(57)【要約】【課題】光出力の変動を低減できる半導体レーザーを提供する。【解決手段】第１ミラー層と、第２ミラー層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、前記第１ミラー層に接続された第１電極と、前記第２ミラー層に接続された第２電極と、前記半導体層に接続された第３電極と、を含む、半導体レーザー。【選択図】図７
2019175945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ミラー層と、
第２ミラー層と、
前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、
前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、
前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、
前記第１ミラー層に接続された第１電極と、
前記第２ミラー層に接続された第２電極と、
前記半導体層に接続された第３電極と、
を含む、半導体レーザー。
【請求項２】
請求項１において、
基板を含み、
前記第２ミラー層は、前記活性層に対して前記基板とは反対側に配置されている、半導体レーザー。
【請求項３】
請求項１または２において、
開口を有する絶縁層を含み、
前記絶縁領域は、前記活性層および前記第２ミラー層の積層方向から見て、前記開口と重ならない、半導体レーザー。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記半導体層は、
前記第２ミラー層の面内方向に延びる第１部分と、
前記活性層および前記第２ミラー層の積層方向に延びる第２部分と、
を有し、
前記面内方向における前記第２部分の断面積は、前記積層方向における前記第１部分の断面積よりも大きい、半導体レーザー。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記第２電極は、前記半導体層に接続されている、半導体レーザー。
【請求項６】
半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
を含み、
前記半導体レーザーは、
第１ミラー層と、
第２ミラー層と、
前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、
前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、
前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、
前記第１ミラー層に接続された第１電極と、
前記第２ミラー層に接続された第２電極と、
前記半導体層に接続された第３電極と、
を含む、原子発振器。
【請求項７】
請求項６において、
前記検出信号に基づいて前記半導体レーザーの前記第１電極および前記第２電極に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの光出力を制御する光出力制御回路と、
前記検出信号に基づいて前記第３電極に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの発振波長を制御する波長制御回路と、
を含む、原子発振器。
【請求項８】
原子発振器を含む周波数信号生成システムであって、
前記原子発振器は、
半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
を含み、
前記半導体レーザーは、
第１ミラー層と、
第２ミラー層と、
前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、
前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、
前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、
前記第１ミラー層に接続された第１電極と、
前記第２ミラー層に接続された第２電極と、
前記半導体層に接続された第３電極と、
を含む、周波数信号生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザー、原子発振器、および周波数信号生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長（周波数）を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。ＣＰＴを利用した原子発振器では、光源から出射される光の波長を高精度に制御する必要がある。
【０００３】
原子発振器の光源として用いられる半導体レーザーは、温度変動により発振波長が変動してしまう。そのため、例えば特許文献１の原子発振器では、温度調節面により温度調節される中継部材上の配線層を、発光素子と外部端子とを接続している配線の途中に介在させて配線の温度変動を低減することで、発光素子の温度変動を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１１９１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の原子発振器のように、光源に半導体レーザーを用いる場合、発振波長は駆動電流で制御することができる。しかしながら、半導体レーザーの発振波長を制御するために駆動電流を変動させると、半導体レーザーの光出力も変動してしまう。半導体レーザーの光出力の変動はライトシフトを引き起こし、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体レーザーの一態様は、第１ミラー層と、第２ミラー層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、前記第１ミラー層に接続された第１電極と、前記第２ミラー層に接続された第２電極と、前記半導体層に接続された第３電極と、を含む。
【０００７】
前記半導体レーザーの一態様は、基板を含み、前記第２ミラー層は、前記活性層に対して前記基板とは反対側に配置されていてもよい。
【０００８】
前記半導体レーザーの一態様は、開口を有する絶縁層を含み、前記絶縁領域は、前記活性層および前記第２ミラー層の積層方向から見て、前記開口と重ならなくてもよい。
【０００９】
前記半導体レーザーの一態様において、前記半導体層は、前記第２ミラー層の面内方向に延びる第１部分と、前記活性層および前記第２ミラー層の積層方向に延びる第２部分と、を有し、前記面内方向における前記第２部分の断面積は、前記積層方向における前記第１部分の断面積よりも大きくてもよい。
【００１０】
前記半導体レーザーの一態様において、前記第２電極は、前記半導体層に接続されてい
てもよい。
【００１１】
本発明に係る原子発振器の一態様は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、を含み、前記半導体レーザーは、第１ミラー層と、第２ミラー層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、前記第１ミラー層に接続された第１電極と、前記第２ミラー層に接続された第２電極と、前記半導体層に接続された第３電極と、を含む。
【００１２】
前記原子発振器の一態様は、前記検出信号に基づいて前記半導体レーザーの前記第１電極および前記第２電極に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの光出力を制御する光出力制御回路と、前記検出信号に基づいて前記第３電極に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの発振波長を制御する波長制御回路と、を含んでいてもよい。
【００１３】
本発明に係る周波数信号生成システムの一態様は、原子発振器を含む周波数信号生成システムであって、前記原子発振器は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、を含み、前記半導体レーザーは、第１ミラー層と、第２ミラー層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、前記第２ミラー層の内部に配置された半導体層と、前記第２ミラー層と前記半導体層とを絶縁する絶縁領域と、前記第１ミラー層に接続された第１電極と、前記第２ミラー層に接続された第２電極と、前記半導体層に接続された第３電極と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】原子セル内のアルカリ金属原子のエネルギー状態を説明するための図。
【図３】半導体レーザーから出射される２つの光の周波数差と、受光素子で検出される検出強度と、の関係を示すグラフ。
【図４】発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。
【図５】発光素子モジュールを模式的に示す平面図。
【図６】発光素子モジュールを模式的に示す断面図。
【図７】半導体レーザーを模式的に示す断面図。
【図８】半導体レーザーを模式的に示す平面図。
【図９】ヒーター素子を模式的に示す斜視図。
