JP2015119148A - Vertical cavity surface emitting laser and atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光レーザーおよび原子発振器に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser and an atomic oscillator.
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。 A surface emitting laser (VCSEL) is used as a light source of an atomic oscillator using CPT (Coherent Population Trapping), which is one of the quantum interference effects, for example.
例えば、特許文献1には、基板と、下部DBRミラーと、n−コンタクト層と、活性層と、p−コンタクト層と、上部DBRミラーと、n側電極と、p側電極と、を備えた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、n−コンタクト層を設けることによって、n側電極とn−コンタクト層をオーミックコンタクトさせている。特許文献1では、n−コンタクト層は、活性層の直下に形成されている。 For example, Patent Document 1 includes a substrate, a lower DBR mirror, an n-contact layer, an active layer, a p-contact layer, an upper DBR mirror, an n-side electrode, and a p-side electrode. A surface emitting laser is described. In the surface emitting laser described in Patent Document 1, an n-contact layer is provided to make ohmic contact between the n-side electrode and the n-contact layer. In Patent Document 1, the n-contact layer is formed immediately below the active layer.
ここで、n−コンタクト層はn型GaAsからなるため、光吸収が起きる。特許文献1に記載の面発光レーザーでは、n−コンタクト層が共振器内において光強度の大きい活性層の直下に形成されているため、光吸収の影響が大きい。面発光レーザーでは、共振器内における光吸収が大きいと、例えば、閾値電流の増加を招き、発光効率が低下してしまう。 Here, since the n-contact layer is made of n-type GaAs, light absorption occurs. In the surface emitting laser described in Patent Document 1, since the n-contact layer is formed immediately below the active layer having high light intensity in the resonator, the influence of light absorption is large. In the surface emitting laser, if the light absorption in the resonator is large, for example, the threshold current increases and the light emission efficiency decreases.
本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、共振器内における光吸収を低減す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。 One of the objects according to some embodiments of the present invention is to provide a surface emitting laser capable of reducing light absorption in a resonator. Another object of some embodiments of the present invention is to provide an atomic oscillator including the surface emitting laser.
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、
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、
前記第1ミラー層は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された多層膜であり、
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、Alを含み、
前記高屈折率層のAlの組成比は、前記低屈折率層のAlの組成比よりも小さく、
前記第1電極は、複数の前記高屈折率層の上面と接している。
The surface emitting laser according to the present invention is
A substrate,
A first mirror layer provided above the substrate;
An active layer provided above the first mirror layer;
A second mirror layer provided above the active layer;
A first electrode electrically connected to the first mirror layer;
A second electrode electrically connected to the second mirror layer;
Including
The first mirror layer, the active layer, and the second mirror layer constitute a laminate,
The first mirror layer is a multilayer film in which high refractive index layers and low refractive index layers are alternately stacked,
The high refractive index layer and the low refractive index layer include Al,
The Al composition ratio of the high refractive index layer is smaller than the Al composition ratio of the low refractive index layer,
The first electrode is in contact with the upper surfaces of the plurality of high refractive index layers.
このような面発光レーザーでは、第1電極は複数の高屈折率層の上面と接しているため
、第1電極と第1ミラー層との間の抵抗(接触抵抗)を低減することができる。さらに、コンタクト層を用いることなく、第1電極と第1ミラー層とを電気的に接続することができるため、共振器内における光吸収を低減することができる。
In such a surface emitting laser, since the first electrode is in contact with the upper surfaces of the plurality of high refractive index layers, the resistance (contact resistance) between the first electrode and the first mirror layer can be reduced. Furthermore, since the first electrode and the first mirror layer can be electrically connected without using a contact layer, light absorption in the resonator can be reduced.
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。 In the description according to the present invention, the word “upper” is used, for example, “specifically” (hereinafter referred to as “A”) is formed above another specific thing (hereinafter referred to as “B”). The word “above” is used to include the case where B is formed directly on A and the case where B is formed on A via another object. Used.
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。 Further, in the description of the present invention, the term “electrically connected” refers to, for example, another specific member (hereinafter “electrically connected” to “specific member (hereinafter referred to as“ A member ”)”). B member "))" and the like. In the description according to the present invention, in the case of this example, the case where the A member and the B member are in direct contact and electrically connected, and the A member and the B member are the other members. The term “electrically connected” is used as a case where the case where the terminals are electrically connected to each other is included.
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第1ミラー層は、前記基板上方に設けられた第1部分と、前記第1部分上方に設けられ、前記積層体の一部を構成している第2部分と、を有し、
前記第1電極は、前記第1部分の表面に設けられていてもよい。
In the surface emitting laser according to the present invention,
The first mirror layer has a first portion provided above the substrate, and a second portion provided above the first portion and constituting a part of the stacked body,
The first electrode may be provided on a surface of the first portion.
