JP2022078795A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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浩幸 樽見
Hiroyuki Tarumi
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敬三 武政
Keizo Takemasa
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Kenichi Nishi
裕 大西
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Abstract

【課題】温度変化による利得変動を低減できる半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体レーザ装置であって、第１量子ドット層２４２と、第１量子ドット層２４２より発光波長が長い第２量子ドット層２４３とをそれぞれ１つ以上含む構成とされた活性層２４を備え、活性層２４の利得スペクトルは、第１量子ドット層２４２の発光波長と、第２量子ドット層２４３の発光波長とに対応して、第１波長と、第１波長より長い第２波長とで極大値をとり、利得スペクトルの第１波長における極大値を第１極大値とし、利得スペクトルの第２波長における極大値を第２極大値として、第１極大値は、第２極大値よりも大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、量子ドット層を備える半導体レーザ装置に関するものである。
ＳＯＡ（半導体光増幅器）を用いた半導体レーザ装置において、量子ドット層による電子の３次元的な閉じ込めと、活性層近傍へのｐ型不純物のドープによって、広い温度範囲で高出力を得る方法が提案されている。
このような半導体レーザ装置は、通常、１つの波長で利得がピークをとる特性を有する。環境温度が変化した場合、利得のピークは大きく変化しないが、利得がピークをとる波長は大きく変化する。そのため、動作波長を固定すると、温度変化による出力の変動が大きくなる。
これについて特許文献１では、発光波長の異なる複数の量子ドット層を用いて、ピークが平坦な利得特性を得ている。ピークをとる波長帯域は、使用温度範囲の波長シフト量に対応しており、これにより、温度変化による利得変動を低減している。
特開２００８－２４４２３５号公報
しかしながら、量子ドットの状態密度が完全に離散化されていないと、利得のピークが温度によって変動するため、動作波長を固定すると出力の変動が大きくなる。また、量子ドットの状態密度を完全に離散化することは困難である。したがって、温度によって利得のピークが変動する場合にも、動作波長における利得変動を低減する方法が必要である。
本発明は上記点に鑑みて、温度変化による利得変動を低減できる半導体レーザを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体レーザ装置であって、第１量子ドット層（２４２）と、第１量子ドット層より発光波長が長い第２量子ドット層（２４３）とをそれぞれ１つ以上含む構成とされた活性層（２４）を備え、活性層の利得スペクトルは、第１量子ドット層の発光波長と、第２量子ドット層の発光波長とに対応して、第１波長と、第１波長より長い第２波長とで極大値をとり、利得スペクトルの第１波長における極大値を第１極大値とし、利得スペクトルの第２波長における極大値を第２極大値として、第１極大値は、第２極大値よりも大きい。
このように、短波長側の第１極大値を長波長側の第２極大値よりも大きくすると、ある波長帯域では、温度による利得のばらつきが小さくなる。したがって、温度変化による利得変動を低減することができる。
また、請求項５に記載の発明では、レーザ光を発生させる光源（２）を備える半導体レーザ装置であって、光源は、第１量子ドット（２４２ａ）を有する第１量子ドット層（２４２）と、第２量子ドット（２４３ａ）を有する第２量子ドット層（２４３）とをそれぞれ１つ以上含む活性層（２４）を備え、第２量子ドットの寸法は、第１量子ドットの寸法より大きく、第１量子ドット層の層数は、第２量子ドット層の層数より多い。
このように、第２量子ドットの寸法を第１量子ドットの寸法より大きくすることで、第２量子ドット層の発光波長が、第１量子ドット層の発光波長よりも長くなる。また、第１量子ドット層の層数を第２量子ドット層の層数より多くすることで、活性層の利得スペクトルにおいて、第１量子ドット層の発光波長での極大値が、第２量子ドット層の発光波長での極大値よりも大きくなる。このようにすると、ある波長帯域では、温度による利得のばらつきが小さくなる。したがって、温度変化による利得変動を低減することができる。
また、請求項６に記載の発明では、レーザ光を発生させる光源（２）を備える半導体レーザ装置であって、光源は、第１量子ドット（２４２ａ）を有する第１量子ドット層（２４２）と、第２量子ドット（２４３ａ）を有する第２量子ドット層（２４３）とを含む活性層（２４）を備え、第２量子ドットの寸法は、第１量子ドットの寸法より大きく、第１量子ドット層における第１量子ドットの密度は、第２量子ドット層における第２量子ドットの密度より大きい。
このように、第２量子ドットの寸法を第１量子ドットの寸法より大きくすることで、第２量子ドット層の発光波長が、第１量子ドット層の発光波長よりも長くなる。また、第１量子ドットの密度を第２量子ドットの密度より大きくすることで、活性層の利得スペクトルにおいて、第１量子ドット層の発光波長での極大値が、第２量子ドット層の発光波長での極大値よりも大きくなる。このようにすると、ある波長帯域では、温度による利得のばらつきが小さくなる。したがって、温度変化による利得変動を低減することができる。