【図１０】実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図１１】実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図１２】実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図１３】実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図１４】実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図１５】第１変形例に係る半導体レーザーのヒーター素子を模式的に示す斜視図。
【図１６】第２変形例に係る半導体レーザーを模式的に示す平面図。
【図１７】第２変形例に係る半導体レーザーのヒーター素子を模式的に示す斜視図。
【図１８】第３変形例に係る半導体レーザーを模式的に示す平面図。
【図１９】実施形態に係る周波数信号生成システムの一例を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に
説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００１６】
１．  原子発振器
１．１．  原子発振器の構成
まず、本実施形態に係る原子発振器の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る原子発振器１００の機能ブロック図である。図２は、本実施形態に係る原子発振器１００の原子セル３０内におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態を説明するための図である。図３は、本実施形態に係る原子発振器１００において、半導体レーザー１０２から出射される２つの光の周波数差と、受光素子４０で検出される検出強度と、の関係を示すグラフである。
【００１７】
原子発振器１００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。量子干渉効果を利用した原子発振器１００は、二重共鳴効果を利用した原子発振器に比べて、小型化を図ることができる。
【００１８】
原子発振器１００は、本発明に係る半導体レーザーを含む。ここでは、原子発振器１００が半導体レーザー１０２を含む場合について説明する。原子発振器１００は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、光学部品２０，２２，２４，２６と、原子セル３０と、受光素子４０と、ヒーター５０と、温度センサー６０と、コイル７０と、制御部８０と、を含む。
【００１９】
まず、原子発振器１００の原理を説明する。
【００２０】
原子発振器１００では、原子セル３０内に、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属原子が封入されている。
【００２１】
アルカリ金属原子は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（第１の基底状態１および第２の基底状態２）と、励起状態と、の３つの状態をとり得る。ここで、第１の基底状態１は、第２の基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００２２】
互いに周波数の異なる第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２をガス状のアルカリ金属原子に照射すると、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１，２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００２３】
ここで、例えば、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、受光素子４０の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。ＥＩＴ信号は、アルカリ金属原子の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、ＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を実現することができる。
【００２４】
以下、原子発振器１００の各部を説明する。
【００２５】
［発光素子モジュール］
発光素子モジュール１０は、図１に示すように、原子セル３０中のアルカリ金属原子を励起する励起光Ｌを出射する。具体的には、発光素子モジュール１０は、励起光Ｌとして、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を出射する。
【００２６】
第１の共鳴光Ｌ１は、図２に示すように、原子セル３０内のアルカリ金属原子を第１の基底状態１から励起状態へ励起する。一方、第２の共鳴光Ｌ２は、原子セル３０内のアルカリ金属原子を第２の基底状態２から励起状態へ励起する。
【００２７】
発光素子モジュール１０は、図１に示すように、半導体レーザー１０２と、温度制御素子１０４と、温度センサー１０６と、を含んで構成されている。発光素子モジュール１０の詳細については後述する。
【００２８】
［光学部品］
光学部品２０，２２，２４，２６は、発光素子モジュール１０と原子セル３０との間における励起光Ｌの光路上に設けられている。図１に示す例では、発光素子モジュール１０側から原子セル３０側へ、第１光学部品２０、第２光学部品２２、第３光学部品２４、第４光学部品２６の順に配置されている。
【００２９】
第１光学部品２０は、励起光Ｌを平行光とするレンズである。第２光学部品２２は、発光素子モジュール１０からの励起光Ｌの偏光を所定方向に揃える偏光板である。第３光学部品２４は、原子セル３０に入射する励起光Ｌの強度を減少させる減光フィルター、すなわちＮＤフィルター（Neutral Density Filter）である。第４光学部品２６は、λ／４波長板である。第４光学部品２６は、発光素子モジュール１０からの励起光Ｌを直線偏光から円偏光に変換する。
【００３０】
［原子セル］
原子セル３０には、半導体レーザー１０２から出射された励起光Ｌが照射される。図示の例では、原子セル３０には、発光素子モジュール１０の半導体レーザー１０２から出射された励起光Ｌが、光学部品２０，２２，２４，２６を介して照射される。原子セル３０には、ガス状のアルカリ金属原子が収容されている。原子セル３０には、必要に応じて、アルゴンやネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてガス状のアルカリ金属原子とともに収容されていてもよい。
【００３１】
［受光素子］
受光素子４０は、原子セル３０を透過した励起光Ｌ（第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２）の強度を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。受光素子４０としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００３２】
［ヒーター］
ヒーター５０は、原子セル３０、より具体的には原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子を加熱する。これにより、原子セル３０内のアルカリ金属原子を適切な濃度のガス状に維持することができる。ヒーター５０は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。
【００３３】
［温度センサー］
温度センサー６０は、ヒーター５０または原子セル３０の温度を検出する。温度センサ
ー６０の検出結果に基づいて、ヒーター５０の発熱量が制御される。これにより、原子セル３０内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。温度センサー６０としては、例えば、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサーを用いることができる。
【００３４】
［コイル］
コイル７０は、原子セル３０内のアルカリ金属原子の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる。コイル７０は、ゼーマン分裂により、アルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。この結果、原子発振器１００の発振周波数の精度を高めることができる。
【００３５】
コイル７０は、例えば、原子セル３０を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、原子セル３０を覆うように配置されたソレノイドコイルである。
【００３６】
［制御部］
制御部８０は、発光素子モジュール１０、ヒーター５０、およびコイル７０を制御する。制御部８０は、温度制御回路８０２と、波長制御回路８０４と、光出力制御回路８０６と、高周波制御回路８０８と、を有している。さらに、制御部８０は、温度制御回路８１０と、磁場制御回路８１２と、を有している。
【００３７】
温度制御回路８０２は、温度センサー１０６の検出結果に基づいて、温度制御素子１０４を制御する。これにより、半導体レーザー１０２の温度を所望の一定温度となるように調整することができ、半導体レーザー１０２に対する環境温度の影響を低減できる。なお、環境温度とは、半導体レーザー１０２の温度に影響を与え得る、半導体レーザー１０２の周囲の温度である。
【００３８】
