以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
1.本発明の半導体レーザ装置組立体及び半導体光増幅器組立体、全般に関する説明
2.実施例1(本発明の半導体レーザ装置組立体)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1の別の変形)
5.実施例4(本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体)
6.実施例5(実施例4の変形)
7.実施例6(本発明の第2の態様及び第3の態様に係る半導体光増幅器組立体)
8.実施例7(実施例6の変形)、その他
[本発明の半導体レーザ装置組立体及び半導体光増幅器組立体、全般に関する説明]
本発明の半導体レーザ装置組立体において、モード同期半導体レーザ素子から外部共振器を介して出射されたパルス状のレーザ光の光出力スペクトルには複数のピークが含まれ、該複数のピークの内の1つのピークを波長選択素子によって抽出し、外部に出力する形態とすることができる。
上記の好ましい形態を含む本発明の半導体レーザ装置組立体において、外部共振器は回折格子から成る構成とすることができるし、あるいは又、外部共振器は部分透過ミラー(半透過ミラー、ハーフミラー)から成る構成とすることができる。
また、以上の好ましい形態、構成を含む本発明の半導体レーザ装置組立体において、波長選択素子はバンドパスフィルターから成る構成とすることができるし、あるいは又、波長選択素子は、回折格子、及び、回折格子から出射された1次以上の回折光を選択するアパーチャから成る構成とすることができる。アパーチャは、例えば、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置から成る形態とすることができる。バンドパスフィルターは、例えば、低誘電率を有する誘電体薄膜と、高誘電率を有する誘電体薄膜とを積層することで得ることができる。また、パルス状のレーザ光のバンドパスフィルターへの入射角を変えることで、バンドパスフィルターから出射するレーザ光の波長を選択することができる。
更には、以上の好ましい形態、構成を含む本発明の半導体レーザ装置組立体において、モード同期半導体レーザ素子と外部共振器との間に第2の波長選択素子を備えている構成とすることができ、この場合、第2の波長選択素子の波長選択スペクトル幅は、波長選択素子の波長選択スペクトル幅よりも広い構成とすることができる。このように、第2の波長選択素子を備えることで、外部共振器から出射するレーザスペクトルのうち、自己位相変調による長波シフト成分のみを抽出し、コヒーレントなパルスを形成できるといった利点を発揮することができる。
本発明の半導体光増幅器組立体にあっては、半導体光増幅器から出射されたパルス状のレーザ光の光出力スペクトルには複数のピークが含まれ、該複数のピークの内の1つのピークを波長選択素子によって抽出し、外部に出力する形態とすることができる。
上記の好ましい形態を含む本発明の半導体光増幅器組立体において、波長選択素子はバンドパスフィルターから成る構成とすることができるし、あるいは又、波長選択素子は、回折格子、及び、回折格子から出射された1次以上の回折光を選択するアパーチャから成る構成とすることができる。アパーチャは、例えば、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置から成る形態とすることができる。
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の半導体レーザ装置組立体と、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の半導体光増幅器組立体とを、適宜、組み合わせることができる。
本発明の半導体レーザ装置組立体において、モード同期半導体レーザ素子は、光出力のスペクトルが自己位相変調によって長波シフトを示し、また、本発明の半導体光増幅器組立体において、半導体光増幅器は、光出力のスペクトルが自己位相変調によって長波シフトを示すが、どの程度の長波シフトを示すかは、モード同期半導体レーザ素子を連続発振させて光出力のスペクトルを評価することで、あるいは、パルスレーザ光を入射させて半導体光増幅器から出射されるレーザ光の光出力スペクトルを入射光パルスのスペクトルと比較することで、調べることができる。尚、長波シフト後のスペクトルにおいて、スペクトルの包絡線が、シフト後の波長をピークとしてピークの半値まで低下している場合には、包絡線の半値が与えるスペクトル幅を、外部に出力する波長とすればよい。一方、スペクトルの包絡線が、ピークの半値まで低下せずに、異なるピークへと連続している場合には、包絡線の極小を与える波長と包絡線の半値を与える波長の間にあるスペクトル成分を、あるいは又、包絡線の極小を与える波長と包絡線の極小を与える波長の間にあるスペクトル成分を、外部に出力する波長とすればよい。
本発明の半導体レーザ装置組立体において外部共振器を回折格子から構成する場合、回折格子は、モード同期半導体レーザ素子から出射されたパルス状のレーザ光の内、1次以上の回折光をモード同期半導体レーザ素子に戻し、0次の回折光を波長選択素子へと出力する構成とすることができる。ここで、モード同期半導体レーザ素子と回折格子との間に、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面の像を回折格子上に結像させる結像手段を有する構成とすることができる。結像手段はレンズから成る構成とすることができるが、これに限定するものではなく、その他、例えば、凹面鏡、凹面鏡とレンズの組合せを用いることもできる。この場合、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面から出射され、回折格子に入射(衝突)するレーザ光は平行光束ではない。それ故、外部共振器に機械的な振動等が与えられても、結像レンズの開口から集光光束がずれない範囲であれば、出射端面とその結像は位置を変えないといった理由により、モード同期動作が不安定になることを抑制することができる。尚、この場合、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面におけるレーザ光の横方向の長さをL1、回折格子上に結したモード同期半導体レーザ素子の光出射端面の像の横方向の長さをL2としたとき、
1×10≦L2/L1≦1×102
望ましくは、
20≦L2/L1≦50
を満足することが好ましい。あるいは又、回折格子に入射(衝突)するレーザ光の中に含まれる回折格子における格子状のパターンの本数として、1200本乃至3600本、望ましくは2400本乃至3600本を例示することができる。あるいは又、モード同期半導体レーザ素子と回折格子との間に、モード同期半導体レーザ素子からのレーザ光を平行光とするためのレンズが配置されている構成とすることもできる。
以上に説明した好ましい形態、構成を含む半導体レーザ装置組立体(以下、これらを総称して、単に『本発明の半導体レーザ装置組立体等』と呼ぶ場合がある)において、モード同期半導体レーザ素子は、バイ・セクション型半導体レーザ素子から成り、
バイ・セクション型半導体レーザ素子は、
(a)第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層(活性層)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層上に形成された帯状の第2電極、並びに、
(c)第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を備え、
第2電極は、発光領域を経由して第1電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第1部分と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第2部分とに、分離溝によって分離されている形態とすることができる。
そして、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、第2電極と第1電極との間の電気抵抗値の1×10倍以上、好ましくは1×102倍以上、より好ましくは1×103倍以上である。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第1の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。あるいは又、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、1×102Ω以上、好ましくは1×103Ω以上、より好ましくは1×104Ω以上である。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第2の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。
第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第2電極の第1部分から発光領域を経由して第1電極に直流電流を流して順バイアス状態とし、第1電極と第2電極の第2部分との間に電圧を印加することによって可飽和吸収領域に電界を加えることで、モード同期動作させることができる。
このような第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、第2電極と第1電極との間の電気抵抗値の10倍以上であり、あるいは又、1×102Ω以上である。従って、第2電極の第1部分から第2部分への漏れ電流の流れを確実に抑制することができる。即ち、可飽和吸収領域(キャリア非注入領域)へ印加する逆バイアス電圧Vsaを高くすることができるため、時間的に短いレーザ光を有するシングルモードのモード同期動作を実現できる。そして、第2電極の第1部分と第2部分との間のこのような高い電気抵抗値を、第2電極を第1部分と第2部分とに分離溝によって分離するだけで達成することができる。
また、第1の構成及び第2の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、限定するものではないが、
第3化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
井戸層の厚さは、1nm以上、10nm以下、好ましくは、1nm以上、8nm以下であり、
障壁層の不純物ドーピング濃度は、2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下、好ましくは、1×1019cm-3以上、1×1020cm-3以下である形態とすることができる。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第3の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。
このように、第3化合物半導体層を構成する井戸層の厚さを1nm以上、10nm以下と規定し、更には、第3化合物半導体層を構成する障壁層の不純物ドーピング濃度を2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下と規定することで、即ち、井戸層の厚さを薄くし、しかも、第3化合物半導体層のキャリアの増加を図ることで、ピエゾ分極の影響を低減させることができ、時間幅が短く、サブパルス成分の少ない単峰化された光パルスを発生させ得るレーザ光源を得ることができる。また、低い逆バイアス電圧でモード同期駆動を達成することが可能となるし、外部信号(電気信号及び光信号)と同期が取れた光パルス列を発生させることが可能となる。障壁層にドーピングされた不純物はシリコン(Si)である構成することができるが、これに限定するものではなく、その他、酸素(O)とすることもできる。
ここで、モード同期半導体レーザ素子は、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造(SCH構造、Separate Confinement Heterostructure)を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。あるいは又、斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。
また、第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子において、
第2電極の幅は、0.5μm以上、50μm以下、好ましくは1μm以上、5μm以下、
リッジ構造の高さは、0.1μm以上、10μm以下、好ましくは0.2μm以上、1μm以下、
第2電極を第1部分と第2部分とに分離する分離溝の幅は、1μm以上、モード同期半導体レーザ素子における共振器長(以下、単に『共振器長』と呼ぶ)の50%以下、好ましくは10μm以上、共振器長の10%以下であることが望ましい。共振器長として、0.6mmを例示することができるが、これに限定するものではない。また、リッジ構造の幅として2μm以下を例示することができ、リッジ構造の幅の下限値として、例えば、0.8μmを挙げることができるが、これに限定するものではない。リッジ部の両側面よりも外側に位置する第2化合物半導体層の部分の頂面から第3化合物半導体層(活性層)までの距離(D)は1.0×10-7m(0.1μm)以上であることが好ましい。距離(D)をこのように規定することによって、第3化合物半導体層の両脇(Y方向)に可飽和吸収領域を確実に形成することができる。距離(D)の上限は、閾値電流の上昇、温度特性、長期駆動時の電流上昇率の劣化等に基づき決定すればよい。尚、以下の説明において、共振器長方向をX方向とし、積層構造体の厚さ方向をZ方向とする。
更には、上記の好ましい形態を含む第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子において、第2電極は、パラジウム(Pd)単層、ニッケル(Ni)単層、白金(Pt)単層、パラジウム層が第2化合物半導体層に接するパラジウム層/白金層の積層構造、又は、パラジウム層が第2化合物半導体層に接するパラジウム層/ニッケル層の積層構造から成る形態とすることができる。尚、下層金属層をパラジウムから構成し、上層金属層をニッケルから構成する場合、上層金属層の厚さを、0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上とすることが望ましい。あるいは又、第2電極を、パラジウム(Pd)単層から成る構成とすることが好ましく、この場合、厚さを、20nm以上、好ましくは50nm以上とすることが望ましい。あるいは又、第2電極を、パラジウム(Pd)単層、ニッケル(Ni)単層、白金(Pt)単層、又は、下層金属層が第2化合物半導体層に接する下層金属層と上層金属層の積層構造(但し、下層金属層は、パラジウム、ニッケル及び白金から成る群から選択された1種類の金属から構成され、上層金属層は、後述する工程(D)において第2電極に分離溝を形成する際のエッチングレートが、下層金属層のエッチングレートと同じ、あるいは同程度、あるいは、下層金属層のエッチングレートよりも高い金属から構成されている)から成る構成とすることが好ましい。また、後述する工程(D)において第2電極に分離溝を形成する際のエッチング液を、王水、硝酸、硫酸、塩酸、又は、これらの酸の内の少なくとも2種類の混合液(具体的には、硝酸と硫酸の混合液、硫酸と塩酸の混合液)とすることが望ましい。第2電極の幅は、0.5μm以上、50μm以下、好ましくは1μm以上、5μm以下であることが望ましい。
