JP6852262B2 - 面発光レーザ素子及び原子発振器 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ素子及び原子発振器に関する。

レーザ光源として、複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が平面的に配置された面発光レーザ素子が用いられる。面発光レーザは、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、低価格化、低消費電力化、小型化、２次元的集積化等の点で有利である。

例えば、上下のブラッグ反射鏡間に共振器が配置される面発光レーザにおいて、ブラッグ反射鏡内に１層以上の波長調整層を含む波長調整領域を形成し、波長調整領域の厚さを変化させることにより、レーザ光の波長を調整する技術がある（特許文献１）。１つの面発光レーザ素子上に波長調整領域の厚さが異なる複数の面発光レーザを形成することにより、１つの面発光レーザ素子において複数の波長のレーザ光を射出することが可能となる。

面発光レーザは、通常、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等により基板上に各種の半導体層をエピタキシャル結晶成長させた後、エッチングによりメサ形状に形成される。このとき、上記のように１つの面発光レーザ素子に波長調整領域の厚さが異なる複数の面発光レーザが形成される場合には、複数の面発光レーザ間でエッチングの深さが不均一になりやすい。エッチングの深さが不均一になると、共振器の残膜厚が不均一になり、レーザ光の品質が低下する場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、波長調整領域の厚さが異なる複数の面発光レーザが形成された面発光レーザ素子のレーザ光の品質を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、下部半導体反射鏡と、前記下部半導体反射鏡よりレーザ光の射出口に近い位置に配置された上部半導体反射鏡と、前記下部半導体反射鏡と前記上部半導体反射鏡との間に配置され、光を共振させる共振器と、前記上部半導体反射鏡内に形成され、前記光の波長を調整する波長調整領域と、前記上部半導体反射鏡の前記射出口側に形成されたコンタクト層と、を備え、前記上部半導体反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成され、前記波長調整領域は、前記高屈折率層が置き換えられることにより構成され、前記波長調整領域は、インジウムを含み、ＡｌＧａＩｎＰを主成分とする第１の波長調整層と、インジウムを含まず、ＡｌＧａＡｓを主成分とする第２の波長調整層とを含み、λを前記レーザ光の波長、Ｎを１以上の整数、Ｍを１以上Ｎ以下の整数とするとき、前記波長調整領域の光学的厚さは、（２Ｎ＋１）×λ／４により算出され、前記波長調整領域の下端部から前記第１の波長調整層および前記第２の波長調整層の積層方向中心位置までの光学的厚さは、Ｍ×λ／２により算出され、前記第１の波長調整層の厚さは、前記第２の波長調整層の厚さより薄い面発光レーザ素子である。

本発明によれば、波長調整領域の厚さが異なる複数の面発光レーザが形成された面発光レーザ素子のレーザ光の品質を向上させることが可能となる。

図１は、第１の実施の形態にかかる面発光レーザの構成を示す断面図である。 図２は、第１の実施の形態にかかる面発光レーザ素子の構成を示す上面図である。 図３は、第１の実施の形態にかかる第１の面発光レーザ、第２の面発光レーザ、及び第３の面発光レーザの具体的な構成例を示す図である。 図４は、共振器の残膜厚と特性変化率との関係を示すグラフである。 図５は、第１の実施の形態にかかる波長調整領域のエッチング方法の例を示す図である。 図６は、第１の実施の形態の第１の例にかかるレジストパターニング及び選択エッチングを示す図である。 図７は、第１の実施の形態の第２の例にかかるレジストパターニング及び選択エッチングを示す図である。 図８は、第１の実施の形態にかかる第１の面発光レーザの波長調整領域の縦モードにおける腹節の位置を示す図である。 図９は、第１の実施の形態にかかる上部ブラッグ反射鏡内における波長調整領域の置き換え位置を示す図である。 図１０は、第２の実施の形態にかかる第１の面発光レーザの波長調整領域の縦モードにおける腹節の位置を示す図である。 図１１は、第２の実施の形態にかかる上部ブラッグ反射鏡内における波長調整領域の置き換え位置を示す図である。 図１２は、第３の実施の形態にかかる原子発振器の構成を示す図である。 図１３は、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造例を示す図である。 図１４は、レーザ光を変調した際に生じるサイドバンドの例を示す図である。 図１５は、変調周波数と透過光量との関係の例を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかる面発光レーザ１１の構成を示す断面図である。面発光レーザ１１は、半導体基板２１、下部ブラッグ反射鏡２２（下部反射鏡）、共振器２３、上部ブラッグ反射鏡２４（上部反射鏡）、波長調整領域２５、コンタクト層２６、上部電極２７、下部電極２８、エッチング領域２９、保護層３０、及びポリイミド層３１を含む。

