CN103650264A - 面发射激光器元件和原子振荡器 - Google Patents

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Abstract

面发射激光器元件包括：下DBR，形成在基板上；有源层，形成在下DBR之上；上DBR，形成在有源层上。上DBR包括电介质多层，该电介质多层通过交替层叠形成具有不同折射率的电介质而形成，遮光部形成在上DBR之上，并且遮光部在中心区域具有用于发射光的开口部。

Description

面发射激光器元件和原子振荡器
技术领域
本发明涉及面发射激光器元件和原子振荡器。
背景技术
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是在垂直于基板表面的方向上发光的半导体激光器，并且与边缘发射式半导体激光器相比，具有低成本、低功耗、小尺寸、高性能和易于二维集成的特点。
垂直腔面发射激光器具有包括共振器区域的共振器结构，该共振器区域包括有源层以及分别提供在共振器区域之上和之下的上反射镜和下反射镜（见专利文件No.1，稍后描述）。从而，共振器区域形成为具有预定的光学厚度，使波长λ的光共振发生在共振器区域中，以便获得振荡波长λ的光。上反射镜和下反射镜通过交替层叠且形成具有不同折射率的材料而形成，不同折射率的材料即低折射率材料（s）和高折射率材料（s）。为了在波长λ获得高反射率，上反射镜和下反射镜以这样的方式形成，低折射率材料（s）和高折射率材料（s）的光学厚度为λ/4。也已经提出了在芯片中形成具有不同波长的元件（见专利文件No.2、No.3、No.4和No.7，稍后描述）。
原子钟（原子振荡器）是可非常精确测量时间的时钟。已经研究了原子钟的小型化等的技术。原子钟是振荡器，其基于诸如碱金属的原子中包括的电子的跃迁能量。特别是，在没有干扰的状态下，能获得碱金属的原子的电子中非常精确的跃迁能量值。结果，能获得比晶体振荡器高几个数量级的频率稳定性。
在几种类型的原子钟中，与现有技术的晶体振荡器相比，相干布居俘获（CPT）系统的原子钟的频率稳定性比晶体振荡器高约三个数量级，并且能期待极其紧凑的尺寸和极低的功耗（见非专利文件No.1和No.2以及专利文件No.5，稍后描述）。
CPT系统的原子钟如图1所示具有激光器元件或类似物的光源910、其中密封碱金属的碱金属单元940以及接收由碱金属单元940透射的激光的光检测器950。激光被调制，并且碱金属原子中的两种电子跃迁在出现于具体波长的载波两侧的边带波长处同时进行，因此激发激光。跃迁中的跃迁能量没有变化，并且当边带波长与对应于跃迁的波长一致时，发生碱金属中降低光吸收率的透明化现象。在该原子钟中，载波的波长调整为使碱金属的光吸收率因此减小，并且光检测器950中检测到的信号反馈回到调制器960。从诸如激光器元件的光源910发射激光的调制频率因此被调制器960调整。应注意，激光从光源910发射，并且通过准直透镜920和λ/4板930入射在碱金属单元940上。
在图1中，MF表示磁场；L表示通过碱金属的激光的光程长度；D表示激光的直径；并且X表示距离。
作为这样极小尺寸原子钟的光源，小尺寸、极低功耗和高波长质量的垂直腔面发射激光器是适当的。作为载波的波长精度，需要相对于指定波长的±1nm（见专利文件No.3）。
原子钟的频率稳定性受到通过碱金属单元940的激光的直径D和光程长度L中较短者的限制。直径D或光程长度L越短，稳定性越差。从而，优选激光的直径D尽可能大。
然而，垂直腔面发射激光器的激光发散角窄于边缘发射类型的激光器。从而，在要增加频率稳定性的情况下，必须加长光源910和准直透镜920之间的距离X，以便增加通过碱金属单元940的激光直径D。因此，在垂直腔面发射激光器用作光源910的情况下，可能难以同时满足原子钟小型化和高频率稳定性。
此外，制造大量在相同的波长振荡的垂直腔面发射激光器因制造期间半导体层的生长速率变化和膜厚度分布变化等的影响可能很困难。因此，垂直腔面发射激光器可能具有有关如此制造的垂直腔面发射激光器中再现性和均匀性的问题。具体而言，由通常金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备或分子束外延（MBE）设备形成的膜具有1%至2%程度上的膜厚度均匀性。结果，在形成厚度与波长850nm相同的膜的情况下，可能发生8.5nm至17nm的面内分布。因此，为了要求相对于波长±1nm的程度的用途，可能降低产率，并且可能增加成本。
发明内容
根据一个方面，面发射激光器元件具有形成在基板上的上分布布拉格反射器（DBR）、形成在下DBR之上的有源层以及形成在有源层之上的上DBR。上DBR包括电介质多层，其由交替层叠形成的不同折射率的电介质制成。遮光部形成在上DBR之上，并且发射光的开口部形成在遮光部的中心。
根据另一个方面，面发射激光器元件具有形成在基板上的下DBR、形成在下DBR之上的有源层以及形成在有源层之上的上DBR。上DBR包括电介质多层，其由交替层叠形成的不同折射率的电介质制成。遮光部形成在有源层之上并且在电介质多层之下，并且发射光的开口部形成在遮光部的中心。
本发明的其它目的、特征和优点在结合附图阅读时从下面的详细描述将变得更加明显易懂。
附图说明
图1示出了原子振荡器；
图2是根据第一实施例的面发射激光器元件的构造图；
图3是开口部的面积和FFP之间的关系图（1）；
图4是开口部的面积和FFP之间的关系图（2）；
图5是开口部的直径和FFP之间的关系图；
图6是根据第二实施例的面发射激光器元件的平面图；
图7示出了根据第二实施例的面发射激光器元件；
图8A、8B和8C示出了用于根据第二实施例（1）的面发射激光器元件的制造方法；
图9A、9B和9C示出了用于根据第二实施例（2）的面发射激光器元件的制造方法；
图10A和10B示出了用于根据第二实施例（3）的面发射激光器元件的制造方法；
图11示出了根据第二实施例的面发射激光器元件的结构；
图12示出了根据第三实施例的面发射激光器元件的结构；
图13是根据第三实施例的面发射激光器元件的上电极开口部的面积和FFP之间的关系图；
图14是根据第四实施例的面发射激光器元件的平面图；
图15是根据第五实施例的面发射激光器元件的平面图；
图16示出了根据第六实施例的原子振荡器；
图17示出了根据第六实施例的原子振荡器的结构；
图18示出了用于示例CPT系统的原子能级；
图19示出了在调制垂直腔面发射激光器时的输出波长；以及
图20是调制频率和透射光量之间的关系图。
具体实施方式
将描述本发明的实施例。应注意相同的附图标记用于表示相同的构件等，并且省略重复的描述。
[第一实施例]
根据图2，将描述根据第一实施例的面发射激光器元件。通过在由半导体等制成的基板101上层叠下DBR102、有源层103、接触层105和上DBR106，形成根据第一实施例的面发射激光器元件。在上DBR106上，形成遮光部107。
