JP2019003041A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間光変調素子から出射される変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を低減することができる発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１Ａは、光出射面１０ａに垂直な方向に対して傾斜した方向に光Ｌを出射する半導体発光素子１０Ａと、光出射面１０ａと平行に対向する光入出射面２０ａを有し、光入出射面２０ａから入射した光Ｌを反射しつつ変調する空間光変調素子２０とを備える。半導体発光素子１０Ａは、活性層１３、位相変調層１６Ａ、及び電極１８，１９を有する。位相変調層１６Ａの複数の異屈折率領域１６ｂの重心は、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置され、格子点周りに各異屈折率領域１６ｂ毎に設定された回転角度を有する。半導体発光素子１０Ａは領域８ａ，８ｂを含む。電極１８，１９は領域８ａに設けられ、光Ｌは領域８ａの光出射面１０ａから出射する。変調後の光Ｌは領域８ｂを透過する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関するものである。

特許文献１には、半導体レーザチップ及びこの半導体レーザチップに光学的に結合した空間光変調器を備える半導体レーザ装置が記載されている。半導体レーザチップは、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した回折格子層と、を備える。空間光変調器は、共通電極と、複数の画素電極と、共通電極と画素電極との間に配置された液晶層と、を備える。回折格子層の厚み方向に沿って出力されたレーザ光は、共通電極及び画素電極のうちの透明な方を介して空間光変調器に入力される。空間光変調器は、レーザ光の微小領域ごとの位相、強度、及び偏光方向のうち少なくとも一つを、画素電極と共通電極との間に印加される駆動電圧により変調し、空間光制御したレーザ光を反射させて外部に出力する。

国際公開第２０１５／００８６２７号公報

従来、半導体発光素子と空間光変調素子とを組み合わせた構成を備える発光装置が知られている。このような発光装置では、半導体発光素子から出射された光を空間光変調素子に入射し、空間光変調素子において該光に任意の位相分布及び強度分布を与え、外部に出力する。これにより所望の光像が得られる。

空間光変調素子には、反射型及び透過型が存在する。反射型の空間光変調素子を用いる場合、空間光変調素子と半導体発光素子とを互いに近接させて配置すると、空間光変調素子と半導体発光素子との光結合のための位置調整が容易となり、また発光装置の小型化が可能となる。しかしながらこのような場合、空間光変調素子から出射された変調後の光が半導体発光素子を通過して外部に出射されると、半導体発光素子の遮光性の構成要素（例えば電極等）によって減衰や回折作用などが生じ、光像の質が低下してしまう。また、これを避けるために空間光変調素子と半導体発光素子とを互いに離して配置すると、空間光変調素子と半導体発光素子との光結合のための位置調整が煩雑となり、且つ装置が大型化してしまう。発光装置が多数の半導体発光素子を備える場合は尚更である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、空間光変調素子と半導体発光素子とを近接して配置した場合であっても、空間光変調素子から出射される変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を低減することができる発光装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による第１の発光装置は、光出射面を有し、光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向に光を出射する半導体発光素子と、光出射面と平行に対向する光入出射面を有し、光入出射面から入射した光を反射しつつ該光の位相及び強度の少なくとも一方を複数の画素毎に変調する空間光変調素子と、を備える。半導体発光素子は、半導体基板と、活性層及び位相変調層を含み、半導体基板の主面上に設けられた半導体積層部と、半導体積層部の表面上に設けられた第１電極と、半導体基板の裏面上に設けられた第２電極と、を有する。光出射面は、半導体積層部の表面もしくは半導体基板の裏面に含まれる。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有する。位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、複数の異屈折率領域の重心は、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに各異屈折率領域毎に設定された回転角度を有する。光入出射面は、半導体発光素子と対向する第１領域、及び第１領域と並ぶ第２領域を含む。空間光変調素子において、光は半導体発光素子から第１領域に入射し、変調後の光は第２領域から出射される。

また、本発明による第２の発光装置は、光出射面を有し、光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向に光を出射する半導体発光素子と、光出射面と平行に対向する光入出射面を有し、光入出射面から入射した光を反射しつつ該光の位相及び強度の少なくとも一方を複数の画素毎に変調する空間光変調素子と、を備える。半導体発光素子は、半導体基板と、活性層及び位相変調層を含み、半導体基板の主面上に設けられた半導体積層部と、半導体積層部の表面上に設けられた第１電極と、半導体基板の裏面上に設けられた第２電極と、を有する。光出射面は、半導体積層部の表面もしくは半導体基板の裏面に含まれる。位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有する。位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、複数の異屈折率領域の重心は、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに各異屈折率領域毎に設定された回転角度を有する。半導体発光素子は、主面に沿った方向に並ぶ第１領域及び第２領域を含む。第１電極及び第２電極は第１領域に設けられ、光は第１領域の光出射面から出射し、空間光変調素子から出射した変調後の光は第２領域を透過する。

これら第１及び第２の発光装置では、位相変調層に含まれる複数の異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点周りに各異屈折率領域毎に設定された回転角度を有する。このような場合、複数の異屈折率領域の重心が正方格子の格子点上に位置する場合（いわゆるフォトニック結晶レーザ）と比較して、光出射面に垂直な方向に出射する０次光の光強度が減り、該方向に対して傾斜した方向に出射する高次光（例えば１次光及び−１次光）の光強度が増す。従って、光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向に光を出射する半導体発光素子を好適に実現することができる。

更に、第１の発光装置では、空間光変調素子の光入出射面が、半導体発光素子と対向する第１領域、及び第１領域と並ぶ第２領域を含んでおり、半導体発光素子からの光は第１領域に入射し、変調後の光は第２領域から出射される。このような構成によって、変調後の光が半導体発光素子を避けて発光装置の外部へ出射することができ、変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を低減することができる。

また、第２の発光装置では、半導体発光素子が第１領域及び第２領域を含み、第１電極及び第２電極は第１領域に設けられ、光は第１領域の光出射面から出射し、空間光変調素子から出射した変調後の光は第２領域を透過する。このような構成によって、変調後の光が第１電極及び第２電極を避けて発光装置の外部へ出射することができ、変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を低減することができる。

このように、第１及び第２の発光装置によれば、空間光変調素子と半導体発光素子とを互いに近接させて配置した場合であっても、変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を低減できる。従って、空間光変調素子と半導体発光素子との光結合のための位置調整が容易となり、また発光装置の小型化が可能となる。加えて、半導体発光素子の光出射面と空間光変調素子の光入出射面とが互いに平行に対向しているので、光結合のための位置調整が更に容易になるとともに、半導体発光素子を空間光変調素子に容易に固定することができる。

第２の発光装置は、第２領域の表面及び裏面に設けられた反射防止膜を更に備えてもよい。これにより、第２領域の表面及び裏面を変調後の光が通過する際の損失を低減し、第２の発光装置の光出射効率を高めることかできる。

第２の発光装置において、第２領域の位相変調層には異屈折率領域が形成されていなくてもよい。これにより、変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を更に低減することができる。

第１及び第２の発光装置において、半導体発光素子は光透過性の支持基板を介して空間光変調素子に固定されてもよい。これにより、発光装置の機械的強度を高め、曲げの力による装置の破損を低減することができる。更に、半導体発光素子の光出射面と空間光変調素子の光入出射面との間隔を、支持基板の厚さによって容易に調整することができる。また、この場合、支持基板は、第１電極及び第２電極のうち空間光変調素子側に位置する電極に電流を供給するための配線を有してもよい。これにより、空間光変調素子に覆われた半導体発光素子の電極に対して電流を好適に供給することができる。

第１及び第２の発光装置において、第１電極及び第２電極のうち空間光変調素子側に位置する電極の形状が格子状、ストライプ状、同心円状、放射状、又は櫛歯状であってもよい。これらのうち何れかの平面形状を電極が有する場合、電極の一部を光出射面の中央部付近にも配置することができる。これにより、活性層の中央部付近にも電流を十分に供給できるので、光出射面の面積をより広くすることができる。

第１及び第２の発光装置において、半導体発光素子から出射される上記光は１次光及び−１次光のうち少なくとも一方であってもよい。前述したように、これらの光は、光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向に出射する。従って、上述した第１及び第２の発光装置を好適に実現することができる。

本発明の発光装置によれば、空間光変調素子と半導体発光素子とを近接して配置した場合であっても、空間光変調素子から出射される変調後の光に対する半導体発光素子による減衰や回折作用を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る発光装置の断面構成を示す模式図である。 半導体発光素子を光出射面側から見た上面図である。 半導体発光素子を裏面側から見た底面図である。 第１領域の位相変調層の構成を示す平面図である。 位相変調層における異屈折率領域の位置関係を示す図である。 （ａ）位相変調層の振幅分布の例を示す図である。（ｂ）位相変調層の位相分布の例を示す図である。 図６（ａ）の振幅分布及び図６（ｂ）の位相分布を有する位相変調層によって実現される遠視野像を示す図である。 半導体発光素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、回転角度分布との関係を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）光像のフーリエ変換結果から回転角度分布を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明する図である。 第１変形例に係る半導体発光素子の上面図である。 第２変形例に係る半導体素子の底面図である。 第３変形例に係る発光素子の断面構成を示す模式図である。 第４変形例に係る発光装置の外観を示す斜視図である。 図１３に示された発光装置の断面構成を部分的に示す模式図である。 半導体発光素子の拡大上面図である。 半導体発光素子の拡大上面図である。 半導体発光素子の拡大底面図である。 第５変形例に係る発光素子の断面構成を示す模式図である。 半導体発光素子を光出射面側から見た上面図である。 半導体発光素子を半導体積層部の表面側から見た底面図である。 第６変形例に係る発光装置の断面構成を部分的に示す模式図である。 半導体発光素子の拡大上面図である。 半導体発光素子の拡大底面図である。 本発明の第２実施形態による発光装置の断面構成を示す模式図である。 第７変形例に係る発光装置の外観を示す斜視図である。 図２５に示された発光装置の断面構成を部分的に示す模式図である。 （ａ）第７変形例の支持基板の構成を示す斜視図である。（ｂ）金属膜及び導電性接着剤の平面形状を示す図である。 第８変形例に係る発光装置の断面構成を示す模式図である。 第９変形例に係る発光装置の断面構成を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）光入出射面における第１領域及び第２領域の配置例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）光入出射面における第１領域及び第２領域の配置例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）光入出射面における第１領域及び第２領域の配置例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）光入出射面における第１領域及び第２領域の配置例を示す図である。 （ａ）位相変調層の振幅分布の例を示す図である。（ｂ）位相変調層の位相分布の例を示す図である。 図３４（ａ）の振幅分布及び図３４（ｂ）の位相分布を有する位相変調層によって実現される遠視野像を示す。 （ａ）位相変調層の振幅分布の例を示す図である。（ｂ）位相変調層の位相分布の例を示す図である。 図３６（ａ）の振幅分布及び図３６（ｂ）の位相分布を有する位相変調層によって実現される遠視野像を示す。 （ａ）位相変調層の振幅分布の例を示す図である。（ｂ）位相変調層の位相分布の例を示す図である。 図３８（ａ）の振幅分布及び図３８（ｂ）の位相分布を有する位相変調層によって実現される遠視野像を示す。 第１１変形例に係る発光装置の断面構成を示す模式図である。 第１１変形例に係る別の発光装置の断面構成を示す模式図である。 第１１変形例に係る更に別の発光装置の断面構成を示す斜視図である。 第１１変形例に係る更に別の発光装置の断面構成を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）各波長変換媒質における赤色、緑色及び青色の変換領域の配置の例を示す図である。 ＸＹ面内における異屈折領域の形状のうち、鏡像対称な形状の例を示す。 ＸＹ面内における異屈折領域の形状のうち、１８０°の回転対称性を有さない形状の例を示す。 第１３変形例に係る位相変調層の平面図である。 第１３変形例に係る、位相変調層における異屈折領域の位置関係を示す図である。 異屈折率領域のＸＹ平面内における形状及び相対関係の例を示す図である。 異屈折領域のＸＹ面内の形状の例を示す。 図１等に示される電極の平面形状の他の例を示す図である。 図１等に示される電極の平面形状の他の例を示す図である。 比較例に係る発光装置の断面構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による発光装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光装置１Ａの断面構成を示す模式図である。発光装置１Ａは、半導体発光素子１０Ａと、空間光変調素子２０とを備える。なお、図１では、半導体発光素子１０Ａの厚さ方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義する。半導体発光素子１０Ａは、ＸＹ面内方向において定在波を形成し、位相制御された平面波をＺ方向に出力するレーザ光源である。半導体発光素子１０Ａは、ＸＹ面に沿った光出射面１０ａを有し、光出射面１０ａに垂直なＺ方向に対して傾斜した方向に光Ｌを出射する。

