特許 6973480 レーザ装置組立体

(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】6973480

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】レーザ装置組立体

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/10 20210101AFI20211118BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20211118BHJP

   H01S 5/50 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/10

   H01S5/026 610

   H01S5/50 610

【請求項の数】20

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2019-516895(P2019-516895)

(86)(22)【出願日】2018年2月16日

(86)【国際出願番号】JP2018005410

(87)【国際公開番号】WO2018207422

(87)【国際公開日】20181115

【審査請求日】2021年1月6日

(31)【優先権主張番号】特願2017-92273(P2017-92273)

(32)【優先日】2017年5月8日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002185

【氏名又は名称】ソニーグループ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001357

【氏名又は名称】特許業務法人つばさ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100094363

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 孝久

(74)【代理人】

【識別番号】100118290

【弁理士】

【氏名又は名称】吉井 正明

(72)【発明者】

【氏名】幸田 倫太郎

(72)【発明者】

【氏名】河野 俊介

【審査官】 小澤 尚由

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００３７０２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平７−２８７２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３４４０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２６０５２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０３５１８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０３３３４７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平５−１５２６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−４２１７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／１０

Ｈ０１Ｓ ５／０２６

Ｈ０１Ｓ ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１端部及び第２端部を有する第１利得部、
第３端部及び第４端部を有する第２利得部、
１又は多重のリング共振器、
第１利得部から出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器、及び、
第１利得部と半導体光増幅器との間に配設されたパルス選別器、
を備えており、
リング共振器は、第１利得部と光結合しており、且つ、第２利得部と光結合しており、
第１利得部及び第２利得部のいずれか一方においてレーザ発振がなされるモノリシック型のレーザ装置組立体。

【請求項2】

第１利得部の第１端部における端面に形成された第１光反射部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた第２光反射部によって、共振器が構成されており、
該共振器においてレーザ発振がなされる請求項１に記載のレーザ装置組立体。

【請求項3】

パルス選別器の第１端部と第１利得部の第２端部とは対向しており、
パルス選別器の第２端部と半導体光増幅器とは対向している請求項２に記載のレーザ装置組立体。

【請求項4】

第２利得部の第４端部は、曲げ導波路から構成されている請求項２に記載のレーザ装置組立体。

【請求項5】

第１利得部の第２端部とパルス選別器との間に、光結合器が配されている請求項２に記載のレーザ装置組立体。

【請求項6】

光結合器の一端部は、パルス選別器と対向しており、
光結合器の他端部は、曲げ導波路から構成されている請求項５に記載のレーザ装置組立体。

【請求項7】

第１利得部の第２端部は、曲げ導波路から構成されている請求項５に記載のレーザ装置組立体。

【請求項8】

第２利得部の第４端部は、曲げ導波路から構成されている請求項５に記載のレーザ装置組立体。

【請求項9】

第１利得部の第２端部に形成された光半透過部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた光反射部によって、共振器が構成されており、
該共振器においてレーザ発振がなされる請求項１に記載のレーザ装置組立体。

【請求項10】

第１利得部に形成された光半透過部とパルス選別器とは対向している請求項９に記載のレーザ装置組立体。

【請求項11】

第１利得部の第１端部は、曲げ導波路から構成されている請求項９に記載のレーザ装置組立体。

【請求項12】

第２利得部の第４端部は、曲げ導波路から構成されている請求項９に記載のレーザ装置組立体。

【請求項13】

第１利得部は、モード同期半導体レーザ素子から成る請求項２に記載のレーザ装置組立体。

【請求項14】

第２利得部は、モード同期半導体レーザ素子から成る請求項９に記載のレーザ装置組立体。

【請求項15】

パルス選別器は、正バイアス及び逆バイアスが印加される構造を有し、
パルス選別器に正バイアスが印加されたとき、第１利得部から出射されたレーザ光は半導体光増幅器に入射し、
パルス選別器に逆バイアスが印加されたとき、第１利得部から出射されたレーザ光は、パルス選別器によって半導体光増幅器への入射が阻止される請求項１に記載のレーザ装置組立体。

【請求項16】

パルス選別器は、リング共振器を経由したレーザ光を半導体光増幅器に入射させる請求項１５に記載のレーザ装置組立体。

【請求項17】

第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器は、同じ構造を有する化合物半導体層の積層構造体から成る請求項１に記載のレーザ装置組立体。

【請求項18】

化合物半導体層は窒化物系化合物半導体から成る請求項１７に記載のレーザ装置組立体。

【請求項19】

第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器は、基板の第２面上に設けられており、
基板の第１面には、第１電極が形成され、
第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器のそれぞれの頂面の少なくとも一部分には、独立した第２電極が設けられている請求項１７に記載のレーザ装置組立体。

【請求項20】

第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器は、リッジ構造を有する請求項１に記載のレーザ装置組立体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ装置組立体に関する。

【背景技術】

【0002】

超短パルスレーザに関する技術は、１９６０年後半から進展し始め、近年、急速に発展し、盛んに研究が行われている。ところで、その光源として、主に、チタンサファイアレーザを代表とする高価で大型、且つ、高精度の固体レーザ装置が用いられており、この点が技術の普及を阻害する要因の１つとなっている。もしも超短パルスレーザが半導体レーザ素子で実現できれば、大幅な小型化、低価格化、高安定性化がもたらされ、この分野の高度な科学技術を普及させる上でブレイクスルーになることが期待できる。例えば、波長領域が４０５ｎｍ帯である超短パルスレーザが半導体レーザ素子のみで実現できれば、ブルーレイ（登録商標）の次の体積型次世代光ディスク光源として用いることができるだけでなく、可視光域の全波長帯をカバーした手軽な超短パルス光源が実現できる。それ故、医療、バイオイメージング、光造形等の領域だけでなく、種々の幅広い分野で要求される光源を提供することができ、科学技術の進歩に著しい貢献をもたらすと考えられる。

【0003】

ところで、種々の幅広い分野での使用の拡大には更なる小型化が望まれるが、そのためには、超短パルスレーザを半導体レーザ素子から構成し、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier，ＳＯＡ）で増幅し、しかも、半導体レーザ素子と半導体光増幅器とを同一基板に集積化する、モノリシック型のレーザ装置組立体の開発が強く望まれている。

【0004】

モノリシック型ではない従来のレーザ装置組立体が、例えば、特開２０１２−０１５２６６公報から周知である。このレーザ装置組立体は、レーザ光源１００及び半導体光増幅器２００から構成されている。