以上に説明した好ましい構成、形態を含む第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域の長さは発光領域の長さよりも短い構成とすることができる。あるいは又、第2電極の長さ(第1部分と第2部分の総計の長さ)は第3化合物半導体層(活性層)の長さよりも短い構成とすることができる。第2電極の第1部分と第2部分の配置状態として、具体的には、
(1)1つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分と、第2電極の第2部分とが、分離溝を挟んで配置されている状態
(2)1つの第2電極の第1部分と2つの第2電極の第2部分とが設けられ、第1部分の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第2部分と対向し、第1部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第2部分と対向している状態
(3)2つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2部分の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第1部分と対向し、第2部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第1部分と対向している状態(即ち、第2電極は、第2部分を第1部分で挟んだ構造)
を挙げることができる。また、広くは、
(4)N個の第2電極の第1部分と(N−1)個の第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分が第2電極の第2部分を挟んで配置されている状態
(5)N個の第2電極の第2部分と(N−1)個の第2電極の第1部分とが設けられ、第2電極の第2部分が第2電極の第1部分を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。尚、(4)及び(5)の状態は、云い換えれば、
(4’)N個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]と(N−1)個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
(5’)N個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]と(N−1)個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。尚、(3)、(5)、(5’)の構造を採用することで、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。
モード同期半導体レーザ素子は、例えば、以下の方法で製造することができる。即ち、
(A)基体上に、第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体を形成した後、
(B)第2化合物半導体層上に帯状の第2電極を形成し、次いで、
(C)第2電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成した後、
(D)分離溝を第2電極に形成するためのレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をウエットエッチング用マスクとして、第2電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極を第1部分と第2部分とに分離溝によって分離する、
各工程を具備した製造方法に基づき製造することができる。
そして、このような製造方法を採用することで、即ち、帯状の第2電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成するので、即ち、パターニングされた第2電極をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジストライプ構造を形成するので、第2電極とリッジストライプ構造との間に合わせずれが生じることがない。また、第2電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成する。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第2化合物半導体層に光学的、電気的特性の劣化が生じることを抑制することができる。それ故、発光特性に劣化が生じることを、確実に防止することができる。
尚、工程(C)にあっては、第2化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよいし、第2化合物半導体層を厚さ方向に全部、エッチングしてもよいし、第2化合物半導体層及び第3化合物半導体層を厚さ方向にエッチングしてもよいし、第2化合物半導体層及び第3化合物半導体層、更には、第1化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよい。
更には、前記工程(D)において、第2電極に分離溝を形成する際の、第2電極のエッチングレートをER0、積層構造体のエッチングレートをER1としたとき、ER0/ER1≧1×10、好ましくは、ER0/ER1≧1×102を満足することが望ましい。ER0/ER1がこのような関係を満足することで、積層構造体をエッチングすること無く(あるいは、エッチングされても僅かである)、第2電極を確実にエッチングすることができる。
本発明の半導体光増幅器組立体において、半導体光増幅器は、
(a)第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る光増幅領域(キャリア注入領域、利得領域)を有する第3化合物半導体層、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層上に形成された第2電極、並びに、
(c)第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を備えており、
積層構造体はリッジストライプ構造を有し、
光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅をWout、光入射端面におけるリッジストライプ構造の幅をWinとしたとき、Wout>Winを満足する構成とすることができる。
そして、このような構成の半導体光増幅器においては、半導体光増幅器の軸線に沿って光出射端面から積層構造体の内側の領域には、キャリア非注入領域が設けられていることが望ましい。尚、このような本発明の半導体光増幅器組立体を、便宜上、『本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体』と呼ぶ。
あるいは又、このような構成の半導体光増幅器において、第2電極の幅はリッジストライプ構造の幅よりも狭いことが望ましい。尚、このような本発明の半導体光増幅器組立体を、便宜上、『本発明の第2の態様に係る半導体光増幅器組立体』と呼ぶ。
あるいは又、このような構成の半導体光増幅器において、リッジストライプ構造の最大幅をWmaxとしたとき、Wmax>Woutを満足することが望ましい。尚、このような本発明の半導体光増幅器組立体を、便宜上、『本発明の第3の態様に係る半導体光増幅器組立体』と呼ぶ。
本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅をWout、光入射端面におけるリッジストライプ構造の幅をWinとしたとき、Wout>Winを満足する。即ち、単一モード条件を満たす幅の狭い光入力側の光導波路から幅の広い光出力側の光導波路へと光導波路幅が広げられている。それ故、光導波路幅に従ってモードフィールドを拡大させることができ、半導体光増幅器の高光出力を達成することができるし、単一横モードを維持したままレーザ光を光増幅することができる。
しかも、本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、半導体光増幅器の軸線に沿って光出射端面から積層構造体の内側の領域には、キャリア非注入領域が設けられている。それ故、光出射端面から出射されるレーザ光の幅を広げることができるので、より一層高い光出力を達成することができるし、信頼性の向上を図ることができる。一方、本発明の第2の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、第2電極の幅がリッジストライプ構造の幅よりも狭く、本発明の第3の態様にあっては、リッジストライプ構造の最大幅をWmaxとしたとき、Wmax>Woutを満足する。そして、これによって、安定した横モード増幅光が得られ、半導体光増幅器組立体から出射されるレーザ光が不安定になる虞がない。
本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体において、Woutは5μm以上である形態とすることができる。尚、Woutの上限値として、限定するものではないが、例えば、4×102μmを例示することができる。また、このような形態を含む本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体において、Winは1.4μm乃至2.0μmである形態とすることができる。尚、これらの好ましい形態は、本発明の第2の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体に対しても適用することが可能である。
また、本発明の第2の態様に係る半導体光増幅器組立体において、(第2電極の幅)/(リッジストライプ構造の幅)の値は、0.2乃至0.9、好ましくは0.6乃至0.9であることが望ましい。ここで、第2電極の幅及びリッジストライプ構造の幅とは、半導体光増幅器の軸線に直交する或る仮想平面で半導体光増幅器を切断したときに得られる、第2電極の幅及びリッジストライプ構造の幅を意味する。
更には、本発明の第3の態様に係る半導体光増幅器組立体においては、
0.2≦Wout/Wmax≦0.9
好ましくは、0.5≦Wout/Wmax≦0.9
を満足することが望ましい。
上記の各種の好ましい形態を含む本発明の第2の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体と同様に、半導体光増幅器の軸線に沿って光出射端面から積層構造体の内側の領域には、キャリア非注入領域が設けられている形態とすることもできる。尚、本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、更に、半導体光増幅器の軸線に沿って光入射端面から積層構造体の内側の領域にも、キャリア非注入領域が設けられている形態とすることもできる。
更には、上記の各種の好ましい形態を含む本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、キャリア非注入領域には第2電極が設けられていない構成とすることができるし、あるいは又、第2電極は、分離溝で分離された第1部分及び第2部分から構成され、キャリア非注入領域には第2電極の第2部分が設けられている構成とすることができる。ここで、後者の場合、第2電極の第2部分には、ビルトイン電圧以下の電圧を印加することが望ましい。具体的には、(1.2398/λ)以下の電圧を印加することが望ましい。尚、λは、半導体光増幅器への入射レーザ光の波長(単位:μm)であり、「1.2398」は定数である。例えば、0.4μm波長のレーザ光を入射した場合は、3.0995ボルト以下の電圧を印加することが望ましい。尚、第2電極の第2部分に印加する電圧の下限値として、限定するものではないが、−20ボルトを例示することができる。第2電極の第1部分に電圧を印加することで、半導体光増幅器の本来の機能である光増幅を行い、第2電極の第2部分に電圧を印加することで、光強度のモニターや、位置調整等のための計測を行うことができる。また、近視野像を制御することが可能となる。
また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体において、半導体光増幅器の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成とすることができる。ここで、所定の角度θとして、0.1度≦θ≦10度を例示することができる。リッジストライプ構造の軸線とは、光出射端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、光入射端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体において、光入射端面及び光出射端面には、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも2種類の層の積層構造から成る低反射コート層が形成されている構成とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体において、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光強度密度は、限定するものではないが、光出射端面を構成する第3化合物半導体層1cm2当たり60キロワット以上、好ましくは600キロワット以上である構成とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体において、(光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅)/(半導体光増幅器から出力されるレーザ光の幅)の値は、1.1乃至10、好ましくは1.1乃至5である構成とすることができる。
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体(以下、これらを総称して、単に『本発明の半導体光増幅器組立体等』と呼ぶ場合がある)において、半導体光増幅器は、透過型半導体光増幅器から構成されている形態とすることができるが、これに限定するものではない。
