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JP2015153979A - 半導体レーザ素子組立体 - Google Patents

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俊介 河野
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倫太郎 幸田
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Abstract

【課題】より一層超短パルスのレーザ光を出力し得る構成、構造を有する半導体レーザ装置組立体を提供する。
【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

本開示は、半導体レーザ素子組立体、具体的には、半導体レーザ素子及び分散補償光学系を備えた半導体レーザ装置組立体に関する。
時間幅がピコ秒やフェムト秒のオーダーにあるパルス状のレーザ光を発生するレーザ装置は、超短光パルスレーザ装置と呼ばれている。尚、以下の説明において、特段の断りが無い限り、「レーザ光」はパルス状のレーザ光を意味する。そして、このようなレーザ装置が発生するレーザ光は、極限的に短い時間に光のエネルギーが集中するため、連続レーザ光では得られない高い尖塔パワー(ピークパワー)を示す。高いピークパワーのレーザ光は物質と非線形な相互作用を示し、通常の連続レーザ光では実現できなかった応用が可能となる。その1つが非線形光学効果の応用であり、具体例として、多光子吸収効果による3次元顕微測定や微細加工を挙げることができる。
これまで、超短光パルスレーザ装置として、チタン/サファイア・レーザ装置に代表される固体レーザ装置が主に用いられてきた。従来の固体レーザ装置は1m前後の共振器を用いることが多く、装置が大掛かりとなる。また、励起に連続レーザ光を発振する別の固体レーザ装置を必要とし、エネルギー効率が必ずしも高くない。しかも、大型の共振器は機械的な安定を図ることが容易ではなく、メンテナンスの上で専門的な知識が必要とされる。
このような固体レーザ装置の欠点を補う超短光パルスレーザ装置として、半導体を利得媒質として用いる半導体レーザ素子が開発されている。半導体を用いることで、共振器の小型化を容易に図ることができる。また、小型化によって機械的な安定性が容易に達成できるため、高い技術を必要とするメンテナンスも軽減することができる。しかも、電流注入によって半導体を直接励起できるため、エネルギー効率にも優れている。
パルス当たりのエネルギーが同じである場合、レーザ光のピークパワーは、パルス時間幅が狭いほど高く、目的とする非線形現象がより顕著に発現される。従って、超短光パルス光源の性能指標の1つとして、狭いパルス時間幅を挙げることができる。受動モード同期のチタン/サファイア・レーザ装置では、10フェムト秒程度のパルス時間幅を有するレーザ光を発生するものが市販されている。これに対して、受動モード同期半導体レーザ素子では、電流注入型の量子井戸レーザのパルス時間幅は1ピコ秒乃至2ピコ秒程度が一般的である。しかしながら、半導体レーザ素子は、利得帯域が十分に広いため、サブピコ秒のレーザ光を発生させる能力を潜在的に有している。
特開2013−105813には、2電極型GaInN半導体レーザ素子から成るモード同期半導体レーザ素子と、分散補償光学系とを備えた半導体レーザ装置組立体が開示されている。そして、分散補償光学系によって適切な群速度分散を与えることで適切な光スペクトル幅が得られ、サブピコ秒台のレーザ光を発生させることができる。このような特性は、自己位相変調と適切な群速度分散とが共振器内で相互作用するときに見られるソリトンモード同期の特徴に類似しており、発生するレーザ光のパルス時間幅をサブピコ秒(例えば、200フェムト秒)程度まで狭くする方法として極めて有効である。
特開2013−105813
ところで、フェムト秒光パルスを得るには、モード同期半導体レーザ素子から出力されるレーザ光に対して適切なスペクトルフィルタリングを行う必要がある。然るに、その結果、モード同期半導体レーザ素子から出力される全エネルギーの内、パルス時間幅200フェムト秒のパルス成分は約10%に留まる。また、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光の光スペクトル広がりは、立ち上がりにおいて約4nmにも達する。光スペクトルの半値全幅が約1.1nmであるが故にパルス時間幅は200フェムト秒程度である。しかしながら、光スペクトル制御を適切に行って光スペクトルの半値全幅を広げることで、パルス時間幅が200フェムト秒以下のレーザ光を発生させることが可能である。
従って、本開示の目的は、より一層超短パルスのレーザ光を出力し得る構成、構造を有する半導体レーザ装置組立体を提供することにある。
上記の目的を達成するための本開示の半導体レーザ装置組立体は、
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。
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の波長毎に群速度分散値が分散補償光学系によって制御されるので、半導体レーザ装置組立体から最終的に出射されるレーザ光の光スペクトルが整形される。その結果、パルス時間幅200フェムト秒以下のパルス状のレーザ光、例えば、100フェムト秒以下のパルス状のレーザ光を発生させることができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。
図1は、実施例1の半導体レーザ装置組立体の概念図である。 図2は、実施例1におけるモード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。 図3は、実施例1におけるモード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向と直角方向に沿った模式的な断面図である。 図4は、実施例1の半導体レーザ装置組立体の変形例の概念図である。 図5は、実施例1の分散補償光学系の原理を説明する図である。 図6Aは、実施例1の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図6Bは、図6Aに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を2回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。 図7は、図6Bに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。 図8Aは、実施例2の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図8Bは、図8Aに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を2回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。 図9は、図8Bに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。 図10Aは、実施例3の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図10Bは、図10Aに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を2回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。 図11は、図10Bに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。 図12Aは、実施例4の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図12Bは、図12Aに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を2回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。 図13は、図12Bに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。 図14Aは、比較例1の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図14Bは、図14Aに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を2回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。 図15は、図14Bに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。 図16A及び図16Bは、実施例5の半導体レーザ装置組立体の概念図である。 図17は、回折格子圧縮器の概念図である。 図18は、光スペクトル整形手段及び半導体光増幅器を備えた実施例10の半導体レーザ装置組立体の概念図である。 図19は、実施例11における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。 図20は、実施例12における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。 図21は、実施例13における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。 図22は、実施例14における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。 図23は、実施例1のモード同期半導体レーザ素子の変形例の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。 図24は、実施例1のモード同期半導体レーザ素子の別の変形例の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。 図25は、実施例1のモード同期半導体レーザ素子の更に別の変形例におけるリッジストライプ構造を上方から眺めた模式図である。 図26A及び図26Bは、実施例のモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。 図27A及び図27Bは、図26Bに引き続き、実施例のモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。 図28は、図27Bに引き続き、実施例のモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部端面図である。 図29は、特開2013−105813に開示された従来の半導体レーザ装置組立体の概念図である。 図30A並びに図30Bは、それぞれ、図29に示した従来の半導体レーザ装置組立体によって得られるパルス状のレーザ光をスペクトルフィルタリングした後のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す図、並びに、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されたパルス状のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す図である。 図31は、図29に示した従来の半導体レーザ装置組立体から出力されたパルス状のレーザ光の相互相関波形及び光スペクトルを示す図である。 図32は、パルス状のレーザ光の指数関数的に遅い減衰の特性を調べるための測定装置の概念図である。 図33は、図32の測定装置を用いて得られた相互相関波形及び光スペクトルを示す図である。 図34Aは、図33に示したスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を纏めたグラフであり、図34Bは、従来の半導体レーザ装置組立体において分散補償光学系を通過させることによって生じるスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を計算した結果を示すグラフである。 図35は、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるパルス状のレーザ光を一定のスペクトル幅でスペクトルフィリタリングした後のパルス状のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す図である。 図36は、図35に示したパルス状のレーザ光の特性を時間帯域幅積としてグラフ化したものである。 図37は、緩和時間が自己位相変調によって周波数シフトに与える影響を数値計算によって考察した結果を示す図である。 図38は、図37の(b)及び(c)のそれぞれの場合に関して、屈折率の時間変化、及び、それに伴うパルス内の位相の時間変化、更には、周波数シフトの時間変化を示す図である。 図39は、図38の(c−3)に示した周波数シフトの時間変化の拡大図である。 図40は、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるパルス状のレーザ光の強度自己相関波形及び圧縮後の強度自己相関波形を示す図である。 図41は、回折格子の模式的な一部断面図である。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
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、全般に関する説明]
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。
あるいは又、本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、
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。
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、
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。
回折格子は、上記のとおり、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の内、1次以上の回折光を分散補償光学系に入射させ、0次の回折光を系外へ出力する構成とすることができる。ここで、半導体レーザ素子と回折格子との間に、半導体レーザ素子からのレーザ光を平行光束とするためのコリメート手段(具体的には、レンズ)を配してもよい。回折格子に入射(衝突)するレーザ光の中に含まれる回折格子における格子状のパターンの本数として、1200本/mm乃至3600本/mm、望ましくは2400本/mm乃至3600本/mmを例示することができる。
空間位相変調器(位相補償光学装置)を空間光位相変調器(Spatial Light Modulator,SLM)である反射型液晶表示装置(具体的には、例えば、LCOS,Liquid Crystal On Silicon)から構成する場合、例えば、平行に配向されたネマチック液晶層に電圧を印加することで液晶分子の配向状態を変える。これによって、液晶層の屈折率が変化する結果、液晶層においてレーザ光を変調することができ、レーザ光の光強度や偏光状態を変えること無く、位相のみを変調することができる。ところで、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する。空間位相変調器は、集光手段の焦点位置、即ち、フーリエ面に位置する。そして、回折格子からの回折光の出射角はレーザ光の波長に依存するが故に、空間位相変調器への入射位置はレーザ光の波長に依存する。従って、空間位相変調器の各領域(ピクセル)に適切な電圧を印加することで、空間位相変調器の各領域(ピクセル)における位相を変調し、空間位相変調器に入射し、出射するレーザ光の位相を変調することができる結果、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
空間位相変調器をデフォーマブルミラーといった波面補償素子から構成する場合、MEMS技術に基づき作製されたアクチュエータを作動させることによってデフォーマブルミラーの光反射面の形状を制御することで、また、空間位相変調器を複数の反射鏡から構成する場合、回折格子から各反射鏡までの空間的な距離を制御することで、回折格子から出射され、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、回折格子に再び入射するレーザ光が通過する空間的な距離を、レーザ光の波長に依存して変化させることができる結果、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、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構成とすることができる。尚、従来の光励起型のモード同期半導体レーザ素子では発振特性を制御するのに半導体可飽和吸収体(SESAME)の温度特性を利用するが、可飽和吸収領域を有する形態にあっては、可飽和吸収領域への逆バイアス電圧Vsaに基づき発振特性を制御することができるので、発振特性の制御が容易である。そして、この場合、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(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。
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体(以下、これらを総称して、単に『本開示の半導体レーザ装置組立体等』と呼ぶ場合がある)において、モード同期半導体レーザ素子は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とを並置したバイ・セクション(Bi Section)型のモード同期半導体レーザ素子から成り、