半導体発光素子１０Ａは、半導体基板９と、半導体基板９の主面９ａ上に設けられた半導体積層部１１とを備えている。本実施形態では、光出射面１０ａは半導体積層部１１の半導体基板９とは反対側の表面に含まれる。半導体基板９と半導体積層部１１とを合わせた厚さは、例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであり、典型的には０．２ｍｍである。また、半導体発光素子１０Ａは、第１領域８ａと、第１領域８ａに対して主面９ａに沿った方向に並ぶ第２領域８ｂとを含む。本実施形態では、第２領域８ｂは第１領域８ａに対してＹ方向に並んでいる。

半導体積層部１１は、下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に設けられた活性層１３と、活性層１３上に設けられた上部クラッド層１４と、上部クラッド層１４上に設けられたコンタクト層１５と、を含む。これらの半導体基板９及び各層１２〜１５は、例えばＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、もしくは窒化物系半導体といった化合物半導体によって構成される。下部クラッド層１２のエネルギーバンドギャップ、及び上部クラッド層１４のエネルギーバンドギャップは、活性層１３のエネルギーバンドギャップよりも大きい。

半導体積層部１１は、活性層１３と上部クラッド層１４との間に設けられた位相変調層１６Ａを更に含む。なお、必要に応じて、活性層１３と上部クラッド層１４との間、及び活性層１３と下部クラッド層１２との間のうち少なくとも一方に、光ガイド層１７が設けられてもよい。光ガイド層１７が活性層１３と上部クラッド層１４との間に設けられる場合、位相変調層１６Ａは、上部クラッド層１４と光ガイド層１７との間に設けられる。

なお、位相変調層１６Ａは、上部クラッド層１４と光ガイド層１７との間ではなく下部クラッド層１２と活性層１３との間に設けられてもよい。光ガイド層１７が活性層１３と下部クラッド層１２との間に設けられる場合、位相変調層１６Ａは、下部クラッド層１２と光ガイド層１７との間に設けられてもよい。

半導体基板９、及び半導体基板９上に設けられる各半導体層の屈折率の関係は次の通りである。すなわち、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１４の各屈折率は、半導体基板９、活性層１３、及びコンタクト層１５の各屈折率よりも小さい。更に、本実施形態では、上部クラッド層１４の屈折率は、下部クラッド層１２の屈折率と等しいか、それよりも小さい。位相変調層１６Ａの屈折率は、下部クラッド層１２（または上部クラッド層１４）の屈折率より大きくてもよく、小さくてもよい。

位相変調層１６Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１６ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層１６ａ内に存在する複数の異屈折率領域１６ｂとを含んで構成されている。複数の異屈折率領域１６ｂは、略周期構造を含んでいる。位相変調層１６Ａの実効屈折率をｎとした場合、位相変調層１６Ａが選択する波長λ_０（＝ａ×ｎ、ａは格子間隔）は、活性層１３の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層（回折格子層）１６Ａは、活性層１３の発光波長のうちの波長λ_０を選択して、外部に出力することができる。本実施形態では、複数の異屈折率領域１６ｂは第１領域８ａの位相変調層１６Ａにのみ形成され、第２領域８ｂの位相変調層１６Ａには形成されていない。

半導体発光素子１０Ａは、半導体積層部１１の表面上（本実施形態ではコンタクト層１５上）に設けられた電極１８（第１電極）と、半導体基板９の裏面９ｂ上に設けられた電極１９（第２電極）とを更に有する。電極１８はコンタクト層１５とオーミック接触を成しており、電極１９は半導体基板９とオーミック接触を成している。図２は、半導体発光素子１０Ａを光出射面１０ａ側から見た上面図である。図３は、半導体発光素子１０Ａを裏面９ｂ側から見た底面図である。図１〜図３に示されるように、電極１８及び１９は、半導体発光素子１０Ａの第１領域８ａにのみ設けられ、第２領域８ｂには設けられていない。そして、図２に示されるように、電極１８は、格子状（例えば正方格子状）といった平面形状を有しており、ＸＹ平面において２次元状に配列された複数の開口１８ａを有する。なお、図２には５行５列に配列された計２５個の開口１８ａが例示されているが、開口１８ａの個数及び配列は任意である。各開口１８ａの平面形状は、例えば正方形等の四角形である。電極１８の一部は、Ｚ方向から見た第１領域８ａの中央部付近に設けられている。また、図３に示されるように、電極１９は、例えば四角形状といった平面形状を有しており、Ｚ方向から見た第１領域８ａの中央部付近を含む部分を覆っている。

半導体発光素子１０Ａから出射された光は、電極１８の開口１８ａを通過する。電極１８の開口１８ａを光が通過することにより、電極１８に遮られることなく、光Ｌを半導体積層部１１の表面側から好適に出射することができる。なお、コンタクト層１５は、電極１８と同様の平面形状を有するようにエッチングされていてもよい。すなわち、光出射方向から見たコンタクト層１５の平面形状は、電極１８と同じ格子状であってもよい。コンタクト層１５の開口を光が通過することにより、コンタクト層１５における光吸収を回避し、光出射効率を高めることができる。

図１及び図２に示されるように、電極１８の開口１８ａから露出した半導体積層部１１の表面は、反射防止膜３１によって覆われている。そして、反射防止膜３１は、電極１８の外側から第２領域８ｂの半導体積層部１１の表面上にわたって設けられている。言い換えれば、反射防止膜３１は、光出射面１０ａ上における電極１８を除く全域に設けられている。また、図１及び図３に示されるように、第２領域８ｂの半導体基板９の裏面９ｂ上には、反射防止膜３２が設けられている。なおこの例では、電極１８の開口１８ａから露出した半導体積層部１１の表面は、反射防止膜３１によって覆われているが、光Ｌの光路上さえ覆われていれば、必ずしも全面を覆う必要はない。

電極１８と電極１９との間に駆動電流が供給されると、活性層１３内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層１３が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１４の間に効率的に閉じ込められる。活性層１３から出射された光は、位相変調層１６Ａの内部に入射し、位相変調層１６Ａの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１６Ａ内から出射した光Ｌは、電極１８の開口１８ａを通って半導体発光素子１０Ａの外部へ出射する。このとき、０次光は、光出射面１０ａに垂直な方向へ出射する。これに対し、高次光（例えば１次光または−１次光）である光Ｌは、光出射面１０ａに垂直な方向に対して傾斜した任意の方向へ出射する。

或る例では、半導体基板９はＧａＡｓ基板であり、下部クラッド層１２はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１３は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有し、位相変調層１６Ａの基本層１６ａはＧａＡｓであり、異屈折率領域１６ｂは空孔であり、上部クラッド層１４はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層１５はＧａＡｓ層である。また、別の例では、半導体基板９はＩｎＰ基板であり、下部クラッド層１２はＩｎＰ層であり、活性層１３は多重量子井戸構造（障壁層：ＧａＩｎＡｓＰ／井戸層：ＧａＩｎＡｓＰ）を有し、位相変調層１６Ａの基本層１６ａはＧａＩｎＡｓＰであり、異屈折率領域１６ｂは空孔であり、上部クラッド層１４はＩｎＰ層であり、コンタクト層１５はＧａＩｎＡｓＰ層である。また、更に別の例では、半導体基板９はＧａＮ基板であり、下部クラッド層１２はＡｌＧａＮ層であり、活性層１３は多重量子井戸構造（障壁層：ＩｎＧａＮ／井戸層：ＩｎＧａＮ）を有し、位相変調層１６Ａの基本層１６ａはＧａＮであり、異屈折率領域１６ｂは空孔であり、上部クラッド層１４はＡｌＧａＮ層であり、コンタクト層１５はＧａＮ層である。

なお、下部クラッド層１２には半導体基板９と同じ導電型が付与され、上部クラッド層１４及びコンタクト層１５には半導体基板９とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板９及び下部クラッド層１２はｎ型であり、上部クラッド層１４及びコンタクト層１５はｐ型である。位相変調層１６Ａは、活性層１３と下部クラッド層１２との間に設けられる場合には半導体基板９と同じ導電型を有し、活性層１３と上部クラッド層１４との間に設けられる場合には半導体基板９とは逆の導電型を有する。不純物濃度は例えば１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃｍ^３である。

また、上述の構造では、異屈折率領域１６ｂが空孔となっているが、異屈折率領域１６ｂは、基本層１６ａとは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれて形成されてもよい。その場合、例えば基本層１６ａの空孔をエッチングにより形成し、有機金属気相成長法、スパッタ法又はエピタキシャル法を用いて半導体を空孔内に埋め込んでもよい。また、基本層１６ａの空孔内に半導体を埋め込んで異屈折率領域１６ｂを形成した後、更に、その上に異屈折率領域１６ｂと同一の半導体を堆積してもよい。なお、異屈折率領域１６ｂが空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素、水素といった不活性ガス又は空気が封入されてもよい。

反射防止膜３１，３２は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜、或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を積層した膜を用いることができる。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ／４の厚さの膜を積層する。

図４は、第１領域８ａの位相変調層１６Ａの構成を示す平面図である。第１領域８ａの位相変調層１６Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１６ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域１６ｂとを含む。ここで、位相変調層１６Ａに、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域１６ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域１６ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１６ｂの重心Ｇは、これに最も近い格子点Ｏから離れて配置される。

