CN103918143A - 具有色散补偿外腔的锁模半导体激光二极管 - Google Patents

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Abstract

提供了一种半导体激光设备。该半导体激光设备包括锁模半导体激光装置和外部谐振器，该外部谐振器包括色散补偿系统，其中，该半导体激光设备被配置为生成自调制，将负群速度色散引入外部谐振器中，并用于在外部谐振器之后提供光谱过滤。

Description

具有色散补偿外腔的锁模半导体激光二极管
技术领域
本发明涉及一种具有半导体激光装置和色散补偿光学系统的半导体激光设备组件。
背景技术
近年来，在先进的科学研究中越来越多地使用具有阿秒或飞秒级激光脉冲时间宽度的超短脉冲和超高输出激光设备。另外，在关于解决皮秒或飞秒的超高速现象以及使用高峰值功率上的超短脉冲激光吸引了科学界的注意，并且积极研究其在诸如精细处理或双光子成像等实际用途中的应用。此外，期望将由GaN基化合物半导体构成的并且具有发射波长约405nm的高输出超短脉冲半导体激光设备用于卷型光盘系统的光源(该卷型光盘系统是被期望用作蓝光光学系统的下一代的光盘系统)、医学领域或生物成像领域所需的光源以及覆盖整个可见光范围的相干光源。
作为超短脉冲和超高输出激光设备，已知的是例如钛/蓝宝石激光；然而，相关的钛/蓝宝石激光设备较为昂贵并且其固态激光光源尺寸较大是阻碍普及该技术的主要因素。另外，还要求使用用于使连续光振荡的其它固态激光设备进行励磁，并且因此能量效率并不一定高。另外，大尺寸谐振器不易于机械稳定，在维护方面要求具备专门知识。如果使用半导体激光装置实现超短脉冲和超高输出激光，这可实现尺寸非常小、价格低、功耗低和高稳定性的优点，并且从而会是在促进在这些领域内的广泛普及中的突破。
引用列表
非专利文献
NPL1：T.Schlauch et al.,Optics Express,Vol.18,p24136(2010)
发明内容
技术问题
作为使用半导体激光装置生成具有约几皮秒的时间宽度的光脉冲的方法，已知的是锁模方法。锁模方法包括主动锁模和被动锁模，在主动锁模中，增益或损失以与单圈时间相同的周期在谐振器内调制，在被动锁模中，在半导体激光设备中提供和操作显示非线性光学响应的可饱和吸收体，被动锁模适合于生成具有约几皮秒或以下的脉冲时间宽度的光脉冲。
在其中每个脉冲的能量相同的情况下，在脉冲时间宽度减小时，光脉冲的峰值功率升高，并且明显显示出靶向非线性现象。因此，超短光脉冲光源的其中一个性能指数可为小脉冲时间宽度。在市场中的可生成脉冲时间宽度约为10飞秒的光脉冲的被动锁模钛/蓝宝石激光设备是可用的。相反，在被动锁模半导体激光装置中，电流注入式量子阱激光设备的脉冲时间宽度一般约为1皮秒至2皮秒。由于半导体激光设备具有足够大的增益带宽，其具有能生成亚皮秒光脉冲的潜在性能，但陈述生成亚皮秒光脉冲的例子还几乎是未知的。
基于锁模方法驱动半导体激光装置时，阻碍生成具有亚皮秒或以下的脉冲时间宽度的光脉冲的主要因素可包括生成脉冲时在光脉冲中产生的线性调频脉冲。在半导体激光装置中，有源层(增益部分)的载流子密度随着脉冲的生成而临时改变，因此，有源层的折射率也随之改变。由于这个原因，半导体激光装置中生成的光脉冲的频率在脉冲的持续时间内改变。该频率改变被称为线性调频脉冲，并且如果线性调频脉冲较强，难以将在谐振器内部循环的光脉冲的各个频率的相位对准，并且难以减小脉冲时间宽度。
为了解决这种线性调频脉冲造成的难以减小脉冲时间宽度的问题，提供了一种在外部谐振器内提供色散补偿光学系统的方法。在多种情况下，该方法被用在锁模钛/蓝宝石激光设备中，但也陈述了少数被用在锁模半导体激光装置中的例子。该方法并非取决于增益介质或可饱和吸收体的类型或励磁方法，并且因此具有广泛的应用范围和优势。NPL1“T.Schlauch等人，光学快讯，第18卷，第24136页(2010)”陈述了使用衍射光栅限制具有色散补偿光学系统的锁模半导体激光装置中生成的光脉冲的脉冲时间宽度的试验。这里，NPL1陈述生成的光脉冲的光谱随着色散补偿量而改变，但脉冲时间宽度没有改变，没有达到生成具有皮秒或以下的脉冲时间宽度的光脉冲的结果。
因此，本发明的目的在于提供一种具有能够输出超短脉冲激光的配置和结构的电流注入式半导体激光设备组件。
问题解决方案
与本发明的一个方面有关的半导体激光设备包括锁模半导体激光装置和外部谐振器，所述外部谐振器包括色散补偿系统，其中，所述半导体激光设备用于生成自调制、将负群速度色散引入外部谐振器中并在外部谐振器之后提供光谱过滤功能。
与本发明的另一个方面有关的生成光脉冲的方法包括：提供半导体激光设备，所述半导体激光设备包括锁模半导体激光装置、外部谐振器和外部谐振器内的色散补偿光学系统；通过利用半导体激光设备生成自调制、将负群速度色散引入外部谐振器中并在外部谐振器之后提供光谱过滤功能来生成光脉冲。
与本发明的另一个方面有关的用于达到上述目的的半导体激光设备组件包括电流注入式锁模半导体激光装置，其光密度为1x1010瓦特/cm2或以上，优选为1.4x1010瓦特/cm2或以上，载流子密度为1x1019/cm3或以上；还包括色散补偿光学系统，锁模半导体激光装置发出的激光入射到色散补偿光学系统中并从中发出。
与本发明的另一个方面有关的用于达到上述目的的半导体激光设备组件包括电流注入式锁模半导体激光装置；以及色散补偿光学系统，锁模半导体激光装置发出的激光入射到色散补偿光学系统中并从中发出；其中，色散补偿光学系统的群速度色散从第一预定值GVD1到第二预定值GVD2(其中，|GVD1|<|GVD2|)单调变化时，从锁模半导体激光装置输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度减小，并且接着增加到超过最小值PWmin的值。另外，单调变化指GVD1<GVD2情况下的单调增加，GVD1>GVD2情况下的单调减小。
发明有益效果
在半导体激光装置中，当半导体激光装置中的有源层(增益部分)的光功率密度和载流子密度超过特定值时，由于电感发射而消耗了载流子，因此，有源层的折射率动态变化并且振荡谱扩展。这种现象被称为自相位调制。由于自相位调制使振荡谱扩展而造成脉冲时间宽度减小，色散补偿光学系统对自相位调制提供适当群速度色散，以获得适当频谱宽度，从而生成亚皮秒光脉冲。该特征与自相位调制和适当群速度色散在谐振器中互相交互时产生的孤立子锁模特征相似，因此可非常有效地作为将生成的光脉冲的时间宽度减小到亚皮秒(例如，200飞秒)或以下的方法。
在与本发明的第一方面有关的半导体激光设备组件中，由于调节了锁模半导体激光装置发出的激光的光密度，并且调节了锁模半导体激光装置中的载流子密度的值，可在高光功率密度和高载流子密度下生成自相位调制，并对其提供适当群速度色散，从而可靠地生成亚皮秒光脉冲。另外，在与本发明的第二方面有关的半导体激光设备组件中，由于定义了色散补偿光学系统的群速度色散与锁模半导体激光装置输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度之间的关系，可以可靠地生成稳定亚皮秒光脉冲，并可降低生成的光脉冲中的噪声。另外，除减小亚皮秒光脉冲的光脉冲时间宽度之外，在本发明的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光装置为电流注入式，因此，与光致激发型锁模半导体激光装置相比具有能量效率高的优点。
附图说明
图1为根据实施例1的半导体激光设备组件的概念图。
图2为在其中根据实施例1的锁模半导体激光装置的谐振器延伸的方向上的示意性截面图。
图3为与其根据实施例1的锁模半导体激光装置的谐振器延伸的方向垂直的方向上的示意性截面图。
图4A和图4B分别为示出了通过根据实施例1的半导体激光设备组件所获得的光脉冲的相关波形的示图和示出了光脉冲的光谱的示图。
图5A和图5B分别为示出了当图4B中所示的光脉冲传输通过波长选择器件并且光脉冲的短波长侧被截断时的相关波形的示图和示出了光谱的示图。
图6为示出了在不同的色散补偿量下的光脉冲的相关波形的示图。
图7A和图7B分别为示出了当所生成的脉冲仅为主脉冲并且脉冲时间宽度尽可能低时的光脉冲的相关波形的示图，并且示出了根据实施例1的半导体激光设备组件中的光谱的示图。
图8A和图8B分别为示出了在特定驱动条件下光脉冲的相关波形的示图和示出了根据实施例1的半导体激光设备组件中的光脉冲的光谱的示图。
图9A和图9B分别为示出了在根据实施例1的半导体激光设备组件中所获得的距离L与半高全宽之间的关系的结果的示图和在根据实施例1的半导体激光设备组件中所获得的群速度色散与光脉冲的半高全宽之间的关系的结果示意图。
图10A和图10B分别为示出了当在根据实施例1的半导体激光设备组件中的群速度色散为-0.0257ps2时的RF频谱的示图和当在根据实施例1的半导体激光设备组件中的群速度色散为-0.064ps2时的RF频谱的示图。
图11为示出了在根据实施例1的半导体激光设备组件中由于增益电流增加而变成最小值的脉冲时间宽度的示图。
图12A和图12B分别为示出了根据实施例2的半导体激光设备组件及其变形例的概念图。
图13为示出了根据实施例2的半导体激光设备组件的另一个变形例的概念图。
图14A和图14B为根据实施例4的半导体激光设备组件中的波长选择器件的概念图。
图15为在其中根据实施例1的锁模半导体激光装置的变形例中的谐振器延伸的方向上的示意性截面图。
图16为在其中根据实施例1的锁模半导体激光装置的另一个变形例中的谐振器延伸的方向上的示意性截面图。
图17为在其中从顶部观察根据实施例1的锁模半导体激光装置的另一个变形例中的脊条结构的方向上的示意性截面图。
图18A和图18B为用于描述根据实施例1的锁模半导体激光装置的制造方法的基板等的示意性局部截面图。
图19A和图19B接着图18B并且图19A和图19B为用于描述根据实施例1的锁模半导体激光装置的制造方法的基板等的示意性局部截面图。
图20接着图19B并且图20是用于描述根据实施例1的锁模半导体激光装置的制造方法的基板等的示意性局部截面图。
图21为衍射光栅的示意性局部截面图。
具体实施方式
下文中，将参照附图基于实施例来描述本公开，但本公开并不限于该实施例，并且实施例中的各个数值或材料仅为示例。另外，说明将按以下顺序进行。
1.与本公开的第一方面和第二方面相关的整体的半导体激光设备组件的描述
2.实施例1(与本公开的第一方面和第二方面相关的半导体激光设备组件)
3.实施例2(实施例1的变形)
4.实施例3(实施例1的变形)
5.实施例4(实施例1至实施例3的变形)及其它
(与本公开的第一方面和第二方面相关的整体的半导体激光设备组件的描述)
在与本公开的第二方面相关的半导体激光设备组件中，如果输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin时色散补偿光学系统的最小群速度色散为GVDmin，色散补偿光学系统的群速度色散为负第一预定值GVD1时，激光的脉冲时间宽度为PW1，并且当色散补偿光学系统的群速度色散为负第二预定值GVD2时，激光的脉冲时间宽度为PW2，例如，优选满足以下条件。
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|>或＝2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|
其中，|GVD1/GVDmin|＝0.5并且|GVD2/GVDmin|＝2
与包括上述优选形式的与本公开的第二方面相关的半导体激光设备组件优选地以最小群速度色散GVDmin操作，在最小群速度色散GVDmin下，输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin，或接近最小值。如下文所述，群速度色散下降(群速度色散的绝对值增加)，同时，零时下除主脉冲之外的次脉冲的数量下降，但是如果没有观测到次脉冲时的群速度色散的上限值为GVDS，则将“接近最小群速度色散GVDmin的”定义为GVDS±|GVDmin-GVDs|。
