JP2009049310A - 半導体レーザ、バイオイメージングシステム、顕微鏡、光ディスク装置、光ピックアップ、加工装置および内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高出力の超短パルス光源を低コストで容易に実現することができる半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体レーザは互いに対向する第１の端面５１ａおよび第２の端面５１ｂの間に少なくとも一つのレーザストライプ５２を有する一つのレーザチップ５１を有する。レーザチップ５１は、第１の端面５１ａ側および第２の端面５１ｂ側にそれぞれモード同期レーザ部５４およびこのモード同期レーザ部５４から発生する光を増幅する半導体光増幅器部５５を有する。第１の端面５１ａの法線とモード同期レーザ部５４のレーザストライプ５２とのなす角度は０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と半導体光増幅器部５５のレーザストライプ５２とのなす角度は１°より大きく９０°未満である。
【選択図】図６

Description

この発明は、半導体レーザ、バイオイメージングシステム、顕微鏡、光ディスク装置、光ピックアップ、加工装置および内視鏡に関し、例えば、超短パルス光源として用いて好適な半導体レーザおよびこの半導体レーザを光源に用いたバイオイメージングシステム、顕微鏡、光ディスク装置、光ピックアップ、加工装置および内視鏡に関する。

非線形光学効果を用いた多光子吸収はバイオイメージングの分野で注目されている（例えば、非特許文献１〜４参照。）。この多光子イメージングにより、最高で１ｍｍの深さの生体組織のイメージを得ること、および、生体組織の構造を高分解能で観察することが可能となる。種々の多光子イメージング技術のうち２光子励起蛍光イメージングは実用的な見地から最も有望な方法である。しかしながら、多光子イメージングを用いるバイオイメージングシステムは一般にあまり便利なものではない。すなわち、このバイオイメージングシステムの光源としては、従来よりＴｉサファイアレーザからなる超短パルス光源が用いられているが（例えば、非特許文献４参照。）、このＴｉサファイアレーザは高価であり、サイズが大きいためバイオイメージングシステムが大きくなり、メンテナンスも非常に難しく、使いづらい光源であった。また、このＴｉサファイアレーザでは、繰り返しレートおよび電子的同期のような光パルス特性を制御することは簡単ではない。

Ｔｉサファイアレーザの代わりに半導体レーザを用いて超短パルス光源を実現することができれば、バイオイメージングシステムを小型に構成することができ、コストも大幅に低減することができる。この超短パルス光源としては、一般に、ｐｓ（ピコ秒）オーダーの超短パルスで、ピークパワーが数十Ｗを超えるパワーのパルス光を発生させることができるものが要求される。

従来、半導体光増幅器を用いて光増幅を行うことにより高いパワーのレーザ光を取り出すことができる半導体レーザが知られている。このような半導体レーザはＭＯＰＡ（master oscillator power amplifier)と呼ばれ、分布帰還（ＤＦＢ）レーザ共振器部（マスター共振器）と半導体光増幅器とを一つのレーザチップに集積化した面発光型ＭＯＰＡ（非特許文献５参照。）や、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザ共振器部（マスター共振器）と強度変調器と半導体光増幅器とを一つのレーザチップに集積化したＭＯＰＡ（非特許文献６参照。）が知られている。
なお、２光子吸収を利用して光記録を行う方法が報告されている（例えば、非特許文献７参照。）。

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しかしながら、非特許文献５、６で提案されたＭＯＰＡは、そもそも短パルス光源としての機能を有していないだけでなく、半導体光増幅器部のレーザストライプがレーザチップの端面に垂直に形成されているため、端面反射率が高いと半導体光増幅器部内で光のフィードバックが起こって全体でレーザ発振してしまい、利得が小さくなり、十分に高いパワーを得ることが困難であるという問題があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、小型で高出力の超短パルス光源を低コストで容易に実現することができる半導体レーザを提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた半導体レーザを光源に用いたバイオイメージングシステム、顕微鏡、光ピックアップ、光ディスク装置、加工装置および内視鏡を提供することである。

上記課題を解決するために、第１の発明は、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である
ことを特徴とする半導体レーザである。

第２の発明は、
光源に半導体レーザを用いたバイオイメージングシステムにおいて、
上記半導体レーザが、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
ことを特徴とするものである。

第３の発明は、
光源に半導体レーザを用いた顕微鏡において、
上記半導体レーザが、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
ことを特徴とするものである。

第４の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
上記半導体レーザが、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
ことを特徴とするものである。

第５の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ピックアップにおいて、
上記半導体レーザが、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
ことを特徴とするものである。

第６の発明は、
光源に半導体レーザを用いた加工装置において、
上記半導体レーザが、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
ことを特徴とするものである。