波長制御回路８０４は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて、後述する図８に示す半導体レーザー１０２の第３電極２３６および第４電極２３８に電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の発振波長、すなわち励起光Ｌの中心波長を制御する。波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長が、受光素子４０の検出信号の信号強度が最小値（吸収の底）に相当する波長で安定するように、半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。半導体レーザー１０２の発振波長の制御の詳細については後述する。
【００３９】
光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて、後述する図７に示す半導体レーザー１０２の第１電極２２０および第２電極２２２に駆動電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。光出力は、半導体レーザー１０２から出射される光の強度であり、光学部品を介さない状態での半導体レーザー１０２から出射される光の強度である。光出力制御回路８０６は、半導体レーザー１０２の光出力（励起光Ｌの光強度）が一定となるように半導体レーザー１０２を制御する。具体的には、光出力制御回路８０６は、受光素子４０の検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。
【００４０】
高周波制御回路８０８は、半導体レーザー１０２に高周波信号を供給する制御を行う。高周波制御回路８０８は、高周波信号の周波数を、アルカリ金属原子の（ω１−ω２）の半分に相当する周波数となるように制御する。
【００４１】
温度制御回路８１０は、温度センサー６０の検出結果に基づいて、ヒーター５０への通電を制御する。これにより、原子セル３０を所望の温度範囲内（例えば７０℃程度）に維持することができる。
【００４２】
磁場制御回路８１２は、コイル７０が発生する磁場が一定となるように、コイル７０への通電を制御する。
【００４３】
制御部８０は、例えば、不図示の基板に実装されたＩＣ（Integrated Circuit）チップに設けられている。
【００４４】
なお、制御部８０を構成する各制御回路８０２，８０４，８０６，８０８，８１０，８１２として、プロセッサー、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等を用いてもよい。すなわち、制御部８０の機能を、プロセッサーで不図示の記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで実現してもよい。
【００４５】
１．２．  発光素子モジュールの構成
次に、発光素子モジュール１０の構成について、図面を参照しながら説明する。図４は、発光素子モジュール１０を模式的に示す斜視図である。図５は、発光素子モジュール１０を模式的に示す平面図である。図６は、発光素子モジュール１０を模式的に示す断面図である。なお、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図４および図５では、便宜上、リッド１０１ｂを透視して図示している。
【００４６】
発光素子モジュール１０は、図４〜図６に示すように、半導体レーザー１０２と、温度制御素子１０４と、温度センサー１０６と、を含んで構成されている。発光素子モジュール１０は、さらに、半導体レーザー１０２、温度制御素子１０４、および温度センサー１０６を収容する容器としてのパッケージ１０１を含んで構成されている。なお、本明細書においては、発光素子モジュール１０における位置関係を、相対的にリッド１０１ｂ側を上、ベース１０１ａ側を下として説明する。
【００４７】
パッケージ１０１は、凹部３を有するベース１０１ａと、凹部３の開口を塞ぐリッド１０１ｂと、を有している。リッド１０１ｂにより塞がれた凹部３は、半導体レーザー１０２、温度制御素子１０４、および温度センサー１０６を収容する収容空間として機能する。収容空間は、真空状態、すなわち大気圧よりも低圧の状態であることが好ましい。これにより、パッケージ１０１の外部の温度変動、すなわち、環境温度の変動がパッケージ１０１内の半導体レーザー１０２や温度センサー１０６等に与える影響を低減できる。なお、収容空間は真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが収容空間に充填されていてもよい。
【００４８】
ベース１０１ａは、絶縁性を有し、かつ、収容空間を気密空間とするのに適した材料で構成されていることが好ましい。ベース１０１ａの材質は、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物系セラミックス、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化物系セラミックス、炭化珪素等の炭化物系セラミックス等の各種セラミックスなどである。なお、ベース１０１ａの材料としてリッド１０１ｂと同様の金属材料を用いてもよい。
【００４９】
ベース１０１ａは、第１面４ａと、第２面４ｂと、を有している。第１面４ａは、ベース１０１ａの凹部３の底面となる面である。第２面４ｂは、第１面４ａよりも上側の面であり、図示の例では、ベース１０１ａに形成された段差部の上面である。第２面４ｂには、図５に示すように、温度制御素子１０４に電気的に接続されている１対の接続電極１１０ａ，１１０ｂと、後述する図７に示す半導体レーザー１０２の第１電極２２０および第２電極２２２に電気的に接続されている１対の接続電極１１２ａ，１１２ｂと、後述する図８に示す半導体レーザー１０２の第３電極２３６および第４電極２３８に電気的に接続されている１対の接続電極１１４ａ，１１４ｂと、温度センサー１０６に電気的に接続されている接続電極１１６ａ，１１６ｂと、が配置されている。図示はしないが、これらの
接続電極１１０ａ，１１０ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂは、それぞれ、貫通電極を介して、ベース１０１ａの下面、つまり、ベース１０１ａのリッド１０１ｂから遠い側の面、に設けられた不図示の外部実装電極に電気的に接続されている。
【００５０】
リッド１０１ｂの形状は、例えば、平板状である。図６に示すように、リッド１０１ｂには、貫通孔が形成されており、この貫通孔は、励起光Ｌに対する透過性を有する窓部材１０１ｃで封止されている。リッド１０１ｂは、ろう材を用いて、ベース１０１ａの上端面に設けられたメタライズ層１２０との溶着によりベース１０１ａに接合されている。
【００５１】
リッド１０１ｂの窓部材１０１ｃ以外の部分の材質は、特に限定されないが、金属材料が好適に用いられ、その中でも、ベース１０１ａの構成材料と線膨張係数が近似する金属材料を用いることが好ましい。例えば、ベース１０１ａをセラミックス基板とした場合には、リッド１０１ｂの材質は、コバール等の合金であることが好ましい。
【００５２】
窓部材１０１ｃは、半導体レーザー１０２から出射される励起光Ｌの光路上に配置されている。窓部材１０１ｃの形状は、図示の例では板状であるが、窓部材１０１ｃは、レンズとして機能するように、湾曲した面を有していてもよい。
【００５３】
温度制御素子１０４は、ベース１０１ａの第１面４ａに配置されている。温度制御素子１０４は、半導体レーザー１０２の温度を制御する。温度制御素子１０４は、半導体レーザー１０２に対する環境温度の影響を低減するために、温度センサー１０６の出力に基づいて、半導体レーザー１０２の温度が所望の一定温度となるように制御される。
【００５４】
温度制御素子１０４は、例えば、ペルチェ素子である。温度制御素子１０４は、温度制御される温度制御面１０４ａを有している。温度制御素子１０４では、温度制御面１０４ａを発熱側の面（発熱面）とすることもできるし、温度制御面１０４ａを吸熱側の面（吸熱面）とすることもできる。温度制御面１０４ａには、半導体レーザー１０２および温度センサー１０６が配置されている。温度制御面１０４ａの温度は、半導体レーザー１０２の特性に応じて適宜設定可能である。温度制御面１０４ａには、例えば、アルミニウム、金、銀などの熱伝導性に優れる金属で構成された金属層１４０が配置されている。
【００５５】
温度制御素子１０４は、１対の端子１０５ａ，１０５ｂを有している。端子１０５ａは、配線１３０ａを介して接続電極１１０ａに電気的に接続され、端子１０５ｂは、配線１３０ｂを介して接続電極１１０ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から１対の端子１０５ａ，１０５ｂに電流を供給して、温度制御素子１０４を駆動することができる。配線１３０ａ，１３０ｂは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００５６】
温度センサー１０６は、温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。図示の例では、温度センサー１０６は、金属層１４０を介して温度制御面１０４ａに配置されている。図示はしないが、温度センサー１０６は、温度制御面１０４ａに直接配置されてもよい。温度センサー１０６は、温度制御素子１０４または半導体レーザー１０２の温度を検出する。温度センサー１０６としては、例えば、サーミスタ、熱電対などを用いることができる。
【００５７】
