JP5799623B2 - Laser element - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、産業用機器などに用いられるレーザ素子に関する。 The present invention relates to a laser element used in, for example, industrial equipment.
特許文献1には、リッジ導波路構造を有するレーザ素子が開示されている。 Patent Document 1 discloses a laser element having a ridge waveguide structure.
レーザ素子では、発光効率を向上させるためにレーザ素子内部における光の損失を低減することが望ましい。しかしながら、特許文献1に開示のレーザ素子では光の損失を十分に低減できない。 In a laser element, it is desirable to reduce the loss of light inside the laser element in order to improve the light emission efficiency. However, the laser element disclosed in Patent Document 1 cannot sufficiently reduce light loss.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、損失の小さいレーザ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser element with low loss.
本発明に係るレーザ素子は、基板と、該基板の上に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成された上部クラッド層と、該活性層で発生した光であって最も利得の高い光よりも波長の長い光を、該上部クラッド層の上方に回折する周期で該活性層の上方の層に形成された2次の回折格子と、該下部クラッド層、該活性層、及び該上部クラッド層を有する共振器の第1端面に形成された、該活性層で発生した光を反射する第1反射膜と、該共振器の該第1端面と反対側の端面である第2端面に形成された、該活性層で発生した光を反射する第2反射膜と、リッジストライプと、を備え、該2次の回折格子の該共振器長手方向の長さと、該共振器短手方向の長さは等しく、該2次の回折格子は、該リッジストライプだけに形成されたことを特徴とする。 The laser device according to the present invention includes a substrate, a lower cladding layer formed on the substrate, an active layer formed on the lower cladding layer, and an upper cladding layer formed on the active layer. And a second-order light formed in the upper layer of the active layer in a period in which light generated in the active layer and having a wavelength longer than that of light having the highest gain is diffracted above the upper cladding layer. A diffraction grating, a first reflective film that is formed on a first end face of a resonator having the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer and reflects light generated in the active layer, and the resonator A second reflection film that is formed on a second end surface that is opposite to the first end surface of the first reflective surface and reflects light generated by the active layer, and a ridge stripe . The length in the longitudinal direction of the resonator is equal to the length in the lateral direction of the resonator, and the secondary diffraction grating , Characterized in that it is formed only on the ridge stripe.
本発明によれば、損失の小さいレーザ素子を製造できる。 According to the present invention, a laser element with a small loss can be manufactured.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るレーザ素子の平面図である。本発明の実施の形態1に係るレーザ素子10にはリッジストライプ12が形成されている。リッジストライプ12の中間部分には2次の回折格子14が形成されている。2次の回折格子14以外の部分は電極16で覆われている。レーザ素子10の端面コーティングとしては、第1反射膜20と第2反射膜22が形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a plan view of a laser element according to Embodiment 1 of the present invention. A
図2は、図1の2−2破線における断面図である。レーザ素子10は基板30を備えている。基板30の上には下部クラッド層32が形成されている。下部クラッド層32の上には活性層34が形成されている。活性層34の上には上部クラッド層36が形成されている。下部クラッド層32、活性層34、及び上部クラッド層36は共振器を形成している。共振器は、GaN系材料(GaN、InGaN、InAlGaN等)で形成されている。
2 is a cross-sectional view taken along a broken line 2-2 in FIG. The
上部クラッド層36には、活性層34で発生した光であって最も利得の高い光よりも波長の長い光を、上部クラッド層36の上方に回折する周期で2次の回折格子14が形成されている。具体的には、2次の回折格子14は、純青色の光波長を回折する周期で形成されている。2次の回折格子14の共振器長手方向の長さ(図1のL)は約3μmであり、共振器短手方向の長さ(図1のW)も約3μmである。2次の回折格子14の共振器長手方向の長さと共振器短手方向の長さは等しい。このように、リッジストライプ12の幅を細くするのは、レーザ素子10の閾値電流を低減し電流効率を向上させるためである。
In the
なお、2次の回折格子14の共振器長手方向の長さ(図1のL)、及び共振器短手方向の長さ(図1のW)は、出光領域を規定するものであり所望の出光角度及びスポットを得るために任意の値としてもよい。また、2次の回折格子14の共振器長手方向の長さと共振器短手方向の長さは等しくなくても良い。 Note that the length of the secondary diffraction grating 14 in the longitudinal direction of the resonator (L in FIG. 1) and the length in the lateral direction of the resonator (W in FIG. 1) define the light emission region and are desired. It is good also as arbitrary values in order to obtain a light emission angle and a spot. Further, the length of the secondary diffraction grating 14 in the longitudinal direction of the resonator and the length in the lateral direction of the resonator may not be equal.
