JP2015119143A - 面発光レーザーおよび原子発振器 - Google Patents

面発光レーザーおよび原子発振器 Download PDF

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Tetsuro Nishida
哲朗 西田
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理光 望月
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Abstract

【課題】偏光方向の安定させることができる面発光レーザーを提供する。【解決手段】面発光レーザー１００は、基板と、前記基板の上方に設けられた積層体２と、を含み、積層体２は、前記基板上方に設けられた第１ミラー層、前記第１ミラー層上方に設けられた活性層、前記活性層上方に設けられた第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に設けられた電流狭窄層を少なくとも含み、平面視において、積層体２は、第１歪付与部２ａと、第２歪付与部２ｂと、第１歪付与部２ａと第２歪付与部２ｂとの間に設けられ、活性層３０で発生した光を共振させる共振部２ｃと、を有し、前記平面視において、電流狭窄層の開口部４３は、長手方向を持つ形状を有し、前記電流狭窄層の開口部４３の長手方向と第１歪付与部２ａと第２歪付与部２ｂが共振部２ｃから延在する方向とは、平行である。【選択図】図３

Description

本発明は、面発光レーザーおよび原子発振器に関する。
面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、例えば、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の光源として用いられる。
面発光レーザーは、一般的に、共振器が等方的な構造を有するため、共振器から射出されるレーザー光の偏光方向の制御が困難であった。例えば特許文献１には、歪み付加部によって共振器に歪みを生じさせて複屈折を発生させ、レーザー発振によって得られるレーザー光の偏光方向を、安定化させる面発光レーザーが記載されている。
特許文献１に記載の面発光レーザーでは、電流狭窄のために形成した酸化アルミニウムを歪み付加部の歪み発生源として利用している。具体的には、電流狭窄層が共振器に及ぼす応力は等方的であるため偏光を安定化させないが、歪み付加部を共振器に隣接させることによって、共振器に異方的な歪みを付与して偏光方向を安定化させている。
特開平１１−５４８３８号公報
しかしながら、特許文献１に記載の面発光レーザーでは、歪み付加部によって共振器に生じる歪みの大きさが十分ではなく、レーザー光の偏光方向を安定させることができない場合がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、偏光方向の安定させることができる面発光レーザーを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記面発光レーザーを含む原子発振器を提供することにある。
本発明に係る面発光レーザーは、
基板と、
前記基板の上方に設けられた積層体と、を含み、
前記積層体は、前記基板上方に設けられた第１ミラー層、前記第１ミラー層上方に設けられた活性層、および前記活性層上方に設けられた第２ミラー層、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に設けられた電流狭窄層を少なくとも含み、
平面視において、前記積層体は、第１歪付与部と、第２歪付与部と、前記第１歪付与部と前記第２歪付与部との間に設けられ、前記活性層で発生した光を共振させる共振部と、を有し、
前記平面視において、前記電流狭窄層の開口部は、長手方向を持つ形状を有し、
前記電流狭窄層の前記開口部の長手方向と、前記第１歪付与部および前記第２歪付与部が前記共振部から延在する方向とは、平行である。
このような面発光レーザーでは、電流狭窄層の開口部は、長手方向を持つ形状を有するため、活性層に異方的な歪みを付与することができる。そのため、このような面発光レーザーでは、第１歪付与部、第２歪付与部、および電流狭窄層によって、活性層に応力（歪み）を付与して、レーザー光の偏光方向を安定させることができる。したがって、例えば、第１及び第２歪付与部のみで活性層に応力を付与する場合と比べて、レーザー光の偏光方向をより安定させることができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記平面視において、前記電流狭窄層の前記開口部の形状は、菱形であってもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば、対称性の良好なレーザー光を射出することができる。
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る面発光レーザーを含む。
このような原子発振器では、本発明に係る面発光レーザーを含むため、例えば、λ／４板を介して、ガスセルに円偏光の光を安定して照射することができ、原子発振器の周波数安定性を高めることができる。
