(57)【要約】【課題】より一層超短パルスのレーザ光を出力し得る構成、構造を有する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、半導体レーザ素子１０、及び、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から構成されており、分散補償光学系１１０は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子、及び、
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、
から構成されており、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する半導体レーザ素子組立体。
【請求項２】
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える請求項１に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項３】
分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値を、波長に依存すること無く与える請求項２に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項４】
一定の群速度分散値は０［（ピコ秒）2］である請求項３に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項５】
一定の群速度分散値は正の値である請求項３に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項６】
分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える請求項２に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項７】
長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である請求項６に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項８】
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、
与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい請求項１に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項９】
分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える請求項８に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項１０】
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、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１１】
系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器を更に備えている請求項１０に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項１２】
分散補償光学系は、回折格子、集光手段、及び、空間位相変調器から成り、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子と衝突し、
回折格子からの０次光は系外に出力され、
回折格子からの回折光は、集光手段を介して空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、集光手段、回折格子を介して半導体レーザ素子に戻される請求項１０に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項１３】
空間位相変調器は反射型液晶表示装置から成る請求項１２に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項１４】
空間位相変調器はデフォーマブルミラーから成る請求項１２に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項１５】
空間位相変調器は複数の反射鏡から成る請求項１２に記載の半導体レーザ素子組立体。
【請求項１６】
半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子から成る請求項１に記載の半導体レーザ装置組立体。
【請求項１７】
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１６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、半導体レーザ素子組立体、具体的には、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】
時間幅がピコ秒やフェムト秒のオーダーにあるパルス状のレーザ光を発生するレーザ装置は、超短光パルスレーザ装置と呼ばれている。尚、以下の説明において、特段の断りが無い限り、「レーザ光」はパルス状のレーザ光を意味する。そして、このようなレーザ装置が発生するレーザ光は、極限的に短い時間に光のエネルギーが集中するため、連続レーザ光では得られない高い尖塔パワー（ピークパワー）を示す。高いピークパワーのレーザ光は物質と非線形な相互作用を示し、通常の連続レーザ光では実現できなかった応用が可能となる。その１つが非線形光学効果の応用であり、具体例として、多光子吸収効果による３次元顕微測定や微細加工を挙げることができる。
【０００３】
これまで、超短光パルスレーザ装置として、チタン／サファイア・レーザ装置に代表される固体レーザ装置が主に用いられてきた。従来の固体レーザ装置は１ｍ前後の共振器を用いることが多く、装置が大掛かりとなる。また、励起に連続レーザ光を発振する別の固体レーザ装置を必要とし、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。
【０００４】
このような固体レーザ装置の欠点を補う超短光パルスレーザ装置として、半導体を利得媒質として用いる半導体レーザ素子が開発されている。半導体を用いることで、共振器の小型化を容易に図ることができる。また、小型化によって機械的な安定性が容易に達成できるため、高い技術を必要とするメンテナンスも軽減することができる。しかも、電流注入によって半導体を直接励起できるため、エネルギー効率にも優れている。
【０００５】
パルス当たりのエネルギーが同じである場合、レーザ光のピークパワーは、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・レーザ装置では、１０フェムト秒程度のパルス時間幅を有するレーザ光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。しかしながら、半導体レーザ素子は、利得帯域が十分に広いため、サブピコ秒のレーザ光を発生させる能力を潜在的に有している。
【０００６】
特開２０１３−１０５８１３には、２電極型ＧａＩｎＮ半導体レーザ素子から成るモード同期半導体レーザ素子と、分散補償光学系とを備えた半導体レーザ装置組立体が開示されている。そして、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光スペクトル幅が得られ、サブピコ秒台のレーザ光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、発生するレーザ光のパルス時間幅をサブピコ秒（例えば、２００フェムト秒）程度まで狭くする方法として極めて有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１０５８１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、フェムト秒光パルスを得るには、モード同期半導体レーザ素子から出力されるレーザ光に対して適切なスペクトルフィルタリングを行う必要がある。然るに、その結果、モード同期半導体レーザ素子から出力される全エネルギーの内、パルス時間幅２００フェムト秒のパルス成分は約１０％に留まる。また、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光の光スペクトル広がりは、立ち上がりにおいて約４ｎｍにも達する。光スペクトルの半値全幅が約１．１ｎｍであるが故にパルス時間幅は２００フェムト秒程度である。しかしながら、光スペクトル制御を適切に行って光スペクトルの半値全幅を広げることで、パルス時間幅が２００フェムト秒以下のレーザ光を発生させることが可能である。
【０００９】
従って、本開示の目的は、より一層超短パルスのレーザ光を出力し得る構成、構造を有する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半導体レーザ装置組立体は、
半導体レーザ素子、及び、
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、
から構成されており、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値が分散補償光学系によって制御されるので、半導体レーザ装置組立体から最終的に出射されるレーザ光の光スペクトルが整形される。その結果、パルス時間幅２００フェムト秒以下のパルス状のレーザ光、例えば、１００フェムト秒以下のパルス状のレーザ光を発生させることができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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は、実施例１の半導体レーザ装置組立体の変形例の概念図である。
【図５】図５は、実施例１の分散補償光学系の原理を説明する図である。
【図６】図６Ａは、実施例１の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図６Ｂは、図６Ａに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を２回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。
【図７】図７は、図６Ｂに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。
【図８】図８Ａは、実施例２の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図８Ｂは、図８Ａに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を２回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。
【図９】図９は、図８Ｂに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。
【図１０】図１０Ａは、実施例３の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図１０Ｂは、図１０Ａに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を２回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。
【図１１】図１１は、図１０Ｂに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。
【図１２】図１２Ａは、実施例４の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図１２Ｂは、図１２Ａに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を２回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、図１２Ｂに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。
【図１４】図１４Ａは、比較例１の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値、及び、設定した群速度分散値に基づき得られる群遅延時間を示すグラフであり、図１４Ｂは、図１４Ａに示した波長を変数とした群速度分散値の関数を２回積分することで得られる位相の周波数依存性を示すグラフである。
【図１５】図１５は、図１４Ｂに示した位相の周波数依存性を示すグラフを空間位相変調器上の位相に変換したグラフである。
【図１６】図１６Ａ及び図１６Ｂは、実施例５の半導体レーザ装置組立体の概念図である。
【図１７】図１７は、回折格子圧縮器の概念図である。
【図１８】図１８は、光スペクトル整形手段及び半導体光増幅器を備えた実施例１０の半導体レーザ装置組立体の概念図である。
【図１９】図１９は、実施例１１における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。
【図２０】図２０は、実施例１２における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。
【図２１】図２１は、実施例１３における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。
【図２２】図２２は、実施例１４における半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で半導体光増幅器を切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図である。
【図２３】図２３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２４】図２４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２５】図２５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２６】図２６Ａ及び図２６Ｂは、実施例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２７】図２７Ａ及び図２７Ｂは、図２６Ｂに引き続き、実施例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２８】図２８は、図２７Ｂに引き続き、実施例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２９】図２９は、特開２０１３−１０５８１３に開示された従来の半導体レーザ装置組立体の概念図である。
【図３０】図３０Ａ並びに図３０Ｂは、それぞれ、図２９に示した従来の半導体レーザ装置組立体によって得られるパルス状のレーザ光をスペクトルフィルタリングした後のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す図、並びに、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されたパルス状のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す図である。
【図３１】図３１は、図２９に示した従来の半導体レーザ装置組立体から出力されたパルス状のレーザ光の相互相関波形及び光スペクトルを示す図である。
【図３２】図３２は、パルス状のレーザ光の指数関数的に遅い減衰の特性を調べるための測定装置の概念図である。
【図３３】図３３は、図３２の測定装置を用いて得られた相互相関波形及び光スペクトルを示す図である。
【図３４】図３４Ａは、図３３に示したスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を纏めたグラフであり、図３４Ｂは、従来の半導体レーザ装置組立体において分散補償光学系を通過させることによって生じるスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を計算した結果を示すグラフである。
【図３５】図３５は、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるパルス状のレーザ光を一定のスペクトル幅でスペクトルフィリタリングした後のパルス状のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す図である。
【図３６】図３６は、図３５に示したパルス状のレーザ光の特性を時間帯域幅積としてグラフ化したものである。
【図３７】図３７は、緩和時間が自己位相変調によって周波数シフトに与える影響を数値計算によって考察した結果を示す図である。
【図３８】図３８は、図３７の（ｂ）及び（ｃ）のそれぞれの場合に関して、屈折率の時間変化、及び、それに伴うパルス内の位相の時間変化、更には、周波数シフトの時間変化を示す図である。
【図３９】図３９は、図３８の（ｃ−３）に示した周波数シフトの時間変化の拡大図である。
【図４０】図４０は、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるパルス状のレーザ光の強度自己相関波形及び圧縮後の強度自己相関波形を示す図である。
【図４１】図４１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】
【００１３】
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〜実施例２の変形）
５．実施例４（実施例１〜実施例２の別の変形）
６．実施例５（実施例１〜実施例４の変形）
７．実施例６（実施例４の変形）
８．実施例７（実施例４の別の変形）
９．実施例８（モード同期半導体レーザ素子の説明−その１）
１０．実施例９（モード同期半導体レーザ素子の説明−その２）
１１．実施例１０（実施例７の変形）
１２．実施例１１（実施例１０の変形）
１３．実施例１２（実施例７、実施例１０〜実施例１１の変形）
１４．実施例１３（実施例７、実施例１０〜実施例１２の変形）
１５．実施例１４（実施例７、実施例１０〜実施例１３の変形）、その他
【００１４】
［本開示の半導体レーザ装置組立体、全般に関する説明］
本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、
半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値（ＧＶＤmin＜０［ピコ秒，ｐｓ］2）を与え、
最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな群速度分散値を与える形態とすることができる。ここで、このような形態において、分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を、波長に依存すること無く与える構成とすることができ、この場合、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）は０［（ピコ秒）2］である構成とすることができるし、あるいは又、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）は正の値である構成とすることができる。あるいは又、このような形態において、分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える形態とすることができ、この場合、長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である構成とすることができる。
