(57)【要約】【課題】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、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中心部分には、半導体材料により調整層が形成されており、前記基板面に平行な面における前記調整層の形状は、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
2014110272.tif 000002
【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中心部分には、半導体材料により調整層が形成されており、
前記基板面に平行な面における前記調整層の形状は、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】
前記活性層と前記上部反射鏡との間には、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、
前記コンタクト層と前記上部反射鏡との間には、前記調整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】
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中心部分には、半導体材料により調整層が形成されており、
前記基板面に平行な面における前記調整層の形状は、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４】
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、
前記コンタクト層と前記第２の上部反射鏡との間には、前記調整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３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記調整層は、２以上の異なる材料を積層することにより形成された波長調整層を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記波長調整層の厚さを変えることにより、相互に波長の異なるレーザ光を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種類の異なる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５または６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記基板は、主面の法線方向が、結晶方位＜１００＞の方向に対して、結晶方位＜１１１＞方向に向かって傾斜している基板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか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、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように前記レーザ光の波長を調整し、安定な周波数を得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。
【０００５】
ところで、ｐ型半導体は価電子帯間吸収と価電子帯アクセプタ準位間吸収による光吸収が大きいため、光導波領域にｐ型半導体層を用いた面発光レーザは、しきい値電流が上昇し、外部量子効率が低下し、温度特性も悪化する場合がある。
【０００６】
そこで、特許文献１には、半導体材料の代わりに誘電体材料からなるＤＢＲを用いた構造の面発光レーザが開示されている。この場合、誘電体材料は絶縁物であるため、誘電体材料により形成されたＤＢＲを迂回した電流経路を設ける必要がある。このような構造のものは、一般的には、イントラキャビティ型と呼ばれている。更には、誘電体材料により形成されたＤＢＲは、ＤＢＲを形成している高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差が、半導体材料の場合と比べて大きいため、半導体材料によりＤＢＲを形成した場合よりも、少ないペア数でも高い反射率を得ることができる。よって、積層方向における大きさを小さくすることができるといった利点を有している。
【０００７】
また、一つのチップ内に波長の異なる多波長面発光レーザを形成した構造のものも開示されており、波長多重通信等の多くの用途に期待が持たれている。このような多波長面発光レーザ素子を得る方法としては、例えば、特許文献２には、異なる種類のエッチング液によりエッチングされる２種類の半導体膜を交互に積層することにより形成された波長調整層を面発光レーザの共振器領域に形成した構造のものが開示されている。具体的には、面発光レーザごとに１層ずつウェットエッチングにより除去することにより、波長調整層の膜厚を変化させて、共振器領域における光学的な厚さを面発光レーザごとに変化させた構造のものである。このような方法により作製された面発光レーザは、面発光レーザから射出されるレーザ光の波長制御性と製造の容易性の観点から好ましいものとされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、面発光レーザが用いられる装置等においては、面発光レーザから射出される光（射出光）は、偏光方向が一定方向であることが求められる場合がある。しかしながら、面発光レーザは、構造上、端面発光レーザとは異なることから、偏光方向を一定方向にすることは容易ではない。このため、面発光レーザからの射出光の偏光方向を一定方向にするための様々な方法が検討されている。例えば、特許文献３には、活性層に対して、その積層面内の所定方向に応力を加える応力付加膜が形成された面発光レーザが開示されている。しかしながら、このような面発光レーザでは、膜の応力により偏光方向を制御するものであるため、偏光方向を安定化させるのには十分ではないといった問題点を有している。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、一定方向に偏光方向が安定しているレーザ光が射出される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】
【００１０】
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中心部分には、半導体材料により調整層が形成されており、前記基板面に平行な面における前記調整層の形状は、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。
【００１１】
また、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中心部分には、半導体材料により調整層が形成されており、前記基板面に平行な面における前記調整層の形状は、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】
【００１２】
本発明によれば、一定方向に偏光方向が安定しているレーザ光が射出される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】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態における面発光レーザの説明図
【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の説明図（２）
【図４】第２の実施の形態における面発光レーザの説明図
【図５】第３の実施の形態における光伝送システムの構成図
【図６】第３の実施の形態における面発光レーザアレイの構造図
【図７】第３の実施の形態における面発光レーザアレイの上面図
【図８】第４の実施の形態における原子発振器の構造図
【図９】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図１０】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図１１】変調周波数と透過光量との相関図
【図１２】第４の実施の形態における面発光レーザアレイの上面図
