JP2017084936A - 光源および原子発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】光源の出力波長と光出力とを個別に制御することができる原子発振器を提供する。【解決手段】光源１００は、第１反射層２０と活性層２２と第２反射層２４との順に積層された光発振層２９と、第１半導体層５１と量子井戸層５２と第２半導体層５３との順に積層された電界吸収層５９と、光発振層２９と電界吸収層５９との間に配置され、第２反射層２４よりも熱伝導率が低い断熱層４０と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、光源および原子発振器に関する。
原子の遷移エネルギーを基準周波数として用いる原子発振器は、最も高精度な発振器の１つとして、通信基地局などで広く用いられている。原子発振器にはいくつかの方式があるが、ルビジウム（Ｒｂ）ランプを用いたマイクロ波二重共鳴方式が最も一般的に用いられている。
近年、量子干渉効果の１つであるＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）と呼ばれる現象を用いた原子発振器が提案され（例えば特許文献１参照）、従来に比べ原子発振器の小型化、低消費電力化が期待されている。ＣＰＴ方式の場合、光源にはレーザーなどのコヒーレントな光源を用い、高周波信号を重畳することで、その側波帯をＣＰＴ現象の発現に用いる。ＣＰＴ方式の原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長（周波数）を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）を利用した発振器である。
原子発振器の光源としてＣＰＴ現象を発現させるためには、レーザー素子等の出力波長の高精度な調整が必要となる。レーザー素子等への注入電流を変化させると出力波長を調整することが可能である。
特開２０１５−６２１６７号公報
しかしながら、レーザー素子への注入電流を変化させると、同時にレーザー素子等の光出力が変化してしまうため、これを考慮して原子発振器の制御ループを形成する必要があり、複雑な制御が必要となる。そのため、出力波長と光出力とを個別に制御することができる光源が求められている。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、出力波長と光出力とを個別に制御することができる光源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、上記の光源を含む原子発振器を提供することにある。
本発明に係る光源は、
第１反射層と活性層と第２反射層との順に積層された光発振層と、
第１半導体層と量子井戸層と第２半導体層との順に積層された電界吸収層と、
前記光発振層と前記電界吸収層との間に配置され、前記第２反射層よりも熱伝導率が低い断熱層と、
を含む。
このような光源では、活性層に注入する電流量を変化させて、光源から射出される光の中心波長を変化させる場合に、光源から射出される光の光出力（光量）が所定の値からず
れたとしても、電界吸収層に印加する電圧を変化させることにより、光源から射出される光の光出力を所定の値に戻すことができる。さらに、このような光源は、電界吸収層が（量子井戸層が）光を吸収して発熱したとしても、該熱を断熱層によって断熱し、該熱が、第２反射層や活性層に到達することを抑制することができる。これにより、電界吸収層において発生した熱による光源の温度変化を抑制することができる。したがって、光源の中心波長が温度によって変動することを抑制することができ、活性層への注入電流量と、電界吸収層への印加電圧と、によって、光源の出力波長（中心波長）と光出力とを個別に（独立して）制御することができる。
本発明に係る光源において、
前記断熱層は、酸化アルミニウム層であってもよい。
このような光源、例えば、ＡｌＡｓ層を、電流狭窄層を形成する工程（詳細は後述する）において酸化して断熱層を形成することができる。これにより、別途、ＡｌＡｓ層を酸化する工程を設ける必要がなく、その分、製造工程を短縮することができる。
本発明に係る光源において、
前記断熱層と前記第１半導体層との間に設けられたコンタクト層を含み、
前記コンタクト層の前記第１半導体層が配置される面に、前記電界吸収層に電圧を印加するための電極が設けられていてもよい。
このような光源では、電極が第１半導体層と直接接触している場合に比べて、電極の接触抵抗を低減することができる。
本発明に係る光源において、
前記活性層および前記第１反射層の積層方向からみて、前記断熱層の面積は、前記第１半導体層の面積よりも小さくてもよい。
このような光源では、電界吸収層が光を吸収して発熱したとしても、該熱が、断熱層および第２反射層と第１コンタクト層との間の空間によって、第２反射層や活性層に到達することを抑制することができる。
本発明に係る光源において、
前記断熱層の周囲に、前記断熱層よりも熱伝導率が低い層が設けられていてもよい。
このような光源では、第２反射層と第１コンタクト層との間に空間が設けられている場合に比べて、耐衝撃性を向上させることができる。
本発明に係る原子発振器は、
アルカリ金属原子を封入したガスセルと、
前記ガスセルに光を照射する本発明に係る光源と、
前記ガスセルを透過した光の光量を検出する光検出手段と、
を含む。
このような電子発振器は、出力波長と光出力とを個別に制御することができる光源を含むことができる。
