CN104143762A - 半导体激光设备组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了半导体激光设备组件。该半导体激光设备组件包括：锁模半导体激光元件组件，包括锁模半导体激光元件和色散补偿光学系统，从该锁模半导体激光元件发射的激光入射到该色散补偿光学系统上并且从该色散补偿光学系统发射该激光；以及半导体光学放大器，具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体，该半导体光学放大器被配置为放大从该锁模半导体激光元件组件发射的该激光。

Description

半导体激光设备组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年5月9日提交的日本在先专利申请JP2013-099177的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种包括半导体激光元件和半导体光学放大器的半导体激光设备组件。
背景技术
生成具有皮秒或飞秒级的时间宽度的脉冲激光的激光设备被称为超短光学脉冲激光设备。在下列描述中，除非另有说明，否则“激光”表示脉冲激光。在由这种激光设备生成激光的情况下，光的能量在极短的时间段内集中。因此，所述能量提供由连续的激光无法提供的高尖塔形功率(峰值功率)。具有高峰值功率的激光相对于物质表现出非线性相互作用。因此，可能无法由正常的连续激光提供应用时可用。实例是对非线性光学效应的应用。对于特定实例，可以通过使用多光子吸收效应在三维显微镜测量或微加工进行应用。
在过去，由钛-蓝宝石激光设备代表的固态激光设备主要被用作超短光学脉冲激光设备。现有技术的固态激光设备经常使用约1m的较大的谐振器。另外，另一个固态激光设备必须用于振荡激发的连续激光，从而产生较低的能量效率。另外，难以保持较大谐振器的机械强度，并且维护要求专业知识。
作为解决固态激光设备的问题的超短光学脉冲激光设备，开发了一种使用半导体作为增益介质的半导体激光元件。由于使用了半导体，因此谐振器可以容易小型化。另外，由于小型化的结果而可以容易获得机械稳定性。因此，可以减轻要求较高技能的维护。另外，由于半导体可以通过电流注入被直接激发，因此可以增加能量效率。
提供了一种锁模方法作为通过使用半导体激光元件生成具有大约几皮秒的时间宽度的激光的方法。所述锁模方法包括：利用与谐振器的周期时间相同的周期调制增益或损耗的主动锁模，以及通过提供诸如谐振器中的可饱和吸收器的指示非线性光学响应的元件允许操作的被动锁模。在这些方法中，被动锁模适用于生成具有大约几皮秒的时间宽度的激光。为了通过被动锁模生成超短脉冲，可饱和吸收器通常设置在激光谐振器中。在基于被动锁模的锁模半导体激光元件(在下文中仅被称为“锁模半导体激光元件”)中，所述锁模半导体激光元件的p侧电极被分为增益部分和可饱和吸收部分(SA部分)。这种锁模半导体激光元件被称为“多电极锁模半导体激光元件”。当正向偏置电流流至增益部分中的p侧电极时，产生激光振荡器的增益。相反，当反向偏置电压被施加至可饱和吸收部分的p侧电极时，可饱和吸收部分作为可饱和吸收器操作。然后，当控制反向偏置电压时，可以调节可饱和吸收的恢复时间。因此，可以控制要生成的激光的脉冲宽度。如上所述，多电极锁模半导体激光元件具有以下优点，其中可以电控制增益部分和可饱和吸收部分。可饱和吸收部分由波导中的增益介质制成。因此，由于激光有效地限制在波导中，吸收可利用较小的能量容易饱和。因此，难以利用多电极锁模半导体激光元件获得较大输出。
在这种情况下，被称为“主振荡功率放大器(MOPA)”的系统是有效的。MOPA通过使用半导体光学放大器(SOA)放大从所述锁模半导体激光元件输出的超短脉冲。在本文中提及的半导体光学放大器不将光学信号转换为电信号，而是直接放大光。所述半导体光学放大器具有尽可能从其中消除谐振器效应的激光结构，并基于半导体光学放大器的光学增益放大入射光。利用这种方法，从锁模半导体激光元件发射的几皮秒的时间宽度的激光由半导体光学放大器放大，并因此增加脉冲能量。
发明内容
为了获得更高的峰值功率，必须压缩入射到半导体光学放大器上的激光并输出。在过去，通过使用包括衍射光栅等的脉冲压缩器压缩激光的脉冲时间宽度并且增加峰值功率(例如，参见T.Schlauch et al.,Optics Express,Vol.18,p24136(2010))。然而，利用此方法，由于使用了脉冲压缩器，因此半导体激光设备组件可能很复杂，并且可能增加制造成本。
因此，人们期望提供一种半导体激光设备组件，其不使用压缩从锁模半导体激光元件发射并入射到半导体光学放大器上的激光的脉冲时间宽度的脉冲压缩器。
根据本发明的实施方式，提供了一种半导体激光设备组件，包括：锁模半导体激光元件组件，具有：锁模半导体激光元件，以及色散补偿光学系统，从所述锁模半导体激光元件发射的激光入射到色散补偿光学系统上并且从所述色散补偿光学系统发射所述激光；以及半导体光学放大器，具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体，所述半导体光学放大器被配置为放大从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光。
由于本发明的半导体激光设备组件包括色散补偿光学系统，从包括锁模半导体激光元件和色散补偿光学系统的所述锁模半导体激光元件组件发射的激光的啁啾状态和激光的脉冲的伸长状态可以被优化。另外，由于具有被优化的啁啾状态和脉冲的伸长状态的激光入射到具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体的半导体光学放大器上，从所述半导体光学放大器输出的激光被放大并且还被压缩。因此，可以提供小型、具有简单结构的、不包含脉冲压缩器而输出具有非常高的峰值功率的激光的半导体激光设备组件。另外，由于不必提供脉冲压缩器，因此不产生由脉冲压缩器导致的光学损耗。该说明书中描述的有益效果仅仅是示例。本发明的有益效果不限于这些有益效果，并且可以具有其他额外的有益效果。
附图说明
图1是实施方式1的半导体激光设备组件的概念图；
图2是沿包括在实施方式1的半导体激光设备组件中的锁模半导体激光元件的谐振器的延伸方向的示意性端面图；
图3是沿正交于包括在实施方式1的半导体激光设备组件中的锁模半导体激光元件的谐振器的延伸方向的方向的示意性横截面图；
图4A和图4B是示出了在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件中获得的脉冲激光的相关波形(时间波形)的图示以及示出脉冲激光的光谱的图示；
图5A和图5B是当图4B中所示的激光穿过带通滤波器并且提取激光的短波长侧时的示出的相关波形(时间波形)的图示以及示出的光谱的图示；
图6是示出了具有各种色散补偿量的激光的相关波形(时间波形)的图示；
图7A和图7B是当要生成的脉冲仅仅是主脉冲并且脉冲激光的时间宽度在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件中被最小化时示出的激光的相关波形(时间波形)的图示以及示出的激光的光谱的图示；
图8A和图8B是在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件的某个驱动条件下示出的激光的相关波形(时间波形)的图示以及示出的激光的光谱的图示；
图9A和图9B是示出了当在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件中获得距离L0与激光的半峰全宽之间的关系时的结果的图示以及示出了当在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件中获得群速度色散值与激光的半峰全宽之间的关系时的结果的图示；
图10A和图10B是在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件中的示出了当群速度色散值为-0.0257ps2时的RF频谱的图示以及示出了当群速度色散值为-0.064ps2时的RF频谱的图示；
图11是示出了由于增益电流增加而变得最小的脉冲时间宽度在形成本发明的半导体激光设备组件的锁模半导体激光元件组件中减小的图示；
图12A是示出了当负群速度色散值由实施方式1的半导体激光设备组件中的色散补偿光学系统给出时从锁模半导体激光元件组件发射至半导体光学放大器的脉冲激光的相关波形(时间波形)的图示，并且图12B是示出了根据激光穿过光谱整形装置(光谱整形部分)的次数的激光的光谱的变化的图示以及示出了根据激光穿过实施方式1的半导体激光设备组件中的光谱整形装置的次数的激光的相关波形(时间波形)的变化的图示；
图13是用于说明比来自高斯函数的光谱峰值的半峰更低的光谱分量的偏移的光谱的图示；
图14A和图14B是示出入射到包括在实施方式1的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器上的激光的光谱的图示以及示出其相关波形(时间波形)的图示；
图15是示出了当激光入射到实施方式1的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器上时来自半导体光学放大器的输出脉冲的相关波形(时间波形)的图示；
图16是示出了当激光入射到实施方式1的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器上时来自半导体光学放大器的输出脉冲的光谱的图示；
图17是示出了放大自发射(ASE)的光谱与放大之后的光谱之间的比较的光谱的图示；
图18是示出了从包括在实施方式1的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器输出的激光的光谱分量的图示；
图19A至图19D是各自示出了对从包括在实施方式2的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器输出的脉冲激光的驱动电流密度的依存性的图示；
图20A和图20B是示出了从包括在实施方式2的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器输出的激光的相关波形(时间波形)和光谱的图示；
图21A和图21B是示出了从包括在实施方式2的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器输出的激光的光谱分析结果的图示，以及示出了通过高斯函数进行的相关波形(时间波形)与脉冲理论形状之间的比较的图示；
图22A和图22B是示出了实施方式3的半导体激光设备组件和实施方式3的变形的概念图；
图23是实施方式3的另一个变形的半导体激光设备组件的概念图；
图24是包括在实施方式4的半导体激光设备组件中的半导体光学放大器中的透射体积全息衍射光栅的示意性局部横截面图；
图25是示出了空间色散对透射体积全息衍射光栅中的第一阶衍射光的发射角(衍射角)φout的依存性dφout/dλ的图；
图26是示出了取决于表达式(12)中的折射率调制比Δn的sin2的项的计算结果的图；
图27是示出了当包括在色散补偿光学设备中的衍射光栅构件的厚度L、折射率调制比Δn、及波长λ的条件固定时入射激光的光谱宽度在改变时的衍射效率η的变化的图；
图28是实施方式4的半导体激光设备组件的部分的概念图；
图29A和图29B是实施方式5和实施方式6的色散补偿光学设备的概念图；
图30A和图30B是实施方式7和实施方式7的变形的色散补偿光学设备的概念图；
图31A和图31B是用于说明可能发生在色散补偿光学设备中的问题的色散补偿光学设备的概念图，以及实施方式8的色散补偿光学设备的概念图；
图32是实施方式9的半导体激光设备组件的部分的概念图；
图33A和图33B是示出了实施方式10的色散补偿光学设备的概念图；
图34是当在垂直于实施方式11的半导体光学放大器的轴线的假定平面中切割半导体光学放大器时的半导体光学放大器的示意性局部横截面图；
图35是当在垂直于实施方式12的半导体光学放大器的轴线的假定平面中切割半导体光学放大器时的半导体光学放大器的示意性局部横截面图；
图36是当在垂直于实施方式13的半导体光学放大器的轴线的假定平面中切割半导体光学放大器时的半导体光学放大器的示意性局部横截面图；
图37是当在垂直于实施方式14的半导体光学放大器的轴线的假定平面中切割半导体光学放大器时的半导体光学放大器的示意性局部横截面图；
图38是示出了形成实施方式14的半导体光学放大器的分层结构体中的折射率分布和光场强度分布的计算结果的图；
图39是示出了当高折射率层的厚度为30nm和50nm并且第一B光学引导层的厚度在实施方式14中改变时获得光学限制因子时的结果的图；
图40是沿实施方式1的锁模半导体激光元件的变形的谐振器的延伸方向的示意性端面图；
图41是沿实施方式1的锁模半导体激光元件的另一个变形的谐振器的延伸方向的示意性端面图；
图42是根据实施方式1的锁模半导体激光元件的又一个变形的脊状条形结构的上侧的示意性图示；
图43A和图43B是用于说明实施方式1的锁模半导体激光元件的制造方法的基板等的示意性局部横截面图；
图44A和图44B是用于说明从图43B持续的实施方式1的锁模半导体激光元件的制造方法的基板等的示意性局部横截面图；
图45是用于说明从图44B持续的实施方式1的锁模半导体激光元件的制造方法的基板等的示意性局部端面图；以及
图46是衍射光栅的示意性局部横截面图。
具体实施方式
在下面参照附图基于实施方式对本发明进行描述。然而，本发明不限于所述实施方式，并且实施方式中的各种数值和材料仅仅是示例。按以下顺序给出说明。
1、与本发明的半导体激光设备组件的概述有关的说明
2、实施方式1(本发明的半导体激光设备组件)
3、实施方式2(实施方式1的变形)
4、实施方式3(实施方式1或实施方式2的变形，色散补偿光学系统的变形)
5、实施方式4(实施方式1或实施方式2的变形，根据第一形式的色散补偿光学设备/色散补偿光学设备等-A)
6、实施方式5(实施方式4的变形，色散补偿光学设备等-B)
7、实施方式6(实施方式4的变形，色散补偿光学设备等-C)
8、实施方式7(实施方式4的变形，色散补偿光学设备等-D)
9、实施方式8(实施方式4、实施方式5及实施方式7中任一个的变形)
10、实施方式9(实施方式1或实施方式2的另一个变形，根据第二形式的色散补偿光学设备)
11、实施方式10(实施方式1或实施方式2的另一个变形，根据第三形式的色散补偿光学设备)
12、实施方式11(实施方式1至实施方式10中的任一个的变形，半导体光学放大器的变形)
13、实施方式12(实施方式11的变形)
14、实施方式13(实施方式11或实施方式12的另一个变形)
15、实施方式14(实施方式1至实施方式10中的任一个的另一个变形，半导体光学放大器的变形)
16、实施方式15(实施方式1至实施方式14中的任一个的变形，锁模半导体激光元件的变形)，其他配置
【与本发明的半导体激光设备组件的概述有关的说明】
在本发明的半导体激光设备组件中，可以建立τ1>τ2，其中τ1是入射到半导体光学放大器上的激光的脉冲时间宽度并且τ2是从半导体光学放大器输出的激光的脉冲时间宽度，并且τ2的值随着半导体光学放大器的驱动电流值增加而减小。另外，在半导体光学放大器中，载流的带内弛豫时间优选为25飞秒以下。
在包括上述优选形式的本发明的半导体激光设备组件中，从半导体光学放大器输出的激光优选具有4.5THz以上的光谱宽度。具有波长λ(单位：米)的激光的光谱宽度ΔSPL通常用长度的单位(米)表示。如果这用频率ΔSPF表示，则当光速被假定为c(单位：米/秒)时，建立关系如下：
ΔSPF＝ΔSPL×c/(λ2)。
此外，在包括任何上述各种优选形式的本发明的半导体激光设备组件中，半导体光学放大器优选具有5×103安/cm2以上的驱动电流密度。驱动电流密度是通过将用于驱动半导体光学放大器的电流除以半导体光学放大器的驱动电流在其中流动的部分的面积而获得的值。
此外，在包括任何上述各种优选形式的本发明的半导体激光设备组件中，半导体光学放大器优选具有3％以下，或更优选1％以下的光学限制因子。因此，可以进一步增加半导体光学放大器的输出。要注意，稍后将详细描述导致半导体光学放大器的光学限制因子为3％以下或更优选1％以下的单元。
此外，在包括任何上述各种优选形式的本发明的半导体激光设备组件中，从半导体光学放大器输出的激光的光谱宽度相对于入射到半导体光学放大器上的激光的光谱宽度优选增加了2.5THz以上。
此外，在包括任何上述各种优选形式的本发明的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光元件优选是具有1×1010瓦/cm2以上或更优选1.4×1010瓦/cm2以上的峰值功率的光密度和1×1019/cm3以上的载流密度的电流注入锁模半导体激光元件。如上所述，由于确定了从锁模半导体激光元件发射的激光的峰值功率的光密度并确定了锁模半导体激光元件的载流密度的值，因此如果利用高的光功率密度和高的载流密度生成自相位调制并且对此给出合适的群速度色散值，则可以可靠地生成亚皮秒级的脉冲激光。另外，除了亚皮秒级的此脉冲激光的脉冲时间宽度减小之外，由于锁模半导体激光元件是电流注入型，因此能量效率高于光激发锁模半导体激光元件的能量效率。
此外，在包括任何上述各种优选形式的本发明的半导体激光设备组件中，色散补偿光学系统优选具有为负的群速度色散值。群速度色散值一般基于锁模半导体激光元件的配置和结构、半导体激光设备组件的配置、结构、和驱动方法等(例如，施加至载流注入区域(增益区域)的电流量、施加至可饱和吸收区域(载流非注入区域)的反向偏置电压、驱动温度等)来确定。可替代地，半导体激光设备组件优选利用导致发射至半导体光学放大器的激光的脉冲时间宽度为最小值的群速度色散值操作，或优选利用在群速度色散值附近的值操作。要注意，“在群速度色散值附近的值”等效于在群速度色散最小值GVDmin附近的值。
可替代地，当色散补偿光学系统中的群速度色散值从第一预定值GVD1单调改变至第二预定值GVD2时，如果|GVD1|<|GVD2|，则从锁模半导体激光元件组件发射的并入射到半导体光学放大器上的激光的脉冲时间宽度优选减小，优选过最小值PWmin，并优选增加。如上所述，由于确定了色散补偿光学系统中的群速度色散值与从锁模半导体激光元件组件发射至半导体光学放大器的激光的脉冲时间宽度之间的关系，因此可以可靠地生成亚皮秒级的稳定脉冲激光，并且可以减小所产生的激光中的噪声。另外，在这种情况下，例如，满足如下表达式：
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|≥2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|
如果
|GVD1/GVDmin|＝0.5，并且
|GVD2/GVDmin|＝2，
其中GVDmin是当发射至半导体光学放大器的激光的脉冲时间宽度是最小值PWmin时色散补偿光学系统的群速度色散最小值，PW1是当色散补偿光学系统中的群速度色散值是为负的第一预定值GVD1时激光的脉冲时间宽度，并且PW2是当色散补偿光学系统中的群速度色散值是为负的第二预定值GVD2时激光的脉冲时间宽度。此外，在这种情况下，半导体激光设备组件优选利用导致发射至半导体光学放大器的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin的群速度色散最小值GVDmin操作，或优选利用在群速度色散最小值GVDmin附近的值操作。此外，在这种情况下，入射到半导体光学放大器上的激光优选相对于主振荡频率具有-60dB以下或更优选-70dB以下的噪声分量。要注意，单调变化表示在GVD1<GVD2情况下的单调递增，并表示在GVD1>GVD2情况下的单调递减。另外，尽管其稍后将被描述，随着群速度色散值减小(群速度色散值的绝对值增加)，除了在零时的主脉冲之外的子脉冲的数量减小。如果不再观察到子脉冲时获得的群速度色散值的上限值为GVDS，则定义“在群速度色散最小值GVDmin附近的值”如下：
GVDS±|GVDmin-GVDS|。
此外，在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，从锁模半导体激光元件组件输出的激光优选具有为负的频率啁啾和0.5皮秒以下的脉冲时间宽度。在本文中，频率啁啾为负(即，为下啁啾)的表述表示频率在脉冲时间开始较高并且频率随时间减小。
此外，在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光元件优选具有1GHz以下的激光的重复频率。
此外，在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光元件可以具有可饱和吸收区域。在现有技术的光激发锁模半导体激光元件中，半导体可饱和吸收器(SESAME)的温度特性用于控制振荡特性。在包括可饱和吸收区域的形式中，振荡特性可以基于施加到可饱和吸收区域的反向偏置电压Vsa和色散补偿光学系统中的群速度色散值来控制。因此，可以容易控制振荡特性。
此外，在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光元件可以具有通过顺序堆叠层形成的分层结构体，所述层包括：
由GaN基化合物半导体制成并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的第三化合物半导体层(活性层)，以及
由GaN基化合物半导体制成并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。
第一化合物半导体层形成在基板或基座构件上。
另外，在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，半导体光学放大器可以包括：
通过顺序堆叠层形成的分层结构体，所述层包括：
由GaN基化合物半导体制成并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的第三化合物半导体层(活性层)，以及
由GaN基化合物半导体制成并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，
形成在第二化合物半导体层上的第二电极，以及
与第一化合物半导体层电连接的第一电极。
第一化合物半导体层形成在基板或基座构件(base member)上。
此外，在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，从锁模半导体激光元件发射的激光可以入射到色散补偿光学系统上，入射到色散补偿光学系统上的激光的一部分可以从色散补偿光学系统发射并可以反馈至锁模半导体激光元件，并且入射到色散补偿光学系统上的激光的残余部分可以入射到半导体光学放大器上。
利用该形式，外部谐振器结构由色散补偿光学系统形成。具体地，色散补偿光学系统可以包括衍射光栅、光收集装置(具体地，透镜)、及反射镜(平面反射镜，具体地，例如，介电多层反射镜)。衍射光栅可以配置为允许来自锁模半导体激光元件发射的激光之中的第一阶以上的衍射光入射到色散补偿光学系统上，并导致第零阶衍射光发射至半导体光学放大器。在本文中，用于校准来自锁模半导体激光元件的激光的校准装置(具体地，透镜)可以被布置在锁模半导体激光元件与衍射光栅之间。包括在入射到衍射光栅上(与其碰撞)的激光中的衍射光栅的光栅图案的数量可以是例如在从1200图案/mm至3600图案/mm的范围内，或优选在从2400图案/mm至3600图案/mm的范围内。外部谐振器的一端由反射镜形成。从锁模半导体激光元件发射的激光与衍射光栅碰撞(collide)，第一阶以上的衍射光入射到光收集装置上，光由反射镜反射，光穿过光收集装置和衍射光栅，并且光被反馈至锁模半导体激光元件。另外，第零阶衍射光发射至半导体光学放大器。通过改变衍射光栅与光收集装置之间的距离并同时固定光收集装置与反射镜之间的距离，可以改变色散补偿光学系统中的群速度色散值。
