(57)【要約】【課題】超短パルスのレーザ光を出力し得る構成、構造を有する電流注入型の半導体レーザ装置組立体を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置組立体は、（Ａ）光密度が、１０ギガワット／ｃｍ2以上であり、且つ、キャリア密度が１×１０19／ｃｍ3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子１０、及び、（Ｂ）モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系１１０を備えている。【選択図】  図１
2018121074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光密度が１×１０10ワット／ｃｍ2以上であり、且つ、キャリア密度が１×１０19／ｃｍ3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備えた半導体レーザ装置組立体。
【請求項２】
モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項３】
モード同期半導体レーザ素子は、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型を有する第１化合物半導体層、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する請求項２に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項４】
分散補償光学系における群速度分散値は負である請求項３に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項５】
系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項６】
波長選択手段を備え、
波長選択手段は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項７】
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、モード同期半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項８】
電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備え、
分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ1から第２の所定値ＧＶＤ2（但し、｜ＧＶＤ1｜＜｜ＧＶＤ2｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷminを超えて増加する半導体レーザ装置組立体。
【請求項９】
系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷminとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤminとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ1であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ1、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ2であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ2としたとき、
（ＰＷ1−ＰＷmin）／｜ＧＶＤmin−ＧＶＤ1｜
≧２×（ＰＷ2−ＰＷmin）／｜ＧＶＤ2−ＧＶＤmin｜
但し、
｜ＧＶＤ1／ＧＶＤmin｜＝０．５
｜ＧＶＤ2／ＧＶＤmin｜＝２
を満足する請求項８に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項１０】
系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷminとなる群速度分散極小値ＧＶＤminあるいはその近傍において動作させられる請求項８に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項１１】
系外に出力されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−６０ｄＢ以下である請求項８に記載の半導体レーザ装置組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体レーザ素子及び分散補償光学系を備えた半導体レーザ装置組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、パルス時間幅がアト秒台、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。そして、超短パルスレーザは、ピコ秒・フェムト秒といった超高速現象の解明という科学的な関心のみならず、高いピークパワーを活用して、微細加工や２光子イメージングといった実用化への応用研究が盛んに行われている。また、ＧａＮ系化合物半導体から成り、発光波長が４０５ｎｍ帯の高出力超短パルス半導体レーザ素子が、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型光ディスクシステムの光源として、また、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、可視光領域全域をカバーするコヒーレント光源として期待されている。
【０００３】
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。また、励起には連続光を発振する別の固体レーザを必要とし、エネルギー効率が必ずしも高くない。しかも、大型の共振器は機械的な安定を図ることが容易ではなく、メンテナンスの上で専門的な知識が必要とされる。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、低消費電力化、高安定性化がもたらされ、これらの分野における広汎な普及を促進させる上でのブレイクスルーになると考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Schlauch et al., Optics Express, Vol. 18, p 24136 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザ素子を用いて時間幅が数ピコ秒程度の光パルスを発生する方法として、モード同期法が知られている。モード同期法には、共振器における周回時間と同じ周期で利得又は損失を変調する能動モード同期と、半導体レーザ素子内に非線形光学応答を示す可飽和吸収体等を設けることによって動作させる受動モード同期とがあるが、受動モード同期は、数ピコ秒程度あるいはそれ以下のパルス時間幅の光パルスを発生するのに適している。
【０００６】
パルス当たりのエネルギーが同じである場合、光パルスのピークパワーは、パルス時間幅が狭いほど高く、目的とする非線形光学現象がより顕著に発現される。従って、超短光パルス光源の性能指標の１つとして、狭いパルス時間幅を挙げることができる。受動モード同期のチタン／サファイア・レーザでは、１０フェムト秒程度のパルス時間幅を有する光パルスを発生するものが市販されている。これに対して、受動モード同期半導体レーザ素子では、電流注入型の量子井戸レーザのパルス時間幅は１ピコ秒乃至２ピコ秒程度が一般的である。半導体レーザ素子は、利得帯域が十分に広いため、サブピコ秒の光パルスを発生させる能力を潜在的に有しているが、このようなサブピコ秒の光パルスの発生報告例は殆ど知られていない。
【０００７】
モード同期法に基づく半導体レーザ素子の駆動において、パルス時間幅がサブピコ秒以下の光パルスの発生を妨げる主な原因として、パルス発生に伴う光パルスの受けるチャープを挙げることができる。半導体レーザ素子にあっては、パルス発生に伴って活性層（ゲイン部）のキャリア密度が時間的に変化し、その結果、活性層の屈折率が変化する。そのため、半導体レーザ素子で発生する光パルスの周波数がパルスの持続時間内で変化する。この周波数変化はチャープと呼ばれ、チャープが強い場合、共振器内を周回する光パルスの各周波数における位相を揃えることが難しく、パルス時間幅を狭くすることが困難となる。
【０００８】
このようなチャープに起因してパルス時間幅を狭くすることが困難になるといった問題を解決するために、外部共振器内に分散補償光学系を設ける方法がある。この方法は、モード同期のチタン／サファイア・レーザでは多く用いられているが、モード同期半導体レーザ素子での報告例は多くない。この方法は、利得媒質や可飽和吸収体の種類や励起方法に依存しないため、適用範囲が広く、有利である。非特許文献１「T. Schlauch et al., Optics Express, Vol. 18, p 24136 (2010)」には、回折格子を用いた分散補償光学系によってモード同期半導体レーザから発生する光パルスのパルス時間幅を制御する試みが報告されている。ここで、この非特許文献１においては、発生する光パルスのスペクトルが分散補償量に依存して変化することが報告されているが、パルス時間幅については変化が見られず、パルス時間幅がピコ秒以下の光パルスの発生には至っていない。
【０００９】
従って、本開示の目的は、超短パルスのレーザ光を出力し得る構成、構造を有する電流注入型の半導体レーザ装置組立体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る半導体レーザ装置組立体は、
光密度が、１×１０10ワット／ｃｍ2以上、好ましくは１．４×１０10ワット／ｃｍ2以上であり、且つ、キャリア密度が１×１０19／ｃｍ3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備えている。
【００１１】
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体は、
電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備え、
分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ1から第２の所定値ＧＶＤ2（但し、｜ＧＶＤ1｜＜｜ＧＶＤ2｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷminを超えて増加する。尚、単調に変化させるとは、ＧＶＤ1＜ＧＶＤ2の場合、単調に増加させることを意味し、ＧＶＤ1＞ＧＶＤ2の場合、単調に減少させることを意味する。
【発明の効果】
【００１２】
半導体レーザ素子にあっては、半導体レーザ素子における活性層（ゲイン部）の光パワー密度及びキャリア密度が特定の値を超えるとき、キャリアが誘導放出によって消費される結果、活性層における屈折率が動的に変化し、発振スペクトルが広がる。このような現象は自己位相変調と呼ばれる。自己位相変調による発振スペクトル幅の増大はパルス時間幅の狭隘化に寄与し、自己位相変調に対して、分散補償光学系によって適切な群速度分散を与えることで適切なスペクトル幅が得られ、サブピコ秒台の光パルスを発生させることができる。このような特性は、自己位相変調と適切な群速度分散とが共振器内で相互作用するときに見られるソリトン・モード同期の特徴に類似しており、発生する光パルスの時間幅をサブピコ秒（例えば、２００フェムト秒）以下まで狭くする方法として極めて有効である。
【００１３】
本開示の第１の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、モード同期半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光密度が規定され、且つ、モード同期半導体レーザ素子におけるキャリア密度の値が規定されており、高い光パワー密度及び高いキャリア密度において自己位相変調を発生させ、これに対して適切な群速度分散を与えることでサブピコ秒台の光パルスを確実に発生させることができる。また、本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、分散補償光学系の群速度分散値とモード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅との関係が規定されているので、確実に、安定したサブピコ秒台の光パルスを発生させることができるし、発生した光パルスにおけるノイズの低減を図ることができる。そして、このようなサブピコ秒台の光パルスといった光パルス時間幅の狭隘化に加えて、本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、モード同期半導体レーザ素子が電流注入型であるが故に、光励起型のモード同期半導体レーザ素子に比較してエネルギー効率が高いといった利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例１の半導体レーザ装置組立体の概念図である。
【図２】図２は、実施例１におけるモード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。
【図３】図３は、実施例１におけるモード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向と直角方向に沿った模式的な断面図である。
【図４】図４の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ装置組立体において得られた光パルスの相関波形を示す図、及び、光パルスの光スペクトルを示す図である。
【図５】図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、図４の（Ｂ）に示す光パルスを波長選択手段を通過させ、光パルスの短波長側を切り出したときの相関波形を示す図、及び、光スペクトルを示す図である。
【図６】図６は、種々の分散補償量における光パルスの相関波形を示す図である。
【図７】図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、発生するパルスが主パルスのみであり、しかも、パルス時間幅を出来る限り最小とした場合の光パルスの相関波形を示す図、及び、この光スペクトルの光スペクトルを示す図である。
【図８】図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ装置組立体での或る駆動条件における光パルスの相関波形、及び、光パルスの光スペクトルを示す図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、距離Ｌと光パルスの半値全幅の関係を求めた結果、及び、群速度分散値と光パルスの半値全幅の関係を求めた結果を示す図である。
