(57)【要約】【課題】簡素な構成、構造を有する超短パルス・超高出力の半導体レーザ素子の駆動方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体レーザ素子の駆動方法においては、閾値電流の値の１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される半導体レーザ素子２０に対して、光注入手段１０から光注入を行い、あるいは又、閾値電圧の値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動される半導体レーザ素子２０に対して、光注入手段１０から光注入を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閾値電流の値の１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される半導体レーザ素子に対して、光注入手段から光注入を行う半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項２】
パルス電流の幅は１０ナノ秒以下である請求項１に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項３】
パルス電流の値は０．４アンペア以上である請求項１に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項４】
閾値電圧の値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動される半導体レーザ素子に対して、光注入手段から光注入を行う半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項５】
パルス電圧の幅は１０ナノ秒以下である請求項４に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項６】
パルス電圧の値は８ボルト以上である請求項４に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項７】
光注入手段からの光注入が行われていない状態において半導体レーザ素子の出射する主たる光の波長をλ3、光注入手段からの光の波長をλ2としたとき、
０．９８≦λ2／λ3≦１．０２
である請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項８】
光注入手段は、レーザ装置から成る請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項９】
光注入手段は、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を半導体レーザ素子へと反射する外部鏡から成る請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項１０】
外部鏡のビート周波数をｆ1、半導体レーザ素子に印加するパルス電圧あるいはパルス電流の繰り返し周波数をｆ2としたとき、
０．９９≦ｆ2／ｆ1≦１．０１
である請求項９に記載の半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項１１】
（Ａ）閾値電流の値の１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される半導体レーザ素子、及び、
（Ｂ）半導体レーザ素子に光を注入するための光注入手段、
から構成された半導体レーザ装置。
【請求項１２】
パルス電流の幅は１０ナノ秒以下である請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
パルス電流の値は０．４アンペア以上である請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
（Ａ）閾値電圧の値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動される半導体レーザ素子、及び、
（Ｂ）半導体レーザ素子に光を注入するための光注入手段、
から構成された半導体レーザ装置。
【請求項１５】
パルス電圧の幅は１０ナノ秒以下である請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
パルス電圧の値は８ボルト以上である請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１７】
（Ａ）３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の第１光ピーク、及び、該第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上である第２光ピークを出射する半導体レーザ素子、及び、
（Ｂ）半導体レーザに光を注入するための光注入手段、
から構成された半導体レーザ装置。
【請求項１８】
光注入手段からの光注入が行われていない状態において半導体レーザ素子の出射する主たる光の波長をλ3、光注入手段からの光の波長をλ2としたとき、
０．９８≦λ2／λ3≦１．０２
である請求項１１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
光注入手段は、レーザ装置から成る請求項１１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２０】
光注入手段は、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を半導体レーザ素子へと反射する外部鏡から成る請求項１１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子の駆動方法及び半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、パルス時間がアト秒台、フェムト秒台のレーザ光を利用した先端的科学領域の研究に、超短パルス・超高出力レーザが盛んに用いられている。超短パルス・超高出力レーザとして、例えば、チタン／サファイア・レーザが知られているが、係るチタン／サファイア・レーザは、高価で、大型の固体レーザ光源であり、この点が、技術の普及を阻害している主たる要因となっている。もしも超短パルス・超高出力レーザが半導体レーザ素子によって実現できれば、大幅な小型化、低価格化、高安定性化がもたらされる。
【０００３】
一方、半導体レーザ素子の短パルス化は、通信系の分野で、１９６０年台から活発に研究されてきた。半導体レーザ素子において短パルスを発生させる方法として、利得スイッチング法、損失スイッチング法（Ｑスイッチング法）、モード同期法が知られており、これらの方式にあっては、半導体レーザ素子と半導体増幅器や非線形光学素子、光ファイバー等とを組み合わせて高出力化を目指している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Ohya et al., Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 56.
【非特許文献２】J. AuYeung et al., Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 308.
【非特許文献３】N. Yamada et al., Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 583.
【非特許文献４】J.E. Ripper et al., Appl. Phys. Lett. 12 (1968) 365.
