JP2015153979A - 半導体レーザ素子組立体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザ装置組立体は、半導体レーザ素子10、及び、半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系110から構成されており、分散補償光学系110は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する。
【選択図】 図1
Description
半導体レーザ素子、及び、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
から構成されており、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する。
1.本開示の半導体レーザ装置組立体、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の半導体レーザ装置組立体)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1〜実施例2の変形)
5.実施例4(実施例1〜実施例2の別の変形)
6.実施例5(実施例1〜実施例4の変形)
7.実施例6(実施例4の変形)
8.実施例7(実施例4の別の変形)
9.実施例8(モード同期半導体レーザ素子の説明−その1)
10.実施例9(モード同期半導体レーザ素子の説明−その2)
11.実施例10(実施例7の変形)
12.実施例11(実施例10の変形)
13.実施例12(実施例7、実施例10〜実施例11の変形)
14.実施例13(実施例7、実施例10〜実施例12の変形)
15.実施例14(実施例7、実施例10〜実施例13の変形)、その他
本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、
半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値(GVDmin<0[ピコ秒,ps]2)を与え、
最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値(GVDmin)よりも大きな群速度分散値を与える形態とすることができる。ここで、このような形態において、分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値(GVDmin)よりも大きな一定の群速度分散値(GVDconst)を、波長に依存すること無く与える構成とすることができ、この場合、一定の群速度分散値(GVDconst)は0[(ピコ秒)2]である構成とすることができるし、あるいは又、一定の群速度分散値(GVDconst)は正の値である構成とすることができる。あるいは又、このような形態において、分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値(GVDmin)よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える形態とすることができ、この場合、長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である構成とすることができる。
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、
与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい形態とすることができる。ここで、このような形態において、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える構成とすることができる。そして、このような形態において、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値(GVDconst)を、波長に依存すること無く与える構成とすることができ、この場合、一定の群速度分散値(GVDconst)は0[(ピコ秒)2]である構成とすることができるし、あるいは又、一定の群速度分散値(GVDconst)は正の値である構成とすることができる。あるいは又、このような形態において、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える形態とすることができ、この場合、長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である構成とすることができる。
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される形態とすることができる。このような形態において、外部共振器構造は分散補償光学系によって構成される。そして、この場合、系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器を更に備えている形態とすることができる。更には、これらの形態において、
分散補償光学系は、回折格子、集光手段(具体的には、レンズ)、及び、空間位相変調器から成り、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子と衝突し、
回折格子からの0次光(0次の回折光)は系外に出力され、
回折格子からの回折光(1次以上の回折光)は、集光手段を介して空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、集光手段、回折格子を介して半導体レーザ素子に戻される形態とすることができ、この場合、空間位相変調器(位相補償光学装置)は、反射型液晶表示装置から成る構成とすることができ、あるいは又、デフォーマブルミラーから成る構成とすることができ、あるいは又、複数の反射鏡から成る構成とすることができる。また、パルス圧縮器に加えて半導体光増幅器を更に備えている構成とすることができるし、パルス圧縮器に替えて、パルス圧縮器として機能する半導体光増幅器を備えている構成とすることもできる。また、分散補償光学系を、例えば、体積ホログラム回折格子から構成することもできる。
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層(活性層)、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する構成とすることができる。
バイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子は、
(a)第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層(活性層)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層上に形成された帯状の第2電極、並びに、
(c)第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を備えており、