本実施形態に係る光源を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る光源を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光源を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光源を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光源を説明するための回路図。 本実施形態に係る光源の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光源の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光源の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の第１変形例に係る光源を模式的に示す断面図。 本実施形態の第１変形例に係る光源を模式的に示す平面図。 本実施形態の第１変形例に係る光源を模式的に示す断面図。 本実施形態の第２変形例に係る光源を模式的に示す平面図。 本実施形態の第２変形例に係る光源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． 光源
まず、本実施形態に係る光源について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る光源１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る光源１００を模式的に示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、本実施形態に係る光源１００を模式的に示す図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４、本実施形態に係る光源１００を模式的に示す図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、本実施形態に係る光源１００を説明するための回路図である。
光源１００は、図１〜図４に示すように、基板１０と、第１反射層２０と、活性層２２と、第２反射層２４と、電流狭窄層２６と、第１電極３０と、第２電極３２と、断熱層４０と、第１コンタクト層５０と、第１半導体層５１と、量子井戸層５２と、第２半導体層５３と、第２コンタクト層５４と、第３電極６０と、第４電極６２と、絶縁層７０，７２，７４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反射層２０は、基板１０上に設けられている。第１反射層２０は、第１導電型の半導体層である。第１反射層２０は、高屈折率層と、高屈折率層よりも屈折率が低い低屈折率層と、を交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーである。高屈折率層は、例えば、ｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、ｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（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２２は、第１反射層２０上に設けられている。活性層２２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反射層２４は、活性層２２上に設けられている。第２反射層は、第２導電型（例え
ばｐ型）の半導体層である。第２反射層２４は、高屈折率層と、高屈折率層よりも屈折率が低い低屈折率層と、を交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーである。高屈折率層は、例えば、ｐ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、ｐ型のＡｌＧａＡｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（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反射層２４、活性層２２、および第１反射層２０は、光発振層２９を構成している。光発振層２９は、第１反射層２０と活性層２２と第２反射層２４との順に積層された積層体である。光発振層２９は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。図５に示すように、電源２と電気的に接続された電極３０，３２間に、ｐｉｎダイオード３の順方向の電圧を印加すると、活性層２２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２２で発生した光は、第１反射層２０と第２反射層２４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、第２コンタクト層５４の上面から、垂直方向に（活性層２２および第１反射層２０の積層方向に）レーザー光が射出される。該レーザー光の波長は、例えば、８００ｎｍ以上９５０ｎｍ以下であり、具体的には、８５２ｎｍや８９５ｎｍである。
電流狭窄層２６は、第１反射層２０と第２反射層２４との間に設けられている。図２に示す例では、電流狭窄層２６は、活性層２２上に設けられている。電流狭窄層２６は、開口部が形成された絶縁層であり、該開口部には第２反射層２４が設けられている。電流狭窄層２６の平面形状（活性層２２および第１反射層２０の積層方向からみた形状）は、リング状である。電流狭窄層２６は、電極３０，３２によって垂直共振器に注入される電流が平面方向（活性層２２および第１反射層２０の積層方向と直交する方向）に広がることを抑制することができる。
電流狭窄層２６、第２反射層２４、活性層２２、および第１反射層２０は、柱状部２８を構成している。柱状部２８の平面形状は、例えば、円形である。
第１電極３０は、基板１０下に設けられている。第１電極３０は、例えば、第１電極３０とオーミックコンタクトする層（図２に示す例では基板１０）の下面に設けられている。第１電極３０は、第１反射層２０と電気的に接続されている。第１電極３０としては、例えば、基板１０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３０は、活性層２２に電流を注入するための一方の電極である。
第２電極３２は、第２反射層２４上に配置されている。第２電極３２は、第２反射層２４と電気的に接続されている。第２電極３２としては、例えば、第２反射層２４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３２は、活性層２２に電流を注入するための他方の電極である。