ｎ−ＧａＡｓ等からなる半導体基板２１上には下部ブラッグ反射鏡２２が形成されている。下部ブラッグ反射鏡２２は、酸化物、窒化物、フッ化物等からなる誘電体膜であり、屈折率が異なる半導体材料からなる層（低屈折率層及び高屈折率層）を交互に積層することにより形成されている。下部ブラッグ反射鏡２２上には活性層を含む共振器２３が形成されている。

共振器２３上には上部ブラッグ反射鏡２４が形成されている。上部ブラッグ反射鏡２４内には波長調整領域２５が形成されている。上部ブラッグ反射鏡２４は、酸化物、窒化物、フッ化物等からなる誘電体膜であり、屈折率が異なる半導体材料からなる層（低屈折率層及び高屈折率層）を交互に積層することにより形成されている。本実施の形態にかかる波長調整領域２５は、上部ブラッグ反射鏡２４の高屈折率層を置き換えることにより形成されている。

上部ブラッグ反射鏡２４上にはコンタクト層２６が形成されている。コンタクト層２６上には上部電極２７が形成されている。上部電極２７はコンタクト層２６の一部が露出するように形成されており、当該コンタクト層２６が露出した部分がレーザ光の射出口３２となる。半導体基板２１の下面側には下部電極２８が形成されている。

面発光レーザ１１は、エッチング領域２９によりメサ形状に形成されている。エッチング領域２９は、射出口３２の周囲の上部ブラッグ反射鏡２４（波長調整領域２５を含む）及び共振器２３を積層方向にエッチングすることにより形成される。エッチング領域２９の深さは、共振器２３のスペーサ層が所定の厚さだけ残留するように形成される。

エッチング領域２９には、保護層３０及びポリイミド層３１が形成されている。保護層３０は、ＳｉＮ等を主成分とする層であり、エッチングにより露出した電流狭窄層（選択酸化領域）を保護する作用を有する。

上記構成の面発光レーザ１１の上部電極２７に電流が供給されることにより、波長調整領域２５により調整された波長を有する光が共振器２３により増幅され、射出口３２からレーザ光として射出される。

図２は、第１の実施の形態にかかる面発光レーザ素子１の構成を示す上面図である。面発光レーザ素子１は、第１の発光領域４１、第２の発光領域４２、第３の発光領域４３、第４の発光領域４４、第１の電極パッド４５、第２の電極バッド４６、第３の電極パッド４７、及び第４の電極パッド４８を含む。

第１の発光領域４１には複数の面発光レーザ１１Ａがアレイ状に配置されている。第２の発光領域４２には複数の面発光レーザ１１Ｂがアレイ状に配置されている。第３の発光領域４３には複数の面発光レーザ１１Ｃがアレイ状に配置されている。第４の発光領域４４には複数の面発光レーザ１１Ｄがアレイ状に配置されている。第１の電極パッド４５は第１の発光領域４１内の各面発光レーザ１１Ａに電流を供給する。第２の電極パッド４６は第２の発光領域４２内の各面発光レーザ１１Ｂに電流を供給する。第３の電極パッド４７は第３の発光領域４３内の各面発光レーザ１１Ｃに電流を供給する。第４の電極パッド４８は第４の発光領域４４内の各面発光レーザ１１Ｄに電流を供給する。

各面発光レーザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、基本的に図１に示す面発光レーザ１１と同様の構成を有するものであるが、それぞれ波長調整領域２５の厚さが異なっている。そのため、各面発光レーザ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ（各発光領域４１〜４５）から射出されるレーザ光の波長は互いに異なっている。所定の制御ユニットによりいずれの電極パッド４５〜４８に電流を供給するかを制御することにより、所望の波長のレーザ光を射出することが可能となる。なお、図２に示す構成は例示であり、面発光レーザ素子１の構成はこれに限られるものではない。例えば、発光領域４１〜４４及び電極パッド４５〜４８の個数、形状、位置等は適宜設計されるべき事項である。

図３は、第１の実施の形態にかかる第１の面発光レーザ１１Ａ、第２の面発光レーザ１１Ｂ、及び第３の面発光レーザ１１Ｃの具体的な構成例を示す図である。ここでは３種の面発光レーザ１１Ａ〜１１Ｃを例にとって説明する。

共振器２３は、下部ブラッグ反射鏡２２及び上部ブラッグ反射鏡２４の間に配置されている。共振器２３は、下部スペーサ層５１、活性層５２、及び上部スペーサ層５３を含む。下部スペーサ層５１及び上部スペーサ層５３は、例えばＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓを主成分とする層である。活性層５２は、例えばＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層を含む層である。なお、上下のスペーサ層５１，５３及び活性層５２を構成する成分は上記に限られるものではない。