【0005】

ところで、これまでに開発されてきた半導体レーザ素子は、レーザ光パルスの繰返し周波数をギガヘルツ帯とする設計がなされている。その理由は、半導体光増幅器におけるキャリア寿命がナノ秒オーダーであることから、半導体光増幅器による効果的な増幅を得るためである。半導体レーザ素子におけるレーザ光パルスの繰返し周波数は共振器長で決まるため、共振器長を１５ｃｍとすると１ギガヘルツの繰返し周波数を得ることができる。ところで、外部共振器を有していない半導体レーザ素子を想定した場合、共振器長はチップサイズで律速される結果、レーザ光パルスの繰返し周波数は数十ギガヘルツ乃至１００ギガヘルツとなってしまう。その結果、半導体光増幅器による効率的な増幅が困難になる。

【0006】

一方、共振器長を長くする手法として、リング共振器が提案されている。リング共振器への光結合の割合（分岐比κ）を低くすることで、実効的な共振器長を物理的なチップサイズ以上にすることが可能である。これまでに、リング共振器長の異なる複数のリング共振器を用いることで、その透過特性の波長依存性を利用して、可変波長光源として様々な提案がされている（例えば、ＷＯ２００７／０２９６４７号公報参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２−０１５２６６公報

【特許文献2】ＷＯ２００７／０２９６４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、所望のレーザ光パルスの繰返し周波数を達成するために適切な長さの共振器長を有し、半導体レーザ素子と半導体光増幅器とが同一基板に集積化されたモノリシック型のレーザ装置組立体は、本発明者らが調べた限り、知られていない。

【0009】

従って、本開示の目的は、所望のレーザ光パルスの繰返し周波数を達成するために適切な長さの共振器長を有し、半導体レーザ素子を構成する利得部と半導体光増幅器とが同一基板に集積化されたモノリシック型の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モノリシック型のレーザ装置組立体は、
第１端部及び第２端部を有する第１利得部、
第３端部及び第４端部を有する第２利得部、
１又は多重のリング共振器、
第１利得部から出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器、及び、
第１利得部と半導体光増幅器との間に配設されたパルス選別器、
を備えており、
リング共振器は、第１利得部と光結合しており、且つ、第２利得部と光結合しており、
第１利得部及び第２利得部のいずれか一方においてレーザ発振がなされる。

【発明の効果】

【0011】

本開示のレーザ装置組立体は、１又は多重のリング共振器を備えているが故に、レーザ光パルスの繰返し周波数を半導体光増幅器に合わせて最適化することができる。しかも、パルス選別器を備えているので、所望の波長を有するパルス光を半導体光増幅器に入射させることができる。そして、以上の結果として、高出力化と小型化が両立されたモノリシック型のレーザ装置組立体を提供することができる。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１Ａ及び図１Ｂは、実施例１のモノリシック型のレーザ装置組立体の模式的な平面図である。

【図2】図２Ａ及び図２Ｂは、実施例２のモノリシック型のレーザ装置組立体の模式的な平面図である。

【図3】図３は、実施例３のモノリシック型のレーザ装置組立体の模式的な平面図である。

【図4】図４は、実施例３のモノリシック型のレーザ装置組立体の模式的な平面図である。

【図5】図５は、実施例１のレーザ装置組立体を構成す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6】図６は、実施例１のレーザ装置組立体を構成す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7】図７Ａ及び図７Ｂは、パルス選別器の動作タイミングを模式的に示す図である。

【図8】図８は、共振器長とリング共振器の半径の関係を示すグラフである。

【図9】図９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10】図１０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11】図１１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。

【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（本開示のレーザ装置組立体、第１形態のレーザ装置組立体）
３．実施例２（実施例１の変形、第２形態のレーザ装置組立体）
４．実施例３（実施例１の変形、第３形態のレーザ装置組立体）
５．その他

【0014】

〈本開示のレーザ装置組立体、全般に関する説明〉
本開示のレーザ装置組立体にあっては、
第１利得部の第１端部における端面に形成された第１光反射部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた第２光反射部によって、共振器が構成されており、
該共振器においてレーザ発振がなされる構成とすることができる。

【0015】

そして、このような構成の本開示のレーザ装置組立体にあっては、
パルス選別器の第１端部と第１利得部の第２端部とは対向しており、
パルス選別器の第２端部と半導体光増幅器とは対向している形態とすることができる。尚、このような形態のレーザ装置組立体を、便宜上、『第１形態のレーザ装置組立体』と呼ぶ。更には、以上に説明した構成、形態において、第２利得部の第４端部は曲げ導波路から構成されている形態とすることができ、これによって、第２利得部の第４端部からの戻り光の発生を抑制することができる。パルス選別器の第１端部と第１利得部の第２端部との間には、後述する積層構造体（あるいはその一部）が存在する場合もあるし、空間が存在する場合もある。また、パルス選別器の第２端部と半導体光増幅器との間には、積層構造体（あるいはその一部）が存在する場合もあるし、空間が存在する場合もある。第１利得部とリング共振器との間には空間が存在するし、第２利得部とリング共振器との間にも空間が存在する。複数のリング共振器が配設されている場合、リング共振器とリング共振器との間に位置する利得部とそれぞれのリング共振器との間にも空間が存在する。

【0016】

あるいは又、このような構成の本開示のレーザ装置組立体にあっては、第１利得部の第２端部とパルス選別器との間に、光結合器が配されている形態とすることができる。尚、このような形態のレーザ装置組立体を、便宜上、『第２形態のレーザ装置組立体』と呼ぶ。第１利得部の第２端部と光結合器とは光結合している。このように、光結合器を配することで、半導体光増幅器において発生した増幅自然放出光が第１利得部に戻り難くなり、更なる戻り光の抑制が可能となる。そして、このような第２形態のレーザ装置組立体において、光結合器の一端部はパルス選別器（具体的には、パルス選別器の第１端部）と対向しており、光結合器の他端部は曲げ導波路から構成されている形態とすることができる。そして、更には、これらの好ましい形態において、第１利得部の第２端部は曲げ導波路から構成されている形態とすることができ、これによって、第１利得部の第２端部からの戻り光の発生を抑制することができる。更には、これらの好ましい形態において、第２利得部の第４端部は曲げ導波路から構成されている形態とすることができ、これによって、第２利得部の第４端部からの戻り光の発生を抑制することができる。光結合器の一端部とパルス選別器（具体的には、パルス選別器の第１端部）との間には、後述する積層構造体（あるいはその一部）が存在する場合もあるし、空間が存在する場合もある。また、パルス選別器の第２端部と半導体光増幅器との間には、積層構造体（あるいはその一部）が存在する場合もあるし、空間が存在する場合もある。第１利得部と光結合器との間には空間が存在するし、第１利得部とリング共振器との間には空間が存在するし、第２利得部とリング共振器との間にも空間が存在する。複数のリング共振器が配設されている場合、リング共振器とリング共振器との間に位置する利得部とそれぞれのリング共振器との間にも空間が存在する。

