JP2006303325A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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JP2006303325A JP2005125527A JP2005125527A JP2006303325A JP 2006303325 A JP2006303325 A JP 2006303325A JP 2005125527 A JP2005125527 A JP 2005125527A JP 2005125527 A JP2005125527 A JP 2005125527A JP 2006303325 A JP2006303325 A JP 2006303325A
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Satoshi Kawamoto
聡 河本
Shuhei Katagiri
修平 片桐
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Abstract

【課題】 組立が簡単でモニタ用レーザ光の受光量を確保できる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 リードフレーム11、リードフレーム11上に設けられ、主レーザ光L1と主レーザ光L1の反対方向にモニタ用レーザ光L2とを出射する半導体レーザ素子13、モニタ用レーザ光L2の光路下に受光部15を上向きにしてリードフレーム11上に設けられた受光素子14、及び、モニタ用レーザ光L2を遮るように受光素子14の受光部15上に固着され、モニタ用レーザ光L2を受光部15に導くドーム状レンズ19を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体レーザ素子からのモニタ用レーザ光を受光する受光素子を備えた半導体レーザ装置に関する。
近年、DVD(Digital Versatile Disc)システム等において、光ディスク面上にレーザビームを照射するために半導体レーザ装置が幅広く用いられている。更に、次世代光ディスクシステムに使用される、より波長の短い半導体レーザ装置等の開発が活発化している。
従来、この種の半導体レーザ装置として、リードフレーム上にセラミック基板を介して主レーザ光とこの主レーザ光と反対方向にモニタ用レーザ光とを出射する半導体レーザ素子が載置され、このモニタ用レーザ光の出射側に受光素子が載置されている。そして、外囲器が半導体レーザ素子の主レーザ光の出射側を除いて、半導体レーザ素子及び受光素子を取囲むようにリードフレーム上に設置され、主レーザ光の光量を制御するために後方に向かって出射されるモニタ用レーザ光を外囲器に設けられた光反射面により反射させて受光素子に受光させる構造のものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
この半導体レーザ装置においては、光反射面の加工精度に加え、外囲器の組立ての際、モニタ用レーザ光及び受光素子に対する光反射面の位置精度の確保が要求され、組立に手間がかかるという問題がある。
特開2003−289167号公報(第4頁、図1)
本発明は、組立が簡単でモニタ用レーザ光の受光量を確保できる半導体レーザ装置を提供する。
本発明の一態様の半導体レーザ装置は、支持基板と、前記支持基板上に設けられ、主レーザ光と前記主レーザ光の反対方向にモニタ用レーザ光とを出射する半導体レーザ素子と、前記モニタ用レーザ光の光路下に受光部を上向きにして前記支持基板上に設けられた受光素子と、前記受光素子の受光部上に固着され、前記モニタ用レーザ光を前記受光部に導く屈折媒体とを有することを特徴とする。
本発明によれば、組立が簡単でモニタ用レーザ光の受光量を確保できる半導体レーザ装置を提供することができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
本発明の実施例1に係る半導体レーザ装置について、図1乃至図3を参照しながら説明する。