図2に示すとおり、共振器端には劈開などで形成された第1端面19、及び第1端面19と反対側の端面である第2端面21が形成されている。第1端面19には、活性層34で発生した光を反射する第1反射膜20が形成されている。第2端面21には、活性層34で発生した光を反射する第2反射膜22が形成されている。第1反射膜20と第2反射膜22は、活性層34で発生した光を100%反射するものである。
As shown in FIG. 2, a
上部クラッド層36の上にはコンタクト層38が形成されている。コンタクト層38の上には電極16が形成されている。また、基板30の裏面には電極40が形成されている。
A
図3は、本発明の実施の形態1に係るレーザ素子10の発光方向を示す断面図である。レーザ素子10の2次の回折格子14により、レーザ光は共振器の結晶面に対して垂直方向に出射する。レーザ光の出射方向は図3において矢印で示されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the light emitting direction of the
図4は、2次の回折格子14が回折する光を示す図である。図4のAに示すように、活性層34で発生する光の波長は、中心波長(λ1)を中心に一定の幅(広がり)を有している。ここで、2次の回折格子14は、活性層34で発生した光であって最も利得の高い光(λ1)よりも波長の長い光(純青色の光λ2)を回折する周期で形成されている。λ2の光は、λ1の光よりもバンドギャップエネルギの小さい光である。2次の回折格子14が回折する光の波長は図4のBに示す。λ2の光を共振器内で発振させると、λ1の光を共振器で発振させた場合と比較して活性層34における光損失を低減できる。従って、本発明の実施の形態1に係るレーザ素子10によれば、レーザ素子の損失を低減できる。
FIG. 4 is a diagram showing light diffracted by the second-order diffraction grating 14. As shown in FIG. 4A, the wavelength of light generated in the
本発明の実施の形態1に係るレーザ素子10は、第1反射膜20と第2反射膜22により共振器端面からの光の出射を防止するものである。よって共振器端面から光が漏れることによる損失を防止できる。
In the
図5は、本発明の実施の形態1に係るレーザ素子の変形例を示す平面図である。レーザ素子10との相違点のみ説明する。レーザ素子41には、活性層で発生した光を上部クラッド層の上方に回折するように、2次の回折格子14と52が形成されている。2次の回折格子52は、2次の回折格子14とは異なる周期で上部クラッド層に形成されたものである。2次の回折格子52を第2回折格子と称する。
FIG. 5 is a plan view showing a modification of the laser device according to Embodiment 1 of the present invention. Only differences from the
図6は、2次の回折格子14と2次の回折格子52(第2回折格子)の回折する光の波長を示す図である。2次の回折格子14の回折する光の波長は、前述の通りλ2である。第2回折格子の回折する光の波長は、λ1より大きくλ2より小さいλ3である。このように、リッジストライプ12上の2箇所に周期の異なる2つの回折格子を形成すると、2波長の発光が可能となる。
FIG. 6 is a diagram showing the wavelength of light diffracted by the
本発明の実施の形態1に係るレーザ素子10では、共振器をGaN系材料で形成したが本発明の特徴を失わない限りにおいてこれに限定されない。また、回折格子14は共振器長全体に渡って形成されてもよい。レーザ素子の損失を低減するために、第1反射膜20と第2反射膜22は活性層34で発生した光を100%反射するものであるが望ましい。しかしながら、共振器端面での光の損失を低減できる限りにおいてこれに限定されない。また、2次の回折格子14や第2回折格子を形成するのは活性層34の上方の層であればよく、特に上部クラッド層36に限定されない。
In the
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子10との相違点のみ説明する。上部クラッド層37は、レーザ素子10の上部クラッド層36と比べて厚く形成されている。具体的には、厚く形成された上部クラッド層37は一部がエッチングされ、当該エッチングにより露出した底部分に2次の回折格子14が形成されている。そして、共振器は、例えばAlGaInP系やAlGaAs系などのGaAs系の材料で形成されている。またコンタクト層38はGaAsで形成されている。本発明の実施の形態2に係るレーザ素子によれば、上部クラッド層37を厚く形成することで、コンタクト層38における光吸収を低減できる。
FIG. 7 is a sectional view of a laser device according to the second embodiment of the present invention. Only differences from the
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子10との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態3に係るレーザ素子は、レーザ素子10の上部クラッド層36と比べて厚く形成された上部クラッド層37を備えている。また、2次の回折格子14を形成するためのエッチングストッパ層39も備えている。上部クラッド層37は、エッチングストッパ層39を挟むように形成されている。コンタクト層38まで形成した後に、2次の回折格子14を形成すべき部分をエッチングストッパ層39までエッチングし、そこに2次の回折格子14を形成する。よって、容易に2次の回折格子14を形成できる。また、上部クラッド層37を厚くできるので実施の形態2と同様にコンタクト層の光吸収も低減しうる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a laser device according to Embodiment 3 of the present invention. Only differences from the
実施の形態4.