【0017】

あるいは又、本開示のレーザ装置組立体にあっては、
第１利得部の第２端部に形成された光半透過部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた光反射部によって、共振器が構成されており、
該共振器においてレーザ発振がなされる形態とすることができる。尚、このような形態のレーザ装置組立体を、便宜上、『第３形態のレーザ装置組立体』と呼ぶ。そして、この場合、第１利得部に形成された光半透過部とパルス選別器とは対向している形態とすることができるし、これらの形態にあっては、第１利得部の第１端部は曲げ導波路から構成されている形態とすることができ、これによって、第１利得部の第１端部からの戻り光の発生を抑制することができる。更には、これらの形態にあっては、第２利得部の第４端部は曲げ導波路から構成されている形態とすることができる。光半透過部とパルス選別器（具体的には、パルス選別器の第１端部）との間には、後述する積層構造体（あるいはその一部）が存在する場合もあるし、空間が存在する場合もある。また、パルス選別器の第２端部と半導体光増幅器との間には、積層構造体（あるいはその一部）が存在する場合もあるし、空間が存在する場合もある。第１利得部とリング共振器との間には空間が存在するし、第２利得部とリング共振器との間にも空間が存在する。複数のリング共振器が配設されている場合、リング共振器とリング共振器との間に位置する利得部とそれぞれのリング共振器との間にも空間が存在する。

【0018】

更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む第１形態あるいは第２形態のレーザ装置組立体において、第１利得部はモード同期半導体レーザ素子から成る形態とすることができるし、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む第３形態のレーザ装置組立体において、第２利得部はモード同期半導体レーザ素子から成る形態とすることができる。

【0019】

更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示のレーザ装置組立体において、
パルス選別器は、正バイアス（順バイアス）及び逆バイアスが印加される構造を有し、
パルス選別器に正バイアス（順バイアス）が印加されたとき、第１利得部から出射されたレーザ光は半導体光増幅器に入射し、
パルス選別器に逆バイアスが印加されたとき、第１利得部から出射されたレーザ光は、パルス選別器によって半導体光増幅器への入射が阻止される形態とすることができる。そして、この場合、パルス選別器は、リング共振器を経由したレーザ光を半導体光増幅器に入射させる形態とすることができる。

【0020】

更には、以上に説明した各種の好ましい構成、形態を含む本開示のレーザ装置組立体において、第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器、更には、光結合器は、同じ構造を有する化合物半導体層の積層構造体から成る形態とすることができ、この場合、化合物半導体層は窒化物系化合物半導体から成る形態とすることができ、更には、これらの場合、
第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器、更には、光結合器は、基板の第２面上に設けられており、
基板の第１面には、第１電極が形成され、
第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器、更には、光結合器のそれぞれの頂面の少なくとも一部分には、独立した第２電極が設けられている形態とすることができ、更には、これらの場合、第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器、更には、光結合器は、リッジ構造を有する形態とすることができる。尚、第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器を総称して、『半導体レーザ素子等』と呼ぶ場合がある。ここで、リング共振器に第２電極を設けなくともよい場合があるし、第１形態のレーザ装置組立体及び第２形態のレーザ装置組立体にあっては、第２利得部に第２電極を設けなくともよい場合があるし、第３形態のレーザ装置組立体にあっては、第１利得部に第２電極を設けなくともよい場合がある。

【0021】

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レーザ装置組立体において、モード同期半導体レーザ素子におけるレーザ光パルスの繰返し周波数は１ＧＨｚ以下であることが好ましい。

【0022】

以上に説明した好ましい構成、形態を含む本開示のレーザ装置組立体（以下、これらを総称して、単に『本開示のレーザ装置組立体等』と呼ぶ場合がある）において、半導体レーザ素子等は、具体的には、
（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第３化合物半導体層（活性層）、及び、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。

【0023】

モード同期半導体レーザ素子は、リッジ構造、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、Separate Confinement Heterostructure）を有する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。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。即ち、モード同期半導体レーザ素子の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成とすることができる。ここで、所定の角度として、０．１度乃至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、一方の端部におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、一方の端部とは反対側の積層構造体の他方の端部におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。また、モード同期半導体レーザ素子の軸線とは、一方の端部及び他方の端部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。

【0024】

あるいは又、モード同期半導体レーザ素子において、第２端部（第４端部）におけるリッジストライプ構造の幅をＷ₂、第１端部（第３端部）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縁部は、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端部（第３端部）から第２端部（第４端部）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端部（第３端部）から第２端部（第４端部）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端部（第３端部）から第２端部（第４端部）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。

【0025】

モード同期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第２端部が端面から構成されている場合、この端面の光反射率は５０％以上であることが好ましい。具体的には、この端面には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、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。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％）よりも格段に高い値である。

【0026】

また、第１利得部の第１端部における端面に形成された第１光反射部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた第２光反射部あるいは光反射部は、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。

【0027】

第３形態のレーザ装置組立体において、第１利得部の第２端部に形成された光半透過部は、分布ブラッグ反射鏡層（Distributed Bragg Reflector 層、ＤＢＲ層）から構成することができる。具体的には、第１利得部の第２端部の屈折率を、レーザ光の伝達方向に沿って周期的に変調（変化）させればよい。

【0028】

半導体レーザ素子等において、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構造を有するが、このリッジ構造は、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。リッジ構造の形成は、例えば、エッチング法に基づき行うことができる。

【0029】

半導体レーザ素子等において、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）〈後述する可飽和吸収領域を含む〉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［ＳＱＷ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、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＧａＮ）、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，Ｉｎ_zＧａ_(1-z)Ｎ）［但し、ｙ＞ｚ］、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＡｌＧａＮ）を例示することができる。

【0030】

モード同期半導体レーザ素子において、限定するものではないが、第２電極の幅は、０．５μｍ以上、５０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上、５μｍ以下、リッジストライプ構造の高さは、０．１μｍ以上、１０μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以上、１μｍ以下であることが望ましい。尚、積層構造体の長さ方向をＸ方向とし、積層構造体の幅方向をＹ方向とし、積層構造体の厚さ方向をＺ方向とする。半導体レーザ素子等にあっては、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。電子障壁層、ノンドープ化合物半導体層、光ガイド層、ｐ側コンタクト層は第２化合物半導体層を構成する。