【００１５】
あるいは又、本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、
与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい形態とすることができる。ここで、このような形態において、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える構成とすることができる。そして、このような形態において、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を、波長に依存すること無く与える構成とすることができ、この場合、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）は０［（ピコ秒）2］である構成とすることができるし、あるいは又、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）は正の値である構成とすることができる。あるいは又、このような形態において、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える形態とすることができ、この場合、長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である構成とすることができる。
【００１６】
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、
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、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。このような形態において、外部共振器構造は分散補償光学系によって構成される。そして、この場合、系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器を更に備えている形態とすることができる。更には、これらの形態において、
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、空間位相変調器から成り、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子と衝突し、
回折格子からの０次光（０次の回折光）は系外に出力され、
回折格子からの回折光（１次以上の回折光）は、集光手段を介して空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、集光手段、回折格子を介して半導体レーザ素子に戻される形態とすることができ、この場合、空間位相変調器（位相補償光学装置）は、反射型液晶表示装置から成る構成とすることができ、あるいは又、デフォーマブルミラーから成る構成とすることができ、あるいは又、複数の反射鏡から成る構成とすることができる。また、パルス圧縮器に加えて半導体光増幅器を更に備えている構成とすることができるし、パルス圧縮器に替えて、パルス圧縮器として機能する半導体光増幅器を備えている構成とすることもできる。また、分散補償光学系を、例えば、体積ホログラム回折格子から構成することもできる。
【００１７】
回折格子は、上記のとおり、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の内、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、半導体レーザ素子と回折格子との間に、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。
【００１８】
空間位相変調器（位相補償光学装置）を空間光位相変調器（Spatial Light Modulator，ＳＬＭ）である反射型液晶表示装置（具体的には、例えば、ＬＣＯＳ，Liquid Crystal On Silicon）から構成する場合、例えば、平行に配向されたネマチック液晶層に電圧を印加することで液晶分子の配向状態を変える。これによって、液晶層の屈折率が変化する結果、液晶層においてレーザ光を変調することができ、レーザ光の光強度や偏光状態を変えること無く、位相のみを変調することができる。ところで、回折格子からの回折光は、集光手段を介して空間位相変調器に入射する。空間位相変調器は、集光手段の焦点位置、即ち、フーリエ面に位置する。そして、回折格子からの回折光の出射角はレーザ光の波長に依存するが故に、空間位相変調器への入射位置はレーザ光の波長に依存する。従って、空間位相変調器の各領域（ピクセル）に適切な電圧を印加することで、空間位相変調器の各領域（ピクセル）における位相を変調し、空間位相変調器に入射し、出射するレーザ光の位相を変調することができる結果、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
【００１９】
空間位相変調器をデフォーマブルミラーといった波面補償素子から構成する場合、ＭＥＭＳ技術に基づき作製されたアクチュエータを作動させることによってデフォーマブルミラーの光反射面の形状を制御することで、また、空間位相変調器を複数の反射鏡から構成する場合、回折格子から各反射鏡までの空間的な距離を制御することで、回折格子から出射され、空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、回折格子に再び入射するレーザ光が通過する空間的な距離を、レーザ光の波長に依存して変化させることができる結果、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
【００２０】
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半導体レーザ装置組立体において、半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子から成る構成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（ＳＥＳＡＭＥ）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Ｖsaに基づき発振特性を制御することができるので、発振特性の制御が容易である。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。
【００２１】
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の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、
を備えており、
第２電極は、発光領域を経由して第１電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第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。第１化合物半導体層は、基板や基体上に形成されている。
【００２２】
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。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。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。
【００２３】
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（逆バイアス電圧Ｖsa）を印加することによって可飽和吸収領域に電界を加えることで、モード同期動作させることができる。
【００２４】
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レーザ光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。
【００２５】
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おいて、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。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。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。
【００２６】
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レーザ光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Ｖsa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）と同期が取れたレーザ光の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。
【００２７】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、半導体レーザ素子は、ピークパワーの光密度が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である形態とすることができる。このように、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ピークパワーの光密度を規定し、しかも、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を規定することで、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値を与えることでサブピコ秒台のレーザ光を確実に発生させることができる。しかも、このようなサブピコ秒台のレーザ光といったパルス時間幅の狭隘化に加えて、モード同期半導体レーザ素子を電流注入型とすることで、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。
【００２８】
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、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、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。
【００２９】
あるいは又、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。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。
【００３０】
半導体レーザ素子にあっては、レーザ光ビーム（パルス状のレーザ光）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レーザ光ビーム（パルス状のレーザ光）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。
【００３１】
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、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空間位相変調器によって構成され、外部共振器長さとは、半導体レーザ素子の第１端面と、空間位相変調器との間の距離である。
【００３２】
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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
更には、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。
【００３５】
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。（４）及び（５）の状態は、云い換えれば、
（４’）Ｎ個の発光領域［キャリア注入領域、利得領域］と（Ｎ−１）個の可飽和吸収領域［キャリア非注入領域］とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
（５’）Ｎ個の可飽和吸収領域［キャリア非注入領域］と（Ｎ−１）個の発光領域［キャリア注入領域、利得領域］とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。（３）、（５）、（５’）の構造を採用することで、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
更には、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、半導体レーザ素子の直列抵抗成分を下げることができ、半導体レーザ素子の低動作電圧化につながる。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、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。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、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。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��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、出力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。
【００４２】
半導体レーザ素子にあっては、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や基体に順次形成するが、ここで、基板や基体として、サファイア基板の他にも、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＬｉＧａＯ2基板、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板、ＩｎＰ基板、Ｓｉ基板、これらの基板の表面（主面）に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。主に、ＧａＮ系化合物半導体層を基板に形成する場合、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、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。
【００４３】
ここで、ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、ｎ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。また、ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ4ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いればよい。ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ、Ｐｄ、Ｐｏを挙げることができるし、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｃ、Ｈｇ、Ｓｒを挙げることができる。
【００４４】
第１導電型をｎ型とするとき、ｎ型の導電型を有する第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを例示することができる。第１電極は第１化合物半導体層に電気的に接続されているが、第１電極が第１化合物半導体層上に形成された形態、第１電極が導電材料層や導電性の基板や基体を介して第１化合物半導体層に接続された形態が包含される。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて成膜することができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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Ｖsa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、レーザ光と外部電気信号との間の同期を取ることができる。あるいは又、積層構造体の一端面から光信号を入射させる形態とすることができる。そして、これによっても、レーザ光と光信号との間の同期を取ることができる。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。
【００４７】
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、マルチセクション型（多電極型）の半導体レーザ素子、発光領域と可飽和吸収領域とを垂直方向に配置したＳＡＬ（Saturable Absorber Layer）型や、リッジストライプ構造に沿って可飽和吸収領域を設けたＷＩ（Weakly Index guide）型の半導体レーザ素子を採用することもできる。
【００４８】
前述したとおり、半導体光増幅器を備えている場合、半導体光増幅器は、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光を増幅する、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体、又は、ワイドギャップ半導体層の積層構造体から成る構成とすることが好ましい。尚、この場合、半導体レーザ素子組立体から出力されるレーザ光は、周波数チャープが負であり、パルス時間幅が０．５ピコ秒以下であることが望ましい。ここで、半導体光増幅器へ入射するレーザ光のパルス時間幅をτ1、半導体光増幅器から出力されるレーザ光のパルス時間幅をτ2としたとき、τ1＞τ2であり、且つ、半導体光増幅器の駆動電流値が高い程、τ2の値が小さくなる形態とすることができる。また、半導体光増幅器において、キャリアのバンド内緩和時間は、２５フェムト秒以下であることが好ましい。また、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光スペクトル幅は４．５ＴＨｚ以上であることが好ましい。波長λ（単位：メートル）のレーザ光の光スペクトル幅ΔＳＰLは、通常、長さの単位（メートル）で表されるが、これを周波数ΔＳＰFで表示すると、光速をｃ（単位：メートル／秒）としたとき、以下の関係にある。
ΔＳＰF＝ΔＳＰL×ｃ／（λ2）
【００４９】
更には、半導体光増幅器の駆動電流密度は５×１０3アンペア／ｃｍ2以上であることが望ましい。駆動電流密度とは、半導体光増幅器を駆動するための電流を、半導体光増幅器における駆動電流が流れる部分の面積で除した値である。更には、半導体光増幅器の光閉込め係数は３％以下、好ましくは１％以下であることが望ましく、これによって、半導体光増幅器の一層の高出力化を達成することができる。更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、半導体光増幅器へ入射するレーザ光の光スペクトル幅に対して、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光スペクトル幅が、２．５ＴＨｚ以上増加することが望ましい。
【００５０】
半導体光増幅器の光閉込め係数を３％以下、望ましくは１％以下とすることが望ましいが、そのためには、半導体光増幅器において、
第１化合物半導体層は、基体側から、第１クラッド層及び第１光ガイド層の積層構造を有し、
