(57)【要約】【課題】上部反射鏡が誘電体材料により形成されており、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することが可能な面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】基板上に形成された下部反射鏡と、前記下部反射鏡の上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成された上部反射鏡と、を有し、上部反射鏡が形成されている側における射出領域の中心部分よりレーザ光を射出するものであって、前記上部反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層することにより形成された誘電体多層膜により形成されており、前記活性層と前記上部反射鏡との間における前記射出領域の周辺部分には、射出領域の中心部分よりも反射率が低くなるように誘電体層が設けられており、前記基板面に平行な面における前記誘電体層の形状は、相互に直交する方向において異方性を有していることを特徴とする面発光レーザ素子を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された下部反射鏡と、
前記下部反射鏡の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された上部反射鏡と、
を有し、上部反射鏡が形成されている側における射出領域の中心部分よりレーザ光を射出するものであって、
前記上部反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層することにより形成された誘電体多層膜により形成されており、
前記活性層と前記上部反射鏡との間における前記射出領域の周辺部分には、射出領域の中心部分よりも反射率が低くなるように誘電体層が設けられており、
前記基板面に平行な面における前記誘電体層の形状は、相互に直交する方向において異方性を有していることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層の上には、スペーサ層が形成されており、
前記スペーサ層と前記上部反射鏡との間には、半導体材料によりコンタクト層が形成されており、
前記コンタクト層は電極と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記コンタクト層と前記上部反射鏡との間には、波長調整層が形成されており、
前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々射出する複数の面発光レーザを有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
基板上に形成された下部反射鏡と、
前記下部反射鏡の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された第１の上部反射鏡と、
前記第１の上部反射鏡の上に設けられた第２の上部反射鏡と、
を有し、前記第２の上部反射鏡が形成されている側における射出領域の中心部分よりレーザ光を射出するものであって、
前記第１の上部反射鏡は、屈折率の異なる半導体を交互に積層することにより形成された半導体多層膜により形成されており、
前記第２の上部反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層することにより形成された誘電体多層膜により形成されており、
前記第１の上部反射鏡と前記第２の上部反射鏡との間における前記射出領域の周辺部分には、射出領域の中心部分よりも反射率が低くなるように誘電体層が設けられており、
前記基板面に平行な面における前記誘電体層の形状は、相互に直交する方向において異方性を有していることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記第１の上部反射鏡と前記第２の上部反射鏡との間は、半導体材料によりコンタクト層が形成されており、
前記コンタクト層の上に、前記誘電体層が形成されており、
前記コンタクト層は電極と接続されていることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記コンタクト層と前記第２の上部反射鏡との間には、波長調整層が形成されており、
前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々射出する複数の面発光レーザを有するものであることを特徴とする請求項４または５に記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記波長調整層は２種類の半導体層を交互に積層した膜により形成されているものであって、前記積層した膜の一部を各々の層ごとに除去することにより、前記波長調整層の厚さを変えたものであることを特徴とする請求項３または６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記レーザ光の波長は、７８０．２ｎｍ、７９５．０ｎｍ、８５２．３ｎｍ、８９４．６ｎｍであることを特徴とする請求項３、６、７のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記下部反射鏡は、屈折率の異なる半導体を交互に積層することにより形成された半導体多層膜により形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の面発光レーザ素子と、
アルカリ金属を封入したアルカリ金属セルと、
前記面発光レーザ素子における面発光レーザより前記アルカリ金属セルに照射した光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記面発光レーザより出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御することを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子及び原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を射出する半導体レーザであり、端面発光型の半導体レーザと比較して、低価格、低消費電力、小型であって高性能であること、また２次元的に集積化しやすいといった特徴を有している。
【０００３】
面発光レーザは、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡からなる共振器構造を有している。このため、共振器領域は、発振波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振するように所定の光学的な厚さで形成されている。上部反射鏡及び下部反射鏡は、屈折率の異なる材料、即ち、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層することにより形成されており、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料と高屈折率材料の光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。
【０００４】
これら上部反射鏡及び下部反射鏡は分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）により形成されており、例えば、基板にＧａＡｓ基板を用いた場合には、ＧａＡｓ基板と格子整合しやすいＡｌＧａＡｓ系材料がよく用いられる。一般的に、通常の面発光レーザは、下部反射鏡はｎ型により形成されており、上部反射鏡はｐ型により形成されている場合が多い。この場合、ｐ型により形成されているＤＢＲは、ｎ型により形成されているＤＢＲに比べて、エネルギーバンド不連続性に起因する素子抵抗の増大が懸念される。
【０００５】
