JP2007019390A - 半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法 - Google Patents

半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 外部からの反射戻り光の影響を抑制することができ,モジュールに組み立てた場合にアイソレータを不要として低価格なシステムに対応可能な,半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法を提供する。
【解決手段】 発光領域200がストライプ状に限定された半導体レーザ100において;光が出射される前端面300と,前端面300の素子側面方向の端部に,少なくとも発光領域200の上部のクラッド層230と下部のクラッド層210とに渡って設けられ,前端面300と光出射の反対方向に角度を成す傾斜面400と,を備えることを特徴とし,反射戻り光の一部が傾斜面400で反射されカットできるので,半導体レーザ100の特性変動を低減することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は,半導体装置レーザ,特にモジュールにマウントされてレンズ系や光ファイバと結合され,発光領域がストライプ状に限定された半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法に関するものである。
近年,光通信システムの普及に伴い,半導体レーザとレンズ系や光ファイバ(ファイバ)とが1つの基板にマウント,結合されたモジュールが盛んに開発されている。しかし,半導体レーザ光は,例えば,ファイバの開放端など屈折率が異なる箇所に必ず反射戻り光が発生し,戻ってきた光が半導体レーザの性能に影響を及ぼす不具合がある。
そのため従来は,半導体レーザをモジュールにマウントしてレンズ系やファイバと結合させる場合,伝送系からの何らかの反射戻り光を考慮し,戻り光をカットするためのアイソレータを導入している。しかし,このアイソレータはとても高価であるため,低コスト化が困難であり,アイソレータを不用としながら,反射戻り光の影響を抑制できる半導体レーザが求められていた。
そこで,反射戻り光に対する影響を低減させるために,回折格子の位相に関する非特許文献1が開示されている。このように,回折格子の位相をλ/8シフトさせることにより,内部電界の増大に伴って,反射損失が増大した場合に,電界を減少させるように負帰還作用が生じさせ,反射戻り光に対する発振波長や光出力の揺らぎを抑制させるという方法があった。
Yidong Huang,Kenji Sato,Tetsuro Okuda,Naofumi Suzuki,Satoshi Ae,Yoshiharu Muroya,Kazuo Mori,Tatsuya Sasaki,and Kenichi Kobayashi,IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.38,No.11,November 2002,pp.1479−1484.
ところが,回折格子の位相をλ/8シフトさせる方法において,位相の一部分だけをシフトさせるためには,電子描画装置を用い,レジストに直接電子線をnm(ナノメーター)オーダーで制御して描画し,露光しなければならなかった。この電子線描画装置は,大変高価で,ウェハ一枚毎に電子線で描画していくため,製造時間がかかり,量産性が悪い問題があり,低価格のシステムに対応できるものではなかった。
そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的とするところは,外部からの反射戻り光の影響を抑制することができ,モジュールに組み立てた場合にはアイソレータを不要として低価格なシステムに対応可能な,半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明のある観点によれば,発光領域がストライプ状に限定された半導体レーザにおいて;光が出射される前端面と,前端面の素子側面方向の端部に,少なくとも前記発光領域の上部のクラッド層と下部のクラッド層とに渡って設けられ,前端面と光出射の反対方向に角度を成す傾斜面と,を備えることを特徴とする,半導体レーザが提供される。
ストライプ構造の半導体レーザから出射される光の強度は,発光領域を中心として素子側面方向にガウス状の分布している。また,出射面に戻ってきた反射戻り光についても同様の光強度分布を有している。半導体レーザ光の出射面に,素子側面に垂直で光が出射される前端面と,前端面の端部に設けられた傾斜面とを備えることにより,反射戻り光の一部が傾斜面で反射されて光強度分布の端部の光をカットすることができ,反射戻り光による半導体レーザの特性変動を低減することができる。
ここで,傾斜面は前端面の素子側面方向の両端部に形成されているとよい。これにより,反射戻り光の強度分布における両端部の光をカットすることができる。
