JP2947702B2 - Tunable laser device and manufacturing method thereof - Google Patents

Tunable laser device and manufacturing method thereof

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、波長可変レーザ装置に
関し、特に外部よりの電圧制御により連続的にレーザ発
振波長を制御・変化させることが可能で、かつその波長
可変幅が十分に大きい波長可変レーザ装置およびその作
製方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength tunable laser device, and more particularly to a wavelength tunable laser device capable of continuously controlling and changing the laser oscillation wavelength by voltage control from the outside and having a sufficiently large tunable width. The present invention relates to a tunable laser device and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】コヒーレント光通信用光源および各種の
計測用光源として、レーザ発振波長を制御・変化させる
ことができる半導体レーザ装置が必要とされている。こ
れらコヒーレント光通信および各種の計測の応用におい
ては、ほとんどの場合に、下記の条件を満たすレーザ光
を必要とする。
2. Description of the Related Art As a light source for coherent optical communication and various light sources for measurement, a semiconductor laser device capable of controlling and changing a laser oscillation wavelength is required. In these coherent optical communication and various measurement applications, in most cases, laser light satisfying the following conditions is required.

【0003】 単一モード(パルス駆動時を含む)で
あること、および 波長可変範囲内で任意の波長のレーザ光を発振でき
ること これらの条件を満たすためには、外部より印加する電圧
または電流により、半導体レーザ装置の発振波長を連続
的に変化させる必要がある。
A single mode (including pulse driving) and a laser beam of an arbitrary wavelength can be oscillated within a wavelength tunable range. In order to satisfy these conditions, a voltage or a current applied from the outside must be It is necessary to continuously change the oscillation wavelength of the semiconductor laser device.

【0004】従来、発振波長を連続的に変化させる目的
で開発が進められている波長可変半導体レーザ装置とし
ては、回折格子付きレーザ導波路の屈折率を変化させる
タイプがある。このタイプのレーザ装置は、分布帰還
(DFB)型半導体レーザまたはプラグ反射型(DB
R)半導体レーザを基本構成とする。このタイプのレー
ザ装置は、レーザ装置内部の光導波路に回折格子を合わ
せ有する。この様な構成に於て、発振レーザの波長制御
は、回折格子を有する導波路の一部の屈折率を、注入キ
ャリアの増減または温度の高低により制御することを通
して、回折条件(回折格子により反射される光の波長)
を変化させることにより行われる。
Conventionally, as a wavelength variable semiconductor laser device which has been developed for the purpose of continuously changing the oscillation wavelength, there is a type which changes the refractive index of a laser waveguide with a diffraction grating. This type of laser device is a distributed feedback (DFB) type semiconductor laser or a plug reflection type (DB).
R) A semiconductor laser has a basic configuration. This type of laser device has a diffraction grating combined with an optical waveguide inside the laser device. In such a configuration, the wavelength of the oscillation laser is controlled by controlling the refractive index of a part of the waveguide having the diffraction grating by increasing or decreasing the number of injected carriers or the temperature. Light wavelength)
This is done by changing

【0005】第1例として、温度効果を利用して発振レ
ーザの波長制御を行うタイプの、従来技術に基づく波長
可変半導体レーザ装置を説明する。図22(a)〜図2
2(d)に、この従来例であるレーザ装置の作製工程を
示す。図に基づいて、本レーザ装置の作製工程を以下に
説明する。
As a first example, a wavelength tunable semiconductor laser device based on the prior art, of the type in which the wavelength of an oscillation laser is controlled using a temperature effect, will be described. FIG. 22 (a) to FIG.
FIG. 2 (d) shows a manufacturing process of this conventional laser device. The manufacturing process of the present laser device will be described below with reference to the drawings.

【0006】先ず、図22(a)に示すように、n−G
aAs基板700上に、1.2μm厚のn−A1GaA
sクラッド層701、0.15μm厚のn−A1GaA
s傾斜屈折率層702、7nm厚のGaAs単一量子井
戸活性層703、0.15μm厚のp−A1GaAs傾
斜屈折率層704、0.1μm厚のp−A1GaAsキ
ャリアバリア層705、および0.10μm厚のp−ガ
イド層706を、この順に、有機金属気相成長(MOC
VD)法により連続的に結晶成長させる。
[0006] First, as shown in FIG.
1.2 μm thick n-A1GaAs on aAs substrate 700
s clad layer 701, 0.15 μm thick n-A1GaAs
s gradient refractive index layer 702, 7 nm thick GaAs single quantum well active layer 703, 0.15 μm thick p-A1 GaAs gradient refractive index layer 704, 0.1 μm thick p-A1 GaAs carrier barrier layer 705, and 0.10 μm A thick p-guide layer 706 is formed in this order by metal organic chemical vapor deposition (MOC).
The crystal is continuously grown by the VD) method.

【0007】次に、図22(b)に示すように、p−ガ
イド層706の波長制御領域710の一部に電子ビーム
露光法と通常のエッチング法とを用いて周期129n
m、深さ80nmの回折格子707を作製する。この状
態で、波長制御領域710にSiイオンを注入し、この
波長制御領域710における量子井戸活性層703と傾
斜屈折率層702、704との界面を無秩序化すること
により禁制帯幅を拡大させ、これにより、活性領域72
0で発生した光に対して波長制御領域710の導波路を
透明になるようにする。続いて、通常のフォトリソグラ
フィ技術とエッチング技術とにより幅3.5μm、深さ
0.12μmのメサストライプ730を回折格子707
に対してほぼ垂直方向に、波長制御領域710と活性領
域720との両方にわたって形成し、回折格子707付
きウェハとする。
Next, as shown in FIG. 22B, a part of the wavelength control region 710 of the p-guide layer 706 is subjected to a period of 129n by using an electron beam exposure method and a normal etching method.
A diffraction grating 707 having a depth of 80 nm and a depth of 80 nm is manufactured. In this state, Si ions are implanted into the wavelength control region 710, and the interface between the quantum well active layer 703 and the gradient refractive index layers 702 and 704 in the wavelength control region 710 is disordered to increase the forbidden band width. Thereby, the active region 72
The waveguide of the wavelength control region 710 is made transparent to the light generated at 0. Subsequently, a mesa stripe 730 having a width of 3.5 μm and a depth of 0.12 μm is formed by a normal photolithography technique and an etching technique.
Is formed substantially perpendicularly to both the wavelength control region 710 and the active region 720 to obtain a wafer with a diffraction grating 707.

【0008】さらに、図22(c)に示すように、回折
格子707付きウェハ上へ、1.2μm厚のp−A1G
aAsクラッド層708と、0.3μm厚のp−GaA
sコンタクト層709とを、この順にMOCVD法によ
り成長させる。
Further, as shown in FIG. 22C, a 1.2 μm-thick p-A1G
aAs cladding layer 708 and 0.3 μm thick p-GaAs
An s-contact layer 709 is grown in this order by MOCVD.

【0009】最後に、図22(d)に示すように、メサ
ストライプ730の直上に、幅3.5μm、深さ1.3
μmの電流狭窄用メサストライプ750を形成し、かつ
ストライプ方向に対して垂直に深さ0.5μmの2本の
溝713、714を形成する。これにより、活性領域7
20と波長制御領域710との間、および波長制御領域
710における位相制御領域711と波長可変領域71
2との間の電気的分離を行う。また、活性領域720上
に発光用電極751、位相制御領域711上に位相制御
電極752、波長可変領域712上に波長可変電極75
3、および基板700全面に共通電極754をそれぞれ
形成した後に、へき開によりチップを切り出しレーザ装
置とする。なお、電流狭窄用メサストライプ750にの
み電流を注入するために電流狭窄用メサストライプ75
0上面を除いた素子表面にはSiO2膜740を形成し
た後に上記電極751、752、753を形成する。
Finally, as shown in FIG. 22D, a width of 3.5 μm and a depth of 1.3 are placed immediately above the mesa stripe 730.
A current constriction mesa stripe 750 of μm is formed, and two grooves 713 and 714 having a depth of 0.5 μm are formed perpendicularly to the stripe direction. Thereby, the active region 7
20 and the wavelength control region 710, and the phase control region 711 and the wavelength variable region 71 in the wavelength control region 710.
2 is electrically separated. Also, the light emitting electrode 751 on the active region 720, the phase control electrode 752 on the phase control region 711, and the wavelength variable electrode 75 on the wavelength variable region 712.
3, after forming a common electrode 754 on the entire surface of the substrate 700, a chip is cut out by cleavage to form a laser device. In order to inject current only into the current constriction mesa stripe 750, the current confinement mesa stripe 75 is used.
The electrodes 751, 752, and 753 are formed after forming an SiO 2 film 740 on the element surface excluding the top surface.

【0010】上述のように作製される従来のレーザ装置
での波長可変原理を以下に説明する。一般に、回折格子
707を導波路内部に有する半導体レーザ装置ではその
発振波長が回折格子707の光学ピッチ(実際のピッチ
×導波路の屈折率)よって決定される。本従来例では回
折格子707をガイド層706表面に有する波長可変領
域712に電流を流すことにより、レーザ光が導波され
る層(n−およびp−クラッド層701、709、n−
およびp−傾斜屈折率層702、704、並びに活性層
703)の温度が上昇するので、回折格子707の光学
ピッチは大きくなる。これは半導体の温度が上昇すると
屈折率が増加する性質を利用している。その結果、波長
可変領域712に注入する電流量を増加させた場合に、
発振波長は長波長側へ連続的にシフトする。
The wavelength tuning principle in the conventional laser device manufactured as described above will be described below. Generally, in a semiconductor laser device having a diffraction grating 707 inside a waveguide, its oscillation wavelength is determined by the optical pitch of the diffraction grating 707 (actual pitch × refractive index of the waveguide). In this conventional example, a current is passed through the wavelength variable region 712 having the diffraction grating 707 on the surface of the guide layer 706, so that layers (n- and p-cladding layers 701, 709, n-) through which laser light is guided.
Since the temperatures of the p-gradient refractive index layers 702 and 704 and the active layer 703) increase, the optical pitch of the diffraction grating 707 increases. This utilizes the property that the refractive index increases as the temperature of the semiconductor increases. As a result, when the amount of current injected into the wavelength tunable region 712 is increased,
The oscillation wavelength continuously shifts to the longer wavelength side.

【0011】図23に、本従来例であるレーザ装置の波
長可変特性を示す。図から分かるように、波長可変領域
712に流す電流(波長可変電流)を0mAから100
mAまで変化させた場合に、本レーザ装置の発振波長は
849.7nmから852.5nmまで変化しており、
その波長可変幅は約3nmである。しかしながら、波長
多重通信システムおよびコヒーレント検波方式計測シス
テム等の応用における波長可変レーザ装置としては、よ
り広い波長可変範囲(10nm以上)が望まれており、
このような応用に対しては、従来レーザ装置での波長可
変範囲は不十分である。
FIG. 23 shows a wavelength tunable characteristic of the laser device according to the conventional example. As can be seen from the figure, the current (wavelength tunable current) flowing through the wavelength tunable region 712 is from
When changed to mA, the oscillation wavelength of the laser device changes from 849.7 nm to 852.5 nm,
The wavelength variable width is about 3 nm. However, a wider wavelength tunable range (10 nm or more) is desired as a wavelength tunable laser device in applications such as a wavelength division multiplex communication system and a coherent detection type measurement system.
For such an application, the wavelength tunable range of the conventional laser device is insufficient.

【0012】また、上述のように、波長を変化させるた
めには電流を注入する必要があり、波長変化に要する電
力が200mW(2V×100mA)と大きいことも応
用上問題である。
As described above, in order to change the wavelength, it is necessary to inject a current, and the power required for the wavelength change is as large as 200 mW (2 V × 100 mA), which is a problem in application.

