JP4183503B2 - 半導体レーザ素子及び半導体レーザ駆動装置及び半導体レーザ駆動方法 - Google Patents

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とその駆動装置及び駆動方法に関する。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とその駆動装置及び駆動方法に関する。
【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（Digital Versatile Disk）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、半導体レーザ素子からのレーザがディスクや光学系を反射して帰還する戻り光によって、ディスクに記録されたデータが読み出される。このとき、この戻り光と半導体レーザ素子から出射されるレーザ出射光とが互いに干渉することで、情報再生時に雑音が生じてしまう。よって、優れた低雑音特性を得るため、この戻り光雑音である過剰雑音を防ぐことに、重点が置かれている。
【０００４】
戻り光雑音を低減するには、光出力の強度を周期的に変動させることで、半導体レーザ素子の可干渉性を低減させる方法が有効である。尚、以下では、光強度が周期的に変動している光出力を「変調光出力」と呼ぶ。変調光出力を得るため、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。これは、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。
【０００５】
図１０の断面図に、従来の自励発振型半導体レーザ素子の構造の一例を示す。図１０の半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０３上に、ｎ型ＧａＡｓバッ ファ層１０４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５、ＧａＩｎＰ活性層１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０７、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１０８、および ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０９を順に備えている。そして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０７、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１０８、及びｐ型ＧａＡｓコンタク ト層１０９は、ストライプ状のリッジ１１０を構成し、このリッジ１１０の両側にｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１１１，１１２が設けられる。又、半導体レーザ素子の表面側にはｐ電極１０１が、半導体レーザ素子の裏面側にはｎ電極１０２がそれぞれ設けられ、１対の電極として形成される。
【０００６】
図１０の半導体レーザ素子において、活性層１０６上のクラッド層１０７にリッジ１１０を設けることで、電流注入量の異なる領域が形成される。そして、この とき、注入電流は、ｐ電極１０１からリッジ１１０の内側を通って活性層に注入され、ｎ電極１０２へと流れる。よって、活性層１０６では、リッジ１１０直下の主に電流の注入される部分が光増幅領域１１３として、その周囲の、電流が少なく注入される部分が可飽和吸収領域１１４，１１５として、それぞれ機能し、自励発振を発生させる。
【０００７】
又、リッジ部分を備えるとともに活性層を挟むように可飽和吸収層を形成して自励発振を行う図１１のような構成の半導体レーザ素子が提案されている（特許文献１参照）。図１１の半導体レーザ素子は、ｎ型電極１２１に、ｎ型ＧａＡｓ基板１２２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸 収層１２４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１２６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層 １２８を順に備える。
【０００８】
更に、リッジ構造をもつｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２９と、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１３０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３１、ｐ型電極１３２を順に備えている。こ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１２４，１２８を有し、この可飽和吸収層１２４，１２８のキャリアと光増幅領域である活性層１２６のキャリア及び発振光とによって自励発振が引き起こされる。
【０００９】
又、窒化物が混入された窒化物半導体レーザ素子においても、リッジ形状とすることで電流注入量の異なる領域を構成して自励発振させるものが提案されている（特許文献２参照）。尚、この窒化物半導体レーザ素子は、図１２のような構成となる。即ち、サファイア基板１４１上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４２、ｎ 型Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮクラッド層１４３、多重量子井戸構造を有する活性層１４４、ｐ型Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮクラッド層１４５、ｎ型Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ電流狭窄層１４６，１４７、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１４８を積層することにより構成される。
【００１０】
このとき、クラッド層１４５が、平坦層１４５ａ及び幅の異なるストライプ層１４５ｂ，１４５ｃで構成されることにより、電流注入のリッジ幅とレーザ光の横モードの広がり幅とを変えるリッジ部分が形成される。又、ｐ電極１５０はｐ型コンタクト層１４８の上表面に、ｎ電極１４９はｎ型コンタクト層１４２の上表面にそれぞれ設けられ、１対の電極として形成される。
【００１１】
これまでは自励発振を利用して光出力の強度を周期的に変動させる方法について例示してきたが、自励発振を利用した方法以外に変調光出力を得る方法としては、高周波によって変調した電流を注入する高周波重畳法がある。この高周波重畳法を用いた技術として、レーザの発振閾値電流付近で、動作電流に高周波の変調電流を重畳することによりパルス状の発振をさせるものが提案されている（特許文献３参照）。
【００１２】
この特許文献３におけ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。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。
【００１３】
又、光増幅領域と可飽和吸収領域とを有する双安定状態の半導体レーザ素子において可飽和吸収領域に印加する電流又は電圧を変化して、変調光出力を得る方法も用いられている（特許文献４参照）。図１４は、従来の双安定状態の半導体レーザ素子において光増幅領域への注入電流対光出力の特性を示した図で、注入電流と光出力との関係にヒステリシスの特性がみられる。
【００１４】
即ち、光増幅領域へのみ電流を注入していくと、図１４に示すように、光出力は実線で示す経路ＡをＰ４からＰ１をたどって増大していく。このとき、光増幅領域で発生した光を吸収することにより可飽和吸収領域でのキャリア濃度が増大していくので、それに伴って可飽和吸収領域の光吸収効果は減少していく。そして、さらに光増幅領域への注入電流を増していくと光吸収効果が飽和し、注入電流の値が立ち上がり閾値ＩｔｈＯＮとなったところで光出力がＰ１からＰ２へと急激に増大する。
【００１５】
又、注入電流を減らしていくと、可飽和吸収領域はすぐには光吸収効果を回復できないので、光出力は急激には減らず、波線で示す経路ＢをＰ２からＰ３をたどって緩やかに減少していく。このとき、キャリア濃度と光出力とが減少していくので、それに伴って可飽和吸収領域の光吸収効果が回復する。そして、さらに光増幅領域への注入電流を減少させていくと、光吸収効果が十分回復し、注入電流が立ち下がり閾値ＩthOFFとなったところで光出力がＰ３からＰ４へと急激に減少する。
【００１６】