図9は、本発明の実施の形態4に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子10との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態4に係るレーザ素子は、2次の回折格子14がコンタクト層38で覆われている。コンタクト層38はGaNで形成されている。また、共振器はGaN系の材料で形成されている。コンタクト層38をGaNで形成することによりコンタクト層38による光吸収をなくして、2次の回折格子14をコンタクト層38で埋め込むことができる。このようなレーザ素子は、上部クラッド層36、及び2次の回折格子14を形成した後にコンタクト層38を形成して作成する。なお、コンタクト層38の材料は、GaNに限らずレーザ素子の発振光よりバンドギャップが大きい結晶であればよい。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a laser device according to Embodiment 4 of the present invention. Only differences from the
実施の形態5.
図10は、本発明の実施の形態5に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子10との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態5に係るレーザ素子は、上部クラッド層41の上に、回折格子層43が形成されている。回折格子層43はInGaNで形成されている。回折格子層43には、2次の回折格子14が形成されている。このように、上部クラッド層41以外の層に2次の回折格子14を形成しても本発明の効果を得ることができる。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 10 is a sectional view of a laser device according to the fifth embodiment of the present invention. Only differences from the
図11は、本発明の実施の形態5に係るレーザ素子の変形例を示す断面図である。このレーザ素子は、回折格子層43に形成された2次の回折格子14をコンタクト層38で埋め込むものである。コンタクト層38はGaNで形成されている。2次の回折格子14とコンタクト層38を異なる材料で形成することにより、2次の回折格子14をコンタクト層38で埋め込むことができる。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a modification of the laser device according to the fifth embodiment of the present invention. In this laser element, the
実施の形態6.
図12は、本発明の実施の形態6に係るレーザ素子の断面図である。以後、実施の形態1との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態6に係るレーザ素子の第2端面21には、活性層34で発生した光を反射しつつ、外部からの光は透過するハーフミラーコート42が形成されている。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 12 is a sectional view of a laser device according to the sixth embodiment of the present invention. Hereinafter, only differences from the first embodiment will be described. On the
本発明の実施の形態6に係るレーザ素子の使用には、外部レーザ素子44が用いられる。外部レーザ素子44の活性層46で生じた光は、ハーフミラーコート42を介してレーザ素子に入射し活性層34に光を励起する。そして活性層34で励起された光は、2次の回折格子14により上部クラッド層36の上方に回折させられる。このように、外部レーザ素子44を用いると効率的に光を励起することができる。
The
本発明の実施の形態6に係る2次の回折格子14の格子周期は特に限定されない。しかしながら、本発明の実施の形態1と同様に、活性層で発生した光であって最も利得の高い光よりも波長の長い光を上部クラッド層の上方に回折する周期で2次の回折格子を形成してもよい。また、本発明の実施の形態6に係るレーザ素子は少なくとも実施の形態1に係るレーザ素子と同程度の変形が可能である。同様に、本発明の実施の形態6に係るレーザ素子に、本発明の実施の形態2乃至5のいずれかに記載の特徴を取り入れてもよい。
The grating period of the
実施の形態7.
図13は、本発明の実施の形態7に係るレーザ素子の断面図である。以後、実施の形態1との相違点のみ説明する。基板60の裏面に光反射層62が形成されている。光反射層62は金メッキで形成されている。基板60は、活性層34のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料で形成されている。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a laser device according to Embodiment 7 of the present invention. Hereinafter, only differences from the first embodiment will be described. A
ところで、回折格子14は共振器上面方向だけでなく、共振器下面方向にも光を回折する。共振器上面方向の光を上方向レーザ光と称し、共振器下面方向の光を下方向レーザ光と称する。下方向レーザ光は、例えば基板に吸収されるなどして損失となる。ところが、本発明の実施の形態7に係るレーザ素子によればこの損失を抑制できる。図14は、本発明の実施の形態7に係る下方向レーザ光の反射を示す断面図である。図14で下方向レーザ光は破線で示されている。本発明実施の形態7に係るレーザ素子によれば、下方向レーザ光は光反射層62で反射されるため下方向レーザ光を上方向レーザ光に寄与させることができる。また、基板60のバンドギャップは活性層34のバンドギャップより大きいので、下方向レーザ光が基板60に光吸収されることを抑制できる。
By the way, the
光反射層62は、金メッキに限らず、反射膜や反射コーティングなどで形成されてもよい。また、本発明の主な効果は、下方向レーザ光を上方向レーザ光に変換することにより得られる。よって、例えば、下部クラッド層に光反射層を形成してもよい。図15は、下部クラッド層に光反射層70が形成されたことを示す断面図である。光反射層70は、屈折率の異なる結晶を交互に形成した多層膜である。図16は、反射層において光反射が起こることを示す断面図である。
The
本発明の実施の形態7に係る2次の回折格子14の格子周期は特に限定されない。しかしながら、本発明の実施の形態1と同様に、活性層で発生した光であって最も利得の高い光よりも波長の長い光を上部クラッド層の上方に回折する周期で2次の回折格子を形成してもよい。なお、本発明の実施の形態7に係るレーザ素子は少なくとも実施の形態1に係るレーザ素子と同程度の変形が可能である。また、本発明の実施の形態7に係るレーザ素子に、本発明の実施の形態2乃至5のいずれかに記載の特徴を取り入れてもよい。
The grating period of the
上記の説明において、発明を分かりやすく説明するため、活性層構造等の細かいエピ構造を記述しなかったが、活性層の構造は、量子井戸構造のSQW(シングルカンタムウエル)、MQW(マルチカンタムウエル)構造でも良い。また、クラッド層とコンタクト層の間のバンドギャップ緩和のためのバンド不連続緩和層を有する構造でも良い。 In the above description, in order to explain the invention in an easy-to-understand manner, a fine epi structure such as an active layer structure was not described. However, the structure of the active layer is SQW (single quantum well) or MQW (multiquantum well) of a quantum well structure. ) Structure is also acceptable. Further, a structure having a band discontinuous relaxation layer for relaxing the band gap between the cladding layer and the contact layer may be used.