本実施形態に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 電流狭窄層の開口部の平面形状の変形例を説明するための図。 電流狭窄層の開口部の平面形状の変形例を説明するための図。 電流狭窄層の開口部の平面形状の変形例を説明するための図。 本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。 共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。 アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波および第２側帯波の関係を示す図。
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。
１． 面発光レーザー
まず、本実施形態に係る面発光レーザーについて、図面を参照しながら説明する。図１
は、本実施形態に係る面発光レーザー１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る面発光レーザー１００を模式的に示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、本実施形態に係る面発光レーザー１００を模式的に示す平面図である。図４は、本実施形態に係る面発光レーザー１００を模式的に示す図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
なお、便宜上、図２では、積層体２を簡略化して図示している。また、図３では、面発光レーザー１００の積層体２以外の部材の図示を省略している。また、図１〜図４では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
面発光レーザー１００は、図１〜図４に示すように、基板１０と、第１ミラー層２０と、活性層３０と、第２ミラー層４０と、電流狭窄層４２と、コンタクト層５０と、第１領域６０と、第２領域６２と、樹脂層（絶縁層）７０と、第１電極８０と、第２電極８２と、を含む。
基板１０は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。
第１ミラー層２０は、基板１０上に形成されている。第１ミラー層２０は、第１導電型の半導体層である。第１ミラー層２０は、図４に示すように、高屈折率層２４と低屈折率層２６とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーである。高屈折率層２４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２６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２４と低屈折率層２６との積層数（ペア数）は、例えば１０ペア以上５０ペア以下であり、具体的には４０．５ペアである。
活性層３０は、第１ミラー層２０上に設けられている。活性層３０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）構造を有している。
第２ミラー層４０は、活性層３０上に形成されている。第２ミラー層４０は、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層である。第２ミラー層４０は、高屈折率層４４と低屈折率層４６とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーである。高屈折率層４４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４６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４４と低屈折率層４６との積層数（ペア数）は、例えば３ペア以上４０ペア以下であり、具体的には２０ペアである。
第２ミラー層４０、活性層３０、および第１ミラー層２０は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。電極８０，８２間にｐｉｎダイオードの順方向の電圧を印加すると、活性層３０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３０で発生した光は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０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、コンタクト層５０の上面から、垂直方向に（第１ミラー層２０と活性層３０との積層方向に）レーザー光が射出する。
電流狭窄層４２は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間に設けられている。図示の例では、電流狭窄層４２は、活性層３０上に設けられている。電流狭窄層４２は、第１ミラー層２０または第２ミラー層４０の内部に設けることもできる。この場合においても、酸化狭窄層４２は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間に設けられるとみなす。電流狭窄層４２は、開口部４３が形成された絶縁層である。電流狭窄層４２は、電極８０，８２によって垂直共振器に注入される電流が平面方向（第１ミラー層２０と活性層
