特許 6893365 半導体レーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6893365

(24)【登録日】2021年6月3日

(45)【発行日】2021年6月23日

(54)【発明の名称】半導体レーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/04 20060101AFI20210614BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20210614BHJP

   H01S 5/042 20060101ALI20210614BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/04

   H01S5/026 610

   H01S5/042

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2019-117574(P2019-117574)

(22)【出願日】2019年6月25日

(65)【公開番号】特開2021-5597(P2021-5597A)

(43)【公開日】2021年1月14日

【審査請求日】2021年2月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100145872

【弁理士】

【氏名又は名称】福岡 昌浩

(72)【発明者】

【氏名】中村 考宏

(72)【発明者】

【氏名】黒田 隆之助

(72)【発明者】

【氏名】秋山 英文

(72)【発明者】

【氏名】金 昌秀

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 隆

(72)【発明者】

【氏名】中前 秀一

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０３９０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０５８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０９４６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４９３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０３１８９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／０４

Ｈ０１Ｓ ５／０２６

Ｈ０１Ｓ ５／０４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型不純物を含有する第１化合物半導体層と、ｐ型不純物を含有する第２化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層の間に設けられる発光層と、を有する光共振器と、
前記光共振器に対して、サブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入するパルス注入手段と、を備え、
前記光共振器は、利得領域と吸収領域とに分離されたマルチセクション構造を有し、
前記発光層は、５周期以上の多重量子井戸構造を有し、
前記光共振器の光子寿命の２．５倍よりも短いパルス幅で光パルスを発生する半導体レーザ。

【請求項2】

前記光共振器は、発振方向に沿って利得領域と吸収領域とに分離されたマルチセクション構造を有する請求項１に記載の半導体レーザ。

【請求項3】

前記光共振器の光子寿命よりも短いパルス幅で光パルスを発生する請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ。

【請求項4】

前記発光層は、１０周期以上の多重量子井戸構造を有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

【請求項5】

前記吸収領域に対して逆バイアス電圧を印加する手段をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザは、光ディスクや光通信等の光源として用いられている。例えば、特許文献１には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭５９−１０４１９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、超短パルスを発生する半導体レーザを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様によれば、
ｎ型不純物を含有する第１化合物半導体層と、ｐ型不純物を含有する第２化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層の間に設けられる発光層と、を有する光共振器と、
前記光共振器に対して、サブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入するパルス注入手段と、を備え、
前記光共振器は、利得領域と吸収領域とに分離されたマルチセクション構造を有し、
前記光共振器の光子寿命の２．５倍よりも短いパルス幅で光パルスを発生する半導体レーザが提供される。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、超短パルスを発生する半導体レーザを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ１０の概略構成図である。

【図2】図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る光共振器２０の長手方向に沿った縦断面図である。図２（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光共振器２０の長手方向に垂直な断面図である。

【図3】図３は、本発明の第１実施形態に係る発光層２３の長手方向に沿った縦断面図である。

【図4】図４は、本発明の第１実施形態に係る光共振器２０に印加するパルス電流の模式図である。

【図5】図５（ａ）は、本発明の第１実施形態のレーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得吸収変化を示すグラフである。図５（ｂ）は、比較形態の半導体レーザのレーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得吸収変化を示すグラフである。

【図6】図６は、本発明の第１実施形態に係る光共振器２０に印加するパルス電流の時間幅ｔと、発生する光パルスのパルス幅と、の関係の一例を示すグラフである。

【図7】図７（ａ）は、本発明の第１実施形態の変形例１に係る半導体レーザ７０の概略構成図である。図７（ｂ）は、本発明の第１実施形態の変形例１に係る光共振器７１の長手方向に沿った縦断面図である。

【図8】図８は、本発明の第１実施形態の変形例２に係る光共振器８０の長手方向に沿った縦断面図である。

【図9】図９（ａ）は、本発明の第１実施形態の変形例３に係る光共振器９１の長手方向に平行な横断面図である。図９（ｂ）は、光共振器９１の一例を示す概略断面図（長手方向に垂直な断面図）である。図９（ｃ）は、光共振器９１の他の例を示す概略断面図（長手方向に垂直な断面図）である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

［本発明の実施形態の説明］
＜発明者の得た知見＞
まず、発明者等が得た知見について説明する。

【0009】

発生する光パルスのパルス幅が、フェムト秒から数ピコ秒である超短パルスレーザとしては、例えば、モード同期法を用いた固体レーザが知られている。しかしながら、このような固体レーザは、高コストかつ大型であり、温調やクリーンな環境がないと動作が不安定である。したがって、低コストかつ小型で、高安定動作をする超短パルス半導体レーザが望まれてきた。

【0010】

半導体レーザにおいて、短パルスを発生させる方法としては、例えば、モード同期法や利得スイッチング法が知られている。

【0011】

モード同期法を用いた半導体レーザでは、フェムト秒から数ピコ秒の超短パルスの発生報告がある。しかしながら、モード同期法を用いた半導体レーザは、ロバスト性が低く、繰り返し周波数に任意性がないという問題があった。