波長調整領域２５は、上部ブラッグ反射鏡２４内に形成されている。図３に示すように、各面発光レーザ１１Ａ〜１１Ｃの波長調整領域２５の各厚さＴは互いに異なっている。

第１の面発光レーザ１１Ａの波長調整領域２５は、下部位相調整層５５、上部位相調整層５６、第１の波長調整層６１、及び第２の波長調整層６２を含む。第１の面発光レーザ１１Ａの波長調整領域２５は、２層の第１の波長調整層６１と１層の第２の波長調整層６２とを含んでおり、下から、下部位相調整層５５、第１の波長調整層６１、第２の波長調整層６２、第１の波長調整層６１、及び上部位相調整層５６の順に積層されて構成されている。

第２の面発光レーザ１１Ｂの波長調整領域２５は、下部位相調整層５５、上部位相調整層５６、第１の波長調整層６１、及び第２の波長調整層６２を含む。第２の面発光レーザ１１Ｂの波長調整領域２５は、１層の第１の波長調整層６１と１層の第２の波長調整層６２とを含んでおり、下から、下部位相調整層５５、第１の波長調整層６１、第２の波長調整層６２、及び上部位相調整層５６の順に積層されて構成されている。

第３の面発光レーザ１１Ｃの波長調整領域２５は、下部位相調整層５５、上部位相調整層５６、及び第１の波長調整層６１を含む。第３の面発光レーザ１１Ｃの波長調整領域２５は、１層の第１の波長調整層６１を含んでおり、下から、下部位相調整層５５、第１の波長調整層６１、及び上部位相調整層５６の順に積層されて構成されている。

上記のように、波長調整領域２５の厚さＴは、第１の波長調整層６１又は第２の波長調整層６２の層数を変化させることにより調整されている。

下部位相調整層５５及び上部位相調整層５６は、共振器２３により増幅される光の位相を調整する層であり、例えばｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓを主成分とする層である。なお、上下の位相調整層５５，５６を構成する成分は上記に限られるものではない。

第１の波長調整層６１及び第２の波長調整層６２は、共振器２３により増幅される光の波長を調整する層である。第１の波長調整層６１は、インジウムを含む層であり、例えばＡｌＧａＩｎＰを主成分とする層である。第２の波長調整層６２は、インジウムを含まない層であり、例えばＡｌＧａＡｓを主成分とする層である。

図３に示すように、第１の波長調整層６１の厚さＴ１は、第２の波長調整層６２の厚さＴ２より小さい。インジウムは難エッチング材料であるため、インジウムを含む第１の波長調整層６１はインジウムを含まない第２の波長調整層６２よりエッチング領域２９の形成に大きな影響を与える。そこで、本実施の形態のように、第１の波長調整層６１の厚さＴ１を第２の波長調整層６２の厚さＴ２より薄くすることにより、インジウムによるエッチングへの悪影響を抑制することが可能となる。１つの面発光レーザ素子１に波長調整領域２５の厚さＴが異なる複数の面発光レーザ１１Ａ〜１１Ｄを形成する場合には、各面発光レーザ１１Ａ〜１１Ｄのエッチング領域２９の深さ（共振器２３の残膜厚）が不均一になりやすい。しかし、上記のように、波長調整領域２５全体の厚さＴに対する第１の波長調整層６１の厚さＴ１の比率を小さくすることにより、エッチング領域２９の深さの不均一化を抑制することが可能となる。

図３に示すように、本実施の形態においては、全て面発光レーザ１１Ａ〜１１Ｃのエッチング領域２９の下端部が共振器２３の下部スペーサ層５１内に収まっている。エッチング領域２９の下端部が下部ブラッグ反射鏡２２にまで達したり、活性層５２内に留まったりする場合には、共振器２３による光の増幅効果のばらつきが大きくなり、面発光レーザ素子１の品質が低下しやすい。

図４は、共振器２３の残膜厚と特性変化率との関係を示すグラフである。特性変化率が大きい程、射出されるレーザ光の特性にばらつきが生じやすい。従って、エッチング領域２９の下端部が下部スペーサ層５１内に収まっている場合であっても、所定の残膜厚が確保されるように設計されることが好ましい。図４に示す例においては、共振器２３（下部スペーサ層５１）の残膜厚が２００ｎｍ以上であることが好ましいといえる。