【非特許文献５】"Ultrafast diode lasers", P. Vasil'ev, Artech House Inc., 1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このうち、一番簡単な方法である利得スイッチング法においては、半導体レーザ素子を短パルス電流で駆動することにより、２０ピコ秒〜１００ピコ秒程度のパルス幅を有する光パルスを発生させることができる（例えば、非特許文献１として J. Ohya et al., Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 56.、非特許文献２として J. AuYeung et al., Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 308.、非特許文献３として N. Yamada et al., Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 583.、非特許文献４として J.E. Ripper et al., Appl. Phys. Lett. 12 (1968) 365.、非特許文献５として "Ultrafast diode lasers", P. Vasil'ev, Artech House Inc., 1995 を参照）。そして、この利得スイッチング法においては、市販の半導体レーザ素子を短パルス電流で駆動するだけなので、極めて単純な装置構成でピコ秒クラスの短パルス光源を実現することが可能である。しかしながら、光パルスのピーク出力は、８５０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子では０．１ワット〜１ワット程度、また、１．５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ素子では１０ミリワット〜１００ミリワット程度である。それ故、例えば２光子吸収に用いられる高いピーク出力が必要とされる光源としては、光出力が不十分である。従って、ピーク出力を増加させるために、例えば、モード同期法と半導体増幅器あるいは光ファイバーアンプとを組み合わせた複雑で難しい構成が必要とされる。
【０００６】
利得スイッチング法において光ピークのパワーを増加させる手法として、励起のための電気短パルスの強度を増加させる方法が挙げられる。しかしながら、このような方法では、主な光ピークの強度の増加と共に、余剰成分である第２光ピーク、第３光ピーク等の強度も増加してしまうといった問題がある。
【０００７】
また、究極的な小型化に必須の要件である「全半導体」に基づき高出力を目指した例、即ち、複雑な機械部品や光学部品を必要とせず、半導体レーザ素子、あるいは、半導体レーザ素子と半導体デバイスとの組合せのみから構成された半導体レーザ装置は、特に、ＧａＮ系化合物半導体から構成された４０５ｎｍ帯の半導体レーザ素子においては、殆ど報告例がない。然るに、４０５ｎｍ帯において、高いピーク出力を有する「全半導体」パルスレーザが実現できれば、ブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）光ディスクシステムの次の世代の光ディスクシステムとして期待されている体積記録型光ディスクシステムの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・超高出力光源を実現することが可能となり、医療分野やバイオイメージング分野等で要求される光源を提供することが可能となる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、簡素な構成、構造を有する超短パルス・超高出力の半導体レーザ素子の駆動方法、及び、係る半導体レーザ素子を組み込んだ半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法においては、閾値電流の値の１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される半導体レーザ素子に対して、光注入手段から光注入を行う。
【００１０】
ここで、閾値電流の値Ｉthとは、レーザ発振が開始されるときの半導体レーザ素子に流れる電流を指し、次に述べる閾値電圧の値Ｖthは、そのときに半導体レーザ素子に印加されている電圧を指し、半導体レーザ素子の内部抵抗をＲ（Ω）としたとき、
Ｖth＝Ｒ×Ｉth＋Ｖ0
の関係がある。ここで、Ｖ0は、ｐ−ｎ接合のビルドインポテンシャルである。
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法においては、閾値電圧の値の２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で駆動される半導体レーザ素子に対して、光注入手段から光注入を行う。
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る半導体レーザ装置は、
（Ａ）閾値電流の値の１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される半導体レーザ素子、及び、
（Ｂ）半導体レーザ素子に光を注入するための光注入手段、
から構成されている。
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る半導体レーザ装置は、
（Ａ）閾値電圧の値の２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で駆動される半導体レーザ素子、及び、
（Ｂ）半導体レーザ素子に光を注入するための光注入手段、
から構成されている。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明の第３の態様に係る半導体レーザ装置は、
（Ａ）３ワット以上、好ましくは５ワット以上、より好ましくは１０ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下、好ましくは１５ピコ秒以下、より好ましくは１０ピコ秒以下の第１光ピーク、及び、該第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、好ましくは２ナノ・ジュール以上、より好ましくは５ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上、好ましくは２ナノ秒以上、より好ましくは５ナノ秒以上である第２光ピークを出射する半導体レーザ素子、及び、
（Ｂ）半導体レーザに光を注入するための光注入手段、
から構成されている。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る半導体レーザ装置（以下、『本発明の第３の態様』と呼ぶ場合がある）において、第１光ピークの半値幅の下限値は、半導体レーザ素子の特性や仕様、パルス発生器の仕様等に依存する。第２光ピークの継続時間の上限値としては、繰り返し周波数との兼ね合いで平均出力からの制限を受けるが、例えば、繰り返し周波数１００ＭＨｚのとき、１０ナノ秒（デューティ比１０％）を例示することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法においては、特定の条件で駆動される半導体レーザ素子（即ち、強励起利得スイッチング動作を行う半導体レーザ素子）に対して、光注入手段から光注入を行う。また、本発明の第１の態様〜第３の態様に係る半導体レーザ装置は、特定の条件で駆動される半導体レーザ素子（即ち、強励起利得スイッチング動作を行うに半導体レーザ素子）と、半導体レーザ素子に光を注入するための光注入手段から構成されている。このように、光注入手段から半導体レーザ素子に光を注入することによって、即ち、利得スイッチング動作を行う半導体レーザ素子に対して外部の光注入手段から光を注入することによって、半導体レーザ素子の発振波長が注入光の発振波長に引き込まれ、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のピークパワーを増強させることができる。そして、電気駆動系エレクトロニクスの高度な進展を求めることなく、キロワット級のピーク光強度を有するレーザ光源を得ることができる。また、例えば、体積記録型光ディスクシステムに要求される光ピーク出力を十分満たすことができ、次世代の体積記録型光ディスクシステムの光源として、極めて有用である。