また、活性層を形成する量子井戸層がＩｎＧａＡｓＰ系材料により形成されている長波長帯半導体レーザの場合では、一般的に、この材料に格子整合するＩｎＰ基板が用いられる。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ系材料により面発光レーザを作製し、所望の反射率を得るためには、一方の側のＤＢＲのみで、５０周期を超える厚い多層膜を形成する必要がある。これは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料のように、組成比に対し屈折率が大きく変化するという特性を有していないため、組成比を変えることにより、所望の屈折率差を得ることが困難であるからである。このように、ＤＢＲにおいて多層膜の周期が多いと、素子抵抗が増大し、更には、放熱等も良好ではなくなるため、信頼性等の観点において好ましくはない。
【０００６】
このため、ＤＢＲを形成する材料として、半導体材料に代えて誘電体材料を用いる方法が開示されている。この場合、誘電体材料は高い絶縁性を有しているため、誘電体材料により形成されたＤＢＲを迂回して電流経路を設ける必要がある。このような構造の面発光レーザは、いわゆるイントラキャビティ型と呼ばれている。
【０００７】
また、ＤＢＲを誘電体材料により形成する場合、ＤＢＲを半導体材料により形成する場合に比べて、低屈折率材料と高屈折率材料との屈折率差が大きくすることができる。従って、ＤＢＲを誘電体材料により形成する場合、ＤＢＲを半導体材料により形成する場合に比べて、多層膜の周期が少なくても大きな反射率を得ることができる。このように、ＤＢＲを誘電体材料により形成することにより、多層膜の積層数を減らすことができ、多層膜の積層方向における厚さを薄くすることができるという利点を有している。
【０００８】
ところで、面発光レーザが用いられる分野においては、面発光レーザより射出される光（「射出光」と記載する場合がある）は、断面形状が円形、偏光方向が一定であることが求められる場合が多い。
【０００９】
このように、射出光の断面形状を円形とするためには、高次横モードの発振を抑制することが必要となることから、特許文献１等においては高次横モードの発振を抑制する方法等が開示されており、特許文献２等においては射出光の偏光方向の制御する方法等が開示されている。更には、特許文献３及び４においては、高次横モードの発振制御と偏光方向の制御とを両立させる方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１及び２に開示されている方法では、高次横モードの発振制御と偏光方向の制御を両立させることは困難である。また、特許文献３及び４においては、反射鏡を誘電体材料により形成する旨の開示はなされておらず、反射鏡を誘電体材料により形成する場合に、特許文献３及び４に記載されている方法をそのまま適用することはできない。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、上部反射鏡の一部または全部が誘電体材料により形成されており、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することが可能な面発光レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本実施の形態の一観点によれば、基板上に形成された下部反射鏡と、前記下部反射鏡の上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成された上部反射鏡と、を有し、上部反射鏡が形成されている側における射出領域の中心部分よりレーザ光を射出するものであって、前記上部反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層することにより形成された誘電体多層膜により形成されており、前記活性層と前記上部反射鏡との間における前記射出領域の周辺部分には、射出領域の中心部分よりも反射率が低くなるように誘電体層が設けられており、前記基板面に平行な面における前記誘電体層の形状は、相互に直交する方向において異方性を有していることを特徴とする。
【００１３】
また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板上に形成された下部反射鏡と、前記下部反射鏡の上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成された第１の上部反射鏡と、前記第１の上部反射鏡の上に設けられた第２の上部反射鏡と、を有し、前記第２の上部反射鏡が形成されている側における射出領域の中心部分よりレーザ光を射出するものであって、前記第１の上部反射鏡は、屈折率の異なる半導体を交互に積層することにより形成された半導体多層膜により形成されており、前記第２の上部反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層することにより形成された誘電体多層膜により形成されており、前記第１の上部反射鏡と前記第２の上部反射鏡との間における前記射出領域の周辺部分には、射出領域の中心部分よりも反射率が低くなるように誘電体層が設けられており、前記基板面に平行な面における前記誘電体層の形状は、相互に直交する方向において異方性を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上部反射鏡の一部または全部が誘電体材料により形成されており、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することが可能な面発光レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図
【図２】第１の実施の形態における他の面発光レーザ素子の説明図（１）
【図３】第１の実施の形態における他の面発光レーザ素子の説明図（２）
【図４】第１の実施の形態における他の面発光レーザ素子の説明図（３）
【図５】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図
【図６】第３の実施の形態における原子発振器の構造図
【図７】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図８】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図９】変調周波数と透過光量との相関図
【図１０】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の構造図
【図１１】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図１２】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図
【図１３】第３の実施の形態における変形例の面発光レーザ素子の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１７】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における面発光レーザ素子について図１に基づき説明する。尚、図１（ａ）は、本実施の形態における面発光レーザ素子の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における一点鎖線１Ａ−１Ｂにおいて切断した断面図である。尚、本実施の形態において説明する面発光レーザは、発振波長が８９５ｎｍ帯の面発光レーザである。
【００１８】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７、コンタクト層１０８が積層形成されている。尚、本実施の形態においては、スペーサ層１０３は下部スペーサ層に相当するものであり、スペーサ層１０５及び１０７は上部スペーサ層に相当するものであり、電流狭窄層１０６は、上部スペーサ層の一部に形成されている。また、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７、コンタクト層１０８等の半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）によるエピタキシャル成長により形成されている。
【００１９】
基板１０１には、ｎ−ＧａＡｓ基板が用いられており、下部反射鏡１０２は、半導体多層膜により形成されており、光学的厚さがλ／４のｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とを交互に３５．５ペア積層することにより形成されている。
【００２０】
