JPS59119783A - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
- Publication number
- JPS59119783A JPS59119783A JP57234662A JP23466282A JPS59119783A JP S59119783 A JPS59119783 A JP S59119783A JP 57234662 A JP57234662 A JP 57234662A JP 23466282 A JP23466282 A JP 23466282A JP S59119783 A JPS59119783 A JP S59119783A
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- JP
- Japan
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- polarization
- layer
- laser
- gaas
- active layer
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体発光装置、特にレーザ導波路に波長選択
性の強い回折格子を集積化した構造を有する半導体レー
ザに関するものである。
性の強い回折格子を集積化した構造を有する半導体レー
ザに関するものである。
従来のへき開面を共振器の反射端面とした半導体レーザ
は、多重縦モード(特に高速変調時に顕著)の発振特性
を有するため、光ファイバの分散によl) /<ルス幅
が広がシ、伝送帯域を低下させる欠点があった。また、
発振波長の温度によるシフト量が大きいことも、実用上
問題となっていた。
は、多重縦モード(特に高速変調時に顕著)の発振特性
を有するため、光ファイバの分散によl) /<ルス幅
が広がシ、伝送帯域を低下させる欠点があった。また、
発振波長の温度によるシフト量が大きいことも、実用上
問題となっていた。
このため、これらの欠点を解決するものとして、レーザ
導波路に波長選択性の強い回折格子を集積化した例えば
分布帰還形(DFB)やブラッグ反射形(DBR)とい
われる構造が考案され、GaAs/AAGaAsやIn
P/fnGaAsP等の半導体レーザで実現されている
。
導波路に波長選択性の強い回折格子を集積化した例えば
分布帰還形(DFB)やブラッグ反射形(DBR)とい
われる構造が考案され、GaAs/AAGaAsやIn
P/fnGaAsP等の半導体レーザで実現されている
。
ところが、これらのDFBレーザやDBRレーザ等は、
このように縦モードの単一性やレーザ発振波長の温度変
化に対する安定性の点で優れる一方で、TE、TM両両
波波反射率の差がわずかであるために偏向面が安定しな
いという問題を有している。すなわち、従来のへき開端
面の半導体レーザでは、例えばGaAsからなる活性層
をN−AlyGa1−y As XP A%Ga 1
−y Asからなる両クラッド層で挾んだGaAs D
Hレレーで活性層の厚み02μm1同じく活性層の屈折
率n 2 =3.6 、活性層−クラッド層の屈折率差
比(n 2−n 1)/n 2 =3% (旧はクラッ
ド層の屈折率)の場合で、TE偏波の反射率34%に対
し7M偏波の反射率は29qbと相当程度異なシ、反射
率のよシ大きいTE偏波でレーザ発振する。これに対し
DFB、DBRレーザ等では反射率の差はTE、TMM
個波と回折格子との結合係数の差によって決まるのであ
るが、TE、TM偏波モードの解析によると一般にこの
結合係数の差はわずかであシ、このためにしばしば第1
図に示したようにある温度範囲でTM偏波発振する場合
もあシ、光フアイバ伝送、画像処理等の実用上問題とな
る。第1図はDFBレイについてのしきい値電流密度お
よび波長の温度特性を示したもので、図中TEoはm
= OのTE偏波、TElはm=1のTE偏波、TMは
1M偏波を示し、破線がしきい値電流密度、r t h
(A/cJ、実線が波長(X)を表わす。
このように縦モードの単一性やレーザ発振波長の温度変
化に対する安定性の点で優れる一方で、TE、TM両両
波波反射率の差がわずかであるために偏向面が安定しな
いという問題を有している。すなわち、従来のへき開端
面の半導体レーザでは、例えばGaAsからなる活性層
をN−AlyGa1−y As XP A%Ga 1
−y Asからなる両クラッド層で挾んだGaAs D
Hレレーで活性層の厚み02μm1同じく活性層の屈折
率n 2 =3.6 、活性層−クラッド層の屈折率差
比(n 2−n 1)/n 2 =3% (旧はクラッ
ド層の屈折率)の場合で、TE偏波の反射率34%に対
し7M偏波の反射率は29qbと相当程度異なシ、反射
率のよシ大きいTE偏波でレーザ発振する。これに対し
DFB、DBRレーザ等では反射率の差はTE、TMM
個波と回折格子との結合係数の差によって決まるのであ