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。
そして、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、第2電極と第1電極との間の電気抵抗値の1×10倍以上、好ましくは1×102倍以上、より好ましくは1×103倍以上であることが望ましい。このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第1の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。あるいは又、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、1×102Ω以上、好ましくは1×103Ω以上、より好ましくは1×104Ω以上であることが望ましい。このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第2の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。
第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第2電極の第1部分から発光領域を経由して第1電極に直流電流を流して順バイアス状態とし、第1電極と第2電極の第2部分との間に電圧(逆バイアス電圧Vsa)を印加することによって可飽和吸収領域に電界を加えることで、モード同期動作させることができる。
このような第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値を、第2電極と第1電極との間の電気抵抗値の10倍以上とし、あるいは又、1×102Ω以上とすることで、第2電極の第1部分から第2部分への漏れ電流の流れを確実に抑制することができる。即ち、可飽和吸収領域(キャリア非注入領域)へ印加する逆バイアス電圧Vsaを高くすることができるため、パルス時間幅のより短いレーザ光を有するモード同期動作を実現できる。そして、第2電極の第1部分と第2部分との間のこのような高い電気抵抗値を、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だけで達成することができる。
また、第1の構成及び第2の構成のモード同期半導体レーザ素子において、限定するものではないが、
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。
このように、第3化合物半導体層を構成する井戸層の厚さを1nm以上、10nm以下と規定し、更には、第3化合物半導体層を構成する障壁層の不純物ドーピング濃度を2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下と規定することで、即ち、井戸層の厚さを薄くし、しかも、第3化合物半導体層のキャリアの増加を図ることで、ピエゾ分極の影響を低減させることができ、パルス時間幅が短く、サブパルス成分の少ない単峰化されたレーザ光を発生させ得るレーザ光源を得ることができる。また、低い逆バイアス電圧Vsaでモード同期駆動を達成することが可能となるし、外部信号(電気信号及び光信号)と同期が取れたレーザ光のパルス列を発生させることが可能となる。障壁層にドーピングされた不純物はシリコン(Si)である構成することができるが、これに限定するものではなく、その他、酸素(O)とすることもできる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、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、好ましくは1.4×1010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形態とすることができる。このように、モード同期半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のピークパワーの光密度を規定し、しかも、モード同期半導体レーザ素子におけるキャリア密度の値を規定することで、高い光パワー密度及び高いキャリア密度において自己位相変調を発生させ、これに対して適切な群速度分散値を与えることでサブピコ秒台のレーザ光を確実に発生させることができる。しかも、このようなサブピコ秒台のレーザ光といったパルス時間幅の狭隘化に加えて、モード同期半導体レーザ素子を電流注入型とすることで、光励起型のモード同期半導体レーザ素子に比較してエネルギー効率が高いといった利点を有する。
半導体レーザ素子は、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造(SCH構造、Separate Confinement Heterostructure)を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。あるいは又、斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。即ち、半導体レーザ素子の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成とすることができる。ここで、所定の角度θとして、0.1度≦θ≦10度を例示することができる。リッジストライプ構造の軸線とは、光出射端面(便宜上、『第2端面』と呼ぶ場合がある)におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、光出射端面(第2端面)とは反対側の積層構造体の端面(便宜上、『第1端面』と呼ぶ場合がある)におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。また、半導体レーザ素子の軸線とは、第1端面及び第2端面に直交する軸線を指す。リッジストライプ構造の平面形状は、直線状であってもよいし、湾曲していてもよい。
あるいは又、半導体レーザ素子において、第2端面におけるリッジストライプ構造の幅をW2、第1端面におけるリッジストライプ構造の幅をW1としたとき、W1=W2であってもよいし、W2>W1としてもよい。W2は5μm以上である形態とすることができ、W2の上限値として、限定するものではないが、例えば、4×102μmを例示することができる。また、W1は1.4μm乃至2.0μmである形態とすることができる。リッジストライプ構造の各端部は、1本の線分から構成されていてもよいし、2本以上の線分から構成されていてもよい。前者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第1端面から第2端面に向かって、単調に、テーパー状に緩やかに広げられる構成することができる。一方、後者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第1端面から第2端面に向かって、先ず同じ幅であり、次いで、単調に、テーパー状に緩やかに広げられ、あるいは又、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第1端面から第2端面に向かって、先ず広げられ、最大幅を超えた後、狭められる構成とすることができる。
半導体レーザ素子にあっては、レーザ光ビーム(パルス状のレーザ光)が出射される積層構造体の第2端面の光反射率は0.5%以下であることが好ましい。具体的には、第2端面には低反射コート層が形成されている構成とすることができる。ここで、低反射コート層は、例えば、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも2種類の層の積層構造から成る。尚、この光反射率の値は、従来の半導体レーザ素子においてレーザ光ビーム(パルス状のレーザ光)が出射される積層構造体の一端面の光反射率(通常、5%乃至10%)よりも格段に低い値である。また、第1端面は、高い光反射率、例えば、反射率85%以上、好ましくは反射率95%以上の高い反射率を有することが好ましい。
外部共振器における外部共振器長さ(X’,単位:mm)の値は、
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。
半導体レーザ素子において、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するが、このリッジストライプ構造は、第2化合物半導体層のみから構成されていてもよいし、第2化合物半導体層及び第3化合物半導体層(活性層)から構成されていてもよいし、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化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されていてもよい。
半導体レーザ素子において、限定するものではないが、
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。
更には、半導体レーザ素子において、第2電極は、パラジウム(Pd)単層、ニッケル(Ni)単層、白金(Pt)単層、パラジウム層が第2化合物半導体層に接するパラジウム層/白金層の積層構造、又は、パラジウム層が第2化合物半導体層に接するパラジウム層/ニッケル層の積層構造から成る形態とすることができる。尚、下層金属層をパラジウムから構成し、上層金属層をニッケルから構成する場合、上層金属層の厚さを、0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上とすることが望ましい。あるいは又、第2電極を、パラジウム(Pd)単層から成る構成とすることが好ましく、この場合、厚さを、20nm以上、好ましくは50nm以上とすることが望ましい。あるいは又、第2電極を、パラジウム(Pd)単層、ニッケル(Ni)単層、白金(Pt)単層、又は、下層金属層が第2化合物半導体層に接する下層金属層と上層金属層の積層構造(但し、下層金属層は、パラジウム、ニッケル及び白金から成る群から選択された1種類の金属から構成され、上層金属層は、後述する工程(D)において第2電極に分離溝を形成する際のエッチングレートが、下層金属層のエッチングレートと同じ、あるいは同程度、あるいは、下層金属層のエッチングレートよりも高い金属から構成されている)から成る構成とすることが好ましい。また、後述する工程(D)において第2電極に分離溝を形成する際のエッチング液を、王水、硝酸、硫酸、塩酸、又は、これらの酸の内の少なくとも2種類の混合液(具体的には、硝酸と硫酸の混合液、硫酸と塩酸の混合液)とすることが望ましい。
以上に説明した好ましい構成、形態を含む第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域の長さは発光領域の長さよりも短い構成とすることができる。あるいは又、第2電極の長さ(第1部分と第2部分の総計の長さ)は第3化合物半導体層(活性層)の長さよりも短い構成とすることができる。第2電極の第1部分と第2部分の配置状態として、具体的には、
(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。
モード同期半導体レーザ素子は、例えば、以下の方法で製造することができる。即ち、
(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。
そして、このような製造方法を採用することで、即ち、帯状の第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するので、即ち、パターニングされた第2電極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。また、第2電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成する。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化合物半導体層に光学的、電気的特性の劣化が生じることを抑制することができる。それ故、発光特性に劣化が生じることを、確実に防止することができる。
工程(C)にあっては、第2化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよいし、第2化合物半導体層を厚さ方向に全部、エッチングしてもよいし、第2化合物半導体層及び第3化合物半導体層を厚さ方向にエッチングしてもよいし、第2化合物半導体層及び第3化合物半導体層、更には、第1化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよい。
更には、前記工程(D)において、第2電極に分離溝を形成する際の、第2電極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≧1×10、好ましくは、ER0/ER1≧1×102を満足することが望ましい。ER0/ER1がこのような関係を満足することで、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電極を確実にエッチングすることができる。
半導体レーザ素子において、積層構造体は、具体的には、AlGaInN系化合物半導体から成る構成とすることができる。ここで、AlGaInN系化合物半導体として、より具体的には、GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInNを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素(B)原子やタリウム(Tl)原子、ヒ素(As)原子、リン(P)原子、アンチモン(Sb)原子が含まれていてもよい。また、発光領域(利得領域)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)は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造[QW構造]を有していてもよいし、多重量子井戸構造[MQW構造]を有していてもよい。量子井戸構造を有する第3化合物半導体層(活性層)は、井戸層及び障壁層が、少なくとも1層、積層された構造を有するが、(井戸層を構成する化合物半導体,障壁層を構成する化合物半導体)の組合せとして、(InyGa(1-y)N,GaN)、(InyGa(1-y)N,InzGa(1-z)N)[但し、y>z]、(InyGa(1-y)N,AlGaN)を例示することができる。
更には、半導体レーザ素子において、第2化合物半導体層は、p型GaN層及びp型AlGaN層が交互に積層された超格子構造を有し;超格子構造の厚さは0.7μm以下である構造とすることができる。このような超格子構造の構造を採用することで、クラッド層として必要な屈折率を維持しながら、半導体レーザ素子の直列抵抗成分を下げることができ、半導体レーザ素子の低動作電圧化につながる。超格子構造の厚さの下限値として、限定するものではないが、例えば、0.3μmを挙げることができるし、超格子構造を構成するp型GaN層の厚さとして1nm乃至5nmを例示することができるし、超格子構造を構成するp型AlGaN層の厚さとして1nm乃至5nmを例示することができるし、p型GaN層及びp型AlGaN層の層数合計として、60層乃至300層を例示することができる。また、第3化合物半導体層から第2電極までの距離は1μm以下、好ましくは、0.6μm以下である構成とすることができる。このように第3化合物半導体層から第2電極までの距離を規定することで、抵抗の高いp型の第2化合物半導体層の厚さを薄くし、半導体レーザ素子の動作電圧の低減化を達成することができる。第3化合物半導体層から第2電極までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、0.3μmを挙げることができる。また、第2化合物半導体層には、Mgが、1×1019cm-3以上、ドーピングされており;第3化合物半導体層からの波長405nmの光に対する第2化合物半導体層の吸収係数は、少なくとも50cm-1である構成とすることができる。このMgの原子濃度は、2×1019cm-3の値で最大の正孔濃度を示すという材料物性に由来しており、最大の正孔濃度、即ち、この第2化合物半導体層の比抵抗が最小になるように設計された結果である。第2化合物半導体層の吸収係数は、半導体レーザ素子の抵抗を出来るだけ下げるという観点で規定されているものであり、その結果、第3化合物半導体層の光の吸収係数が、50cm-1となるのが一般的である。しかし、この吸収係数を上げるために、Mgドープ量を故意に2×1019cm-3以上の濃度に設定することも可能である。この場合には、実用的な正孔濃度が得られる上での上限のMgドープ量は、例えば8×1019cm-3である。また、第2化合物半導体層は、第3化合物半導体層側から、ノンドープ化合物半導体層、及び、p型化合物半導体層を有しており;第3化合物半導体層からp型化合物半導体層までの距離は、1.2×10-7m以下である構成とすることができる。このように第3化合物半導体層からp型化合物半導体層までの距離を規定することで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制することができ、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減させることができる。第3化合物半導体層からp型化合物半導体層までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、5×10-8mを挙げることができる。また、リッジストライプ構造の両側面には、SiO2/Si積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており;リッジストライプ構造の有効屈折率と積層絶縁膜の有効屈折率との差は、5×10-3乃至1×10-2である構成とすることができる。このような積層絶縁膜を用いることで、100ミリワットを超える高出力動作であっても、単一基本横モードを維持することができる。また、第2化合物半導体層は、第3化合物半導体層側から、例えば、ノンドープGaInN層(p側光ガイド層)、MgドープAlGaN層(電子障壁層)、GaN層(Mgドープ)/AlGaN層の超格子構造(超格子クラッド層)、及び、MgドープGaN層(p側コンタクト層)が積層されて成る構造とすることができる。第3化合物半導体層における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは、2.4eV以上であることが望ましい。また、第3化合物半導体層(活性層)から出射、出力されるレーザ光の波長は、360nm乃至500nm、好ましくは400nm乃至410nmであることが望ましい。ここで、以上に説明した各種の構成を、適宜、組み合わせることができることは云うまでもない。