【図１０】図１０の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、群速度分散値が−０．０２５７ｐｓ2のときのＲＦスペクトル、及び、群速度分散値が−０．０６４ｐｓ2のときのＲＦスペクトルを示す図である。
【図１１】図１１は、実施例１の半導体レーザ装置組立体において、ゲイン電流の増大によって極小となるパルス時間幅が狭くなることを示す図である。
【図１２】図１２の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２の半導体レーザ装置組立体及びその変形例の概念図である。
【図１３】図１３は、実施例２の半導体レーザ装置組立体の別の変形例の概念図である。
【図１４】図１４の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例４の半導体レーザ装置組立体における波長選択手段の概念図である。
【図１５】図１５は、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の変形例の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。
【図１６】図１６は、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の別の変形例の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。
【図１７】図１７は、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の更に別の変形例におけるリッジストライプ構造を上方から眺めた模式図である。
【図１８】図１８の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。
【図１９】図１９の（Ａ）及び（Ｂ）は、図１８の（Ｂ）に引き続き、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。
【図２０】図２０は、図１９の（Ｂ）に引き続き、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部端面図である。
【図２１】図２１は、回折格子の模式的な一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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．本開示の第１の態様及び第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様及び第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の変形）
５．実施例４（実施例１〜実施例３の変形）、その他
【００１６】
［本開示の第１の態様及び第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体、全般に関する説明］
本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体において、系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷminとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤminとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ1であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ1、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ2であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ2としたとき、例えば、
（ＰＷ1−ＰＷmin）／｜ＧＶＤmin−ＧＶＤ1｜
≧２×（ＰＷ2−ＰＷmin）／｜ＧＶＤ2−ＧＶＤmin｜
但し、
｜ＧＶＤ1／ＧＶＤmin｜＝０．５
｜ＧＶＤ2／ＧＶＤmin｜＝２
を満足することが好ましい。
【００１７】
上記の好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷminとなる群速度分散極小値ＧＶＤminあるいはその近傍において動作させられる形態とすることが好ましい。後述するように、群速度分散値が減少（群速度分散値の絶対値が増加）すると共に、時間ゼロの主パルス以外のサブパルスの個数が減少するが、サブパルスが観察されなくなったときの群速度分散値の上限値をＧＶＤSとしたとき、『群速度分散極小値ＧＶＤminの近傍』とは、
ＧＶＤS±｜ＧＶＤmin−ＧＶＤS｜
で定義される。
【００１８】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体において、系外に出力されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−６０ｄＢ以下、好ましくは−７０ｄＢ以下である形態とすることができる。
【００１９】
本開示の第１の態様に係る半導体レーザ装置組立体、あるいは又、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体において、モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する形態とすることができる。尚、従来の光励起型のモード同期半導体レーザ素子では発振特性を制御するのに半導体可飽和吸収体（ＳＥＳＡＭ）の温度特性を利用するが、可飽和吸収領域を有する形態にあっては、可飽和吸収領域への逆バイアス電圧、及び、分散補償光学系の群速度分散値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。そして、この場合、モード同期半導体レーザ素子は、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型を有する第１化合物半導体層、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層）、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する構成とすることができる。そして、更には、この場合、分散補償光学系における群速度分散値は負である構成とすることが好ましい。但し、群速度分散値は、モード同期半導体レーザ素子の構成、構造、半導体レーザ装置組立体の構成、構造、駆動方法（例えば、キャリア注入領域（利得領域）に印加する電流量、可飽和吸収領域（キャリア非注入領域）に印加する逆バイアス電圧、駆動温度）等に基づき全体で決定すればよく、モード同期半導体レーザ素子の構成、構造、半導体レーザ装置組立体の構成、構造、駆動方法等に依存して、正の値も取り得る。
【００２０】
更には、以上に説明した好ましい構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられることが好ましい。尚、『群速度分散値の近傍』とは、上述した群速度分散極小値ＧＶＤminの近傍と同意である。
【００２１】
更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、
波長選択手段（波長選択装置）を備え、
波長選択手段（波長選択装置）は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する構成とすることができる。
【００２２】
ここで、波長選択手段は、バンドパスフィルタから成る構成とすることができるし、ロングパスフィルタやプリズムから成る構成とすることもできるし、あるいは又、回折格子、及び、回折格子から出射された１次以上の回折光を選択するアパーチャから成る構成とすることもできる。アパーチャは、例えば、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置から成る形態とすることができる。バンドパスフィルタは、例えば、低誘電率を有する誘電体薄膜と、高誘電率を有する誘電体薄膜とを積層することで得ることができる。また、パルス状のレーザ光のバンドパスフィルタへの入射角を変えることで、バンドパスフィルタから出射するレーザ光の波長を選択することもできる。
【００２３】
更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体にあっては、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、モード同期半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される形態とすることができる。
【００２４】
このような形態にあっては、外部共振器構造は分散補償光学系によって構成される。具体的には、分散補償光学系は、回折格子、集光手段（具体的には、レンズ）及び反射鏡（平面反射鏡。具体的には、例えば、誘電多層膜反射鏡）から成る形態とすることができる。回折格子は、モード同期半導体レーザ素子から出射されたパルス状のレーザ光の内、１次以上の回折光を分散補償光学系に入射させ、０次の回折光を系外へ出力する構成とすることができる。ここで、モード同期半導体レーザ素子と回折格子との間に、モード同期半導体レーザ素子からのレーザ光を平行光束とするためのコリメート手段（具体的には、レンズ）を配してもよい。回折格子に入射（衝突）するレーザ光の中に含まれる回折格子における格子状のパターンの本数として、１２００本／ｍｍ乃至３６００本／ｍｍ、望ましくは２４００本／ｍｍ乃至３６００本／ｍｍを例示することができる。所謂外部共振器の一端は、反射鏡から構成される。そして、モード同期半導体レーザ素子から出射されたパルス状のレーザ光は、回折格子に衝突し、１次以上の回折光が集光手段に入射し、反射鏡によって反射され、集光手段、回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子に戻される。また、０次の回折光は系外に出力される。集光手段と反射鏡との間の距離を固定した状態で、回折格子と集光手段との間の距離を変えることで、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。
【００２５】
あるいは又、このような形態にあっては、外部共振器構造は、分散補償光学系及び部分反射鏡（部分透過ミラー、半透過ミラー、ハーフミラーとも呼ばれる）によって構成される。そして、具体的には、分散補償光学系は、一対の回折格子から成る形態とすることができる。この場合、モード同期半導体レーザ素子から出射されたパルス状のレーザ光は、第１の回折格子に衝突し、１次以上の回折光が出射され、第２の回折格子に衝突し、１次以上の回折光が出射されて、部分反射鏡に到達する。そして、部分反射鏡に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡を通過し、系外に出力される。一方、部分反射鏡に衝突したレーザ光の残りは、第２の回折格子、第１の回折格子を経由してモード同期半導体レーザ素子に戻される。第１の回折格子と第２の回折格子との間の距離を変えることで、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。あるいは又、分散補償光学系は、一対のプリズムから成る形態とすることができる。この場合、モード同期半導体レーザ素子から出射されたパルス状のレーザ光は、第１のプリズムを通過し、更に、第２のプリズムを通過し、部分反射鏡に到達する。そして、部分反射鏡に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡を通過し、系外に出力される。一方、部分反射鏡に到達したレーザ光の残りは、第２のプリズム、第１のプリズムを経由してモード同期半導体レーザ素子に戻される。第１のプリズムと第２のプリズムとの間の距離を変えることで、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。あるいは又、分散補償光学系は、干渉計から成る形態とすることができる。具体的には、干渉計として、例えば、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型干渉計を挙げることができる。Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型干渉計は、反射率１の反射鏡と反射率１未満の部分反射鏡から成り、反射光の強度スペクトルを変化させることなく位相を変化させることができる干渉計であり、反射鏡と部分反射鏡との間の距離を制御することで、あるいは又、入射光の入射角を調整することによって、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。あるいは又、分散補償光学系は、誘電体多層膜ミラーから成る形態とすることができ、この場合、入射光の入射角を調整することによって、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。
【００２６】
モード同期半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光密度は、レーザ光のパワー（単位はワットであり、パルスの場合はピークパワー）をモード同期半導体レーザ素子端面における近視野像の断面積（ピーク強度に対して１／ｅ2となる領域）で除することによって得ることができる。また、キャリア密度は、キャリア寿命を測定し、注入電流量をゲイン部の電極（例えば、後述する第２電極の第１部分）の面積で除した値にキャリア寿命を乗ずることで得ることができる。更には、群速度分散値は、被測定光パルスを、既知の分散量を有する媒質を透過させた後にみられるパルス幅の変化を測定する方法や、周波数分解型光ゲート法（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｇａｔｉｎｇ，ＦＲＯＧ）で得ることができる。また、１ピコ秒程度あるいはそれ以下の時間パルス幅は、ＳＨＧ強度相関測定装置を用いて測定することができる。
【００２７】
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体（以下、これらを総称して、単に『本開示の半導体レーザ装置組立体等』と呼ぶ場合がある）において、モード同期半導体レーザ素子は、共振器方向に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帯状の第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、
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１部分と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第２部分とに、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。
