JP2018073931A - 面発光レーザ素子、原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】発振波長を調整する波長調整層を備えた面発光レーザ素子において、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制する。【解決手段】本面発光レーザ素子は、基板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上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされている。【選択図】図２

Description

本発明は、面発光レーザ素子、及び原子発振器に関する。

面発光レーザ素子（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、小型で高性能、２次元的に集積化しやすい等の特徴を有している。

面発光レーザ素子は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いて製造される。例えば、ＭＯＣＶＤを用いてウェハ上に複数の面発光レーザ素子を製造する場合、ガス分布やウェハの加熱分布により、ウェハ上で膜厚が不均一になり、面発光レーザ素子を構成するブラッグ反射鏡や共振器がウェハ上で不均一な光学膜厚になる場合がある。この場合、ウェハ上に形成された各々の面発光レーザ素子の発振波長が不均一になる。

このような問題を解決するために、半導体基板上に下部ブラッグ反射鏡、活性層を含む共振器、上部ブラッグ反射鏡を形成した面発光レーザ素子において、上部ブラッグ反射鏡又は下部ブラッグ反射鏡内に波長調整層を設け、波長調整層の層数を変えることで、同一チップ内で発振波長を調整可能とする構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、波長調整層が適切な膜厚で、適切なドーピングがなされていない場合、波長調整層の層数の違いにより、面発光レーザ素子毎に電気抵抗のばらつきを生じる。電気抵抗が大きくなるほど消費電力が増加し、更には、発熱の増加により面発光レーザ素子が短寿命化してしまう。従って、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制する必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、発振波長を調整する波長調整層を備えた面発光レーザ素子において、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制することを目的とする。

本面発光レーザ素子は、基板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上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされていることを要件とする。

開示の技術によれば、発振波長を調整する波長調整層を備えた面発光レーザ素子において、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制することができる。

第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する部分断面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の波長調整領域の構造図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図（その２）である。 波長調整領域のバンドダイヤグラムを例示する図である。 第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する部分断面図である。 第３の実施の形態に係る原子発振器を例示する模式図である。 ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の説明図である。 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図である。 変調周波数と透過光量との相関図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
（面発光レーザ素子の概要）
図１は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。図２は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する部分断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。

図１及び図２に示すように、面発光レーザ素子１０は、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４の４つの面発光レーザを備えている。但し、面発光レーザ素子１０は１つ以上の面発光レーザを備えていればよく、面発光レーザの個数は４つには限定されない。

面発光レーザ素子１０において、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４は、それぞれメサ構造となっている。面発光レーザ素子１０の上部から視たメサ構造の形状は、円形であってもよく、楕円形、正方形、長方形等であってもよい。面発光レーザ素子１０では、基板１０１と反対側（図２の矢印方向）にレーザ光が出射される。第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４の発振波長λは、例えば、８９４．６ｎｍとすることができる。

面発光レーザ素子１０は、例えば、約３００μｍ角の基板１０１上に形成されている。基板１０１上に形成された第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４は、各々に対応して設けられた電極パッド２１〜２４に接続されている。

具体的には、第１の面発光レーザ１１には電極パッド２１が、第２の面発光レーザ１２には電極パッド２２が、第３の面発光レーザ１３には電極パッド２３が、第４の面発光レーザ１４には電極パッド２４が接続されている。

面発光レーザ素子１０において、基板１０１上には、下部ブラッグ反射鏡１０２（以下、下部ＤＢＲ１０２とする）が形成されている。なお、ＤＢＲとは、Distributed Bragg Reflectorの略である。

基板１０１としては、例えば、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いることができる。下部ＤＢＲ１０２は、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成したものであり、具体的には、例えば、ｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学膜厚がλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成することができる。

下部ＤＢＲ１０２上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１０３を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０４が形成されている。活性層１０４上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる上部スペーサ層１０５が形成されている。なお、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により１波長の光学膜厚となる共振器１２０が形成されている。

上部スペーサ層１０５上には、上部ブラッグ反射鏡１０６が形成されている。上部ＤＢＲ１０６は、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成したものであり、具体的には、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学膜厚がλ／４となるように５ペア積層することにより形成することができる。