【0012】

一方、利得スイッチング法を用いた半導体レーザは、モード同期法に比べて高安定に動作し、繰り返し周波数を任意に設定できる。しかしながら、利得スイッチング法を用いた半導体レーザでは、発生する光パルスのパルス幅の下限が光共振器の光子寿命によって理論的に制限され、また、実際に発生できる光パルスのパルス幅は光共振器の光子寿命の２．５倍以上にとどまるため、フェムト秒から数ピコ秒の超短パルス発生は困難とされていた。

【0013】

本願発明者等は、上述のような事象に対して鋭意研究を行った。その結果、光共振器をマルチセクション構造とし、サブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することによって、光共振器の光子寿命の２．５倍よりも短いパルス幅を有する光パルスを発生できること、さらには、当該光子寿命よりも短いパルス幅を有する光パルスを発生できること、そしてこれにより、フェムト秒から数ピコ秒の超短パルスを安定的に発生できることを見出した。

【0014】

本発明は、発明者等が見出した上記知見に基づくものである。

【0015】

［本発明の実施形態の詳細］
次に、本発明の一実施形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0016】

＜本発明の第１実施形態＞
（１）半導体レーザの構成
まず、本実施形態の半導体レーザ１０の構成について説明する。

【0017】

図１は、本実施形態の半導体レーザ１０の概略構成図である。本実施形態の半導体レーザ１０は、図１に示すように、パルス注入手段１１と、光共振器２０とを備えている。

【0018】

パルス注入手段１１は、例えば、パルス電流を光共振器２０に印加するように構成されている。パルス注入手段１１が印加するパルス電流によって、半導体レーザ１０を駆動することができる。

【0019】

図２（ａ）は、本実施形態の光共振器２０の長手方向に沿った縦断面図である。図２（ｂ）は、本実施形態の光共振器２０の長手方向に垂直な断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、本実施形態の光共振器２０は、第１化合物半導体層２１と、第２化合物半導体層２２と、発光層２３とを有している。

【0020】

なお、本明細書において、光共振器２０等の「長手方向」とは、半導体レーザ１０の放出光に平行な方向を意味し、「発振方向」と言い換えることができる。

【0021】

第１化合物半導体層２１は、例えば、光共振器２０の下部に設けられている。第１化合物半導体層２１は、ｎ型不純物を含有している。このような第１化合物半導体層２１としては、例えば、ＳｉをドープしたＡｌＧａＡｓ系化合物半導体が例示される。

【0022】

第２化合物半導体層２２は、例えば、光共振器２０の上部に設けられている。第２化合物半導体層２２は、ｐ型不純物を含有している。このような第２化合物半導体層２２としては、例えば、ＣをドープしたＡｌＧａＡｓ系化合物半導体が例示される。なお、図２（ｂ）に示すように、第２化合物半導体層２２には、光共振器２０の長手方向から見た際に、例えば、凸部が形成されている。

【0023】

発光層２３は、第１化合物半導体層２１および第２化合物半導体層２２の間に設けられている。発光層２３は、後述する多重量子井戸構造を有している。

【0024】

図３は、発光層２３の長手方向に沿った縦断面図である。図３に示すように、発光層２３は、複数の井戸層２４と、複数の障壁層２５とが交互に積層された多重量子井戸構造を有している。（井戸層２４、障壁層２５）の組合せとしては、例えば、（ＧａＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ）が例示される。

【0025】

発光層２３は、井戸層２４および障壁層２５が、５周期以上積層された多重量子井戸構造を有している。５周期未満の量子井戸構造を有する発光層２３を用いる場合、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることが困難となる。これに対し、発光層２３が５周期以上の多重量子井戸構造を有することで、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。発光層２３は、１０周期以上の多重量子井戸構造を有することが好ましい。これにより、発生する光パルスのパルス幅をより短くすることができる。発光層２３は、２０周期以上の多重量子井戸構造を有することがより好ましい。これにより、発生する光パルスのパルス幅をさらに短くすることができる。また、発生する光パルスのピーク強度を向上させることができる。

【0026】

なお、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈは、以下の式（１）で定義される。

【数1】

式（１）では、ｖ_ｇは群速度である。ａ_ｉｎは透明キャリア密度における内部損失である。ａ_ｍはミラー損失である。群速度ｖ_ｇは、以下の式（２）で定義される。

【数2】

式（２）では、ｃは光速である。ｎ_ｇは群屈折率である。また、ミラー損失ａ_ｍは、以下の式（３）で定義される。

【数3】

式（３）では、Ｌは共振器長である。Ｒ_１は一方の反射鏡の反射率である。Ｒ_２は他方の反射鏡の反射率である。なお、共振器長Ｌが数百μｍ程度の一般的な光共振器の場合、光子寿命ｔ_ｐｈは、例えば、数ピコ秒程度である。本実施形態の光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈは、具体的には、例えば、２ｐｓである。