第７の発明は、
光源に半導体レーザを用いた内視鏡において、
上記半導体レーザが、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
ことを特徴とするものである。

第１〜第７の発明において、半導体レーザのモード同期レーザ部は、内部共振器型であっても、レーザチップの第１の端面の外側に外部ミラーを設けた外部共振器型であってもよい。この外部ミラーはレーザチップと別部品として設けてもよいし、例えばレーザ構造を形成する半導体層に活性層よりも深い位置に達する溝をレーザチップの幅方向に設け、この溝の一方の側面を第１の端面とし、他方の側面を外部ミラーとして用いてもよい。好適には、モード同期レーザ部が内部共振器型である場合、第２の端面の反射率は第１の端面の反射率より低く、モード同期レーザ部が外部共振器型である場合、第２の端面の反射率は外部ミラーの反射率より低い。好適には、第２の端面の反射率は１％以下であるが、これに限定されるものではない。レーザチップは、第１の端面および第２の端面の間にただ一つのレーザストライプを有してもよいし、複数のレーザストライプを有してもよく、レーザストライプの数はこの半導体レーザの用途などに応じて適宜決められる。

モード同期レーザ部は、好適には、利得領域と可飽和吸収領域とを有する。典型的には、第１の端面側に利得領域を有し、この利得領域と半導体光増幅器部との間に可飽和吸収領域を有する。典型的には、利得領域と可飽和吸収領域と半導体光増幅器部とは互いに独立に駆動可能に構成され、このために例えば利得領域と可飽和吸収領域と半導体光増幅器部との上に互いに分離してそれぞれ電極を有する。典型的には、利得領域に直流電流を注入し、可飽和吸収領域に逆バイアス電圧を印加し、あるいは、可飽和吸収領域をアースへショートし、半導体光増幅器部に直流電流を注入することにより半導体レーザを動作させる。利得領域には直流電流に加えて交流電流あるいは高周波電流を注入するようにしてもよい。この場合、レーザ発振は主として利得領域で起きる。可飽和吸収領域は、レーザチップの第２の端面での残留反射により帰還される光を吸収することにより利得領域に光が入射しないようにする役割を有する。

モード同期レーザ部から発生するパルス光と半導体光増幅器部との光学的結合効率（カップリング効率）の向上を図るために、半導体レーザは、好適には、モード同期レーザ部の中に光結合用のグレーティング（回折格子）構造を有する。このグレーティング構造はモード同期レーザ部の一部に形成してもよいし、全体に形成してもよい。この半導体レーザは、例えば、モード同期レーザ部の少なくとも半導体光増幅器部側の部分にこのグレーティング構造を有する。このグレーティング構造は、レーザ構造を形成する半導体層内に形成してもよいし、レーザストライプに形成してもよい。半導体光増幅器部のレーザストライプは、その長手方向に幅を一定としてもよいが、第２の端面に向かって幅が徐々に広がったテーパー形状としてもよい。

必要に応じて、半導体光増幅器部に電気的な変調信号を印加し、ゲート機能を持たせるようにしてもよい。このように半導体光増幅器部にゲート機能を持たせることにより、例えば、モード同期レーザ部から発生する光パルス列を変調し、この半導体レーザを光源に用いるシステムに合った周波数の光パルス列を用いることができる。また、例えば、この半導体レーザを光ディスク装置の光源に用いる場合には、半導体光増幅器部に印加する電気信号により記録信号を制御することができる。
レーザチップはレーザ構造を形成する半導体層（例えば、ｎ側クラッド層、活性層、ｐ側クラッド層、コンタクト層など）を有する。このレーザ構造を形成する半導体層の材料は、特に限定されず、この半導体レーザから取り出そうとする光の波長などに応じて適宜選択されるが、具体的には、ＧａＡｓ系半導体、ＧａＩｎＰ系半導体、ＧａＮ系半導体などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のほか、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などを用いることができる。レーザストライプの構造は、特に限定されないが、リッジ部の両側をＳｉＯ₂ 膜などの絶縁膜で挟んだリッジストライプや、リッジ部の両側を半導体で埋め込んだ埋め込みリッジストライプなどであってよい。