【0013】第2例として、第1例と同様に温度による
屈折率変化を利用しているが、他の原理を応用した波長
可変レーザ装置を説明する。本レーザ装置では、キャリ
ア密度による屈折率変化を利用する。図24に、本レー
ザ装置の構造図を示す。図に基づいて、本レーザ装置の
構造を以下に説明する。
As a second example, a wavelength tunable laser device utilizing the change in refractive index due to temperature as in the first example, but utilizing other principles will be described. The present laser device utilizes a change in the refractive index due to the carrier density. FIG. 24 shows a structural diagram of the present laser device. The structure of the present laser device will be described below with reference to the drawings.

【0014】本レーザ装置は、回折格子900を装置内
部に有する通常のDFBレーザ装置構造を有する。本レ
ーザ装置は、波長可変機能を付加するために、3つに分
割された電流注入用電極901、902、903を備え
る。これらの電極901、902、903の内、両端面
近傍に位置する2つの電極901および電極903は互
いに短絡され、それぞれ光出力制御回路904に接続さ
れる。中心に位置する電極902は波長制御回路905
に接続される。
The present laser device has a normal DFB laser device structure having a diffraction grating 900 inside the device. This laser device includes current injection electrodes 901, 902, and 903 divided into three in order to add a wavelength variable function. Of these electrodes 901, 902, 903, two electrodes 901 and 903 located near both end faces are short-circuited to each other and connected to the light output control circuit 904, respectively. The center electrode 902 is a wavelength control circuit 905.
Connected to.

【0015】本従来例のレーザ装置では、DFBレーザ
の電極が3分割されているので、レーザ装置の共振器方
向のキャリア分布状態を変化させることができる。半導
体材料は一般に電流が注入されキャリア密度が高くなる
と屈折率が低減する性質(キャリアのプラズマ効果)を
有する。この性質を利用することにより、レーザ光が感
ずる回折格子900の共振器方向に平均された光学ピッ
チを電気的に制御することが可能である。実際には、光
出力制御回路904から活性領域への電流ISと、波長
制御回路905から波長制御領域への電流ICとをそれ
ぞれ独立に制御し、レーザ光出力は一定のまま発振波長
のみを変化させる。本従来例装置では、電流ICを70
mAまで流すことにより発振波長が1.3525μmか
ら1.3501μmまで変化させることができ、可変範
囲として2.4nmが得られた。
In the conventional laser device, since the electrodes of the DFB laser are divided into three, the carrier distribution state in the resonator direction of the laser device can be changed. Generally, a semiconductor material has a property that a refractive index is reduced when a current is injected and a carrier density is increased (carrier plasma effect). By utilizing this property, it is possible to electrically control the optical pitch averaged in the resonator direction of the diffraction grating 900 that the laser beam senses. Actually, the current I S from the light output control circuit 904 to the active region and the current I C from the wavelength control circuit 905 to the wavelength control region are controlled independently, and only the oscillation wavelength is maintained while the laser light output is constant. To change. In this conventional device, the current I C is set to 70
By flowing the current up to mA, the oscillation wavelength could be changed from 1.3525 μm to 1.3501 μm, and a variable range of 2.4 nm was obtained.

【0016】図24に示した、キャリアのプラズマ効果
を利用した波長可変レーザ装置では、温度効果による第
1例の波長可変レーザ装置と比較して高速の波長可変特
性が得られる等の特長を有する。しかし、キャリアのプ
ラズマ効果による半導体の屈折率変化が小さいため、波
長可変範囲は2〜4nmと小さい。また、温度効果の場
合と同様に電流を注入することにより波長を変化させる
原理を利用しているので、波長を変化させるために必要
となる電力が140mW(2V×70mA)と大きい。
The wavelength tunable laser device utilizing the plasma effect of the carrier shown in FIG. 24 has features such as obtaining a wavelength tunable characteristic at a higher speed as compared with the wavelength tunable laser device of the first example due to the temperature effect. . However, since the change in the refractive index of the semiconductor due to the plasma effect of carriers is small, the wavelength variable range is as small as 2 to 4 nm. Further, since the principle of changing the wavelength by injecting a current as in the case of the temperature effect is used, the power required to change the wavelength is as large as 140 mW (2 V × 70 mA).

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来技
術による波長可変半導体レーザ装置は、導波路に当たる
部分のキャリア密度または温度を変化させることによ
り、半導体材料の屈折率を制御することが根本的な原理
であり、以下のような問題点がある。
As described above, in the wavelength tunable semiconductor laser device according to the prior art, it is fundamental to control the refractive index of the semiconductor material by changing the carrier density or the temperature of the portion corresponding to the waveguide. Principle, and has the following problems.

【0018】 第1例の熱により発振波長を制御する
タイプのレーザ装置では、数nm程度の範囲でしか波長
を変化させられない上、波長を変化させるための熱がレ
ーザ光を発生させる活性領域にも伝わるためレーザ装置
の寿命が通常のレーザ装置より短く、また熱発生に消費
される電力が大きい。
In the laser device of the first example, in which the oscillation wavelength is controlled by heat, the wavelength can be changed only within a range of about several nm, and the heat for changing the wavelength generates an active region in which laser light is generated. Therefore, the life of the laser device is shorter than that of a normal laser device, and the power consumed for heat generation is large.

【0019】 一方、第2例のキャリア密度により波
長を制御するタイプのレーザ装置では、高速波長可変特
性が得られるが、キャリア密度による半導体材料の屈折
率変化量が小さいため連続的に変化させることのできる
発振波長範囲は2〜4nm程度と小さいのみならず、キ
ャリア注入には電流を流すことが必要なため波長可変に
必要な電力が大きい。
On the other hand, in the laser device of the second example in which the wavelength is controlled by the carrier density, high-speed wavelength tunable characteristics can be obtained. The oscillation wavelength range that can be achieved is not only as small as about 2 to 4 nm, but also a large amount of electric power is required to change the wavelength because a current needs to flow for carrier injection.

【0020】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、低消費電力で、かつ連続
的に制御することのできる波長可変範囲が十分に広い波
長可変レーザ装置およびその作製方法を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and has a wavelength tunable laser device with low power consumption and a sufficiently wide wavelength tunable range that can be controlled continuously. An object is to provide a manufacturing method thereof.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明の波長可変レーザ
装置は、光を発生、導波させるための第1導波手段を備
える活性部と、該第1導波手段内を導波される光を該第
1導波手段内へ反射させるための第1光反射手段と、周
期状凹凸構造体と、該周期状凹凸構造体に接する液晶層
とを含む第2導波手段、および該液晶層に電圧を印加す
るための制御手段を備え、該第1導波手段を挟んで該第
1光反射手段と相対する位置にあり、かつ該活性部と光
学的に結合されている波長制御部と、該第2導波手段内
を導波される光を該第2導波手段内へ反射させるための
第2光反射手段とを備えており、そのことにより上記目
的が達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION A wavelength tunable laser device according to the present invention is provided with an active portion having a first waveguide for generating and guiding light, and is guided in the first waveguide. A second light guide including a first light reflecting means for reflecting light into the first wave guide, a periodic uneven structure, and a liquid crystal layer in contact with the periodic uneven structure, and the liquid crystal A wavelength control unit comprising control means for applying a voltage to the layer, located at a position opposite to the first light reflection means with the first waveguide means interposed therebetween, and optically coupled to the active unit And second light reflection means for reflecting light guided in the second waveguide means into the second waveguide means, thereby achieving the above object.

【0022】前記活性部と前記波長制御部とが同一基板
上に形成されていてもよい。
The active section and the wavelength control section may be formed on the same substrate.

【0023】前記第1導波手段が、レーザ光を発生する
ための第1層と、該第1層を挟んで形成され、互いに導
電型が異なり、かつ該第1層の屈折率より小さい屈折率
を有する第2層および第3層とを備え、前記波長制御部
の前記周期状凹凸構造体が、該第1層から発生された光
の少なくとも一部を導波し、かつ導波する光を分布帰還
させるための回折格子であってもよい。
The first waveguide means is formed with a first layer for generating a laser beam and the first layer interposed therebetween, and has a different conductivity type and a refractive index smaller than the refractive index of the first layer. A second layer and a third layer having a refractive index, wherein the periodic concavo-convex structure of the wavelength control unit guides at least a part of light generated from the first layer, and guides the guided light. May be a diffraction grating for distributed feedback.

【0024】前記第2導波手段が前記周期状凹凸構造体
を2つ有し、前記液晶層が該2つの周期状凹凸構造体に
挟持されていてもよい。
[0024] The second waveguide means may include two of the periodic uneven structures, and the liquid crystal layer may be sandwiched between the two periodic uneven structures.

【0025】本発明の波長可変レーザ装置の作製方法
は、基板上に、光を発生、導波させるための第1導波手
段となる複数の第1半導体層、および該第1半導体層と
隣接する、波長制御部の第2導波手段となる複数の第2
半導体層を結晶成長させる工程と、該第2半導体層に周
期状凹凸構造体を形成する工程と、選択エッチング法を
用いて、該複数の第2半導体層のうちの最上層を除く少
なくとも1層以上の半導体層を除去することにより、該
周期状凹凸構造体の少なくとも一部を露出させる工程
と、露出された該周期状凹凸構造体の表面に液晶材料を
接触させる工程とを包含しており、そのことにより上記
目的が達成される。
According to the method of manufacturing a wavelength tunable laser device of the present invention, a plurality of first semiconductor layers serving as first waveguide means for generating and guiding light on a substrate, and a plurality of first semiconductor layers adjacent to the first semiconductor layer are provided. A plurality of second waveguides serving as second waveguide means of the wavelength controller.
Crystal growing a semiconductor layer, forming a periodic concavo-convex structure on the second semiconductor layer, and using a selective etching method, at least one layer excluding the uppermost layer of the plurality of second semiconductor layers. Removing the semiconductor layer to expose at least a part of the periodic uneven structure, and contacting a liquid crystal material to the exposed surface of the periodic uneven structure. Thereby, the above object is achieved.

【0026】[0026]

【作用】本発明の波長可変レーザ装置では、活性部の第
1導波手段で光が発生され、導波される。この第1導波
手段内を導波される光は第1光反射手段により、第1導
波手段内へ反射される。一方、波長制御部の第2導波手
段は、第1導波手段と光学的に結合されており、活性部
で発生された光の一部はこの第2導波手段内を導波され
る。この第2導波手段内を導波される光は、第2光反射
手段により第2導波手段内へ反射される。第1光反射手
段と第2光反射手段とは第1導波手段を挟んで相対する
位置にあり、活性部と波長制御部とが1つの共振器構造
となる。第2導波手段は、周期状凹凸構造体と、この周
期状凹凸構造体に接する液晶層とを含み、この液晶層に
は制御手段により電圧が印加される。電圧が印加される
ことにより、液晶層内の液晶分子の配向状態が変化し、
それにより第2導波手段内を導波される光が感じる屈折
率が変化する。その結果、周期状凹凸構造体の光学ピッ
チが変化し、レーザ装置の発振波長が変化する。従っ
て、液晶層に印加する電圧を連続的に変化させれば、レ
ーザ装置の発振波長を連続的に変化させることができ
る。
In the wavelength tunable laser device according to the present invention, light is generated and guided by the first waveguide means of the active portion. The light guided in the first waveguide is reflected into the first waveguide by the first light reflector. On the other hand, the second waveguide unit of the wavelength control unit is optically coupled to the first waveguide unit, and a part of the light generated in the active unit is guided in the second waveguide unit. . The light guided in the second waveguide is reflected by the second light reflector into the second waveguide. The first light reflecting means and the second light reflecting means are located at positions opposing each other with the first waveguide means interposed therebetween, and the active part and the wavelength control part have a single resonator structure. The second waveguide means includes a periodic uneven structure and a liquid crystal layer in contact with the periodic uneven structure, and a voltage is applied to the liquid crystal layer by the control means. When the voltage is applied, the alignment state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer changes,
As a result, the refractive index felt by the light guided in the second waveguide changes. As a result, the optical pitch of the periodic uneven structure changes, and the oscillation wavelength of the laser device changes. Therefore, by continuously changing the voltage applied to the liquid crystal layer, the oscillation wavelength of the laser device can be changed continuously.

