WO2016111332A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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WO2016111332A1
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semiconductor laser
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liquid crystal
laser
ldc
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優 瀧口
和義 廣瀬
佳朗 野本
貴浩 杉山
黒坂　剛孝
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength
    • H01S5/4093—Red, green and blue [RGB] generated directly by laser action or by a combination of laser action with nonlinear frequency conversion

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device that functions as a spatial light modulation light source.
  • an integral photography system is known as a stereoscopic display (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
  • a liquid crystal display panel is arranged on the back side of the lenticular lens so that a plurality of pixels are arranged.
  • Light from each liquid crystal display panel belonging to the same lenticular lens travels toward different angles. Therefore, by giving an appropriate image to each liquid crystal display panel, a desired image can be given for each angle, and stereoscopic display by the integral photography system is possible.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a semiconductor laser device that can be applied to the formation of a natural stereoscopic image.
  • a first semiconductor laser device includes a plurality of semiconductor laser units that can be independently driven, and a spatial light modulator optically coupled to a group of the plurality of semiconductor laser units.
  • each of the semiconductor laser units includes an active layer, a pair of cladding layers sandwiching the active layer, and a diffraction grating layer optically coupled to the active layer,
  • the plurality of semiconductor laser units output laser light along respective thickness directions.
  • the spatial light modulator is provided on a side of the liquid crystal layer opposite to the semiconductor laser unit of the liquid crystal layer.
  • the semiconductor laser device is disposed between the active layer group of the plurality of semiconductor laser units and the reflective film. It comprises a four-wavelength plate and a polarizing plate disposed between the group of the active layers of the plurality of semiconductor laser units and the light emitting surface.
  • the laser light output from the semiconductor laser portion which is a surface emitting laser element is emitted along the thickness direction, reflected by the reflective film of the spatial light modulator, and the phase is modulated by the liquid crystal layer. And output to the outside through the polarizing plate. Therefore, the direction of the output laser light that is phase-modulated from the polarizing plate for each pixel differs depending on the intensity of modulation by the liquid crystal layer.
  • Laser light that is about to be emitted from the semiconductor laser unit without passing through the spatial light modulator can be suppressed by the polarizing plate. That is, the laser light that has been incident on the spatial light modulator and reflected to pass through the quarter-wave plate twice has its phase reversed and the polarization orientation rotated by 90 degrees. Transparent.
  • the polarization direction of the laser beam in the active layer is the first direction (A)
  • the polarization direction (B) transmitted by the polarizing plate is orthogonal to the first direction (A)
  • the laser beam is not directly It cannot pass through the wave plate.
  • the laser beam that has passed through the quarter-wave plate twice has a polarization orientation (B) orthogonal to the first direction (A) and can pass through the polarizing plate when there is no liquid crystal layer. . Only a polarization component whose phase is adjusted by the liquid crystal layer by applying a bias voltage between the pixel electrode and the common electrode is transmitted through the polarizing plate.
  • each pixel electrode is preferably 1 ⁇ 2 or less of the width of each semiconductor laser portion.
  • the width of the pixel electrode is smaller than each semiconductor laser part, and two or more pixel electrodes are arranged corresponding to a single semiconductor laser part.
  • the light generated in each semiconductor laser unit undergoes two-dimensional phase modulation for each pixel of the spatial light modulator after reciprocating the spatial light modulator, and as a result, the beam pattern is controlled for each semiconductor laser unit. I can do it. Therefore, by giving a signal to the spatial light modulator drive circuit so as to give a direction-controlled single-peak beam as an output beam pattern, it becomes possible to output a single-peak beam in any direction for each semiconductor laser unit.
  • the arrangement period L of the semiconductor laser portion By setting the arrangement period L of the semiconductor laser portion to half or less of the pupil diameter of the eye, a natural three-dimensional image by the integral method can be formed.
  • the maximum diffraction angle ⁇ of the unidirectional beam in any direction from each semiconductor laser unit can be expressed as ⁇ / d. It is necessary to set a small d appropriately.
  • a single peak beam in an arbitrary direction is output for each semiconductor laser unit.
  • the pixel pitch d is an appropriate number
  • an arbitrary beam pattern can be obtained for each semiconductor laser unit.
  • the plurality of semiconductor laser units include a first semiconductor laser unit that outputs laser light of a first wavelength, a second semiconductor laser unit that outputs laser light of a second wavelength, And a third semiconductor laser unit that outputs laser light of three wavelengths, wherein the first, second, and third wavelengths are different from each other.
  • various color stereoscopic images can be formed by using laser beams having three or more wavelengths.
  • the plurality of semiconductor laser units include a fourth semiconductor laser unit that outputs a laser beam having a fourth wavelength, a fifth semiconductor laser unit that outputs a laser beam having a fifth wavelength, A sixth semiconductor laser unit that outputs laser light of six wavelengths, wherein the first, second, third, fourth, fifth, and sixth wavelengths are different from each other.
  • this semiconductor laser device it is possible to form stereoscopic images of various colors by using laser beams having six or more wavelengths.
  • FIG. 1 is a diagram showing a longitudinal sectional configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor laser device (FIG. 4- (A)) and a plan view of the semiconductor laser unit as a unit element (FIG. 4- (B)).
  • FIG. 5 is a plan view of the diffraction grating layer.
  • FIG. 1 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • the semiconductor laser chip LDC (N) is shown as a completely separated chip, but these may be formed on a common substrate and an isolation structure may be provided between the chips. In both the complete separation and the isolation separation, each semiconductor laser chip LDC (N) functions as a semiconductor laser unit.
  • the semiconductor laser chip LDC includes a light emitting layer including the active layer 4, a pair of cladding layers 2 and 7 sandwiching the light emitting layer, and a diffraction grating layer 6 optically coupled to the light emitting layer.
  • the light emitting layer includes an active layer 4 and light guide layers 3 and 5 sandwiching the active layer as necessary.
  • Each semiconductor laser chip LDC includes a semiconductor substrate 1.
  • the thickness direction of the semiconductor substrate 1 is taken as the Z axis, and the two directions perpendicular thereto are taken as the X axis and the Y axis.
  • each semiconductor layer is epitaxially grown sequentially on the surface in the ⁇ Z-axis direction of the semiconductor substrate 1.
  • the lower clad layer 2 the light emitting layer (light guide layer 3, active layer 4, light guide layer 5), diffraction grating layer 6, upper clad are formed on the semiconductor substrate 1.
  • Layer 7 and contact layer 8 are sequentially formed.
  • a drive electrode E3 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 on the + Z axis side
  • an electrode E2 is formed on the surface of the contact layer 8 on the ⁇ Z axis side.
  • These electrodes E3 and E2 are drive electrodes, and the drive electrodes have a plurality of openings such as stripes or meshes extending over the entire surface of the semiconductor substrate, or are made of transparent electrodes.
  • each light emitting layer When a current is supplied from the laser drive circuit L-DR between the drive electrode E3 and the second electrode E2 of each semiconductor laser chip LDC, each light emitting layer emits light independently. That is, when a drive current is supplied between the drive electrode E3 and the second electrode E2, recombination of electrons and holes occurs in the active layer 4, and the active layer 4 emits light.
  • the carriers contributing to the light emission and the generated light are efficiently confined between the upper and lower light guide layers 3 and 5 and the cladding layers 2 and 7.
  • the laser beam LB generated in the light emitting layer propagates in the diffraction grating layer 6, and the diffraction grating layer 6 emits the laser beam in a direction perpendicular to the thickness direction, that is, in the Z-axis direction.
  • the laser light emitted from the diffraction grating layer 6 travels in the + Z-axis direction and enters the spatial light modulator SLM via the cladding layer 2 and the semiconductor substrate 1.
  • the spatial light modulator SLM is attached to a group of semiconductor laser chips LDC so that the laser light LB output along the thickness direction of the diffraction grating layer 6 is input.
  • the laser light is incident on the liquid crystal layer LC via the transparent one of the common electrode 25 and the pixel electrode 21 of the spatial light modulator SLM. These electrode positions can be switched, and the pixel electrode 21 can also be made transparent.
  • the spatial light modulator SLM modulates the phase of each minute region of the laser light LB with a drive voltage applied between the pixel electrode and the common electrode, reflects the phase-modulated laser light, and converts the semiconductor laser chip Output to the outside.
  • the laser light LB output from the spatial light modulator SLM is superposed with the phase of each minute region adjusted to form various laser beam patterns.
  • a far field image of the superimposed laser beam LB can constitute a specific character.
  • the beam direction can be changed by the spatial light modulator SLM, and a plurality of deflected laser light beams enter the pupil of the eye.
  • the width L (array period) in the X-axis direction of the semiconductor laser chip LDC is set to 2.5 mm or less.
  • the width d (pitch) in the X-axis direction of the pixel electrode 21 of the spatial light modulator SLM is set to 60 ⁇ m or less.
  • the semiconductor laser device is disposed on the semiconductor laser chip LDC and applies a spatial light modulator drive circuit S-DR (row selection circuit) that selectively applies a drive voltage between a pixel electrode and a common electrode located at a desired address. , Including a column selection circuit).
  • S-DR row selection circuit
  • the spatial light modulator can be controlled without installing a large-scale external wiring group.