第２の発明によるバイオイメージングシステムは、多光子イメージング、取り分け２光子励起蛍光イメージングに適用して好適なものである。このバイオイメージングシステムは、一般的には、半導体レーザに加えて、この半導体レーザからの出力光を試料に照射するための照射光学系や試料から発生する光を検出するための検出光学系などを含む。第３の発明による顕微鏡は、バイオイメージングのほかに、各種の用途に使用することができる。第４の発明による光ディスク装置には、再生（読み出し）専用のもの、記録（書き込み）専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれ、再生および／または記録の方式も特に問わない。この光ディスク装置は、再生光学系あるいは記録光学系あるいはそれらの両者を有する。記録／再生には、例えば非特許文献７で提案された方法を用いることができる。第５の発明による光ピックアップはこのような光ディスク装置に用いて好適なものである。第６の発明による加工装置は、半導体レーザからの出力光を被加工物に照射して加工を行うものであり、一般的には、半導体レーザに加えて、この半導体レーザからの出力光を被加工物に照射するための照射光学系などを含む。第７の発明による内視鏡は、一般的には、半導体レーザに加えて、この半導体レーザからの出力光を導く導波路（光ファイバーなど）などを含む。
第８の発明は、
互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれ利得スイッチ部およびこの利得スイッチ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
上記第１の端面の法線と上記利得スイッチ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である
ことを特徴とする半導体レーザである。
第８の発明による半導体レーザにおいて、利得スイッチ部は、第１の発明による半導体レーザにおけるモード同期レーザ部に対応するものであり、第１の発明における可飽和吸収領域がなく、利得領域のみ設けたものであり、典型的には、第１の端面と光結合用のグレーティング構造との間に形成される。この利得スイッチ部には、典型的には、直流電流に加えて高周波電流を注入し、高周波重畳を行う。この場合、この利得スイッチ部がパルス光の光源となる。
この第８の発明による半導体レーザも、第１の発明による半導体レーザと同様に、バイオイメージングシステム、顕微鏡、光ディスク装置、光ピックアップ、加工装置、内視鏡などの光源に用いて好適なものである。

上述のように構成された第１〜第８の発明においては、半導体レーザのモード同期レーザ部あるいは利得スイッチ部から例えばｐｓオーダーの超短パルス光を容易に発生させることができ、この超短パルス光を半導体光増幅器部に導入して増幅することにより例えばピークパワーが数十Ｗ以上の高出力のパルス光を得ることができる。この半導体レーザはＴｉサファイアレーザに比べて大幅に小型化することができ、コストも大幅に低減することができる。

この発明によれば、半導体レーザにより、小型で高出力の超短パルス光源を低コストで容易に実現することができる。そして、この優れた半導体レーザを光源に用いることにより、多光子イメージング、取り分け２光子励起蛍光イメージングに用いて好適なバイオイメージングシステムや顕微鏡を実現することができる。また、この半導体レーザを光ピックアップの光源に用いることにより、高性能の光ディスク装置を実現することができる。さらに、この半導体レーザを光源に用いることにより、高性能の加工装置あるいは内視鏡を実現することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
まず、以下の実施形態による半導体レーザの基礎となる、本発明者らの研究により得られた新規な全半導体レーザ超短パルス光源について説明する。
図１はこの超短パルス光源の構成を示す。この超短パルス光源は、モード同期半導体レーザ１と二段に配置された半導体光増幅器２、３とを有する。モード同期半導体レーザ１は、二分割半導体レーザチップ１１と、外部共振器を形成するために用いられる外部ミラー１２と、所望の波長範囲で波長選択を行うための帯域フィルター１３と、二分割半導体レーザチップ１１の前後に設けられたレンズ１４、１５とにより構成されている。ここでは、モード同期半導体レーザ１が外部共振器型である場合について説明するが、内部共振器型であってもよい。二分割半導体レーザチップ１１は、利得領域１１ａと可飽和吸収領域１１ｂとからなり、利得領域１１ａ側の端面に反射防止射（残留反射率＜１０^-3）が設けられている。この二分割半導体レーザチップ１１のレーザストライプ１１ｃは互いに平行な一対の端面１１ｄ、１１ｅの法線に対して０°以上１°以下の角度の方向に形成されている。このモード同期半導体レーザ１の最適なモード同期は、二分割半導体レーザチップ１１の利得領域１１ａに注入する直流電流と可飽和吸収領域１１ｂに印加する逆バイアス電圧とを適切に選択することにより達成することができる。半導体光増幅器２のレーザストライプ２ａは、互いに平行な一対の端面２ｂ、２ｃの法線に対して１°より大きく９０°未満の角度傾斜した方向に形成されている。半導体光増幅器３のレーザストライプ３ａは、その中心線が互いに平行な一対の端面３ｂ、３ｃの法線に対して１°より大きく９０°未満の角度傾斜した方向に形成され、かつ幅が端面３ｃに向かって徐々に広がったテーパー形状を有する。レーザストライプ３ａをテーパー形状としたのは、半導体光増幅器３の飽和平均パワーを増加させるためである。ただし、このレーザストライプ３ａはテーパー形状とせず、一定の幅に形成してもよい。半導体光増幅器２の端面２ｂ、２ｃおよび半導体光増幅器３の端面３ｂ、３ｃには、これらの半導体光増幅器２、３のレーザ発振を抑制し、より高い利得を得るために反射防止膜（残留反射率＜１０^-3）が設けられている。これらの半導体光増幅器２、３にはそれぞれ直流電流が注入される。

