JP2001237488A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2001237488A
JP2001237488A JP2000046177A JP2000046177A JP2001237488A JP 2001237488 A JP2001237488 A JP 2001237488A JP 2000046177 A JP2000046177 A JP 2000046177A JP 2000046177 A JP2000046177 A JP 2000046177A JP 2001237488 A JP2001237488 A JP 2001237488A
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laser device
light
gan
semiconductor
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JP2000046177A
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English (en)
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Yoji Okazaki
洋二 岡崎
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Fuji Photo Film Co Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外域の光励起の面発光型半導体レーザ装置
において、高出力かつ高効率なまで基本横モード発振す
ること、および直接変調を可能にする。 【解決手段】 半導体レーザ素子22を励起光源とし、面
発光型半導体素子39のSiO2(厚さがλ/4nSiO2)/
ZrO2(厚さがλ/4nZrO2)分布反射膜37側が取り付
けられたヒートシンク42と、集光レンズ41と、外部ミラ
ー46とを備えている。外部ミラー46の凹面と面発光型半
導体素子39のSiO2(厚さがλ/4nS iO2)/ZrO
2(厚さがλ/4nZrO2)分布反射膜37により共振器が構
成されており、共振器内には波長変換素子43と偏光素子
44とエタロン45が挿入されている。半導体レーザ素子22
から発せられた400nm帯の励起光は面発光型半導体素子3
9に吸収されて600〜700nmの光が発せられ、該光は波
長変換素子43により紫外域のレーザ光に波長変換され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー装
置に関し、特に面発光型の半導体素子を半導体レーザ素
子により励起してレーザ光を得る構成の半導体レーザ装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、410nm帯の短波長半導体
レーザとして、1998年発行のJpn.J.Appl.phys.Lett.,Vo
l.3.pp.1020において、中村氏らによって、InGaN/
GaN/AlGaN−Based Laser Diodes Grown on G
aN Substrateが紹介されている。この半導体レーザは
サファイア基板上にGaNを形成後、SiO2をマスク
として選択成長を利用して形成し、SiO2の上部まで
サファイア基板を除去して残ったGaNを基板として、
該基板上にn−GaNバッファ層、n−InGaNクラ
ック防止層、AlGaN/n−GaN変調ドープ超格子
クラッド層、n−GaN光導波層、アンドープInGa
N/n−InGaN多重量子井戸活性層、p−AlGa
Nキャリアブロック層、p−GaN光導波層、AlGa
N/p−GaN変調ドープ超格子クラッド層、p−Ga
Nコンタクト層からなる構成である。しかしながら、ス
トライプ幅は2μ程度と狭いため、この半導体レーザで
は100mW程度の光出力しか得られていない。
【0003】また、米国特許第5627853号においては、
半導体レーザ励起による面発光レーザが記載されてい
る。しかしながらSHGによる短波長化について記載が
あるが、紫外レーザの発生について記載されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術では、面発光レーザを用いた紫外領域のSHGによる
高効率な波長変換レーザは未だ提案されていない。一
方、固体レーザにて、400nmを切るパルス駆動のT
HGによる紫外レーザはすでに実用化されているが、T
HGにてCW発振光を得るには、THGでは効率が悪
く、実用的でないという問題がある。さらに、THGの
CWモードでの高効率発振は、基本波のSHG光を共振
させなければならず、また、その場合、共振器の温調精
度が0.01℃以下と非常に厳しく実用的でなかった。
さらに、別の方法として、Cr:LiSAFやCr:L
iCAF結晶の発振ビームのSHGによって、400n
