JP2015119145A - 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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Abstract

【課題】寄生容量を低減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、前記基板上方に設けられた第１ミラー層と、前記第１ミラー層上方に設けられた活性層と、前記活性層上方に設けられた第２ミラー層と、前記第１ミラー層に電気的に接続された第１電極と、前記第２ミラー層に電気的に接続された第２電極８２と、第２電極８２に電気的に接続されたパッド８４と、を含み、前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層は、積層体２を構成し、積層体２は、活性層２で発生した光を共振させる共振部２ｃを有し、積層体２の側面には、絶縁層７０が設けられ、平面視において、絶縁層７０は、共振部２ｃの中心Ｏを通る仮想直線Ｌに対して、線対称の形状であり、パッド８４は、絶縁層７０上方に設けられ、平面視において、パッド８４は、仮想直線Ｌからみて、一方側にのみ設けられている。【選択図】図１

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、共振器の一部を含む柱状の半導体堆積体の外側面に接触して形成された絶縁層によって、共振器（活性層）に異方的な応力を加え、レーザー光の偏光方向を特定方向に制御する面発光レーザーが記載されている。
特許文献１の面発光レーザーでは、上部電極が絶縁層の上面の大部分を覆うように形成されている。
特開２００１−１８９５２５号公報
ここで、面発光レーザーにおいて、高周波特性を向上させるためには、寄生容量を低減させることが重要である。
しかしながら、特許文献１に記載の面発光レーザーでは、上部電極が、絶縁層の上面の大部分を覆うように形成されるため、寄生容量を十分に低減させることができないという問題がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、寄生容量を低減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、
前記基板上方に設けられた第１ミラー層と、
前記第１ミラー層上方に設けられた活性層と、
前記活性層上方に設けられた第２ミラー層と、
前記第１ミラー層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２ミラー層に電気的に接続された第２電極と、
前記第２電極に電気的に接続されたパッドと、
を含み、
前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層は、積層体を構成し、
前記積層体は、前記活性層で発生した光を共振させる共振部を有し、
前記積層体の側面には、絶縁層が設けられ、
平面視において、前記絶縁層は、前記共振部の中心を通る仮想直線に対して、線対称の形状であり、
前記パッドは、前記絶縁層上方に設けられ、
前記平面視において、前記パッドは、前記仮想直線からみて、一方側にのみ設けられている。
このような面発光レーザーでは、例えば、パッドが仮想直線からみて両側に設けられている場合と比べて、寄生容量を低減させることができる。したがって、このような面発光レーザーでは、例えば、高周波特性を向上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。
また、本発明に係る記載では、「電気的に接続」という文言を、例えば、「特定の部材（以下「Ａ部材」という）に「電気的に接続」された他の特定の部材（以下「Ｂ部材」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ部材とＢ部材とが、直接接して電気的に接続されているような場合と、Ａ部材とＢ部材とが、他の部材を介して電気的に接続されているような場合とが含まれるものとして、「電気的に接続」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、
前記第２電極と前記パッドとを電気的に接続する引き出し配線を含んでいてもよい。
このような面発光レーザーでは、寄生容量を低減させることができる。
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、前記引き出し配線は、前記仮想直線から見て、前記一方側にのみ設けられていてもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば、引き出し配線が仮想直線からみて両側に設けられている場合と比べて、寄生容量を低減させることができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記積層体は、第１歪付与部と、第２歪付与部と、を有し、
前記共振部は、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、
前記平面視において、前記仮想直線は、前記第１歪付与部と前記第２歪付与部とが対向する方向と直交してもよい。
このような面発光レーザーでは、第１及び第２歪付与部と絶縁層との双方によって共振部（活性層）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。