【0027】

ここで、従来の技術常識では、多重量子井戸構造の周期数を増やすと、キャリア注入量が増えるため、半導体レーザが高速動作し難くなると考えられてきた。

【0028】

また、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザは、発生する光パルスのパルス幅が光共振器の光子寿命ｔ_ｐｈによって制限されるため、光子寿命ｔ_ｐｈよりも短いパルス幅を有する光パルスを発生させることは理論的に不可能と考えられていた。また、実際に発生できる光パルスのパルス幅は、光共振器の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍以上にとどまるため、光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることは困難とされていた。

【0029】

これに対し、本実施形態の半導体レーザ１０は、敢えて５周期以上の多重量子井戸構造を採用するとともに、サブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することによって、従来の技術常識の予想を超える短いパルス幅を有する光パルスを発生させることができる。本実施形態の半導体レーザ１０は、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザでは実現されなかった、光共振器の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができ、さらには、光子寿命ｔ_ｐｈより短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。

【0030】

また、本実施形態の光共振器２０は、例えば、図２（ａ）に示すように、利得領域Ｚ１と、吸収領域Ｚ２とを有している。利得領域Ｚ１および吸収領域Ｚ２は、光共振器２０の長手方向（発振方向）に沿って交互に配置されている。利得領域Ｚ１は、例えば、光共振器２０の長手方向両端部にそれぞれ配置され、吸収領域Ｚ２は利得領域Ｚ１の間に配置されている。このように、光共振器が利得領域Ｚ１と、吸収領域Ｚ２とを有する構造は、マルチセクション構造と呼ばれる。光共振器２０がマルチセクション構造を有することで、レーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得から吸収への遷移を急峻化することができる。これにより、発生する光パルスのテール成分を小さくし、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。

【0031】

吸収領域Ｚ２の長手方向の幅は、任意に選択することができる。吸収領域Ｚ２の長手方向の幅を変化させることで、発生する光パルスのパルス幅およびピーク強度を制御することができる。

【0032】

吸収領域Ｚ２の長手方向の幅は、光共振器２０の長手方向の幅の１％以上５０％以下とすることが好ましい。吸収領域Ｚ２の長手方向の幅が、光共振器２０の長手方向の幅の１％未満では、発生する光パルスのパルス幅を短くする効果が得られ難い。これに対し、吸収領域Ｚ２の長手方向の幅を、光共振器２０の長手方向の幅の１％以上とすることで、効率よく発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。一方で、吸収領域Ｚ２の長手方向の幅が、光共振器２０の長手方向の幅の５０％を超えると、発生する光パルスのピーク強度が低くなる可能性がある。これに対し、吸収領域Ｚ２の長手方向の幅を、光共振器２０の長手方向の幅の５０％以下とすることで、発生する光パルスのピーク強度を向上することができる。

【0033】

ここで、本実施形態の光共振器２０が有する電極構造について説明する。本実施形態の光共振器２０は、例えば、図２（ｂ）に示すように、第１電極３１と、第２電極３２と、絶縁層３３とを有している。

【0034】

第１電極３１は、例えば、第１化合物半導体層２１を覆うように設けられ、第１化合物半導体層２１に電気的に接続されている。第２電極３２は、例えば、第２化合物半導体層２２の一部を覆うように設けられ、第２化合物半導体層２２に電気的に接続されている。第２電極３２は、図２（ａ）に示すように、利得領域Ｚ１の上部にそれぞれ位置している。絶縁層３３は、例えば、光共振器２０の長手方向から見た際に、第２化合物半導体層２２の凸部の両側に設けられている。第１電極３１および第２電極３２は、パルス注入手段１１に接続されるように構成されている。

【0035】

絶縁層３３は、光共振器２０の浮遊容量を小さくするためのキャパシタの誘電体として機能する。このような絶縁層３３としては、例えば、ポリイミドなどの絶縁体を用いることができる。絶縁層３３は、光共振器２０の浮遊容量が充分小さくなるように構成されていることが好ましい。光共振器２０の浮遊容量を小さくすることで、半導体レーザ１０を高速に駆動させることができる。具体的には、例えば、光共振器２０に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となる。つまり、光共振器２０に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となるように、絶縁層３３を構成することが好ましい。

【0036】

また、第２電極３２の面積は、充分小さいことが好ましい。第２電極３２の面積を小さくすることで、半導体レーザ１０を高速に駆動させることができる。具体的には、例えば、光共振器２０に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となる。つまり、光共振器２０に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となるように、第２電極３２の面積を設定することが好ましい。

【0037】

本実施形態の光共振器２０は、上述の電極構造を有している。これにより、光共振器２０の利得領域Ｚ１に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となる。

【0038】

（２）半導体レーザの駆動方法
次に、本実施形態の半導体レーザ１０の駆動方法について説明する。

【0039】

図４は、光共振器２０に印加するパルス電流の模式図である。図４に示すように、光共振器２０に印加するパルス電流は、例えば、時間幅ｔ、高さｉの矩形状のパルス電流である。パルス注入手段１１は、任意のタイミングで上述のパルス電流を光共振器２０に印加することができる。

【0040】

光共振器２０に印加するパルス電流の時間幅ｔは、サブナノ秒、具体的には１ｎｓ未満である。パルス電流の時間幅ｔを１ｎｓ未満とすることで、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。