第2電極は、発光領域を経由して第1電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第1部分と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第2部分とに、分離溝によって分離されている形態とすることができる。第1化合物半導体層は、基板や基体上に形成されている。
第3化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
井戸層の厚さは、1nm以上、10nm以下、好ましくは、1nm以上、8nm以下であり、
障壁層の不純物ドーピング濃度は、2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下、好ましくは、1×1019cm-3以上、1×1020cm-3以下である形態とすることができる。このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第3の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。活性層に量子井戸構造を採用することで、量子ドット構造を採用するよりも高い注入電流量を実現することができ、容易に高出力を得ることができる。
0<X’<1500
好ましくは、
30≦X’≦500
であることが望ましい。ここで、外部共振器は、半導体レーザ素子の第1端面と、外部共振器構造を構成する空間位相変調器によって構成され、外部共振器長さとは、半導体レーザ素子の第1端面と、空間位相変調器との間の距離である。
第2電極の幅は、0.5μm以上、50μm以下、好ましくは1μm以上、5μm以下、
リッジストライプ構造の高さは、0.1μm以上、10μm以下、好ましくは0.2μm以上、1μm以下、
第2電極を第1部分と第2部分とに分離する分離溝の幅は、1μm以上、半導体レーザ素子における共振器長(以下、単に『共振器長』と呼ぶ)の50%以下、好ましくは10μm以上、共振器長の10%以下であることが望ましい。共振器長として、0.6mmを例示することができるが、これに限定するものではない。リッジストライプ構造の両側面よりも外側に位置する第2化合物半導体層の部分の頂面から第3化合物半導体層(活性層)までの距離(D)は1.0×10-7m(0.1μm)以上であることが好ましい。距離(D)をこのように規定することによって、第3化合物半導体層の両脇(Y方向)に可飽和吸収領域を確実に形成することができる。距離(D)の上限は、閾値電流の上昇、温度特性、長期駆動時の電流上昇率の劣化等に基づき決定すればよい。尚、以下の説明において、共振器長方向をX方向とし、積層構造体の厚さ方向をZ方向とする。
(1)1つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分と、第2電極の第2部分とが、分離溝を挟んで配置されている状態
(2)1つの第2電極の第1部分と2つの第2電極の第2部分とが設けられ、第1部分の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第2部分と対向し、第1部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第2部分と対向している状態
(3)2つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2部分の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第1部分と対向し、第2部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第1部分と対向している状態(即ち、第2電極は、第2部分を第1部分で挟んだ構造)
を挙げることができる。また、広くは、
(4)N個の第2電極の第1部分と(N−1)個の第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分が第2電極の第2部分を挟んで配置されている状態
(5)N個の第2電極の第2部分と(N−1)個の第2電極の第1部分とが設けられ、第2電極の第2部分が第2電極の第1部分を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。(4)及び(5)の状態は、云い換えれば、
(4’)N個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]と(N−1)個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
(5’)N個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]と(N−1)個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。(3)、(5)、(5’)の構造を採用することで、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。
(A)基体上に、第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体を形成した後、
(B)第2化合物半導体層上に帯状の第2電極を形成し、次いで、
(C)第2電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成した後、
(D)分離溝を第2電極に形成するためのレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をウエットエッチング用マスクとして、第2電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極を第1部分と第2部分とに分離溝によって分離する、
各工程を具備した製造方法に基づき製造することができる。
ΔSPF=ΔSPL×c/(λ2)
第1化合物半導体層は、基体側から、第1クラッド層及び第1光ガイド層の積層構造を有し、
積層構造体は、第2化合物半導体層、第3化合物半導体層(活性層)、及び、第1光ガイド層の厚さ方向の一部分から構成されたリッジストライプ構造を有し、
第1光ガイド層の厚さをt1、リッジストライプ構造を構成する第1光ガイド層の部分の厚さをt1’としたとき、
6×10-7m<t1
好ましくは、
8×10-7m≦t1
を満足し、
0(m)<t1’≦0.5・t1
好ましくは、
0(m)<t1’≦0.3・t1
を満足する形態とすることが好ましい。このような形態の半導体光増幅器を、便宜上、『第1の構成の半導体光増幅器』と呼ぶ。このように、第1光ガイド層の厚さt1を規定することで、光閉込め係数を低くすることができ、また、光場強度分布のピークが第3化合物半導体層(活性層)から第1光ガイド層へと移動する結果、高出力動作時に第3化合物半導体層付近の光密度を低下させることができ、光学的損傷を防ぐことができるだけでなく、半導体光増幅器において、増幅レーザ光の飽和エネルギーが増大し、高出力化の達成を図ることができる。しかも、リッジストライプ構造を構成する第1光ガイド層の部分の厚さt1’を規定することで、出力される光ビームの単一モード化を達成することができる。また、スラブ導波路の幅と第1光ガイド層の厚さが同程度となる結果、真円に近い光ビーム断面形状を得ることができ、レンズや光ファイバを用いる応用において集光特性が劣化する等の弊害が生じることが無い。あるいは又、リッジストライプ構造の幅(例えば、光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅)をWとしたとき、