【図１３】第４の実施の形態における面発光レーザの説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
〔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。また、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。また、本願においては、面発光レーザまたは面発光レーザアレイを面発光レーザ素子と記載する場合がある。
【００１６】
本実施の形態における面発光レーザは、半導体等からなる基板１０１の上に、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、調整層１０９等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、調整層１０９等の半導体層は、エピタキシャル成長により形成されている。具体的には、これらの半導体層は、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。
【００１７】
基板１０１には、ｎ−ＧａＡｓ基板が用いられている。下部反射鏡１０２は、半導体多層膜により形成されている。具体的には、光学的厚さがλ／４のｎ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓからなる高屈折率層と、光学的厚さがλ／４の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。
【００１８】
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。調整層１０９は、コンタクト層１０８の上の所定の領域にＧａＩｎＰ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、コンタクト層１０８、調整層１０９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。調整層１０９は、上部電極１２１が形成される領域を除去することにより形成されており、調整層１０９が除去された領域では、コンタクト層１０８が露出しており、露出しているコンタクト層１０８の上には、後述する上部電極１２１が形成されている。
【００１９】
具体的には、調整層１０９は、調整層１０９を形成するためのＧａＩｎＰ層までの半導体層を積層形成した後、調整層１０９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ＧａＩｎＰ層を除去することにより形成する。ＧａＩｎＰ層を除去する際には、ドライエッチングまたはウェットエッチング等により除去される。このように形成される調整層１０９は、中央部分に略長方形の形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、形成される調整層１０９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。
【００２０】
この後、コンタクト層１０８及び調整層１０９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た後、レジストパターンの形成されていない領域の半導体層を一部エッチングにより除去する。具体的には、レジストパターンの形成されていない領域のコンタクト層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により除去する。これにより、メサを形成することができる。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、略正方形となるように形成してもよく、また、略長方形、楕円形等の形状となるように形成してもよい。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
更に、この後、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み平坦化させた後、メサの上面におけるポリイミドを除去することにより、メサの周囲に残存するポリイミドによりポリイミド層１１３を形成する。
【００２４】
メサの上面に形成されている調整層１０９の外側の周辺部分においては、コンタクト層１０８の上に、調整層１０９を囲むようにｐ側個別電極となる上部電極１２１を形成する。また、基板１０１の裏面にはｎ側個別電極となる下部電極１２２を形成する。
【００２５】
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。
【００２６】
従って、本実施の形態における面発光レーザは、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１３０とにより共振器領域が挟まれた構造となっている。
【００２７】
本実施の形態においては、調整層１０９の形状が、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なるため、即ち、調整層１０９の形状は、直交する方向において長さが異なっているため、面内方向の閉じ込め作用に異方性を生じさせることが可能となる。これにより、偏光方向が一定の方向となるように制御することができる。尚、本実施の形態においては、メサの上面において上部反射鏡１３０が形成されている領域よりレーザ光が射出されるため、レーザ光が射出される領域を射出領域と記載する場合がある。
【００２８】
このように、本実施の形態における面発光レーザは、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、偏光方向が一定の方向に安定したレーザ光を射出することができるものである。
【００２９】
また、メサの上面において形成される調整層１０９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。
【００３０】
具体的には、図２に示されるように、メサの上面において、中央部分に楕円状となるように調整層１０９ａが形成されているものであってもよい。この際、形成される調整層１０９ａの形状は、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、上部電極１２１ａは、調整層１０９ａの外形に対応して形成され、上部反射鏡１３０は、中央部分における楕円状の調整層１０９ａの上に形成される。
【００３１】
また、図３に示されるように、メサの上面において、中央部分に円形部と、この円形部よりＹ軸方向に伸びる領域を有する形状の調整層１０９ｂが形成されているものであってもよい。形成される調整層１０９ｂの形状は、Ｙ軸方向がＸ軸方向よりも長くなっており、直交する方向において長さが異なっている。この場合、上部電極１２１ｂは、調整層１０９ｂの外形に対応して形成され、上部反射鏡１３０は、中央部分における調整層１０９ｂの上に形成される。
【００３２】
このように、調整層１０９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。
【００３３】
尚、本実施の形態においては、調整層１０９等の上に上部電極１２１等がオーバーラップしていてもよい。イントラキャビティ構造では、薄いコンタクト層が電流経路となるため、上部電極１２１等の開口径をできるだけ小さくし、経路を短くすることが好ましい。オーバーラップさせる幅は、フォトリソグラフィの精度や、金属による光の吸収の影響を考慮して、適宜設計すればよい。
【００３４】
このように、本実施の形態における面発光レーザにおいては、偏光方向を一定の方向にすることができる。
【００３５】
〔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４は、本実施の形態における面発光レーザの断面図である。
【００３６】
本実施の形態における面発光レーザは、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。
【００３７】
基板１０１には、主面の法線方向が結晶方向＜１００＞の方向に対して、結晶方位＜１１１＞の方向に向かって１５°傾斜しているｎ−ＧａＡｓ基板が用いられている。
【００３８】
