JPH10341061A - 半導体光増幅素子 - Google Patents

半導体光増幅素子

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JPH10341061A
JPH10341061A JP15094997A JP15094997A JPH10341061A JP H10341061 A JPH10341061 A JP H10341061A JP 15094997 A JP15094997 A JP 15094997A JP 15094997 A JP15094997 A JP 15094997A JP H10341061 A JPH10341061 A JP H10341061A
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JP
Japan
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light
layer
semiconductor optical
face
port
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JP15094997A
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English (en)
Inventor
Toshiaki Fukunaga
敏明 福永
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Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光入射口と、この光入射口から入射して導波
する光を閉じ込めるテーパ状部分を有し、活性媒体にお
いて光を屈折率導波させる光増幅領域と、この領域で増
幅された光を出射させる光出射口とを備えてなる半導体
光増幅素子において、高出力発振時にも基本横モード制
御可能とする。 【解決手段】 導波光を閉じ込めるテーパ状部分の光導
波方向に沿った側端面に凹凸16aを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、活性媒体において
光を屈折率導波させる光増幅領域を備えてなる半導体光
増幅素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高出力で、基本横モード制御可能な光増
幅素子として、文献IEEE PhotonicsTechnology Letter
s,(フォトニクス・テクノロジー・レターズ) Vol.5 N
o.6(1993) pp.605〜608に記載されているように、1%
程度の低反射率コートが施された比較的狭い光入射口
と、この光入射口から入射して導波する光を閉じ込める
テーパ状部分を有し、活性媒体において光を屈折率導波
させる光増幅領域と、この領域で増幅された光を出射さ
せる、1%程度の低反射率コートが施された幅広い光出
射口とを備えてなる半導体光増幅素子が公知となってい
る。
【0003】この半導体光増幅素子においては、光入射
口に連続する光導波路部分が屈折率導波により、横モー
ドを基本横モードに制御する機構とされ、そしてこの光
導波路の両側には、光入射口以外から光が侵入すること
を防ぐために、反射ミラーとなる溝が形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の半
導体光増幅素子においては、高出力領域まで横モードを
基本横モードに制御することが困難であるという問題が
あった。なお上記の文献では、5.4Aの電流値で3.
5Wレベルの回折限界光に近いビームプロファイルが達
成されたことが報告されているが、4A以上では電流対
光出力特性において光出力の飛びが観測されており、横
モードが不安定になってしまう。
【0005】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、高出力時にも横モードを基本横モードに制御す
ることができる半導体光増幅素子を提供することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体光増
幅素子は、前述したように、光入射口と、この光入射口
から入射して導波する光を閉じ込めるテーパ状部分を有
し、活性媒体において光を屈折率導波させる光増幅領域
と、この領域で増幅された光を出射させる光出射口とを
備えてなる半導体光増幅素子において、上記テーパ状部
分の光導波方向に沿った側端面に凹凸が形成されている
ことを特徴とするものである。
【0007】なおこの半導体光増幅素子において、上記
の導波光を閉じ込めるテーパ状部分は、活性媒体を挟む
光導波層の外側に形成されたクラッド層がテーパ状に形
成されてなるものであってもよいし、上記光導波層がテ
ーパ状に形成されてなるものであってもよいし、さらに
は活性媒体そのものがテーパ状に形成されてなるもので
あってもよい。
【0008】
【発明の効果】本発明者の研究によると、従来の半導体
光増幅素子において高出力領域まで基本横モード制御す
ることが困難であることの1つの原因は、光出射口から
光増幅領域への戻り光であることが判明した。
【0009】すなわち、この光出射口には反射防止膜が
コートされるものの、その実際の反射率はゼロではな
く、高出力状態ではこの端面からの戻り光が存在するこ
とと、またテーパ状の活性媒体の利得が非常に大きいた