温度センサー１０６は、図示はしないが、１対の端子を有している。一対の端子のうちの一方の端子は、検出信号用の端子であり、他方の端子は接地用の端子である。検出信号用の端子は、図５に示すように、配線１３６ｂ、中継部材１５０に設けられた不図示の配線層、および配線１３６ａを介して、接続電極１１６ａに電気的に接続されている。接地
用の端子は、金属層１４０および配線１３６ｃを介して、接続電極１１６ｂに電気的に接続されている。配線１３６ａ，１３６ｂ，１３６ｃは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００５８】
中継部材１５０は、絶縁性を有している。中継部材１５０の材質は、例えば、セラミックスである。中継部材１５０に設けられた配線層は、温度センサー１０６と接続電極１１６ａとを接続する配線の途中、すなわち配線１３６ａと配線１３６ｂとの間に介在している。これにより、配線１３６ａ，１３６ｂを温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに熱的に接続することができ、配線１３６ａ，１３６ｂの温度変動を低減できる。
【００５９】
半導体レーザー１０２は、温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。図示の例では、半導体レーザー１０２は、金属層１４０を介して温度制御面１０４ａに配置されている。なお、図示はしないが、半導体レーザー１０２は、温度制御面１０４ａに直接配置されてもよい。図示の例では、半導体レーザー１０２と温度センサー１０６とは、同じ金属層１４０上に配置されている。そのため、半導体レーザー１０２と温度センサー１０６に効率よく熱を伝えることができ、かつ、半導体レーザー１０２と温度センサー１０６の温度差を低減できる。
【００６０】
半導体レーザー１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ＶＣＳＥＬ）である。半導体レーザー１０２は、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して用いることにより、励起光Ｌとして、上述した第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を出射する。
【００６１】
半導体レーザー１０２は、後述する図７に示す第１電極２２０および第２電極２２２を有している。第１電極２２０は、配線１３２ｂ、中継部材１６０に設けられた配線層１７０、および配線１３２ａを介して、接続電極１１２ａに電気的に接続されている。第２電極２２２は、配線１３２ｃ、金属層１４０、および配線１３２ｄを介して、接続電極１１２ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から第１電極２２０および第２電極２２２に駆動電流を供給して、半導体レーザー１０２を駆動することができる。
【００６２】
中継部材１６０は、絶縁性を有している。中継部材１６０の材質は、例えば、セラミックスである。中継部材１６０に設けられた配線層１７０は、半導体レーザー１０２と接続電極１１２ａとを接続する配線の途中、すなわち配線１３２ａと配線１３２ｂとの間に介在している。これにより、配線１３２ａ，１３２ｂを温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに熱的に接続することができ、配線１３２ａ，１３２ｂの温度変動を低減できる。
【００６３】
半導体レーザー１０２は、さらに、後述する図８に示す第３電極２３６および第４電極２３８を有している。第３電極２３６は、配線１３４ａを介して、接続電極１１４ａに電気的に接続されている。第４電極２３８は、配線１３４ｂを介して、接続電極１１４ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から第３電極２３６および第４電極２３８に電流を供給して、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することができる。配線１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３４ａ，１３４ｂは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００６４】
なお、図示はしないが、第３電極２３６と接続電極１１４ａとの接続、および第４電極２３８と接続電極１１４ｂとの接続において、電極２２０，２２２と接続電極１１２ａ，１１２ｂとの接続と同様に、中継部材に設けられた配線層や金属層１４０を介してもよい。
【００６５】
１．３．  半導体レーザーの構成
次に、半導体レーザー１０２の構成について、図面を参照しながら説明する。図７は、半導体レーザー１０２を模式的に示す断面図である。図８は、半導体レーザー１０２を模式的に示す平面図である。図９は、半導体レーザー１０２のヒーター素子２３０を模式的に示す斜視図である。なお、図７は、図８のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。また、図８では、便宜上、絶縁層２１２、第２電極２２２、ヒーター素子２３０以外の部材の図示を省略している。本明細書においては、半導体レーザー１０２における位置関係を、相対的に第２電極２２２側を上、基板２０２側を下として説明する。
【００６６】
半導体レーザー１０２は、図７および図８に示すように、基板２０２と、第１ミラー層２０４と、活性層２０６と、第２ミラー層２０８と、開口２１１を有する絶縁層としての電流狭窄層２１０と、絶縁層２１２と、第１電極２２０と、第２電極２２２と、ヒーター素子２３０と、を含む。
【００６７】
基板２０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。基板２０２は、温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。
【００６８】
第１ミラー層２０４は、基板２０２上に配置されている。第１ミラー層２０４は、活性層２０６に対して基板２０２側に配置されている。第１ミラー層２０４は、例えば、ｎ型の半導体層である。第１ミラー層２０４は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）ミラーである。第１ミラー層２０４は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（ペア数）は、例えば、１０ペア以上５０ペア以下である。
【００６９】
活性層２０６は、第１ミラー層２０４上に配置されている。活性層２０６は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間に配置されている。活性層２０６は、例えば、ｉ型のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ層とｉ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有している。
【００７０】
第２ミラー層２０８は、活性層２０６上に配置されている。第２ミラー層２０８は、活性層２０６に対して基板２０２側とは反対側に配置されている。第２ミラー層２０８は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層である。第２ミラー層２０８は、分布ブラッグ反射型ミラーである。第２ミラー層２０８は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（ペア数）は、例えば３ペア以上４０ペア以下である。
【００７１】
第２ミラー層２０８、活性層２０６、および第１ミラー層２０４は、共振器２０３を構成している。また、第２ミラー層２０８、活性層２０６、および第１ミラー層２０４は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。電極２２０，２２２間にｐｉｎダイオードの順方向の電圧を印加すると、活性層２０６において電子と正孔との再結合が起こり、発光が生じる。活性層２０６で生じた光は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間を往復し（多重反射し）、その際に誘導放出が起こって、強度が増幅される。そして、光利得が光損失を上回ると、レーザー発振が起こり、第２ミラー層２０８の上面からレーザー光が出射される。
【００７２】
活性層２０６、第２ミラー層２０８、および電流狭窄層２１０は、柱状部２０１を構成
している。柱状部２０１は、絶縁層２１２によって囲まれている。柱状部２０１は、例えば、第１ミラー層２０４上に配置され、第１ミラー層２０４から上方に突出している。
【００７３】
電流狭窄層２１０は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間に配置されている。電流狭窄層２１０は、例えば、活性層２０６上に配置されてもよいし、第２ミラー層２０８の内部に配置されてもよい。電流狭窄層２１０は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層が酸化された層である。電流狭窄層２１０は、電流の経路となる開口２１１を有している。電流狭窄層２１０によって、活性層２０６に注入される電流が活性層２０６の面内方向、すなわち、活性層２０６および第２ミラー層２０８の積層方向（以下、単に「積層方向」ともいう）と直交する方向に広がることを防ぐことができる。
【００７４】
