(57)【要約】【課題】小さな利得電流でモード同期を実現し、かつ、発光パルスの時間軸での幅が狭い高速光パルスを発生させる。【解決手段】活性層２０に、誘導放出光を生成するための利得領域２４と、利得領域２４で生成された誘導放出光を部分的に吸収するための可飽和吸収領域２６とを、長手方向に対して直列に含んでいる。利得領域は、２４バルク半導体結晶によって構成され、及び、可飽和吸収領域２６は、多重量子井戸構造によって構成される。【選択図】図１
2006351571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導放出光を生成するための利得領域と、該利得領域で生成された前記誘導放出光を部分的に吸収するための可飽和吸収領域とを、長手方向に対して直列に含む活性層を備え、
前記利得領域がバルク半導体結晶によって構成され、及び、前記可飽和吸収領域が多重量子井戸構造によって構成されている
ことを特徴とするモード同期半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層は、さらに、受動導波路領域を含み、
前記利得領域、前記可飽和吸収領域及び前記受動導波路領域は、前記活性層の長手方向に直列に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項３】
前記活性層は、さらに、受動導波路領域を含み、
該受動導波路領域と前記活性層の長手方向に対して一方の端面との間に、前記利得領域及び前記可飽和吸収領域が配置され、
該受動導波路領域にブラッグ格子を設ける
ことを特徴とする請求項１に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層の長手方向に、前記利得領域を複数備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項５】
誘導放出光を生成するための利得領域と、該利得領域で生成された前記誘導放出光を変調するための変調領域とを含む活性層を備え、
前記利得領域がバルク半導体結晶によって構成され、及び、前記変調領域が多重量子井戸構造によって構成されている
ことを特徴とするモード同期半導体レーザ。
【請求項６】
下クラッド層上に、多重量子井戸構造のＭＱＷ活性層を一様に成長させる工程と、
該ＭＱＷ活性層上に、可飽和吸収領域に対応する第１領域の前記ＭＱＷ活性層の部分を覆い、かつ、利得領域に対応する第２領域の前記ＭＱＷ活性層の部分を露出させる選択マスクを形成する工程と、
該選択マスクを用いたエッチングにより、前記第２領域のＭＱＷ活性層の部分を除去する工程と、
前記選択マスクを用いて、前記第２領域の前記下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させて利得領域を形成する工程と
を備えることを特徴とするモード同期半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
下クラッド層上に、多重量子井戸構造のＭＱＷ活性層を一様に成長させる工程と、
該ＭＱＷ活性層上に、可飽和吸収領域に対応する第１領域の前記ＭＱＷ活性層の部分を覆い、かつ、利得領域に対応する第２領域及び受動導波路領域に対応する第３領域の前記ＭＱＷ活性層の部分を露出させる第１選択マスクを形成する工程と、
前記第１選択マスクを用いたエッチングにより、第２領域及び第３領域のＭＱＷ活性層の部分を除去する工程と、
前記第１選択マスクを用いて、第２領域及び第３領域の前記下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させる工程と、
前記バルク半導体結晶上に、前記第２領域のバルク半導体結晶の部分を覆い、かつ、前記第３領域のバルク半導体結晶の部分を露出させる第２選択マスクを形成する工程と、
前記第１及び第２選択マスクを用いたエッチングにより、前記第３領域の前記バルク半導体結晶の部分を除去する工程と、
前記第３領域の前記下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させ、受動導波路領域とする工程と
を備えることを特徴とするモード同期半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モード同期半導体レーザ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光パルスを発生するレーザ装置の１つに、受動モード同期半導体レーザがある。
【０００３】
図８を参照して、従来の受動モード同期半導体レーザについて説明する。図８は、従来の受動モード同期半導体レーザを概略的に示す断面図である。受動モード同期半導体レーザ１１０は、下クラッド層１１２、活性層１２０及び上クラッド層１１４を順に積層した積層構造を有している。ファブリペロー型の受動モード同期半導体レーザ１１０では、活性層１２０の長手方向の両端に劈開で形成された端面（劈開面ともいう。）１１６ａ及び１１６ｂの間で共振器が構成される。
【０００４】
下クラッド層１１２の下面１１２ａに、受動モード同期半導体レーザ１１０の長手方向に連続して共用電極１３２が設けられている。上クラッド層１１４の上面１１４ａに、受動モード同期半導体レーザ１１０の長手方向に分離されて、利得領域用電極１３４及び可飽和吸収用電極１３６が設けられている。活性層１２０の、利得領域用電極１３４に対応する領域、すなわち、利得領域用電極１３４と共用電極１３２の間の領域は、利得領域１２４として機能する領域である。また、活性層１２０の、可飽和吸収領域用電極１３６に対応する領域、すなわち、可飽和吸収領域用電極１３６と共用電極１３２の間の領域は、可飽和吸収領域１２６として機能する領域である。
【０００５】