図５に示されるように、格子点Ｏから重心Ｇに向かう方向とＸ軸との成す角度をφ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。角度φ（ｘ，ｙ）は、各異屈折率領域１６ｂの位相を表す。回転角度φが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの方向はＸ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さをｒ（ｘ，ｙ）とする。

角度φ（ｘ，ｙ）は、所望の光径及び出射方向を有する光Ｌを含む所望の光像に応じて、各単位構成領域Ｒ毎に独立して設定される。一方、長さｒ（ｘ，ｙ）は、各単位構成領域Ｒ毎に独立して設定されるわけではなく、位相変調層１６Ａの全体に亘って一定値に設定されても良いし、位相変調層１６Ａのうち電極１８によって遮光される部分のみ別の値に設定されても良い。回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。すなわち、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、所望の光像をフーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。また、長さｒ（ｘ，ｙ）は、位相変調層１６Ａの全体に亘って一定値に設定される。長さｒ（ｘ，ｙ）を大きくすると位相変調層１６Ａで変調されずにＺ方向に進む光に対して、所望の光像に寄与する光の割合を増加させることが出来るが、発振に必要な電流値は増加する。これを考慮し、長さｒ（ｘ，ｙ）の値は適宜設計者が決定する。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。

図６（ａ）は、位相変調層１６Ａの振幅分布の例を示す図である。図６（ａ）では、振幅が明暗によって示され、値が大きいほど明るくなっている。また、図６（ｂ）は、位相変調層１６Ａの位相分布すなわち回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布の例を示す図である。図６（ｂ）では、角度φ（ｘ，ｙ）が明暗によって示され、値が大きいほど明るくなっている。図７は、図６（ａ）の振幅分布及び図６（ｂ）の位相分布を有する位相変調層１６Ａによって実現される遠視野像を示す図である。図７において画像中心は、光出射面１０ａに対して垂直方向を表す。図７に示されるように、この例では、図６に示す複素振幅を回折計算することで１つのスポットを含む光Ｌに対応した遠視野像が得られる。しかし、図８の説明で後述するが、このスポットと同時に、中心Ｑ、及び例えば第１象限であれば対向する第３象限にもスポットを含む、１次光および−１次光が半導体発光素子１０Ａから出射される。

なお、位相変調層１６Ａの全体において、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は０〜２π（ｒａｄ）の位相が全て同程度含まれるように設計される。言い換えると、各異屈折率領域１６ｂについて、正方格子の格子点Ｏから異屈折率領域１６ｂの重心Ｇに向かうベクトルＯＧをとり、位相変調層１６Ａ内全てにわたってベクトルＯＧを足し合わせるとゼロに近づく。つまり、平均的には異屈折率領域１６ｂは正方格子の格子点Ｏ上にあると考えることができ、全体としてみれば、格子点Ｏ上に異屈折率領域１６ｂを配置したときと同様の二次元分布ブラッグ回折効果が得られるので、定在波の形成が容易となり、発振のための閾値電流低減を期待できる。

図８は、半導体発光素子１０Ａの出力ビームパターンが結像して得られる光像と、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）との関係を説明するための図である。なお、出力ビームパターンの中心Ｑは半導体基板９の主面９ａに対して垂直な軸線上に位置しており、図８には、中心Ｑを原点とする４つの象限が示されている。図８では例として第１象限および第３象限に光像が得られる場合を示したが、第２象限および第４象限或いは全ての象限に像を得ることも可能である。本実施形態では、図８に示されるように、原点に関して点対称な光像が得られる。図８は、例として、第３象限に文字「Ａ」が、第１象限に文字「Ａ」を１８０度回転したパターンが、それぞれ得られる場合について示している。

光Ｌを含む所望の光像を得るためには、以下に述べる設計方法によって異屈折率領域１６ｂの回転角度分布φ（ｘ、ｙ）を決定する。ＸＹ平面内におけるビームパターンの特定の領域（例えば第３象限のうちビームパターン近傍の一部）を２次元フーリエ変換（より厳密には２次元逆フーリエ変換であるが、本実施形態では単に２次元フーリエ変換と記す）して得られる複素振幅分布Ｆ（Ｘ，Ｙ）は、ｊを虚数単位として、ＸＹ平面内の強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ）と、ＸＹ平面内の位相分布Ｐ（Ｘ，Ｙ）を用いて表される。すなわち、Ｆ（Ｘ，Ｙ）＝Ｉ（Ｘ，Ｙ）×ｅｘｐ｛Ｐ（Ｘ，Ｙ）ｊ｝で与えられる。そして、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、次の数式
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（Ｘ，Ｙ）
により得ることができる。ここで、Ｃは定数であり、全ての位置（ｘ，ｙ）に対して同一の値を持つ。

すなわち、所望の光像を得たい場合、該光像をフーリエ変換して、その複素振幅の位相に応じた回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を、複数の異屈折率領域１６ｂに与えるとよい。なお、レーザビームのフーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数の円形、矩形、多角形などのスポット形状をとることができ、スポットのＸＹ断面形状はガウス関数形状やトップハット形状などを有しても良い。また、光出射面１０ａに対して垂直方向から傾斜した１次光と、ＸＹ平面内で１８０°回転した向きに出射される−１次光との双方が重ならないような形状を有しても良い。

フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布Ｐ（ｘ，ｙ）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。

ここで、光像のフーリエ変換結果から回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を求め、各異屈折率領域１６ｂの配置を決める際に、一般的な離散フーリエ変換（或いは高速フーリエ変換）を用いて計算する場合の留意点を述べる。フーリエ変換前の光像を図９（ａ）のようにＡ１，Ａ２，Ａ３，及びＡ４といった４つの象限に分割すると、得られるビームパターンは図９（ｂ）のようになる。つまり、ビームパターンの第一象限には、図９（ａ）の第一象限を１８０度回転したものと図９（ａ）の第三象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第二象限には図９（ａ）の第二象限を１８０度回転したものと図９（ａ）の第四象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第三象限には図９（ａ）の第三象限を１８０度回転したものと図９（ａ）の第一象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第四象限には図９（ａ）の第四象限を１８０度回転したものと図９（ａ）の第二象限が重畳したパターンが現れる。

従って、フーリエ変換前の光像（元の光像）として第一象限のみに値を有するものを用いた場合には、得られるビームパターンの第三象限に元の光像の第一象限が現れ、得られるビームパターンの第一象限に元の光像の第一象限を１８０度回転したパターンが現れる。

再び図１を参照する。空間光変調素子２０は、半導体発光素子１０Ａから出射された光Ｌを空間的に変調し、発光装置１Ａの外部へ出力する。これにより、発光装置１Ａの外部において所望の光像が形成される。空間光変調素子２０は、光出射面１０ａと平行に対向する光入出射面２０ａを有する。空間光変調素子２０は、光入出射面２０ａから入射した光Ｌを反射しつつ、光Ｌの位相及び強度の少なくとも一方を複数の画素毎に変調する。

具体的な空間光変調素子２０の構成は次の通りである。空間光変調素子２０は、共通電極２１、液晶層２２、反射膜２３、保護膜２４、複数の画素電極２５、及び回路基板２６を有する。共通電極２１は、光Ｌを透過する透明電極であって、複数の画素に対して共通に設けられている。共通電極２１の液晶層２２とは反対側の表面は、光入出射面２０ａを構成する。液晶層２２は、共通電極２１と反射膜２３との間に配置されている。液晶層２２は、例えばネマチック液晶又は強誘電性液晶からなる。液晶層２２の上面及び下面には、図示しない配向膜が設けられる。反射膜２３は、誘電体多層膜或いはアルミニウム等の金属膜であり、光Ｌの波長を含む波長域の光を反射する。半導体発光素子１０Ａの光出射面１０ａと反射膜２３との距離は、例えば３．０ｍｍ〜３．５ｍｍであり、典型的には３．１ｍｍである。複数の画素電極２５は、複数の画素を規定する。複数の画素電極２５は、反射膜２３を挟んで液晶層２２とは反対側に設けられ、反射膜２３と共通電極２１との間に配置された液晶層２２に対して画素毎に電界を印加する。一つの第１領域８ａに対して、画素電極２５は例えば数百個設けられる。一つの画素電極２５の外寸は、例えば５μｍ〜４０μｍであり、典型的には２０μｍである。

光入出射面２０ａに入射した光Ｌは、共通電極２１を透過して液晶層２２に達し、反射膜２３において反射する。そして、共通電極２１に再び達する。このとき、液晶層２２の内部において、画素電極２５及び共通電極２１によって印加された電界の強さに応じた位相変化が光Ｌに与えられる。各画素電極２５による印加電圧は、所望の光像に基づいて予め算出される。

以上に説明した本実施形態による発光装置１Ａによって得られる効果について、従来の発光装置の課題とともに説明する。図５３は、比較例に係る発光装置１００の断面構成を示す模式図である。この発光装置１００は、半導体発光素子１１０と、空間光変調素子２０とを備える。半導体発光素子１１０は、いわゆるフォトニック結晶レーザであり、次の点を除いて、本実施形態の半導体発光素子１０Ａと同様の構成を有する。すなわち、半導体発光素子１１０は、半導体発光素子１０Ａの位相変調層１６Ａに代えて、フォトニック結晶層１０１を有する。フォトニック結晶層１０１では、異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点と一致している。また、半導体発光素子１１０は、半導体発光素子１０Ａの電極１９に代えて、電極１０２を有する。電極１０２は開口１０２ａを有しており、該開口１０２ａ内には反射防止膜１０３が設けられている。

この発光装置１００において、電極１８と電極１０２との間に駆動電流が供給されると、活性層１３が発光する。活性層１３から出射された光Ｌ２は、フォトニック結晶層１０１の内部に入射し、フォトニック結晶層１０１の内部の二次元分布ブラッグ回折効果により所定のモードで発振する。フォトニック結晶層１０１内から出射した光Ｌ２は、電極１８の開口を通って半導体発光素子１１０の外部へ出射する。光Ｌ２は、光出射面に垂直な方向へ出射する。そして、光Ｌ２は、半導体発光素子１１０と対向して設けられた空間光変調素子２０に入射し、変調される。空間光変調素子２０から出射された変調後の光Ｌ２は、半導体発光素子１１０を通過して外部に出射される。

しかしながら、このような発光装置１００においては、変調後の光Ｌ２が半導体発光素子１１０を通過する際、半導体発光素子１１０の遮光性の構成要素（例えば電極１８等）によって減衰や回折作用などが生じ、光像の質が低下してしまう。また、これを避けるために空間光変調素子２０と半導体発光素子１１０とを互いに離して配置すると、空間光変調素子２０と半導体発光素子１１０との光結合のための位置調整が煩雑となり、且つ発光装置１００が大型化してしまう。発光装置１００が多数の半導体発光素子１１０を備える場合は尚更である。