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
第１実施形態にかかる半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図１に示すＳＯＡの断面図である。 図２に示す活性層の断面図である。 活性層の利得スペクトルである。 温度による利得の変化を示す図である。 室温時と低温時の利得スペクトルである。 室温時と高温時の利得スペクトルである。 比較例における－２０℃～１０５℃の利得スペクトルである。 比較例における－２０℃～１０５℃の利得強度である。 第１実施形態における－２０℃～１０５℃の利得スペクトルである。 第１実施形態における－２０℃～１０５℃の利得強度である。 利得変動をさらに低減する方法について説明するための図である。 第２実施形態における活性層の断面図である。 第３実施形態における活性層の利得スペクトルである。 第３実施形態における利得変動の低減について説明するための図である。 利得変動をさらに低減する方法について説明するための図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置１は、ＳＯＡ２と、波長選択部３とを備えている。半導体レーザ装置１は、例えばレーザレーダやＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）などに適用される。ＳＯＡ２と波長選択部３は、例えば図示しない半導体基板に半導体プロセスを施すことで形成される。
ＳＯＡ２は、レーザ光を発生させる光源である。図２に示すように、ＳＯＡ２は、下部電極２１と、基板２２と、アンダークラッド層２３と、活性層２４と、オーバークラッド層２５と、コンタクト層２６と、上部電極２７の積層構造によって構成されている。なお、図１では、ＳＯＡ２のうちアンダークラッド層２３、活性層２４、オーバークラッド層２５のみを図示している。
図２に示すように、下部電極２１は、基板２２の裏面側、つまりアンダークラッド層２３と反対側に接触させられている。基板２２は、例えばＧａＡｓ基板などで構成されている。アンダークラッド層２３は、ｎ型のＡｌＧａＡｓなどで構成されている。活性層２４は、アンダークラッド層２３の上面に形成されている。活性層２４の詳細については、後述する。
オーバークラッド層２５は、活性層２４の上面に形成されており、例えばＡｌＧａＡｓで構成されている。コンタクト層２６は、上部電極２７とのコンタクトを取るためのものであり、オーバークラッド層２５の上面に形成されている。コンタクト層２６は、例えばＧａＡｓで構成されている。
上部電極２７は、コンタクト層２６の上面に形成されている。上部電極２７とコンタクト層２６およびオーバークラッド層２５の表層部に至るまで凹部２８が形成されており、ＳＯＡ２は、凹部２８以外の位置に上部電極２７とコンタクト層２６が突き出たメサ構造とされている。
このように構成されたＳＯＡ２により、上部電極２７と下部電極２１との間に所定の電位差を発生させる電圧を印加することで、レーザ発振を生じさせ、活性層２４の端面からレーザ光を出射させることができる。
波長選択部３は、半導体レーザ装置１の動作波長を選択するものであり、図１に示すように、エタロンフィルタ３１と、ミラー３２とを備えている。エタロンフィルタ３１は、所定の波長のみを透過させるものである。エタロンフィルタ３１は、活性層２４から射出された光が入射するように配置されており、図１の矢印Ａ１で示すように、エタロンフィルタ３１を透過した光は、ミラー３２に入射する。
ミラー３２は、エタロンフィルタ３１から入射した光を、エタロンフィルタ３１に向かって反射するように配置されている。矢印Ａ２で示すように、ミラー３２で反射した光は、エタロンフィルタ３１を透過して活性層２４に入射し、活性層２４のうちエタロンフィルタ３１、ミラー３２とは反対側の端面から射出される。エタロンフィルタ３１の設計によって、透過させる光の波長を調整することにより、半導体レーザ装置１の動作波長を選択することができる。
本実施形態では、波長選択部３は、活性層２４をシングルモード発振、すなわち、単一の波長で発振させるように動作波長を選択する。具体的には、波長選択部３は、２つのエタロンフィルタ３１を備えている。２つのエタロンフィルタ３１をそれぞれエタロンフィルタ３１ａ、３１ｂとする。
エタロンフィルタ３１ａ、３１ｂは、自由スペクトル間隔が異なっており、エタロンフィルタ３１ａが透過させる複数の波長と、エタロンフィルタ３１ｂが透過させる複数の波長とが、１つの波長のみで重複している。したがって、図１に示すように、活性層２４から射出された光の経路上にエタロンフィルタ３１ａ、３１ｂを置くことで、この１つの波長の光がミラー３２に入射し、活性層２４に戻る。これにより、活性層２４がシングルモード発振するようになる。
活性層２４がマルチモード発振するように動作波長を選択してもよいが、活性層２４がシングルモード発振することで、利得変動を低減することができる。
なお、ここでは波長選択部３がエタロンフィルタ３１とミラー３２とで構成される場合について説明したが、波長選択部３が所定の波長の光のみを反射する回折格子等で構成されていてもよい。波長選択部３を回折格子で構成する場合には、活性層２４はシングルモード発振する。また、エタロンフィルタや回折格子等で構成される波長選択部３に対して、外部から電圧等を印加することによって、半導体レーザ装置１の動作波長を選択してもよい。
