JP6760072B2 - 光半導体素子及びレーザ装置組立体 - Google Patents

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Description

本開示は、光半導体素子及びレーザ装置組立体に関する。
超短パルスレーザに関する技術は、１９６０年後半から進展し始め、近年、急速に発展し、盛んに研究が行われている。ところで、その光源として、主に、チタンサファイアレーザを代表とする高価で大型、且つ、高精度の固体レーザ装置が用いられており、この点が技術の普及を阻害する要因の１つとなっている。もしも超短パルスレーザが半導体レーザ素子で実現できれば、大幅な小型化、低価格化、高安定性化がもたらされ、この分野の高度な科学技術を普及させる上でブレイクスルーになることが期待できる。例えば、波長領域が４０５ｎｍ帯である超短パルスレーザが半導体レーザ素子のみで実現できれば、ブルーレイ（登録商標）の次の体積型次世代光ディスク光源として用いることができるだけでなく、可視光域の全波長帯をカバーした手軽な超短パルス光源が実現できる。それ故、医療、バイオイメージング、光造詣等の領域だけでなく、種々の幅広い分野で要求される光源を提供することができ、科学技術の進歩に著しい貢献をもたらすと考えられる。
また、レーザ光源においては、高出力化も大きな課題となっている。そのため、半導体レーザ素子の高出力化だけでなく、レーザ光源からの光を増幅する手段として、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier，ＳＯＡ）が、鋭意検討されている。これまで、光増幅器は主に光通信用の用途として開発されてきたため、４０５ｎｍ帯での半導体光増幅器の実用化は前例が殆どない。ＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体を用い、テーパー状のリッジストライプ構造を有する１．５μｍ帯の半導体光増幅器が、例えば、特開平５−０６７８４５から周知である。この特許公開公報に開示された技術にあっては、半導体光増幅器において、単一モード条件を満たす狭い入力側の光導波路から出力側の光導波路へ光導波路幅をテーパー状に緩やかに広げることで光導波路幅に従ってモードフィールドを拡大させ、半導体光増幅器の最高出力の拡大を図っている。
また、第１化合物半導体層、第３化合物半導体層及び第２化合物半導体層の積層構造体から成り、リッジストライプ構造を有し、積層構造体によって３つの領域（第１発光領域、可飽和吸収領域及び第２発光領域）が構成され、光出射端面側に位置する第２発光領域は光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状を有する半導体レーザ素子（具体的には、モード同期半導体レーザ素子）が、特開２０１２−１５１２１０から周知である。
特開平５−０６７８４５ 特開２０１２−１５１２１０
特開平５−０６７８４５に開示されたように、光導波路幅を光出射端面側に向かってテーパー状に広げることで半導体光増幅器の最高出力の拡大を達成することはできるが、半導体光増幅器から出射されたレーザ光のビーム品質は高いものではない。また、特開２０１２−１５１２１０に開示された技術は、可飽和吸収領域等における損傷発生を防止することを目的としており、高出力化、レーザ光のビーム高品質化を目指したものではない。
従って、本開示の目的は、出射する光のビーム高品質化と高出力化とを同時に達成することを可能とする構成、構造を有する光半導体素子、及び、係る光半導体素子を組み込んだレーザ装置組立体を提供することにある。
上記の目的を達成するための本開示の光半導体素子は、第１化合物半導体層、第３化合物半導体層（活性層）及び第２化合物半導体層から成る積層構造体を備えており、
導波路幅Ｗ1を有する基本モード導波路領域、幅がＷ1よりも広い自由伝搬領域、及び、光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状（フレア形状）を有する光出射領域が、この順に配置されて成る。
上記の目的を達成するための本開示のレーザ装置組立体は、
レーザ光源、及び、
レーザ光源から出射されたレーザ光を増幅する、上記の本開示の光半導体素子から成る半導体光増幅器（ＳＯＡ）、
を備えており、
半導体光増幅器を構成する光半導体素子における光出射領域の軸線と光出射端面とは鋭角で交わっている。
本開示の光半導体素子、あるいは、本開示のレーザ装置組立体における半導体光増幅器を構成する光半導体素子（以下、これらの光半導体素子を総称して、『本開示の光半導体素子等』と呼ぶ）にあっては、光出射領域が光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状を有するので、光出射領域においてモードフィールドを拡大させることができ、光半導体素子の高光出力を達成することができるし、光半導体素子から半導体光増幅器を構成する場合、単一横モードを維持したまま光を増幅することができる。しかも、基本モード導波路領域の導波路幅Ｗ1よりも広い幅を有する自由伝搬領域が備えられているので、出射される光のビーム高品質化を達成することができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、実施例１の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図、及び、実施例１の光半導体素子（半導体光増幅器）のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。 図２は、実施例１の光半導体素子（半導体光増幅器）のＹＺ平面に沿った模式的な一部断面図である。 図３は、実施例１のレーザ装置組立体の概念図である。 図４は、実施例１の光半導体素子（半導体光増幅器）のＭ2値の測定結果を示すグラフである。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、実施例２の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図、及び、実施例２の光半導体素子（半導体光増幅器）のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、実施例３の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図、及び、実施例３の光半導体素子（半導体光増幅器）のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、実施例４の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図、及び、実施例４の光半導体素子（半導体光増幅器）のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ、実施例５の光半導体素子（モード同期半導体レーザ素子）の模式的な平面図、及び、実施例５の光半導体素子（モード同期半導体レーザ素子）のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、実施例５におけるレーザ装置組立体の概念図である。 図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、実施例５におけるレーザ装置組立体の概念図である。 図１１は、レーザ装置組立体のレーザ光源を構成するモード同期半導体レーザ素子の変形例のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。 図１２は、レーザ装置組立体のレーザ光源を構成するモード同期半導体レーザ素子の別の変形例のＸＺ平面に沿った模式的な断面図である。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の光半導体素子及びレーザ装置組立体、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の光半導体素子及び本開示のレーザ装置組立体）
３．実施例２（実施例１の変形。半導体光増幅器）
４．実施例３（実施例１の別の変形）
５．実施例４（実施例１の更に別の変形）
６．実施例５（実施例１の更に別の変形。モード同期半導体レーザ素子）
７．その他
〈本開示の光半導体素子及びレーザ装置組立体、全般に関する説明〉
本開示のレーザ装置組立体において、レーザ光源からのレーザ光が入射する基本モード導波路領域の部分の幅は、入射するレーザ光の幅と等しい形態とすることができる。ここで、「等しい」とは、
０．８≦（半導体レーザ素子からのレーザ光が入射する基本モード導波路領域の部分の幅Ｗ10）／（入射するレーザ光の幅ＷLaser）≦１．２
であることを意味する。また、レーザ光源は半導体レーザ素子から成る形態とすることができる。
上記の好ましい形態を含む本開示の光半導体素子等において、自由伝搬領域の長さをＬ2、基本モード導波路領域から自由伝搬領域へと向かう光の回折角をθ1、光出射領域と自由伝搬領域との境界部分の幅をＷ2としたとき、
Ｗ2＞２Ｌ2・ｔａｎ（θ1）＋Ｗ1
を満足する形態とすることができる。ここで、回折角θ1は、基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域の平均屈折率をｎ1-ave、基本モード導波路領域を導波する光の主たる波長（ピーク波長）をλ0としたとき、ガウシアンビームのフラウンホーファ回折による広がりとすると、
Figure 0006760072
といった式で表すことができる。
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の光半導体素子等において、光出射領域から出射される光のＭ2の値は３以下であることが好ましい。ここで、Ｍ2（ビーム伝搬率とも呼ばれる）は、光出射領域から出射される光が、シングルモードＴＥＭ00にどの程度、近いかを示す指標であり、理想的な値（完全なガウシアンビームの場合の値）は「１．０」である。Ｍ2は、例えば、ＩＳＯ １１１４６−１に規定されている。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の光半導体素子等において、