半導体レーザ素子にあっては、半導体レーザ素子を構成する各種のGaN系化合物半導体層を基板や基体に順次形成するが、ここで、基板や基体として、サファイア基板の他にも、GaAs基板、GaN基板、SiC基板、アルミナ基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl24基板、InP基板、Si基板、これらの基板の表面(主面)に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。主に、GaN系化合物半導体層を基板に形成する場合、GaN基板が欠陥密度の少なさから好まれるが、GaN基板は成長面によって、極性/無極性/半極性と特性が変わることが知られている。また、半導体レーザ素子を構成する各種の化合物半導体層(例えば、GaN系化合物半導体層)の形成方法として、有機金属化学的気相成長法(MOCVD法,MOVPE法)や分子線エピタキシー法(MBE法)、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。
ここで、MOCVD法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)ガスやトリエチルガリウム(TEG)ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、n型の導電型を有するGaN系化合物半導体層の形成においては、例えば、n型不純物(n型ドーパント)としてケイ素(Si)を添加すればよいし、p型の導電型を有するGaN系化合物半導体層の形成においては、例えば、p型不純物(p型ドーパント)としてマグネシウム(Mg)を添加すればよい。また、GaN系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム(Al)あるいはインジウム(In)が含まれる場合、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)ガスを用いればよいし、In源としてトリメチルインジウム(TMI)ガスを用いればよい。更には、Si源としてモノシランガス(SiH4ガス)を用いればよいし、Mg源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いればよい。n型不純物(n型ドーパント)として、Si以外に、Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd、Poを挙げることができるし、p型不純物(p型ドーパント)として、Mg以外に、Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg、Srを挙げることができる。
第1導電型をn型とするとき、n型の導電型を有する第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極は、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、タングステン(W)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、錫(Sn)及びインジウム(In)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Auを例示することができる。第1電極は第1化合物半導体層に電気的に接続されているが、第1電極が第1化合物半導体層上に形成された形態、第1電極が導電材料層や導電性の基板や基体を介して第1化合物半導体層に接続された形態が包含される。第1電極や第2電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のPVD法にて成膜することができる。
第1電極や第2電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ti(チタン)、アルミニウム(Al)、Pt(白金)、Au(金)、Ni(ニッケル)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ti/Pt/Auの多層構成、Ti/Auの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。
第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子においては、前述したとおり、第1電極と第2部分との間に逆バイアス電圧Vsaを印加する構成(即ち、第1電極を正極、第2部分を負極とする構成)とすることが望ましい。尚、第2電極の第2部分には、第2電極の第1部分に印加するパルス電流あるいはパルス電圧と同期したパルス電流あるいはパルス電圧を印加してもよいし、直流バイアスを印加してもよい。また、第2電極から発光領域を経由して第1電極に電流を流し、且つ、第2電極から発光領域を経由して第1電極に外部電気信号を重畳させる形態とすることができる。そして、これによって、レーザ光と外部電気信号との間の同期を取ることができる。あるいは又、積層構造体の一端面から光信号を入射させる形態とすることができる。そして、これによっても、レーザ光と光信号との間の同期を取ることができる。また、第2化合物半導体層において、第3化合物半導体層と電子障壁層との間には、ノンドープ化合物半導体層(例えば、ノンドープGaInN層、あるいは、ノンドープAlGaN層)を形成してもよい。更には、第3化合物半導体層とノンドープ化合物半導体層との間に、光ガイド層としてのノンドープGaInN層を形成してもよい。第2化合物半導体層の最上層を、MgドープGaN層(p側コンタクト層)が占めている構造とすることもできる。
モード同期半導体レーザ素子は、バイ・セクション型(2電極型)の半導体レーザ素子に限定するものではなく、その他、マルチセクション型(多電極型)の半導体レーザ素子、発光領域と可飽和吸収領域とを垂直方向に配置したSAL(Saturable Absorber Layer)型や、リッジストライプ構造に沿って可飽和吸収領域を設けたWI(Weakly Index guide)型の半導体レーザ素子を採用することもできる。
前述したとおり、半導体光増幅器を備えている場合、半導体光増幅器は、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光を増幅する、III−V族窒化物系半導体層の積層構造体、又は、ワイドギャップ半導体層の積層構造体から成る構成とすることが好ましい。尚、この場合、半導体レーザ素子組立体から出力されるレーザ光は、周波数チャープが負であり、パルス時間幅が0.5ピコ秒以下であることが望ましい。ここで、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の値が小さくなる形態とすることができる。また、半導体光増幅器において、キャリアのバンド内緩和時間は、25フェムト秒以下であることが好ましい。また、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以上であることが好ましい。波長λ(単位:メートル)のレーザ光の光スペクトル幅ΔSPLは、通常、長さの単位(メートル)で表されるが、これを周波数ΔSPFで表示すると、光速をc(単位:メートル/秒)としたとき、以下の関係にある。
ΔSPF=ΔSPL×c/(λ2
更には、半導体光増幅器の駆動電流密度は5×103アンペア/cm2以上であることが望ましい。駆動電流密度とは、半導体光増幅器を駆動するための電流を、半導体光増幅器における駆動電流が流れる部分の面積で除した値である。更には、半導体光増幅器の光閉込め係数は3%以下、好ましくは1%以下であることが望ましく、これによって、半導体光増幅器の一層の高出力化を達成することができる。更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、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以上増加することが望ましい。
半導体光増幅器の光閉込め係数を3%以下、望ましくは1%以下とすることが望ましいが、そのためには、半導体光増幅器において、
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(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、
1≦3×10-6
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。
第1の構成の半導体光増幅器において、半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する形態とすることができる。そして、この場合、積層構造体の光出射端面から出力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
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、
1’≦YCC≦t1
好ましくは、
1’≦YCC≦0.5・t1
を満足することが望ましい。
そして、第1の構成の半導体光増幅器において、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構成とすることができる。
具体的には、第1の構成の半導体光増幅器におけるこのような構成にあっては、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
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、
HR≦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。
あるいは又、前述したとおり、光閉込め係数を3%以下、望ましくは1%以下とすることが望ましいが、そのためには、半導体光増幅器において、
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(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。
このように、第2の構成の半導体光増幅器にあっては、第1化合物半導体層は0.6μmを超える厚さを有するので、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化合物半導体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、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ので、高屈折率層を設けない場合と比較して、より広い範囲で化合物半導体層の厚さ方向の単一モードの条件を満たすことができ、カットオフ条件の緩和が可能となり、単一モードの光ビームを出力することができる。
そして、第2の構成の半導体光増幅器において、
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、
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。
そして、この場合、第3化合物半導体層(活性層)と第1光ガイド層との界面(第3化合物半導体層と第1−B光ガイド層との界面)から、第3化合物半導体層側に位置する第1光ガイド層の部分(第1−B光ガイド層)と高屈折率層との界面までの距離(云い換えれば、第1−B光ガイド層の厚さ)は、0.25μm以上であることが望ましい。第1光ガイド層の厚さから高屈折率層の厚さを減じた値の上限値として、5μmを例示することができる。
また、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
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、
HR≦nAc
を満足することが好ましい。
そして、第2の構成の半導体光増幅器にあっては、半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する形態とすることができる。そして、この場合、積層構造体の光出射端面から出力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、
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。
半導体光増幅器において、積層構造体は、具体的には、AlGaInN系化合物半導体から成る構成とすることができる。第1の構成あるいは第2の構成の半導体光増幅器における高屈折率層も、AlGaInN系化合物半導体から成る構成とすることができる。半導体光増幅器の構成、構造は、第2電極が分割されていない点を除き、実質的に、モード同期半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、光スペクトル整形手段を更に備えている構成とすることができる。光スペクトル整形手段は、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。あるいは又、光スペクトル整形手段は、分散補償光学系と半導体光増幅器との間に配置されている。ここで、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、通過する構成とすることができる。バンドパスフィルタは、例えば、低誘電率を有する誘電体薄膜と高誘電率を有する誘電体薄膜とを積層することで得ることができる。このように、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光を、光スペクトル整形手段を通過させることで、より確実に、適切なパルス伸長状態を得ることができる。但し、光スペクトル整形手段は、バンドパスフィルタに限定されるものではなく、必要なスペクトル幅が得られる構成であれば、回折格子やブラッグ回折格子、体積ホログラフィック回折格子等の波長分散素子から構成することもできる。
本開示の半導体レーザ装置組立体を、例えば、光ディスクシステム、通信分野、光情報分野、光電子集積回路、非線形光学現象を応用した分野、光スイッチ、レーザ計測分野や種々の分析分野、超高速分光分野、多光子励起分光分野、質量分析分野、多光子吸収を利用した顕微分光の分野、化学反応の量子制御、ナノ3次元加工分野、多光子吸収を応用した種々の加工分野、医療分野、バイオイメージング分野、量子情報通信分野、量子情報処理分野といった分野に適用することができる。
半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光密度は、レーザ光のパワー(単位はワットであり、パルスの場合はピークパワー)を半導体レーザ素子端面における近視野像の断面積(ピーク強度に対して1/e2となる領域)で除することによって得ることができる。また、キャリア密度は、キャリア寿命を測定し、注入電流量をゲイン部の電極(例えば、後述する第2電極の第1部分)の面積で除した値にキャリア寿命を乗ずることで得ることができる。更には、群速度分散値は、被測定光パルスを、既知の分散量を有する媒質を透過させた後にみられるパルス時間幅の変化を測定する方法や、周波数分解型光ゲート法(Frequency resolved optical gating,FROG)で得ることができる。また、1ピコ秒程度あるいはそれ以下のパルス時間幅は、SHG強度相関測定装置を用いて測定することができる。
一般に、長波長成分の光路が短波長成分の光路よりも長くなる場合には、負の群速度分散を形成する。即ち、群速度分散値は負となる。一方、長波長成分の光路が短波長成分の光路よりも短くなる場合には、正の群速度分散を形成する。即ち、群速度分散値は正となる。従って、このような長波長成分の光路長と短波長成分の光路長の長短が達成できるように、空間位相変調器を制御し、あるいは又、空間位相変調器を配置すればよい。尚、空間位相変調器を用いる場合、波長毎に位相が変調される。群速度分散の具体的な値は、半導体レーザ素子の構成、構造、半導体レーザ装置組立体の構成、構造、駆動方法(例えば、キャリア注入領域(利得領域)に印加する電流量、可飽和吸収領域(キャリア非注入領域)に印加する逆バイアス電圧、駆動温度)等に基づき全体で決定すればよい。群速度分散値は、位相を周波数で2回微分した値である。
以下、実施例に基づき他の半導体レーザ装置組立体を説明するが、それに先立ち、半導体レーザ素子及び分散補償光学系を備えた従来の半導体レーザ装置組立体に関する種々の説明を行い、次いで、本開示の半導体レーザ装置組立体の説明を行う。
半導体レーザ素子及び分散補償光学系を備えた特開2013−105813に開示された従来の半導体レーザ装置組立体(以下、単に、『従来の半導体レーザ装置組立体』と呼ぶ)の概念図を図29に示す。
モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光は、分散補償光学系1110に入射され、分散補償光学系1110に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系1110から出射され、モード同期半導体レーザ素子10に戻され、分散補償光学系1110に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される。分散補償光学系1110は、回折格子1111、集光手段(具体的には、レンズ)1112、及び、反射鏡1113から成る。モード同期半導体レーザ素子10から出射した光は、非球面レンズ11によって平行光束にコリメートされ、回折格子1111に入射する。尚、モード同期半導体レーザ素子10の詳細は、実施例1の説明を参照のこと。