另外，在与包括上述优选形式的本公开的第二方面相关的半导体激光设备组件中，输出到系统外部的主振荡频率中的激光的噪声分量可为-60dB或以下，并且优选地为-70dB或以下。
在与本公开的第一方面相关的半导体激光设备组件中，或在与包括上述优选形式的本公开的第二方面相关的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光装置可包括可饱和吸收区域。另外，在现有技术中的光致激发型锁模半导体激光装置利用半导体可饱和吸收体(SESAME)的温度特性来控制振荡特性，但是，在提供可饱和吸收区域的形式下，可基于对可饱和吸收区域的反向偏压和色散补偿光学系统的群速度色散来控制振荡特性，因此，易于控制振荡特性。另外，这种情况下，锁模半导体激光装置可配置有层压结构，所述层压结构通过按顺序层压由GaN基化合物半导体制成并且具有第一导电类型的第一化合物半导体层、由GaN基化合物半导体制成第三化合物半导体层(有源层)和由GaN基化合物半导体制成并且具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二化合物半导体层而构成。
另外，这种情况下，色散补偿光学系统中的群速度色散优选为负值。这里，群速度色散可基于锁模半导体激光装置的配置和结构，或半导体激光设备组件的配置、结构和驱动方法(例如，施加在载流子注入区域(增益区域)上的电流量、施加在可饱和吸收区域(非载流子注入区域)上的反向偏压和驱动温度)而作为整体来确定，或可以是取决于锁模半导体激光装置的配置和结构；半导体激光设备组件的配置、结构和驱动方法等的正值。
另外，与包括上述优选配置的本公开的第一方面相关的半导体激光设备组件优选地在输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值或接近最小值时的群速度色散下操作。此外，“接近群速度色散”与接近上述最小群速度色散GVDmin的意思相同。
另外，与包括上述优选形式和配置的本公开的第一方面或第二方面相关的半导体激光设备组件包括波长选择器件(波长选择装置)，该波长选择器件(波长选择装置)可以被配置为提取输出到系统外部的激光的短波长分量。
这里，波长选择器件可由带通滤波器构成，或可由长通滤波器或棱镜构成，或者，可替换地，可以由衍射光栅和光圈构成，该光圈用于选择衍射光栅发出的第一级或以上的衍射光。该光圈可由具有多个部分的透射性液晶显示装置构成。所述带通滤波器可通过层压具有低介电常数的介电薄膜和具有高介电常数的介电薄膜构成。另外，如果改变脉冲形激光在带通滤波器上的入射角，可选择带通滤波器发出的激光的波长。
另外，在包括上述优选形式和配置的与本发明的第一方面或第二方面相关的半导体激光设备组件中，可采用这种配置：其中从锁模半导体激光装置发出的激光入射到色散补偿光学系统中，入射到色散补偿光学系统中的激光的一部分从色散补偿光学系统中发出并且返回到锁模半导体激光装置中，入射到色散补偿光学系统中的激光的剩余部分输出到系统外部。
在这种形式下，外部谐振器结构由色散补偿光学系统构成。具体地，色散补偿光学系统可由衍射光栅、聚光器件(具体地，透镜)以及反射镜(平面反射镜，具体地，例如介电多层薄膜反射镜)构成。衍射光栅可将从锁模半导体激光装置发出的脉冲形激光的第一级或以上的衍射光入射至色散补偿光学系统中，这样使得将第0级衍射光输出到系统外部。这里，可在锁模半导体激光装置与衍射光栅之间布置用于从锁模半导体激光装置中生成激光的平行光通量的准直设备(具体地，透镜)。包括在入射到(碰撞到)衍射光栅上的激光中的衍射光栅的格栅图形数量可以是例如1200/mm至3600/mm，优选地是2400/mm至3600/mm。外部谐振器的一端由反射镜构成。另外，从锁模半导体激光装置发出的脉冲形激光碰撞到衍射光栅上，第一级或以上的衍射光入射到聚光器件上，由反射镜反射，并经由聚光器件和衍射光栅返回到锁模半导体激光装置中。另外，第0级衍射光被输出到系统外部。如果在聚光器件与反射镜之间的距离固定的状态下改变衍射光栅与聚光器件之间的距离，可改变色散补偿光学系统中的群速度色散。
可替换地，在这种形式下，外部谐振器结构由色散补偿光学系统和部分反射镜(也称为局部透射镜、半透射镜或半反射镜)构成。另外，具体地，色散补偿光学系统可由一对衍射光栅构成。这种情况下，从锁模半导体激光装置发出的脉冲形激光碰撞到第一衍射光栅上，以发出第一级或以上的衍射光，第一级或以上的衍射光随后碰撞到第二衍射光栅上，再次发出并到达部分反射镜。另外，到达部分反射镜的一部分激光穿过部分反射镜并且被输出到系统外部。另一方面，碰撞到部分反射镜上的激光的剩余部分经由第二衍射光栅和第一衍射光栅返回到锁模半导体激光装置。如果改变第一衍射光栅与第二衍射光栅之间的距离，可改变色散补偿光学系统的群速度色散。可替换地，色散补偿光学系统可由一对棱镜构成。这种情况下，锁模半导体激光装置发出的脉冲形激光穿过第一棱镜，另外穿过第二棱镜随后到达部分反射镜。另外，到达部分反射镜的一部分激光穿过部分反射镜并且被输出到系统外部。另一方面，到达部分反射镜的激光的剩余部分经由第二棱镜和第一棱镜返回到锁模半导体激光装置。如果改变第一棱镜与第二棱镜之间的距离，可改变色散补偿光学系统中的群速度色散。可替换地，色散补偿光学系统可由干涉仪构成。具体地，干涉仪可包括例如Gires-Toumois型干涉仪。Gires-Toumois型干涉仪由反射率为1的反射镜和反射率低于1的部分反射镜构成，其是一种可在不改变反射光的强度谱的情况下改变相位的干涉仪，并且可通过控制反射镜与部分反射镜之间的距离，或者通过调整入射光的入射角而改变色散补偿光学系统的群速度色散。可替换地，色散补偿光学系统可由介电多层薄膜镜构成，在这种情况下,可通过调整入射光的入射角来改变色散补偿光学系统的群速度色散。
可以通过使用激光的功率(单位为瓦特，如为脉冲，则指峰值功率)除以锁模半导体激光装置的端面上的近场图案的截面积(相对于峰值强度的1/e2的区域)来获得锁模半导体激光装置发出的激光的光密度。另外，可通过测量载流子寿命并通过将载流子寿命与使用注入电流量除以增益部分的电极(例如，下文所述的第二电极的第一部分)的面积所获得的值相乘来获得载流子密度。另外，可利用测量通过具有现有色散量的介质或频率分辨光学开关(FROG)传输测量光脉冲之后显示的脉冲宽度变化的方法来获得群速度色散。另外，可利用SHG强度相关测量装置来测量时间约为1皮秒或以下的脉冲宽度。
在包括上述优选形式和配置的与第一方面或第二方面相关的半导体激光设备组件中(在下文中，一些情况下统一简称为“本公开的半导体激光设备组件等”)，锁模半导体激光装置可由发射区域和可饱和吸收区域在谐振器方向并列设置的双段式锁模半导体激光装置构成，并且该双段式锁模半导体激光装置可包括：
(a)层压结构，该层压结构通过按顺序层压由GaN基化合物半导体制成并且具有第一导电类型的第一化合物半导体层、形成发射区域和可饱和吸收区域并且由GaN基化合物半导体制成的第三化合物半导体层(有源层)和由GaN基化合物半导体制成并且具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二化合物半导体层构成；
(b)第二电极，具有条形形状并且形成于第二化合物半导体层上；以及
(c)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，
其中，通过分离槽将第二电极分成第一部分和第二部分，第一部分使DC电流经由发射区域流向第一电极以进入正向偏压状态，第二部分用于将电场施加至可饱和吸收区域。
另外，第二电极的第一部分与第二部分之间的电阻率为第二电极与第一电极之间的电阻率的1×10倍或以上，优选为1×102倍或以上，更优选为1×103倍或以上。另外，为了方便起见，将这种锁模半导体激光装置被称为“具有第一配置的锁模半导体激光装置”。可替换地，第二电极的第一部分与第二部分之间的电阻率为1×102欧姆或以上，优选为1×103欧姆或以上，更优选为1×104欧姆或以上。另外，为了方便起见，将这种锁模半导体激光装置称为“具有第二配置的锁模半导体激光装置”。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，DC电流经由发射区域从第二电极的第一部分流向第一电极，以进入正向偏压状态，并通过在第电极与第二电极的第二部分之间施加电压而在可饱和吸收区域上施加电场，从而执行锁模操作。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，第二电极的第一部分与第二部分之间的电阻率为第二电极与第一电极之间的电阻率的十倍或以上，或为1×102欧姆或以上，因此能可靠地抑制泄漏电流从第二电极的第一部分流向第二部分。换句话说，由于可增加施加在可饱和吸收区域(非载流子注入区域)上的反向偏压Vsa，可实现光脉冲小于脉冲时间宽度的锁模操作。另外，可简单地通过使用分离槽将第二电极分成第一部分和第二部分而达到第二电极的第一部分与第二部分之间的这种高电阻率。
另外，在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，第三化合物半导体层可具有包括阱层和阻挡层的量子阱结构，阱层的厚度可为1nm或以上和10nm或以下，并且优选为1nm或以上和8nm或以下，阻挡层的杂质掺杂浓度可为2×1018cm-3或以上和1×1020cm-3或以下，优选为1×1019cm-3或以上和1×1020cm-3或以下。这些数值并不具有限制性。另外，在某些情况下，为了方便起见，将这种锁模半导体激光装置称为“具有第三配置的锁模半导体激光装置”。另外，如果有源层中采用量子阱结构，可实现比采用量子点结构的情况更高的注入电流量并且从而易于获得高输出。
由此，将构成第三化合物半导体层的阱层的厚度调整为1nm或以上和10nm或以下，并且进一步地，将构成第三化合物半导体层的阻挡层的杂质掺杂浓度调整为2×1018cm-3或以上和1×1020cm-3或以下，即，阱层的厚度减小，进一步增加了第三化合物半导体层的载流子，从而可减少压电极化的影响，因此可获得可生成脉冲时间宽度较小，单峰中的次脉冲分量较少的光脉冲的激光光源。另外，可实现具有低反向偏压的锁模驱动，生成与外部信号(电信号和光信号)同步的光脉冲串。阻挡层中掺杂的杂质可为硅(Si)，但本公开并不限于此，也可为氧(O)等。
这里，锁模半导体激光装置可为具有脊条型分限异质结构(SCH结构)的半导体激光装置。可替换地，其可为具有倾斜脊条型分限异质结构的半导体激光装置。换句话说，锁模半导体激光装置的轴线和脊条结构的轴线可以预定角互相交叉。这里，预定角[theta]可以是例如0.1度＝或<[theta]＝或<10度。脊条结构的轴线为直线，该直线将脊条结构在发光端面(为了方便起见，在一些情况下被称为“第二端面”)上的两端的中间点与脊条结构在与发光端面(第二端面)相对的层压结构的端面(为了方便起见，称为“第一端面”)上的两端的中间点连接。另外，锁模半导体激光装置的轴线表示与第一端面和第二端面垂直的轴线。脊条结构的平面形状可为直线形状或弯曲形状。
可替换地，在锁模半导体激光装置中，当脊条结构在第二端面上的宽度为W2，并且脊条结构在第一端面上的宽度为W1时，其可以被配置为：W1＝W2或W2>W1。另外，W2可等于或大于5微米，W2的上限值可为(例如)4×102微米，但该数值并不具有限制性。另外，W1可为1.4微米至2.0微米。脊条结构的每个端部可由单个线段构成，或可由两个或两个以上的线段构成。在前者的情况下，例如，脊条结构的宽度可从第一端面到第二端面以锥形形状单调平滑地增加。另一方面，在第后者的情况下，例如，脊条结构的宽度可售前为相同宽度，随后从第一端面到第二端面以锥形形状单调平滑地增加，或脊条结构的宽度从第一端面到第二端面超过最大宽度之后先增加后减小。