このような面発光レーザーでは、共振器内における光吸収を低減することができる。 In such a surface emitting laser, light absorption in the resonator can be reduced.
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第1部分の表面は、前記高屈折率層の上面および側面を含み、
前記高屈折率層の上面は、前記基板の上面に対して平行であり、
前記高屈折率層の側面は、前記基板の上面に対して傾斜していてもよい。
In the surface emitting laser according to the present invention,
The surface of the first portion includes an upper surface and a side surface of the high refractive index layer,
The upper surface of the high refractive index layer is parallel to the upper surface of the substrate,
The side surface of the high refractive index layer may be inclined with respect to the upper surface of the substrate.
このような面発光レーザーでは、簡易な製造工程により、第1電極と第1ミラー層とを電気的に接続することができる。 In such a surface emitting laser, the first electrode and the first mirror layer can be electrically connected by a simple manufacturing process.
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第1電極は、複数の前記低屈折率層の側面と接していてもよい。
In the surface emitting laser according to the present invention,
The first electrode may be in contact with side surfaces of the plurality of low refractive index layers.
このような面発光レーザーでは、共振器内における光吸収を低減することができる。 In such a surface emitting laser, light absorption in the resonator can be reduced.
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、AlGaAs層であってもよい。 The high refractive index layer and the low refractive index layer may be AlGaAs layers.
このような面発光レーザーでは、共振器内における光吸収を低減することができる。 In such a surface emitting laser, light absorption in the resonator can be reduced.
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。
The atomic oscillator according to the present invention is
The surface emitting laser according to the present invention is included.
このような原子発振器では、共振器内における光吸収を低減することができる面発光レーザーを含むことができる。 Such an atomic oscillator can include a surface emitting laser capable of reducing light absorption in the resonator.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.
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。
1. Surface Emitting Laser First, a surface emitting laser according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view schematically showing a
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。
For convenience, in FIG. 2, the
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。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
基板10は、例えば、第1導電型(例えばn型)のGaAs基板である。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 4, the
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。
The
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。
The
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。
In the example illustrated in FIG. 3, the length of the
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
The first
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。
The first
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。
The resonating
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。
The resonating
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。
The
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。
In the example shown in FIG. 3, the length of the
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。
The
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。
The
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。
The
ここで、第1ミラー層20および第1電極80についてより詳細に説明する。図5は、面発光レーザー100を模式的に示す、図1のV−V線断面図である。
Here, the
第1ミラー層20の高屈折率層(例えばAl0.12Ga0.88As層)24および低屈折率層(例えばAl0.9Ga0.1As層)26は、上述したように、Al(アルミニウム)を含んでいる。また、高屈折率層24のAlの組成比は、低屈折率層26のAlの組成比よりも小さい。そのため、高屈折率層24は、低屈折率層26と比べて、第1電極80とオーミックコンタクトしやすい。例えば、高屈折率層24をAl低組成層、低屈折率層26をAl高組成層ということもできる。
As described above, the high refractive index layer (for example, Al 0.12 Ga 0.88 As layer) 24 and the low refractive index layer (for example, Al 0.9 Ga 0.1 As layer) 26 of the
第1電極80は、図5に示すように、複数の高屈折率層24の上面24aおよび側面24bと接している。高屈折率層24の上面24aは、低屈折率層26の一部が除去されることにより露出し、第1電極80と接している。また、第1電極80は、複数の低屈折率層26の側面26aと接している。ここで、高屈折率層24の上面24aは、例えば、高屈折率層24の面のうち、基板10の上面に平行な面であって、+Z軸方向を向く面である。また、高屈折率層24の側面24bは、例えば、高屈折率層24の上面24aと高屈折率層24の下面(上面24aとは反対側を向く面)とを接続する面である。また、低屈折率層26の側面26aとは、例えば、低屈折率層26の上面と下面とを接続する面である。
As shown in FIG. 5, the
第1ミラー層20は、図2に示すように、基板10上に設けられた第1部分20aと、第1部分20a上に設けられ積層体2の一部を構成している第2部分20bと、を有している。第1ミラー層20の第1部分20aの表面21は、図5に示す例では、複数の高屈折率層24の上面24aおよび側面24bと、複数の低屈折率層26の側面26aとで構成されている。
As shown in FIG. 2, the
第1ミラー層20の第1部分20aの表面21の少なくとも一部は、基板10の上面に対して傾斜している。図示の例では、高屈折率層24の側面24bは、基板10の上面に対して傾斜している。また、高屈折率層24の上面24aは、基板10に対して平行である。また、低屈折率層26の側面26aは、基板10の上面に対して垂直である。
At least a part of the
第1電極80は、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21に設けられている。すなわち、第1電極80は、複数の高屈折率層24の上面24aおよび側面24bと、複数の低屈折率層26の側面26aと、に設けられている(接している)。第1電極80は、複数の高屈折率層24の上面24aおよび側面24bとオーミックコンタクトすることができる。
The
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、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、GaInNAs系、GaAsSb系の半導体材料を用いてもよい。
In the above description, the AlGaAs surface emitting laser has been described. However, the surface emitting laser according to the present invention is, for example, GaInP based, InGaN based, AlGaN based, InGaAs based, GaInNAs based, or GaAsSb based on the oscillation wavelength. The semiconductor material may be used.