利得領域用電極１３４には、直流電源１４４が接続されていて、直流電源１４４により、利得領域１２４に順方向電圧が印加される。利得領域１２４では、順方向電圧の印加により、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。利得領域１２４で発生した多モード誘導放出光は、活性層１２０の両劈開面１１６ａ及び１１６ｂの間に構成された共振器により増幅される。
【０００６】
可飽和吸収領域用電極１３６には、直流電源１４６が接続されていて、直流電源１４６により、可飽和吸収領域１２６に逆方向電圧が印加される。可飽和吸収領域１２６では、逆方向電圧の印加により、活性層１２０で増幅される多モード誘導放出光の一部が吸収される。この可飽和吸収領域１２６での吸収飽和作用により、多モード誘導放出光の位相の一致が図られる。この結果、光パルスの時間軸での幅が短い高速光パルスが得られる。
【０００７】
上述した従来の受動モード同期半導体レーザでは、活性層１２０は、下クラッド層１１２上に一様に成長したバルク半導体結晶として形成されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
また、従来の受動モード同期半導体レーザの他の例として、活性層１２０は、下クラッド層１１２上に一様に成長した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造として形成されているものがある（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
一方、活性層１２０をバルク半導体結晶とした場合と、ＭＱＷ構造とした場合の、利得領域１２４における発光スペクトルについての報告がある（例えば、非特許文献３参照）。
【００１０】
図９及び図１０を参照して、この解析結果につき簡単に説明する。
【００１１】
図９は、活性層のエネルギーバンドを示す図であって、横方向に高さ方向の位置を取って示し、縦方向にエネルギーを取って示している。図９（Ａ）は、活性層をバルク半導体結晶とした場合のエネルギーバンドを示し、及び、図９（Ｂ）は、活性層をＭＱＷ構造とした場合のエネルギーバンドを示している。
【００１２】
図９（Ａ）に示される、活性層をバルク半導体結晶とした場合は、キャリアが蓄積される井戸層１５４の厚さＴｂｕｌｋが厚くなる。従って、蓄積されたキャリアが取りうるエネルギー分布は、連続的となって幅が広くなる。これに対し、図９（Ｂ）に示される、活性層をＭＱＷ構造とした場合は、井戸層１５６及びバリア層１５７が交互に存在するため、井戸層１５６の厚さＴＭＱＷが薄くなり、その結果、エネルギー分布は離散的になり幅が狭くなる。
【００１３】
図１０は、キャリアである電子の熱平衡時のエネルギー分布を示す図である。横軸に、電子のエネルギーＥを、ｋＴで規格化して示している。また、縦軸に、電子のエネルギーに対応する分布密度ｎ（Ｅ）を取って示している。
【００１４】
図１０（Ａ）の曲線Ｉは、活性層をバルク半導体結晶とした場合における、電子が励起された熱平衡時のエネルギー分布を示している。バルク半導体結晶は、放物線状の状態密度関数ρ（Ｅ）（〜（Ｅ−Ｅｇ）１．２）（図１０（Ａ）中、点線ＩＩで示す。）を有している。
【００１５】
図１０（Ｂ）の曲線ＩＩＩは、活性層をＭＱＷ構造とした場合における、電子が励起された熱平衡時のエネルギー分布を示している。ＭＱＷ構造は、階段状の状態密度関数ρ（Ｅ）（＝一定）（図１０（Ｂ）中、点線ＩＶで示す。）を有している。
【００１６】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｅｇは、バルク半導体結晶のバンドギャップエネルギー、及び、Ｅ１は、ＭＱＷ構造での最も低い量子準位のエネルギーである。
【００１７】
図１０（Ａ）に示されるように、活性層をバルク半導体結晶とした場合は、エネルギー分布の幅（半値幅）は、１．８程度である。これに対し、図１０（Ｂ）に示されるように、活性層をＭＱＷ構造とした場合は、エネルギー分布の幅（半値幅）は０．７程度である。このように、活性層１２０をバルク半導体結晶にすると、ＭＱＷ構造にした場合に比べて、エネルギー分布の幅が広くなることが分かる。
【００１８】
電子の再結合による発光スペクトルのエネルギー分布の幅は、電子のエネルギー分布の幅に対応するので、発光波長の帯域幅は、バルク半導体結晶の方が広くなり、ＭＱＷ活性層の方が狭くなる。
【００１９】
次に、可飽和吸収領域１２６での吸収飽和について説明する（例えば、非特許文献３参照）。可飽和吸収領域１２６では、光の強度が増大すると、当該光によって励起された励起子の密度も増大する。励起子密度の増大によって、ボーア半径で定まる１つの励起子が占有する空間内に励起子が２つ以上存在せざるを得ない状態になると、励起子間の相互作用によって励起子状態が破壊される。この結果、励起子による光吸収ピークが消滅し、吸収飽和が起こる。従って、吸収飽和が起こるためには、可飽和吸収領域１２６が、１つの励起子が占有する空間内に励起子が２つ以上存在せざるを得ない状態になることが必要である。
【００２０】
可飽和吸収領域１２６がバルク半導体結晶で形成されている場合は、励起子を閉じ込める井戸層１５４の厚さＴｂｕｌｋが厚いため、励起子を受け入れる空間が広く、従って、吸収飽和を起こさせるためには、高い強度の光が必要である。
【００２１】
一方、可飽和吸収領域１２６が、ＭＱＷ構造で形成されている場合は、励起子を閉じ込める井戸層１５６の厚さＴＭＱＷが薄いため、励起子を受け入れる空間が狭く、その結果、吸収飽和を起こさせるために必要な光の強度は低くなる。すなわち、可飽和吸収領域１２６をＭＱＷ構造とした方が、バルク半導体結晶とするよりも吸収飽和が起こりやすい。