通过交替层叠具有不同折射率的半导体层而形成下DBR102。
有源层103在下DBR102上形成为具有预定的厚度，并且内部形成电流限制层。电流限制层具有在其周围从外侧选择性氧化的选择性氧化区域123a和没有选择性氧化的电流限制区域123b，并且电流以集中的方式流过电流限制区域123b。
接触层105形成在有源层103上，并且由半导体材料形成。应注意，下DBR102、有源层103和接触层105通过外延生长形成，并且共振器区域RA由有源层103和接触层105形成。
上DBR106形成在接触层105上。上DBR106由氧化物、氮化物、氟化物和/或类似物的电介质膜制成，并且通过交替层叠高折射率膜和低折射率膜而形成。应注意，根据第一实施例，下DBR102和上DBR106具有反射镜的功能，因此，下DBR102可称为“下反射镜”且上DBR106可称为“上反射镜”。
在根据第一实施例的面发射激光器元件中，要发射激光的波长由下DBR102和上DBR106之间的共振器区域RA的厚度大致决定。
此外，上电极131形成在接触层105上且在上DBR106周围。所提供的结构是其中电流提供到在基板101或类似物的后侧上形成的下电极（未示出）和上电极131之间的有源层103。应注意，下电极的位置不限于上述的基板101的后侧，而是下电极可提供在基板的上侧，只要它能提供电流到有源层103。
此外，在根据第一实施例的面发射激光器元件中，遮光部107设置在上DBR106上。遮光部107具有在上DBR106中心的开口部108。遮光部107由金属材料形成，并且例如由Cr（下层）和Au（上层）的层叠膜或类似物形成。因此，在根据第一实施例的面发射激光器元件中，波长λ的光从开口部108发射。应注意，采用Cr作为下层的原因是提高遮光部107和上DBR106中包括的电介质膜之间的粘合特性。也可采用Ti或类似物取代Cr。通过如此在上DBR106之上形成具有开口部108的遮光部107，能增加从开口部108发射光的发散角。
现在，这一点根据图3进行描述。图3示出了开口部108的面积和远场图案（FFP，其根据第一实施例可称为“发散角”）之间的关系，并且示出了电流限制区域123b的面积变化的情况。应注意，为了方便的目的，图3基于这样的条件，垂直腔面发射激光器的振荡波长为780nm（对应于稍后描述的原子振荡器中Rb的D2线），上DBR由具有不同折射率的半导体材料的层叠膜形成，并且FFP值为1/e2。电流限制区域123b和开口部108二者形成为具有矩形的形状。激光的输出为0.3mW，并且通过在基本模式中的操作获得。
如图3所示，当开口部108的面积大时，FFP的值低，并且当开口部108的面积减小时，FFP的值增加。因此，通过减小开口部108的面积，能够增加FFP的值，并且因此增加发散角。在图3的情况下，当开口部108的面积小于或等于20μm2时，FFP的值变得大于或等于20°。当开口部108的面积小于或等于10μm2时，FFP的值变得大于或等于30°。
在通常的面发射激光器元件中，开口部的面积为100μm2的程度，而根据图3，FFP为12°的程度。获得光束直径Φ1mm的位置距光束出射位置的距离为4.8mm的程度。与其相比，在FFP为20°的情况下，获得光束直径Φ1mm的位置距光束出射位置的距离可减小到2.8mm的程度。
此外，FFP的值还取决于电流限制区域123b的面积。通过减小电流限制区域123b的面积，能够增加FFP的值。然而，FFP的值对于开口部108的面积具有更高的依赖性。应注意，当增加选择性氧化区域123a中氧化物膜的厚度时，提高了光的限制。因此，增加了FFP的值。然而，当增加氧化物膜的厚度时，面发射激光器元件可变得容易因氧化物膜中发生的可能的变形而损坏。图3等示出了这样的情况，AlAs为要选择且氧化以在选择性氧化区域123a中形成氧化物膜的层，其厚度为32nm。
此外，图4示出了在开口部108的形状为圆形的情况下以及在开口部108的形状为矩形的情况下开口部108的面积和FFP之间的关系。如图4所示，FFP几乎不取决于开口部108的形状，而是FFP取决于开口部108的面积。
此外，图5示出了在开口部108为圆形的情况下开口部108的直径和FFP之间的关系，并且示出了电流限制区域123b的面积变化的情况。随着开口部108的直径减小，FFP的值增加，并且因此所发生的趋势类似于开口部108的面积减小的情况。
因此，通过提供具有开口部108的遮光部107能增加从垂直腔面发射激光器发射激光的发散角。应注意，根据第一实施例的垂直腔面发射激光器以这样的方式形成，电流限制区域123b的中心和开口部108的中心在光发射方向上一致。
此外，根据第一实施例，形成遮光部107用于阻挡光。因此，甚至在其上形成DBR106的面积的尺寸减小时，也不妨碍遮光部107的功能，与上电极形成在上DBR106上的情况不同。
此外，根据第一实施例，遮光部107可通过采用吸光的材料形成。通过采用吸光的材料形成遮光部107，能避免光从遮光部107反射，并且因此能防止激光中的振荡条件因如此反射的光而变化。
应注意，专利文件No.6（稍后描述）讨论了这样的示例，其中，下DBR、有源层和上DBR由半导体形成，具有狭窄开口部的上电极形成在上DBR上，并且选择性地采取垂直腔面发射激光器的基本横模输出。根据该示例，如专利文件No.6的图22所示，发散角取决于上电极开口部直径，并且具有最小点。通过上电极开口部减小到与电流注入区域相同程度，增加了发散角。另一方面，在上电极开口部宽的情况下，发散角也增加。这是由于高阶模式振荡。根据第一实施例，上DBR为电介质，电介质位于遮光部之下，并且遮光部与接触层不直接接触。因此，第一实施例的构造与其中接触层之上形成的上电极用作遮光部的专利文件No.6的构造不同。
根据第一实施例，甚至在上DBR由电介质形成的情况下，也能采用遮光部增加发散角。
[第二实施例]
（面发射激光器元件的结构）
接下来，将描述根据第二实施例的面发射激光器元件。根据第二实施例的面发射激光器元件10具有多个垂直腔面发射激光器，如图6和7所示。具体而言，根据第二实施例的面发射激光器元件10包括第一垂直腔面发射激光器11、第二垂直腔面发射激光器12、第三垂直腔面发射激光器13和第四垂直腔面发射激光器14。应注意，为了说明第二实施例的目的简化了图7，并且为了方便的目的，接触层和选择性氧化区域等从图7省略。
第一垂直腔面发射激光器11、第二垂直腔面发射激光器12、第三垂直腔面发射激光器13和第四垂直腔面发射激光器14分别与设置为对应于垂直腔面发射激光器11、12、13、14的电极焊盘连接。具体而言，第一垂直腔面发射激光器11与电极焊盘21连接，第二垂直腔面发射激光器12与电极焊盘22连接，第三垂直腔面发射激光器13与电极焊盘23连接，并且第四垂直腔面发射激光器14与电极焊盘24连接。此外，第一垂直腔面发射激光器11、第二垂直腔面发射激光器12、第三垂直腔面发射激光器13和第四垂直腔面发射激光器14分别发射具有彼此不同波长的光。就是说，第一垂直腔面发射激光器11发射光的波长λ1、第二垂直腔面发射激光器12发射光的波长λ2、第三垂直腔面发射激光器13发射光的波长λ3以及第四垂直腔面发射激光器14发射光的波长λ4相互不同。
