JP4376013B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ、半導体レーザ駆動装置、および半導体レーザ駆動方法に関し、より特定的には、変調光出力によって戻り光雑音を低減させる半導体レーザ、半導体レーザ駆動装置、および半導体レーザ駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、単色性および指向性に優れ、光ディスクのピットを読み取るのに必要な十分小さいスポットサイズを得ることができるため、光ディスク用の光源として利用されている。しかしながら、多層構造をもつＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの高密度記録媒体においては、読み込み時にも８ｍＷ以上の高出力が要求されるため、従来の赤色半導体レーザを使用することは不可能になっていた。
【０００３】
これに対し、波長が短くしかも高出力を得られる窒化物半導体レーザは、ＤＶＤなどの高密度記録媒体用に向いているので、赤色半導体レーザに代わる有力なピックアップ素子として開発が推進されている。
【０００４】
こうしたピックアップ素子では、レーザから出射された光が記録媒体であるディスク表面や光学系などで反射することにより、出射光の一部がレーザに帰還する。このようにしてレーザに帰還する光は「戻り光」と呼ばれており、戻り光と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。
【０００５】
この「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、半導体レーザの可干渉性を低減させる方法が有効である。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。
【０００６】
変調光出力を得るため、レーザの自励発振（パルセーション）を意図的に起こす技術が一般に使われている。自励発振は、レーザにたとえば以下のような特別な構造を与えることにより発生させることができる。
【０００７】
光増幅領域と呼ばれる活性層内部の利得領域の周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収効果をもつ領域を形成する。その結果、活性層のキャリアおよび発振光に対して可飽和吸収領域による光のＱスイッチ効果が働き、自励発振が発生する。
【０００８】
よって、上記の構造を持つレーザの活性層に閾値以上の一定電流を注入することにより自励発振を意図的に起こすことができ、変調光出力が得られる。
【０００９】
図１１は、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である。
【００１０】
図１１に示した従来の自励発振型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。
【００１１】
上記の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は、ストライプ状のリッジ１１０を構成しており、このリッジ１１０の両側にｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１１１，１１２が設けられている。素子の表面側にはｐ電極１０１、素子の裏面側にはｎ電極１０２がそれぞれ設けられており、共に分割されていない。
【００１２】
この素子では、活性層１０６上のクラッド層１０７にリッジ１１０を設けて、電流注入量の異なる領域を作り出すことにより、利得領域の周囲に可飽和吸収領域を作り出し、自励発振を得ている。
【００１３】
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。リッジ直下の主に電流の注入される部分が光増幅領域１１３、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。
【００１４】
ただし、こうした素子では、リッジ構造の幅やクラッド層の厚さなど、自励発振を起こせる素子構造の各種パラメータを決定する必要があり、さらに得られた条件を満たすよう精度よく作製せねば自励発振は得られない。
【００１５】
この図１１に示された従来例と同様に、電流が少なく注入される領域（電流非注入領域）を可飽和吸収領域として作用させる窒化物半導体レーザ素子の従来例を図１２に示す。
【００１６】
図１２は、従来の窒化物半導体レーザ素子の構造を表す断面図である。（たとえば、特許文献１参照）
図１２に示した従来の窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板１２１上に、ＧａＮからなる厚さ４.５μｍのｎ型コンタクト層１２２、ＡｌbＧａ1-bＮからなる厚さ０.８μｍのｎ型クラッド層１２３、多重量子井戸構造を有する活性層１２４、ＡｌaＧａ1-aＮからなる厚さ０.８μｍのｐ型クラッド層１２５、ＡｌcＧａ1-cＮからなるｎ型電流狭窄層１２６，１２７、およびＧａＮからなる厚さ０.０５μｍのｐ型コンタクト層１２８を積層することにより構成されている。
【００１７】
ｐ型クラッド層１２５は、活性層１２４の表面を覆って形成された平坦部１２５ａと、平坦部１２５ａの中央部に上向きに突設された下段ストライプ部１２５ｂおよび上段ストライプ部１２５ｃからなる二段ストライプ部とから構成されている。二段ストライプ部の上面はｐ型コンタクト層１２８と接触し、その両側面はｎ型電流狭窄層１２６，１２７と接触している。ここで、上段ストライプ部１２５ｃの幅は、下段ストライプ部１２５ｂの幅よりも小さく形成されている。
【００１８】
ｎ型コンタクト層１２２の上にはｎ電極１２９が設置され、ｐ型コンタクト層１２８の上にはｐ電極１３０が設置されている。また、活性層１２４は、ＩｎxＧａ1-xＮからなる厚さ８ｎｍの井戸層と、ＩｎyＧａ1-yＮからなる厚さ１６ｎｍの障壁層とを交互に積層したものである。なお、図１２に示す素子構造においては、ＡｌcＧａ1-cＮからなるｎ型電流狭窄層１２６，１２７の屈折率は、ＡｌaＧａ1-aＮからなるｐ型クラッド層１２５の屈折率よりも低く設定され(０＜ａ＜ｃ≦１)、これによって実屈折率導波型構造が実現されている。
【００１９】
この従来の窒化物半導体レーザ素子では、電流が少なく注入される領域を可飽和吸収領域として効率的に作用させるため、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ようにリッジが形成されている。なお、この窒化物半導体レーザでは、ｐ電極１３０とｎ電極１２９とはいずれも分割されていない。ｐ電極１３０はｐ型コンタクト層１２８の上表面に、ｎ電極１２９はｎ型コンタクト層１２２の上表面にそれぞれ作りつけられており、１対の電極として形成されている。
【００２０】
上述のように電流非注入領域を可飽和吸収領域として作用させる方法のほかに、素子作製時に可飽和吸収領域と光増幅領域とをあらかじめ設けておく方法もある。この場合、キャリア寿命や微分利得を自励発振状態を満たしたパラメータ条件に合うように不純物の添加によって調整し、可飽和吸収領域となる層と光増幅領域となる層とを作製する。このような自励発振型半導体レーザの従来例を図１３に示す。
【００２１】
図１３は、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である。（たとえば、特許文献２参照）
図１３に示した従来の自励発振型半導体レーザ素子は、ｎ電極１４１、ｎ型ＧａＡｓ基板１４２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層１４４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１４６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層１４８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４９、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１５０，１５１、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５２、およびｐ電極１５３を順に備えている。
【００２２】
この素子では、光吸収効果をもつ可飽和吸収層１４４，１４８をレーザ内部に備え、この可飽和吸収層１４４，１４８のキャリアと、光増幅領域である活性層１４６のキャリアおよび発振光とが協同して自励発振を引き起こす。こうした自励発振状態を満たしたレーザでは、直流電流を光増幅領域に注入することにより、周期的な強度変化を有する光出力を得ることができる。
【００２３】
ただし、上記のような方法で自励発振を発生させようとすると、素子の組成や構造条件が限定される。たとえば、不純物の添加によって可飽和吸収層１４４，１４８と光増幅領域である活性層１４６とを作りつけるためには、この２つの領域のキャリア寿命の値、および微分利得の値を調整せねばならない。
【００２４】
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、変調光出力を得る他の方法としては、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。たとえば、特許文献３に開示された技術では、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ている。
【００２５】
図１４は、従来の半導体レーザの動作特性を説明するための図である。（たとえば、特許文献３参照）
図１４（ａ）は、縦軸が注入電流、横軸が注入電流に応じて得られる光出力を示す、従来の半導体レーザの注入電流―光出力特性曲線である。このような注入電流―光出力特性を有する半導体レーザに対して、図１４（ｂ）に示すように、発振閾値Ｉｔｈ以下の電流値と発振閾値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により、図１４（ｃ）に示すように半導体レーザの光出力が変調される。
【００２６】
この場合、自励発振状態を作りだす必要が無いため、素子の作製時に可飽和吸収領域と光増幅領域とを構成しなくともよい。また、注入する変調電流の振幅を大きくすることで、得られる変調光出力の振幅を大きくすることができる。
【００２７】
変調光出力を得るさらに他の方法として、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において可飽和吸収領域に印加する電流または電圧を変動させる方法もある。
【００２８】
図１５は、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である。
【００２９】
図１５に示すように、従来の双安定状態の半導体レーザでは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。以下では、Ａで示した実線の経路を辿る状態をヒステリシスの下部、Ｂで示した破線の経路を辿る状態をヒステリシスの上部とそれぞれ呼ぶ。
【００３０】
光増幅領域へのみ電流を注入していくと、図１５に示すように、光出力はＡの経路である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。
【００３１】
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、注入電流が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。このＩｔｈＯＮを本明細書ではヒステリシスの立ち上がり閾値と呼ぶ。
【００３２】
一方、今度は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、Ｂの経路である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。
【００３３】
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。このＩｔｈＯＦＦを本明細書ではヒステリシスの立下り閾値と呼ぶ。
【００３４】
この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。こうした駆動方法の従来例を図１６および図１７に示す。
【００３５】
図１６は、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である。（たとえば、特許文献４参照）
図１６に示した従来の双安定状態の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ横モード制御型半導体レーザ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とを設けている。そして、可飽和吸収領域１６２に印加する電圧Ｖ１，Ｖ２の値に応じて光増幅領域１６１に注入する発振閾値電流を変化させる。すなわち、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。
【００３６】
図１７は、図１６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である。
【００３７】
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が導入されているため、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。この発振閾値電流Ｉｈ１またはＩｈ２は、可飽和吸収領域１６２の光吸収量に応じて変化し、光吸収量が大きいほど低下する。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、発振閾値電流はＩｈ１からＩｈ２へと低下する。
【００３８】
したがって、図１６および図１７に示すように、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、発振閾値電流が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。
【００３９】
【特許文献１】
特開２０００−２８６５０４号公報
【００４０】
【特許文献２】
特開平８−２０４２８２号公報
【００４１】
【特許文献３】
特開昭６０−３５３４４号公報
【００４２】
【特許文献４】
特開平２−１３７３８３号公報
【００４３】
【発明が解決しようとする課題】
図１１から図１３の従来例のように、自励発振状態を利用して変調光出力を得る場合、素子作製時の組成や構造が限定されてしまうという問題がある。
【００４４】
作製時の組成によって可飽和吸収領域と光増幅領域とを作りつける場合、可飽和吸収領域と光増幅領域とのキャリア寿命の比、および微分利得の比を調整せねばならないが、自励発振状態を満足するパラメータの範囲は狭く、作製の自由度が低くなってしまう。特に、図１２の窒化物半導体レーザの場合、窒化物の特性上、微分利得の値を大きく変える事ができないという困難な問題がある。
【００４５】
一般に、半導体レーザが自励発振状態となるか双安定状態となるかを決定するのは、可飽和吸収領域と光増幅領域とのキャリア濃度のバランスである。このバランスは、両領域の共振器方向長さの比、キャリア寿命の比、および微分利得の比によって調整することができる。自励発振状態を満たすレーザでは、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、微分利得の比とキャリア寿命の比とが特定の範囲内にあることが必要となる。
【００４６】
これらの具体的な値は半導体の特性によって異なる。窒化物半導体レーザの場合、可飽和吸収領域と光増幅領域との微分利得の比をＧａＡｓ系などの赤色半導体レーザに比べてより大きくしなければならない。なお、キャリア密度に対する利得特性曲線の傾き、すなわち微分利得が、可飽和吸収領域と光増幅領域とで差が大きいほど容易に自励発振が得られる。
【００４７】
これは、可飽和吸収領域において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、その結果、キャリア濃度の変動が生じやすくなるためである。可飽和吸収領域の内部におけるキャリア濃度の大きな変動が、光吸収効果の変動を促す。しかしながら、窒化物半導体レーザでは、窒化物の特性上、可飽和吸収領域と光増幅領域とで微分利得に変化をつけることは非常に困難である。
【００４８】
図１８は、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である。実線がＧａＡｓ半導体レーザの利得特性、破線がＧａＮ半導体レーザの利得特性をそれぞれ示している。
【００４９】
ＧａＮ半導体レーザは、赤色半導体レーザに比べてキャリアの有効質量が大きく、図１８に示すように、可飽和吸収領域（吸収領域）と光増幅領域（利得領域）での利得特性の傾きの差が、赤色半導体レーザであるＧａＡｓ半導体レーザよりも小さい。したがって、ＧａＮ半導体レーザは、利得特性曲線の傾きによって示される微分利得の両領域での比がほぼ１となり、自励発振状態を満たすことができない。さらに、ＧａＮ半導体レーザを含む窒化物半導体レーザでは、赤色半導体レーザに比べ、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。
【００５０】
そのため、窒化物半導体レーザでは、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となっており、自励発振を発生させることができる素子を確実に作製する方法は未だに確立されていない。
【００５１】
また、図１２のように、窒化物半導体レーザの素子構造内にリッジを形成することで電流注入量の異なる領域を作りだし、可飽和吸収領域と光増幅領域とを得る場合、リッジの幅とその厚さ、またリッジ境界部分の多層膜の膜厚や、クラッド層の厚さ、エッチング条件など非常に多数でかつ微細な構造条件を最適化しなければならない。さらに、得られた条件に従って極めて精度よく素子を作製する技術が必要となる。
【００５２】
ゆえに、図１２のようにして自励発振を得ようとする場合、まず多くの条件を確定する作業が必要であり、また条件が得られたとしても素子作製技術が十分でないため製品の歩留まりが低くなるという問題がある。結果として、窒化物半導体レーザでは、自励発振状態を発生する素子の製造法は未だ確立されていないのが現状である。
【００５３】
また、図１４のように、自励発振状態を利用せずに変調光出力を得る高周波重畳法では、雑音の低減効果を得るため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に必要とされる高い光出力を得るには、消費電力や発熱が大きくなってしまうという問題がある。