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、寄生容量を低減させることができる面発光レーザーを含むことができる。
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。 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。
ここで、Ｘ軸方向における共振部２ｃの長さとは、例えば、Ｘ軸方向における共振部２ｃの長さのうちの最大の長さである。また、Ｘ軸方向における第１歪付与部２ａの長さとは、例えば、Ｘ軸方向における第１歪付与部２ａの長さのうちの最大の長さである。また、Ｘ軸方向における第２歪付与部２ｂの長さとは、例えば、Ｘ軸方向における第２歪付与部２ｂの長さのうちの最大の長さである。
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。パッド８４は、例えば、外部電源（図示せず）と第２電極８２とを電気的に接続するための端子である。パッド８４の平面形状は、例えば、円である。
ここで、樹脂層７０、パッド８４、および引き出し配線８６について詳細に説明する。
樹脂層７０は、図１に示すように平面視において、共振部２ｃの中心Ｏを通る仮想直線Ｌに対して、線対称の形状である。すなわち、樹脂層７０は、平面視において、仮想直線Ｌによって、面積が等しい２つの領域に分けられる。図示の例では、樹脂層７０は、平面視において、仮想直線Ｌに対して線対称であり、かつ、共振部２ｃの中心Ｏに関して点対称である。樹脂層７０の中心は、平面視において、共振部２ｃの中心Ｏと一致している。
仮想直線Ｌは、例えば、平面視において、樹脂層７０の長手方向に対して垂直である。仮想直線Ｌは、図示の例では、Ｘ軸に平行な直線である。仮想直線Ｌは、平面視において、第１歪付与部２ａと第２歪付与部２ｂとが対向する方向（Ｙ軸方向）と直交する。
平面視において、パッド８４は、仮想直線Ｌからみて、一方側（＋Ｙ軸方向側）にのみ設けられている。すなわち、平面視において、パッド８４は、仮想直線Ｌからみて、他方側（−Ｙ軸方向側）には設けられていない。平面視において、パッド８４は、仮想直線Ｌの＋Ｙ軸方向側にのみ設けられている。
平面視において、引き出し配線８６は、仮想直線Ｌからみて、一方側（＋Ｙ軸方向側）にのみ設けられている。すなわち、平面視において、引き出し配線８６は、仮想直線Ｌからみて、他方側（−Ｙ軸方向側）には設けられていない。平面視において、引き出し配線８６は、仮想直線Ｌの＋Ｙ軸方向側にのみ設けられている。このように、平面視においてパッド８４と引き出し配線８６とは、仮想直線Ｌからみて、同じ側（＋Ｙ軸方向側）に設けられている。
パッド８４は、図示の例では、第１ミラー層２０上に設けられた樹脂層７０上に設けられている。また、引き出し配線８６は、第１ミラー層２０上に設けられた樹脂層７０上、および第１歪付与部２ａ上に設けられた樹脂層７０上に設けられている。図示の例では、パッド８４および引き出し配線８６は、平面視において、共振部２ｃの中心Ｏを通りかつ
仮想直線Ｌに直交する仮想直線（図示せず）上に位置している。
面発光レーザー１００は、図１に示すように、チップ（面発光レーザー１００）を識別するためのチップ番号が記載されているチップ番号記載領域９０を有している。チップ番号記載領域９０は、第１ミラー層２０の上面の領域である。平面視において、チップ番号記載領域９０は、仮想直線Ｌからみて、他方側（−Ｙ軸方向側）に設けられている。すなわち、面発光レーザー１００では、平面視において、パッド８４および引き出し配線８６は仮想直線Ｌの一方側（＋Ｙ軸方向側）に設けられ、チップ番号記載領域９０は、仮想直線Ｌの他方側（−Ｙ軸方向側）に設けられている。
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、樹脂層７０は、共振部２ｃの中心Ｏを通る仮想直線Ｌに対して、線対称の形状であり、パッド８４は、樹脂層７０上方に設けられ、平面視において、パッド８４は、仮想直線Ｌからみて、一方側（＋Ｙ軸方向側）にのみ設けられている。これにより、例えば、パッド８４が仮想直線Ｌからみて両側に設けられている場合と比べて、寄生容量を低減させることができる。したがって、面発光レーザー１００では、高周波特性を向上させることができる。また、例えば、平面視においてパッド８４が仮想直線Ｌからみて両側に設けられている場合、一方のパッドがどこにも接続されないスタブ（オープンスタブ）となり、高周波特性が悪化してしまう場合がある。面発光レーザー１００では、平面視において、パッド８４が仮想直線Ｌからみて一方側にのみ設けられているため、スタブを回避することができ、このような問題が生じない。
面発光レーザー１００では、平面視において、樹脂層７０は、共振部２ｃの中心Ｏを通る仮想直線Ｌに対して、線対称の形状である。そのため、樹脂層７０は、例えば樹脂層７０が仮想直線Ｌに対して線対称な形状を有さない場合と比べて、共振部２ｃ（活性層３０）に対して仮想直線Ｌに関して対称な応力を付与することができる。
ここで、樹脂層７０は、熱を与えることで硬化する樹脂であり、樹脂層７０を硬化するための加熱処理（キュア）において収縮する。さらに、樹脂層７０は、上記加熱処理から常温に戻す際において収縮する。この樹脂層７０の収縮によって、共振部２ｃ（活性層３０）に応力を付与することができる。樹脂層７０が共振部２ｃに付与する応力の大きさは、樹脂層７０の形状に依存する。したがって、面発光レーザー１００では、平面視において、樹脂層７０が共振部２ｃの中心Ｏを通る仮想直線Ｌに対して、線対称の形状であることにより、共振部２ｃに対して仮想直線Ｌに関して対称な応力を付与することができる。
