WO2020129585A1 - 半導体レーザ - Google Patents

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diffraction grating
distributed bragg
bragg reflector
semiconductor laser
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絵理奈 菅野
浩司 武田
硴塚　孝明
松尾　慎治
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日本電信電話株式会社
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    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

Definitions

  • the first distributed Bragg reflector region includes a first core layer made of a compound semiconductor formed continuously on the active layer, and the second distributed Bragg reflector region includes an active layer.
  • a second core layer made of a compound semiconductor formed continuously is provided.
  • the second diffraction grating is composed of a concave portion formed on the surface of the second core layer and a convex portion adjacent to the concave portion.
  • FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a sectional view showing a partial configuration of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a sectional view showing a partial configuration of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a sectional view showing a condition partway through the manufacture of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a sectional view showing a condition partway through the manufacture of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a sectional view showing a condition partway through the manufacture of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3D is a sectional view showing a condition partway through the manufacture of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3E is a sectional view showing a condition partway through the manufacture of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a sectional view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a configuration diagram showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4C is a sectional view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4D is a sectional view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the error in the depth of the diffraction grating and the error in the oscillation wavelength.
  • FIG. 6 is a plan view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • the active region 131 has an active layer 103 made of a compound semiconductor.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a includes a first core layer 113a formed continuously from the active layer 103 and made of a compound semiconductor.
  • the second distributed Bragg reflector region 132b includes a second core layer 113b formed continuously from the active layer 103 and made of a compound semiconductor.
  • the first diffraction grating 121 is composed of a concave portion formed by penetrating the diffraction grating layer 123 formed in the first distributed Bragg reflector region 132a and a convex portion adjacent to the concave portion.
  • Diffraction grating layer 123 SiN, SiO x N y, and a SiO 2, Al 2 O 3, a dielectric such as HfO 2.
  • the second diffraction grating 122 includes a concave portion formed on the surface (upper surface) of the second core layer 113b and a convex portion adjacent to the concave portion.
  • FIGS. 2A and 2B show cross sections perpendicular to the waveguide direction of the semiconductor laser.
  • the active region 131, the first distributed Bragg reflector region 132a, and the second distributed Bragg reflector region 132b are formed on the same substrate 101 with the lower cladding layer 102 interposed therebetween.
  • the active region 131 includes an n-type semiconductor layer 105 and a p-type semiconductor layer 106 formed in contact with the active layer 103.
  • the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are arranged across the active layer 103 in the plane direction of the substrate 101, and these are formed in contact with the side surfaces of the active layer 103.
  • n-type electrode 107 electrically connected to the n-type semiconductor layer 105 and a p-type electrode 108 electrically connected to the p-type semiconductor layer 106.
  • current is injected into the active layer 103 of the active region 131 in the direction parallel to the plane of the substrate 101 (lateral direction).
  • n-type electrode 107 on the n-type semiconductor layer 105 via an n-type contact layer in which an n-type impurity is introduced at a higher concentration.
  • the active layer 103 is sandwiched between the semiconductor layers 104a and 104b in the vertical direction when viewed from the substrate 101. Further, the stacked structure of the semiconductor layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b is sandwiched between the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106. The p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 105 are formed so as to sandwich the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 101.
  • the active layer 103 is formed in contact with the semiconductor layer 104a, and the semiconductor layer 104b is formed in contact with the active layer 103. Further, the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are formed in contact with the side portions of the stacked structure of the semiconductor layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b.
  • the substrate 101 is made of, for example, silicon.
  • the lower cladding layer 102 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) and has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the active layer 103 has, for example, a quantum well structure with a thickness of 150 nm in which well layers made of InGaAsP and barrier layers are alternately laminated.
  • the width of the cross section of the active layer 103 perpendicular to the waveguide direction is set to about 0.8 ⁇ m.
  • the total thickness of the semiconductor layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b is 250 nm.
  • the thickness of each of the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 is also 250 nm.
  • the emission wavelength of the active layer 103 having a quantum well structure is 1.55 ⁇ m.
  • the semiconductor layers 104a and 104b are composed of undoped InP (i-InP).
  • one n-type semiconductor layer 105 sandwiching the active layer 103 is composed of n-type InP (n-InP) doped with Si at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • 106 is composed of p-type InP (p-InP) doped with Zn at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • these can be composed of, for example, InGaAs.
  • the lower clad layer 102 made of low-refractive-index silicon oxide is formed in the lower part of the high-refractive-index InP layer, and the upper part is made of low-refractive-index air.
  • strong optical confinement in the active layer 103, the first core layer 113a, and the second core layer 113b is realized, which is advantageous for low power operation of the laser.
  • a sacrificial layer made of InGaAs a compound semiconductor layer 203a to be the semiconductor layer 104a, a compound semiconductor layer 204 to be the active layer 103, a compound semiconductor layer 203b to be the semiconductor layer 104b, and a first core.
  • the compound semiconductor layers to be the layer 113a and the second core layer 113b are sequentially epitaxially grown.