本発明の半導体光増幅器組立体等においては、光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅をWout、光入射端面におけるリッジストライプ構造の幅をWinとしたとき、Wout>Winを満足するが、このときのリッジストライプ構造の各端部は、1本の線分から構成されていてもよいし(本発明の第1の態様、第2の態様に係る半導体光増幅器組立体)、2本以上の線分から構成されていてもよい(本発明の第1の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体)。前者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、光入射端面から光出射端面に向かって、単調に、テーパー状に緩やかに広げられる。一方、後者の場合であって、本発明の第1の態様、第2の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、リッジストライプ構造の幅は、例えば、光入射端面から光出射端面に向かって、先ず同じ幅であり、次いで、単調に、テーパー状に緩やかに広げられる。また、後者の場合であって、本発明の第2の態様に係る半導体光増幅器組立体にあっては、リッジストライプ構造の幅は、例えば、光入射端面から光出射端面に向かって、先ず広げられ、最大幅を超えた後、狭められる。
本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体、あるいは、本発明の第2の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体の好ましい形態において、半導体光増幅器の軸線に沿って光出射端面から積層構造体の内側の領域にはキャリア非注入領域が設けられているが、半導体光増幅器の軸線に沿ったキャリア非注入領域の長さ(キャリア非注入領域の幅)LNCとして、0.1μm乃至100μmを例示することができる。
あるいは又、本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体、あるいは、本発明の第2の態様〜第3の態様に係る半導体光増幅器組立体の好ましい形態において、第2電極は分離溝で分離された第1部分及び第2部分から構成され、キャリア非注入領域には第2電極の第2部分が設けられているが、ここで、第1部分の長さをLAmp-1、第2部分の長さをLAmp-2としたとき、0.001≦LAmp-2/LAmp-1≦0.01、好ましくは、0.0025≦LAmp-2/LAmp-1≦0.01を満足することが望ましい。半導体光増幅器における第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、1×102Ω以上、好ましくは1×103Ω以上、より好ましくは1×104Ω以上であることが望ましい。あるいは又、第2電極の第1部分と第2部分との間の電気抵抗値は、第2電極と第1電極との間の電気抵抗値の1×10倍以上、好ましくは1×102倍以上、より好ましくは1×103倍以上であることが望ましい。あるいは又、第2電極を第1部分と第2部分とに分離する分離溝の幅は、1μm以上、半導体光増幅器の長さの50%以下、好ましくは10μm以上、半導体光増幅器の長さの10%以下とすることが望ましい。あるいは又、分離溝の幅として、3μm乃至20μmを例示することができるし、第2電極の第2部分の長さLAmp-2として、3μm乃至100μmを例示することができる。
本発明の半導体光増幅器組立体等において、レーザ光源を、本発明の半導体レーザ装置組立体等から構成することができる。あるいは又、レーザ光源は、モード同期半導体レーザ素子から成り、モード同期半導体レーザ素子が出射するレーザ光が半導体光増幅器に入射する形態とすることができ、この場合、レーザ光源は、モード同期動作に基づきパルス状のレーザ光を出射する構成とすることができる。但し、レーザ光源はこのような形態に限定するものではなく、利得スイッチング方式、損失スイッチング方式(Qスイッチング方式)等を含む種々の方式・形式の周知のパルス発振型のレーザ光源、チタンサファイヤ・レーザといったレーザ光源を用いることもできる。尚、本発明における半導体光増幅器組立体は、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得で入射光を増幅する。即ち、本発明の半導体光増幅器組立体等における半導体光増幅器は、本発明の半導体レーザ装置組立体等におけるモード同期半導体レーザ素子と実質的に同じ構成、構造を有する形態とすることができるし、異なる構成、構造を有する形態とすることもできる。
以上に説明した好ましい構成、形態を含む第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子、並びに、以上に説明した好ましい構成、形態を含む第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子と実質的に同じ構成、構造を有する本発明の半導体光増幅器組立体等における半導体光増幅器を総称して、以下、『本発明におけるモード同期半導体レーザ素子等』、あるいは、単に、『モード同期半導体レーザ素子等』と呼ぶ場合がある。
本発明におけるモード同期半導体レーザ素子等において、積層構造体は、具体的には、AlGaInN系化合物半導体から成る構成とすることができる。ここで、AlGaInN系化合物半導体として、より具体的には、GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInNを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素(B)原子やタリウム(Tl)原子、ヒ素(As)原子、リン(P)原子、アンチモン(Sb)原子が含まれていてもよい。また、発光領域あるいは光増幅領域(利得領域)及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層(活性層)は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造[QW構造]を有していてもよいし、多重量子井戸構造[MQW構造]を有していてもよい。量子井戸構造を有する第3化合物半導体層(活性層)は、井戸層及び障壁層が、少なくとも1層、積層された構造を有するが、(井戸層を構成する化合物半導体,障壁層を構成する化合物半導体)の組合せとして、(InyGa(1-y)N,GaN)、(InyGa(1-y)N,InzGa(1-z)N)[但し、y>z]、(InyGa(1-y)N,AlGaN)を例示することができる。
更には、本発明におけるモード同期半導体レーザ素子等において、第2化合物半導体層は、p型GaN層及びp型AlGaN層が交互に積層された超格子構造を有し;超格子構造の厚さは0.7μm以下である構造とすることができる。このような超格子構造の構造を採用することで、クラッド層として必要な高屈折率を維持しながら、モード同期半導体レーザ素子等の直列抵抗成分を下げることができ、モード同期半導体レーザ素子等の低動作電圧化につながる。尚、超格子構造の厚さの下限値として、限定するものではないが、例えば、0.3μmを挙げることができるし、超格子構造を構成するp型GaN層の厚さとして1nm乃至5nmを例示することができるし、超格子構造を構成するp型AlGaN層の厚さとして1nm乃至5nmを例示することができるし、p型GaN層及びp型AlGaN層の層数合計として、60層乃至300層を例示することができる。また、第3化合物半導体層から第2電極までの距離は1μm以下、好ましくは、0.6μm以下である構成とすることができる。このように第3化合物半導体層から第2電極までの距離を規定することで、抵抗の高いp型の第2化合物半導体層の厚さを薄くし、モード同期半導体レーザ素子等の動作電圧の低減化を達成することができる。尚、第3化合物半導体層から第2電極までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、0.3μmを挙げることができる。また、第2化合物半導体層には、Mgが、1×1019cm-3以上、ドーピングされており;第3化合物半導体層からの波長405nmの光に対する第2化合物半導体層の吸収係数は、少なくとも50cm-1である構成とすることができる。このMgの原子濃度は、2×1019cm-3の値で最大の正孔濃度を示すという材料物性に由来しており、最大の正孔濃度、即ち、この第2化合物半導体層の比抵抗が最小になるように設計された結果である。第2化合物半導体層の吸収係数は、モード同期半導体レーザ素子等の抵抗を出来るだけ下げるという観点で規定されているものであり、その結果、第3化合物半導体層の光の吸収係数が、50cm-1となるのが一般的である。しかし、この吸収係数を上げるために、Mgドープ量を故意に2×1019cm-3以上の濃度に設定することも可能である。この場合には、実用的な正孔濃度が得られる上での上限のMgドープ量は、例えば8×1019cm-3である。また、第2化合物半導体層は、第3化合物半導体層側から、ノンドープ化合物半導体層、及び、p型化合物半導体層を有しており;第3化合物半導体層からp型化合物半導体層までの距離は、1.2×10-7m以下である構成とすることができる。このように第3化合物半導体層からp型化合物半導体層までの距離を規定することで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制することができ、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減させることができる。尚、第3化合物半導体層からp型化合物半導体層までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、5×10-8mを挙げることができる。また、リッジ部の両側面には、SiO2/Si積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており;リッジ部の有効屈折率と積層絶縁膜の有効屈折率との差は、5×10-3乃至1×10-2である構成とすることができる。このような積層絶縁膜を用いることで、100ミリワットを超える高出力動作であっても、単一基本横モードを維持することができる。また、第2化合物半導体層は、第3化合物半導体層側から、例えば、ノンドープGaInN層(p側光ガイド層)、ノンドープAlGaN層(p側クラッド層)、MgドープAlGaN層(電子障壁層)、GaN層(Mgドープ)/AlGaN層の超格子構造(超格子クラッド層)、及び、MgドープGaN層(p側コンタクト層)が積層されて成る構造とすることができる。第3化合物半導体層における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは、2.4eV以上であることが望ましい。また、第3化合物半導体層(活性層)から出射されるレーザ光の波長は、360nm乃至500nm、好ましくは400nm乃至410nmであることが望ましい。ここで、以上に説明した各種の構成を、適宜、組み合わせることができることは云うまでもない。
本発明におけるモード同期半導体レーザ素子等にあっては、モード同期半導体レーザ素子等を構成する各種のGaN系化合物半導体層を基板に順次形成するが、ここで、基板として、サファイア基板の他にも、GaAs基板、GaN基板、SiC基板、アルミナ基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板、これらの基板の表面(主面)に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。主に、GaN系化合物半導体層を基板に形成する場合、GaN基板が欠陥密度の少なさから好まれるが、GaN基板は成長面によって、極性/無極性/半極性と特性が変わることが知られている。また、モード同期半導体レーザ素子等を構成する各種のGaN系化合物半導体層の形成方法として、有機金属化学的気相成長法(MOCVD法,MOVPE法)や分子線エピタキシー法(MBE法)、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。
ここで、MOCVD法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)ガスやトリエチルガリウム(TEG)ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、n型の導電型を有するGaN系化合物半導体層の形成においては、例えば、n型不純物(n型ドーパント)としてケイ素(Si)を添加すればよいし、p型の導電型を有するGaN系化合物半導体層の形成においては、例えば、p型不純物(p型ドーパント)としてマグネシウム(Mg)を添加すればよい。また、GaN系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム(Al)あるいはインジウム(In)が含まれる場合、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)ガスを用いればよいし、In源としてトリメチルインジウム(TMI)ガスを用いればよい。更には、Si源としてモノシランガス(SiH4ガス)を用いればよいし、Mg源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いればよい。尚、n型不純物(n型ドーパント)として、Si以外に、Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd、Poを挙げることができるし、p型不純物(p型ドーパント)として、Mg以外に、Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg、Srを挙げることができる。
第1導電型をn型とするとき、n型の導電型を有する第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極は、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、タングステン(W)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、錫(Sn)及びインジウム(In)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Auを例示することができる。第1電極は第1化合物半導体層に電気的に接続されているが、第1電極が第1化合物半導体層上に形成された形態、第1電極が導電材料層や導電性の基板を介して第1化合物半導体層に接続された形態が包含される。第1電極や第2電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のPVD法にて成膜することができる。
第1電極や第2電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ti(チタン)、アルミニウム(Al)、Pt(白金)、Au(金)、Ni(ニッケル)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ti/Pt/Auの多層構成、Ti/Auの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。
