JP2017204616A - 面発光レーザ素子、原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】光吸収の影響によるレーザ特性の悪化を抑制可能な面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子であって、それぞれの面発光レーザは、基板上に形成された下部ブラッグ反射鏡１０２と、活性層１０４と、上部ブラッグ反射鏡１０７と、を有し、複数の面発光レーザのうち少なくとも１つは、上部ブラッグ反射鏡内または下部ブラッグ反射鏡内または活性層内に形成された波長調整領域１５０を備え、波長調整領域は、波長調整層１３０及びコンタクト層１２０を含み、コンタクト層のバンドギャップは、複数の面発光レーザの出射する各レーザ光の波長の何れの波長のフォトンエネルギーよりも大きく、複数の面発光レーザは、第１の波長のレーザ光を出射する第１の面発光レーザ１１と、第１の面発光レーザとは異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２の面発光レーザ１２と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、面発光レーザ素子、及び原子発振器に関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型の半導体レーザと比較して、低価格、低消費電力、小型であって高性能であること、また２次元的に集積化しやすいという特徴を有している。

面発光レーザは、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とからなる共振器構造を有している。よって、共振器領域は、波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振するように所定の光学的厚さで形成されている。

上部反射鏡及び下部反射鏡は、屈折率の異なる材料、すなわち、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層形成する分布ブラッグ反射鏡により形成されており、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料と高屈折率材料の光学的厚さがλ／４となるように形成されている。

また、チップ内に波長の異なる複数の面発光レーザが形成された多波長の面発光レーザ素子が開示されており、原子発振器等の多くの用途が期待されている。

ところで、結晶成長中の熱履歴を低減する等の目的で、上部反射鏡の一部を誘電体で形成する場合がある。通常の面発光レーザの場合、上部反射鏡全体に電気伝導性を持たせるため、上部電極と接続するコンタクト層は上部反射鏡の上に配置されている。これに対して、上部反射鏡の一部を誘電体で形成する面発光レーザの場合、誘電体に電気伝導性を持たせることができないため、コンタクト層が上部反射鏡の途中に入る構造になる。

コンタクト層が上部反射鏡の途中に入ると、発振閾値電流にばらつきが生じる等、レーザ特性が悪化する場合がある。これに関し、例えば、反射鏡内または共振器内に、膜厚の調整により波長を変化させる波長調整層が含まれている面発光レーザ素子において、波長調整層の膜厚を調整することで、複数の面発光レーザ間で反射率を揃え、レーザ特性の悪化を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、波長調整層とコンタクト層との間に位相調整層を設け、位相調整層の膜厚を調整することで、複数の面発光レーザ間での光閉じ込め変化を低減し、レーザ特性の悪化を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、波長調整層や位相調整層の膜厚を調整したとしても、波長調整領域中のコンタクト層による光吸収の影響でレーザ特性が悪化する場合がある。上記の技術では、この問題は解決されていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光吸収の影響によるレーザ特性の悪化を抑制可能な面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

本面発光レーザ素子は、複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子であって、それぞれの前記面発光レーザは、基板上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記複数の面発光レーザのうち少なくとも１つの面発光レーザは、前記上部ブラッグ反射鏡内または前記下部ブラッグ反射鏡内または前記活性層内に形成された波長調整領域を備え、前記波長調整領域は、波長調整層及びコンタクト層を含み、前記コンタクト層のバンドギャップは、前記複数の面発光レーザの出射する各レーザ光の波長の何れの波長のフォトンエネルギーよりも大きく、前記複数の面発光レーザは、第１の波長のレーザ光を出射する第１の面発光レーザと、前記第１の面発光レーザとは前記波長調整層の光学的厚さを変えて前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２の面発光レーザと、を含むことを要件とする。

開示の技術によれば、光吸収の影響によるレーザ特性の悪化を抑制可能な面発光レーザ素子を提供できる。

第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する部分断面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の波長調整領域の構造図である。 異なる不純物ドーピング濃度におけるＧａＡｓの光吸収係数を例示する図である。 発振閾値電流と波長調整層の光学的厚さのズレ量との関係を例示する図である。 第２の実施の形態に係る原子発振器を例示する模式図である。 ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の説明図である。 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図である。 変調周波数と透過光量との相関図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
（面発光レーザ素子の概要）
図１は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。図２は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する部分断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。