分散補償光学系1110を構成する集光手段1112と反射鏡1113との間の距離は集光手段1112の焦点距離fと一致しており、集光手段1112に入射する光と集光手段1112から出射する光とは、倍率1の望遠鏡における入射光と出射光の関係にある。集光手段1112及び反射鏡1113を、相互の距離を一定(焦点距離f)に保持しながら、1次の回折光に沿った光軸上を移動させることで、分散補償光学系1110に入射するレーザ光と出射するレーザ光の間に相互に分散の変化を生じさせる。例えば、回折格子1111と集光手段1112との間の距離が集光手段1112の焦点距離fと等しい場合、回折格子1111から集光手段1112に向かう光と反射鏡1113で反射されて集光手段1112を経由し、回折格子1111に入射する光の角度分散は変化しない。従って、この場合、分散補償光学系1110が与える分散量はゼロである。一方、回折格子1111と集光手段1112との間の距離が集光手段1112の焦点距離fよりも長い場合、幾何光学的な作図により、回折格子1111で回折された光の内、長波長成分の光路は短波長成分の光路よりも長くなり、この場合、負の群速度分散が形成される。このようにして、回折格子1111と集光手段1112、反射鏡1113を組み合わせることで、分散補償が可能な外部共振器を構成することができる。回折格子1111では1次の回折光の他に、鏡面反射による反射光(0次の回折光)が発生する。そして、この反射光を光出力として利用する。
このように、従来の半導体レーザ装置組立体では、分散補償光学系1110における回折格子1111と集光手段1112との間の距離を変化させることで群速度分散を変化させ、発生するレーザ光の時間幅を制御する。典型的には、分散補償光学系1110による群速度分散値が−0.04ps2よりも小さいとき、レーザ光のパルス時間幅が狭くなることが判った。特に、群速度分散が−0.058ps2のとき、スペクトルフィルタリングすることでパルス時間幅が200ピコ秒程度のレーザ光が得られた。図30Aに、図29に示した従来の半導体レーザ装置組立体によって得られるレーザ光をスペクトルフィルタリングした後のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す。また、モード同期半導体レーザ素子10から直接出力されたレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを図30Bに示す。測定された強度自己相関波形は、時間ゼロにおいて尖った形状をしており、この場合、パルス形状は、ガウス型関数やsech2型関数ではないことを示している。しかしながら、強度自己相関波形は、レーザ光が自分自身との相関であるため、時間ゼロに対して対称な形状であり、実際の時間パルス形状を知ることができない。
そこで、スペクトルフィルタリングによってフェムト秒の時間幅のパルスが得られることを利用して、相互相関測定を行った。この測定は、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光と、半導体レーザ装置組立体から得られるパルス時間幅200フェムト秒のレーザ光の間での相関を測定する方法であり、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光がパルス時間幅200フェムト秒のレーザ光によってサンプリング測定されることに対応する。具体的には、強度自己相関測定装置を構成する干渉計の片方のアームに誘電体多層膜から成るバンドパスフィルタを挿入することで測定することができる。このようにして得られた相互相関測定の結果を図31に示す。図31に示す相互相関波形は、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光が、200フェムト秒のパルス時間幅に対応する急峻な時間立ち上がりと、その後の指数関数的に遅い減衰とによって形成されることを示している。従って、従来の半導体レーザ装置組立体において、短波長側のスペクトル成分を抽出することで200フェムト秒のレーザ光を得るということは、図31の時間パルスの急峻な立ち上がり部分を抽出することに相当する。
次に、相互相関測定法を更に応用し、観測された指数関数的に遅い減衰の特性を調べた。具体的には、従来の半導体レーザ装置組立体の出力光スペクトルにおいて波長が異なるスペクトル成分間の相対的な時間差を調べた。レーザ光の光スペクトルの短波長側の端部領域を抽出することで200フェムト秒のレーザ光が得られるということは、レーザ光の光スペクトルの波長成分が全て同時には発生してはいないことを意味する。図32に測定装置の概念図を示す。この測定装置に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ1201によって2つの光路に分割される。一方のアームに配置されたバンドパスフィルタ1202のレーザ光入射角度は固定であり、透過波長は一定とされる。バンドパスフィルタ1202を通過したレーザ光は、反射鏡1203で反射され、バンドパスフィルタ1202、ビームスプリッタ1201を通過する。また、他方のアームに配置されたバンドパスフィルタ1204のレーザ光入射角度は可変であり、透過波長を変化させる。バンドパスフィルタ1204を通過したレーザ光は、反射鏡1205で反射され、バンドパスフィルタ1204を通過し、ビームスプリッタ1201によって方向を変更させられる。そして、これらのレーザ光は、測定機器、具体的には、パワーメータ/スペクトルアナライザ1206、あるいは、BBO結晶1027を通過してフォトマルチチューブ(PMT)1208に到達する。ここで、反射鏡1205の位置は可変であり、測定装置1206に到達する時間(距離)を、一方のアームを経由するレーザ光と、他方のアームを経由するレーザ光とで変化させている。尚、図31のデータを得る場合には、図32に示した測定装置の片方のアームのみにバンドパスフィルタを挿入すればよい。
図33に、相互相関測定による相互相関波形、及び、光スペクトルを示す。或る固定した波長のスペクトル成分に対して、これよりも長い波長のスペクトル成分は時間的に遅れていることが判る。また、波長が長くなるほど、時間的な遅れが長くなることが判る。図33に示すこれらのスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を纏めたグラフを図34Aに示す。また、分散補償光学系1110を通過させることによって生じるスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を計算した結果を図34Bに示す。図34A及び図34Bの横軸は波長(単位:nm)であり、縦軸は遅延時間(単位:ピコ秒)である。更には、図34Aの横軸は、図33に示した光スペクトルにおける波長の値であり、図34Aの縦軸は、図33に示した相互相関波形におけるピーク間の遅延時間である。図34A及び図34Bに示す結果は、ほぼ一致している。そして、このことは、図31の相互相関波形の指数関数的に減衰する遅い成分が外部共振器内の群速度分散によってほぼ決定されていることを示している。
また、図33に示す相互相関波形は、波長が長くなるに従い、抽出したスペクトル成分のパルス時間幅が長くなることも示している。この傾向を明らかにするために、従来の半導体レーザ装置組立体の出力光スペクトルを様々な波長においてバンドパスフィルタによって抽出し、抽出後のレーザ光の形状を測定した。図35に異なる波長において抽出したスペクトル成分の光スペクトルと強度自己相関波形を示す。波長が長くなるに従い、パルス時間幅が広がる様子が判る。図35のレーザ光の特性を、時間帯域幅積として図36に示した。図36の横軸は波長(単位:nm)であり、縦軸は(Δν・Δt)である。ここで、Δtは時間差であり、Δνはスペクトル幅を周波数に変換したものである。Δνは概ね一定の値を示すが、Δtは波長が長くなるに従い、増加する。従って、(Δν・Δt)の値は、波長が長くなるに従い、増加する。図36は、出力光スペクトルの短波長側の端部領域では、抽出されたレーザ光がほぼフーリエ変換限界にあるのに対して、波長が長くなると位相回転が起こり、チャープが急激に増大することを示している。
図34及び図36は、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるレーザ光が、短波長側の端部領域においてはソリトンモード同期によると考えられるフーリエ変換限界に近いパルス成分である一方、長波長側では時間的に遅れ、且つ、チャープが増加するパルス成分によって構成されていることを示している。特に、ソリトンモード同期では、モード同期半導体レーザ素子内にて生じる自己位相変調(SPM)と分散補償光学系による負の群速度分散がバランスする必要がある。図34及び図36の結果は、ソリトンモード同期に必要とされる自己位相変調と負の群速度分散のバランスが、出力光スペクトルの長波長側では成立していないことを示している。発振スペクトルが長波長側にシフトすると共に、自己位相変調と負の群速度分散がバランスしなくなる理由の1つに、キャリア飽和に伴う自己位相変調の応答時間の影響が考えられる。
自己位相変調を与える非線形屈折率の時間応答が与える影響は、次のような例示に基づき説明することができる。尚、例示した計算は、パルス発生機構を理解し、制御するための例示に過ぎず、計算に使用した値は実際の実験条件と直接関係を持たない。従来の分散補償型GaInN半導体レーザ装置組立体では、外部共振器内の群速度分散値(GVD)が負であるときにソリトンモード同期によって時間幅がフェムト秒のパルスが発生していると考えられる。ソリトンモード同期では、正の自己位相変調(SPM)に伴う周波数の時間シフトと、負の群速度分散値(GVD)による周波数毎の時間遅延が平衡することで、パルス幅が減少することを特徴とする。非線形感受率の時間応答が瞬時的(典型的には緩和時間が10フェムト秒以下)である光ファイバ等の媒質では、時間幅が100フェムト秒程度である光パルスに対する非線形屈折率の時間応答は入射光強度の時間変化にほぼ比例すると考えられ、屈折率の変化分(Δn)は次の式(1)で与えられる。
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。
その一方で、半導体媒質中における非線形屈折率は、電流注入によって生じたキャリアの影響を受けるため、キャリアの緩和時間の効果を考慮する必要がある。光ファイバ等が示す非線形屈折率に比較すると半導体媒質の応答時間は遅いため、キャリアの緩和時間は、入射光パルスによる屈折率の時間変化を考える上では、緩和時間による遅延を考慮する必要がある。線形応答理論を利用してこの緩和時間を考慮に入れると、屈折率の時間変化は次の式(2)で与えられる。ここで、τは緩和時間である。この緩和時間が自己位相変調(SPM)による周波数シフトに与える影響を数値計算によって考察した。
これらの緩和時間の効果を計算した結果を図37の(a−1)、(a−2)、(b−1)、(b−2)、(c−1)、(c−2)に示す。ここで、図37の(a−1)は、入射パルス時間波形を示し、図37の(a−2)は、入射パルスのスペクトルを示す。また、図37の(b−1)は、緩和時間を考慮しない場合の非線形媒質から出射した光パルスの時間波形を示し、ここで、「A」の曲線は強度を示し、「B」の破線は電場の実部を示し、「C」の破線は電場の虚部を示し、図37の(b−2)は、対応する光スペクトルを示す。更には、図37の(c−1)は、緩和時間を考慮した場合の非線形媒質から出射した光パルスの時間波形を示し、ここで、「A」は強度を示し、「B」の破線は電場の実部を示し、「C」の破線は電場の虚部を示し、図37の(c−2)は、対応する光スペクトルを示す。
入射パルスとしてパルス幅が約200フェムト秒のパルスを準備した(図37の(a−1)参照)。対応するスペクトルを図37の(a−2)に示す。このパルスが、非線形屈折率の緩和時間を無視できる非線形媒質(式(1)参照)、及び、非線形屈折率の緩和時間を考慮に入れる必要のある非線形媒質(式(2)参照)のそれぞれに入射した結果得られる光パルスの特性を計算した。図37の(b−1)は、緩和時間が無視できる場合の光パルス特性である。光パルスの電場の実部及び虚部は時間と共に激しく振動し、SPMの効果が現れていることが判る。また、自己位相変調はパルスの位相のみに影響を与えるため、強度波形は変化しない。ただ、これらの位相成分の変調はスペクトルに影響を与え、図37の(b−2)に示すとおり、顕著なスペクトル広がりがみられる。このスペクトルの広がりは、入射光パルスのスペクトルを中心に対称であることが分かる。
これに対して、緩和時間を考慮した場合の光パルスの時間波形及びスペクトルを、図37の(c−1)及び図37の(c−2)に示す。緩和時間の効果によって非線形屈折率の変化の最大値が低下するため、図37の(b−1)に比較すると、光パルスの電場の実部と虚部が示す振動は少ない。前述したと同様に、これらの絶対値の2乗に相当する光パルスの強度は、入射光パルスと変わりがない。その一方で、図37の(c−2)に示すスペクトルは、図37(b−2)に比較して、スペクトル広がりが非対称である。特に、長波長側(周波数シフト量が負の側)にスペクトル成分が強く現れており、これが緩和による非線形屈折率の時間応答の遅延を反映している。
この緩和時間の考慮の有無で見られるスペクトルの変化は、屈折率の時間変化の結果として表れている。そこで、屈折率の時間変化の違いを両者について比較することでソリトンモード同期におけるSPMの影響について考察することができる。図38に、図37の(b)及び(c)のそれぞれの場合について、屈折率の時間変化、及び、それに伴うパルス内の位相の時間変化、更には、周波数シフトの時間変化を示す。尚、図38の(b−1)は緩和時間を考慮しない場合の屈折率の時間変化を示し、図38の(b−2)は位相の時間変化を示し、図38の(b−3)は周波数シフトの時間変化を示し、図38の(c−1)は緩和時間を考慮した場合の屈折率の時間変化を示し、図38の(c−2)は位相の時間変化を示し、図38の(c−3)は周波数シフトの時間変化を示す。図38の(b−1)では、緩和時間を考慮に入れていないため、屈折率の時間変化は入射パルスの強度の時間変化と相似である。このため、図38の(b−2)の位相の変化も、符号は反転するが、相似形であり、その結果、位相の時間微分として得られる周波数シフトの時間変化量も時間ゼロを中心として対称に増減している(図38の(b−3)参照)。これに対して緩和時間を考慮に入れた場合、屈折率の時間変化は図38の(c−1)に示すように、屈折率変化の立下りにおいて遅延が見られ、入射パルス形状に対して相似形ではない。このため、位相の時間変化も時間的に非対称であり(図38の(c−2)参照)、その結果、周波数シフトの時間変化は負の側に大きくシフトするが、正の側に対するシフトが小さい(図38の(c−3)参照)。これらの周波数シフトの時間変化の差が、図37にみられるスペクトルの非対称性に反映されている。
ソリトン効果によるパルス伝搬では、このSPMによる負から正への周波数の時間的なシフトを負の群速度分散で補償することで、時間的なパルス形状を保つことが本質である。緩和時間を考慮しない場合、図38の(b−3)の時間ゼロ近傍において見られる正の周波数シフトと逆の傾きのGVD(高周波数成分が時間的に先行し、低周波数成分が遅延する、負のGVD)を与えることで、ソリトン効果を最も大きく発現することができる。これに対して緩和時間を考慮に入れた場合、周波数シフトの時間変化が対称ではない。そのため、GVDによる時間遅延が線形であると、周波数シフトが正の側に変化するときに曲率の変化が大きくなるため、線形のGVDでは時間遅延の補償がずれてくる可能性がある(図39参照)。尚、図39は、図38の(c−3)に示した周波数シフトの時間変化の拡大図であり、「A」の実線は、補償に必要とされる負のGVDによる時間遅延を示し、「B」の波線は、周波数シフトが正になる時間領域において、GVDによる時間遅延からのずれを明示するため、負のGVDの符号を反転して示した。LCOSから構成された空間位相変調器を用いた補償では、時間遅延を、線形ではなく、周波数シフトの曲率に対して合わせることで、分散補償が可能な周波数範囲を広げることが可能になる。このような考察から、従来の分散補償型半導体レーザ装置組立体において得られている最短パルス幅は、外部共振器内の分散補償量の線形性によって制限されている可能性が否定できない。以上の議論から、空間位相変調器を利用したGVDの波長依存性の制御によって、SPMによる周波数シフトの時間変化の曲率の変化に対応した補償をすることが可能になり、その結果、発生するパルスの最短パルス幅を広げることができると考えられる。
尚、問題となる緩和時間は、キャリア間の散乱に伴う場合、バンド内の熱的再分布に伴う場合、利得飽和による屈折率変化を実効的に緩和時間として記述する場合などが考えられ、いずれの場合が本件で支配的であるかは充分に解明できていない。しかしながら、非線形屈折率の有限な時間応答を現象論的に考慮することで、発生する光パルスの制御性をより高くすることが可能であると考えられる。ここで、図37、図38、図39に示した自己位相変調に拘わる計算結果は、いずれも例示である。
以上の結果から、従来の半導体レーザ装置組立体において発生するレーザ光のパルス時間幅を制御するにために2つの方法が考えられる。第1の方法は、上述したとおり、非線形屈折率の応答時間によって生じる周波数シフトの非対称性を補うように、スペクトル成分の短波長側の群遅延時間を制御する方法である。これは、図31に示す光パルスの形状において、光パルスの立ち上がりにおける群速度分散の補償を詳細に行うことに対応する。また、第2の方法は、図31の光パルスにおいて、指数関数的に減衰する遅い成分を制御することであり、長波長側のスペクトル成分の群遅延を制御することで、指数関数的に減衰する遅い成分を時間的に前縁に寄せることが可能であることが推測できる。しかしながら、従来の半導体レーザ装置組立体では、分散補償光学系による群遅延時間(群速度分散)は、回折格子1111と集光手段1112との間隔によって幾何学的に決定されているため、波長毎に群遅延時間(群速度分散)を制御することは困難である。