活性層２４の詳細な構成について説明する。図３に示すように、活性層２４は、中間層２４１を備えている。また、活性層２４は、量子ドット層２４２と、量子ドット層２４３とをそれぞれ１つ以上含み、中間層２４１と、量子ドット層２４２または量子ドット層２４３とが交互に積層された構成とされている。
中間層２４１は、例えばＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）で構成されている。量子ドット層２４２、量子ドット層２４３は、それぞれ、結晶成長や微細加工などによって形成された粒状の量子ドット２４２ａ、２４３ａを備えた構造であり、表面側および裏面側が中間層２４１によって覆われている。量子ドット層２４２、量子ドット層２４３は、例えばＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓで構成されており、量子ドット層２４２、２４３を含む活性層２４には、ｐ型不純物が選択ドープされている。量子ドット層２４２、量子ドット層２４３は、それぞれ、第１量子ドット層、第２量子ドット層に相当する。量子ドット２４２ａ、量子ドット２４３ａは、それぞれ、第１量子ドット、第２量子ドットに相当する。
活性層２４の利得スペクトルは、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３の基底準位による発光によって構成される極大値を有し、活性層２４の発光波長および利得強度は、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３の構成によって決まる。利得スペクトルは、例えばHakki-Paoli法によって測定することができる。
本実施形態では、活性層２４において、量子ドット層２４３に対応する発光波長が量子ドット層２４２に対応する発光波長よりも長くなるように、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３が構成されている。また、量子ドット層２４２に対応する発光波長の利得が、量子ドット層２４３に対応する発光波長の利得よりも大きくなるように、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３が構成されている。
具体的には、量子ドット層２４３が備える量子ドット２４３ａは、量子ドット層２４２が備える量子ドット２４２ａよりも高さ寸法が大きくされており、これにより量子ドット層２４３は量子ドット層２４２よりも発光波長が長くされている。量子ドット２４２ａ、２４３ａの高さ寸法は、量子ドット層２４２、２４３の厚さ方向における幅である。例えば、量子ドット層２４２の発光波長は１２３０ｎｍとされ、量子ドット層２４３の発光波長は１３００ｎｍとされる。
また、量子ドット層２４２の積層数を量子ドット層２４３の積層数よりも多くすることで、量子ドット層２４２に対応する発光波長の利得が、量子ドット層２４３に対応する発光波長の利得よりも大きくなる。例えば、図３に示すように、活性層２４は５層の量子ドット層２４２と３層の量子ドット層２４３とを備えている。
このような構成により、活性層２４の利得スペクトルは、図４に示すようになる。すなわち、活性層２４の利得スペクトルは、量子ドット層２４２の発光波長に対応して、波長λＭＡＸ１で極大値ＧＭＡＸ１をとる。また、利得スペクトルは、量子ドット層２４３の発光波長に対応して、λＭＡＸ１より長い波長であるλＭＡＸ２で極大値ＧＭＡＸ２をとる。また、ＧＭＡＸ１はＧＭＡＸ２よりも大きい。λＭＡＸ１、λＭＡＸ２は、それぞれ、第１波長、第２波長に相当する。ＧＭＡＸ１、ＧＭＡＸ２は、それぞれ、第１極大値、第２極大値に相当する。
なお、図４において、λｍｉｎは、λＭＡＸ１とλＭＡＸ２との間の波長であって、利得スペクトルが極小値をとるときの波長であり、Ｇｍｉｎは、この極小値である。λｍｉｎは第３波長に相当する。
ｐ型不純物がドープされた、量子ドット層を有する活性層は、利得スペクトルの強度と発光波長が温度によって変化する特性を有する。以下、温度はＳＯＡ２の下部電極２１の裏面の温度を指すが、ＳＯＡ２の内部または外表面であればどの位置の温度であってもよい。
具体的には、図５に示すように、利得強度はある温度Ｔｐで最大となり、Ｔｐよりも低い温度、および、Ｔｐよりも高い温度では、 温度Ｔｐのときに比べて利得が小さくなる。Ｔｐは、例えば１５℃以上２５℃以下の室温である。また、温度が高いほど発光波長が長くなる。
すなわち、温度がＴｐよりも低温になると、利得スペクトルの強度が低下するとともに発光波長が短波長側へシフトする。また、温度がＴｐよりも高温になると、利得スペクトルの強度が低下するとともに発光波長が長波長側へシフトする。
このように、温度がＴｐよりも低い場合と高い場合の両方で、利得強度が低下する。しかしながら、図５に示すように、高温時には低温時よりも利得強度が急峻に低下するため、Ｔｐとの温度差が同じでも、高温時には低温時よりも温度Ｔｐにおける利得との差が大きくなる。
このような温度特性により、例えば利得スペクトルが極大値を１つのみ有する場合には、動作波長を固定すると、温度変化による利得変動が大きくなる。
これについて、本発明者らは、高温時には低温時よりも利得強度が急峻に低下するという特性に対応して利得変動を低減する方法を着想した。その方法について、図６、図７を用いて説明する。図６、図７は、本実施形態における活性層２４の利得スペクトルの温度による変化を示す図である。