積層構造体は、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光ガイド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し、
第１光ガイド層の厚さをｔ1、リッジストライプ構造を構成する第１光ガイド層の部分の厚さをｔ1’としたとき、
６×１０-7ｍ＜ｔ1
好ましくは、
８×１０-7ｍ≦ｔ1
を満足し、
０（ｍ）＜ｔ1’≦０．５・ｔ1
好ましくは、
０（ｍ）＜ｔ1’≦０．３・ｔ1
を満足する形態とすることが好ましい。このような形態の半導体光増幅器を、便宜上、『第１の構成の半導体光増幅器』と呼ぶ。このように、第１光ガイド層の厚さｔ1を規定することで、光閉込め係数を低くすることができ、また、光場強度分布のピークが第３化合物半導体層（活性層）から第１光ガイド層へと移動する結果、高出力動作時に第３化合物半導体層付近の光密度を低下させることができ、光学的損傷を防ぐことができるだけでなく、半導体光増幅器において、増幅レーザ光の飽和エネルギーが増大し、高出力化の達成を図ることができる。しかも、リッジストライプ構造を構成する第１光ガイド層の部分の厚さｔ1’を規定することで、出力される光ビームの単一モード化を達成することができる。また、スラブ導波路の幅と第１光ガイド層の厚さが同程度となる結果、真円に近い光ビーム断面形状を得ることができ、レンズや光ファイバを用いる応用において集光特性が劣化する等の弊害が生じることが無い。あるいは又、リッジストライプ構造の幅（例えば、光出射端面におけるリッジストライプ構造の幅）をＷとしたとき、
０．２×Ｗ＜ｔ1＜１．２×Ｗ
好ましくは、
０．２×Ｗ＜ｔ1≦Ｗ
の関係を満足することが好ましい。尚、
ｔ1≦３×１０-6ｍ
を満足することが望ましい。第１ガイド層の厚さｔ1を３×１０-6ｍ以下とする結晶成長を行えば、結晶成長表面モホロジーが荒れることが無く、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の特性や電気特性が劣化することを防止し得る。
【００５１】
第１の構成の半導体光増幅器において、半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する形態とすることができる。そして、この場合、積層構造体の光出射端面から出力された光ビームのリッジストライプ構造の幅方向の寸法をＬＢX、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢYとしたとき、
０．２≦ＬＢY／ＬＢX≦１．２
好ましくは、
０．２≦ＬＢY／ＬＢX≦１．０
を満足することが望ましい。更には、積層構造体の光出射端面において、リッジストライプ構造の厚さ方向に沿った、積層構造体における活性層中心点から、積層構造体から出力される光ビームの中心点までの距離ＹCCは、
ｔ1’≦ＹCC≦ｔ1
好ましくは、
ｔ1’≦ＹCC≦０．５・ｔ1
を満足することが望ましい。
【００５２】
そして、第１の構成の半導体光増幅器において、第１光ガイド層内には、第１光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている構成とすることができる。
【００５３】
具体的には、第１の構成の半導体光増幅器におけるこのような構成にあっては、第１光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎG-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎHRとしたとき、
０．０１≦ｎHR−ｎG-1≦０．１
好ましくは、
０．０３≦ｎHR−ｎG-1≦０．１
を満足する形態とすることができる。第３化合物半導体層（活性層）を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をｎAcとしたとき、
ｎHR≦ｎAc
を満足することが好ましい。更には、第２化合物半導体層は、基体側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層の積層構造を有し、第１光ガイド層の厚さは、第２光ガイド層の厚さよりも厚い形態とすることができる。
【００５４】
あるいは又、前述したとおり、光閉込め係数を３％以下、望ましくは１％以下とすることが望ましいが、そのためには、半導体光増幅器において、
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し、
第１化合物半導体層は、０．６μｍを超える厚さ（厚さの上限値として、例えば、１０μｍを例示することができる）を有し、
第１化合物半導体層内には、第１化合物半導体層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている形態とすることができる。このような形態の半導体光増幅器を、便宜上、『第２の構成の半導体光増幅器』と呼ぶ。
【００５５】
このように、第２の構成の半導体光増幅器にあっては、第１化合物半導体層は０．６μｍを超える厚さを有するので、光閉込め係数を低くすることができ、また、光場強度分布のピークが第３化合物半導体層（活性層）から第１化合物半導体層へと移動する結果、高出力動作時に第３化合物半導体層付近の光密度を低下させることができ、光学的損傷を防ぐことができるだけでなく、半導体光増幅器において、増幅レーザ光の飽和エネルギーが増大し、高出力化の達成を図ることができる。しかも、第１化合物半導体層内には、第１化合物半導体層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されているので、高屈折率層を設けない場合と比較して、より広い範囲で化合物半導体層の厚さ方向の単一モードの条件を満たすことができ、カットオフ条件の緩和が可能となり、単一モードの光ビームを出力することができる。
【００５６】
そして、第２の構成の半導体光増幅器において、
第１化合物半導体層は、基体側から、第１クラッド層及び第１光ガイド層の積層構造を有し、
第１光ガイド層は、０．６μｍを超える厚さを有し、
高屈折率層は、第１光ガイド層の内部に形成されている形態とすることができる。即ち、このような形態にあっては、第１光ガイド層は、基体側から、第１光ガイド層の第１の部分、高屈折率層、第１光ガイド層の第２の部分が積層された構成を有する。ここで、第１光ガイド層の第１の部分を、便宜上、『第１−Ａ光ガイド層』と呼び、第１光ガイド層の第２の部分を、便宜上、『第１−Ｂ光ガイド層』と呼ぶ。
【００５７】
そして、この場合、第３化合物半導体層（活性層）と第１光ガイド層との界面（第３化合物半導体層と第１−Ｂ光ガイド層との界面）から、第３化合物半導体層側に位置する第１光ガイド層の部分（第１−Ｂ光ガイド層）と高屈折率層との界面までの距離（云い換えれば、第１−Ｂ光ガイド層の厚さ）は、０．２５μｍ以上であることが望ましい。第１光ガイド層の厚さから高屈折率層の厚さを減じた値の上限値として、５μｍを例示することができる。
【００５８】
また、第１光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎG-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎHRとしたとき、
０＜ｎHR−ｎG-1≦０．３
好ましくは、
０．０２≦ｎHR−ｎG-1≦０．２
を満足する形態とすることができる。第３化合物半導体層（活性層）を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をｎAcとしたとき、
ｎHR≦ｎAc
を満足することが好ましい。
【００５９】
そして、第２の構成の半導体光増幅器にあっては、半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する形態とすることができる。そして、この場合、積層構造体の光出射端面から出力された光ビームのリッジストライプ構造の幅方向の寸法をＬＢX、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢYとしたとき、
３×１０0≦ＬＢY／ＬＢX≦１×１０3
好ましくは、
１×１０1≦ＬＢY／ＬＢX≦１×１０2
を満足することが望ましい。更には、積層構造体の光出射端面において、リッジストライプ構造の厚さ方向に沿った、積層構造体における活性層中心点から、積層構造体から出力される光ビームの中心点までの距離ＹCCは、
０ｍ＜ＹCC≦（第１光ガイド層の厚さ）
好ましくは、
０ｍ＜ＹCC≦（第１−Ｂ光ガイド層の厚さ）
を満足することが望ましい。更には、第２化合物半導体層は、基体側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層の積層構造を有し、第１光ガイド層の厚さは、第２光ガイド層の厚さよりも厚い形態とすることができる。
【００６０】
半導体光増幅器において、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。第１の構成あるいは第２の構成の半導体光増幅器における高屈折率層も、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る構成とすることができる。半導体光増幅器の構成、構造は、第２電極が分割されていない点を除き、実質的に、モード同期半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができる。
【００６１】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の半導体レーザ装置組立体において、光スペクトル整形手段を更に備えている構成とすることができる。光スペクトル整形手段は、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光に対して光スペクトルを整形する。あるいは又、光スペクトル整形手段は、分散補償光学系と半導体光増幅器との間に配置されている。ここで、光スペクトル整形手段は、誘電多層膜から構成されたバンドパスフィルタから成り、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光は、バンドパスフィルタを複数回、通過する構成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。このように、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光を、光スペクトル整形手段を通過させることで、より確実に、適切なパルス伸長状態を得ることができる。但し、光スペクトル整形手段は、バンドパスフィルタに限定されるものではなく、必要なスペクトル幅が得られる構成であれば、回折格子やブラッグ回折格子、体積ホログラフィック回折格子等の波長分散素子から構成することもできる。
【００６２】
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、量子情報通信分野、量子情報処理分野といった分野に適用することができる。
【００６３】
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時間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パルス時間幅は、ＳＨＧ強度相関測定装置を用いて測定することができる。
【００６４】
一般に、長波長成分の光路が短波長成分の光路よりも長くなる場合には、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。一方、長波長成分の光路が短波長成分の光路よりも短くなる場合には、正の群速度分散を形成する。即ち、群速度分散値は正となる。従って、このような長波長成分の光路長と短波長成分の光路長の長短が達成できるように、空間位相変調器を制御し、あるいは又、空間位相変調器を配置すればよい。尚、空間位相変調器を用いる場合、波長毎に位相が変調される。群速度分散の具体的な値は、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い。群速度分散値は、位相を周波数で２回微分した値である。
【００６５】
以下、実施例に基づき他の半導体レーザ装置組立体を説明するが、それに先立ち、半導体レーザ素子及び分散補償光学系を備えた従来の半導体レーザ装置組立体に関する種々の説明を行い、次いで、本開示の半導体レーザ装置組立体の説明を行う。
【００６６】
半導体レーザ素子及び分散補償光学系を備えた特開２０１３−１０５８１３に開示された従来の半導体レーザ装置組立体（以下、単に、『従来の半導体レーザ装置組立体』と呼ぶ）の概念図を図２９に示す。
【００６７】
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１１１０に入射され、分散補償光学系１１１０に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系１１１０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１１１０に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される。分散補償光学系１１１０は、回折格子１１１１、集光手段（具体的には、レンズ）１１１２、及び、反射鏡１１１３から成る。モード同期半導体レーザ素子１０から出射した光は、非球面レンズ１１によって平行光束にコリメートされ、回折格子１１１１に入射する。尚、モード同期半導体レーザ素子１０の詳細は、実施例１の説明を参照のこと。
【００６８】
分散補償光学系１１１０を構成する集光手段１１１２と反射鏡１１１３との間の距離は集光手段１１１２の焦点距離ｆと一致しており、集光手段１１１２に入射する光と集光手段１１１２から出射する光とは、倍率１の望遠鏡における入射光と出射光の関係にある。集光手段１１１２及び反射鏡１１１３を、相互の距離を一定（焦点距離ｆ）に保持しながら、１次の回折光に沿った光軸上を移動させることで、分散補償光学系１１１０に入射するレーザ光と出射するレーザ光の間に相互に分散の変化を生じさせる。例えば、回折格子１１１１と集光手段１１１２との間の距離が集光手段１１１２の焦点距離ｆと等しい場合、回折格子１１１１から集光手段１１１２に向かう光と反射鏡１１１３で反射されて集光手段１１１２を経由し、回折格子１１１１に入射する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１１１０が与える分散量はゼロである。一方、回折格子１１１１と集光手段１１１２との間の距離が集光手段１１１２の焦点距離ｆよりも長い場合、幾何光学的な作図により、回折格子１１１１で回折された光の内、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、負の群速度分散が形成される。このようにして、回折格子１１１１と集光手段１１１２、反射鏡１１１３を組み合わせることで、分散補償が可能な外部共振器を構成することができる。回折格子１１１１では１次の回折光の他に、鏡面反射による反射光（０次の回折光）が発生する。そして、この反射光を光出力として利用する。
【００６９】
このように、従来の半導体レーザ装置組立体では、分散補償光学系１１１０における回折格子１１１１と集光手段１１１２との間の距離を変化させることで群速度分散を変化させ、発生するレーザ光の時間幅を制御する。典型的には、分散補償光学系１１１０による群速度分散値が−０．０４ｐｓ2よりも小さいとき、レーザ光のパルス時間幅が狭くなることが判った。特に、群速度分散が−０．０５８ｐｓ2のとき、スペクトルフィルタリングすることでパルス時間幅が２００ピコ秒程度のレーザ光が得られた。図３０Ａに、図２９に示した従来の半導体レーザ装置組立体によって得られるレーザ光をスペクトルフィルタリングした後のレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを示す。また、モード同期半導体レーザ素子１０から直接出力されたレーザ光の強度自己相関波形及び光スペクトルを図３０Ｂに示す。測定された強度自己相関波形は、時間ゼロにおいて尖った形状をしており、この場合、パルス形状は、ガウス型関数やｓｅｃｈ2型関数ではないことを示している。しかしながら、強度自己相関波形は、レーザ光が自分自身との相関であるため、時間ゼロに対して対称な形状であり、実際の時間パルス形状を知ることができない。
【００７０】
そこで、スペクトルフィルタリングによってフェムト秒の時間幅のパルスが得られることを利用して、相互相関測定を行った。この測定は、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光と、半導体レーザ装置組立体から得られるパルス時間幅２００フェムト秒のレーザ光の間での相関を測定する方法であり、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光がパルス時間幅２００フェムト秒のレーザ光によってサンプリング測定されることに対応する。具体的には、強度自己相関測定装置を構成する干渉計の片方のアームに誘電体多層膜から成るバンドパスフィルタを挿入することで測定することができる。このようにして得られた相互相関測定の結果を図３１に示す。図３１に示す相互相関波形は、モード同期半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ光が、２００フェムト秒のパルス時間幅に対応する急峻な時間立ち上がりと、その後の指数関数的に遅い減衰とによって形成されることを示している。従って、従来の半導体レーザ装置組立体において、短波長側のスペクトル成分を抽出することで２００フェムト秒のレーザ光を得るということは、図３１の時間パルスの急峻な立ち上がり部分を抽出することに相当する。
【００７１】
次に、相互相関測定法を更に応用し、観測された指数関数的に遅い減衰の特性を調べた。具体的には、従来の半導体レーザ装置組立体の出力光スペクトルにおいて波長が異なるスペクトル成分間の相対的な時間差を調べた。レーザ光の光スペクトルの短波長側の端部領域を抽出することで２００フェムト秒のレーザ光が得られるということは、レーザ光の光スペクトルの波長成分が全て同時には発生してはいないことを意味する。図３２に測定装置の概念図を示す。この測定装置に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ１２０１によって２つの光路に分割される。一方のアームに配置されたバンドパスフィルタ１２０２のレーザ光入射角度は固定であり、透過波長は一定とされる。バンドパスフィルタ１２０２を通過したレーザ光は、反射鏡１２０３で反射され、バンドパスフィルタ１２０２、ビームスプリッタ１２０１を通過する。また、他方のアームに配置されたバンドパスフィルタ１２０４のレーザ光入射角度は可変であり、透過波長を変化させる。バンドパスフィルタ１２０４を通過したレーザ光は、反射鏡１２０５で反射され、バンドパスフィルタ１２０４を通過し、ビームスプリッタ１２０１によって方向を変更させられる。そして、これらのレーザ光は、測定機器、具体的には、パワーメータ／スペクトルアナライザ１２０６、あるいは、ＢＢＯ結晶１０２７を通過してフォトマルチチューブ（ＰＭＴ）１２０８に到達する。ここで、反射鏡１２０５の位置は可変であり、測定装置１２０６に到達する時間（距離）を、一方のアームを経由するレーザ光と、他方のアームを経由するレーザ光とで変化させている。尚、図３１のデータを得る場合には、図３２に示した測定装置の片方のアームのみにバンドパスフィルタを挿入すればよい。
【００７２】