上記の課題に対し、本実施形態の発光装置１Ａでは、位相変調層１６Ａに含まれる複数の異屈折率領域１６ｂの重心Ｇが、仮想的な正方格子の格子点Ｏ周りに各異屈折率領域１６ｂ毎に設定された回転角度を有する。このような場合、複数の異屈折率領域１６ｂの重心Ｇが正方格子の格子点Ｏ上に位置する半導体発光素子１１０と比較して、光出射面１０ａに垂直な方向に出射する０次光の光強度が減り、該方向に対して傾斜した方向に出射する高次光（例えば１次光及び−１次光）の光強度が増す。従って、光出射面１０ａに垂直な方向に対して傾斜した方向に光Ｌを出射する半導体発光素子１０Ａを好適に実現することができる。

更に、発光装置１Ａでは、半導体発光素子１０Ａが第１領域８ａ及び第２領域８ｂを含み、電極１８及び電極１９は第１領域８ａに設けられ、光Ｌは第１領域８ａの光出射面１０ａから出射し、空間光変調素子２０から出射した変調後の光Ｌは第２領域８ｂを透過する。半導体発光素子１０Ａの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとが互いに平行に対向していても、半導体発光素子１０Ａが光出射面１０ａに垂直な方向に対して傾斜した方向に光Ｌを出射するので、このような構成が可能となる。そして、このような構成によって、変調後の光Ｌが電極１８及び電極１９を避けて発光装置１Ａの外部へ出射することができ、変調後の光Ｌに対する半導体発光素子１０Ａによる減衰や回折作用を低減することができる。

このように、発光装置１Ａによれば、空間光変調素子２０と半導体発光素子１０Ａとを互いに近接させて配置した場合であっても、変調後の光Ｌに対する半導体発光素子１０Ａによる減衰や回折作用を低減できる。従って、空間光変調素子２０と半導体発光素子１０Ａとの光結合のための位置調整が容易となり、また発光装置１Ａの小型化が可能となる。加えて、半導体発光素子１０Ａの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとが互いに平行に対向しているので、光結合のための位置調整が更に容易になるとともに、半導体発光素子１０Ａを空間光変調素子２０に容易に固定することができる。

本実施形態のように、発光装置１Ａは、第２領域８ｂにおける半導体積層部１１の表面に設けられた反射防止膜３１、及び半導体基板９の裏面９ｂに設けられた反射防止膜３２を備えてもよい。これにより、第２領域８ｂにおける半導体積層部１１の表面及び半導体基板９の裏面９ｂを変調後の光Ｌが通過する際の損失を低減し、発光装置１Ａの光出射効率を高めることかできる。

また、本実施形態のように、第２領域８ｂの位相変調層１６Ａには異屈折率領域１６ｂが形成されていなくてもよい。これにより、変調後の光Ｌに対する半導体発光素子１０Ａによる減衰や回折作用を更に低減することができる。

また、本実施形態のように、電極１８の形状は格子状であってもよい。この場合、電極１８の一部を、第１領域８ａの光出射面１０ａの中央部付近にも配置することができる。これにより、第１領域８ａの活性層１３の中央部付近にも電流を十分に供給できるので、第１領域８ａの光出射面１０ａの面積をより広くすることができる。

また、本実施形態のように、半導体発光素子１０Ａから出射される光Ｌは１次光及び−１次光のうち少なくとも一方であってもよい。これらの光は、光出射面１０ａに垂直な方向に対して傾斜した方向に出射する。従って、上述した効果を奏する発光装置１Ａを好適に実現することができる。

（第１変形例）
図１０は、上記第１実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子の上面図である。図１０に示すように、本変形例の半導体発光素子では、電極１８の平面形状が格子状ではなくストライプ状となっている。具体的には、Ｘ方向（又はＹ方向）に延びる複数の線状の電極部分がＹ方向（又はＸ方向）に並んでおり、これらの電極部分は、両端において、Ｙ方向（又はＸ方向）に延びる別の一対の電極部分を介して互いに連結されている。複数の線状の電極部分の間には、反射防止膜３１が形成されている。半導体発光素子１０Ｂがこのような形状の電極１８を有する場合であっても、上記実施形態と同様の効果を好適に奏することができる。なお、電極１８の形状は上記実施形態及び本変形例に限られるものではなく、光Ｌを通過可能な様々な形状を適用できる。

（第２変形例）
図１１は、上記第１実施形態の第２変形例に係る半導体素子の底面図である。図１１に示すように、本変形例の半導体発光素子では、電極１９の平面形状が四角形の枠状となっており、第１領域８ａの中心部分を含む開口１９ａが電極１９に形成されている。電極１９は、例えばこのように開口を含む形状を有してもよい。そのような場合であっても、活性層１３に電流を好適に供給することができる。また、このような開口１９ａを通して、素子内部の発光の状態をモニターすることができ、また図８に示すビームパターン中心Ｑに対応する垂直方向の０次光の半導体基板９への吸収を抑制することもできる。もちろん開口１９ａは無くても良い。

（第３変形例）
図１２は、上記第１実施形態の第３変形例に係る発光装置１Ｂの断面構成を示す模式図である。本変形例の発光装置１Ｂは、上述した第１実施形態の発光装置１Ａの構成に加えて、支持基板４０を更に備える。支持基板４０は、板状の部材であって、光Ｌを透過する光透過性の材料（例えば石英、サファイア、ダイヤモンド、或いはこれらのうち少なくとも２つを含む複合材料）によって構成されている。半導体発光素子１０Ａは、支持基板４０を介して空間光変調素子２０に固定されている。具体的には、支持基板４０の一方の板面が半導体発光素子１０Ａの光出射面１０ａに反射防止膜３１を介して接合されており、支持基板４０の他方の板面が空間光変調素子２０の光入出射面２０ａに接合されている。支持基板４０の一方の板面と他方の板面とは互いに平行である。

本変形例の発光装置１Ｂのように、半導体発光素子１０Ａと空間光変調素子２０とは支持基板４０を介して互いに接合されてもよい。これにより、発光装置１Ｂの機械的強度を高め、曲げの力による発光装置１Ｂの破損を低減することができる。更に、半導体発光素子１０Ａの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとの間隔を、支持基板４０の厚さによって容易に調整することができる。

（第４変形例）
図１３は、上記第１実施形態の第４変形例に係る発光装置１Ｃの外観を示す斜視図である。図１４は、図１３に示された発光装置１Ｃの断面構成を部分的に示す模式図である。図１３及び図１４に示されるように、本変形例の発光装置１Ｃは、上記実施形態の半導体発光素子１０Ａに代えて、半導体発光素子１０Ｂを備える。半導体発光素子１０Ｂは、上記実施形態の半導体発光素子１０Ａと同様の構成を備える複数の単位領域Ｄ１がＸ方向及びＹ方向に沿って二次元状に配列されてなる半導体発光素子アレイである。図１３には、４つの単位領域Ｄ１が代表して示されている。単位領域Ｄ１の一辺の長さは、例えば０．０１ｍｍ〜２５ｍｍであり、典型的には１ｍｍである。

図１５は、半導体発光素子１０Ｂの拡大上面図である。図１５に示されるように、半導体発光素子１０Ｂの光出射面１０ａは複数の単位領域Ｄ１に分割されており、各単位領域Ｄ１には電極１８及び反射防止膜３１が設けられている。電極１８は、第１実施形態と同様に、格子状といった平面形状を有する。或いは、図１６に示されるように、電極１８は、第１変形例と同様に、ストライプ状といった平面形状を有してもよい。また、本変形例では、各単位領域Ｄ１において第１領域８ａと第２領域８ｂとがＹ方向に並んでいる。また、隣り合う単位領域Ｄ１の第１領域８ａ同士がＸ方向に並んでおり、隣り合う単位領域Ｄ１の第２領域８ｂ同士がＸ方向に並んでいる。

図１７は、半導体発光素子１０Ｂの拡大底面図である。図１７に示されるように、半導体基板９の裏面９ｂもまた、複数の単位領域Ｄ１に分割されている。各単位領域Ｄ１には電極１９及び反射防止膜３２が設けられている。電極１９は、第１実施形態と同様に、四角形といった平面形状を有する。或いは、電極１９は、第２変形例（図１１を参照）と同様に、開口を有する枠状といった平面形状を有してもよい。

本変形例において、各単位領域Ｄ１の第１領域８ａから出射された光Ｌは、各単位領域Ｄ１に対応する空間光変調素子２０の領域に入射する。そして、光Ｌの位相は該領域において変調され、変調後の光Ｌは当該単位領域Ｄ１の第２領域８ｂを透過して発光装置１Ｃの外部へ出射される。本変形例のような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例のように半導体発光素子アレイを用いて複数の光Ｌを生成することにより、第１実施形態よりも更に大きな面積の光像を得ることができる。また、後述する第７変形例と比較して、発光装置の作製が容易であり、発光領域（第１領域８ａ）を高精度に配置することができる。

なお、本変形例においても、半導体発光素子１０Ｂと空間光変調素子２０との間に、支持基板４０が設けられてもよい。これにより、発光装置１Ｃの機械的強度を高め、曲げの力による発光装置１Ｃの破損を低減することができる。更に、半導体発光素子１０Ｂの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとの間隔を、支持基板４０の厚さによって容易に調整することができる。

（第５変形例）
図１８は、上記第１実施形態の第５変形例に係る発光装置１Ｄの断面構成を示す模式図である。本変形例の発光装置１Ｄは、上述した第１実施形態の半導体発光素子１０Ａに代えて、半導体発光素子１０Ｃを備える。半導体発光素子１０Ｃは、第１実施形態の半導体発光素子１０Ａとは異なり、光Ｌを半導体基板９の裏面９ｂから出射する。すなわち、本変形例では、半導体発光素子１０Ｃの光出射面１０ａは、半導体基板９の裏面９ｂに含まれる。従って、空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、半導体基板９の裏面９ｂと平行に対向する。半導体積層部１１は、半導体基板９に対して空間光変調素子２０とは反対側に設けられている。

本変形例においても、半導体発光素子１０Ｃは、第１領域８ａと、第１領域８ａに対して主面９ａに沿った方向に並ぶ第２領域８ｂとを含む。第１領域８ａのコンタクト層１５上には電極３３（第１電極）が設けられ、第１領域８ａの半導体基板９の裏面９ｂ上には電極３４（第２電極）が設けられている。電極３３はコンタクト層１５とオーミック接触を成しており、電極３４は半導体基板９とオーミック接触を成している。図１９は、半導体発光素子１０Ｃを光出射面１０ａ側（すなわち裏面９ｂ側）から見た上面図である。図２０は、半導体発光素子１０Ｃを半導体積層部１１の表面側から見た底面図である。図１８〜図２０に示されるように、電極３３及び３４は、半導体発光素子１０Ｃの第１領域８ａにのみ設けられ、第２領域８ｂには設けられていない。そして、図１９に示されるように、電極３４は、四角形の枠状といった平面形状を有しており、第１領域８ａの中心部分を含む開口３４ａを有する。開口３４ａの内側に位置する裏面９ｂは、反射防止膜３１によって覆われている。第２領域８ｂの裏面９ｂの全面は、反射防止膜３１によって覆われている。言い換えれば、反射防止膜３１は、裏面９ｂ（光出射面１０ａ）上における電極３４を除く全域に設けられている。半導体発光素子１０Ｃから出射される光Ｌは、電極３４の開口３４ａを通過する。電極３４の開口３４ａを光Ｌが通過することにより、電極３４に遮られることなく、光Ｌを裏面９ｂ側から好適に出射することができる。なお、電極３４の平面形状は、図２に示された電極１８のような格子状、或いは図１０に示された電極１８のようなストライプ状であってもよい。