第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子においては、前述したとおり、第1電極と第2部分との間に逆バイアス電圧を印加する構成(即ち、第1電極を正極、第2部分を負極とする構成)とすることが望ましい。尚、第2電極の第2部分には、第2電極の第1部分に印加するパルス電流あるいはパルス電圧と同期したパルス電流あるいはパルス電圧を印加してもよいし、直流バイアスを印加してもよい。また、第2電極から発光領域を経由して第1電極に電流を流し、且つ、第2電極から発光領域を経由して第1電極に外部電気信号を重畳させる形態とすることができる。そして、これによって、レーザ光と外部電気信号との間の同期を取ることができる。あるいは又、積層構造体の一端面から光信号を入射させる形態とすることができる。そして、これによっても、レーザ光と光信号との間の同期を取ることができる。また、本発明におけるモード同期半導体レーザ素子等にあっては、第2化合物半導体層において、第3化合物半導体層と電子障壁層との間には、ノンドープ化合物半導体層(例えば、ノンドープGaInN層、あるいは、ノンドープAlGaN層)を形成してもよい。更には、第3化合物半導体層とノンドープ化合物半導体層との間に、光ガイド層としてのノンドープGaInN層を形成してもよい。第2化合物半導体層の最上層を、MgドープGaN層(p側コンタクト層)が占めている構造とすることもできる。
以上に説明したとおり、本発明の半導体光増幅器組立体における半導体光増幅器においても、その形態に依存するものの、実質的に、上述したモード同期半導体レーザ素子における以上に説明した構成を適用することができる。また、本発明の半導体光増幅器組立体における半導体光増幅器も、その形態に依存するものの、実質的に、上述したモード同期半導体レーザ素子の製造方法と同様の製造方法で製造することができるが、これに限定するものではない。
本発明の半導体レーザ装置組立体や半導体光増幅器組立体を、例えば、光ディスクシステム、通信分野、光情報分野、光電子集積回路、非線形光学現象を応用した分野、光スイッチ、レーザ計測分野や種々の分析分野、超高速分光分野、多光子励起分光分野、質量分析分野、多光子吸収を利用した顕微分光の分野、化学反応の量子制御、ナノ3次元加工分野、多光子吸収を応用した種々の加工分野、医療分野、バイオイメージング分野といった分野に適用することができる。
実施例1は、本発明の半導体レーザ装置組立体に関する。実施例1の半導体レーザ装置組立体の概念図を図1の(A)に示す。また、実施例1におけるモード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図(XZ平面にて切断したときの模式的な端面図)を図3に示し、共振器の延びる方向と直角方向に沿った模式的な断面図(YZ平面にて切断したときの模式的な断面図)を図4に示す。尚、図3は、図4の矢印I−Iに沿った模式的な端面図であり、図4は、図3の矢印II−IIに沿った模式的な断面図である。
実施例1の半導体レーザ装置組立体は、
(A)光出力のスペクトルが自己位相変調によって長波シフトを示すモード同期半導体レーザ素子10、
(B)外部共振器80、及び、
(C)波長選択素子82、
を備えている。そして、モード同期半導体レーザ素子10から外部共振器80を介して出射されたパルス状のレーザ光の長波成分を波長選択素子82によって抽出し、外部に出力する。
ここで、実施例1の半導体レーザ装置組立体において、外部共振器80は回折格子81から成る。回折格子81は、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光の内、1次以上の回折光(各実施例においては、1次の回折光)をモード同期半導体レーザ素子10に戻し、0次の回折光を波長選択素子82へと出力する。回折格子81は、外部共振器を構成し、且つ、アウトプットカプラとして機能する。波長選択素子82はバンドパスフィルターから成る。モード同期半導体レーザ素子10と回折格子81との間には、モード同期半導体レーザ素子10からのレーザ光を平行光とするための正のパワーを有するレンズ71が配置されている。回折格子81から出射した0次の回折光は、反射鏡72によって反射され、コリメートレンズ73によってコリメートされて、平行光束とされ、波長選択素子82を通過して、レーザ出力として供される。
発光波長405nm帯の実施例1あるいは後述する実施例2〜実施例3におけるモード同期半導体レーザ素子10、あるいは、所望に応じて、後述する本発明の半導体光増幅器組立体におけるレーザ光源100(以下これらを総称して、『実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10』と呼ぶ場合がある)は、第1の構成あるいは第2の構成のモード同期半導体レーザ素子から成り、しかも、バイ・セクション型半導体レーザ素子から成る。ここで、バイ・セクション型半導体レーザ素子は、
(a)第1導電型(各実施例においては、具体的には、n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層)40、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(各実施例においては、具体的には、p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層50上に形成された帯状の第2電極62、並びに、
(c)第1化合物半導体層30に電気的に接続された第1電極61、
を備えている。
実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10は、具体的には、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造(SCH構造)を有する半導体レーザ素子である。より具体的には、このモード同期半導体レーザ素子10は、ブルーレイ光ディスクシステム用に開発されたインデックスガイド型のAlGaInNから成るGaN系半導体レーザ素子であり、リッジ構造(リッジストライプ構造)を有する。そして、第1化合物半導体層30、第3化合物半導体層40、及び、第2化合物半導体層50は、具体的には、AlGaInN系化合物半導体から成り、より具体的には、実施例1あるいは後述する実施例2にあっては、以下の表1に示す層構成を有する。ここで、表1において、下方に記載した化合物半導体層ほど、n型GaN基板21に近い層である。第3化合物半導体層40における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは3.06eVである。実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10は、n型GaN基板21の(0001)面上に設けられており、第3化合物半導体層40は量子井戸構造を有する。n型GaN基板21の(0001)面は、『C面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。
[表1]
第2化合物半導体層50
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)55
p型GaN(Mgドープ)/AlGaN超格子クラッド層54
p型AlGaN電子障壁層(Mgドープ)53
ノンドープAlGaNクラッド層52
ノンドープGaInN光ガイド層51
第3化合物半導体層40
GaInN量子井戸活性層
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層30
n型GaNクラッド層32
n型AlGaNクラッド層31
但し、
井戸層(2層) 10.5nm ノン・ドープ
障壁層(3層) 14nm ノン・ドープ
また、p型GaNコンタクト層55及びp型GaN/AlGaN超格子クラッド層54の一部は、RIE法にて除去されており、リッジ構造(リッジ部56)が形成されている。リッジ部56の両側にはSiO2/Siから成る積層絶縁膜57が形成されている。尚、SiO2層が下層であり、Si層が上層である。ここで、リッジ部56の有効屈折率と積層絶縁膜57の有効屈折率との差は、5×10-3乃至1×10-2、具体的には、7×10-3である。そして、リッジ部56の頂面に相当するp型GaNコンタクト層55上には、第2電極(p側オーミック電極)62が形成されている。一方、n型GaN基板21の裏面には、Ti/Pt/Auから成る第1電極(n側オーミック電極)61が形成されている。
実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10にあっては、第3化合物半導体層40及びその近傍から発生した光密度分布に、Mgドープした化合物半導体層である、p型AlGaN電子障壁層53、p型GaN/AlGaN超格子クラッド層54及びp型GaNコンタクト層55が出来るだけ重ならないようにすることで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制している。そして、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減させている。具体的には、第3化合物半導体層40からp型AlGaN電子障壁層53までの距離dを0.10μm、リッジ部(リッジ構造)の高さを0.30μm、第2電極62と第3化合物半導体層40との間に位置する第2化合物半導体層50の厚さを0.50μm、第2電極62の下方に位置するp型GaN/AlGaN超格子クラッド層54の部分の厚さを0.40μmとした。
そして、実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10において、第2電極62は、発光領域(利得領域)41を経由して第1電極61に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第1部分62Aと、可飽和吸収領域42に電界を加えるための第2部分62B(可飽和吸収領域42に逆バイアス電圧Vsaを加えるための第2部分62B)とに、分離溝62Cによって分離されている。ここで、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値(『分離抵抗値』と呼ぶ場合がある)は、第2電極62と第1電極61との間の電気抵抗値の1×10倍以上、具体的には1.5×103倍である。また、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値(分離抵抗値)は、1×102Ω以上、具体的には、1.5×104Ωである。
また、実施例1の半導体レーザ装置組立体において、回折格子81は、ホログラフィック型の回折格子から成り、溝が3600本/mm、形成されている。
図31の(A)に示すように、波長λの光が反射型の回折格子に角度αで入射し、角度βで回折するものとする。ここで、角度α,βは回折格子の法線からの角度であり、反時計回りを正とする。するとグレーティング方程式は次のとおりとなる。ここで、Nは、回折格子1mm当たりの溝の本数(回折格子周期の逆数)であり、mは回折次数(m=0,±1,±2・・・である。
sin(α)+sin(β)=N・m・λ (A)
溝の斜面に対して、入射光とm次の回折光が鏡面反射の関係にあるとき、m次の回折光にエネルギーの大部分が集中する。このときの溝の傾きをブレーズ角と呼び、θBで表すと、
θB=(α+β)/2
となる。また、このときの波長をブレーズ波長といい、λBと表すと、
λB={2/(N・m)}sin(θB)・cos(α−θB)
となる。ここで、図31の(B)に示すように、入射光の方向に+1次の回折光が戻るときの波長をλ1で表すと、このとき、α=β=βBとなるので、結局、
λ1=(2/N)sin(θB) (B)
となる。このときの配置がリトロー配置と呼ばれる。
実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10において、レンズ71と対向する光出射端面には、無反射コート層(AR)あるいは低反射コート層が形成されている。一方、モード同期半導体レーザ素子10における光出射端面と対向する端面には、高反射コート層(HR)が形成されている。可飽和吸収領域42は、モード同期半導体レーザ素子10における光出射端面と対向する端面の側に設けられている。無反射コート層(低反射コート層)として、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも2種類の層の積層構造を挙げることができる。
実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10のパルス繰返し周波数を1GHzとした。ここで、モード同期半導体レーザ素子10の光出射端面に対向する端面と外部共振器との間の距離(X’)は150mmである。外部共振器長さX’によって光パルス列の繰り返し周波数fが決定され、次式で表される。ここで、cは光速であり、nは導波路の屈折率である。
f=c/(2n・X’)
ところで、モード同期半導体レーザ素子10から出射されるレーザ光の波長は或る波長範囲を有する。即ち、モード同期半導体レーザ素子10においてレーザ光の発生の際に、自己位相変調が発生し、光出力のスペクトルが長波シフトを示す。そして、発生したレーザ光は、持続時間内で波長が一定でなく、しかも、位相が揃っていない。また、不所望の波長成分が多数、含まれている。即ち、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光はノイズィーな状態にある。然るに、モード同期半導体レーザ素子10から外部共振器80を介して出射されたパルス状のこのようなレーザ光の長波成分を、実施例1にあっては、波長選択素子82によって抽出し、外部に出力する。それ故、外部に出力されたレーザ光は、出射されたレーザ光の持続時間内での光強度の揺らぎを無くすことができ、外部に出力されたレーザ光は所望の波長を有するし、パルスの時間幅を短くすることができ、また、レーザ光のコヒーレンスを向上させることができるし、高いスループットを保持したままレーザ光を圧縮することが可能であり、高いピークパワーを得ることができる。
モード同期半導体レーザ素子10の共振器長を600μm、第2電極62の第1部分62A、第2部分62B、分離溝62Cのそれぞれの長さを、550μm、30μm、20μmとした。このようなモード同期半導体レーザ素子10を備えた実施例1の半導体レーザ装置組立体において、第2電極62の第1部分62Aに流す電流を100ミリアンペア、第2電極62の第1部分62Aに印加する逆バイアス電圧を17.5ボルト(−17.5ボルト)としたとき、動作温度25゜Cにおいて、5.9ミリワットの平均パワーが得られた。