【0041】

光共振器２０に印加するパルス電流の高さｉは、光共振器２０の定常発振の閾値電流ｉ_ｔｈの２倍以上であることが好ましい。パルス電流の高さｉが閾値電流ｉ_ｔｈの２倍未満では、高速なキャリアダイナミクスが実現し難くなる。これに対し、パルス電流の高さｉを閾値電流ｉ_ｔｈの２倍以上とすることで、高速なキャリアダイナミクスを実現することができる。これにより、レーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得吸収変化を急峻化し、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。また、パルス電流の高さｉは、閾値電流ｉ_ｔｈの５倍以上であることがより好ましい。これにより、発生する光パルスのパルス幅をさらに短くすることができる。

【0042】

図５（ａ）は、本実施形態による、多重量子井戸構造およびマルチセクション構造を有する半導体レーザのレーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得吸収変化を示すグラフである。図５（ｂ）は、比較形態による、ダブルヘテロ構造およびシングルセクション構造を有する半導体レーザのレーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得吸収変化を示すグラフである。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）において、縦軸の正の値は利得を示し、負の値は吸収を示している。

【0043】

図５（ｂ）に示すように、比較形態による半導体レーザでは、利得から吸収への変化が急峻化しておらず、尾を引くような遷移になっている。そのため、発生する光パルスのテール成分が大きくなり、発生する光パルスのパルス幅が長くなってしまう可能性がある。これに対し、図５（ａ）に示すように、本実施形態では、すべてのエネルギー帯（０．０００ｅＶ〜０．２００ｅＶ）において、利得から吸収への変化が急峻化しており、立ち上がりおよび立下りが共にシャープな遷移になっている。そのため、発生する光パルスのテール成分を小さくし、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。なお、多重量子井戸構造およびマルチセクション構造の少なくとも一方によって、比較形態と比べ、発生する光パルスのパルス幅を短くできることも、本願発明者等は確認している。

【0044】

図６は、本実施形態の光共振器２０に印加するパルス電流の時間幅ｔ（つまり、光共振器２０に対し励起エネルギーを注入する時間幅ｔ）と、発生する光パルスのパルス幅と、の関係の一例を示すグラフである。本実施形態では、上述の半導体レーザ１０の構成および駆動方法によって、図６に示すように、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。さらに、好ましくは、光子寿命ｔ_ｐｈより短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。これらは、従来の技術常識の予想を超える効果であり、従来の利得スイッチング法とは異なるメカニズムが作用しているものと考えられる。このような新規のメカニズムを、本明細書では「超利得スイッチング法」と呼ぶものとする。

【0045】

図６に示す例において、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈは２．０ｐｓであり、その２．５倍、２．０倍および１．５倍は、それぞれ、５．０ｐｓ、４．０ｐｓおよび３．０ｐｓである。図６に示す例では、光共振器２０に印加するパルス電流の時間幅ｔを、１ｎｓ（１０００ｐｓ）とすることで、発生する光パルスのパルス幅を、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈを少し上回る２．２ｐｓ程度まで短くすることができる。このことから、時間幅ｔを、１ｎｓ未満（サブナノ秒）とすることで、発生する光パルスのパルス幅を、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短くすること、好ましくは２．０倍より短くすること、より好ましくは１．５倍より短くすることができると理解される。さらに、パルス電流の時間幅ｔを、例えば６００ｐｓ未満とすることで、光パルスのパルス幅を、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈよりも短くすることができる。また、パルス電流の時間幅ｔを、例えば７０ｐｓ未満とすることで、光パルスのパルス幅を、フェムト秒台（１ｐｓ未満）とすることができる。

【0046】

上述のように、光共振器２０に対し励起エネルギーを注入する時間幅ｔを、例えば１ｎｓ未満（サブナノ秒）の範囲内で適宜設定することで、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザでは得られなかった短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。時間幅ｔは、発生させたいパルス幅に応じて、適宜設定されてよい。例えば、パルス幅が光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短くなるように、また例えば、パルス幅が光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈより短くなるように、また例えば、パルス幅が１ｐｓ未満となるように、時間幅ｔは、必要に応じて適宜設定されてよい。なお、時間幅ｔを１ｎｓ未満（サブナノ秒）の範囲内で設定する態様を例示しているが、パルス幅をより確実に短くするために、時間幅ｔは、例えば９００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば８００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば７００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば６００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば５００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば４００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば３００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば２００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば１００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよい。

【0047】

なお、時間幅ｔの下限は、特に制限されないが、例えば２ｐｓ以上（また例えば１０ｐｓ以上）であることが例示される。本例において、時間幅ｔが２ｐｓ未満（または１０ｐｓ未満）では、光パルスのパルス幅を短くする効果が飽和する。これに対し、時間幅ｔを２ｐｓ以上（または１０ｐｓ以上）とすることで、光パルスのパルス幅を効率よく制御することができる。なお、本例では、０．４ｐｓ程度までパルス幅を短くすることができる。

