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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-14
(45)【発行日】2024-05-22
(54)【発明の名称】空間光変調器および発光装置
(51)【国際特許分類】
G02F 1/01 20060101AFI20240515BHJP
H01S 5/0239 20210101ALI20240515BHJP
H01S 5/11 20210101ALI20240515BHJP
G02F 1/29 20060101ALN20240515BHJP
【ＦＩ】
G02F1/01 D
H01S5/0239
H01S5/11
G02F1/29
【請求項の数】
24
(21)【出願番号】P 2021567565
(86)(22)【出願日】2020-12-23
(86)【国際出願番号】 JP2020048241
(87)【国際公開番号】W WO2021132374
(87)【国際公開日】2021-07-01
【審査請求日】2023-06-27
(31)【優先権主張番号】P 2019238392
(32)【優先日】2019-12-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(72)【発明者】
【氏名】廣瀬 和義
(72)【発明者】
【氏名】黒坂 剛孝
(72)【発明者】
【氏名】上野山 聡
【審査官】奥村 政人
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１３／１７２１６１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００８－５２３６２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／００９８３１８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－００３０４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－ １／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－ ７／００
Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
面導波型の空間光変調器であって、表面と、前記表面に対向する裏面と、それぞれが前記表面と前記裏面を連絡する複数の貫通孔であって少なくとも前記表面上で定義されるそれぞれの開口が一次元状または二次元状に配置されている複数の貫通孔と、を有する基板と、
前記複数の貫通孔の内壁をそれぞれ覆う複数の積層構造と、
を備え、
前記複数の積層構造それぞれは、
前記複数の貫通孔のうち対応する貫通孔の前記内壁上に設けられた第１の導電層と、
前記第１の導電層上に設けられた光透過性を有する誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた光透過性を有する第２の導電層と、
を含み、
前記第１および第２の導電層のうち少なくとも一方は、前記複数の貫通孔のうち一またはそれ以上の貫通孔で構成されるグループごとに電気的に分離されている、
空間光変調器。
【請求項2】
前記表面上で定義される、前記複数の貫通孔それぞれの開口形状は、回転対称性または鏡映対称性を有する、請求項１に記載の空間光変調器。【請求項3】
前記表面上で定義される、前記複数の貫通孔それぞれの開口形状は、互いに一致している、請求項１または２に記載の空間光変調器。【請求項4】
前記表面および前記裏面の少なくとも一方において、前記複数の貫通孔それぞれの開口重心は、正方格子または三角格子の格子点上に位置する、請求項１～３のいずれか１項に記載の空間光変調器。【請求項5】
前記表面上で定義される、前記複数の貫通孔それぞれの開口形状は、線状に延びた形状である、請求項１に記載の空間光変調器。【請求項6】
前記複数の貫通孔それぞれの前記開口形状は、直線状または円弧状の形状を含む、請求項５に記載の空間光変調器。【請求項7】
前記複数の貫通孔それぞれの前記開口形状は、原点を中心とした極座標において３６０°未満の角度範囲にわたって延在する前記円弧状の形状を含み、前記表面上において、前記複数の貫通孔は、動径方向に沿って等間隔に並んでいる、請求項６に記載の空間光変調器。
【請求項8】
前記複数の貫通孔それぞれにおいて、前記複数の積層構造のうち対応する積層構造上に設けられた、光透過性を有する誘電体領域をさらに備える、請求項１～７の何れか一項に記載の空間光変調器。【請求項9】
前記誘電体領域は、対応する前記積層構造に囲まれた空間のうち、少なくとも、前記表面から前記裏面に向かう厚み方向に沿って定義される所定区間を充填している、請求項８に記載の空間光変調器。【請求項10】
前記複数の貫通孔それぞれにおいて、前記内壁上に設けられた、平滑な表面を有する平滑層をさらに備え、前記複数の貫通孔それぞれにおいて、前記複数の積層構造のうち対応する積層構造は、前記平滑層の前記表面上に設けられている、請求項１～９の何れか一項に記載の空間光変調器。
【請求項11】
前記平滑層は、金属および誘電体の少なくとも一方を含む、請求項１０に記載の空間光変調器。【請求項12】
前記第１および第２の導電層のうち一方は、前記複数の貫通孔それぞれに対応して前記基板の前記表面上に設けられた一またはそれ以上の第１の電極に電気的に接続されている、請求項１～１１の何れか一項に記載の空間光変調器。【請求項13】
前記第１および第２の導電層のうち他方は、前記複数の貫通孔に共通な、前記基板の前記裏面上に設けられた第２の電極に電気的に接続されている、請求項１２に記載の空間光変調器。【請求項14】
前記第２の電極は、前記基板の前記表面または前記裏面において、前記複数の貫通孔の間の領域を覆っている、請求項１３に記載の空間光変調器。【請求項15】
前記基板は、それぞれが、前記複数の貫通孔のうち１つ貫通孔が割り当てられるとともに前記表面上において互いに交差する第１方向および第２方向に沿ってそれぞれ定義される最大幅が何れも入射光の波長よりも短く設定された複数の基本要素により構成され、前記複数の基本要素のうち、前記第１方向および前記第２方向の少なくとも何れかに沿って連続する３個以上の基本要素は、変調制御単位としての基本ユニットを構成し、
前記基本ユニットを構成する前記３個以上の基本要素において、前記第１および第２の導電層のうち一方は、前記基板の前記裏面の一部を構成する面上に設けられた共通電極に電気的に接続されている、請求項１～１１の何れか一項に記載の空間光変調器。
【請求項16】
前記基板は、半導体材料を主に含む、請求項１～１５の何れか一項に記載の空間光変調器。【請求項17】
前記半導体材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＮのうち少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の空間光変調器。【請求項18】
前記第１の導電層は、金属層である、請求項１～１７の何れか一項に記載の空間光変調器。【請求項19】
前記第１の導電層は、Ｐｔを含む、請求項１８に記載の空間光変調器。【請求項20】
前記誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、および窒化シリコンのうち少なくとも一つを含む、請求項１～１９の何れか一項に記載の空間光変調器。【請求項21】
前記第２の導電層は、ＩＴＯ、酸化亜鉛系導電体、窒化チタン、および酸化カドミウムのうち少なくとも一つを含む、請求項１～２０の何れか一項に記載の空間光変調器。【請求項22】
請求項１～２１の何れか一項に記載の空間光変調器と、前記空間光変調器における前記表面または前記裏面と光学的に結合された面光源と、
を備える、
発光装置。
【請求項23】
前記面光源は、フォトニック結晶面発光レーザ素子を含む、請求項２２に記載の発光装置。【請求項24】
前記面光源は、活性層および位相変調層を有する面発光レーザ素子を含み、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屈折率を有するとともに当該位相変調層の厚み方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域と、を含み、
前記複数の異屈折率領域それぞれの重心位置は、
その重心が、前記位相変調層の前記面上に設定された仮想的な正方格子の対応する格子点から離れた状態で配置されるとともに、前記重心および対応する前記格子点間を結ぶ線分と前記正方格子とのなす角度で定義される、対応する前記格子点を中心とした回転角度が個別に設定されるか、または、
その重心が、対応する前記格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置されるとともに、対応する前記格子点までの距離が個別に設定される、請求項２２に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、空間光変調器および発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、半導体発光素子およびその製造方法に関する技術が開示されている。この半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上にそれぞれ順に設けられた、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層、およびコンタクト層を備える。また、この半導体発光素子は、第１クラッド層と活性層との間または活性層と第２クラッド層との間に位置する位相変調層を備える。位相変調層は、基本層と、該基本層の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の異屈折率領域とを有する。位相変調層の厚み方向に垂直な面上に設定された仮想的な正方格子は、複数の単位構成領域により構成される。各単位構成領域では、異屈折率領域が割り当てられており、位相変調層は、該異屈折率領域の重心位置が対応する単位構成領域の格子点から離れるよう配置されるとともに所望の光像に応じた該格子点周りの回転角度を有するよう、構成される。
【0003】
非特許文献１には、ＭＡＣＥ（Metal-Assisted Chemical Etching）により基板表面に複数の周期的な凹部が形成され、該凹部の側壁に金属層、誘電体層および透明導電層を積層することにより、入射光の位相を変調することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１８－１９８３０２号公報
【非特許文献】
【0005】
【文献】Junghyun Park and Soo Jin Kim, "Subwavelength-spaced transmissive metallic slits for 360-degree phase control by using transparent conducting oxides", Applied Optics, Vol. 57, No. 21, 6027-6031, 20 July 2018
【文献】Appl. Opt. No.5, p.967-969 (1966)
【文献】Appl. Opt. No. 9, p.1949 (1970)
【文献】Y. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
発明者らは、上述の従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、従来から、空間的な位相変調により任意の光像を生成する技術が研究されている。或る技術では、半導体レーザ素子の活性層の近傍に、複数の異屈折率領域を含む位相変調層が設けられる。そして、位相変調層の厚み方向に垂直な面上に設定される仮想的な正方格子において、例えば、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、格子点周りの回転角度が異屈折率領域ごとに個別に設定される。このような素子は、フォトニック結晶レーザ素子と同様にレーザ光を積層方向に出射するとともに、レーザ光の位相分布を空間的に制御し、レーザ光を任意形状の光像として出射することができる。
【0007】
しかしながら、上述の素子は、位相変調層における複数の異屈折率領域の配置が固定されているので、予め設計された一の光像のみしか出力することができない。出射光像を動的に変化させるためには、出射光の位相分布を動的に制御する必要がある。
【0008】
また、光の位相分布を動的に制御し得るデバイスとして、位相変調型の空間光変調器がある。例えば、液晶型の空間光変調器は、複数の画素電極が液晶層に沿って一次元状または二次元状に配置された構成を備える。そして、液晶層に入射した光の位相変調量は、画素電極ごとに電圧を個別に設定することにより、画素ごとに個別に制御し得る。このような空間光変調器と面光源（例えばフォトニック結晶レーザ素子）とを組み合わせることにより、出射光の位相分布を動的に制御することが可能になる。
【0009】
しかしながら、液晶型の空間光変調器の画素の配列周期は１０μｍ前後であるのに対し、フォトニック結晶レーザ素子の発光面全体のサイズは各辺２００μｍ～５００μｍである。したがって、液晶型の空間光変調器とフォトニック結晶レーザ素子とを組み合わせたとしても、有効画素数が極めて少なく、高画質の光像を得ることが困難である。また、動作速度が液晶の反応速度によって律速されるので、高速化が難しいという課題も存在する。
【0010】
本開示は上述のような課題を解決するためになされたものであり、光の位相分布を動的に制御し得るとともに画素の配列周期がより小さくかつ高速化に適した空間光変調器、および該空間光変調器を備える発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本開示の一実施形態による空間光変調器は、面導波型の空間光変調器を含む。当該空間光変調器は、基板と、複数の積層構造と、を備える。基板は、表面と、該表面に対向する裏面と、それぞれが表面と裏面を連絡する複数の貫通孔と、を有する。また、複数の貫通孔は、少なくとも表面上で定義されるそれぞれの開口が一次元状または二次元状に配置されている。特に、複数の積層構造それぞれは、第１の導電層と、誘電体層と、第２の導電層と、を含む。第１の導電層は、複数の貫通孔のうち対応する貫通孔の内壁上に設けられている。誘電体層は、第１の導電層上に設けられるとともに光透過性を有する。第２の導電層は、誘電体層上に設けられるとともに光透過性を有する。さらに、第１および第２の導電層のうち少なくとも一方は、複数の貫通孔のうち一またはそれ以上の貫通孔で構成されるグループごとに電気的に分離されている。
