光半导体元件和激光装置组件的制作方法

本发明涉及光半导体元件和激光装置组件。

背景技术：

与超短脉冲激光器相关的技术自1960年下半叶开始得到发展，且近些年的研究十分活跃，进展快速。然而，其光源主要使用以钛-蓝宝石激光器为代表的昂贵、大型、高精度的固体激光装置，这是阻碍该技术普及的因素之一。如果可以用半导体激光元件来实现超短脉冲激光器，则可以显著减小体积、降低价格、和实现高稳定性，这对于在该领域普及前沿科学技术而言是一种突破，受到期待。例如，如果仅用半导体激光元件就能实现波长范围为405nm频带的超短脉冲激光器，则不仅能够用作下一代蓝光(注册商标)的大容量光盘光源，而且还可以实现覆盖可见光范围内的全波长带的易于实现的超短脉冲光源。这就可以提供广泛领域内所需的光源，包括医学领域、生物成像领域和光学成型领域等，这对于科学技术的发展而言可以说贡献巨大。

此外，增加输出功率是激光光源的另一课题。因此，作为增加半导体激光元件的输出功率以及放大激光光源的输出光的手段，已经开始研究半导体光学放大器(semiconductoropticalamplifier，soa)。传统上，光学放大器主要开发用于光通信，因此几乎见不到半导体光学放大器在405nm频带中的实用化先例。举例来说，日本专利文献jph5-067845a中公开了使用gainasp系化合物半导体、且具有锥形脊状条纹结构的1.5μm波带的半导体光学放大器。jph5-067845a中公开的技术是通过在半导体光学放大器中，从满足单模条件的狭窄输入侧光波导到输出侧光波导以锥形形状逐渐增大光波导宽度，根据光波导宽度来扩展模场(modefield)，从而增大半导体光学放大器的最高输出。

此外，日本专利文献jp2012-151210中公开了由第一化合物半导体层、第三化合物半导体层和第二化合物半导体层的层叠结构体形成的、具有脊状条纹结构的半导体激光元件(具体而言，锁模半导体激光元件(mode-lockedsemiconductorlaserelement))。在该半导体激光元件中，层叠结构体形成三个区域(第一发光区域，可饱和吸收区域和第二发光区域)，且位于光射出端面侧的第二发光区域具有朝着光射出端面的方向逐渐变宽的锥形形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:jph5-067845a

专利文献2:jp2012-151210

技术实现要素：

发明要解决的问题

正如jph5-067845a中所公开的那样，通过朝着光射出端面侧以锥形形状增大光波导宽度，可以增大半导体光学放大器的最高输出，但是，从半导体光学放大器发射的激光的波束质量不高。此外，jp2012-151210中公开的技术的目的是为了防止可饱和吸收区域等中出现损坏，而不是为了增加输出功率以及提高激光的波束质量。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有能提高输出光的波束质量、同时还增加输出功率的构成和结构的光半导体元件，以及具有上述光半导体元件的激光装置组件。

解决问题的方案

根据本发明，为了实现上述目的，提供一种光半导体元件，包括：由第一化合物半导体层、第三化合物半导体层(有源层(活性层))和第二化合物半导体层构成的层叠结构体。依次布置波导宽度为w1的基模波导区域、宽度大于w1的自由传播区域、以及光射出区域，所述光射出区域具有朝着光射出端面的方向而宽度增大的锥形(喇叭形)形状。

根据本发明，为了实现上述目的，提供一种激光装置组件，包括：激光光源；以及由根据本发明的上述光半导体元件构成的、构造为对从所述激光光源射出的激光进行放大的半导体光学放大器(soa)。构成所述半导体光学放大器的光半导体元件中的光射出区域的轴线和光射出端面以锐角相交。

发明效果

在本发明的光半导体元件、或者构成本发明的激光装置组件中的半导体光学放大器的光半导体元件(下文中，这些光半导体元件统称为“本发明的光半导体元件等”)中，光射出区域具有朝着光射出端面的方向而宽度增大的锥形形状。因此，可以扩展光射出区域中的模场，并增大光半导体元件的光输出。而且，在由光半导体元件构成半导体光学放大器的情况中，还能够在保持单一横模的情况下对光进行放大。此外，由于自由传播区域的波导宽度大于基模波导区域的波导宽度w1，因此，可以改善射出光的波束质量。要注意的是，本说明书中所描述的效果仅仅是举例而非限制性的，还可以有其他效果。

附图说明

[图1]图1a为实施例1的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，且图1b为实施例1的光半导体元件(半导体光学放大器)的沿xz平面的示意性横截面图。

[图2]图2为实施例1的光半导体元件(半导体光学放大器)的沿yz平面的示意性部分横截面图。

[图3]图3为实施例1的激光装置组件的概念图。

[图4]图4为显示实施例1的光半导体元件(半导体光学放大器)的m²值的测量结果的图表。

[图5]图5a为实施例2的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图5b为实施例2的光半导体元件(半导体光学放大器)的沿xz平面的示意性横截面图。

[图6]图6a为实施例3的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图6b为实施例3的光半导体元件(半导体光学放大器)的沿xz平面的示意性横截面图。

[图7]图7a为实施例4的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图7b为实施例4的光半导体元件(半导体光学放大器)的沿xz平面的示意性横截面图。

[图8]图8a为实施例5的光半导体元件(锁模半导体激光元件)的示意性平面图，图8b为实施例5的光半导体元件(锁模半导体激光元件)的沿xz平面的示意性横截面图。

[图9]图9a和图9b为实施例5中的激光装置组件的概念图。

[图10]图10a、10b和10c为实施例5中的激光装置组件的概念图。

[图11]图11为构成激光装置组件的激光光源的锁模半导体激光元件的变形例的沿xz平面的示意性横截面图。

[图12]图12为构成激光装置组件的激光光源的锁模半导体激光元件的另一变形例的沿xz平面的示意性横截面图。

具体实施方式

下面，参照附图基于实施例描述本发明，但本发明不限于这些实施例，且实施例中的各种数值和材料仅仅是举例。按以下顺序进行描述。

1.本发明的光半导体元件和激光装置组件的总体描述

2.实施例1(本发明的光半导体元件和本发明的激光装置组件)

3.实施例2(实施例1的变形；半导体光学放大器)

4.实施例3(实施例1的另一种变形)

5.实施例4(实施例1的再一种变形)

6.实施例5(实施例1的又一种变形；锁模半导体激光元件)

7.其他

<本发明的光半导体元件和激光装置组件的总体描述>

本发明的激光装置组件可以构造为基模波导区域的被来自激光光源的激光入射的部分的宽度等于所入射的激光的宽度。在此，“等于”表示

0.8≤(基模波导区域的被来自激光光源的激光入射的部分的宽度w10)/(所入射的激光的宽度wlaser)≤1.2

激光光源可由半导体激光元件构成。

本发明的具有上文所述的优选构造的光半导体元件可构造为，当自由传播区域的长度表示为l2，从基模波导区域向自由传播区域行进的光的衍射角表示为θ1，且光射出区域和自由传播区域之间的边界部分的宽度表示为w2时，满足

w2>2l2·tan(θ1)+w1

在此，当构成基模波导区域的层叠结构体的第一区域的平均折射率表示为n1-ave，且在基模波导区域中引导的光的主波长(峰值波长)表示为λ0时，由于高斯波束因夫琅禾费(fraunhofer)衍射而引起扩散，所以衍射角θ1可表示为以下公式