３０との積層方向と直交する方向）に広がることを防ぐことができる。
コンタクト層５０は、第２ミラー層４０上に設けられている。コンタクト層５０は、第２導電型の半導体層である。具体的には、コンタクト層５０は、炭素がドープされたｐ型のＧａＡｓ層である。
第１領域６０は、図４に示すように、積層体２を構成する第１ミラー層２０の側方に設けられている。第１領域６０は、第１ミラー層２０と（図示の例では第１ミラー層２０の一部と）連続して設けられた、複数の酸化層６を含む。具体的には、第１領域６０は、第１ミラー層２０を構成している低屈折率層（例えばＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層）２６と連続する層が酸化された酸化層６と、第１ミラー層２０を構成している高屈折率層（例えばＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層）２４と連続する層４と、が交互に積層されて構成されている。
第２領域６２は、積層体２を構成する第２ミラー層４０の側方に設けられている。第２領域６２は、第２ミラー層４０と連続して設けられた、複数の酸化層１６を含む。具体的には、第２領域６２は、第２ミラー層４０を構成している低屈折率層（例えばＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層）４６と連続する層が酸化された酸化層１６と、第２ミラー層４０を構成している高屈折率層（例えばＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層）４４と連続する層１４と、が交互に積層されて構成されている。平面視において（第１ミラー層２０と活性層３０との積層方向から見て）、第１領域６０と第２領域６２とにより、酸化領域８が構成されている。
第１ミラー層２０、活性層３０、第２ミラー層４０、電流狭窄層４２、コンタクト層５０、第１領域６０、および第２領域６２は、積層体２を構成している。図１および図２に示す例では、積層体２は、樹脂層７０によって囲まれている。
図３に示す例では、平面視において、Ｙ軸方向における積層体２の長さは、Ｘ軸方向における積層体２の長さよりも長い。すなわち、積層体２の長手方向は、Ｙ軸方向である。平面視において、積層体２は、例えば、積層体２の中心を通りＸ軸に平行な仮想直線に関して、対称である。また、平面視において、積層体２は、例えば、積層体２の中心を通りＹ軸に平行な仮想直線に関して、対称である。
積層体２は、図３に示すように平面視において、第１歪付与部（第１部分）２ａと、第２歪付与部（第２部分）２ｂと、共振部（第３部分）２ｃと、を含む。
第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂは、平面視において、共振部２ｃを挟んでＹ軸方向に対向している。第１歪付与部２ａは、平面視において、共振部２ｃから＋Ｙ軸方向に突出している。第２歪付与部２ｂは、平面視において、共振部２ｃから−Ｙ軸方向に突出している。第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂは、共振部２ｃと一体に設けられている。
第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂは、活性層３０に歪みを付与して、活性層３０にて発生する光を偏光させる。ここで、光を偏光させるとは、光の電場の振動方向を一定にすることをいう。第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂを構成する半導体層（第１ミラー層２０、活性層３０、第２ミラー層４０、電流狭窄層４２、コンタクト層５０、第１領域６０、および第２領域６２）は、活性層３０に付与する歪みを発生させる発生源となる。第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂは、複数の酸化層６を有する第１領域６０と、複数の酸化層１６を有する第２領域６２と、を有しているため、活性層３０に大きな歪みを付与することができる。
共振部２ｃは、第１歪付与部２ａと第２歪付与部２ｂとの間に設けられている。Ｘ軸方向における共振部２ｃの長さは、Ｘ軸方向における第１歪付与部２ａの長さまたはＸ軸方向における第２歪付与部２ｂの長さよりも大きい。共振部２ｃの平面形状（第１ミラー層２０と活性層３０との積層方向から見た形状）は、例えば、円である。
共振部２ｃは、活性層３０で発生した光を共振させる。すなわち、共振部２ｃでは、垂直共振器が形成される。
