JP4007778B2 - 窒化物半導体レーザ素子及び窒化物半導体レーザ素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその駆動方法に関するもので、特に、光ディスクや光磁気ディスクなどの駆動装置において、光源として用いられる半導体レーザ素子及びその駆動方法に関する。更に、本発明は、窒化物半導体レーザ素子のように、自励発振状態を満足させる構成とすることが困難な半導体レーザ素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、単色性が良く強い光が放射されるので、レーザ出射光を集光したときのスポットサイズを小さくすることができ、光ディスクや光磁気ディスクなどの光が照射されて記録及び再生が行われる記録メディアの駆動装置において、光ピックアップに設けられる光源として用いられる。特に、波長が短く且つ光出力が得られる窒化物半導体レーザ素子は、ＤＶＤなどの高密度記録メディアの駆動装置用として用いられるよう、赤色半導体レーザ素子に代わる光ピックアップ素子として開発が推進されている。
【０００３】
このように、データの記録及び再生が行われる駆動装置内の光ピックアップに、半導体レーザ素子が設けられる際、データの読み出しを行うために、低雑音化を図ることが課題となる。即ち、光ピックアップの光源に半導体レーザ素子が用いられるとき、光ピックアップに構成される光学系や記録メディアであるディスクなどからの反射光とレーザ出射光が互いに干渉し合って雑音を生じることがある。よって、優れた低雑音特性を得るため、この反射光による過剰雑音を防ぐことに、重点が置かれている。このとき、この過剰雑音を防ぐために、半導体レーザ素子からの出力をパルス状にして、レーザ出射光の可干渉性を低減させる。
【０００４】
このように、半導体レーザ素子からの出力をパルス状にすることが最適とされ、このことを実現するために、自励発振（パルセーション）を起こす技術が一般的に使用されている。この自励発振は、半導体レーザ素子を特別な構造で構成することで発生させることができる。即ち、活性層において、光増幅領域と呼ばれる利得領域の周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収効果を持つ領域を形成することによって、自励発振状態とすることができる。この可飽和吸収層のＱスイッチ効果（Ｑスイッチ：共鳴の鋭さを表すＱ値を急速に変化させるためのスイッチ動作）と光増幅領域の光と発振光が協同して自励発振が引き起こされる。このような自励発振を行う半導体レーザ素子が、特開平８−２０４２８２号公報において提案されている。
【０００５】
特開平８−２０４２８２号公報で示される半導体レーザ素子は、図１１のような構成とされる。図１１の半導体レーザ素子は、ｎ型電極６１に、ｎ型ＧａＡｓ基板６２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層６４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層６６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層６８を順に備え、更に、リッジ構造をもつ凸型のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６９と、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層７０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７１、ｐ型電極７２を順に備えている。
【０００６】
このような構成の半導体レーザ素子は、その内部に、光吸収領域としての可飽和吸収層６４，６８を有し、この可飽和吸収層６４，６８の光と光増幅領域である活性層６６の光と発振光が協同して自励発振が引き起こされる。よって、この半導体レーザ素子には、高周波で変調した電流を注入する必要がなく、直流電流を活性層６６に注入するようにすることでパルス状の光出力を得ることができる。
【０００７】
このように、可飽和吸収領域と光増幅領域とを予め設けずに、活性層の電流非注入領域を可飽和吸収領域として作用させて、自励発振状態とすることができる窒化物半導体レーザ素子が、特開２０００−２８６５０４号公報において提案されている。特開２０００−２８６５０４号公報で示される窒化物半導体レーザ素子は、図１２のような構成とされる。図１２の窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板１０１上に、ｎ型コンタクト層１０２、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型クラッド層１０５、ｎ型電流狭窄層１０６，１０７、ｐ型コンタクト層１０８が積層されて構成される。
【０００８】
ｐ型クラッド層１０５が、活性層１０４の表面を覆って形成された平坦部１０５ａと、該平坦部１０５ａの中央部に上向きに突設された幅Ｗ２の下段ストライプ部１０５ｂと、下段ストライプ部１０５ｂの中央部に更に突設された幅Ｗ１の上段ストライプ部１０５ｃとで構成され、幅Ｗ１が幅Ｗ２より狭くなるように下段ストライプ部１０５ｂ及び上段ストライプ部１０５ｃが設けられる。又、ｎ型コンタクト層１０２上にｎ型電極１０９が設けられるとともに、ｐ型コンタクト層１０８上に端子１１０が設けられる。
【０００９】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子は、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１によって規制され、ｐ型クラッド層１０５から活性層１０４へ流れる電流が横方向へ広がらないように抑制される。従って、活性層１０４の中央に、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１に応じた大きさの電流注入領域が形成される。又、下段ストライプ部１０５ｂの幅がＷ２となり、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１より広がっているので、発光スポット幅が下段ストライプ部１０５ｂに応じた大きさとなり、電流注入領域の周囲に可飽和吸収領域が形成されることとなる。よって、活性層１０４において、電流注入領域と可飽和吸収領域が相互に作用して、パルス状の光出力を得ることができる。
【００１０】
又、上述の自励発振状態を用いるもの以外でも、高周波によって変調された電流が注入されてパルス状の光出力を得ることのできる半導体レーザ素子が特開昭６０−３５３４４号公報で提案されている。特開昭６０−３５３４４号公報で示される半導体レーザ素子の動作は、図１３のような特性に基づいて動作を行う。図１３（ａ）は、横軸が注入される電流量を示すとともに縦軸が光出力を示す半導体レーザ素子の電流−光出力特性を表し、図１３（ｂ）は、注入される変調電流の時間変化の様子を表し、図１３（ｃ）は、変調電流の注入によって得られる光出力の時間変化の様子を表す。
【００１１】
図１３（ｂ）のように、変調電流として、閾値Ｉth以下の電流値と、閾値Ｉth以上の電流値との間で変調される電流を注入することで、図１３（ｃ）のようなパルス状の光出力を得ることができる。この場合、注入する電流値を高く設定しても、パルス状の発振を維持することができ、高出力を得ることができる。又、自励発振を用いないので、可飽和吸収領域と光増幅領域とを構成する必要がない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−２８６５０４号公報及び特開平８−２０４２８２号公報で提供される自励発振型の半導体レーザ素子では、パルス状の光出力を得るには、作成時の組成や構造を限定する必要がある。特に、特開平８−２０４２８２号公報のように、作成時の組成によって可飽和吸収領域と光増幅領域とを設ける場合、可飽和吸収領域と光増幅領域とのキャリア寿命の比及び微分利得の比を調整する必要がある。しかしながら、自励発振状態を満足させるためのパラメータ範囲が狭いため、作成の自由度が低くなってしまう。
【００１３】
更に、窒化物半導体レーザ素子とした場合、窒化物の特性より微分利得の値を大きく変化させることができない。よって、窒化物半導体レーザ素子では、可飽和吸収領域と光増幅領域とによって自励発振状態とするような構成にするためのパラメータ範囲で、キャリア寿命と微分利得を設定することが物理的に困難である。
【００１４】
又、半導体レーザ素子が自励発振状態となるか、又は、双安定状態となるかは、光増幅領域と可飽和吸収領域それぞれのキャリア濃度の釣り合いによって決定される。よって、光増幅領域と可飽和吸収領域それぞれの領域幅の長さの比や、キャリア寿命の比や、微分利得の比によって、その状態を調整することができる。そして、自励発振状態となる半導体レーザ素子とするには、キャリア寿命については、光増幅領域の方が長くなるように設定し、又、微分利得については、光増幅領域の方が小さくなるように設定する必要がある。更に、このように設定されたそれぞれの領域のキャリア寿命の比及び微分利得の比は、特定の範囲内になければならない。
【００１５】
これは、可飽和吸収領域の内部におけるキャリア濃度の強い振動が光吸収効果の振動を促して、キャリア密度を変化させるためである。即ち、可飽和吸収領域において、微分利得に相当するキャリア密度に対する利得特性曲線の傾きが大きいほど、少ない光の吸収でキャリア密度を変化させることが可能となり、結果的にキャリア濃度の振動が生じやすくなる。よって、可飽和吸収領域と光増幅領域とで、微分利得の差が大きいほど自励発振が容易に得られる。
【００１６】
この可飽和吸収領域及び光増幅領域で設定される微分利得の値は、半導体レーザ素子を構成する半導体の特性によって異なる。特に、窒化物半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ系などの赤色半導体レーザ素子に比べて、各領域の微分利得の比をより大きくする必要がある。しかしながら、図１４に示すように、赤色半導体レーザ素子の利得特性が実線のようになり、可飽和吸収領域及び光増幅領域それぞれでの利得特性の傾きの差が大きくなるのに対して、ＧａＮ材料を用いる窒化物半導体レーザ素子については、その利得特性が点線のようになり、可飽和吸収領域及び光増幅領域それぞれでの利得特性の傾きの差が小さい。
【００１７】
よって、窒化物半導体レーザ素子では、可飽和吸収領域及び光増幅領域それぞれでの利得特性の傾きを表す微分利得の比がほぼ１となり、自励発振状態を満たすことが困難である。更に、赤色半導体レーザ素子に比べて、窒化物半導体レーザ素子では、不純物の添加によって微分利得を変化させることも困難である。
【００１８】
又、特開２０００−２８６５０４号公報のように、半導体レーザ素子内にリッジを形成して、活性層に、注入される電流量の異なる可飽和吸収領域と電流注入領域とを設ける場合、そのリッジの幅と厚さ、リッジ境界部分の多層膜の膜厚、クラッド層の厚さ、エッチング条件などの多数で且つ微細な構造条件を最適化する必要がある。そして、この得られた条件に従って精度良く半導体レーザ素子を作製しなければならないため、多くの条件を確定する作業が必要であり、又、その条件が得られたとしても歩留まりが低いという問題がある。
【００１９】
又、特開昭６０−３５３４４号公報で提供される高周波重畳型の半導体レーザ素子では、変調電流は、半導体レーザ素子の緩和振動周波数の１／２以上の周波数にしなければならない。よって、半導体レーザ素子の緩和振動周波数が略２ＧＨｚ前後であるため、光出力をパルス状に発振させるためには、１ＧＨｚ以上の高周波の変調電流としなければ、雑音の低減光が得られず、変調電流を発生する変調回路に大きな負担がかかる。
【００２０】
このような問題を鑑みて、本発明は、素子の作成が容易で、且つ、変調電流を与える変調回路の負担を軽減することができる窒化物半導体レーザ素子及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域より成るとともにレーザ出射光を発生する活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とが、供給される電流の流れる方向に対して略垂直な方向に隣接し、前記光増幅領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第１変調電流が与えられる第１電極と、前記可飽和吸収領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第２変調電流が与えられる第２電極と、を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有することを特徴とする。