【0027】[0027]

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0028】(実施例1)図1に、本発明の実施例1の
波長可変レーザ装置の構成図を示す。本レーザ装置は、
通常の半導体レーザ構成を有する活性部110、液晶導
波路を有する波長制御部120、および活性部110と
波長制御部120とを光学的に結合させるためのレンズ
130により構成される。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows a configuration diagram of a wavelength tunable laser device according to Embodiment 1 of the present invention. This laser device
It comprises an active part 110 having a normal semiconductor laser configuration, a wavelength control part 120 having a liquid crystal waveguide, and a lens 130 for optically coupling the active part 110 and the wavelength control part 120.

【0029】活性部110は、GaAs基板111と、
この基板111上に形成された、A1GaAs下部クラ
ッド層112、GaAs活性層113、A1GaAs上
部クラッド層114、およびコンタクト層115から構
成される。電極(図示せず)は、矢印Aで示す方向のス
トライプ構造とする。活性部110の前面116は結晶
のへき開面とし、その反射率は30%とする。活性部1
10の後面117には発生光の波長の1/4の厚さに相
当する誘電体膜(図示せず)を形成することにより、そ
の反射率を2%以下とする。
The active part 110 includes a GaAs substrate 111,
An A1GaAs lower cladding layer 112, a GaAs active layer 113, an A1GaAs upper cladding layer 114, and a contact layer 115 are formed on the substrate 111. The electrodes (not shown) have a stripe structure in the direction indicated by arrow A. The front surface 116 of the active part 110 is a cleaved surface of the crystal, and its reflectance is 30%. Active part 1
By forming a dielectric film (not shown) corresponding to a thickness of 1 / of the wavelength of the generated light on the rear surface 117 of 10, the reflectance is set to 2% or less.

【0030】波長制御部120は、Si基板121と、
この基板121上に形成された、下部電極(図示せ
ず)、SiO2下部クラッド層122、液晶コア層12
3、SiO2上部クラッド層124、および上部電極
(図示せず)により構成される。SiO2下部クラッド
層122の液晶コア層123と接する面には、通常のホ
ログラフィック露光法により回折格子125(周期27
0nm、深さ15nm)が形成されている。従って、電
界が印加されない状態での液晶コア層123における液
晶分子は、回折格子125の形状を反映して、回折格子
125に平行な方向に配向する。波長制御部120の活
性部110側端面126は、反射率を1%以下とするた
め、活性部110で発生される光の波長の1/4に相当
する厚さを有する誘電体膜(図示せず)を形成する。
The wavelength control unit 120 includes a Si substrate 121,
A lower electrode (not shown), a lower SiO2 cladding layer 122, a liquid crystal core layer 12 formed on the substrate 121.
3, an upper cladding layer 124 and an upper electrode (not shown). The surface of the SiO2 lower cladding layer 122 which is in contact with the liquid crystal core layer 123 is provided with a diffraction grating 125 (period 27) by a normal holographic exposure method.
0 nm and a depth of 15 nm). Therefore, the liquid crystal molecules in the liquid crystal core layer 123 in a state where no electric field is applied are oriented in a direction parallel to the diffraction grating 125, reflecting the shape of the diffraction grating 125. The end surface 126 of the wavelength control unit 120 on the active portion 110 side has a dielectric film (shown in the drawing) having a thickness corresponding to 1 / of the wavelength of light generated by the active portion 110 in order to reduce the reflectance to 1% or less. ) Are formed.

【0031】活性部110の導波路(下部クラッド層1
12、活性層113、および上部クラッド層114)
と、波長制御部120の導波路(下部クラッド層12
2、液晶コア層123、および上部クラッド層124)
とは、ほぼ同一軸上に配列され、かつその導波路間に、
レンズ130が配置される。これにより、活性部110
と波長制御部120との光学的結合の効率が高められ
る。
The waveguide of the active part 110 (the lower cladding layer 1
12, active layer 113, and upper cladding layer 114)
And the waveguide (the lower cladding layer 12
2. Liquid crystal core layer 123 and upper cladding layer 124)
Are arranged on substantially the same axis, and between the waveguides,
A lens 130 is provided. Thereby, the active unit 110
The efficiency of the optical coupling between the wavelength controller 120 and the wavelength controller 120 is improved.

【0032】上記構成を有する本実施例のレーザ装置の
動作原理を以下に説明する。
The principle of operation of the laser device according to the present embodiment having the above configuration will be described below.

【0033】まず、活性部110は、活性層113を構
成するGaAsは、クラッド層112、114を構成す
るAlGaAsよりも屈折率が高いため、活性層113
をコア層とする導波路構造となる。活性部110に電流
注入することにより活性層113で発生した光は、矢印
Aで示す方向に導波する。前面116側に導波された光
は、前面116の反射部に到達し、その一部が活性部1
10内部に向かって反射され、後面117側に導波され
る。前面116に到達した光のうち一部は、活性部11
0の外部へ放出される。一方、後面117側に導波され
た光は、後面117の反射率が低いために、そのほとん
どは活性部110外部に放出される。
First, the active portion 110 has a higher refractive index than that of the cladding layers 112 and 114 of GaAs constituting the active layer 113.
Is a core layer. Light generated in the active layer 113 by current injection into the active part 110 is guided in the direction indicated by the arrow A. The light guided to the front surface 116 reaches the reflection portion of the front surface 116, and a part of the light is
The light is reflected toward the inside 10 and guided toward the rear surface 117. Some of the light reaching the front surface 116 is
0 is released outside. On the other hand, most of the light guided to the rear surface 117 is emitted to the outside of the active part 110 because the reflectance of the rear surface 117 is low.

【0034】活性部110の後面117から出射された
光は、レンズ130により波長制御部120の導波路で
ある液晶コア層123に入射される。このようにして、
活性部110で発生された光は、液晶コア層123を矢
印Bで示す方向に伝播するが、波長制御部120におけ
る回折格子125により順次矢印Cで示す方向に進む光
に変換される。回折格子125により矢印Cで示す方向
に反射された光は、波長制御部120から放出され、レ
ンズ130を介して再び活性部110の導波路に入射さ
れる。
The light emitted from the rear surface 117 of the active part 110 is made incident on the liquid crystal core layer 123, which is the waveguide of the wavelength control part 120, by the lens 130. In this way,
The light generated by the active unit 110 propagates through the liquid crystal core layer 123 in the direction indicated by the arrow B, but is converted by the diffraction grating 125 in the wavelength control unit 120 into light sequentially traveling in the direction indicated by the arrow C. The light reflected by the diffraction grating 125 in the direction indicated by the arrow C is emitted from the wavelength control unit 120 and is again incident on the waveguide of the active unit 110 via the lens 130.

【0035】このような動作を繰り返すことにより、レ
ーザ発振に至る。即ち、活性部110、レンズ130、
および波長制御部120によりレーザ共振器が形成され
ていることとなる。
By repeating such an operation, laser oscillation occurs. That is, the active unit 110, the lens 130,
In addition, a laser resonator is formed by the wavelength control unit 120.

【0036】このような構成を有する波長可変レーザ装
置においては、その発振波長は共振器内部での利得分布
と、共振器を構成する2つの反射構造の反射率分布とを
重ね合わせたもののピーク位置により決定される。本レ
ーザ装置の場合、利得分布および活性部110の前面1
16の反射率分布は波長に対して比較的広い分布を有し
ているために、波長制御部120における回析格子12
5による反射率の最も高い波長が選択的に発振すること
となる。一般によく知られているように回析格子により
選択的に反射される波長(ブラグ波長)は、回析格子の
光学ピッチ(屈折率×実際のピッチ)の偶数倍とほぼ等
しい。本レーザ装置における波長制御部120の回析格
子125のピッチは270nmであり、無電界状態での
導波路の等価屈折率は1.63であるため、ブラグ波長
は880nmとなる。従って、本レーザ装置は、880
nmの光を選択的に発振させることとなる。
In the wavelength tunable laser device having such a configuration, the oscillation wavelength is determined by the peak position of the superposition of the gain distribution inside the resonator and the reflectance distribution of the two reflection structures constituting the resonator. Is determined by In the case of this laser device, the gain distribution and the front surface 1
16 has a relatively wide distribution with respect to the wavelength, the diffraction grating 12
5, the wavelength having the highest reflectance is oscillated selectively. As is generally well known, the wavelength selectively reflected by the diffraction grating (Bragg wavelength) is substantially equal to an even multiple of the optical pitch (refractive index × actual pitch) of the diffraction grating. Since the pitch of the diffraction grating 125 of the wavelength control unit 120 in the present laser device is 270 nm and the equivalent refractive index of the waveguide in the absence of an electric field is 1.63, the Bragg wavelength is 880 nm. Therefore, the present laser device is 880
nm light is selectively oscillated.

【0037】図2に、波長制御部120における層厚方
向の屈折率分布を示す。図2(a)は無電界状態での屈
折率分布であり、図2(b)は電界印加状態の屈折率分
布である。図から分かるように、何れの状態でも下部ク
ラッド層122および上部クラッド層124の屈折率n
cに比べて液晶コア層123の屈折率nLC0、nLC1が高
いので、波長制御部120に導入された光は液晶コア層
123にピークを有する導波光となる。
FIG. 2 shows the refractive index distribution in the layer thickness direction in the wavelength control section 120. FIG. 2A shows a refractive index distribution in a state where no electric field is applied, and FIG. 2B shows a refractive index distribution in a state where an electric field is applied. As can be seen from the figures, the refractive index n of the lower cladding layer 122 and the upper cladding layer 124 in any state.
Since the refractive indexes n LC0 and n LC1 of the liquid crystal core layer 123 are higher than c , the light introduced into the wavelength controller 120 becomes guided light having a peak in the liquid crystal core layer 123.

【0038】また、図2(a)に示すように、無電界状
態では、液晶コア層123中に分布する全ての液晶分子
は下部クラッド層122表面の凹凸構造(回折格子12
5と同等構造)に平行に配向することとなる。本実施例
のレーザ装置の構造において発生されるレーザ光はTE
波(光電界成分が半導体結晶層に平行な方向)である。
従って、無電界状態における液晶分子の長軸方向とレー
ザ光電界の方向が一致する。このような配向状態におい
てレーザ光の感ずる屈折率はnLC0である。
As shown in FIG. 2A, in the absence of an electric field, all the liquid crystal molecules distributed in the liquid crystal core layer 123 have an uneven structure (the diffraction grating 12) on the surface of the lower cladding layer 122.
(Equivalent structure to 5). The laser light generated in the structure of the laser device of this embodiment is TE
A wave (a direction in which the optical electric field component is parallel to the semiconductor crystal layer).
Therefore, the direction of the long axis of the liquid crystal molecules in the state of no electric field matches the direction of the laser light electric field. In such an alignment state, the refractive index felt by the laser beam is n LC0 .

【0039】一方、電界印加状態では、一般に液晶分子
は印加電界方向に平行になるように回転するため、図2
(b)の左側に示すような状態となる。即ち、下部クラ
ッド層122近傍においてはその凹凸構成に影響され水
平方向に配向したまま電界に応答していない状態とな
る。図から分かるように、レーザ光の電界方向に対して
垂直方向に液晶分子が配向している場合にレーザ光が感
ずる屈折率nLC1は、上記無電界状態における屈折率n
LC0より小さくなる。従って、液晶コア層123の導波
光に対する屈折率は低下し、導波路の等価屈折率も低下
する。このため、導波路内に設けられた回折格子125
の光学ピッチは、無電界状態と比べて小さくなる。それ
にともない、回折格子125により選択反射される光の
波長(ブラグ波長)は短波長側にシフトし、ひいては発
振レーザ光の波長は短波長側にシフトする。
On the other hand, when an electric field is applied, liquid crystal molecules generally rotate so as to be parallel to the direction of the applied electric field.
The state is as shown on the left side of FIG. In other words, in the vicinity of the lower cladding layer 122, it is not responded to an electric field while being oriented in the horizontal direction, being affected by the uneven structure. As can be seen from the figure, when the liquid crystal molecules are oriented in a direction perpendicular to the electric field direction of the laser light, the refractive index n LC1 that the laser light senses is the refractive index n LC1 in the above-mentioned electric field-free state.
Becomes smaller than LC0 . Accordingly, the refractive index of the liquid crystal core layer 123 with respect to the guided light decreases, and the equivalent refractive index of the waveguide also decreases. Therefore, the diffraction grating 125 provided in the waveguide
Is smaller than that in the non-electric field state. Accordingly, the wavelength of the light selectively reflected by the diffraction grating 125 (Bragg wavelength) shifts to the shorter wavelength side, and the wavelength of the oscillation laser light shifts to the shorter wavelength side.