図１及び図２に示すように、面発光レーザ素子１０は、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４の４つの面発光レーザを備えている。但し、面発光レーザ素子１０は２つ以上の面発光レーザを備えていればよく、面発光レーザの個数は４つには限定されない。

面発光レーザ素子１０において、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４は、それぞれメサ構造となっている。面発光レーザ素子１０の上部から視たメサ構造の形状は、円形であってもよく、楕円形、正方形、長方形等であってもよい。面発光レーザ素子１０では、基板１０１と反対側（図２の矢印方向）にレーザ光が出射される。

面発光レーザ素子１０は、例えば、約３００μｍ角の半導体チップ上に形成されており、この半導体チップ上に形成された第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４は、各々に対応して設けられた電極パッド２１〜２４に接続されている。

具体的には、第１の面発光レーザ１１には電極パッド２１が接続されており、第２の面発光レーザ１２には電極パッド２２が接続されており、第３の面発光レーザ１３には電極パッド２３が接続されており、第４の面発光レーザ１４には電極パッド２４が接続されている。

また、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４は、出射される光の波長が相互に異なるものである。すなわち、第１の面発光レーザ１１より出射される波長λ１、第２の面発光レーザ１２より出射される波長λ２、第３の面発光レーザ１３より出射される波長λ３、第４の面発光レーザ１４より出射される波長λ４は、相互に異なる。

但し、これは一例であり、面発光レーザ素子１０には、出射される波長が異なる少なくとも２つの面発光レーザが含まれていればよく、同じ波長の光を出射する２以上の面発光レーザが含まれていてもよい。

面発光レーザ素子１０において、基板１０１上には、下部ブラッグ反射鏡１０２（以下、下部ＤＢＲ１０２とする）が形成されている。なお、ＤＢＲとは、Distributed Bragg Reflectorの略である。

基板１０１としては、例えば、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いることができる。下部ＤＢＲ１０２は、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成したものであり、具体的には、例えば、ｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的厚さがλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成することができる。

下部ＤＢＲ１０２上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１０３を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０４が形成されている。活性層１０４上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる上部スペーサ層１０５が形成されている。なお、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により１波長の光学厚さとなる共振器領域が形成されている。

上部スペーサ層１０５上には、上部ブラッグ反射鏡１６０（以下、上部ＤＢＲ１６０とする）が形成されている。上部ＤＢＲ１６０は、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６（以下、第２の上部ＤＢＲ１０６とする）、波長調整領域１５０、及び第１の上部ブラッグ反射鏡１０７（以下、第１の上部ＤＢＲ１０７とする）を含むものである。

第２の上部ＤＢＲ１０６は、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成したものであり、具体的には、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的厚さがλ／４となるように６ペア積層することにより形成することができる。

第２の上部ＤＢＲ１０６の低屈折率層の一つは、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０８により形成されており、電流狭窄層１０８の周辺部分は選択酸化されて選択酸化領域１０８ａが形成されており、中心部分は酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂが形成されている。

第２の上部ＤＢＲ１０６上には、波長調整領域１５０を介して、第１の上部ＤＢＲ１０７が形成されている。第１の上部ＤＢＲ１０７は、例えば、ＴｉＯ_２高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層とを各々の層の光学的厚さがλ／４となるように８ペア積層することにより形成することができる。波長調整領域１５０については、後述する。

なお、第１の上部ＤＢＲ１０７は、屈折率の異なる誘電体材料（高屈折率材料と低屈折率材料）を交互に積層した構造を備えていればよい。具体的には、誘電体材料としては、酸化物、窒化物、フッ化物等の材料が挙げられる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ_２の他、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２等が挙げられる。また、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２の他、ＭｇＦ_２等が挙げられる。第１の上部ＤＢＲ１０７におけるＴｉＯ_２高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層は、スパッタリングまたは真空蒸着等により形成することができる。

各々の面発光レーザには、ｐ側電極となる上部電極１１１が形成されている。上部電極１１１は、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４に対応して各々形成された個別電極であり、各々の上部電極１１１は、各々電極パッド２１、２２、２３、及び２４と接続されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側電極（共通電極）となる下部電極１１２が形成されている。