【００１７】
本発明の第１の態様にあっては、半導体レーザ素子を閾値電流の値Ｉthの１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動し、本発明の第２の態様にあっては、半導体レーザ素子を閾値電圧Ｖthの値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動する。その結果、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を出射する、超短パルス・超高出力の半導体レーザ装置を提供することができる。また、本発明の第３の態様にあっては、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を第１光ピークとして出射する、超短パルス・超高出力の半導体レーザ素子であって、しかも、この第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上の、ブロードではあるが高いエネルギーを有する第２光ピークを出射する半導体レーザ装置を提供することができる。即ち、高いピークパワーを有し、しかも、１光パルス当たりの高いエネルギーを有する光パルスを発生することができる。そして、市販の高出力半導体レーザ素子と電気駆動系エレクトロニクスといった簡単な組合せで、容易にワット級あるいはそれ以上のピーク光強度を有する半導体レーザ素子光源を得ることができる。
【００１８】
しかも、光注入手段による注入光の光強度を変化させれば、半導体レーザ装置から出射される極短、高出力のパルスレーザ光を変調させたり、パルスレーザ光のピークパワーの増加量を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の半導体レーザ装置の回路図である。
【図２】図２は、実施例２の半導体レーザ装置の回路図である。
【図３】図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、半導体レーザ素子に印加される矩形状のパルス電圧を模式的に示す図である。
【図４】図４は、実施例１の半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図５】図５の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１において、高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形の時間変化を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、全スペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフである。
【図６】図６の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１において、光スペクトルの測定結果を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、全光スペクトルである。
【図７】図７の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１において、高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形の時間変化を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、バンドパスフィルターを用いて光注入手段からの光の波長λ2近傍の波長成分を取り出して得られたスペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフである。
【図８】図８の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１において、光スペクトルの測定結果を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、バンドパスフィルターを用いて光注入手段からの光の波長λ2近傍の波長成分を取り出して得られた光スペクトルである。
【図９】図９の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１において、高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形の時間変化を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、バンドパスフィルターを用いて波長λ1（光注入手段からの光注入が行われていない状態において半導体レーザ素子の出射する第１光ピークの波長）近傍の波長成分を取り出して得られたスペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフである。
【図１０】図１０の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１において、光スペクトルの測定結果を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、バンドパスフィルターを用いて波長λ1近傍の波長成分を取り出して得られた光スペクトルである。
【図１１】図１１は、注入光の発振波長と光の時間波形及び光スペクトルの変化の関係を説明するための概念図である。
【図１２】図１２の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例２において、高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形の時間変化を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、全スペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフである。
【図１３】図１３の（Ａ）、（Ｂ）は、実施例２において、光スペクトルの測定結果を示すグラフであり、それぞれ、光注入を行っている状態で得られたグラフ、及び、光注入を行っていない状態で得られたグラフであり、且つ、全光スペクトルである。
【図１４】図１４は、実施例１の半導体レーザ素子において、活性層からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層までの距離ｄを変えた半導体レーザ素子を作製して、その内部損失と内部量子効率を求めた結果を示すグラフである。
【図１５】図１５の（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例１の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波形を示す図である。
【図１６】図１６の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ素子において、高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形、及び、出現した第１光ピーク（ＧＰ）の典型例を示す図、並びに、第１光ピーク（ＧＰ）の半値幅をストリークカメラで測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明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．本発明の第１の態様〜第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法、本発明の第１の態様〜第３の態様に係る半導体レーザ装置、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の第１の態様〜第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法、本発明の第１の態様〜第３の態様に係る半導体レーザ装置）