【0040】液晶コア層123の屈折率は液晶分子層お
よび溶媒材料の選択により種々に設定可能であるが、本
実施例では、nLC0=1.72、nLC1=1.64とす
る。また、クラッド層122、124の屈折率nC
1.45である。
The refractive index of the liquid crystal core layer 123 can be variously set by selecting the liquid crystal molecular layer and the solvent material. In this embodiment, n LC0 = 1.72 and n LC1 = 1.64. Further, the refractive index n C of the cladding layers 122 and 124 =
1.45.

【0041】図3に、波長制御部120の液晶コア部1
23に印加する電圧と、本レーザ装置の発振波長との関
係を示す。本レーザ装置では波長制御部120に10V
まで電圧をかけることにより、導波路等価屈折率が無電
界状態での屈折率1.63から1.61まで変化させ、
これにより、図3からも分かるように、発振レーザ波長
が、880nmから869nmまで連続的に変化させる
ことができる。即ち、この場合の波長可変範囲は11n
mであり、波長多重通信システムおよびコヒーレント検
波方式計測システムなどの応用に必要な波長可変範囲を
十分に得ることができる。
FIG. 3 shows the liquid crystal core unit 1 of the wavelength control unit 120.
The relationship between the voltage applied to 23 and the oscillation wavelength of the present laser device is shown. In this laser device, 10 V is applied to the wavelength control unit 120.
By applying a voltage to the waveguide, the equivalent refractive index of the waveguide changes from 1.63 to 1.61 in the absence of an electric field,
Thereby, as can be seen from FIG. 3, the oscillation laser wavelength can be continuously changed from 880 nm to 869 nm. That is, the wavelength variable range in this case is 11n
m, and a sufficient wavelength tunable range required for applications such as a wavelength division multiplexing communication system and a coherent detection type measurement system can be obtained.

【0042】また、本実施例のレーザ装置では、上記従
来例とは異なり波長を電圧により制御しており電流をほ
とんど必要としないので、波長を変化させるために必要
となる電力を数十μWと非常に小さくすることができ
る。
Further, in the laser device of this embodiment, unlike the above-mentioned conventional example, the wavelength is controlled by voltage and almost no current is required, so that the power required for changing the wavelength is several tens μW. Can be very small.

【0043】(実施例2)上述のように、本発明を適用
することにより低消費電力で、広い連続可変範囲を有す
る波長可変レーザ装置を実現することが可能となる。し
かし、上記実施例1においては、異なる導波路構造の素
子である活性部110および波長制御部120をレンズ
130を介して光学的に結合させる構成となっているた
めに、0.5μm程度の相対的位置ずれにより活性部1
10と波長制御部120との間の光学結合効率が5%以
下と小さくなってしまう。その結果、レーザ光を発生さ
せるために必要な活性部110に注入する電流が異常に
大きくなる場合があり、レーザ装置作製における歩留り
向上および、レーザ装置の長期安定性において問題点が
あることがある。
Embodiment 2 As described above, by applying the present invention, it is possible to realize a wavelength tunable laser device having low power consumption and a wide continuous variable range. However, in the first embodiment, since the active section 110 and the wavelength control section 120, which are elements having different waveguide structures, are optically coupled via the lens 130, the relative section of about 0.5 μm is required. Active part 1 due to misalignment
The optical coupling efficiency between 10 and the wavelength control unit 120 is reduced to 5% or less. As a result, the current injected into the active portion 110 necessary for generating the laser beam may be abnormally large, and there may be a problem in improving the yield in manufacturing the laser device and in the long-term stability of the laser device. .

【0044】そこで、このような問題点を解決した実施
例2のレーザ装置について次に説明する。
A laser device according to a second embodiment which solves such a problem will be described below.

【0045】図4〜図11に、本実施例のレーザ装置の
作製工程図を示す。図に基づいて、本レーザ装置の構造
および作製方法を併せて説明する。
FIGS. 4 to 11 show manufacturing process diagrams of the laser device of this embodiment. The structure and manufacturing method of the present laser device will also be described based on the drawings.

【0046】まず、図4に示すように、n−InP基板
201上に、0.5μm厚のn−InPクラッド層20
2と、0.2μm厚のn−InGaAsP光ガイド層2
03とをこの順に結晶成長させる。次に、この光ガイド
層203の表面に通常のホログラフィック露光を用いた
ホトリソグラフィ技術とウェットエッチング技術とによ
り、回析格子204を印刻する。この回析格子204の
ピッチΛは208nm、深さは100nmとする。
First, as shown in FIG. 4, an n-InP cladding layer 20 having a thickness of 0.5 μm is formed on an n-InP substrate 201.
2 and a 0.2 μm thick n-InGaAsP light guide layer 2
03 are grown in this order. Next, a diffraction grating 204 is engraved on the surface of the light guide layer 203 by a photolithography technique using ordinary holographic exposure and a wet etching technique. The pitch の of the diffraction grating 204 is 208 nm and the depth is 100 nm.

【0047】次に、図5に示すように、この回析格子2
04付き基板201上へ、0.15μm厚の高低抗In
P下部絶縁層205、2μm厚の高抵抗InGaAsエ
ッチング除去層206、0.3μm厚の高抵抗InP上
部絶縁層207、1.0μm厚のp−InPクラッド層
208、および0.5μm厚のp−InGaAsPコン
タクト層209をこの順に連続的に結晶成長させる。こ
のときの結晶成長法としては、例えば有機金属気相成長
(MOCVD)法を用いる。また、図5からも分かるよ
うに、回折格子204上に成長させたInP下部絶縁層
205の表面形状が回折格子204の形状をほぼ反映し
た形となるように成長条件を選定する。
Next, as shown in FIG.
04 on the substrate 201 with a thickness of 0.15 μm.
P lower insulating layer 205, 2 μm thick high-resistance InGaAs etching removal layer 206, 0.3 μm thick high-resistance InP upper insulating layer 207, 1.0 μm-thick p-InP cladding layer 208, and 0.5 μm-thick p-type The InGaAsP contact layer 209 is grown continuously in this order. As a crystal growth method at this time, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used. Also, as can be seen from FIG. 5, the growth conditions are selected such that the surface shape of the InP lower insulating layer 205 grown on the diffraction grating 204 substantially reflects the shape of the diffraction grating 204.

【0048】次に、図6に示すように、波長制御領域2
10となる部分にのみシリコン窒化膜からなるマスク2
11を形成し、波長制御領域210以外の領域(活性領
域220)に相当する部分の成長層をエッチングにより
n−InPクラッド層202に到達するまで除去する。
このとき、InPのエッチングには塩酸系エッチャント
を、InGaAsPのエッチングには硫酸系エッチャン
トを用い、各層を選択的にエッチングする方式を採用す
る。この方法により、n−InPクラッド層202の表
面を露出させた。
Next, as shown in FIG.
A mask 2 made of a silicon nitride film only in a portion to be 10
11 is formed, and a portion of the growth layer corresponding to a region (active region 220) other than the wavelength control region 210 is removed by etching until the growth layer reaches the n-InP cladding layer 202.
At this time, a method of selectively etching each layer using a hydrochloric acid-based etchant for InP etching and a sulfuric acid-based etchant for InGaAsP etching is employed. With this method, the surface of the n-InP cladding layer 202 was exposed.

【0049】次に、図7(a)に示すように、上記エッ
チングに用いたシリコン窒化膜マスク211をそのまま
選択成長用のマスクとして用いて、エッチングを施した
領域220の露出したn−InPクラッド層202上
に、0.12μm厚のn−InGaAsP光ガイド層2
21と、0.075μm厚のInGaAsP/InP多
重量子井戸からなる活性層222、3.0μm厚のp−
Inpクラッド層223、および0.5μm厚のp−I
nGaAsPコンタクト層224をこの順に連続的に成
長させる。このときの結晶成長法としても、例えばMO
CVD法を用いる。また、p−InGaAsPコンタク
ト層224の組成は、硫酸系エッチング液にエッチング
されない組成(波長1.15μm相当)とする。
Next, as shown in FIG. 7A, using the silicon nitride film mask 211 used for the etching as it is as a mask for selective growth, the exposed n-InP cladding of the etched region 220 is used. On the layer 202, an n-InGaAsP light guide layer 2 having a thickness of 0.12 μm is formed.
21 and an active layer 222 composed of an InGaAsP / InP multiple quantum well having a thickness of 0.075 μm and a p-type layer having a thickness of 3.0 μm.
Inp clad layer 223 and 0.5 μm thick p-I
The nGaAsP contact layer 224 is continuously grown in this order. At this time, the crystal growth method may be, for example, MO
The CVD method is used. The composition of the p-InGaAsP contact layer 224 is a composition (corresponding to a wavelength of 1.15 μm) that is not etched by the sulfuric acid-based etchant.

【0050】図7(b)に、活性層222の拡大図を示
す。活性層222をなす多重量子井戸は、図示するよう
に、7nm厚のInGaAs井戸層222Aが5層と、
10nm厚のInP障壁層222Bが4層とから構成さ
れており、井戸層222Aと障壁層222Bとは交互に
積層されている。このような構成により、発振レーザ波
長は約1.5μmとなる。また、後工程での微細加工の
精度を向上させる目的で、選択成長した活性領域220
の結晶表面の高さを波長制御領域210の結晶表面の高
さとほぼ一致させ、ウェハ表面に残存する凹凸が小さく
なるように選択成長膜厚を制御する。
FIG. 7B is an enlarged view of the active layer 222. As shown in the figure, the multiple quantum well forming the active layer 222 includes five 7-nm thick InGaAs well layers 222A,
The InP barrier layer 222B having a thickness of 10 nm includes four layers, and the well layers 222A and the barrier layers 222B are alternately stacked. With such a configuration, the oscillation laser wavelength becomes about 1.5 μm. Further, in order to improve the precision of fine processing in a later step, the active region 220 selectively grown is used.
The height of the crystal surface is substantially matched with the height of the crystal surface of the wavelength control region 210, and the thickness of the selectively grown film is controlled so that the unevenness remaining on the wafer surface is reduced.

【0051】次に、図8に示すように、シリコン窒化膜
マスク211をフッ酸によるエッチング除去した後に、
幅5μmのシリコン窒化膜をマスクとして臭素系エッチ
ング液によるエッチングすることにより、幅2μm、高
さ5μmのメサストライプ230を形成する。このエッ
チングは、波長制御領域210では下部絶縁層205に
到達するまで行われ、活性領域220ではクラッド層2
23の一部を残すように行われる。
Next, as shown in FIG. 8, after the silicon nitride film mask 211 is removed by etching with hydrofluoric acid,
The mesa stripe 230 having a width of 2 μm and a height of 5 μm is formed by etching with a bromine-based etchant using a silicon nitride film having a width of 5 μm as a mask. This etching is performed until reaching the lower insulating layer 205 in the wavelength control region 210, and the cladding layer 2 is formed in the active region 220.
This is performed so as to leave a part of 23.

