JP6337983B2 - 半導体レーザ装置組立体 - Google Patents

Description

本開示は、半導体レーザ素子及び半導体光増幅器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。

半導体レーザ素子を用いて時間幅が数ピコ秒程度のレーザ光を発生する方法として、モード同期法が知られている。モード同期法には、共振器の周回時間と同じ周期で利得又は損失を変調する能動モード同期と、共振器内に可飽和吸収体等の非線形光学応答を示す素子を設けることによって動作させる受動モード同期がある。このうち、受動モード同期法が、数ピコ秒程度の時間幅のレーザ光を発生するのに適している。受動モード同期法によって超短パルスを発生するために、一般には、レーザ共振器内に可飽和吸収体を設ける。受動モード同期法に基づくモード同期半導体レーザ素子（以下、単に、『モード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ）にあっては、モード同期半導体レーザ素子のｐ側電極を、ゲイン部と可飽和吸収部（ＳＡ部）とに分割する。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を『多電極型のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。そして、ゲイン部におけるｐ側電極に順バイアス電流を流すことによって、レーザ発振器としてのゲインを生じさせる。一方、可飽和吸収部のｐ側電極には逆バイアス電圧をかけることによって、可飽和吸収部を可飽和吸収体として動作させる。そして、逆バイアス電圧を制御することによって飽和した吸収の回復時間を調整することが可能であり、これによって、発生するレーザ光のパルス幅を制御することが可能となる。このように、多電極型のモード同期半導体レーザ素子は、ゲイン部及び可飽和吸収部を電気的に制御できるといった利点を有する。可飽和吸収部は導波路中の利得媒質から構成される。それ故、導波路にレーザ光が効率良く閉じ込められる結果、小さなエネルギーで吸収が飽和し易い。従って、多電極型のモード同期半導体レーザ素子では、大きな出力を得ることが難しい。

そのため、モード同期半導体レーザ素子から出力された超短パルスを、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier，ＳＯＡ）を用いて増幅する「Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＭＯＰＡ）」と呼ばれる方式が有効である。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。この方法では、モード同期半導体レーザ素子から出射される時間幅が数ピコ秒のレーザ光を半導体光増幅器で増幅し、パルスエネルギーを増加させる。

T. Schlauch et al., Optics Express, Vol. 18, p 24136 (2010) S. Hughes and T. Kobayashi, Semiconductor Science and Technology, vol. 12, p 733 (1997) Tsung-Yuan Yang, et al., "Femtosecond laser pulse compression using volume phase transmission holograms", Applied Optics, 1 July 1985, Vol. 24, No. 13

ところで、より一層高いピークパワーを得るためには、半導体光増幅器に入射したレーザ光を圧縮して出力する必要がある。従来、回折格子等を備えたパルス圧縮器を用いてレーザ光のパルス時間幅を圧縮し、ピークパワーを増加させている（例えば、T. Schlauch et al., Optics Express, Vol. 18, p 24136 (2010) 参照）。しかしながら、このような方法ではパルス圧縮器が必要とされ、半導体レーザ装置組立体の複雑化、製造コスト増を招くといった問題がある。

従って、本開示の目的は、モード同期半導体レーザ素子から出射され、半導体光増幅器に入射したレーザ光のパルス時間幅を圧縮するためのパルス圧縮器が不要であ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、
モード同期半導体レーザ素子、及び、モード同期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たモード同期半導体レーザ素子組立体、並びに、
モード同期半導体レーザ素子組立体から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から成る半導体光増幅器、
から構成されている。

本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、分散補償光学系を備えているので、モード同期半導体レーザ素子及び分散補償光学系から構成されたモード同期半導体レーザ素子組立体から出射されるレーザ光のチャープ状態及びレーザ光のパルスの伸長状態の最適化を図ることができる。そして、チャープ状態及びパルスの伸長状態の最適化が図られたレーザ光を、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体から成る半導体光増幅器に入射させる結果、半導体光増幅器から出力されるレーザ光は増幅され、しかも、圧縮される。以上の結果として、パルス圧縮器を設けること無く、非常に高いピークパワーを有するレーザ光を出力する、小型であって簡素な構成の半導体レーザ装置組立体を提供することができる。また、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。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の半導体レーザ装置組立体を構成す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の半導体レーザ装置組立体を構成す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４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、本開示の半導体レーザ装置組立体を構成するモード同期半導体レーザ素子組立体において得られたパルス状のレーザ光の相関波形（時間波形）を示す図、及び、パルス状のレーザ光の光スペクトルを示す図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、図４Ｂに示すレーザ光をバンドパスフィルタを通過させ、レーザ光の短波長側を切り出したときの相関波形（時間波形）を示す図、及び、光スペクトルを示す図である。 図６は、種々の分散補償量におけるレーザ光の相関波形（時間波形）を示す図である。 図７Ａ及び図７ＡＢは、それぞれ、本開示の半導体レーザ装置組立体を構成するモード同期半導体レーザ素子組立体において、発生するパルスが主パルスのみであり、しかも、パルス状のレーザ光の時間幅を出来る限り最小とした場合のレーザ光の相関波形（時間波形）を示す図、及び、レーザ光の光スペクトルを示す図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ、本開示の半導体レーザ装置組立体を構成するモード同期半導体レーザ素子組立体の或る駆動条件におけるレーザ光の相関波形（時間波形）、及び、レーザ光の光スペクトルを示す図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、本開示の半導体レーザ装置組立体を構成するモード同期半導体レーザ素子組立体において、距離Ｌ₀とレーザ光の半値全幅の関係を求めた結果、及び、群速度分散値とレーザ光の半値全幅の関係を求めた結果を示す図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ、本開示の半導体レーザ装置組立体を構成するモード同期半導体レーザ素子組立体において、群速度分散値が−０．０２５７ｐｓ²のときのＲＦスペクトル、及び、群速度分散値が−０．０６４ｐｓ²のときのＲＦスペクトルを示す図である。 図１１は、本開示の半導体レーザ装置組立体を構成するモード同期半導体レーザ素子組立体において、ゲイン電流の増大によって極小となるパルス時間幅が狭くなることを示す図である。 図１２Ａは、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、分散補償光学系によって負の群速度分散が与えられたとき、モード同期半導体レーザ素子組立体から半導体光増幅器へと出射されるパルス状のレーザ光の相関波形（時間波形）を示す図であり、図１２Ｂは、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、レーザ光の光スペクトル整形手段通過回数に伴う光スペクトル変化を示す図、及び、レーザ光の光スペクトル整形手段通過回数に伴う相関波形（時間波形）の変化を示す図である。 図１３は、光スペクトルピークの半値よりも低い光スペクトル成分に関して、ガウス関数からのずれを説明するための光スペクトルの図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂは、それぞれ、実施例１の半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器に入射するレーザ光の光スペクトルを示す図、及び、相関波形（時間波形）を示す図である。 図１５は、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、レーザ光を入射したときの半導体光増幅器からの出力パルスの相関波形（時間波形）を示す図である。 図１６は、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、レーザ光を入射したときの半導体光増幅器からの出力パルスの光スペクトルを示す図である。 図１７は、ＡＳＥ（増幅自然放出光）スペクトルと増幅後の光スペクトルとの比較のための光スペクトルの図である。 図１８は、実施例１の半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器の出力レーザ光の光スペクトル成分を示す図である。 図１９は、実施例２の半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器から出力されるパルス状のレーザ光の駆動電流密度に対する依存性を示す図である。 図２０は、実施例２の半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器から出力される相関波形（時間波形）及び光スペクトルを示す図である。 図２１Ａ及び図２１Ｂは、それぞれ、実施例２の半導体レーザ装置組立体における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解析結果を示す図、及び、相関波形（時間波形）とガウス関数によるパルス理論形状との比較を示す図である。 図２２Ａ及び図２２Ｂは、実施例３の半導体レーザ装置組立体及びその変形例の概念図である。 図２３は、実施例３の半導体レーザ装置組立体の別の変形例の概念図である。 図２４は、実施例４の半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器における透過型体積ホログラム回折格子の模式的な一部断面図である。 図２５は、透過型体積ホログラム回折格子における１次の回折光の出射角（回折角）φ_outに対する空間分散の依存性ｄφ_out／ｄλを示すグラフである。 図２６は、式（１２）において、屈折率変調度Δｎに依存するｓｉｎ²の項を計算した結果を示すグラフである。 図２７は、分散補償光学装置を構成する回折格子部材の厚さＬ、屈折率変調度Δｎ、波長λの条件を固定した上で、入射レーザ光の光スペクトル幅を変化させたときの回折効率ηの変化を示すグラフである。 図２８は、実施例４の半導体レーザ装置組立体の一部分の概念図である。 図２９Ａ及び図２９Ｂは、それぞれ、実施例５及び実施例６の分散補償光学装置の概念図である。 図３０Ａ及び図３０Ｂは、実施例７の分散補償光学装置及びその変形例の概念図である。 図３１Ａ及び図３１Ｂは、それぞれ、分散補償光学装置において発生し得る問題点を説明するための分散補償光学装置の概念図、及び、実施例８の分散補償光学装置の概念図である。 図３２は、実施例９の半導体レーザ装置組立体の一部分の概念図である。 図３３Ａ及び図３３Ｂは、実施例１０の分散補償光学装置の概念図である。 図３４は、実施例１１の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３５は、実施例１２の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３６は、実施例１３の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３７は、実施例１４の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３８は、実施例１４の半導体光増幅器を構成する積層構造体における屈折率分布及び光場強度のプロファイルを計算した結果を示すグラフである。 図３９は、実施例１４において、高屈折率層の厚さを３０ｎｍ及び５０ｎｍとして、第１−Ｂ光ガイド層の厚さを変化させたときの光閉込め係数を求めた結果を示すグラフである。 図４０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４１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４２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４３Ａ及び図４３Ｂは、実施例１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４４Ａ及び図４４Ｂは、図４３Ｂに引き続き、実施例１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４５は、図４４Ｂに引き続き、実施例１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４６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。分散補償光学系の変形）
５．実施例４（実施例１〜実施例２の変形。第１の態様に係る分散補償光学装置／分散補償光学装置等−Ａ）
６．実施例５（実施例４の変形。分散補償光学装置等−Ｂ）
７．実施例６（実施例４の変形。分散補償光学装置等−Ｃ）
８．実施例７（実施例４の変形。分散補償光学装置等−Ｄ）
９．実施例８（実施例４〜実施例５、実施例７の変形）
１０．実施例９（実施例１〜実施例２の別の変形。第２の態様に係る分散補償光学装置）
１１．実施例１０（実施例１〜実施例２の別の変形。第３の態様に係る分散補償光学装置）
１２．実施例１１（実施例１〜実施例１０変形。半導体光増幅器の変形）
１３．実施例１２（実施例１１の変形）
１４．実施例１３（実施例１１〜実施例１２の別の変形）
１５．実施例１４（実施例１〜実施例１０の別の変形。半導体光増幅器の変形）
１６．実施例１５（実施例１〜実施例１４の変形。モード同期半導体レーザ素子の変形）、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。

上記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おいて、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は４．５ＴＨｚ以上であることが好ましい。尚、波長λ（単位：メートル）のレーザ光の光スペクトル幅ΔＳＰ_Lは、通常、長さの単位（メートル）で表されるが、これを周波数ΔＳＰ_F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。
ΔＳＰ_F＝ΔＳＰ_L×ｃ／（λ²）

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おいて、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。尚、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、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おいて、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。尚、半導体光増幅器の光閉込め係数を３％以下、望ましくは１％以下とする手段に関しては、後に詳述する。

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。

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おいて、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、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パルス状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パルス状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。

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おいて、分散補償光学系における群速度分散値は負である構成とすることが望ましい。尚、群速度分散値は、モード同期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される。あるいは又、半導体光増幅器へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる構成とすることが望ましい。尚、『群速度分散値の近傍』とは、後述する群速度分散極小値ＧＶＤ_minの近傍と同意である。

あるいは又、分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ₁から第２の所定値ＧＶＤ₂（但し、｜ＧＶＤ₁｜＜｜ＧＶＤ₂｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射され、半導体光増幅器に入射するレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷ_minを超えて増加する構成とすることが望ましい。このように、分散補償光学系の群速度分散値とモード同期半導体レーザ素子組立体から半導体光増幅器へと出射されるレーザ光のパルス時間幅との関係を規定することで、確実に、安定したサブピコ秒台のパルス状のレーザ光を発生させることができるし、発生したレーザ光におけるノイズの低減を図ることができる。そして、この場合、半導体光増幅器へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷ_minとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤ_minとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ₁であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₁、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ₂であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₂としたとき、例えば、
（ＰＷ₁−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ_min−ＧＶＤ₁｜
≧２×（ＰＷ₂−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ₂−ＧＶＤ_min｜
但し、
｜ＧＶＤ₁／ＧＶＤ_min｜＝０．５
｜ＧＶＤ₂／ＧＶＤ_min｜＝２
を満足することが好ましく、更には、これらの場合、半導体光増幅器へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷ_minとなる群速度分散極小値ＧＶＤ_minあるいはその近傍において動作させられることが好ましく、更には、これらの場合、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、好ましくは−７０ｄＢ以下であることが望ましい。尚、単調に変化させるとは、ＧＶＤ₁＜ＧＶＤ₂の場合、単調に増加させることを意味し、ＧＶＤ₁＞ＧＶＤ₂の場合、単調に減少させることを意味する。また、後述するように、群速度分散値が減少（群速度分散値の絶対値が増加）すると共に、時間ゼロの主パルス以外のサブパルスの個数が減少するが、サブパルスが観察されなくなったときの群速度分散値の上限値をＧＶＤ_Sとしたとき、『群速度分散極小値ＧＶＤ_minの近傍』とは、
ＧＶＤ_S±｜ＧＶＤ_min−ＧＶＤ_S｜
で定義される。

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、モード同期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、レーザ光のパルス時間幅が０．５ピコ秒以下であることが望ましい。ここで、周波数チャープが負であるとは（即ち、ダウンチャープであるとは）、パルスの時間始まりにおいては周波数が高く、時間が経過するにつれて周波数が低下することを意味する。

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、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以下であることが好ましい。

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、モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有す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（ＳＥＳＡＭ）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Ｖ_sa、及び、分散補償光学系の群速度分散値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。

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、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。尚、第１化合物半導体層は、基板や基体上に形成されている。

また、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、
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導電型と異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層、
が、順次、基体上に積層されて成る積層構造体、
第２化合物半導体層上に形成された第２電極、並びに、
第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、
を備えた構成とすることができる。尚、第１化合物半導体層は、基板や基体上に形成されている。

