(57)【要約】      （修正有）【課題】波長の異なるレーザ光を出射する複数の面発光レーザが形成されている面発光レーザ素子において、面発光レーザ間における波長間隔のばらつきを低減する。【解決手段】半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、上部ブラッグ反射鏡内又は共振器領域内に形成された波長調整領域と、を有し、波長調整領域は、下部ブラッグ反射鏡が設けられている側から順に、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層の順で形成されており、波長調整層は、２種類以上の異なる材料を積層することにより形成されており、第１の位相調整層は、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰのいずれかにより形成されており、波長調整層の光学厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有している。【選択図】図３
2018010940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、
前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器領域と、
前記共振器領域の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、
前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器領域内に形成された波長調整領域と、
を有し、
前記波長調整領域は、前記下部ブラッグ反射鏡が設けられている側から順に、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層の順で形成されており、
前記波長調整層は、２種類以上の異なる材料を積層することにより形成されており、
前記第１の位相調整層は、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰのいずれかにより形成されており、
前記波長調整層の光学厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザ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】
前記波長調整層は、前記第１の位相調整層が設けられている側から順に、第１の波長調整層、第２の波長調整層の順で形成されており、
前記第１の波長調整層は、ＧａＩｎＰにより形成されており、
前記第２の波長調整層は、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰのいずれかにより形成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ＧａＩｎＰにおけるＰの組成が３％以上であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記複数の面発光レーザの数は偶数であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記複数の面発光レーザのうちの少なくともいずれかは、波長が７８０ｎｍ、７９５ｎｍ、８５２ｎｍ又は８９５ｎｍである光を出射す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】
請求項１から５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発振周波数を制御することを特徴とする原子発振器。
【請求項７】
前記２つの異なる波長の光は、前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする請求項６に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記アルカリ金属は、ルビジウム又はセシウムであることを特徴とする請求項６又は７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出射する半導体レーザである。面発光レーザは、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ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ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１参照）。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厚さで形成されている。上部ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる材料、すなわち、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ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)により形成されている。ＤＢＲにおいては、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料及び高屈折率材料は、各材料の屈折率を考慮した光学厚さが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も提案されており、波長多重通信など多くの用途に期待されている。多波長面発光レーザ素子を得る方法としては、面発光レーザ素子の共振器領域に、エッチングの際のエッチング液が異なる２種類の材料を交互に積層して波長調整領域を形成し、波長の異なる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。このようにして、波長調整領域における膜厚を変えることにより、共振器領域の光学厚さを面発光レーザごとに変える方法がある（例えば、特許文献２参照）。この方法は、波長制御性と製作の簡易性の観点から望ましい。