10 レーザ素子、 12 リッジストライプ、 14 2次の回折格子、 16 電極、 20 第1反射膜、 22 第2反射膜、 30 基板、 32 下部クラッド層、 34 活性層、 36 上部クラッド層、 38 コンタクト層、 40 電極、 42 ハーフミラーコート、 52 第2回折格子 60 基板、 62,70 光反射層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された上部クラッド層と、
前記活性層で発生した光であって最も利得の高い光よりも波長の長い光を、前記上部クラッド層の上方に回折する周期で前記活性層の上方の層に形成された2次の回折格子と、
前記下部クラッド層、前記活性層、及び前記上部クラッド層を有する共振器の第1端面に形成された、前記活性層で発生した光を反射する第1反射膜と、
前記共振器の前記第1端面と反対側の端面である第2端面に形成された、前記活性層で発生した光を反射する第2反射膜と、
リッジストライプと、を備え、
前記2次の回折格子の前記共振器長手方向の長さと、前記共振器短手方向の長さは等しく、
前記2次の回折格子は、前記リッジストライプだけに形成されたことを特徴とするレーザ素子。 A substrate,
A lower cladding layer formed on the substrate;
An active layer formed on the lower cladding layer;
An upper cladding layer formed on the active layer;
A second-order diffraction grating formed in a layer above the active layer with a period for diffracting the light generated in the active layer and having a wavelength longer than that of the light having the highest gain above the upper cladding layer When,
A first reflective film for reflecting light generated in the active layer, formed on a first end face of a resonator having the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer;
A second reflective film for reflecting light generated in the active layer, formed on a second end surface that is an end surface opposite to the first end surface of the resonator;
With ridge stripes ,
The length in the resonator longitudinal direction of the secondary diffraction grating is equal to the length in the resonator short direction,
The laser element , wherein the secondary diffraction grating is formed only in the ridge stripe .
前記2次の回折格子を、純青色の光波長を回折する周期で形成したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ素子。 The resonator is formed of GaN;
4. The laser device according to claim 1, wherein the secondary diffraction grating is formed with a period for diffracting a pure blue light wavelength. 5.
前記第2回折格子は、前記リッジストライプだけに形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレーザ素子。 A second-order diffraction grating formed in a layer above the active layer at a different period from the second-order diffraction grating so as to diffract light generated in the active layer above the upper cladding layer. With two diffraction gratings ,
5. The laser device according to claim 1 , wherein the second diffraction grating is formed only in the ridge stripe . 6.
前記基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された上部クラッド層と、
前記活性層で発生した光を、前記上部クラッド層の上方に回折するように前記活性層の上方の層に形成された2次の回折格子と、
前記下部クラッド層、前記活性層、及び前記上部クラッド層を有する共振器の第1端面と前記第1端面と反対の端面である第2端面の一方に形成された、前記活性層で発生した光を反射する反射膜と、
前記第1端面と前記第2端面の他方に形成された、前記活性層で発生した光を反射しつつ、外部からの光は透過するハーフミラーコートと、
を備えたことを特徴とするレーザ素子。 A substrate,
A lower cladding layer formed on the substrate;
An active layer formed on the lower cladding layer;
An upper cladding layer formed on the active layer;
A second-order diffraction grating formed in a layer above the active layer so as to diffract the light generated in the active layer above the upper cladding layer;
Light generated in the active layer formed on one of the first end face and the second end face opposite to the first end face of the resonator having the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer A reflective film that reflects
A half mirror coat that is formed on the other of the first end surface and the second end surface and reflects light generated by the active layer while transmitting light from the outside;
A laser device comprising:
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