この図１４のような特性を持つ双安定状態の半導体レーザ素子がＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ横モード制御型半導体レーザ素子として形成され、図１５のように、素子の片側電極を分割して、活性層１６３中に光増幅領域１６１と可飽和吸収領域１６２とが設けられる。そして、光増幅領域１６１に印加するバイアス電流ＩＢをＶ１、Ｖ２に応じた発振閾値の中間値に設定し、電圧がＶ１，Ｖ２と交互に変化する信号電圧Ｖを可飽和吸収領域１６２に印加する。
【００１７】
図１４に示すヒステリシスの形状は、可飽和吸収領域への電圧印加や電流注入によって変動する。可飽和吸収領域に電圧が印加されるか電流が注入されると、キャリア濃度が増大するので光吸収効果が減少し、ヒステリシス全体が注入電流値の低い側へ移動するため立ち上がり閾値ＩｔｈＯＮの値が低くなる。よって、可飽和吸収領域の光吸収効果を増減させることにより、発振閾値を変動させることができる。よって、図１５のような構成の半導体レーザ素子の注入電流―光出力特性曲線が、図１６のようになる。
【００１８】
活性層１６３内に発振光に対して損失となる可飽和吸収領域１６２を備えているため、光増幅領域１６１のみに電流を注入していくと、ある電流値で非線形的に光出力が増大する。即ち、可飽和吸収領域に印加する電圧がＶ１からＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）に上昇したとき、可飽和吸収領域１６２の光吸収量はそれに応じて増加するので、光出力が増大する電流値（立ち上がり閾値）はＩｈ１からＩｈ２へと低下する。よって、光増幅領域１６１に一定のバイアス電流ＩＢ（Ｉｈ２＜ＩＢ＜Ｉｈ１）を注入した状態で、可飽和吸収領域１６２に電圧がＶ１からＶ２に変化する信号電圧Ｖを印加することによって、立ち上がり閾値がＩｈ１とＩｈ２との間を変動し、変調光出力Ｐを得ることができる。
【００１９】
【特許文献１】
特開平８−２０４２８２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２８６５０４号公報
【特許文献３】
特開昭６０−３５３４４号公報
【特許文献４】
特開平２−１３７３８３号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２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。即ち、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。そして、半導体レーザ素子を自励発振状態とするには、キャリア寿命は可飽和吸収領域よりも光増幅領域が長く、かつ微分利得は可飽和吸収領域よりも光増幅領域が小さくなければならない。そのため、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ことより、作成の自由度が低くなってしまう。
【００２１】
又、図１７において、ＧａＡｓ半導体レーザ素子及びＧａＮ半導体レーザ素子それぞれの可飽和吸収領域（吸収領域）及び光増幅領域（利得領域）での利得特性を、実線及び破線で示す。この図１７より窒化物半導体レーザ素子であるＧａＮ半導体レーザ素子は、赤色半導体レーザ素子であるＧａＡｓ半導体レーザ素子に比べて、可飽和吸収領域と光増幅領域とでの利得特性極性の傾き（微分利得）の差が小さい。
【００２２】
よって、可飽和吸収領域における微分利得が光増幅領域に比べて大きいほど、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、自励発振が起こりやすくなるが、窒化物半導体レーザ素子については、両領域での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できない。更に、窒化物半導体レーザ素子では、赤色半導体レーザ素子に比べ、不純物の添加によって微分利得を変化させるのは難しいという問題がある。そのため、窒化物半導体レーザ素子においては、可飽和吸収領域と光増幅領域とが自励発振状態を満たすようにキャリア寿命および微分利得を調整して素子を作製することは物理的に困難である。
【００２３】
又、特許文献２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くなるという問題がある。
【００２４】
又、特許文献３で提供される高周波重畳型の半導体レーザ素子では、雑音の低減効果を得るのに必要な大きさの振幅を持つ光出力を得るために、注入する変調電流の振幅値を大きくしなければならない。そのため、高密度記録媒体のピックアップ素子に用いる場合などの高い光出力が必要とされるときには、消費電力や発熱が大きくなってしまい、変調回路に大きな負担がかかるという問題がある。
【００２５】
更に、特許文献４で提供される半導体レーザ素子では、戻り光を低減できる振幅の大きい光出力を得るためには、振幅の大きい電圧や電流を可飽和吸収領域に印加する必要がある。しかしながら、可飽和吸収領域に振幅の大きい電圧や電流を印加すると、それに伴って高い電圧や電流を可飽和吸収領域に印加することとなる。よって、可飽和吸収領域が飽和しやすくなり、逆に、光出力の強度変化が小さくなってしまうため、光出力の振幅が小さくなり、又、パルス状の光出力が得られにくくなる。従って、コヒーレント性が低減されにくくなり、戻り光雑音の除去効果が低くなるという問題がある。更に、高い電圧や電流を可飽和吸収領域に印加することより、立ち上がり閾値も高くなり、結果的に、光増幅領域に注入する電流値も高く設定する必要がある。
【００２６】
このような問題を鑑みて、本発明は、素子構造の作製が容易で、かつ消費電力が小さく、戻り光雑音を低減できる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。又、この半導体レーザ素子の駆動するための半導体レーザ駆動装置及び半導体レーザ駆動方法を提供することを目的とする。
【００２７】
【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光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシスを有する双安定状態で動作する半導体レーザ素子において、前記光増幅領域に電流を注入する第１電極と、前記可飽和吸収領域に電流を注入する第２電極と、を備え、前記第１電極に直流の動作電流に高周波電流が重畳された変調電流が供給されるとともに、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方に雑音電流が供給され、前記変調電流の最大値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に大きくなる電流値よりも低いことを特徴とする。
【００３０】
低い電力で大きな振幅の変調光を出力させることができる。
【００３１】
又、前記変調電流の最小値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に小さくなる電流値以下とすることで、光出力の増幅率を大きくすることができ、光出力の振幅を更に大きくすることができる。
【００３３】
又、前記第１電極に前記変調電流に前記雑音電流が重畳された電流が供給されるようにしても構わない。又、この雑音電流を有色雑音電流とする。
【００３４】
又、前記光増幅領域が複数設けられるとともに、少なくとも２つ以上の前記光増幅領域がレーザ光を出射するレーザ出射面を備えるようにしても構わない。
【００３５】
又、本発明の半導体レーザ駆動装置は、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光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシスを有する双安定状態で動作する半導体レーザ素子を駆動する半導体レーザ駆動装置において、前記半導体レーザ素子が、前記光増幅領域に電流を注入する第１電極と、前記可飽和吸収領域に電流を注入する第２電極と、を備えるとともに、前記第１電極に直流の動作電流に高周波電流が重畳された変調電流を供給する変調電流供給部と、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方に雑音電流を供給する雑音電流供給部と、を有し、前記変調電流供給部において、前記変調電流の最大値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に大きくなる電流値よりも低い値となるように、前記変調電流を生成することを特徴とする。
【００３６】
このとき、更に、前記変調電流供給部において、前記変調電流の最小値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に小さくなる電流値以下となるように、前記変調電流を生成する。
【００３８】
又、前記変調電流供給部からの前記変調電流に前記雑音電流供給部からの前記雑音電流を重畳する電流結合部を備え、当該電流結合部で前記変調電流に前記雑音電流が重畳された電流を前記第１電極に供給する。又、前記雑音電流を有色雑音電流とする。