【００２８】
そして、第２電極の第１部分と第２部分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。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第１の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。あるいは又、第２電極の第１部分と第２部分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。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第２の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。
【００２９】
第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極の第１部分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電極の第２部分との間に電圧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。
【００３０】
このような第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値を、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１０倍以上とし、あるいは又、１×１０2Ω以上とすることで、第２電極の第１部分から第２部分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、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ため、パルス時間幅のより短い光パルスを有するモード同期動作を実現できる。そして、第２電極の第１部分と第２部分との間のこのような高い電気抵抗値を、第２電極を第１部分と第２部分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。
【００３１】
また、第１の構成及び第２の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、限定するものではないが、
第３化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
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以下である形態とすることができる。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第３の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。尚、活性層に量子井戸構造を採用することで、量子ドット構造を採用するよりも高い注入電流量を実現することができ、容易に高出力を得ることができる。
【００３２】
このように、第３化合物半導体層を構成する井戸層の厚さを１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下と規定し、更には、第３化合物半導体層を構成する障壁層の不純物ドーピング濃度を２×１０18ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下と規定することで、即ち、井戸層の厚さを薄くし、しかも、第３化合物半導体層のキャリアの増加を図ることで、ピエゾ分極の影響を低減させることができ、パルス時間幅が短く、サブパルス成分の少ない単峰化された光パルスを発生させ得るレーザ光源を得ることができる。また、低い逆バイアス電圧でモード同期駆動を達成することが可能となるし、外部信号（電気信号及び光信号）と同期が取れた光パルス列を発生させることが可能となる。障壁層にドーピングされた不純物はシリコン（Ｓｉ）である構成することができるが、これに限定するものではなく、その他、酸素（Ｏ）とすることもできる。
【００３３】
ここで、モード同期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。あるいは又、斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造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。即ち、モード同期半導体レーザ素子の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成とすることができる。ここで、所定の角度θとして、０．１度≦θ≦１０度を例示することができる。リッジストライプ構造の軸線とは、光出射端面（便宜上、『第２端面』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、光出射端面（第２端面）とは反対側の積層構造体の端面（便宜上、『第１端面』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、モード同期半導体レーザ素子の軸線とは、第１端面及び第２端面に直交する軸線を指す。リッジストライプ構造の平面形状は、直線状であってもよいし、湾曲していてもよい。
【００３４】
あるいは又、モード同期半導体レーザ素子において、第２端面におけるリッジストライプ構造の幅をＷ2、第１端面におけるリッジストライプ構造の幅をＷ1としたとき、Ｗ1＝Ｗ2であってもよいし、Ｗ2＞Ｗ1としてもよい。尚、Ｗ2は５μｍ以上である形態とすることができ、Ｗ2の上限値として、限定するものではないが、例えば、４×１０2μｍを例示することができる。また、Ｗ1は１．４μｍ乃至２．０μｍである形態とすることができる。リッジストライプ構造の各端部は、１本の線分から構成されていてもよいし、２本以上の線分から構成されていてもよい。前者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第１端面から第２端面に向かって、単調に、テーパー状に緩やかに広げられる構成することができる。一方、後者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第１端面から第２端面に向かって、先ず同じ幅であり、次いで、単調に、テーパー状に緩やかに広げられ、あるいは又、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第１端面から第２端面に向かって、先ず広げられ、最大幅を超えた後、狭められる構成とすることができる。
【００３５】
モード同期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第２端面の光反射率は０．５％以下であることが好ましい。具体的には、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。尚、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。また、第１端面は、高い光反射率、例えば、反射率８５％以上、好ましくは反射率９５％以上の高い反射率を有することが好ましい。
【００３６】
外部共振器における外部共振器長さ（Ｘ’，単位：ｍｍ）の値は、
０＜Ｘ’＜１５００
好ましくは、
３０≦Ｘ’≦５００
であることが望ましい。ここで、外部共振器は、モード同期半導体レーザ素子の第１端面と、外部共振器構造を構成する反射鏡あるいは部分反射鏡によって構成され、外部共振器長さとは、モード同期半導体レーザ素子の第１端面と、外部共振器構造を構成する反射鏡あるいは部分反射鏡との間の距離である。
【００３７】
モード同期半導体レーザ素子において、積層構造体は、少なくとも第２化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されたリッジストライプ構造を有するが、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（活性層）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（活性層）、及び、第１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。
【００３８】
第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子において、限定するものではないが、
第２電極の幅は、０．５μｍ以上、５０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上、５μｍ以下、
リッジストライプ構造の高さは、０．１μｍ以上、１０μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以上、１μｍ以下、
第２電極を第１部分と第２部分とに分離する分離溝の幅は、１μｍ以上、モード同期半導体レーザ素子における共振器長（以下、単に『共振器長』と呼ぶ）の５０％以下、好ましくは１０μｍ以上、共振器長の１０％以下であることが望ましい。共振器長として、０．６ｍｍを例示することができるが、これに限定するものではない。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。尚、以下の説明において、共振器長方向をＸ方向とし、積層構造体の厚さ方向をＺ方向とする。
【００３９】
更には、上記の好ましい形態を含む第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子において、第２電極は、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成る形態とすることができる。尚、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）単層から成る構成と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、後述する工程（Ｄ）において第２電極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）から成る構成とすることが好ましい。また、後述する工程（Ｄ）において第２電極に分離溝を形成する際のエッチング液を、王水、硝酸、硫酸、塩酸、又は、これらの酸の内の少なくとも２種類の混合液（具体的には、硝酸と硫酸の混合液、硫酸と塩酸の混合液）とすることが望ましい。
【００４０】
以上に説明した好ましい構成、形態を含む第１の構成あるいは第２の構成の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電極の長さ（第１部分と第２部分の総計の長さ）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。第２電極の第１部分と第２部分の配置状態として、具体的には、
（１）１つの第２電極の第１部分と１つの第２電極の第２部分とが設けられ、第２電極の第１部分と、第２電極の第２部分とが、分離溝を挟んで配置されている状態
（２）１つの第２電極の第１部分と２つの第２電極の第２部分とが設けられ、第１部分の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第２部分と対向し、第１部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第２部分と対向している状態
（３）２つの第２電極の第１部分と１つの第２電極の第２部分とが設けられ、第２部分の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第１部分と対向し、第２部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第１部分と対向している状態（即ち、第２電極は、第２部分を第１部分で挟んだ構造）
を挙げることができる。また、広くは、
（４）Ｎ個の第２電極の第１部分と（Ｎ−１）個の第２電極の第２部分とが設けられ、第２電極の第１部分が第２電極の第２部分を挟んで配置されている状態
（５）Ｎ個の第２電極の第２部分と（Ｎ−１）個の第２電極の第１部分とが設けられ、第２電極の第２部分が第２電極の第１部分を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。尚、（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。尚、（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。
【００４１】
モード同期半導体レーザ素子は、例えば、以下の方法で製造することができる。即ち、
（Ａ）基体上に、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、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を形成した後、
（Ｂ）第２化合物半導体層上に帯状の第２電極を形成し、次いで、
（Ｃ）第２電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第２化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成した後、
（Ｄ）分離溝を第２電極に形成するためのレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をウエットエッチング用マスクとして、第２電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成し、以て、第２電極を第１部分と第２部分とに分離溝によって分離する、
各工程を具備した製造方法に基づき製造することができる。
【００４２】
そして、このような製造方法を採用することで、即ち、帯状の第２電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第２化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成するので、即ち、パターニングされた第２電極をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジストライプ構造を形成するので、第２電極とリッジストライプ構造との間に合わせずれが生じることがない。また、第２電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成する。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第２化合物半導体層に光学的、電気的特性の劣化が生じることを抑制することができる。それ故、発光特性に劣化が生じることを、確実に防止することができる。