mを切る紫外レーザを得る方法が考えられるが、発振ビ
ームの再吸収があるため、700〜800nmの波長帯
にて効率良く発振することは困難であった。
【0005】本発明は上記事情に鑑みて、紫外域の半導
体レーザ装置であって、高効率で、かつ高出力まで基本
モード発振する半導体レーザ装置を提供することを目的
とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、GaN系の半導体を活性層とした半導体レーザ素
子と、該半導体レーザ素子により励起される、InGa
AlP系またはInGaP系の半導体を活性層とした面
発光型半導体素子と、該励起により得られた光を波長変
換して、紫外域のレーザ光を出力する波長変換手段とか
らなることを特徴とするものである。
【0007】また、半導体レーザ素子の活性層は、In
GaNあるいはGaNであってもよい。
【0008】また、半導体レーザ素子の活性層は、Ga
NAsあるいはInGaNAsであってもよい。
【0009】また、本発明の別の半導体レーザ装置は、
GaN系の半導体を活性層とした半導体レーザ素子と、
該半導体レーザ素子により励起される、GaN系の半導
体を活性層とした面発光型半導体素子と、該励起により
得られた光を波長変換して、紫外域のレーザ光を出力す
る波長変換手段とからなることを特徴とするものであ
る。
【0010】上記半導体レーザ素子の活性層は、InG
aN、GaN、GaNAsまたはInGaNAsのいす
れかであってもよい。
【0011】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置によれば、G
aN系の半導体を活性層とした半導体レーザ素子と、該
半導体レーザ素子により励起される、InGaAlP系
またはInGaP系の半導体を活性層とした面発光型半
導体素子と、該励起により得られた光を波長変換して、
紫外域のレーザ光を出力する波長変換手段とからなるこ
とによって、半導体レーザ素子から発振された400n
m帯のレーザ光が面発光型半導体素子に吸収されて、面
発光型半導体素子から600〜700nmの光が発せら
れ、この光が波長変換されて紫外域のレーザ光を得るこ
とができる。
【0012】また、本発明の別の半導体レーザ装置によ
れば、GaN系の半導体を活性層とした半導体レーザ素
子と、該半導体レーザ素子により励起される、GaN系
の半導体を活性層とした面発光型半導体素子と、該励起
により得られた光を波長変換して、紫外域のレーザ光を
出力する波長変換手段とからなることによって、GaN
系の半導体レーザ素子からの380nm帯の励起光によ
りGaN系の半導体を活性層とした面発光型半導体素子
が励起され、該面発光型半導体素子から発せられる40
0〜560nmの光が波長変換されて極短波長の紫外域
のレーザ光を得ることができる。
【0013】また、本発明の半導体レーザ装置は、光励
起によりレーザ発振するものであり、電流注入型の半導
体レーザ装置に比べて、ドーピングされた不純物等が電
流による発熱によって拡散するということがないため、
ショートによる経時劣化が無いので信頼性を向上させる
ことができる。さらに、不純物拡散によってコンタクト
抵抗が上昇することがないので、しきい値電流を低減で
き高効率化を実現できる。
【0014】また、面発光型半導体素子の発光面積が広
いため、電流注入型の半導体レーザ装置に比べ、光密度
が低いので高出力まで基本モード発振が可能である。ま
た、光密度の増大による端面劣化を抑制することができ
るので長寿命化が可能である。
【0015】また、半導体レーザ素子を電気的に変調す
ることにより、直接変調が可能である。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
【0017】本発明の第1の実施の形態による半導体レ
ーザ装置について説明する。この半導体レーザ装置にお
ける励起用の400nm帯の半導体レーザの断面図を図
1に示し、面発光型半導体素子の断面図を図2に示し、
この半導体レーザ装置の概略構成図を図3に示す。まず
励起用の半導体レーザ素子について説明する。1998年発
行のJpn.J.Appl.phys.Lett.,Vol.3.pp.1020に記載され
ている方法によりn−GaN(0001)基板を形成す
る。次に、図1に示すように、有機金属気相成長法によ
りn−GaN基板11上に、n−Ga1-z1Alz1N/Ga
N超格子クラッド層12(0<z1<1)、nあるいはi−G
aN光導波層13、Inz2Ga1-z2N/Inz3Ga1-z3
多重量子井戸活性層14(0<z2<z3<0.2)、p−GaA
lNキャリアブロッキング層15、nあるいはi−GaN
光導波層16、p−Ga1-z1Alz1N/GaN超格子クラ
ッド層17、p−GaNコンタクト層18を形成する。絶縁
膜19を形成し、通常のリソグラフィプロセスにより、幅
100μm程度のストライプの領域を除去し、p側電極
20を形成する。その後、基板の研磨を行ってn側電極21