【００４０】
又、前記半導体レーザ素子において、前記光増幅領域が複数設けられるとともに、少なくとも２つ以上の前記光増幅領域がレーザ光を出射するレーザ出射面を備え、前記レーザ出射面の１つから出射されるレーザ光を計測する計測部を備え、当該計測部の計測結果によって、前記変調電流及び前記雑音電流及び前記第２電極に供給する電流それぞれのパラメータを調整する。
【００４２】
又、本発明の半導体レーザ駆動方法は、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より成るとともにレーザ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光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシスを有する双安定状態で動作する半導体レーザ素子を駆動する半導体レーザ駆動方法において、前記半導体レーザ素子に、前記光増幅領域に電流を注入する第１電極と、前記可飽和吸収領域に電流を注入する第２電極と、を設けるステップと、前記第１電極に直流の動作電流に高周波電流が重畳された変調電流を供給するとともに、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方に雑音電流を供給するステップと、を有し、前記変調電流の最大値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に大きくなる電流値よりも低くなるように設定することを特徴とする。
【００４３】
又、前記変調電流の最小値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に小さくなる電流値以下となるように設定する。
【００４５】
更に、前記変調電流に前記雑音電流を重畳したステップと、前記変調電流に前記雑音電流が重畳された電流を前記第１電極に供給するステップと、を有する。又、前記雑音電流を有色雑音電流とする。
【００４７】
又、前記半導体レーザ素子において、前記光増幅領域を複数設けるとともに、少なくとも２つ以上の前記光増幅領域にレーザ光を出射するレーザ出射面を設けるステップと、前記レーザ出射面の１つから出射されるレーザ光を計測するステップと、当該計測部の計測結果によって、前記変調電流及び前記雑音電流及び前記第２電極に供給する電流それぞれのパラメータを調整するステップと、を備えるようにしても構わない。
【００４８】
【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。
【００４９】
＜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半導体レーザ素子の基本構成を示す断面図である。尚、以下では、本実施形態の半導体レーザ素子として、ｎ型ＧａＮ基板上に設けられた窒化物半導体レーザ素子を例に挙げて説明する。
【００５０】
図１に示す半導体レーザ素子１０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。尚、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。
【００５１】
このような半導体レーザ素子１０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。この光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂは、半導体レーザ素子１０が双安定状態となるように、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。このとき、可飽和吸収領域７ｂは、半導体レーザ素子１０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。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。
【００５２】
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である半導体レーザ素子１０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。
【００５３】
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。
【００５４】
このように、活性層７が光増幅領域７ａと可飽和吸収領域７ｂとの２つの領域に分割されているのに応じて、ｐ型電極３ａ，３ｂ及びｎ型電極４ａ，４ｂも分割されているため、光増幅領域７ａ及び可飽和吸収領域７ｂそれぞれへの注入電流が独立的に制御しやすい構造となっている。そのため、可飽和吸収領域７ｂを流れる電流と光増幅領域７ａを流れる電流とによる相互干渉を回避することができる。
【００５５】
このように構成される半導体レーザ素子１０に対して、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Ｉａが端子１ａより与えられて光増幅領域７ａに注入されるとともに、直流電流Ｉｂが端子１ｂより与えられて可飽和吸収領域７ｂに注入される。又、光増幅領域７ａに注入される変調電流Ｉａには、非周期的なランダムな強度変化を持つ雑音が重畳されている。以下では、この変調電流Ｉａに重畳される雑音として光増幅領域７ａに注入する電流成分を、「戻り光雑音」と区別して、「付加雑音ｎ」と呼ぶ。
【００５６】
光増幅領域７ａに注入される変調電流Ｉａは、図２（ａ）の時間波形によって示される正弦波状の高周波電流が重畳した変調電流Ｉｏに、図２（ｂ）の時間波形によって示される有色雑音が付加された電流によって構成された付加雑音ｎが重畳されて生成される。よって、変調電流Ｉａの時間波形は、図２（ｃ）のようになる。尚、以下では、図２（ａ）に示される周期的に変化する変調電流Ｉｏの最大値と最小値との差分の２分の１の値を、「変調電流Ｉｏの振幅」と呼ぶ。又、図２（ｂ）に示される付加雑音ｎの最大値と最小値との差分を「付加雑音ｎの最大振幅」と呼ぶ。
【００５７】
又、直流電流Ｉｂが端子１ｂより与えられて可飽和吸収領域７ｂに注入されるため、光増幅領域７ａに注入される電流と半導体レーザ素子１０の光出力の大きさとの関係が、図３（ａ）に示すように、ヒステリシスを構成する。尚、図３（ａ）の特性は図１５の特性と同様の形状となるので、図３（ａ）における図１５と同一部分には図１５と同一符号を付す。このとき、図３（ａ）において、横軸が注入電流、縦軸が注入電流に応じて得られる光出力を表す。又、図３（ｂ）は、図２（ｃ）の変調電流Ｉａの時間波形を示し、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の変調電流Ｉａが注入されて得られる光出力の時間波形を示す。
【００５８】
このように半導体レーザ素子１０の注入電流―光出力特性（尚、以下において「注入電流―光出力特性」とは、光増幅領域への注入電流の合計と光出力との関係を表す特性である）が、図３（ａ）のようなヒステリシスを構成するため、光増幅領域７ａへ注入する電流量を高くしていくと、光出力は実線で示す経路ＡをＰ４からＰ１をたどって増大していく。尚、この実線で示す経路Ａの状態にあるとき、光増幅領域７ａで光増幅量が増加し光を発生しているが、可飽和吸収領域７ｂで吸収されるため、半導体レーザ素子１０より実際は光出力がない。よって、注入する電流量を立ち上がり閾値ＩthONよりも低い値で変化させても、半導体レーザ素子１０より光が出力されない。
【００５９】
そして、可飽和吸収領域７ｂの光吸収効果が飽和し、電流量が立ち上がり閾値ＩthONとなったところで光出力がＰ１からＰ２へと急激に増大した後、破線で示す経路Ｂに沿って増大する。このように、立ち上がり閾値ＩthONを注入する電流量が超えることにより、半導体レーザ素子１０は光出力が行える状態となる。なお、双安定状態のヒステリシスにおける「立ち上がり閾値」の定義は、半導体レーザのIL特性において一般的に称されている「閾値」とは異なるものである。その後、光増幅領域７ａへ注入する電流量を低くしていくと、光出力は波線で示す経路ＢをＰ２からＰ３をたどって緩やかに減少する。尚、この破線で示す経路Ｂの状態にあるとき、可飽和吸収領域７ｂの光吸収効果が低いため、半導体レーザ素子１０より光が出力される。そして、可飽和吸収領域７ｂの光吸収効果が十分回復し、電流量が立ち下がり閾値ＩthOFFとなったところで光出力がＰ３からＰ４へと急激に減少した後、実線で示す経路Ａに沿って減少する。
【００６０】
この図３（ａ）に示すような注入電流―光出力特性の半導体レーザ素子１０において、光増幅領域７ａに図３（ｂ）（図２（ｃ））に示す変調電流Ｉａが注入されるとき、変調電流Ｉａから図２（ｂ）に示す付加雑音ｎが省かれた変調電流Ｉｏは、図２（ａ）に示すように、その最大値が立ち上がり閾値ＩthONよりも低い値に設定される。よって、この図２（ａ）に示す変調電流Ｉｏのみが光増幅領域７ａに注入されたとしても、注入電流―光出力特性が図３（ａ）の破線で示す経路Ｂ側に移行することができない。