在具有上文所述的各种优选方式的本发明的光波导元件等中，从光射出区域射出的光的m²值优选为等于或小于3。在此，m²(也称为光束传播因子(beampropagationfactor))是表示从光射出区域射出的光接近单模tem00的程度的指标，其理想值(对应于完整高斯波束的值)为“1.0”。举例来说，m²在iso11146-1中进行了规定。

此外，具有上文所述的多个优选构造的本发明的光半导体元件可构造为

在构成基模波导区域的层叠结构体的第一区域中的第二化合物半导体层上，形成第二电极的第一部分，

在构成自由传播区域的层叠结构体的第二区域中的第二化合物半导体层上，形成第二电极的第二部分，

在构成光射出区域的层叠结构体的第三区域中的第二化合物半导体层上，形成第二电极的第三部分，

还提供与构成层叠结构体的第一化合物半导体层电性连接的第一电极。

此外，该结构可构造为

第二电极的第一部分与第二电极的第二部分相连，

第二电极的第二部分与第二电极的第三部分分离，

在所述第二电极的第一部分和第二电极的第二部分与所述第一电极之间施加直流电压(正向偏置)，

在所述第二电极的第三部分与所述第一电极之间施加脉冲电压(正向偏置)。此外，还可以构造为，向第二电极的第三部分提供电流，对于所述第二电极的第三部分的每平方厘米提供等于或大于3×10³安培的电流。

可代替的是，该结构可构造为，

第二电极的第一部分、第二电极的第二部分以及第二电极的第三部分彼此相连，且

在所述第二电极的第一部分、第二电极的第二部分和第二电极的第三部分与所述第一电极之间施加直流电压(正向偏置)。

此外，具有上文所述的各种优选方式及构造的本发明的光半导体元件等可构造为，构成基模波导区域的层叠结构体的第一区域、构成自由传播区域的层叠结构体的第二区域以及构成光射出区域的层叠结构体的第三区域具有脊状条纹结构，即脊状条纹型分限异质结构(sch(separateconfinementheterostructure)结构)。可代替的是，也可构造为，只有构成基模波导区域的层叠结构体的第一区域具有脊状条纹结构。在后一种情况中，在构成自由传播区域的层叠结构体的第二区域和构成光射出区域的层叠结构体的第三区域中，可基于增益导引方案(gain-guidingscheme)或系数导引方案(index-guidingscheme)划分每个区域。

此外，具有上文所述的各种优选方式及构造的本发明的光半导体元件等可构造为，在光射出端面附近提供电流非注入区域，该构造可防止光射出端面上出现损坏。要注意的是，还可以构造为，在与光射出端面相对的端面附近提供电流非注入区域。还可以构造为，在光射出端面附近以及与光射出端面相对的端面附近提供电流非注入区域。

此外，在具有上文所述的各种优选方式及构造的本发明的光半导体元件等中，层叠结构体可构造为由gan系化合物半导体构成。

此外，具有上文所述的各种优选方式及构造的本发明的光半导体元件可构造为，当自由传播区域的平均宽度表示为w2-ave，且光射出区域的与光射出端面相对的部分的宽度表示为w3时，优选为满足

0.5μm≤w1≤2.5μm

1.2≤w2-ave/w1≤500

20μm≤w3≤650μm

此外，在具有上文所述的各种优选方式及构造的本发明的光半导体元件等中，可构造为光射出区域的轴线与光射出端面以锐角相交。此外，在具有包含上述方式在内的各种优选方式及构造的本发明的光半导体元件等中，光半导体元件可构造为由半导体光学放大器(soa)构成，且光半导体元件可构造为由半导体激光元件(ld)构成。在后一种情况中，锁模半导体激光元件可以作为半导体激光元件的示例。优选的是，半导体光学放大器对入射的光束的光强度进行两倍或更多倍的放大，并输出放大后的光束。

基模波导区域可定义为只传播基模的波导区域，自由传播区域可定义为可在横向没有光限制的状态下自由传播光的区域。基模波导区域的波导宽度w1优选为恒定宽度。自由传播区域的宽度也优选为恒定宽度(w2)，但根据情况，也可以具有朝着光射出区域的方向逐渐变宽的锥形(喇叭形)形状。光射出区域具有朝着光射出端面的方向逐渐变宽的锥形(喇叭形)形状，因此光射出区域的沿着光射出区域轴线的边界线可以是直线或曲线。在下面的描述中，层叠结构体的长度方向称为x方向，层叠结构体的宽度方向称为y方向，层叠结构体的厚度方向称为z方向。此外，在某些情况下，光射出端面称为“第二端面”，光半导体元件的与第二端面相对的端面称为“第一端面”。

在本发明的光半导体元件等中，如上文所述，第一化合物半导体层、第三化合物半导体层(有源层)和第二化合物半导体层例如由gan系化合物半导体构成。具体而言，层叠结构体可构造为由alingan系化合物半导体构成。在此，更具体而言，gan，algan，ingan和alingan可以作为alingan系化合物半导体。此外，根据需要，这些化合物半导体中可包含硼(b)原子，铊(tl)原子，砷(as)原子，磷(p)原子或锑(sb)原子。举例来说，构成发光区域、增益区域(包括稍后描述的可饱和吸收区域)等的第三化合物半导体层(有源层)具有量子阱结构。具体而言，第三化合物半导体层可具有单量子阱结构(sqw结构)，或具有多量子阱结构(mqw结构)。在具有量子阱结构的第三化合物半导体层(有源层)的结构中，至少一层的阱层和至少一层的屏障层相层叠。作为例子，可示出(inyga(1-y)n，gan)，(inyga(1-y)n，inzga(1-z)n)[假设y>z]和(inyga(1-y)n，algan)，作为(构成阱层的化合物半导体，构成屏障层化合物的半导体)的组合。阱层的厚度为不小于1nm且不大于10nm，优选为不小于1nm且不大于8nm。屏障层的掺杂浓度优选为不小于2×10¹⁸cm^-3且不大于1×10²⁰cm^-3，优选为不小于1×10¹⁹cm^-3且不大于1×10²⁰cm^-3，但不限于此。

在第二化合物半导体层中，在第三化合物半导体层和电子屏障层之间，可形成未掺杂化合物半导体层(例如，未掺杂ingan层或未掺杂algan层)。此外，在第三化合物半导体层和未掺杂化合物半导体层之间，可形成未掺杂ingan层作为导光层。还可以构造为由掺杂mg的gan层(p侧接触层)占据第二化合物半导体层的最上层。电子屏障层、非掺杂化合物半导体层、导光层和p侧接触层构成第二化合物半导体层。