モード同期半導体レーザ１から発生される超短パルス光は光アイソレーター４およびレンズ５を順次通って半導体光増幅器２の端面２ｂに入射し、この半導体光増幅器２により増幅される。こうして増幅された超短パルス光はレンズ６および光アイソレーター７を順次通って帯域フィルター８に入射し、この帯域フィルター８において半導体光増幅器２で増幅された自然放出光成分が除去される。帯域フィルター８を通った超短パルス光はレンズ９を通って半導体光増幅器３の端面３ｂに入射し、この半導体光増幅器３により増幅される。こうして所望のパワーに増幅された超短パルス光がレンズ１０を通って外部に取り出される。

この半導体レーザの具体例について説明する。
二分割半導体レーザチップ１１としては、ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を有し、利得領域１１ａの長さが４００μｍ、可飽和吸収領域１１ｂの長さが４０μｍであるものを用いる。外部ミラー１２の反射率は０．７５、帯域フィルター８、１３は７８０〜８００ｎｍの範囲で波長選択を行うものである。モード同期半導体レーザ１の外部共振器長は３００ｍｍでこれは５００ＭＨｚのパルス繰り返しレートに対応する。半導体光増幅器２、３の長さはそれぞれ３ｍｍ、半導体光増幅器２のレーザストライプ２ａと端面２ｂ、２ｃの法線とのなす角度は６°、半導体光増幅器３のレーザストライプ３ａの中心線と端面３ｂ、３ｃの法線とのなす角度は６°、端面３ｂにおけるレーザストライプ３ａの幅は７μｍ、端面３ｃにおけるレーザストライプ３ａの幅は８５μｍである。

この具体例による半導体レーザにおいて、モード同期半導体レーザ１の二分割半導体レーザチップ１１の利得領域１１ａに７９ｍＡの電流を注入し、可飽和吸収領域１１ｂに−１Ｖの逆バイアス電圧を印加して駆動したとき、パルス幅が約５ｐｓで中心波長が約８００ｎｍの超短パルス光が平均出力パワー０．４ｍＷで安定に得られた。半導体光増幅器３は、１．５Ａの直流電流を注入したとき、半導体光増幅器２からの８ｍＷのパワーの超短パルス光を２７３ｍＷに増幅することができた。これは、パルス光の平均パワーが二段の半導体光増幅器２、３を用いて約７００倍増幅されたことを示す。半導体光増幅器３から出力される増幅されたパルス光の典型的な第２高調波発生（ＳＨＧ）強度自動相関軌跡（自己相関波形）を図２に示す。図２より、ｓｅｃｈ² 形状のパルス光を仮定するとパルス幅は５．２ｐｓ（半値全幅）と見積もられる。このパルス幅はモード同期半導体レーザ１から出力されるパルス光のものとほとんど同じであり、これは半導体光増幅器２、３による増幅中に特に大きなパルス光の広がりが生じないことを示している。平均パワー２７３ｍＷ、パルス幅５．２ｐｓおよび繰り返し周波数５００ＭＨｚに対して、ピークパワーは１０５Ｗと見積もられた。図３はモード同期半導体レーザ１の出力、半導体光増幅器２の出力および半導体光増幅器３の出力の光スペクトルを示す。半導体光増幅器２についてはわずかなスペクトルの広がりが観察されるが、深刻なスペクトルの歪みはない。対照的に、半導体光増幅器３については、中心波長のシフトおよびスペクトルの広がりが明らかである。これらのスペクトル変化はおそらく、光パルスの増幅中に半導体光増幅器３の内部で自己位相変調が発生することによるものである。

数十Ｗのピークパワーを有するパルス光を用いて２光子蛍光を得る可能性を検証するために、クマリン−４８０色素溶液（１０^-4ｍｏｌ／ｌ）を含むセルを用いた。ピークパワーが２０Ｗの光パルスを焦点距離１００ｍｍのレンズによりこのセルに集光したとき、青色の２光子蛍光が明確に観察された。図４は７００ｎｍより短い透過波長範囲を有するカラーフィルターを通して観察された２光子蛍光を示す写真である。この結果はこの全半導体レーザパルス光源の２光子イメージングへの応用の潜在的可能性を示すものである。