0.2×W<t1<1.2×W
好ましくは、
0.2×W<t1≦W
の関係を満足することが好ましい。尚、
t1≦3×10-6m
を満足することが望ましい。第1ガイド層の厚さt1を3×10-6m以下とする結晶成長を行えば、結晶成長表面モホロジーが荒れることが無く、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の特性や電気特性が劣化することを防止し得る。
0.2≦LBY/LBX≦1.2
好ましくは、
0.2≦LBY/LBX≦1.0
を満足することが望ましい。更には、積層構造体の光出射端面において、リッジストライプ構造の厚さ方向に沿った、積層構造体における活性層中心点から、積層構造体から出力される光ビームの中心点までの距離YCCは、
t1’≦YCC≦t1
好ましくは、
t1’≦YCC≦0.5・t1
を満足することが望ましい。
0.01≦nHR−nG-1≦0.1
好ましくは、
0.03≦nHR−nG-1≦0.1
を満足する形態とすることができる。第3化合物半導体層(活性層)を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をnAcとしたとき、
nHR≦nAc
を満足することが好ましい。更には、第2化合物半導体層は、基体側から、第2光ガイド層及び第2クラッド層の積層構造を有し、第1光ガイド層の厚さは、第2光ガイド層の厚さよりも厚い形態とすることができる。
積層構造体は、少なくとも第2化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されたリッジストライプ構造を有し、
第1化合物半導体層は、0.6μmを超える厚さ(厚さの上限値として、例えば、10μmを例示することができる)を有し、
第1化合物半導体層内には、第1化合物半導体層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている形態とすることができる。このような形態の半導体光増幅器を、便宜上、『第2の構成の半導体光増幅器』と呼ぶ。
第1化合物半導体層は、基体側から、第1クラッド層及び第1光ガイド層の積層構造を有し、
第1光ガイド層は、0.6μmを超える厚さを有し、
高屈折率層は、第1光ガイド層の内部に形成されている形態とすることができる。即ち、このような形態にあっては、第1光ガイド層は、基体側から、第1光ガイド層の第1の部分、高屈折率層、第1光ガイド層の第2の部分が積層された構成を有する。ここで、第1光ガイド層の第1の部分を、便宜上、『第1−A光ガイド層』と呼び、第1光ガイド層の第2の部分を、便宜上、『第1−B光ガイド層』と呼ぶ。
0<nHR−nG-1≦0.3
好ましくは、
0.02≦nHR−nG-1≦0.2
を満足する形態とすることができる。第3化合物半導体層(活性層)を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をnAcとしたとき、
nHR≦nAc
を満足することが好ましい。
3×100≦LBY/LBX≦1×103
好ましくは、
1×101≦LBY/LBX≦1×102
を満足することが望ましい。更には、積層構造体の光出射端面において、リッジストライプ構造の厚さ方向に沿った、積層構造体における活性層中心点から、積層構造体から出力される光ビームの中心点までの距離YCCは、
0m<YCC≦(第1光ガイド層の厚さ)
好ましくは、
0m<YCC≦(第1−B光ガイド層の厚さ)
を満足することが望ましい。更には、第2化合物半導体層は、基体側から、第2光ガイド層及び第2クラッド層の積層構造を有し、第1光ガイド層の厚さは、第2光ガイド層の厚さよりも厚い形態とすることができる。
Δn=n2|E(t)|2 (1)
ここで、n2は非線形屈折率であり、E(t)は入射パルスの電場である。
半導体レーザ素子(具体的には、モード同期半導体レーザ素子)10、及び、
半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系110、
から構成されており、
分散補償光学系110は、半導体レーザ素子10から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する。
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型(実施例においては、n型導電型)を有する第1化合物半導体層30、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層(活性層)40、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型(実施例においては、p型導電型)を有する第2化合物半導体層50、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する。第1化合物半導体層30は、基体(具体的には、基板21)上に形成されている。
(a)第1導電型(実施例においては、n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層)40、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(実施例においては、p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層50上に形成された帯状の第2電極62、並びに、
(c)第1化合物半導体層30に電気的に接続された第1電極61、
を備えている。
デバイスサイズ:16mm×12mm
ピクセル数 :800×600ピクセル
ピクセルサイズ:20×20μm
a=f・(m−1)
b=f・(m−1)/m
d=f−b
となる。
dG×{sin(α)+sin(β)}=m・λ (A)
θB=(α+β)/2
となる。また、このときの波長をブレーズ波長いい、λBと表すと、
λB={2dG/m}sin(θB)・cos(α−θB)
となる。
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層30、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層(活性層)40、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型と異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層50、
が、順次、基体上に積層されて成る積層構造体、
第2化合物半導体層50上に形成された第2電極62、並びに、
第1化合物半導体層30に電気的に接続された第1電極61、
を備えている。第1化合物半導体層30は、基体(具体的には、基板21)上に形成されている。
第2化合物半導体層50
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)54
