JPS6354794A - 半導体レ−ザ - Google Patents
半導体レ−ザInfo
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- JPS6354794A JPS6354794A JP17597286A JP17597286A JPS6354794A JP S6354794 A JPS6354794 A JP S6354794A JP 17597286 A JP17597286 A JP 17597286A JP 17597286 A JP17597286 A JP 17597286A JP S6354794 A JPS6354794 A JP S6354794A
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- JP
- Japan
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- resonator
- loss
- layer
- semiconductor laser
- laser
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Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
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】
〔産業上の利用分野〕
この発明は半導体レーザに関し、特に活性層が量子井戸
型である半導体レーザの発振波長の制御に関するもので
ある。
型である半導体レーザの発振波長の制御に関するもので
ある。
第4図は例えば、アプライド フィジクス レターズ、
39巻、134頁〜137頁、 (1981年)(Ap
pl。
39巻、134頁〜137頁、 (1981年)(Ap
pl。
Phys、Lett、vol、39.p、134437
(1981) )に示された従来の里子井戸型半導体レ
ーザを示す断面図であり、図において、21はn’−G
aAs基板、22はn A l z G a I−2
A sクラッド層、23はn−A11l Ga+−g
As放物型屈折率分布層(2は徐々にyに変化)、24
はp−AIX’Ga、−。
(1981) )に示された従来の里子井戸型半導体レ
ーザを示す断面図であり、図において、21はn’−G
aAs基板、22はn A l z G a I−2
A sクラッド層、23はn−A11l Ga+−g
As放物型屈折率分布層(2は徐々にyに変化)、24
はp−AIX’Ga、−。
AsQ子井戸活性層、25はp−Al、Ga、−。
ノルS放物型屈折率分布層(yは徐々にZに変化)、2
6はp ” ’z Ga、−、Asクランド層、27は
P” −GaAsコンタクト層である。
6はp ” ’z Ga、−、Asクランド層、27は
P” −GaAsコンタクト層である。
次に動作について説明する。
第6図のように薄い半導体層を禁制帯幅の大きい半導体
障壁層ではさんで量子井戸を構成すると、この薄い半導
体層はポテンシャルの井戸層を形成し、この井戸に閉じ
込められた電子(または正札)の伝導帯の底から測った
固有エネルギーEnはSchrodinger方程式よ
り となり、離散的なエネルギー準位を形成する。ここで、
m、′は電子の有効質量、hはブランク定数を2πで割
ったもの、L2は量子井戸層の厚さである。ただし、簡
単の為に、障壁層の厚さおよび障壁の高さを無限大とし
て一次元的に取り扱っている。
障壁層ではさんで量子井戸を構成すると、この薄い半導
体層はポテンシャルの井戸層を形成し、この井戸に閉じ
込められた電子(または正札)の伝導帯の底から測った
固有エネルギーEnはSchrodinger方程式よ
り となり、離散的なエネルギー準位を形成する。ここで、
m、′は電子の有効質量、hはブランク定数を2πで割
ったもの、L2は量子井戸層の厚さである。ただし、簡
単の為に、障壁層の厚さおよび障壁の高さを無限大とし
て一次元的に取り扱っている。
このように電子は量子化されたエネルギーEnを持ち電
子の状態密度ρ(E)は第5図に示すように、バルク結
晶では破線で示す放物線であったものが、量子井戸中で
は実線で示すように階段型となる。
子の状態密度ρ(E)は第5図に示すように、バルク結
晶では破線で示す放物線であったものが、量子井戸中で
は実線で示すように階段型となる。
従って、量子井戸層を活性層として、両側を禁制帯幅の
大きい、p型半導体クラッド層、n型半導体層クラッド
層とすると、キャリア(電子および正孔)と光を閉じ込
めることができ、量子井戸型半導体レーザを作ることが
できる。このようにした作られた半導体レーザは通常の
ダブルへテロ接合により構成された半導体レーザに比べ
、活性層の禁制帯幅が同じ材料で作られていれば、最低
量子準位であるn=1のエネルギー準位が伝導帯の底よ
りも高く (第5図の実線)、伝導帯の底と価電子帯の
上部のエネルギー差で発振する通常のダブルへテロ接合
半導体レーザに比べて、エネルギー差が大きいため、よ
り短波長で発振する。また、量子井戸型半導体レーザで
は、エネルギー準位が離散的であるため、そのスペクト