在本发明的光半导体元件等中，构造为光射出区域的轴线与平面光射出端面(第二端面)以锐角相交(角度为90-θ3(度))，并且图中例示为0.1度≤θ3≤10度。当光射出区域具有脊状条纹结构时，光射出区域的轴线是将如下两个中点相连接的直线：所述两个中点分别是第二端面中的脊状条纹结构的两端之间的中点，以及光射出区域与自由传播区域之间的边界部分(在某些情况下，下文称为“第二边界部分”)中的脊状条纹结构的两端之间的中点。当只有基模波导区域具有脊状条纹结构时，光射出区域的轴线是将如下两个中点相连接的直线：所述两个中点分别是第二端面侧的第二电极的第三部分的端部的中点，以及自由传播区域侧的第二电极的第三部分的端部的中点。当自由传播区域具有脊状条纹结构时，自由传播区域的轴线将如下两个中点相连接的直线：所述两个中点分别是第二边界部分中的脊状条纹结构的两端之间的中点，以及自由传播区域与基模波导区域之间的边界部分(在某些情况下，下文称为“第一边界部分”)中的脊状条纹结构的两端之间的中点。当只有基模波导区域具有脊状条纹结构时，自由传播区域的轴线将如下两个中点相连接的直线：所述两个中点分别是光射出区域侧的第二电极的第二部分的端部的中点，以及基模波导区域侧的第二电极的第二部分的端部的中点。基模波导区域的轴线将如下两个中点相连接的直线：所述两个中点分别是第一边界部分中的脊状条纹结构的两端之间的中点，以及第一端面中的脊状条纹结构的两端之间的中点。光射出区域的轴线和自由传播区域的轴线可以在同一条直线上，也可以不在同一条直线上。基模波导区域的轴线和自由传播区域的轴线在同一条直线上。

在本发明的激光装置组件中，当激光光源由半导体激光元件构成时，锁模半导体激光元件可以作为上述半导体激光元件。但要注意的是，激光光源不限于这种方式，也可以使用其他激光光源，例如，连续振荡型的已知激光光源，包括增益切换方案和损耗切换方案(q切换方案))等各种方案和方式的脉冲振荡型的已知激光光源，以及钛-蓝宝石激光器。

半导体光学放大器并不将光信号转换为电信号，而是直接放大光信号。半导体光学放大器具有尽可能消除谐振器效应的激光器结构，并利用半导体光学放大器的光学增益放大入射光。当通过本发明的光半导体元件构成半导体光学放大器时，半导体光学放大器可构造为对于构成光射出端面(第二端面)的第三化合物半导体层(有源层)的每平方厘米，从半导体光学放大器输出的激光的光强度密度等于或大于60千瓦，优选为等于或大于600千瓦，但并不限于此。半导体光学放大器可构造为由透射型半导体光学放大器构成，但其构造不限于此，例如，半导体光学放大器可构造为将半导体激光元件和半导体光学放大器集成为一体的单片型半导体光学放大器。

当通过本发明的光半导体元件构成半导体激光元件时，半导体激光元件可构造为进一步包括外部镜(外部反射镜)。也就是说，半导体激光元件可以是外部谐振器型的半导体激光元件。可代替的是，半导体激光元件也可以是单片型的半导体激光元件。外部谐振器型的半导体激光元件可以是聚光型，也可以是准直型。在外部谐振器型的半导体激光元件中，射出光束(光脉冲)的层叠结构体的一个端面的光反射率优选为等于或小于0.5％。该反射率的值明显小于传统半导体激光元件中的射出光束(光脉冲)的层叠结构体的一个端面的光反射率(通常为5％至10％)的值。在外部谐振器型的半导体激光元件中，外部谐振器长度(x’，单位为毫米)的值可以为

0<x’<1500，

优选为，

30≤x’≤300。

在此，外部谐振器是由半导体激光元件的光反射端面、以及例如构成外部反射器结构的反射镜构成，且外部谐振器长度为半导体激光元件的光反射端面和反射镜之间的距离。上述构造也可应用于超辐射发光二极管(superluminescentdiode，sld)。

当通过本发明的光半导体元件构成半导体激光元件时，可构造为至少在第二端面上形成低反射覆盖层。当通过本发明的光半导体元件构成半导体光学放大器时，可构造为在第一端面和第二端面上形成低反射覆盖层。在此，举例来说，低反射覆盖层可由从钛氧化物层、钽氧化物层、锆氧化物层、硅氧化物层和铝氧化物层构成的组中选出的至少两种层的层叠结构形成。

在本发明的光半导体元件等中，在第二化合物半导体层上形成第二电极。在此，举例来说，第二电极可构造为由钯(pd)单层、镍(ni)单层、铂(pt)单层、钯层/铂层层叠结构(其中钯层与第二化合物半导体层接触)或者钯层/镍层层叠结构(其中钯层与第二化合物半导体层接触)构成。当下层金属层由钯形成且上层金属层由镍形成时，上层金属层的厚度为等于或大于0.1μm，优选为等于或大于0.2μm。可代替的是，第二电极可构造为由钯(pd)单层构成，在该情况下，厚度为等于或大于20nm，优选为等于或大于50nm。可代替的是，第二电极优选构造为由钯(pd)单层、镍(ni)单层、铂(pt)单层、或者下层金属层与上层金属层的层叠结构(其中下层金属层与第二化合物半导体层接触)构成(假设下层金属层由从钯、镍和铂构成的组中选出的一种金属形成，而构成上层金属层的金属在形成第二电极的第二部分与第三部分之间的分隔沟槽时的蚀刻率等于或近似等同于下层金属层的蚀刻率，或高于下层金属层的蚀刻率)。

当第一导电类型为n型时，与具有n型导电类型的第一化合物半导体层电性连接的第一电极具有包含从由金(au)、银(ag)、钯(pd)、铝(al)、钛(ti)、钨(w)、铜(cu)、锌(zn)、锡(sn)和铟(in)构成的组中选出的至少一种金属的单层结构或多层结构；举例来说，可以是ti/au、ti/al、和ti/pt/au。第一电极与第一化合物半导体层电性连接，而连接方式包括在第一化合物半导体层上形成第一电极的方式、以及第一电极经由导电材料层或者导电性基板或基质连接至第一化合物半导体层的方式。举例来说，第一电极和第二电极可以通过各种pvd法形成膜，例如真空沉积法和溅射法等。

在第一电极和第二电极上可以提供焊盘电极，用于将第一电极和第二电极电性连接至外部电极或电路。焊盘电极优选为具有包含由钛(ti)、铝(al)、铂(pt)、金(au)和镍(ni)构成的组中选出的至少一种金属的单层结构或多层结构。可代替的是，焊盘电极可以是多层结构，例如ti/pt/au的多层结构或ti/au的多层结构。

在基板或基质上依次形成构成本发明的光半导体元件等的各种化合物半导体层(例如gan系化合物半导体层)；在此，作为基板或基质，除了蓝宝石基板之外，还可以列举出gaas基板、gan基板、sic基板、alumina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，以及在这些基板的表面(主表面)上形成底层和/或缓冲层的基板结构。当主要在基板或基质上形成gan系化合物半导体层时，因瑕疵密度较小而优选gan基板；但已知的是，gan基板的性质依据生长面，在极性/无极性/半极性之间变化。作为形成构成本发明的光半导体元件等的各种化合物半导体层(例如gan系化合物半导体层)的方法，可列举出有机金属化学气相沉积法(mocvd法或movpe法)，分子束外延法(mbe法)，利用卤素输送或反应的氢化物气相外延法(hydridevaporphaseepitaxymethod)等。

在此，三甲基镓(tmg)气体和三乙基镓(teg)气体可以作为mocvd法中的有机镓来源气体，且氨气和联氨气体可以作为氮来源气体。在形成具有n型导电类型的gan系化合物半导体层时，举例来说，可以添加硅(si)作为n型杂质(n型掺杂物)；在形成具有p型导电类型的gan系化合物半导体层时，举例来说，可以添加镁(mg)作为p型杂质(p型掺杂物)。当含有铝(al)或铟(in)作为gan系化合物半导体层的构成原子时，三甲基铝(tma)气体可用作al来源，且三甲基铟(tmi)气体可用作in来源。甲硅烷气体(sih4气体)可用作si来源，(乙基环戊二烯基)镁(cyclopentadienylmagnesium)气体、(甲基环戊二烯基)镁(methylcyclopentadienylmagnesium)和双(环戊二烯基)镁(cp2mg，,bis(cyclopentadienyl)magnesium)可用作mg来源。除了si以外，ge、se、sn、c、te、s、o、pd和po也可用作n型杂质(n型掺杂物)；除了mg以外，zn、cd、be、ca、ba、c、hg和sr也可用作p型杂质(p型掺杂物)。