以下に説明する実施例にあっては、従来の半導体レーザ装置組立体の分散補償光学系内に空間位相変調器を設けることで、波長毎に群速度分散の制御、調整を可能とし、従来の半導体レーザ装置組立体では実現できなかった100フェムト秒以下の超短パルスを発生させる。
実施例1は、本開示の半導体レーザ装置組立体に関する。実施例1の半導体レーザ装置組立体の概念図を図1に示し、モード同期半導体レーザ素子10の共振器の延びる方向に沿った(即ち、図3の矢印I−Iに沿った)模式的な端面図を図2に示し、モード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向と直角方向に沿った(即ち、図2の矢印II−IIに沿った)模式的な断面図を図3に示す。
実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例14の半導体レーザ装置組立体は、
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。
ここで、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例14におけるモード同期半導体レーザ素子10は、
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。
あるいは又、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例14におけるモード同期半導体レーザ素子10は、可飽和吸収領域を有する。具体的には、モード同期半導体レーザ素子10は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とを並置した、発光波長405nm帯のバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子から成る。より具体的には、実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例14におけるバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子10は、第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子であり、図2及び図3に示すように、
(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。
第2電極62は、発光領域(利得領域)41を経由して第1電極61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62Aと、可飽和吸収領域42に電界を加えるための第2部分62B(可飽和吸収領域42に逆バイアス電圧Vsaを加えるための第2部分62B)とに、分離溝62Cによって分離されている。ここで、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値(『分離抵抗値』と呼ぶ場合がある)は、第2電極62と第1電極61との間の電気抵抗値の1×10倍以上、具体的には1.5×103倍である。また、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値(分離抵抗値)は、1×102Ω以上、具体的には、1.5×104Ωである。モード同期半導体レーザ素子10の共振器長を600μm、第2電極62の第1部分62A、第2部分62B、分離溝62Cのそれぞれの長さを、560μm、30μm、10μmとした。また、リッジストライプ構造55の幅を1.4μmとした。リッジストライプ構造55は、端面反射を軽減させるために光出射端面(第2端面)に向かって湾曲している。
実施例1において、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光は、分散補償光学系110に入射され、分散補償光学系110に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系110から出射され、モード同期半導体レーザ素子10に戻され、分散補償光学系110に入射したレーザ光の残りは、光アイソレータを経由して、あるいは又、光スペクトル整形手段及び光アイソレータ(これらは図示せず)を経由して、系外に出力される。光アイソレータは、系外からの戻り光がモード同期半導体レーザ素子10に向かうことを防止するために配置されている。分散補償光学系110は、具体的には、ホログラフィック型の回折格子111、集光手段(具体的には、レンズ)112、及び、空間位相変調器113から成る。空間位相変調器(位相補償光学装置)113は、実施例1にあっては、具体的には、空間光位相変調器である反射型液晶表示装置から成る。外部共振器構造は、分散補償光学系110によって構成される。即ち、具体的には、外部共振器は、空間位相変調器113とモード同期半導体レーザ素子10の第1端面とから構成される。回折格子111は、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光の内、1次以上の回折光を集光手段112に入射させ、0次の回折光(反射光)を系外に出射する。モード同期半導体レーザ素子10と回折格子111との間には、モード同期半導体レーザ素子10からのレーザ光を平行光束とするためのコリメート手段11である焦点距離4.0mmの非球面の凸レンズが配されている。回折格子111に入射(衝突)するレーザ光の中に含まれる回折格子111における格子状のパターンの本数は、実施例1にあっては、2400本/mmである。そして、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光は、回折格子111に衝突し、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113に入射し、次いで、空間位相変調器113から出射して、集光手段112、回折格子111を介して半導体レーザ素子10に戻される。一方、0次の回折光(反射光)は系外に出射される。
実施例1にあっては、集光手段112と空間位相変調器113との間の距離を100mmとし、凸のパワーを有する集光手段(レンズ)112の焦点距離fを100mmとした。即ち、集光手段112と空間位相変調器113との間の距離と、凸のパワーを有する集光手段(レンズ)112の焦点距離fとは一致しており、レーザ光の像は、集光手段112によって空間位相変調器113において結像する。集光手段112に入射する光と出射する光とは、倍率1.0の望遠鏡における入射レーザ光と出射レーザ光の関係にある。これらの距離は固定である。
実施例1にあっては、上述したとおり、空間位相変調器113を反射型液晶表示装置(具体的には、LCOS)から構成している。そして、平行に配向されたネマチック液晶層に電圧を印加することで、液晶層においてレーザ光を変調し、位相を変調する。回折格子111からの回折光は、集光手段112を介して空間位相変調器113に入射するが、回折格子111からの回折光の出射角はレーザ光の波長に依存する。それ故、空間位相変調器113への入射位置はレーザ光の波長に依存する。従って、空間位相変調器113の各領域(ピクセル)に適切な電圧を印加することで、空間位相変調器113の各領域(ピクセル)における位相を変調し、空間位相変調器113に入射し、出射するレーザ光の位相を変調することができる結果、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
LCOSから成る空間位相変調器113の諸元を以下に例示する。
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
また、回折格子111の分散角によって1ピクセルあたりの波長範囲が変化する。これを補正する分散補償光学系110の例を、図4に示す。分散補償光学系110における回折格子111と集光手段112との間に凹レンズ112’を設けることで、回折格子111の虚像を形成し、角度分散を所望の倍率mだけ拡大することが可能となる。ここで、回折格子111から凹レンズ112’までの距離を「a」、凹レンズ112’から集光手段(凸レンズ)112までの距離を「d」、凹レンズ112’の焦点距離を「b」、集光手段(凸レンズ)112の焦点距離、集光手段112から空間位相変調器113までの距離を「f」としたとき、
a=f・(m−1)
b=f・(m−1)/m
d=f−b
となる。
図41に示すように、波長λの光が反射型の回折格子に角度αで入射し、角度βで回折するものとする。ここで、角度α,βは回折格子の法線からの角度であり、反時計回りを正とする。するとグレーティング方程式は次のとおりとなる。ここで、dGは回折格子の溝の間隔であり、mは回折次数(m=0,±1,±2・・・である。
G×{sin(α)+sin(β)}=m・λ (A)
溝の斜面に対して、入射レーザ光とm次の回折光が鏡面反射の関係にあるとき、m次の回折光にエネルギーの大部分が集中する。このときの溝の傾きをブレーズ角と呼び、θBで表すと、
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。
図5を用いて、実施例1の分散補償光学系110の原理を説明する。実施例1の分散補償光学系110にあっては、反射型のLCOSから成る空間位相変調器113によってレーザ光は折り返される。それ故、図5のように表わしても一般性を失わない。図5にあっては、左側に示す回折格子A(回折格子111)に入射した光が、空間的に分散された後、集光手段A(集光手段112)によって平行光に変換され、透過型のLCOSから成る空間位相変調器113を通過した後、再び集光手段B(集光手段112)によって右側に示す回折格子B(回折格子111)に集光される。図5では、入射光の波長分布が回折格子Aによって空間的に分散され、分散された光が空間位相変調器113を透過する際に空間位相変調器113によって位相の変化を受ける。空間位相変調器113の領域毎(ピクセル毎)に位相の変化量を制御することで、分散補償光学系を透過するレーザ光に任意の位相変化を波長毎に与えることが可能になる。回折格子A、集光手段A、空間位相変調器、集光手段B、回折格子Bの間の距離は、いずれも、集光手段A及び集光手段Bの焦点距離fと等しい。このような構成によれば、回折格子上のレーザ光の角度情報は、透過型のLCOSから成る空間位相変調器の位置情報とフーリエ変換の関係にある。
次に、分散補償光学系において波長毎に位相変調を行い、所望の群速度分散の波長依存性を実現する方法を説明する。従来の半導体レーザ装置組立体において得られるレーザ光の特性の解析によれば、出力光スペクトルの短波長成分ではフェムト秒のレーザ光が得られている。短波長成分に関しては、前述のとおり、非線形屈折率の緩和時間の影響を考慮して群速度分散を補償することで、パルス前縁部のフェムト秒パルス成分のパルス幅をより狭くすることが可能である。また、この短波長成分よりも長い波長のスペクトル成分に関しては、群遅延時間を制御することで、前縁部に寄せることが可能であり、モード同期半導体レーザ組立体から出力される光パルスのエネルギーをより狭い時間領域に集中させることが可能になる。
図39に示したとおり、半導体レーザにおける非線形屈折率においては、半導体に固有なキャリアの緩和時間のために、非線形屈折率の時間変化に伴う周波数シフトが時間的に非対称に生じると考えられる。周波数シフトは、時間的に周波数の低い成分から高い成分へと変化する。外部共振器内の分散補償光学系が与える負の群速度分散は、この時間的な周波数の変化を補償するように、周波数の高いスペクトル成分を時間的に先行させる。従来の半導体レーザ組立体が与える群速度分散は、周波数に対してほぼ線形である。このため、非線形屈折率の時間応答に起因する周波数シフトの時間変化の非対称性を適切に補償することができない。具体的には、図39に示す時間0.1ピコ秒付近における負から正への周波数シフトにおいて、周波数シフト量が正に変化するとき、時間に対する周波数シフト量が破線で示した線形な関係からずれてくる。これは正の周波数シフト成分に対しては、より大きな負の群速度分散を与え、周波数シフトが時間に対して線形に近似できる範囲に比較して、より大きく時間的に先行させる必要があることを示している。そして、このことから、周波数の高いスペクトル成分、即ち、発振スペクトルの短波長側の端に向けて、群速度が速くなるような群速度分散を与えると、より広い周波数範囲で自己位相変調によるスペクトルシフトを補償することが可能であることが判る。
本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、群速度分散を波長毎に制御することが本質である。そこで、実施例1の分散補償光学系110にあっては、半導体レーザ素子10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。尚、実施例1にあっては、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(具体的には、例えば、402nm)よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長に依存すること無く、一定である。また、分散補償光学系110は、長い波長のレーザ光(具体的には、所定の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。ここで、一定の群速度分散値(GVDconst)は0[(ピコ秒)2]である。
即ち、図6Aの図形「A」に示すように、フェムト秒パルスを構成する短波長側のスペクトル成分に該当する波長範囲のみに負の群速度分散値を設定し、これよりも長波長側のスペクトル成分に対しては、群速度分散値をゼロに設定する。このとき、負の群速度分散を与える波長範囲は、図36において時間帯域幅積が一定とみなし得る波長範囲(図36において、矢印「A」で示す波長範囲)を選ぶことが適当である。波長を変数とした群速度分散値の関数を、1回、積分した値(群遅延時間である)を図6Aの図形「B」に示し、2回、積分した値を図6Bに示す。ここで、図6Aを位相の周波数依存性に変換した図が図6Bである。更には、図6Bを、反射型のLCOSから成る空間位相変調器113上の位相に変換した図を、図7に示す。
尚、図6A、図6B、図7、図8A、図8B、図9、図10A、図10B、図11、図12A、図12B、図13、図14A、図14B、図15の横軸は波長(単位:nm)であり、図6A、図8A、図10A、図12A、図14Aの縦軸は、群速度分散値GVD(単位:ps2)及び群遅延時間(単位:ピコ秒,ps)であり、図6B、図7、図8B、図9、図10B、図11、図12B、図13、図14B、図15の縦軸は、位相(単位:ラジアン)である。図7、図9、図11、図13、図15では、理解の便利のため、横軸を波長としたが、実際には、回折格子111の空間分散と集光手段112の焦点距離から、この波長を空間位相変調器上の位置に換算する必要がある。また、実施例1〜実施例4の群速度分散の制御の境界(所定の波長)を402nmとしたが、これはあくまでも例示であり、モード同期半導体レーザの第1電極、第2電極の構成、ゲイン電流や逆バイアス電圧などの駆動条件に依存して変化する。
ここで、波長を変数とした群速度分散値の関数を、1回、積分することで群遅延時間が得られ、2回、積分することで位相が得られるが、平面波の電場を次の式(A−1)で表わすと、振動項の内、分散を表すk(ω)zは、位相φ(ω)として表わすことができる。位相φ(ω)は、ωとtの積で与えられる無次元数である。従って、位相φをωで1回微分すると時間tの次元になり、2回微分するとω当たりの時間tの変化(群速度分散)となる。即ち、φをω0について展開した式(A−2)の2次の項の2回の微分係数に相当する。従って、ωについて1回積分すると時間遅延が得られ、2回微分すると必要な位相量が得られる。
比較例1として、波長毎の群速度分散の制御をすること無く、群速度分散を波長に対して一定とした。即ち、図14Aの図形「A」に示すように、群速度分散値を一定値に設定する。波長を変数とした群速度分散値の関数を、1回、積分した値(群遅延時間である)を図14Aの図形「B」に示し、2回、積分した値を図14Bに示すが、図14Aを位相の周波数依存性に変換した図が図14Bである。更には、図14Bを、反射型のLCOSから成る空間位相変調器上の位相に変換した図を、図15に示す。
実施例1にあっては、波長毎に群速度分散値の制御を行うことで、従来の半導体レーザ装置組立体において時間的に遅れて発生する指数関数的に減衰するパルス成分の時間遅れを抑制することができる。実施例1の半導体レーザ装置組立体にあっては、分散補償光学系が、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ので、半導体レーザ装置組立体から最終的に出射されるレーザ光の光スペクトルが整形され、半値全幅を広げることができる結果、パルス時間幅が200フェムト秒以下のレーザ光、例えば、100フェムト秒以下のレーザ光を発生させることができる。また、出力されるスペクトル成分の内、フェムト秒パルスに寄与するエネルギーが増大するため、レーザ光のパルスの持続時間内でのエネルギー効率が高く、結果としてパルスピークパワーの増大に寄与する。
実施例2は、実施例1の変形である。実施例2にあっては、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(具体的には、例えば、402nm)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。そして、分散補償光学系110は、所定の波長よりも長い波長(具体的には、例えば、402nm)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。
即ち、実施例2の分散補償光学系110にあっても、実施例1と同様に、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)を与えるし、所定の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。具体的には、分散補償光学系110は、所定の波長(より具体的には、例えば、402nm)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。ここで、一定の群速度分散値(GVDconst)は、実施例1と同様に、0[(ピコ秒)2]である。