第２電極３２は、図１に示すように、接触部３２ａと、引出部３２ｂと、パッド部３２ｃと、を有している。接触部３２ａは、第２反射層２４と接触している。図１に示す例では、接触部３２ａは、平面視において（活性層２２および第１反射層２０の積層方向からみて）、リング形状の一部を切り取った形状を有し、第１コンタクト層５０を取り囲むように設けられている。引出部３２ｂの平面形状は、例えば、直線状である。引出部３２ｂは、接触部３２ａとパッド部３２ｃとを接続している。引出部３２ｂおよびパッド部３２ｃは、絶縁層７０上に設けられている。パッド部３２ｃは、電極パッドとして外部の配線等と接続される。図示の例では、パッド部３２ｃの平面形状は、円形である。なお、絶縁層７０は、例えば、柱状部２８の側面に接して、柱状部２８を取り囲むように設けられている。絶縁層７０は、例えば、ポリイミド層、酸化シリコン層である。
第２電極３２、第２反射層２４、活性層２２、第１反射層２０、および第１電極３０は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を構成している。
断熱層４０は、第２反射層２４上に配置されている。断熱層４０は、第２反射層２４と第１コンタクト層５０との間に（光発振層２９と電界吸収層５９との間に）配置されている。断熱層４０は、例えば、第２反射層２４と第１コンタクト層５０とを電気的に分離している。断熱層４０の平面形状は、例えば、円形である。平面視において、断熱層４０の面積は、第２反射層２４の上面の面積よりも小さく、断熱層４０は、第２反射層２４の外縁の内側に設けられている。断熱層４０の熱伝導率は、第２反射層２４の熱伝導率よりも低い。具体的には、断熱層４０の熱伝導率は、第２反射層２４を構成する高屈折率層の熱伝導率よりも低く、かつ第２反射層２４を構成する低屈折率層の熱伝導率よりも低い。断熱層４０は、例えば、酸化アルミニウム層（ＡｌｘＯｙ層）である。例えば、Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は、０．３Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）である。
第１コンタクト層５０は、断熱層４０上に配置されている。第１コンタクト層５０は、断熱層４０と第１半導体層５１との間に設けられている。図１に示す例では、第１コンタクト層５０の平面形状は、円形である。平面視において、第１コンタクト層５０の面積と断熱層４０の面積とは、例えば、同じである。第１コンタクト層５０は、例えば、ｐ型のＧａＡｓ層である。
第１半導体層５１は、第１コンタクト層５０上に設けられている。第１半導体層５１の平面形状は、例えば、円形である。平面視において、第１半導体層５１の面積は、第１コンタクト層５０の上面の面積よりも小さく、第１半導体層５１は、第１コンタクト層５０の外縁の内側に設けられている。第１半導体層５１は、例えば、ｐ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層である。
量子井戸層５２は、第１半導体層５１上に設けられている。ｉ型のＧａＡｓウェル層とｉ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
第２半導体層５３は、量子井戸層５２上に設けられている。第２半導体層５３は、例えば、ｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層である。半導体層５１，５３は、量子井戸層５２よりもバンドギャップが大きく、屈折率が小さい層である。
第２半導体層５３、量子井戸層５２、および第１半導体層５１は、電界吸収層５９を構成している。電界吸収層５９は、第１半導体層５１と量子井戸層５２と第２半導体層５３との順に積層された積層体である。電界吸収層５９は、ｐｉｎダイオード（ｐｉｎフォトダイオード）を構成している。図５に示すように、電源４と電気的に接続された電極６０，６２間に、ｐｉｎダイオード５の逆方向の電圧を印加すると、量子井戸層５２において光を吸収することができる。これにより、光発振層２９において生じた光（面発光レーザーにおいて生じたレーザー光）を吸収することができる。電界吸収層５９に印加する電圧の大きさによって、量子井戸層５２における光の吸収量を調整することができる。
なお、電界吸収層５９を含んで構成されるｐｉｎフォトダイオードは、量子井戸層５２で光を吸収して励起される電子と正孔とによる光電流を、外部回路に信号として取り出してもよいし、取り出さなくてもよい。
ここで、電界吸収層５９に電圧を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により、電
界吸収層５９の吸収波長（吸収ピーク波長）が、電圧を印加しない場合に比べて、長波長側にシフトする。そのため、電界吸収層５９に電圧を印加しない状態では、電界吸収層５９における吸収ピーク波長を、光発振層２９における（面発光レーザーにおける）発振波長よりも短波長側に設定しておく。そして、電界吸収層５９に電圧を印加することで、電界吸収層５９の吸収ピーク波長をシフトさせて、光発振層２９において生じる光を吸収する。
例えば、光発振層２９における発振波長が８５２ｎｍの場合、電圧を印加しない状態において電界吸収層５９の（量子井戸層５２の）の吸収ピーク波長が８００ｎｍとなるようにする。この場合、量子井戸層５２として、厚さ４ｎｍのＧａＡｓウェル層と厚さ１０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するものを用いる。
第２コンタクト層５４は、第２半導体層５３上に設けられている。図１に示す例では、第２コンタクト層５４の平面形状は、円形である。第２コンタクト層５４の材質は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。