るが、TE、TM偏波モードの解析によると一般にこの
結合係数の差はわずかであシ、このためにしばしば第1
図に示したようにある温度範囲でTM偏波発振する場合
もあシ、光フアイバ伝送、画像処理等の実用上問題とな
る。第1図はDFBレイについてのしきい値電流密度お
よび波長の温度特性を示したもので、図中TEoはm
= OのTE偏波、TElはm=1のTE偏波、TMは
1M偏波を示し、破線がしきい値電流密度、r t h
(A/cJ、実線が波長(X)を表わす。
300K 付近でTE偏波よjl)1M偏波の発振し
きい値電流密度が小さくなっていることがわかる。
きい値電流密度が小さくなっていることがわかる。
TE偏波の選択性を強くする方法としては、第偏波のそ
れよ)も大きくする方法が考えられる。
れよ)も大きくする方法が考えられる。
第2図はDBRレーザに吸収媒質を装荷した例であシ、
図中1はN−GaAs基板、2はN A7yGal−
yAsクラッド層、3はP −A4yGa 1−y A
sクラッド層、4はP−GaAsコンタクト層、5は
G a A s活性層、6,7は電極、8,9がガイド
層に設けたDBR反射部、10が吸収媒質である。しか
し、この方法では吸収媒質があるためにしきい値電流の
上昇を招くとともに、構造上複雑であるために製作が困
難であるO他の方法として、一端面をへき開面にするこ
とによってTE偏波の反射率を上げる方法も考えられる
が、kiそ一ドの単一化を実現するためにはへき開面の
位置を波長以下の精度で決める必要があシ、その製作は
非常に困難である。
図中1はN−GaAs基板、2はN A7yGal−
yAsクラッド層、3はP −A4yGa 1−y A
sクラッド層、4はP−GaAsコンタクト層、5は
G a A s活性層、6,7は電極、8,9がガイド
層に設けたDBR反射部、10が吸収媒質である。しか
し、この方法では吸収媒質があるためにしきい値電流の
上昇を招くとともに、構造上複雑であるために製作が困
難であるO他の方法として、一端面をへき開面にするこ
とによってTE偏波の反射率を上げる方法も考えられる
が、kiそ一ドの単一化を実現するためにはへき開面の
位置を波長以下の精度で決める必要があシ、その製作は
非常に困難である。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その
目的は導波路に回折格子を集積化した半導体レーザにお
いて、製作プロセスが容易でしかも発振しきい値電流の
上昇を招くことな(TE偏波の選択性を強くした半導体
発光素子を提供することにある。
目的は導波路に回折格子を集積化した半導体レーザにお
いて、製作プロセスが容易でしかも発振しきい値電流の
上昇を招くことな(TE偏波の選択性を強くした半導体
発光素子を提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明は、活性層に
超格子構造を用いたものである。
超格子構造を用いたものである。
すなわち、通常のダブルへテロ接合ダイオードレーザ(
DHレレー)では、活性層の利得にTE。
DHレレー)では、活性層の利得にTE。
TM偏波依存性はなく、レーザ導波における閉込め係数
のTE 、1M偏波での違いに起因する差がわずかに存
在するのみであシ、基本的にTE 、 1M偏波はほぼ
同一の強さを有しそのために回折格子のピッチとの関係
でTM偏波発信が生じ得たのに対し、超格子構造の活性
層では、例えばGaAsとA7GaAsのきわめて薄い
層が交互に積層しであるため、GaAs井戸層が上下の
A7xGat−xAsバリア層の影響を受けて光の電界
の偏波方向が超格子と平行(TE偏波)な場合と垂直(
1M偏波)な場合とでその利得係数に相当の差が生じる
。第3図に、へき開端面の半導体レーザについて、利得
特性の偏波面による差を実験的に求めた結果を示す。
のTE 、1M偏波での違いに起因する差がわずかに存
在するのみであシ、基本的にTE 、 1M偏波はほぼ
同一の強さを有しそのために回折格子のピッチとの関係
でTM偏波発信が生じ得たのに対し、超格子構造の活性
層では、例えばGaAsとA7GaAsのきわめて薄い
層が交互に積層しであるため、GaAs井戸層が上下の
A7xGat−xAsバリア層の影響を受けて光の電界
の偏波方向が超格子と平行(TE偏波)な場合と垂直(
1M偏波)な場合とでその利得係数に相当の差が生じる
。第3図に、へき開端面の半導体レーザについて、利得
特性の偏波面による差を実験的に求めた結果を示す。
図において、横軸は注入電流■をしきい値電流Ith
との比で示し、縦軸は利得I−αlを示す。
との比で示し、縦軸は利得I−αlを示す。
またTEがTE偏波、TMが1M偏波についての結果を
示す。図から明らかなように、レーザが発振するしきい
値電流近傍(■/xth=t、o )でTE偏波の利得
が1M偏波のそれと比較して140(tM)も大きく、
利得係数(直線の傾き)も3倍以上大きい。このTE、
1M偏波の利得の差はきわめて大きく、1M偏波で発振