p型GaN(Mgドープ)/AlGaN超格子クラッド層53
p型AlGaN電子障壁層(Mgドープ)52
ノンドープGaInN光ガイド層51
第3化合物半導体層40
GaInN量子井戸活性層
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層30
n型GaNクラッド層32
n型AlGaNクラッド層31
但し、
井戸層(2層) 8nm ノン・ドープ
障壁層(3層) 14nm Siドープ
f=c/(2n・X’)
(1)第2化合物半導体層50をエッチングするときのエッチング用マスクとしての機能を有すること。
(2)第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化を生じさせることなく、第2電極62はウエットエッチング可能であること。
(3)第2化合物半導体層50上に成膜したとき、10-2Ω・cm2以下のコンタクト比抵抗値を示すこと。
(4)積層構造とする場合、下層金属層を構成する材料は、仕事関数が大きく、第2化合物半導体層50に対して低いコンタクト比抵抗値を示し、しかも、ウエットエッチング可能であること。
(5)積層構造とする場合、上層金属層を構成する材料は、リッジストライプ構造を形成する際のエッチングに対して(例えば、RIE法において使用されるCl2ガス)に対して耐性があり、しかも、ウエットエッチング可能であること。
先ず、基体上、具体的には、n型GaN基板21の(0001)面上に、周知のMOCVD法に基づき、第1導電型(n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層)40、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体を形成する(図26A参照)。
その後、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成する。具体的には、真空蒸着法に基づきPd層63を全面に成膜した後(図26B参照)、Pd層63上に、フォトリソグラフィ技術に基づき帯状のエッチング用レジスト層を形成する。そして、王水を用いて、エッチング用レジスト層に覆われていないPd層63を除去した後、エッチング用レジスト層を除去する。こうして、図27Aに示す構造を得ることができる。リフトオフ法に基づき、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成してもよい。
次いで、第2電極62をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして(具体的には、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして)、リッジストライプ構造を形成する。具体的には、Cl2ガスを用いたRIE法に基づき、第2電極62をエッチング用マスクとして用いて、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングする。こうして、図27Bに示す構造を得ることができる。このように、帯状にパターニングされた第2電極62をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジストライプ構造を形成するので、第2電極62とリッジストライプ構造との間に合わせずれが生じることがない。
その後、分離溝を第2電極62に形成するためのレジスト層64を形成する(図28参照)。参照番号65は、分離溝を形成するために、レジスト層64に設けられた開口部である。次いで、レジスト層64をウエットエッチング用マスクとして、第2電極62に分離溝62Cをウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極62を第1部分62Aと第2部分62Bとに分離溝62Cによって分離する。具体的には、王水をエッチング液として用い、王水に約10秒、全体を浸漬することで、第2電極62に分離溝62Cを形成する。そして、その後、レジスト層64を除去する。こうして、図2及び図3に示す構造を得ることができる。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化が生じることがない。それ故、モード同期半導体レーザ素子の発光特性に劣化が生じることがない。尚、ドライエッチング法を採用した場合、第2化合物半導体層50の内部損失αiが増加し、閾値電圧が上昇したり、光出力の低下を招く虞がある。ここで、第2電極62のエッチングレートをER0、積層構造体のエッチングレートをER1としたとき、
ER0/ER1≒1×102
である。このように、第2電極62と第2化合物半導体層50との間に高いエッチング選択比が存在するが故に、積層構造体をエッチングすること無く(あるいは、エッチングされても僅かである)、第2電極62を確実にエッチングすることができる。ER0/ER1≧1×10、好ましくは、ER0/ER1≧1×102を満足することが望ましい。
その後、n側電極の形成、基板の劈開等を行い、更に、パッケージ化を行うことで、モード同期半導体レーザ素子10を作製することができる。
実施例9 参考例8
井戸層 8nm 10.5nm
障壁層 12nm 14nm
井戸層の不純物ドーピング濃度 ノン・ドープ ノン・ドープ
障壁層の不純物ドーピング濃度 Si:2×1018cm-3 ノン・ドープ
6×10-7m<t1
好ましくは、
8×10-7m≦t1
を満足し、
0(m)<t1’≦0.5・t1
好ましくは、
0(m)<t1’≦0.3・t1
を満足する。具体的には、実施例11にあっては、
t1 =1.25μm
t1’=0.15μm
とした。また、リッジストライプ構造75の長さ及び幅を、それぞれ、1.0mm、1.6μmとした。
第2化合物半導体層72
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)74
第2クラッド層(p型Al0.05Ga0.95N層(Mgドープ))72C
第2光ガイド層(p型Al0.01Ga0.99N層(Mgドープ))72B
p型Al0.20Ga0.80N電子障壁層(Mgドープ)72A
活性層73
GaInN量子井戸活性層73
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層71
第1光ガイド層(n型GaN層)71B
第1クラッド層(n型Al0.03Ga0.97N層)71A
但し、
井戸層(2層):10nm[ノン・ドープ]
障壁層(3層):12nm[ドーピング濃度(Si):2×1018cm-3]
2つの凹部81によって挟まれた基体70の領域82の上の第1光ガイド層の厚さをt1、積層構造体の総厚をTTotal、凹部81の深さをDとしたとき、
6×10-7m<t1
好ましくは、
8×10-7m≦t1
を満足し、
(TTotal−0.5・t1)≦D≦TTotal
好ましくは、
(TTotal−0.3・t1)≦D≦TTotal
を満足する。具体的には、実施例12にあっては、
t1 =1.25μm
TTotal=4.1μm
D =3.7μm
とした。また、凹部81の幅を20μm、2つの凹部81によって挟まれた基体70の領域82の幅を1.5μmとした。