  • each layer may be grown by a well-known metal organic chemical vapor deposition method.
  • the uppermost surface of the epitaxially grown substrate and the surface of the lower clad layer 102 of the substrate 101 described above are directly bonded by a known wafer bonding technique, and then the InP substrate and the sacrificial layer are removed.
  • the lower cladding layer 102 and the compound semiconductor layer 203a are formed on the substrate 101 over the entire area of the active region 131, the first distributed Bragg reflector region 132a, and the second distributed Bragg reflector region 132b.
  • the compound semiconductor layer 204 and the compound semiconductor layer 203b are formed.
  • the compound semiconductor layer 203a, the compound semiconductor layer 204, and the compound semiconductor layer 203a are patterned by wet etching and dry etching using a resist pattern formed by a known photolithography technique as a mask, and as shown in FIG.
  • a stripe structure of the active region 131 including the layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b is formed.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b are in a state where the active layer 103 is not present.
  • the compound semiconductor layer 203a is not removed by etching in the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b, but a thin compound semiconductor layer 203a' is left.
  • the resist pattern is removed after each pattern is formed.
  • a compound semiconductor layer 205 made of undoped InP is regrown from the compound semiconductor layer 203a′ which is left thinner than the surroundings of the formed semiconductor layer 104a, active layer 103, and semiconductor layer 104b.
  • a compound semiconductor layer 205 can be formed by forming a center growth mask of silicon oxide on the semiconductor layer 104b, and in this state, InP is selectively epitaxially grown on the compound semiconductor layer 203a′. There is.
  • the compound semiconductor layer 205 is formed on the lower cladding layer 102.
  • n-type impurities and p-type impurities are selectively introduced into the regions on both sides of the active layer 103 in the direction perpendicular to the waveguide direction.
  • the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are formed.
  • the semiconductor layer 104b made of undoped InP is formed on the active layer 103.
  • the compound semiconductor layer 205 remains in the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b sandwiching the active region 131.
  • the diffraction grating layer 123 made of SiN is formed on the semiconductor layer 104b and the compound semiconductor layer 205, and the first diffraction grating 121 is formed on the diffraction grating layer 123.
  • the diffraction grating layer 123 is formed by depositing SiN by a well-known deposition method. Then, the diffraction grating layer 123 is patterned by a known lithography technique and etching technique to form the first diffraction grating 121. In this patterning, the concave portion of the first diffraction grating 121 penetrates the diffraction grating layer 123.
  • the compound semiconductor layer 205 below the diffraction grating layer 123 is made of InP and the diffraction grating layer 123 is made of SiN, InP is hardly etched by the etching process in the patterning of the diffraction grating layer 123.
  • the compound semiconductor layer 205 functions as an etching stop layer. Therefore, it is not necessary to precisely control the amount of etching when forming the recesses that penetrate the diffraction grating layer 123.
  • the diffraction grating layer 123 is etched using the mask pattern that covers the first distributed Bragg reflector region 132a. As shown, the diffraction grating layer 123 is formed only in the first distributed Bragg reflector region 132a. Note that FIG. 3E shows a state after the mask pattern is removed.
  • the second diffraction grating 122 is formed in the second distributed Bragg reflector region 132b.
  • the second diffraction grating 122 is formed by patterning the compound semiconductor layer 205 in the second distributed Bragg reflector region 132b by predetermined etching using a resist pattern formed by a well-known lithography technique as a mask. You can At this stage, the first core layer 113a and the second core layer 113b are not formed.
  • the first core layer 113a and the second diffraction grating 122 are formed in the portion where the first diffraction grating 121 is formed.
  • the second core layer 113b is formed in the portion where the is formed.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b are formed in the compound semiconductor layer 205 used for forming the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 for current injection. Since the first core layer 113a and the second core layer 113b are formed, the process can be simplified. After that, the n-type electrode 107 is formed on the n-type semiconductor layer 105, and the p-type electrode 108 is formed on the p-type semiconductor layer 106.
  • the active layer 103 having a quantum well structure in which nine quantum wells of InGaAsP having a thickness of 150 nm shown in FIG. 4A are stacked is used, as shown in FIG. 4B, one of the active regions 131 having a waveguide length of 71 ⁇ m is used.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a having a waveguide length of 50 ⁇ m and the second distributed Bragg reflector region 132b having a waveguide length of 50 ⁇ m on the other side it is possible to function as a semiconductor laser.
  • the spot size conversion core 302a made of SiO x having a larger amount of silicon than the stoichiometric composition is formed in the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b.
  • a spot size conversion core 302b is provided. Further, the spot size conversion core 302a is formed on the diffraction grating layer 123 via the SiO 2 layer 301a. Further, the spot size conversion core 302b is formed on the second core layer 113b via the SiO 2 layer 301b.
  • the active region 131 includes a SiO 2 layer 301 which is formed continuously SiO 2 layer 301a, SiO 2 layer 301b, also the spot size conversion core 302a, and is formed continuously in the spot size conversion core 302b
  • a SiO x layer 302 is disposed on the SiO 2 layer 301. Each dimension is as shown in FIGS. 4A, 4C, and 4D.