【００２２】
このような窒化物半導体レーザ素子において、光増幅領域に第１変調電流が注入されることによって光増幅効果が変動するとともに、可飽和吸収領域に第２変調電流が注入されることによって光吸収効果が変動する。このように、光増幅効果と光吸収効果との差が激しく変動するため、パルス状の高い光出力を得ることができる。
【００２３】
又、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の第１クラッド層と、第２導電型の第２クラッド層と、前記第１及び第２クラッド層の間に形成されるとともに注入される電流に対してレーザ出射光を発生する活性層とを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記第１クラッド層及び前記活性層及び第２クラッド層が順に積層され、前記活性層が、前記第１クラッド層及び前記活性層及び第２クラッド層が積層される方向に対して略垂直な方向に隣接した、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と、光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域とを備え、前記光増幅領域に対応した位置で、且つ、前記第１クラッド層の表面に設けられ、前記光増幅領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第１変調電流が与えられる第１電極と、前記可飽和吸収領域に対応した位置で、且つ、前記第１クラッド層の表面に設けられ、前記可飽和吸収領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第２変調電流が与えられる第２電極と、を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有することを特徴とする。
【００２４】
このような電流−光出力特性にヒステリシス又は不連続性を有する窒化物半導体レーザ素子において、光増幅領域及び可飽和吸収領域のそれぞれに、第１変調電流及び第２変調電流を、第１電極及び第２電極を通じて与えることによって、光増幅効果と光吸収効果との差を激しく変動させることができる。よって、高出力のパルス状の光出力を得ることができる。
【００２５】
前記活性層において、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域が複数設けられ、前記第１電極が前記光増幅領域の数に応じて設けられるとともに、前記第２電極が前記可飽和吸収領域の数に応じて設けられるようにしても構わない。
【００２６】
更に、前記可飽和吸収領域の周囲に、複数の前記光増幅領域が設けられ、前記光増幅領域それぞれからレーザ出射光を発生するようにしても構わない。このとき、例えば、可飽和吸収領域の両側に第１及び第２光増幅領域を設け、可飽和吸収領域と第１及び第２光増幅領域のそれぞれに変調電流を与えたとき、第１及び第２光増幅領域のそれぞれから、レーザ出射光が発生する。そして、第１光増幅領域から発生したレーザ出射光の出力をモニターして、変調電流をフィードバック制御することで、第２光増幅領域のレーザ出射光の出力を所望する値とすることができる。
【００２７】
又、前記光増幅領域に対応した位置で、且つ、前記第２クラッド層の表面に設けられ、前記光増幅領域に注入される第１変調電流が流出される第３電極と、前記可飽和吸収領域に対応した位置で、且つ、前記第２クラッド層の表面に設けられ、前記可飽和吸収領域に注入される第２変調電流が流出される第４電極と、を有し、前記第２クラッド層において、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域の境界線上に当たる位置に、溝が設けられるようにして、前記活性層において、前記第１変調電流及び前記第２変調電流が、相互に影響し合うことを防ぐようにしても構わない。
【００２８】
又、前記第２クラッド層の表面全体を覆うように設けられるとともに、前記光増幅領域に注入される第１変調電流と前記可飽和吸収領域に注入される第２変調電流とが、共通して流出される第５電極を有するようにして、素子の作成手順が簡略化されるようにしても構わない。
【００２９】
又、本発明の窒化物半導体レーザ素子の駆動方法は、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域とより成るとともにレーザ出射光を発生する活性層を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有するレーザ出射光を発生する窒化物半導体レーザ素子の駆動方法において、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域それぞれに、直流の動作電流に高周波電流が重畳される変調電流が注入されることを特徴とする。
【００３０】
このようにすることで、電流−光出力特性にヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる半導体レーザ素子において、光増幅領域及び可飽和吸収領域のそれぞれに、変調電流を与えることによって、光増幅効果と光吸収効果との差を激しく変動させることができる。よって、半導体レーザ素子より、高出力のパルス状の光出力を得ることができる。
【００３１】
又、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域それぞれに注入される前記変調電流が、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域毎に独立に制御されて注入されるようにすることで、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域毎にキャリア濃度の釣り合いを好適に調整できるため、光出力を向上させることができる。
【００３２】
又、前記可飽和吸収領域に注入される前記変調電流の位相が、前記光増幅領域に注入される前記変調電流の位相に対して、同相となるように調整されるようにすることで、光出力の振動を促す効果があるとともに、位相の制御が容易となる。
【００３３】
更に、前記変調電流を、３００ＭＨｚ以上の高周波電流が重畳されたものとすることで、レーザ出射光の可干渉性を下げ、雑音特性を向上することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００３５】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるｎ型ＧａＮ基板上に設けられた窒化物半導体レーザ素子の基本構成を示す断面図である。
【００３６】
図１に示す窒化物半導体レーザ素子は、２つの端子１ａ，１ｂと、２つの端子２ａ，２ｂと、端子１ａ，１ｂのそれぞれと電気的に接続されたｐ型電極３ａ，３ｂと、端子２ａ，２ｂのそれぞれと電気的に接続されたｎ型電極４ａ，４ｂと、ｐ型電極３ａ，３ｂが表面に設けられるｐ型クラッド層５と、ｎ型電極４ａ，４ｂが表面に設けられるｎ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層５とｎ型クラッド層６の間に設けられた活性層７とから構成される。
【００３７】
このような窒化物半導体レーザ素子において、活性層７が、図１の共振器方向に、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂとが構成される。このとき、可飽和吸収領域７ｂは、窒化物半導体レーザ素子の共振器方向における活性層７の長さ全体に対して、１０％となるように構成する。そして、本発明の窒化物半導体レーザ素子が双安定状態となるように、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂそれぞれの共振器方向の長さとキャリア寿命と微分利得とが設定される。又、可飽和吸収領域７ｂにおいては、キャリア寿命を調整するために不純物が添加されている。ここでは、Ｓｉを１×１０19ｃｍ-3添加した。
【００３８】
この双安定状態とされる場合は、自励発振状態の場合に比べ、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂそれぞれの微分利得の比を大きくする必要がない。又、この双安定条件を満たす条件においては、キャリア寿命の比と微分利得の比との積が一定以下であればよいので、キャリア寿命と微分利得のパラメータ設定を広くとることができ、更に、微分利得の比の調整が不可能でも、キャリア寿命の比を好適に調整することができる。そのため、窒化物半導体レーザ素子においても、双安定状態とすることによって、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂに対するパラメータ設定が容易となる。
【００３９】
又、ｎ型クラッド層６には、ｎ型電極４ａ，４ｂを寸断するように、共振器方向に対して垂直な方向に、溝８が設けられる。このように、溝８を設けることによって、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれへの注入電流を独立的に制御しやすくなるとともに、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれへ流れ込む電流が相互に干渉するという悪影響を回避させることができる。
【００４０】
又、ｐ型クラッド層５の表面上において、ｐ型電極３ａが光増幅領域７ａに対応した位置に設けられるとともに、ｐ型電極３ｂが可飽和吸収領域７ｂに対応した位置に設けられる。更に、ｎ型クラッド層６の表面上において、ｎ型電極４ａが光増幅領域７ａに対応した位置に設けられるとともに、ｎ型電極４ｂが可飽和吸収領域７ｂに対応した位置に設けられる。
【００４１】
更に、ｐ型クラッド層５とｎ型クラッド層６と活性層７とは、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどのIII族元素と、V族元素であるＮとの化合物で構成される窒化物系半導体層で構成される。又、ｎ型クラッド層６の下側がｎ型ＧａＮ基板であり、その上面にｎ型クラッド層が形成されるが、説明を簡単にするために、ｎ型ＧａＮ基板部分も含めて、ｎ型クラッド層６とする。
【００４２】
このように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。尚、本実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）のように、端子１ａ，１ｂそれぞれに与える変調電流Ｉ０、Ｉabsについて、ともに正弦波で変調し、その周波数を１００ＭＨｚとした。そして、変調電流Ｉabsの位相を、変調電流Ｉ０の位相に対して、π／４遅延するように調整した。更に、レーザの発振閾値が３０ｍＡであったため、端子１ａへの変調電流Ｉ０の値を最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡ、端子１ｂへの変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとした。
【００４３】
よって、図２（ａ）の変調電流Ｉ０が、Ｉ２＝２８ｍＡを中心として、Ｉ１＝１８ｍＡとＩ３＝３８ｍＡの間で発振する。又、図２（ｂ）の変調電流Ｉabsが、０．７５ｍＡを中心として、０．５ｍＡと１．０ｍＡの間で発振する。このとき、図１の構成の窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性は、図３（ａ）のように、変調電流Ｉabsの値が、Ｉabs１、Ｉabs２それぞれで、異なる。即ち、電流−光出力特性が、Ｉabsの値によって変化する。更に、図３（ｂ）に、位相が変調電流Ｉabsの位相よりπ／４進んだ変調電流Ｉ０を示す。
【００４４】
又、窒化物半導体レーザ素子を双安定状態で駆動させたとき、その電流−光出力特性はヒステリシスを持つ。即ち、変調電流ＩabsがＩabs１のとき、変調電流Ｉ０の値がＩｂからＩａに増加したとき、レーザ出射光の出力がＰ１からＰ２へと急峻に増大し、変調電流Ｉ０の値がＩａからＩｂに減少したとき、レーザ出射光の出力がＰ３からＰ４へと急峻に減少する。
【００４５】
図１の窒化物半導体レーザ素子において、図３のような特性が得られるとき、この半導体レーザ素子における活性層７が、次のような動作を行う。