当本发明的光半导体元件等中的层叠结构体具有脊状条纹结构时，该脊状条纹结构可以仅由第二化合物半导体层构成，也可以由第二化合物半导体层和第三化合物半导体层构成，还可以由第二化合物半导体层、第三化合物半导体层、以及第二化合物半导体层的厚度方向上的一部分构成。在形成脊状条纹结构时，举例来说，可以利用干蚀法对化合物半导体层构图。

作为本发明的激光装置组件中的优选半导体激光元件，可使用上文所述的具有可饱和吸收区域的锁模半导体激光元件。可以基于施加在可饱和吸收区域的反向偏置电压vsa来控制振荡特性，因而容易控制振荡特性。具体而言，锁模半导体激光元件是由二分(bisection)型锁模半导体激光元件构成的，在这种二分型锁模半导体激光元件中，沿层叠结构体的长度方向(x方向)并排设置光射出区域和可饱和吸收区域。

二分型锁模半导体激光元件包括

(a)将具有第一导电类型的由gan系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由gan系化合物半导体形成的发光区域和可饱和吸收区域构成的第三化合物半导体层(有源层)、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型的由gan系化合物半导体构成的第二化合物半导体层，依次层叠而成的层叠结构体；

(b)在第二化合物半导体层上形成的第二电极；以及

(c)与第一化合物半导体层电性连接的第一电极。

第二电极可构造为被分隔沟槽分隔为第二电极第一区域和第二电极第二区域，所述第二电极第一区域是用于使直流电流经由发光区域流至第一电极以产生正向偏置状态，而所述第二电极第二区域是用于向可饱和吸收区域施加电场。使直流电流从所述第二电极第一区域经由发光区域流至第一电极以产生正向偏置状态，且在第一电极与所述第二电极第二区域之间施加电压(反向偏置电压vsa)以向可饱和吸收区域施加电场，由此可以执行锁模操作。也就是说，在锁模半导体激光元件中，通过使电流从第二电极第一区域经由层叠结构体流至第一电极，可在光射出区域中产生光脉冲。在基板或基质上形成第一化合物半导体层。

在锁模半导体激光元件中，可饱和吸收区域的长度可构造为短于发光区域的长度。可代替的是，第二电极第一区域的长度与第二电极第二区域的长度之和可构造为短于第三化合物半导体层(有源层)的长度。要注意的是，“长度”是指沿层叠结构体的长度方向(x方向)的长度。作为第二电极第一区域和第二电极第二区域的布置状态，具体提供如下状态：

(1)其中设置一个第二电极第一区域和一个第二电极第二区域，并且所述第二电极第一区域与所述第二电极第二区域布置为将分隔沟槽夹在两者之间的状态；

(2)其中设置一个第二电极第一区域和两个第二电极第二区域，并且所述第二电极第一区域的一端与一个第二电极第二区域相对并将一个分隔沟槽夹在两者之间，而所述第二电极第一区域的另一端与另一个第二电极第二区域相对并将另一个分隔沟槽夹在两者之间的状态；以及

(3)其中设置两个第二电极第一区域和一个第二电极第二区域，并且所述第二电极第二区域的一端与一个第二电极第一区域相对并将一个分隔沟槽夹在两者之间，而所述第二电极第二区域的另一端与另一个第二电极第一区域相对并将另一个分隔沟槽夹在两者之间的状态(也就是第二电极第一区域将第二电极第二区域夹在中间的结构)。

宽泛来讲，还可以提供如下状态：

(4)其中设置n个第二电极第一区域和(n-1)个第二电极第二区域，并且第二电极第一区域将第二电极第二区域夹在中间的状态；以及

(5)其中设置n个第二电极第二区域和(n-1)个第二电极第一区域，并且第二电极第二区域将第二电极第一区域夹在中间的状态。

换种方式来讲，上述状态(4)和(5)为：

(4’)其中设置n个发光区域[载流子注入区域，增益区域]和(n-1)个可饱和吸收区域[载流子非注入区域]，并且发光区域将可饱和吸收区域夹在中间的状态；以及

(5’)其中设置n个可饱和吸收区域[载流子非注入区域]和(n-1)个发光区域[载流子注入区域，增益区域]，并且可饱和吸收区域将发光区域夹在中间的状态。

采用(3)、(5)和(5’)的结构，可以使锁模半导体激光元件的光射出端面上几乎不会出现损坏。

在锁模半导体激光元件中，将第二电极第一区域与第二电极第二区域分隔开的分隔沟槽的宽度可以为不小于1μm，并且不大于半导体激光元件中的层叠结构体沿长度方向(x方向)的长度的50％，优选为不小于10μm，并且不大于半导体激光元件中的层叠结构体沿长度方向(x方向)的长度的10％。此外，从位于脊状条纹结构的两个侧面靠外侧的第二化合物半导体层的顶面部分到第三化合物半导体层(有源层)的距离(d)，优选为等于或大于1.0×10^-7m(0.1μm)。通过这样规定距离(d)，可以在第三化合物半导体层的两侧(y方向)可靠地形成可饱和吸收区域。可基于阈值电流的上升、温度特性、长期驱动时的电流上升率的恶化等，确定距离(d)的上限。

第二电极第一区域和第二电极第二区域之间的电阻值可以为等于或大于1×10²ω，优选为等于或大于1×10³ω，更优选为等于或大于1×10⁴ω。可代替的是，第二电极第一区域和第二电极第二区域之间的电阻值可以是第二电极和第一电极之间的电阻值的1×10倍或更大，优选为1×10²倍或更大，更优选为1×10³倍或更大。

通过将第二电极第一区域和第二电极第二区域之间的电阻值设置为等于或大于1×10²ω，或设置为第二电极和第一电极之间的电阻值的10倍或更大，可以有效抑制从第二电极第一区域向第二电极第二区域的电流泄露。也就是说，可以增大注入发光区域(载流子注入区域，增益区域)的电流量，同时，还能增大施加至可饱和吸收区域(载流子非注入区域)的反向偏置电压vsa。仅仅通过用分隔沟槽将第二电极分隔为第二电极第一区域和第二电极第二区域，便可以实现第二电极第一区域和第二电极第二区域之间的这种高电阻值。也就是说，可以更容易地通过锁模来产生光脉冲。

如上所述，在锁模半导体激光元件中，可构造为将反向偏置电压vsa施加于第一电极和第二电极第二区域之间(也就是说，在该构造中，第一电极用作正极，第二电极第二区域用作负极)。向第二电极第二区域提供与提供给第二电极第一区域的脉冲电流或脉冲电压同步的脉冲电流或或脉冲电压，或提供直流偏置。可以构造为使电流从第二电极经由发光区域流至第一电极、并且使外部电信号从第二电极经由发光区域叠加至第一电极。由此，可以在激光和外部电信号之间实现同步。可代替的是，可以构造为从层叠结构体的一个端面入射光信号。由此，可以实现激光和光信号之间的同步。为了将本发明的光半导体元件等用作锁模半导体激光器，可以通过将本发明的波导结构用作增益介质，额外提供可饱和吸收区域。可以使用在半导体波导的一部分中额外提供电极以向可饱和吸收区域施加反向偏置电压的方案，也可以使用半导体可饱和吸收镜(sesam，semiconductorsaturableabsorbermirror)。