  • the first diffraction grating 121 is formed on the diffraction grating layer 123 having a thickness of 40 nm (coupling coefficient 147 cm ⁇ 1 ).
  • the second diffraction grating 122 is formed by forming a recessed portion having a depth of 55 nm on the upper surface of the second core layer 113b made of InP (coupling coefficient 1860 cm. -1 ). With this configuration, the semiconductor laser of the embodiment has an oscillation threshold gain of 61 cm -1 , and laser oscillation is possible.
  • the oscillation wavelength of a DBR laser having a diffraction grating is determined by the coupling coefficient of the diffraction grating. Therefore, when the depth of the diffraction grating deviates from the designed value, the oscillation wavelength deviates from the designed value.
  • the Bragg wavelength shifts when an error occurs in the depth of the diffraction grating of the first distributed Bragg reflector region 132a. No oscillation can be obtained.
  • the oscillation wavelength deviates from the design value of 1550 nm.
  • controlling the depth of the diffraction grating is important for controlling the oscillation wavelength.
  • the diffraction grating is formed by etching the first core layer 113a made of a compound semiconductor, it is not easy to control the etching amount and it is not easy to control the depth of the diffraction grating.
  • the diffraction grating layer 123 is formed on the first core layer 113a and the first diffraction grating 121 is configured by the concave portion penetrating the diffraction grating layer 123,
  • the depth of the grating is determined by the thickness of the diffraction grating layer 123.
  • the thickness of a film of an oxide such as SiN it is possible to easily obtain higher accuracy than in controlling the etching amount.
  • the thickness of the diffraction grating layer 123 can be controlled on the order of 1 nm.
  • the diffraction grating layer 123 can be formed with the same thickness as the design value of the depth of the diffraction grating with high accuracy, and the depth of the first diffraction grating 121 determined by the thickness of the diffraction grating layer 123 is also high. It is possible to form the design value of the depth of the diffraction grating with accuracy. Further, since the first diffraction grating 121 is made of a dielectric material, it has a smaller coupling coefficient and a smaller stop band than the second diffraction grating 122 made of a semiconductor.
  • the oscillation wavelength of the DBR laser (semiconductor laser) in the embodiment is determined by the Bragg wavelength of the first diffraction grating 121 in the first distributed Bragg reflector region 132a.
  • the oscillation wavelength of the DBR laser is accurate. Will be able to control.
  • the diffraction grating when the diffraction grating is made of a dielectric material, the coupling coefficient cannot be increased so much and the reflectance decreases. Therefore, if the diffraction grating is made of a dielectric material in both of the two distributed Bragg reflector regions, the reflector length must be increased in order to reduce the threshold gain of the DBR laser.
  • the second distributed Bragg reflector region 132b since the second distributed Bragg reflector region 132b has the second diffraction grating 122 made of a semiconductor to increase the reflectance, the threshold gain of the laser can be increased with a short reflector length. It is possible to lower it.
  • a core layer 213a and a core layer 213b made of InGaAsP are formed in each of the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b to form a butt joint embedded waveguide. It is also possible to do so.
  • a first upper clad layer 214a and a second upper clad layer 214b made of InP or the like are provided on the core layers 213a and 213b.
  • the diffraction grating layer 123 is disposed on the first upper cladding layer 214a.
  • the second diffraction grating 122a is formed on the upper surface of the second upper cladding layer 214b.
  • the second diffraction grating 122a is composed of a concave portion formed on the upper surface of the second upper cladding layer 214b and a convex portion adjacent to the concave portion.
  • a first lower clad layer 215a and a second lower clad layer 215b made of InP or the like are provided below the core layers 213a and 213b.
  • the active region 131 and the first distributed Bragg reflecting mirror region 132a and the second distributed Bragg reflecting mirror region 132b are in a state where the equivalent refractive indices thereof match each other, and the waveguide loss due to reflection between them is suppressed. The effect of doing so will be obtained.
  • the first diffraction grating in the first distributed Bragg reflector region is composed of the concave portion formed by penetrating the diffraction grating layer made of a dielectric material and the convex portion adjacent to the concave portion. Therefore, the oscillation wavelength of the DBR laser can be accurately controlled.