なお、図６、図７の実線は温度Ｔｐにおける利得スペクトルを示し、図６の一点鎖線は温度Ｔｐよりも低い温度ＴＬにおける利得スペクトルを示し、図７の一点鎖線は温度Ｔｐよりも高い温度ＴＨにおける利得スペクトルを示す。λＭＡＸ１（Ｔｐ）、λＭＡＸ２（Ｔｐ）、λｍｉｎ（Ｔｐ）は、温度ＴｐにおけるλＭＡＸ１、λＭＡＸ２、λｍｉｎである。λＭＡＸ１（ＴＬ）、λＭＡＸ２（ＴＬ）、λｍｉｎ（ＴＬ）は、温度ＴＬにおけるλＭＡＸ１、λＭＡＸ２、λｍｉｎである。λＭＡＸ１（ＴＨ）、λＭＡＸ２（ＴＨ）、λｍｉｎ（ＴＨ）は、温度ＴＨにおけるλＭＡＸ１、λＭＡＸ２、λｍｉｎである。ＧＭＡＸ１（Ｔｐ）、ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）、Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）は、温度ＴｐにおけるＧＭＡＸ１、ＧＭＡＸ２、Ｇｍｉｎである。ＧＭＡＸ１（ＴＬ）、ＧＭＡＸ２（ＴＬ）、Ｇｍｉｎ（ＴＬ）は、温度ＴＬにおけるＧＭＡＸ１、ＧＭＡＸ２、Ｇｍｉｎである。ＧＭＡＸ１（ＴＨ）、ＧＭＡＸ２（ＴＨ）、Ｇｍｉｎ（ＴＨ）は、温度ＴＨにおけるＧＭＡＸ１、ＧＭＡＸ２、Ｇｍｉｎである。
図６、図７に示すように、本実施形態のように利得スペクトルが２つの極大値を有する場合にも、利得強度は図５に示すように変化する。
すなわち、図６、図７では、λＭＡＸ１（ＴＨ）、λＭＡＸ２（ＴＨ）、λｍｉｎ（ＴＨ）とλＭＡＸ１（Ｔｐ）、λＭＡＸ２（Ｔｐ）、λｍｉｎ（Ｔｐ）との差は、λＭＡＸ１（ＴＬ）、λＭＡＸ２（ＴＬ）、λｍｉｎ（ＴＬ）とλＭＡＸ１（Ｔｐ）、λＭＡＸ２（Ｔｐ）、λｍｉｎ（Ｔｐ）との差と同程度である。しかしながら、ＧＭＡＸ１（ＴＨ）、ＧＭＡＸ２（ＴＨ）、Ｇｍｉｎ（ＴＨ）とＧＭＡＸ１（Ｔｐ）、ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）、Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）との差は、ＧＭＡＸ１（ＴＬ）、ＧＭＡＸ２（ＴＬ）、Ｇｍｉｎ（ＴＬ）とＧＭＡＸ１（Ｔｐ）、ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）、Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）との差よりも大きい。
これに対して、本実施形態のようにＧＭＡＸ１＞ＧＭＡＸ２とすると、ある波長帯域において、温度による利得のばらつきが小さくなる。
具体的には、温度Ｔｐよりも低温になると、利得スペクトルが短波長側にシフトし、温度Ｔｐにおける波長λｍｉｎ付近で極大値ＧＭＡＸ２をとるようになる。そして、低温時の利得低下は高温時に比べて小さいので、ＧＭＡＸ２を例えばＧＭＡＸ１よりも小さくすることで、低温時のＧＭＡＸ２が温度ＴｐにおけるＧｍｉｎに近くなる。また、温度Ｔｐよりも高温になると、利得スペクトルが長波長側にシフトし、温度Ｔｐにおける波長λｍｉｎ付近で極大値ＧＭＡＸ１をとるようになる。そして、高温時の利得低下は低温時に比べて大きいので、ＧＭＡＸ１を例えばＧＭＡＸ２よりも大きくすることで、高温時のＧＭＡＸ１が温度ＴｐにおけるＧｍｉｎに近くなる。すなわち、各温度の利得スペクトルが、温度Ｔｐにおける波長λｍｉｎ、利得Ｇｍｉｎ付近を共通して通るようになる。
これにより、温度ＴｐにおけるλＭＡＸ１とλＭＡＸ２の間の波長では、温度による利得の変化が小さくなる。したがって、波長選択部３によって、この波長を動作波長として選択することで、温度変化による利得変動を低減することができる。
図８～図１１は、本発明者らが行った実験の結果を示すグラフである。実験では、温度を－２０℃～１０５℃の範囲で７通りに変化させ、各温度における利得を調べた。なお、図８～図１１のグラフは、温度が２５℃、動作波長が１２８０ｎｍのときの利得強度が１となるように規格化されている。
図８の複数のグラフは、それぞれ、図９の複数のプロットに対応しており、図１０の複数のグラフは、それぞれ、図１１の複数のプロットに対応している。また、図８、図１０の複数のグラフは温度の順に並んでおり、一番左のグラフが－２０℃のときの実験結果、一番右のグラフが１０５℃のときの実験結果である。
図８、図９は、比較例における実験結果である。比較例では、量子ドット層２４２と量子ドット層２４３とが、間に中間層２４１を挟んで交互に４層ずつ形成されている。また、量子ドット層２４２、量子ドット層２４３の発光波長はそれぞれ１２６０ｎｍ、１３００ｎｍとされている。このように、量子ドット層２４２と量子ドット層２４３の発光波長の差を４０ｎｍ程度にすると、利得スペクトルのピークが３０ｎｍ程度の範囲で平坦な形状になる。比較例では、図８に示すように、温度による利得のばらつきが、どの波長においても大きくなっており、図９に示すように、５１％の利得変動が発生している。
図１０、図１１は、本実施形態における実験結果である。実験では、２５℃における量子ドット層２４２、量子ドット層２４３の発光波長をそれぞれ１２３０ｎｍ、１３００ｎｍとし、量子ドット層２４２、量子ドット層２４３の積層数をそれぞれ５層、３層とした。これにより、ＧＭＡＸ１＞ＧＭＡＸ２とされている。本実施形態では、図１０に示すように、温度による利得のばらつきが、１２８０ｎｍ付近の波長で小さくなっており、図１１に示すように、利得変動が２６％に低減している。このように、本実施形態では、比較例に比べて、広い温度範囲で利得変動が低減される。
利得の変動をさらに低減する方法について説明する。まず、動作波長において各温度の利得スペクトルが密集していることが望ましい。そのためには、温度がＴｐから低下するときに、利得スペクトルが、温度Ｔｐにおける利得スペクトルのλＭＡＸ２、ＧＭＡＸ２からλｍｉｎ、Ｇｍｉｎに向かう部分に沿ってシフトすることが望ましい。また、温度がＴｐから上昇するときには、利得スペクトルが、温度Ｔｐにおける利得スペクトルのλＭＡＸ１、ＧＭＡＸ１からλｍｉｎ、Ｇｍｉｎに向かう部分に沿ってシフトすることが望ましい。