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、
モード同期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、モード同期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、半導体光増幅器に入射する形態とすることができる。

このような形態にあっては、外部共振器構造は分散補償光学系によって構成される。具体的には、分散補償光学系は、回折格子、集光手段（具体的には、レンズ）及び反射鏡（平面反射鏡。具体的には、例えば、誘電多層膜反射鏡）から成る形態とすることができる。回折格子は、モード同期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次の回折光を半導体光増幅器へ出射する構成とすることができる。ここで、モード同期半導体レーザ素子と回折格子との間に、モード同期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。所謂外部共振器の一端は、反射鏡から構成される。そして、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子に衝突し、１次以上の回折光が集光手段に入射し、反射鏡によって反射され、集光手段、回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子に戻される。また、０次の回折光は半導体光増幅器へ出射される。集光手段と反射鏡との間の距離を固定した状態で、回折格子と集光手段との間の距離を変えることで、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。

あるいは又、このような形態において、外部共振器構造は、分散補償光学系及び部分反射鏡（部分透過ミラー、半透過ミラー、ハーフミラーとも呼ばれる）によって構成される。そして、分散補償光学系は、具体的には、一対の回折格子から成る形態とすることができる。この場合、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、第１の回折格子に衝突し、１次以上の回折光が出射され、第２の回折格子に衝突し、１次以上の回折光が出射されて、部分反射鏡に到達する。そして、部分反射鏡に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡を通過し、半導体光増幅器へ出射される。一方、部分反射鏡に衝突したレーザ光の残りは、第２の回折格子、第１の回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子に戻される。第１の回折格子と第２の回折格子との間の距離を変えることで、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。あるいは又、分散補償光学系は、一対のプリズムから成る形態とすることができる。この場合、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、第１のプリズムを通過し、更に、第２のプリズムを通過し、部分反射鏡に到達する。そして、部分反射鏡に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡を通過し、半導体光増幅器へ出射される。一方、部分反射鏡に到達したレーザ光の残りは、第２のプリズム、第１のプリズムを経由してモード同期半導体レーザ素子に戻される。第１のプリズムと第２のプリズムとの間の距離を変えることで、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。あるいは又、分散補償光学系は、干渉計から成る形態とすることができる。具体的には、干渉計として、例えば、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型干渉計を挙げることができる。Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型干渉計は、反射率１の反射鏡と反射率１未満の部分反射鏡から成り、反射光の強度スペクトルを変化させることなく位相を変化させることができる干渉計であり、反射鏡と部分反射鏡との間の距離を制御することで、あるいは又、入射レーザ光の入射角を調整することによって、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。

あるいは又、分散補償光学系は、対向して配置された第１の透過型体積ホログラム回折格子及び第２の透過型体積ホログラム回折格子から成り、各透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度である、即ち、
φ_in＋φ_out＝９０度
である形態とすることができる。ここで、入射角及び出射角は、透過型体積ホログラム回折格子のレーザ光の入射面の法線と成す角度である。以下においても同様である。尚、このような分散補償光学系を、便宜上、『第１の態様に係る分散補償光学装置』と呼ぶ。

あるいは又、分散補償光学系は、対向して配置された第１の透過型体積ホログラム回折格子及び第２の透過型体積ホログラム回折格子から成り、各透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとは略等しい形態とすることができる。具体的には、例えば、
０．９５≦φ_in／φ_out≦１．００
である。尚、このような分散補償光学系を、便宜上、『第２の態様に係る分散補償光学装置』と呼ぶ。また、第１の態様あるいは第２の態様に係る分散補償光学装置を総称して、『分散補償光学装置等』と呼ぶ場合がある。

あるいは又、分散補償光学系は、
透過型体積ホログラム回折格子及び反射鏡から成り、
透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度であり、あるいは又、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとは略等しく、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、透過型体積ホログラム回折格子に入射し、回折され、１次の回折光として出射され、反射鏡に衝突し、反射鏡によって反射された１次の回折光は、再び、透過型体積ホログラム回折格子に入射し、回折され、半導体光増幅器に出射される形態とすることができる。尚、このような分散補償光学系を、便宜上、『第３の態様に係る分散補償光学装置』と呼ぶ。

第１の態様に係る分散補償光学装置にあっては、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度であり、第２の態様に係る分散補償光学装置にあっては、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとは略等しく、また、第３の態様に係る分散補償光学装置は透過型体積ホログラム回折格子及び反射鏡から成るので、高い回折効率による高いスループットを有する小型の分散補償光学系を提供することができるし、回折角を任意に設計できるため、分散補償光学系の光学設計の自由度を高くすることができる。また、分散補償光学系における群速度分散値（分散補償量）の調整が容易となり、分散補償光学系を構成する光学部品の配置の高い自由度を達成することができる。

第１の態様に係る分散補償光学装置にあっては、モード同期半導体レーザ素子からのレーザ光が入射する第１の透過型体積ホログラム回折格子において、１次の回折光の出射角φ_outはレーザ光の入射角φ_inよりも大きいことが、透過型体積ホログラム回折格子による角度分散を大きくするといった観点から好ましい。そして、この場合、第１の透過型体積ホログラム回折格子からの１次の回折光が入射する第２の透過型体積ホログラム回折格子にあっては、１次の回折光の出射角φ_outはレーザ光の入射角φ_inよりも小さい構成とすることができる。尚、第１の透過型体積ホログラム回折格子におけるレーザ光の入射角φ_inと、第２の透過型体積ホログラム回折格子における１次の回折光の出射角（回折角）φ_outとは等しく、且つ、第１の透過型体積ホログラム回折格子における１次の回折光の出射角（回折角）φ_outと、第２の透過型体積ホログラム回折格子における１次の回折光の入射角φ_inとは等しいことが好ましい。後述する分散補償光学装置等−Ａ〜分散補償光学装置等−Ｄにおいても同様である。

また、第２の態様に係る分散補償光学装置にあっては、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度であることが、分散補償光学装置における群速度分散値（分散補償量）の調整が容易となるといった観点から好ましい。

そして、上記の好ましい構成を含む分散補償光学装置等において、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として半導体光増幅器に出射される形態とすることができる。このような形態を、便宜上、『分散補償光学装置等−Ａ』と呼ぶ。第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射するレーザ光と、第２の透過型体積ホログラム回折格子から出射されるレーザ光とは、概ね平行であることが（即ち、第１の透過型体積ホログラム回折格子から出射されたレーザ光が第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し得る収まる程度に平行であることが）、既存の光学系に分散補償光学装置を配置、挿入することが容易となるといった観点から好ましい。後述する分散補償光学装置等−Ｂ、分散補償光学装置等−Ｃにおいても同様である。

そして、分散補償光学装置等−Ａにあっては、
平行に配置された第１の反射鏡及び第２の反射鏡を更に備えており、
第２の透過型体積ホログラム回折格子から出射されたレーザ光は、第１の反射鏡に衝突して反射され、次いで、第２の反射鏡に衝突して反射される形態とすることができる。このような形態を、便宜上、『分散補償光学装置等−Ｂ』と呼ぶ。更には、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射するレーザ光の延長線上に、第２の反射鏡に反射されたレーザ光が概ね位置しており、あるいは又、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射するレーザ光と、第２の透過型体積ホログラム回折格子から出射されるレーザ光とは、概ね平行である形態とすることができ、これによって、既存の光学系に分散補償光学装置を配置、挿入することが容易となる。分散補償光学装置等−Ｂは、シングルパス型の分散補償光学装置である。ここで、「概ね位置している」とは、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射するレーザ光の光スペクトルの波長中心が回折される角度の延長線上に第２の反射鏡の中心が位置することを意味する。

あるいは又、上記の好ましい構成を含む分散補償光学装置等において、
基体の第１面上に第１の透過型体積ホログラム回折格子が設けられており、
第１面と対向する基体の第２面上に第２の透過型体積ホログラム回折格子が設けられている形態とすることができる。このような形態を、便宜上、『分散補償光学装置等−Ｃ』と呼ぶ。分散補償光学装置等−Ｃは、シングルパス型の分散補償光学装置である。基体として、石英ガラスやＢＫ７等の光学ガラスを含むガラスや、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂）を挙げることができる。

あるいは又、上記の好ましい構成を含む分散補償光学装置等において、
反射鏡を更に備えており、
第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射されて、反射鏡に衝突し、
反射鏡によって反射されたレーザ光は、再び、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、再び、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、半導体光増幅器に出射される形態とすることができる。このような形態を、便宜上、『分散補償光学装置等−Ｄ』と呼ぶ。分散補償光学装置等−Ｄは、ダブルパス型の分散補償光学装置である。

透過型体積ホログラム回折格子を構成する材料（回折格子部材）として、フォトポリマー材料を挙げることができる。透過型体積ホログラム回折格子の構成材料や基本的な構造は、従来の透過型体積ホログラム回折格子の構成材料や構造と同じとすればよい。透過型体積ホログラム回折格子とは、＋１次の回折光のみを回折・反射するホログラム回折格子を意味する。回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されているが、係る干渉縞それ自体の形成方法は、従来の形成方法と同じとすればよい。具体的には、例えば、回折格子部材（例えば、フォトポリマー材料）に対して一方の側の第１の所定の方向から物体光を照射し、同時に、回折格子部材に対して他方の側の第２の所定の方向から参照光を照射し、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を回折格子部材の内部に記録すればよい。第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光及び参照光の波長を適切に選択することで、回折格子部材における干渉縞（屈折率変調度Δｎ）の所望の周期（ピッチ）、干渉縞の所望の傾斜角（スラント角）を得ることができる。干渉縞の傾斜角とは、透過型体積ホログラム回折格子の表面と干渉縞の成す角度を意味する。

以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む分散補償光学装置等にあっては、２つの透過型体積ホログラム回折格子の間の距離（光学的距離を含む）を変えることで、群速度分散値（分散補償量）を変えることができる。ここで、分散補償光学装置等−Ｃにおいて、２つの透過型体積ホログラム回折格子の間の距離を変えるためには基体の厚さを変えればよいが、実際には、群速度分散値（分散補償量）は固定値である。また、分散補償光学装置等−Ｄにあっては、第２の透過型体積ホログラム回折格子と反射鏡との間の距離を変えてもよい。更には、第３の態様に係る分散補償光学装置にあっては、透過型体積ホログラム回折格子と反射鏡の間の距離を変えることで、群速度分散値（分散補償量）を変えることができる。距離を変えるためには、周知の移動手段を用いればよい。必要とされる群速度分散値は、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特性に依存する。そして、レーザ光の特性は、モード同期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され、群速度分散値（分散補償量）に基づき、アップチャープ現象［パルスの持続時間内に波長が長波から短波に変化する（周波数が増加する）現象］、ダウンチャープ現象［パルスの持続時間内に波長が短波から長波（周波数が減少）に変化する現象］のいずれも生じ得る。尚、チャープ無しとは、パルスの持続時間内で波長が変化しない現象［周波数が変化しない現象］を指す。そして、分散補償光学装置の群速度分散値の値を適切に選択することで、レーザ光のパルス時間幅を伸長／圧縮することができる。具体的には、例えば、アップチャープ現象を示すレーザ光に対して群速度分散値の値を正／負の値とすることで、レーザ光のパルス時間幅を伸長／圧縮することが可能であるし、ダウンチャープ現象を示すレーザ光に対して群速度分散値の値を正／負の値とすることで、レーザ光のパルス時間幅を圧縮／伸長することが可能である。透過型体積ホログラム回折格子にて回折され、出射された１次の回折光において、長波長成分の光路長と短波長成分の光路長とは異なる。そして、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、光学要素を配すればよい。より具体的には、本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、群速度分散値が負となるように、光学要素を配すればよい。

アップチャープ現象等と群速度分散値の値との関係を、以下の表１に例示する。尚、表１では、アップチャープ現象を有するレーザ光を「アップチャープ・レーザ光」と表記し、ダウンチャープ現象を有するレーザ光を「ダウンチャープ・レーザ光」と表記し、チャープ無しのレーザ光を「チャープ無し・レーザ光」と表記する。

［表１］
チャープ現象 群速度分散値 レーザ光のパルス時間幅
アップチャープ・レーザ光 正 伸長
アップチャープ・レーザ光 負 圧縮
ダウンチャープ・レーザ光 正 圧縮
ダウンチャープ・レーザ光 負 伸長
チャープ無し・レーザ光 正 伸長
チャープ無し・レーザ光 負 伸長

より具体的には、分散補償光学装置等−Ｂ、分散補償光学装置等−Ｃ、分散補償光学装置等−Ｄ、及び、第２の態様に係る分散補償光学装置にあっては、群速度分散値は負である。一方、第３の態様に係る分散補償光学装置にあっては、群速度分散値は正、負、どちらの値ともなる。それ故、前述したとおり、本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、群速度分散値が負となるように、光学要素を配すればよい。

分散補償光学装置等−Ａ、分散補償光学装置等−Ｂ、分散補償光学装置等−Ｃから構成された半導体レーザ装置組立体にあっては、モード同期半導体レーザ素子の第２端面（光出射端面）と分散補償光学装置、あるいは、モード同期半導体レーザ素子の第２端面と分散補償光学装置との間に部分反射鏡を配置することで、モード同期半導体レーザ素子の第１端面（第２端面と対向する端面であり、レーザ光反射端面）と部分反射鏡とによって外部共振器構造が構成される。また、分散補償光学装置等−Ｄから構成された半導体レーザ装置組立体にあっては、分散補償光学装置と第１端面とによって外部共振器構造が構成される。

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、モード同期半導体レーザ素子組立体から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ができ、この場合、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、モード同期半導体レーザ素子組立体から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、モード同期半導体レーザ素子組立体から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。

前述したとおり、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。尚、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ーを用いる応用において集光特性が劣化する等の弊害が生じることが無い。あるいは又、リッジストライプ構造の幅（例えば、光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅）をＷとしたとき、
０．２×Ｗ＜ｔ₁＜１．２×Ｗ
好ましくは、
０．２×Ｗ＜ｔ₁≦Ｗ
の関係を満足することが好ましい。尚、
ｔ₁≦３×１０^-6ｍ
を満足することが望ましい。第１ガイド層の厚さｔ₁を３×１０^-6ｍ以下とする結晶成長を行えば、結晶成長表面モホロジーが荒れることが無く、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の特性や電気特性が劣化することを防止し得る。