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Abstract

活性領域（１３１）と、活性領域（１３１）に連続して配置された第１分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ａ），第２分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ｂ）とを備える。第１分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ａ）は、導波方向に活性領域（１３１）の一方に連続して形成されて第１回折格子（１２１）を備える。第２分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ｂ）は、導波方向に活性領域（１３１）の他方に連続して形成されて第２回折格子（１２２）を備える。第１回折格子（１２１）は、第１分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ａ）に形成された回折格子層（１２３）を貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。回折格子層（１２３）は、誘電体から構成されている。

Description

半導体レーザ
　本発明は、半導体レーザに関し、より具体的には、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに関する。
　現在、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化の要求に対し、様々な波長多重光源が開発されている。この要求の実現には、光源となるレーザの発振波長制御などが重要となり、例えば、関連する技術としては、分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザがある（非特許文献１参照）。
　ＤＦＢレーザは、活性層の上に回折格子を備えるレーザであり、回折格子のピッチと深さとにより発振波長が決定される。このため、ＤＦＢレーザは、発振波長が制御しやすく、波長多重光源としてよく用いられている。
　また、上述した光源となるレーザとして、活性層の導波路の延長線上に回折格子を有する、分布ブラッグ反射（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）レーザがある（非特許文献２参照）。ＤＢＲレーザの発振波長は、ＤＢＲストップバンドとファブリペロピークによって決まる。ＤＢＲレーザは、電流注入による位相制御領域を設けることによって、広いレンジでシングルモード動作が可能となり、ＤＦＢレーザよりも、発振波長の調整範囲が広い。
K. Utaka et al., "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electrons, Vol. QE-22, No. 7, pp. 1042, 1986. N. Fujiwara et al., "Inherently Mode-Hop-Free Distributed Bragg Reflector (DBR) Laser Array", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 1132-1137, 2003.
　ところで、現在、半導体レーザを波長多重光源として用いたＷＤＭが、より広く用いられるようになってきており、波長多重をさらに高密度にすることが求められている。このような要求に対応させるため、前述したような半導体レーザを用いた波長多重をさらに高密度にするためには、より精密な発振波長の制御が求められる。
　しかしながら、従来の技術では、以下に示すことにより、発振波長の精確な制御が容易ではないという問題があった。従来では、一般に、回折格子を形成する領域を構成しているＩｎＰなどの化合物半導体を、所定のマスクパターンを用いてエッチングすることで、所定の周期の凹凸を形成して回折格子としている。このため、回折格子の深さの制御が、エッチングの量によって決定されることになる。
　しかしながら、よく知られているように、エッチングの量を精確に制御することは容易ではなく、作製誤差が発生する。ＤＢＲレーザの発振波長は、回折格子の結合係数によって決定され、回折格子の結合係数は、回折格子の深さに依存するため、上述したようにエッチングの量で決定される回折格子の深さは、作製誤差のためにばらつくことになる。この結果、ＤＢＲレーザの発振波長が設計値からずれるなど、ＤＢＲレーザの発振波長が精確に制御できないという問題がある。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＤＢＲレーザの発振波長が精確に制御できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された化合物半導体からなる活性層を備える活性領域と、導波方向に活性領域の一方に連続して形成されて第１回折格子を備える第１分布ブラッグ反射鏡領域と、導波方向に活性領域の他方に連続して形成されて第２回折格子を備える第２分布ブラッグ反射鏡領域とを備え、第１回折格子は、第１分布ブラッグ反射鏡領域に形成された回折格子層を貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成され、回折格子層は、誘電体から構成されている。
　上記半導体レーザの一構成例において、第１分布ブラッグ反射鏡領域は、活性層に連続して形成された化合物半導体からなる第１コア層を備え、第２分布ブラッグ反射鏡領域は、活性層に連続して形成された化合物半導体からなる第２コア層を備える。
　上記半導体レーザの一構成例において、第２回折格子は、第２コア層の表面に形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。
　上記半導体レーザの一構成例において、第１コア層の上に形成された第１上部クラッド層と、第２コア層の上に形成された第２上部クラッド層とをさらに備える。
　上記半導体レーザの一構成例において、第２回折格子は、第２上部クラッド層の上面に形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。
　以上説明したように、本発明によれば、第１分布ブラッグ反射鏡領域の第１回折格子を、誘電体からなる回折格子層を貫通して形成した凹部および凹部に隣接する凸部から構成したので、ＤＢＲレーザの発振波長が精確に制御できるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｅは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの一部構成を示す構成図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図４Ｄは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図５は、回折格子の深さの誤差と発振波長の誤差との関係を示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの構成を示す平面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図１を参照して説明する。