絶縁層２１２は、共振器２０３に配置されている。図７に示す例では、絶縁層２１２は、柱状部２０１の側面および第１ミラー層２０４の上面に配置されている。絶縁層２１２は、例えば、積層方向から見て、柱状部２０１を取り囲んでいる。絶縁層２１２は、例えば、ポリイミド層である。
【００７５】
第１電極２２０は、第１ミラー層２０４に接続されている。第１電極２２０は、第１ミラー層２０４に電気的に接続されている。第１電極２２０は、第１ミラー層２０４上に配置されている。第１電極２２０は、第１ミラー層２０４上の柱状部２０１が形成された領域、および絶縁層２１２が配置された領域を避けて配置されている。第１電極２２０は、第１ミラー層２０４上に配置された不図示のコンタクト層上に配置されてもよい。すなわち、第１電極２２０は、コンタクト層を介して第１ミラー層２０４に接続されていてもよい。第１電極２２０としては、例えば、第１ミラー層２０４側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第１電極２２０は、活性層２０６に電流を注入するための一方の電極である。第１電極２２０には、図５に示す配線１３２ｂが接続されている。
【００７６】
第２電極２２２は、第２ミラー層２０８に接続されている。第２電極２２２は、第２ミラー層２０８に電気的に接続されている。第２電極２２２は、第２ミラー層２０８上に配置されている。第２電極２２２は、第２ミラー層２０８上に配置された不図示のコンタクト層上に配置されてもよい。すなわち、第２電極２２２は、コンタクト層を介して第２ミラー層２０８に接続されていてもよい。第２電極２２２としては、例えば、第２ミラー層２０８側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第２電極２２２は、活性層２０６に電流を注入するための他方の電極である。
【００７７】
第２電極２２２には、図５に示す配線１３２ｃが接続されている。図８に示す例では、絶縁層２１２上には、第２電極２２２に接続されているパッド２２２ａが設けられており、第２電極２２２と配線１３２ｃとは、パッド２２２ａを介して電気的に接続されている。
【００７８】
ヒーター素子２３０は、図７〜図９に示すように、半導体層２３２と、絶縁領域２３４と、第３電極２３６と、第４電極２３８と、を含む。
【００７９】
半導体層２３２は、第２ミラー層２０８の内部に配置されている。半導体層２３２は、絶縁領域２３４で囲まれている。半導体層２３２の材質は、第２ミラー層２０８の材質と同じである。半導体層２３２は、第２ミラー層２０８の面内方向に延びる第１部分２３２ａと、積層方向に延びる第２部分２３２ｂと、を有している。図示の例では、第２ミラー層２０８の面内方向は、積層方向に直交する方向である。
【００８０】
第１部分２３２ａは、積層方向から見て、円環状である。より具体的には、第１部分２
３２ａは、積層方向から見て、円環の一部を切り欠いた形状を有している。第１部分２３２ａは、積層方向から見て、電流狭窄層２１０の開口２１１を囲むように配置されている。これにより、共振器２０３の温度を均一に変化させることができる。第１部分２３２ａは、２つの第２部分２３２ｂの一方から他方まで第２ミラー層２０８の面内方向に延びている部分である。
【００８１】
第２部分２３２ｂは、２つ設けられている。図示の例では、２つの第２部分２３２ｂは、第１部分２３２ａの両端にそれぞれ接続されている。２つの第２部分２３２ｂのうちの一方は、第１部分２３２ａと第３電極２３６とを接続し、２つの第２部分２３２ｂのうちの他方は、第１部分２３２ａと第４電極２３８とを接続している。２つの第２部分２３２ｂのうちの一方は、第３電極２３６から第１部分２３２ａまで積層方向に延びている部分である。２つの第２部分２３２ｂのうちの他方は、第４電極２３８から第１部分２３２ａまで積層方向に延びている部分である。第２部分２３２ｂは、第１部分２３２ａに電流を供給する配線として機能する。
【００８２】
なお、半導体層２３２において、第２部分２３２ｂは設けられなくてもよい。例えば、図示はしないが、第２部分２３２ｂに代えて半導体層２３２の第１部分２３２ａに接続する貫通電極を設けてもよい。貫通電極は、例えば、第２ミラー層２０８をエッチングした後、金属材料を埋め込むことで形成することができる。
【００８３】
絶縁領域２３４は、第２ミラー層２０８と半導体層２３２とを絶縁している。絶縁領域２３４は、後述するように、第２ミラー層２０８を構成する半導体層に、電界加速によりプロトンを打ち込むことで結晶欠陥を発生させた領域である。絶縁領域２３４は、第２ミラー層２０８の内部に配置されている。絶縁領域２３４は、活性層２０６よりも上、すなわち活性層２０６に対して第２電極２２２側に位置している。これにより、絶縁領域２３４を形成する際のプロトンの打ち込みにより活性層２０６に欠陥が発生する可能性を低減できる。
【００８４】
絶縁領域２３４は、積層方向から見て、電流狭窄層２１０の開口２１１と重ならない。すなわち、絶縁領域２３４は、共振器２０３内の光の経路を避けて配置されている。そのため、共振器２０３内において、光が絶縁領域２３４を通過することによる光の出力変動を低減できる。図示の例では、絶縁領域２３４は、積層方向から見て、電流狭窄層２１０の酸化領域（すなわち開口２１１を除いた領域）のみに重なっている。
【００８５】
第３電極２３６は、半導体層２３２に接続されている。第３電極２３６は、半導体層２３２に電気的に接続されている。第３電極２３６は、２つの第２部分２３２ｂの一方側に接続されている。第３電極２３６は、半導体層２３２に電流を供給するための一方の電極である。
【００８６】
第４電極２３８は、半導体層２３２に接続されている。第４電極２３８は、半導体層２３２に電気的に接続されている。第４電極２３８は、２つの第２部分２３２ｂの他方側に接続されている。第４電極２３８は、半導体層２３２に電流を供給するための他方の電極である。
【００８７】
第３電極２３６および第４電極２３８は、第２ミラー層２０８上および絶縁層２１２上に配置されている。第３電極２３６および第４電極２３８の材質は、例えば、第２電極２２２の材質と同じである。
【００８８】
ヒーター素子２３０において、半導体層２３２に流れる電流をＩとし、半導体層２３２に印加される電圧をＶとし、半導体層２３２の抵抗をＲとした場合、Ｉ×Ｖ＝Ｉ２×Ｒで
ある。ここで、抵抗Ｒ∝（１／半導体層の断面積）である。積層方向における第１部分２３２ａの断面積Ｓ１は、例えば、一定である。図９に示す例では、積層方向における第１部分２３２ａの断面積Ｓ１は、面内方向と直交する方向における第１部分２３２ａの断面積である。積層方向における第１部分２３２ａの断面積Ｓ１を一定にすることにより、共振器２０３を均一に加熱することができる。
【００８９】
また、面内方向における第２部分２３２ｂの断面積Ｓ２は、積層方向における第１部分２３２ａの断面積Ｓ１よりも大きい。図９に示す例では、面内方向における第２部分２３２ｂの断面積Ｓ２は、積層方向と直交する方向における第２部分２３２ｂの断面積である。面内方向における第２部分２３２ｂの断面積Ｓ２を、積層方向における第１部分２３２ａの断面積Ｓ１よりも大きくすることにより、第２部分２３２ｂでの発熱を低減できる。
【００９０】
ヒーター素子２３０では、第３電極２３６および第４電極２３８から半導体層２３２に電流が供給されると、半導体層２３２が発熱し、共振器２０３を加熱または冷却することができる。例えば、ヒーター素子２３０の温度を、温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａの温度よりも高い温度を基準に制御することで、ヒーター素子２３０によって共振器２０３の温度を下げること、すなわち、共振器２０３を冷却することも可能である。
【００９１】
半導体レーザー１０２では、共振器２０３が加熱または冷却されることによって、発振波長が変化する。ここで、共振器２０３の屈折率をｎとし、共振器長をＬｃとした場合、発振波長λは、λ＝ｎ×Ｌｃで求めることができる。屈折率ｎ、共振器長Ｌｃともに、温度依存性があるため、共振器２０３の温度を変化させることで、発振波長λも変化する。例えば、共振器２０３の温度を１℃変化させると、発振波長λは、約６０ｐｍ程度変化する。
【００９２】
このように、半導体レーザー１０２では、ヒーター素子２３０を用いて共振器２０３の温度を制御することによって半導体レーザー１０２の発振波長を制御することができる。原子発振器１００では、ヒーター素子２３０を用いて、例えば数ｍＫ程度の精度で共振器２０３の温度制御を行う。
【００９３】
ここで、原子発振器１００では、後述する励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御が可能となるように、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御することが好ましい。言い換えると、半導体レーザー１０２の温度を、高速に変化させられることが好ましい。
【００９４】
半導体レーザー１０２では、ヒーター素子２３０の半導体層２３２が第２ミラー層２０８の内部に配置されているため、例えば、半導体レーザー１０２の外部から共振器２０３を加熱または冷却する場合と比べて、共振器２０３の温度を高速に制御できる。これにより、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を容易に実現できる。
【００９５】
なお、上記では、半導体レーザー１０２として、ＡｌＧａＡｓ系の面発光レーザーについて説明したが、半導体レーザー１０２を、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いた面発光レーザーとしてもよい。