基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第１部分が形成されており、
自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第２部分が形成されており、
光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第３部分が形成されており、
更に、積層構造体を構成する第１化合物半導体層と電気的に接続された第１電極が設けられている構成とすることができる。
そして、このような構成にあっては、
第２電極の第１部分と第２電極の第２部分とは繋がっており、
第２電極の第２部分と第２電極の第３部分とは分離されており、
第２電極の第１部分及び第２電極の第２部分と第１電極との間には直流の電圧（順バイアス）が印加され、
第２電極の第３部分と第１電極との間にはパルス状の電圧（順バイアス）が印加される形態とすることができ、更には、第２電極の第３部分には、第２電極の第３部分１ｃｍ2当たり３×１０3アンペア以上の電流が流される形態とすることができる。
あるいは、このような構成にあっては、
第２電極の第１部分と第２電極の第２部分と第２電極の第３部分とは繋がっており、
第２電極の第１部分、第２電極の第２部分及び第２電極の第３部分と第１電極との間には直流の電圧（順バイアス）が印加される形態とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の光半導体素子等において、基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域、自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域、及び、光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域はリッジストライプ構造を有する形態とすることができ、即ち、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造、Separate Confinement Heterostructure）を有する形態とすることができ、あるいは又、基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域のみがリッジストライプ構造を有する形態とすることができる。尚、後者の場合、自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域、及び、光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域においては、ゲイン・ガイド方式あるいはインデックス・ガイド方式に基づき各領域を区画することができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の光半導体素子等において、光出射端面近傍には電流非注入領域が設けられている形態とすることができ、これによって、光出射端面における損傷発生を防止することができる。尚、光出射端面と対向する端面近傍に電流非注入領域が設けられている形態とすることもできるし、光出射端面近傍、及び、光出射端面と対向する端面近傍に電流非注入領域が設けられている形態とすることもできる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の光半導体素子等において、積層構造体はＧａＮ系化合物半導体から成る形態とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の光半導体素子等において、自由伝搬領域の平均幅をＷ2-ave、光出射端面に対向する光出射領域の部分の幅をＷ3としたとき、
０．５μｍ≦Ｗ1≦２．５μｍ
１．２≦Ｗ2-ave／Ｗ1≦５００
２０μｍ≦Ｗ3≦６５０μｍ
を満足することが好ましい。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の光半導体素子等において、光出射領域の軸線と光出射端面とは鋭角で交わっている形態とすることができ、更には、このような形態を含む、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の光半導体素子等において、光半導体素子は半導体光増幅器（ＳＯＡ）から成る形態とすることができるし、光半導体素子は半導体レーザ素子（ＬＤ）から成る形態とすることができ、後者の場合、半導体レーザ素子として、例えば、モード同期半導体レーザ素子を挙げることができる。半導体光増幅器は、入射する光ビームの光強度を２倍以上増幅して出射することが好ましい。
基本モード導波路領域とは、基本モードのみを伝搬する導波路領域と定義することができるし、自由伝搬領域とは、横方向に関して光の閉じ込めが無い状態で光を自由に伝搬する領域と定義することができる。基本モード導波路領域の導波路幅Ｗ1は一定であることが好ましい。また、自由伝搬領域の幅も一定（Ｗ2）であることが好ましいが、場合によっては、光出射領域側に向かって幅が広がったテーパー形状（フレア形状）を有していてもよい。光出射領域は光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状（フレア形状）を有するが、光出射領域の軸線に沿った光出射領域の境界線は、直線状であってもよいし、湾曲していてもよい。尚、以下の説明において、積層構造体の長さ方向をＸ方向とし、積層構造体の幅方向をＹ方向とし、積層構造体の厚さ方向をＺ方向とする。また、光出射端面を『第２端面』と呼び、光半導体素子の第２端面と対向する端面を『第１端面』と呼ぶ場合がある。
本開示の光半導体素子等において、第１化合物半導体層、第３化合物半導体層（活性層）、及び、第２化合物半導体層は、例えば、上述したとおり、ＧａＮ系化合物半導体から成るが、積層構造体は、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成る構成とすることができる。ここで、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体として、より具体的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子、アンチモン（Ｓｂ）原子が含まれていてもよい。また、発光領域や利得領域〈後述する可飽和吸収領域を含む〉等を構成する第３化合物半導体層（活性層）は、例えば、量子井戸構造を有する。具体的には、単一量子井戸構造［ＳＱＷ構造］を有していてもよいし、多重量子井戸構造［ＭＱＷ構造］を有していてもよい。量子井戸構造を有する第３化合物半導体層（活性層）は、井戸層及び障壁層が、少なくとも１層、積層された構造を有するが、（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の組合せとして、（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ，ＧａＮ）、（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ，ＩｎzＧａ(1-z)Ｎ）［但し、ｙ＞ｚ］、（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ，ＡｌＧａＮ）を例示することができる。井戸層の厚さは、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上、８ｎｍ以下であり、障壁層の不純物ドーピング濃度は、２×１０18ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下、好ましくは、１×１０19ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下とすることが好ましいが、これらに限定するものではない。
第２化合物半導体層において、第３化合物半導体層と電子障壁層との間には、ノンドープ化合物半導体層（例えば、ノンドープＩｎＧａＮ層、あるいは、ノンドープＡｌＧａＮ層）を形成してもよい。更には、第３化合物半導体層とノンドープ化合物半導体層との間に、光ガイド層としてのノンドープＩｎＧａＮ層を形成してもよい。第２化合物半導体層の最上層を、ＭｇドープＧａＮ層（ｐ側コンタクト層）が占めている構造とすることもできる。電子障壁層、ノンドープ化合物半導体層、光ガイド層、ｐ側コンタクト層は、第２化合物半導体層を構成する。
本開示の光半導体素子等において、光出射領域の軸線と面光出射端面（第２端面）とが鋭角〈角度：９０−θ3（度）〉で交わっている形態にあっては、０．１度≦θ3≦１０度を例示することができる。光出射領域がリッジストライプ構造を有する場合、光出射領域の軸線とは、第２端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、光出射領域と自由伝搬領域との境界部分（以下、『第２境界部分』と呼ぶ場合がある）におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。また、基本モード導波路領域のみがリッジストライプ構造を有する場合、光出射領域の軸線とは、第２端面側の第２電極の第３部分の端部の二等分点と、自由伝搬領域側の第２電極の第３部分の端部の二等分点とを結ぶ直線である。自由伝搬領域がリッジストライプ構造を有する場合、自由伝搬領域の軸線とは、第２境界部分におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、自由伝搬領域と基本モード導波路領域との境界部分（以下、『第１境界部分』と呼ぶ場合がある）におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。また、基本モード導波路領域のみがリッジストライプ構造を有する場合、自由伝搬領域の軸線とは、光出射領域側の第２電極の第２部分の端部の二等分点と、基本モード導波路領域側の第２電極の第２部分の端部の二等分点とを結ぶ直線である。基本モード導波路領域の軸線とは、第１境界部分におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、第１端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。光出射領域の軸線と、自由伝搬領域の軸線とは、同一直線上にあってもよいし、同一直線上になくともよい。基本モード導波路領域の軸線と、自由伝搬領域の軸線とは、同一直線上にある。