尚、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ＬＢ_X、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢ_Yとしたとき、
０．２≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦１．２
好ましくは、
０．２≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦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Ｙ_CCは、
ｔ₁’≦Ｙ_CC≦ｔ₁
好ましくは、
ｔ₁’≦Ｙ_CC≦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ｎ_G-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎ_HRとしたとき、
０．０１≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．１
好ましくは、
０．０３≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．１
を満足する形態とすることができる。尚、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ｎ_Acとしたとき、
ｎ_HR≦ｎ_Ac
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。尚、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。尚、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ｎ_G-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎ_HRとしたとき、
０＜ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．３
好ましくは、
０．０２≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．２
を満足する形態とすることができる。尚、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ｎ_Acとしたとき、
ｎ_HR≦ｎ_Ac
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ＬＢ_X、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢ_Yとしたとき、
３×１０⁰≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦１×１０³
好ましくは、
１×１０¹≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦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Ｙ_CCは、
０ｍ＜Ｙ_CC≦（第１光ガイド層の厚さ）
好ましくは、
０ｍ＜Ｙ_CC≦（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。

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は、レーザ光のパワー（単位はワットであり、パルスであるのでピークパワー）をモード同期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。

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、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。

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。尚、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。尚、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Ｖ_sa）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Ｖ_saを高くすることができるため、パルス時間幅のより短いパルス状の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あっては、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。尚、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。尚、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Ｖ_sa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。

ここで、モード同期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、モード同期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、モード同期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、モード同期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。尚、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。

モード同期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、モード同期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反射鏡あるいは部分反射鏡、分散補償光学装置によって構成される。外部共振器長さとは、モード同期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反射鏡あるいは部分反射鏡、分散補償光学装置との間の距離である。

モード同期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。

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、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、モード同期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、上記の好ましい形態を含む第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、本開示の半導体レーザ装置組立体における半導体光増幅器において、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。尚、（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。尚、（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。

尚、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。

モード同期半導体レーザ素子あるいは半導体光増幅器（以下、これらを総称して、『モード同期半導体レーザ素子等』と呼ぶ場合がある）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。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、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、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＧａＮ）、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，Ｉｎ_zＧａ_(1-z)Ｎ）［但し、ｙ＞ｚ］、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＡｌＧａＮ）を例示することができる。

更には、モード同期半導体レーザ素子等において、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、モード同期半導体レーザ素子等の直列抵抗成分を下げることができ、モード同期半導体レーザ素子等の低動作電圧化につながる。尚、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、モード同期半導体レーザ素子等の動作電圧の低減化を達成することができる。尚、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、モード同期半導体レーザ素子等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。尚、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。

モード同期半導体レーザ素子等にあっては、モード同期半導体レーザ素子等を構成する各種の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、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄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、モード同期半導体レーザ素子等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。尚、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。

モード同期半導体レーザ素子等において、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Ｖ_sa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。

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。

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１５の半導体レーザ装置組立体は、
モード同期半導体レーザ素子１０、及び、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が入出射される分散補償光学系１１０から構成されたモード同期半導体レーザ素子組立体、並びに、
モード同期半導体レーザ素子組立体から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から成る半導体光増幅器２１０、
から構成されている。

ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５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。あるいは又、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５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。

そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５において、モード同期半導体レーザ素子１０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であって受動モード同期のモード同期半導体レーザ素子である。より具体的には、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（具体的には、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（具体的には、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Ｖ_sa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。尚、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、後述する光スペクトル整形手段１１４及び光アイソレータ１１７を経由して、半導体光増幅器２１０に入射する。光アイソレータ１１７は、半導体光増幅器２１０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及び反射鏡（平面反射鏡であり、具体的には、例えば、誘電多層膜反射鏡）１１３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、反射鏡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）を半導体光増幅器２１０へ出射する。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、１次以上の回折光が集光手段（レンズ）１１２に入射し、反射鏡１１３によって反射され、集光手段１１２、回折格子１１１、コリメート手段１１を経由してモード同期半導体レーザ素子１０に戻される。また、０次の回折光（反射光）は半導体光増幅器２１０へ出射される。

集光手段１１２と反射鏡１１３との間の距離を固定し、回折格子１１１と集光手段１１２及び反射鏡１１３との間の距離を、周知の移動手段を用いて変えることで、分散補償光学系１１０における群速度分散値（分散補償量）を変えることができる。具体的には、集光手段１１２と反射鏡１１３とを、一体として、集光手段１１２の光軸上（１次の回折光の光路上）を移動させることで、分散補償光学系１１０に入射するレーザ光と出射するレーザ光とにおいて、相互に分散の変化を生じさせる。実施例１にあっては、集光手段１１２と反射鏡１１３との間の距離を１５０ｍｍとし、凸のパワーを有する集光手段（レンズ）１１２の焦点距離を１５０ｍｍとした。即ち、集光手段１１２と反射鏡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の焦点距離とは一致しており、レーザ光の像は、集光手段１１２によって反射鏡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。

例えば、回折格子１１１と集光手段１１２との間の距離が集光手段１１２の焦点距離と等しい場合、回折格子１１１から集光手段１１２に向かうレーザ光と反射鏡１１３で反射されて集光手段１１２を経由して回折格子１１１に入射するレーザ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１１０が与える分散補償量はゼロである。一方、回折格子１１１と集光手段１１２との距離が集光手段１１２の焦点距離よりも長い場合、回折格子１１１で回折されたレーザ光の内、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、負の群速度分散を形成する。即ち、群速度分散値は負となる。以下の説明において、回折格子１１１と集光手段１１２との距離を『距離Ｌ₀』と呼ぶ。距離Ｌ₀＝０ｍｍとは、回折格子１１１と集光手段１１２との距離が集光手段１１２の焦点距離と同じことを意味し、距離Ｌ₀の値（Ｌ₀＞０）は、回折格子１１１と集光手段１１２との距離が集光手段１１２の焦点距離よりもＬ₀ｍｍ長いことを意味する。分散補償量は、距離Ｌ₀に比例する量である。距離Ｌ₀が正の値において分散補償光学系１１０が与える分散は負の群速度分散である。

図４６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、ｄ_G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。
ｄ_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、θ_Bで表すと、
θ_B＝（α＋β）／２
となる。また、このときの波長をブレーズ波長いい、λ_Bと表すと、
λ_B＝｛２ｄ_G／ｍ｝ｓｉｎ（θ_B）・ｃｏｓ（α−θ_B）
となる。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５にあっては、分散補償光学系における群速度分散値は負に設定されている。即ち、回折格子１１１と集光手段１１２との距離は、集光手段１１２の焦点距離よりも長く設定されている。あるいは又、半導体光増幅器２１０へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる。あるいは又、分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ₁から第２の所定値ＧＶＤ₂（但し、｜ＧＶＤ₁｜＜｜ＧＶＤ₂｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射され、半導体光増幅器２１０に入射するレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷ_minを超えて増加する。分散補償光学系における群速度分散値は負である。即ち、０＞ＧＶＤ₁＞ＧＶＤ₂であるが故に、分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ₁から第２の所定値ＧＶＤ₂まで単調に減少させる。そして、この場合、半導体光増幅器２１０へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷ_minとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤ_minとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ₁であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₁、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ₂であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₂としたとき、例えば、
（ＰＷ₁−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ_min−ＧＶＤ₁｜
≧２×（ＰＷ₂−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ₂−ＧＶＤ_min｜
但し、
｜ＧＶＤ₁／ＧＶＤ_min｜＝０．５
｜ＧＶＤ₂／ＧＶＤ_min｜＝２
を満足する。更には、半導体光増幅器２１０へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷ_minとなる群速度分散極小値ＧＶＤ_minあるいはその近傍において動作させられる。そして、これらによって、数百フェムト秒のレーザ光のパルス時間幅を得ることができる。

以下、発生したサブピコ秒台のパルス状のレーザ光の状態について説明するが、以下の説明においては、上述した実施例１の半導体レーザ装置組立体と異なり、集光手段１１２と反射鏡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の焦点距離を１００ｍｍとした分散補償光学系を用いた。また、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射されたレーザ光を、１回、バンドパスフィルタ（透過帯域Δλ＝１．３ｎｍ）を通過させた。

レーザ光の強度相関測定の測定原理、相関関数の種類とパルス時間幅と導出方法については、ヤリフ著、「光エレクトロニクスの基礎 第３版」、丸善株式会社、第１８３〜１９６頁、あるいは、Vasil’ev，"Ultrafast diode lasers", Artech House, pp39-43 に詳しく述べられている。

このような半導体レーザ装置組立体において、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射されたレーザ光の相関波形（時間波形）を図４Ａに示す。尚、図４Ａの横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。ここで、モード同期半導体レーザ素子の駆動条件を、第２電極６２から発光領域（利得領域）４１を経由して第１電極６１に流す直流電流（ゲイン電流Ｉ）を１３０ミリアンペア、可飽和吸収領域４２に加える逆バイアス電圧Ｖ_saを−７ボルト、Ｌ₀＝７．２８ｍｍとした。分散補償光学系における群速度分散値は−０．０３９０ｐｓ²［（ピコ秒）²］である。

モード同期半導体レーザ素子組立体から出射されたレーザ光の相関波形における半値全幅（ＦＷＨＭ）の値は０．４５ピコ秒であり、ガウス型やｓｅｃｈ²型のレーザ光の相関波形と異なる特徴的な形を示している。このときの光スペクトルを図４Ｂに示す。尚、図４Ｂの横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、縦軸は光パワー（単位：ミリワット）である。このようにして得られたレーザ光を、バンドパスフィルタ（透過帯域Δλ＝１．３ｎｍ）を、１回、通過させ、レーザ光の短波長側を切り出したときの相関波形（時間波形）を図５Ａに示す。尚、図５Ａの横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。バンドパスフィルタを通過させることで、相関波形のテール（裾野）が除去され、時間ゼロ付近にｓｅｃｈ²型の相関波形（便宜上、『中心部分の相関波形』と呼ぶ）が得られ、更に、中心部分の相関波形の両脇に複数のサイドパルスが得られる。中心部分の相関波形の半値全幅は２９０フェムト秒であり、ｓｅｃｈ²型関数の自己相関関数のコンボリューション因子０．６５を用いると、発生したレーザ光のパルス時間幅は１９０フェムト秒と評価される。このときの光スペクトルを図５Ｂに示すが、光スペクトル幅は１．０６ｎｍであり、時間帯域幅積は０．３４と計算され、ｓｅｃｈ²型関数のフーリエ積の限界０．３１５に近い。尚、図５Ｂの横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、縦軸は光パワー（単位：ミリワット）である。また、半導体レーザ装置組立体からの出力パワーは、バンドパスフィルタの通過前で１１．４６ミリワット、バンドパスフィルタの通過後で３．０ミリワットであった。レーザ光の繰返し周波数は１．０３ＧＨｚであり、求められたレーザ光のパルス時間幅から、ピークパワーは１０ワットと計算される。尚、相関波形にみられる複数のパルスの高さから、中心のパルスにパルスエネルギーの６６％が集中していると仮定した。

このような特徴的なパルス形状は、分散補償量（群速度分散値）に依存して変化する。種々の分散補償量におけるレーザ光の相関波形（時間波形）を図６に示す。尚、図６の横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。いずれの相関波形も、バンドパスフィルタを通過した後のパルス波形である。尚、ゲイン電流Ｉを１２０ミリアンペア、逆バイアス電圧Ｖ_saを−７ボルトとした。図６において、各レーザ光における群速度分散値は以下のとおりである。図６から、群速度分散値が減少（群速度分散値の絶対値が増加）すると共に、時間ゼロの主パルス以外のサブパルスの個数が減少していることが判る。また、群速度分散値の減少（群速度分散値の絶対値が増加）と共に、主パルスのパルス時間幅が増加している。尚、レーザ光「Ａ」が得られるときの群速度分散値が群速度分散極小値ＧＶＤ_minであり、レーザ光「Ｅ」が得られるときの群速度分散値が群速度分散値の上限値ＧＶＤ_Sであり、『群速度分散値の近傍』は、
ＧＶＤ_S±｜ＧＶＤ_min−ＧＶＤ_S｜
で定義される。

レーザ光「Ａ」：−０．０３９０ｐｓ²
レーザ光「Ｂ」：−０．０４０６ｐｓ²
レーザ光「Ｃ」：−０．０４４３ｐｓ²
レーザ光「Ｄ」：−０．０４９７ｐｓ²
レーザ光「Ｅ」：−０．０６３０ｐｓ²

以上の結果から、最短のパルス時間幅を得るには、負の群速度分散値（群速度分散値）を或る範囲内で小さくする必要がある。しかしながら、場合によっては、サブパルスが発生するため、半導体レーザ装置組立体の用途によっては、単純にパルス時間幅を最短とすることは、必ずしも望ましくない。例えば、発生した超短パルスを半導体光増幅器で増幅する場合、増幅されたパルスのエネルギーがサブパルスに分割されてしまう虞がある。

それ故、適切な分散補償量（群速度分散値）を設定することで、より具体的には、距離Ｌ₀を適切に設定することで、発生するパルスが主パルスのみであり、しかも、パルス時間幅を出来る限り短く（狭く）することができる。このような場合のレーザ光の相関波形（時間波形）を図７Ａに示す。尚、図７Ａの横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。ここで、ゲイン電流Ｉを１２０ミリアンペア、逆バイアス電圧Ｖ_saを−７ボルトとした。群速度分散値は−０．０６３０ｐｓ²であり、得られたレーザ光の相関波形における半値全幅は０．５７ピコ秒であり、ｓｅｃｈ²形状のパルス時間幅は０．３７ピコ秒である。また、図７Ｂに、対応する光スペクトルを示す。光スペクトル幅は１．５６ｎｍであり、時間帯域幅積は１．０６と求められ、出射されたパルスはチャープしていることが判る。バンドパスフィルタを通過させた後の平均パワーは３．０ミリワットであり、出射されたレーザ光のピークパワーは約８ワットと求められる。

このようなレーザ光が発生するときの第２端面における光密度は次のようにして求めることができる。第２端面における光密度は、光パワーを第２端面におけるレーザ光の近視野像の断面積で除した値で定義される。尚、第２端面における光パワーは、共振器から出力されるときの効率で除する必要があり、本構成では約５％である。近視野像の断面積とは、近視野像の光強度がピークパワーに対して１／ｅ²倍の強度であるときの断面積を指す。このモード同期半導体レーザ素子における近視野像の断面積は１．０８μｍ²であり、この値を用いると光密度は約１５ギガワット／ｃｍ²と計算される。