【００４３】
尚、工程（Ｃ）にあっては、第２化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよいし、第２化合物半導体層を厚さ方向に全部、エッチングしてもよいし、第２化合物半導体層及び第３化合物半導体層を厚さ方向にエッチングしてもよいし、第２化合物半導体層及び第３化合物半導体層、更には、第１化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよい。
【００４４】
更には、前記工程（Ｄ）において、第２電極に分離溝を形成する際の、第２電極のエッチングレートをＥＲ0、積層構造体のエッチングレートをＥＲ1としたとき、ＥＲ0／ＥＲ1≧１×１０、好ましくは、ＥＲ0／ＥＲ1≧１×１０2を満足することが望ましい。ＥＲ0／ＥＲ1がこのような関係を満足することで、積層構造体をエッチングすること無く（あるいは、エッチングされても僅かである）、第２電極を確実にエッチングすることができる。
【００４５】
モード同期半導体レーザ素子において、積層構造体は、具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ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、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体として、より具体的には、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、発光領域（利得領域）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）は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造［ＱＷ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。
【００４６】
更には、モード同期半導体レーザ素子において、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屈折率を維持しながら、モード同期半導体レーザ素子の直列抵抗成分を下げることができ、モード同期半導体レーザ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３化合物半導体層から第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。このように第３化合物半導体層から第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、モード同期半導体レーザ素子の動作電圧の低減化を達成することができる。尚、第３化合物半導体層から第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；第３化合物半導体層からの波長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、モード同期半導体レーザ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、第３化合物半導体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、第３化合物半導体層側から、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；第３化合物半導体層から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。このように第３化合物半導体層から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させることができる。尚、第３化合物半導体層から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、リッジストライプ構造の両側面には、ＳｉＯ2／Ｓｉ積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており；リッジストライプ構造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１×１０-2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、１００ミリワット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。また、第２化合物半導体層は、第３化合物半導体層側から、例えば、ノンドープＧａＩｎＮ層（ｐ側光ガイド層）、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。第３化合物半導体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、第３化合物半導体層（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。
【００４７】
モード同期半導体レーザ素子にあっては、モード同期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。主に、ＧａＮ系化合物半導体層を基板に形成する場合、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、モード同期半導体レーザ素子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。
【００４８】
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。
【００４９】
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ＰＶＤ法にて成膜することができる。
【００５０】
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。
【００５１】
第１の構成あるいは第２の構成の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部分との間に逆バイアス電圧を印加する構成（即ち、第１電極を正極、第２部分を負極とする構成）とすることが望ましい。尚、第２電極の第２部分には、第２電極の第１部分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、レーザ光パルス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、レーザ光パルスと光信号との間の同期を取ることができる。また、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ＧａＩｎＮ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ＧａＩｎＮ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。
【００５２】
モード同期半導体レーザ素子は、バイ・セクション型（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（多電極型）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。
【００５３】
本開示の半導体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といった分野に適用することができる。
【実施例１】
【００５４】
実施例１は、本開示の第１の態様及び第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体に関する。実施例１の半導体レーザ装置組立体の概念図を図１に示し、モード同期半導体レーザ素子１０の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図を図２に示し、モード同期半導体レーザ素子の共振器の延びる方向と直角方向に沿った模式的な断面図を図３に示す。
【００５５】
実施例１の半導体レーザ装置組立体は、本開示の第１の態様に係る半導体レーザ装置組立体に沿って説明すれば、
光密度が、１×１０10ワット／ｃｍ2以上であり、且つ、キャリア密度が１×１０19／ｃｍ3以上である電流注入型であって受動モード同期のモード同期半導体レーザ素子１０、及び、
モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系１１０、
を備えている。
【００５６】
また、本開示の第２の態様に係る半導体レーザ装置組立体に沿って説明すれば、
電流注入型であって受動モード同期のモード同期半導体レーザ素子１０、及び、
モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系１１０、
を備え、
分散補償光学系１１０の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ1から第２の所定値ＧＶＤ2（但し、｜ＧＶＤ1｜＜｜ＧＶＤ2｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子１０から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷminを超えて増加する。
【００５７】
ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４において、モード同期半導体レーザ素子１０は、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型を有する第１化合物半導体層３０、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層）４０、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層５０、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する。
【００５８】
そして、分散補償光学系１１０における群速度分散値は負である。即ち、０＞ＧＶＤ1＞ＧＶＤ2であるが故に、分散補償光学系１１０の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ1から第２の所定値ＧＶＤ2まで単調に減少させる。
【００５９】
実施例１にあっては、モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光は、分散補償光学系１１０に入射され、分散補償光学系１１０に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系１１０から出射され、モード同期半導体レーザ素子１０に戻され、分散補償光学系１１０に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される。外部共振器構造は分散補償光学系１１０によって構成される。そして、具体的には、分散補償光学系１１０は、ホログラフィック型の回折格子１１１、集光手段（具体的には、レンズ）１１２及び反射鏡（平面反射鏡であり、具体的には、例えば、誘電多層膜反射鏡）１１３から成る。尚、外部共振器は、反射鏡１１３とモード同期半導体レーザ素子１０の第１端面とから構成される。回折格子１１１は、モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光の内、１次以上の回折光を集光手段１１２に入射させ、０次の回折光（反射光）を系外へ出力する。モード同期半導体レーザ素子１０と回折格子１１１との間には、モード同期半導体レーザ素子１０からのレーザ光を平行光束とするためのコリメート手段１１である焦点距離４．０ｍｍの非球面の凸レンズが配されている。回折格子に入射（衝突）するレーザ光の中に含まれる回折格子における格子状のパターンの本数は、実施例１にあっては、２４００本／ｍｍである。そして、モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、回折格子１１１に衝突し、１次以上の回折光が集光手段（レンズ）１１２に入射し、反射鏡１１３によって反射され、集光手段１１２、回折格子１１１を経由してモード同期半導体レーザ素子１０に戻される。また、０次の回折光（反射光）は系外に出力される。
【００６０】
集光手段１１２と反射鏡１１３との間の距離を固定し、回折格子１１１と集光手段１１２及び反射鏡１１３との間の距離を、周知の移動手段を用いて変えることで、分散補償光学系１１０における群速度分散値（分散補償量）を変えることができる。具体的には、集光手段１１２と反射鏡１１３とを、一体として、集光手段１１２の光軸上（１次の回折光の光路上）を移動させることで、分散補償光学系１１０に入射するレーザ光と出射するレーザ光とにおいて、相互に分散の変化を生じさせる。実施例１にあっては、集光手段１１２と反射鏡１１３との間の距離を１００ｍｍとし、凸のパワーを有する集光手段（レンズ）１１２の焦点距離を１００ｍｍとした。即ち、集光手段１１２と反射鏡１１３との間の距離と、凸のパワーを有する集光手段（レンズ）１１２の焦点距離とは一致しており、レーザ光の像は、集光手段１１２によって反射鏡１１３において結像する。集光手段１１２に入射する光と出射する光とは、倍率１．０の望遠鏡における入射光と出射光の関係にある。
【００６１】
例えば、回折格子１１１と集光手段１１２との間の距離が集光手段１１２の焦点距離と等しい場合、回折格子１１１から集光手段１１２に向かうレーザ光と反射鏡１１３で反射されて集光手段１１２を経由して回折格子１１１に入射するレーザ光の角度分散は変化しない。従って、この場合、分散補償光学系が与える分散補償量はゼロである。一方、回折格子１１１と集光手段１１２との距離が集光手段１１２の焦点距離よりも長い場合、回折格子１１１で回折されたレーザ光の内、長波長成分の光路は短波長成分の光路よりも長くなり、この場合、負の群速度分散を形成する。即ち、群速度分散値は負となる。以下の説明において、回折格子１１１と集光手段１１２との距離を『距離Ｌ』と呼ぶ。距離Ｌ＝０ｍｍとは、回折格子１１１と集光手段１１２との距離が集光手段１１２の焦点距離と同じことを意味し、距離Ｌの値（Ｌ＞０）は、回折格子１１１と集光手段１１２との距離が集光手段１１２の焦点距離よりもＬｍｍ長いことを意味する。分散補償量は、後述する距離Ｌに比例する量である。距離Ｌが正の値において分散補償光学系１１０が与える分散は負の群速度分散である。
【００６２】
図２１に示すように、波長λの光が反射型の回折格子に角度αで入射し、角度βで回折するものとする。ここで、角度α，βは回折格子の法線からの角度であり、反時計回りを正とする。するとグレーティング方程式は次のとおりとなる。ここで、ｄGは回折格子の溝の間隔であり、ｍは回折次数（ｍ＝０，±１，±２・・・である。