更に、各々の面発光レーザのメサ構造の周囲及びメサ構造の間には、ＳｉＮからなる保護膜１７０が形成されている。そして、各々の面発光レーザのメサ構造の間に形成された保護膜１７０上にはポリイミド等の樹脂材料からなる樹脂層１７１が形成されている。

保護膜１７０は、メサ構造を形成する際のエッチングで現れた、腐食しやすいＡｌを含む層の側面や底面を保護する誘電体膜であり、面発光レーザ素子１０の信頼性向上に寄与する。

面発光レーザ素子１０では、誘電体である第１の上部ＤＢＲ１０７と、半導体である第２の上部ＤＢＲ１０６とに挟まれている波長調整領域１５０の膜厚が、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、及び第４の面発光レーザ１４において異なっている。これにより、発振波長が異なる発光素子部が基板１０１内に複数（本実施の形態の場合４波長：λ１、λ２、λ３、λ４）得られる。

波長調整領域１５０の膜厚は、波長調整層１４０の層数を異ならせて光学的厚さを変えることで、変化させることができる。例えば、波長調整層１４０の１層当たりの光学的厚さを０．０２λとした場合に、波長調整層１４０を１層増やすことにより、面発光レーザの発振波長を＋１ｎｍにすることができる。

但し、『波長調整層１４０の層数を異ならせて光学的厚さを変える』には、波長調整層１４０の光学的厚さがゼロの場合（すなわち、波長調整層１４０を設けない場合も含む）。すなわち、複数の面発光レーザには、波長調整層１４０を全く有していない面発光レーザが含まれていてもよい。

また、複数の面発光レーザには、波長調整層１４０の層数が同一（光学的厚さが同一）である波長調整領域１５０を備えた２以上の面発光レーザが含まれていてもよい。すなわち、複数の面発光レーザには、同じ波長の光を出射する２以上の面発光レーザが含まれていてもよい。

また、波長調整層１４０が所定の光学的厚さを有して第１の波長のレーザ光を出射する第１の面発光レーザと、波長調整層１４０を有しない第１の波長とは異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２の面発光レーザとの２つの面発光レーザを備えた面発光レーザ素子であってもよい。

波長調整領域１５０は、活性層１０４に近い側から、第２の位相調整層１１０、コンタクト層１２０、第１の位相調整層１３０、及び波長調整層１４０の順で設けることができる。

第２の位相調整層１１０は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓから形成することができる。コンタクト層１２０は、例えば、ｐ−ＧａＡｓＰから形成することができる。第１の位相調整層１３０は、例えば、ＧａＩｎＰから形成することができる。

波長調整層１４０は、例えば、第１層１４１、第２層１４２、及び第３層１４３が順次積層した構造とすることができる。第１層１４１、第２層１４２、及び第３層１４３は、例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、及びＧａＩｎＰから形成することができる。

なお、波長調整領域１５０は、上部ＤＢＲ１６０内ではなく、下部ＤＢＲ１０２内または活性層１０４内に形成してもよい。

（面発光レーザ素子の製造方法）
まず、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１０１上に、半導体材料からなる下部ＤＢＲ１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第２の上部ＤＢＲ１０６、及び波長調整領域１５０を積層形成する。このように基板１０１上に複数の層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」と称する場合がある。積層体の形成は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で行うことができる。また、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いて行ってもよい。

波長調整領域１５０において、波長調整層１４０は、各々の面発光レーザでフォトリソグラフィ及び選択的エッチングにより層数を異ならせて形成し、膜厚を変化させる。但し、前述のように、複数の面発光レーザには、波長調整層１４０を全く有していない面発光レーザが含まれていてもよい。また、複数の面発光レーザには、波長調整層１４０の層数が同一（層厚が同一）である波長調整領域１５０を備えた２以上の面発光レーザが含まれていてもよい。

波長調整層１４０のエッチングに用いるエッチング液としては、例えば、ＧａＰＡｓ（ＧａＡｓの場合も同様）は硫酸、過酸化水素、水の混合液を、またＧａＩｎＰは塩酸、水の混合液を用いることができる。また、同時に、上部電極１１１とのコンタクトを取る部分の波長調整層１４０も除去することができる。