锁模半导体激光元件不限于二分型(bisection型，双电极型)半导体激光元件，也可以采用多分型(多电极型)半导体激光元件，或在垂直方向上布置发光区域和可饱和吸收区域的可饱和吸收层(sal，saturableabsorberlayer)型半导体激光元件，或沿脊状条纹结构提供可饱和吸收区域的弱折射率波导(wi，weaklyindexguide)型半导体激光元件。

举例来说，本发明的光半导体元件或激光装置组件可适用于光盘系统、通信领域、光信息领域、光电集成电路、应用非线性光学现象的领域、光切换开关、激光测量领域或各种分析领域、超高速分光领域、多光子激励分光领域、质量分析领域、应用多光子吸收的显微分光领域、化学反应的量子控制、纳米三维加工领域、应用多光子吸收的各种加工领域、医疗领域、生物成像领域、量子信息通信领域、以及量子信息处理领域等领域。

实施例1

实施例1涉及本发明的光半导体元件(发光元件)和激光装置组件。实施例1的光半导体元件具体而言为半导体光学放大器(soa)，更具体而言是透射型半导体光学放大器。图1a示出实施例1的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图1b示出沿xz平面的示意性横截面图，图2示出沿yz平面的示意性局部横截面图。图1b为沿图1a和2的箭头i-i的示意性横截面图，图2为沿图1b的箭头ii-ii的示意性横截面图。图3为实施例1的激光装置组件的概念图。

实施例1的光半导体元件(下文称为“半导体光学放大器200”)包括由第一化合物半导体层21、第三化合物半导体层(有源层)23和第二化合物半导体层22构成的层叠结构体20(这些化合物半导体层21、23和22依次层叠而成的层叠结构体)，且依次布置(并排布置)波导宽度为w1的基模波导区域40、宽度大于w1的自由传播区域50、和具有朝着光射出端面的方向逐渐变宽的锥形(喇叭形)形状的光射出区域60。当自由传播区域50的长度表示为l2，从基模波导区域40向自由传播区域50行进的光的衍射角表示为θ1，且光射出区域60和自由传播区域50之间的边界部分的宽度表示为w2时，满足

w2>2l2·tan(θ1)+w1

第一化合物半导体层21具有第一导电类型(具体为n型)，第二化合物半导体层22具有不同于第一导电类型的第二导电类型(具体为p型)。

在实施例1的半导体光学放大器200中，在构成基模波导区域40的层叠结构体20的第一区域201中的第二化合物半导体层22上，形成第二电极的第一部分321。在构成自由传播区域50的层叠结构体20的第二区域202中的第二化合物半导体层22上，形成第二电极的第二部分322。在构成光射出区域60的层叠结构体20的第三区域203中的第二化合物半导体层22上，形成第二电极的第三部分323。此外，提供与构成层叠结构体20的第一化合物半导体层21电性连接的第一电极31。层叠结构体20由gan系化合物半导体构成。要注意的是，在某些情况下，第二电极的第一部分321、第二部分322和第三部分323统一表示为标记32或标记32a。

在此，在实施例1的半导体光学放大器200中，第二电极的第一部分321与第二电极的第二部分322相连。另一方面，第二电极的第二电极322与第二电极的第三部分323分离。在所述第二电极的第一部分321和第二电极的第二部分322与所述第一电极31之间施加直流电压(正向偏置)vgain，在所述第二电极的第三部分323与所述第一电极31之间施加脉冲电压(例如100khz的脉冲正向偏置电压vgain)。向第二电极的第三部分323提供电流，举例来说，对于所述第二电极的第三部分323的每平方厘米提供等于或大于3×10³安培的电流，例如具体为6×10³安培的电流。通过在所述第二电极的第三部分323与所述第一电极31之间施加脉冲电压，可以在所述第二电极的第三部分323与所述第一电极31之间施加更大的电流。

在实施例1的半导体光学放大器200中，构成基模波导区域40的层叠结构体20的第一区域201、构成自由传播区域50的层叠结构体20的第二区域202、以及构成光射出区域60的层叠结构体20的第三区域203具有脊状条纹结构20a。也就是说，实施例1的半导体光学放大器200整体上为脊状条纹型分限异质结构(sch结构)。

此外，在实施例1的半导体光学放大器200中，当自由传播区域50的平均宽度表示为w2-ave且光射出区域60的与光射出端面(第二端面25)相对的部分的宽度表示为w3时，满足

0.5μm≤w1≤2.5μm

1.2≤w2-ave/w1≤500

20μm≤w3≤650μm

基模波导区域40的波导宽度w1是恒定宽度，自由传播区域50的宽度也是恒定宽度(w2)。光射出区域60具有朝着光射出端面(第二端面25)的方向逐渐变宽的锥形形状。在所示出的例子中，光射出区域60的沿着光射出区域60轴线的边界线为直线。要注意的是，所述边界线不限于此，也可以是曲线。基模波导区域40、自由传播区域50和光射出区域60的轴线用点虚线表示；基模波导区域40、自由传播区域50和光射出区域60的轴线在同一条直线上。

此外，光射出区域60的轴线和光射出端面(第二端面25)以锐角(90度-θ3度)相交。

在第一端面24和第二端面25上形成低反射覆盖层(ar)，但图中省略了所述低反射覆盖层。举例来说，低反射覆盖层具有由一层钛氧化物层与一层铝氧化物层层叠而成的结构。从第一端面24入射的激光在半导体光学放大器200内部被光学放大，并且从相对侧的光射出端面(第二端面25)输出。基本上激光仅被引导至一个方向。

实施例1的激光装置组件包括

激光光源100，以及

对从激光光源100射出的激光进行放大的由实施例1的光半导体元件构成的半导体光学放大器(soa)200。

构成半导体光学放大器200的光半导体元件中的光射出区域60的轴线与光射出端面(第二端面25)以锐角(90度-θ3度)相交。在实施例1中，激光光源100由已知的连续振荡型激光装置构成，激光装置射出的激光入射到半导体光学放大器200。基模波导区域40的被来自激光光源的激光入射的部分的宽度(具体为宽度w1)等于所入射的激光的宽度。

在图3所示的实施例1的激光装置组件中，从激光光源100射出的激光经由光隔离器120和反射镜121，入射到反射镜122。被反射镜122反射的激光经过半波板(λ/2波板)123和透镜124，入射到半导体光学放大器200。光隔离器120和半波板123用于防止从半导体光学放大器200返回的光向激光光源100行进。然后，激光在半导体光学放大器200中被光学放大，并经由透镜125向系统外部射出。