【非特許文献１】Ｍ．Ｋｗａｋｅｒｎａａｋ、Ｒｏｌａｎｄ  Ｓｃｈｒｅｉｅｃｋ、Ａｎｄｒｅａｓ  Ｎｅｉｇｅｒ  Ｈｅｉｎｚ  Ｊａｃｋｅｌ、  Ｅｍｉｌｉｏ  Ｇｉｎｉ  Ｗｅｒｎｅｒ  Ｖｏｇｔ、“Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ  ｂｙ  Ｂｅａｔｉｎｇ  Ｓｉｄｅｂａｎｄｓ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｘｉｎｇ”、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１２、ｐｐ．１６７７−１６７９、２０００
【非特許文献２】小川  洋、荒平  慎、加藤幸雄、国松大介著「超高速モード同期半導体レーザ」電子通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ、Ｎｏ．１、ｐｐ．１−１０、２００１年１月
【非特許文献３】応用物理学会編、「半導体レーザの基礎」ｐｐ．１６４−１７１、オーム社、１９８７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
モード同期半導体レーザでは、エネルギー分布を示す光スペクトル波形と、時間分布を示す光パルス波形とが、互いにフーリエ変換の関係にある。
【００２３】
従って、バルク半導体結晶として形成された活性層１２０を備える、受動モード同期半導体レーザは、その発光スペクトルのエネルギー分布幅が広いため、短パルス化に有利である。その一方で、バルク半導体結晶では、吸収飽和が起こりにくいため、この受動モード同期半導体レーザでは、モード同期を実現するためには大きな利得電流が必要になる。
【００２４】
また、ＭＱＷ構造として形成された活性層を備える、受動モード同期半導体レーザでは、吸収飽和が起こりやすいため、小さな利得電流でモード同期を実現できる。しかしながら、発光スペクトルのエネルギー分布幅が狭いため、この受動モード同期半導体レーザは、短パルス化に不利である。
【００２５】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、小さな利得電流でモード同期を実現し、かつ、発光パルスの時間軸での幅が狭い高速光パルスを発生するモード同期半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上述した目的を達成するために、この発明のモード同期半導体レーザは、誘導放出光を生成するための利得領域と、利得領域で生成された誘導放出光を部分的に吸収するための可飽和吸収領域とを、長手方向に対して直列に含む活性層を備えている。利得領域はバルク半導体結晶によって構成され、及び、可飽和吸収領域は多重量子井戸構造によって構成されている。
【００２７】
上述したモード同期半導体レーザの実施にあたり、好ましくは、活性層は、さらに、受動導波路領域を含み、利得領域、可飽和吸収領域及び受動導波路領域は、活性層の長手方向に直列に配置されているのが良い。
【００２８】
また、活性層は、さらに受動導波路領域を含み、受動導波路領域と活性層の長手方向に対して一方の端面との間に、利得領域及び可飽和吸収領域を備え、受動導波路領域にブラッグ格子を設けるのが良い。
【００２９】
上述したモード同期半導体レーザの実施にあたり、好ましくは、活性層の長手方向に、利得領域を複数備えるのが良い。
【００３０】
また、この発明のモード同期半導体レーザの他の好適な実施形態によれば、誘導放出光を生成するための利得領域と、利得領域で生成された誘導放出光を変調するための変調領域とを含む活性層を備えている。利得領域は、バルク半導体結晶によって構成され、及び、変調領域は、多重量子井戸構造によって構成されている。
【００３１】
また、この発明のモード同期半導体レーザの製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、下クラッド層上に、多重量子井戸構造のＭＱＷ活性層を一様に成長させる。次に、ＭＱＷ活性層上に、可飽和吸収領域に対応する第１領域のＭＱＷ活性層の部分を覆い、かつ、利得領域に対応する第２領域のＭＱＷ活性層の部分を露出させる選択マスクを形成する。次に、選択マスクを用いたエッチングにより、第２領域のＭＱＷ活性層の部分を除去する。次に、選択マスクを用いて、第２領域の下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させて利得領域を形成する。
【００３２】
また、この発明のモード同期半導体レーザの製造方法の他の実施形態によれば、以下の工程を備えている。先ず、下クラッド層上に、多重量子井戸構造のＭＱＷ活性層を一様に成長させる。次に、ＭＱＷ活性層上に、可飽和吸収領域に対応する第１領域のＭＱＷ活性層の部分を覆い、かつ、利得領域に対応する第２領域及び受動導波路領域に対応する第３領域のＭＱＷ活性層の部分を露出させる第１選択マスクを形成する。次に、第１選択マスクを用いたエッチングにより、第２領域及び第３領域のＭＱＷ活性層の部分を除去する。次に、第１選択マスクを用いて、第２領域及び第３領域の下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させる。次に、バルク半導体結晶上に、第２領域のバルク半導体結晶の部分を覆い、かつ、第３領域のバルク半導体結晶の部分を露出させる第２選択マスクを形成する。次に、第１及び第２選択マスクを用いたエッチングにより、第３領域の前記バルク半導体結晶の部分を除去する。次に、第３領域の下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させ、受動導波路領域とする。
【発明の効果】
【００３３】