【発明の効果】
【0012】
本開示によれば、光の位相分布を動的に制御し得るとともに画素の配列周期がより小さくかつ高速化に適した空間光変調器、および該空間光変調器を備える発光装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図19】第５変形例として空間光変調器１Ｈの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
【0015】
（１） 本開示の空間光変調器は、面導波型の空間光変調器を含む。当該空間光変調器は、その一態様として、基板と、複数の積層構造と、を備える。基板は、表面と、該表面に対向する裏面と、それぞれが表面と裏面を連絡する複数の貫通孔と、を有する。また、複数の貫通孔は、少なくとも表面上で定義されるそれぞれの開口が一次元状または二次元状に配置されている。特に、複数の積層構造それぞれは、第１の導電層と、誘電体層と、第２の導電層と、を含む。第１の導電層は、複数の貫通孔のうち対応する貫通孔の内壁上に設けられている。誘電体層は、第１の導電層上に設けられるとともに光透過性を有する。第２の導電層は、誘電体層上に設けられるとともに光透過性を有する。さらに、第１および第２の導電層のうち少なくとも一方は、複数の貫通孔のうち一またはそれ以上の貫通孔で構成されるグループごとに電気的に分離されている。
【0016】
当該空間光変調器に対して表面側または裏面側から光が入射すると、複数の貫通孔内を光が通過する。その際、各貫通孔内の光は、各積層構造の第１の導電層と誘電体層との界面において反射しながら進み、各貫通孔を通り抜ける。第１の導電層と第２の導電層との間に電圧が印加されると、第２の導電層に蓄積されるキャリアの密度に応じて第２の導電層の屈折率が変化し、また、第１の導電層と第２の導電層との間の電界によって誘電体層の屈折率が変化し、また、第１の導電層と誘電体層との界面における反射前後の位相シフト量が変化する。したがって、各貫通孔から出射される光の位相は、第１の導電層と第２の導電層との間の電圧の大きさに応じて変化する。そして、第１および第２の導電層のうち少なくとも一方は、一またはそれ以上の貫通孔で構成されるグループごとに電気的に分離している。故に、一または二以上の貫通孔ごとに電圧を個別に設定できる。以上の作用により、この空間光変調器によれば、光の位相分布を動的に制御し得る。
【0017】
また、貫通孔は例えば半導体のエッチングプロセスまたはメタルアシスト化学エッチング（ＭＡＣＥ）等により形成可能なので、貫通孔の配列周期を、液晶型の空間光変調器の画素の配列周期よりも小さくすることは容易である。したがって、この空間光変調器によれば、画素の配列周期を従来よりも小さくすることができる。その結果、この空間光変調器と、例えばフォトニック結晶レーザ素子といった面光源とを組み合わせることにより、有効画素数を多くして高画質の光像を得ることができる。さらに、この空間光変調器は液晶を使用しないので、液晶の反応速度に律速されることなく高速化に適している。
【0018】
（２） 本開示の一態様として、表面上で定義される複数の貫通孔それぞれの開口形状は、回転対称性または鏡映対称性を有するのが好ましい。また、本開示の一態様として、表面上で定義される複数の貫通孔それぞれの開口形状は、互いに一致していてもよい。
【0019】
（３） 本開示の一態様として、表面および裏面の少なくとも一方において、複数の貫通孔それぞれの開口重心は、正方格子または三角格子の格子点上に位置するのが好ましい。この場合、基板の厚み方向に垂直な面上において複数の貫通孔が規則正しく整列するので、光像を容易に設計することができる。
【0020】
（４） 本開示の一態様として、表面上で定義される複数の貫通孔それぞれの開口形状は、線状に延びた形状であってもよい。このとき、複数の貫通孔は、貫通孔それぞれの延在方向と交差する方向に並んでもよい。
【0021】
（５） 本開示の一態様として、複数の貫通孔それぞれの前記開口形状は、直線状または円弧状の形状を含んでもよい。
【0022】
（６） 本開示の一態様として、複数の貫通孔それぞれの開口形状が、原点を中心とした極座標において３６０°未満の角度範囲にわたって延在する円弧状の形状を含む場合、表面上において、複数の貫通孔は、動径方向に沿って等間隔に並んでいるのが好ましい。
【0023】
（７） 本開示の一態様として、当該空間光変調器は、複数の貫通孔それぞれにおいて、複数の積層構造のうち対応する積層構造上に設けられた、光透過性を有する誘電体領域をさらに備えてもよい。この場合、貫通孔内を通過する光の光路長が長くなり、第１の導電層と誘電体層との界面において反射する回数が増える。したがって、各貫通孔における位相変調量を増大させることができる。或いは、所定の位相変調量を実現するために必要な基板の厚みを小さくすることができる。
【0024】
（８） 本開示の一態様として、誘電体領域は、対応する積層構造に囲まれた空間のうち、少なくとも、表面から裏面に向かう厚み方向に沿って定義される所定区間を充填しているのが好ましい。この場合、貫通孔内を通過する光の光路長がさらに長くなり、第１の導電層と誘電体層との界面において光の反射回数がさらに増える。
【0025】
（９） 本開示の一態様として、当該空間光変調器は、複数の貫通孔それぞれにおいて、内壁上に設けられた、平滑な表面を有する平滑層をさらに備えてもよく、平滑層の表面上に、複数の積層構造のうち対応する積層構造が設けられてもよい。この場合、貫通孔の内壁に凹凸がある場合であっても第１の導電層の表面が平滑となるので、光の乱反射を抑制することができる。また、平滑層が絶縁性の誘電体からなる場合、第１の導電層と基板とを相互に電気的に分離できるので、基板への不要な電流リークが抑制され得る。
【0026】
（１０） 本開示の一態様として、平滑層は、金属および誘電体の少なくとも一方を含んでもよい。この場合、平滑層を好適に実現することができる。
【0027】
（１１） 本開示の一態様として、第１および第２の導電層のうち一方は、複数の貫通孔それぞれに対応して基板の表面上に設けられた一またはそれ以上の第１の電極に電気的に接続されてもよい。例えばこのような構成により、第１および第２の導電層に対して、電圧を貫通孔ごとに個別に印加することができる。また、本開示の一態様として、第１および第２の導電層のうち他方は、複数の貫通孔に共通な、基板の裏面上に設けられた第２の電極に電気的に接続されているのが好ましい。例えばこのような構成により、基準となる電位を第１または第２の導電層に対して容易に設定することができる。
【0028】
（１２） 本開示の一態様として、第２の電極は、基板の表面または裏面において、複数の貫通孔の間の領域を覆うのが好ましい。この場合、貫通孔以外の基板部分を光が通過することを抑制できるので、出射光は、貫通孔を通過して変調された光のみによって構成され得る。また、基板の表面および裏面のうち光入射側の面にこのような第２の電極を設けることによって、貫通孔以外の基板部分における光吸収の抑制、および基板温度の上昇抑制が可能になる。
【0029】
（１３） 本開示の一態様として、上述のような構造を有する空間光変調器は、印加電圧（第１導電層と第２同戦争間に印加される電圧）の強度変調を利用して入射光位相の動的変調を実現する構成を備えてもよい。具体的には、基板は、それぞれが、複数の貫通孔のうち１つ貫通孔が割り当てられるとともに表面上において互いに交差する第１方向および第２方向に沿ってそれぞれ定義される最大幅が何れも入射光の波長よりも短く設定された複数の基本要素により構成される。この場合、複数の基本要素のうち、第１方向および第２方向の少なくとも何れかに沿って連続する３個以上の基本要素は、変調制御単位としての基本ユニットを構成する。また、この基本ユニットを構成する３個以上の基本要素において、第１および第２の導電層のうち一方は、共通電極に接続されている。なお、この共通電極は、基板の裏面上に設けられた第２の電極を含む。
【0030】
（１４） 本開示の一態様として、基板は、半導体材料を主に含むのが好ましい。この場合、貫通孔の形成に半導体のエッチングプロセスまたはＭＡＣＥを容易に用いることができる。したがって、貫通孔の配列周期を容易に小さくすることができる。
【0031】
（１５） 本開示の一態様として、半導体材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＮのうち少なくとも１つを含んでのよい。この場合、貫通孔の形成に周知のエッチングプロセスを用いることができ、貫通孔の形成が容易になる。
【0032】
（１６） 本開示の一態様として、第１の導電層は、金属層であってもよい。この場合、第１の導電層と誘電体層との界面において光が十分に反射され得る。
【0033】
（１７） 本開示の一態様として、第１の導電層は、Ｐｔを含んでもよい。この場合、例えば原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いることにより、内径が小さく貫通方向に長い（すなわちアスペクト比が大きい）貫通孔内に第１の導電層を容易に形成することができる。
【0034】
（１８） 本開示の一態様として、誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、および窒化シリコンのうち少なくとも一つを含んでもよい。この場合、光透過性を有する誘電体層を好適に実現することができる。
【0035】
（１９） 本開示の一態様として、記第２の導電層は、ＩＴＯ、酸化亜鉛系導電体、窒化チタン、および酸化カドミウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。この場合、光透過性を有する第２の導電層を好適に実現することができる。
【0036】
（２０） 本開示の発光装置は、その一態様として、上述のような構造を有する空間光変調器と、該空間光変調器における表面または裏面と光学的に結合された面光源と、を備えてもよい。当該発光装置によれば、上記いずれかの空間光変調器を備えることにより有効画素数の増加が可能になるため、高画質の動的な光像が得られる。
【0037】
（２１） 本開示の一態様として、面光源は、フォトニック結晶面発光レーザ素子を含むのが好ましい。例えばこのような構成により、面光源の実現が容易になる。
【0038】
（２２） 本開示の一態様として、面光源は、活性層および位相変調層を有する面発光レーザ素子を含み、位相変調層は、基本層と、該基本層とは屈折率が異なる屈折率を有するとともに当該位相変調層の厚み方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域と、を含むのが好ましい。このような構成において、複数の異屈折率領域それぞれの重心位置は、（１）その重心が、位相変調層の面上に設定された仮想的な正方格子の対応する格子点から離れた状態で配置されるとともに、重心および対応する格子点間を結ぶ線分と正方格子とのなす角度で定義される、対応する格子点周りの回転角度が個別に設定されるか、または、（２）その重心が、対応する格子点を通り正方格子に対して傾斜する直線上に配置されるとともに、対応する格子点までの距離が個別に設定されるのが好ましい。例えばこのような構成であっても、面光源を実現することができる。
【0039】
以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
【0040】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る空間光変調器および発光装置の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
以下、本実施形態に係る空間光変調器および発光装置の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【0041】
（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る空間光変調器１Ａの外観を示す切り欠き斜視図であって、空間光変調器１Ａの一部を拡大して示す。この空間光変調器１Ａは、面導波型の空間光変調器であって、基板１０を備える。
図１は、本開示の第１実施形態に係る空間光変調器１Ａの外観を示す切り欠き斜視図であって、空間光変調器１Ａの一部を拡大して示す。この空間光変調器１Ａは、面導波型の空間光変調器であって、基板１０を備える。
【0042】
基板１０は、表面１１および裏面１２を有する平板状を呈する。表面１１および裏面１２はそれぞれ平坦であり、かつ互いに平行である。基板１０の厚み（表面１１と裏面１２との距離）は、例えば０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。なお、基板１０の厚みが例えば０．１ｍｍ以下である場合、空間光変調器１Ａの強度が低くなる（衝撃に対して弱くなる）。そのため、例えば空間光変調器１Ａの表面および／または裏面に光透過性の別の支持基板を貼り付けることによって、当該空間光変調器１Ａの強度を高めてもよい。換言すれば、空間光変調器１Ａの表面および／または裏面に光透過性の別の支持基板を貼り付けることにより、基板１０の厚みを小さくすることができる。基板１０は、半導体を主に含み、一例では半導体のみからなる。基板１０を構成する半導体は、例えばＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＮのうち少なくとも１つを含む。一例では、基板１０はＳｉ基板、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、またはＧａＮ基板である。基板１０は単結晶基板であってもよく、多結晶基板であってもよい。基板１０の平面形状としては、円形、正方形、長方形など様々な形状を採用し得る。基板１０の直径（または長辺の長さ）は、例えば５ｍｍ以上４５０ｍｍ以下である。
【0043】
基板１０は、複数の貫通孔１３を有する。複数の貫通孔１３は、表面１１と裏面１２との間を貫通する。基板１０の厚み方向に垂直な平面（換言すると、表面１１および裏面１２に平行な平面）において、複数の貫通孔１３は、一次元状または二次元状に配置されている。一次元状とは、複数の対象が或る一方向に沿って並ぶ配列を意味する。二次元状とは、或る規則性をもって平面的に並ぶ配列（例えば複数の対象が直交する２方向それぞれに沿って並ぶ配列など）を意味する。本実施形態では、表面１１および裏面１２の少なくとも一方において、複数の貫通孔１３の平面形状の重心（平面形状が円形である場合、該円形の中心）は、正方格子の格子点に位置する。