下表1显示了实施例1的半导体光学放大器200的具体数据。要注意的是，l1和l3分别是基模波导区域40和光射出区域60的长度。

[表1]

w1＝1.5μm

w2＝w2-ave＝30μm

w3＝0.135mm

l1＝0.5mm

l2＝0.2mm

l3＝1.5mm

θ3＝3度

θ1＝2度

n1-ave＝2.5

λ0＝405nm

在实施例1的半导体光学放大器200中，具体而言，基质10由n型gan基板构成，在n型gan基板的{0001}平面上提供层叠结构体20。n型gan基板的{0001}平面也称为“c平面”，是具有极性的晶平面。由第一化合物半导体层21、第三化合物半导体层(有源层)23和第二化合物半导体层22构成的层叠结构体20是由gan系化合物半导体构成，具体由alingan系化合物半导体构成，更具体而言，具有下表2所示的层结构。在此，在表2中，越靠下方记载的化合物半导体层，是越靠近基质10的层。构成第三化合物半导体层(有源层)23中的阱层的化合物半导体的带隙(bandgap)为3.06ev。有源层23具有包括阱层和屏障层的量子阱结构，且屏障层的杂质(具体为硅(si))的掺杂浓度为不小于2×10¹⁷cm^-3且不大于1×10²⁰cm^-3。在脊状条纹结构20a的两侧，形成由sio2/si构成的层叠绝缘膜26。sio2层为下层，si层为上层。在相当于脊状条纹结构20a的顶面的p型gan接触层22d上，形成第二电极(p侧欧姆电极)32(第二电极321，322，323)。另一方面，在基质10的背面上形成由ti/pt/au构成的第一电极(n侧欧姆电极)31。在实施例中，第二电极32由厚度为0.1μm的pd单层构成。p型algan电子屏障层22a的厚度为10nm，第二导光层(p型algan层)22b的厚度为100nm，第二覆盖层(p型algan层)22c的厚度为0.5μm，且p型gan接触层22d的厚度为100nm。此外，在构成第二化合物半导体层22的p型电子屏障层22a、第二导光层22b、第二覆盖层22c和p型接触层22d中，以等于或大于1×10¹⁹cm^-3(具体为2×10¹⁹cm^-3)的浓度掺杂镁(mg)。另一方面，第一覆盖层(n型algan层)21a的厚度为2.5μm，第一导光层(n型gan层)21b的厚度为1.25μm。第一导光层21b的厚度(1.25μm)大于第二导光层22b的厚度(100nm)。虽然第一导光层21b由gangouc，但可代替的是，第一导光层21b也可以由带隙宽于有源层23且带隙窄于第一覆盖层21a的化合物半导体构成。

[表2]

第二化合物半导体层22

p型gan接触层(掺杂镁)22d

第二覆盖层(p型al0.05ga0.95n层(掺杂镁))22c

第二导光层(p型al0.01ga0.99n层(掺杂镁))22b

p型al0.20ga0.80n电子屏障层(掺杂镁))22a

第三化合物半导体层(有源层)23

ingan量子阱有源层

(阱层:in0.08ga0.92n/屏障层:in0.02ga0.98n)

第一化合物半导体层21

第一导光层(n型gan层)21b

第一覆盖层(n型al0.03ga0.97n层)21a，

其中，

阱层(两层)：10nm[未掺杂]

屏障层(三层)：12nm[掺杂浓度(si)：2×10¹⁸cm^-3]

在实施例1的半导体光学放大器200中，使施加在第二电极32a(321，322，323)上的电压、以及从第二电极32a流至第一电极31的电流进行各种变化，并测量m²值，所述m²值是从半导体光学放大器200输出的光强度和光束质量的指标，图4中的“a”显示了m²值的测量结果。图4中的“b”显示了比较例1中的m²值的测量结果。图4中，横轴代表从半导体光学放大器输出的光强度(放大输出(单位：毫瓦))的值，且纵轴代表m²值。

在比较例1的半导体光学放大器中，不形成实施例1的半导体光学放大器200中的自由传播区域50，而是将基模波导区域40延长至实施例1的半导体光学放大器200中的自由传播区域50。

根据图4，对于实施例1的半导体光学放大器200来讲，半导体光学放大器不仅输出高的光强度，而且表现为低的m²值。也就是说，从实施例1的半导体光学放大器200射出的激光的光束是高质量的光束。另一方面，在不形成自由传播区域50的比较例1的半导体光学放大器中，虽然实现了输出功率的增大，但是表现为高的m²值，不能获得足够高质量的激光。根据以上结果，从光射出区域60射出的光的m²值优选为等于或小于3。

如上所述，在实施例1的光半导体元件、或构成实施例1的激光装置组件中的半导体光学放大器的光半导体元件中，光射出区域具有朝着光射出端面的方向逐渐变宽的锥形形状，因此可以实现射出光的输出功率的增大。此外，由于自由传播区域的宽度大于基模波导区域的波导宽度w1，因此可以改善射出光的光束质量。

实施例2

实施例2为实施例1的变形。图5a为实施例2的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图5b为沿xz平面的示意性横截面图。图5b为沿图5a的箭头i-i的示意性横截面图。

在实施例2的光半导体元件200中，第二电极的第一部分321、第二电极的第二部分322和第二电极的第三部分323彼此相连，且在所述第二电极的第一部分321、第二电极的第二部分322和第二电极的第三部分323与所述第一电极31之间施加直流电压(正向偏置)。除了上述这一点之外，实施例2的光半导体元件和激光装置组件具有与实施例1的光半导体元件和激光装置组件相同的构成和结构，因此不再详细描述。

实施例3

实施例3为实施例1和2的变形。图6a为实施例3的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图6b为沿xz平面的示意性横截面图。图6b为沿图6a的箭头b-b的示意性横截面图。图6a和6b所示的示例是实施例1的变形例。

在实施例3的光半导体元件200中，只有构成基模波导区域40的层叠体结构20的第一区域201具有脊状条纹结构20b。在构成自由传播区域50的层叠结构体20的第二区域202和构成光射出区域60的层叠结构体20的第三区域203中，基于增益导引方案和系数导引方案划分各个区域。要注意的是，在图6a中，用从右上到左下的线条将基模波导区域40附近露出的第二化合物半导体层22(具体为第二覆盖层22c的露出的顶面)显示为阴影，用从左上到右下的线条将自由传播区域50和光射出区域60附近露出的第二化合物半导体层22(具体为p型接触层22d的露出的顶面)显示为阴影。除了上述这一点之外，实施例3的光半导体元件和激光装置组件具有与实施例1的光半导体元件和激光装置组件相同的构成和结构，因此不再详细描述。

实施例4

实施例4为实施例1至3的变形。图7a为实施例4的光半导体元件(半导体光学放大器)的示意性平面图，图7b为沿实施例4的光半导体元件(半导体光学放大器)的xz平面的示意性横截面图。图7b为沿图7a的箭头i-i的示意性横截面图。图7a和7b所示的示例为实施例1的变形例。

在实施例4的光半导体元件中，在光射出端面(第二端面25)附近设置电流非注入区域70，该构造可防止光射出端面(第二端面25)发生损坏。电流非注入区域70具体由实施例1的层叠结构体构成，并且除了不提供第二电极之外，具有与光射出区域60相同的构成和结构。电流非注入区域70的x方向上的长度设置为10μm。除了上述这一点以外，实施例4的光半导体元件和激光装置组件的构成和结构与实施例1至3的光半导体元件和激光装置组件的构成和结构相同，因此不再详细描述。

通过以这种方式提供载流子非注入区域，可以抑制以下现象的发生：当入射激光的光强度增大时，化合物半导体层的相对折射率增大。并且，能很容易地使得从半导体光学放大器的光射出端面(第二端面25)射出的激光在宽度方向发散。结果，由于光射出端面中的被激光从半导体光学放大器200射出的区域所占据的面积变大，因此能够进一步增大半导体光放大器的输出功率。应注意的是，可在第一端面24附近提供电流非注入区域，或者在第二端面25和第一端面24附近提高电流非注入区域。