次に、形成される各々の面発光レーザ間の半導体層を、少なくとも電流狭窄層１０８の側面が現れる深さまでエッチングにより除去し、メサ構造を形成する。メサ構造を形成する際のエッチングには、ドライエッチング法を用いることができる。なお、メサ構造は、上部より見た形状が円形となるように形成してもよく、楕円形、正方形、長方形等の形状となるように形成してもよい。

メサ構造を形成した後、水蒸気中で熱処理を行うことにより、電流狭窄層１０８をメサ構造の周囲より酸化し、周辺部分の選択酸化領域１０８ａ（酸化されている領域）と中心部分の酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂとを形成する。つまり、電流狭窄層１０８は、酸化された選択酸化領域１０８ａと、酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂとから構成されており、電流狭窄構造となっている。

その後、各々の面発光レーザのメサ構造の外側及びメサ構造の間に、ＳｉＮ等からなる保護膜１７０を形成し、更に各々の面発光レーザのメサ構造の間をポリイミド等の樹脂材料で埋め込んで平坦化し樹脂層１７１を形成する。そして、コンタクト層１２０上の保護膜１７０及び樹脂層１７１を除去し、コンタクト層１２０上のコンタクトを取る部分にｐ側電極となる上部電極１１１を形成する。そして、基板１０１の裏面にｎ側電極（共通電極）となる下部電極１１２を形成する。最後に、第１の上部ＤＢＲ１０７を電子ビーム蒸着法等で形成することで、面発光レーザ素子１０が完成する。

（波長調整領域の詳細）
図３は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の波長調整領域の構造図である。第１の上部ＤＢＲ１０７を構成する個々の誘電体は、屈折率が半導体より小さい。そのため、波長調整層１４０は、光モード分布における縦モードの腹位置付近に設けられる必要がある。また、波長調整層１４０の厚さが異なる面発光レーザ間で電気的な特性を揃えるため、コンタクト層１２０は波長調整層１４０の下部に設けることが好ましい。

また、光吸収を低減するため、コンタクト層１２０を光モード分布における縦モードの節位置に設ける必要があるため、波長調整層１４０とコンタクト層１２０との間に第１の位相調整層１３０を設けて第１の位相調整層１３０の膜厚を調整する。同様に、コンタクト層１２０と第２の上部ＤＢＲ１０６の間に第２の位相調整層１１０を設けて第２の位相調整層１１０の膜厚を調整する。

λを面発光レーザの波長、Ｎを正の整数とした場合に、第２の位相調整層１１０、コンタクト層１２０、第１の位相調整層１３０、及び波長調整層１４０の合計の光学的厚さが（２Ｎ＋１）×λ／４であり、活性層１０４に近い側の第２の位相調整層１１０の端部（最下部）からコンタクト層１２０の中心までの光学的厚さがλ／２となるように、第２の位相調整層１１０の膜厚を調整することが好ましい。これにより、コンタクト層１２０の中心を光モード分布における縦モードの節位置にすることができる。

また、波長調整層１４０の中心からコンタクト層１２０の中心までの光学的厚さが３λ／４となるように、第１の位相調整層１３０の膜厚を調整することが好ましい。このように第１の位相調整層１３０の膜厚を調整することにより、波長の異なる面発光レーザにおける反射率を均一にすることができる。

なお、波長調整領域１５０は、電界強度の強い上部ＤＢＲ１６０中に配置されるため、特に異なる波長調整層１４０の厚みで形成する複数の面発光レーザ間での特性差に大きく影響する。上記のようにコンタクト層１２０の中心を光モード分布における縦モードの節位置に設けることで、複数の面発光レーザ間での特性差に対する光吸収の影響はある程度は低減できるものの、これだけでは十分ではない。

図４は、異なる不純物ドーピング濃度におけるＧａＡｓの光吸収係数を例示している。図４において、横軸はエネルギー、縦軸は光吸収係数である。ここでは、コンタクト層１２０に１．６×１０^１９ｃｍ^−３の不純物ドーピングがされている場合を考える。

図４から、コンタクト層１２０に１．６×１０^１９ｃｍ^−３の不純物ドーピングがされている場合、吸収端Ａのエネルギーより高エネルギー側において、バンド間吸収が増加し、光吸収係数αが増加していることがわかる。また、不純物ドーピングが増加すると、吸収端Ａのエネルギーより低エネルギー側において自由キャリア吸収が増加し、不純物ドーピング濃度１．６×１０^１９ｃｍ^−３の場合では光吸収係数αが１００ｃｍ^−１程度になる。