【0044】
さらに、基板１０の表面１１上には、複数の貫通孔１３それぞれに割り当てられた配線電極３２が設けられている。なお、これら配線電極３２（第１の電極）は、複数の電極で構成されてもよい。また、基板１０の裏面１２上には、複数の貫通孔１３の間の領域を覆う、共通電極としての配線電極３１（第２の電極）が設けられている。
【0045】
図２（ａ）～図２（ｉ）は、基板１０の厚み方向から見た各貫通孔１３の形状の例を示す図である。貫通孔１３の形状として、図２（ａ）は円形を示し、図２（ｂ）は正方形を示し、図２（ｃ）は正三角形を示し、図２（ｄ）は正五角形を示し、図２（ｅ）は正六角形を示す。これら円形または正多角形は、回転対称性を有する形状の例である。また、図２（ｆ）は楕円形を示し、図２（ｇ）は長方形を示し、図２（ｈ）は二等辺三角形を示し、図２（ｉ）は台形を示す。これらは、鏡映対称性（線対称性）を有する形状の例である。
【0046】
基板１０の厚み方向に沿って見た複数の貫通孔１３の形状（例えば基板１０の表面１１上で定義される形状）は、全て同一であってもよいし、互いに異なる形状が含まれてもよい。ただし、形状が同一とは、厳密な意味での同一を意図せず、製造上の誤差は許容される。各貫通孔１３の内径は、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下である。なお、以下の説明において、貫通孔１３のアスペクト比とは、貫通孔１３の内径Ｚ１と、貫通方向における貫通孔１３の長さＺ2との比（Ｚ2／Ｚ1）を指すものとする。
【0047】
図３は、図１中に示されたＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図であって、空間光変調器１Ａの側断面を示す。図３に示されたように、各貫通孔１３は、基板１０の厚み方向（換言すると、表面１１および裏面１２に垂直な方向）に真っ直ぐに延びている。また、図３に示されたように、空間光変調器１Ａは、複数の積層構造２０をさらに備える。複数の積層構造２０それぞれは、複数の貫通孔１３それぞれの内壁１３ａを覆う。
【0048】
図４は、図３の部分拡大図である。積層構造２０は、導電層２１（第１の導電層）、誘電体層２２、および導電層２３（第２の導電層）を含む。導電層２１は、貫通孔１３の内壁１３ａ上に設けられている。図３および図４に示された導電層２１は、貫通孔１３の内壁１３ａ上を表面１１から裏面１２にわたって設けられているが、この形態に限られず、例えば裏面１２から貫通孔１３の途中まで（すなわち表面１１まで達しないように）設けられてもよい。導電層２１は、例えば金属層である。その場合、導電層２１は、例えばＰｔを含む。一例では、導電層２１はＰｔ層である。なお、導電層２１はＰｔ以外の金属を含んでもよく、Ｐｔ以外の金属から成ってもよい。導電層２１の厚みｔ1は、例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。導電層２１の表面２１ａは、凹凸が少ない平滑面である。
【0049】
誘電体層２２は、導電層２１上に設けられ、導電層２１と導電層２３とを相互に絶縁する。本実施形態の誘電体層２２は、導電層２１上に設けられた第１層２２１と、第１層２２１上に設けられた第２層２２２とを含む。図３および図４に示された誘電体層２２は、貫通孔１３の内壁１３ａ上を表面１１から裏面１２にわたって設けられているが、この形態に限られず、導電層２１と導電層２３とを相互に絶縁していれば、内壁１３ａ上の一部にのみ（例えば、表面１１および裏面１２の一方から貫通孔１３の途中まで）設けられてもよい。誘電体層２２の第１層２２１および第２層２２２は、光透過性を有する無機誘電体を主に含み、一例では無機誘電体のみからなる。例えば、誘電体層２２の第１層２２１および第２層２２２は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、および窒化シリコン（ＳｉＮ）のうち少なくとも１つを含み、これらのうち少なくとも２つを混合した層であってもよい。一では、第１層２２１および第２層２２２は、Ａｌ2Ｏ3層、ＨｆＯ2層、ＳｉＯ2層、またはＳｉＮ層である。なお、第１層２２１および第２層２２２の構成材料は、互いに同一であってもよく、互いに異なってもよい。本実施形態の説明において光透過性を有するとは、空間光変調器１Ａに入射する光の波長（例えば可視域または近赤外域に含まれる）における吸光係数が０．１ｃｍ-1以下である性質をいう。このとき、厚み１ｍｍの層を透過しても、光強度の低下量は１０％以下となる。なお、光透過性を有していれば、第１層２２１および第２層２２２のうち少なくとも一方はＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、およびＳｉＮを除く他の誘電体を含んでもよく、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、およびＳｉＮを除く他の誘電体から成ってもよい。誘電体層２２の厚みｔ2は、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。誘電体層２２の導電層２１と接する面は、凹凸が少ない平滑面である。なお、第１層２２１および第２層２２２の一方のみによって導電層２１と導電層２３とを十分に絶縁できる場合には、第１層２２１および第２層２２２の他方は無くてもよい。
【0050】
導電層２３は、誘電体層２２上に設けられている。換言すれば、導電層２３は、誘電体層２２を間に挟んで導電層２１上に設けられている。図３および図４に示された導電層２３は、貫通孔１３の内壁１３ａ上を表面１１から裏面１２にわたって設けられているが、この形態に限られず、例えば表面１１から貫通孔１３の途中まで（すなわち裏面１２まで達しないように）設けられてもよい。導電層２３は、光透過性を有する導電体を主に含み、例えば光透過性を有する導電体のみからなる。一例では、導電層２３は酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）および酸化亜鉛系導電体（例えばガリウムドープ酸化亜鉛（Gallium doped Zinc Oxide：ＧＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（Aluminum doped Zinc Oxide：ＡＺＯ）など）の少なくとも一方を含み、一例では導電層２３はＩＴＯ層またはＡＺＯ層である。なお、導電層２３はＩＴＯおよびＡＺＯ以外の光透過性導電体を含んでもよく、ＩＴＯおよびＡＺＯ以外の光透過性導電体から成ってもよい。導電層２３の厚みｔ3は、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【0051】
裏面１２上の全面には、導電層２４が設けられている。導電層２４は、導電層２１と同時に形成される層であり、その構成材料は導電層２１と同一である。一例では、導電層２４は裏面１２に接している。各貫通孔１３内の導電層２１は、導電層２４と繋がっている。導電層２４上には、配線電極３１（第２の電極）が設けられている。配線電極３１は、導電層２４と接しており、導電層２４を介して各貫通孔１３内の導電層２１と電気的に接続されている。すなわち、配線電極３１は複数の貫通孔１３に対して共通に設けられている。配線電極３１は例えばＡｕ膜といった金属膜である。なお、この金属膜の材料はＡｕのみに限定されず、例えば密着性を高めるためＣｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ，Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの材料であってもよい。図３および図４に示された配線電極３１は、導電層２４上の全面に設けられ、裏面１２上において複数の貫通孔１３の間の領域を全て覆っている。なお、裏面１２のうち貫通孔１３が形成されていない領域では、導電層２４および配線電極３１は除去されてもよい。これにより、ウエハからデバイスを切り出す際の金属の剥離を無くし、除去が難しい金属ゴミの付着を抑制できる。
【0052】
表面１１上の全面には、誘電体層２５が設けられている。誘電体層２５は、誘電体層２２の第１層２２１または第２層２２２（図３および図４の例では第２層２２２）と同時に形成される層であり、その構成材料は同時に形成された第１層２２１または第２層２２２と同一である。一例では、誘電体層２５は表面１１に接している。各貫通孔１３内の第１層２２１または第２層２２２は、誘電体層２５と繋がっている。
【0053】
誘電体層２５上には、導電層２６が設けられている。導電層２６は、導電層２３と同時に形成される層であり、その構成材料は導電層２３と同一である。一例では、導電層２６は誘電体層２５に接している。そして、導電層２６上には配線電極３２（第１の電極）が設けられている。配線電極３２は、導電層２６と接しており、導電層２６を介して各貫通孔１３内の導電層２３と電気的に接続されている。導電層２６および配線電極３２は、一またはそれ以上の貫通孔１３ごとに（図３および図４の例では１つの貫通孔１３ごとに）独立した領域に設けられており、領域ごとに（すなわち一またはそれ以上の貫通孔１３ごとに）電気的に分離（絶縁）されている。図１では、導電層２６および配線電極３２の平面形状が正方形である場合を示しているが、導電層２６および配線電極３２の平面形状はこれに限られず、例えば円形といった他の形状であってもよい。配線電極３２は、導電層２６に接する第１膜（例えばＣｒ膜またはＴｉ膜）と、第１膜上に設けられた第２膜（例えばＡｕ膜）とを含む積層構造を有してもよい。また、配線電極３２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった３層以上の積層構造を有してもよい。
【0054】
上述の空間光変調器１Ａの作用について説明する。図５に示されたように、基板１０の裏面１２側から光Ｌが入射すると、複数の貫通孔１３内を光Ｌが通過する。このとき入射する光Ｌは、空間的に位相が揃った空間コヒーレントな光であることが望ましい。各貫通孔１３内に入射した光Ｌは、各積層構造２０の導電層２１と誘電体層２２との界面において反射しながら進み、各貫通孔１３を通り抜ける。ここで、或る貫通孔１３内の導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、次の３つの現象が当該積層構造２０に生じる。
【0055】
（１）導電層２３に蓄積されるキャリアの密度に応じた、導電層２３の屈折率の変化
導電層２１と導電層２３とは誘電体層２２を挟んだ状態で設けられているので、これらはキャパシタを構成する。したがって、導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、導電層２１の誘電体層２２との界面付近には電子または正孔のうち一方のキャリアが蓄積し、導電層２３の誘電体層２２との界面付近には電子または正孔のうち他方のキャリアが蓄積する。導電層２３がＩＴＯやＡＺＯといった無機導電体を主に含む場合、キャリアの蓄積によって導電層２３の該界面付近の部分が金属化し、その部分の屈折率が変化する。屈折率の変化量は、キャリアが多く蓄積するほど（すなわち印加電圧が大きくなるほど）大きくなる。これに伴い、当該部分を透過する光Ｌの光路長が変化する。キャリア蓄積に伴う屈折率の変化は、例えばドルーデ（Drude）モデルなどを用いて見積もることができる。ドルーデモデルにおいて共鳴波長近傍は、誘電率の実部が０に近くなり、ＥＮＺ（Epsilon Near Zero）領域と呼ばれ、屈折率の変化が大きい領域となる。そのため、光の波長をＥＮＺ領域に設定することにより、大きな位相変調量を実現することができる。
導電層２１と導電層２３とは誘電体層２２を挟んだ状態で設けられているので、これらはキャパシタを構成する。したがって、導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、導電層２１の誘電体層２２との界面付近には電子または正孔のうち一方のキャリアが蓄積し、導電層２３の誘電体層２２との界面付近には電子または正孔のうち他方のキャリアが蓄積する。導電層２３がＩＴＯやＡＺＯといった無機導電体を主に含む場合、キャリアの蓄積によって導電層２３の該界面付近の部分が金属化し、その部分の屈折率が変化する。屈折率の変化量は、キャリアが多く蓄積するほど（すなわち印加電圧が大きくなるほど）大きくなる。これに伴い、当該部分を透過する光Ｌの光路長が変化する。キャリア蓄積に伴う屈折率の変化は、例えばドルーデ（Drude）モデルなどを用いて見積もることができる。ドルーデモデルにおいて共鳴波長近傍は、誘電率の実部が０に近くなり、ＥＮＺ（Epsilon Near Zero）領域と呼ばれ、屈折率の変化が大きい領域となる。そのため、光の波長をＥＮＺ領域に設定することにより、大きな位相変調量を実現することができる。
【0056】
（２）導電層２１と導電層２３との間の電界に起因した、誘電体層２２の屈折率の変化
誘電体層２２は導電層２１と導電層２３との間に挟まれているので、導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、誘電体層２２を通過する電界が発生する。この電界に起因する電気光学効果により、誘電体層２２の屈折率が変化する。屈折率の変化量は、電界が強いほど（すなわち印加電圧が大きくなるほど）大きくなる。これに伴い、誘電体層２２を透過する光Ｌの光路長が変化する。
誘電体層２２は導電層２１と導電層２３との間に挟まれているので、導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、誘電体層２２を通過する電界が発生する。この電界に起因する電気光学効果により、誘電体層２２の屈折率が変化する。屈折率の変化量は、電界が強いほど（すなわち印加電圧が大きくなるほど）大きくなる。これに伴い、誘電体層２２を透過する光Ｌの光路長が変化する。
【0057】
（３）導電層２１と誘電体層２２との界面における反射前後の位相シフト量の変化
積層構造２０において、導電層２３および誘電体層２２を透過した光Ｌは、導電層２１において反射し、再び誘電体層２２および導電層２３を透過し、最終的に出力される。誘電体層２２の厚みが光Ｌの波長よりも十分に小さい場合、導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流電磁場が導電層２１および導電層２３のそれぞれに生じる。その結果、誘電体層２２内に強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が生じる。この磁気共鳴によって、導電層２１と誘電体層２２との界面における反射前後の位相シフト量が変化する。このときの位相変化量は、導電層２１と導電層２３との間に印加される電圧の大きさに依存する。また、積層構造２０において全反射する場合、グースヘンシェンシフトと呼ばれる位相シフトも存在する。そのため、印加電圧を変えて屈折率を変化させることにより、この位相シフト量も制御することが可能となる。