また、図２０に示されるように、半導体積層部１１の表面において、電極３３は例えば四角形状といった平面形状を有しており、ＸＹ面内における第１領域８ａの中央部付近を含む部分を覆っている。第２領域８ｂにおける半導体積層部１１の表面上には、反射防止膜３２が設けられている。

なお、本変形例においても、複数の異屈折率領域１６ｂは第１領域８ａの位相変調層１６Ａにのみ形成され、第２領域８ｂの位相変調層１６Ａには形成されていない。

電極３３と電極３４との間に駆動電流が供給されると、活性層１３内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層１３が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１４の間に効率的に閉じ込められる。活性層１３から出射された光は、位相変調層１６Ａの内部に入射し、位相変調層１６Ａの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１６Ａ内から出射した光Ｌは、電極３４の開口３４ａを通って半導体発光素子１０Ｃの外部へ出射する。このとき、０次光は、光出射面１０ａに垂直な方向へ出射する。これに対し、高次光（例えば１次光または−１次光）である光Ｌは、光出射面１０ａに垂直な方向に対して傾斜した任意の方向へ出射する。

本変形例のように、半導体発光素子は裏面出射型であってもよい。このような場合であっても、上述した第１実施形態と同様の効果を好適に得ることができる。但し、光Ｌの波長と半導体基板９の構成材料との組み合わせによっては、半導体基板９における光吸収によって光Ｌの損失が大きくなることがある。そのような場合には、第１実施形態のように表面出射型の半導体発光素子を用いるとよい。

（第６変形例）
図２１は、上記第１実施形態の第６変形例に係る発光装置１Ｅの断面構成を部分的に示す模式図である。図２１に示されるように、本変形例の発光装置１Ｅは、上記実施形態の半導体発光素子１０Ａに代えて、半導体発光素子１０Ｄを備える。半導体発光素子１０Ｄは、第５変形例の半導体発光素子１０Ｃと同様の構成を備える複数の単位領域Ｄ２がＸ方向及びＹ方向に沿って二次元状に配列されてなる半導体発光素子アレイである。単位領域Ｄ２の一辺の長さは、例えば０．０１ｍｍ〜２５ｍｍであり、典型的には１ｍｍである。

図２２は、半導体発光素子１０Ｄの拡大上面図である。図２２に示されるように、半導体発光素子１０Ｄの光出射面１０ａは複数の単位領域Ｄ２に分割されており、各単位領域Ｄ２には電極３４及び反射防止膜３１が設けられている。電極３４は、第５変形例と同様に、開口３４ａを有する枠状といった平面形状を有する。また、本変形例では、各単位領域Ｄ２において第１領域８ａと第２領域８ｂとがＹ方向に並んでいる。また、隣り合う単位領域Ｄ２の第１領域８ａ同士がＸ方向に並んでおり、隣り合う単位領域Ｄ２の第２領域８ｂ同士がＸ方向に並んでいる。

図２３は、半導体発光素子１０Ｄの拡大底面図である。図２３に示されるように、半導体基板９の裏面９ｂもまた、複数の単位領域Ｄ２に分割されている。各単位領域Ｄ２には電極３３及び反射防止膜３２が設けられている。電極３３は、第５変形例と同様に、四角形といった平面形状を有する。或いは、電極３３は、第２変形例（図１１を参照）と同様に、開口を有する枠状といった平面形状を有してもよい。

本変形例において、各単位領域Ｄ２の第１領域８ａから出射された光Ｌは、各単位領域Ｄ２に対応する空間光変調素子２０の領域に入射する。そして、光Ｌの位相は該領域において変調され、変調後の光Ｌは当該単位領域Ｄ２の第２領域８ｂを透過して発光装置１Ｅの外部へ出射される。本変形例のような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例のように半導体発光素子アレイを用いて複数の光Ｌを生成することにより、第１実施形態よりも更に大きな面積の光像を得ることができる。

なお、本変形例においても、半導体発光素子１０Ｄと空間光変調素子２０との間に、支持基板４０が設けられてもよい。これにより、発光装置１Ｅの機械的強度を高め、曲げの力による発光装置１Ｅの破損を低減することができる。更に、半導体発光素子１０Ｄの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとの間隔を、支持基板４０の厚さによって容易に調整することができる。

（第２実施形態）
図２４は、本発明の第２実施形態による発光装置１Ｆの断面構成を示す模式図である。本実施形態の発光装置１Ｆは、第１実施形態の半導体発光素子１０Ａに代えて、半導体発光素子１０Ｅを備える。半導体発光素子１０Ｅは、第１実施形態と異なり、第２領域８ｂを有しておらず第１領域８ａに相当する部分のみを有している。言い換えれば、半導体発光素子１０Ｅは、空間光変調素子２０から出射した変調後の光Ｌを透過させる部分を有していない。

空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、第１領域２７及び第２領域２８を含む。第１領域２７及び第２領域２８は、例えばＹ方向に沿って並んでいる。第１領域２７上には支持基板４０を介して半導体発光素子１０Ｅが配置され、第１領域２７は光出射面１０ａと対向している。第２領域２８上は、何も設けられない空間となっている。第１領域２７及び第２領域２８の一辺の長さは例えば１００μｍ〜１０００μｍであり、一例では４００μｍである。第１領域２７及び第２領域２８の一辺の長さは、互いに等しくてもよく、異なってもよい。

半導体発光素子１０Ｅから出射された光Ｌは、第１領域２７を介して空間光変調素子２０に入射する。そして、光Ｌの位相は空間光変調素子２０において変調され、変調後の光Ｌは第２領域２８から発光装置１Ｆの外部へ出射される。

本実施形態のような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、変調後の光Ｌが半導体発光素子１０Ｅを避けて発光装置１Ｆの外部へ出射することができ、変調後の光Ｌに対する半導体発光素子１０Ｅ（特に電極１８，１９）による減衰や回折作用を低減することができる。このように、発光装置１Ｆによれば、空間光変調素子２０と半導体発光素子１０Ｅとを互いに近接させて配置した場合であっても、変調後の光Ｌに対する半導体発光素子１０Ｅによる減衰や回折作用を低減できる。従って、空間光変調素子２０と半導体発光素子１０Ｅとの光結合のための位置調整が容易となり、また発光装置１Ｆの小型化が可能となる。加えて、半導体発光素子１０Ｅの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとが互いに平行に対向しているので、光結合のための位置調整が更に容易になるとともに、半導体発光素子１０Ｅを空間光変調素子２０に容易に固定することができる。

（第７変形例）
図２５は、上記第２実施形態の第７変形例に係る発光装置１Ｇの外観を示す斜視図である。図２６は、図２５に示された発光装置１Ｇの断面構成を部分的に示す模式図である。図２５及び図２６に示されるように、本変形例の発光装置１Ｇは、上記実施形態の半導体発光素子１０Ａに代えて、複数の半導体発光素子１０Ｅを備える。また、空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、複数の単位領域Ｄ３を含む。複数の単位領域Ｄ３は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って二次元状に配列されている。各単位領域Ｄ３は、第１領域２７及び第２領域２８を含む。本変形例では、各単位領域Ｄ３において第１領域２７と第２領域２８とがＹ方向に並んでいる。複数の半導体発光素子１０Ｅそれぞれは、複数の単位領域Ｄ３それぞれの第１領域２７上に配置されている。単位領域Ｄ３の一辺の長さは、例えば０．０１ｍｍ〜２５ｍｍであり、典型的には１ｍｍである。

また、本変形例の発光装置１Ｇは、１枚の支持基板４１を更に備える。支持基板４１は、板状の部材であって、第３変形例の支持基板４０と同様の材料によって構成されている。支持基板４１は、空間光変調素子２０の複数の単位領域Ｄ３をまとめて覆う。複数の半導体発光素子１０Ｅは、共通の支持基板４１を介して空間光変調素子２０に固定されている。具体的には、支持基板４１の一方の板面が複数の半導体発光素子１０Ｅの光出射面１０ａに電極１８及び反射防止膜３１を介して接合されており、支持基板４１の他方の板面が空間光変調素子２０の光入出射面２０ａに接合されている。複数の半導体発光素子１０Ｅは、共通の支持基板４１を介して互いに固定される。支持基板４１の一方の板面と他方の板面とは互いに平行である。

図２７（ａ）は、本変形例の支持基板４１の構成を示す斜視図である。図２７（ａ）に示されるように、支持基板４１の一方の板面上には、複数の素子電極４２と、パッド電極４３とが設けられている。複数の素子電極４２それぞれは、複数の半導体発光素子１０Ｅそれぞれに対応して第１領域２７上に設けられる。各半導体発光素子１０Ｅの電極１８は、対応する素子電極４２に接合される。各素子電極４２は、支持基板４１の一方の板面上に設けられた金属膜４２ａと、金属膜４２ａ上に設けられた導電性接着剤（例えばハンダ）４２ｂとを含む。図２７（ｂ）に示されるように、金属膜４２ａ及び導電性接着剤４２ｂの平面形状は、光Ｌを通過させるために電極１８の平面形状（例えば格子状、ストライプ状、枠状など）と略同一とされる。複数の素子電極４２の金属膜４２ａは、支持基板４１の一方の板面上に設けられた配線４４によって互いに電気的に接続されている。パッド電極４３は、支持基板４１の端寄りに設けられ、配線４４の一端に接続されている。各素子電極４２には、パッド電極４３を介して電流が供給される。なお、図２７に示すような支持基板４１上の配線用電極は、半導体発光素子１０Ｅに限らず、半導体発光素子１０Ｆにも適用することができる。その場合、素子電極４２の形状はストライプ状ではなく、枠状となる。また、半導体発光素子１０Ｂ、１０Ｄであっても支持基板４０上に同様の配線電極を形成することで、好適に電流を供給することができる。また、金属膜４２ａ及び導電性接着剤４２ｂの材料は支持基板４１の材質に応じて選択される。一例として、支持基板４１が石英基板である場合、金属膜４２ａにＴｉ／Ａｕ（Ｔｉ厚さ１０ｎｍ／Ａｕ厚さ２００ｎｍ）、導電性接着剤４２ｂにＡｕＳｎはんだ（厚さ３μｍ）などを用いることができる。また、支持基板４１は、放熱のため表面側にダイヤモンド板を組み合わせたり、或いは表面上にＣＶＤによりダイヤモンド膜を形成してもよい。