スペーサ層１０３、１０５及び１０７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されており、活性層１０４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＧａＩｎＰＡｓ障壁層を交互に積層することにより形成されている。また、コンタクト層１０８は、ｐ−ＧａＡｓにより形成されている。尚、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７及びコンタクト層１０８により共振器領域が形成されており、この共振器領域における光学的な厚さが、３波長程度となるように形成されている。
【００２１】
後述するメサの上面となるコンタクト層１０８の上には、メサの上面の周辺部分に低反射率領域を形成するための誘電体層１１１が形成されている。この誘電体層１１１は、光学的な厚さがλ／４となるようなＳｉＮにより形成されている。具体的には、誘電体層１１１は、誘電体層１１１を形成するためのＳｉＮ膜を成膜した後、誘電体層１１１が形成される領域にレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をエッチングにより除去することにより形成する。このように形成される誘電体層１１１は、中央部分に略長方形の開口領域を有し、外形が略長方形となるようにロの字状となるように形成する。尚、基板１０１面に平行な面において、形成される誘電体層１１１における略長方形の形状は、Ｙ軸方向が長手方向となり、Ｘ軸方向が短手方向となるように形成されている。
【００２２】
このように、メサの上面において射出領域の周辺部分に、射出領域の中心部分の反射率よりも反射率が低くなるような誘電体層１１１を形成することにより、基本横モードの出力を低下させることなく、高次横モードの発振を抑制することができる。また、低反射率領域を形成するための誘電体層１１１の形状を、相互に直交する方向において異なる形状となるように、即ち、相互に直交する方向において異方性を有する形状となるように形成することにより、光の閉じ込め作用に異方性を生じさせることができる。これにより射出される光の偏光方向を制御することができる。
【００２３】
この後、コンタクト層１０８及び誘電体層１１１の上に、メサを形成するためのレジストパターンを形成し、コンタクト層１０８、スペーサ層１０７、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０５、活性層１０４、スペーサ層１０３、下部反射鏡１０２の一部をエッチング等により除去することによりメサを形成する。メサを形成する際のエッチング方法としては、ドライエッチング法等を用いることができる。また、形成されるメサの上面の形状は、図１（ａ）に示されるように、略長方形となるように形成する。尚、形成されるメサの上面の形状は、後述するように、楕円等の形状であってもよい。
【００２４】
電流狭窄層１０６は、ＡｌＡｓにより形成されており、メサを形成することにより電流狭窄層１０６の側面を露出させて、この後、水蒸気中で熱処理することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０６ａを形成する。具体的には、選択酸化において、電流狭窄層１０６に含まれるＡｌを酸化することにより絶縁体となるＡｌｘＯｙが形成され、選択酸化領域１０６ａが形成される。これにより、電流狭窄層１０６において酸化がなされたなった中心部分に電流狭窄領域１０６ｂが形成される。
【００２５】
また、メサの側面等にはＳｉＮ等からなる保護膜１１２が形成されている。保護膜１１２は、最初にＳｉＮ膜を成膜した後、メサの上面において後述する上部電極１２１が形成される領域等に開口部を有するレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をエッチングにより除去することにより形成することができる。このように、本実施の形態においては、メサの側面及びメサの周囲の底面に保護膜１１２を形成することにより、メサの側面及びメサの周囲の底面が保護されるため、腐食等がされにくく、信頼性を向上させることができる。
【００２６】
更に、メサを形成する際にエッチングにより除去された領域をポリイミドにより埋め込むことにより平坦化させた後、メサの上面におけるポリイミドを除去することにより、残存するポリイミドによりポリイミド層１１３を形成する。
【００２７】
メサの上面に形成されている誘電体層１１１の外側の周辺部分においては、コンタクト層１０８の上に、誘電体層１１１を囲むようにｐ側個別電極となる上部電極１２１が形成されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側個別電極となる下部電極１２２が形成されている。
【００２８】
更に、メサの上面において、上部電極１２１に囲まれている中央部分には、上部反射鏡１３０が形成されている。上部反射鏡１３０は、誘電体多層膜により形成されており、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成されている。本実施の形態においては、上部反射鏡１３０は、ＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とが、交互に８．５ペア積層することにより形成されている。
【００２９】
従って、本実施の形態における面発光レーザ素子は、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１３０により共振器領域が挟まれた構造となっている。
【００３０】
このように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、誘電体材料により上部反射鏡が形成されているものであって、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することができるものである。
【００３１】
尚、低反射率領域を形成するための誘電体層１１１はＳｉＮに限定されるものではない。また、誘電体層１１１の膜厚もλ／４に限定されるものではなく、λ／４の奇数倍であれば反射率を効率よく低減することができ、同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、メサの上面において形成される誘電体層１１１等の形状は、図１（ａ）に示される形状以外の形状であってもよい。
【００３３】
具体的には、図２に示されるように、メサの上面において、中央部分に楕円状の開口領域を有し、外形が楕円状となるように誘電体層１１１ａが形成されているものであってもよい。この際、形成される誘電体層１１１ａは、楕円の長径がＹ軸方向となり、短径がＸ軸方向となるように形成する。この場合、上部反射鏡１３０は、中央部分における誘電体層１１１ａの楕円状の開口領域に形成される。
【００３４】
また、図３に示されるように、メサの上面において、中央部分に略正方形の開口領域を有し、外形が略正方形となるものであって、Ｙ軸方向において誘電体層の一部が除去されている誘電体層除去領域１１２ｂを有している誘電体層１１１ｂが形成されているものであってもよい。この場合、中央部分における誘電体層１１１ｂの開口領域に上部反射鏡１３０が形成される。
【００３５】
また、図４に示されるように、メサの上面において、中央部分に略円形の開口領域を有し、外形が略円形となるものであって、Ｙ軸方向において誘電体層の一部が除去されている誘電体層除去領域１１２ｃを有している誘電体層１１１ｃが形成されているものであってもよい。この場合、中央部分における誘電体層１１１ｃの開口領域に上部反射鏡１３０が形成される。
【００３６】
このように、誘電体層１１１等は、メサの上面において、Ｘ軸方向における形状とＹ軸方向における形状が異なる形状となるように形成されているものであればよい。即ち、メサ上面において、直交する方向における形状が異なる形状となるように形成されているものであればよい。
【００３７】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。図５は、本実施の形態における面発光レーザの断面図である。