樹脂層７０は、積層体２の少なくとも側面に設けられている。図１に示す例では、樹脂層７０は、第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂを覆っている。すなわち、樹脂層７０は、第１歪付与部２ａの側面、第１歪付与部２ａの上面、第２歪付与部２ｂの側面、および第２歪付与部２ｂの上面に設けられている。樹脂層７０は、第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂを完全に覆っていてもよいし、第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂの一部を覆っていてもよい。樹脂層７０の材質は、例えば、ポリイミドである。なお、本実施形態では、各歪付与部２ａ、２ｂに歪みを付与するために樹脂層７０としているが、樹脂層７０に対応する構成は少なくとも絶縁の機能を有すればよいため、絶縁材料であれば樹脂でなくてもよい。
図３に示す例では、平面視において、Ｙ軸方向における樹脂層７０の長さは、Ｘ軸方向における樹脂層７０の長さよりも大きい。すなわち、樹脂層７０の長手方向は、Ｙ軸方向である。樹脂層７０の長手方向と積層体２の長手方向とは、一致している。
第１電極８０は、第１ミラー層２０上に設けられている。第１電極８０は、第１ミラー層２０とオーミックコンタクトしている。第１電極８０は、第１ミラー層２０と電気的に接続されている。第１電極８０としては、例えば、第１ミラー層２０側から、Ｃｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第１電極８０は、活性層３０に電流を注入するための一方の電極である。なお、図示はしないが、第１電極８０は、基板１０の下面に設けられていてもよい。
第２電極８２は、コンタクト層５０上（積層体２上）に設けられている。第２電極８２は、コンタクト層５０とオーミックコンタクトしている。図示の例では、第２電極８２は、さらに樹脂層７０上に形成されている。第２電極８２は、コンタクト層５０を介して、第２ミラー層４０と電気的に接続されている。第２電極８２としては、例えば、コンタクト層５０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８２は、活性層３０に電流を注入するための他方の電極である。
第２電極８２は、パッド８４と電気的に接続されている。図示の例では、第２電極８２は、引き出し配線８６を介して、パッド８４と電気的に接続されている。パッド８４は、樹脂層７０上に設けられている。パッド８４および引き出し配線８６の材質は、例えば、第２電極８２の材質と同じである。
ここで、電流狭窄層４２についてより詳細に説明する。
電流狭窄層４２は、積層体２の側面から半導体層（後述する被酸化層４２ａ、図８および図９参照）を酸化させることにより形成される。電流狭窄層４２に形成される開口部４３は、例えば、被酸化層４２ａの一部が酸化されずに残った部分である。
電流狭窄層４２の開口部４３は、図３に示すように平面視において、長手方向を持つ形状を有している。図３に示す例では、電流狭窄層４２の開口部４３は、平面視において、
Ｙ軸方向の長さがＸ軸方向の長さよりも大きい。すなわち、電流狭窄層４２の開口部４３は、Ｙ軸方向に長手方向を持つ形状を有している。
電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状は、例えば、菱形である。ここで、菱形とは、４辺の長さが互いに相等しい四辺形である数学上定義される菱形（図３参照）である場合と、当該数学上定義される菱形の角を丸くした形状や、当該数学上定義される菱形の角を丸くしかつ辺に曲率を持たせた形状（図５参照）である場合と、を含む。開口部４３の平面形状が菱形の場合、開口部４３の長手方向は、菱形の直交する２つの対角線のうち、長い方の対角線と平行（同じ方向）である。
電流狭窄層４２の開口部４３が、平面視において、長手方向を持つ形状を有することにより、電流狭窄層４２は、活性層３０に異方的な歪み（応力）を付与する。例えば、電流狭窄層４２が活性層３０に付与する歪み（応力）は、開口部４３の長手方向（Ｙ軸方向）における歪みの大きさと、開口部４３の長手方向と直交する方向（Ｘ軸方向）における歪みの大きさと、が異なる。
図３に示す例では、基板１０として、例えば、主面が（００１）面である（００１）ＧａＡｓ基板を用いた場合、Ｘ軸方向は、[１−１０]方向であり、Ｙ軸方向は、[１１０]方向である。第１歪付与部２ａが延在する方向は、[１１０]方向であり、第２歪付与部２ｂが延在する方向は、[−１−１０]方向である。なお、（００１）ＧａＡｓ基板とは、例えば、主面が厳密に（００１）面を有するＧａＡｓ基板だけでなく、主面が（００１）面に対して微小角度（例えば５度以内）傾いたＧａＡｓ基板を含む。
面発光レーザー１００では、第１歪付与部２ａが延在する方向を、[１１０]方向とし、第２歪付与部２ｂが延在する方向を[−１−１０]方向とすることにより、電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状を、長手方向を持つ形状にすることができる。以下、その理由について説明する。
電流狭窄層４２は、積層体２の側面から半導体層（後述する被酸化層４２ａ）を酸化させることにより形成される。ここで、（００１）ＧａＡｓ基板では、結晶方位により酸化速度に異方性を持ち、他の方向と比べて＜１００＞方向の酸化速度が速い。そのため、平面視において、電流狭窄層４２の開口部４３の形状は、開口部４３の中心から見て、[１００]方向、[０１０]方向、[−１００]方向、[０−１０]方向における積層体２の外縁の形状をトレースする。