第３電極６０は、第１コンタクト層５０上に設けられている。第３電極６０は、第１コンタクト層５０の第１半導体層５１が配置される面に設けられている。第３電極６０は、第１半導体層５１と電気的に接続されている。第３電極６０は、例えば、第１コンタクト層５０とオーミックコンタクトしている。第３電極６０の材質は、例えば、第２電極３２の材質と同じである。第３電極６０は、電界吸収層５９に電圧を印加するための一方の電極である。
第３電極６０は、図１に示すように、接触部６０ａと、引出部６０ｂと、パッド部６０ｃと、を有している。接触部６０ａは、第１コンタクト層５０と接触している。図１に示す例では、接触部６０ａは、平面視において、リング形状の一部を切り取った形状を有し、第２コンタクト層５４を取り囲むように設けられている。引出部６０ｂの平面形状は、例えば、直線状である。引出部６０ｂは、接触部６０ａとパッド部６０ｃとを接続している。引出部６０ｂおよびパッド部６０ｃは、絶縁層７２上に設けられている。パッド部６０ｃは、電極パッドとして外部の配線等と接続される。図示の例では、パッド部６０ｃの平面形状は、円形である。なお、絶縁層７２は、図４に示すように、断熱層４０および第１コンタクト層５０の側面に接して、絶縁層７０上に設けられている。絶縁層７２の材質は、例えば、絶縁層７０の材質と同じである。
第４電極６２は、第２コンタクト層５４上に設けられている。第４電極６２は、第２半導体層５３と電気的に接続されている。第４電極６２は、例えば、第２コンタクト層５４とオーミックコンタクトしている。第４電極６２の材質は、例えば、第１電極３０の材質と同じである。第４電極６２は、電界吸収層５９に電圧を印加するための他方の電極である。
第４電極６２は、図１に示すように、接触部６２ａと、引出部６２ｂと、パッド部６２ｃと、を有している。接触部６２ａは、第２コンタクト層５４と接触している。図１に示す例では、接触部６２ａの平面形状は、リング形状である。引出部６２ｂの平面形状は、例えば、直線状である。引出部６２ｂは、接触部６２ａとパッド部６２ｃとを接続している。引出部６２ｂおよびパッド部６２ｃは、絶縁層７４上に設けられている。パッド部６２ｃは、電極パッドとして外部の配線等と接続される。図示の例では、パッド部６２ｃの平面形状は、円形である。平面視において、パッド部３２ｃ，６０ｃ，６２ｃの面積は、例えば、同じである。なお、絶縁層７４は、図３に示すように、電界吸収層５９および第２コンタクト層５４の側面に接して、絶縁層７２上に設けられている。絶縁層７４の材質
は、例えば、絶縁層７０の材質と同じである。
なお、図示はしないが、絶縁層７２は、断熱層４０および第１コンタクト層５０を取り囲むように設けられていてもよく、絶縁層７４は、電界吸収層５９および第２コンタクト層５４を取り囲むように設けられていてもよい。
また、上記では、ＡｌＧａＡｓ系の光源について説明したが、光源は、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。
光源１００は、例えば、以下の特徴を有する。
光源１００は、第１反射層２０と活性層２２と第２反射層２４との順に積層された光発振層２９と、第１半導体層５１と量子井戸層５２と第２半導体層５３との順に積層された電界吸収層５９と、を有する。そのため、光源１００では、活性層２２に注入する電流量を変化させて、光源１００から射出される光（第２コンタクト層５４の上面から射出される光）の波長（中心波長）を変化させる場合に、光源１００から射出される光の光出力（光量）が所定の値からずれたとしても、電界吸収層５９に（量子井戸層５２に）印加する電圧を変化させることにより、光源１００から射出される光の光出力を所定の値に戻すことができる。
さらに、光源１００では、光発振層２９と電界吸収層５９との間に配置され、第２反射層２４よりも熱伝導率が低い断熱層４０を有する。そのため、電界吸収層５９が（量子井戸層５２が）光を吸収して発熱したとしても、該熱を断熱層４０によって断熱し、該熱が、第２反射層２４や活性層２２に到達することを抑制することができる。これにより、光源１００では、電界吸収層５９において発生した熱による光源１００の温度変化を抑制することができる。したがって、光源１００では、光源１００の中心波長が温度によって変動することを抑制することができ、活性層２２への注入電流量と、電界吸収層５９への印加電圧と、によって、光源１００の出力波長と光出力とを個別に（独立して）制御することができる。
光源１００では、断熱層４０は、酸化アルミニウム層である。そのため、光源１００では、例えば、ＡｌＡｓ層を、電流狭窄層２６を形成する工程において酸化して断熱層４０を形成することができる。これにより、別途、ＡｌＡｓ層を酸化する工程を設ける必要がなく、その分、製造工程を短縮することができる。
光源１００では、第１コンタクト層５０の第１半導体層５１が配置される面に、電界吸収層５９に電圧を印加するための第３電極６０が設けられている。そのため、光源１００では、第３電極６０が第１半導体層５１と直接接触している場合に比べて、第３電極６０の接触抵抗を低減することができる。
２． 光源の製造方法
次に、本実施形態に係る光源１００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８は、本実施形態に係る光源１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
図６に示すように、基板１０上に、第１反射層２０、活性層２２、酸化されて一部が電流狭窄層２６となる被酸化層２６ａ、第２反射層２４、酸化されて断熱層４０となる被酸化層４０ａ、第１コンタクト層５０、第１半導体層５１、量子井戸層５２、第２半導体層５３、および第２コンタクト層５４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 Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法が挙げられる。