【００５４】
また、図１５のように、双安定状態を有する半導体レーザにおいて、可飽和吸収領域に印加する電圧や抵抗値の大小を切り替えることでレーザの発振閾値を調整し、変調光出力を得る方法では、戻り光を低減できる大きい振幅の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、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、それにともなって高い電圧や電流を印加せねばならない。
【００５５】
ゆえに、図１５のようにして変調光出力を得ようとする場合、可飽和吸収領域が飽和しやすくなり、光出力の強度変化が小さくなってしまう。そのため、光出力の振幅が小さくなり、またパルス状の光出力が得られにくくなる。したがって、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。
【００５６】
これまで挙げてきた従来技術の問題点を整理すると、次のようになる。
多層構造をもつＤＶＤなどの高密度記録媒体においては、読み込み時にも８ｍＷ以上の出力が要求されるため、従来のＧａＡｓ系自励発振型半導体レーザを使用することは不可能になっていた。
【００５７】
この従来の半導体レーザに代わって、次世代のデバイスとして開発が進められている窒化物半導体レーザでは、高出力が得られるものの、自励発振状態の組成条件が狭いため製造しにくい。また、リッジを作り付けて構造的に可飽和吸収領域を作って自励発振状態とする従来の半導体レーザでは、構造条件の特定が困難であり、しかも精度よく作らねば自励発振状態とならないために歩留まりが悪かった。
【００５８】
また、注入電流を変調して一時的に発振閾値以下にすることによりパルス状の光出力を得る従来の半導体レーザでは、戻り光雑音を低減できる大きさの振幅を持つ光出力を得るために、電流の最大値を高くすると変調電流の振幅を必然的に大きくせねばならず、変調回路に大きな負担がかかってしまうという問題があった。
【００５９】
また、双安定状態の半導体レーザの可飽和吸収領域に印加する電圧の値を大小切り替えて光出力を変調する従来の半導体レーザでは、高密度記録媒体のピックアップ素子に必要な高い光出力を得るには、レーザの発振閾値を大きく振らなければいけないため、発振閾値が高くなるに伴って光増幅領域に注入する電流値を高く設定せねばならなかった。
【００６０】
この発明は、上記の諸問題を解決するためになされたものであり、その目的は、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、半導体レーザ駆動装置、および半導体レーザ駆動方法を提供することである。
【００６１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、変調光出力によって戻り光雑音を低減させる半導体レーザ装置であって、半導体レーザと、半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動部とを備える。半導体レーザは、半導体レーザがヒステリシス特性を有する双安定状態を満足するように光増幅領域および可飽和吸収領域が形成された活性層と、活性層に電流を注入するように設けられた第１の極性の電極と、活性層に電流を注入するように設けられた、第１の極性の電極と対をなす第２の極性の電極とを含む。半導体レーザ駆動部は、第１および第２の極性の電極を介して光増幅領域に電流を注入する。当該注入される電流は、変調電流と雑音電流とを重ね合わせることにより生成され、雑音電流は、変調電流に付加されたときに変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超え、変調電流に付加されていなければ変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えないように設定されている。
【００６２】
好ましくは、活性層は、可飽和吸収領域の両側に２つの光増幅領域が形成され、２つの光増幅領域は、それぞれが半導体レーザの出射面を有する。
【００６４】
より好ましくは、変調電流は矩形波である。
より好ましくは、雑音電流はランダムな強度変化を有する。
【００６５】
より好ましくは、可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％以下である。
【００６６】
より好ましくは、雑音電流の最大値と最小値との差は、光増幅領域に注入される変調電流の振幅以下である。
【００６７】
好ましくは、半導体レーザは、基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に、切れ込み部をともなって形成された第１の導電型のコンタクト層と、第１の導電型のコンタクト層上に、切れ込み部によって分離されずに形成された第１の導電型のクラッド層とを備え、活性層は、第１の導電型のクラッド層上に形成され、半導体レーザはさらに、活性層上に形成された第２の導電型のクラッド層と、第２の導電型のクラッド層上に互いに分離して形成された、第２の導電型の第１および第２のコンタクト層とを備える。第１の極性の電極は、第１の導電型のコンタクト層上に、切れ込み部によって分離されて形成された第１の導電型の第１および第２の電極を含み、第２の極性の電極は、第２の導電型の第１のコンタクト層上に形成された第２の導電型の第１の電極と、第２の導電型の第２のコンタクト層上に形成された第２の導電型の第２の電極とを含む。半導体レーザは、半導体レーザがヒステリシス特性を有する双安定状態を満足するように光増幅領域および可飽和吸収領域が形成された活性層と、活性層に電流を注入するように設けられた第１の極性の電極と、活性層に電流を注入するように設けられた、第１の極性の電極と対をなす第２の極性の電極とを備え、第１および第２の極性の電極を介して光増幅領域に注入される電流は、変調電流と雑音電流とを重ね合わせることにより生成され、雑音電流は、変調電流に付加されたときに変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超え、変調電流に付加されていなければ変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えないように設定されている。
【００６８】
好ましくは、基板は、サファイヤにより構成され、バッファ層は、ＧａＮにより構成され、第１の導電型のコンタクト層は、ＧａＮにより構成され、活性層は、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造を有し、第２の導電型のコンタクト層は、ＧａＮにより構成される。
【００６９】
好ましくは、半導体レーザ駆動部は、半導体レーザの光増幅領域に変調電流を供給する変調電流供給回路と、半導体レーザの光増幅領域に雑音電流を供給する雑音電流供給回路とを含む。
【００７０】
好ましくは、半導体レーザ駆動部は、半導体レーザの一方の出射面からの出力光の制御に利用するために、半導体レーザの他方の出射面からの出力光をモニタするモニタ部をさらに含む。
【００７４】
より好ましくは、雑音電流供給回路は、半導体レーザからの出力光を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子から出力された電気信号のうち、変調電流の変調周波数よりも高い周波数成分のみを抽出するハイパスフィルタと、ハイパスフィルタによって抽出された高周波成分の電気信号を調整し、雑音電流として半導体レーザに注入するプリアンプとを含む。
【００７５】
好ましくは、半導体レーザ駆動部は、変調電流と雑音電流とを結合し、半導体レーザの光増幅領域へと注入する結合器と、半導体レーザの可飽和吸収領域に定電流を注入する定電流供給回路とをさらに含む。
【００８０】
したがって、この発明によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【００８１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００８２】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【００８３】
図１に示す実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ガリウム基板８を用いており、共振器方向において活性層が光増幅領域３と可飽和吸収領域４との２つに分割されている。光増幅領域３および可飽和吸収領域４は、半導体レーザが双安定状態を満足する条件において作製されている。このとき、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは、共振器全体の長さの約１０％とした。
【００８４】
さらに、光増幅領域３および可飽和吸収領域４に対して、ｐ電極１，２がそれぞれ互いに分離独立に形成されており、ｐ電極１，２の下部には共通のｐ型クラッド層７が設けられている。このｐ電極１から、変調されて雑音が付加された注入電流Ｉを注入する。この注入電流Ｉについては後に詳述する。また、ｐ電極１，２に対応してｎ電極５，６がそれぞれ設けられており、ｎ電極５，６の上部には共通のｎ型クラッド層としての機能を有するｎ型ガリウム基板８が設けられている。
【００８５】
このように、活性層が光増幅領域３と可飽和吸収領域４との２つに分割されているのに合わせて上下の電極も分割されているため、光増幅領域３，可飽和吸収領域４それぞれへの注入電流の制御をより独立に行いやすい構造となっている。そのため、可飽和吸収領域３を流れる電流と光増幅領域４を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。なお、図１では上下の電極がともに分割されている例を示しているが、これは一例であり、電流を独立に注入するには少なくとも一方の電極が分割されていれば十分である。
【００８６】
光増幅領域３および可飽和吸収領域４の共振器方向への長さ、および両領域のキャリア寿命と微分利得とは、双安定状態の条件を満たすように作製されており、光増幅領域３への電流注入によって半導体レーザは双安定状態となる。
【００８７】
双安定状態では、自励発振状態に比べ微分利得の比を大きくする必要が無いため、窒化物半導体レーザでも作製が容易である。しかも、双安定状態を満たす条件ではキャリア寿命の比と微分利得の比の積が一定以下であれば良く、キャリア寿命と微分利得のパラメータ設定を広くとれるため、選択の自由度が高くなり、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で双安定状態を作製できる。
【００８８】
よって、窒化物半導体レーザにおいても双安定状態を容易に作り出すことができるため、自励発振状態を有する素子を作製しにくい窒化物半導体レーザにおいても変調光出力を得ることができる。
【００８９】
また、光増幅領域３に発振閾値程度の微小な変調電流と雑音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。特に、自励発振型素子の作製が困難な窒化物半導体レーザ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。
【００９０】
実施の形態１では、活性層のうち可飽和吸収領域４となる部分にはキャリア寿命を調整するために不純物を添加している。ここでは、不純物としてＳｉを１×１０19ｃｍ-3添加した。
【００９１】
次に、実施の形態１の動作について説明する。以下では、非周期的なランダムな強度変化を持ち、変調電流に対する雑音として活性層に注入する電流を「付加雑音」と称し、「戻り光雑音」とは区別する。
【００９２】
図２は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの活性層への注入電流Ｉについて説明するための図である。
【００９３】
図２（ａ）は矩形波を用いた場合の変調電流の時間波形、図２（ｂ）は雑音が付加された電流（付加雑音）の時間波形をそれぞれ示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）の変調電流と図２（ｂ）の付加雑音とを重ね合わせた電流の時間波形を示しており、この電流を注入電流Ｉとして、実施の形態１の窒化物半導体レーザの活性層へと注入する。
【００９４】
注入電流Ｉは、ｐ電極１、２を介して光増幅領域３と可飽和吸収領域４にそれぞれ独立に注入される。上述のように、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流に白色雑音を付加した電流を注入電流Ｉとして、ｐ電極１を介して光増幅領域３に注入する。
【００９５】
変調電流には矩形波による変調を用い、周波数は約１００ＭＨｚとした。また、可飽和吸収領域４へ注入する一定電流は１．０ｍＡとした。このとき、注入電流―光出力特性の、ヒステリシスの立ち上がり閾値が２０ｍＡ、立下り閾値が１６ｍＡであったので、光増幅領域３へ注入する変調電流の値を最大１９.７ｍＡおよび最小１５ｍＡとした。
【００９６】
なお、以下では、図２（ａ）において示されている、周期的な強度変化を有する変調電流の最大値と最小値との差分の２分の１の値を、変調電流の「振幅」と呼ぶ。また、図２（ｂ）において示されている、雑音の最大値と最小値との差分を「雑音の最大振幅」と呼ぶ。
【００９７】
図３は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの動作特性を説明するための図である。（図１４も参照）
図３（ａ）は、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、半導体レーザの注入電流―光出力特性を示している。図３（ｂ）は図２（ｃ）で説明した注入電流Ｉの時間波形、図３（ｃ）は図３（ｂ）の注入電流Ｉを半導体レーザに注入した結果得られる光出力の時間波形をそれぞれ示している。
【００９８】
また、図３（ａ）において、Ｉｔｈ２は実線で示したヒステリシス下部の状態から破線で示したヒステリシス上部へ光出力の状態が移行する電流値、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値、Ｉｔｈ１はヒステリシス上部からヒステリシス下部へ移行するときの電流値、すなわちヒステリシスの立下り閾値をそれぞれ示している。ヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２は、図２（ａ）および図２（ｃ）において破線で示されている。
【００９９】
この図２（ａ）に示すように、雑音を付加する前の変調電流の強度は、最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２より小さくなるように設定されている。そのため、図２（ａ）の変調電流を活性層に注入しただけでは、光出力は注入電流―光出力特性曲線上でヒステリシス下部に留まり、ヒステリシスの上部へと移行することはできない。
【０１００】
図２（ａ）の変調電流に図２（ｂ）の付加雑音を印加すると、図２（ｃ）に示すように、変調電流の最大値が付加雑音の印加によってヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２を越えることができる。そして変調電流の最大値を過ぎると再びＩｔｈ２以下になり、ヒステリシスの下部へ移行する。ヒステリシスの上下を移行するときには光出力が急激に増減する。
【０１０１】
よって、図３（ｃ）に示すように、強度が周期的に変調された、振幅の大きい変調光出力を得ることができる。このとき、付加雑音は、光出力が戻り光雑音の低減効果を得られるような雑音強度に適度に調整されて注入される。
【０１０２】
なぜならば、付加雑音強度が小さすぎるとヒステリシスの上部の状態へ移行することが出来ず、戻り光雑音を低減するために必要な大きさの振幅を持つ光出力を得られないためであり、また、付加雑音強度が大きすぎると変調電流の最大値の周期とは無関係にヒステリシスの上部へ移行するために、光出力の強度変化がランダムになってしまい、戻り光雑音を低減できないためである。
【０１０３】
このように、付加雑音が光出力が戻り光雑音の低減効果を得られるような強度に適度に調整されて光増幅領域に注入される。また、変調電流の値は、この変調電流だけを光増幅領域に注入したときに得られる光出力が、ヒステリシス下部に対応した微小な値しか得られず、戻り光による雑音を低減できない程度に微小な値として調整される。変調電流の最大値と、変調電流とともに光増幅領域に注入される付加雑音としての電流が確率的に同期して、変調電流値が最大値となるときにヒステリシスの上部へ飛び移ることができるので、出力振幅が増大し、振幅の大きい光出力を得られる。
【０１０４】
こうして、微弱な注入電流により大きい振幅の変調光出力を得ることができ、光出力が最大１０ｍＷという大きい振幅を持ち、かつ高い光出力の変調電流が得られる。その結果、戻り光雑音の低減効果を得ることができる。さらに、可飽和吸収領域４には光増幅領域３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を低くしてより低電流で駆動したり、光出力の振幅を調整したりできる。
【０１０５】
また、付加雑音の強度を適度に調節し変調電流に付加することで、注入する電流の値を、変調電流の値を中心値としてランダムに変化させている。よって、変調電流の最大値と付加雑音による強度変化が確率的に同期して、一時的にヒステリシスの上部へと移行することができる。よってヒステリシスの上部へ移行できない程度に弱い変調電流の注入によって、振幅の大きな光出力が得られる。
【０１０６】
このとき、雑音の代わりに周期信号を変調電流に付加してヒステリシスの上部に移行させようとすると、周期信号同士の周期が完全に同一か正確に倍数になっていて最大値が同期しなければ、大きな振幅の光出力は得られないので、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。
【０１０７】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ雑音は、周期や周波数帯域が固定されないので、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。また、周期信号を発生させるよりも雑音を発生させるほうが消費電力が少なくてすむと言う利点がある。
【０１０８】
図４は、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）を示した図である。
【０１０９】
図４に示すように、ＲＩＮは、最適雑音強度Ｄｍにおいて最小となる。実施の形態１では、この最適雑音強度Ｄｍをとる雑音電流を光増幅領域に注入する変調電流に付加しているので、適度な雑音が微小な変調電流をヒステリシスの上部に押し上げて、振幅の大きい変調光出力の発生を可能にしている。実施の形態１では、ＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるように、付加雑音の最大振幅を０．５ｍＡとして付加雑音強度を調整した。