　この半導体レーザは、活性領域１３１と、活性領域１３１に連続して配置された第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂとを備える。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａは、導波方向に活性領域１３１の一方に連続して形成されて第１回折格子１２１を備える。第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、導波方向に活性領域１３１の他方に連続して形成されて第２回折格子１２２を備える。この半導体レーザは、いわゆるＤＢＲレーザである。
　活性領域１３１は、化合物半導体からなる活性層１０３を有する。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａは、活性層１０３に連続して形成されて化合物半導体からなる第１コア層１１３ａを備える。第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、活性層１０３に連続して形成されて化合物半導体からなる第２コア層１１３ｂを備える。
　また、第１回折格子１２１は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａに形成された回折格子層１２３を貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。回折格子層１２３は、ＳｉＮ，ＳｉＯxＮy，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2などの誘電体から構成されている。なお、実施の形態において、第２回折格子１２２は、第２コア層１１３ｂの表面（上面）に形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。
　以下、図２Ａ，図２Ｂを用いて、より詳細に説明する。図２Ａ，図２Ｂは、半導体レーザの導波方向に垂直な断面を示している。活性領域１３１、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、同一の基板１０１の上に、下部クラッド層１０２を介して形成されている。図２Ａに示すように、活性領域１３１は、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６を備える。この例では、基板１０１の平面方向に、活性層１０３を挾んでｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が配置され、これらは、活性層１０３の側面に接して形成されている。
　また、ｎ型半導体層１０５に電気的に接続するｎ型電極１０７と、ｐ型半導体層１０６に電気的に接続するｐ型電極１０８とを備える。実施の形態における半導体レーザは、活性領域１３１の活性層１０３に、基板１０１の平面に平行な方向（横方向）で電流が注入される。なお、ｎ型半導体層１０５の上に、より高濃度にｎ型不純物が導入されたｎ型コンタクト層を介してｎ型電極１０７を形成することも可能である。同様に、ｐ型半導体層１０６の上に、より高濃度にｐ型不純物が導入されたｐ型コンタクト層を介してｐ型電極１０８を形成することも可能である。また、基板の平面に平行な方向に限らず、活性層の上下にｎ型半導体層およびｐ型半導体層を配置し、基板の平面に垂直な方向（縦型）で電流が注入される構成とすることもできる。
　また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。
　実施の形態では、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。
　一方、図２Ｂに示すように、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａでは、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６は形成されず、第１コア層１１３ａの導波方向の側面は、開放されている。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの第１コア層１１３ａは、図２Ｂの紙面奥から手前にかけて延在するストライプ形状に形成されている。第２コア層１１３ｂも、上述した第１コア層１１３ａと同様である。なお、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂにおいて、ｎ型電極１０７およびｐ型電極１０８は形成していない。
　また、第１コア層１１３ａの上に回折格子層１２３が形成され、回折格子層１２３に第１回折格子１２１が形成されている。前述したように、第１回折格子１２１は、回折格子層１２３を貫通して形成された凹部と、この凹部に隣接する凸部から構成されている。一方、第２回折格子１２２は、第２コア層１１３ｂの上面に形成している。また、図示していないが、半導体レーザは、出力端面に、無反射膜が形成されている。
　基板１０１は、例えば、シリコンから構成されている。下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成され、厚さ２μｍとされている。また、活性層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とバリア層が交互に積層された厚さ１５０ｎｍの量子井戸構造とされている。また、活性層１０３は、導波方向に垂直な断面の幅が０．８μｍ程度とされている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂを合わせた厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６も、各々厚さ２５０ｎｍとされている。量子井戸構造の活性層１０３の発光波長は、１．５５μｍである。
　また、例えば、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ－ＩｎＰ）から構成されている。また、活性層１０３を挾む、一方のｎ型半導体層１０５は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）から構成され、他方のｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）から構成されている。なお、ｎ型コンタクト層、ｐ型コンタクト層を用いる場合、これらは、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成することができる。
　また、第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ－ＩｎＰ）から構成され、導波方向に垂直な断面の形状が、幅１．５μｍ程度とされ、厚さは、２５０ｎｍとされている。また、回折格子層１２３は、ＳｉＮから構成され、第１回折格子１２１は、ブラッグ波長が１．５５μｍとされている。
　上述した半導体レーザは、高屈折率なＩｎＰの層の下部は、低屈折率な酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２が形成され、上部は、低屈折率な空気とされている。この結果、活性層１０３、第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂへの強い光閉じ込めが実現され、レーザの低電力動作に有利である。
　以下、実施の形態における半導体レーザの製造方法について、図３Ａ～図３Ｅを用いて簡単に説明する。図３Ａ～図３Ｅは、実施の形態における半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図であり、活性領域１３１の、導波方向に平行な面の断面を模式的に示している。