図2の(A)、(B)及び(C)に、実施例1の半導体光増幅器組立体における光出力のスペクトルを示す。尚、図2の(A)は、モード同期半導体レーザ素子10を連続発振させたときに得られたレーザ光の光出力スペクトルを示す図であり、図2の(B)は、モード同期半導体レーザ素子10をパルス発振させたときのレーザ光の光出力スペクトルを示す図であり、図2の(C)は、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたパルス状のレーザ光においてバンドパスフィルターから成る波長選択素子82によって長波側のメインピークを抽出したレーザ光の光出力スペクトルを示す。図2の(A)、(B)及び(C)に示した状態における各種諸元を以下の表2に示す。尚、表2中、『電流1』とは、第2電極62の第1部分62Aに流す電流(単位:ミリアンペア)を意味し、『逆バイアス電圧』とは、第2電極62の第1部分62Aに印加する逆バイアス電圧(ボルト)を意味し、正の値は第2電極62の第1部分62Aから第1電極61へと印加する電圧の値、負の値は第1電極61から第2電極62の第1部分62Aへと印加する電圧の値である。
[表2]
図2の(A) 図2の(B) 図2の(C)
電流1 120mA 120mA 120mA
逆バイアス電圧 +4V −18V −18V
平均パワー 45.6mW 16.16mW 7.8mW
ピーク波長 402.24nm 402.87nm 402.87nm
Δλ 0.34nm
パルス幅 1.68p秒 1.31p秒
ピークパワー 9.6W 5.95W
このように、レーザ光のピーク波長は、モード同期半導体レーザ素子10を連続発振させた状態からパルス状に発振させた状態に変更したとき、長波長側に0.63nm、シフトした。また、モード同期半導体レーザ素子10をパルス発振させたときのレーザ光(図2の(B)参照)のパルス幅は1.68ピコ秒である。これに対して、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたパルス状のレーザ光から波長選択素子82によって長波側のメインピークを抽出したレーザ光(図2の(C)参照)のパルス幅は1.31ピコ秒であり、波長選択素子82によるスペクトル抽出の結果、発生したレーザ光の時間幅が狭くなっていることが分かる。即ち、コヒーレントな短いパルス時間幅のレーザ光出力が得られることが判る。ここで使用した波長選択素子82の透過スペクトル幅はΔλ=0.40nmである。また、波長選択素子82を通過した後の実際のスペクトル幅はΔλ=0.34nmであった。
更には、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたパルス状のレーザ光から波長選択素子82によって長波側のメインピークを抽出したレーザ光の平均パワーは7.8ミリワットであった。一方、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたパルス状のレーザ光の平均パワーは16.16ミリワットであった。これらの平均パワーを、レーザ光の特性を特徴付けるピークパワーに換算すると、それぞれ、5.95ワット及び9.6ワットである。このように、実施例1の半導体レーザ装置組立体にあっては、波長選択素子82の使用によって、平均パワーの減少分よりもピークパワーの減少分の方が少なくなっており、コヒーレントなレーザ光の生成に寄与していることが判る。
モード同期半導体レーザ素子10から外部共振器を介して出射されたパルス状のレーザ光の光出力スペクトルには複数のピークが含まれている場合、これらの複数のピークの内の1つのピークを波長選択素子82によって抽出し、外部に出力することもできる。例えば、パルス状のレーザ光の光出力スペクトルに402.4nm、402.87nmといった複数のピークが主に含まれている場合、これらの複数のピークの内の1つのピークである402.87nmnmのピークを波長選択素子82によって抽出し、外部に出力することができる。
また、図1の(B)に概念図を示すように、モード同期半導体レーザ素子10と回折格子81との間に、モード同期半導体レーザ素子10の光出射端面の像を回折格子81の上に結像させる結像手段74を配置してもよい。結像手段74は、正のパワーを有するレンズ、具体的には、例えば、焦点距離4.5mmの非球面の凸レンズから成る。モード同期半導体レーザ素子10の光出射端面におけるレーザ光の横方向の長さをL1、回折格子81の上に結したモード同期半導体レーザ素子10の光出射端面の像の横方向の長さをL2としたとき、
L1=1.6μm
L2=53μm
であり、
20≦L2/L1≦50
を満足している。このように、モード同期半導体レーザ素子10の光出射端面から出射され、回折格子81に入射するレーザ光を平行光束とはしないことで、モード同期動作が不安定になることを抑制することができる。
ところで、上述したとおり、第2化合物半導体層50上に、1×102Ω以上の分離抵抗値を有する2電極62を形成することが望ましい。GaN系半導体レーザ素子の場合、従来のGaAs系半導体レーザ素子とは異なり、p型導電型を有する化合物半導体における移動度が小さいために、p型導電型を有する第2化合物半導体層50をイオン注入等によって高抵抗化することなく、その上に形成される第2電極62を分離溝62Cで分離することで、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値を第2電極62と第1電極61との間の電気抵抗値の10倍以上とし、あるいは又、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値を1×102Ω以上とすることが可能となる。
ここで、第2電極62に要求される特性は、以下のとおりである。即ち、
(1)第2化合物半導体層50をエッチングするときのエッチング用マスクとしての機能を有すること。
(2)第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化を生じさせることなく、第2電極62はウエットエッチング可能であること。
(3)第2化合物半導体層50上に成膜したとき、10-2Ω・cm2以下のコンタクト比抵抗値を示すこと。
(4)積層構造とする場合、下層金属層を構成する材料は、仕事関数が大きく、第2化合物半導体層50に対して低いコンタクト比抵抗値を示し、しかも、ウエットエッチング可能であること。
(5)積層構造とする場合、上層金属層を構成する材料は、リッジ構造を形成する際のエッチングに対して(例えば、RIE法において使用されるCl2ガス)に対して耐性があり、しかも、ウエットエッチング可能であること。
実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子10にあっては、第2電極62を厚さ0.1μmのPd単層から構成した。
尚、p型GaN層及びp型AlGaN層が交互に積層された超格子構造を有するp型GaN/AlGaN超格子クラッド層54の厚さは0.7μm以下、具体的には、0.4μmであり、超格子構造を構成するp型GaN層の厚さは2.5nmであり、超格子構造を構成するp型AlGaN層の厚さは2.5nmであり、p型GaN層及びp型AlGaN層の層数合計は160層である。また、第3化合物半導体層40から第2電極62までの距離は1μm以下、具体的には0.5μmである。更には、第2化合物半導体層50を構成するp型AlGaN電子障壁層53、p型GaN/AlGaN超格子クラッド層54、p型GaNコンタクト層55には、Mgが、1×1019cm-3以上(具体的には、2×1019cm-3)、ドーピングされており、波長405nmの光に対する第2化合物半導体層50の吸収係数は、少なくとも50cm-1、具体的には、65cm-1である。また、第2化合物半導体層50は、第3化合物半導体層側から、ノンドープ化合物半導体層(ノンドープGaInN光ガイド層51及びノンドープAlGaNクラッド層52)、並びに、p型化合物半導体層を有しているが、第3化合物半導体層40からp型化合物半導体層(具体的には、p型AlGaN電子障壁層53)までの距離(d)は1.2×10-7m以下、具体的には100nmである。
以下、図28の(A)、(B)、図29の(A)、(B)、図30を参照して、実施例1等におけるモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明する。尚、図28の(A)、(B)、図29の(A)、(B)は、基板等をYZ平面にて切断したときの模式的な一部断面図であり、図30は、基板等をXZ平面にて切断したときの模式的な一部端面図である。
[工程−100]
先ず、基体上、具体的には、n型GaN基板21の(0001)面上に、周知のMOCVD法に基づき、第1導電型(n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層40)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体を形成する(図28の(A)参照)。
[工程−110]
その後、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成する。具体的には、真空蒸着法に基づきPd層63を全面に成膜した後(図28の(B)参照)、Pd層63上に、フォトリソグラフィ技術に基づき帯状のエッチング用レジスト層を形成する。そして、王水を用いて、エッチング用レジスト層に覆われていないPd層63を除去した後、エッチング用レジスト層を除去する。こうして、図29の(A)に示す構造を得ることができる。尚、リフトオフ法に基づき、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成してもよい。
[工程−120]
次いで、第2電極62をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして(具体的には、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして)、リッジ構造を形成する。具体的には、Cl2ガスを用いたRIE法に基づき、第2電極62をエッチング用マスクとして用いて、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングする。こうして、図29の(B)に示す構造を得ることができる。このように、帯状にパターニングされた第2電極62をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジ構造を形成するので、第2電極62とリッジ構造との間に合わせずれが生じることがない。
[工程−130]
その後、分離溝を第2電極62に形成するためのレジスト層64を形成する(図30参照)。尚、参照番号65は、分離溝を形成するために、レジスト層64に設けられた開口部である。次いで、レジスト層64をウエットエッチング用マスクとして、第2電極62に分離溝62Cをウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極62を第1部分62Aと第2部分62Bとに分離溝62Cによって分離する。具体的には、王水をエッチング液として用い、王水に約10秒、全体を浸漬することで、第2電極62に分離溝62Cを形成する。そして、その後、レジスト層64を除去する。こうして、図3及び図4に示す構造を得ることができる。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化が生じることがない。それ故、モード同期半導体レーザ素子の発光特性に劣化が生じることがない。尚、ドライエッチング法を採用した場合、第2化合物半導体層50の内部損失αiが増加し、閾値電圧が上昇したり、光出力の低下を招く虞がある。ここで、第2電極62のエッチングレートをER0、積層構造体のエッチングレートをER1としたとき、
ER0/ER1≒1×102
である。このように、第2電極62と第2化合物半導体層50との間に高いエッチング選択比が存在するが故に、積層構造体をエッチングすること無く(あるいは、エッチングされても僅かである)、第2電極62を確実にエッチングすることができる。尚、ER0/ER1≧1×10、好ましくは、ER0/ER1≧1×102を満足することが望ましい。
第2電極を、厚さ20nmのパラジウム(Pd)から成る下層金属層と、厚さ200nmのニッケル(Ni)から成る上層金属層の積層構造としてもよい。ここで、王水によるウエットエッチングにあっては、ニッケルのエッチングレートは、パラジウムのエッチングレートの約1.25倍である。
[工程−140]
その後、n側電極の形成、基板の劈開等を行い、更に、パッケージ化を行うことで、モード同期半導体レーザ素子10を作製することができる。
一般に、半導体層の抵抗R(Ω)は、半導体層を構成する材料の比抵抗値ρ(Ω・m)、半導体層の長さX0(m)、半導体層の断面積S(m2)、キャリア密度n(cm-3)、電荷量e(C)、移動度μ(m2/V秒)を用いて以下のように表される。
R=(ρ・X0)/S
=X0/(n・e・μ・S)
p型GaN系半導体の移動度は、p型GaAs系半導体に比べて、2桁以上小さいため、電気抵抗値が高くなり易い。よって、幅1.5μm、高さ0.35μmといった断面積が小さいリッジ構造を有する半導体レーザ素子の電気抵抗値は、上式から、大きな値となることが判る。
製作したモード同期半導体レーザ素子10の第2電極62の第2部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値を4端子法にて測定した結果、分離溝62Cの幅が20μmのとき、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値は15kΩであった。また、製作したモード同期半導体レーザ素子10において、第2電極62の第1部分62Aから発光領域41を経由して第1電極61に直流電流を流して順バイアス状態とし、第1電極61と第2電極62の第2部分62Bとの間に逆バイアス電圧Vsaを印加することによって可飽和吸収領域42に電界を加えることで、セルフ・パルセーション動作させることができた。即ち、第2電極62の第1部分62Aと第2部分62Bとの間の電気抵抗値は、第2電極62と第1電極61との間の電気抵抗値の10倍以上であり、あるいは又、1×102Ω以上である。従って、第2電極62の第1部分62Aから第2部分62Bへの漏れ電流の流れを確実に抑制することができる結果、発光領域41を順バイアス状態とし、しかも、可飽和吸収領域42を確実に逆バイアス状態とすることができ、確実にシングルモードのセルフ・パルセーション動作を生じさせることができた。
実施例2は、実施例1の変形である。実施例1にあっては、外部共振器を回折格子81から構成した。一方、実施例2にあっては、外部共振器90を部分透過ミラー(反射率20%)から構成する。実施例2の半導体レーザ装置組立体の概念図を図5の(A)に示す。実施例2にあっては、部分透過ミラーから成る外部共振器90は、アウトプットカプラとして機能する。そして、実施例1と同様に、モード同期半導体レーザ素子10から外部共振器90を介して出射されたパルス状のレーザ光の長波成分を、バンドパスフィルターから成る波長選択素子92によって抽出し、外部に出力する。
この点を除き、実施例2の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例1の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と、基本的に同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