３．実施例２（実施例１の変形、その他）
【００２１】
［本発明の第１の態様〜第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法、本発明の第１の態様〜第３の態様に係る半導体レーザ装置、全般に関する説明］
本発明の第１の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法、あるいは、本発明の第１の態様に係る半導体レーザ装置（以下、これらを総称して、『本発明の第１の態様』と呼ぶ場合がある）において、パルス電流の幅は、１０ナノ秒以下、好ましくは２ナノ秒以下である形態とすることができる。更には、このような好ましい形態を含む本発明の第１の態様において、パルス電流の値は、０．４アンペア以上、好ましくは０．８アンペア以上である形態とすることができる。あるいは又、パルス電流の値は、活性層１ｃｍ2当たり（接合領域面積１ｃｍ2当たり）に換算したとき、即ち、電流密度（動作電流密度であり、単位はアンペア／ｃｍ2）にて換算したとき、３．５×１０4アンペア／ｃｍ2以上、好ましくは７×１０4アンペア／ｃｍ2以上である形態とすることができる。尚、パルス電流の幅の下限値は、パルス発生器の仕様等に依存する。パルス電流の値の上限は、使用する半導体レーザ素子の仕様に基づき決定すればよい。
【００２２】
本発明の第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法、あるいは、本発明の第２の態様に係る半導体レーザ装置（以下、これらを総称して、『本発明の第２の態様』と呼ぶ場合がある）において、パルス電圧の幅は、１０ナノ秒以下、好ましくは２ナノ秒以下である形態とすることができる。更には、このような好ましい形態を含む本発明の第２の態様において、パルス電圧の値は、５０Ω系で測定したときに、８ボルト以上、好ましくは１６ボルト以上である形態とすることができる。尚、パルス電圧の幅の下限値は、パルス発生器の仕様等に依存する。パルス電圧の値の上限は、使用する半導体レーザ素子の仕様に基づき決定すればよい。
【００２３】
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは本発明の第２の態様において、光注入手段からの光注入が行われていない状態において半導体レーザ素子の出射する主たる光の波長（全時間波形における発振波長のピーク波長）をλ3、光注入手段からの光の波長をλ2としたとき、
０．９８≦λ2／λ3≦１．０２
好ましくは、
０．９９≦λ2／λ3≦１．０１
である構成とすることができる。
【００２４】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様あるいは本発明の第２の態様において、光注入手段はレーザ装置から成る形態とすることができるし、あるいは又、光注入手段は、外部共振器、具体的には、例えば、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を半導体レーザ素子へと反射する（戻す）外部鏡から成る形態とすることができる。尚、前者の場合、レーザ装置を連続発振型のレーザ装置とすることができ、この場合には、レーザ装置によって半導体レーザ素子に対して光注入を行っている状態（即ち、光を照射している状態）で、上述した条件にて半導体レーザ素子を駆動すればよい。あるいは又、前者の場合、レーザ装置をパルス発振型のレーザ装置とすることができ、この場合には、レーザ装置によって半導体レーザ素子に対して光注入を行っている状態で、あるいは又、光注入を行った直後に（例えば、光注入を行った後、サブ・ナノ秒以内に）、上述した条件にて半導体レーザ素子を駆動すればよい。また、後者の場合、外部共振器（例えば、外部鏡）のビート周波数をｆ2、半導体レーザ素子に印加するパルス電圧あるいはパルス電流の繰り返し周波数をｆ1としたとき、
０．９９≦ｆ2／ｆ1≦１．０１
好ましくは、
０．９９５≦ｆ2／ｆ1≦１．００５
である構成とすることができる。ここで、ビート周波数ｆ2とは、外部共振器内を光が往復するビートであり、共振器長をＬ、光速をｃとした場合、概ね、ｆ2＝２Ｌ／ｃで求まる。
【００２５】
以上に説明した種々の好ましい形態を含む本発明の第１の態様、本発明の第２の態様、あるいは、本発明の第３の態様（以下、これらを総称して、単に、『本発明』と呼ぶ場合がある）において、半導体レーザ素子は、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）を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。リッジ部は、次に述べる第２化合物半導体層を、厚さ方向に一部分、例えば、ＲＩＥ法にて除去することで、形成することができる。
【００２６】
また、上記の好ましい形態を含む本発明において、
半導体レーザ素子は、第１化合物半導体層、量子井戸構造を有する活性層、及び、第２化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、及び、第２化合物半導体層に電気的に接続された第２電極を備えており、
積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る構成、即ち、半導体レーザ素子はＧａＮ系半導体レーザ素子である構成とすることができる。
【００２７】
ここで、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体として、具体的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ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、量子井戸構造を有する活性層は、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。尚、半導体レーザ素子の積層構造体を構成するＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体を、以下、『ＧａＮ系化合物半導体』と呼ぶ場合があるし、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体層を、以下、『ＧａＮ系化合物半導体層』と呼ぶ場合がある。
【００２８】
更には、上記の好ましい構成において、第２化合物半導体層は、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有し；超格子構造の厚さは０．７μｍ以下である構造とすることができる。このような超格子構造の構造を採用することで、クラッド層として必要な高屈折率を維持しながら、半導体レーザ素子素子の直列抵抗成分を下げることができ、半導体レーザ素子素子の低動作電圧化につながる。尚、超格子構造の厚さの下限値として、限定するものではないが、例えば、０．３μｍを挙げることができるし、超格子構造を構成するｐ型ＧａＮ層の厚さとして１ｎｍ乃至５ｎｍを例示することができるし、超格子構造を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さとして１ｎｍ乃至５ｎｍを例示することができるし、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の層数合計として、６０層乃至３００層を例示することができる。また、第２電極は第２化合物半導体層上に設けられており；活性層から第２電極までの距離は１μｍ以下、好ましくは、０．６μｍ以下である構成とすることができる。このように活性層から第２電極までの距離を規定することで、抵抗の高いｐ型の第２化合物半導体層の厚さを薄くし、半導体レーザ素子素子の動作電圧の低減化を達成することができる。