この発明のモード同期半導体レーザによれば、活性層の利得領域を高速光パルスの生成に有利なバルク半導体結晶にし、及び、活性層の可飽和吸収領域を吸収飽和が起こりやすい多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造にしているので、時間軸上でのパルス幅が狭い高速光パルスを発生するとともに、小さな利得電流を実現できる。
【００３４】
また、活性層に受動導波路領域を設けることで、繰り返し周波数を低くするなどの周波数の調整を行うことができる。さらに、受動導波路領域にブラッグ格子を形成すると、ブラッグ格子の周期に応じて定まる波長の光について、共振させることが可能となり、すなわち、モード同期半導体レーザの発振波長の制御が可能になる。
【００３５】
さらに、活性層に利得領域を複数備えると、各利得領域でそれぞれ発生した光パルスが共振器内を伝播することになるので、繰り返し周波数を利得領域の個数に応じて逓倍の周波数にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の、形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００３７】
（第１実施形態のモード同期半導体レーザの構成）
図１を参照して、第１実施形態のモード同期半導体レーザにつき説明する。図１は、第１実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。
【００３８】
モード同期半導体レーザ（以下、単に半導体レーザと称することもある。）１０は、下クラッド層１２、活性層２０及び上クラッド層１４を順に積層した積層構造を有している。ファブリペロー型のモード同期半導体レーザ１０では、その長手方向の両端に劈開で形成された端面（劈開面とも称する。）１６ａ及び１６ｂの間の活性層２０に共振器が構成される。
【００３９】
ここで、活性層２０の屈折率は、下クラッド層１２及び上クラッド層１４の屈折率よりも大きく設定されている。このため、活性層２０から下クラッド層１２及び上クラッド層１４への光の漏洩が防止される。
【００４０】
下クラッド層１２は、例えば、Ｎ型のＩｎＰで形成され、また、上クラッド層１４は、例えば、Ｐ型のＩｎＰで形成される。
【００４１】
活性層２０は、長手方向に沿って直列に配置された、利得領域２４と可飽和吸収領域２６の領域を含む。利得領域２４は、誘導放出光を生成するための領域であり、及び、可飽和吸収領域２６は、利得領域２４で生成された誘導放出光を部分的に吸収するための領域である。
【００４２】
ここで、利得領域２４は、例えば、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（ただし、Ｘ、Ｙは、それぞれ０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１を満たす。）の不純物がドープされていない、膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度のバルク半導体結晶として形成される。なお、以下の説明においては、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹをＩｎＧａＡｓＰと表し、ＩｎＧａＡｓＰの組成比の選択は、Ｘ及びＹの値を適宜選択することで行われるものとする。利得領域２４におけるＩｎＧａＡｓＰの組成比は、所望のバンドギャップ波長、例えば、１．５５μｍのバンドギャップ波長が得られるように選択される。
【００４３】
可飽和吸収領域２６は、一層あたりの膜厚が１０ｎｍ以下のＩｎＧａＡｓＰを積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造として形成されている。可飽和吸収領域２６におけるＩｎＧａＡｓＰの組成比は、従来周知の通り、利得領域２４のバンドギャップ波長と同等に、または、利得領域２４のバンドギャップ波長よりもわずかに大きく設定されている。ここで、可飽和吸収領域２６での光吸収効果を高めるためには、従来知られているように、可飽和吸収領域２６のバンドギャップ波長が利得領域２４のバンドギャップ波長よりもわずかに、例えば、０．０１〜０．０９μｍ程度大きくなるように設定されるのが好適である。
【００４４】
下クラッド層１２の下面１２ａに、半導体レーザ１０の長手方向に連続して共用電極３２が設けられている。この共用電極３２は、基準電位、例えば接地電位に接続される。上クラッド層１４の上面１４ａに、半導体レーザ１０の長手方向に分離されて、利得領域用電極３４及び可飽和吸収領域用電極３６が設けられている。利得領域用電極３４は、利得領域２４に対応する、直上の上面領域に設けられている。また、可飽和吸収領域用電極３６は、可飽和吸収領域２６に対応する、直上の上面領域に設けられている。
【００４５】
利得領域用電極３４には、直流電源４４が接続されていて、直流電源４４により、利得領域２４に順方向電圧が印加される。利得領域２４では、順方向電圧の印加により、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。利得領域２４で発生した多モード誘導放出光は、活性層２０に構成される共振器により増幅される。
【００４６】
可飽和吸収領域用電極３６には、直流電源４６が接続されていて、直流電源４６により、可飽和吸収領域２６に逆方向電圧が印加される。可飽和吸収領域２６では、逆方向電圧の印加により、この多モード誘導放出光の一部が吸収される。この可飽和吸収領域２６での吸収飽和作用により、多モード誘導放出光の位相の一致が図られる。この結果、光パルスの時間軸での幅が短い高速光パルスが得られる。
【００４７】
（第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法）