【0052】引き続いて、図9に示すように、メサスト
ライプ230形成時に用いたシリコン窒化膜マスクを選
択成長用マスクとして、MOCVD法により高抵抗In
P層231を選択成長させメサストライプ230を埋め
込む。次に、リアクティブイオンエッチング法にて活性
領域220と波長制御領域210との境界部分に領域間
絶縁用溝240を形成する。この絶縁用溝240の幅は
10μm、深さは3.5μmとする。このようにして作
製されたウェハの波長制御領域210のp−コンタクト
層209表面に波長制御電界印加用p型電極241を、
活性領域220のp−コンタクト層224表面に電流注
入用p型電極242を、基板201下側にn型オーミッ
ク電極243をそれぞれ形成した後に、へき開およびダ
イシングによりチップに分割する。
Subsequently, as shown in FIG. 9, using the silicon nitride film mask used for forming the mesa stripe 230 as a selective growth mask, a high resistance In is formed by MOCVD.
The P layer 231 is selectively grown and the mesa stripe 230 is embedded. Next, an inter-region insulating groove 240 is formed at the boundary between the active region 220 and the wavelength control region 210 by a reactive ion etching method. The width of the insulating groove 240 is 10 μm, and the depth is 3.5 μm. A p-type electrode 241 for applying a wavelength control electric field is formed on the surface of the p-contact layer 209 of the wavelength control region 210 of the wafer thus manufactured.
After forming a p-type electrode 242 for current injection on the surface of the p-contact layer 224 of the active region 220 and an n-type ohmic electrode 243 below the substrate 201, the chip is divided into chips by cleavage and dicing.

【0053】次に、図10に示すように、活性領域22
0側レーザ端面上に電子ビーム蒸着法によりAl23
125を形成する。このAl23膜の厚さは発生させる
レーザ光の波長に対して1/4の光学厚さとなるように
する。
Next, as shown in FIG.
An Al 2 O 3 film 125 is formed on the 0-side laser end face by electron beam evaporation. The thickness of the Al 2 O 3 film is set to be さ と of the optical thickness with respect to the wavelength of the laser light to be generated.

【0054】次に、硫酸系のエッチング液にチップを浸
す。硫酸系のエッチング液は、InGaAsを選択的に
エッチングする性質を有する。本実施例のレーザ装置の
場合、硫酸系エッチング液に接触するInGaAs層
は、波長制御領域210におけるInGaAsエッチン
グ除去層206であり、波長制御領域210端面212
および絶縁用溝240から徐々にエッチングは進行す
る。超音波振動をエッチング液に与えながら約1.5時
間エッチングすることにより2μm厚、2μm幅のエッ
チング除去層206を長さ200μmにわたって完全に
除去することができる。エッチング除去層206以外の
層は、InPまたはInPに近いInGaAsPにより
構成したため、このようにして形成された空洞部分20
6aの下面は、InP下部絶縁層205であり、図10
に示すように、その表面にはその下に位置する回折格子
204の形状を反映した凹凸構造が現れることなる。
Next, the chip is immersed in a sulfuric acid-based etching solution. The sulfuric acid-based etchant has a property of selectively etching InGaAs. In the case of the laser device of the present embodiment, the InGaAs layer that comes into contact with the sulfuric acid-based etching solution is the InGaAs etching removal layer 206 in the wavelength control region 210 and the end surface 212 of the wavelength control region 210.
The etching gradually proceeds from the insulating groove 240. The etching removal layer 206 having a thickness of 2 μm and a width of 2 μm can be completely removed over a length of 200 μm by performing etching for about 1.5 hours while applying ultrasonic vibration to the etching solution. Since the layers other than the etching removal layer 206 are made of InP or InGaAsP close to InP, the cavity 20 thus formed is formed.
6a is an InP lower insulating layer 205, as shown in FIG.
As shown in FIG. 7, an uneven structure reflecting the shape of the diffraction grating 204 located thereunder appears on the surface.

【0055】次に、エッチング除去層206の部分に2
×2μm2の断面で200μm深さの空洞部分206a
が形成されたレーザチップを真空中において150℃に
約30分間昇温することにより完全に水分を除去する。
次に、真空雰囲気のままチップ温度を室温に降温し、そ
の状態で波長制御領域210の端面212を液晶に接触
させ、図11に示すように、液晶自身の表面張力により
空洞部分206aに液晶260を注入する。空洞部分2
06a内部にはInP下部絶縁層205表面の回折格子
形状である凹凸構造が露出しているため、注入された液
晶分子はこの回折格子形状である凹凸構造と平行な方向
に配向することとなる。
Next, 2 is added to the portion of the etching removal layer 206.
A hollow portion 206a having a cross section of × 2 μm 2 and a depth of 200 μm
The temperature is raised to 150 ° C. in a vacuum for about 30 minutes in a vacuum to completely remove water.
Next, the chip temperature is lowered to room temperature in a vacuum atmosphere, and the end surface 212 of the wavelength control region 210 is brought into contact with the liquid crystal in that state, and as shown in FIG. Inject. Hollow part 2
Since the uneven structure having the diffraction grating shape on the surface of the InP lower insulating layer 205 is exposed inside 06a, the injected liquid crystal molecules are aligned in a direction parallel to the uneven structure having the diffraction grating shape.

【0056】最後に波長制御領域210側の端面212
上および電極分離のための絶縁用溝240に紫外線硬化
樹脂(図示せず)を塗布し紫外線を照射することにより
硬化させ、液晶材料を閉じ込めることによりレーザ装置
とする。
Finally, the end surface 212 on the wavelength control region 210 side
An ultraviolet curable resin (not shown) is applied to the upper and insulating grooves 240 for electrode separation, cured by irradiating ultraviolet rays, and the liquid crystal material is confined to form a laser device.

【0057】本レーザ装置は基本的に分布プラグ反射
(DBR:Distrubuted Bragg Refrection)型半導体レ
ーザ装置を構成しており、そのプラグ反射器用導波路を
構成する複数の層の内の1層が液晶から成っている。本
波長可変半導体レーザ装置の動作原理を以下に説明す
る。
The present laser device basically constitutes a distributed plug reflection (DBR) semiconductor laser device, and one of a plurality of layers constituting the waveguide for the plug reflector is formed of liquid crystal. Made up of The operation principle of the wavelength tunable semiconductor laser device will be described below.

【0058】レーザ活性領域220の電極242に電流
を流すことにより多重量子井戸型活性層222はキャリ
アが注入され、通常の半導体レーザ装置と同様の動作原
理により光を発する。活性層222で発せられた光は活
性領域220と接している波長制御領域210へと導波
される。波長制御領域210においては、回析格子20
4が導波路の構造の中心たる光ガイド層203表面に形
成されている。本実施例のレーザ装置における回析格子
204は、ピッチΛが208nmであり、液晶に電界を
印加しない状態での波長制御領域210の導波路等価屈
折率は3.12に成るように設計しているので、プラグ
反射波長は1.3μmであり、活性領域220で発生し
た波長1.3μmの光に対する分布反射ミラー(1次グ
レーティング)として機能する。
When a current flows through the electrode 242 of the laser active region 220, carriers are injected into the multiple quantum well type active layer 222, and light is emitted according to the same operation principle as that of a normal semiconductor laser device. Light emitted from the active layer 222 is guided to the wavelength control region 210 which is in contact with the active region 220. In the wavelength control region 210, the diffraction grating 20
4 is formed on the surface of the light guide layer 203 which is the center of the structure of the waveguide. The diffraction grating 204 in the laser device of this embodiment is designed so that the pitch 208 is 208 nm and the waveguide equivalent refractive index of the wavelength control region 210 in the state where no electric field is applied to the liquid crystal is 3.12. Therefore, the plug reflection wavelength is 1.3 μm, and functions as a distributed reflection mirror (primary grating) for light having a wavelength of 1.3 μm generated in the active region 220.

【0059】一方、活性領域220側端面はAl23
125でコートされたへき開面で構成しているため約1
0%の反射率を有するミラーとして機能する。従って、
本実施例のレーザ装置は、活性領域220前面のへき開
面ミラーと波長制御領域210の分布反射ミラーとによ
り挟まれた共振器構成となっており、その発振波長は波
長制御領域210における回析格子204により選択反
射される波長に一致する。
On the other hand, since the end face on the active region 220 side is constituted by a cleaved face coated with an Al 2 O 3 film 125, it is about 1
It functions as a mirror having a reflectance of 0%. Therefore,
The laser device of the present embodiment has a resonator configuration sandwiched between a cleavage plane mirror on the front surface of the active region 220 and a distributed reflection mirror of the wavelength control region 210, and its oscillation wavelength is determined by the diffraction grating in the wavelength control region 210. The wavelength coincides with the wavelength selectively reflected by 204.

【0060】このように、発振レーザ波長が決定される
わけではあるが、従来例でも説明したようにこの回析格
子204の光学ピッチを導波路層の一部の層の屈折率を
電気的に変化させることを介して変化させ、それにより
発振レーザ波長を変化させることができる。本実施例で
は、ガイド層203の屈折率を液晶層260の屈折率よ
りも大きくなるように設計する。従って、本実施例のレ
ーザ装置の波長制御領域210の導波路内のレーザ光
は、回析格子204付きガイド層203にピークを有
し、下側のn−InPクラッド層202と、上側の下部
InP絶縁層205および液晶層260へ光がしみ出し
たモードとなって伝播する。よって、液晶層260の屈
折率を電気的に変化させることにより発振レーザ波長を
変化させることが可能となる。
As described above, although the oscillation laser wavelength is determined, as described in the conventional example, the optical pitch of the diffraction grating 204 is electrically controlled by the refractive index of a part of the waveguide layer. It can be changed through changing, thereby changing the oscillation laser wavelength. In this embodiment, the refractive index of the guide layer 203 is designed to be higher than the refractive index of the liquid crystal layer 260. Therefore, the laser light in the waveguide of the wavelength control region 210 of the laser device of the present embodiment has a peak in the guide layer 203 with the diffraction grating 204, and the lower n-InP cladding layer 202 and the upper lower portion The light propagates to the InP insulating layer 205 and the liquid crystal layer 260 in a seeping mode. Therefore, the oscillation laser wavelength can be changed by electrically changing the refractive index of the liquid crystal layer 260.

【0061】図12(a)および図12(b)に、波長
制御領域210における導波路構造の層厚方向における
屈折率分布を示す。図12(a)が波長制御電極241
への電圧印加を行わない場合の状態を表し、図12
(b)が波長制御電極241への電圧印加を行った場合
の状態を表す。
FIGS. 12A and 12B show the refractive index distribution in the layer thickness direction of the waveguide structure in the wavelength control region 210. FIG. FIG. 12A shows the wavelength control electrode 241.
FIG. 12 shows a state in which no voltage is applied to FIG.
(B) shows a state in which a voltage is applied to the wavelength control electrode 241.

【0062】まず、波長制御電極241へ電圧を印加し
ない図12(a)に示す場合を説明する。電圧を印加し
ない場合には、液晶層260は無電界状態となるため、
液晶層260中に分布する全ての液晶分子は下部絶縁層
205表面の凹凸構造(回折格子204と同等構造)に
平行に配向することとなる。本実施例のレーザ装置の構
造において発生されるレーザ光はTE波(光電界成分が
半導体結晶層に平行な方向、即ち矢印Dで示す方向を向
いている状態)である。従って、無電界状態における液
晶分子の長軸方向とレーザ光電界の方向が一致する。こ
のような配向状態においてレーザ光の感ずる屈折率はn
LC0である。なお、図中のncはクラッド層202の屈折
率を示し、ngは光ガイド層203の屈折率を示す。
First, the case shown in FIG. 12A where no voltage is applied to the wavelength control electrode 241 will be described. When no voltage is applied, the liquid crystal layer 260 is in an electric field-free state.
All the liquid crystal molecules distributed in the liquid crystal layer 260 are aligned in parallel with the uneven structure (equivalent to the diffraction grating 204) on the surface of the lower insulating layer 205. The laser light generated in the structure of the laser device of the present embodiment is a TE wave (a state in which the optical electric field component is in a direction parallel to the semiconductor crystal layer, that is, in a direction indicated by an arrow D). Therefore, the direction of the long axis of the liquid crystal molecules in the state of no electric field matches the direction of the laser light electric field. In such an orientation state, the refractive index felt by the laser beam is n
LC0 . Incidentally, n c in the drawing is the refractive index of the cladding layer 202, n g is the refractive index of the optical guide layer 203.