尚、活性層から第２電極までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、０．３μｍを挙げることができる。また、第２化合物半導体層には、Ｍｇが、１×１０19ｃｍ-3以上、ドーピングされており；活性層からの波長４０５ｎｍの光に対する第２化合物半導体層の吸収係数は、少なくとも５０ｃｍ-1である構成とすることができる。このＭｇの原子濃度は、２×１０19ｃｍ-3の値で最大の正孔濃度を示すという材料物性に由来しており、最大の正孔濃度、即ち、この第２化合物半導体層の比抵抗が最小になるように設計された結果である。第２化合物半導体層の吸収係数は、半導体レーザ素子素子の抵抗を出来るだけ下げるという観点で規定されているものであり、その結果、活性層の光の吸収係数が、５０ｃｍ-1となるのが一般的である。しかし、この吸収係数を上げるために、Ｍｇドープ量を故意に２×１０19ｃｍ-3以上の濃度に設定することも可能である。この場合には、実用的な正孔濃度が得られる上での上限のＭｇドープ量は、例えば８×１０19ｃｍ-3である。また、第２化合物半導体層は、活性層側から、ノンドープ化合物半導体層、及び、ｐ型化合物半導体層を有しており；活性層からｐ型化合物半導体層までの距離は、１．２×１０-7ｍ以下である構成とすることができる。このように活性層からｐ型化合物半導体層までの距離を規定することで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制することができ、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減化させることができる。尚、活性層からｐ型化合物半導体層までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、５×１０-8ｍを挙げることができる。また、半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を有し；リッジストライプ構造におけるリッジ部の幅は２μｍ以下であり；リッジ部の両側面には、ＳｉＯ2／Ｓｉ積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており；リッジ部の有効屈折率と積層絶縁膜の有効屈折率との差は、５×１０-3乃至１×��０-2である構成とすることができる。このような積層絶縁膜を用いることで、１００ｍＷを超える高出力動作であっても、単一基本横モードを維持することができる。尚、リッジ部の幅の下限値として、限定するものではないが、例えば、０．８μｍを挙げることができる。また、第２化合物半導体層は、活性層側から、例えば、ノンドープＧａＩｎＮ層（ｐ側光ガイド層）、ノンドープＡｌＧａＮ層（ｐ側クラッド層）、ＭｇドープＡｌＧａＮ層（電子障壁層）、ＧａＮ層（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ層の超格子構造（超格子クラッド層）、及び、ＭｇドープＧａＮ層（ｐ側コンタクト層）が積層されて成る構造とすることができる。また、半導体レーザ素子の端面から出射されるレーザ光の垂直方向のビーム放射半値角θ⊥は２５度以下、好ましくは２１度以下である構成とすることができる。尚、ビーム放射半値角θ⊥の下限値として、限定するものではないが、例えば、１７度を挙げることができる。また、共振長として、０．３ｍｍ乃至２ｍｍを例示することができる。また、活性層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、２．４ｅＶ以上であることが望ましい。また、活性層から出射されるレーザ光の波長は、３６０ｎｍ乃至５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ乃至４１０ｎｍであることが望ましい。ここで、以上に説明した各種の構成を、適宜、組み合わせることができることは云うまでもない。
【００２９】
本発明にあっては、半導体レーザ素子を構成する各種のＧａＮ系化合物半導体層を基板に、順次、形成するが、ここで、基板として、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。また、半導体レーザ素子を構成する各種の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。
【００３０】
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。尚、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。
【００３１】
ｐ型の導電型を有する第２化合物半導体層に電気的に接続された第２電極（あるいは、コンタクト層上に形成された第２電極）は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）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していることが好ましく、あるいは又、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電材料を用いることもできる。一方、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ＰＶＤ法にて形成することができる。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。同様に、第２電極は第２化合物半導体層に電気的に接続されているが、第２電極が第２化合物半導体層上に形成された形態、第２電極が導電材料層を介して第２化合物半導体層に接続された形態が包含される。
【００３２】
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。
【００３３】
本発明を、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といった分野に適用することができる。
【実施例１】
【００３４】
実施例１は、本発明の第１の態様〜第２の態様に係る半導体レーザ素子の駆動方法及び半導体レーザ装置に関し、更には、本発明の第３の態様に係る半導体レーザ装置に関する。
【００３５】
実施例１の超短パルス・超高出力の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置は、図１の（Ａ）に示すように、半導体レーザ素子２０、及び、半導体レーザ素子２０に光を注入するための（云い換えれば、半導体レーザ素子２０にキャリアを注入するための）光注入手段１０から構成されている。更には、半導体レーザ装置は、パルス発生器１５を備えており、このパルス発生器１５からの駆動パルスによって半導体レーザ素子２０は駆動される。具体的には、半導体レーザ装置は、発光波長４０５ｎｍ帯のＧａＮ系半導体レーザ素子２０と、このＧａＮ系半導体レーザ素子２０を利得スイッチング動作させる高出力のパルス発生器１５から構成されている。尚、直流定電流電源１６を備えているが、図１の（Ｂ）に示すように、直流定電流電源１６を備えていなくともよい。ここで、直流定電流電源１６は周知の回路構成であり、パルス発生器１５としては、低電圧のパルス発生器と高出力電圧増幅器を組み合わせた構成とすることができる。
【００３６】
半導体レーザ素子２０に印加される電圧（駆動パルス）は、図３の（Ａ）に示すように、時間幅ｔpの矩形状のパルス電圧Ｖ2である。尚、直流定電流電源１６を備えているので、直流電圧Ｖ1に時間幅ｔpの矩形状のパルス電圧Ｖ2を加えたものとなる。ここで、直流電圧Ｖ1は、直流定電流電源１６から供給される電流（値：Ｉ1）と半導体レーザ素子２０の内部抵抗Ｒとｐ−ｎ接合のビルドインポテンシャルＶ0から、
Ｖ1＝Ｒ×Ｉ1＋Ｖ0≒Ｖ0＝３ボルト
で与えられる。但し、配線抵抗、配線と半導体レーザ素子２０との接触抵抗等は無視している。図１の（Ｂ）に示した回路構成にあっては、図３の（Ｂ）に示すように、半導体レーザ素子２０に印加される電圧は、時間幅ｔpの矩形状のパルス電圧Ｖ2である。
【００３７】