図２を参照して、第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法について説明する。図２は、第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、図１と同様に、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。
【００４８】
先ず、下クラッド層１２上に、ＭＱＷ構造のＭＱＷ活性層６０を一様に成長させる。ＭＱＷ活性層６０の成長は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、又は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法など任意好適な周知の方法で行えば良い（図２（Ａ））。
【００４９】
次に、ＭＱＷ活性層６０上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜などの絶縁膜を、任意公的な周知の方法、例えば、ＣＶＤ法で形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングにより絶縁膜を加工して、可飽和吸収領域２６に対応する第１領域７６のＭＱＷ活性層６０の部分を覆い、かつ、利得領域２４に対応する第２領域７４のＭＱＷ活性層６０の部分を露出させる選択マスク７０を形成する（図２（Ｂ））。
【００５０】
次に、選択マスク７０を用いたウェットエッチングにより、第２領域７４のＭＱＷ活性層６０の部分を除去する。このウェットエッチングは、エッチャントして、例えば、硫酸、過酸化水素水及び水を硫酸：過酸化水素水：水＝３：１：１の質量比で混合させた過水硫酸を用いて行われる。ウェットエッチングによって、残存した第１領域７６のＭＱＷ活性層６０の部分が、可飽和吸収領域２６になる。なお、ウェットエッチングに代えて、ドライエッチング、例えば、塩素とアルゴンの混合ガスをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行っても良い（図２（Ｃ））。
【００５１】
次に、ウェットエッチングの際に用いた選択マスク７０をそのまま用いて、第２領域７４の下クラッド層１２上に、バルク半導体結晶を成長させて、利得領域２４とする。バルク半導体結晶の成長は、ＭＯＶＰＥ法、又は、ＭＢＥ法など任意好適な周知の方法で行えば良い（図２（Ｄ））。
【００５２】
なお、光パルスの時間幅は、非特許文献２に記載されているように、可飽和吸収領域２６の長さに依存し、可飽和吸収領域２６の長さが長くなると、光パルスの時間幅が広がってしまう。また、可飽和吸収領域２６の長さが短くなると、飽和吸収作用が低下し、モード同期が適切に行われずやはり光パルスの時間幅が広がってしまう。従って、可飽和吸収領域２６の長さは高精度に制御される必要がある。ここで、選択マスク７０は、フォトリソグラフィ法を利用して形成されるため、可飽和吸収領域２６を極めて高精度の寸法で形成することができる。
【００５３】
次に、選択マスク７０を除去した後、活性層２０上に、上クラッド層１４を成長させ、上クラッド層１４の上面１４ａ上に利得領域用電極３４及び可飽和吸収領域用電極３６を形成し、及び、下クラッド層１２の下面１２ａ上に共用電極３２を形成することによって、図１を参照して説明した第１実施形態のモード同期半導体レーザが形成される。なお、上クラッド層１４、利得領域用電極３４、可飽和吸収領域用電極３６及び共用電極３２の形成は、従来周知の方法で行えば良く、ここでは説明を省略する。
【００５４】
（第１実施形態のモード同期半導体レーザの動作）
図１を参照して第１実施形態のモード同期半導体レーザの動作について説明する。利得領域用電極３４と共用電極３２の間に、上クラッド層１４から下クラッド層１２の方向、すなわち順方向の直流電圧を印加する。また、可飽和吸収領域用電極３６と共用電極３２の間に、下クラッド層１２から上クラッド層１４の方向、すなわち逆方向の直流電圧を印加する。
【００５５】
利得領域用電極３４と共用電極３２の間に、順方向の直流電圧を印加することにより、活性層２０の利得領域２４にはキャリアが注入され、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。多モード誘導放出光は、活性層２０の劈開面１６ａ及び１６ｂの間に形成された共振器により増幅される。
【００５６】
活性層２０で共振する多モード誘導放出光の一部は、可飽和吸収領域２６を通過する際に吸収され、この可飽和吸収領域２６での吸収飽和によって、位相が一致し、パルス状になる。すなわち、第１実施形態の半導体レーザは受動モード同期半導体レーザとして機能する。可飽和吸収領域２６でパルス状になった光が、劈開面１６ａ及び１６ｂの少なくとも一方から放出される。
【００５７】
第１実施形態のモード同期半導体レーザによれば、活性層の利得領域を高速光パルスの生成に有利なバルク半導体結晶にしているので、利得領域をＭＱＷ構造とした場合に比べて、時間軸上でのパルス幅が狭い高速光パルスを発生することが可能になる。また、可飽和吸収領域を吸収飽和が起こりやすいＭＱＷ構造にしているので、小さな利得電流を実現できる。
【００５８】
ここでは、活性層２０として、ＩｎＧａＡｓＰのバルク半導体結晶及びＭＱＷ構造を備える例について説明したが、活性層２０の材質は何らＩｎＧａＡｓＰに限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ系の半導体を用いても良い。
【００５９】
（第２実施形態のモード同期半導体レーザの構成）
図３を参照して、第２実施形態のモード同期半導体レーザにつき説明する。図３は第２実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。
【００６０】