【0048】

（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。

【0049】

（ａ）本実施形態の光共振器２０は、マルチセクション構造を有している。これにより、レーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得から吸収への遷移を急峻化することができる。したがって、発生する光パルスのテール成分を小さくし、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。

【0050】

ここで、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザでは、上述のように、光共振器の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることは困難とされていた。

【0051】

これに対し、本実施形態では、マルチセクション構造と、超利得スイッチング法とを組み合わせることによって、従来の技術常識の予想を超える超短パルスを発生させることができる。本実施形態の半導体レーザ１０は、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザでは実現されなかった、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。好ましくは、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈのより短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。そしてこれにより、フェムト秒から数ピコ秒の超短パルスを安定的に発生させることができる。

【0052】

（ｂ）本実施形態の発光層２３は、井戸層２４および障壁層２５が、５周期以上積層された多重量子井戸構造を有している。そのため、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。好ましくは、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈより短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。

【0053】

ここで、従来の技術常識では、多重量子井戸構造の周期数を増やすと、キャリア注入量が増えるため、半導体レーザが高速動作し難くなると考えられてきた。

【0054】

また、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザは、上述のように、光共振器の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることは困難とされていた。

【0055】

これに対し、本実施形態の半導体レーザ１０は、敢えて５周期以上の多重量子井戸構造を採用し、さらに超利得スイッチング法を用いることによって、従来の技術常識の予想を超える短いパルス幅を有する光パルスを発生させることができる。本実施形態の半導体レーザ１０は、従来の利得スイッチング法を用いた半導体レーザでは実現されなかった、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。好ましくは、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈより短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。そしてこれにより、フェムト秒から数ピコ秒の超短パルスを安定的に発生させることができる。

【0056】

（ｃ）本実施形態の発光層２３を１０周期以上の多重量子井戸構造とすることで、発生する光パルスのパルス幅をより短くすることができる。また、本実施形態の発光層２３を２０周期以上の多重量子井戸構造とすることで、発生する光パルスのパルス幅をさらに短くすることができる。また、発生する光パルスのピーク強度を向上させることができる。

【0057】

（ｄ）本実施形態の絶縁層３３は、光共振器２０の浮遊容量が充分小さくなるように構成されていることが好ましい。光共振器２０の浮遊容量を小さくすることで、半導体レーザ１０を高速に駆動させることができる。具体的には、例えば、光共振器２０に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となる。

【0058】

（ｅ）本実施形態の第２電極３２の面積は、充分小さいことが好ましい。第２電極３２の面積を小さくすることで、半導体レーザ１０を高速に駆動させることができる。具体的には、例えば、光共振器２０に対してサブナノ秒の時間幅で励起エネルギーを注入することが可能となる。

【0059】

（ｆ）本実施形態の光共振器２０に印加するパルス電流の時間幅ｔは、サブナノ秒、具体的には１ｎｓ未満である。これにより、光共振器２０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。

【0060】

（ｇ）本実施形態の光共振器２０に印加するパルス電流の高さｉは、光共振器２０の定常発振の閾値電流ｉ_ｔｈの２倍以上であることが好ましい。これにより、高速なキャリアダイナミクスを実現することができる。したがって、レーザ発振スペクトルにおける時間領域の利得吸収変化を急峻化し、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。また、パルス電流の高さｉは、閾値電流ｉ_ｔｈの５倍以上であることがより好ましい。これにより、発生する光パルスのパルス幅をさらに短くすることができる。

【0061】

（４）第１実施形態の変形例
上述の実施形態は、必要に応じて、以下に示す変形例のように変更することができる。以下、上述の実施形態と異なる要素についてのみ説明し、上述の実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0062】

（４−１）第１実施形態の変形例１
図７（ａ）は、本変形例の半導体レーザ７０の概略構成図である。図７（ａ）に示すように、本変形例の半導体レーザ７０は、後述する逆バイアス電圧を印加する手段としてのバイアス電源７２を有する点で、第１実施形態の半導体レーザ１０とは異なっている。

【0063】

図７（ｂ）は、本変形例の光共振器７１の長手方向に沿った縦断面図である。図７（ｂ）に示すように、本変形例の光共振器７１は、第３電極７３を有する点で、第１実施形態の光共振器２０とは異なっている。第３電極７３は、第２化合物半導体層２２の上部の一部を覆うように、吸収領域Ｚ２の上部に設けられており、第２化合物半導体層２２と電気的に接続されている。第２電極３２と、第３電極７３との間には、分離溝７４が設けられており、第２電極３２および第３電極７３が電気的に接触しないように構成されている。

【0064】

本変形例では、第１電極３１および第２電極３２を介して光共振器７１の利得領域Ｚ１にパルス電流を印加する際に、バイアス電源７２を用いて、第１電極３１および第３電極７３を介して光共振器７１の吸収領域Ｚ２に電圧を印加する。利得領域Ｚ１に対して印加するパルス電流を順バイアスとすると、吸収領域Ｚ２に対して印加する電圧は逆バイアスとなる。吸収領域Ｚ２に逆バイアス電圧を印加することで、光共振器７１の作製精度に公差があったとしても、逆バイアス電圧の印加量を制御することによって発生する光パルスのパルス幅を微調整し、校正することができる。これにより、半導体レーザ装置の生産歩留まり向上が可能となる。また、発生する光パルスのピーク強度を制御することができる。