するためにはじきい値電流の2倍以上の電流が必要であ
る(もちろん、実際にはTE偏波でレーザ発振するため
に利得が飽和し、1M偏波の発振は起こらない。)以下
、実施例について説明する。
示す。図から明らかなように、レーザが発振するしきい
値電流近傍(■/xth=t、o )でTE偏波の利得
が1M偏波のそれと比較して140(tM)も大きく、
利得係数(直線の傾き)も3倍以上大きい。このTE、
1M偏波の利得の差はきわめて大きく、1M偏波で発振
するためにはじきい値電流の2倍以上の電流が必要であ
る(もちろん、実際にはTE偏波でレーザ発振するため
に利得が飽和し、1M偏波の発振は起こらない。)以下
、実施例について説明する。
第4図は、本発明をDBRレーザに適用した場合の一実
施例を示す断面図である。図において、11はGaAs
/ A/GaAsの超格子層から構成される活性層で、
第5図に示したように数100X以下のGaAs井戸層
12とAlxGat−x As /リア層13とを交互
に多層に積上げた超格子構造を有している。
施例を示す断面図である。図において、11はGaAs
/ A/GaAsの超格子層から構成される活性層で、
第5図に示したように数100X以下のGaAs井戸層
12とAlxGat−x As /リア層13とを交互
に多層に積上げた超格子構造を有している。
その他は第2図と同様で、2,3はそれぞれN形。
P形のAJyGal−y As フジラド層(y≧X)
、1はN−GaAs基板、4はP−GaAsコンタクト
層、6.7は電極、8.−9はDBR形の反射部である
0また、第6図は本発明をDFBレーザに適用した場合
の一実施例を示す断面図であシ、図中14は分布帰還形
の光ガイド層である0本実施例においても、活性層11
は第5図に示したと同様の超格子構造を有している。
、1はN−GaAs基板、4はP−GaAsコンタクト
層、6.7は電極、8.−9はDBR形の反射部である
0また、第6図は本発明をDFBレーザに適用した場合
の一実施例を示す断面図であシ、図中14は分布帰還形
の光ガイド層である0本実施例においても、活性層11
は第5図に示したと同様の超格子構造を有している。
このように活性層に超格子構造を用いたことによjl)
、DBR,DFBレーザが有する優れた特徴、すなわち
縦モードの単一性に優れ、レーザ発振波長の温度安定性
に優れるという特徴を損なうことなく、超格子構造に起
因するTE偏波、1M偏波の利得の大きな差によって、
TE偏波の選択性を強クシ、偏光面を安定にできること
が確認された。
、DBR,DFBレーザが有する優れた特徴、すなわち
縦モードの単一性に優れ、レーザ発振波長の温度安定性
に優れるという特徴を損なうことなく、超格子構造に起
因するTE偏波、1M偏波の利得の大きな差によって、
TE偏波の選択性を強クシ、偏光面を安定にできること
が確認された。
ところで、従来変調時における縦モードの単一性および
温度変化に対する波長の安定性の向上を目的として、へ
き開端面の半導体レーザにおいて100X程度のGaA
a井戸層とtooX程度のA/xGa 1 + 2 A
s バリア層の多層構造からなる超格子構造を活性
層に内蔵した多量子井戸レーザがあり(例えば米国特許
第3,982,207号(1976年9月21日参照)
、2次元的な井戸に閉込められた電子の状態密度は階段
状になることからこの階段状の状態密度を反映して発振
スペクトルが通常のDHレレーに比較して狭く、レーザ
発振しきい値電流密度Jthが小さくなシ、また井戸層
の厚みを変えるだけで容易にレーザ発振波長を考えるこ
とができるという特徴を有している。とのような通常の
多量子井戸構造においては、バリア層のAI組成Xおよ
び層厚LBを変えることによ多量子井戸間の相互作用の
強さが変化し、一般にXが大きいほど、またLBが大き
いほど相互作用の強さは小さくなる。この量子井戸間の
相互作用は、弱すぎると電流の注入効率が下がるためし
きい値電流密度JH,を上げ、他方強すぎても電子の量
子井戸への閉込め係数が小さくなるために2次元化した
効果が小さくなってやはi) Jthを上げる。このだ
め、実験的にはAJi!XGa 1−z Asバリア層
のA7組成Xは0.2、層厚LBは30Xが最適値とさ
れている(例えばAppl、Phys、Lett、 3
9(10) 、 1981゜p786−788参照)。
温度変化に対する波長の安定性の向上を目的として、へ
き開端面の半導体レーザにおいて100X程度のGaA
a井戸層とtooX程度のA/xGa 1 + 2 A
s バリア層の多層構造からなる超格子構造を活性
層に内蔵した多量子井戸レーザがあり(例えば米国特許
第3,982,207号(1976年9月21日参照)
、2次元的な井戸に閉込められた電子の状態密度は階段
状になることからこの階段状の状態密度を反映して発振
スペクトルが通常のDHレレーに比較して狭く、レーザ
発振しきい値電流密度Jthが小さくなシ、また井戸層