を形成する。へき開により共振器を形成後、高反射コー
トと低反射コートを行い、チップ化して半導体レーザ素
子22を完成させる。
【0018】次に面発光型半導体素子について説明す
る。ここで、λは光励起により発振する波長であり、n
InAlP、nInGaAlP、nSiO2、nZrO2はそれぞれInAl
P、InGaAlP、SiO、ZrOの発振波長で
の屈折率である。図2に示すように、有機金属気相成長
法により、GaAs基板31上にIn0.5(Ga1-x5Al
x50.5Pクラッド層32(0<x5<1)、In0.5(Ga
1-x2Alx20.5P下部光閉じ込め層33、In0.5(G
1-x3Alx30.5P/In0.5(Ga1-x4Al 4
0.5P多重量子井戸活性層34(0<x3<x1≦x2およびx3<
x5<1、0≦x4<x3)、In0.5(Ga1-x2Alx20.5
P上部光閉じ込め層35、2ペアのIn0.5Ga0.5P(厚
さがλ/4nInAlP)/In0.5(Ga1-x1Alx1)0.5
(厚さがλ/4nInGaP)分布反射膜36を積層する。な
お、この分布反射膜36は形成しなくてもよい。その後、
電子ビーム蒸着法により、SiO2(厚さがλ/4n
SiO2)/ZrO2(厚さがλ/4nZrO2)分布反射膜37を積
層する。その後に基板の研磨を行い、硫酸系エッチャン
トで発光領域のGaAs基板を除去する。このとき、エ
ッチングは自動的にIn0.5(Ga1-x5Alx50.5
クラッド層32が露出して停止する。この後、ZrO
2(厚さがλ/4nZrO2)無反射コート38を形成し、へ
き開によりチップ化して面発光型半導体素子39を完成さ
せる。
【0019】この面発光型半導体素子39の発する光の波
長λは、In0.5(Ga1-x4Al 40.5P多重量子井
戸活性層34により、600<λ<700(nm)の範囲
までの制御が可能である。 次に、半導体レーザ装置に
ついて説明する。本実施の形態の半導体レーザ装置は、
図3に示すように、上記半導体レーザ素子22を励起光源
に備え、上記面発光型半導体素子39のSiO2(厚さが
λ/4nSiO2)/ZrO 2(厚さがλ/4nZrO2)分布反射
膜37側が取り付けられたヒートシンク42と、集光レンズ
41と、外部ミラー46とを備えている。外部ミラー46の凹
面と面発光型半導体素子39のSiO2(厚さがλ/4n
SiO2)/ZrO2(厚さがλ/4nZrO2)分布反射膜37によ
り共振器(共振器長L)が構成されており、共振器内に
は波長変換素子43(例えば、β-BaBO3結晶からなる
もの)と、エタロン45が挿入されている。
【0020】半導体レーザ素子21からの発振波長400
nm帯の励起光47は、集光レンズ41により面発光型半導
体素子39に集光され、面発光型半導体素子39の活性層34
により効率よく吸収され、面発光型半導体素子39から発
せられた680nmの光は波長変換素子43により波長変
換されて、外部ミラー46から340nmのレーザ光が出
力される。共振器内にエタロン45が挿入されていること
により、波長変換ビームの縦モード競合によるノイズを
抑制することができる。エタロンの替わりにリオフィル
ター、あるいはエタロンとリオフィルターを複数挿入し
てもよい。
【0021】また、共振器内に偏光制御素子44、例えば
ブリュースター板等を挿入して偏光を制御してもよい。
【0022】本実施の形態に示すように、励起光源には
ブロードエリア型半導体レーザ素子を用いることができ
るので高出力化、例えば1W〜10W以上が可能であ
る。従って、得られる発振出力も数100mW〜数W以
上の高出力が可能となる。
【0023】また、本発明の半導体レーザ装置は、光励
起によりレーザ発振するものであり、電流注入型の半導
体レーザ装置に比べて、電流注入による発熱が低減で
き、半導体レーザ装置の長寿命化を実現できる。
【0024】また、面発光型半導体素子の発光面積が広
いので、光密度の低減が図られ、長寿命化および高出力
化が可能である。
【0025】さらには、外部ミラーによって横モードを
制御できるので、サイドローブが発生しにくい。万一サ
イドローブが発生しても、ピンホールなどを共振器内に
挿入することで抑制できるという利点がある。
【0026】次に、第2の実施の形態による半導体レー
ザ装置と、その半導体レーザ装置を構成する面発光型半
導体素子について説明し、その面発光型半導体素子の断
面図を図4に示す。本発明の半導体レーザ装置は上記第
1の実施の形態の半導体レーザ装置と、面発光型半導体
素子以外は同様の構成であるため図は省略する。以下に
示すλは光励起により発振する波長であり、nInAlP
InGaAlP、nZrO2はそれぞれInAlP、InGaA
lP、ZrOの発振波長での屈折率である。図4に示
すように、GaAs基板51上に30ペアのIn0.5(Ga
1-x1Alx10.5P(厚さがλ/4nInGaAlP)/In
0.5Al0.5P(厚さがλ/4nInAlP)分布反射膜52、I
0.5(Ga1-x5Alx50.5Pクラッド層53、In