【0065】

（４−２）第１実施形態の変形例２
図８は、本変形例の光共振器８０の長手方向に沿った縦断面図である。図８に示すように、本変形例の光共振器８０は、第２電極３２および絶縁層３３を有さず、第３電極７３を有する点で、第１実施形態の光共振器２０とは異なっている。

【0066】

本変形例では、光共振器８０にパルス電流を印加する代わりに、パルス注入手段として、光共振器８０に対して上方より励起光を照射することで励起エネルギーを注入する。この際、第３電極７３によって励起光の一部が反射されるため、励起光による励起エネルギーを利得領域Ｚ１のみに注入することができる。励起光の光源としては、例えば、チタンサファイアレーザを用いることができる。

【0067】

本変形例の励起光の時間幅ｔは、サブナノ秒、具体的には１ｎｓ未満である。励起光の時間幅ｔを１ｎｓ未満とすることで、光共振器８０の光子寿命ｔ_ｐｈの２．５倍より短いパルス幅の光パルスを発生させることができる。

【0068】

本変形例においても、第１実施形態の変形例１と同様に、第１電極３１および第３電極７３を介して光共振器８０の吸収領域Ｚ２に逆バイアス電圧を印加してもよい。吸収領域Ｚ２に逆バイアス電圧を印加することで、第１実施形態の変形例１と同様の効果が得られる。

【0069】

本変形例では、励起光によって光共振器８０に励起エネルギーを注入するため、第２電極３２や絶縁層３３を設ける必要がなく、電極構造を単純化することができる。これにより、第１実施形態と比べて、より簡便に実施をすることが可能となる。

【0070】

（４−３）第１実施形態の変形例３
図９（ａ）は、本変形例の光共振器９１の長手方向に平行な横断面図である。図９（ａ）に示すように、本変形例の光共振器９１は、利得領域Ｚ１および吸収領域Ｚ２の配置状態が第１実施形態の光共振器２０とは異なっている。

【0071】

本変形例の利得領域Ｚ１および吸収領域Ｚ２は、例えば、図９（ａ）に示すように、光共振器９１を平面視した際に、光共振器９１の長手方向に交差する方向（以下、「短手方向」という）に沿って交互に配置されている。吸収領域Ｚ２は、例えば、光共振器９１の短手方向両端部にそれぞれ配置され、利得領域Ｚ１は吸収領域Ｚ２の間に配置されている。

【0072】

図９（ｂ）は、本変形例の光共振器９１の一例を示す概略断面図（長手方向に垂直な断面図）である。図９（ｂ）に示すように、本変形例の光共振器９１は、例えば、第３電極７３が、第２化合物半導体層２２の短手方向両端部に設けられている。本変形例では、第１電極３１および第３電極７３を介して光共振器９１の吸収領域Ｚ２に逆バイアス電圧を印加する。吸収領域Ｚ２に逆バイアス電圧を印加することで、吸収領域Ｚ２が光共振器９１の発振方向（長手方向）に沿って配置されていなくても、吸収領域Ｚ２の光吸収を促進することができる。これにより、発生する光パルスのテール成分を小さくし、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。また、第１実施形態と比べて、発生する光パルスのピーク強度を向上させることができる。

【0073】

図９（ｃ）は、本変形例の光共振器９１の他の例を示す概略断面図（長手方向に垂直な断面図）である。図９（ｃ）に示すように、本変形例の光共振器９１は、例えば、第２化合物半導体層２２の一部に、イオン注入領域Ｚ３が設けられている。イオン注入領域Ｚ３は、発光層２３の一部に設けられてもよいし、第２化合物半導体層２２および発光層２３の境界部に設けられてもよい。本変形例では、イオン注入領域Ｚ３にイオン注入を行うことによって、イオン注入領域Ｚ３を吸収領域として機能させる。これにより、発生する光パルスのテール成分を小さくし、発生する光パルスのパルス幅を短くすることができる。また、第１実施形態と比べて、電極構造を単純化することができる。

【0074】

＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【0075】

例えば、上述の第１実施形態では、利得領域Ｚ１が光共振器２０の長手方向両端部にそれぞれ配置され、吸収領域Ｚ２は利得領域Ｚ１の間に配置されている場合について説明した。また、例えば、上述の第１実施形態の変形例３では、吸収領域Ｚ２が光共振器９１の短手方向両端部にそれぞれ配置され、利得領域Ｚ１は吸収領域Ｚ２の間に配置されている場合について説明した。しかしながら、利得領域Ｚ１および吸収領域Ｚ２の配置状態は、上述の形態に限らず種々変更可能である。