このように利得スペクトルがシフトすると、温度が大きく変化し、λＭＡＸ２（ＴＬ）＝λｍｉｎ（Ｔｐ）となったときに、｜ＧＭＡＸ２（ＴＬ）－Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）｜＜｜ＧＭＡＸ２（ＴＬ）－ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）｜となる。また、λｍｉｎ（Ｔｐ）＝λＭＡＸ１（ＴＨ）となったときに、｜ＧＭＡＸ１（ＴＨ）－Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）｜＜｜ＧＭＡＸ１（ＴＨ）－ＧＭＡＸ１（Ｔｐ）｜となる。すなわち、温度ＴＬのときのＧＭＡＸ２が、温度ＴｐのときのＧＭＡＸ２よりも温度ＴｐのときのＧｍｉｎに近く、温度ＴＨのときのＧＭＡＸ１が、温度ＴｐのときのＧＭＡＸ１よりも温度ＴｐのときのＧｍｉｎに近くなる。これにより、温度変化による利得変動をさらに低減することができる。
このような利得スペクトルは、例えば、量子ドット層２４２、量子ドット層２４３の層数を以下のようにすることで得られる。すなわち、λＭＡＸ２（ＴＬ）＝λｍｉｎ（Ｔｐ）＝λＭＡＸ１（ＴＨ）とし、量子ドット層２４２の数をＸとし、量子ドット層２４３の数をＹとして、Ｘを、｛ＧＭＡＸ２（ＴＬ）／ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）｝・｛ＧＭＡＸ１（Ｔｐ）／ＧＭＡＸ１（ＴＨ）｝・Ｙに最も近い整数とする。
さらに、図１２に示すように、λＭＡＸ２（ＴＬ）＝λｍｉｎ（Ｔｐ）＝λＭＡＸ１（ＴＨ）のとき、ＧＭＡＸ２（ＴＬ）＝Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）＝ＧＭＡＸ１（ＴＨ）となることが望ましい。これにより、温度変化による利得変動をさらに低減することができる。なお、図１２において、実線、一点鎖線、二点鎖線は、それぞれ、温度Ｔｐ、ＴＬ、ＴＨのときの利得スペクトルを示す。
また、利得のばらつきは波長λｍｉｎ（Ｔｐ）付近で小さくなるので、温度変化による利得変動をさらに低減するために、動作波長が、λＭＡＸ１（Ｔｐ）よりも長く、λＭＡＸ２（Ｔｐ）よりも短いことが望ましい。さらに、動作波長が、λＭＡＸ１（Ｔｐ）よりもλｍｉｎ（Ｔｐ）に近く、λＭＡＸ２（Ｔｐ）よりもλｍｉｎ（Ｔｐ）に近いことが望ましい。
以上説明したように、本実施形態では、ＧＭＡＸ１＞ＧＭＡＸ２とすることで、所定の波長帯域における利得のばらつきが小さくなる。したがって、動作波長を固定した場合にも、温度変化による利得変動を低減することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して活性層２４の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図１３に示すように、本実施形態では、量子ドット層２４２と量子ドット層２４３がそれぞれ４層形成されている。また、量子ドット層２４２における量子ドット２４２ａの密度は、量子ドット層２４３における量子ドット２４３ａの密度よりも大きくされている。
利得スペクトルの極大値は、量子ドット密度によっても変えることができ、量子ドット層２４２の量子ドット密度を量子ドット層２４３の量子ドット密度よりも大きくすることで、ＧＭＡＸ１がＧＭＡＸ２よりも大きくなる。
例えば、量子ドット層２４２の量子ドット密度を６．０×１０１０個／ｃｍ２とし、量子ドット層２４３の量子ドット密度を３．６×１０１０個／ｃｍ２とすることで、図１０と同様の利得スペクトルが得られる。
このように、量子ドット密度によってＧＭＡＸ１＞ＧＭＡＸ２とした本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して利得スペクトルの極大値の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
ここでは、活性層２４が発光波長の異なる量子ドット層を３つ以上備え、各量子ドット層の発光波長に対応して、利得スペクトルが３つ以上の波長で極大値をとる場合について説明する。
利得スペクトルの極大値の数をＮとする。図１４に示すように、温度Ｔにおける短波長側から数えてｉ番目の極大値をＧＭＡＸ（ｉ、Ｔ）とし、短波長側から数えてｉ番目の極小値をＧｍｉｎ（ｉ、Ｔ）とする。また、極大値ＧＭＡＸ（ｉ、Ｔ）をとる波長をλＭＡＸ（ｉ、Ｔ）とし、極小値Ｇｍｉｎ（ｉ、Ｔ）をとる波長をλｍｉｎ（ｉ、Ｔ）とする。なお、図１４、および、後述する図１５、図１６では、Ｎ＝３の場合について図示している。
利得スペクトルの極大値が３つ以上ある場合には、Ｍを１以上Ｎ未満の整数として、ＧＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）＞ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）とすることで、第１実施形態と同様に、λＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）とλＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）との間の波長帯域で利得変動が小さくなる。この場合、ＧＭＡＸ（Ｍ、Ｔ）が温度Ｔにおける第１極大値に相当し、ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔ）が温度Ｔにおける第２極大値に相当する。また、λＭＡＸ（Ｍ、Ｔ）、λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔ）、λｍｉｎ（Ｍ、Ｔ）が、それぞれ、温度Ｔにおける第１波長、第２波長、第３波長に相当する。