尚、実施例2の半導体レーザ装置組立体の変形例の概念図を図5の(B)に示すように、モード同期半導体レーザ素子10と外部共振器90との間に第2の波長選択素子93を備えている構成とすることもできる。尚、この場合、第2の波長選択素子93の波長選択スペクトル幅は、波長選択素子92の波長選択スペクトル幅よりも広い。具体的には、例えば、波長選択素子92の波長選択スペクトル幅をΔλ=0.80nmとし、第2の波長選択素子93の波長選択スペクトル幅をΔλ=0.40nmとした。
あるいは又、波長選択素子を、バンドパスフィルターから構成する代わりに、図6の(A)及び(B)に示すように、回折格子94、及び、回折格子94から出射された1次以上の回折光(実施例2においては、1次の回折光)を選択するアパーチャ96から成る構成とすることもできる。アパーチャ96は、例えば、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置97から成る。尚、回折格子94とアパーチャ96との間には、レンズ95が配されている。
モード同期半導体レーザ素子10から出射されるレーザ光の波長は或る波長範囲を有する。従って、回折格子94において回折された1次の回折光は、図6の(A)に示すように、多数の領域でアパーチャ96に衝突し得る。即ち、前述した式(A)において、複数の角度αが存在するが故に、複数の角度βが存在する。尚、図6の(A)及び(B)においては、レンズ95による光路の収束、発散は無視している。また、回折格子94から出射された0次の回折光の図示も省略している。ここで、図6の(B)に示すように、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置97の所望のセグメント96においてレーザ光を透過させることによって、モード同期半導体レーザ素子10から出射された、所望の波長を有するレーザ光のみが、最終的に外部に出力される。このように、アパーチャ96を選択することで、波長選択を行うことができる。
尚、第2の波長選択素子93と組み合わせる外部共振器として、また、回折格子94及びアパーチャ96と組み合わせる外部共振器として、実施例1にて説明した回折格子を用いることもできる。
実施例3は実施例1において説明したモード同期半導体レーザ素子の変形であり、第3の構成のモード同期半導体レーザ素子に関する。実施例1においては、モード同期半導体レーザ素子10を、極性を有する結晶面であるn型GaN基板21の(0001)面、C面上に設けた。ところで、このような基板を用いた場合、活性層40にピエゾ分極及び自発分極に起因した内部電界によるQCSE効果(量子閉じ込めシュタルク効果)によって、電気的に可飽和吸収が制御し難くなる場合がある。即ち、場合によっては、セルフ・パルセーション動作及びモード同期動作を得るために第1電極に流す直流電流の値及び可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧の値を高くする必要が生じたり、メインパルスに付随したサブパルス成分が発生したり、外部信号と光パルスとの間での同期が取り難くなることが判った。
そして、このような現象の発生を防止するためには、活性層40を構成する井戸層の厚さの最適化、活性層40を構成する障壁層における不純物ドーピング濃度の最適化を図ることが好ましいことが判明した。
具体的には、GaInN量子井戸活性層を構成する井戸層の厚さを、1nm以上、10.0nm以下、好ましくは、1nm以上、8nm以下とすることが望ましい。このように井戸層の厚さを薄くすることによって、ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる。また、障壁層の不純物ドーピング濃度を、2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下、好ましくは、1×1019cm-3以上、1×1020cm-3以下とすることが望ましい。ここで、不純物として、シリコン(Si)あるいは酸素(O)を挙げることができる。そして、障壁層の不純物ドーピング濃度をこのような濃度とすることで、活性層のキャリアの増加を図ることができる結果、ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる。
実施例3においては、表3に示した層構成における3層の障壁層(Ga0.98In0.02Nから成る)と2層の井戸層(Ga0.92In0.08N)から成るGaInN量子井戸活性層から構成された活性層40の構成を以下のとおりとした。また、参考例3のモード同期半導体レーザ素子においては、表3に示した層構成における活性層40の構成を以下のとおりとした。具体的には、実施例1と同じ構成とした。
[表3]
実施例3 参考例3
井戸層 8nm 10.5nm
障壁層 12nm 14nm
井戸層の不純物ドーピング濃度 ノン・ドープ ノン・ドープ
障壁層の不純物ドーピング濃度 Si:2×1018cm-3 ノン・ドープ
実施例3においては井戸層の厚さが8nmであり、また、障壁層にはSiが2×1018cm-3、ドーピングされており、活性層内のQCSE効果が緩和されている。一方、参考例3においては井戸層の厚さが10.5nmであり、また、障壁層には不純物がドーピングされていない。
モード同期は、実施例1と同様に、発光領域に印加する直流電流と可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧Vsaとによって決定される。実施例3及び参考例3の注入電流と光出力の関係(L−I特性)の逆バイアス電圧依存性を測定した。その結果、参考例3にあっては、逆バイアス電圧Vsaを増加していくと、レーザ発振が開始する閾値電流が次第に上昇し、更には、実施例3に比べて、低い逆バイアス電圧Vsaで変化が生じていることが判った。これは、実施例3の活性層の方が、逆バイアス電圧Vsaにより可飽和吸収の効果が電気的に制御されていることを示唆している。但し、参考例3にあっても、可飽和吸収領域に逆バイアスを印加した状態でシングルモード(単一基本横モード)のセルフ・パルセーション動作及びモード同期(モードロック)動作が確認されており、参考例3も本発明に包含されることは云うまでもない。また、実施例3において説明したモード同期半導体レーザ素子を、実施例2、実施例4〜実施例7におけるモード同期半導体レーザ素子に適用することができる。
実施例4は、本発明の半導体光増幅器組立体、具体的には、本発明の第1の態様に係る半導体光増幅器組立体に関する。半導体光増幅器組立体を含む実施例4の半導体光増幅器組立体の概念図を図7に示し、半導体光増幅器の軸線(光導波路の延びる方向であり、X方向)を含む仮想垂直面(XZ平面)で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な断面図を図8に示し、半導体光増幅器の軸線と直交する仮想垂直面(YZ平面)で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な断面図を図9に示す。尚、図8は、図9の矢印I−Iに沿った模式的な断面図であり、図9は、図8の矢印II−IIに沿った模式的な断面図である。また、半導体光増幅器の模式的な斜視図を図10に示し、リッジストライプ構造の模式的な平面図を図11に示す。
実施例4の半導体光増幅器組立体は、
(A)光出力のスペクトルが自己位相変調によって長波シフトを示す半導体光増幅器200、及び、
(B)波長選択素子210、
を備えている。そして、半導体光増幅器200から出射されたパルス状のレーザ光の長波成分を波長選択素子210によって抽出し、外部に出力する。
半導体光増幅器200は、図7に示すように、透過型半導体光増幅器から構成されている。そして、半導体光増幅器200の光入射端面201、及び、光入射端面201に対向する光出射端面203には、低反射コート層(AR)202,204が形成されている。低反射コート層202,204は、1層の酸化チタン層と1層の酸化アルミニウム層とが積層された構造を有する。光入力端面201側から入射されたレーザ光は、半導体光増幅器200の内部で光増幅され、反対側の光出射端面203から出力される。レーザ光は基本的に一方向にのみ導波される。また、実施例4にあっては、レーザ光源100は、実施例1〜実施例3において説明したモード同期半導体レーザ素子10と外部共振器80,90との組合せから成り、モード同期半導体レーザ素子10が出射するレーザ光(より具体的には、外部共振器80,90が出射するレーザ光)が半導体光増幅器200に入射する。
図7に示す実施例4の半導体光増幅器組立体において、レーザ光源100は、モード同期半導体レーザ素子10、レンズ71、外部共振器90(あるいは外部共振器80)、及び、レンズ101から構成されている。そして、レーザ光源100から出射されたレーザ光は、光アイソレータ102、反射ミラー103を介して、反射ミラー104に入射する。反射ミラー104によって反射されたレーザ光は、半波長板(λ/2波長板)105、レンズ106を通過して、半導体光増幅器200に入射する。尚、光アイソレータ102及び半波長板105は、半導体光増幅器200からの戻り光が、レーザ光源100に向かうことを防止するために配置されている。そして、半導体光増幅器200において光増幅されたパルス状のレーザ光は、レンズ211、波長選択素子210を通過して、外部に出力される。波長選択素子210は、実施例1と同様にバンドパスフィルターから成る。但し、これに限定されず、実施例2の変形例で説明したと同様に、回折格子94、及び、回折格子94から出射された1次以上の回折光(具体的には1次の回折光)を選択するアパーチャ96から成る構成とすることもできる。
半導体光増幅器200は、
(a)第1導電型(実施例4においては、具体的には、n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層230、GaN系化合物半導体から成る光増幅領域(キャリア注入領域、利得領域)241を有する第3化合物半導体層(活性層)240、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(実施例4においては、具体的には、p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層250が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層250上に形成された第2電極262、並びに、
(c)第1化合物半導体層230に電気的に接続された第1電極261、
を備えている。より具体的には、実施例4における半導体光増幅器200は、実施例1におけるモード同期半導体レーザ素子10と、第2電極の構成、構造を除き、実質的に同じ構成、構造を有する。
実施例4の半導体光増幅器200において、積層構造体はリッジストライプ構造を有し、光出射端面203におけるリッジストライプ構造の幅をWout、光入射端面201におけるリッジストライプ構造の幅をWinとしたとき、Wout>Winを満足する。具体的には、
Wout=15μm
Win =1.4μm
である。そして、半導体光増幅器200の軸線AX1に沿って光出射端面203から積層構造体の内側の領域には、キャリア非注入領域205が設けられている。ここで、半導体光増幅器200の軸線AX1に沿ったキャリア非注入領域205の長さ(キャリア非注入領域205の幅)をLNCとしたとき、
LNC =5μm
である。キャリア非注入領域205には第2電極262が設けられていない。半導体光増幅器全体の長さは2.0mmである。尚、半導体光増幅器200の軸線に沿って光入射端面201から積層構造体の内側の領域にも、キャリア非注入領域が設けられている。
実施例4の半導体光増幅器200は、より具体的には、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造(SCH構造)を有する。そして、インデックスガイド型のAlGaInNから成るGaN系半導体レーザ構造と同様の構造を有する。リッジストライプ構造の幅は、光入射端面201から光出射端面203に向かって、単調に、テーパー状に緩やかに広がっている。また、半導体光増幅器200の軸線AX1とリッジストライプ構造の軸線AX2とは、所定の角度、具体的には、θ=5.0度で交わっている。尚、軸線AX1及び軸線AX2を図11には一点鎖線で示す。
積層構造体は、化合物半導体基板221の上に形成されている。具体的には、半導体光増幅器200は、n型GaN基板221の(0001)面上に設けられている。尚、n型GaN基板221の(0001)面は、『C面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。第1化合物半導体層230、第3化合物半導体層240、及び、第2化合物半導体層250は、具体的には、AlGaInN系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表4に示す層構成を有する。ここで、表4において、下方に記載した化合物半導体層ほど、n型GaN基板221に近い層である。尚、第3化合物半導体層240における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは3.06eVである。第3化合物半導体層240は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有しており、障壁層の不純物(具体的には、シリコン,Si)のドーピング濃度は、2×1017cm-3以上、1×1020cm-3以下である。
[表4]
第2化合物半導体層250
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)257
p型AlGaN(Mgドープ)クラッド層255
p型GaN(Mgドープ)層254
p型AlGaN電子障壁層(Mgドープ)253
第3化合物半導体層240
GaInN量子井戸活性層
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層230
n型GaN層232
n型AlGaNクラッド層231
但し、
井戸層(2層):10nm[ノン・ドープ]
障壁層(3層):12nm[ドーピング濃度(Si):2×1018cm-3]
また、p型GaNコンタクト層257及びp型AlGaNクラッド層255の一部は、RIE法にて除去されており、リッジストライプ構造(リッジ部258)が形成されている。リッジ部258の両側にはSiO2/Siから成る積層絶縁膜259が形成されている。尚、SiO2層が下層であり、Si層が上層である。ここで、リッジ部258の有効屈折率と積層絶縁膜259の有効屈折率との差は、5×10-3乃至1×10-2、具体的には、7×10-3である。そして、リッジ部258の頂面に相当するp型GaNコンタクト層257からp型AlGaNクラッド層255の頂面の一部に亙り、第2電極(p側オーミック電極)262が形成されている。一方、n型GaN基板221の裏面には、Ti/Pt/Auから成る第1電極(n側オーミック電極)261が形成されている。実施例4にあっては、第2電極262を厚さ0.1μmのPd単層から構成した。