第２実施形態のモード同期半導体レーザ１０ａは、活性層２０ａに、さらに、受動導波路領域２８が設けられた点が、図１を参照して説明した、第１実施形態のモード同期半導体レーザ１０と異なっている。第２実施形態のモード同期半導体レーザ１０ａでは、活性層２０ａに、モード同期半導体レーザ１０ａの長手方向に沿って、利得領域２４ａ、受動導波路領域２８及び可飽和吸収領域２６ａが順に設けられている。なお、受動導波路領域２８を備える点以外は、第１実施形態のモード同期半導体レーザ１０と同様の構成なので、重複する説明を省略する。
【００６１】
受動導波路領域２８は、バルク半導体結晶及びＭＱＷ構造のいずれで形成されても良いが、ここでは、ＩｎＧａＡｓＰのバルク半導体結晶で設けられているものとして説明する。受動導波路領域２８は、繰り返し周波数を低くする場合に、共振器長、すなわち、モード同期半導体レーザ１０の長手方向の長さを長くするために付加される。受動導波路領域２８におけるＩｎＧａＡｓＰの組成比は、受動導波路領域２８での誘導放出光の吸収を抑制するために、バンドギャップ波長が、利得領域２４ａ及び可飽和吸収領域２６ａのいずれのバンドギャップ波長よりも小さい値になるように設定される。
【００６２】
なお、従来周知のように、バンドギャップ波長が異なるＩｎＧａＡｓＰ間では屈折率も異なる。このため、受動導波路領域２８のバンドギャップ波長を１．５５μｍに対して大きく異なる波長に設定すると、受動導波路領域２８と、活性層２０ａの受動導波路領域２８以外の部分、すなわち、利得領域２４ａ及び可飽和吸収領域２６ａとの境界で、屈折率の差による光の反射が起こる。この結果、雑音が生じる原因となったり、また、モード同期が起こらなくなったりする恐れがある。一方、受動導波路領域２８のバンドギャップ波長を１．５５μｍに近い値にすると、受動導波路領域２８での光の吸収が大きくなり、損失を引き起こす恐れがある。
【００６３】
そこで、利得領域２４ａのバンドギャップ波長が１．５５μｍのときは、受動導波路領域２８のバンドギャップ波長は１．０〜１．５μｍの範囲、好適には、１．２〜１．３μｍの範囲にするのが良い。
【００６４】
（第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法）
図４を参照して、第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法について説明する。図４は、第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。図４（Ａ）〜（Ｅ）は、図３と同様に、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。
【００６５】
先ず、下クラッド層１２上に、ＭＱＷ構造のＭＱＷ活性層６０を一様に成長させる。ＭＱＷ活性層６０の成長は、ＭＯＶＰＥ法、又は、ＭＢＥ法など任意好適な周知の方法で行えば良い（図４（Ａ））。
【００６６】
次に、ＭＱＷ活性層６０上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜などの絶縁膜を、任意公的な周知の方法、例えば、ＣＶＤ法で形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングにより絶縁膜を加工して、可飽和吸収領域２６ａに対応する第１領域７６ａのＭＱＷ活性層６０の部分を覆い、かつ、利得領域２４ａ及び受動導波路領域２８にそれぞれ対応する、第２及び第３領域７４ａ及び７８のＭＱＷ活性層６０の部分を露出させる第１選択マスク７１を形成する（図４（Ｂ））。
【００６７】
次に、第１選択マスク７１を用いたウェットエッチングにより、第２領域７４ａ及び第３領域７８のＭＱＷ活性層６０の部分を除去する。このウェットエッチングは、エッチャントして、例えば、上述した過水硫酸を用いて行われる。ウェットエッチングによって、残存した第１領域７６ａのＭＱＷ活性層６０の部分が、可飽和吸収領域２６ａになる。なお、第１実施形態と同様に、ウェットエッチングに代えて、ドライエッチングを行っても良い（図４（Ｃ））。
【００６８】
次に、ウェットエッチングの際に用いた第１選択マスク７１をそのまま用いて、第２領域７４ａ及び第３領域７８の下クラッド層１２上に、バルク半導体結晶６２を成長させる。バルク半導体結晶６２の成長は、ＭＯＶＰＥ法、又は、ＭＢＥ法など任意好適な周知の方法で行えば良い。その後、バルク半導体結晶６２上に、第２領域７４ａのバルク半導体結晶６２の部分を覆い、かつ、第３領域７８に対応するバルク半導体結晶６２の部分を露出させる第２選択マスク７２を形成する。第２選択マスク７２は、第１選択マスクと同様に形成することができる（図４（Ｄ））。
【００６９】
次に、第１及び第２選択マスク７１及び７２を用いたウェットエッチングにより、第３領域７８のバルク半導体結晶６２の部分を除去する。このウェットエッチングでは、エッチャントして、例えば、上述した過水硫酸を用いて行われる。このウェットエッチングによって、残存したバルク半導体結晶６２の第２領域７４ａの部分が、利得領域２４ａになる。なお、ＭＱＷ活性層６０の除去と同様にウェットエッチングに代えて、ドライエッチングを行っても良い。その後、第３領域７８の下クラッド層上１２に、バルク半導体結晶を成長させ、受動導波路領域２８とする。利得領域２４ａ、可飽和吸収領域２６ａ及び受動導波路領域２８から活性層２０ａが構成される（図４（Ｅ））。
【００７０】
なお、光パルスの時間幅は、非特許文献２に記載されているように、可飽和吸収領域の長さに依存し、可飽和吸収領域の長さが長くなると、光パルスの時間幅が広がってしまう。また、可飽和吸収領域の長さが短くなると、飽和吸収作用が低下し、モード同期が適切に行われずやはり光パルスの時間幅が広がってしまう。従って、可飽和吸収領域の長さは高精度に制御される必要がある。ここで、第１及び第２選択マスク７１及び７２は、フォトリソグラフィ法を利用して形成されるため、極めて高精度の寸法で形成することができる。