以下、サブピコ秒台のパルス状のレーザ光を発生させる駆動条件について説明する。

サブピコ秒台のパルス状のレーザ光が発生する駆動条件は、ゲイン電流Ｉ、逆バイアス電圧Ｖ_sa、分散補償量（群速度分散値）［云い換えれば、距離Ｌ₀］に依存する。レーザ発振を得られる最も低いゲイン電流Ｉ（１００ミリアンペア）及び逆バイアス電圧Ｖ_sa（−５．５ボルト）、並びに、距離Ｌ₀＝１４．１ｍｍといった駆動条件におけるレーザ光の相関波形（時間波形）を図８Ａに示し、光スペクトルを図８Ｂに示す。尚、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、「Ａ」は、バンドパスフィルタを通過させる前の状態を示し、「Ｂ」は、バンドパスフィルタを通過させた後の状態を示し、光パワーは、それぞれ、７．０４ミリワット及び１．５ミリワットである。バンドパスフィルタを通過させた後にあっては、レーザ光のパルス時間幅が０．４２ピコ秒である。また、このときの群速度分散値は−０．０７５３ｐｓ²である。尚、駆動条件は、ゲイン電流Ｉ、逆バイアス電圧Ｖ_sa、分散補償量（群速度分散値）の他に、外部共振器のフィードバック量にも依存するため、レーザ発振を得られる駆動条件の下限値は上記の値に限定されない。

逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−７ボルト、ゲイン電流Ｉ＝１３０ミリアンペアの条件において、距離Ｌ₀とレーザ光の相関波形における半値全幅の関係を求めた結果を図９Ａに示し、群速度分散値とレーザ光の相関波形における半値全幅の関係を求めた結果を図９Ｂに示す。尚、図９Ａと図９Ｂとは、同じデータに基づき作成したグラフである。また、「Ａ」は、バンドパスフィルタを通過させる前の状態を示し、「Ｂ」は、バンドパスフィルタを通過させた後の状態を示す。尚、図９Ａ及び図９Ｂに示した距離Ｌ₀と群速度分散値との間には、
群速度分散値（ｐｓ²）＝―５．３５２×１０^-3×Ｌ₀（ｍｍ）
といった関係が存在する。尚、
群速度分散値＝−（λ³／（π・ｃ²・ｄ_G ²・ｃｏｓ²θ_r））・２・Ｌ₀
で一般的には与えられる。ここで、
λ ：波長
ｃ ：光速
ｄ_G：回折格子の溝の間隔
θ_r：回折格子の法線に対する回折光の角度
である。

図９Ａから、或る距離Ｌ₀に向かってパルス半値全幅が急激に減少し、極小値を取ることが判る。このパルス半値全幅の極小値に対応する分散補償量（『分散補償極小量』と呼び、図９Ａに示した例では、距離Ｌ₀＝１１．８ｍｍ）近傍に対応する分散補償量の僅かな変化で、前述したサイドパルスが現れることが判った。また、分散補償極小量よりも絶対値が大きな分散補償量では、分散補償極小量よりも絶対値が小さな分散補償量の範囲におけるパルス半値全幅の変化よりも、分散補償量に対するパルス半値全幅の変化は小さい。そして、分散補償極小量よりも絶対値が大きな分散補償量の範囲では、分散補償量を変化させることで発生するパルスの周波数チャープを調整することが可能である。パルス半値全幅が極小値の光パルスをバンドパスフィルタを通過させて、短波長成分のみを抽出することで、裾のないクリーンな光パルスを示す相関波形を得ることができる。更には、パルス時間幅が極小となる群速度分散値から負の側の群速度分散値において、裾のないクリーンなレーザ光を示す相関波形を得ることができる。

あるいは又、図９Ｂから、バンドパスフィルタを通過させる前の状態において、半導体光増幅器２１０へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷ_minとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤ_minとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ₁であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₁、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ₂であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₂としたとき、
（ＰＷ₁−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ_min−ＧＶＤ₁｜
≧２×（ＰＷ₂−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ₂−ＧＶＤ_min｜
を満足している。但し、
｜ＧＶＤ₁／ＧＶＤ_min｜＝０．５３
｜ＧＶＤ₂／ＧＶＤ_min｜＝２．１
である。具体的には、
ＰＷ₁ ＝５．３ピコ秒
ＰＷ₂ ＝２．９ピコ秒
ＰＷ_min ＝０．４ピコ秒
ＧＶＤ₁ ＝−０．０２５５ｐｓ²
ＧＶＤ₂ ＝−０．１０１ｐｓ²
ＧＶＤ_min＝−０．０４８ｐｓ²
である。

パルス時間幅が極小となる群速度分散値から負の側の群速度分散値において、裾のないクリーンなレーザ光を示す相関波形を得ることができるが、このような群速度分散値の範囲は、モード同期半導体レーザ素子組立体から出力されるレーザ光のＲＦスペクトルによって調べることができる。具体的には、帯域幅が繰返し周波数以上ある高速のフォトダイオードでパルス状のレーザ光を受光すると、パルス状のレーザ光の繰返し周期についての光スペクトルを得ることができる。この繰返し周期は外部共振器の長さＸ’によって決定されるが、モード同期半導体レーザ素子組立体内には種々の分散媒質が存在するため、周回時間には、通常、波長に依存してばらつきが存在する。ＲＦスペクトルには、この繰返し周波数と共に、繰返し周波数のばらつきが反映される。図１０Ａに、群速度分散値が−０．０２５７ｐｓ²のときのＲＦスペクトルを示し、図１０Ｂに、群速度分散値が−０．０６４ｐｓ²のときのＲＦスペクトルを示す。図１０Ａの光スペクトルが得られる群速度分散値は、図９Ｂにおいてパルス時間幅が極小を示す位置の群速度分散値よりも小さい（群速度分散値の絶対値は大きい）。図１０Ｂにみられるように、群速度分散値に依存して、ＲＦスペクトルは、繰返し周波数の主ピークに対して周回時間の揺らぎを示す雑音成分が６０ｄＢ以上、抑圧されていることが判る。即ち、半導体光増幅器２１０へ出射されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−６０ｄＢ以下であることが判る。また、半導体光増幅器２１０へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷ_minとなる群速度分散極小値ＧＶＤ_minあるいはその近傍において動作させることが好ましいことも判る。尚、極小値を示すパルス時間幅は、ゲイン電流Ｉに依存し、逆バイアス電圧Ｖ_saが一定であれば、ゲイン電流Ｉが大きいほどパルス時間幅は小さくなるし、発生するレーザ光は主パルスのみである。最小のパルス時間幅を示す場合のゲイン電流Ｉ（単位：ミリアンペア）に対するパルス時間幅（単位：ピコ秒）を以下の表２に示す。尚、表２中、「パルス時間幅Ａ」は、バンドパスフィルタを通過させる前の値（単位：ピコ秒）であり、「パルス時間幅Ｂ」は、バンドパスフィルタを通過させた後の値である。また、逆バイアス電圧Ｖ_saは、一定値（−７ボルト）とした。尚、ゲイン電流Ｉ＝１２０ミリアンペアを境に、パルス状のレーザ光の繰返し周波数が２倍となるため、発振特性が変化し、パルス時間幅Ｂの変化がこのゲイン電流値を境に不連続になっている。

［表２］
ゲイン電流Ｉ パルス時間幅Ａ パルス時間幅Ｂ
１００ ２．３５ ０．８０
１０５ ２．００ ０．５５
１１０ １．７５ ０．３７
１１５ １．５０ ０．２９
１２０ １．２３ ０．５５
１２５ １．２０ ０．３７
１３０ １．０３ ０．２９

このように、ゲイン電流Ｉの増大によって極小となるレーザ光のパルス時間幅は狭くなる傾向にある。図１１に、ゲイン電流Ｉに対するレーザ光のパルス時間幅の依存性を示す。

ところで、モード同期半導体レーザ素子にあっては、活性層（ゲイン部）の光パワー密度及びキャリア密度が特定の値を超えるとき、キャリアが誘導放出によって消費される結果、活性層における屈折率が動的に変化し、発振スペクトルが広がる。このような現象は自己位相変調と呼ばれる。自己位相変調による発振スペクトル幅の増大はパルス時間幅の狭隘化に寄与し、自己位相変調に対して分散補償光学系によって適切な群速度分散値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パルス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値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、発生するレーザ光パルスの時間幅をサブピコ秒（例えば、２００フェムト秒）以下まで狭くする方法として極めて有効である。

実施例１の半導体レーザ装置組立体において、モード同期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（即ち、ダウンチャープであり）、パルス時間幅が０．５ピコ秒以下である。また、モード同期半導体レーザ素子１０は、レーザ光の繰返し周波数が１ＧＨｚ以下である。

具体的には、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、分散補償光学系１１０によって負の群速度分散が与えられると、図１２Ａに示すように、モード同期半導体レーザ素子組立体から半導体光増幅器２１０へと出射されるレーザ光は、２００フェムト秒程度の急峻な立ち上がりを示す単一指数関数型の減衰を示す。ところで、このレーザ光にあっては、光スペクトルの短波長側の端を抽出することで、レーザ光のパルス時間幅が３００フェムト秒以下の単一パルスが得られることが判っている。

実施例１の半導体レーザ装置組立体にあっては、モード同期半導体レーザ素子組立体から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１１４を更に備えており、整形後のレーザ光が半導体光増幅器２１０に入射する。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１１４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、モード同期半導体レーザ素子組立体から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、実施例１にあっては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。

実施例１にあっては、光スペクトル整形手段１１４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た。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２１０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１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。モード同期半導体レーザ素子組立体から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。

レーザ光のバンドパスフィルタ（透過帯域Δλ＝２．０ｎｍ）の通過回数に伴う光スペクトル変化を図１２Ｂの右側に示し、レーザ光のバンドパスフィルタ通過回数に伴う相関波形（時間波形）の変化を図１２Ｂの左側に示す。尚、図１２Ｂにおいて、「Ａ」は、バンドパスフィルタを通過させる前の光スペクトル等、「Ｂ」は、バンドパスフィルタを、１回、通過させたときの光スペクトル等、「Ｃ」は、バンドパスフィルタを、２回、通過させたときの光スペクトル等である。図１２Ｂから、光スペクトル形状を整形して、光スペクトルの長波長側成分を除去すると、相関波形の裾にみられる遅い時間成分を除去することができることが判る。このように、モード同期半導体レーザ素子組立体から得られるレーザ光をＧａＩｎＮ系の半導体光増幅器２１０に入射する場合、光スペクトル整形を、適宜、行うことが好ましい。

光スペクトル整形によって得られる光スペクトル形状は、波長４００ｎｍ付近では典型的には光スペクトルの半値全幅が１ｎｍ以上あり、分散補償光学系１１０によってダウンチャープが付けられている。また、光スペクトルピークから離れた波長成分は、相関波形がガウス関数やｓｅｃｈ²関数等の理想的なパルス形状からのずれが大きくならない程度に低減されていることが望ましい。例えば、光スペクトル整形後の光スペクトルピークをガウス関数で近似した場合、図１３に示すように、光スペクトルピーク（図１３の「Ａ」参照）の半値よりも低い光スペクトル成分に関して、ガウス関数からのずれが、ガウス関数による光スペクトル（図１３の「Ｂ」参照）の面積に比較して望ましくは２０％以下、可能であれば１０％以下であることが望ましい。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５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、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。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５におけ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３］
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：Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ）
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。尚、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。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５におけ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。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５における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。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５におけ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。尚、外部共振器長さＸ’（第１端面と反射鏡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、例えば、前述した非特許文献１に示される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１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。

半導体光増幅器２１０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２１０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２１０の仕様上、２．６％である。

即ち、半導体光増幅器２１０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。尚、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。

図１４Ａ及び図１４Ｂに、半導体光増幅器２１０に入射するレーザ光の光スペクトル及び相関波形（時間波形）を示す。光スペクトル幅（半値全幅）は１．０１ｎｍ、パルス時間幅（＝相関波形の半値全幅×０．７）は０．２７ピコ秒であり、計算から求められた理論限界値の約１．６倍、パルス時間幅が広がっており、周波数チャープが存在することを示している。また、このときの周波数チャープは、解析の結果、ダウンチャープであった。これは、分散補償光学系１１０における群速度分散値の符号によって決定される。このときのモード同期半導体レーザ素子１０の駆動条件は、第２電極の第１部分６２Ａにゲイン電流Ｉ＝１７５ミリアンペアを流し、第２電極の第２部分６２Ｂに印加する逆バイアス電圧Ｖ_saを−７ボルトとした。モード同期半導体レーザ素子組立体から出射され、光スペクトル整形手段１１４を通過した後のレーザ光の平均光パワーは１．３ミリワットであった。

このレーザ光を入射したときの半導体光増幅器２１０からの出力パルスの相関波形（時間波形）及び光スペクトルを図１５及び図１６に示す。図１５及び図１６において、「Ａ」は、半導体光増幅器２１０に入射するレーザ光の光スペクトル及び相関波形であり、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」、「Ｅ」は、それぞれ、後述する表４に示す駆動条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける半導体光増幅器２１０からの出力パルスの光スペクトル及び相関波形である。

図１５及び図１６から、半導体光増幅器２１０から出力されるレーザ光のパルス時間幅は、入射したレーザ光のパルス時間幅よりも短く、しかも、半導体光増幅器２１０を駆動する電流密度が増加すると、レーザ光のパルス時間幅が狭くなることが判る。また、半導体光増幅器２１０の出力にあっては、駆動電流密度が増加すると光スペクトルに大きな変形が認められる。

即ち、実施例１の半導体レーザ装置組立体にあっては、半導体光増幅器２１０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２１０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２１０の駆動電流値が高い程、τ₂の値が小さくなる。尚、半導体光増幅器２１０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。また、半導体光増幅器２１０から出力されるレーザ光の光スペクトル幅は４．５ＴＨｚ以上（即ち、光スペクトル幅は２．５ｎｍ以上であり、パルス時間幅は１００フェムト秒以下）である。更には、半導体光増幅器２１０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２１０から出力されるレーザ光の光スペクトル幅が、２．５ＴＨｚ以上（即ち、光スペクトル幅は１ｎｍ以上）増加する。

表４に、パルス時間幅２７０フェムト秒のレーザ光を入射した場合の半導体光増幅器２１０から出力される増幅レーザ光の特性を示す。尚、表４において、「ＡＳＥ」は、ＡＳＥ（増幅自然放出光）スペクトル、即ち、レーザ光の入射が無い状態で半導体光増幅器を動作させたときに得られる光パワーの値であり、「ＳＯＡ出力」は、レーザ光の入射があるときの半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光パワーの値である。また、「パルス成分」は、
｛（半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光パワーの面積）−（ＡＳＥスペクトルにおける光パワーの面積）｝／（半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光パワーの面積）
から得られる値であり、「パルスエネルギー」は、
（半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光パワー）×（パルス成分）／（モード同期半導体レーザ素子のパルス繰返し周波数）
から得られる値である。更には、「パルス時間幅」は、
（相関波形の半値全幅）×０．７
から得られる値であり、「ピークパワー」は、
（パルスエネルギーの値（／（パルス時間幅の値）
から得られる値である。