積層構造２０において、導電層２３および誘電体層２２を透過した光Ｌは、導電層２１において反射し、再び誘電体層２２および導電層２３を透過し、最終的に出力される。誘電体層２２の厚みが光Ｌの波長よりも十分に小さい場合、導電層２１と導電層２３との間に電圧が印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流電磁場が導電層２１および導電層２３のそれぞれに生じる。その結果、誘電体層２２内に強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が生じる。この磁気共鳴によって、導電層２１と誘電体層２２との界面における反射前後の位相シフト量が変化する。このときの位相変化量は、導電層２１と導電層２３との間に印加される電圧の大きさに依存する。また、積層構造２０において全反射する場合、グースヘンシェンシフトと呼ばれる位相シフトも存在する。そのため、印加電圧を変えて屈折率を変化させることにより、この位相シフト量も制御することが可能となる。
【0058】
上述の現象（１）～現象（３）により、各貫通孔１３から出射される光Ｌの位相は、導電層２１と導電層２３との間の電圧の大きさに応じて変化する。そして、本実施形態の導電層２３は、一またはそれ以上の貫通孔１３で構成されるグループごとに電気的に分離している。結果、導電層２１と導電層２３との間の電圧の大きさを、一またはそれ以上の貫通孔１３ごとに個別に設定し得る。なお、導電層２１と導電層２３との間の電圧は、空間光変調器１Ａの外部から、裏面１２上の配線電極３１と、表面１１上の配線電極３２とを通じて印加される。以上の作用により、この空間光変調器１Ａによれば、光Ｌの位相分布を空間的かつ動的に制御し得る。
【0059】
図６は、或る方向に並ぶ複数の貫通孔１３において、導電層２１と導電層２３との間の電圧の大きさに傾斜を与えた場合の光Ｌの様子を概念的に示す図である。図６に示された光Ｌの矢印の長さは、位相変化量を表している。電圧の大きさに傾斜を与えた場合、図６に示されたように、各貫通孔１３から出射される光Ｌの位相もまた、或る傾斜をもって分布する。そして、これらの光Ｌを合成した空間光変調器１Ａからの出射光Ｌｏｕｔは、該傾斜の法線方向に沿って出射される。なお、本実施形態において、導電層２１と導電層２３との間の電圧の大きさは、所望の光像に応じて計算され、貫通孔１３ごとに任意に決定される。
【0060】
ここで、本実施形態の空間光変調器１Ａを作製する方法について説明する。図７（ａ）～図１０（ｃ）は、空間光変調器１Ａを作製する方法の一例を示す図である。まず、図７（ａ）に示されたように、平坦かつ互いに平行な表面１１および裏面１２を有する基板１０が用意される。次に、図７（ｂ）に示されたように、裏面１２上（または表面１１上でもよい）にレジストが塗布され、このレジストに対して露光（または電子線照射）および現像を行うことにより、レジストマスクＭ1が形成される。レジストマスクＭ1は、複数の貫通孔１３（図１を参照）に対応する複数の開口ＭＡを有する。
【0061】
続いて、図７（ｃ）に示されたように、レジストマスクＭ1の開口を通じて、基板１０がエッチングされる。このエッチングは例えばドライエッチングであり、一例ではボッシュプロセスによる誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）エッチングである。その後、図７（ｄ）に示されたように、有機洗浄によりレジストマスクＭ1が除去される。なお、基板１０をエッチングする際に、レジストマスクＭ1と基板１０とのエッチング選択比が十分でない場合には、レジストの塗布前にＳｉＮまたはＳｉＯ2といったシリコン化合物膜が裏面１２上（または表面１１上）に成膜される。そのシリコン化合物上にレジストマスクＭ1が形成された後、開口ＭＡがシリコン化合物膜に転写されてもよい。そして、このシリコン化合物膜をエッチングマスクとして基板１０がエッチングされてもよい。なお、エッチングマスクはシリコン化合物膜に限定されず、Ａｌ2Ｏ3またはＨｆＯ2といった他の無機誘電体も利用可能である。
【0062】
続いて、図８（ａ）に示されたように、導電層２１および２４が形成される。この工程では、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）が用いられる。ＡＬＤにより、導電層２１，２４の材料を、各貫通孔１３の内壁１３ａ上および基板１０の裏面１２上に、等方的に薄くかつ均一に堆積させることができる。なお、一般的に、高アスペクト比の孔内部の成膜にはＡＬＤが適しているが、ＡＬＤに限らず、例えば電気めっき技術、蒸着、スパッタなど他の方法によって導電層２１，２４が形成されてもよい。続いて、図８（ｂ）に示されたように、誘電体層２２の第１層２２１が形成される。この工程では、導電層２１，２４と同様にＡＬＤを用いて、第１層２２１の材料が、各貫通孔１３の内壁１３ａ上に、薄くかつ均一に堆積される。このとき、基板１０の裏面１２上には、第１層２２１と同一の材料からなる誘電体層２７が形成される。この工程においても、ＡＬＤに限らず、スパッタなどの他の方法によって第１層２２１が形成されてもよい。
【0063】
続いて、図８（ｃ）に示されたように、誘電体層２７を除去することによりその下の導電層２４が露出する。この工程では、例えばフッ酸系の溶媒を用いたウェットエッチング、またはフッ酸系のガスを用いたドライエッチングによって誘電体層２７が除去可能である。続いて、図８（ｄ）に示されたように、露出した導電層２４上に配線電極３１が形成される。この工程において、配線電極３１は、例えば電気めっき技術または蒸着などを用いて形成される。
【0064】
続いて、図９（ａ）に示されたように、基板１０を裏返すことにより表面１１が上方に向けられる。そして、誘電体層２２の第２層２２２、および誘電体層２５が形成される。この工程では、第１層２２１と同様にＡＬＤを用いて、第２層２２２および誘電体層２５の材料が、各貫通孔１３の内壁１３ａ上および基板１０の表面１１上に、薄くかつ均一に堆積される。この工程においても、ＡＬＤに限らず、スパッタなどの他の方法を用いて第２層２２２および誘電体層２５が形成されてもよい。
【0065】
続いて、図９（ｂ）に示されたように、導電層２３および導電層２６が形成される。この工程では、導電層２１，２４と同様にＡＬＤを用いて、導電層２３，２６の材料が、各貫通孔１３の内壁１３ａ上および基板１０の表面１１上に、薄くかつ均一に堆積される。この工程においても、ＡＬＤに限らず、例えばスパッタなど他の方法を用いて導電層２３，２６が形成されてもよい。
【0066】
続いて、図９（ｃ）に示されたように、導電層２６上にレジストが塗布された後、該レジストに対して露光（または電子線照射）および現像を行うことにより、レジストマスクＭ2が形成される。レジストマスクＭ2は、複数の貫通孔１３を一またはそれ以上の貫通孔１３ごとに囲い込む格子状の開口ＭＢを有する。そして、図１０（ａ）に示されたように、レジストマスクＭ2の開口ＭＢを通じて、導電層２６がエッチングされる。この工程では、例えばフッ酸系の溶媒を用いたウェットエッチング、またはフッ酸系のガスを用いたドライエッチングによって、導電層２６がエッチングされる。この工程により、導電層２３および２６が、一またはそれ以上の貫通孔１３で構成されるグループごとに電気的に分離する。その後、図１０（ｂ）に示されたように、有機洗浄によりレジストマスクＭ2が除去される。続いて、図１０（ｃ）に示されたように、導電層２６上に配線電極３２が形成される。この工程では、配線電極３２が、例えば電気めっき技術を用いて形成される。以上の工程を経て、本実施形態の空間光変調器１Ａが作製される。
【0067】
図１１（ａ）～図１１（ｃ）は、基板１０に複数の貫通孔１３を形成する別の方法（ＭＡＣＥ）を示す図である。まず、図１１（ａ）に示されたように、複数の貫通孔１３にそれぞれ対応する複数の触媒金属膜４１が、表面１１上（または裏面１２上）に形成される。触媒金属膜４１は、例えば、基板１０に接するＴｉ層と、Ｔｉ層上に形成されたＡｕ層とを含む。なお、これ以外の金属膜（例えばＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＣｕなどの貴金属膜）が触媒金属膜４１として用いられてもよい。そして、基板１０がエッチング液に浸される。エッチング液としては、例えばフッ酸と過酸化水素水との混合液が利用可能である。このとき、図１１（ｂ）に示されたように、触媒金属膜４１と基板１０との接触箇所において局所的に反応が促進され、触媒金属膜４１下の基板１０が選択的にエッチングされる。このエッチングは、触媒金属膜４１が落ち込みながら進行する。これにより、基板１０に高アスペクト比の複数の凹部４２が形成される。このエッチングを進行させることにより（複数の凹部４２が基板１０を貫通することにより）、高アスペクト比の複数の貫通孔１３が形成され得る。または、その後、図１１（ｃ）に示されたように、触媒金属膜４１が形成された面とは反対側の面に対してエッチングまたは研磨（或いはその両方）を行うことにより、基板１０に対して凹部４２を貫通させるとともに触媒金属膜４１が除去されてもよい。この場合であっても、高アスペクト比の複数の貫通孔１３が基板１０に形成され得る。なお、エッチングまたは研磨を行う際、表面１１と裏面１２との平行度を高めることにより、複数の貫通孔１３の貫通方向の長さを揃え、位相変化量のばらつきを抑えることが可能である。以降の工程は、図８（ａ）～図１０（ｃ）に示された工程と同様である。
【0068】
以上説明された本実施形態の空間光変調器１Ａによって得られる効果について説明する。上述のように、本実施形態の空間光変調器１Ａは、光の位相分布を空間的かつ動的に制御し得る。加えて、貫通孔１３は例えば半導体のエッチングプロセスまたはＭＡＣＥといった方法により形成可能なので、貫通孔１３の配列周期を、液晶型の空間光変調器の画素の配列周期よりも小さくすることは容易である。したがって、空間光変調器１Ａは、貫通孔１３すなわち画素の配列周期を従来よりも小さくすることができる。結果、空間光変調器１Ａと、例えばフォトニック結晶レーザ素子といった面光源とを組み合わせることにより、有効画素数を多くして高画質の光像を得ることができる。
【0069】
また、上記非特許文献１に記載された構成と比較すると、本実施形態の空間光変調器１Ａには次の利点がある。すなわち、上記非特許文献１に記載された構成において、基板の表面に形成された凹部を光が通過するためには、該凹部の底面下に存在する基板部分を光が通過する必要がある。したがって、基板に吸収されにくい波長域の光に限定されてしまう。また、上記非特許文献１では凹部を形成する方法としてＭＡＣＥを用いているが、有底の凹部を形成する場合にＭＡＣＥを用いると、凹部の底に触媒金属膜が残存してしまい、その触媒金属膜によって光が散乱してしまう。これらの問題に対して、本実施形態の空間光変調器１Ａでは、基板１０の表面１１と裏面１２との間を貫通する貫通孔１３内を光Ｌが通過するので、光Ｌは基板１０内を通過せずに済む。したがって、上記非特許文献１に記載された構成と比較して、本実施形態によれば、利用可能な波長域の拡大が可能になる。また、貫通孔１３の形成にＭＡＣＥを用いた場合でも触媒金属膜４１を容易に取り除くことができるので、触媒金属膜４１による光の散乱もない。したがって、本実施形態の空間光変調器１Ａによれば、非特許文献１に記載された構成と比較して、高画質の光像が得られる。
【0070】
本実施形態のように、基板１０の厚み方向から見た各貫通孔１３の形状は、回転対称性または鏡映対称性を有してもよい。この場合、各貫通孔１３からの光の出射方向の偏りを抑制することができる。
【0071】
本実施形態のように、基板１０の厚み方向から見た複数の貫通孔１３の形状は、互いに同一であってもよい。この場合、貫通孔１３ごと出射光の条件（光強度等）を均一にすることができ、高画質の光像を容易に形成できる。
【0072】
本実施形態のように、基板１０の表面１１および裏面１２の少なくとも一方において、複数の貫通孔１３の重心は、正方格子または三角格子の格子点に位置してもよい。この場合、基板１０の厚み方向に垂直な面上において複数の貫通孔１３が規則正しく整列する（光像を容易に設計することが可能になる）。
【0073】
本実施形態のように、導電層２３は、貫通孔１３ごとに設けられた基板１０上の配線電極３２と電気的に接続されてもよい。例えばこのような構成により、導電層２３に対して、貫通孔１３ごとに個別の電圧印加が可能になる。また、導電層２１は、複数の貫通孔１３に対して共通に設けられた基板１０上の配線電極３１と電気的に接続されてもよい。例えばこのような構成により、基準となる電位を導電層２１に対して容易に設定することができる。
【0074】
本実施形態のように、配線電極３１は、基板１０の裏面１２において複数の貫通孔１３の間の領域を覆ってもよい。この場合、貫通孔１３以外の基板部分を光Ｌが通過することを抑制できるので、貫通孔１３を通過して変調された光Ｌのみによって出射光Ｌｏｕｔが構成され得る。また、光入射側の面である裏面１２にこのような配線電極３１を設けることによって、貫通孔１３以外の基板部分における光Ｌの吸収、および基板１０の温度上昇が抑制され得る。
【0075】
本実施形態のように、基板１０は半導体を主に含んでもよい。この場合、貫通孔１３の形成に半導体のエッチングプロセスまたはＭＡＣＥを容易に用いられる。したがって、高アスペクト比の微細な貫通孔１３の形成が容易になるとともに、貫通孔１３の配列周期の短縮が容易になる。
【0076】
本実施形態のように、基板１０の半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＮのうち少なくとも１つを含んでもよい。この場合、貫通孔１３の形成に周知のエッチングプロセスを用いることができ、貫通孔１３の形成が容易になる。
【0077】
本実施形態のように、導電層２１は金属層であってもよい。この場合、導電層２１と誘電体層２２との界面において光Ｌを十分に反射させることが可能になる。
【0078】
本実施形態のように、導電層２１はＰｔを含んでもよい。この場合、例えばＡＬＤを用いることにより、内径が小さく貫通方向に長い（すなわちアスペクト比が大きい）貫通孔１３内における導電層２１の形成が容易になる。
【0079】
本実施形態のように、誘電体層２２は、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、およびＳｉＮのうち少なくとも一つを含んでもよい。この場合、光透過性を有する誘電体層２２の形成が好適に実現可能になる。