図1は、実施例1の半導体レーザ装置の構成を示すもので、図1(a)は概略的な平面図、図1(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図である。図2は、受光部上にドーム状レンズを設ける前と後の受光素子の構成を示すもので、図2(a)及び図2(b)は、それぞれ、受光部にドーム状レンズを設ける前の受光素子の平面図及び正面図、図2(c)及び図2(d)は、それぞれ、受光部にドーム状レンズを設けた後の受光素子の平面図及び正面図である。
図1に示すように、本実施例の半導体レーザ装置1では、リードフレーム11は、支持基板であるベッド11aと外部端子となるリード端子11bを有する。
このリードフレーム11のベッド11aには、セラミック基板12を介して半導体レーザ素子13が設置されている。
この半導体レーザ素子13は、前方(図面上の左方向)に向かって主レーザ光L1を出射し、後方(図面上の右方向)、即ち主レーザ光L1と反対方向に向かってモニタ用レーザ光L2を出射する。半導体レーザ素子13は、約110μmの間隔をおいて、モノリシックに形成した赤色光及び赤外光の2波長を、独立して出射することが可能な構造を有している。なお、半導体レーザ素子13は、1波長を出射するものであっても差し支えない。
セラミック基板12としては、例えば、半導体レーザ素子13と線膨張係数が近く、且つ熱伝導率の高い、ほぼ直方体形状の窒化アルミニウムが使用されている。セラミック基板12は、後述の受光素子の厚さとほぼ同じ厚さに形成され、その表面には、例えば、金等の電極材料を独立して2波長の出射が可能なようにパターニングした配線(図示略)が形成されている。このセラミック基板12の上面に半導体レーザ素子13が上面(pn接合に近い側)を下向きにして、例えば、金スズ半田(図示略)等により電気的及び熱伝導的に接続されている。そして、半導体レーザ素子13の裏面電極がボンディングワイヤ31を介してベッド11aに電気的に接続され、セラミック基板12の配線が、それぞれ、ボンディングワイヤ31を介してリード端子11bに電気的に接続されている。
また、半導体レーザ素子13の後方のベッド11a部分には、受光素子14が設置されている。受光素子14は、半導体レーザ素子11の赤色光及び赤外光に対して十分な受光感度を有するシリコンフォトダイオードからなり、図2(a)、(b)に示すように、上面の中央部には受光部15が設けられ、周辺部にはボンディングパッド16が設けられ、下面には裏面電極17が設けられている。そして、この受光素子14は、受光部15を上向きにして半導体レーザ13から出射されるモニタ用レーザ光L2の光路下に設けられ、裏面電極17がベッド11aに電気的に固着されている。そして、ボンディングパッド16がボンディングワイヤ31を介してリード端子11bに電気的に接続されている。
この受光素子14の受光部15には、図2(c)、(d)に示すように、屈折媒体である半円球状のドーム状レンズ19が固着されている。このドーム状レンズ19は、透明なエポキシ樹脂により例えば、110μmの間隔で出射される赤色光及び赤外光の2波長を受光できるように直径約600μmに形成されてなる。また、このドーム状レンズ19の中心軸が2波長のモニタ用レーザ光の光軸の中間にくるように配置され、半導体レーザ素子13からのモニタ用レーザ光L2を屈折して受光素子14に入射させるようになっている。
また、外囲器21がリードフレーム11に設置されている。この外囲器21は、通常の半導体装置の外囲器等に使用される樹脂、例えば、エポキシ系樹脂をモールド成形してなり、半導体レーザ素子13の主レーザ光L1の出射側を除いて、半導体レーザ素子13及び受光素子14の両側方並びに後方を取囲む壁部21aを有する。この外囲器21の壁部21aは、半導体レーザ素子13、ドーム状レンズ18及びボンディングワイヤ31を保護するためにそれらの高さより高く形成されている。
また、外囲器21は底部21bを有し、底部21bは、ベッド11aの下面全面、ベッド11aの半導体レーザ素子13及び受光素子14のマウント領域の上面、ベッド11aの両端部(図面上の上下側)の上面、リード端子11bの一端部(図面上の左側)のボンディング領域及び他端部(図面上の右側)を除いて被覆してなる。
