(57)【要約】      （修正有）【課題】低い発振閾値電流で電気抵抗等の均一性の高い、波長制御性に優れた面発光レーザ素子の提供。【解決手段】基板１０１上に形成された下部反射鏡１０２と、下部反射鏡上に形成された活性層１０４と、活性層上に形成された上部反射鏡１０６とを有し、上部反射鏡が形成された側よりレーザ光を射出する面発光レーザ１１、１２が複数あり、上部反射鏡には活性層側より順に、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２が形成され、レーザ光波長をλ、Ｎを正の整数とすると、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層の光学的厚さの和が、略（２Ｎ＋１）×λ／４、第２の位相調整層の端部からコンタクト層の中心部分までの光学的厚さが、略λ／２であり、一部の面発光レーザは、他の一部の面発光レーザと波長調整層の厚さが異なり、他の１部の面発光レーザと異なる波長のレーザ光を射出する。【選択図】図２
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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、前記上部反射鏡が形成されている側よりレーザ光を射出する面発光レーザが複数設けられており、
前記下部反射鏡、前記下部反射鏡と前記活性層の間、前記上部反射鏡、前記上部反射鏡と前記活性層の間のうちのいずれかには、前記活性層が設けられている側より順に、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層が形成されており、
前記レーザ光の波長をλ、Ｎを正の整数とした場合に、前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層、前記波長調整層における光学な厚さの和が、略（２Ｎ＋１）×λ／４となるように形成されており、
前記活性層が設けられている側の前記第２の位相調整層の端部から前記コンタクト層の中心部分までの光学的な厚さが、略λ／２となるように形成されており、
前記複数の面発光レーザのうち、一部の面発光レーザは、他の一部の面発光レーザと前記波長調整層の厚さが異なるものであって、
前記一部の面発光レーザと前記他の一部の面発光レーザとは、異なる波長のレーザ光を射出するものであることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
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、
前記上部反射鏡が形成されている側よりレーザ光を射出する面発光レーザが複数設けられており、
前記下部反射鏡と前記上部反射鏡のうちのいずれかには、前記活性層が設けられている側より順に、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層が形成されており、
前記レーザ光の波長をλとした場合に、前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層、前記波長調整層における光学な厚さの和が、略Ｎ×λ／２（Ｎは正の整数）となるように形成されており、
前記第２の位相調整層における、前記活性層が設けられている側の端部から前記コンタクト層の中心部分までの光学的な厚さが、略（２Ｍ−１）×λ／４（Ｍは正の整数）となるように形成されており、
前記複数の面発光レーザのうち、一部の面発光レーザは、他の一部の面発光レーザと前記波長調整層の厚さが異なるものであって、
前記一部の面発光レーザと前記他の一部の面発光レーザとは、異なる波長のレーザ光を射出するものであることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記上部反射鏡は、第１の上部反射鏡と第２の上部反射鏡とを有しており、
前記活性層の上に、前記活性層が設けられている側より順に、第２の上部反射鏡、前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層、前記波長調整層、前記第１の上部反射鏡が形成されており、
前記第１の上部反射鏡及び前記第２の上部反射鏡は、屈折率の異なる材料を交互に積層することにより形成されてい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】
前記活性層の上に、前記活性層が設けられている側より順に、前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層、前記波長調整層、前記上部反射鏡が形成されており、
前記上部反射鏡は、屈折率の異なる材料を交互に積層することにより形成されているものであ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５】
前記基板は導電性を有する半導体結晶基板であって、
前記下部反射鏡、前記活性層、第２の上部反射鏡、前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層は、前記基板の上に半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されているものであることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記上部反射鏡の全部又は一部は屈折率の異なる誘電体材料を交互に積層形成することにより形成されたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記波長調整層は、第１の波長調整材料により形成された膜と第２の波長調整材料により形成された膜とが積層されており、
前記第１の波長調整材料により形成された膜及び前記第２の波長調整材料により形成された膜は、ともにウェットエッチングにより除去されるものであって、
前記第１の波長調整材料により形成された膜をエッチングするための第１のエッチング液と、前記第２の波長調整材料により形成された膜をエッチングするための第２のエッチング液とは異なるものであり、
前記波長調整層に形成された膜をウェットエッチングにより一層ずつ除去することにより、前記波長調整層の厚さが相互に異なるように形成されているものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記第１の波長調整材料はＧａＩｎＰであり、
前記第２の波長調整材料はＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
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射出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。
【請求項１１】
前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより射出したサイドバンドの光であることを特徴とする請求項１０に記載の原子発振器。
【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とからなる共振器構造を有している（例えば、特許文献１）。よって、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た分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）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】
また、チップ内に波長の異なる複数の面発光レーザが形成されている多波長面発光レーザ素子についても開示されており、このような多波長面発光レーザ素子は、波長多重通信等の多くの用途に期待されている（例えば、特許文献２、３、４、５）。この多波長面発光レーザ素子を作製する方法としては、例えば、特許文献２においては、異なる２種類の材料を交互に積層することにより形成された波長調整層を、各々の材料を各々エッチングすることが可能な２種類の異なるエッチング液を用いて除去することにより、波長調整層の膜厚を各々異なる膜厚にする方法が開示されている。このように形成される波長調整層は、共振器領域内に形成されるため、波長調整層の膜厚を異なるように形成することにより、共振器領域の光学的厚さが、各々の面発光レーザごとに異なるように形成することができる。このように形成される面発光レーザ素子は、波長制御性及び作製する際の容易性の観点から好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に開示されている方法では、半導体材料により形成された波長調整層を各々の素子ごとに１層ずつウェットエッチングにより除去した後、波長調整層の上に、半導体材料を結晶成長させることにより、上部反射鏡及びコンタクト層が形成されている。また、コンタクト層は一方の電極と接続されており、他方の電極は基板に裏面に形成されている。しかしながら、このような構造の面発光レーザは、波長調整層に電流が流れる構造であり、波長調整層が異なる材料を交互に積層することにより形成されているものであることから、波長調整層においては、異なる材料の層の界面におけるバンド不連続により電気抵抗が増加してしまう。また、波長調整層は各々の面発光レーザごとに厚さが異なるため、各々の面発光レーザにおける電気抵抗にもばらつきが生じてしまう。
【０００６】
このため、各々の面発光レーザには波長調整層が形成されているものであって、波長調整層に電流を流すことなく、活性層に電流を注入することのできる構造であることが好ましい。また、波長調整層の近い位置にコンタクト層を形成した場合には、コンタクト層が必ずしも積層構造内における光定在波分布の節の位置にはならない場合があり、この場合、十分なレーザ性能を得ることができない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、波長制御性に優れた面発光レーザ素子であって、低い発振閾値電流で、かつ、高効率な光出力を得ることができ、電気抵抗等の均一性の高い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】
【０００８】
