einheit bildenden Bereich R(x, y) 33 P₀ ist, der Abstand r(x, y) auf den Maximalwert r₀ gesetzt wird, wenn die Phase P(x, y) π + P₀ ist, und der Abstand r(x, y) auf den Minimalwert -r₀ gesetzt wird, wenn die Phase P(x, y) -π + P₀ ist. Dann wird für eine dazwischen liegende Phase P(x, y) der Abstand r(x, y) so gewählt, dass r(x, y) = {P (x, y) - P₀} × r₀/π. Dabei kann eine Anfangsphase P₀ frei gewählt werden. Wenn der Gitterabstand eines quadratischen Gitters mit a bezeichnet wird, liegt der Maximalwert r₀ von r(x, y) zum Beispiel im Bereich von: $0 \leq r_{0} \leq \frac{α}{\sqrt{2}} .$
Wie in der vorliegenden Modifikation kann das oberflächenemittierende Laserelement 50 eine Phasenmodulationsschicht 65C als eine Resonanzmode erzeugende Schicht enthalten. In diesem Fall wird ein Teil des in der Phasenmodulationsschicht 65C erzeugten Laserlichts (ein Teil des Lichts +1ter Ordnung und des Lichts -1ter Ordnung; und des Lichts nullter Ordnung) in eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche 53a des Halbleitersubstrats 53 gebeugt, erreicht dann, nachdem es an der Metallelektrodenschicht 66 (oder direkt) reflektiert wurde, die Rückfläche 53b des Halbleitersubstrats 53 und tritt von der Rückfläche 53b zum räumlichen Lichtmodulator 1A aus. Daher kann derselbe Effekt wie bei der zweiten Ausführungsform erzielt werden. Darüber hinaus kann eine weitere Verbesserung der Effizienz erreicht werden, indem die räumliche Phase des Lichts ±1ter Ordnung eines Emissionsstrahls des S-iPM-Lasers gesteuert wird (z. B. durch Bündelung des Lichts im Durchgangsloch 13).
Der räumliche Lichtmodulator und die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene andere Modifikationen können implementiert werden. Zum Beispiel sind im räumlichen Lichtmodulator der oben beschriebenen Ausführungsform und jeder der Modifikationen eine oder mehrere Verbindungselektroden 32, die für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehen sind, elektrisch mit der elektrisch leitenden Schicht 23 verbunden, und die Verbindungselektrode 31, die gemeinsam für die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 vorgesehen ist, ist elektrisch mit der elektrisch leitenden Schicht 21 verbunden. Der räumliche Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und beispielsweise können eine oder mehrere Verbindungselektroden 32, die für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehen sind, elektrisch mit der elektrisch leitenden Schicht 21 verbunden sein, und die Verbindungselektrode 31, die gemeinsam für die Mehrzahl von Durchgangslöchern 13 vorgesehen ist, kann elektrisch mit der elektrisch leitenden Schicht 23 verbunden sein.
Im räumlichen Lichtmodulator der oben beschriebenen Ausführungsform und jeder der Modifikationen sind eine oder mehrere Verbindungselektroden 32, die für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehen sind, auf der Vorderfläche 11 vorgesehen, und die Verbindungselektrode 31, die gemeinsam für die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 vorgesehen ist, ist auf der Rückfläche 12 vorgesehen. Der räumliche Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf diese Form beschränkt, und beispielsweise können eine oder mehrere Verbindungselektroden 32, die für jedes Durchgangsloch 13 vorgesehen sind, auf der Rückfläche 12 vorgesehen sein, und die Verbindungselektrode 31, die gemeinsam für die Vielzahl von Durchgangslöchern 13 vorgesehen ist, kann auf der Vorderfläche 11 vorgesehen sein. In diesem Fall ist die elektrisch leitende Schicht 24, die mit der elektrisch leitenden Schicht 21 verbunden ist, für jedes von einem oder mehreren Durchgangslöchern 13 isoliert, und die elektrisch leitende Schicht 26, die mit der elektrisch leitenden Schicht 23 verbunden ist, ist für die Mehrzahl von Durchgangslöchern 13 gemeinsam vorgesehen. In diesem Fall kann die Verbindungselektrode 31 den gesamten Bereich zwischen den einzelnen Durchgangslöchern 13 auf der Vorderfläche 11 abdecken.
Darüber hinaus tritt das Licht L in der oben beschriebenen Ausführungsform und jeder der Modifikationen in den räumlichen Lichtmodulator von der Seite der Rückfläche 12 ein und tritt von der Seite der Vorderfläche 11 aus, aber das Licht L kann in den räumlichen Lichtmodulator von der Seite der Vorderfläche 11 eintreten und von der Seite der Rückfläche 12 austreten.