半導体光増幅器２１０における駆動電流密度が１１×１０³アンペア／ｃｍ²（駆動電流：１．８アンペア）において、２４０ミリワットの半導体光増幅器出力が得られ、パルスエネルギーは最大で２０５ピコジュールであった。尚、この値は、平均出力２４０ミリワットを繰返し周波数１．１７ＧＨｚで除した値であり、半導体光増幅器から出力されたレーザ光のパワーが全て光パルスになったと仮定している。このときのパルス時間幅は９８フェムト秒と評価され、半導体光増幅器２１０に入射されるレーザ光のパルス時間幅（０．２７ピコ秒）に対して約（１／２．７）まで圧縮されていることが判る。即ち、半導体光増幅器２１０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。図１７に示すように、ＡＳＥ（増幅自然放出光）スペクトルと増幅後のレーザ光の光スペクトルの比較を行うと、レーザ光に寄与するエネルギー成分は約１００ピコジュールと求められる。このときのモード同期半導体レーザ素子１０のパルス繰返し周波数は１．１７ＧＨｚであった。これより、レーザ光のピークパワーは、パルスエネルギーをレーザ光のパルス時間幅で除することにより、約１キロワットと求めることができる。また、メインピークに対するサイドピークの比から、実効的なピークパワーは約８００ワットと評価される。このように、実施例１にあっては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体から成る半導体光増幅器にダウンチャープの付いた時間幅数百フェムト秒のレーザ光を入射させると、半導体光増幅器から出力されるレーザ光のエネルギー増幅と共に、レーザ光のパルス時間幅が圧縮され、増幅レーザ光のピークパワーが増大する。

［表４］

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、実施例１にあっては、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おいて、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。

即ち、実施例１の半導体光増幅器２１０によるレーザ光の増幅過程は、半導体光増幅器２１０によるエネルギー増幅の寄与が約９０倍、半導体光増幅器２１０によるパルス圧縮の効果が約２．７倍である。尚、半導体光増幅器２１０によるエネルギー増幅の寄与が約９０倍であることは、以下に基づき算出した。即ち、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射され、光スペクトル整形手段１１４を通過した後のレーザ光の平均光パワー１．３ミリワットを、モード同期半導体レーザ素子１０のパルス繰返し周波数１．１７ＧＨｚで除した値１．１ｐＪ（半導体光増幅器２１０に入射するレーザ光の光パワー）で、表４の駆動条件「Ｄ」におけるパルスエネルギー１０２ｐＪを除することによって得られた値である。このように、実施例１にあっては、半導体光増幅器２１０によるレーザ光のエネルギーの増大のみならず、パルス圧縮効果が同時に生じる。即ち、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１１０を備えているので、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射されるレーザ光のチャープ状態及びパルスの伸長状態の最適化を図ることができる。そして、チャープ状態及びパルスの伸長状態の最適化が図られたレーザ光が、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体から成る半導体光増幅器に入射する結果、半導体光増幅器から出力されるレーザ光は増幅され、しかも、圧縮され、ピークパワーを極めて効果的に大きくすることが可能となる。そして、これによって、半導体光増幅器の下流にパルス圧縮器を配することが必要とされなくなるため、半導体レーザ装置組立体の効率化、小型化に有利である。

半導体光増幅器において、出力されるレーザ光は、時間的に強度の包絡線が変化し、自己位相変調によって第３化合物半導体層（活性層）における屈折率が動的に変化する。この屈折率の時間的な変化は、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を広げる要因となる。半導体光増幅器によって増幅されるレーザ光のパルス時間幅がピコ秒程度である場合、従来の技術にあっては、自己位相変調効果は、半導体光増幅器の利得の飽和が支配的であると考えられ、この場合、半導体光増幅器の出力レーザ光に見られる光スペクトルの広がりは、主に長波長側に観測される。

然るに、実施例１にあっては、半導体光増幅器の出力レーザ光の光スペクトル成分は、図１８に示すとおり、入射レーザ光の光スペクトルに対して、長波長側のみならず、短波長側においても広がりを示している。尚、図１８において、「Ａ」は、半導体光増幅器に入射するレーザ光の光スペクトル成分を示し、「Ｂ」は、半導体光増幅器の出力レーザ光の光スペクトル成分を示し、「Ｃ」は、ＡＳＥ（増幅自然放出光）スペクトルを示す。半導体光増幅器の第２電極に流した駆動電流値は、２．２アンペアである。そして、自己位相変調による光スペクトルの広がりは、半導体光増幅器の利得飽和による屈折率変化だけではなく、入射レーザ光に対する半導体光増幅器の非線形の屈折率時間応答にも依存すると考えられる。即ち、短波長側に光スペクトルの広がりが観測されたと云うことは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体から成る半導体光増幅器の非線形の屈折率時間応答が、半導体光増幅器に入射するレーザ光のパルス時間幅に対して十分速いことを示唆している。S. Hughes and T. Kobayashi, Semiconductor Science and Technology, vol. 12, p 733 (1997) によれば、レーザ発振を起こす閾値付近のキャリア密度においてＧａＮのバンド内緩和時間は１５フェムト秒と評価され、ＧａＡｓに比較して短いことが報告されている。このように高速な緩和時間は、利得飽和によらない自己位相変調によってアンチストークス成分を発生させ、観測された短波長側の光スペクトル成分に寄与すると考えられる。これが、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体から成る半導体光増幅器に特徴的な効果として、半導体光増幅器によるパルス増幅と圧縮が同時に発生する原因であると考えられる。

ところで、上述したとおり、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。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１５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。

尚、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４３Ａ、図４３Ｂ、図４４Ａ、図４４Ｂ、図４５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４３Ａ、図４３Ｂ、図４４Ａ、図４４Ｂ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４５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−１００］
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４３Ａ参照）。

［工程−１１０］
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４３Ｂ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４４Ａに示す構造を得ることができる。尚、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−１２０］
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４４Ｂ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−１３０］
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４５参照）。尚、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α_i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。尚、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−１４０］
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１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Ｖ_sa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２は、実施例１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２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２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１における光閉込め係数を２．６％としたのに対して、実施例２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。尚、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、実施例１１において詳述する。

このようなＳＣＯＷＡ型の実施例２の半導体光増幅器によってレーザ光を増幅した場合の増幅特性について、以下、説明する。実施例１と同様のモード同期半導体レーザ素子組立体から出射されたレーザ光を、実施例２の半導体光増幅器に入射させる。尚、分散補償光学系１１０における分散補償量は負である。モード同期半導体レーザ素子１０の第２電極に流すゲイン電流Ｉを１００ミリアンペア、逆バイアス電圧Ｖ_saを−１１ボルトとした。そして、透過帯域Δλ＝１．３ｎｍのバンドパスフィルタを光スペクトル整形手段として用いて光スペクトルを整形した。その結果、３８０フェムト秒のパルス時間幅、０．８２ミリワットの平均パワーを有するレーザ光を得ることができた。また、このモード同期半導体レーザ素子から発生するパルスの繰返し周波数は４１３ＭＨｚであった。この値は、外部共振器の長さから決まる基本周波数である。低い光閉込め係数を有する実施例２の半導体光増幅器では、ＡＳＥスペクトルが減少するため、キャリアの回復時間が長くなる。そのため、入射するパルスの時間間隔がナノ秒以上であることが、大きなパルスエネルギーを得る上で有利である。

次に、このパルス状のレーザ光を実施例２の半導体光増幅器に入射して得られた増幅レーザ光出力について説明する。図１９に、実施例２の半導体光増幅器から出力されるパルス状のレーザ光の駆動電流密度に対する依存性を示す。尚、図１９における（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のデータは、後述する表５における駆動条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄでのデータであり、これらの駆動条件等にて得られた各種データ等（駆動電流（単位：アンペア）、半導体光増幅器から出力されたレーザ光のパルス時間幅（単位：フェムト秒）、各駆動電流密度における半導体光増幅器から出力された増幅後のパルス状のレーザ光の特性）を併せて、表５に示す。尚、表５において、第１段目のデータから第４段目のデータは温度１５゜Ｃでのデータであり、第５段目のデータは温度２０゜Ｃである。いずれの場合も、入射したレーザ光のパルス時間幅よりも、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は狭くなることが観測された。また、駆動電流密度の増大と共に、パルス時間幅が減少した。特に、駆動電流が２．２アンペアのとき、半導体光増幅器の駆動温度を２０゜Ｃとすると、ＡＳＥスペクトルの低下によってパルスエネルギーが増大し、また、パルス時間幅が狭くなることでピークパワーが極大となった。このときの相関波形と光スペクトルを図２０に示すが、（Ａ）には相関波形（時間波形）を示し、（Ｂ）には光スペクトルをに示す。パルス時間幅は８１フェムト秒、パルスエネルギーは１６２ピコジュールであり、ピークパワーは１．５キロワットに相当する。尚、このパルスエネルギーの算出に当たっては、図２１Ａに示す光スペクトル解析を行い、半導体光増幅器の出力をＡＳＥスペクトルとパルス成分とに分離し、光パルス発生に寄与する成分を同定した。その値は８０％であった。尚、図２１Ａにおいて、「Ａ」は半導体光増幅器の出力レーザ光強度を示し、「Ｂ」はＡＳＥスペクトルを示し、複数の「Ｃ」は半導体光増幅器の出力レーザ光強度を分解したときの光スペクトルを示す。また、相関波形において、中心の大きなピークに併せて、小さなサイドパルスが観測されている。図２１Ｂに示すとおり、「Ａ」で示す相関波形（時間波形）と、「Ｂ」で示すガウス関数によるパルス理論形状との比較から、パルスエネルギーは、半導体光増幅器の出力レーザ光強度の７５％程度と見積もることができる。このようにして、サイドパルスに割り振られているエネルギーを求めると、最終的なピークパワーとして１．５キロワットが得られる。即ち、光閉込め係数を低減させたＳＣＯＷＡ型の半導体光増幅器において、短波長側の光スペクトル成分の増大が顕著に認められた。尚、光閉込め係数を低減させるためには、ＳＣＯＷＡ型以外にも、例えば、強導波構造の半導体光増幅器を採用してもよい。

［表５］

尚、表５のパルスエネルギーからサブパルス成分を引いた値がメインパルスのエネルギーとなり、これをパルス時間幅で除することでピークパワーを得ることができる。即ち、
（ピークパワー）＝（パルスエネルギー）×（１−サブパルス成分）／パルス幅
である。例えば、表５の最下段の場合、
１６２ピコジュール×（１−０．２５）／０．０８１ピコ秒＝１．５キロワット
となる。

実施例３は、実施例１〜実施例２の変形であり、分散補償光学系の構成を変更した。

実施例３にあっては、外部共振器構造は、分散補償光学系１２０及び部分反射鏡１２３によって構成されている。具体的には、分散補償光学系１２０は、図２２Ａに概念図を示すように、一対の回折格子１２１，１２２から成る。モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、第１の回折格子１２１に衝突し、１次以上の回折光が出射され、第２の回折格子１２２に衝突し、１次以上の回折光が出射されて、外部共振器の一端を構成する部分反射鏡１２３に到達する。尚、第１の回折格子１２１と第２の回折格子１２２とは平行に配置されている。そして、部分反射鏡１２３に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡１２３を通過し、半導体光増幅器２１０に出射される。一方、部分反射鏡１２３に到達したレーザ光の残りは、第２の回折格子１２２、第１の回折格子１２１を経由してモード同期半導体レーザ素子１０に戻される。第１の回折格子１２１と第２の回折格子１２２との間の距離を変えることで、分散補償光学系１２０における群速度分散値を変えることができる。

尚、使用する回折格子を１枚とすることも可能である。この場合、回折格子からの回折光を部分反射鏡に入射させ、且つ、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の光をこの部分反射鏡に集光させる。部分反射鏡が反射する光を同じ光路を通じて回折格子に戻すことで、回折格子が対向していることと同じ効果が得られる。分散補償量は、回折格子と部分反射鏡との間の距離を変えることで変化させることができる。尚、この場合、部分反射鏡から出射される光は発散光であるため、共振器外に、光束をコリメートする手段を設けることが好ましい。また、実施例３では反射型の回折格子を想定したが、同様な機能の外部共振器が構成できるのであれば透過型の回折格子を用いることもできる。

あるいは又、図２２Ｂに概念図を示すように、分散補償光学系１３０は、一対のプリズム１３１，１３２から成る。そして、モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、第１のプリズム１３１を通過し、更に、第２のプリズム１３２を通過し、外部共振器の一端を構成する部分反射鏡１３３に到達する。尚、第１のプリズム１３１と第２のプリズム１３２との配置状態は、点対称である。そして、部分反射鏡１３３に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡１３３を通過し、半導体光増幅器２１０に出射される。一方、部分反射鏡１３３に到達したレーザ光の残りは、第２のプリズム１３２、第１のプリズム１３１を経由してモード同期半導体レーザ素子１０に戻される。第１のプリズム１３１と第２のプリズム１３２との間の距離を変えることで、分散補償光学系１２０における群速度分散値を変えることができる。

尚、使用するプリズムを１つとすることも可能である。この場合、プリズムを通過した光を部分反射鏡に入射させ、且つ、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の光をこの部分反射鏡に集光させる。部分反射鏡が反射する光を同じ光路を通じてプリズムに戻すことで、プリズムを２つ設けたと同じ効果が得られる。分散補償量は、プリズムと部分反射鏡との間の距離を変えることで変化させることができる。尚、この場合、部分反射鏡から出射される光は発散光であるため、共振器外に、光束をコリメートする手段を設けることが好ましい。

あるいは又、図２３に概念図を示すように、分散補償光学系１４０は、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型の干渉計１４１から成る。Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型干渉計１４１は、反射率１の反射鏡１４１Ａと反射率１未満の部分反射鏡１４１Ｂから成る。反射鏡１４１Ａと部分反射鏡１４１Ｂとの間の距離を制御することで、あるいは又、入射レーザ光の入射角を調整することによって、分散補償光学系１４０における群速度分散値を変えることができる。モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、平面鏡１４２で反射され、部分反射鏡１４１Ｂを通過し、反射鏡１４１Ａによって反射され、部分反射鏡１４１Ｂを再び通過し、外部共振器を構成する部分反射鏡１４３に到達する。そして、部分反射鏡１４３に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡１４３を通過し、半導体光増幅器２１０に出射される。一方、部分反射鏡１４３に到達したレーザ光の残りは、部分反射鏡１４１Ｂを通過し、反射鏡１４１Ａによって反射され、部分反射鏡１４１Ｂ、平面鏡１４２を再び通過し、モード同期半導体レーザ素子１０に戻される。