实施例5

实施例5为实施例1的变形，其中光半导体元件(发光元件)由半导体激光元件构成，具体是由锁模半导体激光元件构成。图8a示出实施例5的光半导体元件(锁模半导体激光元件)的示意性平面图，图8b示出沿xz平面的示意性平面图。图8b是沿图8a的箭头i-i的示意性横截面图。图8a和8b中所示的示例是实施例1的变形例。图9a、图9b、图10a、图10b和图10c是实施例5中的激光装置组件的概念图。

具体而言，实施例5的锁模半导体激光元件110与具有实施例1所述的构成和结构的光半导体元件200的区别在于以下几点。

也就是说，在第一端面24和基模波导区域40之间提供可饱和吸收区域81。具体而言，可饱和吸收区域81具有与实施例1的层叠结构体20相同的构成和结构。在构成可饱和吸收区域81的层叠结构体20的第二化合物半导体层22上，形成第二电极第二区域32b。要注意的是，第二电极的第一部分321、第二部分322和第三部分323统称为第二电极第一区域32a。第二电极第二区域32b与第二电极第一区域32a被分隔沟槽32c分隔开。

根据半导体激光元件的构造，可以在第一端面上形成高反射覆盖层(hr)，以代替低反射覆盖层(ar)。虽然图中显示的θ3为0度，但θ3并不一定为0度。

具体而言，锁模半导体激光元件110由如下的二分型锁模半导体激光元件构成：发光波长为405nm波带，并且沿x方向(沿层叠结构体的长度方向)并排布置发光区域和可饱和吸收区域。更具体而言，如图8a和8b所示，实施例5中的二分型锁模半导体激光元件110包括：

(a)将具有第一导电类型(实施例中为n型导电类型)的由gan系化合物半导体构成的第一化合物半导体层21、由gan系化合物半导体形成的发光区域(增益区域)80和可饱和吸收区域81构成的第三化合物半导体层(有源层)23、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型(实施例中为p型导电类型)的由gan系化合物半导体构成的第二化合物半导体层22，依次层叠而成的层叠结构体；

(b)在第二化合物半导体层22上形成的第二电极32a，32b；以及

(c)与第一化合物半导体层21电性连接的第一电极31。

第二电极被分隔沟槽32c分隔为第二电极第一区域32a和第二电极第二区域32b，所述第二电极第一区域32a用于使直流电流经由发光区域(增益区域)80流至第一电极31以产生正向偏置状态，所述第二电极第二区域32b用于向可饱和吸收区域81施加电场(向可饱和吸收区域81施加反向偏置电压vsa)。在此，第二电极第一区域32a(具体为第二电极的第一部分321)和第二电极第二区域32b之间的电阻值(有时称为“分隔电阻值”)，是第二电极第一区域32a(具体为第二电极的第一部分321)和第一电极31之间的电阻值的1×10倍或更大，具体为1.5×10³倍。第二电极第一区域32a(具体为第二电极的第一部分321)和第二电极第二区域32b之间的电阻值(分隔电阻值)为1×10²ω或更大，具体为1.5×10⁴ω。锁模半导体激光元件110的层叠结构体的长度设置为600μm，第二电极第一区域32a、第二电极第二区域32b和分隔沟槽32c的长度分别设置为560μm、30μm和10μm。

图9a、图9b、图10a、图10b和图10c是实施例5中的激光装置组件的概念图。图9a所示的激光装置组件是外部谐振器型。也就是说，激光装置组件包括由实施例5的光半导体元件构成的锁模半导体激光元件110、透镜111、光滤波器112、外部镜113和透镜114。从锁模半导体激光元件110射出的激光经由光隔离器(未图示)射出到外部。在锁模半导体激光元件110的光射出端面(第二端面25)上，形成由一层钛氧化物层和一层铝氧化物层层叠而成的低反射覆盖层(ar)或无反射覆盖层(ar)。在与第二端面相对的第一端面24上，形成高反射覆盖层(hr)。外部谐振器由锁模半导体激光元件110的第一端面24和外部镜113构成，且从外部镜113取出光束。主要使用带通滤波器作为光滤波器112，并且插入所述带通滤波器以控制激光的振荡波长。光脉冲序列的重复频率f取决于外部振荡器长度x’，并由下式表示。在此，c为光速，n为波导的折射率。外部谐振器长度(x’，单位：mm)的值设置为100mm。射出光束(光脉冲)的层叠结构体20的第二端面25的光反射率为等于或小于0.5％(例如0.3％)，且反射光束(光脉冲)的层叠结构体20的第一端面24的光反射率例如为不小于85％且小于100％(例如95％)。此外，光滤波器112具有例如不小于85％且小于100％(例如90％)的光透射率，以及大于0nm且不大于2nm(例如1nm)的半宽，以及不小于400nm且不大于450nm(例如410nm)的峰值波长，且外部镜113具有大于0％且小于100％(例如20％)的光反射率。当然，以上各种参数的值仅仅是举例，可以适当修改。

f＝c/(2n·x')

同样，在图9b所示的准直型外部谐振器中，外部谐振器由形成有高反射覆盖层(hr)的锁模半导体激光元件110的端面、和外部镜113构成，从外部镜113取出光束。

在图10a和10b所示的外部谐振器中，外部谐振器由锁模半导体激光元件110的第二端面25和外部镜构成，并从锁模半导体激光元件110中取出光束。在第二端面25上形成低反射覆盖层(ar)。图10a所示的示例为聚光型，图10b所示的示例为准直型。可代替的是，如图10c所示，半导体激光元件可构造为单片型。

当然，实施例5的光半导体元件(锁模半导体激光元件)110可用作实施例1至4中所述的激光装置组件中的激光光源100。

上文基于多个优选实施例描述了本发明，但本发明不限于这些实施例。实施例中所描述的光半导体元件、激光装置组件、半导体光学放大器、半导体激光元件和激光光源的构成和结构的构造仅仅是举例，也可以适当修改。虽然实施例中显示了多个值，但这些也仅仅是举例，举例来说，当所使用的光半导体元件的规格改变时，这些值可以改变，这是必然的。

第二电极的宽度可构造为小于脊状条纹结构的宽度。由此，在该情况下，可以获得稳定的横向模式放大光，且从半导体光学放大器等光半导体元件射出的激光不会变得不稳定。(第二电极的宽度)/(脊状条纹结构的宽度)的值可以为0.2至0.9，优选为0.6至0.9。在此，第二电极的宽度和脊状条纹结构的宽度表示沿xy平面切开光半导体元件时获得的第二电极的宽度和脊状条纹结构的宽度。

在构成激光光源100的锁模半导体激光元件110中，发光区域82和可饱和吸收区域83的数量不限于一个。图11显示了提供一个第二电极第一区域32d和两个第二电极第二区域32e1和32e2的锁模半导体激光元件的示意性端视图。在该锁模半导体激光元件中，第二电极第一区域32d的一端与一个第二电极第二区域32e1相对并将一个分隔沟槽32f1夹在两者之间，而第二电极第一区域32d的另一端与另一个第二电极第二区域32e2相对并将另一个分隔沟槽32f2夹在两者之间。一个发光区域82被两个可饱和吸收区域831和832夹在中间。可代替的是，图12中显示了提供两个第二电极第一区域32d1和32d2以及一个第二电极第二区域32e的锁模半导体激光元件的示意性端视图。在该锁模半导体激光元件中，第二电极第二区域32e的一端与一个第二电极第一区域32d1相对并将一个分隔沟槽32f1夹在两者之间，而第二电极第二区域32e的另一端与另一个第二电极第一区域32d2相对并将另一个分隔沟槽32f2夹在两者之间。一个可饱和吸收区域83被两个发光区域821和822夹在中间。