在锁模半导体激光装置中，发出光束(光脉冲)的层压结构的第二端面的光反射率优选为0.5％或以下。具体地，可在第二端面上形成低反射率涂层。这里，低反射率涂层由至少两种层的层压结构构成，该至少两种层选自例如包括氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层的组。另外，光反射率的值比现有技术的半导体激光装置中的层压结构发出光束(光脉冲)的一个端面的光反射率(一般为5％至10％)小得多。进一步，第一端面的反射率较高，例如85％或以上，并且优选为95％或以上。
在外部谐振器中的外部谐振器的长度(X'，单位：mm)的值为0<X'<1500，并且优选为30＝或<X'＝或<500。
这里，外部谐振器由锁模半导体激光装置的第一端面和形成外部谐振器结构的反射镜或部分反射镜构成，并且外部谐振器的长度为锁模半导体激光装置的第一端面与形成外部谐振器结构的反射镜或部分反射镜之间的距离。
在锁模半导体激光装置中，层压结构具有脊条结构，脊条结构由第二化合物半导体层在厚度方向上的至少一部分构成；然而，脊条结构也可仅由第二化合物半导体层构成，由第二化合物半导体层和第三化合物半导体层(有源层)构成，或由第二化合物半导体层、第三化合物半导体层(有源层)以及第一化合物半导体层在厚度方向上的一部分构成。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，第二电极的宽度为0.5微米以上和50微米以下，并且优选为1微米以上和5微米以下，脊条结构的高度为0.1微米以上和10微米以下，并且优选为0.2微米以上，和1微米以下，将第二电极分成第一部分和第二部分的分离槽的宽度为1微米以上，锁模半导体激光装置中的谐振器长度(下文简称为“谐振器长度”)的50％以下，并且优选为10微米以上，谐振器长度的10％以下，但这些数值并不旨在限制。谐振器长度可为例如0.6mm，但本公开并不限于此。第二化合物半导体层比脊条结构的两个侧面更靠外的部分的顶面到第三化合物半导体层(有源层)的距离(D)优选为1.0x10-7m(0.1微米)。通过以这种方式调整距离(D)，可在第三化合物半导体层的两侧(Y方向)可靠地形成可饱和吸收区域。距离(D)的上限可基于阈值电流的增加、温度特性、长期驱动时电流增长率的退化等因素而确定。另外，在以下说明中，假定谐振器的纵向方向为X方向，层压结构的厚度方向为Z方向。
另外，在包括上述优选形式的具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，第二电极可由钯层/铂层的层压结构构成，其中，钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层和钯层与第二化合物半导体层接触，或可由钯层/镍层的层压结构构成，其中，钯层与第二化合物半导体层接触。另外，下金属层用钯制成，上金属层用镍制成时，上金属层的厚度为0.1微米或以上，优选为0.2微米或以上。可替换地，第二电极优选由钯(Pd)单层构成，这种情况下，其厚度为20nm或以上，并且优选为50nm或以上。可替换地，第二电极优选由具有下金属层和上金属层的层压结构构成，其中，钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层或下金属层与第二化合物半导体层接触(这里，下金属层由钯、镍和铂中的一种金属制成，上金属层由在下文所述的步骤(D)中在第二电极中形成分离槽时蚀刻速率与下金属层的蚀刻速率相同、或基本相同或高于下金属层的蚀刻速率的金属制成)。在下文所述的步骤(D)中在第二电极中形成分离槽时的蚀刻剂优选为王水、硝酸、硫酸、盐酸或至少以上两种的混合物(具体地，硝酸和硫酸的混合物或硫酸和盐酸的混合物)。
在包括上述优选配置和形式的具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，可饱和吸收区域的长度可小于发射区域的长度。可替换地，第二电极的长度(第一部分和第二部分的总长度)可小于第三化合物半导体层(有源层)的长度。第二电极的第一部分和第二部分的布置状态可包括，具体地：
(1)其中设置了第二电极的单一的第一部分和第二电极的单一的第二部分，并且在第二电极的第一部分与第二电极的第二部分之间布置具有插入其中的分离槽的状态；
(2)其中设置了第二电极的单一的第一部分和第二电极的两个第二部分，第一部分的一端与第二部分的一端相对，两者之间插入一个分离槽，第一部分的另一端与第二部分的另一端相对并且两者之间插入另一个分离槽的状态；以及
(3)其中设置了第二电极的两个第一部分和第二电极的单一的第二部分，第二部分的一端与第一部分的一端相对并且在两者之间插入一个分离槽，第二部分的另一端与第一部分的另一端相对并且在两者之间插入另一个分离槽(即，第二电极具有第一部分插在第二部分之间的结构)的状态。
另外，从广义上说，它们可包括：
(4)其中设置了第二电极的N个第一部分和第二电极的N-1个第二部分，并且第二电极的第二部分插在第二电极的第一部分之间的状态，
(5)其中设置了第二电极的N个第二部分和第二电极的N-1个第一部分，第二电极的第一部分插在第二电极的第二部分之间的状态。
另外，(4)和(5)中的状态，换句话说，
(4')其中设置了N个发射区域(载流子注入区域或增益区域)和N-1个可饱和吸收区域(非载流子注入区域)，可饱和吸收区域插入在发射区域之间；以及
(5')其中设置了N个可饱和吸收区域[非载流子注入区域]和N-1个发射区域[载流子注入区域或增益区域]，发射区域被插入在可饱和吸收区域之间。
另外，通过采用(3)、(5)和(5')的结构，锁模半导体激光装置的发光端面不容易被损坏。
锁模半导体激光装置可利用例如以下方法制造。即，可基于包括以下相应的步骤的制造方法来制造锁模半导体激光装置：
(A)形成层压结构，通过按顺序层压由GaN基化合物半导体制成且具有第一导电类型的第一化合物半导体层、形成发射区域和可饱和吸收区域且由GaN基化合物半导体制成的第三化合物半导体层和由GaN基化合物半导体制成且具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二化合物半导体层而构成；
(B)形成第二电极，该第二电极具有条形形状并且形成于第二化合物半导体层上；
(C)将第二电极作为蚀刻掩模对至少第二化合物半导体层的一部分进行蚀刻从而形成脊条结构；以及
(D)形成用于在第二电极中形成分离槽的抗蚀层，随后使用抗蚀层作为湿法蚀刻掩模而在第二电极中形成分离槽以通过分离槽将第二电极分成第一部分和第二部分。
另外，通过采用该制造方法，即，由于使用条状第二电极作为蚀刻掩模对第二化合物半导体层的一部分进行蚀刻，以形成脊条结构，即，使用有图案的第二电极作为蚀刻掩模以自对准方式来形成脊条结构，第二电极与脊条结构之间不会发生偏移。另外，采用湿法蚀刻在第二电极中形成分离槽。由此，通过采用不同于干法蚀刻的可抑制第二化合物半导体层的光学和电气特性的退化的湿法蚀刻。因此，能可靠地抑制发射特性的退化。
另外，在步骤中(C)，可在厚度方向上部分蚀刻第二化合物半导体层，可在厚度方向上完全蚀刻第二化合物半导体层，可在厚度方向上蚀刻第二化合物半导体层和第三化合物半导体层，或者可在厚度方向上蚀刻第二化合物半导体层、第三化合物半导体层和一部分第一化合物半导体层。
进一步地，在上述步骤(D)中，如果在第二电极中形成分离槽时第二电极的蚀刻速率为ER0，层压结构的蚀刻速率为ER1，则满足ER0/ER1＝或>1x10，优选地，满足ER0/ER1＝或>1x102。如果ER0/ER1满足这种关系，可在不蚀刻(或轻微蚀刻)层压结构的情况下对第二电极可靠地进行蚀刻。
在锁模半导体激光装置中，层压结构可具体地由AlGaInN基化合物半导体构成。这里，AlGaInN基化合物半导体可具体包括GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN。进一步地，可根据需要在化合物半导体中包括硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。另外，构成发射区域(增益区域)和可饱和吸收区域的第三化合物半导体层(有源层)优选具有量子阱结构。具体地，第三化合物半导体层可具有单量子阱结构[QW结构]，或可具有多量子阱结构[MQW结构]。具有量子阱结构的第三化合物半导体层(有源层)具有以下结构：阱层和阻挡层层压为至少一层，形成阱层的化合物半导体和形成阻挡层的化合物半导体的组合可包括例如(InyGa(1-y)N,GaN)、(InyGa(1-y)N,InzGa(1-z)N)[其中y>z]，以及(InyGa(1-y)N,AlGaN)。
另外，在锁模半导体激光装置中，第二化合物半导体层可具有p型GaN层和p型AlGaN层交替层压的超点阵结构，超点阵结构的厚度可为0.7微米以下。通过采用这种超点阵结构，保持了包覆层所需的折射率，因此其降低了锁模半导体激光装置的串联电阻分量，从而使锁模半导体激光装置的工作电压降低。另外，并不旨在限制的超点阵结构的厚度下限值可以是例如0.3微米，形成超点阵结构的p型GaN层的厚度可以是例如1nm至5nm，形成超点阵结构的p型AlGaN层的厚度可以是例如1nm至5nm，p型GaN层和p型AlGaN层的总层数可以是例如60至300。另外，从第三化合物半导体层到第二电极的距离为1微米以下，并且优选为0.6微米以下。由此，通过调整从第三化合物半导体层到第二电极的距离，具有高电阻的p型第二化合物半导体层的厚度可较小，因此可降低锁模半导体激光装置的工作电压。另外，从第三化合物半导体层到第二电极的距离的下限值可以是例如0.3微米，其并不旨在限制。另外，第二化合物半导体层中可掺杂1×1019cm-3或以上的Mg，第二化合物半导体层对第三化合物半导体层发出的波长为405nm的光的吸收系数可至少为50cm-1。Mg的这种原子浓度取决于最大空穴浓度的值为2×1019cm-3的材料的特性，是用于代表最大空穴浓度，即，将第二化合物半导体层的电阻率最小化的结果。因此，从尽量降低锁模半导体激光装置的电阻的角度来调整第二化合物半导体层的吸收系数，因此，第三化合物半导体层的光吸收细数基本为50cm-1。然而，为了增加吸收系数，可有意将Mg掺杂量设为2x1019cm-3以上的浓度。这种情况下，为了获得实际空穴浓度，Mg掺杂量的上限为例如8x1019cm-3。另外，第二化合物半导体层在第三化合物半导体层侧包括非掺杂化合物半导体层和p型化合物半导体层，且第三化合物半导体层到p型化合物半导体层的距离为1.2×10-7m或以下。通过由此调整第三化合物半导体层到p型化合物半导体层的距离，在不降低内量子效率的情况下抑制了内部损耗，由此可降低了开始发生激光振荡的阈值电流密度。另外，其并不旨在限制的第三化合物半导体层到p型化合物半导体层的距离的下限值可为例如5x10-8m。由SiO2/Si层压结构构成的分层绝缘薄膜形成于脊条结构的两侧，且脊条结构的有效折射率和分层绝缘薄膜的有效折射率之间的差可为5x10-3至1x10-2。通过使用分层绝缘薄膜，即使在100毫瓦以上进行高输出操作，也可保持单基横模。另外，第二化合物半导体层可具有例如非掺杂GaInN层(p侧光导层)、Mg掺杂AlGaN层(电子阻挡层)、GaN层(Mg掺杂)/AlGaN层的超点阵结构(超点阵包覆层)和Mg掺杂GaN层(p侧接触层)从第三化合物半导体层侧开始层压的结构。形成第三化合物半导体层中的阱层的化合物半导体的带隙优选2.4eV或以上。另外，第三化合物半导体层(有源层)发出的激光的波长为360nm至500nm，并且优选为400nm至410nm。这里，毫无疑问，可将上述各个配置适当地互相组合。