【００４６】
変調電流ＩabsがＩabs１からＩabs２に変化するとき、可飽和吸収領域７ｂにおいて、光増幅領域７ａで発生した光の吸収量が減少し、電流−光出力特性が、電流Ｉ０の低電流値側に遷移する。このとき、位相π／４遅れの変調電流Ｉ０が、Ｉ２からＩ３に増加している。このように、変調電流Ｉ０が増加している間に、光出力がＰ１からＰ２に急峻に増加する。よって、電流−光出力特性において、光出力の高い領域で安定状態に遷移し、光増幅領域７ａの光の増幅量が増加する。その後、変調電流Ｉ０がＩ３からＩ１に減少しようとする。この間、電流−光出力特性において、光増幅領域７ａが、光出力の高い領域での電流−光出力特性に従った状態となる。
【００４７】
逆に、変調電流ＩabsがＩabs２からＩabs１に変化するとき、可飽和吸収領域７ｂにおいて、光増幅領域７ａで発生した光の吸収量が増加する。このとき、変調電流Ｉ０が、Ｉ３からＩ１に減少している。このように、変調電流Ｉ０が減少している間に、光出力がＰ３からＰ４に急峻に減少する。よって、電流−光出力特性において、光出力の低い領域で安定状態に遷移し、光増幅領域７ａの光の増幅量が減少する。その後、変調電流Ｉ０がＩ１からＩ３に増加しようとする。この間、光増幅領域７ａが、光出力の低い領域での電流−光出力特性に従った状態となる。
【００４８】
このように、可飽和吸収領域７ｂに変調電流Ｉabsを注入して、可飽和吸収領域７ｂのキャリア濃度を振動させることで、光吸収効果の大きさを変動させて、図３（ａ）のように、活性層７の電流−光出力特性を変動させることができる。従って、光増幅領域７ａへの変調電流Ｉ０の注入による光出力の振動と、可飽和吸収領域７ｂへの変調電流Ｉabsの注入によるレーザ出射光の発振閾値の振動との相乗効果によって、レーザ出射光の出力の変動を大きくすることができる。よって、窒化物半導体レーザ素子から出力されるレーザ出射光の出力が、図４のようなパルス状となり、雑音の低減を図ることができる。
【００４９】
このように、双安定状態の窒化物半導体レーザ素子を利用することによって、そのパラメータ条件を広く設定できるため、自励発振状態のものに比べて、その作製が容易であり、歩留まりを良くすることができる。又、変調電流Ｉabs、Ｉ０の周波数が１００ＭＨｚであるため、変調電流Ｉabs、Ｉ０を生成する変調回路の負担を減少させることができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態において用いられる窒化物半導体レーザ素子は、第１の実施形態と同様、図１のような構成の窒化物半導体レーザ素子である。
【００５１】
本実施形態では、図１のように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、第１の実施形態と同様、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した周波数１００ＭＨｚの変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。このとき、変調電流Ｉ０、Ｉabsの位相が、図５のように、同相とされる。尚、図５における変調電流Ｉ０の値は、第１の実施形態と同様であり、変調電流Ｉabsの値は、Ｉabs３＝０．５ｍＡ、Ｉabs４＝０．７５ｍＡ、Ｉabs５＝１．０ｍＡとした。
【００５２】
このように、光増幅領域７ａへ注入される変調電流Ｉ０と可飽和吸収領域７ｂへ注入される変調電流Ｉabsとの位相を同相とすることによって、レーザ出射光の発振閾値の時間変化の位相を変調電流Ｉ０の位相に対して逆相とすることができる。即ち、活性層７は、変調電流Ｉ０がＩ１となるとき、変調電流ＩabsがＩabs３の電流−光出力特性に基づいた状態となるとともに、変調電流Ｉ０がＩ３となるとき、変調電流ＩabsがＩabs５の電流−光出力特性に基づいた状態となる。
【００５３】
従って、第１の実施形態と比べて、光増幅領域７ａの光の増幅量と可飽和吸収領域７ｂの光の吸収量との差の変動が激しくなる。よって、図６のように、窒化物半導体レーザ素子の光出力の振動が激しくなり、第１の実施形態と比べて、レーザ出射光の出力が高くなるとともに、鋭いピーク波形を得ることができる。このように、本実施形態によれば、雑音特性だけでなく、光出力特性にもすぐれたレーザ出射光を発生させることができる。又、変調電流Ｉ０、Ｉabsの位相を同相とすることによって、変調電流Ｉ０、Ｉabsの制御を容易とすることができる。
【００５４】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。この範囲内のずれでも、同位相の時に対して若干低くなるが、ほぼ同程度の光出力を得ることができ、雑音の低減に対しても同様の効果を得ることができる。
【００５５】
又、第１及び第２実施形態において、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の周波数を１００ＭＨｚとしたが、１００ＭＨｚ以上であれば、その値を限るものではない。又、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の波形についても、正弦波に限らず、正弦波以外の波形としても構わない。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態において用いられる窒化物半導体レーザ素子は、第１の実施形態と同様、図１のような構成の窒化物半導体レーザ素子である。
【００５７】
本実施形態では、図１のように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、第２の実施形態と同様、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した同位相の変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。このとき、変調電流Ｉ０、Ｉabsの周波数が３００ＭＨｚとされる。尚、変調電流Ｉ０、Ｉabsの値は、それぞれ、第２の実施形態と同様である。
【００５８】
このように、変調電流Ｉ０、Ｉabsの周波数を３００ＭＨｚにしたとき、第２の実施形態と比べて、光吸収効果及び光増幅効果それぞれの変動が激しくなる。即ち、光吸収効果と光増幅効果との変動が大きくなって互いに作用するために、可飽和吸収領域７ｂが飽和しやすくなるので、光増幅効果が高いときにレーザ出射光が発生し、図７のように、大きい出力を得ることができる。又、図６の変調電流Ｉ０、Ｉabsの周波数を１００ＭＨｚにしたときのレーザ出射光の出力と比べて、その雑音の低減効果が増大する。
【００５９】
更に、相対雑音強度（ＲＩＮ）の、変調電流の周波数に対する依存性を示すためのグラフを、図８に示す。図８において、実線が、本発明の窒化物半導体レーザ素子における相対雑音強度の関係を示すグラフであり、点線が、従来例の窒化物半導体レーザ素子における変調電流における相対雑音強度の関係を示すグラフである。このグラフよりわかるように、従来の窒化物半導体レーザ素子に比べて、本発明の窒化物半導体レーザ素子の相対雑音強度が相対的に低く、特に、変調電流の周波数が３００ＭＨｚ以上において、光ディスクなどの記録メディアに対応可能となる−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値が得られる。よって、光ディスクなどの記録メディアの光ピックアップに用いる際、注入する変調電流の周波数を、３００ＭＨｚ以上とすることが好ましいことがわかる。
【００６０】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。又、光増幅領域及び可飽和吸収領域それぞれに注入する変調電流の波形についても、正弦波に限らず、矩形波などの正弦波以外の波形としても構わない。
【００６１】
又、第１〜第３の実施形態で使用される図１の構成の窒化物半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域７ｂの共振器方向における長さを、活性層７の共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、窒化物半導体レーザ素子からの光出力の波形は変化せず、パルス状の発振が得られる。しかしながら、可飽和吸収領域７ｂの活性層７に占める割合が高くなると、注入する変調電流の電流値を高くする必要があるため、可飽和吸収領域７ｂの占める割合を５０％以下であることが好ましい。更に、電極を２つ設けた場合について説明したが、電極の数はこれに限られるものでなく、２つ以上の電極を有する窒化物半導体レーザ素子としても構わない。
【００６２】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図で、図１の窒化物半導体レーザ素子と同一部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
図９に示す窒化物半導体レーザ素子は、端子１ａ，１ｂと、端子２と、ｐ型電極３ａ，３ｂと、端子２と電気的に接続されたｎ型電極４と、ｐ型クラッド層５と、ｎ型電極４が表面に設けられるｎ型クラッド層６ａと、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂとが設けられた活性層７とから構成される。図９の窒化物半導体レーザ素子は、図１の窒化物半導体レーザ素子と異なり、ｎ型クラッド層６ａに溝が設けられていない。このような窒化物半導体レーザ素子において、図１の半導体レーザ素子と同様に、可飽和吸収領域７ｂを、半導体レーザ素子の共振器方向における活性層７の長さ全体に対して、１０％となるように構成する。
【００６４】
又、本実施形態では、第２の実施形態と同様に、図９のように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。尚、本実施形態では、端子１ａ，１ｂそれぞれに与える変調電流Ｉ０、Ｉabsについて、ともに正弦波で変調するとともに位相を同相とし、その周波数を４００ＭＨｚとした。更に、レーザの発振閾値が３０ｍＡであったため、端子１ａへの変調電流Ｉ０の値を最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡ、端子１ｂへの変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとした。
【００６５】
このとき、第２の実施形態と同様、レーザ出射光の発振閾値の時間変化の位相を変調電流Ｉ０の位相に対して逆相とすることができるため、光吸収効果及び光増幅効果それぞれの変動が激しくなる。よって、窒化物半導体レーザ素子の光出力の振動が激しくなり、レーザ出射光の出力が高くなるとともに、鋭いピーク波形を得ることができる。
【００６６】
本実施形態では、第２の実施形態と異なり、図９の窒化物半導体レーザ素子の端子２が共通とされるため、端子１ａより光増幅領域７ａに注入される変調電流Ｉ０と、端子１ｂより可飽和吸収領域７ｂに注入される変調電流Ｉabsとが、素子内部で相互に影響しあう可能性がある。よって、相対雑音強度が−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下となるのは、変調電流の周波数が３２０ＭＨｚ以上となるときである。このように、第２の実施形態に比べて、変調電流の周波数が高くなるが、端子２及びｎ型電極４が共通とされるので、素子の作成手順が簡略化されて、歩留まりが良くなる。
【００６７】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。又、光増幅領域及び可飽和吸収領域それぞれに注入する変調電流の波形についても、正弦波に限らず、矩形波などの正弦波以外の波形としても構わない。
【００６８】
又、本実施形態において、図９の構成の窒化物半導体レーザ素子の可飽和吸収領域７ｂの共振器方向における長さを、活性層７の共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、５０％以下であれば、窒化物半導体レーザ素子からの光出力の波形は変化せず、パルス状の発振が得られる。又、電極を２つ設けた場合について説明したが、電極の数はこれに限られるものでなく、２つ以上の電極を有する窒化物半導体レーザ素子としても構わない。
【００６９】