次に、生物試料を観察するために２光子イメージング用に改良されたレーザ顕微鏡（オリンパスＩＸ７１）を用い、２光子イメージング実験を行った。この実験では、顕微鏡内でより高い光学的カップリング効率を得るためにレーザビームの形状を改善するために、半導体光増幅器３の代わりにテーパーなしのレーザストライプを有する半導体光増幅器を用いた。この場合、平均パワー９８ｍＷ、ピークパワー３２Ｗおよびパルス幅６．２ｐｓを有するパルス光が得られた。生物試料として、Alexa Fluor 488 で染色したマウスの腎臓組織を用いた。Alexa Fluor 488 はピーク波長５２０ｎｍの蛍光を発生する。図５に示すように、ピークパワー３２Ｗを有する入射光パルスを用いて極めて明瞭な２光子イメージング画像が得られた。

この発明の実施形態による半導体レーザは、上述の全半導体レーザ超短パルス光源と同様な機能を一つのレーザチップで実現したものである。
図６および図７はこの発明の第１の実施形態による半導体レーザを示し、図６は平面図、図７は図６のＸ−Ｘ線（レーザストライプの中心線）に沿っての断面図である。
図６および図７に示すように、この半導体レーザにおいては、長方形の一つのレーザチップ５１の互いに対向する平行な一対の端面５１ａ、５１ｂの間にレーザストライプ５２を有する。レーザチップ５１はレーザ構造を形成する半導体層５３を有し、レーザストライプ５２はこの半導体層５３の最上部に形成されている。このレーザチップ５１は端面５１ａ側にモード同期レーザ部５４、端面５１ｂ側に半導体光増幅器部５５を有する。モード同期レーザ部５４は利得領域５６および可飽和吸収領域５７を有する。これらの利得領域５６、可飽和吸収領域５７および半導体光増幅器部５５上にはそれぞれ電極５８、５９、６０が設けられている。電極５８、５９の間の領域および電極５９、６０の間の領域はそれぞれ電流非注入領域（電極分離領域）６１、６２である。レーザチップ５１の裏面には電極６３が設けられている。レーザチップ５１の端面５１ａの外側にこの端面５１ａに平行に外部ミラー６４が設けられている。利得領域５６および可飽和吸収領域５７と外部ミラー６４とにより外部共振器型のモード同期レーザ部５４が構成されている。外部ミラー６４はレーザチップ５１と別部品として設けてもよいし、レーザチップ５１上のレーザ構造を形成する半導体層５３に活性層よりも深い位置に達する溝をレーザチップ５１の幅方向に設け、この溝の一方の側面を端面５１ａとし、他方の側面を外部ミラー６４として用いてもよい。この場合、端面５１ａの法線と利得領域５６および可飽和吸収領域５７におけるレーザストライプ５２とのなす角度は０°であるの対し、この法線と半導体光増幅器部５５におけるレーザストライプ５２とのなす角度θは１°以上９０°未満、好適には１°以上３０°以下、より好適には１°以上１０°以下である。半導体光増幅器部５５側の端面５１ｂには反射防止膜（例えば、残留反射率１％以下）が設けられており、端面５１ｂでの光の反射を防止することができるようになっている。外部ミラー６４と対向する利得領域５６側の端面５１ａにも同様に、反射防止膜（例えば、残留反射率１％以下）が設けられており、端面５１ａでの光の反射を防止することができるようになっている。

モード同期レーザ部５４から発生するパルス光と半導体光増幅器部５５との光学的結合効率の向上のために、好適には、少なくとも利得領域５６の半導体光増幅器部５５側の部分、例えば利得領域５６および可飽和吸収領域５７のほぼ全体におけるレーザストライプ５２の下部に、分布帰還（ＤＦＢ）用のグレーティング構造６５が設けられている。このグレーティング構造６５は、レーザストライプ５２と平行な方向に周期構造（例えば、凹凸構造）を有する。このグレーティング構造６５は、導波される光が周期的な屈折率差を感じ、多重反射するように形成される。このグレーティング構造６５の周期Λは、この半導体レーザから取り出すパルス光の中心波長をλ、このグレーティング構造６５の等価屈折率をｎ_eqとしたとき、Λ＝λ／２ｎ_eqに選ばれる。例えば、λ＝７８０ｎｍ、ｎ_eq＝３．３４の場合には、Λ＝１１７ｎｍとなる。このグレーティング構造６５は、例えば、従来のＤＦＢレーザにおけるグレーティング構造の形成方法と同様な方法により形成することができる。具体的には、このグレーティング構造６５を形成する半導体層のエピタキシャル成長を終えた後、成長を一旦中断し、この半導体層上に電子線露光技術などによりグレーティング構造６５に対応する周期のストライプ形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして半導体層をエッチングすることにより周期Λの凹凸構造を形成し、エッチングマスクに用いたレジストパターンを除去し、凹凸構造が形成された半導体層上に上層の半導体層をエピタキシャル成長させる。具体例を挙げると、後述のｎ型Ａｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓクラッド層をエピタキシャル成長させた後、このｎ型Ａｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓクラッド層の表面に周期Λ＝１１７ｎｍ、深さ１００ｎｍの凹凸構造を形成し、その上にＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ光導波層をエピタキシャル成長させる。