の厚みを変えるだけで容易にレーザ発振波長を考えるこ
とができるという特徴を有している。とのような通常の
多量子井戸構造においては、バリア層のAI組成Xおよ
び層厚LBを変えることによ多量子井戸間の相互作用の
強さが変化し、一般にXが大きいほど、またLBが大き
いほど相互作用の強さは小さくなる。この量子井戸間の
相互作用は、弱すぎると電流の注入効率が下がるためし
きい値電流密度JH,を上げ、他方強すぎても電子の量
子井戸への閉込め係数が小さくなるために2次元化した
効果が小さくなってやはi) Jthを上げる。このだ
め、実験的にはAJi!XGa 1−z Asバリア層
のA7組成Xは0.2、層厚LBは30Xが最適値とさ
れている(例えばAppl、Phys、Lett、 3
9(10) 、 1981゜p786−788参照)。
これに対し、DFB、DBR等の構造を有する半導体レ
ーザに超格子構造を導入した本発明においては、前述し
たようにTE、TM両両波波利得の差が重要となる。こ
のTE、1M偏波の利得差を表わす1つの指標として、
TE、1M偏波の発光波長差、換言すれば1M偏波の発
光ピークエネルギーETMとTE偏波の発光ピークエネ
ルギーETEとの差がある。第7図に、このエネルギー
差ETM−ETEのx 、 LB依存性を示す。図にお
いてイがX=0.20゜口がX=0.30、ハがz=Q
、45の場合を示す。点Aが、上述した通常の多量子井
戸レーザにおける最適値を示すが、これに対し本発明の
半導体発光素子においては、TE、1M偏波の利得差を
十分にと多安定にTE偏波の発振を行なわせるために、
図中斜線で示したようにバリア層厚LBは点Aの30X
よシむしろ大きく、また量子化レベルが存在するために
はXの値は同じく点Aの0.20よシ大きい領域にある
ことが好ましい。
ーザに超格子構造を導入した本発明においては、前述し
たようにTE、TM両両波波利得の差が重要となる。こ
のTE、1M偏波の利得差を表わす1つの指標として、
TE、1M偏波の発光波長差、換言すれば1M偏波の発
光ピークエネルギーETMとTE偏波の発光ピークエネ
ルギーETEとの差がある。第7図に、このエネルギー
差ETM−ETEのx 、 LB依存性を示す。図にお
いてイがX=0.20゜口がX=0.30、ハがz=Q
、45の場合を示す。点Aが、上述した通常の多量子井
戸レーザにおける最適値を示すが、これに対し本発明の
半導体発光素子においては、TE、1M偏波の利得差を
十分にと多安定にTE偏波の発振を行なわせるために、
図中斜線で示したようにバリア層厚LBは点Aの30X
よシむしろ大きく、また量子化レベルが存在するために
はXの値は同じく点Aの0.20よシ大きい領域にある
ことが好ましい。
なお、以上の説明はDFBレーザ、DBRレーザの場合
を例に行なったが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、同様にレーザ導波路に波長選択性の強い回折格子
を集積化した他の半導体レーザ、例えばテーパ結合DB
Rレーザ、DBR−ITG (二重導波路形)レーザ等
に適用しても同様の効果を得ることができる。
を例に行なったが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、同様にレーザ導波路に波長選択性の強い回折格子
を集積化した他の半導体レーザ、例えばテーパ結合DB
Rレーザ、DBR−ITG (二重導波路形)レーザ等
に適用しても同様の効果を得ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、DFB。
DBRレーザ等の導波路に回折格子を□集積化した半導
体レーザにおいて活性層に超格子構造を用いたことによ
シ、これらDFB、DBRレーザ等がへき開端面を用い
たレーザに対して本来有する優れた特徴に加え、導波路
上部に吸収媒質を装荷したシ一端面をへき開面にする場
合のようなしきい値電流の上昇や製造プロセス上の困難
を伴なうことなくTE偏波の選択性を強め、偏光面を安
定にすることができるという優れた効果を有する。
体レーザにおいて活性層に超格子構造を用いたことによ
シ、これらDFB、DBRレーザ等がへき開端面を用い
たレーザに対して本来有する優れた特徴に加え、導波路
上部に吸収媒質を装荷したシ一端面をへき開面にする場
合のようなしきい値電流の上昇や製造プロセス上の困難
を伴なうことなくTE偏波の選択性を強め、偏光面を安
定にすることができるという優れた効果を有する。
第1図はDFBレーザのしきい値電流密度および波長の
温度特性を示す図、第2図は従来のDBRレーザに吸収
媒質を装荷してTE偏波の選択性を強めた例を示す断面
図、第3図はへき開端面の超格子レーザの利得特性の偏
波面による差を示す図、第4図は本発明の一実施例を示
す断面図、第5図はその活性層の構造を示す詳細図、第
6図は本発明の他の実施例を示す断面図、第7図はTE
、1M偏波の発光ピークエネルギー差のA7xGa1.