为了如此发射彼此不同波长λ1至λ4的光，分别为第一垂直腔面发射激光器11至第四垂直腔面发射激光器14提供不同膜厚度的波长调整层110，其形成在有源层103和上DBR106之间。就是说，如图7所示，在根据第二实施例的面发射激光器元件中，下DBR102形成在基板101上，并且有源层103、波长调整层110和上DBR106形成在下DBR102上。在该构造中，各垂直腔面发射激光器11至14发射光的波长分别由下DBR102和上DBR106之间的共振器区域RA的厚度决定。从而，在图7中，因为共振器区域RA由有源层103和波长调整层110形成，所以能通过为各垂直腔面发射激光器11至14提供不同厚度的波长调整层110而改变用于垂直腔面发射激光器11至14每一个的共振器区域RA的厚度。因此，能导致各垂直腔面发射激光器11至14发射光波长的不同。
具体而言，在由半导体等制成的基板101上，通过交替层叠形成具有不同折射率的半导体材料形成下DBR102。在下DBR102上，形成具有预定厚度的有源层103。在有源层103上，形成用于各垂直腔面发射激光器11至14的具有不同厚度的波长调整层110。通过在有源层103上依所述顺序层叠第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和第四调整层114，形成波长调整层110。第一调整层111和第三调整层113由相同的材料形成。第二调整层112和第四调整层114由相同的材料形成。具体而言，第一调整层111至第四调整层114的不同的两种材料的一个是GaInP，并且另一种材料是GaAsP或GaAs。换言之，第一调整层111和第三调整层113可由GaInP制成，并且第二调整层112和第四调整层114可由GaAsP或GaAs制成。作为选择，第一调整层111和第三调整层113可由GaAsP或GaAs制成，并且第二调整层112和第四调整层114可由GaInP制成。应注意，作为形成在基板101上的半导体层的下DBR102、有源层103和波长调整层110通过外延生长形成。
在波长调整层110上，为各垂直腔面发射激光器11至14形成上DBR106。上DBR106是由氧化物、氮化物、氟化物和/或类似物制成的电介质膜，并且通过交替层叠形成高折射率膜和低折射率膜而形成。
在上DBR106上，与第一实施例一样，分别形成在中心具有开口部108的遮光部107。遮光部107由金属材料形成，并且例如由Cr（下层）和Au（上层）或类似物的层叠膜形成。根据第二实施例，来自面发射激光器元件的光从开口部108发射。应注意，采用Cr作为下层的原因是为了增加遮光部107和包括在上DBR106中的电介质膜之间粘合性。这还能采用Ti等代替Cr。在根据第二实施例的垂直腔面发射激光器中，在上DBRs106上仅形成遮光部107，而不形成上电极131。因此，通过在上DBR106上形成具有开口部108的遮光部107，能够增加从开口部108发射光的发散角。
因此，根据第二实施例，对于第一垂直腔面发射激光器11，第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和第四调整层114形成在波长调整层110中。因此，共振器区域RA由第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113、第四调整层114和有源层103形成。因此，第一垂直腔面发射激光器11发射与第一垂直腔面发射激光器11中共振器区域RA的厚度对应的波长λ1的光。
对于第二垂直腔面发射激光器12，形成波长调整层110的第一调整层111、第二调整层112和第三调整层113。因此，共振器区域RA由第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和有源层103形成。因此，第二垂直腔面发射激光器12发射与第二垂直腔面发射激光器12的共振器区域RA的厚度对应的波长λ2的光。
对于第三垂直腔面发射激光器13，形成波长调整层110的第一调整层111和第二调整层112。因此，共振器区域RA由第一调整层111、第二调整层112和有源层103形成。因此，第三垂直腔面发射激光器13发射与第三垂直腔面发射激光器13中共振器区域RA的厚度对应的波长λ3的光。
对于第四垂直腔面发射激光器14，形成波长调整层110的第一调整层111。因此，共振器区域RA由第一调整层111和有源层103形成。因此，第四垂直腔面发射激光器14发射与第四垂直腔面发射激光器14中共振器区域RA的厚度对应的波长λ4的光。
因此，在根据第二实施例的面发射激光器元件中，能形成多个垂直腔面发射激光器11至14，其在单一基板101上发射具有不同波长的光。从而，甚至在面发射激光器元件的制造期间在半导体层等中发生膜厚度变化的情况下，也能在第一垂直腔面发射激光器11至第四垂直腔面发射激光器14当中通过选择发射光的波长接近于所希望波长的一个而易于获得具有所希望波长的半导体激光器。因此，能够以低成本制造发射预定波长的光的具有垂直腔面发射激光器的面发射激光器元件。应注意，根据第二实施例的面发射激光器元件中的各垂直腔面发射激光器11至14分别具有宽的发散角。因此，第二实施例具有与第一实施例相同或类似的有益效果。
（在面发射激光器元件中形成波长调整层的方法）
接下来，将描述在根据第二实施例的面发射激光器元件中形成波长调整层的方法。
首先，如图8A所示，在基板101上，通过MOCVD或MBE采用外延生长形成由半导体材料制成的下DBR102、有源层103和波长调整层110。应注意，通过层叠第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和第四调整层114而形成波长调整层110。第一调整层111和第三调整层113由GaInP形成，并且第二调整层112和第四调整层114由GaAsP形成。此外，根据第二实施例，共振器区域RA以这样的方式形成，对于振荡波长λ，共振器区域RA的光学厚度为3λ。换言之，在第一垂直腔面发射激光器11中，共振器区域RA的光学厚度为3λ1。在第二垂直腔面发射激光器12中，共振器区域RA的光学厚度为3λ2。在第三垂直腔面发射激光器13中，共振器区域RA的光学厚度为3λ3。在第四垂直腔面发射激光器14中，共振器区域RA的光学厚度为3λ4。
接下来，如图8B所示，抗蚀剂图案151形成在将形成第一垂直腔面发射激光器11的区域。具体而言，光致抗蚀剂涂在波长调整层110的第四调整层114上，并且采用曝光设备进行曝光和显影。因此，形成抗蚀剂图案151。