この半導体レーザの各部の寸法は例えば次の通りであるが、これはあくまでも例に過ぎず、これに限定されるものではない。
利得領域５６の長さ（電極５８の長さ）：４４０μｍ
可飽和吸収領域５７の長さ（電極５９の長さ）：４０μｍ
半導体光増幅器部５５の長さ（電極６０の長さ）：３ｍｍ
電流非注入領域６１の長さ（電極５８、５９間の間隔）：２０μｍ
電流非注入領域６２の長さ（電極５９、６０間の間隔）：５μｍ
レーザチップ５１の幅（短辺の長さ）：５００μｍ
レーザストライプ５２の幅：３μｍ（一般的には、例えば１μｍから１０μｍ程度）
半導体光増幅器部５５におけるレーザストライプ５２の傾斜角度θ：６°
外部共振器長（外部ミラー６４の端面５１ａ側の面と端面５１ｂとの間の距離）：３０ｃｍ（一般的には、例えば０．５〜１００ｃｍ）
外部ミラー６４の反射率は例えば９０％である。端面５１ａに形成される反射防止膜の残留反射率は例えば０．１％で、この反射防止膜としては例えばＴｉＯ₂ ／ＳｉＯ₂ 膜の二層膜が用いられる。

レーザ構造を形成する半導体層５３の材料は特に問わず、この半導体レーザから取り出すパルス光の中心波長などに応じて適宜選ばれるが、具体的には、例えば、ＧａＡｓ系半導体、ＧａＩｎＰ系半導体、ＧａＮ系半導体、ＺｎＳｅ系半導体などである。
モード同期レーザ部５４の断面構造の一例について説明する。図８は図６のＹ−Ｙ線に沿っての断面図であり、利得領域５６の断面図である。図８に示すように、この例では、導電性の半導体基板６６上にレーザ構造を形成する半導体層５３が設けられている。半導体層５３は、半導体基板６６上に設けられた半導体層５３ａ、この半導体層５３ａ上に設けられた半導体層５３ｂからなるレーザストライプ５２およびこのレーザストライプ５２の両側に埋め込まれた半導体層５３ｃからなる。レーザストライプ５２を形成する半導体層５３ｂ上には電極５８が設けられている。

レーザ構造を形成する半導体層５３の材料としてＧａＡｓ系半導体を用いる場合の半導体層５３ａ、５３ｂ、５３ｃの具体例について説明する。半導体基板６６としては、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いる。半導体層５３ａは、下から順に、例えば、厚さ５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層、厚さ５００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓバッファ層、厚さ１０００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓクラッド層、厚さ１５００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓクラッド層、厚さ５０ｎｍのＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ光導波層、厚さ１０ｎｍのＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ａｓ井戸層（活性層）、厚さ３０ｎｍのＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ光導波層、厚さ２００ｎｍのノンドープＡｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓクラッド層、厚さ１００ｎｍのｐ型Ａｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓクラッド層および厚さ１５ｎｍのｐ型Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓエッチングストップ層からなる。半導体層５３ｂは、下から順に、例えば、厚さ１２００ｎｍのｐ型Ａｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓクラッド層、厚さ５００ｎｍのｐ型Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓクラッド層および厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層からなる。半導体層５３ｃは、下から順に、例えば、厚さ３０ｎｍのノンドープＧａＡｓ層および厚さ１２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層からなる。

図８に示す例では、レーザストライプ５２の両側を半導体層５３ｃにより埋め込んでいるが、レーザストライプ５２の両側に絶縁膜、例えばＳｉＯ₂ 膜（厚さは例えば２００ｎｍ程度）を設けた構造としてもよい。この構造は、電流非注入領域６１、６２の抵抗を高くすることができるので、利得領域５６、可飽和吸収領域５７および半導体光増幅器部５５のそれぞれを互いに影響を与えずに独立に駆動する上で有利である。また、利得領域５６の電極５８と可飽和吸収領域５７の電極５９との間の抵抗を高くするために、電流非注入領域６１にＢやＡｌなどをイオン注入することにより高抵抗化する方が望ましい。