【００３８】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、第１の上部反射鏡２０７、コンタクト層１０８が積層形成されている。尚、電流狭窄層１０６は、第１の上部反射鏡２０７の一部として形成されている。また、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、第１の上部反射鏡２０７、コンタクト層１０８等の半導体層は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長により形成されている。
【００３９】
基板１０１には、ｎ−ＧａＡｓ基板が用いられており、下部反射鏡１０２は、半導体多層膜により形成されており、光学的厚さがλ／４のｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とを交互に３５．５ペア積層することにより形成されている。
【００４０】
スペーサ層１０３及び１０５は、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓにより形成されており、活性層１０４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＧａＩｎＰＡｓ障壁層を交互に積層することにより形成されている。尚、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５により共振器領域が形成されており、この共振器領域における光学的な厚さは、１波長程度となるように形成されている。
【００４１】
また、第１の上部反射鏡２０７は、半導体多層膜により形成されており、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とを交互に５．５ペア積層することにより形成されている。また、コンタクト層１０８は、ｐ−ＧａＡｓにより形成されている。
【００４２】
また、コンタクト層１０８、第１の上部反射鏡２０７、電流狭窄層１０６等をエッチングにより除去することによりメサが形成されている。メサを形成する際のエッチング方法としては、ドライエッチング法等を用いることができる。また、形成されるメサの上面の形状は、例えば、第１の実施の形態における面発光レーザ素子と同様に、略長方形の形状となるように形成する。尚、メサの上面における形状については、第１の実施の形態と同様に、楕円等の形状により形成したものであってもよい。
【００４３】
電流狭窄層１０６は、ＡｌＡｓにより形成されており、メサを形成することにより電流狭窄層１０６の側面を露出させて、この後、水蒸気中で熱処理することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０６ａを形成する。具体的には、選択酸化において、電流狭窄層１０６に含まれるＡｌを酸化することにより絶縁体となるＡｌｘＯｙが形成され、選択酸化領域１０６ａが形成される。これにより、電流狭窄層１０６において酸化がなされたなった中心部分に電流狭窄領域１０６ｂが形成される。
【００４４】
また、メサの上面となるコンタクト層１０８の上には、メサの上面の周辺部分に低反射率領域を形成するための誘電体層１１１が形成されている。この誘電体層１１１は、光学的な厚さがλ／４となるようなＳｉＮにより形成されている。また、メサの側面等には保護膜１１２が形成されている。本実施の形態においては、誘電体層１１１及び保護膜１１２は、ともにＳｉＮにより形成されており、この場合、誘電体層１１１及び保護膜１１２は、同時に形成することが可能である。具体的には、誘電体層１１１及び保護膜１１２は、誘電体層１１１及び保護膜１１２を形成するためのＳｉＮ膜を成膜した後、誘電体層１１１及び保護膜１１２が形成される領域にレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をエッチングにより除去することにより、誘電体層１１１及び保護膜１１２を形成する。このように形成される誘電体層１１１は、中央部分に略長方形の開口領域を有し、外形が略長方形となるようにロの字状となるように形成する。尚、第１の実施の形態と同様に、形成される誘電体層１１１は、基板１０１に平行な面において、略長方形の形状が、Ｙ軸方向が長手方向となり、Ｘ軸方向が短手方向となるように形成されている。
【００４５】
このように、メサの上面において射出領域の周辺部分に、射出領域の中心部分の反射率よりも反射率が低くなるような誘電体層１１１を形成することにより、基本横モードの出力を低下させることなく、高次横モードの発振を抑制することができる。また、低反射率領域を形成するための誘電体層１１１の形状を、相互に直交する方向において異なる形状となるように、即ち、相互に直交する方向において異方性を有する形状となるように形成することにより、光の閉じ込め作用に異方性を生じさせることができる。これにより射出される光の偏光方向を制御することができる。
【００４６】
また、本実施の形態においては、メサの側面及びメサの周囲の底面に保護膜１１２が形成されており、メサの側面及びメサの周囲の底面が保護されるため、腐食等がされにくく、信頼性を向上させることができる。
【００４７】
更に、メサを形成する際にエッチングにより除去された領域をポリイミドにより埋め込むことにより平坦化させた後、メサの上面におけるポリイミドを除去することにより、残存するポリイミドによりポリイミド層１１３を形成する。
【００４８】
メサの上面に形成されている誘電体層１１１の外側の周辺部分においては、コンタクト層１０８の上に、誘電体層１１１を囲むようにｐ側個別電極となる上部電極１２１が形成されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側個別電極となる下部電極１２２が形成されている。
【００４９】
更に、メサの上面において、上部電極１２１に囲まれている中央部分には、第２の上部反射鏡２３０が形成されている。第２の上部反射鏡２３０は、誘電体多層膜により形成されており、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成されている。本実施の形態においては、上部反射鏡２３０は、ＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とが、交互に８．５ペア積層することにより形成されている。
【００５０】
従って、本実施の形態における面発光レーザ素子は、下部反射鏡１０２と第１の上部反射鏡２０７及び第２の上部反射鏡２３０により共振器領域が挟まれた構造となっている。
【００５１】
このように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、誘電体材料により上部反射鏡が形成されているものであって、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することができるものである。
【００５２】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００５３】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、セシウムＤ１ラインを用いたＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子発振器（原子時計）及び原子発振器等に用いられる面発光レーザ素子である。
【００５４】
ところで、極めて正確な時間を計る時計として原子発振器（原子時計）があり、この原子発振器を小型化する技術等の検討がなされている。原子発振器とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。このような原子発振器には、幾つかの方式があるが、中でも、ＣＰＴ方式の原子発振器は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる。
【００５５】
次に、図６に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。
【００５６】
光源４１０には、後述する面発光レーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル４４０には、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器４５０は、フォトダイオードが用いられている。
【００５７】