面発光レーザー１００では、第２電極８２とパッド８４とを電気的に接続する引き出し配線８６を含み、平面視において、引き出し配線８６は、仮想直線Ｌから見て、一方側（パッド８４と同じ側）にのみ設けられている。これにより、上述したパッド８４と同様に、例えば引き出し配線８６が仮想直線Ｌからみて両側に設けられている場合と比べて、寄生容量を低減させることができる。さらに、スタブを回避することができる。
面発光レーザー１００では、積層体２は、第１歪付与部２ａと、第２歪付与部２ｂと、を有し、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、平面視において、仮想直線Ｌは、第１歪付与部２ａと第２歪付与部２ｂとが対向する方向と直交
する。これにより、面発光レーザー１００では、歪付与部２ａ，２ｂおよび樹脂層７０の双方によって共振部２ｃ（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。
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。
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５〜図８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５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６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。
図７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。
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８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９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９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１０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１１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１０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１１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１１２
０、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１０参照）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９〜図１１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、９０…チップ番号記載領域、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 (5)

  1. 基板と、
    前記基板上方に設けられた第１ミラー層と、
    前記第１ミラー層上方に設けられた活性層と、
    前記活性層上方に設けられた第２ミラー層と、
    前記第１ミラー層に電気的に接続された第１電極と、
    前記第２ミラー層に電気的に接続された第２電極と、
    前記第２電極に電気的に接続されたパッドと、
    を含み、
    前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層は、積層体を構成し、
    前記積層体は、前記活性層で発生した光を共振させる共振部を有し、
    前記積層体の側面には、絶縁層が設けられ、
    平面視において、前記絶縁層は、前記共振部の中心を通る仮想直線に対して、線対称の形状であり、
    前記パッドは、前記絶縁層上方に設けられ、
    前記平面視において、前記パッドは、前記仮想直線からみて、一方側にのみ設けられてい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、
    前記第２電極と前記パッドとを電気的に接続する引き出し配線を含むことを特徴とする面発光レーザー。
  3. 請求項２において、
    前記平面視において、前記引き出し配線は、前記仮想直線から見て、前記一方側にのみ設けられていることを特徴とする面発光レーザー。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記積層体は、第１歪付与部と、第２歪付与部と、を有し、
    前記共振部は、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、
    前記平面視において、前記仮想直線は、前記第１歪付与部と前記第２歪付与部とが対向する方向と直交することを特徴とする面発光レーザー。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の面発光レーザーを含む原子発振器。
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