【0080】
本実施形態のように、導電層２３は、ＩＴＯ、酸化亜鉛系導電体（ＧＺＯ、ＡＺＯなど）、窒化チタン、および酸化カドミウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。この場合、光透過性を有する導電層２３の形成が好適に実現可能になる。
【0081】
（第１変形例）
図１２は、上記実施形態の第１変形例として、空間光変調器１Ｂを示す平面図である。この空間光変調器１Ｂでは、複数の貫通孔１３の平面形状（表面１１上で定義される形状）の重心が、上記実施形態のような正方格子の格子点ではなく、三角格子の格子点に位置する。この場合においても、基板１０の厚み方向に垂直な面上において複数の貫通孔１３が規則正しく整列するので、光像の設計が容易になる。なお、複数の貫通孔１３の配列としては、上記実施形態および本変形例に限られず、他の様々な配列が適用可能である。
図１２は、上記実施形態の第１変形例として、空間光変調器１Ｂを示す平面図である。この空間光変調器１Ｂでは、複数の貫通孔１３の平面形状（表面１１上で定義される形状）の重心が、上記実施形態のような正方格子の格子点ではなく、三角格子の格子点に位置する。この場合においても、基板１０の厚み方向に垂直な面上において複数の貫通孔１３が規則正しく整列するので、光像の設計が容易になる。なお、複数の貫通孔１３の配列としては、上記実施形態および本変形例に限られず、他の様々な配列が適用可能である。
【0082】
（第２変形例）
図１３～図１５は、上記実施形態の第２変形例として、空間光変調器１Ｃ～１Ｅをそれぞれ示す平面図である。図１３に示された空間光変調器１Ｃでは、基板１０が、或る方向Ａ1に沿って直線状に延びる複数の貫通孔１３を有する。これらの貫通孔１３は、方向Ａ1と交差する（例えば直交する）方向Ａ2に沿って、一定の間隔をあけて並んでいる。配線電極３２は、各貫通孔１３の周囲を囲むように長方形の枠状に延在している。また、図１４に示された空間光変調器１Ｄでは、基板１０が、或る中心点Ｃ周りに円弧状に延びる複数（図では３つ）の貫通孔１３を有する。そして、これらの貫通孔１３は、中心点Ｃ（原点）を中心とした極座標において、３６０°未満の角度範囲にわたって延在し、動径方向に等間隔に並んでいる。配線電極３２は、各貫通孔１３の両側の縁に沿って延在している。また、図１５に示された空間光変調器１Ｅにおいても、基板１０が、或る中心点Ｃ周りに円弧状に延びる複数の貫通孔１３を有する。ただしこの例では、中心点Ｃ周りの円上において二以上の貫通孔１３が周方向に間隔をあけて並んでおり、かつ、そのような円が同心円状に複数並んで等間隔に配置されている。
図１３～図１５は、上記実施形態の第２変形例として、空間光変調器１Ｃ～１Ｅをそれぞれ示す平面図である。図１３に示された空間光変調器１Ｃでは、基板１０が、或る方向Ａ1に沿って直線状に延びる複数の貫通孔１３を有する。これらの貫通孔１３は、方向Ａ1と交差する（例えば直交する）方向Ａ2に沿って、一定の間隔をあけて並んでいる。配線電極３２は、各貫通孔１３の周囲を囲むように長方形の枠状に延在している。また、図１４に示された空間光変調器１Ｄでは、基板１０が、或る中心点Ｃ周りに円弧状に延びる複数（図では３つ）の貫通孔１３を有する。そして、これらの貫通孔１３は、中心点Ｃ（原点）を中心とした極座標において、３６０°未満の角度範囲にわたって延在し、動径方向に等間隔に並んでいる。配線電極３２は、各貫通孔１３の両側の縁に沿って延在している。また、図１５に示された空間光変調器１Ｅにおいても、基板１０が、或る中心点Ｃ周りに円弧状に延びる複数の貫通孔１３を有する。ただしこの例では、中心点Ｃ周りの円上において二以上の貫通孔１３が周方向に間隔をあけて並んでおり、かつ、そのような円が同心円状に複数並んで等間隔に配置されている。
【0083】
これらの空間光変調器１Ｃ～１Ｅでは、基板１０の厚み方向から見た各貫通孔１３の形状が線状に延びており、複数の貫通孔１３は、各貫通孔１３の延在方向と交差する方向に並んでいる。貫通孔１３がこのような形状を有する場合であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、貫通孔１３がこのように延在する場合、エッチングが容易になると同時に、位相変調部の開口率を高めることで、より高効率・高精細な位相制御ができる。さらに孔内部の光の延在方向の光閉じ込めが弱まり、伝搬損失を抑制することができる。
【0084】
（第３変形例）
図１６は、上記実施形態の第３変形例として、空間光変調器１Ｆを示す平面図である。空間光変調器１Ｆにおいて、基板１０は、図１３に示された形状の複数の貫通孔１３を有する。そして、貫通孔１３ごとに複数（図示例では３つ）の配線電極３２が設けられている。図１、図１２、図１３に示された例では貫通孔１３ごとに一つの配線電極３２が設けられているが、本変形例のように貫通孔１３ごとに複数の配線電極３２が設けられてもよい。この場合においても、導電層２３に対して、電圧を貫通孔１３ごとに個別に印加することができる。また、複数の配線電極３２のうち何れか一つに配線を接続すれば足りるので、配線の自由度が高められる。
図１６は、上記実施形態の第３変形例として、空間光変調器１Ｆを示す平面図である。空間光変調器１Ｆにおいて、基板１０は、図１３に示された形状の複数の貫通孔１３を有する。そして、貫通孔１３ごとに複数（図示例では３つ）の配線電極３２が設けられている。図１、図１２、図１３に示された例では貫通孔１３ごとに一つの配線電極３２が設けられているが、本変形例のように貫通孔１３ごとに複数の配線電極３２が設けられてもよい。この場合においても、導電層２３に対して、電圧を貫通孔１３ごとに個別に印加することができる。また、複数の配線電極３２のうち何れか一つに配線を接続すれば足りるので、配線の自由度が高められる。
【0085】
（第４変形例）
図１７は、上記実施形態の第４変形例として、空間光変調器１Ｇの構成を示す断面図である。空間光変調器１Ｇは、上記実施形態の空間光変調器１Ａの構成に加えて、誘電体領域２８をさらに備える。誘電体領域２８は、各貫通孔１３内において各積層構造２０上に設けられ、光透過性を有する誘電体からなる。誘電体領域２８の構成材料は、例えばＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、およびＳｉＮのうち少なくとも１つを含み、これらのうち少なくとも２つを混合した領域であってもよい。一例では、誘電体領域２８は、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、またはＳｉＮのみからなる。なお、誘電体領域２８および誘電体層２２の構成材料は、互いに同一であってもよく、互いに異なってもよい。図１７の例では、誘電体領域２８が、積層構造２０に囲まれた貫通孔１３内の空間のうち、各貫通孔１３の貫通方向における全部の空間を充填している。この例に限られず、誘電体領域２８は、各貫通孔１３の貫通方向における一部の空間を充填してもよい。また、図１７に示されたように、誘電体領域２８の表面１１側の端面は配線電極３２に達してもよく、誘電体領域２８は、さらに、隣り合う配線電極３２間の隙間を充填してもよい。
図１７は、上記実施形態の第４変形例として、空間光変調器１Ｇの構成を示す断面図である。空間光変調器１Ｇは、上記実施形態の空間光変調器１Ａの構成に加えて、誘電体領域２８をさらに備える。誘電体領域２８は、各貫通孔１３内において各積層構造２０上に設けられ、光透過性を有する誘電体からなる。誘電体領域２８の構成材料は、例えばＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、およびＳｉＮのうち少なくとも１つを含み、これらのうち少なくとも２つを混合した領域であってもよい。一例では、誘電体領域２８は、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、またはＳｉＮのみからなる。なお、誘電体領域２８および誘電体層２２の構成材料は、互いに同一であってもよく、互いに異なってもよい。図１７の例では、誘電体領域２８が、積層構造２０に囲まれた貫通孔１３内の空間のうち、各貫通孔１３の貫通方向における全部の空間を充填している。この例に限られず、誘電体領域２８は、各貫通孔１３の貫通方向における一部の空間を充填してもよい。また、図１７に示されたように、誘電体領域２８の表面１１側の端面は配線電極３２に達してもよく、誘電体領域２８は、さらに、隣り合う配線電極３２間の隙間を充填してもよい。
【0086】
図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、空間光変調器１Ｇを作製する工程のうち、誘電体領域２８を形成する工程を示す図である。まず、上記実施形態の図７（ａ）～図１０（ｃ）に示された工程を経て、図１に示された空間光変調器１Ａを作製する。そして、図１８（ａ）に示されたように、表面１１側から例えばＡＬＤにより誘電体領域２８の材料が堆積される。このとき、貫通孔１３の貫通方向の一部または全部に誘電体領域２８が埋め込まれる。その後、図１８（ｂ）に示されたように、表面１１側から誘電体領域２８をエッチングすることにより誘電体領域２８を薄化させることで、配線電極３２が誘電体領域２８から露出する。こうして、本変形例の空間光変調器１Ｇが作製される。なお、誘電体領域２８を部分的に薄化させることにより配線電極３２を露出させる場合は、まず、配線電極３２上に開口を有するレジストマスクが誘電体領域２８上に形成され、該レジストマスクを介して誘電体領域２８がエッチングされ（配線電極３２が露出）、その後、有機洗浄によりレジストマスクが除去されればよい。
【0087】
本変形例のように、空間光変調器１Ｇは、各積層構造２０上に設けられた光透過性を有する誘電体領域２８を備えてもよい。この場合、貫通孔１３の屈折率が１より高くなり、通過する光Ｌの光路長が長くなるので、導電層２１と誘電体層２２との界面において反射する回数が増える。したがって、各貫通孔１３における位相変調量を増大させることができる。或いは、所定の位相変調量を実現するために必要な基板１０の厚みを小さくすることができる。また、この場合、誘電体領域２８は、積層構造２０に囲まれた空間のうち各貫通孔１３の貫通方向における少なくとも一部（貫通方向に沿った一部区間）を充填してもよい。これにより、貫通孔１３内を通過する光Ｌの光路長がさらに長くなり、導電層２１と誘電体層２２との界面において反射する回数をさらに増加させ得る。
【0088】
（第５変形例）
図１９は、上記実施形態の第５変形例として、空間光変調器１Ｈの構成を示す断面図である。空間光変調器１Ｈは、上記実施形態の空間光変調器１Ａの構成に加えて、平滑層２９をさらに備える。平滑層２９は、各貫通孔１３の内壁１３ａ上に設けられ、平滑な表面２９ａを有する。そして、積層構造２０は、平滑層２９の表面２９ａ上に設けられている。一例では、積層構造２０の導電層２１が平滑層２９の表面２９ａに密着する。平滑層２９は、金属および誘電体の少なくとも一方を含む。一例では、平滑層２９は、金属層または誘電体層である。一例として、平滑層２９としてＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、ＳｉＮなどの誘電体層、またはＰｔ等の金属層を用いることができ、例えばこれらの層をＡＬＤによって成膜することにより、平滑な膜を形成することができる。
図１９は、上記実施形態の第５変形例として、空間光変調器１Ｈの構成を示す断面図である。空間光変調器１Ｈは、上記実施形態の空間光変調器１Ａの構成に加えて、平滑層２９をさらに備える。平滑層２９は、各貫通孔１３の内壁１３ａ上に設けられ、平滑な表面２９ａを有する。そして、積層構造２０は、平滑層２９の表面２９ａ上に設けられている。一例では、積層構造２０の導電層２１が平滑層２９の表面２９ａに密着する。平滑層２９は、金属および誘電体の少なくとも一方を含む。一例では、平滑層２９は、金属層または誘電体層である。一例として、平滑層２９としてＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｉＯ2、ＳｉＮなどの誘電体層、またはＰｔ等の金属層を用いることができ、例えばこれらの層をＡＬＤによって成膜することにより、平滑な膜を形成することができる。
【0089】
本変形例によれば、貫通孔１３の内壁１３ａに加工時の凹凸がある場合であっても導電層２１の表面が平滑となる。そのため、導電層２１と誘電体層２２との界面における光Ｌの乱反射が効果的に抑制され得る。また、例えば平滑層２９が金属および誘電体の少なくとも一方を含むことにより、内壁１３ａの凹凸にかかわらず平滑な表面２９ａの実現が可能になる。また、平滑層２９が絶縁性の誘電体からなる場合、導電層２１と基板１０とを相互に電気的に分離（絶縁）できるので、導電層２１から基板１０への電流リークが効果的に抑制され得る。これにより、導電層２１への印加電圧の制御が精度良く行われることになる。
【0090】
（位相の動的変調）
【0091】
【0092】
上述の空間光変調器１Ａ～１Ｈそれぞれにおいて、基板１０は、それぞれが、１つの貫通孔１３が割り当てられた複数の基本要素１００の集合体と考えることができる。図２０（ａ）には、１個の基本要素１００の一例が示されている。各基本要素１００は、対応する貫通孔１３を含む基板１０の一部と、表面１１上に設けられた配線電極３２と、裏面１２上に設けられた配線電極３１と、により構成されている。図２０（ａ）に示された例では、表面１１上において互いに交差する２方向（例えば直交する２方向）に沿ってそれぞれ定義される、基本要素１００の最大幅Ｗは、何れも入射光の波長よりも短く設定されている。
【0093】
上述の空間光変調器１Ａ～１Ｈそれぞれは、変調制御単位としての基本ユニットにより構成される。例えば、図２０（ｂ）には、１方向に沿って連続する３個の基本要素１００で構成された基本ユニット２００Ａの例が示されている。また、図２０（ｃ）には、互いに直交する２方向に沿ってそれぞれ連続する９個（３×３）の基本要素１００で構成された基本ユニット２００Ｂの例が示されている。
【0094】
図２０（ｂ）に示された基本ユニット２００Ａは、３個の基本要素１００に割り当てられた貫通孔１３ごとに配線電極３２が表面１１上に設けられる一方、３個の基本要素１００の共通電極として配線電極３１が裏面１２上に設けられている。このように構成された基本ユニット２００Ａにおいて、各基本要素１００の透過強度（または反射強度）を動的に変調すると、当該基本ユニット２００Ａの出射領域３００（図２０（ｂ）中、斜線で示された領域）の位置を等価的にずらす効果が得られることが知られている（動的な位相変調）。なお、このような位相変調は、上記非特許文献２に開示された迂回位相（detour phase）ホログラムの原理を利用しており、複数の基本ユニットにより空間光変調器を構成することは、例えば上記非特許文献３に開示されている。