本実施の形態における原子発振器は、光源４１０より射出された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされて、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子を変調する。
【００５８】
図７には、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位を示す。本実施の形態における原子発振器は、２つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用したものである。光源４１０となる面発光レーザには、搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い面発光レーザを用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。図８に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図９に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となるので、光検出器４５０における出力が最大値を保持するようにフィードバックして面発光レーザの変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。
【００５９】
動作時における面発光レーザにおけるレーザ光波長の微調整には発振波長の温度依存性、出力依存性を利用している。この場合、搬送波の波長精度として特定波長±１ｎｍ程度が求められる。生産性を考えると設定温度や出力も同程度であることが好ましく、よって、±０．１５ｎｍ程度の精度であることがより一層好ましい。
【００６０】
しかしながら、半導体層等における成長速度のばらつき、膜厚分布等の影響により、再現性よく、均一性の高いまったく同じ波長で発振する面発光レーザを作製することは困難である。通常のＭＯＣＶＤ装置や、ＭＢＥ装置では面内の膜厚均一性１％〜２％程度であるため、波長８５０ｎｍの場合においては、８．５ｎｍ〜１７ｎｍの面内分布が発生してしまう。このため、例えば、λ±１ｎｍの精度が求められている用途においては、面発光レーザ素子の歩留りが極めて低くなってしまう。
【００６１】
そこで、歩留まりを向上させるために波長調整層を用いる方法が考えられる。面発光レーザは、結晶成長における膜厚のバラツキにより、例えば、±１ｎｍの範囲において均一な発振波長を得ることは困難ではあるが、後述する本実施の形態における面発光レーザ素子は、チップ内で発振波長の異なる面発光レーザが複数形成されている面発光レーザチップであり、この面発光レーザチップにおける面発光レーザより、所望とする特定波長に近い発振波長の面発光レーザを選んで使用することにより、所望の発振波長のレーザ光を射出させることができる。これにより、面発光レーザ素子としての歩留まりを向上させることができ、原子発振器を低コストで作製し提供することができる。このようなチップ内において波長の異なる多波長のレーザ光を射出させることのできる面発光レーザ素子は、原子発振器以外にも、波長多重通信等の用途に用いることも可能である。
【００６２】
（面発光レーザ素子）
次に、本実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。図１０は、本実施の形態における面発光レーザ素子となる面発光レーザチップの断面構造を模式的に示したものであり、図１１は上面図である。この面発光レーザチップは、３００μｍ角の半導体基板等により形成されたチップ上に、各々面発光レーザからなる４つの発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４を有する面発光レーザチップの例である。尚、図１０においては、説明の便宜上、４つの発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４が、横に一列となるように記載されている。この４つの発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４のうち、３つの発光素子部３０１、３０２、３０３は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子に各々波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃが設けられている構造のものであり、発光素子部３０４は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子と略同様の構造のものである。
【００６３】
具体的には、半導体等からなる基板１０１上に、下部反射鏡（ＤＢＲ）１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７、コンタクト層１０８が積層形成されている。更に、コンタクト層１０８の上には、メサの上面の周辺部分に上部電極１２１が形成されており、各々の発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４における上部電極１２１は、各々電極バッド３２１、３２２、３２３、３２４が接続されている。即ち、発光素子部３０１における上部電極１２１には電極バッド３２１が接続されており、発光素子部３０２における上部電極１２１には電極バッド３２２が接続されており、発光素子部３０３における上部電極１２１には電極バッド３２３が接続されており、発光素子部３０４における上部電極１２１には電極バッド３２４が接続されている。また、各々の発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４間においては、ポリイミド層１１３が形成されており、基板１０１の裏面には、下部電極１２２が設けられている。尚、図１０においては、誘電体層１１１及び保護膜１１２等は省略されているものとする。
【００６４】
発光素子部３０１となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に波長調整層３１０ａが形成されており、この波長調整層３１０ａの上に、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成された上部反射鏡（ＤＢＲ）１３０が形成されている。また、発光素子部３０２となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に波長調整層３１０ｂが形成されており、この波長調整層３１０ｂの上に、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成された上部反射鏡１３０が形成されている。また、発光素子部３０３となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に波長調整層３１０ｃが形成されており、この波長調整層３１０ｃの上に、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成された上部反射鏡１３０が形成されている。また、発光素子部３０４となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に波長調整層が形成されてはおらず、コンタクト層１０８の上に、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成された上部反射鏡１３０が形成されている。従って、発光素子部３０４は第１の実施の形態における面発光レーザ素子と同様の構造となる。
【００６５】
本実施の形態においては、波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃの厚さは相互に異なっている。具体的には、波長調整層３１０ａは３層の半導体層により形成されており、波長調整層３１０ｂは２層の半導体層により形成されており、波長調整層３１０ｃは１層の半導体層により形成されている。また、発光素子部３０４においては波長調整層が形成されてはいない。このため、共振器となる領域の長さが、各々相互に異なっているため、４つの発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４より射出される波長は相互に異なる。
【００６６】