めに、このテーパ状の活性媒体の側端面で反射する共振
モードが現われるようになる。そして、この共振モード
により基本横モードが乱されるため、高出力領域まで基
本横モードに制御することが困難になるのである。
【0010】また上記従来の素子における問題は、別の
原因によって引き起こされることも判明した。つまりこ
の従来の素子においては、光入射口以外から光増幅領域
に光が入射することがあり、その場合は、この光によっ
て基本横モードが乱されてしまうのである。
【0011】それに対して本発明の半導体光増幅素子で
は、導波光を閉じ込めるテーパ状部分の光導波方向に沿
った側端面に凹凸が形成されているので、光増幅領域の
光出射口からの戻り光はこの側端面に到達するとそこで
散乱してロスし、戻り光の共振モードが生じることがな
くなる。また、光入射口以外から素子内に入射した光
も、上記側端面に到達するとそこで散乱するようにな
る。
【0012】以上のようにして本発明の半導体光増幅素
子においては、戻り光や外部侵入光によって基本横モー
ドが乱されることがなくなり、高出力領域まで基本横モ
ードに制御可能となる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。まず図1、2、3および4
を参照して、本発明の第1実施形態による半導体光増幅
素子について説明する。図1はこの第1実施形態の素子
の平面形状を示し、図2、3および4はそれぞれ図1中
のA−A’線、B−B’線およびC−C’線に沿った部
分の断面形状を示している。
【0014】この第1実施形態の半導体光増幅素子は、
n−GaAs基板11の上に順次積層されたn−Alx1
1-x1Asクラッド層12、Alx2Ga1-x2As光導波層
13、Alx3Ga1-x3As活性層14、Alx2Ga1-x2As
光導波層15、p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層16、p
−GaAsキャップ層17を有している。そして、リッジ
状とされたクラッド層16およびキャップ層17の両側外方
には、p−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4
選択埋め込み層18とn−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4
As1-y4y4選択埋め込み層19とが形成されている(0
≦z4≦1,x4≒0.49y4)。
【0015】またキャップ層17および選択埋め込み層19
の上にはp−GaAsコンタクト層20が形成され、この
コンタクト層20の上には、平面視状態で選択埋め込み層
19とほぼ整合する領域に絶縁膜21が形成され、さらにそ
の上にp側電極22が設けられている。一方基板11の下に
は、n側電極23が形成されている。なお図1中の5は、
選択埋め込み領域の平面形状を示している。
【0016】以下、この半導体光増幅素子の作製方法を
説明しながら、その細部構造を説明する。まずn−Ga
As基板11の上に、MOCVD成長によりn−Alx1
1- x1Asクラッド層12、Alx2Ga1-x2As光導波層
13、Alx3Ga1-x3As活性層14、Alx2Ga1-x2As
光導波層15、p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層16、p
−GaAsキャップ層17を積層する。その後通常のリソ
グラフィーにより、幅3〜5μm程度の一定幅の部分
と、そこから連続してテーパ形(末広がり形)に延びる
部分とからなるストライプ状に絶縁膜をパターニング
し、この絶縁膜をマスクとしてドライあるいはウェット
エッチングにより、p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層
16およびp−GaAsキャップ層17を側外方側から途中
まで除去してリッジストライプを形成する。なお上記絶
縁膜は、テーパ形の部分では側縁部に全角が6°程度の
凹凸を有する形状とする。
【0017】その後、上記絶縁膜をマスクとして、p−
Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4層18、n−
Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4層19の選択
埋め込みを行なう。p−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4
As1-y4y4層18は、屈折率がp−Alx1Ga1-x1As
クラッド層16より小さくなる組成とする。また、p−A
x1Ga1-x1Asクラッド層16の残し厚は、ゼロから3
00nm程度で、リッジ構造の幅の狭いストライプ構造
の光導波路6で屈折率導波が達成できるような厚みとす
る。
【0018】次に上記絶縁膜を取り除き、p−GaAs
コンタクト層20の成長を行ない、その上に絶縁膜21を形
成する。次いで通常のリソグラフィーにより、凹凸を有
する末広がり状の光増幅領域1となるストライプを含む
リッジストライプ上の絶縁膜21を除去し、その上にp側
電極22を形成する。また基板11の下側には、n側電極23
を形成する。そして素子の両端面には、反射率が1%程
度の反射防止コート2,2’を形成する。この反射防止
コート2が形成された方の素子端面の一部は光入射口3
となり、反射防止コート2’が形成された方の素子端面