この時,前記前端面の素子側面方向の幅は,発光領域の素子側面方向の幅の1.5倍以上とすることができる。前端面の幅が発光領域の幅の1.5倍より小さいと,反射戻り光をより多くカットできるが,同時に出射光も傾斜面で他方向に反射されて出力効率が悪くなってしまう。このため前端面の幅は,出力効率と反射戻り光の影響とを考慮して,好適な大きさにするとよい。
また,傾斜面は,前端面と光出射の反対方向に1〜45°の角度を成して形成することができる。傾斜面の角度は大きくなるほど,反射戻り光を素子外部に反射してカットできるが,この場合も光の出射が制限されて出力効率が悪くなってしまうので,やはり出力効率と反射戻り光の影響とを考慮して,好適な角度にするとよい。
また,傾斜面に金属膜が形成されているとよい。金属膜の形成により傾斜面での反射戻り光の反射率を高めることができれば,反射戻り光による半導体レーザの特性変動をさらに低減することができる。この時,金属膜は金を用いることができる。金の場合,上側電極を金で形成する際に同時に形成することができるので,製造工程を増やす必要がなくなる利点がある。
上記課題を解決するために,本発明の別の観点によれば,発光領域がストライプ状に限定され,前端面から光が出射される半導体レーザの製造方法において;発光領域上部のクラッド層上にコンタクト層を形成後,コンタクト層上に絶縁膜を形成する工程と,絶縁膜のパターン形成を行い,絶縁膜の前端面に接する辺の角部を除去する工程と,パターン形成された絶縁膜をマスクに,コンタクト層から少なくとも発光領域下部のクラッド層内部に達するエッチングを行い,前端面の側端部に前端面と角度を成す傾斜面を形成する工程と,マスクとして用いた前記絶縁膜を除去する工程と,を含むことを特徴とする,半導体レーザの製造方法が提供される。
上記のように,コンタクト層形成後に絶縁膜でマスクを形成し,上面からエッチングし,前端面の側端部に傾斜面を形成することにより,反射戻り光の一部を傾斜面で反射してカットすることができ,反射戻り光による半導体レーザの特性変動を低減することができる。
ここで,パターン形成された絶縁膜の前端面に接する素子側面方向の幅は,発光領域の素子側面方向の幅の1.5倍以上となるように形成することができる。これは先にも述べたように,前端面の幅が発光領域の幅の1.5倍より小さいと,反射戻り光をカットできる割合は高くすることができるが,同時に出射光も傾斜面で他方向に反射されて出力効率が悪くなってしまうため,出力効率と反射戻り光の影響とを考慮して,好適な大きさとしたものである。
さらに,パターン形成後の絶縁膜の斜辺部の傾斜角度は,前端面に対して1〜45°となるように形成することができる。これについても先に述べたように,傾斜面の角度は大きくなるほど反射戻り光をカットできるが,出力効率も悪くなってしまうので,出力効率と反射戻り光の影響とを考慮して,好適な角度にするとよい。
また,絶縁膜を除去する工程の後,傾斜面に金属膜を形成し,傾斜面での反射戻り光の反射率を高めるとよい。さらに金属膜は金とすれば,素子の電極形成に金を用いる場合に電極形成時に同時形成することができるので,工程を増やすことなく,特性変動を改善することができる。
傾斜面を形成するためのマスクとなる絶縁膜は,シリコン酸化膜とすることができる。シリコン酸化膜であれば,マスクパターンを所望の形状に形成するのが容易であり,エッチング後の除去も簡単である利点がある。
以上詳述したように本発明によれば,半導体レーザの出射面が,前端面と前端面の側端部に設けられた傾斜面とを備えることにより,光ファイバからの反射戻り光の一部を傾斜面で反射してカットすることができるため,反射戻り光の影響を低減させることが可能となり,モジュールに組み込む場合に高価格なアイソレータを不要とするシステムを構成することができ,低価格化を可能とすることができる。
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(第1の実施の形態)
本実施の形態による,反射戻り光に対する影響を低減させることのできる半導体レーザ100は,図1の概略部分斜視図に示すように,ストライプ状の発光領域200を含んで光が出射される前端面300と,前端面300の素子側面方向(A方向)の端部に,少なくとも発光領域200の上部のクラッド層230と下部のクラッド層210とに渡って設けられ,前端面300と光出射の反対方向(B方向)に角度θを成す傾斜面400と,を備えることを特徴としている。
上記の傾斜面400を備える半導体レーザ100においては,前端面300から出射し,反射して戻ってきた反射戻り光を,傾斜面400で一部反射させることにより,半導体レーザ素子内部に戻る光を低減し,特性変動などの影響を防ぐものである。本実施の形態においては,傾斜面400が前端面300の素子側面方向の両端部に設けられている。そのため,反射戻り光の強度分布における両端部の光をカットすることができる。