【0031】

半導体レーザ素子等にあっては、半導体レーザ素子等を構成する各種の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、半導体レーザ素子等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。

【0032】

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。

【0033】

本開示のレーザ装置組立体等における好ましいモード同期半導体レーザ素子として、前述したとおり、可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子を挙げることができる。可飽和吸収領域への逆バイアス電圧Ｖ_sa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。具体的には、モード同期半導体レーザ素子は、積層構造体の長さ方向（Ｘ方向）に沿って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。そして、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Ｖ_sa）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。第１化合物半導体層は、基板や基体上に形成されている。

【0034】

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。尚、「長さ」は、積層構造体の長さ方向（Ｘ方向）に沿った長さである。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。

【0035】

モード同期半導体レーザ素子において、第２電極を第１部分と第２部分とに分離する分離溝の幅は、１μｍ以上、モード同期半導体レーザ素子における積層構造体の長さ方向（Ｘ方向）に沿った長さの５０％以下、好ましくは１０μｍ以上、１０％以下であることが望ましい。また、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。

【0036】

第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値は、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１×１０倍以上、好ましくは１×１０²倍以上、より好ましくは１×１０³倍以上であることが望ましい。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第１の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。あるいは又、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値は、１×１０²Ω以上、好ましくは１×１０³Ω以上、より好ましくは１×１０⁴Ω以上であることが望ましい。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第２の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。

【0037】

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Ｖ_saを高くすることができるため、パルス時間幅のより短いパルス状の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。

【0038】

また、第１の構成及び第２の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、限定するものではないが、
第３化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
井戸層の厚さは、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上、８ｎｍ以下であり、
障壁層の不純物ドーピング濃度は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下である形態とすることができる。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第３の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。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。

【0039】

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Ｖ_sa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。

【0040】

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Ｖ_sa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。

【0041】

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）のモード同期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）のモード同期半導体レーザ素子、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）型のモード同期半導体レーザ素子を採用することもできる。

【0042】

半導体レーザ素子等において、第２電極は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）単層、ニッケル（Ｎｉ）単層、白金（Ｐｔ）単層、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）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構成することができる。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）単層から構成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、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）から構成することが好ましい。曲げ導波路には第２電極は設けられていない。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

本開示のレーザ装置組立体等は、前述したとおり、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を備えている。半導体光増幅器は、第１利得部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。第１利得部から出射されたレーザ光は、半導体光増幅器を経由して系外に出射される。半導体光増幅器において、積層構造体は、具体的には、前述したとおり、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し、あるいは又、第２電極が分割されている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。

【0046】

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。尚、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ー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、半導体光増幅器の光出射側の端部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。

【0047】

尚、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、半導体光増幅器の光出射側の端部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ＬＢ_X、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢ_Yとしたとき、
０．２≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦１．２
好ましくは、
０．２≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦１．０
を満足することが望ましい。更には、半導体光増幅器の光出射側の端部において、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Ｙ_CCは、
ｔ₁’≦Ｙ_CC≦ｔ₁
好ましくは、
ｔ₁’≦Ｙ_CC≦０．５・ｔ₁
を満足することが望ましい。

【0048】

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。

【0049】

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ｎ_G-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎ_HRとしたとき、
０．０１≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．１
好ましくは、
０．０３≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．１
を満足する形態とすることができる。尚、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ｎ_Acとしたとき、
ｎ_HR≦ｎ_Ac
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。

【0050】

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。尚、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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。尚、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。

【0054】

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ｎ_G-1、高屈折率層を構成する化合物半導体材料の屈折率をｎ_HRとしたとき、
０＜ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．３
好ましくは、
０．０２≦ｎ_HR−ｎ_G-1≦０．２
を満足する形態とすることができる。尚、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ｎ_Acとしたとき、
ｎ_HR≦ｎ_Ac
を満足することが好ましい。

【0055】

そして、第２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、半導体光増幅器の光出射側の端部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ＬＢ_X、リッジストライプ構造の厚さ方向の寸法をＬＢ_Yとしたとき、
３×１０⁰≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦１×１０³
好ましくは、
１×１０¹≦ＬＢ_Y／ＬＢ_X≦１×１０²
を満足することが望ましい。更には、半導体光増幅器の光出射側の端部において、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Ｙ_CCは、
０ｍ＜Ｙ_CC≦（第１光ガイド層の厚さ）
好ましくは、
０ｍ＜Ｙ_CC≦（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。

【0056】

本開示の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。

【実施例1】

【0057】

実施例１は、本開示のレーザ装置組立体に関し、具体的には、第１形態のレーザ装置組立体に関する。実施例１のモノリシック型のレーザ装置組立体の模式的な平面図を図１Ａ及び図１Ｂに示す。また、実施例１のレーザ装置組立体を構成す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を図５に示し、共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図を図６に示し、パルス選別器の動作タイミングを模式的に図７Ａ及び図７Ｂに示す。ここで、図１Ａは、実施例１のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ａを構成する要素を明示した図であり、図１Ｂは、実施例１のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｂの全体を見渡した図である。

【0058】

ところで、モード同期半導体レーザ素子とリング共振器とを組み合わせて用いる場合、リング共振器の実効的な共振器長l_reffは、リング共振器の周回長をＩ_r、リング共振器とモード同期半導体レーザ素子（具体的には、モード同期半導体レーザ素子の直線導波路の部分）との分岐比をκとしたとき、
l_reff＝｛（１−κ²）／κ²｝Ｉ_r
で表すことができる。それ故、κ＝０．１程度の場合、リング共振器の物理的な長さよりも大幅に共振器長を長くすることが可能である。κ＝０．１、モード同期半導体レーザ素子の直線導波路の部分の長さを１．０ｍｍとしたときの、共振器長（単位：ｍｍ）とリング共振器の半径（単位：ｍｍ）の関係を図８のグラフに示す。分岐比κは、例えば、結合モード理論に基づき、所望の値とすることができる。また、リング共振器全体の屈折率を制御することで、リング共振器の光学的な長さを変えることができる結果、リング共振器の共振器長を所望の長さとすることもできる。例えば、リング共振器の頂面に形成する第２電極を構成する材料をＩＴＯ等の透明導電材料とすることで、リング共振器全体の屈折率を制御することができる。

【0059】

実施例１のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ａは、
第１端部２０Ａ及び第２端部２０Ｂを有する第１利得部２０、
第３端部３０Ａ及び第４端部３０Ｂを有する第２利得部３０、
１又は多重の（実施例１においては１つの）リング共振器４０、
第１利得部２０から出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器５０、及び、
第１利得部２０と半導体光増幅器５０との間に配設されたパルス選別器６０、
を備えており、
リング共振器４０は、第１利得部２０と光結合しており、且つ、第２利得部３０と光結合しており、
第１利得部２０及び第２利得部３０のいずれか一方においてレーザ発振がなされる。