【０１１０】
図５は、変調電流に正弦波または矩形波を用いたときの光出力を示した図である。
【０１１１】
図５（ａ）は変調電流に正弦波を用いたときの光出力、図５（ｂ）は変調電流に矩形波を用いたときの光出力をそれぞれ示す。図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、図５（ｂ）の矩形波による変調を用いた方が光出力が増大し、波形がパルス状に鋭くなっていることがわかる。
【０１１２】
図６は、実施の形態１での相対雑音強度（ＲＩＮ）の付加雑音強度依存性を示した図である。
【０１１３】
実線のグラフが、矩形波による変調を行なった場合、破線が正弦波による変調を行なった場合である。ＲＩＮにして−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値が光ディスクの読み込みで必要とされる値であるが、矩形波による変調の場合の方が、正弦波による変調の場合よりも、広い範囲において付加雑音強度が−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値を得ることができる。しかも、矩形波による変調の場合の最小値の方が、正弦波による変調の場合の最小値よりも低くなる。
【０１１４】
よって、矩形波を用いることにより、光出力の振幅を大きくすることができるので、より低電流で変調光出力を得られる。また、より広い条件の付加雑音強度で駆動できるので、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なうことができる。
【０１１５】
なお、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは、実施の形態１で用いた約１０％でなくとも光出力や波形は変化せず変調光出力が得られ、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１１６】
ただし、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が小さくなると、それにともなって半導体レーザの双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体レーザを作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であることが好ましい。
【０１１７】
逆に、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、それにともなって発振閾値電流も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。
【０１１８】
また、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入電流を増やす必要が生じる。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、確率共鳴による戻り光の低減効果が減少し、光出力の応答も悪くなる。
【０１１９】
これらの理由により、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ発振閾値電流を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できるので、好ましい。また、消費電力が少なくかつ少ない発熱で確率共鳴による雑音の低減効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【０１２０】
また、実施の形態１では付加雑音として白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムな電流であれば実施の形態１と同様の雑音低減効果を得ることができる。
【０１２１】
また、光増幅領域３に注入する動作電流の変調は矩形波以外で行なってもかまわないが、矩形波による変調では活性層中のキャリア濃度の変動が大きくなり、より高い光出力と鋭いパルス波形を得られる。よってさらに光出力の振幅を向上させることが可能であるので、より低電流での駆動が可能になり、好ましい。
【０１２２】
また、実施の形態１では、付加雑音の強度は、ＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるように、付加雑音としての電流の最大振幅を０．５ｍＡとしたが、値はこれに限るものではなく、得られる光出力が、光ディスク用ピックアップで必要とされるＲＩＮの値を満たせる範囲の雑音強度であればかまわない。
【０１２３】
その場合、実施の形態１では付加雑音としての電流の最大振幅が半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値と立ち下がり閾値との差分（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）以下であれば変調光出力が得られる。
【０１２４】
付加雑音が強すぎると、光出力の波形が崩れるので確率共鳴現象は起こらなくなる。少なくとも、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅より大きい場合、変調電流の波形および周期を再現できなくなるため、入力信号の検出ができない。これに対し、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅以下であれば、さらに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、雑音の低減効果を向上でき、好ましい。
【０１２５】
また、光増幅領域３へ注入する変調電流の周波数は実施の形態１で用いた約１００ＭＨｚでなくとも、戻り光雑音の低減効果を有する変調光出力が得られる周波数であればかまわない。
【０１２６】
また、実施の形態１では光増幅領域３への変調電流の値が最大１９．７ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３への変調電流が、単独では注入電流がヒステリシスの上部へ移行できない強度であれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１２７】
また、実施の形態１では光増幅領域３への変調電流の値が最小１５ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３への変調電流の最低値がヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２以下であれば雑音の低減効果を有する光出力が得られるが、実施の形態１の如く光増幅領域３へ注入する変調電流の最低値はヒステリシスの立下り閾値Ｉｔｈ１以下である方が光出力の最低値が小さくなるので、光出力の振幅が大きくなり、雑音の低減効果を向上させることができる。
【０１２８】
また、実施の形態１では可飽和吸収領域４への注入電流の値が１．０ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域への注入電流の値によって決まる、半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が付加雑音としての電流の最大振幅以上であれば実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１２９】
なお、実施の形態１では電極を２つ設ける場合について説明したが、数はこれに限るものではなく、２つ以上の電極を用いた自励発振状態を有する他の半導体レーザについても同様に雑音の低減効果を得ることができる。
【０１３０】
また、可飽和吸収領域４に付加雑音としての電流を注入し、光増幅領域に変調電流を入れても、雑音の低減効果を有する光出力が得られる。その場合、可飽和吸収領域４へ注入できる電流の値の範囲が狭いため、変調光出力の強度を好適に決定しづらい。しかしながら、レーザの発振閾値が最低値をとるタイミング（付加雑音の注入量によって変動）が変調電流の最大値に対して確率的に同期するので、注入電流値がヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２を上下することとなり、変調光出力が得られる。
【０１３１】
また、可飽和吸収領域４に注入する電流は一定電流ではなく変調電流でも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。その場合、変調回路が余分に必要になってしまうが、注入電流量によってヒステリシスを制御できるので光出力の特性を変えることができるという利点がある。
【０１３２】
また、半導体レーザ素子は、例えばＧａＡｓ系半導体レーザのように窒化物を含まない半導体レーザでも良い。その場合、窒化物半導体レーザとは異なる波長の光を利用できるという利点があるが、ＧａＡｓ系半導体レーザでは自励発振型素子の作製が窒化物半導体レーザよりも容易であるので、回路の構成によっては消費電力は自励発振型レーザのほうが少なくて済む場合もある。
【０１３３】
また、付加雑音としての電流は、光増幅領域３に注入する変調電流に付加してから注入せずとも、別々の回路を介して独立に電極に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になるが、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１３４】
以上のように、実施の形態１によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１３５】
［実施の形態２］
図７は、この発明の実施の形態２における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【０１３６】
図７中に示される半導体レーザ素子１２は、実施の形態１で説明した可飽和吸収領域を有する双安定状態の半導体レーザ素子を用いている。また、半導体レーザ素子１２に注入する注入電流Ｉは、実施の形態１と同様である。
【０１３７】
変調電流供給回路１１は、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流Ｉ0を発生させ、半導体レーザ素子１２の光増幅領域に注入するための駆動回路である。半導体レーザ素子１２の光増幅領域に変調電流供給回路１１からの変調電流Ｉ0を注入して得られた光出力Ｐは、抵抗１８を介して接地された受光素子１３によって検出され、結合コンデンサ１４を介してハイパスフィルタ１５に電気信号として入力される。ハイパスフィルタ１５は、変調電流供給回路１１において用いた変調周波数よりも高い周波数成分のみを抽出する。
【０１３８】
この高周波成分は、プリアンプ１７において、基準電流源１６からの電流との差分をとられ、強度を調節された出力を付加雑音Ｎとして半導体レーザ素子１２の光増幅領域に帰還させる形で注入される。このとき、付加雑音Ｎの最大振幅は、実施の形態１の場合と同様に、光出力のＲＩＮの値が最小となる０．５ｍＡとなるよう調整した。
【０１３９】
その結果、実施の形態１の場合と同様に、変調電流と雑音との協同効果により、戻り光雑音を低減できる振幅の大きな変調光出力を得ることができる。実施の形態２では、最大１０ｍＷの光出力振幅を持つ変調光出力を得た。ここで、光出力振幅とは、得られた光出力の最大値と最小値との差分を指す。
【０１４０】
なお、実施の形態２ではプリアンプ１７によって、付加雑音としての電流の最大振幅を０．５ｍＡに調整したが、値はこれに限るものではなく、得られる光出力が、光ディスク用ピックアップで必要とされるＲＩＮの値を満たせる範囲の雑音強度であればかまわない。
【０１４１】
その場合、実施の形態２では付加雑音としての電流の最大振幅が半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値と立ち下がり閾値の差分（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）以下であれば変調光出力が得られるが、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅以下であればさらに光出力の振幅を大きくでき、雑音の低減効果を向上できるために、望ましい。
【０１４２】
以上のように、実施の形態２によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１４３】
また、半導体レーザの光出力を利用して付加雑音を作り出しているので、簡単な装置構成により付加雑音を発生させることができる。
【０１４４】
［実施の形態３］
図８は、この発明の実施の形態３における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【０１４５】
図８中に示される半導体レーザ素子２１は、この発明の実施の形態１で得られた可飽和吸収領域を有する双安定状態の半導体レーザ素子を用いている。
【０１４６】
図８に示す半導体レーザ素子２１は、実施の形態１の半導体レーザ素子と同様に、共振器方向において活性層が光増幅領域２２と可飽和吸収領域２３の２つを構成しており、光増幅領域２２および可飽和吸収領域２３に対して、互いに分離独立に形成されているｐ電極２４，２５がそれぞれ設けられている。ｐ電極２４には、変調電流供給回路２７と付加雑音供給回路２８とが結合器２９を介して接続されている。
【０１４７】
実施の形態３で用いる変調電流供給回路２７は、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流Ｉ0を生じるものである。また、付加雑音供給回路２８は白色雑音としての強度変化を有する付加雑音としての電流Ｎを生成することができる。また、ｐ電極２５には定電流発生源２６が接続されている。
【０１４８】
以下、実施の形態３での動作について説明する。
変調電流供給回路２７によって生じた変調電流Ｉ0と、付加雑音供給回路２８によって生じた付加雑音としての電流Ｎとは、結合器２９において重ね合わされて、半導体レーザ素子２１への注入電流としてｐ電極２４を介して光増幅領域２２に注入される。実施の形態３では、半導体レーザ素子２１の光増幅領域２２に注入する電流は実施の形態１と同様の構成で駆動される。
【０１４９】
一方、定電流発生源２６からは、一定電流がｐ電極２５を介して可飽和吸収領域２３に注入される。実施の形態３では定電流発生源２６によって発生させる電流の値は１．０ｍＡとした。そして、実施の形態１と同様の作用により、変調電流と雑音との協同効果によって、戻り光雑音を低減できる大きな振幅の変調光出力を得ることができる。実施の形態３では、最大１０ｍＷの変調光出力を得ることができた。
【０１５０】
また、実施の形態３では、可飽和吸収領域２３への一定電流の値が１．０ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域２３へ注入する電流の値によって変わる、半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が付加雑音としての電流の最大振幅以上であれば、実施の形態３と同様の効果が得られる。
【０１５１】
以上のように、実施の形態３によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１５２】
また、変調電流と雑音電流とを個々に生成した後に結合しているので、両電流の各種パラメータを自由に調整することができる。
【０１５３】
［実施の形態４］
図９は、この発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【０１５４】
図９に示した半導体レーザ素子では、ｎ型窒化ガリウム基板を用いた窒化物半導体レーザの共振器方向に、可飽和吸収領域３４と、その両側に光増幅領域３５，３６を設けている。
【０１５５】
また、可飽和吸収領域３４に対してｐ電極３１を、そして光増幅領域３５，３６に対してｐ電極３２，３３をそれぞれ設け、素子の反対側にｎ電極３７を１つ設ける。可飽和吸収領域３４、および光増幅領域３５，３６は、半導体レ−ザが双安定状態となる条件で構成されており、光増幅領域３５，３６へ直流電流を注入すると双安定状態となって動作する。このとき、共振器方向における可飽和吸収領域３４の長さは、共振器長さ全体の約１０％とした。
【０１５６】
ｐ電極３１，３２，３３を介して、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流に白色雑音としての電流が付加された注入電流が、光増幅領域３５，３６に対しそれぞれ独立に注入される。光増幅領域３５，３６に注入する変調電流は矩形波とし、周波数は約１００ＭＨｚとした。また、可飽和吸収領域３４に注入する一定電流の値は１．０ｍＡとした。
【０１５７】
このとき、レーザの立ち上がり閾値が２０ｍＡ、立下り閾値が１６ｍＡであったため、光増幅領域３５、３６へ注入する合計の変調電流の値は最大１９．７ｍＡ、最小１５ｍＡであった。
【０１５８】
また、変調電流に付加される雑音としての電流の値は、相対雑音強度（ＲＩＮ）の値が最小となるよう、最大振幅０．５ｍＡとなるように調整した。実施の形態４では、実施の形態１と同様の作用により、１０ｍＷの光出力で変調光出力を得た。その結果、実施の形態１と同様の雑音低減効果を得ることができた。
【０１５９】
実施の形態４の半導体レーザ素子では、光増幅領域３５，３６ともにレーザ出射面を有しており、光増幅領域３６からの出射光をモニタ部３８によってモニタしながら、光増幅領域３５からの出射光を利用できる構成になっている。したがって、光増幅領域３６の出射光より得た情報によって光増幅領域３５の出射光の状態の制御に利用することができ、より正確に注入電流と光出力の関係を把握できる。
【０１６０】
なお、実施の形態４では電極を３つ設ける場合について説明したが、数はこれに限るものではなく、３つ以上の電極を用いた自励発振状態を有する他の半導体レーザについても同様の効果を得ることができる。
【０１６１】
また、電極が２つ以下でも、ビームスプリッタによって光を分け、一方の光でモニターしながら変調出力を得ることができ、この場合、電極の数を減らせることで、作製上簡便になり歩留まりが良くなるという利点があるが、実施の形態４の駆動方法によれば、ピックアップ用のレーザ光とモニター用のレーザ光を、ビームスプリッタなどを使用せずに素子単体で同時に発生させることができるため、簡潔な構成で光出力の制御を向上させることができ、かつレーザ光のパワーを１００％利用できるという効果がある。
【０１６２】