の一部は光出射口4となる。
【0019】上記構成の半導体光増幅素子においては、
例えばDFBレーザ等から発せられた、基本単一モード
発振したレーザ光が光入射口3に入射せしめられる。こ
の光は光導波路6を導波し、電流注入されている該光導
波路6と末広がり状の光増幅領域1で単一横モードを保
ったまま、高出力のレーザ光に増幅される。この高出力
のレーザ光は、光出射口4から素子外に出射する。
【0020】本素子においては、上記リッジストライプ
の形成時に、側縁部に前述の通りの凹凸を有する絶縁膜
をマスクとして使用しているため、クラッド層16のテー
パ状部分の光導波方向に沿った側端面に細かい凹凸16a
が形成されるようになる。このような凹凸16aが形成さ
れていると、光出射口4の有る素子端面(反射防止コー
ト2’が形成された方の端面)からの戻り光はクラッド
層側端面に到達するとそこで散乱してロスする。また、
光入射口3以外から素子内に侵入した光も、上記凹凸16
aに到達するとそこで散乱するようになる。
【0021】そこで、これらの戻り光や外部からの侵入
光によって基本横モードが乱されることがなくなり、高
出力領域まで基本横モードを維持して、回折限界光を発
生できるようになる。
【0022】次に図5、6および7を参照して、本発明
の第2実施形態による半導体光増幅素子について説明す
る。図5はこの第2実施形態の素子の平面形状を示し、
図6および7はそれぞれ図5中のA−A線およびB−B
線に沿った部分の断面形状を示している。
【0023】この第2実施形態の半導体光増幅素子は、
n−GaAs基板31の上に順次積層されたn−Alx1
1-x1Asクラッド層32、Alx2Ga1-x2As光導波層
33、Alx3Ga1-x3As活性層34、Alx2Ga1-x2As
光導波層35、p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層37、p
−GaAsキャップ層38を有している。またリッジ状と
されたクラッド層37およびキャップ層38の両側方には、
p−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4選択埋
め込み層39と、n−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As
1-y4y4選択埋め込み層40とが形成されている(0≦z4
≦1,x4≒0.49y4)。キャップ層38および選択埋め込み
層40の上にはp−GaAsコンタクト層41が形成され、
このコンタクト層41の上には、平面視状態で選択埋め込
み層40とほぼ整合する領域に絶縁膜42が形成され、さら
にその上にp側電極43が設けられている。一方基板31の
下には、n側電極44が形成されている。なお図5中の10
5は、選択埋め込み領域の平面形状を示している。
【0024】以下、この半導体光増幅素子の作製方法を
説明しながら、その細部構造を説明する。まずn−Ga
As基板31の上に、MOCVD成長によりn−Alx1
1-x1Asクラッド層32、Alx2Ga1-x2As光導波層
33、Alx3Ga1-x3As活性層34、Alx2Ga1-x2As
光導波層35、p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層37、p
−GaAsキャップ層38を積層する。その後通常のリソ
ブラフィーにより、テーパ形(末広がり形)に延びるス
トライプ状に絶縁膜をパターニングし、この絶縁膜をマ
スクとしてドライあるいはウェットエッチングにより、
p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層37およびp−GaA
sキャップ層38を側外方側から途中まで除去してリッジ
ストライプを形成する。なお上記絶縁膜は、テーパ形の
部分では側縁部に全角が6°程度の凹凸を有する形状と
する。
【0025】その後、上記絶縁膜をマスクとして、p−
Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4層39、n−
Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4層40の選択
埋め込みを行なう。p−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4
As1-y4y4層39は、屈折率がp−Alx1Ga1-x1As
クラッド層37より小さくなる組成とする。また、p−A
x1Ga1-x1Asクラッド層37の残し厚は、ゼロから3
00nm程度で、光増幅領域101 で屈折率導波が達成で
きるような厚みとする。
【0026】次に上記絶縁膜を取り除き、p−GaAs
コンタクト層41の成長を行ない、その上に絶縁膜42を形
成する。次に通常のリソグラフィーにより、光増幅領域
101を構成するテーパ状ストライプ上の絶縁膜42を除去
し、その上にp側電極43を形成する。また基板31の下側
には、n側電極44を形成する。
【0027】なお素子の両端面には、反射率1%程度の
反射防止コート102 ,102 ’を形成する。この反射防止
コート102 が形成された方の素子端面の一部は光入射口
103となり、反射防止コート102 ’が形成された方の素
子端面の一部は光出射口104となる。
【0028】上記構成の半導体光増幅素子においては、
例えばDFBレーザ等から発せられた、基本単一モード
発振したレーザ光が光入射口103 に入射せしめられる。