【0095】
また、図２０（ｃ）に示された基本ユニット２００Ｂは、９個の基本要素１００に割り当てられた貫通孔１３ごとに配線電極３２が表面１１上に設けられる一方、９個の基本要素１００の共通電極として配線電極３１が裏面１２上に設けられている。この基本ユニット２００Ｂによっても、各基本要素１００の透過強度（または反射強度）を動的に変調すると、当該基本ユニット２００Ａの出射領域３００（図２０（ｃ）中、斜線で示された領域）の位置を等価的にずらす効果が得られる。
【0096】
以上のように、複数の基本ユニット２００Ａにより空間光変調器１Ａ～１Ｈが構成された場合、一次元的な位相変調が可能になり、複数の基本ユニット２００Ｂにより空間光変調器１Ａ～１Ｈが構成された場合、二次元的な位相変調が可能になる。なお、空間光変調器１Ａ～１Ｈは、これら基本ユニット２００Ａと２００Ｂの組み合わせのように異なる構造の複数種類の基本ユニットにより構成されてもよい。
【0097】
（第２実施形態）
図２１（ａ）は、本開示の第２実施形態に係る発光装置２の構成を示す断面図である。この発光装置２は、上記実施形態の空間光変調器１Ａと、面発光レーザ素子５０とを備える。面発光レーザ素子５０は、本実施形態における面光源であり、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザ素子（Photonic Crystal Surface Emitting LASER：ＰＣＳＥＬ）である。面発光レーザ素子５０は、空間光変調器１Ａの表面１１または裏面１２（図示例では裏面１２）と光学的に結合されている。一例では、面発光レーザ素子５０は、空間光変調器１Ａの裏面１２に接合部５１を介して接合されている。接合部５１は、例えば半田などの導電性接合材である。なお、接合部５１の材料は導電性でなくてもよい。
図２１（ａ）は、本開示の第２実施形態に係る発光装置２の構成を示す断面図である。この発光装置２は、上記実施形態の空間光変調器１Ａと、面発光レーザ素子５０とを備える。面発光レーザ素子５０は、本実施形態における面光源であり、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザ素子（Photonic Crystal Surface Emitting LASER：ＰＣＳＥＬ）である。面発光レーザ素子５０は、空間光変調器１Ａの表面１１または裏面１２（図示例では裏面１２）と光学的に結合されている。一例では、面発光レーザ素子５０は、空間光変調器１Ａの裏面１２に接合部５１を介して接合されている。接合部５１は、例えば半田などの導電性接合材である。なお、接合部５１の材料は導電性でなくてもよい。
【0098】
ここで、面発光レーザ素子５０の中心を通り面発光レーザ素子５０の厚み方向に延びる軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義する。面発光レーザ素子５０は、Ｘ－Ｙ平面上で定義される方向において定在波を形成し、レーザ光Ｌを半導体基板５３の主面５３ａに対して垂直な方向（Ｚ方向）に出力する。なお、Ｚ方向は、空間光変調器１Ａの基板１０の厚み方向（言い換えると、貫通孔１３の貫通方向）と一致する。
【0099】
面発光レーザ素子５０は、半導体基板５３と、半導体基板５３の主面５３ａ上に設けられた半導体積層６０とを有する。半導体積層６０は、主面５３ａ上に設けられたクラッド層６１と、クラッド層６１上に設けられた活性層６２と、活性層６２上に設けられたクラッド層６３と、クラッド層６３上に設けられたコンタクト層６４とを有する。さらに、半導体積層６０は、フォトニック結晶層６５Ａを有する。図２１（ａ）の例おいて、フォトニック結晶層６５Ａは活性層６２とクラッド層６３との間に設けられているが、フォトニック結晶層６５Ａはクラッド層６１と活性層６２との間に設けられてもよい。レーザ光は、半導体基板５３の裏面５３ｂから出力され、図５に示された光Ｌとして空間光変調器１Ａに提供される。
【0100】
クラッド層６１およびクラッド層６３のエネルギーバンドギャップは、活性層６２のエネルギーバンドギャップよりも広い。半導体基板５３、クラッド層６１および６３、活性層６２、コンタクト層６４、フォトニック結晶層６５Ａの厚み方向は、Ｚ軸方向と一致する。
【0101】
フォトニック結晶層（回折格子層）６５Ａは、共振モードを形成する層である。図２１（ｂ）は、フォトニック結晶層６５Ａを拡大して示す断面図である。フォトニック結晶層６５Ａは、基本層６５ａと、複数の異屈折率領域６５ｂとを含んで構成されている。基本層６５ａは、第１屈折率媒質からなる半導体層である。複数の異屈折率領域６５ｂは、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６５ａ内に存在する。異屈折率領域６５ｂは、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。複数の異屈折率領域６５ｂは、フォトニック結晶層６５Ａの厚み方向に垂直な面（Ｘ－Ｙ平面に平行な面）上において二次元状かつ周期的に配列されている。等価屈折率をｎとした場合、フォトニック結晶層６５Ａが選択する波長λ0（＝ａ×ｎ、ａは格子間隔）は、活性層６２の発光波長範囲内に含まれている。フォトニック結晶層６５Ａは、活性層６２の発光波長のうちの波長λ0を選択して、外部に出力することができる。
【0102】
図２２は、フォトニック結晶層６５Ａの平面図である。フォトニック結晶層６５Ａに、Ｘ－Ｙ平面における仮想的な正方格子が設定される。図２２に示されたように、Ｙ軸に平行な線ｘ０～ｘ３とＸ軸に平行な線ｙ０～ｙ２の交点を格子点Ｏであり、該格子点Ｏを中心とする正方領域が単位構成領域Ｒ（０，０）～Ｒ（３，２）が設定される。したがって、正方格子である各単位構成領域Ｒ（ｘ、ｙ）の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行である。このとき、各異屈折率領域６５ｂの重心Ｇは正方格子の各格子点Ｏ（すなわち、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心）と一致する。異屈折率領域６５ｂの平面形状は、例えば円形状であり、隣接する格子点を結ぶ線分の中点を通り、前記線分に直交する線分で囲われた単位構成領域Ｒ（第１ブリルアンゾーン）内に存在する。なお、複数の異屈折率領域６５ｂの平面形状は円形に限らず、例えば多角形、閉曲線、２つ以上の閉曲線から成るなど様々な形状であってもよい。また、複数の異屈折率領域６５ｂの周期構造はこれに限られず、例えば正方格子に代えて三角格子が設定されてもよい。
【0103】
再び図２１を参照する。面発光レーザ素子５０は、コンタクト層６４上に設けられた金属電極膜６６と、半導体基板５３の裏面５３ｂ上に設けられた金属電極膜６７とをさらに有する。金属電極膜６６はコンタクト層６４とオーミック接触しており、金属電極膜６７は半導体基板５３とオーミック接触している。金属電極膜６７は、レーザ光の出力領域を囲む枠状（環状）の平面形状を呈しており、開口６７ａを有する。なお、金属電極膜６７の平面形状は、矩形枠状、円環状などの様々な形状であてもよい。金属電極膜６７は、導電性の接合部５１を介して空間光変調器１Ａの配線電極３１と接合され、配線電極３１と同電位であってもよい。特に、接合部５１が金属である場合、面発光レーザ素子５０において生じた熱は基板１０を通じて放出され得る。半導体基板５３の裏面５３ｂのうち開口６７ａ内の部分は、反射防止膜６８によって覆われている。この反射防止膜６８の構成材料としては、光透過性の誘電体であるＳｉＮまたはＳｉＯ2が適用可能である。或いは、反射防止膜６８の構成材料として、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＴｉＮ、またはＣｄＯなどの透明導電膜が適用されてもよい。その場合、金属電極膜６７から注入される電流が、厚み方向に垂直な面において広く拡散する。したがって、より薄い半導体基板５３が適用可能になる。或いは、半導体基板５３の代わりに光透過性の支持基板が半導体積層６０に貼り合わされてもよい。半導体基板５３をより薄くするかまたは該半導体基板５３を除去することにより、半導体基板５３のバンド端波長よりも短い波長域の光を用いることが可能になる。金属電極膜６６は、半導体積層６０の中央領域、すなわちＺ方向から見て開口６７ａと重なる領域に設けられている。
【0104】
金属電極膜６６と金属電極膜６７との間に駆動電流が供給されると、活性層６２内において電子と正孔の再結合が生じ（活性層６２内での発光）。この発光に寄与する電子および正孔、並びに発生した光は、クラッド層６１およびクラッド層６３の間に効率的に分布する。活性層６２から出力された光は、クラッド層６１とクラッド層６３との間に分布するので、該光は、フォトニック結晶層６５Ａの内部に入った後、フォトニック結晶層６５Ａの内部の格子構造に応じて、半導体基板５３の主面５３ａに沿った方向に共振モードを形成する。そして、複数の異屈折率領域６５ｂの配列周期に応じた波長で光が発振し、レーザ光が生成される。フォトニック結晶層６５Ａから出射されたレーザ光の一部は、半導体基板５３の主面５３ａに対して垂直な方向に進み、直接に、裏面５３ｂから開口６７ａを通って空間光変調器１Ａに向けて出力される。また、フォトニック結晶層６５Ａから出射されたレーザ光の残部は、金属電極膜６６において反射した後、裏面５３ｂから開口６７ａを通って空間光変調器１Ａに向けて出力される。
【0105】
或る例では、半導体基板５３はＧａＡｓ基板であり、クラッド層６１、活性層６２、フォトニック結晶層６５Ａ、クラッド層６３、およびコンタクト層６４は、ＧａＡｓ系半導体からなる。別の例では、クラッド層６１はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層６２は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／量子井戸層：ＩｎＧａＡｓ、井戸層の層数は例えば３つ）を有し、フォトニック結晶層６５Ａの基本層６５ａはＡｌＧａＡｓ層若しくはＧａＡｓ層であり、異屈折率領域６５ｂは空孔であり、クラッド層６３はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層６４はＧａＡｓ層である。
【0106】
クラッド層６１には半導体基板５３と同じ導電型が付与され、クラッド層６３およびコンタクト層６４には半導体基板５３とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板５３およびクラッド層６１はｎ型であり、クラッド層６３およびコンタクト層６４はｐ型である。フォトニック結晶層６５Ａは、活性層６２とクラッド層６１との間に設けられる場合には半導体基板５３と同じ導電型を有し、活性層６２とクラッド層６３との間に設けられる場合には半導体基板５３とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば１×１０16～１×１０21／ｃｍ3である。いずれの不純物も意図的に添加されていない真性（ｉ型）では、その不純物濃度は１×１０16／ｃｍ3以下である。活性層６２は真性（ｉ型）に限らず、添加（dope）されてもよい。なお、フォトニック結晶層６５Ａの不純物濃度としては、不純物準位を介した光吸収による損失の影響を抑制する必要がある場合等には、真性（ｉ型）としてもよい。
【0107】
以上に説明された本実施形態の発光装置２は、空間光変調器１Ａと、空間光変調器１Ａの表面１１または裏面１２と光学的に結合された面光源（面発光レーザ素子５０）とを備える。この発光装置２は、第１実施形態の空間光変調器１Ａを備えることにより、有効画素数の増加を可能にし、高画質の動的な光像を得ることができる。また、面発光レーザ素子５０により、コヒーレントな光を空間光変調器１Ａに提供する面光源の実現が容易になる。なお、発光装置２は、空間光変調器１Ａに代えて、上記各変形例の空間光変調器１Ｂ～１Ｈの何れかを備えてもよい。その場合もまた、同様の作用効果を奏することができる。
【0108】
なお、図２１では面発光レーザ素子５０が半導体基板５３の裏面５３ｂ側から光を出射する場合が例示されたが、図２３に示されたように、面発光レーザ素子５０は、半導体基板５３の主面５３ａ側（すなわち半導体積層６０における半導体基板５３とは反対側の表面）から光を出射してもよい。この場合、金属電極膜６６は、複数の貫通孔１３とそれぞれ対向する複数の開口６６ａを有する。金属電極膜６６の開口６６ａ以外の領域は、導電性の接合部５１を介して空間光変調器１Ａの配線電極３１と全面的に接合される。また、金属電極膜６７は、裏面５３ｂ上の全面に設けられる。これにより、半導体積層６０の厚み方向と垂直な面内において均一に電流を注入できる。また、特に接合部５１がはんだ等の金属である場合、空間光変調器１Ａは、半導体積層６０において生じた熱を通じて効率良く放出することができる。なお、この場合、金属電極膜６６は配線電極３１と同電位となる。半導体積層６０の表面のうち金属電極膜６６の開口６６ａ内の部分は、反射防止膜６８によって覆われる。図２３に示した構成によれば、導電率があまり高くない透明導電膜を用いることなく、半導体基板５３のバンド端波長よりも短い波長域の光が空間光変調器１Ａに提供され得る。そのため、半導体基板５３のバンド端波長よりも短い波長域の光を発光装置２が出力する場合に、当該発光装置２の高効率化が可能になる。
【0109】
図２４は、金属電極膜６６および接合部５１の平面形状の例を示す図である。理解の容易のため、接合部５１が存在する領域がハッチングで示されている。金属電極膜６６の各開口の平面形状は、貫通孔１３の平面形状と同じであってもよく、異なってもよい。例として、図２４には、平面形状が正方形である複数の開口６６ａを有する金属電極膜６６が示されている。また、図２４に示されたように、接合部５１は、複数の開口６６ａ間に位置する全領域に設けられてもよい。また、金属電極膜６６の周縁部には、接合部５１が設けられなくてもよい。
【0110】
図２５は、図２３に示された構成から半導体基板５３を取り除いた場合の構成を示す断面図である。図２５に示されたように、図２３の面発光レーザ素子５０から半導体積層６０を残して半導体基板５３を除去することにより、薄化された面発光レーザ素子５０Ａが得られる。この場合、半導体基板５３のバンド端波長よりも短い波長域の光を半導体基板５３が吸収することを回避でき、更なる高効率化が達成できる。なお、面発光レーザ素子５０Ａにおいて、金属電極膜６７は半導体積層６０の裏面上に設けられる。
【0111】
（第６変形例）