あるいは又、分散補償光学系は、誘電体多層膜ミラーから成る。この場合、入射レーザ光の入射角を調整することによって、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。

実施例４も、実施例１〜実施例２の変形であり、分散補償光学系の構成を変更した。以下、実施例４の分散補償光学装置を説明するが、それに先立ち、実施例４の分散補償光学装置の原理等を説明する。

図２４に透過型体積ホログラム回折格子の模式的な一部断面図を示す。透過型体積ホログラム回折格子にあっては、厚さＬの回折格子部材（フォトポリマー材料）３１１が、２枚のガラス基板３１２，３１３（屈折率：Ｎ）に挟まれている。回折格子部材３１１中には、２光束干渉を利用して、周期的な屈折率変調度Δｎ（図２４では、太い斜線で示す）が平行して設けられている。入射レーザ光が回折される条件は、入射レーザ光の波数ベクトルをｋ_I ^v、回折光の波数ベクトルをｋ^v、屈折率の周期変調の逆格子ベクトル（以下、『回折格子ベクトル』と呼ぶ）をＫ^vとしたとき、次の式（１）で与えられる。 ここで、ｍは整数である。尚、ベクトルを表記するために、便宜上、上付き文字「ｖ」を付している。

ｋ_I ^v＋ｍ・Ｋ^v＝ｋ^v （１）

ここで、入射レーザ光及び回折光の波数ベクトルｋ_I ^v，ｋ^vはガラス基板３１２，３１３内の波数ベクトルであり、分散補償光学装置（より具体的には、ガラス基板３１２）へのレーザ光の入射角をφ_in、分散補償光学装置（より具体的には、ガラス基板３１３）からのレーザ光の出射角をφ_outとする。尚、入射角φ_in及び出射角φ_outは、透過型体積ホログラム回折格子のレーザ光入射面の法線と成す角度である。ここで、回折格子ベクトルＫ^vは、屈折率変調度Δｎの周期Ｐを用いて、以下の式（２）で与えられる。また、回折格子ベクトルＫ^vの大きさは、回折格子部材３１１へのレーザ光の入射角θ_in、回折格子部材３１１からの出射角（回折角）θ_out、及び、入射レーザ光の波長λから、以下の式（３）で与えられる。従って、屈折率変調度Δｎの周期Ｐは、以下の式（４）で与えられる。

｜Ｋ^v｜＝２π／Ｐ （２）

Ｋ＝ｋ［｛ｓｉｎ（θ_in）＋ｓｉｎ（θ_out）｝²
＋｛ｃｏｓ（θ_in）−ｃｏｓ（θ_out）｝²］^1/2
＝ｋ［２｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝］^1/2 （３）

Ｐ＝λ／［２｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝］^1/2 （４）

ところで、式（１）の回折条件は、各ベクトルの回折格子面内の成分（図２４のｘ成分）のみを考慮しても一般性を失うことがないので、以下の式（５）のように書き改めることができる。

ｋ_I,x ^v＋ｍ・Ｋ_x ^v＝ｋ_x ^v （５）

式（５）から、透過型体積ホログラム回折格子に対するレーザ光の入射角φ_inと出射角（回折角）φ_outの関係を求めると、以下の式（６）のとおりとなる。

ｓｉｎ（φ_in）＋ｍ・（λ／Ｐ）・ｓｉｎ（ψ）＝ｓｉｎ（φ_out） （６）

ここで、ψは、透過型体積ホログラム回折格子の法線と回折格子ベクトルＫ^vが成す角度であり、回折格子部材３１１に対する光の入射角θ_in及び回折角θ_outは、次の式（７）の関係にある。

ｓｉｎ（ψ）＝｛ｓｉｎ（θ_in）＋ｓｉｎ（θ_out）｝
／［２｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝］^1/2 （７）

式（６）から、波長に対する回折光の角度分散の依存性を計算することができ、次の式（８）で与えられる。

ｄφ_out／ｄλ＝｛ｓｉｎ（θ_in）＋ｓｉｎ（θ_out）｝／｛Ｎ・λ・ｃｏｓ（θ_out）｝
（８）

実施例４の分散補償光学装置にあっては、式（８）が示す空間分散の波長依存性を超短パルスの圧縮・伸長に利用する。また、高いスループットは、透過型体積ホログラム回折格子の回折効率によって決定される。そして、回折効率ηは、次の式（９）で近似することができる。

η＝ｓｉｎ²［（π・Δｎ・Ｌ）／２λ｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2］
・Ｓｉｎｃ²［Δｋ_z・（Ｌ／２）］ （９）

ここで、ｓｉｎ²の項は、屈折率変調度Δｎと透過型体積ホログラム回折格子を構成する回折格子部材の厚さＬから決まる入射レーザ光と回折光の結合定数であり、Ｓｉｎｃ²の項は、ブラッグの回折条件から波長がずれた場合の回折効率の変化に対応する（非特許文献３参照）。このうち、回折波長の帯域は、透過型体積ホログラム回折格子内で許容される逆格子ベクトルの広がりによって決定される。入射波長の変化に伴う波数ベクトルの差Δｋは、次の式（１０）で与えられる。

Δｋ＝２π・Ｎ｛１／（λ＋Δλ）−１／λ｝
≒−（２π・Ｎ）（Δλ／λ²） （１０）

このとき、回折格子面内の波数ベクトル成分Δｋ_zは、次の式（１１）で与えられる。

Δｋ_z＝Δｋ｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out） （１１）

式（１１）を用いると、パルス圧縮に必要とされる波長帯域に対する回折効率を次の式（１２）のように近似することができる。

η＝ｓｉｎ²［（π・Δｎ・Ｌ）／２λ｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2］
・Ｓｉｎｃ²［π・Ｎ・Ｌ・（Δλ／λ²）｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝
／ｃｏｓ（θ_out）］ （１２）

次に、式（１２）から、必要とされる要件を満たす透過型体積ホログラム回折格子の条件を求める。ここで、式（１２）は、２つの関数の積として記述され、屈折率変調度Δｎに伴う回折効率を示すｓｉｎ²に比例する項、及び、入射レーザ光と回折光の波数ベクトルの差に依存するＳｉｎｃ²に比例する項から構成されている。

実施例４の分散補償光学装置は、
（Ａ）９０％以上の高いスループット
（Ｂ）大きな空間分散
といった要求を満たし、また、第１の態様に係る分散補償光学装置にあっては、
（Ｃ）レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度である。

（Ａ）高スループットの実現に関して
高スループットの実現にあっては、必要とされる波長帯域において可能な限り高い回折効率を実現する必要がある。式（１２）では、Ｓｉｎｃ²の項のみが波長帯域に依存するため、適当な条件のもと、ｓｉｎ²の項が「１」であると仮定すると、 以下の式（１３）のとおりとなる。

η≒ｉｎｃ²［π・Ｎ・Ｌ・（Δλ／λ²）｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝
／ｃｏｓ（θ_out）］ （１３）

この式（１３）に対して、η≧９０％であるためには、以下の式（１４）を満足する必要がある。

｜π・Ｎ・Ｌ・（Δλ／λ²）｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out）｜
≦０．５５３ （１４）

ここで、「０．５５３」は、上記のＳｉｎｃ²の項が０．９以上となるための値である。これより、必要とされる波長λにおける帯域（パルス圧縮／伸長の対象であるレーザ光の光スペクトル幅）Δλを満たすための透過型体積ホログラム回折格子を構成する回折格子部材の厚さＬ及び屈折率Ｎの条件が、次の式（１５）あるいは式（Ａ）のように導出される。

｜１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out）｜
≦｛０．５５３／（π・Ｎ・Ｌ）｝（λ²／Δλ） （１５）／（Ａ）

この式（１５）は、圧縮・伸長の対象となるレーザ光パルスのパルス時間幅Δτによっても記述することができる。分散補償光学装置によって圧縮し得る光パルスの時間幅Δτと周波数幅Δνは、光パルス波形がガウス関数であるとすると、以下の関係が成り立つ。但し、フーリエ限界パルス時には等式となる。

Δτ・Δν≦０．４４１ （１６）

また、周波数幅Δνは、波長λ、波長幅Δλ、及び、光速Ｃ₀（２．９９７９２４５８×１０⁸ｍ／秒）を用いて、λ≫Δλのとき、次の式（１７）のように近似することができる。

Δν＝Ｃ₀｛１／λ−１／（λ＋Δλ）｝
≒Ｃ₀（Δλ／λ²） （１７）

式（１７）を用いると、時間帯域幅積の不等式は、次の式（１８）のように、光速と波長帯域によって書き換えることができる。

Δτ≦（０．４４１／Δν）≒０．４４１｛λ²／（Ｃ₀・Δλ｝ （１８）

この式（１８）を用いると、回折格子部材の厚さＬに関する条件は、パルス圧縮し得る最短パルス時間幅Δτを用いて、次の式（１９）のように書き換えることができる。

｜｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out）｜
≦（０．５５３・Δτ・Ｃ₀）／（０．４４１π・Ｎ・Ｌ） （１９）

尚、ここでは、パルス波形としてガウス型関数を仮定したため、時間帯域幅積の最小値として「０．４４１」を用いたが、その他のパルス波形を仮定することも可能である。例えば、Ｓｅｃｈ²型の関数の場合、時間帯域幅積の最小値として「０．３１５」を用いることができる。

（Ｂ）大きな空間分散に関して
小型の分散補償光学装置を構成するには、透過型体積ホログラム回折格子による角度分散を大きくする必要がある。角度分散を大きくするには、式（８）で与えられる波長に対する角度分散依存性を大きくする必要がある。屈折率変調度Δｎの周期Ｐと同じ刻線を有する刻線型の回折格子の角度分散は、次の式（２０）で与えられる。

ｄφ_out／ｄλ＝１／｛Ｐｃｏｓ（θ_out）｝≦２／｛λｃｏｓ（θ_out）｝ （２０）

式（２０）と式（８）とを比較すると、透過型体積ホログラム回折格子では角度分散が１／（２Ｎ）程度小さくなることが分かる。そこで、刻線型の回折格子と比較して１／３程度の空間分散が得られる条件として、
ｓｉｎ（θ_in）＋ｓｉｎ（θ_out）≧１
について考える。この角度の条件を、
｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out）
の条件に換算すると、次の式（２１）のように近似することができる。

｛１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out）＞０．３ （２１）

この条件と前述の式（１５）あるいは式（１９）とを対応させると、透過型体積ホログラム回折格子を構成する回折格子部材の厚さＬの条件として、波長帯域による記述に基づく場合、式（２２）が得られ、パルス時間幅による記述に基づく場合、式（２３）が得られる。尚、この条件は、Ｓｉｎｃ²項におけるパルス時間幅と厚さＬの条件である。

Ｌ≦｛０．５５３／（０．３・π・Ｎ）｝（λ²／Δλ） （２２）

Ｌ≦（０．５５３・Δτ・Ｃ₀）／（０．３×０．４４１・π・Ｎ） （２３）

更に、ｓｉｎ²項を最大化する条件は、以下の式（２４）で与えられる。

Ｌ＝｛（１＋２ｍ）・λ／Δｎ｝・｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2 （２４）

そして、式（２４）から、回折効率を９０％以上にする条件は、以下の式（２５）あるいは式（Ｂ）のとおりとなる。

｛（０．８＋２ｍ）・λ／Δｎ｝・｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2
≦ Ｌ ≦
｛（１．２＋２ｍ）・λ／Δｎ｝・｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2
（２５）／（Ｂ）

回折格子部材３１１の屈折率変調度Δｎが所与の場合、回折格子部材の厚さＬは上記の条件を満たす必要がある。屈折率変調度Δｎは２光束干渉の露光時間にも依存するため、一意に決定することは容易ではない。しかしながら、その上限は回折格子部材３１１の物性によって決まるため、屈折率変調度Δｎから回折格子部材の厚さＬを規定する要件を記述した。

（Ｃ）レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和が９０度である場合についての考察
光軸調整が容易な分散補償光学装置を構成するためには、
φ_in＋φ_out＝９０度
を満足する必要がある。特に、φ_out＞φ_inとすると、式（８）における角度分散を大きくとることができる。φ_outに対する空間分散の依存性ｄφ_out／ｄλを図２５に示す。

以下に、φ_in≒φ_out，θ_in≒θ_outの場合における透過型体積ホログラム回折格子の回折効率についての計算例を示す。

屈折率変調度Δｎに依存するｓｉｎ²の項を計算した結果を図２６に示す。この計算にあっては、式（１２）において波長を固定し、ｓｉｎ²項に比例する項を取り出している。また、以下の値を用いている。Ｌ＝７０μｍのとき、ｓｉｎ²項に比例する項が最大となる。

屈折率変調度Δｎ ＝０．００５
波長λ ＝４０５ｎｍ
回折格子部材への入射角θ_in＝２８度

次に、Ｌ＝７０μｍ、屈折率変調度Δｎ＝０．００５、波長λ＝４０５ｎｍの条件を固定した上で、入射レーザ光の光スペクトル幅を変化させたときの回折効率の変化を図２７に示す。顕著な波長依存性が見られるが、回折効率９５％以上を示す波長広がりは波長４０５ｎｍの光に対して約±０．２ｎｍ程度である。この波長広がりは、フーリエ変換限界にある超短パルスでは約０．６ピコ秒のパルス時間幅に対応しており、このパルス時間幅よりも広い時間幅の超短パルスに対して適用が可能な波長帯域である。従って、ＩｎＧａＮ化合物半導体から構成されたモード同期半導体レーザ素子によって発生したレーザ光パルスに対して適用が可能である。

以上のように屈折率変調度Δｎの条件を、適宜、選ぶことにより、所望の波長の所望の回折角において回折効率９０％以上の透過型体積ホログラム回折格子を実現することができる。そして、これを用いることで、以下の実施例において説明する分散補償光学装置全体のスループットを８０％以上にすることが可能となる。

実施例４は、第１の態様に係る分散補償光学装置、より具体的には、分散補償光学装置等−Ａに関する。実施例４の半導体レーザ装置組立体の一部分の概念図を図２８に示す。尚、透過型体積ホログラム回折格子の模式的な一部断面図は、図２４に示したとおりである。また、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模式的な端面図は図２に示したとおりであり、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は図３に示したとおりである。

実施例４の分散補償光学装置４１０Ａは、対向して配置された２つの透過型体積ホログラム回折格子（第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１及び第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２）から成り、各透過型体積ホログラム回折格子４１１，４１２において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度である。即ち、
φ_in＋φ_out＝９０度
である。