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−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ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。
【００３９】
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。
【００４０】
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−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ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３．５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。
【００４１】
コンタクト層１０８の上には、位相調整層２０９とＧａＡｓＰ層とＧａＩｎＰ層とを交互に積層形成した波長調整層２１０が形成されている。本実施の形態においては、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程とを必要に応じて行うことにより、波長調整層２１０を所定の層数とすることができる。尚、本実施の形態においては、位相調整層２０９及び波長調整層２１０の形状は、略同一の形状となるように形成されており、第１の実施の形態と同様に、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。このように、本実施の形態における面発光レーザは、第１の実施の形態における面発光レーザの調整層１０９が位相調整層２０９と波長調整層２１０とにより形成されているものである。
【００４２】
本実施の形態においては、例えば、位相調整層２０９及び波長調整層２１０は、第１の実施の形態における調整層１０９と同様の形状である長方形状に形成されている。即ち、位相調整層２０９及び波長調整層２１０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。
【００４３】
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と同様に、略正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、長方形や楕円等の形状により形成したものであってもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
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、保護膜１１２は、ＳｉＮにより形成されている。具体的には、保護膜１１２は、保護膜１１２を形成するためのＳｉＮ膜を成膜した後、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。これにより、メサの上面において開口を有する保護膜１１２を形成する。
【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、この後、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み平坦化させた後、メサの上面におけるポリイミドを除去することにより、メサの周囲に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位相調整層２０９及び波長調整層２１０の周辺部分においては、コンタクト層１０８の上に、位相調整層２０９及び波長調整層２１０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、第２の上部反射鏡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。本実施の形態においては、第１の上部反射鏡２０７と第２の上部反射鏡２３０とにより上部反射鏡が形成されている。従って、本実施の形態における面発光レーザは、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。
【００５０】
このように、本実施の形態における面発光レーザは、上部反射鏡の一部が誘電体材料により形成されているものであって、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。
【００５１】
本実施の形態においては、位相調整層２０９及び波長調整層２１０の形状が、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なるため、即ち、位相調整層２０９及び波長調整層２１０の形状は、直交する方向において長さが異なっている。従って、面内方向の閉じ込め作用に異方性を生じさせることが可能となり、偏光方向が一定の方向となるように制御することが可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態における面発光レーザは、上部反射鏡の一部が半導体ＤＢＲにより形成されているため、上部反射鏡における半導体ＤＢＲの上にコンタクト層を設けることができる。従って、イントラキャビティ構造と比べて、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。
【００５３】
このように、本実施の形態における面発光レーザにおいては、偏光方向を一定の方向にすることができる。
【００５４】
尚、第１の実施の形態のようにイントラキャビティ型にするか、本実施の形態のように上部反射鏡の一部を半導体ＤＢＲにより形成した構造にするかは、半導体ＤＢＲに用いられる半導体材料の物性や、求められる電気抵抗、放熱特性等を勘案して選択すればよい。また、第１の実施の形態における面発光レーザにおける調整層１０９に、位相調整層２０９及び波長調整層２１０を形成したものであってもよい。また、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。
【００５５】
〔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、第２の実施の形態における面発光レーザであって、波長の異なる複数面発光レーザが形成されている面発光レーザアレイ及びこの面発光レーザアレイを用いた光伝送システムである。
【００５６】
図５は、本実施の形態における面発光レーザアレイである面発光レーザ素子が用いられている光伝送システム３００を示す。この光伝送システム３００は、多波長伝送方式の光伝送システム３００であり、複数の発振波長の異なる面発光レーザを有する面発光レーザアレイ３１０が用いられている。具体的には、この光伝送システム３００は、送信側が、電気信号処理部３１１、面発光レーザアレイ３１０、合波器３１２により形成されており、受信側が、分波器３１３、受光素子部３１４、電気信号処理部３１５により形成されている。面発光レーザアレイ３１０は電気信号処理部３１１が接続されており、面発光レーザアレイ３１０における各々の面発光レーザからのレーザ光は、電気信号処理部３１１からの情報に基づき発光が制御される。面発光レーザアレイ３１０における発振波長の異なる面発光レーザから射出されたレーザ光は、光ファイバ３２０ａを介し合波器３１２に入射し、合波器３１２において合波された後、光ファイバ３２０ｂを介し、受信側の分波器３１３に入射する。分波器３１３においては、入射したレーザ光が波長ごとに分波される。分波器３１３において分波されたレーザ光は、光ファイバ３２０ｃを介し受光素子部３１４に入射する。受光素子部３１４には、複数の受光素子が設けられており、各々の受光素子において受光した光は、電気信号に変換された後、電気信号処理部３１５に入力する。このような光伝送システム３００では、後述する本実施の形態における面発光レーザアレイを用いているため、大容量のデータの伝送を高速で行うことができる。
【００５７】