Bezugszeichenliste

1A -1H: Räumlicher Lichtmodulator
2: Lichtemittierende Vorrichtung
10: Substrat
11: Vorderfläche
12: Rückfläche
13: Durchgangsloch
13a: Innenwand
20: Schichtstruktur
21, 24: Elektrisch leitende Schicht
21a: Oberfläche
22, 25, 27: Dielektrische Schicht
23, 26: Elektrisch leitende Schicht
28: Dielektrischer Bereich
29: Glatte Schicht
29a: Oberfläche
31, 32: Verbindungselektrode
41: Katalytische Metallschicht
42: Vertiefung
50: Oberflächenemittierendes Laserelement
51: Verbindungsstelle
53: Halbleitersubstrat
53a: Hauptoberfläche
53b: Rückfläche
60: Halbleiterstapel
61: Mantelschicht
62: Aktive Schicht
63: Mantelschicht
64: Kontaktschicht
65A: Photonische Kristallschicht
65B, 65C: Phasenmodulationsschicht
65a: Basisschicht
65b: Bereich mit geändertem Brechungsindex
66, 67: Metallelektrodenschicht
67a: Aussparung
68: Antireflexschicht
100: Basiselement
200A, 200B: Basiseinheit
221: Erste Schicht
222: Zweite Schicht
300: Emissionsbereich
A1, A2: Richtung
C: Mittelpunkt
D: gerade Linie
G: Schwerpunkt
L: Licht
Lout: emittiertes Licht
M1, M2: Resistmaske
MA, MB: Aussparung
O: Gitterpunkt
R: Eine Einheit bildender Bereich
θ: Neigungswinkel
φ: Drehwinkel.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018198302 [0004]

Claims

Räumlicher Lichtmodulator von der Oberflächenwellenleiter-Bauart, umfassend: ein Substrat mit einer Vorderfläche, einer Rückfläche , die der Vorderfläche gegenüberliegt, und einer Vielzahl von Durchgangslöchern, jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern verbindet die Vorderfläche und die Rückfläche, eine Aussparung jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern, welche zumindest an der Vorderfläche definiert ist, ist eindimensional oder zweidimensional angeordnet; und eine Vielzahl von Schichtstrukturen, die jeweils eine Innenwand jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern abdecken, wobei jede der Vielzahl von Schichtstrukturen umfasst: einer erste elektrisch leitende Schicht, die auf der Innenwand eines entsprechenden Durchgangsloches unter der Vielzahl von Durchgangslöchern bereitgestellt ist; eine dielektrische Schicht, die auf der ersten elektrisch leitenden Schicht bereitgestellt ist und optische Transparenz aufweist; und eine zweite elektrisch leitende Schicht, die auf der dielektrischen Schicht bereitgestellt ist und optische Transparenz aufweist, wobei mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten für jede Gruppe mit einem oder mehreren Durchgangslöchern unter der Vielzahl von Durchgangslöchern elektrisch isoliert ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei eine Mündungskontur jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern, die auf der Vorderfläche definiert sind, Rotationssymmetrie oder Spiegelsymmetrie aufweist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die jeweiligen Mündungskonturen der Vielzahl von Durchgangslöchern, die auf der Vorderfläche definiert sind, miteinander übereinstimmen.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Schwerpunkt der Aussparung jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern auf einem Gitterpunkt eines quadratischen Gitters oder eines dreieckigen Gitters auf mindestens einer der Vorderfläche und der Rückfläche angeordnet ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei eine Mündungskontur jeder der Vielzahl von auf der Vorderfläche definierten Durchgangslöchern eine sich linear erstreckende Form aufweist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 5, wobei die Mündungskontur jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern eine lineare Form oder eine Bogenform aufweist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 6, wobei die Mündungskontur jedes der Vielzahl von Durchgangslöchern die Bogenform umfasst, die sich über einen Winkelbereich von weniger als 360° in Polarkoordinaten erstreckt, der auf einen Ursprung zentriert ist, und die Vielzahl von Durchgangslöchern in gleichem Abstand entlang einer radialen Richtung auf der Vorderfläche angeordnet sind.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der ferner einen dielektrischen Bereich mit optischer Transparenz umfasst, der auf einer entsprechenden Schichtstruktur unter der Vielzahl von Schichtstrukturen in jedem der Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 8, wobei der dielektrische Bereich in mindestens einem vorbestimmten Abschnitt gefüllt ist, der entlang einer Dickenrichtung von der Vorderfläche zur Rückfläche in einem von der entsprechenden Schichtstruktur umgebenen Raum zu definieren ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der ferner eine glatte Schicht mit einer glatten Oberfläche umfasst, die an der Innenwand in jedem der Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen ist, wobei in jedem der Vielzahl von Durchgangslöchern eine entsprechende Schichtstruktur aus der Vielzahl von Schichtstrukturen auf der Oberfläche der glatten Schicht bereitgestellt ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 10, wobei die glatte Schicht mindestens eines von einem Metall und einem dielektrischen Material enthält.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten elektrisch mit einer oder mehreren ersten Elektroden verbunden ist, die auf der Vorderfläche des Substrats entsprechend jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen sind.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 12, wobei die andere der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten elektrisch mit einer zweiten Elektrode verbunden ist, welche die Vielzahl von Durchgangslöchern gemeinsam haben und die auf der Rückfläche des Substrats vorgesehen ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 13, wobei die zweite Elektrode einen Bereich zwischen jeder der Vielzahl von Durchgangslöchern auf der Vorderfläche oder auf der Rückfläche des Substrats abdeckt.