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、前記上部反射鏡が形成されている側よりレーザ光を射出する面発光レーザが複数設けられており、前記下部反射鏡、前記下部反射鏡と前記活性層の間、前記上部反射鏡、前記上部反射鏡と前記活性層の間のうちのいずれかには、前記活性層が設けられている側より順に、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層が形成されており、前記レーザ光の波長をλ、Ｎを正の整数とした場合に、前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層、前記波長調整層における光学な厚さの和が、略（２Ｎ＋１）×λ／４となるように形成されており、前記活性層が設けられている側の前記第２の位相調整層の端部から前記コンタクト層の中心部分までの光学的な厚さが、略λ／２となるように形成されており、前記複数の面発光レーザのうち、一部の面発光レーザは、他の一部の面発光レーザと前記波長調整層の厚さが異なるものであって、前記一部の面発光レーザと前記他の一部の面発光レーザとは、異なる波長のレーザ光を射出するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、波長制御性に優れた面発光レーザ素子であって、低い発振閾値電流で、かつ、高効率な光出力を得ることができ、電気抵抗等の均一性の高い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】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図２】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の断面図
【図３】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の要部拡大図
【図４】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（１）
【図５】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（２）
【図６】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（３）
【図７】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（４）
【図８】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の構造の説明図
【図９】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の構造の説明図
【図１０】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図１１】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の断面図
【図１２】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の要部拡大図
【図１３】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（１）
【図１４】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（２）
【図１５】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（３）
【図１６】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図（４）
【図１７】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の断面図
【図１８】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の要部拡大図
【図１９】第４の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図２０】第５の実施の形態における原子発振器の構造図
【図２１】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図２２】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図２３】変調周波数と透過光量との相関図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
〔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〜図３に基づき説明する。尚、本実施の形態において説明する面発光レーザ素子は、発振波長が８９４．６ｎｍ帯の面発光レーザ素子である。
【００１３】
図１に示されるように、この半導体レーザ素子は、３００μｍ角の半導体チップに４つの発光可能な面発光レーザ１１、１２、１３、１４が形成されている。尚、図２は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂにおいて切断した断面図である。面発光レーザ１１、１２、１３、１４には、図１には図示されていない各々に対応する上部電極が設けられている。これにより、面発光レーザ１１における上部電極は、電極パッド２１と接続されており、面発光レーザ１２における上部電極は、電極パッド２２と接続されており、面発光レーザ１３における上部電極は、電極パッド２３と接続されており、面発光レーザ１４における上部電極は、電極パッド２４と接続されている。
【００１４】
図２に示されるように、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、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部反射鏡１０６、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２、第１の上部反射鏡１１３が積層形成されている。尚、基板１０１は導電性を有する半導体結晶基板である。また、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８、第２の上部反射鏡１０６、上部スペーサ層１０５、活性層１０４、下部スペーサ層１０３、下部反射鏡１０２の一部をドライエッチング等により除去することにより、メサが形成されている。第２の上部反射鏡１０６には、電流狭窄層１０７が形成されており、メサを形成することにより、電流狭窄層１０７の側面を露出させることができる。このように露出した電流狭窄層１０７の側面を周囲より酸化することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０７ａを形成することができ、これにより、メサの中心部分において、酸化されていない電流狭窄層１０７により電流狭窄領域１０７ｂが形成される。メサの側面及びエッチングにより形成された底面には、保護膜１２１が形成されており、メサを形成する際に、エッチングにより除去された領域には、保護膜１２１を介し、ポリイミド層１２２が形成され埋め込まれている。
【００１５】
また、コンタクト層１０９の上において、第１の位相調整層１１１が形成されていない領域であるメサの上面の周辺領域には、上部電極１３１が形成されており、基板１０１の裏面には、下部電極１３２が形成されている。
【００１６】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、各々の面発光レーザ１１、１２、１３、１４において、下部反射鏡１０２と第１の上部反射鏡１１３の間に形成される波長調整層１１２の厚さが異なるように形成されている。このように、波長調整層１１２の厚さが異なるように形成することにより、各々の面発光レーザ１１、１２、１３、１４より射出されるレーザ光の波長を異なるようにすることができる。即ち、本実施の形態においては、波長調整層１１２の厚さが異なっているため、面発光レーザ１１からは、第１の波長λ１のレーザ光が射出され、面発光レーザ１２からは、第２の波長λ２のレーザ光が射出され、面発光レーザ１３からは、第３の波長λ３のレーザ光が射出され、面発光レーザ１４からは、第４の波長λ４のレーザ光が射出される。尚、第１の波長λ１、第２の波長λ２、第３の波長λ３、第４の波長λ４は、相互に異なる波長である。
【００１７】
本実施の形態においては、下部反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部反射鏡１０６、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２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。
【００１８】
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−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ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。
【００１９】
下部スペーサ層１０３及び上部スペーサ層１０５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。本実施の形態においては、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により共振器領域が形成されており、このように形成される共振器領域における光学的な厚さは、約１波長（１λ）である。
【００２０】
上部スペーサ層１０５の上には、第２の上部反射鏡１０６が形成されている。第２の上部反射鏡１０６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６ペア積層することにより形成されている。
【００２１】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、図３に示されるように、第２の上部反射鏡１０６の上には、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２が順次積層されて形成されている。本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８は、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにより形成されており、コンタクト層１０９はｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されており、第１の位相調整層１１１はＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰの２層が積層された膜により形成されており、波長調整層１１２はＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの３層が積層された膜により形成されている。
【００２２】
図３に示されるように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、第２の位相調整層１０８の下端から波長調整層１１２の中央部分までの光学的な厚さ、即ち、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２の厚さの半分における光学的な厚さの和が、約３λ／４となるように形成されている。尚、本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８の下端から波長調整層１１２の中央部分までを波長調整領域と記載する場合があり、この波長調整領域における光学的な厚さを波長調整領域における光学的な厚さと記載する場合がある。また、コンタクト層１０９の中央部分から波長調整層１１２の中央部分までの光学的な厚さは、λ／４となるように形成されている。尚、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２を形成している各々の材料の屈折率は、第２の上部反射鏡１０６を形成している高屈折率材料の屈折率に近い値であるため、第２の上部反射鏡１０６における高屈折率層の一部として機能している。