次に、受光素子14の受光部15上にドーム状レンズ19を設ける方法について説明する。まず、紫外線硬化型の透明エポキシ樹脂を滴下量が微調整できるディスペンサ(図示略)等を用いて、受光部15の中心部に、予め決められた量だけ滴下し、受光部15上に未硬化状態のドーム状樹脂を形成し、その後、紫外線を数秒から数十秒程度、照射して硬化成形し、図2(c)及び図2(d)に示すように、例えば、径が約600μmの半円球状のドーム状レンズ19を完成する。この時、ドーム状レンズ19は、受光素子14に固着される。なお、硬化をより完全にするために、加熱硬化処理を行うことは可能であり、また、紫外線を使用せずに加熱硬化処理だけで硬化させることも可能である。
なお、硬化後の樹脂形状は塗布量、表面張力及び受光部15の上面での濡れ性によりほぼ決定される。そのため、使用する樹脂は粘性、硬化収縮率、硬化後の透明度等を鑑み選定される。樹脂の表面張力や濡れ性によって、受光部15上に所望のドームが形成できない場合には、受光素子14の周囲に樹脂溜め(図示略)等の囲いを設置することは可能である。
ここでは、ドーム状レンズ19が、半円球状である場合を説明したが、モニタ用レーザ光L2を受光部15に導入できる形状であれば、例えば、モニタ用レーザの受光面が曲面または傾斜面を有する四角柱状体構造であっても差し支えない。
以上のような構成の半導体レーザ装置1は、リードフレーム11の底面を、例えば、金属製のヒートシンク(図示略)に接触させて、放熱の経路を確保した状態で通電される。通電は、リード端子11bを通して行う。通電された半導体レーザ素子13は、赤色光または赤外光を発振し、主レーザ光L1を前方へ、モニタ用レーザ光L2を後方へ向けて出射する。
モニタ用レーザ光L2は、ドーム状レンズ19の受光面である球面部に当たり、一部は表面で反射されるが、一部はドーム状レンズ19の中心部に向かって屈折する。例えば、屈折率約1.5の樹脂製のドーム状レンズ19では、屈折光L3となってドーム状レンズ19内を進み、受光素子14の受光部15に達する。受光部15では、光電変換により、屈折光L3の光量に応じた電流を取り出すことができる。この電流に基づき、主レーザ光L1の強度(光量)を制御することが可能となる。
上述した実施例1の半導体レーザ装置1によれば、半導体レーザ素子13から出射されるモニタ用レーザ光L2の光路を遮るようにドーム状レンズ19を受光素子14の受光部15上に設け、このドーム状レンズ19によって、モニタ用レーザ光L2を受光素子14に導くようにしている。従って、従来の半導体レーザ装置のような、厳密な光反射面の加工精度及びモニタ用レーザ光及び受光素子に対する光反射面の位置精度の確保等が不要となり、組立が容易である。
その上、光反射面を形成するための蓋が不要であり、半導体レーザ装置1の薄型化が可能となる。また、従来の半導体レーザ装置においては、光反射率を大きくするために蓋を含む外囲器の材料が限定されること、内表面の加工処理が必要であるためにコスト高になるが、本実施例では材料の限定や加工処理が不要なためコストの低減が可能となる。
上記実施例においては、屈折媒体として透明のエポキシ樹脂からなるドーム状レンズ19の例で説明したが、これに限らない。
例えば、ガラス及びセラミック等で形成してもよい。ガラス及びセラミック等による場合には、一般的に、エポキシ樹脂より成形温度が高いために、直接、受光素子上に形成することが難しく、予め、屈折媒体を所望形状に成形しておき、その成形した屈折媒体を受光素子上に固着する。この屈折媒体としては、ドーム状レンズ構造に限らず、例えば、図3(a)乃至図3(e)に示す平面図(上側)及び正面図(下側)のような形状が考えられる。なお、これらの形状の屈折媒体は、透明な樹脂であっても差し支えない。
これらの屈折媒体は、受光素子14の受光部15上に、例えば、接着剤で固着する。この接着剤は、透明度が高くまたその光屈折率や線膨張係数は屈折媒体と受光素子15の中間程度が望ましい。あるいは接着界面での応力を緩和し剥離などの不具合を避けるため伸縮性、接着性に富むものであっても差し支えない。
図3(a)に示す屈折媒体40は、図2で示したドーム状レンズ19とほぼ同様な、半円球状である。そして、上述したように、例えば、モニタ用レーザの受光面が曲面または傾斜面を有する四角柱状体構造であっても差し支えない。
例えば、図3(b)に示す屈折媒体41は円柱の一部を切り出したかまぼこ型で、モニタ用レーザ光L2を円柱面の一部である曲面で受ける。図3(c)に示す屈折媒体42は一面に円柱面を有する角柱状体構造をなし、モニタ用レーザ光L2の受光面が円柱面の一部である曲面になっている。