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。図１０は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図で、図９の窒化物半導体レーザ素子と同一部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７０】
図１０に示す窒化物半導体レーザ素子は、端子１ｃ，１ｄ，１ｅと、端子２と、端子１ｃ，１ｄ，１ｅそれぞれと電気的に接続されたｐ型電極３ｃ，３ｄ，３ｅと、ｎ型電極４と、ｐ型クラッド層５と、ｎ型クラッド層６ａと、ｐ型クラッド層５とｎ型クラッド層６ａの間に設けられた活性層１０とから構成される。
【００７１】
このような窒化物半導体レーザ素子において、活性層１０が、図１０の共振器方向に、光増幅領域１０ｂと可飽和吸収領域１０ａと光増幅領域１０ｃが順に構成される。このとき、可飽和吸収領域１０ａは、窒化物半導体レーザ素子の共振器方向における活性層１０の長さ全体に対して、１０％となるように構成する。又、ｐ型クラッド層５の表面上において、ｐ型電極３ｃが可飽和吸収領域１０ａに対応した位置に、ｐ型電極３ｄが光増幅領域１０ｂに対応した位置に、ｐ型電極３ｅが光増幅領域１０ｃに対応した位置に、それぞれ設けられる。
【００７２】
このように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ｃ，１ｄ，１ｅそれぞれに、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した変調電流Ｉabs、Ｉ０a、Ｉ０bが与えられて、可飽和吸収領域１０ａ及び光増幅領域１０ｂ，１０ｃそれぞれに注入される。尚、本実施形態では、第４の実施形態と同様に、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流Ｉ０a、Ｉ０b、Ｉabsについて、ともに正弦波で変調するとともに位相を同相とし、その周波数を３００ＭＨｚとした。更に、レーザの発振閾値が３０ｍＡであったため、端子１ｄ，１ｅへの変調電流Ｉ０a、Ｉ０bの合計値を最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡ、端子１ｃへの変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとした。
【００７３】
このとき、第４の実施形態と同様、レーザ出射光の発振閾値の時間変化の位相を変調電流Ｉ０ａ、Ｉ０ｂの位相に対して逆相とすることができるため、光吸収効果及び光増幅効果それぞれの変動が激しくなる。よって、窒化物半導体レーザ素子の光出力の振動が激しくなり、レーザ出射光の出力が高くなるとともに、鋭いピーク波形を得ることができる。
【００７４】
このような高出力となるパルス状のレーザ出射光が発生するとき、図１０のように、光増幅領域１０ｂ，１０ｃがそれぞれ、レーザ出射面１１ａ，１１ｂを有しているので、レーザ出射面１１ａ，１１ｂそれぞれからレーザ出射光が発生する。即ち、図１０の窒化物半導体レーザ素子の両側より、レーザ出射光が発生する。このとき、レーザ出射面１１ａから発生されるレーザ出射光の出力状態をモニターすることで、レーザ出射面１１ｂから発生されるレーザ出射光の出力状態を調整することができる。
【００７５】
即ち、温度変化などの外部要因によるレーザ出射光の出力の揺らぎを、レーザ出射面１１ａから発生されるレーザ出射光の出力状態より認識し、この出力状態を用いて、レーザ出射面１１ｂから発生されるレーザ出射光の出力状態が一定となるように、注入する変調電流Ｉabs、Ｉ０a、Ｉ０bを調整して、フィードバック制御を行うことができる。
【００７６】
よって、従来のように、ビームスプリッタなどを用いて、出力されるレーザ出射光の一部をモニター用のレーザ出射光として分ける必要なく、素子単体で、例えば光ピックアップ用のレーザ出射光とモニター用のレーザ出射光とを得ることができる。そのため、窒化物半導体レーザ素子の構成を簡単なものとすることができるとともに、光ピックアップ用のレーザ出射光を１００％利用することができる。
【００７７】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。又、光増幅領域及び可飽和吸収領域それぞれに注入する変調電流の波形についても、正弦波に限らず、矩形波などの正弦波以外の波形としても構わない。又、本実施形態において、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の周波数を３００ＭＨｚとしたが、３００ＭＨｚ以上であれば相対雑音強度を−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下とすることができるので、３００ＭＨｚ以上であればその値を限るものではない。
【００７８】
尚、本実施形態において、図１０の構成の窒化物半導体レーザ素子の可飽和吸収領域７ｂの共振器方向における長さを、活性層７の共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、５０％以下であれば、半導体レーザ素子からの光出力の波形は変化せず、パルス状の発振が得られる。又、電極を３つ設けた場合について説明したが、電極の数はこれに限られるものでなく、３つ以上の電極を有する窒化物半導体レーザ素子としても構わない。
【００７９】
尚、第１〜第５の実施形態において、変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとしたが、これに限るものではない。又、第１〜第４の実施形態における変調電流Ｉ０の値、及び、第５の実施形態における変調電流Ｉ０a、Ｉ０bの合計値がそれぞれ、最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡとなるようにしたが、これに限るものではなく、その最小値が半導体レーザ素子の光出力−電流特性において不連続な光出力変化が現れる閾値より小さく、且つ、その最大値がこの閾値より大きくなるようにすれば構わない。
【００８０】
尚、第１〜第５の実施形態において使用される窒化物半導体レーザ素子は、その注入電流と光出力との関係において、ヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる半導体レーザ素子であればよく、上述のような特性の窒化物半導体レーザ素子に限られるものではない。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によると、窒化物半導体レーザ素子を注入電流対光出力の関係においてヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる状態とするとともに、可飽和吸収領域及び光増幅領域のそれぞれに変調電流が注入されるようにすることで、光吸収効果と光増幅効果との差を時間的に激しく変動させることができる。よって、光出力の振動を激しくすることができるため、高出力でパルス状となるレーザ出射光を得ることができる。又、このレーザ出射光は、可干渉性が低いため、雑音の低減を実現することができる。更に、窒化物半導体レーザ素子を注入電流対光出力の関係においてヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる状態とするため、素子の構成を決定する各パラメータの設計が容易となるため、その作製が容易となる。又、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の周波数を３００ＭＨｚ以上と低い周波数から用いることができるので、変調電流を生成する変調回路への負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１〜第３の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の時間的変化を示す図。
【図３】窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示す図。
【図４】第１の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の光出力の時間変化を示す図。
【図５】第２の実施形態の窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の時間的変化を示す図。
【図６】第２の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の光出力の時間変化を示す図。
【図７】第３の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の光出力の時間変化を示す図。
【図８】変調電流における相対雑音強度の関係を示すグラフ。
【図９】第４の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１０】第５の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１１】従来の半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１２】従来の半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１３】従来の半導体レーザ素子の特性を示す図。
【図１４】キャリア密度に対する半導体レーザ素子の利得特性を表すグラフ。
【符号の説明】
１ａ〜１ｅ，２，２ａ，２ｂ 端子
３ａ〜３ｅ ｐ型電極
４，４ａ，４ｂ ｎ型電極
５ ｐ型クラッド層
６，６ａ ｎ型クラッド層
７ 活性層
７ａ 光増幅領域
７ｂ 可飽和吸収領域
８ 溝
１０ 活性層
１０ａ 可飽和吸収領域
１０ｂ，１０ｃ 光増幅領域
１１ａ，１１ｂ レーザ出射面
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその駆動方法に関するもので、特に、光ディスクや光磁気ディスクなどの駆動装置において、光源として用いられる半導体レーザ素子及びその駆動方法に関する。更に、本発明は、窒化物半導体レーザ素子のように、自励発振状態を満足させる構成とすることが困難な半導体レーザ素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、単色性が良く強い光が放射されるので、レーザ出射光を集光したときのスポットサイズを小さくすることができ、光ディスクや光磁気ディスクなどの光が照射されて記録及び再生が行われる記録メディアの駆動装置において、光ピックアップに設けられる光源として用いられる。特に、波長が短く且つ光出力が得られる窒化物半導体レーザ素子は、ＤＶＤなどの高密度記録メディアの駆動装置用として用いられるよう、赤色半導体レーザ素子に代わる光ピックアップ素子として開発が推進されている。
【０００３】
このように、データの記録及び再生が行われる駆動装置内の光ピックアップに、半導体レーザ素子が設けられる際、データの読み出しを行うために、低雑音化を図ることが課題となる。即ち、光ピックアップの光源に半導体レーザ素子が用いられるとき、光ピックアップに構成される光学系や記録メディアであるディスクなどからの反射光とレーザ出射光が互いに干渉し合って雑音を生じることがある。よって、優れた低雑音特性を得るため、この反射光による過剰雑音を防ぐことに、重点が置かれている。このとき、この過剰雑音を防ぐために、半導体レーザ素子からの出力をパルス状にして、レーザ出射光の可干渉性を低減させる。
【０００４】
このように、半導体レーザ素子からの出力をパルス状にすることが最適とされ、このことを実現するために、自励発振（パルセーション）を起こす技術が一般的に使用されている。この自励発振は、半導体レーザ素子を特別な構造で構成することで発生させることができる。即ち、活性層において、光増幅領域と呼ばれる利得領域の周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収効果を持つ領域を形成することによって、自励発振状態とすることができる。この可飽和吸収層のＱスイッチ効果（Ｑスイッチ：共鳴の鋭さを表すＱ値を急速に変化させるためのスイッチ動作）と光増幅領域の光と発振光が協同して自励発振が引き起こされる。このような自励発振を行う半導体レーザ素子が、特開平８−２０４２８２号公報において提案されている。
【０００５】