面発光レーザー１００では、第１歪付与部２ａの延在する方向が[１１０]方向であり、第２歪付与部２ｂが延在する方向が[−１−１０]方向であるため、開口部４３の中心から見て、[１００]方向、[０１０]方向、[−１００]方向、[０−１０]方向における積層体２の外縁には、共振部２ｃと接続する歪付与部２ａ，２ｂの接続部が含まれる。なお、平面視において、当該接続部の外形（積層体２の側面をなす接続部の側面）は、曲率を持っている。これは、積層体２をパターニングする際に、マスクとして用いるレジストを形成した後に、リフロー（熱処理）しているためである。
したがって、電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状は、曲率を持った外形の前記接続部を含む積層体２の外縁の形状をトレースした形状となり、 [１１０]方向に長手方向を持つ形状となる。
なお、ここでは、第１歪付与部２ａが延在する方向を[１１０]方向とし、第２歪付与部２ｂが延在する方向を[−１−１０]方向とした場合について説明したが、歪付与部２ａ，２ｂが延在する方向は＜１１０＞方向であれば、電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状
を長手方向を持つ形状にすることができる。
図５〜図７は、電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状の変形例を説明するための図である。図５〜図７は、図３に対応している。
電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状は、図５に示すように、数学上定義される菱形の角を丸くしかつ辺に曲率を持たせた形状であってもよい。このとき、開口部４３の長手方向は、開口部４３の互いに対向する角（丸くした角）を結ぶ仮想直線ａ，ｂのうち、長い方の仮想直線ａに平行である。
また、電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状は、図６に示すように、楕円であってもよい。このとき、開口部４３の長手方向は、楕円の長軸に平行である。
また、電流狭窄層４２の開口部４３の平面形状は、図７に示すように、長方形（正方形を除く）であってもよい。このとき、開口部４３の長手方向は、長方形の長辺に平行である。
電流狭窄層４２の開口部４３の長手方向と、第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂが共振部２ｃから延在する方向とは、平行（同じ方向）である。図示の例では、電流狭窄層４２の開口部４３の長手方向、および歪付与部２ａ，２ｂが延在する方向は、Ｙ軸方向である。
なお、上記では、ＡｌＧａＡｓ系の面発光レーザーについて説明したが、本発明に係る面発光レーザーは、発振波長に応じて、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てもよい。
面発光レーザー１００は、例えば、以下の特徴を有する。
面発光レーザー１００では、平面視において、電流狭窄層４２の開口部４３は、長手方向を持つ形状を有し、電流狭窄層４２の開口部４３の長手方向と、第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂが共振部２ｃから延在する方向とは、平行である。電流狭窄層４２の開口部４３は、長手方向を持つ形状を有するため、活性層３０に異方的な歪みを付与することができる。そのため、面発光レーザー１００では、歪付与部２ａ，２ｂおよび電流狭窄層４２の双方によって、活性層３０に応力を付与して、レーザー光の偏光方向を安定させることができる。したがって、例えば、歪付与部２ａ，２ｂのみで活性層３０に応力を付与した場合と比べて、レーザー光の偏光方向を、より安定させることができる。
面発光レーザー１００では、このように、レーザー光の偏光方向を安定させることができるため、例えば、面発光レーザー１００を原子発振器の光源として用いた場合に、λ／４板を介して、ガスセルに円偏光の光を安定して照射することができる。その結果、原子発振器の周波数安定度を高めることができる。例えば、面発光レーザーから射出されるレーザー光の偏光方向が不安定な場合、λ／４板を介して得られる光が楕円偏光となる場合や、円偏光の回転方向が変動してしまう場合がある。
このように、面発光レーザー１００では、レーザー光の偏光方向を安定させることができるため、λ／４板を介して、ガスセルに円偏光の光を安定して照射することができ、原子発振器の周波数安定性を高めることができる。
面発光レーザー１００では、電流狭窄層４２の開口部４３の形状は、菱形である。その
ため、面発光レーザー１００では、対称性の良好なレーザー光を射出することができる。
２． 面発光レーザーの製造方法
次に、本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図８〜図１１は、本実施形態に係る面発光レーザー１００の製造工程を模式的に示す断面図であって、図２に対応している。