【０００５】
また、面発光レーザの光出射領域において、波長調整領域の構造をメサ上に凸部形状とすることで、異なる面発光レーザの間で発振閾値などの特性を揃える効果が、発明者の実験から明らかになっている（例えば、特許文献３参照）。凸部形状は、位相調整層及び波長調整層により形成され、波長調整層の層数を１層ずつ異ならせることで波長調整層の膜厚が異なっている。これにより、面発光レーザごとに発振波長が変化する。さらに、凸部の高さを略３λ/４まで高くすることで、各面発光での凸部の高さ変化が少なくなり、光閉じ込め変化が低減する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３における構造では、波長調整層がＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰにより形成されているため、発振波長の誤差が大きい面発光レーザの数が多くなる。これは、Ａｓ系材料の屈折率がＩｎ系材料の屈折率よりも高く、ＧａＡｓＰがＧａＩｎＰよりも膜厚のばらつきによる発振波長のばらつきが生じやすいためである。このため、面発光レーザ間における波長間隔のばらつきが大きくなる。
【０００７】
そこで、上記課題を鑑み、波長の異なるレーザ光を出射する複数の面発光レーザが形成されている面発光レーザ素子において、面発光レーザ間における波長間隔のばらつきを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る面発光レーザ素子は、半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器領域と、前記共振器領域の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器領域内に形成された波長調整領域と、を有し、前記波長調整領域は、前記下部ブラッグ反射鏡が設けられている側から順に、第２の位相調整層、コンタクト層、第１の位相調整層、波長調整層の順で形成されており、前記波長調整層は、２種類以上の異なる材料を積層することにより形成されており、前記第１の位相調整層は、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰのいずれかにより形成されており、前記波長調整層の光学厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
開示の技術によれば、波長の異なるレーザ光を出射する複数の面発光レーザが形成されている面発光レーザ素子において、面発光レーザ間における波長間隔のばらつきを低減することができる。
【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波長調整領域の説明図
【図４】従来の波長調整領域の説明図
【図５】従来の面発光レーザ素子における面発光レーザ間の波長間隔のばらつきの説明図
【図６】第１の実施の形態における面発光レーザ素子における面発光レーザ間の波長間隔のばらつきの説明図
【図７】面発光レーザの配置を説明するための図（１）
【図８】面発光レーザの配置を説明するための図（２）
【図９】第２の実施の形態に係る原子発振器の構造図
【図１０】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図１１】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図１２】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】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【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説明する。図１は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図である。図２は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子の断面図である。なお、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。
【００１３】
図１に示されるように、面発光レーザ素子は、一例として、３００μｍ角のチップの上に形成された４つの発光可能な面発光レーザ１０１、１０２、１０３、１０４を有する。面発光レーザ１０１、１０２、１０３、１０４は、それぞれ波長λ１、λ２、λ３、λ４のレーザ光を出射する。面発光レーザ１０１における上部電極は電極パッド１６１に接続されており、面発光レーザ１０２における上部電極は電極パッド１６２に接続されている。面発光レーザ１０３における上部電極は電極パッド１６３に接続されており、面発光レーザ１０４における上部電極は電極パッド１６４に接続されている。
【００１４】
図２に示されるように、面発光レーザ素子は、半導体基板であるｎ−ＧａＡｓ基板１１１の上に形成されているｐ側のＡｌＡｓ層を選択酸化した電流狭窄構造を用いた８９５ｎｍの面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１１１の上に、半導体結晶成長により半導体層が形成されている。本実施の形態では、ｎ−ＧａＡｓ基板１１１の上に、下部ブラッグ反射鏡１１２、共振器領域、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６、波長調整領域及び第１の上部ブラッグ反射鏡１２３がこの順に形成されている。すなわち、面発光レーザ素子は、上部ブラッグ反射鏡と下部ブラッグ反射鏡１１２とにより共振器領域を挟んだ構造となっており、波長調整領域が上部ブラッグ反射鏡内に形成されている。