接下来，如图8C所示，第四调整层114通过湿蚀刻在没有形成抗蚀剂图案151的区域被去除。具体而言，第四调整层114由GaAsP形成，并且因此，采用硫酸、过氧化氢和水的混合液体进行湿蚀刻。因此，仅在没有形成抗蚀剂图案151的区域去除第四调整层114，并且暴露第三调整层113的表面。应注意，该混合液体可用于蚀刻GaAsP，但是难以有效地蚀刻用以形成第三调整层113的GaInP。该混合液体可称为“第一蚀刻液”。其后，采用有机溶剂等去除抗蚀剂图案151。
接下来，如图9A所示，抗蚀剂图案152形成在将形成第一垂直腔面发射激光器11和第二垂直腔面发射激光器12的区域。具体而言，光致抗蚀剂涂在波长调整层110的第四调整层114和第三调整层113上，并且采用曝光设备进行曝光和显影。因此，形成抗蚀剂图案152。
接下来，如图9B所示，第三调整层113通过湿蚀刻在没有形成抗蚀剂图案152的区域被去除。具体而言，第三调整层113由GaInP形成，并且因此，采用盐酸和水的混合液体进行湿蚀刻。因此仅去除没有形成抗蚀剂图案152区域的第三调整层113，并且暴露第二调整层112的表面。应注意，该混合液体可用于蚀刻GaInP，但是难以有效蚀刻用以形成第二调整层112的GaAsP。该混合液体可称为“第二蚀刻液”。其后，采用有机溶剂等去除抗蚀剂图案152。
接下来，如图9C所示，抗蚀剂图案153形成在将形成第一垂直腔面发射激光器11、第二垂直腔面发射激光器12和第三垂直腔面发射激光器13的区域。具体而言，光致抗蚀剂涂在波长调整层110的第四调整层114、第三调整层113和第二调整层112上，并且采用曝光设备进行曝光和显影。因此，形成抗蚀剂图案153。
接下来，如图10A所示，第二调整层112通过湿蚀刻在没有形成抗蚀剂图案153的区域被去除。具体而言，采用第一蚀刻液去除没有形成抗蚀剂图案153区域的第二调整层112。因此，仅去除没有形成抗蚀剂图案153区域的第二调整层112，并且暴露第一调整层111的表面。其后，采用有机溶剂等去除抗蚀剂图案153。
接下来，如图10B所示，形成上DBR106。具体而言，在波长调整层110上的各区域，通过溅射等对于各预定膜厚度交替地层叠由氧化物、氮化物、氟化物和/或类似物制成的高折射率材料制成的电介质膜和由氧化物、氮化物、氟化物和/或类似物制成的低折射率材料制成的电介质膜。
因此，在根据第二实施例的面发射激光器元件中能形成波长调整层110和上DBR106。
根据第二实施例，与专利文件No.3和No.7不同，Al不包括在波长调整层110的第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和第四调整层114中。结果，在蚀刻后不容易发生氧化等，并且甚至在蚀刻后也能保持干净的表面状态。就是说，Al可能非常容易被腐蚀，并且因此，如果第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和第四调整层114的任何一个由包括Al的材料形成，则该表面在经受湿蚀刻等后可能具有劣化的状态。于是，即使上DBR106形成其上，它们也会剥离，共振器区域RA的厚度会变得不均匀和/或类似的情况。然而，根据第二实施例，因为波长调整层110由不包括Al的材料形成，所以不发生Al等腐蚀，并且不发生这样的问题。
此外，根据第二实施例，波长调整层110形成的结构为其中交替形成GaAsP和GaInP。于是，在执行湿蚀刻时，采用两种类型的蚀刻液，其每一个可用于蚀刻GaAsP和GaInP中的相应一个，但是难以有效对另一个蚀刻，并且通过交替采用它们进行蚀刻。通过采用这样变化类型的蚀刻液执行蚀刻，蚀刻后的表面是平坦的，该表面没有经受过蚀刻，并且因此能形成具有预定厚度的波长调整层110。因此，能够获得具有稳定特性的面发射激光器元件。
应注意，在如专利文件No.3和No.7所讨论的情况下，处理外延晶片（处理波长调整层），然后，上DBR制作为再生长，可能产生缺陷，例如，生长层上蚀刻不均匀造成的平坦问题、结晶性问题或类似的问题。相反，根据第二实施例，甚至在处理波长调整层的情况下，这样的缺陷也不发生，因为上DBR由电介质形成。
（面发射激光器元件）
接下来，基于图11，将更加详细地描述根据第二实施例的面发射激光器元件。图11是从沿着图6中的点划线6A-6B切割获得的截面图。图11的面发射激光器元件具有这样的构造，其中成为电流限制层的AlAs层被选择性地氧化，并且形成电流限制结构。面发射激光器元件制造为具有894.6nm的振荡波长。具体而言，四个垂直腔面发射激光器形成在尺寸为300μm乘300μm正方形半导体芯片（基板）上。因此，在面发射激光器元件中，在狭窄的区域内能形成多个垂直腔面发射激光器。结果，甚至在发光的垂直腔面发射激光器在多个垂直腔面发射激光器当中转换时，发光位置也几乎不变化。从而，光轴调整等是不必要的，或者可非常容易地实现。因此，基板的尺寸优选小于或等于500μm乘500μm。
根据第二实施例，作为基板101，采用n-GaAs基板。此外，下DBR102形成为35.5对，每一对包括以每层的光学膜厚度为λ/4的方式层叠的n-Al0.1Ga0.9As高折射率层和n-Al0.9Ga0.1As低折射率层。
在下DBR102上，由GaInAs量子阱层/GaInPAs势垒层制成的有源层103可隔着由Al0.2Ga0.8As制成的下间隔层121形成。在有源层103上，由Al0.2Ga0.8As制成的第一上间隔层122、由AlAs制成的电流限制层123、由Al0.2Ga0.8As制成的第二上间隔层124以及由p-GaAs制成的接触层125依次层叠形成。应注意，接触层125与第一实施例中的接触层105相同或类似。
在接触层125上，通过交替层叠形成GaAsP和GaInP而形成由第一调整层111、第二调整层112、第三调整层113和第四调整层114制成的波长调整层110。如上所述，波长调整层110的部分在对应于各垂直腔面发射激光器的预定区域被去除。应注意，下DBR102、下间隔层121、有源层103、第一上间隔层122、电流限制层123、第二上间隔层124、接触层125和波长调整层110通过MOCVD或MBE的外延生长形成。
在根据第二实施例的面发射激光器元件中，各垂直腔面发射激光器具有台结构，并且台结构通过蚀刻要形成垂直腔面发射激光器之间的半导体层而形成。在形成台结构后，用蒸汽执行热处理，并且因此尚未氧化的电流限制层123在台结构周围从外侧氧化。因此，形成周边的选择性氧化区域123a（氧化区域）和中心没有氧化的电流限制区域123b。就是说，电流限制层123包括氧化的选择性氧化区域123b和没有氧化的电流限制区域123b，并且因此，分别具有电流限制结构。根据第二实施例，台结构的形状例如为从顶部看的圆形形状。然而，取而代之的是，台结构也可形成为使得从顶部看台结构的形状可为椭圆形状、矩形形状或类似的形状。