　例えば、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０２を備える基板（シリコン基板）１０１を用意する。例えば、基板１０１の主表面を熱酸化することで、下部クラッド層１０２を形成する。
　一方で、図示しないＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓからなる犠牲層、半導体層１０４ａとなる化合物半導体層２０３ａ、活性層１０３となる化合物半導体層２０４、半導体層１０４ｂとなる化合物半導体層２０３ｂ，第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂとなる化合物半導体層を、順次にエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各層を成長させれば良い。
　次いで、このエピタキシャル成長した基板の最上面と、前述した基板１０１の下部クラッド層１０２の表面とを公知のウエハ接合技術により直接接合し、この後、ＩｎＰ基板と犠牲層を除去する。この結果、図３Ａに示すように、活性領域１３１、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの全域において、基板１０１の上に、下部クラッド層１０２、化合物半導体層２０３ａ、化合物半導体層２０４、化合物半導体層２０３ｂが形成された状態となる。
　次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作製したレジストパターンをマスクとしたウエットエッチングおよびドライエッチングなどにより、化合物半導体層２０３ａ、化合物半導体層２０４、化合物半導体層２０３ａをパターニングし、図３Ｂに示すように、半導体層１０４ａ、活性層１０３、半導体層１０４ｂからなる活性領域１３１のストライプ構造を形成する。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、活性層１０３がない状態とする。ここで、化合物半導体層２０３ａは、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂにおいて、すべてエッチング除去せずに薄い化合物半導体層２０３ａ’を残しておく。なお、各パターンを形成した後は、レジストパターンを除去する。
　次に、図３Ｃに示すように、形成した半導体層１０４ａ、活性層１０３、半導体層１０４ｂの周囲より、薄く残しておいた化合物半導体層２０３ａ’からアンドープのＩｎＰからなる化合物半導体層２０５を再成長させる。例えば、半導体層１０４ｂの上に、酸化シリコンによるセンタ成長マスクを形成し、この状態で、化合物半導体層２０３ａ’の上にＩｎＰを選択的にエピタキシャル成長させていることで、化合物半導体層２０５が形成でいる。これにより、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂでは、化合物半導体層２０５が下部クラッド層１０２の上に形成された状態となる。
　次いで、例えば、イオン注入法により、活性層１０３の導波方向に垂直な方向の両脇の領域に、選択的にｎ型の不純物およびｐ型の不純物を導入することで、活性領域１３１では、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６を形成する。この結果、活性層１０３の上には、アンドープのＩｎＰからなる半導体層１０４ｂが形成された状態となる。この段階において、活性領域１３１を挾む第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂには、化合物半導体層２０５が残っている。
　次に、図３Ｄに示すように、半導体層１０４ｂおよび化合物半導体層２０５の上に、ＳｉＮからなる回折格子層１２３を形成し、回折格子層１２３に第１回折格子１２１を形成する。例えば、よく知られた堆積法によりＳｉＮを堆積することで回折格子層１２３を形成する。次いで、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、回折格子層１２３をパターニングして第１回折格子１２１を形成する。このパターニングにおいて、第１回折格子１２１の凹部は、回折格子層１２３を貫通させる。
　回折格子層１２３の下層の化合物半導体層２０５は、ＩｎＰから構成し、回折格子層１２３は、ＳｉＮから構成しているので、回折格子層１２３のパターニングおけるエッチング処理では、ＩｎＰがほとんどエッチングされず、化合物半導体層２０５がエッチングストップ層として機能する。このため、回折格子層１２３を貫通させる凹部の形成においては、精確なエッチングの量の制御が必要無い。
　次に、第１回折格子１２１を形成するために用いたマスクパターンを除去した後、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａを覆うマスクパターンを用いて回折格子層１２３をエッチングすることで、図３Ｅに示すように、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａのみに回折格子層１２３が形成された状態とする。なお、図３Ｅは、上記マスクパターンを除去した後の状態を示している。
　この後、図１に示したように、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂに第２回折格子１２２を形成する。例えば、よく知られたリソグラフィー技術により形成したレジストパターンをマスクとし、所定のエッチングにより、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂにおける化合物半導体層２０５をパターニングすることで、第２回折格子１２２を形成することができる。なお、この段階では、第１コア層１１３ａ、第２コア層１１３ｂは形成されていない。
　次に、活性領域１３１を挾む導波方向の領域の化合物半導体層２０５を、前述同様にパターニングすることで、第１回折格子１２１を形成した部分に第１コア層１１３ａ、第２回折格子１２２を形成した部分に第２コア層１１３ｂを形成する。この構成によれば、電流注入のためのｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６の形成に用いた化合物半導体層２０５で、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの第１コア層１１３ａ、第２コア層１１３ｂを形成するので、工程が簡略化できる。この後、ｎ型半導体層１０５の上にｎ型電極１０７を形成し、ｐ型半導体層１０６の上にｐ型電極１０８を形成する。
　例えば、図４Ａに示す、ＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ１５０ｎｍの量子井戸を９層重ねた量子井戸構造の活性層１０３を用いた場合、図４Ｂに示すように、導波長７１μｍとした活性領域１３１の一方に、導波長５０μｍの第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａを設け、他方に導波長５０μｍの第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂを設けることで、半導体レーザして機能させることができる。
　また、図４Ｃ、図４Ｄに示すように、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂに、化学量論組成よりシリコンの量が多いＳｉＯxからなるスポットサイズ変換コア３０２ａ，スポットサイズ変換コア３０２ｂを設けている。また、スポットサイズ変換コア３０２ａは、回折格子層１２３の上に、ＳｉＯ2層３０１ａを介して形成している。また、スポットサイズ変換コア３０２ｂは、第２コア層１１３ｂの上に、ＳｉＯ2層３０１ｂを介して形成している。