  • the spatial light modulator SLM includes a transparent common electrode 25, a plurality of transparent pixel electrodes 21, and a liquid crystal layer LC disposed between the common electrode 25 and the pixel electrode 21.
  • the common electrode 25 is formed on the transparent substrate TS.
  • the liquid crystal layer LC is made of nematic liquid crystal or ferroelectric liquid crystal.
  • a drive current is supplied from the drive circuit to the semiconductor laser chip constituting the semiconductor laser element via the drive electrode.
  • the laser beam LB is output from the light emitting layer, and the laser beam LB reaches the liquid crystal layer LC through the pixel electrode 21 of the spatial light modulator and is phase-modulated by the liquid crystal layer LC, and then is reflected by the reflecting mirror or the reflecting film.
  • the common electrode 25 is connected to a fixed potential (ground), and the pixel electrode 21 is connected to a row selection circuit via a switch element and a row line.
  • a column line extends from the column selection circuit and is connected to the control terminal of the switch element.
  • This switch element is a field effect transistor. In this case, the control terminal is the gate of the transistor.
  • the spatial light modulator when a specific address (x, y) is designated, an ON signal is output from the column selection circuit to the column line at the coordinate x, and a desired potential is applied from the row selection circuit to the row line at the coordinate y. It is done. In this case, a drive voltage is applied between the pixel electrode 21 at the address (x, y) and the common electrode 25, the refractive index of the liquid crystal layer changes, the optical path length changes, and the laser light The phase is adjusted.
  • the row direction and the column direction are determined by the subjectivity, and are directions that can be replaced with each other.
  • the magnitude of the drive voltage is determined by the output potential from the row selection circuit and the output potential of the column selection circuit, and can be constant. However, when performing more precise phase control, for example, A variable resistor may be connected to each switch element, and the value of the variable resistor may be controlled by a selection circuit having a similar configuration.
  • phase distribution of the spatial light modulator is measured in advance so that the device outputs a desired pattern even when the phase of the spatial light modulator has variations in the plane during manufacturing.
  • a drive circuit for a spatial light modulator that generates a drive voltage applied to each pixel electrode via a selection circuit based on data stored in the storage device. That is, this semiconductor laser device measures the phase distribution of the spatial light modulator in advance, stores the initial phase correction value for correcting the in-plane variation of the phase based on the measurement value, and stores the spatial light modulator. It is possible to provide a storage device for providing different initial phases for each pixel electrode. In other words, this device includes a storage device (not shown) that stores the initial correction value of the drive voltage for each pixel electrode.
  • the drive voltage is applied from the control device (not shown) to the row selection circuit and the column selection circuit of the spatial light modulator drive circuit S-DR, and the drive voltage and the initial correction value are stored in the storage device. .
  • the reference phase distribution and the measured phase distribution are compared, and the drive voltage value corresponding to the phase difference for each pixel can be used as the initial correction value.
  • the drive voltage of the initial correction value is applied to the pixel electrode. If given, a reference phase distribution is realized. In order to obtain a desired phase distribution, the desired drive voltage can be superimposed on the drive voltage corresponding to the initial correction value.
  • this semiconductor laser device preliminarily assumes each phase of the spatial light modulator, assuming that the polarization state is disturbed by transmitting the liquid crystal, and as a result, the intensity of the light output obtained by transmitting through the polarizing plate changes.
  • a correction circuit for correcting the drive current applied to the semiconductor laser chip LDC for each phase pattern on the basis of the storage device for measuring the intensity of the output light and correcting the intensity. You may prepare.
  • this apparatus includes a correction circuit (not shown) for correcting a drive current for each semiconductor laser chip, and a semiconductor laser chip for each phase pattern of all pixels included in a range corresponding to each semiconductor laser chip.
  • a storage device (not shown) that stores a correction value of a current value for correcting a drive current applied to the LDC can be provided. According to this, at each moment (within each frame), for each semiconductor laser chip LDC, the drive current can be corrected according to the phase pattern of all the pixels corresponding to each semiconductor laser chip LDC, and the liquid crystal It is possible to realize a uniform light amount distribution that is not affected by the disturbance of the polarization state due to transmission.
  • the laser light output from the diffraction grating layer 6 in the thickness direction reaches the liquid crystal layer LC via the common electrode 25 (or the pixel electrode 21 when the position is replaced with the pixel electrode).
  • the dielectric constant (refractive index) of the liquid crystal layer LC changes depending on the voltage applied to the pixel electrode 21. Therefore, the optical path length of the liquid crystal layer LC with respect to the laser light changes, and the phase changes.
  • the phase of the laser beam LB that has passed through the liquid crystal layer LC and reciprocated is modulated for each pixel electrode 21. Therefore, wavefront control can be performed for each minute region, and a desired laser beam pattern that can be changed can be formed by overlapping the wavefronts.
  • a transparent insulating film (antireflection film) 9 made of SiO 2 or SiNx is formed on the drive electrode E3.
  • the quarter wavelength plate 26, the transparent substrate TS, and the common electrode 25 of the spatial light modulator SLM are disposed.
  • a frame-like spacer 24 for holding liquid crystal is provided on the common electrode 25, and a space inside the spacer 24 is filled with a liquid crystal layer LC.
  • a reflective film 23 is formed on the spacer 24 and the liquid crystal layer LC, and a plurality of pixel electrodes 21 are disposed on the reflective film 23 with a protective film 22 interposed therebetween.
  • the pixel electrode 21 is located between the substrate 20 and the protective film 22.
  • the pixel electrode 21 is preferably formed on the substrate 20 made of a semiconductor, and then the protective film 22 is covered with the protective film 22 so that the surface thereof is planarized.
  • a reflective film 23 is formed on the film 22, and the intermediate substrate is inverted and placed on the frame-like spacer 24.
  • Appropriate alignment films are provided on the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer LC.
  • the laser beam LB reflected by the reflective film 23 on the liquid crystal layer LC is output to the outside through the common electrode 25 and the semiconductor laser chip LDC.
  • the light emitting layer is composed of the active layer 4 and the light guide layers 3 and 5 sandwiching the active layer 4, and the contact layer 8 is provided as necessary.
  • the semiconductor laser chip includes a laser light generation region LD in which an active layer 4 is formed, and the diffraction grating layer 6 is located in the laser light generation region LD, and laser is directed toward the thickness direction of the diffraction grating layer 6.
  • Light LB is emitted.
  • the spatial light modulator SLM is mounted on the laser light generation region LD. In the case of this structure, the apparatus can be reduced in size by arranging the spatial light modulator SLM on the laser light generation region LD.
  • a drive electrode E3 is disposed on the + Z side surface of the semiconductor substrate 1.
  • This semiconductor laser device includes a semiconductor laser chip LDC and a spatial light modulator SLM optically coupled to the semiconductor laser chip LDC, and converts the laser light LB output along the thickness direction of the semiconductor laser chip LDC into spatial light.
  • a semiconductor laser device that modulates with a modulator SLM and outputs to the outside, the semiconductor laser chip LDC is optically connected to the active layer 4, a pair of clad layers 2 and 7 sandwiching the active layer 4, and the active layer 4.
  • a driving electrode E3 disposed between the cladding layer 2 on the spatial light modulator SLM side and the spatial light modulator SLM and for supplying a current to the active layer 4. Yes.
  • the thickness direction of the semiconductor laser chip LDC is the Z-axis direction
  • the plane parallel to the interface between the semiconductor laser chip LDC and the spatial light modulator SLM is the XY plane.
  • the drive electrode E3 is located in the XY plane.
  • the drive electrode E3 has a plurality of openings as viewed from the Z-axis direction, and the drive electrode E3 has a non-periodic structure, but is composed of a transparent electrode made of ITO or the like (indium tin oxide). You can also
  • a metal such as Ag or Au can be used as the material of the conductive region constituting the drive electrode.
  • a transparent electrode such as ITO, ZnO, graphene, or Ag nanowire
  • a low-resistance material is preferable, so a stripe or mesh-shaped opening is preferable to the transparent electrode.
  • an opaque metal material having
  • a transparent insulating film 9 is formed on the drive electrode.
  • the spatial light modulator SLM is provided on the drive electrode E3.
  • the row selection circuit and the column selection circuit (not shown) are located outside the drive electrode E3, appropriate connection wirings are provided from these to the pixel electrode and the common electrode.
  • the electrode E2 is configured to transmit part or all of the laser beam LB.
  • the electrode E2 can adopt the same structure as that of the drive electrode E3.
  • the diffraction grating layer 6 has a structure in which, for example, triangular shapes are arranged in a square lattice pattern, and diffracts linearly polarized light in the vertical direction. If the polarization transmission axis of linearly polarized light output from the diffraction grating layer 6 at this time is the axis A, the polarization transmission axis of the polarizing plate 27 is set in a direction orthogonal to the axis A (referred to as axis B). Further, the fast axis of the quarter wave plate is set in a direction rotated by 45 ° from the axis A.
  • the laser beam that has entered the spatial light modulator SLM via the quarter-wave plate 26, reciprocated through the spatial light modulator SLM, and again passed through the quarter-wave plate 26 in the opposite direction has a polarization orientation of 90. Rotate degrees. That is, when the laser beam LB is incident on the quarter-wave plate 26 as linearly polarized light having the first polarization direction (axis A), after passing through the quarter wavelength plate 26, the laser light LB changes in the first polarization direction. On the other hand, it becomes linearly polarized light having the second polarization direction (axis B) rotated by 90 degrees.