図３３に、相互相関測定による相互相関波形、及び、光スペクトルを示す。或る固定した波長のスペクトル成分に対して、これよりも長い波長のスペクトル成分は時間的に遅れていることが判る。また、波長が長くなるほど、時間的な遅れが長くなることが判る。図３３に示すこれらのスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を纏めたグラフを図３４Ａに示す。また、分散補償光学系１１１０を通過させることによって生じるスペクトル成分の波長と遅延時間との関係を計算した結果を図３４Ｂに示す。図３４Ａ及び図３４Ｂの横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、縦軸は遅延時間（単位：ピコ秒）である。更には、図３４Ａの横軸は、図３３に示した光スペクトルにおける波長の値であり、図３４Ａの縦軸は、図３３に示した相互相関波形におけるピーク間の遅延時間である。図３４Ａ及び図３４Ｂに示す結果は、ほぼ一致している。そして、このことは、図３１の相互相関波形の指数関数的に減衰する遅い成分が外部共振器内の群速度分散によってほぼ決定されていることを示している。
【００７３】
また、図３３に示す相互相関波形は、波長が長くなるに従い、抽出したスペクトル成分のパルス時間幅が長くなることも示している。この傾向を明らかにするために、従来の半導体レーザ装置組立体の出力光スペクトルを様々な波長においてバンドパスフィルタによって抽出し、抽出後のレーザ光の形状を測定した。図３５に異なる波長において抽出したスペクトル成分の光スペクトルと強度自己相関波形を示す。波長が長くなるに従い、パルス時間幅が広がる様子が判る。図３５のレーザ光の特性を、時間帯域幅積として図３６に示した。図３６の横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、縦軸は（Δν・Δｔ）である。ここで、Δｔは時間差であり、Δνはスペクトル幅を周波数に変換したものである。Δνは概ね一定の値を示すが、Δｔは波長が長くなるに従い、増加する。従って、（Δν・Δｔ）の値は、波長が長くなるに従い、増加する。図３６は、出力光スペクトルの短波長側の端部領域では、抽出されたレーザ光がほぼフーリエ変換限界にあるのに対して、波長が長くなると位相回転が起こり、チャープが急激に増大することを示している。
【００７４】
図３４及び図３６は、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるレーザ光が、短波長側の端部領域においてはソリトンモード同期によると考えられるフーリエ変換限界に近いパルス成分である一方、長波長側では時間的に遅れ、且つ、チャープが増加するパルス成分によって構成されていることを示している。特に、ソリトンモード同期では、モード同期半導体レーザ素子内にて生じる自己位相変調（ＳＰＭ）と分散補償光学系による負の群速度分散がバランスする必要がある。図３４及び図３６の結果は、ソリトンモード同期に必要とされる自己位相変調と負の群速度分散のバランスが、出力光スペクトルの長波長側では成立していないことを示している。発振スペクトルが長波長側にシフトすると共に、自己位相変調と負の群速度分散がバランスしなくなる理由の１つに、キャリア飽和に伴う自己位相変調の応答時間の影響が考えられる。
【００７５】
自己位相変調を与える非線形屈折率の時間応答が与える影響は、次のような例示に基づき説明することができる。尚、例示した計算は、パルス発生機構を理解し、制御するための例示に過ぎず、計算に使用した値は実際の実験条件と直接関係を持たない。従来の分散補償型ＧａＩｎＮ半導体レーザ装置組立体では、外部共振器内の群速度分散値（ＧＶＤ）が負であるときにソリトンモード同期によって時間幅がフェムト秒のパルスが発生していると考えられる。ソリトンモード同期では、正の自己位相変調（ＳＰＭ）に伴う周波数の時間シフトと、負の群速度分散値（ＧＶＤ）による周波数毎の時間遅延が平衡することで、パルス幅が減少することを特徴とする。非線形感受率の時間応答が瞬時的（典型的には緩和時間が１０フェムト秒以下）である光ファイバ等の媒質では、時間幅が１００フェムト秒程度である光パルスに対する非線形屈折率の時間応答は入射光強度の時間変化にほぼ比例すると考えられ、屈折率の変化分（Δｎ）は次の式（１）で与えられる。
Δｎ＝ｎ2｜Ｅ（ｔ）｜2        （１）
ここで、ｎ2は非線形屈折率であり、Ｅ（ｔ）は入射パルスの電場である。
【００７６】
その一方で、半導体媒質中における非線形屈折率は、電流注入によって生じたキャリアの影響を受けるため、キャリアの緩和時間の効果を考慮する必要がある。光ファイバ等が示す非線形屈折率に比較すると半導体媒質の応答時間は遅いため、キャリアの緩和時間は、入射光パルスによる屈折率の時間変化を考える上では、緩和時間による遅延を考慮する必要がある。線形応答理論を利用してこの緩和時間を考慮に入れると、屈折率の時間変化は次の式（２）で与えられる。ここで、τは緩和時間である。この緩和時間が自己位相変調（ＳＰＭ）による周波数シフトに与える影響を数値計算によって考察した。
【００７７】
2015153979.tif 000003
【００７８】
これらの緩和時間の効果を計算した結果を図３７の（ａ−１）、（ａ−２）、（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｃ−１）、（ｃ−２）に示す。ここで、図３７の（ａ−１）は、入射パルス時間波形を示し、図３７の（ａ−２）は、入射パルスのスペクトルを示す。また、図３７の（ｂ−１）は、緩和時間を考慮しない場合の非線形媒質から出射した光パルスの時間波形を示し、ここで、「Ａ」の曲線は強度を示し、「Ｂ」の破線は電場の実部を示し、「Ｃ」の破線は電場の虚部を示し、図３７の（ｂ−２）は、対応する光スペクトルを示す。更には、図３７の（ｃ−１）は、緩和時間を考慮した場合の非線形媒質から出射した光パルスの時間波形を示し、ここで、「Ａ」は強度を示し、「Ｂ」の破線は電場の実部を示し、「Ｃ」の破線は電場の虚部を示し、図３７の（ｃ−２）は、対応する光スペクトルを示す。
【００７９】
入射パルスとしてパルス幅が約２００フェムト秒のパルスを準備した（図３７の（ａ−１）参照）。対応するスペクトルを図３７の（ａ−２）に示す。このパルスが、非線形屈折率の緩和時間を無視できる非線形媒質（式（１）参照）、及び、非線形屈折率の緩和時間を考慮に入れる必要のある非線形媒質（式（２）参照）のそれぞれに入射した結果得られる光パルスの特性を計算した。図３７の（ｂ−１）は、緩和時間が無視できる場合の光パルス特性である。光パルスの電場の実部及び虚部は時間と共に激しく振動し、ＳＰＭの効果が現れていることが判る。また、自己位相変調はパルスの位相のみに影響を与えるため、強度波形は変化しない。ただ、これらの位相成分の変調はスペクトルに影響を与え、図３７の（ｂ−２）に示すとおり、顕著なスペクトル広がりがみられる。このスペクトルの広がりは、入射光パルスのスペクトルを中心に対称であることが分かる。
【００８０】
これに対して、緩和時間を考慮した場合の光パルスの時間波形及びスペクトルを、図３７の（ｃ−１）及び図３７の（ｃ−２）に示す。緩和時間の効果によって非線形屈折率の変化の最大値が低下するため、図３７の（ｂ−１）に比較すると、光パルスの電場の実部と虚部が示す振動は少ない。前述したと同様に、これらの絶対値の２乗に相当する光パルスの強度は、入射光パルスと変わりがない。その一方で、図３７の（ｃ−２）に示すスペクトルは、図３７（ｂ−２）に比較して、スペクトル広がりが非対称である。特に、長波長側（周波数シフト量が負の側）にスペクトル成分が強く現れており、これが緩和による非線形屈折率の時間応答の遅延を反映している。
【００８１】
この緩和時間の考慮の有無で見られるスペクトルの変化は、屈折率の時間変化の結果として表れている。そこで、屈折率の時間変化の違いを両者について比較することでソリトンモード同期におけるＳＰＭの影響について考察することができる。図３８に、図３７の（ｂ）及び（ｃ）のそれぞれの場合について、屈折率の時間変化、及び、それに伴うパルス内の位相の時間変化、更には、周波数シフトの時間変化を示す。尚、図３８の（ｂ−１）は緩和時間を考慮しない場合の屈折率の時間変化を示し、図３８の（ｂ−２）は位相の時間変化を示し、図３８の（ｂ−３）は周波数シフトの時間変化を示し、図３８の（ｃ−１）は緩和時間を考慮した場合の屈折率の時間変化を示し、図３８の（ｃ−２）は位相の時間変化を示し、図３８の（ｃ−３）は周波数シフトの時間変化を示す。図３８の（ｂ−１）では、緩和時間を考慮に入れていないため、屈折率の時間変化は入射パルスの強度の時間変化と相似である。このため、図３８の（ｂ−２）の位相の変化も、符号は反転するが、相似形であり、その結果、位相の時間微分として得られる周波数シフトの時間変化量も時間ゼロを中心として対称に増減している（図３８の（ｂ−３）参照）。これに対して緩和時間を考慮に入れた場合、屈折率の時間変化は図３８の（ｃ−１）に示すように、屈折率変化の立下りにおいて遅延が見られ、入射パルス形状に対して相似形ではない。このため、位相の時間変化も時間的に非対称であり（図３８の（ｃ−２）参照）、その結果、周波数シフトの時間変化は負の側に大きくシフトするが、正の側に対するシフトが小さい（図３８の（ｃ−３）参照）。これらの周波数シフトの時間変化の差が、図３７にみられるスペクトルの非対称性に反映されている。
【００８２】
ソリトン効果によるパルス伝搬では、このＳＰＭによる負から正への周波数の時間的なシフトを負の群速度分散で補償することで、時間的なパルス形状を保つことが本質である。緩和時間を考慮しない場合、図３８の（ｂ−３）の時間ゼロ近傍において見られる正の周波数シフトと逆の傾きのＧＶＤ（高周波数成分が時間的に先行し、低周波数成分が遅延する、負のＧＶＤ）を与えることで、ソリトン効果を最も大きく発現することができる。これに対して緩和時間を考慮に入れた場合、周波数シフトの時間変化が対称ではない。そのため、ＧＶＤによる時間遅延が線形であると、周波数シフトが正の側に変化するときに曲率の変化が大きくなるため、線形のＧＶＤでは時間遅延の補償がずれてくる可能性がある（図３９参照）。尚、図３９は、図３８の（ｃ−３）に示した周波数シフトの時間変化の拡大図であり、「Ａ」の実線は、補償に必要とされる負のＧＶＤによる時間遅延を示し、「Ｂ」の波線は、周波数シフトが正になる時間領域において、ＧＶＤによる時間遅延からのずれを明示するため、負のＧＶＤの符号を反転して示した。ＬＣＯＳから構成された空間位相変調器を用いた補償では、時間遅延を、線形ではなく、周波数シフトの曲率に対して合わせることで、分散補償が可能な周波数範囲を広げることが可能になる。このような考察から、従来の分散補償型半導体レーザ装置組立体において得られている最短パルス幅は、外部共振器内の分散補償量の線形性によって制限されている可能性が否定できない。以上の議論から、空間位相変調器を利用したＧＶＤの波長依存性の制御によって、ＳＰＭによる周波数シフトの時間変化の曲率の変化に対応した補償をすることが可能になり、その結果、発生するパルスの最短パルス幅を広げることができると考えられる。
【００８３】
尚、問題となる緩和時間は、キャリア間の散乱に伴う場合、バンド内の熱的再分布に伴う場合、利得飽和による屈折率変化を実効的に緩和時間として記述する場合などが考えられ、いずれの場合が本件で支配的であるかは充分に解明できていない。しかしながら、非線形屈折率の有限な時間応答を現象論的に考慮することで、発生する光パルスの制御性をより高くすることが可能であると考えられる。ここで、図３７、図３８、図３９に示した自己位相変調に拘わる計算結果は、いずれも例示である。
【００８４】
以上の結果から、従来の半導体レーザ装置組立体において発生するレーザ光のパルス時間幅を制御するにために２つの方法が考えられる。第１の方法は、上述したとおり、非線形屈折率の応答時間によって生じる周波数シフトの非対称性を補うように、スペクトル成分の短波長側の群遅延時間を制御する方法である。これは、図３１に示す光パルスの形状において、光パルスの立ち上がりにおける群速度分散の補償を詳細に行うことに対応する。また、第２の方法は、図３１の光パルスにおいて、指数関数的に減衰する遅い成分を制御することであり、長波長側のスペクトル成分の群遅延を制御することで、指数関数的に減衰する遅い成分を時間的に前縁に寄せることが可能であることが推測できる。しかしながら、従来の半導体レーザ装置組立体では、分散補償光学系による群遅延時間（群速度分散）は、回折格子１１１１と集光手段１１１２との間隔によって幾何学的に決定されているため、波長毎に群遅延時間（群速度分散）を制御することは困難である。
【００８５】
以下に説明する実施例にあっては、従来の半導体レーザ装置組立体の分散補償光学系内に空間位相変調器を設けることで、波長毎に群速度分散の制御、調整を可能とし、従来の半導体レーザ装置組立体では実現できなかった１００フェムト秒以下の超短パルスを発生させる。
【実施例１】
【００８６】
実施例１は、本開示の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（即ち、図３の矢印Ｉ−Ｉ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（即ち、図２の矢印ＩＩ−ＩＩに沿った）模式的な断面図を図３に示す。
【００８７】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１４の半導体レーザ装置組立体は、
半導体レーザ素子（具体的には、モード同期半導体レーザ素子）１０、及び、
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、
から構成されており、
分散補償光学系１１０は、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する。
【００８８】
ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１４における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（実施例においては、ｎ型導電型）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（実施例においては、ｐ型導電型）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。第１化合物半導体層３０は、基体（具体的には、基板２１）上に形成されている。
【００８９】
あるいは又、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１４における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、発光波長４０５ｎｍ帯のバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子から成る。より具体的には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例１４におけるバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子１０は、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であり、図２及び図３に示すように、
（ａ）第１導電型（実施例においては、ｎ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層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（実施例においては、ｐ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層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。
【００９０】
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。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光出射端面（第２端面）に向かって湾曲している。
【００９１】
実施例１において、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、光アイソレータを経由して、あるいは又、光スペクトル整形手段及び光アイソレータ（これらは図示せず）を経由して、系外に出力される。光アイソレータは、系外からの戻り光がモード同期半導体レーザ素子１０に向かうことを防止するために配置されている。分散補償光学系１１０は、具体的には、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、空間位相変調器１１３から成る。空間位相変調器（位相補償光学装置）１１３は、実施例１にあっては、具体的には、空間光位相変調器である反射型液晶表示装置から成る。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。即ち、具体的には、外部共振器は、空間位相変調器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）を系外に出射する。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１１１に入射（衝突）するレーザ光の中に含まれる回折格子１１１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から出射されたレーザ光は、回折格子１１１に衝突し、回折格子からの回折光（１次以上の回折光）は、集光手段を介して空間位相変調器１１３に入射し、次いで、空間位相変調器１１３から出射して、集光手段１１２、回折格子１１１を介して半導体レーザ素子１０に戻される。一方、０次の回折光（反射光）は系外に出射される。
【００９２】
実施例１にあっては、集光手段１１２と空間位相変調器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ｆを１００ｍｍとした。即ち、集光手段１１２と空間位相変調器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ｆとは一致しており、レーザ光の像は、集光手段１１２によって空間位相変調器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レーザ光と出射レーザ光の関係にある。これらの距離は固定である。
【００９３】
実施例１にあっては、上述したとおり、空間位相変調器１１３を反射型液晶表示装置（具体的には、ＬＣＯＳ）から構成している。そして、平行に配向されたネマチック液晶層に電圧を印加することで、液晶層においてレーザ光を変調し、位相を変調する。回折格子１１１からの回折光は、集光手段１１２を介して空間位相変調器１１３に入射するが、回折格子１１１からの回折光の出射角はレーザ光の波長に依存する。それ故、空間位相変調器１１３への入射位置はレーザ光の波長に依存する。従って、空間位相変調器１１３の各領域（ピクセル）に適切な電圧を印加することで、空間位相変調器１１３の各領域（ピクセル）における位相を変調し、空間位相変調器１１３に入射し、出射するレーザ光の位相を変調することができる結果、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
【００９４】
ＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３の諸元を以下に例示する。
デバイスサイズ：１６ｍｍ×１２ｍｍ
ピクセル数    ：８００×６００ピクセル
ピクセルサイズ：２０×２０μｍ
【００９５】
また、回折格子１１１の分散角によって１ピクセルあたりの波長範囲が変化する。これを補正する分散補償光学系１１０の例を、図４に示す。分散補償光学系１１０における回折格子１１１と集光手段１１２との間に凹レンズ１１２’を設けることで、回折格子１１１の虚像を形成し、角度分散を所望の倍率ｍだけ拡大することが可能となる。ここで、回折格子１１１から凹レンズ１１２’までの距離を「ａ」、凹レンズ１１２’から集光手段（凸レンズ）１１２までの距離を「ｄ」、凹レンズ１１２’の焦点距離を「ｂ」、集光手段（凸レンズ）１１２の焦点距離、集光手段１１２から空間位相変調器１１３までの距離を「ｆ」としたとき、
ａ＝ｆ・（ｍ−１）
ｂ＝ｆ・（ｍ−１）／ｍ
ｄ＝ｆ−ｂ
となる。
【００９６】
図４１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）