（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アレイについて説明する。図６は、本実施の形態における面発光レーザアレイとなる面発光レーザ素子を形成してい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７は上面図である。この面発光レーザチップは、２５０μｍ×５００μｍ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３５１、３５２、３５３、３５４を有する面発光レーザチップの例である。４つの発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４のうち、３つの発光素子部３５１、３５２、３５３は、各々波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃが設けられている構造のものであり、発光素子部３５４は、波長調整層が形成されていない構造のものである。
【００５８】
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、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の内部に形成されている。
【００５９】
更に、コンタクト層１０８の上において、メサの上面の中央部分には、位相調整層２０９及び波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ等が形成されており、メサの上面の周辺部分に上部電極１２１が形成されている。また、各々の発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４における上部電極１２１は、各々電極バッド３６１、３６２、３６３、３６４が接続されている。即ち、発光素子部３５１の上部電極には電極バッド３６１が、発光素子部３５２の上部電極には電極バッド３６２が、発光素子部３５３の上部電極には電極バッド３６３が、発光素子部３５４の上部電極には電極バッド３６４が接続されている。
【００６０】
また、各々の発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４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。
【００６１】
発光素子部３５１となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に位相調整層２０９及び波長調整層２１０ａが形成されており、この波長調整層２１０ａ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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。また、発光素子部３５２となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に位相調整層２０９及び波長調整層２１０ｂが形成されており、この波長調整層２１０ｂ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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。また、発光素子部３５３となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に位相調整層２０９及び波長調整層２１０ｃが形成されており、この波長調整層２１０ｃ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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。また、発光素子部３５４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、位相調整層２０９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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。
【００６２】
本実施の形態においては、位相調整層２０９の上に形成されている波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの厚さは相互に異なっている。具体的には、波長調整層２１０ａは３層の半導体層により形成されており、波長調整層２１０ｂは２層の半導体層により形成されており、波長調整層２１０ｃ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３５４においては位相調整層２０９が形成されているのみで、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３５１、３５２、３５３、３５４より射出される波長は相互に異なる。
【００６３】
具体的には、発光素子部３５１からは波長λ１のレーザ光が射出され、発光素子部３５２からは波長λ２のレーザ光が射出され、発光素子部３５３からは波長λ３のレーザ光が射出され、発光素子部３５４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。
【００６４】
尚、波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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。
【００６５】
〔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。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。
【００６６】
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。このため、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。
【００６７】
次に、図８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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
図９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１０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１１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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。即ち、通常のＭＯＣＶＤ装置や、ＭＢＥ装置では面内の膜厚均一性が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。
【００７３】
そこで、本実施の形態における面発光レーザ素子では、歩留まりを向上させるために波長調整層が用いられている。面発光レーザにおいては、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。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザアレイは、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る。よって、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。
【００７４】
（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１２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上面図である。尚、この面発光レーザチップにおける各々の面発光レーザの断面構造は、各々の面発光レーザである発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４の配置が異なる以外は、図６に示されるものと同様である。図６では、便宜上、面発光レーザである４つの発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４が、横に一列となっている状態を示している。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３５１、３５２、３５３、３５４を有する面発光レーザチップの例である。
【００７５】