0.01≦nHR−nG-1≦0.1
を満足し、
nHR≦nAc
を満足している。具体的には、
nHR =2.547
nG-1=2.520
nAc =2.620
である。
0<nHR−nG-1≦0.3
好ましくは、
0.02≦nHR−nG-1≦0.2
を満足し、
nHR≦nAc
を満足している。具体的には、
nHR =2.547
nG-1=2.520
nAc =2.620
である。
第2化合物半導体層92
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)94
第2クラッド層(p型Al0.05Ga0.95N層(Mgドープ))92C
第2光ガイド層(p型Al0.01Ga0.99N層(Mgドープ))92B
p型Al0.20Ga0.80N電子障壁層(Mgドープ)92A
活性層93
GaInN量子井戸活性層93
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層91
第1−B光ガイド層(n型GaN光)91B2
高屈折率層(n型In0.02Ga0.98N高屈折率層)99
第1−A光ガイド層(n型GaN層)91B1
第1クラッド層(n型Al0.03Ga0.97N層)91A
但し、
井戸層(2層):10nm[ノン・ドープ]
障壁層(3層):12nm[ドーピング濃度(Si):2×1018cm-3]
0<θ≦10(度)
好ましくは、
0<θ≦6(度)
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートをされた第2端面の反射率を、より0%の理想値に近づけることができ、その結果、モード同期半導体レーザ素子内で周回してしまうレーザ光の発生を防ぐことができ、メインのレーザ光に付随する副次的なレーザ光の生成を抑制できるといった利点を得ることができる。
[A01]《半導体レーザ装置組立体》
半導体レーザ素子、及び、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
から構成されており、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する半導体レーザ素子組立体。
[A02]分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える[A01]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A03]分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値を、波長に依存すること無く与える[A02]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A04]一定の群速度分散値は0[(ピコ秒)2]である[A03]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A05]一定の群速度分散値は正の値である[A03]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A06]分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える[A02]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A07]長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である[A06]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A08]分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、
与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい[A01]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A09]分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える[A08]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A10]分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値を、波長に依存すること無く与える[A09]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A11]一定の群速度分散値は0[(ピコ秒)2]である[A10]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A12]一定の群速度分散値は正の値である[A10]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A13]分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える[A08]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A14]長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である[A13]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A15]半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[A16]系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器を更に備えている[A15]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[A17]分散補償光学系は、回折格子、集光手段、及び、空間位相変調器から成り、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子と衝突し、
回折格子からの0次光は系外に出力され、
回折格子からの回折光は、集光手段を介して空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、集光手段、回折格子を介して半導体レーザ素子に戻される[A15]又は[A16]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[A18]空間位相変調器は反射型液晶表示装置から成る[A17]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A19]空間位相変調器はデフォーマブルミラーから成る[A17]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A20]空間位相変調器は複数の反射鏡から成る[A17]に記載の半導体レーザ素子組立体。