上部ＤＢＲ１０６の低屈折率層の一つは、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０８により形成されており、電流狭窄層１０８の周辺部分は選択酸化されて選択酸化領域１０８ａが形成されており、中心部分は酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂが形成されている。

上部ＤＢＲ１０６中には、上部ＤＢＲ１０６の高屈折率層を置き換える形で、波長調整層１４０を備えた波長調整領域１６０が設けられている。波長調整領域１６０の詳細については、後述する。

上部ＤＢＲ１０６上には、コンタクト層１０９が形成されている。コンタクト層１０９は、例えば、ｐ−ＧａＡｓから形成することができる。

コンタクト層１０９上には、ｐ側電極となる上部電極１１１が形成されている。又、基板１０１の裏面にはｎ側電極（共通電極）となる下部電極１１２が形成されている。

更に、面発光レーザ素子１０のメサ構造の周囲には、ＳｉＮ等からなる保護膜１７０が形成されている。そして、保護膜１７０上にはポリイミド等の樹脂材料からなる樹脂層１７１が形成されている。保護膜１７０は、メサ構造を形成する際のエッチングで現れた、腐食しやすいＡｌを含む層の側面や底面を保護する誘電体膜であり、面発光レーザ素子１０の信頼性向上に寄与する。

図３は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の波長調整領域の構造図である。面発光レーザ素子１０では、上部ブラッグ反射鏡１０６内に、波長調整領域１６０が設けられている。波長調整領域１６０は、活性層１０４に近い側から、第２の位相調整層１３０、波長調整層１４０、第１の位相調整層１５０の順で設けることができる。

但し、波長調整層１４０は、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４のうち少なくとも１つの面発光レーザにおいて、上部ブラッグ反射鏡１０６内に１層以上設けられていればよい。

なお、波長調整領域１６０は、上部ＤＢＲ１０６内ではなく、下部ＤＢＲ１０２内に形成してもよい。

第２の位相調整層１３０は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓから形成することができる。第１の位相調整層１５０は、例えば、ＧａＩｎＰから形成することができる。第２の位相調整層１３０及び第１の位相調整層１５０は、上部ブラッグ反射鏡１０６の反射率を均一にするために設けられている。

波長調整層１４０は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂが積層されてなる。例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方はＧａＩｎＰ層、他方はＧａＡｓＰ層とすることができる。この際、ＧａＩｎＰ層及びＧａＡｓＰ層は、比較的不純物濃度の高いｐ型の層とすることができる。

少なくとも一方の調整層の厚さは、量子力学的なトンネル効果を得ることができる厚さとされている。ここでは、量子力学的なトンネル効果を得ることができる厚さは、５ｎｍ以下である。なお、調整層１４０ａと調整層１４０ｂとは、同一の厚さであっても構わない。

図３では、一例として、第１の面発光レーザ１１では、第２の位相調整層１３０上に３層の波長調整層１４０が積層されている。又、第２の面発光レーザ１２では、第２の位相調整層１３０上に２層の波長調整層１４０が積層されている。又、第３の面発光レーザ１３では、第２の位相調整層１３０上に１層の波長調整層１４０が積層されている。又、第４の面発光レーザ１４は、波長調整層１４０が設けられていない。

このように、面発光レーザ素子１０の各々の面発光レーザでは、上部ＤＢＲ１０６内に、最大で３層の波長調整層１４０が設けられている。波長調整層１４０の層数を面発光レーザ毎に変えることにより、波長調整層１４０トータルの光学膜厚を面発光レーザ毎に変えることができる。但し、波長調整層１４０の最大の層数は、４層以上としてもよい。

例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方を膜厚５ｎｍのＧａＩｎＰ層、他方を膜厚１０ｎｍのＧａＡｓＰ層とすることで、波長調整層１４０の１層当たり（１５ｎｍ）の発振波長の差を１ｎｍ程度とすることができる。これにより、面発光レーザ毎の発振波長を調整し、面発光レーザ毎の発振波長のばらつきを低減することができる。

但し、『波長調整層１４０の層数を異ならせて波長調整層１４０のトータルの光学膜厚を変える』には、波長調整層１４０の光学膜厚がゼロの場合（すなわち、波長調整層１４０を設けない場合）も含む。すなわち、複数の面発光レーザには、波長調整層１４０を全く有していない面発光レーザが含まれていてもよい（図３の例では、面発光レーザ１４）。