【0060】

そして、実施例１のレーザ装置組立体にあっては、第１利得部２０の第１端部２０Ａにおける端面２０ａに形成された第１光反射部（具体的には、第１光反射面）２３、及び、第２利得部３０の第３端部３０Ａにおける端面３０ａに設けられた第２光反射部（具体的には、第２光反射面）３３によって、共振器が構成されている。より具体的には、第１光反射部２３及び第２光反射部３３は、高反射コート層（ＨＲ）から成る光反射面から構成されている。また、この共振器においてレーザ発振がなされる。

【0061】

また、パルス選別器６０の第１端部６０Ａと第１利得部２０の第２端部２０Ｂとは対向しており、パルス選別器６０の第２端部６０Ｂと半導体光増幅器５０とは対向している。第２利得部３０の第４端部３０Ｂは曲げ導波路３６から構成されており、第２利得部３０の第４端部３０Ｂからの戻り光の発生を抑制している。パルス選別器６０の第１端部６０Ａと第１利得部２０の第２端部２０Ｂとの間には、積層構造体９０が残されている。また、パルス選別器６０の第２端部６０Ｂと半導体光増幅器５０との間にも、積層構造体９０が残されている。第１利得部２０とリング共振器４０との間には空間が存在するし、第２利得部３０とリング共振器４０との間にも空間が存在する。参照番号９１は、リッジ構造以外の積層構造体の領域を指し、この領域は、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ている。即ち、この領域は、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し、第３化合物半導体層（活性層）及び第１化合物半導体層から構成されていてもよいし、第２化合物半導体層の厚さ方向の一部分、第３化合物半導体層（活性層）及び第１化合物半導体層から構成されていてもよい。これらのリッジ構造及びリッジ構造以外の積層構造体の領域９１は、例えば、エッチング法に基づき形成することができる。

【0062】

尚、実施例１における第１利得部２０において、第１利得部２０とパルス選別器６０との間の積層構造体９０を除去した場合には、パルス選別器６０と対向する第１利得部２０の第２端部２０Ｂにおける端面（光出射端面）には、無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。

【0063】

第１利得部２０はモード同期半導体レーザ素子２０’から成る。モード同期半導体レーザ素子２０’の共振器の延びる方向に沿った（即ち、図５の矢印Ｉ−Ｉに沿った）模式的な端面図を図６に示し、モード同期半導体レーザ素子２０’の共振器の延びる方向と直角方向に沿った（即ち、図６の矢印ＩＩ−ＩＩに沿った）模式的な断面図を図５に示す。

【0064】

モード同期半導体レーザ素子２０’は、発光領域（利得領域）２１及び可飽和吸収領域２２を有する。可飽和吸収領域２２は、第１利得部２０における第１端面２０ａの側に設けられている。具体的には、モード同期半導体レーザ素子２０’は、共振器方向に発光領域２１と可飽和吸収領域２２とを並置したバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子から成る。あるいは又、モード同期半導体レーザ素子２０’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２３０、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層）２４０、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２５０、
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２３０は、基体（具体的には、基板２２１）上に形成されている。

【0065】

より具体的には、発光波長４０５ｎｍ帯のバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子２０’は、図５及び図６に示すように、
（ａ）第１導電型（具体的には、ｎ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層２３０、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）２１及び可飽和吸収領域２２を構成する第３化合物半導体層（活性層）２４０、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（具体的には、ｐ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層２５０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２５０上に形成された帯状の第２電極２６２、並びに、
（ｃ）第１化合物半導体層２３０に電気的に接続された第１電極２６１、
を備えている。尚、モード同期半導体レーザ素子２０’は、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）を有する。

【0066】

そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３において、モード同期半導体レーザ素子２０’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であって受動モード同期、能動モード同期あるいはハイブリッドモード同期のモード同期半導体レーザ素子である。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パルス状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パルス状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。

【0067】

第２電極２６２は、発光領域（利得領域）２１を経由して第１電極２６１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２６２Ａと、可飽和吸収領域２２に電界を加えるための第２部分２６２Ｂ（可飽和吸収領域２２に逆バイアス電圧Ｖ_saを加えるための第２部分２６２Ｂ）とに、分離溝２６２Ｃによって分離されている。ここで、第２電極２６２の第１部分２６２Ａと第２部分２６２Ｂ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２６２と第１電極２６１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２６２の第１部分２６２Ａと第２部分２６２Ｂ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２０’の全長を１．００ｍｍ、第２電極２６２の第１部分２６２Ａ、第２部分２６２Ｂ、分離溝２６２Ｃのそれぞれの長さを、０．９６ｍｍ、０．０３μｍ、０．０１μｍとした。また、リッジストライプ構造２５５の幅を１．４μｍとした。

【0068】

また、第１利得部２０、第２利得部３０、リング共振器４０、半導体光増幅器５０及びパルス選別器６０は、同じ構造を有する化合物半導体層の積層構造体から成り、具体的には、化合物半導体層は窒化物系化合物半導体から成る。更には、
第１利得部２０、第２利得部３０、リング共振器４０、半導体光増幅器５０及びパルス選別器６０は、基板２２１の第２面２２１Ｂ上に設けられており、
基板２２１の第１面２２１Ａには、第１電極２６１が形成され、
第１利得部２０、第２利得部３０、リング共振器４０、半導体光増幅器５０及びパルス選別器６０のそれぞれの頂面の少なくとも一部分には、独立した第２電極が設けられている。また、第１利得部２０、第２利得部３０、リング共振器４０、半導体光増幅器５０及びパルス選別器６０は、リッジ構造を有する。

【0069】

モード同期半導体レーザ素子２０’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）を有するモード同期半導体レーザ素子である。より具体的には、この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２３０、第３化合物半導体層（活性層）２４０、及び、第２化合物半導体層２５０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２２１に近い層である。第３化合物半導体層２４０における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは３．０６ｅＶである。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３におけるモード同期半導体レーザ素子２０’は、ｎ型ＧａＮ基板２２１の（０００１）面上に設けられており、第３化合物半導体層２４０は量子井戸構造を有する。ｎ型ＧａＮ基板２２１の（０００１）面は、『Ｃ面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。

【0070】

［表１］
第２化合物半導体層２５０
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）２５４
ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層２５３
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）２５２
ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層２５１
第３化合物半導体層２４０
ＧａＩｎＮ量子井戸活性層
（井戸層：Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ）
第１化合物半導体層２３０
ｎ型ＧａＮクラッド層２３２
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２３１
但し、
井戸層（２層） ８ｎｍ ノン・ドープ
障壁層（３層） １４ｎｍ Ｓｉドープ