尽管在锁模半导体激光装置中，按顺序形成了构成锁模半导体激光装置的各种GaN基化合物半导体层，但在本文中，除蓝宝石基板之外，还可使用GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化铝基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板或在这些基板的表面(主表面)上形成贴地层或缓冲层的基板作为基板。在基板上主要形成GaN基化合物半导体层的情况下，由于缺陷密度低，并且优选使用GaN基板，但已知的是，根据生长面的不同，GaN基板在极化/非极化/半极化特性之间变化。另外，形成构成锁模半导体激光装置的各种化合物半导体层(例如，GaN基化合物半导体层)的方法可包括有机金属化学气相沉积法(MOCVD法、MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)、由卤素进行输送或反应的氢化物气相外延法等。
这里，可使用三甲基镓(TMG)气体和三乙基镓(TEG)气体作为MOCVD法中的有机镓源气体，可使用氨气和肼气作为氮化物源气体。另外，在形成具有n型导电类型的GaN基化合物半导体层时，例如可添加硅(Si)作为n型杂质(n型掺杂剂)，在形成具有p型导电类型的GaN基化合物半导体层时，(例如)可添加镁(Mg)作为p型杂质(p型掺杂剂)。进一步，在将铝(Al)或铟(In)作为GaN基化合物半导体层的构成原子的情况下，可使用三甲基铝(TMA)气体作为Al源，将三甲基铟(TMI)气体作为In源。进一步，可使用甲硅烷气体(SiH4气体)作为Si源，可使用环戊二烯基镁气体、甲基环戊二烯基镁气体或二环戊二烯基镁(Cp2Mg)气体作为Mg源。另外，除Si之外，还可使用Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd或Po作为n型杂质(n型掺杂剂)，除Mg之外，还可使用Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg或Sr作为p型杂质(p型掺杂剂)。
当第一导电类型为n型时，与具有n型导电类型的第一化合物半导体层电连接的第一电极优选具有选自包括金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、Al(铝)、Ti(钛)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)的组中的至少一种金属的单层配置或多层配置，并且可包括例如Ti/Au、Ti/Al和Ti/Pt/Au。尽管第一电极与第一化合物被点连接至半导体层，但也包括第一电极形成于第一化合物半导体层上的形式和第一电极通过导电材料层或导电基板与第一化合物半导体层连接的形式。第一电极或第二电极可通过例如PVD法，诸如真空沉积法或溅射法而形成。
第一电极或第二电极上可设置衰减电极(pad electode)，以与外部电极或电路的电连接。衰减电极优选具有包括选自Ti(钛)、铝(Al)、Pt(铂)、Au(金)和Ni(镍)的至少一种金属的单层配置或多层配置。可替换地，衰减电极可具有多层配置，例如，Ti/Pt/Au多层配置或Ti/Au多层配置。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光装置中，如上所述，优选采用优选在第一电极与第二部分之间施加反向偏压的配置(即，第一电极为正极性、第二部分为负极性的配置)。另外，可对第二电极的第二部分施加与施加给第二电极的第一部分的脉冲电流或脉冲电压同步的脉冲电流或脉冲电压，或可对其施加DC偏压。进一步地，可采用电流经由发射区域从第二电极流向第一电极，外部电信号经由发射区域从第二电极叠加到第一电极上的形式。由此，激光脉冲和外部电信号可互相同步。可替换地，可存在其中光信号从层压结构的一个端面入射的形式。从而，激光脉冲和光信号也可互相同步。另外，在第二化合物半导体层中，非掺杂化合物半导体层(例如，非掺杂GaInN层或非掺杂AlGaN层)可形成于第三化合物半导体层与电子阻挡层之间。进一步，作为光导层的非掺杂GaInN层可形成于第三化合物半导体层与非掺杂化合物半导体层之间。可采用Mg掺杂GaN层(p侧接触层)占据第二化合物半导体层的最上层的结构。
锁模半导体激光装置并不限于双段式(双电极型)半导体激光设备，并且可采用多段式(多电极型)半导体激光装置、或发射区域和可饱和吸收区域在垂直方向布置的SAL(可饱和吸收体层)型或沿脊条结构设置可饱和吸收区域的WI(弱折射率波导)型半导体激光装置。
本公开的半导体激光设备组件可应用于例如光盘系统、通信领域、光学信息领域、光电子集成电路、在实践中利用非线性光学现象的领域、光学开关、激光测量领域、各种分析领域、超高速光谱领域、多光子激发光谱领域、质量分析领域、利用多光子吸收的显微光谱领域、化学反应中的量子控制、三维纳米处理领域、实践中利用多光子吸收的各种处理领域、医学领域和生物成像领域等领域。
实施例1
实施例1涉及与本公开的第一方面和第二方面相关的半导体激光设备组件。图1为根据实施例1的半导体激光设备组件的概念图；图2为锁模半导体激光装置10的谐振器延伸的方向上的示意性截面图；图3为与锁模半导体激光装置的谐振器延伸的方向垂直的方向上的示意性截面图。
当对与本公开的第一方面有关的半导体激光设备组件进行说明时，根据实施例1的半导体激光设备组件包括被动锁模半导体激光装置10，其光密度为1x1010瓦特/cm2或以上，且为电流注入式，其载流子密度为1x1019/cm3或以上，还包括色散补偿光学系统110，锁模半导体激光装置10发出的激光入射到色散补偿光学系统110中并从中发出。
另外，对与本公开的第二方面相关的半导体激光设备组件进行说明时，该半导体激光设备组件包括电流注入式被动锁模半导体激光装置10；以及色散补偿光学系统110，锁模半导体激光装置10发出的激光入射到色散补偿光学系统110中并从中发出；其中，色散补偿光学系统110的群速度色散从第一预定值GVD1到第二预定值GVD2(其中，|GVD1|<|GVD2|)单调变化时，从锁模半导体激光装置10输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度减小并且接着增加超过最小值PWmin。
这里，在实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中，锁模半导体激光装置10可具有层压结构，所述层压结构通过按顺序层压由GaN基化合物半导体制成且具有第一导电类型的第一化合物半导体层30、由GaN基化合物半导体制成的第三化合物半导体层(有源层)40和由GaN基化合物半导体制成且具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二化合物半导体层50而构成。
另外，色散补偿光学系统110的群速度色散为负值。换句话说，0>GVD1>GVD2，因此，色散补偿光学系统110的群速度色散从第一预定值GVD1单调降低到第二预定值GVD2。
在实施例1中，锁模半导体激光装置10发出的激光入射到色散补偿光学系统110中，入射到色散补偿光学系统110中的激光的一部分从色散补偿光学系统110中发出，返回到锁模半导体激光装置10，入射到色散补偿光学系统110中的激光的剩余部分输出到系统外部。外部谐振器结构包括色散补偿光学系统110。另外，具体地，色散补偿光学系统110可由全息衍射光栅111、聚光器件(具体地，透镜)112以及反射镜(平面反射镜，具体地，例如，介电多层薄膜反射镜)113构成。进一步地，外部谐振器由反射镜113和锁模半导体激光装置10的第一端面构成。衍射光栅111可将锁模半导体激光装置10发出的脉冲形激光的一级或以上的衍射光集中到聚光器件112上，从而将第0级衍射光(反射光)输出到系统外部。锁模半导体激光装置10与衍射光栅111之间布置被用于从锁模半导体激光装置10中生成激光的平行光通量，焦距为4.0mm的非球面凸透镜，作为准直透镜11。在实施例1中，入射到(碰撞到)衍射光栅上的激光中包括的衍射光栅的格栅图形数量为2400/mm。另外，锁模半导体激光装置10发出的脉冲形激光碰撞到衍射光栅111上，第一级或以上的衍射光入射到聚光器件(透镜)112上，由反射镜113反射，并经由聚光器件112和衍射光栅111返回到锁模半导体激光装置10中。另外，第0级衍射光(反射光)输出到系统外部。
在聚光器件112与反射镜113之间的距离固定的状态下，如果通过已知的移动方法改变衍射光栅111与聚光器件112之间的距离，可改变色散补偿光学系统110中的群速度色散(色散补偿量)。具体地，聚光器件112和反射镜113在聚光器件112的光轴(在第一级衍射光的光路上)上整体移动，由此，入射到色散补偿光学系统110上的激光和从中发出的激光在色散中互相造成振动。在实施例1中，聚光器件112与反射镜113之间的距离为100mm，具有正光焦度的聚光器件(透镜)112的焦距为100mm。换句话说，聚光器件112与反射镜113之间的距离与具有正光焦度的聚光器件(透镜)112的焦距相对应，聚光器件112在反射镜113上形成激光的图像。入射到聚光器件112上的光和从中发出的光的关系为具有1.0的放大率的望远镜中的入射光和发射光之间的关系。
例如，在其中衍射光栅111与聚光器件112之间的距离与聚光器件112的焦距相等的情况下，从衍射光栅111向聚光器件112传播的激光与反射镜113反射的，并经由聚光器件112入射到衍射光栅111中的激光的色散角没有变化。因此，这种情况下，色散补偿光学系统的色散补偿量为零。另一方面，在其中衍射光栅111与聚光器件112之间的距离大于聚光器件112的焦距的情况下，通过衍射光栅111衍射的激光的长波长分量的光路长于短波长分量的光路，并且这种情况下形成负群速度色散。即，群速度色散为负值。在以下说明中，衍射光栅111与聚光器件112之间的距离称为“距离L”。距离L＝0mm意味着衍射光栅111与聚光器件112之间的距离与聚光器件112的焦距相等，距离L(L>0)的值意味着在衍射光栅111与聚光器件112之间的距离比聚光器件112的焦距大L mm。色散补偿量与下文所述的距离L成比例。距离L为正值时，色散补偿光学系统110的色散为负群速度色散。
如图21中所示，假定波长[lambda]的光以角度[alpha]入射到反射式衍射光栅中，并以角度[beta]衍射。这里，角度[alpha]和[beta]为与衍射光栅的法线的角度，逆时针旋转的值为正值。因此，光栅方程如下。这里，dG为衍射光栅的槽沟间隔，m为衍射级(其中，m＝0、正负1、正负2……)。
dG×{sin([alpha])+sin([beta])}＝m×[lambda](A)
当入射光与第m级衍射光与槽沟的倾斜表面呈现镜面反射广关系时，大多数能量集中在第m级衍射光上。此时的槽沟倾角称为闪耀角，用[theta]B表示，如下所示。
[theta]B＝([alpha]+[beta])/2
另外，此时的波长称为闪耀波长，用[lambda]B表示，如下所示。
[lambda]B＝{2dG/m}sin([theta]B)×cos([alpha]-[theta]B)
在根据实施例1的半导体激光设备组件中，进一步提供了波长选择器件200。另外，波长选择器件200提取输出到系统外部的激光的短波长分量。具体地，波长选择器件20由带通滤波器构成。由此，去除了不相干光脉冲分量并且可获得相干光脉冲。该带通滤波器可通过例如层压具有低介电常数的介电薄膜和具有高介电常数的介电薄膜而构成。另外，参考数字201表示平面镜。
在实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中，锁模半导体激光装置10包括可饱和吸收区域。具体地，锁模半导体激光装置10由双段式锁模半导体激光装置10构成，其中，发射区域和可饱和吸收区域在谐振器方向并列设置。具体地，发射波长约为405nm的双段式锁模半导体激光装置10包括如图2和图3中所示的，