【００２３】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、波長調整層１１２が、各々の面発光レーザ１１、１２、１３、１４ごとに厚さが異なるように形成されている。具体的には、波長調整層１１２としてＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの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工程と、選択エッチング工程とを行うことにより、波長調整層１１２における半導体層が、３層、２層、１層、なしとなるように形成されている。例えば、面発光レーザ１１においては、波長調整層１１２には３層の半導体層が形成されており、面発光レーザ１２においては、波長調整層１１２には２層の半導体層が形成されており、面発光レーザ１３においては、波長調整層１１２には１層の半導体層が形成されており、面発光レーザ１４においては、波長調整層１１２が形成されていない構造となっている。このように、波長調整層１１２における半導体層の層数を変えることにより、面発光レーザ１１、１２、１３、１４から射出されるレーザ光の波長を各々異なる波長にすることができる。
【００２４】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、形成された波長調整層１１２における半導体層は、一層ずつウェットエッチングにより除去することができる。この際、ＧａＡｓＰを除去するエッチング液としては、硫酸、過酸化水素、水の混合液等が用いられる。また、ＧａＩｎＰを除去するエッチング液としては、塩酸と水の混合液等が用いられる。この後、更に、上部電極１３１が形成される領域において、波長調整層１１２及び第１の位相調整層１１１を除去する。ここで、ＧａＡｓを除去するエッチング液としては、硫酸、過酸化水素、水の混合液等が用いられる。尚、本実施の形態においては、波長調整層１１２における半導体層を形成している材料のうち、ＧａＩｎＰを第１の波長調整材料と記載し、ＧａＡｓＰを第２の波長調整材料と記載し、第１の波長調整材料となるＧａＩｎＰをエッチングするためのエッチング液を第１のエッチング液と記載し、第２の波長調整材料となるＧａＡｓＰをエッチングするためのエッチング液を第２のエッチング液と記載する場合がある。
【００２５】
この後、電流狭窄層１０７の側面が露出する深さまで、所定の領域においてドライエッチング等を行うことによりメサを形成する。例えば、図２に示す場合では、下部反射鏡１０２が露出するまで、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部反射鏡１０６、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９等を除去することによりメサを形成する。形成されるメサの上面の形状は、本実施の形態のような略円形であってもよく、略楕円形、略長方形、略正方形であってもよい。
【００２６】
このように、エッチングによりメサを形成することにより、電流狭窄層１０７の側面を露出させることができる。この後、水蒸気中で熱処理を行うことにより、側面が露出している電流狭窄層１０７において、メサの周辺部より電流狭窄層１０７を形成しているＡｌＡｓにおけるＡｌを酸化してＡｌｘＯｙを形成する。これにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０７ａを形成することができ、この際、電流狭窄層１０７において酸化されなかったメサの中央部分が電流狭窄領域１０７ｂとなる。このように、電流狭窄層１０７において選択酸化領域１０７ａを形成することにより、電流狭窄層１０７において流れる電流を電流狭窄領域１０７ｂに制限することのできる電流狭窄構造が形成される。
【００２７】
この後、メサの側面を含む領域を覆うようにＳｉＮからなる保護膜１２１を形成し、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にポリイミド層１２２を形成し、埋め込み平坦化する。更に、メサの上面において、上部電極１３１及び第１の上部反射鏡１１３が形成される領域における保護膜１２１及びポリイミド層１２２を除去し、コンタクト層１０９及び、波長調整層１１２又は第１の位相調整層１１１を露出させる。メサの上面における周辺領域となる露出しているコンタクト層１０９の上には、ｐ側個別電極となる上部電極１３１を形成し、基板１０１の裏面にはｎ側共通電極となる下部電極１３２を形成する。
【００２８】
この後、露出している波長調整層１１２又は第１の位相調整層１１１の上に、第１の上部反射鏡１１３を形成する。第１の上部反射鏡１１３は、誘電体多層膜により形成されており、電子ビーム蒸着等により、光学的厚さがλ／４のＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とを交互に８．５ペア積層することにより形成されている。尚、誘電体多層膜は、誘電体材料を交互に積層することにより形成されるものである。
【００２９】
このようにして作製される面発光レーザ素子における面発光レーザは、基板１０１面に対し、垂直方向にレーザ光を射出するものである。本実施の形態においては、ＳｉＮからなる保護膜１２１を形成することにより、メサを形成する際にエッチングにより露出したメサの側面及び底面を保護することができるため、信頼性を向上させることができる。即ち、メサを形成する際にエッチングにより露出したメサの側面及び底面において、保護膜１２１を形成することにより、腐食のされやすいＡｌを含む層を保護することができるため、面発光レーザ素子における信頼性を向上させることができる。
【００３０】
次に、本実施の形態において、図３に示されるように、波長調整層１１２の下にコンタクト層１０９を形成し、波長調整領域における光学的な厚さ、即ち、第２の位相調整層１０８の下端から波長調整層１１２の中央部分までの光学的な厚さ３λ／４とすることの利点について説明する。
【００３１】
例えば、波長調整層よりも上にコンタクト層を設けた場合、波長調整層の厚さに依存して各々の面発光レーザに流れる電流量等が異なるため、波長調整層の厚さの異なる各々の面発光レーザにおける電気的な特性及び発光特性も大きく異なってしまう。また、波長調整層に電流が流れる場合、波長調整層を形成している各々の半導体層の界面におけるバンド不連続により電気抵抗が増加してしまう。
【００３２】
これに対し、本実施の形態においては、コンタクト層１０９は波長調整層１１２の下に形成されているため、波長調整層１１２に電流を流すことなく、各々の面発光レーザの活性層１０４に電流を注入することができる。よって、波長調整層１１２の厚さが異なる面発光レーザにおいても、電気的な特性及び発光特性を均一にすることができる。
【００３３】
本実施の形態においては、このような理由により、波長調整層１１２の下にコンタクト層１０９が設けられているが、光吸収の低減には極力光定在波分布の強度の弱い側にコンタクト層１０９を設ける方が好ましい。即ち、図４（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９は波長調整層１１２と接して設けられていることが好ましい。一方、光吸収の影響によるレーザ特性の低下を防ぐためには、コンタクト層１０９は光強度定在波分布の節の位置に形成されていることが好ましい。この場合、図４（ｂ）に示されるように、各々の面発光レーザにおける反射鏡全体の反射率の値が、各々の面発光レーザごとに大きく異なってしまい、各々の面発光レーザにおける閾値電流等のレーザにおける特性が大きく異なってしまう。即ち、波長調整層１１２の厚さが各々異なる各々の面発光レーザにおいて、コンタクト層１０９から波長調整層１１２までの光学厚さが、λ／４から大きく異なるため、反射率の違いが顕著となってしまう。これにより、各々の面発光レーザにおける閾値電流等のレーザ特性が大きく異なってしまう。
【００３４】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、図５（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９と波長調整層１１２との間に、第１の位相調整層１１１を設け、この第１の位相調整層１１１の厚さを調節することにより、各々の面発光レーザにおける反射率の値が略均一となるように形成されている。具体的には、図５（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９と波長調整層１１２との間に、第１の位相調整層１１１を形成し、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２における光学的厚さの平均がλ／４となるように調整することにより、図５（ｂ）に示されるように、波長調整層１１２の厚さが各々の面発光レーザにおける反射率の値を略均一にすることができる。
【００３５】
次に、第２の上部反射鏡１０６とコンタクト層１０９との関係について説明する。コンタクト層１０９は、ｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されており、このコンタクト層１０９における屈折率の値は、第２の上部反射鏡１０６において低屈折率層を形成しているｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓよりも高屈折率層を形成しているｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの屈折率の値に近い。
【００３６】
例えば、図６に示されるように、第２の上部反射鏡１０６のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層の上に接して、コンタクト層１０９が形成されている場合、コンタクト層１０９が形成されている位置の略中央が節の位置となるため、コンタクト層１０９と第２の上部反射鏡１０６のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層との界面は、節の位置にはならない。よって、この場合には、反射鏡全体の反射率が低下してしまう。
【００３７】