【００６１】
このとき、変調電流Ｉｏは、この変調電流Ｉｏだけを光増幅領域７ａに注入したときに得られる光出力がヒステリシス下部の経路Ａに対応した微小な値としかならない値に調整される。よって、この変調電流Ｉｏだけを光増幅領域７ａに注入しても、戻り光雑音を低減できない。この変調電流Ｉｏに付加雑音ｎを重畳することで、変調電流Ｉａの値が最大値となるときに立ち上がり閾値ＩthONよりも大きくなり、ヒステリシス上部の経路Ｂへ移行することができる。
【００６２】
即ち、図２（ａ）のような変調電流Ｉｏに、図２（ｂ）の付加雑音ｎを重畳することで、図２（ｃ）に示すように、変調電流Ｉａの最大値が立ち上がり閾値ＩthONよりも高くなる。このとき、図２（ｂ）の付加雑音ｎは、その最大振幅が小さすぎる場合、変調電流Ｉａの最大値が立ち上がり閾値ＩthONよりも高くなることがなく、変調電流Ｉｏのみを光増幅領域７ａに与えたときと同様、注入電流―光出力特性が図３（ａ）の破線で示す経路Ｂ側に移行することができない。そのため、注入電流―光出力特性が実線で示す経路Ａ側のみとなり、半導体レーザ素子１０の光出力が低くなり、戻り光雑音を低減できない。
【００６３】
又、付加雑音ｎの最大振幅が大きすぎると、変調電流Ｉａの値が立ち上がり閾値ＩthONを超えるタイミングが変調電流Ｉｏの最大値の周期とは無関係となり、光出力の強度変化が変調電流Ｉｏの周期によらないランダムなものとなり、戻り光雑音を低減できない。よって、図２（ｂ）の付加雑音ｎの最大振幅は、この付加雑音ｎを図２（ａ）の変調電流Ｉｏに重畳して変調電流Ｉａを生成する際、この変調電流Ｉａが半導体レーザ素子１０に注入されるときに得られた光出力が戻り光雑音の低減効果を得られるような値に調整される。
【００６４】
このとき、重畳される付加雑音ｎはランダムな強度変化を持つため、周期や周波数が固定されない。よって、電流のゆらぎにも強くなり戻り光雑音の低減効果を維持できる。又、付加雑音は、周期信号と比べて、発生させる際の消費電力が少ない。これに対し、付加雑音の代わりに周期信号を重畳させて変調電流Ｉａを生成する場合、図３（ａ）のヒステリシス上部の経路Ｂに移行させるには、重畳させる周期信号及び変調信号Ｉｏそれぞれの周期を完全に同一又は整数倍とする必要がある。即ち、重畳させる周期信号及び変調信号Ｉｏそれぞれの最大値を同期させなければ、大きな振幅の光出力は得られないため、回路の熱雑音などで波形がゆらぐと戻り光雑音の低減効果が減衰してしまう。
【００６５】
このような付加雑音ｎの強度を適度に調節し変調電流Ｉｏに付加することで、注入する変調電流Ｉａの値を、変調電流Ｉｏの値を中心値としてランダムに変化させることができる。よって、変調電流Ｉｏの最大値と付加雑音ｎによる強度変化が確率的に同期して、図３（ａ）のヒステリシス上部の経路Ｂへと移行することができる。
【００６６】
又、図３（ｂ）のように、変調電流Ｉｏの最小値が立ち下がり閾値ＩthOFFよりも低い値に設定されると、変調電流Ｉａが立ち上がり閾値ＩthONよりも少し高くなることで、注入電流―光出力特性がＰ１からＰ２へと急激に変化して、図３（ａ）のヒステリシス上部の経路Ｂへと移行し、大きな光出力が得られる。その後、変調電流Ｉａが低くなり、変調電流Ｉａが立ち下がり閾値ＩthOFFよりも低くなると、注入電流―光出力特性がＰ３からＰ４へと急激に変化して、図３（ａ）のヒステリシス上部の経路Ａへと移行し、光出力がなくなる。よって、図３（ｃ）のように、変調電流Ｉａを構成する変調電流Ｉｏの周期に応じた振幅の大きいパルス状の光出力が得られる。
【００６７】
又、変調電流の周波数が高周波になると、光子数の変動が変調周波数に追いつかなくなり、ヒステリシス上の立ち上がり閾値ＩthONの電流値でもレーザ発振しないことがあるが、このような場合には、変調電流Ｉｏの最大値を、ＩthON以上で、かつレーザ発振する電流値よりも低く設定して雑音を付加すれば、同様の効果により変調光出力が得られる。
【００６８】
又、付加雑音ｎとして有色雑音電流及び白色雑音電流それぞれを加えたときの光出力の差について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は付加雑音ｎとして有色雑音電流を用いたときの光出力を示し、図４（ｂ）は付加雑音ｎとして白色雑音電流を用いたときの光出力を示す。図４（ａ）の有色雑音電流を用いた場合の光出力の方が、図４（ｂ）の白色雑音電流を用いた場合の光出力に比べて、波形が整っている。これは、図４（ｂ）の白色雑音電流を用いた場合では白色雑音電流の周波数帯域が制限されていないために、変調電流Ｉａの高周波成分による振動が光出力波形を乱れさせているのに対し、図４（ａ）の有色雑音電流を用いた場合には有色雑音電流の周波数帯域が制限されて、光出力の波形が乱れないという効果が得られるからである。
【００６９】
このように、付加雑音ｎとして白色雑音電流よりも有色雑音電流を用いた方が、良好な光出力が得られる。そして、この有色雑音電流を付加雑音ｎとして用いるとき、付加雑音ｎの雑音強度を変化させると、光出力の戻り光に対する相対雑音強度（ＲＩＮ）が図５のようになる。図５に示すように、ＲＩＮは、最適雑音強度Ｄｍにおいて最小となる。本実施形態では、この最適雑音強度Ｄｍをとる有色雑音電流を付加雑音ｎとして光増幅領域に注入する微小な変調電流Ｉｏに付加しているので、適度な付加雑音ｎを重畳することで、変調電流Ｉａの最大値を立ち上がり閾値ＩthONより高くして、半導体レーザ素子１０の注入電流―光出力特性をヒステリシス上部の経路Ｂに押し上げて、振幅の大きい変調光出力の発生を可能にしている。
【００７０】
このように変調電流Ｉｏ及び付加雑音ｎが設定されるとき、変調電流Ｉｏには正弦波による変調を用い、その変調周波数は約３００ＭＨｚとする。このとき、図３（ａ）における注入電流―光出力特性の立ち上がり閾値ＩthONが２０ｍＡ、立ち下り閾値ＩthOFFが１６ｍＡとなるので、変調電流Ｉｏの値を最大１９.７ｍＡおよび最小１５ｍＡとする。又、ＲＩＮを最小にするため、付加雑音ｎの雑音強度がＤｍとなるよう、有色雑音電流による付加雑音ｎの最大振幅が０．５ｍＡとなるように雑音強度を調整する。又、この付加雑音ｎのカットオフ周波数を６０ＭＨｚとする。更に、可飽和吸収領域７ｂへ注入する直流電流は１．０ｍＡとする。
【００７１】
このように変調電流Ｉｏ及び付加雑音ｎの各値を設定することによって、変調電流Ｉｏの最大値と付加雑音ｎとが確率的に同期して、変調電流Ｉａが最大値となるときに立ち上がり閾値ＩthONより高くなるので、増幅率が増大して高い光出力を得られる。又、変調電流Ｉｏの最小値が立ち上がり閾値ＩthOFFよりも低くなるので、増幅率が急激に減少して光出力が０となる。このようにして、図３（ｃ）のような振幅の大きいパルス状の波形となる光出力が得られる。
【００７２】
よって、微弱な変調電流Ｉｏにより構成される変調電流Ｉａが注入されて大きい振幅の変調光出力を得ることができるので、最大１０ｍＷの高い出力と大きい振幅を持つ変調光出力が得られる。その結果、戻り光雑音の低減効果を得ることができる。更に、可飽和吸収領域７ｂには光増幅領域７ａとは独立に電流を注入しているので、例えば、図３（ａ）における注入電流―光出力特性のヒステリシスを制御して発振閾値となる立ち上がり閾値ＩthONを低くして、変調電流Ｉａをより低い電流として駆動させたり、光出力の振幅を調整することができる。
【００７３】
又、半導体レーザ素子へ注入される電流値が低くなると半導体レーザ素子の緩和振動周波数が低くなる。更に、半導体レーザ素子へ注入される電流の変調周波数が高いと光出力の波形に緩和振動が現れて、光出力の波形が大きく乱れることがある。しかしながら、本実施形態のように、半導体レーザ素子１０へ注入される変調電流Ｉａに重畳された付加雑音ｎとして帯域制限された有色雑音電流を用いるため、白色雑音電流に比べて高周波成分が少ない。そのため、変調電流Ｉａの急激な変化が抑制され、光出力の波形が緩和振動によって乱れにくくなる。又、変調電流Ｉａの電流値を低くすると、消費電力が抑えられる利点がある。
【００７４】
又、本実施形態でのＲＩＮの付加雑音強度依存性を、図６に示す。図６において、実線が有色雑音電流となる付加雑音ｎが重畳された場合の状態を示し、破線が白色雑音電流となる付加雑音ｎが重畳された場合の状態を示す。ＲＩＮが−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下となるとき、光ディスクの読み込みで必要に対応した値となるが、有色雑音電流を付加雑音ｎとした場合の方が、白色雑音電流を付加雑音ｎとした場合よりも、ＲＩＮが−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値を得る雑音強度の範囲が広い。更に、有色雑音電流を付加雑音ｎとした場合のＲＩＮの最小値が、白色雑音電流を付加雑音ｎとした場合の最小値よりも低い。