本開示のレーザ装置組立体において、レーザ光源を半導体レーザ素子から構成する場合、半導体レーザ素子として、モード同期半導体レーザ素子を挙げることができる。但し、レーザ光源はこのような形態に限定するものではなく、連続発振型の周知のレーザ光源、利得スイッチング方式、損失スイッチング方式（Ｑスイッチング方式）等を含む種々の方式・形式の周知のパルス発振型のレーザ光源、チタンサファイヤレーザといったレーザ光源を用いることもできる。
半導体光増幅器は、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得で入射光を増幅する。本開示の光半導体素子から半導体光増幅器を構成する場合、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光強度密度は、限定するものではないが、光出射端面（第２端面）を構成する第３化合物半導体層（活性層）１ｃｍ2当たり６０キロワット以上、好ましくは６００キロワット以上である構成とすることができる。また、半導体光増幅器は、透過型半導体光増幅器から構成されている形態とすることができるが、これに限定するものではなく、例えば、半導体レーザ素子と半導体光増幅器とが一体になったモノリシック型半導体光増幅器から構成されている形態とすることもできる。
本開示の光半導体素子から半導体レーザ素子を構成する場合、半導体レーザ素子は、更に、外部鏡（外部反射鏡）を備えている形態とすることができる。即ち、外部共振器型の半導体レーザ素子とすることができる。あるいは又、モノリシック型の半導体レーザ素子とすることもできる。外部共振器型の半導体レーザ素子は、集光型であってもよいし、コリメート型であってもよい。外部共振器型の半導体レーザ素子にあっては、光ビーム（光パルス）が出射される積層構造体の一端面の光反射率は０．５％以下であることが好ましい。この光反射率の値は、従来の半導体レーザ素子において光ビーム（光パルス）が出射される積層構造体の一端面の光反射率（通常、５％乃至１０％）よりも格段に低い値である。外部共振器型の半導体レーザ素子にあっては、外部共振器長さ（Ｘ’，単位：ｍｍ）の値は、
０＜Ｘ’＜１５００
好ましくは、
３０≦Ｘ’≦３００
であることが望ましい。ここで、外部共振器は、半導体レーザ素子の光反射端面と、外部共振器構造を構成する例えば反射鏡によって構成され、外部共振器長さとは、半導体レーザ素子の光反射端面と反射鏡との間の距離である。また、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）に適用することも可能である。
本開示の光半導体素子から半導体レーザ素子を構成する場合、少なくとも第２端面には低反射コート層が形成されている構成とすることができる。また、本開示の光半導体素子から半導体光増幅器を構成する場合、第１端面及び第２端面には低反射コート層が形成されている構成とすることができる。ここで、低反射コート層は、例えば、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも２種類の層の積層構造から成る。
本開示の光半導体素子等において、第２化合物半導体層の上には第２電極が形成されている。ここで、第２電極は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）単層、ニッケル（Ｎｉ）単層、白金（Ｐｔ）単層、パラジウム層が第２化合物半導体層に接するパラジウム層／白金層の積層構造、又は、パラジウム層が第２化合物半導体層に接するパラジウム層／ニッケル層の積層構造から構成することができる。下層金属層をパラジウムから構成し、上層金属層をニッケルから構成する場合、上層金属層の厚さを、０．１μｍ以上、好ましくは０．２μｍ以上とすることが望ましい。あるいは又、第２電極を、パラジウム（Ｐｄ）単層から構成することが好ましく、この場合、厚さを、２０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上とすることが望ましい。あるいは又、第２電極を、パラジウム（Ｐｄ）単層、ニッケル（Ｎｉ）単層、白金（Ｐｔ）単層、又は、下層金属層が第２化合物半導体層に接する下層金属層と上層金属層の積層構造（但し、下層金属層は、パラジウム、ニッケル及び白金から成る群から選択された１種類の金属から構成され、上層金属層は、第２電極の第２部分と第３部分との間に分離溝を形成する際のエッチングレートが、下層金属層のエッチングレートと同じ、あるいは同程度、あるいは、下層金属層のエッチングレートよりも高い金属から構成されている）から構成することが好ましい。
第１導電型をｎ型とするとき、ｎ型の導電型を有する第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを例示することができる。第１電極は第１化合物半導体層に電気的に接続されているが、第１電極が第１化合物半導体層上に形成された形態、第１電極が導電材料層や導電性の基板や基体を介して第１化合物半導体層に接続された形態が包含される。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等の各種ＰＶＤ法にて成膜することができる。
第１電極や第２電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ａｕの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。
本開示の光半導体素子等を構成する各種の化合物半導体層（例えば、ＧａＮ系化合物半導体層）を基板や基体に順次形成するが、ここで、基板や基体として、サファイア基板の他にも、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＬｉＧａＯ2基板、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板、ＩｎＰ基板、Ｓｉ基板、これらの基板の表面（主面）に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。主に、ＧａＮ系化合物半導体層を基板や基体に形成する場合、ＧａＮ基板が欠陥密度の少なさから好まれるが、ＧａＮ基板は成長面によって、極性／無極性／半極性と特性が変わることが知られている。また、本開示の光半導体素子等を構成する各種の化合物半導体層（例えば、ＧａＮ系化合物半導体層）の形成方法として、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法，ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。
ここで、ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、ｎ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。また、ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ4ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いればよい。ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ、Ｐｄ、Ｐｏを挙げることができるし、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｃ、Ｈｇ、Ｓｒを挙げることができる。
本開示の光半導体素子等において、積層構造体がリッジストライプ構造を有する場合、このリッジストライプ構造は、第２化合物半導体層のみから構成されていてもよいし、第２化合物半導体層及び第３化合物半導体層から構成されていてもよいし、第２化合物半導体層、第３化合物半導体層、及び、第２化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されていてもよい。リッジストライプ構造の形成にあっては、化合物半導体層を、例えば、ドライエッチング法でパターニングすればよい。
本開示のレーザ装置組立体における好ましい半導体レーザ素子として、前述したとおり、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子を挙げることができる。可飽和吸収領域への逆バイアス電圧Ｖsaに基づき発振特性を制御することができるので、発振特性の制御が容易である。具体的には、モード同期半導体レーザ素子は、積層構造体の長さ方向（Ｘ方向）に沿って発光領域と可飽和吸収領域とを並置したバイ・セクション（Bi Section）型のモード同期半導体レーザ素子から成り、
バイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子は、
（ａ）第１導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第３化合物半導体層（活性層）、並びに、第１導電型と異なる第２導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
（ｂ）第２化合物半導体層上に形成された第２電極、並びに、
（ｃ）第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、
を備えており、