図８に示すように、基板１０上に、第１ミラー層２０、活性層３０、酸化されて電流狭窄層４２となる被酸化層４２ａ、第２ミラー層４０、およびコンタクト層５０を、この順で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。
図９に示すように、コンタクト層５０、第２ミラー層４０、被酸化層４２ａ、活性層３０、および第１ミラー層２０をパターニングして、積層体２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。なお、積層体２をパターニングする際にマスクとして用いられるレジストは、コンタクト層５０上に形成された後に、所定の温度で熱処理（リフロー）される。このようにリフローされたマスクを用いてパターニングを行うことで、歪付与部２ａ，２ｂの接続部（共振部２ｃと接続する部分）の外形が曲率を持った形状となる（図３参照）。
図１０に示すように、被酸化層４２ａを酸化して、電流狭窄層４２を形成する。被酸化層４２ａは、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層である。例えば、４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、積層体２が形成された基板１０を投入することにより、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層を側面から酸化して、電流狭窄層４２を形成する。上述のようにＧａＡｓの結晶方位によって酸化速度が異なることから、電流狭窄層４２の開口部４３は、平面視において、長手方向を持つ形状（例えば長手方向を持つ菱形）となる（図３参照）。
面発光レーザー１００の製造方法では、上記の酸化工程において、第１ミラー層２０を構成する層を、側面から酸化して第１領域６０を形成する。さらに、第２ミラー層４０を構成する層を、側面から酸化して第２領域６２を形成する。具体的には、４００℃程度の水蒸気雰囲気によって、ミラー層２０，４０を構成するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のヒ素が酸素に置き換わり、領域６０，６２が形成される。領域６０，６２は、例えば４００℃程度の高温から室温に戻すときに収縮し、第２領域６２の上面６３は、基板１０側に傾斜する（図４参照）。第１歪付与部２ａおよび第２歪付与部２ｂは、領域６０，６２の収縮に起因する歪みを（応力を）活性層３０に付与することができる。
図１１に示すように、積層体２を取り囲むように樹脂層７０を形成する。樹脂層７０は、例えば、スピンコート法等を用いて第１ミラー層２０の上面および積層体２の全面にポリイミド樹脂等からなる層を形成し、該層をパターニングすることにより形成される。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、樹脂層７０を加熱処理（キュア）することにより硬化させる。本加熱処理によって、樹脂層７０は、収縮する。さらに、樹脂層７０は、加熱処理から常温に戻す際において収縮する。
図２に示すように、コンタクト層５０上および樹脂層７０上に第２電極８２を形成し、第１ミラー層２０上に第１電極８０を形成する。電極８０，８２は、例えば、真空蒸着法およびリフトオフ法の組合せ等により形成される。なお、電極８０，８２を形成する順序は、特に限定されない。また、第２電極８２を形成する工程で、パッド８４および引き出
し配線８６（図１参照）を形成してもよい。
以上の工程により、面発光レーザー１００を製造することができる。
３． 原子発振器
次に、本実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態に係る原子発振器１０００を示す機能ブロック図である。
原子発振器１０００は、図１２に示すように、光学モジュール１１００と、中心波長制御部１２００と、高周波制御部１３００と、を含んで構成されている。
光学モジュール１１００は、本発明に係る面発光レーザー（図示の例では、面発光レーザー１００）と、ガスセル１１１０と、光検出部１１２０と、を有する。
図１３は、面発光レーザー１００が射出する光の周波数スペクトラムを示す図である。図１４は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。面発光レーザー１００から射出される光は、図１３に示す、中心周波数ｆ０（＝ｃ／λ０：ｃは光の速さ、λ０はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ１を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ２を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ１は、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ２は、ｆ２＝ｆ０−ｆｍである。
図１４に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ１と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ１を有する第１側帯波Ｗ１と、周波数ｆ２を有する第２側帯波Ｗ２と、によってＥＩＴ現象を起こす。