【００９６】
１．４．  半導体レーザーの製造方法
次に、半導体レーザー１０２の製造方法について説明する。図１０〜図１４は、本実施形態に係る半導体レーザー１０２の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００９７】
図１０に示すように、基板２０２上に、第１ミラー層２０４、活性層２０６、第２ミラー層２０８、酸化されて電流狭窄層２１０となる被酸化層２１０ａを、エピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法が挙げられる。
【００９８】
次に、図１１に示すように、第２ミラー層２０８、被酸化層２１０ａ、活性層２０６、および第１ミラー層２０４をパターニングして、柱状部２０１を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。次に、被酸化層２１０ａを被酸化層２１０ａの側面から酸化して、開口２１１を有する電流狭窄層２１０を形成する。
【００９９】
次に、第２ミラー層２０８上に、所定形状のプロトン遮蔽層６を形成する。プロトン遮蔽層６は、例えば、レジスト層である。
【０１００】
次に、図１２に示すように、プロトン遮蔽層６をマスクとして、第２ミラー層２０８の所定の深さにプロトンを打ち込む。これにより、プロトンの停止位置において、結晶欠陥を発生させ、絶縁領域２３４を形成することができる。その後、プロトン遮蔽層６を除去する。図１２に示す例では、図７に示す絶縁領域２３４のうちの半導体層２３２の下側を覆う部分が形成されている。プロトンの打ち込み深さ、すなわちプロトンの停止位置は、プロトンの打ち込みのエネルギー、すなわちプロトンの運動エネルギーで制御できる。また、絶縁領域２３４の抵抗値は、プロトンの打ち込み量で制御することができる。なお、ここでは、プロトンを打ち込む場合について説明したが、プロトン以外のイオンを打ち込んでもよい。
【０１０１】
次に、図１３に示すように、第２ミラー層２０８上にプロトン遮蔽層６とは異なる形状のプロトン遮蔽層７を形成する。次に、プロトン遮蔽層７をマスクとして、第２ミラー層２０８の所定の深さにプロトンを打ち込む。その後、プロトン遮蔽層７を除去する。図１３に示す例では、図７に示す絶縁領域２３４のうちの半導体層２３２の側方を覆う部分が形成されている。
【０１０２】
同様に、図１４に示すように、プロトン遮蔽層８を形成する。プロトン遮蔽層８の形状は、例えば、プロトン遮蔽層６の形状と同じである。次に、プロトン遮蔽層８をマスクとして、第２ミラー層２０８の所定の深さにプロトンを打ち込む。このとき、図１２に示す場合と比べて、プロトンの打ち込み深さを浅くする。その後、プロトン遮蔽層８を除去する。図１４に示す例では、図７に示す絶縁領域２３４のうちの半導体層２３２の上側を覆う部分が形成されている。
【０１０３】
このように、プロトンの打ち込みを繰り返すことで、所望の形状の絶縁領域２３４および所望の形状の半導体層２３２を形成することができる。
【０１０４】
次に、図７に示すように、柱状部２０１の側面を覆うように、絶縁層２１２を形成する。絶縁層２１２は、例えば、スピンコート法などにより形成される。
【０１０５】
次に、図７に示すように、第１ミラー層２０４上に第１電極２２０を形成する。次に、図７および図８に示すように、第２ミラー層２０８上に第２電極２２２を形成する。次に、図８に示すように、第２ミラー層２０８上および絶縁層２１２上に第３電極２３６および第４電極２３８を形成する。電極２２０，２２２，２３６，２３８は、例えば、真空蒸着法により形成される。なお、電極２２０，２２２，２３６，２３８の形成順序は特に限定されない。
【０１０６】
以上の工程により、半導体レーザー１０２を製造することができる。
【０１０７】
なお、上記では、柱状部２０１を形成した後に、絶縁領域２３４を形成する場合について説明したが、絶縁領域２３４を形成した後に、柱状部２０１を形成してもよい。
【０１０８】
１．５．  原子発振器の動作
次に、原子発振器１００の動作について説明する。まず、停止状態の原子発振器１００を起動する際の初期動作について説明する。
【０１０９】
光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて、半導体レーザー１０２の光出力を変化させる。具体的には、光出力制御回路８０６は、励起光Ｌの中心波長を変えたときの検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２の光出力を変化させる。
【０１１０】
次に、高周波制御回路８０８は、半導体レーザー１０２に高周波信号を入力する。このとき、高周波信号の周波数を、ＥＩＴ現象が発現しないようにわずかにずらしておく。例えば、原子セル３０のアルカリ金属原子としてセシウムを用いた場合、４．５９６・・・ＧＨｚからずらす。
【０１１１】
次に、波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長をスイープさせる。このとき、高周波信号の周波数は、ＥＩＴ現象が発現しないように設定されているため、ＥＩＴ現象は発現しない。波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長をスイープしたときに、受光素子４０から出力される検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）を検出する。波長制御回路８０４は、例えば、励起光Ｌの中心波長に対する、検出信号の信号強度変化が一定の割合以下となったところを吸収の底とする。
【０１１２】
波長制御回路８０４は、吸収の底を検出すると、励起光Ｌの中心波長を固定する（ロックする）。すなわち、波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長を、吸収の底に相当する波長に固定する。
【０１１３】
次に、高周波制御回路８０８は、高周波信号の周波数をＥＩＴ現象が発現する周波数に合わせる。その後、ループ動作に移行して、高周波制御回路８０８は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波して、ＥＩＴ信号を検出する。
【０１１４】
次に、原子発振器１００のループ動作について説明する。
【０１１５】
高周波制御回路８０８は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波してＥＩＴ信号を検出し、高周波信号の周波数を、原子セル３０のアルカリ金属原子の（ω１−ω２）の半分に相当する周波数となるように制御する。
【０１１６】
波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を行う。具体的には、波長制御回路８０４は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波し、励起光Ｌの中心波長が吸収の底に相当する波長となるようにヒーター素子２３０を制御する。
【０１１７】
光出力制御回路８０６は、半導体レーザー１０２の光出力が一定となるようにフィードバック制御を行う。例えば、光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波し、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値より小さくなった場合、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０
２に駆動電流を供給する。なお、光出力制御回路８０６の制御により、励起光Ｌの中心波長が吸収の底に相当する波長からずれたとしても、上記の波長制御回路８０４の制御により、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長に合わせることができる。
【０１１８】
１．６．  効果
半導体レーザー１０２は、例えば、以下の効果を有している。
【０１１９】
半導体レーザー１０２は、第２ミラー層２０８の内部に配置された半導体層２３２と、第２ミラー層２０８と半導体層２３２とを絶縁する絶縁領域２３４と、半導体層２３２に接続された第３電極２３６および第４電極２３８と、を含む。そのため、半導体レーザー１０２では、半導体層２３２に電流を供給して発熱させることによって、共振器２０３を加熱または冷却することができる。したがって、半導体レーザー１０２では、半導体層２３２を用いて共振器２０３の温度を制御することができる。これにより、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することができる。
【０１２０】
さらに、半導体レーザー１０２は、第１ミラー層２０４に接続された第１電極２２０と、第２ミラー層２０８に接続された第２電極２２２と、を含む。そのため、半導体レーザー１０２では、第１電極２２０および第２電極２２２に駆動電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の光出力を制御できる。
【０１２１】
したがって、半導体レーザー１０２では、半導体レーザー１０２の光出力と、半導体レーザー１０２の発振波長と、を独立して制御できる。これにより、例えば半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で制御する場合と比べて、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することによる半導体レーザー１０２の光出力の変動を低減できる。