ル線幅も狭く単色性の良いレーザ光が得られるといった
特徴を持っている。
大きい、p型半導体クラッド層、n型半導体層クラッド
層とすると、キャリア(電子および正孔)と光を閉じ込
めることができ、量子井戸型半導体レーザを作ることが
できる。このようにした作られた半導体レーザは通常の
ダブルへテロ接合により構成された半導体レーザに比べ
、活性層の禁制帯幅が同じ材料で作られていれば、最低
量子準位であるn=1のエネルギー準位が伝導帯の底よ
りも高く (第5図の実線)、伝導帯の底と価電子帯の
上部のエネルギー差で発振する通常のダブルへテロ接合
半導体レーザに比べて、エネルギー差が大きいため、よ
り短波長で発振する。また、量子井戸型半導体レーザで
は、エネルギー準位が離散的であるため、そのスペクト
ル線幅も狭く単色性の良いレーザ光が得られるといった
特徴を持っている。
第4図の従来例について説明する。
まず、n”−GaAs基板21上に、クラ・ノド層とな
るn−A I、Ga、−、As 22を成長させ、続い
て、放物型屈折率分布層nA12Gar−mAs (
Zは徐々にyに変化する)23、量子井戸型活性層p−
At、G” r −X A S24 、放物型屈折率分
布層p A ly cat−V As (yは徐々
に2に変化する)25、p A 1 t G a +
−m A 5クラッド層16、p” −GaAsコンタ
クト層17を成長させる(ただし、z>y>xである)
。第4図(blはこのようにして作られた半導体レーザ
のクラッド層、屈折率分布層、活性層のエネルギーバン
ド構造を示す。上記の半導体に対し、順方向にバイアス
してキャリア(電子、正孔)を注入すると、キャリアは
量子井戸活性N24に閉じ込められ、離散的なエネルギ
ー準位間で電子と正札が再結合し、発光する。なおこの
際、エネルギー準位に応じた鋭い発光波長ピークが得ら
れるものである。
るn−A I、Ga、−、As 22を成長させ、続い
て、放物型屈折率分布層nA12Gar−mAs (
Zは徐々にyに変化する)23、量子井戸型活性層p−
At、G” r −X A S24 、放物型屈折率分
布層p A ly cat−V As (yは徐々
に2に変化する)25、p A 1 t G a +
−m A 5クラッド層16、p” −GaAsコンタ
クト層17を成長させる(ただし、z>y>xである)
。第4図(blはこのようにして作られた半導体レーザ
のクラッド層、屈折率分布層、活性層のエネルギーバン
ド構造を示す。上記の半導体に対し、順方向にバイアス
してキャリア(電子、正孔)を注入すると、キャリアは
量子井戸活性N24に閉じ込められ、離散的なエネルギ
ー準位間で電子と正札が再結合し、発光する。なおこの
際、エネルギー準位に応じた鋭い発光波長ピークが得ら
れるものである。
一方、活性層24の上下にはAIの組成比を活性層から
離れる程太き(してあり、屈折率も減少し、活性層24
で発光した光は、この放物型屈折率分布層で閉じ込めら
れ、活性層24と垂直な端面を反射面として形成し、横
閉じ込めをしてやればレーザ発振させることが可能にな
る。この型のレーザは放物型の屈折率分布導波路と、キ
ャリアと光の閉じ込めを分離した構造からGRIN−3
CH(Graded−index waveguide
and 5eparate carrier and
opHcal confinements)レーザと
呼ばれている。
離れる程太き(してあり、屈折率も減少し、活性層24
で発光した光は、この放物型屈折率分布層で閉じ込めら
れ、活性層24と垂直な端面を反射面として形成し、横
閉じ込めをしてやればレーザ発振させることが可能にな
る。この型のレーザは放物型の屈折率分布導波路と、キ
ャリアと光の閉じ込めを分離した構造からGRIN−3
CH(Graded−index waveguide
and 5eparate carrier and
opHcal confinements)レーザと
呼ばれている。
従来の半導体レーザは以上のように構成されていて、ど
のエネルギー単位で発振するか制御されておらず一般的
にキャリア濃度の高いn−1の準位で発振し、n=2の
短波長で発振させることは難しいという問題点があった
。
のエネルギー単位で発振するか制御されておらず一般的
にキャリア濃度の高いn−1の準位で発振し、n=2の
短波長で発振させることは難しいという問題点があった
。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、同じ材料でも短い波長で発振することのでき
る半導体レーザを得ることを目的としている。
たもので、同じ材料でも短い波長で発振することのでき
る半導体レーザを得ることを目的としている。
この発明に係る半導体レーザは、量子井戸構造の活性層
をもつ半α体レーザのたとえば光導波路内部に光吸収領
域を設けるなどして共振器1員失を高めたものである。
をもつ半α体レーザのたとえば光導波路内部に光吸収領
域を設けるなどして共振器1員失を高めたものである。
この発明においては、量子井戸構造の活性層を持つ半導
体レーザの共振器損失を高めたから、該共振器損失と注
入電流による利得との関係により高い量子準位での発振
を行う。