（面発光レーザ素子の製造方法）
まず、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１０１（ウェハ）上に、半導体材料からなる下部ＤＢＲ１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、上部ＤＢＲ１０６の一部、第２の位相調整層１３０、及び３層の波長調整層１４０を積層形成する。このように基板１０１上に複数の層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」と称する場合がある。積層体の形成は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で行うことができる。又、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法等を用いて行ってもよい。

図４（ａ）は、３層の波長調整層１４０を積層後の状態を示している。図４（ａ）に示す状態で、ウェハ上の共振波長を計測する。

共振波長を計測した結果、領域Ａは、共振波長が狙い通りの波長でできている領域であったとする。又、領域Ｂは、共振波長が狙いより１ｎｍだけ長波長でできている領域であったとする。又、領域Ｃは、共振波長が狙いより２ｎｍだけ長波長でできている領域であったとする。又、領域Ｄは、共振波長が狙いより３ｎｍだけ長波長でできている領域であったとする。

次に、レジストパターニングと選択的なエッチングを繰り返して、ウェハ全体の共振波長が狙いの波長となるように、波長調整層１４０の層数を変える。なお、波長調整層１４０は１層（調整層１４０ａ及び１４０ｂの１ペア）あたり１ｎｍの変化が生じるように設計されている。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、まず、ウェハ上の領域Ａ（面発光レーザ１１となる領域）を被覆し、領域Ｂ（面発光レーザ１２となる領域）、領域Ｃ（面発光レーザ１３となる領域）、及び領域Ｄ（面発光レーザ１４となる領域）を露出するようにレジスト９００をパターニングする。そして、レジスト９００から露出する最上層の波長調整層１４０を選択的にウェットエッチングして除去する。エッチング後、レジスト９００を除去する。

次に、図４（ｃ）に示すように、ウェハ上の領域Ａ及び領域Ｂを被覆し、領域Ｃ及び領域Ｄを露出するようにレジスト９１０をパターニングする。そして、レジスト９１０から露出する２層目の波長調整層１４０を選択的にウェットエッチングして除去する。エッチング後、レジスト９１０を除去する。

次に、図４（ｄ）に示すように、ウェハ上の領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃを被覆し、領域Ｄを露出するようにレジスト９２０をパターニングする。そして、レジスト９２０から露出する最下層の波長調整層１４０を選択的にウェットエッチングして除去する。エッチング後、レジスト９２０を除去する。これにより、図４（ｅ）の構造体が作製される。

例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方がＧａＩｎＰ層、他方がＧａＡｓＰ層である場合、図４（ｂ）〜図４（ｄ）におけるウェットエッチングでは、例えば、ＧａＡｓＰのエッチング液には、硫酸、過酸化水素、水の混合液を用いることができ、ＧａＩｎＰのエッチング液には、塩酸、水の混合液を用いることができる。

次に、図５（ａ）に示すように、波長調整層１４０より上部の層、すなわち第１の位相調整層１５０、残りの上部ブラッグ反射鏡１０６、コンタクト層１０９を、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法による再結晶成長により形成する。そして、共振器１２０の深さまで半導体層からなる積層体をエッチングすることによりメサ構造を形成し、その後、電流狭窄層１０８を選択的に酸化して選択酸化領域１０８ａ及び電流狭窄領域１０８ｂを形成する。

メサ構造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。メサ構造は、円形の他に、楕円形や、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１０８を、水蒸気中で熱処理し周辺を酸化させて選択酸化領域１０８ａを形成することによりＡｌ_ｘＯ_ｙ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分の酸化されていないＡｌＡｓからなる電流狭窄領域１０８ｂ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。

次に、図５（ｂ）に示すように、各々の面発光レーザのメサ構造の外側及びメサ構造の間に、ＳｉＮ等からなる保護膜１７０を形成し、更に各々の面発光レーザのメサ構造の間をポリイミド等の樹脂材料で埋め込んで平坦化し樹脂層１７１を形成する。保護膜１７０は、メサ構造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。