一方、本実施の形態においては、図７に示されるように、第２の位相調整層１０８が、コンタクト層１０９と同じ、または近い屈折率の値を有するｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ等の材料により、コンタクト層１０９の下に接して形成されている。この際、波長調整層１１２、第１の位相調整層１１１、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８における光学的な厚さの合計が、約３λ／４となるように形成されている。このように、第２の上部反射鏡１０６におけるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とコンタクト層１０９との間に、所定の光学的な厚さのｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる第２の位相調整層１０８を形成することにより、反射鏡全体の反射率の低下を抑制することができる。
【００３８】
尚、本実施の形態においては、波長調整層１１２の半分、第１の位相調整層１１１、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８における光学的な厚さの和は、Ｎを自然数とした場合、約（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎは正の整数、即ち、Ｎ＝１、２、３、・・・）であればよいため、第１の位相調整層の膜厚を増加し、Ｎ＝２、３、・・・となるように形成してもよいが、この場合、光吸収の影響を受け、面発光レーザにおける閾値電流の増加などの弊害を招く場合があることから、Ｎの値は小さい値の方が好ましい。
【００３９】
また、第２の位相調整層はλ／２だが、これもλ×M／２（M＝２、３、４、・・・・）としてもよい。この場合、コンタクト層から電流狭窄領域までの距離が長くなり電気抵抗が低くなるが、この場合でも光吸収の影響を受けるためMの値は小さい値の方が好ましい。
【００４０】
以上のように、本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２の順に形成し、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２の中央部分までにおける光学的な厚さの合計が約３λ／４となるように形成することにより、波長調整層１１２の光学的厚さが各々異なる面発光レーザ１１、１２、１３、１４において、反射率を略均一にすることができる。また、コンタクト層１０９に節が形成されるように、第２の位相調整層１０８を形成することにより、レーザ特性を損なうことなく、面発光レーザ素子に形成されている各々の面発光レーザにおけるレーザ特性及び電気抵抗値等を略均一にすることができる。
【００４１】
また、本実施の形態においては、コンタクト層１０９の表面は、第１の位相調整層１１１をウェットエッチングにより除去することにより露出させることができる。即ち、第１の位相調整層１１１は、ｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されているコンタクト層１０９の上に、ＧａＩｎＰとＧａＡｓＰの２層を、この順で積層することにより形成されているため、ウェットエッチングによる選択エッチングにより容易にコンタクト層１０９の表面を露出させることができる。
【００４２】
尚、本実施の形態においては、波長調整層１１２をＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰの３層により形成し、第１の位相調整層１１１をＧａＩｎＰの１層のみで形成してもよい。
【００４３】
ところで、波長調整層としては、特許文献４においては、ＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＰとの組み合わせによるものが開示されており、特許文献２においては、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの組み合わせによるものが開示されている。これらの場合においては、いずれも波長調整層にＡｌを含むＡｌＧａＡｓが用いられており、ＡｌＧａＡｓはＡｌを含んでいるため、酸化など腐食しやすいため、信頼性が低くなる傾向にある。特に、特許文献２に開示されているように、波長調整層のエッチング後に再成長を行う場合、波長調整層表面は少なくとも工程中に大気に触れることになるが、Ａｌの表面は酸化されやすく、その上に半導体材料により上部反射鏡を結晶成長させることは極めて困難である。
【００４４】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、特許文献２及び特許文献４と異なり、波長調整層には、Ａｌが含まれていないＧａＩｎＰとＧａＡｓＰとの組み合わせのものが用いられている。これにより、製造工程中における腐食の進行を抑制することができ、信頼性の高い面発光レーザ素子を製造することができる。また、波長が１μｍ以上の長波長の面発光レーザ素子を作製する場合においては、ＧａＡｓＰに代えてＧａＡｓを用いることも可能である。この場合、ＧａＡｓ基板に対してＧａＡｓＰのように歪を有していないため、扱いやすいという利点を有している。
【００４５】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、上述したように高屈折率材料により、波長調整層１１２を形成したものであり、図８（ｂ）に示されるように、上部反射鏡における３λ／４の高屈折率層を、波長調整層を含む層１４０に置き換えたものである。図８（ｂ）に示される波長調整層を含む層１４０には、波長調整層１１２の他、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１等が含まれている。尚、図８（ａ）は、波長調整層等が形成されていない構造の面発光レーザであり、共振器領域の上には、第２の上部反射鏡１０６と同様の方法により作製された第２の上部反射鏡９０６と、第１の上部反射鏡１１３が形成されている。本実施の形態における下部反射鏡１０２、第２の上部反射鏡１０６及び第１の上部反射鏡１１３は、ブラッグ反射鏡である。
【００４６】
〔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。本実施の形態における面発光レーザ素子は、発振波長が８９４．６ｎｍ帯の面発光レーザ素子である。第１の実施の形態における面発光レーザ素子は、波長調整層を含む層が上部反射鏡における高屈折率層の一つと置き換えられていたのに対して、本実施の形態における面発光レーザ素子は、波長調整層を含む層が低屈折率層と置き換えられている。具体的には、本実施の形態における面発光レーザ素子は、図９（ｂ）に示されるように、低屈折率材料により、波長調整層を含む層２４０を形成したものであり、波長調整層を含む層２４０と波長調整層２１２の上の誘電体多層膜反射鏡のλ／４の低屈折率層を含めて光学的厚さ３λ／４となるように形成されていている。図９（ｂ）に示される波長調整層を含む層２４０には、波長調整層２１２の他、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１等が含まれている。尚、図９（ａ）は、図８（ａ）と同様の構造のものである。
【００４７】
本実施の形態における面発光レーザ素子について図１０〜図１２に基づき説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子は、図１０に示されるように、３００μｍ角の半導体チップに４つの発光可能な面発光レーザ素子１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａが形成されている。尚、図１１は、図１０における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。面発光レーザ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａには、図１０には図示されていない各々に対応する上部電極が設けられている。これにより、面発光レーザ１１ａにおける上部電極は、電極パッド２１と接続されており、面発光レーザ１２ａにおける上部電極は、電極パッド２２と接続されており、面発光レーザ１３ａにおける上部電極は、電極パッド２３と接続されており、面発光レーザ１４ａにおける上部電極は、電極パッド２４と接続されている。
【００４８】
図１１に示されるように、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、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部反射鏡１０６、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２、第１の上部反射鏡１１３が積層形成されている。また、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８、第２の上部反射鏡１０６、上部スペーサ層１０５、活性層１０４、下部スペーサ層１０３、下部反射鏡１０２の一部をドライエッチング等により除去することにより、メサが形成されている。第２の上部反射鏡１０６には、電流狭窄層１０７が形成されており、メサを形成することにより、電流狭窄層１０７の側面を露出させることができる。このように露出した電流狭窄層１０７の側面を周囲より酸化することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０７ａを形成することができ、これにより、メサの中心部分において、酸化されていない電流狭窄層１０７により電流狭窄領域１０７ｂが形成される。メサの側面及びエッチングにより形成された底面には、保護膜１２１が形成されており、メサを形成する際に、エッチングにより除去された領域には、保護膜１２１を介し、ポリイミド層１２２が形成され埋め込まれている。
【００４９】
また、コンタクト層１０９の上において、第１の位相調整層１１１が形成されていない
領域であるメサの上面の周辺領域には、上部電極１３１が形成されており、基板１０１の
裏面には、下部電極１３２が形成されている。
【００５０】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａにおいて、下部反射鏡１０２と第１の上部反射鏡１１３の間に形成される波長調整層２１２の厚さが異なるように形成されている。このように、波長調整層２１２の厚さが異なるように形成することにより、各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａより射出されるレーザ光の波長を異なるようにすることができる。即ち、本実施の形態においては、波長調整層２１２の厚さが異なっているため、面発光レーザ１１ａからは、第１の波長λ１のレーザ光が射出され、面発光レーザ１２ａからは、第２の波長λ２のレーザ光が射出され、面発光レーザ１３ａからは、第３の波長λ３のレーザ光が射出され、面発光レーザ１４ａからは、第４の波長λ４のレーザ光が射出される。尚、第１の波長λ１、第２の波長λ２、第３の波長λ３、第４の波長λ４は、相互に異なる波長である。
【００５１】
本実施の形態においては、下部反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部反射鏡１０６、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２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。