【００１５】
以下、具体的に説明する。
【００１６】
図１に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１１１の上に、λ／４の光学厚さで３５．５ペアのｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層からなる下部ブラッグ反射鏡１１２が形成されている。
【００１７】
下部ブラッグ反射鏡１１２の上には、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１１４の上下に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより下部スペーサ層１１３及び上部スペーサ層１１５が形成されている。本実施の形態においては、下部スペーサ層１１３、活性層１１４及び上部スペーサ層１１５により、共振器領域が形成されており、下部スペーサ層１１３、活性層１１４及び上部スペーサ層１１５を合わせた光学厚さは１波長（１λ）となっている。
【００１８】
上部スペーサ層１１５の上には、６ペアのｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層からなる第２の上部ブラッグ反射鏡１１６が形成されている。第２の上部ブラッグ反射鏡１１６の一部には、ＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層１１７が形成されている。電流狭窄層１１７は、選択的に酸化された選択酸化領域１１７ａと電流狭窄領域１１７ｂとにより形成されている。
【００１９】
第２の上部ブラッグ反射鏡１１６の上には、波長調整領域が形成されている。
【００２０】
図３は、第１の実施の形態における波長調整領域の説明図である。図２及び図３に示されるように、波長調整領域は、電流狭窄層１１７の上に、積層方向の下部から見て、第２の位相調整層１１８、コンタクト層１１９、第１の位相調整層１２１、波長調整層１２２の順に積層することにより形成されている。
【００２１】
第２の位相調整層１１８は、光学厚さ略λ／２のｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにより形成されている。
【００２２】
コンタクト層１１９は、光学厚さ０．１λのｐ＋＋ＧａＩｎＰにより形成されている。
【００２３】
第１の位相調整層１２１は、光学厚さ略３λ／４のＧａＡｓＰにより形成されている。
【００２４】
波長調整層１２２は、３層の半導体層、例えばＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰを積層することにより形成されている。波長調整層１２２における半導体層の層数を面発光レーザごとに異なるものとすることにより、波長調整領域におけるトータルの光学厚さを面発光レーザごとに変えることができる。これにより、１つのチップの面発光レーザ素子において、発振波長が異なる複数の面発光レーザ、具体的には、図１に示されるように、波長λ１、λ２、λ３、λ４の４つの異なる波長のレーザ光を出射する面発光レーザを得ることができる。図３に示されるように、第２の位相調整層１１８の下部から波長調整層１２２内のＧａＡｓＰの真ん中までの光学厚さは、５λ／４となるように第１の位相調整層１２１の膜厚が調整されている。なお、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの計３層で構成される波長調整層１２２の各層の光学厚さは０．０５λとなっており、４個の面発光レーザの発振波長の間隔が２ｎｍ間隔となるように形成されている。なお、本実施の形態においては、波長調整層１２２は２種類以上の半導体材料を積層することにより形成されている。波長調整層１２２が２種類の半導体材料により形成されている場合には、ＧａＩｎＰにより形成されている一方の波長調整層１２２を第１の波長調整層と記載し、ＧａＡｓＰにより形成されている他方の波長調整層１２２を第２の波長調整層と記載する場合がある。
【００２５】
波長調整領域の上には、８ペアのＴｉＯ２高屈折率層／ＳｉＯ２低屈折率層からなる第１の上部ブラッグ反射鏡１２３が形成されている。
【００２６】
コンタクト層１１９上の電気的接触を取る部分には、ｐ側の個別電極となる上部電極１４１が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板１１１の裏面には、ｎ側の共通電極となる下部電極１４２が形成されている。
【００２７】
また、メサを形成することにより露出している半導体層を保護するため、保護層１３１及びポリイミド層１３２が形成されている。
【００２８】
半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、又はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により形成することができる。波長調整領域は、各々の面発光レーザごとにフォトリソグラフィ及びウェットエッチングによる選択的エッチングにより波長調整層１２２の層数を異なるように形成されており、膜厚が異なっている。ウェットエッチングでは、例えばＧａＡｓＰ（ＧａＡｓの場合も同様）のエッチング液には、硫酸、過酸化水素、水の混合液を使用し、ＧａＩｎＰのエッチング液には、塩酸、水の混合液を使用することができる。また同時に、上部電極１４１との電気的接触を取る部分の波長調整層１２２及び第１の位相調整層１２１も除去する。
【００２９】
次に、少なくとも電流狭窄層１１７の側面が現れる深さまで半導体層をエッチングすることによりメサを形成し、その後、電流狭窄層１１７を選択的に酸化して選択酸化領域１１７ａと電流狭窄領域１１７ｂとを形成する。メサを形成する際のエッチングは、ドライエッチング法を用いることができる。メサは本実施の形態のような円形の他に、楕円形、正方形、長方形の矩形等の任意の形状とすることができる。エッチング工程により側面が露出したＡｌＡｓからなる電流狭窄層１１７を、水蒸気中で熱処理し周辺を酸化させて選択酸化領域１１７ａを形成することによりＡｌｘＯｙからなる絶縁物に変える。これにより、駆動電流の経路を中心部の酸化されていないＡｌＡｓからなる電流狭窄領域１１７ｂだけに制限することのできる電流狭窄構造を形成することができる。