可替代地，在这种形式中，外部谐振器结构包括色散补偿光学系统和局部反射镜(也被称为局部透射镜、半透射镜、或半镜)。具体地，色散补偿光学系统可以包括一对衍射光栅。在这种情况下，从锁模半导体激光元件发射的激光与第一衍射光栅碰撞，发射第一阶以上的衍射光，光与第二衍射光栅碰撞，发射第一阶以上的衍射光，并且光到达局部反射镜。然后，到达局部反射镜的激光的一部分穿过局部反射镜，并反射至半导体光学放大器。相反，与局部反射镜碰撞的激光的残余部分通过第二衍射光栅和第一衍射光栅被反馈至锁模半导体激光元件。通过改变第一衍射光栅与第二衍射光栅之间的距离，可以改变色散补偿光学系统中的群速度色散值。可替代地，色散补偿光学系统可以包括一对棱镜。在这种情况下，从锁模半导体激光元件发射的激光穿过第一棱镜，穿过第二棱镜，并到达局部反射镜。然后，到达局部反射镜的激光的一部分穿过局部反射镜，并发射至半导体光学放大器。相反，到达局部反射镜的激光的残余部分穿过第二棱镜和第一棱镜，并给反馈至锁模半导体激光元件。通过改变第一棱镜与第二棱镜之间的距离，可以改变色散补偿光学系统中的群速度色散值。仍然可替代地，色散补偿光学系统可以包括干涉仪。具体地，例如，Gires-Tournois干涉仪可以被用作干涉仪。Gires-Tournois干涉仪包括反射率为1的反射镜和反射率小于1的局部反射镜，并且可以在不改变反射光的强度谱的情况下改变相位。通过控制反射镜与局部反射镜之间的距离，或通过调节入射激光的入射角，可以改变色散补偿光学系统中的群速度色散值。
还可替代地，色散补偿光学系统可以包括被布置为彼此面对的第一透射体积全息衍射光栅和第二透射体积全息衍射光栅。在每个透射体积全息衍射光栅中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和可以为90度，如下：
φin+φout＝90度。
在本文中，入射角和发射角各自是由透射体积全息衍射光栅的激光和入射面的法线形成的角。这也适用于下列描述。要注意，为了方便描述，此色散补偿光学系统被称为“根据第一形式的色散补偿光学设备”。
还可替代地，色散补偿光学系统可以包括被布置为彼此面对的第一透射体积全息衍射光栅和第二透射体积全息衍射光栅。在每个透射体积全息衍射光栅中，激光的入射角φin可以基本上等于第一阶衍射光的发射角φout。具体地，例如，建立表达式如下：
0.95≤φin/φout≤1.00。
要注意，为了方便描述，此色散补偿光学系统被称为“根据第二形式的色散补偿光学设备”。另外，根据第一形式和第二形式的色散补偿光学设备可以有时统称为“色散补偿光学设备等”。
还可替代地，色散补偿光学系统可以包括透射体积全息衍射光栅和反射镜。
在透射体积全息衍射光栅中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和可以为90度，或者激光的入射角φin可以基本上等于第一阶衍射光的发射角φout。
从锁模半导体激光元件发射的激光可以入射到透射体积全息衍射光栅上，可以衍射，并且可以作为第一阶衍射光发射，可以与反射镜碰撞，并且可以被反射镜反射。由反射镜反射的第一阶衍射光可以再次入射到透射体积全息衍射光栅上，可以衍射，并且可以发射至半导体光学放大器。要注意，为了方便描述，此色散补偿光学系统被称为“根据第三形式的色散补偿光学设备”。
在根据第一形式的色散补偿光学设备中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度。在根据第二形式的色散补偿光学设备中，激光的入射角φin基本上等于第一阶衍射光的发射角φout。根据第三形式的色散补偿光学设备包括透射体积全息衍射光栅和反射镜。因此，由于较高衍射效率，可以提供具有较高吞吐量(throughput)的小型色散补偿光学系统。另外，由于衍射角可以设计为任意角度，因此可以提高用于色散补偿光学系统的光学设计的自由度。另外，可以容易调节色散补偿光学系统中的群速度色散值(色散补偿量)。可以提高包括在色散补偿光学系统中的光学组件的布置的自由度。
关于根据第一形式的色散补偿光学设备，在激光从锁模半导体激光元件入射到其上的第一透射体积全息衍射光栅中，第一阶衍射光的发射角φout优选大于激光的入射角φin，以通过透射体积全息衍射光栅增加角色散。另外，在这种情况下，在第一阶衍射光从第一透射体积全息衍射光栅入射到其上的第二透射体积全息衍射光栅中，第一阶衍射光的发射角φout可以小于激光的入射角φin。激光在第一透射体积全息衍射光栅处的入射角φin优选等于第一阶衍射光在第二透射体积全息衍射光栅处的发射角(衍射角)φout，并且第一阶衍射光在第一透射体积全息衍射光栅处的发射角(衍射角)φout优选等于第一阶衍射光在第二透射体积全息衍射光栅处的入射角。这也适用于色散补偿光学设备等-A至色散补偿光学设备等-D(稍后描述的)。
另外，在根据第二形式的色散补偿光学设备中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度，以允许色散补偿光学设备中的群速度色散值(色散补偿量)容易调节。
在包括任何上述优选配置的色散补偿光学设备等中，可以提供以下一种形式，其中入射到第一透射体积全息衍射光栅上的激光由第一透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，并进一步入射到第二透射体积全息衍射光栅上，由第二透射体积全息衍射光栅衍射，并作为第一阶衍射光发射至半导体光学放大器。为了方便描述，此形式被称为“色散补偿光学设备等-A”。入射到第一透射体积全息衍射光栅上的激光优选基本上平行于从第二透射体积全息衍射光栅发射的激光(即，以一定度平行使得从第一透射体积全息衍射光栅发射的激光可以入射到第二透射体积全息衍射光栅上)，以允许色散补偿光学设备容易布置到并插入现有光学系统中。这也适用于色散补偿光学设备等-B和色散补偿光学设备等-C(稍后描述的)。
然后，色散补偿光学设备等-A进一步包括：
被布置为彼此平行的第一反射镜和第二反射镜，以及
从第二透射体积全息衍射光栅发射的激光可以与第一反射镜碰撞和被所述第一反射镜反射，并且然后可以与第二反射镜碰撞和被所述第二反射镜反射。为了方便描述，此形式被称为“色散补偿光学设备等-B”。此外，由第二反射镜反射的激光可以基本上位于入射到第一透射体积全息衍射光栅上的激光的延伸线上。可替代地，入射到第一透射体积全息衍射光栅上的激光可以基本上平行于从第二透射体积全息衍射光栅发射的激光。因此，色散补偿光学设备可以容易布置到并插入现有光学系统中。色散补偿光学设备等-B是单路径色散补偿光学设备。在本文中，表述“基本上位于”表示第二反射镜的中心位于入射到第一透射体积全息衍射光栅上的激光的光谱的波长中心按其衍射的角的延伸线上。
可替代地，包括任何上述优选配置的色散补偿光学设备等包括：
在基座构件的第一表面上的第一透射体积全息衍射光栅，以及
在基座构件的与第一表面相对的第二表面上的第二透射体积全息衍射光栅。为了方便描述，此形式被称为“色散补偿光学设备等-C”。色散补偿光学设备等-C是单路径色散补偿光学设备。基座构件可以由玻璃制成，所述玻璃可以是任何的硅玻璃和光学玻璃，例如BK7，或塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、无定形聚丙烯树脂、包含AS树脂的苯乙烯树脂)。
可替代地，包括任何上述优选配置的色散补偿光学设备等可以进一步包括：
反射镜，
入射到第一透射体积全息衍射光栅上的激光由第一透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，并进一步入射到第二透射体积全息衍射光栅上，由第二透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，并与反射镜碰撞，
由反射镜反射的激光再次入射到第二透射体积全息衍射光栅上，由第二透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，再次入射到第一透射体积全息衍射光栅上，由第一透射体积全息衍射光栅衍射，并发射至半导体光学放大器。为了方便描述，此形式被称为“色散补偿光学设备等-D”。色散补偿光学设备等-D是双路径色散补偿光学设备。
形成透射体积全息衍射光栅的材料(衍射光栅构件)可以是光敏聚合物材料。透射体积全息衍射光栅的配置材料和基本结构可以类似于现有技术的透射体积全息衍射光栅的配置材料和结构。透射体积全息衍射光栅表示只衍射并反射+第一阶衍射光的全息衍射光栅。衍射光栅构件具有从内侧至前表面形成的干涉图案。干涉图案可以通过现有技术的形成方法来形成。具体地，例如，衍射光栅构件(例如，光敏聚合物材料)可以利用来自一侧上的第一预定方向的物体光照射，并且同时，衍射光栅构件可以利用来自另一侧上的第二预定方向的参考光照射，并且由物体光和参考光形成的干涉图案可以记录在衍射光栅中。通过适当选择第一预定方向、第二预定方向、及物体光和参考光的波长，可以获得衍射光栅构件中的干涉图案(折射率调制比Δn)的期望的周期(间距)和干涉图案的期望的倾斜角(倾角)。干涉图案的倾斜角表示由透射体积全息衍射光栅的前表面和干涉图案形成的角。
在包括任何上述各种优选配置和形式的色散补偿光学设备等中，通过改变这两个透射体积全息衍射光栅之间的距离(包括光学距离)，可以改变群速度色散值(色散补偿量)。在本文中，在色散补偿光学设备等-C中，可以改变基座构件的厚度以改变这两个透射体积全息衍射光栅之间的距离。然而，群速度色散值(色散补偿量)实际上是固定值。另外，在色散补偿光学设备等-D中，可以改变第二透射体积全息衍射光栅与反射镜之间的距离。此外，在根据第三形式的色散补偿光学设备中，通过改变透射体积全息衍射光栅与反射镜之间的距离，可以改变群速度色散值(色散补偿量)。为了改变该距离，可以使用现有移动机构。要使用的群速度色散值取决于从锁模半导体激光元件发射的激光的特性。激光的特性一般基于锁模半导体激光元件的配置和结构、半导体激光设备组件的配置、结构、和驱动方法(例如，施加至载流注入区域(增益区域)的电流量、施加至可饱和吸收区域(载流非注入区域)的反向偏置电压、驱动温度等)等来确定。基于群速度色散值(色散补偿量)，可以产生任何上啁啾现象【在脉冲的持续时间内波长从长波变为短波(频率增加)的现象】和下啁啾现象【在脉冲的持续时间内波长从短波变为长波(频率减小)的现象】。要注意，无啁啾表示在脉冲的持续时间内波长不改变的现象【频率不改变的现象】。然后，通过适当选择色散补偿光学设备中的群速度色散值，可以伸长(expanded)/压缩激光的脉冲时间宽度。具体地，例如，如果群速度色散值相对于指示上啁啾现象的激光被设为正/负值，则可以伸长/压缩激光的脉冲时间宽度，并且如果群速度色散值相对于指示下啁啾现象的激光被设为正/负值，则可以压缩/伸长激光的脉冲时间宽度。关于由透射体积全息衍射光栅衍射并发射的第一阶衍射光，长波长分量的光路长度不同于短波长分量的光路长度。如果长波长分量的光路长于短波长分量的光路，则形成负群速度色散。即，群速度色散值变为负。相反，如果长波长分量的光路短于短波长分量的光路，则形成正群速度色散。即，群速度色散值变为正。因此，光学元件可被布置使得可以建立长波长分量的光路长度与短波长分量的光路长度之间的这种长度关系。更具体地，在本发明的半导体激光设备组件中，光学元件可被布置使得群速度色散值变为负。
在表1中示例性地示出了上啁啾现象等与群速度色散值之间的关系。在表1中，具有上啁啾现象的激光被表述为“上啁啾激光”，具有下啁啾现象的激光被表述为“下啁啾激光”，并且无啁啾的激光被表述为“无啁啾激光”。
【表1】
啁啾现象 群速度色散值 激光的脉冲时间宽度
上啁啾激光 正 伸长
上啁啾激光 负 压缩
下啁啾激光 正 压缩
下啁啾激光 负 伸长
无啁啾激光 正 伸长
无啁啾激光 负 伸长
更具体地，在色散补偿光学设备等-B、色散补偿光学设备等-C、色散补偿光学设备等-D以及根据第二形式的色散补偿光学设备中，群速度色散值为负。相反，在根据第三形式的色散补偿光学设备中，色散补偿光学设备采用正值或者负值。因此，如上所述，在本发明的半导体激光设备组件中，光学元件可被布置使得群速度色散值变为负。
在包括任何色散补偿光学设备等-A、色散补偿光学设备等-B、以及色散补偿光学设备等-C的半导体激光设备组件中，外部谐振器结构由锁模半导体激光元件的第二端面(光发射端面)和色散补偿光学设备形成，或通过将局部反射镜布置在锁模半导体激光元件的第二端面与色散补偿光学设备之间形成，外部谐振器结构由锁模半导体激光元件的第一端面(与第二端面相对并用作激光反射端面的端面)和局部反射镜形成。另外，在包括色散补偿光学设备等-D的半导体激光设备组件中，外部谐振器结构由色散补偿光学设备和第一端面形成。
此外，包括任何上述各种优选形式和配置的半导体激光设备组件可以进一步包括用于整形从锁模半导体激光元件组件发射的激光的光谱的光谱整形装置(光谱整形部分)。整形之后的激光可以入射到半导体光学放大器上。在这种情况下，光谱整形装置可以由具有介电多层膜的带通滤波器形成。从锁模半导体激光元件组件发射的激光可以多次穿过带通滤波器。例如，带通滤波器可以通过堆叠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来获得。通过这种方式，通过使来自锁模半导体激光元件组件的激光穿过光谱整形装置，可以进一步可靠地获得适当的脉冲伸长状态。
如上所述，半导体光学放大器优选具有3％以下，或更优选1％以下的光学限制因子。为了实现这一点，半导体光学放大器可以优选具有以下一种形式，其中，
第一化合物半导体层具有包括从基座构件侧堆叠的第一包覆层和第一光学引导层的分层结构，
分层结构体具有包括第二化合物半导体层、第三化合物半导体层(活性层)、以及在第一光学引导层的厚度方向上的一部分的脊状条形结构，
满足表达式如下：
6×107m<t1，
或更优选地，
8×107m≤t1，
其中t1是第一光学引导层的厚度，t1'是形成脊状条形(ridge-stripe)结构的第一光学引导层(guide layer)的一部分的厚度，并且
满足表达式如下：
0(m)<t1'≤0.5·t1，
或更优选地，
0(m)<t1'≤0.3·t1。
要注意，为了方便描述，此形式的半导体光学放大器被称为“具有第一配置的半导体光学放大器”。通过这种方式，由于确定了第一光学引导层的厚度t1，因此可以减小光学限制因子。另外，由于光场强度分布的峰值从第三化合物半导体层(活性层)偏移到第一光学引导层，因此在高输出操作期间可以减小第三化合物半导体层附近位置处的光密度。不但可以防止光学损耗，而且在半导体光学放大器中，增加所放大的激光的饱和能量，并且可以获得高输出。另外，由于确定了形成脊状条形结构的第一光学引导层的一部分的厚度t1'，因此将要输出的光束可以变成单模光束。另外，由于平板波导的宽度基本上等于第一光学引导层的厚度，因此可以获得接近完整的圆圈的光束横截面形状。不发生光收集特性在借助透镜或光纤的应用中降低的问题。可替代地，优选满足关系如下：
0.2×W<t1<1.2×W，
或更优选地，
0.2×W<t1≤W，
其中W是脊状条形结构的宽度(例如，光发射端面处脊状条形结构的宽度)。
另外，优选满足表达式如下：
t1≤3×106m。
如果晶体生长使得第一引导层的厚度t1为3×10-6m以下，则晶体生长表面形态不变得粗糙，并且可以防止从半导体光学放大器发射的激光的特性或电特性劣化。
在具有第一配置的半导体光学放大器中，半导体光学放大器可以具有输出单模光束的形式。另外，在这种情况下，优选满足表达式如下：
0.2≤LBY/LBX≤1.2，
或更优选地，
0.2≤LBY/LBX≤1.0，
其中LBX是从分层结构体的光发射端面输出的光束的脊状条形结构的宽度方向上的尺寸，LBY是脊状条形结构的厚度方向上的尺寸。
此外，在分层结构体的光发射端面处，沿脊状条形结构的厚度方向从分层结构体中的活性层的中心点至从分层结构体输出的光束的中心点的距离YCC优选满足表达式如下：
t1'≤YCC≤t1，
或更优选地，
t1'≤YCC≤0.5·t1。
另外，在具有第一配置的半导体光学放大器中，由具有比形成光学引导层的化合物半导体材料的折射率更高的折射率的化合物半导体材料制成的高折射率层可以形成在第一光学引导层中。
具体地，具有第一配置的半导体光学放大器可以具有满足如下表达式的形式：
0.01≤nHR-nG-1≤0.1，
或更优选地，
0.03≤nHR-nG-1≤0.1，
其中nG-1是形成第一光学引导层的化合物半导体材料的折射率，nHR是形成高折射率层的化合物半导体材料的折射率。
另外，优选满足如下表达式：
nHR≤nAc，
其中nAc是形成第三化合物半导体层(活性层)的化合物半导体材料的平均折射率。
此外，第二化合物半导体层可以具有包括从基座构件侧堆叠的第二光学引导层和第二包覆层的分层结构，并且第一光学引导层可以具有比第二光学引导层的厚度更大的厚度。
可替代地，如上所述，半导体光学放大器优选具有3％以下，或更优选1％以下的光学限制因子。为了实现这一点，半导体光学放大器可以优选具有以下一种形式，其中，
分层结构体具有包括在第二化合物半导体层的厚度方向上的至少一部分的脊状条形结构，
第一化合物半导体层具有大于0.6μm的厚度(例如，10μm可以示例为厚度的上限值)，并且
由具有比形成第一化合物半导体层的化合物半导体材料的折射率更高的折射率的化合物半导体材料制成的高折射率层可以形成在第一化合物半导体层中。要注意，为了方便描述，此形式的半导体光学放大器被称为“具有第二配置的半导体光学放大器”。
通过这种方式，在具有第二配置的半导体光学放大器中，由于第一化合物半导体层具有大于0.6μm的厚度，因此可以减小光学限制因子。另外，由于光场强度分布的峰值从第三化合物半导体层(活性层)偏移到第一化合物半导体层，因此在高输出操作期间可以减小第三化合物半导体层附近位置处的光密度。不但可以防止光学损耗，而且在半导体光学放大器中，增加所放大的激光的饱和能量，并且可以获得高输出。另外，由具有比形成第一化合物半导体层的化合物半导体材料的折射率更高的折射率的化合物半导体材料制成的高折射率层可以形成在第一化合物半导体层中。因此，与没有高折射率层的情况相比，可以在宽广的范围内满足化合物半导体层的厚度方向上的单模的条件。可以缓和截止条件，并且可以输出单模光束。
另外，具有第二配置的半导体光学放大器可以具有以下一种形式，其中，
第一化合物半导体层具有包括从基座构件侧堆叠的第一包覆层和第一光学引导层的分层结构，
第一光学引导层具有大于0.6μm的厚度，并且
高折射率层可以形成在第一光学引导层中。即，在该形式中，第一光学引导层具有这样的配置，其中第一光学引导层的第一部分、高折射率层、以及第一光学引导层的第二部分从基座构件侧堆叠。在本文中，为了方便描述，第一光学引导层的第一部分被称为“第一A光学引导层”，并且为了方便描述，第一光学引导层的第二部分被称为“第一B光学引导层”。
然后，在这种情况下，从第三化合物半导体层(活性层)与第一光学引导层之间的界面(第三化合物半导体层与第一B光学引导层之间的界面)至第三化合物半导体层侧处的第一光学引导层(第一B光学引导层)的一部分与高折射率层之间的界面的距离(即，第一B光学引导层的厚度)优选为0.25μm以上。要注意，5μm可以示例为当高折射率层的厚度从第一光学引导层的厚度中减去时的值的上限值。
另外，可以满足如下表达式：
0<nHR-nG-1≤0.3，
或更优选地，
0.02≤nHR-nG-1≤0.2，
其中nG-1是形成第一光学引导层的化合物半导体材料的折射率，nHR是形成高折射率层的化合物半导体材料的折射率。
另外，优选满足如下表达式：
nHR≤nAc，
其中nAc是形成第三化合物半导体层(活性层)的化合物半导体材料的平均折射率。
在具有第二配置的半导体光学放大器中，半导体光学放大器可以输出单模光束。另外，在这种情况下，优选满足如下表达式：
3×100≤LBY/LBX≤1×103，
或更优选地，
1×101≤LBY/LBX≤1×102，
其中LBX是从分层结构体的光发射端面输出的光束的脊状条形结构的宽度方向上的尺寸，LBY是脊状条形结构的厚度方向上的尺寸。
此外，在分层结构体的光发射端面处，沿脊状条形结构的厚度方向从分层结构体中的活性层的中心点至从分层结构体输出的光束的中心点的距离YCC优选满足表达式如下：
0m<YCC≤(第一光学引导层的厚度)
或更优选地，
0m<YCC≤(第一B光学引导层的厚度)。
此外，第二化合物半导体层可以具有包括从基座构件侧堆叠的第二光学引导层和第二包覆层的分层结构，并且第一光学引导层可以具有比第二光学引导层的厚度更大的厚度。
从锁模半导体激光元件发射的激光的峰值功率的光密度可以通过将激光的功率(单位为瓦，自使用脉冲以来的峰值功率)除以锁模半导体激光元件的端面(区域相对于峰值密度为1/e2)中的近场图案的横截面面积而获得。另外，载流密度可以通过测量载流寿命，并乘以一个值来获得，这通过将注入电流量除以增益部分的电极(例如，第二电极的第一部分，稍后描述)的面积乘以载流寿命来获得载流密度。此外，群速度色散值可以通过测量在测量目标光脉冲穿过具有预定色散量的介质之后观察到的脉冲时间宽度的变化来获得，或可以通过频率分辨光学门(FROG)来获得。另外，可以通过使用二次谐波产生(SHG)强度相关测量设备来测量大约1皮秒以下的脉冲时间宽度。
在包括任何上述各种优选形式和配置的本发明的半导体激光设备组件中，锁模半导体激光元件可以具有包括双段(bi-section)锁模半导体激光元件的形式，其中发射区域和可饱和吸收区域被布置为在谐振器方向上彼此平行。
双段锁模半导体激光元件可以包括：
(a)分层结构体，其中具有按顺序堆叠的第一导电类型并由GaN基化合物半导体制成的第一化合物半导体层、由GaN基化合物半导体制成并形成发射区域和可饱和吸收区域的第三化合物半导体层(活性层)、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型并由GaN基化合物半导体制成的第二化合物半导体层，
(b)形成在第二化合物半导体层上的第二电极，以及
(c)与第一化合物半导体层电连接的第一电极，并且
第二电极被分离凹槽分为当直流电流通过发射区域流向第一电极时获得正向偏置状态的第一部分，以及用于将电场施加至可饱和吸收区域的第二部分。
第二电极的第一部分与第二部分之间的电阻值优选是第二电极与第一电极之间的电阻值的1×10倍以上，更优选1×102倍以上，或进一步优选1×103倍以上。为了方便描述，此锁模半导体激光元件被称为“具有第一配置的锁模半导体激光元件”。可替代地，第二电极的第一部分与第二部分之间的电阻值优选为1×102Ω以上，更优选1×103Ω以上，或进一步优选1×104Ω以上。为了方便描述，此锁模半导体激光元件被称为“具有第二配置的锁模半导体激光元件”。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光元件中，直流电流通过发射区域从第二电极的第一部分流向第一电极，使得偏置状态变成正向偏置状态。另外，电压(反向偏置电压Vsa)施加在第一电极与第二电极的第二部分之间。因此，通过将电场施加至可饱和吸收区域，可以提供锁模操作。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光元件中，由于第二电极的第一部分与第二部分之间的电阻值是第二电极与第一电极之间的电阻值的10倍以上，或1×102Ω以上，因此可以可靠地限制泄漏电流从第二电极的第一部分流向第二部分。即，由于可以增加施加至可饱和吸收区域(载流非注入区域)的反向偏置电压Vsa，因此可以提供利用具有较短脉冲时间宽度的脉冲激光的锁模操作。另外，可以只通过分离凹槽将第二电极分为第一部分和第二部分来提供第二电极的第一部分与第二部分之间的高电阻值。
另外，尽管具有任何第一配置和第二配置的锁模半导体激光元件可以以下具有一种形式，但其不限于此，其中，
第三化合物半导体层具有包括量子阱层和势垒层的量子阱结构，
量子阱层优选具有在从1nm至10nm的范围内，或更优选在从1nm至8nm的范围内的厚度，并且
势垒层具有优选在从2×1018cm-3至1×1020cm-3的范围内，或更优选，在从1×1019cm-3至1×1020cm-3的范围内的杂质掺杂浓度。为了方便描述，此锁模半导体激光元件可以有时被称为“具有第三配置的锁模半导体激光元件”。由于活性层采用量子阱结构，因此与量子点结构相比注入电流量可以较大并且可以容易获得高输出。
通过这种方式，由于形成第三化合物半导体层的量子阱层的厚度确定在从1nm至10nm的范围内，并且形成第三化合物半导体层的另一势垒层的杂质掺杂浓度确定在从2×1018cm-3至1×1020cm-3的范围内，即，由于量子阱层的厚度减小并且第三化合物半导体层的载流增加，因此可以降低压电极化的影响，并且可获得可以产生具有较小的脉冲时间宽度、具有更小的子脉冲分量并且单峰的激光的激光源。另外，可以利用低反向偏置电压Vsa实现锁模驱动，并且可以产生与外部信号(电信号和光学信号)同步的激光的脉冲序列。掺杂在势垒中的杂质可以是硅(Si)；然而，其不限于此，并且可以是氧(O)。
在本文中，锁模半导体激光元件可以由具有脊状条形分离限制异质结构(SCH结构)的半导体激光元件形成。可替代地，锁模半导体激光元件可以由具有倾斜脊状条形分离限制异质结构的半导体激光元件形成。即，锁模半导体激光元件的轴线可以与脊状条形结构的轴线以预定角相交。在本文中，作为预定角θ，例如，可以满足0.1度≤θ≤10度。脊状条形结构的轴线是直线，该直线连接光发射端面(为了方便有时被称为“第二端面)处的脊状条形结构的两端之间的等分点和与光发射端面(第二端面)相对的分层结构体的端面(为了方便有时被称为“第一端面)中的脊状条形结构的两端之间的等分点。另外，锁模半导体激光元件的轴线表示正交于第一端面和第二端面的轴线。脊状条形结构可以具有直面形状或曲面形状。