半導体レーザ100の前端面300から出射される光は,発光領域200にすべて閉じ込められるわけでなく,発光領域200を中心にして図2に示すようなガウス状の強度分布を有しているが,前端面300に戻ってきた反射戻り光についても同様な分布をしている。そのため,反射戻り光の傾斜面400に入射した成分は反射され,図2の分布斜線部の端部がカットされることになり,素子内部に入射するのを防いで反射戻り光の影響を低減できるものである。
また,光強度分布については,素子の深さ方向についても発光領域200を中心として下部のクラッド層210から上部のクラッド層230に渡る分布を持っており,傾斜面400は少なくとも発光領域200の上部のクラッド層230から下部のクラッド層210に渡って設けられるとよい。本実施の形態の場合,図1に示すように,素子の上端面250から上部のクラッド層230及び電流ブロック層220を貫通して下部のクラッド層210内部に達する深さまで位置する溝240が形成され,溝240と前端面300の角部に傾斜面を形成している。また,傾斜面400は,素子厚みの全体に素子をコーナーカットするように形成されていてもよい。
傾斜面400の素子側面方向(A方向)の位置については,出力時の妨げにならないために,発光領域から離隔している必要がある。前端面300の幅Mは小さすぎると,反射戻り光をカットできる割合を高くすることができるが,同時に出射光も傾斜面400で他方向に反射されて出力効率が悪くなってしまう。また,傾斜面400の角度θについても,傾斜面400の角度は大きくなるほど,反射戻り光をカットできることになるが,この場合も出射光が制限されてしまい,出力効率が悪くなってしまう。
そのため,出力効率と反射戻り光の影響とを考慮して,前端面300の幅Mは,発光領域200の素子側面方向の幅Kの1.5倍以上であるとよい。また,傾斜面400の角度θは,前端面300とB方向に対して1〜45°の角度を成しているとよい。
次に,上記のような傾斜面を有する構造の半導体レーザを製作する工程を説明する。本実施の形態の工程断面図を図3(a)〜(d),図4(e)〜(g),及び説明図を図5(h),(i)に示す。図3(a)に示すようにまず,n型のn−InP基板10の上に,活性層として例えば,InGaAsP/InGaAsPによる多重量子井戸構造(MQW構造)の層であるMQW層20,p型のp−InP層30を有機金属気相薄膜成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)などにより,順次結晶成長する。
このとき活性層成長前に,回折格子(周期構造の溝)を形成しておくとよい。ここで活性層は多重量子井戸構造に限られるものではなく,バルク構造でもよい。その後,図3(b)に示すように,絶縁膜マスク40(例えばシリコン酸化膜)を形成し,フォトリソグラフィやエッチングを用いて,350μm程度の間隔のストライプ状にパターン形成を行う。このとき,絶縁膜マスクの幅は,活性層の幅を決めるものであり,2〜5μm程度にするとよい。本実施の形態では3μm程度に形成する。
次に,図3(c)に示すように,絶縁膜マスク40をマスクとして,p−InP層30,MQW層20,n−InP基板10の表面を順次エッチングする。この時のエッチングは,異方性のエッチングを行い,2μm程度の深さにエッチングしてメサ状ストライプ50を形成する。本実施の形態の場合,このストライプ状に形成された活性層が,図1の発光領域200となる。メサ状ストライプ50を形成することにより,発光領域がストライプ状の活性層(MQW層20)に限定される。
その後,メサ状ストライプ50の両脇に,例えば等方性のエッチングを施すことにより,絶縁膜マスク40の下に0.2μm程度の庇を形成する(図3(d))。さらに,エッチングされたn−InP基板10上に,図4(e)に示すように,p−InP電流ブロック層60を約1.2μm,n−InP電流ブロック層70を約0.7μm,及びp−InP電流ブロック層80を約0.1μm,順次成長する。そして,成長直後,図4(f)に示すように,絶縁膜マスク40を除去する。
さらに,図4(g)に示すように,基板全面に,上部のクラッド層であるp−InPクラッド層90を約3.0μmと電極とのコンタクトを取るためのp−InGaAsコンタクト層110を約0.2μm結晶成長する。
その後,p−InGaAsコンタクト層110上に絶縁膜120を形成する。この絶縁膜120は,シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁膜でもよいし,フォトレジストでもよい。シリコン酸化膜であれば,フォトレジストでリソグラフィ加工した後エッチングを施し,フォトレジストを除去してパターンを形成する。
このとき,絶縁膜120のパターン形状は,図6に示す様なパターンとすることができる。先に示したように,前端面300の幅Mが発光領域200の素子側面方向の幅K(本実施の形態の場合,活性層の幅)の1.5倍以上となって,傾斜面400の角度θが前端面300と1〜45°の角度を成すようにするために,絶縁膜120のパターン形状も同様に,絶縁膜120の前端面300側の幅Mは,活性層の幅Kの1.5倍以上,斜辺の傾斜角度θは1〜45°程度とする。