【００３０】
次に、ＳｉＮにより保護層１３１を設け、更に半導体層がエッチングされている部分をポリイミド層１３２により埋め込むことにより平坦化する。この後、コンタクト層１１９と光出射部のある波長調整層１２２又は第１の位相調整層１２１の上の保護層１３１及びポリイミド層１３２を除去し、コンタクト層１１９上の電気的接触を取る部分にｐ側の個別電極となる上部電極１４１を形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１１１の裏面には、ｎ側の共通電極となる下部電極１４２を形成する。
【００３１】
本実施の形態においては、面発光レーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板１１１と反対側にレーザ光を出射する。なお、ＳｉＮからなる保護層１３１は、メサを形成する際のエッチングにより露出した腐食されやすいＡｌを含む層の側面や底面を誘電体で保護しているため、信頼性を向上させることができる。最後に、波長調整層１２２又は第１の位相調整層１２１の上に、８ペアのＴｉＯ２高屈折率層／ＳｉＯ２低屈折率層からなる第１の上部ブラッグ反射鏡１２３を電子ビーム蒸着法等により成膜することにより形成する。
【００３２】
次に、第１の位相調整層１２１がＧａＡｓＰにより形成されていることの効果について説明する。図４は、従来の波長調整領域の説明図である。
【００３３】
まず、図４に示されるように、第１の位相調整層９２１がＧａＩｎＰにより形成されている場合を考える。すなわち、波長調整領域は、電流狭窄層９１７の上に、積層方向の下部から見て、第２の位相調整層９１８、コンタクト層９１９、第１の位相調整層９２１、波長調整層９２２の順に積層することにより形成されている。
【００３４】
第２の位相調整層９１８は、光学厚さ略λ／２のｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにより形成されている。コンタクト層９１９は、光学厚さ０．１λのｐ＋＋ＧａＡｓにより形成されている。第１の位相調整層９２１は、光学厚さ略３λ／４のＧａＩｎＰにより形成されている。波長調整層９２２は、ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰを積層することにより形成されている。
【００３５】
この場合、異なる２種類の材料により形成された波長調整層９２２と、第１の位相調整層９２１とで構成される凸部形状がメサ上に形成されており、波長調整層９２２の層数を１層ずつ異ならせることで波長調整層９２２の膜厚が異なっている。これにより、面発光レーザごとに発振波長が変化する。特許文献３では、凸部の高さを略３λ/４まで高くすることで、各素子での凸部の高さ変化が少なくなり、光閉じ込め変化が低減することを示していた。しかしながら、発振波長の数が増加すると高さ変化が大きくなる。そこで、凸部の高さを略（２Ｎ＋１）／４λ（Ｎ≧２）まで高くすることもできるが、光吸収が増加する等の弊害が生じる。
【００３６】
これに対し、本実施の形態では、図３に示されるように、第１の位相調整層１２１がＧａＡｓＰにより形成されている。ＧａＡｓＰの屈折率は、ＧａＩｎＰの屈折率よりも高いため、光閉じ込めが強くなり、異なる素子間で発振閾値等の特性を揃える効果がより高まる。
【００３７】
また、図４に示されるように、第１の位相調整層１２１がＧａＩｎＰにより形成されている場合、発振波長の誤差が大きい面発光レーザの数が多くなる。以下、具体的に説明する。
【００３８】
面発光レーザ素子において２つの異なる発振波長の面発光レーザを得るためには、波長調整層１２２が少なくとも１層必要である。また、面発光レーザ素子において３つの異なる発振波長の面発光レーザを得るためには、波長調整層１２２が少なくとも２層必要である。また、面発光レーザ素子において４つの異なる発振波長の面発光レーザを得るためには、波長調整層１２２が少なくとも３層必要である。
【００３９】
ここで、４つの異なる発振波長の面発光レーザを得るために波長調整層を３層設ける場合を考える。
【００４０】
図５は、従来の面発光レーザ素子における面発光レーザ間の波長間隔のばらつきの説明図である。図５に示されるように、第１の位相調整層９２１がＧａＩｎＰにより形成されている従来の面発光レーザ素子では、コンタクト層９１９側から順に、Ｐ系材料（第１の位相調整層９２１）、Ａｓ系材料、Ｐ系材料及びＡｓ系材料が形成されている。すなわち、３層の波長調整層９２２のうち２層がＡｓ系材料により形成され、１層がＰ系材料により形成されている。このため、第１の波長と第２の波長との波長間隔Δλ１と、第３の波長と第４の波長との波長間隔Δλ３がＡｓ系材料の膜厚で定められ、第２の波長と第３の波長との波長間隔Δλ２がＰ系材料の膜厚で定められる。
【００４１】
ところで、波長間隔Δλは、（波長間隔Δλ）＝（屈折率）×［（狙いの膜厚ｄ）＋（膜厚ばらつきΔｄ）］＝（屈折率）×（狙いの膜厚ｄ）＋（屈折率）×（膜厚ばらつきΔｄ）＝（狙いの波長間隔）＋（波長間隔ばらつき）で表される。また、Ａｓ系材料はＰ系材料と比べて屈折率が高い。これにより、３つの波長間隔Δλ１、Δλ２、Δλ３のうち２つの波長間隔Δλ１、Δλ３のばらつきが大きくなる。
【００４２】