図７に示すように、第２コンタクト層５４、第２半導体層５３、量子井戸層５２、第１半導体層５１、第１コンタクト層５０、被酸化層４０ａ、第２反射層２４、被酸化層２６ａ、活性層２２、第１反射層２０を、所定形状にパターニングする。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。第２コンタクト層５４、第２半導体層５３、量子井戸層５２、および第１半導体層５１は、同一の工程で（例えば同時に）パターニングされてもよい。第１コンタクト層５０および被酸化層４０ａは、同一の工程でパターニングされてもよい。第２反射層２４、被酸化層２６ａ、活性層２２、第１反射層２０は、同一の工程でパターニングされてもよい。各層をパターニングする順序は、特に限定されない。本工程により柱状部２８を形成することができる。
図８に示すように、被酸化層２６ａの一部を酸化して電流狭窄層２６を形成し、被酸化層４０ａを酸化して断熱層４０を形成する。被酸化層２６ａは、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層である。被酸化層４０ａは、例えば、ＡｌＡｓ層である。例えば、４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、各層が形成された基板１０を投入することにより、被酸化層２６ａおよび被酸化層４０ａを側面から酸化して、電流狭窄層２６および断熱層４０を形成する。
図２に示すように、柱状部２８の周囲に絶縁層７０を形成する。絶縁層７０は、例えば、スピンコート法やＣＶＤ法による成膜、およびパターニングより形成される。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。
図３および図４に示すように、絶縁層７０上に、絶縁層７２，７４を形成する。絶縁層７２，７４は、例えば、スピンコート法やＣＶＤ法による成膜、およびパターニングより形成される。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。
図２に示すように、基板１０下に第１電極３０を形成し、第２反射層２４上に第２電極３２を形成し、第１コンタクト層５０上に第３電極６０を形成し、第２コンタクト層５４上に第４電極６２を形成する。電極３０，３２，６０，６２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３０，３２，６０，６２を形成する順序は、特に限定されない。
以上の工程により、光源１００を製造することができる。
３． 光源の変形例
３．１． 第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る光源について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態の第１変形例に係る光源２００を模式的に示す断面図ある。図１０は、本実施形態の第１変形例に係る光源２００を模式的に示す平面図ある。なお、便宜上、図１０では、第４電極６２の接触部６２ａ、第１コンタクト層５０、および断熱層４０以外の部材の図示を省略している。
以下、本実施形態の第１変形例に係る光源２００において、本実施形態に係る光源１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。このことは、後述する本実施形態の第２変形例に係る光源についても同様である。
光源１００では、図５に示すように、平面視において、断熱層４０の面積は、第１コンタクト層５０の面積と同じであった。
これに対し、光源２００では、図９および図１０に示すように、平面視において、断熱層４０の面積は、第１コンタクト層５０の面積よりも小さい。断熱層４０は、平面視において、第１コンタクト層５０の外縁の内側に設けられている。第２反射層２４と第１コンタクト層５０との間には、空間６が設けられている。図示の例では、平面視において、断熱層４０の直径Ｒ１は、第４電極６２の接触部６２ａの外径と同じ大きさであり、直径Ｒ１は、接触部６２ａの内径Ｒ２よりも大きい。平面視において、断熱層４０の面積は、接触部６２ａによって規定される開口部１６２の面積よりも大きく、開口部１６２は、断熱層４０の外縁の内側に設けられている。さらに、図示の例では、平面視において、断熱層４０の直径Ｒ１は、電流狭窄層２６に設けられた開口部の内径よりも大きい。
断熱層４０は、例えば、フッ化水素（ＨＦ）で選択的にエッチングすることにより、直径Ｒ１を調整することができる。なお、フッ化水素で断熱層４０をエッチングする際には、レジスト等で電流狭窄層２６を保護しておく。
光源２００では、平面視において、断熱層４０の面積は、第１コンタクト層５０の面積よりも小さい。そのため、光源２００では、第２反射層２４と第１コンタクト層５０との間には、空間６が設けられている。これにより、光源２００では、電界吸収層５９が光を吸収して発熱したとしても、該熱を断熱層４０および空間６により断熱し、該熱が、第２反射層２４や活性層２２に到達することを抑制することができる。
光源２００では、平面視において、断熱層４０の面積は、接触部６２ａによって規定される開口部１６２の面積よりも大きく、開口部１６２は、断熱層４０の外縁の内側に設けられている。そのため、光源２００では、活性層２２で生じ第２コンタクト層５４の上面から射出される光が、断熱層４０と空間６との境界を通過することを抑制することができる。これにより、光源２００では、断熱層４０と空間６との境界における光の散乱や損失を抑制することができる。
なお、図１１に示すように、断熱層４０の周囲に、断熱層よりも熱伝導率が低い低熱伝導率層４１が設けられていてもよい。換言すると、断熱層４０を平面視した場合（積層方向から見た場合）、断熱層４０は低熱伝導率層４１で囲われている。低熱伝導率層４１は、第２反射層２４と第１コンタクト層５０との間に設けられている。低熱伝導率層４１は、例えば、ポリイミド層である。例えば、ポリイミドの熱伝導率は、０．０１８Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）である。低熱伝導率層４１は、例えば、ＣＶＤ法、スピンコート法により形成される。低熱伝導率層４１を設けることによって、第２反射層２４と第１コンタクト層５０との間に空間６が設けられている場合（図９に示す場合）に比べて、耐衝撃性を向上させることができる。さらに、電界吸収層５９が光を吸収して発熱したとしても、該熱を断熱層４０および低熱伝導率層４１により断熱し、該熱が、第２反射層２４や活性層２２に到達することを抑制することができる。