また、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは実施の形態４で用いた約１０％でなくとも、光出力や波形は変化せず変調光出力が得られ、実施の形態４と同様の効果が得られる。ただし可飽和吸収領域４の共振器に占める割合が大きくなると閾値が上がり、より高い注入電流値を必要とするため、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは共振器全体の５０％以下であるほうが好ましい。
【０１６３】
また、実施の形態４では付加雑音として白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムな電流であれば実施の形態４と同様の雑音低減効果を得ることができる。
【０１６４】
また、光増幅領域３５，３６に注入する動作電流の変調は矩形波以外で行なってもかまわないが、実施の形態１の形態と同様の作用により、矩形波ではより高い光出力と鋭いパルス波形を得られる。よって矩形波を用いることで、より低い電流で変調光出力を得ることができ、またより広い条件の付加雑音強度で駆動できるので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できることから、好ましい。
【０１６５】
また、実施の形態４では、付加雑音の強度はＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるよう、すなわち付加雑音としての電流の最大振幅を０．５ｍＡとしたが、値はこれに限るものではなく、得られる光出力が、光ディスク用ピックアップで必要とされるＲＩＮの値を満たせる範囲の雑音強度であればかまわない。
【０１６６】
その場合、実施の形態４では、付加雑音としての電流の最大振幅が半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値とたち下がり閾値の差分（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）以下であれば変調光出力が得られるが、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅以下であればさらに光出力の振幅を大きくでき、雑音の低減効果を向上できるために、望ましい。
【０１６７】
また、光増幅領域３５，３６へ注入する変調電流の周波数は実施の形態４で用いた約１００ＭＨｚでなくとも、戻り光雑音の低減効果を有する変調光出力が得られる周波数であればかまわない。
【０１６８】
また、実施の形態４では光増幅領域３５，３６への変調電流の合計値が最大１９．７ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域３４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３５および３６への変調電流が、単独では注入電流がヒステリシスの上部へ移行できない強度であれば、実施の形態４と同様の効果が得られる。
【０１６９】
また、実施の形態４では光増幅領域３５，３６への変調電流の値が最小１５ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域３４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３５，３６への変調電流の最低値がヒステリシスの立ち上がり閾値以下であれば雑音の低減効果を有する光出力が得られるが、実施の形態４の如く光増幅領域３５，３６への変調電流の最低値はヒステリシスの立下り閾値以下である方が光出力の最低値が小さくなるので、光出力の振幅が大きくなり、雑音の低減効果を向上させることができる。
【０１７０】
また、実施の形態４では可飽和吸収領域３４への注入電流の値が１．０ｍＡである場合を用いたが、注入電流値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域３４への注入電流の値によって決まる、半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が付加雑音としての電流の最大振幅以上であれば実施の形態４と同様の効果が得られる。
【０１７１】
さらに、可飽和吸収領域３４には光増幅領域３５，３６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を低くしてより低電流で駆動したり、光出力の振幅を調整したりできるという効果がある。
【０１７２】
なお、実施の形態４では電極を２つ設ける場合について説明したが、数はこれに限るものではなく、２つ以上の電極を用いた自励発振状態を有する他の半導体レーザについても同様に雑音の低減効果を得ることができる。
【０１７３】
また、可飽和吸収領域３４に付加雑音としての電流を注入し、光増幅領域に変調電流を入れても、雑音の低減効果を有する光出力が得られる。その場合、可飽和吸収領域３４へ注入できる電流の値の範囲が狭いため、電流値を好適に決定しづらい。しかしながら、レーザの発振閾値が最低値をとるタイミング（付加雑音の注入量によって変動）が変調電流の最大値に対して確率的に同期するので、注入電流値がヒステリシスの立ち上がり閾値を上下することとなり、変調光出力が得られる。
【０１７４】
また、可飽和吸収領域３４に注入する電流は一定電流ではなく変調電流でも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。その場合、変調回路が余分に必要になってしまうが、注入電流量によってヒステリシスを制御できるので光出力の特性を変えることができるという利点がある。
【０１７５】
また、半導体レーザ素子は窒化物を含まない、例えばＧａＡｓ系半導体レーザでも良い。その場合、窒化物半導体レーザとは異なる波長の光を利用できるという利点があるが、ＧａＡｓ系半導体レーザでは自励発振型素子の作製が窒化物半導体レーザよりも容易であるので、回路の構成によっては消費電力は自励発振型レーザのほうが少なくて済む場合もある。
【０１７６】
また、付加雑音としての電流は、光増幅領域３５，３６に注入する変調電流に付加してから注入せずとも、別々の回路を介して独立に電極に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になるが、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１７７】
以上のように、実施の形態４によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１７８】
また、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。
【０１７９】
［実施の形態５］
実施の形態５の半導体レーザは、半導体レーザ素子の構造において図１０に示した積層構造を用いた以外は、実施の形態１と同様の駆動方法により変調光出力を得た。
【０１８０】
図１０は、この発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【０１８１】
図１０に示すように、実施の形態５の半導体レーザ素子は、平板状のサファイア基板４１を有する。サファイア基板４１の上面を覆うようにＧａＮバッファ層４２が設けられている。ＧａＮバッファ層４２上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３（４４）が設けられている。ｎ型ＧａＮコンタクト層４３には、１方向に延びるように切れ込み部４３ａが形成されている。切れ込み部４３ａがＧａＮバッファ層４２の一部分を露出させる。切れ込み部４３ａは、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３の凸部４３ｂにまで達する。
【０１８２】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４３の上面４３ｃには、互いに切れ込み部４３ａにより分離されたｎ電極５２，５３が設けられている。
【０１８３】
凸部４３ｂは、切れ込み部４３ａと直交する方向に延びており、その凸部４３ｂ上には、ｎ型クラッド層４５が設けられている。ｎ型クラッド層４５上にはＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層４６が形成されている。多重量子井戸構造活性層４６は、可飽和吸収領域４６Ａと光増幅領域４６Ｂとの２つの領域により構成される。
【０１８４】
可飽和吸収領域４６Ａと光増幅領域４６Ｂとは、半導体レーザが双安定状態状態を満足する条件において作製されている。このとき、共振器方向における可飽和吸収領域４６Ａの長さは、共振器長さ全体の１０％とした。
【０１８５】
多重量子井戸構造活性層４６上にはｐ型クラッド層４７が形成されている。ｐ型クラッド層４７上には、互いに離隔するようにｐ型ＧａＮコンタクト層４８，４９が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層４８，４９上には、それぞれｐ電極５０，５１が形成されている。
【０１８６】
実施の形態５では、凸部４３ｂは、切れ込み部４３ａに対して直交する方向に延びるように形成されているが、凸部４３ｂの延びる方向はこれに限られるものではなく、切れ込み部４３ａと鋭角をなすように延びていてもよい。
【０１８７】
ｐ電極５０とｎ電極５２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４６Ａに印加される。ｐ電極５１とｎ電極５３との間に電位差を印加すると、この電位差が光増幅領域４６Ｂに印加される。
【０１８８】
可飽和吸収領域４６Ａと光増幅領域４６Ｂの共振器方向長さおよび両領域のキャリア寿命と微分利得は、双安定状態の条件を満たして作製されており、光増幅領域４６Ｂへの直流電流の注入によって半導体レーザは双安定状態となる。また可飽和吸収領域４６Ａとなる活性層の部分にはキャリア寿命を調整するために不純物を添加している。ここではＳｉを１×１０19ｃｍ-3添加した。
【０１８９】
以上のように、実施の形態５によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１９０】
また、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、作製の手順が複雑になるが、素子の集積化が容易になるという利点がある。
【０１９１】
なお、本発明は、窒化物半導体レーザをはじめとして、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＩＩ−ＶＩ系半導体など他の材料を用いた半導体レーザにも適用が可能なものである。
【０１９２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１９３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの活性層への注入電流について説明するための図である。
【図３】 この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの動作特性を説明するための図である。
【図４】 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）を示した図である。
【図５】 変調電流に正弦波または矩形波を用いたときの光出力を示した図である。
【図６】 実施の形態１での相対雑音強度（ＲＩＮ）の付加雑音強度依存性を示した図である。
【図７】 この発明の実施の形態２における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態３における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【図１１】 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である。
【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である。
【図１３】 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である。
【図１４】 従来の半導体レーザの動作特性を説明するための図である。
【図１５】 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である。
【図１６】 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である。
【図１７】 図１６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である。
【図１８】 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である。
【符号の説明】
１，２ ｐ電極、３ 光増幅領域、４ 可飽和吸収領域、５，６ ｎ電極、７ｐ型クラッド層、８ ｎ型ガリウム基板、１１ 変調電流供給回路、１２ 半導体レーザ素子、１３ 受光素子、１４ 結合コンデンサ、１５ ハイパスフィルタ、１６ 基準電流源、１７ プリアンプ、１８ 抵抗、２１ 半導体レーザ素子、２２ 光増幅領域、２３ 可飽和吸収領域、２４，２５ ｐ電極、２６ 定電流発生源、２７ 変調電流供給回路、２８ 付加雑音供給回路、２９ 結合器、３１，３２，３３ ｐ電極、３４ 可飽和吸収領域、３５，３６ 光増幅領域、３７ ｎ電極、３８ モニタ部、４１ サファイア基板、４２ ＧａＮバッファ層、４３，４４ ｎ型ＧａＮコンタクト層、４５ ｎ型クラッド層、４６ 多重量子井戸構造活性層、４６Ａ 可飽和吸収領域、４６Ｂ 光増幅領域、４７ｐ型クラッド層、４８，４９ ｐ型ＧａＮコンタクト層、５０，５１ ｐ電極、５２，５３ ｎ電極、１０１ ｐ電極、１０２ ｎ電極、１０３ ｎ型ＧａＡｓ基板、１０４ ｎ型ＧａＡｓバッファ層、１０５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１０６ ＧａＩｎＰ活性層、１０７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１０８ ｐ型ＧａＩｎＰ中間層、１０９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１０ リッジ、１１１，１１２ ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層、１１３ 光増幅領域、１１４，１１５ 可飽和吸収領域、１２１ サファイア基板、１２２ ｎ型ＧａＮコンタクト層、１２３ ｎ型ＡｌbＧａ1-bＮクラッド層、１２４ 活性層、１２５ ｐ型ＡｌaＧａ1-aＮクラッド層、１２５ａ 平坦部、１２５ｂ 下段ストライプ部、１２５ｃ 上段ストライプ部、１２６，１２７ ｎ型ＡｌcＧａ1-cＮ電流狭窄層、１２８ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１２９ ｎ電極、１３０ ｐ電極、１４１ ｎ電極、１４２ ｎ型ＧａＡｓ基板、１４３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層、１４５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４６ ＡｌＧａＩｎＰ活性層、１４７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４８ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層、１４９ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１５０，１５１ ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層、１５２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１５３ ｐ電極、１６１ 光増幅領域、１６２ 可飽和吸収領域、１６３ 活性層。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ、半導体レーザ駆動装置、および半導体レーザ駆動方法に関し、より特定的には、変調光出力によって戻り光雑音を低減させる半導体レーザ、半導体レーザ駆動装置、および半導体レーザ駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、単色性および指向性に優れ、光ディスクのピットを読み取るのに必要な十分小さいスポットサイズを得ることができるため、光ディスク用の光源として利用されている。しかしながら、多層構造をもつＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの高密度記録媒体においては、読み込み時にも８ｍＷ以上の高出力が要求されるため、従来の赤色半導体レーザを使用することは不可能になっていた。
【０００３】
これに対し、波長が短くしかも高出力を得られる窒化物半導体レーザは、ＤＶＤなどの高密度記録媒体用に向いているので、赤色半導体レーザに代わる有力なピックアップ素子として開発が推進されている。
【０００４】
こうしたピックアップ素子では、レーザから出射された光が記録媒体であるディスク表面や光学系などで反射することにより、出射光の一部がレーザに帰還する。このようにしてレーザに帰還する光は「戻り光」と呼ばれており、戻り光と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。
【０００５】
この「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、半導体レーザの可干渉性を低減させる方法が有効である。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。
【０００６】
変調光出力を得るため、レーザの自励発振（パルセーション）を意図的に起こす技術が一般に使われている。自励発振は、レーザにたとえば以下のような特別な構造を与えることにより発生させることができる。
【０００７】
光増幅領域と呼ばれる活性層内部の利得領域の周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収効果をもつ領域を形成する。その結果、活性層のキャリアおよび発振光に対して可飽和吸収領域による光のＱスイッチ効果が働き、自励発振が発生する。
【０００８】
よって、上記の構造を持つレーザの活性層に閾値以上の一定電流を注入することにより自励発振を意図的に起こすことができ、変調光出力が得られる。
【０００９】