本変形例において、各半導体発光素子１０Ｅから出射された光Ｌは、支持基板４１を透過して、対応する単位領域Ｄ３の第１領域２７から空間光変調素子２０に入射する。そして、光Ｌの位相は空間光変調素子２０において変調され、変調後の光Ｌは第２領域２８から支持基板４１を透過して発光装置１Ｇの外部へ出射される。本変形例のような構成であっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例のように複数の半導体発光素子１０Ｅを二次元状に並べることにより、第２実施形態よりも更に大きな面積の光像を得ることができる。また、前述した第４変形例と比較して、半導体基板９に吸収される波長の光Ｌにも適用することができる。

また、本変形例においては、複数の半導体発光素子１０Ｅと空間光変調素子２０との間に、支持基板４１が設けられている。これにより、半導体発光素子１０Ｅの光出射面１０ａと空間光変調素子２０の光入出射面２０ａとの間隔を、支持基板４１の厚さによって容易に調整することができる。さらに、支持基板４１は、電極１８に電流を供給するための配線４４を有しているので、空間光変調素子２０に覆われた複数の半導体発光素子１０Ｅの電極１８に対して電流を好適に供給することができる。

（第８変形例）
図２８は、第２実施形態の第８変形例に係る発光装置１Ｈの断面構成を示す模式図である。本変形例の発光装置１Ｈは、上述した第２実施形態の半導体発光素子１０Ｅに代えて、半導体発光素子１０Ｆを備える。半導体発光素子１０Ｆは、第２実施形態の半導体発光素子１０Ｅとは異なり、光Ｌを半導体基板９の裏面９ｂから出射する。すなわち、本変形例では、半導体発光素子１０Ｆの光出射面１０ａは、半導体基板９の裏面９ｂに含まれる。従って、空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、半導体基板９の裏面９ｂと平行に対向する。半導体積層部１１は、半導体基板９に対して空間光変調素子２０とは反対側に設けられている。コンタクト層１５上には電極３３（第１電極）が設けられ、半導体基板９の裏面９ｂ上には電極３４（第２電極）が設けられている。なお、電極３３，３４の形状などの半導体発光素子１０Ｆの詳細な構成及び動作は、前述した第５変形例の半導体発光素子１０Ｃと同様である。

本変形例においても、空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、第１領域２７及び第２領域２８を含む。第１領域２７及び第２領域２８は、例えばＹ方向に沿って並んでいる。第１領域２７上には支持基板４０を介して半導体発光素子１０Ｆが配置され、第１領域２７は光出射面１０ａと対向している。第２領域２８上は、何も設けられない空間となっている。半導体発光素子１０Ｆから出射された光Ｌは、支持基板４０を透過し、第１領域２７を介して空間光変調素子２０に入射する。そして、光Ｌの位相が空間光変調素子２０において変調され、変調後の光Ｌは第２領域２８から支持基板４０を透過して発光装置１Ｈの外部へ出射される。

本変形例のように、半導体発光素子は裏面出射型であってもよい。このような場合であっても、上述した第２実施形態と同様の効果を好適に得ることができる。但し、光Ｌの波長と半導体基板９の構成材料との組み合わせによっては、半導体基板９における光吸収によって光Ｌの損失が大きくなることがある。そのような場合には、第２実施形態のように表面出射型の半導体発光素子を用いるとよい。

（第９変形例）
図２９は、第２実施形態の第９変形例に係る発光装置１Ｊの断面構成を示す模式図である。本変形例の発光装置１Ｈでは、空間光変調素子２０の光入出射面２０ａが、１つの第１領域２７に対応する複数の第２領域２８を含む。複数の第２領域２８は、第１領域２７の周囲に隣接する任意の位置に設けられる。一例では、図２９に示されるように、一対の第２領域２８が第１領域２７を挟んだ両側に設けられる。或いは、複数の第２領域２８が第１領域２７の複数の辺にそれぞれ隣接して設けられてもよく、更に、別の一又は複数の第２領域２８が第１領域２７の対角方向に隣接して設けられてもよい。第１領域２７上には支持基板４０を介して半導体発光素子１０Ｅが配置され、第１領域２７は光出射面１０ａと対向する。複数の第２領域２８上は、何も設けられない空間となっている。

本変形例のように、空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、第１領域２７の周囲に設けられた複数の第２領域２８を含んでもよい。これにより、半導体発光素子１０Ｅから複数の方向に光Ｌを出射し、更に多様な光像を形成することができる。このとき、図８及び図２９に示すように、例えば第１象限への出射ビームに対して、対向する第３象限にもビームが出射されるが、第１領域２７に対して第２領域２８を対向して配置することで、前記対向した象限に出射されるビームを有効利用することができ、出射ビームの損失を抑制することもできる。なお、本変形例においても、第７変形例のように複数の半導体発光素子１０Ｅが設けられてもよい。また、第８変形例のように、表面出射型の半導体発光素子１０Ｅに代えて裏面出射型の半導体発光素子１０Ｆが設けられてもよい。

（第１０変形例）
複数の半導体発光素子１０Ｅ（または１０Ｆ）が光入出射面２０ａ上に設けられる場合の、第１領域２７及び第２領域２８の配置例について詳細に説明する。図３０〜図３３は、光入出射面２０ａにおける第１領域２７及び第２領域２８の配置例を示す図である。図３０（ａ）は、第１領域２７および第２領域２８が一対一で対応している場合（第２実施形態を参照）の基本配置を示す図である。この場合、光入出射面２０ａの開口率は５０％となる。第２領域２８からは、１次光及び−１次光のうちいずれか一方が出射される。図３０（ｂ）及び図３０（ｃ）は、或る方向にそれぞれ並ぶ第１領域２７の列及び第２領域２８の列を、該方向に直交する方向に交互に配置した例を示す。また、図３０（ｄ）は、第１領域２７及び第２領域２８を市松模様のように対角方向に配列した例を示す。

また、図３１（ａ）〜図３１（ｄ）は、一つの第１領域２７に複数の第２領域２８が対応する場合の基本配置を示す図である。図３１（ａ）では、２つの第２領域２８が一つの第１領域２７を挟むように配置されている（図２９を参照）。この場合、光入出射面２０ａの開口率は６６％となる。図３１（ｂ）では、４つの第２領域２８が一つの第１領域２７の４辺にそれぞれ隣接して配置されている。この場合、光入出射面２０ａの開口率は７５％となる。図３１（ｃ）では、図３１（ａ）の配置に加え、更に４つの第２領域２８が第１領域２７の対角方向に配置されている。この場合、一つの第１領域２７に６つの第２領域２８が対応するので、光入出射面２０ａの開口率は８６％となる。図３１（ｄ）では、図３１（ｂ）の配置に加え、更に４つの第２領域２８が第１領域２７の対角方向に配置されている。この場合、一つの第１領域２７に８つの第２領域２８が対応するので、光入出射面２０ａの開口率は８９％となる。

なお、これらの配置では、一部の第２領域２８から１次光が出射され、残部の第２領域２８から−１次光が出射される。具体的には、図３１（ａ）の配置では、例えば第１領域２７の左側の第２領域２８から−１次光が出射され、第１領域２７の右側の第２領域２８から−１次光が出射される。図３１（ｂ）の配置では、例えば第１領域２７の左側及び下側の第２領域２８から−１次光が出射され、第１領域２７の右側及び上側の第２領域２８から１次光が出射される。図３１（ｃ）の配置では、例えば第１領域２７の左側、左上及び左下の３つの第２領域２８から−１次光が出射され、第１領域２７の右側、右上及び右下の３つの第２領域２８から１次光が出射される。図３１（ｄ）の配置では、例えば第１領域２７の左側、左上、左下、及び下側の４つの第２領域２８から−１次光が出射され、第１領域２７の右側、右上、右下、及び上側の４つの第２領域２８から１次光が出射される。このように、−１次光を出射する第２領域２８と、１次光を出射する第２領域２８とは、第１領域２７に関して対称になるように配置されるとよい。

図３２（ａ）及び図３２（ｂ）は、図３１（ａ）の基本配置を、向きを揃えて複数並べた状態を示す図である。図３２（ａ）では、第１領域２７の位置が、隣接する基本配置同士で揃っている。図３２（ｂ）では、第１領域２７の位置が、隣接する基本配置同士で交互にずれている。図３２（ｃ）は、図３１（ｂ）の基本配置を隙間無く複数並べた状態を示す図である。図３３（ａ）は、図３１（ｂ）及び図３１（ｃ）の基本配置を交互に隙間無く並べた状態を示す図である。図３３（ｂ）及び図３３（ｃ）は、図３１（ｄ）の基本配置を隙間無く複数並べた状態を示す図である。図３３（ｂ）では、第１領域２７の位置が、隣接する基本配置同士で揃っている。図３３（ｃ）では、第１領域２７の位置が、隣接する基本配置同士で交互にずれている。空間光変調素子２０の光入出射面２０ａは、例えば上述した図３０（ｂ）〜３０（ｄ）、図３２または図３３に示された配置を含んでもよい。

ここで、一つの第１領域２７に複数の第２領域２８が対応する場合の位相変調層１６Ａの振幅分布及び位相分布について説明する。図３４、図３６、及び図３８の（ａ）は、位相変調層１６Ａの振幅分布すなわち長さｒ（ｘ，ｙ）の分布の例を示す図である。これらの図では、長さｒ（ｘ，ｙ）が明暗によって示され、値が大きいほど明るくなっている。また、図３４、図３６、及び図３８の（ｂ）は、位相変調層１６Ａの位相分布すなわち回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布の例を示す図である。これらの図では、角度φ（ｘ，ｙ）が明暗によって示され、値が大きいほど明るくなっている。図３５は、図３４（ａ）の振幅分布及び図３４（ｂ）の位相分布を有する位相変調層１６Ａによって実現される遠視野像を示す。図３５に示されるように、この例では、２つのスポットを含む光Ｌが半導体発光素子１０Ｅ（または１０Ｆ）から出射される。図３７は、図３６（ａ）の振幅分布及び図３６（ｂ）の位相分布を有する位相変調層１６Ａによって実現される遠視野像を示す。図３７に示されるように、この例では、３つのスポットを含む光Ｌが半導体発光素子１０Ｅ（または１０Ｆ）から出射される。図３９は、図３８（ａ）の振幅分布及び図３８（ｂ）の位相分布を有する位相変調層１６Ａによって実現される遠視野像を示す。図３９に示されるように、この例では、４つのスポットを含む光Ｌが半導体発光素子１０Ｅ（または１０Ｆ）から出射される。

なお、本変形例では複数の半導体発光素子１０Ｅ（または１０Ｆ）が光入出射面２０ａ上に設けられる場合における第１領域２７及び第２領域２８の配置について説明したが、この配置は、第４変形例（図１３〜図１７を参照）のように半導体発光素子１０Ｂが複数の単位領域Ｄ１を含む半導体発光素子アレイである場合における第１領域８ａ及び第２領域８ｂの配置にも応用できる。その場合、上述した配置において第１領域２７を第１領域８ａに置き換え、第２領域２８を第２領域８ｂに置き換えて考えるとよい。