【0076】

例えば、利得領域Ｚ１が光共振器の長手方向の一端に配置され、吸収領域Ｚ２が光共振器の長手方向の他端に配置されてもよい。また、例えば、利得領域Ｚ１が光共振器の短手方向の一端に配置され、吸収領域Ｚ２が光共振器の短手方向の他端に配置されてもよい。また、例えば、３個以上の利得領域Ｚ１が光共振器の長手方向または短手方向に沿って複数配置され、吸収領域Ｚ２が利得領域Ｚ１の間にそれぞれ複数配置されてもよい。また、例えば、利得領域Ｚ１が光共振器の長手方向および短手方向に沿って、格子状に複数配置され、吸収領域Ｚ２が利得領域Ｚ１の間にそれぞれ複数配置されてもよい。

【0077】

上述のように、利得領域Ｚ１および吸収領域Ｚ２の配置状態を種々変更することで、発生する光パルスのパルス幅およびピーク強度を制御することができる。

【実施例】

【0078】

次に、本発明に係る実施例を説明する。これらの実施例は本発明の一例であって、本発明はこれらの実施例により限定されない。

【0079】

（１）光共振器の作製
以下のように、光共振器の試料１を作製した。

【0080】

ＧａＡｓ基板を用意し、ＧａＡｓ基板の上に、第１化合物半導体層として、Ｓｉを６〜７×１０^１７ｃｍ^−３ドープしたＡｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓを２０００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させた。

【0081】

第１化合物半導体層の上に、発光層として、井戸層（ＧａＡｓ）および障壁層（Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓ）を５０周期積層して、多重量子井戸構造を構成した。井戸層の厚さはそれぞれ１２ｎｍ、障壁層の厚さはそれぞれ１０ｎｍとした。よって、発光層の厚さは１１００ｎｍとなった。

【0082】

発光層の上に、第２化合物半導体層として、Ｃを６〜７×１０^１７ｃｍ^−３ドープしたＡｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓを１７００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させた。

【0083】

試料１は、吸収領域を設けず、シングルセクション構造とした。第１電極を第１化合物半導体層の下部に設けた。光共振器の長手方向両端部をへき開面とし、光共振器の長手方向の幅を２５０μｍとした。光共振器の光子寿命は２．２ｐｓであった。以上により、光共振器の試料１を得た。

【0084】

試料２は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、１０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0085】

試料３は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、２０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0086】

試料４は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、３０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0087】

試料５は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、４０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0088】

試料６は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、５０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0089】

試料７は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、６０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0090】

試料８は、マルチセクション構造とし、光共振器の長手方向両端部の利得領域の間に、８０μｍの吸収領域を設け、第３電極を吸収領域の上部に設けた。それ以外は試料１と同様に作製した。

【0091】

（２）半導体レーザの駆動
（１）で作製した試料１〜試料８に対して、チタンサファイアレーザを用いて、励起光を照射し、半導体レーザを駆動させた。励起光のパルス幅は２ｐｓとし、励起強度は光共振器の閾値の１４倍とした。

【0092】

また、試料３に対しては、第１電極および第３電極をバイアス電源に接続し、逆バイアス電圧を印加しながら半導体レーザを駆動させた。逆バイアス電圧は−２Ｖ、−４Ｖ、−８Ｖ、−１２Ｖとした。

【0093】

また、試料６に対しては、第１電極および第３電極をバイアス電源に接続し、逆バイアス電圧を印加しながら半導体レーザを駆動させた。逆バイアス電圧は−４Ｖ、−８Ｖ、−１２Ｖとした。

【0094】

また、試料８に対しては、第１電極および第３電極をバイアス電源に接続し、逆バイアス電圧を印加しながら半導体レーザを駆動させた。逆バイアス電圧は−８Ｖ、−１２Ｖとした。

【0095】

（３）光パルスのパルス幅およびピーク強度の評価
（２）で発生させた光パルスのパルス幅およびピーク強度の評価を行った結果を、表１に示す。

【0096】

【表1】

【0097】

（３−１）光パルスのパルス幅の評価
Ｎｏ．１では、光共振器の光子寿命（２．２ｐｓ）より短いパルス幅の光パルス（１．６１ｐｓ）を発生させることができた。すなわち、多重量子井戸構造を採用し、超利得スイッチング法を用いることで、光共振器の光子寿命より短いパルス幅の光パルスが発生することを確認した。なお、本実施例では５０周期の多重量子井戸構造を採用しているが、本願発明者等は、５周期以上の多重量子井戸構造を採用し、超利得スイッチング法を用いることで、光共振器の光子寿命の２．５倍より短いパルス幅の光パルスが発生すること、さらに、光共振器の光子寿命より短いパルス幅の光パルスが発生することを確認している。

【0098】

また、マルチセクション構造を採用したＮｏ．２〜Ｎｏ．８では、シングルセクション構造のＮｏ．１（１．６１ｐｓ）より短いパルス幅の光パルス（０．５６〜１．２５ｐｓ）を発生させることができた。すなわち、マルチセクション構造を採用することで、発生する光パルスのパルス幅をさらに短くできることを確認した。また、吸収領域の幅を変えることで、発生する光パルスのパルス幅を制御できることを確認した。