0.5(Ga1-x2Alx20.5P下部光閉じ込め層54、I
0.5(Ga1-x3Alx30.5P/In0. 5(Ga1-x4
Alx40.5P多重量子井戸活性層55(0≦x3<x1≦x2
およびx3<x5<1、0≦x4<x3)、In0.5(Ga1-x2
x20.5P上部光閉じ込め層56、In0.5(Ga1-x5
Alx50.5Pクラッド層57、ZrO2(厚さがλ/4n
ZrO2)分布反射膜58を積層し、面発光型半導体素子59を
作製する。
【0027】上記のように作製された面発光型半導体素
子59を第1の実施の形態の半導体レーザ装置を参照にし
て、GaAs基板51側をヒートシンクに取り付け、半導
体レーザ装置を構成する。上記面発光型半導体素子59の
In0.5(Ga1-x1Alx10 .5P(厚さがλ/4n
InGaAlP)/In0.5Al0.5P(厚さがλ/4nInAlP)分
布反射膜52がミラーの役割をしている。本発明の半導体
レーザ装置は、第1の実施の形態と同様に、400nm
帯の半導体レーザ素子22を励起光源とし、該励起光源に
より面発光型半導体素子59が励起され、面発光型半導体
素子59から発せられる600〜700nmの光が波長変
換されて、300〜350nmのレーザ光が発振する。
【0028】次に、本発明の第3の実施の形態による半
導体レーザ装置について説明する。その半導体レーザ装
置の励起光源として発振波長が380nm帯の半導体レ
ーザ素子の断面図を図5に示し、面発光型半導体素子の
断面図を図6に示し、半導体レーザ装置の概略構成図を
図7に示す。まず、半導体レーザ素子について説明す
る。図5に示すように、有機金属気相成長法により、n
−GaN(0001)基板61上に、n−Ga1-z1Alz1
N/GaN超格子クラッド層62(0<z1<1)、nあるい
はi−GaN光導波層63、Inz2Ga1-z2N/Inz3
1-z3N多重量子井戸活性層64(0<z2<z3<0.5)、p
−Ga1-z3Alz3Nキャリアブロッキング層65、nある
いはi−GaN光導波層66、p−Ga1-z1Alz1N/G
aN超格子クラッド層67、p−GaNコンタクト層68を
形成する。絶縁膜69を形成し、通常のリソグラフィープ
ロセスにより、100μm程度のストライプの領域を除
去し、p側電極70を形成する。その後、基板の研磨を行
い、n側電極71を形成し、へき開により共振器を形成
後、高反射コートと低反射コートを形成し、チップ化し
て半導体レーザ素子72を作製する。
【0029】次に、面発光型半導体素子について説明す
る。以下に示す、λは光励起により発振する波長であ
り、nAlN、nGaN、nwg、nSiO2、nZrO2はそれぞれA
lN、GaN、光閉じ込め層、SiO、ZrOの発
振波長での屈折率である。図6に示すように、有機金属
気相成長法によりGaN(0001)基板81上に20ペ
アのGaN(λ/4nGaN)/AlN(λ/4n
AlN)反射膜82、GaN光閉じ込め層83、Inx2Ga
1-x2N/Inx3Ga1-x3N多重量子井戸活性層(0<x2
<x3<0.5)84、GaN光閉じ込め層85、AlGaNキ
ャリア閉じ込め層86を積層する。その後、電子ビーム蒸
着法等により、SiO2(厚さ:λ/4nSiO2)/Z
rO2(厚さ:λ/4nZrO2)分布反射膜87を積層す
る。その後、基板の研磨を行いZrO(厚さ:λ/4
ZrO2)無反射コートを行い、へき開によりチップ
化して面発光型半導体素子88を作製する。
【0030】この面発光型半導体素子88の発する光の波
長λに関しては、Inx2Ga1-x2N/Inx3Ga1-x3
多重量子井戸活性層84(0<x2<x3<0.5)より、400
<λ<560(nm)の範囲までの制御が可能である。
【0031】次に、半導体レーザ装置について説明す
る。図7に示すように、上記半導体レーザ素子72を励起
光源に用い、上記面発光型半導体素子88のGaN基板81
側を取り付けられたヒートシンク92と、集光レンズ91
と、外部ミラー96を備えている。外部ミラー96の凹面と
面発光型半導体素子88の20ペアのGaN(λ/4n
Ga )/AlN(λ/4nAlN)反射膜82とにより
共振器(共振器長L)が構成されており、共振器内に波
長変換素子93(例えば、β-BaBO3結晶からなるも
の)と、さらに単一縦モードを得るために共振器内部に
波長選択素子95(例えばリオフィルターもしくはエタロ
ンもしくはこれらを複数)が挿入されている。また、波
長変換を効率良く行うために共振器内において,ブリュ
ースター板等による偏光制御素子94を挿入してもよい。
【0032】半導体レーザ素子72からの380nm帯の
励起光97は集光レンズ91により面発光型半導体素子88に
集光され、面発光型半導体素子88の量子井戸活性層によ
り効率よく吸収されて400〜560nmの光が発せら
れ、その光は波長変換素子により第2高調波に変換され
る。面発光型半導体素子88の発する基本波の波長λFM
関しては、前述したように、400<λFM<560(n