　また、活性領域１３１も、ＳｉＯ2層３０１ａ、ＳｉＯ2層３０１ｂに連続して形成されたＳｉＯ2層３０１を備え、またスポットサイズ変換コア３０２ａ，スポットサイズ変換コア３０２ｂに連続して形成されているＳｉＯx層３０２が、ＳｉＯ2層３０１の上に配置されている。各寸法は、図４Ａ、図４Ｃ、図４Ｄに示す通りである。
　また、第１回折格子１２１は、厚さ４０ｎｍの回折格子層１２３に形成されている（結合係数１４７ｃｍ-1）。また、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂには、ＩｎＰからなる第２コア層１１３ｂの上面に、深さ５５ｎｍの凹部を形成することで、第２回折格子１２２を形成している（結合係数１８６０ｃｍ-1）。この構成とすることで、実施の形態の半導体レーザの発振しきい値利得は６１ｃｍ-1となり、レーザ発振が可能である。
　上述した実施の形態によれば、回折格子の作製誤差による発振波長誤差を抑制することができる。回折格子を有するＤＢＲレーザは、回折格子の結合係数によって発振波長が決定される。このため、回折格子の深さが設計値からずれると、発振波長が設計値からずれることになる。例えば、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，図４Ｄを用いて説明した半導体レーザでは、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの回折格子の深さに誤差が生じると、ブラッグ波長がずれることから設計した発振が得られなくなる。
　例えば、図５に示すように、回折格子の深さの設計値からのずれ（作製誤差）が３ｎｍ以上になると、発振波長が設計値の１５５０ｎｍから外れてしまう。このように、回折格子の深さを制御することは、発振波長の制御に重要である。しかしながら、化合物半導体からなる第１コア層１１３ａをエッチング加工して回折格子を形成する場合、このエッチング量を制御することが容易ではなく、回折格子の深さを制御することが容易ではない。
　これに対し、実施の形態によれば、第１コア層１１３ａの上に回折格子層１２３を形成し、回折格子層１２３を貫通させた凹部により第１回折格子１２１を構成しているため、回折格子の深さは、回折格子層１２３の厚さで決定される。一般に、ＳｉＮなどの酸化物の膜形成における厚さの制御は、エッチング量の制御と比べ、容易に高い精度を得ることができる。例えば、よく知られたＥＣＲスパッタ法を用いれば、１ｎｍのオーダで回折格子層１２３の厚さが制御できる。
　したがって、回折格子層１２３は、高い精度で回折格子の深さの設計値と同じ厚さに形成可能であり、回折格子層１２３の厚さで決定される第１回折格子１２１の深さも、高い精度で回折格子の深さの設計値に形成できる。また、第１回折格子１２１を誘電体から構成しているため、半導体から構成している第２回折格子１２２に比較して結合係数が小さく、ストップバンドが小さい。このため、実施の形態におけるＤＢＲレーザ（半導体レーザ）の発振波長は、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの第１回折格子１２１によるブラッグ波長によって決定される。これらの結果、実施の形態によれば、発振波長を決定する第１回折格子１２１の作製誤差に起因する、発振波長の設計値からのずれを小さくすることができ、ＤＢＲレーザの発振波長が精確に制御できるようになる。
　なお、上述したように、回折格子を誘電体から構成した場合、結合係数をあまり大きくすることができず、反射率が下がる。このため、２つの分布ブラッグ反射鏡領域の両者において、回折格子を誘電体から構成すると、ＤＢＲレーザのしきい値利得を低くするためには、反射鏡長を長くする必要がある。これに対し、実施の形態では、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、第２回折格子１２２を半導体から構成して反射率を上げているので、短い反射鏡長でレーザのしきい値利得を低くすることが可能となる。
　ところで、図６に示すように、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの各々において、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア層２１３ａ，コア層２１３ｂを形成し、バットジョイント埋め込み導波路とすることも可能である。コア層２１３ａ，コア層２１３ｂの上には、ＩｎＰなどからなる第１上部クラッド層２１４ａ、第２上部クラッド層２１４ｂを備える。第１上部クラッド層２１４ａの上に、回折格子層１２３が配置される。また、第２上部クラッド層２１４ｂの上面に、第２回折格子１２２ａが形成される。第２回折格子１２２ａは、第２上部クラッド層２１４ｂの上面に形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成される。また、コア層２１３ａ，コア層２１３ｂの下には、ＩｎＰなどからなる第１下部クラッド層２１５ａ、第２下部クラッド層２１５ｂを備える。
　この構成とすることで、活性領域１３１と第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂとの等価屈折率が合致する状態なり、これらの間の反射による導波損失を抑制する効果が得られるようになる。
　以上に説明したように、本発明によれば、第１分布ブラッグ反射鏡領域の第１回折格子を、誘電体からなる回折格子層を貫通して形成した凹部および凹部に隣接する凸部から構成したので、ＤＢＲレーザの発振波長が精確に制御できるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ…半導体層、１０４ｂ…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７…ｎ型電極、１０８…ｐ型電極、１１３ａ…第１コア層、１１３ｂ…第２コア層、１２１…第１回折格子、１２２…第２回折格子、１２３…回折格子層、１３１…活性領域、１３２ａ…第１分布ブラッグ反射鏡領域、１３２ｂ…第２分布ブラッグ反射鏡領域。

Claims (5)

  1. 　基板の上に形成された化合物半導体からなる活性層を備える活性領域と、
    　導波方向に前記活性領域の一方に連続して形成されて第１回折格子を備える第１分布ブラッグ反射鏡領域と、
    　導波方向に前記活性領域の他方に連続して形成されて第２回折格子を備える第２分布ブラッグ反射鏡領域と
    　を備え、
    　前記第１回折格子は、前記第１分布ブラッグ反射鏡領域に形成された回折格子層を貫通して形成された凹部およびこの凹部に隣接する凸部から構成され、
    　前記回折格子層は、誘電体から構成されている
    　ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 　請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    　前記第１分布ブラッグ反射鏡領域は、前記活性層に連続して形成された化合物半導体からなる第１コア層を備え、
    　前記第２分布ブラッグ反射鏡領域は、前記活性層に連続して形成された化合物半導体からなる第２コア層を備える
    　ことを特徴とする半導体レーザ。