特開平８−２０４２８２号公報で示される半導体レーザ素子は、図１１のような構成とされる。図１１の半導体レーザ素子は、ｎ型電極６１に、ｎ型ＧａＡｓ基板６２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層６４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層６６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層６８を順に備え、更に、リッジ構造をもつ凸型のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６９と、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層７０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７１、ｐ型電極７２を順に備えている。
【０００６】
このような構成の半導体レーザ素子は、その内部に、光吸収領域としての可飽和吸収層６４，６８を有し、この可飽和吸収層６４，６８の光と光増幅領域である活性層６６の光と発振光が協同して自励発振が引き起こされる。よって、この半導体レーザ素子には、高周波で変調した電流を注入する必要がなく、直流電流を活性層６６に注入するようにすることでパルス状の光出力を得ることができる。
【０００７】
このように、可飽和吸収領域と光増幅領域とを予め設けずに、活性層の電流非注入領域を可飽和吸収領域として作用させて、自励発振状態とすることができる窒化物半導体レーザ素子が、特開２０００−２８６５０４号公報において提案されている。特開２０００−２８６５０４号公報で示される窒化物半導体レーザ素子は、図１２のような構成とされる。図１２の窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板１０１上に、ｎ型コンタクト層１０２、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型クラッド層１０５、ｎ型電流狭窄層１０６，１０７、ｐ型コンタクト層１０８が積層されて構成される。
【０００８】
ｐ型クラッド層１０５が、活性層１０４の表面を覆って形成された平坦部１０５ａと、該平坦部１０５ａの中央部に上向きに突設された幅Ｗ２の下段ストライプ部１０５ｂと、下段ストライプ部１０５ｂの中央部に更に突設された幅Ｗ１の上段ストライプ部１０５ｃとで構成され、幅Ｗ１が幅Ｗ２より狭くなるように下段ストライプ部１０５ｂ及び上段ストライプ部１０５ｃが設けられる。又、ｎ型コンタクト層１０２上にｎ型電極１０９が設けられるとともに、ｐ型コンタクト層１０８上に端子１１０が設けられる。
【０００９】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子は、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１によって規制され、ｐ型クラッド層１０５から活性層１０４へ流れる電流が横方向へ広がらないように抑制される。従って、活性層１０４の中央に、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１に応じた大きさの電流注入領域が形成される。又、下段ストライプ部１０５ｂの幅がＷ２となり、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１より広がっているので、発光スポット幅が下段ストライプ部１０５ｂに応じた大きさとなり、電流注入領域の周囲に可飽和吸収領域が形成されることとなる。よって、活性層１０４において、電流注入領域と可飽和吸収領域が相互に作用して、パルス状の光出力を得ることができる。
【００１０】
又、上述の自励発振状態を用いるもの以外でも、高周波によって変調された電流が注入されてパルス状の光出力を得ることのできる半導体レーザ素子が特開昭６０−３５３４４号公報で提案されている。特開昭６０−３５３４４号公報で示される半導体レーザ素子の動作は、図１３のような特性に基づいて動作を行う。図１３（ａ）は、横軸が注入される電流量を示すとともに縦軸が光出力を示す半導体レーザ素子の電流−光出力特性を表し、図１３（ｂ）は、注入される変調電流の時間変化の様子を表し、図１３（ｃ）は、変調電流の注入によって得られる光出力の時間変化の様子を表す。
【００１１】
図１３（ｂ）のように、変調電流として、閾値Ｉth以下の電流値と、閾値Ｉth以上の電流値との間で変調される電流を注入することで、図１３（ｃ）のようなパルス状の光出力を得ることができる。この場合、注入する電流値を高く設定しても、パルス状の発振を維持することができ、高出力を得ることができる。又、自励発振を用いないので、可飽和吸収領域と光増幅領域とを構成する必要がない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−２８６５０４号公報及び特開平８−２０４２８２号公報で提供される自励発振型の半導体レーザ素子では、パルス状の光出力を得るには、作成時の組成や構造を限定する必要がある。特に、特開平８−２０４２８２号公報のように、作成時の組成によって可飽和吸収領域と光増幅領域とを設ける場合、可飽和吸収領域と光増幅領域とのキャリア寿命の比及び微分利得の比を調整する必要がある。しかしながら、自励発振状態を満足させるためのパラメータ範囲が狭いため、作成の自由度が低くなってしまう。
【００１３】
更に、窒化物半導体レーザ素子とした場合、窒化物の特性より微分利得の値を大きく変化させることができない。よって、窒化物半導体レーザ素子では、可飽和吸収領域と光増幅領域とによって自励発振状態とするような構成にするためのパラメータ範囲で、キャリア寿命と微分利得を設定することが物理的に困難である。
【００１４】
又、半導体レーザ素子が自励発振状態となるか、又は、双安定状態となるかは、光増幅領域と可飽和吸収領域それぞれのキャリア濃度の釣り合いによって決定される。よって、光増幅領域と可飽和吸収領域それぞれの領域幅の長さの比や、キャリア寿命の比や、微分利得の比によって、その状態を調整することができる。そして、自励発振状態となる半導体レーザ素子とするには、キャリア寿命については、光増幅領域の方が長くなるように設定し、又、微分利得については、光増幅領域の方が小さくなるように設定する必要がある。更に、このように設定されたそれぞれの領域のキャリア寿命の比及び微分利得の比は、特定の範囲内になければならない。
【００１５】
これは、可飽和吸収領域の内部におけるキャリア濃度の強い振動が光吸収効果の振動を促して、キャリア密度を変化させるためである。即ち、可飽和吸収領域において、微分利得に相当するキャリア密度に対する利得特性曲線の傾きが大きいほど、少ない光の吸収でキャリア密度を変化させることが可能となり、結果的にキャリア濃度の振動が生じやすくなる。よって、可飽和吸収領域と光増幅領域とで、微分利得の差が大きいほど自励発振が容易に得られる。
【００１６】
この可飽和吸収領域及び光増幅領域で設定される微分利得の値は、半導体レーザ素子を構成する半導体の特性によって異なる。特に、窒化物半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ系などの赤色半導体レーザ素子に比べて、各領域の微分利得の比をより大きくする必要がある。しかしながら、図１４に示すように、赤色半導体レーザ素子の利得特性が実線のようになり、可飽和吸収領域及び光増幅領域それぞれでの利得特性の傾きの差が大きくなるのに対して、ＧａＮ材料を用いる窒化物半導体レーザ素子については、その利得特性が点線のようになり、可飽和吸収領域及び光増幅領域それぞれでの利得特性の傾きの差が小さい。
【００１７】
よって、窒化物半導体レーザ素子では、可飽和吸収領域及び光増幅領域それぞれでの利得特性の傾きを表す微分利得の比がほぼ１となり、自励発振状態を満たすことが困難である。更に、赤色半導体レーザ素子に比べて、窒化物半導体レーザ素子では、不純物の添加によって微分利得を変化させることも困難である。
【００１８】
又、特開２０００−２８６５０４号公報のように、半導体レーザ素子内にリッジを形成して、活性層に、注入される電流量の異なる可飽和吸収領域と電流注入領域とを設ける場合、そのリッジの幅と厚さ、リッジ境界部分の多層膜の膜厚、クラッド層の厚さ、エッチング条件などの多数で且つ微細な構造条件を最適化する必要がある。そして、この得られた条件に従って精度良く半導体レーザ素子を作製しなければならないため、多くの条件を確定する作業が必要であり、又、その条件が得られたとしても歩留まりが低いという問題がある。
【００１９】
又、特開昭６０−３５３４４号公報で提供される高周波重畳型の半導体レーザ素子では、変調電流は、半導体レーザ素子の緩和振動周波数の１／２以上の周波数にしなければならない。よって、半導体レーザ素子の緩和振動周波数が略２ＧＨｚ前後であるため、光出力をパルス状に発振させるためには、１ＧＨｚ以上の高周波の変調電流としなければ、雑音の低減光が得られず、変調電流を発生する変調回路に大きな負担がかかる。
【００２０】
このような問題を鑑みて、本発明は、素子の作成が容易で、且つ、変調電流を与える変調回路の負担を軽減することができる窒化物半導体レーザ素子及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域より成るとともにレーザ出射光を発生する活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とが、供給される電流の流れる方向に対して略垂直な方向に隣接し、前記光増幅領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第１変調電流が与えられる第１電極と、前記可飽和吸収領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第２変調電流が与えられる第２電極と、を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有することを特徴とする。
【００２２】
このような窒化物半導体レーザ素子において、光増幅領域に第１変調電流が注入されることによって光増幅効果が変動するとともに、可飽和吸収領域に第２変調電流が注入されることによって光吸収効果が変動する。このように、光増幅効果と光吸収効果との差が激しく変動するため、パルス状の高い光出力を得ることができる。
【００２３】
又、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の第１クラッド層と、第２導電型の第２クラッド層と、前記第１及び第２クラッド層の間に形成されるとともに注入される電流に対してレーザ出射光を発生する活性層とを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記第１クラッド層及び前記活性層及び第２クラッド層が順に積層され、前記活性層が、前記第１クラッド層及び前記活性層及び第２クラッド層が積層される方向に対して略垂直な方向に隣接した、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と、光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域とを備え、前記光増幅領域に対応した位置で、且つ、前記第１クラッド層の表面に設けられ、前記光増幅領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第１変調電流が与えられる第１電極と、前記可飽和吸収領域に対応した位置で、且つ、前記第１クラッド層の表面に設けられ、前記可飽和吸収領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第２変調電流が与えられる第２電極と、を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有することを特徴とする。
【００２４】
このような電流−光出力特性にヒステリシス又は不連続性を有する窒化物半導体レーザ素子において、光増幅領域及び可飽和吸収領域のそれぞれに、第１変調電流及び第２変調電流を、第１電極及び第２電極を通じて与えることによって、光増幅効果と光吸収効果との差を激しく変動させることができる。よって、高出力のパルス状の光出力を得ることができる。
【００２５】
前記活性層において、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域が複数設けられ、前記第１電極が前記光増幅領域の数に応じて設けられるとともに、前記第２電極が前記可飽和吸収領域の数に応じて設けられるようにしても構わない。
【００２６】