エッチングの際には,異方性エッチングを用いることが好ましく,絶縁膜120のパターン形状とほぼ等しく素子を加工することができる。本実施の形態の場合,前端面300側の幅Mを5〜40μm程度とし,後端面側の幅Nは8〜50μm程度とする。
絶縁膜120をマスクにして,活性層の両脇のp−InGaAsコンタクト層110,p−InPクラッド層90,p−InP電流ブロック層80,n−InP電流ブロック層70,p−InP電流ブロック層60,及び下部のクラッド層を兼ねるn−InP基板10を順次異方性エッチングする(図5(h))。尚,図5は図4(g)の1つのストライプに着目し,前端面側から側面を見た説明図となっている。
この活性層両脇のエッチングにより,エッチング溝125が形成される。溝125の幅は10μm程度で,これにより素子の寄生容量を低減させることができる。また,前端面の側端部に図5(h)の着色領域に示す傾斜面が形成されたので,反射戻り光の一部を反射してカットすることができる。溝125形成のエッチング後,絶縁膜120は除去する。
その後,基板全面に表面保護膜として,例えばシリコン窒化膜130をコーティングする。シリコン窒化膜130にストライプ状に窓を開けた後,p−InGaAsコンタクト層110表面を露出させ,上側電極のp側電極であるAu−Zn電極140及びAu電極150を例えば蒸着によって形成する。
そして,レーザチップ化が容易となるように裏面研磨によって基板を薄くしてから,下側電極であるn側電極160を形成する(図5(i))。さらに所望のサイズに璧開し,前端面には出力光の素子内への反射を防止するため,後端面には出力光の素子外への不要な放射を防止するため,それぞれ所望の反射率の低反射膜,高反射膜(図示せず)を形成する。
こうして製作した半導体レーザに順方向電流を印加し,レーザ発振させる。また,この半導体レーザを,高速電気変調信号を考慮した形態で,モジュール化する。駆動方法は,n側電極160を陰極側として接地し,p側電極に陽極電気信号を入力する。入力信号は,0〜100mA程度とし,所望の光強度比が得られるように最適化する。
上記のように,前端面300の側端に傾斜面400を備えることにより,反射戻り光の一部が傾斜面400で反射されてカットすることができるので,反射戻り光による半導体レーザの特性変動を低減することができる。そのため,モジュールに組み込む場合に高価格なアイソレータを不要とすることができ,システムの低価格化が可能となる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態における半導体レーザは,第1の実施の形態における半導体レーザ100の傾斜面400に,金属膜を形成することを特徴としている。図7に傾斜面400に金属膜170を形成した概略部分斜視図を示す。傾斜面400に金属膜170を形成することにより反射率を高くして,反射戻り光をより多く反射させることができるので,半導体レーザに内に戻ってくる光の影響を第1の実施の形態よりさらに低減することができる。
本実施の形態は,傾斜面に金属膜を形成することのみが第1の実施の形態と異なり,その他の構成や,傾斜面の大きさ,角度については第1の実施の形態と同様であるので,詳細な説明は省略する。
製造方法については,傾斜面形成後に,蒸着やスパッタリング等によって形成することができるが,金属膜としては,金(Au)を用いることが望ましい。Auであれば,p側電極のAu電極150と同時に形成できるので,工程を増やさずに済み,コストの上昇を抑えることができる。
第1の実施の形態と同様に,製作した半導体レーザに順方向電流を印加し,レーザ発振させ,高速電気変調信号を考慮した形態で,モジュール化する。n側電極160を陰極側として接地し,p側電極に陽極電気信号を入力する。入力信号は,0〜100mA程度とし,所望の光強度比が得られるように最適化する。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本実施の形態においては,InP基板を使用しているが,GaAs基板を用いた半導体レーザにも同じように,実施可能である。
また,本実施の形態においては,ストライプ状の活性層を残したメサストライプ構造の半導体レーザについて説明しているが,これに限らず他のストライプ構造の半導体レーザにも実施可能である。
さらに,本実施の形態においては,発光領域の両脇に寄生容量低減のための溝を形成する際に,傾斜面を形成しているが,溝を形成せず,素子端部のコーナ部をカットして傾斜面を形成してもよい。
また,本実施の形態では,前端面及び傾斜面の2つの平面が角度を成すように形成しているが,光の出射面(前端面)とそれに連なる両端部の面がほぼ平面とみなすことができ,先に述べたような,出射面の幅が発光領域の幅の1.5倍以上,及び1〜45°の傾斜角度を規定できる形状であれば,例えば前端面から傾斜面にかけて円弧状の面となっていても構わない。