すなわち、ＧＭＡＸ（Ｍ、ＴＬ）、ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）、Ｇｍｉｎ（Ｍ、ＴＬ）は第１実施形態のＧＭＡＸ１（ＴＬ）、ＧＭＡＸ２（ＴＬ）、Ｇｍｉｎ（ＴＬ）に相当する。また、ＧＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）、ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）、Ｇｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）は第１実施形態のＧＭＡＸ１（Ｔｐ）、ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）、Ｇｍｉｎ（Ｔｐ）に相当する。また、ＧＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）、ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＨ）、Ｇｍｉｎ（Ｍ、ＴＨ）は第１実施形態のＧＭＡＸ１（ＴＨ）、ＧＭＡＸ２（ＴＨ）、Ｇｍｉｎ（ＴＨ）に相当する。
また、λＭＡＸ（Ｍ、ＴＬ）、λＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）、λｍｉｎ（Ｍ、ＴＬ）は第１実施形態のλＭＡＸ１（ＴＬ）、λＭＡＸ２（ＴＬ）、λｍｉｎ（ＴＬ）に相当する。また、λＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）、λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）、λｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）は第１実施形態のλＭＡＸ１（Ｔｐ）、λＭＡＸ２（Ｔｐ）、λｍｉｎ（Ｔｐ）に相当する。また、λＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）、λＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＨ）、λｍｉｎ（Ｍ、ＴＨ）は第１実施形態のλＭＡＸ１（ＴＨ）、λＭＡＸ２（ＴＨ）、λｍｉｎ（ＴＨ）に相当する。
このような利得スペクトルを得るには、活性層２４を、波長λＭＡＸ（１、Ｔ）～λＭＡＸ（Ｎ、Ｔ）に対応するＮ種類の量子ドット層がそれぞれ１層以上形成された構成とする。そして、波長λＭＡＸ（Ｍ、Ｔ）に対応する量子ドット層の数を、波長λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔ）に対応する量子ドット層の数よりも多くする。波長λＭＡＸ（Ｍ、Ｔ）に対応する量子ドット層は、第１量子ドット層に相当し、波長λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔ）に対応する量子ドット層は、第２量子ドット層に相当する。
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、以下のようにすることで、利得変動をさらに低減することができる。
すなわち、図１５に示すように、温度ＴＬ、ＴＨを、λＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）＝λｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）＝λＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）をみたす温度とする。そして、｜ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）－Ｇｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）｜＜｜ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）－ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）｜、かつ、｜ＧＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）－Ｇｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）｜＜｜ＧＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）－ＧＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）｜となるようにする。これにより、温度変化による利得変動をさらに低減することができる。
なお、図１５、および、後述する図１６において、実線、一点鎖線、二点鎖線は、それぞれ、温度Ｔｐ、ＴＬ、ＴＨのときの利得スペクトルを示す。また、図１５、図１６では、Ｍ＝１の場合について図示している。