更に、前記可飽和吸収領域の周囲に、複数の前記光増幅領域が設けられ、前記光増幅領域それぞれからレーザ出射光を発生するようにしても構わない。このとき、例えば、可飽和吸収領域の両側に第１及び第２光増幅領域を設け、可飽和吸収領域と第１及び第２光増幅領域のそれぞれに変調電流を与えたとき、第１及び第２光増幅領域のそれぞれから、レーザ出射光が発生する。そして、第１光増幅領域から発生したレーザ出射光の出力をモニターして、変調電流をフィードバック制御することで、第２光増幅領域のレーザ出射光の出力を所望する値とすることができる。
【００２７】
又、前記光増幅領域に対応した位置で、且つ、前記第２クラッド層の表面に設けられ、前記光増幅領域に注入される第１変調電流が流出される第３電極と、前記可飽和吸収領域に対応した位置で、且つ、前記第２クラッド層の表面に設けられ、前記可飽和吸収領域に注入される第２変調電流が流出される第４電極と、を有し、前記第２クラッド層において、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域の境界線上に当たる位置に、溝が設けられるようにして、前記活性層において、前記第１変調電流及び前記第２変調電流が、相互に影響し合うことを防ぐようにしても構わない。
【００２８】
又、前記第２クラッド層の表面全体を覆うように設けられるとともに、前記光増幅領域に注入される第１変調電流と前記可飽和吸収領域に注入される第２変調電流とが、共通して流出される第５電極を有するようにして、素子の作成手順が簡略化されるようにしても構わない。
【００２９】
又、本発明の窒化物半導体レーザ素子の駆動方法は、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域とより成るとともにレーザ出射光を発生する活性層を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有するレーザ出射光を発生する窒化物半導体レーザ素子の駆動方法において、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域それぞれに、直流の動作電流に高周波電流が重畳される変調電流が注入されることを特徴とする。
【００３０】
このようにすることで、電流−光出力特性にヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる半導体レーザ素子において、光増幅領域及び可飽和吸収領域のそれぞれに、変調電流を与えることによって、光増幅効果と光吸収効果との差を激しく変動させることができる。よって、半導体レーザ素子より、高出力のパルス状の光出力を得ることができる。
【００３１】
又、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域それぞれに注入される前記変調電流が、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域毎に独立に制御されて注入されるようにすることで、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域毎にキャリア濃度の釣り合いを好適に調整できるため、光出力を向上させることができる。
【００３２】
又、前記可飽和吸収領域に注入される前記変調電流の位相が、前記光増幅領域に注入される前記変調電流の位相に対して、同相となるように調整されるようにすることで、光出力の振動を促す効果があるとともに、位相の制御が容易となる。
【００３３】
更に、前記変調電流を、３００ＭＨｚ以上の高周波電流が重畳されたものとすることで、レーザ出射光の可干渉性を下げ、雑音特性を向上することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００３５】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるｎ型ＧａＮ基板上に設けられた窒化物半導体レーザ素子の基本構成を示す断面図である。
【００３６】
図１に示す窒化物半導体レーザ素子は、２つの端子１ａ，１ｂと、２つの端子２ａ，２ｂと、端子１ａ，１ｂのそれぞれと電気的に接続されたｐ型電極３ａ，３ｂと、端子２ａ，２ｂのそれぞれと電気的に接続されたｎ型電極４ａ，４ｂと、ｐ型電極３ａ，３ｂが表面に設けられるｐ型クラッド層５と、ｎ型電極４ａ，４ｂが表面に設けられるｎ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層５とｎ型クラッド層６の間に設けられた活性層７とから構成される。
【００３７】
このような窒化物半導体レーザ素子において、活性層７が、図１の共振器方向に、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂとが構成される。このとき、可飽和吸収領域７ｂは、窒化物半導体レーザ素子の共振器方向における活性層７の長さ全体に対して、１０％となるように構成する。そして、本発明の窒化物半導体レーザ素子が双安定状態となるように、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂそれぞれの共振器方向の長さとキャリア寿命と微分利得とが設定される。又、可飽和吸収領域７ｂにおいては、キャリア寿命を調整するために不純物が添加されている。ここでは、Ｓｉを１×１０19ｃｍ-3添加した。
【００３８】
この双安定状態とされる場合は、自励発振状態の場合に比べ、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂそれぞれの微分利得の比を大きくする必要がない。又、この双安定条件を満たす条件においては、キャリア寿命の比と微分利得の比との積が一定以下であればよいので、キャリア寿命と微分利得のパラメータ設定を広くとることができ、更に、微分利得の比の調整が不可能でも、キャリア寿命の比を好適に調整することができる。そのため、窒化物半導体レーザ素子においても、双安定状態とすることによって、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂに対するパラメータ設定が容易となる。
【００３９】
又、ｎ型クラッド層６には、ｎ型電極４ａ，４ｂを寸断するように、共振器方向に対して垂直な方向に、溝８が設けられる。このように、溝８を設けることによって、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれへの注入電流を独立的に制御しやすくなるとともに、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれへ流れ込む電流が相互に干渉するという悪影響を回避させることができる。
【００４０】
又、ｐ型クラッド層５の表面上において、ｐ型電極３ａが光増幅領域７ａに対応した位置に設けられるとともに、ｐ型電極３ｂが可飽和吸収領域７ｂに対応した位置に設けられる。更に、ｎ型クラッド層６の表面上において、ｎ型電極４ａが光増幅領域７ａに対応した位置に設けられるとともに、ｎ型電極４ｂが可飽和吸収領域７ｂに対応した位置に設けられる。
【００４１】
更に、ｐ型クラッド層５とｎ型クラッド層６と活性層７とは、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどのIII族元素と、V族元素であるＮとの化合物で構成される窒化物系半導体層で構成される。又、ｎ型クラッド層６の下側がｎ型ＧａＮ基板であり、その上面にｎ型クラッド層が形成されるが、説明を簡単にするために、ｎ型ＧａＮ基板部分も含めて、ｎ型クラッド層６とする。
【００４２】
このように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。尚、本実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）のように、端子１ａ，１ｂそれぞれに与える変調電流Ｉ０、Ｉabsについて、ともに正弦波で変調し、その周波数を１００ＭＨｚとした。そして、変調電流Ｉabsの位相を、変調電流Ｉ０の位相に対して、π／４遅延するように調整した。更に、レーザの発振閾値が３０ｍＡであったため、端子１ａへの変調電流Ｉ０の値を最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡ、端子１ｂへの変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとした。
【００４３】
よって、図２（ａ）の変調電流Ｉ０が、Ｉ２＝２８ｍＡを中心として、Ｉ１＝１８ｍＡとＩ３＝３８ｍＡの間で発振する。又、図２（ｂ）の変調電流Ｉabsが、０．７５ｍＡを中心として、０．５ｍＡと１．０ｍＡの間で発振する。このとき、図１の構成の窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性は、図３（ａ）のように、変調電流Ｉabsの値が、Ｉabs１、Ｉabs２それぞれで、異なる。即ち、電流−光出力特性が、Ｉabsの値によって変化する。更に、図３（ｂ）に、位相が変調電流Ｉabsの位相よりπ／４進んだ変調電流Ｉ０を示す。
【００４４】
又、窒化物半導体レーザ素子を双安定状態で駆動させたとき、その電流−光出力特性はヒステリシスを持つ。即ち、変調電流ＩabsがＩabs１のとき、変調電流Ｉ０の値がＩｂからＩａに増加したとき、レーザ出射光の出力がＰ１からＰ２へと急峻に増大し、変調電流Ｉ０の値がＩａからＩｂに減少したとき、レーザ出射光の出力がＰ３からＰ４へと急峻に減少する。
【００４５】
図１の窒化物半導体レーザ素子において、図３のような特性が得られるとき、この半導体レーザ素子における活性層７が、次のような動作を行う。
【００４６】
変調電流ＩabsがＩabs１からＩabs２に変化するとき、可飽和吸収領域７ｂにおいて、光増幅領域７ａで発生した光の吸収量が減少し、電流−光出力特性が、電流Ｉ０の低電流値側に遷移する。このとき、位相π／４遅れの変調電流Ｉ０が、Ｉ２からＩ３に増加している。このように、変調電流Ｉ０が増加している間に、光出力がＰ１からＰ２に急峻に増加する。よって、電流−光出力特性において、光出力の高い領域で安定状態に遷移し、光増幅領域７ａの光の増幅量が増加する。その後、変調電流Ｉ０がＩ３からＩ１に減少しようとする。この間、電流−光出力特性において、光増幅領域７ａが、光出力の高い領域での電流−光出力特性に従った状態となる。
【００４７】
逆に、変調電流ＩabsがＩabs２からＩabs１に変化するとき、可飽和吸収領域７ｂにおいて、光増幅領域７ａで発生した光の吸収量が増加する。このとき、変調電流Ｉ０が、Ｉ３からＩ１に減少している。このように、変調電流Ｉ０が減少している間に、光出力がＰ３からＰ４に急峻に減少する。よって、電流−光出力特性において、光出力の低い領域で安定状態に遷移し、光増幅領域７ａの光の増幅量が減少する。その後、変調電流Ｉ０がＩ１からＩ３に増加しようとする。この間、光増幅領域７ａが、光出力の低い領域での電流−光出力特性に従った状態となる。
【００４８】
このように、可飽和吸収領域７ｂに変調電流Ｉabsを注入して、可飽和吸収領域７ｂのキャリア濃度を振動させることで、光吸収効果の大きさを変動させて、図３（ａ）のように、活性層７の電流−光出力特性を変動させることができる。従って、光増幅領域７ａへの変調電流Ｉ０の注入による光出力の振動と、可飽和吸収領域７ｂへの変調電流Ｉabsの注入によるレーザ出射光の発振閾値の振動との相乗効果によって、レーザ出射光の出力の変動を大きくすることができる。よって、窒化物半導体レーザ素子から出力されるレーザ出射光の出力が、図４のようなパルス状となり、雑音の低減を図ることができる。
【００４９】
このように、双安定状態の窒化物半導体レーザ素子を利用することによって、そのパラメータ条件を広く設定できるため、自励発振状態のものに比べて、その作製が容易であり、歩留まりを良くすることができる。又、変調電流Ｉabs、Ｉ０の周波数が１００ＭＨｚであるため、変調電流Ｉabs、Ｉ０を生成する変調回路の負担を減少させることができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態において用いられる窒化物半導体レーザ素子は、第１の実施形態と同様、図１のような構成の窒化物半導体レーザ素子である。
【００５１】