[A21]半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子から成る[A01]乃至[A20]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[A22]モード同期半導体レーザ素子は、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する[A21]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B01]系外に出力されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器を更に備えている[A01]乃至[A22]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B02]半導体光増幅器は、III−V族窒化物系半導体層の積層構造体あるいはワイドギャップ半導体層の積層構造体から成る[B01]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B03]半導体光増幅器へ入射するレーザ光のパルス時間幅をτ1、半導体光増幅器から出力されるレーザ光のパルス時間幅をτ2としたとき、τ1>τ2であり、且つ、半導体光増幅器の駆動電流値が高い程、τ2の値が小さくなる[B01]又は[B02]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B04]半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光スペクトル幅は4.5THz以上である[B01]乃至[B03]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B05]半導体光増幅器の駆動電流密度は5×103アンペア/cm2以上である[B01]乃至[B04]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B06]半導体光増幅器の光閉込め係数は3%以下である[B01]乃至[B05]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B07]半導体光増幅器へ入射するレーザ光の光スペクトル幅に対して、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光スペクトル幅が、2.5THz以上増加する[B01]乃至[B06]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B08]モード同期半導体レーザ素子は、ピークパワーの光密度が1×1010ワット/cm2以上であり、且つ、キャリア密度が1×1019/cm3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子である[B01]乃至[B07]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B09]半導体光増幅器に入射するレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−60dB以下である[B01]乃至[B08]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B10]モード同期半導体レーザ素子は、レーザ光の繰返し周波数が1GHz以下である[B01]乃至[B09]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B11]分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光に対して光スペクトルを整形する光スペクトル整形手段を更に備えており、整形後のレーザ光が半導体光増幅器に入射する[B01]乃至[B10]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B12]光スペクトル整形手段は、誘電多層膜から構成されたバンドパスフィルタから成り、
分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光は、バンドパスフィルタを複数回、通過する[B11]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B13]バンドパスフィルタは、単一の二分の一波長共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器から成る[B12]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B14]バンドパスフィルタは、複数の二分の一波長共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器から成る[B12]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[B15]バンドパスフィルタは、二分の一波長の整数倍の共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器から成る[B12]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C01]《第1の構成の半導体光増幅器》
分散補償光学系において、
第1化合物半導体層は、基体側から、第1クラッド層及び第1光ガイド層の積層構造を有し、
積層構造体は、第2化合物半導体層、第3化合物半導体層、及び、第1光ガイド層の厚さ方向の一部分から構成されたリッジストライプ構造を有し、
第1光ガイド層の厚さをt1、リッジストライプ構造を構成する第1光ガイド層の部分の厚さをt1’としたとき、
6×10-7m<t1
0(m)<t1’≦0.5・t1
を満足する[B01]乃至[B15]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C02]t1≦3×10-6m
を満足する[C01]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C03]半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する[C01]又は[C02]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C04]積層構造体の光出射端面から出射された光ビームのリッジストライプ構造の幅方向の寸法をLBX、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をLBYとしたとき、
0.2≦LBY/LBX≦1.2
を満足する[C01]乃至[C03]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C05]積層構造体の光出射端面において、リッジストライプ構造の厚さ方向に沿った、積層構造体における活性層中心点から、積層構造体から出射される光ビームの中心点までの距離YCCは、
t1’≦YCC≦t1