可替代地，可以满足W1＝W2或可以满足W2>W1，其中W2是第二端面中的脊状条形结构的宽度并且W1是第一端面中的脊状条形结构的宽度。W2可以是5μm以上，并且W2的上限值可以是例如4×102μm，但是该值不限于此。另外，W1可以在从1.4μm至2.0μm的范围内。脊状条形结构的每个端部可以由单个段或两个以上段形成。在前一种情况下，例如，脊状条形结构的宽度可以以从第一端面至第二端面锥形的方式逐渐单调地伸长。相反，在后一种情况下，脊状条形结构的宽度首先是从第一端面至第二端面的相同宽度，然后以锥形的方式逐渐单调地伸长。可替代地，脊状条形结构的宽度可以首先从第一端面伸长至第二端面，然后在宽度超过最大宽度之后可以变窄。
在锁模半导体激光元件中，激光束(脉冲激光束)从其中发射的分层结构体的第二端面优选具有0.5％以下的光学反射率。具体地，第二端面可以具有在其上的低反射涂层。在本文中，低反射涂层可以具有例如分层结构体，分层结构体包括选自包括氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层、以及氧化铝层的组的至少两种层。光学反射率的值明显低于从其发射激光束(脉冲激光)的现有技术中的半导体激光元件中的分层结构体的一端表面的光学反射率(一般，在从5％至19％的范围内)。另外，第一端面优选具有例如85％以上，或更优选95％以上的高光学反射率。
外部谐振器优选具有满足如下表达式的外部谐振器长度(X'，单位：mm)：
0<X'<1500，
或更优选地，
30≤X'≤500。
在本文中，外部谐振器包括：锁模半导体激光元件的第一端面，形成外部谐振器结构的反射镜或局部反射镜、以及色散补偿光学设备。外部谐振器长度是锁模半导体激光元件的第一端面与形成外部谐振器结构的反射镜或局部反射镜，以及色散补偿光学设备之间的距离。
在锁模半导体激光元件中，分层结构体具有包括第二化合物半导体层的厚度方向上的至少一部分的脊状条形结构。脊状条形结构可以只包括第二化合物半导体层，可以包括第二化合物半导体层和第三化合物半导体层(活性层)，或者可以包括第二化合物半导体层、第三化合物半导体层(活性层)和第一化合物半导体层的厚度方向上的一部分。
尽管其不限于此，但是具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光元件可以具有以下一种形式，其中，
第二电极优选具有在从0.5μm至50μm，或更优选1μm至5μm的范围内的宽度，
脊状条形结构优选具有在从0.1μm至10μm，或更优选0.2μm至1μm的范围内的高度，并且
将第二电极分为第一部分和第二部分的分离凹槽具有1μm以上的宽度以及锁模半导体激光元件中的谐振器长度的50％以下(在下文中，只被称为“谐振器长度”)，或更优选10μm以上及谐振器长度的10％以下。谐振器长度可以是例如0.6mm；然而，其不限于此。从位于脊状条形结构的两个侧表面的外侧的第二化合物半导体层的一部分的顶部表面至第三化合物半导体层(活性层)的距离d优选为1.0×10-7m(0.1μm)以上。通过以这种方式确定距离d，可饱和吸收区域可以可靠地形成在第三化合物半导体层的两侧上(在Y方向上)。距离d的上限可以根据阈值电流的增加、温度特性、长期驱动时的电流增加比的劣化等来确定。在下列描述中，假设谐振器长度方向是X方向并且分层结构体的厚度方向是Z方向。
此外，在包括在具有第一配置或第二配置(具有上述各种优选形式)的锁模半导体激光元件中的半导体光学放大器或本发明的半导体激光设备组件中，第二电极可以由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、其中钯层接触第二化合物半导体层的钯层/铂层的分层结构或者其中由钯层接触第二化合物半导体层的的钯层/镍层形成的分层结构来形成。如果下金属层由钯制成并且上金属层由镍制成，则上金属层优选具有0.1μm以上，或更优选0.2μm以上的厚度。可替代地，第二电极优选由钯(Pd)单层形成。在这种情况下，钯单层优选具有20nm以上，或更优选50nm以上的厚度。可替代地，第二电极优选具有由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层形成的分层结构，或由接触第二化合物半导体层的下金属层和上金属层形成的分层结构(在这种情况下，下金属层由选自包括钯、镍和铂的组的一种金属制成，上金属层由当分离凹槽在步骤(D)(稍后描述)中形成在第二电极中时蚀刻率等于或基本上等于或高于下金属层的蚀刻率的金属制成)。另外，当分离凹槽在步骤(D)(稍后描述)中形成在第二电极中时的蚀刻溶液优选选自王水、硝酸、硫酸、以及盐酸、或这些酸的至少两种的混合溶液(具体地，硝酸和硫酸的混合溶液、硫酸和盐酸的混合溶液)。
在包括任何上述各种优选形式和配置的半导体激光元件中，可饱和吸收区域可以具有比发射区域的长度更小的长度。可替代地，第二电极可以具有比第三化合物半导体层(活性层)的长度更小的长度(第一部分和第二部分的总长度)。具体地，第二电极的第一部分和第二部分的布置状态如下：
(1)提供一个第二电极的第一部分和一个第二电极的第二部分，并且第二电极的第一部分和第二电极的第二部分布置有插入其间的分离凹槽的状态；
(2)提供一个第二电极的第一部分和两个第二电极的第二部分，第一部分的一端面对第二部分的一个，其间插入有分离凹槽，并且第一部分的另一端面对第二部分的另一个，其间插入有分离凹槽的状态；以及
(3)提供两个第二电极的第一部分和一个第二电极的第二部分，第二部分的一端面对第一部分的一个，其间插入有分离凹槽，并且第二部分的另一端面对第一部分的另一个，其间插入有分离凹槽(即，第二电极具有第二部分被布置在第一部分之间的结构)的状态。
另外，从广义上讲，提供布置状态如下：
(4)提供N个第二电极的第一部分和(N-1)个第二电极的第二部分，并且每个第二电极的第二部分被配置在相应的第二电极的第一部分之间的状态；以及
(5)提供N个第二电极的第二部分和(N-1)个第二电极的第一部分，并且每个第二电极的第一部分被配置在相应的第二电极的第二部分之间的状态。
状态(4)和(5)换句话说可以表述如下：
(4')提供N个发射区域【载流注入区域，增益区域】和(N-1)个可饱和吸收区域【载流非注入区域】，并且每个可饱和吸收区域被布置在相应的发射区域之间的状态；以及
(5')提供N个可饱和吸收区域【载流非注入区域】和(N-1)个发射区域【载流注入区域，增益区域】，并且每个发射区域被布置在相应的可饱和吸收区域之间的状态。
通过采用(3)、(5)及(5')的任何结构，几乎不损坏锁模半导体激光元件的光发射端面。
锁模半导体激光元件可以例如通过下列方法来制造。即，锁模半导体激光元件可以通过包括以下步骤的制造方法来制造：
(A)形成分层结构体，其中具有第一导电类型并由GaN基化合物半导体制成的第一化合物半导体层、由GaN基化合物半导体制成并形成发射区域和可饱和吸收区域的第三化合物半导体层、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型并由GaN基化合物半导体制成的第二化合物半导体层顺序堆叠在基座构件上；然后
(B)形成第二化合物半导体层上条形第二电极；然后
(C)通过蚀刻第二化合物半导体层的至少一部分来形成作为蚀刻掩模的脊状条形结构；并且然后
(D)形成用于在第二电极中形成分离凹槽的抗蚀层，然后通过湿法蚀刻在第二电极中形成分离凹槽并同时使用抗蚀层作为湿法蚀刻掩模，并因此通过分离凹槽将第二电极分为第一部分和第二部分。
由于采用了此制造方法，即，由于脊状条形结构通过蚀刻第二化合物半导体层的至少一部分并同时使用条形第二电极作为蚀刻掩模来形成，换句话说，由于脊状条形结构通过自对准方法并同时使用图案化的第二电极作为蚀刻掩模来形成，因此第二电极不从脊状条形结构偏移。另外，分离凹槽通过湿法蚀刻形成在第二电极中。通过这种方式，由于采用了湿法蚀刻，与干法蚀刻不同，可以防止第二化合物半导体层在光学和电特性方面劣化。因此，可以可靠地防止光发射特性劣化。
在步骤(C)中，第二化合物半导体层可以在厚度方向上部分蚀刻，第二化合物半导体层可以在厚度方向上全部蚀刻，第二化合物半导体层和第三化合物半导体层可以在厚度方向上蚀刻，或者第二化合物半导体层和第三化合物半导体层可以被蚀刻并且第一化合物半导体层也可以在厚度方向上部分蚀刻。
此外，在步骤(D)中，优选满足ER0/ER1≥1×10，或更优选地，满足ER0/ER1≥1×102，其中ER0是第二电极的蚀刻率并且ER1是分层结构体的蚀刻率。由于ER0/ER1满足关系，因此第二电极可以被可靠地蚀刻同时不蚀刻分层结构体(或即使蚀刻分层结构体，量也非常小)。
在锁模半导体激光元件或半导体光学放大器中(在下文中有时统称为“锁模半导体激光元件等”)，具体地，分层结构体可以由AlGaInN基化合物半导体制成。在具有第一配置或第二配置的半导体光学放大器中的高折射率层可以由AlGaInN基化合物半导体制成。在本文中，AlGaInN基化合物半导体可以是(具体的实例)GaN、AlGaN、GaInN或AlGaInN。此外，如果需要，任何这些化合物半导体可以包含硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。另外，第三化合物半导体层(活性层)优选具有量子阱结构。具体地，第三化合物半导体层可以具有单个量子阱结构【QW结构】，或多个量子阱结构【MQW结构】。具有量子阱结构的第三化合物半导体层(活性层)具有堆叠的至少单个量子阱层和至少单个势垒层的结构。例如，形成量子阱层的化合物半导体和形成势垒层的化合物半导体的组合可以是(InyGa(1-y)N,GaN)、(InyGa(1-y)N,InzGa(1-z)N)【其中y>z】、或(InyGa(1-y)N,AlGaN)。
此外，在锁模半导体激光元件等中，第二化合物半导体层可以具有p型GaN层和p型AlGaN层交替堆叠的超晶格结构，并且该超晶格结构可以具有0.7μm以下的厚度。通过采用此超晶格结构，可以减小锁模半导体激光元件等的串联电阻分量同时保持包覆层的折射率，因此可以减小锁模半导体激光元件等的操作电压。超晶格结构的厚度的下限值可以是例如0.3μm，但是其不限于此。形成超晶格结构的p型GaN层可以具有在从1nm至5nm的范围内的厚度。形成超晶格结构的p型AlGaN层可以具有在从1nm至5nm的范围内的厚度。p型GaN层和p型AlGaN层的总层数可以在从60层至300层的范围内。另外，从第三化合物半导体层至第二电极的距离可以是1μm以下，或更优选0.6μm以下。通过以这种方式确定从第三化合物半导体层至第二电极的距离，具有高电阻的p型第二化合物半导体层的厚度减小，因此锁模半导体激光元件等的操作电压可以减小。从第三化合物半导体层至第二电极的距离的下限值可以是例如0.3μm，但是其不限于此。另外，Mg以1×1019cm-3以上掺杂在第二化合物半导体层中；并且第二化合物半导体层针对来自第三化合物半导体层的具有405nm的波长的光可以具有至少50cm-1的吸收系数。Mg的原子浓度从材料性质推导出，其中值为2×1019cm-3时正空穴浓度变为最大。Mg的原子浓度是设计的结果，使得获得最大正空穴浓度，即，最小化第二化合物半导体层的特定电阻。确定第二化合物半导体层的吸收系数以尽可能多地减小锁模半导体激光元件等的电阻。因此，第三化合物半导体层的光的吸收系数通常为50cm-1。然而，为了增加吸收系数，Mg掺杂量可以故意设为2×1019cm-3以上的浓度。在这种情况下，在可以获得实际的正空穴浓度的同时上限Mg掺杂量是例如8×1019cm-3。另外，第二化合物半导体层从第三化合物半导体层侧可以包括非掺杂化合物半导体层和p型化合物半导体层；并且从第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离可以为1.2×107m以下。通过以这种方式确定从第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离，内部损耗可以限制在内部量子效率不减小的范围内。因此，可以减小利用其开始激光振荡的阈值电流密度。从第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离的下限值可以是例如5×108m，但是其不限于此。另外，具有SiO2/Si分层结构体的分层绝缘膜可以形成在脊状条形结构的两个侧表面上；并且脊状条形结构的有效折射率与分层绝缘膜的有效折射率之间的差可以在5×103至1×102的范围内。通过使用此分层绝缘膜，可以在甚至高输出操作超出100毫瓦的情况下保持单个基本横模。另外，第二化合物半导体层可以具有包括例如非掺杂GaInN层(p-侧光学引导层)、掺杂Mg的AlGaN层(电子势垒层)、具有GaN层(掺杂Mg)/AlGaN层的超晶格结构(超晶格包覆层)、以及掺杂Mg的GaN层(p侧接触层)的结构，这些层从第三化合物半导体层侧堆叠。在第三化合物半导体层中形成量子阱层的化合物半导体层优选具有2.4eV以上的带隙。另外，从第三化合物半导体层(活性层)发射或输出的激光具有优选在从360nm至500nm的范围内，或更优选在从400nm至410nm的范围内的波长。当然，可以适当组合上述配置。
在锁模半导体激光元件等中，尽管形成锁模半导体激光元件等的各种GaN基化合物半导体层顺序形成在基板或基座构件上，但是在这种情况下，基板或基座构件不限于蓝宝石基板，并且可以是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、或其中基底层或缓冲层形成在任何上面列出的基板的前表面(主表面)上的结构。如果GaN基化合物半导体层形成在基板上，则GaN基板由于低缺陷密度而可被优选。然而，GaN基板的特性可以根据生长表面在极性、非极的以及半极性之间变化。另外，形成锁模半导体激光元件等的任何各种化合物半导体层(例如，GaN基化合物半导体层)的形成方法可以是金属有机化学气相沉积(MOCVD)或金属有机气相外延(MOVPE)；分子束外延(MBE)；或卤素有助于输送或反应的氢化物气相外延。
在本文中，用于MOCVD的有机镓源气体可以是三甲基镓(TMG)气体或三乙基镓(TEG)气体，并且氮源气体可以是氨气或肼气体。另外，具有n型导电类型的GaN基化合物半导体层可以通过添加硅(Si)作为n型杂质(n型掺杂物)来形成。具有p型导电类型的GaN基化合物半导体层可以通过添加镁(Mg)作为p型杂质(p型掺杂物)来形成。另外，如果铝(Al)或铟(In)被包含作为GaN基化合物半导体层的配置原子，则Al源可以使用三甲基铝(TMA)气体，并且In源可以使用三甲基铟(TMI)气体。此外，Si源可以使用甲硅烷气体(SiH4气体)。Mg源可以使用环戊二烯基镁气体、甲基环戊二烯基镁、或双环戊二烯基镁(Cp2Mg)。n型杂质(n型掺杂物)不限于Si，并且可以是Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd或Po。另外，p型杂质(p型掺杂物)不限于Mg，并且可以是Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg或Sr。
在锁模半导体激光元件等中，当第一导电类型是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包含选自包括：金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)、以及铟(In)的组的至少一种金属的单层配置或多层配置。例如，第一电极可以由Ti/Au、Ti/Al制成，或可以使用Ti/Pt/Au。尽管第一电极与第一化合物半导体层电连接，但是包括其中第一电极形成在第一化合物半导体层上的形式，以及其中第一电极通过导电材料层、导电基板、或导电基座构件与第一化合物半导体层连接的形式。第一电极和第二电极可以各自是例如由诸如真空沉积或溅射的物理气相沉积(PVD)形成的膜。
焊盘电极可以设置在第一电极或第二电极上以便与外部电极或电路电连接。焊盘电极优选具有包含选自包括：钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)及镍(Ni)的组的至少一种金属的单层配置或多层配置。可替代地，焊盘电极可以具有通过Ti/Pt/Au的多层配置或Ti/Au的多层配置所示例的多层配置。
在具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光元件中，如上所述，反向偏置电压Vsa优选施加在第一电极与第二电极之间(即，其中第一电极具有正极性并且第二部分具有负极性的配置)。施加至第二电极的第一部分的脉冲电流、与脉冲电压同步的脉冲电流、或脉冲电压可以施加至第二电极的第二部分；或可以应用直流电流偏置。另外，电流可以通过发射区域从第二电极流向第一电极，并且外部电信号可以通过发射区域从第二电极堆叠在第一电极上。因此，激光和外部电信号可以彼此同步。可替代地，光学信号可以入射到分层结构体的一个端面上。因此，激光和外部电信号可以彼此同步。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)可以形成在第三化合物半导体层与电子势垒层之间。此外，非掺杂GaInN层作为光学引导层可以形成在第三化合物半导体层与非掺杂化合物半导体层之间。第二化合物半导体层的顶部层可以由掺杂Mg的GaN层(p侧接触层)占据。
锁模半导体激光元件不限于双段(双电极)半导体激光元件，并且可以采用多段(多电极)半导体层元件、发射区域和可饱和吸收区域布置在垂直方向上的可饱和吸收层(SAL)、或具有沿脊状条形结构设置的可饱和吸收区域的弱折射率(WI)波导型(weakly index guide)半导体激光元件。
本发明的半导体激光设备组件可以适用于例如光盘、数据通信领域、光学信息领域、光电子集成电路、利用非线性光学现象应用的领域、光学开关、激光测量领域和各种分析领域、超高速光谱领域、多光子激发光谱领域、质量分析领域、使用多光子吸收的显微光谱领域、用于化学反应的量子控制、三维纳米机械加工领域、利用多光子吸收的各种加工领域、医疗领域、生物成像领域、量子信息通信领域、以及量子信息处理领域。
实施方式1
实施方式1涉及本发明的半导体激光设备组件。图1是实施方式1的半导体激光设备组件的概念图。图2是沿锁模半导体激光元件10的谐振器的延伸方向(即，沿图3中的箭头II-II)的示意性端面图。图3是沿正交于锁模半导体激光元件的谐振器的延伸方向(即，沿图2中的箭头III-III)的方向的示意性横截面图。
实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)的半导体激光设备组件包括：
锁模半导体激光元件组件，包括：锁模半导体激光元件10和色散补偿光学系统110，从所述锁模半导体激光元件10发射的激光入射到所述色散补偿光学系统110上并且所述激光从所述色散补偿光学系统110发射，以及
半导体光学放大器210，具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体，所述半导体光学放大器配置为放大从所述锁模半导体激光元件组件发射的激光。
在本文中，实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)的锁模半导体激光元件10包括可饱和吸收区域。具体地，锁模半导体激光元件10由双段锁模半导体激光元件形成，其中发射区域和可饱和吸收区域在谐振器方向上被布置为相互平行。可替代地，实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)的锁模半导体激光元件10具有通过顺序堆叠层而形成的分层结构体，所述层包括：
第一化合物半导体层30，由GaN基化合物半导体制成并具有第一导电类型(在实施方式中，为n型导电类型)，
第三化合物半导体层(活性层)40，由GaN基化合物半导体制成，以及
第二化合物半导体层50，由GaN基化合物半导体制成并具有不同于第一导电类型的第二导电类型(在实施方式中，为p型导电类型)。
第一化合物半导体层30形成在基座构件(具体地，基板21)上。
根据实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)，锁模半导体激光元件10是具有1×1010瓦/cm2以上，或更优选1.4×1010瓦/cm2以上的峰值功率的光密度，以及1×1019/cm3以上的载流密度的电流注入被动锁模半导体激光元件。更具体地，具有405nm的发射波长范围的双段锁模半导体激光元件10是具有第一配置或第二配置的锁模半导体激光元件，并且如图2和图3所示，锁模半导体激光元件10包括：
(a)分层结构体，其中具有第一导电类型(具体地，为n型导电类型)并由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并形成发射区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42的第三化合物半导体层(活性层)40、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型(具体地，为p型导电类型)并由GaN基化合物半导体制成的第二化合物半导体层50顺序堆叠，
(b)在第二化合物半导体层50上形成的条形第二电极62，以及
(c)与第一化合物半导体层30电连接的第一电极61。
第二电极62被分离凹槽62c分为导致直流电流通过发射区域(增益区域)41流向第一电极61以获得正向偏置状态的第一部分62A，以及将电场施加至可饱和吸收区域42的第二部分62B(将反向电压Vsa施加至可饱和吸收区域42的第二部分62B)。在本文中，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值(有时被称为“分离电阻值”)优选是第二电极62与第一电极61之间的电阻值的1×10倍以上，或更优选1.5×103倍以上。另外，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值(分离电阻值)为1×102Ω以上，或具体地1.5×104Ω以上。在锁模半导体激光元件10中，谐振器的长度为600μm。另外，第二电极62的第一部分62A、第二部分62B、以及分离凹槽62C的长度分别为560μm、30μm、和10μm。另外，脊状条形结构55具有1.4μm的宽度。脊状条形结构55朝光发射端面(第二端面)弯曲以减小端面反射。
在实施方式1中，从锁模半导体激光元件10发射的激光入射到色散补偿光学系统110上，入射到色散补偿光学系统110上的激光的一部分从色散补偿光学系统110发射并反馈至锁模半导体激光元件10，并且入射到色散补偿光学系统110上的激光的残余部分通过光谱整形装置114和光学隔离器117(稍后描述)入射到半导体光学放大器210上。光学隔离器117被布置为防止来自半导体光学放大器210的反馈光被引导至锁模半导体激光元件10。具体地，色散补偿光学系统110包括：全息衍射光栅111、光收集装置(具体地，透镜)112、以及反射镜(平面反射镜，具体地，例如，介电多层反射镜)113。外部谐振器结构由色散补偿光学系统110形成。即，具体地，外部谐振器包括：反射镜113和锁模半导体激光元件10的第一端面。衍射光栅111允许来自锁模半导体激光元件10发射的激光之中的第一阶以上的衍射光入射到光收集装置112上，并导致第零阶衍射光(反射光)发射至半导体光学放大器210。用作用于校准来自锁模半导体激光元件10的激光的校准装置11的、具有4.0mm的焦距的非球面凸透镜被布置在锁模半导体激光元件10与衍射光栅111之间。在实施方式1中，包括在入射到衍射光栅111上(与衍射光栅111碰撞)的激光中的衍射光栅111的光栅图案的数量例如是2400图案/mm。从锁模半导体激光元件10发射的激光与衍射光栅111碰撞，第一阶以上的衍射光入射到光收集装置(透镜)112上，光由反射镜113反射，光穿过光收集装置112、衍射光栅111以及校准装置11，并且光被反馈至锁模半导体激光元件10。另外，第零阶衍射光(反射光)发射至半导体光学放大器210。