図１１は、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である。
【００１０】
図１１に示した従来の自励発振型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。
【００１１】
上記の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は、ストライプ状のリッジ１１０を構成しており、このリッジ１１０の両側にｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１１１，１１２が設けられている。素子の表面側にはｐ電極１０１、素子の裏面側にはｎ電極１０２がそれぞれ設けられており、共に分割されていない。
【００１２】
この素子では、活性層１０６上のクラッド層１０７にリッジ１１０を設けて、電流注入量の異なる領域を作り出すことにより、利得領域の周囲に可飽和吸収領域を作り出し、自励発振を得ている。
【００１３】
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。リッジ直下の主に電流の注入される部分が光増幅領域１１３、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。
【００１４】
ただし、こうした素子では、リッジ構造の幅やクラッド層の厚さなど、自励発振を起こせる素子構造の各種パラメータを決定する必要があり、さらに得られた条件を満たすよう精度よく作製せねば自励発振は得られない。
【００１５】
この図１１に示された従来例と同様に、電流が少なく注入される領域（電流非注入領域）を可飽和吸収領域として作用させる窒化物半導体レーザ素子の従来例を図１２に示す。
【００１６】
図１２は、従来の窒化物半導体レーザ素子の構造を表す断面図である。（たとえば、特許文献１参照）
図１２に示した従来の窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板１２１上に、ＧａＮからなる厚さ４.５μｍのｎ型コンタクト層１２２、ＡｌbＧａ1-bＮからなる厚さ０.８μｍのｎ型クラッド層１２３、多重量子井戸構造を有する活性層１２４、ＡｌaＧａ1-aＮからなる厚さ０.８μｍのｐ型クラッド層１２５、ＡｌcＧａ1-cＮからなるｎ型電流狭窄層１２６，１２７、およびＧａＮからなる厚さ０.０５μｍのｐ型コンタクト層１２８を積層することにより構成されている。
【００１７】
ｐ型クラッド層１２５は、活性層１２４の表面を覆って形成された平坦部１２５ａと、平坦部１２５ａの中央部に上向きに突設された下段ストライプ部１２５ｂおよび上段ストライプ部１２５ｃからなる二段ストライプ部とから構成されている。二段ストライプ部の上面はｐ型コンタクト層１２８と接触し、その両側面はｎ型電流狭窄層１２６，１２７と接触している。ここで、上段ストライプ部１２５ｃの幅は、下段ストライプ部１２５ｂの幅よりも小さく形成されている。
【００１８】
ｎ型コンタクト層１２２の上にはｎ電極１２９が設置され、ｐ型コンタクト層１２８の上にはｐ電極１３０が設置されている。また、活性層１２４は、ＩｎxＧａ1-xＮからなる厚さ８ｎｍの井戸層と、ＩｎyＧａ1-yＮからなる厚さ１６ｎｍの障壁層とを交互に積層したものである。なお、図１２に示す素子構造においては、ＡｌcＧａ1-cＮからなるｎ型電流狭窄層１２６，１２７の屈折率は、ＡｌaＧａ1-aＮからなるｐ型クラッド層１２５の屈折率よりも低く設定され(０＜ａ＜ｃ≦１)、これによって実屈折率導波型構造が実現されている。
【００１９】
この従来の窒化物半導体レーザ素子では、電流が少なく注入される領域を可飽和吸収領域として効率的に作用させるため、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ようにリッジが形成されている。なお、この窒化物半導体レーザでは、ｐ電極１３０とｎ電極１２９とはいずれも分割されていない。ｐ電極１３０はｐ型コンタクト層１２８の上表面に、ｎ電極１２９はｎ型コンタクト層１２２の上表面にそれぞれ作りつけられており、１対の電極として形成されている。
【００２０】
上述のように電流非注入領域を可飽和吸収領域として作用させる方法のほかに、素子作製時に可飽和吸収領域と光増幅領域とをあらかじめ設けておく方法もある。この場合、キャリア寿命や微分利得を自励発振状態を満たしたパラメータ条件に合うように不純物の添加によって調整し、可飽和吸収領域となる層と光増幅領域となる層とを作製する。このような自励発振型半導体レーザの従来例を図１３に示す。
【００２１】
図１３は、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である。（たとえば、特許文献２参照）
図１３に示した従来の自励発振型半導体レーザ素子は、ｎ電極１４１、ｎ型ＧａＡｓ基板１４２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層１４４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１４６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層１４８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４９、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１５０，１５１、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５２、およびｐ電極１５３を順に備えている。
【００２２】
この素子では、光吸収効果をもつ可飽和吸収層１４４，１４８をレーザ内部に備え、この可飽和吸収層１４４，１４８のキャリアと、光増幅領域である活性層１４６のキャリアおよび発振光とが協同して自励発振を引き起こす。こうした自励発振状態を満たしたレーザでは、直流電流を光増幅領域に注入することにより、周期的な強度変化を有する光出力を得ることができる。
【００２３】
ただし、上記のような方法で自励発振を発生させようとすると、素子の組成や構造条件が限定される。たとえば、不純物の添加によって可飽和吸収層１４４，１４８と光増幅領域である活性層１４６とを作りつけるためには、この２つの領域のキャリア寿命の値、および微分利得の値を調整せねばならない。
【００２４】
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、変調光出力を得る他の方法としては、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。たとえば、特許文献３に開示された技術では、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ている。
【００２５】
図１４は、従来の半導体レーザの動作特性を説明するための図である。（たとえば、特許文献３参照）
図１４（ａ）は、縦軸が注入電流、横軸が注入電流に応じて得られる光出力を示す、従来の半導体レーザの注入電流―光出力特性曲線である。このような注入電流―光出力特性を有する半導体レーザに対して、図１４（ｂ）に示すように、発振閾値Ｉｔｈ以下の電流値と発振閾値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により、図１４（ｃ）に示すように半導体レーザの光出力が変調される。
【００２６】
この場合、自励発振状態を作りだす必要が無いため、素子の作製時に可飽和吸収領域と光増幅領域とを構成しなくともよい。また、注入する変調電流の振幅を大きくすることで、得られる変調光出力の振幅を大きくすることができる。
【００２７】
変調光出力を得るさらに他の方法として、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において可飽和吸収領域に印加する電流または電圧を変動させる方法もある。
【００２８】
図１５は、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である。
【００２９】
図１５に示すように、従来の双安定状態の半導体レーザでは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。以下では、Ａで示した実線の経路を辿る状態をヒステリシスの下部、Ｂで示した破線の経路を辿る状態をヒステリシスの上部とそれぞれ呼ぶ。
【００３０】
光増幅領域へのみ電流を注入していくと、図１５に示すように、光出力はＡの経路である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。
【００３１】
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、注入電流が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。このＩｔｈＯＮを本明細書ではヒステリシスの立ち上がり閾値と呼ぶ。
【００３２】
一方、今度は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、Ｂの経路である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。
【００３３】
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。このＩｔｈＯＦＦを本明細書ではヒステリシスの立下り閾値と呼ぶ。
【００３４】
この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。こうした駆動方法の従来例を図１６および図１７に示す。
【００３５】
図１６は、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である。（たとえば、特許文献４参照）
図１６に示した従来の双安定状態の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ横モード制御型半導体レーザ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とを設けている。そして、可飽和吸収領域１６２に印加する電圧Ｖ１，Ｖ２の値に応じて光増幅領域１６１に注入する発振閾値電流を変化させる。すなわち、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。
【００３６】
図１７は、図１６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である。
【００３７】
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が導入されているため、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。この発振閾値電流Ｉｈ１またはＩｈ２は、可飽和吸収領域１６２の光吸収量に応じて変化し、光吸収量が大きいほど低下する。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、発振閾値電流はＩｈ１からＩｈ２へと低下する。
【００３８】
したがって、図１６および図１７に示すように、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、発振閾値電流が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。
【００３９】
【特許文献１】
特開２０００−２８６５０４号公報
【００４０】
【特許文献２】
特開平８−２０４２８２号公報
【００４１】
【特許文献３】
特開昭６０−３５３４４号公報
【００４２】
【特許文献４】
特開平２−１３７３８３号公報
【００４３】
【発明が解決しようとする課題】
図１１から図１３の従来例のように、自励発振状態を利用して変調光出力を得る場合、素子作製時の組成や構造が限定されてしまうという問題がある。
【００４４】
作製時の組成によって可飽和吸収領域と光増幅領域とを作りつける場合、可飽和吸収領域と光増幅領域とのキャリア寿命の比、および微分利得の比を調整せねばならないが、自励発振状態を満足するパラメータの範囲は狭く、作製の自由度が低くなってしまう。特に、図１２の窒化物半導体レーザの場合、窒化物の特性上、微分利得の値を大きく変える事ができないという困難な問題がある。
【００４５】
一般に、半導体レーザが自励発振状態となるか双安定状態となるかを決定するのは、可飽和吸収領域と光増幅領域とのキャリア濃度のバランスである。このバランスは、両領域の共振器方向長さの比、キャリア寿命の比、および微分利得の比によって調整することができる。自励発振状態を満たすレーザでは、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、微分利得の比とキャリア寿命の比とが特定の範囲内にあることが必要となる。
【００４６】
これらの具体的な値は半導体の特性によって異なる。窒化物半導体レーザの場合、可飽和吸収領域と光増幅領域との微分利得の比をＧａＡｓ系などの赤色半導体レーザに比べてより大きくしなければならない。なお、キャリア密度に対する利得特性曲線の傾き、すなわち微分利得が、可飽和吸収領域と光増幅領域とで差が大きいほど容易に自励発振が得られる。
【００４７】
これは、可飽和吸収領域において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、その結果、キャリア濃度の変動が生じやすくなるためである。可飽和吸収領域の内部におけるキャリア濃度の大きな変動が、光吸収効果の変動を促す。しかしながら、窒化物半導体レーザでは、窒化物の特性上、可飽和吸収領域と光増幅領域とで微分利得に変化をつけることは非常に困難である。
【００４８】
図１８は、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である。実線がＧａＡｓ半導体レーザの利得特性、破線がＧａＮ半導体レーザの利得特性をそれぞれ示している。
【００４９】
ＧａＮ半導体レーザは、赤色半導体レーザに比べてキャリアの有効質量が大きく、図１８に示すように、可飽和吸収領域（吸収領域）と光増幅領域（利得領域）での利得特性の傾きの差が、赤色半導体レーザであるＧａＡｓ半導体レーザよりも小さい。したがって、ＧａＮ半導体レーザは、利得特性曲線の傾きによって示される微分利得の両領域での比がほぼ１となり、自励発振状態を満たすことができない。さらに、ＧａＮ半導体レーザを含む窒化物半導体レーザでは、赤色半導体レーザに比べ、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。
【００５０】
そのため、窒化物半導体レーザでは、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となっており、自励発振を発生させることができる素子を確実に作製する方法は未だに確立されていない。
【００５１】
また、図１２のように、窒化物半導体レーザの素子構造内にリッジを形成することで電流注入量の異なる領域を作りだし、可飽和吸収領域と光増幅領域とを得る場合、リッジの幅とその厚さ、またリッジ境界部分の多層膜の膜厚や、クラッド層の厚さ、エッチング条件など非常に多数でかつ微細な構造条件を最適化しなければならない。さらに、得られた条件に従って極めて精度よく素子を作製する技術が必要となる。
【００５２】
ゆえに、図１２のようにして自励発振を得ようとする場合、まず多くの条件を確定する作業が必要であり、また条件が得られたとしても素子作製技術が十分でないため製品の歩留まりが低くなるという問題がある。結果として、窒化物半導体レーザでは、自励発振状態を発生する素子の製造法は未だ確立されていないのが現状である。
【００５３】
また、図１４のように、自励発振状態を利用せずに変調光出力を得る高周波重畳法では、雑音の低減効果を得るため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に必要とされる高い光出力を得るには、消費電力や発熱が大きくなってしまうという問題がある。
【００５４】
また、図１５のように、双安定状態を有する半導体レーザにおいて、可飽和吸収領域に印加する電圧や抵抗値の大小を切り替えることでレーザの発振閾値を調整し、変調光出力を得る方法では、戻り光を低減できる大きい振幅の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、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、それにともなって高い電圧や電流を印加せねばならない。
【００５５】
ゆえに、図１５のようにして変調光出力を得ようとする場合、可飽和吸収領域が飽和しやすくなり、光出力の強度変化が小さくなってしまう。そのため、光出力の振幅が小さくなり、またパルス状の光出力が得られにくくなる。したがって、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。
【００５６】
これまで挙げてきた従来技術の問題点を整理すると、次のようになる。
多層構造をもつＤＶＤなどの高密度記録媒体においては、読み込み時にも８ｍＷ以上の出力が要求されるため、従来のＧａＡｓ系自励発振型半導体レーザを使用することは不可能になっていた。
【００５７】
この従来の半導体レーザに代わって、次世代のデバイスとして開発が進められている窒化物半導体レーザでは、高出力が得られるものの、自励発振状態の組成条件が狭いため製造しにくい。また、リッジを作り付けて構造的に可飽和吸収領域を作って自励発振状態とする従来の半導体レーザでは、構造条件の特定が困難であり、しかも精度よく作らねば自励発振状態とならないために歩留まりが悪かった。
【００５８】
また、注入電流を変調して一時的に発振閾値以下にすることによりパルス状の光出力を得る従来の半導体レーザでは、戻り光雑音を低減できる大きさの振幅を持つ光出力を得るために、電流の最大値を高くすると変調電流の振幅を必然的に大きくせねばならず、変調回路に大きな負担がかかってしまうという問題があった。
【００５９】
また、双安定状態の半導体レーザの可飽和吸収領域に印加する電圧の値を大小切り替えて光出力を変調する従来の半導体レーザでは、高密度記録媒体のピックアップ素子に必要な高い光出力を得るには、レーザの発振閾値を大きく振らなければいけないため、発振閾値が高くなるに伴って光増幅領域に注入する電流値を高く設定せねばならなかった。
【００６０】
この発明は、上記の諸問題を解決するためになされたものであり、その目的は、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、半導体レーザ駆動装置、および半導体レーザ駆動方法を提供することである。