そして、コンタクト層１０９上の保護膜１７０及び樹脂層１７１を除去し、コンタクト層１０９上のコンタクトを取る部分にｐ側電極となる上部電極１１１を形成する。そして、基板１０１の裏面にｎ側電極（共通電極）となる下部電極１１２を形成する。以上の工程により、面発光レーザ素子１０が完成する。

面発光レーザ素子１０において、波長調整層１４０より上側の上部ブラッグ反射鏡１０６が半導体である場合、波長調整層１４０に電気伝導性を持たせるためにドーピングが必要となる。この場合、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂの材料が互いに異なるため、ドーピング効率が大きく異なる。２種の材料とも適切にドーピングされていない場合、２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂのうち何れか一方の調整層が高抵抗化し、波長調整層１４０の積層数の違いにより電気抵抗のばらつきを生じることになる。

面発光レーザ素子１０では、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂはエッチングの選択性に優れたＧａＩｎＰ層とＧａＡｓＰ層との組み合わせとすることができる。図６は、波長調整領域１６０のバンドダイヤグラムを例示する図であり、調整層１４０ａをＧａＩｎＰ層、調整層１４０ｂをＧａＡｓＰ層とした場合のバンドダイヤグラムである。

図６において、波長調整層１４０は、バンドギャップの広いＧａＩｎＰ層からなる調整層１４０ａと、バンドギャップの狭いＧａＡｓＰ層からなる調整層１４０ｂとのヘテロ界面からなる超格子構造とみなすことができる。超格子を構成する層の膜厚を薄くしていくことでトンネル確率が増大し、ホールが超格子構造を通り抜けるようになる。例えば、超格子を構成する層の膜厚が５ｎｍ以下では、超格子構造の抵抗率が減少していく。この場合、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂが適切にドーピングされていない場合であっても、トンネル効果により超格子構造の電気抵抗の増大を抑制できる。

面発光レーザ素子１０では、ＧａＩｎＰ層からなる調整層１４０ａの厚さが、量子力学的なトンネル効果を得ることができる厚さとされている。例えば、ＧａＩｎＰ層からなる調整層１４０ａを５ｎｍ以下の厚さとすることで、量子力学的なトンネル効果により、波長調整層１４０に起因する電気抵抗の増大を抑制できる。

つまり、各々の面発光レーザの有する波長調整層１４０の層数に依存する電気抵抗のばらつきを抑制でき、波長調整層１４０の層数に関係なく電気抵抗を低い値にすることが可能となる。これにより、面発光レーザ素子１０の消費電力を低減でき、更には、発熱の増加により面発光レーザ素子１０が短寿命化することを抑制できる。

又、面発光レーザ素子毎に電気抵抗がばらつくと、面発光レーザ素子を駆動する駆動回路側で補正する必要があり、回路が複雑化し駆動回路のコスト増大の原因となる。面発光レーザ素子１０は、電気抵抗が低い値であり、電気抵抗のばらつきも小さいため、素子毎に駆動回路側で補正する必要がなく、回路を簡略化できるため駆動回路のコスト低減が可能となる。

なお、以上の説明では、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂのうち、一方の材料をＧａＩｎＰ、他方の材料をＧａＡｓＰとして説明したが、一方の材料をＧａＩｎＰ、他方の材料をＧａＡｓとしてもよい。

又、調整層１４０ａと調整層１４０ｂの材料の組み合わせは、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ以外に、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ等としてもよい。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる位置に波長調整領域を設ける例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図７は、第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する部分断面図であり、図２に相当する断面を示している。

図７に示すように、第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子２０は、波長調整領域１６０が共振器１２０の内部に設けられている点が、面発光レーザ素子１０（図２等参照）と相違する。すなわち、面発光レーザ素子２０では、波長調整領域１６０の下側は、上部スペーサ層１０５に隣接し、波長調整領域１６０の上側は上部ブラッグ反射鏡１０６と隣接している。面発光レーザ素子２０において、波長調整領域１６０の層構成は図３と同様である。

面発光レーザ素子２０では、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、及び波長調整領域１６０の膜厚を合わせて７波長（７λ）の光学膜厚となる共振器１２０を構成している。このような構成により、波長調整層１４０の１層当たりの膜厚を確保することが容易となる。