【００７１】
次に、第１及び第２選択マスク７１及び７２を除去した後、活性層２０ａ上に、上クラッド層１４を成長させ、上クラッド層１４の上面１４ａ上に利得領域用電極３４及び可飽和吸収領域用電極３６を形成し、及び、下クラッド層１２の下面１２ａ上に共用電極を形成することによって、図３を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザが形成される。なお、上クラッド層１４、利得領域用電極３４、可飽和吸収領域用電極３６及び共用電極３２の形成は、従来周知の方法で行えば良く、ここでは説明を省略する。
【００７２】
第２実施形態のモード同期半導体レーザによれば、活性層２０ａに受動導波路領域２８が付加されているので、第１実施形態のモード同期半導体レーザで得られる効果に加えて、繰り返し周波数を低くするなどの周波数の調整を行うことができる。
【００７３】
ここでは、活性層２０ａに、モード同期半導体レーザ１０ａの長手方向に沿って、利得領域２４ａ、受動導波路領域２８及び可飽和吸収領域２６ａが順に設けられた例について示しているが、利得領域２４ａ、受動導波路領域２８及び可飽和吸収領域２６ａの配置は、この順に限定されず、いずれの順に配置しても同様の効果が得られる。
【００７４】
（第３実施形態のモード同期半導体レーザ）
図５を参照して、第３実施形態のモード同期半導体レーザについて説明する。図５は第３実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、受動モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示してある。
【００７５】
なお、図３を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザと重複する説明は省略する。第３実施形態のモード同期半導体レーザは、活性層２０ｂの端面１６ａ及び１６ｂ間に、利得領域２４ｂ、可飽和吸収領域２６ｂ及び受動導波路領域２９を順に備え、さらに、受動導波路領域２９にブラッグ格子８０を設けている点が第２実施形態のモード同期半導体レーザと異なっている。
【００７６】
ブラッグ格子８０は、受動導波路領域２９の上クラッド層側の表面領域に形成されている。このブラッグ格子８０は、均一な周期（格子間隔）で設けられている。受動導波路領域２９は、ブラッグ格子８０の周期で決まるブラッグ波長の光を反射する、すなわち、波長選択性を有している。このため、一方の端面１６ａと受動導波路領域２９との間で共振器が形成され、ブラッグ波長の光についてモード同期動作が生じる。
【００７７】
第３実施形態のモード同期半導体レーザの製造するにあたり、利得領域２４ｂ、可飽和吸収領域２６ｂ及び受動導波路領域２９を備える活性層２０ｂが構成されるまでの工程は、図４を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザと同様に行われる。
【００７８】
ブラッグ格子８０の形成は、受動導波路領域２９に対応する領域にバルク半導体結晶が形成された後、例えば、任意好適な周知のフォトリソグラフィ及びエッチングによって行われる。この場合、ブラッグ格子８０は、受動導波路領域２９に凹凸構造として形成されることになる。
【００７９】
活性層２０ｂに、モード同期半導体レーザ１０ｂの長手方向に沿って、利得領域２４ｂ、可飽和吸収領域２６ｂ及び受動導波路領域２９が順に設けられた例について、図５を参照して説明したが、利得領域２４ｂ、可飽和吸収領域２６ｂ及び受動導波路領域２９の配置は、この順に限定されず、一方の劈開面１６ａと受動導波路領域２９の間に、モード同期半導体レーザ１０の長手方向に沿って、利得領域２４ｂ及び可飽和吸収領域２６ｂが形成されていれば、その順によらず、同様の効果が得られる。
【００８０】
第３実施形態のモード同期半導体レーザによれば、受動導波路領域２９にブラッグ格子を形成しているので、第２実施形態のモード同期半導体レーザの効果に加え、さらに、モード同期半導体レーザの発振波長の制御が可能になるという効果が得られる。
【００８１】
（第４実施形態のモード同期半導体レーザ）
図６を参照して、第４実施形態のモード同期半導体レーザについて説明する。図６は第４実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示してある。
【００８２】
ここで、図３を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザと重複する説明は省略する。第４実施形態のモード同期半導体レーザ１０ｃは、劈開面１６ａと１６ｂからなる共振器中央に可飽和吸収領域２６ｃを配置し、可飽和吸収領域２６ｃの両側の活性層２０ｃに利得領域を複数備える点、例えば、第１利得領域２５ａ及び第２利得領域２５ｂの二つの利得領域を備える点が第２実施形態のモード同期半導体レーザと異なっている。
【００８３】
第４実施形態のモード同期半導体レーザによれば、第１利得領域２５ａ及び第２利得領域２５ｂのそれぞれから光パルスが発生し、可飽和吸収領域２６ｃの左右から光パルスが可飽和吸収領域２６ｃに入射するので、共振器内を２個の光パルスが伝播し、繰り返し周波数を２倍にすることができる。
【００８４】
なお、ここでは、可飽和吸収領域２６ｃを共振器の中央に配置する例を示しているが、可飽和吸収領域の位置はこれに限定されるものではない。例えば、両劈開面１６ａ、１６ｂから可飽和吸収領域２６ｃまでの距離を１：２とすることにより、繰り返し周波数を３倍にすることができる。このように、共振器端ではなく共振器内部に可飽和吸収領域を配置し、その両側に利得領域を備えることによって、繰り返し周波数を逓倍の周波数にすることができる。