ｄG×｛ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（β）｝＝ｍ・λ      （Ａ）
【００６３】
溝の斜面に対して、入射光とｍ次の回折光が鏡面反射の関係にあるとき、ｍ次の回折光にエネルギーの大部分が集中する。このときの溝の傾きをブレーズ角と呼び、θBで表すと、
θB＝（α＋β）／２
となる。また、このときの波長をブレーズ波長といい、λBと表すと、
λB＝｛２ｄG／ｍ｝ｓｉｎ（θB）・ｃｏｓ（α−θB）
となる。
【００６４】
実施例１の半導体レーザ装置組立体にあっては、更に、波長選択手段２００を備えている。そして、波長選択手段２００は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する。波長選択手段２００は、具体的には、バンドパスフィルタから成る。これによって、インコヒーレントな光パルス成分が除去され、コヒーレントな光パルスを得ることができる。バンドパスフィルタは、例えば、低誘電率を有する誘電体薄膜と、高誘電率を有する誘電体薄膜とを積層することで得ることができる。尚、参照番号２０１は、平面鏡である。
【００６５】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４において、モード同期半導体レーザ素子１０は可飽和吸収領域を有する。具体的には、モード同期半導体レーザ素子１０は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とを並置したバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子１０から成る。具体的には、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１０は、図２及び図３に示すように、
（ａ）第１導電型（各実施例においては、具体的には、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３０、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）４１及び可飽和吸収領域４２を構成する第３化合物半導体層（活性層）４０、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（各実施例においては、具体的には、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５０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５０上に形成された帯状の第２電極６２、並びに、
（ｃ）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、
を備えている。
【００６６】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４におけるモード同期半導体レーザ素子１０は、具体的には、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。より具体的には、このモード同期半導体レーザ素子１０は、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、第１化合物半導体層３０、第３化合物半導体層４０、及び、第２化合物半導体層５０は、具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成り、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。第３化合物半導体層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。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４におけるモード同期半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面上に設けられており、第３化合物半導体層４０は量子井戸構造を有する。ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面は、『Ｃ面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。
【００６７】
［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）５４
ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）５２
ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１
第３化合物半導体層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
但し、
井戸層（２層）      ８ｎｍ    ノン・ドープ
障壁層（３層）    １４ｎｍ    Ｓｉドープ
【００６８】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３の一部は、ＲＩＥ法にて除去されており、リッジストライプ構造５５が形成されている。リッジストライプ構造５５の両側にはＳｉＯ2／Ｓｉから成る積層絶縁膜５６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、リッジストライプ構造５５の有効屈折率と積層絶縁膜５６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、リッジストライプ構造５５の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層５４上には、第２電極（ｐ側オーミック電極）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側オーミック電極）６１が形成されている。
【００６９】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４におけるモード同期半導体レーザ素子１０にあっては、第３化合物半導体層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５２、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３及びｐ型ＧａＮコンタクト層５４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させている。具体的には、第３化合物半導体層４０からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５２までの距離ｄを０．１０μｍ、リッジストライプ構造５５の高さを０．３０μｍ、第２電極６２と第３化合物半導体層４０との間に位置する第２化合物半導体層５０の厚さを０．５０μｍ、第２電極６２の下方に位置するｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３の部分の厚さを０．４０μｍとした。また、リッジストライプ構造５５は、端面反射を軽減させるために、第２端面に向かって湾曲しているが、このような形状に限定するものではない。
【００７０】
そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４におけるモード同期半導体レーザ素子１０において、第２電極６２は、発光領域（利得領域）４１を経由して第１電極６１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１部分６２Ａと、可飽和吸収領域４２に電界を加えるための第２部分６２Ｂ（可飽和吸収領域４２に逆バイアス電圧Ｖsaを加えるための第２部分６２Ｂ）とに、分離溝６２Ｃによって分離されている。ここで、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂ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６２と第１電極６１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６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂ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１０の共振器長を６００μｍ、第２電極６２の第１部分６２Ａ、第２部分６２Ｂ、分離溝６２Ｃのそれぞれの長さを、５６０μｍ、３０μｍ、１０μｍとした。また、リッジストライプ構造５５の幅を１．４μｍとした。
【００７１】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４におけるモード同期半導体レーザ素子１０において、コリメート手段１１と対向する光出射端面（第２端面）には、無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。一方、モード同期半導体レーザ素子１０における光出射端面（第２端面）と対向する端面（第１端面）には、高反射コート層（ＨＲ）が形成されている。可飽和吸収領域４２は、モード同期半導体レーザ素子１０における第１端面の側に設けられている。無反射コート層（低反射コート層）として、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を挙げることができる。
【００７２】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４におけるモード同期半導体レーザ素子１０のパルス繰返し周波数を１ＧＨｚとした。尚、外部共振器長さＸ’（第１端面と反射鏡１１３との間の距離）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は共振器の実効的な屈折率である。
ｆ＝ｃ／（２ｎ・Ｘ’）
【００７３】
ところで、レーザ発振に必要な光学利得を得るためには活性層４０内に高密度のキャリアを注入（励起）し、反転分布を形成する必要がある。ここで、電子及び正孔の有効質量が大きいＧａＮ系化合物半導体から半導体レーザ素子を構成する場合、光学利得が正の値を取るには活性層４０のキャリア密度が１０19／ｃｍ3を超える必要がある（例えば、高橋清監修、吉川明彦、長谷川文夫編著「ワイドギャップ半導体  光・電子デバイス」、森北出版、p.124-126 参照）。この反転分布キャリア密度は、例えば、前述した非特許文献１に示されるＧａＡｓ系化合物半導体から成る半導体レーザ素子と比較して、１桁程度高く、ＧａＮ系化合物半導体から成る半導体レーザ素子の発振には非常に高密度のキャリア密度を注入する必要がある。実施例１のモード同期半導体レーザ素子にあっては、キャリア密度（反転分布キャリア密度）は約１．７×１０19／ｃｍ3と見積もられる。
【００７４】
以下、発生したサブピコ秒台の光パルスの状態について説明する。
【００７５】
光パルスの強度相関測定の測定原理、相関関数の種類とパルス時間幅と導出方法については、ヤリフ著、「光エレクトロニクスの基礎  第３版」、丸善株式会社、第１８３〜１９６頁、あるいは、Vasil’ev，"Ultrafast diode lasers", Artech House, pp39-43 に詳しく述べられている。
【００７６】
実施例１の半導体レーザ装置組立体において得られた光パルスの相関波形を図４の（Ａ）に示す。尚、図４の（Ａ）の横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。ここで、半導体レーザ装置組立体の駆動条件を、第２電極６２から発光領域（利得領域）４１を経由して第１電極６１に流す直流電流（ゲイン電流Ｉ）を１３０ミリアンペア、可飽和吸収領域４２に加える逆バイアス電圧Ｖsaを−７ボルト、Ｌ＝７．２８ｍｍとした。尚、分散補償光学系１１０における群速度分散値は−０．０３９０ｐｓ2［（ピコ秒）2］である。
【００７７】
得られた光パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）の値は０．４５ピコ秒であり、ガウス型やｓｅｃｈ2型の光パルスの相関波形と異なる特徴的な形を示している。このときの光スペクトルを図４の（Ｂ）に示す。尚、図４の（Ｂ）の横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、縦軸は光パワー（単位：ミリワット）である。このようにして得られた光パルスを、バンドパスフィルタ（透過帯域Δλ＝１．３ｎｍ）から成る波長選択手段２００を通過させ、光パルスの短波長側を切り出したときの相関波形を図５の（Ａ）に示す。尚、図５の（Ａ）の横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。波長選択手段２００を通過させることで、相関波形のテール（裾野）が除去され、時間ゼロ付近にｓｅｃｈ2型の相関波形（便宜上、『中心部分の相関波形』と呼ぶ）が得られ、更に、中心部分の相関波形の両脇に複数のサイドパルスが得られる。中心部分の相関波形の半値全幅は２９０フェムト秒であり、ｓｅｃｈ2型関数の自己相関関数のコンボリューション因子０．６５を用いると、発生した光パルスの半値全幅は１９０フェムト秒と評価される。このときの光スペクトルを図５の（Ｂ）に示すが、スペクトル幅は１．０６ｎｍであり、時間帯域幅積は０．３４と計算され、ｓｅｃｈ2型関数のフーリエ積の限界０．３１５に近い。尚、図５の（Ｂ）の横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、縦軸は光パワー（単位：ミリワット）である。また、半導体レーザ装置組立体からの出力パワーは、波長選択手段２００の通過前で１１．４６ミリワット、波長選択手段２００の通過後で３．０ミリワットであった。レーザ光の繰返し周波数は１．０３ＧＨｚであり、求められたパルス時間幅から、ピークパワーは１０ワットと計算される。尚、相関波形にみられる複数のパルスの高さから、中心のパルスにパルスエネルギーの６６％が集中していると仮定した。
【００７８】
このような特徴的なパルス形状は、分散補償量（群速度分散値）に依存して変化する。種々の分散補償量における光パルスの相関波形を図６に示す。尚、図６の横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。いずれの相関波形も、波長選択手段２００を通過した後のパルス波形である。尚、ゲイン電流Ｉを１２０ミリアンペア、逆バイアス電圧Ｖsaを−７ボルトとした。図６において、各光パルスにおける群速度分散値は以下のとおりである。図６から、群速度分散値が減少（群速度分散値の絶対値が増加）すると共に、時間ゼロの主パルス以外のサブパルスの個数が減少していることが判る。また、群速度分散値の減少（群速度分散値の絶対値が増加）と共に、主パルスのパルス時間幅が増加している。尚、光パルス「Ａ」が得られるときの群速度分散値が群速度分散極小値ＧＶＤminであり、光パルス「Ｅ」が得られるときの群速度分散値が群速度分散値の上限値ＧＶＤSであり、『群速度分散値の近傍』は、