即ち、図8Aの図形「A」に示すように、フェムト秒パルスを構成する短波長側のスペクトル成分に該当する波長範囲のみに負の群速度分散値を設定しているが、図6Aに示した実施例1の場合とは異なり、負の群速度分散値を、一定ではなく、最短波長に向かって階段状に減少させている。但し、これに限定するものではなく、所望の効果が得られれば、連続的に変化させてもよい。波長を変数とした群速度分散値の関数を、1回、積分した値(群遅延時間である)を図8Aの図形「B」に示し、2回、積分した値を図8Bに示す。ここで、図8Aを位相の周波数依存性に変換した図が図8Bである。更には、図8Bを、反射型のLCOSから成る空間位相変調器113上の位相に変換した図を、図9に示す。
尚、次に述べる実施例3と同様に、一定の群速度分散値(GVDconst)を正の値とすることもできるし、あるいは又、実施例4と同様に、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もでき、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。
実施例3も、実施例1の変形である。実施例1にあっては、一定の群速度分散値(GVDconst)を0[(ピコ秒)2]とした。一方、実施例3にあっては、一定の群速度分散値(GVDconst)を正の値とした。パルス幅を狭くするためには、実施例3を採用することが好ましいと考えられる。
実施例3にあっては、一定の群速度分散値(GVDconst)を正の値としたが、その理由は、半導体レーザ素子では、発振に伴う利得飽和によってキャリア密度が変化し、これと共に、半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層の屈折率が変調するからである。これは、利得飽和に伴う自己位相変調(SPM)であり、長波長側への波長シフトとして観測される。この波長シフトは時間遅れを伴うため、実施例1のように長波長側の群速度分散値をゼロにするだけでは十分でない可能性がある。そこで、実施例3にあっては、長波長側の成分において正の群速度分散値を与えて、自己位相変調による屈折率の変化を補正する。
図10Aに、実施例3の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値を図形「A」で示す。また、波長を変数とした群速度分散値の関数を、1回、積分した値(群遅延時間である)を図10Aの図形「B」に示し、2回、積分した値を図10Bに示す。ここで、図10Aを位相の周波数依存性に変換した図が図10Bである。更には、図10Bを、反射型のLCOSから成る空間位相変調器113上の位相に変換した図を、図11に示す。
実施例4も、実施例1の変形である。実施例1〜実施例3における群速度分散値の制御は、従来の半導体レーザ装置組立体において得られたレーザ光の指数関数的に減衰する遅い成分をパルス前縁に移動させようとする試みである。ここで、指数関数的な減衰成分を形成する部分をパルス前縁に時間的に移動させると、例えば、図30Bに示した発振スペクトルの立ち上がりにおける波長幅が長波長側から狭くなることが考えられる。実施例4にあっては、この発振スペクトル幅の制限と、空間位相変調器による群速度分散値の制御を適切に行うことで、従来の半導体レーザ装置組立体で得られた最短パルス時間幅200フェムト秒よりも狭いパルス時間幅を得る。
実施例4において、分散補償光学系110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。そして、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。
図12Aに、実施例4の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値を図形「A」で示す。また、波長を変数とした群速度分散値の関数を、1回、積分した値(群遅延時間である)を図12Aの図形「B」に示し、2回、積分した値を図12Bに示す。ここで、図12Aを位相の周波数依存性に変換した図が図12Bである。更には、図12Bを、反射型のLCOSから成る空間位相変調器113上の位相に変換した図を、図13に示す。尚、図12Aではステップ的に群速度分散値を変化させる例を示したが、所望の効果が得られれば、連続的に変化させてもよい。
実施例4では、図36に示した従来の半導体レーザ装置組立体から得られるレーザ光の時間帯域幅積の波長依存性を、波長の変化に対して可能な限り一定にすることを目的とする。何故ならば、図36に示すレーザ光の時間帯域幅積の波長依存性は波長に対して非線形に変化するため、従来の半導体レーザ装置組立体から直接出力されたレーザ光を外部の圧縮器を用いて圧縮しても、全エネルギーを単一のsech2型関数の時間波形とすることができず、圧縮後においてもパルスの裾に指数関数的な減衰成分に類似した形状が残るからである。図40に、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるレーザ光の強度自己相関波形(図40の「A」参照)と、圧縮後の強度自己相関波形(図40の「B」参照)を示す。
実施例1〜実施例3における群速度分散の制御は、従来の半導体レーザ装置組立体によるレーザ光が示す指数関数的な減衰成分を時間的にパルスの前縁部に移動させることを目的としていた。その結果、光スペクトルの幅も狭くなる。しかしながら、出力光スペクトルの波長幅が狭くなると、レーザ増幅に使用できる利得帯域幅が減少するため、大きな出力を得るのに適していない場合がある。実施例4にあっては、分散補償光学系による群速度分散を適宜制御することで、図36にみられるような長波長側における非線形な位相回転の増大を抑制して、線形チャープを付けることで、発振スペクトルの波長幅の拡大と出力光の増大を図ることが可能になる。尚、この場合、モード同期半導体レーザ素子から出力された光は、回折格子対や光ファイバを用いたパルス圧縮光学系によって適切なパルス時間幅に圧縮することが可能である。特に、出力パルスはダウンチャープするため、適切な長さの光ファイバによって圧縮することが可能である。群速度分散の制御によって光出力が増大するため、パルス圧縮器によるスループットの低下も補償することができる。
実施例5は、実施例1〜実施例4の変形である。実施例5において、空間位相変調器は、デフォーマブルミラー413Aから成り(図16A参照)、あるいは又、複数の反射鏡413Bから成る(図16B参照)。空間位相変調器をデフォーマブルミラー413Aといった波面補償素子から構成する場合、デフォーマブルミラー413Aの光反射面の形状を制御することで、即ち、MEMS技術に基づき作製されたアクチュエータを作動させてミラー表面を微小に歪曲させることで、デフォーマブルミラー413Aによって反射されるレーザ光の空間的な位相を変調することができる。また、空間位相変調器を複数の反射鏡413Bから構成する場合、回折格子から各反射鏡413Bまでの空間的な距離を制御することで、回折格子から出射され、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、回折格子に再び入射するレーザ光が通過する空間的な距離を、レーザ光の波長に依存して変化させることができる。そして、以上の結果として、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
実施例6は、実施例4の変形である。実施例6にあっては、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、及び、半導体光増幅器を更に備えている。半導体光増幅器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)は、「Master Oscillator Power Amplifier,MOPA」と呼ばれる方式によってレーザ光を増幅する。ここで、半導体光増幅器とは、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得に基づき入射光を増幅する。半導体光増幅器は周知の半導体光増幅器から成る。尚、半導体レーザ組立体から出力されるパルス時間幅を広げて半導体光増幅器による増幅エネルギーを大きくするためには、実施例4を採用することが好ましいと考えられる。
実施例4において説明した群速度分散の制御では、符号が負の線形にチャープしたレーザ光が出力されるため、レーザ光のパルス時間幅及び光スペクトル幅が広く、半導体光増幅器によって高効率での増幅が可能である。従って、実施例4において説明した群速度分散の制御法を利用して実施例1あるいは実施例5において説明した半導体レーザ装置組立体からレーザ光を出力し、実施例6における半導体光増幅器で増幅し、増幅出力を回折格子圧縮器や光ファイバで圧縮する構成を構築することができる。尚、半導体光増幅器によるパルス増幅は、増幅後の光に余剰のチャープを与える可能性があるが、このような場合には、実施例4における群速度分散の制御において、増幅による余剰のチャープを抑制するように群速度分散にフィードバックを掛ければよい。
以上の点を除き、実施例6の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例4の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。実施例6にあっては、半導体レーザ素子から出力される光パルスのチャープを様々に制御することができるため、半導体光増幅器による増幅が効率よく行われるようにパルス時間幅、スペクトル幅を制御したレーザ光パルスを発生することが可能であり、半導体光増幅器との組み合わせによってより高い増幅率を得ることができる。
ところで、半導体光増幅器における光パルスの増幅は、キャリア寿命によっておおよそ決定される。半導体光増幅器内のキャリアは、定常電流で励起されていても、有限のキャリア寿命で再結合して光になるため、半導体光増幅器内に蓄積できるキャリアの絶対数には上限がある。キャリア寿命は、利得電流量に大きく依存する。利得電流の増大によってキャリア寿命は減少し、ナノ秒程度のキャリア寿命は、短い場合は数10ピコ秒以下まで変化する。キャリア寿命よりも狭い時間幅の光パルスが入射する場合、光パルスが入射する時間範囲内のキャリアが寄与して、光パルスは増幅される。この場合、キャリア寿命が長いと、蓄積されるキャリア数が多く、増幅エネルギーの増大に有利である。また、光パルス時間幅がキャリア寿命よりも長くなると、光パルスが増幅されてキャリアが消費される過程において、電流注入によってキャリア数が回復するため、より効率の良い増幅が可能になる。一般論として、光パルス時間幅が長くなると、増幅エネルギーが大きくなる例が多い。
回折格子圧縮器を用いる場合、正の群速度分散を与えるように、回折格子501A,501Bとレンズ502A,502B、ミラー503A,503Bの間が調整されている(図17参照)。具体的には、回折格子501A、レンズ502A、ミラー503Aと、回折格子501B、レンズ502B、ミラー503Bとは、一点鎖線に対して鏡面対称に配置されている。レンズ502A,502Bから、ミラー503A,503Bを介して、対称面(A)までの距離は、レンズ502A,502Bの焦点距離と等しい。そして、回折格子501A,501Bからレンズ502A,502Bまでの距離をレンズ502A,502Bの焦点距離よりも短くすることで、正の群速度分散を与えることができる。また、光ファイバを用いる場合、光ファイバの材料分散が正の群速度分散を与えるので、適当な長さのシングルモード光ファイバを用意し、出力された光パルスを通過させることで圧縮が可能である。
通常のGaAsに代表される半導体光増幅器では、半導体光増幅器に入射するレーザ光のエネルギーは増幅されるが、レーザ光のパルス時間幅が半導体光増幅器自体で圧縮されることはなく、前述したとおり、半導体光増幅器による増幅後に、分散性の光学素子を利用したパルス圧縮器が必要とされる。一方、GaN系化合物半導体に代表されるワイドギャップ半導体においては、超短レーザ光の増幅及びパルス圧縮が同時に可能である。これは、GaN系化合物半導体に代表されるワイドギャップ半導体に見られる大きな励起子束縛エネルギーと有効質量のために、バンド内のキャリア緩和時間がGaAs等他のIII−V族化合物に比較して短いことに起因すると考えられる。
実施例7も実施例4の変形である。実施例7にあっては、半導体光増幅器は、分散補償光学系110から系外に出射されたレーザ光を増幅する、III−V族窒化物系半導体層の積層構造体、又は、ワイドギャップ半導体層の積層構造体から成る。半導体光増幅器の構成、構造は、第2電極が分割されていない点、及び、リッジストライプ構造は、湾曲しておらず、代わりに、光入射端面(第1端面)から光出射端面(第2端面)に向かって、その幅が広くなっている点を除き、実質的に、モード同期半導体レーザ素子10と同じ構成、構造を有する。具体的には、半導体光増幅器は、デバイス長3.0mm、フレア幅15μmのテーパー型の半導体光増幅器であり、光閉込め係数は、半導体光増幅器の仕様上、2.6%である。尚、半導体レーザ素子組立体から出力されるレーザ光は、周波数チャープが負であり、パルス時間幅が0.5ピコ秒以下であることが要求される。実施例10〜実施例14においても同等である。
即ち、半導体光増幅器は、
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。
以上のとおり、実施例7にあっては、超短レーザ光の増幅及びパルス圧縮が半導体光増幅器によって同時に行われるので、実施例6とは異なり、パルス圧縮器は不要である。それ故、半導体レーザ装置組立体の小型化を図ることができるし、パルス圧縮器を設ける必要が無いので、パルス圧縮器による光学的損失が生じることも無い。以上の点を除き、実施例7の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例4、実施例6の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例8においては、以上の実施例において用いた、あるいは、実施例10〜実施例14において用いられるモード同期半導体レーザ素子についての説明を行う。
実施例におけるモード同期半導体レーザ素子10は、具体的には、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造(SCH構造)を有する半導体レーザ素子である。より具体的には、このモード同期半導体レーザ素子10は、インデックスガイド型のAlGaInNから成るGaN系半導体レーザ素子であり、リッジストライプ構造を有する。そして、第1化合物半導体層30、第3化合物半導体層(活性層)40、及び、第2化合物半導体層50は、具体的には、AlGaInN系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表1に示す層構成を有する。ここで、表1において、下方に記載した化合物半導体層ほど、n型GaN基板21に近い層である。第3化合物半導体層40における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは3.06eVである。モード同期半導体レーザ素子10は、n型GaN基板21の(0001)面上に設けられており、第3化合物半導体層40は量子井戸構造を有する。n型GaN基板21の(0001)面は、『C面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。
[表1]
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
また、p型GaNコンタクト層54及びp型GaN/AlGaN超格子クラッド層53の一部は、RIE法にて除去されており、リッジストライプ構造55が形成されている。リッジストライプ構造55の両側にはSiO2/Siから成る積層絶縁膜56が形成されている。SiO2層が下層であり、Si層が上層である。ここで、リッジストライプ構造55の有効屈折率と積層絶縁膜56の有効屈折率との差は、5×10-3乃至1×10-2、具体的には、7×10-3である。そして、リッジストライプ構造55の頂面に相当するp型GaNコンタクト層54上には、第2電極(p側オーミック電極)62が形成されている。一方、n型GaN基板21の裏面には、Ti/Pt/Auから成る第1電極(n側オーミック電極)61が形成されている。
モード同期半導体レーザ素子10にあっては、第3化合物半導体層40及びその近傍から発生した光密度分布に、Mgドープした化合物半導体層である、p型AlGaN電子障壁層52、p型GaN/AlGaN超格子クラッド層53及びp型GaNコンタクト層54が出来るだけ重ならないようにすることで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制している。そして、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減させている。具体的には、第3化合物半導体層40からp型AlGaN電子障壁層52までの距離dを0.10μm、リッジストライプ構造55の高さを0.30μm、第2電極62と第3化合物半導体層40との間に位置する第2化合物半導体層50の厚さを0.50μm、第2電極62の下方に位置するp型GaN/AlGaN超格子クラッド層53の部分の厚さを0.40μmとした。また、リッジストライプ構造55は、端面反射を軽減させるために、第2端面に向かって湾曲しているが、このような形状に限定するものではない。
モード同期半導体レーザ素子10において、コリメート手段11と対向する光出射端面(第2端面)には、無反射コート層(AR)が形成されている。一方、モード同期半導体レーザ素子10における光出射端面(第2端面)と対向する端面(第1端面)には、高反射コート層(HR)が形成されている。可飽和吸収領域42は、モード同期半導体レーザ素子10における第1端面の側に設けられている。無反射コート層(低反射コート層)として、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも2種類の層の積層構造を挙げることができる。