３．２． 第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る光源について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の第２変形例に係る光源３００を模式的に示す平面図ある。図１３は、本実施形態の第２変形例に係る光源３００を模式的に示す図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図ある。
光源３００では、図１３に示すように、熱拡散層４２を有する点において、上述した光源１００と異なる。
熱拡散層４２は、断熱層４０上に設けられている。熱拡散層４２は、断熱層４０と第１コンタクト層５０との間に設けられている。熱拡散層４２の平面形状は、例えば、円形である。平面視において、熱拡散層４２の面積と断熱層４０の面積とは、例えば、同じである。熱拡散層４２の熱伝導率は、第２反射層２４の熱伝導率よりも高い。具体的には、熱拡散層４２の熱伝導率は、第２反射層２４を構成する高屈折率層の熱伝導率よりも高く、かつ第２反射層２４を構成する低屈折率層の熱伝導率よりも高い。熱拡散層４２は、例えば、ｉ型のＡｌＡｓ層、ｉ型のＧａＡｓ層である。例えば、ｉ型のＧａＡｓの熱伝導率は、０．５５Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）である。
熱拡散層４２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法により形成される。電流狭窄層２６を形成する工程では、熱拡散層４２が酸化しないように、熱拡散層４２の側面をレジスト等で覆う。
光源３００では、図１２に示すように、第３電極６０は、接触部６０ａと、接触部６０ａに接続されたパッド部６０ｃと、を有している。パッド部６０ｃは、第１部分６０１と第２部分６０２とを有している。平面視において、第１部分６０１の面積は、パッド部３２ｃの面積、およびパッド部６２ｃの面積よりも大きい。平面視において、第２部分６０２の面積は、パッド部３２ｃの面積、およびパッド部６２ｃの面積よりも大きい。図示の例では、第１部分６０１および第２部分６０２の平面形状は、略四角形である。平面視において、第１部分６０１および第２部分６０２は、第２コンタクト層５４の中心に関して点対称に設けられていてもよい。
光源３００では、断熱層４０と第１コンタクト層５０との間には、第２反射層２４よりも熱伝導率が高い熱拡散層４２が設けられている。そのため、光源３００では、電界吸収層５９が光を吸収して発熱したとしても、該熱を、熱拡散層４２を介して外部に拡散させることができ、該熱が、第２反射層２４や活性層２２に到達することを抑制することができる。具体的には、電界吸収層５９において発生した熱は、第１コンタクト層５０、熱拡散層４２、接触部６０ａ、およびパッド部６０ｃを介して外部に放出される。
光源３００では、第３電極６０のパッド部６０ｃは、第１部分６０１および第２部分６０２を有し、平面視において、第１部分６０１の面積は、パッド部３２ｃ，６２ｃの面積よりも大きく、第２部分６０２の面積は、パッド部３２ｃ，６２ｃの面積よりも大きい。そのため、光源３００では、例えば、パッド部６０ｃの面積がパッド部３２ｃ，６２ｃの面積と同じ場合に比べて、電界吸収層５９において発生した光を、パッド部６０ｃから効率よく外部に放出することができる。
４． 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１４は、本実施形態に係る原子発振器１０００の機能ブロック図である。本発明に係る原子発振器は、本発明に係る光源を含む。以下では、本発明に係る光源として光源１００を含む原子発振器１０００について説明する。
原子発振器１０００は、図１４に示すように、光源１００と、ガスセル１０２と、光検出手段（光検出部）１０４と、光出力可変部１０６と、中心波長可変部１０８と、高周波発生部１１０と、吸収検出部１１２と、ＥＩＴ検出部１１４と、制御部１２０と、を含む。制御部１２０は、光出力制御部１２２と、中心波長制御部１２４と、高周波制御部１２６と、を有している。原子発振器１０００は、２つの異なる周波数成分を有する共鳴光対（第１光および第２光）によってアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる。
光源１００は、互いに周波数が異なる第１光および第２光を発生させて、ガスセル１０２に封入されたアルカリ金属原子を照射する。
ここで、図１５は、共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。図１６は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波（第１光）Ｗ１および第２側帯波（第２光）Ｗ２の関係を示す図である。光源１００から射出される光Ｌは、図１５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１６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。
ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図１６に示すように、アルカリ金属原子は、２つの基底準位を有し、基底準位ＧＬ１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ１）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位ＧＬ２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ２）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図１５に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２とを同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、すなわち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２とがアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。この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。