【0071】

また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２５４及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層２５３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２５５が形成されている。リッジストライプ構造２５５の両側にはＳｉＯ₂／Ｓｉから成る積層絶縁膜２５６が形成されている。尚、ＳｉＯ₂層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。ここで、リッジストライプ構造２５５の有効屈折率と積層絶縁膜２５６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２５５の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層２５４上には、第２電極（ｐ側オーミック電極）２６２が形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板２２１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）２６１が形成されている。

【0072】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３におけるモード同期半導体レーザ素子２０’にあっては、第３化合物半導体層２４０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２５２、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層２５３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２５４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２４０からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２５２までの距離ｄを０．１０μｍ、リッジストライプ構造２５５の高さを０．３０μｍ、第２電極２６２と第３化合物半導体層２４０との間に位置する第２化合物半導体層２５０の厚さを０．５０μｍ、第２電極２６２の下方に位置するｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層２５３の部分の厚さを０．４０μｍとした。

【0073】

ここで、図１Ａ、図１Ｂ、後述する図２Ａ、図２Ｂ、図３及び図４においては、第１利得部２０、第２利得部３０、リング共振器４０、半導体光増幅器５０及びパルス選別器６０の頂面に形成された第２電極に、明示のために斜線を付している。第１利得部２０における第２電極２６２には第２電極２６２を外部へ接続するためのパッド部２４，２５が設けられている。即ち、発光領域（利得領域）２１に対してパッド部２４が設けられているし、可飽和吸収領域２２に対してパッド部２５が設けられている。同様に、リング共振器４０における第２電極にはこの第２電極を外部へ接続するためのパッド部４１が設けられているし、第２利得部３０における第２電極にはこの第２電極を外部へ接続するためのパッド部３４が設けられているし、パルス選別器６０における第２電極にはこの第２電極を外部へ接続するためのパッド部６１が設けられている。基板２２１には、第１利得部２０、第２利得部３０、リング共振器４０、半導体光増幅器５０及びパルス選別器６０に共通した第１電極（ｎ側オーミック電極）２６１が設けられている。

【0074】

そして、第１利得部２０において生成したレーザ光の一部（κで決まる）が、リング共振器４０に光結合され、リング共振器４０へと移る。そして、リング共振器４０において或る滞在時間を経た後、リング共振器４０内のレーザ光の一部（κで決まる）は第２利得部３０に光結合され、第２利得部３０へと移る。第２利得部３０で利得を得たレーザ光の内、リング共振器４０に結合しないレーザ光の部分は曲げ導波路３６に進むがこの部分には第２電極が形成されないため、利得が得られない。また、曲げ導波路３６とすることで、曲げ導波路３６から第２利得部３０に戻る光を抑制できる。第２利得部３０におけるレーザ光は、以上の説明とは逆に、リング共振器４０に光結合され、リング共振器４０へと移る。そして、リング共振器４０において或る滞在時間を経た後、リング共振器４０内のレーザ光の一部（κで決まる）は第１利得部２０に光結合され、第１利得部２０へと移る。こうして、第１光反射部２３及び第２光反射部３３によって構成された共振器内でレーザ光が発生する。そして、第１利得部２０におけるレーザ光の一部が、パルス選別器６０を経由して半導体光増幅器５０に入射し、半導体光増幅器５０において光増幅され、半導体光増幅器５０から出射される。

【0075】

リング共振器４０には強い波長依存を持たせることが可能であるので、半導体光増幅器５０の増幅自然放出光（ＡＳＥ）のピークよりも短波側で発振するように、リング共振器４０のリング長や積層構造体の屈折率を調整する。また、リング共振器４０には第２電極を設けてその電流量により利得が得られる構造としてもよいし、透明電流で動作させてパッシブ導波路として機能させてもよい。ここで、「透明電流で動作させる」とは、リング共振器４０に第２電極を設けて、リング共振器４０内を流れる電流量を調整することで、リング共振器４０において利得を得ない状態でリング共振器４０を動作させることを意味する。

【0076】

ここで、実施例１のレーザ装置組立体において、パルス選別器６０に第２電極を設けることで、パルス選別器６０をモード同期半導体レーザ素子２０’と独立して駆動することが可能となる。そして、
パルス選別器６０は、正バイアス（順バイアス）及び逆バイアスが印加される構造を有し（即ち、第１電極及び第２電極を有し）、
パルス選別器６０に正バイアス（順バイアス）が印加されたとき、一種、パルス選別器６０は開状態となり、第１利得部２０から出射されたレーザ光は半導体光増幅器５０に入射し、
パルス選別器６０に逆バイアスが印加されたとき、一種、パルス選別器６０は閉状態となり、第１利得部２０から出射されたレーザ光は、パルス選別器６０によって半導体光増幅器５０への入射が阻止される。パルス選別器６０は、リング共振器４０を経由したレーザ光を半導体光増幅器５０に入射させる。パルス選別器６０を開状態／閉状態とするタイミングは、パッシブモード同期で駆動する場合には、モード同期半導体レーザ素子２０’の可飽和吸収領域２２を流れる電流をモニターすることで、最適化することができる。

【0077】

また、パルス選別器６０は、半導体光増幅器５０からの増幅自然放出光や、モード同期半導体レーザ素子２０’からの増幅自然放出光をフィルタリングする機能も有し、これによって、モード同期半導体レーザ素子２０’への戻り光や、モード同期半導体レーザ素子２０’の増幅自然放出光が半導体光増幅器５０によって増幅されることを抑制することができる。

【0078】

ここで、パルス選別器６０を図７Ａに示すように駆動することで、ノイズ光を抑制することができる。加えて、パルス選別器６０に逆バイアスを印加する時間を増やすことで、図７Ｂに示すように、レーザ光パルスを間引くことが可能になる。レーザ装置組立体の応用分野によっては全てのレーザ光パルスを用いると発熱による異常等が発生する可能性があるが、レーザ光パルスを間引くことで、実質的なレーザ光パルスの繰返し周波数を基本周波数よりも低くすることが可能になる。尚、レーザ光パルスの繰返し周波数が１ＧＨｚ以下であることが好ましい。