次に、上述のように構成されたこの半導体レーザの動作について説明する。
利得領域５６には、電極５８、６３間に順方向電圧を印加して直流電流を印加し、必要に応じてこれに加えて高周波電圧を印加して高周波電流（高周波重畳を行う場合）を注入する。可飽和吸収領域５７には、電極５９、６３間に逆バイアス電圧あるいは０Ｖを印加する。半導体光増幅器部５５には、電極６０、６３間に順方向電圧を印加して直流電流を注入する。これにより、モード同期レーザ部５４における外部ミラー６４からグレーティング構造６５までの光路では、モード同期による超短パルス光が発生する。グレーティング構造６５から伝播するこの超短パルス光は高い光結合効率で半導体光増幅器部５５に導入され、この半導体光増幅器部５５で増幅される。この結果、端面５１ｂから高出力の超短パルス光が得られる。

この場合、半導体光増幅器部５５では、レーザストライプ５２が角度θ傾斜しているため、端面５１ｂに入射する光はこのレーザストライプ５２から外れた方向に反射され、しかも端面５１ｂには反射防止膜が設けられていて端面５１ｂでの反射自体が抑えられていることから、大きな利得を得ることができる。また、利得領域５６と半導体光増幅器部５５との間に可飽和吸収領域５７が設けられていることから、たとえ端面５１ｂによる反射光が利得領域５６側に向かったとしても、この反射光は途中でこの可飽和吸収領域５７により吸収されるため、この反射光が利得領域５６に入り込むことにより超短パルス光の波形が崩れるおそれがない。

以上のように、この第１の実施形態によれば、モード同期レーザ部５４と半導体光増幅器部５５とを一つのレーザチップ５１に集積化した半導体レーザにより、高出力の超短パルス光を得ることができ、この半導体レーザにより高出力の超短パルス光源を容易に実現することができる。この半導体レーザは、レンズによるカップリング損失がなく、サイズも小さくすることができ、光軸の調整が不要であり、使用時の振動や外気温による光軸のずれも生じないため、小型であり、安定性や信頼性に優れており、低コストで製造することができる。この高出力の超短パルス光源は、２光子イメージングを始めとした多光子イメージングなどのバイオイメージングシステムの光源、レーザ顕微鏡の光源、光ディスク装置の光源、レーザ加工装置の光源、内視鏡の光源などに用いて好適なものである。

次に、この発明の第２の実施形態による半導体レーザについて説明する。
図９はこの半導体レーザを示す。図９に示すように、この半導体レーザにおいては、半導体光増幅器部５５におけるレーザストライプ５２が、端面５１ｂに向かって幅が直線的に増加したテーパー形状となっている。端面５１ａの法線と半導体光増幅器部５５におけるレーザストライプ５２の中心線とのなす角度θは１°以上９０°未満、好適には１°以上３０°以下、より好適には１°以上１０°以下、例えば６°である。レーザストライプ５２をテーパー形状としたのは、半導体光増幅器５５の飽和平均パワーを増加させるためである。半導体光増幅器部５５の可飽和吸収領域５７側の端部におけるレーザストライプ５２の幅は例えば３μｍ、端面５１ｂにおけるレーザストライプ５２の幅は例えば７０μｍである。
この半導体レーザの上記以外のことは第１の実施形態による半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
この第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

次に、この発明の第３の実施形態による半導体レーザについて説明する。
図１０にこの半導体レーザを示す。図１０に示すように、この半導体レーザにおいては外部ミラー６４が設けられていない。すなわち、モード同期レーザ部５４は外部ミラーを用いない内部共振器型である。この場合、端面５１ａには、少なくとも１％以上、好適には３０％以上９９．８％以下、例えば９０％の反射率となるように反射膜（端面コート）が設けられている。
この半導体レーザの上記以外のことは第１の実施形態による半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
この第３の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

次に、この発明の第４の実施形態による半導体レーザについて説明する。
第１の実施形態による半導体レーザにおいては、グレーティング構造６５はレーザストライプ５２の下部に設けられているのに対し、この第４の実施形態による半導体レーザにおいては、このグレーティング構造６５はレーザストライプ５２の両脇に設けられる。すなわち、図１１に示すように、この半導体レーザにおいては、レーザストライプ５２の両脇に周期Λおよび深さの凹凸が設けられており、これによってグレーティング構造６５が形成されている。この凹凸の周期Λおよび深さの一例を挙げると、Λ＝１１７ｎｍ、深さ＝２００ｎｍである。このレーザストライプ５２の両脇の凹凸は、レーザストライプ５２を形成した後、凹部となるべき部分が開口したレジストパターンを電子線露光技術などにより形成し、このレジストパターンをマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによりエッチングすることにより形成することができる。
この半導体レーザの上記以外のことは第１の実施形態による半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
この第４の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、プロセスなどを用いてもよい。
また、必要に応じて、上述の第１〜第４の実施形態のうちの二以上を組み合わせてもよい。