上述の第２実施形態では、発光装置２が面光源としてＰＣＳＥＬである面発光レーザ素子５０を備える場合について説明された。ただし、面光源としては、ＰＣＳＥＬに限らず様々な面発光レーザ素子が採用されてもよい。例えば、二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトルおよび強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する面発光レーザ素子が研究されている。このような面発光レーザ素子は、Ｓ－ｉＰＭ（Static-integrable Phase Modulating）レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向をも含む二次元的な任意形状の光像を出力する。
上述の第２実施形態では、発光装置２が面光源としてＰＣＳＥＬである面発光レーザ素子５０を備える場合について説明された。ただし、面光源としては、ＰＣＳＥＬに限らず様々な面発光レーザ素子が採用されてもよい。例えば、二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトルおよび強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する面発光レーザ素子が研究されている。このような面発光レーザ素子は、Ｓ－ｉＰＭ（Static-integrable Phase Modulating）レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向をも含む二次元的な任意形状の光像を出力する。
【0112】
図２６は、Ｓ－ｉＰＭレーザが備える位相変調層６５Ｂの平面図である。第２実施形態の面発光レーザ素子５０は、フォトニック結晶層６５Ａ（図２２を参照）に代えて、図２６に示された位相変調層６５Ｂを備えてもよい。なお、図２６の例でも、Ｙ軸に平行な線ｘ０～ｘ３とＸ軸に平行な線ｙ０～ｙ２の交点を格子点Ｏであり、該格子点Ｏを中心とする正方領域（正方格子）として単位構成領域Ｒ（０，０）～Ｒ（３，２）が設定される。これにより、面発光レーザ素子５０はＳ－ｉＰＭレーザとして機能する。位相変調層６５Ｂは、本変形例における共振モード形成層である。なお、本変形例の面発光レーザ素子５０において、位相変調層６５Ｂを除く他の構成は第２実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0113】
位相変調層６５Ｂは、第１屈折率媒質からなる基本層６５ａ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６５ｂとを含む。ここで、位相変調層６５Ｂに、Ｘ－Ｙ平面における仮想的な正方格子が設定される。正方格子である各単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）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、格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列および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６５ｂ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６５ｂの平面形状は、例えば円形状であるが、これに限らず、例えば多角形、閉曲線、２つ以上の閉曲線から構成される等、様々な形状であってもよい。各単位構成領域Ｒ（ｘ、ｙ）内において、異屈折率領域６５ｂ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。
【0114】
図２７に示されたように、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内の位置は、対応する格子点Ｏにおいて直交するｓ軸（Ｘ軸に平行）およびｔ軸（Ｙ軸に平行）によって与えられる。単位構成領域Ｒ（ｘ、ｙ）において、格子点Ｏから重心Ｇに向かう方向とｓ軸との成す角度をφ（ｘ，ｙ）とする。成分ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点Ｏの位置、成分ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点Ｏ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６５Ｂ全体にわたって）一定である。
【0115】
図２６に示されたように、位相変調層６５Ｂにおいては、異屈折率領域６５ｂの重心Ｇの格子点Ｏ周りの回転角度φが、所望の光像に応じて単位構成領域Ｒごとに独立して個別に設定される。回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、成分ｘおよび成分ｙの値で決まる位置ごと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、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。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。
【0116】
図２８は、面発光レーザ素子５０の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層６５Ｂにおける回転角度分布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（波数空間）の中心Ｑは半導体基板５３の主面５３ａに対して垂直な軸線上に位置するとは限らないが、垂直な軸線上に配置させることもできる。ここでは説明のため、中心Ｑが主面５３ａに対して垂直な軸線上にあるものとする。図２８には、中心Ｑを原点とする４つの象限が示されている。図２８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。本変形例では、図２８に示されたように、原点に関して点対称な光像が得られる。図２８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。なお、回転対称な光像（例えば、十字、丸、二重丸など）である場合には、重なって一つの光像として観察される。
【0117】
面発光レーザ素子５０の出力ビームパターンの光像は、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、ＣＧ（コンピュータグラフィクス）、および文字のうち少なくとも１つを含んでいる。ここで、所望の光像を得るためには、以下の手順によって位相変調層６５Ｂの異屈折率領域６５ｂの回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を決定する。
【0118】
本変形例においては、以下の手順によって回転角度分布φ（ｘ，ｙ）を決定することにより、所望の光像を得ることができる。まず、第１の前提条件として、法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域６５ｂを含む位相変調層６５Ｂの一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、該Ｘ－Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定される。
【0119】
第２の前提条件として、ＸＹＺ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）は、図２９に示されたように、動径の長さｒと、Ｚ軸からの傾き角θtiltと、Ｘ－Ｙ平面上で特定されるＸ軸からの回転角θrotと、で規定される球面座標（ｒ,θrot,θtilt）に対して、以下の式（１）～式（３）で示された関係を満たしているものとする。なお、図２９は、球面座標（ｒ,θrot,θtilt）からＸＹＺ直交座標系における座標（ξ，η，ζ）への座標変換を説明するための図であり、座標（ξ，η，ζ）により、実空間であるＸＹＺ直交座標系において設定される所定平面上の設計上の光像が表現される。面発光レーザ素子から出力される光像に相当するビームパターンを角度θtiltおよびθrotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θtiltおよびθrotは、以下の式（４）で規定される規格化波数であってＸ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋｘと、以下の式（５）で規定される規格化波数であってＹ軸に対応するとともにＫｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋｙに換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数２π／ａを１．０として規格化された波数を意味する。このとき、Ｋｘ軸およびＫｙ軸により規定される波数空間において、光像に相当するビームパターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成される。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。また、式（４）および式（５）は、例えば、上記非特許文献４に開示されている。
ａ：仮想的な正方格子の格子定数
λ：面発光レーザ素子５０の発振波長
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
λ：面発光レーザ素子５０の発振波長
【0120】
第３の前提条件として、波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋｘ（０以上Ｍ２－１以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋｙ（０以上Ｎ２－１以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋｘ，ｋｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（０以上Ｍ１－１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（０以上Ｎ１－１以下の整数）とで特定されるＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆離散フーリエ変換することで得られる複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、ｊを虚数単位として、以下の式（６）で与えられる。また、この複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）は、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）とするとともに位相項をＰ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式（７）により規定される。さらに、第４の前提条件として、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）が、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ平行であって単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交するｓ軸およびｔ軸で規定される。
【数6】
【数7】
【0121】
上記第１～第４の前提条件の下、位相変調層６５Ｂは、以下の第１および第２条件を満たすよう構成される。すなわち、第１条件は、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内において、重心Ｇが、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れた状態で配置されていることである。また、第２条件は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する重心Ｇまでの線分長ｒ2（ｘ，ｙ）がＭ１個×Ｎ１個の単位構成領域Ｒそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と対応する重心Ｇとを結ぶ線分と、ｓ軸と、の成す角度φ（ｘ，ｙ）が、
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
Ｂ：任意の定数であって例えば０
なる関係を満たすように、対応する異屈折率領域６５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されることである。
φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
Ｂ：任意の定数であって例えば０
なる関係を満たすように、対応する異屈折率領域６５ｂが単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されることである。
【0122】
逆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。
【0123】
ここで、光像の逆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６５ｂ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３０（ａ）のようにＡ１，Ａ２，Ａ３，およびＡ４の４つの象限に分割すると、得られるビームパターンは図３０（ｂ）のようになる。つまり、ビームパターンの第１象限には、図３０（ａ）の第１象限を１８０度回転したパターンと図３０（ａ）の第３象限のパターンが重畳したパターンが現れる。ビームパターンの第２象限には、図３０（ａ）の第２象限を１８０度回転したパターンと図３０（ａ）の第４象限のパターンが重畳したパターンが現れる。ビームパターンの第３象限には、図３０（ａ）の第３象限を１８０度回転したパターンと図３０（ａ）の第１象限のパターンが重畳したパターンが現れる。ビームパターンの第４象限には、図３０（ａ）の第４象限を１８０度回転したパターンと図３０（ａ）の第２象限のパターンが重畳したパターンが現れる。
【0124】