具体的には、発光素子部３０１からは波長λ１のレーザ光が射出され、発光素子部３０２からは波長λ２のレーザ光が射出され、発光素子部３０３からは波長λ３のレーザ光が射出され、発光素子部３０４からは波長λ４のレーザ光が射出される。尚、波長λ１、λ２、λ３、λ４は相互に異なる波長である。また、チップサイズは３００μｍ角であり、通常の一つの面発光レーザが設けられている面発光レーザ素子と同等の大きさである。
【００６７】
尚、波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃは、３層の半導体層を形成した後、必要に応じて、フォトリソグラフィの工程と選択エッチングの工程とを行うことにより、波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃを各々異なる層数となるように形成することができる。よって、波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃの厚さが相互に異なる厚さとなるように形成することができる。
【００６８】
尚、ＣＰＴ共鳴のためには、アルカリ金属を封入したガスセルに照射するレーザ光には純粋な円偏光が要求される。λ／４板で円偏光を生じるためには、方向の安定した直線偏光が要求される。このため、本実施の形態においては、光源４１０には、第１または第２の実施の形態における面発光レーザ素子に波長調整層が設けられている構造の面発光レーザを有する面発光レーザチップが用いられている。
【００６９】
（発光素子部）
次に、本実施の形態における面発光レーザ素子における発光素子部３０２について、図１２に基づき、より詳細に説明する。尚、発光素子部３０１及び３０３は、波長調整層の厚さが異なる以外は発光素子部３０２と同様の構造のものである。また、発光素子部３０４は波長調整層が形成されていない構造のものであり、図１に示される面発光レーザと同様の構造のものである。図１２に示される面発光レーザは、本実施の形態における面発光レーザ素子において、発光素子部３０２となる８９５ｎｍ帯の面発光レーザである。
【００７０】
前述したように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７、コンタクト層１０８、波長調整層３１０ｂが積層形成されている。尚、本実施の形態においては、スペーサ層１０３は下部スペーサ層に相当するものであり、スペーサ層１０５及び１０７は上部スペーサ層に相当するものであり、電流狭窄層１０６は、上部スペーサ層の一部に形成されている。また、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７、コンタクト層１０８、波長調整層３１０ｂ等の半導体層は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長により形成されている。
【００７１】
基板１０１には、ｎ−ＧａＡｓ基板が用いられており、下部反射鏡１０２は、半導体多層膜により形成されており、光学的厚さがλ／４のｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とを交互に３５．５ペア積層することにより形成されている。
【００７２】
スペーサ層１０３、１０５及び１０７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されており、活性層１０４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＧａＩｎＰＡｓ障壁層を交互に積層することにより形成されている。コンタクト層１０８は、ｐ−ＧａＡｓにより形成されており、コンタクト層１０８の上には、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に積層することにより形成された波長調整層３１０ｂが形成されている。尚、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０７、コンタクト層１０８、波長調整層３１０ｂにより共振器領域が形成されており、この共振器領域における光学的な厚さは、３波長程度となるように形成されている。
【００７３】
発光素子部３０２における波長調整層３１０ｂは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰからなる３層の半導体層形成した後、フォトリソグラフィ工程と、エッチング工程とを行い、半導体層を１層除去することにより形成されている。尚、発光素子部３０１における波長調整層３１０ａは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰからなる３層の半導体層形成した後、エッチング工程等は行われていない。また、発光素子部３０３における波長調整層３１０ｃは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰからなる３層の半導体層形成した後、フォトリソグラフィ工程と、エッチング工程とを各々２回行い、半導体層を２層除去することにより形成されている。また、発光素子部３０４は、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰからなる３層の半導体層形成した後、フォトリソグラフィ工程と、エッチング工程とを各々３回行い、半導体層を３層すべて除去することにより形成されている。
【００７４】
これにより、波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃにおける厚さが異なるように形成することができ、発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４における共振器領域の厚さを異なるものとすることができる。
【００７５】
また、後述するメサの上面となるコンタクト層１０８の上において、メサの上面の周辺部分に低反射率領域を形成するための誘電体層１１１が形成されている。この誘電体層１１１は、光学的な厚さがλ／４となるようなＳｉＮにより形成されている。具体的には、誘電体層１１１は、誘電体層１１１を形成するためのＳｉＮ膜を成膜した後、誘電体層１１１が形成される領域にレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をエッチングにより除去することにより形成する。このように形成される誘電体層１１１は、中央部分に略長方形の開口領域を有し、外形が略長方形となるようにロの字状となるように形成する。尚、形成される誘電体層１１１における略長方形の形状は、Ｙ軸方向が長手方向となり、Ｘ軸方向が短手方向となるように形成されている。
【００７６】
このように、メサの上面において射出領域の周辺部分に、射出領域の中心部分の反射率よりも反射率が低くなるような誘電体層１１１を形成することにより、基本横モードの出力を低下させることなく、高次横モードの発振を抑制することができる。また、低反射率領域を形成するための誘電体層１１１の形状を、相互に直交する方向において異なる形状となるように、即ち、相互に直交する方向において異方性を有する形状となるように形成することにより、光の閉じ込め作用に異方性を生じさせることができる。これにより射出される光の偏光方向を制御することができる。
【００７７】
この後、誘電体層１１１等の上に、メサを形成するためのレジストパターンを形成し、波長調整層３１０ｂ、コンタクト層１０８、スペーサ層１０７、電流狭窄層１０６、スペーサ層１０５、活性層１０４、スペーサ層１０３、下部反射鏡１０２の一部をエッチング等により除去することによりメサを形成する。メサを形成する際のエッチング方法としては、ドライエッチング法等を用いることができる。また、形成されるメサの上面の形状は、例えば、略長方形の形状となるように形成する。尚、形成されるメサの上面の形状は、第１の実施の形態と同様に、楕円等の形状となるように形成されているものであってもよい。
【００７８】
電流狭窄層１０６は、ＡｌＡｓにより形成されており、メサを形成することにより電流狭窄層１０６の側面を露出させて、この後、水蒸気中で熱処理することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０６ａを形成する。具体的には、選択酸化において、電流狭窄層１０６に含まれるＡｌを酸化することにより絶縁体となるＡｌｘＯｙが形成され、選択酸化領域１０６ａが形成される。これにより、電流狭窄層１０６において酸化がなされたなった中心部分に電流狭窄領域１０６ｂが形成される。