本発明者らの研究により得られた新規な全半導体レーザ超短パルス光源を示す略線図である。 図１に示す全半導体レーザ超短パルス光源のＳＨＧ強度自己相関軌跡を示す略線図である。 図１に示す全半導体レーザ超短パルス光源におけるモード同期レーザの出力および二段の半導体光増幅器の出力の測定結果を示す略線図である。 ７００ｎｍより短い透過波長範囲波長を有するカラーフィルターを通して観察された２光子蛍光を示す図面代用写真である。 図１に示す全半導体レーザ超短パルス光源をレーザ顕微鏡の光源に用いて得られた２光子イメージング画像を示す図面代用写真である。 この発明の第１の実施形態による半導体レーザを示す平面図である。 図６に示す半導体レーザのＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。 図６に示す半導体レーザのＹ−Ｙ線に沿っての断面図である。 この発明の第２の実施形態による半導体レーザを示す平面図である。 この発明の第３の実施形態による半導体レーザを示す平面図である。 この発明の第４の実施形態による半導体レーザの要部の斜視である。

符号の説明

５１…レーザチップ、５１ａ、５１ｂ…端面、５２…レーザストライプ、５３、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ…半導体層、５４…モード同期レーザ部、５５…半導体光増幅器部、５６…利得領域、５７…可飽和吸収領域、５８、５９、６０、６３…電極、６１、６２…電流非注入領域、６４…外部ミラー、６５…グレーティング構造、６６…半導体基板

Claims (23)

1. 互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
   上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
   上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 上記モード同期レーザ部は利得領域と可飽和吸収領域とを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 上記第１の端面側に上記利得領域を有し、上記利得領域と上記半導体光増幅器部との間に上記可飽和吸収領域を有することを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
4. 上記利得領域と上記可飽和吸収領域と上記半導体光増幅器部とが互いに独立に駆動可能に構成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
5. 上記利得領域と上記可飽和吸収領域と上記半導体光増幅器部との上に互いに分離してそれぞれ電極を有することを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
6. 上記利得領域に直流電流を注入し、上記可飽和吸収領域に逆バイアス電圧を印加し、あるいは、上記可飽和吸収領域をアースへショートし、上記半導体光増幅器部に直流電流を注入することにより動作させることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
7. 上記モード同期レーザ部の中に光結合用のグレーティング構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
8. 上記モード同期レーザ部の上記半導体光増幅器部側の部分に光結合用のグレーティング構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
9. 上記グレーティング構造がレーザ構造を形成する半導体層内に形成されていることを特徴とする請求項７または８記載の半導体レーザ。
10. 上記グレーティング構造が上記レーザストライプに形成されていることを特徴とする請求項７または８記載の半導体レーザ。
11. 上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプが上記第２の端面に向かって幅が徐々に広がったテーパー形状を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
12. 上記第１の端面の外側に外部ミラーを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
13. 上記第２の端面の反射率が上記第１の端面の反射率より低いことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
14. 上記第２の端面の反射率が上記外部ミラーの反射率より低いことを特徴とする請求項１２記載の半導体レーザ。
15. 上記第２の端面の反射率が１％以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
16. 上記半導体光増幅器部に電気的な変調信号を印加し、ゲート機能を持たせることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
17. 光源に半導体レーザを用いたバイオイメージングシステムにおいて、
    上記半導体レーザが、
    互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
    ことを特徴とするバイオイメージングシステム。
18. 光源に半導体レーザを用いた顕微鏡において、
    上記半導体レーザが、
    互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
    ことを特徴とする顕微鏡。
19. 光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
    上記半導体レーザが、
    互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
    ことを特徴とする光ディスク装置。
20. 光源に半導体レーザを用いた光ピックアップにおいて、
    上記半導体レーザが、
    互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
    ことを特徴とする光ピックアップ。
21. 光源に半導体レーザを用いた加工装置において、
    上記半導体レーザが、
    互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
    ことを特徴とする加工装置。
22. 光源に半導体レーザを用いた内視鏡において、
    上記半導体レーザが、
    互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれモード同期レーザ部およびこのモード同期レーザ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記モード同期レーザ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である半導体レーザである
    ことを特徴とする内視鏡。
23. 互いに対向する第１の端面および第２の端面の間に少なくとも一つのレーザストライプを有する一つのレーザチップを有し、
    上記レーザチップは、上記第１の端面側および上記第２の端面側にそれぞれ利得スイッチ部およびこの利得スイッチ部から発生する光を増幅する半導体光増幅器部を有し、
    上記第１の端面の法線と上記利得スイッチ部の上記レーザストライプとのなす角度が０°以上１°以下であり、かつ、上記法線と上記半導体光増幅器部の上記レーザストライプとのなす角度が１°より大きく９０°未満である
    ことを特徴とする半導体レーザ。

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