【００９７】
溝の斜面に対して、入射レーザ光と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いい、λBと表すと、
λB＝｛２ｄG／ｍ｝ｓｉｎ（θB）・ｃｏｓ（α−θB）
となる。
【００９８】
図５を用いて、実施例１の分散補償光学系１１０の原理を説明する。実施例１の分散補償光学系１１０にあっては、反射型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３によってレーザ光は折り返される。それ故、図５のように表わしても一般性を失わない。図５にあっては、左側に示す回折格子Ａ（回折格子１１１）に入射した光が、空間的に分散された後、集光手段Ａ（集光手段１１２）によって平行光に変換され、透過型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３を通過した後、再び集光手段Ｂ（集光手段１１２）によって右側に示す回折格子Ｂ（回折格子１１１）に集光される。図５では、入射光の波長分布が回折格子Ａによって空間的に分散され、分散された光が空間位相変調器１１３を透過する際に空間位相変調器１１３によって位相の変化を受ける。空間位相変調器１１３の領域毎（ピクセル毎）に位相の変化量を制御することで、分散補償光学系を透過するレーザ光に任意の位相変化を波長毎に与えることが可能になる。回折格子Ａ、集光手段Ａ、空間位相変調器、集光手段Ｂ、回折格子Ｂの間の距離は、いずれも、集光手段Ａ及び集光手段Ｂの焦点距離ｆと等しい。このような構成によれば、回折格子上のレーザ光の角度情報は、透過型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器の位置情報とフーリエ変換の関係にある。
【００９９】
次に、分散補償光学系において波長毎に位相変調を行い、所望の群速度分散の波長依存性を実現する方法を説明する。従来の半導体レーザ装置組立体において得られるレーザ光の特性の解析によれば、出力光スペクトルの短波長成分ではフェムト秒のレーザ光が得られている。短波長成分に関しては、前述のとおり、非線形屈折率の緩和時間の影響を考慮して群速度分散を補償することで、パルス前縁部のフェムト秒パルス成分のパルス幅をより狭くすることが可能である。また、この短波長成分よりも長い波長のスペクトル成分に関しては、群遅延時間を制御することで、前縁部に寄せることが可能であり、モード同期半導体レーザ組立体から出力される光パルスのエネルギーをより狭い時間領域に集中させることが可能になる。
【０１００】
図３９に示したとおり、半導体レーザにおける非線形屈折率においては、半導体に固有なキャリアの緩和時間のために、非線形屈折率の時間変化に伴う周波数シフトが時間的に非対称に生じると考えられる。周波数シフトは、時間的に周波数の低い成分から高い成分へと変化する。外部共振器内の分散補償光学系が与える負の群速度分散は、この時間的な周波数の変化を補償するように、周波数の高いスペクトル成分を時間的に先行させる。従来の半導体レーザ組立体が与える群速度分散は、周波数に対してほぼ線形である。このため、非線形屈折率の時間応答に起因する周波数シフトの時間変化の非対称性を適切に補償することができない。具体的には、図３９に示す時間０．１ピコ秒付近における負から正への周波数シフトにおいて、周波数シフト量が正に変化するとき、時間に対する周波数シフト量が破線で示した線形な関係からずれてくる。これは正の周波数シフト成分に対しては、より大きな負の群速度分散を与え、周波数シフトが時間に対して線形に近似できる範囲に比較して、より大きく時間的に先行させる必要があることを示している。そして、このことから、周波数の高いスペクトル成分、即ち、発振スペクトルの短波長側の端に向けて、群速度が速くなるような群速度分散を与えると、より広い周波数範囲で自己位相変調によるスペクトルシフトを補償することが可能であることが判る。
【０１０１】
本開示の半導体レーザ装置組立体にあっては、群速度分散を波長毎に制御することが本質である。そこで、実施例１の分散補償光学系１１０にあっては、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値（ＧＶＤmin＜０［ピコ秒，ｐｓ］2）を与え、最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな群速度分散値を与える。尚、実施例１にあっては、分散補償光学系１１０は、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長（具体的には、例えば、４０２ｎｍ）よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長に依存すること無く、一定である。また、分散補償光学系１１０は、長い波長のレーザ光（具体的には、所定の波長よりも長い波長のレーザ光）に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を、波長に依存すること無く与える。ここで、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）は０［（ピコ秒）2］である。
【０１０２】
即ち、図６Ａの図形「Ａ」に示すように、フェムト秒パルスを構成する短波長側のスペクトル成分に該当する波長範囲のみに負の群速度分散値を設定し、これよりも長波長側のスペクトル成分に対しては、群速度分散値をゼロに設定する。このとき、負の群速度分散を与える波長範囲は、図３６において時間帯域幅積が一定とみなし得る波長範囲（図３６において、矢印「Ａ」で示す波長範囲）を選ぶことが適当である。波長を変数とした群速度分散値の関数を、１回、積分した値（群遅延時間である）を図６Ａの図形「Ｂ」に示し、２回、積分した値を図６Ｂに示す。ここで、図６Ａを位相の周波数依存性に変換した図が図６Ｂである。更には、図６Ｂを、反射型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３上の位相に変換した図を、図７に示す。
【０１０３】
尚、図６Ａ、図６Ｂ、図７、図８Ａ、図８Ｂ、図９、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５の横軸は波長（単位：ｎｍ）であり、図６Ａ、図８Ａ、図１０Ａ、図１２Ａ、図１４Ａの縦軸は、群速度分散値ＧＶＤ（単位：ｐｓ2）及び群遅延時間（単位：ピコ秒，ｐｓ）であり、図６Ｂ、図７、図８Ｂ、図９、図１０Ｂ、図１１、図１２Ｂ、図１３、図１４Ｂ、図１５の縦軸は、位相（単位：ラジアン）である。図７、図９、図１１、図１３、図１５では、理解の便利のため、横軸を波長としたが、実際には、回折格子１１１の空間分散と集光手段１１２の焦点距離から、この波長を空間位相変調器上の位置に換算する必要がある。また、実施例１〜実施例４の群速度分散の制御の境界（所定の波長）を４０２ｎｍとしたが、これはあくまでも例示であり、モード同期半導体レーザの第１電極、第２電極の構成、ゲイン電流や逆バイアス電圧などの駆動条件に依存して変化する。
【０１０４】
ここで、波長を変数とした群速度分散値の関数を、１回、積分することで群遅延時間が得られ、２回、積分することで位相が得られるが、平面波の電場を次の式（Ａ−１）で表わすと、振動項の内、分散を表すｋ（ω）ｚは、位相φ（ω）として表わすことができる。位相φ（ω）は、ωとｔの積で与えられる無次元数である。従って、位相φをωで１回微分すると時間ｔの次元になり、２回微分するとω当たりの時間ｔの変化（群速度分散）となる。即ち、φをω0について展開した式（Ａ−２）の２次の項の２回の微分係数に相当する。従って、ωについて１回積分すると時間遅延が得られ、２回微分すると必要な位相量が得られる。
【０１０５】
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【０１０６】
比較例１として、波長毎の群速度分散の制御をすること無く、群速度分散を波長に対して一定とした。即ち、図１４Ａの図形「Ａ」に示すように、群速度分散値を一定値に設定する。波長を変数とした群速度分散値の関数を、１回、積分した値（群遅延時間である）を図１４Ａの図形「Ｂ」に示し、２回、積分した値を図１４Ｂに示すが、図１４Ａを位相の周波数依存性に変換した図が図１４Ｂである。更には、図１４Ｂを、反射型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器上の位相に変換した図を、図１５に示す。
【０１０７】
実施例１にあっては、波長毎に群速度分散値の制御を行うことで、従来の半導体レーザ装置組立体において時間的に遅れて発生する指数関数的に減衰するパルス成分の時間遅れを抑制することができる。実施例１の半導体レーザ装置組立体にあっては、分散補償光学系が、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御するので、半導体レーザ装置組立体から最終的に出射されるレーザ光の光スペクトルが整形され、半値全幅を広げることができる結果、パルス時間幅が２００フェムト秒以下のレーザ光、例えば、１００フェムト秒以下のレーザ光を発生させることができる。また、出力されるスペクトル成分の内、フェムト秒パルスに寄与するエネルギーが増大するため、レーザ光のパルスの持続時間内でのエネルギー効率が高く、結果としてパルスピークパワーの増大に寄与する。
【実施例２】
【０１０８】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２にあっては、分散補償光学系１１０は、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長（具体的には、例えば、４０２ｎｍ）よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい。そして、分散補償光学系１１０は、所定の波長よりも長い波長（具体的には、例えば、４０２ｎｍ）のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える。
【０１０９】
即ち、実施例２の分散補償光学系１１０にあっても、実施例１と同様に、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値（ＧＶＤmin＜０［ピコ秒，ｐｓ］2）を与えるし、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな群速度分散値を与える。具体的には、分散補償光学系１１０は、所定の波長（より具体的には、例えば、４０２ｎｍ）よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を、波長に依存すること無く与える。ここで、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）は、実施例１と同様に、０［（ピコ秒）2］である。
【０１１０】
即ち、図８Ａの図形「Ａ」に示すように、フェムト秒パルスを構成する短波長側のスペクトル成分に該当する波長範囲のみに負の群速度分散値を設定しているが、図６Ａに示した実施例１の場合とは異なり、負の群速度分散値を、一定ではなく、最短波長に向かって階段状に減少させている。但し、これに限定するものではなく、所望の効果が得られれば、連続的に変化させてもよい。波長を変数とした群速度分散値の関数を、１回、積分した値（群遅延時間である）を図８Ａの図形「Ｂ」に示し、２回、積分した値を図８Ｂに示す。ここで、図８Ａを位相の周波数依存性に変換した図が図８Ｂである。更には、図８Ｂを、反射型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３上の位相に変換した図を、図９に示す。
【０１１１】
尚、次に述べる実施例３と同様に、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を正の値とすることもできるし、あるいは又、実施例４と同様に、分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える形態とすることもでき、この場合、長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である構成とすることができる。
【実施例３】
【０１１２】
実施例３も、実施例１の変形である。実施例１にあっては、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を０［（ピコ秒）2］とした。一方、実施例３にあっては、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を正の値とした。パルス幅を狭くするためには、実施例３を採用することが好ましいと考えられる。
【０１１３】
実施例３にあっては、一定の群速度分散値（ＧＶＤconst）を正の値としたが、その理由は、半導体レーザ素子では、発振に伴う利得飽和によってキャリア密度が変化し、これと共に、半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層の屈折率が変調するからである。これは、利得飽和に伴う自己位相変調（ＳＰＭ）であり、長波長側への波長シフトとして観測される。この波長シフトは時間遅れを伴うため、実施例１のように長波長側の群速度分散値をゼロにするだけでは十分でない可能性がある。そこで、実施例３にあっては、長波長側の成分において正の群速度分散値を与えて、自己位相変調による屈折率の変化を補正する。
【０１１４】
図１０Ａに、実施例３の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値を図形「Ａ」で示す。また、波長を変数とした群速度分散値の関数を、１回、積分した値（群遅延時間である）を図１０Ａの図形「Ｂ」に示し、２回、積分した値を図１０Ｂに示す。ここで、図１０Ａを位相の周波数依存性に変換した図が図１０Ｂである。更には、図１０Ｂを、反射型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３上の位相に変換した図を、図１１に示す。
【実施例４】
【０１１５】
実施例４も、実施例１の変形である。実施例１〜実施例３における群速度分散値の制御は、従来の半導体レーザ装置組立体において得られたレーザ光の指数関数的に減衰する遅い成分をパルス前縁に移動させようとする試みである。ここで、指数関数的な減衰成分を形成する部分をパルス前縁に時間的に移動させると、例えば、図３０Ｂに示した発振スペクトルの立ち上がりにおける波長幅が長波長側から狭くなることが考えられる。実施例４にあっては、この発振スペクトル幅の制限と、空間位相変調器による群速度分散値の制御を適切に行うことで、従来の半導体レーザ装置組立体で得られた最短パルス時間幅２００フェムト秒よりも狭いパルス時間幅を得る。
【０１１６】
実施例４において、分散補償光学系１１０は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値（ＧＶＤmin）よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える。そして、この場合、長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である。
【０１１７】
図１２Ａに、実施例４の半導体レーザ装置組立体において設定した群速度分散値を図形「Ａ」で示す。また、波長を変数とした群速度分散値の関数を、１回、積分した値（群遅延時間である）を図１２Ａの図形「Ｂ」に示し、２回、積分した値を図１２Ｂに示す。ここで、図１２Ａを位相の周波数依存性に変換した図が図１２Ｂである。更には、図１２Ｂを、反射型のＬＣＯＳから成る空間位相変調器１１３上の位相に変換した図を、図１３に示す。尚、図１２Ａではステップ的に群速度分散値を変化させる例を示したが、所望の効果が得られれば、連続的に変化させてもよい。
【０１１８】
実施例４では、図３６に示した従来の半導体レーザ装置組立体から得られるレーザ光の時間帯域幅積の波長依存性を、波長の変化に対して可能な限り一定にすることを目的とする。何故ならば、図３６に示すレーザ光の時間帯域幅積の波長依存性は波長に対して非線形に変化するため、従来の半導体レーザ装置組立体から直接出力されたレーザ光を外部の圧縮器を用いて圧縮しても、全エネルギーを単一のｓｅｃｈ2型関数の時間波形とすることができず、圧縮後においてもパルスの裾に指数関数的な減衰成分に類似した形状が残るからである。図４０に、従来の半導体レーザ装置組立体から出力されるレーザ光の強度自己相関波形（図４０の「Ａ」参照）と、圧縮後の強度自己相関波形（図４０の「Ｂ」参照）を示す。
【０１１９】
実施例１〜実施例３における群速度分散の制御は、従来の半導体レーザ装置組立体によるレーザ光が示す指数関数的な減衰成分を時間的にパルスの前縁部に移動させることを目的としていた。その結果、光スペクトルの幅も狭くなる。しかしながら、出力光スペクトルの波長幅が狭くなると、レーザ増幅に使用できる利得帯域幅が減少するため、大きな出力を得るのに適していない場合がある。実施例４にあっては、分散補償光学系による群速度分散を適宜制御することで、図３６にみられるような長波長側における非線形な位相回転の増大を抑制して、線形チャープを付けることで、発振スペクトルの波長幅の拡大と出力光の増大を図ることが可能になる。尚、この場合、モード同期半導体レーザ素子から出力された光は、回折格子対や光ファイバを用いたパルス圧縮光学系によって適切なパルス時間幅に圧縮することが可能である。特に、出力パルスはダウンチャープするため、適切な長さの光ファイバによって圧縮することが可能である。群速度分散の制御によって光出力が増大するため、パルス圧縮器によるスループットの低下も補償することができる。
【実施例５】
【０１２０】
実施例５は、実施例１〜実施例４の変形である。実施例５において、空間位相変調器は、デフォーマブルミラー４１３Ａから成り（図１６Ａ参照）、あるいは又、複数の反射鏡４１３Ｂから成る（図１６Ｂ参照）。空間位相変調器をデフォーマブルミラー４１３Ａといった波面補償素子から構成する場合、デフォーマブルミラー４１３Ａの光反射面の形状を制御することで、即ち、ＭＥＭＳ技術に基づき作製されたアクチュエータを作動させてミラー表面を微小に歪曲させることで、デフォーマブルミラー４１３Ａによって反射されるレーザ光の空間的な位相を変調することができる。また、空間位相変調器を複数の反射鏡４１３Ｂから構成する場合、回折格子から各反射鏡４１３Ｂまでの空間的な距離を制御することで、回折格子から出射され、空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、回折格子に再び入射するレーザ光が通過する空間的な距離を、レーザ光の波長に依存して変化させることができる。そして、以上の結果として、レーザ光の群速度分散値を制御することができる。
【実施例６】
【０１２１】
実施例６は、実施例４の変形である。実施例６にあっては、系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器、及び、半導体光増幅器を更に備えている。半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier，ＳＯＡ）は、「Master Oscillator Power Amplifier，ＭＯＰＡ」と呼ばれる方式によってレーザ光を増幅する。ここで、半導体光増幅器とは、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得に基づき入射光を増幅する。半導体光増幅器は周知の半導体光増幅器から成る。尚、半導体レーザ組立体から出力されるパルス時間幅を広げて半導体光増幅器による増幅エネルギーを大きくするためには、実施例４を採用することが好ましいと考えられる。
【０１２２】