波長調整領域２５の厚さＴの調整は、第１の波長調整層６１又は第２の波長調整層６２を選択的にエッチングし、両層６１，６２の層数を調整することにより行われる。本実施の形態においては、第１の波長調整層６１の厚さＴ１と第２の波長調整層６２の厚さＴ２とが異なるため、両層６１，６２のどちらをエッチングするかによって波長調整領域２５の厚さＴの変化が異なる。また、上部位相調整層５６を形成する際に、第１の波長調整層６１から結晶成長させる場合と第２の波長調整層６２から結晶成長させる場合とで、上部位相調整層５６の品質に差が生じる場合がある。

上記のような問題は、波長調整領域２５のエッチング方法により解決することができる。図５は、第１の実施の形態にかかる波長調整領域２５のエッチング方法の例を示す図である。本例のエッチング方法においては、第１の波長調整層６１及び第２の波長調整層６２を１ペアとし、１ペア毎にエッチングが行われる。例えば、第１の波長調整層６１の厚さＴ１を６ｎｍ、第２の波長調整層６２の厚さＴ２を９ｎｍとする場合、１ペアの厚さは１５ｎｍとなる。１ペア毎にエッチングすることにより、共振波長を１ｎｍずつ調整することができる。なお、このようなエッチング方法は必ず実行されなければならないものではなく、第１の波長調整層６１又は第２の波長調整層６２を単独で残留させてもよい。

以下に、面発光レーザ１１の製造方法を例示する。面発光レーザ１１を構成する各層はＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により形成される。ＭＯＣＶＤ法等により波長調整領域２５の各層を結晶成長させる際に、ウエハ上の共振波長が計測される。計測された共振波長が狙いの波長となるように、波長調整領域２５内の第１の波長調整層６１及び第２の波長調整層６２の層数が調整される。この層数の調整は、両層６１，６２を所定の層数まで積層した後、レジストパターニング及び選択エッチングを所定の層数となるまで繰り返すことにより行われる。

図６は、第１の実施の形態の第１の例にかかるレジストパターニング及び選択エッチングを示す図である。本例は、第１の面発光レーザ１１Ａ、第２の面発光レーザ１１Ｂ、及び第３の面発光レーザ１１Ｃの各波長調整領域２５の層構造を図３に示す状態にする方法を例示するものである。本例においては、先ず、第２の発光領域４２の第２の面発光レーザ１１Ｂ及び第３の発光領域４３の第３の面発光レーザ１１Ｃにレジスト７０が形成されないようにレジストパターニングした後、第１の波長調整層６１を選択エッチングする（エッチング１）。その後、第３の面発光レーザ１１Ｃにレジスト７０が形成されないようにレジストパターニングした後、第２の波長調整層６２を選択エッチングする（エッチング２）。その後、レジスト７０を除去する（レジスト除去）。

図７は、第１の実施の形態の第２の例にかかるレジストパターニング及び選択エッチングを示す図である。本例も図６に示す第１の例と同様に、各波長調整領域２５の層構造を図３に示す状態にする方法を例示するものである。本例においては、先ず、第２の発光領域４２の第２の面発光レーザ１１Ｂにレジスト７０が形成されないようにレジストパターニングした後、第１の波長調整層６１を選択エッチングする（エッチング１）。その後、第３の面発光レーザ１１Ｃにレジスト７０が形成されないようにレジストパターニングした後、第１の波長調整層６１及び第２の波長調整層６２を順番に選択エッチングする（エッチング２）。その後、レジスト７０を除去する（レジスト除去）。

ＧａＡｓＰ（ＧａＡｓの場合も同様）のエッチング液として、例えば、硫酸、過酸化水素、及び水の混合液を用いることができる。ＧａＩｎＰのエッチング液として、例えば、塩酸及び水の混合液を用いることができる。

上記のように形成された第１の波長調整層６１又は第２の波長調整層６２上に、上部位相調整層５６、上部ブラッグ反射鏡２４（波長調整領域２５より上部）、及びコンタクト層２６が順番に結晶成長される。その後、共振器２３の深さまで各層をエッチングする（エッチング領域２９を形成する）ことによりメサを形成する。メサを形成する際のエッチングとしては、ドライエッチング法を用いることができる。メサの形状は特に限定されるべきものではないが、例えば、上面視円形、楕円形、矩形、多角形等の形状とすることができる。

メサの側面に露出したＡｌＡｓからなる電流狭窄層を、水蒸気中での熱処理により、選択酸化領域であるＡｌ_ｘＯ_ｙからなる絶縁層に変える。これにより、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だけに制限する電流狭窄構造を形成することができる。その後、絶縁層上に保護層３０を形成し、保護層３０上にポリイミド層３１を形成することにより、面発光レーザ１１の上面を平坦化する。このとき、一旦コンタクト層２６上に保護層３０及びポリイミド層３１が形成されることとなる。その後、コンタクト層２６の上の保護層３０及びポリイミド層３１を除去し、コンタクト層２６上にｐ側電極となる上部電極２７を形成する。保護層３０としてＳｉＮを用いれば、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。