ＧＶＤS±｜ＧＶＤmin−ＧＶＤS｜
で定義される。
【００７９】
光パルス「Ａ」：−０．０３９０ｐｓ2
光パルス「Ｂ」：−０．０４０６ｐｓ2
光パルス「Ｃ」：−０．０４４３ｐｓ2
光パルス「Ｄ」：−０．０４９７ｐｓ2
光パルス「Ｅ」：−０．０６３０ｐｓ2
【００８０】
以上の結果から、最短のパルス時間幅を得るには、負の群速度分散値（群速度分散値）を或る範囲内で小さくする必要がある。しかしながら、場合によっては、サブパルスが発生するため、半導体レーザ装置組立体の用途によっては、単純にパルス時間幅を最短とすることは、必ずしも望ましくない。例えば、発生した超短パルスを半導体光増幅器で増幅する場合、増幅されたパルスのエネルギーがサブパルスに分割されてしまう虞がある。
【００８１】
それ故、適切な分散補償量（群速度分散値）を設定することで、より具体的には、距離Ｌを適切に設定することで、発生するパルスが主パルスのみであり、しかも、パルス時間幅を出来る限り短く（狭く）することができる。このような場合の光パルスの相関波形を図７の（Ａ）に示す。尚、図７の（Ａ）の横軸は時間（単位：ピコ秒）であり、縦軸は光強度（単位：任意）である。ここで、ゲイン電流Ｉを１２０ミリアンペア、逆バイアス電圧Ｖsaを−７ボルトとした。群速度分散値は−０．０６３０ｐｓ2であり、得られた光パルスの半値全幅は０．５７ピコ秒であり、ｓｅｃｈ2形状のパルス時間幅は０．３７ピコ秒である。また、図７の（Ｂ）に、対応する光スペクトルを示す。スペクトル幅は１．５６ｎｍであり、時間帯域幅積は１．０６と求められ、出射したパルスはチャープしていることが判る。波長選択手段２００を通過させた後の平均パワーは３．０ミリワットであり、出射した光パルスのピークパワーは約８ワットと求められる。
【００８２】
このような光パルスが発生するときの第２端面における光密度は次のようにして求めることができる。第２端面における光密度は、光パワーを第２端面におけるレーザ光の近視野像の断面積で除した値で定義される。尚、第２端面における光パワーは、共振器から出力されるときの効率で除する必要があり、本構成では約５％である。近視野像の断面積とは、近視野像の光強度がピークパワーに対して１／ｅ2倍の強度であるときの断面積を指す。実施例１におけるモード同期半導体レーザ素子における近視野像の断面積は１．０８μｍ2であり、この値を用いると光密度は約１５ギガワット／ｃｍ2と計算される。
【００８３】
以下、サブピコ秒台の光パルスが発生する駆動条件について説明する。
【００８４】
サブピコ秒台の光パルスが発生する駆動条件は、ゲイン電流Ｉ、逆バイアス電圧Ｖsa、分散補償量（群速度分散値）［云い換えれば、距離Ｌ］に依存する。レーザ発振を得られる最も低いゲイン電流Ｉ（１００ミリアンペア）及び逆バイアス電圧Ｖsa（−５．５ボルト）、並びに、距離Ｌ＝１４．１ｍｍといった駆動条件における光パルスの相関波形を図８の（Ａ）に示し、光スペクトルを図８の（Ｂ）に示す。尚、図８の（Ａ）及び（Ｂ）において、「Ａ」は、波長選択手段２００を通過させる前の状態を示し、「Ｂ」は、波長選択手段２００を通過させた後の状態を示し、光パワーは、それぞれ、７．０４ミリワット及び１．５ミリワットである。波長選択手段２００を通過させた後にあっては、光パルスのパルス時間幅が０．４２ピコ秒である。また、このときの群速度分散値は−０．０７５３ｐｓ2である。尚、駆動条件は、ゲイン電流Ｉ、逆バイアス電圧Ｖsa、分散補償量（群速度分散値）の他に、外部共振器のフィードバック量にも依存するため、レーザ発振を得られる駆動条件の下限値は上記の値に限定されない。
【００８５】
逆バイアス電圧Ｖsa＝−７ボルト、ゲイン電流Ｉ＝１３０ミリアンペアの条件において、距離Ｌと光パルスの半値全幅の関係を求めた結果を図９の（Ａ）に示し、群速度分散値と光パルスの半値全幅の関係を求めた結果を図９の（Ｂ）に示す。尚、図９の（Ａ）と図９の（Ｂ）とは、同じデータに基づき作成したグラフである。また、「Ａ」は、波長選択手段２００を通過させる前の状態を示し、「Ｂ」は、波長選択手段２００を通過させた後の状態を示す。尚、図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示した距離Ｌと群速度分散値との間には、
群速度分散値（ｐｓ2）＝―５．３５２×１０-3×Ｌ（ｍｍ）
といった関係が存在する。尚、
群速度分散値＝−（λ3／（π・ｃ2・ｄG2・ｃｏｓ2θr））・２・Ｌ
で一般的には与えられる。ここで、
λ ：波長
ｃ ：光速
ｄG：回折格子の溝の間隔
θr：回折格子の法線に対する回折光の角度
である。
【００８６】
図９の（Ａ）から、或る距離Ｌに向かってパルス半値全幅が急激に減少し、極小値を取ることが判る。このパルス半値全幅の極小値に対応する分散補償量（『分散補償極小量』と呼び、図９の（Ａ）に示した例では、距離Ｌ＝１１．８ｍｍ）近傍に対応する分散補償量の僅かな変化で、前述したサイドパルスが現れることが判った。また、分散補償極小量よりも大きな分散補償量では、分散補償極小量よりも小さな分散補償量の範囲におけるパルス半値全幅の変化よりも、分散補償量に対するパルス半値全幅の変化は小さい。そして、分散補償極小量よりも大きな分散補償量の範囲では、分散補償量を変化させることで発生するパルスのチャープを調整することが可能である。パルス半値全幅が極小値の光パルスを波長選択手段２００を通過させて、短波長成分のみを抽出することで、裾のないクリーンな光パルスを示す相関波形を得ることができる。更には、パルス時間幅が極小となる群速度分散値から負の側の群速度分散値において、裾のないクリーンな光パルスを示す相関波形を得ることができる。
【００８７】
あるいは又、図９の（Ｂ）から、波長選択手段２００を通過させる前の状態において、系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷminとなるときの分散補償光学系１１０の群速度分散極小値をＧＶＤminとし、分散補償光学系１１０の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ1であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ1、分散補償光学系１１０の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ2であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ2としたとき、
（ＰＷ1−ＰＷmin）／｜ＧＶＤmin−ＧＶＤ1｜
≧２×（ＰＷ2−ＰＷmin）／｜ＧＶＤ2−ＧＶＤmin｜
を満足している。但し、
｜ＧＶＤ1／ＧＶＤmin｜＝０．５３
｜ＧＶＤ2／ＧＶＤmin｜＝２．１
である。具体的には、
ＰＷ1    ＝５．３ピコ秒
ＰＷ2    ＝２．９ピコ秒
ＰＷmin  ＝０．４ピコ秒
ＧＶＤ1  ＝−０．０２５５ｐｓ2
ＧＶＤ2  ＝−０．１０１ｐｓ2
ＧＶＤmin＝−０．０４８ｐｓ2
である。
【００８８】
パルス時間幅が極小となる群速度分散値から負の側の群速度分散値において、裾のないクリーンな光パルスを示す相関波形を得ることができるが、このような群速度分散値の範囲は、モード同期半導体レーザ素子から出力される光パルスのＲＦスペクトルによって調べることができる。具体的には、帯域幅が繰返し周波数以上ある高速のフォトダイオードで光パルスを受光すると、光パルスの繰返し周期についてのスペクトルを得ることができる。この繰返し周期は外部共振器の長さＸ’によって決定されるが、モード同期半導体レーザ素子内には種々の分散媒質が存在するため、周回時間には、通常、波長に依存してばらつきが存在する。ＲＦスペクトルには、この繰返し周波数と共に、繰返し周波数のばらつきが反映される。図１０の（Ａ）に、群速度分散値が−０．０２５７ｐｓ2のときのＲＦスペクトルを示し、図１０の（Ｂ）に、群速度分散値が−０．０６４ｐｓ2のときのＲＦスペクトルを示す。図１０の（Ａ）のスペクトルが得られる群速度分散値は、図９の（Ｂ）においてパルス時間幅が極小を示す位置の群速度分散値よりも小さい（群速度分散値の絶対値は大きい）。図１０の（Ｂ）にみられるように、群速度分散値に依存して、ＲＦスペクトルは、繰返し周波数の主ピークに対して周回時間の揺らぎを示す雑音成分が６０ｄＢ以上、抑圧されていることが判る。即ち、系外に出力されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−６０ｄＢ以下であることが判る。また、系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷminとなる群速度分散極小値ＧＶＤminあるいはその近傍において動作させることが好ましいことも判る。尚、極小値を示すパルス時間幅は、ゲイン電流Ｉに依存し、逆バイアス電圧Ｖsaが一定であれば、ゲイン電流Ｉが大きいほどパルス時間幅は小さくなるし、発生する光パルスは主パルスのみである。最小のパルス時間幅を示す場合のゲイン電流Ｉ（単位：ミリアンペア）に対するパルス時間幅（単位：ピコ秒）を以下の表２に示す。尚、表２中、「パルス時間幅Ａ」は、波長選択手段２００を通過させる前の値（単位：ピコ秒）であり、「パルス時間幅Ｂ」は、波長選択手段２００を通過させた後の値である。また、逆バイアス電圧Ｖsaは、一定値（−７ボルト）とした。尚、ゲイン電流値１２０ミリアンペアを境に、レーザパルスの繰返し周波数が２倍となるため、発振特性が変化し、パルス時間幅Ｂの変化がこの電流値を境に不連続になっている。
【００８９】
［表２］
ゲイン電流Ｉ    パルス時間幅Ａ    パルス時間幅Ｂ
１００          ２．３５          ０．８０
１０５          ２．００          ０．５５
１１０          １．７５          ０．３７
１１５          １．５０          ０．２９
１２０          １．２３          ０．５５
１２５          １．２０          ０．３７
１３０          １．０３          ０．２９
【００９０】
このように、ゲイン電流Ｉの増大によって極小となるパルス時間幅は狭くなる傾向にある。図１１に、ゲイン電流Ｉに対するパルス時間幅の依存性を示す。
【００９１】
ところで、上述したとおり、第２化合物半導体層５０上に、１×１０2Ω以上の分離抵抗値を有する２電極６２を形成することが望ましい。ＧａＮ系半導体レーザ素子の場合、従来のＧａＡｓ系半導体レーザ素子とは異なり、ｐ型導電型を有する化合物半導体における移動度が小さいために、ｐ型導電型を有する第２化合物半導体層５０をイオン注入等によって高抵抗化することなく、その上に形成される第２電極６２を分離溝６２Ｃで分離することで、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値を第２電極６２と第１電極６１との間の電気抵抗値の１０倍以上とし、あるいは又、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値を１×１０2Ω以上とすることが可能となる。
【００９２】
ここで、第２電極６２に要求される特性は、以下のとおりである。即ち、
（１）第２化合物半導体層５０をエッチングするときのエッチング用マスクとしての機能を有すること。
（２）第２化合物半導体層５０の光学的、電気的特性に劣化を生じさせることなく、第２電極６２はウエットエッチング可能であること。
（３）第２化合物半導体層５０上に成膜したとき、１０-2Ω・ｃｍ2以下のコンタクト比抵抗値を示すこと。
（４）積層構造とする場合、下層金属層を構成する材料は、仕事関数が大きく、第２化合物半導体層５０に対して低いコンタクト比抵抗値を示し、しかも、ウエットエッチング可能であること。
（５）積層構造とする場合、上層金属層を構成する材料は、リッジストライプ構造を形成する際のエッチングに対して（例えば、ＲＩＥ法において使用されるＣｌ2ガス）に対して耐性があり、しかも、ウエットエッチング可能であること。
【００９３】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４にあっては、第２電極６２を厚さ０．１μｍのＰｄ単層から構成した。
【００９４】
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５３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、第３化合物半導体層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５２、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４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、第３化合物半導体層側から、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ｐ型化合物半導体層を有しているが、第３化合物半導体層４０からｐ型化合物半導体層（具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５２）までの距離（ｄ）は１．２×１０-7ｍ以下、具体的には１００ｎｍである。
【００９５】
以下、図１８の（Ａ）、（Ｂ）、図１９の（Ａ）、（Ｂ）、図２０を参照して、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３におけるモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明する。尚、図１８の（Ａ）、（Ｂ）、図１９の（Ａ）、（Ｂ）は、基板等をＹＺ平面にて切断したときの模式的な一部断面図であり、図２０は、基板等をＸＺ平面にて切断したときの模式的な一部端面図である。
【００９６】
［工程−１００］
先ず、基体上、具体的には、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面上に、周知のＭＯＣＶＤ法に基づき、第１導電型（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３０、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）４１及び可飽和吸収領域４２を構成する第３化合物半導体層（活性層４０）、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（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５０が、順次、積層されて成る積層構造体を形成する（図１８の（Ａ）参照）。
【００９７】
［工程−１１０］