当固定光收集装置112与反射镜113之间的距离时通过改变衍射光栅111与光收集装置112和反射镜113之间的距离，可以改变色散补偿光学系统110的群速度色散值(色散补偿量)。具体地，通过在光收集装置112的光轴上(在第一阶衍射光的光路上)一起移动光收集装置112和反射镜113，在入射到色散补偿光学系统110上的激光与从色散补偿光学系统110发射的激光之间产生色散的变化。在实施方式1中，光收集装置112与反射镜113之间的距离为150mm，并且具有凸功率(convex power)的光收集装置(透镜)112的焦距为150mm。即，光收集装置112与反射镜113之间的距离等于具有凸功率的光收集装置(透镜)112的焦距。激光的图像以聚焦的方式通过光收集装置112形成在反射镜113处。入射到光收集装置112上的光和从光收集装置112发射的光具有1.0的放大率的望远镜的入射激光与发射激光的关系。
例如，如果衍射光栅111与光收集装置112之间的距离等于光收集装置112的焦距，则不改变从衍射光栅111引向至光收集装置112的激光和由反射镜113反射并通过光收集装置112入射到衍射光栅111上的激光的角色散。因此，在这种情况下，由色散补偿光学系统110给出的色散补偿量为零。相反，如果衍射光栅111与光收集装置112之间的距离大于光收集装置112的焦距，则来自由衍射光栅111衍射的激光中的长波长分量的光路变得长于短波长分量的光路。在这种情况下，形成负群速度色散。即，群速度色散值变为负。在下列描述中，衍射光栅111与光收集装置112之间的距离被称为“距离L0”。距离L0＝0mm表示衍射光栅111与光收集装置112之间的距离等于光收集装置112的焦距。距离L0(L0>0)的值表示衍射光栅111与光收集装置112之间的距离比光收集装置112的焦距大L0mm。色散补偿量是与距离L0成比例的量。当距离L0为正值时由色散补偿光学系统110给出的色散是负群速度色散。
假设具有波长λ的光以角α入射到反射衍射光栅上并以角β衍射，如图46所示。在本文中，角α和β是相对于衍射光栅的法线的角，并且逆时针方向表示正。然后，光栅方程如下：
dG×{sin(α)+sin(β)}＝m·λ...(A)，
其中dG是衍射光栅的凹槽的间隔，m是衍射级(m＝0、±1、±2...)。
当入射激光和第m阶衍射光具有相对于凹槽的斜表面反射镜反射的关系时，大部分能量集中在第m阶衍射光处。此时凹槽的倾斜角被称为闪耀角。当闪耀角由θB表述时，建立表达式如下：
θB＝(α+β)/2。
另外，此时的波长被称为闪耀波长。当闪耀波长用λB表述时，建立表达式如下：
λB＝{2dG/m}sin(θB)·cos(α-θB)。
在实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)中，色散补偿光学系统中的群速度色散值被设定为负。即，衍射光栅111与光收集装置112之间的距离被设为大于光收集装置112的焦距。可替代地，利用导致发射至半导体光学放大器210的激光的脉冲时间宽度为最小值的群速度色散值或在群速度色散值附近的值来操作。可替代地，当色散补偿光学系统中的群速度色散值从第一预定值GVD1单调地变为第二预定值GVD2时，如果|GVD1|<|GVD2|，则从锁模半导体激光元件组件发射并入射到半导体光学放大器210上的激光的脉冲时间宽度减小，过最小值PWmin，然后增加。色散补偿光学系统中的群速度色散值为负。即，由于0>GVD1>GVD2，因此色散补偿光学系统中的群速度色散值从第一预定值GVD1单调地减小为第二预定值GVD2。另外，在这种情况下，例如，满足如下表达式：
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|≥2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|，
如果
|GVD1/GVDmin|＝0.5，并且
|GVD2/GVDmin|＝2，
其中GVDmin是当发射至半导体光学放大器210的激光的脉冲时间宽度是最小值PWmin时色散补偿光学系统的群速度色散最小值，PW1是当色散补偿光学系统中的群速度色散值是为负的第一预定值GVD1时激光的脉冲时间宽度，并且PW2是当色散补偿光学系统中的群速度色散值是为负的第二预定值GVD2时激光的脉冲时间宽度。
此外，利用导致发射至半导体光学放大器210的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin的群速度色散最小值GVDmin或在群速度色散最小值GVDmin附近的值来操作。因此，可以获得具有几百飞秒的激光的脉冲时间宽度。
在下文中，描述亚皮秒级的所产生脉冲激光的状态。在下列描述中，与实施方式1的上述半导体激光设备组件不同，使用其中光收集装置112与反射镜113之间的距离为100mm并且具有凸功率的光收集装置(透镜)112的焦距为100mm的色散补偿光学系统。另外，从锁模半导体激光元件组件发射的激光穿过带通滤波器(传输带Δλ＝1.3nm)一次。
激光的强度相关测量的测量原理、相关函数的种类、脉冲时间宽度、以及推导方法在“A.Yariv et al.,"Foundations of Optical Electronics,ThirdEdition,"Maruzen Co.,Ltd.,pp183-196,or Vasil'ev,"Ultrafast diode lasers,"Artech House,pp39-43”中详细描述。
在半导体激光设备组件中，图4A示出了从锁模半导体激光元件组件发射的激光的相关波形(时间波形)。在图4A中，横轴绘制时间(单位：皮秒)，纵轴绘制光强度(单位：任何单位)。在本文中，作为锁模半导体激光元件的驱动条件，通过发射区域(增益区域)41从第二电极62流向第一电极61的直流电流(增益电流I)为130毫安并且要施加至可饱和吸收区域42的反向偏置电压Vsa为-7伏，并且L0＝7.28mm。色散补偿光学系统具有-0.0390ps2【(皮秒)2】的群速度色散值。
从锁模半导体激光元件组件发射的激光的相关波形中的半峰全宽(FWHM)的值为0.45皮秒。相关波形具有不同于高斯型或sech2型的激光的相关波形的特性形状。此时的光谱在图4B中示出。在图4B中，横轴绘制波长(单位：nm)并且纵轴绘制光功率(单位：毫瓦)。图5A示出了当由此获得的激光穿过带通滤波器(传输带Δλ＝1.3nm)一次并且提取激光的短波长侧时的相关波形(时间波形)。在图5A中，横轴绘制时间(单位：皮秒)并且纵轴绘制光强度(单位：任何单位)。由于激光穿过带通滤波器，因此消除了相关波形的尾巴(外围outskirt)，在零时间附近获得sech2相关波形(为了方便被称为“中心部分的相关波形”)，并且此外，在中心部分的相关波形的两侧处获得多个侧脉冲。中心部分的相关波形的半峰全宽为290飞秒。如果使用sech2函数的自相关函数的卷积因子0.65，则所产生的激光的脉冲时间宽度被评估为190飞秒。图5B示出了此时的光谱。光谱宽度为1.06nm，并且时间带宽积被计算为0.34，其接近sech2函数的傅里叶积的极限0.315。在图5B中，横轴绘制波长(单位：nm)并且纵轴绘制光功率(单位：毫瓦)。另外，来自半导体激光设备组件的输出功率在穿过带通滤波器之前为11.46毫瓦，在穿过带通滤波器之后为3.0毫瓦。激光具有1.03GHz的重复频率。峰值功率根据所获得的激光的脉冲时间宽度被计算为10瓦。关于相关波形中观察的多个脉冲的高度，假设66％的脉冲能量集中在中心脉冲处。
这种特性脉冲形式根据色散补偿量(群速度色散值)改变。图6示出了具有各种色散补偿量的激光的相关波形(时间波形)。在图6中，横轴绘制时间(单位：皮秒)并且纵轴绘制光强度(单位：任何单位)。相关波形的任一波形是穿过带通滤波器之后的脉冲波形。在这种情况下，增益电流I为120毫安并且反向偏置电压Vsa为-7伏。在图6中，每个激光的群速度色散值如下。参照图6，发现，随着群速度色散值减小(群速度色散值的绝对值增加)，除零时的主脉冲之外的子脉冲的数量减小。另外，随着群速度色散值减小(群速度色散值的绝对值增加)，主脉冲的脉冲时间宽度增加。当获得激光“A”时的群速度色散值为群速度色散最小值GVDmin，并且当获得激光“E”时的群速度色散值为GVDS。“在群速度色散值附近的值”定义如下：
GVDS±|GVDmin-GVDS|。
激光“A”：-0.0390ps2
激光“B”：-0.0406ps2
激光“C”：-0.0443ps2
激光“D”：-0.0497ps2
激光“E”：-0.0630ps2
因此，为了获得最小脉冲时间宽度，负群速度色散值(群速度色散值)必须在某个范围内减小。然而，在一些情况下，可以产生子脉冲。因此，根据半导体激光设备组件的使用的目的，简单将脉冲时间宽度设为最小可能是不被期望的。例如，如果所产生的超短脉冲被半导体光学放大器放大，则所放大的脉冲的能量可以分为子脉冲。
因此，通过适当设置色散补偿量(群速度色散值)，更具体地，通过适当设置距离L0，将要产生的脉冲只可以是主脉冲，并且可以尽可能减小(变窄)脉冲时间宽度。图7A示出了这种情况下的激光的相关波形(时间波形)。在图7A中，横轴绘制时间(单位：皮秒)并且纵轴绘制光强度(单位：任何单位)。在本文中，增益电流I为120毫安并且反向偏置电压Vsa为-7伏。群速度色散值为-0.0630ps2，所获得的激光的相关波形中的半峰全宽为0.57皮秒，并且sech2形状的脉冲时间宽度为0.37皮秒。另外，图7B示出了对应的光谱。发现光谱宽度为1.56nm，并因此时间带宽积被计算为1.06，并且发现所发射的脉冲啁啾。在穿过带通滤波器之后的平均功率为3.0毫安，并且所发射的激光的峰值功率可以被获得为大约8瓦。
可以获得当产生此激光时第二端面处的光密度如下。在第二端面处的光密度由通过将光功率除以第二端面处的激光的近场图案的横截面面积而获得的值来定义。第二端面处的光功率必须除以激光从谐振器输出时的效率。在该配置中，光功率大约为5％。近场图案的横截面面积表示近场图案的光强度具有为峰值功率的1/e2倍的强度时的横截面面积。锁模半导体激光元件中的近场图案的横截面面积为1.08μm2，并且如果使用该值，则光密度被计算为大约15千兆瓦/cm2。
下面描述的是当产生亚皮秒级的脉冲激光时的驱动条件。
当产生亚皮秒级的脉冲激光时的驱动条件取决于增益电流I、反向偏置电压Vsa、以及色散补偿量(群速度色散值)【即，距离L0】。图8A示出了在只要获得激光振荡的最低增益电流I(100毫安)和最低反向偏置电压Vsa(-5.5伏)、以及距离L0＝14.1mm的某些驱动条件下的激光的相关波形(时间波形)。图8B示出了光谱。在图8A和图8B中，“A”表示在穿过带通滤波器之前的状态，“B”表示在穿过带通滤波器之后的状态。相应光功率为7.04毫瓦和1.5毫瓦。在穿过带通滤波器之后，激光的脉冲时间宽度为0.42皮秒。另外，此时的群速度色散值为-0.0753ps2。由于除了增益电流I、反向偏置电压Vsa、以及色散补偿量(群速度色散值)之外，驱动条件还取决于外部谐振器的反馈量，因此只要可以获得激光振荡的驱动条件的下限值不限于上述值。
在反向偏置电压Vsa＝-7伏和增益电流I＝130毫安的条件下，图9A示出了当获得距离L0与激光的半峰全宽之间的关系时的结果，并且图9B示出了当获得群速度色散值与相关波形中的半峰全宽之间的关系时的结果。图9A和图9B是基于相同数据创建的图。另外，“A”表示在穿过带通滤波器之前的状态，“B”表示在穿过带通滤波器之后的状态。要注意，关系存在于在图9A和图9B中所示的距离L0与群速度色散值之间，如下：
群速度色散值(ps2)＝-5.352×103×L0(mm)。
一般而言，给出情况如下：
群速度色散值＝-(λ3/(π·c2·dG 2·cos2θr))·2·L0，
其中
λ：波长，
c：光速，
dG：衍射光栅的凹槽之间的间隔，以及
θr：是衍射光相对于衍射光栅的法线的角。
参照图9A，发现半峰脉冲全宽迅速朝某个距离L0迅速减小，并且获得最小值。发现上述侧脉冲出现了对应于在色散补偿量附近的值的色散补偿量(被称为“色散补偿最小量”，在图9A中所示的实例中，距离L0＝11.8mm)的稍微变化，所述值对应于半峰脉冲全宽的最小值。另外，与在绝对值小于色散补偿最小量的绝对值的色散补偿量的范围内的半峰脉冲全宽的变化相比，绝对值大于色散补偿最小值的绝对值的色散补偿量相对于所述色散补偿量具有半峰脉冲全宽的更小变化。在绝对值大于色散补偿最小值的绝对值的色散补偿量的范围内，要产生的脉冲的频率啁啾可以通过改变色散补偿量来调节。当具有半峰脉冲全宽的最小值的光学脉冲穿过带通滤波器并且只提取短波长分量时，可以获得指示没有外围的光学脉冲的清洁相关波形。此外，在从具有最小脉冲时间宽度的群速度色散值至负侧的群速度色散值的范围内，可以获得指示没有外围的激光的清洁相关波形。
可替代地，参照图9B，在穿过带通滤波器之前的状态下，满足表达式如下：
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|≥2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|，
其中GVDmin是当发射至半导体光学放大器210的激光的脉冲时间宽度是最小值PWmin时色散补偿光学系统的群速度色散最小值，PW1是当色散补偿光学系统中的群速度色散值是为负的第一预定值GVD1时激光的脉冲时间宽度，并且PW2是当色散补偿光学系统中的群速度色散值是为负的第二预定值GVD2时激光的脉冲时间宽度，
如果
|GVD1/GVDmin|＝0.53，并且
|GVD2/GVDmin|＝2.1，
其中
PW1＝5.3皮秒，
PW2＝2.9皮秒，
PWmin＝0.4皮秒，
GVD1＝-0.0255ps2，
GVD2＝-0.101ps2，以及
GVDmin＝-0.048ps2。
在从具有最小脉冲时间宽度的群速度色散值至负侧的群速度色散值的范围内，可以获得指示没有外围的清洁激光的相关波形。这些群速度色散值的范围可以通过从锁模半导体激光元件组件输出的激光的RF频谱算出。具体地，当带宽等于或大于重复频率的高速光电二极管接收脉冲激光时，可以获得在脉冲激光的重复周期内的光谱。重复周期根据外部谐振器的长度X'确定。由于各种色散介质存在于锁模半导体激光元件组件中，因此变型通常存在于取决于波长的周期时间中，这取决于波长。RF频谱反映重复频率和重复频率的变型。图10A示出了当群速度色散值为-0.0257ps2时的RF频谱。图10B示出了当群速度色散值为-0.064ps2时的RF频谱。在图10A中可以提供光谱的群速度色散值小于在图9B中指示最小脉冲时间宽度的位置处的群速度色散值(群速度色散值的绝对值较大)。如图10B所示，指示周期时间相对于重复频率的主峰值波动的噪声分量被抑制了60dB以上，这取决于群速度色散值。即，入射到半导体光学放大器210上的激光相对于主振荡频率具有-60dB以下的噪声分量。另外，发现优选利用导致发射至半导体光学放大器210的激光的脉冲时间宽度为最小值PWmin的群速度色散最小值GVDmin或在群速度色散最小值GVDmin附近的值的来操作。指示最小值的脉冲时间宽度取决于增益电流I并随增益电流I增加而减小并且如果反向偏置电压Vsa恒定不变则将要产生的激光仅是主脉冲。表2示出了相对于指示最小脉冲时间宽度的增益电流I(单位：毫安)的脉冲时间宽度(单位：皮秒)。在表2中，“脉冲时间宽度A”是在穿过带通滤波器之前的值(单位：皮秒)并且“脉冲时间宽度B”是在穿过带通滤波器之后的值。另外，反向偏置电压Vsa是恒定值(-7伏)。脉冲激光的重复频率从增益电流I＝120毫安的边界翻倍。因此，可以改变振荡特性，并且脉冲时间宽度B的变化从增益电流值的边界变得不连续。
【表2】
增益电流I 脉冲时间宽度A 脉冲时间宽度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
通过这种方式，随着增益电流I增加而变得最小激光的脉冲时间宽度趋向变窄。图11示出了激光的脉冲时间宽度相对于增益电流I的依存性。
同时，在锁模半导体激光元件中，当活性层(增益部分)的光功率密度和载流密度超过特定值时，载流通过受激发射被消耗，因此主动地改变活性层中的折射率，并且扩展振荡频谱。此现象被称为自相位调制。通过自相位调制增加振荡频谱宽度导致脉冲时间宽度变窄。通过利用色散补偿光学系统相对于自相位调制给出适当的群速度色散值，可以获得适当的光谱，并且可以产生亚皮秒级的激光脉冲。此特性类似于自相位调制和适当的群速度色散值在谐振器中彼此交互时观察到的孤立子(soliton)锁模的特征。作为将所产生的激光脉冲的时间宽度变窄为亚皮秒级(例如，200飞秒)以下的方法这是非常有效的。
在实施方式1的半导体激光设备组件中，从锁模半导体激光元件组件输出的激光具有为负的频率啁啾(即，下啁啾)以及0.5皮秒以下的脉冲时间宽度。另外，锁模半导体激光元件10具有1GHz以下的激光的重复频率。
具体地，在实施方式1的半导体激光设备组件中，当负群速度色散由色散补偿光学系统110给出时，如图12A所示，从锁模半导体激光元件组件发射至半导体光学放大器210的激光展示出指示大约200飞秒的急剧上升的单指数衰减。与此同时，关于激光，发现具有300飞秒以下的激光的脉冲时间宽度的单个脉冲可以通过在光谱的短波长侧处提取端部而获得。
实施方式1的半导体激光设备组件进一步包括用于整形从锁模半导体激光元件组件发射的激光的光谱的光谱整形装置114。整形之后的激光入射到半导体光学放大器210上。由于激光的光谱的强度朝长波长侧增加，因此如果只单独使用带通滤波器则光谱可能不足够整形，并且不可以获得良好的相关波形(时间波形)。这是因为使用介电多层膜的带通滤波器的传输函数近似于洛伦兹函数。因此，光谱整形装置114优选由带通滤波器形成，所述带通滤波器由介电多层膜制成，并且从锁模半导体激光元件组件发射的激光优选多次穿过带通滤波器(具体地，在实施方式1中为两次)。通过这种方式，由于激光多次穿过带通滤波器，因此可以消除后期脉冲分量和非相干分量。
在实施方式1中，更具体地，光谱整形装置114使用通过堆叠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形成的带通滤波器。带通滤波器是包含单个半波长谐振器的介电多层膜谐振器。当激光多次穿过时，可以适当减小除期望波长的穿过量之外的波长分量的穿过量。只要获得作为除期望波长分量之外的光的衰减量的值，带通滤波器就不限于单个半波长谐振器。可以使用由具有作为半波长的整数倍的波长的多个谐振器或一个谐振器形成的带通滤波器。另外，只要获得用于入射到半导体光学放大器210上的光谱形状并且在光谱整形之后不改变激光的色散状态，光谱整形装置就不限于带通滤波器。
图1示出了当两次做出通过带通滤波器的传输时的光学布置的实例。从锁模半导体激光元件组件发射的激光穿过光谱整形装置114，由反射镜115A反射，再次穿过光谱整形装置114，由反射镜115B和116反射，并导向至光学隔离器117。穿过光学隔离器117的激光穿过光收集装置(透镜)211A，并入射到半导体光学放大器210上。然后，从半导体光学放大器210输出的激光通过光收集装置(透镜)211B输出至系统的外侧。
取决于激光穿过带通滤波器的次数的光谱的变化(传输带Δλ＝2.0nm)在图12B的右侧示出，并且取决于激光穿过带通滤波器的次数的相关波形(时间波形)的变化在图12B的左侧处示出。在图12B中，“A”表示在穿过带通滤波器之前的光谱等，“B”表示当激光穿过带通滤波器一次时的光谱等，“C”表示当激光两次穿过带通滤波器时的光谱等。发现如果整形光谱并且从图12B中消除光谱的长波形侧分量，则可以消除相关波形的外围中发现的后期分量。通过这种方式，当从锁模半导体激光元件组件获得的激光入射到GaInN基半导体光学放大器210上时，优选执行光谱整形。
通过光谱整形获得的光谱形状在400nm左右的波长处通常具有1nm以上的半峰全宽。下啁啾通过色散补偿光学系统110添加。另外，与光谱峰值分离的波长分量优选减小某个度，只要来自高斯函数或sech2函数的理想脉冲形状的相关波形的偏移不变大即可。例如，如果在光谱整形之后的光谱峰值在光谱分量低于光谱峰值的半峰时近似于高斯函数，如图13所示，(参见图13中的“A”)，与通过高斯函数的光谱的面积相比(参见图13中的“B”)，从高斯函数的偏移优选为20％以下，或更优选10％以下。
实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)中的锁模半导体激光元件10是(具体地)具有脊状条形分离限制异质结构(SCH结构)的半导体激光元件。更具体地，锁模半导体激光元件10是由折射率波导(index guide)AlGaInN制成的GaN基半导体激光元件，并具有脊状条形结构。然后，第一化合物半导体层30、第三化合物半导体层(活性层)40、以及第二化合物半导体层50各自由AlGaInN基化合物半导体制成，并且更具体地，所述层各自具有表3中所示的层配置。在本文中，在表3中，位于下侧的化合物半导体层是接近n型GaN基板21的层。在第三化合物半导体层40中形成量子阱层的化合物半导体具有3.06eV的带隙。实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)中的锁模半导体激光元件10设置在n型GaN基板21的(0001)表面上，并且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)表面也被称为“C表面”并且是具有极性的晶体表面。
【表3】
第二化合物半导体层50
p型GaN接触层(掺杂Mg)54
p型GaN(掺杂Mg)/AlGaN超晶格包覆层53
p型AlGaN电子势垒层(掺杂Mg)52
非掺杂GaInN光学引导层51
第三化合物半导体层40
GaInN量子阱活性层
(量子阱层：Ga0.92In0.08N/势垒层：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
量子阱层(两层)，8nm，非掺杂
势垒层(三层)，14nm，掺杂Si
另外，p型GaN接触层54的一部分和p型GaN/AlGaN超晶格包覆层53的一部分通过RIE除去，并且因此形成脊状条形结构55。由SiO2/Si制成的分层绝缘膜56形成在脊状条形结构55的两侧上。SiO2层是下层并且Si层是上层。在本文中，脊状条形结构55的有效折射率与分层绝缘膜56的有效折射率之间的差在5×103至1×102范围内，或具体地7×103。另外，第二电极(p侧欧姆电极)62形成在对应于脊状条形结构55的顶部表面的p型GaN接触层54上。相反，由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n侧欧姆电极)61形成在n型GaN基板21的背面上。
在根据实施方式1或实施方式2至实施方式5的任一个(稍后描述)的锁模半导体激光元件10中，为了不重叠从第三化合物半导体层40或在第三化合物半导体层40周围产生的光密度分布，通过布置均为掺杂Mg的化合物半导体层的p型AlGaN电子势垒层52、p型GaN/AlGaN超晶格包覆层53、以及p型GaN接触层54，内部损耗可以限制在内部量子效率不减小的范围内。因此，减小利用其开始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至p型AlGaN电子势垒层52的距离d为0.10μm，脊状条形结构55的高度为0.30μm，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0.50μm，并且位于第二电极62下方的一部分的p型GaN/AlGaN超晶格包覆层53的的厚度为0.40μm。另外，为了减小端面反射，脊状条形结构55朝第二端面弯曲。然而，脊状条形结构55的形状不限于此形状。
在根据实施方式1或实施方式2至实施方式15的任一个(稍后描述)的锁模半导体激光元件10中，无反射涂层(AR)形成在面对振荡装置11的光发射端面(第二端面)上。相反，高反射涂层(HR)形成在与锁模半导体激光元件10的光发射端面(第二端面)相对的端面(第一端面)上。可饱和吸收区域42设置在锁模半导体激光元件10中的第一端面的一侧。无反射涂层(低反射涂层)可以具有例如包括选自包括氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层、以及氧化铝层的组的至少两种层的分层结构。
根据实施方式1或实施方式2至实施方式15中的任一个(稍后描述)的锁模半导体激光元件10具有1GHz的脉冲重复频率。激光的脉冲序列的重复频率f通过外部谐振器长度X'(第一端面与反射镜113之间的距离)确定，并且用如下方程表述：
f＝c/(2n·X')，
其中c是光速，并且n是谐振器的有效折射率。