第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１と第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２の間の距離を調整することで分散補償光学装置による群速度分散値（分散補償量）を制御することができる。ところで、（φ_in＋φ_out）の値が９０度でない場合、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１と第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２の間の距離を広げると、それに対応して、分散補償光学装置からの１次の回折光の出射位置に変化が生じる。そのため、群速度分散値（分散補償量）を変化させると、それに対応して光学系の調整が必要となる。しかしながら、（φ_in＋φ_out）の値を９０度とすることで、１次の回折光の分散補償光学装置からの出射位置に変化が生じることが無くなり、群速度分散値（分散補償量）の調整が容易となる。

第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１及び第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２は、互いに平行に配置されている。そして、実施例４の分散補償光学装置４１０Ａにあっては、モード同期半導体レーザ素子１０からのレーザ光が入射する第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１において、１次の回折光の出射角φ_outはレーザ光の入射角φ_inよりも大きい。即ち、
φ_out＞φ_in
である。一方、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１からの１次の回折光が入射する第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２にあっては、１次の回折光の出射角φ_outはレーザ光の入射角φ_inよりも小さい。即ち、
φ_out＜φ_in
である。更には、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１におけるレーザ光の入射角φ_inと、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２における１次の回折光の出射角（回折角）φ_outとは等しく、且つ、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１における１次の回折光の出射角（回折角）φ_outと、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２における１次の回折光の入射角φ_inとは等しい。

そして、実施例４の分散補償光学装置４１０Ａにおいて、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１によって回折・反射され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２によって回折・反射され、１次の回折光として半導体光増幅器２１０に出射される。分散補償光学装置４１０Ａにおいて、群速度分散値（分散補償量）は負である。群速度分散値の制御は、分散補償光学装置４１０Ａにおける第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１と第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２との間の距離を変えることで、制御することができる。尚、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射するレーザ光と、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２から出射されるレーザ光とは、概ね平行である。

モード同期半導体レーザ素子１０の第２端面と分散補償光学装置４１０Ａ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、及び、部分反射鏡１２が配置されている。モード同期半導体レーザ素子１０の第１端面と部分反射鏡１２によって外部共振器構造が構成される。モード同期半導体レーザ素子１０の第２端面から出射されたレーザ光は、部分反射鏡１２に衝突し、一部は、部分反射鏡１２を通過して、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射する。残りは、モード同期半導体レーザ素子１０に戻される。

実施例４の分散補償光学装置にあっては、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度であり、高い回折効率による高いスループットを有する小型の分散補償光学装置を提供することができる。また、分散補償光学装置の小型化を図ることができるし、分散補償光学装置を構成する光学部品の配置の自由度が高い。更には、式（８）で与えられる波長に対する角度分散依存性を大きくすることができる。また、回折角を任意に設計できるため、分散補償光学装置の光学設計の自由度を高くすることができるし、分散補償光学装置における群速度分散値（分散補償量）の調整が容易となり、分散補償光学装置を構成する光学部品の配置の高い自由度を達成することができる。

実施例５は、実施例４の変形であり、分散補償光学装置等−Ｂに関する。概念図を図２９Ａに示す実施例５の分散補償光学装置４１０Ｂは、半導体レーザ装置組立体における第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１を構成し、平行に配置された第１の反射鏡４１３₁及び第２の反射鏡４１３₂を更に備えている。そして、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２から出射されたレーザ光は、第１の反射鏡４１３₁に衝突して反射され、次いで、第２の反射鏡４１３₂に衝突して反射される。ここで、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射するレーザ光の延長線上に、第２の反射鏡４１３₂に反射されたレーザ光が概ね位置している。これによって、既存の光学系に分散補償光学装置４１０を配置、挿入することが容易となる。尚、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１と第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２の間の距離を調整する場合、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２と第１の反射鏡４１３₁との位置関係に変化が生じないように、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２及び第１の反射鏡４１３₁を移動させればよい。分散補償光学装置４１０Ｂにおいて、分散補償量は負である。

以上の点を除き、実施例５の分散補償光学装置は、実施例４の分散補償光学装置と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例６も、実施例４の変形であり、分散補償光学装置等−Ｃに関する。概念図を図２９Ｂに示す実施例６の分散補償光学装置４１０Ｃは、半導体レーザ装置組立体における第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１を構成し、ガラスから成る基体４１４の第１面４１４Ａ上に第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１が設けられており、第１面４１４Ａと対向する基体４１４の第２面４１４Ｂ上に第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２が設けられている。実施例６の分散補償光学装置４１０Ｃにおいて、２つの透過型体積ホログラム回折格子４１１，４１２の間の距離を変えるためには基体４１４の厚さを変えればよい。そして、これによって、群速度分散値を変えることができる。尚、群速度分散値は負である。第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射するレーザ光と、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２から出射されるレーザ光とは、概ね平行である。

以上の点を除き、実施例６の分散補償光学装置は、実施例４の分散補償光学装置と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例７も、実施例４の変形であり、分散補償光学装置等−Ｄに関する。概念図を図３０Ａに示す実施例７の分散補償光学装置４１０Ｄは、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２、反射鏡４１５から構成されている。そして、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１によって回折・反射され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２によって回折・反射され、１次の回折光として出射されて、反射鏡４１５に衝突し、反射鏡４１５によって反射されたレーザ光は、再び、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２によって回折・反射され、１次の回折光として出射され、更に、再び、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射し、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１によって回折・反射され、半導体光増幅器２１０へと出射される。第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１からレーザ光を半導体光増幅器２１０に出射させるためには、反射鏡４１５の角度を回折方向とは直交した方向に僅かに傾ければよく、即ち、図３０ＡにおけるＺ軸を中心として僅かに回転させればよく、これによって、入射レーザ光と出射レーザ光を空間的に分離することが可能となる。後述する実施例１０においても同様である。群速度分散値の制御は、分散補償光学装置４１０Ｄにおける第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１と第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２との間の距離を変えることで行うことができる。群速度分散値は負である。尚、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２と反射鏡４１５との間に集光手段（レンズ）を配し、反射鏡４１５と集光手段との間の距離を固定し、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２と集光手段との間の距離を変えることで、群速度分散値を制御することもできる。

尚、概念図を図３０Ｂに示すように、反射鏡４１５の代わりに、部分反射鏡４１６を配置し、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１によって回折・反射され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２によって回折・反射され、１次の回折光として出射されて、部分反射鏡４１６に衝突し、一部は半導体光増幅器２１０へと出射され、残りは、部分反射鏡４１６によって反射され、再び、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子４１２によって回折・反射され、１次の回折光として出射され、更に、再び、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１に入射し、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１によって回折・反射され、モード同期半導体レーザ素子１０に戻されるといった構成を採用してもよい。尚、この場合にも、分散補償光学装置４１０Ｄ（より具体的には、部分反射鏡４１６）とモード同期半導体レーザ素子１０の第１端面によって外部共振器構造が構成され、図２８に示した部分反射鏡１２は不要となる。

以上の点を除き、実施例７の分散補償光学装置は、実施例４の分散補償光学装置と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例８は、実施例４〜実施例５、実施例７の変形である。ところで、第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１における１次の回折光の出射角φ_outの実用上の上限値は、回折光がガラス基板３１３から全反射せずに出射する条件に依存する。即ち、図３１Ａに示すように、回折光がガラス基板３１３の内部において全反射したのでは、回折光を第１の透過型体積ホログラム回折格子４１１から取り出せなくなる。

実施例８にあっては、模式的な一部断面図を図３１Ｂに示すように、実施例８の分散補償光学装置４１０Ｅにおける透過型体積ホログラム回折格子を構成する出射側のガラス基板３１３Ａを、斜面３１３ａ，３１３ｂを有するプリズム状とし、回折光がガラス基板３１３Ａの斜面３１３ａから出射する構成とすることで、回折光がガラス基板３１３Ａにおいて全反射しない構造とすることができる。尚、透過型体積ホログラム回折格子を構成する入射側のガラス基板３１２Ａの表面３１２ａは、斜面３１３ａ，３１３ｂとは平行でない。斜面３１３ａの法線と１次の回折光の成す角度である出射角φ_out’が、例えば、０度±１０度となるように斜面３１３ａの傾斜角を設定することが好ましい。

以上の点を除き、実施例８の分散補償光学装置は、実施例４〜実施例５、実施例７の分散補償光学装置と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例９は、第２の態様に係る分散補償光学装置に関する。実施例９の分散補償光学装置を組み込んだ半導体レーザ装置組立体の一部分の概念図を図３２に示す。実施例９の分散補償光学装置５１０は、対向して配置された２つの透過型体積ホログラム回折格子（第１の透過型体積ホログラム回折格子５１１及び第２の透過型体積ホログラム回折格子５１２）から成り、各透過型体積ホログラム回折格子５１１，５１２において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとは略等しい（具体的には、実施例９にあっては等しい）。また、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度である。即ち、φ_in＝φ_out＝４５度である。

以上の点を除き、実施例９の分散補償光学装置５１０は、実施例４の分散補償光学装置４１０Ａと同様の構成、構造を有する。また、実施例９の分散補償光学装置５１０は、φ_in＝φ_out＝４５度とする点を除き、実施例５〜実施例８の分散補償光学装置と同じ構成、構造を有する構成とすることもできる。それ故、これらの詳細な説明は省略する。尚、分散補償光学装置５１０にあっては、群速度分散値は負である。

実施例９の分散補償光学装置にあっては、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとは略等しいので、高い回折効率による高いスループットを有する小型の分散補償光学装置を提供することができる。また、分散補償光学装置の小型化を図ることができるし、分散補償光学装置を構成する光学部品の配置の自由度が高い。更には、回折角を任意に設計できるため、分散補償光学装置の光学設計の自由度を高くすることができるし、分散補償光学装置における群速度分散値（分散補償量）の調整が容易となり、分散補償光学装置を構成する光学部品の配置の高い自由度を達成することができる。

実施例１０は、第３の態様に係る分散補償光学装置に関する。実施例１０の分散補償光学装置６１０の概念図を図３３Ａに示す。実施例１０の分散補償光学装置６１０は、
透過型体積ホログラム回折格子６１１及び反射鏡６１３から成り、
透過型体積ホログラム回折格子６１１において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとは略等しく（具体的には、実施例１０にあっては等しく）、
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、透過型体積ホログラム回折格子６１１に入射し、回折され、１次の回折光として出射され、反射鏡６１３に衝突し、反射鏡６１３によって反射された１次の回折光は、再び、透過型体積ホログラム回折格子６１１に入射し、回折され、半導体光増幅器へと出射される。

あるいは又、概念図を図３３Ｂに示すように、実施例１０の分散補償光学装置６１０は、
透過型体積ホログラム回折格子６１１及び反射鏡６１３から成り、
透過型体積ホログラム回折格子６１１において、レーザ光の入射角φ_inと１次の回折光の出射角φ_outとの和は９０度であり、
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、透過型体積ホログラム回折格子６１１に入射し、回折され、１次の回折光として出射され、反射鏡６１３に衝突し、反射鏡６１３によって反射された１次の回折光は、再び、透過型体積ホログラム回折格子６１１に入射し、回折され、半導体光増幅器２１０に出射される。

そして、透過型体積ホログラム回折格子６１１と反射鏡６１３との間には、集光手段（レンズ）６１２が配置されている。透過型体積ホログラム回折格子６１１と反射鏡６１３との間の距離を変えることで、群速度分散値（分散補償量）を変えるが、具体的には、集光手段６１２と反射鏡６１３との間の距離を固定した状態で、透過型体積ホログラム回折格子６１１と集光手段６１２との間の距離を変えることで、群速度分散値を変えることができる。例えば、透過型体積ホログラム回折格子６１１と集光手段６１２との間の距離が集光手段６１２の焦点距離と等しい場合、透過型体積ホログラム回折格子６１１から集光手段６１２に向かうレーザ光と反射鏡６１３で反射されて集光手段６１２を経由して透過型体積ホログラム回折格子６１１に入射するレーザ光の角度分散は変化しない。従って、この場合、分散補償光学系が与える分散補償量はゼロである。一方、透過型体積ホログラム回折格子６１１と集光手段６１２との距離が集光手段６１２の焦点距離よりも長い場合、透過型体積ホログラム回折格子６１１で回折されたレーザ光の内、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、負の群速度分散を形成する。即ち、群速度分散値は負である。また、透過型体積ホログラム回折格子６１１と集光手段６１２との距離が集光手段６１２の焦点距離よりも短い場合、群速度分散値は正となる。

実施例１０あっては、分散補償光学装置６１０とモード同期半導体レーザ素子１０の第１端面によって外部共振器構造が構成される。

以上の点を除き、実施例１０の分散補償光学装置は、実施例４の分散補償光学装置と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。

実施例１０の分散補償光学装置は、透過型体積ホログラム回折格子６１１及び反射鏡６１３から成るので、高い回折効率による高いスループットを有する小型の分散補償光学装置を提供することができる。また、分散補償光学装置の小型化を図ることができるし、分散補償光学装置を構成する光学部品の配置の自由度が高い。更には、回折角を任意に設計できるため、分散補償光学装置の光学設計の自由度を高くすることができるし、分散補償光学装置における群速度分散値（分散補償量）の調整が容易となり、分散補償光学装置を構成する光学部品の配置の高い自由度を達成することができる。

実施例１１は、実施例１〜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。尚、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３４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、
ｔ₁ ＝１．２５μｍ
ｔ₁’＝０．１５μｍ
とした。また、リッジストライプ構造７５の長さ及び幅を、それぞれ、１．０ｍｍ、１．６μｍとした。

尚、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６に示す層構成を有する。ここで、表６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。尚、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。尚、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６］
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Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層（Ｍｇドープ））７２Ｃ
第２光ガイド層（ｐ型Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ層（Ｍｇドープ））７２Ｂ
ｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ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：Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ）
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Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ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ー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１２は、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３５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Ｔ_Total、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、
（Ｔ_Total−０．５・ｔ₁）≦Ｄ≦Ｔ_Total
好ましくは、
（Ｔ_Total−０．３・ｔ₁）≦Ｄ≦Ｔ_Total
を満足する。具体的には、実施例１２にあっては、
ｔ₁ ＝１．２５μｍ
Ｔ_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ー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１１〜実施例１２の変形である。模式的な一部断面図を図３６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Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ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ｎ_G-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ｎ_HR、活性層７３を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をｎ_Acとしたとき、
０．０１≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．１
を満足し、
ｎ_HR≦ｎ_Ac
を満足している。具体的には、
ｎ_HR ＝２．５４７
ｎ_G-1＝２．５２０
ｎ_Ac ＝２．６２０
である。