【0099】

また、吸収領域に逆バイアス電圧を印加したＮｏ．９〜Ｎｏ．１２では、逆バイアス電圧を印加していないＮｏ．３（０．８６ｐｓ）より短いパルス幅の光パルス（０．６０〜０．８０ｐｓ）を発生させることができた。また、吸収領域に逆バイアス電圧を印加したＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５では、逆バイアス電圧を印加していないＮｏ．６（０．５６ｐｓ）より長いパルス幅の光パルス（０．５８〜０．６８ｐｓ）を発生させることができた。また、吸収領域に逆バイアス電圧を印加したＮｏ．１６〜Ｎｏ．１７では、逆バイアス電圧を印加していないＮｏ．８（０．６９ｐｓ）より長いパルス幅の光パルス（０．７６〜１．０１ｐｓ）を発生させることができた。以上より、逆バイアス電圧の印加量を制御することによって、発生する光パルスのパルス幅を微調整できることを確認した。

【0100】

（３−２）光パルスのピーク強度の評価
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８では、光パルスのピーク強度が９．６〜２５．２Ｗの範囲で変化した。すなわち、吸収領域の幅を変えることで、発生する光パルスのピーク強度を制御できることを確認した。

【0101】

また、吸収領域に逆バイアス電圧を印加したＮｏ．９〜Ｎｏ．１２では、逆バイアス電圧を印加していないＮｏ．３（２２．０Ｗ）より大きいピーク強度の光パルス（２３．０〜２８．１Ｗ）を発生させることができた。また、吸収領域に逆バイアス電圧を印加したＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５では、逆バイアス電圧を印加していないＮｏ．６（２５．２Ｗ）より小さいピーク強度の光パルス（１６．３〜２３．５Ｗ）を発生させることができた。また、吸収領域に逆バイアス電圧を印加したＮｏ．１６〜Ｎｏ．１７では、逆バイアス電圧を印加していないＮｏ．８（９．６Ｗ）より小さいピーク強度の光パルス（５．２〜８．８Ｗ）を発生させることができた。以上より、逆バイアス電圧の印加量を制御することによって、発生する光パルスのピーク強度を制御できることを確認した。

【0102】

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様を付記する。

【0103】

（付記１）
本発明の一態様によれば、
ｎ型不純物を含有する第１化合物半導体層と、ｐ型不純物を含有する第２化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層の間に設けられる発光層と、を有する光共振器と、
前記光共振器に対して、サブナノ秒（１ｎｓ未満）の時間幅で励起エネルギーを注入するパルス注入手段と、を備え、
前記光共振器は、利得領域と吸収領域とに分離されたマルチセクション構造を有し、
前記光共振器の光子寿命の２．５倍よりも短いパルス幅で光パルスを発生する半導体レーザが提供される。好ましくは、前記光パルスの前記パルス幅は、前記光子寿命の２．０倍よりも短い。より好ましくは、前記光パルスの前記パルス幅は、前記光子寿命の１．５倍よりも短い。好ましくは、前記時間幅は６００ｐｓ未満である。より好ましくは、前記時間幅は７０ｐｓ未満である。また、前記時間幅は、例えば９００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば８００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば７００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば６００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば５００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば４００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば３００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば２００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよいし、また例えば１００ｐｓ未満の範囲内で設定されてもよい。

【0104】

（付記２）
付記１に記載の半導体レーザであって、
前記光共振器は、発振方向に沿って利得領域と吸収領域とに分離されたマルチセクション構造を有する。

【0105】

（付記３）
付記１に記載の半導体レーザであって、
前記光共振器は、前記発振方向と交差する方向に沿って利得領域と吸収領域とに分離されたマルチセクション構造を有する。

【0106】

（付記４）
付記１から付記３に記載の半導体レーザであって、
前記光共振器の光子寿命よりも短いパルス幅で光パルスを発生する（前記励起エネルギーを注入する前記時間幅は、前記光パルスの前記パルス幅が前記光共振器の光子寿命よりも短くなるように設定されている）。好ましくは、前記光パルスの前記パルス幅は、１ｐｓ未満である。

【0107】

（付記５）
付記１から付記４に記載の半導体レーザであって、
前記発光層は、５周期以上の多重量子井戸構造を有する。好ましくは、前記発光層は、１０周期以上の多重量子井戸構造を有する。さらに好ましくは、前記発光層は、２０周期以上の多重量子井戸構造を有する。

【0108】

（付記６）
付記１から付記５のいずれか１つに記載の半導体レーザであって、
前記吸収領域に対して逆バイアス電圧を印加する手段をさらに備える。

【符号の説明】

【0109】

１０ 半導体レーザ
１１ パルス注入手段
２０ 光共振器
２１ 第１化合物半導体層
２２ 第２化合物半導体層
２３ 発光層
２４ 井戸層
２５ 障壁層
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３３ 絶縁層
７０ 半導体レーザ
７１ 光共振器
７２ バイアス電源
７３ 第３電極
７４ 分離溝
８０ 光共振器
９１ 光共振器
Ｚ１ 利得領域
Ｚ２ 吸収領域
Ｚ３ イオン注入領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】