同时，为了获得用于激光振荡的光学增益，高密度载流必须注入(激发)在第三化合物半导体层(活性层)40中，并且必须形成倒分布(反转分布)。在本文中，当半导体激光元件由具有大量有效质量的电子和正空穴的GaN基化合物半导体制成，以获得正光学增益值时，第三化合物半导体层40的载流密度必须超过1019/cm3(例如，参见K.Takahashi(监修)、A.Yoshikawa(编著)、以及F.Hasegawa(编著)、"Wide-gap Semiconductors,Light,Electronic Devices,"Morikita Publishing Co.,Ltd.,pp124-126)。关于倒分布载流密度，用于由GaN基化合物半导体制成的半导体激光元件的振荡的注入的载流密度可以是高于例如由在T.Schlauch et al.,OpticsExpress,Vol.18,p24136(2010)(上述)中所示的GaAs基化合物半导体制成的半导体激光元件的数字的一个数字。对于实施方式1的锁模半导体激光元件，期望载流密度(倒分布载流密度)为大约1.7×1019/cm3。
除了第二电极不被被划分并且脊状条形结构不弯曲但脊状条形结构的宽度从光入射端面(第一端面)朝光发射端面(第二端面)增加之外，半导体光学放大器210具有的配置和结构基本上类似于锁模半导体激光元件10的配置和结构。具体地，半导体光学放大器210是具有3.0mm的设备长度和15μm的闪耀宽度的锥形半导体光学放大器。半导体光学放大器210基于半导体光学放大器210的规格具有2.6％的光学限制因子。
即，半导体光学放大器210包括：
通过顺序堆叠层形成的分层结构体，所述层包括：
由GaN基化合物半导体制成并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(活性层)40，以及
由GaN基化合物半导体制成并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，
形成在第二化合物半导体层50上的第二电极62，以及
与第一化合物半导体层30电地连接的第一电极61。
第一化合物半导体层30形成在基座构件(具体地，基板21)上。
图14A和图14B示出了入射到半导体光学放大器210上的激光的光谱和相关波形(时间波形)。光谱宽度(半峰全宽)为1.01nm，脉冲时间宽度(＝相关波形的半峰全宽×0.7)为0.27皮秒。通过利用计算获得的理论极限值扩展脉冲时间宽度约1.6倍，并因此指示频率啁啾的存在。另外，作为分析的结果，此时的频率啁啾是下啁啾。这用色散补偿光学系统110中的群速度色散值的符号确定。此时锁模半导体激光元件10的驱动条件是增益电流I＝175毫安流向第二电极的第一部分62A，并且施加至第二电极的第二部分62B的反向偏置电压Vsa为-7伏。从锁模半导体激光元件组件发射并穿过光谱整形装置114的激光具有1.3毫瓦的平均光功率。
图15和图16示出了当入射激光时来自半导体光学放大器210的输出脉冲的相关波形(时间波形)和光谱。在图15和图16中，“A”表示入射到半导体光学放大器210上的激光的光谱和相关波形，并且“B”、“C”、“D”和“E”是在表4(稍后描述)中所示的驱动条件A、B、C及D下来自半导体光学放大器210的输出脉冲的光谱和相关波形。
参照图15和图16，发现从半导体光学放大器210输出的激光的脉冲时间宽度小于入射激光的脉冲时间宽度，并且随着用于驱动半导体光学放大器210的电流密度增加，激光的脉冲时间宽度变窄。另外，对于半导体光学放大器210的输出，随着驱动电流密度增加，认识到光谱显著变形。
即，在实施方式1的半导体激光设备组件中，可以建立τ1>τ2，其中τ1是入射到半导体光学放大器210上的激光的脉冲时间宽度并且τ2是从半导体光学放大器210输出的激光的脉冲时间宽度，并且τ2的值随着半导体光学放大器210的驱动电流值增加而减小。在半导体光学放大器210中，载流的带内弛豫时间优选为25飞秒以下。另外，从半导体光学放大器210输出的激光的光谱宽度为4.5THz以上(即，光谱宽度为2.5nm以上，脉冲时间宽度为100飞秒以下)。此外，与入射到半导体光学放大器210上的激光的光谱宽度相比，从半导体光学放大器210输出的激光的光谱宽度增加了2.5THz以上(即，光谱宽度为1nm以上)。
表4示出了当入射具有270飞秒的脉冲时间宽度的激光时从半导体光学放大器210输出的放大激光的特性。在表4中，“ASE”是放大自发射(ASE)的频谱，即，当没有激光入射时在操作半导体光学放大器时获得的光功率的值，并且“SOA输出”是当入射激光时从半导体光学放大器输出的激光的光功率的值。另外，“脉冲分量”是通过如下表达式获得的值：
{(从半导体光学放大器输出的激光的光功率的面积)-(ASE频谱中的光功率的面积)}/(从半导体光学放大器输出的激光的光功率的面积)。
“脉冲能量”是通过如下表达式获得的值：
(从半导体光学放大器输出的激光的光功率)×(脉冲分量)/(锁模半导体激光元件的脉冲重复频率)。
此外，“脉冲时间宽度”是通过如下表达式获得的值：
(相关波形的半峰全宽)×0.7。
“峰值功率”是通过如下表达式获得的值：
(脉冲能量的值)/(脉冲时间宽度的值)。
当半导体光学放大器210中的驱动电流密度为11×103安/cm2(驱动电流：1.8安)时，获得240毫瓦的半导体光学放大器输出，并获得最大205皮焦耳的脉冲能量。该值通过将240毫瓦的平均输出除以1.17GHz的重复频率而获得。假设从半导体光学放大器输出的激光的全部功率变为光脉冲。此时的脉冲时间宽度被评估为98飞秒。发现该脉冲时间宽度相对于入射到半导体光学放大器210上的激光的脉冲时间宽度(0.27皮秒)被压缩了大约1/2.7。即，半导体光学放大器210的驱动电流密度优选为5×103安/cm2以上。如图17所示，当ASE(放大自发射)与放大激光的光谱比较时，获得的贡献给激光的能量分量约为100皮焦耳。此时锁模半导体激光元件10的脉冲重复频率为1.17GHz。因此，激光的峰值功率可以通过将脉冲能量除以激光的脉冲时间宽度而获得，约为1千瓦。另外，基于侧峰值与主峰值之比，有效峰值功率被评估为大约800瓦。通过这种方式，在实施方式1中，当具有几百飞秒的、具有下啁啾的时间宽度的激光入射到具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体的半导体光学放大器上时，从半导体光学放大器输出的激光的能量被放大，激光的脉冲时间宽度被压缩，并且放大的激光的峰值功率增加。
【表4】
在例如GaAs的一般半导体光学放大器中，入射到半导体光学放大器上的激光的能量被放大，但激光的脉冲时间宽度不被半导体光学放大器压缩。如上所述，在通过半导体光学放大器放大之后使用利用色散光学元件的脉冲压缩器。
相反，在实施方式1中，在由GaN基化合物半导体代表的宽间隙半导体中，可以同时执行超短激光的放大和脉冲压缩。这是因为由于由GaN基化合物半导体代表的宽间隙半导体具有大激子束缚能和大有效质量，因此载流带内弛豫时间短于其他III-V族化合物，比如GaAs的载流带内弛豫时间。
即，在由实施方式1的半导体光学放大器210进行的激光的放大过程中，由半导体光学放大器210对能量放大的贡献大约为90倍并且由半导体光学放大器210进行的脉冲压缩的效果大约为2.7倍。由半导体光学放大器210对能量放大的贡献约为90倍的计算如下。即，该值通过将表4中的驱动条件“D”中的102pJ的脉冲能量除以值1.1pJ(入射到半导体光学放大器210上的激光的光功率)来获得，所述值1.1pJ通过将从锁模半导体激光元件组件发射的并穿过光谱整形装置114的1.3毫瓦的激光的平均光功率除以锁模半导体激光元件10的1.17GHz的脉冲重复频率来获得。如上所述，在实施方式1中，由半导体光学放大器210除进行的激光能量的增加之外，同时产生脉冲压缩效果。即，由于实施方式1的半导体激光设备组件包括色散补偿光学系统110，因此可以优化从锁模半导体激光元件组件发射的激光的啁啾状态和脉冲的伸长状态。另外，由于具有优化的啁啾状态和脉冲的伸长状态的激光入射到具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体的半导体光学放大器上，因此可以放大并且还可以压缩从半导体光学放大器输出的激光。可以显著地有效增加峰值功率。因此，由于脉冲压缩器不再布置在半导体光学放大器的下游，因此半导体激光设备组件可以在效率方面增加并在尺寸方面减小。
关于从半导体光学放大器输出的激光，强度的包络随时间改变，并且第三化合物半导体层(活性层)中的折射率通过自相位调制积极地改变。折射率随时间的改变变成伸长从半导体光学放大器输出的激光的光谱宽度的因子。如果由半导体光学放大器放大的激光具有皮秒级的脉冲时间宽度，在现有技术中，认为半导体光学放大器的增益的饱和在自相位调制效应方面占主导地位。在这种情况下，在半导体光学放大器的输出激光中发现的光谱的伸长主要在长波长侧处观察到。
在实施方式1中，除了相对于如图18中所示的入射激光的光谱的长波长侧之外，也在短波长侧处伸长半导体光学放大器的输出激光的光谱分量。在图18中，“A”表示入射到半导体光学放大器上的激光的光谱分量，“B”表示半导体光学放大器的输出激光的光谱分量，以及“C”表示ASE(放大自发射)频谱。流向半导体光学放大器的第二电极的驱动电流的驱动电流值为2.2安。通过自相位调制的光谱的伸长不但取决于通过半导体光学放大器的增益饱和进行的折射率的改变，而且还取决于半导体光学放大器相对于入射激光的非线性折射率时间响应。即，在短波长侧处观察到光谱的伸长的情况表明具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体的半导体光学放大器的非线性折射率时间响应相对于入射到半导体光学放大器上的激光的脉冲时间宽度足够快。参照S.Hughes and T.Kobayashi,Semiconductor Science and Technology,vol.12,p733(1997)，用于在导致激光振荡的阈值附近的载流密度的GaN的带内弛豫时间被评估为15飞秒，并且与GaAs相比被报告为较短。此高速弛豫时间可以通过自相位调制在没有增益饱和的情况下产生反斯托克斯分量，并且反斯托克斯分量可以有利于短波长侧处观察到的光谱分量。这被视为通过半导体光学放大器进行的脉冲放大和压缩与具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体的半导体光学放大器的特性效应同时发生的原因。
同时，如上所述，具有1×102Ω以上的分离电阻值的第二电极62优选形成在第二化合物半导体层50上。就GaN基半导体激光元件而言，与现有技术的GaAs基半导体激光元件不同，具有p型导电时间的化合物半导体中的移动性较小。因此，通过利用分离凹槽62C分离形成在其上的第二电极62而不通过离子注入等增加具有p型导电类型的第二化合物半导体层50的电阻，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值可以是第二电极62与第一电极61之间的电阻值的10倍以上，或第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值可以是1×102Ω以上。
在本文中，第二电极62所期望的特性如下：
(1)第二电极62具有当蚀刻第二化合物半导体层50时作为蚀刻掩模的功能。
(2)第二电极62可用于湿法蚀刻而不劣化第二化合物半导体层50的光学和电特性。
(3)当形成在第二化合物半导体层50上时，第二电极62具有10-2Ω·cm2以下的接触特定电阻值。
(4)就分层结构而言，形成下金属层的材料具有较大的功函数、相对于第二化合物半导体层50的低接触特定电阻值，并可用于湿法蚀刻。
(5)就分层结构而言，当形成脊状条形结构时形成上金属层的材料抵御蚀刻(例如，通过反应离子蚀刻(RIE)使用的Cl2气)，并可用于湿法蚀刻。
在实施方式1或实施方式2至实施方式15中的任一个(稍后描述)中，第二电极62由具有0.1μm的厚度的Pd单层形成。
具有超晶格结构(其中p型GaN层和p型AlGaN层交替堆叠)的p型GaN/AlGaN超晶格包覆层53具有0.7μm以下，或具体0.4μm的厚度。形成超晶格结构的p型GaN层具有2.5nm的厚度。形成超晶格结构的p型AlGaN层具有2.5nm的厚度。p型GaN层和p型AlGaN层的总层数为160层。另外，从第三化合物半导体层40至第二电极62的距离可以是1μm以下，或具体地0.5μm。此外，Mg以1×1019cm-3以上(具体地，2×1019cm-3)掺杂在形成第二化合物半导体层50的p型AlGaN电子势垒层52、p型GaN/AlGaN超晶格包覆层53、以及p型GaN接触层54中。第二化合物半导体层针对具有405nm的波长的光的吸收系数至少为50cm-1，或具体地为65cm-1。另外，当第二化合物半导体层50包括从第三化合物半导体层侧布置的非掺杂GaInN光学引导层51和p型化合物半导体层是，从第三化合物半导体层40至p型化合物半导体层(具体地，p型AlGaN电子势垒层52)的距离(d)为1.2×107m以下，或具体地为100nm。
在下文中，根据实施方式1等的锁模半导体激光元件的制造方法参照图43A、图43B、图44A、图44B和图45描述。图43A、图43B、图44A及图44B是当基板等沿YZ平面切割时的示意性局部横截面图。图45是当基板等沿XZ平面切割时的示意性局部端图。
【步骤-100】
通过现有MOCVD在基座构件上，或具体地，在n型GaN基板21的(0001)表面上形成分层结构体，其中具有第一导电类型(n型导电类型)并由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并形成发射区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42的第三化合物半导体层(活性层)40、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型(具体地，p型导电类型)并由GaN基化合物半导体制成的第二化合物半导体层50顺序堆叠(参见图43A)。
【步骤-110】
然后，在第二化合物半导体层50上形成条形第二电极62。具体地，通过真空沉积在整个表面上形成Pd层63(参见图43B)，并且然后通过光刻法在Pd层63上形成条形蚀刻抗蚀层。然后，通过使用王水，除去不利用蚀刻抗蚀层覆盖的Pd层63，然后除去蚀刻抗蚀层。因此，可以获得图44A中所示的结构。可替代地，可以通过剥离技术(lift-off)在第二化合物半导体层50上形成条形第二电极62。
【步骤-120】
然后，蚀刻第二化合物半导体层50的至少一部分，同时第二电极62被用作蚀刻掩模(具体地，蚀刻第二化合物半导体层50的一部分)，并因此形成脊状条形结构。具体地，当第二电极62被用作蚀刻掩模时通过利用Cl2气的RIE蚀刻第二化合物半导体层50的一部分。因此，可以获得图44B中所示的结构。通过这种方式，由于当图案化为条形的第二电极62被用作蚀刻掩模时通过自对准形成脊状条形结构，因此在第二电极62和脊状条形结构之间不产生对准偏移。
【步骤-130】
然后，形成用于在第二电极62中形成分离凹槽的抗蚀层64(参见图45)。参考符号65表示设置在用于形成分离凹槽的抗蚀层64中的开口。然后，分离凹槽62C通过湿法蚀刻形成在第二电极62中，同时抗蚀层64被用作湿法蚀刻掩模。因此，第二电极62通过分离凹槽62C分为第一部分62A和第二部分62B。具体地，王水被用作蚀刻溶液，并且整个结构浸在王水中大约10秒。因此，分离凹槽62C形成在第二电极62中。然后，除去抗蚀层64。因此，可以获得图2和图3中所示的结构。通过这种方式，由于采用了湿法蚀刻，与干法蚀刻不同，可以防止第二化合物半导体层50在光学和电特性方面劣化。因此，锁模半导体激光元件的光发射特性不劣化。如果采用了干法蚀刻，则可以增加第二化合物半导体层50的内部损耗αi，可以增加阈值电压，并且可以减小光学输出。在本文中，建立表达式如下：
ER0/ER1≈1×102，
其中，ER0是第二电极62的蚀刻率并且ER1是分层结构体的蚀刻率。
通过这种方式，由于第二电极62与第二化合物半导体层50之间存在高蚀刻选择比，因此第二电极62可以可靠地蚀刻而不蚀刻分层结构体(或即使蚀刻分层结构体，该量也非常小)。优选满足ER0/ER1≥1×10，更优选满足ER0/ER1≥1×102。
第二电极可以具有分层结构，所述分层结构包括由钯(Pd)制成的具有20nm的厚度的下金属层和由镍(Ni)制成的具有200nm的厚度的上金属层。在本文中，就利用王水的湿法蚀刻而言，镍的蚀刻率大约是钯的蚀刻率的1.25倍。
【步骤-140】
然后，形成n侧电极，劈开基板，并且进一步地，执行封装。因此，可以制造锁模半导体激光元件10。
通过四探针法来测量锁模半导体激光元件10的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值。结果，当分离凹槽62C的宽度为20μm时，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值为15kΩ。另外，在所制造的锁模半导体激光元件10中，通过使直流电流通过发射区域41从第二电极62的第一部分62A流向第一电极61以提供正向偏置状态，并通过在第一电极61与第二电极62的第二部分62B之间施加反向偏置电压Vsa而将电场施加至可饱和吸收区域42，可以提供自脉动操作。即，第二电极62的第一部分62A与第二部分62B之间的电阻值为第二电极62与第一电极61之间的电阻值的10倍以上，或可替代地为1×102Ω以上。因此，可以可靠地限制泄漏电流从第二电极62的第一部分62A流向第二部分62B。结果，发射区域41可以处于正向偏置状态，并且可饱和吸收区域42可靠地处于反向偏置状态。可以可靠地产生单模自脉动操作。
实施方式2
实施方式2是实施方式1的变形。对于通过半导体光学放大器进行的激光的脉冲放大，期望增益的饱和能量较大的以获得较大能量。由于这个原因，减小对应于活性层的体积与由光学波导中的光模占据的体积之比的光学限制因子是有效的。在实施方式2中，减小半导体光学放大器的光学限制因子。具体地，在实施方式2中，半导体光学放大器具体地是使用平板耦合光学波导放大器(SCOWA)结构的半导体光学放大器。尽管实施方式1中的光学限制因子为2.6％，但是在实施方式2中的光学限制因子为0.8％。
在具有SCOWA结构的半导体光学放大器中，棒状光学波导耦合至平板状(板状)二维光学波导，并且光弱弱地限制在平板和棒的耦合部分中。由于第三化合物半导体层(活性层)设置在棒状光学波导中，因此可以减小由活性层至激光的模场占据的体积，并且因此可以设置具有较低光学限制因子的半导体光学放大器。稍后在实施方式11中详细描述了具有SCOWA结构的半导体光学放大器的详细配置和结构。
下面将描述当激光由实施方式2的具有SCOWA的半导体光学放大器放大时的放大特性。类似于实施方式1，从锁模半导体激光元件组件发射的激光入射到实施方式2的半导体光学放大器上。色散补偿光学系统110中的色散补偿量为负。流向锁模半导体激光元件10的第二电极的增益电流I为100毫安并且反向偏置电压Vsa为-11伏。具有传输带Δλ＝1.3nm的带通滤波器被用作光谱整形装置并因此整形光谱。因此，可获得具有380飞秒的脉冲时间宽度和0.82毫瓦的平均功率的激光。另外，从该锁模半导体激光元件产生的脉冲重复频率为413MHz。该值为基本频率，所述基本频率根据外部谐振器的长度确定。在实施方式2的具有低光学限制因子的半导体光学放大器中，由于减小了ASE频谱，因此增加了载流的恢复时间。因此，有利的是入射脉冲的时间间隔为纳秒级以上，以获得较大的脉冲能量。
然后，描述当脉冲激光入射到实施方式2的半导体光学放大器上时获得的放大激光输出。图19A至图19D示出了从实施方式2的半导体光学放大器输出的脉冲激光对驱动电流密度的依存性。图19A至图19D中的数据是表5(稍后描述)中的驱动条件A、B、C和D下的数据。表5示出了在这些驱动条件下获得的各种数据(驱动电流(单位：安)，从半导体光学放大器输出的激光的脉冲时间宽度(单位：飞秒)，及取决于相应驱动电流密度的在来自半导体光学放大器的放大输出之后的脉冲激光的特性。在表5中，第一行数据至第四行数据是在15℃的温度下的数据，第五行数据是在20℃的温度下的数据。在任何情况下，观察到从半导体光学放大器输出的激光的脉冲时间宽度小于入射激光的脉冲时间宽度。另外，脉冲时间宽度随着驱动电流密度增加而减小。尤其是，当驱动电流值为2.2安时，如果半导体光学放大器的驱动温度为20℃，则脉冲能量因为ASE频谱降低而增加，并且峰值功率因为脉冲时间宽度变窄而变为最大。图20A示出了相关波形(时间波形)，图20B示出了此时的光谱。脉冲时间宽度为81飞秒，脉冲能量为162皮焦耳，峰值功率对应于1.5千瓦。为了计算脉冲能量，执行图21A中所示的光谱分析，半导体光学放大器的输出分为ASE频谱和脉冲分量，并且识别有利于产生光脉冲的分量。值为80％。在图21A中，“A”表示半导体光学放大器的输出激光强度，“B”表示ASE频谱，多个“C”表示当半导体光学放大器的输出激光强度被分解时的光谱。另外，在相关波形中，利用中心较大的峰值观察到较小的侧脉冲。如图21B所示，基于由“A”表示的相关波形(时间波形)与高斯函数的脉冲理论形状之间的比较，脉冲能量可以被估计为半导体光学放大器的大约75％的输出激光强度。当通过这种方式获得分配给侧脉冲的能量时，可以获得1.5千瓦的最终峰值功率。即，在具有减小的光学限制因子的SCOWA半导体光学放大器中，认识到短波长侧处的光谱分量显著增加。为了减小光学限制因子，例如，可以采用具有强波导结构而不是SCOWA的半导体光学放大器。
【表5】
在表5中通过从脉冲能量中减去子脉冲分量而获得的值是主脉冲的能量。峰值功率可以通过将主脉冲的能量除以脉冲时间宽度来获得。即，给出表达式如下：
(峰值功率)＝(脉冲能量)×(1-子脉冲分量)/脉冲宽度。
例如，就表5中的最低行而言，给出表达式如下：
162皮焦耳×(1-0.25)/0.081皮秒＝1.5千瓦。
实施方式3
实施方式3是实施方式1和实施方式2任一个的变形。改变色散补偿光学系统的配置。
在实施方式3中，外部谐振器结构包括色散补偿光学系统120和局部反射镜123。具体地，如图22A的概念图所示，色散补偿光学系统120包括一对衍射光栅121和122。从锁模半导体激光元件10发射的脉冲激光与第一衍射光栅121碰撞，并且发射第一阶以上的衍射光，该光与第二衍射光栅122碰撞，发射第一阶以上的衍射光，并且该光到达形成外部谐振器的一端的局部反射镜123。第一衍射光栅121和第二衍射光栅122布置为相互平行。然后，激光的已经到达局部反射镜123的一部分穿过局部反射镜123，并发射至半导体光学放大器210。相反，激光的已经到达局部反射镜123的残余部分通过第二衍射光栅122和第一衍射光栅121被反馈至锁模半导体激光元件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，可以改变色散补偿光学系统120中的群速度色散值。
要注意，要使用的衍射光栅的数量可以为一个。在这种情况下，来自衍射光栅的衍射光入射到局部反射镜上，并且从锁模半导体激光元件发射的激光收集在局部反射镜处。通过利用相同的光路将由局部反射镜反射的光反馈至衍射光栅，可以获得与当衍射光栅彼此面对时获得的效果相同的效果。色散补偿量可以通过改变衍射光栅与局部反射镜之间的距离来改变。在这种情况下，由于从局部反射镜发射的光是发散光，因此配置为校准光束的部分(portion)优选设置在谐振器外侧。另外，在实施方式3中，期望使用反射衍射光栅。然而，可以使用透射衍射光栅，只要可以形成具有类似功能的外部谐振器即可。
可替代地，如图22B中的概念图所示，色散补偿光学系统130包括一对棱镜131和132。从锁模半导体激光元件10发射的脉冲激光穿过第一棱镜131，进一步穿过第二棱镜132，并到达形成外部谐振器的一端的局部反射镜133。第一棱镜131和第二棱镜132以点对称的方式布置。然后，激光的已经到达局部反射镜133的一部分穿过局部反射镜133，并发射至半导体光学放大器210。相反，激光的已经到达局部反射镜133的残余部分穿过第二棱镜132和第一棱镜131，并反馈至锁模半导体激光元件10。通过改变第一棱镜131与第二棱镜132之间的距离，可以改变色散补偿光学系统120中的群速度色散值。
要注意，将要使用的棱镜的数量可以为一个。在这种情况下，已经穿过棱镜的光入射到局部反射镜上，并且从锁模半导体激光元件发射的激光收集在局部反射镜处。通过利用相同光路将由局部反射镜反射的光反馈至棱镜，可以获得与当设置两个棱镜时获得的效果相同的效果。色散补偿量可以通过改变棱镜与局部反射镜之间的距离来改变。在这种情况下，由于从局部反射镜发射的光是发散光，因此配置为校准光束的部分优选设置在谐振器外侧。