このような利得スペクトルは、例えば、量子ドット層の数を以下のようにすることで得られる。すなわち、温度ＴＬ、ＴＨを、λＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）＝λｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）＝λＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）をみたす温度とし、波長λＭＡＸ（Ｍ、Ｔ）、λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔ）に対応する量子ドット層の数をそれぞれＸ、Ｙとする。そして、Ｘを、｛ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）／ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）｝・｛ＧＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）／ＧＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）｝・Ｙに最も近い整数とする。
さらに、図１６に示すように、λＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）＝λｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）＝λＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）のとき、ＧＭＡＸ（Ｍ＋１、ＴＬ）＝Ｇｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）＝ＧＭＡＸ（Ｍ、ＴＨ）となることが望ましい。
また、利得のばらつきは波長λｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）付近で小さくなるので、温度変化による利得変動をさらに低減するために、動作波長が、λＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）よりも長く、λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）よりも短いことが望ましい。さらに、動作波長が、λＭＡＸ（Ｍ、Ｔｐ）よりもλｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）に近く、λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔｐ）よりもλｍｉｎ（Ｍ、Ｔｐ）に近いことが望ましい。
利得スペクトルの極大値が３つ以上存在する本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。
例えば、第３実施形態では、少なくとも一部の隣り合う２つの極大値が第１実施形態のＧＭＡＸ１、ＧＭＡＸ２と同様の条件を満たしていれば、温度変化による利得変動を低減することができる。すなわち、ＧＭＡＸ（１、Ｔｐ）＞ＧＭＡＸ（２、Ｔｐ）であれば、ＧＭＡＸ（２、Ｔｐ）＜ＧＭＡＸ（３、Ｔｐ）となっていてもよい。この場合にも、λＭＡＸ（１、Ｔｐ）とλＭＡＸ（２、Ｔｐ）との間の波長で、利得変動が低減される。同様に、ＧＭＡＸ（２、Ｔｐ）＞ＧＭＡＸ（３、Ｔｐ）であれば、ＧＭＡＸ（１、Ｔｐ）＜ＧＭＡＸ（２、Ｔｐ）となっていてもよい。利得スペクトルの極大値が４つ以上存在する場合も同様である。
また、第１実施形態のように量子ドット層２４２の数を量子ドット層２４３の数より多くするとともに、第２実施形態のように量子ドット層２４２における量子ドット２４２ａの密度を量子ドット層２４３における量子ドット２４３ａの密度より大きくしてもよい。
また、第３実施形態において、第２実施形態のように量子ドット密度で利得の大きさを調整してもよい。この場合には、波長λＭＡＸ（Ｍ、Ｔ）に対応する量子ドット層の密度を、波長λＭＡＸ（Ｍ＋１、Ｔ）に対応する量子ドット層の密度よりも大きくすればよい。
２ ＳＯＡ
２４ 活性層
２４２ 量子ドット層
２４３ 量子ドット層

Claims (14)

  1. 半導体レーザ装置であって、
    第１量子ドット層（２４２）と、前記第１量子ドット層より発光波長が長い第２量子ドット層（２４３）とをそれぞれ１つ以上含む構成とされた活性層（２４）を備え、
    前記活性層の利得スペクトルは、前記第１量子ドット層の発光波長と、前記第２量子ドット層の発光波長とに対応して、第１波長と、前記第１波長より長い第２波長とで極大値をとり、
    前記利得スペクトルの前記第１波長における極大値を第１極大値とし、
    前記利得スペクトルの前記第２波長における極大値を第２極大値として、
    前記第１極大値は、前記第２極大値よりも大きい半導体レーザ装置。
  2. 前記活性層に含まれる前記第１量子ドット層の数は、前記第２量子ドット層の数よりも多い請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第１波長と前記第２波長との間の波長であって、前記利得スペクトルが極小値をとるときの波長を第３波長とし、
    前記利得スペクトルの強度が最大となるときの温度をＴｐとして、
    該温度Ｔｐよりも低い温度ＴＬにおける前記第２波長と、該温度Ｔｐにおける該第３波長と、該温度Ｔｐよりも高い温度ＴＨにおける前記第１波長とが等しいとき、
    前記第１量子ドット層の数をＸとし、
    前記第２量子ドット層の数をＹとし、
    該温度Ｔｐにおける前記第１極大値をＧＭＡＸ１（Ｔｐ）とし、
    該温度Ｔｐにおける前記第２極大値をＧＭＡＸ２（Ｔｐ）とし、