  • the polarization direction in the polarizing plate 27 is matched with the second polarization direction (axis B)
  • only the laser light reciprocating through the spatial light modulator SLM is transmitted through the polarizing plate 27, and components in other polarization directions. Is blocked by the polarizing plate 27. Therefore, noise components that are not modulated by the liquid crystal layer LC are removed from the output image, and the contrast is improved.
  • the positions of the common electrode 25 and the quarter-wave plate 26 can be interchanged.
  • FIG. 5 is a plan view of the diffraction grating layer.
  • the above-described diffraction grating layer 6 includes, for example, a basic layer 6A and a different refractive index region 6B.
  • the different refractive index region 6B is embedded in the basic layer 6A at a predetermined depth, and the refractive index is different from this.
  • the planar shape of the different refractive index region 6B is circular, but other shapes such as a triangle and an ellipse may be used. For example, in order to increase the intensity in a specific polarization direction, the shape may not have 90 degree rotational symmetry. In order to obtain linearly polarized light, this shape can be, for example, an isosceles triangle, a right triangle, or a right isosceles triangle.
  • the different refractive index region 6B is arranged at the lattice point position of the square lattice, but it may be arranged at the lattice point position of the triangular lattice.
  • the diffraction grating layer 6 has a periodic structure in which the refractive index changes two-dimensionally by embedding the different refractive index region, it functions as a diffraction grating and also as a photonic crystal layer.
  • a periodic structure in which perfect circular holes are arranged in a square lattice is used, but a periodic structure in which triangular holes are arranged in a square lattice may be used, and the semiconductor laser element is a surface emitting laser. Function.
  • the semiconductor substrate 1 is made of GaAs
  • the lower cladding layer 2 is made of AlGaAs
  • the lower light guide layer 3 is made of AlGaAs
  • the active layer 4 is a multiquantum.
  • the well structure MQW carrier layer: AlGaAs / well layer: InGaAs
  • the upper light guide layer 5 is made of lower layer AlGaAs / upper layer GaAs
  • the upper cladding layer 7 is made of AlGaAs
  • the contact layer 8 is made of GaAs.
  • the basic layer 6A is made of GaAs, and the different refractive index region (buried layer) 6B embedded in the basic layer 6A is made of AlGaAs.
  • the first conductivity type (N-type) impurity or the second conductivity type (P-type) impurity is added to each layer (impurity concentration is 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 21 / cm 3 ).
  • the semiconductor substrate 1 is N type
  • the lower cladding layer 2 is N type
  • the lower light guide layer 3 is I type
  • the active layer 4 is I type
  • the lower layer of the upper light guide layer 5 is P or I type
  • the upper layer is I type
  • the diffraction grating layer 6 can be I-type
  • the upper cladding layer 7 can be P-type
  • the contact layer 8 can be P-type.
  • a region to which no impurity is intentionally added is intrinsic (I type).
  • the I-type impurity concentration is 1 ⁇ 10 16 / cm 3 or less.
  • the thickness of the semiconductor substrate 1 is 150 ⁇ m (80 ⁇ m to 350 ⁇ m)
  • the thickness of the lower cladding layer 2 is 2 ⁇ 10 3 nm (1 ⁇ 10 3 nm to 3 ⁇ 10 3 nm)
  • the thickness of the active layer 4 is 30 nm (10 nm to 100 nm)
  • the thickness of the lower layer of the upper light guide layer 5 is 50 nm (10 nm to 100 nm)
  • the thickness of the upper layer is 50 nm (10 nm to 200 nm)
  • the thickness of the lattice layer 6 is 100 nm (50 nm to 200 nm)
  • the thickness of the upper cladding layer 7 is 2 ⁇ 10 3 nm (1 ⁇ 10 3 nm to 3 ⁇ 10 3 nm)
  • the thickness of the contact layer 8 is 200 nm (50 nm to 500 nm).
  • the energy band gap of the cladding layer is larger than the energy band gap of the light guide layer, and the energy band gap of the light guide layer is set larger than the energy band gap of the well layer of the active layer 4.
  • the energy band gap and the refractive index can be easily changed by changing the Al composition ratio.
  • Al X Ga 1-X As when the composition ratio X of Al having a relatively small atomic radius is decreased (increased), the energy band gap that is positively correlated with this decreases (increases), and GaAs has an atomic radius. When large In is mixed to make InGaAs, the energy band gap becomes small.
  • the Al composition ratio of the cladding layer is larger than the Al composition ratio of the light guide layer, and the Al composition ratio of the light guide layer is equal to or larger than the barrier layer (AlGaAs) of the active layer.
  • the Al composition ratio of the cladding layer is set to 0.2 to 0.4, and is 0.3 in this example.
  • the Al composition ratio of the barrier layer in the light guide layer and the active layer is set to 0.1 to 0.15, and is 0.1 in this example.
  • a layer of about 10 to 100 nm with an Al composition equivalent to that of the cladding layer is inserted between the second conductivity type (p-type) cladding layer. May be.
  • a columnar different refractive index region in the diffraction grating layer 6 may be a gap and a gas such as air, nitrogen, or argon may be enclosed.
  • a different refractive index region 6 ⁇ / b> B is disposed at a lattice point position of a square lattice or a triangular lattice in the XY plane.
  • the interval between the vertical and horizontal lattice lines in this square lattice is about the wavelength of the laser beam divided by the equivalent refractive index, and is specifically set to about 300 nm.
  • the different refractive index regions can be arranged not at the lattice point positions of the square lattice but at the lattice point positions of the triangular lattice.
  • the interval between the horizontal and oblique lattice lines is a value obtained by dividing the wavelength by the equivalent refractive index and further dividing by Sin 60 °, and is preferably set to about 350 nm.
  • the common electrode and the pixel electrode described above are made of ITO or ZnO when they are transparent. Such a material is transparent to the laser beam and can transmit the laser beam.
  • the material of the high refractive index material layer (nH) is at least one material (for example, Ta 2 ) selected from an oxide group (insulator group) made of Ta 2 O 5 , TiO 2 , Nb 2 O 5, HfO 2, and the like. O 5 ).
  • the material of the low refractive index material layer (nL) includes at least one material (for example, SiO 2 ) selected from an insulator group made of SiO 2, MgF 2, and the like.
  • the optical film thicknesses of the high refractive material layer (nH) and the low refractive index material layer (nL) are set to 1 ⁇ 4 of the wavelength ⁇ of the laser light.
  • the laminated structure of these dielectric layers the following types can be considered.
  • the total number of layers is 2 ⁇ A ⁇ m.
  • m is a natural number.
  • the lowermost layer is a low refractive index material layer (nL).
  • the low refractive index material layer (nL) is further formed on the high refractive material layer (nH) located on the outermost surface.
  • the total number of layers is 2 ⁇ A ⁇ m + 1.
  • each compound semiconductor layer uses a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Although crystal growth is performed on the (001) plane of the semiconductor substrate 1, it is not limited to this.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the growth temperature of AlGaAs is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is used in the experiment, and TMA (trimethylaluminum), gallium raw material is used as the Al raw material during growth.
  • TMG trimethyl gallium
  • TEG triethyl gallium
  • As raw material AsH 3 arsine
  • N-type impurity raw material Si 2 H 6 dilane
  • P-type impurity raw material DEZn diethyl zinc Is used.
  • TMA trimethyl gallium
  • TMG triethyl gallium
  • AsH 3 arsine
  • Si 2 H 6 dilane
  • P-type impurity raw material DEZn diethyl zinc
  • InGaAs is manufactured using TMG, TMI (trimethylindium), and arsine.
  • the insulating film may be formed by sputtering a target using the constituent material as a raw material.
  • an N-type cladding layer (AlGaAs) 2 is first formed on an N-type semiconductor substrate (GaAs) 1, and then an optical guide layer (AlGaAs) 3 and a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4 and light guide layer (GaAs / AaGaAs) 5 are formed, and then a basic layer (GaAs) 6A to be a photonic crystal layer is epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). .
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • a SiN layer is formed on the basic layer 6A by PCVD (plasma CVD), and then a resist is formed on the SiN layer. Further, the resist is exposed and developed, the SiN layer is etched using the resist as a mask, and a part of the SiN layer is left to form an alignment mark. The remaining resist is removed.
  • PCVD plasma CVD
  • a two-dimensional fine pattern is formed on the resist by drawing and developing a two-dimensional fine pattern on the resist using an electron beam drawing apparatus with reference to the alignment mark.
  • a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the basic layer 6A by dry etching to form a hole (hole), and the resist is removed.
  • the depth of the hole is 100 nm.
  • the compound semiconductor that becomes the different refractive index region 6B AlGaAs
  • an upper cladding layer (AlGaAs) 7 and a contact layer (GaAs) 8 are sequentially formed by MOCVD, and an appropriate electrode material is formed on the upper and lower surfaces of the substrate by vapor deposition or sputtering to form first and second electrodes. Form. Further, if necessary, insulating films can be formed on the upper and lower surfaces of the substrate by sputtering or the like.
  • the diffraction grating layer 6 When the diffraction grating layer 6 is provided below the active layer, the diffraction grating layer may be formed on the lower cladding layer before the formation of the active layer and the lower light guide layer.