を満足する[C01]乃至[C04]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C06]第1光ガイド層内には、第1光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている[C01]乃至[C05]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C07]第1光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率をnG-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をnHRとしたとき、
0.01≦nHR−nG-1≦0.1
を満足する[C06]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[C08]第2化合物半導体層は、基体側から、第2光ガイド層及び第2クラッド層の積層構造を有し、
第1光ガイド層の厚さは、第2光ガイド層の厚さよりも厚い[C01]乃至[C07]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[D01]《第2の構成の半導体光増幅器》
分散補償光学系において、
積層構造体は、少なくとも第2化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されたリッジストライプ構造を有し、
第1化合物半導体層は、0.6μmを超える厚さを有し、
第1化合物半導体層内には、第1化合物半導体層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている[B01]乃至[B15]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[D02]第1化合物半導体層は、基体側から、第1クラッド層及び第1光ガイド層の積層構造を有し、
第1光ガイド層は、0.6μmを超える厚さを有し、
高屈折率層は、第1光ガイド層の内部に形成されている[D01]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[D03]活性層と第1光ガイド層との界面から、活性層側に位置する第1光ガイド層の部分と高屈折率層との界面までの距離は、0.25μm以上である[D02]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[D04]第1光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率をnG-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をnHRとしたとき、
0<nHR−nG-1≦0.3
を満足する[D02]又は[D03]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[D05]半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する[D01]乃至[D04]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[D06]第2化合物半導体層は、基体側から、第2光ガイド層及び第2クラッド層の積層構造を有し、
第1光ガイド層の厚さは、第2光ガイド層の厚さよりも厚い[D01]乃至[D05]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
Claims (17)
- 半導体レーザ素子、及び、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
から構成されており、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する半導体レーザ素子組立体。 - 分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える請求項1に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値を、波長に依存すること無く与える請求項2に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 一定の群速度分散値は0[(ピコ秒)2]である請求項3に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 一定の群速度分散値は正の値である請求項3に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える請求項2に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である請求項6に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、
与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい請求項1に記載の半導体レーザ素子組立体。 - 分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える請求項8に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。 - 系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器を更に備えている請求項10に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 分散補償光学系は、回折格子、集光手段、及び、空間位相変調器から成り、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子と衝突し、
回折格子からの0次光は系外に出力され、
回折格子からの回折光は、集光手段を介して空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、集光手段、回折格子を介して半導体レーザ素子に戻される請求項10に記載の半導体レーザ装置組立体。 - 空間位相変調器は反射型液晶表示装置から成る請求項12に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 空間位相変調器はデフォーマブルミラーから成る請求項12に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 空間位相変調器は複数の反射鏡から成る請求項12に記載の半導体レーザ素子組立体。
- 半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子から成る請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。
- モード同期半導体レーザ素子は、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する請求項16に記載の半導体レーザ装置組立体。
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