モード同期半導体レーザ素子10のパルス繰返し周波数を1GHzとした。外部共振器長さX’(第1端面と空間位相変調器113との間の距離)によってレーザ光のパルス列の繰り返し周波数fが決定され、次式で表される。ここで、cは光速であり、nは共振器の実効的な屈折率である。
f=c/(2n・X’)
ところで、レーザ発振に必要な光学利得を得るためには第3化合物半導体層(活性層)40内に高密度のキャリアを注入(励起)し、反転分布を形成する必要がある。ここで、電子及び正孔の有効質量が大きいGaN系化合物半導体から半導体レーザ素子を構成する場合、光学利得が正の値を取るには第3化合物半導体層40のキャリア密度が1019/cm3を超える必要がある(例えば、高橋清監修、吉川明彦、長谷川文夫編著「ワイドギャップ半導体 光・電子デバイス」、森北出版、p.124-126 参照)。この反転分布キャリア密度は、GaAs系化合物半導体から成る半導体レーザ素子と比較して、1桁程度高く、GaN系化合物半導体から成る半導体レーザ素子の発振には非常に高密度のキャリア密度を注入する必要がある。実施例のモード同期半導体レーザ素子にあっては、キャリア密度(反転分布キャリア密度)は約1.7×1019/cm3と見積もられる。
ところで、前述したとおり、第2化合物半導体層50上に、1×102Ω以上の分離抵抗値を有する2電極62を形成することが望ましい。GaN系半導体レーザ素子の場合、従来のGaAs系半導体レーザ素子とは異なり、p型導電型を有する化合物半導体における移動度が小さいために、p型導電型を有する第2化合物半導体層50をイオン注入等によって高抵抗化することなく、その上に形成される第2電極62を分離溝62Cで分離することで、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値を第2電極62と第1電極61との間の電気抵抗値の10倍以上とし、あるいは又、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値を1×102Ω以上とすることが可能となる。
ここで、第2電極62に要求される特性は、以下のとおりである。即ち、
(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。
第2電極62を厚さ0.1μmのPd単層から構成した。
p型GaN層及びp型AlGaN層が交互に積層された超格子構造を有するp型GaN/AlGaN超格子クラッド層53の厚さは0.7μm以下、具体的には、0.4μmであり、超格子構造を構成するp型GaN層の厚さは2.5nmであり、超格子構造を構成するp型AlGaN層の厚さは2.5nmであり、p型GaN層及びp型AlGaN層の層数合計は160層である。また、第3化合物半導体層40から第2電極62までの距離は1μm以下、具体的には0.5μmである。更には、第2化合物半導体層50を構成するp型AlGaN電子障壁層52、p型GaN/AlGaN超格子クラッド層53、p型GaNコンタクト層54には、Mgが、1×1019cm-3以上(具体的には、2×1019cm-3)、ドーピングされており、波長405nmの光に対する第2化合物半導体層50の吸収係数は、少なくとも50cm-1、具体的には、65cm-1である。また、第2化合物半導体層50は、第3化合物半導体層側から、ノンドープ化合物半導体層(ノンドープGaInN光ガイド層51及びp型化合物半導体層を有しているが、第3化合物半導体層40からp型化合物半導体層(具体的には、p型AlGaN電子障壁層52)までの距離(d)は1.2×10-7m以下、具体的には100nmである。
以下、図26A、図26B、図27A、図27B、図28を参照して、実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明する。尚、図26A、図26B、図27A、図27Bは、基板等をYZ平面にて切断したときの模式的な一部断面図であり、図28は、基板等をXZ平面にて切断したときの模式的な一部端面図である。
[工程−A]
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)。
[工程−B]
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。
[工程−C]
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。
[工程−D]
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。
第2電極を、厚さ20nmのパラジウム(Pd)から成る下層金属層と、厚さ200nmのニッケル(Ni)から成る上層金属層の積層構造としてもよい。ここで、王水によるウエットエッチングにあっては、ニッケルのエッチングレートは、パラジウムのエッチングレートの約1.25倍である。
[工程−E]
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。
製作したモード同期半導体レーザ素子10の第2電極62の第2部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値を4端子法にて測定した結果、分離溝62Cの幅が20μmのとき、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値は15kΩであった。また、製作したモード同期半導体レーザ素子10において、第2電極62の第1部分62Aから発光領域41を経由して第1電極61に直流電流を流して順バイアス状態とし、第1電極61と第2電極62の第2部分62Bとの間に逆バイアス電圧Vsaを印加することによって可飽和吸収領域42に電界を加えることで、セルフ・パルセーション動作させることができた。即ち、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値は、第2電極62と第1電極61との間の電気抵抗値の10倍以上であり、あるいは又、1×102Ω以上である。従って、第2電極62の第1部分62Aから第2部分62Bへの漏れ電流の流れを確実に抑制することができる結果、発光領域41を順バイアス状態とし、しかも、可飽和吸収領域42を確実に逆バイアス状態とすることができ、確実にシングルモードのセルフ・パルセーション動作を生じさせることができた。
実施例9は、実施例8において説明したモード同期半導体レーザ素子の変形であり、第3の構成のモード同期半導体レーザ素子に関する。実施例8においては、モード同期半導体レーザ素子10を、極性を有する結晶面であるn型GaN基板21の(0001)面、C面上に設けた。ところで、このような基板を用いた場合、第3化合物半導体層(活性層)40にピエゾ分極及び自発分極に起因した内部電界によるQCSE効果(量子閉じ込めシュタルク効果)によって、電気的に可飽和吸収が制御し難くなる場合がある。即ち、場合によっては、セルフ・パルセーション動作及びモード同期動作を得るために第1電極に流す直流電流の値及び可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧の値を高くする必要が生じたり、メインパルスに付随したサブパルス成分が発生したり、外部信号と光パルスとの間での同期が取り難くなることが判った。
そして、このような現象の発生を防止するためには、第3化合物半導体層(活性層)40を構成する井戸層の厚さの最適化、第3化合物半導体層40を構成する障壁層における不純物ドーピング濃度の最適化を図ることが好ましいことが判明した。
具体的には、GaInN量子井戸活性層を構成する井戸層の厚さを、1nm以上、10.0nm以下、好ましくは、1nm以上、8nm以下とすることが望ましい。このように井戸層の厚さを薄くすることによって、ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる。また、障壁層の不純物ドーピング濃度を、2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下、好ましくは、1×1019cm-3以上、1×1020cm-3以下とすることが望ましい。ここで、不純物として、シリコン(Si)あるいは酸素(O)を挙げることができる。そして、障壁層の不純物ドーピング濃度をこのような濃度とすることで、活性層のキャリアの増加を図ることができる結果、ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる。
実施例9においては、表1に示した層構成における3層の障壁層(Ga0.98In0.02Nから成る)と2層の井戸層(Ga0.92In0.08N)から成るGaInN量子井戸活性層から構成された第3化合物半導体層(活性層)40の構成を以下の表2のとおりとした。また、参考例8のモード同期半導体レーザ素子においては、表1に示した層構成における第3化合物半導体層40の構成を以下の表2のとおりとした。
[表2]
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
実施例9においては井戸層の厚さが8nmであり、また、障壁層にはSiが2×1018cm-3、ドーピングされており、活性層内のQCSE効果が緩和されている。一方、参考例8においては井戸層の厚さが10.5nmであり、また、障壁層には不純物がドーピングされていない。
モード同期は、実施例1と同様に、発光領域に印加する直流電流と可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧Vsaとによって決定される。実施例9及び参考例8の注入電流と光出力の関係の逆バイアス電圧依存性を測定した。その結果、参考例8にあっては、逆バイアス電圧Vsaを増加していくと、レーザ発振が開始する閾値電流が次第に上昇し、更には、実施例9に比べて、低い逆バイアス電圧Vsaで変化が生じていることが判った。これは、実施例9の活性層の方が、逆バイアス電圧Vsaにより可飽和吸収の効果が電気的に制御されていることを示唆している。但し、参考例8にあっても、可飽和吸収領域に逆バイアスを印加した状態でシングルモード(単一基本横モード)のセルフ・パルセーション動作及びモード同期(モードロック)動作が確認されており、参考例8も本開示に包含されることは云うまでもない。
実施例10は、実施例7の変形である。半導体光増幅器によるレーザ光のパルス増幅において、大きなエネルギーを得るためには、利得の飽和エネルギーを大きくする必要がある。そのためには、導波路中の光モードが占める体積に対する活性層の体積の割合に相当する光閉込め係数を小さくすることが有効である。実施例10にあっては、半導体光増幅器の光閉込め係数を低減させている。具体的には、実施例10において、半導体光増幅器は、具体的には、スラブ結合型導波路(SCOWA)構造を利用した半導体光増幅器である。そして、実施例7における光閉込め係数を2.6%としたのに対して、実施例10にあっては、光閉込め係数を0.8%とした。
SCOWA構造型の半導体光増幅器は、スラブ(板)状の2次元導波路にロッド(棒)状の導波路を結合させ、スラブとロッドの結合部に弱く光を閉じ込める構造である。ロッド状の導波路内に第3化合物半導体層(活性層)を設けることで、レーザ光のモードフィールドに対して活性層が占める体積を小さくすることが可能となり、低い光閉込め係数を有する半導体光増幅器を実現することが可能となる。SCOWA構造型の半導体光増幅器の詳細な構成、構造に関しては、以下の実施例11において詳述する。
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構成とすることもできる。ところで、このレーザ光の光スペクトルは、長波長側に強度が増加しているため、バンドパスフィルタを単独で使用するだけでは、光スペクトルが十分に整形されず、良好な相関波形(時間波形)が得られない場合がある。これは、誘電多層膜を利用したバンドパスフィルタは、透過関数がローレンツ関数で近似されることに起因している。それ故、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を、バンドパスフィルタを複数回(具体的には、例えば2回)、通過させることが望ましい。このように、レーザ光を、バンドパスフィルタを複数回、通過させることによって、遅い時間パルス成分及びインコヒーレントな成分を除去することができる。光スペクトル整形手段として、より具体的には、低誘電率を有する誘電体薄膜と、高誘電率を有する誘電体薄膜とを積層することで形成されたバンドパスフィルタを用いる。この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であり、複数回、レーザ光を通過させることで、所望の波長以外の波長成分の通過量を、適宜、減少させることが可能である。但し、所望の波長成分以外の光の減衰量として必要な値が得られるのであれば、単一の二分の一波長共振器に限定する必要はなく、複数の共振器あるいは二分の一波長の整数倍の共振器によって構成されるバンドパスフィルタを用いることもできる。また、半導体光増幅器への入射に必要な光スペクトル形状が得られ、且つ、光スペクトル整形後にレーザ光の分散状態が変化しなければ、光スペクトル整形手段はバンドパスフィルタに限定されない。
図18にバンドパスフィルタを、2回、透過させる場合の光学配置の一例を図示する。分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光は、光スペクトル整形手段114を通過し、反射鏡115Aで反射され、再び、光スペクトル整形手段114を通過し、反射鏡115B,116で反射され、光アイソレータ117へと導かれ、光アイソレータ117を通過したレーザ光は、集光手段(レンズ)211Aを通過して、半導体光増幅器210に入射する。そして、半導体光増幅器210から出力されたレーザ光は、集光手段(レンズ)211Bを経由して系外に出力される。
以上の点を除き、実施例10の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例7の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例11は、実施例10の変形である。実施例11にあっては、半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器の光閉込め係数の値の低下を図っている。実施例11における半導体光増幅器は、第1の構成の半導体光増幅器である。
半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図を図19に示すように、積層構造体は、第1導電型を有する第1化合物半導体層71、化合物半導体から成る第3化合物半導体層(活性層、利得領域)73、及び、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72が、順次、基体70上に積層されて成る。ここで、第1化合物半導体層71は、基体側から、第1クラッド層(n型AlGaN層)71A、及び、第1光ガイド層(n型GaN層)71Bの積層構造を有する。そして、第1光ガイド層71Bの厚さをt1、リッジストライプ構造75を構成する第1光ガイド層の部分71B’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。具体的には、実施例11にあっては、
1 =1.25μm
1’=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。
具体的には、基体70はn型GaN基板から成り、化合物半導体層はn型GaN基板の(0001)面上に設けられている。また、第1化合物半導体層71、活性層73、及び、第2化合物半導体層72から構成された積層構造体は、GaN系化合物半導体、具体的にはAlGaInN系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表3に示す層構成を有する。ここで、表3において、下方に記載した化合物半導体層ほど、基体70に近い層である。活性層73における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは3.06eVである。活性層73は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有しており、障壁層の不純物(具体的には、シリコン,Si)のドーピング濃度は、2×1017cm-3以上、1×1020cm-3以下である。また、リッジストライプ構造75の両側にはSiO2/Siから成る積層絶縁膜76が形成されている。SiO2層が下層であり、Si層が上層である。そして、リッジストライプ構造75の頂面に相当するp型GaNコンタクト層74に、第2電極(p側オーミック電極)62が形成されている。一方、基体70の裏面には、Ti/Pt/Auから成る第1電極(n側オーミック電極)61が形成されている。実施例11にあっては、第2電極62を厚さ0.1μmのPd単層から構成した。p型AlGaN電子障壁層72Aの厚さは10nmであり、第2光ガイド層(p型AlGaN層)72Bの厚さは50nmであり、第2クラッド層(p型AlGaN層)72Cの厚さは0.5μmであり、p型GaNコンタクト層74の厚さは100nmである。更には、第2化合物半導体層72を構成するp型AlGaN電子障壁層72A、第2光ガイド層72B、第2クラッド層72C、p型GaNコンタクト層74には、Mgが、1×1019cm-3以上(具体的には、2×1019cm-3)、ドーピングされている。一方、第1クラッド層(n型AlGaN層)71Aの厚さは2.5μmである。第1光ガイド層(n型GaN層)71Bの厚さは上述したとおりであり、第1光ガイド層71Bの厚さ(1.25μm)は、第2光ガイド層72Bの厚さ(100nm)よりも厚い。また、第1光ガイド層71BをGaNから構成しているが、代替的に、第1光ガイド層71Bを、活性層73よりもバンドギャップの広い化合物半導体であって、第1クラッド層71Aよりもバンドギャップの狭い化合物半導体から構成することもできる。