（第１１変形例）
前述した第４変形例（図１３〜図１７を参照）では、半導体発光素子１０Ｂとして、光Ｌを個々に出射する複数の単位領域Ｄ１を有する半導体発光素子アレイが用いられている。また、第６変形例（図２１〜図２３を参照）では、半導体発光素子１０Ｄとして、光Ｌを個々に出射する複数の単位領域Ｄ２を有する半導体発光素子アレイが用いられている。更に、第７変形例（図２５〜図２７を参照）では、複数の半導体発光素子１０Ｅが光入出射面２０ａの複数の単位領域Ｄ３上に配列されている。これらのように光Ｌを出射する発光領域が複数存在する場合、それぞれの発光領域の光路上に例えば蛍光体といった波長変換媒質を配置することにより、発光装置から出射される光Ｌの波長を任意に変更することができる。特に、光Ｌの波長を赤色の波長域、緑色の波長域、及び青色の波長域にそれぞれ変換する３種類の波長変換媒質を配置することにより、発光装置のマルチカラー化が可能となる。光Ｌの波長が赤色の波長域、緑色の波長域、及び青色の波長域のいずれかに含まれる場合には、当該波長域については波長変換媒質を省略してもよい。また、波長変換媒質は、光Ｌの波長よりも長い波長に変換するダウンコンバージョンであってもよく、光Ｌの波長よりも短い波長に変換するアップコンバージョンであってもよい。

図４０は、本変形例に係る発光装置１Ｋの断面構成を示す模式図である。この発光装置１Ｋは、図１４に示された発光装置１Ｃの構成に加えて、複数の波長変換媒質５１を更に備える。各波長変換媒質５１は、各単位領域Ｄ１において第２領域８ｂの反射防止膜３２上に設けられている。各単位領域Ｄ１の第１領域８ａから出射された光Ｌは、空間光変調素子２０に入射して変調されたのち、各単位領域Ｄ１の第２領域８ｂを透過し、波長変換媒質５１を通過して発光装置１Ｋの外部に出射される。

図４１は、本変形例に係る別の発光装置１Ｌの断面構成を示す模式図である。この発光装置１Ｌは、図１４に示された発光装置１Ｃの構成から支持基板４０を除き、各単位領域Ｄ１の第１領域８ａと空間光変調素子２０との間に波長変換媒質５１を設けたものである。例えば、波長変換媒質５１は電極１８の開口１８ａを覆うように光出射面１０ａ上に設けられる。各単位領域Ｄ１の第１領域８ａから出射された光Ｌは、波長変換媒質５１を通過して空間光変調素子２０に入射し、空間光変調素子２０において変調されたのち、各単位領域Ｄ１の第２領域８ｂを透過して外部に出射される。

上述した発光装置１Ｋ及び１Ｌにおいて、半導体発光素子１０Ｂを第６変形例の半導体発光素子１０Ｄに置き換えてもよい。その場合、発光装置１Ｋでは、波長変換媒質５１は各単位領域Ｄ２における第２領域８ｂの反射防止膜３２上に設けられる。また、発光装置１Ｌでは、波長変換媒質５１は各単位領域Ｄ２の第１領域８ａと空間光変調素子２０との間に設けられる。例えば、波長変換媒質５１は電極３４の開口３４ａを覆うように裏面９ｂ上に設けられる。

図４２は、本変形例に係る更に別の発光装置１Ｍの断面構成を示す斜視図である。この発光装置１Ｍは、第７変形例の発光装置１Ｇの構成に加えて、複数の波長変換媒質５１を更に備える。各波長変換媒質５１は、各単位領域Ｄ３において光入出射面２０ａの第２領域２８上に設けられる。例えば、各波長変換媒質５１は、支持基板４１の空間光変調素子２０とは反対側の面上に設けられる。各半導体発光素子１０Ｅから出射された光Ｌは、空間光変調素子２０に入射して変調されたのち、支持基板４１及び波長変換媒質５１を通過して発光装置１Ｍの外部に出射される。

図４３は、本変形例に係る更に別の発光装置１Ｎの断面構成を示す斜視図である。この発光装置１Ｎは、第７変形例の発光装置１Ｇの構成に加えて、複数の波長変換媒質５１を更に備える。各波長変換媒質５１は、各半導体発光素子１０Ｅと空間光変調素子２０との間に設けられている。例えば、各波長変換媒質５１は、各半導体発光素子１０Ｅと支持基板４１との間に挟まれている。各半導体発光素子１０Ｅから出射された光Ｌは、波長変換媒質５１及び支持基板４１を通過して空間光変調素子２０の第１領域２７に入射し、空間光変調素子２０において変調されたのち、第２領域２８から支持基板４１を透過して外部に出射される。

上述した発光装置１Ｍ及び１Ｎにおいて、半導体発光素子１０Ｅを第８変形例の半導体発光素子１０Ｆに置き換えてもよい。その場合、発光装置１Ｎでは、波長変換媒質５１は各半導体発光素子１０Ｆと空間光変調素子２０との間に設けられる。例えば、波長変換媒質５１は電極３４の開口３４ａを覆うように裏面９ｂ上に設けられる。

図４４（ａ）〜図４４（ｃ）は、各波長変換媒質５１における赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の変換領域の配置の例を示す図である。これらの例では、赤色、緑色及び青色の変換領域を含む単位領域が或る方向に並んでおり、各単位領域において、赤色、緑色及び青色の変換領域が該方向と交差する方向に並んでいる。図４４（ａ）及び図４４（ｂ）に示す例では、各単位領域において、赤色、緑色及び青色の変換領域が同じ方向に並んでいる。また、図４４（ｃ）に示す例では、変換領域の並び順が、隣接する単位領域同士で互いに異なる。例えばこれらの様に、赤色、緑色及び青色の変換領域を互いに隣接させて配置することにより、精細なマルチカラーの光像を得ることができる。これらの変換領域は、例えば空間光変調素子２０の複数の画素電極２５それぞれに対応して（一対一で）設けられるとよい。

（第１２変形例）
上記実施形態の図４には、ＸＹ平面内における異屈折率領域１６ｂの形状が円形である例が示されているが、異屈折率領域１６ｂは円形以外の形状を有してもよい。例えば、ＸＹ平面内における異屈折率領域１６ｂの形状は、鏡像対称性（線対称性）を有してもよい。ここで、鏡像対称性（線対称性）とは、ＸＹ平面に沿った任意の直線を挟んで、該直線の一方側に位置する異屈折率領域１６ｂの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域１６ｂの平面形状とが、互いに鏡像対称（線対称）となり得ることをいう。鏡像対称性（線対称性）を有する形状としては、例えば図４５に示すように、（ａ）真円、（ｂ）正方形、（ｃ）正六角形、（ｄ）正八角形、（ｅ）正１６角形、（ｆ）長方形、（ｇ）楕円、などが挙げられる。このように、ＸＹ平面内における異屈折率領域１６ｂの形状が鏡像対称性（線対称性）を有することにより、位相変調層１６Ａにおいて、仮想的な正方格子の各格子点から対応する各異屈折率領域１６ｂの重心へ向かう方向とＸ軸との成す角度φを高精度に定めることができるので、高い精度でのパターニングが可能となる。

また、ＸＹ平面内における異屈折率領域１６ｂの形状は、１８０°の回転対称性を有さない形状であってもよい。このような形状としては、例えば図４６に示すように、（ａ）正三角形、（ｂ）直角二等辺三角形、（ｃ）２つの円又は楕円の一部分が重なる形状、（ｄ）楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵形）、（ｅ）楕円の長軸に沿った一方の端部を長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙形）、（ｆ）二等辺三角形、（ｇ）矩形の一辺が三角形状に凹みその対向する一辺が三角形状に尖った形状（矢印形）、（ｈ）台形、（ｉ）５角形、（ｊ）２つの矩形の一部分同士が重なる形状、（ｋ）２つの矩形の一部分同士が重なり且つ鏡像対称性を有さない形状、等が挙げられる。このように、ＸＹ平面内における異屈折率領域１６ｂの形状が１８０°の回転対称性を有さないことにより、より高い光出力を得ることができる。

（第１３変形例）
図４７は、上記各実施形態の第１３変形例に係る位相変調層１６Ｂの平面図である。上記実施形態の位相変調層１６Ａは、本変形例の位相変調層１６Ｂに置き換えられてもよい。本変形例の位相変調層１６Ｂは、上記実施形態の位相変調層１６Ａの構成に加えて、複数の異屈折率領域１６ｂとは別の複数の異屈折率領域１６ｃを更に有する。各異屈折率領域１６ｃは、周期構造を含んでおり、基本層１６ａの第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる。異屈折率領域１６ｃは、異屈折率領域１６ｂと同様に、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。ここで、図４８に示すように、本変形例においても、格子点Ｏから重心Ｇに向かう方向とＸ軸との成す角度をφ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。回転角度φが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの方向はＸ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さをｒ（ｘ，ｙ）とする。一例では、ｒ（ｘ，ｙ）はｘ、ｙによらず（位相変調層１６Ｂ全体にわたって）一定である。

各異屈折率領域１６ｃは、各異屈折率領域１６ｂにそれぞれ一対一で対応して設けられている。そして、各異屈折率領域１６ｃは仮想的な正方格子の格子点Ｏ上に位置しており、一例では、各異屈折率領域１６ｃの重心は、仮想的な正方格子の格子点Ｏと一致する。異屈折率領域１６ｃの平面形状は例えば円形であるが、異屈折率領域１６ｂと同様に、様々な形状を有しうる。図４９に、異屈折率領域１６ｂ，１６ｃのＸＹ平面内における形状及び相対関係の例を示す。図４９（ａ）及び図４９（ｂ）は、異屈折率領域１６ｂ，１６ｃが同じ形状の図形を有し、互いの重心が離間した形態を示す。図４９（ｃ）及び図４９（ｄ）は、異屈折率領域１６ｂ，１６ｃが同じ形状の図形を有し、互いの重心が離間し、互いの一部分同士が重なる形態を示す。図４９（ｅ）は、異屈折率領域１６ｂ，１６ｃが同じ形状の図形を有し、互いの重心が離間し、各格子点毎に異屈折率領域１６ｂ，１６ｃの相対角度が任意に設定された（任意の角度だけ回転した）形態を示す。図４９（ｆ）は、異屈折率領域１６ｂ，１６ｃが互いに異なる形状の図形を有し、互いの重心が離間した形態を示す。図４９（ｇ）は、異屈折率領域１６ｂ，１６ｃが互いに異なる形状の図形を有し、互いの重心が離間し、各格子点毎に異屈折率領域１６ｂ，１６ｃの相対角度が任意に設定された（任意の角度だけ回転した）形態を示す。これらのうち、図４９（ｅ）及び図４９（ｇ）では、２つの異屈折率領域１６ｂ，１６ｃが互いに重ならないように回転している。