ガスセル１１１０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム原子、ルビジウム原子、セシウム原子等）が封入されたものである。このガスセル１１１０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
光検出部１１２０は、ガスセル１１１０に封入されたアルカリ金属原子を透過した光の強度を検出する。光検出部１１２０は、アルカリ金属原子を透過した光の量に応じた検出信号を出力する。光検出部１１２０としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
中心波長制御部１２００は、光検出部１１２０が出力する検出信号に応じた大きさの駆動電流を発生させて面発光レーザー１００に供給し、面発光レーザー１００が射出する光の中心波長λ０を制御する。面発光レーザー１００、ガスセル１１１０、光検出部１１２０、中心波長制御部１２００を通るフィードバックループにより、面発光レーザー１００が射出するレーザー光の中心波長λ０が微調整されて安定する。
高周波制御部１３００は、光検出部１１２０が出力する検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）差が、ガスセル１１１０に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御
する。高周波制御部１３００は、光検出部１１２０が出力する検出結果に応じた変調周波数ｆｍ（図１３参照）を有する変調信号を発生させる。
面発光レーザー１００、ガスセル１１１０、光検出部１１２０、高周波制御部１３００を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、変調周波数ｆｍは極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１０００の出力信号（クロック出力）とすることができる。
次に、原子発振器１０００の動作について、図１２〜図１４を参照しながら説明する。
面発光レーザー１００から射出されたレーザー光は、ガスセル１１１０に入射する。面発光レーザー１００から射出される光は、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波（第１側帯波Ｗ１、第２側帯波Ｗ２）を含んでおり、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。ガスセル１１１０を透過した光の強度は光検出部１１２０で検出される。
中心波長制御部１２００および高周波制御部１３００は、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するように、フィードバック制御を行う。原子発振器１０００では、ＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
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。
２…積層体、２ａ…第１歪付与部、２ｂ…第２歪付与部、２ｃ…共振部、４…層、６…酸化層、８…酸化領域、１０…基板、１４…層、１６…酸化層、２０…第１ミラー層、２４…高屈折率層、２６…低屈折率層、３０…活性層、４０…第２ミラー層、４２…電流狭窄層、４２ａ…被酸化層、４３…開口部、４４…高屈折率層、４６…低屈折率層、５０…コンタクト層、６０…第１領域、６２…第２領域、６３…上面、７０…樹脂層、８０…第１電極、８２…第２電極、８４…パッド、８６…引き出し配線、１００…面発光レーザー、１０００…原子発振器、１１００…光学モジュール、１１１０…ガスセル、１１２０…光検出部、１２００…中心波長制御部、１３００…高周波制御部

Claims (3)

  1. 基板と、
    前記基板上方に設けられた積層体と、
    を含み、
    前記積層体は、前記基板上方に設けられた第１ミラー層、前記第１ミラー層上方に設けられた活性層、前記活性層上方に設けられた第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に設けられた電流狭窄層を含み、
    平面視において、前記積層体は、第１歪付与部と、第２歪付与部と、前記第１歪付与部と前記第２歪付与部との間に設けられ、前記活性層で発生した光を共振させる共振部と、を有し、
    前記平面視において、前記電流狭窄層の開口部は、長手方向を持つ形状を有し、
    前記電流狭窄層の前記開口部の長手方向と、前記第１歪付与部および前記第２歪付与部が前記共振部から延在する方向とは、平行であることを特徴とする面発光レーザー。
  2. 請求項１において、
    前記平面視において、前記電流狭窄層の前記開口部の形状は、菱形であることを特徴とする面発光レーザー。
  3. 請求項１または２に記載の面発光レーザーを含む原子発振器。
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