図3(d)に示す屈折媒体43は四角柱状構造をなし、モニタ用レーザ光L2の受光面がモニタ用レーザ光L2に対して一定の角度をなして傾斜した平面になっている。図3(e)に示す屈折媒体44は三角柱状体構造をなし、モニタ用レーザ光L2の受光面がモニタ用レーザ光L2に対して一定の角度をなして傾斜した平面になっている。
この図3に示す屈折媒体40〜44は、ディスペンサで受光部15上に形成する場合に比較して、部品コストが上がる可能性がある。しかしながら、屈折媒体40〜44の形状の均一化、モニタ用レーザ光L2を受ける面の反射防止等を比較的簡単に図ることが可能である。従って、屈折媒体40〜44は、より少ないモニタ用レーザ光L2で効率よく主レーザ光L1を制御する場合に有効である。
本発明の実施例2に係る半導体レーザ装置について、図4及び図5を参照しながら説明する。図4は実施例2の半導体レーザ装置の構成を示す略概的な断面図、図5は実施例2の半導体レーザ装置に使用されるドーム状レンズを形成した受光素子を示すもので、図5(a)は平面図、図5(b)は正面図である。本実施例は、ベッド上面からのセラミック基板上面の高さが、受光素子の上面の高さに比較して高い場合である。以下、上記実施例1と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
図4に示すように、セラミック基板52の厚さが受光素子14の厚さに比べて厚く形成され、ベッド11aからのセラミック基板52上面は、受光素子14上面の受光部15より高い位置にある。従って、セラミック基板52に固定された半導体レーザ素子13の後方に出射するモニタ用レーザ光L2を受けるため、ドーム状レンズ59は、実施例1のドーム状レンズ19に比較してより高く形成されている。
また、外囲器61の壁部61aは、半導体レーザ素子13の上面がリードフレーム11のベッド11aからより高い位置にあるので、実施例1の外囲器21の壁部21aに比較してより高く形成されている。
また、ドーム状レンズ59は、図5に示すように、曲率の異なる2種類のレンズが積み重なって一体化した構造を有し、受光部15から遠い側のドーム状レンズ59の頂部59aは、半円球状を有し、受光部15に近い下部59bは、頂部59aの球面の半径より大きな半径を有する円盤形状を有している。
ドーム状レンズ59の形成方法は、まず、相対的に粘度の小さな紫外線硬化型透明エポキシ樹脂をディスペンサ等を用いて、受光部15の中心部を目標に予め決められた量だけ滴下する。受光部15を中心にドーム状の未硬化の樹脂が形成され、その後、数秒から数十秒程度の紫外線照射を行い硬化させ、円盤形状の下部59bを成形する。次に、相対的に粘度の大きな同様なエポキシ樹脂を下部59bの中心部を目標に予め決められた量だけ滴下する。その後、数秒から数十秒程度の紫外線照射を行い硬化させ、半円球状の頂部59aを成形する。その結果、図5(a)及び図5(b)に示すように、例えば、下部59bの径が約600μm、頂部59aが半円球形状のドーム状レンズ59が、受光部15を覆うように受光素子14上面に固着される。
本実施例では、紫外線硬化型透明エポキシ樹脂を使用し、2工程に分けて滴下と硬化を行って、所望の高さ及び形状のドーム状レンズ59を形成した。しかし、更に、樹脂の滴下と紫外線照射を繰り返して、所望の形状のドーム状レンズ59を形成しても差し支えない。逆に、樹脂の粘度を上げる等の変更によって、1工程の滴下と硬化によって、高さの高いドーム状レンズを形成してもよい。また、紫外線を用いた硬化、紫外線と加熱を使用した硬化、加熱硬化処理だけの硬化のいずれかの方法を採ることは可能である。
上述した実施例2の半導体レーザ装置2によれば、外囲器61の壁部61の高さが少し高くなるために、薄型化の効果は期待できないが、それ以外の上記実施例1の効果については、同様に得られる。また、セラミック基板52の厚さが大きくなっているので、セラミック基板52の機械的強度は高くなり、リードフレーム11の変形等が半導体レーザ素子13に及ぼす影響を小さくできる。従って、半導体レーザ装置2は信頼性のより高いものとなる。また、ドーム状レンズ59の高さを調整することによって、モニタ用レーザ光L2を受ける面の位置調整が可能となり、受光効率の最適化を図ることができる。