第２電極は、発光領域を経由して第１電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第２電極・第１領域と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第２電極・第２領域とに、分離溝によって分離されている形態とすることができる。そして、第２電極・第１領域から発光領域を経由して第１電極に直流電流を流して順バイアス状態とし、第１電極と第２電極・第２領域との間に電圧（逆バイアス電圧Ｖsa）を印加することによって可飽和吸収領域に電界を加えることで、モード同期動作させることができる。即ち、モード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極・第１領域から積層構造体を介して第１電極に電流が流されることで、発光領域において光パルスが発生する。第１化合物半導体層は、基板や基体上に形成されている。
モード同期半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域の長さは発光領域の長さよりも短い構成とすることができる。あるいは又、第２電極・第１領域の長さと第２電極・第２領域の長さの合計は第３化合物半導体層（活性層）の長さよりも短い構成とすることができる。尚、「長さ」は、積層構造体の長さ方向（Ｘ方向）に沿った長さである。第２電極・第１領域と第２電極・第２領域の配置状態として、具体的には、
（１）１つの第２電極・第１領域と１つの第２電極・第２領域とが設けられ、第２電極・第１領域と、第２電極・第２領域とが、分離溝を挟んで配置されている状態
（２）１つの第２電極・第１領域と２つの第２電極・第２領域とが設けられ、第２電極・第１領域の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第２電極・第２領域と対向し、第２電極・第１領域の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第２電極・第２領域と対向している状態
（３）２つの第２電極・第１領域と１つの第２電極・第２領域とが設けられ、第２電極・第２領域の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第２電極・第１領域と対向し、第２電極・第２領域の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第２電極・第１領域と対向している状態（即ち、第２電極・第２領域を第２電極・第１領域で挟んだ構造）
を挙げることができる。また、広くは、
（４）Ｎ個の第２電極・第１領域と（Ｎ−１）個の第２電極・第２領域とが設けられ、第２電極・第１領域が第２電極・第２領域を挟んで配置されている状態
（５）Ｎ個の第２電極・第２領域と（Ｎ−１）個の第２電極・第１領域とが設けられ、第２電極・第２領域が第２電極・第１領域を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。（４）及び（５）の状態は、云い換えれば、
（４’）Ｎ個の発光領域［キャリア注入領域、利得領域］と（Ｎ−１）個の可飽和吸収領域［キャリア非注入領域］とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
（５’）Ｎ個の可飽和吸収領域［キャリア非注入領域］と（Ｎ−１）個の発光領域［キャリア注入領域、利得領域］とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。（３）、（５）、（５’）の構造を採用することで、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。
モード同期半導体レーザ素子において、第２電極・第１領域と第２電極・第２領域とに分離する分離溝の幅は、１μｍ以上、半導体レーザ素子における積層構造体の長さ方向（Ｘ方向）に沿った長さの５０％以下、好ましくは１０μｍ以上、１０％以下であることが望ましい。また、リッジストライプ構造の両側面よりも外側に位置する第２化合物半導体層の部分の頂面から第３化合物半導体層（活性層）までの距離（Ｄ）は１．０×１０-7ｍ（０．１μｍ）以上であることが好ましい。距離（Ｄ）をこのように規定することによって、第３化合物半導体層の両脇（Ｙ方向）に可飽和吸収領域を確実に形成することができる。距離（Ｄ）の上限は、閾値電流の上昇、温度特性、長期駆動時の電流上昇率の劣化等に基づき決定すればよい。
また、第２電極・第１領域と第２電極・第２領域との間の電気抵抗値は、１×１０2Ω以上、好ましくは１×１０3Ω以上、より好ましくは１×１０4Ω以上であることが望ましい。あるいは又、第２電極・第１部分と第２電極・第２領域との間の電気抵抗値は、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１×１０倍以上、好ましくは１×１０2倍以上、より好ましくは１×１０3倍以上であることが望ましい。
ここで、第２電極・第１領域と第２電極・第２領域との間の電気抵抗値を、１×１０2Ω以上とし、あるいは又、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１０倍以上とする形態を採用することで、第２電極・第１領域から第２電極・第２領域への漏れ電流の流れを確実に抑制することができる。即ち、発光領域（キャリア注入領域、利得領域）に注入する電流を増加させることができると同時に、可飽和吸収領域（キャリア非注入領域）へ印加する逆バイアス電圧Ｖsaを高くすることができる。しかも、第２電極・第１領域と第２電極・第２領域との間のこのような高い電気抵抗値を、第２電極を第２電極・第１領域と第２電極・第２領域とに分離溝によって分離するだけで達成することができる。即ち、モード同期による光パルス生成を一層容易に実現することができる。
モード同期半導体レーザ素子においては、前述したとおり、第１電極と第２電極・第２領域との間に逆バイアス電圧Ｖsaを印加する構成（即ち、第１電極を正極、第２電極・第２領域を負極とする構成）とすることが望ましい。第２電極・第２領域には、第２電極・第１領域に印加するパルス電流あるいはパルス電圧と同期したパルス電流あるいはパルス電圧を印加してもよいし、直流バイアスを印加してもよい。また、第２電極から発光領域を経由して第１電極に電流を流し、且つ、第２電極から発光領域を経由して第１電極に外部電気信号を重畳させる形態とすることができる。そして、これによって、レーザ光と外部電気信号との間の同期を取ることができる。あるいは又、積層構造体の一端面から光信号を入射させる形態とすることができる。そして、これによっても、レーザ光と光信号との間の同期を取ることができる。本開示の光半導体素子等をモード同期半導体レーザとして動作させるには、本開示における導波路構造を利得媒体として使用して、別途、可飽和吸収領域を設ければよい。そして、半導体導波路の一部に、別途、電極を設けて、可飽和吸収領域に逆バイアス電圧を印加する方式でもよいし、可飽和吸収ミラー（SESAM, Semiconductor Saturable Absorber Mirror）を用いてもよい。
モード同期半導体レーザ素子は、バイ・セクション型（Bi Section型、２電極型）の半導体レーザ素子に限定するものではなく、その他、マルチセクション型（多電極型）の半導体レーザ素子、発光領域と可飽和吸収領域とを垂直方向に配置したＳＡＬ（Saturable Absorber Layer）型や、リッジストライプ構造に沿って可飽和吸収領域を設けたＷＩ（Weakly Index guide）型の半導体レーザ素子を採用することもできる。
本開示の光半導体素子あるいはレーザ装置組立体を、例えば、光ディスクシステム、通信分野、光情報分野、光電子集積回路、非線形光学現象を応用した分野、光スイッチ、レーザ計測分野や種々の分析分野、超高速分光分野、多光子励起分光分野、質量分析分野、多光子吸収を利用した顕微分光の分野、化学反応の量子制御、ナノ３次元加工分野、多光子吸収を応用した種々の加工分野、医療分野、バイオイメージング分野、量子情報通信分野、量子情報処理分野といった分野に適用することができる。
実施例１は、本開示の光半導体素子（発光素子）及びレーザ装置組立体に関する。実施例１の光半導体素子は、具体的には、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、より具体的には、透過型半導体光増幅器である。実施例１の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図を図１Ａに示し、ＸＺ平面に沿った模式的な断面図を図１Ｂに示し、ＹＺ平面に沿った模式的な一部断面図を図２に示す。尚、図１Ｂは、図１Ａ及び図２の矢印Ｉ−Ｉに沿った模式的な断面図であり、図２は、図１Ｂの矢印ＩＩ−ＩＩに沿った模式的な断面図である。また、実施例１のレーザ装置組立体の概念図を図３に示す。
実施例１の光半導体素子（以下、『半導体光増幅器２００』と呼ぶ）は、第１化合物半導体層２１、第３化合物半導体層（活性層）２３及び第２化合物半導体層２２から成る（これらの化合物半導体層２１，２３，２２が、順次、積層されて成る）積層構造体２０を備えており、導波路幅Ｗ1を有する基本モード導波路領域４０、幅がＷ1よりも広い自由伝搬領域５０、及び、光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状（フレア形状）を有する光出射領域６０が、この順に配置（並置）されて成る。そして、自由伝搬領域５０の長さをＬ2、基本モード導波路領域４０から自由伝搬領域５０へと向かう光の回折角をθ1、光出射領域６０と自由伝搬領域５０との境界部分の幅をＷ2としたとき、
Ｗ2＞２Ｌ2・ｔａｎ（θ1）＋Ｗ1
を満足する。第１化合物半導体層２１は第１導電型（具体的には、ｎ型）を有し、第２化合物半導体層２２は第１導電型とは異なる第２導電型（具体的には、ｐ型）を有する。
そして、実施例１の半導体光増幅器２００において、基本モード導波路領域４０を構成する積層構造体２０の第１の領域２０1における第２化合物半導体層２２の上には、第２電極の第１部分３２1が形成されている。また、自由伝搬領域５０を構成する積層構造体２０の第２の領域２０2における第２化合物半導体層２２の上には、第２電極の第２部分３２2が形成されている。更には、光出射領域６０を構成する積層構造体２０の第３の領域２０3における第２化合物半導体層２２の上には、第２電極の第３部分３２3が形成されている。また、積層構造体２０を構成する第１化合物半導体層２１と電気的に接続された第１電極３１が設けられている。積層構造体２０はＧａＮ系化合物半導体から成る。尚、第２電極の第１部分３２1、第２部分３２2及び第３部分３２3を纏めて、参照番号３２あるいは参照番号３２Ａで示す場合がある。