【0063】一方、波長制御電極241に電圧を加えた
場合には、上下のInP絶縁層205、207を介して
液晶層260に層厚方向に電界が印加される。一般に液
晶分子は印加電界方向に平行になるように回転するた
め、図12(b)の左側に示すような状態となる。即
ち、下部絶縁層205近傍においてはその凹凸構成に影
響され矢印Dで示す方向に配向したまま電界に応答して
いない状態となる。図から分かるように、レーザ光の電
界方向、即ち矢印Dで示す方向に対して垂直方向に液晶
分子が配向している場合にレーザ光が感ずる屈折率n
LC1は、上記無電界状態における屈折率nLC0より小さく
なる。
On the other hand, when a voltage is applied to the wavelength control electrode 241, an electric field is applied to the liquid crystal layer 260 via the upper and lower InP insulating layers 205 and 207 in the layer thickness direction. Generally, the liquid crystal molecules rotate so as to be parallel to the direction of the applied electric field, so that the state is as shown on the left side of FIG. That is, the vicinity of the lower insulating layer 205 is affected by the concavo-convex structure and does not respond to the electric field while being oriented in the direction indicated by the arrow D. As can be seen from the figure, when the liquid crystal molecules are oriented in the direction of the electric field of the laser light, that is, in the direction perpendicular to the direction shown by the arrow D, the refractive index n that the laser light feels
LC1 is smaller than the refractive index nLC0 in the above-mentioned field-free state.

【0064】回折格子204の光学ピッチは、液晶層2
60の屈折率が大きい場合には小さくなり、液晶層26
0の屈折率が小さい場合には大きくなる。従って、電流
注入用電極241に対して波長制御電極241に電圧
(正または負の直流電圧)を印加した場合、発振レーザ
は短波長側シフトすることとなる。
The optical pitch of the diffraction grating 204 is
When the refractive index of the liquid crystal layer 60 is large,
When the refractive index of 0 is small, it increases. Therefore, when a voltage (positive or negative DC voltage) is applied to the wavelength control electrode 241 with respect to the current injection electrode 241, the oscillation laser shifts to the shorter wavelength side.

【0065】図13に、本実施例のレーザ装置の実際の
波長可変特性を示す。図から分かるように、波長制御電
極241に電圧を印加しない場合には1305nmであ
った発振波長は、13.5Vの電圧を印加した場合には
1296nmとなり、約9nmの広範囲にわたりレーザ
発振波長を連続的にシフトさせることができる。
FIG. 13 shows the actual wavelength tunable characteristics of the laser device of this embodiment. As can be seen from the figure, the oscillation wavelength which was 1305 nm when no voltage was applied to the wavelength control electrode 241 became 1296 nm when a voltage of 13.5 V was applied, and the laser oscillation wavelength was continuously extended over a wide range of about 9 nm. Can be shifted.

【0066】また、本実施例のレーザ装置では電圧駆動
方式により波長を変化させることができるため、従来例
のように電流を注入する必要がなく、波長を変化させる
ために消費される電力も10μW程度と小さくすること
ができる。
Further, in the laser device of this embodiment, the wavelength can be changed by the voltage driving method, so that it is not necessary to inject a current as in the conventional example, and the power consumed for changing the wavelength is also 10 μW. It can be as small as possible.

【0067】(実施例3)次に本発明を他の材料系の半
導体レーザ装置に適用した実施例3を説明する。図14
〜図19にその作製工程図を示す。図に基づいて、本レ
ーザ装置の構造および作製方法を併せて説明する。
Third Embodiment Next, a third embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor laser device of another material will be described. FIG.
19 to 19 show the manufacturing process diagrams. The structure and manufacturing method of the present laser device will also be described based on the drawings.

【0068】まず、図14に示すように、p−GaAs
基板300上に、1.6μm厚のp−Al0.4Ga0.6
sクラッド層301、0.06μm厚のAl0.07Ga
0.93As活性層302、0.07μm厚のn−Al0.5
Ga0.5Asキャリア障壁層303、0.15μm厚の
n−Al0.25Ga0.75Asガイド層304、および3n
m厚のGaAs酸化防止層(図示せず)をガスソース分
子線エピタキシアル法によりこの順に結晶成長させる。
このn−Al0.25Ga0.75Asガイド層304の表面に
電子ビームリソグラフィ法と通常のエッチング法とにて
回析格子306を形成する。この回析格子306のピッ
チは120nm、深さは60nmとする。
First, as shown in FIG. 14, p-GaAs
1.6 μm thick p-Al 0.4 Ga 0.6 A on the substrate 300
s clad layer 301, 0.06 μm thick Al 0.07 Ga
0.93 As active layer 302, 0.07 μm thick n-Al 0.5
Ga 0.5 As carrier barrier layer 303, 0.15 μm thick n-Al 0.25 Ga 0.75 As guide layer 304, and 3n
A m-thick GaAs antioxidant layer (not shown) is grown by gas source molecular beam epitaxy in this order.
A diffraction grating 306 is formed on the surface of the n-Al 0.25 Ga 0.75 As guide layer 304 by an electron beam lithography method and a normal etching method. The diffraction grating 306 has a pitch of 120 nm and a depth of 60 nm.

【0069】次に、回折格子306付き基板300上
に、1.5μm厚のn−Al0.45Ga0.55Asクラッド
層307、1.0μm厚のn−GaAsコンタクト層3
08を有機金属気相成長(MOCVD)法によりこの順
に成長させる。続いて、通常のフォトリソグラフィ技術
により幅4μmのストライプ状Si34膜309を形成
し、これをマスクとして選択エッチングを行い、図15
に示すように、メサストライプ310を形成する。
Next, an n-Al 0.45 Ga 0.55 As clad layer 307 having a thickness of 1.5 μm and an n-GaAs contact layer 3 having a thickness of 1.0 μm are formed on the substrate 300 having the diffraction grating 306.
08 are grown in this order by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Subsequently, a stripe-shaped Si 3 N 4 film 309 having a width of 4 μm is formed by a normal photolithography technique, and selective etching is performed using this as a mask.
As shown in FIG. 7, a mesa stripe 310 is formed.

【0070】この選択エッチング工程では、まずアンモ
ニア系エッチング液(AlxGa1-xAs:0≦x≦0.
4のみのエッチングが可能)により表面のGaAsコン
タクト層308のみを選択除去した後に、フッ酸系エッ
チング液(AlxGa1-xAs:0.42≦x≦1のみの
エッチングが可能)によりAl0.45Ga0.55Asクラッ
ド層307を選択除去する。メサストライプ310の形
状は幅は3μm、深さは2.5μmとなる。また、フッ
酸系エッチング液はAl0.25Ga0.75Asをエッチング
しないので、ガイド層304表面でエッチングは停止す
る。これにより、メサストライプ310外部では、微細
な凹凸形状を変形させることなしに、図15に示すよう
に、回折格子306を表面に露出させることが可能とな
る。
In this selective etching step, first, an ammonia-based etching solution (Al x Ga 1 -x As: 0 ≦ x ≦ 0.
4 can be etched only) and only the GaAs contact layer 308 on the surface can be selectively removed, and then a hydrofluoric acid-based etching solution (Al x Ga 1 -x As: only 0.42 ≦ x ≦ 1 can be used for etching) The 0.45 Ga 0.55 As clad layer 307 is selectively removed. The shape of the mesa stripe 310 has a width of 3 μm and a depth of 2.5 μm. Further, since the hydrofluoric acid-based etchant does not etch Al 0.25 Ga 0.75 As, the etching stops on the surface of the guide layer 304. As a result, the diffraction grating 306 can be exposed on the surface outside the mesa stripe 310 without deforming the fine unevenness as shown in FIG.

【0071】次に、上記エッチングに用いたストライプ
状Si34膜309をそのままマスクに用いてメサスト
ライプ310外部に、50nm厚のn−Al0.5Ga0.5
As下部エッチング保護層311、1.0μm厚の高抵
抗GaAsエッチング除去層312、1.35μm厚の
p−Al0.5Ga0.5As上部エッチング保護層313、
0.1μm厚のp−GaAsコンタクト層314を、こ
の順にMOCVD法により成長させる。また、50nm
厚のn−Al0.5Ga0.5As下部エッチング保護層31
1表面は、本保護層311の厚みが薄いためにAl0.25
Ga0.75Asガイド層304に形成された回折格子30
6の形状をほぼ反映した形状を有する。この結晶成長に
より、図16に示すようにウェハ表面はほぼ平坦とな
る。
Next, using the striped Si 3 N 4 film 309 used for the etching as it is as a mask, a 50 nm thick n-Al 0.5 Ga 0.5
An As lower etching protection layer 311, a 1.0 μm thick high-resistance GaAs etching removal layer 312, a 1.35 μm thick p-Al 0.5 Ga 0.5 As upper etching protection layer 313,
A 0.1 μm thick p-GaAs contact layer 314 is grown in this order by MOCVD. Also, 50 nm
Thick n-Al 0.5 Ga 0.5 As lower etching protection layer 31
One surface has Al 0.25 because the thickness of the protective layer 311 is thin.
Diffraction grating 30 formed on Ga 0.75 As guide layer 304
6 has a shape substantially reflecting the shape. Due to this crystal growth, the wafer surface becomes almost flat as shown in FIG.

【0072】次に、メサストライプ310上に活性領域
用電極316を、メサストライプ310の両側に波長制
御電極317を、基板300裏面全面に電極318をそ
れぞれ形成する。
Next, an active region electrode 316 is formed on the mesa stripe 310, a wavelength control electrode 317 is formed on both sides of the mesa stripe 310, and an electrode 318 is formed on the entire back surface of the substrate 300.

【0073】続いて、図17に示すように、フォトレジ
スト500(図19参照)をマスクとしてメサストライ
プ310から両側へ10μm離れた位置に、複数個の幅
5μm、深さ1.6μmの穴315を、メサストライプ
310と平行な方向に10μm間隔で形成する。本工程
でのエッチング工程では、まず、Arによるイオン・エ
ッチング法を利用して波長制御電極317に穴315を
形成した後に、比較的Al組成比にエッチング速度が依
存しない硫酸系のエッチング液を用いてp−GaAsコ
ンタクト層314とp−Al0.5Ga0.5As上部エッチ
ング除去層313とを貫通しGaAsエッチング除去層
313に達するまでエッチングを実施する。次に、本ウ
ェハを150℃で20分間ベークすることにより、図1
9に示すようにエッチング・マスクのフォトレジスト5
00を変形させ、p−GaAsコンタクト層314の溝
内に露出した側面をカバーさせる。この状態で、アンモ
ニア系のエッチング液を用いてエッチングを施すことに
よりGaAsのみを選択的にエッチングする。これによ
り、GaAsエッチング除去層312は穴315を中心
にその周辺がエッチング除去される。すなわち、図中の
斜線部分が除去され、空洞領域501が形成される。ま
た、この空洞領域501は、メサストライプ310方向
へは隣接する穴315から進行するエッチングにより除
去される領域が互いに接触するため、結果として幅約2
0μmの空洞領域となる。また、図19に示すように、
本工程におけるアンモニア系のエッチングはn−Al
0.5Ga0 .5As下部エッチング保護層311表面を露出
させることが可能である。
Subsequently, as shown in FIG. 17, a plurality of holes 315 each having a width of 5 μm and a depth of 1.6 μm are formed at positions 10 μm away from the mesa stripe 310 using photoresist 500 (see FIG. 19) as a mask. Are formed at intervals of 10 μm in a direction parallel to the mesa stripe 310. In the etching step in this step, first, a hole 315 is formed in the wavelength control electrode 317 using an ion etching method using Ar, and then a sulfuric acid-based etchant whose etching rate is relatively independent of the Al composition ratio is used. Then, etching is performed through the p-GaAs contact layer 314 and the p-Al 0.5 Ga 0.5 As upper etching removal layer 313 to reach the GaAs etching removal layer 313. Next, by baking the wafer at 150 ° C. for 20 minutes,
As shown in FIG. 9, the photoresist 5 of the etching mask
00 is deformed to cover the side surface exposed in the groove of the p-GaAs contact layer 314. In this state, only GaAs is selectively etched by performing etching using an ammonia-based etchant. As a result, the GaAs etching removal layer 312 is etched around the hole 315 and the periphery thereof. That is, the hatched portion in the figure is removed, and the cavity region 501 is formed. In the cavity region 501, regions removed by etching proceeding from the adjacent hole 315 in the direction of the mesa stripe 310 are in contact with each other.
It becomes a hollow area of 0 μm. Also, as shown in FIG.
The ammonia-based etching in this step is performed by n-Al
It is possible to expose the 0.5 Ga 0 .5 As lower etching protection layer 311 surface.