【0079】

実施例１のレーザ装置組立体は、１又は多重のリング共振器を備えているが故に、レーザ光パルスの繰返し周波数を半導体光増幅器に合わせて最適化することができる。しかも、パルス選別器を備えているので、所望の波長を有するパルス光を半導体光増幅器に入射させることができる。そして、以上の結果として、ピークパワーの高いレーザ光パルス光源を小型化することができ、高出力化と小型化が両立されたモノリシック型のレーザ装置組立体を提供することができる。また、戻り光に起因したノイズ等が増加することの無いレーザ光パルス光源を提供することができるし、レーザ光パルスの繰返し周波数を所望の値に制御することができる。

【実施例2】

【0080】

実施例２は、実施例１の変形であるが、第２形態のレーザ装置組立体に関する。実施例２のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｂの模式的な平面図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。ここで、図２Ａは、実施例２のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｂを構成する要素を明示した図であり、図２Ｂは、実施例２のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｂの全体を見渡した図である。

【0081】

実施例２のレーザ装置組立体にあっては、第１利得部２０の第２端部２０Ｂとパルス選別器６０との間には、光結合器７０が配されている。第１利得部２０の第２端部２０Ｂと光結合器７０とは光結合している。光結合器７０の一端部はパルス選別器６０（具体的には、パルス選別器６０の第１端部６０Ａ）と対向しており、光結合器７０の他端部は曲げ導波路７６から構成されている。また、第１利得部２０の第２端部２０Ｂの先端は曲げ導波路２６から構成されており、これによって、第１利得部２０の第２端部２０Ｂからの戻り光の発生を抑制することができる。第２利得部３０の第４端部３０Ｂは曲げ導波路３６から構成されている。

【0082】

光結合器７０の一端部とパルス選別器６０（具体的には、パルス選別器６０の第１端部６０Ａ）との間には、積層構造体９０が残されている。また、パルス選別器６０の第２端部６０Ｂと半導体光増幅器５０との間にも、積層構造体９０が残されている。第１利得部２０と光結合器７０との間には空間が存在するし、第１利得部２０とリング共振器４０との間には空間が存在するし、第２利得部３０とリング共振器４０との間にも空間が存在する。

【0083】

光結合器７０は、モード同期半導体レーザ素子２０’を構成する積層構造体と同じ構造を有する化合物半導体層の積層構造体から成る。光結合器７０は、基板２２１の第２面２２１Ｂ上に設けられている。光結合器７０の頂面には、独立した第２電極が設けられており、第２電極を外部へ接続するためのパッド部７１が設けられている。このように、光結合器７０を配することで、半導体光増幅器５０において発生した増幅自然放出光がモード同期半導体レーザ素子２０’に戻らなくなり、更なる戻り光の抑制が可能となる。

【実施例3】

【0084】

実施例３は、実施例１の変形であるが、第３形態のレーザ装置組立体に関する。実施例３のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｃの模式的な平面図を図３及び図４に示す。ここで、図３は、実施例３のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｃを構成する要素を明示した図であり、図４は、実施例３のモノリシック型のレーザ装置組立体１０Ｃの全体を見渡した図である。

【0085】

実施例３のレーザ装置組立体にあっては、第１利得部１２０の第２端部１２０Ｂに形成された光半透過部１２８、及び、第２利得部１３０の第３端部１３０Ａにおける端面に設けられた光反射部１３３によって、共振器が構成されており、この共振器においてレーザ発振がなされる。第１利得部１２０に形成された光半透過部１２８とパルス選別器６０（具体的には、パルス選別器６０の第１端部６０Ａ）とは対向している。第１利得部１２０の第１端部１２０Ａは曲げ導波路１２７から構成されており、これによって、第１利得部１２０の第１端部１２０Ａからの戻り光の発生を抑制することができるし、反対周り（図３に示す例では反時計回り）を周回する共振モードを抑制することができる。第１利得部１２０は、実施例１において説明した第２利得部３０同じ構成、構造を有する。但し、第２光反射部（具体的には、第２光反射面）３３を有する代わりに、光半透過部１２８を有する点が異なる。第２利得部１３０の第４端部１３０Ｂは曲げ導波路１３６から構成されている。光半透過部１２８は、分布ブラッグ反射鏡層から構成されている。第２利得部１３０を構成するモード同期半導体レーザ素子１３０’は、実質的に、実施例１において説明したモード同期半導体レーザ素子２０’と同じ構成、構造を有する。即ち、第２利得部１３０は、
（ａ）第１導電型（具体的には、ｎ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層２３０、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）１３１及び可飽和吸収領域１３２を構成する第３化合物半導体層（活性層）２４０、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（具体的には、ｐ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層２５０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２５０上に形成された帯状の第２電極２６２、並びに、
（ｃ）第１化合物半導体層２３０に電気的に接続された第１電極２６１、
を備えている。尚、モード同期半導体レーザ素子１３０’から成る第２利得部１３０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。第２利得部１３０における第２電極２６２には第２電極２６２を外部へ接続するためのパッド部１３４，１３５が設けられている。即ち、発光領域（利得領域）１３１に対してパッド部１３４が設けられているし、可飽和吸収領域１３２に対してパッド部１３５が設けられている。

【0086】

実施例３にあっては、２つのリング共振器４０，４２が配設されている。リング共振器４２における第２電極にはこの第２電極を外部へ接続するためのパッド部４３が設けられている。２つのリング共振器４０，４２の間には、これらのリング共振器４０，４２と光結合した第３利得部１８０が配設されている。第３利得部１８０の一端部及び他端部には、曲げ導波路１８６，１８７が配されている。第３利得部１８０の頂面には、独立した第２電極が設けられており、この第２電極を外部へ接続するためのパッド部１８４が設けられている。尚、リング共振器の数は２に限定するものではない。また、実施例１あるいは実施例２においても、複数のリング共振器４０，４２、第３利得部１８０を配設することができる。

【0087】

光半透過部１２８とパルス選別器６０（具体的には、パルス選別器６０の第１端部６０Ａ）との間には、積層構造体９０が残されている。また、パルス選別器６０の第２端部６０Ｂと半導体光増幅器５０との間にも、積層構造体９０が残されている。第１利得部１２０とリング共振器４０との間には空間が存在するし、リング共振器４０と第３利得部１８０との間、第３利得部１８０とリング共振器４２との間、リング共振器４２と第２利得部１３０との間にも空間が存在する。

【0088】

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レーザ装置組立体、モード同期半導体レーザ素子、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、半導体光増幅器の仕様が変われば、変わることは当然である。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。