  • a quarter-wave plate 26 is disposed on the semiconductor substrate 1 with an insulating film 9 interposed therebetween, and a polarizing plate 27 is disposed on the surface of the contact layer 8.
  • the drive electrode E3 is formed on the semiconductor substrate 1, patterning is performed on the semiconductor substrate 1 using a photolithography method.
  • the light generated in the active layer is modulated by the diffraction grating layer and oscillated in a two-dimensional single mode, and a part of the oscillated light is generated by the diffraction grating layer. It receives second-order diffraction and is incident on the liquid crystal layer as a plane wave. Since the liquid crystal has refractive index anisotropy, the equivalent refractive index in the direction parallel to the light output changes according to the rotation angle. At this time, since the physical length of the liquid crystal layer is constant, the optical path length changes as the refractive index changes. Accordingly, when a plane wave is incident on the liquid crystal layer from below, the optical path length can be changed for each pixel.
  • FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor laser device (FIG. 4- (A)) and a plan view of the semiconductor laser unit as a unit element (FIG. 4- (B)).
  • the first laser light LB output from one semiconductor laser chip LDC is incident on the right eye R-Eye of the observer, and the second laser light LB output from another semiconductor laser chip LDC is the observer. Enters the left eye L-Eye. Since the laser beam LB incident on the right eye and the laser beam LB incident on the left eye can be controlled independently, a three-dimensional image can be formed.
  • FIG. 2 is a view showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • a plurality of semiconductor laser chips (semiconductor laser units) LDC include a first semiconductor laser unit LDC (1) that outputs laser light LB having a first wavelength (Red), and a second wavelength (Green).
  • These first, second, and third wavelengths are different from each other, and three or more types of wavelengths can be used.
  • this semiconductor laser device by using laser beams having three or more types of wavelengths, stereoscopic images of various colors can be formed by superimposing the laser beams.
  • FIG. 3 is a view showing a vertical cross-sectional configuration of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • the plurality of semiconductor laser chips (semiconductor laser units) LDC are, in addition to those of the second embodiment, a fourth semiconductor laser unit that outputs a laser beam LB having a fourth wavelength (Cyan).
  • These first, second, third, fourth, fifth and sixth wavelengths are different from each other, and six or more wavelengths can be used.
  • this semiconductor laser device it is possible to form stereoscopic images of various colors by using laser beams having six or more wavelengths.
  • the semiconductor laser device described above includes a semiconductor including a plurality of semiconductor laser units LDC that can be independently driven and a spatial light modulator SLM optically coupled to a group of the plurality of semiconductor laser units LDC.
  • the laser device includes the following elements.
  • Each semiconductor laser unit LDC includes an active layer 4, a pair of cladding layers 2 and 7 sandwiching the active layer 4, and a diffraction grating layer 6 optically coupled to the active layer 4.
  • the semiconductor laser unit LDC outputs laser light along each thickness direction.
  • the spatial light modulator SLM includes a liquid crystal layer LC, a reflective film 23 provided on the opposite side of the liquid crystal layer LC from the semiconductor laser portion LDC, a plurality of pixel electrodes 21 arranged in a two-dimensional manner, The pixel electrode 21 and a common electrode sandwiching the liquid crystal layer LC are provided, and the width d of each pixel electrode 21 is 1 ⁇ 2 or less of the width L of each semiconductor laser portion LDC.
  • each semiconductor laser unit LDC enters the spatial light modulator SLM, and is modulated according to the state of the liquid crystal layer LC by each pixel electrode 21, and the spatial light modulator SLM
  • the laser light reflected and modulated by the reflective film 23 passes through each semiconductor laser unit LDC again from the light emitting surface (surface on the ⁇ Z axis side of the polarizing plate 27) of each semiconductor laser unit LEC to the outside. Is output.
  • the semiconductor laser device includes a quarter wavelength plate (phase difference plate) 26 disposed between the group of active layers 4 of the plurality of semiconductor laser units LDC and the reflective film 23, and a plurality of semiconductor laser units LDC. And a polarizing plate 27 disposed between the group of active layers 4 and the light exit surface.
  • the polarizing plate 27 is a single sheet and covers all the semiconductor laser portions LDC, but this may be separated for each semiconductor laser portion.
  • the laser beam output from the semiconductor laser unit LDC which is a surface emitting laser element is emitted along the thickness direction, reflected by the reflection film 23 of the spatial light modulator SLM, and the liquid crystal layer LC. And the phase is modulated and output to the outside via the polarizing plate 27. Therefore, the direction of the output laser light that is phase-modulated from the polarizing plate for each pixel differs depending on the intensity of modulation by the liquid crystal layer LC.
  • Laser light that is about to be emitted from the semiconductor laser unit LDC without passing through the spatial light modulator SLM can be suppressed by the polarizing plate 27. In other words, the laser light that has entered the spatial light modulator SLM and reflected to pass through the quarter-wave plate 26 twice has the phase reversed and the polarization orientation rotated by 90 degrees. The light passes through the polarizing plate 27.
  • the polarization direction of the laser light in the active layer 4 is the first direction (A)
  • the polarization direction (B) transmitted by the polarizing plate 27 is orthogonal to the first direction (A)
  • the laser light is directly Cannot pass through the waveplate.
  • the laser beam that has passed through the quarter-wave plate twice has a polarization direction (B) orthogonal to the first direction (A) and passes through the polarizing plate 27 in the absence of the liquid crystal layer LC. Can do. Only a polarization component whose phase is adjusted by the liquid crystal layer LC by applying a bias voltage between the pixel electrode 21 and the common electrode 25 is transmitted through the polarizing plate 27.
  • the width of the pixel electrode is smaller than each semiconductor laser portion, and two or more pixel electrodes are arranged corresponding to a single semiconductor laser portion.
  • the light generated in each semiconductor laser unit LDC undergoes two-dimensional phase modulation for each pixel of the spatial light modulator SLM after reciprocating the spatial light modulator SLM.
  • a beam is generated for each semiconductor laser unit LDC.
  • the pattern can be controlled. Therefore, it is possible to output a unimodal beam in any direction for each semiconductor laser unit LDC by giving a signal to the spatial light modulator drive circuit S-DR so as to give a unidirectional beam whose direction is controlled as an output beam pattern.
  • the arrangement period L of the semiconductor laser portion LDC at this time to half or less of the pupil diameter of the eye, a natural stereoscopic image by the integral method can be formed.
  • the maximum diffraction angle ⁇ of the unidirectional beam in any direction from each semiconductor laser unit LDC can be expressed as ⁇ / d. In order to obtain it, it is necessary to set an appropriately small d.
  • a single peak beam in an arbitrary direction is output for each semiconductor laser unit LDC.
  • the pixel pitch d is an appropriate number
  • an arbitrary beam pattern can be obtained for each LDC.
  • a plurality of arbitrary direction beams can be obtained for each semiconductor laser unit LDC.
  • the number of viewpoints when a natural stereoscopic image display is formed can be increased.
  • the frame rate can be increased with the same number of viewpoints.
  • the liquid crystal layer LC may be rotated by 90 degrees with no bias or may be rotated by 0 degrees. In either case, it can be adjusted to a desired polarization orientation by applying a bias voltage to the pixel electrode.
  • SLM Spatial light modulator
  • LDC Semiconductor laser chip (semiconductor laser part)
  • 4 Active layer
  • 2, 7 Cladding layer
  • 6 Diffraction grating layer.