在由蚀刻限定以对应于各垂直腔面发射激光器的波长调整层110上，上DBR106形成为8.5对，每一对包括TiO2高折射率层和SiO2低折射率层，每个层的光学膜厚度为λ/4。应注意，上DBR106不限于如上所述的那些，只要上DBR106是通过交替层叠高折射率材料和低折射率材料形成的那些，这些材料是电介质材料。作为具体示例，可列举氧化物、氮化物和氟化物等。作为高折射率材料的具体示例，除TiO2之外可列举Ta2O5、HfO2等。作为低折射率材料的具体示例，除SiO2之外可列举MgF2等。
应注意，在第二实施例的面发射激光器元件中，波长调整层110和上DBR106形成的面积小于垂直腔面发射激光器的每一个中形成接触层125的面积。就是说，波长调整层110和上DBR106以暴露接触层125表面的一部分的方式形成。此外，根据第二实施例，共振器区域RA由下DBR102和上DBR106之间形成的有源层103和波长调整层110等形成。此外，层叠几对不同折射率半导体层的DBR可形成在有源层103和接触层125之间，从而可获得波长调整层的效果。
其后，整体形成由SiN制成具有光学膜厚度λ/4的保护膜126，在接触层125上将形成上电极131的区域上去除保护膜126，并且形成作为p-侧电极的上电极131。上电极131形成为对应于各垂直腔面发射激光器，并且各上电极131与各电极焊盘21至24连接，如图6所示。此外，在基板101的后侧，形成作为n-侧电极下电极132。台结构之间的槽填充有聚酰亚胺127。应注意，下电极的结构不限于在基板的后侧上形成的上述电极。例如，下电极可由腔内接触结构等形成，即下电极可与接触层（未示出）连接，接触层（未示出）可形成在下DBR102和有源层103之间。
此外，在上DBR106上，分别形成在中心具有开口部108的遮光部107。遮光部107由金属材料形成，例如，由Cr（下层）和Au（上层）等层叠膜形成。根据第二实施例，来自面发射激光器元件的光从开口部108发射。应注意，采用Cr作为下层的原因是分别提高遮光部107和上DBR106中包括的电介质膜之间的粘合性。也可采用Ti等代替Cr。作为形成遮光部107的具体方法，剥离方法可用于形成它们。具体而言，光致抗蚀剂涂在上DBR106上，并且采用曝光设备执行曝光和显影。因此，形成在将形成遮光部的区域具有开口的抗蚀剂图案。然后，在通过真空蒸发法等形成Cr膜和Au膜后，有机溶剂等用于浸渍其中所形成的膜。因此，Cr膜和Au膜在它们形成在抗蚀剂图案上的区域与抗蚀剂图案一起去除。
应注意，尽管已经描述了其中作为p-侧电极的上电极131和遮光部107分开形成的情况，但是上电极131和遮光部107可同时形成。在此情况下，上电极131和遮光部107可分别形成为整体。在根据第二实施例的面发射激光器元件中，在上DBR106上，仅形成遮光部107，并且上电极131没有形成在上DBR106上。通过如此在上DBR106上形成具有开口部108的遮光部107，能分别增加从开口部108发射光的发散角。
根据第二实施例的面发射激光器元件在图11中的箭头表示的方向上发射对于各垂直腔面发射激光器不同的波长λ1和λ2等的激光。此外，作为保护膜126的SiN通过覆盖包括Al的层具有作为上反射镜的功能以及改善可靠性的功能，包括Al的层在形成台结构时暴露在侧壁上。
在根据第二实施例的面发射激光器元件中，通过层叠形成具有不同折射率的电介质膜而形成上DBR106。因此，与其中层叠形成具有不同折射率的半导体材料的结构相比，能增加折射率之差。因此，能减小上DBR106中要层叠的层数。此外，能减小上DBR106的光学厚度。
此外，在根据第二实施例的面发射激光器元件中，在各垂直腔面发射激光器中，上电极131形成在接触层125上，形成在波长调整层110之下。因此，情况下，能够等同地流动电流到各垂直腔面发射激光器而不受波长调整层110厚度的影响。就是说，如果上电极形成在波长调整层上且与波长调整层直接接触，则与上电极接触的材料可根据垂直腔面发射激光器的每一个而不同。结果，接触点的电阻将不同，或者可流动到各垂直腔面发射激光器等的电流量将根据波长调整层的厚度变化。在此情况下，各垂直腔面发射激光器的电特性和发光特性将显著不同。此外，如果接触层形成在波长调整层上且上电极形成于其上，则电阻将因波长调整层中包括的各层之间的界面上的能带不连续性而增加。此外，因为各垂直腔面发射激光器的界面数不同，所以各垂直腔面发射激光器的电阻值将不同。与其相反，在根据第二实施例的面发射激光器元件中，上电极131与形成在波长调整层110之下的接触层125连接。因此，各垂直腔面发射激光器中上电极131形成在相同的位置，而不取决于波长调整层110的厚度。从而，能使各垂直腔面发射激光器的电特性近似均匀，并且因此，该特性根据要发射光的波长而显著不同。
上述之外的内容与第一实施例的相同或类似。
[第三实施例]
接下来，将描述第三实施例。根据第三实施例，与第二实施例不同，遮光部提供在由电介质材料制成的DBRs之下。现在，将根据图12描述根据第三实施例的面发射激光器元件。
图12是通过沿着对应于图6中的点划线6A-6B的线切割获得的截面图。在根据第三实施例的面发射激光器元件中，通过选择性氧化要成为电流限制层123的AlAs层形成电流限制结构。根据第三实施例的面发射激光器元件具有894.6nm的振荡波长。
具体而言，四个垂直腔面发射激光器11a、12a等形成在尺寸为300μm乘300μm的正方形的半导体芯片（基板）上。因此，在根据第三实施例的面发射激光器元件中，能在狭窄的区域内形成多个垂直腔面发射激光器。结果，甚至在要发光的垂直腔面发射激光器在多个垂直腔面发射激光器当中转换时，发光位置几乎不变化。从而，光轴调节等是不必要的，或者可易于实现。因此，基板的尺寸优选小于或等于500μm乘500μm。
根据第三实施例，作为基板101，采用n-GaAs基板。此外，下DBR102形成为35.5对，每一对包括层叠的n-Al0.1Ga0.9As高折射率层和n-Al0.9Ga0.1As低折射率层，每层的光学膜厚度为λ/4。
在下DBR102上，由GaInAs量子阱层/GaInPAs势垒层制成的有源层103隔着由Al0.2Ga0.8As制成的下间隔层121形成。在有源层103上，由Al0.2Ga0.8As制成的第一上间隔层122、由AlAs制成的电流限制层123、由Al0.2Ga0.8As制成的第二上间隔层124以及由p-GaAs制成的接触层125依次层叠形成。
在接触层125上，通过交替层叠形成GaAsP和GaInP而形成由第一调整层161、第二调整层162、第三调整层163和第四调整层164制成的波长调整层160。如关于第二实施例的波长调整层110所描述的，波长调整层160的对在对应于各垂直腔面发射激光器11a、12a等的预定区域去除。应注意，下DBR102、下间隔层121、有源层103、第一上间隔层122、电流限制层123、第二上间隔层124、接触层125和波长调整层160通过MOCVD或MBE的外延生长而形成。