在这些实施例中，在作为n型gan基板的极性平面的c平面上提供光半导体元件，例如{0001}平面。可代替的是，可以在无极性平面上提供光半导体元件，例如作为{11-20}平面的a平面，作为{1-100}平面的m平面，或者{1-102}平面；或者，可以在半极性平面上提供光半导体元件，例如包含{11-24}平面和{11-22}平面的{11-2n}平面，{10-11}平面，或者{10-12}平面。由此，即使在光半导体元件的第三化合物半导体层(有源层)中发生压电极化和自发极化，在第三化合物层的厚度方向上也不会发生压电极化，而是在与第三化合物半导体层的厚度方向大致垂直的方向上发生压电极化；因此，可以消除因压电极化和自发极化导致的不良影响。{11-2n}平面是指与c平面大约呈40度角的无极性平面。

此外，本发明也可按下文构造。

[a01]《光半导体元件》

一种光半导体元件，包括：

由第一化合物半导体层、第三化合物半导体层和第二化合物半导体层构成的层叠结构体，其中

依次布置波导宽度为w1的基模波导区域、宽度大于w1的自由传播区域、以及光射出区域，所述光射出区域具有朝着光射出端面的方向而宽度增大的锥形形状。

[a02]

根据[a01]所述的光半导体元件，其中，当所述自由传播区域的长度表示为l2，从所述基模波导区域向所述自由传播区域行进的光的衍射角表示为θ1，且所述光射出区域和所述自由传播区域之间的边界部分的宽度表示为w2时，满足

w2>2l2·tan(θ1)+w1

[a03]

根据[a01]或[a02]所述的光半导体元件，其中，从所述光射出区域射出的光的m²值等于或小于3。

[a04]

根据[a01]至[a03]之一所述的光半导体元件，其中，

在构成基模波导区域的层叠结构体的第一区域中的第二化合物半导体层上，形成第二电极的第一部分，

在构成自由传播区域的层叠结构体的第二区域中的第二化合物半导体层上，形成第二电极的第二部分，

在构成光射出区域的层叠结构体的第三区域中的第二化合物半导体层上，形成第二电极的第三部分，并且

提供与构成层叠结构体的第一化合物半导体层电性连接的第一电极。

[a05]

根据[a04]所述的光半导体元件，其中，

所述第二电极的第一部分与所述第二电极的第二部分相连，

所述第二电极的第二部分与所述第二电极的第三部分分离，

在所述第二电极的第一部分和第二电极的第二部分与所述第一电极之间施加直流电压，

在所述第二电极的第三部分与所述第一电极之间施加脉冲电压。

[a06]

根据[a05]所述的光半导体元件，其中，

向所述第二电极的第三部分提供电流，对于所述第二电极的第三部分的每平方厘米提供等于或大于3×10³安培的电流。

[a07]

根据[a04]所述的光半导体元件，其中，

所述第二电极的第一部分、所述第二电极的第二部分以及所述第二电极的第三部分彼此相连，且

在所述第二电极的第一部分、第二电极的第二部分和第二电极的第三部分与所述第一电极之间施加直流电压。

[a08]

根据[a01]至[a07]之一所述的光半导体元件，其中，构成所述基模波导区域的层叠结构体的第一区域、构成所述自由传播区域的层叠结构体的第二区域、以及构成所述光射出区域的层叠结构体的第三区域具有脊状条纹结构。

[a09]

根据[a01]至[a07]之一所述的光半导体元件，其中，只有构成所述基模波导区域的层叠结构体的第一区域具有脊状条纹结构。

[a10]

根据[a01]至[a09]之一所述的光半导体元件，其中，在所述光射出端面附近设置电流非注入区域。

[a11]

根据[a01]至[a09]之一所述的光半导体元件，其中，所述层叠结构体由gan系化合物半导体构成。

[a12]

根据[a01]至[a11]之一所述的光半导体元件，其中，当所述自由传播区域的平均宽度表示为w2-ave，且所述光射出区域的与所述光射出端面相对的部分的宽度表示为w3时，满足

0.5μm≤w1≤2.5μm

1.2≤w2-ave/w1≤500

20μm≤w3≤650μm。

[a13]

根据[a01]至[a12]之一所述的光半导体元件，其中，所述光射出区域的轴线与所述光射出端面以锐角相交。

[a14]

根据[a01]至[a13]之一所述的光半导体元件，其中，所述光半导体元件由半导体光学放大器构成。

[a15]

根据[a01]至[a13]之一所述的光半导体元件，其中，所述光半导体元件由半导体激光元件构成。

[a16]

根据[a01]至[a13]之一所述的光半导体元件，其中，所述半导体激光元件由锁模半导体激光元件构成。

[a17]

根据[a16]所述的光半导体元件，其中，

在基模波导区域和第一端面之间提供由层叠结构体构成的可饱和吸收区域，

在层叠结构体的第二化合物半导体层的构成可饱和吸收区域的部分上提供第二电极第二区域，且

所述第二电极第二区域与所述第二电极的第一部分分离。

[b01]《激光装置组件》

一种激光装置组件，包括：

激光光源；以及

由根据[a01]至[a12]之一所述的光半导体元件构成的、用于对从所述激光光源射出的激光进行放大的半导体光学放大器，其中

构成所述半导体光学放大器的光半导体元件中的光射出区域的轴线与光射出端面以锐角相交。

[b02]

根据[b01]所述的激光装置组件，其中，所述基模波导区域的被来自所述激光光源的激光入射的部分的宽度等于所入射的激光的宽度。

[b03]

根据[b01]或[b02]所述的激光装置组件，其中，所述激光光源由半导体激光元件构成。

[b04]

根据[b01]至[b03]之一所述的激光装置组件，其中，所述半导体激光元件由锁模半导体激光元件构成。

附图标记列表

10基质

20层叠结构体

201构成基模波导区域的层叠结构体的第一区域

202构成自由传播区域的层叠结构体的第二区域

203构成光射出区域的层叠结构体的第三区域

20a，20b脊状条纹结构

21第一化合物半导体层

21a第一覆盖层

21b第一导光层

22第二化合物半导体层

22ap型电子屏障层

22b第二导光层

22c第二覆盖层

22dp型接触层

23第三化合物半导体层(有源层)

24第一端面

25光射出端面(第二端面)

26层叠绝缘膜

31第一电极

32，32a，32d，32d1，32d2第二电极(第二电极第一区域)

321第二电极的第一部分

322第二电极的第二部分

323第二电极的第三部分

32b，32e，32e1，32e2第二电极第二区域

32c，32f1，32f2分隔沟槽

40基模波导区域

50自由传播区域

60光射出区域

70电流非注入区域

80，82发光区域(增益区域)

81，83可饱和吸收区域

100激光光源

110锁模半导体激光元件

111，114透镜

112光滤波器

113外部镜

120光隔离器

121，122反射镜

123半波板(λ/2波板)

124，125透镜

200光半导体元件(半导体光学放大器)

ar低反射覆盖层或半反射覆盖层

hr高反射覆盖层