【0074】次に、100Pa以下の減圧雰囲気下でウ
ェハ表面を液晶と接触させ、穴315から空洞領域50
1に液晶を注入することにより、図18に示すような液
晶層419を形成する。本工程で減圧雰囲気が必要なの
は、閉空間である空洞領域501内の気体を排気し、表
面張力で液晶が空洞領域501に入り込み空洞領域50
1を完全に満たすようにすることが目的である。続い
て、ウェハ表面に紫外線硬化樹脂(図示せず)を塗布し
穴315の周辺にのみ紫外線を照射することにより液晶
を空洞領域501に閉じ込め、最後にへき開によりチッ
プ分割する。
Next, the wafer surface is brought into contact with the liquid crystal under a reduced pressure atmosphere of 100 Pa or less, and the cavity region 50 is inserted through the hole 315.
A liquid crystal layer 419 is formed as shown in FIG. The reason why the reduced pressure atmosphere is required in this step is that the gas in the hollow area 501, which is a closed space, is exhausted, and the liquid crystal enters the hollow area 501 due to surface tension, so that the liquid crystal enters the hollow area 501.
The purpose is to satisfy 1 completely. Subsequently, an ultraviolet curing resin (not shown) is applied to the surface of the wafer, and the liquid crystal is confined in the cavity region 501 by irradiating ultraviolet light only around the hole 315, and finally, the chip is divided by cleavage.

【0075】以上のようにして作製される本実施例のレ
ーザ装置の動作原理を以下に説明する。
The operating principle of the laser device of the present embodiment manufactured as described above will be described below.

【0076】メサストライプ310はpnダイオード構
成となっており、電極316と基板電極318との間に
電流を流すことによりメサストライプ310直下に位置
する活性層303にキャリアを注入することができる。
すなわち、このメサストライプ310部分が光を発生さ
せる活性領域となる。一方、メサストライプ310外部
はpinp構造となっているため電流は流れない。従っ
て、電極316に流した電流を、横方向に広がることな
くメサストライプ310直下の活性層303に効率的に
注入することが可能になる。また、電極317と電極3
16との間に加えた電圧は液晶層319またはpn逆バ
イアス界面に印加されることとなる。電界を印加しない
状態の液晶層319内の液晶分子は、実施例1および実
施例2と同様に、下部エッチング保護層311表面に存
在する回折格子306と同等形状を有する凹凸構造に平
行に配向している。一方、電極317と電極316との
間に電圧を加えた場合には液晶分子は回転し電界方向に
平行になる。従って、この2つの状態を利用して回折格
子306の光学ピッチを変化させることが可能となり、
メサストライプ310外の領域が波長制御領域に相当す
ることになる。実際の屈折率変化の原理は、上記実施例
2における図12と同様であるためここでの詳細な説明
は省略する。
The mesa stripe 310 has a pn diode structure, and carriers can be injected into the active layer 303 located immediately below the mesa stripe 310 by passing a current between the electrode 316 and the substrate electrode 318.
That is, the mesa stripe 310 becomes an active region for generating light. On the other hand, no current flows because the outside of the mesa stripe 310 has a pinp structure. Therefore, the current flowing through the electrode 316 can be efficiently injected into the active layer 303 immediately below the mesa stripe 310 without spreading in the horizontal direction. The electrode 317 and the electrode 3
16 is applied to the liquid crystal layer 319 or the pn reverse bias interface. The liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 319 to which no electric field is applied are oriented in parallel to the uneven structure having the same shape as the diffraction grating 306 existing on the surface of the lower etching protection layer 311 as in the first and second embodiments. ing. On the other hand, when a voltage is applied between the electrodes 317 and 316, the liquid crystal molecules rotate and become parallel to the direction of the electric field. Therefore, it is possible to change the optical pitch of the diffraction grating 306 using these two states,
The area outside the mesa stripe 310 corresponds to the wavelength control area. The principle of the actual change in the refractive index is the same as that in FIG. 12 in the second embodiment, and thus the detailed description is omitted here.

【0077】上述の原理は実施例2と同じであるが、本
実施例は、波長制御領域が、活性領域であるメサストラ
イプ310に対して光の進行方向ではなく、側面に位置
している点で実施例2と異なる。液晶層319よりn−
AlGaAsクラッド層307の屈折率が高いために、
活性領域で発生された光はメサストライプ310直下を
ストライプ方向に導波される。このとき光はメサストラ
イプ310の両側面方向にしみ出して伝播するため、液
晶層319の存在する波長制御領域に印加する電圧の値
を変化させることにより、等価的に導波光が感ずる回折
格子306の光学ピッチを変化させることができる。従
って、本実施例のレーザ装置は、DFB型半導体レーザ
装置の回折格子ピッチを外部電圧により連続的に変化さ
せることを可能とする構成になる。DFB型半導体レー
ザ装置の発振波長はその内部に形成された回折格子の光
学ピッチにより決定されるため、波長制御領域に電圧を
印加することにより発振レーザ波長を連続的に変化させ
ることが可能となる。また、液晶層319は電圧印加に
よる屈折率変化が半導体材料のそれと比較して非常に大
きいため、従来例のレーザ装置より広い範囲での波長可
変が可能となる。
The principle described above is the same as that of the second embodiment, but the present embodiment is different from the first embodiment in that the wavelength control region is located not on the light traveling direction but on the side surface of the mesa stripe 310 as the active region. This is different from the second embodiment. From the liquid crystal layer 319, n-
Since the refractive index of the AlGaAs cladding layer 307 is high,
Light generated in the active region is guided immediately below the mesa stripe 310 in the stripe direction. At this time, since the light seeps and propagates in both side directions of the mesa stripe 310, by changing the value of the voltage applied to the wavelength control region where the liquid crystal layer 319 exists, the diffraction grating 306 equivalent to the guided light can be sensed. Can be changed. Therefore, the laser device of the present embodiment has a configuration that enables the diffraction grating pitch of the DFB semiconductor laser device to be continuously changed by an external voltage. Since the oscillation wavelength of the DFB semiconductor laser device is determined by the optical pitch of the diffraction grating formed therein, the oscillation laser wavelength can be continuously changed by applying a voltage to the wavelength control region. . In addition, since the change in the refractive index of the liquid crystal layer 319 due to the application of a voltage is very large as compared with that of the semiconductor material, the wavelength can be changed in a wider range than the conventional laser device.

【0078】図20に、実際に本実施例のレーザ装置の
波長可変特性を測定した結果を示す。図から分かるよう
に、波長制御領域に印加する電圧を0Vから15Vまで
変化させることにより、852.2nmから845.7
nmまで約6.5nmの広範囲にわたって発振レーザ波
長を連続的に変化させることができる。
FIG. 20 shows the results of actually measuring the wavelength tunable characteristics of the laser device of this embodiment. As can be seen from the figure, by changing the voltage applied to the wavelength control region from 0 V to 15 V, the voltage is changed from 852.2 nm to 845.7.
It is possible to continuously change the oscillation laser wavelength over a wide range of about 6.5 nm down to nm.

【0079】また、本実施例のレーザ装置で波長を変化
させる場合においても、電圧の印加により液晶層319
の屈折率が大きく変化することを応用しているため、電
流を流す必要がなく、波長を変化させるのに必要な電力
を15μW程度と低く制御することができる。
In the case where the wavelength is changed by the laser device of this embodiment, the liquid crystal layer 319 is also applied by applying a voltage.
Since it is applied that the refractive index greatly changes, there is no need to supply a current, and the power required to change the wavelength can be controlled as low as about 15 μW.

【0080】図18に示す本実施例のレーザ装置では、
活性領域に相当するメサストライプ310内に電流(キ
ャリア)を注入するための電極316は単一であるが、
これを従来例のように光の進行方向に複数に分割し、そ
れらの電極に流す電流を変調することにより従来例で示
したような高速の波長可変機能を併設ことも可能であ
る。一般に、液晶による屈折率変化はその変化幅は大き
いが応答速度は1ms以上と遅い。逆に、活性領域での
キャリアのプラズマ効果による屈折率変化はその変化幅
は非常に小さいが応答速度は10GH以上と非常に速
い。従って、このように活性領域電極を複数に分割した
波長可変レーザ装置では、大まかな波長の調整、例えば
装置温度による波長のシフトを相殺するための調整や、
他のレーザ装置の発振波長との同調のための調整等は、
波長可変領域への電圧印加で行い、高速の波長可変特性
を要求される調整、例えば、光コヒーレント通信におけ
る信号送信用光周波数変調等は、活性領域における複数
の分割電極への電流(キャリア)注入により実施するこ
とができシステム応用上都合が良い。
In the laser device of this embodiment shown in FIG.
Although a single electrode 316 is used to inject a current (carrier) into the mesa stripe 310 corresponding to the active region,
This can be divided into a plurality in the traveling direction of light as in the conventional example, and a high-speed wavelength tunable function as shown in the conventional example can be provided by modulating the current flowing through the electrodes. Generally, the change in the refractive index due to the liquid crystal is large, but the response speed is as slow as 1 ms or more. Conversely, the change in the refractive index due to the plasma effect of the carriers in the active region has a very small change width, but the response speed is very high at 10 GH or more. Therefore, in the wavelength tunable laser device in which the active region electrode is divided into a plurality of pieces, adjustment of a rough wavelength, for example, adjustment for canceling a wavelength shift due to device temperature,
Adjustment for tuning with the oscillation wavelength of other laser devices
Adjustment required by applying a voltage to the wavelength tunable region and requiring high-speed wavelength tunable characteristics, such as optical frequency modulation for signal transmission in optical coherent communication, is performed by injecting current (carrier) into a plurality of divided electrodes in the active region. This is convenient for system application.

【0081】さらには、上記実施例2では液晶材料を半
導体レーザ装置の内部に注入するために装置端面から液
晶を進入させたが、本実施例ではレーザ装置上表面から
進入させることが可能でありウェハ状態のまま液晶注入
の処理が出来る。同様に、液晶を注入するための空洞領
域もウェハ表面からの処理で形成できる。このため、本
実施例では作製工程が非常に簡単になり、レーザ装置の
作製歩留りの向上や、作成に要する時間の大幅な短縮も
実現できる。
Further, in the second embodiment, the liquid crystal enters from the end face of the device in order to inject the liquid crystal material into the inside of the semiconductor laser device. However, in the present embodiment, the liquid crystal can enter from the upper surface of the laser device. Liquid crystal injection processing can be performed in a wafer state. Similarly, a cavity region for injecting liquid crystal can be formed by processing from the wafer surface. For this reason, in this embodiment, the manufacturing process is greatly simplified, and the manufacturing yield of the laser device can be improved and the time required for manufacturing can be significantly reduced.