【００６１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、変調光出力によって戻り光雑音を低減させる半導体レーザ装置であって、半導体レーザと、半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動部とを備える。半導体レーザは、半導体レーザがヒステリシス特性を有する双安定状態を満足するように光増幅領域および可飽和吸収領域が形成された活性層と、活性層に電流を注入するように設けられた第１の極性の電極と、活性層に電流を注入するように設けられた、第１の極性の電極と対をなす第２の極性の電極とを含む。半導体レーザ駆動部は、第１および第２の極性の電極を介して光増幅領域に電流を注入する。当該注入される電流は、変調電流と雑音電流とを重ね合わせることにより生成され、雑音電流は、変調電流に付加されたときに変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超え、変調電流に付加されていなければ変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えないように設定されている。
【００６２】
好ましくは、活性層は、可飽和吸収領域の両側に２つの光増幅領域が形成され、２つの光増幅領域は、それぞれが半導体レーザの出射面を有する。
【００６４】
より好ましくは、変調電流は矩形波である。
より好ましくは、雑音電流はランダムな強度変化を有する。
【００６５】
より好ましくは、可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％以下である。
【００６６】
より好ましくは、雑音電流の最大値と最小値との差は、光増幅領域に注入される変調電流の振幅以下である。
【００６７】
好ましくは、半導体レーザは、基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に、切れ込み部をともなって形成された第１の導電型のコンタクト層と、第１の導電型のコンタクト層上に、切れ込み部によって分離されずに形成された第１の導電型のクラッド層とを備え、活性層は、第１の導電型のクラッド層上に形成され、半導体レーザはさらに、活性層上に形成された第２の導電型のクラッド層と、第２の導電型のクラッド層上に互いに分離して形成された、第２の導電型の第１および第２のコンタクト層とを備える。第１の極性の電極は、第１の導電型のコンタクト層上に、切れ込み部によって分離されて形成された第１の導電型の第１および第２の電極を含み、第２の極性の電極は、第２の導電型の第１のコンタクト層上に形成された第２の導電型の第１の電極と、第２の導電型の第２のコンタクト層上に形成された第２の導電型の第２の電極とを含む。半導体レーザは、半導体レーザがヒステリシス特性を有する双安定状態を満足するように光増幅領域および可飽和吸収領域が形成された活性層と、活性層に電流を注入するように設けられた第１の極性の電極と、活性層に電流を注入するように設けられた、第１の極性の電極と対をなす第２の極性の電極とを備え、第１および第２の極性の電極を介して光増幅領域に注入される電流は、変調電流と雑音電流とを重ね合わせることにより生成され、雑音電流は、変調電流に付加されたときに変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超え、変調電流に付加されていなければ変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えないように設定されている。
【００６８】
好ましくは、基板は、サファイヤにより構成され、バッファ層は、ＧａＮにより構成され、第１の導電型のコンタクト層は、ＧａＮにより構成され、活性層は、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造を有し、第２の導電型のコンタクト層は、ＧａＮにより構成される。
【００６９】
好ましくは、半導体レーザ駆動部は、半導体レーザの光増幅領域に変調電流を供給する変調電流供給回路と、半導体レーザの光増幅領域に雑音電流を供給する雑音電流供給回路とを含む。
【００７０】
好ましくは、半導体レーザ駆動部は、半導体レーザの一方の出射面からの出力光の制御に利用するために、半導体レーザの他方の出射面からの出力光をモニタするモニタ部をさらに含む。
【００７４】
より好ましくは、雑音電流供給回路は、半導体レーザからの出力光を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子から出力された電気信号のうち、変調電流の変調周波数よりも高い周波数成分のみを抽出するハイパスフィルタと、ハイパスフィルタによって抽出された高周波成分の電気信号を調整し、雑音電流として半導体レーザに注入するプリアンプとを含む。
【００７５】
好ましくは、半導体レーザ駆動部は、変調電流と雑音電流とを結合し、半導体レーザの光増幅領域へと注入する結合器と、半導体レーザの可飽和吸収領域に定電流を注入する定電流供給回路とをさらに含む。
【００８０】
したがって、この発明によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【００８１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００８２】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【００８３】
図１に示す実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ガリウム基板８を用いており、共振器方向において活性層が光増幅領域３と可飽和吸収領域４との２つに分割されている。光増幅領域３および可飽和吸収領域４は、半導体レーザが双安定状態を満足する条件において作製されている。このとき、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは、共振器全体の長さの約１０％とした。
【００８４】
さらに、光増幅領域３および可飽和吸収領域４に対して、ｐ電極１，２がそれぞれ互いに分離独立に形成されており、ｐ電極１，２の下部には共通のｐ型クラッド層７が設けられている。このｐ電極１から、変調されて雑音が付加された注入電流Ｉを注入する。この注入電流Ｉについては後に詳述する。また、ｐ電極１，２に対応してｎ電極５，６がそれぞれ設けられており、ｎ電極５，６の上部には共通のｎ型クラッド層としての機能を有するｎ型ガリウム基板８が設けられている。
【００８５】
このように、活性層が光増幅領域３と可飽和吸収領域４との２つに分割されているのに合わせて上下の電極も分割されているため、光増幅領域３，可飽和吸収領域４それぞれへの注入電流の制御をより独立に行いやすい構造となっている。そのため、可飽和吸収領域３を流れる電流と光増幅領域４を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。なお、図１では上下の電極がともに分割されている例を示しているが、これは一例であり、電流を独立に注入するには少なくとも一方の電極が分割されていれば十分である。
【００８６】
光増幅領域３および可飽和吸収領域４の共振器方向への長さ、および両領域のキャリア寿命と微分利得とは、双安定状態の条件を満たすように作製されており、光増幅領域３への電流注入によって半導体レーザは双安定状態となる。
【００８７】
双安定状態では、自励発振状態に比べ微分利得の比を大きくする必要が無いため、窒化物半導体レーザでも作製が容易である。しかも、双安定状態を満たす条件ではキャリア寿命の比と微分利得の比の積が一定以下であれば良く、キャリア寿命と微分利得のパラメータ設定を広くとれるため、選択の自由度が高くなり、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で双安定状態を作製できる。
【００８８】
よって、窒化物半導体レーザにおいても双安定状態を容易に作り出すことができるため、自励発振状態を有する素子を作製しにくい窒化物半導体レーザにおいても変調光出力を得ることができる。
【００８９】
また、光増幅領域３に発振閾値程度の微小な変調電流と雑音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。特に、自励発振型素子の作製が困難な窒化物半導体レーザ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。
【００９０】
実施の形態１では、活性層のうち可飽和吸収領域４となる部分にはキャリア寿命を調整するために不純物を添加している。ここでは、不純物としてＳｉを１×１０19ｃｍ-3添加した。
【００９１】
次に、実施の形態１の動作について説明する。以下では、非周期的なランダムな強度変化を持ち、変調電流に対する雑音として活性層に注入する電流を「付加雑音」と称し、「戻り光雑音」とは区別する。
【００９２】
図２は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの活性層への注入電流Ｉについて説明するための図である。
【００９３】
図２（ａ）は矩形波を用いた場合の変調電流の時間波形、図２（ｂ）は雑音が付加された電流（付加雑音）の時間波形をそれぞれ示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）の変調電流と図２（ｂ）の付加雑音とを重ね合わせた電流の時間波形を示しており、この電流を注入電流Ｉとして、実施の形態１の窒化物半導体レーザの活性層へと注入する。
【００９４】
注入電流Ｉは、ｐ電極１、２を介して光増幅領域３と可飽和吸収領域４にそれぞれ独立に注入される。上述のように、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流に白色雑音を付加した電流を注入電流Ｉとして、ｐ電極１を介して光増幅領域３に注入する。
【００９５】
変調電流には矩形波による変調を用い、周波数は約１００ＭＨｚとした。また、可飽和吸収領域４へ注入する一定電流は１．０ｍＡとした。このとき、注入電流―光出力特性の、ヒステリシスの立ち上がり閾値が２０ｍＡ、立下り閾値が１６ｍＡであったので、光増幅領域３へ注入する変調電流の値を最大１９.７ｍＡおよび最小１５ｍＡとした。
【００９６】
なお、以下では、図２（ａ）において示されている、周期的な強度変化を有する変調電流の最大値と最小値との差分の２分の１の値を、変調電流の「振幅」と呼ぶ。また、図２（ｂ）において示されている、雑音の最大値と最小値との差分を「雑音の最大振幅」と呼ぶ。
【００９７】
図３は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの動作特性を説明するための図である。（図１４も参照）
図３（ａ）は、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、半導体レーザの注入電流―光出力特性を示している。図３（ｂ）は図２（ｃ）で説明した注入電流Ｉの時間波形、図３（ｃ）は図３（ｂ）の注入電流Ｉを半導体レーザに注入した結果得られる光出力の時間波形をそれぞれ示している。
【００９８】
また、図３（ａ）において、Ｉｔｈ２は実線で示したヒステリシス下部の状態から破線で示したヒステリシス上部へ光出力の状態が移行する電流値、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値、Ｉｔｈ１はヒステリシス上部からヒステリシス下部へ移行するときの電流値、すなわちヒステリシスの立下り閾値をそれぞれ示している。ヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２は、図２（ａ）および図２（ｃ）において破線で示されている。
【００９９】
この図２（ａ）に示すように、雑音を付加する前の変調電流の強度は、最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２より小さくなるように設定されている。そのため、図２（ａ）の変調電流を活性層に注入しただけでは、光出力は注入電流―光出力特性曲線上でヒステリシス下部に留まり、ヒステリシスの上部へと移行することはできない。
【０１００】
図２（ａ）の変調電流に図２（ｂ）の付加雑音を印加すると、図２（ｃ）に示すように、変調電流の最大値が付加雑音の印加によってヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２を越えることができる。そして変調電流の最大値を過ぎると再びＩｔｈ２以下になり、ヒステリシスの下部へ移行する。ヒステリシスの上下を移行するときには光出力が急激に増減する。
【０１０１】
よって、図３（ｃ）に示すように、強度が周期的に変調された、振幅の大きい変調光出力を得ることができる。このとき、付加雑音は、光出力が戻り光雑音の低減効果を得られるような雑音強度に適度に調整されて注入される。
【０１０２】
なぜならば、付加雑音強度が小さすぎるとヒステリシスの上部の状態へ移行することが出来ず、戻り光雑音を低減するために必要な大きさの振幅を持つ光出力を得られないためであり、また、付加雑音強度が大きすぎると変調電流の最大値の周期とは無関係にヒステリシスの上部へ移行するために、光出力の強度変化がランダムになってしまい、戻り光雑音を低減できないためである。
【０１０３】
このように、付加雑音が光出力が戻り光雑音の低減効果を得られるような強度に適度に調整されて光増幅領域に注入される。また、変調電流の値は、この変調電流だけを光増幅領域に注入したときに得られる光出力が、ヒステリシス下部に対応した微小な値しか得られず、戻り光による雑音を低減できない程度に微小な値として調整される。変調電流の最大値と、変調電流とともに光増幅領域に注入される付加雑音としての電流が確率的に同期して、変調電流値が最大値となるときにヒステリシスの上部へ飛び移ることができるので、出力振幅が増大し、振幅の大きい光出力を得られる。
【０１０４】
こうして、微弱な注入電流により大きい振幅の変調光出力を得ることができ、光出力が最大１０ｍＷという大きい振幅を持ち、かつ高い光出力の変調電流が得られる。その結果、戻り光雑音の低減効果を得ることができる。さらに、可飽和吸収領域４には光増幅領域３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を低くしてより低電流で駆動したり、光出力の振幅を調整したりできる。
【０１０５】
また、付加雑音の強度を適度に調節し変調電流に付加することで、注入する電流の値を、変調電流の値を中心値としてランダムに変化させている。よって、変調電流の最大値と付加雑音による強度変化が確率的に同期して、一時的にヒステリシスの上部へと移行することができる。よってヒステリシスの上部へ移行できない程度に弱い変調電流の注入によって、振幅の大きな光出力が得られる。
【０１０６】
このとき、雑音の代わりに周期信号を変調電流に付加してヒステリシスの上部に移行させようとすると、周期信号同士の周期が完全に同一か正確に倍数になっていて最大値が同期しなければ、大きな振幅の光出力は得られないので、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。
【０１０７】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ雑音は、周期や周波数帯域が固定されないので、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。また、周期信号を発生させるよりも雑音を発生させるほうが消費電力が少なくてすむと言う利点がある。
【０１０８】
図４は、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）を示した図である。
【０１０９】
図４に示すように、ＲＩＮは、最適雑音強度Ｄｍにおいて最小となる。実施の形態１では、この最適雑音強度Ｄｍをとる雑音電流を光増幅領域に注入する変調電流に付加しているので、適度な雑音が微小な変調電流をヒステリシスの上部に押し上げて、振幅の大きい変調光出力の発生を可能にしている。実施の形態１では、ＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるように、付加雑音の最大振幅を０．５ｍＡとして付加雑音強度を調整した。
【０１１０】
図５は、変調電流に正弦波または矩形波を用いたときの光出力を示した図である。
【０１１１】
図５（ａ）は変調電流に正弦波を用いたときの光出力、図５（ｂ）は変調電流に矩形波を用いたときの光出力をそれぞれ示す。図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、図５（ｂ）の矩形波による変調を用いた方が光出力が増大し、波形がパルス状に鋭くなっていることがわかる。
【０１１２】
図６は、実施の形態１での相対雑音強度（ＲＩＮ）の付加雑音強度依存性を示した図である。
【０１１３】
実線のグラフが、矩形波による変調を行なった場合、破線が正弦波による変調を行なった場合である。ＲＩＮにして−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値が光ディスクの読み込みで必要とされる値であるが、矩形波による変調の場合の方が、正弦波による変調の場合よりも、広い範囲において付加雑音強度が−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の値を得ることができる。しかも、矩形波による変調の場合の最小値の方が、正弦波による変調の場合の最小値よりも低くなる。
【０１１４】
よって、矩形波を用いることにより、光出力の振幅を大きくすることができるので、より低電流で変調光出力を得られる。また、より広い条件の付加雑音強度で駆動できるので、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なうことができる。
【０１１５】
なお、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは、実施の形態１で用いた約１０％でなくとも光出力や波形は変化せず変調光出力が得られ、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１１６】
ただし、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が小さくなると、それにともなって半導体レーザの双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体レーザを作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であることが好ましい。