実施例１４も、実施例１〜実施例１０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。尚、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３７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Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ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ｎ_G-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ｎ_HR、活性層９３を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をｎ_Acとしたとき、
０＜ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．３
好ましくは、
０．０２≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．２
を満足し、
ｎ_HR≦ｎ_Ac
を満足している。具体的には、
ｎ_HR ＝２．５４７
ｎ_G-1＝２．５２０
ｎ_Ac ＝２．６２０
である。

尚、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。

尚、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７に示す層構成を有する。ここで、表７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。尚、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。尚、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７］
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Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層（Ｍｇドープ））９２Ｃ
第２光ガイド層（ｐ型Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ層（Ｍｇドープ））９２Ｂ
ｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ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：Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ）
第１化合物半導体層９１
第１−Ｂ光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）９１Ｂ₂
高屈折率層（ｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ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Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ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］

図３８に、第２クラッド層９２Ｃ、第２光ガイド層９２Ｂ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層９２Ａ、活性層９３、第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ₂、高屈折率層９９、第１−Ａ光ガイド層９１Ｂ₁、第１クラッド層９１Ａにおける屈折率分布及び光場強度のプロファイルを計算した結果を示す。高屈折率層９９の存在によって、光場強度が第１クラッド層９１Ａ側に移動していることが判る。尚、図３８の横軸は、ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）９４と第２電極６２との界面からの距離を表す。また、図３９に、高屈折率層９９の厚さを３０ｎｍ及び５０ｎｍとして、第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ₂の厚さを変化させたときの光閉込め係数を計算にて求めた結果を示す。図３９から、第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ₂の厚さを０．２５μｍ以上とすることで、低い光閉込め係数を達成することができることが判る。また、種々の解析の結果、高屈折率層９９の厚さは５０ｎｍ以下であることが、半導体光増幅器から出力される光ビームのマルチビーム化を確実に抑制するといった観点から望ましく、また、ＩｎＧａＮから成る高屈折率層９９におけるＩｎの原子％が５％未満であることが、半導体光増幅器から出力される光ビームのマルチビーム化を確実に抑制するといった観点から望ましいことが判明した。

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。

実施例１５は実施例１〜実施例１４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１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１５においては、表３に示した層構成における３層の障壁層（Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎから成る）と２層の井戸層（Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ）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８のとおりとした。また、参考例１５のモード同期半導体レーザ素子においては、表３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８のとおりとした。

［表８］
実施例１５ 参考例１５
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１５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１５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Ｖ_saとによって決定される。実施例１５及び参考例１５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１５にあっては、逆バイアス電圧Ｖ_sa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１５に比べて、低い逆バイアス電圧Ｖ_saで変化が生じていることが判った。これは、実施例１５の活性層の方が、逆バイアス電圧Ｖ_sa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１５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１５も本開示に包含されることは云うまでもない。

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、半導体光増幅器、モード同期半導体レーザ素子、分散補償光学系や分散補償光学装置の構成、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、半導体光増幅器の仕様が変われば、変わることは当然である。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４０に示す。図４０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４１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４２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。尚、｛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１５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》
モード同期半導体レーザ素子、及び、モード同期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たモード同期半導体レーザ素子組立体、並びに、
モード同期半導体レーザ素子組立体から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半導体光増幅器、
から構成されている半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０２］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［Ａ０１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０３］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［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０４］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［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０５］半導体光増幅器の光閉込め係数は３％以下である［Ａ０１］乃至［Ａ０４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０６］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［Ａ０１］乃至［Ａ０５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０７］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［Ａ０１］乃至［Ａ０６］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０８］分散補償光学系における群速度分散値は負である［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ０９］半導体光増幅器へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１０］分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ₁から第２の所定値ＧＶＤ₂（但し、｜ＧＶＤ₁｜＜｜ＧＶＤ₂｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子組立体から出射され、半導体光増幅器に入射するレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷ_minを超えて増加する［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１１］半導体光増幅器へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷ_minとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤ_minとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ₁であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₁、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ₂であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ₂としたとき、
（ＰＷ₁−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ_min−ＧＶＤ₁｜
≧２×（ＰＷ₂−ＰＷ_min）／｜ＧＶＤ₂−ＧＶＤ_min｜
但し、
｜ＧＶＤ₁／ＧＶＤ_min｜＝０．５
｜ＧＶＤ₂／ＧＶＤ_min｜＝２
を満足する［Ａ１０］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１２］半導体光増幅器へ出射されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷ_minとなる群速度分散極小値ＧＶＤ_minあるいはその近傍において動作させられる［Ａ１０］又は［Ａ１１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１３］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［Ａ１０］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１４］モード同期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［Ａ０１］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１５］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［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］モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する［Ａ０１］乃至［Ａ１５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１７］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［Ａ０１］乃至［Ａ１６］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１８］モード同期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、モード同期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、半導体光増幅器に入射する［Ａ０１］乃至［Ａ１７］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１９］モード同期半導体レーザ素子組立体から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［Ａ０１］乃至［Ａ１８］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ２０］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、
モード同期半導体レーザ素子組立体から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［Ａ１９］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ２１］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［Ａ２０］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ２２］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［Ａ２０］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ２３］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［Ａ２０］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ２４］バンドパスフィルタは、バンドパスフィルタを通過したレーザ光の光スペクトルピークの半値よりも低い光スペクトル成分に関して、ガウス関数からのずれが、ガウス関数による光スペクトルの面積に比較して２０％以下であるバンドパスフィルタである［Ａ２０］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０１］《第１の態様に係る分散補償光学装置》
分散補償光学系は、対向して配置された第１の透過型体積ホログラム回折格子及び第２の透過型体積ホログラム回折格子から成り、各透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角との和は９０度である分散補償光学装置から成る［Ａ０１］乃至［Ａ２４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０２］半導体レーザ素子からのレーザ光が入射する第１の透過型体積ホログラム回折格子において、１次の回折光の出射角は、レーザ光の入射角よりも大きい［Ｂ０１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０３］《第２の態様に係る分散補償光学装置》
分散補償光学系は、対向して配置された第１の透過型体積ホログラム回折格子及び第２の透過型体積ホログラム回折格子から成り、各透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角とは略等しい分散補償光学装置から成る［Ａ０１］乃至［Ａ２４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０４］レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角との和は９０度である［Ｂ０３］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０５］第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として系外に出射される［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］平行に配置された第１の反射鏡及び第２の反射鏡を更に備えており、
第２の透過型体積ホログラム回折格子から出射されたレーザ光は、第１の反射鏡に衝突して反射され、次いで、第２の反射鏡に衝突して反射される［Ｂ０５］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０７］第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射するレーザ光の延長線上に、第２の反射鏡に反射されたレーザ光が概ね位置している［Ｂ０６］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０８］基体の第１面上に第１の透過型体積ホログラム回折格子が設けられており、
第１面と対向する基体の第２面上に第２の透過型体積ホログラム回折格子が設けられている［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。
［Ｂ０９］反射鏡を更に備えており、
第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射されて、反射鏡に衝突し、
反射鏡によって反射されたレーザ光は、再び、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、再び、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、系外に出射される［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。
［Ｂ１０］部分反射鏡を更に備えており、
第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射したレーザ光は、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射されて、部分反射鏡に衝突し、一部は系外に出射され、残りは、部分反射鏡によって反射され、再び、第２の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第２の透過型体積ホログラム回折格子によって回折され、１次の回折光として出射され、更に、再び、第１の透過型体積ホログラム回折格子に入射し、第１の透過型体積ホログラム回折格子によって回折される［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。
［Ｂ１１］２つの透過型体積ホログラム回折格子の間の距離を変えることで、群速度分散値を変える［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］《第３の態様に係る分散補償光学装置》
分散補償光学系は、
透過型体積ホログラム回折格子及び反射鏡から成り、
透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角との和は９０度であり、あるいは又、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角とは略等しく、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、透過型体積ホログラム回折格子に入射し、回折され、１次の回折光として出射され、反射鏡に衝突し、反射鏡によって反射された１次の回折光は、再び、透過型体積ホログラム回折格子に入射し、回折され、系外に出射される分散補償光学装置から成る［Ａ０１］乃至［Ａ２４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１３］透過型体積ホログラム回折格子と反射鏡の間の距離を変えることで、群速度分散値を変える［Ｂ１２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１４］透過型体積ホログラム回折格子は、２枚のガラス基板の間に回折格子部材が挟まれた構造を有し、
回折格子部材へ入射するレーザ光の波長をλ、レーザ光スペクトル幅をΔλ、回折格子部材へのレーザ光の入射角をθ_in、回折角をθ_out、ガラス基板の屈折率をＮ、回折格子部材の厚さをＬとしたとき、以下の式（Ａ）を満足する［Ｂ０１］乃至［Ｂ１３］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
｜１−ｃｏｓ（θ_in＋θ_out）｝／ｃｏｓ（θ_out）｜
≦｛０．５５３／（π・Ｎ・Ｌ）｝（λ²／Δλ） （Ａ）
［Ｂ１５］ｍを整数、回折格子部材における屈折率変調度をΔｎとしたとき、以下の式（Ｂ）を満足する［Ｂ１４］に記載の半導体レーザ装置組立体。
｛（０．８＋２ｍ）・λ／Δｎ｝・｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2
≦ Ｌ ≦
｛（１．２＋２ｍ）・λ／Δｎ｝・｛ｃｏｓ（θ_in）・ｃｏｓ（θ_out）｝^1/2 （Ｂ）
［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［Ａ０１］乃至［Ｂ１５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０２］ｔ₁≦３×１０^-6ｍ
を満足する［Ｃ０１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０３］半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する［Ｃ０１］又は［Ｃ０２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０４］積層構造体の光出射端面から出射された光ビームのリッジストライプ構造の幅方向の寸法をＬＢ_X、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢ_Yとしたとき、
０．２≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦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Ｙ_CCは、
ｔ₁’≦Ｙ_CC≦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ｎ_G-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎ_HRとしたとき、
０．０１≦ｎ_HR−ｎ_G-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［Ａ０１］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ｎ_G-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎ_HRとしたとき、
０＜ｎ_HR−ｎ_G-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［Ｄ０２］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、１２・・・部分反射鏡、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、ＡＲ・・・無反射コート層、ＨＲ・・・高反射コート層、１１０，１２０，１３０，１４０・・・分散補償光学系、１１１，１２１，１２２・・・回折格子、１１２・・・集光手段（レンズ）、１１３・・・反射鏡（誘電多層膜反射鏡）、１１４・・・光スペクトル整形手段（バンドパスフィルタ）、１１５Ａ，１１５Ｂ，１１６・・・平面鏡、１１７・・・光アイソレータ、１２３，１３３，１４３・・・部分反射鏡、１３１，１３２・・・プリズム、１４１・・・干渉計、１４１Ａ・・・反射鏡、１４１Ｂ・・・部分反射鏡、１４２・・・平面鏡、３１１・・・回折格子部材（フォトポリマー材料）、３１２，３１２Ａ，３１３，３１３Ａ・・・ガラス基板、３１２ａ，３１３ａ，３１３ｂ・・・ガラス基板の斜面、４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ，４１０Ｄ，４１０Ｅ，５１０，６１０・・・分散補償光学装置、４１１，４１２，５１１，５１２，６１１・・・透過型体積ホログラム回折格子、４１３₁，４１３₂，４１５，６１３・・・反射鏡、４１４・・・基体、４１４Ａ・・・基体の第１面、４１４Ｂ・・・基体の第２面、４１６・・・部分反射鏡、６１２・・・集光手段（レンズ）、２１０・・・半導体光増幅器、２１１Ａ，２１１Ｂ・・・集光手段（レンズ）

Claims (14)

1. モード同期半導体レーザ素子、及び、モード同期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たモード同期半導体レーザ素子組立体、並びに、
   モード同期半導体レーザ素子組立体から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から成る半導体光増幅器、
   から構成されており、
   分散補償光学系における群速度分散値は負であり、
   モード同期半導体レーザ素子組立体から出力されるレーザ光の周波数チャープは負であり、
   半導体光増幅器に入射した周波数チャープが負のレーザ光は、半導体光増幅器から出力されるとき、エネルギー増幅と共に、パルス時間幅が圧縮される半導体レーザ装置組立体。
2. ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層はＧａＮ系化合物半導体から成る請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
3. モード同期半導体レーザ素子組立体から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、
   モード同期半導体レーザ素子組立体から出射されたレーザ光は、複数回、光スペクトル整形手段を通過し、半導体光増幅器に入射する請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ装置組立体。
4. 反射鏡を更に備えており、
   モード同期半導体レーザ素子組立体から出射されたレーザ光は、光スペクトル整形手段を通過し、反射鏡で反射され、再び、光スペクトル整形手段を通過し、半導体光増幅器に入射する請求項３に記載の半導体レーザ装置組立体。
5. 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る請求項３又は請求項４に記載の半導体レーザ装置組立体。
6. パルス半値全幅が極小値の光パルスをバンドパスフィルタを通過させて、短波長成分のみを抽出する請求項５に記載の半導体レーザ装置組立体。
7. バンドパスフィルタは、バンドパスフィルタを通過したレーザ光の光スペクトルピークの半値よりも低い光スペクトル成分に関して、ガウス関数からのずれが、ガウス関数による光スペクトルの面積に比較して２０％以下であるバンドパスフィルタである請求項５又は請求項６に記載の半導体レーザ装置組立体。
8. 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請求項５又は請求項６に記載の半導体レーザ装置組立体。
9. 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請求項５又は請求項６に記載の半導体レーザ装置組立体。
10. 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請求項５又は請求項６に記載の半導体レーザ装置組立体。
11. 半導体光増幅器の光閉込め係数は３％以下である請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
12. 分散補償光学系は、対向して配置された第１の透過型体積ホログラム回折格子及び第２の透過型体積ホログラム回折格子から成り、各透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角との和は９０度である分散補償光学装置から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
13. 分散補償光学系は、対向して配置された第１の透過型体積ホログラム回折格子及び第２の第１の透過型体積ホログラム回折格子から成り、各透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角とは略等しい分散補償光学装置から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
14. 分散補償光学系は、透過型体積ホログラム回折格子及び反射鏡から成り、
    透過型体積ホログラム回折格子において、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角との和は９０度であり、あるいは又、レーザ光の入射角と１次の回折光の出射角とは略等しく、
    半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、透過型体積ホログラム回折格子に入射し、回折され、１次の回折光として出射され、反射鏡に衝突し、反射鏡によって反射された１次の回折光は、再び、透過型体積ホログラム回折格子に入射し、回折され、系外に出射される分散補償光学装置から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。