この光は、電流注入されている末広がり状の光増幅領域
101 で単一横モードを保ったまま、高出力のレーザ光に
増幅される。この高出力のレーザ光は、光出射口104か
ら素子外に出射する。
【0029】本素子においても、上記リッジストライプ
の形成時に、側縁部に前述の通りの凹凸を有する絶縁膜
をマスクとして使用しているため、クラッド層37のテー
パ状部分の光導波方向に沿った側端面に細かい凹凸37a
が形成されるようになる。このような凹凸37aが形成さ
れているため、この場合も第1実施形態と同様にして、
光出射口104 の有る素子端面(反射防止コート102 ’が
形成された方の端面)からの戻り光や外部からの侵入光
によって基本横モードが乱されることがなくなり、高出
力領域まで基本横モードを維持して、回折限界光を発生
できるようになる。
【0030】なお、上記のように光増幅領域101 で増幅
される光は、リッジストライプ状に形成されたクラッド
層37がその両側方の選択埋め込み層39よりも屈折率が大
きい組成とされているため、ほぼこのクラッド層37のリ
ッジ幅内に閉じ込められる形で、活性層34を屈折率導波
する。
【0031】次に図8を参照して、本発明の第3実施形
態による半導体光増幅素子について説明する。図8はこ
の第3実施形態の素子の平面形状を示すものである。こ
の第3実施形態の素子の基本的な層構成は第1および第
2実施形態と同様である。
【0032】この第3実施形態による半導体光増幅素子
は、幅の狭いストライプの両側端部の一部あるいは全体
に凹凸が形成されてなり、選択埋め込み領域205 により
屈折率導波が可能になっている光導波路206 と、図1の
光増幅領域1と同様の光増幅領域201 とを有している。
また素子の両端面には、反射率が1%程度の反射防止コ
ート202 ,202 ’が形成されている。この反射防止コー
ト202 が形成された方の素子端面の一部は光入射口203
となり、反射防止コート202 ’が形成された方の素子端
面の一部は光出射口204 となる。
【0033】この第3実施形態の半導体光増幅素子にお
いても、第1実施形態や第2実施形態におけるのと同様
にして、光出射口204 の有る素子端面からの戻り光や外
部からの侵入光によって基本横モードが乱されることが
なくなり、高出力領域まで基本横モードを維持して、回
折限界光を発生できるようになる。
【0034】次に図9を参照して、本発明の第4実施形
態による半導体光増幅素子について説明する。図9はこ
の第4実施形態の素子の平面形状を示すものである。こ
の第4実施形態の素子の基本的な構成は、第1実施形態
と同様である。
【0035】この第4実施形態による半導体光増幅素子
において、幅の狭いストライプからなる屈折率導波が可
能な光導波路306 は単一モード導波路とされ、また光入
射口303 側の素子端面には、反射率が30%以上のコー
ト302 が形成されている。一方、光出射口304 側の素子
端面には、反射率が1%程度の反射防止コート302 ’が
形成されている。なお図9中の301 は光増幅領域であ
り、305 は選択埋め込み領域の平面形状を示している。
【0036】この第4実施形態の半導体光増幅素子にお
いても、第1実施形態や第2実施形態におけるのと同様
にして、光出射口304 の有る素子端面からの戻り光や外
部からの侵入光によって基本横モードが乱されることが
なくなり、高出力領域まで基本横モードを維持して、回
折限界光を発生できるようになる。
【0037】またこの場合は、光入射口303 側のコート
302 の反射率を30%以上としたことにより、該光入射
口303 側および光出射口304 側の各素子端面がレーザ共
振器となり、この素子はレーザ素子として動作するよう
になる。
【0038】次に図10を参照して、本発明の第5実施
形態による半導体光増幅素子について説明する。図10
はこの第5実施形態の素子の平面形状を示すものであ
る。この第5実施形態の素子の基本的な構成は、第3実
施形態と同様である。
【0039】この第5実施形態による半導体光増幅素子
において、幅の狭いストライプからなる屈折率導波が可
能な光導波路406 は単一モード導波路とされ、また光入
射口403 側の素子端面には、反射率が30%以上のコー
ト402 が形成されている。一方、光出射口404 側の素子
端面には、反射率が1%程度の反射防止コート402 ’が
形成されている。なお図10中の401 は光増幅領域であ
り、405 は選択埋め込み領域の平面形状を示している。
【0040】この第5実施形態の半導体光増幅素子にお
いても、第1実施形態や第2実施形態におけるのと同様
にして、光出射口404 の有る素子端面からの戻り光や外
部からの侵入光によって基本横モードが乱されることが
なくなり、高出力領域まで基本横モードを維持して、回
折限界光を発生できるようになる。
【0041】またこの場合も第4実施形態と同様、光入
射口403 側のコート402 の反射率を30%以上としたこ
とにより、該光入射口403 側および光出射口404 側の各
素子端面がレーザ共振器となり、この素子はレーザ素子
として動作するようになる。
【0042】なお上記各実施形態ではn型基板を用いて
いるが、p型基板を用いても同様のことができる。ま
た、活性層には量子井戸構造あるいは歪み量子井戸構造
を用いてもよい。
【0043】また上記実施形態では、特に量子井戸が単
一で、光導波層組成が一定のSQW−SCHと呼ばれる
構造を示したが、SQWの代わりに量子井戸を複数とす