可替代地，如图23中的概念图所示，色散补偿光学系统140包括Gires-Tournois干涉仪141。Gires-Tournois干涉仪141包括反射率为1的反射镜141A和反射率小于1的局部反射镜141B。通过控制反射镜141A与局部反射镜141B之间的距离，或通过调节入射激光的入射角，可以改变色散补偿光学系统140中的群速度色散值。从锁模半导体激光元件10发射的脉冲激光由平面镜142反射，穿过局部反射镜141B，并由反射镜141A反射，再次穿过局部反射镜141B，并到达形成外部谐振器的局部反射镜143。然后，激光的已经到达局部反射镜143的一部分穿过局部反射镜143，并发射至半导体光学放大器210。相反，激光的已经到达局部反射镜143的残余部分穿过局部反射镜141B，由反射镜141A反射，再次穿过局部反射镜141B和平面镜142，并反馈至锁模半导体激光元件10。
可替代地，色散补偿光学系统包括介电多层膜镜。在这种情况下，通过调节入射激光的入射角，可以改变色散补偿光学系统中的群速度色散值。
实施方式4
实施方式4也是实施方式1和实施方式2的任一个的变形。改变色散补偿光学系统的配置。在下文中，描述了实施方式4的色散补偿光学设备；然而，在这之前，描述实施方式4的色散补偿光学设备的原理等。
图24是透射体积全息衍射光栅的示意性局部横截面图。在透射体积全息衍射光栅中，具有厚度L的衍射光栅构件(光敏聚合物材料)311被布置在两个玻璃基板312和313(折射率：N)之间。在衍射光栅构件311中，周期折射率调制比Δn(在图24中用粗线表示)通过使用双束干涉而设置为相互平行。通过如下表达式(1)给出入射激光被衍射的条件：
kI v+m·Kv＝kv...(1)，
其中kI v是入射激光的波数矢量，kv是衍射光的波数矢量，Kv是折射率的周期调制的倒易晶格矢量(在下文中，被称为“衍射光栅矢量”)，并且m是整数。为了表述矢量，为了方便描述而添加上标“v”。
在本文中，入射激光和衍射光的波数矢量kI v和kv是玻璃基板312和313的波数矢量。假设φin是激光对色散补偿光学设备(更具体地，玻璃基板312)的入射角并且φout是激光从色散补偿光学设备(更具体地，玻璃基板313)的发射角。入射角φin和发射角φout是相对于透射体积全息衍射光栅的激光入射面的法线形成的角。在本文中，通过使用折射率调制比Δn的周期P通过如下表达式(2)给出衍射光栅矢量Kv：
|Kv|＝2π/P...(2)
另外，通过如下表达式(3)给出衍射光栅矢量Kv的幅度：
K＝k[{sin(θin)+sin(θout)}2+{cos(θin)-cos(θout)}2]1/2＝k[2{1-cos(θin+θout)}]1/2...(3)，
其中θin是激光对衍射光栅构件311的入射角，θout是激光离开衍射光栅构件311的激光的发射角(衍射角)，并且λ是入射激光的波长。
因此，通过如下表达式(4)给出折射率调制比Δn的周期P：
P＝λ/[2{1-cos(θin+θout)}]1/2...(4)。
与此同时，由于即使只考虑每个矢量的衍射光栅平面中的分量(图24中的x分量)，表达式(1)的衍射条件也保持通用性，因此，可以通过如下表达式(5)重写衍射条件：
kI,x v+m·Kx v＝kx v...(5)。
另外，基于表达式(5)，如果获得激光相对于透射体积全息衍射光栅的入射角φin与发射角(衍射角)φout之间的关系，则通过如下表达式(6)给出关系：
sin(φin)+m·(λ/P)·sin(ψ)＝sin(φout)...(6)，
其中ψ是由透射体积全息衍射光栅的法线和衍射光栅矢量Kv形成的角。相对于衍射光栅构件311的入射角θin与衍射角θout之间的关系具有如下表达式(7)的关系：
sin(ψ)＝{sin(θin)+sin(θout)}/[2{1-cos(θin+θout)}]1/2...(7)。
可以计算衍射光的角色散对波长的依存性，并且通过如下表达式(8)给出依存性：
dφout/dλ＝{sin(θin)+sin(θout)}/{N·λ·cos(θout)}...(8)。
在实施方式4的色散补偿光学设备中，由表达式(8)表示的空间色散的波长依存性用于超短脉冲的压缩和伸长。另外，高吞吐量通过透射体积全息衍射光栅的衍射效率来确定。然后，衍射效率η可近似于如下表达式(9)：
η＝sin2[(π·Δn·L)/2λ{cos(θin)·cos(θout)}1/2]·Sinc2[Δkz·(L/2)]...(9)。
在本文中，sin2的项是根据形成透射体积全息衍射光栅的衍射光栅构件的折射率调制比Δn和厚度L确定的入射激光和衍射光的耦合常数。Sinc2的项对应于当波长从布拉格衍射条件偏移时的衍射效率的变化(参见Tsung-Yuan Yang,et al.,"Femtosecond laser pulse compression using volumephase transmission holograms",Applied Optics,1July1985,Vol.24,No.13)。衍射波长的带通过伸长透射体积全息衍射光栅中允许的倒易晶格矢量来确定。通过如下表达式(10)给出由入射波长的变化导致的波数矢量的差Δk：
Δk＝2π·N{1/(λ+Δλ)-1/λ}≈-(2π·N)(Δλ/λ2)...(10)。
此时，通过如下表达式(11)给出衍射光栅平面中的波数矢量分量Δkz：
Δkz＝Δk{1-cos(θin+θout)}/cos(θout)...(11)。
如果使用表达式(11)，则用于脉冲压缩的波长带的衍射效率可以近似于表达式(12)：
η＝sin2[(π·Δn·L)/2λ{cos(θin)·cos(θout)}1/2]·Sinc2[π·N·L·(Δλ/λ2){1-cos(θin+θout)}/cos(θout)]...(12)。
然后，获得满足要求的透射体积全息衍射光栅的条件。在本文中，表达式(12)被描述为两个函数的积，并且包括与根据折射率调制比Δn指示衍射效率的sin2成比例的项，以及与取决于入射激光的波数矢量与衍射光的波数矢量之间的差的Sinc2成比例的项。
实施方式4的色散补偿光学设备满足如下要求：
(A)90％以上的高吞吐量，以及
(B)较大的空间色散，以及
在根据第一形式的色散补偿光学设备中，
(C)激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度。
(A)关于高吞吐量的提供
为了提供高吞吐量，必须提供在将要使用的波长带中尽可能高的衍射效率。在表达式(12)中，仅Sinc2的项取决于波长带。如果假设sin2的项在某个条件下为“1”，给出表达式(13)如下：
η≈inc2[π·N·L·(Δλ/λ2){1-cos(θin+θout)}/cos(θout)]...(13)。
利用表达式(13)，为了满足η≥90％，必须满足表达式(14)如下：
|π·N·L·(Δλ/λ2){1-cos(θin+θout)}/cos(θout)|≤0.553...(14)。
在本文中，“0.553”是使Sinc2的项变为0.9以上的值。因此，通过如下表达式(15)或表达式(A)推导出形成用于满足具有要使用的波长λ的带(进行脉冲压缩/伸长的激光的光谱宽度)Δλ的透射体积全息衍射光栅的衍射光栅构件的厚度L和折射率N的条件：
|1-cos(θin+θout)}/cos(θout)|≤{0.553/(π·N·L)}(λ2/Δλ)...(15)/(A)。
表达式(15)也可以利用进行压缩/伸长的激光脉冲的脉冲时间宽度Δτ来写。如果光脉冲波形是如下高斯函数，则可被色散补偿光学设备压缩的光脉冲的脉冲时间宽度Δτ和频率宽度Δv具有下列关系，同时，对于傅里叶极限脉冲，关系变为方程：
Δτ·Δν≤0.441...(16)。
另外，频率宽度Δv可以通过使用波长λ、波长宽度Δλ、以及光速C0(2.99792458×108m/秒)并且如果λ>>Δλ近似于如下表达式(17)：
Δν＝C0{1/λ-1/(λ+Δλ)}≈C0(Δλ/λ2)...(17)。
当使用表达式(17)时，时间带宽度积的不等式可以通过使用光速和波长带被重写为如下表达式(18)：
Δτ≤(0.441/Δν)≈0.441{λ2/(C0·Δλ}...(18)。
当使用表达式(18)时，与衍射光栅构件的厚度L有关的条件可以通过使用允许脉冲压缩的最小脉冲时间宽度Δτ被重写为如下表达式(19)：
|{1-cos(θin+θout)}/cos(θout)|≤(0.553·Δτ·C0)/(0.441π·N·L)...(19)。
在这种情况下，由于高斯函数被假设为脉冲波形，因此“0.441”被用作时间带宽积的最小值。然而，可以假设其他脉冲波形。例如，就Sech2函数而言，“0.315”可以用作时间带宽积的最小值。
(B)关于较大的空间色散
为了形成较小色散补偿光学设备，必须增加通过透射体积全息光栅进行的角色散。为了增加角色散，必须增加对通过表达式(8)给出的波长的角色散依存性。通过如下表达式(20)给出具有与折射率调制比Δn的周期P相同的规定的规定衍射光栅的角色散：
dφout/dλ＝1/{Pcos(θout)}≤2/{λcos(θout)}...(20)。
当表达式(20)与表达式(8)相比时，发现透射体积全息光栅的角色散减小了大约1/(2N)。因此，作为与规定衍射光栅相比可以提供大约1/3的空间色散的条件，考虑条件如下：
sin(θin)+sin(θout)≥1。
如果角的条件被转化为下列条件：
{1-cos(θin+θout)}/cos(θout)，
则条件可以被估算为表达式(21)：
{1-cos(θin+θout)}/cos(θout)>0.3...(21)。
当使条件对应于表达式(15)或表达式(19)时，作为形成透射体积全息光栅的衍射光栅构件的厚度L的条件，当条件为用于Sinc2项中的脉冲时间宽度和厚度L表达式时，(22)可以基于波长带的描述获得，并且表达式(23)可以基于脉冲时间宽度的描述获得：
L≤{0.553/(0.3·π·N)}(λ2/Δλ)...(22)，以及
L≤(0.553·Δτ·C0)/(0.3×0.441·π·N)...(23)。
此外，通过如下表达式(24)给出用于最大化sin2项的条件：
L＝{(1+2m)·λ/Δn}·{cos(θin)·cos(θout)}1/2...(24)。
然后，基于表达式(24)，通过如下表达式(25)或表达式(B)给出用于使衍射效率为90％以上的条件：
{(0.8+2m)·λ/Δn}·{cos(θin)·cos(θout)}1/2≤L≤{(1.2+2m)·λ/Δn}·{cos(θin)·cos(θout)}1/2...(25)/(B)。
如果衍射光栅构件311的折射率调制比Δn是预定值，则衍射光栅构件的厚度L必须满足上述条件。由于折射率调制比Δn取决于二束干涉的曝光时间，因此难以唯一确定折射率调制比Δn。然而，上限通过衍射光栅构件311的性质来确定。因此，描述了根据折射率调制比Δn确定衍射光栅构件的厚度L的要求。
(C)关于当激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度时的情况的考虑事项
为了形成可用于容易光学轴调节的色散补偿光学设备，必须满足下列方程：
φin+φout＝90度。
尤其是，如果φout>φin，则表达式(8)中的角色散可以较大。图25示出了空间色散相对于φout的依存性dφout/dλ。
在下文中，给出在φin≈φout且θin≈θout情况下透射体积全息光栅的衍射效率的计算实例。
图26示出了取决于折射率调制比Δn的sin2的项的计算结果。对于该计算，波长在表达式(12)中是固定的，并且提取与sin2项成比例的项。另外，使用下列值。当L＝70μm时，与sin2项成比例的项变为最大。
折射率调制比Δn＝0.005
波长λ＝405nm
衍射光栅构件上的入射角θin＝28度
接下来，图27示出了当固定L＝70μm、折射率调制比Δn＝0.005、以及波长λ＝405nm的条件时在改变入射激光的光谱宽度时的衍射效率的变化。观察到明显的波长依存性；然而，指示95％以上的衍射效率的波长伸长相对于具有405nm的波长的光大约为±0.2nm。波长伸长对应于在傅里叶转换极限处具有超短脉冲的大约0.6皮秒的脉冲时间宽度，并且是可以施加至具有比脉冲时间宽度更大的时间宽度的超短脉冲的波长带。因此，应用可用于由锁模半导体激光元件产生的激光脉冲，所述锁模半导体激光元件由InGaN基化合物半导体层制成。
通过适当选择如上所述的折射率调制比Δn的条件，可以提供在期望波长的期望衍射角具有90％以上的衍射效率的透射体积全息光栅。然后，通过使用此，在下列实施方式中描述的色散补偿光学设备的整个吞吐量可以为80％以上。
实施方式4涉及根据第一形式的色散补偿光学设备，或更具体地涉及色散补偿光学设备等-A。图28是实施方式4的半导体激光设备组件的一部分的概念图。透射体积全息衍射光栅的示意性局部横截面图在图24中示出。另外，沿锁模半导体激光元件10的谐振器的延伸方向的示意性端面图在图2中示出。沿正交于锁模半导体激光元件的谐振器的延伸方向的方向的示意性横截面图在图3中示出。
实施方式4的色散补偿光学设备410A包括被布置为彼此面对的两个透射体积全息衍射光栅(第一透射体积全息衍射光栅411和第二透射体积全息衍射光栅412)。在每个透射体积全息衍射光栅411和412中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度。即，建立φin+φout＝90度。
通过调节第一透射体积全息衍射光栅411与第二透射体积全息衍射光栅412之间的距离，可以控制色散补偿光学设备的群速度色散值(色散补偿量)。与此同时，如果(φin+φout)的值不为90度，则当增加第一透射体积全息衍射光栅411与第二透射体积全息衍射光栅412之间的距离时，相应地改变来自色散补偿光学设备的第一阶衍射光的发射位置。因此，如果改变群速度色散值(色散补偿量)，则相应地必须调节光学系统。然而，通过将(φin+φout)的值设为90度，不改变来自色散补偿光学设备的第一阶衍射光的发射位置，并且群速度色散值(色散补偿量)的调节变得容易。
第一透射体积全息衍射光栅411和第二透射体积全息衍射光栅412被布置为相互平行。另外，在实施方式4的色散补偿光学设备410A中，在激光从锁模半导体激光元件10入射到其上的第一透射体积全息衍射光栅411中，第一阶衍射光的发射角φout大于激光的入射角φin。即，给出表达式如下：
φout>φin。
相反，在第一阶衍射光从第一透射体积全息衍射光栅411入射到其上的第二透射体积全息衍射光栅412中，第一阶衍射光的发射角φout可以小于激光的入射角φin。即，给出表达式如下：
φout<φin。
此外，在第一透射体积全息衍射光栅411处的激光的入射角φin等于在第二透射体积全息衍射光栅412处的第一阶衍射光的发射角(衍射角)φout，并且在第一透射体积全息衍射光栅411处的第一阶衍射光的发射角(衍射角)φout等于在第二透射体积全息衍射光栅412处的第一阶衍射光的入射角φin。
在实施方式4的色散补偿光学设备410A中，入射到第一透射体积全息衍射光栅411上的激光被第一透射体积全息衍射光栅411衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，并且该光进一步入射到第二透射体积全息衍射光栅412上，该光被第二透射体积全息衍射光栅412衍射并反射，并且该光发射至半导体光学放大器210作为第一阶衍射光。在色散补偿光学设备410A中，群速度色散值(色散补偿量)为负。群速度色散值可以通过改变色散补偿光学设备410A中的第一透射体积全息衍射光栅411与第二透射体积全息衍射光栅412之间的距离来控制。入射到第一透射体积全息衍射光栅411上的激光和从第二透射体积全息衍射光栅412发射的激光基本上相互平行。
用作用于校准来自锁模半导体激光元件10的激光的校准装置11的具有4.0mm的焦距的非球面凸透镜和局部反射镜12被布置在锁模半导体激光元件10的第二端面与色散补偿光学设备410A之间。锁模半导体激光元件10的第一端面和局部反射镜12形成外部谐振器结构。从锁模半导体激光元件10的第二端面发射的激光与局部反射镜12碰撞。激光的一部分穿过局部反射镜12并入射到第一透射体积全息衍射光栅411上。残余部分反馈至锁模半导体激光元件10。
在实施方式4的色散补偿光学设备中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度。因此，通过高衍射效率可以提供具有高吞吐量的小色散补偿光学设备。另外，色散补偿光学设备可以在尺寸方面减小，并且增加了布置形成色散补偿光学设备的光学组件的自由度。此外，可以增加通过表达式(8)给出的对波长的角色散的依存性。另外，由于衍射角可以按任意角设计，因此可以增加色散补偿光学设备的光学设计的自由度，并且可以轻易调节色散补偿光学设备中的群速度色散值(色散补偿量)。因此，可以达到布置形成色散补偿光学设备的光学组件的高自由度。
实施方式5
实施方式5是实施方式4的变形，并涉及色散补偿光学设备等-B。实施方式5的色散补偿光学设备410B(其概念图在图29A中示出)在半导体激光设备组件中形成第一透射体积全息衍射光栅411，并且进一步包括被布置为相互平行的第一反射镜4131和第二反射镜4132。从第二透射体积全息衍射光栅412发射的激光可以与第一反射镜4131碰撞并由所述第一反射镜4131反射，并且然后可以与第二反射镜4132碰撞并由所述第二反射镜4132反射。在本文中，由第二反射镜4132反射的激光基本上位于入射到第一透射体积全息衍射光栅411上的激光的延伸线上。因此，色散补偿光学设备410可以容易布置到并插入现有光学系统中。如果调节第一透射体积全息光栅411与第二透射体积全息光栅412之间的距离，则第二透射体积全息光栅412和第一反射镜4131可以被移动以使得不改变第二透射体积全息光栅412与第一反射镜4131之间的位置关系。在色散补偿光学设备410B中，色散补偿量为负。
除了上述点之外，实施方式5中的色散补偿光学设备具有类似于实施方式4中的色散补偿光学设备的配置和结构；并因此省略详细描述。
实施方式6
实施方式6也是实施方式4的变形，并涉及色散补偿光学设备等-C。实施方式6中的色散补偿光学设备410C(其概念图在图29B中示出)在半导体激光设备组件中形成第一透射体积全息衍射光栅411。第一透射体积全息衍射光栅411设置在由玻璃制成的基座构件414的第一表面414A上。第二透射体积全息衍射光栅412设置在基座构件414的第二表面414B上，第二表面414B与第一表面414A相对。在实施方式6中的色散补偿光学设备410C中，基座构件414的厚度可以被改变以改变两个透射体积全息衍射光栅411和412之间的距离。因此，可以改变群速度色散值。在这种情况下，群速度色散值为负。入射到第一透射体积全息衍射光栅411上的激光和从第二透射体积全息衍射光栅412发射的激光基本上相互平行。
除了上述点之外，实施方式6中的色散补偿光学设备具有类似于实施方式4中的色散补偿光学设备的配置和结构；并因此省略详细描述。
实施方式7
实施方式7也是实施方式4的变形，并涉及色散补偿光学设备等-D。实施方式7中的色散补偿光学设备410D(其概念图在图30A中示出)包括第一透射体积全息衍射光栅411、第二透射体积全息衍射光栅412及反射镜415。入射到第一透射体积全息光栅411上的激光被第一透射体积全息光栅411衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，进一步入射到第二透射体积全息光栅412上，被第二透射体积全息光栅412衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，与反射镜415碰撞，并被反射镜415反射。然后激光再次入射到第二透射体积全息光栅412上，被第二透射体积全息光栅412衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，再次进一步入射到第一透射体积全息光栅411上，被第一透射体积全息光栅411衍射并反射，并发射至半导体光学放大器210。为了使激光从第一透射体积全息光栅411发射至半导体光学放大器210，反射镜415的角在正交于衍射方向的方向上稍微倾斜。即，在图30A中反射镜415可以绕z轴稍微旋转。因此，可以空间分离入射激光和发射激光。在实施方式10(稍微描述)中，这可以适用。群速度色散值可以通过改变色散补偿光学设备410D中的第一透射体积全息衍射光栅411与第二透射体积全息衍射光栅412之间的距离来控制。在这种情况下，群速度色散值为负。群速度色散值可以通过将光收集装置(透镜)布置在第二透射体积全息衍射光栅412与反射镜415之间，固定反射镜415与光收集装置之间的距离，并改变第二透射体积全息衍射光栅412与光收集装置之间的距离来控制。
如图30B的概念图所示，局部反射镜416可以被布置来代替反射镜415，使得入射到第一透射体积全息光栅411上的激光被第一透射体积全息光栅411衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，进一步入射到第二透射体积全息光栅412上，被第二透射体积全息光栅412衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，与局部反射镜416碰撞，激光的一部分发射至半导体光学放大器210，并且残余部分被局部反射镜416反射。然后，激光再次入射到第二透射体积全息光栅412上，被第二透射体积全息光栅412衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，再次进一步入射到第一透射体积全息光栅411上，被第一透射体积全息光栅411衍射并反射，并反馈至锁模半导体激光元件10。甚至在这种情况下，色散补偿光学设备410D(更具体地，局部反射镜416)和锁模半导体激光元件10的第一端面形成外部谐振器结构，并且不再使用图28中所示的局部反射镜12。
除了上述点之外，实施方式7中的色散补偿光学设备具有类似于实施方式4中的色散补偿光学设备的配置和结构；并因此省略详细描述。
实施方式8
实施方式8是实施方式4、实施方式5、以及实施方式7中的任一个的变形。与此同时，第一透射体积全息衍射光栅411处的第一阶衍射光的发射角φout的实际上限值取决于衍射光从玻璃基板313发射而不全反射的条件。即，如图31A所示，如果衍射光在玻璃基板313中全反射，则难以从第一透射体积全息衍射光栅411中提取衍射光。
在实施方式8中，如图31B的示意性局部横截面图所示，在实施方式8的色散补偿光学设备410E中形成透射体积全息衍射光栅的发射侧玻璃基板313A具有带倾斜面313a和313b的棱镜形状，并且衍射光从玻璃基板313A的倾斜面313a发射。因此，可以获得衍射光不被玻璃基板313A全反射的结构。要注意，形成透射体积全息衍射光栅的入射侧玻璃基板312A的表面312a不与倾斜面313a或313b平行。倾斜面313a的倾斜角优选被设置使得发射角φout'例如是0±10度，所述发射角φout'是由倾斜面313a的法线和第一阶衍射光形成的角。
除了上述点之外，实施方式8中的色散补偿光学设备具有类似于实施方式4、实施方式5、以及实施方式7中任一个的色散补偿光学设备的配置和结构；并因此省略详细描述。
实施方式9
实施方式9涉及根据第二形式的色散补偿光学设备。图32是其中安装有实施方式9的色散补偿光学设备的半导体激光设备组件的一部分的概念图。实施方式9的色散补偿光学设备510包括被布置为彼此面对的两个透射体积全息衍射光栅(第一透射体积全息衍射光栅511和第二透射体积全息衍射光栅512)。在每个透射体积全息衍射光栅511和512中，激光的入射角φin基本上等于第一阶衍射光的发射角φout(具体地，在实施方式9中相等)。另外，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度。即，建立φin＝φout＝45度。
除了上述点之外，实施方式9中的色散补偿光学设备510具有类似于实施方式4中的色散补偿光学设备410A的配置和结构。另外，实施方式9中的色散补偿光学设备510可以具有类似于任何实施方式5至实施方式8中的任一个的色散补偿光学设备的配置和结构，但建立φin＝φout＝45度除外。因此，省略详细描述。色散补偿光学设备510中的群速度色散值为负。
在实施方式9的色散补偿光学设备中，激光的入射角φin基本上等于第一阶衍射光的发射角φout。因此，可以提供高衍射效率的具有高吞吐量的小型色散补偿光学设备。另外，色散补偿光学设备可以减小尺寸，并且布置形成色散补偿光学设备的光学组件的自由度较高。此外，由于衍射角可以按任意角设计，因此可以增加色散补偿光学设备的光学设计的自由度，并且可以容易调节色散补偿光学设备中的群速度色散值(色散补偿量)。因此，可以达到布置形成色散补偿光学设备的光学组件的高自由度。
实施方式10
实施方式10涉及根据第三形式的色散补偿光学设备。图33A示出了实施方式10的色散补偿光学设备610的概念图。实施方式10的色散补偿光学设备610包括：