【００７９】
また、メサの側面等にはＳｉＮ等からなる保護膜１１２が形成されている。保護膜１１２は、最初にＳｉＮ膜を成膜した後、メサの上面において後述する上部電極１２１が形成される領域等に開口部を有するレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をエッチングにより除去することにより形成することができる。また、本実施の形態においては、メサの側面及びメサの周囲の底面に保護膜１１２を形成することにより、メサの側面及びメサの周囲の底面が保護されるため、腐食等がされにくく、信頼性を向上させることができる。
【００８０】
更に、メサを形成する際にエッチングにより除去された領域をポリイミドにより埋め込むことにより平坦化させた後、メサの上面におけるポリイミドを除去することにより、残存するポリイミドによりポリイミド層１１３を形成する。
【００８１】
メサの上面に形成されている誘電体層１１１の外側の周辺部分においては、コンタクト層１０８の上に、誘電体層１１１を囲むようにｐ側個別電極となる上部電極１２１が形成されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側個別電極となる下部電極１２２が形成されている。
【００８２】
更に、メサの上面において、上部電極１２１に囲まれている中央部分には、波長調整層３１０ｂの上に、上部反射鏡１３０が形成されている。上部反射鏡１３０は、誘電体多層膜により形成されており、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成されている。本実施の形態においては、上部反射鏡１３０は、ＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とが、交互に８．５ペア積層することにより形成されている。
【００８３】
このように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１３０により共振器領域が挟まれた構造となっている。
【００８４】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、誘電体材料により上部反射鏡が形成されているものであって、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することができるものである。
【００８５】
ところで、前述したように、ＣＰＴ共鳴のためにはアルカリセル４４０に照射されるレーザ光が純粋な円偏光であることが要求される。本実施の形態における面発光レーザ素子は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子と同様に、単一横モード発振で、かつ、偏光方向が制御されているため、λ／４板で円偏光を作り出すため必要となる偏光方向が揃った直線偏光されたレーザ光を射出させることができる。
【００８６】
また、本実施の形態における面発光レーザ素子においては、各々の発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４において、共振器領域に含まれている波長調整層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃの層数（トータル厚さ）が異なっている。従って、各々の発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４からは、各々波長の異なるレーザ光が射出される。即ち、発光素子部３０１からは波長λ１のレーザ光が射出され、発光素子部３０２からは波長λ２のレーザ光が射出され、発光素子部３０３からは波長λ３のレーザ光が射出され、発光素子部３０４からは波長λ４のレーザ光が射出される。尚、波長λ１、λ２、λ３、λ４は相互に異なる波長である。従って、本実施の形態における面発光レーザ素子である面発光レーザチップ内において、８９４．６ｎｍに最も近い波長のレーザ光を射出する発光素子部３０１、３０２、３０３、３０４のうちから一つ選び使用することができる。これにより、面発光レーザを作製する際に面内分布が生じた場合においても、使用することのできる発光素子部が存在している確率を高めることができ、歩留りを約４倍程度改善することができる。このような、本実施の形態における面発光レーザ素子を用いることにより、ＣＰＴ方式を利用した原子発振器の歩留りを高めることができ、低コストで製造することが可能となる。
【００８７】
（面発光レーザ素子の変形例）
また、波長調整層を用いた面発光レーザ素子は、前述したイントラキャビティ型に限定されるものではなく、第２の実施の形態における面発光レーザ素子と同様の構造のものであってもよい。この面発光レーザ素子における発光素子部３０２ａについて図１３に基づき、より詳細に説明する。尚、この面発光レーザ素子においても、図１０に示される場合と同様に他に３つの面発光レーザが設けられており、２つの発光素子部は、波長調整層の厚さが異なる以外は発光素子部３０２ａと同様の構造のものである。また、残りの一つの発光素子部は波長調整層が形成されていない構造のものであり、図５に示される面発光レーザと同様の構造のものである。
【００８８】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、第１の上部反射鏡２０７、コンタクト層１０８、波長調整層３１０ｂ等が積層形成されている。尚、電流狭窄層１０６は、第１の上部反射鏡２０７の一部として形成されている。また、下部反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、第１の上部反射鏡２０７、コンタクト層１０８、波長調整層３１０ｂ等の半導体層は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長により形成されている。
【００８９】
基板１０１には、ｎ−ＧａＡｓ基板が用いられており、下部反射鏡１０２は、半導体多層膜により形成されており、光学的厚さがλ／４のｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とを交互に３５．５ペア積層することにより形成されている。
【００９０】
スペーサ層１０３及び１０５は、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓにより形成されており、活性層１０４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＧａＩｎＰＡｓ障壁層を交互に積層することにより形成されている。尚、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５により共振器領域が形成されており、この共振器領域における光学的な厚さは、１波長程度となるように形成されている。
【００９１】
また、第１の上部反射鏡２０７は、半導体多層膜により形成されており、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とを交互に５．５ペア積層することにより形成されている。
【００９２】
第１の上部反射鏡２０７の上には、ｐ−ＧａＡｓによりコンタクト層１０８が形成されており、コンタクト層１０８の上には、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に積層することにより形成された波長調整層３１０ｂが形成されている。
【００９３】
波長調整層３１０ｂは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰからなる３層の半導体層形成した後、フォトリソグラフィ工程と、エッチング工程とを行い、半導体層を１層除去することにより形成されている。
【００９４】
また、波長調整層３１０ｂ、コンタクト層１０８、第１の上部反射鏡２０７、電流狭窄層１０６等をエッチングにより除去することによりメサが形成されている。メサを形成する際のエッチング方法としては、ドライエッチング法を用いることができる。また、形成されるメサの上面の形状は、例えば、略長方形の形状となるように形成されているものであってもよく、第１の実施の形態等と同様に、楕円等の形状となるように形成されているものであってもよい。