ここで、実施例１の半導体光増幅器２００にあっては、第２電極の第１部分３２1と第２電極の第２部分３２2とは繋がっている。一方、第２電極の第２部分３２2と第２電極の第３部分３２3とは分離されている。そして、第２電極の第１部分３２1及び第２電極の第２部分３２2と第１電極３１との間には直流の電圧（順バイアス）Ｖgainが印加され、第２電極の第３部分３２3と第１電極３１との間にはパルス状の電圧（例えば、１００キロヘルツのパルス状の順バイアス電圧Ｖgain）が印加される。第２電極の第３部分３２3には、第２電極の第３部分１ｃｍ2当たり３×１０3アンペア以上の電流、具体的には、例えば、６×１０3アンペアの電流が流される。第２電極の第３部分３２3と第１電極３１との間にパルス状の電圧を印加することで、より一層多くの電流を第２電極の第３部分３２3と第１電極３１との間に流すことができる。
また、実施例１の半導体光増幅器２００において、基本モード導波路領域４０を構成する積層構造体２０の第１の領域２０1、自由伝搬領域５０を構成する積層構造体２０の第２の領域２０2、及び、光出射領域６０を構成する積層構造体２０の第３の領域２０3はリッジストライプ構造２０Ａを有する。即ち、実施例１の半導体光増幅器２００は、全体として、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）を有する。
更には、実施例１の半導体光増幅器２００において、自由伝搬領域５０の平均幅をＷ2-ave、光出射端面（第２端面２５）に対向する光出射領域６０の部分の幅をＷ3としたとき、
０．５μｍ≦Ｗ1≦２．５μｍ
１．２≦Ｗ2-ave／Ｗ1≦５００
２０μｍ≦Ｗ3≦６５０μｍ
を満足する。基本モード導波路領域４０の導波路幅Ｗ1は一定であり、自由伝搬領域５０の幅も一定（Ｗ2）である。光出射領域６０は光出射端面（第２端面２５）に向かって幅が広がったテーパー形状を有するが、光出射領域６０の軸線に沿った光出射領域６０の境界線は、図示した例では、直線状である。但し、これに限定するものではなく、湾曲していてもよい。基本モード導波路領域４０、自由伝搬領域５０及び光出射領域６０の軸線を一点鎖線で示すが、基本モード導波路領域４０、自由伝搬領域５０及び光出射領域６０の軸線は同一直線上にある。
更には、光出射領域６０の軸線と光出射端面（第２端面２５）とは鋭角（９０度−θ3度）で交わっている。
第１端面２４及び第２端面２５には低反射コート層（ＡＲ）が形成されているが、低反射コート層の図示は省略している。低反射コート層は、例えば、１層の酸化チタン層と１層の酸化アルミニウム層とが積層された構造を有する。第１端面２４から入射されたレーザ光は、半導体光増幅器２００の内部で光増幅され、反対側の光出射端面（第２端面２５）から出力される。レーザ光は基本的に一方向にのみ導波される。
また、実施例１のレーザ装置組立体は、
レーザ光源１００、及び、
レーザ光源１００から出射されたレーザ光を増幅する、実施例１の光半導体素子から成る半導体光増幅器（ＳＯＡ）２００、
を備えており、
半導体光増幅器２００を構成する光半導体素子における光出射領域６０の軸線と光出射端面（第２端面２５）とは鋭角（９０度−θ3度）で交わっている。実施例１において、レーザ光源１００は周知の連続発振型のレーザ装置から成り、レーザ装置が出射するレーザ光が半導体光増幅器２００に入射する。レーザ光源１００からのレーザ光が入射する基本モード導波路領域４０の部分の幅（具体的には、幅Ｗ1）は、入射するレーザ光の幅と等しい。
図３に示す実施例１のレーザ装置組立体において、レーザ光源１００から出射されたレーザ光は、光アイソレータ１２０、反射ミラー１２１を介して、反射ミラー１２２に入射する。反射ミラー１２２によって反射されたレーザ光は、半波長板（λ／２波長板）１２３、レンズ１２４を通過して、半導体光増幅器２００に入射する。光アイソレータ１２０及び半波長板１２３は、半導体光増幅器２００からの戻り光がレーザ光源１００に向かうことを防止するために配置されている。そして、半導体光増幅器２００において光増幅され、レンズ１２５を介して系外に出射される。
実施例１の半導体光増幅器２００の具体的な諸元を以下の表１に示す。尚、Ｌ1、Ｌ3は、それぞれ、基本モード導波路領域４０、光出射領域６０の長さである。
［表１］
Ｗ1 ＝１．５μｍ
Ｗ2＝Ｗ2-ave＝ ３０μｍ
Ｗ3 ＝０．１３５ｍｍ
Ｌ1 ＝０．５ｍｍ
Ｌ2 ＝０．２ｍｍ
Ｌ3 ＝１．５ｍｍ
θ3 ＝３度
θ1 ＝２度
ｎ1-ave ＝２．５
λ0 ＝４０５ｎｍ
実施例１の半導体光増幅器２００において、具体的には、基体１０はｎ型ＧａＮ基板から成り、積層構造体２０はｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面上に設けられている。ｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面は、『Ｃ面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。また、第１化合物半導体層２１、第３化合物半導体層（活性層）２３及び第２化合物半導体層２２から構成された積層構造体２０は、ＧａＮ系化合物半導体、具体的にはＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表２に示す層構成を有する。ここで、表２において、下方に記載した化合物半導体層ほど、基体１０に近い層である。第３化合物半導体層（活性層）２３における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは３．０６ｅＶである。活性層２３は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有しており、障壁層の不純物（具体的には、シリコン，Ｓｉ）のドーピング濃度は、２×１０17ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下である。また、リッジストライプ構造２０Ａの両側にはＳｉＯ2／Ｓｉから成る積層絶縁膜２６が形成されている。ＳｉＯ2層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。そして、リッジストライプ構造２０Ａの頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層２２Ｄの上に、第２電極（ｐ側オーミック電極）３２（第２電極３２1，３２2，３２3）が形成されている。一方、基体１０の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る第１電極（ｎ側オーミック電極）３１が形成されている。実施例にあっては、第２電極３２を厚さ０．１μｍのＰｄ単層から構成した。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２２Ａの厚さは１０ｎｍであり、第２光ガイド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）２２Ｂの厚さは１００ｎｍであり、第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）２２Ｃの厚さは０．５μｍであり、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２Ｄの厚さは１００ｎｍである。更には、第２化合物半導体層２２を構成するｐ型電子障壁層２２Ａ、第２光ガイド層２２Ｂ、第２クラッド層２２Ｃ、ｐ型コンタクト層２２Ｄには、Ｍｇが、１×１０19ｃｍ-3以上（具体的には、２×１０19ｃｍ-3）、ドーピングされている。一方、第１クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）２１Ａの厚さは２．５μｍである。第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）２１Ｂの厚さは１．２５μｍであり、第１光ガイド層２１Ｂの厚さ（１．２５μｍ）は、第２光ガイド層２２Ｂの厚さ（１００ｎｍ）よりも厚い。また、第１光ガイド層２１ＢをＧａＮから構成しているが、代替的に、第１光ガイド層２１Ｂを、活性層２３よりもバンドギャップの広い化合物半導体であって、第１クラッド層２１Ａよりもバンドギャップの狭い化合物半導体から構成することもできる。
［表２］
第２化合物半導体層２２
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）２２Ｄ
第２クラッド層（ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層（Ｍｇドープ））２２Ｃ
第２光ガイド層（ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層（Ｍｇドープ））２２Ｂ
ｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ電子障壁層（Ｍｇドープ）２２Ａ
第３化合物半導体層（活性層）２３
ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
（井戸層：Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ／障壁層：Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ）
第１化合物半導体層２１
第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）２１Ｂ
第１クラッド層（ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ層）２１Ａ
但し、
井戸層（２層）：１０ｎｍ［ノン・ドープ］
障壁層（３層）：１２ｎｍ［ドーピング濃度（Ｓｉ）：２×１０18ｃｍ-3］