図６は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子における面発光レーザ間の波長間隔のばらつきの説明図である。図６に示されるように、第１の位相調整層１２１がＧａＡｓＰにより形成されている本実施の形態の面発光レーザ素子では、コンタクト層１１９側から順に、Ａｓ系材料（第１の位相調整層１２１）、Ｐ系材料、Ａｓ系材料及びＰ系材料が形成されている。すなわち、３層の波長調整層１２２のうち１層がＡｓ系材料により形成され、２層がＡｓ系材料よりも屈折率の低いＰ系材料により形成されている。このため、第２の波長と第３の波長との波長間隔Δλ２のみがＡｓ系材料の膜厚で定められ、第１の波長と第２の波長との波長間隔Δλ１及び第３の波長と第４の波長との波長間隔Δλ３はＰ系材料の膜厚で定められる。これにより、３つの波長間隔Δλ１、Δλ２、Δλ３のうちばらつきが大きい波長間隔Δλは第２の波長と第３の波長との波長間隔Δλ２のみとなる。その結果、第１の位相調整層１２１がＧａＩｎＰにより形成されている場合と比較して、面発光レーザ間における波長間隔のばらつきを低減することができ、波長制御性の高い面発光レーザ素子が得られる。
【００４３】
次に、面発光レーザ素子における複数の面発光レーザの配置について説明する。図７は、面発光レーザの配置を説明するための図であり、面発光レーザの数が４つの場合を示している。図８は、面発光レーザの配置を説明するための図であり、面発光レーザの数が５つの場合を示している。
【００４４】
面発光レーザの数が偶数、例えば図７に示されるように４つの場合、面発光レーザ１０１〜１０４及び電極パッド１６１〜１６４の配置されない領域（以下「デッドスペースＺ」という。）が小さくなるように効率的に配置することができる。
【００４５】
これに対し、面発光レーザの数が奇数、例えば図８に示されるように５つの場合、面発光レーザの数が４つの場合と比較して、面発光レーザ１０１〜１０５及び電極パッド１６１〜１６５が配置されていないデッドスペースＺが大きくなる。
【００４６】
このように、面発光レーザの数を偶数とすることにより、デッドスペースＺが小さい面発光レーザ素子を形成することができる。デッドスペースＺが小さくなると、所定の大きさのウエハ上により多くの面発光レーザを形成することができるので、生産性が向上する。また、化合物半導体の結晶成長の技術では、半導体層を形成する際の膜厚の分布ムラ等により、均一な膜厚を得ることが困難であるが、ウエハ上により多くの面発光レーザ素子を形成することができるので、膜厚の分布ムラ等の影響が小さくなる。その結果、同一の発振波長の面発光レーザ素子をより多く形成することができる。よって、複数の面発光レーザの数は偶数であることが好ましい。
【００４７】
〔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。本実施の形態は、第１の実施の形態における面発光レーザ素子を用いた原子発振器である。図９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。
【００４８】
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波長板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（非特許文献１、非特許文献２）。なお、本実施の形態は、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アルカリ金属セル４４０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を用いた光吸収特性により発振周波数を制御する原子発振器である。
【００４９】
光源４１０には、第１の実施の形態におけ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。
【００５０】
本実施の形態のおける原子発振器では、光源４１０より出射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、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。
【００５１】
図１０に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。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する。面発光レーザは搬送波の波長が８９５ｎｍに近い素子を用いている。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。
【００５２】
図１１に示されるように、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。
【００５３】
図１２に示されるように、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の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックする。これにより、光源４１０における面発光レーザ素子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、この情報が出力として取り出される。なお、波長が８９５ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲、より望ましくは±０．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる（非特許文献３）。
【００５４】
本実施の形態における原子発振器は第１の実施の形態における面発光レーザ素子を用いている。面発光レーザは、結晶成長での膜厚のバラツキにより上記±１ｎｍの範囲の均一な発振波長を得ることが困難であるが、チップ内で発振波長の異なる面発光レーザを複数形成することで、８９５ｎｍに近い発振波長の面発光レーザを選んで動作させる。これにより、発振波長に関する歩留まりを向上することができ、原子発振器を低コストで作製し提供することができる。本実施の形態によると所望の波長間隔をより高精度に制御できることから、(単に波長間隔を等間隔にするだけでなく)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になる。よって、更に発振波長の歩留まりを向上することができる。