面発光レーザー100は、例えば、以下の特徴を有する。
The
面発光レーザー100では、第1ミラー層20は、高屈折率層24と低屈折率層26とが交互に積層された多層膜であり、高屈折率層24および低屈折率層26は、Alを含み、高屈折率層24のAlの組成比は、低屈折率層26のAlの組成比よりも小さく、第1電極80は、複数の高屈折率層24の上面24aと接している。第1電極80は複数の高屈折率層24の上面24aと接しているため、第1電極80と第1ミラー層20との間の抵抗(接触抵抗)を低減することができる。さらに、コンタクト層を用いることなく、第1電極80と第1ミラー層20とを電気的に接続することができるため、共振器内における光吸収を低減することができる。
In the
例えば、活性層30下にコンタクト層(例えばn型GaAs層)を設けて第1電極80と第1ミラー層20とを電気的に接続した場合、共振器内において光強度が大きい活性層30近傍に光吸収の大きいコンタクト層が設けられるため、共振器内における光吸収が大きくなってしまう。また、例えば光吸収の影響を低減するためにコンタクト層を薄く形成すると、コンタクト層を露出させるために高いエッチング精度が要求される。さらに、コンタクト層は、抵抗を下げるためにキャリア濃度が高いことが望ましいが、キャリア濃度を高くすると結晶品質が低下してしまう。このような結晶品質の低い層が活性層30の下に設けられると、活性層30や、第2ミラー層40の結晶品質も低下してしまう。
For example, when a contact layer (for example, an n-type GaAs layer) is provided under the
これに対して、面発光レーザー100では、第1電極80が複数の高屈折率層24の上面24aと接しているため、コンタクト層を設けなくても、第1電極80は広い面積で第1ミラー層20と接触することができ、低抵抗化を図ることができる。さらに、上述したコンタクト層を設けることによる、共振器内における光吸収や、活性層や第2ミラー層の結晶品質の低下等の問題が生じない。したがって、面発光レーザー100では、第1電極80と第1ミラー層20との間の抵抗(接触抵抗)を低減することができ、かつ、共振器内における光吸収を低減することができる。
On the other hand, in the
面発光レーザー100では、第1ミラー層20は、基板10上に設けられた第1部分20aと、第1部分20a上に設けられ積層体2の一部を構成している第2部分20bと、を有し、第1電極80は、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21に設けられ、当該第1部分20aの表面21は、高屈折率層24の上面24aおよび側面24bを含み、高屈折率層24の上面24aは、基板10の上面に対して平行であり、高屈折率層24の側面24bは、基板10の上面に対して傾斜している。そのため、簡易な製造工程により、第1電極80と第1ミラー層20とを電気的に接続することができる。以下、その理由について説明する。
In the
第1電極80は、積層体2をエッチングにより形成する工程において、露出した第1ミラー層20の第1部分20aの表面21に形成される。
The
ここで、例えば、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21が平坦な面(基板10の上面と平行な面)である場合、積層体2をエッチングにより形成する工程において、高屈折率層24を露出させるためには、極めて高いエッチング精度が要求される。
Here, for example, when the
これに対して、面発光レーザー100では、積層体2をエッチングにより形成する工程において、まず、第1ミラー層20の第1部分20aの表面を傾斜させ、すなわち、高屈
折率層24の側面24bおよび低屈折率層26の側面を傾斜させ(図10参照)、次に、低屈折率層26をフッ酸等により除去することにより高屈折率層24の上面24aを露出させる(図5参照)。これにより、高いエッチング精度を必要とせずに、複数の高屈折率層24の上面24aおよび側面24bを容易に露出させることができる。したがって、面発光レーザー100では、簡易な製造工程により、第1電極80と第1ミラー層20とを電気的に接続することができる。
On the other hand, in the
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6〜図9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。また、図10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5に対応している。
2. Method for Manufacturing Surface Emitting Laser Next, a method for manufacturing a surface emitting laser according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. 6 to 9 are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the
図6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。
As shown in FIG. 6, on the
図7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。これにより、第1ミラー層20には、第1部分20aと第2部分20bとが形成され、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21が露出する。本工程では、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21が、基板10の上面に対して傾斜する条件で、エッチングが行われる。これにより、図10に示すように、第1ミラー層20の表面21は、高屈折率層24の側面24b、および低屈折率層26の側面26aにより構成される。
As illustrated in FIG. 7, the
図8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。
As shown in FIG. 8, the oxidized
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。
In the method for manufacturing the
次に、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21をフッ酸(フッ化水素酸)等によりエッチングして低屈折率層26を除去し、高屈折率層24の上面24aを露出させる(図5参照)。これにより、第1ミラー層20の第1部分20aの表面21は、図5に示すように、高屈折率層24の上面24aおよび側面24b、低屈折率層26の側面26aによって構成される。
Next, the
図9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の表面21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。
As shown in FIG. 9, a
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
Through the above steps, the
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11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。
3. Atomic Oscillator Next, an atomic oscillator according to this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a functional block diagram showing the
原子発振器1000は、図11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。
As shown in FIG. 11, the
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。
The
図12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13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12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。
FIG. 12 is a diagram illustrating a frequency spectrum of light emitted from the
図13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。 As shown in FIG. 13, the energy difference between the frequency f 1 of the first sideband wave W1 frequency difference between the frequency f 2 of the second sideband wave W2 is the ground level GL1 and ground level GL2 alkali metal atom ΔE This corresponds to the frequency corresponding to 12 . Therefore, the alkali metal atom is, causing the first sideband W1 having a frequency f 1, a second sideband wave W2 having a frequency f 2, the EIT phenomenon by.