面発光レーザ素子２０において、例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方を膜厚３ｎｍのＧａＩｎＰ層、他方を膜厚５ｎｍのＧａＡｓＰ層とすることで、波長調整層１４０の１層当たり（８ｎｍ）の発振波長の差を１ｎｍ程度とすることができる。

面発光レーザ素子２０のように、波長調整領域１６０を共振器１２０の内部に設けても、面発光レーザ素子１０と同様に、波長調整層１４０に起因する電気抵抗の増大を抑制できる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１又は第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子を用いた原子発振器の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図８は、第３の実施の形態に係る原子発振器を例示する模式図である。図８に示す原子発振器４００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。原子発振器４００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による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。

光源４１０には、第１の形態に係る面発光レーザ素子１０又は第２の形態に係る面発光レーザ素子２０を用いることができるが、以下では、面発光レーザ素子１０を用いる場合を例に説明する。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。

原子発振器４００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１０を変調する。

図９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。面発光レーザ素子１０を構成する面発光レーザには、搬送波波長が８９４．６ｎｍ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。

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。そこで、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して光源４１０における面発光レーザ素子１０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。なお、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。±０．３ｎｍの範囲の波長の光源を用いることが、より望ましい。

一般に、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。しかし、第１の形態に係る面発光レーザ素子１０又は第２の形態に係る面発光レーザ素子２０では、ウェハ面内で発振波長を揃えることで、８９４．６ｎｍに近い発振波長を得ることができる。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４００を低コストで作製し提供することができる。

又、本実施の形態で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は８５２．３ｎｍの面発光レーザを用いることができる。

又、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の面発光レーザ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍの面発光レーザ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。又、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の範囲の波長の光源が必要となる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第１及び第２の実施の形態では、波長調整層１４０の層数を面発光レーザ毎に変えることにより、面発光レーザ毎の発振波長を調整し、面発光レーザ毎の発振波長のばらつきを低減する例を示した。しかし、例えば、複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子において、波長調整層１４０の層数を面発光レーザ毎に変えることにより、面発光レーザ毎の発振波長を調整し、所望の波長間隔の面発光レーザを作製することも可能である。

例えば、８９５ｎｍ前後の所望の波長間隔の複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子を作製し、原子発振器に用いることが考えられる。この場合、面発光レーザ素子を構成する発振波長の異なる面発光レーザのうち、８９４．６ｎｍに近い発振波長の面発光レーザを選んで動作させることで、発振波長に関する歩留まりを向上できる。その結果、原子発振器を低コストで作製することができる。

又、第３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について説明したが、第１及び第２の実施の形態に係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素子を用いることにより、同様の効果を得ることができる。

１０、２０ 面発光レーザ素子
１１ 第１の面発光レーザ
１２ 第２の面発光レーザ
１３ 第３の面発光レーザ
１４ 第４の面発光レーザ
２１、２２、２３、２４ 電極パッド
１０１ 基板
１０２ 下部ブラッグ反射鏡
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 上部ブラッグ反射鏡
１０８ 電流狭窄層
１０８ａ 選択酸化領域
１０８ｂ 電流狭窄領域
１０９ コンタクト層
１１１ 上部電極
１１２ 下部電極
１２０ 共振器
１３０ 第２の位相調整層
１４０ 波長調整層
１４０ａ、１４０ｂ 調整層
１５０ 第１の位相調整層
１６０ 波長調整領域
１７０ 保護膜
１７１ 樹脂層
４００ 原子発振器
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

特開２０１３−１３８１７６号公報

Claims (7)

1. 基板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上に形成された活性層を含む共振器と、
   前記共振器上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、
   前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、
   前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、
   前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされていることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子であって、
   それぞれの前記面発光レーザは、
   基板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上に形成された活性層を含む共振器と、
   前記共振器上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、
   前記複数の面発光レーザのうち少なくとも１つの面発光レーザは、前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、
   前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、
   前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされ、
   前記複数の面発光レーザは、前記波長調整層の層数が異なる面発光レーザを含むことを特徴とする面発光レーザ素子。
3. 前記一方の調整層の厚さは、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記一方の調整層の材料はＧａＩｎＰであり、他方の調整層の材料はＧａＡｓＰ又はＧａＡｓであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
5. 請求項１乃至４の何れか一項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。
6. 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５に記載の原子発振器。
7. 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５又は６に記載の原子発振器。

Images