実施例４において説明した群速度分散の制御では、符号が負の線形にチャープしたレーザ光が出力されるため、レーザ光のパルス時間幅及び光スペクトル幅が広く、半導体光増幅器によって高効率での増幅が可能である。従って、実施例４において説明した群速度分散の制御法を利用して実施例１あるいは実施例５において説明した半導体レーザ装置組立体からレーザ光を出力し、実施例６における半導体光増幅器で増幅し、増幅出力を回折格子圧縮器や光ファイバで圧縮する構成を構築することができる。尚、半導体光増幅器によるパルス増幅は、増幅後の光に余剰のチャープを与える可能性があるが、このような場合には、実施例４における群速度分散の制御において、増幅による余剰のチャープを抑制するように群速度分散にフィードバックを掛ければよい。
【０１２３】
以上の点を除き、実施例６の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例４の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。実施例６にあっては、半導体レーザ素子から出力される光パルスのチャープを様々に制御することができるため、半導体光増幅器による増幅が効率よく行われるようにパルス時間幅、スペクトル幅を制御したレーザ光パルスを発生することが可能であり、半導体光増幅器との組み合わせによってより高い増幅率を得ることができる。
【０１２４】
ところで、半導体光増幅器における光パルスの増幅は、キャリア寿命によっておおよそ決定される。半導体光増幅器内のキャリアは、定常電流で励起されていても、有限のキャリア寿命で再結合して光になるため、半導体光増幅器内に蓄積できるキャリアの絶対数には上限がある。キャリア寿命は、利得電流量に大きく依存する。利得電流の増大によってキャリア寿命は減少し、ナノ秒程度のキャリア寿命は、短い場合は数１０ピコ秒以下まで変化する。キャリア寿命よりも狭い時間幅の光パルスが入射する場合、光パルスが入射する時間範囲内のキャリアが寄与して、光パルスは増幅される。この場合、キャリア寿命が長いと、蓄積されるキャリア数が多く、増幅エネルギーの増大に有利である。また、光パルス時間幅がキャリア寿命よりも長くなると、光パルスが増幅されてキャリアが消費される過程において、電流注入によってキャリア数が回復するため、より効率の良い増幅が可能になる。一般論として、光パルス時間幅が長くなると、増幅エネルギーが大きくなる例が多い。
【０１２５】
回折格子圧縮器を用いる場合、正の群速度分散を与えるように、回折格子５０１Ａ，５０１Ｂとレンズ５０２Ａ，５０２Ｂ、ミラー５０３Ａ，５０３Ｂの間が調整されている（図１７参照）。具体的には、回折格子５０１Ａ、レンズ５０２Ａ、ミラー５０３Ａと、回折格子５０１Ｂ、レンズ５０２Ｂ、ミラー５０３Ｂとは、一点鎖線に対して鏡面対称に配置されている。レンズ５０２Ａ，５０２Ｂから、ミラー５０３Ａ，５０３Ｂを介して、対称面（Ａ）までの距離は、レンズ５０２Ａ，５０２Ｂの焦点距離と等しい。そして、回折格子５０１Ａ，５０１Ｂからレンズ５０２Ａ，５０２Ｂまでの距離をレンズ５０２Ａ，５０２Ｂの焦点距離よりも短くすることで、正の群速度分散を与えることができる。また、光ファイバを用いる場合、光ファイバの材料分散が正の群速度分散を与えるので、適当な長さのシングルモード光ファイバを用意し、出力された光パルスを通過させることで圧縮が可能である。
【実施例７】
【０１２６】
通常のＧａＡｓに代表される半導体光増幅器では、半導体光増幅器に入射するレーザ光のエネルギーは増幅されるが、レーザ光のパルス時間幅が半導体光増幅器自体で圧縮されることはなく、前述したとおり、半導体光増幅器による増幅後に、分散性の光学素子を利用したパルス圧縮器が必要とされる。一方、ＧａＮ系化合物半導体に代表されるワイドギャップ半導体においては、超短レーザ光の増幅及びパルス圧縮が同時に可能である。これは、ＧａＮ系化合物半導体に代表されるワイドギャップ半導体に見られる大きな励起子束縛エネルギーと有効質量のために、バンド内のキャリア緩和時間がＧａＡｓ等他のＩＩＩ−Ｖ族化合物に比較して短いことに起因すると考えられる。
【０１２７】
実施例７も実施例４の変形である。実施例７にあっては、半導体光増幅器は、分散補償光学系１１０から系外に出射されたレーザ光を増幅する、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体、又は、ワイドギャップ半導体層の積層構造体から成る。半導体光増幅器の構成、構造は、第２電極が分割されていない点、及び、リッジストライプ構造は、湾曲しておらず、代わりに、光入射端面（第１端面）から光出射端面（第２端面）に向かって、その幅が広くなっている点を除き、実質的に、モード同期半導体レーザ素子１０と同じ構成、構造を有する。具体的には、半導体光増幅器は、デバイス長３．０ｍｍ、フレア幅１５μｍのテーパー型の半導体光増幅器であり、光閉込め係数は、半導体光増幅器の仕様上、２．６％である。尚、半導体レーザ素子組立体から出力されるレーザ光は、周波数チャープが負であり、パルス時間幅が０．５ピコ秒以下であることが要求される。実施例１０〜実施例１４においても同等である。
【０１２８】
即ち、半導体光増幅器は、
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、基体上に積層されて成る積層構造体、
第２化合物半導体層５０上に形成された第２電極６２、並びに、
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。第１化合物半導体層３０は、基体（具体的には、基板２１）上に形成されている。
【０１２９】
以上のとおり、実施例７にあっては、超短レーザ光の増幅及びパルス圧縮が半導体光増幅器によって同時に行われるので、実施例６とは異なり、パルス圧縮器は不要である。それ故、半導体レーザ装置組立体の小型化を図ることができるし、パルス圧縮器を設ける必要が無いので、パルス圧縮器による光学的損失が生じることも無い。以上の点を除き、実施例７の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例４、実施例６の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例８】
【０１３０】
実施例８においては、以上の実施例において用いた、あるいは、実施例１０〜実施例１４において用いられるモード同期半導体レーザ素子についての説明を行う。
【０１３１】
実施例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（活性層）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。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。
【０１３２】
［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
【０１３３】
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。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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。外部共振器長さＸ’（第１端面と空間位相変調器１１３との間の距離）によってレーザ光の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’）
【０１３７】
ところで、レーザ発振に必要な光学利得を得るためには第３化合物半導体層（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第３化合物半導体層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、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。
【０１３８】
ところで、前述したとおり、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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
第２電極６２を厚さ０．１μｍのＰｄ単層から構成した。
【０１４１】
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。
【０１４２】
以下、図２６Ａ、図２６Ｂ、図２７Ａ、図２７Ｂ、図２８を参照して、実施例１等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２６Ａ、図２６Ｂ、図２７Ａ、図２７Ｂ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２８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。
【０１４３】
［工程−Ａ］
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２６Ａ参照）。
【０１４４】
［工程−Ｂ］
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２６Ｂ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２７Ａに示す構造を得ることができる。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。
【０１４５】
［工程−Ｃ］
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２７Ｂ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。
【０１４６】
［工程−Ｄ］
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２８参照）。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。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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
［工程−Ｅ］
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。
【０１４９】
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９】
【０１５０】
実施例９は、実施例８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８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、第３化合物半導体層（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。
【０１５１】
そして、このような現象の発生を防止するためには、第３化合物半導体層（活性層）４０を構成する井戸層の厚さの最適化、第３化合物半導体層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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
実施例９においては、表１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第３化合物半導体層（活性層）４０の構成を以下の表２のとおりとした。また、参考例８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第３化合物半導体層４０の構成を以下の表２のとおりとした。
【０１５４】
［表２］
実施例９                    参考例８
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
【０１５５】
実施例９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８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。
【０１５６】
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９及び参考例８の注入電流と光出力の関係の逆バイアス電圧依存性を測定した。その結果、参考例８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９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９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８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８も本開示に包含されることは云うまでもない。
【実施例１０】
【０１５７】
実施例１０は、実施例７の変形である。半導体光増幅器によるレーザ光のパルス増幅において、大きなエネルギーを得るためには、利得の飽和エネルギーを大きくする必要がある。そのためには、導波路中の光モードが占める体積に対する活性層の体積の割合に相当する光閉込め係数を小さくすることが有効である。実施例１０にあっては、半導体光増幅器の光閉込め係数を低減させている。具体的には、実施例１０において、半導体光増幅器は、具体的には、スラブ結合型導波路（ＳＣＯＷＡ）構造を利用した半導体光増幅器である。そして、実施例７における光閉込め係数を２．６％としたのに対して、実施例１０にあっては、光閉込め係数を０．８％とした。
【０１５８】
ＳＣＯＷＡ構造型の半導体光増幅器は、スラブ（板）状の２次元導波路にロッド（棒）状の導波路を結合させ、スラブとロッドの結合部に弱く光を閉じ込める構造である。ロッド状の導波路内に第３化合物半導体層（活性層）を設けることで、レーザ光のモードフィールドに対して活性層が占める体積を小さくすることが可能となり、低い光閉込め係数を有する半導体光増幅器を実現することが可能となる。ＳＣＯＷＡ構造型の半導体光増幅器の詳細な構成、構造に関しては、以下の実施例１１において詳述する。
【０１５９】
分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光に対して光スペクトルを整形する光スペクトル整形手段を更に備えており、整形後のレーザ光が半導体光増幅器に入射する構成とすることもできる。ところで、このレーザ光の光スペクトルは、長波長側に強度が増加しているため、バンドパスフィルタを単独で使用するだけでは、光スペクトルが十分に整形されず、良好な相関波形（時間波形）が得られない場合がある。これは、誘電多層膜を利用したバンドパスフィルタは、透過関数がローレンツ関数で近似されることに起因している。それ故、光スペクトル整形手段は、誘電多層膜から構成されたバンドパスフィルタから成り、分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光を、バンドパスフィルタを複数回（具体的には、例えば２回）、通過させることが望ましい。このように、レーザ光を、バンドパスフィルタを複数回、通過させることによって、遅い時間パルス成分及びインコヒーレントな成分を除去することができる。光スペクトル整形手段として、より具体的には、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形成されたバンドパスフィルタを用いる。このバンドパスフィルタは単一の二分の一波長共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器であり、複数回、レーザ光を通過させることで、所望の波長以外の波長成分の通過量を、適宜、減少させることが可能である。但し、所望の波長成分以外の光の減衰量として必要な値が得られるのであれば、単一の二分の一波長共振器に限定する必要はなく、複数の共振器あるいは二分の一波長の整数倍の共振器によって構成されるバンドパスフィルタを用いることもできる。また、半導体光増幅器への入射に必要な光スペクトル形状が得られ、且つ、光スペクトル整形後にレーザ光の分散状態が変化しなければ、光スペクトル整形手段はバンドパスフィルタに限定されない。
【０１６０】
図１８にバンドパスフィルタを、２回、透過させる場合の光学配置の一例を図示する。分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光は、光スペクトル整形手段１１４を通過し、反射鏡１１５Ａで反射され、再び、光スペクトル整形手段１１４を通過し、反射鏡１１５Ｂ，１１６で反射され、光アイソレータ１１７へと導かれ、光アイソレータ１１７を通過したレーザ光は、集光手段（レンズ）２１１Ａを通過して、半導体光増幅器２１０に入射する。そして、半導体光増幅器２１０から出力されたレーザ光は、集光手段（レンズ）２１１Ｂを経由して系外に出力される。
【０１６１】
以上の点を除き、実施例１０の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例７の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例１１】
【０１６２】
実施例１１は、実施例１０の変形である。実施例１１にあっては、半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器の光閉込め係数の値の低下を図っている。実施例１１における半導体光増幅器は、第１の構成の半導体光増幅器である。
【０１６３】
半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図を図１９に示すように、積層構造体は、第１導電型を有する第１化合物半導体層７１、化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層、利得領域）７３、及び、第１導電型と異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層７２が、順次、基体７０上に積層されて成る。ここで、第１化合物半導体層７１は、基体側から、第１クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）７１Ａ、及び、第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）７１Ｂの積層構造を有する。そして、第１光ガイド層７１Ｂの厚さをｔ1、リッジストライプ構造７５を構成する第１光ガイド層の部分７１Ｂ’の厚さをｔ1’としたとき、
６×１０-7ｍ＜ｔ1
好ましくは、
８×１０-7ｍ≦ｔ1
を満足し、
０（ｍ）＜ｔ1’≦０．５・ｔ1
好ましくは、
０（ｍ）＜ｔ1’≦０．３・ｔ1
を満足する。具体的には、実施例１１にあっては、
ｔ1  ＝１．２５μｍ
ｔ1’＝０．１５μｍ
とした。また、リッジストライプ構造７５の長さ及び幅を、それぞれ、１．０ｍｍ、１．６μｍとした。
【０１６４】