その後、第２化合物半導体層５０上に帯状の第２電極６２を形成する。具体的には、真空蒸着法に基づきＰｄ層６３を全面に成膜した後（図１８の（Ｂ）参照）、Ｐｄ層６３上に、フォトリソグラフィ技術に基づき帯状のエッチング用レジスト層を形成する。そして、王水を用いて、エッチング用レジスト層に覆われていないＰｄ層６３を除去した後、エッチング用レジスト層を除去する。こうして、図１９の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、リフトオフ法に基づき、第２化合物半導体層５０上に帯状の第２電極６２を形成してもよい。
【００９８】
［工程−１２０］
次いで、第２電極６２をエッチング用マスクとして、少なくとも第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングして（具体的には、第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングして）、リッジストライプ構造を形成する。具体的には、Ｃｌ2ガスを用いたＲＩＥ法に基づき、第２電極６２をエッチング用マスクとして用いて、第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングする。こうして、図１９の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。このように、帯状にパターニングされた第２電極６２をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジストライプ構造を形成するので、第２電極６２とリッジストライプ構造との間に合わせずれが生じることがない。
【００９９】
［工程−１３０］
その後、分離溝を第２電極６２に形成するためのレジスト層６４を形成する（図２０参照）。尚、参照番号６５は、分離溝を形成するために、レジスト層６４に設けられた開口部である。次いで、レジスト層６４をウエットエッチング用マスクとして、第２電極６２に分離溝６２Ｃをウエットエッチング法にて形成し、以て、第２電極６２を第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとに分離溝６２Ｃによって分離する。具体的には、王水をエッチング液として用い、王水に約１０秒、全体を浸漬することで、第２電極６２に分離溝６２Ｃを形成する。そして、その後、レジスト層６４を除去する。こうして、図２及び図３に示す構造を得ることができる。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第２化合物半導体層５０の光学的、電気的特性に劣化が生じることがない。それ故、モード同期半導体レーザ素子の発光特性に劣化が生じることがない。尚、ドライエッチング法を採用した場合、第２化合物半導体層５０の内部損失αiが増加し、閾値電圧が上昇したり、光出力の低下を招く虞がある。ここで、第２電極６２のエッチングレートをＥＲ0、積層構造体のエッチングレートをＥＲ1としたとき、
ＥＲ0／ＥＲ1≒１×１０2
である。このように、第２電極６２と第２化合物半導体層５０との間に高いエッチング選択比が存在するが故に、積層構造体をエッチングすること無く（あるいは、エッチングされても僅かである）、第２電極６２を確実にエッチングすることができる。尚、ＥＲ0／ＥＲ1≧１×１０、好ましくは、ＥＲ0／ＥＲ1≧１×１０2を満足することが望ましい。
【０１００】
第２電極を、厚さ２０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）から成る下層金属層と、厚さ２００ｎｍのニッケル（Ｎｉ）から成る上層金属層の積層構造としてもよい。ここで、王水によるウエットエッチングにあっては、ニッケルのエッチングレートは、パラジウムのエッチングレートの約１．２５倍である。
【０１０１】
［工程−１４０］
その後、ｎ側電極の形成、基板の劈開等を行い、更に、パッケージ化を行うことで、モード同期半導体レーザ素子１０を作製することができる。
【０１０２】
製作したモード同期半導体レーザ素子１０の第２電極６２の第２部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値を４端子法にて測定した結果、分離溝６２Ｃの幅が２０μｍのとき、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値は１５ｋΩであった。また、製作したモード同期半導体レーザ素子１０において、第２電極６２の第１部分６２Ａから発光領域４１を経由して第１電極６１に直流電流を流して順バイアス状態とし、第１電極６１と第２電極６２の第２部分６２Ｂとの間に逆バイアス電圧Ｖsaを印加することによって可飽和吸収領域４２に電界を加えることで、セルフ・パルセーション動作させることができた。即ち、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値は、第２電極６２と第１電極６１との間の電気抵抗値の１０倍以上であり、あるいは又、１×１０2Ω以上である。従って、第２電極６２の第１部分６２Ａから第２部分６２Ｂへの漏れ電流の流れを確実に抑制することができる結果、発光領域４１を順バイアス状態とし、しかも、可飽和吸収領域４２を確実に逆バイアス状態とすることができ、確実にシングルモードのセルフ・パルセーション動作を生じさせることができた。
【実施例２】
【０１０３】
実施例２は実施例１の変形である。実施例２にあっても、
モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光は、分散補償光学系１２０に入射され、
分散補償光学系１２０に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系１２０から出射され、モード同期半導体レーザ素子１０に戻され、分散補償光学系１２０に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される。
【０１０４】
実施例２にあっては、外部共振器構造は、分散補償光学系１２０及び部分反射鏡１２３によって構成される。そして、具体的には、分散補償光学系１２０は、図１２の（Ａ）に概念図を示すように、一対の回折格子１２１，１２２から成る。モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、第１の回折格子１２１に衝突し、１次以上の回折光が出射され、第２の回折格子１２２に衝突し、１次以上の回折光が出射されて、外部共振器の一端を構成する部分反射鏡１２３に到達する。尚、第１の回折格子１２１と第２の回折格子１２２とは平行に配置されている。そして、部分反射鏡１２３に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡１２３を通過し、系外に出力される。一方、部分反射鏡１２３に到達したレーザ光の残りは、第２の回折格子１２２、第１の回折格子１２１を経由してモード同期半導体レーザ素子１０に戻される。第１の回折格子１２１と第２の回折格子１２２との間の距離を変えることで、分散補償光学系１２０における群速度分散値を変えることができる。
【０１０５】
尚、使用する回折格子を１枚とすることも可能である。この場合、回折格子からの回折光を部分反射鏡に入射させ、且つ、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の光をこの部分反射鏡に集光させる。部分反射鏡が反射する光を同じ光路を通じて回折格子に戻すことで、回折格子が対向していることと同じ効果が得られる。分散補償量は、回折格子と部分反射鏡との間の距離を変えることで変化させることができる。尚、この場合、部分反射鏡から出射される光は発散光であるため、共振器外に、光束をコリメートする手段を設けることが好ましい。また、実施例２では反射型の回折格子を想定したが、同様な機能の外部共振器が構成できるのであれば透過型の回折格子を用いることもできる。
【０１０６】
あるいは又、図１２の（Ｂ）に概念図を示すように、分散補償光学系１３０は、一対のプリズム１３１，１３２から成る。そして、モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、第１のプリズム１３１を通過し、更に、第２のプリズム１３２を通過し、外部共振器の一端を構成する部分反射鏡１３３に到達する。尚、第１のプリズム１３１と第２のプリズム１３２との配置状態は、点対称である。そして、部分反射鏡１３３に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡１３３を通過し、系外に出力される。一方、部分反射鏡１３３に到達したレーザ光の残りは、第２のプリズム１３２、第１のプリズム１３１を経由してモード同期半導体レーザ素子１０に戻される。第１のプリズム１３１と第２のプリズム１３２との間の距離を変えることで、分散補償光学系１２０における群速度分散値を変えることができる。
【０１０７】
尚、使用するプリズムを１つとすることも可能である。この場合、プリズムを通過した光を部分反射鏡に入射させ、且つ、モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の光をこの部分反射鏡に集光させる。部分反射鏡が反射する光を同じ光路を通じてプリズムに戻すことで、プリズムを２つ設けたと同じ効果が得られる。分散補償量は、プリズムと部分反射鏡との間の距離を変えることで変化させることができる。尚、この場合、部分反射鏡から出射される光は発散光であるため、共振器外に、光束をコリメートする手段を設けることが好ましい。
【０１０８】
あるいは又、図１３に概念図を示すように、分散補償光学系１４０は、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型の干渉計１４１から成る。Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ型干渉計１４１は、反射率１の反射鏡１４１Ａと反射率１未満の部分反射鏡１４１Ｂから成る。反射鏡１４１Ａと部分反射鏡１４１Ｂとの間の距離を制御することで、あるいは又、入射光の入射角を調整することによって、分散補償光学系１４０における群速度分散値を変えることができる。モード同期半導体レーザ素子１０から出射されたパルス状のレーザ光は、平面鏡１４２で反射され、部分反射鏡１４１Ｂを通過し、反射鏡１４１Ａによって反射され、部分反射鏡１４１Ｂを再び通過し、外部共振器を構成する部分反射鏡１４３に到達する。そして、部分反射鏡１４３に到達したレーザ光の一部は部分反射鏡１４３を通過し、系外に出力される。一方、部分反射鏡１４３に到達したレーザ光の残りは、部分反射鏡１４１Ｂを通過し、反射鏡１４１Ａによって反射され、部分反射鏡１４１Ｂ、平面鏡１４２を再び通過し、モード同期半導体レーザ素子１０に戻される。
【０１０９】
あるいは又、分散補償光学系は、誘電体多層膜ミラーから成る。この場合、入射光の入射角を調整することによって、分散補償光学系における群速度分散値を変えることができる。
【実施例３】
【０１１０】
実施例３は実施例１において説明したモード同期半導体レーザ素子の変形であり、第３の構成のモード同期半導体レーザ素子に関する。実施例１においては、モード同期半導体レーザ素子１０を、極性を有する結晶面であるｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面、Ｃ面上に設けた。ところで、このような基板を用いた場合、活性層４０にピエゾ分極及び自発分極に起因した内部電界によるＱＣＳＥ効果（量子閉じ込めシュタルク効果）によって、電気的に可飽和吸収が制御し難くなる場合がある。即ち、場合によっては、セルフ・パルセーション動作及びモード同期動作を得るために第１電極に流す直流電流の値及び可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧の値を高くする必要が生じたり、メインパルスに付随したサブパルス成分が発生したり、外部信号と光パルスとの間での同期が取り難くなることが判った。
【０１１１】
そして、このような現象の発生を防止するためには、活性層４０を構成する井戸層の厚さの最適化、活性層４０を構成する障壁層における不純物ドーピング濃度の最適化を図ることが好ましいことが判明した。
【０１１２】
具体的には、ＧａＩｎＮ量子井戸活性層を構成する井戸層の厚さを、１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上、８ｎｍ以下とすることが望ましい。このように井戸層の厚さを薄くすることによって、ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる。また、障壁層の不純物ドーピング濃度を、２×１０18ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下、好ましくは、１×１０19ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下とすることが望ましい。ここで、不純物として、シリコン（Ｓｉ）あるいは酸素（Ｏ）を挙げることができる。そして、障壁層の不純物ドーピング濃度をこのような濃度とすることで、活性層のキャリアの増加を図ることができる結果、ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる。
【０１１３】
実施例３においては、表３に示した層構成における３層の障壁層（Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎから成る）と２層の井戸層（Ｇａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ）から成るＧａＩｎＮ量子井戸活性層から構成された活性層４０の構成を以下のとおりとした。また、参考例３のモード同期半導体レーザ素子においては、表１に示した層構成における活性層４０の構成を以下のとおりとした。具体的には、実施例１と同じ構成とした。
【０１１４】
［表３］
実施例３                    参考例３
井戸層                              ８ｎｍ                    １０．５ｎｍ
障壁層                            １２ｎｍ                    １４ｎｍ
井戸層の不純物ドーピング濃度      ノン・ドープ                ノン・ドープ
障壁層の不純物ドーピング濃度      Ｓｉ：２×１０18ｃｍ-3      ノン・ドープ
【０１１５】
実施例３においては井戸層の厚さが８ｎｍであり、また、障壁層にはＳｉが２×１０18ｃｍ-3、ドーピングされており、活性層内のＱＣＳＥ効果が緩和されている。一方、参考例３においては井戸層の厚さが１０．５ｎｍであり、また、障壁層には不純物がドーピングされていない。
【０１１６】