  3. 　請求項２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記第２回折格子は、前記第２コア層の表面に形成された凹部およびこの凹部に隣接する凸部から構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  4. 　請求項２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記第１コア層の上に形成された第１上部クラッド層と、
    　前記第２コア層の上に形成された第２上部クラッド層と
    　をさらに備えることを特徴とする半導体レーザ。
  5. 　請求項４記載の半導体レーザにおいて、
    　前記第２回折格子は、前記第２上部クラッド層の上面に形成された凹部およびこの凹部に隣接する凸部から構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49134348A (ja) * 1972-10-10 1974-12-24
US5043991A (en) * 1989-12-28 1991-08-27 General Dynamics Corp. Electronics Division Device for compensating for thermal instabilities of laser diodes
JPH1056231A (ja) * 1996-08-09 1998-02-24 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子
JP2013021023A (ja) * 2011-07-07 2013-01-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザ素子
JP2013219192A (ja) * 2012-04-09 2013-10-24 Fujitsu Ltd 半導体レーザ
JP2015072980A (ja) * 2013-10-02 2015-04-16 富士通株式会社 光半導体素子、光半導体素子アレイ、光送信モジュール及び光伝送システム
JP2017073546A (ja) * 2015-10-08 2017-04-13 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 側面発光レーザ光源、及びそれを含む三次元映像取得装置
JP2018006440A (ja) * 2016-06-29 2018-01-11 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
WO2019225331A1 (ja) * 2018-05-21 2019-11-28 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6365428B1 (en) * 2000-06-15 2002-04-02 Sandia Corporation Embedded high-contrast distributed grating structures
JP4786024B2 (ja) * 2000-11-20 2011-10-05 三菱電機株式会社 分布帰還型レーザおよびその製造方法
US6845115B2 (en) * 2002-12-05 2005-01-18 Agilent Technologies, Inc. Coupled resonant cavity surface-emitting laser
US20080225918A1 (en) * 2007-03-14 2008-09-18 Martin Achtenhagen Index guided semiconductor laser with loss-coupled gratings and continuous waveguide
DE102008054217A1 (de) * 2008-10-31 2010-05-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips
JP2012227332A (ja) * 2011-04-19 2012-11-15 Sumitomo Electric Ind Ltd リッジ型半導体レーザ及びその製造方法
US10371898B2 (en) * 2013-09-05 2019-08-06 Southern Methodist University Enhanced coupling strength grating having a cover layer
US10386581B2 (en) * 2013-10-25 2019-08-20 Forelux Inc. Grating based optical transmitter
JP2017028231A (ja) * 2015-07-28 2017-02-02 日本電信電話株式会社 波長可変半導体レーザ
JP6588859B2 (ja) * 2016-05-13 2019-10-09 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
JP6588858B2 (ja) * 2016-05-13 2019-10-09 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
CN106848835B (zh) * 2016-12-22 2020-04-28 华中科技大学 一种基于表面光栅的dfb激光器
CN108963754B (zh) * 2018-07-02 2020-10-16 福建中科光芯光电科技有限公司 一种光通信波段低发散角dfb半导体激光器的制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49134348A (ja) * 1972-10-10 1974-12-24
US5043991A (en) * 1989-12-28 1991-08-27 General Dynamics Corp. Electronics Division Device for compensating for thermal instabilities of laser diodes
JPH1056231A (ja) * 1996-08-09 1998-02-24 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子
JP2013021023A (ja) * 2011-07-07 2013-01-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザ素子
JP2013219192A (ja) * 2012-04-09 2013-10-24 Fujitsu Ltd 半導体レーザ
JP2015072980A (ja) * 2013-10-02 2015-04-16 富士通株式会社 光半導体素子、光半導体素子アレイ、光送信モジュール及び光伝送システム
JP2017073546A (ja) * 2015-10-08 2017-04-13 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 側面発光レーザ光源、及びそれを含む三次元映像取得装置
JP2018006440A (ja) * 2016-06-29 2018-01-11 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
WO2019225331A1 (ja) * 2018-05-21 2019-11-28 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

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