【００７５】
よって、付加雑音ｎを有色雑音電流とする方が、付加雑音ｎの最大振幅が小さくても光出力の振幅を大きくすることができる。そのため、より低い消費電力で振幅の大きい最適な変調光出力を得られる。又、有色雑音電流を付加雑音ｎとする方が、付加雑音ｎの雑音強度をより広い条件で設定することができるため、半導体レーザ素子１０の駆動時のパラメータ設定を広く取ることができ、雑音の低減を容易に行うことができる。なお、駆動時のパラメータには、付加雑音ｎの雑音強度とカットオフ周波数が含まれる。
【００７６】
又、このように半導体レーザ素子１０が構成されるとき、この半導体レーザ素子１０を備えるレーザ駆動装置を図７のように構成しても構わない。即ち、図７のレーザ駆動装置は、図２（ａ）のような変調電流Ｉｏを供給する変調電流供給回路１１と、図２（ｂ）のような有色雑音電流による付加雑音ｎを供給する付加雑音供給回路１２と、変調電流供給回路１１からの変調電流Ｉｏに付加雑音供給回路１２からの付加雑音ｎを重畳させて半導体レーザ素子１０の端子１ａに供給する結合器１３と、半導体レーザ素子１０の端子１ｂに直流電流を供給する定電流源１４とより構成される。
【００７７】
よって、定電流源１４からの直流電流が端子１ｂ及びｐ電極３ｂを介して可飽和吸収領域７ｂに供給されて、半導体レーザ素子１０の注入電流―光出力特性における立ち上がり閾値ＩthON及び立ち下がり閾値ＩthOFFが設定される。そして、変調電流供給回路１１からの変調電流Ｉｏと、付加雑音供給回路１２からの付加雑音ｎとが、結合器１３において重ねあわされて、変調電流Ｉａが生成され、この変調電流Ｉａが端子１ａ及びｐ電極３ａを介して光増幅領域７ａに注入される。そして、半導体レーザ素子１０から上述のように振幅の大きい高出力の光出力が得られる。又、図７のように構成することで、変調電流Ｉｏと付加雑音ｎとを個々に生成した後に結合しているので、変調電流Ｉｏ及び付加雑音ｎそれぞれの各種パラメータを自由に調整することができる。
【００８１】
以上のように、本実施形態によれば、光増幅領域７ａに発振閾値程度の微小な変調電流Ｉｏと付加雑音ｎよりなる変調電流Ｉａを注入することにより、双安定状態を満たした半導体レーザ素子１０において動作電流がレーザの発振閾値程度でも変調光出力を発生できるため、従来よりも低い消費電力で戻り光雑音の低減を実現できる。即ち、自励発振状態を有する半導体レーザ素子よりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザ素子１０を用いて、低い電流を半導体レーザ素子に注入して雑音特性に優れた振幅が大きく出力の高いレーザ光を得ることができる。よって、戻り光による雑音を低減できる。又、半導体レーザ素子１０へ注入する電流を低くすることができるため、消費電力が低く駆動回路への負担が少なくすることができる。更に、自励発振型素子の作製が困難な窒化物半導体レーザ素子においても駆動できるので、読み込みでも８ｍＷ以上を要求される高密度記録媒体への対応が容易に可能となる。
【００８２】
尚、本実施形態では変調電流Ｉｏの最大値が１９．７ｍＡとなる場合を例に用いたが、変調電流Ｉｏの最大値はこれに限るものではなく、半導体レーザ素子１０の立ち上がり閾値ＩthONよりも低く、変調電流Ｉｏを単独で光増幅領域７ａに注入したとき、図３（ａ）に示す半導体レーザ素子１０の注入電流―光出力特性曲線において、ヒステリシス上部の経路Ｂに移行できない値であれば構わない。尚、このとき、この変調電流Ｉｏに付加雑音ｎを重畳した変調電流Ｉａの最大値が半導体レーザ素子１０の立ち上がり閾値ＩthONを超えるように、変調電流Ｉｏの最大値を設定する必要がある。
【００８３】
又、本実施形態では光増幅領域３への変調電流Ｉｏの最小値が１５ｍＡである場合を例に用いたが、変調電流Ｉｏの最小値はこれに限るものではなく、半導体レーザ素子１０の立ち上がり閾値ＩthON以下であればよい。このとき、この変調電流Ｉｏに付加雑音ｎを重畳した変調電流Ｉａの最大値が半導体レーザ素子１０の立ち上がり閾値ＩthONを超えるように設定することで、図３（ａ）に示す半導体レーザ素子１０の注入電流―光出力特性曲線において、ヒステリシス上部の経路Ｂに移行する。よって、注入電流―光出力特性のヒステリシス上部の経路Ｂに準じた振幅となる光出力が半導体レーザ素子１０より発振する。
【００８４】
このように、高出力の発振したレーザ光が半導体レーザ素子１０より出力されるため、戻り光雑音の低減効果を有する光出力が得られる。しかしながら、本実施形態のように、変調電流Ｉｏの最小値を半導体レーザ素子１０の立ち下り閾値ＩthOFF以下とした方が、半導体レーザ素子１０の状態を注入電流―光出力特性のヒステリシス上部の経路Ａ，Ｂそれぞれに移行させることができるため、光出力の振幅を大きくすることができ、戻り光雑音の低減効果を更に向上させることができる。
【００８５】
又、本実施形態では、付加雑音ｎの雑音強度がＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるよう、即ち、付加雑音ｎの最大振幅を０．５ｍＡとしたが、付加雑音の値はこれに限るものではなく、半導体レーザ素子１０から得られる光出力が、ＲＩＮの値が光ディスク用ピックアップで必要とされる−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下となる範囲の雑音強度であれば構わない。
【００８６】
このとき、付加雑音ｎの最大振幅が半導体レーザ素子１０の注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、即ち、立ち上がり閾値ＩthONと立ち下がり閾値ＩthOFFの差分（ＩthON−ＩthOFF）以下であれば変調光出力が得られる。更に、この付加雑音ｎの最大振幅が変調電流Ｉｏの振幅以下であることが好ましい。このようにすることで、低消費電力で光出力の振幅を大きくでき、ＲＩＮの値を向上することができるために、戻り光雑音の低減効果を向上できる。
【００８７】
又、本実施形態の半導体レーザ素子１０をｐ型電極３ａ，３ｂ及びｎ型電極４ａ，４ｂのように電極を２つ設けたものとしたが、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半導体レーザ素子としても構わない。更に、ｎ型電極４ａ，４ｂのようにｎ型電極を２つに分割したが、このｎ型電極を１つの電極としても構わない。
【００８８】
＜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。図８は、本実施形態における半導体レーザ素子の基本構成を示す断面図である。尚、以下では、本実施形態の半導体レーザ素子として、第１の実施形態と同様、ｎ型ＧａＮ基板上に設けられた窒化物半導体レーザ素子を例に挙げて説明する。又、図８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。
【００８９】
図８に示した半導体レーザ素子１０ａ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７ｘとから構成される。
【００９０】
このような半導体レーザ素子１０ａにおいて、活性層７ｘが、図８の共振器方向に、光増幅領域７ｄと可飽和吸収領域７ｃと光増幅領域７ｅが順に構成される。このとき、可飽和吸収領域７ｃは、半導体レーザ素子１０ａの共振器方向における活性層７ｘ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７ｃに対応した位置に、ｐ型電極３ｄが光増幅領域７ｄに対応した位置に、ｐ型電極３ｅが光増幅 領域７ｅに対応した位置に、それぞれ設けられる。
【００９１】
このような構成の半導体レーザ素子１０ａにおいて、端子１ｃに直流電流が与えられて、ｐ型電極３ｃを介して可飽和吸収領域７ｃに注入される。又、端子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Ｉｏｄ，Ｉｏｅに更に付加雑音ｎｄ，ｎｅが重畳した変調電流Ｉｄ，Ｉｅが与えられて、ｐ型電極３ｄ，３ｅを介して光増幅領域１０ｂ，１０ｃそれぞれに注入される。
【００９２】
尚、本実施形態では、第１の実施形態における変調電流Ｉｏと同様に、変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅをともに正弦波で変調するとともに、その周波数を３００ＭＨｚとした。又、半導体レーザ素子１０ａの立ち上がり閾値ＩthONが２０ｍＡ、立下り閾値ＩthOFFが１６ｍＡであったため、変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計値を最大１９．７ｍＡ、最小１５ｍＡとした。
【００９３】