モード同期は、実施例１と同様に、発光領域に印加する直流電流と可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧Ｖsaとによって決定される。実施例３及び参考例３の注入電流と光出力の関係（Ｌ−Ｉ特性）の逆バイアス電圧依存性を測定した。その結果、参考例３にあっては、逆バイアス電圧Ｖsaを増加していくと、レーザ発振が開始する閾値電流が次第に上昇し、更には、実施例３に比べて、低い逆バイアス電圧Ｖsaで変化が生じていることが判った。これは、実施例３の活性層の方が、逆バイアス電圧Ｖsaにより可飽和吸収の効果が電気的に制御されていることを示唆している。但し、参考例３にあっても、可飽和吸収領域に逆バイアスを印加した状態でシングルモード（単一基本横モード）のセルフ・パルセーション動作及びモード同期（モードロック）動作が確認されており、参考例３も本開示に包含されることは云うまでもない。
【実施例４】
【０１１７】
実施例４は、実施例１〜実施例３の変形である。実施例４にあっては、波長選択手段を、バンドパスフィルタから構成する代わりに、図１４の（Ａ）及び（Ｂ）に概念図を示すように、回折格子２１０、及び、回折格子２１０から出射された１次以上の回折光（実施例４においては、１次の回折光）を選択するアパーチャ２１１から成る構成とすることもできる。アパーチャ２１１は、例えば、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置２１２から成る。尚、回折格子２１０とアパーチャ２１１との間には、レンズ２１３が配されている。
【０１１８】
モード同期半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の波長は或る波長範囲を有する。従って、回折格子２１０において回折された１次の回折光は、図１４の（Ａ）に示すように、多数の領域でアパーチャ２１１に衝突し得る。即ち、前述した式（Ａ）において、複数の角度αが存在するが故に、複数の角度βが存在する。尚、図１４の（Ａ）及び（Ｂ）においては、レンズ２１３による光路の収束、発散は無視している。また、回折格子２１０から出射された０次の回折光の図示も省略している。ここで、図１４の（Ｂ）に示すように、多数のセグメントを有する透過型液晶表示装置２１２の所望のセグメント（アパーチャ２１１を構成する）においてレーザ光を透過させることによって、モード同期半導体レーザ素子１０から出射された、所望の波長を有するレーザ光のみが、最終的に外部に出力される。このように、アパーチャ２１１を選択することで、波長選択を行うことができる。
【０１１９】
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半導体レーザ装置組立体、モード同期半導体レーザ素子の構成、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、使用するモード同期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。
【０１２０】
発光領域４１や可飽和吸収領域４２の数は１に限定されない。１つの第２電極の第１部分６２Ａと２つの第２電極の第２部分６２Ｂ1，６２Ｂ2とが設けられたモード同期半導体レーザ素子（マルチセクション（多電極型）型の半導体レーザ素子）の模式的な端面図を図１５及び図１６に示す。図１５に示すモード同期半導体レーザ素子にあっては、第１部分６２Ａの一端が、一方の分離溝６２Ｃ1を挟んで、一方の第２部分６２Ｂ1と対向し、第１部分６２Ａの他端が、他方の分離溝６２Ｃ2を挟んで、他方の第２部分６２Ｂ2と対向している。そして、１つの発光領域４１が、２つの可飽和吸収領域４２1，４２2によって挟まれている。あるいは又、２つの第２電極の第１部分６２Ａ1，６２Ａ2と１つの第２電極の第２部分６２Ｂ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１６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部分６２Ｂの端部が、一方の分離溝６２Ｃ1を挟んで、一方の第１部分６２Ａ1と対向し、第２部分６２Ｂの他端が、他方の分離溝６２Ｃ2を挟んで、他方の第１部分６２Ａ2と対向している。そして、１つの可飽和吸収領域４２が、２つの発光領域４１1，４１2によって挟まれている。
【０１２１】
モード同期半導体レーザ素子を、斜め導波路を有する斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造の半導体レーザ素子とすることもできる。このようなモード同期半導体レーザ素子におけるリッジストライプ構造５５’を上方から眺めた模式図を図１７に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、直線状の２つのリッジストライプ構造が組み合わされた構造を有し、２つのリッジストライプ構造の交差する角度θの値は、例えば、
０＜θ≦１０（度）
好ましくは、
０＜θ≦６（度）
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートをされた第２端面の反射率を、より０％の理想値に近づけることができ、その結果、モード同期半導体レーザ素子内で周回してしまうレーザ光の発生を防ぐことができ、メインのレーザ光に付随する副次的なレーザ光の生成を抑制できるといった利点を得ることができる。
【０１２２】
実施例においては、モード同期半導体レーザ素子１０を、ｎ型ＧａＮ基板２１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、モード同期半導体レーザ素子１０を設けてもよく、これによって、モード同期半導体レーザ素子１０の第３化合物半導体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。また、無極性面上あるいは半極性面上にモード同期半導体レーザ素子１０を設ける場合、実施例３にて説明したような、井戸層の厚さの制限（１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下）及び障壁層の不純物ドーピング濃度の制限（２×１０18ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下）を無くすことが可能である。
【０１２３】
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［１］《半導体レーザ装置組立体：第１の態様》
光密度が１×１０10ワット／ｃｍ2以上であり、且つ、キャリア密度が１×１０19／ｃｍ3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備えた半導体レーザ装置組立体。
［２］モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する［１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［３］モード同期半導体レーザ素子は、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型を有する第１化合物半導体層、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する［２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［４］分散補償光学系における群速度分散値は負である［３］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［５］系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる［１］乃至［４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［６］波長選択手段を備え、
波長選択手段は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する［１］乃至［５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［７］モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、モード同期半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される［１］乃至［６］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［８］《半導体レーザ装置組立体：第２の態様》
電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備え、
分散補償光学系の群速度分散値を、第１の所定値ＧＶＤ1から第２の所定値ＧＶＤ2（但し、｜ＧＶＤ1｜＜｜ＧＶＤ2｜）まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値ＰＷminを超えて増加する半導体レーザ装置組立体。
［９］系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値ＰＷminとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をＧＶＤminとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第１の所定値ＧＶＤ1であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ1、分散補償光学系の群速度分散値が負の第２の所定値ＧＶＤ2であるときのレーザ光のパルス時間幅をＰＷ2としたとき、
（ＰＷ1−ＰＷmin）／｜ＧＶＤmin−ＧＶＤ1｜
≧２×（ＰＷ2−ＰＷmin）／｜ＧＶＤ2−ＧＶＤmin｜
但し、
｜ＧＶＤ1／ＧＶＤmin｜＝０．５
｜ＧＶＤ2／ＧＶＤmin｜＝２
を満足する［８］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［１０］系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値ＰＷminとなる群速度分散極小値ＧＶＤminあるいはその近傍において動作させられる［８］又は［９］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［１１］系外に出力されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−６０ｄＢ以下である［８］乃至［１０］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
【符号の説明】
【０１２４】
１０・・・モード同期半導体レーザ素子、１１・・・コリメート手段、２１・・・ｎ型ＧａＮ基板、２２・・・ＧａＮバッファ層、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・・・第３化合物半導体層（活性層）、４１，４１1，４１2・・・発光領域、４２，４２1，４２2・・・可飽和吸収領域、５０・・・第２化合物半導体層、５１・・・ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層、５２・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）、５３・・・ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、５４・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）、５５，５５’・・・リッジストライプ構造、５６・・・積層絶縁膜、６１・・・第１電極、６２・・・第２電極、６２Ａ，６２Ａ1，６２Ａ2・・・第２電極の第１部分、６２Ｂ，６２Ｂ1，６２Ｂ2・・・第２電極の第２部分、６２Ｃ，６２Ｃ1，６２Ｃ2・・・分離溝、６３・・・Ｐｄ単層、６４・・・レジスト層、６５・・・開口部、１１０，１２０，１３０，１４０・・・分散補償光学系、１１１，１２１，１２２・・・回折格子、１１２・・・集光手段（レンズ）、１１３・・・反射鏡（誘電多層膜反射鏡）、１２３，１３３，１４３・・・部分反射鏡、１３１，１３２・・・プリズム、１４１Ａ・・・反射鏡、１４１Ｂ・・・部分反射鏡、１４２・・・平面鏡、２００・・・波長選択手段（波長選択装置）、２０１・・・平面鏡、２１０・・・回折格子、２１１・・・アパーチャ、２１２・・・透過型液晶表示装置、２１３・・・レンズ
【図１】
2018121074.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年4月25日(2018.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア密度が１×１０19／ｃｍ3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系を有する外部共振器、
を備えており、
レーザ光の一部は外部共振器から系外に出力され、
分散補償光学系における群速度分散値は負である半導体レーザ装置組立体。
【請求項２】
分散補償光学系は回折格子を有する請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項３】
０次の回折光は分散補償光学系から系外に出力される請求項２に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項４】
分散補償光学系は反射鏡を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項５】
モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項６】
波長選択手段を備え、
波長選択手段は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項７】
モード同期半導体レーザ素子の光密度は１×１０10ワット／ｃｍ2以上である請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項８】
ＧａＮ系化合物半導体から成る電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系を有する外部共振器、及び、
波長選択手段、
を備えており、
レーザ光の一部は外部共振器から系外に出力され、
分散補償光学系における群速度分散値は負であり、
波長選択手段は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する半導体レーザ装置組立体。
【請求項９】
モード同期半導体レーザ素子のキャリア密度は１×１０19／ｃｍ3以上である請求項８に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項１０】
モード同期半導体レーザ素子の光密度は１×１０10ワット／ｃｍ2以上である請求項８又は請求項９に記載の半導体レーザ装置組立体。