本発明は,発光領域がストライプ状に限定された半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法に適用可能であり,特にモジュールにマウントされてレンズ系や光ファイバと結合される,半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法に適用可能である。
第1の実施の形態による半導体レーザの概略部分斜視図である。 半導体レーザの出射面での光の強度分布を示す説明図である。 第1の実施の形態による半導体レーザの製造方法を示す工程断面図であり,(a)はn−InP基板上にMQW層,p−InP層を形成した後の図であり,(b)はp−InP層上に絶縁膜マスクを形成した後の図であり,(c)はメサストライプを形成した後の図であり,(d)はメサストライプ上部の絶縁膜マスクに庇を形成した後の図である。 第1の実施の形態による半導体レーザの製造方法を示す工程断面図であり,(e)は電流ブロック層を形成した後の図であり,(f)は絶縁膜マスクを除去した後の図であり,(g)はクラッド層及びコンタクト層を形成した後の図である。 第1の実施の形態による半導体レーザの製造方法を示す説明図であり,(h)は傾斜面を形成した後の素子前端面を見た図であり,(i)は,上側及び下側に電極を形成した後の素子前端面を見た図である。 図5(h)での絶縁膜のマスク形状を示す説明図である。 第2の実施の形態による半導体レーザの概略部分斜視図である。
符号の説明
100 半導体レーザ素子
200 発光領域
210 下部のクラッド層
220 電流ブロック層
230 上部のクラッド層
240 溝
250 上端面
300 前端面
400 傾斜面

Claims (12)

  1. 発光領域がストライプ状に限定された半導体レーザにおいて;
    光が出射される前端面と,
    前記前端面の素子側面方向の端部に,少なくとも前記発光領域の上部のクラッド層と下部のクラッド層とに渡って設けられ,前記前端面と光出射の反対方向に角度を成す傾斜面と,
    を備えることを特徴とする,半導体レーザ。
  2. 前記傾斜面は,前記前端面の素子側面方向の両端部に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。
  3. 前記前端面の素子側面方向の幅は,前記発光領域の素子側面方向の幅の1.5倍以上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。
  4. 前記傾斜面は,前記前端面と光出射の反対方向に1〜45°の角度を成していることを特徴とする,請求項1〜3のいずれかに半導体レーザ。
  5. 前記傾斜面に金属膜が形成されていることを特徴とする,請求項1〜4のいずれかに記載の半導体レーザ。
  6. 前記金属膜は金であることを特徴とする,請求項5に記載の半導体レーザ。
  7. 発光領域がストライプ状に限定され,前端面から光が出射される半導体レーザの製造方法において;
    前記発光領域上部のクラッド層上にコンタクト層を形成後,前記コンタクト層上に絶縁膜を形成する工程と,
    前記絶縁膜のパターン形成を行い,前記絶縁膜の前記前端面に接する辺の角部を除去する工程と,
    パターン形成された前記絶縁膜をマスクに,前記コンタクト層から少なくとも前記発光領域下部のクラッド層に達するエッチングを行い,前記前端面の側端部に前記前端面と角度を成す傾斜面を形成する工程と,
    マスクとして用いた前記絶縁膜を除去する工程と,
    を含むことを特徴とする,半導体レーザの製造方法。
  8. パターン形成された前記絶縁膜の前記前端面に接する素子側面方向の幅は,前記発光領域の素子側面方向の幅の1.5倍以上となるように形成することを特徴とする,請求項7に記載の半導体レーザの製造方法。
  9. パターン形成された前記絶縁膜の斜辺部の傾斜角度は,前記前端面に対して1〜45°となるように形成することを特徴とする,請求項7または8に記載の半導体レーザの製造方法。
  10. 前記絶縁膜を除去する工程の後,前記傾斜面に金属膜を形成することを特徴とする,請求項7〜9のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
  11. 前記金属膜は金であり,電極形成時に同時形成することを特徴とする,請求項10に記載の半導体レーザの製造方法。
  12. 前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする,請求項7〜11のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
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