在根据第三实施例的面发射激光器元件中，各垂直腔面发射激光器11a、12a等具有台结构，并且台结构通过蚀刻要形成的垂直腔面发射激光器之间的半导体层而形成。在形成台结构后，用蒸汽执行热处理，并且因此尚未氧化的电流限制层123在台结构周围从外侧氧化。因此，形成周边的选择性氧化区域123a（氧化区域）和中心没有氧化的电流限制区域123b。就是说，在电流限制层123中，电流限制结构分别由氧化的选择性氧化区域123b和没有氧化的电流限制区域123b形成。根据第三实施例，台结构的形状例如可为从顶部看的圆形形状。然而，台结构也可形成为使得台结构从上面看的形状可为椭圆形状、正方形形状或矩形形状等。
此外，由SiN制成的保护膜126形成在整个半导体层上。然而，在接触层125上，保护膜126在将形成波长调整层160和上电极181的区域去除。
其后，形成作为p-侧电极的上电极181。上电极181形成为对应于各垂直腔面发射激光器，并且分别与电极焊盘连接。作为形成上电极181的材料，可采用其中层叠Ti/Pt/Au或Cr/AuZn/Au等的金属膜。具体而言，能够通过剥离方法形成上电极181，其中，在形成抗蚀剂图案后，形成上述层叠的金属膜，并且其后，采用有机溶剂等浸渍其中形成的膜，因此该金属膜在它形成在抗蚀剂图案上的区域被去除。应注意，上电极181具有遮光功能，并且因此，也用作遮光部。
在通过蚀刻限定的对应于各垂直腔面发射激光器11a、12a等的波长调整层160上，作为上DBR170形成为层叠8.5对，每一对包括TiO2高折射率层和SiO2低折射率层，每层的光学膜厚度为λ/4。应注意，上DBR170不限于上面所述的那些，只要上DBR170通过交替层叠高折射率材料和低折射率材料形成，这些材料是电介质材料。作为具体示例，可列举氧化物、氮化物和氟化物等。作为高折射率材料的具体示例，除TiO2之外可列举Ta2O5和HfO2等。作为低折射率材料的具体示例，除SiO2之外可列举MgF2等。此时，上DBR170也可形成在也作为遮光部的上电极181的部分处，如图12所示。
在根据第三实施例的面发射激光器元件中，在垂直腔面发射激光器的每一个中，波长调整层160形成的区域窄于形成接触层125的区域。就是说，波长调整层160形成为暴露接触层125表面的一部分。上电极181形成在接触层125上，位于不形成波长调整层160的区域。此外，根据第三实施例，共振器区域RA由下DBR102和上DBR170之间形成的有源层103和波长调整层160等形成。此外，层叠不同折射率的几对半导体层的DBR可形成在有源层103和接触层125之间，并且在此情况下也可获得波长调整层160的效果。
此外，在基板101的后侧上，形成作为n-侧电极的下电极132。台结构之间的槽填充有聚酰亚胺127。应注意，根据第三实施例，下电极的结构不限于上述的形成在基板101的后侧上的下电极132。例如，下电极132也可为腔内接触结构等，即下电极132可与接触层（未示出）连接，接触层可形成在下DBR102和有源层103之间。
根据第三实施例的面发射激光器元件在图12中的箭头所示的方向上发射对各垂直腔面发射激光器11a、12a等不同的波长λ1和λ2等的激光。此外，作为保护膜126的SiN通过覆盖包括Al的层而具有改善可靠性的功能，在形成台结构时包括Al的层暴露在侧壁上。
在根据第三实施例的面发射激光器元件中，由也作为遮光部的上电极181，能增加因此发射光的发散角。图13示出了发散角（所发射光的强度大于或等于1/e2的角度）对上电极开口部面积的依赖关系。自此可见，当上电极开口部的面积小于30μm2时，发散角大于20度。应注意，上电极开口部是指上电极181的内部形成的开口部。
通过层叠形成不同折射率的电介质膜而形成上DBR170。因此，与其中层叠形成具有不同折射率的半导体材料的结构相比，能增加折射率之差。因此，能减少上DBR170中要层叠的层数。此外，能减小上DBR170的厚度。
此外，在根据第三实施例的面发射激光器元件中，上电极181和波长调整层160分别形成在接触层125上。从而，能相等地流动电流到各垂直腔面发射激光器而不受波长调整层160的厚度的影响。就是说，如果上电极形成在波长调整层上且与波长调整层直接接触，则与上电极接触的材料将根据垂直腔面发射激光器的每一个而不同。结果，接触点的电阻可不同，或者可流动到各垂直腔面发射激光器等的电流量将根据波长调整层的厚度变化。在此情况下，各垂直腔面发射激光器的电特性和发光特性将显著不同。此外，如果接触层形成在波长调整层上且上电极形成其上，则电阻将因波长调整层中包括的各层之间的界面上的能带不连续性而增加。此外，因为各垂直腔面发射激光器的界面数不同，所以各垂直腔面发射激光器的电阻值将不同。然而，在根据第三实施例的面发射激光器元件中，因为上电极181分别与波长调整层160之下形成的接触层125连接，所以这些可能的问题可避免。应注意，根据第三实施例，上DBR包括电介质，并且遮光部分别设置在半导体和电介质之间。因此，根据第三实施例的构造与其中全部上DBR由半导体形成的专利文件No.6的构造不同。
[第四实施例]
接下来，将描述第四实施例。根据图14，将描述根据第四实施例的面发射激光器元件。根据第四实施例的面发射激光器元件200具有在基板101上的八个垂直腔面发射激光器，并且八个垂直腔面发射激光器分别发射不同波长的光。
具体而言，根据第四实施例的面发射激光器元件200具有基板201上的第一垂直腔面发射激光器211、第二垂直腔面发射激光器212、第三垂直腔面发射激光器213、第四垂直腔面发射激光器214、第五垂直腔面发射激光器215、第六垂直腔面发射激光器216、第七垂直腔面发射激光器217和第八垂直腔面发射激光器218。第一垂直腔面发射激光器211至第八垂直腔面发射激光器218与各电极焊盘连接。具体而言，第一垂直腔面发射激光器211与电极焊盘221连接，第二垂直腔面发射激光器212与电极焊盘222连接，第三垂直腔面发射激光器213与电极焊盘223连接，第四垂直腔面发射激光器214与电极焊盘224连接，第五垂直腔面发射激光器215与电极焊盘225连接，第六垂直腔面发射激光器216与电极焊盘226连接，第七垂直腔面发射激光器217与电极焊盘227连接，并且第八垂直腔面发射激光器218与电极焊盘228连接。
此外，第一垂直腔面发射激光器211至第八垂直腔面发射激光器218具有彼此不同的波长。就是说，第一垂直腔面发射激光器211发射的波长λ1、第二垂直腔面发射激光器212发射的波长λ2、第三垂直腔面发射激光器213发射的波长λ3、第四垂直腔面发射激光器214发射的波长λ4、第五垂直腔面发射激光器215发射的波长λ5、第六垂直腔面发射激光器216发射的波长λ6、第七垂直腔面发射激光器217发射的波长λ7以及第八垂直腔面发射激光器218发射的波长λ8彼此不同。为了使各垂直腔面发射激光器发射不同波长的光，波长调整层提供为与第二实施例一样，并且波长调整层以这样的方式形成，对于各垂直腔面发射激光器变化波长调整层的厚度。为此目的，增加波长调整层中包括的层数。应注意，电极焊盘221至228具有近似正方形的形状，并且其尺寸分别为约50μm乘50μm。基板201是具有正方形形状的半导体芯片，并且其尺寸为300μm乘300μm。