図８は、第１の実施の形態にかかる第１の面発光レーザ１１Ａの波長調整領域２５の縦モードにおける腹節の位置を示す図である。第１の波長調整層６１及び第２の波長調整層６２は半導体層である。半導体層の屈折率は誘電体層より大幅に低い。従って、波長調整領域２５より上部の上部ブラッグ反射鏡２４が誘電体である場合には、波長調整領域２５と当該上部ブラッグ反射鏡２４との界面８１が縦モードの腹位置に配置される必要がある。界面８１が節位置に配置されると、界面８１において光が逆相で反射することとなるからである。一方、波長調整領域２５より上部の上部ブラッグ反射鏡２４が半導体である場合には、波長調整層６１，６２を縦モードの節位置に配置することにより、波長調整機能が損なわれることなく、発振閾値電流の低減等を実現することができる。これは、第１の波長調整層６１に含まれるＧａＩｎＰの屈折率３．３と第２の波長調整層６２に含まれるＧａＡｓＰの屈折率３．５とが異なっていることに起因する散乱損失による影響が、波長調整層６１，６２が節位置に配置されることによって低減されるからである。

また、波長調整領域２５より下部の上部ブラッグ反射鏡２４が半導体である場合には、波長調整領域２５に電気伝導性を持たせるためにドーピングが必要である。このとき、波長調整層６１，６２のバンド構造に生じるヘテロスパイク等により、電気抵抗が大きくなる。そのため、電気抵抗を低減するために、波長調整層６１，６２にのみ高濃度ドーピングを行う必要が生じる場合がある。しかしながら、縦モードの腹位置に高濃度ドーピングを行うと、光吸収が大きくなり、発振閾値閾電流の増加、スロープ効率の低下等の問題が生じる場合がある。そこで、波長調整層６１，６２を節位置に配置することにより、波長調整層６１，６２に高濃度ドーピングを行っても、発振閾値電流の増加、スロープ効率の低下等を起こすことなく、電気抵抗を低減させることができる。電気抵抗が低減すると、最高光出力が増加する。

図９は、第１の実施の形態にかかる上部ブラッグ反射鏡２４内における波長調整領域２５の置き換え位置を示す図である。本実施の形態にかかる下部ブラッグ反射鏡２２及び上部ブラッグ反射鏡２４は、低屈折率層８５と高屈折率層８６とが交互に積層された構造を有している。本実施の形態にかかる波長調整領域２５は、高屈折率層８６が置き換えられることにより形成されている。

低屈折率層８５及び高屈折率層８６は、共にｎ−ＡｌＧａＡｓを主成分とする層である。低屈折率層８５及び高屈折率層８６の相違点はＡｌ含有率にある。低屈折率層８５のＡｌ含有率は比較的大きく、高屈折率層８６のＡｌ含有率は比較的小さい。低屈折率層８５は、例えばｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを主成分とする層である。高屈折率層８６は、例えばｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓを主成分とする層である。低屈折率層８５及び高屈折率層８６の各層は、例えばλ／４の光学的厚さを有する。下部ブラッグ反射鏡２２は、例えば３５．５ペアの低屈折率層８５／高屈折率層８６から構成される。共振器２３から波長調整領域２５までの間の上部ブラッグ反射鏡２４は、例えば５ペアの低屈折率層８５／高屈折率層８６から構成される。

図９に示すように、波長調整領域２５は、下部位相調整層５５、波長調整層６１，６２、及び上部位相調整層５６を含む。下部位相調整層５５及び上部位相調整層５６は、高屈折率層８６と同様に、Ａｌ含有率が比較的小さいｐ−ＡｌＧａＡｓを主成分とする層である。下部位相調整層５５及び上部位相調整層５６は、例えばｎ−Ａｌ_０．１６ＧａＡｓを主成分とする層であってもよい。

波長調整層６１，６２が第１の波長調整層６１（ｐ＋＋ＧａＩｎＰ）／第２の波長調整層６２（ｐ＋＋ＧａＡｓＰ）／第１の波長調整層６１（ｐ＋＋ＧａＩｎＰ）の３層から構成される場合、波長調整領域２５全体の光学的厚さは３λ／４となる。このとき、波長調整領域２５の下端部から中央の第２の波長調整層６２の積層方向中心位置までの光学的厚さはλ／２となる。また、波長調整領域２５全体の光学的厚さが５λ／４となるとき、波長調整領域６１，６２の下端部から中央の第２の波長調整層６２の積層方向中心部までの光学的厚さはλ／２又はλとなる。また、波長調整領域２５全体の光学的厚さが７λ／４となるとき、波長調整領域２５の下端部から中央の第２の波長調整層６２の積層方向中心部までの光学的厚さはλ／２、λ、又は３λ／２となる。