具体的には、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（ＤＢＲ）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の内部に形成されている。
【００７６】
更に、コンタクト層１０８の上において、メサの上面の中央部分には、位相調整層２０９及び波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ等が形成されており、メサの上面の周辺部分に上部電極１２１が形成されている。各々の発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４における上部電極１２１は、各々電極バッド３６１、３６２、３６３、３６４が接続されている。即ち、発光素子部３５１の上部電極には電極バッド３６１が、発光素子部３５２の上部電極には電極バッド３６２が、発光素子部３５３の上部電極には電極バッド３６３が、発光素子部３５４の上部電極には電極バッド３６４が接続されている。
【００７７】
また、各々の発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４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。
【００７８】
発光素子部３５１となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に位相調整層２０９及び波長調整層２１０ａが形成されており、この波長調整層２１０ａ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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。また、発光素子部３５２となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に位相調整層２０９及び波長調整層２１０ｂが形成されており、この波長調整層２１０ｂ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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。また、発光素子部３５３となる面発光レーザには、メサの上面の中心部分に位相調整層２０９及び波長調整層２１０ｃが形成されており、この波長調整層２１０ｃ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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。また、発光素子部３５４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、位相調整層２０９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第２の上部反射鏡２３０が形成されている。
【００７９】
本実施の形態においては、位相調整層２０９の上に形成されている波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの厚さは相互に異なっている。具体的には、波長調整層２１０ａは３層の半導体層により形成されており、波長調整層２１０ｂは２層の半導体層により形成されており、波長調整層２１０ｃ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３５４においては位相調整層２０９が形成されているのみで、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３５１、３５２、３５３、３５４より射出される波長は相互に異なる。
【００８０】
具体的には、発光素子部３５１からは波長λ１のレーザ光が射出され、発光素子部３５２からは波長λ２のレーザ光が射出され、発光素子部３５３からは波長λ３のレーザ光が射出され、発光素子部３５４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。
【００８１】
尚、波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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。
【００８２】
また、図１３に示されるように、ウエハ上に、相互に射出される波長の異なる発光素子部３５１、発光素子部３５２、発光素子部３５３、発光素子部３５４を周期的に配列した構造のものであってもよい。また、各々の発光素子部３５１、３５２、３５３、３５４がチップとなるものであってもよく、この場合、各々のチップの大きさは、２５０μｍ×１５０μｍ角である。尚、発光素子部３５１からは波長λ１のレーザ光が射出され、発光素子部３５２からは波長λ２のレーザ光が射出され、発光素子部３５３からは波長λ３のレーザ光が射出され、発光素子部３５４からは波長λ４のレーザ光が射出される。
【００８３】
ところで、前述したように、ＣＰＴ共鳴のためにはアルカリ金属セル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２の実施の形態における面発光レーザ素子と同様に、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。
【００８４】
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３５１、３５２、３５３、３５４において、共振器領域に含まれている波長調整層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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３５１、３５２、３５３、３５４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３５１からは波長λ１のレーザ光が射出され、発光素子部３５２からは波長λ２のレーザ光が射出され、発光素子部３５３からは波長λ３のレーザ光が射出され、発光素子部３５４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３５１、３５２、３５３、３５４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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【符号の説明】
【００８７】
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
１０９      調整層
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
２０９      位相調整層
２１０ａ    波長調整層
２１０ｂ    波長調整層
２１０ｃ    波長調整層
３５１      発光素子部（面発光レーザ）
３５２      発光素子部（面発光レーザ）
３５３      発光素子部（面発光レーザ）
３５４      発光素子部（面発光レーザ）
３６１      電極パッド
３６２      電極パッド
３６３      電極パッド
３６４      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】
【００８８】
【特許文献１】特開平１１−２４３２５７号公報
【特許文献２】特許第２７５１８１４号公報
【特許文献３】特開２００８−９８３３８号公報
【非特許文献】
【００８９】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ  Ｎｏｌ．６１３２ ６１３２０８−１（２００６）
【図１】
2014110272.tif 000003
【図２】
2014110272.tif 000004
【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】
2014110272.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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