(a)层压结构，该层压结构通过按顺序层压具有第一导电类型(在各个实施例中，具体地，n型导电类型)且由GaN基化合物半导体制成第一化合物半导体层30、由GaN基化合物半导体制成且构成发射区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42的第三化合物半导体层(有源层)40和具有不同于第一导电类型的第二导电类型(在相应的实施例中，具体地，p型导电类型)且由GaN基化合物半导体制成的第二化合物半导体层50而构成，
(b)第二电极62，形成于第二化合物半导体层50上且具有条形形状，一级
(c)第一电极61，电连接至第一化合物半导体层30。
实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中的锁模半导体激光装置10具体地是具有脊条型分限异质结构(SCH结构)的半导体激光设备。更具体地，锁模半导体激光装置10为由折射率波导型AlGaInN制成的GaN基半导体激光装置且具有脊条结构。另外，第一化合物半导体层30、第三化合物半导体层40和第二化合物半导体层50具体地由AlGaInN基化合物半导体构成，更具体地，具有下表1所示的层配置。这里，在表1中，下侧显露的化合物半导体层为靠近n型GaN基板21的层。形成第三化合物半导体层40中的阱层的化合物半导体的带隙为3.06eV。实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中的锁模半导体激光装置10被设置在n型GaN基板21的(0001)平面上，第三化合物半导体层40具有量子阱结构。n型GaN基板21的(0001)平面还称为“C平面”，为极性晶面。
(表1)
第二化合物半导体层50
p型GaN接触层(Mg掺杂)54
p型GaN(Mg掺杂)/AlGaN超点阵包覆层53
p型GaN电子阻挡层(Mg掺杂)52
非掺杂GaInN光导层51
第三化合物半导体层40
GaInN量子阱有源层
(阱层：Ga0.92In0.08N/阻挡层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层30
n型GaN包覆层32
n型AlGaN包覆层31
其中，
阱层(两层)8nm非掺杂
阻挡层(三层)14nm Si掺杂
另外，利用RIE法去除p型GaN接触层54和p型GaN/AlGaN超点阵包覆层53的一部分以形成脊条结构55。在脊条结构55的两侧形成由SiO2/Si制成的层压绝缘薄膜56。另外，SiO2层为下层，Si层为上层。这里，脊条结构55的有效折射率与层压绝缘薄膜56的有效折射率之间的差为5x10-3至1x10-2，具体地，7x10-3。另外，在与脊条结构55的顶面对应的p型GaN接触层54上形成第二电极(p侧欧姆电极)62。另一方面，在n型GaN基板21的背面上形成由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n侧欧姆电极)61。
在实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中的锁模半导体激光装置10中，在没有降低内量子效率的情况下抑制了内部损耗，因此，属于Mg掺杂化合物半导体层的p型AlGaN电子阻挡层52、p型GaN/AlGaN超点阵包覆层53和p型GaN接触层54不与第三化合物半导体层40及其周围生成的光密度分布重叠。从而降低了开始出现激光振荡的阈值电流密度。具体地，从第三化合物半导体层40到p型AlGaN电子阻挡层52的距离d为0.10微米，脊条结构55的高度为0.30微米，位于第二电极62与第三化合物半导体层40之间的第二化合物半导体层50的厚度为0.50微米，p型GaN/AlGaN超点阵层53位于第二电极62下方的部分的厚度为0.40微米。进一步地，脊条结构55朝向第二端面弯曲以减少端面反射，但并不限于这种形状。
另外，在实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中的锁模半导体激光装置10中，第二电极62被分离槽62C分成第一部分62A和第二部分62B，第一部分62A使DC电流经由发射区域(增益区域)41流向第一电极61以进入正向偏压状态，第二部分62B(用于向可饱和吸收区域42施加反向偏压Vsa的第二部分62B)用于向可饱和吸收区域42施加电场。这里，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻率(某些情况下称为“分离电阻率”)为第二电极62与第一电极61之间的电阻率的1×10倍或以上，具体地，1.5×103倍。另外，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻率(分离电阻率)为1x102欧姆或以上，特别为1.5x104欧姆。锁模半导体激光装置10的谐振器长度为600微米，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B以及分离槽62C的长度分别为560微米、30微米和10微米。另外，脊条结构55的宽度为1.4微米。
在实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中的锁模半导体激光装置10中，在与准直器件11相对的发光端面(第二端面)上形成非反射涂层(AR)。另一方面，在锁模半导体激光装置10中，在与发光端面(第二端面)相对的端面(第一端面)上形成高反射率涂层(HR)。在锁模半导体激光装置10中，可饱和吸收区域42被设置在第一端面侧。这里，所述非反射涂层(低反射率涂层)可包括至少有两种层的层压结构，所述至少两种层选自包括例如氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层的组。
实施例1或下文所述的实施例2至实施例4中的锁模半导体激光装置10的脉冲重复频率为1GHz。另外，光脉冲串的重复频率f由外部谐振器的长度X'(第一端面与反射镜113之间的距离)确定，通过以下方程来表示，这里，c为光速、n为谐振器的有效折射率，
f＝c/(2n×X')。
但是，为了获得激光振荡所需的光增益，需要通过将高密度载流子注入(激发到)有源层40中而形成反转粒子数。这里，当半导体激光装置由具有较大电子和空穴有效质量的GaN基化合物半导体制成时，如果光增益为正值，有源层40的载流子密度需要超过1019/cm3。(例如，参见由Kiyoshi Takahashi指导的，Akihiko Yoshikawa和Fumio Hasegawa编写的“Wide Bandgap Semiconductor Photonic and Electronic Devices”，Morikita出版株式会社，第124至126页)。该反转粒子数载流子密度比(例如)上述NPL1中公开的由GaAs基化合物半导体制成的半导体激光装置高约一位数，并且需要注入密度非常高的载流子以使由GaAs基化合物半导体制成的半导体激光设备产生振荡。在实施例1中的锁模半导体激光装置中，载流子密度估计约为1.7x1019/cm3。
在下文中，将对所生成的亚皮秒光脉冲的状态进行说明。
Yariv的“Introduction to Optical Electronics3rd Ed”，MARUZEN株式会社，第183至196页，或Vasil'ev的“Ultrafast diode lasers”，Artech House出版社，第39至43页，对光脉冲的强度相干测量、相干函数的种类、脉冲时间宽度和获得方法进行了详细说明。
根据实施例1的半导体激光设备组件中获得的光脉冲的相干波形如图4A中所示。另外，图4A的横轴表示时间(单位：皮秒)并且纵轴表示光强度(单位：任意)。这里，作为半导体激光设备组件的驱动条件，经由发射区域(增益区域)41从第二电极62流向第一电极61的DC电流(增益电流I)为130毫安，施加在可饱和吸收区域42上的反向偏压Vsa为-7V，L＝7.28mm。另外，色散补偿光学系统110的群速度色散为-0.0390ps2[(皮秒)2]。
获得的光脉冲的半高全宽(FWHM)的值为0.45皮秒，具有与高斯型或sech2型光脉冲的相干波形不同的特征波形。这里的光谱如图4B中所示。另外，图4B的横轴表示波长(单位：nm)以及纵轴表示光功率(单位：毫瓦)。图5A显示了以这种方式获得的光脉冲通过带通滤波器(传输频带(Delta[lambda])＝1.3nm)构成的波长选择器件200传输，切断光脉冲的短波长侧时的相干波形。另外，图5A的横轴表示时间(单位：皮秒)以及纵轴表示光强度(单位：任意)。通过波长选择器件200的传输去除了相干波形的波尾(边界)，因此，可获得零时左右的sech2型相干波形(为了方便起见，称为“中心部分的相干波形”)，从而获得中心部分的相干波形两侧的多个侧向脉冲。sech2型函数的自相关函数采用0.65的卷积因数时，中心部分的相干波形的半高全宽为290飞秒，生成的光脉冲的半高全宽估计为190飞秒。这里的光谱如图5B中所示，谱宽为1.06nm。时间与带宽的乘积计算为0.34，接近sech2型函数的傅立叶乘积的极限0.315。另外，图5B的横轴表示波长(单位：nm)以及纵轴表示光功率(单位：毫瓦)。进一步，通过波长选择设备200传输之前，半导体激光设备组件的输出功率为11.46毫瓦，通过波长选择设备200传输之后为3.0毫瓦。激光的重复频率为1.03GHz，根据获得的脉冲时间宽度计算的峰值功率为10瓦。另外，假定66％的脉冲能量集中在相干波形图中显示的多个脉冲的高度上的中心脉冲上。
这种特征脉冲波形随着色散补偿量(群速度色散)的不同而不同。图6显示了不同的色散补偿量下的光脉冲的相干波形。另外，图6的横轴表示时间(单位：皮秒)以及纵轴表示光强度(单位：任意)。所有相干波形为通过波长选择器件200传输之后的脉冲波形。另外，增益电流I为120毫安，反向偏压Vsa为-7V。在图6中，每个光脉冲上的群速度色散如下。从图6中可以看出，群速度色散下降(群速度色散的绝对值增加)，同时，零时下除主脉冲之外的次脉冲的数量减少。进一步地，群速度色散下降(群速度色散的绝对值增加)，并且同时，主脉冲的脉冲时间宽度增加。另外，获得光脉冲“A”时的群速度色散为最小群速度色散GVDmin，获得光脉冲“E”时的群速度色散为群速度色散的上限值GVDs，“群速度色散的接近值”由(GVDS加或减|GVDmin-GVDs|)所限定。
光脉冲“A”：-0.0390ps2
光脉冲“B”：-0.0406ps2
光脉冲“C”：-0.0443ps2
光脉冲“D”：-0.0497ps2
光脉冲“E”：-0.0630ps2
根据上述结果，如果获得最短脉冲时间宽度，需要将负群速度色散(群速度色散)下降到某个范围内。但是，在某些情况下，生成次脉冲并且因此根据半导体激光装置组件的用途，脉冲时间宽度并不一定优选最短。例如，在生成的超短脉冲被半导体光放大器放大的情况下，放大的脉冲能量可能会分布到次脉冲上。
因此，通过设定适当的色散补偿量(群速度色散)，更具体地，通过适当地设定距离L，仅可生成主脉冲，并且脉冲时间宽度可尽可能地短(窄)。这种情况下的光脉冲的相干波形如图7A所示。另外，图7A的横轴表示时间(单位：皮秒)以及纵轴表示光强度(单位：任意)。这里，增益电流I为120毫安，反向偏压Vsa为-7V。群速度色散为-0.0630ps2，获得的光脉冲的半高全宽为0.57皮秒，sech2波形的脉冲时间宽度为0.37皮秒。另外，图7B显示了相应的光谱。可以看出，谱宽为1.56nm，获得的时间与带宽的乘积为1.06，发射脉冲表现为线性调频脉冲。通过波长选择器件200传输之后的平均功率为3.0毫瓦，获得的发射光脉冲的峰值功率约为8瓦。