ここで、波長８９５ｎｍの面発光レーザに着目すると、光吸収係数αが大きく変化するエネルギー領域にフォトンエネルギーがある。この８９５ｎｍ相当のエネルギーを有するフォトンは、上記１．６×１０^１９ｃｍ^−３の不純物ドーピングにおける吸収端Ａより大きいため、光吸収係数αが自由キャリア吸収量よりも大きく、８００ｃｍ^−１程度まで増加する。コンタクト層１２０は上部ＤＢＲ１６０中に配置されるため、この数値でも、複数の面発光レーザ間での特性差に対する光吸収の影響を十分低減できるとはいえない。

発明者らの検討によれば、コンタクト層１２０のバンドギャップが面発光レーザの発振波長でのフォトンエネルギーより小さいと、コンタクト層１２０での光吸収によって生じる光損失により発振閾値電流等のレーザ特性が悪化する場合があることがわかった。

更に、波長の異なる面発光レーザを備えた面発光レーザ素子の場合、コンタクト層１２０での光吸収によって生じる光損失により、波長調整層の膜厚が異なる複数の面発光レーザ間で、発振閾値電流やスロープ効率が揃わなくなることが明らかになった。これは、コンタクト層１２０が上部ＤＢＲ１６０中に配置されると、電界強度が強いため、光吸収によって生じる光損失の影響が大きくなるためである。

このように、発振波長以外のレーザ特性がばらつくと、各面発光レーザ間で動作電流等を調整する必要が生じ好ましくない。

そこで、本実施の形態では、コンタクト層１２０のバンドギャップＥｇ［ｅＶ］が、複数の面発光レーザの出射する各レーザ光の波長の何れの波長のフォトンエネルギーＥｐ［ｅＶ］よりも大きい材料によりコンタクト層１２０を形成する。例えば、複数の面発光レーザの出射する各レーザ光の波長のうち最大の波長が８９５ｎｍであれば、発振波長である８９５ｎｍのフォトンエネルギーＥｐ［ｅＶ］よりも大きい材料を使用する。

すなわち、コンタクト層１２０に、吸収端が８９５ｎｍを超えるような広いバンドギャップＥｇ［ｅＶ］の材料を使用する。なお、図４より、８９５ｎｍのフォトンエネルギーＥｐは、約１．３９［ｅＶ］である。

例えば、コンタクト層１２０を、Ｐの組成が３％以上であるＧａＡｓＰにより形成する。これにより、８９５ｎｍでの吸収が自由キャリア吸収のみとなり、大幅に光吸収を低減できる。その結果、光吸収によって生じる光損失を低減でき、レーザ特性の悪化を抑制可能となる。

図５は、コンタクト層１２０がＧａＡｓからなる場合と、ＧａＡｓＰ（Ｐ＝３％、７％、１２％）からなる場合における、発振閾値電流と波長調整層１４０の光学的厚さのズレ量との関係を示している（計算値）。ここでは、波長調整層１４０の中心からコンタクト層１２０の中心までの光学的厚さは３λ／４で設計されており、波長調整層１４０の中心が図５の横軸の０に相当している。

横軸のマイナスは波長調整層１４０の膜厚が薄い場合を意味する一方で、横軸のプラスは波長調整層１４０の膜厚が厚い場合を意味する。ここで波長調整層１４０の厚みは、波長調整層１４０の各１層を選択的エッチングでエッチングすることで調整する。波長調整層１４０の厚みが変化すると発振波長が変化する。

図５から、コンタクト層１２０がＧａＡｓである場合、波長調整層１４０の光学的厚さが−０．０３λ（λ４）の時、面発光レーザの発振閾値電流が光学的厚さの中心値に対して約１．１倍増加することがわかる。

これに対して、コンタクト層１２０がＧａＡｓＰ（Ｐ組成が３％）の場合は、波長調整層１４０の光学的厚さが−０．０３λ（λ４）の時、面発光レーザの発振閾値電流が光学的厚さの中心値に対して約１．０７倍の増加となり、コンタクト層１２０がＧａＡｓである場合の約１．１倍よりも低減していることがわかる。