本発明の実施例3に係る半導体レーザ装置について、図6を参照しながら説明する。図6は実施例3の半導体レーザ装置の構成を示す略概的な断面図である。本実施例と実施例1とは、外囲器の構造が異なる。以下、上記実施例1と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
図6に示すように、本実施例の半導体レーザ装置3では、半導体レーザ素子13、ドーム状レンズ19及びボンディングワイヤ31等を保護するため、例えば、樹脂製の蓋71を設け、外囲器21の壁部21aの上面に接着剤(図示略)等で固定してある。蓋71は、内面でモニタ用レーザ光L2を反射させる必要がないために、従来の半導体レーザ装置が有していた光反射面の位置や表面の加工精度等は必要なく、半導体レーザ素子13、ドーム状レンズ19及びボンディングワイヤ31等を保護するための蓋としての機能が満たせる程度の組み立て精度及び厚みを有していればよい。
上述した実施例3の半導体レーザ装置3によれば、実施例1に比較して、蓋71及び蓋71を組み立てる工程が必要になり、蓋71に相当する厚さだけ厚くなる以外は、実施例1と同様の効果が得られる。
そして、蓋76を有することによって、実施例1に比べて半導体レーザ素子13、ドーム状レンズ19及びボンディングワイヤ31等の保護効果が極めて高い。このため、半導体レーザ装置を、例えば、応用装置である光ディスク用ピックアップヘッドに装着する時に、半導体レーザ素子13、ドーム状レンズ19及びボンディングワイヤ31等がヘッドに接触する恐れがなく半導体レーザ装置の破損歩留まりを向上することが可能である。
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
例えば、半導体レーザ素子は、赤色光及び赤外光の異なる2波長を出射することが可能なモノリシック構造に限らず、赤色光または赤外光の1波長を出射する半導体レーザ素子を並置して、2波長を出射するハイブリッド構造としても差し支えない。また、出射するレーザ光の波長は、赤色光及び赤外光に限らず、例えば、青紫色光を加えた3波長の中から、適する2波長を組み合わせた構成、または、これら異なる3波長を組み合わせた構成であっても差し支えない。
しかし、青紫色光、赤色光及び赤外光の異なる3波長を出射する半導体レーザ素子の場合には、シリコンフォトダイオードは、波長約800nmの受光感度に対して、波長約400nmの受光感度が約半分に減少するということが知られており、青紫色光の受光感度が低下する。
従って、受光感度の波長依存性を調節するために、短波長を受光してより長波長の光を発光する、例えば、蛍光体あるいは半導体微粒子のような波長変換材をドーム状レンズに適量混入させて、例えば、シリコンフォトダイオードにおける青紫色光の受光感度を上げることが望ましい。また、受光感度の波長依存性を調節するために、特定の波長の光を選択的に吸収する機能材をドーム状レンズに適量混入することによって、受光感度の大きな波長の光の受光量を落として、各波長の受光感度の差を小さくしても良い。ドーム状レンズを受光部に接着する場合には、波長変換材や光吸収材を接着剤に混入させれば、ドーム状レンズに混入した場合と同様の効果を得ることが可能である。
また、ドーム状レンズの材料は、紫外線硬化型透明エポキシ樹脂を使用する例を示したが、常温硬化が可能な樹脂を選択することは可能である。
また、外囲器は、半導体レーザ素子、受光素子及びボンディングワイヤ等を保護できれば、両側方並びに後方を連続的に取囲む必要は必ずしもない。また、この外囲器の壁部は、主レーザ光の出射を遮らなければ、主レーザ光の出射側にあっても差し支えない。
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 支持基板と、前記支持基板上に設けられ、主レーザ光と前記主レーザ光の反対方向にモニタ用レーザ光とを出射する半導体レーザ素子と、前記モニタ用レーザ光の光路下に受光部を上向きにして前記支持基板上に設けられた受光素子と、前記受光素子の受光部上に固着され、前記モニタ用レーザ光を前記受光部に導く屈折媒体とを有する半導体レーザ装置。
(付記2) 前記支持基板に平行に、前記モニタ用レーザ光の出射方向に延在した外部端子を有する付記1に記載の半導体レーザ装置。
(付記3) 前記屈折媒体は、波長変換材を含む付記1または2に記載の半導体レーザ装置。
(付記4) 前記屈折媒体は、波長選択的光吸収材を含む付記1または2に記載の半導体レーザ装置。