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Abstract

　この半導体レーザ装置は、独立駆動可能な複数の半導体レーザ部ＬＤＣと、複数の半導体レーザ部ＬＤＣのグループに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭとを備えた半導体レーザ装置である。個々の半導体レーザ部は、活性層４を挟む一対のクラッド層と、活性層４に光学的に結合した回折格子層６とを備えている。複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと反射膜２３との間に配置された１／４波長板２６と、複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと光出射面との間に配置された偏光板２７とを備える。

Description

半導体レーザ装置
　本発明は、空間光変調光源として機能する半導体レーザ装置に関する。
　従来、立体ディスプレイとして、インテグラルフォトグラフィ方式のものが知られている（非特許文献１、非特許文献２参照）。このような立体ディスプレイでは、レンチキュラレンズの背面側に、複数の画素が配列するよう、液晶表示パネルを配置している。同一のレンチキュラレンズに属する各々の液晶表示パネルからの光は、それぞれ別々の角度に向かって進行する。したがって、各々の液晶表示パネルに適切な画像を与えることで、角度毎に所望の画像を与えることが可能となり、インテグラルフォトグラフィ方式での立体表示が可能となる。
Lippmann、「Integral photography」、 Scientific American、1911年、8月号, p.164 Ernst Lueder「3D Displays」、John Wiley & Sons、2012年、p.185-214
　しかしながら、レンチキュラレンズに液晶パネルを組み合わせた半導体レーザ装置の場合、多くの視点数に応じて、多くの液晶表示パネルを設ける必要がある。したがって、全体システムが大きくなるため、立体像形成に必要な複数の光線を、十分に瞳孔内に導入することが困難となり、自然な立体像が得られないという問題がある。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、自然な立体像の形成にも適用可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、第１の半導体レーザ装置は、独立駆動可能な複数の半導体レーザ部と、複数の前記半導体レーザ部のグループに光学的に結合した空間光変調器と、を備えた半導体レーザ装置であって、（１）個々の前記半導体レーザ部は、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層に光学的に結合した回折格子層と、を備え、複数の前記半導体レーザ部は、それぞれの厚み方向に沿ってレーザ光を出力し、（２）前記空間光変調器は、液晶層と、前記液晶層の前記半導体レーザ部とは反対側に設けられた反射膜と、二次元状に配置された複数の画素電極と、前記画素電極と共に前記液晶層を挟む共通電極とを備え、（３）それぞれの前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光は、前記空間光変調器内に入射し、それぞれの前記画素電極による前記液晶層の状態に応じて変調され、前記空間光変調器の前記反射膜で反射され、変調されたレーザ光は、それぞれの前記半導体レーザ部を再度介して、それぞれの前記半導体レーザ部の光出射面から外部に出力され、（４）前記半導体レーザ装置は、複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記反射膜との間に配置された１／４波長板と、複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記光出射面との間に配置された偏光板とを備えることを特徴とする。
　この半導体レーザ装置によれば、面発光レーザ素子である半導体レーザ部から出力されたレーザ光は、厚み方向に沿って出射し、空間光変調器の反射膜で反射され、液晶層で位相が変調されて、偏光板を介して、外部に出力される。したがって、液晶層による変調の強度に応じて、偏光板から画素毎に位相変調された出力されるレーザ光の方向が異なる。半導体レーザ部から空間光変調器を介さずに外部に出射しようとするレーザ光は、偏光板によって抑制することができる。すなわち、空間光変調器に入射して反射することで、１／４波長板を２回通過したレーザ光は、位相が反転して、偏光方位が９０度回転するため、このレーザ光が偏光板を透過する。
　すなわち、活性層におけるレーザ光の偏光方位を第１方向（Ａ）とすると、偏光板が透過させる偏光方位（Ｂ）は第１方向（Ａ）に直交しており、レーザ光は直接的には波長板を通過できない。一方、１／４波長板を２回通過したレーザ光は、液晶層が無い場合には、第１方向（Ａ）に直交する偏光方位（Ｂ）を有し、偏光板を透過することができる。画素電極と共通電極との間にバイアス電圧を与えて、液晶層により位相を調整された偏光成分のみが、偏光板を透過する。
　なお、個々の前記画素電極の幅は、個々の半導体レーザ部の幅の１／２以下であることが好適である。画素電極の幅は、各半導体レーザ部よりも小さく、２個以上の画素電極が、単一の半導体レーザ部に対応して配置される。これにより、各半導体レーザ部で発生した光は空間光変調器を往復した後に空間光変調器の画素毎に２次元的に位相変調を受けるので、結果として半導体レーザ部毎にビームパターンを制御することが出来る。従って、出力ビームパターンとして方向制御された単峰ビームを与えるよう空間光変調器駆動回路に信号を与えることで半導体レーザ部毎に任意方向の単峰ビームを出力することが可能となり、このときの半導体レーザ部の配列周期Ｌを目の瞳孔径の半分以下に設定することでインテグラル方式による自然な立体像を形成することができる。このとき空間光変調器の画素ピッチｄと波長λを用いて各半導体レーザ部からの任意方向単峰ビームの最大回折角ΦはΦ≒λ／ｄと表わすことができるので所望のΦを得るために適切に小さなｄを設定する必要がある。
　なお、上記の例では各半導体レーザ部毎に任意方向の単峰ビームを出力することとしたが、画素ピッチｄが適切な数あれば半導体レーザ部毎に任意のビームパターンを得ることが可能であり、各半導体レーザ部毎に複数の任意方向ビームを得ることも可能となる。この場合、同時並列的に多方向へのビームが得られるので、自然な立体像表示形成時における視点数を増やすことが出来る。或いは、視点数を同一として、フレームレートを高速化することが可能となる。
　第２の半導体レーザ装置においては、複数の前記半導体レーザ部は、第１波長のレーザ光を出力する第１半導体レーザ部と、第２波長のレーザ光を出力する第２半導体レーザ部と、第３波長のレーザ光を出力する第３半導体レーザ部と、を備え、前記第１、第２、及び第３波長は、互いに異なっていることを特徴とする。
　この半導体レーザ装置によれば、３種類以上の波長のレーザ光を用いることで、様々なカラーの立体像を形成することができる。
　第３の半導体レーザ装置においては、複数の前記半導体レーザ部は、第４波長のレーザ光を出力する第４半導体レーザ部と、第５波長のレーザ光を出力する第５半導体レーザ部と、第６波長のレーザ光を出力する第６半導体レーザ部と、を備え、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６波長は、互いに異なっていることを特徴とする。
　この半導体レーザ装置によれば、６種類以上の波長のレーザ光を用いることで、更に多様なカラーの立体像を形成することができる。
　本発明によれば、自然な立体像の形成にも適用可能な半導体レーザ装置を提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 図２は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 図３は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。 図４は、半導体レーザ装置の斜視図（図４-（Ａ））と、単位要素としての半導体レーザ部の平面図（図４-（Ｂ））を示す図である。 図５は、回折格子層の平面図である。
　以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、第１実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
　この半導体レーザ装置は、化合物半導体からなる複数の半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）（Ｎは自然数：図１はＮ＝１，２，３の場合を示す）及びこの半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）のグループに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備えている。同図では、半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）は、完全に分離したチップ示しているが、これらは共通の基板上に形成し、各チップ間にアイソレーション構造を設けることとしてもよい。完全分離の場合も、アイソレーション分離の場合も、それぞれの半導体レーザチップＬＤＣ（Ｎ）は、半導体レーザ部として機能する。
　半導体レーザチップＬＤＣは、活性層４を含む発光層と、発光層を挟む一対のクラッド層２，７と、発光層に光学的に結合した回折格子層６とを備えている。なお、発光層は、活性層４と必要に応じて活性層を挟む光ガイド層３，５とからなる。それぞれの半導体レーザチップＬＤＣは、半導体基板１を備えている。半導体基板１の厚み方向をＺ軸とし、これに垂直な２方向をＸ軸及びＹ軸とする。
　製造時においては、半導体基板１の－Ｚ軸方向の表面上に、順次、各半導体層がエピタキシャル成長されるものとする。この場合、－Ｚ軸方向を上向きとした場合、半導体基板１上には、下部クラッド層２、発光層（光ガイド層３、活性層４、光ガイド層５）、回折格子層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８が順次形成される。半導体基板１の＋Ｚ軸側の表面上には駆動電極Ｅ３が形成されており、コンタクト層８の－Ｚ軸側の表面上には、電極Ｅ２が形成されている。これらの電極Ｅ３，Ｅ２は駆動電極であり、駆動電極は、半導体基板の全面に広がるストライプ或いはメッシュ状などの複数の開口を有する又は透明電極からなる。
　それぞれの半導体レーザチップＬＤＣの駆動電極Ｅ３と第２電極Ｅ２との間に、レーザ駆動回路Ｌ－ＤＲから電流を供給すると、それぞれの発光層が独立して発光する。すなわち、駆動電極Ｅ３と第２電極Ｅ２との間に駆動電流が供給された場合、活性層４内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層４が発光する。これらの発光に寄与するキャリア及び発生した光は、上下の光ガイド層３，５とクラッド層２，７によって、これらの間に効率的に閉じ込められる。