実施例１の半導体光増幅器２００において、第２電極３２Ａ（３２1，３２2，３２3）に印加する電圧、第２電極３２Ａから第１電極３１に流す電流を種々、変化させて、半導体光増幅器２００から出力される光強度及び光ビーム品質の指標であるＭ2値を測定した結果を、図４に「Ａ」として示す。また、比較例１におけるＭ2値の測定結果を図４に「Ｂ」として示す。図４の横軸は、半導体光増幅器から出力される光強度〈増幅出力（単位：ミリワット）〉の値であり、縦軸はＭ2値である。
比較例１の半導体光増幅器は、実施例１の半導体光増幅器２００における自由伝搬領域５０を形成せずに、基本モード導波路領域４０を実施例１の半導体光増幅器２００における自由伝搬領域５０まで延長させたものである。
図４から、実施例１の半導体光増幅器２００は、半導体光増幅器から出力される光強度が高いにも拘わらず、低いＭ2値を示している。即ち、実施例１の半導体光増幅器２００から出射されるレーザ光の光ビームは、高品質な光ビームである。一方、自由伝搬領域５０を形成していない比較例１の半導体光増幅器にあっては、高出力化は達成されているものの、Ｍ2値が高く、十分に高品質なレーザ光は得られなかった。尚、以上の結果から、光出射領域６０から出射される光のＭ2の値は３以下であることが好ましい。
以上のとおり、実施例１の光半導体素子、あるいは、実施例１のレーザ装置組立体における半導体光増幅器を構成する光半導体素子にあっては、光出射領域が光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状を有するので、出射される光の高出力化を達成することができる。しかも、基本モード導波路領域の導波路幅Ｗ1よりも広い幅を有する自由伝搬領域が備えられているので、出射される光のビーム高品質化を達成することができる。
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図を図５Ａに示し、ＸＺ平面に沿った模式的な断面図を図５Ｂに示す。尚、図５Ｂは、図５Ａの矢印Ｉ−Ｉに沿った模式的な断面図である。
実施例２の光半導体素子２００にあっては、第２電極の第１部分３２1と第２電極の第２部分３２2と第２電極の第３部分３２3とは繋がっており、第２電極の第１部分３２1、第２電極の第２部分３２2及び第２電極の第３部分３２3と第１電極３１との間には直流の電圧（順バイアス）が印加される。以上の点を除き、実施例２の光半導体素子、レーザ装置組立体は、実施例１の光半導体素子、レーザ装置組立体と同様の構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。
実施例３は、実施例１〜実施例２の変形である。実施例３の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図を図６Ａに示し、ＸＺ平面に沿った模式的な断面図を図６Ｂに示す。尚、図６Ｂは、図６Ａの矢印Ｂ−Ｂに沿った模式的な断面図である。また、図６Ａ及び図６Ｂに示す例は、実施例１の変形例である。
実施例３の光半導体素子２００にあっては、基本モード導波路領域４０を構成する積層構造体２０の第１の領域２０1のみがリッジストライプ構造２０Ｂを有する。自由伝搬領域５０を構成する積層構造体２０の第２の領域２０2、及び、光出射領域６０を構成する積層構造体２０の第３の領域２０3においては、ゲイン・ガイド方式あるいはインデックス・ガイド方式に基づき各領域が区画される。尚、図６Ａにおいては、基本モード導波路領域４０の近傍において露出した第２化合物半導体層２２（より具体的には、第２クラッド層２２Ｃの露出した頂面）に、右上から左下に向かうハッチング線を付し、自由伝搬領域５０及び光出射領域６０の近傍において露出した第２化合物半導体層２２（より具体的には、ｐ型コンタクト層２２Ｄの露出した頂面）に、左上から右下に向かうハッチング線を付した。以上の点を除き、実施例３の光半導体素子、レーザ装置組立体は、実施例１の光半導体素子、レーザ装置組立体と同様の構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。
実施例４は、実施例１〜実施例３の変形である。実施例４の光半導体素子（半導体光増幅器）の模式的な平面図を図７Ａに示し、実施例４の光半導体素子（半導体光増幅器）のＸＺ平面に沿った模式的な断面図を図７Ｂに示す。尚、図７Ｂは、図７Ａの矢印Ｉ−Ｉに沿った模式的な断面図である。また、図７Ａ及び図７Ｂに示す例は、実施例１の変形例である。
実施例４の光半導体素子において、光出射端面（第２端面２５）の近傍には電流非注入領域７０が設けられており、これによって、光出射端面（第２端面２５）における損傷発生を防止することができる。電流非注入領域７０は、具体的には、実施例１の積層構造体から構成されており、第２電極が設けられていない点を除き、光出射領域６０と同様の構成、構造を有する。Ｘ方向の電流非注入領域７０の長さを１０μｍとした。以上の点を除き、実施例４の光半導体素子、レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例１〜実施例３の光半導体素子、レーザ装置組立体の構造、構成と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
このようにキャリア非注入領域を設けることで、入射レーザ光の光強度が高くなっても、化合物半導体層の相対的な屈折率が高くなるといった現象の発生を抑制することができ、半導体光増幅器の光出射端面（第２端面２５）から出射されるレーザ光が幅方向に広がり易くなる結果、レーザ光が半導体光増幅器２００から出射される領域の光出射端面を占める面積が大きくなるが故に、半導体光増幅器の一層の高出力化を図ることができる。尚、第１端面２４の近傍に、電流非注入領域を設けてもよいし、第２端面２５及び第１端面２４の近傍に、電流非注入領域を設けてもよい。
実施例５は、実施例１の変形であるが、光半導体素子（発光素子）は半導体レーザ素子、具体的には、モード同期半導体レーザ素子から成る。実施例５の光半導体素子（モード同期半導体レーザ素子）の模式的な平面図を図８Ａに示し、ＸＺ平面に沿った模式的な断面図を図８Ｂに示す。尚、図８Ｂは、図８Ａの矢印Ｉ−Ｉに沿った模式的な断面図である。また、図８Ａ及び図８Ｂに示す例は、実施例１の変形例である。更には、実施例５におけるレーザ装置組立体の概念図を，図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示す。
実施例５のモード同期半導体レーザ素子１１０は、具体的には、実施例１において説明した構成、構造の光半導体素子２００と、以下の点が異なっている。
即ち、第１端面２４と基本モード導波路領域４０との間に可飽和吸収領域８１が設けられている。具体的には、可飽和吸収領域８１は、実施例１の積層構造体２０と同じ構成、構造を有する。可飽和吸収領域８１を構成する積層構造体２０の第２化合物半導体層２２の上には、第２電極・第２領域３２Ｂが形成されている。尚、第２電極の第１部分３２1、第２部分３２2及び第３部分３２3を総称して、第２電極・第１領域３２Ａと呼ぶ。第２電極・第２領域３２Ｂは、分離溝３２Ｃによって第２電極・第１領域３２Ａから分離されている。
また、半導体レーザ素子の構成にも依るが、第１端面には、低反射コート層（ＡＲ）の代わりに、高反射コート層（ＨＲ）が形成されている場合がある。更には、図示した例では、θ3＝０度としたが、θ3≠０度としてもよい。
具体的には、モード同期半導体レーザ素子１１０は、Ｘ方向に沿って（積層構造体の長さ方向に沿って）発光領域と可飽和吸収領域とを並置した、発光波長４０５ｎｍ帯のバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子から成る。より具体的には、実施例５におけるバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子１１０は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、
（ａ）第１導電型（実施例においては、ｎ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層２１、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）８０及び可飽和吸収領域８１を構成する第３化合物半導体層（活性層）２３、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（実施例においては、ｐ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層２２が、順次、積層されて成る積層構造体、
（ｂ）第２化合物半導体層２２上に形成された第２電極３２Ａ．３２Ｂ、並びに、
（ｃ）第１化合物半導体層２１に電気的に接続された第１電極３１、
を備えている。
第２電極は、発光領域（利得領域）８０を経由して第１電極３１に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第２電極・第１領域３２Ａと、可飽和吸収領域８１に電界を加えるための２電極・第２領域３２Ｂ（可飽和吸収領域８１に逆バイアス電圧Ｖsaを加えるための第２電極・第２領域３２Ｂ）とに、分離溝３２Ｃによって分離されている。ここで、第２電極・第１領域３２Ａ（具体的には、第２電極の第１部分３２1）と第２電極・第２領域３２Ｂとの間の電気抵抗値（『分離抵抗値』と呼ぶ場合がある）は、第２電極・第１領域３２Ａ（具体的には、第２電極の第１部分３２1）と第１電極３１との間の電気抵抗値の１×１０倍以上、具体的には１．５×１０3倍である。また、第２電極・第１領域３２Ａ（具体的には、第２電極の第１部分３２1）と第２電極・第２領域３２Ｂとの間の電気抵抗値（分離抵抗値）は、１×１０2Ω以上、具体的には、１．５×１０4Ωである。モード同期半導体レーザ素子１１０の積層構造体の長さを６００μｍ、第２電極・第１領域３２Ａ、第２電極・第２領域３２Ｂ、分離溝３２Ｃのそれぞれの長さを、５６０μｍ、３０μｍ、１０μｍとした。