Der räumliche Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat eine Vielzahl von Basiselementen umfasst, wobei jedem der Vielzahl von Basiselementen ein Durchgangsloch aus der Vielzahl von Durchgangslöchern zugeordnet ist und in jedem der Vielzahl von Basiselementen beide maximalen Breiten, die entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die sich auf der Vorderfläche schneiden, definiert sind, so ausgestaltet sind, dass sie kürzer als eine Wellenlänge des einfallenden Lichts sind, drei oder mehr aufeinanderfolgende Basiselemente sind entlang mindestens einer der ersten Richtung und der zweiten Richtung unter der Vielzahl von Basiselementen in einer Basiseinheit als Modulationssteuereinheit enthalten, und in den drei oder mehr Basiselementen, die in der Basiseinheit enthalten sind, ist eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten elektrisch mit einer gemeinsamen Elektrode verbunden, die auf einer Oberfläche vorgesehen ist, die so konfiguriert ist, dass sie ein Teil der Rückfläche des Substrats ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Substrat hauptsächlich ein Halbleitermaterial enthält.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 16, wobei das Halbleitermaterial mindestens eines der Materialien Si, Ge, GaAs, InP und GaN umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die erste elektrisch leitende Schicht eine Metallschicht ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 18, wobei die erste elektrisch leitende Schicht Pt enthält.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die dielektrische Schicht mindestens eines von Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Siliziumoxid und Siliziumnitrid enthält.
Räumlicher Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die zweite elektrisch leitende Schicht mindestens eines der folgenden Elemente enthält: ITO, einen elektrischen Leiter auf Zinkoxidbasis, Titannitrid und Cadmiumoxid.
Eine lichtemittierende Vorrichtung, die Folgendes umfasst: den räumlichen Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 21; und eine Oberflächenlichtquelle, die optisch mit der Vorderfläche oder der Rückfläche des räumlichen Lichtmodulators gekoppelt ist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Oberflächenlichtquelle ein oberflächenemittierendes auf photonischen Kristallen basierendes Laserelement enthält.
Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Oberflächenlichtquelle ein oberflächenemittierendes Laserelement enthält, wobei das oberflächenemittierende Laserelement eine aktive Schicht und eine Phasenmodulationsschicht aufweist, die Phasenmodulationsschicht eine Basisschicht und eine Vielzahl von Bereichen mit modifiziertem Brechungsindex umfasst, wobei die Vielzahl von Bereichen mit modifiziertem Brechungsindex einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Basisschicht unterscheidet, und zweidimensional in einer Ebene senkrecht zu einer Dickenrichtung der Phasenmodulationsschicht verteilt ist, und eine Position des Schwerpunkts jedes der mehreren modifizierten Brechungsindexbereiche so konfiguriert ist, dass der Schwerpunkt von einem entsprechenden Gitterpunkt eines virtuellen quadratischen Gitters, das auf die Oberfläche der Phasenmodulationsschicht festgelegt ist, entfernt plaziert ist und ein Drehwinkel, der auf den entsprechenden Gitterpunkt zentriert ist und durch einen Winkel zwischen dem quadratischen Gitter und einem Liniensegment, das den Schwerpunkt mit dem entsprechenden Gitterpunkt verbindet, definiert ist, individuell eingestellt wird, oder der Schwerpunkt auf einer geraden Linie platziert wird, wobei die gerade Linie durch den entsprechenden Gitterpunkt verläuft und in Bezug auf das quadratische Gitter geneigt ist, und ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem entsprechenden Gitterpunkt individuell festgelegt wird.