　発光層において発生したレーザ光ＬＢは、回折格子層６内を伝播して、回折格子層６は、レーザ光を厚み方向に垂直な方向、すなわちＺ軸方向に出射する。回折格子層６から出射されたレーザ光は、＋Ｚ軸方向に進行し、クラッド層２、半導体基板１を介して、空間光変調器ＳＬＭに入射する。
　空間光変調器ＳＬＭは、回折格子層６の厚み方向に沿って出力されたレーザ光ＬＢが入力されるように、半導体レーザチップＬＤＣのグループに取り付けられている。レーザ光は、空間光変調器ＳＬＭの共通電極２５及び画素電極２１のうちの透明な方を介して、液晶層ＬＣに入射する。これらの電極位置は入れ替えることができ、画素電極２１を透明にすることもできる。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光ＬＢの微小領域毎の位相を、その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、位相変調したレーザ光を反射させ、半導体レーザチップを介して、外部に出力する。
　空間光変調器ＳＬＭから出力されたレーザ光ＬＢは、微小領域毎の位相が調整された状態で重ね合わせられ、様々なレーザビームパターンを形成する。例えば、重ね合されたレーザビームＬＢの遠視野像が、特定の文字を構成することができる。
　この半導体レーザ装置では、空間光変調器ＳＬＭにより、ビーム方向を変化させることができ、偏向した複数のレーザ光のビームが、目の瞳孔内に入射する。目の瞳孔内に複数のレーザビームを入射させるため、半導体レーザチップＬＤＣのＸ軸方向の幅Ｌ（配列周期）は、２．５ｍｍ以下に設定する。また、現実的なビームの振れ角を得るために、空間光変調器ＳＬＭの画素電極２１のＸ軸方向の幅ｄ（ピッチ）は、６０μｍ以下に設定する。
　半導体レーザ装置は、半導体レーザチップＬＤＣ上に配置され、所望のアドレスに位置する画素電極と共通電極との間に、選択的に駆動電圧を与える空間光変調器駆動回路Ｓ－ＤＲ（行選択回路，列選択回路を含む）を更に備えている。これらの選択回路を半導体レーザチップ上に設けることにより、大規模な外部配線群を設置することなく、空間光変調器を制御することができる。
　空間光変調器ＳＬＭは、透明な共通電極２５と、透明な複数の画素電極２１と、共通電極２５と画素電極２１との間に配置された液晶層ＬＣとを備え。共通電極２５は透明基板ＴＳ上に形成されている。液晶層ＬＣは、ネマチック液晶、又は、強誘電性液晶などからなる。駆動回路からは、半導体レーザ素子を構成する半導体レーザチップに、駆動電極を介して、駆動電流が供給される。これにより、発光層からレーザ光ＬＢが出力され、レーザ光ＬＢは、空間光変調器の画素電極２１を介して液晶層ＬＣに至り、液晶層ＬＣで位相変調された後、反射鏡或いは反射膜２３によって反射され、共通電極２５を介して、外部に出力される。共通電極２５は、固定電位（グランド）に接続されており、画素電極２１はスイッチ素子及び行ラインを介して行選択回路に接続されている。列選択回路からは列ラインが延びており、スイッチ素子の制御端子に接続されている。このスイッチ素子は、電界効果トランジスタである。この場合、制御端子はトランジスタのゲートとなる。
　空間光変調器において、特定のアドレス（ｘ，ｙ）を指定した場合、列選択回路から座標ｘの列ラインにＯＮ信号が出力され、行選択回路から座標ｙの行ラインに所望の電位が与えられる。この場合、アドレス（ｘ，ｙ）の画素電極２１と共通電極２５との間には、駆動電圧が印加され、液晶層の屈折率が変化することとなり、光路長が変化して、レーザ光の位相が調整される。なお、空間光変調器において、行方向と列方向は主観によって決まるものであり、相互に置換可能な方向である。駆動電圧の大きさは行選択回路からの出力電位と列選択回路の出力電位によって決定されるものであり、一定とすることができるが、更に精密な位相制御を行う場合には、例えば、上記スイッチ素子毎に可変抵抗を接続し、当該可変抵抗の値を同様の構成からなる選択回路によって制御すればよい。
　なお、製造時に空間光変調器の位相が面内でばらつきを有した際でもデバイスが所望のパターンを出力するように、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、これを補正するための記憶装置と、記憶装置の記憶データに基づいて、各画素電極に選択回路を介して与えられる駆動電圧を生成する空間光変調器用の駆動回路とを設けても良い。すなわち、この半導体レーザ装置は、予め空間光変調器の位相分布を測定しておき、測定値に基づいて位相の面内ばらつきを補正するための初期位相の補正値を記憶し、空間光変調器の画素電極毎に異なる初期位相を与えるための記憶装置を備えることができる。換言すれば、この装置は、駆動電圧の初期補正値を画素電極毎に記憶する記憶装置（図示せず）を備えている。駆動電圧は、制御装置（図示せず）から空間光変調器駆動回路Ｓ－ＤＲの行選択回路及び列選択回路に印加されるが、この駆動電圧及び初期補正値は、記憶装置に記憶される。基準の位相分布と、測定された位相分布とを比較し、各画素毎の位相の差分に対応する駆動電圧の値を初期補正値とすることができ、初期補正値の駆動電圧を画素電極に与えた場合には、基準の位相分布が実現される。所望の位相分布を得るため、初期補正値に対応する駆動電圧に、所望の駆動電圧を重畳することができる。
　また、この半導体レーザ装置は、液晶を透過することで偏光状態が乱れ、結果として偏光板を透過して得られる光出力の強度が変化する場合を想定して、予め空間光変調器の各位相に対して出力光の強度を測定しておき、これを補正するための記憶装置と、記憶装置の記憶データに基づいて、位相パターン毎に半導体レーザチップＬＤＣに与える駆動電流を補正する補正回路を備えても良い。換言すれば、この装置は半導体レーザチップ毎に駆動電流を補正するための補正回路（図示せず）と、各半導体レーザチップに対応する範囲に含まれる全ての画素の位相パターン毎に半導体レーザチップＬＤＣに与える駆動電流を補正するための電流値の補正値を記憶した記憶装置（図示せず）とを備えることが出来る。これによれば、各瞬間（各フレーム内）に、各半導体レーザチップＬＤＣ毎に、各半導体レーザチップＬＤＣに対応する全ての画素の位相パターンに応じて駆動電流を補正することが出来、液晶を透過することによる偏光状態の乱れの影響を受けない一様な光量分布を実現することが可能となる。
　なお、上記は記憶装置を用いた補正について説明したが、記憶装置を設ける代わりに各半導体レーザチップＬＤＣの出力をモニタする手段と、モニタされた出力値に応じてフィードバック制御をするためのフィードバック回路を設ける方式でも良い。
　回折格子層６から厚み方向に出力されたレーザ光は、共通電極２５（或いは画素電極と位置を入れ替えた場合には画素電極２１）を介して液晶層ＬＣに至る。液晶層ＬＣの誘電率（屈折率）は、画素電極２１への印加電圧によって変化し、したがって、レーザ光に対する液晶層ＬＣの光路長が変化し、位相が変化する。液晶層ＬＣを透過し往復したレーザ光ＬＢの位相は画素電極２１毎に変調される。したがって、微小領域毎の波面制御を行うことができ、波面の重ね合わせにより、変化可能な所望のレーザビームパターンを形成することができる。
　なお、駆動電極Ｅ３上には、ＳｉＯ２又はＳｉＮｘからなる透明絶縁膜（反射防止膜）９が形成されている。透明絶縁膜９上には、空間光変調器ＳＬＭの１／４波長板２６、透明基板ＴＳ及び共通電極２５が配置されている。共通電極２５上には、液晶を保持するための枠状のスペーサ２４が設けられ、スペーサ２４内部の空間に液晶層ＬＣが充填されている。スペーサ２４及び液晶層ＬＣ上には、反射膜２３が形成され、反射膜２３上には、保護膜２２を介して、複数の画素電極２１が配置されている。画素電極２１は、基板２０と保護膜２２との間に位置している。画素電極２１等の形成時においては、好ましくは半導体からなる基板２０上に、画素電極２１を形成した後、その表面が平坦化するように保護膜２２に画素電極２１を被覆し、更に、保護膜２２上に反射膜２３を形成し、この中間体の基板を反転させて、枠状のスペーサ２４上に配置する。なお、液晶層ＬＣの上下面には適当な配向膜が設けられる。
　液晶層ＬＣ上の反射膜２３で反射されたレーザ光ＬＢは、共通電極２５及び半導体レーザチップＬＤＣを介して、外部に出力される。また、回折格子層６（の厚み方向中央位置）と、コンタクト層８との間の距離ｔ１は、半導体レーザチップにおけるコンタクト層８の露出表面で反射されたレーザ光ＬＢと、回折格子層６から直接、空間光変調器ＳＬＭへと向かう光が強めあうように設定される。すなわち、距離ｔ１は、以下の関係を満たすことができる。２×ｔ１＝λ×Ｎ、または、２×ｔ１＝λ×（Ｎ＋１／２）。但し、λはレーザ光の波長、Ｎは整数を満たすように設定されている。
　発光層は、活性層４及びこれを挟む光ガイド層３，５からなり、コンタクト層８は、必要に応じて設けられる。半導体レーザチップは、活性層４の形成されたレーザ光生成領域ＬＤを備えており、回折格子層６は、レーザ光生成領域ＬＤに位置しており、回折格子層６の厚み方向に向けてレーザ光ＬＢを出射する。空間光変調器ＳＬＭは、レーザ光生成領域ＬＤ上に取り付けられている。この構造の場合、レーザ光生成領域ＬＤ上に空間光変調器ＳＬＭを配置することで、装置を小型化することができる。
　なお、半導体基板１の＋Ｚ側の面には、駆動電極Ｅ３が配置されている。この半導体レーザ装置は、半導体レーザチップＬＤＣ及びこの半導体レーザチップＬＤＣに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭを備え、半導体レーザチップＬＤＣの厚み方向に沿って出力されたレーザ光ＬＢを、空間光変調器ＳＬＭで変調して、外部に出力する半導体レーザ装置であって、半導体レーザチップＬＤＣは、活性層４と、活性層４を挟む一対のクラッド層２，７と、活性層４に光学的に結合した回折格子層６と、空間光変調器ＳＬＭ側のクラッド層２と空間光変調器ＳＬＭとの間に配置され、活性層４に電流を供給するための駆動電極Ｅ３と、を備えている。
　なお、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定されているが、半導体レーザチップＬＤＣの厚み方向をＺ軸方向とし、半導体レーザチップＬＤＣと空間光変調器ＳＬＭとの界面に平行な平面をＸＹ平面とした場合、駆動電極Ｅ３は、ＸＹ平面内に位置している。また、駆動電極Ｅ３は、Ｚ軸方向から見て、複数の開口を有しており、駆動電極Ｅ３は、非周期構造を有しているが、ＩＴＯ等（酸化インジウム錫）の透明電極から構成することもできる。
　駆動電極を構成する導電領域の材料としては、ＡｇやＡｕなどの金属を用いることができるが、半導体基板１内に、これよりも高濃度の不純物を拡散して、導電領域を形成することもできる。なお、駆動電極の材料として、ＩＴＯ、ＺｎＯ、グラフェン、Ａｇナノワイヤなどの透明電極を用いることも可能ではあるが、低抵抗の材料の方が好ましいため、透明電極よりも、ストライプやメッシュ状の開口を有する不透明金属材料を用いることが好ましい。
　駆動電極上には透明絶縁膜９が形成されている。空間光変調器ＳＬＭは、駆動電極Ｅ３の上部に設けられる。この場合、図示しない行選択回路及び列選択回路は、駆動電極Ｅ３の外部に位置することになるため、これらから画素電極及び共通電極までは、適当な接続配線を施す。また、電極Ｅ２はレーザ光ＬＢについて、一部または全部を透過するように構成されている。電極Ｅ２も駆動電極Ｅ３と同様の構造を採用することができる。