【００８５】
また、ここでは、受動導波路領域２８ｃ及び２８ｄを備えるモード同期半導体レーザに適用する例について説明したが、この例に限定されない。受動導波路領域を備えない構成にしても良いし、また、受動導波路領域にブラッグ格子を設けて波長選択性を有する構成にしても良い。
【００８６】
（第５実施形態のモード同期半導体レーザ）
図７を参照して、第５実施形態のモード同期半導体レーザについて説明する。図７は第５実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示してある。
【００８７】
ここで、図１を参照して説明した第１実施形態のモード同期半導体レーザと重複する説明は省略する。
【００８８】
活性層２０ｄは、長手方向に沿って順次に並べられた、利得領域２４ｄと変調領域２７の領域を含む。利得領域２４ｄは、誘導放出光を生成するための領域であり、及び、変調領域２７は、利得領域２４で生成された誘導放出光を変調するための領域である。
【００８９】
上クラッド層１４の上面１４ａに、半導体レーザ１０ｄの長手方向に分離されて、利得領域用電極３４及び変調領域用電極３７が設けられている。利得領域用電極３４は、利得領域２４ｄに対応する、直上の上面領域に設けられている。また、変調領域用電極３７は、変調領域２７に対応する、直上の上面領域に設けられている。
【００９０】
図１を参照して説明した第１実施形態のモード同期半導体レーザは、可飽和吸収領域２６に、可飽和吸収領域２６に逆方向電圧が印加することにより光パルスの飽和吸収を生じさせる、受動モード同期半導体レーザとして機能する。
【００９１】
これに対し、第５実施形態のモード同期半導体レーザでは、変調領域用電極３７に、発振器４７が接続されている。この発振器４７を用いて、活性層２０ｄに形成された共振器の繰り返し周波数の整数倍に一致した発振周波数で周波数変調を行うことにより、モード同期を行うことができ、第５実施形態のモード同期半導体レーザは、いわゆる能動モード同期半導体レーザとして機能する。
【００９２】
第５実施形態のモード同期半導体レーザによれば、第１実施形態の受動モード同期半導体レーザと同様の効果を、能動モード半導体レーザでも得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。
【図２】第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。
【図３】第２実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。
【図４】第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。
【図５】第３実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。
【図６】第４実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。
【図７】第５実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。
【図８】従来のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。
【図９】活性層のエネルギーバンドを示す図である。
【図１０】電子の熱平衡時のエネルギー分布を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ    モード同期半導体レーザ    
１２、１１２    下クラッド層
１２ａ、１１２ａ    下クラッド層の下面
１４、１１４    上クラッド層
１４ａ、１１４ａ    上クラッド層の上面
１６ａ、１６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ    端面（劈開面）
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、１２０    活性層
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｄ、１２４    利得領域
２５ａ    第１利得領域
２５ｂ    第２利得領域
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、１２６    可飽和吸収領域
２７    変調領域
２８、２８ｃ、２８ｄ、２９    受動導波路領域
３２、１３２    共用電極
３４、１３４    利得領域用電極
３４ａ    第１利得領域用電極
３４ｂ    第２利得領域用電極
３６、１３６    可飽和吸収領域用電極
４４、４４ａ、４４ｂ、４６、１４４、１４６    直流電源
４７    発振器
６０    ＭＱＷ活性層
６２    バルク半導体結晶
７０    選択マスク
７１    第１選択マスク
７２    第２選択マスク
７４、７４ａ    第２領域
７６、７６ａ    第１領域
７８    第３領域
８０    ブラッグ格子
１１０    受動モード同期半導体レーザ
１５４、１５６    井戸層
１５７    バリア層
【図１】
2006351571.tif 000003
【図２】
2006351571.tif 000004
【図３】
2006351571.tif 000005
【図４】
2006351571.tif 000006
【図５】
2006351571.tif 000007
【図６】
2006351571.tif 000008
【図７】
2006351571.tif 000009
【図８】
2006351571.tif 000010
【図９】
2006351571.tif 000011
【図１０】
2006351571.tif 000012