ここで、Ｐ組成が３％から７％や１２％に増加しても、面発光レーザの発振閾値電流は大きく変化しない。なお、ＧａＡｓＰの場合、Ｐ組成を更に増加するとＧａＡｓに対して引っ張り歪が大きくなることから、Ｐ＜３０％とすることが望ましい。なお、Ｐ組成が３％未満であると、レーザ特性の悪化を抑制する効果が低減する。

このように、コンタクト層１２０の材料として、コンタクト層１２０のバンドギャップＥｇ［ｅＶ］が、複数の面発光レーザの最大の発振波長である８９５ｎｍのフォトンエネルギーＥｐ［ｅＶ］よりも大きい材料（例えば、ＧａＡｓＰ）を適用することにより、光吸収の影響によるレーザ特性の悪化を抑制可能となる。

なお、コンタクト層１２０の材料としては、コンタクト層１２０のバンドギャップＥｇ［ｅＶ］が、複数の面発光レーザの最大の発振波長である８９５ｎｍのフォトンエネルギーＥｐ［ｅＶ］よりも大きい材料であれば、ＧａＡｓＰ以外の材料を用いても構わない。このような材料としては、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。

〈第１の実施の形態の変形例〉
第１の実施の形態では、複数の面発光レーザの最大の発振波長が８９５ｎｍである例を示した。第１の実施の形態の変形例では、複数の面発光レーザの最大の発振波長が７８０である例を示す。

発振波長７８０ｎｍの面発光レーザを形成する場合、ＧａＡｓの吸収係数は１０４ｃｍ^−１と非常に大きい。コンタクト層１２０が上部ＤＢＲの上側にある従来の構造の場合、縦モードの強度が弱いため影響が少ないものの、コンタクト層１２０を上部ＤＢＲの途中または共振器中に入れる層構造の場合、多波長の面発光レーザ間の特性差が更に大きくなる。

そこで、発振波長７８０ｎｍの面発光レーザを形成する場合も、８９５ｎｍの場合と同様に、コンタクト層１２０をＧａＡｓＰにすることが好ましい。ＧａＡｓＰは、コンタクト層１２０のバンドギャップＥｇ［ｅＶ］が、複数の面発光レーザの最大の発振波長である７８０ｎｍのフォトンエネルギーＥｐ［ｅＶ］よりも大きい材料である。なお、ＧａＡｓＰにおけるＰ組成は少なくとも１０％以上であることが好ましい。

これにより、発振波長７８０ｎｍの面発光レーザを形成する場合も、光吸収の影響によるレーザ特性の悪化を抑制可能となる。

〈第２の実施の形態〉
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を用いた原子発振器を示す。図６に基づき本実施の形態に係る原子発振器について説明する。

本実施の形態に係る原子発振器４００は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４波長板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。原子発振器４００は、面発光レーザより出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル４４０に入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御する原子発振器である。

光源４１０には、第１の形態に係る面発光レーザ素子１０が用いられている。アルカリ金属セル４４０には、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器４５０は、フォトダイオードが用いられている。

原子発振器４００では、光源４１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされ、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子１０を変調する。

図７に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。２つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザ素子１０を構成する面発光レーザには、搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。

図８に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。

図９に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となるので、光検出器４５０の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックして光源４１０における面発光レーザ素子１０の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。なお、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。±０．３ｎｍの範囲の波長の光源を用いることが、より望ましい。

一般に、面発光レーザは、結晶成長での膜厚のバラツキにより、上記±１ｎｍの範囲の均一な発振波長を得ることが困難である。しかし、原子発振器４００は第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子１０を用いているため、面発光レーザ素子１０を構成する発振波長の異なる面発光レーザのうち、８９４．６ｎｍに近い発振波長の面発光レーザを選んで動作させることで、発振波長に関する歩留まりを向上できる。その結果、原子発振器４００を低コストで作製し提供できる。

また、面発光レーザ素子１０では、所望の波長間隔をより高精度に制御できることから（単に波長間隔を等間隔にするだけでなく）、結晶成長による発振波長ばらつきの分布を考慮した最適な波長間隔を設定することが容易になり、更に発振波長の歩留まりを向上することができる。

また、本実施の形態ではアルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５２．３ｎｍの面発光レーザを用いることができる。