体レーザの共振器損失を高めたから、該共振器損失と注
入電流による利得との関係により高い量子準位での発振
を行う。
〔実施例〕 。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第1
図において、1はれ一電極、2はn−GaAs基板、3
はn−AlGaAsクラッド層、4はGaAs量子井戸
活性層、5はP−AlGaAsクラッド層、6はP−G
aAsコンタクト層、7はP−電極、8は端面ミラー、
9は光吸収領域である。
図において、1はれ一電極、2はn−GaAs基板、3
はn−AlGaAsクラッド層、4はGaAs量子井戸
活性層、5はP−AlGaAsクラッド層、6はP−G
aAsコンタクト層、7はP−電極、8は端面ミラー、
9は光吸収領域である。
次にこの発明の動作原理について説明する。
−taにレーザ発振は、光が共振器を一往復して利得(
gain)が共振器損失(cavity 1oss)
(有限な反射率のため透過重分だけ光が放出されたしま
うことによる反射援失と、活性層を伝しする際に受ける
吸収および散乱損失)に打ち勝てば起こる。
gain)が共振器損失(cavity 1oss)
(有限な反射率のため透過重分だけ光が放出されたしま
うことによる反射援失と、活性層を伝しする際に受ける
吸収および散乱損失)に打ち勝てば起こる。
すなわち(2)式の左辺が右辺より大きくなった時に生
じる。たたし、gいは活性層利得、ξは光の閉じ込め係
数(横モードの内、活性層内の光電力の割合)、αは吸
収あるいは散乱損失、βは共振器長、R,、R,は端面
の反射率(一般的にはR1=R,=R)を表す。
じる。たたし、gいは活性層利得、ξは光の閉じ込め係
数(横モードの内、活性層内の光電力の割合)、αは吸
収あるいは散乱損失、βは共振器長、R,、R,は端面
の反射率(一般的にはR1=R,=R)を表す。
また、αは次式のように書ける。
α−αllc・ξ+α□(1−ξ) ・・・
(3)α1cは活性層内の吸収および散乱1員失、αQ
えはクラッド層の吸収および散乱損失を表す。ところで
、量子井戸を活性層にもつ半導体レーザでは、第5図に
示すように、共振器のとり得るエネルギー準位が量子化
されているため、−1’M的に利得と波長の関係は第2
図で示すような特性を示す。
(3)α1cは活性層内の吸収および散乱1員失、αQ
えはクラッド層の吸収および散乱損失を表す。ところで
、量子井戸を活性層にもつ半導体レーザでは、第5図に
示すように、共振器のとり得るエネルギー準位が量子化
されているため、−1’M的に利得と波長の関係は第2
図で示すような特性を示す。
注入電流を増加させてゆくと、まずn−1の量子準位の
波長にピークがあり、次にn=2の量子準位の波長にピ
ークが移る。波長はn=2の方が短い。
波長にピークがあり、次にn=2の量子準位の波長にピ
ークが移る。波長はn=2の方が短い。
例えば、この発明のように、活性層の光導波路内部の吸
収による損失を増加させて、第2図の破線で示すような
値に設定すれば、n=1での発振は生ぜずn=2の発振
ピークが得られる。従って、共振器損失を予め調整する
ことにより、注入電流を変えるだけでn=1とn=2の
レーザ光が、あるいはn=2の高いエネルギー準位のレ
ーザ光を得ることができる。
収による損失を増加させて、第2図の破線で示すような
値に設定すれば、n=1での発振は生ぜずn=2の発振
ピークが得られる。従って、共振器損失を予め調整する
ことにより、注入電流を変えるだけでn=1とn=2の
レーザ光が、あるいはn=2の高いエネルギー準位のレ
ーザ光を得ることができる。
第1図のこの発明の一実施例について説明する。
GaAs1子井戸活性層4の上下にはクラッド層となる
P−AlGaAs層5、n−AlGaAs層3があり、
活性層4より禁制帯幅は大きく、屈折率は小さい。この
ため、共振器(電子および正孔)の閉じ込めと、光の閉
じ込めがなされており、光は共振器の反射端面8間で増
幅発振させることができる。
P−AlGaAs層5、n−AlGaAs層3があり、
活性層4より禁制帯幅は大きく、屈折率は小さい。この
ため、共振器(電子および正孔)の閉じ込めと、光の閉
じ込めがなされており、光は共振器の反射端面8間で増
幅発振させることができる。
このレーザでは、p−電極7のある部分ではキャリアの
再結合が起こり、利得があるが、電極のない部分ではそ
の下の光導波路は光吸収領域9となり、損失α、Cが大
きくなる。この損失のため、αは増加し、共振器1員失
が増加する。このようにして、活性層利得のしきい値g
いを大きくすることにより、第2図の破線の位置に設定
することができ、n=1の準位の波長では発振せず、n
=2の波長で発振させることができる。あるいは、上述
のように、共振器1員失を調整することにより、注入電
流を変えるだけでn=1とn−2の準位のレーザ光を得
ることが可能であり、光波長のスイッチとしても利用で
きる。
再結合が起こり、利得があるが、電極のない部分ではそ
の下の光導波路は光吸収領域9となり、損失α、Cが大
きくなる。この損失のため、αは増加し、共振器1員失
が増加する。このようにして、活性層利得のしきい値g
いを大きくすることにより、第2図の破線の位置に設定