【０１２２】
ここで、半導体レーザー１０２の発振波長を共振器２０３の温度で変動させた場合、例えば半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で変動させた場合と比べて、半導体レーザー１０２の光出力の変動は極めて小さい。そのため、半導体レーザー１０２の発振波長を共振器２０３の温度で制御することによって、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することによる半導体レーザー１０２の光出力の変動を低減できる。
【０１２３】
また、半導体レーザー１０２では、半導体層２３２は、第２ミラー層２０８の内部に配置されているため、共振器２０３に直接熱を供給することができ、共振器２０３の温度を高速に変化させることができる。したがって、半導体レーザー１０２では、半導体レーザー１０２の発振波長を高速に制御できる。
【０１２４】
また、半導体レーザー１０２では、半導体層２３２が第２ミラー層２０８の内部に配置されているため、例えば半導体層２３２が第２ミラー層２０８上に配置されている場合と比べて、半導体層２３２と活性層２０６との間の距離を小さくすることができる。したがって、半導体レーザー１０２では、活性層２０６に効率よく熱を供給することができる。ここで、半導体レーザー１０２の発振波長は、第１ミラー層２０４および第２ミラー層２０８の温度変化よりも、活性層２０６の温度変化に対して敏感である。そのため、半導体レーザー１０２では、上記のように活性層２０６に効率よく熱を供給できるため、制御応答性の向上、および低消費電力化を図ることができる。
【０１２５】
また、半導体レーザー１０２では、半導体層２３２が第２ミラー層２０８の内部に配置されているため、例えば半導体層２３２が第２ミラー層２０８上に配置されている場合と比べて、環境温度の影響を受けにくい。したがって、共振器２０３の温度を高い精度で制御できる。
【０１２６】
半導体レーザー１０２では、第２ミラー層２０８は、活性層２０６に対して基板２０２とは反対側に配置されている。そのため、半導体レーザー１０２では、プロトンを打ち込んで絶縁領域２３４を形成する際に、プロトンが活性層２０６を通過しない。したがって、プロトンの打ち込みにより活性層２０６に欠陥が発生する可能性を低減できる。これにより、半導体レーザー１０２の長寿命化を図ることができる。
【０１２７】
半導体レーザー１０２では、開口２１１を有する絶縁層としての電流狭窄層２１０を含み、絶縁領域２３４は、積層方向から見て、開口２１１と重ならない。このように絶縁領域２３４は、共振器２０３内の光の経路を避けて配置されているため、共振器２０３内において、光が絶縁領域２３４を通過することによる光の出力変動を低減できる。
【０１２８】
半導体レーザー１０２では、半導体層２３２は、第２ミラー層２０８の面内方向に延びる第１部分２３２ａと、積層方向に延びる第２部分２３２ｂと、を有し、面内方向における第２部分２３２ｂの断面積Ｓ２は、積層方向における第１部分２３２ａの断面積Ｓ１よりも大きい。そのため、第２部分２３２ｂでの発熱を低減できる。
【０１２９】
半導体レーザー１０２では、半導体層２３２で熱を発生させることにより、共振器２０３内において熱による屈折率変化を生じ、この屈折率変化に起因したレンズ作用が生じる（熱レンズ効果）。このレンズ作用を利用して、半導体レーザー１０２から出射される光の放射角を制御してもよい。例えば、図９に示す例では、半導体層２３２で熱を発生させることにより生じるレンズ作用を利用して、活性層２０６で発生した光を収束させることができる。これにより、例えば、シングルモードの維持が容易である。
【０１３０】
原子発振器１００では、例えば、以下の効果を有している。
【０１３１】
原子発振器１００は、半導体レーザー１０２を含む。そのため、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長と、半導体レーザー１０２の光出力と、を独立して制御することができる。したがって、例えば半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で制御する場合と比べて、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することによる半導体レーザー１０２の光出力の変動を低減できる。したがって、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の光出力の変動によるライトシフトを低減でき、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
【０１３２】
さらに、半導体レーザー１０２は、上述したように、半導体レーザー１０２の発振波長を高速に制御できるため、原子発振器１００では、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を容易に実現できる。
【０１３３】
原子発振器１００では、光出力制御回路８０６が、受光素子４０の検出信号に基づいて半導体レーザー１０２の第１電極２２０および第２電極２２２に電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。また、原子発振器１００では、波長制御回路８０４が、受光素子４０の検出信号に基づいて半導体レーザー１０２の第３電極２３６および第４電極２３８に電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。そのため、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の光出力を半導体レーザー１０２の駆動電流で制御することができ、半導体レーザー１０２の発振波長を共振器２０３の温度で制御することができる。
【０１３４】
例えば、仮に、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の駆動電流で制御した場合、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することにより半導体レーザー１０２の光出力も変動してしまう。そのため、例えば、半導体レーザー１０２の光出力が経年的に変化した場合、半導体レーザー１０２の光出力を初期値に戻すために駆動電流を制
御すると、発振波長も変動してしまう。半導体レーザー１０２の発振波長が経年的に変化した場合、および、光出力と発振波長の両方が経年的に変化した場合も同様の問題が生じる。このように、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の駆動電流で制御する場合、半導体レーザー１０２の長期的な光出力や発振波長の変化を補償できないため、原子発振器の長期安定性が低下する場合がある。
【０１３５】
これに対して、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長と、半導体レーザー１０２の光出力と、を独立して制御することができるため、上記のような現象が生じず、長期安定性に優れた原子発振器を実現できる。
【０１３６】
１．７．  変形例
次に、本実施形態に係る半導体レーザー１０２の変形例について説明する。以下に説明する各変形例において、上述した半導体レーザー１０２の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１３７】
１．７．１．  第１変形例
図１５は、第１変形例に係る半導体レーザーのヒーター素子２３０を模式的に示す斜視図である。
【０１３８】
上述した半導体レーザー１０２のヒーター素子２３０では、図９に示すように、積層方向における半導体層２３２の第１部分２３２ａの断面積Ｓ１は、一定であった。
【０１３９】
これに対して、第１変形例に半導体レーザーのヒーター素子２３０では、図１５に示すように、半導体層２３２の第１部分２３２ａに括れ部２３２ｃが設けられている。括れ部２３２ｃは、第１部分２３２ａの他の部分よりも積層方向の断面積Ｓ１が小さい。そのため、括れ部２３２ｃは、第１部分２３２ａの他の部分と比べて、発熱量が大きい。これにより、共振器２０３を部分的に加熱することができる。
【０１４０】
１．７．２．  第２変形例
図１６は、第２変形例に係る半導体レーザー１０２ａを模式的に示す平面図である。図１７は、第２変形例に係る半導体レーザー１０２ａのヒーター素子２３０を模式的に示す斜視図である。
【０１４１】
上述した半導体レーザー１０２では、図８および図９に示すように、半導体層２３２の第１部分２３２ａは、積層方向から見て、円環状、より具体的には円環の一部を切り欠いた形状を有していた。
【０１４２】
これに対して、第２変形例に係る半導体レーザー１０２ａでは、図１６および図１７に示すように、半導体層２３２の第１部分２３２ａは、積層方向から見て、矩形の枠状、より具体的には矩形の枠の一部を切り欠いた形状を有している。
【０１４３】
半導体層２３２の第１部分２３２ａは、第１方向Ａに延びる第１延在部２３２ａ−１と、第１方向Ａと直交する第２方向Ｂに延びる第２延在部２３２ａ−２と、を有している。第１延在部２３２ａ−１は、２つ設けられ、それぞれ第２部分２３２ｂに接続されている。２つの第１延在部２３２ａ−１によって矩形の対向する２辺が構成され、第２延在部２３２ａ−２によって上記２辺を接続する矩形の一辺が構成されている。
【０１４４】
半導体レーザー１０２ａでは、半導体層２３２の第１部分２３２ａが矩形の枠状であるため、共振器２０３において、第１方向Ａの温度分布と第２方向Ｂの温度分布に違いを持たせることができる。これにより、共振器２０３に異方的な応力を付与することができ、