【００５２】
基板１０１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−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ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。
【００５３】
下部スペーサ層１０３及び上部スペーサ層１０５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。本実施の形態においては、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により共振器領域が形成されており、このように形成される共振器領域における光学的な厚さは、約１波長（１λ）である。
【００５４】
上部スペーサ層１０５の上には、第２の上部反射鏡１０６が形成されている。第２の上部反射鏡１０６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７ペア積層することにより形成されている。
【００５５】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、図１２に示されるように、第２の上部反射鏡１０６の上には、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２が順次積層されて形成されている。本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓにより形成されており、コンタクト層１０９はｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されており、第１の位相調整層１１１はＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰの２層が積層された膜により形成されている。波長調整層２１２は（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ／Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐの３層がそれぞれ５．７ｎｍ／５．７ｎｍ／５．７ｎｍとなるように積層された膜により形成されている。尚、波長調整層２１２は第１の実施の形態における波長調整層１１２よりも低屈折率であって、選択エッチング可能な材料の組み合わせとなっている。この波長調整層２１２の３層の膜厚では、４波長同士の波長間隔が０．５ｎｍ間隔で並ぶことになる。
【００５６】
本実施の形態においては波長調整層２１２を低屈折率となる材料により形成することにより、０．５ｎｍといった微細な波長間隔であっても、第１の実施の形態の場合よりも厚い膜厚で設計することができる。これにより、半導体層を形成する際の成長速度のバラツキ、膜厚の分布ムラが低減でき、例えば、高密度波長分割多重のような微細な波長間隔が必要な応用にも有利な構成である。
【００５７】
図１２に示されるように、本実施の形態における面発光レーザ素子は、第２の位相調整層１０８の下端から波長調整層２１２の中央部分までの光学的な厚さ、即ち、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２の厚さの半分における光学的な厚さの和が、約λ／２となるように形成されている。更に、波長調整層の上部には誘電体多層膜の低屈折率層（λ／４）が配置されており、低屈折率層の厚さは合計約３λ／４となっている。また、コンタクト層１０９の中央部分から波長調整層２１２の中央部分までの光学的な厚さは、λ／４となるように形成されている。尚、第２の位相調整層１０８、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２を形成している各々の材料の屈折率は、第２の上部反射鏡１０６を形成している低屈折率材料Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの屈折率に近い値である。よって、第２の上部反射鏡１０６における低屈折率層の一部として機能している。
【００５８】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、波長調整層２１２が、各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａごとに厚さが異なるように形成されている。具体的には、波長調整層２１２としてＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰの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工程と、選択エッチング工程とを行うことにより、波長調整層２１２における半導体層が、３層、２層、１層、なしとなるように形成されている。例えば、面発光レーザ１１ａにおいては、波長調整層２１２には３層の半導体層が形成されており、面発光レーザ１２ａにおいては、波長調整層２１２には２層の半導体層が形成されており、面発光レーザ１３ａにおいては、波長調整層２１２には１層の半導体層が形成されており、面発光レーザ１４ａにおいては、波長調整層２１２が形成されていない構造となっている。このように、波長調整層２１２における半導体層の層数を変えることにより、面発光レーザ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａから射出されるレーザ光の波長を各々異なる波長にすることができる。
【００５９】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、形成された波長調整層２１２における半導体層は、一層ずつウェットエッチングにより除去することができる。この際、ＡｌＧａＡｓを除去するエッチング液としては、硫酸、過酸化水素、水の混合液等が用いられる。また、ＡｌＧａＩｎＰを除去するエッチング液としては、塩酸と水の混合液等が用いられる。この後、更に、上部電極１３１が形成される領域において、波長調整層２１２及び第１の位相調整層１１１を除去する。ここで、ＡｌＧａＡｓを除去するエッチング液としては、硫酸、過酸化水素、水の混合液等が用いられる。尚、本実施の形態においては、波長調整層２１２における半導体層を形成している材料のうち、ＡｌＧａＩｎＰを第１の波長調整材料と記載し、ＡｌＧａＡｓを第２の波長調整材料と記載する。また、第１の波長調整材料となるＡｌＧａＩｎＰをエッチングするためのエッチング液を第１のエッチング液と記載し、第２の波長調整材料となるＡｌＧａＡｓをエッチングするためのエッチング液を第２のエッチング液と記載する場合がある。
【００６０】
この後、電流狭窄層１０７の側面が露出する深さまで、所定の領域においてドライエッチング等を行うことによりメサを形成する。例えば、図１１に示す場合では、下部反射鏡１０２が露出するまで、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部反射鏡１０６、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９等を除去することによりメサを形成する。形成されるメサの上面の形状は、本実施の形態のような略円形であってもよく、略楕円形、略長方形、略正方形であってもよい。
【００６１】
このように、エッチングによりメサを形成することにより、電流狭窄層１０７の側面を露出させることができる。この後、水蒸気中で熱処理を行うことにより、側面が露出している電流狭窄層１０７において、メサの周辺部より電流狭窄層１０７を形成しているＡｌＡｓにおけるＡｌを酸化してＡｌｘＯｙを形成する。これにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０７ａを形成することができ、この際、電流狭窄層１０７において酸化されなかったメサの中央部分が電流狭窄領域１０７ｂとなる。このように、電流狭窄層１０７において選択酸化領域１０７ａを形成することにより、電流狭窄層１０７において流れる電流を電流狭窄領域１０７ｂに制限することのできる電流狭窄構造が形成される。
【００６２】
この後、メサの側面を含む領域を覆うようにＳｉＮからなる保護膜１２１を形成し、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にポリイミド層１２２を形成し、埋め込み平坦化する。更に、メサの上面において、上部電極１３１及び第１の上部反射鏡１１３が形成される領域における保護膜１２１及びポリイミド層１２２を除去し、コンタクト層１０９及び、波長調整層２１２又は第１の位相調整層１１１を露出させる。メサの上面における周辺領域となる露出しているコンタクト層１０９の上には、ｐ側個別電極となる上部電極１３１を形成し、基板１０１の裏面にはｎ側共通電極となる下部電極１３２を形成する。
【００６３】
この後、露出している波長調整層２１２又は第１の位相調整層１１１の上に、第１の上部反射鏡１１３を形成する。第１の上部反射鏡１１３は、誘電体多層膜により形成されており、電子ビーム蒸着等により、光学的厚さがλ／４のＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とを交互に６ペア積層することにより形成されている。
【００６４】
このようにして作製される面発光レーザ素子における面発光レーザは、基板１０１面に対し、垂直方向にレーザ光を射出するものである。本実施の形態においては、ＳｉＮからなる保護膜１２１を形成することにより、メサを形成する際にエッチングにより露出したメサの側面及び底面を保護することができるため、信頼性を向上させることができる。
【００６５】
次に、本実施の形態において、図１２に示されるように、波長調整層２１２の下にコンタクト層１０９を形成し、波長調整領域における光学的な厚さ、即ち、第２の位相調整層１０８の下端から波長調整層２１２の中央部分までの光学的な厚さλ／２とすることの利点について説明する。
【００６６】
例えば、波長調整層よりも上にコンタクト層を設けた場合、波長調整層の厚さに依存して各々の面発光レーザに流れる電流量等が異なるため、波長調整層の厚さの異なる各々の面発光レーザにおける電気的な特性及び発光特性も大きく異なってしまう。また、波長調整層に電流が流れる場合、波長調整層を形成している各々の半導体層の界面におけるバンド不連続により電気抵抗が増加してしまう。
【００６７】
これに対し、本実施の形態においては、コンタクト層１０９は波長調整層２１２の下に形成されているため、波長調整層２１２に電流を流すことなく、各々の面発光レーザの活性層１０４に電流を注入することができる。よって、波長調整層２１２の厚さが異なる面発光レーザにおいても、電気的な特性及び発光特性を均一にすることができる。
【００６８】