することができ、n=1の準位の波長では発振せず、n
=2の波長で発振させることができる。あるいは、上述
のように、共振器1員失を調整することにより、注入電
流を変えるだけでn=1とn−2の準位のレーザ光を得
ることが可能であり、光波長のスイッチとしても利用で
きる。
ここで本発明による半導体レーザにおいては光伝播の損
失を大きくするとともに注入されたキャリアがエネルギ
ー緩和されに<クシで高次の量子準位の占有率が高めら
れるようにするために量子井戸活性層の層厚は300Å
以下、横とじこめによる光導波路のストライプ幅は3ミ
クロン以下にすることが望ましい。
失を大きくするとともに注入されたキャリアがエネルギ
ー緩和されに<クシで高次の量子準位の占有率が高めら
れるようにするために量子井戸活性層の層厚は300Å
以下、横とじこめによる光導波路のストライプ幅は3ミ
クロン以下にすることが望ましい。
なお、上記実施例では光導波路内部の光吸収損失を増加
させるために、半導体レーザの上部電tスのない部分を
設けて光吸収領域を形成する方法のものを示したが、第
3図の他の実施例に示すように、光導波路(活性層4)
の一部にプロトン(陽子)を照射して高抵抗層12を形
成して、光吸収令頁域としても上記実施例と同様の効果
が期待できる。
させるために、半導体レーザの上部電tスのない部分を
設けて光吸収領域を形成する方法のものを示したが、第
3図の他の実施例に示すように、光導波路(活性層4)
の一部にプロトン(陽子)を照射して高抵抗層12を形
成して、光吸収令頁域としても上記実施例と同様の効果
が期待できる。
また、上記実施例では光の横閉じ込めについては言及し
なかったが、通常の埋込み(BH)レーザ構造等いかな
るタイプの構造のレーザにも適用できる。
なかったが、通常の埋込み(BH)レーザ構造等いかな
るタイプの構造のレーザにも適用できる。
また、上記実施例では、GaAs系の半導体を用いたレ
ーザについて述べたが、InP系や他の材料系の半導体
を用いたものであってもよく、上記実施例と同様の効果
を奏する。
ーザについて述べたが、InP系や他の材料系の半導体
を用いたものであってもよく、上記実施例と同様の効果
を奏する。
以上のように、この発明によれば、半導体レーザの光導
波路内部に光吸収領域を設け、共振器損失を増大する構
成にしたので、簡単な方法で発光波長を短波長化でき、
安価で、精度の高いものが得られる効果がある。
波路内部に光吸収領域を設け、共振器損失を増大する構
成にしたので、簡単な方法で発光波長を短波長化でき、
安価で、精度の高いものが得られる効果がある。
第1図はこの発明の一実施例による半導体レーザを示す
断面図、第2図はこの発明の詳細な説明するための発光
波長と利得の関係を示す図、第3図はこの発明の他の実
施例を示す断面図、第4図(a)は従来の半導体レーザ
を示す断面図、第4図(′b)はGRI N−3CH構
造の半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す図、第
5図は量子井戸の状態密度とエネルギー準位を示す図、
第6図は量子井戸構造の活性層のエネルギーバンド構造
を示す図である。 1はn電極、2はn−GaAs基キ反、31まn−Al
GaAsクラッド層、4はGaAs1子井戸活性層、5
はP−AIGaAsクラッド層、7はP−電極、9は吸
収領域、10は伝導帯、11は価電子帯、12はプロト
ン照射部である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
断面図、第2図はこの発明の詳細な説明するための発光
波長と利得の関係を示す図、第3図はこの発明の他の実
施例を示す断面図、第4図(a)は従来の半導体レーザ
を示す断面図、第4図(′b)はGRI N−3CH構
造の半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す図、第
5図は量子井戸の状態密度とエネルギー準位を示す図、
第6図は量子井戸構造の活性層のエネルギーバンド構造
を示す図である。 1はn電極、2はn−GaAs基キ反、31まn−Al
GaAsクラッド層、4はGaAs1子井戸活性層、5
はP−AIGaAsクラッド層、7はP−電極、9は吸
収領域、10は伝導帯、11は価電子帯、12はプロト
ン照射部である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
Claims (5)
- (1)量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザにお
いて、 共振器損失を高め、高い量子準位による発振を行わせる
ようにしたことを特徴とする半導体レーザ。 - (2)上記活性層の光導波路内部に光吸収の大きい領域
を設け、該領域により上記共振器損失を高めたことを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体レーザ。 - (3)上記光吸収の大きい領域は、共振器の一部に設け
られた電流を注入しない領域であることを特徴とする特
許請求の範囲第2項記載の半導体レーザ。 - (4)上記電流を注入しない領域は、共振器の一部に電