具体的には、基体７０はｎ型ＧａＮ基板から成り、化合物半導体層はｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面上に設けられている。また、第１化合物半導体層７１、活性層７３、及び、第２化合物半導体層７２から構成された積層構造体は、ＧａＮ系化合物半導体、具体的にはＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表３に示す層構成を有する。ここで、表３において、下方に記載した化合物半導体層ほど、基体７０に近い層である。活性層７３における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは３．０６ｅＶである。活性層７３は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有しており、障壁層の不純物（具体的には、シリコン，Ｓｉ）のドーピング濃度は、２×１０17ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下である。また、リッジストライプ構造７５の両側にはＳｉＯ2／Ｓｉから成る積層絶縁膜７６が形成されている。ＳｉＯ2層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。そして、リッジストライプ構造７５の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層７４に、第２電極（ｐ側オーミック電極）６２が形成されている。一方、基体７０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。実施例１１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。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７２Ａの厚さは１０ｎｍであり、第２光ガイド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）７２Ｂの厚さは５０ｎｍであり、第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）７２Ｃの厚さは０．５μｍであり、ｐ型ＧａＮコンタクト層７４の厚さは１００ｎｍである。更には、第２化合物半導体層７２を構成するｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７２Ａ、第２光ガイド層７２Ｂ、第２クラッド層７２Ｃ、ｐ型ＧａＮコンタクト層７４には、Ｍｇが、１×１０19ｃｍ-3以上（具体的には、２×１０19ｃｍ-3）、ドーピングされている。一方、第１クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）７１Ａの厚さは２．５μｍである。第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）７１Ｂの厚さは上述したとおりであり、第１光ガイド層７１Ｂの厚さ（１．２５μｍ）は、第２光ガイド層７２Ｂの厚さ（１００ｎｍ）よりも厚い。また、第１光ガイド層７１ＢをＧａＮから構成しているが、代替的に、第１光ガイド層７１Ｂを、活性層７３よりもバンドギャップの広い化合物半導体であって、第１クラッド層７１Ａよりもバンドギャップの狭い化合物半導体から構成することもできる。
【０１６５】
［表３］
第２化合物半導体層７２
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）７４
第２クラッド層（ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層（Ｍｇドープ））７２Ｃ
第２光ガイド層（ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層（Ｍｇドープ））７２Ｂ
ｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ電子障壁層（Ｍｇドープ）７２Ａ
活性層７３
ＧａＩｎＮ量子井戸活性層７３
（井戸層：Ｇａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ）
第１化合物半導体層７１
第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）７１Ｂ
第１クラッド層（ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ層）７１Ａ
但し、
井戸層（２層）：１０ｎｍ［ノン・ドープ］
障壁層（３層）：１２ｎｍ［ドーピング濃度（Ｓｉ）：２×１０18ｃｍ-3］
【０１６６】
実施例１１の半導体光増幅器にあっては、第１光ガイド層の厚さｔ1が規定されているので、光閉込め係数を低くすることができ、また、光場強度分布のピークが活性層から第１光ガイド層へと移動する結果、高出力動作時に活性層付近の光密度を低下させることができ、光学的損傷を防ぐことができるだけでなく、高出力化の達成を図ることができる。しかも、実施例１１にあっては、リッジストライプ構造を構成する第１光ガイド層の部分の厚さｔ1’が規定されているので、出力される光ビームの単一モード化を達成することができる。また、スラブ導波路の幅と第１光ガイド層の厚さが同程度となる結果、真円に近い光ビーム断面形状を得ることができ、レンズや光ファイバを用いる応用において集光特性が劣化する等の弊害が生じることが無い。
【０１６７】
以上の点を除き、実施例１１の半導体レーザ装置組立体の構成、構造は、実施例１０の半導体レーザ装置組立体の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例１２】
【０１６８】
実施例１２は、実施例７、実施例１０〜実施例１１の半導体光増幅器の変形である。実施例１２の半導体光増幅器の軸線に垂直な仮想平面で切断したときの半導体光増幅器の模式的な一部断面図を図２０に示すように、基体７０には、半導体光増幅器の軸線方向に沿って延びる凹部８１が２つ、形成されている。そして、全面に、即ち、２つの凹部８１、及び、２つの凹部８１によって挟まれた基体７０の領域８２の上には、実施例１１にて説明した積層構造体が形成されている。更には、基体７０の領域８２の上方には、第２電極６２が設けられている。
【０１６９】
ここで、第１化合物半導体層７１は、基体側から、第１クラッド層及び第１光ガイド層の積層構造を有し、
２つの凹部８１によって挟まれた基体７０の領域８２の上の第１光ガイド層の厚さをｔ1、積層構造体の総厚をＴTotal、凹部８１の深さをＤとしたとき、
６×１０-7ｍ＜ｔ1
好ましくは、
８×１０-7ｍ≦ｔ1
を満足し、
（ＴTotal−０．５・ｔ1）≦Ｄ≦ＴTotal
好ましくは、
（ＴTotal−０．３・ｔ1）≦Ｄ≦ＴTotal
を満足する。具体的には、実施例１２にあっては、
ｔ1    ＝１．２５μｍ
ＴTotal＝４．１μｍ
Ｄ     ＝３．７μｍ
とした。また、凹部８１の幅を２０μｍ、２つの凹部８１によって挟まれた基体７０の領域８２の幅を１．５μｍとした。
【０１７０】
以上の点を除き、実施例１２の半導体光増幅器は、実施例１１の半導体光増幅器と同じ構成、構造を有するので、詳細な説明は省略する。
【０１７１】
実施例１２の半導体光増幅器にあっては、２つの凹部によって挟まれた基体の領域（即ち、凹部と凹部との間に位置する基体の部分）の上の第１光ガイド層の厚さｔ1が規定されているので、高出力動作時に活性層付近の光密度を低下させることができ、光学的損傷を防ぐことができるだけでなく、増幅レーザ光の飽和エネルギーが増大し、高出力化の達成を図ることができる。しかも、実施例１２の半導体光増幅器にあっては、凹部の深さＤが規定されているので、出力される光ビームの単一モード化を達成することができる。また、スラブ導波路の幅と第１光ガイド層の厚さが同程度となる結果、真円に近い光ビーム断面形状を得ることができ、レンズや光ファイバを用いる応用において集光特性が劣化する等の弊害が生じることが無い。
【実施例１３】
【０１７２】
実施例１３は、実施例７、実施例１０〜実施例１２の変形である。模式的な一部断面図を図２１に示すように、実施例１３の半導体光増幅器において、第１化合物半導体層７１は、基体７０側から、第１クラッド層７１Ａ及び第１光ガイド層７１ｂ1，７１ｂ2の積層構造を有し、第１光ガイド層７１ｂ1，７１ｂ2の内部には、第１化合物半導体層７１を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層７９、具体的には、厚さ５０ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎから成る高屈折率層７９が形成されている。活性層７３と上層の第１光ガイド層７１ｂ2との界面から、上層の第１光ガイド層７１ｂ2と高屈折率層７９との界面までの距離を０．３５μｍとした。ここで、第１光ガイド層７１ｂ1，７１ｂ2を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎG-1、高屈折率層７９を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎHR、活性層７３を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をｎAcとしたとき、
０．０１≦ｎHR−ｎG-1≦０．１
を満足し、
ｎHR≦ｎAc
を満足している。具体的には、
ｎHR ＝２．５４７
ｎG-1＝２．５２０
ｎAc ＝２．６２０
である。
【実施例１４】
【０１７３】
実施例１４は、実施例７、実施例１０〜実施例１３の変形である。実施例１４にあっても、半導体レーザ装置組立体を構成する半導体光増幅器の光閉込め係数の値の低下を図っている。実施例１４における半導体光増幅器は、第２の構成の半導体光増幅器である。
【０１７４】
模式的な一部断面図を図２２に示すように、実施例１４の半導体光増幅器において、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９５を有し；第１化合物半導体層９１は、０．６μｍを超える厚さを有し；第１化合物半導体層９１内には、第１化合物半導体層９１を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層９９が形成されている。具体的には、第１化合物半導体層９１は、基体側から、第１クラッド層９１Ａ及び第１光ガイド層９１Ｂの積層構造を有し、第１光ガイド層９１Ｂは０．６μｍを超える厚さを有し、高屈折率層９９は第１光ガイド層９１Ｂの内部に形成されている。ここで、第１光ガイド層９１Ｂは、基体側から、第１光ガイド層の第１の部分（第１−Ａ光ガイド層９１Ｂ1）、高屈折率層９９、第１光ガイド層の第２の部分（第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ2）が積層された構成を有する。
【０１７５】
高屈折率層９９を含む第１光ガイド層９１Ｂの全体の厚さを１．２５μｍとした。また、活性層９３と第１光ガイド層９１Ｂとの界面（活性層９３と第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ2との界面）から、活性層側に位置する第１光ガイド層９１Ｂの部分（第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ2）と高屈折率層９９との界面までの距離は、０．２５μｍ以上であり、実施例１４にあっては、具体的には、０．３５μｍである。即ち、第１−Ｂ光ガイド層９１Ｂ2の厚さは０．３５μｍである。高屈折率層９９は、厚さ５０ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎから成る。第１光ガイド層９１Ｂ1，９１Ｂ2を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎG-1、高屈折率層９９を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎHR、活性層９３を構成する化合物半導体材料の平均屈折率をｎAcとしたとき、
０＜ｎHR−ｎG-1≦０．３
好ましくは、
０．０２≦ｎHR−ｎG-1≦０．２
を満足し、
ｎHR≦ｎAc
を満足している。具体的には、
ｎHR ＝２．５４７
ｎG-1＝２．５２０
ｎAc ＝２．６２０
である。
【０１７６】
リッジストライプ構造９５の長さ及び幅を、それぞれ、１．０ｍｍ、１．６μｍとした。半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する。
【０１７７】
具体的には、基体９０はｎ型ＧａＮ基板から成り、化合物半導体層はｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面上に設けられている。また、第１化合物半導体層９１、活性層９３、及び、第２化合物半導体層９２から構成された積層構造体は、ＧａＮ系化合物半導体、具体的にはＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表４に示す層構成を有する。ここで、表４において、下方に記載した化合物半導体層ほど、基体９０に近い層である。活性層９３における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは３．０６ｅＶである。活性層９３は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有しており、障壁層の不純物（具体的には、シリコン，Ｓｉ）のドーピング濃度は、２×１０17ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下である。また、リッジストライプ構造９５の両側にはＳｉＯ2／Ｓｉから成る積層絶縁膜９６が形成されている。ＳｉＯ2層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。そして、リッジストライプ構造９５の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層９４に、第２電極（ｐ側オーミック電極）６２が形成されている。一方、基体９０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。実施例１４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。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層９２Ａの厚さは１０ｎｍであり、第２光ガイド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）９２Ｂの厚さは５０ｎｍであり、第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）９２Ｃの厚さは０．５μｍであり、ｐ型ＧａＮコンタクト層９４の厚さは１００ｎｍである。更には、第２化合物半導体層９２を構成するｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層９２Ａ、第２光ガイド層９２Ｂ、第２クラッド層９２Ｃ、ｐ型ＧａＮコンタクト層９４には、Ｍｇが、１×１０19ｃｍ-3以上（具体的には、２×１０19ｃｍ-3）、ドーピングされている。一方、第１クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）９１Ａの厚さは２．５μｍである。高屈折率層９９を含む第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）９１Ｂの全体の厚さは、上述したとおり、１．２５μｍであり、第１光ガイド層９１Ｂの全体の厚さ（１．２５μｍ）は、第２光ガイド層９２Ｂの厚さ（１００ｎｍ）よりも厚い。また、第１光ガイド層９１ＢをＧａＮから構成しているが、代替的に、第１光ガイド層９１Ｂを、活性層９３よりもバンドギャップの広い化合物半導体であって、第１クラッド層９１Ａよりもバンドギャップの狭い化合物半導体から構成することもできる。
【０１７８】
［表４］
第２化合物半導体層９２
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）９４
第２クラッド層（ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層（Ｍｇドープ））９２Ｃ
第２光ガイド層（ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層（Ｍｇドープ））９２Ｂ
ｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ電子障壁層（Ｍｇドープ）９２Ａ
活性層９３
ＧａＩｎＮ量子井戸活性層９３
（井戸層：Ｇａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ）
第１化合物半導体層９１
第１−Ｂ光ガイド層（ｎ型ＧａＮ光）９１Ｂ2
高屈折率層（ｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ高屈折率層）９９
第１−Ａ光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）９１Ｂ1
第１クラッド層（ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ層）９１Ａ
但し、
井戸層（２層）：１０ｎｍ［ノン・ドープ］
障壁層（３層）：１２ｎｍ［ドーピング濃度（Ｓｉ）：２×１０18ｃｍ-3］
【０１７９】
実施例１４においては、高屈折率層を、第１光ガイド層に設けたが、場合によっては、第１クラッド層に設けてもよく、この場合、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率は、第１クラッド層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い。
【０１８０】
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、分散補償光学系、空間位相変調器や半導体光増幅器の構成、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等の仕様が変われば、変わることは当然である。空間位相変調器は、その他、例えば、レンズから成る集光手段に替えて同様な焦点距離を実現できる凹面ミラーを用いることができるし、同様な空間分散を実現する透過型の回折格子を用いることもできる。また、所望に応じて、空間位相変調器を複数用いることもできる。例えば、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器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してもよいし、リッジストライプ構造の平面形状をテーパー状としてもよい。
【０１８１】
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（マルチセクション型（多電極型）のモード同期半導体レーザ素子）の模式的な端面図を図２３及び図２４に示す。図２３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２４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。
【０１８２】
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２５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。
【０１８３】
実施例においては、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器を、ｎ型ＧａＮ基板の極性面であるＣ面，｛０００１｝面上に設けたが、代替的に、｛１１−２０｝面であるＡ面、｛１−１００｝面であるＭ面、｛１−１０２｝面といった無極性面上、あるいは又、｛１１−２４｝面や｛１１−２２｝面を含む｛１１−２ｎ｝面、｛１０−１１｝面、｛１０−１２｝面といった半極性面上に、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器を設けてもよく、これによって、モード同期半導体レーザ素子や半導体光増幅器の第３化合物半導体層（活性層）にたとえピエゾ分極及び自発分極が生じた場合であっても、第３化合物半導体層の厚さ方向にピエゾ分極が生じることは無く、第３化合物半導体層の厚さ方向とは略直角の方向にピエゾ分極が生じるので、ピエゾ分極及び自発分極に起因した悪影響を排除することができる。｛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８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。