本実施形態では、図１のように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、第１の実施形態と同様、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した周波数１００ＭＨｚの変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。このとき、変調電流Ｉ０、Ｉabsの位相が、図５のように、同相とされる。尚、図５における変調電流Ｉ０の値は、第１の実施形態と同様であり、変調電流Ｉabsの値は、Ｉabs３＝０．５ｍＡ、Ｉabs４＝０．７５ｍＡ、Ｉabs５＝１．０ｍＡとした。
【００５２】
このように、光増幅領域７ａへ注入される変調電流Ｉ０と可飽和吸収領域７ｂへ注入される変調電流Ｉabsとの位相を同相とすることによって、レーザ出射光の発振閾値の時間変化の位相を変調電流Ｉ０の位相に対して逆相とすることができる。即ち、活性層７は、変調電流Ｉ０がＩ１となるとき、変調電流ＩabsがＩabs３の電流−光出力特性に基づいた状態となるとともに、変調電流Ｉ０がＩ３となるとき、変調電流ＩabsがＩabs５の電流−光出力特性に基づいた状態となる。
【００５３】
従って、第１の実施形態と比べて、光増幅領域７ａの光の増幅量と可飽和吸収領域７ｂの光の吸収量との差の変動が激しくなる。よって、図６のように、窒化物半導体レーザ素子の光出力の振動が激しくなり、第１の実施形態と比べて、レーザ出射光の出力が高くなるとともに、鋭いピーク波形を得ることができる。このように、本実施形態によれば、雑音特性だけでなく、光出力特性にもすぐれたレーザ出射光を発生させることができる。又、変調電流Ｉ０、Ｉabsの位相を同相とすることによって、変調電流Ｉ０、Ｉabsの制御を容易とすることができる。
【００５４】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。この範囲内のずれでも、同位相の時に対して若干低くなるが、ほぼ同程度の光出力を得ることができ、雑音の低減に対しても同様の効果を得ることができる。
【００５５】
又、第１及び第２実施形態において、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の周波数を１００ＭＨｚとしたが、１００ＭＨｚ以上であれば、その値を限るものではない。又、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の波形についても、正弦波に限らず、正弦波以外の波形としても構わない。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態において用いられる窒化物半導体レーザ素子は、第１の実施形態と同様、図１のような構成の窒化物半導体レーザ素子である。
【００５７】
本実施形態では、図１のように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、第２の実施形態と同様、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した同位相の変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。このとき、変調電流Ｉ０、Ｉabsの周波数が３００ＭＨｚとされる。尚、変調電流Ｉ０、Ｉabsの値は、それぞれ、第２の実施形態と同様である。
【００５８】
このように、変調電流Ｉ０、Ｉabsの周波数を３００ＭＨｚにしたとき、第２の実施形態と比べて、光吸収効果及び光増幅効果それぞれの変動が激しくなる。即ち、光吸収効果と光増幅効果との変動が大きくなって互いに作用するために、可飽和吸収領域７ｂが飽和しやすくなるので、光増幅効果が高いときにレーザ出射光が発生し、図７のように、大きい出力を得ることができる。又、図６の変調電流Ｉ０、Ｉabsの周波数を１００ＭＨｚにしたときのレーザ出射光の出力と比べて、その雑音の低減効果が増大する。
【００５９】
更に、相対雑音強度（ＲＩＮ）の、変調電流の周波数に対する依存性を示すためのグラフを、図８に示す。図８において、実線が、本発明の窒化物半導体レーザ素子における相対雑音強度の関係を示すグラフであり、点線が、従来例の窒化物半導体レーザ素子における変調電流における相対雑音強度の関係を示すグラフである。このグラフよりわかるように、従来の窒化物半導体レーザ素子に比べて、本発明の窒化物半導体レーザ素子の相対雑音強度が相対的に低く、特に、変調電流の周波数が３００ＭＨｚ以上において、光ディスクなどの記録メディアに対応可能となる−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値が得られる。よって、光ディスクなどの記録メディアの光ピックアップに用いる際、注入する変調電流の周波数を、３００ＭＨｚ以上とすることが好ましいことがわかる。
【００６０】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。又、光増幅領域及び可飽和吸収領域それぞれに注入する変調電流の波形についても、正弦波に限らず、矩形波などの正弦波以外の波形としても構わない。
【００６１】
又、第１〜第３の実施形態で使用される図１の構成の窒化物半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域７ｂの共振器方向における長さを、活性層７の共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、窒化物半導体レーザ素子からの光出力の波形は変化せず、パルス状の発振が得られる。しかしながら、可飽和吸収領域７ｂの活性層７に占める割合が高くなると、注入する変調電流の電流値を高くする必要があるため、可飽和吸収領域７ｂの占める割合を５０％以下であることが好ましい。更に、電極を２つ設けた場合について説明したが、電極の数はこれに限られるものでなく、２つ以上の電極を有する窒化物半導体レーザ素子としても構わない。
【００６２】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図で、図１の窒化物半導体レーザ素子と同一部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
図９に示す窒化物半導体レーザ素子は、端子１ａ，１ｂと、端子２と、ｐ型電極３ａ，３ｂと、端子２と電気的に接続されたｎ型電極４と、ｐ型クラッド層５と、ｎ型電極４が表面に設けられるｎ型クラッド層６ａと、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂとが設けられた活性層７とから構成される。図９の窒化物半導体レーザ素子は、図１の窒化物半導体レーザ素子と異なり、ｎ型クラッド層６ａに溝が設けられていない。このような窒化物半導体レーザ素子において、図１の半導体レーザ素子と同様に、可飽和吸収領域７ｂを、半導体レーザ素子の共振器方向における活性層７の長さ全体に対して、１０％となるように構成する。
【００６４】
又、本実施形態では、第２の実施形態と同様に、図９のように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ａ，１ｂそれぞれに、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した変調電流Ｉ０、Ｉabsが与えられて、光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂそれぞれに注入される。尚、本実施形態では、端子１ａ，１ｂそれぞれに与える変調電流Ｉ０、Ｉabsについて、ともに正弦波で変調するとともに位相を同相とし、その周波数を４００ＭＨｚとした。更に、レーザの発振閾値が３０ｍＡであったため、端子１ａへの変調電流Ｉ０の値を最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡ、端子１ｂへの変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとした。
【００６５】
このとき、第２の実施形態と同様、レーザ出射光の発振閾値の時間変化の位相を変調電流Ｉ０の位相に対して逆相とすることができるため、光吸収効果及び光増幅効果それぞれの変動が激しくなる。よって、窒化物半導体レーザ素子の光出力の振動が激しくなり、レーザ出射光の出力が高くなるとともに、鋭いピーク波形を得ることができる。
【００６６】
本実施形態では、第２の実施形態と異なり、図９の窒化物半導体レーザ素子の端子２が共通とされるため、端子１ａより光増幅領域７ａに注入される変調電流Ｉ０と、端子１ｂより可飽和吸収領域７ｂに注入される変調電流Ｉabsとが、素子内部で相互に影響しあう可能性がある。よって、相対雑音強度が−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下となるのは、変調電流の周波数が３２０ＭＨｚ以上となるときである。このように、第２の実施形態に比べて、変調電流の周波数が高くなるが、端子２及びｎ型電極４が共通とされるので、素子の作成手順が簡略化されて、歩留まりが良くなる。
【００６７】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。又、光増幅領域及び可飽和吸収領域それぞれに注入する変調電流の波形についても、正弦波に限らず、矩形波などの正弦波以外の波形としても構わない。
【００６８】
又、本実施形態において、図９の構成の窒化物半導体レーザ素子の可飽和吸収領域７ｂの共振器方向における長さを、活性層７の共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、５０％以下であれば、窒化物半導体レーザ素子からの光出力の波形は変化せず、パルス状の発振が得られる。又、電極を２つ設けた場合について説明したが、電極の数はこれに限られるものでなく、２つ以上の電極を有する窒化物半導体レーザ素子としても構わない。
【００６９】
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。図１０は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図で、図９の窒化物半導体レーザ素子と同一部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７０】
図１０に示す窒化物半導体レーザ素子は、端子１ｃ，１ｄ，１ｅと、端子２と、端子１ｃ，１ｄ，１ｅそれぞれと電気的に接続されたｐ型電極３ｃ，３ｄ，３ｅと、ｎ型電極４と、ｐ型クラッド層５と、ｎ型クラッド層６ａと、ｐ型クラッド層５とｎ型クラッド層６ａの間に設けられた活性層１０とから構成される。
【００７１】
このような窒化物半導体レーザ素子において、活性層１０が、図１０の共振器方向に、光増幅領域１０ｂと可飽和吸収領域１０ａと光増幅領域１０ｃが順に構成される。このとき、可飽和吸収領域１０ａは、窒化物半導体レーザ素子の共振器方向における活性層１０の長さ全体に対して、１０％となるように構成する。又、ｐ型クラッド層５の表面上において、ｐ型電極３ｃが可飽和吸収領域１０ａに対応した位置に、ｐ型電極３ｄが光増幅領域１０ｂに対応した位置に、ｐ型電極３ｅが光増幅領域１０ｃに対応した位置に、それぞれ設けられる。
【００７２】
このように構成される窒化物半導体レーザ素子に対して、端子１ｃ，１ｄ，１ｅそれぞれに、直流の動作電流に正弦波状の高周波電流を重畳した変調電流Ｉabs、Ｉ０a、Ｉ０bが与えられて、可飽和吸収領域１０ａ及び光増幅領域１０ｂ，１０ｃそれぞれに注入される。尚、本実施形態では、第４の実施形態と同様に、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流Ｉ０a、Ｉ０b、Ｉabsについて、ともに正弦波で変調するとともに位相を同相とし、その周波数を３００ＭＨｚとした。更に、レーザの発振閾値が３０ｍＡであったため、端子１ｄ，１ｅへの変調電流Ｉ０a、Ｉ０bの合計値を最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡ、端子１ｃへの変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとした。
【００７３】
このとき、第４の実施形態と同様、レーザ出射光の発振閾値の時間変化の位相を変調電流Ｉ０ａ、Ｉ０ｂの位相に対して逆相とすることができるため、光吸収効果及び光増幅効果それぞれの変動が激しくなる。よって、窒化物半導体レーザ素子の光出力の振動が激しくなり、レーザ出射光の出力が高くなるとともに、鋭いピーク波形を得ることができる。
【００７４】