透射体积全息衍射光栅611和反射镜613，
在透射体积全息衍射光栅611中，激光的入射角φin基本上等于第一阶衍射光的发射角φout(具体地，在实施方式10中相等)，并且
从锁模半导体激光元件10发射的激光入射到透射体积全息衍射光栅611上，被衍射，作为第一阶衍射光发射，与反射镜613碰撞，被反射镜613反射，再次入射到透射体积全息衍射光栅611上，被衍射，并发射至半导体光学放大器。
可替代地，如图33B的概念图中所示，实施方式10的色散补偿光学设备610包括：
透射体积全息衍射光栅611和反射镜613，
在透射体积全息衍射光栅611中，激光的入射角φin和第一阶衍射光的发射角φout的和为90度，并且
从锁模半导体激光元件10发射的激光入射到透射体积全息衍射光栅611上，被衍射，作为第一阶衍射光发射，与反射镜613碰撞，被反射镜613反射，再次入射到透射体积全息衍射光栅611上，被衍射，并发射至半导体光学放大器210。
另外，光收集装置(透镜)612被布置在透射体积全息衍射光栅611与反射镜613之间。通过改变透射体积全息衍射光栅611与反射镜613之间的距离，改变群速度色散值(色散补偿量)。具体地，在光收集装置612与反射镜613之间的距离是固定的时，通过改变透射体积全息衍射光栅611与光收集装置612之间的距离，可以改变群速度色散值。例如，如果透射体积全息衍射光栅611与光收集装置612之间的距离等于光收集装置612的焦距，则不改变从透射体积全息衍射光栅611至光收集装置612的激光和被反射镜613反射并通过光收集装置612入射到透射体积全息衍射光栅611上的激光的角色散。因此，在这种情况下，通过色散补偿光学系统给出的色散补偿量为零。相反，如果透射体积全息衍射光栅611与光收集装置612之间的距离大于光收集装置612的焦距，则由透射体积全息衍射光栅611衍射的激光中的长波长分量的光路变得比短波长分量的光路长。在这种情况下，形成负群速度色散。即，群速度色散值变为负。另外，如果透射体积全息衍射光栅611与光收集装置612之间的距离小于光收集装置612的焦距，则群速度色散值变为正。
在实施方式10中，色散补偿光学设备610和锁模半导体激光元件10的第一端面形成外部谐振器结构。
除了上述点之外，实施方式10中的色散补偿光学设备具有类似于实施方式4中的色散补偿光学设备的配置和结构；并因此省略详细描述。
由于实施方式10的色散补偿光学设备包括透射体积全息衍射光栅611和反射镜613，因此可以提供高衍射效率的、具有高吞吐量的小色散补偿光学设备。另外，色散补偿光学设备在尺寸方面可以减小，并且布置形成色散补偿光学设备的光学组件的自由度较高。此外，由于衍射角可以按任意角设计，因此可以增加色散补偿光学设备的光学设计的自由度，并且可以容易调节色散补偿光学设备中的群速度色散值(色散补偿量)。因此，可以达到布置形成色散补偿光学设备的光学组件的高自由度。
实施方式11
实施方式11是实施方式1至实施方式10中的任一个的变形。在实施方式11中，减小形成半导体激光设备组件的半导体光学放大器的光学限制因子的值。实施方式11中的半导体光学放大器对应于具有第一配置的半导体光学放大器。
图34是当在垂直于半导体光学放大器的轴线的假定平面中切割半导体光学放大器时的半导体光学放大器的示意性局部横截面图。如图34所示，通过顺序堆叠具有第一导电类型的第一化合物半导体层71、由化合物半导体制成的第三化合物半导体层(活性层，增益区域)73、以及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72所形成的分层结构体顺序布置在基座构件70上。在本文中，第一化合物半导体层71具有分层结构，该分层结构包括从基座构件侧的第一包覆层(n型AlGaN层)71A和第一光学引导层(n型GaN层)71B。另外，满足如下表达式：
6×10-7m<t1，
或更优选地，
8×10-7m≤t1，
其中t1是第一光学引导层71B的厚度，以及t1'是形成脊状条形结构75的第一光学引导层的部分71B'的厚度。
另外，满足如下表达式：
0(m)<t1'≤0.5·t1，
或更优选地，
0(m)<t1'≤0.3·t1。
具体地，在实施方式11中，给出如下表达式：
t1＝1.25μm，并且
t1'＝0.15μm。
另外，脊状条形结构75分别具有1.0mm的长度和1.6μm的宽度。
具体地，基座构件70由n型GaN基板制成，化合物半导体层设置在n型GaN基板的(0001)表面上。另外，包括第一化合物半导体层71、活性层73及第二化合物半导体层72的分层结构体由GaN基化合物半导体，更具体地是AlGaInN基化合物半导体制成，更具体地，分层结构体具有表6中所示的层配置。在本文中，在表6中，位于下侧的化合物半导体层是接近基座构件70的层。在活性层73中形成量子阱层的化合物半导体具有3.06eV的带隙。活性层73具有包括量子阱层和势垒层的量子阱结构。势垒层具有掺杂浓度优选在从2×1017cm-3至1×1020cm-3的范围内的杂质(具体地，硅(Si))。另外，由SiO2/Si制成的分层绝缘膜76形成在脊状条形结构75的两侧上。SiO2层是下层并且Si层是上层。另外，第二电极(p侧欧姆电极)62形成在对应于脊状条形结构75的顶部表面的p型GaN接触层74上。相反，由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n侧欧姆电极)61形成在基座构件70的被面上。在实施方式11中，第二电极62由具有0.1μm的厚度的Pd单层形成。p型AlGaN电子势垒层72A具有10nm的厚度，第二光学引导层(p型AlGaN层)72B具有50nm的厚度，第二包覆层(p型AlGaN层)72C具有0.5μm的厚度，并且p型GaN接触层74具有100nm的厚度。此外，Mg以1×1019cm-3以上(具体地，2×1019cm-3)被掺杂在形成第二化合物半导体层72的p型AlGaN电子势垒层72A、第二光学引导层72B、第二包覆层72C以及p型GaN接触层74中。同时，第一包覆层(n型AlGaN)71A具有2.5μm的厚度。光学引导层(n型GaN层)71B具有上述厚度。第一光学引导层71B的厚度(1.25μm)大于第二光学引导层72B的厚度(100nm)。另外，当第一光学引导层71B由GaN制成时，可替代地，第一光学引导层71B可以由具有带隙比活性层73大且带隙比第一包覆层71A小的化合物半导体制成。
【表6】
第二化合物半导体层72
p型GaN接触层(掺杂Mg)74
第二包覆层(p型Al0.05Ga0.95N层(掺杂Mg))72C
第二光学引导层(p型Al0.01Ga0.99N层(掺杂Mg))72B
p型Al0.20Ga0.80N电子势垒层(掺杂Mg)72A
活性层73
GaInN量子阱活性层73
(量子阱层：Ga0.92In0.08N/势垒层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层71
第一光学引导层(n型GaN层)71B
第一包覆层(n型Al0.03Ga0.97N层)71A
其中
量子层(两层)：10nm【非掺杂】
势垒层(三层)：12nm【掺杂密度(Si)：2×1018cm-3】
在实施方式11的半导体光学放大器的情况下，由于确定了第一光学引导层的厚度t1，因此可以减小光学限制因子。另外，由于光场强度分布的峰值从活性层偏移至第一光学引导层，因此在活性层附近位置的光密度可以在高输出操作期间减小。可以防止光学损耗，并且可以获得高输出。另外，在实施方式11中，由于确定了形成脊状条形结构的第一光学引导层的部分的厚度t1'，因此将要输出的光束可以变成单模光束。另外，由于平板波导的宽度基本上等于第一光学引导层的厚度，因此可以获得接近完整圆圈的光束横截面形状。不发生光收集特性在利用透镜或光纤的应用中减小的问题。
实施方式12
实施方式12是实施方式11的半导体光学放大器的变形。图35是当在垂直于实施方式12的半导体光学放大器的轴线的假定平面中切割半导体光学放大器时的半导体光学放大器的示意性局部横截面图。如图35所示，沿半导体光学放大器的轴向方向延伸的两个凹部81形成在基座构件70中。另外，在实施方式11中描述的分层结构体形成在整个表面上，即，在两个凹部81和被布置在两个凹部81之间的基座构件70的区域82上。此外，第二电极62设置在基座构件70的区域82上方。
在本文中，第一化合物半导体层71具有包括从基座构件侧布置的第一包覆层和第一光学引导层的分层结构。
满足表达式如下：
6×10-7m<t1
或更优选地，
8×10-7m≤t1，
其中t1是布置在两个凹部81之间的基座构件70的区域82上方的第一光学引导层的厚度，TTotal是分层结构体的总厚度，并且D是每个凹部81的深度。
另外，满足表达式如下：
(TTotal-0.5·t1)≤D≤TTotal
或更优选地，
(TTotal-0.3·t1)≤D≤TTotal。
具体地，在实施方式12中，给出表达式如下：
t1＝1.25μm，并且
TTotal＝4.1μm，并且
D＝3.7μm。
另外，每个凹部81具有20μm的宽度，布置在两个凹部81之间的基座构件70的区域82的宽度为1.5μm。
除了上述点之外，实施方式12中的半导体光学放大器具有类似于实施方式11中的半导体光学放大器的配置和结构；并因此省略详细描述。
在实施方式12的半导体光学放大器中，由于确定了布置在两个凹部之间的基座构件的区域(位于两个凹部之间的基座构件的部分)上方的第一光学引导层的厚度t1，因此在高输出操作期间可以减小活性层附近的位置处的光密度。不但可以防止光学损耗，而且增加了放大激光的饱和能量，并且可以获得高输出。另外，在实施方式12的半导体光学放大器中，由于确定了凹部的深度D，因此将要输出的光束变为单模光束。另外，由于平板波导的宽度基本上等于第一光学引导层的厚度，因此可以获得接近完整圆圈的光束横截面形状。不发生光收集特性在利用透镜或光纤的应用中减小的问题。
实施方式13
实施方式13是实施方式11和实施方式12的任一个的变形。图36是示意性局部横截面图。如图36所示，在实施方式13的半导体光学放大器中，第一半导体光学放大器71具有包括从基座构件70侧布置的第一包覆层71A和第一光学引导层71b1和71b2的分层结构。高折射率层79形成在第一光学引导层71b1和71b2之间。高折射率层79由折射率比形成第一化合物半导体层71的化合物半导体材料的折射率高的化合物半导体材料制成。具体地，高折射率层79由具有50nm的厚度的In0.02Ga0.98N制成。假设从活性层73与上层第一光学引导层71b2之间的界面至上层第一光学引导层71b2与高折射率层79之间的界面的距离为0.35μm。在本文中，满足表达式如下：
0.01≤nHR-nG-1≤0.1，
其中nG-1是形成第一光学引导层71b1和71b2的化合物半导体层材料的折射率，nHR是形成高折射率层79的化合物半导体层的折射率，nAc是形成活性层73的化合物半导体材料的平均折射率。
另外，满足表达式如下：
nHR≤nAc。
具体地，给出表达式如下：
nHR＝2.547，
nG-1＝2.520，并且
nAc＝2.620。
实施方式14
实施方式14也是实施方式1和实施方式10的任一个的变形。在实施方式14中，减小形成半导体激光设备组件的半导体光学放大器的光学限制因子的值。实施方式14中的半导体光学放大器对应于具有第二配置的半导体光学放大器。
图37是示意性局部横截面图。如图37所示，在实施方式14的半导体光学放大器中，分层结构体具有由在第二化合物半导体层的厚度方向上的至少一部分形成的脊状条形结构95；第一化合物半导体层91具有大于0.6μm的厚度；并且高折射率层99形成在第一化合物半导体层91中，由具有比形成第一化合物半导体层91的化合物半导体材料的折射率更高的折射率的化合物半导体制成高折射率层99。具体地，第一化合物半导体层91具有包括从基座构件侧的第一包覆层91A和第一光学引导层91B的分层结构。光学引导层91B具有大于0.6μm的厚度，并且高折射率层99形成在第一光学引导层91B中。在本文中，第一光学引导层91B具有其中堆叠第一部分(第一A光学引导层91B1)、高折射率层99、以及第二部分(第一B光学引导层91B2)的配置。
假设包括高折射率层99的第一光学引导层91B的总厚度为1.25μm。另外，从活性层93与第一光学引导层91B之间的界面(活性层93与第一B光学引导层91B2之间的界面)至位于活性层侧的第一光学引导层91B的一部分(第一B光学引导层91B2)与高折射率层99之间的界面的距离为0.25μm以上，或具体地，在实施方式14中为0.35μm。即，第一B光学引导层91B2具有0.35μm的厚度。高折射率层99由具有50nm的厚度的In0.02Ga0.98N制成。满足表达式如下：
0<nHR-nG-1≤0.3，
或更优选地，
0.02≤nHR-nG-1≤0.2，
其中nG-1是形成第一光学引导层91B1和91B2的化合物半导体层材料的折射率，nHR是形成高折射率层99的化合物半导体层的折射率，nAc是形成活性层93的化合物半导体材料的平均折射率。
另外，满足表达式如下：
nHR≤nAc。
具体地，给出表达式如下：
nHR＝2.547，
nG-1＝2.520，并且
nAc＝2.620。
另外，脊状条形结构95分别具有1.0nm的长度和1.6μm的宽度。半导体光学放大器输出单模光束。
具体地，基座构件90由n型GaN基板制成，并且化合物半导体层设置在n型GaN基板的(0001)表面上。另外，包括第一化合物半导体层91、活性层93、以及第二化合物半导体层92的分层结构体由GaN基化合物半导体，更具体地是AlGaInN基化合物半导体制成，更具体地，分层结构体具有表7中所示的层配置。在本文中，在表7中，位于下侧的化合物半导体层是接近基座构件90的层。在活性层93中形成量子阱层的化合物半导体具有3.06eV的带隙。活性层93具有包括量子阱层和势垒层的量子阱结构。势垒层具有掺杂浓度优选在从2×1017cm-3至1×1020cm-3的范围内的杂质(具体地，硅(Si))。另外，由SiO2/Si制成的分层绝缘膜96形成在脊状条形结构95的两侧上。SiO2层是下层并且Si层是上层。另外，第二电极(p侧欧姆电极)62形成在对应于脊状条形结构95的顶部表面的p型GaN接触层94上。相反，由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n侧欧姆电极)61形成在基座构件90的后表面上。在实施方式14中，第二电极62由具有0.1μm的厚度的Pd单层形成。p型AlGaN电子势垒层92A具有10nm的厚度，第二光学引导层(p型AlGaN层)92B具有50nm的厚度，第二包覆层(p型AlGaN层)92C具有0.5μm的厚度，并且p型GaN接触层94具有100nm的厚度。此外，Mg以1×1019cm-3以上(具体地，2×1019cm- -3)被掺杂在形成第二化合物半导体层92的p型AlGaN电子势垒层9A、第二光学引导层92B、第二包覆层92C、以及p型GaN接触层94中。与此同时，第一包覆层(n型AlGaN)91A具有2.5μm的厚度。包括高折射率层99的第一光学引导层(n型GaN层)91B的总厚度如上所述为1.25μm，并且第一光学引导层91B的总厚度(1.25μm)大于第二光学引导层92B的厚度(100nm)。另外，尽管第一光学引导层91B由GaN制成，但是可替代地，第一光学引导层91B可以由具有带隙比活性层93大并且带隙比第一包覆层91A小的化合物半导体制成。
【表7】
第二化合物半导体层92
p型GaN接触层(掺杂Mg)94
第二包覆层(p型Al0.05Ga0.95N层(掺杂Mg))92C
第二光学引导层(p型Al0.01Ga0.99N层(掺杂Mg))92B
p型Al0.20Ga0.80N电子势垒层(掺杂Mg)92A
活性层93
GaInN量子阱活性层93
(量子阱层：Ga0.92In0.08N/势垒层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层91
第一B光学引导层(n型GaN层)91B2
高折射率层(n型In0.02Ga0.98N高折射率层)99
第一A光学引导层(n型GaN层)91B1
第一包覆层(n型Al0.03Ga0.97N层)91A
其中
量子层(两层)：10nm【非掺杂】
势垒层(三层)：12nm【掺杂密度(Si)：2×1018cm-3】
图38示出了第二包覆层92C、第二光学引导层92B、p型AlGaN电子势垒层92A、活性层93、第一91B2、高折射率层99、第一A光学引导层91B1、以及第一包覆层91A的折射率分布和光场强度分布的计算的结果。由于存在高折射率层99，因此光场强度朝第一包覆层91A侧偏移。图38中的横轴绘制距p型GaN接触层(掺杂Mg)94与第二电极62之间的界面的距离。另外，图39示出了当基于高折射率层99的厚度为30nm和50nm来改变第一B光学引导层91B2的厚度时在计算光学限制因子时的结果。参照图39，如果第一B光学引导层91B2的厚度为0.25μm以上，则可以达到低光学限制因子。另外，作为各种分析的结果，发现高折射率层99的厚度优选为50nm以下以可靠地防止从半导体光学放大器输出的光束变为多束。另外，发现由InGaN制成的高折射率层99中的In原子的百分比优选小于5％以可靠地防止从半导体光学放大器输出的光束变为多束。
在实施方式14中，高折射率层设置在第一光学引导层中；然而，高折射率层有时可以设置在第一包覆层上。在这种情况下，形成高折射率层的化合物半导体材料的折射率高于形成第一包覆层的化合物半导体材料的折射率。
实施方式15
实施方式15是在实施方式1至实施方式14中的任一个描述的锁模半导体激光元件的变形，并涉及具有第三配置的锁模半导体激光元件。在实施方式1中，锁模半导体激光元件10设置在C表面上，C表面是具有极性的晶体面的n型GaN基板21的(0001)表面。同时，如果使用此基板，则由于量子限制史塔克效应(QCSE)通过第三化合物半导体层(活性层)40处的压电极化和自发极化导致的内部场有时可能难以电地控制可饱和吸收。即，在一些情况下，可能期望增加流向第一电极的直流电流的值和施加至可饱和吸收区域的反向偏置电压的值，以获得自脉动操作和锁模操作。另外，发现可以产生伴随主脉冲的子脉冲分量，并且可能难以在外部信号与光学脉冲之间具有同步性。
为了防止此现象发生，发现形成第三化合物半导体层(活性层)40的量子阱层的厚度优选被优化，并且形成第三化合物半导体层40的势垒层中的杂质掺杂密度优选被优化。
具体地，形成GaInN量子阱活性层的量子阱层的厚度优选在从1nm至10.0nm的范围内，或更优选在从1nm至8nm的范围内。通过减小量子阱层的厚度，可以减小压电极化和自发极化的影响。另外，势垒层的杂质掺杂浓度优选在从2×1018cm-3至1×1020cm-3的范围内，或更优选在从1×1019cm-3至1×1020cm-3的范围内。在本文中，杂质可以是硅(Si)或氧(O)。由于势垒层的杂质掺杂密度是此密度，因此可以增加活性层的载流，并且可以减小压电极化和自发极化的影响。
在实施方式15中，包括由三个势垒层(由Ga0.98In0.02N制成)和两个量子阱层(Ga0.92In0.08N)制成的GaInN量子阱活性层的具有表3中所示的层配置的第三化合物半导体层(活性层)40具有如表8中所示的配置。另外，在参考实例15中的锁模半导体激光元件中，具有表3中所示的层配置的第三化合物半导体层40的配置如表8中所示。
【表8】
实施方式15 参考实例15
量子阱层 8nm 10.5nm
势垒层 12nm 14nm
量子阱层的杂质掺杂密度 非掺杂 非掺杂
势垒层的杂质掺杂密度 Si：2×1018cm-3 非掺杂
在实施方式15中，量子阱层具有8nm的厚度，Si以2×1018cm-3掺杂在势垒层中，并因此减小活性层中的QCSE效应。相反，在参考实例15中，量子阱层具有10.5nm的厚度，并且在势垒层中不掺杂杂质。
通过施加至发射区域的直流电流和施加至可饱和吸收区域的反向偏置电压Vsa来确定锁模，与实施方式1相同。测量实施方式15和参考实例15的注入电流与光输出之间的关系的反向偏置电压依存性。因此，在参考实例15中，随着反向偏置电压Vsa增加，利用其逐渐开始激光振荡的阈值电流增加，并且此外，利用比实施方式15的反向偏置电压Vsa更地的反向偏置电压Vsa来产生变化。这表明，在实施方式15中的活性层中，可饱和吸收区域的的效应由反向偏置电压Vsa电地控制。甚至在参考实例15中，当反向偏置适用于可饱和吸收区域时，识别出单模(单个基本横模)的自脉动操作和锁模(锁模)操作。当然，参考实例15包括在本发明中。
描述了本发明的优选实施方式，然而，本发明不限于所述实施方式。半导体激光设备组件、半导体光学放大器、锁模半导体激光元件、色散补偿光学系统和色散补偿光学设备的配置和结构仅仅是示例，并且可以适当变形。另外，尽管实施方式提供了各种值，但是这些值也仅仅是示例。例如，如果改变将要使用的锁模半导体激光元件和半导体光学放大器的规格，则值可相应地改变。例如，锁模半导体激光元件和半导体光学放大器的轴线可以按预定角与脊状条形结构的轴线相交，或脊状条形结构的平面形状可以是锥形的。
发射区域41的数量和可饱和吸收区域42的数量不限于1。图40和图41示出了锁模半导体激光元件的示意性端面图(多段(多电极)锁模半导体激光元件)。图40是单个第一部分62A的一端通过一个分离凹槽62C1面对一个第二部分62B1，并且第一部分62A的另一端通过另一个分离凹槽62C2面对另一个第二部分62B2的锁模半导体激光元件的示意性端面图。另外，第一发射区域41布置在两个可饱和吸收区域(421和422)之间。可替代地，图41是设置有第二电极的两个第一部分62A1和62A2和第二电极的单个第二部分62B的锁模半导体激光元件的示意性端面图。在锁模半导体激光元件中，第二部分62B的一端通过一个分离凹槽62C1面对第一部分62A1，并且第二部分62B的另一端通过另一个分离凹槽62C2面对另一个第一部分62A2。另外，第一可饱和吸收区域42布置在两个可饱和吸收区域411和412之间。
锁模半导体激光元件可以是具有倾斜脊状条形分离限制异质结构的半导体激光元件。图42是在这样的锁模半导体激光元件中的脊状条形结构55'的上部侧的示意性图示。锁模半导体激光元件优选具有两个直线形脊状条形结构组合的结构并优选具有两个脊状条形结构在其彼此相交的角θ的值如下：
0<θ≤10(度)，
或更优选地，
0<θ≤6(度)。
由于采用了倾斜脊状条形结构，因此涂有无反射涂层的第二端面的反射率可以变为接近0％的理想值。因此，可以防止在锁模半导体激光元件中循环的激光的产生，并且可以限制伴随主激光的附带激光的产生。
在实施方式中，锁模半导体激光元件和半导体光学放大器设置在为{0001}表面的C表面上，C表面是n型GaN基板的极性表面。可替代地，锁模半导体激光元件和半导体光学放大器可以设置在作为{11-20}表面的A表面、作为{1-100}表面的M表面、其每一个为非极性表面的{1-102}表面；或者包括{11-24}表面和{11-22}表面的{11-2n}表面、{10-11}表面和作为半极性表面的{10-12}表面上。因此，即使在锁模半导体激光元件和半导体光学放大器的第三化合物半导体层(活性层)中产生压电极性和自发极性，在第三化合物半导体层的厚度方向上不产生压电极性，但在正交于第三化合物半导体层的厚度方向的方向上产生压电极性。因此，可以消除由压电极性和自发极性导致的有缺陷的影响。要注意，{11-2n}表面表示相对于C表面成基本上40度的非极性表面。另外，如果锁模半导体激光元件10设置在非极性表面或半极性表面上，则可以消除在实施方式15中描述的量子阱层的厚度(从1nm至10nm)的限制和势垒层的杂质掺杂密度(从2×1018cm-3至1×1020cm-3)的限制。
本发明可以具有如下配置。
【A01】<<半导体激光设备组件>>
一种半导体激光设备组件，包括：
锁模半导体激光元件组件，包括：
锁模半导体激光元件，以及
色散补偿光学系统，从所述锁模半导体激光元件发射的激光入射到所述色散补偿光学系统上并且从所述色散补偿光学系统发射所述激光；以及
半导体光学放大器，具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体，所述半导体光学放大器被配置为放大从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光。
【A02】在【A01】中所述的半导体激光设备组件中，
建立τ1>τ2，
其中，τ1是入射到所述半导体光学放大器上的所述激光的脉冲时间宽度并且τ2是从所述半导体光学放大器输出的所述激光的脉冲时间宽度，以及
τ2的值随着所述半导体光学放大器的驱动电流值的增加而减小。