また、図４９（ｈ）〜図４９（ｋ）に示すように、異屈折率領域１６ｂは、互いに離間した２つの領域１６ｂ１，１６ｂ２を含んで構成されても良い。そして、領域１６ｂ１，１６ｂ２を合わせた重心と、異屈折率領域１６ｃの重心とが離間し、領域１６ｂ１，１６ｂ２を結ぶ直線のＸ軸に対する角度が各格子点毎に任意に設定されてもよい。また、この場合、図４９（ｈ）に示すように、領域１６ｂ１，１６ｂ２及び異屈折率領域１６ｃは、互いに同じ形状の図形を有してもよい。或いは、図４９（ｉ）に示すように、領域１６ｂ１，１６ｂ２及び異屈折率領域１６ｃのうち２つの図形が他と異なっていてもよい。また、図４９（ｊ）に示すように、領域１６ｂ１，１６ｂ２を結ぶ直線のＸ軸に対する角度に加えて、異屈折率領域１６ｃのＸ軸に対する角度が各格子点毎に任意に設定されてもよい。また、図４９（ｋ）に示すように、領域１６ｂ１，１６ｂ２及び異屈折率領域１６ｃが互いに同じ相対角度を維持したまま、領域１６ｂ１，１６ｂ２を結ぶ直線のＸ軸に対する角度が各格子点毎に任意に設定されてもよい。なお、これらのうち、図４９（ｊ）及び図４９（ｋ）では、領域１６ｂ１，１６ｂ２が異屈折率領域１６ｃと重ならないように回転してもよい。

異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は、各格子点間で互いに同一であってもよい。すなわち、異屈折率領域が全ての格子点において同一図形を有しており、並進操作、又は並進操作及び回転操作により、格子点間で互いに重ね合わせることが可能であってもよい。その場合、ビームパターン内におけるノイズ光及びノイズとなる０次光の発生を抑制できる。或いは、異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は各格子点間で必ずしも同一でなくとも良く、例えば図５０に示すように、隣り合う格子点間で形状が互いに異なっていても良い。

例えば本変形例のような位相変調層の構成であっても、上記実施形態の効果を好適に奏することができる。

（第１４変形例）
図５１及び図５２は、図１等に示される電極１８、或いは図１８等に示される電極３４の平面形状の他の例を示す図である。図５１（ａ）及び図５１（ｂ）は、互いに直径が異なる複数の円環状の電極部分が同心円として（共通の中心を有するように）配置された形状を示す。複数の電極部分同士は、径方向に延びる直線状の電極部分によって互いに連結されている。直線状の電極部分は、図５１（ａ）に示されるように複数設けられてもよく、図５１（ｂ）に示されるように１本のみ設けられてもよい。

図５１（ｃ）は、複数の線状の電極部分が或る中心点から放射状に拡がる形状を示す。これらの電極部分は、両端において、上記中心点を中心とする一対の円環状の電極部分を介して互いに連結されている。図５１（ｄ）は、図１０の複数の線状の電極部分をＸ方向（又はＹ方向）に対して傾斜させた場合を示す。図５１（ｅ）は、図１０の複数の線状の電極部分同士の間隔を一定ではなくした（非周期的とした）場合を示す。

図５２（ａ）は、Ｘ方向（又はＹ方向）に延びる複数の線状の電極部分がＹ方向（又はＸ方向）に並び、それらの一端がＹ方向（又はＸ方向）に延びる別の電極部分を介して互いに連結された２つの櫛歯状の電極が対向している形状を示す。一方の櫛歯状電極の複数の線状の電極部分と、他方の櫛歯状電極の複数の線状の電極部分とは、Ｙ方向（又はＸ方向）に沿って交互に配置されている。図５２（ｂ）は、図５２（ａ）に示された一方の櫛歯状電極のみからなる形状を示す。

図５２（ｃ）は、Ｘ方向（又はＹ方向）に延びる複数の線状の電極部分がＹ方向（又はＸ方向）に並び、それらの中央部がＹ方向（又はＸ方向）に延びる別の電極部分を介して互いに連結されたフィッシュボーン形状を示す。図５２（ｄ）は、Ｘ方向（又はＹ方向）に延びる複数の線状の電極部分が一端及び他端において交互に連結された方形波形状を示す。図５２（ｅ）は、六角形状の単位構造が二次元的に複数並んだハニカム形状を示す。図５２（ｆ）は、渦巻き形状を示す。図５２（ｇ）は、正方格子の枠がＸ方向及びＹ方向に対して傾斜した斜めメッシュ形状を示す。

電極１８，３４の平面形状は、上述した第１実施形態のような正方格子状（図２参照）、第１変形例のようなストライプ形状（図１０参照）、第５変形例のような枠状（図１９参照）に限らず、例えば本変形例に示したような様々な形状であることができる。本変形例に示した形状は、いずれも、活性層１３の中央部付近の上に位置する部分を含んでおり、活性層１３の中央部に電流を効率良く分散させることができるものである。また、図１０、図５１（ｄ）、又は図５１（ｅ）に示されたストライプ形状の場合、活性層１３の中央部への電流供給に関しては、格子状よりも少ない被覆率（言い換えれば、格子状よりも大きい開口率）でもって格子状と同等の効果を奏することができるので、光取り出し効率を増すことができる。図５２（ａ）又は図５２（ｂ）に示された櫛歯状の電極、或いは図５２（ｃ）に示されたフィッシュボーン形状についても同様である。また、図５１（ａ）及び図５１（ｂ）に示された同心円形状の場合、窓関数ノイズを低減できる。ここで、窓関数ノイズとは、開口部が周期的に配置されることによって生じる回折パターンである。この回折パターンは、周期構造が１次元的或いは２次元的に並んでいる場合にはその周期構造に沿って生じる。これに対し、周期構造が同心円状に並んでいる場合には、回折パターンは円周に垂直な全ての方向に分散するので、窓関数ノイズのピーク値を低減出来る。

本発明による発光装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び実施例ではＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、及び窒化物系（特にＧａＮ系）の化合物半導体からなる半導体発光素子を例示したが、本発明の発光装置は、これら以外の様々な半導体材料からなる半導体発光素子を備えることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、材料系、膜厚、及び層構成に自由度を有する。ここで、仮想的な正方格子からの異屈折率領域の摂動が０である、いわゆる正方格子フォトニック結晶レーザに関しては、スケーリング則が成り立つ。すなわち、波長が定数α倍となった場合には、正方格子構造全体をα倍することによって同様の定在波状態を得ることが出来る。同様に、本発明においても、実施例に開示した以外の波長においてもスケーリング則によって位相変調層の構造を決定することが可能である。従って、青色、緑色、赤色などの光を発光する活性層を用い、波長に応じたスケーリング則を適用することで、可視光を出力する半導体発光素子を実現することも可能である。

１Ａ〜１Ｎ…発光装置、８ａ…第１領域、８ｂ…第２領域、９…半導体基板、９ａ…主面、９ｂ…裏面、１０Ａ〜１０Ｆ…半導体発光素子、１０ａ…光出射面、１１…半導体積層部、１２…下部クラッド層、１３…活性層、１４…上部クラッド層、１５…コンタクト層、１６Ａ，１６Ｂ…位相変調層、１６ａ…基本層、１６ｂ，１６ｃ…異屈折率領域、１７…光ガイド層、１８，１９，３３，３４…電極、１８ａ，１９ａ，３４ａ…開口、２０…空間光変調素子、２０ａ…光入出射面、２１…共通電極、２２…液晶層、２３…反射膜、２４…保護膜、２５…画素電極、２６…回路基板、２７…第１領域、２８…第２領域、３１，３２…反射防止膜、４０，４１…支持基板、４２…素子電極、４２ａ…金属膜、４２ｂ…導電性接着剤、４３…パッド電極、４４…配線、５１…波長変換媒質、１００…発光装置、１０１…フォトニック結晶層、１０２…電極、１０２ａ…開口、１０３…反射防止膜、１１０…半導体発光素子、Ｄ１〜Ｄ３…単位領域、Ｇ…重心、Ｌ…光、Ｏ…格子点、Ｒ…単位構成領域。

Claims (8)

1. 光出射面を有し、前記光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向に光を出射する半導体発光素子と、
   前記光出射面と平行に対向する光入出射面を有し、前記光入出射面から入射した前記光を反射しつつ該光の位相及び強度の少なくとも一方を複数の画素毎に変調する空間光変調素子と、
   を備え、
   前記半導体発光素子は、
   半導体基板と、
   活性層及び位相変調層を含み、前記半導体基板の主面上に設けられた半導体積層部と、
   前記半導体積層部の表面上に設けられた第１電極と、
   前記半導体基板の裏面上に設けられた第２電極と、
   を有し、
   前記光出射面は、前記半導体積層部の前記表面もしくは前記半導体基板の前記裏面に含まれ、
   前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、
   前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに各異屈折率領域毎に設定された回転角度を有し、
   前記光入出射面は、前記半導体発光素子と対向する第１領域、及び前記第１領域と並ぶ第２領域を含み、
   前記空間光変調素子において、前記光は前記半導体発光素子から前記第１領域に入射し、変調後の前記光は前記第２領域から出射される、ことを特徴とする発光装置。
2. 光出射面を有し、前記光出射面に垂直な方向に対して傾斜した方向に光を出射する半導体発光素子と、
   前記光出射面と平行に対向する光入出射面を有し、前記光入出射面から入射した前記光を反射しつつ該光の位相及び強度の少なくとも一方を複数の画素毎に変調する空間光変調素子と、
   を備え、
   前記半導体発光素子は、
   半導体基板と、
   活性層及び位相変調層を含み、前記半導体基板の主面上に設けられた半導体積層部と、
   前記半導体積層部の表面上に設けられた第１電極と、
   前記半導体基板の裏面上に設けられた第２電極と、
   を有し、
   前記光出射面は、前記半導体積層部の前記表面もしくは前記半導体基板の前記裏面に含まれ、
   前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なる複数の異屈折率領域とを有し、
   前記位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、該格子点周りに各異屈折率領域毎に設定された回転角度を有し、
   前記半導体発光素子は、前記主面に沿った方向に並ぶ第１領域及び第２領域を含み、
   前記第１電極及び前記第２電極は前記第１領域に設けられ、前記光は前記第１領域の前記光出射面から出射し、
   前記空間光変調素子から出射した変調後の前記光は前記第２領域を透過する、ことを特徴とする発光装置。
3. 前記第２領域の前記表面及び前記裏面に設けられた反射防止膜を更に備える、ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記第２領域の前記位相変調層には前記異屈折率領域が形成されていない、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
5. 前記半導体発光素子が光透過性の支持基板を介して前記空間光変調素子に固定されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記支持基板が、前記第１電極及び前記第２電極のうち前記空間光変調素子側に位置する電極に電流を供給するための配線を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記第１電極及び前記第２電極のうち前記空間光変調素子側に位置する電極の形状が格子状、ストライプ状、同心円状、放射状、又は櫛歯状である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記半導体発光素子から出射される前記光は１次光及び−１次光のうち少なくとも一方である、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光装置。