このような高出力となるパルス状のレーザ出射光が発生するとき、図１０のように、光増幅領域１０ｂ，１０ｃがそれぞれ、レーザ出射面１１ａ，１１ｂを有しているので、レーザ出射面１１ａ，１１ｂそれぞれからレーザ出射光が発生する。即ち、図１０の窒化物半導体レーザ素子の両側より、レーザ出射光が発生する。このとき、レーザ出射面１１ａから発生されるレーザ出射光の出力状態をモニターすることで、レーザ出射面１１ｂから発生されるレーザ出射光の出力状態を調整することができる。
【００７５】
即ち、温度変化などの外部要因によるレーザ出射光の出力の揺らぎを、レーザ出射面１１ａから発生されるレーザ出射光の出力状態より認識し、この出力状態を用いて、レーザ出射面１１ｂから発生されるレーザ出射光の出力状態が一定となるように、注入する変調電流Ｉabs、Ｉ０a、Ｉ０bを調整して、フィードバック制御を行うことができる。
【００７６】
よって、従来のように、ビームスプリッタなどを用いて、出力されるレーザ出射光の一部をモニター用のレーザ出射光として分ける必要なく、素子単体で、例えば光ピックアップ用のレーザ出射光とモニター用のレーザ出射光とを得ることができる。そのため、窒化物半導体レーザ素子の構成を簡単なものとすることができるとともに、光ピックアップ用のレーザ出射光を１００％利用することができる。
【００７７】
尚、本実施形態において、光増幅領域に注入する変調電流と可飽和吸収領域に注入する変調電流とが同位相となるようにしたが、可飽和吸収領域に注入する変調電流の位相が、光増幅領域に注入する変調電流の位相に対して、±π／２以内でずれるものであっても構わない。又、光増幅領域及び可飽和吸収領域それぞれに注入する変調電流の波形についても、正弦波に限らず、矩形波などの正弦波以外の波形としても構わない。又、本実施形態において、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の周波数を３００ＭＨｚとしたが、３００ＭＨｚ以上であれば相対雑音強度を−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下とすることができるので、３００ＭＨｚ以上であればその値を限るものではない。
【００７８】
尚、本実施形態において、図１０の構成の窒化物半導体レーザ素子の可飽和吸収領域７ｂの共振器方向における長さを、活性層７の共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、５０％以下であれば、半導体レーザ素子からの光出力の波形は変化せず、パルス状の発振が得られる。又、電極を３つ設けた場合について説明したが、電極の数はこれに限られるものでなく、３つ以上の電極を有する窒化物半導体レーザ素子としても構わない。
【００７９】
尚、第１〜第５の実施形態において、変調電流Ｉabsの値を最大１．０ｍＡ、最小０．５ｍＡとしたが、これに限るものではない。又、第１〜第４の実施形態における変調電流Ｉ０の値、及び、第５の実施形態における変調電流Ｉ０a、Ｉ０bの合計値がそれぞれ、最大３８ｍＡ、最小１８ｍＡとなるようにしたが、これに限るものではなく、その最小値が半導体レーザ素子の光出力−電流特性において不連続な光出力変化が現れる閾値より小さく、且つ、その最大値がこの閾値より大きくなるようにすれば構わない。
【００８０】
尚、第１〜第５の実施形態において使用される窒化物半導体レーザ素子は、その注入電流と光出力との関係において、ヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる半導体レーザ素子であればよく、上述のような特性の窒化物半導体レーザ素子に限られるものではない。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によると、窒化物半導体レーザ素子を注入電流対光出力の関係においてヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる状態とするとともに、可飽和吸収領域及び光増幅領域のそれぞれに変調電流が注入されるようにすることで、光吸収効果と光増幅効果との差を時間的に激しく変動させることができる。よって、光出力の振動を激しくすることができるため、高出力でパルス状となるレーザ出射光を得ることができる。又、このレーザ出射光は、可干渉性が低いため、雑音の低減を実現することができる。更に、窒化物半導体レーザ素子を注入電流対光出力の関係においてヒステリシス又は不連続な光出力変化が現れる状態とするため、素子の構成を決定する各パラメータの設計が容易となるため、その作製が容易となる。又、窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の周波数を３００ＭＨｚ以上と低い周波数から用いることができるので、変調電流を生成する変調回路への負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１〜第３の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の時間的変化を示す図。
【図３】窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示す図。
【図４】第１の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の光出力の時間変化を示す図。
【図５】第２の実施形態の窒化物半導体レーザ素子に与える変調電流の時間的変化を示す図。
【図６】第２の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の光出力の時間変化を示す図。
【図７】第３の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の光出力の時間変化を示す図。
【図８】変調電流における相対雑音強度の関係を示すグラフ。
【図９】第４の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１０】第５の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１１】従来の半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１２】従来の半導体レーザ素子の構成を示す断面図。
【図１３】従来の半導体レーザ素子の特性を示す図。
【図１４】キャリア密度に対する半導体レーザ素子の利得特性を表すグラフ。
【符号の説明】
１ａ〜１ｅ，２，２ａ，２ｂ 端子
３ａ〜３ｅ ｐ型電極
４，４ａ，４ｂ ｎ型電極
５ ｐ型クラッド層
６，６ａ ｎ型クラッド層
７ 活性層
７ａ 光増幅領域
７ｂ 可飽和吸収領域
８ 溝
１０ 活性層
１０ａ 可飽和吸収領域
１０ｂ，１０ｃ 光増幅領域
１１ａ，１１ｂ レーザ出射面
Claims (10)
- 注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域より成るとともにレーザ出射光を発生する活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とが、供給される電流の流れる方向に対して略垂直な方向に隣接し、
前記光増幅領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第１変調電流が与えられる第１電極と、
前記可飽和吸収領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第２変調電流が与えられる第２電極と、
を有し、
前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 第１導電型の第１クラッド層と、第２導電型の第２クラッド層と、前記第１及び第２クラッド層の間に形成されるとともに注入される電流に対してレーザ出射光を発生する活性層とを有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１クラッド層及び前記活性層及び第２クラッド層が順に積層され、
前記活性層が、前記第１クラッド層及び前記活性層及び第２クラッド層が積層される方向に対して略垂直な方向に隣接した、注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と、光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域とを備え、
前記光増幅領域に対応した位置で、且つ、前記第１クラッド層の表面に設けられ、前記光増幅領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第１変調電流が与えられる第１電極と、
前記可飽和吸収領域に対応した位置で、且つ、前記第１クラッド層の表面に設けられ、前記可飽和吸収領域に注入される、直流の動作電流に高周波電流が重畳された第２変調電流が与えられる第２電極と、
を有し、
前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記活性層において、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域が複数設けられ、
前記第１電極が前記光増幅領域の数に応じて設けられるとともに、前記第２電極が前記可飽和吸収領域の数に応じて設けられることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記可飽和吸収領域の周囲に、複数の前記光増幅領域が設けられ、
前記光増幅領域それぞれからレーザ出射光を発生することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記光増幅領域に対応した位置で、且つ、前記第２クラッド層の表面に設けられ、前記光増幅領域に注入される第１変調電流が流出される第３電極と、
前記可飽和吸収領域に対応した位置で、且つ、前記第２クラッド層の表面に設けられ、前記可飽和吸収領域に注入される第２変調電流が流出される第４電極とを有し、
前記第２クラッド層において、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域の境界線上に当たる位置に、溝が設けられることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第２クラッド層の表面全体を覆うように設けられるとともに、前記光増幅領域に注入される第１変調電流と前記可飽和吸収領域に注入される第２変調電流とが、共通して流出される第５電極を有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザー素子。
- 注入される電流を増幅して光を発生する光増幅領域と光増幅領域で発生した光を吸収する可飽和吸収領域とより成るとともにレーザ出射光を発生する活性層を有し、前記光増幅領域へ供給される電流値に対して出力するレーザ出射光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシス又は不連続性を有するレーザ出射光を発生する窒化物半導体レーザ素子の駆動方法において、
前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域それぞれに、直流の動作電流に高周波電流が重畳される変調電流が注入されることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の駆動方法。 - 前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域それぞれに注入される前記変調電流が、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域毎に独立に制御されて注入されることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子の駆動方法。
- 前記可飽和吸収領域に注入される前記変調電流の位相が、前記光増幅領域に注入される前記変調電流の位相に対して、同相となるように調整されることを特徴する請求項７又は請求項８に記載の窒化物半導体レーザ素子の駆動方法。
- 前記変調電流が、３００ＭＨｚ以上の高周波電流が重畳されたものであることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子の駆動方法。
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