【００９５】
電流狭窄層１０６は、ＡｌＡｓにより形成されており、メサを形成することにより電流狭窄層１０６の側面を露出させて、この後、水蒸気中で熱処理することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０６ａを形成する。具体的には、選択酸化において、電流狭窄層１０６に含まれるＡｌを酸化することにより絶縁体となるＡｌｘＯｙが形成され、選択酸化領域１０６ａが形成される。これにより、電流狭窄層１０６において酸化がなされなかった中心部分に電流狭窄領域１０６ｂが形成される。
【００９６】
また、メサの上面となるコンタクト層１０８の上において、メサの上面の周辺部分に低反射率領域を形成するための誘電体層１１１が形成されている。この誘電体層１１１は、光学的な厚さがλ／４となるようなＳｉＮにより形成されている。また、メサの側面等には保護膜１１２が形成されている。本実施の形態においては、誘電体層１１１及び保護膜１１２は、ともにＳｉＮにより形成されており、誘電体層１１１及び保護膜１１２は同時に形成することができる。具体的には、誘電体層１１１及び保護膜１１２は、誘電体層１１１及び保護膜１１２を形成するためのＳｉＮ膜を成膜した後、誘電体層１１１及び保護膜１１２が形成される領域にレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をエッチングにより除去することにより、誘電体層１１１及び保護膜１１２を形成する。このように形成される誘電体層１１１は、中央部分に略長方形の開口領域を有し、外形が略長方形となるようにロの字状となるように形成する。尚、形成される誘電体層１１１は、略長方形の形状が、Ｙ軸方向が長手方向となり、Ｘ軸方向が短手方向となるように形成されている。
【００９７】
このように、メサの上面において射出領域の周辺部分に、射出領域の中心部分の反射率よりも反射率が低くなるような誘電体層１１１を形成することにより、基本横モードの出力を低下させることなく、高次横モードの発振を抑制することができる。また、低反射率領域を形成するための誘電体層１１１の形状を、相互に直交する方向において異なる形状となるように、即ち、相互に直交する方向において異方性を有する形状となるように形成することにより、光の閉じ込め作用に異方性を生じさせることができる。これにより射出される光の偏光方向を制御することができる。
【００９８】
また、本実施の形態においては、メサの側面及びメサの周囲の底面に保護膜１１２が形成されており、メサの側面及びメサの周囲の底面が保護されるため、腐食等がされにくく、信頼性を向上させることができる。
【００９９】
更に、メサを形成する際にエッチングにより除去された領域をポリイミドにより埋め込むことにより平坦化させた後、メサの上面におけるポリイミドを除去することにより、残存するポリイミドによりポリイミド層１１３を形成する。
【０１００】
メサの上面に形成されている誘電体層１１１の外側の周辺部分においては、コンタクト層１０８の上に、誘電体層１１１を囲むようにｐ側個別電極となる上部電極１２１が形成されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側個別電極となる下部電極１２２が形成されている。
【０１０１】
更に、メサの上面において、上部電極１２１に囲まれている中央部分には、第２の上部反射鏡２３０が形成されている。第２の上部反射鏡２３０は、誘電体多層膜により形成されており、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層することにより形成されている。具体的には、本実施の形態においては、上部反射鏡２３０は、ＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とが、交互に８．５ペア形成することにより形成されている。
【０１０２】
従って、この面発光レーザ素子は、下部反射鏡１０２と第１の上部反射鏡２０７及び第２の上部反射鏡２３０により共振器領域が挟まれた構造となっている。
【０１０３】
このように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、誘電体材料により上部反射鏡が形成されているものであって、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定したレーザ光を射出することができるものである。
【０１０４】
尚、上記以外の内容については、上述した発光素子部３０２等を有する面発光レーザ素子と同様である。
【０１０５】
図１３に示される構造の面発光レーザ素子は、上部反射鏡がすべて誘電体の積層膜により形成されているいわゆるイントラキャビティ型に比べ、上部反射鏡の一部が半導体の積層膜により形成されているため、第１の上部反射鏡２０７の上にコンタクト層１０８を設けることができるため、電流経路を拡大させることができ、電気抵抗を低減させることができる。
【０１０６】
また、本実施の形態においては、反射鏡等を形成する半導体材料や、面発光レーザ素子に求められる電気抵抗または放熱特性等を考慮し、図１２に示される面発光レーザ素子を用いるか、図１３に示される面発光レーザ素子かを適宜選択する。
【０１０７】
尚、本実施の形態においては、アルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。この場合、活性層の材料組成等を調整することにより、所望の波長のレーザ光を射出することができる。また、Ｒｂを用いる場合においては、変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。
【０１０８】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。また、本発明の実施に係る形態では、面発光レーザ素子を原子発振器に用いた場合について説明したが、第１及び第２の実施の形態における面発光レーザ素子は、ガスセンサー等の所定の波長の光が必要な他の装置等に用いることができる。この場合、これらの装置等においても、用途に応じた所定の波長の面発光レーザ光を用いることにより、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０１      基板
１０２      下部反射鏡
１０３      スペーサ層
１０４      活性層
１０５      スペーサ層
１０６      電流狭窄層
１０６ａ    選択酸化領域
１０６ｂ    電流狭窄領域
１０７      スペーサ層
１０８      コンタクト層
１１１      誘電体層
１１２      保護膜
１１３      ポリイミド層
１２１      上部電極
１２２      下部電極
１３０      上部ＤＢＲ
３０１      発光素子部（面発光レーザ）
３０２      発光素子部（面発光レーザ）
３０３      発光素子部（面発光レーザ）
３０４      発光素子部（面発光レーザ）
３１０ａ    波長調整層
３１０ｂ    波長調整層
３１０ｃ    波長調整層
３２１      電極パッド
３２２      電極パッド
３２３      電極パッド
３２４      電極パッド
４１０      光源
４２０      コリメートレンズ
４３０      λ／４板
４４０      アルカリ金属セル
４５０      光検出器
４６０      変調器
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１０】
【特許文献１】特許第３５６６９０２号公報
【特許文献２】特開２００８−９８３３８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５３７６８号公報
【特許文献４】特開２０１１−１５９９４３号公報
【特許文献５】特許第２７５１８１４号公報
【非特許文献】
【０１１１】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ  Ｎｏｌ．６１３２ ６１３２０８−１（２００６）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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