当生成这种光脉冲时第二端面上的光密度可按以下方式获得。第二端面上的光密度被定义为将光功率除以第二端面上的激光的近场图形的截面面积而获得的值。另外，要求将第二端面上的光功率除以从谐振器上输出时的效率，并且在本配置下约为5％。近场图形的截面面积表示近场图形上的光密度为峰值功率的1/e2倍时的截面面积。根据实施例1的锁模半导体激光装置中的近场图形的截面面积为1.08微米2，并且使用这个值时，计算的光密度约为15千兆瓦/cm2。
在下文中，将对生成亚皮秒光脉冲的驱动条件进行描述。
用于生成亚皮秒光脉冲的驱动条件取决于增益电流I，反向偏压Vsa和色散补偿量(群速度色散)[换句话说，距离L]。图8A示出了在最低增益电流I(100毫安)并且能获得激光振荡的方向偏压Vsa(-5.5伏)，并且距离L＝14.1mm的驱动条件下的光脉冲的相干波形，图8B示出了光谱。另外，在图8A和图8B中，“A”表示通过波长选择器件200传输之前的状态，“B”表示通过波长选择器件200传输之后的状态，光功率分别为7.04毫瓦和1.5毫瓦。通过波长选择器件200传输之后的光脉冲的脉冲时间宽度为0.42皮秒。另外，这里的群速度色散为-0.0753ps2。进一步，驱动条件取决于外部谐振器的反馈量以及增益电流I，反向偏压Vsa和色散补偿量(群速度色散)，因此，能获得激光振荡的驱动条件的下限值并且不限于上述值。
9A示出了在反向偏压Vsa＝-7伏、增益电流I＝130毫安的条件下距离L与光脉冲的半高全宽之间的关系结果，图9B示出了群速度色散与光脉冲的半高全宽之间的关系结果。另外，图9A和图9B为基于相同数据所创建的图表。进一步地，“A”指示传输通过波长选择器件200之前的状态并且“B”指示传输通过波长选择器件200之后的状态。另外，图9A和图9B中所示的距离L与半高全宽之间的关系如下。
群速度色散(ps2)＝-5.352×10-3×L(mm)
另外，通常给出群速度色散＝-([lambda]3/([pai]×c2×dG 2×cos2[theta]r))×2×L。
这里，
[lambda]：波长
c：光速
dG：衍射光栅的槽沟间隔
[theta]r：衍射光与衍射光栅的法线的角度
从图9A可以看出，脉冲半高全宽从特定距离L快速下下降并且接着到达最低值。可以看出，与脉冲半高全宽相对应的色散补偿量(也称为“最小色散补偿量”，在图9A中所示的示例中，距离L＝11.8mm)的接近值的对应色散补偿量轻微变化时，出现上述侧向脉冲。另外，在大于最小色散补偿量的色散补偿量中，脉冲半高全宽相对于色散补偿量的变化小于脉冲半高全宽在小于最小色散补偿量的色散补偿量的范围中的变化。此外，在大于最小色散补偿量的色散补偿量的范围中，可通过改变色散补偿量调整生成的脉冲的线性调频脉冲。具有脉冲半高全宽最低值的光脉冲传输通过波长选择器件200，并且仅提取短波长分量，从而获得代表无边界的纯光脉冲的相干波形。另外，可从群速度色散具有最小脉冲时间宽度的负侧群速度色散中获取代表无边界的纯光脉冲的相干波形。
可替换地，从图9B中，在传输通过波长选择器件200之前的状态下，如果当输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin时的色散补偿光学系统的最小群速度色散为GVDmin，色散补偿光学系统110的群速度色散为负第一预定值GVD1时，激光的脉冲时间宽度为PW1，并且当色散补偿光学系统110的群速度色散为负第二预定值GVD2时，激光的脉冲时间宽度为PW2，例如满足以下条件。
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|＝或者>2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|
其中，|GVD1/GVDmin|＝0.53并且|GVD2/GVDmin|＝2.1
具体地，
PW1＝5.3皮秒
PW2＝2.9皮秒
PWmin＝0.4皮秒
GVD1＝-0.0255ps2
GVD2＝-0.101ps2
GVDmin＝-0.048ps2
虽然可以从其中具有最小脉冲时间宽度的负侧群速度色散的群速度色散获取代表无边界的纯光脉冲的相干波形，但可利用锁模半导体激光装置输出的光脉冲的RF频谱检验这种群速度色散的范围。具体地，如果由带宽等于或大于重复频率的高速光电二极管接收光脉冲，可获得光脉冲的重复周期的频谱。重复周期基于外部谐振器的长度X'而确定，由于锁模半导体激光装置中有各种色散介质，通常会存在取决于用于单圈时间的波长的偏差。重复频率的偏差反映在RF频谱以及重复频率上。图10A示出了群速度色散为-0.0257ps2时的RF频谱，图10B示出了当群速度色散为-0.064ps2时的RF频谱。产生图10A中的频谱的群速度色散小于图9B中的脉冲时间宽度为最低值(群速度色散的绝对值较大)的位置上的群速度色散。从在图10B中可以看出，由于RF频谱中的群速度色散的原因，表示单圈时间相对于重复频率主峰值的波动的噪声分量被抑制了60dB或以上。换句话说，输出到系统外部的激光相对于主振荡频率的噪声分量等于或小于-60dB。另外，还可看出，优选在最小群速度色散GVDmin下运行，此时输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin，或接近最小值。另外，显示最小值的脉冲时间宽度取决于增益电流I，如果反向偏压Vsa恒定，增益电流I越大，脉冲时间宽度越小，生成的光脉冲仅为主脉冲。在指示最小脉冲时间宽度的情况下相对于增益电流I(单位：毫安)的脉冲时间宽度(单位：皮秒)如下表2中所示。另外，在表2中，“脉冲时间宽度A”为传输通过波长选择器件200传输之前的值(单位：皮秒)，“脉冲时间宽度B”为通过波长选择器件200传输之后的值。另外，反向偏压Vsa为恒定值(-7伏)。进一步地，由于激光脉冲的重复频率在增益电流值为120毫安的边界上变成两倍，改变了振荡特性，脉冲时间宽度B在电流值的边界上断续变化。
(表2)
由此，脉冲时间宽度会根据增益电流I的增加而趋于降低，而变成最低值。图11示出了脉冲时间宽度与增益电流I的相关性。
这里，如上所述，优选在第二化合物半导体层50上形成分离电阻率为1x102欧姆或以上的第二电极62。在使用GaN基半导体激光设备的情况下，由于具有p型导电类型的化合物半导体的迁移率小于相关技术中的GaAs基半导体激光装置，通过分离槽62C分离在其上形成第二电极62，由此，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻率可为第二电极62与第一电极61之间的电阻率的十倍，或第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻率可为1x102欧姆或以上，离子注入不会使具有p型导电类型的第二化合物半导体层50的电阻变高。
这里，第二电极62所需的特性如下文所述。即，
(1)当蚀刻第二化合物半导体层50时第二电极具有作为蚀刻掩模的作用；
(2)可在不造成第二化合物半导体层50的光学或电气特性退化的情况下对第二电极62进行湿法蚀刻；
(3)第二化合物半导体层50上形成薄膜时，第二电极的接触电阻率为10-2欧姆×cm2或以下；
(4)在层压结构的情况下，构成下金属层的材料具有较大的功函数，表现出了相对于第二化合物半导体层50的低电阻率，并且可进行湿法蚀刻；以及
(5)在层压结构的情况下，形成上金属层的材料在当形成脊条结构时能抗蚀刻(例如，RIE法中使用的Cl2气体)并可进行湿法蚀刻。
在实施例1或随后所述的实施例2至实施例4中，第二电极62由具有厚度为0.1微米的Pd单层构成。
另外，具有其中p型GaN层和p型AlGaN层交替层压的超点阵结构的p型GaN/AlGaN超点阵包覆层53的厚度为0.7微米或以下，并且具体地，0.4微米，形成超点阵结构的p型GaN层的厚度为2.5nm，并且形成超点阵结构的p型AlGaN层的厚度为2.5nm，p型GaN层和p型AlGaN层的总层数为160。另外，从第三化合物半导体层40到第二电极62的距离为1微米或以下，并且具体地为0.5微米。此外，形成第二化合物半导体层50的p型AlGaN电子阻挡层52、p型GaN/AlGaN超点阵包覆层53和p型GaN接触层54掺杂有1×1019cm-3或以上(具体地，2×1019cm-3)的Mg，第二化合物半导体层50对波长为405nm的光的吸收系数至少为50cm-1，并且具体地是65cm-1。进一步，第二化合物半导体层50包括从第三化合物半导体层40设置的非掺杂化合物半导体层(非掺杂GaInN光导层51和p型化合物半导体层)，第三化合物半导体层40到p型化合物半导体层(并且具体地是p型AlGaN电子阻挡层52)的距离(d)为1.2×10-7m或以下，并且具体地是100nm。
下文将参考图18A、图18B、图19A、图19B和图20对实施例1或下文所述的实施例2和实施例3中的锁模半导体激光装置的制造方法进行描述。另外，图18A、图18B、图19A和图19B为在YZ平面切割基板等时的示意性局部截面图，图20为在XZ平面切割基板等时的示意性局部截面图。
(步骤-100)
首先，在基座上，具体地，基于已知的MOCVD方法在n型GaN基板21的(0001)平面上形成层压结构，层压结构的形成是通过按顺序层压具有第一导电类型(n型导电类型)且由GaN基化合物半导体制成的第一化合物半导体层30、由GaN基化合物半导体制成且构成发射区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42的第三化合物半导体层(有源层)40和具有不同于第一导电类型的第二导电类型(p型导电类型)且由GaN基化合物半导体制成的第二化合物半导体层50而形成(参照图18A)。
(步骤-110)
随后，在第二化合物半导体层50上形成条状第二电极62。具体地，通过真空沉积法整体形成Pd层63(参照图18B)之后，通过光刻技术在Pd层63上形成条状抗蚀层。另外，利用王水去除抗蚀层没有被用于蚀刻的抗蚀层覆盖的Pd层63，随后去除用于蚀刻的抗蚀层。这样，可获得图19A中所示的结构。进一步地，条状第二电极62可基于剥离法形成于第二化合物半导体层50上。
(步骤-120)
接下来，使用第二电极62作为蚀刻掩模来对第二化合物半导体层50的至少一部分进行蚀刻(具体地，对第二化合物半导体层50的一部分进行蚀刻)以形成脊条结构。具体地，通过基于使用Cl2气体的RIE法，利用第二电极62作为蚀刻掩模对第二化合物半导体层50的一部分进行蚀刻。这样，可获得图19B中所示的结构。由此，由于使用有条状图案的第二电极62作为蚀刻掩模以自对准方式形成脊条结构，第二电极62与脊条结构之间不会发生偏移。
(步骤-130)
随后，形成用于在第二电极62中形成分离槽的抗蚀层64(见图20)。另外，参考数字65是设置在抗蚀层64上的开口部分，以形成分离槽。接下来，通过利用抗蚀层64作为湿法蚀刻掩模，使用湿法蚀刻在第二电极62内形成分离槽62C使得第二电极62被分离槽62C分成第一部分62A和第二部分62B。具体地，使用王水作为蚀刻剂，将整体浸在王水中约10秒，由此，在第二电极62内形成分离槽62C。随后，去除抗蚀层64。这样，可获得图2和图3所示的结构。由此，通过采用与干法蚀刻不同的湿法蚀刻，第二化合物半导体层50的光学和电气特性不会发生退化。因此，锁模半导体激光装置的发射特性不会发生退化。另外，采用干法蚀刻时，第二化合物半导体层50的内部损耗[alpha]可能会增加，因此，需增加阈值电压或降低光输出。这里，第二电极62的蚀刻速率为ER0时，层压结构的蚀刻速率为ER1，ER0/ER1＝或者>1×102。
如上所述，在第二电极62与第二化合物半导体层50之间存在较高的蚀刻选择比，并且因此可在没有蚀刻层压结构(或者轻微蚀刻)的情况下对第二电极62进行可靠的蚀刻。进一步地，优选满足ER0/ER1＝或>1x10，优选地，ER0/ER1＝或>1x102。
第二电极可具有层压结构，层压结构包括由厚度为20nm的钯(Pd)制成的下金属层和由厚度为200nm的镍(Ni)制成的上金属层。这里，使用王水进行湿法蚀刻时，镍的蚀刻速率约为钯的蚀刻速率的1.25倍。