本実施の形態においては、このような理由により、波長調整層２１２の下にコンタクト層１０９が設けられているが、光吸収の低減には極力光定在波分布の強度の弱い側にコンタクト層１０９を設ける方が好ましい。即ち、図１３（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９は波長調整層２１２と接して設けられていることが好ましい。一方、光吸収の影響によるレーザ特性の低下を防ぐためには、コンタクト層１０９は光強度定在波分布の節の位置に形成されていることが好ましい。この場合、図１３（ｂ）に示されるように、各々の面発光レーザにおける反射鏡全体の反射率の値が、各々の面発光レーザごとに大きく異なってしまい、各々の面発光レーザにおける閾値電流等のレーザにおける特性が大きく異なってしまう。即ち、波長調整層２１２の厚さが各々異なる各々の面発光レーザにおいて、コンタクト層１０９から波長調整層２１２までの光学厚さが、λ／４から大きく異なるため、反射率の違いが顕著となってしまう。これにより、各々の面発光レーザにおける閾値電流等のレーザ特性が大きく異なってしまう。
【００６９】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、図１４（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９と波長調整層２１２との間に、第１の位相調整層１１１を設け、この第１の位相調整層１１１の厚さを調節することにより、各々の面発光レーザにおける反射率の値が略均一となるように形成されている。具体的には、図１４（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９と波長調整層２１２との間に、第１の位相調整層１１１を形成し、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２における光学的厚さの平均がλ／４となるように調整することにより、図１４（ｂ）に示されるように、波長調整層２１２の厚さが各々の面発光レーザにおける反射率の値を略均一にすることができる。
【００７０】
次に、第２の上部反射鏡１０６とコンタクト層１０９との関係について説明する。図１５はコンタクト層の直下にｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層が接続された場合である。下部の高屈折率層と上部の低屈折率層の接続部は腹の位置であるため、このままではコンタクト層での光吸収が大きくなってしまう。
【００７１】
一方、本実施の形態においては、図１６に示されるように、第２の位相調整層１０８が、低屈折率材料であるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ等の材料により、コンタクト層１０９の下に接して形成されている。この際、波長調整層２１２、第１の位相調整層１１１、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８における光学的な厚さの合計が、約λ／２となるように形成されている。よって、この部分の低屈折率層の光学的厚さは、その上部にある誘電体多層膜のＳｉＯ２低屈折率層の光学的な厚さλ／４と合わせて合計３λ／４となる。このように、第２の上部反射鏡１０６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層とコンタクト層１０９との間に、所定の光学的な厚さのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる第２の位相調整層１０８を形成することにより、位相整合が損なわれることなく、かつ波長調整層２１２の厚さが各々の面発光レーザにおける反射率の値を略均一にすることができる。
【００７２】
尚、本実施の形態においては、波長調整層２１２の半分、第１の位相調整層１１１、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８における光学的な厚さの和は、Ｎを自然数とした場合、約Ｎ×λ／２（Ｎは正の整数、Ｎ＝１、２、３、・・・）であればよいため、Ｎ＝２、３、・・・となるように形成してもよいが、この場合、光吸収の影響を受け、面発光レーザにおける閾値電流の増加などの弊害を招く場合があることから、Ｎの値は小さい値の方が好ましい。
【００７３】
以上のように、本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２の順に形成し、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層２１２の中央部分までにおける光学的な厚さの合計が約λ／２となるように形成することにより、波長調整層１１２の光学的厚さが各々異なる面発光レーザ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａにおいて、反射率を略均一にすることができる。また、コンタクト層１０９に節が形成されるように、第２の位相調整層１０８を形成することにより、レーザ特性を損なうことなく、面発光レーザ素子に形成されている各々の面発光レーザにおけるレーザ特性及び電気抵抗値等を略均一にすることができる。
【００７４】
また、本実施の形態においては、コンタクト層１０９の表面は、第１の位相調整層１１１をウェットエッチングにより除去することにより露出させることができる。即ち、第１の位相調整層１１１は、ｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されているコンタクト層１０９の上に、ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓの２層を、この順で積層することにより形成されているため、ウェットエッチングによる選択エッチングにより容易にコンタクト層１０９の表面を露出させることができる。
【００７５】
なお、波長調整層２１２は、波長間隔を小さくするために膜厚を薄くしすぎると、結晶成長の膜厚やエッチングの不均一の影響を受けやすい。一方で本実施の形態での波長調整層材料であるＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰは、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓP／ＧａＩｎＰを選択した場合より屈折率が小さく、同じ膜厚でも光学的厚さが小さくなっている。よって、より小さい波長間隔で制御できることから、微細な波長間隔で波長を調整するのに有利である。
【００７６】
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。
【００７７】
〔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。本実施の形態において説明する面発光レーザ素子は、発振波長が８９４．６ｎｍ帯の面発光レーザ素子である。本実施の形態における面発光レーザ素子について、図１７に基づき説明する。尚、図１７は、本実施の形態における面発光レーザ素子において、図１に示される一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する断面における断面図である。
【００７８】
図１７に示されるように、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、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、電流狭窄層１０７、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２、上部反射鏡２１３等が積層形成されている。また、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８、電流狭窄層１０７、上部スペーサ層１０５、活性層１０４、下部スペーサ層１０３、下部反射鏡１０２の一部をドライエッチング等により除去することにより、メサが形成されている。
【００７９】
このように、メサを形成することにより、電流狭窄層１０７の側面を露出させることができ、露出した電流狭窄層１０７の側面より周辺部分を酸化することにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０７ａを形成することができる。この際、メサの中心部分において、酸化されていない電流狭窄層１０７により電流狭窄領域１０７ｂが形成される。メサの側面及びエッチングにより形成された底面には、保護膜１２１が形成されており、メサを形成する際に、エッチングにより除去された領域には、保護膜１２１を介し、ポリイミド層１２２が形成され埋め込まれている。
【００８０】
また、コンタクト層１０９の上において、第１の位相調整層１１１等が形成されていない領域となるメサの上面の周辺領域には、上部電極１３１が形成されており、基板１０１の裏面には、下部電極１３２が形成されている。
【００８１】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、各々の面発光レーザにおいて、下部反射鏡１０２と上部反射鏡２１３の間に形成される波長調整層１１２の厚さが異なるように形成されている。このように、波長調整層１１２の厚さが異なるように形成することにより、各々の面発光レーザより射出されるレーザ光の波長を異なるようにすることができる。
【００８２】
本実施の形態においては、下部反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、電流狭窄層１０７、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２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。
【００８３】
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−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ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。
【００８４】
下部スペーサ層１０３及び上部スペーサ層１０５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。
【００８５】
上部スペーサ層１０５の上には、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０７が形成されており、電流狭窄層１０７の上には、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２が形成されている。本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８は、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されており、コンタクト層１０９はｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されており、第１の位相調整層１１１はＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰの２層が積層された膜により形成されており、波長調整層１１２はＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの３層が積層された膜により形成されている。