　回折格子層６は、例えば三角形形状が正方格子状に並べられたような構造から構成されており、上下方向に直線偏光の光を回折する。このときの回折格子層６から出力される直線偏光の偏光透過軸を軸Ａとすると、偏光板２７の偏光透過軸は軸Ａと直交する方向（軸Ｂとする）に設定されている。また、１／４波長板の速軸は、軸Ａから４５°回転した方向に設定されている。１／４波長板２６を介して空間光変調器ＳＬＭに入射し、空間光変調器ＳＬＭを往復して、再度、１／４波長板２６を逆方向へ通過したレーザ光は、偏光方位が９０度回転する。すなわち、レーザ光ＬＢが、第１の偏光方向（軸Ａ）を有する直線偏光として、１／４波長板２６に入射した場合には、これを２度通過した後には、第１の偏光方向に対して９０度回転した第２の偏光方向（軸Ｂ）を有する直線偏光となる。
　したがって、偏光板２７における偏光方向を、第２の偏光方向（軸Ｂ）に一致させれば、空間光変調器ＳＬＭを往復したレーザ光のみが偏光板２７を透過し、他の偏光方向の成分は偏光板２７によって遮断される。したがって、液晶層ＬＣによる変調を受けていないノイズ成分が、出力画像から除去され、コントラストが改善する。なお、共通電極２５と１／４波長板２６の位置は入れ替えることができる。
　図５は、回折格子層の平面図である。
　上述の回折格子層６は、例えば、基本層６Ａと異屈折率領域６Ｂとからなる。異屈折率領域６Ｂは所定の深さで基本層６Ａ内に埋め込まれており、これと屈折率が異なる。異屈折率領域６Ｂの平面形状は円形のものが示されているが、三角形や楕円形など他の形状とすることも可能である。例えば、特定の偏光方向の強度を上げるためには、９０度の回転対称性をもたない形状とすることができる。直線偏光を得るためには、この形状は、例えば、二等辺三角形、直角三角形、直角二等辺三角形とすることができる。異屈折率領域６Ｂは、正方格子の格子点位置に配置されているが、これは三角格子の格子点位置に配置されていてもよい。回折格子層６は、異屈折率領域の埋め込みにより、二次元的に屈折率変化する周期構造を有しているため、回折格子として機能すると共に、フォトニック結晶層として機能する。同図では、真円形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用いているが、三角形状孔を正方格子状に並べた周期構造を用いても良く、半導体レーザ素子は、面発光レーザとして機能する。
　なお、上述のレーザ素子の材料について説明する。
　レーザ光生成領域ＬＤを構成する半導体レーザ素子の材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。回折格子層（位相変調層、屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなる。
　なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０１７～１×１０２１／ｃｍ３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、回折格子層６をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０１６／ｃｍ３以下である。
　また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ～３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ～３×１０３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０～３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ～１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ～１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ～２００ｎｍ）、回折格子層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ～２００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０３ｎｍ（１×１０３ｎｍ～３×１０３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ～５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。
　また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１－ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２～０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１～０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０～１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。
　なお、回折格子層６における柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、回折格子層６においては、ＸＹ平面内における正方格子又は三角格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂが配置されている。この正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、レーザ光の波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。
　なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、基本並進ベクトルａ１、ａ２に対する基本逆格子ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘである。フォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点、すなわち、波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。
　また、上述の共通電極及び画素電極は、これらが透明である場合には、ＩＴＯ、又は、ＺｎＯからなる。このような材料は、レーザ光に対して透明であり、レーザ光が透過できる。
　また、上述の反射膜２３は、アルミニウムなど金属の単層膜或いは多層膜ミラーからなり、多層膜ミラーは、高屈折率材料層（＝ｎＨとする）と、これに対して相対的に低い屈折率を有する低屈折率材料層（＝ｎＬとする）とを交互に積層してなる。高屈折率材料層（ｎＨ）の材料は、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５及びＨｆＯ２等からなる酸化物群（絶縁体群）から選択される少なくとも１つの材料（例えばＴａ２Ｏ５）を含む。低屈折率材料層（ｎＬ）の材料は、ＳｉＯ２及びＭｇＦ２等からなる絶縁体群から選択される少なくとも１つの材料（例えばＳｉＯ２）を含む。高屈折材料層（ｎＨ）及び低屈折率材料層（ｎＬ）のそれぞれの光学膜厚を、レーザ光の波長λの１／４に設定する。これらの誘電体層の積層構造としては、以下の種類が考えられる。
　（１）：第１の構造は、低屈折率材料層（ｎＬ）と高屈折材料層（ｎＨ）とからなる組（＝Ａ）を、ｍ回、繰り返して積層した構造であり、この場合、全体の層数は２×Ａ×ｍとなる。ｍは自然数である。なお、最も下側の層を低屈折率材料層（ｎＬ）とする。
　（２）：第２の構造は、前述の組（Ａ）を、ｍ回、繰り返して積層した後に、最表面に位置する高屈折材料層（ｎＨ）上に更に低屈折率材料層（ｎＬ）を積層した構造であり、この場合、全体の層数は２×Ａ×ｍ＋１となる。
　（３）：上述の（１）又は（２）の構造において、高屈折率材料層（ｎＨ）と低屈折材料層（ｎＬ）の位置を入れ替えた構造も採用することができる。（３）の構造の場合、最も下側の層は高屈折率材料層（ｎＨ）となる。
　最後に、上述の半導体レーザ素子について簡単に説明する。
　半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。ＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃～８５０℃であって、実験では５５０～７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＡｌＧａＡｓの成長においては、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシンを用い、ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡは用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタして形成すればよい。
　すなわち、半導体レーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２を形成した後、光ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５を形成し、続いて、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。
　次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、次に、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。更に、レジストを露光・現像し、レジストをマスクとしてＳｉＮ層をエッチングし、ＳｉＮ層を一部残留させて、アライメントマークを形成する。残ったレジストは除去する。
　次に、基本層６Ａに別のレジストを塗布し、アライメントマークを基準とし、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成し、レジストを除去する。孔の深さは、１００ｎｍである。この孔の中に、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）となる化合物半導体を孔の深さ以上に再成長させる。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法又はスパッタ法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をスパッタ法等で形成することができる。
　回折格子層６を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上に回折格子層を形成すればよい。
　また、製造においては、半導体基板１上に絶縁膜９を介して１／４波長板２６を配置し、コンタクト層８の表面に偏光板２７を配置する。なお、半導体基板１に駆動電極Ｅ３を形成する場合、フォトリソグラフィ―法を用いて、半導体基板１上にパターニングを行う。