ガスセル１０２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）を封入したものである。セシウム原子は、例えば、８０℃程度に加熱されて気体状となる。このガスセル１０２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（第１光および第２光）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と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１０４は、ガスセル１０２を透過した（ガスセル１０２に封入されたアルカリ金属原子を透過した）光の光量を（強度を）検出する。光検出部１０４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１０４としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
光出力可変部１０６は、光出力制御部１２２からの信号に基づいて、光源１００の電極６０，６２間に電圧を印加し、光源１００の光出力（光量）を変化させる。光出力可変部１０６は、電極６０，６２間に電圧を印加する電源４を含んで構成されていてもよい。
中心波長可変部１０８は、中心波長制御部１２４からの信号に基づいて、光源１００の電極３０，３２間に電圧を印加して活性層２２に電流を注入し、光源１００から射出される光Ｌの中心波長を変化させる。これにより、光Ｌに含まれる共鳴光対（第１光および第２光）の中心波長を変化させることができる。中心波長可変部１０８は、電極３０，３２間に電圧を印加する電源２を含んで構成されていてもよい。
高周波発生部１１０は、高周波制御部１２６からの信号に基づいて、光源１００の電極３０，３２間に高周波信号を供給して共鳴光対を生成する。高周波発生部１１０は、専用回路によって実現されていてもよい。
吸収検出部１１２は、例えば、光Ｌの中心波長を変えたときの光検出部１０４が出力した検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）を検出する。吸収検出部１１２は、専用回路によって実現されていてもよい。
ＥＩＴ検出部１１４は、光検出部１０４が出力した検出信号を同期検波して、ＥＩＴ現象を検出する。ＥＩＴ検出部１１４は、専用回路によって実現されていてもよい。
光出力制御部１２２は、光検出部１０４が出力した検出信号の光量の平均（ＤＣ成分）に基づいて、光出力可変部１０６を制御することにより、光源１００の電界吸収層５９に印加する（量子井戸層５２に印加する）電圧を制御して、電界吸収層５９における（量子井戸層５２における）光吸収量を変化させる。これにより、光出力制御部１２２は、光源１００の光出力（光量）を変化させることができる。光出力制御部１２２は、検出信号の光量の移動平均に基づいて、光出力可変部１０６を制御してもよい。光出力制御部１２２は、光源１００から射出される光出力が一定となるように（例えば光検出部１０４が出力した検出信号のＤＣ成分が一定となるように）、電界吸収層５９に印加する電圧を制御する。光出力制御部１２２は、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路を含んで構成されていてもよい。
中心波長制御部１２４は、吸収検出部１１２からの信号に基づいて、中心波長可変部１０８を制御することにより、光源１００の活性層２２に注入する電流を制御して、光源１００から射出される光Ｌの光出力（光量）および波長（中心波長）を変化させる。
高周波制御部１２６は、ＥＩＴ検出部１１４からの信号に基づいて、高周波発生部１１０に、高周波信号を発生する信号を入力する。
なお、制御部１２０は、専用回路によって実現して上記の制御を行うように構成されていてもよい。また、制御部１２０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）がＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置に記憶された制御プログラムを実行することによってコンピューターとして機能し、上記の制御を行うように構成されていてもよい。
次に、原子発振器１０００の動作について説明する。まず、停止状態の原子発振器１０００を起動する際の初期動作について説明する。
高周波制御部１２６は、高周波発生部１１０に信号を入力し、高周波発生部１１０から光源１００に高周波信号を入力する。このとき、高周波信号の周波数を、ＥＩＴ現象が発生しないように僅かにずらしておく。例えばガスセル１０２のアルカリ金属原子としてセシウムを用いた場合、４．５９６・・・ＧＨｚの値からずらす。
次に、中心波長制御部１２４は、中心波長可変部１０８を制御して、光Ｌの中心波長をスイープさせる。このとき、高周波信号の周波数は、ＥＩＴ現象が発生しないように設定されているので、ＥＩＴ現象は発生しない。吸収検出部１１２は、光Ｌの中心波長をスイープしたときに、光検出部１０４において出力される検出信号の強度の最小値（吸収の底）を検出する。吸収検出部１１２は、例えば、光Ｌの中心波長に対する、検出信号の強度変化が一定となったところを、吸収の底とする。
吸収検出部１１２が吸収の底を検出すると、中心波長制御部１２４は、中心波長可変部１０８を制御して、中心波長を固定する（ロックする）。すなわち、中心波長制御部１２４は、光Ｌの中心波長を、吸収の底に相当する波長に固定する。
次に、光出力制御部１２２は、光検出部１０４が出力した検出信号のＤＣ成分に基づいて、光出力可変部１０６を制御し、光源１００の光出力を変化させる。具体的には、光出力制御部１２２は、検出信号のＤＣ成分が所定の値になるように、光源１００の光出力を変化させる。