p型AlGaNクラッド層255の厚さは400nmであり、p型GaN層254の厚さは100nmであり、p型AlGaN電子障壁層253の厚さは20nmであり、p型GaNコンタクト層257の厚さは100nmである。更には、第2化合物半導体層250を構成するp型AlGaN電子障壁層253、p型GaN層254、p型AlGaNクラッド層255、p型GaNコンタクト層257には、Mgが、1×1019cm-3以上(具体的には、2×1019cm-3)、ドーピングされている。一方、n型AlGaNクラッド層231の厚さは2.5μmであり、n型GaN層232の厚さは200nmである。そして、n型AlGaNクラッド層231と第3化合物半導体層240とによって挟まれたn型化合物半導体層の厚さ(n型GaN層232の厚さ)をt1、p型AlGaNクラッド層255と第3化合物半導体層240とによって挟まれたp型化合物半導体層の厚さ(p型GaN層254及びp型AlGaN電子障壁層253の厚さの合計)をt2としたとき、
t1=200nm
t2=120nm
であり、
0.1≦t2/t1<1
を満足している。
実施例4にあっては、試験のために、半導体光増幅器200に波長405nmの単一モード連続発振レーザ光(光出力:15ミリワット)を入射させた。そして、第2電極262から第1電極261に向かって600ミリアンペアの直流電流を流した。尚、この直流電流の値を、光入射端面201を構成する第3化合物半導体層240、1cm2当たりに換算すると、3.7×103アンペア/cm2である。このとき、半導体光増幅器200から出射されたレーザ光の近視野像を図12の(A)に示す。尚、比較例4Aとして、キャリア非注入領域205を設けないことを除き、実施例4と同じ構成、構造を有する半導体光増幅器を作製した。そして、第2電極から第1電極に向かって600ミリアンペアの直流電流を流したときの、比較例4Aの半導体光増幅器から出射されたレーザ光の近視野像を図12の(B)に示す。図12の(B)からも明らかなように、比較例4Aの半導体光増幅器にあっては近視野像の幅がWout(15μm)に比べて狭く、1/e2幅で5μm(半値幅で3.1μm)であった。このような現象は、窒化物半導体系半導体光増幅器に特有の現象であることを本発明者らが初めて発見した。このような狭い近視野像は、増幅光出力の飽和や信頼性に悪影響を及ぼす。尚、比較例4Aの半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光強度密度は、47ミリワットであった。一方、図12の(A)からも明らかなように、実施例4の半導体光増幅器200にあっては、モードフィールドが広がり、近視野像の幅が広く、1/e2幅で11.5μm(半値幅で5.8μm)であった。また、実施例4の半導体光増幅器200から出力されるレーザ光の光強度密度は、122ミリワットであり、増幅光出力も、比較例4Aの半導体光増幅器と比較して高い。このように、キャリア非注入領域205を設けることで、増幅光出力が顕著に増大することが確認できた。また、(光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅)/(半導体光増幅器から出力されるレーザ光の幅)の値は1.3であった。ここで、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の幅とは、近視野像における1/e2幅、即ち、ピーク強度に対して1/e2の強度になる近視野像の幅を意味する。
キャリア非注入領域205を設けることで出射レーザ光の近視野像の幅が広がる理由は、以下のとおりと推測している。即ち、YZ平面での積層構造体内におけるキャリア分布は、入射レーザ光の光強度が低いときには、1つのピークを有する山型となる。ところが、入射レーザ光の光強度が高くなると、半導体光増幅器の積層構造体内におけるキャリアの注入、拡散が追いつかなくなり、2つのピークを有する山型(山/谷/山の光強度パターン)となる。ここで、化合物半導体層内でキャリア数が減少すると、化合物半導体層の相対的な屈折率が高くなることが知られている。それ故、半導体光増幅器の光出射端面から出射されるレーザ光が幅方向に広がり難くなり、近視野像の幅がWoutに比べて狭くなる。そして、レーザ光が半導体光増幅器から出射される領域の光出射端面を占める面積が小さいが故に、半導体光増幅器の高出力化が図り難い。
一方、実施例4の半導体光増幅器にあっては、光増幅には寄与しないキャリア非注入領域205が設けられているので、入射レーザ光の光強度が高くなっても、キャリア分布による相対的な屈折率が高くなるといった現象の発生を抑制することができ、半導体光増幅器の光出射端面から出射されるレーザ光が幅方向に広がり易い。そして、レーザ光が半導体光増幅器から出射される領域の光出射端面を占める面積が大きいが故に、半導体光増幅器の高出力化を図ることができる。
ところで、実施例1〜実施例3にて説明したモード同期半導体レーザ素子10から出射されるレーザ光の波長は或る波長範囲を有するが故に、半導体光増幅器200から出射されるレーザ光の波長も或る波長範囲を有する。即ち、半導体光増幅器200における光増幅の発生の際に、自己位相変調が発生し、光出力のスペクトルが長波シフトを示す。そして、発生したレーザ光は、持続時間内で波長が一定でなく、しかも、位相が揃っていない。また、不所望の波長成分が多数、含まれている。即ち、半導体光増幅器200から出射されたレーザ光はノイズィーな状態にある。然るに、半導体光増幅器200から出射されたパルス状のこのようなレーザ光の長波成分を、実施例4にあっては、波長選択素子210によって抽出し、外部に出力する。それ故、外部に出力されたレーザ光は、出射されたレーザ光の持続時間内での光強度の揺らぎを無くすことができ、外部に出力されたレーザ光は所望の波長を有するし、パルスの時間幅を短くすることができ、また、レーザ光のコヒーレンスを向上させることができるし、高いスループットを保持したままレーザ光を圧縮することが可能であり、高いピークパワーを得ることができる。
図13の(A)、(B)及び(C)に、実施例4の半導体光増幅器組立体における光出力のスペクトルを示す。尚、図13の(A)は、実施例1におけるモード同期半導体レーザ素子10を連続発振させたときに得られたレーザ光が半導体光増幅器200に入射され、半導体光増幅器200から出射されたときの光出力スペクトルを示す図であり、図13の(B)は、モード同期半導体レーザ素子10をパルス発振させたときのレーザ光が半導体光増幅器200に入射され、半導体光増幅器200から出射されたときの光出力スペクトルを示す図であり、図13の(C)は、モード同期半導体レーザ素子10をパルス発振させたときのレーザ光が半導体光増幅器200に入射され、半導体光増幅器200から出射され、波長選択素子210に入射され、波長選択素子210から出射されたときの光出力スペクトルを示す図である。ここで、自己位相変調によって長波側にスペクトルシフトしたものの内、強度の最も高いピーク成分を波長選択素子210によって抽出した。図13の(A)、(B)及び(C)に示した状態における各種諸元を以下の表5に示す。尚、表5中、『電流2』とは、第2電極262に流す電流(単位:ミリアンペア)を意味する。
[表5]
図13の(A) 図13の(B) 図13の(C)
電流2 1050mA 1050mA
平均パワー 241mW 90mW
ピーク波長 402.75nm 403.10nm 403.10nm
Δλ 0.32nm
パルス幅 1.20p秒 1.00p秒
ピークパワー 200W 90W
このように、レーザ光のピーク波長は、モード同期半導体レーザ素子10を連続発振させた状態からパルス状に発振させた状態に変更したとき、長波長側に0.35nm、シフトした。また、モード同期半導体レーザ素子10をパルス発振させたときのレーザ光(図13の(B)参照)のパルス幅は1.20ピコ秒である。これに対して、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたパルス状のレーザ光から波長選択素子210によって長波側のメインピークを抽出したレーザ光(図13の(C)参照)のパルス幅は1.00ピコ秒であり、波長選択素子210によるスペクトル抽出の結果、発生したレーザ光の時間幅が狭くなっていることが分かる。即ち、コヒーレントな短いパルス時間幅のレーザ光出力が得られることが判る。ここで使用した波長選択素子210の透過スペクトル幅はΔλ=0.40nmである。また、波長選択素子82を通過した後の実際のスペクトル幅はΔλ=0.32nmであった。
更には、モード同期半導体レーザ素子10から出射されたパルス状のレーザ光から波長選択素子210によって長波側のメインピークを抽出したレーザ光の平均パワーは90ミリワットであった。一方、半導体光増幅器200から出射されたパルス状のレーザ光の平均パワーは241ミリワットであった。これらの平均パワーを、レーザ光の特性を特徴付けるピークパワーに換算すると、それぞれ、90ワット及び200ワットである。実施例4の半導体光増幅器組立体にあっては、波長選択素子210の使用によって、平均パワーの減少分よりもピークパワーの減少分の方が少なくなっており、コヒーレントなレーザ光の生成に寄与していることが判る。尚、波長選択素子210の透過スペクトル幅の値は、このような値に限定するものではなく、自己位相変調によるスペクトル広がりに対応して、適宜、値を選ぶことで、最適なパルスの時間幅を得ることが可能になる。
半導体光増幅器200から出射されたパルス状のレーザ光の光出力スペクトルには複数のピークが含まれている場合、これらの複数のピークの内の1つのピークを波長選択素子210によって抽出し、外部に出力することもできる。例えば、パルス状のレーザ光の光出力スペクトルに403.17nm、403.34nm、403.81nmといった複数のピークが主に含まれている場合、これらの複数のピークの内の1つのピークである403.81nmnmのピークを波長選択素子210によって抽出し、外部に出力することができる。
実施例5は、実施例4の変形である。半導体光増幅器を含む実施例5の半導体光増幅器組立体の概念図を図14に示し、半導体光増幅器の軸線(X方向)を含む仮想垂直面(XZ平面)で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な断面図を図15に示し、半導体光増幅器の軸線と直交する仮想垂直面(YZ平面)で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な断面図を図16に示す。尚、図15は、図16の矢印I−Iに沿った模式的な断面図であり、図16は、図15の矢印II−IIに沿った模式的な断面図である。更には、半導体光増幅器の模式的な斜視図を図17に示し、リッジストライプ構造の模式的な平面図を図18に示す。
尚、レーザ光源を構成するモード同期半導体レーザ素子の構成、構造は、実施例1〜実施例3にて説明したモード同期半導体レーザ素子の構成、構造と同様である。即ち、実施例5において、モード同期半導体レーザ素子が出射するレーザ光が半導体光増幅器200に入射する。
実施例5において、第2電極262は、分離溝262Cで分離された第1部分262A及び第2部分262Bから構成され、キャリア非注入領域205には第2電極の第2部分262Bが設けられている。そして、第2電極の第2部分262Bには、ビルトイン電圧以下の電圧、具体的には、0ボルトが印加される。第2電極の第1部分262Aに電圧を印加することで、半導体光増幅器200の本来の機能である光増幅を行い、第2電極の第2部分262Bに電圧を印加することで、位置調整等のための計測を行うことができる。
実施例5にあっては、第1部分262Aの長さをLAmp-1、第2部分262Bの長さをLAmp-2としたとき、
LAmp-1=1.97mm
LAmp-2=0.01mm
であり、
0.001≦LAmp-2/LAmp-1≦0.01
を満足している。また、分離溝の幅は0.02mmである。
実施例5にあっては、第2電極の第2部分に第1部分よりも低い電圧を印加する。これによって、第2部分が含まれたキャリア非注入領域が存在するので、入射レーザ光の光強度が高くなっても、化合物半導体層の相対的な屈折率が高くなるといった現象の発生を抑制することができ、半導体光増幅器の光出射端面から出射されるレーザ光が幅方向に広がり易い。そして、レーザ光が半導体光増幅器から出射される領域の光出射端面を占める面積が大きいが故に、半導体光増幅器の高出力化を図ることができる。
そして、実施例5の半導体光増幅器組立体は、半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を調整する位置合わせ装置300、並びに、半導体光増幅器200の動作を制御する半導体光増幅器制御装置400を更に備えている。半導体光増幅器制御装置400は、具体的には、周知の直流電源と電圧測定装置と電流測定装置の組合せから構成されている。そして、半導体光増幅器制御装置400における電圧モニターの分解能は、1ミリボルト以下、より具体的には0.1ミリボルト以下である。また、半導体光増幅器制御装置400における電流モニターの分解能は、100マイクロアンペア以下、より具体的には10マイクロアンペア以下である。
図14に示す実施例5の半導体光増幅器組立体も、実施例4にて説明した半導体光増幅器組立体と同様の構成を有する。ここで、反射ミラー104、半波長板105及びレンズ106は、位置合わせ装置300に載置されている。位置合わせ装置300は、具体的には、XYZステージから成る。尚、次に述べる半導体光増幅器200における積層構造体の厚さ方向をZ方向、半導体光増幅器200の軸線方向をX方向としたとき、反射ミラー104及びレンズ106は、位置合わせ装置300によって、X方向、Y方向及びZ方向に移動させられる。
そして、実施例5にあっては、半導体光増幅器200にレーザ光源100からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器200の第2部分262Bに所定の値の電圧(ビルトイン電圧以下の電圧)を印加する。そして、半導体光増幅器200を流れる電流が最大となるように半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置を調整する。
具体的には、実施例5においては、半導体光増幅器200にレーザ光源100からレーザ光を入射させずに半導体光増幅器200に所定の値の電圧V0を印加したとき、半導体光増幅器200の第2部分262Bを流れる電流をI1、半導体光増幅器200にレーザ光源100からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器200に所定の値の電圧V0を印加したとき、半導体光増幅器200の第2部分262Bを流れる電流をI2とすれば、ΔI=(I2−I1)の値が最大となるように半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置を調整する。