半導体レーザー１０２ａから出射される光の偏光を揃えることができる。
【０１４５】
図１６および図１７に示す例では、半導体層２３２の第１部分２３２ａにおいて、積層方向における第２延在部２３２ａ−２の断面積Ｓ１は、積層方向における第１延在部２３２ａ−１の断面積Ｓ１よりも大きい。そのため、第２延在部２３２ａ−２における発熱量は、第１延在部２３２ａ−１における発熱量よりも小さい。したがって、共振器２０３において、第１方向Ａの温度分布と第２方向Ｂの温度分布に、より大きな違いを持たせることができる。これにより、共振器２０３に付与される異方的な応力をより大きくすることができ、半導体レーザー１０２ａから出射される光の偏光をより揃えることができる。
【０１４６】
また、図１６および図１７に示す例では、半導体層２３２で熱を発生させることで生じる熱レンズ効果を利用して、半導体レーザー１０２から出射される光の特定方向の照射角を制御することができる。
【０１４７】
１．７．３．  第３変形例
図１８は、第３変形例に係る半導体レーザー１０２ｂを模式的に示す平面図である。
【０１４８】
上述した半導体レーザー１０２では、図８に示すように、ヒーター素子２３０は、第３電極２３６と、第４電極２３８と、を有していた。
【０１４９】
これに対して、第３変形例に係る半導体レーザー１０２ｂでは、ヒーター素子２３０は、第４電極２３８を有しておらず、第４電極２３８の代わりに、第２電極２２２が用いられている。すなわち、第２電極２２２は、第２ミラー層２０８に接続されるとともに、半導体層２３２にも接続されている。そのため、第２電極２２２は、活性層２０６に電流を注入するための電極として機能するとともに、半導体層２３２に電流を供給するための電極としても機能する。これにより、半導体レーザー１０２ｂでは、部品点数を減らすことができ、装置の簡素化を図ることができる。
【０１５０】
１．７．４．  第４変形例
上述した半導体レーザー１０２では、図７に示すように、半導体層２３２および絶縁領域２３４が設けられた第２ミラー層２０８は、活性層２０６の上、すなわち、活性層２０６に対して基板２０２側とは反対側に配置されていた。これに対して、図示はしないが、半導体層２３２および絶縁領域２３４が設けられた第２ミラー層２０８は、活性層２０６の下、すなわち、活性層２０６に対して基板２０２側に配置されていてもよい。この場合、第１ミラー層２０４は、活性層２０６の上、すなわち、活性層２０６に対して基板２０２側とは反対側に配置される。
【０１５１】
２．  周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）は、周波数信号生成システムの一例である。図１９は、クロック伝送システム４００を示す概略構成図である。
【０１５２】
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、一例として、原子発振器１００を含むクロック伝送システム４００について説明する。
【０１５３】
クロック伝送システム４００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。
【０１５４】
クロック伝送システム４００は、図１９に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロッ
ク供給装置４０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置４０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置４０３およびＳＤＨ装置４０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置４０５およびＳＤＨ装置４０６，４０７と、を備える。クロック供給装置４０１は、原子発振器１００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置４０１内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック４０８，４０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１５５】
ＳＤＨ装置４０２は、クロック供給装置４０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置４０５に伝送する。クロック供給装置４０３は、原子発振器１００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置４０３内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック４０８，４０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１５６】
ＳＤＨ装置４０４は、クロック供給装置４０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置４０５に伝送する。クロック供給装置４０５は、クロック供給装置４０１，４０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。
【０１５７】
クロック供給装置４０５は、通常、クロック供給装置４０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置４０５は、クロック供給装置４０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置４０６は、クロック供給装置４０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置４０７は、クロック供給装置４０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。
【０１５８】
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システムに限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器が搭載され、原子発振器の周波数信号を利用する各種の装置および複数の装置から構成されるシステムを含む。
【０１５９】
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（point of sales）端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡、心磁計）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。
【０１６０】
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
【０１６１】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施
の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１６２】
３…凹部、４ａ…第１面、４ｂ…第２面、６…プロトン遮蔽層、７…プロトン遮蔽層、８…プロトン遮蔽層、１０…発光素子モジュール、２０…第１光学部品、２２…第２光学部品、２４…第３光学部品、２６…第４光学部品、３０…原子セル、４０…受光素子、５０…ヒーター、６０…温度センサー、７０…コイル、８０…制御部、１００…原子発振器、１０１…パッケージ、１０１ａ…ベース、１０１ｂ…リッド、１０１ｃ…窓部材、１０２…半導体レーザー、１０２ａ…半導体レーザー、１０２ｂ…半導体レーザー、１０４…温度制御素子、１０４ａ…温度制御面、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１０６…温度センサー、１１０ａ…接続電極、１１０ｂ…接続電極、１１２ａ…接続電極、１１２ｂ…接続電極、１１４ａ…接続電極、１１４ｂ…接続電極、１１６ａ…接続電極、１１６ｂ…接続電極、１２０…メタライズ層、１３０ａ…配線、１３０ｂ…配線、１３２ａ…配線、１３２ｂ…配線、１３２ｃ…配線、１３２ｄ…配線、１３４ａ…配線、１３４ｂ…配線、１３６ａ…配線、１３６ｂ…配線、１３６ｃ…配線、１４０…金属層、１５０…中継部材、１６０…中継部材、１７０…配線層、２０１…柱状部、２０２…基板、２０３…共振器、２０４…第１ミラー層、２０６…活性層、２０８…第２ミラー層、２１０…電流狭窄層、２１２…絶縁層、２２０…第１電極、２２２…第２電極、２２２ａ…パッド、２３０…ヒーター素子、２３２…半導体層、２３２ａ…第１部分、２３２ａ−１…第１延在部、２３２ａ−２…第２延在部、２３２ｂ…第２部分、２３２ｃ…括れ部、２３４…絶縁領域、２３６…第３電極、２３８…第４電極、４００…クロック伝送システム、４０１…クロック供給装置、４０２…ＳＤＨ装置、４０３…クロック供給装置、４０４…ＳＤＨ装置、４０５…クロック供給装置、４０６…ＳＤＨ装置、４０６…装置、４０７…ＳＤＨ装置、４０８…マスタークロック、４０９…マスタークロック、８０２…温度制御回路、８０４…波長制御回路、８０４…制御回路、８０６…光出力制御回路、８０８…高周波制御回路、８１０…温度制御回路、８１２…磁場制御回路
【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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