【００８６】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、電流狭窄層１０７、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２により共振器領域が形成されており、このように形成される共振器領域における光学的な厚さは約３λ／２である。図１８に示されるように、この共振器領域は、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５からなる活性層領域と、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２からなる波長調整領域とに分けることができ、活性層領域及び波長調整領域は、双方とも光学的な厚さが約３λ／４となるように形成されている。従って、電流狭窄層１０７は、活性層領域と波長調整領域との間に形成されるため、共振器領域の略中間に形成される。
【００８７】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、波長調整層１１２が、各々の面発光レーザごとに厚さが異なるように形成されている。具体的には、波長調整層１１２としてＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの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工程と、選択エッチング工程とを行うことにより、波長調整層１１２における半導体層が、３層、２層、１層、なしとなるように形成されている。このように、波長調整層１１２における半導体層の層数を変えることにより、各々の面発光レーザから射出されるレーザ光の波長を各々異なる波長にすることができる。
【００８８】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、上述したように、波長調整層１１２における半導体層を一層ずつ、ウェットエッチングにより除去することにより形成されている。この際、ＧａＡｓＰを除去するエッチング液としては、硫酸、過酸化水素、水の混合液等が用いられる。また、ＧａＩｎＰを除去するエッチング液としては、塩酸と水の混合液等が用いられる。尚、本実施の形態においては、波長調整層１１２における半導体層を形成している材料のうち、ＧａＩｎＰを第１の波長調整材料と記載し、ＧａＡｓＰを第２の波長調整材料と記載し、第１の波長調整材料となるＧａＩｎＰをエッチングするためのエッチング液を第１のエッチング液と記載し、第２の波長調整材料となるＧａＡｓＰをエッチングするためのエッチング液を第２のエッチング液と記載する場合がある。
【００８９】
本実施の形態においては、各々の面発光レーザにおいて波長調整層１１２を必要に応じてエッチングにより除去することにより、波長調整層１１２における半導体層を所定の層数とした後、この上に、上部反射鏡２１３を結晶成長により形成する。この後、更に、メサの上面の周辺領域となる上部電極１３１が形成される領域において、上部反射鏡２１３、波長調整層１１２及び第１の位相調整層１１１をウェットエッチングにより除去する。この際、ＧａＡｓを除去するエッチング液としては、硫酸、過酸化水素、水の混合液等が用いられる。
【００９０】
上部反射鏡２１３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Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる高屈折率層と、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とを交互に２４ペア積層することにより形成されている。尚、本実施の形態においては、上部反射鏡２１３は、半導体多層膜により形成された構造のものについて説明しているが、上部反射鏡２１３は、誘電体多層膜により形成されたものであってもよく、例えば、電子ビーム蒸着等により、光学的厚さがλ／４のＴｉＯ２からなる高屈折率層と、ＳｉＯ２からなる低屈折率層とを交互に積層することにより形成されたものであってもよい。
【００９１】
この後、電流狭窄層１０７の側面が露出する深さまで、所定の領域においてドライエッチング等を行うことにより、メサを形成する。例えば、図１７に示す場合では、下部反射鏡１０２の一部が露出するまで、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、電流狭窄層１０７、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９等を除去することにより、メサを形成する。形成されるメサの上面の形状は、略円形であってもよく、略楕円形、略長方形、略正方形であってもよい。
【００９２】
このように、エッチングによりメサを形成することにより、電流狭窄層１０７の側面を露出させることができる。この後、水蒸気中で熱処理を行うことにより、側面が露出している電流狭窄層１０７において、メサの周辺部分より電流狭窄層１０７を形成しているＡｌＡｓにおけるＡｌを酸化してＡｌｘＯｙを形成する。これにより、メサの周辺部分に選択酸化領域１０７ａを形成することができ、この際、電流狭窄層１０７において酸化されなかったメサの中央部分が電流狭窄領域１０７ｂとなる。このように、電流狭窄層１０７において選択酸化領域１０７ａを形成することにより、電流狭窄層１０７において流れる電流を電流狭窄領域１０７ｂに制限することのできる電流狭窄構造が形成される。
【００９３】
この後、メサの側面を含む領域を覆うようにＳｉＮからなる保護膜１２１を形成し、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にポリイミド層１２２により埋め込み平坦化する。更に、メサの上面において、上部反射鏡２１３が形成されている領域及び上部電極１３１が形成される領域における保護膜１２１及びポリイミド層１２２を除去し、コンタクト層１０９及び、上部反射鏡２１３を露出させる。メサの上面において周辺領域となる露出しているコンタクト層１０９の上には、ｐ側個別電極となる上部電極１３１を形成し、基板１０１の裏面にはｎ側共通電極となる下部電極１３２を形成する。
【００９４】
このようにして作製される面発光レーザ素子における面発光レーザは、基板１０１面に対し、垂直方向にレーザ光を射出するものである。本実施の形態においては、ＳｉＮからなる保護膜１２１を形成することにより、メサを形成する際にエッチングにより露出したメサの側面及び底面を保護することができるため、信頼性を向上させることができる。即ち、メサを形成する際にエッチングにより露出したメサの側面及び底面に、保護膜１２１を形成することにより、腐食されやすいＡｌを含む層を保護することができるため、面発光レーザ素子の信頼性を向上させることができる。
【００９５】
次に、本実施の形態において、図１８に示されるように、波長調整層１１２の下に、第１の位相調整層１１１を介しコンタクト層１０９を形成し、波長調整領域における光学的な厚さ、即ち、第２の位相調整層１０８の下端から波長調整層１１２の中央部分までの光学的な厚さを約３λ／４とすることの利点について説明する。
【００９６】
例えば、波長調整層よりも上にコンタクト層を設けた場合、波長調整層の厚さに依存して各々の面発光レーザに流れる電流量等が異なるため、波長調整層の厚さが異なる各々の面発光レーザにおける電気的な特性及び発光特性も大きく異なってしまう。また、波長調整層に電流が流れる場合、波長調整層を形成している各々の半導体層の界面におけるバンド不連続により電気抵抗が増加してしまう。
【００９７】
これに対し、本実施の形態においては、コンタクト層１０９は波長調整層１１２の下に形成されているため、波長調整層１１２に電流を流すことなく、各々の面発光レーザの活性層１０４に電流を注入することができる。よって、波長調整層１１２の厚さが異なる各々面発光レーザにおいて、電気的な特性及び発光特性を均一にすることができる。
【００９８】
本実施の形態においては、このような理由により、波長調整層１１２の下にコンタクト層１０９が形成されているが、光吸収の低減には極力光定在波分布の強度の弱い側にコンタクト層１０９を設ける方が好ましい。即ち、図４（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９は波長調整層１１２と接して設けられていることが好ましい。一方、光吸収の影響によるレーザ特性の低下を防ぐためには、コンタクト層１０９は光強度定在波分布の節の位置に形成されていることが好ましい。この場合、図４（ｂ）に示されるように、各々の面発光レーザにおける反射鏡全体の反射率の値が、各々の面発光レーザごとに大きく異なってしまい、各々の面発光レーザにおける閾値電流等のレーザにおける特性が大きく異なってしまう。即ち、波長調整層１１２の厚さが各々異なる各々の面発光レーザにおいて、コンタクト層１０９から波長調整層１１２までの光学厚さが、λ／４から大きく異なるため、反射率の違いが顕著となってしまう。これにより、各々の面発光レーザにおける閾値電流等のレーザ特性が大きく異なってしまう。
【００９９】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、図５（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９と波長調整層１１２との間に、第１の位相調整層１１１を設け、この第１の位相調整層１１１の厚さを調節することにより、各々の面発光レーザにおける反射率の値が略均一となるように形成されている。具体的には、図５（ａ）に示されるように、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２における光学的厚さの平均がλ／４となるように調整することにより、図５（ｂ）に示されるように、波長調整層１１２の厚さが各々異なる各々の面発光レーザにおける反射率の値を略均一にすることができる。
【０１００】
次に、本実施の形態において、コンタクト層１０９の下に設けられている第２の位相調整層１０８について説明する。本実施の形態においては、第２の位相調整層１０８は、光学的な厚さが、約λ／２となるｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されている。
【０１０１】
具体的には、第２の位相調整層１０８は、活性層１０４よりも上部、即ち、上部電極１３１側に形成されており、ｐｎ接合を形成するためｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されている。また、共振器領域において、節となる位置に電流狭窄領域１０７が形成されるように、第２の位相調整層１０８は、光学的な厚さが約λ／２となるように形成されている。即ち、節となる位置に形成されているコンタクト層１０９と電流狭窄領域１０７との間で光学的な厚さが約λ／２となるように、光学的な厚さが約λ／２となる第２の位相調整層１０８が形成されている。