半導体光増幅器200にレーザ光源100からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器200に所定の値の電圧を印加し、Y方向にXYZステージを移動させたときの半導体光増幅器200を流れる電流ΔIの変化を模式的に図19に示す。Y方向へのXYZステージの移動に伴い、半導体光増幅器200を流れる電流ΔIは、単調に増加し、最大値を超えると、単調に減少する。このときの半導体光増幅器200から出射されるレーザ光の光出力の変化も、電流の変化と全く同じ挙動を示す。それ故、半導体光増幅器200に流れる電流が最大となるように半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置を調整することで、半導体光増幅器200から出射されるレーザ光の光出力を最大とすることができる。
実施例5の半導体光増幅器200にあっては、半導体光増幅器200にレーザ光源100からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器200に所定の値の電圧V0を印加し、Y方向にXYZステージを移動させると、図19に示すように、半導体光増幅器200に印加される(加わる)電圧が増加する。これは、XYZステージを移動させると、半導体光増幅器200からの光出力が増加していくが、このような現象が生じると、光増幅領域(キャリア注入領域、利得領域)241におけるキャリア数が減少するので、係るキャリア数の減少を補償するために、半導体光増幅器200を流れる電流が増加する。実施例5における半導体光増幅器の位置合わせ方法及び半導体光増幅器組立体は、このような現象に基づいている。尚、位置合わせ装置(XYZステージ)300の移動は、作業者が行ってもよいし、電圧の測定結果に基づいて、半導体光増幅器制御装置400の指示により自動的に行うこともできる。
実施例5にあっては、半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置の調整のために、半導体光増幅器200に印加される電流を測定するので、外部のモニタリング装置に依存することなく、位置調整のための計測を行うことができる。それ故、高い精度で半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置の調整を行うことが可能である。
また、半導体光増幅器200の第2部分262Bを流れる電流I1,I2をモニターすることで、半導体光増幅器200、モード同期半導体レーザ素子10の動作の状態を監視することができる。
半導体光増幅器200は、第2電極の構成が異なる点を除き、実施例1にて説明したモード同期半導体レーザ素子10と同じ製造方法で製造することができるので、詳細な説明は省略する。
尚、図20に概念図を示すように、半導体光増幅器200から出射されるレーザ光の光出力の一部を、ビームスプリッタ213を用いて取り出し、レンズ214を介してフォトダイオード215に入射させることで、半導体光増幅器200から出射されるレーザ光の光出力を測定してもよい。そして、光出力が所望の値から変化したとき、実施例5の半導体光増幅器の位置合わせ方法を再び実行する。即ち、半導体光増幅器200にレーザ光源100からのレーザ光を入射させながら半導体光増幅器200に所定の値の電圧V0を印加して、半導体光増幅器200を流れる電流が最大となるように半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置を再調整する。そして、半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置の再調整の結果が、再調整前の半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置と同じである場合、半導体光増幅器200から出射されたレーザ光が通過する光路の調整を行う。係る調整は、例えば、反射ミラー212をXYZステージ216に載置すればよい。尚、XYZステージ216の移動は、作業者が行ってもよいし、電圧及びフォトダイオード215の測定結果に基づいて、半導体光増幅器制御装置400の指示により自動的に行うこともできる。尚、図20において、半導体光増幅器200より上流に位置する半導体光増幅器組立体の構成要素は、実施例5の半導体光増幅器組立体の構成要素と同じであるが故に、半導体光増幅器組立体のこれらの構成要素の図示を省略している。ここで、このような方法を採用することで、光出力のモニターに変化が生じたとき、係る変化が、半導体光増幅器200に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器200の相対的な位置の変化(即ち、入射レーザ光と半導体光増幅器の光導波路との結合効率の変化)に起因したものであるのか否かの峻別を、容易に行うことができる。
実施例6は、実施例4の変形であるが、本発明の第2の態様及び第3の態様に係る半導体光増幅器組立体に関する。実施例6の本発明の第2の態様に係る半導体光増幅器組立体の模式的な斜視図及びリッジストライプ構造の模式的な平面図を図21の(A)及び図22に示すが、第2電極262の幅はリッジストライプ構造の幅よりも狭い。ここで、(第2電極の幅)/(リッジストライプ構造の幅)の値は、0.2乃至0.9を満足している。あるいは又、実施例6の本発明の第3の態様に係る半導体光増幅器組立体の模式的な斜視図及びリッジストライプ構造の模式的な平面図を図23の(A)及び図24に示すが、リッジストライプ構造の最大幅をWmaxとしたとき、Wmax>Woutを満足する。ここで、
0.2≦Wout/Wmax≦0.9
を満足する。尚、図24においては、第2電極262の図示を省略したが、第2電極262は、実施例4と同様に、リッジ部の頂面に相当するp型GaNコンタクト層からp型AlGaNクラッド層の頂面の一部に亙り形成されている。
以上の点を除き、また、キャリア非注入領域が設けられていない点を除き、実施例6の半導体光増幅器の構成、構造は、実施例4において説明した半導体光増幅器の構成、構造と同じとすることができるので、詳細な説明は省略する。
図12の(B)に示したように、近視野像の幅がWoutに比べて狭い場合、光フィールドが、光密度、キャリアの拡散長、デバイスの温度等、駆動条件や光出力の条件により、不安定になる虞がある。そこで、実施例6にあっては、上述した構成、構造を採用することで、モードの不安定性を緩和させている。
実施例7は、実施例6の変形である。図21の(A)及び図22に示した半導体光増幅器の変形例の模式的な斜視図を図21の(B)に示し、図23の(A)及び図24に示した半導体光増幅器の変形例の模式的な斜視図を図23の(B)に示すように、実施例7にあっては、実施例6と異なり、半導体光増幅器の軸線に沿って光出射端面から積層構造体の内側の領域には、キャリア非注入領域が設けられている。この点を除き、実施例7の半導体光増幅器の構成、構造は、実施例6において説明した半導体光増幅器の構成、構造と同じとすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、実施例7にあっても、実施例5と同様に、第2電極を第1部分と第2部分とに分離溝によって分離してもよい。
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した半導体レーザ装置組立体、半導体光増幅器組立体、モード同期半導体レーザ素子、半導体光増幅器の構成、構造の構成は例示であり、適宜、変更することができる。また、実施例においては、種々の値を示したが、これらも例示であり、例えば、使用する半導体レーザ素子や半導体光増幅器の仕様が変われば、変わることは当然である。
発光領域41や可飽和吸収領域42の数は1に限定されない。1つの第2電極の第1部分62Aと2つの第2電極の第2部分62B1,62B2とが設けられたモード同期半導体レーザ素子の模式的な端面図を図25に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、第1部分62Aの一端が、一方の分離溝62C1を挟んで、一方の第2部分62B1と対向し、第1部分62Aの他端が、他方の分離溝62C2を挟んで、他方の第2部分62B2と対向している。そして、1つの発光領域41が、2つの可飽和吸収領域421,422によって挟まれている。あるいは又、2つの第2電極の第1部分62A1,62A2と1つの第2電極の第2部分62Bとが設けられたモード同期半導体レーザ素子の模式的な端面図を図26に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、第2部分62Bの端部が、一方の分離溝62C1を挟んで、一方の第1部分62A1と対向し、第2部分62Bの他端が、他方の分離溝62C2を挟んで、他方の第1部分62A2と対向している。そして、1つの可飽和吸収領域42が、2つの発光領域411,412によって挟まれている。
モード同期半導体レーザ素子を、斜め導波路を有する斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造の半導体レーザ素子とすることもできる。このようなモード同期半導体レーザ素子におけるリッジ部56’を上方から眺めた模式図を図27に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、直線状の2つのリッジ部が組み合わされた構造を有し、2つのリッジ部の交差する角度θの値は、例えば、
0<θ≦10(度)
好ましくは、
0<θ≦6(度)
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートをされた端面の反射率を、より0%の理想値に近づけることができ、その結果、半導体レーザ内で周回してしまうレーザ光の発生を防ぐことができ、メインのレーザ光に付随するサブのレーザ光の生成を抑制できるといった利点を得ることができる。
実施例においては、モード同期半導体レーザ素子10を、n型GaN基板21の極性面であるC面,{0001}面上に設けたが、代替的に、{11−20}面であるA面、{1−100}面であるM面、{1−102}面といった無極性面上、あるいは又、{11−24}面や{11−22}面を含む{11−2n}面、{10−11}面、{10−12}面といった半極性面上に、モード同期半導体レーザ素子10を設けてもよく、これによって、モード同期半導体レーザ素子10の第3化合物半導体層にたとえピエゾ分極及び自発分極が生じた場合であっても、第3化合物半導体層の厚さ方向にピエゾ分極が生じることは無く、第3化合物半導体層の厚さ方向とは略直角の方向にピエゾ分極が生じるので、ピエゾ分極及び自発分極に起因した悪影響を排除することができる。尚、{11−2n}面とは、ほぼC面に対して40度を成す無極性面を意味する。また、無極性面上あるいは半極性面上にモード同期半導体レーザ素子10を設ける場合、実施例3にて説明したような、井戸層の厚さの制限(1nm以上、10nm以下)及び障壁層の不純物ドーピング濃度の制限(2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下)を無くすことが可能である。
また、実施例5の変形例として、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器に所定の値の電流を流して、半導体光増幅器に印加される(加わる)電圧が最大となるように半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を調整する形態とすることもでき、この場合、半導体光増幅器から出射されるレーザ光の光出力を測定し、光出力が所望の値から変化したとき、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器に所定の値の電流を流して、半導体光増幅器に印加される(加わる)電圧が最大となるように半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を再調整することができ、更には、半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置の再調整の結果が、再調整前の半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置と同じである場合、半導体光増幅器から出射されたレーザ光が通過する光路の調整を行うことができる。具体的には、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させずに半導体光増幅器に所定の値の電流I0を流したとき、半導体光増幅器に印加される(加わる)電圧をV1、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器に所定の値の電流I0を流したとき、半導体光増幅器に印加される(加わる)電圧をV2とすれば、ΔV=(V2−V1)の値が最大となるように半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を調整する形態とすることができる。ここで、所定の値の電流として、0ミリアンペア<ΔI≦20ミリアンペアを例示することができる。
あるいは又、実施例5の変形例として、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器に所定の値の電圧を印加して、半導体光増幅器を流れる電流が最大となるように半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を調整する形態とすることもでき、この場合、半導体光増幅器から出射されるレーザ光の光出力を測定し、光出力が所望の値から変化したとき、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器に所定の値の電圧を印加して、半導体光増幅器を流れる電流が最大となるように半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を再調整することができ、更には、半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置の再調整の結果が、再調整前の半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置と同じである場合、半導体光増幅器から出射されたレーザ光が通過する光路の調整を行うことができる。具体的には、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させずに半導体光増幅器に所定の値の電圧V0を印加したとき、半導体光増幅器を流れる電流をI1、半導体光増幅器にレーザ光源からレーザ光を入射させながら半導体光増幅器に所定の値の電圧V0を印加したとき、半導体光増幅器を流れる電流をI2とすれば、ΔI=(I2−I1)の値が最大となるように半導体光増幅器に入射するレーザ光に対する半導体光増幅器の相対的な位置を調整する形態とすることができる。ここで、所定の値の電圧として、0ボルト≦ΔV≦5ボルトを例示することができる。