【０１１７】
逆に、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、それにともなって発振閾値電流も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。
【０１１８】
また、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入電流を増やす必要が生じる。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、確率共鳴による戻り光の低減効果が減少し、光出力の応答も悪くなる。
【０１１９】
これらの理由により、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ発振閾値電流を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できるので、好ましい。また、消費電力が少なくかつ少ない発熱で確率共鳴による雑音の低減効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【０１２０】
また、実施の形態１では付加雑音として白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムな電流であれば実施の形態１と同様の雑音低減効果を得ることができる。
【０１２１】
また、光増幅領域３に注入する動作電流の変調は矩形波以外で行なってもかまわないが、矩形波による変調では活性層中のキャリア濃度の変動が大きくなり、より高い光出力と鋭いパルス波形を得られる。よってさらに光出力の振幅を向上させることが可能であるので、より低電流での駆動が可能になり、好ましい。
【０１２２】
また、実施の形態１では、付加雑音の強度は、ＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるように、付加雑音としての電流の最大振幅を０．５ｍＡとしたが、値はこれに限るものではなく、得られる光出力が、光ディスク用ピックアップで必要とされるＲＩＮの値を満たせる範囲の雑音強度であればかまわない。
【０１２３】
その場合、実施の形態１では付加雑音としての電流の最大振幅が半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値と立ち下がり閾値との差分（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）以下であれば変調光出力が得られる。
【０１２４】
付加雑音が強すぎると、光出力の波形が崩れるので確率共鳴現象は起こらなくなる。少なくとも、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅より大きい場合、変調電流の波形および周期を再現できなくなるため、入力信号の検出ができない。これに対し、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅以下であれば、さらに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、雑音の低減効果を向上でき、好ましい。
【０１２５】
また、光増幅領域３へ注入する変調電流の周波数は実施の形態１で用いた約１００ＭＨｚでなくとも、戻り光雑音の低減効果を有する変調光出力が得られる周波数であればかまわない。
【０１２６】
また、実施の形態１では光増幅領域３への変調電流の値が最大１９．７ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３への変調電流が、単独では注入電流がヒステリシスの上部へ移行できない強度であれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１２７】
また、実施の形態１では光増幅領域３への変調電流の値が最小１５ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３への変調電流の最低値がヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２以下であれば雑音の低減効果を有する光出力が得られるが、実施の形態１の如く光増幅領域３へ注入する変調電流の最低値はヒステリシスの立下り閾値Ｉｔｈ１以下である方が光出力の最低値が小さくなるので、光出力の振幅が大きくなり、雑音の低減効果を向上させることができる。
【０１２８】
また、実施の形態１では可飽和吸収領域４への注入電流の値が１．０ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域への注入電流の値によって決まる、半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が付加雑音としての電流の最大振幅以上であれば実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１２９】
なお、実施の形態１では電極を２つ設ける場合について説明したが、数はこれに限るものではなく、２つ以上の電極を用いた自励発振状態を有する他の半導体レーザについても同様に雑音の低減効果を得ることができる。
【０１３０】
また、可飽和吸収領域４に付加雑音としての電流を注入し、光増幅領域に変調電流を入れても、雑音の低減効果を有する光出力が得られる。その場合、可飽和吸収領域４へ注入できる電流の値の範囲が狭いため、変調光出力の強度を好適に決定しづらい。しかしながら、レーザの発振閾値が最低値をとるタイミング（付加雑音の注入量によって変動）が変調電流の最大値に対して確率的に同期するので、注入電流値がヒステリシスの立ち上がり閾値Ｉｔｈ２を上下することとなり、変調光出力が得られる。
【０１３１】
また、可飽和吸収領域４に注入する電流は一定電流ではなく変調電流でも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。その場合、変調回路が余分に必要になってしまうが、注入電流量によってヒステリシスを制御できるので光出力の特性を変えることができるという利点がある。
【０１３２】
また、半導体レーザ素子は、例えばＧａＡｓ系半導体レーザのように窒化物を含まない半導体レーザでも良い。その場合、窒化物半導体レーザとは異なる波長の光を利用できるという利点があるが、ＧａＡｓ系半導体レーザでは自励発振型素子の作製が窒化物半導体レーザよりも容易であるので、回路の構成によっては消費電力は自励発振型レーザのほうが少なくて済む場合もある。
【０１３３】
また、付加雑音としての電流は、光増幅領域３に注入する変調電流に付加してから注入せずとも、別々の回路を介して独立に電極に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になるが、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１３４】
以上のように、実施の形態１によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１３５】
［実施の形態２］
図７は、この発明の実施の形態２における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【０１３６】
図７中に示される半導体レーザ素子１２は、実施の形態１で説明した可飽和吸収領域を有する双安定状態の半導体レーザ素子を用いている。また、半導体レーザ素子１２に注入する注入電流Ｉは、実施の形態１と同様である。
【０１３７】
変調電流供給回路１１は、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流Ｉ0を発生させ、半導体レーザ素子１２の光増幅領域に注入するための駆動回路である。半導体レーザ素子１２の光増幅領域に変調電流供給回路１１からの変調電流Ｉ0を注入して得られた光出力Ｐは、抵抗１８を介して接地された受光素子１３によって検出され、結合コンデンサ１４を介してハイパスフィルタ１５に電気信号として入力される。ハイパスフィルタ１５は、変調電流供給回路１１において用いた変調周波数よりも高い周波数成分のみを抽出する。
【０１３８】
この高周波成分は、プリアンプ１７において、基準電流源１６からの電流との差分をとられ、強度を調節された出力を付加雑音Ｎとして半導体レーザ素子１２の光増幅領域に帰還させる形で注入される。このとき、付加雑音Ｎの最大振幅は、実施の形態１の場合と同様に、光出力のＲＩＮの値が最小となる０．５ｍＡとなるよう調整した。
【０１３９】
その結果、実施の形態１の場合と同様に、変調電流と雑音との協同効果により、戻り光雑音を低減できる振幅の大きな変調光出力を得ることができる。実施の形態２では、最大１０ｍＷの光出力振幅を持つ変調光出力を得た。ここで、光出力振幅とは、得られた光出力の最大値と最小値との差分を指す。
【０１４０】
なお、実施の形態２ではプリアンプ１７によって、付加雑音としての電流の最大振幅を０．５ｍＡに調整したが、値はこれに限るものではなく、得られる光出力が、光ディスク用ピックアップで必要とされるＲＩＮの値を満たせる範囲の雑音強度であればかまわない。
【０１４１】
その場合、実施の形態２では付加雑音としての電流の最大振幅が半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値と立ち下がり閾値の差分（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）以下であれば変調光出力が得られるが、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅以下であればさらに光出力の振幅を大きくでき、雑音の低減効果を向上できるために、望ましい。
【０１４２】
以上のように、実施の形態２によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１４３】
また、半導体レーザの光出力を利用して付加雑音を作り出しているので、簡単な装置構成により付加雑音を発生させることができる。
【０１４４】
［実施の形態３］
図８は、この発明の実施の形態３における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【０１４５】
図８中に示される半導体レーザ素子２１は、この発明の実施の形態１で得られた可飽和吸収領域を有する双安定状態の半導体レーザ素子を用いている。
【０１４６】
図８に示す半導体レーザ素子２１は、実施の形態１の半導体レーザ素子と同様に、共振器方向において活性層が光増幅領域２２と可飽和吸収領域２３の２つを構成しており、光増幅領域２２および可飽和吸収領域２３に対して、互いに分離独立に形成されているｐ電極２４，２５がそれぞれ設けられている。ｐ電極２４には、変調電流供給回路２７と付加雑音供給回路２８とが結合器２９を介して接続されている。
【０１４７】
実施の形態３で用いる変調電流供給回路２７は、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流Ｉ0を生じるものである。また、付加雑音供給回路２８は白色雑音としての強度変化を有する付加雑音としての電流Ｎを生成することができる。また、ｐ電極２５には定電流発生源２６が接続されている。
【０１４８】
以下、実施の形態３での動作について説明する。
変調電流供給回路２７によって生じた変調電流Ｉ0と、付加雑音供給回路２８によって生じた付加雑音としての電流Ｎとは、結合器２９において重ね合わされて、半導体レーザ素子２１への注入電流としてｐ電極２４を介して光増幅領域２２に注入される。実施の形態３では、半導体レーザ素子２１の光増幅領域２２に注入する電流は実施の形態１と同様の構成で駆動される。
【０１４９】
一方、定電流発生源２６からは、一定電流がｐ電極２５を介して可飽和吸収領域２３に注入される。実施の形態３では定電流発生源２６によって発生させる電流の値は１．０ｍＡとした。そして、実施の形態１と同様の作用により、変調電流と雑音との協同効果によって、戻り光雑音を低減できる大きな振幅の変調光出力を得ることができる。実施の形態３では、最大１０ｍＷの変調光出力を得ることができた。
【０１５０】
また、実施の形態３では、可飽和吸収領域２３への一定電流の値が１．０ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域２３へ注入する電流の値によって変わる、半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が付加雑音としての電流の最大振幅以上であれば、実施の形態３と同様の効果が得られる。
【０１５１】
以上のように、実施の形態３によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１５２】
また、変調電流と雑音電流とを個々に生成した後に結合しているので、両電流の各種パラメータを自由に調整することができる。
【０１５３】
［実施の形態４］
図９は、この発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【０１５４】
図９に示した半導体レーザ素子では、ｎ型窒化ガリウム基板を用いた窒化物半導体レーザの共振器方向に、可飽和吸収領域３４と、その両側に光増幅領域３５，３６を設けている。
【０１５５】
また、可飽和吸収領域３４に対してｐ電極３１を、そして光増幅領域３５，３６に対してｐ電極３２，３３をそれぞれ設け、素子の反対側にｎ電極３７を１つ設ける。可飽和吸収領域３４、および光増幅領域３５，３６は、半導体レ−ザが双安定状態となる条件で構成されており、光増幅領域３５，３６へ直流電流を注入すると双安定状態となって動作する。このとき、共振器方向における可飽和吸収領域３４の長さは、共振器長さ全体の約１０％とした。
【０１５６】
ｐ電極３１，３２，３３を介して、直流の動作電流に高周波電流を重畳した変調電流に白色雑音としての電流が付加された注入電流が、光増幅領域３５，３６に対しそれぞれ独立に注入される。光増幅領域３５，３６に注入する変調電流は矩形波とし、周波数は約１００ＭＨｚとした。また、可飽和吸収領域３４に注入する一定電流の値は１．０ｍＡとした。
【０１５７】
このとき、レーザの立ち上がり閾値が２０ｍＡ、立下り閾値が１６ｍＡであったため、光増幅領域３５、３６へ注入する合計の変調電流の値は最大１９．７ｍＡ、最小１５ｍＡであった。
【０１５８】
また、変調電流に付加される雑音としての電流の値は、相対雑音強度（ＲＩＮ）の値が最小となるよう、最大振幅０．５ｍＡとなるように調整した。実施の形態４では、実施の形態１と同様の作用により、１０ｍＷの光出力で変調光出力を得た。その結果、実施の形態１と同様の雑音低減効果を得ることができた。
【０１５９】
実施の形態４の半導体レーザ素子では、光増幅領域３５，３６ともにレーザ出射面を有しており、光増幅領域３６からの出射光をモニタ部３８によってモニタしながら、光増幅領域３５からの出射光を利用できる構成になっている。したがって、光増幅領域３６の出射光より得た情報によって光増幅領域３５の出射光の状態の制御に利用することができ、より正確に注入電流と光出力の関係を把握できる。
【０１６０】
なお、実施の形態４では電極を３つ設ける場合について説明したが、数はこれに限るものではなく、３つ以上の電極を用いた自励発振状態を有する他の半導体レーザについても同様の効果を得ることができる。
【０１６１】
また、電極が２つ以下でも、ビームスプリッタによって光を分け、一方の光でモニターしながら変調出力を得ることができ、この場合、電極の数を減らせることで、作製上簡便になり歩留まりが良くなるという利点があるが、実施の形態４の駆動方法によれば、ピックアップ用のレーザ光とモニター用のレーザ光を、ビームスプリッタなどを使用せずに素子単体で同時に発生させることができるため、簡潔な構成で光出力の制御を向上させることができ、かつレーザ光のパワーを１００％利用できるという効果がある。
【０１６２】
また、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは実施の形態４で用いた約１０％でなくとも、光出力や波形は変化せず変調光出力が得られ、実施の形態４と同様の効果が得られる。ただし可飽和吸収領域４の共振器に占める割合が大きくなると閾値が上がり、より高い注入電流値を必要とするため、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは共振器全体の５０％以下であるほうが好ましい。
【０１６３】
また、実施の形態４では付加雑音として白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムな電流であれば実施の形態４と同様の雑音低減効果を得ることができる。
【０１６４】
また、光増幅領域３５，３６に注入する動作電流の変調は矩形波以外で行なってもかまわないが、実施の形態１の形態と同様の作用により、矩形波ではより高い光出力と鋭いパルス波形を得られる。よって矩形波を用いることで、より低い電流で変調光出力を得ることができ、またより広い条件の付加雑音強度で駆動できるので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できることから、好ましい。
【０１６５】
また、実施の形態４では、付加雑音の強度はＲＩＮが最小となる最適雑音強度Ｄｍとなるよう、すなわち付加雑音としての電流の最大振幅を０．５ｍＡとしたが、値はこれに限るものではなく、得られる光出力が、光ディスク用ピックアップで必要とされるＲＩＮの値を満たせる範囲の雑音強度であればかまわない。
【０１６６】
その場合、実施の形態４では、付加雑音としての電流の最大振幅が半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値とたち下がり閾値の差分（Ｉｔｈ２−Ｉｔｈ１）以下であれば変調光出力が得られるが、付加雑音としての電流の最大振幅が変調電流の振幅以下であればさらに光出力の振幅を大きくでき、雑音の低減効果を向上できるために、望ましい。
【０１６７】
また、光増幅領域３５，３６へ注入する変調電流の周波数は実施の形態４で用いた約１００ＭＨｚでなくとも、戻り光雑音の低減効果を有する変調光出力が得られる周波数であればかまわない。
【０１６８】
また、実施の形態４では光増幅領域３５，３６への変調電流の合計値が最大１９．７ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域３４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３５および３６への変調電流が、単独では注入電流がヒステリシスの上部へ移行できない強度であれば、実施の形態４と同様の効果が得られる。
【０１６９】