すなわち、λをレーザ光の波長、Ｎを１以上の整数、Ｍを１以上Ｎ以下の整数とするとき、波長調整領域２５の光学的厚さは、（２Ｎ＋１）×λ／４により算出される。また、波長調整領域２５の下端部（共振器２３側の端部）から積層方向中心位置までの光学的厚さは、波長調整領域２５の下端部からＭ×λ／２により算出される。

なお、波長調整層６１，６２の１層あたりの厚さＴ１，Ｔ２は、成膜技術の限界から、通常５ｎｍ以上となる場合が多い。また、波長調整層６１，６２の層数の調整は、通常成膜誤差による発振波長の微調整が目的であることから、波長調整層６１，６２の１層あたりの光学的厚さは、０．１λ以下であることが適当である。

上記のように、上部ブラッグ反射鏡２４の高屈折率層８６を波長調整領域２５に置き換えることにより、Ａｌを多く含む結晶を波長調整層６１，６２の材料として使用せずに済む。これにより、波長調整層６１，６２の選択エッチング時に酸化、腐食等を防止することができ、面発光レーザ素子１の信頼性を向上させることができる。

上述したように、本実施の形態によれば、エッチングへの影響が大きいインジウムを含む第１の波長調整層６１の厚さＴ１がインジウムを含まない第２の波長調整層６２の厚さＴ２より薄く形成される。これにより、波長調整領域２５の厚さＴが異なる複数の面発光レーザ１１Ａ〜１１Ｄが１つの面発光レーザ素子１に形成される場合であっても、エッチング領域２９の深さのばらつきを抑えることができ、高い品質のレーザ光を生成することが可能となる。

以下に、他の実施の形態について図を参照して説明するが、上記第１の実施の形態と同一又は同様の箇所については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

（第２の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態にかかる第１の面発光レーザ１１Ａの波長調整領域９１の縦モードにおける腹節の位置を示す図である。図１１は、第２の実施の形態にかかる上部ブラッグ反射鏡２４内における波長調整領域９１の置き換え位置を示す図である。

本実施の形態にかかる波長調整領域９１は、上部ブラッグ反射鏡２４の低屈折率層８５が置き換えられることにより形成されている。

本実施の形態にかかる波長調整領域９１は、下部位相調整層９５、波長調整層９７，９８、及び上部位相調整層９６を含む。下部位相調整層９５及び上部位相調整層９６は、低屈折率層８５と同様に、Ａｌ含有率が比較的大きいｐ−ＡｌＧａＡｓを主成分とする層である。下部位相調整層９５及び上部位相調整層９６は、例えばｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓを主成分とする層であってもよい。

第１の波長調整層９７は、例えばｐ＋＋（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを主成分とする層である。第２の波長調整層９８は、例えばｐ＋＋Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓを主成分とする層である。波長調整層９７，９８が第１の波長調整層９７／第２の波長調整層９８／第１の波長調整層９７の３層から構成される場合、波長調整領域９１全体の光学的厚さは３λ／４となる。このとき、波長調整領域９１の下端部から中央の第２の波長調整層９８の積層方向中心位置までの光学的厚さはλ／４となる。また、波長調整領域９１全体の光学的厚さが５λ／４となるとき、波長調整領域９１の下端部から中央の第２の波長調整層９８の積層方向中心部までの光学的厚さはλ／４又は３λ／４となる。また、波長調整領域２５全体の光学的厚さが７λ／４となるとき、波長調整領域９１の下端部から中央の第２の波長調整層９８の積層方向中心部までの光学的厚さはλ／４、３λ／４、又は５λ／４となる。

すなわち、λをレーザ光の波長、Ｎを１以上の整数、Ｍを０以上（Ｎ−１）以下の整数とするとき、波長調整領域９１の光学的厚さは、（２Ｎ＋１）×λ／４により算出される。また、波長調整領域９１の下端部から積層方向中心位置までの光学的厚さは、（２Ｍ＋１）×λ／４により算出される。

上記のように、上部ブラッグ反射鏡２４の低屈折率層８５を波長調整領域９１に置き換えた場合には、第１の波長調整層９７と第２の波長調整層９８との組み合わせは、例えば（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５ＰとＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓとになる。（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの屈折率及びＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓの屈折率は、共に３．１程度である。従って、第２の実施の形態によれば、エッチング領域２９の深さのばらつきを抑えるという効果に加え、波長調整領域９１における散乱損失を減少させるという効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図１２は、第３の実施の形態にかかる原子発振器１０１の構成を示す図である。原子発振器１０１は、第１又は第２の実施の形態にかかる面発光レーザ素子１が射出したレーザ光を変調して得られる光により原子を励起するＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式を利用した発振器である。原子発振器１０１は、光源１１１、コリメートレンズ１１２、λ／４波長板１１３、アルカリ金属セル１１４（封入部）、光検出器１１５（検出部）、及び変調器１１６（変調部）を含む。