半導体レーザ素子２０は、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）を有する半導体レーザ素子である。具体的には、この半導体レーザ素子２０は、ブルーレイ光ディスクシステム用に開発されたインデックスガイド型のＡｌＧａＩｎＮから成るＧａＮ系半導体レーザ素子であり、リッジストライプ構造を有する。そして、その仕様は、絶対最大定格の光出力が、連続駆動時で８５ミリワット、パルス駆動時（パルス幅７．５ナノ秒、デューティ比５０％）で１７０ミリワットである。また、発光波長の標準値は４０５ｎｍ、閾値電流の値Ｉth（発振開始電流の標準値）は４０ミリアンペア、半導体レーザ素子２０の端面から出射されるレーザ光の活性層に平行な放射角（水平方向のビーム放射半値角θ//）及び垂直な放射角（垂直方向のビーム放射半値角θ⊥）の標準値は、それぞれ、８度及び２１度であり、後述する化合物半導体層の積層方向（縦方向）に光閉じ込めを弱くした高出力仕様の半導体レーザ素子である。また、共振長は０．８ｍｍである。
【００３８】
半導体レーザ素子２０の模式的な断面図を図４に示す。この半導体レーザ素子２０は、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面上に設けられており、第１化合物半導体層３０、量子井戸構造を有する活性層４０、及び、第２化合物半導体層５０から成る積層構造体、第１化合物半導体層３０に電気的に接続された第１電極６１、並びに、第２化合物半導体層５０に電気的に接続された第２電極６２を備えている。そして、第１化合物半導体層３０、活性層４０、及び、第２化合物半導体層５０は、ＧａＮ系化合物半導体、具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る。半導体レーザ素子２０は、より具体的には、以下の表１に示す層構成を有する。ここで、表１において、下方に記載した化合物半導体層ほど、ｎ型ＧａＮ基板２１に近い層である。尚、活性層４０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。
【００３９】
［表１］
第２化合物半導体層５０
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）５５
ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）５３
ノンドープＡｌＧａＮクラッド層５２
ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１
活性層４０
ＧａＩｎＮ量子井戸活性層
（井戸層：Ｇａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ）
第１化合物半導体層３０
ｎ型ＧａＮクラッド層３２
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１
【００４０】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層５５及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の一部は、ＲＩＥ法にて除去されており、幅１．４μｍのリッジ部５６が形成されている。リッジ部５６の両側にはＳｉＯ2／Ｓｉから成る積層絶縁膜５７が形成されている。尚、ＳｉＯ2層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。ここで、リッジ部５６の有効屈折率と積層絶縁膜５７の有効屈折率との差は、５×１０-3乃至１×１０-2、具体的には、７×１０-3である。そして、リッジ部５６の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層５５上には、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕから成る第２電極（ｐ型オーミック電極）６２が形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る第１電極（ｎ型オーミック電極）６１が形成されている。
【００４１】
尚、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有するｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の厚さは０．７μｍ以下、具体的には、０．４μｍであり、超格子構造を構成するｐ型ＧａＮ層の厚さは２．５ｎｍであり、超格子構造を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは２．５ｎｍであり、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の層数合計は１６０層である。また、活性層４０から第２電極６２までの距離は１μｍ以下、具体的には０．５μｍであり、リッジ部５６の高さは０．３μｍである。更には、第２化合物半導体層５０を構成するｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５５には、Ｍｇが、１×１０19ｃｍ-3以上（具体的には、２×１０19ｃｍ-3）、ドーピングされており、波長４０５ｎｍの光に対する第２化合物半導体層５０の吸収係数は、少なくとも５０ｃｍ-1、具体的には、６５ｃｍ-1である。また、第２化合物半導体層５０は、活性層側から、ノンドープ化合物半導体層（ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１及びノンドープＡｌＧａＮクラッド層５２）、並びに、ｐ型化合物半導体層を有しているが、活性層からｐ型化合物半導体層（具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３）までの距離（ｄ）は１．２×１０-7ｍ以下、具体的には１００ｎｍである。
【００４２】
実施例１の半導体レーザ素子２０にあっては、活性層４０及びその近傍から発生した光密度分布に、Ｍｇドープした化合物半導体層である、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４及びｐ型ＧａＮコンタクト層５５が出来るだけ重ならないようにすることで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制している。そして、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流密度を低減化させている。実際に、活性層４０からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３までの距離ｄを変えた半導体レーザ素子を作製して、その内部損失αiと内部量子効率ηiを求めた結果を、図１４に示す。図１４から、ｄの値を大きくすることで、内部損失αiは低下するが、ｄの値が或る値以上になると、井戸層へのホールの注入効率が低下する結果、活性層における電子ホールの再結合確率が低下し、内部量子効率ηiが減少する。以上の結果から、ｄの値を上述のとおりに設計した。
【００４３】