　以上、説明したように、上述の装置によれば、活性層で生じた光は回折格子層による変調を受け、２次元単一モード発振し、発振した光のうち一部は、回折格子層による２次の回折を受け、液晶層に平面波として入射している。液晶は屈折率異方性を有するため、その回転角に応じて光出力と平行な方向の等価的な屈折率が変化する。このとき、液晶層の物理的な長さは一定であるため、屈折率が変化することにより、光路長が変化する。従って、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその光路長を変化させることが出来る。言い換えると、下部から液晶層に平面波を入射すると、画素毎にその位相を変化させることが出来るので、出射波面の形状を制御することが可能となる。このように、２次元単一モード発振するレーザ光は、平面波として液晶層に入射し、画素毎に位相変調された波面が下部から光出力として得られる。
　図４は、半導体レーザ装置の斜視図（図４-（Ａ））と、単位要素としての半導体レーザ部の平面図（図４-（Ｂ））を示す図である。
　複数の半導体レーザチップＬＤＣが、ＸＹ平面内において２次元状に配列されており、それぞれの半導体レーザチップＬＤＣは独立して駆動することができる。各半導体レーザチップＬＤＣの背面側には、空間光変調器ＳＬＭが配置されているため、各半導体レーザチップＬＤＣからは特定の方向に向けてレーザ光が出射する。例えば、１つの半導体レーザチップＬＤＣには、４×４＝１６個の画素電極２１が配置されており、半導体レーザチップＬＤＣのＸ軸方向の幅をＬとすると、画素電極２１のＸ軸方向の幅はｄであり、Ｌ≧４×ｄである。なお、これらのＹ軸方向の寸法は、Ｘ軸方向と同一である。
　１つの半導体レーザチップＬＤＣから出力された第１のレーザ光ＬＢは、観測者の右目Ｒ－Ｅｙｅに入射し、別の半導体レ－ザチップＬＤＣから出力された第２のレーザ光ＬＢは、観測者の左目Ｌ－Ｅｙｅに入射する。右目に入射するレーザ光ＬＢと、左目に入射するレーザ光ＬＢは、独立に制御することができるため、立体像を形成することができる。
　図２は、第２実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
　この半導体レーザ装置においては、複数の半導体レーザチップ（半導体レーザ部）ＬＤＣは、第１波長（Ｒｅｄ）のレーザ光ＬＢを出力する第１半導体レーザ部ＬＤＣ（１）と、第２波長（Ｇｒｅｅｎ）のレーザ光ＬＢを出力する第２半導体レーザ部ＬＤＣ（２）と、第３波長（Ｂｌｕｅ）のレーザ光ＬＢを出力する第３半導体レーザ部ＬＤＣ（３）とを備えている。これらの第１、第２、及び第３波長は、互いに異なっており、３種類以上の波長を用いることができる。
　この半導体レーザ装置によれば、３種類以上の波長のレーザ光を用いることで、レーザ光の重ね合わせにより、様々なカラーの立体像を形成することができる。
　図３は、第３実施形態に係る半導体レーザ装置の縦断面構成を示す図である。
　この半導体レーザ装置においては、複数の半導体レーザチップ（半導体レーザ部）ＬＤＣは、は、第２実施形態のものに加えて、第４波長（Ｃｙａｎ）のレーザ光ＬＢを出力する第４半導体レーザ部ＬＤＣ（４）と、第５波長（Ｍａｇｅｎｔａ）のレーザ光ＬＢを出力する第５半導体レーザ部ＬＤＣ（５）と、第６波長（Ｙｅｌｌｏｗ）のレーザ光ＬＢを出力する第６半導体レーザ部ＬＤＣ（６）とを備えている。これらの第１、第２、第３、第４、第５及び第６波長は、互いに異なっており、６種類以上の波長を用いることができる。
　この半導体レーザ装置によれば、６種類以上の波長のレーザ光を用いることで、更に多様なカラーの立体像を形成することができる。
　以上、説明したように、上述の半導体レーザ装置は、独立駆動可能な複数の半導体レーザ部ＬＤＣと、複数の半導体レーザ部ＬＤＣのグループに光学的に結合した空間光変調器ＳＬＭとを備えた半導体レーザ装置であって、以下の要素を備えている。
　（１）個々の半導体レーザ部ＬＤＣは、活性層４と、活性層４を挟む一対のクラッド層２，７と、活性層４に光学的に結合した回折格子層６と、を備え、複数の半導体レーザ部ＬＤＣは、それぞれの厚み方向に沿ってレーザ光を出力する。
　（２）空間光変調器ＳＬＭは、液晶層ＬＣと、液晶層ＬＣの半導体レーザ部ＬＤＣとは反対側に設けられた反射膜２３と、二次元状に配置された複数の画素電極２１と、画素電極２１と共に液晶層ＬＣを挟む共通電極とを備え、個々の画素電極２１の幅ｄは、個々の半導体レーザ部ＬＤＣの幅Ｌの１／２以下である。
　（３）それぞれの半導体レーザ部ＬＤＣから出射されたレーザ光は、空間光変調器ＳＬＭ内に入射し、それぞれの画素電極２１による液晶層ＬＣの状態に応じて変調され、空間光変調器ＳＬＭの反射膜２３で反射され、変調されたレーザ光は、それぞれの半導体レーザ部ＬＤＣを再度介して、それぞれの半導体レーザ部ＬＥＣの光出射面（偏光板２７の－Ｚ軸側の表面）から外部に出力される。
　（４）半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと反射膜２３との間に配置された１／４波長板（位相差板）２６と、複数の半導体レーザ部ＬＤＣの活性層４のグループと前記光出射面との間に配置された偏光板２７とを備えることを特徴とする。偏光板２７は、１枚であって、全ての半導体レーザ部ＬＤＣをカバーしているが、これは半導体レーザ部毎に分離していてもよい。
　この半導体レーザ装置によれば、面発光レーザ素子である半導体レーザ部ＬＤＣから出力されたレーザ光は、厚み方向に沿って出射し、空間光変調器ＳＬＭの反射膜２３で反射され、液晶層ＬＣで位相が変調されて、偏光板２７を介して、外部に出力される。したがって、液晶層ＬＣによる変調の強度に応じて、偏光板から画素毎に位相変調された出力されるレーザ光の方向が異なる。半導体レーザ部ＬＤＣから空間光変調器ＳＬＭを介さずに外部に出射しようとするレーザ光は、偏光板２７によって抑制することができる。すなわち、空間光変調器ＳＬＭに入射して反射することで、１／４波長板２６を２回通過したレーザ光は、位相が反転して、偏光方位が９０度回転するため、このレーザ光が偏光板２７を透過する。
　すなわち、活性層４におけるレーザ光の偏光方位を第１方向（Ａ）とすると、偏光板２７が透過させる偏光方位（Ｂ）は第１方向（Ａ）に直交しており、レーザ光は直接的には波長板を通過できない。一方、１／４波長板を２回通過したレーザ光は、液晶層ＬＣが無い場合には、第１方向（Ａ）に直交する偏光方位（Ｂ）を有し、偏光板２７を透過することができる。画素電極２１と共通電極２５との間にバイアス電圧を与えて、液晶層ＬＣにより位相を調整された偏光成分のみが、偏光板２７を透過する。
　画素電極の幅は、各半導体レーザ部よりも小さく、２個以上の画素電極が、単一の半導体レーザ部に対応して配置される。これにより、各半導体レーザ部ＬＤＣで発生した光は空間光変調器ＳＬＭを往復した後に空間光変調器ＳＬＭの画素毎に２次元的に位相変調を受けるので、結果として半導体レーザ部ＬＤＣ毎にビームパターンを制御することが出来る。従って、出力ビームパターンとして方向制御された単峰ビームを与えるよう空間光変調器駆動回路Ｓ－ＤＲに信号を与えることで半導体レーザ部ＬＤＣ毎に、任意方向の単峰ビームを出力することが可能となり、このときの半導体レーザ部ＬＤＣの配列周期Ｌを目の瞳孔径の半分以下に設定することで、インテグラル方式による自然な立体像を形成することができる。このとき空間光変調器ＳＬＭの画素ピッチｄと波長λを用いて各半導体レーザ部ＬＤＣからの任意方向単峰ビームの最大回折角ΦはΦ≒λ／ｄと表わすことができるので所望のΦを得るために適切に小さなｄを設定する必要がある。
　なお、上記の例では各半導体レーザ部ＬＤＣ毎に任意方向の単峰ビームを出力することとしたが、画素ピッチｄが適切な数あればＬＤＣ毎に任意のビームパターンを得ることが可能であり、各半導体レーザ部ＬＤＣ毎に複数の任意方向ビームを得ることも可能となる。この場合、同時並列的に多方向へのビームが得られるので、自然な立体像表示形成時における視点数を増やすことが出来る。或いは、視点数を同一として、フレームレートを高速化することが可能となる。
　なお、液晶層ＬＣは無バイアスの状態で９０度の偏光回転するものでもよく、０度の偏光回転を行うものでもよい。いずれの場合も画素電極へのバイアス電圧の印加により、所望の偏光方位に調整できる。
　ＳＬＭ…空間光変調器、ＬＤＣ…半導体レーザチップ（半導体レーザ部）、４…活性層、２，７…クラッド層、６…回折格子層。
 

 

Claims (4)

  1. 　独立駆動可能な複数の半導体レーザ部と、
    　複数の前記半導体レーザ部のグループに光学的に結合した空間光変調器と、を備えた半導体レーザ装置であって、
    　個々の前記半導体レーザ部は、
    　活性層と、
    　前記活性層を挟む一対のクラッド層と、
    　前記活性層に光学的に結合した回折格子層と、
    を備え、
    　複数の前記半導体レーザ部は、それぞれの厚み方向に沿ってレーザ光を出力し、
    　前記空間光変調器は、
    　液晶層と、
    　前記液晶層の前記半導体レーザ部とは反対側に設けられた反射膜と、
    　二次元状に配置された複数の画素電極と、
    　前記画素電極と共に前記液晶層を挟む共通電極と、
    を備え、
    　それぞれの前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光は、前記空間光変調器内に入射し、それぞれの前記画素電極による前記液晶層の状態に応じて変調され、
    　前記空間光変調器の前記反射膜で反射され、変調されたレーザ光は、それぞれの前記半導体レーザ部を再度介して、それぞれの前記半導体レーザ部の光出射面から外部に出力され、
    　前記半導体レーザ装置は、
    　複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記反射膜との間に配置された１／４波長板と、
    　複数の前記半導体レーザ部の前記活性層のグループと前記光出射面との間に配置された偏光板と、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 　個々の前記画素電極の幅は、個々の半導体レーザ部の幅の１／２以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 　複数の前記半導体レーザ部は、
    　第１波長のレーザ光を出力する第１半導体レーザ部と、
    　第２波長のレーザ光を出力する第２半導体レーザ部と、
    　第３波長のレーザ光を出力する第３半導体レーザ部と、
    を備え、
    　前記第１、第２、及び第３波長は、互いに異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 　複数の前記半導体レーザ部は、
    　第４波長のレーザ光を出力する第４半導体レーザ部と、
    　第５波長のレーザ光を出力する第５半導体レーザ部と、
    　第６波長のレーザ光を出力する第６半導体レーザ部と、
    を備え、
    　前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６波長は、互いに異なっていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。

     
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