又、変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅに重畳される付加雑音ｎｄ，ｎｅは、第１の実施形態における付加雑音ｎと同様、そのカットオフ周波数を６０ＭＨｚとするとともに、ＲＩＮの値が最小となるような値、即ち、付加雑音ｎｄ，ｎｅの合計値の最大振幅が０．５ｍＡとなるように調整した。更に、可飽和吸収領域７ｃに注入する直流電流は、第１の実施形態における可飽和吸収領域７ｂに注入する直流電流と同様、１．０ｍＡとした。
【００９４】
このようにして、半導体レーザ素子１０ａが双安定状態となるように活性層７ｘの可飽和吸収領域７ｃ及び光増幅領域７ｄ，７ｅが構成されるとともに、半導体レーザ素子１０ａの注入電流−光出力特性が図３（ａ）のようなヒステリシスを構成するような直流電流が可飽和吸収領域７ｃに与えられる。そして、付加雑音ｎｄ，ｎｅを変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅに重畳させて生成された変調電流Ｉｄ，Ｉｅを光増幅領域７ｄ，７ｅに注入することで、変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計値が最大値となるときと付加雑音ｎｄ，ｎｅが確率的に同期して、変調電流Ｉｄ，Ｉｅの最大値が立ち上がり閾値ＩthONより高くなる。又、変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計値が最大値となるときは、変調電流Ｉｄ，Ｉｅの最小値が立ち下がり閾値ＩthOFFより低くなる。
【００９５】
よって、変調電流Ｉｄ，Ｉｅの合計値が立ち上がり閾値ＩthONより高くなって、半導体レーザ素子１０ａの注入電流−光出力特性が図３（ａ）の経路Ａから経路Ｂに移行するとともに、変調電流Ｉｄ，Ｉｅの合計値が立ち下がり閾値ＩthOFFより低くなって、半導体レーザ素子１０ａの注入電流−光出力特性が図３（ａ）の経路Ｂから経路Ａに移行する。よって、本実施形態の半導体レーザ素子１０ａは、第１の実施形態と同様の作用により、１０ｍＷの光出力で変調光を出力する。その結果、第１の実施形態と同様の戻り光雑音低減効果を得ることができる。
【００９６】
更に、可飽和吸収領域７ｃには光増幅領域７ｄ，７ｅとは独立に電流を注入しているので、ヒステリシスを制御して発振閾値となる立ち上がり閾値を低くして、変調電流Ｉｄ，Ｉｅの合計値をより低い値として駆動させたり、光出力の振幅を調整することができる。
【００９７】
このような高出力となるパルス状のレーザ光が発生するとき、図８のように、光増幅領域７ｄ，７ｅがそれぞれ、レーザ出射面８ａ，８ｂを有しているので、レーザ出射面８ａ，８ｂそれぞれからレーザ光が出射する。即ち、図８の半導体レーザ素子１０ａの両側より、レーザ光が出射する。このとき、レーザ出射面８ｂから発生されるレーザ光の出力状態をモニタ部３０でモニタすることで、レーザ出射面８ａから発生されるレーザ光の出力状態を調整することができる。
【００９８】
即ち、温度変化などの外部要因によるレーザ光の出力の揺らぎを、レーザ出射面８ｂから出射されるレーザ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８ａから発生されるレーザ光の出力状態が一定となるように、注入する変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅ及び付加雑音ｎｄ，ｎｅ及び可飽和吸収領域７ｃへの注入電流を調整して、フィードバック制御を行うことができる。
【０１００】
よって、従来のように、ビームスプリッタなどを用いて、出力されるレーザ光の一部をモニタ用のレーザ光として分ける必要なく、半導体レーザ素子１０ａ単体で、例えば光ピックアップ用のレーザ光とモニタ用のレーザ光とを得ることができる。そのため、半導体レーザ素子１０ａ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光を１００％利用することができる。
【０１０１】
以上のように、本実施形態によれば、自励発振状態を有する半導体レーザ素子よりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザ素子１０ａを用いて、低い電流を半導体レーザ素子に注入して雑音特性に優れた振幅が大きく出力の高いレーザ光を得ることができる。よって、戻り光による雑音を低減できる。又、半導体レーザ素子１０ａへ注入する電流を低くすることができるため、消費電力が低く駆動回路への負担を少なくすることができる。更に、温度変化等の外部要因による光出力の揺らぎを、フィードバック回路などを使用して半導体レーザ素子１０ａへ注入する各注入電流の調整に反映させることができるため、光出力を一定にする調整が容易になる。
【０１０２】
尚、本実施形態では変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計値の最大値が１９．７ｍＡとなる場合を例に用いたが、これに限るものではなく、半導体レーザ素子１０ａの立ち上がり閾値ＩthONよりも低く、付加雑音ｎｄ，ｎｅが重畳されていない状態で光増幅領域７ｄ，７ｅに注入したとき、図３（ａ）に示すヒステリシス上部の経路Ｂに移行できない値であれば構わない。又、本実施形態では光増幅領域３への変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計値の最小値が１５ｍＡである場合を例に用いたが、これに限るものではなく、半導体レーザ素子１０ａの立ち上がり閾値ＩthON以下であればよい。又、変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計値の最小値を半導体レーザ素子１０ａの立ち下り閾値ＩthOFF以下とした方が、更によい。
【０１０３】
又、本実施形態では、付加雑音ｎｄ，ｎｅの合計値の最大振幅を０．５ｍＡとしたが、これに限るものではなく、半導体レーザ素子１０ａから得られる光出力が、ＲＩＮの値が光ディスク用ピックアップで必要とされる−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下となる範囲の雑音強度であれば構わない。このとき、付加雑音ｎｄ，ｎｅの合計値の最大振幅が半導体レーザ素子１０ａの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、即ち、立ち上がり閾値ＩthONと立ち下がり閾値ＩthOFFの差分（ＩthON−ＩthOFF）以下であれば変調光出力が得られる。更に、この付加雑音ｎｄ，ｎｅの合計値の最大振幅が変調電流Ｉｏｄ，Ｉｄｅの合計値の振幅以下であることが好ましい。又、付加雑音が光増幅領域７ｄ，７ｅのいずれか一方のみに注入されるものとしても構わない。
【０１０４】
又、本実施形態の半導体レーザ素子１０をｐ型電極３ｃ〜３ｅのように電極を３つ設けたものとしたが、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半導体レーザ素子としても構わない。更に、ｎ型電極４のようにｎ型電極を１つとしたが、このｎ型電極を活性層７ｘに作成された可飽和吸収領域及び光増幅領域に応じた数の電極に分割しても構わない。
【０１０５】
尚、第１及び第２の実施形態において、光増幅領域７ａ，７ｄ，７ｅに注入する変調電流Ｉａ，Ｉｄ，Ｉｅの変調を正弦波としたが、矩形波などの正弦波以外で変調を行っても構わない。しかしながら、正弦波による変調は簡易な手段であるとともに、変調電流の生成が容易であり消費電力を低く抑えることができるので、正弦波による変調が好ましい。又、光増幅領域７ａ，７ｄ，７ｅへ注入する変調電流Ｉａ，Ｉｄ，Ｉｅの変調周波数を約３００ＭＨｚとしたが、３００ＭＨｚ以外の周波数であっても、戻り光雑音の低減効果を有する変調光出力が半導体レーザ素子１０，１０ａより得られる周波数であれば構わない。
【０１０６】
又、有色雑音電流とする付加雑音ｎ，ｎｄ，ｎｅのカットオフ周波数を６０ＭＨｚとしているが、これに限るものではなく、半導体レーザ素子１０，１０ａより得られる光出力のＲＩＮが、光ディスク用ピックアップで必要とされる−１３０ｄＢ／Ｈｚを満たせる範囲であれば構わない。
【０１０７】
又、第１及び第２実施形態では、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃへ注入される直流電流の値が１．０ｍＡである場合を例に用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃへの注入される電流値によって決まる、半導体レーザ素子１０，１０ａの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が、与えられる付加雑音の合計の最大振幅以上であれば、第１及び第２実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０８】