(步骤-140)
随后，进行n侧电极的成型、基板的分裂等，并进一步地进行封装，从而制造锁模半导体激光装置10。
通过使用四端法测量制造的半导体激光装置10的第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻率，在第二电极的宽度为20微米时，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻率为15千欧姆。另外，在所制造的半导体激光装置10中，DC电流经由发射区域41从第二电极62的第一部分62A流向第一电极61以进入正向偏压状态，在第一电极61与第二电极62的第二部分62B之间施加反向偏压Vsa，以对可饱和吸收区域42施加电场，从而进行自脉动(self-pulsation)操作。即，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻率为第二电极62与第一电极61之间的电阻率的10倍或以上，或1x102欧姆或以上。因此，能可靠地抑制泄漏电流从第二电极62的第一部分62A流向其第二部分62B，由此，发射区域41进入正向偏压状态，可饱和吸收区域42能可靠地进入反向偏压状态，从而可靠地产生单模自脉动操作。
实施例2
实施例2为实施例1的变形例。同样在实施例2中，锁模半导体激光装置10发出的激光入射到色散补偿光学系统120中，入射到色散补偿光学系统120中的激光的一部分从色散补偿光学系统120中发出，返回到锁模半导体激光装置10，入射到色散补偿光学系统120中的激光的剩余部分输出到系统外部。
在实施例2中，外部谐振器结构由色散补偿光学系统120和部分反射镜123构成。另外，具体地，色散补偿光学系统120包括图12A的概念图所示的一对衍射光栅121和122。锁模半导体激光装置10发出的脉冲形激光碰撞到第一衍射光栅121上，以发出第一级或以上的衍射光，并碰撞到第二衍射光栅122上，以发出第一级或以上的衍射光，并且随后到达构成外部谐振器的一端的部分反射镜123。另外，第一衍射光栅121和第二衍射光栅122互相并行布置。另外，到达部分反射镜123的一部分激光经过部分反射镜123并且被输出到系统外部。另一方面，到达部分反射镜123的激光的剩余部分经由第二衍射光栅122和第一衍射光栅121返回到锁模半导体激光装置10。通过改变第一衍射光栅121与第二衍射光栅122之间的距离，可改变色散补偿光学系统120的群速度色散。
另外，使用的衍射光栅的数量可以是一。这种情况下，使来自衍射光栅的衍射光入射到部分反射镜上，使锁模半导体激光装置发出的激光集中在部分反射镜上。部分反射镜反射的光经由相同光路返回到衍射光栅，从而可达到与衍射光栅互相相对设置的情况相同的效果。可通过改变衍射光栅与部分反射镜之间的距离改变色散补偿量。进一步地，这种情况下，由于部分反射镜发出的光为发散光，优选地，除谐振器之外还应提供用于将光通量对准的器件。另外，在实施例2中，虽然假定了使用反射性衍射光栅，但只要可构成具有相同功能的外部谐振器，可使用透射性衍射光栅。
可替换地，如图12B的概念图中所示，色散补偿光学系统130由一对棱镜131和132构成。锁模半导体激光装置10发出的脉冲形激光穿过第一棱镜131，并且进一步穿过第二棱镜132，并且接着到达构成外部谐振器的一端的部分反射镜133。另外，第一棱镜131和第二棱镜132的布置状态为点对称。另外，到达部分反射镜133的一部分激光穿过部分反射镜133并且输出到系统外部。另一方面，到达部分反射镜133的激光的剩余部分经由第二棱镜132和第一棱镜131返回到锁模半导体激光装置10。通过改变第一棱镜131与第二棱镜132之间的距离，可改变色散补偿光学系统120的群速度色散。
另外，使用的棱镜的数量可以是一。这种情况下，穿过棱镜的衍射光入射到部分反射镜上，锁模半导体激光装置发出的激光集中在部分反射镜上。部分反射镜反射的光经由相同光路返回到棱镜，并且从而可达到与提供两个棱镜的情况相同的效果。可通过改变棱镜与部分反射镜之间的距离来改变色散补偿量。进一步地，这种情况下，由于部分反射镜发出的光为发散光，优选地，除谐振器之外还应提供用于将光通量对准的设备。
可替换地，如图13的概念图中所示，色散补偿光学系统140由Gires-Tournois型干涉仪141构成。Gires-Tournois型干涉仪141包括具有反射率为1的反射镜141A和具有反射率小于1的部分反射镜141B。通过控制反射镜141A与部分反射镜141B之间的距离，或者可替换地，通过调整入射光的入射角，可改变色散补偿光学系统140的群速度色散。锁模半导体激光装置10发出的脉冲形激光被平面镜142反射，穿过部分反射镜141B，在由反射镜141A再次反射之后穿过部分反射镜142，并且接着到达构成外部谐振器的部分反射镜143。另外，到达部分反射镜143的一部分激光穿过部分反射镜143并且被输出到系统外部。另一方面，到达部分反射镜143的激光的剩余部分穿过部分反射镜141B并且由反射镜141A反射，再次穿过部分反射镜141B和平面镜142，并且接着返回到锁模半导体激光装置10。
可替换地，色散补偿光学系统由介电多层薄膜镜构成。这种情况下，通过调整入射光的入射角，可改变色散补偿光学系统的群速度色散。
实施例3
实施例3为实施例1中所描述的锁模半导体激光装置的变形例，并且涉及具有第三配置的锁模半导体激光装置。在实施例1中，锁模半导体激光装置10已被设置在极性晶面的n型GaN基板21的(0001)平面或C平面上。然而，如果使用这种基板，由于有源层40中的压电极化和自发极化产生内电场，内电场产生QCSE(量子限制斯塔克效应)，难以对可饱和吸收进行电控制。换句话说，在某些情况下，发现需要增加流向第一电极的DC电流的值和施加在可饱和吸收区域上的反向偏压的值，以实现自脉动操作和锁模操作，并生成具有主脉冲的次脉冲分量，否则难以将外部信号与光脉冲同步。
另外，为了防止这些现象，已经证明了优化形成有源层40的阱层的厚度并优化形成有源层40的阻挡层的杂质掺杂浓度是优选的。
具体地，形成GaInN量子阱有源层的阱层的厚度为1nm或以上并且10.0或以下，优选为1nm或以上并且8nm或以下。由此，阱层的厚度较小，因此，可减少压电极化和自发极化的影响。另外，阻挡层的杂质掺杂浓度为2x1018cm-3或以上，1×1020cm-3或以下，优选为1×1019cm-3或以上，1×1020cm-3或以下。这里，杂质的示例可包括硅(Si)或氧(O)。采用该浓度作为阻挡层的杂质掺杂浓度时，可增加有源层的载流子，并且因此可减少压电极化和自发极化的影响。
在实施例3中，表3中所示的层配置中由GaInN量子阱有源层构成的有源层40的配置如下。GaInN量子阱有源层包括三层的阻挡层(由Ga0.98In0.02N构成)和两层的阱层(由Ga0.92In0.08N构成)。另外，在参考示例3的锁模半导体激光装置中，表2所示的层配置中的有源层40的配置如下。具体地，采用与实施例1相同的配置。
(表3)
在实施例3中，阱层的厚度为8nm，并且阻挡层中Si的掺杂量为2x1018cm-3，从而减少了有源层中的QCSE。另一方面，在参考示例3中，阱层的厚度为10.5nm，并且阻挡层没有掺杂杂质。
通过与实施例1相同的方式根据施加在发射区域上的DC电流和施加在可饱和吸收区域上的反向偏压Vsa来确定锁模。测量实施例3和参考示例3中的注入电流和光输出之间的关系(L-I特性)与反向偏压的相关性。结果表明，在参考示例3中，如果反向偏压Vsa增加，开始产生激光振荡的阈值电流逐渐增加，比实施例3低的反向偏压Vsa出现变化。这表示可饱和吸收效应由实施例3的有源层中的反向偏压Vsa电控制。但是，在参考示例3中并且在对可饱和吸收区域施加反向偏压的状态下，同样确定实现了单模(单基横模)自脉动操作和锁模操作，毫无疑问，参考示例3也被包括在本发明中。
实施例4
实施例4为实施例1至实施例3的变形例。在实施例4中，波长选择器件并非由带通滤波器构成，但可由衍射光栅210和光圈211构成，并且光圈211用于选择图14A和图14B的概念图中所示的衍射光栅210发出的第一级或以上的衍射光(实施例4中为第一级衍射光)。所述光圈211由例如具有多个部分的透射性液晶显示装置212构成。另外，衍射光栅210与光圈211之间布置有透镜213。
锁模半导体激光装置10发出的激光的波长具有任意波长范围。因此，衍射光栅210衍射的第一级衍射光可碰撞到图14A中所示的光圈211的多个区域上。即，在上述方程(A)中，有多个角[alpha]，因此，有多个角[beta]。另外，在图14A和图14B中，透镜213对光路的会聚和分散忽略不计。另外，未示出衍射光栅210发出的第0级衍射光。这里，如图14B中所示，激光通过具有多个部分的透射性液晶显示设备212的预定部分(形成光圈211)传输，由此，仅锁模半导体激光装置10发出的具有预定波长的激光最终输出到外部。由此，可通过选择光圈211来选择波长。
如上所述，虽然根据优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些实施例。半导体激光设备组件、锁模半导体激光装置的配置和实施例中所述的结构的配置仅为示例，并且可进行适当地修改。实施例中示出了不同的值，但这些值仅为示例，例如，如果改变了所使用的锁模半导体激光装置的规格，这些值自然地改变。
发射区域41或可饱和吸收区域42的数量并不限于1。图15和图16为其中设置了第二电极的单一的第一部分62A和第二电极的两个第二部分62B1和62B2的锁模半导体激光装置(多段式(多电极式)半导体激光装置)的示意性截面图。在图15所示的锁模半导体激光装置中，第一部分62A的一端与单一的第二部分62B1相对，并且具有插入在两者之间的一个分离槽62C1，第一部分62A的另一端与另一个第二部分62B1相对，并且具有插入在两者之间的另一个分离槽62C2。另外，两个可饱和吸收区域421和422之间插入了单一的发射区域41。可替换地，图16为设置了第二电极的两个第一部分62A1和62A2和第二电极的单一的第二部分62B的锁模半导体激光装置的示意性截面图。在锁模半导体激光装置中，第二部分62B的一个端部与一个第一部分62A1相对并且具有插入在两者之间的一个分离槽62C1，第二部分62B的另一端与另一个第一部分62A2相对并且具有插入在两者之间的另一个分离槽62C2。另外，两个发射区域411和412之间插入了单一的可饱和吸收区域42。
锁模半导体激光装置可意识具有倾斜脊条型分限异质结构(具有倾斜波导)的半导体激光装置。
图17为其中从顶部关凯锁模半导体激光装置的脊条结构55'时的示意图。在锁模半导体激光装置中，组合了具有直线形状的两个脊条结构，两个脊条结构互相交叉的角度[theta]的值为例如0<[theta]＝或<10(度)，优选为0<[theta]＝或<6(度)。
通过采用倾斜的脊条结构类型，形成有非反射涂层的第二端面的反射率可更接近0％的理想值，因此，可获得可防止产生环绕锁模半导体激光装置内部的激光并且因此可抑制生成伴有主激光的附加激光的优点。
在上述实施例中，虽然锁模半导体激光装置10被设置在为n型GaN基板21的极性面的C平面或{0001}平面上，可替换地，锁模半导体激光装置10可被设置在为{11-20}平面的A平面、为{1-100}平面的M平面、诸如{1-102}平面的非极面、诸如包括{11-24}平面或{11-22}平面、{10-11}平面或{10-12}平面的{11-2n}平面的半极面上。由此，即使锁模半导体激光装置10的第三化合物半导体层发生压电极化和自发极化，压电极化也不会在第三化合物半导体层的厚度方向发生，压电极化仅在与第三化合物半导体层的厚度方向基本垂直的方向发生，从而消除了压电极化和自发极化产生的反作用。另外，{11-2n}平面表示与C平面形成近40度夹角的非极面。另外，如果锁模半导体激光装置10被设置在非极面或半极面上，如实施例3中所描述的，可解决阱层的厚度限制(1nm或以上，10nm或以下)和阻挡层的杂质掺杂浓度限制(2x1018cm-3或以上，1x1020cm-3或以下)。