次に、高周波制御部１２６は、高周波発生部１１０を制御して、高周波信号の周波数をＥＩＴ現象が発生する周波数に合わせる。その後、ループ動作に移行して、ＥＩＴ検出部１１４によりＥＩＴ信号を検出する。
次に、原子発振器１０００のループ動作について説明する。
ＥＩＴ検出部１１４は、光検出部１０４が出力した検出信号を同期検波し、高周波制御部１２６は、ＥＩＴ検出部１１４から入力される信号に基づいて、高周波発生部１１０が発生する高周波信号の周波数を、ガスセル１０２のアルカリ金属原子のΔＥ１２の半分に相当する周波数となるように制御する。
吸収検出部１１２は、光検出部１０４が出力した検出信号を同期検波し、中心波長制御部１２４は、吸収検出部１１２から入力される信号に基づいて、光Ｌの中心波長が、光検出部１０４において出力される検出信号の強度の最小値（吸収の底）に相当する波長となるように、中心波長可変部１０８を制御する。
光出力制御部１２２は、光検出部１０４が出力した検出信号のＤＣ成分に基づいて、光出力可変部１０６を制御する。具体的には、検出信号のＤＣ成分が所定の値より小さくなった場合に、光出力制御部１２２は、検出信号のＤＣ成分が所定の値になるように、光出力可変部１０６を制御する。光出力制御部１２２の制御により、光Ｌの中心波長が、吸収の底に相当する波長からずれたとしても、上記の中心波長制御部１２４の制御により、光Ｌの中心波長を、吸収の底に相当する波長に合わせることができる。さらに、中心波長制御部１２４の制御により、検出信号のＤＣ成分が所定の値からずれたとしても、上記の光出力制御部１２２の制御により、検出信号のＤＣ成分を所定の値に戻すことができる。
なお、原子発振器１０００では、光源１００の温度（駆動温度）が一定となるように制御されていてもよい。
原子発振器１０００は、出力波長と光出力とを個別に（独立して）制御することができる光源１００を含む。そのため、原子発振器１０００では、活性層２２に注入する電流量を変化させて、光源１００から射出される光（第２コンタクト層５４の上面から射出される光）の波長（中心波長）を変化させる場合に、光源１００から射出される光の光出力（光量）が所定の値からずれたとしても、電界吸収層５９に印加する電圧を変化させること
により、光源１００から射出される光の光出力を所定の値に戻すことができる。さらに、原子発振器１０００では、電界吸収層５９において発生した熱による光源１００の温度変化を抑制することができる。原子発振器１０００では、例えば、光源１００の中心波長を一定にするために、数十ｍＫという単位で光源１００の駆動温度を制御する必要があり、断熱層４０によって、温度の制御を容易にすることができる。
さらに、活性層に注入する電流量を一定とし光源の駆動温度を一定として光源を駆動させた場合においても、長期的には、光源の出力波長および光出力は、変化する場合がある。このような場合においても、光源１００では、出力波長と光出力とを個別に制御することができ、原子発振器１０００の長期安定度の向上を図ることができる。
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
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…電源、３…ｐｉｎダイオード、４…電源、５…ｐｉｎダイオード、６…空間、１０…基板、２０…第１反射層、２２…活性層、２４…第２反射層、２６…電流狭窄層、２６ａ…被酸化層、２８…柱状部、２９…光発振層、３０…第１電極、３２…第２電極、３２ａ…接触部、３２ｂ…引出部、３２ｃ…パッド部、４０…断熱層、４０ａ…被酸化層、４１…低熱伝導率層、４２…熱拡散層、５０…第１コンタクト層、５１…第１半導体層、５２…量子井戸層、５３…第２半導体層、５４…第２コンタクト層、５９…電界吸収層、６０…第３電極、６０ａ…接触部、６０ｃ…パッド部、６２…第４電極、６２ａ…接触部、６２ｂ…引出部、６２ｃ…パッド部、７０，７２，７４…絶縁層、１００…光源、１０２…ガスセル、１０４…光検出部、１０６…光出力可変部、１０８…中心波長可変部、１１０…高周波発生部、１１２…吸収検出部、１１４…ＥＩＴ検出部、１２０…制御部、１２２…光出力制御部、１２４…中心波長制御部、１２６…高周波制御部、１６２…開口部、２００，３００…光源、６０１…第１部分、６０２…第２部分、１０００…原子発振器

Claims (6)

  1. 第１反射層と活性層と第２反射層との順に積層された光発振層と、
    第１半導体層と量子井戸層と第２半導体層との順に積層された電界吸収層と、
    前記光発振層と前記電界吸収層との間に配置され、前記第２反射層よりも熱伝導率が低い断熱層と、
    を含む、ことを特徴とする光源。
  2. 前記断熱層は、酸化アルミニウム層である、ことを特徴とする請求項１に記載の光源。
  3. 前記断熱層と前記第１半導体層との間に設けられたコンタクト層を含み、
    前記コンタクト層の前記第１半導体層が配置される面に、前記電界吸収層に電圧を印加するための電極が設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光源。
  4. 前記活性層および前記第１反射層の積層方向からみて、前記断熱層の面積は、前記第１半導体層の面積よりも小さい、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源。
  5. 前記断熱層の周囲に、前記断熱層よりも熱伝導率が低い層が設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の光源。
  6. アルカリ金属原子を封入したガスセルと、
    前記ガスセルに光を照射する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源と、
    前記ガスセルを透過した光の光量を検出する光検出手段と、
    を含む、ことを特徴とする原子発振器。
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