−zAsバリア層A1組成Xおよびバリア層厚LB依存
性を示す図である。 1 ・・* m N−GaAs基板、2・・・・N−A
lyGax−yAsクラッド層、3 @ @ @ 11
P−AlyGal −yAsクラッド層、4 * e
# @ P−GaAs7ンククト層、5・・・・Ga
As活性層、6,7・・・・電極、8,9・・・−DB
R反射部、11・・・・超格子構造を有する活性層、1
2・−・・GaAg井戸層、13@・e@AlxGa1
−XASバリア層、14・・・・分布帰還形の光ガイド
層。 特許出願人 日本電信電話公社 代理人 山 川 政 樹 第1図 温度IKI 第2図 380− 第3図 0.6 0.8 1.0 C王入電sf、 i/ith 第4図 バリア層厚Le (X)
温度特性を示す図、第2図は従来のDBRレーザに吸収
媒質を装荷してTE偏波の選択性を強めた例を示す断面
図、第3図はへき開端面の超格子レーザの利得特性の偏
波面による差を示す図、第4図は本発明の一実施例を示
す断面図、第5図はその活性層の構造を示す詳細図、第
6図は本発明の他の実施例を示す断面図、第7図はTE
、1M偏波の発光ピークエネルギー差のA7xGa1.
−zAsバリア層A1組成Xおよびバリア層厚LB依存
性を示す図である。 1 ・・* m N−GaAs基板、2・・・・N−A
lyGax−yAsクラッド層、3 @ @ @ 11
P−AlyGal −yAsクラッド層、4 * e
# @ P−GaAs7ンククト層、5・・・・Ga
As活性層、6,7・・・・電極、8,9・・・−DB
R反射部、11・・・・超格子構造を有する活性層、1
2・−・・GaAg井戸層、13@・e@AlxGa1
−XASバリア層、14・・・・分布帰還形の光ガイド
層。 特許出願人 日本電信電話公社 代理人 山 川 政 樹 第1図 温度IKI 第2図 380− 第3図 0.6 0.8 1.0 C王入電sf、 i/ith 第4図 バリア層厚Le (X)
Claims (1)
- レーザ導波路に波長選択性の強い回折格子を集積化した
半導体レーザにおいて、活性層に超格子構造を用いたこ
とを特徴とする半導体発光装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57234662A JPS59119783A (ja) | 1982-12-25 | 1982-12-25 | 半導体発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57234662A JPS59119783A (ja) | 1982-12-25 | 1982-12-25 | 半導体発光装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59119783A true JPS59119783A (ja) | 1984-07-11 |
Family
ID=16974513
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57234662A Pending JPS59119783A (ja) | 1982-12-25 | 1982-12-25 | 半導体発光装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS59119783A (ja) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6045084A (ja) * | 1983-08-22 | 1985-03-11 | Nec Corp | 分布帰還型半導体レ−ザ |
JPS60128690A (ja) * | 1983-12-15 | 1985-07-09 | Fujitsu Ltd | 半導体発光装置 |
JPS61236186A (ja) * | 1985-04-12 | 1986-10-21 | Agency Of Ind Science & Technol | 半導体レ−ザ装置 |
EP0201930A2 (en) * | 1985-05-15 | 1986-11-20 | Sumitomo Electric Industries Limited | Light emitting semiconductor device |
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