実施例５におけるレーザ装置組立体の概念図を図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示す。図９Ａに示すレーザ装置組立体は、外部共振器型である。即ち、レーザ装置組立体は、実施例５の光半導体素子から成るモード同期半導体レーザ素子１１０、レンズ１１１、光学フィルター１１２、外部鏡１１３、及び、レンズ１１４から構成されている。そして、モード同期半導体レーザ素子１１０から出射されたレーザ光は、光アイソレータ（図示せず）を介して外部に出射される。モード同期半導体レーザ素子１１０の光出射端面（第２端面２５）には、例えば、１層の酸化チタン層と１層の酸化アルミニウム層とが積層された構造を有する低反射コート層（ＡＲ）あるいは無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。また、第２端面と対向する第１端面２４には、高反射コート層（ＨＲ）が形成されている。そして、モード同期半導体レーザ素子１１０の第１端面２４と外部鏡１１３とで外部共振器が構成され、外部鏡１１３から光ビームを取り出す。光学フィルター１１２には、主にバンドパスフィルターが用いられ、レーザの発振波長の制御のために挿入される。外部共振器長さＸ’によって光パルス列の繰り返し周波数ｆが決定され、次式で表される。ここで、ｃは光速であり、ｎは導波路の屈折率である。外部共振器長さ（Ｘ’，単位：ｍｍ）の値を、１００ｍｍとした。また、光ビーム（光パルス）が出射される積層構造体２０の第２端面２５の光反射率は０．５％以下（例えば、０．３％）であり、光ビーム（光パルス）が反射される積層構造体２０の第１端面２４の光反射率は、例えば、８５％以上、１００％未満（例えば、９５％）である。更には、光学フィルター１１２の光透過率は、例えば、８５％以上、１００％未満（例えば、９０％）であり、半値幅は、０ｎｍを超え、２ｎｍ以下（例えば、１ｎｍ）であり、ピーク波長は、４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下（例えば、４１０ｎｍ）であり、外部鏡１１３の光反射率は０％を超え、１００％未満（例えば、２０％）である。尚、以上の各種パラメータの値は一例であり、適宜、変更することができることは云うまでもない。
ｆ＝ｃ／（２ｎ・Ｘ’）
あるいは又、図９Ｂに示すコリメート型の外部共振器にあっても、高反射コート層（ＨＲ）が形成されたモード同期半導体レーザ素子１１０の端面と外部鏡１１３とで外部共振器を構成し、外部鏡１１３から光ビームを取り出す。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示す外部共振器にあっては、モード同期半導体レーザ素子１１０の第２端面２５と外部鏡とで外部共振器を構成し、モード同期半導体レーザ素子１１０から光ビームを取り出す。第２端面２５には低反射コート層（ＡＲ）が形成されている。尚、図１０Ａに示す例は集光型であり、図１０Ｂに示す例はコリメート型である。あるいは又、図１０Ｃに示すように、半導体レーザ素子をモノリシック型とすることもできる。
実施例５の光半導体素子（モード同期半導体レーザ素子）１１０を、実施例１〜実施例４において説明したレーザ装置組立体におけるレーザ光源１００として用いることができることは云うまでもない。
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した光半導体素子、レーザ装置組立体、半導体光増幅器、半導体レーザ素子、レーザ光源の構成、構造の構成は例示であり、適宜、変更することができる。また、実施例においては、種々の値を示したが、これらも例示であり、例えば、使用する光半導体素子の仕様が変われば、変わることは当然である。
第２電極の幅がリッジストライプ構造の幅よりも狭い形態とすることができる。そして、これによって、安定した横モード増幅光が得られ、半導体光増幅器といった光半導体素子から出射されるレーザ光が不安定になる虞がない。（第２電極の幅）／（リッジストライプ構造の幅）の値は、０．２乃至０．９、好ましくは０．６乃至０．９であることが望ましい。ここで、第２電極の幅及びリッジストライプ構造の幅とは、光半導体素子をＸＹ平面で切断したときに得られる、第２電極の幅及びリッジストライプ構造の幅を意味する。
レーザ光源１００を構成するモード同期半導体レーザ素子１１０にあっては、発光領域８２や可飽和吸収領域８３の数は１に限定されない。１つの第２電極・第１領域３２Ｄと２つの第２電極・第２領域３２Ｅ1，３２Ｅ2とが設けられたモード同期半導体レーザ素子の模式的な端面図を図１１に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極・第１領域３２Ｄの一端が、一方の分離溝３２Ｆ1を挟んで、一方の第２電極・第２領域３２Ｅ1と対向し、第２電極・第１領域３２Ｄの他端が、他方の分離溝３２Ｆ2を挟んで、他方の第２電極・第２領域３２Ｅ2と対向している。そして、１つの発光領域８２が、２つの可飽和吸収領域８３1，８３2によって挟まれている。あるいは又、２つの第２電極・第１領域３２Ｄ1，３２Ｄ2と１つの第２電極・第２領域３２Ｅとが設けられたモード同期半導体レーザ素子の模式的な端面図を図１２に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極・第２領域３２Ｅの端部が、一方の分離溝３２Ｆ1を挟んで、一方の第２電極・第１領域３２Ｄ1と対向し、第２電極・第２領域３２Ｅの他端が、他方の分離溝３２Ｆ2を挟んで、他方の第２電極・第１領域３２Ｄ2と対向している。そして、１つの可飽和吸収領域８３が、２つの発光領域８２1，８２2によって挟まれている。
実施例においては、光半導体素子を、ｎ型ＧａＮ基板の極性面であるＣ面，｛０００１｝面上に設けたが、代替的に、｛１１−２０｝面であるＡ面、｛１−１００｝面であるＭ面、｛１−１０２｝面といった無極性面上、あるいは又、｛１１−２４｝面や｛１１−２２｝面を含む｛１１−２ｎ｝面、｛１０−１１｝面、｛１０−１２｝面といった半極性面上に、光半導体素子を設けてもよく、これによって、光半導体素子の第３化合物半導体層（活性層）にたとえピエゾ分極及び自発分極が生じた場合であっても、第３化合物半導体層の厚さ方向にピエゾ分極が生じることは無く、第３化合物半導体層の厚さ方向とは略直角の方向にピエゾ分極が生じるので、ピエゾ分極及び自発分極に起因した悪影響を排除することができる。尚、｛１１−２ｎ｝面とは、ほぼＣ面に対して４０度を成す無極性面を意味する。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《光半導体素子》
第１化合物半導体層、第３化合物半導体層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体を備えており、
導波路幅Ｗ1を有する基本モード導波路領域、幅がＷ1よりも広い自由伝搬領域、及び、光出射端面に向かって幅が広がったテーパー形状を有する光出射領域が、この順に配置されて成る光半導体素子。
［Ａ０２］自由伝搬領域の長さをＬ2、基本モード導波路領域から自由伝搬領域へと向かう光の回折角をθ1、光出射領域と自由伝搬領域との境界部分の幅をＷ2としたとき、
Ｗ2＞２Ｌ2・ｔａｎ（θ1）＋Ｗ1
を満足する［Ａ０１］に記載の光半導体素子。
［Ａ０３］光出射領域から出射される光のＭ2の値は３以下である［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の光半導体素子。
［Ａ０４］基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第１部分が形成されており、
自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第２部分が形成されており、
光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第３部分が形成されており、
更に、積層構造体を構成する第１化合物半導体層と電気的に接続された第１電極が設けられている［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ０５］第２電極の第１部分と第２電極の第２部分とは繋がっており、
第２電極の第２部分と第２電極の第３部分とは分離されており、
第２電極の第１部分及び第２電極の第２部分と第１電極との間には直流の電圧が印加され、
第２電極の第３部分と第１電極との間にはパルス状の電圧が印加される［Ａ０４］に記載の光半導体素子。
［Ａ０６］第２電極の第３部分には、第２電極の第３部分１ｃｍ2当たり３×１０3アンペア以上の電流が流される［Ａ０５］に記載の光半導体素子。
［Ａ０７］第２電極の第１部分と第２電極の第２部分と第２電極の第３部分とは繋がっており、
第２電極の第１部分、第２電極の第２部分及び第２電極の第３部分と第１電極との間には直流の電圧が印加される［Ａ０４］に記載の光半導体素子。
［Ａ０８］基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域、自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域、及び、光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域はリッジストライプ構造を有する［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ０９］基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域のみがリッジストライプ構造を有する［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１０］光出射端面近傍には、電流非注入領域が設けられている［Ａ０１］乃至［Ａ０９］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１１］積層構造体はＧａＮ系化合物半導体から成る［Ａ０１］乃至［Ａ１０］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１２］自由伝搬領域の平均幅をＷ2-ave、光出射端面に対向する光出射領域の部分の幅をＷ3としたとき、