在根据第四实施例的面发射激光器元件中，因为能从更多的波长选择，所以能进一步改善产率。此外，在根据第四实施例的面发射激光器元件中，不仅可采用波长最靠近所需波长的垂直腔面发射激光器，而且可采用波长次靠近所需波长的垂直腔面发射激光器。通过将其用作备用的一个，能有效加长面发射激光器元件的寿命。
上述之外的内容与第二实施例的那些相同或类似。
[第五实施例]
接下来，将描述第五实施例。根据图15，将描述根据第五实施例的面发射激光器元件。根据第五实施例的面发射激光器元件300具有在基板301上的八个垂直腔面发射激光器，并且其每对垂直腔面发射激光器发射相同波长的光。
具体而言，根据第五实施例的面发射激光器元件300具有在基板301上的第一垂直腔面发射激光器311、第二垂直腔面发射激光器312、第三垂直腔面发射激光器313、第四垂直腔面发射激光器314、第五垂直腔面发射激光器315、第六垂直腔面发射激光器316、第七垂直腔面发射激光器317和第八垂直腔面发射激光器318。第一垂直腔面发射激光器311至第八垂直腔面发射激光器318与各电极焊盘连接。具体而言，第一垂直腔面发射激光器311与电极焊盘321连接，第二垂直腔面发射激光器312与电极焊盘322连接，第三垂直腔面发射激光器313与电极焊盘323连接，第四垂直腔面发射激光器314与电极焊盘324连接，第五垂直腔面发射激光器315与电极焊盘325连接，第六垂直腔面发射激光器316与电极焊盘326连接，第七垂直腔面发射激光器317与电极焊盘327连接，并且第八垂直腔面发射激光器318与电极焊盘328连接。
此外，第一垂直腔面发射激光器311至第八垂直腔面发射激光器318以这样的方式形成，其每一对具有相同的波长。具体而言，第一垂直腔面发射激光器311发射的光和第二垂直腔面发射激光器312发射的光具有相同的波长λ1。第三垂直腔面发射激光器313发射的光和第四垂直腔面发射激光器314发射的光具有相同的波长λ2。第五垂直腔面发射激光器315发射的光和第六垂直腔面发射激光器316发射的光具有相同的波长λ3。第七垂直腔面发射激光器317发射的光和第八垂直腔面发射激光器318发射的光具有相同的波长λ4。波长λ1至波长λ4彼此不同。为了使各垂直腔面发射激光器如此对于其每一对发射不同波长的光，波长调整层提供为与第二实施例一样，并且对于每一对垂直腔面发射激光器变化波长调整层的厚度。应注意，电极焊盘321至328具有近似正方形的形状，并且其尺寸分别为约50μm乘50μm。基板301是具有正方形形状的半导体芯片，并且其尺寸为300μm乘300μm。
在根据第五实施例的面发射激光器元件中，每对垂直腔面发射激光器发射相同波长的光。从而，甚至在发射相同波长光的垂直腔面发射激光器对中的一个由于质量不好或问题/缺陷变为不能发射光时，也可使用其中的另外一个。因此，能延长面发射激光器元件的寿命，还可改善产率。此外，在根据第五实施例的面发射激光器元件中，不仅可采用波长最靠近所需波长的垂直腔面发射激光器，而且可采用波长次靠近所需波长的垂直腔面发射激光器。通过将其作为备用的一个，能有效延长面发射激光器元件的寿命。
上述之外的内容与第二实施例的相同或类似。
[第六实施例]
接下来，将描述第六实施例。根据第六实施例的原子振荡器采用根据第一至第五实施例任何一个的面发射激光器元件。根据图16，将描述根据第六实施例的原子振荡器。根据第六实施例的原子振荡器是CPT系统的微型原子振荡器，并且具有光源410、准直透镜420、λ/4板430、碱金属单元440、光检测器450和调制器460。
作为光源410，采用根据第一至第五实施例任何一个的面发射激光器元件。在碱金属单元440中，密封Cs（铯）原子气体作为碱金属，采用D1线的跃迁。作为光检测器450，采用光敏二极管。
在根据第六实施例的原子振荡器中，光源410发射的光照射其中密封铯原子气体的碱金属单元440，并且激发铯原子中的电子。已经通过碱金属单元440的光由光检测器450检测。光检测器450如此检测的信号反馈回到调制器460，其调整光源410中的面发射激光器元件。
应注意，根据第一至第五实施例的面发射激光器元件发射具有宽发散角的光，例如，大于或等于20°，或大于或等于30°。从而，能减小光源410和准直透镜420之间的距离Xa。因此，能进一步小型化原子振荡器。
在图16中，MF表示磁场；L表示通过碱金属激光的光程长度；D表示激光的直径；并且Xa表示距离。
根据图17，将更加具体地描述根据第六实施例的原子振荡器。根据第六实施例的原子振荡器垂直地形成在电路基板471上。在电路基板471上，设置氧化铝基板472。在氧化铝基板472上，根据第一至第五实施例任何一个的面发射激光器元件安装为用作光源410。氧化铝基板472设置有面发射激光加热器473，用于控制光源410的温度等。在光源410之上，设置中性密度（Neutral Density，ND）过滤器474。ND过滤器474采用由玻璃等制成的热绝缘间隔体475安装在预定位置。在ND过滤器474之上，设置准直透镜420，并且在准直透镜420之上，设置λ/4板430。λ/4板430采用由硅等制成的间隔体476安装在预定位置。碱金属单元440设置在λ/4板430之上。碱金属单元440具有两个玻璃基板441，并且在玻璃基板441彼此面对的状态下，玻璃基板441的边缘部分由硅基板442连接。碱金属密封在由玻璃基板441和硅基板442包封的区域中。应注意，碱金属单元440的通过激光的侧面由玻璃基板441形成。在碱金属单元440的两侧，设置单元加热器477，并且因此，能设定碱金属单元440到预定温度。光检测器450安装在碱金属单元440之上，并且采用由硅制成的间隔体478安装在预定位置。
接下来，图18示出了与CPT相关的原子能级的结构。利用发生在电子从两个接地水平同时激发到激发水平时光吸收率的减小。利用载波波长接近894.6nm的垂直腔面发射激光器。载波的波长可通过变化垂直腔面发射激光器的温度或输出而被调节。如图19所示，通过执行调制，边带（side band）产生在载波的两侧。在4.6GHz执行调制，从而边带之间的频率差与Cs原子的自然频率的9.2GHz一致。如图20所示，当边带频率差与Cs原子的自然频率一致时，最大量的激光通过激发的Cs气体。从而，调制器460用于以反馈的方式调整光源410的面发射激光器元件的调制频率，从而光检测器450的输出保持在最大值。因为原子的自然频率是极其稳定的，所以调制频率具有稳定值，并且该信息取作输出。应注意，在波长为894.6nm的情况下，需要波长范围为±1nm（更优选，±0.3nm）。