光源１１１は、第１又は第２の実施の形態にかかる面発光レーザ素子１を含み、面発光レーザ素子１から射出されるレーザ光を変調した光を射出する装置である。アルカリ金属セル１１４には、アルカリ金属としてのＣｓ原子ガスが封入されている。ＣＰＴにおいて、例えばＣｓのＤ１ラインの遷移を利用することができる。光検出器１１５は、アルカリ金属セル１１４を透過した光の光量を検出する装置である。光検出器１１５は、例えばフォトダイオードを利用して構成される。変調器１１６は、光検出器１１５の検出結果に基づいて、面発光レーザ素子１が射出するレーザ光を変調する装置である。

光源１１１から出射されコリメートレンズ１１２及びλ／４波長板１１３により調整された光は、アルカリ金属セル１１４に照射される。当該光により、Ｃｓの電子が励起される。アルカリ金属セル１１４を透過した光の光量は光検出器１１５により検出される。光検出器１１５の検出信号は変調器１１６にフィードバックされる。変調器１１６は当該フィードバックに基づいて光源１１１内の面発光レーザ素子１のレーザ光を変調する。

図１３は、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造例を示す図である。二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電磁誘導透過が発生する。本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１は、搬送波波長が８９４．６ｎｍに近いレーザ光を射出する。搬送波波長は、面発光レーザ素子１の温度又は出力を変化させることによりチューニングすることができる。温度や出力を上げると、搬送波波長は長波長側にシフトする。搬送波波長のチューニングには温度変化を利用することが好ましい。波長の温度依存性は０．０５ｎｍ／℃程度である。

図１４は、レーザ光を変調した際に生じるサイドバンドの例を示す図である。レーザ光に変調をかけることにより搬送波波長の両側にサイドバンドが発生する。本例では、Ｃｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに対応するように、搬送波波長とサイドバンドとの周波数差が４．６ＧＨｚとなるように変調された状態が示されている。

図１５は、変調周波数と透過光量との関係の例を示す図である。励起されたＣｓ原子ガスを透過する光の光量は、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ときに最大となる。変調器１１６は、光検出器１１５により検出される光量が最大値を保持するように、光源１１１の面発光レーザ素子１が射出するレーザ光を変調する。このとき取得される変調周波数は、Ｃｓ原子の固有振動数は極めて安定であるため、安定した値となる。取得された変調周波数は外部にアウトプットされ、基準周波数等として利用される。なお、ＣｓのＤ１ラインの波長８９４．６ｎｍの遷移を用いる場合には、光源１１１から射出される光の波長の範囲が８９４．６ｎｍ±１ｎｍである必要がある。すなわち、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍの範囲の波長の光が必要となる。

なお、上記実施の形態においては、ＣｓのＤ１ラインの波長を用いたが、ＣｓのＤ２ラインの波長８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂを用いることもできる。Ｒｂを用いる場合には、そのＤ１ラインの波長７９５．０ｎｍ又はＤ２ラインの波長７８０．２ｎｍの遷移を用いることができる。面発光レーザ１１の活性層５２の材料組成をこれらの波長に応じて設計することができる。８７Ｒｂを用いる場合には３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂを用いる場合には１．５ＧＨｚでレーザ光を変調させればよい。これらの波長（８５２．３ｎｍ、７９５．０ｎｍ、又は７８０．２ｎｍ）を用いる場合にも、光源１１１から射出される光の波長の範囲は、これらの波長±１ｎｍである必要がある。すなわち、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合には８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍの範囲の波長の光が必要となる。また、ＲｂのＤ１ラインを利用する場合には７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍの範囲の波長の光が必要となる。また、ＲｂのＤ２ラインを利用する場合には７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲の波長の光が必要となる。