０．５μｍ≦Ｗ1≦２．５μｍ
１．２≦Ｗ2-ave／Ｗ1≦５００
２０μｍ≦Ｗ3≦６５０μｍ
を満足する［Ａ０１］乃至［Ａ１１］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１３］光出射領域の軸線と光出射端面とは鋭角で交わっている［Ａ０１］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１４］半導体光増幅器から成る［Ａ０１］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１５］半導体レーザ素子から成る［Ａ０１］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１６］半導体レーザ素子はモード同期半導体レーザ素子から成る［Ａ０４］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の光半導体素子。
［Ａ１７］基本モード導波路領域と第１端面との間には、積層構造体から成る可飽和吸収領域が設けられており、
可飽和吸収領域を構成する積層構造体の第２化合物半導体層の部分の上には、第２電極・第２領域が設けられており、
第２電極・第２領域と第２電極の第１部分とは分離されている［Ａ１６］に記載の光半導体素子。
［Ｂ０１］《レーザ装置組立体》
レーザ光源、及び、
レーザ光源から出射されたレーザ光を増幅する、［Ａ０１］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の光半導体素子から成る半導体光増幅器、
を備えており、
半導体光増幅器を構成する光半導体素子における光出射領域の軸線と光出射端面とは鋭角で交わっているレーザ装置組立体。
［Ｂ０２］レーザ光源からのレーザ光が入射する基本モード導波路領域の部分の幅は、入射するレーザ光の幅と等しい［Ｂ０１］に記載のレーザ装置組立体。
［Ｂ０３］レーザ光源は半導体レーザ素子から成る［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載のレーザ装置組立体。
［Ｂ０４］半導体レーザ素子はモード同期半導体レーザ素子から成る［Ｂ０１］乃至［Ｂ０３］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
１０・・・基体、２０・・・積層構造体、２０1・・・基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域、２０2・・・自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域、２０3・・・光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域、２０Ａ，２０Ｂ・・・リッジストライプ構造、２１・・・第１化合物半導体層、２１Ａ・・・第１クラッド層、２１Ｂ・・・第１光ガイド層、２２・・・第２化合物半導体層、２２Ａ・・・ｐ型電子障壁層、２２Ｂ・・・第２光ガイド層、２２Ｃ・・・第２クラッド層、２２Ｄ・・・ｐ型コンタクト層、２３・・・第３化合物半導体層（活性層）、２４・・・第１端面、２５・・・光出射端面（第２端面）、２６・・・積層絶縁膜、３１・・・第１電極、３２，３２Ａ，３２Ｄ，３２Ｄ1，３２Ｄ2・・・第２電極（第２電極・第１領域）、３２1・・・第２電極の第１部分、３２2・・・第２電極の第２部分、３２3・・・第２電極の第３部分、３２Ｂ，３２Ｅ，３２Ｅ1，３２Ｅ2・・・第２電極・第２領域、３２Ｃ，３２Ｆ1，３２Ｆ2・・・分離溝、４０・・・基本モード導波路領域、５０・・・自由伝搬領域、６０・・・光出射領域、７０・・・電流非注入領域、８０，８２・・・発光領域（利得領域）、８１，８３・・・可飽和吸収領域、１００・・・レーザ光源、１１０・・・モード同期半導体レーザ素子、１１１，１１４・・・レンズ、１１２・・・光学フィルター、１１３・・・外部鏡、１２０・・・光アイソレータ、１２１，１２２・・・反射ミラー、１２３・・・半波長板（λ／２波長板）、１２４，１２５・・・レンズ、２００・・・光半導体素子（半導体光増幅器）、ＡＲ・・・低反射コート層あるいは無反射コート層、ＨＲ・・・高反射コート層

Claims (19)

  1. 第１化合物半導体層、第３化合物半導体層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体を備えており、
    一定の導波路幅Ｗ1を有する基本モード導波路領域、Ｗ1よりも広い一定の幅を有する自由伝搬領域、及び、光出射端面に相当する第２端面に向かって幅が広がったテーパー形状を有する光出射領域が、この順に配置されて成り、
    光出射領域から出射される光のＭ2の値は３以下である光半導体素子。
  2. 基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域、自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域、及び、光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域は、リッジストライプ構造を有する請求項１に記載の光半導体素子。
  3. 光出射領域の軸線と第２端面とは鋭角で交わっており、
    光出射領域の軸線は、第２端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、光出射領域と自由伝搬領域との境界部分におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線であると定義される請求項２に記載の光半導体素子。
  4. 自由伝搬領域の長さをＬ2、基本モード導波路領域から自由伝搬領域へと向かう光の回折角をθ1、光出射領域と自由伝搬領域との境界部分の幅をＷ2としたとき、
    Ｗ2＞２Ｌ2・ｔａｎ（θ1）＋Ｗ1
    を満足する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  5. 基本モード導波路領域を構成する積層構造体の第１の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第１部分が形成されており、
    自由伝搬領域を構成する積層構造体の第２の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第２部分が形成されており、
    光出射領域を構成する積層構造体の第３の領域における第２化合物半導体層上には、第２電極の第３部分が形成されており、
    更に、積層構造体を構成する第１化合物半導体層と電気的に接続された第１電極が設けられている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  6. 第２電極の第１部分と第２電極の第２部分とは繋がっており、
    第２電極の第２部分と第２電極の第３部分とは分離されており、
    第２電極の第１部分及び第２電極の第２部分と第１電極との間には直流の電圧が印加され、
    第２電極の第３部分と第１電極との間にはパルス状の電圧が印加される請求項５に記載の光半導体素子。
  7. 第２電極の第３部分には、第２電極の第３部分１ｃｍ2当たり３×１０3アンペア以上の電流が流される請求項６に記載の光半導体素子。
  8. 第２電極の第１部分と第２電極の第２部分と第２電極の第３部分とは繋がっており、
    第２電極の第１部分、第２電極の第２部分及び第２電極の第３部分と第１電極との間には直流の電圧が印加される請求項５に記載の光半導体素子。
  9. 第２端面近傍には、電流非注入領域が設けられている請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  10. 積層構造体はＧａＮ系化合物半導体から成る請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  11. 自由伝搬領域の平均幅をＷ2-ave、第２端面に対向する光出射領域の部分の幅をＷ3としたとき、
    ０．５μｍ≦Ｗ1≦２．５μｍ
    １．２≦Ｗ2-ave／Ｗ1≦５００
    ２０μｍ≦Ｗ3≦６５０μｍ
    を満足する請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  12. 光半導体素子は半導体光増幅器から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  13. 光半導体素子は半導体レーザ素子から成る請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  14. 光半導体素子はモード同期半導体レーザ素子から成る請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
  15. 第２端面と対向する第１端面と基本モード導波路領域との間には、積層構造体から成る可飽和吸収領域が設けられており、
    可飽和吸収領域を構成する積層構造体の第２化合物半導体層の部分の上には、第２電極・第２領域が設けられており、
    第２電極・第２領域と第２電極の第１部分とは分離されている請求項１４に記載の光半導体素子。
  16. レーザ光源、及び、
    レーザ光源から出射されたレーザ光を増幅する、請求項３乃至請求項１１のいずれか１項に記載の光半導体素子から成る半導体光増幅器、
    を備えており、
    半導体光増幅器を構成する光半導体素子における光出射領域の軸線と第２端面とは鋭角で交わっているレーザ装置組立体。
  17. レーザ光源からのレーザ光が入射する基本モード導波路領域の部分の幅は、入射するレーザ光の幅と等しい請求項１６に記載のレーザ装置組立体。
  18. レーザ光源は半導体レーザ素子から成る請求項１６又は請求項１７に記載のレーザ装置組立体。
  19. 半導体レーザ素子はモード同期半導体レーザ素子から成る請求項１８に記載のレーザ装置組立体。
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