又、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃに付加雑音ｎを注入し、光増幅領域７ａ，７ｄ，７ｅに変調電流Ｉｏ，Ｉｏｄ，Ｉｏｅのみを注入するようにしても構わない。その場合、付加雑音ｎの最大振幅によって変動する半導体レーザ素子１０，１０ａの発振閾値（立ち上がり閾値ＩthONに相当する）が最低値をとるタイミングが変調電流Ｉｏ又は変調電流Ｉｏｄ，Ｉｏｅの合計の最大値に対して確率的に同期する。よって、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃへの注入電流値が半導体レーザ素子１０，１０ａの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの立ち上がり閾値ＩthONを上下することとなり、半導体レーザ素子１０，１０ａより変調された光出力が成される。そのため、半導体レーザ素子１０，１０ａより、戻り光雑音の低減効果を有する光出力が得られる。
【０１０９】
但し、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃへ注入できる電流値の範囲が狭いため、付加雑音ｎ，ｎｄ，ｎｅを光増幅領域７ａ，７ｄ，７ｅへ注入する変調電流Ｉｏ，Ｉｏｄ，Ｉｏｅに重畳する場合に比べて、光出力の強度を好適に決定することが困難であるため、付加雑音ｎ，ｎｄ，ｎｅを光増幅領域７ａ，７ｄ，７ｅへ注入する変調電流Ｉｏ，Ｉｏｄ，Ｉｏｅに重畳する方が好ましい。又、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃに注入する電流は一定電流ではなく変調電流としても、戻り光雑音の低減効果を有する光出力が得られるので構わない。この場合、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃへの注入電流量によって注入電流―光出力特性におけるヒステリシスを制御できるので、半導体レーザ素子１０，１０ａの光出力の特性を変えることができる。
【０１１０】
又、半導体レーザ素子１０，１０ａそれぞれの可飽和吸収領域７ｂ，７ｃの共振器方向における長さを、活性層７，７ｘそれぞれの共振器方向における長さの１０％としたが、１０％以外でも、光出力や波形は変化せず変調光出力が得られる。但し、可飽和吸収領域７ｂ，７ｃの共振器に占める割合が大きくなると発振閾値が上がり、より高い注入電流値を必要とするため、活性層７，７ｘの共振器方向における長さの５０％以下とすることが好ましい。
【０１１１】
又、付加雑音が変調電流に重畳されて光増幅領域７ａ，７ｄ，７ｅに注入されるものとしたが、付加雑音及び変調電流がそれぞれ別々の回路を介して独立にｐ型電極に注入されるようにしても構わない。このとき、付加雑音の雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１１２】
＜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。図９は、本実施形態における半導体レーザ素子の構成を示す外観斜視図及び上面図である。尚、以下では、本実施形態の半導体レーザ素子として、サファイア基板上に設けられた窒化物半導体レーザ素子を例に挙げて説明する。
【０１１３】
図９（ａ）の外観斜視図に示すように、本実施形態の半導体レーザ素子１０ｂは、サファイア基板４１の表面に、ＧａＮバッファ層４２及びｎ型ＧａＮコンタ クト層４３が順番に積層され、更に、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３に設けられた凸部４３ｂの表面に、ｎ型クラッド層４４及びＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層とＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層４５及びｐ型クラッド層４６が順番に積層されて構成される。
【０１１４】
又、この半導体レーザ素子１０ｂにおいて、図９（ｂ）の上面図に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３のｎ型クラッド層４４及び多重量子井戸構造活性層４５及びｐ型クラッド層４６が積層されていない部分には、ＧａＮバッファ層４２の一部が露出するように、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３の凸部４３ｂまで達 する切り込み４３ａが設けられ、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３ｃ，４３ｄに分割されている。又、多重量子井戸構造活性層４５には、光増幅領域４５ａと可飽和 吸収領域４５ｂとが設けられ、光増幅領域４５ａと可飽和吸収領域４５ｂとの境界線に対応するように切り込み４３ａが設けられる。
【０１１５】
更に、図９（ａ）、（ｂ）のように、ｐ型クラッド層４６の表面には、光増幅領域４５ａ及び可飽和吸収領域４５ｂそれぞれに対応する位置に、互いに隔離するようにｐ型ＧａＮコンタクト層４７ａ，４７ｂが設けられる。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層４７ａ，４７ｂそれぞれの表面にｐ型電極４８ａ，４８ｂが設けられるとともに、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３ｃ，４３ｄそれぞれの表面にｎ型電極４９ａ，４９ｂが設けられる。
【０１１６】
又、光増幅領域４５ａと可飽和吸収領域４５ｂとは、半導体レーザ素子１０ｂが双安定状態を満足する条件において作製されるとともに、共振器方向における可飽和吸収領域４５ｂの長さは、多重量子井戸構造活性層４５の長さに相当する共振器長さ全体の約１０％とした。このように構成されるとき、ｐ型電極４８ａとｎ電極４９ａとの間に電位差を印加すると、この電位差が光増幅領域４６ａに印加される。又、ｐ型電極４８ｂとｎ型電極４９ｂとの間に電位差を印加すると、この電位差が可飽和吸収領域４６ｂに印加される。
【０１１７】
そして、第１の実施形態と同様、直流電流をｐ型電極４８ｂを介して可飽和吸収領域４５ｂに注入して、半導体レーザ素子１０ｂをその注入電流―光出力特性が図３（ｃ）のようにヒステリシスを形成するような双安定状態とする。そして、図２（ａ）のような時間波形となる変調電流Ｉｏに図２（ｂ）のような時間波形となる付加雑音ｎを重畳することで得られた図２（ｃ）（図３（ｂ））のような時間波形となる変調電流Ｉａを、ｐ型電極４８ａを介して光増幅領域４５ａに注入する。このようにすることで、本実施形態の半導体レーザ素子１０ｂは、第１の実施形態と同様の作用により、振幅の大きい高出力の光出力が得られる。その結果、第１の実施形態と同様の戻り光雑音低減効果を得ることができる。
【０１１８】
以上のように、本実施形態によれば、自励発振状態を有する半導体レーザ素子よりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザ素子１０ｂを用いて、低い電流を半導体レーザ素子に注入して雑音特性に優れた振幅が大きく出力の高いレーザ光を得ることができる。よって、戻り光による雑音を低減できる。又、半導体レーザ素子１０ｂへ注入する電流を低くすることができるため、消費電力が低く駆動回路への負担が少なくすることができる。更に、コンタクト層および電極を素子の上部に作りつけているので、素子の集積化が容易になる。
【０１１９】
尚、本実施形態において、第１の実施形態と同様、活性層が１つの光増幅領域と１つの可飽和吸収領域とに分割されて構成されるものとしたが、第２の実施形態のように、光増幅領域が複数設けられて可飽和吸収領域を挟むように構成されるようにしても構わない。
【０１２０】
尚、第１〜第３の実施形態において使用される半導体レーザ素子は、ＧａＮ系などの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半導体レーザ素子を初めとして、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、II−VI系半導体などの材料を用いた半導体レーザ素子とすることができる。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明によると、双安定状態の半導体レーザ素子を構成するため、半導体レーザ素子の作製を容易なものとすることができる。又、雑音電流を光増幅領域又は可飽和吸収領域のいずれかに供給することで、光増幅領域に供給する変調電流の最大値が半導体レーザ素子の注入電流−光出力特性における立ち上がり閾値よりも低い値であっても、変調電流の最大値がこの雑音電流と確率的に同期するため、光増幅領域に与えられた電流が立ち上がり閾値を超えることができる。よって、光出力を高出力とすることができる。
【０１２２】