極のない部分を設けて形成したことを特徴とする特許請
求の範囲第3項記載の半導体レーザ。 - (5)上記電流を注入しない領域は、共振器内の一部を
プロトン照射により高抵抗化することにより形成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の半導体レー
ザ。
Priority Applications (11)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17597286A JPS6354794A (ja) | 1986-07-25 | 1986-07-25 | 半導体レ−ザ |
DE3751548T DE3751548T2 (de) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | Halbleiterlaser. |
DE3751549T DE3751549T2 (de) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | Halbleiterlaser. |
DE87306520T DE3787769T2 (de) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | Halbleiterlaservorrichtung. |
EP93200581A EP0547038B1 (en) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | A semiconductor laser device |
EP93200588A EP0547043B1 (en) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | A semiconductor laser device |
EP93200589A EP0547044B1 (en) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | A semiconductor laser device |
EP19930200587 EP0547042A3 (en) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | A semiconductor laser device |
EP87306520A EP0254568B1 (en) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | A semiconductor laser device |
DE3751535T DE3751535T2 (de) | 1986-07-25 | 1987-07-23 | Halbleiterlaser. |
US07/078,393 US4817110A (en) | 1986-07-25 | 1987-07-24 | Semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17597286A JPS6354794A (ja) | 1986-07-25 | 1986-07-25 | 半導体レ−ザ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6354794A true JPS6354794A (ja) | 1988-03-09 |
Family
ID=16005462
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17597286A Pending JPS6354794A (ja) | 1986-07-25 | 1986-07-25 | 半導体レ−ザ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6354794A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5161164A (en) * | 1990-08-28 | 1992-11-03 | Mitsubishi Deni Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
-
1986
- 1986-07-25 JP JP17597286A patent/JPS6354794A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5161164A (en) * | 1990-08-28 | 1992-11-03 | Mitsubishi Deni Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
US5177749A (en) * | 1990-08-28 | 1993-01-05 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
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