[表3]
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
実施例11の半導体光増幅器にあっては、第1光ガイド層の厚さt1が規定されているので、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、高出力動作時に活性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、高出力化の達成を図ることができる。しかも、実施例11にあっては、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’が規定されているので、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。
以上の点を除き、実施例11の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例10の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例12は、実施例7、実施例10〜実施例11の半導体光増幅器の変形である。実施例12の半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図を図20に示すように、基体70には、半導体光増幅器の軸線方向に沿って延びる凹部81が2つ、形成されている。そして、全面に、即ち、2つの凹部81、及び、2つの凹部81によって挟まれた基体70の領域82の上には、実施例11にて説明した積層構造体が形成されている。更には、基体70の領域82の上方には、第2電極62が設けられている。
ここで、第1化合物半導体層71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、
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、
1 =1.25μm
Total=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。
以上の点を除き、実施例12の半導体光増幅器は、実施例11の半導体光増幅器と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。
実施例12の半導体光増幅器にあっては、2つの凹部によって挟まれた基体の領域(即ち、凹部と凹部との間に位置する基体の部分)の上の第1光ガイド層の厚さt1が規定されているので、高出力動作時に活性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、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、実施例12の半導体光増幅器にあっては、凹部の深さDが規定されているので、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。
実施例13は、実施例7、実施例10〜実施例12の変形である。模式的な一部断面図を図21に示すように、実施例13の半導体光増幅器において、第1化合物半導体層71は、基体70側から、第1クラッド層71A及び第1光ガイド層71b1,71b2の積層構造を有し、第1光ガイド層71b1,71b2の内部には、第1化合物半導体層71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79、具体的には、厚さ50nmのIn0.02Ga0.98Nから成る高屈折率層79が形成されている。活性層73と上層の第1光ガイド層71b2との界面から、上層の第1光ガイド層71b2と高屈折率層79との界面までの距離を0.35μmとした。ここで、第1光ガイド層71b1,71b2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79を構成する化合物半導体材料の屈折率をnHR、活性層73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、
0.01≦nHR−nG-1≦0.1
を満足し、
HR≦nAc
を満足している。具体的には、
HR =2.547
G-1=2.520
Ac =2.620
である。
実施例14は、実施例7、実施例10〜実施例13の変形である。実施例14にあっても、半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器の光閉込め係数の値の低下を図っている。実施例14における半導体光増幅器は、第2の構成の半導体光増幅器である。
模式的な一部断面図を図22に示すように、実施例14の半導体光増幅器において、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95を有し;第1化合物半導体層91は、0.6μmを超える厚さを有し;第1化合物半導体層91内には、第1化合物半導体層91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99が形成されている。具体的には、第1化合物半導体層91は、基体側から、第1クラッド層91A及び第1光ガイド層91Bの積層構造を有し、第1光ガイド層91Bは0.6μmを超える厚さを有し、高屈折率層99は第1光ガイド層91Bの内部に形成されている。ここで、第1光ガイド層91Bは、基体側から、第1光ガイド層の第1の部分(第1−A光ガイド層91B1)、高屈折率層99、第1光ガイド層の第2の部分(第1−B光ガイド層91B2)が積層された構成を有する。
高屈折率層99を含む第1光ガイド層91Bの全体の厚さを1.25μmとした。また、活性層93と第1光ガイド層91Bとの界面(活性層93と第1−B光ガイド層91B2との界面)から、活性層側に位置する第1光ガイド層91Bの部分(第1−B光ガイド層91B2)と高屈折率層99との界面までの距離は、0.25μm以上であり、実施例14にあっては、具体的には、0.35μmである。即ち、第1−B光ガイド層91B2の厚さは0.35μmである。高屈折率層99は、厚さ50nmのIn0.02Ga0.98Nから成る。第1光ガイド層91B1,91B2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99を構成する化合物半導体材料の屈折率をnHR、活性層93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、
0<nHR−nG-1≦0.3
好ましくは、
0.02≦nHR−nG-1≦0.2
を満足し、
HR≦nAc
を満足している。具体的には、
HR =2.547
G-1=2.520
Ac =2.620
である。
リッジストライプ構造95の長さ及び幅を、それぞれ、1.0mm、1.6μmとした。半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する。
具体的には、基体90はn型GaN基板から成り、化合物半導体層はn型GaN基板の(0001)面上に設けられている。また、第1化合物半導体層91、活性層93、及び、第2化合物半導体層92から構成された積層構造体は、GaN系化合物半導体、具体的にはAlGaInN系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表4に示す層構成を有する。ここで、表4において、下方に記載した化合物半導体層ほど、基体90に近い層である。活性層93における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは3.06eVである。活性層93は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有しており、障壁層の不純物(具体的には、シリコン,Si)のドーピング濃度は、2×1017cm-3以上、1×1020cm-3以下である。また、リッジストライプ構造95の両側にはSiO2/Siから成る積層絶縁膜96が形成されている。SiO2層が下層であり、Si層が上層である。そして、リッジストライプ構造95の頂面に相当するp型GaNコンタクト層94に、第2電極(p側オーミック電極)62が形成されている。一方、基体90の裏面には、Ti/Pt/Auから成る第1電極(n側オーミック電極)61が形成されている。実施例14にあっては、第2電極62を厚さ0.1μmのPd単層から構成した。p型AlGaN電子障壁層92Aの厚さは10nmであり、第2光ガイド層(p型AlGaN層)92Bの厚さは50nmであり、第2クラッド層(p型AlGaN層)92Cの厚さは0.5μmであり、p型GaNコンタクト層94の厚さは100nmである。更には、第2化合物半導体層92を構成するp型AlGaN電子障壁層92A、第2光ガイド層92B、第2クラッド層92C、p型GaNコンタクト層94には、Mgが、1×1019cm-3以上(具体的には、2×1019cm-3)、ドーピングされている。一方、第1クラッド層(n型AlGaN層)91Aの厚さは2.5μmである。高屈折率層99を含む第1光ガイド層(n型GaN層)91Bの全体の厚さは、上述したとおり、1.25μmであり、第1光ガイド層91Bの全体の厚さ(1.25μm)は、第2光ガイド層92Bの厚さ(100nm)よりも厚い。また、第1光ガイド層91BをGaNから構成しているが、代替的に、第1光ガイド層91Bを、活性層93よりもバンドギャップの広い化合物半導体であって、第1クラッド層91Aよりもバンドギャップの狭い化合物半導体から構成することもできる。
[表4]
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
実施例14においては、高屈折率層を、第1光ガイド層に設けたが、場合によっては、第1クラッド層に設けてもよく、この場合、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率は、第1クラッド層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い。
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した半導体レーザ装置組立体、モード同期半導体レーザ素子、分散補償光学系、空間位相変調器や半導体光増幅器の構成、構造の構成は例示であり、適宜、変更することができる。また、実施例においては、種々の値を示したが、これらも例示であり、例えば、使用するモード同期半導体レーザ素子等の仕様が変われば、変わることは当然である。空間位相変調器は、その他、例えば、レンズから成る集光手段に替えて同様な焦点距離を実現できる凹面ミラーを用いることができるし、同様な空間分散を実現する透過型の回折格子を用いることもできる。また、所望に応じて、空間位相変調器を複数用いることもできる。例えば、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成としてもよいし、リッジストライプ構造の平面形状をテーパー状としてもよい。
発光領域41や可飽和吸収領域42の数は1に限定されない。1つの第2電極の第1部分62Aと2つの第2電極の第2部分62B1,62B2とが設けられたモード同期半導体レーザ素子(マルチセクション型(多電極型)のモード同期半導体レーザ素子)の模式的な端面図を図23及び図24に示す。図23に示すモード同期半導体レーザ素子にあっては、第1部分62Aの一端が、一方の分離溝62C1を挟んで、一方の第2部分62B1と対向し、第1部分62Aの他端が、他方の分離溝62C2を挟んで、他方の第2部分62B2と対向している。そして、1つの発光領域41が、2つの可飽和吸収領域421,422によって挟まれている。あるいは又、2つの第2電極の第1部分62A1,62A2と1つの第2電極の第2部分62Bとが設けられたモード同期半導体レーザ素子の模式的な端面図を図24に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、第2部分62Bの端部が、一方の分離溝62C1を挟んで、一方の第1部分62A1と対向し、第2部分62Bの他端が、他方の分離溝62C2を挟んで、他方の第1部分62A2と対向している。そして、1つの可飽和吸収領域42が、2つの発光領域411,412によって挟まれている。
モード同期半導体レーザ素子を、斜め導波路を有する斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造の半導体レーザ素子とすることもできる。このようなモード同期半導体レーザ素子におけるリッジストライプ構造55’を上方から眺めた模式図を図25に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、直線状の2つのリッジストライプ構造が組み合わされた構造を有し、2つのリッジストライプ構造の交差する角度θの値は、例えば、
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。
実施例においては、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器を、n型GaN基板の極性面であるC面,{0001}面上に設けたが、代替的に、{11−20}面であるA面、{1−100}面であるM面、{1−102}面といった無極性面上、あるいは又、{11−24}面や{11−22}面を含む{11−2n}面、{10−11}面、{10−12}面といった半極性面上に、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器を設けてもよく、これによって、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器の第3化合物半導体層(活性層)にたとえピエゾ分極及び自発分極が生じた場合であっても、第3化合物半導体層の厚さ方向にピエゾ分極が生じることは無く、第3化合物半導体層の厚さ方向とは略直角の方向にピエゾ分極が生じるので、ピエゾ分極及び自発分極に起因した悪影響を排除することができる。{11−2n}面とは、ほぼC面に対して40度を成す無極性面を意味する。また、無極性面上あるいは半極性面上にモード同期半導体レーザ素子10を設ける場合、実施例8にて説明したような、井戸層の厚さの制限(1nm以上、10nm以下)及び障壁層の不純物ドーピング濃度の制限(2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下)を無くすことが可能である。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
[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≦3×10-6
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、
1’≦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。
10・・・モード同期半導体レーザ素子、11・・・コリメート手段、21・・・基体(基板)、30・・・第1化合物半導体層、31・・・n型AlGaNクラッド層、32・・・n型GaNクラッド層、40・・・第3化合物半導体層(活性層)、41,411,412・・・発光領域、42,421,422・・・可飽和吸収領域、50・・・第2化合物半導体層、51・・・ノンドープGaInN光ガイド層、52・・・p型AlGaN電子障壁層(Mgドープ)、53・・・p型GaN(Mgドープ)/AlGaN超格子クラッド層、54・・・p型GaNコンタクト層(Mgドープ)、55,55’・・・リッジストライプ構造、56・・・積層絶縁膜、61・・・第1電極、62・・・第2電極、62A,62A1,62A2・・・第2電極の第1部分、62B,62B1,62B2・・・第2電極の第2部分、62C,62C1,62C2・・・分離溝、63・・・Pd単層、64・・・レジスト層、65・・・開口部、70・・・基体、71・・・第1化合物半導体層、71A・・・第1クラッド層(n型AlGaN層)、71B・・・第1光ガイド層(n型GaN層)、71B’・・・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、71b1,71b2・・・第1光ガイド層、72・・・第2化合物半導体層、72A・・・p型AlGaN電子障壁層、72B・・・第2光ガイド層(p型AlGaN層、72C・・・第2クラッド層(p型AlGaN層)、73・・・第3化合物半導体層(活性層、利得領域)、74・・・p型GaNコンタクト層、75・・・リッジストライプ構造、76・・・積層絶縁膜、79・・・高屈折率層、81・・・凹部、82・・・2つの凹部によって挟まれた基体の領域、90・・・基体、91・・・第1化合物半導体層、91A・・・第1クラッド層、91B・・・第1光ガイド層、91B1・・・第1−A光ガイド層、91B2・・・第1−B光ガイド層、92・・・第2化合物半導体層、92A・・・p型AlGaN電子障壁層、92B・・・第2光ガイド層(p型AlGaN層)、92C・・・第2クラッド層(p型AlGaN層)、93・・・活性層、94・・・p型GaNコンタクト層、95・・・リッジストライプ構造、96・・・積層絶縁膜、99・・・高屈折率層、110・・・分散補償光学系、111・・・回折格子、112・・・集光手段(レンズ)、112’・・・凹レンズ、113,413A,413B・・・空間位相変調器、114・・・光スペクトル整形手段、115A,115B,116・・・反射鏡、117・・・光アイソレータ、210・・・半導体光増幅器、211A,211B・・・集光手段(レンズ)、501A,501B・・・・回折格子、502A,502B・・・レンズ、503A,503B・・・・ミラー、AR・・・無反射コート層、HR・・・高反射コート層

Claims (17)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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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