【0089】

発光領域２１，１３１や可飽和吸収領域２２，１３２の数は１に限定されない。１つの第２電極の第１部分２６２Ａと２つの第２電極の第２部分２６２Ｂ₁，２６２Ｂ₂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９及び図１０に示す。図９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２６２Ａの一端が、一方の分離溝２６２Ｃ₁を挟んで、一方の第２部分２６２Ｂ₁と対向し、第１部分２６２Ａの他端が、他方の分離溝２６２Ｃ₂を挟んで、他方の第２部分２６２Ｂ₂と対向している。そして、１つの発光領域２１，１３１が、２つの可飽和吸収領域２２₁，１３２₂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２６２Ａ₁，２６２Ａ₂と１つの第２電極の第２部分２６２Ｂ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１０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２６２Ｂの端部が、一方の分離溝２６２Ｃ₁を挟んで、一方の第１部分２６２Ａ₁と対向し、第２部分２６２Ｂの他端が、他方の分離溝２６２Ｃ₂を挟んで、他方の第１部分２６２Ａ₂と対向している。そして、１つの可飽和吸収領域２２，１３２が、２つの発光領域２１₁，１３１₁，２１₂，１３１₂によって挟まれている。

【0090】

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モード同期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を上方から眺めた模式図を図１１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。

【0091】

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を設ける場合、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。

【0092】

尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《レーザ装置組立体》
第１端部及び第２端部を有する第１利得部、
第３端部及び第４端部を有する第２利得部、
１又は多重のリング共振器、
第１利得部から出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器、及び、
第１利得部と半導体光増幅器との間に配設されたパルス選別器、
を備えており、
リング共振器は、第１利得部と光結合しており、且つ、第２利得部と光結合しており、
第１利得部及び第２利得部のいずれか一方においてレーザ発振がなされるモノリシック型のレーザ装置組立体。
［Ａ０２］第１利得部の第１端部における端面に形成された第１光反射部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた第２光反射部によって、共振器が構成されており、
該共振器においてレーザ発振がなされる［Ａ０１］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０３］《第１形態のレーザ装置組立体》
パルス選別器の第１端部と第１利得部の第２端部とは対向しており、
パルス選別器の第２端部と半導体光増幅器とは対向している［Ａ０２］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０４］第２利得部の第４端部は、曲げ導波路から構成されている［Ａ０２］又は［Ａ０３］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０５］《第２形態のレーザ装置組立体》
第１利得部の第２端部とパルス選別器との間に、光結合器が配されている［Ａ０２］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０６］光結合器の一端部は、パルス選別器と対向しており、
光結合器の他端部は、曲げ導波路から構成されている［Ａ０５］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０７］第１利得部の第２端部は、曲げ導波路から構成されている［Ａ０５］又は［Ａ０６］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０８］第２利得部の第４端部は、曲げ導波路から構成されている［Ａ０５］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ０９］《第３形態のレーザ装置組立体》
第１利得部の第２端部に形成された光半透過部、及び、第２利得部の第３端部における端面に設けられた光反射部によって、共振器が構成されており、
該共振器においてレーザ発振がなされる［Ａ０１］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１０］第１利得部に形成された光半透過部とパルス選別器とは対向している［Ａ０９］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１１］第１利得部の第１端部は、曲げ導波路から構成されている［Ａ０９］又は［Ａ１０］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１２］第２利得部の第４端部は、曲げ導波路から構成されている［Ａ０９］乃至［Ａ１１］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１３］第１利得部は、モード同期半導体レーザ素子から成る［Ａ０２］乃至［Ａ０８］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１４］第２利得部は、モード同期半導体レーザ素子から成る［Ａ０９］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１５］パルス選別器は、正バイアス及び逆バイアスが印加される構造を有し、
パルス選別器に正バイアスが印加されたとき、第１利得部から出射されたレーザ光は半導体光増幅器に入射し、
パルス選別器に逆バイアスが印加されたとき、第１利得部から出射されたレーザ光は、パルス選別器によって半導体光増幅器への入射が阻止される［Ａ０１］乃至［Ａ１４］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１６］パルス選別器は、リング共振器を経由したレーザ光を半導体光増幅器に入射させる［Ａ１５］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１７］第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器は、同じ構造を有する化合物半導体層の積層構造体から成る［Ａ０１］乃至［Ａ１６］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１８］化合物半導体層は窒化物系化合物半導体から成る［Ａ１７］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ１９］第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器は、基板の第２面上に設けられており、
基板の第１面には、第１電極が形成され、
第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器のそれぞれの頂面の少なくとも一部分には、独立した第２電極が設けられている［Ａ１７］又は［Ａ１８］に記載のレーザ装置組立体。
［Ａ２０］第１利得部、第２利得部、リング共振器、半導体光増幅器及びパルス選別器は、リッジ構造を有する［Ａ０１］乃至［Ａ１９］のいずれか１項に記載のレーザ装置組立体。

【符号の説明】

【0093】

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ・・・モノリシック型のレーザ装置組立体、２０，１２０・・・第１利得部、２０’，１３０’・・・モード同期半導体レーザ素子、２０Ａ，１２０Ａ・・・第１利得部の第１端部、２０Ｂ，１２０Ｂ・・・第１利得部の第２端部、２０ａ・・・第１利得部の第１端部における端面、２１，１３１・・・発光領域（利得領域）、２２，１３２・・・可飽和吸収領域、２３，１３３・・・第１光反射部（第１光反射面）、２４，２５，３４，３５，４１，４３，６１，７１，８４，１３４，１３５・・・パッド部、２６，２７，３６，７６，８６，８７，１２７，１３６・・・曲げ導波路、１２８・・・光半透過部、３０，１３０・・・第２利得部、３０Ａ，１３０Ａ・・・第２利得部の第３端部、３０ａ，１３０Ｂ・・・第２利得部の第３端部における端面、３０Ｂ・・・第２利得部の第４他端部、３３・・・第２光反射部（第２光反射面）又は光反射部（光反射面）、４０，４２・・・リング共振器、５０・・・半導体光増幅器、６０・・・パルス選別器、６０Ａ・・・パルス選別器の第１端部、６０Ｂ・・・パルス選別器の第２端部、７０・・・光結合器、８０・・・第３利得部、９０・・・積層構造体、９１・・・リッジ構造以外の積層構造体の領域、２２１・・・基板、２２１Ａ・・・基板の第１面、２２１Ｂ・・・基板の第２面、２３０・・・第１化合物半導体層、２３１・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２３２・・・ｎ型ＧａＮクラッド層、２４０・・・第３化合物半導体層（活性層）、２５０・・・第２化合物半導体層、２５１・・・ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層、２５２・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）、２５３・・・ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、２５４・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）、２５５・・・リッジストライプ構造、２６１・・・第１電極、２６２・・・第２電極、２６２Ａ・・・第２電極の第１部分、２６２Ｂ・・・第２電極の第２部分、２６２Ｃ・・・分離溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】