実施例１の半導体レーザ素子２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子２０は、閾値電流の値Ｉthの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動される。この電流値は、定格光出力を得るのに必要な電流値（定格電流）を遥かに超えた値である。あるいは又、実施例１の半導体レーザ素子の駆動方法にあっては、閾値電圧の値Ｖthの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で半導体レーザ素子を駆動し、また、横モード不安定を誘起する電圧以上に高めた電圧で半導体レーザ素子を駆動する。また、実施例１の半導体レーザ素子２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子２０は、閾値電流の値Ｉthの１０倍以上の値、好ましくは２０倍以上の値、より好ましくは５０倍以上の値を有するパルス電流で駆動され、また、定格電流を遙かに超えるパルス電流で駆動される。あるいは又、実施例１の半導体レーザ素子２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子２０は、閾値電圧の値Ｖthの２倍以上の値、好ましくは４倍以上の値、より好ましくは１０倍以上の値を有するパルス電圧で駆動され、また、横モード不安定を誘起する電圧以上に高めた電圧で駆動される。あるいは又、実施例１の半導体レーザ素子２０、あるいは、実施例１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子２０は、３ワット以上、好ましくは５ワット以上、より好ましくは１０ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下、好ましくは１５ピコ秒以下、より好ましくは１０ピコ秒以下の第１光ピーク、及び、該第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、好ましくは２ナノ・ジュール以上、より好ましくは５ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が、１ナノ秒以上、好ましくは２ナノ秒以上、より好ましくは５ナノ秒以上である第２光ピークを出射する。
【００４４】
ところで、図３の（Ａ）に示したパルス状の電圧を加えたとき、実施例１の半導体レーザ素子２０からは、図１５の（Ａ）〜（Ｄ）に示す光波形が、高速光検出器とサンプリングオシロスコープを使って観察された。ここで、印加したパルス状の電圧の仕様は以下の表２に示すとおりである。尚、図１５の（Ａ）〜（Ｄ）における縦軸は、高速光検出器から得られた信号電圧を表しており、５００ミリボルトの出力信号が光出力１０ワットに相当する。
【００４５】
［表２］
直流定電流Ｉ1           ：０．１ミリアンペア
パルス幅ｔp             ：２ナノ秒
パルスの繰り返し周波数ｆ：１００ｋＨｚ
【００４６】
図１５の（Ａ）に示すように、パルス電圧Ｖ2が４．６ボルトのときには、単一の光ピークが得られた。また、図１５の（Ｂ）に示すように、パルス電圧Ｖ2が８．１ボルトのとき、半導体レーザ素子の緩和振動に起因した複数の光パルスが出現した。更には、図１５の（Ｃ）に示すように、パルス電圧Ｖ2を増加させていくと、パルス電圧Ｖ2が１４．３ボルトでは、複数の半値幅５０ピコ秒以下の鋭い光パルスの発生後、継続時間が１ナノ秒程度の幅広い光パルスが重畳した。
【００４７】
更に、パルス電圧Ｖ2を１６ボルトにすると、図１５の（Ｄ）に示すように、半値幅２０ピコ秒以下の鋭い、しかも、高いピークエネルギー（約１０ワット）を有する単一の光パルス（Giant Pulse，ＧＰと呼び、第１光ピークに相当する）が出現し、第１光ピークに引き続き、強度の低い複数の光パルスと、継続時間が１ナノ秒以上の幅広い光ピーク（第２光ピークであり、継続時間は約１．５ナノ秒）とが重畳して観察された。このときのパルス電流の値は、０．４アンペア以上、具体的には、１．６アンペアであり、あるいは又、パルス電流の値は、活性層１ｃｍ2当たり（接合領域面積１ｃｍ2当たり）に換算したとき、即ち、電流密度（動作電流密度であり、単位はアンペア／ｃｍ2）にて換算したとき、１．４×１０5アンペア／ｃｍ2である。第１光ピーク（ＧＰ）の出現は、ＧａＮ系の半導体レーザ素子を利得スイッチング動作させることによって得られる、特有な現象と考えられる。同様の実験を、ＧａＡｓ系高出力半導体レーザ素子に対して行ったが、実施例１の半導体レーザ素子２０に見られた第１光ピークのような尖頭値の高い光パルスは、観察されなかった。
【００４８】
高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形、及び、出現した第１光ピーク（ＧＰ）の典型例を、図１６の（Ａ）に示す。１５ワットもの高いピーク光強度を有する第１光ピーク（ＧＰ）と、第１光ピークに引き続き、１ナノ・ジュール以上、具体的には、１．１ナノ・ジュールのエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上、具体的には、１．５ナノ秒である第２光ピークが出現した。尚、このときの駆動条件は、以下の表３に示すとおりである。また、第１光ピーク（ＧＰ）の半値幅をストリークカメラで測定すると、２０ピコ秒と、非常に狭いものであった（図１６の（Ｂ）参照）。
【００４９】
［表３］
直流定電流Ｉ1           ：０．１ミリアンペア
パルス幅ｔp             ：２ナノ秒
パルスの繰り返し周波数ｆ：１００ｋＨｚ
パルス電圧Ｖ2           ：４５ボルト
【００５０】
実施例１の半導体レーザ素子２０にあっては、横モードの不安定性に起因するエネルギー溜め込み機構を有することで第１光ピーク（ＧＰ）を発生させるような、Ｑスイッチング・レーザ的動作をしていると考えられる。云い換えれば、実施例１の半導体レーザ素子は、横モードの不安定性に起因するエネルギー溜め込み機構を有することによってＱスイッチング・レーザ的機能を内包した、利得スイッチング型半導体レーザ素子であると表現することができる。そして、電流パルス増大に伴う実効的に内在するＱスイッチング機構により、従来の利得スイッチング型半導体レーザ素子では知られていなかった、２０ピコ秒以下の短い光パルス幅と３ワット以上（例えば、１０ワット以上）のピーク光出力が得られると考えられる。
【００５１】
このように、実施例１にあっては、半導体レーザ素子２０を閾値電流の値Ｉthの１０倍以上の値を有するパルス電流で駆動し、あるいは又、半導体レーザ素子２０を閾値電圧Ｖthの値の２倍以上の値を有するパルス電圧で駆動する。その結果、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を出射する、超短パルス・超高出力の半導体レーザ素子を得ることができる。また、実施例１の半導体レーザ素子にあっては、３ワット以上の光強度を有し、半値幅が２０ピコ秒以下の尖頭ピークを有するレーザ光を第１光ピーク（ＧＰ）として出射し、しかも、この第１光ピーク（ＧＰ）に引き続き、１ナノ・ジュール以上のエネルギーを有し、継続時間が１ナノ秒以上の、ブロードではあるが高いエネルギーを有する第２光ピークを出射する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５２】
そして、実施例１にあっては、このように駆動される半導体レーザ素子２０（即ち、強励起利得スイッチング動作を行うに半導体レーザ素子２０）に対して、光注入手段１０から光注入を行う。即ち、光注入手段１０から半導体レーザ素子２０にキャリア注入を行う。
【００５３】
ここで、光注入手段１０は、レーザ装置、具体的には、
波長（λ2）＝４０８．９ｎｍ
を出射する連続発振型のレーザ装置（より具体的には、ＧａＮ系半導体レーザ素子）から成る。光注入手段１０から連続して出射されているレーザ光を、集光レンズ１１、アイソレータ１２、ビームスプリッター１３、集光レンズ１４を介して、半導体レーザ素子２０に注入（照射）する。一方、半導体レーザ素子２０から出射されたレーザ光は、集光レンズ１４を介してビームスプリッター１３に入射し、光注入手段１０とは異なる方向に出射される。
【００５４】
そして、連続発振型のレーザ装置によって半導体レーザ素子２０に対して光注入を行っている状態で、半導体レーザ素子２０を駆動する。具体的には、半導体レーザ素子２０を、以下の表４の条件にて駆動した。
【００５５】
［表４］
パルス幅ｔp             ：２ナノ秒
パルスの繰り返し周波数ｆ：２０ＭＨｚ
パルス電圧Ｖ2           ：４０ボルト
【００５６】