又、このとき、変調電流の最小値を立ち下がり閾値より低くすることで、注入電流−光出力特性をヒステリシスの上下に遷移させることができるため、光出力の振幅を大きくすることができる。よって、変調電流の電流値を低くして変調電流を生成する回路の消費電力を抑制することができるとともに、戻り光による雑音を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における半導体レーザ素子の概略的な構成を示した断面図。
【図２】第１の実施形態における半導体レーザ素子の活性層への注入電流の時間波形図。
【図３】第１における実施形態の半導体レーザ素子の動作特性を説明するための図。
【図４】雑音電流に有色雑音又は白色雑音を用いたときの光出力を示した図。
【図５】有色の付加雑音強度を変化させたときの、光出力の戻り光に対する相対雑音強度（ＲＩＮ）を示したグラフ。
【図６】相対雑音強度（ＲＩＮ）の付加雑音強度依存性を示したグラフ。
【図７】半導体レーザ素子の駆動回路の構成を示すブロック図。
【図８】第２の実施形態における半導体レーザ素子の概略的な構成を示した断面図。
【図９】第３の実施形態における半導体レーザ素子の構造を示す図。
【図１０】従来の自励発振型半導体レーザの構造の一例を示した断面図。
【図１１】従来の自励発振型半導体レーザ素子の構造を表す断面図。
【図１２】従来の窒化物半導体レーザ素子の構造を表す断面図。
【図１３】従来の半導体レーザの動作特性を説明するための図。
【図１４】従来の双安定状態の半導体レーザにおいて光増幅領域への注入電流対光出力の特性を示した図。
【図１５】従来の双安定状態の半導体レーザ素子の概略的な素子構造を示す断面図。
【図１６】図１５に示した従来の双安定状態の半導体レーザの注入電流―光出力特性曲線を示した図。
【図１７】半導体レーザの可飽和吸収領域および光増幅領域での利得特性曲線を示した図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 端子
２ａ，２ｂ 端子
３ａ，３ｂ ｐ型電極
４ ｎ型電極
５ ｎ型クラッド層
６ ｐ型クラッド層
７ 活性層
７ａ 光増幅領域
７ｂ 可飽和吸収領域

Claims (15)

1. 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光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシスを有する双安定状態で動作する半導体レーザ素子において、
   前記光増幅領域に電流を注入する第１電極と、
   前記可飽和吸収領域に電流を注入する第２電極と、
   を備え、
   前記第１電極に直流の動作電流に高周波電流が重畳された変調電流が供給されるとともに、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方に雑音電流が供給され、
   前記変調電流の最大値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に大きくなる電流値よりも低いことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記変調電流の最小値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に小さくなる電流値以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第１電極に前記変調電流に前記雑音電流が重畳された電流が供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記雑音電流を有色雑音電流とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
5. 前記光増幅領域が複数設けられるとともに、少なくとも２つ以上の前記光増幅領域がレーザ光を出射するレーザ出射面を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
6. 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光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシスを有する双安定状態で動作する半導体レーザ素子を駆動する半導体レーザ駆動装置において、
   前記半導体レーザ素子が、前記光増幅領域に電流を注入する第１電極と、前記可飽和吸収領域に電流を注入する第２電極と、を備えるとともに、
   前記第１電極に直流の動作電流に高周波電流が重畳された変調電流を供給する変調電流供給部と、
   前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方に雑音電流を供給する雑音電流供給部と、
   を有し、
   前記変調電流供給部において、前記変調電流の最大値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に大きくなる電流値よりも低い値となるように、前記変調電流を生成することを特徴とする半導体レーザ駆動装置。
7. 前記変調電流供給部において、前記変調電流の最小値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に小さくなる電流値以下となるように、前記変調電流を生成することを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ駆動装置。
8. 前記変調電流供給部からの前記変調電流に前記雑音電流供給部からの前記雑音電流を重畳する電流結合部を備え、当該電流結合部で前記変調電流に前記雑音電流が重畳された電流を前記第１電極に供給することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の半導体レーザ駆動装置。
9. 前記雑音電流を有色雑音電流とすることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
10. 前記半導体レーザ素子において、前記光増幅領域が複数設けられるとともに、少なくとも２つ以上の前記光増幅領域がレーザ光を出射するレーザ出射面を備え、
    前記レーザ出射面の１つから出射されるレーザ光を計測する計測部を備え、
    当該計測部の計測結果によって、前記変調電流及び前記雑音電流及び前記第２電極に供給する電流それぞれのパラメータを調整することを特徴とする請求項６〜請求項９のいずれかに記載の半導体レーザ駆動装置。
11. 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光の出力を表す電流−光出力特性がヒステリシスを有する双安定状態で動作する半導体レーザ素子を駆動する半導体レーザ駆動方法において、
    前記半導体レーザ素子に、前記光増幅領域に電流を注入する第１電極と、前記可飽和吸収領域に電流を注入する第２電極と、を設けるステップと、
    前記第１電極に直流の動作電流に高周波電流が重畳された変調電流を供給するとともに、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方に雑音電流を供給するステップと、
    を有し、
    前記変調電流の最大値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に大きくなる電流値よりも低くなるように設定することを特徴とする半導体レーザ駆動方法。
12. 前記変調電流の最小値が、前記電流−光出力特性において光出力が急激に小さくなる電流値以下となるように設定することを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ駆動方法。
13. 更に、前記変調電流に前記雑音電流を重畳したステップと、前記変調電流に前記雑音電流が重畳された電流を前記第１電極に供給するステップと、
    を有することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の半導体レーザ駆動方法。
14. 前記雑音電流を有色雑音電流とすることを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載の半導体レーザ駆動方法。
15. 前記半導体レーザ素子において、前記光増幅領域を複数設けるとともに、少なくとも２つ以上の前記光増幅領域にレーザ光を出射するレーザ出射面を設けるステップと、
    前記レーザ出射面の１つから出射されるレーザ光を計測するステップと、
    当該計測部の計測結果によって、前記変調電流及び前記雑音電流及び前記第２電極に供給する電流それぞれのパラメータを調整するステップと、
    を備えることを特徴とする請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の半導体レーザ駆動方法。

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