根据第六实施例，原子振荡器采用根据第一至第五实施例任何一个的面发射激光器元件。结果，能小型化原子振荡器。此外，通过采用根据第二至第五实施例的任何一个的面发射激光器元件，能以低成本生产原子振荡器。此外，通过采用根据第四实施例或第五实施例的面发射激光器元件，能提供具有较长寿命的原子振荡器。
此外，根据第六实施例，Cs用作碱金属，并且采用其D1线的跃迁。因此，采用波长为894.6nm的垂直腔面发射激光器。然而，852.3nm可用在采用Cs的D2线的情况下。此外，也可采用Rb（铷）作为碱金属。在此情况下，在采用D1线的情况下可利用795.0nm。在采用D2线的情况下也可利用780.2nm。有源层的材料成分等可根据波长设计。此外，作为在采用Rb的情况下的调制频率，对于87Rb在3.4GHz执行调制，对于85Rb在1.5GHz执行调制。应注意，对于这些波长，也需要波长范围±1nm。
根据上述实施例，能提供具有宽发散角的垂直腔面发射激光器。此外，能提供具有垂直腔面发射激光器的面发射激光器元件，垂直腔面发射激光器发射具有预定波长和宽发散角的光。此外，能提供原子振荡器使其能满足小型化和高频率稳定性二者。此外，能提供低成本和高精度的原子振荡器。
尽管已经参考实施例描述了面发射激光器元件和原子振荡器，但是本发明不限于这些实施例，而是在如下面权利要求中描述和限定的本发明的范围和精神内存在变化和修改。
例如，根据实施例，面发射激光器元件用在原子振荡器中。然而，根据第二至第五实施例的面发射激光器元件也可用在诸如气体传感器的需要预定波长光的其它装置/设备中。在此情况下，在这些装置/设备中，根据垂直腔面发射激光器发射的特定应用，通过利用预定波长的激光也能获得相同或类似的有益效果。
专利文献
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非专利文献
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本专利申请基于2011年7月7日提交的日本优先权申请No.2011-151279、2012年4月24日提交的日本优先权申请No.2012-099107以及2012年6月27日提交的日本优先权申请No.2012-144692，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (20)

1.一种面发射激光器元件，包括：
下DBR，形成在基板上；
有源层，形成在该下DBR之上；
上DBR，形成在该有源层之上，其中
该上DBR包括电介质多层，该电介质多层由交替层叠形成的具有不同折射率的电介质制成，
遮光部形成在该上DBR之上，并且
该遮光部具有在中心区域的用于发射光的开口部。
2.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中
从该开口部发射的光的光强成为1/e2的发散角大于或等于20度。
3.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中
该开口部的面积小于或等于30μm2。
4.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中
该开口部的面积小于或等于20μm2。
5.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中
该遮光部由金属材料或吸收光的材料制成。
6.如权利要求1所述的面发射激光器元件，还包括：
接触层，形成在该有源层与该上DBR的该电介质多层之间，其中
一个电极与该接触层连接。
7.如权利要求1所述的面发射激光器元件，还包括：
波长调整层，位于该有源层和该上DBR的该电介质多层之间，其中
该面发射激光器元件包括多个垂直腔面发射激光器，通过改变该波长调整层的厚度而使该多个垂直腔面发射激光器分别发射不同波长的光。
8.如权利要求7所述的面发射激光器元件，还包括：
接触层，形成在该有源层和该波长调整层之间，其中
一个电极与该接触层连接。
9.如权利要求7所述的面发射激光器元件，其中
该波长调整层由通过交替层叠GaInP和GaAsP获得的膜或者通过交替层叠GaInP和GaAs获得的膜形成，并且通过将该层叠膜的一部分逐层地去除而改变该波长调整层的膜厚度。
10.一种原子振荡器，包括：
如权利要求1所述的面发射激光器元件；
碱金属单元，其中密封碱金属；以及
光检测器，检测由该面发射激光器元件的垂直腔面发射激光器发射到该碱金属单元的光中由该碱金属单元透射的光，其中
通过由该垂直腔面发射激光器发射的包括边带的光中两种不同波长的光入射在该碱金属单元上，采用从两种不同的共振光引起的量子干涉效应获得的光吸收特性控制调制频率。
11.一种面发射激光器元件，包括：
下DBR，形成在基板上；
有源层，形成在该下DBR之上；
上DBR，形成在该有源层之上，其中
该上DBR包括电介质多层，该电介质多层由交替层叠形成不同折射率的电介质制成，
遮光部形成在该有源层之上且在该电介质多层之下，并且
该遮光部具有在中心区域用于发射光的开口部。
12.如权利要求11所述的面发射激光器元件，其中
从该开口部发射的光的光强成为1/e2的发散角大于或等于20度。
13.如权利要求11所述的面发射激光器元件，其中
该开口部的面积小于或等于30μm2。
14.如权利要求11所述的面发射激光器元件，其中
该开口部的面积小于或等于20μm2。
15.如权利要求11所述的面发射激光器元件，其中
该遮光部由金属材料或吸收光的材料制成。
16.如权利要求11所述的面发射激光器元件，还包括：
接触层，形成在该有源层和该上DBR的该电介质多层之间，其中
一个电极与该接触层连接。
17.如权利要求11所述的面发射激光器元件，还包括：
波长调整层，位于该有源层和该上DBR的该电介质多层之间，其中
该面发射激光器元件包括多个垂直腔面发射激光器，通过改变该波长调整层的厚度而使该多个垂直腔面发射激光器分别发射不同波长的光。
18.如权利要求17所述的面发射激光器元件，还包括：
接触层，形成在该有源层和该波长调整层之间，其中
一个电极与该接触层连接。
19.如权利要求17所述的面发射激光器元件，其中
该波长调整层由通过交替层叠GaInP和GaAsP获得的膜或者通过交替层叠GaInP和GaAs获得的膜形成，并且通过将该层叠膜的一部分逐层地去除而改变该波长调整层的膜厚度。
20.一种原子振荡器，包括：
如权利要求11所述的面发射激光器元件；
碱金属单元，其中密封碱金属；以及
光检测器，检测由该面发射激光器元件的垂直腔面发射激光器发射到该碱金属单元的光中由该碱金属单元透射的光，其中
通过由该垂直腔面发射激光器发射的包括边带的光中两种不同波长的光入射在该碱金属单元上，采用从两种不同的共振光引起的量子干涉效应获得的光吸收特性控制调制频率。
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