【0082】(実施例4)図21に、本発明の他の実施
例4のレーザ装置における液晶層部分の構成図を示す。
図示するように、本実施例のレーザ装置は、液晶層40
3の上下に凹凸構造の回折格子401および402を有
する構造となっている。本構造の作製方法は、前述の実
施例のレーザ装置と同様であるが、回折格子401上に
エッチング除去層を結晶成長させる際の成長条件を異な
らせて、具体的には基板温度を通常より低下させて、回
折格子形状をエッチング除去層表面にも反映させるよう
にする。これにより、選択エッチングにより形成する空
洞部(液晶層403部分に対応する)を形成した場合
に、その上下に回折格子状の凹凸構造を露出させること
が可能となる。
(Embodiment 4) FIG. 21 shows a configuration diagram of a liquid crystal layer portion in a laser device according to another embodiment 4 of the present invention.
As shown in the figure, the laser device of the present embodiment includes a liquid crystal layer 40.
3 has diffraction gratings 401 and 402 having an uneven structure above and below. The method of fabricating this structure is the same as that of the laser device of the above-described embodiment, except that the growth conditions for crystal growth of the etching-removed layer on the diffraction grating 401 are changed. By lowering it, the shape of the diffraction grating is also reflected on the surface of the etching removal layer. Thus, when a cavity (corresponding to the liquid crystal layer 403) formed by selective etching is formed, it is possible to expose a diffraction grating-like uneven structure above and below the cavity.

【0083】本実施のレーザ例装置では、上記実施例と
同様に小さな電力で波長を変化させることが可能であ
り、かつ8nmと広範囲は波長可変範囲が得られる。ま
た、上述のように、液晶層403の上下に回折格子40
1および402を備えることにより、液晶層403に電
界を印加しない場合の液晶分子の配向状態をより厳密に
回折格子401に平行に制御することが可能となり、ひ
いては波長可変特性の装置間歩留りの向上が可能とな
る。
In the laser apparatus according to the present embodiment, the wavelength can be changed with a small power similarly to the above-described embodiment, and the wavelength variable range can be obtained in a wide range of 8 nm. Further, as described above, the diffraction grating 40 is provided above and below the liquid crystal layer 403.
Providing 1 and 402 makes it possible to more strictly control the alignment state of the liquid crystal molecules when no electric field is applied to the liquid crystal layer 403 so as to be parallel to the diffraction grating 401, thereby improving the inter-device yield of wavelength tunable characteristics. Becomes possible.

【0084】また、本発明は上記実施例に限られず、下
記のような場合にも同様の効果が期待できる。
Further, the present invention is not limited to the above embodiment, and similar effects can be expected in the following cases.

【0085】 半導体レーザ装置の具体的な構成が異
なる場合:具体的には、キャリアと光の分離閉じ込め構
造などの層厚方向の構造、埋め込みレーザ構造などの他
の層方向の構造などが異なる場合が相当する。
When the specific configuration of the semiconductor laser device is different: specifically, when the structure in the layer thickness direction such as a carrier / light separation / confinement structure and the structure in another layer direction such as a buried laser structure are different. Is equivalent.

【0086】 半導体レーザ装置を構成する材料が異
なる場合:具体的には、InGaAlAs/GaAs
系、InGaA1P/GaAs系、II−VI属半導体材料
等でもよい。
When the materials constituting the semiconductor laser device are different: specifically, InGaAlAs / GaAs
System, InGaAs1P / GaAs system, II-VI group semiconductor material and the like.

【0087】 回折格子の位置が異なる場合:具体的
には、活性層より基板側に存在する場合や、実施例2の
ストライプ方向の一部のみに回折格子が存在する場合等
が考えられる。
When the position of the diffraction grating is different: More specifically, there may be a case where the diffraction grating exists on the substrate side from the active layer, a case where the diffraction grating exists only in a part of the stripe direction in the second embodiment, and the like.

【0088】 回折格子の形状が異なる場合:具体的
には、2次または3次のグレーディングを適用した場
合、矩形波状・三角波状グレーディングを適用した場合
等である。
When the shape of the diffraction grating is different: More specifically, a case where secondary or tertiary grading is applied, a case where rectangular or triangular waveform grading is applied, and the like.

【0089】[0089]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の波長可変レーザ装置およびその作製方法によれば、低
消費電力での波長可変動作が可能で、連続的に変化させ
ることが可能な波長可変範囲が十分に広い波長可変レー
ザ装置を実現することが可能となる。
As is clear from the above description, according to the wavelength tunable laser device and the method of manufacturing the same of the present invention, the wavelength tunable operation can be performed with low power consumption and can be changed continuously. A tunable laser device having a sufficiently wide tunable range can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例1のレーザ装置の構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示すレーザ装置における層厚方向での屈
折率を示すグラフであり、(a)は電圧無印加状態を示
し、(b)は電圧印加状態を示す。
2 is a graph showing a refractive index in a layer thickness direction in the laser device shown in FIG. 1, wherein (a) shows a state where no voltage is applied, and (b) shows a state where a voltage is applied.

【図3】図1に示すレーザ装置における波長可変特性を
示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing wavelength tunable characteristics in the laser device shown in FIG.

【図4】本発明の実施例2のレーザ装置の作製工程を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例2のレーザ装置の作製工程を示
す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例2のレーザ装置の作製工程を示
す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the second embodiment of the present invention.

【図7】(a)は、本発明の実施例2のレーザ装置の作
製工程を示す図であり、(b)は、(a)に示す活性層
部分の拡大図である。
FIG. 7A is a diagram illustrating a manufacturing process of a laser device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 7B is an enlarged view of an active layer portion illustrated in FIG.

【図8】本発明の実施例2のレーザ装置の作製工程を示
す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の実施例2のレーザ装置の作製工程を示
す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the second embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実施例2のレーザ装置の作製工程を
示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施例2のレーザ装置を示す斜視図
である。
FIG. 11 is a perspective view illustrating a laser device according to a second embodiment of the present invention.

【図12】図11に示すレーザ装置における層厚方向で
の屈折率を示すグラフであり、(a)は電圧無印加状態
を示し、(b)は電圧印加状態を示す。
12 is a graph showing a refractive index in a layer thickness direction of the laser device shown in FIG. 11, wherein (a) shows a state where no voltage is applied, and (b) shows a state where a voltage is applied.

【図13】図11に示すレーザ装置における波長可変特
性を示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing wavelength tunable characteristics in the laser device shown in FIG.

【図14】本発明の実施例3のレーザ装置の作製工程を
示す図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the third embodiment of the present invention.

【図15】本発明の実施例3のレーザ装置の作製工程を
示す図である。
FIG. 15 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the third embodiment of the present invention.

【図16】本発明の実施例3のレーザ装置の作製工程を
示す図である。
FIG. 16 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the third embodiment of the present invention.

【図17】本発明の実施例3のレーザ装置の作製工程を
示す図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating a manufacturing process of the laser device according to the third embodiment of the present invention.

【図18】本発明の実施例3のレーザ装置を示す斜視図
である。
FIG. 18 is a perspective view illustrating a laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図19】本発明の実施例3のレーザ装置の作製工程に
おけるレジストによる側面保護の概念図である。
FIG. 19 is a conceptual diagram of side protection by a resist in a manufacturing process of a laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図20】図18に示すレーザ装置における波長可変特
性を示すグラフである。
20 is a graph showing a wavelength tunable characteristic in the laser device shown in FIG.

【図21】本発明の実施例4のレーザ装置の液晶層周辺
構造を示す図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a structure around a liquid crystal layer of a laser device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図22】(a)〜(c)は、従来の第1例のレーザ装
置の作製工程を示す図であり、(d)は、このレーザ装
置の斜視図である。
FIGS. 22A to 22C are views showing a manufacturing process of the laser device of the first conventional example, and FIG. 22D is a perspective view of the laser device.

【図23】図22に示すレーザ装置における波長可変特
性を示すグラフである。
FIG. 23 is a graph showing wavelength tunable characteristics in the laser device shown in FIG. 22;

【図24】従来の第2例のレーザ装置を示す図である。FIG. 24 is a view showing a second conventional laser device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110 活性部 112 下部クラッド層 113 活性層 114 上部クラッド層 120 波長制御部 122 下部クラッド層 123 液晶コア層 124 上部クラッド層 125 回折格子 130 レンズ Reference Signs List 110 active portion 112 lower cladding layer 113 active layer 114 upper cladding layer 120 wavelength controller 122 lower cladding layer 123 liquid crystal core layer 124 upper cladding layer 125 diffraction grating 130 lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下中 淳 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−35978(JP,A) 特開 平4−142090(JP,A) 特開 平1−140124(JP,A) 特開 昭63−235904(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Jun Shimonaka 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (56) References JP-A-64-35978 (JP, A) JP-A-4 -142090 (JP, A) JP-A-1-140124 (JP, A) JP-A-63-235904 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01S 3/18 JICST File (JOIS)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光を発生、導波させるための第1導波手
段を備える活性部と、 該第1導波手段内を導波される光を該第1導波手段内へ
反射させるための第1光反射手段と、 周期状凹凸構造体と、該周期状凹凸構造体に接する液晶
層とを含む第2導波手段、および該液晶層に電圧を印加
するための制御手段を備え、該第1導波手段を挟んで該
第1光反射手段と相対する位置にあり、かつ該活性部と
光学的に結合されている波長制御部と、 該第2導波手段内を導波される光を該第2導波手段内へ
反射させるための第2光反射手段とを備える波長可変レ
ーザ装置。
An active part having first waveguide means for generating and guiding light; and reflecting light guided in the first waveguide means into the first waveguide means. A first light reflecting means, a second waveguide means including a periodic uneven structure, a liquid crystal layer in contact with the periodic uneven structure, and a control means for applying a voltage to the liquid crystal layer, A wavelength control unit which is located at a position opposite to the first light reflecting unit with the first waveguide unit interposed therebetween and is optically coupled to the active unit; A second light reflecting means for reflecting the reflected light into the second waveguide means.
【請求項2】 前記活性部と前記波長制御部とが同一基
板上に形成されている、請求項1に記載の波長可変レー
ザ装置。
2. The tunable laser device according to claim 1, wherein said active section and said wavelength control section are formed on the same substrate.
【請求項3】 前記第1導波手段が、レーザ光を発生す
るための第1層と、該第1層を挟んで形成され、互いに
導電型が異なり、かつ該第1層の屈折率より小さい屈折
率を有する第2層および第3層とを備え、前記波長制御
部の前記周期状凹凸構造体が、該第1層から発生された
光の少なくとも一部を導波し、かつ導波する光を分布帰
還させるための回折格子である、請求項2に記載の波長
可変レーザ装置。
3. The first waveguide means is formed with a first layer for generating a laser beam and a first layer sandwiching the first layer. The first waveguide means has different conductivity types from each other and has a refractive index higher than that of the first layer. A second layer having a small refractive index, and a third layer having a small refractive index, wherein the periodic uneven structure of the wavelength control unit guides at least a part of light generated from the first layer; The wavelength tunable laser device according to claim 2, wherein the wavelength tunable laser device is a diffraction grating for performing distributed feedback of generated light.
【請求項4】 前記第2導波手段が前記周期状凹凸構造
体を2つ有し、前記液晶層が該2つの周期状凹凸構造体
に挟持されている、請求項1に記載の波長可変レーザ装
置。
4. The wavelength tunable according to claim 1, wherein the second waveguide has two of the periodic uneven structures, and the liquid crystal layer is sandwiched between the two periodic uneven structures. Laser device.
【請求項5】 基板上に、光を発生、導波させるための
第1導波手段となる複数の第1半導体層、および該第1
半導体層と隣接する、波長制御部の第2導波手段となる
複数の第2半導体層を結晶成長させる工程と、 該第2半導体層に周期状凹凸構造体を形成する工程と、 選択エッチング法を用いて、該複数の第2半導体層のう
ちの最上層を除く少なくとも1層以上の半導体層を除去
することにより、該周期状凹凸構造体の少なくとも一部
を露出させる工程と、 露出された該周期状凹凸構造体の表面に液晶材料を接触
させる工程とを包含する波長可変レーザ装置の作製方
法。
5. A plurality of first semiconductor layers serving as first waveguide means for generating and guiding light on a substrate;
Crystal growing a plurality of second semiconductor layers adjacent to the semiconductor layer and serving as second waveguide means of the wavelength control unit; forming a periodic uneven structure in the second semiconductor layer; Exposing at least a part of the periodic concavo-convex structure by removing at least one or more semiconductor layers excluding the uppermost layer of the plurality of second semiconductor layers using Bringing a liquid crystal material into contact with the surface of the periodic uneven structure.
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