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。 The gas cell 1110 is a container in which gaseous alkali metal atoms (sodium atoms, rubidium atoms, cesium atoms, etc.) are sealed. When the gas cell 1110 is irradiated with two light waves having a frequency (wavelength) corresponding to the energy difference between the two ground levels of the alkali metal atoms, the alkali metal atoms cause an EIT phenomenon. For example, if the alkali metal atom is a cesium atom, the frequency corresponding to the energy difference between the ground level GL1 and the ground level GL2 in the D1 line is 9.19263... GHz, so the frequency difference is 9.19263. When two light waves of GHz are irradiated, an EIT phenomenon occurs.
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。
The
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。
The center
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12参照)を有する変調信号を発生させる。
Based on the detection result output from the
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。
Due to the feedback loop passing through the
次に、原子発振器1000の動作について、図11〜図13を参照しながら説明する。
Next, the operation of the
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。
Laser light emitted from the
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。
The center
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。 The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
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、20a…第1部分、20b…第2部分、21…表面、24…高屈折率層、24a…上面、24b…側面、26…低屈折率層、26a…側面、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
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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、
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、
前記第1ミラー層は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された多層膜であり、
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、Alを含み、
前記高屈折率層のAlの組成比は、前記低屈折率層のAlの組成比よりも小さく、
前記第1電極は、複数の前記高屈折率層の上面と接していることを特徴とする面発光レーザー。 A substrate,
A first mirror layer provided above the substrate;
An active layer provided above the first mirror layer;
A second mirror layer provided above the active layer;
A first electrode electrically connected to the first mirror layer;
A second electrode electrically connected to the second mirror layer;
Including
The first mirror layer, the active layer, and the second mirror layer constitute a laminate,
The first mirror layer is a multilayer film in which high refractive index layers and low refractive index layers are alternately stacked,
The high refractive index layer and the low refractive index layer include Al,
The Al composition ratio of the high refractive index layer is smaller than the Al composition ratio of the low refractive index layer,
The surface emitting laser, wherein the first electrode is in contact with the upper surfaces of the plurality of high refractive index layers.
前記第1ミラー層は、前記基板上方に設けられた第1部分と、前記第1部分上方に設けられ、前記積層体の一部を構成している第2部分と、を有し、
前記第1電極は、前記第1部分の表面に設けられていることを特徴とする面発光レーザー。 In claim 1,
The first mirror layer has a first portion provided above the substrate, and a second portion provided above the first portion and constituting a part of the stacked body,
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first electrode is provided on a surface of the first portion.
前記第1部分の表面は、前記高屈折率層の上面および側面を含み、
前記高屈折率層の上面は、前記基板の上面に対して平行であり、
前記高屈折率層の側面は、前記基板の上面に対して傾斜していることを特徴とする面発光レーザー。 In claim 2,
The surface of the first portion includes an upper surface and a side surface of the high refractive index layer,
The upper surface of the high refractive index layer is parallel to the upper surface of the substrate,
A surface emitting laser characterized in that a side surface of the high refractive index layer is inclined with respect to an upper surface of the substrate.
前記第1電極は、複数の前記低屈折率層の側面と接していることを特徴とする面発光レーザー。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first electrode is in contact with side surfaces of the plurality of low refractive index layers.
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、AlGaAs層であることを特徴とする面発光レーザー。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the high refractive index layer and the low refractive index layer are AlGaAs layers.
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