したがって、逆フーリエ変換前の光像（元の光像）として第１象限のみに値を有するパターンを用いた場合には、得られるビームパターンの第３象限に元の光像の第１象限が現れ、得られるビームパターンの第１象限に元の光像の第１象限を１８０度回転したパターンが現れる。
【0125】
このように、面発光レーザ素子５０においては、波面が位相変調されていることによって所望のビームパターンが得られる。このビームパターンは、一対の単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、前述したように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、或いは、位相、強度分布が空間的に不均一であるベクトルビームなどとすることも可能である。
【0126】
本変形例において、活性層６２から出力されたレーザ光は、クラッド層６１とクラッド層６３との間に閉じ込められつつ位相変調層６５Ｂの内部に入り、位相変調層６５Ｂ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６５Ｂ内で散乱されて出射されるレーザ光は、半導体基板５３の裏面５３ｂから外部へ出力される。このとき、０次光は、主面５３ａに垂直な方向へ出射する。これに対し、＋１次光および－１次光は、主面５３ａに垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向を含む２次元的な任意方向へ出射する。
【0127】
なお、本変形例における上記の説明では、波長λ0に対して、λ0＝ａ×ｎ（ａは格子間隔）としており、正方格子のΓ2点と称するバンド端を利用している。一方、格子間隔ａはλ0＝（２１／２）ａ×ｎとなるように設定されてもよい。これは、正方格子のＭ点と称するバンド端に対応する。この場合、設計ビームパターンに対応する位相角度分布φ0（ｘ，ｙ）に対して、追加の位相角度分布φ1（ｘ，ｙ）＝（±πｘ／ａ，±πｙ／ａ）の位相を重畳した位相角度分布φ（ｘ，ｙ）＝φ0（ｘ，ｙ）＋φ1（ｘ，ｙ）とする。図３１は、回転角度分布φ1（ｘ，ｙ）の一例を概念的に示す図である。図３１に示されたように、この例では、第１の位相値φAと、第１の位相値φAとは異なる値の第２の位相値φBとが市松模様に配列されている。一例では、位相値φAは０（ｒａｄ）であり、位相値φBはπ（ｒａｄ）である。すなわち、第１の位相値φAと、第２の位相値φBとがπずつ変化する。この場合、面垂直方向に設計ビームパターンを取り出すことができ、面垂直方向に０次光が現れず、±１次光（±1 order light）からなる設計ビームパターンのみが出射され得る。０次光（zero-order light）は位相変調されない波面だが、±１次光は位相変調された波面となる。故に、空間光変調器１Ａへ入射する光の空間位相分布を効率的に制御でき、例えば貫通孔１３へ光を集中させることにより、更なる高効率化が可能となる。
【0128】
本変形例のように、面発光レーザ素子５０は、共振モード形成層として位相変調層６５Ｂを有してもよい。この場合、位相変調層６５Ｂにおいて発生したレーザ光の一部（＋１次光および－１次光の一部、並びに０次光）は、半導体基板５３の主面５３ａに対して垂直な方向に回折し、金属電極膜６６において反射した後に（または直接に）半導体基板５３の裏面５３ｂに達し、裏面５３ｂから空間光変調器１Ａに向けて出射する。したがって、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、上述のように、Ｓ－ｉＰＭレーザの出射ビームの±１次光の空間位相を制御する（例えば貫通孔１３へ光を集中させる等）ことにより、更なる高効率化が可能となる。
【0129】
（第７変形例）
Ｓ－ｉＰＭレーザは、前述した第６変形例の構成に限られない。例えば、本変形例の位相変調層の構成であっても、Ｓ－ｉＰＭレーザを好適に実現することができる。図３２は、Ｓ－ｉＰＭレーザが備える位相変調層６５Ｃの平面図である。また、図３３は、位相変調層６５Ｃにおける異屈折率領域６５ｂの位置関係を示す図である。位相変調層６５Ｃは、本変形例における共振モード形成層である。なお、図３２に示されたように、Ｙ軸に平行な線ｘ０～ｘ３とＸ軸に平行な線ｙ０～ｙ２の交点を格子点Ｏであり、該格子点Ｏを中心とする正方領域が単位構成領域Ｒ（０，０）～Ｒ（３，２）が設定される。また、各単位構成領域Ｒ（ｘ、ｙ）内の位置は、対応する格子点Ｏにおいて直交するｓ軸（Ｘ軸に平行）およびｔ軸（Ｙ軸に平行）によって与えられる。図３２および図３３に示されたように、位相変調層６５Ｃにおいて、各異屈折率領域６５ｂの重心Ｇは、直線Ｄ上に配置されている。直線Ｄは、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Ｄは、Ｘ軸（ｓ軸）およびＹ軸（ｔ軸）の双方に対して傾斜する直線である。Ｘ軸に平行なｓ軸に対する直線Ｄの傾斜角はθである。傾斜角θは、位相変調層６５Ｃ内において一定である。傾斜角θは、０°＜θ＜９０°を満たし、一例ではθ＝４５°である。または、傾斜角θは、１８０°＜θ＜２７０°を満たし、一例ではθ＝２２５°である。傾斜角θが０°＜θ＜９０°または１８０°＜θ＜２７０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸およびＹ軸によって規定される座標平面の第１象限から第３象限にわたって延びる。或いは、傾斜角θは、９０°＜θ＜１８０°を満たし、一例ではθ＝１３５°である。或いは、傾斜角θは、２７０°＜θ＜３６０°を満たし、一例ではθ＝３１５°である。傾斜角θが９０°＜θ＜１８０°または２７０°＜θ＜３６０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸およびＹ軸によって規定される座標平面の第２象限から第４象限にわたって延びる。このように、傾斜角θは、０°、９０°、１８０°および２７０°を除く角度である。このような傾斜角θとすることで、光出力ビームにおいて、Ｘ軸方向に進む光波とＹ軸方向に進む光波との両方を寄与させることができる。ここで、格子点Ｏと重心Ｇとの距離をｒ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。距離ｒ（ｘ，ｙ）が正の値である場合、重心Ｇは第１象限（または第２象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が負の値である場合、重心Ｇは第３象限（または第４象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が０である場合、格子点Ｏと重心Ｇとは互いに一致する。
Ｓ－ｉＰＭレーザは、前述した第６変形例の構成に限られない。例えば、本変形例の位相変調層の構成であっても、Ｓ－ｉＰＭレーザを好適に実現することができる。図３２は、Ｓ－ｉＰＭレーザが備える位相変調層６５Ｃの平面図である。また、図３３は、位相変調層６５Ｃにおける異屈折率領域６５ｂの位置関係を示す図である。位相変調層６５Ｃは、本変形例における共振モード形成層である。なお、図３２に示されたように、Ｙ軸に平行な線ｘ０～ｘ３とＸ軸に平行な線ｙ０～ｙ２の交点を格子点Ｏであり、該格子点Ｏを中心とする正方領域が単位構成領域Ｒ（０，０）～Ｒ（３，２）が設定される。また、各単位構成領域Ｒ（ｘ、ｙ）内の位置は、対応する格子点Ｏにおいて直交するｓ軸（Ｘ軸に平行）およびｔ軸（Ｙ軸に平行）によって与えられる。図３２および図３３に示されたように、位相変調層６５Ｃにおいて、各異屈折率領域６５ｂの重心Ｇは、直線Ｄ上に配置されている。直線Ｄは、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Ｄは、Ｘ軸（ｓ軸）およびＹ軸（ｔ軸）の双方に対して傾斜する直線である。Ｘ軸に平行なｓ軸に対する直線Ｄの傾斜角はθである。傾斜角θは、位相変調層６５Ｃ内において一定である。傾斜角θは、０°＜θ＜９０°を満たし、一例ではθ＝４５°である。または、傾斜角θは、１８０°＜θ＜２７０°を満たし、一例ではθ＝２２５°である。傾斜角θが０°＜θ＜９０°または１８０°＜θ＜２７０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸およびＹ軸によって規定される座標平面の第１象限から第３象限にわたって延びる。或いは、傾斜角θは、９０°＜θ＜１８０°を満たし、一例ではθ＝１３５°である。或いは、傾斜角θは、２７０°＜θ＜３６０°を満たし、一例ではθ＝３１５°である。傾斜角θが９０°＜θ＜１８０°または２７０°＜θ＜３６０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸およびＹ軸によって規定される座標平面の第２象限から第４象限にわたって延びる。このように、傾斜角θは、０°、９０°、１８０°および２７０°を除く角度である。このような傾斜角θとすることで、光出力ビームにおいて、Ｘ軸方向に進む光波とＹ軸方向に進む光波との両方を寄与させることができる。ここで、格子点Ｏと重心Ｇとの距離をｒ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。距離ｒ（ｘ，ｙ）が正の値である場合、重心Ｇは第１象限（または第２象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が負の値である場合、重心Ｇは第３象限（または第４象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が０である場合、格子点Ｏと重心Ｇとは互いに一致する。
【0130】
図３２に示された、各異屈折率領域６５ｂの重心Ｇと、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏとの距離ｒ（ｘ，ｙ）は、所望の光像に応じて異屈折率領域６５ｂごとに個別に設定される。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、ｘ，ｙの値で決まる位置ごとに特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。すなわち、図３３に示された、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における位相Ｐ（ｘ，ｙ）がＰ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）が０に設定され、位相Ｐ（ｘ，ｙ）がπ＋Ｐ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）が最大値ｒ0に設定され、位相Ｐ（ｘ，ｙ）が－π＋Ｐ0である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）が最小値－ｒ0に設定される。そして、その中間の位相Ｐ（ｘ，ｙ）に対しては、ｒ（ｘ，ｙ）＝｛Ｐ（ｘ，ｙ）－Ｐ0｝×ｒ0／πとなるように距離ｒ（ｘ，ｙ）が設定される。ここで、初期位相Ｐ0は任意に設定され得る。正方格子の格子間隔をａとすると、ｒ（ｘ，ｙ）の最大値ｒ0は例えば、
の範囲内である。
【数8】
【0131】
本変形例のように、面発光レーザ素子５０は、共振モード形成層として位相変調層６５Ｃを有してもよい。この場合、位相変調層６５Ｃにおいて発生したレーザ光の一部（＋１次光および－１次光の一部、並びに０次光）は、半導体基板５３の主面５３ａに対して垂直な方向に回折し、金属電極膜６６において反射した後に（または直接に）半導体基板５３の裏面５３ｂに達し、裏面５３ｂから空間光変調器１Ａに向けて出てゆく。したがって、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、Ｓ－ｉＰＭレーザの出射ビームの±１次光の空間位相を制御する（例えば貫通孔１３へ光を集中させる等）ことにより、更なる高効率化が可能となる。
【0132】
本開示による空間光変調器および発光装置は、上述の実施形態に限られず、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態および各変形例の空間光変調器では、貫通孔１３ごとに設けられた一またはそれ以上の配線電極３２が導電層２３と電気的に接続され、複数の貫通孔１３に対して共通に設けられた配線電極３１が導電層２１と電気的に接続されている。本開示による空間光変調器はこの形態に限られず、例えば、貫通孔１３ごとに設けられた一またはそれ以上の配線電極３２が導電層２１と電気的に接続され、複数の貫通孔１３に対して共通に設けられた配線電極３１が導電層２３と電気的に接続されてもよい。
【0133】
また、上記実施形態および各変形例の空間光変調器では、貫通孔１３ごとに設けられた一またはそれ以上の配線電極３２が表面１１上に設けられ、複数の貫通孔１３に対して共通に設けられた配線電極３１が裏面１２上に設けられている。本開示による空間光変調器はこの形態に限られず、例えば、貫通孔１３ごとに設けられた一またはそれ以上の配線電極３２が裏面１２上に設けられ、複数の貫通孔１３に対して共通に設けられた配線電極３１が表面１１上に設けられてもよい。その場合、導電層２１に繋がる導電層２４は一またはそれ以上の貫通孔１３ごとに分離され、導電層２３に繋がる導電層２６は複数の貫通孔１３に対して共通に設けられる。また、その場合、配線電極３１は、表面１１上において複数の貫通孔１３の間の領域を全て覆ってもよい。
【0134】
また、上記実施形態および各変形例において、光Ｌは裏面１２側から空間光変調器に入射し、表面１１側から出射しているが、光Ｌは表面１１側から空間光変調器に入射し、裏面１２側から出射してもよい。
【符号の説明】
【0135】
１Ａ～１Ｈ…空間光変調器、２…発光装置、１０…基板、１１…表面、１２…裏面、１３…貫通孔、１３ａ…内壁、２０…積層構造、２１，２４…導電層、２１ａ…表面、２２，２５，２７…誘電体層、２３，２６…導電層、２８…誘電体領域、２９…平滑層、２９ａ…表面、３１，３２…配線電極、４１…触媒金属膜、４２…凹部、５０…面発光レーザ素子、５１…接合部、５３…半導体基板、５３ａ…主面、５３ｂ…裏面、６０…半導体積層、６１…クラッド層、６２…活性層、６３…クラッド層、６４…コンタクト層、６５Ａ…フォトニック結晶層、６５Ｂ，６５Ｃ…位相変調層、６５ａ…基本層、６５ｂ…異屈折率領域、６６，６７…金属電極膜、６７ａ…開口、６８…反射防止膜、１００…基本要素、２００Ａ、２００Ｂ…基本ユニット、２２１…第１層、２２２…第２層、３００…出射領域、Ａ1，Ａ2…方向、Ｃ…中心点、Ｄ…直線、Ｇ…重心、Ｌ…光、Ｌｏｕｔ…出射光、Ｍ1，Ｍ2…レジストマスク、ＭＡ，ＭＢ…開口、Ｏ…格子点、Ｒ…単位構成領域、θ…傾斜角、φ…回転角度。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】