るMQW構造を採用することも可能である。
【0044】また、材料としては、GaAs基板に格子
整合するAlGaAs、InAlGaAsP系材料も、
あるいはInP基板に格子整合するInAlGaAsP
系材料等も適用可能である。
【0045】さらに、光導波路をリッジ構造で形成する
場合に、エッチング深さを制御するためにエッチング阻
止層を設けてもよい。また、リッジを活性層を突き抜け
るように構成し、pnpの埋め込み構造で光導波路スト
ライプを構成してもよい。また以上は、pクラッド層を
埋め込む構造について説明したが、埋め込み成長は行な
わずに、屈折率導波となるような凹凸構造の溝を光増幅
領域の側端面に形成するだけでもよい。
【0046】他方、結晶成長法としては、固体あるいは
ガスを原料とする分子線エピタキシャル成長法等を使用
することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による半導体光増幅素子
を示す概略平面図
【図2】図1のA−A’線に沿った部分の断面図
【図3】図1のB−B’線に沿った部分の断面図
【図4】図1のC−C’線に沿った部分の断面図
【図5】本発明の第2実施形態による半導体光増幅素子
を示す概略平面図
【図6】図5のA−A’線に沿った部分の断面図
【図7】図5のB−B’線に沿った部分の断面図
【図8】本発明の第3実施形態による半導体光増幅素子
を示す概略平面図
【図9】本発明の第4実施形態による半導体光増幅素子
を示す概略平面図
【図10】本発明の第5実施形態による半導体光増幅素
子を示す概略平面図
【符号の説明】
1 光増幅領域 2,2’ 反射防止コート 3 光入射口 4 光出射口 5 選択埋め込み領域 6 狭いストライプ構造の光導波路 11 n−GaAs基板 12 n−Alx1Ga1-x1Asクラッド層 13 Alx2Ga1-x2As光導波層 14 Alx3Ga1-x3As活性層 15 Alx2Ga1-x2As光導波層 16 p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層 16a クラッド層側端面の凹凸 17 p−GaAsキャップ層 18 p−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4
選択埋め込み層 19 n−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4
選択埋め込み層 20 p−GaAsコンタクト層 21 絶縁膜 22 p側電極 23 n側電極 31 n−GaAs基板 32 n−Alx1Ga1-x1Asクラッド層 33 Alx2Ga1-x2As光導波層 34 Alx3Ga1-x3As活性層 35 Alx2Ga1-x2As光導波層 37 p−Alx1Ga1-x1Asクラッド層 37a クラッド層側端面の凹凸 38 p−GaAsキャップ層 39 p−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4
選択埋め込み層 40 n−Inx4(Ga1-z4Alz41-x4As1-y4y4
選択埋め込み層 41 p−GaAsコンタクト層 42 絶縁膜 43 p側電極 44 n側電極 101 光増幅領域 102 ,102 ’ 反射防止コート 103 光入射口 104 光出射口 105 選択埋め込み領域 201 光増幅領域 202 ,202 ’ 反射防止コート 203 光入射口 204 光出射口 205 選択埋め込み領域 301 光増幅領域 302 反射率30%以上のコート 302 ’ 反射防止コート 303 光入射口 304 光出射口 305 選択埋め込み領域 306 狭いストライプ構造の光導波路 401 光増幅領域 402 反射率30%以上のコート 402 ’ 反射防止コート 403 光入射口 404 光出射口 405 選択埋め込み領域 406 狭いストライプ構造の光導波路

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光入射口と、この光入射口から入射して
    導波する光を閉じ込めるテーパ状部分を有し、活性媒体
    において光を屈折率導波させる光増幅領域と、この領域
    で増幅された光を出射させる光出射口とを備えてなる半
    導体光増幅素子において、 前記テーパ状部分の光導波方向に沿った側端面に凹凸が
    形成されていることを特徴とする半導体光増幅素子。
  2. 【請求項2】 前記活性媒体を挟む光導波層の外側に形
    成されたクラッド層が、前記テーパ状部分とされている
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体光増幅素子。
  3. 【請求項3】 前記活性媒体を挟む光導波層が前記テー
    パ状部分とされていることを特徴とする請求項1または
    2記載の半導体光増幅素子。
  4. 【請求項4】 前記活性媒体そのものがテーパ状に形成
    されて、前記テーパ状部分とされていることを特徴とす
    る請求項1から3いずれか1項記載の半導体光増幅素
    子。
  5. 【請求項5】 前記光入射口が形成されている素子端面
    の反射率が30%以上とされていることを特徴とする請
    求項1から4いずれか1項記載の半導体光増幅素子。
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