上記本実施の形態にかかる原子発振器１０１によれば、光源１１１に第１又は第２の実施の形態にかかる面発光レーザ素子１が用いられるため、高い品質のレーザ光に基づいて正確な周波数を取得することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施の形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。この新規な実施の形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態及びその変形は発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 面発光レーザ素子
１１ 面発光レーザ
１１Ａ 第１の面発光レーザ
１１Ｂ 第２の面発光レーザ
１１Ｃ 第３の面発光レーザ
１１Ｄ 第４の面発光レーザ
２１ 半導体基板
２２ 下部ブラッグ反射鏡
２３ 共振器
２４ 上部ブラッグ反射鏡
２５，９１ 波長調整領域
２６ コンタクト層
２７ 上部電極
２８ 下部電極
２９ エッチング領域
３０ 保護層
３１ ポリイミド層
３２ 射出口
４１ 第１の発光領域
４２ 第２の発光領域
４３ 第３の発光領域
４４ 第４の発光領域
４５ 第１の電極パッド
４６ 第２の電極パッド
４７ 第３の電極パッド
４８ 第４の電極パッド
５１ 下部スペーサ層
５２ 活性層
５３ 上部スペーサ層
５５，９５ 下部位相調整層
５６，９６ 上部位相調整層
６１，９７ 第１の波長調整層
６２，９８ 第２の波長調整層
７０ レジスト
８１ 界面
８５ 低屈折率層
８６ 高屈折率層
１０１ 原子発振器
１１１ 光源
１１２ コリメートレンズ
１１３ λ／４波長板
１１４ アルカリ金属セル
１１５ 光検出器
１１６ 変調器

特開２０１３−１３８１７６号公報

Claims (6)

1. 下部半導体反射鏡と、
   前記下部半導体反射鏡よりレーザ光の射出口に近い位置に配置された上部半導体反射鏡と、
   前記下部半導体反射鏡と前記上部半導体反射鏡との間に配置され、光を共振させる共振器と、
   前記上部半導体反射鏡内に形成され、前記光の波長を調整する波長調整領域と、
   前記上部半導体反射鏡の前記射出口側に形成されたコンタクト層と、
   を備え、
   前記上部半導体反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成され、
   前記波長調整領域は、前記高屈折率層が置き換えられることにより構成され、
   前記波長調整領域は、インジウムを含み、ＡｌＧａＩｎＰを主成分とする第１の波長調整層と、インジウムを含まず、ＡｌＧａＡｓを主成分とする第２の波長調整層とを含み、
   λを前記レーザ光の波長、Ｎを１以上の整数、Ｍを１以上Ｎ以下の整数とするとき、
   前記波長調整領域の光学的厚さは、（２Ｎ＋１）×λ／４により算出され、
   前記波長調整領域の下端部から前記第１の波長調整層および前記第２の波長調整層の積層方向中心位置までの光学的厚さは、Ｍ×λ／２により算出され、
   前記第１の波長調整層の厚さは、前記第２の波長調整層の厚さより薄い、
   面発光レーザ素子。
2. 下部半導体反射鏡と、
   前記下部半導体反射鏡よりレーザ光の射出口に近い位置に配置された上部半導体反射鏡と、
   前記下部半導体反射鏡と前記上部半導体反射鏡との間に配置され、光を共振させる共振器と、
   前記上部半導体反射鏡内に形成され、前記光の波長を調整する波長調整領域と、
   前記上部半導体反射鏡の前記射出口側に形成されたコンタクト層と、
   を備え、
   前記上部半導体反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成され、
   前記波長調整領域は、前記低屈折率層が置き換えられることにより構成され、
   前記波長調整領域は、インジウムを含み、ＡｌＧａＩｎＰを主成分とする第１の波長調整層と、インジウムを含まず、ＡｌＧａＡｓを主成分とする第２の波長調整層とを含み、
   λを前記レーザ光の波長、Ｎを１以上の整数、Ｍを０以上（Ｎ−１）以下の整数とするとき、
   前記波長調整領域の光学的厚さは、（２Ｎ＋１）×λ／４により算出され、
   前記波長調整領域の下端部から前記第１の波長調整層および前記第２の波長調整層の積層方向中心位置までの光学的厚さは、（２Ｍ＋１）×λ／４により算出され、
   前記第１の波長調整層の厚さは、前記第２の波長調整層の厚さより薄い、
   面発光レーザ素子。
3. 前記第１の波長調整層及び前記第２の波長調整層の１層あたりの光学的厚さは、０．１λ以下である、
   請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 互いに厚さが異なる複数の前記波長調整領域を含み、
   複数の前記波長調整領域間において、前記第１の波長調整層又は前記第２の波長調整層の層数が異なっている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を含む光源と、
   アルカリ金属を封入した封入部と、
   前記光源から射出され前記封入部を透過した光の光量を検出する検出部と、
   検出された前記光量に基づいて、前記アルカリ金属が電磁誘起透過状態を維持するように前記面発光レーザ素子から射出されるレーザ光を変調する変調部と、
   を備える原子発振器。
6. 前記アルカリ金属は、ルビジウム又はセシウムである、
   請求項５に記載の原子発振器。

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