高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形の時間変化を図５の（Ａ）、（Ｂ）、図７の（Ａ）、（Ｂ）、図９の（Ａ）、（Ｂ）に示し、光スペクトルの測定結果を図６の（Ａ）、（Ｂ）、図８の（Ａ）、（Ｂ）、図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示す。ここで、図５の（Ａ）、図６の（Ａ）、図７の（Ａ）、図８の（Ａ）、図９の（Ａ）、図１０の（Ａ）に示すグラフは、光注入を行っている状態で得られたものである。一方、図５の（Ｂ）、図６の（Ｂ）、図７の（Ｂ）、図８の（Ｂ）、図９の（Ｂ）、図１０の（Ｂ）に示すグラフは、光注入を行っていない状態で得られたものである。
【００５７】
また、図５の（Ａ）、（Ｂ）、及び、図６の（Ａ）、（Ｂ）に示すグラフは、全スペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフ、及び、全光スペクトルである。一方、図７の（Ａ）、（Ｂ）、及び、図８の（Ａ）、（Ｂ）に示すグラフは、バンドパスフィルターを用いて光注入手段１０からの光の波長λ2近傍の波長成分を取り出して得られたスペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフ、及び、光スペクトルである。更には、図９の（Ａ）、（Ｂ）、及び、図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示すグラフは、バンドパスフィルターを用いて波長λ1（光注入手段１０からの光注入が行われていない状態において半導体レーザ素子２０の出射する第１光ピークの波長であり、４０６．２ｎｍ）近傍の波長成分を取り出して得られたスペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフ、及び、光スペクトルである。
【００５８】
更には、注入光の発振波長と光の時間波形及び光スペクトルの変化の関係の概念図を図１１に示す。尚、主たる光の波長λ3は、利得スイッチング動作での広がった光スペクトルのピーク波長（全時間波形における発振波長のピーク波長）であり、具体的には４０８．５ｎｍ（図６の（Ｂ）のピーク波長参照）である。
【００５９】
図９の（Ｂ）及び図１０の（Ｂ）、並びに、図９の（Ａ）及び図１０の（Ａ）からも明らかなように、波長λ1近傍の光強度は、光を注入していない状態においてよりも光を注入した状態において減少しており、また、光注入によって、半導体レーザ素子２０の出射する第１光ピークの波長が、λ1から他の波長に変化していることが判る。一方、図７の（Ｂ）及び図８の（Ｂ）、並びに、図７の（Ａ）及び図８の（Ａ）からも明らかなように、波長λ2近傍の光強度は、光を注入していない状態においてよりも光を注入した状態において劇的に増加しており、また、光注入によって、半導体レーザ素子２０の出射する第１光ピークの波長がλ2へと変化していることが判る。即ち、光注入によって、半導体レーザ素子２０の出射する第１光ピークの波長がλ1からλ2へとシフトしていることが判る。しかも、光を注入した状態における全スペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフ及び全光スペクトル（図５の（Ａ）、（Ｂ）及び図６の（Ａ）、（Ｂ）参照）から、主たる光の波長λ3での発振が光注入によって注入光の発振波長（λ2）にシフトし、利得スイッチング動作における主たる発振波長（λ3）が注入光の波長成分（λ2）に引き込まれ、半導体レーザ素子２０の主たるピークのピークパワーが大幅に増強されたことが判る。云い換えれば、光注入手段１０から出射された見掛けのパルスレーザ光の光強度が大幅に増幅されている。尚、λ2，λ3は、
０．９８≦λ2／λ3≦１．０２
の関係を満足している。
【実施例２】
【００６０】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の超短パルス・超高出力の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置において、図２に示すように、光注入手段は、外部共振器、具体的には、外部鏡１７から構成されている。尚、図２に示す例では、直流定電流電源１６を備えているが、図１の（Ｂ）に示したと同様に、直流定電流電源１６を備えていなくともよい。半導体レーザ素子２０から出射されたレーザ光は、集光レンズ１４を通過し、更に、一部のレーザ光はビームスプリッター１３を通過して、外部鏡１７によって反射され、ビームスプリッター１３、集光レンズ１４を介して、半導体レーザ素子２０に戻される。また、半導体レーザ素子２０から出射されたレーザ光の他の部分は、集光レンズ１４を通過し、ビームスプリッター１３から外部に取り出される。
【００６１】
高速光検出器とサンプリングオシロスコープで測定された光波形の時間変化を図１２の（Ａ）、（Ｂ）に示し、光スペクトルの測定結果を図１３の（Ａ）、（Ｂ）に示す。ここで、図１２の（Ａ）、図１３の（Ａ）に示すグラフは、光注入を行っている状態で得られたものである。一方、図１２の（Ｂ）、図１３の（Ｂ）に示すグラフは、光注入を行っていない状態で得られたものである。また、図１２の（Ａ）、（Ｂ）、及び、図１３の（Ａ）、（Ｂ）に示すグラフは、全スペクトル成分における光波形の時間変化を示すグラフ、及び、全光スペクトルである。
【００６２】
実施例２にあっては、半導体レーザ素子２０に印加する短パルス電流の繰り返し周波数ｆ1と外部共振器（具体的には、外部鏡１７）によるビート周波数ｆ2の関係は、
０．９９≦ｆ2／ｆ1≦１．０１
を満足している。具体的には、
ｆ1＝１００．０×１０6Ｈｚ
ｆ2＝１００．７×１０6Ｈｚ
である。
【００６３】
これらのグラフからも、半導体レーザ素子２０において波長λ1で発振していた第１光ピークが光注入によって注入光の発振波長（λ2）にシフトし、利得スイッチング動作における主たる発振波長（λ3）が注入光の波長成分（λ2）に引き込まれ、半導体レーザ素子２０の主たるピークのピークパワーが大幅に増強されたことが判る。即ち、外部共振器の有り無し（フィードバックの有り無し）で、半導体レーザ素子２０の主たるピークのピークパワーが増強されたことがわかる。
【００６４】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが，本発明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半導体レーザ素子の構成、構造、半導体レーザ装置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、使用する半導体レーザ素子の仕様が変われば、変わることは当然である。尚、注入光の発振波長（λ2）が第１光ピークの発振波長（λ1）付近である場合、具体的には、｜λ2−λ1｜の値が、λ2の±２％以内、好ましくは１％以内である場合、場合によっては、第１光ピークに波長シフトが生ずることなく、第１光ピークの光強度が効率よく増強させられる。
【符号の説明】
【００６５】
１０・・・光注入手段、１１，１４・・・集光レンズ、１２・・・アイソレータ、１３・・・ビームスプリッター、１５・・・パルス発生器、１６・・・直流定電流電源、１７・・・外部鏡（外部共振器）、２０・・・半導体レーザ素子、２１・・・ｎ型ＧａＮ基板、３０・・・第１化合物半導体層、３１・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３２・・・ｎ型ＧａＮクラッド層、４０・・・活性層、５０・・・第２化合物半導体層、５１・・・ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層、５２・・・ノンドープＡｌＧａＮクラッド層、５３・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）、５４・・・ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、５５・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）、５６・・・リッジ部、５７・・・積層絶縁膜、６１・・・第１電極、６２・・・第２電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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