【A03】在【A01】或【A02】中所述的半导体激光设备组件中，从所述半导体光学放大器输出的所述激光具有4.5THz以上的光谱宽度。
【A04】在【A01】至【A03】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述半导体光学放大器具有5×103安/cm2以上的驱动电流密度。
【A05】在【A01】至【A04】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述半导体光学放大器具有3％以下的光学限制因子。
【A06】在【A01】至【A05】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，从所述半导体光学放大器输出的所述激光的光谱宽度相对于入射到所述半导体光学放大器上的所述激光的光谱宽度增加了2.5THz以上。
【A07】在【A01】至【A06】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述锁模半导体激光元件是具有1×1010瓦/cm2以上的峰值功率的光密度和1×1019/cm3以上的载流密度的电流注入锁模半导体激光元件。
【A08】在【A01】至【A07】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述色散补偿光学系统具有负的群速度色散值。
【A09】在【A01】至【A07】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述半导体激光设备组件利用导致发射至所述半导体光学放大器的所述激光的脉冲时间宽度为最小值的群速度色散值来操作或利用在所述群速度色散值附近的值来操作。
【A10】在【A01】至【A07】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，当所述色散补偿光学系统中的群速度色散值从第一预定值GVD1单调改变至第二预定值GVD2时，如果|GVD1|<|GVD2|，则从所述锁模半导体激光元件组件发射并入射到所述半导体光学放大器上的所述激光的脉冲时间宽度减小，过最小值PWmin，然后增加。
【A11】在【A10】中所述的半导体激光设备组件中，
满足如下表达式：
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|≥2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|
如果
|GVD1/GVDmin|＝0.5，并且
|GVD2/GVDmin|＝2，
其中，GVDmin是当发射至所述半导体光学放大器的所述激光的所述脉冲时间宽度是所述最小值PWmin时的所述色散补偿光学系统的群速度色散最小值，PW1是当所述色散补偿光学系统中的所述群速度色散值是负的所述第一预定值GVD1时的所述激光的脉冲时间宽度，并且PW2是当所述色散补偿光学系统中的所述群速度色散值是负的第二预定值GVD2时的所述激光的脉冲时间宽度。
【A12】在【A10或【A11】中的半导体激光设备组件中，所述半导体激光设备组件利用导致发射至所述半导体光学放大器的所述激光的所述脉冲时间宽度为所述最小值PWmin的群速度色散最小值GVDmin来操作，或利用在所述群速度色散最小值GVDmin附近的值来操作。
【A13】在【A10】至【A12】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，入射到所述半导体光学放大器上的所述激光相对于主振荡频率具有-60dB以下的噪声分量。
【A14】在【A01】至【A13】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，从所述锁模半导体激光元件组件输出的所述激光具有负的频率啁啾和0.5皮秒以下的脉冲时间宽度。
【A15】在【A01】至【A14】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述锁模半导体激光元件具有1GHz以下的所述激光的重复频率。
【A16】在【A01】至【A15】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，所述锁模半导体激光元件具有可饱和吸收区域。
【A17】在【A01】至【A16】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，
所述锁模半导体激光元件具有通过顺序堆叠层形成的分层结构体，所述层包括：
第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成并具有第一导电类型，
第三化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成，以及
第二化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成并具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型。
【A18】在【A01】至【A17】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，从所述锁模半导体激光元件发射的所述激光入射到所述色散补偿光学系统上，入射到所述色散补偿光学系统上的所述激光的一部分从所述色散补偿光学系统发射并反馈至所述锁模半导体激光元件，并且入射到所述色散补偿光学系统上的所述激光的残余部分入射到所述半导体光学放大器上。
【A19】在【A01】至【A18】中的任一项所述的半导体激光设备组件中，进一步包括：整形从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光的光谱的光谱整形部分，并且整形之后的所述激光入射到所述半导体光学放大器上。
【A20】在【A19】中所述的半导体激光设备组件中，
所述光谱整形部分由具有介电多层膜的带通滤波器形成，以及
从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光多次通过所述带通滤波器。
【A21】在【A20】中所述的半导体激光设备组件中，由包含单个半波长谐振器的介电多层膜谐振器形成所述带通滤波器。
【A22】在【A20】中所述的半导体激光设备组件中，由包含多个半波长谐振器的介电多层膜谐振器形成所述带通滤波器。
【A23】在【A20】中所述的半导体激光设备组件中，由包含具有半波长的整数倍的波长的谐振器的介电多层膜谐振器形成所述带通滤波器。
【A24】在【A20】中所述的半导体激光设备组件中，针对比已经穿过所述带通滤波器的所述激光的光谱峰值的半峰小的光谱，由与高斯函数形成的光谱的面积相比从所述高斯函数偏移20％以下的带通滤波器形成所述带通滤波器。
【B01】<<根据第一形式的色散补偿光学设备>>
在【A01】至【A24】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述色散补偿光学系统由包括被布置为彼此面对的第一透射体积全息衍射光栅和第二透射体积全息衍射光栅的色散补偿光学设备形成，并且
在每个透射体积全息光栅中，激光的入射角和第一阶衍射光的发射角的和为90度。
【B02】在【B01】中所述的半导体激光设备组件中，在激光从所述锁模半导体激光元件入射在其上的所述第一透射体积全息衍射光栅中，所述第一阶衍射光的所述发射角大于所述激光的所述入射角。
【B03】<<根据第二形式的色散补偿光学设备>>
在【A01】至【A24】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述色散补偿光学系统由包括被布置为彼此面对的第一透射体积全息衍射光栅和第二透射体积全息衍射光栅的色散补偿光学设备形成，并且
在每个透射体积全息光栅中，激光的入射角基本上等于第一阶衍射光的发射角。
【B04】在【B03】中所述的半导体激光设备组件中，所述激光的所述入射角和所述第一阶衍射光的所述发射角的和为90度。
【B05】在【B01】至【B04】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，入射到所述第一透射体积全息衍射光栅上的所述激光被所述第一透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，并进一步入射到所述第二透射体积全息衍射光栅上，被所述第二透射体积全息衍射光栅衍射，并作为第一阶衍射光发射至系统的外侧。
【B06】在【B05】中所述的半导体激光设备组件中，进一步包括：
被布置为相互平行的第一反射镜和第二反射镜，并且
从所述第二透射体积全息衍射光栅发射的所述激光与所述第一反射镜碰撞并被所述第一反射镜反射，并且然后与所述第二反射镜碰撞并被所述第二反射镜反射。
【B07】在【B06】中所述的半导体激光设备组件中，由所述第二反射镜反射的所述激光基本上位于入射到所述第一透射体积全息衍射光栅上的所述激光的延伸线上。
【B08】在【B01】至【B04】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述第一透射体积全息衍射光栅设置在基座构件的第一表面上，并且
所述第二透射体积全息衍射光栅设置在所述基座构件的与所述第一表面相对的第二表面上。
【B09】在【B01】至【B04】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，进一步包括：
反射镜，
入射到所述第一透射体积全息衍射光栅上的所述激光被所述第一透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，进一步入射到所述第二透射体积全息衍射光栅上，被所述第二透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，并与所述反射镜碰撞，并且
由所述反射镜反射的所述激光再次入射到所述第二透射体积全息衍射光栅上，由所述第二透射体积全息衍射光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，进一步再次入射到所述第一透射体积全息衍射光栅上，由所述第一透射体积全息衍射光栅衍射，并发射至系统的外侧。
【B10】在【B01】至【B04】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，进一步包括：
局部反射镜，
入射到所述第一透射体积全息光栅上的所述激光被所述第一透射体积全息光栅衍射并反射，作为第一阶衍射光发射，进一步入射到所述第二透射体积全息光栅上，由所述第二透射体积全息光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，与所述局部反射镜碰撞，所述光的一部分发射至系统的外侧，所述光的残余部分作为第一阶衍射光发射，光再次入射到所述第二透射体积全息光栅上，由所述第二透射体积全息光栅衍射，作为第一阶衍射光发射，再次进一步入射到所述第一透射体积全息光栅上，并由所述第一透射体积全息光栅衍射。
【B11】在【B01】至【B10】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，通过改变两个透射体积全息衍射光栅之间的距离来改变群速度色散值。
【B12】<<根据第三形式的色散补偿光学设备>>
在【A01】至【A24】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述色散补偿光学系统由色散补偿光学设备形成，所述色散补偿光学设备包括：
透射体积全息衍射光栅和反射镜，
在所述透射体积全息衍射光栅中，激光的入射角和第一阶衍射光的发射角的和为90度，或所述激光的所述入射角基本上等于所述第一阶衍射光的所述发射角，并且
从所述半导体激光元件发射的所述激光入射到所述透射体积全息衍射光栅上，被衍射，作为第一阶衍射光发射，与所述反射镜碰撞，被所述反射镜反射，再次入射到所述透射体积全息衍射光栅上，被衍射，并发射至系统的外侧。
【B13】在【B12】中所述的半导体激光设备组件中，通过改变所述透射体积全息衍射光栅与所述反射镜之间的距离来改变群速度色散值。
【B14】在【B01】至【B13】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述透射体积全息衍射光栅具有以下结构，其中衍射光栅构件被布置在两个玻璃基板之间，并且
满足表达式(A)如下：
|1-cos(θin+θout)}/cos(θout)|≤{0.553/(π·N·L)}(λ2/Δλ)...(A)
其中λ是入射到所述衍射光栅构件上的所述激光的波长，Δλ是激光频谱宽度，θin是入射到所述衍射光栅构件上的所述激光的入射角，θout是衍射角，N是所述玻璃基板的折射率，L是所述衍射光栅构件的厚度。
【B15】在【B14】中所述的半导体激光设备组件中，
满足表达式(B)如下：
{(0.8+2m)·λ/Δn}·{cos(θin)·cos(θout)}1/2≤L≤{(1.2+
2m)·λ/Δn}·{cos(θin)·cos(θout)}1/2...(B)
其中m是整数，Δn是所述衍射光栅构件中的折射率调制比。
【C01】<<具有第一配置的半导体光学放大器>>
在【A01】至【B15】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
在所述色散补偿光学系统中，
所述第一化合物半导体层具有包括从基座构件侧堆叠的第一包覆层和第一光学引导层的分层结构，
所述分层结构体具有包括所述第二化合物半导体层、所述第三化合物半导体层、以及所述第一光学引导层的厚度方向上的一部分的脊状条形结构，并且
满足表达式如下：
6×10-7m<t1，并且
0(m)<t1'≤0.5·t1，
其中t1是所述第一光学引导层的厚度，t1'是形成所述脊状条形结构的所述第一光学引导层的所述部分的厚度。
【C02】在【C01】中所述的半导体激光设备组件中，满足表达式如下：
t1≤3×10-6m。
【C03】在【C01】或【C02】中所述的半导体激光设备组件中，所述半导体光学放大器输出单模光束。
【C04】在【C01】至【C03】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
满足表达式如下：
0.2≤LBY/LBX≤1.2，
其中LBX是在从所述分层结构体的光发射端面发射的所述光束的所述脊状条形结构的宽度方向上的尺寸，并且LBY是所述脊状条形结构的厚度方向上的尺寸。
【C05】在【C01】至【C04】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
沿所述分层结构体的所述光发射端面处的所述脊状条形结构的厚度方向从所述分层结构体中的所述活性层的中心点至从所述分层结构体发射的所述光束的中心点的距离YCC满足表达式如下：
t1'≤YCC≤t1。
【C06】在【C01】至【C05】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，由具有比形成所述第一光学引导层的化合物半导体材料的折射率更高的折射率的化合物半导体材料制成的高折射率层形成在所述第一光学引导层中。
【C07】在【C06】中所述的半导体激光设备组件中，
满足表达式如下：
0.01≤nHR-nG-1≤0.1，
其中nG-1是形成所述第一光学引导层的所述化合物半导体材料的折射率，nHR是形成所述高折射率层的所述化合物半导体材料的折射率。
【C08】在【C01】至【C07】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述第二化合物半导体层具有包括从基座构件侧堆叠的第二光学引导层和第二包覆层的分层结构体，并且
所述第一光学引导层具有比所述第二光学引导层的厚度大的厚度。
【D01】<<具有第二配置的半导体光学放大器>>
在【A01】至【B15】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
在所述色散补偿光学系统中，
所述分层结构体具有包括所述第二化合物半导体层的厚度方向上的至少部分的脊状条形结构，
所述第一化合物半导体层具有大于0.6μm的厚度，并且
由具有比形成所述第一化合物半导体层的化合物半导体材料的折射率更高的折射率的化合物半导体材料制成的高折射率层形成在所述第一化合物半导体层中。
【D02】在【D01】中所述的半导体激光设备组件中，
所述第一化合物半导体层具有包括从基座构件侧堆叠的第一包覆层和第一光学引导层的分层结构体，并且
所述第一光学引导层具有大于0.6μm的厚度，并且
所述高折射率层形成在所述第一光学引导层中。
【D03】在【D02】中所述的半导体激光设备组件中，从活性层与所述第一光学引导层之间的界面至所述第一光学引导层位于活性层侧的一部分与所述高折射率层之间的界面的距离为0.25μm以上。
【D04】在【D02】或【D03】中所述的半导体激光设备组件中，
满足表达式如下：
0<nHR-nG-1≤0.3，
其中nG-1是形成所述第一光学引导层的所述化合物半导体材料的折射率，nHR是形成所述高折射率层的所述化合物半导体材料的折射率。
【D05】在【D01】至【D04】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，所述半导体光学放大器输出单模光束。
【D06】在【D02】至【D05】的任一项中所述的半导体激光设备组件中，
所述第二化合物半导体层具有包括从基座构件侧堆叠的第二光学引导层和第二包覆层的分层结构体，并且
所述第一光学引导层具有比所述第二光学引导层的厚度大的厚度。本领域技术人员应该理解，根据设计需求和其它因素可以进行各种变形、组合、子组合和修改，只要其在所附权利要求或其等同内容的范围之内即可。

Claims (21)

1.一种半导体激光设备组件，包括：
锁模半导体激光元件组件，包括：
锁模半导体激光元件，以及
色散补偿光学系统，从所述锁模半导体激光元件发射的激光入射到所述色散补偿光学系统上并且从所述色散补偿光学系统发射所述激光；以及
半导体光学放大器，具有包括III-V族氮化物基半导体层的分层结构体，所述半导体光学放大器被配置为放大从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光。
2.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，
其中，建立τ1>τ2，
其中，τ1是入射到所述半导体光学放大器上的所述激光的脉冲时间宽度并且τ2是从所述半导体光学放大器输出的所述激光的脉冲时间宽度，以及
其中，τ2的值随着所述半导体光学放大器的驱动电流值的增加而减小。
3.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，从所述半导体光学放大器输出的所述激光具有4.5THz以上的光谱宽度。
4.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述半导体光学放大器具有5×103安/cm2以上的驱动电流密度。
5.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述半导体光学放大器具有3％以下的光学限制因子。
6.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，从所述半导体光学放大器输出的所述激光的光谱宽度相对于入射到所述半导体光学放大器上的所述激光的光谱宽度增加了2.5THz以上。
7.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述锁模半导体激光元件是具有1×1010瓦/cm2以上的峰值功率的光密度和1×1019/cm3以上的载流密度的电流注入锁模半导体激光元件。
8.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述色散补偿光学系统具有负的群速度色散值。
9.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述半导体激光设备组件利用导致发射至所述半导体光学放大器的所述激光的脉冲时间宽度为最小值的群速度色散值来操作或利用在所述群速度色散值附近的值来操作。
10.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，当所述色散补偿光学系统中的群速度色散值从第一预定值GVD1单调改变至第二预定值GVD2时，如果|GVD1|<|GVD2|，则从所述锁模半导体激光元件组件发射并入射到所述半导体光学放大器上的所述激光的脉冲时间宽度减小，过最小值PWmin，然后增加。
11.根据权利要求10所述的半导体激光设备组件，
其中，满足如下表达式：
(PW1-PWmin)/|GVDmin-GVD1|≥2×(PW2-PWmin)/|GVD2-GVDmin|，
如果
|GVD1/GVDmin|＝0.5，并且
|GVD2/GVDmin|＝2，
其中，GVDmin是当发射至所述半导体光学放大器的所述激光的所述脉冲时间宽度是所述最小值PWmin时的所述色散补偿光学系统的群速度色散最小值，PW1是当所述色散补偿光学系统中的所述群速度色散值是负的所述第一预定值GVD1时的所述激光的脉冲时间宽度，并且PW2是当所述色散补偿光学系统中的所述群速度色散值是负的所述第二预定值GVD2时的所述激光的脉冲时间宽度。
12.根据权利要求10所述的半导体激光设备组件，其中，所述半导体激光设备组件利用导致发射至所述半导体光学放大器的所述激光的所述脉冲时间宽度为所述最小值PWmin的群速度色散最小值GVDmin来操作，或利用在所述群速度色散最小值GVDmin附近的值来操作。
13.根据权利要求10所述的半导体激光设备组件，其中，入射到所述半导体光学放大器上的所述激光相对于主振荡频率具有-60dB以下的噪声分量。
14.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，从所述锁模半导体激光元件组件输出的所述激光具有负的频率啁啾和0.5皮秒以下的脉冲时间宽度。
15.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述锁模半导体激光元件具有1GHz以下的所述激光的重复频率。
16.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，所述锁模半导体激光元件具有可饱和吸收区域。
17.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，
其中，所述锁模半导体激光元件具有通过顺序堆叠层形成的分层结构体，所述层包括：
第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成并具有第一导电类型，
第三化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成，以及
第二化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成并具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型。
18.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，其中，从所述锁模半导体激光元件发射的所述激光入射到所述色散补偿光学系统上，入射到所述色散补偿光学系统上的所述激光的一部分从所述色散补偿光学系统发射并反馈至所述锁模半导体激光元件，并且入射到所述色散补偿光学系统上的所述激光的残余部分入射到所述半导体光学放大器上。
19.根据权利要求1所述的半导体激光设备组件，进一步包括：
整形从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光的光谱的光谱整形部分，
其中，整形之后的所述激光入射到所述半导体光学放大器上。
20.根据权利要求19所述的半导体激光设备组件，
其中，所述光谱整形部分由具有介电多层膜的带通滤波器形成，以及
其中，从所述锁模半导体激光元件组件发射的所述激光多次穿过所述带通滤波器。
21.根据权利要求20所述的半导体激光设备组件，
其中，由包含单个半波长谐振器的介电多层膜谐振器形成所述带通滤波器。
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