m)の範囲で可能であるので、この半導体レーザ装置の
発振する第2高調波の波長λSHGに関しても、200<
λSHG<280(nm)の極短波長の発振が可能であ
る。
【0033】本発明の半導体レーザ装置は、面発光型半
導体素子88のGaN基板81は励起光に対して透明である
ことから、面発光型半導体素子88を端面励起することに
より、レーザ発振を得る。また、GaN基板81は熱伝導
係数も大きいことから、図に示すようなヒートシンク92
を構成することにより、放熱が容易であるので、高品位
なビームを得ることができる。
【0034】本実施の形態による半導体レーザ装置は、
第1およびは第2の実施の形態と同様、励起用半導体レ
ーザ素子を直接変調することによって、変調が可能とな
る。
【0035】また、上記2つの実施の形態において、励
起用の半導体レーザー素子は、ブロードエリア型の半導
体レーザ素子を用いたが、これに限らず他の半導体レー
ザ素子やテーパー構造で高密度の集光が可能なMOPA
やα−DFBレーザーでもよい。
【0036】上記実施の形態では、面発光型半導体素子
から発せられる光を第2高調波に変換して紫外域のレー
ザ光を得る構成について説明したが、面発光型半導体素
子から発せられる光と、外部から与えられる光源との和
周波光によって紫外域のレーザ光が得られる構成であっ
てもよい。
【0037】また、本発明の半導体レーザ装置はQスイ
ッチ素子を共振器内に挿入し、Qスイッチ動作をさせる
か、あるいは励起用の半導体レーザ素子をパルス駆動
し、本レーザをパルス駆動させてもよい。特に、励起用
InGaN系半導体レーザは他の半導体レーザよりも高
いCODを有することから、パルス駆動するのには、最
適な励起光源である。
【0038】また、波長変換素子としてはβ−BaBO
3だけでなく、LBO、GdYCOB、GdCOB、ド
メイン反転MgO−LiNbO3結晶等を用いることが
できる。
【0039】なお、本発明の半導体レーザ素子は、高速
な情報・画像処理及び通信、計測、医療、印刷の分野で
の光源として応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する半導体レーザ素子を示す断面図
【図2】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図3】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
【図4】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図5】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する半導体レーザ素子を示す断面図
【図6】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を構成する面発光型半導体素子を示す断面図
【図7】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す概略構成図
【符号の説明】
22 半導体レーザ素子 39 面発光型半導体素子 41 集光レンズ 42 ヒートシンク 43 波長変換素子 44 偏光素子 45 エタロン 46 外部ミラー 47 励起光

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 GaN系の半導体を活性層とした半導体
    レーザ素子と、該半導体レーザ素子により励起される、
    InGaAlP系またはInGaP系の半導体を活性層
    とした面発光型半導体素子と、該励起により得られた光
    を波長変換して、紫外域のレーザ光を出力する波長変換
    手段とからなることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 【請求項2】 前記半導体レーザ素子の活性層が、In
    GaNあるいはGaNであることを特徴とする請求項1
    記載の半導体レーザ装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体レーザ素子の活性層が、Ga
    NAsあるいはInGaNAsであることを特徴とする
    請求項1記載の半導体レーザ装置。
  4. 【請求項4】 GaN系の半導体を活性層とした半導体
    レーザ素子と、該半導体レーザ素子により励起される、
    GaN系の半導体を活性層とした面発光型半導体素子
    と、該励起により得られた光を波長変換して、紫外域の
    レーザ光を出力する波長変換手段とからなることを特徴
    とする半導体レーザ装置。
  5. 【請求項5】 前記半導体レーザ素子の活性層が、In
    GaN、GaN、GaNAsまたはInGaNAsから
    なることを特徴とする請求項4記載の半導体レーザ装
    置。
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