【０１０２】
尚、本実施の形態においては、波長調整層１１２の半分、第１の位相調整層１１１、コンタクト層１０９、第２の位相調整層１０８における光学的な厚さの和は、Ｎを自然数とした場合、約（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎは正の整数、即ち、Ｎ＝１、２、３、・・・）であればよいため、Ｎ＝２、３、・・・となるように形成してもよいが、この場合、光吸収の影響を受け、面発光レーザにおける閾値電流の増加などの弊害を招く場合があることから、Ｎの値は小さい値の方が好ましい。
【０１０３】
以上のように、第２の位相調整層１０８、コンタクト層１０９、第１の位相調整層１１１、波長調整層１１２からなる波長調整領域を形成し、この波長調整領域における光学的な厚さを３λ／４となるように形成することにより、コンタクト層１０９を節となる位置に形成することができ、レーザ特性を損なうことなく、面発光レーザ素子に形成されている各々異なる波長のレーザ光を射出する複数の面発光レーザにおけるレーザ特性及び電気抵抗値を略均一にすることができる。
【０１０４】
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。また、本実施の形態は、波長調整層１１２に代えて、第２の実施の形態と同様の波長調整層２１２を形成したものであってもよい。
【０１０５】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。図１９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る。本実施の形態における面発光レーザ素子３００は、基板３０１上に８個の面発光レーザを有するものであり、同じ波長を発光する面発光レーザが２個ずつ形成されている。尚、この面発光レーザから射出されるレーザ光の波長は、８９４．６ｎｍ帯であり、第１の実施の形態における面発光レーザと同様のものである。
【０１０６】
具体的には、本実施の形態における面発光レーザ素子３００は、基板３０１上に第１の面発光レーザ３１１、第２の面発光レーザ３１２、第３の面発光レーザ３１３、第４の面発光レーザ３１４、第５の面発光レーザ３１５、第６の面発光レーザ３１６、第７の面発光レーザ３１７、第８の面発光レーザ３１８を有している。第１の面発光レーザ３１１から第８の面発光レーザ３１８には、各々不図示の上部電極が設けられており、各々電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ３１１の上部電極には電極パッド３２１が接続されており、第２の面発光レーザ３１２の上部電極には電極パッド３２２が接続されており、第３の面発光レーザ３１３の上部電極には電極パッド３２３が接続されており、第４の面発光レーザ３１４の上部電極には電極パッド３２４が接続されており、第５の面発光レーザ３１５の上部電極には電極パッド３２５が接続されており、第６の面発光レーザ３１６の上部電極には電極パッド３２６が接続されており、第７の面発光レーザ３１７の上部電極には電極パッド３２７が接続されており、第８の面発光レーザ３１８の上部電極には電極パッド３２８が接続されている。
【０１０７】
また、第１の面発光レーザ３１１から第８の面発光レーザ３１８は、同じ波長のものが２個ずつとなるように形成されている。具体的には、第１の面発光レーザ３１１及び第２の面発光レーザ３１２より射出される光は同じ波長λ１、第３の面発光レーザ３１３及び第４の面発光レーザ３１４より射出される光は同じ波長λ２、第５の面発光レーザ３１５及び第６の面発光レーザ３１６より射出される光は同じ波長λ３、第７の面発光レーザ３１７及び第８の面発光レーザ３１８より射出される光は同じ波長λ４であり、波長λ１、λ２、λ３、λ４は、相互に異なる波長である。このように各々の面発光レーザにおいて異なる波長の光を射出させるために、第１の実施の形態に示されるような波長調整層を設け、各々の面発光レーザごとに、波長調整層の厚さを変えて形成している。尚、電極バッド３２１から３２８の大きさは、各々約５０μｍ角であり、基板３０１は３００μｍ角の大きさの半導体チップである。
【０１０８】
本実施の形態における面発光レーザ素子では、同じ波長の光を発光する面発光レーザが２個ずつ存在しているため、不良や故障等により、同じ波長の光を射出する面発光レーザのうち、一方が発光しなくなったとしても他方を用いることができる。よって、面発光レーザ素子の寿命を長寿命にすることができるとともに、歩留りをより向上させることができる。また、本実施の形態における面発光レーザ素子では、必要な波長に最も近い波長の素子のみならず、２番目に近い波長の素子を用いてもよく、それを予備の面発光レーザとして用いることで長寿命化させることができる。
【０１０９】
尚、本実施の形態は、第２及び第３の実施の形態における面発光レーザ素子についても、同様に適用することが可能である。
【０１１０】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
図２０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。
【０１１３】
光源４１０には、第１から第４の実施の形態における面発光レーザ素子のいずれかが用いられている。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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
図２１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としては、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２２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２３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ため、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させ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であるため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。
【０１１６】
原子発振器としては、光源４１０は、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲、より望ましくは±０．３ｎｍの範囲の波長のレーザ光を射出させることができるものが必要となる。一般的に、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、第１から第４の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ため、複数の面発光レーザのうち、射出されるレーザ光の波長が８９４．６ｎｍに最も近い面発光レーザを選択して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することができる。
【０１１７】
このように、本実施の形態においては、単に波長間隔を等間隔にするだけでなく、所望の波長間隔をより高精度に制御できる第１から第４の実施の形態における面発光レーザ素子を用いているため、結晶成長による発振波長ばらつきの分布を考慮した最適な波長間隔を設定することが容易となり、発振波長の歩留まりを向上させることができる。更に、第４の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、より長寿命の原子発振器を得ることができる。
【０１１８】
また、本実施の形態においては、アルカリ金属としてＣｓを用いて、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場合について説明したが、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。活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。尚、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。
【０１１９】
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から第４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】
【０１２０】
１１        面発光レーザ
１２        面発光レーザ
１３        面発光レーザ
１４        面発光レーザ
２１        電極パッド
２２        電極パッド
２３        電極パッド
２４        電極パッド
１０１      基板
１０２      下部反射鏡
１０３      下部スペーサ層
１０４      活性層
１０５      上部スペーサ層
１０６      第２の上部反射鏡
１０７      電流狭窄層
１０７ａ    選択酸化領域
１０７ｂ    電流狭窄領域
１０８      第２の位相調整層
１０９      コンタクト層
１１１      第１の位相調整層
１１２      波長調整層
１１３      第１の上部反射鏡
１２１      保護膜
１２２      ポリイミド層
１３１      上部電極
１３２      下部電極
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】
【０１２１】
【特許文献１】特開２００８−５３３５３号公報
【特許文献２】特許第２７５１８１４号公報
【特許文献３】特開２０００−５８９５８号公報
【特許文献４】特開平１１−３３０６３１号公報
【特許文献５】特開２００８−２８３１２９号公報
【特許文献６】特開２００９−１８８５９８号公報
【非特許文献】
【０１２２】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ Eｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．０９２５０１−０９２５０３ （２００９）．
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４）．
【非特許文献３】Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２
【非特許文献４】Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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