    該温度ＴＬにおける前記第２極大値をＧＭＡＸ２（ＴＬ）とし、
    該温度ＴＨにおける前記第１極大値をＧＭＡＸ１（ＴＨ）として、
    前記Ｘは、｛ＧＭＡＸ２（ＴＬ）／ＧＭＡＸ２（Ｔｐ）｝・｛ＧＭＡＸ１（Ｔｐ）／ＧＭＡＸ１（ＴＨ）｝・Ｙに最も近い整数である請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記第１量子ドット層における量子ドット（２４２ａ）の密度は、前記第２量子ドット層における量子ドット（２４３ａ）の密度よりも大きい請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  5. レーザ光を発生させる光源（２）を備える半導体レーザ装置であって、
    前記光源は、第１量子ドット（２４２ａ）を有する第１量子ドット層（２４２）と、第２量子ドット（２４３ａ）を有する第２量子ドット層（２４３）とをそれぞれ１つ以上含む活性層（２４）を備え、
    前記第２量子ドットの寸法は、前記第１量子ドットの寸法より大きく、
    前記第１量子ドット層の層数は、前記第２量子ドット層の層数より多い半導体レーザ装置。
  6. レーザ光を発生させる光源（２）を備える半導体レーザ装置であって、
    前記光源は、第１量子ドット（２４２ａ）を有する第１量子ドット層（２４２）と、第２量子ドット（２４３ａ）を有する第２量子ドット層（２４３）とを含む活性層（２４）を備え、
    前記第２量子ドットの寸法は、前記第１量子ドットの寸法より大きく、
    前記第１量子ドット層における前記第１量子ドットの密度は、前記第２量子ドット層における前記第２量子ドットの密度より大きい半導体レーザ装置。
  7. 前記活性層の利得スペクトルは、前記第１量子ドット層が発光する第１波長と、前記第２量子ドット層が発光する第２波長とで極大値をとり、
    前記利得スペクトルの前記第１波長における極大値を第１極大値とし、
    前記利得スペクトルの前記第２波長における極大値を第２極大値として、
    前記第１極大値は、前記第２極大値よりも大きい請求項５または６に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記第１波長と前記第２波長との間の波長であって、前記利得スペクトルが極小値をとるときの波長を第３波長とし、
    前記利得スペクトルの強度が最大となるときの温度をＴｐとして、
    該温度Ｔｐよりも低い温度ＴＬにおける前記第２波長と、該温度Ｔｐにおける該第３波長と、該温度Ｔｐよりも高い温度ＴＨにおける前記第１波長とが等しいとき、
    該温度ＴＬにおける前記第２極大値は、該温度Ｔｐにおける前記第２極大値よりも該温度Ｔｐにおける該極小値に近く、
    該温度ＴＨにおける前記第１極大値は、該温度Ｔｐにおける前記第１極大値よりも該温度Ｔｐにおける前記極小値に近い請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記活性層の動作波長を選択する波長選択部（３）を備え、
    前記利得スペクトルの強度が最大となるときの温度をＴｐとして、
    前記波長選択部は、前記動作波長が、該温度Ｔｐにおける前記第１波長よりも長く、該温度Ｔｐにおける前記第２波長よりも短くなるように前記動作波長を選択する請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記第１波長と前記第２波長との間の波長であって、前記利得スペクトルが極小値をとるときの波長を第３波長として、
    前記波長選択部は、前記動作波長が、該温度Ｔｐにおける前記第１波長よりも、該温度Ｔｐにおける該第３波長に近く、該温度Ｔｐにおける前記第２波長よりも、該温度Ｔｐにおける該第３波長に近くなるように、前記動作波長を選択する請求項９に記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記波長選択部は、前記活性層をシングルモード発振させるように前記動作波長を選択する請求項９または１０に記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記第１波長と前記第２波長との間の波長であって、前記利得スペクトルが極小値をとるときの波長を第３波長とし、
    前記利得スペクトルの強度が最大となるときの温度をＴｐとして、
    該温度Ｔｐよりも低い温度ＴＬにおける前記第２波長と、該温度Ｔｐにおける該第３波長と、該温度Ｔｐよりも高い温度ＴＨにおける前記第１波長とが等しいとき、
    該温度ＴＬにおける前記第２極大値と、該温度Ｔｐにおける該極小値と、該温度ＴＨにおける前記第１極大値とが等しい請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  13. 前記利得スペクトルの強度が最大となるときの温度をＴｐとして、
    前記活性層は、温度が該温度Ｔｐよりも低温になると、前記利得スペクトルの強度が低下するとともに発光波長が短波長側へシフトし、温度が該温度Ｔｐよりも高温になると、前記利得スペクトルの強度が低下するとともに発光波長が長波長側へシフトする特性を有する請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  14. 前記活性層は、ｐ型不純物が含まれている請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
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