【０１８４】
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《半導体レーザ装置組立体》
半導体レーザ素子、及び、
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、
から構成されており、
分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長毎に群速度分散値を制御する半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０２］分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、最短波長よりも長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える［Ａ０１］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０３］分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値を、波長に依存すること無く与える［Ａ０２］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０４］一定の群速度分散値は０［（ピコ秒）2］である［Ａ０３］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０５］一定の群速度分散値は正の値である［Ａ０３］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０６］分散補償光学系は、長い波長のレーザ光に対して、最短波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える［Ａ０２］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０７］長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である［Ａ０６］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０８］分散補償光学系は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光において、最短波長のレーザ光に対して負の群速度分散値を与え、
与えられた負の群速度分散値の絶対値は、所定の波長よりも短いレーザ光にあっては、レーザ光の波長が短い程、大きい［Ａ０１］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ０９］分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を与える［Ａ０８］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１０］分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな一定の群速度分散値を、波長に依存すること無く与える［Ａ０９］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１１］一定の群速度分散値は０［（ピコ秒）2］である［Ａ１０］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１２］一定の群速度分散値は正の値である［Ａ１０］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１３］分散補償光学系は、所定の波長よりも長い波長のレーザ光に対して、所定の波長のレーザ光に対する群速度分散値よりも大きな群速度分散値を、波長に依存して与える［Ａ０８］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１４］長い波長のレーザ光に対して与えられる群速度分散値は、波長が長いほど、大きな値である［Ａ１３］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１５］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、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［Ａ０１］乃至［Ａ１４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１６］系外に出力されたレーザ光に対して正の群速度分散値を与えるパルス圧縮器を更に備えている［Ａ１５］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１７］分散補償光学系は、回折格子、集光手段、及び、空間位相変調器から成り、
半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、回折格子と衝突し、
回折格子からの０次光は系外に出力され、
回折格子からの回折光は、集光手段を介して空間位相変調器に入射し、次いで、空間位相変調器から出射して、集光手段、回折格子を介して半導体レーザ素子に戻される［Ａ１５］又は［Ａ１６］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ１８］空間位相変調器は反射型液晶表示装置から成る［Ａ１７］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ１９］空間位相変調器はデフォーマブルミラーから成る［Ａ１７］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ２０］空間位相変調器は複数の反射鏡から成る［Ａ１７］に記載の半導体レーザ素子組立体。
［Ａ２１］半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子から成る［Ａ０１］乃至［Ａ２０］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ａ２２］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［Ａ２１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０１］系外に出力されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器を更に備えている［Ａ０１］乃至［Ａ２２］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０２］半導体光増幅器は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体あるいはワイドギャップ半導体層の積層構造体から成る［Ｂ０１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０３］半導体光増幅器へ入射するレーザ光のパルス時間幅をτ1、半導体光増幅器から出力されるレーザ光のパルス時間幅をτ2としたとき、τ1＞τ2であり、且つ、半導体光増幅器の駆動電流値が高い程、τ2の値が小さくなる［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０４］半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光スペクトル幅は４．５ＴＨｚ以上である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０３］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０５］半導体光増幅器の駆動電流密度は５×１０3アンペア／ｃｍ2以上である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０６］半導体光増幅器の光閉込め係数は３％以下である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０７］半導体光増幅器へ入射するレーザ光の光スペクトル幅に対して、半導体光増幅器から出力されるレーザ光の光スペクトル幅が、２．５ＴＨｚ以上増加する［Ｂ０１］乃至［Ｂ０６］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０８］モード同期半導体レーザ素子は、ピークパワーの光密度が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である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０７］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ０９］半導体光増幅器に入射す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［Ｂ０１］乃至［Ｂ０８］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１０］モード同期半導体レーザ素子は、レーザ光の繰返し周波数が１ＧＨｚ以下である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０９］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１１］分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光に対して光スペクトルを整形する光スペクトル整形手段を更に備えており、整形後のレーザ光が半導体光増幅器に入射する［Ｂ０１］乃至［Ｂ１０］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１２］光スペクトル整形手段は、誘電多層膜から構成されたバンドパスフィルタから成り、
分散補償光学系から系外に出射されたレーザ光は、バンドパスフィルタを複数回、通過する［Ｂ１１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１３］バンドパスフィルタは、単一の二分の一波長共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器から成る［Ｂ１２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１４］バンドパスフィルタは、複数の二分の一波長共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器から成る［Ｂ１２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｂ１５］バンドパスフィルタは、二分の一波長の整数倍の共振器を内蔵する誘電体多層膜共振器から成る［Ｂ１２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０１］《第１の構成の半導体光増幅器》
分散補償光学系において、
第１化合物半導体層は、基体側から、第１クラッド層及び第１光ガイド層の積層構造を有し、
積層構造体は、第２化合物半導体層、第３化合物半導体層、及び、第１光ガイド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し、
第１光ガイド層の厚さをｔ1、リッジストライプ構造を構成する第１光ガイド層の部分の厚さをｔ1’としたとき、
６×１０-7ｍ＜ｔ1
０（ｍ）＜ｔ1’≦０．５・ｔ1
を満足する［Ｂ０１］乃至［Ｂ１５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０２］ｔ1≦３×１０-6ｍ
を満足する［Ｃ０１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０３］半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する［Ｃ０１］又は［Ｃ０２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０４］積層構造体の光出射端面から出射された光ビームのリッジストライプ構造の幅方向の寸法をＬＢX、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢYとしたとき、
０．２≦ＬＢY／ＬＢX≦１．２
を満足する［Ｃ０１］乃至［Ｃ０３］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０５］積層構造体の光出射端面において、リッジストライプ構造の厚さ方向に沿った、積層構造体における活性層中心点から、積層構造体から出射される光ビームの中心点までの距離ＹCCは、
ｔ1’≦ＹCC≦ｔ1
を満足する［Ｃ０１］乃至［Ｃ０４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０６］第１光ガイド層内には、第１光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている［Ｃ０１］乃至［Ｃ０５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０７］第１光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎG-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎHRとしたとき、
０．０１≦ｎHR−ｎG-1≦０．１
を満足する［Ｃ０６］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｃ０８］第２化合物半導体層は、基体側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層の積層構造を有し、
第１光ガイド層の厚さは、第２光ガイド層の厚さよりも厚い［Ｃ０１］乃至［Ｃ０７］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｄ０１］《第２の構成の半導体光増幅器》
分散補償光学系において、
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し、
第１化合物半導体層は、０．６μｍを超える厚さを有し、
第１化合物半導体層内には、第１化合物半導体層を構成する化合物半導体材料の屈折率よりも高い屈折率を有する化合物半導体材料から成る高屈折率層が形成されている［Ｂ０１］乃至［Ｂ１５］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｄ０２］第１化合物半導体層は、基体側から、第１クラッド層及び第１光ガイド層の積層構造を有し、
第１光ガイド層は、０．６μｍを超える厚さを有し、
高屈折率層は、第１光ガイド層の内部に形成されている［Ｄ０１］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｄ０３］活性層と第１光ガイド層との界面から、活性層側に位置する第１光ガイド層の部分と高屈折率層との界面までの距離は、０．２５μｍ以上である［Ｄ０２］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｄ０４］第１光ガイド層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎG-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎHRとしたとき、
０＜ｎHR−ｎG-1≦０．３
を満足する［Ｄ０２］又は［Ｄ０３］に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｄ０５］半導体光増幅器は単一モードの光ビームを出力する［Ｄ０１］乃至［Ｄ０４］のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置組立体。
［Ｄ０６］第２化合物半導体層は、基体側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層の積層構造を有し、
第１光ガイド層の厚さは、第２光ガイド層の厚さよりも厚い［Ｄ０１］乃至［Ｄ０５］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】
【０１８５】
１０・・・モード同期半導体レーザ素子、１１・・・コリメート手段、２１・・・基体（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・・・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、７０・・・基体、７１・・・第１化合物半導体層、７１Ａ・・・第１クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮ層）、７１Ｂ・・・第１光ガイド層（ｎ型ＧａＮ層）、７１Ｂ’・・・リッジストライプ構造を構成する第１光ガイド層の部分、７１ｂ1，７１ｂ2・・・第１光ガイド層、７２・・・第２化合物半導体層、７２Ａ・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、７２Ｂ・・・第２光ガイド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層、７２Ｃ・・・第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）、７３・・・第３化合物半導体層（活性層、利得領域）、７４・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、７５・・・リッジストライプ構造、７６・・・積層絶縁膜、７９・・・高屈折率層、８１・・・凹部、８２・・・２つの凹部によって挟まれた基体の領域、９０・・・基体、９１・・・第１化合物半導体層、９１Ａ・・・第１クラッド層、９１Ｂ・・・第１光ガイド層、９１Ｂ1・・・第１−Ａ光ガイド層、９１Ｂ2・・・第１−Ｂ光ガイド層、９２・・・第２化合物半導体層、９２Ａ・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、９２Ｂ・・・第２光ガイド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）、９２Ｃ・・・第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）、９３・・・活性層、９４・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、９５・・・リッジストライプ構造、９６・・・積層絶縁膜、９９・・・高屈折率層、１１０・・・分散補償光学系、１１１・・・回折格子、１１２・・・集光手段（レンズ）、１１２’・・・凹レンズ、１１３，４１３Ａ，４１３Ｂ・・・空間位相変調器、１１４・・・光スペクトル整形手段、１１５Ａ，１１５Ｂ，１１６・・・反射鏡、１１７・・・光アイソレータ、２１０・・・半導体光増幅器、２１１Ａ，２１１Ｂ・・・集光手段（レンズ）、５０１Ａ，５０１Ｂ・・・・回折格子、５０２Ａ，５０２Ｂ・・・レンズ、５０３Ａ，５０３Ｂ・・・・ミラー、ＡＲ・・・無反射コート層、ＨＲ・・・高反射コート層
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３２】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４１】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図４０】
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