另外，本发明还可具有以下配置。
在实施例中，提供了一种半导体激光设备。该半导体激光设备包括锁模半导体激光装置和外部谐振器，该外部谐振器包括色散补偿系统，其中，该半导体激光设备被配置为生成自调制，用于将负群速度色散引入外部谐振器中，并在外部谐振器之后提供光谱过滤功能。
在实施例中，锁模半导体激光装置为双段激光装置。
在实施例中，双段激光装置包括氮化镓基激光二极管。
在实施例中，氮化镓基激光二极管为GaInN激光二极管。
在实施例中，提供了波长选择器件并且被配置为提供光谱过滤功能。
在实施例中，波长选择器件包括带通滤波器、衍射光栅和光圈中的任何一个。
在实施例中，锁模半导体激光装置包括层压结构，该层压结构包括多个半导体层，其中，至少一个半导体层与至少一个发射区域和至少一个饱和吸收区域相关联，并且其中，至少一个发射区域和至少一个饱和吸收区域在外部谐振器的方向上并行布置。
在实施例中，锁模半导体激光装置具有脊条型分限异质结构和倾斜脊条型分限异质结构中的任何一种。
在实施例中，提供了将与至少一个半导体层关联的电极至少分成第一部分和第二部分的至少一个分离槽。
在实施例中，外部谐振器包括锁模半导体激光装置的第一端面，以及反射镜和部分反射镜中的至少一个。
在实施例中，外部谐振器的长度为锁模半导体激光装置的第一端面与反射镜和部分反射镜中的至少一个之间的距离。
在实施例中，外部谐振器的长度小于1500微米。
在实施例中，半导体激光设备被配置为改变外部谐振器的长度从而将负群速度色散引入外部谐振器中。
在实施例中，色散补偿光学系统包括衍射光栅、棱镜、干涉仪、反射镜和聚光器件中的至少一个。
在实施例中，衍射光栅包括反射性衍射光栅和透射性衍射光栅中的至少一个。
在实施例中，半导体激光设备用于在约一飞秒的脉冲时间宽度水平下生成光脉冲。
在另一个实施例中，提供了一种生成光脉冲的方法。该方法包括：提供半导体激光设备，该半导体激光设备包括锁模半导体激光装置、外部谐振器和外部谐振器内的色散补偿光学系统；并且利用半导体激光装置生成自调制，将负群速度色散引入外部谐振器中，并且在外部谐振器之后提供光谱过滤来生成光脉冲。
在实施例中，进一步提供了生成具有约一飞秒的脉冲时间宽度的光脉冲的步骤。
在实施例中，锁模半导体激光装置为双段激光装置。
在实施例中，双段激光装置包括氮化镓基激光二极管。
在实施例中，锁模半导体激光装置包括层压结构，该层压结构包括多个半导体层，其中，至少一个半导体层与至少一个发射区域和至少一个饱和吸收区域相关联，并且其中，至少一个发射区域和至少一个饱和吸收区域在外部谐振器的方向上被并行设置。
在实施例中，外部谐振器包括锁模半导体激光装置的第一端面，以及反射镜和部分反射镜中的至少一个。
在实施例中，外部谐振器的长度为锁模半导体激光装置的第一端面与反射镜和部分反射镜中的的至少一个之间的距离。
在实施例中，外部谐振器的长度小于1500微米。
在实施例中，提供了改变外部谐振器的长度从而将负群速度色散引入外部谐振器。
(1)《半导体激光装置组件：另一方面》
一种半导体激光设备组件，包括：
电流注入式锁模半导体激光装置，其光密度为1x1010瓦特/cm2或以上并且载流子密度为1×1019/cm3或以上；以及色散补偿光学系统，锁模半导体激光装置发出的激光入射到色散补偿光学系统中并从中发出。
(2)根据(1)所阐述的半导体激光设备组件，其中，所述锁模半导体激光装置包括可饱和吸收区域。
(3)根据(2)中所阐述的半导体激光设备组件，其中，所述锁模半导体激光装置具有按顺序层压以下层而构成的层压结构：
第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体构成且具有第一导电类型；
第三化合物半导体层，由GaN基化合物半导体构成；
第二化合物半导体层，由GaN基化合物半导体构成且具有不同于第一导电类型的第二导电类型。
(4)根据(3)所阐述的半导体激光设备组件，其中，色散补偿光学系统的群速度色散具有负值。
(5)根据(1)至(4)中任一项所阐述的半导体激光设备组件，其中，半导体激光设备组件以输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值或接近最小值时的群速度色散操作。
(6)根据(1)至(5)中任一项所阐述的半导体激光设备组件，其中，进一步包括波长选择器件，
其中，该波长选择器件提取输出到系统外部的激光的短波长分量。
(7)根据(1)至(6)中任一项所述的半导体激光设备组件，其中，锁模半导体激光装置发出的激光入射到色散补偿光学系统中，并且
其中，入射到色散补偿光学系统中的激光的一部分从色散补偿光学系统中发出，并且返回到锁模半导体激光装置，并且入射到色散补偿光学系统中的激光的剩余部分输出到系统外部。
(8)《半导体激光设备组件：又一方面》
一种半导体激光设备组件，包括：
电流注入式锁模半导体激光装置；以及色散补偿光学系统，锁模半导体激光装置发出的激光入射到色散补偿光学系统中并从中发出；其中，色散补偿光学系统的群速度色散从第一预定值GVD1到第二预定值GVD2(其中，|GVD1|<|GVD2|)单调变化时，从锁模半导体激光装置输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度减小，随后增加到超过最小值PWmin的值。
(9)根据(8)中所阐述的半导体激光设备组件，其中，如果输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin时色散补偿光学系统的最小群速度色散为GVDmin，色散补偿光学系统的群速度色散为负第一预定值GVD1时，激光的脉冲时间宽度为PW1，并且当色散补偿光学系统的群速度色散为负第二预定值GVD2时，激光的脉冲时间宽度为PW2，满足以下条件：
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|＝或>2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|
其中|GVD1/GVDmin|＝0.5并且|GVD2/GVDmin|＝2。
(10)根据(8)或(9)中所阐述的半导体激光设备组件，其中，半导体激光设备组件以其中输出到系统外部的激光的脉冲时间宽度为最小值或接近最小值时的最小群速度色散GVDmin操作。
(11)根据(8)至(10)中任一项所阐述的半导体激光设备组件，其中，输出到系统外部的激光在主振荡频率下的噪声分量为-60dB或以下。
本领域的技术人员应理解的是，可对本文所述的当前优选实施例进行各种变化和修改。只要不脱离本发明的主题的主旨和范围，不减少其预定优点可进行这些变化和修改。因此，所附权利要求应涵盖这些变化和修改。
参考符号列表
10锁模半导体激光装置；11准直设备；21n型GaN基板；22GaN缓冲层；30第一化合物半导体层；31n型AlGaN包覆层；32n型GaN包覆层；40第三化合物半导体层(有源层)；41、411和412发射区域；42、421和422可饱和吸收区域；50第二化合物半导体层；51非掺杂GaInN光导层；52p型AlGaN电子阻挡层(Mg掺杂)；53p型GaN(Mg掺杂)/AlGaN超点阵包覆层；54p型GaN接触层(Mg掺杂)；55和55'脊条结构；56层压绝缘薄膜；61第一电极；62第二电极；62A、62A1和62A2第二电极的第一部分；62B、62B1和62B2第二电极的第二部分、62C、62C1和62C2分离槽；63Pd单层；64抗蚀层；65开口部分；110、120、130和140色散补偿光学系统；111、121和122衍射光栅；112聚光器件(透镜)、113反射镜(介电多层薄膜反射镜)；123、133和143部分反射镜；131和132棱镜；141A反射镜；141B部分反射镜；142平面镜；200波长选择设备；201平面镜；210衍射光栅；211光圈；212透射性液晶显示设备；213透镜。

Claims (19)

1.一种半导体激光设备，包括：锁模半导体激光装置和包括色散补偿系统的外部谐振器，其中，所述半导体激光设备被配置为生成自调制、将负群速度色散引入到所述外部谐振器中并且在所述外部谐振器之后提供光谱过滤。
2.根据权利要求1所述的半导体激光设备，其中，所述锁模半导体激光装置为双段激光装置。
3.根据权利要求2所述的半导体激光设备，其中，所述双段激光装置包括氮化镓基激光二极管。
4.根据权利要求1所述的半导体激光设备，进一步包括被配置为提供光谱过滤的波长选择器件。
5.根据权利要求1所述的半导体激光设备，其中，所述锁模半导体激光装置包括层压结构，所述层压结构包括多个半导体层，其中，至少一个半导体层与至少一个发射区域和至少一个可饱和吸收区域相关联，并且其中，所述至少一个发射区域和所述至少一个可饱和吸收区域被平行布置在所述外部谐振器的方向上。
6.根据权利要求5所述的半导体激光设备，其中，所述锁模半导体激光装置具有脊条型分限异质结构和倾斜脊条型分限异质结构中的任何一种。
7.根据权利要求5所述的半导体激光设备，进一步包括将与所述至少一个半导体层相关联的电极分离成至少第一部分和第二部分的至少一个分离槽。
8.根据权利要求1所述的半导体激光设备，其中，所述外部谐振器包括所述锁模半导体激光装置的第一端面、以及反射镜和部分反射镜中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的半导体激光设备，其中，所述外部谐振器的长度为所述锁模半导体激光装置的所述第一端面与所述反射镜和所述部分反射镜中的至少一个之间的距离。
10.根据权利要求9所述的半导体激光设备，其中，所述外部谐振器的长度小于1500微米。
11.根据权利要求10所述的半导体激光设备，其中，所述半导体激光设备被配置为改变所述外部谐振器的长度，从而将所述负群速度色散引入所述外部谐振器中。
12.根据权利要求1所述的半导体激光设备，其中，所述色散补偿光学系统包括衍射光栅、棱镜、干涉仪、反射镜和聚光器件中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的半导体激光设备，其中，所述半导体激光设备被配置为允许以飞秒的脉冲时间宽度水平来生成光脉冲。
14.一种生成光脉冲的方法，所述方法包括：
提供一种半导体激光设备，所述半导体激光设备包括锁模半导体激光装置、外部谐振器和所述外部谐振器中的色散补偿光学系统；
通过利用所述半导体激光设备生成自调制、将负群速度色散引入所述外部谐振器中并且在所述外部谐振器之后提供光谱过滤来生成所述光脉冲。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：生成具有约飞秒的脉冲时间宽度的所述光脉冲。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述锁模半导体激光装置为双段激光装置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述双段激光装置包括氮化镓基激光二极管。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述锁模半导体激光装置包括层压结构，所述层压结构包括多个半导体层，其中，至少一个半导体层与至少一个发射区域和至少一个可饱和吸收区域相关联，其中，所述至少一个发射区域和所述至少一个可饱和吸收区域被平行布置在所述外部谐振器的方向上。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述外部谐振器包括所述锁模半导体激光装置的第一端面以及反射镜和部分反射镜中的至少一个。
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