また、実施の形態４では光増幅領域３５，３６への変調電流の値が最小１５ｍＡである場合を用いたが、値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域３４への注入電流がある場合の注入電流―光出力特性曲線において、光増幅領域３５，３６への変調電流の最低値がヒステリシスの立ち上がり閾値以下であれば雑音の低減効果を有する光出力が得られるが、実施の形態４の如く光増幅領域３５，３６への変調電流の最低値はヒステリシスの立下り閾値以下である方が光出力の最低値が小さくなるので、光出力の振幅が大きくなり、雑音の低減効果を向上させることができる。
【０１７０】
また、実施の形態４では可飽和吸収領域３４への注入電流の値が１．０ｍＡである場合を用いたが、注入電流値はこれに限るものではなく、可飽和吸収領域３４への注入電流の値によって決まる、半導体レーザの注入電流―光出力特性におけるヒステリシスの幅が付加雑音としての電流の最大振幅以上であれば実施の形態４と同様の効果が得られる。
【０１７１】
さらに、可飽和吸収領域３４には光増幅領域３５，３６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を低くしてより低電流で駆動したり、光出力の振幅を調整したりできるという効果がある。
【０１７２】
なお、実施の形態４では電極を２つ設ける場合について説明したが、数はこれに限るものではなく、２つ以上の電極を用いた自励発振状態を有する他の半導体レーザについても同様に雑音の低減効果を得ることができる。
【０１７３】
また、可飽和吸収領域３４に付加雑音としての電流を注入し、光増幅領域に変調電流を入れても、雑音の低減効果を有する光出力が得られる。その場合、可飽和吸収領域３４へ注入できる電流の値の範囲が狭いため、電流値を好適に決定しづらい。しかしながら、レーザの発振閾値が最低値をとるタイミング（付加雑音の注入量によって変動）が変調電流の最大値に対して確率的に同期するので、注入電流値がヒステリシスの立ち上がり閾値を上下することとなり、変調光出力が得られる。
【０１７４】
また、可飽和吸収領域３４に注入する電流は一定電流ではなく変調電流でも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。その場合、変調回路が余分に必要になってしまうが、注入電流量によってヒステリシスを制御できるので光出力の特性を変えることができるという利点がある。
【０１７５】
また、半導体レーザ素子は窒化物を含まない、例えばＧａＡｓ系半導体レーザでも良い。その場合、窒化物半導体レーザとは異なる波長の光を利用できるという利点があるが、ＧａＡｓ系半導体レーザでは自励発振型素子の作製が窒化物半導体レーザよりも容易であるので、回路の構成によっては消費電力は自励発振型レーザのほうが少なくて済む場合もある。
【０１７６】
また、付加雑音としての電流は、光増幅領域３５，３６に注入する変調電流に付加してから注入せずとも、別々の回路を介して独立に電極に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になるが、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１７７】
以上のように、実施の形態４によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１７８】
また、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。
【０１７９】
［実施の形態５］
実施の形態５の半導体レーザは、半導体レーザ素子の構造において図１０に示した積層構造を用いた以外は、実施の形態１と同様の駆動方法により変調光出力を得た。
【０１８０】
図１０は、この発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【０１８１】
図１０に示すように、実施の形態５の半導体レーザ素子は、平板状のサファイア基板４１を有する。サファイア基板４１の上面を覆うようにＧａＮバッファ層４２が設けられている。ＧａＮバッファ層４２上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３（４４）が設けられている。ｎ型ＧａＮコンタクト層４３には、１方向に延びるように切れ込み部４３ａが形成されている。切れ込み部４３ａがＧａＮバッファ層４２の一部分を露出させる。切れ込み部４３ａは、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３の凸部４３ｂにまで達する。
【０１８２】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４３の上面４３ｃには、互いに切れ込み部４３ａにより分離されたｎ電極５２，５３が設けられている。
【０１８３】
凸部４３ｂは、切れ込み部４３ａと直交する方向に延びており、その凸部４３ｂ上には、ｎ型クラッド層４５が設けられている。ｎ型クラッド層４５上にはＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層４６が形成されている。多重量子井戸構造活性層４６は、可飽和吸収領域４６Ａと光増幅領域４６Ｂとの２つの領域により構成される。
【０１８４】
可飽和吸収領域４６Ａと光増幅領域４６Ｂとは、半導体レーザが双安定状態状態を満足する条件において作製されている。このとき、共振器方向における可飽和吸収領域４６Ａの長さは、共振器長さ全体の１０％とした。
【０１８５】
多重量子井戸構造活性層４６上にはｐ型クラッド層４７が形成されている。ｐ型クラッド層４７上には、互いに離隔するようにｐ型ＧａＮコンタクト層４８，４９が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層４８，４９上には、それぞれｐ電極５０，５１が形成されている。
【０１８６】
実施の形態５では、凸部４３ｂは、切れ込み部４３ａに対して直交する方向に延びるように形成されているが、凸部４３ｂの延びる方向はこれに限られるものではなく、切れ込み部４３ａと鋭角をなすように延びていてもよい。
【０１８７】
ｐ電極５０とｎ電極５２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４６Ａに印加される。ｐ電極５１とｎ電極５３との間に電位差を印加すると、この電位差が光増幅領域４６Ｂに印加される。
【０１８８】
可飽和吸収領域４６Ａと光増幅領域４６Ｂの共振器方向長さおよび両領域のキャリア寿命と微分利得は、双安定状態の条件を満たして作製されており、光増幅領域４６Ｂへの直流電流の注入によって半導体レーザは双安定状態となる。また可飽和吸収領域４６Ａとなる活性層の部分にはキャリア寿命を調整するために不純物を添加している。ここではＳｉを１×１０19ｃｍ-3添加した。
【０１８９】
以上のように、実施の形態５によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【０１９０】
また、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、作製の手順が複雑になるが、素子の集積化が容易になるという利点がある。
【０１９１】
なお、本発明は、窒化物半導体レーザをはじめとして、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＩＩ−ＶＩ系半導体など他の材料を用いた半導体レーザにも適用が可能なものである。
【０１９２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１９３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、自励発振状態を有する半導体レーザよりも作製の容易な双安定状態の半導体レーザを用いて、消費電力が低く回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた高い光出力のレーザ光を得ることができ、戻り光による雑音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの活性層への注入電流について説明するための図である。
【図３】 この発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの動作特性を説明するための図である。
【図４】 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）を示した図である。
【図５】 変調電流に正弦波または矩形波を用いたときの光出力を示した図である。
【図６】 実施の形態１での相対雑音強度（ＲＩＮ）の付加雑音強度依存性を示した図である。
【図７】 この発明の実施の形態２における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態３における半導体レーザ素子およびその駆動回路を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【図１１】 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である。
【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である。
【図１３】 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である。
【図１４】 従来の半導体レーザの動作特性を説明するための図である。
【図１５】 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である。
【図１６】 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である。
【図１７】 図１６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である。
【図１８】 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である。
【符号の説明】
１，２ ｐ電極、３ 光増幅領域、４ 可飽和吸収領域、５，６ ｎ電極、７ｐ型クラッド層、８ ｎ型ガリウム基板、１１ 変調電流供給回路、１２ 半導体レーザ素子、１３ 受光素子、１４ 結合コンデンサ、１５ ハイパスフィルタ、１６ 基準電流源、１７ プリアンプ、１８ 抵抗、２１ 半導体レーザ素子、２２ 光増幅領域、２３ 可飽和吸収領域、２４，２５ ｐ電極、２６ 定電流発生源、２７ 変調電流供給回路、２８ 付加雑音供給回路、２９ 結合器、３１，３２，３３ ｐ電極、３４ 可飽和吸収領域、３５，３６ 光増幅領域、３７ ｎ電極、３８ モニタ部、４１ サファイア基板、４２ ＧａＮバッファ層、４３，４４ ｎ型ＧａＮコンタクト層、４５ ｎ型クラッド層、４６ 多重量子井戸構造活性層、４６Ａ 可飽和吸収領域、４６Ｂ 光増幅領域、４７ｐ型クラッド層、４８，４９ ｐ型ＧａＮコンタクト層、５０，５１ ｐ電極、５２，５３ ｎ電極、１０１ ｐ電極、１０２ ｎ電極、１０３ ｎ型ＧａＡｓ基板、１０４ ｎ型ＧａＡｓバッファ層、１０５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１０６ ＧａＩｎＰ活性層、１０７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１０８ ｐ型ＧａＩｎＰ中間層、１０９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１０ リッジ、１１１，１１２ ｎ型ＧａＡｓ埋め込み層、１１３ 光増幅領域、１１４，１１５ 可飽和吸収領域、１２１ サファイア基板、１２２ ｎ型ＧａＮコンタクト層、１２３ ｎ型ＡｌbＧａ1-bＮクラッド層、１２４ 活性層、１２５ ｐ型ＡｌaＧａ1-aＮクラッド層、１２５ａ 平坦部、１２５ｂ 下段ストライプ部、１２５ｃ 上段ストライプ部、１２６，１２７ ｎ型ＡｌcＧａ1-cＮ電流狭窄層、１２８ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１２９ ｎ電極、１３０ ｐ電極、１４１ ｎ電極、１４２ ｎ型ＧａＡｓ基板、１４３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層、１４５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４６ ＡｌＧａＩｎＰ活性層、１４７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１４８ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ可飽和吸収層、１４９ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１５０，１５１ ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層、１５２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１５３ ｐ電極、１６１ 光増幅領域、１６２ 可飽和吸収領域、１６３ 活性層。
Claims (12)
- 変調光出力によって戻り光雑音を低減させる半導体レーザ装置であって、
半導体レーザと、
前記半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動部とを備え、
前記半導体レーザは、
前記半導体レーザがヒステリシス特性を有する双安定状態を満足するように光増幅領域および可飽和吸収領域が形成された活性層と、
前記活性層に電流を注入するように設けられた第１の極性の電極と、
前記活性層に電流を注入するように設けられた、前記第１の極性の電極と対をなす第２の極性の電極とを含み、
前記半導体レーザ駆動部は、前記第１および第２の極性の電極を介して前記光増幅領域に電流を注入し、該注入される電流は変調電流と雑音電流とを重ね合わせることにより生成され、前記雑音電流は、前記変調電流に付加されたときに前記変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超え、前記変調電流に付加されていなければ前記変調電流の最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えないように設定されている、半導体レーザ装置。 - 前記活性層は、可飽和吸収領域の両側に２つの光増幅領域が形成され、
前記２つの光増幅領域は、それぞれが前記半導体レーザの出射面を有する、請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 前記変調電流は矩形波である、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記雑音電流はランダムな強度変化を有する、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％以下である、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記雑音電流の最大値と最小値との差は、前記光増幅領域に注入される前記変調電流の振幅以下である、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体レーザは、
基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に、切れ込み部をともなって形成された第１の導電型のコンタクト層と、
前記第１の導電型のコンタクト層上に、前記切れ込み部によって分離されずに形成された第１の導電型のクラッド層とを備え、前記活性層は、前記第１の導電型のクラッド層上に形成され、前記半導体レーザはさらに、
前記活性層上に形成された第２の導電型のクラッド層と、
前記第２の導電型のクラッド層上に互いに分離して形成された、第２の導電型の第１および第２のコンタクト層とを備え、
前記第１の極性の電極は、前記第１の導電型のコンタクト層上に、前記切れ込み部によって分離されて形成された第１の導電型の第１および第２の電極を含み、
前記第２の極性の電極は、前記第２の導電型の第１のコンタクト層上に形成された第２の導電型の第１の電極と、前記第２の導電型の第２のコンタクト層上に形成された第２の導電型の第２の電極とを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 - 前記基板は、サファイヤにより構成され、
前記バッファ層は、ＧａＮにより構成され、
前記第１の導電型のコンタクト層は、ＧａＮにより構成され、
前記活性層は、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造を有し、
前記第２の導電型のコンタクト層は、ＧａＮにより構成される、請求項７に記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体レーザ駆動部は、
前記半導体レーザの光増幅領域に変調電流を供給する変調電流供給回路と、
前記半導体レーザの光増幅領域に雑音電流を供給する雑音電流供給回路とを含む、請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体レーザ駆動部は、
前記半導体レーザの一方の出射面からの出力光の制御に利用するために、前記半導体レーザの他方の出射面からの出力光をモニタするモニタ部をさらに含む、請求項２に記載の半導体レーザ装置。 - 前記雑音電流供給回路は、
前記半導体レーザからの出力光を電気信号に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子から出力された電気信号のうち、前記変調電流の変調周波数よりも高い周波数成分のみを抽出するハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタによって抽出された高周波成分の電気信号を調整し、前記雑音電流として前記半導体レーザに注入するプリアンプとを含む、請求項９に記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体レーザ駆動部は、
前記変調電流と前記雑音電流とを結合し、前記半導体レーザの光増幅領域へと注入する結合器と、
前記半導体レーザの可飽和吸収領域に定電流を注入する定電流供給回路とをさらに含む、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
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