また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍの面発光レーザ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍの面発光レーザを用いることができる。アルカリ金属としてＲｂを用い、Ｄ２ラインを利用する場合には、第１の実施の形態で示したように、コンタクト層１２０をＧａＡｓＰにし、Ｐ組成は少なくとも１０％以上とすることが好ましい。

活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。なお、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第２の実施に係る形態では、面発光レーザ素子を原子発振器に用いた場合について説明したが、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子は、ガスセンサー等の所定の波長の光が必要な他の装置等に用いることができる。この場合、これらの装置等においても、用途に応じた所定の波長の面発光レーザ光を用いることにより、同様の効果を得ることができる。

１０ 面発光レーザ素子
１１ 第１の面発光レーザ
１２ 第２の面発光レーザ
１３ 第３の面発光レーザ
１４ 第４の面発光レーザ
２１、２２、２３、２４ 電極パッド
１０１ 基板
１０２ 下部ブラッグ反射鏡
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 第２の上部ブラッグ反射鏡
１０７ 第１の上部ブラッグ反射鏡
１０８ 電流狭窄層
１０８ａ 選択酸化領域
１０８ｂ 電流狭窄領域
１１０ 第２の位相調整層
１１１ 上部電極
１１２ 下部電極
１２０ コンタクト層
１３０ 第１の位相調整層
１４０ 波長調整層
１４１ 第１層
１４２ 第２層
１４３ 第３層
１５０ 波長調整領域
１６０ 上部ブラッグ反射鏡
１７０ 保護膜
１７１ 樹脂層
４００ 原子発振器
４１０ 光源
４２０ コリメートレンズ
４３０ λ／４波長板
４４０ アルカリ金属セル
４５０ 光検出器
４６０ 変調器

特開２０１３−１３８１７６号公報 特開２０１５−８２７１号公報

Claims (11)

1. 複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子であって、
   それぞれの前記面発光レーザは、
   基板上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、
   前記下部ブラッグ反射鏡上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、
   前記複数の面発光レーザのうち少なくとも１つの面発光レーザは、前記上部ブラッグ反射鏡内または前記下部ブラッグ反射鏡内または前記活性層内に形成された波長調整領域を備え、
   前記波長調整領域は、波長調整層及びコンタクト層を含み、
   前記コンタクト層のバンドギャップは、前記複数の面発光レーザの出射する各レーザ光の波長の何れの波長のフォトンエネルギーよりも大きく、
   前記複数の面発光レーザは、第１の波長のレーザ光を出射する第１の面発光レーザと、前記第１の面発光レーザとは前記波長調整層の光学的厚さを変えて前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザ光を出射する第２の面発光レーザと、を含むことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記コンタクト層は、Ｐの組成が３％以上であるＧａＡｓＰにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記波長調整領域が、前記活性層に近い側から、第２の位相調整層、前記コンタクト層、第１の位相調整層、前記波長調整層の順で設けられており、
   λを前記面発光レーザの波長、Ｎを正の整数とした場合に、
   前記第２の位相調整層、前記コンタクト層、前記第１の位相調整層、及び前記波長調整層の合計の光学的厚さが（２Ｎ＋１）×λ／４であり、
   前記活性層に近い側の前記第２の位相調整層の端部から前記コンタクト層の中心までの光学的厚さがλ／２であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記上部ブラッグ反射鏡内に前記波長調整領域が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記上部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる誘電体材料を交互に積層した構造を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記複数の面発光レーザは、全て異なる波長のレーザ光を出射することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記複数の面発光レーザには、同じ波長のレーザ光を出射する２以上の面発光レーザが含まれていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
8. 前記複数の面発光レーザのうち何れか１つは、７８０ｎｍ、７９５ｎｍ、８５２ｎｍ、８９５ｎｍの波長のレーザ光を出射することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の面発光レーザ素子と、
   アルカリ金属を封入したアルカリ金属セルと、
   前記面発光レーザ素子における面発光レーザより前記アルカリ金属セルに照射した光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記面発光レーザより出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御することを特徴とする原子発振器。
10. 前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする請求項９に記載の原子発振器。
11. 前記アルカリ金属は、ルビジウム、または、セシウムであることを特徴とする請求項９または１０に記載の原子発振器。

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