(付記5) 前記屈折媒体は、前記前記受光素子の受光部に接着剤を介して固着されてなる付記1または2に記載の半導体レーザ装置。
(付記6) 前記接着剤は、波長変換材を含む付記5に記載の半導体レーザ装置。
(付記7) 前記接着剤は、波長選択的光吸収材を含む付記5に記載の半導体レーザ装置。
(付記8) 前記半導体レーザ素子は、複数の異なる波長のレーザ光を発振することができるモノリシック構造である付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
(付記9) 前記支持基板の底面を露出させ、前記支持基板上の前記半導体レーザ素子及び前記屈折媒体の高さを越える位置に上面を有し、前記主レーザ光を遮らない外囲器を設けることを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
本発明の実施例1に係る半導体レーザ装置の概略的な構成を示すもので、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図。 本発明の実施例1に係る半導体レーザ装置のドーム状レンズを形成する前後の受光素子の概略的な構成を示すもので、図2(a)及び図2(b)は、それぞれ、受光部にドーム状レンズを設ける前の平面図及び側面図、図2(c)及び図2(d)は、それぞれ、受光部にドーム状レンズを形成した後の平面図及び正面図。 本発明の実施例1に係る半導体レーザ装置の屈折媒体の形状を示す平面図(上側)及び正面図(下側)。 本発明の実施例2に係る半導体レーザ装置の概略的な構成を示す断面図。 本発明の実施例2に係る半導体レーザ装置に使用されるドーム状レンズを形成した受光素子を示すもので、図5(a)は平面図、図5(b)は正面図。 本発明の実施例3に係る半導体レーザ装置の略概的な構成を示す断面図。
符号の説明
1、2、3 半導体レーザ装置
11 リードフレーム
11a ベッド
11b リード端子
12、52 セラミック基板
13 半導体レーザ素子
14 受光素子
15 受光部
16 ボンディングパッド
17 裏面電極
19、59 ドーム状レンズ
21、61 外囲器
21a、61a 壁部
21b、61b 底部
31 ボンディングワイヤ
L1 主レーザ光
L2 モニタ用レーザ光
L3 屈折光

Claims (5)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板上に設けられ、主レーザ光と前記主レーザ光の反対方向にモニタ用レーザ光とを出射する半導体レーザ素子と、
    前記モニタ用レーザ光の光路下に受光部を上向きにして前記支持基板上に設けられた受光素子と、
    前記受光素子の受光部上に固着され、前記モニタ用レーザ光を前記受光部に導く屈折媒体と、
    を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記屈折媒体は、前記モニタ用レーザ光に対して透明な樹脂、ガラスまたはセラミックで形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記屈折媒体は、前記モニタ用レーザ光の入射面に、曲面または傾斜した平面を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記屈折媒体は、ドーム状レンズであることを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記ドーム状レンズは、前記透明樹脂で、前記受光部に固着されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体レーザ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2402265A2 (en) 2006-01-27 2012-01-04 Max Co., Ltd. Gas cartridge

Cited By (1)

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EP2402265A2 (en) 2006-01-27 2012-01-04 Max Co., Ltd. Gas cartridge

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