【００５５】
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、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９５ｎｍ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８５２ｎｍ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７９５ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０ｎｍ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。なお、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。
【００５６】
以上、本発明の実施の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。
【００５７】
本発明の実施の形態では、波長調整領域が第１の上部ブラッグ反射鏡１２３と第２の上部ブラッグ反射鏡１１６との間、すなわち、上部ブラッグ反射鏡内に形成されている場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。波長調整領域は、例えば共振器領域内に形成されていてもよい。すなわち、面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１１１の上に、下部ブラッグ反射鏡１１２、下部スペーサ層１１３、活性層１１４、上部スペーサ層１１５、電流狭窄層１１７、波長調整領域及び上部ブラッグ反射鏡がこの順に形成されている形態であってもよい。
【００５８】
本発明の実施の形態では、第１の位相調整層１２１がＧａＡｓＰにより形成されている場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。第１の位相調整層１２１は、例えばＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰにより形成されていてもよい。ただし、本発明の実施の形態における面発光レーザ素子のように、発振波長が８９５ｎｍである場合、第１の位相調整層１２１において光が吸収されるのを抑制するという観点から、第１の位相調整層１２１はＧａＡｓＰにより形成されていることが好ましい。また、ＧａＡｓＰにおけるＰ組成は、３％以上であることが好ましい。第１の位相調整層１２１がＧａＡｓにより形成されている場合、８９５ｎｍ（１．３８５ｅＶ）における吸収係数αが５０ｃｍ−１程度であり、第１の位相調整層１２１の端部は縦モードの腹の位置であるため、発振閾値電流値等の特性に影響を及ぼすためである。なお、発振波長が８９５ｎｍよりも長波長の９８０ｎｍである場合、ＧａＡｓによる光の吸収はほとんどないため、第１の位相調整層１２１はＧａＡｓにより形成されていてもよい。
【００５９】
本発明の実施の形態では、第２の波長調整層がＧａＡｓＰにより形成されている場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。第２の波長調整層は、例えばＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰにより形成されていてもよい。
【００６０】
本発明の実施の形態では、面発光レーザ素子を原子発振器に用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。面発光レーザ素子は、ガスセンサ等の所定の波長の光が必要な他の装置等に用いてもよい。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レーザ光を出射する面発光レーザ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】
【００６１】
１０１    面発光レーザ
１０２    面発光レーザ
１０３    面発光レーザ
１０４    面発光レーザ
１１１    ｎ−ＧａＡｓ基板
１１２    下部ブラッグ反射鏡
１１３    下部スペーサ層
１１４    活性層
１１５    上部スペーサ層
１１６    第２の上部ブラッグ反射鏡
１１７    電流狭窄層
１１７ａ  選択酸化領域
１１７ｂ  電流狭窄領域
１１８    第２の位相調整層
１１９    コンタクト層
１２１    第１の位相調整層
１２２    波長調整層
１２３    第１の上部ブラッグ反射鏡
１３１    保護層
１３２    ポリイミド層
１４１    上部電極
１４２    下部電極
１６１    電極パッド
１６２    電極パッド
１６３    電極パッド
１６４    電極パッド
４１０    光源
４２０    コリメートレンズ
４３０    λ／４波長板
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】
【００６２】
【特許文献１】特開２００８−５３３５３号公報
【特許文献２】特許２７５１８１４号公報
【特許文献３】特開２０１５−００８２７１号公報
【非特許文献】
【００６３】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４）．
【非特許文献２】Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２
【非特許文献３】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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